JP6826683B1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムにおいて、システム内の熱を有効利用する。【解決手段】アノードオフガスを第２燃料電池セルスタックでの発電に供するアノードオフガス管Ｐ７を有し、アノードオフガス管Ｐ７に設けられた原料熱交換部１２では、アノードオフガスと第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａへ向かう混合原料ガスとで熱交換が行われる。原料熱交換部１２よりも下流側に設けられた空気予熱部３２では、アノードオフガスと空気とで熱交換が行われる。水熱交換部３６では、カソードオフガスと改質用の水とで熱交換が行われる。【選択図】図１
Description
本発明は燃料電池システムに関する。
高温で作動する燃料電池システムにおいて、熱を有効利用することが行われている。例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、アノードオフガスと燃料ガスとの間で熱交換を行うと共に、カソードオフガスと空気との間で熱交換を行っている。
近年、アノードオフガスを再利用して発電を行う高効率の燃料電池システムが開発されているが、当該燃料電池システムにおいては、発電効率を高めるために、発電時に発生する熱のさらなる有効利用が求められている。
本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、燃料電池システムにおいて、システム内の熱を有効利用することを目的とする。
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料極の燃料ガスと空気極の酸化剤ガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出され、前記空気極からカソードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスの少なくとも一部を前記燃料電池での発電に供するアノードオフガス再利用路と、前記アノードオフガス再利用路に設けられ、前記アノードオフガスと前記燃料極へ向かう燃料ガスとで熱交換を行う燃料熱交換部と、
前記アノードオフガスの少なくとも一部、及び前記カソードオフガスの一部が供給され、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部を非経由の前記カソードオフガスの少なくとも一部と水との熱交換により水を気化させ、気化した水蒸気を前記燃料極へ向かう燃料ガスと前記燃料熱交換部よりも上流側で合流させる、水蒸気供給部と、前記水蒸気供給部へ送出する前記カソードオフガスと前記燃焼部へ送出する前記カソードオフガスとの分流比を、前記水蒸気供給部へ供給される水の量に基づいて制御する、カソードオフガス分流制御部と、を備えている。
前記アノードオフガスの少なくとも一部、及び前記カソードオフガスの一部が供給され、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部を非経由の前記カソードオフガスの少なくとも一部と水との熱交換により水を気化させ、気化した水蒸気を前記燃料極へ向かう燃料ガスと前記燃料熱交換部よりも上流側で合流させる、水蒸気供給部と、前記水蒸気供給部へ送出する前記カソードオフガスと前記燃焼部へ送出する前記カソードオフガスとの分流比を、前記水蒸気供給部へ供給される水の量に基づいて制御する、カソードオフガス分流制御部と、を備えている。
請求項１に係る燃料電池システムでは、アノードオフ再利用路に設けられた燃料熱交換部において、アノードオフガスと燃料ガスとで熱交換が行われる。また、水蒸気供給部において、カソードオフガスと燃料極へ向かう燃料ガスとで熱交換が行われる。このように、アノードオフガス、カソードオフガスの各々が、燃料電池へ向かう流体と熱交換するので、熱を有効利用することができる。
また、水蒸気供給部では、燃料ガスと混合される前の水がカソードオフガスと熱交換されるので、燃料ガスと混合された後と比較して、少ない熱量で効率的に水を気化させることができる。
なお、ここでの燃料ガスは、燃料極へ向かうガスであり、改質後の燃料ガスだけでなく、改質前の原料ガスを含んでいる。
請求項１に係る燃料電池システムは、前記燃焼部には、前記カソードオフガスの一部が供給される。
請求項１に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスの少なくとも一部とカソードオフガスの一部が供給されて可燃ガスを燃焼させる燃焼部から、システム内において必要な熱を得ることができる。
請求項７に係る燃料電池システムは、前記空気極へ向かう酸化剤ガスと前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとで熱交換を行う空気熱交換部と、を備えている。
請求項７に係る燃料電池システムによれば、空気極へ送出される酸化剤ガスを燃焼排ガスとの熱交換で加熱することができる。
請求項８に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガス再利用路に設けられ、前記アノードオフガスと前記空気熱交換部よりも上流側の前記空気極へ向かう前記酸化剤ガスとで熱交換を行う空気予熱部、を備えている。
請求項８に係る燃料電池システムによれば、空気極へ向かう酸化剤ガスをアノードオフガスとの熱交換で、燃焼排ガスとの熱交換よりも前に加熱することができる。
