JP7016025B2 - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents
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Description
本発明者等は燃料電池システムについて発電効率低下の抑制およびコスト上昇の抑制を図るために鋭意検討をした。この結果、本発明者等は従来技術には下記のような問題があることを見出した。
本発明の実施の第1態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに供給される前記燃料ガスが流通する第1供給流路と、前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第2供給流路と、前記第1供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流通するリサイクル流路と、前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第1供給流路へ流入させる循環器と、前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記開閉弁を開き、前記貯留器に貯留されている前記水の貯留量、前記排出流路を流通して排出される前記水の排出時間、および、前記排出流路を流通して排出される前記アノードオフガスの排出量に基づいて、前記アノードオフガスを排出するために前記開閉弁が開状態である時間を開時間として決定し、前記開閉弁を開けている時間が前記開時間に達すると、前記開閉弁を閉じる。
<構成>
実施の形態1に係る燃料電池システム100について、図1を参照して説明する。燃料電池システム100は、燃料電池1、第1供給流路2、第2供給流路3、リサイクル流路4、循環器5、排出流路(第1排出流路)6、貯留器7、開閉弁8および制御器20を備えている。燃料電池システム100は、アノードオフガスが排出される第1排出流路6の他に、カソードオフガスが排出される排出流路(第2排出流路)14を備えていてもよい。
アノードオフガスの排出時間は、第1排出流路6の圧力によって変動する。例えば、第1排出流路6の圧力が低いほど、第1排出流路6から開閉弁8を介して外部へ排出されるアノードオフガスおよび水の速度が小さくなり、これらの排出時間が長くなる。
このような第1排出流路6の圧力およびアノードオフガスの排出量に基づいた開閉弁8の開時間は、以下のように計算することができる。まず、第1排出流路6の圧力が大きいほど、水の排出速度Kw(m3/sec)が大きくなる。このため、水の排出時間Tw(sec)および水の排出量Qw(m3)から水の排出速度Kw=Qw/Twを求める。
燃料電池システム100の運転方法について、図2を参照して説明する。この運転方法は、制御器20により制御されている。ここでは、酸化剤ガスとして空気を用いた場合について説明する。
実施の形態2に係る燃料電池システム100は、実施の形態1の各構成に加えて、図5に示すように、燃料電池1の電圧を検知する電圧検知器11をさらに備えている。なお、実施の形態2に係る燃料電池システム100について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態1に係る燃料電池システム100と同様であるため、説明を省略する。
実施の形態3に係る燃料電池システム100は、実施の形態1の各構成に加えて、図6Aに示すように、アノードオフガスの温度を検知する温度検知器12をさらに備えている。なお、実施の形態3に係る燃料電池システム100について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態1に係る燃料電池システム100と同様であるため、説明を省略する。
実施の形態3の変形例に係る燃料電池システム100は、実施の形態1の各構成に加えて、図7Aに示すように、貯留器7に貯留された水の水位を検知する水位検知器13をさらに備えている。実施の形態3の変形例に係る燃料電池システム100について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態1に係る燃料電池システム100と同様であるため、説明を省略する。
実施の形態4に係る燃料電池システム100では、制御器20は、リサイクル流路4との接続点から燃料電池1までの第1供給流路2、燃料電池1の第1流路(アノード流路)1a、リサイクル流路4、貯留器7、およびリサイクル流路4からの分岐点から開閉弁8までの第1排出流路6の容積に基づいて、アノードオフガスの排出量を決定する。なお、実施の形態4に係る燃料電池システム100は、実施の形態1に係る燃料電池システム100の各構成を備えており、この構成、作用及び効果については同様であるため、その説明を省略する。
実施の形態4の変形例に係る燃料電池システム100は、実施の形態1の各構成に加えて、図5に示すように、燃料電池1の電圧を検知する電圧検知器11をさらに備えている。実施の形態4の変形例に係る燃料電池システム100について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態1に係る燃料電池システム100と同様であるため、説明を省略する。
実施の形態5に係る燃料電池システム100は、実施の形態1の各構成に加えて、図5に示すように、燃料電池1の電圧を検知する電圧検知器11をさらに備えている。実施の形態5に係る燃料電池システム100について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態1に係る燃料電池システム100と同様であるため、説明を省略する。
1a :第1流路(アノード流路)
2 :第1供給流路
3 :第2供給流路
4 :リサイクル流路
5 :循環器
6 :第1排出流路(排出流路)
7 :貯留器
8 :開閉弁
11 :電圧検知器
12 :温度検知器
13 :水位検知器
20 :制御器
100 :燃料電池システム
Claims (11)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに供給される前記燃料ガスが流通する第1供給流路と、
前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第2供給流路と、
前記第1供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流通するリサイクル流路と、
前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第1供給流路へ流入させる循環器と、
前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、
前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、
前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記開閉弁を開き、
前記貯留器に貯留されている前記水の貯留量および前記排出流路を流通して排出される前記水の排出時間に基づいて、前記排出流路の圧力を決定し、前記排出流路の圧力および前記排出流路を流通して排出される前記アノードオフガスの排出量に基づいて、前記アノードオフガスを排出するために前記開閉弁が開状態である時間を開時間として決定し、
前記開閉弁を開けている時間が前記開時間に達すると、前記開閉弁を閉じる、燃料電池システム。 - 前記制御器は、前記排出流路の圧力が大きいほど、前記開時間を短くする、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御器は、前記水の排出時間が長いほど、前記開時間を長くする、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器をさらに備え、
前記制御器は、前記電圧検知器により検知された電圧に基づいて前記水の排出時間を決定する、請求項1~3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御器は、前記電圧が所定電圧に達すると、前記水の排出時間を決定する、請求項4に記載の燃料電池システム。
- 前記制御器は、前記電圧の上昇速度が所定速度に達すると、前記水の排出時間を決定する、請求項4に記載の燃料電池システム。
- 前記排出流路を流通する前記アノードオフガスの温度を検知する温度検知器をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料電池から排出された前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気の流量と前記温度検知器により検知された温度に基づいて前記水の貯留量を決定する、請求項1~6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記貯留器に貯留された前記水の水位を検知する水位検知器をさらに備え、
前記制御器は、前記水位検知器により検知された水位に基づいて前記水の貯留量を決定する、請求項1~6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御器は、前記リサイクル流路との接続点から前記燃料電池までの前記第1供給流路、前記燃料電池のアノード流路、前記リサイクル流路、前記貯留器、および前記リサイクル流路からの分岐点から前記開閉弁までの前記排出流路の容積に基づいて、前記アノードオフガスの排出量を決定する、請求項1~8のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御器は、前記アノードオフガス中に含まれる不純物の濃度および流量に基づいて前記アノードオフガスの排出量を決定する、請求項1~8のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに供給される前記燃料ガスが流通する第1供給流路と、
前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第2供給流路と、
前記第1供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流通するリサイクル流路と、
前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第1供給流路へ流入させる循環器と、
前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、
前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、
前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記開閉弁を開き、
前記貯留器に貯留されている前記水の貯留量および前記排出流路を流通して排出される前記水の排出時間に基づいて、前記排出流路の圧力を決定し、前記排出流路の圧力および前記排出流路を流通して排出される前記アノードオフガスの排出量に基づいて、前記アノードオフガスを排出するために前記開閉弁が開状態である時間を開時間として決定し、
前記開閉弁を開けている時間が前記開時間に達すると、前記開閉弁を閉じる、燃料電池システムの運転方法。
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