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技術 燃料電池システム

出願人 東京瓦斯株式会社
発明者 櫛拓人
出願日 2016年7月12日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2016-137401
公開日 2018年1月18日 (4年1ヶ月経過) 公開番号 2018-010749
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体) 水素、水、水素化物
主要キーワード 二酸化炭素濃度センサ 回収構造 水蒸気供給装置 ホットボックス バルブ制御信号 空気供給ポンプ 一酸化炭素濃度センサ ヒータオフ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

低コスト化を実現すると共に、リサイクル経路における炭素析出を抑制する。

解決手段

本実施形態の燃料電池システム10は、燃料電池14と、ヒータドレンタンク18と、ブロワ20とを備える。ヒータ付ドレンタンク18のドレンタンク本体34は、アノードオフガスに含まれる水蒸気凝縮し、アノードオフガスを、一酸化炭素を含むリサイクルガスと水とに分離させる。ブロワ20は、リサイクル経路38に設けられており、リサイクル経路38を通じてリサイクルガスを送る。ヒータ付ドレンタンク18のヒータ36は、ドレンタンク本体34にて得られた水から水蒸気を発生させ、リサイクルガスに水蒸気を混合させる。

概要

背景

固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池システムとしては、例えば、水蒸気供給装置により外部から水蒸気改質器水蒸気を供給し、炭化水素燃料水蒸気改質するものがある。しかしながら、水蒸気供給装置を用いると、システムの複雑化によるコストアップと、水トラブルによる信頼性低下を招く虞がある。そこで、燃料電池発電により発生する水蒸気を高温用ブロワにより水蒸気改質器にリサイクルし、水蒸気供給装置を不要とする燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。

ところが、高温用ブロワを適用した場合、システムの簡素化が可能であるが、高温用ブロワ自体のコストが高く、却って外部から水蒸気を供給するシステムよりも高コストとなる虞がある。

そこで、燃料電池から水蒸気と共に発生する二酸化炭素二酸化炭素改質器にリサイクルし、炭化水素燃料を二酸化炭素改質する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献2参照)。このシステムであれば、低温部(例えば100℃以下)でブロワを適用することができるため、高価な高温用ブロワを適用する必要が無く、低コスト化が可能である。

概要

低コスト化を実現すると共に、リサイクル経路における炭素析出を抑制する。本実施形態の燃料電池システム10は、燃料電池14と、ヒータドレンタンク18と、ブロワ20とを備える。ヒータ付ドレンタンク18のドレンタンク本体34は、アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮し、アノードオフガスを、一酸化炭素を含むリサイクルガスと水とに分離させる。ブロワ20は、リサイクル経路38に設けられており、リサイクル経路38を通じてリサイクルガスを送る。ヒータ付ドレンタンク18のヒータ36は、ドレンタンク本体34にて得られた水から水蒸気を発生させ、リサイクルガスに水蒸気を混合させる。

目的

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、低コスト化を実現することができると共に、リサイクル経路における炭素の析出を抑制することができる燃料電池システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

一酸化炭素及び水蒸気を含むアノードオフガスを発生する燃料電池と、前記アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮し、前記アノードオフガスを、一酸化炭素を含むリサイクルガスと水とに分離させる気水分離部と、前記気水分離部と前記燃料電池との間のリサイクル経路に設けられ、前記リサイクル経路を通じて前記リサイクルガスを送るブロワと、前記気水分離部にて得られた水から水蒸気を発生させ、前記リサイクルガスに水蒸気を混合させる水蒸気発生部と、を備える燃料電池システム

請求項2

前記リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて二酸化炭素を生成する選択酸化触媒をさらに備える、請求項1に記載の燃料電池システム。

請求項3

前記気水分離部の水位に応じた水位検出信号を出力する水位計、及び、前記リサイクル経路の内部の圧力に応じた圧力検出信号を出力する圧力計の少なくとも一方を有する検出部と、前記選択酸化触媒に空気を供給する空気供給部と、前記検出部から出力された検出信号に基づいて前記空気供給部及び前記水蒸気発生部を制御する制御部と、をさらに備える、請求項2に記載の燃料電池システム。

