JP2025087011A - Fuel Cell Systems - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、燃料電池システムに関する。 This disclosure relates to a fuel cell system.
コンビニエンスストア、集合住宅、ビルなどの中小規模の電力需要家向けとして、また、工場、データセンターなどの大規模な施設での自家発電およびコジェネレーションとして、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)が知られている。SOFCは他の方式の燃料電池に比べて動作温度が高く、高い発電効率、様々な燃料に対応可能などの特徴をもつ。SOFCは、燃料極と空気極との間に電解質を配置したスタックで発電が行われる。燃料極から排出される燃料極排ガスには水素が含まれている。この燃料極排ガスに含まれる水素を一旦水素吸蔵合金に吸蔵させて分離し、その後水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を放出させて燃焼器に供給する燃料電池システムが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Solid oxide fuel cells (SOFCs) are known for small and medium-sized power consumers such as convenience stores, apartment buildings, and buildings, and for private power generation and cogeneration in large facilities such as factories and data centers. Compared to other types of fuel cells, SOFCs have features such as a higher operating temperature, high power generation efficiency, and the ability to handle a variety of fuels. SOFCs generate power in a stack in which an electrolyte is placed between the fuel electrode and the air electrode. The fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode contains hydrogen. A fuel cell system has been disclosed in which the hydrogen contained in the fuel electrode exhaust gas is first absorbed and separated by a hydrogen storage alloy, and then the hydrogen absorbed by the hydrogen storage alloy is released and supplied to a combustor (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、水素吸蔵合金を用いて水素を分離回収しているので、水素の吸蔵および放出のときに加熱が必要であり制御が難しいという問題があった。さらには、水素吸蔵合金は、水素の吸蔵および放出による劣化が大きく、水素の分離回収性能が低下するという問題があった。 However, conventional fuel cell systems use hydrogen storage alloys to separate and recover hydrogen, which requires heating when storing and releasing hydrogen, making it difficult to control. Furthermore, hydrogen storage alloys are subject to significant degradation due to the storage and release of hydrogen, resulting in reduced hydrogen separation and recovery performance.
本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、制御が容易で燃料極排ガスに含まれる水素を安定して分離回収することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 This disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a fuel cell system that is easy to control and can stably separate and recover hydrogen contained in the anode exhaust gas.
本開示の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池から排出される燃料極排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部とを有する燃料電池システムであって、燃料電池は、電解質を挟んで対向配置された空気極および燃料極を有するスタックと、原燃料に水蒸気および燃料極から排出された燃料極排ガスを混合する混合器と、混合器で水蒸気および燃料極排ガスが混合された原燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、改質器の内部に設けられた改質触媒を高温に保持する燃焼器と、改質ガスを燃料極へ送る改質ガス供給経路と、空気極から排出される空気極排ガスを燃焼器へ送る空気極排ガス経路と、燃料極排ガスが流れる燃料極排ガス経路と、二酸化炭素回収部から送られてくる水素リッチガスから水素を分離する水素分離部と、水素分離部で分離された水素を燃焼器へ送る第1水素回収経路とを備えており、燃料極排ガス経路は、燃料極排ガスを混合器へ送る燃料極排ガスリサイクル経路と燃料極排ガスを二酸化炭素回収部へ送る二酸化炭素回収経路とに分岐されている。二酸化炭素回収部は、燃料極排ガスから二酸化炭素と水素リッチガスとに分離する二酸化炭素分離部と、二酸化炭素分離部で分離された水素リッチガスを水素分離部へ送る第2水素回収経路とを備えている。そして水素分離部は、貴金属薄膜、有機薄膜、有機多孔質膜および無機多孔質膜の少なくとも1つを含む水素分離膜を備えている。 The fuel cell system disclosed herein is a fuel cell system having a fuel cell and a carbon dioxide recovery unit that recovers carbon dioxide from the anode exhaust gas discharged from the fuel cell, and the fuel cell includes a stack having an air electrode and an anode arranged opposite each other with an electrolyte therebetween, a mixer that mixes raw fuel with steam and the anode exhaust gas discharged from the anode, a reformer that reforms the raw fuel mixed with the steam and the anode exhaust gas in the mixer to generate a reformed gas containing hydrogen, and a combustion device that maintains a reforming catalyst provided inside the reformer at a high temperature. The fuel electrode exhaust gas passage includes a fuel electrode exhaust gas passage that sends the reformed gas to the fuel electrode, a fuel electrode exhaust gas passage that sends the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode to the combustor, a fuel electrode exhaust gas passage through which the fuel electrode exhaust gas flows, a hydrogen separation section that separates hydrogen from the hydrogen-rich gas sent from the carbon dioxide capture section, and a first hydrogen recovery passage that sends the hydrogen separated in the hydrogen separation section to the combustor. The fuel electrode exhaust gas passage is branched into a fuel electrode exhaust gas recycle passage that sends the fuel electrode exhaust gas to the mixer and a carbon dioxide recovery passage that sends the fuel electrode exhaust gas to the carbon dioxide capture section. The carbon dioxide capture section includes a carbon dioxide separation section that separates the fuel electrode exhaust gas into carbon dioxide and hydrogen-rich gas, and a second hydrogen recovery passage that sends the hydrogen-rich gas separated in the carbon dioxide separation section to the hydrogen separation section. The hydrogen separation section includes a hydrogen separation membrane that includes at least one of a precious metal thin film, an organic thin film, an organic porous membrane, and an inorganic porous membrane.
