JP2006351293A

JP2006351293A - 固体酸化物形燃料電池システム

Info

Publication number: JP2006351293A
Application number: JP2005174190A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Osawa; 満大澤
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】液体燃料及び改質用燃料が流れる流路におけるコーキングトラブルを確実に防止することの可能な固体酸化物形燃料電池システムの提供を目的とする。
【解決手段】ＳＯＦＣシステム１ａは、水加熱手段１１，脱硫器１１１，気化器１１２，改質器１４０及び燃料電池１３０を収納する燃焼室２を有し、燃料電池１３０を熱源とし、気化器１１２の上流側に設けられ、液体燃料が所定の温度範囲に収まる状態で流れる液体燃料温度制御手段５と、気化器１１２と改質器１４０の間に設けられ、改質用燃料が所定の温度範囲に収まる状態で流れる断熱配管６１とを有する構成としてある。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関し、特に、灯油等の液体燃料を原燃料とする固体酸化物形燃料電池システムにおいて、液体燃料及び改質用燃料の流路を閉塞させるコーキングトラブルを防止することを可能とした固体酸化物形燃料電池システムに関する。

固体酸化物形燃料電池システム（適宜、ＳＯＦＣ（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦＵＥＬＣＥＬＬ）システムと略称する。）は、燃料電池が、固体電解質（安定化ジルコニア）の両側にアノード（燃料極）とカソード（空気極）を配設したセル（単電池）を集合させたスタック又はバンドルを備え、スタック又はバンドルに水素リッチな改質ガスと空気等の酸化剤ガスを供給し、電気化学的に反応させて酸素イオンをカソードからアノードに移動させることにより直接発電する。

（従来例）
図５は、従来例に係る固体酸化物形燃料電池システムの、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。
同図において、ＳＯＦＣシステム１００は、石油系燃料である灯油を原燃料とした固体酸化物形燃料電池システムであり、水を約２００℃の水蒸気とする加熱手段１１０と、灯油を約２００℃にて脱硫する脱硫器１１１と、約２００℃にて水蒸気及び脱硫された灯油を混合するとともに気化させる気化器１１２と、気化された改質用燃料を約７００〜８００℃で改質反応させ、水素リッチな改質ガスを生成する改質器１４０と、改質ガス及び空気等の酸化剤ガスを電気化学反応させるセル（スタック，バンドル等）の集合体である燃料電池１３０と、改質器１４０及び燃料電池１３０を収納する燃焼室１２０と、燃料電池１３０にて発生した直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）電力に変換するインバータ１１３を備えた構成としてある。

ＳＯＦＣシステム１００は、加熱手段１１０が、灯油を燃焼させるバーナーとしてあり、水蒸気を気化器１１２に供給する。この加熱手段１１０は、図示してないが、発生させた水蒸気を用いて、脱硫器１１１及び気化器１１２を加熱する。また、改質器１４０は、発熱反応を行う燃料電池１３０によって加熱される。
なお、上記ＳＯＦＣシステム１００では、脱硫器１１１と気化器１１２の間に設けられ、灯油が流れる配管，気化器１１２と改質器１４０の間に設けられ、改質用燃料が流れる配管，及び，改質器１４０と燃料電池１３０の間に設けられ、改質ガスが流れる配管は、一般的な金属製の配管が使用されている。すなわち、上記配管は、たとえば、断熱配管等の特殊な機能を備えたものではない。

ところで、上記ＳＯＦＣシステム１００において、気化器１１２は、灯油の気化に必要な温度に保たれる必要がある。したがって、気化器１１２に灯油を供給する配管も、気化器１１２の付近では高温にさらされている。
このため、灯油の一部が気化して配管内に残渣が残ったり、あるいは灯油の一部が重合反応を起こすことによって重質分が配管内に残る場合があり、このような状況が継続することによって、配管が閉塞してしまうという問題があった。したがって、気化器１１２へ灯油を供給する配管は、温度が必要以上に高くならないように維持されることが望ましい。

さらに、水蒸気の熱によって灯油を気化するタイプの気化器１１２では、気化器１１２に至る前に灯油が気化すると、改質器１４０への灯油の供給に脈動が発生する場合があり、系が安定しないという問題点があった。したがって、気化器１１２に至るまでの灯油は液体状態で供給されることが望ましく、そのためには配管の温度が所定の温度以上に高くならないように維持されることが好ましい。

