JP2007179884A - 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】灯油を改質原料に用いる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池において、改質触媒を異常劣化させたり、効率を低下させたりすることなく安定に運転することのできる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】灯油を改質可能な改質器と、改質器から得られる改質ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池と、改質器を加熱するためのバーナとを有し、改質器が固体酸化物形燃料電池とバーナとの間に配置され、改質器が互いに連通する第一の改質部と第二の改質部を有し、改質ガスの流れについて第一の改質部が上流に第二の改質部が下流に位置し、第二の改質部が固体酸化物形燃料電池からの熱輻射を受ける位置であって、固体酸化物形燃料電池から第一の改質部への熱輻射を遮る位置に配された間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は固体酸化物形燃料電池に関し、より詳しくは、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 Ｃｅｌｌ。以下場合によりＳＯＦＣという。）においては、灯油等の改質原料を改質して水素を含有する改質ガスとし、改質ガスをＳＯＦＣに燃料として供給することが行われている。改質反応としては吸熱を伴う水蒸気改質反応が主に利用される。

ＳＯＦＣの動作温度が高く改質原料燃料の改質温度に近いため、ＳＯＦＣからの熱輻射を受ける位置に改質器を配置し、ＳＯＦＣの熱を改質に利用する間接内部改質型ＳＯＦＣがある（特許文献１参照）。
特開２００２−３５８９９７号公報

しかし、灯油のような高次炭化水素を改質原料に用いる場合、改質が進んでいない炭化水素成分を、動作温度の高い固体酸化物形燃料電池に供給すると、炭素析出により運転の安定性が損なわれる場合がある。よって、灯油のような高次炭化水素をＣ１化合物（炭素数１の化合物）まで完全転化させることが望まれる。

燃料電池排熱を十分受けることのできる定常運転時は、システム設計により改質器に十分な受熱面積を与えておけば高い転化率を維持できるが、負荷変動や外乱等により燃料電池排熱量が減少した場合、あるいは急激に改質原料の改質量を増加させた場合、改質に必要な熱量が不足するため改質における転化率の低下を引き起こすことがある。この際、燃料電池の燃料利用率を低下させてアノードオフガスの熱量を大きくし、アノードオフガスの燃焼熱によって改質器を加熱することにより、転化率の低下を抑制することも考えられるが、この場合、いったん改質した燃料を燃焼させて熱供給するため効率が大幅に低下する。

また、改質器全体が固体酸化物形燃料電池からの輻射伝熱を受ける場合、固体酸化物形燃料電池が定常に到達すると、改質器の改質原料入口付近までほぼ均等に加熱され、温度が高いために改質原料入口付近の触媒上で炭素析出し、触媒の異常劣化を引き起こす場合もある。

本発明の目的は、灯油を改質原料に用いる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池において、改質触媒を異常劣化させたり、効率を低下させたりすることなく安定に運転することのできる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を提供することである。

本発明により、灯油を改質可能な改質器と、該改質器から得られる改質ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池と、該改質器を加熱するためのバーナとを有し、
該改質器が、該固体酸化物形燃料電池と該バーナとの間に配置され、
該改質器が、互いに連通する第一の改質部と第二の改質部を有し、
改質ガスの流れについて、第一の改質部が上流に、第二の改質部が下流に位置し、
該第二の改質部が、該固体酸化物形燃料電池からの熱輻射を受ける位置であって、固体酸化物形燃料電池から第一の改質部への熱輻射を遮る位置に配された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が提供される。

上記間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が、さらに、改質器入口に直結された改質原料予熱器を有することができる。

前記第一の改質部および第二の改質部に充填される改質触媒が灯油酸化活性を有する改質触媒を含むことができる。

本発明により、灯油を改質原料に用いる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池において、改質触媒を異常劣化させたり、効率を低下させたりすることなく安定に運転することのできる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が提供される。

改質器では、水蒸気改質反応により、改質原料である灯油から、水素を含むガスである改質ガスを製造する。このとき部分酸化改質反応を伴ってもよいが、水素を効率的に製造する観点から、水蒸気改質が支配的になるようにする。従って、改質器ではオーバーオールで吸熱になる反応が進む。

改質器は、互いに連通する第一の改質部と第二の改質部を有する。改質ガスの流れについて、第一の改質部が上流側に位置し第二の改質部が下流側に位置する。つまり改質原料は第一の改質部に供給され、第一の改質部を出たガスが第二の改質部に流入する。

