JP7173776B2 - 燃料電池システム及び発電方法 - Google Patents
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Description
<1> 水素ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタックと、前記第1燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段と、前記分離手段の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気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燃料電池セルスタックと、を備え、前記第1燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第1燃料濃度、前記第2燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第2燃料濃度とし、前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックの全体の燃料利用率が特定値である場合に前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、前記全体の燃料利用率が前記特定値である場合の前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たす燃料電池システム。
<4> 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第1燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β1、第2燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β2としたとき、β1/β2が3.0超である前記<1>~<3>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<6> 前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ12体積%以上である<1>~<5>のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
<9> 前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックを等しい電流密度で作動させて発電を行う<8>に記載の発電方法。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例の一例に示されている値に置き換えてもよい。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、水素ガスを第1燃料電池セルスタック11のアノード(図示せず)に供給する水素ガス供給経路42を備えている。水素ガス供給経路42には、水素ガスを第1燃料電池セルスタック11のアノードへ送るための水素ガスブロワ24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、空気を第1燃料電池セルスタック11のカソード(図示せず)に供給する空気供給経路44を備えている。空気供給経路44には、水素ガスを第1燃料電池セルスタック11のカソードへ送るための空気ブロワ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、水素ガス供給経路42を通じて供給された水素ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタック11を備えている。第1燃料電池セルスタック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を複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。また、第1燃料電池セルスタックとしては、600℃~1000℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、600℃~1000℃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。なお、第1燃料電池セルスタック11及び後述の第2燃料電池セルスタック12としては、燃料濃度の低下を抑制でき、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクをより好適に抑制できる点から、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。
O2+4e-→2O2-・・・・(a)
H2+O2-→H2O+2e-・・・・(b)
O2+2CO2+4e-→2CO3 2-・・・・(c)
H2+CO3 2-→H2O+CO2+2e-・・・・(d)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、第1燃料電池セルスタック11から排出された未反応の水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段16を備えている。
分離膜を用いる場合、分離効率を向上させるため、透過側にスイープガスを供給してもよい。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、分離手段16の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気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燃料電池セルスタック12を備えている。第2燃料電池セルスタック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を複数積層あるいは複数接続した燃料電池スタックを少なくとも一つ備えた燃料電池セルスタックである。なお、第2燃料電池セルスタック12における電気化学的反応は、上述の第1燃料電池セルスタック11と同様であるため、その説明は省略する。
本実施形態に係る燃料電池システム10では、全体の燃料利用率が特定値である場合に第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、全体の燃料利用率が前述の特定値である場合の第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たしていればよく、好ましくは、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ0.95C以上を満たしていればよい。なお、第1燃料濃度の上限としては特に限定されず、例えば、1.7C以下であってもよく、1.5C以下であってもよく、1.1C以下であってもよい。第2燃料濃度の上限としては、特に限定されず、例えば、1.2C以下であってもよく、1.1C以下であってもよい。
α1/α2は、3.5以上であることがより好ましい。
なお、第1燃料電池セルスタック11が備える特定の燃料電池セルの有効表面積と、この燃料電池セルの電流密度との積を求め、かつ、第1燃料電池セルスタック11が備える他の燃料電池セルについても同様に積を求めたときの、これらの積の合計値がγ1に対応し、γ2についても同様である。
また、γ1及びγ2は、それぞれ第1燃料電池セルスタック11及び第2燃料電池セルスタック12における水素ガスの消費量と比例関係にある。
また、第1燃料電池セルスタック11が溶融炭酸塩形燃料電池の場合、制御部は、水蒸気除去率又は少なくとも一部の水蒸気が分離されたアノードオフガスの露点、及び二酸化炭素除去率に基づき、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たすように第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックの作動条件を制御する構成であってもよい。
以下、本発明の一例の燃料電池システムについて検討する。燃料電池システムとしては、第1燃料電池セルスタック、分離手段及び第2燃料電池セルスタックを備えるシステムについて検討した。検討における条件は以下の通りである。
<条件>
第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタック:固体酸化物形燃料電池
燃料ガス:水素
セルの負荷電流:第1燃料電池セルスタック及び第2燃料電池セルスタックで同じ
全体の燃料利用率:93(%)
燃料利用率の関係:Uf(total)=[Uf(first)+(1-Uf(first))・Uf(second)](式中、Uf(total)は全体の燃料利用率、Uf(first)は第1燃料電池セルスタックの燃料利用率及びUf(second)は第2燃料電池セルスタックの燃料利用率を指す。)
第1燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度C0:99%(体積%)
<各パラメータの算出式>
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率:Uf(second)=(Uf(total)-Uf(first))/(1-Uf(first))
