JP2008091049A - 燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールの排ガスで加熱する改質器を備えた燃料電池発電システムにおいて、改質器の温度を燃料電池の運転条件とは独立に制御可能にするシステムを提供する。
【解決手段】燃料電池モジュールの温度とは独立に改質器１０の温度を制御できる温度調節手段を備える。改質器１０を、燃料電池の排ガス１０１温度よりも高温又は低温の流体が導入可能な三流体熱交換器にし、高温又は低温の流体を改質器１０に導入することで、改質器１０の温度を燃料電池の運転温度とは独立に制御する。また、モジュール排ガス１０に高温又は低温のガスを混合することで、排ガス１０１自身の温度を調節し、改質器１０の温度を燃料電池の運転温度とは独立に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、改質器を有する燃料電池発電システムとその運転方法に係り、特にアノードガスに炭化水素系燃料を用いる固体酸化物形燃料電池発電システムとその運転方法に関する。

燃料電池は、電解質を挟んで一方の側にアノード、他方の側にカソードを備え、アノード側に燃料ガスを供給し、カソード側に酸化剤ガス、主として空気を供給して、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、作動温度が７００〜１０００℃程度と高く、発電効率が高いこと、また排熱も利用しやすいことから研究が進められている。

この固体酸化物形燃料電池のアノード側には、通常、都市ガス，ＬＮＧ，灯油などの炭化水素系燃料が、水蒸気と共に供給される。炭化水素のうち、最も一般的な燃料とされているＣＨ_４についてみると、固体酸化物形燃料電池のアノード表面において、水蒸気と（１）式で示されるように反応して改質される。この改質反応は吸熱反応であり、燃料電池の内部において改質されることから内部改質方式と呼ばれる。この内部改質の吸熱を利用して、燃料電池の温度制御を行うことも可能である。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＝３Ｈ_２＋ＣＯ ……… （１）
（１）式で示される改質反応によって得られたＨ_２及びＣＯは、カソード側からのＯ^２−と（２）式及び（３）式で示されるように、それぞれ反応して、電気と熱出力が得られる。

Ｈ_２＋ Ｏ^２−＝Ｈ_２Ｏ＋２ｅ− ……… （２）
ＣＯ＋ Ｏ^２−＝ＣＯ_２＋２ｅ− ……… （３）
しかしながら、炭化水素系燃料には、ＣＨ_４よりも高次のＣ_２Ｈ_６，Ｃ_３Ｈ_８，Ｃ_４Ｈ_１０などが含まれている。これらをそのままアノード極に供給するとＣ分が析出してしまい、燃料電池の性能低下を引き起こす可能性がある。このため、通常は、改質器と呼ばれる、燃料電池とは別の外部構成機器で高次の炭化水素系燃料をＣＨ_４まで部分改質し、あるいは、（１）式で示されたＨ_２及びＣＯまで全量改質してアノードに供給する。このように、改質器と呼ばれる、燃料電池とは別の外部構成機器にて、炭化水素系燃料の改質を行うことを外部改質方式と呼ぶ。

外部改質方式の改質器については、例えば特許文献１に記載されているように、燃料電池からの未利用燃料と未利用酸化剤を燃焼する燃焼室に改質器を設置することによって、改質反応の熱源を確保する工夫がなされている。

特開２００３−１０９６３９号公報（要約）

しかし、燃料電池からの未利用燃料と未利用酸化剤を燃焼する燃焼室に改質器を設置する構成では、燃料電池側の運転条件によって改質器温度が制限されることになる。このため、部分改質或いは全量改質を行いたい場合に、改質器側で独立に改質度合いを変化させた運転を行うことは難しい。この結果、例えば、燃料電池の温度が低く、昇温を行いたい場合でも、燃焼室の温度が低いために改質が十分行われず、ＣＨ_４濃度の高いアノードガスが燃料電池に供給され、内部改質により燃料電池が冷却されるために、昇温が促進されないという問題があった。また、定格発電までに長時間を要することになり、システムの使い勝手が悪いという問題があった。

本発明の目的は、改質器を備え、当該改質器を燃料電池モジュールの排ガスで加熱する燃料電池発電システムにおいて、改質器の温度を燃料電池の運転条件とは独立に制御できるようにした燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することにある。

本発明は、改質器を備え、当該改質器を燃料電池モジュールの排ガスで加熱する燃料電池発電システムにおいて、燃料電池モジュールの温度とは独立に改質器の温度を制御できる温度調節手段を設けたことにある。

また、燃料電池モジュールの温度または負荷に応じて、前記温度調節手段を起動して、改質器の温度を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法にある。