第一の改質部および第二の改質部とも、灯油を改質可能な改質触媒が充填される。改質触媒としては、水蒸気改質触媒やオートサーマルリフォーミング触媒（水蒸気改質能および部分酸化改質能を有する触媒）を用いることができる。使用する灯油を水蒸気改質もしくはオートサーマルリフォーミング可能な公知の触媒から適宜選んで採用することができる。

第一の改質部および第二の改質部に充填される改質触媒が灯油酸化活性を有する改質触媒を含むことが好ましい。灯油酸化活性とは、触媒上で灯油を酸素と酸化反応させ発熱させる能力をさす。本改質部に酸化活性を有する触媒を充填することにより、触媒上で直接発熱が得られ、改質触媒が改質に適する温度に到達するまでの時間を短縮することができる。

本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣは、改質器、ＳＯＦＣに加えて、改質器を加熱するためのバーナを有する。バーナは、使用するバーナ燃料を燃焼可能な公知のバーナから適宜選んで用いることができる。

バーナの燃料としては、改質原料として用いる灯油を用いることが好ましい。別途の燃料を用意する必要がないからである。ただし、他の燃料を用いることもできる。

ＳＯＦＣとしては、平板型や円筒型などの各種形状を適宜選んで採用できる。また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スタックが好ましく用いられる。この場合、スタックは１つでも複数でもよい。ＳＯＦＣ、改質器およびバーナを缶体等の容器の中に収容してモジュール化することができる。

改質器はＳＯＦＣとバーナとの間に配置される。つまり、第一の改質部と第二の改質部の両者が、ＳＯＦＣとバーナとの間に配置される。

第二の改質部は、ＳＯＦＣから第二の改質部への直接の輻射伝熱が可能な位置に配される。そして、ＳＯＦＣから第一の改質部への直接の輻射伝熱は第二の改質部によって遮られる。

本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣにおいては、外乱あるいは改質量の急増等により燃料電池排熱のみでは熱供給が不足する場合でも、バーナの燃焼熱により熱不足を補うことができるため、効率を低下させることなく安定運転が可能である。ＳＯＦＣ排熱のみで改質に必要な熱をまかなうことができる場合には、バーナの燃焼は行わないでよい。

さらに、第二の改質部はＳＯＦＣからの輻射熱を受けられるのに対し、第一の改質部は第二の改質部によってＳＯＦＣから輻射熱が遮られるため、第一の改質部を第二の改質部に比べて低温にすることが容易である。従って、改質器の入口側をより低温にし、これにより炭素析出を抑制することが容易となる。

さらに、改質器入口に改質原料予熱器を直結させることができる。改質原料予熱器は、水素を含む改質ガスを得るための原料、すなわち灯油と水を気化し、予熱し混合する熱交換器を指す。該予熱器を、第一の改質部と直結させることにより、該改質部からの伝熱により該予熱器を効率よく暖めることができる。また、該改質部から該予熱器への伝熱により改質部入口を、改質触媒が異常劣化しない温度に低下させることが容易となる。

予熱器の温度は、灯油が安定に気化できるために好ましくは１５０℃以上、より好ましくは２００℃以上、さらに好ましくは２５０℃以上とする。また、予熱器内での炭素析出防止のため、好ましくは５００℃以下、より好ましくは４５０℃以下、さらに好ましくは４００℃以下とする。

第一の改質部の入口温度は、ガス化された原料の再凝縮を防止し触媒を有効に作動させるために、好ましくは３００℃以上、より好ましくは３５０℃以上、さらに好ましくは４００℃以上とする。また、触媒入口での炭素析出防止のため、好ましくは５５０℃以下、より好ましくは５００℃以下、さらに好ましくは４５０℃以下とする。

改質原料予熱器と第一の改質部は効率よく伝熱させるため、外板で一体化された構造が望ましい。

〔実施例１〕
以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。図１は、本実施例の内部改質型ＳＯＦＣ示す模式図である。

本実施例の間接内部改質型ＳＯＦＣは、バーナ１と、改質器２と、円筒型ＳＯＦＣ３が複数配列されたＳＯＦＣスタック４とが、不図示の容器に収容されてなる。

バーナ１には燃焼用に空気と灯油が供給可能で、ここで灯油の燃焼を行う。バーナには、輻射熱の比率が高く、燃焼面を大きく取れる表面燃焼バーナが好ましい。表面燃焼バーナとして、例えば燃焼面にセラミックプレートあるいはメタルマットを用いたバーナを用いることができる。

