JP6532668B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
<1> 電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池が燃料の供給方向に沿って複数設置されており、少なくとも最も上流にある前記燃料電池の電解質がプロトン導電性電解質を含む、燃料電池システム。
M1−δ(Ce1−x−yZrxRy)O3・・・・(I)
(La2−zCaz)Ce2O7・・・・(II)
(式(I)中、MはBaまたはSrを表し、RはY、Gd、InまたはYbを表し、δは−0.1〜0.1、xは0〜1、およびyは0〜0.5を表し、1−x−y≧0を満たす。式(II)中、zは0〜1を表す。)
上記構成では、最も上流にある燃料電池が備える電解質は、プロトン導電性電解質を含む。その燃料電池では、燃料極側に供給された燃料ガスに含まれる水素に由来するプロトンが電解質を介して空気極側に移動して酸素と反応し発電を行なう。この発電に伴って生成する水蒸気は空気極側で生成し、水蒸気による燃料の希釈化が生じない。そのため、プロトン導電性電解質を含まない燃料電池を最も上流に設けた場合と比較して、発電効率をより高めることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム100は、燃料電池として、第1の燃料電池スタック5と第2の燃料電池スタック7とを備え、第1の燃料電池スタック5は、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、第2の燃料電池スタック7は、電解質、燃料極、および空気極を備え、第1の燃料電池スタック5よりも下流に配置されており、第1の燃料電池スタック5の燃料極側から排出される排出ガスが、第2の燃料電池スタック7の燃料極側に直接(即ち、第1の燃料電池スタック5と第2の燃料電池スタック7との間で改質器を介することなく)供給される。さらに、燃料電池システム100は、第1の燃料電池スタック5の上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを第1の燃料電池スタック5の燃料極側に供給する第1の改質器3と、第1の改質器13に炭化水素燃料を供給する第1の燃料供給手段と、を備えている。
CO+H2O→CO2+H2・・・・(b)
ここで、第1の燃料電池スタック5の有効電極面積に対する第2の燃料電池スタック7の有効電極面積の比とは、各燃料電池スタックの積層セルの各セル面積をそれぞれ合計したときの面積比を意味している。また、第1の燃料電池スタック5のセル積層数に対する第2の燃料電池スタック7のセル積層数の比については、各燃料電池スタックのセルの面積が等しいことを前提としている。
(La2−zCz)Ce2O7・・・・(II)
(式(I)中、MはBaまたはSrを表し、RはY、Gd、InまたはYbを表し、δは−0.1〜0.1、xは0〜1、およびyは0〜0.5を表し、1−x−y≧0を満たす。式(II)中、CはCoまたはCaを表し、zは0〜1を表す。また、Cは、好ましくはCaである。)
Ba1−δ(ZrxCe1−x−yYy)O3(BZCY)・・・(IV)
Ba1−δ(ZrxIny)O3(BZI)・・・(V)
La2−zCazCe2O7(LCCO)・・・(VI)
(式(III)〜(VI)中、δは−0.1〜0.1、xは0〜1、yは0〜0.5およびzは0〜1を表し、1−x−y≧0を満たす。ただし、式(III)では1−2x−y≧0を満たし、式(IV)では2x+y−1<0を満たす。)
燃料電池スタック(単段スタック)の燃料利用率を75%としたときに、燃料電池スタックにおけるシステム効率を55%LHV(低位発熱量)、スタックからシステムへの効率変換によるロスを10%と仮定する。この仮定から、スタック効率は61.1%であると算出される。電流密度が0.2A/cm2のとき、燃料電池スタックの内部抵抗(ASR)が低燃料利用率時に0.3517ohm(Ω)・cm2であればこの性能が得られる。
燃料電池スタックよりも上流に設けた改質器に供給される炭化水素燃料および水蒸気について、スチームカーボン比S/Cを3.0と仮定する。また、燃料電池スタックの燃料極側入口の酸素分圧PO2(in)は3.77×10−21(atm)および燃料電池スタックの燃料極側出口の酸素分圧PO2(out)は8.915×10−19(atm)とし、スタック内部での反応温度は750℃とし、供給される炭化水素燃料はメタンとする。
このとき、スタックの燃料極側入口にて酸素ポテンシャルは空気に対する電位換算で−0.99V、スタックの燃料極側出口にて酸素ポテンシャルは−0.877Vと求められる。
上述したようなシステム効率55%LHVである単段スタックを用いて、図1に示すような2段構成の燃料電池スタック(第1の燃料電池スタック5および第2の燃料電池スタック7)を備える燃料電池システム100を準備する。燃料電池システム100の全体の燃料利用率(Uf(total)、単位%)と、第1の燃料電池スタック5の燃料利用率(Uf(A)、単位%)および第2の燃料電池スタック7の燃料利用率(Uf(B)、単位%)との関係について、以下に説明する。
Uf(B)/100=Con(B)/S(1−Uf(A)/100)・・・(4)
Uf(B)=r1Uf(total)/(1+r1−Uf(total)/100)・・・(6)
ここで、燃料電池システムの発電効率とは、燃料電池システムに供給した燃料から得られる理論的な発電量に対する実際の発電量の割合(%:低位発熱量基準)をいう。
次に、図5を参照しながら、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム200について説明する。図5は、他の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、(a)は、燃料電池システムの全体構成を示す図であり、(b)は、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックが積層されていることを示す図である。
なお、前述した燃料電池システム100の各構成と同じ名称の構成については、燃料電池システム100での説明を援用するものとし、その詳細な説明を省略する。
上述したようなシステム効率55%LHVである単段スタックを用いて、図5に示すような3段構成の燃料電池スタック(第1の燃料電池スタック15、第2の燃料電池スタック17および第3の燃料電池スタック25)を備える燃料電池システムを準備する。燃料電池システム200の全体の燃料利用率(Uf(total)、単位%)と、第1の燃料電池スタック15の燃料利用率(Uf(A)、単位%)、第2の燃料電池スタック17の燃料利用率(Uf(B)、単位%)および第3の燃料電池スタック25の燃料利用率(Uf(C)、単位%)との関係について以下に説明する。
ここで、第1の燃料電池スタック15の有効電極面積に対する第3の燃料電池スタック25の有効電極面積の比とは、各燃料電池スタックの積層セルの各セル面積をそれぞれ合計したときの面積比を意味している。また、第1の燃料電池スタック15のセル積層数に対する第3の燃料電池スタック25のセル積層数の比については、各燃料電池スタックのセルの面積が等しいことを想定している。
1、21 改質水供給管
2、12、22 炭化水素燃料供給管