しかしながら、上記ＳＯＦＣシステム１００は、改質器１４０が燃料電池１３０とともに燃焼室１２０に収納された構造となっており、気化器１１２と改質器１４０を連通させる流路（配管）を介して、燃焼室１２０内部で高温環境にさらされる改質器１４０に、気化器１１２から改質用燃料を供給する。この際、気化器１１２と改質器１４０を連通させる流路内で閉塞するといったコーキングトラブルを防止する必要があった。

本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであり、液体燃料及び改質用燃料が流れる流路におけるコーキングトラブルを確実に防止することの可能な固体酸化物形燃料電池システムの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、液体燃料を脱硫する脱硫器と、前記脱硫された液体燃料と水から改質用燃料を発生させる気化器と、前記改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記脱硫器，気化器及び改質器を加熱する一又は二以上の熱源と、固体電解質を介して前記改質ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行うセルを有する燃料電池とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、前記気化器の上流側の流路に設けられ、前記液体燃料を所定の温度範囲に制御する液体燃料温度制御手段と、前記気化器と改質器の間の流路に設けられ、前記改質用燃料を所定の温度範囲に制御する改質用燃料温度制御手段とを有する構成としてある。
このように、液体燃料温度制御手段及び改質用燃料温度制御手段を設けることにより、気化器の上流側の流路において、部分的な気化や重合反応を防止して脈動や残渣物による配管閉塞を防止することができ、また、気化器と改質器の間の流路において、重合反応を防止して残渣物による配管閉塞を防止することが可能となる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記液体燃料温度制御手段と改質用燃料温度制御手段の少なくとも一方が、熱交換によって、前記流路を流れる流体の温度を制御する構成としてある。
このようにすると、液体燃料や改質用燃料の温度制御を、容易かつ精度よく行うことができる。また、液体燃料や改質用燃料の温度制御を行うことにより、脱硫効率や改質効率を向上させることができ、固体酸化物形燃料電池システムの効率を向上させることができる。また、脱硫剤や改質触媒の寿命が延びることにより、ランニング費用のコストダウンを図ることができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記熱交換において、前記水を用いる構成としてある。
このようにすると、システムの構成を単純化することができ、製造原価のコストダウンを図ることができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記気化器に前記水を供給する水加熱手段，脱硫器，気化器，改質器及び燃料電池を収納する燃焼室を有し、前記燃料電池を、前記水加熱手段，脱硫器，気化器及び改質器を加熱する熱源とした構成としてある。
このようにしても、液体燃料及び改質用燃料が流れる流路におけるコーキングトラブルを確実に防止することができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記気化器に前記水を供給する水加熱手段，脱硫器及び気化器を収納する加熱室を有し、前記燃料電池からの排気ガスを、前記水加熱手段，脱硫器及び気化器を加熱する熱源とし、かつ、前記改質器及び燃料電池を収納する燃焼室を有し、前記燃料電池を、前記改質器を加熱する熱源とした構成としてある。
このようにしても、液体燃料及び改質用燃料が流れる流路におけるコーキングトラブルを確実に防止することができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記液体燃料温度制御手段と改質用燃料温度制御手段の少なくとも一方を、断熱配管とした構成としてある。
このようにすると、液体燃料や改質用燃料の温度制御を、容易に行うことができる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、前記断熱配管を、真空断熱配管とした構成としてある。
このように、真空断熱配管を用いることによって、より小さい体積で高い断熱効果を得ることが可能となる。

本発明によれば、灯油などの液体燃料を原燃料とする固体酸化物形燃料電池システムにおいて、液体燃料及び改質用燃料が流れる流路におけるコーキングトラブルを確実に防止することができ、さらに、液体燃料や改質用燃料の温度制御を行うことにより、脱硫効率や改質効率を向上させることができる。

［第一実施形態］
図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。
同図において、ＳＯＦＣシステム１は、従来例のＳＯＦＣシステム１００と比較して、液体燃料温度制御手段として、脱硫器１１１と気化器１１２を連通させる断熱配管５１を設け、さらに、改質用燃料温度制御手段６として、気化器１１２と改質器１４０を連通させる断熱配管６１と熱交換器６２を設けた点が相違する。他の構成要素は従来例とほぼ同様としてある。
したがって、図１において、図５と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

