特開 2023-176977 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023176977

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04111 20160101AFI20231206BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20231206BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04111

H01M8/04 J

H01M8/0606

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022089613

(22)【出願日】2022-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】000116574

【氏名又は名称】愛三工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】鳥居 英将

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB28

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA44

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB25

5H127BB37

(57)【要約】

【課題】燃料電池の発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本開示の一態様は、燃料電池システム１において、燃料ガス供給通路１２に設けられ、燃料ガスを圧縮するアノード圧縮機１９と、酸化剤ガス供給通路１３に設けられ、酸化剤ガスを圧縮するカソード圧縮機２０と、排気ガス通路１５に設けられ、排気ガスを用いて動力を発生させる蒸気タービン２１と、蒸気タービン２１で発生する動力を伝達する動力伝達軸３１と、を有し、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０は、動力伝達軸３１に接続している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路と、
前記燃料電池で発生する排気ガスを流す排気ガス通路と、を有する
燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給通路に設けられ、前記燃料ガスを圧縮する第１圧縮機と、
前記酸化剤ガス供給通路に設けられ、前記酸化剤ガスを圧縮する第２圧縮機と、
前記排気ガス通路に設けられ、前記排気ガスを用いて動力を発生させるタービンと、
前記タービンで発生する動力を伝達する動力伝達部と、を有し、
前記第１圧縮機と前記第２圧縮機は、前記動力伝達部に接続していること、
を特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１の燃料電池システムにおいて、
前記タービンは、蒸気タービンであること、
を特徴とする燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１または２の燃料電池システムにおいて、
前記動力伝達部に接続し、前記タービンで発生する動力を用いて発電するジェネレータを有すること、
を特徴とする燃料電池システム。

【請求項4】

請求項３の燃料電池システムにおいて、
前記ジェネレータの発電量を制御する負荷変動機構を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１または２の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給通路に設けられ、前記燃料ガスを生成する改質器を有し、
前記改質器は、前記第１圧縮機よりも上流側の位置に設けられること、
を特徴とする燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、排気ガスによりタービンを回して得られる動力で圧縮機を駆動させることにより酸化剤ガスを昇圧する燃料電池システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５－４３０４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

酸化剤ガスのみ昇圧して、燃料ガスは昇圧していないので、燃料電池の発電効率として十分な効率が得られないおそれがある。

【0005】

そこで、本開示は上記した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電効率を向上させ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】

【0006】

上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路と、前記燃料電池で発生する排気ガスを流す排気ガス通路と、を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給通路に設けられ、前記燃料ガスを圧縮する第１圧縮機と、前記酸化剤ガス供給通路に設けられ、前記酸化剤ガスを圧縮する第２圧縮機と、前記排気ガス通路に設けられ、前記排気ガスを用いて動力を発生させるタービンと、前記タービンで発生する動力を伝達する動力伝達部と、を有し、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機は、前記動力伝達部に接続していること、を特徴とする。

【0007】

この態様によれば、燃料ガスを圧縮する第１圧縮機と酸化剤ガスを圧縮する第２圧縮機とが、タービンで発生する動力が伝達されるようにして、タービンと同軸に設けられている。そのため、タービンで発生する動力を用いて酸化剤ガスだけでなく燃料ガスも昇圧させることができる。したがって、燃料ガスと酸化剤ガスが共に昇圧した状態で燃料電池に供給されるので、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

【0008】

上記の態様においては、前記タービンは、蒸気タービンであること、が好ましい。

【0009】

この態様によれば、排気ガスのエネルギを蒸気タービンで発生する動力に変換することにより、排気ガスの圧力と温度を低下させて、排気ガスに含まれる不要な水分を効率的に除去できる。