請求項５に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガス再利用路は、前記燃料電池から送出されるアノードオフガスを前記燃料電池へ循環させる循環路を含んでいる。
請求項５に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスを循環させて発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。
請求項３及び５に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガス再利用路へ送出する前記アノードオフガスと前記燃焼部へ送出する前記アノードオフガスとの分流比を前記燃料熱交換部から送出される燃料ガスの温度に基づいて制御する、アノードオフガス分流制御部、を備えている。
請求項３及び５に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガス分流制御部により、燃料熱交換部から送出される燃料ガスの温度に基づいて、アノードオフガス再利用路と燃焼部へ送出するアノードオフガスの分流比を制御することにより、燃料熱交換部において燃料ガスを適切な温度に昇温することができる。
請求項４に係る燃料電池システムは、前記燃料電池は、前記燃料ガスが供給されて発電する第１燃料電池と、前記第１燃料電池からのアノードオフガスが前記アノードオフガス再利用路経由で供給されて発電する第２燃料電池を含んでいる。
請求項４に係る燃料電池システムによれば、第１燃料電池からのアノードオフガスを第２燃料電池で発電に再利用することにより、発電効率を高めることができる。
請求項１及び６に係る燃料電池システムは、前記水蒸気供給部へ送出する前記カソードオフガスと前記燃焼部へ送出する前記カソードオフガスとの分流比を、前記水蒸気供給部へ供給される水の量に基づいて制御する、カソードオフガス分流制御部、を備えている。
請求項１及び６に係る燃料電池システムによれば、カソードオフガス分流制御部により、水蒸気供給部へ供給される水の量に基づいて、水蒸気供給部へ送出するカソードオフガスと燃焼部へ送出するカソードオフガスとの分流比を制御することにより、水蒸気供給部において水を適切に気化させることができる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおいて、システム内で発電時に発生する熱を、システム内部での熱交換を促進することで、有効利用することができる。これにより、発電システムの効率を向上することができる。
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、原料熱交換部１２、改質部１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、燃焼部２０、燃料再生部２２、原料ガス供給ブロワ２４、ポンプ２６、空気供給ブロワ２８、空気予熱部３２、空気熱交換部３４、及び、水熱交換部３６を備えている。
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、原料熱交換部１２、改質部１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、燃焼部２０、燃料再生部２２、原料ガス供給ブロワ２４、ポンプ２６、空気供給ブロワ２８、空気予熱部３２、空気熱交換部３４、及び、水熱交換部３６を備えている。
原料熱交換部１２には、原料ガス供給管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス供給管Ｐ１から原料熱交換部１２へ、原料ガスが供給される。原料熱交換部１２では、後述する第１アノード１６Ａからのアノードオフガスにより原料ガスが加熱される。原料熱交換部１２で加熱された原料ガスは、配管Ｐ３を経て改質部１４へ供給される。
ポンプ２６は、水源（不図示）から水熱交換部３６へ改質用の水（液相）を供給する。ポンプ２６は、後述する制御部４０と接続されており、送出する水量が制御部４０へ送信される。
水熱交換部３６は、ポンプ２６の駆動により水源（不図示）から供給された水（液相）を、後述するアノードオフガスとの熱交換により加熱することにより気化する。水熱交換部３６には、水蒸気供給管Ｐ８が接続されており、水蒸気供給管Ｐ８の下流端は、原料ガス供給管Ｐ１の原料熱交換部１２よりも上流側に合流されている。水熱交換部３６で気化された水は、水蒸気供給管Ｐ８を介して原料ガス供給管Ｐ１へ送られる。なお、水熱交換部３６と水蒸気供給管Ｐ８により、本発明の水蒸気供給部が形成されている。
なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、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、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。また、バイオガスを用いてもよい。
改質部１４では、原料ガスを改質し、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。改質部１４は、第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質部１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに供給される。
