JP2009048853A - 燃料電池発電装置およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池発電装置は、燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質器3と、改質ガスを用いて発電を行う第1の燃料電池57と、第1の燃料電池57が発電しているときに改質ガスを処理することによって水素含有ガスもしくは水素を生成する改質ガス処理部39と、水素含有ガスもしくは水素を貯蔵する水素貯蔵器7と、水素貯蔵器7内の水素含有ガスもしくは水素が供給された際に水素含有ガスもしくは水素を用いて第1の燃料電池57の発電起動時間よりも短い発電起動時間で発電を行う第2の燃料電池9と、水素貯蔵器7内の水素含有ガスもしくは水素の第2の燃料電池9への供給を調節可能な水素供給装置8と、を含む。
【選択図】図1
Description
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
この(1)式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は、吸熱反応である。よって、この反応で効率的に水素を生成させるためには、改質器3に外部から必要な反応熱を供給し、改質器3の温度を700〜750℃に維持する必要がある。
1/2(O2)+2e-→O2- (2)
空気極56で生成した酸化物イオンは、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等の固体酸化物電解質55の内部を移動し、燃料極54に到達する。
H2+O2-→H2O+2e- (3)
CO+O2-→CO2+2e- (4)
燃料極54で生成された電子は、外部回路(図示せず)を移動し、空気極56に到達する。空気極56に到達した電子は、前述した(2)式に示した空気極反応により酸素と反応する。電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力88として取り出すことができる。
H2+1/2(O2)→H2O (5)
CO+1/2(O2)→CO2 (6)
燃料電池57の発電によって得られた燃料電池直流出力88は、出力調整装置86によって、負荷87に合わせて電圧の変換と直流から交流への変換が行われ、その後、送電端交流出力89として負荷87に供給される。
H2+1/2(O2)→H2O (7)
(一酸化炭素の燃焼反応)
CO+1/2(O2)→CO2 (8)
空気予熱器80で昇温した空気16は、空気58として、空気極56に供給され、燃料電池57の発電に用いられる。
電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編:「燃料電池の技術」,オーム社,pp.203−208(2002)
CO+H2O→CO2+H2 (9)
一酸化炭素濃度が1%以下に低減された排出ガス30が、燃料極10にそのまま供給されると、燃料極10では、一酸化炭素による電極触媒の劣化が起こる。
CO+1/2(O2)→CO2 (10)
空気20の供給量は、予め設定されたCOシフトコンバータ4への改質ガス34の供給量と空気20の供給量の関係に基づいて、流量制御弁21のガス流量を制御することによって、COシフトコンバータ4への改質ガス34の供給量に見合った値に設定される。
H2→2H++2e- (11)
燃料極10で生成されたプロトンは、ナフィオン(パーフルオロスルフォン酸膜)等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質11の内部を移動し、空気極12に到達する。
2H++1/2(O2)+2e-→H2O (12)
(11)式と(12)式をまとめると、燃料電池9の電池反応は、(13)式に示す水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
H2+1/2(O2)→H2O (13)
燃料電池9の発電によって得られた燃料電池直流出力24は、負荷87に合わせて、出力調整装置14で電圧の変換と直流から交流への変換が行われ、その後、送電端交流出力25として負荷87に供給される。
2 脱硫器
3 改質器
4 COシフトコンバータ
5 CO選択酸化器
6 凝縮器
7 水素貯蔵器
8 水素供給装置
9 固体高分子形燃料電池
10 燃料極
11 固体高分子電解質
12 空気極
13 空気ブロワ
14 出力調整装置
15 水素貯蔵量検出器
16 空気予熱器用空気
17 固体高分子形燃料電池用空気
18 空気
19 流量制御弁
20 CO選択酸化器用空気
21 流量制御弁
22 固体高分子形燃料電池空気排出ガス
23 固体高分子形燃料電池燃料排出ガス
24 燃料電池直流出力
25 送電端交流出力
26 CO選択酸化器排出ガス
27 水素リッチな改質ガス
28 水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス
29 脱硫天然ガス
30 COシフトコンバータ排出ガス
31 生成水
32 凝縮水
33 凝縮器排出ガス
34 COシフトコンバータ用改質ガス
