JP6470778B2 - 燃料電池システム及び発電方法 - Google Patents
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Description
<1> 燃料ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタックと、前記第1燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離手段と、前記分離手段の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池セルスタックと、を備え、前記第1燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第1燃料濃度、前記第2燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第2燃料濃度としたとき、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たす燃料電池システム。
前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率は、ともに50%以上99%以下である<1>に記載の燃料電池システム。
<5> 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第1燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β1、第2燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β2としたとき、β1/β2としたとき、β1/β2が2.0超である<1>〜<4>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<7> 前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ11.5%以上である<1>〜<6>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<10> 前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックを等しい電流密度で作動させて発電を行う<9>に記載の発電方法。
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例の一例に示されている値に置き換えてもよい。
以下、本発明の燃料電池システムの一実施形態について図1を用いて説明する。図1は、第1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1実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタック11と、第1燃料電池セルスタック11から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜16と、分離膜16の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池セルスタック12と、を備え、第1燃料電池セルスタック11の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第1燃料濃度、第2燃料電池セルスタック12の出口におけるアノードオフガスの燃料濃度を第2燃料濃度としたとき、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たす。
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部19及び燃焼反応により改質部19を加熱する燃焼部18を有する改質器14を備えている。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、分離膜16の透過側16Bに配置され、分離膜16により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方、及び原料ガスを改質器14に供給する原料ガス供給経路24を備えている。また、原料ガス供給経路24には、分離膜16により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方、及び原料ガスを改質器14へ送るためのブロワ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、原料ガスを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、あるいはこれら両方を配置した燃焼部18と、改質用触媒を備える改質部19とにより構成される。
CnHm+nH2O→nCO+[(m/2)+n]H2・・・・(a)
CH4+H2O→CO+3H2・・・・(b)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料ガス供給経路42を通じて改質器14の改質部19から供給された燃料ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタック11を備えている。第1燃料電池セルスタック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を複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。また、第1燃料電池セルスタックとしては、600℃〜800℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、600℃〜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。
O2+4e−→2O2−・・・・(c)
H2+O2−→H2O+2e−・・・・(d)
CO+O2−→CO2+2e−・・・・(e)
O2+2CO2+4e−→2CO3 2−・・・・(f)
H2+CO3 2−→H2O+CO2+2e−・・・・(g)
CO+CO3 2−→2CO2+2e−・・・・(h)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、第1燃料電池セルスタック11から排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜16を備えている。分離膜16は、分離手段の一種である。
また、支持体の厚さ(分離膜の厚さよりも大きいことが好ましい)は、10μm〜500μmの範囲が好ましく、30μm〜300μmの範囲がより好ましい。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、分離膜16の供給側16Aの下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池セルスタック12を備えている。第2燃料電池セルスタック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を複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。なお、第2燃料電池セルスタック12における電気化学的反応は、上述の第1燃料電池セルスタック11と同様であるため、その説明は省略する。
本実施形態に係る燃料電池システム10では、第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たしていればよく、好ましくは、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ0.95C以上を満たしていればよい。なお、第1燃料濃度及び第2燃料濃度の上限としては特に限定されず、例えば、1.1C以下であればよい。
α1/α2は、2.5以上であることがより好ましい。
なお、第1燃料電池セルスタック11が備える特定の燃料電池セルの有効表面積と、この燃料電池セルの電流密度との積を求め、かつ、第1燃料電池セルスタック11が備える他の燃料電池セルについても同様に積を求めたときの、これらの積の合計値がγ1に対応し、γ2についても同様である。
また、γ1及びγ2は、それぞれ第1燃料電池セルスタック11及び第2燃料電池セルスタック12における燃料ガスの消費量と比例関係にある。
以下、本発明の燃料電池システムの第2実施形態について図2を用いて説明する。図2は、第2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2実施形態に係る燃料電池システム20は、第1燃料電池セルスタック11と第2燃料電池セルスタック12との間に分離膜16を設ける代わりに、分離手段の一種である水タンク36を設け、かつ、水タンク32に貯留された凝縮水を改質器14の改質部19に供給して原料ガスの水蒸気改質に用いる点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と主に相違する。なお、本実施形態では、第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
第1実施形態及び第2実施形態では、空気供給経路44が直列となっているため、第1燃料電池セルスタック11に空気を供給した後、第2燃料電池セルスタック12に第1燃料電池セルスタック11から排出されたカソードオフガスが供給されるが、空気供給経路44は並列であってもよい。つまり、空気が流通する空気供給経路44が分岐し、第1燃料電池セルスタック11及び第2燃料電池セルスタック12のカソードに空気をそれぞれ供給する構成であってもよい。
以下、本発明の一例の燃料電池システムについて検討する。燃料電池システムとしては、第1燃料電池セルスタック、分離手段及び第2燃料電池セルスタックに加えて、第1燃料電池セルスタックの上流に炭化水素ガスの改質を行う改質器を備えるシステムについて検討した。検討における条件は以下の通りである。
<条件>
第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタック:固体酸化物形燃料電池
