JP7183095B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
一方、原燃料ガスに含まれる硫黄化合物は、改質器の改質触媒や燃料極の電極触媒を被毒するので、改質器の改質性能を劣化させたり、燃料電池の発電性能を劣化させる要因となる。
そこで、このような燃料電池システムでは、改質器の上流に脱硫器が設けられて、原燃料ガスを脱硫器にて脱硫処理した後、改質器に供給するように構成されている。
そこで、吸着されている水分を硫黄吸着剤から除去して、脱硫器を再生する必要が生じる。
従って、脱硫器に再生用として供給される空気の温度を十分に高めることができないことから、吸着されている水分を硫黄吸着剤から効率良く除去できないので、脱硫器再生に要する時間が長くなるという問題があった。
前記脱硫器で脱硫された原燃料ガスと水蒸気生成部から供給される水蒸気とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器から水素含有ガスが燃料極に供給され且つ酸素含有ガス供給手段により酸素含有ガスが酸素極に供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料極から排出された燃料極排ガスと前記酸素極から排出された酸素極排ガスとが供給されて、燃料極排ガス中の可燃成分を酸素極排ガス中の酸素にて燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼部とを備えた燃料電池システムであって、その特徴構成は、
前記燃焼部にガス燃料を供給するガス燃料供給手段と、
前記燃焼部に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給手段と、
前記燃焼部から排出された燃焼排ガスを取り出して、前記脱硫器、前記燃焼部の順に通流させる燃焼排ガス返戻手段と、
前記原燃料供給手段及び前記酸素含有ガス供給手段を作動させる通常運転と、前記ガス燃料供給手段、前記燃焼用空気供給手段及び前記燃焼排ガス返戻手段を作動させる脱硫器再生運転とに運転状態を切り換え可能な運転切換手段とが設けられている点にある。
つまり、脱硫器再生運転の実行中は、脱硫器には、再生用として、燃焼部から排出された高温の燃焼排ガスが継続して供給されることから、硫黄吸着剤に吸着されている水分を効率良く脱離して、燃焼排ガスに含有させて放出することができるので、脱硫器再生に要する時間を短縮することができる。
又、脱硫器を通過した燃焼排ガスには、硫黄吸着剤から脱離した硫黄化合物が含有されているが、脱硫器を通過した燃焼排ガスが燃焼部を通流することにより、燃焼排ガスに含有されている硫黄成分が燃焼するので、硫黄臭等の臭気が大気に放散されるのを十分に抑制することができる。
従って、脱硫器再生に要する時間を短縮し得ると共に、脱硫器再生時に硫黄臭等の臭気が大気に放散されるのを抑制し得る燃料電池システムを提供することができる。
前記燃焼排ガス返戻手段が、前記排熱回収用熱交換器を通過した燃焼排ガスを取り出すように構成されている点にある。
従って、脱硫器再生に要する時間を一層短縮することができる。
従って、脱硫器再生に要する時間を一層短縮することができる。
前記原燃料供給路の前記再生用燃料供給路の分岐部分に、前記原燃料ブロアからの原燃料ガスを前記脱硫器に通流させる通常用通流状態と前記再生用燃料供給路に通流させる再生用通流状態とに切り換え可能な原燃料通流切換手段が設けられ、
前記ガス燃料供給手段が、前記原燃料ブロアと前記原燃料通流切換手段とを備えて構成され、
前記運転切換手段が、前記通常運転では、前記原燃料ブロア及び前記酸素含有ガス供給手段を作動させると共に、前記原燃料通流切換手段を前記通常用通流状態に切り換え、前記脱硫器再生運転では、前記原燃料ブロア、前記燃焼用空気供給手段及び前記燃焼排ガス返戻手段を作動させると共に、前記原燃料通流切換手段を前記再生用通流状態に切り換えるように構成されている点にある。
従って、価格の上昇を十分に抑制しながら、脱硫器再生に要する時間を短縮すると共に、脱硫器再生時に硫黄臭等の臭気が大気に放散されるのを抑制することができる。
