JP7315507B2 - 燃料電池システム、及び、燃料電池システム運転方法 - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システム、及び、燃料電池システム運転方法に関する。
燃料電池システムにおいて、炭化水素系の原料を水素に改質して、もしくは、炭化水素系の原料をそのまま燃料電池へ燃料として供給し、発電を行う場合がある。例えば、固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ））において、天然ガスや炭化水素系の燃料を用いて発電するシステムが開示されている（特許文献１参照）。
ＳＯＦＣは、通常、６００℃－１０００℃程度の高温作動であるため、炭化水素系原料は内部改質することが可能な場合がある。一方、炭化水素系原料を用いることについては、熱分解等による炭素析出の原因となることが懸念される。そのため、水蒸気改質を積極的に行えるよう、適量の水蒸気を燃料と共に供給することで、炭素析出を抑制する方法が用いられている。水蒸気の供給量調整方法としては、水蒸気と炭素の比率（Ｓ／Ｃ）が一定になるように、水蒸気の量を調整する方法が一般的である。
しかしながら、水蒸気の供給量が多すぎると、燃料濃度低下に伴う発電電圧の低下が引き起こされる。
本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、炭素析出を抑制しつつ、発電効率の低下を抑制する燃料電池システム及び燃料電池システム運転方法を提供することを目的とする。
本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、水素ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する水素供給ラインと、炭化水素系ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する炭化水素系ガス供給ラインと、前記燃料電池セルスタックを通過する前記燃料ガスの温度と前記燃料ガスの水素濃度とに基づいて、前記燃料電池セルスタックでの炭素析出が抑制されるように、前記炭化水素系ガス供給ラインから前記燃料電池セルスタックへ供給される炭化水素系ガスの流量を調整する、ガス調整部と、を備えている。
請求項１に係る燃料電池システムでは、水素供給ライン、炭化水素系ガス供給ラインから、燃料電池セルスタックへ燃料ガスが供給される。ガス調整部は、燃料電池セルスタックを通過する燃料ガスの温度と燃料ガスの水素濃度とに基づいて、燃料電池セルスタックでの炭素析出が抑制されるように、炭化水素系ガス供給ラインから燃料電池セルスタックへ供給される炭化水素系ガスの流量を調整する。
このように、ガス調整部で炭化水素系ガス供給ラインから燃料電池セルスタックへ供給される炭化水素系ガスの流量を調整することにより、燃料電池セルスタックでの炭素析出を抑制することができる。
本発明の請求項２に係る燃料電池システムは、前記水素供給ラインは、前記水素ガスを連続的に生成する設備を含んで構成され、前記ガス調整部は、前記水素供給ラインから前記燃料電池セルスタックへ供給される水素ガスの流量及び濃度に応じて、前記炭化水素系ガス供給ラインから前記燃料電池セルスタックへ供給される炭化水素系ガスの流量を調整する。
請求項２に係る燃料電池システムでは、水素供給ラインから燃料電池セルスタックへ供給される水素ガスの流量及び濃度に応じて、炭化水素系ガス供給ラインから燃料電池セルスタックへ供給される炭化水素系ガスの流量を調整する。したがって、設備で連続的に生成される水素ガスの変動に対応させた炭化水素系ガスを燃料電池セルスタックへ供給することができる。
本発明の請求項３に係る燃料電池システムは、前記設備は、副次的に水素ガスを含むガスを連続生成する生産設備を含んでいる。
請求項３に係る燃料電池システムでは、副次的に水素ガスを連続生成する生産設備から、流量や濃度の変化を伴う水素ガスが水素供給ラインから供給されるが、ガス調整部により炭化水素系ガス供給ラインから燃料電池セルスタックへ供給される炭化水素系ガスの流量が調整されるので、適切に、炭素析出の抑制を担保しつつ、発電効率の低下を抑制することができる。
本発明の請求項４に係る燃料電池システムは、前記設備は、再生可能エネルギー発電による電力を用いた水の電解設備を含んでいる。
請求項４に係る燃料電池システムでは、再生可能エネルギー発電による電力を用いた水の電解設備から、流量や濃度の変化を伴う水素ガスが水素供給ラインから供給されるが、ガス調整部により炭化水素系ガス供給ラインから燃料電池セルスタックへ供給される炭化水素系ガスの流量が調整されるので、適切に、炭素析出の抑制を担保しつつ、発電効率の低下を抑制することができる。
