JP2005174551A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、吸熱反応容器を組み合わせてなる固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell formed by combining endothermic reaction vessels.
固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質に酸素イオン導伝体を用い、水素、一酸化炭素、あるいはこれらの混合ガスを燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として600〜1000℃の高温で動作する高温型燃料電池である。このタイプの電池は発電反応の安定化のために、酸化剤である空気を大量に送給し電気化学反応後の高温の反応熱を除熱するものとなっている。 A solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxygen ion conductor as an electrolyte, hydrogen, carbon monoxide, or a mixed gas thereof as fuel, and oxygen in the air as an oxidant at a high temperature of 600 to 1000 ° C. This is a high-temperature fuel cell that operates on. In order to stabilize the power generation reaction, this type of battery removes the high-temperature reaction heat after the electrochemical reaction by supplying a large amount of oxidant air.
上記のSOFCの高温排熱をより高度に利用し、投入する1次エネルギーの利用効率を向上するために、各方面においてSOFCと発電装置等との複合化の研究開発が取り組まれており、SOFC等の高温型燃料電池の未利用燃料を含む高温排出ガスをガスタービンに供給する、ガスタービン機関とSOFC等の高温型燃料電池との複合化によるコージェネレーション装置の研究開発が進められてきている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
こうした発電装置等との複合化は、SOFCから排出される高温の排熱を利用して機関エネルギーを得るものであり、SOFCと機関との複合化は複雑なものとなるとともに、電気化学反応による早い系とオフガスの熱機関への利用に伴う遅い系を組み合わせるため運転制限を受けたりするなどの問題があった。 Such compounding with power generators, etc., obtains engine energy using high-temperature exhaust heat exhausted from the SOFC, and the compounding of the SOFC and the engine becomes complicated and depends on the electrochemical reaction. There were problems such as being restricted in operation due to the combination of the fast system and the slow system associated with the use of off-gas heat engines.
これに対し、本願発明者等は、SOFCを吸熱反応装置である低級炭化水素直接改質器と複合化して、SOFCの高温排ガスを原料ガスに混合するとともに、SOFCと直接改質器を同一の断熱容器内に配置して伝熱により直接改質反応の反応熱に供給する方式を開発し、引き続きその実用化に向けた研究開発を進めてきた(特許文献3参照)。
低級炭化水素直接改質は、天然ガス、バイオガス、コークス炉オフガス等の1〜5炭素原子を分子内に含むメタン等の低級炭化水素含有原料を、金属坦持メタロシリケート触媒の存在下で直接改質し、水素およびベンゼン、ナフタレン等芳香族炭化水素を併産する方法として下記特許文献などにより公知となっている改質技術である。
上記の低級炭化水素含有原料の直接改質は、固定床、移動床又は流動床等の流通式反応形式により、低級炭化水素含有原料を金属坦持メタロシリケート触媒に300〜800℃、好ましくは450〜775℃、より好ましくは705〜750℃の高温下で接触させて行うものであるが、前記特許文献3に開示される技術では、それぞれ別体として構成されるSOFCと直接改質器とを断熱容器内に配置し、伝熱により直接改質器に反応熱を供給するものであったが、SOFCの高温排熱を熱交換する具体的な装置構成は明らかにされていなかった。 The direct reforming of the above-mentioned lower hydrocarbon-containing raw material is performed at a temperature of 300 to 800 ° C., preferably 450, with the lower hydrocarbon-containing raw material as a metal-supported metallosilicate catalyst by a flow-type reaction mode such as a fixed bed, moving bed or fluidized bed. Although it is performed by contacting at a high temperature of ˜775 ° C., more preferably 705 ° C. to 750 ° C., the technique disclosed in Patent Document 3 includes a SOFC and a direct reformer configured as separate bodies, respectively. Although it was arranged in a heat insulating container and directly supplied reaction heat to the reformer by heat transfer, a specific apparatus configuration for exchanging high-temperature exhaust heat of SOFC was not clarified.
本発明は、かかるSOFCと吸熱反応装置との複合システムに関する従来技術の開発状況に鑑み、SOFCの高温の反応熱を低級炭化水素改質装置等の吸熱反応プロセスに供給するための、具体的な装置構成をもった円筒型固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。 In view of the development status of the prior art related to such a combined system of SOFC and endothermic reactor, the present invention provides a specific method for supplying the high-temperature reaction heat of SOFC to an endothermic reaction process such as a lower hydrocarbon reformer. An object of the present invention is to provide a cylindrical solid oxide fuel cell having an apparatus configuration.
