JP2007323904A

JP2007323904A - 固体酸化物形燃料電池モジュール及びその起動方法

Info

Publication number: JP2007323904A
Application number: JP2006151659A
Authority: JP
Inventors: Norimune Yamazaki; 典宗山崎
Original assignee: Japan Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP5436746B2

Abstract

【課題】迅速に起動することが可能で、起動時に燃料電池セルに炭素等が析出することがない固体酸化物形燃料電池モジュールと、該固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池スタック２と触媒燃焼部３とから固体酸化物形燃料電池モジュール１を構成する。また、該固体酸化物形燃料電池モジュール１を用いて、起動時に、燃料電池用燃料を触媒燃焼部３で燃焼させ、発生した燃焼熱により固体酸化物形燃料電池スタック２を予熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュール及び該固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法に関し、特に迅速に起動することが可能で、起動時に燃料電池セルに炭素等が析出することがない固体酸化物形燃料電池モジュール及びその起動方法に関するものである。

一般に、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が600〜1000℃と高温であるため、起動時に該作動温度付近まで燃料電池セルを加熱する必要がある。従来の固体酸化物形燃料電池は、燃料電池用燃料として都市ガスを使用しており、起動時に都市ガスを燃料電池セルの近傍で直接燃やして、燃料電池セルを加熱する方式等が採られている（特許文献１参照）。ここで、都市ガスは主成分がメタンであるため、未燃のカーボンの燃料電池セルへの析出量は少ない。しかしながら、燃料電池用燃料として炭素数の大きな灯油等を選択し、炭素数の大きな燃料電池用燃料を燃料電池セルの近傍で直接燃やした場合、未燃のカーボンが燃料電池セル表面に大量に析出する可能性がある。

また、従来、円筒型の燃料電池セルが知られているが、加熱に時間を要し、燃料電池スタックの直近で燃料電池用燃料を燃やして燃料電池スタックを加熱すると、完全燃焼されなかった炭化物等が燃料電池スタックの表面に析出するという問題があった。

特開２００４−２０７００７号公報

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、迅速に起動することが可能で、起動時に燃料電池セルに炭素等が析出することがない固体酸化物形燃料電池モジュールと、該固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、固体酸化物形燃料電池モジュール内部に触媒燃焼部を設け、起動時に、該触媒燃焼部で固体酸化物形燃料電池モジュールに使用する燃料（燃料電池用燃料）を触媒燃焼させ、触媒燃焼ガスを燃料電池スタックの近傍で循環させ、燃料電池スタックの作動温度により近い温度まで昇温することで、燃料電池スタックを迅速に起動することが可能となり、また、燃料電池用燃料の燃焼を触媒燃焼部で行うことで、燃料電池スタックに炭素等が析出するのを防止できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池スタックと触媒燃焼部とを備え、前記触媒燃焼部で燃料電池用燃料を燃焼させることにより、前記固体酸化物形燃料電池スタックが予熱されることを特徴とする。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法は、固体酸化物形燃料電池スタックと触媒燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法であって、
起動時に、燃料電池用燃料を前記触媒燃焼部で燃焼させ、発生した燃焼熱により前記固体酸化物形燃料電池スタックを予熱することを特徴とする。

本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法において、前記燃料電池用燃料としては、炭化水素及び脂肪族アルコールが好ましく、軽油、ナフサ及び灯油が更に好ましい。

本発明によれば、固体酸化物形燃料電池モジュール内部に触媒燃焼部を設け、起動時に、該触媒燃焼部で固体酸化物形燃料電池に使用する燃料を触媒燃焼させ、触媒燃焼ガスを燃料電池スタックの近傍で循環させ、燃料電池スタックの作動温度により近い温度まで昇温することで、燃料電池スタックを迅速に起動することが可能となり、また、燃料電池用燃料の燃焼を触媒燃焼部で行うことで、燃料電池スタックに炭素等が析出するのを防止することができる。

以下に、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールを図を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールの一例の概略図であり、図２は、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールの他の例の概略図である。図示例の固体酸化物形燃料電池モジュール１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック２と触媒燃焼部３とを備え、触媒燃焼部３で燃料電池用燃料を燃焼させることにより、固体酸化物形燃料電池スタック２を予熱することできる。

