JP2009059658A - 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】より高い熱効率を有し、よりコンパクトな間接内部改質型ＳＯＦＣを提供する。
【解決手段】炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池を収容する筐体とを有し、改質器が互いに連通する第一の改質部および第二の改質部を有し、第一の改質部が改質ガスの流れに対して第二の改質部より上流側に位置し、該固体酸化物形燃料電池が固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部を有し、第一の改質部および第二の改質部が筐体の少なくとも一部を形成している間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は改質器を燃料電池近傍に有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ。以下場合によりＳＯＦＣという。）には、通常、改質器において灯油や都市ガスなどの炭化水素系燃料（改質原料）を改質して発生させた水素含有ガス（改質ガス）が供給される。ＳＯＦＣにおいて、この改質ガスと空気を電気化学的に反応させて発電を行う。ＳＯＦＣは通常５５０℃〜１０００℃程度の高温で作動させる。

改質には、水蒸気改質、部分酸化改質など種々の反応が利用される。いずれもある一定以上の温度を必要とする。そのため、ＳＯＦＣの近傍（ＳＯＦＣからの熱輻射を受ける位置）に改質器を設置し、ＳＯＦＣからの輻射熱によって改質器を加熱する間接内部改質型ＳＯＦＣが開発されている。特に、間接内部改質型ＳＯＦＣにおいて、可燃分を含有するアノードオフガス（ＳＯＦＣのアノードから排出されるガス）を間接内部改質型ＳＯＦＣの筐体（モジュール容器）内で燃焼させ、この燃焼熱を熱源として改質器を加熱することが行われている（特許文献１参照）。

特許文献２には、断熱改質を行う予備改質器と、固体酸化物形燃料電池に隣接して配置される内部改質器を有する固体酸化物形燃料電池が開示される。

特許文献３には、直立筒状体の内部に設けられた触媒室と、水平筒状体の内部に設けられた触媒室とを通って原料ガスが改質される燃料電池構造体が開示される。また、直立筒状体が発電室の側部に配置され、水平筒状体が燃焼域の上部近傍に配置され、燃焼域は発電室の上部に形成されることが開示される。
特開２００４−３１９４２０号公報 特開２００３−１１５３０７号公報 特開２００６−１９０８４号公報

間接内部改質型ＳＯＦＣは、ＳＯＦＣから得られる排熱を改質反応に利用して熱効率の向上を図ろうとするものであるが、さらなる熱効率の向上に加え、小型化が求められている。

本発明の目的は、より高い熱効率を有し、よりコンパクトな間接内部改質型ＳＯＦＣを提供することである。

本発明により、炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、
該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物形燃料電池を収容する筐体とを有し、
該改質器が、互いに連通する第一の改質部および第二の改質部を有し、該第一の改質部が改質ガスの流れに対して第二の改質部より上流側に位置し、
該固体酸化物形燃料電池が、該固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部を有し、
該第一の改質部および第二の改質部が、該筐体の少なくとも一部を形成している
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が提供される。

前記第二の改質部が、前記火炎形成部に対向する位置に配されることが好ましい。

前記第一の改質部が、前記固体酸化物形燃料電池の前記火炎形成部以外の部分に対向する位置に配されることが好ましい。

液体の水を気化する水気化器、液体の炭化水素系燃料を気化する燃料気化器および炭化水素系燃料を脱硫する脱硫器からなる群から選ばれる少なくとも一つが、前記筐体の一部を形成していることが好ましい。

本発明により、より高い熱効率を有し、よりコンパクトな間接内部改質型ＳＯＦＣが提供される。

以下、図面を用いて本発明の一形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

図１に、本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの一形態を模式的に示す。（ａ）は上面断面、（ｂ）は正面断面、（ｃ）は側面断面を示す模式図である。

間接内部改質型ＳＯＦＣは、炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器を有する。この改質器は、第一の改質部１および第二の改質部２を有する。第一の改質部と第二の改質部とは互いに連通する。第一の改質部が、改質ガスの流れに対して第二の改質部より上流側に位置する。また間接内部改質型ＳＯＦＣは、改質器で得られる改質ガスを用いて発電するＳＯＦＣ３を有し、さらに、ＳＯＦＣを収容する筐体（以下場合により、モジュール容器と称す）４を有する。第一の改質部および第二の改質部のいずれも、モジュール容器の一部を形成する。第一の改質部および第二の改質部によってモジュール容器の全部が形成されていてもよい。