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(燃料電池セルスタックを構成する燃料電池スタック及び電流密度は全て同じ、β1/β2に対応):Uf(first)/(Uf(total)-Uf(first))
第1燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度(第1燃料濃度C1):C0×(1-Uf(first))
第2燃料電池セルスタックの入口における燃料濃度(第3燃料濃度C3):C1/{1-除去率(1-C1)}
第2燃料電池セルスタックの出口におけるアノードオフガスの濃度(第2燃料濃度C2):C3×(1-Uf(second))
分離手段にて水蒸気を少なくとも一部分離除去する場合について説明する。以下、分離手段にて水蒸気を60%~99%分離除去する場合(前述の算出式における「除去率」が0.6~0.99である場合)の燃料電池システムについて検討する。
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):0.7378(73.78%)
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):0.733(73.3%)
第1燃料濃度C1及び第2燃料濃度C2が等しくなるときの値(最大濃度):25.96%
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):3.84
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):0.764(76.4%)
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):0.7034(70.34%)
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):4.6
第1燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(first):0.7075(70.75%)
第2燃料電池セルスタックの燃料利用率Uf(second):0.7607(76.07%)
第2燃料電池セルスタックのスタック数に対する第1燃料電池セルスタックのスタック数の比率(スタック比):3.18
分離手段にて水蒸気をともに99%分離除去する場合とともに結果を表1~表3及び図3に示す。スタック比としては、図3における最大値及び最小値の間の範囲を取ることが好ましい。
なお、表1中において、「露点」は、水蒸気を60%~99%除去したアノードオフガスの露点を意味する。
また、表1中において、「最大濃度」は、全体の燃料利用率が93%であり、かつ水蒸気除去率が60%~99%である場合に第1燃料濃度及び第2燃料濃度が等しくなるときの値を意味する。
また、表1において、「90%濃度」は、最大濃度の90%の値を意味し、第1燃料濃度及び第2燃料濃度がともに表1に示す90%濃度以上であれば、燃料電池セルスタックの酸化等のリスクが軽減される。
表2では、第2燃料濃度C2を表1の90%濃度の値にしたときのUf(first)、Uf(second)及びスタック比を示している。
また、表3では、第1燃料濃度C1を表1の90%濃度の値にしたときのUf(first)、Uf(second)及びスタック比を示している。
Claims (10)
- 水素ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタックと、
前記第1燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段と、
前記分離手段の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気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燃料電池セルスタックと、
を備え、
前記第1燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第1燃料濃度、前記第2燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第2燃料濃度とし、前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックの全体の燃料利用率が特定値である場合に前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、前記全体の燃料利用率が前記特定値である場合の前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たし、
前記第1燃料電池セルスタックの入口におけるアノードガスの燃料濃度をC0、前記第1燃料電池セルスタックの燃料利用率をUf(first)としたとき、前記第1燃料濃度は、C0×(1-Uf(first))であり、
前記第2燃料電池セルスタックの入口における、少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスの燃料濃度をC3:C1/{1-除去率×(1-C1)}(C1は前記第1燃料濃度であり、除去率は前記分離手段での前記アノードオフガスからの水蒸気の除去率である。)とし、第2燃料電池セルスタックの燃料利用率をUf(second)としたとき、前記第2燃料濃度は、C3×(1-Uf(second))であり、
C、C 1 及びC 3 は、対応するアノードオフガス全体を1としたときの各燃料濃度の割合を意味し、C 0 は、前記アノードガス全体を1としたときの燃料濃度の割合を意味し、除去率、U f(first) 及びU f(second) はそれぞれ、0~1の範囲の割合を意味する燃料電池システム。 - 水素濃度が99体積%以上である水素ガスを用いて発電を行う第1燃料電池セルスタックと、
前記第1燃料電池セルスタックから排出された未反応の前記水素ガスを含むアノードオフガスから、少なくとも一部の水蒸気を分離する分離手段と、
前記分離手段の下流に配置され、少なくとも一部の水蒸気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燃料電池セルスタックと、
を備え、
前記第1燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第1燃料濃度、前記第2燃料電池セルスタックの出口における前記アノードオフガスの燃料濃度を第2燃料濃度とし、前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックの全体の燃料利用率が特定値である場合に前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度の値が等しくなるときの値をCとすると、前記全体の燃料利用率が前記特定値である場合の前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ0.9C以上を満たす燃料電池システム。 - 前記分離手段にて少なくとも一部の水蒸気が分離された前記アノードオフガスの露点は、90.5℃以下である請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα1、前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルの有効表面積の合計をα2としたとき、α1/α2が3.0超である請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックと前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池スタックとが同一である場合、第1燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β1、第2燃料電池セルスタックにおける燃料電池スタックの数β2としたとき、β1/β2が3.0超である請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ6体積%以上である請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記第1燃料濃度及び前記第2燃料濃度がそれぞれ12体積%以上である請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システムを用いた発電方法。
- 前記第1燃料電池セルスタック及び前記第2燃料電池セルスタックを等しい電流密度で作動させて発電を行う請求項8に記載の発電方法。
- 前記第1燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルにおいて、有効表面積と前記第1燃料電池セルスタックを作動させたときの電流密度との積の合計をγ1、前記第2燃料電池セルスタックが備える燃料電池セルにおいて、有効表面積と前記第2燃料電池セルスタックを作動させたときの電流密度との積の合計をγ2としたとき、γ1/γ2を3.0超に調整して発電を行う請求項8又は請求項9に記載の発電方法。
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