WO2023182490A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2023182490A1
WO2023182490A1 PCT/JP2023/011796 JP2023011796W WO2023182490A1 WO 2023182490 A1 WO2023182490 A1 WO 2023182490A1 JP 2023011796 W JP2023011796 W JP 2023011796W WO 2023182490 A1 WO2023182490 A1 WO 2023182490A1
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WO
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gas
anode
fuel cell
section
cell system
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Application number
PCT/JP2023/011796
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秀貴 渡邉
大河 村上
亮介 中村
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株式会社アイシン
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a fuel cell system.
  • Patent Document 1 describes a cell stack, a housing in which the cell stack is housed, and a fuel off-gas (anode off-gas) discharged from the cell stack that is guided outside the housing and then guided back into the housing and sent to the combustor.
  • Patent Document 2 also describes a fuel cell stack, an off-gas path that leads off-gas discharged from the fuel cell stack to a water vapor separation membrane, and a regenerated fuel gas, which is off-gas from which water vapor has been removed by the water vapor separation membrane, to the fuel cell stack.
  • a regenerated fuel gas path that leads to a regenerated fuel gas path, a blower disposed in the regenerated fuel gas path, and a heat exchanger that exchanges heat between the off gas flowing in the off gas path and the regenerated fuel gas flowing in the regenerated fuel gas path.
  • the fuel cell system of Patent Document 1 exchanges heat between the anode off gas from the cell stack and the anode off gas condensed in the condenser, and since the amount of heat received by the anode off gas after condensation is small, the anode off gas from the cell stack Offgas may not be sufficiently cooled.
  • the fuel cell system of Patent Document 2 there is a possibility that the anode off-gas cannot be sufficiently cooled, and even if it could be cooled, it would be necessary to add a blower, resulting in an increase in the size of the system.
  • the main purpose of the present disclosure is to further improve the power generation efficiency of the fuel cell by reducing the heat radiation of the anode off-gas outside the housing while suppressing the enlargement of the system.
  • the present disclosure has taken the following measures to achieve the above-mentioned main objective.
  • the fuel cell system of the present disclosure includes: A fuel cell that generates electricity through a reaction between anode gas and cathode gas, a reforming section that reformens the raw fuel gas into the anode gas using water vapor; a vaporization section that vaporizes reformed water to generate the water vapor; a housing having heat insulation properties and accommodating the fuel cell, the reforming section, and the vaporizing section; a raw fuel gas supply section that supplies the raw fuel gas to the vaporization section through a gas supply path; a reformed water supply section that supplies the reformed water to the vaporization section through a reformed water supply path; an anode off-gas flow path that is provided to pass through at least the inside of the vaporization section and that guides anode off-gas from the fuel cell to the outside of the housing; At least a portion of the anode off gas is provided in the vaporization section and flows through the anode off gas flow path; and at least one of the raw fuel gas flowing through the gas supply path and
  • the anode off gas flows through the anode off gas flow path, and at least one of the raw fuel gas flowing through the gas supply path and the reformed water flowing through the reformed water supply path. It is equipped with a heat exchange section that performs heat exchange between the Therefore, compared to a configuration in which the entire heat exchange section is provided outside the vaporization section, it is possible to suppress the increase in size of the system. In addition, since the raw fuel gas flowing through the gas supply path and the reformed water flowing through the reformed water supply path have relatively low temperatures, it is possible to appropriately cool the anode off gas by exchanging heat with at least one of these.
  • the anode off-gas flow path passes through the vaporization section, heat exchange is performed between the anode off-gas and the raw fuel gas and reformed water (steam) within the vaporization section, as well as preheating of the raw fuel gas and vaporization of the reformed water. can be promoted. For these reasons, the power generation efficiency of the fuel cell can be further improved by reducing the heat radiation of the anode off-gas outside the housing while suppressing the increase in size of the system.
  • the anode off-gas flow path is provided so as to extend outside the housing through the inside of the reforming section and the vaporization section, and the heat exchange section is arranged to extend the heat of the gas to the outside of the housing. It may be provided extending from inside the vaporizing section to outside the housing so that it can be replaced. In this way, heat exchange can be performed even from the time when the anode off-gas leaves the vaporization section until it reaches the outside of the housing, so that the heat radiation of the anode off-gas outside the housing can be further reduced. Furthermore, since high-temperature anode gas is supplied to the fuel cell through heat exchange within the reforming section, the power generation efficiency of the fuel cell can be further improved.
  • the heat exchange section is configured such that the anode off-gas flow path and one of the gas supply path and the reformed water supply path are arranged from inside the vaporization section to outside the housing. and the one supply path is provided with a supply port that opens in the radial direction within the vaporization section and supplies the raw fuel gas or the reformed water into the vaporization section. Good too.
  • the heat exchange section can be configured compactly and the raw fuel gas or reformed water can be appropriately supplied into the vaporization section from the supply port while suppressing the system from increasing in size.
  • At least one of the anode off-gas flow path and the one supply path may have a multi-lobed cross section. This makes it possible to increase the surface area of at least one of the anode off-gas flow path and one of the gas supply path and reformed water supply path, thereby increasing the heat exchange efficiency. Heat radiation outside can be further reduced.
  • the fuel cell is configured with a reversibly operated solid oxide cell, and performs a power generation operation that generates electricity by a reaction between an anode gas and a cathode gas, and supplies electric power to the fuel cell. It may be possible to switch between an electrolytic operation in which hydrogen is generated by steam electrolysis in a state in which hydrogen is generated. In this way, even during electrolysis operation, the off-gas containing hydrogen discharged from the fuel electrode can be sufficiently cooled to reduce the enthalpy of the off-gas carried out of the housing. As a result, in a system capable of power generation operation and electrolysis operation, power generation efficiency and electrolysis efficiency can be further improved.
  • the electrolytic operation includes a recovery path that communicates the anode off-gas flow path and the tank outside the housing, an on-off valve provided in the recovery path, and a pump provided in the recovery path. It may be provided with a collection unit that collects hydrogen-containing off-gas flowing through the anode off-gas flow path into the tank by opening the on-off valve and driving the pump at times. In this way, hydrogen can be recovered during electrolytic operation with a simple configuration.
  • the reflux path is connected to the anode off-gas flow path and allows the anode off-gas flowing through the anode off-gas flow path to be returned to the raw fuel gas supply section, and the recovery path is branched from the reflux path. It may be connected to the tank. In this way, in a fuel cell system of the type in which the anode off-gas is returned to the raw fuel gas supply section, hydrogen can be recovered during electrolysis operation using the return flow path.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of a fuel cell system 10.
  • FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a vaporizer 22 including a first heat exchanger 25.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the cross-sectional shape of an anode off-gas pipe 73.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a cross-sectional shape of a reformed water supply pipe 41.
  • FIG. It is a block diagram which shows the outline of the structure of the vaporizer 22 containing the 1st heat exchanger 25B of a modification. It is a schematic block diagram of the fuel cell system 10B of a modification.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing the structure of a fuel cell system 10.
  • the fuel cell system 10 of this embodiment includes a power generation module 20 including a fuel cell stack 21, a raw fuel gas supply device 30, a reformed water supply device 40, and an air supply device 50. Be prepared.
  • the fuel cell stack 21 generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen in the anode gas and oxygen in the cathode gas.
  • the raw fuel gas supply device 30 supplies the power generation module 20 (vaporizer 22) with raw fuel gas (for example, natural gas or LP gas) that is a raw material for anode gas.
  • raw fuel gas for example, natural gas or LP gas
  • the reformed water supply device 40 supplies reformed water necessary for reforming raw fuel gas to anode gas (steam reforming) to the power generation module 20 (vaporizer 22).