図１に示す形態では、モジュール容器４は立方体状である。ＳＯＦＣ３の形状としては立方体状のものが用いられている。また、灯油等、液体の炭化水素系燃料が用いられる。

また、ＳＯＦＣは、火炎形成部１０を有する。火炎形成部は、アノードオフガス（ＳＯＦＣのアノードから排出されるガス）を燃焼させて火炎５を形成可能な、ＳＯＦＣの部分である。例えば、ＳＯＦＣのアノード出口を有する端面が火炎形成部となる。

第一の改質部においては相対的に低温で改質を行うことができる。その後、第二の改質部において相対的に高温で改質を行ってＳＯＦＣにおける発電に好適な組成を有する改質ガスを得ることができる。これにより、改質部のレイアウトの自由度が高まり、ＳＯＦＣから発せられる輻射熱と、アノードオフガスの燃焼により発生する熱との有効利用に資することができる。また、第一および第二の改質部がモジュール容器の少なくとも一部を形成することにより、改質器の外部にさらにモジュール容器を設ける必要がなくなり、間接内部改質型ＳＯＦＣのコンパクト化を図ることができる。

第二の改質部が、火炎形成部に対向する位置に配されることが好ましい。これにより、火炎形成部に形成される火炎からの輻射熱を第二の改質部にて有効に利用することができ、第二の改質部を高温にすることが容易となる。

第一の改質部が、ＳＯＦＣの、火炎形成部以外の部分に対向する位置に配されることが好ましい。第一の改質部は比較的低温であってよいので、火炎からの輻射熱を直接利用しなくてもよく、ＳＯＦＣが発する熱輻射を利用すればよいからである。

図１に示す形態の間接内部改質型ＳＯＦＣにおいて、ガス状の炭化水素系燃料とスチームが第一の改質部１に供給され、ここで改質反応が部分的に進行する。第一の改質部から得られる部分的に改質されたガスが第二の改質部２に供給され、さらに改質される。

水（液体）を気化させてスチームを得る水気化器、炭化水素系燃料が液体である場合にその燃料を気化する燃料気化器、炭化水素系燃料を脱硫する脱硫器を必要に応じて用いることができる。水気化器、燃料気化器および脱硫器は、間接内部改質型ＳＯＦＣとは別途設けられてもよい。間接内部改質型ＳＯＦＣがこれら機器を有していてもよい。熱の有効利用およびコンパクト化の観点からは、これら機器の少なくとも一つがモジュール容器の一部を形成することが好ましい。

ＳＯＦＣでは、改質器から得られる改質ガスを用いて発電する。電気化学反応のための酸素を供給するために、空気などの酸素含有ガスを間接内部改質型ＳＯＦＣに供給することができる。

図１に示す形態では、ＳＯＦＣ３の上方に、モジュール容器４の一部を形成する第二の改質部２が配置される。より具体的には、モジュール容器の天面を形成する壁の一部を、第二の改質部が形成している。火炎形成部１０はＳＯＦＣの上面である。このような構造により、火炎５で発生する燃焼熱を効率よく改質器、特には第二の改質部に伝えることができる。火炎からの輻射熱を第二の改質部に効率的に伝えるために、第二の改質部と火炎形成部との間には遮蔽物を配置しないことが好ましい。ここでは、ＳＯＦＣのアノード出口（開口）と、第二の改質部との間に、遮蔽物を配置しないことが好ましい。つまり、ＳＯＦＣ（特にはそのアノード出口の開口）と、第二の改質部とが、遮蔽物を挟むことなく対向することが好ましい。ただし、必要な配管等は適宜配置される。

ＳＯＦＣの側方に、モジュール容器の一部を形成する第一の改質部１が設けられる。より具体的には、モジュール容器４が有する四つの側壁のうちの、一つの側壁の一部を第一の改質部が形成している。第一の改質部は、ＳＯＦＣから熱輻射を受けることができる。これにより、ＳＯＦＣからの輻射熱を第一の改質部に伝えることができる。ＳＯＦＣからの輻射熱が第一の改質部に効率的に伝わるよう、第一の改質部とＳＯＦＣとの間には遮蔽物を配置しないことが好ましい。ただし、必要な配管等は適宜配置される。

このような構造により、第二の改質部においてアノードオフガスの燃焼熱を効果的に利用し、第一の改質部においてＳＯＦＣから発せられる輻射熱を利用することができる。これによって第一および第二の改質部が、それぞれに好適な温度まで、効率的に到達することができる。さらに、改質部温度を好適な温度とすることにより、従来と比較して、改質部に充填される改質触媒への負荷を低減することが可能となり、改質部の長寿命化とＳＯＦＣにおける発電に好適な組成の改質ガスを得ることが容易となる。

