JP6163525B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
６００℃以上の温度で作動する固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などの高温作動形燃料電池のシステムでは、効率化を図る点から、高温作動形燃料電池のアノードからそれぞれ排出されるアノードオフガスを燃焼したガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収し、その回収した凝縮水を気化した水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いることがある。このとき、凝縮して回収される水蒸気の量が、炭化水素ガスの水蒸気改質に必要な水蒸気量よりも多くなるようにして、外部からの改質水供給が不要となる水自立が成立することが好ましい。
また、燃料吸入流が供給された燃料電池スタックを運転して電気と２００℃を超える温度の燃料排気流とを生成し、前記燃料排気流の温度を２００℃以下に下げ、前記燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに分割した後、蒸気を含む前記第一の燃料排気分流を前記燃料吸入流へとリサイクルする燃料電池システムの運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等を備える高温作動形燃料電池システムにて、燃料利用率を向上させる手法として、燃料電池スタックの多段化が検討されている。これは、複数の燃料電池スタックを用いて、前段の燃料電池スタックで未反応であった改質ガスを含むアノードオフガスを後段の燃料電池スタックで利用するという技術である。
また、発電効率を高める点から、前段の燃料電池スタックから排出されたアノードオフガス中から水蒸気を取り除いて、反応に寄与する改質ガス（水素や一酸化炭素）の濃度を高めた後にアノードオフガスを後段の燃料電池スタックで利用することが好ましい。
さらに、燃料電池スタックでの発電に用いる改質ガスは、例えば、炭化水素ガスの水蒸気改質により生成されるが、この水蒸気改質に用いる水蒸気は、外部から供給することなく、システム内で生成される水蒸気により賄うことが好ましい。すなわち、燃料電池システムにて、外部からの改質水供給が不要となる水自立を成立させることが好ましい。
燃料電池システムにて水自立を成立させる点から、アノードオフガス中に含まれる水蒸気及び改質部を加熱する際の燃焼反応により生じた燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を、炭化水素ガスの水蒸気改質に用いることが想定される。このとき、アノードオフガス中の水蒸気を凝縮させてオフガスドレンタンクにて回収し、回収した凝縮水を、燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収した排ガスドレンタンクに供給し、この排ガスドレンタンクに貯留された凝縮水を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いればよい。
しかしながら、前述の２つのドレンタンクは連結していることにより、水素や一酸化炭素を含む改質ガス、未改質の炭化水素ガスなどの発電や燃焼に用いられていない未反応のガスを流通させた場合に、未反応のガスが、オフガスドレンタンクから排ガスドレンタンクへ供給されたときに、大気開放された排ガスドレンタンクから外部に放出されてしまい、外部にて未反応ガスが反応するなどの不安全事象が発生するという問題がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、システム内に供給されている未反応のガスが外部に放出されることを抑制し、不安全事象の発生を抑制した燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の燃料電池と、前記Ｎ個の燃料電池のうち、隣り合う２つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、より上流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を凝縮させて回収し、水蒸気が回収されたオフガスをより下流の前記燃料電池に供給する第１水蒸気回収手段と、最も下流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスを前記燃焼部に供給するオフガス経路と、前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する第２水蒸気回収手段と、前記第１水蒸気回収手段と前記第２水蒸気回収手段とを連結し、前記第１水蒸気回収手段にて回収された凝縮水を前記第２水蒸気回収手段に供給する凝縮水供給経路と、前記第１水蒸気回収手段の水位を検知する水位検知手段と、前記凝縮水供給経路に設けられ、前記水位検知手段により検知された水位に基いて開閉する開閉弁と、を備える燃料電池システム。
＜１＞ 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の燃料電池と、前記Ｎ個の燃料電池のうち、隣り合う２つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、より上流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を凝縮させて回収し、水蒸気が回収されたオフガスをより下流の前記燃料電池に供給する第１水蒸気回収手段と、最も下流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスを前記燃焼部に供給するオフガス経路と、前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する第２水蒸気回収手段と、前記第１水蒸気回収手段と前記第２水蒸気回収手段とを連結し、前記第１水蒸気回収手段にて回収された凝縮水を前記第２水蒸気回収手段に供給する凝縮水供給経路と、前記第１水蒸気回収手段の水位を検知する水位検知手段と、前記凝縮水供給経路に設けられ、前記水位検知手段により検知された水位に基いて開閉する開閉弁と、を備える燃料電池システム。