図１において、触媒燃焼部３には、酸化性ガス供給ライン４Ａと、燃料電池用燃料供給ライン５Ａとが連結されており、また、触媒燃焼部３の少なくとも一部には、燃焼触媒６が充填されている。なお、図１においては、触媒燃焼部３に酸化性ガス供給ライン４Ａ及び燃料電池用燃料供給ライン５Ａが直接連結されており、酸化性ガス及び燃料電池用燃料は触媒燃焼部３内で混合されるが、酸化性ガス及び燃料電池用燃料を触媒燃焼部３に導入する前に混合することも可能であり、この場合、酸化性ガス供給ライン及び燃料電池用燃料供給ラインを触媒燃焼部３の外部で連結し、該連結部から混合ガスの供給ラインを触媒燃焼部３に連結すればよい。

一方、図１において、固体酸化物形燃料電池スタック２には、酸化性ガス供給ライン４Ｂと、発電用燃料供給ライン５Ｂとが連結されており、また、固体酸化物形燃料電池スタック２の近傍には、触媒燃焼排ガス流路７が配設されている。

図１において、酸化性ガス供給ライン４Ａ及び燃料電池用燃料供給ライン５Ａを通して触媒燃焼部３に供給された酸化性ガスと燃料電池用燃料とは、触媒燃焼部３内の燃焼触媒６と接触して燃焼し、燃焼熱を発生する。また、燃焼反応で生成した触媒燃焼排ガスは、燃焼熱を運びながら触媒燃焼排ガス流路７を流れ、それと同時に、触媒燃焼排ガス流路７の近傍の固体酸化物形燃料電池スタック２を加熱する。

また、図２では、触媒燃焼部３は、固体酸化物形燃料電池スタック２の近傍に配置されており、該触媒燃焼部３の全体には燃焼触媒６が充填されている。なお、触媒燃焼排ガス流路７は、触媒燃焼部３の下流側に連結されている。この例では、触媒燃焼部３の上流側の部分（即ち、図１において触媒燃焼部が位置する部分）において、酸化性ガス供給ライン４Ａを経て導入された酸化性ガスと、燃料電池用燃料供給ライン５Ａを経て導入された燃料電池用燃料とが混合され、混合ガスが触媒燃焼部３に導入される。また、図２中の触媒燃焼部３は、触媒燃焼排ガス流路７よりも径が大きいが、触媒燃焼部３の径は特に限定されるものではなく、触媒燃焼排ガス流路７の径より小さくてもよいし、触媒燃焼排ガス流路７と同径であってもよい。

図２において、酸化性ガスと燃料電池用燃料との混合ガスは、触媒燃焼部３に供給され、該触媒燃焼部３内の燃焼触媒６と接触し燃焼して、燃焼熱を発生し、触媒燃焼部３の近傍に位置する固体酸化物形燃料電池スタック２を加熱する。なお、図２中の固体酸化物形燃料電池スタック２は図１中のものと同様である。

上述のように、固体酸化物形燃料電池スタック２は、作動温度が600〜1000℃と高温であるため、起動時に該作動温度付近まで予熱する必要があるが、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールでは、起動時に、図１に示すように、燃料電池用燃料を触媒燃焼部３で燃焼させ、発生した燃焼熱を触媒燃焼排ガスを媒体として固体酸化物形燃料電池スタック２に伝達して、固体酸化物形燃料電池スタック２を加熱したり、図２に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック２の近傍に触媒燃焼部３を配置して該触媒燃焼部３で燃料電池用燃料を燃焼させ、発生した燃焼熱で固体酸化物形燃料電池スタック２を加熱することで、容易に作動温度付近まで予熱することができる。

また、従来の固体酸化物形燃料電池のように、燃料電池スタックの近傍で燃料電池用燃料を直接燃やした場合、燃料電池スタックの電池セル表面に炭素が析出することが有り、特に、炭素数の大きな燃料電池用燃料を使用した場合、電池セル表面への炭素析出が顕著であったが、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールでは、燃料電池用燃料の燃焼を燃料電池スタックの近傍で直接行わず、触媒燃焼部３内で行うため、電池セル表面に炭素等が析出することを確実に防止することができる。