第一の改質部を有する側壁と相対する側壁の一部を、空気予熱器９が形成している。残りの相対する二つの側壁のそれぞれの一部を、水気化器と脱硫器と燃料気化器との組み合わせが形成している。脱硫器６は、燃料気化器７の外側に配される。水気化器８は、脱硫器６の外側に配される。第一および第二の改質部、脱硫器、燃料気化器、水気化器、空気予熱器は、いずれも直方体状とされる。

液体の炭化水素系燃料が脱硫器６で脱硫される。脱硫された炭化水素系燃料が燃料気化器７で気化される。一方、水が水気化器８で気化されスチームとされ、燃料気化器に導入される。気化した炭化水素系燃料とスチームとの混合ガスが第一の改質部１に供給される。脱硫器・燃料気化器・水気化器の組み合わせが二つあるが、いずれの組み合わせからも、気化した炭化水素系燃料とスチームとの混合ガスが得られ、第一の改質部に供給される。さらに第一の改質部から得られるガスが第二の改質部に供給される。第二の改質部から得られる改質ガスがＳＯＦＣ３のアノードに供給される。一方、空気が空気予熱器９で予熱され、ＳＯＦＣのカソードに供給される。アノードから排出されるアノードオフガスが、アノード出口の開口において燃焼し火炎５を形成する。ＳＯＦＣの上面が火炎形成部１０とされる。燃焼排ガスはモジュール容器から不図示の排気口により排気される。

各供給物は必要に応じて適宜予熱されたうえで間接内部改質型ＳＯＦＣに供給される。

モジュール容器としては、少なくともＳＯＦＣを収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。モジュール容器には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。モジュール容器の内部と外界（大気）とが連通しないように、モジュール容器が気密性を持つことが好ましい。モジュール容器の外形は、立方体状の他、直方体状や円筒状など適宜の形状を採用することができる。

第一の改質部もしくは第二の改質部によってモジュール容器を形成するために、モジュール容器の少なくとも一部を二重壁構造とし、内側の壁と外側の壁との間の空間に改質触媒を収容することができる。あるいは、モジュール容器の壁に反応容器を溶接などにより固定し、この反応容器の内部に改質触媒を収容することができる。

図１では、改質ガスおよび空気がＳＯＦＣに側方から供給されるかのごとくに示されるが、これらはガスの供給位置を正確に示すものではない。要するに、改質ガスがＳＯＦＣのアノードに供給され、空気がカソードに供給されればよい。

図１に示した形態では、水気化器と脱硫器と燃料気化器との組み合わせを二組用いているが、その限りではなく、例えば一組でもよい。またこれら三つの機器を組み合わせて用いる必要もなく、二つの機器を組み合わせてもよいし、何ら組み合わせなくてもよい。

第一および第二の改質部がモジュール容器の少なくとも一部を形成する限り、水気化器、脱硫器、燃料気化器、空気予熱器等の配置は限定されず、これら改質器以外の機器の少なくとも一つがモジュール容器の一部を形成していてもよいし、改質器以外の機器がいずれもモジュール容器の一部を形成していなくてもよい。

複数のＳＯＦＣ（スタックもしくはバンドル）を有し、それぞれのＳＯＦＣを収容する領域を有する筐体（モジュール容器）を備える間接内部改質型ＳＯＦＣを採用することもできる。例えば、四つのＳＯＦＣ（スタックもしくはバンドル）を有し、それぞれのＳＯＦＣを収容する領域（合計四つの領域）を有する筐体（モジュール容器）を備える間接内部改質型ＳＯＦＣを採用することもできる。このモジュール容器は、直方体状の外形を有し、また、田の字型の平面断面を有する。それぞれのＳＯＦＣの上方に火炎が形成され、すなわち各ＳＯＦＣの上面が火炎形成部とされる。それぞれの火炎形成部の上方に第二の改質部が配される。より具体的には、モジュール容器の天面の少なくとも一部を、第二の改質部が形成する。ＳＯＦＣの側方に、第一の改質器が配される。より具体的には、モジュール容器の側壁（外側の側壁のみならずＳＯＦＣ間に配置される側壁も含む）の少なくとも一部を、第一の改質部が形成する。

〔炭化水素系燃料〕
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料としてＳＯＦＣの分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む（酸素など他の元素を含んでもよい）化合物もしくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。

なかでも灯油やＬＰＧは、入手容易であり好ましい。また独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。さらに、灯油やＬＰＧを利用したＳＯＦＣ発電装置は、非常用電源として有用である。特には、取り扱いも容易である点で、灯油が好ましい。

〔脱硫器〕
脱硫器に収容する脱硫剤としては、一般的な脱硫に用いられる公知の脱硫剤を適宜用いることができる。

脱硫器がモジュール容器の一部を形成することもできる。

モジュール容器の一部を形成しない場合の脱硫器の構造および材質は、脱硫器として公知の構造および材質を適宜採用でき、例えば、密閉可能な容器内に脱硫剤を収容する領域を有し、脱硫しようとする流体の導入口と排出口を有する構造とすることができる。

