JP6097807B1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
<1> 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたN個(Nは2以上の整数)の燃料電池と、前記N個の燃料電池のうち、隣り合う2つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、より上流の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を回収し、水蒸気が回収されたオフガスをより下流の前記燃料電池に供給する水蒸気回収手段と、を備え、前記水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用い、以下の(A)及び(B)のいずれか一方を満たす燃料電池システム。
(A)最も上流にある第1燃料電池と、前記第1燃料電池と隣り合う第2燃料電池と、の間に設けられた前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、前記第1燃料電池の燃料利用率をUf(1)とし、前記炭化水素ガスをCnHm(n、mはともに正の実数)とするとき、以下の式(1)を満たす。
Uf(1)>2n/(m+2n) (1)
(B)上流からみてx番目(xは2以上N−1以下の整数)の第x燃料電池と、x+1番目の第x+1燃料電池と、の間に設けられた前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、上流からみてk番目(kは1以上x以下の整数)の燃料電池の燃料利用率をUf(k)とし、前記炭化水素ガスをCnHm(n、mはともに正の実数)とするとき、以下の式(2)を満たす。
Uf(x)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−2))(1−Uf(x−1))>2n/(m+2n) (2)
(C)上流からみてx+1番目(xは2以上N’−1以下の整数)の第x+1燃料電池よりも上流側に設けられたx個の前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、上流からみてk番目(kは1以上x以下の整数)の燃料電池の燃料利用率をUf(k)とし、前記炭化水素ガスをCnHm(n、mはともに正の実数)とするとき、以下の式(3)を満たす。
Uf(1)+Uf(2)(1−Uf(1))+Uf(3)(1−Uf(1))(1−Uf(2))+・・・+Uf(x−1)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−3))(1−Uf(x−2))+Uf(x)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−2))(1−Uf(x−1))>2n/(m+2n) (3)
〔燃料電池システム〕
以下、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システム10について図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図であり、本燃料電池システムでは2個の燃料電池が直列に接続されている。
Uf(1)>2n/(m+2n) (1)
CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2 (x)
(m/2+n)Uf(1)>n (1)’
本実施形態に係る燃料電池システム10は、炭化水素ガスを含む原料ガスを改質器14に供給する原料ガス供給経路24を備えており、原料ガス供給経路24は、原料ガスを流通させるためのブロワ25が設置されている。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器14を備えている。改質器14は、例えば、バーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部18と、改質用触媒を備える改質部19とを備える。
CH4+H2O→CO+3H2 (a)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、改質ガス供給経路42を通じて改質器14から供給された改質ガスを用いて発電を行なう第1燃料電池11を備えている。第1燃料電池11としては、例えば、空気極(カソード)、電解質及び燃料極(アノード)を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。また、第1燃料電池11としては、600℃〜800℃程度で作動する高温型の燃料電池、例えば、700℃〜800℃程度で作動する固体酸化物形燃料電池、600℃〜700℃程度で作動する溶融炭酸塩形燃料電池が挙げられる。
O2+4e−→2O2− (b)
H2+O2−→H2O+2e− (c)
O2+2CO2+4e−→2CO3 2− (d)
H2+CO3 2−→H2O+CO2+2e− (e)
本実施形態に係る燃料電池システム10は、水タンク31の下流に配置され、水蒸気が回収されたオフガスを用いて発電を行なう第2燃料電池12を備えている。第2燃料電池12としては、例えば、空気極(カソード)、電解質及び燃料極(アノード)を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。なお、第2燃料電池12は、上述の第1燃料電池11と同様の構成であるため、共通する事項に関する説明は省略する。
以下、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムについて図2を用いて説明する。
図2は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムが、N段の燃料電池を備えることを示す概略構成図である。第一実施形態に係る燃料電池システム10は、2つの燃料電池及び1つの水蒸気回収手段を有するシステムであるが、本実施形態に係る燃料電池システムは、N個の燃料電池及びN−1個の水蒸気回収手段を有するシステムである。なお、本実施形態では、3つ以上の燃料電池を備える燃料電池システムについて説明する。
Uf(x)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−2))(1−Uf(x−1))>2n/(m+2n) (2)
(m/2+n)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−2))(1−Uf(x−1))Uf(x)>n (2)’
