JP7002054B2 - 高温動作型燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明者らは、排熱を有効に利用できる高温動作型燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池システム(以下、SOFCシステム)に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
(高温動作型燃料電池システムの構成)
まず、図1を参照して、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の要部構成の一例を示す模式図である。図1では、高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、高温動作型燃料電池システム100は、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、本明細書では、発電原料供給経路8を通じて外部から供給されるガスを発電原料と称し、改質器5において改質反応により改質された発電原料を改質ガスと称する。
C2H6S+2H2→2CH4+H2S ・・・(1)
H2S+ZnO→H2O+ZnS ・・・(2)
なお、発電原料に含まれる付臭剤は、上述したDMSの他に、TBM(C4H10S)またはTHT(C4H8S)等の硫黄化合物の場合もある。
以下において高温動作型燃料電池システム100が備える断熱部21および真空断熱部22について詳細に説明する。
次に、制御部27による発電動作停止シーケンスにおける制御について説明する。まず、制御部27は、高温動作型燃料電池システム100が備える各部の各種制御を行うものであり、制御機能を有するものであれば特に限定されない。制御部27は、例えば、マイクロコントローラ、MPU、PLC(Programmable Logic Controller)、論理回路等で実現できる。また、制御部27は集中制御を行う単独の制御部によって構成されてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御部で構成されてもよい。制御部27は、例えば、後述する真空断熱部22の温度履歴等を記録する記憶部(不図示)を備え、各種指示や情報等を報知するための報知機41と接続されている。
ここで、高温動作型燃料電池システム100における流体(酸化剤ガス、カソードオフガス、改質ガス、およびアノードオフガス)の流れについて説明する。
実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14が燃焼部7の上方に設置されている。このため、高温の排ガスによって、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14を流通する酸化剤ガスをそれぞれの機能に適した温度まで加熱することができる構成である。
次に、断熱部21と真空断熱部22との間に第1予熱部12を設ける場合と、設けない場合とを比較して、第1予熱部12を備えることの効果を説明する。
高温動作型燃料電池システム100では、筐体部3内において第2予熱部14により燃焼部7の上方の内部を、第3予熱部16により燃焼部7の下方の内部を覆う構成であった。そして、第2予熱部14と第3予熱部16とはそれぞれ別体として設けられた構成であった。しかしながらこの構成に限定されるものではなく、第2予熱部14と第3予熱部16とを一体に形成してもよい。なお、第2予熱部14と第3予熱部16とを一体に形成する場合、第3予熱部16は、燃料電池スタック容器2の側部における内壁ではなく外壁側に設けられる構成となる。
さらに、高温動作型燃料電池システム100では、第1予熱部12、断熱部21、および真空断熱部22は、高温動作型燃料電池システム100の筐体部3の側面に配置された構成であった。しかしながらこれに限定されるものではなく、図4に示すように、筐体部3の側面だけではなく底面および上面もさらに覆う構成としても良いし、側面と底面または上面のいずれか一方だけを覆う構成としてもよい。図4は、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100の要部構成の一例を示す模式図である。図4では、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100は、その筐体部3の側面に加えて上面および底面もさらに、第1予熱部12、断熱部21、および真空断熱部22によって囲っている点を除けば、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100と同様の構成であるため、同じ部材には同じ符号を付し、構成の説明については省略する。
図6を参照して実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200について説明する。図6は、本発明の実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200の要部構成の一例を示す模式図である。図6では、高温動作型燃料電池システム200を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。
図7、8を参照して実施の形態3に係る高温動作型燃料電池システム300について説明する。図7は、本発明の実施の形態3に係る高温動作型燃料電池システム300の外観形状の一例を示す斜視図である。図8は、図7に示す高温動作型燃料電池システム300の要部構成の一例を示す模式図である。
2 燃料電池スタック容器
3 筐体部
4 蒸発器
5 改質器
6 噴出部
7 燃焼部
8 発電原料供給経路
9 改質ガス経路
10 アノードオフガス経路
11 酸化剤ガス供給経路
12 第1予熱部
12a 部分予熱部
13 酸化剤ガス筐体部供給経路
14 第2予熱部
15 第1酸化剤ガス経路
16 第3予熱部
17 第2酸化剤ガス経路
19 排ガス経路
21 断熱部
22 真空断熱部
25 酸化剤ガス供給器
26 発電原料供給器
27 制御部
30 分散板
31 連結部
40 検出部
41 報知機
100 高温動作型燃料電池システム
200 高温動作型燃料電池システム
300 高温動作型燃料電池システム
Claims (12)
- カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、