  • the air supply device 50 supplies air as cathode gas to the power generation module 20 (fuel cell stack 21).
  • the power generation module 20 includes a fuel cell stack 21, a vaporizer 22, a reformer 23, a combustor 24, a first heat exchanger 25, and a second heat exchanger 26. These are housed in a box-shaped housing 29 that has heat insulation properties.
  • the fuel cell stack 21 includes a plurality of solid oxide single cells each having an electrolyte such as zirconium oxide and an anode electrode and a cathode electrode that sandwich the electrolyte.
  • An anode gas passage is formed within the anode electrode of each unit cell.
  • a cathode gas passage is formed within the cathode electrode of each unit cell.
  • the vaporizer 22 and the reformer 23 are arranged above the fuel cell stack 21 in the housing 29. Also, between the fuel cell stack 21, the vaporizer 22, and the reformer 23, there is a combustor 24 that generates heat necessary for the operation of the fuel cell stack 21 and the reactions in the vaporizer 22 and reformer 23. will be placed.
  • Raw fuel gas from the raw fuel gas supply device 30 and reformed water from the reformed water supply device 40 flow into the vaporizer 22 .
  • the raw fuel gas supply device 30 includes a raw fuel gas supply pipe 31 that connects the raw fuel supply source 1 that supplies raw fuel gas and the vaporizer 22, an on-off valve 32 installed in the raw fuel gas supply pipe 31, It has an orifice 34, a zero governor 35, a gas pump 36, and a desulfurizer 38.
  • the raw fuel gas is pumped (supplied) from the raw fuel supply source 1 to the vaporizer 22 via the desulfurizer 38 by the operation of the gas pump 36 .
  • the reformed water supply device 40 is installed in a reformed water tank 42 that stores reformed water, a reformed water supply pipe 41 that connects the reformed water tank 42 and the vaporizer 22, and the reformed water supply pipe 41. and a reformed water pump 43.
  • the reformed water in the reformed water tank 42 is pumped (supplied) to the vaporizer 22 by the operation of the reformed water pump 43.
  • the vaporizer 22 heats the raw fuel gas and reformed water that have flowed in using the heat (combustion heat) from the combustor 24, preheats the raw fuel gas, and evaporates the reformed water to generate water vapor.
  • the raw fuel gas preheated by the vaporizer 22 is mixed with water vapor, and the mixed gas flows from the vaporizer 22 into the reformer 23 .
  • the reformer 23 has, for example, a Ru-based or Ni-based reforming catalyst filled therein, and reacts the mixed gas from the vaporizer 22 with the reforming catalyst in the presence of heat from the combustor 24. Hydrogen gas and carbon monoxide are generated by (steam reforming reaction). Furthermore, the reformer 23 generates hydrogen gas and carbon dioxide by a reaction between carbon monoxide generated in the steam reforming reaction and steam (carbon monoxide shift reaction). As a result, the reformer 23 generates an anode gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, unreformed raw fuel gas, and the like.
  • the anode gas generated by the reformer 23 flows into the anode gas passage of each unit cell of the fuel cell stack 21 through the anode gas pipe 71 and is supplied to the anode electrode. Furthermore, air as a cathode gas flows from the air supply device 50 through the cathode gas piping 72 into the cathode gas passage of each unit cell of the fuel cell stack 21, and is supplied to the cathode electrode.
  • the air supply device 50 includes an air supply pipe 51 connected to the cathode gas pipe 72, an air filter 52 provided at the inlet of the air supply pipe 51, and an air pump 53 installed in the air supply pipe 51.
  • air pump 53 By operating the air pump 53, air as cathode gas is sucked into the air supply pipe 51 via the air filter 52, and is forcedly sent (supplied) to the fuel cell stack 21 (cathode electrode) through the cathode gas pipe 72. be done.
  • Oxide ions (O 2- ) are generated at the cathode electrode of each unit cell, and the oxide ions pass through the electrolyte and react with hydrogen and carbon monoxide at the anode electrode, thereby obtaining electrical energy.
  • the input terminal of a power conditioner 90 is connected to the output terminal of the fuel cell stack 21, and the output terminal of the power conditioner 90 is connected to the power line 3 from the power system 2 to the load 4 via a relay. There is. By driving and controlling the power conditioner 90, the power generated by the fuel cell stack 21 can be converted into AC power and supplied to the load 4.
  • the anode gas (hereinafter referred to as "anode off gas") that is not used for electrochemical reaction (power generation) in each single cell is once led out of the housing 29 through the anode off gas piping 73 and installed outside the housing 29. It is supplied to a condenser 62 (cooler). The anode off gas is cooled by the condenser 62 to remove water vapor contained in the anode off gas, and then introduced into the housing 29 through the anode off gas piping 74 and supplied to the combustor 24 inside the housing 29. Ru.
  • the anode off-gas piping 73 of this embodiment is provided so as to extend outside the housing 29 through the inside of the reformer 23 and the vaporizer 22, and its details will be described later.
  • the condenser 62 is connected to the hot water storage tank 61 via a circulation pipe 63.
  • the condenser 62 cools the anode off-gas by heat exchange with the hot water by circulating the hot water stored in the hot water storage tank 61 by driving the circulation pump 64, and condenses the water vapor in the anode off-gas.
  • the condensed water pipe 44 and the anode off-gas pipe 74 are connected to the passage outlet on the anode off-gas side of the condenser 62, and the condensed water obtained by condensing the water vapor in the anode off-gas in the condenser 62 is
  • the condensed water is introduced into the reformed water tank 42 through the condensed water pipe 44 . Thereby, the condensed water can be used as reforming water, and the operation of the fuel cell system 10 can be continued without replenishing water from the outside (water independent operation).
  • the anode off-gas from which water vapor has been removed after passing through the condenser 62 is supplied to the combustor 24 through the anode off-gas piping 74. Furthermore, a part of the anode off-gas from which water vapor has been removed by passing through the condenser 62 is transferred to the raw fuel gas supply pipe 31 (between the zero governor 35 and the gas pump 36) via the reflux pipe 81 that branches from the anode off-gas pipe 74. is refluxed to.
  • the reflux pipe 81 is provided with an on-off valve 82 for opening and closing the reflux pipe 81 and an orifice 83 for adjusting the reflux amount.
  • cathode off gas the cathode gas that is not used for electrochemical reaction (power generation) in each single cell is directly supplied to the combustor 24 through the cathode off gas piping 75.
  • the anode off gas that has flowed into the combustor 24 is a combustible gas containing fuel components such as hydrogen and carbon monoxide, and is mixed with the cathode off gas that has flowed into the combustor 24 and contains oxygen.
  • the mixed gas hereinafter referred to as "off gas”
  • the combustion of the off gas causes the operation of the fuel cell stack 21 and the release of raw fuel gas in the vaporizer 22. Heat necessary for preheating, generation of steam, steam reforming reaction in the reformer 23, etc. is generated.
  • combustion exhaust gas containing unburned fuel is generated, and the combustion exhaust gas passes through the combustion exhaust gas pipe 76, passes through the combustion catalyst 28, and is discharged to the outside air.
  • the combustion catalyst 28 is an oxidation catalyst for reburning unburned fuel in the combustion exhaust gas.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the vaporizer 22 including the first heat exchanger 25.
  • the anode off-gas pipe 73 is provided so as to extend through the inside of the reformer 23 and the vaporizer 22 to the outside of the housing 29.
  • the first heat exchanger 25 is a double pipe, as shown by the dotted line in FIG. structure (double pipe heat exchange structure), and is provided from the inside of the vaporizer 22 to the outside of the vaporizer 22.