請求項4

前記気水分離部は、前記アノードオフガスを前記リサイクルガスと水とに分離させるドレンタンク本体であり、前記水蒸気発生部は、前記ドレンタンク本体に一体に設けられ、前記ドレンタンク本体と共にヒータ付ドレンタンクを構成するヒータである、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

請求項5

前記水蒸気発生部は、前記リサイクル経路における前記ブロワよりも下流側において水蒸気を発生させる、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

技術分野

0001

本発明は、燃料電池システムに関する。

背景技術

0002

固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池システムとしては、例えば、水蒸気供給装置により外部から水蒸気改質器水蒸気を供給し、炭化水素燃料水蒸気改質するものがある。しかしながら、水蒸気供給装置を用いると、システムの複雑化によるコストアップと、水トラブルによる信頼性低下を招く虞がある。そこで、燃料電池発電により発生する水蒸気を高温用ブロワにより水蒸気改質器にリサイクルし、水蒸気供給装置を不要とする燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。

0003

ところが、高温用ブロワを適用した場合、システムの簡素化が可能であるが、高温用ブロワ自体のコストが高く、却って外部から水蒸気を供給するシステムよりも高コストとなる虞がある。

0004

そこで、燃料電池から水蒸気と共に発生する二酸化炭素二酸化炭素改質器にリサイクルし、炭化水素燃料を二酸化炭素改質する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献2参照)。このシステムであれば、低温部(例えば100℃以下)でブロワを適用することができるため、高価な高温用ブロワを適用する必要が無く、低コスト化が可能である。

先行技術

0005

特開2007−311072号公報
特開2014−107056号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、発明者は、例えば特許文献2のような二酸化炭素改質器を備えた燃料電池システムについて鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得るに到った。

0007

すなわち、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を気水分離し、二酸化炭素を含むリサイクルガスをリサイクルさせる構成を模擬した試験において、燃料電池の運転パラメータの一つである燃料利用率下げた場合に、400〜700℃の温度域において、リサイクルガスが流れるリサイクル経路の内部にて炭素析出し、リサイクル経路を閉塞させるという課題があることが分かった。これは、燃料利用率を下げた場合には、燃料電池の未利用燃料である一酸化炭素の濃度が増えて二酸化炭素の濃度が減るため、ブドワール反応(2CO⇔C+CO2)が400〜700℃の中温域で進み、炭素が析出したと考えられる。

0008

なお、上述のような特有の条件下にて炭素が析出することは、発明者独自の知見であり、本願の出願時において公に知られていないと確信する。

0009

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、低コスト化を実現することができると共に、リサイクル経路における炭素の析出を抑制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。

課題を解決するための手段

0010

請求項1に記載に記載の燃料電池システムは、一酸化炭素及び水蒸気を含むアノードオフガスを発生する燃料電池と、前記アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮し、前記アノードオフガスを、一酸化炭素を含むリサイクルガスと水とに分離させる気水分離部と、前記気水分離部と前記燃料電池との間のリサイクル経路に設けられ、前記リサイクル経路を通じて前記リサイクルガスを送るブロワと、前記気水分離部にて得られた水から水蒸気を発生させ、前記リサイクルガスに水蒸気を混合させる水蒸気発生部と、を備える。

0011

この燃料電池システムによれば、高温のアノードオフガスに含まれる水蒸気は、気水分離部で凝縮され、気水分離部では、水と分離されたリサイクルガスが生成される。そして、このリサイクルガスは、気水分離部と燃料電池との間に設けられたブロワを経由する。

0012

ここで、ブロワを経由するリサイクルガスは、気水分離部にて予め水凝縮されているため、アノードオフガスよりも低温である。したがって、リサイクルガスがブロワを経由する場合でも、ブロワとして高温用ブロワよりも安価な低温用ブロワを適用することができるので、低コスト化を実現することができる。

0013

また、気水分離部にて得られた水から水蒸気発生部が水蒸気を発生させることで、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。したがって、リサイクルガス中の水蒸気濃度が確保されることにより、リサイクルガスが流れるリサイクル経路では、以下の式に示されるシフト反応が進むため、炭素の析出を抑制することができる。

