JP6947678B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、前記スイープガスから前記原料ガスへ前記水蒸気を移動させる再分離膜と、前記水蒸気を含んだ前記原料ガスを前記改質部へ供給する供給経路と、前記水蒸気が除去された前記スイープガスをシステム外へ排出する排気経路又はシステム内へ再供給する再供給経路と、前記再分離膜の非透過側の圧力を制御する圧力制御機構と、前記スイープガスを前記分離膜の透過側へ供給するスイープガス供給経路と、前記分離膜と前記再分離膜との間に配置され前記スイープガスが流れる中間経路と、前記スイープガス供給経路、前記中間経路、及び、前記排気経路又は前記再供給経路に設けられた水蒸気量計測部と、前記水蒸気量計測部の測定値に基づき前記圧力制御機構を制御する制御装置と、を備えている。
<燃料電池システム>
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム10は、改質器14、燃焼器16、第1燃料電池セルスタック22、第2燃料電池セルスタック24、燃料再生器26、流量計64、67、流量調整機構66、熱交換器72、水蒸気分離器74、圧力制御機構としての昇圧ブロワ82及び背圧弁84を備えている。
改質器14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には、原料ガス及び水蒸気を供給する供給管P17が接続されている。これにより原料ガス及び水蒸気が供給管P17を通じて改質器14に供給される。
CH4+H2O→CO+3H2 ・・・(1)
CO+H2O→H2+CO2 ・・・(2)
第1燃料電池セルスタック22は例えば固体酸化物系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(不図示)を有している。個々の燃料電池セルは、電解質層と、電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたカソード及びアノードと、を有する。なお、第1燃料電池セルスタック22は溶解炭酸塩型の燃料電池セルスタックとしてもよい。
燃料再生器26は、流入部26Aと透過部26Bとを備えており、流入部26A及び透過部26Bは、分離膜26Cにより区画されている。
燃焼器16は、第2燃料電池セルスタック24のカソード及びアノードから供給された使用済みのガスを焼却に供する。燃焼器16には、排気管P12の一端が接続されており、燃焼後の排出ガスは排気管P12へ排出される。
熱交換器72は、燃焼器16から排気管P12へ排出された高温の排出ガスと、後述する水蒸気分離器74から供給管P14へ排出された水蒸気を含む原料ガスとを熱交換し、原料ガスの温度を昇温させる。熱交換器72には供給管P17の一端が接続されており、供給管P17へ原料ガスが排出される。供給管P17の他端は改質器14に接続されている。燃焼器16で熱交換された排出ガスは、排気管P12からシステム外へ排出される。
水蒸気分離器74は、燃料再生器26から排出される透過部排出ガスの流路に配置されている。
制御装置68は、流量計64、67、流量調整機構66、昇圧ブロワ82及び背圧弁84と電気的に接続されている。
第1実施形態に係る燃料電池システム10では、分離膜26Cによって、第1燃料電池セルスタック22から排出されたオフガスからスイープガスへ、水蒸気が移動する。また、分離膜74Cによって、燃料再生器26から排出された透過部排出ガスから原料ガスへ、水蒸気が移動する。さらに、供給管P14、P17によって、原料ガスと共に、水蒸気が改質器14へ供給される。このため、第1燃料電池セルスタック22から排出されたアノードオフガスから除去された水蒸気を改質原料として再利用できる。
<燃料電池システム>
図2に示す第2実施形態に係る燃料電池システム11は、図1に示す燃料電池システム10の排気管P12に代えて、再供給管P24が設けられている。また、図1に示すスイープガス供給管P9が設けられていない。
再供給管P24の一端は燃焼器16に接続され、他端は燃料再生器26の透過部26Bに接続されている。これにより、燃焼器16から排出された排出ガスが、熱交換器72で冷却された後、スイープガスとして燃料再生器26の透過部26Bに供給される。
なお、第2実施形態において、第1実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第1実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。
第2実施形態に係る燃料電池システム11では、燃焼器16から排出された排出ガスが再供給管P24によって燃料再生器26の透過部26Bに供給される。このため、排出ガスはスイープガスとして再利用される。また、排出ガスに含まれる水蒸気は、再度水蒸気分離器74へ供給されて再利用される。さらに、再供給管P24を設けることで、システム外への排気箇所を、排気管P10に集約できる。
14 改質器
16 燃焼器
22 第1燃料電池セルスタック(燃料電池)
26C 分離膜
64 流量計(流量計測部)
66 流量調整機構(流量計測部)
67 流量計(流量計測部)