本開示の燃料電池システムは、水素分離部が貴金属薄膜、有機薄膜、有機多孔質膜および無機多孔質膜の少なくとも1つを含む水素分離膜を備えているので、制御が容易で燃料極排ガスに含まれる水素を安定して分離回収することができる。 The fuel cell system disclosed herein has a hydrogen separation section equipped with a hydrogen separation membrane that includes at least one of a precious metal thin film, an organic thin film, an organic porous membrane, and an inorganic porous membrane, making it easy to control and enabling stable separation and recovery of hydrogen contained in the anode exhaust gas.
以下、本開示を実施するための実施の形態に係る燃料電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。 The fuel cell system according to the embodiment of the present disclosure will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the same reference numerals in each drawing indicate the same or corresponding parts.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る燃料電池システムの構成図である。図1に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム100は、燃料電池1と二酸化炭素回収部2とで構成されている。本実施の形態において、燃料電池1はSOFCとして説明する。
Embodiment 1.
Fig. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to embodiment 1. As shown in Fig. 1, a
始めに、燃料電池1の構成を説明する。
燃料電池1は、スタック11と改質器12とを有している。スタック11は、空気極13および燃料極14と、空気極13と燃料極14との間に設置された電解質15とで構成されている。空気極13には、空気供給源3から空気用熱交換器16および空気供給経路L1を経由して空気が供給される。燃料極14には、原燃料供給源4から混合器17、改質器12および改質ガス供給経路L2を経由し改質ガスが供給される。本実施の形態の燃料電池システム100においては、原燃料としてメタンを主成分とする都市ガスを用いている。原燃料としては都市ガスの他にプロパン、ブタンなどの液化石油ガス(LPガス)、バイオガスなどを用いることができる。
First, the configuration of the fuel cell 1 will be described.
The fuel cell 1 has a
スタック11の温度は、図示していない断熱ボックスによって600~1000℃に保持されている。スタック11の空気極13では、次の反応式(1)に示す還元反応が進行する。空気極13においては、空気供給経路L1より供給された空気中の酸素が、スタック11に接続された負荷より電子を受け取って酸素イオンに変化する。反応後の空気極排ガスは、空気極排ガス経路L3へ排出される。
1/2O2 + 2e- → O2- ・・・・・・(1)
還元反応で生成された酸素イオンは、電解質15を経由して燃料極14に移動する。空気極排ガス経路L3を流れる空気極排ガスは、空気供給経路L1を流れる空気に比べて酸素が減少した組成となっている。
The temperature of the
1/2O 2 + 2e − → O 2−・・・・・・(1)
Oxygen ions produced by the reduction reaction move to the
原燃料供給源4から供給される原燃料は、混合器17で水蒸気および燃料極排ガスが混合されて改質器12に送られる。改質器12の内部に設置された改質触媒で改質反応が行われるためには改質触媒を500~700℃に昇温する必要がある。改質触媒を昇温するために、改質器12には燃焼器18が併設されている。燃焼器18の燃焼熱で改質器12の改質触媒を500~700℃に昇温する。改質器12においては、改質触媒によって次の反応式(2)および(3)の改質反応が進行し、原燃料から水素を一定量含有する改質ガスに変換される。