本形態に係る燃料電池システムは、より上流の燃料電池から排出されたオフガス中の水蒸気を凝縮させて回収する第１水蒸気回収手段と、燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する第２水蒸気回収手段と、を備え、第１水蒸気回収手段と第２水蒸気回収手段とは、凝縮水供給経路により連結されている。さらに、本形態に係る燃料電池システムは、第１水蒸気回収手段に設けられた水位検知手段により、第１水蒸気回収手段の水位を検知し、検知された水位に基いて開閉弁を開閉する。
そのため、例えば、システム起動開始直後など、燃料電池での発電による水蒸気が発生しない状況下では、システム内に供給されている未反応のガス（改質ガスや炭化水素ガス）が、凝縮水供給経路を介して第２水蒸気回収手段に供給され、第２水蒸気回収手段から外部に放出されてしまい、不安全事象が発生するおそれがある。
一方、本形態に係る燃料電池システムは、水位検知手段により検知された第１水蒸気回収手段の水位に基いて開閉弁の開閉を調節するため、燃料電池での発電による水蒸気が発生しておらず、第１水蒸気回収手段の水位が所定の値よりも小さいときに開閉弁を閉じることで、システム内に供給されている未反応のガスが、凝縮水供給経路を介して第２水蒸気回収手段に供給されない。そして、システム内に供給されている未反応のガスは、オフガス経路を介して燃焼部に供給され、燃焼反応に用いられる。したがって、システム内に供給されている未反応のガスが外部に放出されることが抑制され、不安全事象の発生が抑制される。
＜２＞ 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の燃料電池と、前記Ｎ個の燃料電池のうち、隣り合う２つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、より上流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を凝縮させて回収し、水蒸気が回収されたオフガスをより下流の前記燃料電池に供給する第１水蒸気回収手段と、最も下流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスを前記燃焼部に供給するオフガス経路と、前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する第２水蒸気回収手段と、前記第１水蒸気回収手段及び前記第２水蒸気回収手段と接続し、前記第１水蒸気回収手段及び前記第２水蒸気回収手段にてそれぞれ回収された凝縮水を流通させる凝縮水流通経路と、を備える燃料電池システム。
本形態に係る燃料電池システムは、より上流の燃料電池から排出されたオフガス中の水蒸気を凝縮させて回収する第１水蒸気回収手段と、燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する第２水蒸気回収手段と、を備える。さらに、本形態に係る燃料電池システムは、第１水蒸気回収手段及び前記第２水蒸気回収手段と接続し、各回収手段にて回収された凝縮水を流通させる凝縮水流通経路を備える。
そのため、例えば、システム起動開始直後など、燃料電池での発電による水蒸気が発生しない状況下では、第１水蒸気回収手段にて水蒸気がほとんど凝縮されない一方、燃焼部での燃焼反応により生じる水蒸気を含む排ガスが発生することで、第２水蒸気回収手段にて水蒸気が凝縮される。そして、第２水蒸気回収手段に凝縮水が貯留され、貯留された凝縮水が凝縮水流通経路に供給される。
第２水蒸気回収手段に貯留された凝縮水が、凝縮水流通経路内を流通することにより、システム内に供給されている未反応のガスが、第１水蒸気回収手段を介して凝縮水流通経路内に供給されることが抑制される。すなわち、凝縮水流通経路内を流通する凝縮水により、システム内に供給されている未反応のガスが水封され、凝縮水流通経路を介してガスが第２水蒸気回収手段に供給されない。そして、システム内に供給されている未反応のガスは、オフガス経路を介して燃焼部に供給され、燃焼反応に用いられる。そのため、システム内に供給されている未反応のガスが外部に放出されることが抑制され、不安全事象の発生が抑制される。
＜３＞ 前記開閉弁は、前記水位検知手段により検知された水位が第１の閾値以上となったときに開くことで前記第２水蒸気回収手段へ凝縮水を供給し、前記水位検知手段により検知された水位が第２の閾値以下となったときに閉じることで前記第２水蒸気回収手段へ凝縮水を供給しないように制御される＜１＞に記載の燃料電池システム。
本形態に係る燃料電池システムでは、検知された水位が第１の閾値以上となったときに第２水蒸気回収手段へ凝縮水を供給し、検知された水位が第２の閾値以下となったときに第２水蒸気回収手段へ凝縮水を供給しないように、開閉弁が制御される。そのため、水位が低下した際に開閉弁が閉じられるため、システム内に供給されている未反応のガスが、凝縮水供給経路を介して第２水蒸気回収手段に供給されることが抑制される。
＜４＞ 前記第１水蒸気回収手段及び前記第２水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