本発明の請求項５に係る燃料電池システムは、前記ガス調整部による調整でも前記燃料電池セルスタックでの炭素析出が生じると判断される場合に、水蒸気を前記燃料電池セルスタックへ供給する水供給部、を備えている。
請求項５に係る燃料電池システムでは、水供給部から水蒸気を燃料電池セルスタックへ供給することにより、ガス調整部による調整量が所定の上限値に達した場合でも、炭素析出を抑制することができる。
本発明の請求項６に係る燃料電池システムは、前記燃料電池セルスタックから送出されるアノードオフガスを用いて発電する第２燃料電池セルスタックを備えている。
請求項６に係る燃料電池システムによれば、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利用できるので、発電効率を高めることができる。
本発明の請求項７に係る燃料電池システムは、前記炭化水素系ガス供給ラインからの前記炭化水素系ガスの一部を分岐して前記第２燃料電池セルスタックへ供給する分岐炭化水素ガス供給ライン、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、炭化水素系ガスの一部を分岐して第２燃料電池セルスタックへ供給する分岐炭化水素ガス供給ライン、を備えているので、第２燃料電池セルスタックでの発電に用いる分の炭化水素系ガスを直接第２燃料電池セルスタックへ供給することができる。したがって、燃料電池セルスタックへ供給する炭化水素系ガスの量を少なくすることができる。
本発明の請求項８に係る燃料電池システムは、前記燃料電池セルスタックから送出されるアノードオフガスを前記燃料電池セルスタックへ循環させる循環路を備えている。
請求項８に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスを燃料電池セルスタックで再度発電に利用できるので、発電効率を高めることができる。
本発明の請求項９に係る燃料電池システム運転方法は、水素ガスと炭化水素系ガスを混合させた燃料ガスを燃料電池セルスタックへ供給して、前記燃料電池セルスタックで前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池システム運転方法であって、前記燃料電池セルスタックを通過する前記燃料ガスの温度と前記燃料ガスの水素濃度とに基づいて、前記燃料電池セルスタックでの炭素析出が抑制されるように、前記燃料電池セルスタックへ供給される前記炭化水素系ガスの流量を調整する。
請求項９に係る燃料電池システム運転方法では、燃料電池セルスタックを通過する燃料ガスの温度と燃料ガスの水素濃度とに基づいて、燃料電池セルスタックでの炭素析出が抑制されるように、前記燃料電池セルスタックへ供給される前記炭化水素系ガスの流量を調整する。これにより、燃料電池セルスタックでの炭素析出を抑制することができる。
本発明に係る燃料電池システム、燃料電池システム運転方法によれば、炭素析出を抑制しつつ、発電効率の低下を抑制することができる。
［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、気化器１２、第１燃料電池セルスタック１６、温度計１７、燃焼器２０、水素供給ライン２４、熱量計２５、炭化水素ガス供給ライン２６、水供給ポンプ２８、空気ブロワ３０、凝縮器３２、水タンク３４、及び、イオン交換樹脂３６備えている。また、図２に示されるように、燃料電池システム１０Ａを制御する制御部４０を備えている。
以下、図面を参照して本発明の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、気化器１２、第１燃料電池セルスタック１６、温度計１７、燃焼器２０、水素供給ライン２４、熱量計２５、炭化水素ガス供給ライン２６、水供給ポンプ２８、空気ブロワ３０、凝縮器３２、水タンク３４、及び、イオン交換樹脂３６備えている。また、図２に示されるように、燃料電池システム１０Ａを制御する制御部４０を備えている。
水素供給ライン２４からは、水素供給管Ｐ１を経て、後述する第１燃料電池セルスタック１６へ水素ガスが供給される。本実施形態では、水素供給ライン２４は、水素ガスが生成される設備を含んで構成されている。設備としては、例えば、再生可能エネルギー（太陽光、風力等）での発電による電力を用いた水の電解設備により得られる水素の供給ラインを用いることができる。また、副次的に水素ガスが連続生成されるプロセスを経る工業プラントからの水素を含むガスの出力ラインを用いることもできる。水素供給ライン２４から水素供給管Ｐ１へ送出されるガスを、以下「水素ガスＧ１」と称する。