改質原料予熱器５に灯油と水が供給され、両者とも気化し、十分に混合される。

改質器２には改質原料予熱器にて気化された灯油と水が供給され水蒸気改質を行う。

改質器は、ガス流路を形成するための直方体の箱を二つ重ね、第一の箱の流路端部（図１において紙面右側）にガス供給口を設け、ガス供給口と反対側の流路端部（図１において紙面左側）において二つの箱を連通させ、第二の箱の上記連通端とは反対側の流路端部（つまり、第一の箱のガス供給口が設けられる側の端部と同じ端部。図１において紙面右側）にガス排出口を設け、第一の箱と第二の箱の中に灯油を改質可能な水蒸気改質触媒を充填した構造を有する。第一の箱の改質触媒が充填された部分が第一の改質部２ａであり、第二の箱の改質触媒が充填された部分が第二の改質部２ｂである。つまり、改質器は、内部のガス流が折り返す構造を有している。

なお、箱形以外にも、例えば、円管を実質的に隙間無く平面状に配列させ、これを折り返して第一および第二の改質部を有する改質器を形成することもできる。

改質器は、ＳＯＦＣとバーナとの間に、第一の改質部をバーナ側に、第二の改質部をＳＯＦＣ側にして配される。第二の改質部の壁面からＳＯＦＣの排熱を輻射により受熱可能で、第一の改質部の壁面からバーナの燃焼熱を受熱可能である。

改質器にて灯油が改質され、水素を含む改質ガスとされ、ＳＯＦＣのアノード電極３ａに供給される。一方、酸素含有ガス（ここでは空気）がカソード電極３ｃに供給される。発電に伴いＳＯＦＣが発熱し、その熱がＳＯＦＣから第二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。このとき、第二の改質部がＳＯＦＣから第一の改質部への輻射伝熱を遮っているため、第一の改質部の温度は第二の改質部の温度より低くなる。

なお３ｂは固体酸化物からなる電解質である。ガスの取り合い等は適宜配管等を用いて行う。

運転条件が変動した場合など、ＳＯＦＣ排熱だけでは改質反応に必要な熱がまかなえない場合、バーナ１にて灯油を酸素含有ガス（ここでは空気）によって燃焼させ、その燃焼熱を改質器に与え、不足分を補うことができる。燃焼排気は、必要に応じてさらに熱利用されて外界に排出される。

バーナの制御は、例えば、改質触媒の温度を継続的に監視し、その温度が所定の値以上になるようにＯＮ／ＯＦＦ制御することができる。

各供給ガスは必要に応じて適宜予熱されたうえで改質器もしくはＳＯＦＣに供給される。

〔実施例２〕
図２は、本実施例の内部改質型ＳＯＦＣ示す模式図である。実施例１では円筒型ＳＯＦＣの内側がアノードで外側がカソードであるが、本例では内側がカソードで外側がアノードである。また、これに伴い、ガスの導管の配置が実施例１とは異なっている。これ以外については実施例１と同様であり、実施例１と同様の効果が得られる。

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。

本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの一例を示す模式図である。 本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの別の例を示す模式図である。

符号の説明

１：バーナ
２：改質器
２ａ：第一の改質部
２ｂ：第二の改質部
３：ＳＯＦＣ
３ａ：アノード電極
３ｂ：固体酸化物電解質
３ｃ：カソード電極
４：ＳＯＦＣスタック
５：改質原料予熱器

Claims (3)

1. 灯油を改質可能な改質器と、該改質器から得られる改質ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池と、該改質器を加熱するためのバーナとを有し、
   該改質器が、該固体酸化物形燃料電池と該バーナとの間に配置され、
   該改質器が、互いに連通する第一の改質部と第二の改質部を有し、
   改質ガスの流れについて、第一の改質部が上流に、第二の改質部が下流に位置し、
   該第二の改質部が、該固体酸化物形燃料電池からの熱輻射を受ける位置であって、固体酸化物形燃料電池から第一の改質部への熱輻射を遮る位置に配された
   間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
2. さらに、改質器入口に直結された改質原料予熱器を有する請求項１記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
3. 前記第一の改質部および第二の改質部に充填される改質触媒が灯油酸化活性を有する改質触媒を含む請求項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。

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