JP2006114373A - 単室型固体酸化物形燃料電池発電システム - Google Patents

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ＣＯ_２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ＣＯ_２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ＣＯ_２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ＣＯ_２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ＣＯ_２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ＣＯ_２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＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２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、ＣＯ_２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ＣＯ_２含有ガスを供給し、ガス中のＣＯ_２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ＣＯ_２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（ＣＨ_４）、窒素（Ｎ_２）水蒸気（Ｈ_２Ｏ）Ｏ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２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ＣＯ_２が除去される。ＣＯ及びＣＯ_２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ＣＯ_２が除去される。ＣＯ及びＣＯ_２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ＣＯ_２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ＣＯ_２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。

図１は、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実施形態を示すシステム概略構成図である。 図２は、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実施形態を示すシステム概略構成図である。 図３は、図１及び図２における発電部の他の例を示す構成図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 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ＣＯ_２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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

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