JP2006114373A - 単室型固体酸化物形燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 炭化水素形燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスの供給により発電する、構造が簡単な単室型固体酸化物形燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】 単室型固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスの供給により発電し、酸素イオン伝導性を持つ電解質と少なくとも一対の燃料極及び空気極を備えた少なくとも一つの単室型固体酸化物形燃料電池からなる発電部1を有し、発電部1より排出される使用済み混合ガスに、燃料ガス及び酸化剤ガスを追加供給し、前記追加供給した燃料ガス及び酸化剤ガスと前記使用済み混合ガスとを混合させた第1混合ガスを、発電部1に循環供給するよう構成されており、更に、その循環する混合ガス中もしくは使用済み混合ガス中のCO及びCO2を除去する除去器10が設けられている。
【選択図】図1
【解決手段】 単室型固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスの供給により発電し、酸素イオン伝導性を持つ電解質と少なくとも一対の燃料極及び空気極を備えた少なくとも一つの単室型固体酸化物形燃料電池からなる発電部1を有し、発電部1より排出される使用済み混合ガスに、燃料ガス及び酸化剤ガスを追加供給し、前記追加供給した燃料ガス及び酸化剤ガスと前記使用済み混合ガスとを混合させた第1混合ガスを、発電部1に循環供給するよう構成されており、更に、その循環する混合ガス中もしくは使用済み混合ガス中のCO及びCO2を除去する除去器10が設けられている。
【選択図】図1
Description
本発明は、固体電解質(酸化物)を用いた固体酸化物形燃料電池(SOFC)発電システムに関し、より詳しくは、固体電解質の酸素イオン伝導性を利用し、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガス中で安定的に発電する単室型固体酸化物形燃料電池発電システムに関するものである。
従来、この種の発電システムに使用される固体酸化物形燃料電池としては、電解質の一方の面に燃料極、他方の面に空気極を備えた二室型固体酸化物形燃料電池が広く知られている。この二室型固体酸化物形燃料電池を利用した発電システムでは、排ガスの一部を抜き取って循環させる発電システム(特許文献1等)や排ガスを燃焼させるシステム(特許文献2等)により、燃料利用の効率化が提案されている。前者のシステムは、発電部より排出された燃料ガスに新たな燃料ガスを追加供給し、再度発電部に循環供給させるシステムである。このように、排出された燃料ガスを再度利用することにより、燃料利用効率を向上させることができる。
特開2003−123818号公報
特開2002−168439号公報
しかしながら、上記のような従来の二室型固体酸化物形燃料電池発電システムでは、燃料ガス及び酸化剤ガスを発電部に別々に循環供給する必要があるためにシステム構成が複雑となる等の問題があった。また、燃料ガス及び酸化剤ガスが循環されると混合比が変動し、発電量が変動するという問題もあった。
そこで本発明は、上記問題を解決するために、燃料ガス及び酸化剤ガスを別々に循環供給する必要がないため構造が簡単で、安定した発電量を得ることができる単室型固体酸化物形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスの供給により発電し、酸素イオン伝導性を持つ電解質と少なくとも一対の燃料極及び空気極とを備えた少なくとも一つの単室型固体酸化物形燃料電池からなる発電部を有し、該発電部より排出される使用済み混合ガスに、燃料ガス及び酸化剤ガスを追加供給し、追加供給した燃料ガス及び酸化剤ガスと使用済み混合ガスとを混合させた第1混合ガスを、発電部に循環供給するよう構成しており、さらに、その循環する第1混合ガス中もしくは使用済み混合ガス中のCO及びCO2を除去する除去器を設けたことを特徴とする。
前記一対の燃料極及び空気極は電解質の少なくとも一方面上に配置されていてもよく、または、前記一対の燃料極及び空気極は前記電解質を介して配置されていてもよい。
また、本発明において、第1混合ガスが所定の混合比となるように、燃料ガス及び酸化剤ガスを使用済み混合ガスに追加供給するように構成することもできる。
更に、本発明において、発電部から排出される使用済み混合ガスの混合比を検出する検出器と、該検出器から送られる信号に基づいて第1混合ガスの混合比が所定の混合比となるように、追加供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの追加供給量を制御するガス流量制御装置とを備えることができる。
また、本発明において、混合ガスの循環経路に複数の発電部を接続することができる。このようにすることで、より高い出力を得ることができる。
本発明によれば、混合ガスにより発電する単室型固体酸化物形燃料電池の使用済み混合ガスを循環させるため構造を簡単にすることができ、循環する混合ガス中のCO及びCO2を除去器により除去するので、発電部における化学反応によって生じるCO及びCO2を除去し、発電能力の低下を防止することができる。
また、循環させる混合ガスが所定の混合比となるように、燃料ガス及び酸化剤ガスを使用済み混合ガスに追加供給するように構成すれば、発電部に供給する混合ガスを所定の混合比にすることで、安定した発電量を得ることができる。