  • a portion of the first heat exchanger 25 is provided inside the vaporizer 22, and the remaining portion is provided from the inside of the vaporizer 22 to the outside of the housing 29.
  • the anode off-gas pipe 73 of the outer pipe and the reformed water supply pipe 41 of the inner pipe are separated outside the housing 29. Further, the reformed water supply pipe 41 has a supply port 41a opened in the radial direction formed at the end extending into the vaporizer 22, and the reformed water is supplied into the vaporizer 22 from this supply port 41a. supply
  • the anode off gas flowing through the anode off gas piping 73 in the vaporizer 22 and the reformer 23 is supplied from the reformed water and its water vapor supplied from the reformed water supply pipe 41, and from the raw fuel gas supply pipe 31. Heat exchange is performed between the raw fuel gas, their mixed gas, and the generated anode gas. Further, in the first heat exchanger 25 , the anode off gas flowing through the anode off gas pipe 73 exchanges heat with the reformed water flowing through the reformed water supply pipe 41 .
  • the anode off gas that has been heat exchanged in the vaporizer 22 and the reformer 23 is exposed to the high temperature atmosphere again before being released outside the housing 29. You can prevent yourself from being led.
  • the anode off-gas can be sufficiently cooled before being led out of the housing 29.
  • water has a relatively large latent heat, by exchanging heat with liquid phase reformed water in the first heat exchanger 25, the anode off gas can be reliably cooled.
  • the cooled anode off-gas is led out of the housing 29 and supplied to the condenser 62, and the condensation of water vapor in the anode off-gas can be promoted in the condenser 62 as well, so water self-sustaining operation can be stably performed. It becomes possible to do so.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of the cross-sectional shape of the anode off-gas pipe 73
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the cross-sectional shape of the reformed water supply pipe 41.
  • the cross section of the anode off gas pipe 73 is formed, for example, in a multilobed shape
  • the cross section of the reformed water supply pipe 41 is formed, for example, in a circular shape.
  • the cross section of the anode off gas pipe 73 may be multi-lobed at least in the vaporizer 22, the reformer 23, and the first heat exchanger 25, and the cross section between the fuel cell stack 21 and the reformer 23 is Alternatively, the outside of the housing 29 may have a circular shape.
  • the second heat exchanger 26 exchanges heat between the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas piping 76 and the cathode gas flowing through the cathode gas piping 72.
  • the cathode gas supplied to the cathode gas pipe 72 by the air supply device 50 passes through the second heat exchanger 26, is heated by heat exchange with the combustion exhaust gas, and is sent to the fuel cell stack 21. Therefore, since the high temperature cathode gas is supplied to the fuel cell stack 21, the temperature of the fuel cell stack 21 can be maintained at a temperature suitable for its operation, and power generation efficiency can be improved.
  • At least a portion is provided in the vaporizer 22, and between the anode off gas flowing through the anode off gas pipe 73 and the reformed water flowing through the reformed water supply pipe 41.
  • a first heat exchanger 25 that performs heat exchange is provided. Therefore, compared to a configuration in which the entire first heat exchanger 25 is provided outside the vaporizer 22, the space for arranging the first heat exchanger 25 is reduced and the power generation module 20 (fuel cell system 10) becomes larger. can be suppressed. Further, by performing heat exchange with relatively low temperature reformed water, the anode off gas can be appropriately cooled.
  • the anode off-gas piping 73 passes through the reformer 23 and the vaporizer 22, it can promote heat exchange between the anode off-gas and raw fuel gas, reformed water (steam), mixed gas, and anode gas. can. For these reasons, it is possible to reduce the heat dissipation of the anode off-gas outside the housing 29 and efficiently utilize the exhaust heat while suppressing the increase in size, thereby further improving the power generation efficiency of the fuel cell stack 21. I can do it.
  • an anode off-gas pipe 73 extends through the reformer 23 and the vaporizer 22 to the outside of the housing 29, and the first heat exchanger 25 is provided from the inside of the vaporizer 22 to the outside of the housing 29. There is. Therefore, heat exchange can be performed even from the vaporizer 22 until it exits the housing 29, which further reduces the heat radiation of the anode off-gas outside the housing 29 and sufficiently raises the temperature of the reformed water to vaporize it. can be promoted.
  • the first heat exchanger 25 has a double pipe structure including an anode off-gas pipe 73 and a reformed water supply pipe 41, and the reformed water supply pipe 41 has a radial opening inside the vaporizer 22.
  • a supply port 41a for supplying reformed water is formed. For this reason, reformed water can be appropriately supplied into the vaporizer 22 while the first heat exchanger 25 has a compact configuration and is suppressed from increasing in size.
  • anode off-gas piping 73 has a multilobed cross-section, which increases the surface area and increases the heat exchange efficiency, thereby further reducing the heat radiation of the anode off-gas outside the housing 29. .
  • the anode off-gas pipe 73 has a multilobed cross section and the reformed water supply pipe 41 has a circular cross section, but the present invention is not limited to this.
  • the anode off-gas pipe 73 may have a circular cross section and the reformed water supply pipe 41 may have a multilobal cross section, or both may have a multilobal cross section, or both may have a circular cross section.
  • the cross-sectional shape is not limited to a multilobal shape or a circular shape, but may be other shapes.
  • the first heat exchanger 25 has a double pipe structure in which the anode off-gas pipe 73 is the outer pipe and the reformed water supply pipe 41 is the inner pipe, but the structure is not limited to this.
  • FIG. 5 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the vaporizer 22 including the first heat exchanger 25B of a modified example.
  • the first heat exchanger 25B of the modified example has a double pipe structure in which the anode off-gas pipe 73 is an inner pipe and the reformed water supply pipe 41 is an outer pipe. Even in this case, heat exchange between the anode off gas and the reformed water can be performed similarly to the embodiment.
  • the present invention is not limited to this, and a double tube structure in which the axes of the outer tube and the inner tube are shifted from each other may be used.
  • the first heat exchanger 25 is not limited to having a double-tube structure, but may have another structure such as a shell-and-tube type.
  • the first heat exchanger 25 exchanges heat between the anode off gas flowing through the anode off gas pipe 73 and the reformed water flowing through the reformed water supply pipe 41, but the present invention is not limited thereto.
  • heat exchange may be performed between the anode off gas flowing through the anode off gas pipe 73 and the raw fuel gas flowing through the raw fuel gas supply pipe 31 .
  • it may be one that performs heat exchange between the anode off gas, raw fuel gas, and reformed water.
  • the first heat exchanger 25 is provided from the inside of the carburetor 22 to the outside of the housing 29, but the first heat exchanger 25 is not limited to this, and it is sufficient that at least a part of the heat exchanger 25 is provided inside the carburetor 22. It may be provided extending from the outside of the carburetor 22 and housed within the housing 29, or may be provided entirely within the carburetor 22. However, in order to prevent the anode off-gas heat-exchanged by the first heat exchanger 25 from being exposed to a high-temperature atmosphere before being led outside the housing 29, it is preferable to do as in the embodiment. Further, although the anode off gas pipe 73 is provided to pass through the reformer 23 and the vaporizer 22, it is not limited to this, and may be provided so as to pass at least through the vaporizer 22. You don't have to pass.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a modified fuel cell system 10B. Components of the fuel cell system 10B in FIG. 6 that are similar to those in the fuel cell system 10 in FIG.
