JP6698406B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
通常６００℃以上の温度で作動する固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などの高温作動形燃料電池のシステムでは、高効率化を図るため、高温作動形燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスを再利用することが検討されている。例えば、アノード排ガス中の水蒸気を除去し、そのガスを再利用することで、システム全体の燃料利用率を向上させる技術が提案されている。 In a high temperature fuel cell system such as a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell that normally operates at a temperature of 600° C. or higher, the high temperature fuel cell is discharged from the anode in order to achieve high efficiency. Reuse of the anode exhaust gas is being considered. For example, a technique has been proposed in which water vapor in the anode exhaust gas is removed and the gas is reused to improve the fuel utilization rate of the entire system.
例えば、燃料吸入流が供給された燃料電池スタックを運転して電気と２００℃を超える温度の燃料排気流とを生成し、前記燃料排気流の温度を２００℃以下に下げ、前記燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに分割した後、前記第一の燃料排気分流を前記燃料吸入流へとリサイクルする燃料電池システムの運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 For example, operating a fuel cell stack supplied with a fuel inlet stream to generate electricity and a fuel exhaust stream at a temperature above 200° C., lowering the temperature of the fuel exhaust stream below 200° C. A method of operating a fuel cell system has been proposed in which the first fuel exhaust branch stream is divided into a first fuel exhaust branch stream and a second fuel exhaust branch stream, and then the first fuel exhaust branch stream is recycled to the fuel intake stream (for example, Patent Document 1). Reference 1).
また、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用することにより固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善する固体酸化物形燃料電池による発電方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。 In addition, by removing water vapor from the anode off gas of the solid oxide fuel cell to regenerate the anode off gas and reusing the regenerated off gas as the fuel of the solid oxide fuel cell, the solid oxide fuel cell itself A power generation method using a solid oxide fuel cell that improves the fuel utilization rate has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
特許文献１、２に記載されている発電システムでは、オフガスを再利用することにより燃料電池での燃料利用率を高めることが可能であるが、前段の燃料電池にて排出されたオフガスを再利用する際にブロワに大きな負荷がかかる。そのため、ブロワにおける負荷圧力が大きくなり、システムの発電効率が低下するという課題がある。 In the power generation systems described in Patent Documents 1 and 2, it is possible to increase the fuel utilization rate in the fuel cell by reusing the offgas, but the offgas exhausted in the fuel cell in the previous stage is reused. The blower is heavily loaded when it is turned on. Therefore, there is a problem that the load pressure in the blower increases and the power generation efficiency of the system decreases.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ブロワにおける負荷圧力を低減し、高い発電効率を有する燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that reduces load pressure in a blower and has high power generation efficiency.
上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ 燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池セルを有する第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を除去し、再生オフガスとする燃料再生手段と、前記再生オフガスを用いて発電を行う燃料電池セルを有する第２燃料電池と、ブロワを備え、前記ブロワにより前記第２燃料電池から排出されたオフガスを循環させて前記燃料再生手段に供給するオフガス循環経路と、を備える燃料電池システム。
The above problem is solved by the following means, for example.
<1> A first fuel cell having a fuel battery cell that generates electric power using a fuel gas, and at least one of carbon dioxide and water vapor in an off-gas containing the unreacted fuel gas discharged from the first fuel cell. A fuel regenerating unit that removes the regenerated off gas, a second fuel cell having a fuel battery cell that generates electricity using the regenerated off gas, and a blower are provided. The off gas discharged from the second fuel cell by the blower is removed. An off-gas circulation path that circulates and supplies the fuel to the fuel regenerating unit.
本形態に係る燃料電池システムは、第１燃料電池と、燃料再生手段と、第２燃料電池とを備える多段式の燃料電池システムである。本形態のような多段式の燃料電池システムは、第１燃料電池から排出されたオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を燃料再生手段にて除去し、燃料ガスの濃度を高めた再生オフガスを用いて第２燃料電池にて発電を行う。そのため、高い発電効率を得ることができる。 The fuel cell system according to the present embodiment is a multi-stage fuel cell system including a first fuel cell, a fuel regenerating unit, and a second fuel cell. In the multi-stage fuel cell system as in the present embodiment, at least one of carbon dioxide and water vapor in the offgas discharged from the first fuel cell is removed by the fuel regenerating means, and the regenerated offgas having a higher concentration of the fuel gas is generated. The second fuel cell is used to generate electricity. Therefore, high power generation efficiency can be obtained.
さらに、本形態に係る燃料電池システムは、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が燃料再生手段にて除去された再生オフガスを第２燃料電池に供給し、そして、オフガス循環経路を通じて第２燃料電池から排出されたオフガスを循環させて燃料再生手段に供給する。そのため、本形態に係る燃料電池システムでは、オフガス循環経路を通じて第１燃料電池から排出されたオフガスを循環させる場合と比較して、より少量のオフガスを循環させればよい。従って、ブロワにおける負荷圧力及び消費電力を低減することができる。これにより、補機損失が低減されて燃料電池システムの正味の発電量が増加し、システムの発電効率を高めることができる。 Further, in the fuel cell system according to the present embodiment, at least one of carbon dioxide and water vapor is supplied to the second fuel cell, the regeneration offgas being removed by the fuel regeneration means, and then discharged from the second fuel cell through the offgas circulation path. The off gas thus generated is circulated and supplied to the fuel regeneration means. Therefore, in the fuel cell system according to the present embodiment, a smaller amount of off gas may be circulated as compared with the case where the off gas discharged from the first fuel cell is circulated through the off gas circulation path. Therefore, the load pressure and power consumption of the blower can be reduced. As a result, the auxiliary equipment loss is reduced, the net power generation amount of the fuel cell system is increased, and the power generation efficiency of the system can be improved.
＜２＞ 前記第２燃料電池の燃料利用率をＸ（％）としたとき、前記第１燃料電池の燃料利用率が、１００Ｘ／（Ｘ＋１００）（％）よりも大きい＜１＞に記載の燃料電池システム。 <2> When the fuel utilization rate of the second fuel cell is X (%), the fuel utilization rate of the first fuel cell is greater than 100X/(X+100)(%). Battery system.
第２燃料電池の燃料利用率がＸ（％）、かつ第１燃料電池の燃料利用率が１００Ｘ／（Ｘ＋１００）（％）となるとき、電流密度等の条件が一定と仮定すれば、第１燃料電池及び第２燃料電池における燃料電池セル数、燃料電池セルの表面積の合計や燃料電池スタックの数が等しくなる。そのため、本形態に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池において、第２燃料電池よりも燃料電池セル数、燃料電池セルの表面積の合計や燃料電池スタックの数が多くなる。 When the fuel utilization rate of the second fuel cell is X(%) and the fuel utilization rate of the first fuel cell is 100X/(X+100)(%), assuming that the conditions such as current density are constant, The number of fuel cells, the total surface area of the fuel cells, and the number of fuel cell stacks in the fuel cell and the second fuel cell are equal. Therefore, in the fuel cell system according to this embodiment, the number of fuel cells, the total surface area of the fuel cells, and the number of fuel cell stacks in the first fuel cell are larger than those in the second fuel cell.
ここで、燃料電池に供給されるガスの圧力損失は、ガスの流量、燃料電池セルの数、燃料電池スタックの数、燃料電池セルの表面積の合計などにより影響を受け、これらの値を小さくすることで燃料電池に供給されるガスの圧力損失を小さくすることができる。そのため、本形態に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池に供給されるガスの圧力損失に対する第２燃料電池に供給されるガスの圧力損失の比を小さくすることができる。 Here, the pressure loss of the gas supplied to the fuel cell is affected by the flow rate of the gas, the number of fuel cells, the number of fuel cell stacks, the total surface area of the fuel cells, etc., and reduces these values. As a result, the pressure loss of the gas supplied to the fuel cell can be reduced. Therefore, in the fuel cell system according to this embodiment, the ratio of the pressure loss of the gas supplied to the second fuel cell to the pressure loss of the gas supplied to the first fuel cell can be reduced.
