JP7139900B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
燃料電池システムであって、
水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器(32)と、
改質器で生成された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池(10)と、
改質器に供給する水蒸気を生成する気化器(42)と、
改質器に燃料を供給する燃料ポンプ(31)と、
気化器に水を供給する水ポンプ(41)と、
改質器および燃料ポンプが設けられ、燃料および燃料ガスの流通経路をなす燃料経路(30)と、
燃料経路に接続され、改質器から燃料電池に流れる燃料ガスの一部を燃料ポンプの上流側に導くガス循環経路(50)と、
ガス循環経路を流れる燃料ガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器(51)と、
ガス循環経路のうち凝縮器の下流側に設けられ、凝縮器で生成された凝縮水を燃料ガスから分離する気液分離器(53)と、
気化器および水ポンプが設けられ、燃料経路に接続された水供給経路(40)と、
気液分離器に接続され、凝縮器で生成された凝縮水を水供給経路における水ポンプの上流側に導く水循環経路(60)と、を備える。
本実施形態について、図1~図4を参照して説明する。図1に示すように、燃料電池システム1は、作動温度が高温(例えば、500℃~1000℃)となる固体酸化物型の燃料電池(すなわち、SOFC)10を備えている。
(空気極)O2+4e-→2O2- …(F2)
また、燃料電池10は、以下の反応式F3、F4に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
(空気極)O2+4e-→2O2- …(F4)
燃料電池10には、燃料電池10の電池温度Tcを検出する電池温度センサ101、燃料電池10から出力される出力電圧Vcsを検出する電池電圧センサ102が設けられている。
CO+H2O→CO2+H2 …(F6)
ここで、改質器32における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。このため、改質器32は、燃料電池10の発電時に周囲に放出される熱(放射熱)を吸熱できるように、燃料電池10の周囲に配設されていることが望ましい。
上述の第1実施形態では、改質器32の温度および気化器42の温度に応じて水ポンプ41および外気供給ファン52を制御する例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム1は、例えば、水ポンプ41および外気供給ファン52の少なくとも一方が、改質器32の温度等によらず制御されていてもよい。
次に、第2実施形態について、図5を参照して説明する。本実施形態では、混合弁80に代えてエジェクタ81が用いられている点が第1実施形態と相違している。本実施形態では、第1実施形態と異なる部分について主に説明し、第1実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
上述の実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、燃料電池システムは、改質器から燃料電池に流れる燃料ガスの一部を燃料ポンプの上流側に導くガス循環経路と、ガス循環経路を流れる燃料ガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器と、を備える。さらに、燃料電池システムは、ガス循環経路のうち凝縮器の下流側に設けられ、凝縮器で生成された凝縮水を燃料ガスから分離する気液分離器と、気液分離器に接続され、凝縮器で生成された凝縮水を水ポンプの上流側に導く水循環経路と、を備える。
10 燃料電池
31 燃料ポンプ
41 水ポンプ
50 ガス循環経路
51 凝縮器
53 気液分離器
60 水循環経路
Claims (4)
- 水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器(32)と、
前記改質器で生成された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池(10)と、
前記改質器に供給する水蒸気を生成する気化器(42)と、
前記改質器に燃料を供給する燃料ポンプ(31)と、
前記気化器に水を供給する水ポンプ(41)と、
前記改質器および前記燃料ポンプが設けられ、前記燃料および前記燃料ガスの流通経路をなす燃料経路(30)と、
前記燃料経路に接続され、前記改質器から前記燃料電池に流れる燃料ガスの一部を前記燃料ポンプの上流側に導くガス循環経路(50)と、
前記ガス循環経路を流れる燃料ガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器(51)と、
前記ガス循環経路のうち前記凝縮器の下流側に設けられ、前記凝縮器で生成された凝縮水を燃料ガスから分離する気液分離器(53)と、
前記気化器および前記水ポンプが設けられ、前記燃料経路に接続された水供給経路(40)と、
前記気液分離器に接続され、前記凝縮器で生成された凝縮水を前記水供給経路における前記水ポンプの上流側に導く水循環経路(60)と、
を備える燃料電池システム。 - 前記水ポンプを制御する水ポンプ制御部(100a)と、を備え、
前記水ポンプ制御部は、前記改質器の温度または前記気化器の温度が上昇するに伴って前記気化器への水の供給量が増加するように前記水ポンプを制御する請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記凝縮器に対して前記ガス循環経路を流れる燃料ガスと熱交換させる外部流体を供給する外部流体供給部(52)と、
前記外部流体供給部を制御する外部流体制御部(100b)と、を備え、
前記外部流体制御部は、前記改質器の温度、前記気化器の温度、または、燃料電池の温度が低下するに伴って前記凝縮器への外部流体の供給量が減少するように前記外部流体供給部を制御する請求項1または2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燃料オフガスの一部を前記改質器に導くリサイクル経路(82)と、
前記リサイクル経路を介して前記改質器に燃料オフガスの一部を供給するエジェクタ(81)と、を備え、
前記エジェクタは、水蒸気および燃料を噴射するノズル部(811)、前記ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料オフガスの一部を前記リサイクル経路に吸引する吸引部(812)、前記ノズル部から噴射される水蒸気および燃料と前記吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して前記改質器に向けて吐出する吐出部(813)を有する請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
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