  • the fuel cell stack 21B has the same configuration as the fuel cell stack 21 of this embodiment, but is used as a reversible solid oxide cell stack. That is, the fuel cell stack 21B has an operation mode in which, in addition to the power generation operation (FC mode) in which power is generated by the reaction between hydrogen and oxygen, similar to the fuel cell system 10 of the embodiment, power is supplied between the two electrodes from the power source. It has an electrolytic operation (EC mode) that generates hydrogen by high-temperature steam electrolysis in a state where The operating mode can be selected depending on the power demand. For example, the FC mode can be selected when the load L is requesting power, and the EC mode can be selected when the load L is not requesting power.
  • FC mode power generation operation
  • EC mode electrolytic operation
  • the FC mode is selected when a down DR to reduce the amount of electricity demanded is requested, and the FC mode is selected when an up DR is requested to increase the amount of electricity demanded. can select EC mode.
  • the fuel cell system 10B of the modified example includes a recovery pipe 91 that branches from a reflux pipe 81 and is connected to a hydrogen tank 95, a gas pump 92 installed in the recovery pipe 91, and a branch point between the reflux pipe 81 in the recovery pipe 91. and an on-off valve 93 installed between the gas pump 93 and the gas pump 93.
  • the on-off valve 93 is closed in the FC mode and opened in the EC mode.
  • a power source (not shown) is connected to the terminal so that power at a voltage necessary for high-temperature steam electrolysis is supplied.
  • a grid power source renewable energy such as a solar power generation device, a storage battery, etc. can be used.
  • water vapor and a small amount of hydrogen gas are introduced into the fuel electrode of the fuel cell stack 21B, and air is introduced into the air electrode of the fuel cell stack 21B. Then, when power at a predetermined voltage is supplied between the terminals of the fuel cell stack 21B (reversible solid oxide cell stack) by the power supply, the water vapor introduced into the fuel electrode is converted into hydrogen and oxygen by electrolysis at the fuel electrode. It is decomposed into ions (O 2- ). Then, oxygen gas is generated at the air electrode by the oxygen ions passing through the electrolyte.
  • the hydrogen gas generated at the fuel electrode is discharged to the anode off-gas piping 73 as a fuel electrode off-gas together with electrolytically unreacted water vapor, and is supplied to the condenser 62. After water vapor is removed in the condenser 62 , the fuel electrode off-gas containing hydrogen that has passed through the condenser 62 passes through the reflux pipe 81 and the recovery pipe 91 and is stored in the hydrogen tank 95 .
  • the hydrogen gas stored in the hydrogen tank 95 may be used as an anode gas in the FC mode, or may be used in the EC mode.
  • a part of the fuel electrode off-gas that has passed through the condenser 62 is supplied to the combustor 24 through the anode off-gas piping 74, and air containing oxygen gas is supplied from the air electrode to the combustor 24 through the cathode off-gas piping 75. It is mixed with polar off-gas and combusted.
  • the fuel electrode off-gas containing hydrogen gas and water vapor discharged from the fuel electrode passes through the first heat exchanger 25 and then exits the module case 29. is supplied to the condenser 62.
  • combustion exhaust gas is generated by combustion of fuel electrode off-gas containing hydrogen gas that passes through the condenser 62 and is introduced into the combustor 24, and air electrode off-gas containing oxygen gas that is introduced from the air electrode into the combustor 24. is discharged to the outside of the module case 29 after passing through the second heat exchanger 26 .
  • the water (raw material water) supplied from the reformed water tank 42 to the vaporizer 22 is combined with the fuel electrode off-gas. It is possible to convert the water vapor into water vapor by heat exchange, raise the temperature of the water vapor, and then supply it to the fuel electrode of the fuel cell stack 21B. Furthermore, in the second heat exchanger 26, the air from the air pump 53 can be heated by exchanging heat with combustion exhaust gas before being supplied to the air electrode of the fuel cell stack 21B. By exchanging heat with relatively low-temperature water, the amount of heat carried away by the fuel electrode off-gas to the outside of the housing 29 can be reduced.
  • the heat required for high-temperature steam electrolysis heat required to raise the temperature of the fuel cell stack 21B, heat required to generate and raise the temperature of steam, etc.
  • the space for arranging the first heat exchanger 25 is reduced compared to a configuration in which the entire first heat exchanger 25 is provided outside the vaporizer 22. It is possible to reduce the size of the power generation module 20 (fuel cell system 10) and suppress the size of the power generation module 20 (fuel cell system 10).
  • the fuel cell stack 21 of the embodiment corresponds to a "fuel cell” of the present disclosure
  • the reformer 23 corresponds to a "reforming section”
  • the vaporizer 22 corresponds to a "vaporizing section”
  • the housing 29 corresponds to a "housing”.
  • the raw fuel gas supply device 30 corresponds to the “raw fuel gas supply unit”
  • the reformed water supply device 40 corresponds to the “reformed water supply unit”
  • the anode off gas piping 73 corresponds to the “anode off gas flow”.
  • the first heat exchanger 25 corresponds to a "heat exchange section”.
  • the fuel cell stack 21B corresponds to a "reversible solid oxide cell stack”.
  • the recovery piping 91 corresponds to a "recovery path”
  • the hydrogen tank 95 corresponds to a "tank”
  • the on-off valve 93 corresponds to an "on-off valve”
  • the gas pump 92 corresponds to a "pump.”
  • the reflux pipe 81 corresponds to a "reflux path.”
  • the correspondence relationship between the main elements of the embodiment and the main elements of the invention described in the column of means for solving the problem is that the embodiment implements the invention described in the column of means for solving the problem. Since this is an example for specifically explaining a form for solving the problem, it is not intended to limit the elements of the invention described in the column of means for solving the problems. In other words, the interpretation of the invention described in the column of means for solving the problem should be based on the description in that column, and the embodiments should be based on the description of the invention described in the column of means for solving the problem. This is just one specific example.
  • the present invention can be used in the fuel cell system manufacturing industry.