＜３＞ 以下の（１）〜（３）のいずれかの条件を満たす＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。（１）前記第２燃料電池における前記燃料電池セルの数が、前記第１燃料電池における前記燃料電池セルの数よりも少ない。（２）前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池が複数の前記燃料電池セルが積層してなる燃料電池スタックをそれぞれ１つ以上有し、前記第２燃料電池における前記燃料電池スタックの数が、前記第１燃料電池における前記燃料電池スタックの数よりも少ない。（３）前記第２燃料電池における前記燃料電池セルの表面積の合計が、前記第１燃料電池における前記燃料電池セルの表面積の合計よりも小さい。 <3> The fuel cell system according to <1> or <2>, which satisfies any of the following conditions (1) to (3). (1) The number of the fuel battery cells in the second fuel battery is smaller than the number of the fuel battery cells in the first fuel battery. (2) Each of the first fuel cell and the second fuel cell has at least one fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked, and the number of the fuel cell stacks in the second fuel cell is , Less than the number of the fuel cell stacks in the first fuel cell. (3) The total surface area of the fuel cells in the second fuel cell is smaller than the total surface area of the fuel cells in the first fuel cell.
ここで、燃料電池に供給されるガスの圧力損失は、ガスの流量、燃料電池セルの数、燃料電池スタックの数、燃料電池セルの表面積の合計などにより影響を受け、これらの値を小さくすることで燃料電池に供給されるガスの圧力損失を小さくすることができる。そのため、本形態に係る燃料電池システムでは、上記（１）〜（３）のいずれかの条件を満たすときに、第１燃料電池に供給されるガスの圧力損失に対する第２燃料電池に供給されるガスの圧力損失の比を小さくすることができる。 Here, the pressure loss of the gas supplied to the fuel cell is affected by the flow rate of the gas, the number of fuel cells, the number of fuel cell stacks, the total surface area of the fuel cells, etc., and reduces these values. As a result, the pressure loss of the gas supplied to the fuel cell can be reduced. Therefore, in the fuel cell system according to this embodiment, when any one of the above conditions (1) to (3) is satisfied, the gas supplied to the first fuel cell is supplied to the second fuel cell with respect to the pressure loss. The gas pressure loss ratio can be reduced.
＜４＞ 原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、前記第１燃料電池は、前記改質器から供給された前記燃料ガスを用いて発電を行う＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 <4> A reformer that reforms a raw material gas to generate the fuel gas is further provided, and the first fuel cell performs power generation using the fuel gas supplied from the reformer <1>. ~ The fuel cell system according to any one of <3>.
本形態に係る燃料電池システムは、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器をさらに備えており、改質器にて生成された燃料ガスを用いて第１燃料電池にて発電を行う。 The fuel cell system according to the present embodiment further includes a reformer that reforms the raw material gas to generate the fuel gas, and uses the fuel gas generated by the reformer to generate electricity in the first fuel cell. I do.
＜５＞前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 <5> The fuel cell system according to any one of <1> to <4>, wherein the first fuel cell and the second fuel cell are solid oxide fuel cells.
本形態に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池及び第２燃料電池が固体酸化物形燃料電池であるため、燃料電池の動作温度が高く、燃料電池から排出されるオフガスの温度も高くなり、高温下でも動作する構造や材質で構成された特殊なブロアが必要であり、かつブロワの耐久性が低下しやすい。本形態に係る燃料電池システムでは、ブロワの負荷を軽減することができるため、動作温度が高い固体酸化物形燃料電池を用いた場合におけるブロワの耐久性の低下を抑制できる。 In the fuel cell system according to this embodiment, since the first fuel cell and the second fuel cell are solid oxide fuel cells, the operating temperature of the fuel cell is high, and the temperature of the off gas discharged from the fuel cell is also high. A special blower composed of a structure and material that can operate even at high temperatures is required, and the durability of the blower easily deteriorates. In the fuel cell system according to the present embodiment, the load on the blower can be reduced, and therefore the durability of the blower can be prevented from lowering when a solid oxide fuel cell having a high operating temperature is used.
本発明によれば、ブロワにおける負荷圧力を低減し、高い発電効率を有する燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system that reduces load pressure in a blower and has high power generation efficiency.
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。 In the present specification, the numerical range represented by using "to" means a range including the numerical values before and after "to" as the lower limit value and the upper limit value.
［燃料電池システム］
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、本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。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器５と、燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池１と、未反応の燃料ガスを含む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除去し、再生オフガスとする燃料再生器（燃料再生手段）２と、再生オフガスを用いて発電を行う第２燃料電池３と、ブロワ４により第２燃料電池３から排出されたオフガス（アノードオフガス）を循環させて燃料再生器２に供給するオフガス循環経路１５と、を備える。
[Fuel cell system]
An embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to this embodiment. The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a reformer 5 that reforms a raw material gas to generate a fuel gas, a first fuel cell 1 that generates electricity using the fuel gas, and an unreacted fuel gas. At least one of carbon dioxide and water vapor is removed from the contained off-gas to generate regenerated off-gas, a fuel regenerator (fuel regenerating means) 2, a second fuel cell 3 for generating power using the regenerated off-gas, and a blower 4 for the second fuel. An off-gas circulation path 15 that circulates the off-gas (anode off-gas) discharged from the battery 3 and supplies it to the fuel regenerator 2.
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料電池１と、燃料再生器２と、第２燃料電池３とを備える多段式の燃料電池システムである。本実施形態のような多段式の燃料電池システムは、第１燃料電池１から排出されたオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を燃料再生器２にて除去し、燃料ガスの濃度を高めた再生オフガスを用いて第２燃料電池３にて発電を行う。そのため、高い発電効率を得ることができる。 The fuel cell system 10 according to the present embodiment is a multi-stage fuel cell system including a first fuel cell 1, a fuel regenerator 2, and a second fuel cell 3. In the multi-stage fuel cell system as in the present embodiment, at least one of carbon dioxide and water vapor in the offgas discharged from the first fuel cell 1 is removed by the fuel regenerator 2 to increase the concentration of the fuel gas. Power is generated in the second fuel cell 3 using the regeneration off gas. Therefore, high power generation efficiency can be obtained.
さらに、燃料電池システム１０は、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が燃料再生器２にて除去された再生オフガスを第２燃料電池３に供給し、そして、オフガス循環経路１５を通じて第２燃料電池３から排出されたオフガスを循環させて燃料再生器２に供給する。そのため、燃料電池システム１０では、オフガス循環経路を通じて第１燃料電池から排出されたオフガスを循環させる場合と比較して、より少量のオフガスを循環させればよい。従って、ブロワ４における負荷圧力及び消費電力を低減することができる。これにより、補機損失が低減されて燃料電池システム１０の正味の発電量が増加し、システムの発電効率を高めることができる。 Further, the fuel cell system 10 supplies the regeneration off-gas from which at least one of carbon dioxide and water vapor has been removed by the fuel regenerator 2 to the second fuel cell 3, and then from the second fuel cell 3 through the off-gas circulation path 15. The discharged off-gas is circulated and supplied to the fuel regenerator 2. Therefore, in the fuel cell system 10, a smaller amount of off gas may be circulated as compared with the case where the off gas discharged from the first fuel cell is circulated through the off gas circulation path. Therefore, the load pressure and power consumption of the blower 4 can be reduced. Thereby, the auxiliary equipment loss is reduced, the net power generation amount of the fuel cell system 10 is increased, and the power generation efficiency of the system can be improved.
また、ブロワ４への負荷も軽減できるため、ブロワ４の耐久性を向上させることができ、交換や保守のコストを低減できる。特に、第１燃料電池１及び第２燃料電池３として高温型の燃料電池を使用した場合、オフガスが高温となり、ブロワ４の耐久性が低下しやすくなる。本実施形態に係る燃料電池システム１０では、ブロワ４の負荷を軽減できるため、例えば、動作温度が高い固体酸化物形燃料電池を用いた場合におけるブロワ４の耐久性の低下を抑制できる。 Further, since the load on the blower 4 can be reduced, the durability of the blower 4 can be improved and the cost of replacement and maintenance can be reduced. In particular, when high-temperature fuel cells are used as the first fuel cell 1 and the second fuel cell 3, the off-gas becomes high temperature, and the durability of the blower 4 is likely to decrease. In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the load on the blower 4 can be reduced, so that the durability of the blower 4 can be prevented from lowering when a solid oxide fuel cell having a high operating temperature is used, for example.