CH4 + H2O → CO + 3H2 ・・・(2)
CO + H2O → CO2 + H2 ・・・・(3)
改質ガスには、水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素および未反応のメタンが含まれている。改質ガスは、改質ガス供給経路L2を経由して燃料極14に供給される。
The raw fuel supplied from the raw fuel supply source 4 is mixed with steam and anode exhaust gas in a
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ...(2)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (3)
The reformed gas contains hydrogen, water vapor, carbon monoxide, carbon dioxide and unreacted methane, and is supplied to the
スタック11の燃料極14では、次の反応式(4)に示す酸化反応が進行する。すなわち、燃料極14においては、電解質15を経由して空気極13から移動してきた酸素イオンが、燃料極14に供給された水素と反応して水と電子とに変化する。燃料極14から燃料極排ガスが燃料極排ガス経路L4へ排出される。
O2- + H2 → H2O + 2e- (4)
なお、スタック11の燃料極14に供給されたメタンおよび水蒸気は、内部改質反応といわれる化学反応によりスタック11の内部で水素、一酸化炭素および二酸化炭素に変換される。内部改質反応は、上記の反応式(2)および(3)の改質反応と同じである。
At the
O 2- + H 2 → H 2 O + 2e - (4)
The methane and water vapor supplied to the
燃料極排ガス経路L4を流れる燃料極排ガスには、二酸化炭素、水素、水蒸気および一酸化炭素が含まれている。燃料極排ガスの温度は、スタック11の種類、運転条件などにより異なるが、500~700℃である。このような反応によって、スタック11の空気極13と燃料極14との間に接続された負荷に電流を取り出すことができる。
The anode exhaust gas flowing through the anode exhaust gas path L4 contains carbon dioxide, hydrogen, water vapor, and carbon monoxide. The temperature of the anode exhaust gas varies depending on the type of
空気極排ガス経路L3を流れる空気極排ガスは、燃焼器18に供給される。燃料極排ガス経路L4には、水蒸気発生器19および凝縮器20が設けられている。水蒸気発生器19は、水供給源5から供給された水を燃料極排ガスの熱を利用して水蒸気に変換する。水蒸気発生器19で変換された水蒸気は、水蒸気供給経路L5を経由して混合器17に送られる。凝縮器20は、燃料極排ガス中に含まれる水蒸気を液体の水に変換し、その水は水供給源5に送られる。
The air electrode exhaust gas flowing through the air electrode exhaust gas path L3 is supplied to the
燃料極排ガス経路L4は、凝縮器20の下流で2つの経路に分岐されている。一方の経路は燃料極排ガスリサイクル経路L6であり、リサイクルブロア21を経由して混合器17に接続されている。他方の経路は二酸化炭素回収経路L7であり、二酸化炭素回収部2に接続されている。
The fuel electrode exhaust gas path L4 branches into two paths downstream of the
混合器17には、原燃料供給源4から原燃料の都市ガスが、水蒸気供給経路L5から水蒸気が、燃料極排ガスリサイクル経路L6から燃料極排ガスが供給される。混合器17は、都市ガスと水蒸気と燃料極排ガスとを混合する。
The
燃焼器18には、空気極排ガス経路L3から空気極排ガスが送られてくると共に、後述する水素分離部24から第1水素回収経路L8を経由して水素が送らてくる。燃焼器18は、空気極排ガスに含まれる酸素と第1水素回収経路L8から供給される水素とを燃焼させて、改質器12の内部に設置された改質触媒の温度を500~700℃に保持する。燃焼器18で燃焼された燃焼排ガスは、空気用熱交換器16に送られる。燃焼器18から排出される燃焼排ガスの温度は、数百度である。空気用熱交換器16は、燃焼排ガスの熱を利用して空気供給源3から供給される空気の温度を400~600℃に昇温させる。