0014

CO+H2O→H2+CO2

0015

なお、リサイクルガスは、水蒸気と混合された状態でブロワを経由しても良いし、リサイクル経路におけるブロワよりも下流側において水蒸気と混合されても良い。ただし、リサイクルガスが水蒸気と混合された状態でブロワを経由する場合、リサイクルガスの温度が低温用ブロワの許容温度以下になるように、リサイクルガスに混合される水蒸気の温度が設定されることが望ましい。

0016

また、請求項2に記載のように、請求項1に記載の燃料電池システムは、前記リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて二酸化炭素を生成する選択酸化触媒をさらに備えていても良い。

0017

この燃料電池システムによれば、選択酸化触媒において、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とが反応して二酸化炭素が生成される。したがって、リサイクルガスに含まれる二酸化炭素の濃度が上昇することにより、炭素の析出が起こり得ないか又は起こりにくい雰囲気を実現することができるので、炭素の析出をより一層効果的に抑制することができる。

0018

また、請求項3に記載のように、請求項2に記載の燃料電池システムは、前記気水分離部の水位に応じた水位検出信号を出力する水位計、及び、前記リサイクル経路の内部の圧力に応じた圧力検出信号を出力する圧力計の少なくとも一方を有する検出部と、前記選択酸化触媒に空気を供給する空気供給部と、前記検出部から出力された検出信号に基づいて前記空気供給部及び前記水蒸気発生部を制御する制御部と、をさらに備えていても良い。

0019

この燃料電池システムによれば、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、空気供給部及び水蒸気発生部を制御するのではなく、気水分離部の水位、及び、リサイクル経路の内部の圧力に基づいて、空気供給部及び水蒸気発生部を制御する。したがって、一般に高価とされる一酸化炭素濃度センサ二酸化炭素濃度センサに比して安価である水位計及び圧力計を用いる分、より一層の低コスト化を実現することができる。

0020

また、請求項4に記載のように、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記気水分離部は、前記アノードオフガスを前記リサイクルガスと水とに分離させるドレンタンク本体であり、前記水蒸気発生部は、前記ドレンタンク本体に一体に設けられ、前記ドレンタンク本体と共にヒータ付ドレンタンクを構成するヒータであっても良い。

0021

この燃料電池システムによれば、気水分離部としてのドレンタンク本体に、水蒸気発生部としてのヒータが一体に設けられたヒータ付ドレンタンクを適用しているので、例えば気水分離部と水蒸気発生部とが別々に設けられる場合に比して、システムの小型化と、より一層の低コスト化を実現することができる。

0022

また、請求項5に記載のように、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気発生部は、前記リサイクル経路における前記ブロワよりも下流側において水蒸気を発生させても良い。

0023

この燃料電池システムによれば、水蒸気発生部は、リサイクル経路におけるブロワよりも下流側において水蒸気を発生させるので、ブロワの水耐性が不要になる。これにより、ブロワに安価なものを適用することができるので、より一層の低コスト化を実現することができる。

発明の効果

0024

以上詳述したように、本発明によれば、低コスト化を実現することができると共に、炭素の析出を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0025

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。
図1に示される制御部の処理の流れを示すフローチャートである。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第一変形例を示す全体構成図である。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第二変形例を示す全体構成図である。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第三変形例を示す全体構成図である。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの第四変形例を示す全体構成図である。

実施例

0026

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

0027

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10は、二酸化炭素改質器12と、燃料電池14(スタック)と、燃焼器16と、ヒータ付ドレンタンク18と、ブロワ20と、選択酸化触媒22と、水位計24と、圧力計26と、空気供給バルブ28と、制御部30とを備える。

0028

二酸化炭素改質器12、燃料電池14、及び、燃焼器16は、ホットボックス32に収容されている。この二酸化炭素改質器12、燃料電池14、及び、燃焼器16は、ホットボックス32と共にホットモジュールを構成している。

0029

二酸化炭素改質器12は、燃料電池14の前段に配置されている。この二酸化炭素改質器12には、炭化水素燃料及び空気が供給される。炭化水素燃料としては、例えば、都市ガス液化石油ガスバイオガスなどのメタンを含む炭化水素系のガス使用可能である。また、この二酸化炭素改質器12には、後述する選択酸化触媒22にて生成された二酸化炭素が供給される。この二酸化炭素改質器12は、二酸化炭素を利用して炭化水素燃料を二酸化炭素改質し、一酸化炭素と水素とを含む改質ガスを生成する。この二酸化炭素改質器12における二酸化炭素改質反応は、下記式(1)の通りである。