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、ブロワ４への負荷を軽減できるため、ブロワ４の騒音及び振動を抑制できる。 Further, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the load on the blower 4 can be reduced, so that noise and vibration of the blower 4 can be suppressed.
以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の各構成について説明する。 Hereinafter, each component of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described.
（改質器）
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器５を備え、原料ガス供給経路１１を通じて原料ガスが供給される。改質器５は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部６と、改質用触媒を備える改質部７とにより構成される。
(Reformer)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a reformer 5 that reforms a raw material gas to generate a fuel gas, and the raw material gas is supplied through a raw material gas supply path 11. The reformer 5 includes, for example, a combustion unit 6 in which a burner or a combustion catalyst is arranged, and a reforming unit 7 including a reforming catalyst.
原料ガスとしては、改質が可能なガスであれば特に限定されず、例えば、炭化水素ガスが挙げられる。炭化水素ガスとしては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガス、バイオガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、上述したガスを２種以上混合したものであってもよい。 The raw material gas is not particularly limited as long as it can be reformed, and examples thereof include hydrocarbon gas. Examples of the hydrocarbon gas include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, lower hydrocarbon gas, biogas and the like. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane and butane, and methane is particularly preferable. The hydrocarbon gas may be a mixture of two or more of the above-mentioned gases.
原料ガスの改質としては、水蒸気改質、二酸化炭素改質、部分酸化改質、シフト反応改質などが挙げられ、改質器５は、原料ガスの二酸化炭素改質及び水蒸気改質の少なくとも一方を行う構成であってもよく、また、部分酸化改質、シフト反応改質などにより燃料ガスを生成する構成であってもよい。本実施形態では、原料ガスとしてメタンガス（ＣＨ４）を用い、改質器５にてメタンを水蒸気改質し、燃料ガスを生成する構成について以下に説明する。 Examples of the reforming of the raw material gas include steam reforming, carbon dioxide reforming, partial oxidation reforming, and shift reaction reforming. The reformer 5 uses at least carbon dioxide reforming and steam reforming of the raw material gas. It may be configured to perform one of them, or may be configured to generate fuel gas by partial oxidation reforming, shift reaction reforming, or the like. In the present embodiment, a configuration will be described below in which methane gas (CH 4 ) is used as a raw material gas, and methane is steam reformed in the reformer 5 to generate a fuel gas.
改質部７は、上流側にて原料ガス供給経路１１、及び水蒸気を供給する水蒸気供給経路１２と接続しており、下流側にて燃料ガス供給経路１３と接続している。原料ガス供給経路１１を通じてメタンなどの原料ガスが改質部７に供給され、かつ水蒸気供給経路１２を通じて水蒸気が改質部７に供給される。そして、改質部７にて原料ガスを水蒸気改質した後に、生成された燃料ガスが燃料ガス供給経路１３を通じて第１燃料電池１に供給される。 The reforming section 7 is connected to the raw material gas supply path 11 and the steam supply path 12 for supplying steam on the upstream side, and is connected to the fuel gas supply path 13 on the downstream side. Raw material gas such as methane is supplied to the reforming section 7 through the raw material gas supply path 11, and steam is supplied to the reforming section 7 through the steam supply path 12. Then, after the raw material gas is steam-reformed in the reforming unit 7, the generated fuel gas is supplied to the first fuel cell 1 through the fuel gas supply path 13.
燃焼部６は、上流側にてオフガス供給経路１４及び空気供給経路１６と接続しており、下流側にて排気経路１７と接続している。燃焼部６は、第２燃料電池３のアノード側から排出され、オフガス供給経路１４を通じて供給されたオフガスと、第２燃料電池３のカソード側から排出され、空気供給経路１６を通じて供給された未反応の酸素を含むガスと、の混合ガスを燃焼させ、改質部７を加熱する。燃焼部６からの排気は、排気経路１７を通じて排出される。 The combustion section 6 is connected to the off-gas supply path 14 and the air supply path 16 on the upstream side, and is connected to the exhaust path 17 on the downstream side. The combustion part 6 is discharged from the anode side of the second fuel cell 3 and is supplied with the off gas supplied through the off gas supply path 14, and the unreacted gas is discharged from the cathode side of the second fuel cell 3 and supplied through the air supply path 16. The reformed part 7 is heated by burning the mixed gas of the oxygen-containing gas of 1. Exhaust gas from the combustion unit 6 is discharged through the exhaust path 17.
排気経路１７及び空気供給経路１６には熱交換器８が設置されており、熱交換器８により、排気経路１７を流通する排気と、空気供給経路１６を流通する空気（酸素を含むガス）と、の間で熱交換を行う。これにより、排気経路１７を流通する排気は冷却された後に排出され、空気供給経路１６を流通する空気は、第１燃料電池１の作動温度に適した温度に加熱された後に第１燃料電池１のカソードに供給される。 The heat exchanger 8 is installed in the exhaust path 17 and the air supply path 16, and the heat exchanger 8 causes the exhaust gas flowing through the exhaust path 17 and the air flowing through the air supply path 16 (gas containing oxygen). Heat exchange between and. As a result, the exhaust gas flowing through the exhaust passage 17 is discharged after being cooled, and the air flowing through the air supply passage 16 is heated to a temperature suitable for the operating temperature of the first fuel cell 1 and then the first fuel cell 1 Is supplied to the cathode.
改質部７で起こる水蒸気改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要である。そのため、燃焼部６で発生する燃焼熱により改質部７を加熱することが好ましい。あるいは、燃焼部６で発生する燃焼熱に各燃料電池から放出される熱を加えてもよく、燃焼部６を設置せずに各燃料電池から放出される熱を用いて改質部７を加熱してもよい。 Since the steam reforming that occurs in the reforming section 7 involves a large endotherm, it is necessary to supply heat from the outside in order to proceed the reaction. Therefore, it is preferable to heat the reforming section 7 with the combustion heat generated in the combustion section 6. Alternatively, the heat released from each fuel cell may be added to the combustion heat generated in the combustion section 6, and the reforming section 7 is heated using the heat released from each fuel cell without installing the combustion section 6. You may.
原料ガスとしてメタンなどの炭化水素ガスを水蒸気改質させた場合、改質部７にて、一酸化炭素及び水素が生成される。 When a hydrocarbon gas such as methane is steam-reformed as a raw material gas, carbon monoxide and hydrogen are generated in the reforming unit 7.
改質部７内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば特に限定されないが、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｏの少なくとも一つを触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。 The reforming catalyst installed in the reforming section 7 is not particularly limited as long as it serves as a catalyst for the steam reforming reaction, but Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Re, Co, Fe. A steam reforming catalyst containing at least one of Mo and Mo as a catalytic metal is preferable.
改質器５の改質部７に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質器の改質部７に供給される単位時間当たりの原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、１．５〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．０であることがより好ましく、２．０〜２．５であることがさらに好ましい。スチームカーボン比Ｓ／Ｃがこの範囲にあることにより、原料ガスが効率よく水蒸気改質され、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが生成される。さらに、燃料電池システム１０内での炭素析出を抑制することができ、燃料電池システム１０の信頼性を高めることができる。 Ratio of the number S of molecules of water vapor supplied to the reforming unit 7 of the reformer 5 per unit time to the number C of carbon atoms of the source gas supplied to the reforming unit 7 of the reformer 5 per unit time The steam carbon ratio S/C is preferably 1.5 to 3.5, more preferably 2.0 to 3.0, and further preferably 2.0 to 2.5. .. When the steam carbon ratio S/C is within this range, the raw material gas is efficiently steam-reformed and a fuel gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated. Further, carbon deposition in the fuel cell system 10 can be suppressed, and the reliability of the fuel cell system 10 can be improved.