The
次に、二酸化炭素回収部2の構成を説明する。
二酸化炭素回収部2は、圧縮機22および二酸化炭素分離部23を有している。二酸化炭素回収経路L7は、圧縮機22を経由して二酸化炭素分離部23に接続されている。二酸化炭素分離部23を経由した二酸化炭素回収経路L7は、例えば図示していない二酸化炭素貯蔵タンクに接続されている。二酸化炭素回収部2で回収された二酸化炭素は、二酸化炭素貯蔵タンクに貯蔵される。
Next, the configuration of the carbon
The carbon
二酸化炭素分離部23は、二酸化炭素分離膜を備えている。この二酸化炭素分離膜は、二酸化炭素を透過させ、二酸化炭素以外の水素などが透過しにくい性質を有している。二酸化炭素分離膜としては、例えばポリイミド、ポリカーボネートなどの高分子膜、ポリアミドアミンデンドリマーなどの促進輸送膜、およびゼオライト、シリカアモルファスなどの無機膜などを用いることができる。二酸化炭素回収経路L7を流れる燃料極排ガスには、二酸化炭素、水素および一酸化炭素が含まれている。二酸化炭素分離部23は、燃料極排ガスを二酸化炭素とそれ以外のガスとに分離する。二酸化炭素分離膜における二酸化炭素の分離特性は、二酸化炭素分離膜の上流側と下流側との分圧差が大きいほど高効率になる。そのため、二酸化炭素分離部23の上流側に圧縮機22が設けられている。
The carbon
二酸化炭素分離部23で二酸化炭素から分離されたガスは水素が豊富に含まれるガスである。これ以降、このガスを水素リッチガスと称する。二酸化炭素分離部23で二酸化炭素から分離された水素リッチガスは、第2水素回収経路L9を経由して燃料電池1に備えられた水素分離部24へ送られる。
The gas separated from carbon dioxide in the carbon
水素分離部24は、水素分離膜を備えている。この水素分離膜は、水素を透過させ、水素以外の一酸化炭素などを透過させない性質を有している。水素分離膜としては、例えばパラジウム、ニオブなどの貴金属薄膜、ポリイミドなどの有機薄膜、ポリアミド、ポリイミドなどの有機多孔質膜、および炭素、ゼオライトなどの無機多孔質膜などを用いることができる。第1水素回収経路L8を流れる水素リッチガスには、水素、一酸化炭素および微量の二酸化炭素が含まれている。水素分離部24は、水素リッチガスを水素とそれ以外のガスとに分離する。水素分離部24で分離された水素は、第1水素回収経路L8を経由して燃焼器18へ送られる。水素分離部24で水素から分離されたガスは、回収経路L10を経由して二酸化炭素分離部23の下流側の二酸化炭素回収経路L7へ送られる。
The
このように構成された燃料電池システム100においては、二酸化炭素回収部2で回収した水素リッチガスを水素分離部24で水素とそれ以外のガスとに分離しているので、燃焼器18へ供給する水素の濃度を高くすることができる。また、水素分離部24で水素とそれ以外のガスとに分離しているので、第1水素回収経路L8を流れるガスには二酸化炭素が含まれていない。そのため、システム全体として二酸化炭素の回収率をほぼ100%にすることができる。すなわち、燃焼器18で燃焼された燃焼排ガスは空気用熱交換器16を経由して外部に排出されるが、その排出ガス中の二酸化炭素の濃度を限りなく低くすることができる。
In the
また、本実施の形態の燃料電池システム100においては、燃料極排ガスを改質器12へ再投入しているので、システム全体としてのリサイクル率が向上する。ここでリサイクル率とは、燃料極排ガスの内、改質器12に供給されるガスの比率である。具体的には、リサイクル率は、燃料極排ガス経路L4を流れる燃料極排ガスの全量に対する燃料極排ガスリサイクル経路L6を流れる燃料極排ガスの割合である。燃料極排ガスをリサイクルし、改質器12で生成された二酸化炭素およびスタック11の内部改質反応で生成された二酸化炭素を改質器12へ再投入する。リサイクル率が高いほど改質器に供給される二酸化炭素を含む燃料極排ガスの流量が増加し、二酸化炭素の濃縮効果が高くなる。その結果、二酸化炭素回収部2において、二酸化炭素とそれ以外のガスとに分離するために必要となる圧縮機22の動力を低減することができる。
In addition, in the
さらに、本実施の形態の燃料電池システム100においては、水素分離部24の水素分離膜は貴金属薄膜、有機薄膜、有機多孔質膜、無機多孔質膜など水素吸蔵合金以外の材料で構成されている。これらの材料で構成された水素分離膜は、水素を分離するために加熱を必要とせずまた水素とそれ以外とのガスを分離する際の劣化も小さい。そのため、本実施の形態の燃料電池システム100においては、水素分離部に水素吸蔵合金を用いる場合に比べて、制御が容易で燃料極排ガスに含まれる水素を安定して分離回収することができる。
Furthermore, in the
実施の形態2.