以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池発電システムの第1実施形態について図1を参照しつつ説明する。図1は、単室型固体酸化物形燃料電池発電システムの第1実施形態における循環システムを示す概略構成図である。ただし、発電された電力の集電に関わる部分は省略している。なお、使用する燃料ガスとしては、炭化水素系ガスを用い、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス、DME、及び炭素数が4個以下の低級アルコールガス等を使用することができる。本実施例では、メタンを使用している。酸化剤ガスは、酸素を含むガスであり、本実施例では空気を使用している。
図1に示すように、本システムは、単室型固体酸化物形燃料電池からなる発電部1と、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量を制御する第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5と、燃料ガス及び空気を混合する第1ガスミキシング部7及び第2ガスミキシング部9と、混合ガス中のCO及びCO2を除去する除去器10と、混合比を検出し第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5に信号を送る混合比ディテクタ11と、燃料導入管13と、酸化剤導入管15と、燃料供給管17と、酸化剤供給管19と、第1混合ガス供給管21と、混合ガス循環管23と、混合ガス排出管25と、第2混合ガス供給管27を具備している。なお、前記混合比ディテクタ11が、本発明の検出器に相当する。なお、必要であれば、燃料導入管13と第1ガス流量制御装置3との間に、メタンなどの燃料ガスから発電に必要な水素を取り出す装置である改質器や、硫黄分を除去する脱硫器等を備える構成としてもよい。
発電部1は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスの供給を受けて、電気化学反応により発電を行う単室型固体酸化物形燃料電池を具備しており、燃料電池の材質にもよるが、作動温度として400〜1000℃程度の温度域で保たれている。
除去器10は、発電部1より排出された使用済み混合ガス中のCO及びCO2を除去する。具体的には、まず、使用済み混合ガス中のCOは、CO+H2O→CO2+H2の反応のように一酸化炭素を水蒸気で変成することにより、一酸化炭素の濃度を低減させる。その後、CO2を除去するには、塩基性イオン交換樹脂(固体アミン)を充填した反応塔にCO2含有ガスを供給し、ガス中のCO2を固体アミンに選択的に吸着させて除去する。
燃料導入管13及び酸化剤導入管15は、本システムに新たな燃料ガス及び酸化剤ガスを追加供給する配管である。燃料導入管13は、一端部を外部の燃料ガス供給部(図示省略)に、他端部を第1ガス流量制御装置3に接続している。酸化剤導入管15は、一端部を外部の酸化剤ガス供給部(図示省略)に、他端部を第2ガス流量制御装置5に接続している。
燃料供給管17及び酸化剤供給管19は、第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5によってそれぞれ供給量を制御された燃料ガス及び酸化剤ガスを、第1ガスミキシング部7にそれぞれ供給する配管である。燃料供給管17は、一端部を第1ガス流量制御装置3に、他端部を第1ガスミキシング部7に接続しており、酸化剤供給管19は、一端部を第2ガス流量制御装置5に、他端部を第1ガスミキシング部7に接続している。
第1混合ガス供給管21は、第1ガスミキシング部に供給され混合させた燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを、第2ガスミキシング部9に供給する配管である。第1混合ガス供給管21は、一端部を第1ガスミキシング部7に、他端部を第2ガスミキシング部に接続している。混合ガス循環管23は第2ガスミキシング部で混合した混合ガスを発電部1に供給する配管で、一端部を第2ガスミキシング部9に、他端部を発電部1に接続している。混合ガス排出管25は、発電部1により使用され排出された使用済み混合ガスを除去器10に供給する配管であり、一端部を発電部1に、他端部を除去器10に接続している。第2混合ガス供給管27は、除去器10によりCO及びCO2が除去された使用済み混合ガスを第2ミキシング部9に供給する配管であり、一端部を除去器10に、他端部を第2ガスミキシング部9に接続している。
混合比ディテクタ11は、発電部1より排出された使用済み混合ガスのメタンと酸素との混合比を検出し、第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5に信号を送る検出器であり、第2混合ガス供給管27に接続されている。混合比ディテクタ11は、使用済み混合ガスのメタン濃度と酸素濃度とを検知し、両者の濃度比からその混合比を検出するものとすることができる。これらの濃度検知には、公知の検知装置を使用するこができ、メタン濃度検知には、例えば、赤外線吸収による検知装置(NDIR),化学発光による検知装置,半導体センサによる検知装置,或いは水素イオン化検出法(FID)による検知装置を使用することができ、酸素濃度検知には、例えば、ジルコニア式酸素濃度計を使用することができる。
次に、本システムの発電プロセスについて、図1を参照して順に説明する。
まず始めに、燃料導入管13及び酸化剤供給管15を経由したメタン及び空気を第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5にてそれぞれ所定の混合比(メタン:酸素=2:1)となるように供給量を制御し、第1ガスミキシング部7に燃料供給管17及び酸化剤供給管19を経由して供給する。
供給されたメタン及び空気は、第1ガスミキシング部7にて混合され、第2混合ガスとなる。当該第2混合ガスは第1混合ガス供給管21、第2ガスミキシング部9及び混合ガス循環管23を経由し、発電部1に供給される。発電部1にて使用された第2混合ガスは発電部1より使用済み混合ガスとして排出される。使用済み混合ガスには、主として、メタン(CH4)、窒素(N2)水蒸気(H2O)O2、CO、CO2、H2が含まれる。