また、燃焼部６は、水蒸気改質を効率よく行う観点から、改質部７を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。 From the viewpoint of efficiently performing steam reforming, the combustion section 6 preferably heats the reforming section 7 to 600°C to 800°C, and more preferably 600°C to 700°C.
本発明に係る燃料電池システム（特に、高温型の燃料電池を備える燃料電池システム）では、改質器が第１燃料電池の外部に取り付けられている必要はなく、第１燃料電池に原料ガスならびに水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を直接供給し、第１燃料電池の内部で改質（内部改質）を行い、生成された燃料ガスを第１燃料電池での発電に用いる構成であってもよい。特に第１燃料電池が高温型の燃料電池である場合、内部での反応温度は５５０℃以上と高温であるため、第１燃料電池内で水蒸気改質を行うことが可能である。 In the fuel cell system according to the present invention (in particular, the fuel cell system including the high temperature type fuel cell), the reformer does not need to be attached to the outside of the first fuel cell, and the raw material gas and At least one of steam and carbon dioxide may be directly supplied to perform reforming (internal reforming) inside the first fuel cell, and the generated fuel gas may be used for power generation in the first fuel cell. .. In particular, when the first fuel cell is a high temperature type fuel cell, the internal reaction temperature is as high as 550° C. or higher, and therefore steam reforming can be performed in the first fuel cell.
なお、改質器にて二酸化炭素改質を行う場合、改質部に供給される原料ガス（好ましくはメタン）の炭素原子数（Ａ）と二酸化炭素の分子数（Ｂ）との比（Ａ：Ｂ）は、二酸化炭素改質を効率よく行なう観点から、例えば７００℃なら、１：２．７〜５．０が好ましく、１：２．７〜４．０がより好ましい。さらに、炭素析出を抑制する観点から、水蒸気を一部添加してもよい。 When carbon dioxide is reformed in the reformer, the ratio (A) of the number of carbon atoms (A) of the raw material gas (preferably methane) supplied to the reforming section and the number of carbon dioxide molecules (B) (A From the viewpoint of efficiently reforming carbon dioxide, the ratio of :B) at 700° C. is preferably 1:2.7 to 5.0, and more preferably 1:2.7 to 4.0. Further, from the viewpoint of suppressing carbon precipitation, steam may be partially added.
なお、改質器は、本発明において必須の構成ではなく、第１燃料電池の上流側に改質器を配置することなく、水素及び一酸化炭素の少なくとも一方を含む燃料ガスを第１燃料電池に供給して発電を行う構成であってもよい。 Note that the reformer is not an essential component of the present invention, and a fuel gas containing at least one of hydrogen and carbon monoxide is provided in the first fuel cell without disposing the reformer on the upstream side of the first fuel cell. It may be configured to supply power to the power source to generate power.
（第１燃料電池）
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１３を通じて改質器５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１を備えている。第１燃料電池１は、例えば、カソード（空気極）、電解質及びアノード（燃料極）を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよく、さらに燃料電池スタックを複数個接続してもよい。また、第１燃料電池１としては、６００℃〜１０００℃程度で作動する高温型の燃料電池及び、６０℃〜２００℃程度の温度で作動する低温型の燃料電池が挙げられる。高温型の燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）が挙げられ、低温型の燃料電池としては、６０℃〜１００℃程度で作動する固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、１５０℃〜２００℃程度で作動するリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）が挙げられる。
(First fuel cell)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a first fuel cell 1 that generates electric power using the fuel gas supplied from the reformer 5 through the fuel gas supply path 13. The first fuel cell 1 may be, for example, a fuel cell having a cathode (air electrode), an electrolyte, and an anode (fuel electrode), or may be a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. A plurality of fuel cell stacks may be connected. Further, examples of the first fuel cell 1 include a high temperature type fuel cell operating at about 600° C. to 1000° C. and a low temperature type fuel cell operating at a temperature of about 60° C. to 200° C. Examples of the high temperature type fuel cell include a solid oxide fuel cell (SOFC) and a molten carbonate type fuel cell (MCFC). Examples thereof include a molecular fuel cell (PEFC) and a phosphoric acid fuel cell (PAFC) that operates at about 150°C to 200°C.
第１燃料電池１での燃料ガスの電気化学的な反応により、発電が行われ、第１燃料電池１が固体酸化物形燃料電池である場合にはアノード側にて主に水蒸気が生成され、第１燃料電池１が溶融炭酸塩形燃料電池である場合にはアノード側にて主に水蒸気及び二酸化炭素が生成される。なお、固体酸化物形燃料電池であっても、一部の一酸化炭素が発電に用いられることで、二酸化炭素が生成される。 Electric power is generated by the electrochemical reaction of the fuel gas in the first fuel cell 1, and when the first fuel cell 1 is a solid oxide fuel cell, water vapor is mainly generated on the anode side, When the first fuel cell 1 is a molten carbonate fuel cell, steam and carbon dioxide are mainly produced on the anode side. Even in the solid oxide fuel cell, carbon dioxide is generated by using a part of carbon monoxide for power generation.
第１燃料電池１のカソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の空気供給経路１６を通じて、第２燃料電池３のカソード（図示せず）に供給される。 The gas containing unreacted oxygen discharged from the cathode of the first fuel cell 1 is supplied to the cathode (not shown) of the second fuel cell 3 through the air supply path 16 on the downstream side.
一方、第１燃料電池１のアノードから排出された未反応の燃料ガスを含むオフガスは、オフガス供給経路１４を通じて燃料再生器２へ供給される。ここで、未反応の燃料ガスを含むオフガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、メタンなどを含む混合ガスである。 On the other hand, the offgas containing unreacted fuel gas discharged from the anode of the first fuel cell 1 is supplied to the fuel regenerator 2 through the offgas supply path 14. Here, the off gas containing unreacted fuel gas is a mixed gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, methane, and the like.
（燃料再生器）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１燃料電池１から排出された未反応の燃料ガスを含むオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を除去し、燃料ガスの濃度を高めて再生オフガスとする燃料再生器２を備えている。燃料再生器２としては、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を除去することができる構成であれば限定されない。また、除去する方法についても特に限定されず、吸着、吸収、分離（例えば、膜分離）、凝縮、分解などが挙げられる。
(Fuel regenerator)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment removes at least one of carbon dioxide and water vapor in the off gas containing the unreacted fuel gas discharged from the first fuel cell 1, and increases the concentration of the fuel gas to regenerate the off gas. Is provided with a fuel regenerator 2. The fuel regenerator 2 is not limited as long as it can remove at least one of carbon dioxide and water vapor. Further, the method for removing is not particularly limited, and examples thereof include adsorption, absorption, separation (for example, membrane separation), condensation, decomposition and the like.
燃料再生器２としては、例えば、水凝縮器、水蒸気吸着材、二酸化炭素吸着材、水蒸気吸収剤、二酸化炭素吸収材、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などが挙げられ、これらを単独で、あるいは組み合わせて用いてもよい。 Examples of the fuel regenerator 2 include a water condenser, a water vapor adsorbent, a carbon dioxide adsorbent, a water vapor absorbent, a carbon dioxide absorbent, and a separation membrane for separating at least one of carbon dioxide and water vapor. They may be used alone or in combination.