前記原燃料通流切換手段が、前記再生用通流状態では、前記原燃料ブロアからの原燃料ガスを前記再生用燃料供給路に通流させ、且つ、前記脱硫器からの燃焼排ガスを前記再生用燃料供給路における前記原燃料通流切換手段の下流側の流路部分に通流させる状態となるように構成されて、
前記燃焼排ガス返戻手段が、前記原燃料通流切換手段を備えて構成されている点にある。
従って、価格の上昇を更に十分に抑制しながら、脱硫器再生に要する時間を短縮すると共に、脱硫器再生時に硫黄臭等の臭気が大気に放散されるのを抑制することができる。
前記運転切換手段が、前記脱硫器再生運転では、前記ガス燃料供給手段、前記酸素含有ガス供給手段及び前記燃焼排ガス返戻手段を作動させるように構成されている点にある。
つまり、酸素含有ガス供給手段が燃焼用空気供給手段に兼用されるので、脱硫器再生のための構成を簡略化することができる。
従って、価格の上昇を十分に抑制しながら、脱硫器再生に要する時間を短縮すると共に、脱硫器再生時に硫黄臭等の臭気が大気に放散されるのを抑制することができる。
図1及び図2に示すように、燃料電池システムは、原燃料供給手段Aにより原燃料供給路1を通して供給される原燃料ガス(例えば、13A等の天然ガスベースの都市ガス)を脱硫する脱硫器2と、脱硫器2で脱硫された原燃料ガスと水蒸気生成部3から供給される水蒸気とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器4と、改質器4から水素含有ガスが燃料極5aに供給され且つ酸素含有ガス供給手段Bにより酸素含有ガスが酸素極5cに供給されて発電する燃料電池5と、燃料極5aから排出された燃料極排ガスと酸素極5cから排出された酸素極排ガスとが供給されて、燃料極排ガス中の可燃成分を酸素極排ガス中の酸素にて燃焼させて改質器4を加熱する燃焼部6と、燃料電池システムの運転を制御する制御部7等を備えて構成されている。
原燃料供給手段Aを構成する原燃料ブロア10と脱硫器2とが、原燃料供給路1にて接続され、脱硫器2と改質器4とが、脱硫器2にて脱硫された原燃料ガスを改質器4に供給する脱硫原燃料供給路11にて接続され、改質器4と燃料電池5とが、改質器4にて改質処理された改質ガス(水素含有ガスの一例)を燃料電池5に供給する改質ガス供給路12にて接続されている。
脱硫原燃料供給路11には、エジェクタ15が設けられ、そのエジェクタ15には、水蒸気生成部3にて生成された水蒸気を送出する水蒸気供給路16が接続されて、脱硫された原燃料ガスに水蒸気が混合された状態で、改質器4に供給される。
排熱回収用熱交換器8は、燃焼排ガス路21の途中に設けられた燃焼排ガス通流部21pの内部に、熱回収用流体の一例としての湯水を通流させる湯水通流路22の途中に設けられた湯水通流部22pを配設して構成され、燃焼排ガス通流部21pを通流する燃焼排ガスと、湯水通流部22pを通流する湯水とを熱交換可能に構成されている。
湯水通流路22には、その湯水通流路22を通して湯水を通流させる湯水ポンプ23が設けられている。
そして、例えば、原燃料ガスが、メタンガスを主成分とする天然ガスベースの都市ガスである場合は、改質器4にて、メタンガスと水蒸気とが下記の〔化1〕の反応式にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質ガスが生成され、その改質ガスが改質ガス供給路12を通して燃料電池5に供給されるように構成されている。
CH4+H2O→CO+3H2
ちなみに、燃料電池5としては、セルの電解質層として酸化ジルコニウム等の固体電解質層を用いた固体酸化物形を用いることができる。
H2+O2-→H2O+2e-
〔化3〕
CO+O2-→CO2+2e-
〔化4〕
1/2O2+2e-→O2-
又、燃焼排ガス取り出し流路24には、燃焼排ガス返戻ブロア26が、燃焼排ガス路21に対して吸引作用すると共に、吸引した燃焼排ガスを脱硫器下流側三方弁25側に送出するように設けられている。
尚、図1及び図2中、脱硫器下流側三方弁25において、流体が通流可能となっているポートを黒塗りにて示す。
尚、図1及び図2中、原燃料通流切換三方弁27において、流体が通流可能となっているポートを黒塗りにて示す。
尚、図1及び図2中、燃料極排ガス切換三方弁29において、流体が通流可能となっているポートを黒塗りにて示す。