第１燃料電池セルスタック１６は固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり、複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池セルスタック１６は本発明における燃料電池（第１燃料電池）の一例であり、本実施形態では、作動温度が６５０℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された第１アノード１６Ａ、及び第１カソード（空気極）１６Ｂと、を有している。
なお、第２燃料電池セルスタック１８についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１６と同様であり、第１アノード１６Ａに対応する第２アノード１８Ａ、及び第１カソード１６Ｂに対応する第２カソード１８Ｂを有している。
第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂには、空気供給管Ｐ５（Ｐ５Ｃ）の一端が接続されており、空気供給管Ｐ５（Ｐ５Ａ）の他端に接続された空気供給ブロワ２８により、後述する空気予熱部３２、空気熱交換部３４を経た空気が供給される。第１カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに到達する。
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
また、第１カソード１６Ｂには、第１カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスを第２燃料電池セルスタック１８の第２カソード１８Ｂへ案内するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。
一方、第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。第１アノード１６Ａで生成された電子が第１アノード１６Ａから外部回路を通って第１カソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａにはアノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ７には、第１アノード１６Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
アノードオフガス管Ｐ７の他端は、燃料再生部２２と接続されている。燃料再生部２２は、アノードオフガスから、二酸化炭素、水の少なくとも一方を除去する。燃料再生部２２としては、例えば、凝縮器、水蒸気分離膜、二酸化炭素分離膜、二酸化炭素吸収剤等を用いることができる。
アノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７に送出され、原料熱交換部１２、空気予熱部３２を経て燃料再生部２２へ供給される。原料熱交換部１２では、原料ガス供給管Ｐ１から流入した原料ガス及び水蒸気と、第１アノード１８Ａからアノードオフガス管Ｐ７に送出されたアノードオフガスとで熱交換が行われる。熱交換により、原料ガス及び水蒸気が加熱され、アノードオフガスが冷却される。
空気予熱部３２では、空気供給管Ｐ５から流入した空気と、原料熱交換部１２を経たアノードオフガスとで熱交換が行われる。熱交換により、空気が加熱され、アノードオフガスが冷却される。
燃料再生部２２では、アノードオフガスについて、二酸化炭素及び水の少なくとも一方の濃度が低減される。二酸化炭素及び水の少なくとも一方の濃度が低減されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとして、再生燃料ガス管Ｐ９へ送出される。再生燃料ガス管Ｐ９は、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａと接続されており、再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ９を経て、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａに供給される。
本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池セルスタック１６で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池セルスタック１８で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。
第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａ及び第２カソード１８Ｂでは、第１燃料電池セルスタック１６と同様の反応により発電が行われる。
第２アノード１８Ａには、アノードオフガス管Ｐ１０の一端が接続され、アノードオフガス管Ｐ１０の他端は燃焼部２０に接続されている。第２アノード１８Ａから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ１０を経て燃焼部２０へ供給される。
燃焼部２０は、改質部１４と隣接されており、燃焼部２０の燃焼熱が改質部１４へ供給される。