0030

CH4+CO2→2H2+2CO・・・(1)

0031

燃料電池14は、一例として、固体酸化物形燃料電池である。この燃料電池14は、積層された複数のセルを有している。各セルは、燃料極電解質層空気極を有している。各セルの燃料極には、二酸化炭素改質器12にて生成された改質ガスが供給され、各セルの空気極には、空気(酸化剤ガス)が供給される。

0032

空気極では、下記式(2)で示されるように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層を通って燃料極に到達する。

0033

空気極反応
1/2O2+2e−→O2−・・・(2)

0034

一方、燃料極では、下記式(3)及び式(4)で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各セルにおいて発電される。また、各セルは、発電時に上記電気化学反応に伴って発熱する。この発熱により、燃料極で生成された水は、水蒸気となる。

0035

(燃料極反応)
H2 +O2−→H2O+2e−・・・(3)
CO+O2−→CO2+2e−・・・(4)

0036

この燃料極にて発生するアノードオフガスには、燃料極反応にて生成された水蒸気及び二酸化炭素の他に、二酸化炭素改質器12にて生成され燃料電池14の燃料極にて未反応の水素及び一酸化炭素が含まれる。ホットボックス32内を流通するアノードオフガスの温度は、例えば、約200〜800℃である。

0037

燃焼器16は、燃料電池14の後段に配置されている。この燃焼器16には、燃料電池14の空気極から排出されたカソードオフガスが供給されると共に、燃料電池14の燃料極から排出されたアノードオフガスの一部が供給される。アノードオフガスには、上述の通り、燃料電池14の燃料極にて未反応の水素及び一酸化炭素が含まれており、燃焼器16は、酸素を含むカソードオフガスを利用してアノードオフガスを燃焼する。この燃焼器16の燃焼に伴い生成された燃焼排ガスは、ホットボックス32の外部に排出される。

0038

ヒータ付ドレンタンク18は、ドレンタンク本体34と、ヒータ36とを有する。ドレンタンク本体34は、本発明における「気水分離部」の一例である。このドレンタンク本体34には、アノードオフガスが供給される。ドレンタンク本体34では、アノードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮され、アノードオフガスが気体と水に分離される。ドレンタンク本体34で水と分離された気体には、水蒸気、二酸化炭素、水素、及び、一酸化炭素が含まれる。このドレンタンク本体34で水と分離された気体は、リサイクルガスとして燃料電池14の発電に再利用される。ドレンタンク本体34の余剰水は、外部に排出される。

0039

ヒータ36は、本発明における「水蒸気発生部」の一例である。このヒータ36は、ドレンタンク本体34に一体に設けられている。ヒータ36がオンになると、ドレンタンク本体34の水が加熱されて水蒸気が発生する。そして、この水蒸気は、リサイクルガスに混合される。このリサイクルガスは、後述するブロワ20を経由する。したがって、このリサイクルガスに混合される水蒸気の温度は、この水蒸気が混合されたリサイクルガスの温度がブロワ20として適用される低温用ブロワの許容温度以下になるように設定されることが望ましい。この温度は、上述のホットボックス32内を流通するアノードオフガスの温度よりも低い温度であり、例えば、約60〜80℃に設定される。

0040

ブロワ20は、ドレンタンク本体34と二酸化炭素改質器12との間のリサイクル経路38に設けられている。ブロワ20が作動すると、リサイクルガスが選択酸化触媒22を経由して二酸化炭素改質器12に送られる。このブロワ20には、高温の水蒸気を含むガスの送出に適した高温用ブロワでは無い通常のもの、すなわち、高温用ブロワよりも低価格の低温用ブロワが適用されている。

0041

選択酸化触媒22は、リサイクル経路38に設けられている。この選択酸化触媒22は、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて二酸化炭素を生成する。この選択酸化触媒22における反応は、下記式(5)の通りである。

0042

CO+1/2O2→CO2・・・(5)