モジュール容器の一部を形成しない場合の脱硫器の形状は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。

モジュール容器の一部を形成する脱硫器の材質は、脱硫器として公知の材質から、使用環境における耐性を考慮して適宜選んで採用できる。モジュール容器の一部を形成する脱硫器を得るために、モジュール容器の壁に反応容器を溶接などにより固定し、この反応容器の内部に脱硫剤を収容することができる。あるいは、モジュール容器の少なくとも一部を二重壁構造とし、内側の壁と外側の壁との間の空間に脱硫剤を収容することもできる。

その形状は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。

〔改質器〕
改質器は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。改質器においては第一および第二の改質部とも改質反応を行うことができる。改質反応に必要な熱は第一の改質部にはＳＯＦＣの輻射熱から、第二の改質部には火炎及びＳＯＦＣの輻射熱から供給される。

改質器は、一般に公知な水蒸気改質能、部分酸化改質能などを有する公知な非貴金属もしくは貴金属改質触媒を備えることができる。

第一および第二の改質部の形状は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。

炭化水素系燃料（必要に応じて予め気化される）および水蒸気、さらに必要に応じて空気等の酸素含有ガスをそれぞれ単独で、もしくは適宜混合した上で改質器に供給することができる。また、改質部から得られる改質ガスはＳＯＦＣのアノードに供給される。

〔ＳＯＦＣ〕
改質器から得られる改質ガスが、ＳＯＦＣのアノードに供給される。一方、ＳＯＦＣのカソードには空気などの酸素含有ガスが供給される。発電に伴いＳＯＦＣが発熱し、その熱がＳＯＦＣから改質器（特には、第一の改質部）へと輻射伝熱する。こうしてＳＯＦＣ排熱が改質反応の吸熱に利用される。ガスの取り合い等は適宜配管等を用いて行う。

ＳＯＦＣとしては、アノード出口にてアノードオフガスを燃焼可能な公知のＳＯＦＣを適宜選んで採用できる。ＳＯＦＣでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。

ＳＯＦＣは単セルであってもよいが、実用上は複数の単セルを配列させたバンドルもしくはスタックが好ましく用いられる。この場合、バンドルもしくはスタックは１つでも複数でもよい。

ＳＯＦＣの形状も立方体状に限らず、適宜の形状を採用できる。

〔水気化器・燃料気化器〕
水気化器、燃料気化器とも、水もしくは炭化水素系燃料を気化可能な公知の構造および材質を適宜採用することができる。

モジュール容器の一部を形成する場合の水気化器もしくは燃料気化器の材質は、公知の材質から、使用環境における耐性を考慮して適宜選んで採用できる。モジュール容器の一部を形成する水気化器もしくは燃料気化器を得るために、モジュール容器の少なくとも第２の改質部以外の一部を二重壁構造とするか、あるいはモジュール容壁の壁に気化器を溶接などにより固定することができる。

その形状（外形）は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。

〔他の機器〕
間接内部改質型ＳＯＦＣの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、炭化水素系燃料や可燃物の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。

本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣは、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用できる。本発明の改質器は、このような間接内部改質型ＳＯＦＣに好適に利用できる。

本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの例を示す模式図であり、（ａ）は上面断面を、（ｂ）は正面断面を、（ｃ）は側面断面を示す。

符号の説明

１ 第一の改質部
２ 第二の改質部
３ ＳＯＦＣ
４ 筐体（モジュール容器）
５ 火炎
６ 脱硫器
７ 燃料気化器
８ 水気化器
９ 空気予熱器
１０ 火炎形成部

Claims (4)

1. 炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、
   該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
   該固体酸化物形燃料電池を収容する筐体とを有し、
   該改質器が、互いに連通する第一の改質部および第二の改質部を有し、該第一の改質部が改質ガスの流れに対して第二の改質部より上流側に位置し、
   該固体酸化物形燃料電池が、該固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部を有し、
   該第一の改質部および第二の改質部が、該筐体の少なくとも一部を形成している
   間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
2. 前記第二の改質部が、前記火炎形成部に対向する位置に配された請求項１記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
3. 前記第一の改質部が、前記固体酸化物形燃料電池の前記火炎形成部以外の部分に対向する位置に配された請求項１または２記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
4. 液体の水を気化する水気化器、液体の炭化水素系燃料を気化する燃料気化器および炭化水素系燃料を脱硫する脱硫器からなる群から選ばれる少なくとも一つが、前記筐体の一部を形成している請求項１から３の何れか一項記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。

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