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Abstract

燃料電池システムは、燃料電池と、水蒸気を用いて原燃料ガスをアノードガスに改質する改質部と、改質水を気化して水蒸気を生成する気化部と、断熱性を有し、燃料電池と改質部と気化部とを収容するハウジングと、原燃料ガスをガス供給路を通して気化部へ供給する原燃料ガス供給部と、改質水を改質水供給路を通して気化部へ供給する改質水供給部と、少なくとも気化部内を通るように設けられ、燃料電池からのアノードオフガスをハウジング外へ導くアノードオフガス流路と、少なくとも一部が気化部内に設けられ、アノードオフガス流路を流れるアノードオフガスと、ガス供給路を流れる原燃料ガスおよび改質水供給路を流れる改質水の少なくとも一方との間で熱交換を行う熱交換部と、を備える。

Description

燃料電池システム
　本開示は、燃料電池システムに関する。
　従来、燃料電池システムとしては、燃料電池スタックからのアノードオフガスと他の流体との間で熱交換する熱交換器を備えるものが提案されている。例えば、特許文献１には、セルスタックと、セルスタックが収容されたハウジングと、セルスタックから排出された燃料オフガス（アノードオフガス）をハウジング外に導いた後に再びハウジング内に導いて燃焼器に送る燃料オフガス送給流路と、ハウジング外に配置されて燃料オフガス送給流路を流れる燃料オフガスを凝縮させる凝縮器と、ハウジング内に配置されてセルスタックから排出された燃料オフガスと凝縮器で凝縮されて再びハウジング内に導かれた燃料オフガスとの間で熱交換する熱交換器と、を備えるものが開示されている。
　また、特許文献２には、燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出されたオフガスを水蒸気分離膜に導くオフガス経路と、水蒸気分離膜で水蒸気が除去されたオフガスである再生燃料ガスを燃料電池スタックに導く再生燃料ガス経路と、再生燃料ガス経路に配置されたブロワと、オフガス経路を流れるオフガスと再生燃料ガス経路を流れる再生燃料ガスとの間で熱交換する熱交換器と、を備えるものが開示されている。
特開２０２０－４７４００号公報 特許第６６２９１６７号
　特許文献１の燃料電池システムは、セルスタックからのアノードオフガスと凝縮器で凝縮されたアノードオフガスとを熱交換するものであり、凝縮後のアノードオフガスの受熱量が小さいため、セルスタックからのアノードオフガスを十分に冷却することができない場合がある。同様に、特許文献２の燃料電池システムでも、アノードオフガスを十分に冷却できない可能性があり、仮に冷却できたとしてもブロワを追加する必要があるため、システムの大型化を招いてしまう。
　本開示は、システムの大型化を抑制しつつアノードオフガスのハウジング外での放熱を低減して燃料電池の発電効率をより向上させることを主目的とする。
　本開示は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
　本開示の燃料電池システムは、
　アノードガスとカソードガスとの反応により発電する燃料電池と、
　水蒸気を用いて原燃料ガスを前記アノードガスに改質する改質部と、
　改質水を気化して前記水蒸気を生成する気化部と、
　断熱性を有し、前記燃料電池と前記改質部と前記気化部とを収容するハウジングと、
　前記原燃料ガスをガス供給路を通して前記気化部へ供給する原燃料ガス供給部と、
　前記改質水を改質水供給路を通して前記気化部へ供給する改質水供給部と、
　少なくとも前記気化部内を通るように設けられ、前記燃料電池からのアノードオフガス
を前記ハウジング外へ導くアノードオフガス流路と、
　少なくとも一部が前記気化部内に設けられ、前記アノードオフガス流路を流れる前記アノードオフガスと、前記ガス供給路を流れる前記原燃料ガスおよび前記改質水供給路を流れる前記改質水の少なくとも一方との間で熱交換を行う熱交換部と、
　を備えることを要旨とする。
　本開示の燃料電池システムでは、少なくとも一部が気化部内に設けられ、アノードオフガス流路を流れるアノードオフガスと、ガス供給路を流れる原燃料ガスおよび改質水供給路を流れる改質水の少なくとも一方との間で熱交換を行う熱交換部を備える。このため、熱交換部の全体を気化部外に設ける構成に比して、システムの大型化を抑制することができる。また、ガス供給路を流れる原燃料ガスや改質水供給路を流れる改質水は、比較的温度が低いから、これらの少なくとも一方と熱交換を行うことで、アノードオフガスを適切に冷却することができる。また、アノードオフガス流路が気化部内を通るから、気化部内でもアノードオフガスと原燃料ガスや改質水（水蒸気）との熱交換を行うと共に、原燃料ガスを予熱したり改質水の気化を促進することができる。これらのことから、システムの大型化を抑制しつつ、アノードオフガスのハウジング外での放熱を低減して燃料電池の発電効率をより向上させることができる。
　本開示の燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガス流路は、前記改質部内および前記気化部内を通って前記ハウジング外へ延在するように設けられ、前記熱交換部は、前記ハウジング外まで前記熱交換を行うように、前記気化部内から前記ハウジング外に亘って設けられているものとしてもよい。こうすれば、アノードオフガスが気化部を出てからハウジング外に到達するまでの間も熱交換を行うことができるから、アノードオフガスのハウジング外での放熱をさらに低減することができる。また、改質部内での熱交換により高温のアノードガスが燃料電池に供給されるから、燃料電池の発電効率をさらに向上させることができる。
　本開示の燃料電池システムにおいて、前記熱交換部は、前記アノードオフガス流路と、前記ガス供給路および前記改質水供給路のうち一方の供給路とが、前記気化部内から前記ハウジング外まで配置された二重管構造であり、前記一方の供給路は、前記気化部内で径方向に開口し前記原燃料ガスまたは前記改質水を前記気化部内に供給する供給口が設けられているものとしてもよい。こうすれば、熱交換部をコンパクトな構成としてシステムの大型化を抑制しつつ、原燃料ガスまたは改質水を供給口から気化部内に適切に供給することができる。
　本開示の燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガス流路と、前記一方の供給路とのうち少なくともいずれかは、断面が多葉形状に形成されているものとしてもよい。こうすれば、アノードオフガス流路と、ガス供給路および改質水供給路のうち一方の供給路の少なくともいずれかの表面積を大きくして熱交換の効率を高めることができるから、アノードオフガスのハウジング外での放熱をさらに低減することができる。
　また、本開示の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、可逆作動固体酸化物形セルにより構成され、アノードガスとカソードガスとの反応により発電する発電動作と、前記燃料電池に対して電力が供給された状態で水蒸気電解により水素を生成する電解動作と、を切り替え可能であってもよい。こうすれば、電解動作時においても、燃料極から排出される水素を含むオフガスを十分に冷却して当該オフガスがハウジング外に持ち去るエンタルピーを低減することができる。この結果、発電動作と電解動作とが可能なシステムにおいて、発電効率と電解効率とをより向上させることができる。この場合、前記ハウジング外において前記アノードオフガス流路とタンクとを連通する回収路と、前記回収路に設けられた開閉弁と、前記回収路に設けられたポンプと、を有し、前記電解動作時において前記開閉弁を開弁して前記ポンプを駆動することにより、前記アノードオフガス流路を流れる水素を含むオフガスを前記タンクに回収する回収部を備えてもよい。こうすれば、簡易な構成により、電解動作時に水素を回収することができる。さらにこの場合、前記アノードオフガス流路に接続され、前記アノードオフガス流路を流れるアノードオフガスを前記原燃料ガス供給部に還流させる還流路を有し、前記回収路は、前記還流路から分岐して前記タンクに接続されてもよい。こうすれば、アノードオフガスを原燃料ガス供給部に還流させるタイプの燃料電池システムにおいて、還流路を利用して電解動作時に水素を回収することができる。
燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。 第１熱交換器２５を含む気化器２２の構成の概略を示す構成図である。 アノードオフガス配管７３の断面形状の一例を示す説明図である。 改質水供給管４１の断面形状の一例を示す説明図である。 変形例の第１熱交換器２５Ｂを含む気化器２２の構成の概略を示す構成図である。 変形例の燃料電池システム１０Ｂの概略構成図である。
　次に、本開示の実施形態を図面を用いて説明する。図１は燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、原燃料ガス供給装置３０と、改質水供給装置４０と、エア供給装置５０とを備える。燃料電池スタック２１は、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との電気化学反応により発電する。原燃料ガス供給装置３０は、発電モジュール２０（気化器２２）にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する。改質水供給装置４０は、発電モジュール２０（気化器２２）に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給する。エア供給装置５０は、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給する。