各水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いることにより、システムの水自立化を図ることができる。
本発明によれば、システム内に供給されている未反応のガスが外部に放出されることを抑制し、不安全事象の発生を抑制した燃料電池システムを提供することができる。
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
＜第１実施形態＞
〔燃料電池システム〕
以下、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システム１０について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図であり、本燃料電池システムでは２個の燃料電池が直列に接続されている。
〔燃料電池システム〕
以下、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システム１０について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図であり、本燃料電池システムでは２個の燃料電池が直列に接続されている。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質部１９及び燃焼部１８を有する改質器１４と、第１燃料電池１１と、第１水蒸気回収手段である水タンク３１と、第２燃料電池１２と、第２水蒸気回収手段である水タンク３２と、水タンク３１と水タンク３２とを連結する凝縮水供給経路３５と、開閉弁３９とを備えている。また、水タンク３１には、貯留された凝縮水の水位を検知する水位検知手段である水位センサー４１が設けられている。さらに、燃料電池システム１０は、水タンク３２に貯留される凝縮水を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いるシステムである。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料電池１１から排出されたオフガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水タンク３１と、燃焼部１８から排出された排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水タンク３２と、を備え、水タンク３１と水タンク３２とは、凝縮水供給経路３５により連結されている。さらに、燃料電池システム１０は、水タンク３１に設けられた水位センサー４１により、水タンク３１の水位を検知し、検知された水位に基いて開閉弁３９を開閉する。
そのため、例えば、システム起動開始直後など、第１燃料電池１１での発電による水蒸気が発生しない状況下では、システム内に供給されている未反応のガス（水素、一酸化炭素などの改質ガス、や炭化水素ガス）が、水タンク３１及び凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２に供給される。凝縮水供給経路３５は、大気開放である水タンク３２の上部と連結しているため、水タンク３２に供給された未反応のガスは外部に放出されてしまい、外部にて未反応ガスが反応するなどの不安全事象が発生するおそれがある。
一方、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水位センサー４１により検知された水タンク３１の水位に基いて開閉弁３９の開閉を調節するため、第１燃料電池１１での発電による水蒸気が発生しておらず、水タンク３１の水位が所定の値よりも小さいときに開閉弁３９を閉じる動作を行なう。これにより、システム内に供給されている未反応のガスは、凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２に供給されず、オフガス経路５４、４６を経て燃焼部１８に供給されて燃焼反応に用いられる。したがって、システム内に供給されている未反応のガスが水タンク３２から外部に放出されることが抑制され、不安全事象の発生が抑制される。また、未反応ガスが外部に放出されることが抑制されているため、システム効率も低下しない。
また、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水タンク３１及び水タンク３２にて凝縮されて回収される水蒸気の量が、炭化水素ガスの水蒸気改質に必要な水蒸気量よりも多くなるようにして、外部からの改質水供給が不要となる水自立が成立している。
以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の各構成について説明する。
（原料ガス供給経路）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、炭化水素ガスを含む原料ガスを改質器１４に供給する原料ガス供給経路２４を備えており、原料ガス供給経路２４は、原料ガスを流通させるためのブロワ２５が設置されている。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、炭化水素ガスを含む原料ガスを改質器１４に供給する原料ガス供給経路２４を備えており、原料ガス供給経路２４は、原料ガスを流通させるためのブロワ２５が設置されている。
原料ガス供給経路２４内を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能な炭化水素ガスを含むものであれば特に限定されず、例えば、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。