燃料再生器２として分離膜を設ける場合、分離膜のガス供給側にオフガスが供給されるように分離膜を設ける。分離膜のガス供給側にオフガスが供給されると、オフガスに含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離膜により分離されて燃料ガスの濃度を高めることができる。このとき、オフガスに含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離膜を透過してガス透過側に移動するようにして二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離膜により分離してもよい。あるいは、オフガスに含まれる水素及び一酸化炭素の少なくとも一方が分離膜を透過してガス透過側に移動するようにして二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離膜により分離し、ガス透過側に移動したガスが再生オフガスとして第２燃料電池３に供給される構成となっていてもよい。
オフガスに含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離膜に透過させる際、分離膜でのガス透過を促進させる点から、分離膜のガス透過側にスイープガスを供給する構成であることが好ましい。
When the separation membrane is provided as the fuel regenerator 2, the separation membrane is provided so that the off gas is supplied to the gas supply side of the separation membrane. When the off gas is supplied to the gas supply side of the separation membrane, at least one of carbon dioxide and water vapor contained in the off gas is separated by the separation membrane, and the concentration of the fuel gas can be increased. At this time, at least one of carbon dioxide and water vapor contained in the off gas may be separated by the separation membrane so that at least one of carbon dioxide and water vapor permeates the separation membrane and moves to the gas permeation side. Alternatively, at least one of hydrogen and carbon monoxide contained in the offgas permeates the separation membrane and moves to the gas permeation side, so that at least one of carbon dioxide and water vapor is separated by the separation membrane and moved to the gas permeation side. The gas may be supplied to the second fuel cell 3 as regeneration off-gas.
When permeating at least one of carbon dioxide and water vapor contained in the offgas into the separation membrane, it is preferable that the sweep gas is supplied to the gas permeation side of the separation membrane from the viewpoint of promoting gas permeation through the separation membrane.
分離膜のガス透過側にスイープガスを供給する場合、別途スイープガスを供給する供給経路を分離膜のガス透過側に設けてもよいが、燃料電池システム１０の各構成に供給されるガス、あるいは燃料電池システム１０の各構成から排出されるガスをスイープガスとし、別途スイープガスを供給する供給経路を設けなくてもよい。 When the sweep gas is supplied to the gas permeation side of the separation membrane, a separate supply path for supplying the sweep gas may be provided on the gas permeation side of the separation membrane, but the gas supplied to each component of the fuel cell system 10 or The gas discharged from each component of the fuel cell system 10 may be used as the sweep gas, and a separate supply path for supplying the sweep gas may not be provided.
例えば、（１）空気供給経路１６を流通する空気若しくはカソードオフガス、（２）排気経路１７を流通する排気をスイープガス、又は（３）原料ガス供給経路１１を流通する原料ガスをスイープガスとし、それぞれ、空気供給経路１６、排気経路１７又は原料ガス供給経路１１をスイープガス供給経路としてもよい。これにより、別途スイープガスを供給する供給経路を設ける必要がない。そのため、システムを複雑化させることなく、簡易な構成で水蒸気透過性及び二酸化炭素透過性を向上させることができる。 For example, (1) air or cathode off gas flowing through the air supply path 16, (2) exhaust gas flowing through the exhaust path 17 is a sweep gas, or (3) raw material gas flowing through the raw material gas supply path 11 is a sweep gas, The air supply path 16, the exhaust path 17, or the source gas supply path 11 may be used as the sweep gas supply path, respectively. As a result, there is no need to separately provide a supply path for supplying the sweep gas. Therefore, the water vapor permeability and the carbon dioxide permeability can be improved with a simple configuration without complicating the system.
分離膜としては、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する膜であれば特に限定されず、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、水蒸気分離膜は、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。 The separation membrane is not particularly limited as long as it is a membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor, and examples thereof include an organic polymer membrane, an inorganic material membrane, an organic polymer-inorganic material composite membrane, and a liquid membrane. .. The water vapor separation membrane may be a glassy polymer membrane, a rubbery polymer membrane, an ion exchange resin membrane, an alumina membrane, a silica membrane, a carbon membrane, a zeolite membrane, a ceramic membrane, an amine aqueous solution membrane or an ionic liquid membrane. More preferable.
なお、燃料再生器２として、水凝縮器を設ける場合、水蒸気透過性又は二酸化炭素透過性が低温にて向上する分離膜を設ける場合などは、オフガスは燃料再生器２に供給される前に冷却されることが好ましい。そのため、燃料再生器２に供給されるオフガスと、燃料再生器２から排出されオフガス供給経路１４を通じて第２燃料電池３に供給される再生オフガスとの間で熱交換を行う熱交換器を、オフガス供給経路１４に配置してもよい。これにより、オフガス供給経路１４を流通するオフガスは、水凝縮若しくは水蒸気分離又は二酸化炭素分離に適した温度まで冷却され、かつ、オフガス供給経路１４を流通する再生オフガスは、第２燃料電池３の作動温度に適した温度に加熱される。そのため、システム全体において、発電効率及び熱効率がより向上する。 In addition, when a water condenser is provided as the fuel regenerator 2, or when a separation membrane whose water vapor permeability or carbon dioxide permeability is improved at a low temperature is provided, the off gas is cooled before being supplied to the fuel regenerator 2. Preferably. Therefore, a heat exchanger for exchanging heat between the off-gas supplied to the fuel regenerator 2 and the regenerated off-gas discharged from the fuel regenerator 2 and supplied to the second fuel cell 3 through the off-gas supply path 14 is used as the off-gas. It may be arranged in the supply path 14. As a result, the offgas flowing through the offgas supply passage 14 is cooled to a temperature suitable for water condensation or water vapor separation or carbon dioxide separation, and the regenerated offgas flowing through the offgas supply passage 14 operates the second fuel cell 3. It is heated to a temperature suitable for the temperature. Therefore, power generation efficiency and thermal efficiency are further improved in the entire system.
燃料再生器２にて二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が除去され、燃料ガスの濃度が上昇したオフガスは、再生オフガスとしてオフガス供給経路１４を通じて第２燃料電池３のアノード（図示せず）に供給される。 At least one of carbon dioxide and water vapor is removed by the fuel regenerator 2, and the off gas having an increased concentration of the fuel gas is supplied to the anode (not shown) of the second fuel cell 3 through the off gas supply path 14 as the regenerated off gas. It
（第２燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料再生器２の下流に、再生オフガスを用いて発電を行う第２燃料電池３を備えている。第２燃料電池３としては、例えば、カソード、電解質及びアノードを備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよく、さらに燃料電池スタックを複数個接続してもよい。
(Second fuel cell)
The fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a second fuel cell 3 downstream of the fuel regenerator 2 that generates electricity using regeneration off gas. The second fuel cell 3 may be, for example, a fuel cell having a cathode, an electrolyte and an anode, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell is stacked, and a plurality of fuel cell stacks are connected. You may.
ここで、第２燃料電池３の燃料利用率をＸ（％）としたとき、第１燃料電池１の燃料利用率が、１００Ｘ／（Ｘ＋１００）（％）よりも大きい構成としてもよい。 Here, when the fuel utilization rate of the second fuel cell 3 is X(%), the fuel utilization rate of the first fuel cell 1 may be larger than 100X/(X+100)(%).
第２燃料電池３の燃料利用率がＸ（％）、かつ第１燃料電池１の燃料利用率が１００Ｘ／（Ｘ＋１００）（％）となるとき、電流密度等の条件が一定と仮定すれば、第１燃料電池１及び第２燃料電池３における燃料電池セル数、燃料電池セルの表面積の合計や燃料電池スタックの数が等しくなる。そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、第１燃料電池１において、第２燃料電池３よりも燃料電池セル数、燃料電池セルの表面積の合計や燃料電池スタックの数が多くなる。 When the fuel utilization rate of the second fuel cell 3 is X(%) and the fuel utilization rate of the first fuel cell 1 is 100X/(X+100)(%), assuming that the conditions such as the current density are constant, The number of fuel cells, the total surface area of the fuel cells, and the number of fuel cell stacks in the first fuel cell 1 and the second fuel cell 3 are equal. Therefore, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the number of fuel cells, the total surface area of the fuel cells, and the number of fuel cell stacks in the first fuel cell 1 are larger than those in the second fuel cell 3.