　発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、改質器２３、燃焼器２４、第１熱交換器２５、第２熱交換器２６を含む。これらは、断熱性を有する箱形のハウジング２９に収容されている。
　燃料電池スタック２１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有する複数の固体酸化物形の単セルを備える。各単セルのアノード電極内には、アノードガス通路が形成されている。また、各単セルのカソード電極内には、カソードガス通路が形成されている。
　気化器２２および改質器２３は、ハウジング２９内における燃料電池スタック２１の上方に配設される。また、燃料電池スタック２１と気化器２２および改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼器２４が配設される。気化器２２には、原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とが流入する。
　原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に設置された開閉弁３２、オリフィス３４、ゼロガバナ３５、ガスポンプ３６および脱硫器３８とを有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３６の作動により、原燃料供給源１から脱硫器３８を介して気化器２２へと圧送（供給）される。
　改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に設置された改質水ポンプ４３とを有する。改質水タンク４２内の改質水は、改質水ポンプ４３の作動により、気化器２２へと圧送（供給）される。
　気化器２２は、流入した原燃料ガスと改質水とを燃焼器２４からの熱（燃焼熱）により加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。
　改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼器２４からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、アノードガス配管７１を通って燃料電池スタック２１の各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。また、カソードガスとしてのエアは、エア供給装置５０からカソードガス配管７２を介して燃料電池スタック２１の各単セルのカソードガス通路へ流入し、カソード電極に供給される。
　エア供給装置５０は、カソードガス配管７２に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に設置されたエアポンプ５３と、を有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、カソードガス配管７２を通って燃料電池スタック２１（カソード電極）へと圧送（供給）される。
　各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。燃料電池スタック２１の出力端子には、パワーコンディショナ９０の入力端子が接続され、当該パワーコンディショナ９０の出力端子は、リレーを介して電力系統２から負荷４への電力ライン３に接続されている。パワーコンディショナ９０を駆動制御することで、燃料電池スタック２１の発電電力を交流電力に変換して負荷４に供給することができる。
　各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）は、アノードオフガス配管７３を通ってハウジング２９外へ一旦導出され、ハウジング２９外に設置された凝縮器６２（冷却器）に供給される。そして、アノードオフガスは、凝縮器６２により冷却させられてアノードオフガスに含まれる水蒸気が除去された後、アノードオフガス配管７４を通ってハウジング２９内に導入され、ハウジング２９内の燃焼器２４に供給される。本実施形態のアノードオフガス配管７３は、改質器２３および気化器２２の内部を通ってハウジング２９外へ延在するように設けられており、その詳細は後述する。
　凝縮器６２は、循環配管６３を介して貯湯タンク６１に接続されている。凝縮器６２は、循環ポンプ６４の駆動により貯湯タンク６１に貯留された湯水が循環することにより、湯水との熱交換によってアノードオフガスを冷却し、アノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。凝縮器６２におけるアノードオフガス側の通路出口には、凝縮水配管４４とアノードオフガス配管７４とが接続されており、凝縮器６２においてアノードオフガス中の水蒸気が凝縮することにより得られた凝縮水は、凝縮水配管４４を通って改質水タンク４２内に導入される。これにより、凝縮水を改質水として用いることができ、外部から水を補給することなく、燃料電池システム１０の運転を継続することができる（水自立運転）。
　また、上述したように、凝縮器６２を通過して水蒸気が除去されたアノードオフガスは、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４に供給される。更に、凝縮器６２を通過して水蒸気が除去されたアノードオフガスの一部は、アノードオフガス配管７４から分岐する還流配管８１を介して原燃料ガス供給管３１（ゼロガバナ３５とガスポンプ３６との間）に還流される。還流配管８１には、還流配管８１を開閉するための開閉弁８２や、還流量を調整するためのオリフィス８３が設置されている。
　また、各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、カソードオフガス配管７５を通って直接に燃焼器２４に供給される。
　燃焼器２４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、燃焼器２４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。そして、着火装置により点火させられて燃焼器２４で混合ガス（以下、「オフガス」という）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼器２４では、未燃燃料を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管７６を通り、燃焼触媒２８を経て外気へ排出される。燃焼触媒２８は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。
　ここで、図２は、第１熱交換器２５を含む気化器２２の構成の概略を示す構成図である。上述したように、アノードオフガス配管７３は、改質器２３および気化器２２の内部を通ってハウジング２９外へ延在するように設けられている。第１熱交換器２５は、図２に点線で囲むように、アノードオフガス配管７３を外管とし、アノードオフガス配管７３と同軸に延在する改質水供給管４１を内管とする二重管構造（二重管式の熱交換構造）であり、気化器２２内から気化器２２外に亘って設けられている。本実施形態では、第１熱交換器２５は、一部が気化器２２内に設けられると共に、残部が気化器２２内からハウジング２９外まで設けられている。このため、外管のアノードオフガス配管７３と、内管の改質水供給管４１は、ハウジング２９外で分離することになる。また、改質水供給管４１は、気化器２２内まで延在した延在端部に、径方向に開口した供給口４１ａが形成され、この供給口４１ａから改質水を気化器２２内に供給する。
　また、気化器２２内や改質器２３内においてアノードオフガス配管７３を流通するアノードオフガスは、改質水供給管４１から供給された改質水やその水蒸気、原燃料ガス供給管３１から供給された原燃料ガス、それらの混合ガスや生成されたアノードガスとの間で熱交換を行う。また、第１熱交換器２５内においてアノードオフガス配管７３を流通するアノードオフガスは、改質水供給管４１を流通する改質水との間で熱交換を行う。また、第１熱交換器２５がハウジング２９外まで設けられていることで、気化器２２内や改質器２３内で熱交換されたアノードオフガスが再度高温雰囲気に曝されてからハウジング２９外に導かれるのを防止することができる。これらのことから、本実施形態では、アノードオフガスを十分に冷却してからハウジング２９外へ導出することができる。特に、水は比較的潜熱が大きいから、第１熱交換器２５で液相の改質水と熱交換することで、アノードオフガスを確実に冷却することができる。また、低温流体である原燃料ガスや改質水を熱交換によって昇温させることで、原燃料ガスの予熱や改質水の気化、改質反応を促進すると共に、生成したアノードガスを昇温させて燃料電池スタック２１へ送ることができる。このため、燃料電池スタック２１には高温のアノードガスが供給されるから、燃料電池スタック２１の温度を、その運転に適した温度（７００℃程度）で保持させて発電効率を向上させることができる。また、冷却されたアノードオフガスは、ハウジング２９外へ導出されて凝縮器６２へ供給され、凝縮器６２においてもアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を促進することができるから、水自立運転を安定して行うことが可能となる。