35 固体酸化物形燃料電池用改質ガス
36 冷媒
37 流量制御弁
39 改質ガス処理部
46 流量制御弁
47 遮断弁
54 燃料極
55 固体酸化物電解質
56 空気極
57 固体酸化物形燃料電池
58 固体酸化物形燃料電池用空気
59 流量制御弁
60 改質器リサイクル用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス
61 固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス
62 流量制御弁
63 固体酸化物形燃料電池空気排出ガス
64 空気予熱器バーナ用固体酸化物形燃料電池燃料排出ガス
80 空気予熱器
81 空気予熱器バーナ
84 空気予熱器バーナ排出ガス
86 出力調整装置
87 負荷
88 燃料電池直流出力
89 送電端交流出力
Claims (10)
- 燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質手段と、
前記改質ガスを用いて発電を行う第1の燃料電池と、
前記第1の燃料電池が発電しているときに、前記改質ガスを処理することによって水素含有ガスもしくは水素を生成する処理手段と、
前記水素含有ガスもしくは水素を貯蔵する貯蔵手段と、
前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素が供給された際に、当該水素含有ガスもしくは水素を用いて、前記第1の燃料電池の起動時間よりも短い起動時間で発電を行う第2の燃料電池と、
前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の前記第2の燃料電池への供給を調節可能な供給手段と、を含む燃料電池発電装置。 - 前記第1の燃料電池が、固体酸化物形燃料電池もしくは溶融炭酸塩形燃料電池である、請求項1に記載の燃料電池発電装置。
- 前記第2の燃料電池が、固体高分子形燃料電池である、請求項1または2に記載の燃料電池発電装置。
- 前記改質手段は、前記第1の燃料電池の排熱を利用して前記改質ガスを生成する、請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置。
- 燃料を改質することによって改質ガスを生成する改質工程と、
前記改質ガスを用いて第1の燃料電池にて発電を行う第1発電工程と、
前記第1の燃料電池が発電しているときに前記改質ガスを処理することによって水素含有ガスもしくは水素を生成し、当該水素含有ガスもしくは水素を貯蔵手段に貯蔵する貯蔵工程と、
前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の第2の燃料電池への供給を調節する調節工程と、
前記水素含有ガスもしくは水素が前記第2の燃料電池に供給された際に、当該水素含有ガスもしくは水素を用いて、前記第1の燃料電池の起動時間よりも短い起動時間で前記第2の燃料電池にて発電を行う第2発電工程と、を含む燃料電池発電装置の制御方法。 - 前記貯蔵工程では、前記第1の燃料電池の発電電力が所要の下限値以上の場合に、前記改質ガスを処理することによって前記水素含有ガスもしくは水素を生成し、当該水素含有ガスもしくは水素を前記貯蔵手段に貯蔵する、請求項5に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
- 前記貯蔵工程では、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の貯蔵量が所定の上限値以下の場合に、前記改質ガスを処理することによって前記水素含有ガスもしくは水素を生成し、当該水素含有ガスもしくは水素を前記貯蔵手段に貯蔵する、請求項5または6に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
- 前記調節工程では、前記第1の燃料電池で発電を開始する旨の発電指令があった場合もしくは前記第1の燃料電池の発電時に所定の発電電力以上の発電を指示する出力指令があった場合に、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素を前記第2の燃料電池に供給する、請求項5から7のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
- 前記所定の発電電力が、前記第1の燃料電池の発電電力の上限値である、請求項8に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
- 前記調節工程では、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素の貯蔵量が所定の下限値以上の場合に、前記貯蔵手段に貯蔵された前記水素含有ガスもしくは水素を前記第2の燃料電池に供給する、請求項5から9のいずれか1項に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
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