図1に示すように、通常運転では、原燃料通流切換三方弁27、脱硫器下流側三方弁25及び燃料極排ガス切換三方弁29夫々を通常用通流状態に切り換える。
すると、図1において太実線にて示すように、原燃料ブロア10を作動させると、原燃料ガスが、原燃料供給路1のブロア-三方弁間流路部分1a、原燃料通流切換三方弁27、原燃料供給路1の三方弁-脱硫器間流路部分1b、脱硫器2、脱硫原燃料供給路11の脱硫器-三方弁間流路部分11a、脱硫器下流側三方弁25、脱硫原燃料供給路11の三方弁-改質器間流路部分11bを通流し、その三方弁-改質器間流路部分11bを通流する間にエジェクタ15にて水蒸気供給路16からの水蒸気が混合されて、改質器4に供給され、改質器4において改質ガスに改質処理される。
そして、燃焼部6において燃料極排ガス中の残存可燃成分が酸素極排ガス中の残存酸素にて燃焼して生成された燃焼排ガスが、燃焼排ガス路21を通流して外部に排出される。
すると、図2において太実線にて示すように、原燃料ブロア10を作動させると、原燃料ガスがガス燃料として、原燃料供給路1のブロア-三方弁間流路部分1a、原燃料通流切換三方弁27、連絡流路28、燃料極排ガス切換三方弁29、燃料極排ガス路19の三方弁-燃焼部間流路部分19bを通流して、燃焼部6に供給される。
又、空気ブロア17を作動させると、空気が反応用空気供給路18を通流して、燃料電池5の各セルの酸素極5cに分配供給され、各セルの酸素極5cを発電反応することなく通過した空気が酸素極排ガス路20を通流して、燃焼部6に供給される。
そして、燃焼部6において原燃料ガスが空気中の酸素にて燃焼して生成された燃焼排ガスが、燃焼排ガス路21を通流する。
又、原燃料通流切換三方弁27により、原燃料供給路1の再生用燃料供給路30の分岐部分に設けられて、原燃料ブロア10からの原燃料ガスを脱硫器2に通流させる通常用通流状態と再生用燃料供給路30に通流させる再生用通流状態とに切り換え可能な原燃料通流切換手段が構成されている。
又、再生用燃料供給路30が、原燃料供給路1から分岐されて構成されて、当該原燃料供給路1の一部を利用して構成されると共に、原燃料供給手段Aを構成する原燃料ブロア10がガス燃料供給手段Cに兼用されることになる。
つまり、ガス燃料供給手段Cが、原燃料ブロア10、原燃料通流切換三方弁27及び燃料極排ガス切換三方弁29を備えて構成されている。
又、燃焼排ガス返戻流路31のうち、脱硫器2を通過した燃焼排ガスを通流させる流路部分が、原燃料供給路1における原燃料通流切換三方弁27(原燃料通流切換手段の一例)と脱硫器2との間の流路部分と、再生用燃料供給路30における原燃料通流切換三方弁27(原燃料通流切換手段の一例)の下流側の流路部分を用いて構成されていることになる。
要するに、燃焼排ガス返戻手段Eが、排熱回収用熱交換器8を通過した燃焼排ガスを取り出すように構成されていることになる。
図1及び図2に示すように、この実施形態では、運転切換手段Fが、制御部7を用いて構成されている。
又、運転状態を通常運転から脱硫器再生運転に切り換える再生運転実行タイミングを検知する運転切換タイミング検知手段Gが設けられている。
この実施形態では、運転切換タイミング検知手段Gとして、脱硫器2に、硫黄吸着剤に含有される水分値(例えば、体積含水率)を検出する水分センサー33が設けられている。つまり、制御部7は、水分センサー33にて検出される水分値が、予め設定した再生運転切換用設定値に達することに基づいて、再生運転実行タイミングを検知するように構成されている。
又、空気ブロア17を作動させることが、酸素含有ガス供給手段Bを作動させることに相当する。
そして、燃焼部6において燃料極排ガス中の残存可燃成分が酸素極排ガス中の残存酸素にて燃焼して生成された燃焼排ガスが、燃焼排ガス路21を通流して外部に排出される。
又、制御部7は、水分センサー33にて検出される水分値が、予め設定した通常運転切換用設定値に達すると、脱硫器再生運転を終了して、通常運転に切り換える。
又、空気ブロア17を作動させることが、燃焼用空気供給手段Dを作動させることに相当する。つまり、酸素含有ガス供給手段Bが、燃焼用空気供給手段Dに兼用されていることになる。