68 制御装置
74C 分離膜(再分離膜)
82 昇圧ブロワ(圧力調整機構)
84 背圧弁(圧力調整機構)
P9 スイープガス供給管(スイープガス供給経路)
P10 排気管(排気経路)
P16 中間管(中間経路)
P20 再供給管(再供給経路)
P22 再供給管(再供給経路)
P14、P17 供給管(供給経路)
P15 原料ガス管(原料ガス供給経路)
Claims (14)
- 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方を移動させる分離膜と、
前記スイープガスから前記原料ガスへ前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方を移動させる再分離膜と、
前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方を含んだ前記原料ガスを前記改質部へ供給する供給経路と、
を備えた燃料電池システム。 - 前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方が除去された前記スイープガスをシステム外へ排出する排気経路又はシステム内へ再供給する再供給経路を備えた、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記再分離膜の非透過側の圧力を制御する圧力制御機構を備えた、請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記スイープガスを前記分離膜の透過側へ供給するスイープガス供給経路と、
前記分離膜と前記再分離膜との間に配置され前記スイープガスが流れる中間経路と、
前記スイープガス供給経路、前記中間経路、及び、前記排気経路又は前記再供給経路に設けられた流量計測部と、
前記流量計測部の測定値に基づき前記圧力制御機構を制御する制御装置と、
を備えた請求項3に記載の燃料電池システム。 - 前記原料ガスを前記再分離膜の透過側へ供給する原料ガス供給経路と、
前記供給経路及び前記原料ガス供給経路に設けられた原料ガス流量計測部と、
前記原料ガス流量計測部の測定値に基づき前記圧力制御機構を制御する制御装置と、
を備えた請求項3に記載の燃料電池システム。 - 前記再供給経路は、前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方が除去された前記スイープガスを前記酸化ガスとして前記燃料電池へ供給する、請求項2〜5の何れか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記再供給経路は、前記水蒸気及び前記二酸化炭素の少なくとも一方が除去された前記スイープガスを前記分離膜の透過側へ供給する、請求項2〜5の何れか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼する燃焼器を備え、
前記分離膜の透過側へ供給される前記スイープガスは、前記燃焼器から排出された排出ガスとされた、請求項1〜5の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、
前記スイープガスから前記原料ガスへ前記水蒸気を移動させる再分離膜と、
前記水蒸気を含んだ前記原料ガスを前記改質部へ供給する供給経路と、
前記水蒸気が除去された前記スイープガスをシステム外へ排出する排気経路又はシステム内へ再供給する再供給経路と、
前記再分離膜の非透過側の圧力を制御する圧力制御機構と、
前記スイープガスを前記分離膜の透過側へ供給するスイープガス供給経路と、
前記分離膜と前記再分離膜との間に配置され前記スイープガスが流れる中間経路と、
前記スイープガス供給経路、前記中間経路、及び、前記排気経路又は前記再供給経路に設けられた水蒸気量計測部と、
前記水蒸気量計測部の測定値に基づき前記圧力制御機構を制御する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。 - 前記原料ガスを前記再分離膜の透過側へ供給する原料ガス供給経路と、
前記供給経路及び前記原料ガス供給経路に設けられた原料ガス流量計測部と、
前記原料ガス流量計測部の測定値に基づき前記圧力制御機構を制御する制御装置と、
を備えた請求項9に記載の燃料電池システム。 - 前記再供給経路は、前記水蒸気が除去された前記スイープガスを前記酸化ガスとして前記燃料電池へ供給する、請求項9又は請求項10に記載の燃料電池システム。
- 前記再供給経路は、前記水蒸気が除去された前記スイープガスを前記分離膜の透過側へ供給する、請求項9又は請求項10に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼する燃焼器を備え、
前記分離膜の透過側へ供給される前記スイープガスは、前記燃焼器から排出された排出ガスとされた、請求項9又は請求項10に記載の燃料電池システム。 - 前記水蒸気量計測部は露点計である、請求項9〜13の何れか1項に記載の燃料電池システム。
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