水素供給管Ｐ１には、開閉可能な流量調整バルブ２４Ａが設けられ、水素供給ライン２４からの水素ガスＧ１の流量が調整される。流量調整バルブ２４Ａは、制御部４０と接続されており、制御部４０からの信号により、開閉が制御されると共に、流量も制御されている。
なお、水素供給ライン２４は、必ずしも水素ガスが生成される設備を含んで構成される必要はなく、水素ガスや液体水素が充填された水素タンクから水素ガスを供給するラインであってもよい。
炭化水素ガス供給ライン２６からは、炭化水素ガス管Ｐ２を経て、炭化水素ガスが供給される。炭化水素ガスとして、本実施形態ではメタンを用いるが、改質が可能な炭化水素系ガスであれば特に限定されず、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る。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。炭化水素ガス供給ライン２６から炭化水素ガス管Ｐ２へ送出されるガスを、以下「炭化水素ガスＧ２」と称する。
炭化水素ガス管Ｐ２には、開閉可能な流量調整バルブ３８Ａが設けられ、炭化水素ガス供給ライン２６からの炭化水素ガスＧ２の流量が調整される。流量調整バルブ３８Ａは、制御部４０と接続されており、制御部４０からの信号により、開閉が制御されると共に、流量も制御されている。水素供給管Ｐ１と炭化水素ガス管Ｐ２が合流された後の燃料供給管Ｐ３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に接続されており、第１アノード１６Ａに燃料ガスを供給する。
燃料供給管Ｐ３には、熱量計２５が設けられている。熱量計２５は、水素供給ライン２４から送出される水素ガスＧ１中に含まれる水素成分の流量、及び、炭化水素ガス供給ライン２６から送出される炭化水素ガスＧ２中に含まれる炭化水素成分の流量を検出する。本実施形態では、熱量計が用いられているが、熱量計に代えて、ガス組成を検出する計器、もしくは、熱量計とガス組成を検出する計器の併設でもよい。熱量計２５は、制御部４０と接続されており、熱量計２５で検出された熱量データを制御部４０へ出力する。熱量データに基づいて、後述する燃料ガスの水素濃度が算出される。
なお、熱量計２５は、燃料供給管Ｐ３ではなく、水素供給管Ｐ１に設けてもよい。炭化水素ガス管Ｐ２を流れる炭化水素ガスＧ２の流量を把握することにより、水素供給管Ｐ１に設けても、燃料供給管Ｐ３を流れる気体の熱量を把握することができる。
気化器１２には、水供給管Ｐ５の一端が接続されており、水供給ポンプ２８の駆動により、後述する適切な流量の水（液相）が気化器１２へ供給される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器２０から排出される燃焼排ガスの熱が用いられる。なお、炭化水素ガス管Ｐ２を、水供給管Ｐ５と合流させて、水と共に炭化水素ガスＧ２を気化器１２へ送出してもよい。
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、積層された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６００℃～１０００℃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。第１アノード１６Ａには、温度計１７が設けられており、第１アノード１６Ａを通過する燃料ガスの温度が検出される。温度計１７は、制御部４０と接続されており、検出した温度データを制御部へ出力する。
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Ｐ４の一端が接続されており、空気供給管Ｐ４の他端に接続された空気ブロワ３０により空気が供給される。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燃焼器２０へ案内するカソードオフガス管Ｐ７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。さらに、第１アノード１６Ａで生成された水（水蒸気）により、（４）式、（５）式のように、炭化水素ガス管Ｐ２から供給される炭化水素ガスＧ２（一例としてメタン）が水蒸気改質される。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２－ →Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …(２)
ＣＯ＋Ｏ２－ →ＣＯ２＋２ｅ－ …(３)
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ → ４Ｈ２＋ＣＯ２ …（４）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２＋ＣＯ …（５）