原料ガス供給経路２４は、後述する水蒸気供給経路３７と接続しており、水蒸気供給経路３７内を流通する水蒸気が原料ガス供給経路２４に供給される。そして、水蒸気供給経路３７より供給された水蒸気は、原料ガスとともに改質器１４に供給される。なお、原料ガス供給経路２４は、経路内での水蒸気の凝縮を防ぐ観点から、水蒸気供給経路３７と接続されずに水蒸気が水蒸気供給経路３７を通じて改質器１４に直接供給される構成であってもよい。
（改質器）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１４を備えている。改質器１４は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部１８と、改質用触媒を備える改質部１９とを備える。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１４を備えている。改質器１４は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部１８と、改質用触媒を備える改質部１９とを備える。
改質部１９は、上流側にて原料ガス供給経路２４と接続しており、下流側にて改質ガス供給経路４２と接続している。そのため、原料ガス供給経路２４を通じてメタンなどの炭化水素ガスを含む原料ガスが改質部１９に供給され、改質部１９にて炭化水素ガスを水蒸気改質した後に、生成された改質ガスが改質ガス供給経路４２を通じて第１燃料電池１１に供給される。
燃焼部１８は、上流側にて酸素供給経路４４及びオフガス経路４６と接続しており、下流側にて排気経路４８と接続している。燃焼部１８は、第２燃料電池１２のカソード側から排出され、酸素供給経路４４を通じて供給された未反応の酸素を含むガスと、第２燃料電池１２のアノード側から排出され、オフガス経路４６を通じて供給されたオフガスとの混合ガスを燃焼させ、改質部１９内の改質用触媒を加熱する。燃焼部１８からの排ガスは、排気経路４８内を流通する。
改質部１９で起こる水蒸気改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、そのため、燃焼部１８で発生する燃焼熱により改質部１９を加熱することが好ましい。
炭化水素ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部１９にて、以下の式（ａ）の反応により一酸化炭素および水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ （ａ）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ （ａ）
改質部１９内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば特に限定されないが、Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ及びＭｏの少なくとも一つを触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。
改質器１４の改質部１９に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質器１４の改質部１９に供給される単位時間当たりの炭化水素ガスの炭素原子数Ｃと、の比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．５〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．０であることがより好ましく、２．０〜２．５であることがさらに好ましい。スチームカーボン比Ｓ／Ｃがこの範囲にあることにより、炭化水素ガスが効率よく水蒸気改質され、水素および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。さらに、燃料電池システム１０内での炭素析出を抑制することができ、燃料電池システム１０の信頼性を高めることができる。
また、燃焼部１８は、水蒸気改質を効率よく行なう観点から、改質部１９を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。
排気経路４８内を流通する排ガスは、気化器の役割を有する熱交換器２３にて、改質水供給経路３３内を流通する改質水と熱交換を行なう。これにより、排気経路４８内を流通する排ガスは冷却され、改質水供給経路３３内を流通する改質水は気化された後に水蒸気供給経路３７を通じて原料ガス供給経路２４に供給される。
熱交換器２３にて熱交換が行なわれた排ガスは、熱交換器２２にて、酸素供給経路４４内を流通する酸素を含むガスと熱交換を行なう。これにより、排ガスは冷却された後に水タンク３２（凝縮器）に供給され、酸素を含むガスは加熱された後に、第１燃料電池１１のカソードに供給されて発電に用いられる。
水タンク３２は、排気経路４８内を流通する排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた凝縮水を貯留する容器である。水タンク３２では、水蒸気以外の排ガスは外部に排出され、また、所定量以上の水が貯留された際には、例えばオーバーフローによりドレン排水してもよい。
水タンク３２は、後述する凝縮水供給経路３５を通じて水タンク３１と連結している。そのため、水タンク３１に貯留された凝縮水が凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２に供給される。
さらに、水タンク３２は、改質水供給経路３３と接続しており、改質水供給経路３３には、改質水ポンプ３４及び水処理装置３８が設けられている。改質水ポンプ３４により、水タンク３２に貯留された水は改質水として、改質水供給経路３３を通じて水処理装置３８にて不純物が除去された後、熱交換器２３に供給される。