＜原燃料＞
ＳＯＦＣシステム１は、液体燃料として灯油を使用する構成としてある。この灯油は、一般的に、原料タンク（図示せず）に蓄えられている。
なお、本実施形態では、液体燃料として、灯油を使用しているが、これに限定されるものではない。液体燃料としては、大気圧下、常温で液相であるもの、例えば、ナフサ，ガソリン，灯油，軽油などの炭化水素系燃料、メタノール，エタノールなどのアルコール系燃料が使用できる。また、比較的低圧の加圧（１ＭＰａ未満）により液相になる、ＬＰＧ（液化石油ガス），ＤＭＥ（ジメチルエーテル）などの炭化水素もしくはエーテル系の燃料も使用できる。
これらのうち、供給網が発達し、全国各地で入手が容易であること、また、ガソリン等と比較して取り扱いやすいことから、灯油が好ましい。

＜脱硫器＞
脱硫器１１１は、改質器１４０内の改質触媒の硫黄被毒を防止するため、灯油中の硫黄成分を除去するものである。脱硫器１１１の内部には、脱硫剤が充填されている。
脱硫剤としては、例えば、活性炭，ゼオライト又は金属系の吸着剤などが好ましい。原料が灯油などの重質の炭化水素である場合は、特開２００１−２７９２５５号公報に示すように、Ｎｉ系脱硫剤が好ましい。

脱硫器１１１は、脱硫剤の昇温が完了した後、ポンプ２０２が作動することにより、灯油が供給される。
脱硫を行うためには、脱硫剤の機能を発揮できる温度に制御することが必要である。例えば、Ｎｉ系脱硫剤では、１００℃以上に加熱することが好ましく、液体燃料が灯油の場合には、１５０℃以上、３００℃以下とすることが好ましい。
なお、液体燃料を加熱してから脱硫器１１１に供給してもよい。

ただし、灯油による配管閉塞トラブルを防止し、改質器１４０の改質触媒の長寿命化を図るために、気化器１１２へ送り込むまで灯油を液相の状態で通過させることが好ましい。
また、脱硫剤の硫黄成分の吸着効率を高める観点からも灯油が、液相の状態で脱硫器１１１を通過することが好ましい。このようにすると、灯油が気化した状態で脱硫器１１１を通過する場合と比べて、脱硫器１１１の内部の脱硫剤と灯油の接触時間を長くすることができる。したがって、脱硫剤の使用効率を向上できるため、脱硫剤の使用量を減らすことができるので脱硫器１１１のさらなる小型化が可能になる。
接触時間をより長くするため、灯油の流れを下から上へアップフローにして脱硫器１１１内が灯油で満たされた状態で脱硫するとよく、この場合、常時、脱硫器１１１内に液相が存在することになる。

灯油を液相にするには、上記の脱硫剤の性能が発揮できる温度において、灯油の気化を抑制するため、脱硫器１１１内を加圧することが好ましい。この圧力は、使用する液体燃料にもよるが、灯油を液体燃料とする場合は、０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満が好ましい。１．０ＭＰａ以上では、耐圧性の観点からコスト面などにおいてデメリットが生じる。

なお、改質器１４０の改質触媒の活性金属成分は、灯油中の硫黄成分と結合し硫黄を蓄積させるため、経時的に劣化していく。したがって、改質触媒の寿命を充分に長くするためには、この脱硫器１１１において、灯油中の硫黄成分量を０．２ｐｐｍ以下にすることが好ましく、特に、０．０５ｐｐｍ以下にすることが好ましい。

＜液体燃料温度制御手段＞
液体燃料温度制御手段としての断熱配管５１は、脱硫器１１１と気化器１１２の間に設けられ、内部を流れる脱硫された灯油が所定の温度範囲に収まるように断熱された配管である。このようにすると、気化器１１２の上流側の流路において、気化器１１２などの熱によって配管内部の灯油が昇温するのを防ぐことができ、部分的な気化や重合反応を抑制し、脈動や残渣物による配管閉塞を防止することができる。また、上記所定の温度範囲とは、脱硫された灯油が液相の状態を維持することが可能な温度範囲をいう。