請求項1の発明は、吸熱反応容器20を内蔵する固体酸化物形燃料電池00であって、固体酸化物形燃料電池00は、断熱容器40内に、円筒型固体酸化物セル10と、反応触媒30を内設した吸熱反応容器20と、が配置され、円筒型固体酸化物セル10の筒内部に燃料ガスが供給され、筒外部に酸化剤が供給されて、発電するとともに高温の反応熱を発生し、円筒型固体酸化物セル10の反応熱は、輻射熱及び酸化剤を熱媒とした伝熱により吸熱反応容器20に反応熱として供給され、吸熱反応容器20は原料が供給されて、吸熱反応により反応物質が生成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を提供する。 The invention of claim 1 is a solid
請求項2の発明は、吸熱反応容器20を内蔵する固体酸化物形燃料電池00であって、固体酸化物形燃料電池00は、断熱容器40内に、円筒型固体酸化物セル10と、反応触媒30を内設した吸熱反応容器20と、が配置され、円筒型固体酸化物セル10の筒内部に酸化剤が供給され、筒外部に燃料ガスが供給されて、発電するとともに高温の反応熱を発生し、円筒型固体酸化物セル10の反応熱は、輻射熱及び燃料ガスを熱媒とした伝熱により吸熱反応容器20に反応熱として供給され、吸熱反応容器20は原料が供給されて、吸熱反応により反応物質が生成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を提供する。 The invention of claim 2 is a solid
請求項3の発明は、前記吸熱反応容器20に供給される原料は、メタンガスと、水蒸気又は二酸化炭素のいずれかと、で構成される混合ガスを主成分とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。 The invention according to claim 3 is characterized in that the raw material supplied to the
請求項4の発明は、前記吸熱反応容器20は、反応触媒30が低級炭化水素直接改質触媒であって、原料としてメタンガス等の低級炭化水素含有ガスが供給されて、水素と芳香族炭化水素とを生成する、低級炭化水素直接改質反応容器であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。 In the
請求項5の発明は、前記吸熱反応容器20で生成される反応物質の少なくとも1つが水素であり、該水素は水素分離手段25により分離されて、前記円筒型固体酸化物セル10に燃料として供給され、あるいは水素貯蔵部50に貯蔵されることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。 In the invention of claim 5, at least one of the reactants generated in the
請求項6の発明は、円筒型固体酸化物セル10で発生する反応熱の熱量をQとし、円筒型固体酸化物セル10から酸化剤により断熱容器40外部に排出される脱熱量をQ1とし、吸熱反応容器20の吸熱反応での吸熱の熱量をQ2としたときに、常に、Q2≦Q−Q1となるように、原料と酸化剤のいずれか又は両方の供給量をそれぞれ調整する手段を備えることを特徴とする請求項1および請求項3から請求項5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。 In the invention of claim 6, the amount of heat of reaction generated in the cylindrical
請求項7の発明は、円筒型固体酸化物セル10で発生する反応熱の熱量をQとし、円筒型固体酸化物セル10から燃料ガスにより断熱容器40外部に排出される脱熱量をQ1とし、吸熱反応容器20の吸熱反応での吸熱の熱量をQ2としたときに、常に、Q2≦Q−Q1となるように、原料と燃料ガスのいずれか又は両方の供給量をそれぞれ調整する手段を備えることを特徴とする請求項2から請求項5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。 In the invention of claim 7, the amount of heat of reaction heat generated in the cylindrical
本願発明によれば、高温排熱の利用が課題となるSOFCと、高温熱供給が課題となる吸熱反応装置との複合システムに関する従来技術の開発状況に鑑み、SOFCの高温の反応熱を低級炭化水素改質装置等の吸熱反応プロセスに供給するための、具体的な装置構成をもった円筒型固体酸化物形燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, in view of the development status of conventional technology related to a combined system of an SOFC in which utilization of high-temperature exhaust heat is a problem and an endothermic reaction apparatus in which high-temperature heat supply is a problem, the high-temperature reaction heat of SOFC is converted into low carbonization. A cylindrical solid oxide fuel cell having a specific device configuration for supplying to an endothermic reaction process such as a hydrogen reformer can be provided.