以下、本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムについて図3を用いて説明する。
図3は、本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムが、N’(N’は3以上の整数)段の燃料電池を備えることを示す概略構成図である。第二実施形態に係る燃料電池システムは、第x燃料電池と第x+1燃料電池との間に設けられた水蒸気回収手段にて回収された水蒸気で水自立を成立させるように設計されているシステムであるが、本実施形態に係る燃料電池システムは、第x+1燃料電池よりも上流に設けられたx個の水蒸気回収手段にて回収された水蒸気で水自立を成立させるように設計されているシステムである。
Uf(1)+Uf(2)(1−Uf(1))+Uf(3)(1−Uf(1))(1−Uf(2))+・・・+Uf(x−1)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−3))(1−Uf(x−2))+Uf(x)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−2))(1−Uf(x−1))>2n/(m+2n) (3)
(m/2+n){Uf(1)+Uf(2)(1−Uf(1))+Uf(3)(1−Uf(1))(1−Uf(2))+・・・+Uf(x−1)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−3))(1−Uf(x−2))+Uf(x)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−2))(1−Uf(x−1))}>n (3)’
以下、第一実施形態に係る燃料電池システム10の実施の一例について説明する。炭化水素ガスとしてメタン(CH4)を用いた場合、前述の式(1)より、Uf(1)を1/3より大きくすることで、外部からの改質水供給が不要となる水自立が成立する。
Claims (3)
- 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたN個(Nは2以上の整数)の燃料電池と、
前記N個の燃料電池のうち、隣り合う2つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、前記隣り合う2つの燃料電池のうちの上流側の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を回収し、水蒸気が回収されたオフガスを前記隣り合う2つの燃料電池のうちの下流側の前記燃料電池に供給する水蒸気回収手段と、
を備え、
前記水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用い、
以下の(A)及び(B)のいずれか一方を満たす燃料電池システム。
(A)最も上流にある第1燃料電池と、前記第1燃料電池と隣り合う第2燃料電池と、の間に設けられた前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、前記第1燃料電池の燃料利用率をUf(1)とし、前記炭化水素ガスをCnHm(n、mはともに正の実数)とするとき、以下の式(1)を満たし、前記第1燃料電池と前記第2燃料電池との間に設けられた前記水蒸気回収手段により回収された水蒸気のみを水蒸気改質に用いる。
Uf(1)>2n/(m+2n) (1)
(B)上流からみてx番目(xは2以上N−1以下の整数)の第x燃料電池と、x+1番目の第x+1燃料電池と、の間に設けられた前記水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、上流からみてk番目(kは1以上x以下の整数)の燃料電池の燃料利用率をUf(k)とし、前記炭化水素ガスをCnHm(n、mはともに正の実数)とするとき、以下の式(2)を満たし、前記第x燃料電池と前記第x+1燃料電池との間に設けられた前記水蒸気回収手段により回収された水蒸気のみを水蒸気改質に用いる。
Uf(x)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−2))(1−Uf(x−1))>2n/(m+2n) (2) - 原料ガスに含まれる炭化水素ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質部及び燃焼熱により前記改質部を加熱する燃焼部を備える改質器と、
前記改質器から供給された前記改質ガスを用いて発電を行なう、直列に接続されたN’個(N’は3以上の整数)の燃料電池と、
前記N’個の燃料電池のうち、隣り合う2つの前記燃料電池の間にそれぞれ設けられ、前記隣り合う2つの燃料電池のうちの上流側の前記燃料電池から排出された未反応の前記改質ガスを含むオフガス中の水蒸気を回収し、水蒸気が回収されたオフガスを前記隣り合う2つの燃料電池のうちの下流側の前記燃料電池に供給する水蒸気回収手段と、
前記燃焼部から排出された排ガス中の水蒸気を回収する凝縮器と、
を備え、
前記水蒸気回収手段にて回収された水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用い、
以下の(C)を満たす燃料電池システム。
(C)上流からみてx+1番目(xは2以上N’−1以下の整数)の第x+1燃料電池よりも上流側に設けられたx個の水蒸気回収手段にて回収される水蒸気を前記炭化水素ガスの水蒸気改質に用いる場合、上流からみてk番目(kは1以上x以下の整数)の燃料電池の燃料利用率をUf(k)とし、前記炭化水素ガスをCnHm(n、mはともに正の実数)とするとき、以下の式(3)を満たし、前記x個の水蒸気回収手段にて回収された水蒸気のみを水蒸気改質に用いる。
Uf(1)+Uf(2)(1−Uf(1))+Uf(3)(1−Uf(1))(1−Uf(2))+・・・+Uf(x−1)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−3))(1−Uf(x−2))+Uf(x)(1−Uf(1))(1−Uf(2))・・・(1−Uf(x−2))(1−Uf(x−1))>2n/(m+2n) (3) - 前記水蒸気回収手段に供給される前記オフガスと、前記水蒸気回収手段から排出された前記オフガスと、の間で熱交換を行なう熱交換器をさらに備える請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
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