JP6655784B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
A−1.構成:
(燃料電池システム1の構成)
図1は、燃料電池システム1の構成を概略的に示す説明図である。図1には、後述する燃料電池スタック100については断面構成が示されている。本明細書では、便宜的に、紙面上方向(後述のオフガス燃焼部230から燃料電池スタック100に向かう方向)を上方向と呼び、紙面下方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。燃料電池システム1は、燃料電池スタック100と、酸化剤ガスOGの供給側の構成と、原燃料ガスRFGの供給側の構成と、オフガスOOG,FOGの排出側の構成と、制御部700(図2参照)と、断熱容器800とを備える。
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では2つの)発電単位102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。2つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、2つの発電単位102を上下から挟むように配置されている。なお、燃料電池スタック100は、上下方向に延びる図示しない複数のボルトによって締結されている。
酸化剤ガスOGの供給側の構成には、酸化剤ガス供給源300と、第1の開閉部310と、酸化剤ガス供給管320とが含まれる。酸化剤ガス供給源300は、例えばコンプレッサやポンプを有し、酸化剤ガスOGを送出する。また、酸化剤ガス供給源300は、制御部700の制御によって酸化剤ガスOGの送出量を変更可能である。第1の開閉部310は、電力供給がされていることを条件に開放状態になり、電力供給が停止されると閉鎖状態になる、いわゆるノーマルクローズ型の開閉部であり、例えば、ノーマルクローズ型の電磁弁やバルブである。
原燃料ガスRFGの供給側の構成には、燃料ガス供給源400と、脱硫部410と、第1の逆止弁420と、ガス貯留部430と、燃料ガス供給管440と、気化部210と、改質部220と、水供給源500と、フィルタ510と、第2の開閉部520と、水供給管530とが含まれる。
酸化剤オフガスOOGおよび燃料オフガスFOGの排出側の構成には、オフガス燃焼部230と、第2の逆止弁600と、排出管610とが含まれる。オフガス燃焼部230の内部には、酸化剤ガス排出マニホールド162と燃料ガス排出マニホールド172とに連通する合流空間231が形成されている。酸化剤ガス排出マニホールド162から排出される酸化剤オフガスOOGと、燃料ガス排出マニホールド172から排出される燃料オフガスFOGとは、合流空間231にて合流して混ざり合い、燃焼する。なお、合流空間231には、酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとの燃焼を促進させる触媒が配置されている。オフガス燃焼部230は、補助部の一例である。
制御部700は、CPU710と、メモリ720とを有し、外部の電源Wから電力供給されることにより動作可能になる。メモリ720には、燃料電池システム1を制御するための制御プログラムや、各種設定等が記憶されている。CPU710は、メモリ720から読み出したプログラム等に従って、燃料電池システム1の各構成要素を制御する。
例えば停電、制御部700と電源Wとの間の電源ラインの断線や、制御部700自体の破損等が生じた場合、制御部700は、燃料電池システム1を正常に制御することができなくなる制御不能状態になる。また、例えば圧力センサの検出結果等に基づき酸化剤ガス供給源300や燃料ガス供給源400による送出圧力が異常値に達するなど、燃料電池システム1の異常状態を検出した場合は、燃料電池システム1の制御動作を強制終了(シャットダウン)し、電源Wからの電力供給を遮断する制御停止状態になる。
制御部700が制御不能状態等になると、酸化剤ガス供給源300、燃料ガス供給源400および水供給源500への電力供給が停止される。しかし、酸化剤ガス供給源300、燃料ガス供給源400および水供給源500の惰性動作や、配管320,440,530内の残圧によって、酸化剤ガスOG、原燃料ガスRFGや水RWが惰性分だけ供給され続けることがある。
上述したように、外部の空気がオフガス燃焼部230内に逆流すると、その外部の空気に含まれる酸素によってオフガス燃焼部230内の混合排ガスの酸素濃度が高くなるおそれがある。また、燃料電池スタック100内の圧力が外気圧よりも低くならなくても、外部の空気が気流に乗って排出管610を逆流し、オフガス燃焼部230内に流入することにより、オフガス燃焼部230内の混合排ガスの酸素濃度が高くなるおそれがある。