図1は、本願請求項1の発明の基本システム構成を示すものである。本願の固体酸化物形燃料電池00は、断熱容器40内に、円筒型固体酸化物セル10と、反応触媒30を内設した吸熱反応容器20とが配設されている。 FIG. 1 shows a basic system configuration of the invention of claim 1 of the present application. In the solid
円筒型固体酸化物セル10は、円筒型多孔質性セラミック基材の外表面に燃料電池構成部材を積層したものであり、断熱容器内を上下に貫通して設置され、あるいは円筒の一端が封止されて断熱容器上部より断熱容器内に懸装される。いずれの場合も、円筒型固体酸化物セルは、その筒内への燃料ガス又は酸化剤の供給及び発電反応後ガスの排出のために断熱容器40外部の燃料ガス又は酸化剤の供給装置(図示せず。)及び発電反応後ガス排出装置(図示せず。)と連結されている(図2a、図2b)。 The cylindrical
吸熱反応容器20は、SOFCの反応温度(概600℃〜1000℃)に耐性を有する材質からなり、前記、円筒型固体酸化物セル10に並置して、断熱容器40内を上下に貫通して設置され、あるいは断熱容器40内に収容配置される(図3a、図3b)。 The
円筒型固体酸化物セル10には筒面の内部又は外部の一方に燃料ガスが供給され、他方の筒面には酸化剤が供給され、発電反応が生じて高温の反応熱(概600℃〜1000℃)を発生し、その反応熱が、円筒型固体酸化物セル10の筒外部表面からの輻射熱により吸熱反応容器20に伝熱するとともに、断熱容器40内部の未反応の空気を熱媒として吸熱反応容器20に熱供給される。 The cylindrical
吸熱反応容器20は、反応触媒30の存在下で、原料が供給され、円筒型酸化物セル10から供給される概600℃〜1000℃の熱により吸熱反応が生じ反応物質を生成する。目的とする吸熱反応の反応熱の調整は、吸熱反応容器に供給する原料の供給速度の調整により行うことができる。 In the
吸熱反応容器20の吸熱反応は、断熱容器40内で生じるために、固体酸化物形セル10の反応熱を吸収し、同セルの過熱を防ぐとともに、固体酸化物形燃料電池00全体の排熱の発生を低減する。 Since the endothermic reaction of the
また、本願請求項6又は請求項7の発明によれば、定格発電時の固体酸化物形セル10で発生する反応熱Qに対し、酸化剤の供給量を、吸熱反応容器20での吸熱量Q2を差し引いた余剰熱をQ1として排出するに十分な供給量に調整することができ、酸化剤による排熱量を低減させて、装置全体の熱的効率を最適化することができる。 Further, according to the invention of claim 6 or claim 7 of the present application, the amount of oxidant supplied to the reaction heat Q generated in the
従来のSOFCでは、固体酸化物形セル10の冷却のために、反応に必要とする以上の空気を断熱容器内に送入する必要が生じ、発電反応での空気利用率が10〜20%と低くなり装置全体の効率を低下させていた。また、高温の排出空気が大量に生じ、断熱容器外でより効率の低い熱利用を組み合わせることで、装置全体のエネルギー効率の改善を図る必要があった。本願発明は、このような従来のSOFCの高温の反応熱を効率的に除熱するとともに、その熱を吸熱反応に利用することで、発電と物質生産を複合させて、極めて高効率な装置を実現することができる。 In the conventional SOFC, in order to cool the
とりわけ、本願請求項3の発明のように、概750℃の吸熱反応により、メタンガス等の低級炭化水素を、水素と芳香族炭化水素とに改質する低級炭化水素直接改質反応は、SOFCの反応熱を効率的に利用することができ極めて好適である。本願発明によれば、SOFCの高温排熱活用及び低級炭化水素直接改質装置の高温反応熱供給のそれぞれに関わる熱的な課題を相互補完的に解消することができる。 In particular, as in the invention of claim 3 of the present application, the lower hydrocarbon direct reforming reaction for reforming lower hydrocarbons such as methane gas into hydrogen and aromatic hydrocarbons by an endothermic reaction at approximately 750 ° C. is performed by SOFC. The reaction heat can be used efficiently, which is extremely suitable. According to the present invention, the thermal problems related to the use of high-temperature exhaust heat of SOFC and the supply of high-temperature reaction heat of the lower hydrocarbon direct reformer can be solved in a complementary manner.