本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールを構成する固体酸化物形燃料電池スタック２としては、特に限定されるものではなく、公知の構造の固体酸化物形燃料電池スタックを採用することができる。なお、通常、該固体酸化物形燃料電池スタックは、複数の電池セルを積層して構成されることが多い。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールを構成する触媒燃焼部３としては、少なくとも一部に燃焼触媒を充填できる限り、特に限定されず、任意の形状、寸法等とすることができる。また、触媒燃焼部３の材質も、特に限定されず、ステンレス等の種々の材質を使用することができる。更に、該触媒燃焼部３に充填される燃焼触媒としては、固体酸化物形燃料電池の燃料電池用燃料を燃焼させることができればよく、公知の酸化触媒を適宜選択することができるが、具体的には、高温で劣化しにくいＰｔ、Ｐｄ等を、アルミナ、シリカ等の担体に担持した触媒が好ましい。

本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールに使用する燃料電池用燃料としては、炭化水素及び脂肪族アルコールが挙げられる。ここで、炭化水素としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン等のガス、軽油、ガソリン、ナフサ、灯油等の液体燃料を用いることができ、一方、脂肪族アルコールとしては、メタノール、エタノール等を用いることができる。これらの中でも、本発明では、燃料コストの観点から、炭素数の大きい炭化水素、より具体的には、軽油、ナフサ、灯油が好ましく、灯油が特に好ましい。

ここで、燃料電池用燃料として、炭素数の大きい炭化水素や脂肪族アルコールを用いる場合、固体酸化物形燃料電池スタック２のアノード極へ燃料電池用燃料を水蒸気と共に直接導入すると、Ｃ２＋成分（炭素数２以上の成分）の影響により、アノード極への炭素析出が懸念されるため、固体酸化物形燃料電池スタック２の外部で燃料電池用燃料の改質を行った後、水素を主成分とする改質ガス（発電用燃料）をアノード極へ導入することが好ましい。

固体酸化物形燃料電池スタック２の外部での燃料電池用燃料の改質方法は、特に限定されるものではなく、公知の改質装置を用い、燃料電池用燃料と水蒸気との混合物を、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア等の担体に、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｔを単独または複数で担持した改質触媒に接触させ、燃料電池用燃料の種類、運転条件等に応じた適当な温度で実施することができる。

本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、固体酸化物形燃料電池スタック２及び触媒燃焼部３に導入する酸化性ガスとしては、一般的にはコストの観点から空気が使用されるが、純酸素を使用してもよい。

なお、図示しないが、触媒燃焼部３に導入する燃料電池用燃料は、気体として触媒燃焼部３に供給されることが好ましいため、燃料電池用燃料供給ライン５Ａの触媒燃焼部３よりも上流に加熱手段を設けることが好ましい。

本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールの一例の概略図である。本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールの他の例の概略図である。

符号の説明

１固体酸化物形燃料電池モジュール
２固体酸化物形燃料電池スタック
３触媒燃焼部
４Ａ，４Ｂ酸化性ガス供給ライン
５Ａ燃料電池用燃料供給ライン
５Ｂ発電用燃料供給ライン
６燃焼触媒
７触媒燃焼排ガス流路

Claims

固体酸化物形燃料電池スタックと触媒燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池モジュールであって、
前記触媒燃焼部で燃料電池用燃料を燃焼させることにより、前記固体酸化物形燃料電池スタックが予熱されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
固体酸化物形燃料電池スタックと触媒燃焼部とを備える固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法であって、
起動時に、燃料電池用燃料を前記触媒燃焼部で燃焼させ、発生した燃焼熱により前記固体酸化物形燃料電池スタックを予熱することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法。
前記燃料電池用燃料が炭化水素又は脂肪族アルコールであることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法。
前記燃料電池用燃料が、軽油、ナフサ又は灯油であることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールの起動方法。