また、断熱配管５１は、真空断熱配管を使用している。この真空断熱配管は、二重管からなり、内側の管に灯油を流し、外側の管を真空にしてある。このようにすると、より小さい体積の断熱層によって効果的に断熱を行うことができる。真空部の圧力としては、１０^−３ｔｏｒｒ以下であることが好ましく、１０^−４ｔｏｒｒ以下であることがさらに好ましい。
なお、断熱配管５１は、上記真空断熱配管に限定されるものではなく、たとえば、配管にグラスウール，カオウール，ロックウールなどの断熱材を巻き付けた断熱配管を使用してもよい。
また、本実施形態では、気化器１１２の上流側の灯油流路のうち、脱硫器１１１と気化器１１２の間の流路に、断熱配管５１を使用してるが、必要に応じて、ポンプ２０２と脱硫器１１１の間の流路にも、断熱配管５１を使用してもよい。

＜気化器＞
本実施形態の気化器１１２は、燃焼室１２０の外部に設けられた改質器１４０用の気化器であり、断熱配管５１を通って流入した灯油を気化して、改質器１４０へ送り込むものである。この気化器１１２は、加熱手段１１０から供給された水蒸気と灯油を混合させることにより、灯油を気化させるとともに水蒸気と混合し、これらを改質用燃料として改質器１４０に排出する。

＜改質用燃料温度制御手段＞
改質用燃料温度制御手段６は、燃焼室１２０の外部に配置された気化器１１２と燃焼室１２０の内部に収納された改質器１４０を連通させる断熱配管６１と、断熱配管６１に設けられた熱交換器６２とからなっている。このように、改質用燃料温度制御手段６に断熱配管６１を用いることにより、気化器１１２からの高熱に対して、内部を流れる改質用燃料が所定の温度範囲に収まるように断熱することができる。また、燃焼室１２０の内部は、約７００〜１０００℃の高温となることから、少なくとも改質器１４０と燃焼室１２０の間における断熱配管６１を積極的に冷却するための熱交換器６２を設けてある。このようにすると、気化器１１２と改質器１４０の間の流路において、重合反応を防止して残渣物による配管閉塞を確実に防止することができる。

ここで、好ましくは、熱交換器６２は、少なくとも改質器１４０と燃焼室１２０の間における断熱配管６１を覆うように設けられ、加熱手段１１０から排出される水（水蒸気）を熱交換器６２に供給する水供給管６２３と、熱交換器６２への水の供給を制御するモータバルブ６２２と、熱交換器６２によって熱交換された水を気化器１１２に排出するための水排出管６２４とを備えた構成とするとよい。このようにすると、燃焼室１２０内の断熱配管６１を冷却することができるので、改質用燃料がコーキングするといった不具合を確実に回避することができる。また、熱交換器６２において、加熱手段１１０からの水（水蒸気）を用いることにより、システムの構成を単純化することができ、製造原価のコストダウンを図ることができる。

さらに、好ましくは、図示してないが、断熱配管６１の内部に温度センサを設け、シーケンサ等の制御手段が、温度センサによって測定された改質用燃料の温度にもとづいて、モータバルブ６２２の開度を自動調整し、改質器１４０へ供給される改質用燃料が改質反応に最適な温度となるように、熱交換器６２への水の供給量を制御するとよい。このようにすると、改質器１４０にとって好ましい温度に改質用燃料を制御することができ、改質器１４０の改質効率を向上させることができ、ＳＯＦＣシステム１の効率を向上させることができる。さらに、改質触媒の寿命が延びることにより、ランニング費用のコストダウンを図ることができる。また、モータバルブ６２２の開度を調整することにより、改質用燃料の温度制御を容易かつ精度よく行うことができる。
なお、水排出管６２４から気化器１１２に排出された水は、改質用燃料として使用される。また。本実施形態では、熱交換器６２から排出される水を気化器１１２に排出する構成としてあるが、この構成に限定されるものではなく、たとえば、加熱手段１１０に還流させてもよい。