さらに、本願発明では、低級炭化水素直接改質反応に限定されず、任意の高温吸熱反応プロセスとSOFCの一体化に適用することができる。例えば、メタンガスの水蒸気改質反応や、メタンガスの二酸化炭素改質反応、水素化物(例えば、水素化芳香族炭化水素等)の脱水素反応、等の反応プロセスを、本願発明の吸熱反応容器20で行うことができる。 Furthermore, the present invention is not limited to the direct lower hydrocarbon reforming reaction, and can be applied to integration of any high temperature endothermic reaction process and SOFC. For example, a reaction process such as a steam reforming reaction of methane gas, a carbon dioxide reforming reaction of methane gas, or a dehydrogenation reaction of a hydride (for example, hydrogenated aromatic hydrocarbon) is performed in the
円筒型固体酸化物セル10に供給される燃料ガスは、水素または一酸化炭素のいずれか、またはその混合ガスであり、燃料供給部(図示せず。)から供給される。また燃料供給部(図示せず。)の前段階において、原燃料を改質して、水素または一酸化炭素のいずれか、またはその混合ガスが生成されてもよい。この場合の原燃料としては、天然ガス、メタンガス、メタンハイドレート、コークス炉ガス、石炭乾溜ガス(COG)、石炭ガス化ガス、し尿や生ゴミ等を発酵処理して得られるバイオガス(発酵メタンガスを含む。)、木材等の有機物等を高温処理して得られる乾溜又は熱分解ガス、液化石油ガス、ブタンガス、などを用いることができる。これ以外にも、炭化水素含有燃料であり、改質により水素または一酸化炭素のいずれか、またはその混合ガスを生成するものであればいずれの原燃料も用いることができる。 The fuel gas supplied to the cylindrical
いずれの反応プロセスのときも、原料の一部又は全部がメタンガスであるものは、同原料が円筒型固体酸化物セル10の原燃料ともなるため、供給系統や制御系統を簡素化することができるとともに、吸熱反応容器20の反応プロセスで未反応メタンガスがあるときで、反応物質を選択的に分離することができるときは、該未反応メタンガスを原燃料として燃料ガスを生成し、円筒型固体酸化物セル10で再利用することができる。 In any reaction process, when the raw material is part or all of methane gas, the raw material is also used as a raw fuel for the cylindrical
同様に、本願請求項4の発明のように、吸熱反応容器20での生成反応物質に、水素があるときは、同水素は水素分離手段25により選択的に分離し、生成物として水素貯蔵部50に貯蔵してもよいし、円筒型固体酸化物セル10に燃料として供給してもよい(図4)。また、当然に、水素と同時に未反応メタンガスのあるときは、それらを原燃料として燃料ガスを生成し、円筒型固体酸化物セル10に供給することができる。 Similarly, when the reaction product in the
本願発明に用いる酸化剤としては、空気、酸素ガス等の酸素含有ガスであればいずれのものでもよい。 The oxidizing agent used in the present invention may be any oxygen-containing gas such as air or oxygen gas.
本願発明では、現時点での実用上の実現可能性から、円筒型固体酸化物セル10を有するSOFCにかかる発明となっているが、発電反応部を内包する容器内に、本願発明の吸熱反応容器20を設置することが可能であれば、平板型固体酸化物セルを有するSOFCや、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)でも、本願発明の同様の構成で、円筒型固体酸化物セル10を代替して利用することができる。このため、平板型固体酸化物セルを有するSOFCや、MCFCを利用することも、本願発明の技術的思想の範囲に含まれている。 In the present invention, from the present practical feasibility, the SOFC having the cylindrical
本願発明は、上述の説明に限定されることなく、本願請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されることはいうまでもない。 The present invention is not limited to the above description, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims of the present application, and they are also included in the scope of the present invention. Not too long.