水処理装置３８は、改質水供給経路３３内を流通する水に含まれる不純物を除去するための装置であり、交換や薬品による再生処理が必要なイオン交換樹脂を有する水処理装置、イオン交換樹脂を電気的に再生可能な電気脱イオン式の水処理装置などが挙げられる。
また、排気経路４８内を流通する排ガスと、改質水供給経路３３内を流通する改質水と、の間で熱交換を行なう熱交換器２３の代わりに、改質部１９、第１燃料電池１１、第２燃料電池１２の内少なくとも一つより放出される熱を利用して、改質水を気化する気化器を設けてもよい。
酸素供給経路４４は、空気などの酸素を含むガスが流通する経路であり、酸素を含むガスを第１燃料電池１１に送るためのブロワ２６を備える。酸素を含むガスは熱交換器２２により第１燃料電池１１の作動温度に適した温度に加熱された後に第１燃料電池１１のカソードに供給される。
（第１燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質ガス供給経路４２を通じて改質器１４から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第１燃料電池１１を備えている。第１燃料電池１１としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、第１燃料電池１１としては、６００℃〜８００℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、７００℃〜８００℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、６００℃〜７００℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、改質ガス供給経路４２を通じて改質器１４から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第１燃料電池１１を備えている。第１燃料電池１１としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、第１燃料電池１１としては、６００℃〜８００℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、７００℃〜８００℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、６００℃〜７００℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。
第１燃料電池１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のカソード（図示せず）には、酸素供給経路４４を通じて酸素を含むガスが供給される。酸素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｂ）に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２− （ｂ）
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２− （ｂ）
第１燃料電池１１が固体酸化物形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のアノード（図示せず）には、改質ガス供給経路４２を通じて水素を含む改質ガスが供給される。固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンからアノードと固体酸化物電解質との界面にて水素が電子を受け取ることにより、以下の式（ｃ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （ｃ）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （ｃ）
第１燃料電池１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のカソード（図示せず）には、酸素供給経路４４を通じて酸素及び二酸化炭素を含むガスが供給される。酸素及び二酸化炭素を含むガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｄ）に示す反応が起こり、その際、炭酸イオンが電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ２＋２ＣＯ２＋４ｅ−→２ＣＯ３ ２− （ｄ）
Ｏ２＋２ＣＯ２＋４ｅ−→２ＣＯ３ ２− （ｄ）
第１燃料電池１１が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、第１燃料電池１１のアノード（図示せず）には、改質ガス供給経路４２を通じて水素を含む改質ガスが供給される。電解質の内部を移動する炭酸イオンからアノードと電解質との界面にて水素が電子を受け取ることにより、以下の式（ｅ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋ＣＯ３ ２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ− （ｅ）
Ｈ２＋ＣＯ３ ２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ− （ｅ）
上記式（ｃ）及び式（ｅ）に示すように、第１燃料電池１１での改質ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池では主に水蒸気が生成され、溶融炭酸塩形燃料電池では主に水蒸気及び二酸化炭素が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、第１燃料電池１１にて発電が行なわれる。なお、固体酸化物形燃料電池であっても、一部の一酸化炭素が発電に用いられることで、二酸化炭素が生成される。
カソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の酸素供給経路４４を通じて、第２燃料電池１２のカソード（図示せず）に供給される。
一方、アノードから排出された未反応の改質ガスを含むオフガスは、オフガス経路５２を通じて水タンク３１へ供給される。ここで、未反応の改質ガスを含むオフガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気などを含む混合ガスである。
オフガス経路５２及びオフガス経路５４には熱交換器２１が設置されており、熱交換器２１により、オフガス経路５２内を流通するオフガスと、オフガス経路５４内を流通する水蒸気が回収されたオフガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、オフガス経路５２内を流通するオフガスは冷却され、水タンク３１にて水蒸気が凝縮される温度に近づくとともに、第２燃料電池１２に供給される水蒸気が回収されたオフガスは、発電に適した温度に加熱される。よって、システム全体の発電効率及び熱効率がより向上する。熱交換器２１により冷却されたオフガスは、水タンク３１に供給される。
水タンク３１は、オフガス経路５２内を流通するオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮して得られた凝縮水を貯留することで、オフガス中に含まれる水蒸気を回収するための容器である。水タンク３１は、貯留された凝縮水の水位を検知する水位センサー４１を有する。
水タンク３１は、凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２と連結しており、凝縮水供給経路３５は、水位センサー４１により検知された水位に基いて開閉する開閉弁３９を有する。
開閉弁３９は、前述の水位センサー４１により検知された水位に基いて開閉する弁であり、水位センサー４１により検知された水位のデータに基いて、制御部４０により、その開閉が制御される。例えば、開閉弁３９は、水タンク３１の水位が第１の閾値以上のときに開くことで水タンク３２へ凝縮水を供給するように制御部４０により制御され、かつ、水タンク３１の水位が第２の閾値以下のときに閉まることで水タンク３２へ凝縮水が供給されないように制御部４０により制御されることが好ましい。これにより、水タンク３１の水位が低下した際に開閉弁３９を閉じることで、システム内に供給されている未反応のガスが、凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２に供給されることが抑制される。また、水タンク３１の水位がある一定以上となった際に開閉弁３９を開くことで、水タンク３１に貯留されている凝縮水が凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２に供給される。
以下、燃料電池システム１０における開閉弁の制御処理について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムにおける開閉弁の制御処理を示すフローチャートである。
まず、ステップ２００にて、燃料電池システム１０を起動する。起動時において、開閉弁３９は閉じた状態であり、システム内に供給されている未反応のガスが凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２に供給されることが抑制される。
次に、ステップ２０１にて、水タンク３１の水位が第１の閾値以上であるか判定する。水タンク３１の水位が第１の閾値以上でなければ、開閉弁３９は閉じたままの状態とし、水タンク３１の水位が第１の閾値以上であれば、ステップ２０２にて、開閉弁３９を開く。開閉弁３９を開くことにより、水タンク３１に貯留されていた凝縮水が、凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２に供給される。
次に、ステップ２０３にて、水タンク３１の水位が第２の閾値以下であるか判定する。水タンク３１の水位が第２の閾値以下でなければ、開閉弁３９は開いたままの状態とし、水タンク３１の水位が第２の閾値以下であれば、ステップ２０４にて、開閉弁３９を閉じる。これにより、水タンク３１に貯留されている凝縮水の水位が低下した場合であっても、システム内に供給されている未反応のガスが凝縮水供給経路３５を介して水タンク３２に供給されることが抑制される。
そして、ステップ２０４にて開閉弁を閉じた後、ステップ２０５にてシステムの運転停止要求があるか判定し、システムの停止要求がないときは、ステップ２００〜ステップ２０４を繰り返す。また、ステップ２０５にてシステムの停止要求があるときは、燃料電池システム１０の停止とともに、開閉弁３９の制御処理も停止する。
開閉弁としては、水位センサーにより検知された水位に基いて開閉する弁であればよく、例えば、電磁弁、電動弁などが挙げられる。
次に、水蒸気が回収された後のオフガスは、水タンク３１からオフガス経路５４内を流通し、第２燃料電池１２へ供給される。このとき、前述のように、オフガス経路５２及びオフガス経路５４に設置された熱交換器２１により、オフガス経路５４内を流通する水蒸気回収後のオフガスは、第２燃料電池１２の作動温度に適した温度に加熱される。