ここで、燃料電池に供給されるガスの圧力損失は、ガスの流量、燃料電池セルの数、燃料電池スタックの数、燃料電池セルの表面積の合計などにより影響を受け、これらの値を小さくすることで燃料電池に供給されるガスの圧力損失を小さくすることができる。そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、第１燃料電池１に供給されるガスの圧力損失に対する第２燃料電池３に供給されるガスの圧力損失の比を小さくすることができる。 Here, the pressure loss of the gas supplied to the fuel cell is affected by the flow rate of the gas, the number of fuel cells, the number of fuel cell stacks, the total surface area of the fuel cells, etc., and reduces these values. As a result, the pressure loss of the gas supplied to the fuel cell can be reduced. Therefore, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, it is possible to reduce the ratio of the pressure loss of the gas supplied to the second fuel cell 3 to the pressure loss of the gas supplied to the first fuel cell 1.
第２燃料電池３は、例えば、（１）第２燃料電池３における燃料電池セルの数が、第１燃料電池１における燃料電池セルの数よりも少ない構成、（２）第２燃料電池３における燃料電池スタックの数が、第１燃料電池３における燃料電池スタックの数よりも少ない構成、又は（３）第２燃料電池３における燃料電池セルの表面積の合計が、第１燃料電池１における燃料電池セルの表面積の合計よりも小さい構成としてもよい。 The second fuel cell 3 has, for example, (1) a configuration in which the number of fuel cells in the second fuel cell 3 is smaller than the number of fuel cells in the first fuel cell 1, (2) in the second fuel cell 3 A configuration in which the number of fuel cell stacks is less than the number of fuel cell stacks in the first fuel cell 3, or (3) the total surface area of the fuel cell units in the second fuel cell 3 is the fuel cell in the first fuel cell 1. The structure may be smaller than the total surface area of the cells.
本実施形態に係る燃料電池システムでは、上記（１）〜（３）のいずれかの条件を満たすときに、第１燃料電池１に供給されるガスの圧力損失に対する第２燃料電池３に供給されるガスの圧力損失の比を小さくすることができる。 In the fuel cell system according to the present embodiment, when any one of the above conditions (1) to (3) is satisfied, the gas supplied to the first fuel cell 1 is supplied to the second fuel cell 3 with respect to the pressure loss. It is possible to reduce the ratio of the pressure loss of the generated gas.
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、第２燃料電池３に供給されるガスの流量を第１燃料電池１に供給されるガスの流量よりも少なくなるように調整してもよい。上記（１）〜（３）のいずれかの条件を満たし、かつ第２燃料電池３に供給されるガスの流量を第１燃料電池１に供給されるガスの流量よりも少なくすることで、第２燃料電池３に供給されるガスの圧力損失を、第１燃料電池１に供給されるガスの圧力損失よりも小さくすることができる。 Furthermore, in the fuel cell system 10 according to this embodiment, the flow rate of the gas supplied to the second fuel cell 3 may be adjusted to be smaller than the flow rate of the gas supplied to the first fuel cell 1. By satisfying any of the above conditions (1) to (3) and making the flow rate of the gas supplied to the second fuel cell 3 smaller than the flow rate of the gas supplied to the first fuel cell 1, The pressure loss of the gas supplied to the second fuel cell 3 can be made smaller than the pressure loss of the gas supplied to the first fuel cell 1.
例えば、第１燃料電池１及び第２燃料電池３における燃料利用率を調整することで、第２燃料電池３に供給されるガスの流量を第１燃料電池１に供給されるガスの流量よりも少なくすることが可能である。第２燃料電池３には、第１燃料電池１から排出されたオフガスが燃料再生器２にて再生された再生オフガス、及び、第２燃料電池３から排出されたオフガスがオフガス循環経路１５を通じて燃料再生器２に供給され、燃料再生器２にて再生された再生オフガスが供給される。したがって、第２燃料電池３に供給されるガスの流量は、第１燃料電池１及び第２燃料電池３における燃料利用率に応じて変動し、調整することが可能である。 For example, by adjusting the fuel utilization rate in the first fuel cell 1 and the second fuel cell 3, the flow rate of the gas supplied to the second fuel cell 3 is set to be lower than that of the gas supplied to the first fuel cell 1. It is possible to reduce it. In the second fuel cell 3, the off-gas discharged from the first fuel cell 1 is regenerated by the fuel regenerator 2 and the off-gas discharged from the second fuel cell 3 is fueled through the off-gas circulation path 15. Regeneration off-gas supplied to the regenerator 2 and regenerated by the fuel regenerator 2 is supplied. Therefore, the flow rate of the gas supplied to the second fuel cell 3 can be varied and adjusted according to the fuel utilization rate in the first fuel cell 1 and the second fuel cell 3.
例えば、第１燃料電池１の燃料利用率をより高めて第１燃料電池１での燃料消費量を増加させることで、第２燃料電池３に供給されるガスの流量を少なくすることができる。その結果、第２燃料電池３に供給されるガスの流量を第１燃料電池１に供給されるガスの流量よりも少なくすることが可能である。 For example, by increasing the fuel utilization rate of the first fuel cell 1 and increasing the fuel consumption amount of the first fuel cell 1, the flow rate of the gas supplied to the second fuel cell 3 can be reduced. As a result, the flow rate of the gas supplied to the second fuel cell 3 can be made lower than the flow rate of the gas supplied to the first fuel cell 1.
なお、燃料電池における燃料利用率は、例えば、燃料電池セルの数、燃料電池スタックの数、燃料電池セルの表面積の合計、燃料電池における電流値、燃料電池における電圧値などの各数値を変動させて調整すればよい。例えば、燃料電池における燃料利用率を増加させるためには、上記各数値の少なくともいずれかを増加させればよい。 It should be noted that the fuel utilization rate in the fuel cell can be varied by varying the numerical values such as the number of fuel cells, the number of fuel cell stacks, the total surface area of the fuel cells, the current value in the fuel cell, and the voltage value in the fuel cell. And adjust it. For example, in order to increase the fuel utilization rate in the fuel cell, at least one of the above numerical values may be increased.
第１燃料電池１における燃料の燃料電池セルの数、燃料電池スタックの数又は燃料電池セルの表面積の合計と、第２燃料電池３における燃料の燃料電池セルの数、燃料電池スタックの数又は燃料電池セルの表面積の合計との比はそれぞれ、１．５：１〜１０：１であることが好ましく、２：１〜５：１であることがより好ましい。 The number of fuel cells of the fuel in the first fuel cell 1, the number of fuel cell stacks or the total surface area of the fuel cells, and the number of fuel cells of the fuel in the second fuel cell 3, the number of fuel cell stacks or the fuel The ratio of the total surface area of the battery cells to each is preferably 1.5:1 to 10:1, and more preferably 2:1 to 5:1.
第２燃料電池３としては、６００℃〜１０００℃程度で作動する高温型の燃料電池が挙げられる。高温型の燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）が挙げられる。 Examples of the second fuel cell 3 include a high-temperature fuel cell that operates at about 600°C to 1000°C. Examples of high-temperature fuel cells include solid oxide fuel cells (SOFC) and molten carbonate fuel cells (MCFC).
燃料電池システム１０では、第２燃料電池３は、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が除去された再生オフガスを用いて発電を行う。そのため、第２燃料電池３では、電極間の酸素分圧差に起因する理論電圧が向上するとともに、オフガス中の水蒸気又は二酸化炭素に起因する濃度過電圧が低減され、特に高電流密度時に高い性能を発揮することができる。さらに、第２燃料電池３にて高い起電力（電圧）を発揮することができるため、高い燃料利用率での運転が可能となる。よって、燃料電池システム１０は、後段の燃料電池にて水蒸気及び二酸化炭素が分離されていないオフガスを用いて発電を行う多段式の燃料電池システムと比較して、高い発電効率を得ることができる。なお、再生オフガスは、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方が、完全に除去されているガスだけでなく、一部が除去されているガスも包含する。 In the fuel cell system 10, the second fuel cell 3 uses the regenerated off gas from which at least one of steam and carbon dioxide has been removed to generate power. Therefore, in the second fuel cell 3, the theoretical voltage caused by the oxygen partial pressure difference between the electrodes is improved, and the concentration overvoltage caused by the water vapor or carbon dioxide in the offgas is reduced, and high performance is exhibited especially at high current density. can do. Furthermore, since a high electromotive force (voltage) can be exerted in the second fuel cell 3, it becomes possible to operate at a high fuel utilization rate. Therefore, the fuel cell system 10 can obtain high power generation efficiency as compared with a multi-stage fuel cell system in which power generation is performed using off gas in which water vapor and carbon dioxide are not separated in the fuel cell in the subsequent stage. Note that the regeneration off-gas includes not only a gas in which at least one of water vapor and carbon dioxide has been completely removed but also a gas in which at least one of them has been removed.