3、13 第1の改質器
4、14、24 改質ガス供給管
5、15 第1の燃料電池スタック
6、11、16 排出ガス供給管
7、17 第2の燃料電池スタック
23 第2の改質器
25 第3の燃料電池スタック
202、302、402 電解質
204、304、404 燃料極
206、306、406 空気極
208 単電池
308、408 燃料電池
210、310、410 インターコネクタ
210A 改質ガス流路形成溝
210B 酸化剤ガス流路形成溝
301、401 中空基体
311、411 改質ガス流路
312 燃料電池群
412 保護膜
Claims (13)
- 電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池スタックが燃料の供給方向に沿って複数設置されており、
前記燃料電池スタックとして、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとを備え、
前記第1の燃料電池スタックは、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、
前記第2の燃料電池スタックは、電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の燃料電池スタックよりも下流に配置されており、前記第1の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスが、前記第2の燃料電池スタックの燃料極側に供給され、
前記第1の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する前記第2の燃料電池スタックでの燃料使用量の比r 1 は、0.35≦r 1 ≦1.0を満たす、燃料電池システム。 - 電解質、燃料極および空気極を備える燃料電池スタックが燃料の供給方向に沿って複数設置されており、
前記燃料電池スタックとして、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとを備え、
前記第1の燃料電池スタックは、プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、
前記第2の燃料電池スタックは、電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の燃料電池スタックよりも下流に配置されており、前記第1の燃料電池スタックの燃料極側から排出される排出ガスが、前記第2の燃料電池スタックの燃料極側に供給され、
前記第1の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第1の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第1の改質器と、
前記第1の改質器に炭化水素燃料を供給する第1の燃料供給手段と、
プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の改質器よりも上流に配置されており、燃料極側から排出される、水蒸気を含む排出ガスを、前記第1の改質器に供給する第3の燃料電池スタックと、をさらに備え、
前記第1の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する前記第3の燃料電池スタックでの燃料使用量の比r 2 は、0.1≦r 2 <4.0を満たす、燃料電池システム。 - 前記第1の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する前記第2の燃料電池スタックでの燃料使用量の比r1は、0.35≦r1≦1.0を満たす、請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記第1の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第1の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第1の改質器と、
前記第1の改質器に炭化水素燃料を供給する第1の燃料供給手段と、
をさらに備える、請求項1に記載の燃料電池システム。 - プロトン導電性電解質を含む電解質、燃料極、および空気極を備え、前記第1の改質器よりも上流に配置されており、燃料極側から排出される、水蒸気を含む排出ガスを、前記第1の改質器に供給する第3の燃料電池スタックをさらに備え、
前記第1の燃料電池スタックでの燃料使用量に対する前記第3の燃料電池スタックでの燃料使用量の比r2は、0.1≦r2<4.0を満たす、請求項4に記載の燃料電池システム。 - 前記第3の燃料電池スタックの上流に配置され、炭化水素燃料を改質して改質ガスを生成し、生成された改質ガスを前記第3の燃料電池スタックの燃料極側に供給する第2の改質器と、
前記第2の改質器に炭化水素燃料を供給する第2の燃料供給手段と、
をさらに備える、請求項2、請求項3および請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記第2の改質器に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Sと、前記第2の改質器に供給される単位時間当たりの炭化水素燃料の炭素原子数Cとの比であるスチームカーボン比S/Cは、1.6〜3.5である、請求項6に記載の燃料電池システム。
- 前記比r2は、0.5≦r2≦3.0を満たす、請求項2、請求項3および請求項5〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記比r2は、2.0≦r2≦3.0を満たす、請求項2、請求項3および請求項5〜請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記比r2は1.0≦r2≦3.0を満たし、かつ、前記第1の改質器に供給される炭化水素燃料の流量と、前記第2の改質器に供給される炭化水素燃料の流量との比r3はr3≧4を満たす、請求項6または請求項7に記載の燃料電池システム。
- 第1の燃料電池スタックおよび第2の燃料電池スタックの合計の燃料利用率は、80%〜95%である、請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記第2の燃料電池スタックの電解質は、プロトン導電性電解質を含む、請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記プロトン導電性電解質は、以下の式(I)で表される化合物および式(II)で表される化合物より選ばれる少なくとも一種である、請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
M1−δ(Ce1−x−yZrxRy)O3・・・・(I)
(La2−zCaz)Ce2O7・・・・(II)
(式(I)中、MはBaまたはSrを表し、RはY、Gd、InまたはYbを表し、δは−0.1〜0.1、xは0〜1、およびyは0〜0.5を表し、1−x−y≧0を満たす。式(II)中、zは0〜1を表す。)
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