　図３は、アノードオフガス配管７３の断面形状の一例を示す説明図であり、図４は、改質水供給管４１の断面形状の一例を示す説明図である。本実施形態では、アノードオフガス配管７３の断面が例えば多葉形状に形成され、改質水供給管４１の断面が例えば円形状に形成されている。断面を多葉形状とすることで、アノードオフガス配管７３の表面積を大きくして熱交換を促すことができる。なお、アノードオフガス配管７３の断面は、少なくとも気化器２２内や改質器２３内、第１熱交換器２５内で多葉形状であればよく、燃料電池スタック２１から改質器２３までの間やハウジング２９外では円形状などでもよい。
　第２熱交換器２６は、燃焼排ガス配管７６を流通する燃焼排ガスと、カソードガス配管７２を流通するカソードガスとの間で熱交換を行う。これにより、エア供給装置５０によりカソードガス配管７２へ供給されたカソードガスは、第２熱交換器２６を通過し、燃焼排ガスとの熱交換により昇温させられて燃料電池スタック２１へ送られる。このため、燃料電池スタック２１には高温のカソードガスが供給されるから、燃料電池スタック２１の温度を、その運転に適した温度で保持させて発電効率を向上させることができる。
　以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、少なくとも一部が気化器２２内に設けられ、アノードオフガス配管７３を流れるアノードオフガスと、改質水供給管４１を流れる改質水との間で熱交換を行う第１熱交換器２５を備える。このため、第１熱交換器２５の全体を気化器２２外に設ける構成に比して、第１熱交換器２５の配置スペースを削減して、発電モジュール２０（燃料電池システム１０）の大型化を抑制することができる。また、比較的低温の改質水との間で熱交換を行うことで、アノードオフガスを適切に冷却することができる。また、アノードオフガス配管７３は、改質器２３内と気化器２２内とを通るから、アノードオフガスと原燃料ガスや改質水（水蒸気）、混合ガス、アノードガスとの熱交換を促すことができる。これらのことから、大型化を抑制しつつ、アノードオフガスのハウジング２９外での放熱を低減して排熱を効率的に利用することができるから、燃料電池スタック２１の発電効率をより向上させることができる。
　また、アノードオフガス配管７３が、改質器２３内と気化器２２内とを通ってハウジング２９外へ延在し、第１熱交換器２５が、気化器２２内からハウジング２９外まで設けられている。このため、気化器２２からハウジング２９外に出るまでの間も熱交換を行うことができるから、アノードオフガスのハウジング２９外での放熱をさらに低減すると共に改質水を十分に昇温させて気化を促進することができる。
　また、第１熱交換器２５は、アノードオフガス配管７３と改質水供給管４１との二重管構造であり、改質水供給管４１には、気化器２２内で径方向に開口して改質水を供給する供給口４１ａが形成されている。このため、第１熱交換器２５をコンパクトな構成として大型化を抑制しつつ、改質水を気化器２２内に適切に供給することができる。
　また、アノードオフガス配管７３は、断面が多葉形状に形成されており、表面積を大きくして熱交換効率を高めることができるから、アノードオフガスのハウジング２９外での放熱をさらに低減することができる。
　上述した実施形態では、アノードオフガス配管７３の断面を多葉形状として改質水供給管４１の断面を円形状としたが、これに限られない。例えば、アノードオフガス配管７３の断面を円形状として改質水供給管４１の断面を多葉形状としてもよいし、両者の断面を多葉形状としてもよい、両者の断面を円形状としてもよい。また、断面形状は、多葉形状や円形状に限られず、他の形状としてもよい。
　上述した実施形態では、第１熱交換器２５は、アノードオフガス配管７３を外管とし、改質水供給管４１を内管とする二重管構造としたが、これに限られない。図５は、変形例の第１熱交換器２５Ｂを含む気化器２２の構成の概略を示す構成図である。図示するように、変形例の第１熱交換器２５Ｂは、アノードオフガス配管７３を内管とし、改質水供給管４１を外管とする二重管構造である。このようにしても、実施形態と同様に、アノードオフガスと改質水との熱交換を行うことができる。なお、外管と内管とが同軸に配置された二重管構造を例示したが、これに限られず、外管と内管との軸がずれて配置された二重管構造としてもよい。あるいは、第１熱交換器２５を二重管構造とするものに限られず、シェルアンドチューブ式などの他の構造としてもよい。
　上述した実施形態では、第１熱交換器２５がアノードオフガス配管７３を流れるアノードオフガスと改質水供給管４１を流れる改質水との熱交換を行うものとしたが、これに限られない。例えば、アノードオフガス配管７３を流れるアノードオフガスと原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスとの熱交換を行うものでもよい。あるいは、アノードオフガスと原燃料ガスおよび改質水との熱交換を行うものでもよい。
　上述した実施形態では、第１熱交換器２５が気化器２２内からハウジング２９外まで設けられたが、これに限られず、少なくとも一部が気化器２２内に設けられればよく、気化器２２内から気化器２２外に亘って設けられてハウジング２９内に収まるものとしてもよいし、全てが気化器２２内に設けられてもよい。ただし、第１熱交換器２５で熱交換したアノードオフガスがハウジング２９外に導かれるまでに高温雰囲気に曝されるのを防止するため、実施形態のようにするものが好ましい。また、アノードオフガス配管７３が改質器２３および気化器２２内を通るように設けられたが、これに限られず、少なくとも気化器２２内を通るように設けられればよく、改質器２３内を通らなくてもよい。
　図６は、変形例の燃料電池システム１０Ｂの概略構成図である。図６の燃料電池システム１０Ｂのうち図１の燃料電池システム１０と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は重複するから省略する。
　変形例の燃料電池システム１０Ｂでは、燃料電池スタック２１Ｂは、本実施形態の燃料電池スタック２１と同様の構成であるが、可逆作動固体酸化物セルスタックとして用いられる。すなわち、燃料電池スタック２１Ｂは、動作モードとして、実施形態の燃料電池システム１０と同様に水素と酸素との反応により発電する発電動作（ＦＣモード）の他、電源から両電極間に電力が供給された状態で高温水蒸気電解により水素を生成する電解動作（ＥＣモード）を有する。動作モードは、電力の需要に応じて選択することができる。例えば、負荷Ｌが電力を要求している場合にはＦＣモードを選択し、負荷Ｌが電力を要求していない場合にはＥＣモードを選択することができる。また、デマンドレスポンス契約を締結した燃料電池システム１０Ｂにおいては、電力の需要量を減らす下げＤＲが要求された場合にはＦＣモードを選択し、電力の需要量を増やす上げＤＲが要求された場合にはＥＣモードを選択することができる。
　変形例の燃料電池システム１０Ｂは、還流配管８１から分岐すると共に水素タンク９５に接続された回収配管９１と、回収配管９１に設置されたガスポンプ９２と、回収配管９１における還流配管８１との分岐点とガスポンプ９３との間に設置された開閉弁９３と、を備える。開閉弁９３は、ＦＣモードで閉弁され、ＥＣモードで開弁される。さらに、燃料電池システム１０Ｂの燃料電池スタック２１Ｂにおける燃料極（ＦＣモードにおいてはアノードで、ＥＣモードにおいてはカソード）側の端子と空気極（ＦＣモードにおいてはカソードで、ＥＣモードにおいてはアノード）側の端子とには、高温水蒸気電解に必要な電圧の電力が供給されるよう図示しない電源が接続される。電源としては、系統電源や、太陽光発電装置などの再生可能エネルギ、蓄電池などを用いることができる。
　ＥＣモードでは、燃料電池スタック２１Ｂの燃料極には、水蒸気と若干量の水素ガスとが導入され、燃料電池スタック２１Ｂの空気極には、エアが導入される。そして、電源により燃料電池スタック２１Ｂ（可逆作動固体酸化物形セルスタック）の端子間に所定電圧の電力が供給されると、燃料極に導入された水蒸気は、燃料極において電解作用により水素と酸素イオン（Ｏ2-）とに分解される。そして、当該酸素イオンが電解質を透過することで空気極において酸素ガスが生成される。燃料極には、水蒸気と共に若干量の水素ガスも供給されるため、燃料極が還元雰囲気に保たれ、当該燃料極が酸化劣化するのを抑制することができる。燃料極で生成された水素ガスは、電解未反応の水蒸気と共に燃料極オフガスとしてアノードオフガス配管７３に排出され、凝縮器６２へ供給される。そして、凝縮器６２で水蒸気が除去された後、凝縮器６２を通過した水素を含む燃料極オフガスは、還流配管８１および回収配管９１を通って、水素タンク９５に貯留される。なお、水素タンク９５に貯留された水素ガスは、ＦＣモードでアノードガスとして用いられてもよいし、ＥＣモードで用いられてもよい。凝縮器６２を通過した燃料極オフガスの一部は、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４へ供給され、空気極からカソードオフガス配管７５を通って燃焼器２４へ供給される酸素ガスを含む空気極オフガスと混合されて燃焼させられる。