0043

水位計24及び圧力計26は、本発明における「検出部」の一例である。水位計24は、ドレンタンク本体34の水位を検出し、この水位に応じた水位検出信号を出力する。圧力計26は、リサイクル経路38の内部の圧力を検出し、この圧力に応じた圧力検出信号を出力する。

0044

空気供給バルブ28は、本発明における「空気供給部」の一例である。この空気供給バルブ28は、選択酸化触媒22に接続された空気供給経路に設けられており、この空気供給経路を開放する状態と閉止する状態とに切り替えるように開閉動作する。

0045

制御部30は、例えば演算装置記憶装置等を有する電子回路によって構成されている。この制御部30は、水位計24から出力された水位検出信号、及び、圧力計26から出力された圧力検出信号に基づいてバルブ制御信号及びヒータ制御信号を出力し、空気供給バルブ28及びヒータ36を制御する。

0046

この制御部30の記憶装置には、リサイクル経路38の内部にて炭素が析出することを抑制するためのプログラムが格納されている。制御部30の演算装置は、そのプログラムを実行し、リサイクル経路38の内部にて炭素が析出することを抑制させる。

0047

次に、リサイクル経路38の内部にて炭素が析出することを抑制するための制御部30の動作について説明する。

0048

制御部30は、上述のプログラムを実行することで、具体的には、以下のステップS1〜ステップS7を実行する。

0049

ステップS1では、制御部30が、燃料電池14の各種状態を検出するセンサ出力信号に基づいて、燃料電池14の運転条件が一定であるか判断する。この場合の運転条件は、例えば、燃料電池14の温度、燃料利用率、電流値である。制御部30は、燃料電池14の運転条件が一定になるまでステップS1を繰り返し実行し、燃料電池14の運転条件が一定になると、ステップS2に移行する。

0050

ステップS2では、制御部30が、水位計24から出力された水位検出信号に基づいて、水位計24の水位変化量閾値を超えたか、又は、圧力計26から出力された圧力検出信号に基づいて、圧力計26の圧力が上限値を超えたか判断する。

0051

水位計24の水位変化量の閾値は、例えば、以下の理由及び要領で設定される。すなわち、固体酸化物形燃料電池の運転条件に対応するリサイクル経路38に必要な水蒸気量は、実験により求めることができる。炭素析出モニターした結果、例えば、システムの燃料利用率が80%、燃料電池14の実質燃料利用率が65%(リサイクル率64%)の場合には、最低限必要な水蒸気量はX(mol/min)であることが分かった。

0052

上述の最低限必要な水蒸気量に、例えば安全係数1.3を掛けた値を固体酸化物形燃料電池のある運転条件における運用水蒸気量とすることができる。水位計24の水位が増加した場合、何らかの理由で水凝縮量がドレンタンク本体34で大きくなり、これは、リサイクル経路38に供給される水蒸気量の減少を意味している。したがって、下記計算式より、リサイクル経路38に供給されなくなった分の0.3X(mol/min)の水蒸気量を早急に供給する必要がある。

0053

X(mol/min)×(1.3-1.0)=0.3X(mol/min)

0054

水位計24の水位変化量(閾値)は、ドレンタンク本体34の容量によって変化する。例えば、リサイクル経路38に供給されなくなった分の0.3X(mol/min)の水蒸気量を補うには、例えば、高さ25cm×横10cm×縦20cmの容量のドレンタンク本体34を使用した場合、下記計算式より、5.4X(mol/min)で、0.027X(cc/min)の速さで水位量が変化したときに、ヒータ36をオンにしてヒータ36の温度を上げることになる。この場合、水位計24の水位変化量に関する閾値は、0.027X(cc/min)に設定される。

0055

18(cc/mol)×0.3x(mol/min)=5.4X(cc/min)
5.4X÷10÷20=0.027X(cm/min)

0056

なお、ヒータ36の温度t(℃)とリサイクル経路38に供給する水蒸気量α(cc/min)の関係は、以下の式で示される。

0057

Tenesの式:飽和水蒸気圧E(hPa)=6.11×10^(7.5t/(t+237.3))
水蒸気濃度H(%)=E/1013.25(hPa) ×100
リサイクルガスのボリュームZ(cc/min)
供給する水蒸気量α(cc/min)=Z(cc/min)×H×(100-H)