図2は、実施の形態2に係る燃料電池システムの構成図である。本実施の形態に係る燃料電池システム100は、実施の形態1で説明した燃料電池システムにおいて、第1水素回収経路から分岐した経路が設けられると共に、原燃料供給源から供給される原燃料を燃焼器へ送る経路が設けられたものである。
2 is a configuration diagram of a fuel cell system according to
図2に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム100は、水素分離部24で分離された水素が流れる第1水素回収経路L8から分岐した第3水素回収経路L11が設けられている。この第3水素回収経路L11は、改質ガス供給経路L2に接続されている。
As shown in FIG. 2, the
また、図2に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム100は、原燃料供給源4から供給される原燃料を燃焼器18へ送る原燃料供給経路L12が設けられている。さらに、図2に示すように、二酸化炭素回収経路L7、第1水素回収経路L8、第3水素回収経路L11および原燃料供給経路L12にそれぞれ流量調整バルブV1、V2、V3およびV4が設けられている。
2, the
燃料電池システム100においては、スタック11の空気極13と燃料極14との間に接続された負荷の変動によって燃料極排ガスの量が変動する。例えは、燃料極排ガスの量が減少した場合、水素分離部24で分離される水素の量が減少し、第3水素回収経路L11を経由して改質ガス供給経路L2へ供給される水素の量も減少する。そうすると、スタック11における内部改質反応が低減してスタック11の温度が低下する。
In the
本実施の形態の燃料電池システム100においては、第1水素回収経路L8に設けられた流量調整バルブV2で燃焼器18へ送る水素を減少させると共に、第3水素回収経路L11に設けられた流量調整バルブV3で燃料極14へ送る水素を増加させることができる。その結果、スタック11の温度低下を防ぐことができる。しかしながら、第1水素回収経路L8を流れる水素が減少して燃焼器18に十分な水素が供給されず、燃焼器18の燃焼量が低下して改質器12に与える熱量が減少するため、改質器12における改質反応が十分進行しない可能性がある。本実施の形態の燃料電池システム100においては、原燃料供給経路L12に設けられた流量調整バルブV4を開けることで原燃料供給源4から原燃料を燃焼器18へ送ることができるので、燃焼器18の燃焼量の低下を防ぐことができる。その結果、本実施の形態の燃料電池システム100においては、スタックに接続された負荷の変動にかかわらず安定した発電を行うことができる。
In the
なお、負荷の変動によって燃料極排ガスの量が増加した場合も、各経路に設置された流量調整バルブで各経路を流れるガスの流量を調整することで安定した発電を行うことができる。このように、本実施の形態の燃料電池システム100においては、燃料極排ガスから分離回収された水素をスタックへ供給する第3水素回収経路L11および原燃料供給源から燃焼器に原燃料を送る原燃料供給経路L12を備えており、さらに、二酸化炭素回収経路L7、第1水素回収経路L8、第3水素回収経路L11および原燃料供給経路L12にそれぞれ流量調整バルブV1、V2、V3およびV4が設けられている。そのため、本実施の形態の燃料電池システムは、スタックに接続された負荷の変動にかかわらず安定した発電を行うことができる。
Even if the amount of anode exhaust gas increases due to a change in load, stable power generation can be achieved by adjusting the flow rate of gas flowing through each path using a flow rate control valve installed in each path. In this way, the
実施の形態3.
図3は、実施の形態3に係る燃料電池システムの構成図である。本実施の形態に係る燃料電池システム100は、実施の形態2で説明した燃料電池システムにおいて、水素分離部と第1水素回収経路との間に水素貯留タンクを追加したものである。
3 is a configuration diagram of a fuel cell system according to
図3に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム100は、水素分離部24と第1水素回収経路L8との間に水素貯留タンク25が追加されている。第3水素回収経路L11は、水素貯留タンク25と改質ガス供給経路L2との間に接続されている。水素分離部24で分離された水素は、水素貯留タンク25に一旦貯留される。水素貯留タンク25に貯留された水素は、第1水素回収経路L8を経由して燃焼器18に送られると共に、第3水素回収経路L11を経由して燃料極14に送られる。
As shown in FIG. 3, in the
燃料電池1のスタック11の燃料極14には、一般にニッケル系の材料が用いられているが、高温状態で燃料極が酸化雰囲気に曝されると燃料極が酸化され、スタックの劣化を引き起こし、出力が低下するなどの問題が生じる。
Nickel-based materials are generally used for the
燃料電池システムにおいては、通常の運転時には燃料極14には改質器12から水素を含む還元雰囲気のガスが送られている。しかし、燃料電池システムの起動時、停止時または緊急停止時に改質器12から燃料極14へ還元雰囲気のガスが送られなくなると、燃料極14が酸化雰囲気になる可能性がある。
In a fuel cell system, during normal operation, a reducing atmosphere gas containing hydrogen is sent from the
本実施の形態の燃料電池システム100においては、起動時、停止時または緊急停止時に改質器12から燃料極14へ還元雰囲気のガスが送られなくなった場合でも、水素貯留タンク25に貯留されている水素を第3水素回収経路L11を経由して燃料極14へ送ることができる。そのため、燃料電池システムの起動時、停止時または緊急停止時においても、燃料極を還元雰囲気に維持することができる。その結果、スタックの劣化を防止することができる。
In the
実施の形態4.