Ｈ２ ＋Ｏ２－ →Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …(２)
ＣＯ＋Ｏ２－ →ＣＯ２＋２ｅ－ …(３)
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ → ４Ｈ２＋ＣＯ２ …（４）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２＋ＣＯ …（５）
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Ｐ６Ａの一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ６Ａ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、アノードオフガスに二酸化炭素及び水素の少なくとも一方が含まれ、アノード側で水が生成される他の燃料電池、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Ｐ６Ａの他端は、燃焼器２０と接続されており、アノードオフガスが燃焼器２０へ送出される。カソードオフガス、及びアノードオフガスは、燃焼器２０へ送出され、燃焼器２０で焼却に供される。
燃焼器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Ｐ１０内を流通し、気化器１２での熱交換を経て、凝縮器３２へ送出される。凝縮器３２では、燃焼排ガス中の水蒸気が冷却により凝縮される。凝縮された水は、水タンク３４へ送出される。水蒸気が凝縮された後の燃焼排ガスは、排気管Ｐ１１により外部へ排出される。
水タンク３４には、凝縮器３２から排出された水が供給される。また、上水とも接続されており、必要に応じて上水が供給される。水タンク３４の出口側には、水供給管Ｐ５の他端が接続されている。水供給管Ｐ５には、イオン交換樹脂３６、水供給ポンプ２８が設けられている。水供給ポンプ２８は、イオン交換樹脂３６よりも下流側に配置されている。水供給ポンプ２８は、制御部４０と接続されており、制御部４０により駆動が制御されている。
イオン交換樹脂３６は、イオン交換により水タンク３４内の水中の不純物を除去する。また、イオン交換樹脂の前段にフィルターなどを用い、有機物、無機物などの固形物を除去することも上記のイオン交換樹脂３６に含まれる。
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の後述する炭素析出抑制処理についてのプログラム等が格納されている。入出力Ｉ／Ｆ４０Ｅは、信号線を介して、熱量計２５、水供給ポンプ２８、温度計１７、炭化水素ガス供給ライン２６、流量調整バルブ３８Ａと接続されている。
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。
本実施形態では、水素供給ライン２４から供給可能な水素ガスＧ１の流量にかかわらず、後述する調整テーブルＴ１に基づいて、炭化水素ガス供給ライン２６から炭化水素ガスＧ２を送出し、水素供給ライン２４からの水素ガスＧ１と混合して燃料ガスとして第１アノード１６Ａへ供給する。
燃料ガス中の水素濃度をＤ１、炭化水素系ガスの濃度をＤ２とすると、燃料ガスにおいて炭素の析出が発生するか否かは、燃料ガスの温度Ｔ１と水素濃度Ｄ１、炭化水素系ガス濃度Ｄ２に依存する。例えば、燃料ガスの炭化水素系ガスとしてメタンを用いた場合、図３（Ａ）に示すように、燃料ガス中の水素濃度９０％、メタン濃度１０％とすると、温度７００℃以下では炭素の析出が発生せず、７００℃を超えると炭素の析出が発生する。燃料ガス中の水素濃度と炭素析出温度との関係は、図３（Ｂ）に示すようになる。即ち、水素濃度５０％では、５００℃以上で炭素の析出が発生し、水素濃度９５％では、８００℃以上で炭素の析出が発生する。また、炭化水素系ガスとして都市ガス（１３Ａ）を用いた場合、図４（Ａ）に示すように、燃料ガス中の水素濃度９５％、都市ガス濃度５％とすると、温度７５０℃以下では炭素の析出が発生せず、７５０℃を超えると炭素の析出が発生する。燃料ガス中の水素濃度と炭素析出温度との関係は、図４（Ｂ）に示すようになる。即ち、水素濃度５０％では、５００℃以上で炭素の析出が発生し、水素濃度９５％では、７５０℃以上で炭素の析出が発生する。
そこで、第１燃料電池セルスタック１６の第１アノード１６Ａに供給される燃料ガスの温度に基づいて、流量調整バルブ２４Ａ、３８Ａを制御し、炭素の析出が抑制されるように、水素供給ライン２４からの水素ガスＧ１の流量、炭化水素ガス供給ライン２６からの炭化水素ガスＧ２の流量を調整する。