制御部700が制御不能状態等になると、水供給源500への電力供給も停止される。しかし、水供給管530内の残圧等により、フィルタ510の収容空間511内の水RWが気化部210に流入し気化して水蒸気が生成され、水蒸気が燃料室176に流入して、燃料室176が水蒸気リッチの状態になることにより、燃料極116が酸化するおそれがある。
オフガス燃焼部230の合流空間231内の体積は、燃料電池スタック100の燃料室176内の体積(複数の燃料室176を有する場合、これら複数の燃料室176の合計体積)の1/3以上が好ましく、2/3倍以上であることがより好ましい。燃料電池スタック100の発電動作中の温度が700度で、燃料極116が酸化しなくなる温度が400度であるとすると、体積と温度との相関関係により、燃料電池スタック100の温度が400度まで低下したとき、燃料室176内のガスの体積は、燃料電池スタック100の発電動作時に比べて、約3割減少する。従って、合流空間231内の体積は、燃料室176の体積の1/3以上であれば、燃料室176内のガスの減少分を、合流空間231内の混合排ガスで補うことができるために、仮に、第2の逆止弁600が設けられていなくても、外部の空気が合流空間231に流入することを抑制することができる。なお、合流空間231内の混合排ガスは、空気室166内にも流入するため、空気室166と燃料室176との体積が略同一であるとみなして、合流空間231内の体積は、燃料室176内の体積の2/3以上であることが、より好ましい。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (5)
- 固体酸化物または炭酸塩を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルを複数備える燃料電池スタックであって、前記空気極に面する空気室に連通する酸化剤ガス流路と、前記燃料極に面する燃料室に連通する燃料ガス流路とが形成された燃料電池スタックと、
酸化剤ガスを送出する酸化剤ガス供給源と、
一端が前記酸化剤ガス供給源に接続され、他端が前記酸化剤ガス流路に接続される酸化剤ガス供給管と、
燃料ガスを送出する燃料ガス供給源と、
一端が前記燃料ガス供給源に接続され、他端が前記燃料ガス流路に接続される燃料ガス供給管と、
前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤ガスを含む酸化剤オフガスと前記燃料ガスを含む燃料オフガスとが合流する合流空間が形成された補助部と、
前記酸化剤ガス供給源および前記燃料ガス供給源を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤ガス供給管に設けられ、電力供給が停止された場合、前記酸化剤ガス供給管内の流路を閉鎖する閉鎖状態になり、電力供給がされた場合、前記閉鎖状態から前記酸化剤ガス供給管内の流路を開放する開放状態に切り替わる第1の開閉部と、
前記燃料ガス供給管に設けられた第1の逆止弁と、を備え、
前記燃料ガス供給管の内、前記第1の逆止弁と前記燃料電池スタックとの間には、前記燃料ガス供給管の流路に直交する断面における開口面積が前記燃料ガス供給管よりも大きい収容空間が形成されたガス貯留部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第1の開閉部は、前記酸化剤ガス供給管における中間点よりも前記燃料電池スタック側に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
一端が前記補助部に形成された前記合流空間に接続され、他端が前記補助部の外部に引き出された排出管と、
前記排出管に設けられた第2の逆止弁と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料ガス供給管において、前記第1の逆止弁と前記燃料電池スタックとの間に設けられた改質部と、
水を送出する水供給源と、
一端が前記水供給源に接続され、他端が前記改質部に繋がっている水供給管と、
前記水供給管に設けられたフィルタと、を備え、
前記制御部は、前記水供給源を制御し、
前記水供給管の内、前記フィルタと前記改質部との間に設けられ、電力供給が停止された場合、前記水供給管内の流路を閉鎖する閉鎖状態になり、電力供給がされた場合、前記閉鎖状態から前記水供給管内の流路を開放する開放状態に切り替わる第2の開閉部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第2の開閉部は、前記水供給管における中間点よりも前記改質部側に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
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