当該使用済み混合ガスは、混合ガス排出管25を経由し、除去器10に供給されCO及びCO2が除去される。CO及びCO2が除去された使用済み混合ガスは、混合比ディテクタ11によりメタンと酸素との混合比が検出され、第2ガスミキシング部9に供給される。必要に応じて、一部のガスを本システムの外部に排気(図示省略)して混合比を検出した後に、後述するように、第2ガスミキシング部9から発電部1に供給される混合ガスを最適な比率に保つようにすればよく、また、外部に排気されるガスを燃焼させて発電部1の加熱源として用いることも可能である。また、この時、第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5に、検出されたメタンと酸素との混合比の信号が送られる。
第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5ではその信号を受け、使用済み混合ガス中のメタンと酸素との混合比が前記所定の混合比となるように、メタン及び酸素の供給量を制御して第1ガスミキシング部7に供給する。
第1ガスミキシング部7にて混合された第2混合ガスを第2ガスミキシング部9に追加供給し、使用済み混合ガスと混合され前記所定の混合比の第1混合ガスとなり、再度発電部1に供給される。そしてこの循環が繰り返される。
次に、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池発電システムの第2実施形態について、図2を参照して説明する。
図2に示す単室型固体酸化物形燃料電池発電システムは、酸化剤供給管19を第1ガスミキシング部7ではなく第2ガスミキシング部9に接続し、混合ガス排出管25を第2ガスミキシング部9ではなく第1ガスミキシング部7に接続している点が上記第1実施形態と相違し、その他の構成は上記第1実施形態と同様である。
第2実施形態の作動プロセスについて、図2を参照して順に説明すると、まず、始めは、燃料導入管13及び酸化剤導入管15を経由したメタン及び空気を、第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5にてそれぞれ所定の混合比(メタン:酸素=2:1)にとなるように供給量を制御し、まずメタンは燃料供給管17を経由し第1ガスミキシング部7に供給される。
そして、第1ガスミキシング部7及び第1混合ガス供給管21を経由したメタンと、酸化剤供給管19を経由した空気とが、第2ガスミキシング部9にて混合され第2混合ガスとなる。第2混合ガスは、混合ガス循環管23を経由し発電部1に供給される。
発電部1にて使用された第2混合ガスは発電部1より使用済み混合ガスとして排出される。該使用済み混合ガスは、混合ガス排出管25を経由し、除去器10に供給されCO及びCO2が除去される。CO及びCO2が除去された使用済み混合ガスは、混合比ディテクタ11によりメタンと酸素との混合比が検出された後、第1ガスミキシング部7に供給される。必要に応じて、一部のガスを本システムの外部に排気(図示省略)し混合比を検出した後に、後述するように、第2ガスミキシング9から発電部1に供給される混合ガスを最適な比率に保つようにすればよく、また、外部に排気されるガスを燃焼させて発電部1の加熱源として用いることも可能である。この時、第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5に、混合比ディテクタ11により検出されたメタンと酸素との混合比の信号が送られる。
第1ガス流量制御装置3及び第2ガス流量制御装置5ではその信号を受け、使用済み混合ガス中のメタンと酸素との混合比が前記所定の混合比となるようにメタンと空気とを追加供給する。その際、まず供給量を制御されたメタンを第1ガスミキシング部7に追加供給し、先程の使用済み混合ガスと混合させ第3混合ガスとし、該第3混合ガスは第2ガスミキシング部9に供給される。
次に、第2ガスミキシング部9に供給量を制御された空気を供給し、先程の第3混合ガスと混合させ、前記所定の混合比の第1混合ガスとする。該第1混合ガスは混合ガス循環管23を経由して再度発電部1に供給される。こうしてこの循環を繰り返す。
上記第1実施形態及び第2実施形態のような構成にすることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを発電部に別々に循環供給する必要がないので、構造を簡単にすることができ、また、製造コストを低減することもできる。さらに、発電部1に循環供給する混合ガスを常に所定の混合比とすることができるので、安定した発電量を得ることができる。
また、循環する混合ガス中のCO及びCO2を除去器10により除去するので、発電部1における化学反応によって生じるCO及びCO2の濃度が高くなっていくことを低減することができ、発電能力の低下を防止することができる。
なお、本発明では、単室型の固体酸化物形燃料電池を用いるが、単室型固体酸化物形燃料電池とは、一般的な二室型固体酸化物形燃料電池のように燃料ガスと酸化剤ガスとを分けることなく、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを供給して作動させるものである。詳細には、燃料極と空気極との二つの電極がガス選択性を有しているため、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにさらされると、前記電極間に電圧が発生して発電するようになっている。このために、従来のように二室に燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して供給する必要がないために、ガス供給ラインを簡素化できると共に、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離するガスセパレータが不要となり、単純な構造を持つ固体酸化物形燃料電池を構成することができる。単室型固体酸化物形燃料電池の構造としては、電解質を介すように電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極を配置した構造と、電解質の一方面に一対の燃料極及び空気極を所定間隔をおいて配置した構造との二つの構造がある。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