前記燃料電池スタックおよび前記燃焼部の外周の少なくとも一部を覆う断熱部と、
前記断熱部の外周の少なくとも一部を覆うとともに前記断熱部を介して伝達された熱により前記燃料電池スタックへ供給する前記酸化剤ガスを予熱する第1予熱部と、
前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記第1予熱部の外周の少なくとも一部を覆う真空断熱部と、
前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記真空断熱部が所定温度以下となるように前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる高温動作型燃料電池システム。 - 前記検出部は、火炎検知器であり、
前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記燃焼部の燃焼動作の停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する請求項1に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記検出部は、流量計であり、
前記制御部は、前記検出部の検出結果から前記改質ガスの供給停止を検出した場合、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断する請求項1に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記酸化剤ガス供給器により前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを供給させる際、該酸化剤ガス供給器への電力供給が停止させられていると判断した場合、前記制御部は、前記燃料電池スタックにより発電された電力、または外部に備えられた補助電源からの電力により、前記酸化剤ガス供給器を稼働させる請求項1または2に記載の高温動作型燃料電池システム。
- 前記燃焼部の燃焼により生成された排ガスの有する熱を利用して改質反応を行い、供給された発電原料から前記改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを予熱させ前記燃料電池スタックへ供給する第2予熱部と、
前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部を収容する筐体部と、をさらに備え、
前記断熱部は、前記筐体部の内周または外周に位置し、前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部の外周の少なくとも一部を覆う請求項1~4のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づき、前記燃料電池スタックの発電動作が停止したと判断した場合、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記第1予熱部に前記酸化剤ガスを所定時間または前記真空断熱部の温度が所定の温度以下になったと判断するまで供給させる請求項1~5のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池システム。
- 前記燃焼部の上方に前記改質器が配置され、前記燃焼部の下方に前記燃料電池スタックが配置されており、
前記燃料電池スタックを収容する収容空間を有するとともに、該燃料電池スタックの前記カソードから排出された前記カソードオフガスを、該収容空間内を流通させて前記燃焼部に導く燃料電池スタック容器と、
前記燃料電池スタックの外周を取り巻くように前記燃料電池スタック容器の側面に設けられ、前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの有する熱により前記第2予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスをさらに予熱する第3予熱部と、を備え、
前記断熱部は、前記第3予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆うように配置されている請求項5に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記第1予熱部は、前記第3予熱部、前記燃焼部、および前記改質器それぞれの外周の少なくとも一部を覆う複数の部分予熱部と、分離して配置された該部分予熱部の間を酸化剤ガスが流通するように連結する連結部とから構成されている請求項7に記載の高温動作型燃料電池システム。
- 前記酸化剤ガスは、前記第1予熱部、前記第2予熱部、および前記第3予熱部の順に流通して前記燃料電池スタックに供給されており、
前記第1予熱部は、前記断熱部を介して伝達した熱によって外部から供給された前記酸化剤ガスを予熱し、
前記第2予熱部は、前記第1予熱部により予熱された前記酸化剤ガスを前記排ガスの有する熱によって予熱し、
前記第3予熱部は、前記第2予熱部によって予熱された前記酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器の前記収容空間内を流通する前記カソードオフガスの熱により予熱する請求項7または8に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記真空断熱部は、前記高温動作型燃料電池システムを構成する各部を分解することなく交換できるよう着脱可能に設けられている請求項1~9のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池システム。
- 前記真空断熱部の温度変化に対応する温度を検出する温度検知部と、
報知機と、を備え、
前記制御部は、前記温度検知部によって検出された温度履歴を記録する記憶部を有しており、該記憶部に記録された温度履歴に基づき、前記真空断熱部の交換の要否を判断し、
この判断した結果を前記報知機に報知させるように制御する請求項10に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記温度検知部は、前記燃料電池スタックの発電動作の停止を示す情報を検出する検出部である、請求項11に記載の高温動作型燃料電池システム。
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