【0010】

上記の態様においては、前記動力伝達部に接続し、前記タービンで発生する動力を用いて発電するジェネレータを有すること、が好ましい。

【0011】

この態様によれば、タービンで発生する動力のうち、第１圧縮機や第２圧縮機に必要な動力を超える余剰動力を用いて、ジェネレータにより電力として取り出すことができる。

【0012】

上記の態様においては、前記ジェネレータの発電量を制御する負荷変動機構を有すること、が好ましい。

【0013】

この態様によれば、負荷変動機構によりジェネレータの発電量を制御して、タービンから第１圧縮機や第２圧縮機に与えられる動力を制御することにより、第１圧縮機と第２圧縮機による燃料ガスと酸化剤ガスの昇圧を制御できる。このようにして、第１圧縮機と第２圧縮機の出力制御性を向上させることができる。

【0014】

上記の態様においては、前記燃料ガス供給通路に設けられ、前記燃料ガスを生成する改質器を有し、前記改質器は、前記第１圧縮機よりも上流側の位置に設けられること、
が好ましい。

【0015】

この態様によれば、改質器は、第１圧縮機よりも上流側の高圧が作用しない位置に設けられているので、改質反応の反応割合を示す転化率が下がることを防止できる。

【発明の効果】

【0016】

本開示の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態の燃料電池システムの構成図である。

【図2】第２実施形態の燃料電池システムの構成図である。

【図3】第３実施形態の燃料電池システムの構成図である。

【図4】第４実施形態の燃料電池システムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本開示の燃料電池システムの実施形態について説明する。

【0019】

〔第１実施形態〕
まず、第１実施形態について説明する。

【0020】

（燃料電池システムの全体概要の説明）
本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示すように、スタック１１と、燃料ガス供給通路１２と、酸化剤ガス供給通路１３と、未使用酸化剤ガス循環通路１４と、排気ガス通路１５と、改質器１６と、第１熱交換器１７と、第２熱交換器１８と、アノード圧縮機１９と、カソード圧縮機２０と、蒸気タービン２１と、都市ガス供給機２２と、水供給機２３と、空気供給機２４などを有する。なお、スタック１１と、燃料ガス供給通路１２と、酸化剤ガス供給通路１３と、未使用酸化剤ガス循環通路１４と、排気ガス通路１５と、改質器１６と、第１熱交換器１７と、第２熱交換器１８と、アノード圧縮機１９と、カソード圧縮機２０と、蒸気タービン２１は、ホットモジュール１０内に設けられている。また、ホットモジュール１０は、高い温度に保たれる機器である。

【0021】

スタック１１は、燃料ガス（例えば、水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、空気に含まれる酸素ガス）とを用いて発電を行う燃料電池である。

【0022】

燃料ガス供給通路１２は、スタック１１に燃料ガスを供給する通路である。この燃料ガス供給通路１２は、第１熱交換器１７とスタック１１とに接続している。

【0023】

酸化剤ガス供給通路１３は、スタック１１に酸化剤ガスを供給する通路である。この酸化剤ガス供給通路１３は、第２熱交換器１８とスタック１１とに接続している。

【0024】

未使用酸化剤ガス循環通路１４は、スタック１１から排出される未使用の酸化剤ガスを循環させる通路である。この酸化剤ガス供給通路１３は、スタック１１と第２熱交換器１８とに接続している。

【0025】

排気ガス通路１５は、スタック１１で発生する排気ガスを流す通路である。この排気ガス通路１５は、スタック１１と第１熱交換器１７とに接続している。

【0026】

改質器１６は、燃料ガス供給通路１２に設けられ、第１熱交換器１７から燃料ガス供給通路１２を流れる都市ガスを改質して、燃料ガス（例えば、水素ガス）を生成する機器である。

【0027】

第１熱交換器１７は、都市ガス供給機２２から供給される都市ガスと、水供給機２３から供給される水と、排気ガス通路１５から供給される排気ガスとの間で熱交換を行う機器である。

【0028】

第２熱交換器１８は、空気供給機２４から供給される新規の空気（酸化剤ガスを含む）と、スタック１１から排出される酸化剤ガスとの間で熱交換を行う機器である。

【0029】

アノード圧縮機１９は、燃料ガス供給通路１２における改質器１６とスタック１１との間の位置に設けられ、改質器１６から供給される燃料ガスを圧縮して昇圧させる機器である。なお、アノード圧縮機１９は、本開示の「第１圧縮機」の一例である。

