JP2018133169A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
このように、気化器を外部から区画された温熱部に配置することにより、気化器の温度を常温よりも高い温度に維持することができる。
以下、図面を参照して本発明の第1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の主要構成の概略配置が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム10Aは、発電効率が50%以上、好ましくは65%以上のモノジェネレーションシステムであり、コジェネレーションシステム(熱併給発電)と区別される。図1では、紙面の上側が鉛直方向上側を示している。燃料電池システム10Aは、主要な構成として、気化器12、改質器14、燃料電池セルスタック16、熱交換部30、及び燃焼器40を備えている。また、燃料電池システム10Aを制御する制御部18を備えている。なお、図1では、後述する電気ヒーター13、温度センサ12T、14T、16Tとの接続のみが図示されているが、制御部18は、燃料電池システム10Aの各部と図示されている部分以外においても必要に応じて接続されている。
1/2O2+2e− →O2− …(1)
H2 +O2− →H2O+2e− …(2)
CO+O2− →CO2+2e− …(3)
改質器14の温度)が炭素析出温度TC以上かどうかを判断する。判断が肯定された場合には、ステップS15−2で、メタン・空気の供給を停止する。ここでは、ブロアB1、ブロアB2を停止することにより、メタン・空気の供給を停止することができる。これにより、燃焼器40へのメタンの供給が停止され、高温部26の温度上昇が抑制されて炭素析出を防止することができる。なお、ステップS15−2の実行時にメタン・空気の供給が停止されている状態であれば、そのままの停止状態が維持される。
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。
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、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。
燃料電池システム10Cでは、起動時において、図6に示す起動時加熱処理が制御部18で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップS30で、第3バルブV3を開放し、第4バルブV4を閉鎖する。次に、ステップS32で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアB1を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアB2を駆動させることにより行われる。これにより、メタンが、気化器12、改質器14、燃料電池セルスタック16(アノード16A)、及び、燃焼器40へ順次供給され、空気が気化器12、改質器14、燃料電池セルスタック16(カソード16B)、及び、燃焼器40へ順次供給される。燃焼器40では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部26の改質器14、燃料電池セルスタック16が加熱される。
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1〜3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。
燃料電池システム10Dでは、起動時において、図8に示す起動時加熱処理が制御部18で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップS36で、第6バルブV6を開放し、第5バルブV5を閉鎖する。次に、ステップS38で、ポンプPの駆動を開始する。これにより、水蒸気供給管54から気化器12へ水蒸気が供給される。この水蒸気により、気化器12は加熱される。また、気化器12と共に温熱部23も加熱される。このとき、水(液相)は供給されていないので、水の蒸発により潜熱が奪われることがなく、気化器12の昇温は促進される。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜4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。
燃料電池システム10Eでは、起動時において、図10に示す起動時加熱処理が制御部18で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップS46で、ブロアB3が駆動されて、気化器12への外部熱媒の供給が開始される。次に、ステップS48で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアB1を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアB2を駆動させることにより行われる。これにより、メタン、水蒸気が、気化器12、改質器14、燃料電池セルスタック16(アノード16A)、及び、燃焼器40へ順次供給され、空気が気化器12、改質器14、燃料電池セルスタック16(カソード16B)、及び、燃焼器40へ順次供給される。燃焼器40では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部26の改質器14、燃料電池セルスタック16が加熱される。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜5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。
燃料電池システム10Fでは、起動時において、図12に示す起動時加熱処理が制御部18で実行される。起動時加熱処理は、まず、ステップS60で、第7バルブV7が開放され、次に、ステップS62で、メタン、空気の供給が開始される。メタンの供給は、ブロアB1を駆動させることにより行われ、空気の供給は、ブロアB2を駆動させることにより行われる。これにより、メタン、水蒸気が、気化器12、改質器14、燃料電池セルスタック16(アノード16A)、及び、燃焼器40へ順次供給され、空気が気化器12、改質器14、燃料電池セルスタック16(カソード16B)、及び、燃焼器40へ順次供給される。燃焼器40では、メタンが燃焼し、燃焼熱により高温部26の改質器14、燃料電池セルスタック16が加熱される。また、空気は、気化器内燃焼部12Aへも供給され、燃焼器40から排出された燃焼排ガスは、熱交換部30を経て気化器内燃焼部12Aへ導かれる。気化器内燃焼部12A内では、燃焼排ガス中のメタンが燃焼され、気化器12が昇温され、温熱部23についても昇温される。
12 気化器、 12A 気化器内燃焼部(昇温部)、 13 電気ヒーター(昇温部)
14 改質器、 16 燃料電池セルスタック、 23 温熱部
26 高温部、 26A 断熱体(隔離部材)
30 熱交換部、 40 燃焼器、 50 バーナー(昇温部)
52 燃焼排ガス直接供給管(昇温部)、 54 水蒸気供給管(昇温部)
56 外部熱媒供給管(昇温部)
Claims (10)
- 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、
前記燃料電池セルスタックから排出されたオフガスが燃焼空間へ導入し、前記燃焼空間で前記オフガスを燃焼させる燃焼器と、
炭化水素系の原料ガスを前記燃料電池セルスタックへ供給する燃料ガスに改質する改質器と、
前記燃焼器から排出された燃焼排ガスにより加熱され、前記改質器へ供給する水を気化させる気化器と、
前記燃料電池セルスタック、前記燃焼器、及び前記改質器を有する高温部と、前記気化器と、の間に配置され、前記高温部と前記気化器とを隔離する隔離部材と、
起動時に前記気化器を昇温させる昇温部と、
を備えた燃料電池システム。 - 前記気化器は、外部から区画された温熱部内に配置されている、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記昇温部は、前記温熱部内に配置された電気ヒーターを含んでいること、を特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記昇温部は、前記温熱部内に配置されたバーナーを含んでいること、を特徴とする請求項2または請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記昇温部は、前記温熱部内へ外部からの熱媒を供給する外部熱媒供給部を含んでいること、を特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記隔離部材は、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスと前記燃料電池セルスタックへ供給される気体との間で熱交換を行う熱交換部、を含み、
前記気化器は前記熱交換部に対して前記高温部と反対側に隣接配置されている、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。 - 前記熱交換部を経由した前記燃焼排ガスを前記気化器へ送出する燃焼排ガス管を有し、
前記昇温部は、前記燃焼器から前記気化器へ前記燃焼排ガスを直接供給する燃焼排ガス直接供給管を含んでいること、を特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 - 前記隔離部材は、前記高温部を覆う断熱体を含んで構成されている、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。
- 前記昇温部は、外部からの水蒸気を前記気化器へ供給する水蒸気供給部を含んでいること、を特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記昇温部は、前記燃焼器から排出された前記燃焼排ガスを前記気化器内で燃焼させる気化器内燃焼部を含んでいること、を特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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