図4は、実施の形態4に係る燃料電池システムの構成図である。本実施の形態に係る燃料電池システム100は、実施の形態3で説明した燃料電池システムにおいて、水蒸気供給経路に流量調整バルブを設けると共に、原燃料供給源と混合器との間に流量調整バルブを設けたものである。
Embodiment 4.
4 is a configuration diagram of a fuel cell system according to embodiment 4. A
図4に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム100は、実施の形態3で説明した燃料電池システムにおいて、水蒸気供給経路L5に流量調整バルブV5が設けられている。また、原燃料供給源4と混合器17との間に流量調整バルブV6が設けられている。さらに、本実施の形態に係る燃料電池システム100においては、図示してはいないが、スタック11の温度T1を測定する温度センサ、改質器12の温度T2を測定する温度センサ、スタック11の出力電圧Vを測定する電圧センサ、および水素貯留タンク25のガス圧Pを測定する圧力センサが設けられている。
As shown in FIG. 4, the
このように構成された燃料電池システム100において、負荷の変動に伴ってスタック11の出力電力、すなわち出力電圧Vが変動した場合、流量調整バルブV5およびV6の開閉量を調整して混合器17に送られる原燃料および水蒸気の量を調整する。同時に、スタック11の温度T1および改質器12の温度T2が予め設定された温度範囲内に保持されるように、流量調整バルブV2およびV3の開閉量を調整して水素貯留タンク25から燃料極14および燃焼器18に送られる水素の量を調整する。このとき、水素貯留タンク25のガス圧Pが常に予め設定された閾値以上を保つように、水素貯留タンク25から燃焼器18へ送る水素の量を流量調整バルブV2で調整すると共に、水素貯留タンク25から燃焼器18へ送る水素の量が不足する場合は、原燃料供給経路L12の流量調整バルブV4で原燃料供給源4から燃焼器18へ送る原燃料の量を増加させる。なお、水素貯留タンク25のガス圧Pの閾値は、燃料電池の停止時において燃料極を還元雰囲気に保つために必要な一定の水素量を水素貯留タンク25に確保するために必要なガス圧である。
In the
このように構成された燃料電池システム100においては、水素貯留タンク25のガス圧Pを常に閾値以上に保持することができるので、燃料電池の停止時において燃料極を還元雰囲気に保つために必要な一定の水素量を水素貯留タンク25に確保することができる。そのため、燃料電池システムの停止時においても、確実に燃料極を還元雰囲気に維持することができる。その結果、本実施の形態の燃料電池システムにおいては、システムの信頼性が向上する。
In the
本開示は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、1つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、この明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
While the present disclosure describes various exemplary embodiments and examples, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments are not limited to application to a particular embodiment, but may be applied to the embodiments alone or in various combinations.
Therefore, countless modifications not exemplified are assumed within the scope of the technology disclosed in this specification, including, for example, modifying, adding, or omitting at least one component, and further, extracting at least one component and combining it with a component of another embodiment.