当該調整は、一例として、図４（Ｂ）に示すグラフに基づく調整テーブルＴ１により実施（炭化水素ガスＧ２が都市ガスの場合）することができる。調整テーブルＴ１により、燃料ガスの温度に応じて、水素供給ライン２４からの水素ガスＧ１と炭化水素ガス供給ライン２６からの炭化水素ガスＧ２の割合を決めることができる。具体的には、一例として、水素供給ライン２４からの水素ガスＧ１を、炭素析出が生じる割合に５％増加させたものを、燃料ガスの温度に対応する水素供給ライン２４からの水素ガスＧ１と炭化水素ガス供給ライン２６からの炭化水素ガスＧ２の割合とすることができる。
燃料電池システム１０Ａでは、定格運転に移行した後、制御部４０で、図５に示す炭素析出抑制処理が実行される。ここで、定格運転とは、燃料電池システム１０Ａが連続して運転できる最大出力での運転をいう。炭素析出抑制処理では、まず、ステップＳ１０で、温度計１７で得られた最新の温度データを取得する。ステップＳ１１で、調整テーブルＴ１を参照し、温度データに基づく水素ガスＧ１と炭化水素ガスＧ２の割合Ｒ１を決定する。
次に、ステップＳ１２で、熱量計２５で測定された最新の熱量データを取得し、ステップＳ１３で、熱量データから水素ガスＧ１中に含まれる水素成分の流量を算出する。ステップＳ１４で、割合Ｒ１を満たすように、水素ガスＧ１と炭化水素ガスＧ２の流量調整が可能か否かを判断する。ここでの判断は、燃料電池システム１０Ａを定格運転するために必要な総熱量に対し、割合Ｒ１を満たすための水素ガスＧ１が、ステップＳ１３で算出された水素成分の流量で足りるかどうかで判断する。
ステップＳ１４の判断が肯定されれば、ステップＳ１５で、割合Ｒ１を満たすように水素ガスＧ１と炭化水素ガスＧ２の流量調整を行う。流量調整は、流量調整バルブ２４Ａ、３８Ａを制御することにより行う。そして、ステップＳ１４の実行後、ステップＳ１６で、水供給ポンプ２８を停止する。
ステップＳ１４の判断が否定された場合には、炭化水素ガスＧ２を追加供給して定格運転を維持するために、ステップＳ２０で、炭化水素追加供給処理を行う。図６に示されるように炭化水素追加供給処理では、ステップＳ２２で、定格運転を維持するために追加が必要な炭化水素ガスＧ２の最低流量を算出し、ステップＳ２３で、追加した炭化水素ガスＧ２により炭素析出のために必要となる水（水蒸気）の量を算出する。算出した水が供給されるように、ステップＳ２４で水供給ポンプ２８を駆動し、ステップＳ２５で、水素ガスＧ１と炭化水素ガスＧ２の流量調整を行う。ここでは、炭化水素ガスＧ２を追加供給したときの水素ガスＧ１と炭化水素ガスＧ２の割合Ｒ２となるように、流量調整バルブ２４Ａ、３８Ａを制御して流量調整する。
ステップＳ１５またはステップＳ２０の後、ステップＳ１７で、燃料電池システム１０Ａの運転停止の指示があるか否かを判断する。運転停止の指示がなければ、ステップＳ１０へ戻り、運転停止の指示があれば、ステップＳ１８で運転停止処理を行って、本処理を終了する。
本実施形態の炭素析出抑制処理によれば、第１アノード１６Ａの温度に基づいて、水供給なしで炭素析出しない水素ガスＧ１と炭化水素ガスＧ２の割合Ｒ１を決定し、割合Ｒ１を満たすように水素ガスＧ１と炭化水素ガスＧ２の流量調整を行う。したがって、水供給なしで、第１燃料電池セルスタック１６における炭素析出を抑制することができ、第１燃料電池セルスタック１６での発電効率の低下を抑制することができる。
また、第１燃料電池セルスタック１６へ水蒸気を供給する場合には、必要水蒸気量が供給されるので、適度な水蒸気を供給することができ、第１燃料電池セルスタック１６での発電効率の低下を抑制することができる。
また、本実施形態では、水素供給ライン２４が、水素ガスが生成される設備を含んで構成されており、水素ガスの流量や濃度が変化するが、定格運転に必要な燃料ガスが第１アノード１６Ａへ供給されるので、安定した定格運転を維持することができる。
なお、本実施形態では、定格運転時の炭素の析出抑制について説明したが、起動時や停止時において、同様にして炭素の析出を抑制してもよい。
［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、その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、その詳細な説明を省略する。
図７に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、改質器１４を備えている。炭化水素ガス管Ｐ２は、直接供給管Ｐ２Ａと改質経由管Ｐ２Ｂに分岐されている。分岐部分には、三方弁３８Ｂが設けられている。直接供給管Ｐ２Ａは、炭化水素ガス供給ライン２６からのメタンを、気化器１２、改質器１４を経由せず（バイパスして）燃料供給管Ｐ３へ供給する。