0058

一方、圧力計26の圧力の上限値は、例えば、以下の理由及び要領で設定される。一般的にSOFCシステムにおける圧力の上限値は、本システムを実現させるようなアノードオフガス回収構造平板型燃料電池スタック許容圧力に因るところが大きく、上限値は、燃料電池スタック許容できる圧力がλ(kPa)とした場合、例えば安全係数1.3を割り返した値である0.77λ(kPa)に設定される。

0059

ステップS2において、制御部30は、水位計24の水位変化量が上述の閾値を超えるか、又は、圧力計26の圧力が上述の上限値を超えるまでステップS2を繰り返し実行する。そして、水位計24の水位変化量が閾値を超えたか、又は、圧力計26の圧力が上限値を超えると、制御部30は、ステップS3に移行する。

0060

ステップS3では、制御部30が、ヒータ制御信号としてヒータオン信号を出力すると共に、バルブ制御信号としてバルブ開信号を出力する。制御部30からヒータオン信号が出力されると、ヒータ36がオンになり、ドレンタンク本体34の水が加熱されて水蒸気が発生し、リサイクルガスに水蒸気が混合される。そして、これにより、リサイクルガス中の水蒸気濃度が増加する。リサイクルガス中の水蒸気濃度が増加すると、以下の式に示されるシフト反応が進み、炭素の析出が抑制される。

0061

CO+H2O→H2+CO2

0062

また、制御部30からバルブ開信号が出力されると、空気供給バルブ28が開き、空気供給経路を通じて選択酸化触媒22に空気が供給される。選択酸化触媒22では、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とが反応し二酸化炭素が生成される。そして、これにより、リサイクルガスに含まれる二酸化炭素の濃度が増加する。リサイクルガスに含まれる二酸化炭素の濃度が上昇することにより、炭素の析出が起こり得ないか又は起こりにくい雰囲気が実現され、炭素の析出がより一層効果的に抑制される。

0063

ステップS4では、制御部30が、水位計24から出力された水位検出信号及び圧力計26から出力された圧力検出信号に基づいて、水位計24の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計26の圧力が上限値以下であるか判断する。制御部30は、水位計24の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計26の圧力が上限値以下になるまでステップS4を繰り返し実行する。そして、水位計24の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計26の圧力が上限値以下になると、制御部30は、ステップS5に移行する。

0064

ステップS5では、制御部30が、バルブ制御信号としてバルブ閉信号を出力する。制御部30からバルブ閉信号が出力されると、空気供給バルブ28が閉じ、空気供給経路を通じた選択酸化触媒22への空気の供給が停止される。選択酸化触媒22では、空気の供給が停止されると、二酸化炭素の生成が停止する。

0065

ステップS6では、制御部30が、水位計24から出力された水位検出信号及び圧力計26から出力された圧力検出信号に基づいて、再度、水位計24の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計26の圧力が上限値以下であるか判断する。制御部30は、水位計24の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計26の圧力が上限値以下になるまでステップS6を繰り返し実行する。そして、水位計24の水位変化量が閾値以下で、かつ、圧力計26の圧力が上限値以下になると、制御部30は、ステップS7に移行する。

0066

ステップS7では、制御部30が、ヒータ制御信号としてヒータオフ信号を出力する。制御部30からヒータオフ信号が出力されると、ヒータ36がオフになり、ドレンタンク本体34に貯留された水の加熱が停止され、水蒸気の発生が停止する。本実施形態では、以上の要領で、リサイクル経路38の内部にて炭素が析出することが抑制される。

0067

次に、本発明の一実施形態の作用及び効果について説明する。

0068

以上詳述したように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10によれば、高温のアノードオフガスに含まれる水蒸気は、ドレンタンク本体34で凝縮され、ドレンタンク本体34では、水と分離されたリサイクルガスが生成される。そして、このリサイクルガスは、ドレンタンク本体34と二酸化炭素改質器12との間に設けられたブロワ20を経由して二酸化炭素改質器12に送られる。

0069

ここで、ブロワ20を経由するリサイクルガスは、ドレンタンク本体34にて予め水凝縮されているため、アノードオフガスよりも低温である。したがって、リサイクルガスがブロワ20を経由する場合でも、ブロワ20として高温用ブロワよりも安価な低温用ブロワを適用することができるので、低コスト化を実現することができる。