又、燃焼排ガス返戻ブロア26を作動させ、且つ、原燃料通流切換三方弁27、脱硫器下流側三方弁25及び燃料極排ガス切換三方弁29夫々を再生用通流状態に切り換えることが、燃焼排ガス返戻手段Eを作動させることに相当する。
又、空気ブロア17により燃焼用空気として供給する空気流量は、原燃料ブロア10により供給する原燃料ガス流量に対して、空気比が、例えば、1.2~1.4となる流量である。
又、脱硫器2に供給する燃焼排ガスの温度は、脱硫器2に備えられている硫黄吸着剤の使用上限温度(例えば200℃)以下、例えば、180~200℃に調節される。
又、燃焼排ガス返戻ブロア26により燃焼排ガス路21から取り出す燃焼排ガスの流量は、例えば、燃焼部6から排出される燃焼排ガスの流量の50~90%に調節される。
又、空気ブロア17の作動により、空気が反応用空気供給路18を通流して、燃料電池5の各セルの酸素極5cに分配供給され、各セルの酸素極5cを発電反応に寄与することなく通過した空気が酸素極排ガス路20を通流して、燃焼部6に供給される。
そして、燃焼部6において原燃料ガスが空気中の酸素にて燃焼して生成された燃焼排ガスが、燃焼排ガス路21を通流する。
そして、排熱回収用熱交換器8においては、湯水通流部22pを通流する湯水と燃焼排ガス通流部21pを通流する燃焼排ガスとが熱交換し、並びに、昇温用熱交換器9においては、返戻排ガス通流部24pを通流する燃焼排ガスと燃焼排ガス通流部21pを通流する燃焼排ガスとが熱交換する。そして、湯水通流部22pを通流する湯水が加熱されると共に、返戻排ガス通流部24pを通流する燃焼排ガスが加熱され、並びに、燃焼排ガス通流部21pを通流する燃焼排ガス中の水分が凝縮して、その凝縮水がドレイン排出路32を通して排出される。
つまり、脱硫器再生運転の実行中は、脱硫器2には、再生用として、燃焼部6から排出された高温の燃焼排ガスが継続して供給されることから、硫黄吸着剤に吸着されている水分を効率良く脱離して、燃焼排ガスに含有させて放出することができるので、脱硫器再生に要する時間を短縮することができる。
又、脱硫器2を通過した燃焼排ガスが燃焼部6を通流することにより、燃焼排ガスに含まれる硫黄成分が燃焼するので、硫黄臭等の臭気が大気に放散されるのを抑制することができる。
(A)上記の実施形態では、再生用燃料供給路30を、原燃料供給路1から分岐して構成して、当該原燃料供給路1の一部を利用して構成すると共に、原燃料供給手段Aを構成する原燃料ブロア10をガス燃料供給手段Cに兼用するように構成したが、再生用燃料供給路30を全長にわたって個別に設けると共に、ガス燃料供給手段Cとして専用のブロアを設けても良い。
例えば、通常運転中に脱硫器2へ供給される原燃料ガスの湿度(絶対湿度)を検出する湿度センサー(図示せず)および流量を計測する流量センサー(図示せず)、制御部7に内蔵されている計時手段(図示せず)等、種々のものを用いることができる。ちなみに、運転切換タイミング検知手段Gを湿度センサーにて構成する場合、制御部7を構成するに、通常運転中に脱硫器2へ供給される原燃料ガスの湿度(絶対湿度)および原燃料ガスの流量より算出する脱硫器2へ流入した原燃料ガスに含まれる積算水分量が予め設定した再生運転切換用水分量に達することに基づいて、再生運転実行タイミングになったと判断して、通常運転から脱硫器再生運転に切り換えるように構成する。又、制御部7は、計時手段にて再生運転の累積時間があらかじめ設定した通常運転切換用設定時間に達すると、脱硫器再生運転を終了して、通常運転に切り換える。
2 脱硫器
3 水蒸気生成部
4 改質器
5 燃料電池
5a 燃料極
5c 酸素極
6 燃焼部
8 排熱回収熱交換器
9 昇温用熱交換器
10 原燃料ブロア
27 原燃料通流切換三方弁(原燃料通流切換手段)
30 再生用燃料供給路
31 燃焼排ガス返戻流路
A 原燃料供給手段
B 酸素含有ガス供給手段
C ガス燃料供給手段
D 燃焼用空気供給手段
E 燃焼排ガス返戻手段
F 運転切換手段
Claims (6)
- 原燃料供給手段により原燃料供給路を通して供給される原燃料ガスを脱硫する脱硫器と、