00 固体酸化物形燃料電池
10 円筒型固体酸化物セル
20 吸熱反応容器
25 水素分離手段
30 反応触媒
40 断熱容器
50 水素貯蔵部00 Solid oxide fuel cell
10 Cylindrical solid oxide cell
20 Endothermic reaction vessel
25 Hydrogen separation means
30 reaction catalyst
40 Insulated container
50 Hydrogen storage
Claims (7)
固体酸化物形燃料電池(00)は、断熱容器(40)内に、円筒型固体酸化物セル(10)と、反応触媒(30)を内設した吸熱反応容器(20)と、が配置され、円筒型固体酸化物セル(10)の筒内部に燃料ガスが供給され、筒外部に酸化剤が供給されて、発電するとともに高温の反応熱を発生し、
円筒型固体酸化物セル(10)の反応熱は、輻射熱及び酸化剤を熱媒とした伝熱により吸熱反応容器(20)に反応熱として供給され、
吸熱反応容器(20)は原料が供給されて、吸熱反応により反応物質が生成されることを特徴とする
固体酸化物形燃料電池A solid oxide fuel cell (00) containing an endothermic reaction vessel (20),
The solid oxide fuel cell (00) includes a cylindrical solid oxide cell (10) and an endothermic reaction vessel (20) provided with a reaction catalyst (30) in a heat insulating vessel (40). The fuel gas is supplied to the inside of the cylindrical solid oxide cell (10) and the oxidant is supplied to the outside of the cylinder to generate power and generate high-temperature reaction heat,
The reaction heat of the cylindrical solid oxide cell (10) is supplied as reaction heat to the endothermic reaction vessel (20) by radiant heat and heat transfer using an oxidant as a heat medium,
A solid oxide fuel cell characterized in that the endothermic reaction vessel (20) is supplied with raw materials and produces a reactant by an endothermic reaction.
固体酸化物形燃料電池(00)は、断熱容器(40)内に、円筒型固体酸化物セル(10)と、反応触媒(30)を内設した吸熱反応容器(20)と、が配置され、円筒型固体酸化物セル(10)の筒内部に酸化剤が供給され、筒外部に燃料ガスが供給されて、発電するとともに高温の反応熱を発生し、
円筒型固体酸化物セル(10)の反応熱は、輻射熱及び燃料ガスを熱媒とした伝熱により吸熱反応容器(20)に反応熱として供給され、
吸熱反応容器(20)は原料が供給されて、吸熱反応により反応物質が生成されることを特徴とする
固体酸化物形燃料電池A solid oxide fuel cell (00) containing an endothermic reaction vessel (20),
The solid oxide fuel cell (00) includes a cylindrical solid oxide cell (10) and an endothermic reaction vessel (20) provided with a reaction catalyst (30) in a heat insulating vessel (40). The oxidant is supplied to the inside of the cylindrical solid oxide cell (10), the fuel gas is supplied to the outside of the cylinder to generate power and generate high-temperature reaction heat,
The reaction heat of the cylindrical solid oxide cell (10) is supplied as reaction heat to the endothermic reaction vessel (20) by heat transfer using radiant heat and fuel gas as a heat medium,
A solid oxide fuel cell characterized in that the endothermic reaction vessel (20) is supplied with raw materials and produces a reactant by an endothermic reaction.
請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池The raw material supplied to the endothermic reaction vessel (20) is mainly composed of a mixed gas composed of methane gas and either water vapor or carbon dioxide. Solid oxide fuel cell
請求項1から請求項3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池In the endothermic reaction vessel (20), the reaction catalyst (30) is a lower hydrocarbon direct reforming catalyst, and a lower hydrocarbon-containing gas such as methane gas is supplied as a raw material to produce hydrogen and aromatic hydrocarbons. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, which is a lower hydrocarbon direct reforming reaction vessel.
請求項1から請求項4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池At least one of the reactants generated in the endothermic reaction vessel (20) is hydrogen, and the hydrogen is separated by a hydrogen separation means (25) and supplied to the cylindrical solid oxide cell (10) as fuel. Or a hydrogen storage unit (50), wherein the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4 is stored.
請求項1および請求項3から請求項5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池The amount of heat of reaction generated in the cylindrical solid oxide cell (10) is defined as Q, and the amount of heat removed from the cylindrical solid oxide cell (10) to the outside of the heat insulating container (40) by the oxidant is defined as Q1. Means for adjusting the supply amounts of either the raw material and the oxidizing agent or both so that Q2 ≦ Q−Q1 is always satisfied, where Q2 is an endothermic heat quantity in the endothermic reaction of the reaction vessel (20). The solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising: a solid oxide fuel cell according to claim 1;
請求項2から請求項5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池The amount of heat of reaction generated in the cylindrical solid oxide cell (10) is defined as Q, and the amount of heat removed from the cylindrical solid oxide cell (10) to the outside of the heat insulating container (40) by the fuel gas is defined as Q1. Means for adjusting the supply amount of either the raw material and / or the fuel gas so that Q2 ≦ Q−Q1 always when the heat absorption amount in the endothermic reaction of the reaction vessel (20) is Q2. A solid oxide fuel cell according to any one of claims 2 to 5, further comprising:
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JP2008041305A (en) * | 2006-08-02 | 2008-02-21 | Mitsubishi Materials Corp | Method for operating solid electrolyte fuel cell |
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