＜改質器＞
改質器１４０は、改質用燃料から水素リッチな改質ガスを発生させる装置であり、その内部には改質触媒が設けられている。
改質触媒は、例えば、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ等の貴金属や、Ｎｉ，Ｃｏ等の金属を、活性金属成分として用いている。
なお、改質ガスは、組成が水素ガス，二酸化炭素，一酸化炭素などからなり、高温に加熱されてもコーキングトラブル発生の心配がないので、改質器１４０と燃料電池１３０を連通させる配管７０は、断熱処理が施されていない一般的な金属製の配管が使用される。

また、改質器１４０において水素を発生させる方法としては、たとえば、水蒸気改質法、部分酸化法、オートサーマルリフォーミング法などがある。
水蒸気改質法による改質の条件としては、改質器１４０の内部温度を、７００〜８００℃程度とし、水蒸気と灯油の重量比（水蒸気／灯油）を、２．６〜５．２とするのが好ましい。水蒸気と灯油の重量比が高いほど、触媒上の炭素析出が抑制され改質触媒の長寿命化につながるが、水蒸気を過剰に発生させるためには、より多くの熱の投入が必要になり、装置の効率低下の原因となる。そのため、通常は、触媒上の炭素析出が抑制できる最低限の値に設定される。この値は使用する触媒で異なるが、水蒸気と灯油の重量比において最も好ましい範囲は、３．２〜４．５である。

また、部分酸化法は、灯油に酸素（空気）を導入する方法であり、この方法で改質を行う場合は、通常、酸素と原料中の炭素のモル比（Ｏ_２／Ｃ比）を０．４〜０．６とし、反応温度を８００〜１０００℃とする。
さらに、オートサーマルリフォーミング法は、水蒸気改質と部分酸化を組合せた方法で、この方法で改質を行う場合は、通常、水蒸気と灯油の重量比（水蒸気／灯油）を、０．６〜５．２、Ｏ_２／Ｃ比を０．４〜０．６、反応温度を７００〜９００℃とする。

このように、本実施形態のＳＯＦＣシステム１は、断熱配管５１及び改質用燃料温度制御手段６を設けることにより、気化器１１２の上流側の流路において、部分的な気化や重合反応を防止して脈動や残渣物による配管閉塞を防止することができ、また、気化器１１２と改質器１４０の間の流路において、重合反応を防止して残渣物による配管閉塞を防止することが可能となる。また、熱交換器６２によって、改質用燃料の温度制御を容易に行うことができ、改質効率を向上させることができる。

なお、本実施形態は、様々な応用例を有しており、次に、第一実施形態の応用例について、図面を参照して説明する。
図２は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の応用例の、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。
同図において、ＳＯＦＣシステム１ｃは、第一実施形態のＳＯＦＣシステム１と比較して、改質用燃料温度制御手段６ｃとして、気化器１１２と改質器１４０を連通させる断熱配管６１ｃと、断熱配管６１ｃの内部に設けた熱交換器６２ｃを備え、ポンプ２０３から排出される水を、モータバルブ６２２を介して熱交換器６２ｃに供給し、熱交換器６２ｃから排出される水を加熱手段１１０に供給する点が相違する。他の構成要素は第一実施形態とほぼ同様としてある。
したがって、図２において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

このようにすると、ＳＯＦＣシステム１ｃは、加熱手段１１０に供給される水を効果的に予熱することができるとともに、改質器１４０に供給される改質用燃料の温度制御を行うことができる。また、熱交換器６２ｃの構造を単純化することができ、製造原価のコストダウンを図ることができる。

［第二実施形態］
図３は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第二実施形態の、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。
同図において、ＳＯＦＣシステム１ａは、第一実施形態と比較して、気化器１１２に水（水蒸気）を供給する水加熱手段１１，脱硫器１１１，気化器１１２，改質器１４０及び燃料電池１３０を収納する燃焼室２を有し、燃料電池１３０を、水加熱手段１１，脱硫器１１１，気化器１１２及び改質器１４０を加熱する熱源とした点が相違する。他の構成要素は従来例とほぼ同様としてある。
したがって、図３において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

＜水加熱手段＞
水加熱手段１１は、モータバルブ６２２を介して、ポンプ２０３から供給される水と、燃料電池１３０から排出される排気ガスとの間で熱交換することにより、供給された水を水蒸気に変換して、気化器１１２に排出する加熱手段である。