0070

また、ドレンタンク本体34にて得られた水をヒータ36により加熱して水蒸気を発生させることで、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。したがって、リサイクルガス中の水蒸気濃度が確保されることにより、リサイクルガスが流れるリサイクル経路38では、以下の式に示されるシフト反応が進むため、炭素の析出を抑制することができる。

0071

CO+H2O→H2+CO2

0072

また、燃料電池システム10によれば、選択酸化触媒22において、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素と空気中の酸素とが反応して二酸化炭素が生成される。したがって、リサイクルガスに含まれる二酸化炭素の濃度が上昇することにより、炭素の析出が起こり得ないか又は起こりにくい雰囲気を実現することができるので、炭素の析出をより一層効果的に抑制することができる。

0073

また、燃料電池システム10によれば、リサイクルガスに含まれる一酸化炭素の濃度に基づいて、空気供給バルブ28及びヒータ36を制御するのではなく、水位計24の水位、及び、圧力計26の圧力に基づいて、空気供給バルブ28及びヒータ36を制御する。したがって、一般に高価とされる一酸化炭素濃度センサや二酸化炭素濃度センサに比して安価である水位計24及び圧力計26を用いる分、より一層の低コスト化を実現することができる。

0074

また、燃料電池システム10によれば、ドレンタンク本体34にヒータ36が一体に設けられたヒータ付ドレンタンク18を適用している。したがって、例えば、アノードオフガスを気水分離する気水分離部と、リサイクルガスに水蒸気を混合させる水蒸気発生部とが別々に設けられる場合に比して、システムの小型化と、より一層の低コスト化を実現することができる。

0075

次に、本発明の一実施形態の変形例について説明する。

0076

(第一変形例)
図3に示される第一変形例では、本発明における「気水分離部」の一例として、ドレンタンク54が用いられると共に、本発明における「水蒸気発生部」の一例として、バブラー56が用いられている。

0077

ドレンタンク54は、アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮し、アノードオフガスを気体と水とに分離させる。バブラー56は、リサイクル経路38におけるドレンタンク54とブロワ20との間に設けられている。このバブラー56は、水蒸気発生器であり、ドレンタンク54にて得られた水から水蒸気を発生させ、リサイクルガスに水蒸気を混合させる。バブラー56の余剰水は、外部に排出される。ブロワ20は、バブラー56と選択酸化触媒22との間に設けられている。水位計24は、バブラー56の水位に応じた水位検出信号を出力し、制御部30は、バブラー制御信号を出力し、バブラー56を制御する。

0078

このように構成されていても、ブロワ20を経由するリサイクルガスは、ドレンタンク54にて予め水凝縮されているため、アノードオフガスよりも低温である。したがって、リサイクルガスがブロワ20を経由する場合でも、ブロワ20として高温用ブロワよりも安価な低温用ブロワを適用することができるので、低コスト化を実現することができる。

0079

また、ドレンタンク54にて得られた水からバブラー56により水蒸気を発生させることで、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。したがって、リサイクルガス中の水蒸気濃度が確保されることにより、リサイクルガスが流れるリサイクル経路38では、シフト反応が進むため、炭素の析出を抑制することができる。

0080

(第二変形例)
図4に示される第二変形例では、上述の第一変形例に対し、ブロワ20の配置位置が変更されている。つまり、第二変形例において、ブロワ20は、ドレンタンク54とバブラー56との間に設けられている。そして、バブラー56は、リサイクル経路38におけるブロワ20よりも下流側において水蒸気を発生させる。

0081

このように構成されていると、ブロワ20の水耐性が不要になる。これにより、ブロワ20に水耐性が低い安価なものを適用することができるので、より一層の低コスト化を実現することができる。

0082

(第三変形例)
図5に示される第三変形例では、本発明における「気水分離部」の一例として、ドレンタンク54が用いられると共に、本発明における「水蒸気発生部」の一例として、水タンク66及び水ポンプ68が用いられている。