気化器１２には、改質経由管Ｐ２Ｂが接続されており、メタンが気化器１２へ送出される。改質経由管Ｐ２Ｂは、炭化水素ガス供給ライン２６からのメタンを気化器１２へ供給している。三方弁３８Ｂは、炭化水素ガス供給ライン２６からの炭化水素ガスを下流側へ流さないように閉鎖する、または、直接供給管Ｐ２Ａ、改質経由管Ｐ２Ｂのいずれかに流すように切り換え可能とされると共に、流量調整も可能とされている。図８に示されるように、三方弁３８Ｂは、制御部４０と接続されており、制御部４０からの信号により、切り換えが制御されると共に、流量も制御されている。
なお、本実施形態では、三方弁３８Ｂを設け、炭化水素ガス管Ｐ２を直接供給管Ｐ２Ａと改質経由管Ｐ２Ｂに分岐したが、分岐させずに、気化器１２を経由する改質経由管Ｐ２Ｂのみの構成としてもよい。
気化器１２で気化されたメタン及び水蒸気は、改質経由管Ｐ２Ｂを介して改質器１４へ送出される。改質器１４は、燃焼器２０と隣接されており、燃焼器２０との間で熱交換を行うことで加熱される。改質器１４では、都市ガスを改質し、水素を含む改質ガスＧ３を生成する。改質ガスＧ３に含まれる水素ガス、炭化水素ガス（メタン）、一酸化炭素ガスの割合は、所定の割合内に収まるように設定されている。
改質器１４の出口側に接続された改質経由管Ｐ２Ｂは、直接供給管Ｐ２Ａと合流し、合流後の炭化水素ガス管Ｐ２が水素供給管Ｐ１と合流されている。水素供給管Ｐ１と炭化水素ガス管Ｐ２が合流された後の燃料供給管Ｐ３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に接続されており、第１アノード１６Ａに燃料ガスを供給する。
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。
燃料電池システム１０Ｂでは、第１実施形態の炭素析出抑制処理に代えて、第２炭素析出抑制処理が実行される。図９に示されるように、ステップＳ１０～ステップＳ１４は、第１実施形態と同様に実行する。ステップＳ１４で判断が肯定された場合には、ステップＳ１５～ステップＳ１６を第１実施形態と同様に実行する。
ステップＳ１４で判断が否定された場合には、改質ガスＧ３を追加供給して定格運転を維持するために、ステップＳ３０の改質ガス追加供給処理を実行する。改質ガス追加供給処理は、図１０に示されるように、ステップＳ３２で、定格運転を維持するために追加が必要な改質ガスＧ３の最低流量を算出する。ここでの算出は、改質ガスＧ３に含まれる水素ガス、炭化水素ガス（メタン）、一酸化炭素ガスの割合に基づいて行われる。ステップＳ３３で、改質ガスＧ３を生成するために必要となる改質水（水蒸気）の量を算出する。算出した水が供給されるように、ステップＳ３４で水供給ポンプ２８を駆動し、ステップＳ３５で、水素ガスＧ１と改質ガスＧ３の流量調整を行う。ここでは、三方弁３８Ｂの改質経由管Ｐ２Ｂが開放されるようにすると共に、必要な改質ガスＧ３の流量を得るための流量となるように流量調整バルブ２４Ａ、三方弁３８Ｂが調整される。
ステップＳ１５またはステップＳ３０の後、ステップＳ１７で、燃料電池システム１０Ｂの運転停止の指示があるか否かを判断する。運転停止の指示がなければ、ステップＳ１０へ戻り、運転停止の指示があれば、ステップＳ１８で運転停止処理を行って、本処理を終了する。
本実施形態の第２炭素析出抑制処理でも、第１実施形態と同様に、水供給なしで、第１燃料電池セルスタック１６における炭素析出を抑制することができ、第１燃料電池セルスタック１６での発電効率の低下を抑制することができる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図１１に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、第１実施形態の燃料電池システム１０Ａにおいて、さらに、第２燃料電池セルスタック１８、燃料再生部２２、を備えている。
第２燃料電池セルスタック１８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。
アノードオフガス管Ｐ６Ａ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少なくとも水を除去する機能を有しており、凝縮器や分離膜等を用いて構成することができる。
燃料再生部２２の出口側には、再生燃料ガス管Ｐ６Ｂの一端が接続されている。再生燃料ガス管Ｐ６Ｂの他端は、第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａと接続されている。水が除去されたアノードオフガスは、再生燃料ガスとなって、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。燃料再生部２２で分離された水（液相）は、水タンク３４へ送出される。