【0030】

カソード圧縮機２０は、酸化剤ガス供給通路１３に設けられ、第２熱交換器１８から供給される酸化剤ガスを圧縮して昇圧させる機器である。なお、カソード圧縮機２０は、本開示の「第２圧縮機」の一例である。

【0031】

蒸気タービン２１は、排気ガス通路１５に設けられ、排気ガスを用いて回転することにより動力を発生する。

【0032】

都市ガス供給機２２は、都市ガスを第１熱交換器１７に供給する機器である。水供給機２３は、水を第１熱交換器１７に供給する機器である。空気供給機２４は、空気を第２熱交換器１８に供給する機器である。

【0033】

（システム効率の向上に関して）
本実施形態では、図１に示すように、蒸気タービン２１と同軸に、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０が設けられている。具体的には、燃料電池システム１は、蒸気タービン２１で発生する動力を伝達する動力伝達軸３１を有し、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０は、動力伝達軸３１に接続している。なお、動力伝達軸３１は、本開示の「動力伝達部」の一例である。

【0034】

そして、排気ガスのエネルギを蒸気タービン２１で発生する動力に変換し、この蒸気タービン２１で発生する動力をアノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０の動力に変換する。すなわち、まず、排気ガスにより蒸気タービン２１を回して動力を発生させる。そして、このようにして蒸気タービン２１で発生する動力を、動力伝達軸３１を介して、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０に伝達する。そして、このようにしてアノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０を駆動させることにより、燃料ガスはアノード圧縮機１９により昇圧され、酸化剤ガスはカソード圧縮機２０により昇圧される。そして、燃料ガスと酸化剤ガスは、昇圧した状態で、スタック１１へ供給される。

【0035】

このようにして、スタック１１に供給される燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を高くするので、スタック１１の発電効率が向上して、取り出せる電力が上昇して、燃料電池システム１のシステム効率が向上する。

【0036】

また、蒸気タービン２１が所定の回転数で回っているときのアノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０の出力特性は、燃料ガスと酸化剤ガスの昇圧の効果を最大限に得るため、最大出力を加味して決定する。そして、出力特性の調整方法は、変速機等を用いた制御により実現する。すなわち、蒸気タービン２１の回転数に応じてアノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０で最大出力（すなわち、最大の昇圧の効果）が得られるように、蒸気タービン２１とアノード圧縮機１９との間の動力伝達軸３１の第１部位３１ａや、蒸気タービン２１とカソード圧縮機２０との間の動力伝達軸３１の第２部位３１ｂに設けた変速機（不図示）などで、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０の駆動を制御してもよい。

【0037】

また、蒸気タービン２１とアノード圧縮機１９との間や、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０との間にシール構造３６を設けることで、燃料ガスや酸化剤ガスのリーク（漏れ）を抑制できる。

【0038】

また、蒸気タービン２１とアノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０は、金属材料で構成されているので、ホットモジュール１０内の高温（例えば、約７００℃）の環境下に設けることができる。

【0039】

（本実施形態の作用効果）
本実施形態によれば、燃料電池システム１は、蒸気タービン２１で発生する動力を伝達する動力伝達軸３１を有し、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０は、動力伝達軸３１に接続している。

【0040】

このようにして燃料ガスを圧縮するアノード圧縮機１９と酸化剤ガスを圧縮するカソード圧縮機２０とが、蒸気タービン２１で発生する動力が伝達されるようにして、蒸気タービン２１と同軸に設けられている。そのため、蒸気タービン２１で発生する動力を用いて酸化剤ガスだけでなく燃料ガスも昇圧させることができる。したがって、燃料ガスと酸化剤ガスが共に昇圧した状態でスタック１１に供給されるので、スタック１１の発電効率を向上させることができる。

【0041】

また、排気ガスのエネルギを蒸気タービン２１で発生する動力に変換することにより、排気ガスの圧力と温度を低下させて、排気ガスに含まれる不要な水分を効率的に除去できる。