第２カソード１８Ｂには、カソードオフガス管Ｐ１１の一端が接続され、カソードオフガス管Ｐ１１は、分岐部Ｂ１で熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａと燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｂに分岐されている。分岐部Ｂ１は、熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａと燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｂへの分流比Ｒ１を調整可能な弁を有している。熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａは、水熱交換部３６と接続され、燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｂは、燃焼部２０と接続されている。
第２カソード１８Ｂから排出されたカソードオフガスは、分岐部Ｂ１で分岐され、分岐された一方は、熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａを経て水熱交換部３６へ供給される。分岐された他方は、燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｂを経て燃焼部２０へ供給される。
燃焼部２０からは、燃焼排ガスが送出される。燃焼排ガスは、燃焼排ガス管Ｐ１２内を流通し、空気熱交換部３４での熱交換を経て排出される。空気熱交換部３４では、空気予熱部３２で予熱された空気が空気供給管Ｐ５Ｂを経て空気熱交換部３４へ流入し更に加熱される。また、燃焼排ガス管Ｐ１２を経て流入した燃焼排ガスが冷却される。空気熱交換部３４で加熱された空気は、第１カソード１８Ｂへ供給される。
図２に示されるように、 制御部４０は、燃料電池システム１０Ａの全体を制御するものであり、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）４０Ａ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０Ｂ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０Ｃ、ストレージ４０Ｄ、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）４０Ｅ、を有する。各構成は、バス４０Ｆを介して相互に通信可能に接続されている。
ＣＰＵ４０Ａは、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ４０Ａは、ＲＯＭ４０Ｂまたはストレージ４０Ｄからプログラムを読み出し、ＲＡＭ４０Ｃを作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ４０Ａは、ＲＯＭ４０Ｂまたはストレージ４０Ｄに記録されているプログラムにしたがって、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。
ＲＯＭ４０Ｂは、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ４０Ｃは、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。ストレージ４０Ｄは、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）またはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データを格納する。
本実施形態では、ＲＯＭ４０Ｂまたはストレージ４０Ｄには、燃料電池システム１０Ａの後述するカソードオフガス分流比制御処理についてのプログラムや、ポンプ２６から送出される水量データ、カソードオフガス分流比制御処理に使用される水量とカソードオフガス分流比についてのテーブルＣＴ等が格納されている。入出力Ｉ／Ｆ４０Ｅは、信号線を介して、ポンプ２６、分岐部Ｂ１と接続されている。
カソードオフガス分流比制御処理は、ポンプ２６から送出される水量に応じて分岐部Ｂ１での分流比を制御する処理である。ストレージ４０Ｄには、図３に示されるように、ポンプ２６から送出される水量とカソードオフガスの分流比Ｒ１のテーブルＢＴが格納されている。ここでの分流比Ｒ１は、熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａ（水熱交換部３６側）へ送出される割合（％）を示している。また、テーブルＢＴにおける水量は、燃料電池システム１０Ａでの最大電力発電時における改質水の量を１００として示している。分流比Ｒ１は、水熱交換部３６へ、水（液相）を気化させるために十分な熱量となるカソードオフガス量が供給されるように設定されている。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
燃料電池システム１０Ａにおいては、ポンプ２６によって改質用の水（液相）が水熱交換部３６へ送出され、水熱交換部３６において、カソードオフガスとの熱交換により水が加熱されて気化される。気化された水は、水蒸気供給管Ｐ８を介して原料ガス供給管Ｐ１へ送られる。原料ガスは、原料ガス供給ブロワ２４によって、原料ガス供給管Ｐ１へ送出され、水蒸気と混合されて混合原料ガスとなり、原料熱交換部１２へ供給される。混合原料ガスは、原料熱交換部１２において第１アノード１６Ａから送出されたアノードオフガスとの熱交換により加熱され、配管Ｐ３を経て改質部１４へ供給される。