本実施形態では、水蒸気供給管ＰＳと炭化水素ガス管Ｐ２の合流部分よりも下流側、燃料供給管Ｐ３よりも上流側に、分岐部ＤＤが設けられている。分岐部ＤＤでは、燃料供給管Ｐ３と接続される第１分岐管Ｐ２Ｄと、第２アノード１８Ａと接続される第２分岐管Ｐ２Ｃと接続されている。第１分岐管Ｐ２Ｄは燃料供給管Ｐ３へガスを供給し、第２分岐管Ｐ２Ｃは第２アノード１８Ａへガスを供給する。分岐部ＤＤは、図１２に示されるように、制御部４０と接続されており、分流量が制御させる。分岐部ＤＤでは、一部、または全部のメタンを、第１分岐管Ｐ２Ｄへ分岐させて、直接第２燃料電池セルスタック１８の第２アノード１８Ａへ供給する。
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、炭素析出抑制処理が行われるので、温度条件によって、水供給なしで第１燃料電池セルスタック１６における炭素析出を抑制することができる。また、炭素析出が生じると判断された場合に、第１燃料電池セルスタック１６へ水蒸気を供給することにより、第１燃料電池セルスタック１６における炭素析出を抑制することができる。
また、第１燃料電池セルスタック１６へ水蒸気を供給する場合には、必要水蒸気量が供給されるので、適度な水蒸気を供給することができ、第１燃料電池セルスタック１６での発電効率の低下を抑制することができる。
また、アノードオフガスを第２燃料電池セルスタック１８での発電に利用できるので、発電効率を高めることができる。
また、炭化水素ガス（メタン）の一部を分岐して第２アノード１８Ａへ供給する第２分岐管Ｐ２Ｃを備えているので、第２燃料電池セルスタック１８での発電に用いる分のメタンを直接第２燃料電池セルスタック１８へ供給することができる。したがって、燃料電池セルスタック１６へ供給する炭化水素系ガスの量を少なくすることができる。また、第２アノード１８Ａへは、第１アノード１６Ａで生成された水が供給されるので、外部からの水供給が不要となる。
なお、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６と第２燃料電池セルスタック１８を備えた２段式の燃料電池システムを例に説明したが、本発明は、３段以上の多段式の燃料電池システムに適用することもできる。
また、本実施形態では、分岐部ＤＤで、メタンの一部または全部を第２分岐管Ｐ２Ｃへ分岐させたが、第２分岐管Ｐ２Ｃは必須の構成ではなく、第２分岐管Ｐ２Ｃがなくてもよい。
また、分岐部ＤＤ及び第２分岐管Ｐ２Ｃのない構成において、本発明は、図１３に示されるように、第２燃料電池セルスタック１８を備えていない循環式の燃料電池システム１０Ｄに適用することもできる。燃料電池システム１０Ｂでは、再生燃料ガス管Ｐ６Ｂから分岐された再生分岐管Ｐ６Ｃが循環路となり、燃料供給管Ｐ３と合流接続される。アノオードオフガスを燃料電池セルスタックで再度発電に利用できるので、発電効率を高めることができる。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図１４に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂにおいて、さらに、第３実施形態の燃料電池システム１０Ｃのように、第２燃料電池セルスタック１８、燃料再生部２２、分岐部ＤＤ、第２分岐管Ｐ２Ｃを備えている。
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅでは、第２実施形態と同様に、第２炭素析出抑制処理が実行される。本実施形態においても、温度条件によって水供給なしで、第１燃料電池セルスタック１６における炭素析出を抑制することができ、第１燃料電池セルスタック１６での発電効率の低下を抑制することができる。また、炭素析出が生じると判断された場合に、第１燃料電池セルスタック１６へ水蒸気を供給することにより、第１燃料電池セルスタック１６における炭素析出を抑制することができる。
また、第１燃料電池セルスタック１６へ水蒸気を供給する場合には、必要水蒸気量が供給されるので、適度な水蒸気を供給することができ、第１燃料電池セルスタック１６での発電効率の低下を抑制することができる。
なお、本実施形態の変形例として、図１５に示されるように、第２燃料電池セルスタック１８を備えていない循環式の燃料電池システム１０Ｆに適用することもできる。
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ 燃料電池システム
１２ 気化器（水供給部）
１４ 改質器
１６ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック）
