JP6739563B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
また、第1燃料電池と、水蒸気分離膜と、第2燃料電池と、を備え、水蒸気分離膜により第1燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去し、かつ、オフガスから水蒸気を除去した再生燃料ガスを用いて第2燃料電池にて発電を行う多段式燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
また、燃料電池と、水蒸気分離膜と、再生燃料ガス経路と、を備え、水蒸気分離膜により、第1燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去し、かつ、再生燃料ガス経路を通じて、オフガスから水蒸気を除去した再生燃料ガスを燃料電池に供給し、発電を行う循環式燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
<1> 燃料ガスを用いて発電を行う第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アノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜と、前記分離膜の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池と、前記分離膜の透過側に配置され、前記第1燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記第1燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、前記第2燃料電池から排出されたアノードオフガス、前記第1燃料電池から排出され、前記第2燃料電池に供給されるカソードオフガス又は前記第2燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、を備え、前記分離膜の透過係数比α1(PCO2/PH2)及び前記分離膜の透過係数比α2(PH2O/PH2)の少なくとも一方が30以上である燃料電池システム。
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、第1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。第1実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料ガスを用いて発電を行う第1燃料電池11と、第1燃料電池11から排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜16と、分離膜16の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池12と、分離膜16の透過側16Bに配置され、第2燃料電池12から排出されたカソードオフガスを流通させる空気供給経路44(流通経路)と、を備えるシステムである。さらに、本実施形態に係る燃料電池システム10では、分離膜16の透過係数比α1(PCO2/PH2)及び分離膜16の透過係数比α2(PH2O/PH2)の少なくとも一方が30以上である。
さらに、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部19及び燃焼反応により改質部19を加熱する燃焼部18を有する改質器14を備えていてもよい。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを改質器14に供給する原料ガス供給経路24を備えており、原料ガス供給経路24は、原料ガスを流通させるためのブロワ25が設置されている。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器14を備えている。改質器14は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部18と、改質用触媒を備える改質部19とにより構成される。
CnHm+nH2O→nCO+[(m/2)+n]H2・・・・(a)
CH4+H2O→CO+3H2・・・・(b)
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42を通じて改質器14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11を備えている。第1燃料電池11としては、例えば、空気極(カソード)、電解質及び燃料極(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い。また、第1燃料電池としては、600℃〜800℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、700℃〜800℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、600℃〜700℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。
O2+4e−→2O2−・・・・(c)
H2+O2−→H2O+2e−・・・・(d)
2CO+2O2−→2CO2+4e−・・・・(e)
O2+2CO2+4e−→2CO3 2−・・・・(f)
H2+CO3 2−→H2O+CO2+2e−・・・・(g)
CO+H2O→H2+CO2・・・・(h)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、第1燃料電池11から排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜16を備えている。分離膜16は、透過係数比α1(PCO2/PH2)及び透過係数比α2(PH2O/PH2)の少なくとも一方が30以上を満たす膜である。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、分離膜16の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されたアノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池12を備えている。第2燃料電池12としては、例えば、空気極(カソード)、電解質及び燃料極(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い。なお、第2燃料電池12は、上述の第1燃料電池11と同様の構成であるため、共通する事項に関する説明は省略する。
本実施形態では、空気供給経路44が直列となっているため、第1燃料電池11に空気を供給した後、第2燃料電池12に第1燃料電池11から排出されたカソードオフガスが供給されるが、空気供給経路44は並列であってもよい。つまり、空気が流通する空気供給経路44が分岐し、第1燃料電池11及び第2燃料電池12のカソードに空気をそれぞれ供給する構成であってもよい。このとき、第1燃料電池11のカソードから排出されたカソードオフガス及び第2燃料電池12のカソードから排出されたカソードオフガスの少なくとも一方が分離膜16の透過側16Bに供給される構成であればよい。
以下、本発明の燃料電池システムの第2実施形態について図2を用いて説明する。図2は、第2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。第2実施形態に係る燃料電池システム20は、分離膜16の透過側16Bに第1燃料電池11の発電に用いられる空気(カソードガス)を流通する空気供給経路(流通経路)44を配置した点、水タンク32、水蒸気供給経路37等の代わりに改質器14の改質部19に水蒸気を供給する水蒸気供給経路26を配置した点、及び熱交換器22の代わりに排気経路48内を流通する排ガスと、空気供給経路44内を流通し、かつ第1燃料電池11の発電に用いられる空気と分離膜16により分離された二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方との混合ガスと、の間で熱交換を行う熱交換器41を配置した点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と相違する。なお、本実施形態及び以下の第3実施形態〜第10実施形態では、第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、本発明の燃料電池システムの第3実施形態について図3を用いて説明する。図3は、第3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。第3実施形態に係る燃料電池システム30は、分離膜16の透過側16Bに第1燃料電池11の発電に用いられる燃料ガスとなる原料ガスを流通する原料ガス供給経路24を配置した点、及び水蒸気供給経路26を配置せずに分離膜16を透過した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を原料ガス供給経路24を通じて改質部19に供給する点で、第2実施形態と相違する。
以下、本発明の燃料電池システムの第4実施形態について図4を用いて説明する。図4は、第4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。第4実施形態に係る燃料電池システム40は、分離膜16の透過側16Bに燃焼部から排出された排ガスを流通させる排気経路48を配置した点、ならびに熱交換器22の代わりに排気経路48内を流通し、分離膜16を透過した二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方と混合された排ガスと、空気供給経路44内を流通し、かつ第1燃料電池11の発電に用いられる空気と、の間で熱交換を行う熱交換器43を配置した点で第1実施形態と相違する。
前述した第1実施形態〜第4実施形態は、多段式の燃料電池システムであるが、本発明はこれに限定されず、循環式の燃料電池システムであってもよい。以下、本発明の一実施形態に係る循環式の燃料電池システム100について、図5を用いて説明する。図5は、第5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。