改質部１４では、混合原料ガスが改質反応により改質され、水素および一酸化炭素を含む燃料ガスが生成される。燃料ガスは燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに供給される。
第１燃料電池セルスタック１６の第１カソード１６Ｂには、空気予熱部３２及び空気熱交換部３４で熱交換により加熱された空気が、空気供給管Ｐ５（Ｐ５Ａ、Ｐ５Ｂ、Ｐ５Ｃ）を経て供給される。これにより、第１燃料電池セルスタック１６では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、第１カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６を通って第２燃料電池セルスタック１８の第２カソード１８Ｂへ供給される。
第１アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７に導かれ、原料熱交換部１２へ流入し、混合原料ガスと熱交換される。当該熱交換により、混合原料ガスが加熱され、アノードオフガスが冷却される。原料熱交換部１２で熱交換が行われた後のアノードオフガスは、空気予熱部３２へ供給され、空気予熱部３２において空気供給ブロワ２８から送出された空気と熱交換される。当該熱交換により、空気が加熱され、アノードオフガスがさらに冷却される。空気予熱部３２で熱交換が行われた後のアノードオフガスは燃料再生部２２へ供給される。燃料再生部２２では、アノードオフガスから、二酸化炭素、水の少なくとも一方が除去され、再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ９へ送出され、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａへ供給される。
第２燃料電池セルスタック１８では、前述の反応により発電が行われる。第２アノード１８Ａからアノードオフガスが排出され、第２カソード１８Ｂからカソードオフガスが排出される。第２アノード１８Ａから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ１０を経て燃焼部２０へ供給される。
第２カソード１８Ｂから排出されたカソードオフガスは、分岐部Ｂ１で分岐される。ここで、分岐部Ｂ１における分流比Ｒ１の制御について説明する。
燃料電池システム１０Ａでは、起動後に定常運転が開始された後、図４に示されるカソードオフガス分流比制御処理が実行される。まず、ステップＳ１０で、ポンプ２６から送出される最新の水量データを取得する。次に、ステップＳ１２で、テーブルＢＴを参照して水量データに対応する分流比Ｒ１を決定する。そして、ステップＳ１４で、分流比Ｒ１となるように、分岐部Ｂ１を制御する。これにより、分岐部Ｂ１では、分流比Ｒ１で熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａと燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｂへカソードオフガスが送出される。ステップＳ１６で、運転停止指示があったかどうか判断し、運転停止指示がなければ、ステップＳ１０へ戻り、処理を繰り返す。運転停止指示があれば、カソードオフガス分流比制御処理を終了する。
このようにして、分岐部Ｂ１では、ポンプ２６から送出される水量に応じて、カソードオフガスが水熱交換部３６へ供給されるように分流比Ｒ１が設定される。
分岐部Ｂ１で分岐されたカソードオフガスの一方は、熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａを経て水熱交換部３６へ供給される。水熱交換部３６では、熱交換により、水が加熱されて気化され、カソードオフガスが冷却される。分岐部Ｂ１では、水量に応じて気化のために適切な量のカソードオフガスが分流比Ｒ１として設定されているので、水熱交換部３６での気化を適切に行うことができる。
分岐部Ｂ１で分岐されたカソードオフガスの他方は、燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｂを経て燃焼部２０へ供給され、アノードオフガスの燃焼に供される。
燃焼部２０から排出された燃焼排ガスは、空気熱交換部３４へ送出され、空気予熱部３２で予熱された空気との熱交換が行われる。空気熱交換部３４では、空気が加熱され、燃焼排ガスが冷却される。空気熱交換部３４で加熱された空気は、第１カソード１８Ｂへ供給される。
本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、アノードオフガス管Ｐ７に設けられた燃料熱交換部１２において、アノードオフガスと空気とで熱交換が行われる。また、水熱交換部３６において、カソードオフガスと水とで熱交換が行われる。さらに、空気熱交換部３４において、燃焼部２０から排出される燃焼排ガスと空気予熱部３２を経た空気とで熱交換が行われる。このように、アノードオフガス、カソードオフガスの各々が、第１燃料電池セルスタック１６または第２燃料電池セルスタック１８へ向かう流体と熱交換するので、システム内における熱を有効利用することができる。
また、空気は、燃焼排ガスとの熱交換よりも上流側でアノードオフガスと熱交換するので、燃料再生部２２へ向かうアノードオフガスを、水の凝縮温度や膜の作動温度まで、効果的に冷却することができる。