例えば、発電部1は、単室型固体酸化物形燃料電池が複数個接続されたスタック構造となっていても良い。さらに、発電部1としては単独でも使用できるが、図3に示すように、複数個を並列に接続した構成として、出力電流値を調節することができる。
さらに、第1実施形態では、除去器10は、発電部1の後に混合ガス排出管25を介して配置されているが、第2ガスミキシング部9の後に混合ガス循環管23を介して配置することもできる。第2実施形態では、発電部1の後に混合ガス排出管25を介して配置されているが、第1ガスミキシング部7もしくは第2ガスミキシング部9の後に、第1混合ガス供給管21もしくは混合ガス循環管23を介して配置することもできる。
1 発電部
3 第1ガス流量制御装置
5 第2ガス流量制御装置
10 除去器
11 検出器
3 第1ガス流量制御装置
5 第2ガス流量制御装置
10 除去器
11 検出器
Claims (6)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスの供給により発電し、酸素イオン伝導性を持つ電解質と少なくとも一対の燃料極及び空気極とを備えた少なくとも一つの単室型固体酸化物形燃料電池からなる発電部を有し、
該発電部より排出される使用済み混合ガスに、燃料ガス及び酸化剤ガスを追加供給し、前記追加供給した燃料ガス及び酸化剤ガスと前記使用済み混合ガスとを混合させた第1混合ガスを、前記発電部に循環供給するよう構成されており、さらに、その循環する前記第1混合ガス中もしくは前記使用済み混合ガス中のCO及びCO2を除去する除去器が設けられていることを特徴とする単室型固体酸化物形燃料電池発電システム。 - 前記一対の燃料極及び空気極が電解質の少なくとも一方面上に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の単室型固体酸化物形燃料電池発電システム。
- 前記一対の燃料極及び空気極が前記電解質を介して配置されていることを特徴とする請求項1に記載の単室型固体酸化物形燃料電池発電システム。
- 前記第1混合ガスが所定の混合比となるように、燃料ガス及び酸化剤ガスを使用済み混合ガスに追加供給するように構成されていることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の単室型固体酸化物形燃料電池発電システム。
- 前記発電部から排出される使用済み混合ガスの混合比を検出する検出器と、該検出器から送られる信号に基づいて前記第1混合ガスの混合比が所定の混合比となるように、前記追加供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの追加供給量を制御するガス流量制御装置とを備えることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の単室型固体酸化物形燃料電池発電システム。
- 前記第1混合ガスの循環経路に複数の前記発電部が接続されていることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の単室型固体酸化物形燃料電池発電システム。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2004301295A JP2006114373A (ja) | 2004-10-15 | 2004-10-15 | 単室型固体酸化物形燃料電池発電システム |
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Publications (1)
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JP2004301295A Withdrawn JP2006114373A (ja) | 2004-10-15 | 2004-10-15 | 単室型固体酸化物形燃料電池発電システム |
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JP (1) | JP2006114373A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7883803B2 (en) * | 2007-03-30 | 2011-02-08 | Bloom Energy Corporation | SOFC system producing reduced atmospheric carbon dioxide using a molten carbonated carbon dioxide pump |
JP2011508949A (ja) * | 2007-12-28 | 2011-03-17 | サンゴバン・セラミックス・アンド・プラスティックス・インコーポレイティッド | 燃料電池システム |
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CN106089342A (zh) * | 2012-10-31 | 2016-11-09 | 三菱日立电力系统株式会社 | 发电系统 |
-
2004
- 2004-10-15 JP JP2004301295A patent/JP2006114373A/ja not_active Withdrawn
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