（第２燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水タンク３１の下流に配置され、水蒸気が回収されたオフガスを用いて発電を行なう第２燃料電池１２を備えている。第２燃料電池１２としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。なお、第２燃料電池１２は、上述の第１燃料電池１１と同様の構成であるため、共通する事項に関する説明は省略する。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、水タンク３１の下流に配置され、水蒸気が回収されたオフガスを用いて発電を行なう第２燃料電池１２を備えている。第２燃料電池１２としては、例えば、空気極（カソード）、電解質及び燃料極（アノード）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。なお、第２燃料電池１２は、上述の第１燃料電池１１と同様の構成であるため、共通する事項に関する説明は省略する。
燃料電池システム１０では、第２燃料電池１２は、水蒸気が回収されたオフガスを用いて発電を行なう。そのため、第２燃料電池１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気に起因する濃度過電圧が低減され、特に高電流密度時に高い性能を発揮することができる。よって、燃料電池システム１０は、後段の燃料電池にて水蒸気が分離されていないオフガスを用いて発電を行なう多段式の燃料電池システムと比較して、高い発電効率を得ることができる。
第２燃料電池１２のカソードから排出されたオフガスは、下流側の酸素供給経路４４を通じて改質器１４の燃焼部１８へ供給される。一方、第２燃料電池１２のアノードから排出されたオフガスは、オフガス経路４６を通じて改質器１４の燃焼部１８へ供給される。
本実施形態では、第１燃料電池１１に酸素を供給した後、第２燃料電池１２に酸素が供給されるが、酸素供給経路４４は並列であってもよい。つまり、酸素が流通する酸素供給経路４４が分岐し、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２のカソードに酸素をそれぞれ供給する構成であってもよい。
本実施形態に係る燃料電池システム１０では、第１燃料電池１１と第１燃料電池１１との間に、第１燃料電池１１のアノードから排出された未反応の改質ガスを含むオフガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素分離手段を設けてもよい。これにより、第２燃料電池１２では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減される。よって、燃料電池システム１０は、より高い発電効率を得ることができる。二酸化炭素分離手段としては、オフガスに含まれる二酸化炭素を分離できるものであれば特に限定されず、分離膜、吸収材、吸着材などが挙げられる。
また、本実施形態では、水蒸気回収手段として水タンク３１を用いているが、オフガス中の水蒸気を少なくとも分離する水蒸気分離膜と水タンク３１とを組み合わせてもよい。
＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムについて図３を用いて説明する。
図３は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第一実施形態に係る燃料電池システム１０は、開閉弁３９を有する凝縮水供給経路３５を介して水タンク３１と水タンク３２とが連結し、かつ水タンク３１に水位センサー４１が設けられたシステムであるが、本実施形態に係る燃料電池システム２０は、水タンク３１及び水タンク３２は、下流側にて凝縮水を流通させる凝縮水流通経路である改質水供給経路３３と接続しており、かつ水タンク３１に水位センサー４１が設けられていないシステムである。なお、本実施形態では、第一実施形態と同様の構成については、同一の符号を付しており、その詳細な説明を省略する。
以下、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムについて図３を用いて説明する。
図３は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。第一実施形態に係る燃料電池システム１０は、開閉弁３９を有する凝縮水供給経路３５を介して水タンク３１と水タンク３２とが連結し、かつ水タンク３１に水位センサー４１が設けられたシステムであるが、本実施形態に係る燃料電池システム２０は、水タンク３１及び水タンク３２は、下流側にて凝縮水を流通させる凝縮水流通経路である改質水供給経路３３と接続しており、かつ水タンク３１に水位センサー４１が設けられていないシステムである。なお、本実施形態では、第一実施形態と同様の構成については、同一の符号を付しており、その詳細な説明を省略する。
第二実施形態に係る燃料電池システム２０は、改質部１９及び燃焼部１８を有する改質器１４と、第１燃料電池１１と、第１水蒸気回収手段である水タンク３１と、第２燃料電池１２と、第２水蒸気回収手段である水タンク３２と、水タンク３１及び水タンク３２の下流に設けられた改質水供給経路３３とを備えている。また、改質水供給経路３３は、水タンク３１及び水タンク３２と接続している。さらに、燃料電池システム２０は、水タンク３１及び水タンク３２に貯留される凝縮水を炭化水素ガスの水蒸気改質に用いるシステムである。
例えば、システム起動開始直後など、第１燃料電池１１での発電による水蒸気が発生しない状況下では、水タンク３１にて水蒸気がほとんど凝縮されない一方、燃焼部１８での燃焼反応により水蒸気が発生し、燃焼部１８から排出された排ガス中の水蒸気は水タンク３２にて凝縮される。そして、水タンク３２に凝縮水が貯留され、貯留された凝縮水が改質水供給経路３３に供給される。