また、本実施形態では、燃料再生部２２で、アノードオフガス中の水及び二酸化炭素の少なくとも一方が除去されて再生燃料ガスが第２燃料電池セルスタック１８での発電に供されるので、第２燃料電池セルスタック１８での発電効率を高くすることができる。
また、本実施形態では、燃焼部２０においてアノードオフガス中の可燃成分を燃焼させることにより、改質部１４における改質反応に必要な熱を得たり、空気の加熱に必要な熱を得たり、することができる。
また、本実施形態では、カソードオフガス分流制御処理により、水熱交換部３６へ供給する水の量に基づいて、水熱交換部３６へ送出するカソードオフガスと燃焼部２０へ送出するカソードオフガスとの分流比Ｒ１を制御するので、水熱交換部３６において水を適切に気化することができる。
また、カソードオフガス管Ｐ１１は、分岐部Ｂ１で熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａと燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｂに分岐されているので、カソードオフガスについて、圧力損失を少なくすることができる。これにより、空気供給ブロワ２８の出力を下げることができ、消費電力を抑制することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
図５には、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂが示されている。燃料電池システム１０Ｂは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が異なっている。また、配管Ｐ３に温度計Ｔが設けられ、アノードオフガス分流比制御処理が実行される点が異なっている。
配管Ｐ３には、原料熱交換部１２から送出された原料ガスの温度を測定する温度計Ｔが設けられている。温度計Ｔは、制御部４０と接続されており、測定された温度Ｔ１は、制御部４０へ出力される。
第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａにはアノードオフガス管Ｐ１０の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ１０には、第１アノード１６Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガス管Ｐ１０は、分岐部Ｂ２で循環用オフガス管Ｐ１０Ａと燃焼用オフガス管Ｐ１０Ｂに分岐されている。分岐部Ｂ２は、循環用オフガス管Ｐ１０Ａと燃焼用オフガス管Ｐ１０Ｂへの分流比Ｒ２を調整可能な弁を有している。循環用オフガス管Ｐ１０Ａは、燃料熱交換部１２、空気熱交換部３２を経て燃料再生部２２と接続されている。燃焼用オフガス管Ｐ１０Ｂは、燃焼部２０と接続されている。
燃料再生部２２の下流側（出口側）には、再生燃料ガス管Ｐ９の一端が接続されており、再生燃料ガス管Ｐ９の他端は、燃料熱交換部１２よりも上流側で、原料ガス供給管Ｐ１に接続されている。燃料再生部２２から再生燃料ガス管Ｐ９へ再生燃料ガスが送出される。再生燃料ガス管Ｐ９には、ガス供給ブロワ２５が設けられており、再生燃料ガスを原料ガス供給管Ｐ１と合流させる。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、第１燃料電池セルスタック１６で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、再度燃料ガスとして第１燃料電池セルスタック１６で再利用される循環式の燃料電池システムとなっている。
第１カソード１６Ｂには、カソードオフガス管Ｐ１１の一端が接続されており、カソードオフガス管Ｐ１１には、第１カソード１６Ｂからカソードオフガスが排出される。カソードオフガス管Ｐ１１は、分岐部Ｂ１で熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａと燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｂに分岐されている。熱交換用オフガス管Ｐ１１Ａは、原料熱交換部１２と接続され、燃焼用オフガス管Ｐ１１Ｂは、燃焼部２０と接続されている。
図６に示されるように、制御部４０の入出力Ｉ／Ｆ４０Ｅは、信号線を介して、温度計Ｔ、分岐部Ｂ２、ポンプ２６、分岐部Ｂ１と接続されている。
アノードオフガス分流比制御処理は、温度計Ｔで測定された混合原料ガスの温度に応じて分岐部Ｂ２での分流比を制御する処理である。ストレージ４０Ｄには、図７に示されるように、原料熱交換部１２で熱交換された後の混合原料ガスの温度とアノードオフガスの分流比Ｒ２のテーブルＡＴが格納されている。
ここでの分流比Ｒ２は、循環用オフガス管Ｐ１０Ａ（原料熱交換部１２側）へ送出される割合（％）を示している。分流比Ｒ２minは、混合原料ガスの昇温最高温度Ｔ２に対応する分流比であり、循環用オフガス管Ｐ１０Ａへ送出する分流として最低になる分流比である。分流比Ｒ２maxは、分流比Ｒ２minよりも高い割合で、混合原料ガスの昇温最低温度Ｔ１に対応する分流比であり、循環用オフガス管Ｐ１０Ａへ送出する分流として最高になる分流比である。
昇温最低温度Ｔ１は、原料熱交換部１２で熱交換された後の混合原料ガスについて最低限確保したい温度であり、昇温最高温度Ｔ２は、昇温最低温度Ｔ１よりも高く、原料熱交換部１２で熱交換された後の混合原料ガスについて目標とする最高温度である。すなわち、原料熱交換部１２で熱交換された後の混合原料ガスについて温度Ｔ１〜Ｔ２の間への制御が行われる。温度計Ｔで測定された温度が昇温最低温度Ｔ１以下の場合には、分流比Ｒ２をＲ２maxとして混合原料ガスの昇温を促進し、温度計Ｔで測定された温度が昇温最高温度Ｔ２以上の場合には、分流比Ｒ２をＲ２minとして、混合原料ガスの昇温を抑制する。