1 燃料電池、2 二酸化炭素回収部、3 空気供給源、4 原燃料供給源、5 水供給源、11 スタック、12 改質器、13 空気極、14 燃料極、15 電解質、16 空気用熱交換器、17 混合器、18 燃焼器、19 水蒸気発生器、20 凝縮器、21 リサイクルブロア、22 圧縮機、23 二酸化炭素分離部、24 水素分離部、25 水素貯留タンク、100 燃料電池システム、L1 空気供給経路、L2 改質ガス供給経路、L3 空気極排ガス経路、L4 燃料極排ガス経路、L5 水蒸気供給経路、L6 燃料極排ガスリサイクル経路、L7 二酸化炭素回収経路、L8 第1水素回収経路、L9 第2水素回収経路、L10 回収経路、L11 第3水素回収経路、L12 原燃料供給経路、V1、V2、V3、V4、V5、V6 流量調整バルブ。 1 fuel cell, 2 carbon dioxide recovery section, 3 air supply source, 4 raw fuel supply source, 5 water supply source, 11 stack, 12 reformer, 13 air electrode, 14 fuel electrode, 15 electrolyte, 16 air heat exchanger, 17 mixer, 18 combustor, 19 steam generator, 20 condenser, 21 recycle blower, 22 compressor, 23 carbon dioxide separation section, 24 hydrogen separation section, 25 hydrogen storage tank, 100 fuel cell system, L1 air supply path, L2 reformed gas supply path, L3 air electrode exhaust gas path, L4 fuel electrode exhaust gas path, L5 steam supply path, L6 fuel electrode exhaust gas recycle path, L7 carbon dioxide recovery path, L8 first hydrogen recovery path, L9 second hydrogen recovery path, L10 recovery path, L11 third hydrogen recovery path, L12 Raw fuel supply path, V1, V2, V3, V4, V5, V6 flow rate adjustment valve.
Claims (4)
前記燃料電池は、電解質を挟んで対向配置された空気極および燃料極を有するスタックと、原燃料に水蒸気および前記燃料極から排出された前記燃料極排ガスを混合する混合器と、前記混合器で前記水蒸気および前記燃料極排ガスが混合された前記原燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器の内部に設けられた改質触媒を高温に保持する燃焼器と、前記改質ガスを前記燃料極へ送る改質ガス供給経路と、前記空気極から排出される空気極排ガスを前記燃焼器へ送る空気極排ガス経路と、前記燃料極排ガスが流れる燃料極排ガス経路と、前記二酸化炭素回収部から送られてくる水素リッチガスから水素を分離する水素分離部と、前記水素分離部で分離された水素を前記燃焼器へ送る第1水素回収経路とを備えており、
前記燃料極排ガス経路は、前記燃料極排ガスを前記混合器へ送る燃料極排ガスリサイクル経路と前記燃料極排ガスを前記二酸化炭素回収部へ送る二酸化炭素回収経路とに分岐されており、
前記二酸化炭素回収部は、前記燃料極排ガスから二酸化炭素と前記水素リッチガスとに分離する二酸化炭素分離部と、前記二酸化炭素分離部で分離された前記水素リッチガスを前記水素分離部へ送る第2水素回収経路とを備え、前記水素分離部は、貴金属薄膜、有機薄膜、有機多孔質膜および無機多孔質膜の少なくとも1つを含む水素分離膜を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system having a fuel cell and a carbon dioxide recovery unit that recovers carbon dioxide from an anode exhaust gas discharged from the fuel cell,
the fuel cell comprises a stack having an air electrode and an anode opposed to each other with an electrolyte therebetween; a mixer for mixing steam and the anode exhaust gas discharged from the anode with a raw fuel; a reformer for reforming the raw fuel mixed with the steam and the anode exhaust gas in the mixer to produce a reformed gas containing hydrogen; a combustor for maintaining a reforming catalyst provided inside the reformer at a high temperature; a reformed gas supply path for sending the reformed gas to the anode; an air electrode exhaust gas path for sending the air electrode exhaust gas discharged from the air electrode to the combustor; an anode exhaust gas path through which the anode exhaust gas flows; a hydrogen separation unit for separating hydrogen from a hydrogen-rich gas sent from the carbon dioxide recovery unit; and a first hydrogen recovery path for sending hydrogen separated in the hydrogen separation unit to the combustor,
the anode exhaust gas path is branched into an anode exhaust gas recycling path that sends the anode exhaust gas to the mixer and a carbon dioxide recovery path that sends the anode exhaust gas to the carbon dioxide recovery unit,
a second hydrogen recovery path that sends the hydrogen-rich gas separated in the carbon dioxide separation section to the hydrogen separation section; and a second hydrogen recovery path that sends the hydrogen-rich gas separated in the carbon dioxide separation section to the hydrogen separation section.
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-
2023
- 2023-11-29 JP JP2023201356A patent/JP2025087011A/en active Pending
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