JP6546398B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
図1は、燃料電池システム100を説明するための図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、酸素製造装置110と、断熱容器190と、酸素製造装置110によって分離された酸素富化ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池モジュール200と、固体酸化物形燃料電池モジュール200で生じた排ガスを燃焼させる燃焼器310と、制御手段320とを含んで構成される。以下、燃料電池システム100を構成する酸素製造装置110、断熱容器190、固体酸化物形燃料電池モジュール200、燃焼器310、制御手段320について詳述する。
酸素製造装置110は、筒形状(例えば、円筒形状)の吸着塔120(図1中、120a、120bで示す)を備えている。吸着塔120内には、吸着剤130(図1中、クロスハッチングで示す)が設けられ(充填され)ている。
断熱容器190は、内壁に断熱材が配されており、内部から外部への放熱を抑制する容器である。本実施形態において、断熱容器190は、酸素製造装置110の吸着塔120と、固体酸化物形燃料電池モジュール200とを収容する。断熱容器190が吸着塔120および固体酸化物形燃料電池モジュール200を収容することの効果については後に詳述する。
図2は、固体酸化物形燃料電池モジュール200の構成を説明するための図である。なお、図2中、ガスの流れを実線の矢印で示し、熱の流れを破線の矢印で示す。図2に示すように、固体酸化物形燃料電池モジュール200は、改質器210を備えている。改質器210には、ガス管212、バルブ214を介して、炭化水素(CnHm、例えば、都市ガス)および水蒸気が供給される。また、改質器210には、炭化水素の水蒸気改質反応を促進するための触媒が配されており、改質器210に炭化水素および水蒸気が供給されると下記反応式(1)および反応式(2)に示す水蒸気改質反応が進行し、炭化水素が水素や一酸化炭素に改質される。
CnHm + nH2O → nCO + (m/2+n)H2 …反応式(1)
CO + H2O → CO2 + H2 …反応式(2)
H2 + O2− → H2O + 2e− …反応式(3)
1/2O2 + 2e− → O2− …反応式(4)
続いて、燃料電池システム100の運転方法について説明する。図4は、燃料電池システム100の運転方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。なお、運転開始前において、バルブ144a、144b、146a、146b、154a、154b、156a、156b、164a、164b、166a、166b、172、214は閉じられている。また、制御手段320は、停止指示が入力された場合には、空気供給部140、酸素排出部160、補助加熱部216を停止し、バルブ144a、144b、146a、146b、154a、154b、156a、156b、164a、164b、166a、166b、172、214を閉じる。
制御手段320は、まず、空気供給部140、補助加熱部216を駆動し、バルブ172、214を開弁する。そうすると、空気極258に空気が供給され、固体酸化物形燃料電池モジュール200において発電が為される暖機運転処理が実行される。
制御手段320は、吸着剤130が吸着温度Tqに到達し、改質器210が上記水蒸気改質反応を遂行できる反応温度Tsに到達するまで(ステップS412におけるNO)、空気供給部140、補助加熱部216の駆動を維持し、バルブ172、214を開状態に維持し、吸着温度Tqに到達し、反応温度Tsに到達したら(ステップS412におけるYES)、ステップS414に処理を移す。
制御手段320は、バルブ172を閉弁し、補助加熱部216を停止する。
制御手段320は、バルブ144a、144b、146a、146b、154a、154b、156a、156b、164a、164b、166a、166bを開閉制御することで、酸素製造装置110において連続的に酸素富化ガスを製造して、断熱容器190内に配された固体酸化物形燃料電池モジュール200の空気極258に供給する。
図7は、第1の吸着処理S420の流れを説明するためのフローチャートである。
制御手段320は、バルブ144aを開弁する(図6参照)。そうすると、吸着塔120a内へ空気が供給されることとなる。なお、空気供給処理S420−1においては、常温の空気が、蓄熱体180aを流通して吸着剤130に到達することとなる。
そして、制御手段320は、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P1(例えば、100kPa〜200kPa)以上となったか否かを判定する。制御手段320は、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P1以上となるまで(S420−2におけるNO)、空気供給処理S420−1を遂行する。制御手段320が空気供給処理を遂行し、吸着塔120a内を所定の圧力P1まで昇圧している間に、空気中の酸素を吸着剤130に吸着させる。一方、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P1以上となると(S420−2におけるYES)、後述する窒素富化ガス排出処理S420−3に移る。
吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P1以上となると(S420−2におけるYES)、制御手段320は、バルブ144aを閉弁し、バルブ156aを開弁する(図6参照)。これにより、窒素排出管150を介して、窒素富化ガスが吸着塔120a内から排出されることとなる。
制御手段320は、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P2(例えば、60kPa)未満となったか否かを判定する。制御手段320は、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P2未満となるまで(S420−4におけるNO)、窒素富化ガス排出処理S420−3を遂行する。一方、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P2未満となると(S420−4におけるYES)、第1の吸着処理S420が終了したとみなし、後述する第1の脱着処理S430に移る。
図8は、第1の脱着処理S430の流れを説明するためのフローチャートである。
上述した窒素富化ガス排出判定処理S420−4において、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P2未満となると(S420−4におけるYES)、制御手段320は、バルブ156aを閉弁し、バルブ164aを開弁するとともに(図6参照)、酸素排出部160の駆動を開始する。なお、制御手段320は、初回の酸素富化ガス排出処理S430−1でのみ、酸素排出部160の駆動を開始し、以降酸素排出部160の駆動を維持する。これにより、吸着塔120a内が減圧されて吸着剤130に吸着した酸素が吸着剤130から脱着し、吸着塔120a内から酸素富化ガスが排出されることとなる。
制御手段320は、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P3(例えば、2kPa〜20kPa)未満となったか否かを判定する。制御手段320は、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P3未満となるまで(S430−2におけるNO)、酸素富化ガス排出処理S430−1を遂行する。一方、吸着塔120a内の圧力Pが所定の圧力P3未満となると(S430−2におけるYES)、第1の脱着処理S430が終了したとみなし、制御手段320は、バルブ164aを閉弁して(図6参照)、後述する第2の吸着処理S440に移る。
制御手段320は、図7に示す吸着処理を遂行する。なお、ここでは、図7の吸着処理のうち、ステップS420−1およびステップS420−3において、制御手段320が開閉するバルブが異なる点以外は、上記したとおりであるため、制御手段320によるバルブの開閉制御について詳述し、その他の詳細な説明は省略する。
制御手段320は、図8に示す脱着処理を遂行する。なお、ここでは、図8の脱着処理のうち、ステップS430−1において、制御手段320が開閉するバルブが異なる点以外は、上記したとおりであるため、制御手段320によるバルブの開閉制御について詳述し、その他の詳細な説明は省略する。
120 吸着塔
130 吸着剤
170 酸素供給配管(酸素供給手段)
190 断熱容器
200 固体酸化物形燃料電池モジュール
210 改質器
254 燃料極
256 電解質
258 空気極
Claims (4)
- 所定の圧力で空気中の酸素を吸着し、該所定の圧力未満の圧力で酸素を脱着する吸着剤が収容され、酸素を含むガスである酸素富化ガスを排出する吸着塔と、
前記吸着塔から排出された酸素富化ガスが供給され、酸素を還元する還元反応が行われる空気極と、水素および一酸化炭素のうちいずれか一方または両方を含んで構成される燃料を酸化する酸化反応が行われる燃料極と、該燃料極と該空気極の間に配され酸化物イオンが通過する電解質とを有する固体酸化物形燃料電池モジュールと、
前記吸着塔と前記固体酸化物形燃料電池モジュールとを収容し、該吸着塔および該固体酸化物形燃料電池モジュールから外部への放熱を抑制する断熱容器と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記吸着塔から排出された酸素富化ガスを前記断熱容器内に供給する酸素供給手段を備え、
前記空気極は、前記断熱容器内の雰囲気下に曝されるように配されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料極、前記空気極、および、前記電解質は、筒形状であり、
前記燃料極の外方に前記電解質が配され、該電解質の外方に前記空気極が配され、
前記燃料極の内側が前記燃料に曝され、前記空気極の外側が前記酸素富化ガスに曝されることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 炭化水素から前記燃料を製造する改質器を備え、
前記吸着塔、前記固体酸化物形燃料電池モジュールとともに、前記改質器が前記断熱容器内に収容されることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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