第２燃料電池３のカソードから排出された未反応の酸素を含むガスは、下流側の空気供給経路１６を通じて改質器５の燃焼部６へ供給される。一方、第２燃料電池３のアノードから排出されたオフガスは、一部はオフガス循環経路１５を通じて燃料再生器２に供給されてリサイクルされ、残りはオフガス供給経路１４を通じて改質器５の燃焼部６へ供給される。 The gas containing unreacted oxygen discharged from the cathode of the second fuel cell 3 is supplied to the combustion section 6 of the reformer 5 through the air supply path 16 on the downstream side. On the other hand, part of the off gas discharged from the anode of the second fuel cell 3 is supplied to the fuel regenerator 2 through the off gas circulation path 15 for recycling, and the rest is discharged through the off gas supply path 14 into the combustion section 6 of the reformer 5. Is supplied to.
オフガス循環経路１５は、第２燃料電池３から排出されたオフガスを循環させて燃料再生器２に供給するための経路であり、第２燃料電池３の下流から燃料再生器２の上流に第２燃料電池３から排出されたオフガスを供給する。オフガス循環経路１５は、配置されたブロワ４により第２燃料電池３から排出されたオフガスを循環させて燃料再生器２に供給する。 The off-gas circulation path 15 is a path for circulating the off-gas discharged from the second fuel cell 3 and supplying the off-gas to the fuel regenerator 2. The off-gas circulation path 15 is provided from the downstream side of the second fuel cell 3 to the upstream side of the fuel regenerator 2. The off gas discharged from the fuel cell 3 is supplied. The off-gas circulation path 15 circulates the off-gas discharged from the second fuel cell 3 by the arranged blower 4 and supplies it to the fuel regenerator 2.
オフガス循環経路１５は、第１燃料電池１から排出されたオフガスを循環させる場合と比較して、より少量のオフガスを循環させればよいため、ブロワ４への負荷が低減される。そのため、ブロワ４の耐久性向上を図ることができる。 The off-gas circulation path 15 needs to circulate a smaller amount of off-gas as compared with the case where the off-gas discharged from the first fuel cell 1 is circulated, so that the load on the blower 4 is reduced. Therefore, the durability of the blower 4 can be improved.
また、第１燃料電池１の燃料利用率をより高めて第１燃料電池１での燃料消費量を増加させることが好ましい。これにより、第１燃料電池１から排出されたオフガス中の未反応の燃料ガスの濃度が低下し、オフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の濃度が増加するが、燃料再生器２にてオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方がより多く除去されるため、第２燃料電池３に供給される再生オフガスの流量が小さくなる。その結果、第２燃料電池３から排出されるオフガスの流量も小さくなり、オフガス循環経路１５により循環させるオフガスの流量をより削減することができ、ブロワ４への負荷をより低減することができる。 Further, it is preferable to further increase the fuel utilization rate of the first fuel cell 1 and increase the fuel consumption amount of the first fuel cell 1. As a result, the concentration of unreacted fuel gas in the offgas discharged from the first fuel cell 1 is reduced, and the concentrations of carbon dioxide and water vapor in the offgas are increased. Since at least one of carbon and water vapor is removed more, the flow rate of the regeneration off gas supplied to the second fuel cell 3 becomes smaller. As a result, the flow rate of the off gas discharged from the second fuel cell 3 is also reduced, the flow rate of the off gas circulated through the off gas circulation path 15 can be further reduced, and the load on the blower 4 can be further reduced.
オフガス循環経路１５により循環させるオフガスの流量をより削減し、ブロワ４への負荷をより低減する点から、第１燃料電池１の燃料利用率は、５０％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましく、７５％以上であることがさらに好ましい。 The fuel utilization rate of the first fuel cell 1 is preferably 50% or more, and 60% or more from the viewpoint of further reducing the flow rate of the offgas circulated by the offgas circulation path 15 and further reducing the load on the blower 4. Is more preferable, and 75% or more is further preferable.
［実施の一例］
以下、本発明の燃料電池システムの実施の一例について説明する。ここでは、図１に示される本実施形態に係る燃料電池システム１０の一例では、図２に示される比較対象となる燃料電池システム２０の一例に対して発電効率が向上していることを示す。
[Example of implementation]
Hereinafter, an example of implementation of the fuel cell system of the present invention will be described. Here, it is shown that in the example of the fuel cell system 10 according to the present embodiment shown in FIG. 1, the power generation efficiency is improved as compared with the example of the fuel cell system 20 to be compared shown in FIG.
まず、図２は、比較対象に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。図２に示す燃料電池システム２０は、オフガス循環経路１５の代わりにオフガス循環経路１８が配置されている点で、燃料電池システム１０と相違する。オフガス循環経路１８は、第１燃料電池１から排出されたオフガスを一部循環させて改質器５の改質部７に供給するための経路である。なお、燃料電池システム２０において、前述の燃料電池システム１０と同様の構成については、同じ符号を付し、その説明を省略する。 First, FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to a comparison target. The fuel cell system 20 shown in FIG. 2 is different from the fuel cell system 10 in that an offgas circulation path 18 is arranged instead of the offgas circulation path 15. The off-gas circulation path 18 is a path for partially circulating the off-gas discharged from the first fuel cell 1 and supplying the off-gas to the reforming section 7 of the reformer 5. In the fuel cell system 20, the same components as those of the fuel cell system 10 described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
燃料電池を２つ有する多段式の燃料電池システムについて、前段の燃料電池及び後段の燃料電池の燃料利用率をそれぞれ以下の通りと仮定する。
前段の燃料電池の燃料利用率（以下、「Ｕｆ１」とする）・・・７５％
後段の燃料電池の燃料利用率（以下、「Ｕｆ２」とする）・・・６０％
For a multi-stage fuel cell system having two fuel cells, it is assumed that the fuel utilization rates of the front-stage fuel cell and the rear-stage fuel cell are as follows.
Fuel utilization rate of the fuel cell in the previous stage (hereinafter referred to as “Uf 1 ”)...75%
Fuel utilization rate of the latter fuel cell (hereinafter referred to as "Uf 2 ")...60%
前段の燃料電池から排出されたオフガス及び後段の燃料電池から排出されたオフガスを循環させない場合、上記Ｕｆ１及びＵｆ２から、システム全体の燃料利用率ならびに前段の燃料電池及び後段の燃料電池におけるセル比を以下のようにして計算する。
システム全体の燃料利用率（ＵｆＴ）・・・ＵｆＴ＝Ｕｆ１＋（１−Ｕｆ１）×Ｕｆ２＝９０％
セル比・・・Ｕｆ１：（１−Ｕｆ１）×Ｕｆ２＝５：１
When the off-gas discharged from the fuel cell at the front stage and the off-gas discharged from the fuel cell at the rear stage are not circulated, the fuel utilization rate of the entire system and the cells in the fuel cell at the front stage and the fuel cell at the rear stage are calculated from Uf 1 and Uf 2 above. The ratio is calculated as follows.
Fuel utilization rate of the entire system (Uf T )... Uf T =Uf 1 +(1-Uf 1 )×Uf 2 =90%
Cell ratio... Uf 1 : (1-Uf 1 )×Uf 2 =5:1
したがって、システム全体の燃料利用率は９０％であり、前段の燃料電池のセル数：後段の燃料電池のセル数＝５：１であることが算出される。ここで、図１、２における燃料電池システム１０、２０についても、第１燃料電池１のセル数：第２燃料電池３のセル数＝５：１とし、システムの発電効率についてそれぞれ検討する。 Therefore, the fuel utilization rate of the entire system is 90%, and it is calculated that the number of cells of the fuel cell in the first stage: the number of cells of the fuel cell in the second stage=5:1. Here, regarding the fuel cell systems 10 and 20 in FIGS. 1 and 2, the number of cells of the first fuel cell 1:the number of cells of the second fuel cell 3=5:1, and the power generation efficiency of the system will be examined.