１８ 第２燃料電池セルスタック
２４ 水素供給ライン
２４Ａ 流量調整バルブ（ガス調整部）
２５ 熱量計（水素濃度検出部）
２６ 炭化水素ガス供給ライン（炭化水素系ガス供給ライン）
２８ 水供給ポンプ（水供給部、水調整部）
３８Ａ 流量調整バルブ（ガス調整部）
３８Ｂ 三方弁（ガス調整部）
４０ 制御部（炭素析出判断部、水調整部、ガス調整部）
Ｐ２Ａ 直接供給管（直接路）
Ｐ２Ｂ 改質経由管（改質路）
Ｐ２Ｃ 第２分岐管（分岐炭化水素ガス供給ライン）
Ｐ６Ｃ 再生分岐管（循環路）
１２ 気化器（水供給部）
１４ 改質器
１６ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック）
１８ 第２燃料電池セルスタック
２４ 水素供給ライン
２４Ａ 流量調整バルブ（ガス調整部）
２５ 熱量計（水素濃度検出部）
２６ 炭化水素ガス供給ライン（炭化水素系ガス供給ライン）
２８ 水供給ポンプ（水供給部、水調整部）
３８Ａ 流量調整バルブ（ガス調整部）
３８Ｂ 三方弁（ガス調整部）
４０ 制御部（炭素析出判断部、水調整部、ガス調整部）
Ｐ２Ａ 直接供給管（直接路）
Ｐ２Ｂ 改質経由管（改質路）
Ｐ２Ｃ 第２分岐管（分岐炭化水素ガス供給ライン）
Ｐ６Ｃ 再生分岐管（循環路）
Claims (9)
- 水素を含む燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、
水素ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する水素供給ラインと、
炭化水素系ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する炭化水素系ガス供給ラインと、
前記燃料電池セルスタックを通過する前記燃料ガスの温度と前記燃料ガスの水素濃度とに基づいて、前記燃料電池セルスタックでの炭素析出が抑制されるように、前記炭化水素系ガス供給ラインから前記燃料電池セルスタックへ供給される炭化水素系ガスの流量を調整する、ガス調整部と、
を備えた燃料電池システム。 - 前記水素供給ラインは、前記水素ガスを連続的に生成する設備を含んで構成され、
前記ガス調整部は、前記水素供給ラインから前記燃料電池セルスタックへ供給される水素ガスの流量及び濃度に応じて、前記炭化水素系ガス供給ラインから前記燃料電池セルスタックへ供給される炭化水素系ガスの流量を調整する、
請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記設備は、副次的に水素ガスを含むガスを連続生成する生産設備を含む、
請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記設備は、再生可能エネルギー発電による電力を用いた水の電解設備を含む、
請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記ガス調整部による調整でも前記燃料電池セルスタックでの炭素析出が生じると判断される場合に、水蒸気を前記燃料電池セルスタックへ供給する水供給部、
を備えた、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。 - 前記燃料電池セルスタックから送出されるアノードオフガスを用いて発電する第２燃料電池セルスタックを備えた、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。
- 前記炭化水素系ガス供給ラインからの前記炭化水素系ガスの一部を分岐して前記第２燃料電池セルスタックへ供給する分岐炭化水素ガス供給ライン、を備えた請求項６に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池セルスタックから送出されるアノードオフガスを前記燃料電池セルスタックへ循環させる循環路を備えた、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。
- 水素ガスと炭化水素系ガスを混合させた燃料ガスを燃料電池セルスタックへ供給して、前記燃料電池セルスタックで前記燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池システム運転方法であって、
前記燃料電池セルスタックを通過する前記燃料ガスの温度と前記燃料ガスの水素濃度とに基づいて、前記燃料電池セルスタックでの炭素析出が抑制されるように、前記燃料電池セルスタックへ供給される前記炭化水素系ガスの流量を調整する、
燃料電池システム運転方法。
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