＜液体燃料温度制御手段＞
液体燃料温度制御手段５は、燃焼室２の外部に配置されたポンプ２０２と燃焼室２の内部に収納された脱硫器１１１を連通させる断熱配管４１と、断熱配管４１に設けられた熱交換器４２と、燃焼室２に収納された脱硫器１１１と気化器１１２を連通させる断熱配管５１と、断熱配管５１に設けられた熱交換器５２とからなっている。また、熱交換器４２は、少なくとも脱硫器１１１と燃焼室２の間における断熱配管４１を覆うように設けられ、ポンプ２０３から排出される水を、モータバルブ６２２を介して供給され、熱交換により加熱された水を熱交換器５２に排出する。さらに、熱交換器５２は、脱硫器１１１と気化器１１２の間における断熱配管５１を覆うように設けられ、熱交換器４１から水バイパス管６２５を介して加熱された水を供給され、熱交換によりさらに加熱された水を水加熱手段１１に排出する。このようにすると、気化器１１２の上流側の流路において、排気ガスなどの熱によって配管内部の灯油が昇温するのを防ぐことができ、部分的な気化や重合反応を抑制し、脈動や残渣物による配管閉塞を防止することができる。また、脱硫器１１１にとって好ましい温度に灯油を制御することができ、脱硫器１１１の脱硫効率を向上させることができ、ＳＯＦＣシステム１ａの効率を向上させることができる。また、脱硫剤の寿命が延びることにより、ランニング費用のコストダウンを図ることができる。さらに、モータバルブ６２２の開度を調整することにより、液体燃料の温度制御を容易かつ精度よく行うことができる。

＜改質用燃料温度制御手段＞
改質用燃料温度制御手段として、気化器１１２と改質器１４０を連通させる断熱配管６１を設けてある。また、図示してないが、必要に応じて、排気ガスからの熱伝導を妨げる熱遮蔽部材で、断熱配管６１を覆うとよく、このようにすると、改質用燃料を所定の温度範囲に収めた状態で、改質器１４０に排出することができ、気化器１１２と改質器１４０の間の流路において、排気ガスなどの熱によって、配管内部の改質用燃料が昇温するのを防ぐことができ、重合反応を抑制し、残渣物による配管閉塞を防止することができる。
なお、本実施形態では、断熱配管６１を覆う熱交換器を設けていないが、この構成に限定されるものではない。たとえば、図示してないが、熱交換器５２から排出される加熱された水との間で熱交換を行い、加熱された水（水蒸気）を水加熱手段１１に排出する熱交換器を設けてもよい。

このように、本実施形態のＳＯＦＣシステム１ａは、液体燃料温度制御手段として、断熱配管４１，５１，熱交換器４２，５２を設け、さらに、改質用燃料温度制御手段として、断熱配管６１を設けることにより、気化器１１２の上流側の流路において、部分的な気化や重合反応を防止して脈動や残渣物による配管閉塞を防止することができ、また、気化器１１２と改質器１４０の間の流路において、重合反応を防止して残渣物による配管閉塞を防止することができる。
また、燃焼室２内に設けられた液体燃料温度制御手段５が流路内部を流れる流体の温度制御を、容易かつ精度よく行うことができる。

［第三実施形態］
図４は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第三実施形態の、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。
同図において、ＳＯＦＣシステム１ｂは、第二実施形態と比較して、水加熱手段１１，脱硫器１１１及び気化器１１２を収納する加熱室３を有し、燃料電池１３０からの排気ガスを、水加熱手段１１，脱硫器１１１及び気化器１１２を加熱する熱源とし、かつ、改質器１４０及び燃料電池１３０を収納する燃焼室１２０を有し、燃料電池１３０を、改質器１４０を加熱する熱源とした点が相違する。他の構成要素は従来例とほぼ同様としてある。
したがって、図４において、図３と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