前記脱硫器で脱硫された原燃料ガスと水蒸気生成部から供給される水蒸気とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器から水素含有ガスが燃料極に供給され且つ酸素含有ガス供給手段により酸素含有ガスが酸素極に供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料極から排出された燃料極排ガスと前記酸素極から排出された酸素極排ガスとが供給されて、燃料極排ガス中の可燃成分を酸素極排ガス中の酸素にて燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼部とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃焼部にガス燃料を供給するガス燃料供給手段と、
前記燃焼部に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給手段と、
前記燃焼部から排出された燃焼排ガスを取り出して、前記脱硫器、前記燃焼部の順に通流させる燃焼排ガス返戻手段と、
前記原燃料供給手段及び前記酸素含有ガス供給手段を作動させる通常運転と、前記ガス燃料供給手段、前記燃焼用空気供給手段及び前記燃焼排ガス返戻手段を作動させる脱硫器再生運転とに運転状態を切り換え可能な運転切換手段とが設けられている燃料電池システム。 - 前記燃焼部から排出された燃焼排ガスと熱回収用流体とを熱交換させて、燃焼排ガスから熱回収する排熱回収用熱交換器が設けられ、
前記燃焼排ガス返戻手段が、前記排熱回収用熱交換器を通過した燃焼排ガスを取り出すように構成されている請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃焼排ガス返戻手段にて取り出された燃焼排ガスを、前記脱硫器に供給する前に前記燃焼部から排出された燃焼排ガスと熱交換させる昇温用熱交換器が設けられている請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
- ガス燃料を前記燃焼部に供給する再生用燃料供給路が、前記原燃料供給路から分岐されて構成されて、当該原燃料供給路の一部を利用して構成されると共に、前記原燃料供給手段を構成する原燃料ブロアが前記ガス燃料供給手段に兼用され、
前記原燃料供給路の前記再生用燃料供給路の分岐部分に、前記原燃料ブロアからの原燃料ガスを前記脱硫器に通流させる通常用通流状態と前記再生用燃料供給路に通流させる再生用通流状態とに切り換え可能な原燃料通流切換手段が設けられ、
前記ガス燃料供給手段が、前記原燃料ブロアと前記原燃料通流切換手段とを備えて構成され、
前記運転切換手段が、前記通常運転では、前記原燃料ブロア及び前記酸素含有ガス供給手段を作動させると共に、前記原燃料通流切換手段を前記通常用通流状態に切り換え、前記脱硫器再生運転では、前記原燃料ブロア、前記燃焼用空気供給手段及び前記燃焼排ガス返戻手段を作動させると共に、前記原燃料通流切換手段を前記再生用通流状態に切り換えるように構成されている請求項1~3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃焼排ガス返戻手段により燃焼排ガスを前記脱硫器、前記燃焼部の順に通流させる燃焼排ガス返戻流路のうち、前記脱硫器を通過した燃焼排ガスを通流させる流路部分が、前記原燃料供給路における前記原燃料通流切換手段と前記脱硫器との間の流路部分と、前記再生用燃料供給路における前記原燃料通流切換手段の下流側の流路部分を用いて構成され、
前記原燃料通流切換手段が、前記再生用通流状態では、前記原燃料ブロアからの原燃料ガスを前記再生用燃料供給路に通流させ、且つ、前記脱硫器からの燃焼排ガスを前記再生用燃料供給路における前記原燃料通流切換手段の下流側の流路部分に通流させる状態となるように構成されて、
前記燃焼排ガス返戻手段が、前記原燃料通流切換手段を備えて構成されている請求項4に記載の燃料電池システム。 - 前記酸素含有ガス供給手段が、前記燃焼用空気供給手段に兼用され、
前記運転切換手段が、前記脱硫器再生運転では、前記ガス燃料供給手段、前記酸素含有ガス供給手段及び前記燃焼排ガス返戻手段を作動させるように構成されている請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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