　ここで、変形例の燃料電池システム１０Ｂにおいては、ＥＣモードにおいて、燃料極から排出された水素ガスと水蒸気とを含む燃料極オフガスは、第１熱交換器２５を通過してからモジュールケース２９外の凝縮器６２に供給される。また、凝縮器６２を通過して燃焼器２４に導入される水素ガスを含む燃料極オフガスと空気極から燃焼器２４に導入される酸素ガスを含む空気極オフガスとの燃焼により生成される燃焼排ガスは、第２熱交換器２６を通過してからモジュールケース２９外へ排出される。これにより、変形例の燃料電池システム１０Ｂでは、第１熱交換器２５を含む気化器２２において、改質水タンク４２内から気化器２２へ供給された水（原料水）を燃料極オフガスとの熱交換により水蒸気に変換すると共に当該水蒸気を昇温してから燃料電池スタック２１Ｂの燃料極に供給することができる。また、第２熱交換器２６において、エアポンプ５３からのエアを燃焼排ガスとの熱交換により昇温してから燃料電池スタック２１Ｂの空気極に供給することができる。比較的低温の水との間で熱交換を行なうことで、燃料極オフガスがハウジング２９外へ持ち去る熱量を低減することができる。この結果、高温水蒸気電解に必要な熱（燃料電池スタック２１Ｂの昇温に必要な熱や、水蒸気の生成や昇温に必要な熱など）を得ることができ、電解効率をより向上させることができる。また、第１熱交換器２５は、気化器２２内に含まれるため、第１熱交換器２５の全体を気化器２２外に設ける構成に比して、第１熱交換器２５の配置スペースを削減して、発電モジュール２０（燃料電池システム１０）の大型化を抑制することができる。
　実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態の燃料電池スタック２１が本開示の「燃料電池」に相当し、改質器２３が「改質部」に相当し、気化器２２が「気化部」に相当し、ハウジング２９が「ハウジング」に相当し、原燃料ガス供給装置３０が「原燃料ガス供給部」に相当し、改質水供給装置４０が「改質水供給部」に相当し、アノードオフガス配管７３が「アノードオフガス流路」に相当し、第１熱交換器２５が「熱交換部」に相当する。また、燃料電池スタック２１Ｂが「可逆作動固体酸化物形セルスタック」に相当する。また、回収配管９１が「回収路」に相当し、水素タンク９５が「タンク」に相当し、開閉弁９３が「開閉弁」に相当し、ガスポンプ９２が「ポンプ」に相当する。また、還流配管８１が「還流路」に相当する。
　なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行われるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
　以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
　本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。
　１　原燃料供給源、２　電力系統、３　電力ライン、４　負荷、１０，１０Ｂ　燃料電池システム、２０　発電モジュール、２１，２１Ｂ　燃料電池スタック、２２　気化器、２３　改質器、２４　燃焼器、２５　第１熱交換器、２６　第２熱交換器、２８　燃焼触媒、２９　ハウジング、３０　原燃料ガス供給装置、３１　原燃料ガス供給管、３２　開閉弁、３４　オリフィス、３５　ゼロガバナ、３６　ガスポンプ、３８　脱硫器、４０　改質水供給装置、４１　改質水供給管、４１ａ　供給口、４２　改質水タンク、４３　改質水ポンプ、４４　凝縮水配管、５０　エア供給装置、５１　エア供給管、５２　エアフィルタ、５３　エアポンプ、６１　貯湯タンク、６２　凝縮器、６３　循環配管、６４　循環ポンプ、７１　アノードガス配管、７２　カソードガス配管、７３，７４　アノードオフガス配管、７５　カソードオフガス配管、７６　燃焼排ガス配管、８１　還流配管、８２　開閉弁、８３　オリフィス、９０　パワーコンディショナ、９１　回収配管、９２　ガスポンプ、９３　開閉弁、９５　水素タンク。

Claims (7)

  1. 　アノードガスとカソードガスとの反応により発電する燃料電池と、
    　水蒸気を用いて原燃料ガスを前記アノードガスに改質する改質部と、
    　改質水を気化して前記水蒸気を生成する気化部と、
    　断熱性を有し、前記燃料電池と前記改質部と前記気化部とを収容するハウジングと、
    　前記原燃料ガスをガス供給路を通して前記気化部へ供給する原燃料ガス供給部と、
    　前記改質水を改質水供給路を通して前記気化部へ供給する改質水供給部と、
    　少なくとも前記気化部内を通るように設けられ、前記燃料電池からのアノードオフガスを前記ハウジング外へ導くアノードオフガス流路と、
    　少なくとも一部が前記気化部内に設けられ、前記アノードオフガス流路を流れる前記アノードオフガスと、前記ガス供給路を流れる前記原燃料ガスおよび前記改質水供給路を流れる前記改質水の少なくとも一方との間で熱交換を行う熱交換部と、
    　を備える燃料電池システム。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    　前記アノードオフガス流路は、前記改質部内および前記気化部内を通って前記ハウジング外へ延在するように設けられ、
    　前記熱交換部は、前記ハウジング外まで前記熱交換を行うように、前記気化部内から前記ハウジング外に亘って設けられている
    　燃料電池システム。
  3. 　請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
    　前記熱交換部は、前記アノードオフガス流路と、前記ガス供給路および前記改質水供給路のうち一方の供給路とが、前記気化部内から前記ハウジング外まで配置された二重管構造であり、
    　前記一方の供給路は、前記気化部内で径方向に開口し前記原燃料ガスまたは前記改質水を前記気化部内に供給する供給口が設けられている
    　燃料電池システム。
  4. 　請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    　前記アノードオフガス流路と、前記一方の供給路とのうち少なくともいずれかは、断面が多葉形状に形成されている
    　燃料電池システム。
  5. 　請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池は、可逆作動固体酸化物形セルにより構成され、
    　アノードガスとカソードガスとの反応により発電する発電動作と、前記燃料電池に対して電力が供給された状態で水蒸気電解により水素を生成する電解動作と、を切り替え可能である、
    　燃料電池システム。
  6. 　請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    　前記ハウジング外において前記アノードオフガス流路とタンクとを連通する回収路と、前記回収路に設けられた開閉弁と、前記回収路に設けられたポンプと、を有し、前記電解動作時において前記開閉弁を開弁して前記ポンプを駆動することにより、前記アノードオフガス流路を流れる水素を含むオフガスを前記タンクに回収する回収部を備える、
    　燃料電池システム。
  7. 　請求項６に記載の燃料電池システムであって、
    　前記アノードオフガス流路に接続され、前記アノードオフガス流路を流れるアノードオフガスを前記原燃料ガス供給部に還流させる還流路を有し、
    　前記回収路は、前記還流路から分岐して前記タンクに接続される、
    　燃料電池システム。
    　
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006059549A (ja) * 2004-08-17 2006-03-02 Mitsubishi Materials Corp 燃料電池発電装置
JP2015229742A (ja) * 2014-06-06 2015-12-21 本田技研工業株式会社 脱硫器
JP2018519617A (ja) * 2015-03-30 2018-07-19 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ 炭酸塩化学種の閉ループ循環による発電のためのｓｏｆｃ系システム
JP2019079680A (ja) * 2017-10-24 2019-05-23 日産自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP6824485B1 (ja) * 2020-03-30 2021-02-03 三菱電機株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006059549A (ja) * 2004-08-17 2006-03-02 Mitsubishi Materials Corp 燃料電池発電装置
JP2015229742A (ja) * 2014-06-06 2015-12-21 本田技研工業株式会社 脱硫器
JP2018519617A (ja) * 2015-03-30 2018-07-19 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ 炭酸塩化学種の閉ループ循環による発電のためのｓｏｆｃ系システム
JP2019079680A (ja) * 2017-10-24 2019-05-23 日産自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP6824485B1 (ja) * 2020-03-30 2021-02-03 三菱電機株式会社 燃料電池システム

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