炭化水素ガス:メタン
改質:水蒸気改質
スチームカーボン比(S/C):2.5
セルの負荷電流:第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックで同じ
全体の燃料利用率:90(%)
燃料利用率の関係:Uf(total)=[Uf(first)+(1−Uf(first))・Uf(second)](式中、Uf(total)は全体の燃料利用率、Uf(first)は第1燃料電池セルスタックの燃料利用率及びUf(second)は第2燃料電池セルスタックの燃料利用率を指す。)
第1燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度C0:72.73(%)[(H2ガス量+COガス量)/全ガス量]×100(%)
<各パラメータの算出式>
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率:Uf(second)=(Uf(total)−Uf(first))/(1−Uf(first))
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(燃料電池セルスタックを構成する燃料電池スタック及び電流密度は全て同じ、β1/β2に対応):Uf(first)/(Uf(total)−Uf(first))
第1燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度(第1燃料濃度C1):C0×(1−Uf(first))
第2燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度(第3燃料濃度C3):C1/{1−除去率(1−C1)}
第2燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度(第2燃料濃度C2):C3×(1−Uf(second))
分離手段にてH2O及びCO2を両方とも除去する場合について説明する。以下、分離手段にてH2O及びCO2をともに95%除去する場合(前述の算出式における「除去率」が0.95である場合)の燃料電池システムについて検討する。
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):65.40%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):71.10%
第1燃料濃度C1及び第2燃料濃度C2が等しくなるときの値(最大濃度):25.16%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):2.659
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):68.86%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):67.88%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):3.258
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):60.75%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):74.52%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):2.077
分離手段にてH2O及びCO2をともに95%除去する場合とともに結果を表1及び図5に示す。スタック比としては、図5における最大値及び最小値の間の範囲を取ることが好ましい。
分離手段にてCO2は除去せずにH2Oを除去する場合について説明する。以下、分離手段にてH2Oを95%除去する場合(「H2O除去率」が0.95)の燃料電池システムについて検討する。この場合、第2燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度(第3燃料濃度C3)は、検討1と同様にして各パラメータが算出される。
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):72.59%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):63.52%
第1燃料濃度C1及び第2燃料濃度C2が等しくなるときの値(最大濃度):19.94%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):4.168
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):75.33%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):59.47%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):5.134
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):64.76%
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):71.62%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):2.566
分離手段にてH2Oを95%除去する場合とともに結果を表2及び図6に示す。スタック比としては、図6における最大値及び最小値の間の範囲を取ることが好ましい。
Claims (11)
- 燃料ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタックと、
前記第1燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離手段と、
前記分離手段の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池セルスタックと、
を備え、
前記第1燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第1燃料濃度、前記第2燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第2燃料濃度としたとき、前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックの全体の燃料利用率が特定値である場合に前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、前記全体の燃料利用率が前記特定値である場合の前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たす燃料電池システム。 - 前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率の一方は、50%以上99%以下である請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記分離手段は、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気を分離し、
前記分離手段において、二酸化炭素分離率及び水蒸気分離率は、ともに50%以上99%以下である請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα1、前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα2としたとき、α1/α2が2.0超である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第1燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β1、第2燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β2としたとき、β1/β2としたとき、β1/β2が2.0超である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気の一方を分離する場合、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ10%以上である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記分離手段において、二酸化炭素及び水蒸気を分離する場合、前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ11.5%以上である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器を更に備え、
前記分離手段にて分離した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を原料ガスの改質に用いる請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池システムを用いた発電方法。
- 前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックを等しい電流密度で作動させて発電を行う請求項9に記載の発電方法。
- 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第1燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ1、前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積と前記第2燃料電池セルスタックを作動させたときの当該燃料電池セルの電流密度との積の合計をγ2としたとき、γ1/γ2を2.0超に調整して発電を行う請求項9又は請求項10に記載の発電方法。
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