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。
第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスは、分岐部Ｂ２で分流される。ここで、分岐部Ｂ２における分流比Ｒ２の制御について説明する。
燃料電池システム１０Ａでは、起動後に定常運転が開始された後、第１実施形態と同様に、図４に示されるカソードオフガス分流比制御処理が実行される。さらに、同様のタイミングで、図８に示されるアノードオフガス分流比制御処理が実行される。
アノードオフガス分流比制御処理では、まず、ステップＳ２０で、温度計Ｔから得られる最新の温度データを取得する。次に、ステップＳ２２で、テーブルＡＴを参照して温度データに対応する分流比Ｒ２を決定する。そして、ステップＳ２４で、分流比Ｒ２となるように、分岐部Ｂ２を制御する。これにより、分岐部Ｂ２では、分流比Ｒ２で循環用オフガス管Ｐ１０Ａと燃焼用オフガス管Ｐ１０Ｂへアソードオフガスが送出される。ステップＳ２６で、運転停止指示があったかどうか判断し、運転停止指示がなければ、ステップＳ２０へ戻り、処理を繰り返す。運転停止指示があれば、アノードオフガス分流比制御処理を終了する。
このようにして、分岐部Ｂ２では、温度計Ｔで測定された温度に応じて、アノードオフガスが原料熱交換部１２へ供給されるように分流比Ｒ２が設定される。
分岐部Ｂ２で分岐されたアノードオフガスの一方は、循環用オフガス管Ｐ１０Ａを経て原料熱交換部１２へ供給される。原料熱交換部１２では、熱交換により、混合原料ガスが加熱され、アノードオフガスが冷却される。分岐部Ｂ２では、温度Ｔに応じて適切な量のアノードオフガスが分流比Ｒ２として設定されているので、原料熱交換部１２での熱交換を適切に行うことができる。
原料熱交換部１２から送出されたアノードオフガスは、空気予熱部３２へ供給され、空気予熱部３２において空気供給ブロワ２８から送出された空気と熱交換される。当該熱交換により、空気が加熱され、アノードオフガスがさらに冷却される。
空気予熱部３２で熱交換が行われた後のアノードオフガスは燃料再生部２２へ供給される。燃料再生部２２では、アノードオフガスから、二酸化炭素、水の少なくとも一方が除去され、再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ９へ送出され、原料ガス供給管Ｐ１へ合流し、原料ガスと共に原料熱交換部１２、改質部１４を経て、第１燃料電池セルスタック１６での発電に供される。
分岐部Ｂ２で分岐されたアノードオフガスの他方は、燃焼用オフガス管Ｐ１０Ｂを経て燃焼部２０へ供給され、燃焼に供される。
分岐部Ｂ１で分岐されたカソードオフガスの一方及び他方は、第１実施形態と同様に、水熱交換部３６、燃焼部２０へ各々供給される。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂでは、循環用オフガス管Ｐ１０Ａに設けられた原料熱交換部１２において、アノードオフガスと混合原料ガスとで熱交換が行われる。また、空気予熱部３２において、原料熱交換部１２から送出されたアノードオフガスと空気とで熱交換が行われる。さらに、空気熱交換部３４において、燃焼部２０から排出される燃焼排ガスと空気予熱部３２を経た空気とで熱交換が行われる。このように、アノードオフガス、カソードオフガスの各々が、第１燃料電池セルスタック１６へ向かう流体と熱交換するので、システム内における熱を有効利用することができる。
また、空気は、燃焼排ガスとの熱交換よりも上流側でアノードオフガスと熱交換するので、燃料再生部２２へ向かうアノードオフガスを、水の凝縮温度や膜の作動温度まで、効果的に冷却することができる。
また、本実施形態では、燃料再生部２２で、アノードオフガス中の水及び二酸化炭素の少なくとも一方が除去されて再生燃料ガスが第１燃料電池セルスタック１６での発電に再度供給されるので、第１燃料電池セルスタック１６での発電効率を高くすることができる。
なお、第１、第２実施形態では、改質部１４で原料ガスの改質が行われ、改質後の燃料ガスが第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａへ供給される例について説明したが、原料ガスの改質は、第１アノード１６Ａで行われてもよい。すなわち、改質部１４を備えず、原料ガス供給管Ｐ１を直接第１アノード１６Ａへ接続して、原料ガスを第１アノード１６Ａへ供給し、改質部を兼ねた第１アノード１６Ａで改質を行ってもよい。
１０Ａ、１０Ｂ 燃料電池システム
１２ 原料熱交換部（燃料熱交換部）
１６ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１６Ａ 第１アノード（燃料極）
１６Ｂ 第１カソード（空気極）
１８ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池）
１８Ａ 第２アノード（燃料極）
１８Ｂ 第２カソード（空気極）
２０ 燃焼部
２２ 燃料再生部
３２ 空気予熱部
３４ 空気熱交換部
３６ 水熱交換部（水蒸気供給部）
Ｐ８ 水蒸気供給管（水蒸気供給部）
４０ 制御部（アノードオフガス分流制御部、カソードオフガス分流制御部）
Ｐ７ アノードオフガス管（アノードオフ再利用路）