次に、比較対象となる燃料電池システム２０について、ＤＣ発電効率（発電端）を７３．０％（ＬＨＶ：低位発熱量）、インバータによる損失を５％、補機損失を６％と仮定すると、ＡＣ発電効率は、以下の式により６５．２％と算出される。
ＡＣ発電効率＝ＤＣ発電効率×（１−インバータ損失）×（１−補機損失）＝７３．０％×（１００％−５％）×（１００％−６％）＝６５．２％
Next, regarding the fuel cell system 20 to be compared, assuming that the DC power generation efficiency (power generation end) is 73.0% (LHV: low-order heat generation amount), the loss due to the inverter is 5%, and the auxiliary device loss is 6%, The AC power generation efficiency is calculated as 65.2% by the following formula.
AC power generation efficiency=DC power generation efficiency×(1-inverter loss)×(1-auxiliary equipment loss)=73.0%×(100%-5%)×(100%-6%)=65.2%
補機としては燃料ブロワ（図示せず）、空気ブロワ（図示せず）、燃料リサイクルブロワ（ブロワ４）等が想定され、主な補機損失としてはこれらブロワの運転に必要な電力が挙げられる。これらのブロワのうち、燃料リサイクルブロワは基本的に高温で動作させる必要があるので、大きな損失割合が想定される。そこで、燃料リサイクルブロワによる補機損失を全体の半分、すなわち３％であると仮定する。以下、実施の一例の性能向上効果を検討する。 As auxiliary machinery, fuel blower (not shown), air blower (not shown), fuel recycle blower (blower 4), etc. are assumed, and main auxiliary machinery loss is electric power required for operating these blowers. . Of these blowers, the fuel recycling blower basically needs to be operated at a high temperature, so a large loss rate is expected. Therefore, it is assumed that the auxiliary equipment loss due to the fuel recycle blower is half of the total, that is, 3%. Hereinafter, the performance improving effect of the example of implementation will be examined.
実施の一例である燃料電池システム１０について、ＤＣ発電効率（発電端）を７３．０％（ＬＨＶ：低位発熱量）、インバータによる損失を５％と仮定する。燃料電池システム１０では、ブロワの負荷圧力の低下により燃料リサイクルブロワの補機損失がどの程度低下するかは、ブロワの種類に依存する。例えば、実施の一例にて、燃料リサイクルブロワの補機損失を比較対象の三分の一に低減できたと仮定すれば、燃料リサイクルブロワによる補機損失は３％×１／３＝１％となる。したがって、全体の補機損失は、３％（燃料リサイクルブロワ以外）＋１％（燃料リサイクルブロワ）＝４％となる。 For the fuel cell system 10 which is an example of the embodiment, it is assumed that the DC power generation efficiency (power generation end) is 73.0% (LHV: low heating value) and the loss due to the inverter is 5%. In the fuel cell system 10, how much the auxiliary loss of the fuel recycling blower decreases due to the decrease in the load pressure of the blower depends on the type of blower. For example, in the example of implementation, if it is assumed that the auxiliary loss of the fuel recycling blower can be reduced to one-third of the comparison target, the auxiliary loss of the fuel recycling blower is 3%×1/3=1%. .. Therefore, the total accessory loss is 3% (excluding fuel recycling blower)+1% (fuel recycling blower)=4%.
以上により、実施の一例に係る燃料電池システム１０について、ＡＣ発電効率は、以下の式により６６．６％となり、比較対象に対して発電効率として１．４％の向上効果が見込まれる。
ＡＣ発電効率＝ＤＣ発電効率×（１−インバータ損失）×（１−補機損失）＝７３．０％×（１００％−５％）×（１００％−４％）＝６６．６％
As described above, in the fuel cell system 10 according to the example of the embodiment, the AC power generation efficiency is 66.6% according to the following equation, and it is expected that the power generation efficiency of the comparison target is improved by 1.4%.
AC power generation efficiency=DC power generation efficiency×(1-inverter loss)×(1-auxiliary equipment loss)=73.0%×(100%-5%)×(100%-4%)=66.6%
１０、２０…燃料電池システム、１…第１燃料電池、２…燃料再生器（燃料再生手段）、３…第２燃料電池、４…ブロワ、５…改質器、６…燃焼部、７…改質部、８…熱交換器、１１…原料ガス供給経路、１２…水蒸気供給経路、１３…燃料ガス供給経路、１４…オフガス供給経路、１５、１８…オフガス循環経路、１６…空気供給経路、１７…排気経路 10, 20... Fuel cell system, 1... First fuel cell, 2... Fuel regenerator (fuel regenerating means), 3... Second fuel cell, 4... Blower, 5... Reformer, 6... Combustion section, 7... Reforming section, 8... Heat exchanger, 11... Raw material gas supply path, 12... Steam supply path, 13... Fuel gas supply path, 14... Off gas supply path, 15, 18... Off gas circulation path, 16... Air supply path, 17... Exhaust path
Claims (4)
前記第１燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を除去し、再生オフガスとする燃料再生手段と、
前記再生オフガスを用いて発電を行う燃料電池セルを有する第２燃料電池と、
ブロワを備え、前記ブロワにより前記第２燃料電池から排出されたオフガスを循環させて前記燃料再生手段に供給するオフガス循環経路と、
を備え、
前記オフガス循環経路にて循環させた前記第２燃料電池から排出されたオフガスを、前記オフガス中の二酸化炭素及び水蒸気を分離せずに前記燃料再生手段に供給し、前記オフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を前記燃料再生手段にて除去し、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である燃料電池システム。 A first fuel cell having a fuel battery cell for generating electricity using fuel gas;
A fuel regenerating means for removing at least one of carbon dioxide and water vapor in the off gas containing the unreacted fuel gas discharged from the first fuel cell, to regenerate off gas;
A second fuel cell having a fuel battery cell for generating power using the regeneration offgas;
An off-gas circulation path that includes a blower and circulates the off-gas discharged from the second fuel cell by the blower to supply the off-gas to the fuel regenerating unit;
Equipped with
The off gas discharged from the second fuel cell circulated in the off gas circulation path is supplied to the fuel regenerating means without separating the carbon dioxide and the steam in the off gas, and the carbon dioxide and the steam in the off gas are supplied. At least one of is removed by the fuel regenerating means ,
It said first fuel cell and the second fuel cell, a solid oxide fuel cell der Ru fuel cell system.
（１）前記第２燃料電池における前記燃料電池セルの数が、前記第１燃料電池における前記燃料電池セルの数よりも少ない。
（２）前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池が複数の前記燃料電池セルが積層してなる燃料電池スタックをそれぞれ１つ以上有し、前記第２燃料電池における前記燃料電池スタックの数が、前記第１燃料電池における前記燃料電池スタックの数よりも少ない。
（３）前記第２燃料電池における前記燃料電池セルの表面積の合計が、前記第１燃料電池における前記燃料電池セルの表面積の合計よりも小さい。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein any one of the following conditions (1) to (3) is satisfied.
(1) The number of the fuel battery cells in the second fuel battery is smaller than the number of the fuel battery cells in the first fuel battery.
(2) Each of the first fuel cell and the second fuel cell has at least one fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked, and the number of the fuel cell stacks in the second fuel cell is , Less than the number of the fuel cell stacks in the first fuel cell.
(3) The total surface area of the fuel cells in the second fuel cell is smaller than the total surface area of the fuel cells in the first fuel cell.
前記第１燃料電池は、前記改質器から供給された前記燃料ガスを用いて発電を行う請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 Further comprising a reformer for reforming the raw material gas to generate the fuel gas,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the first fuel cell uses the fuel gas supplied from the reformer to generate electric power.
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