JP7016024B2 - 高温動作型燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明者らは、排熱を有効に利用できる高温動作型燃料電池の一例として固体酸化物形燃料電池システム(以下、SOFCシステム)に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
(高温動作型燃料電池システムの構成)
まず、図1を参照して、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100の概略構成の一例を示す側面図である。図1では、高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、高温動作型燃料電池システム100は、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、本明細書では、発電原料供給経路8を通じて外部から供給される原料ガスを発電原料と称し、改質器5において改質反応により改質された発電原料を改質ガスと称する。
C2H6S+2H2→2CH4+H2S ・・・(1)
H2S+ZnO→H2O+ZnS ・・・(2)
なお、発電原料に含まれる付臭剤は、上述したDMSの他に、TBM(C4H10S)またはTHT(C4H8S)等の硫黄化合物の場合もある。
以下において高温動作型燃料電池システム100が備える第1断熱部21および第2断熱部22について詳細に説明する。
ここで、高温動作型燃料電池システム100における流体(酸化剤ガス、カソードオフガス、改質ガス、およびアノードオフガス)の流れについて説明する。
実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100では、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14が燃焼部7の上方に設置されている。このため、高温の排ガスによって、蒸発器4、改質器5、および第2予熱部14を流通する酸化剤ガスをそれぞれの機能に適した温度まで加熱することができる構成である。
次に、第1断熱部21と第2断熱部22との間に第1予熱部12を設ける場合と、設けない場合とを比較して、第1予熱部12を備えることの効果を説明する。
高温動作型燃料電池システム100では、筐体3内において第2予熱部14により燃焼部7の上方の内部を、第3予熱部16により燃焼部7の下方の内部を覆う構成であった。そして、第2予熱部14と第3予熱部16とはそれぞれ別体として設けられた構成であった。しかしながらこの構成に限定されるものではなく、第2予熱部14と第3予熱部16とを一体に形成してもよい。
さらに、高温動作型燃料電池システム100では、第1予熱部12、第1断熱部21、および第2断熱部22は、高温動作型燃料電池システム100の筐体3の側面に配置された構成であった。しかしながらこれに限定されるものではなく、図4に示すように筐体3の底面および上面を覆う構成としても良いし、底面または上面のいずれか一方だけを覆う構成としてもよい。図4は、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100の概略構成の一例を示す側面図である。図4では、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。なお、実施の形態1の変形例1に係る高温動作型燃料電池システム100は、その筐体部3の側面に加えて上面および底面もさらに、第1予熱部12、第1断熱部21、および第2断熱部22によって囲っている点を除けば、実施の形態1に係る高温動作型燃料電池システム100と同様の構成であるため、同じ部材には同じ符号を付し、構成の説明については省略する。
図6を参照して実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200について説明する。図6は、本発明の実施の形態2に係る高温動作型燃料電池システム200の概略構成の一例を示す側面図である。図6では、高温動作型燃料電池システム200を側面側から見たときの要部構成を示しており、紙面における下方を底面、上方を上面とした円柱形状または直方体形状とすることができる。
22によって覆う構成であった。
2 燃料電池スタック容器
3 筐体部
4 蒸発器
5 改質器
6 噴出部
7 燃焼部
8 発電原料供給経路
9 改質ガス経路
10 アノードオフガス経路
11 酸化剤ガス供給経路
12 第1予熱部
13 酸化剤ガス筐体部供給経路
14 第2予熱部
15 第1酸化剤ガス経路
16 第3予熱部
17 第2酸化剤ガス経路
19 排ガス経路
21 第1断熱部
22 第2断熱部
25 酸化剤ガス供給器
26 発電原料供給器
27 制御部
30 分散板
100 高温動作型燃料電池システム
200 高温動作型燃料電池システム
Claims (8)
- カソードに供給される酸化剤ガスとアノードに供給される改質ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記カソードから排出されたカソードオフガスと、前記アノードから排出されたアノードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部により生成された排ガスの有する熱を利用して改質反応を行い、供給された原料から前記改質ガスを生成する改質器と、
第1予熱部と、
前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスと酸化剤ガスとの熱交換により該酸化剤ガスを予熱させ、前記燃料電池スタックの前記カソードへ供給する第2予熱部と、
前記燃料電池スタック、前記燃焼部、前記改質器、および前記第2予熱部を収容する筐体部と、
前記筐体部の外周の少なくとも一部を覆う第1断熱部と、を備え、
前記第1予熱部は、前記第1断熱部の外周側を覆うとともに、前記筐体部内から該第1断熱部を介して伝達された熱により、前記第2予熱部へ供給する前の酸化剤ガスを予熱する高温動作型燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックを収容するとともに、該燃料電池スタックの前記カソードから排出された前記カソードオフガスが内部を流通し前記燃焼部に導かれる燃料電池スタック容器と、
前記燃料電池スタック容器の内壁に設けられ、該燃料電池スタック容器内を流通するカソードオフガスと前記燃料電池スタックに供給する前であって前記第2予熱部によって予熱された酸化剤ガスをさらに予熱する第3予熱部とを備える高温動作型燃料電池システム。 - 前記第1予熱部の外周側を覆う第2断熱部をさらに備える、請求項1に記載の高温動作型燃料電池システム。
- 前記燃焼部は前記燃料電池スタック容器の上面に設けられており、
前記第1予熱部は、少なくとも前記燃料電池スタック容器および前記燃焼部の側部を覆うように配置されている請求項1に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記酸化剤ガスは、前記第1予熱部、前記第2予熱部、および前記第3予熱部の順に流通して前記燃料電池スタックに供給されており、
前記第1予熱部は、前記筐体部内から前記第1断熱部を介して伝達した熱によって外部から供給された酸化剤ガスを予熱し、
前記第2予熱部は、前記第1予熱部により予熱された酸化剤ガスを、前記改質器の改質反応により熱の一部が利用された前記排ガスの有する熱によって予熱し、
前記第3予熱部は、前記第2予熱部によって予熱された酸化剤ガスを、前記燃料電池スタック容器内を流通するカソードオフガスの熱により予熱する請求項1または3に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記改質器は、前記燃焼部の上方に配置され、該燃焼部の下方に前記燃料電池スタックが配置されており、
前記筐体部は、
前記第2予熱部と前記第3予熱部との間に設けられ、該第2予熱部から該第3予熱部へと前記酸化剤ガスを流通させる第1酸化剤ガス経路と、
前記燃焼部において生成された排ガスが流通し、該排ガスを外部に導く排ガス経路と、
をさらに収容しており、
前記改質器、前記燃焼部、前記燃料電池スタック、および前記排ガス経路が、前記第2予熱部、前記第1酸化剤ガス経路、および前記第3予熱部によって囲まれている請求項4に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記第2断熱部は、真空断熱材から構成される請求項2に記載の高温動作型燃料電池システム。
- 前記第1予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、
前記酸化剤ガス流量制御部は、
前記酸化剤ガスの流量を制御することにより、前記筐体部内から外部に放出される熱量を調整する請求項1から6のいずれか1項に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記第1予熱部に供給する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御部をさらに備え、
前記酸化剤ガス流量制御部は、
前記第2断熱部の内周側の温度が200℃以下となるように、前記酸化剤ガスの流量を調整する請求項2に記載の高温動作型燃料電池システム。
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