以下、本発明の燃料電池システムの第6実施形態について図6を用いて説明する。図6は、第6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。第6実施形態に係る燃料電池システム200は、燃料電池61を備える循環式の燃料電池システムである点で、第2実施形態に係る燃料電池システム20と相違する。
以下、本発明の燃料電池システムの第7実施形態について図7を用いて説明する。図7は、第7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。第7実施形態に係る燃料電池システム300は、燃料電池61を備える循環式の燃料電池システムである点で、第3実施形態に係る燃料電池システム30と相違する。
以下、本発明の燃料電池システムの第8実施形態について図8を用いて説明する。図8は、第8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。第8実施形態に係る燃料電池システム400は、燃料電池61を備える循環式の燃料電池システムである点で、第4実施形態に係る燃料電池システム40と相違する。
以下、本発明の燃料電池システムの第9、第10実施形態について図9、10を用いて説明する。図9は、第9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、図10は、第10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。第9実施形態に係る燃料電池システム50及び第10実施形態に係る燃料電池システム500は、分離膜16の透過側16Bに水蒸気を改質部19に供給する水蒸気供給経路26を配置した点で、それぞれ第2実施形態に係る燃料電池システム20及び第6実施形態に係る燃料電池システム200と相違する。
以下、本発明の一例の燃料電池システムのシステム効率について、通常の燃料電池システムのシステム効率と対比して説明する。
特開2016−115479号公報の図3、4に示されるように固体酸化物型で多段式の燃料電池システム(固体酸化物型の燃料電池スタックを2つ設けた構成)において、前段の第1の燃料電池スタックの燃料極から排出された排ガスから、電気化学的水素ポンプによって水素を取り出す、すなわち電気化学的水素ポンプによって排ガス中の水素(H2)と水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)とを分離することで、燃料電池スタックの開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)がどの程度向上するか試算を行った。
η=−(nF/ΔH)×V×Uf×ηaux×ηinv (1)
ここで、nは反応電子数、Fはファラデー定数、ΔHは発熱量、Vは固体酸化物形燃料電池セルの作動温度、Ufはシステム全体の燃料利用率、ηauxは補機効率、ηinvはインバータ効率を表す。式(1)中、−(nF/ΔH)は、燃料により決まる値であり、Uf、ηaux、ηinvが同じ値である場合、作動電圧Vに比例してシステム効率は向上する。
次に、本発明の一例の燃料電池システムのシステム効率について検討する。
ここで第1の燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスから透過係数比α1の値又は透過係数比α2に従い水素が分離膜の透過側に透過する場合、システム効率は図11又は図12のように変化する。ここで、第1の燃料電池スタックの燃料利用率は70%とする。
Claims (10)
- 燃料ガスを用いて発電を行う第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アノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜と、
前記分離膜の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池と、
前記分離膜の透過側に配置され、前記第1燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記第1燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、前記第2燃料電池から排出されたアノードオフガス、前記第1燃料電池から排出され、前記第2燃料電池に供給されるカソードオフガス又は前記第2燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、
を備え、
前記分離膜の透過係数比α1(PCO2/PH2 )が30以上であり、水素が前記分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が前記分離膜を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きい燃料電池システム。 - 燃料ガスを用いて発電を行う第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アノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜と、
前記分離膜の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを用いて発電を行う第2燃料電池と、
前記分離膜の透過側に配置され、前記第1燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記第1燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、前記第2燃料電池から排出されたアノードオフガス、前記第1燃料電池から排出され、前記第2燃料電池に供給されるカソードオフガス又は前記第2燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、
を備え、
前記分離膜の透過係数比α1(PCO2/PH2)が30以上である燃料電池システム。 - 燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜と、
前記分離膜の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを前記燃料電池に供給するオフガス循環経路と、
前記分離膜の透過側に配置され、前記燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、又は前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、
を備え、
前記分離膜の透過係数比α1(PCO2/PH2 )が30以上であり、水素が前記分離膜を透過することによるシステムの発電効率低下の影響よりも二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が前記分離膜を透過することによるシステムの発電効率向上効果の影響が大きい燃料電池システム。 - 燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未反応の前記燃料ガスを含むアノードオフガスから、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離する分離膜と、
前記分離膜の下流に配置され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離された前記アノードオフガスを前記燃料電池に供給するオフガス循環経路と、
前記分離膜の透過側に配置され、前記燃料電池の発電に用いられる前記燃料ガスとなる原料ガス、前記燃料電池の発電に用いられる酸素を含むカソードガス、又は前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを流通させる流通経路と、
を備え、
前記分離膜の透過係数比α1(PCO2/PH2)が30以上である燃料電池システム。 - 前記原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質部及び燃焼反応により前記改質部を加熱する燃焼部を有する改質器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。
- 前記燃焼部から排出された排ガスを流通させる排気経路をさらに備え、
前記流通経路の代わりに前記排気経路が前記分離膜の透過側に配置された請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を回収する水蒸気回収手段と、
水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記改質部に供給する水蒸気供給経路と、
をさらに備える請求項5又は請求項6に記載の燃料電池システム。 - 前記原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する際に用いられる水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を流通する経路をさらに備え、
前記流通経路の代わりに前記経路が前記分離膜の透過側に配置された請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - さらに、前記分離膜の透過係数比β1(PCO2/PCO)及び前記分離膜の透過係数比β2(PH2O/PCO)の少なくとも一方が6以上である請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記分離膜の透過係数比α1(PCO2/PH2)及び前記分離膜の透過係数比α2(PH2O/PH2)の少なくとも一方が60以上である請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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