【0042】

また、改質器１６は、高圧が作用すると転化率が下がるおそれがある。そこで、本実施形態では、改質器１６は、燃料ガス供給通路１２における燃料ガスの流れ方向について、アノード圧縮機１９よりも上流側の位置に設けられている。すなわち、燃料ガス供給通路１２における改質器１６とスタック１１との間の位置に、アノード圧縮機１９が設けられている。

【0043】

このようにして、改質器１６は、アノード圧縮機１９よりも下流側の高圧が作用する位置ではなく、アノード圧縮機１９よりも上流側の高圧が作用しない位置に設けられているので、改質反応の反応割合を示す転化率が下がることを防止できる。

【0044】

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明するが、主に第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と共通する点の説明は省略する。

【0045】

本実施形態では、燃料電池システム１は、図２に示すように、空気供給機２４を有しておらず、カソード圧縮機２０が外気から空気を取り込むようにしている。すなわち、蒸気タービン２１で発生する動力を用いてカソード圧縮機２０が外気から空気を取り込むようにすることで、空気供給機２４を廃止している。

【0046】

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態について説明するが、主に第１，２実施形態と異なる点について説明し、第１，２実施形態と共通する点の説明は省略する。

【0047】

本実施形態では、燃料電池システム１は、図３に示すように、ジェネレータ３２を有する。そして、このジェネレータ３２は、動力伝達軸３１の第３部位３１ｃに接続し、蒸気タービン２１で発生する動力を用いて発電する。このようにして、蒸気タービン２１とアノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０と同軸に、蒸気タービン２１で発生する動力が伝達されるようにして、ジェネレータ３２が設けられている。

【0048】

このようにして、蒸気タービン２１で発生する動力のうち、アノード圧縮機１９やカソード圧縮機２０に必要な動力を超える余剰動力を用いて、ジェネレータ３２により電力として取り出すことができる。

【0049】

また、ジェネレータ３２を、ホットモジュール１０の外部に設けることにより、ジェネレータ３２を形成する材料の選定の自由度が向上する。

【0050】

また、燃料電池システム１は、ジェネレータ３２の発電量を制御する負荷変動機構３３を有する。

【0051】

これにより、負荷変動機構３３によりジェネレータ３２の発電量を制御して、蒸気タービン２１からアノード圧縮機１９やカソード圧縮機２０に与えられる動力を制御することにより、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０による燃料ガスと酸化剤ガスの昇圧を制御できる。このようにして、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０の出力制御性を向上させることができる。

【0052】

〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態について説明するが、主に第１～３実施形態と異なる点について説明し、第１～３実施形態と共通する点の説明は省略する。

【0053】

本実施形態では、燃料電池システム１は、図４に示すように、蒸気タービン２１の代わりに設けられるガスタービン３４と、排気ガス通路１５におけるスタック１１とガスタービン３４との間の位置に設けられる燃焼器３５と、を有する。そして、ガスタービン３４は、燃焼器３５にて排気ガスに含まれる残渣ガスや残空気または新気を用いて燃焼させて得られた高温高圧ガスを動力源として駆動することにより、動力を発生する。

【0054】

そして、本実施形態においても、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０は、ガスタービン３４で発生する動力を伝達する動力伝達軸３１に接続している。そして、このようにして、アノード圧縮機１９とカソード圧縮機２０を駆動させるための動力を、ガスタービン３４から得ている。

【0055】

また、第３実施形態と同様に、燃料電池システム１は、動力伝達軸３１に接続し、ガスタービン３４で発生する動力を用いて発電するジェネレータ３２や、ジェネレータ３２の発電量を制御する負荷変動機構３３を有していても、または、有していなくてもよい。さらに、第２実施形態と同様に空気供給機２４を廃止してもよい。

【0056】

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

【符号の説明】

【0057】

１ 燃料電池システム
１１ スタック
１２ 燃料ガス供給通路
１３ 酸化剤ガス供給通路
１５ 排気ガス通路
１６ 改質器
１９ アノード圧縮機
２０ カソード圧縮機
２１ 蒸気タービン
３１ 動力伝達軸
３２ ジェネレータ
３３ 負荷変動機構
３４ ガスタービン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】