JP6556440B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
また、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、上流側の燃料電池スタックと下流側の燃料電池スタックとの燃料消費量の比率によってそれぞれのスタックでの燃料利用率が変化し、発電効率に影響を及ぼす。そのため、高い発電効率を得るためには、上記燃料消費量の比率を規定する必要がある。
<1> 固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備える第1の燃料電池スタックと、固体酸化物電解質、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、燃料極側に供給される第2の燃料電池スタックと、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、を備え、前記第1の燃料電池スタックでの燃料使用量(燃料が電気化学的に酸化される量)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、燃料電池システム。
<10> 前記比r2は0.5≦r2≦0.6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0.5≦r3≦1.2を満たす、<6>または<7>に記載の燃料電池システム。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム100は、固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備える第1の燃料電池スタック5と、固体酸化物電解質、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、燃料極側に供給される第2の燃料電池スタック7と、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3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、第1の燃料電池スタック5での燃料使用量(燃料が電気化学的に酸化される量)に対する第2の燃料電池スタック7での燃料使用量の比r1は、0.35≦r1≦1.0を満たす。
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電極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。
CO+H2O→CO2+H2・・・・(b)
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(発電効率)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−0.989V、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。
また、表1に示すように、r3が1のとき、ActCAiが0.2超となり、r3が20のとき、OCVAiが0.99V未満となっている。そのため、r3が1以下または20以上のときは、安定性が不良であると判断し、それ以外では安定性が良好であると判断した。
さらに、r2が0.4である場合には、r3が0.6〜1を満たせば、発電効率が65%以上を満たし、高い発電効率が得られる。
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電極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 固体酸化物電解質
204 燃料極
206 空気極
208 単電池
210 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
Claims (9)
- 固体酸化物電解質、燃料極、および空気極を備える第1の燃料電池スタックと、
固体酸化物電解質、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、燃料極側に供給される第2の燃料電池スタックと、
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、
を備え、
前記第1の燃料電池スタックの有効電極面積に対する前記第2の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第1の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第2の燃料電池スタックのセル積層数の比は、0.35以上0.6以下を満たし、
固体酸化物電解質、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の有効電極面積に対する前記第3の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第1の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第3の燃料電池スタックのセル積層数の比は、0.1以上0.8以下を満たす、燃料電池システム。 - 前記第1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1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1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または請求項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有効電極面積に対する前記第2の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第1の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第2の燃料電池スタックのセル積層数の比は、0.4以上0.6以下を満たす、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5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有効電極面積に対する前記第3の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第1の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第3の燃料電池スタックのセル積層数の比は、0.35以上0.8以下を満たす、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。
- 前記第1の燃料電池スタックの有効電極面積に対する前記第3の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第1の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第3の燃料電池スタックのセル積層数の比は、0.4以上0.7以下を満たし、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0.6≦r3≦0.9を満たす、請求項5または請求項6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有効電極面積に対する前記第3の燃料電池スタックの有効電極面積の比、または、前記第1の燃料電池スタックのセル積層数に対する前記第3の燃料電池スタックのセル積層数の比は、0.5以上0.6以下を満たし、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0.5≦r3≦1.2を満たす、請求項5または請求項6に記載の燃料電池システム。
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