＜加熱室３＞
加熱室３は、水加熱手段１１，脱硫器１１１及び気化器１１２を収納する断熱容器であり、燃焼室１２０から燃料電池１３０の高温の排気ガスを供給され、この排気ガスを熱源として、水加熱手段１１，脱硫器１１１及び気化器１１２を加熱する。このようにすると、加熱室３内に設けられた液体燃料温度制御手段６の温度制御を、容易かつ精度よく行うことができる。すなわち、水加熱手段１１，脱硫器１１１及び気化器１１２は、改質器１４０ほど高温に加熱する必要がないので、燃焼室１２０と別の加熱室３を設けて、この加熱室３の内部で熱交換を行うことにより、改質用燃料温度制御手段６の温度制御を容易に行うことができ、また、加熱室３を小型化することができる。

＜改質用燃料温度制御手段＞
改質用燃料温度制御手段として、気化器１１２と改質器１４０を連通させる断熱配管６１を設けてある。この断熱配管６１は、加熱室３を突き出て、燃焼室１２０の側壁に隣接して設けられた改質器１４０と接続してある。このようにすると、断熱配管６１が燃焼室１２０の内部に直接さらされる構造とならないので、断熱配管６１のコーキンググトラブルを効果的に防止することができる。

このように、本実施形態のＳＯＦＣシステム１ｂは、液体燃料温度制御手段５を加熱室３に設けることにより、改質器１４０より低い加熱温度を必要とする水加熱手段１１，脱硫器１１１及び気化器１１２を効率よく温度制御することができる。

以上、本発明の固体酸化物形燃料電池システムについて、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、第二実施形態では、水加熱手段１１の代わりに、熱交換器４２，５２及び断熱配管６１を覆う熱交換器（図示せず）からなる水加熱手段を使用してもよく、このようにすると、水加熱手段１１，脱硫器１１１及び気化器１１２を一体的に設けることができ、ＳＯＦＣシステム１ａを小型化することができる。

以上説明したように、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、すでに開発された、あるいは、これから開発される様々な構成の燃料電池（セル，スタック又はバンドルを含む）に広く有効に適用することができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態の応用例の、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第二実施形態の、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第三実施形態の、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。従来例に係る固体酸化物形燃料電池システムの、基本的な構成を説明するための要部の概略ブロック図を示している。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１００ＳＯＦＣシステム
２燃焼室
３加熱室
６，６ｃ改質用燃料温度制御手段
５液体燃料温度制御手段
４１，５１，６１，６１ｃ断熱配管
４２，５２，６２，６２ｃ熱交換器
７０配管
１１０加熱手段
１１１脱硫器
１１２気化器
１１３インバータ
１１４起動バーナー
１１５ガスボンベ
１２０燃焼室
１３０燃料電池
１４０改質器
２０２，２０３ポンプ
６２２モータバルブ
６２３水供給管
６２４水排出管
６２５水バイパス管

Claims

液体燃料を脱硫する脱硫器と、前記脱硫された液体燃料と水から改質用燃料を発生させる気化器と、前記改質用燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記脱硫器，気化器及び改質器を加熱する一又は二以上の熱源と、固体電解質を介して前記改質ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させることにより、直接発電を行うセルを有する燃料電池とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記気化器の上流側の流路に設けられ、前記液体燃料を所定の温度範囲に制御する液体燃料温度制御手段と、
前記気化器と改質器の間の流路に設けられ、前記改質用燃料を所定の温度範囲に制御する改質用燃料温度制御手段と
を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
前記液体燃料温度制御手段と改質用燃料温度制御手段の少なくとも一方が、熱交換によって、前記流路を流れる流体の温度を制御することを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
前記熱交換において、前記水を用いることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
前記気化器に前記水を供給する水加熱手段，脱硫器，気化器，改質器及び燃料電池を収納する燃焼室を有し、前記燃料電池を、前記水加熱手段，脱硫器，気化器及び改質器を加熱する熱源としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
前記気化器に前記水を供給する水加熱手段，脱硫器及び気化器を収納する加熱室を有し、前記燃料電池からの排気ガスを、前記水加熱手段，脱硫器及び気化器を加熱する熱源とし、かつ、前記改質器及び燃料電池を収納する燃焼室を有し、前記燃料電池を、前記改質器を加熱する熱源としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
前記液体燃料温度制御手段と改質用燃料温度制御手段の少なくとも一方を、断熱配管としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
前記断熱配管を、真空断熱配管としたことを特徴とする請求項６記載の固体酸化物形燃料電池システム。