0083

水タンク66は、ドレンタンク54から供給された水を貯留する。ブロワ20は、ドレンタンク54と選択酸化触媒22との間に設けられている。水ポンプ68は、水タンク66に貯留された水を、リサイクル経路38におけるブロワ20よりも下流側に供給する。リサイクル経路38におけるブロワ20よりも下流側に水が供給されると、この水がリサイクルガスによって加熱されて水蒸気となり、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。水位計24は、ドレンタンク54の水位に応じた水位検出信号を出力し、制御部30は、水ポンプ制御信号を出力し、水ポンプ68を制御する。

0084

このように構成されていても、ブロワ20を経由するリサイクルガスは、ドレンタンク54にて予め水凝縮されているため、アノードオフガスよりも低温である。したがって、リサイクルガスがブロワ20を経由する場合でも、ブロワ20として高温用ブロワよりも安価な低温用ブロワを適用することができるので、低コスト化を実現することができる。

0085

また、水ポンプ68からリサイクル経路38に供給された水がリサイクルガスによって加熱されて水蒸気となり、この水蒸気がリサイクルガスと混合される。したがって、リサイクルガス中の水蒸気濃度が確保されることにより、リサイクルガスが流れるリサイクル経路38では、シフト反応が進むため、炭素の析出を抑制することができる。

0086

さらに、水ポンプ68がリサイクル経路38におけるブロワ20よりも下流側に水を供給することにより、リサイクル経路38におけるブロワ20よりも下流側において水蒸気が発生するので、ブロワ20の水耐性が不要になる。これにより、ブロワ20に水耐性が低い安価なものを適用することができるので、より一層の低コスト化を実現することができる。

0087

(第四変形例)
図6に示される第四変形例では、上記実施形態に対し、二酸化炭素改質器12が省かれている。この第四変形例のように、ヒータ付ドレンタンク18や選択酸化触媒22を付与し、炭素析出に十分なケアができている場合には、一般的に二酸化炭素改質器12に搭載されている触媒よりも炭素析出耐性の弱い燃料電池14の燃料極(例えば、Ni-YSZ)に直接ガス供給することが可能となるので、二酸化炭素改質器12が省かれても良い。

0088

(その他の変形例)

0089

上記第一乃至第三変形例には、本発明における「水蒸気発生部」の変形例が示されているが、気水分離部にて得られた水から水蒸気を発生させ、リサイクルガスに水蒸気を混合し得る水蒸気発生部であれば、どのような構成でも良い。

0090

また、上記実施形態において、燃料電池14は、一例として、固体酸化物形燃料電池であるが、一酸化炭素、二酸化炭素、及び、水蒸気を含むアノードオフガスを発生し得る燃料電池であれば、固体酸化物形燃料電池以外でも良い。

0091

また、上記実施形態では、選択酸化触媒22が用いられているが、選択酸化触媒22が省かれても良い。

0092

また、上記実施形態において、制御部30は、水位計24から出力された水位検出信号、及び、圧力計26から出力された圧力検出信号に基づいて、空気供給バルブ28及びヒータ36を制御するが、水位検出信号及び圧力検出信号のどちらか一方の検出信号に基づいて、空気供給バルブ28及びヒータ36を制御しても良い。

0093

また、上記実施形態では、本発明における「空気供給部」の一例として、空気供給バルブ28が用いられているが、空気供給ポンプが用いられても良い。

0094

なお、上記その他の変形例のうち組み合わせ可能な変形例は、適宜、組み合わされて実施されても良い。

0095

また、上記その他の変形例は、上記第一乃至第四変形例と適宜組み合わされて実施されても良い。

0096

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

0097

10燃料電池システム
12二酸化炭素改質器
14燃料電池
16燃焼器
18ヒータ付ドレンタンク
20ブロワ
22選択酸化触媒
24水位計(「検出部」の一例)
26圧力計(「検出部」の一例)
28空気供給バルブ(「空気供給部」の一例)
30 制御部
32ホットボックス
34 ドレンタンク本体(「気水分離部」の一例)
36 ヒータ(「水蒸気発生部」の一例)
38リサイクル経路
54 ドレンタンク(「気水分離部」の一例)
56バブラー(「水蒸気発生部」の一例)
66水タンク(「水蒸気発生部」の一例)
68水ポンプ(「水蒸気発生部」の一例)

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