水タンク３２に貯留された凝縮水が、改質水供給経路３３内を流通することにより、システム内に供給されている未反応のガスが、水タンク３１を介して改質水供給経路３３内に供給されることが抑制される。すなわち、改質水供給経路３３内を流通する凝縮水により、システム内に供給されている未反応のガスが水封され、改質水供給経路３３を介してガスが水タンク３２に供給されない。したがって、システム内に供給されている未反応のガスが、水タンク３２から外部に放出されることが抑制され、不安全事象の発生が抑制される。
改質水供給経路３３内を流通する凝縮水は、炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる改質水であり、改質水ポンプ３４により、水処理装置３８に供給されて不純物が除去された後、熱交換器２３に供給される。そして、改質水は熱交換器２３にて気化され、炭化水素ガスの水蒸気改質に用いられる。
本実施形態では、水蒸気回収手段として水タンク３１を用いているが、これに限定されず、オフガス中の水蒸気を少なくとも分離する水蒸気分離膜を用いてもよく、水タンク３１と水蒸気分離膜とを組み合わせてもよい。
本発明は、前述の第一実施形態、第二実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、前述の各実施形態を組み合わせて実施される。また、本発明において、例えば、熱交換器の設置位置、組み合わせなどはこれらの実施形態に限定されない。また、ガス、水などの各種流体の加熱及び冷却には熱交換器以外の手段を用いてもよい。
また、本発明は、第一実施形態、第二実施形態のように、２つの燃料電池を備える燃料電池システムに限定されず、３つ以上の燃料電池を備える燃料電池システムであってもよい。
１０…燃料電池システム、１１…第１燃料電池、１２…第２燃料電池、１４…改質器、１８…燃焼部、１９…改質部、２１、２２、２３…熱交換器、２４…原料ガス供給経路、２５、２６…ブロワ、３１、３２…水タンク、３３…改質水供給経路、３４…改質水ポンプ、３５…凝縮水供給経路、３７…水蒸気供給経路、３８…水処理装置、３９…開閉弁、４０…制御部、４１…水位センサー、４２…改質ガス供給経路、４４…酸素供給経路、４６、５２、５４…オフガス経路、４８…排気経路
Claims (4)
- 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、
前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の燃料電池と、
前記Ｎ個の燃料電池のうち、隣り合う２つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、より上流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を凝縮させて回収し、水蒸気が回収されたオフガスをより下流の前記燃料電池に供給する第１水蒸気回収手段と、
最も下流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスを前記燃焼部に供給するオフガス経路と、
前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する第２水蒸気回収手段と、
前記第１水蒸気回収手段と前記第２水蒸気回収手段とを連結し、前記第１水蒸気回収手段にて回収された凝縮水を前記第２水蒸気回収手段に供給する凝縮水供給経路と、
前記第１水蒸気回収手段の水位を検知する水位検知手段と、
前記凝縮水供給経路に設けられ、前記水位検知手段により検知された水位に基いて開閉する開閉弁と、
を備え、
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池又は溶融炭酸塩形燃料電池である燃料電池システム。 - 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器と、
前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の燃料電池と、
前記Ｎ個の燃料電池のうち、隣り合う２つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、より上流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を凝縮させて回収し、水蒸気が回収されたオフガスをより下流の前記燃料電池に供給する第１水蒸気回収手段と、
最も下流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガスを前記燃焼部に供給するオフガス経路と、
前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する第２水蒸気回収手段と、
前記第１水蒸気回収手段及び前記第２水蒸気回収手段と接続し、前記第１水蒸気回収手段及び前記第２水蒸気回収手段にてそれぞれ回収された凝縮水を流通させる凝縮水流通経路と、
を備え、
前記凝縮水流通経路は、前記凝縮水流通経路内を流通する凝縮水により、燃料電池システム内に供給されている未反応のガスを水封する燃料電池システム。 - 前記開閉弁は、前記水位検知手段により検知された水位が第１の閾値以上となったときに開くことで前記第２水蒸気回収手段へ凝縮水を供給し、前記水位検知手段により検知された水位が第２の閾値以下となったときに閉じることで前記第２水蒸気回収手段へ凝縮水を供給しないように制御される請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記第１水蒸気回収手段及び前記第２水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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