Ｐ９ 再生燃料ガス管（アノードオフ再利用路）
Ｐ１０Ａ 循環用オフガス管（アノードオフ再利用路）
Ｂ１ 分岐部（カソードオフガス分流制御部）
Ｂ２ 分岐部（アノードオフガス分流制御部）
１２ 原料熱交換部（燃料熱交換部）
１６ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１６Ａ 第１アノード（燃料極）
１６Ｂ 第１カソード（空気極）
１８ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池）
１８Ａ 第２アノード（燃料極）
１８Ｂ 第２カソード（空気極）
２０ 燃焼部
２２ 燃料再生部
３２ 空気予熱部
３４ 空気熱交換部
３６ 水熱交換部（水蒸気供給部）
Ｐ８ 水蒸気供給管（水蒸気供給部）
４０ 制御部（アノードオフガス分流制御部、カソードオフガス分流制御部）
Ｐ７ アノードオフガス管（アノードオフ再利用路）
Ｐ９ 再生燃料ガス管（アノードオフ再利用路）
Ｐ１０Ａ 循環用オフガス管（アノードオフ再利用路）
Ｂ１ 分岐部（カソードオフガス分流制御部）
Ｂ２ 分岐部（アノードオフガス分流制御部）
Claims (8)
- 燃料極の燃料ガスと空気極の酸化剤ガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出され、前記空気極からカソードオフガスが排出される燃料電池と、
前記アノードオフガスの少なくとも一部を前記燃料電池での発電に供するアノードオフガス再利用路と、
前記アノードオフガス再利用路に設けられ、前記アノードオフガスと前記燃料極へ向かう燃料ガスとで熱交換を行う燃料熱交換部と、
前記アノードオフガスの少なくとも一部、及び前記カソードオフガスの一部が供給され、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部を非経由の前記カソードオフガスの少なくとも一部と水との熱交換により水を気化させ、気化した水蒸気を前記燃料極へ向かう燃料ガスと前記燃料熱交換部よりも上流側で合流させる、水蒸気供給部と、
前記水蒸気供給部へ送出する前記カソードオフガスと前記燃焼部へ送出する前記カソードオフガスとの分流比を、前記水蒸気供給部へ供給される水の量に基づいて制御する、カソードオフガス分流制御部と、
を備えた燃料電池システム。 - 前記アノードオフガス再利用路は、前記燃料電池から送出されるアノードオフガスを前記燃料電池へ循環させる循環路を含んでいる、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記アノードオフガス再利用路へ送出する前記アノードオフガスと前記燃焼部へ送出する前記アノードオフガスとの分流比を前記燃料熱交換部から送出される燃料ガスの温度に基づいて制御する、アノードオフガス分流制御部、
を備えた請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池は、前記燃料ガスが供給されて発電する第１燃料電池と、前記第１燃料電池からのアノードオフガスが前記アノードオフガス再利用路経由で供給されて発電する第２燃料電池を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 燃料極の燃料ガスと空気極の酸化剤ガスにより発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出され、前記空気極からカソードオフガスが排出される燃料電池と、
前記燃料電池から送出されるアノードオフガスを前記燃料電池へ循環させる循環路を含み、前記アノードオフガスの少なくとも一部を前記燃料電池での発電に供するアノードオフガス再利用路と、
前記アノードオフガス再利用路に設けられ、前記アノードオフガスと前記燃料極へ向かう燃料ガスとで熱交換を行う燃料熱交換部と、
前記アノードオフガスの少なくとも一部、及び前記カソードオフガスの一部が供給され、可燃ガスを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部を非経由の前記カソードオフガスの少なくとも一部と水との熱交換により水を気化させ、気化した水蒸気を前記燃料極へ向かう燃料ガスと前記燃料熱交換部よりも上流側で合流させる、水蒸気供給部と、
前記アノードオフガス再利用路へ送出する前記アノードオフガスと前記燃焼部へ送出する前記アノードオフガスとの分流比を前記燃料熱交換部から送出される燃料ガスの温度に基づいて制御する、アノードオフガス分流制御部と、
を備えた燃料電池システム。 - 前記水蒸気供給部へ送出する前記カソードオフガスと前記燃焼部へ送出する前記カソードオフガスとの分流比を、前記水蒸気供給部へ供給される水の量に基づいて制御する、カソードオフガス分流制御部と、
を備えた、請求項５に記載の燃料電池システム。 - 前記空気極へ向かう酸化剤ガスと前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとで熱交換を行う空気熱交換部と、
を備えた請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記アノードオフガス再利用路に設けられ、前記アノードオフガスと前記空気熱交換部よりも上流側の前記空気極へ向かう前記酸化剤ガスとで熱交換を行う空気予熱部、
を備えた、請求項７に記載の燃料電池システム。
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