本発明によれば、燃料電池の運転条件に関係なく、改質器の温度を独立に制御することができる。

本発明において、改質器は、例えば、燃料電池モジュールの排ガス温度よりも高温又は低温の流体を導入可能な三流体熱交換器よりなる構成とすることが望ましい。排ガスよりも高温又は低温の流体を改質器に導入することで、改質器の温度を燃料電池の運転条件とは独立に制御できるようになる。すなわち、排ガスよりも高温又は低温の流体が温度調節手段として機能する。

三流体熱交換器よりなる改質器では、燃料電池モジュールの排ガスと、その排ガスよりも高温又は低温の流体の両者によって、被改質燃料である炭化水素系燃料が改質される。一例として、燃料電池の運転温度が低く、昇温を行いたい場合には、排ガス温度よりも高温の流体を改質器に導入して改質が十分進むようにし、Ｈ_２濃度を高めれば良い。これによりアノードガスの炭化水素濃度が低くなり、燃料電池モジュールでの内部改質が抑制され、燃料電池の運転温度が高くなる。一方、燃料電池の温度が高くなりすぎ、降温させたい場合には、排ガスよりも温度の低い流体を供給して、改質器での改質反応を抑制し、ＣＨ_４濃度を高めればよい。ＣＨ_４濃度の高いガスをアノードガスとして供給することで内部改質が進みやすくなり、吸熱反応により燃料電池が冷却される。

三流体熱交換器よりなる改質器ではなく、高温の流体又は低温の流体を用いて、改質器の周囲から加熱或いは冷却できる構成にしてもよい。この構成でも、改質器の温度調節は十分に可能である。

また、燃料電池モジュールの排ガスに高温又は低温のガスを混合し、排ガス自体の温度をコントロールすることでも、燃料電池の運転温度とは独立して改質器の温度を調節することは可能である。

本発明によれば、前記した温度調節手段により、モジュールの温度または負荷に応じて改質器の温度を制御する運転方法が実現する。また、当該温度調節手段によりモジュールの昇降温速度を制御する運転方法が実現する。また、燃料電池モジュールの温度を監視し、モジュール温度を下げる必要があれば改質器の温度を低くしてＣＨ_４濃度を増加させ、逆に上げる必要があれば改質器の温度を高くしてＣＨ_４濃度を低減させる制御を行う運転方法が実現する。

本発明の燃料電池発電システム及びその運転方法では、燃料電池の運転条件に関係なく、改質器温度を独立に制御できる機構を設けたので、燃料電池の昇降温速度の制御が容易となりシステムの使い勝手が向上するという効果が得られる。また、固体酸化物形燃料電池発電システムでは、通常、Ｈ_２ラインを設けて、モジュールの昇温時にアノード側にＨ_２を供給し、発電を加速するが、本発明ではＨ_２ラインを不要にできる効果がある。また、モジュールの降温時にアノード側にＮ_２とＨ_２をパージして、還元雰囲気にしてアノードの酸化を防ぐことが行われるが、このラインを不要にでき、システムの簡素化を図ることができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、これに限定されるものではない。

図１に、本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池発電システムの概略構成図を示す。また、図２に図１のＡ−Ａ断面図を示し、図３に固体酸化物形燃料電池セルの構成を示す。本実施例の固体酸化物形燃料電池発電システムは、断熱容器２０の内部に燃料電池セル８０の集合体であるモジュール３０を有し、そのモジュールの上方すなわち排ガス１０１が流れる方向の下流側に、カソードガス９０を各セルに均等分配するためのヘッダ９１を有する。また、ヘッダ９１の上方に改質器１０を有する。

本実施例の特徴は、改質器１０に流体ライン２０１を設けて、改質器の温度を燃料電池セル８０の温度によらずに独立に制御できるようにしたことにある。図２には、便宜上、燃料電池セル８０を３６本だけ示したが、通常は数十から数百程度のセルを直列もしくは並列に積層集合して発電が行われる。このようにセルを集合した集合体をモジュール３０と称する。本実施例における燃料電池セル８０は、円筒形をした固体酸化物電解質８０ｅの外側にアノード８０ａを有し、内側にカソード８０ｃを有する。

図３には、アノードガス及びカソードガスが流れる方向を矢印で示した。燃料電池セル８０のカソード側には、カソードガス９０として酸化剤ガス、通常は空気を流す。このカソードガス９０は、各セルへガスを均等分配するためのヘッダ９１を通り、空気導入管９２を通ってカソード８０ｃに到達する。一方、アノード側には、通常、都市ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧなどの炭化水素系燃料と水蒸気を混合したガスすなわち被改質ガス２００を、改質器１０で（１）式により一部或いは全て水蒸気改質して改質ガスとしてからアノードガス１００として供給する。

このようにして燃料電池セル８０に供給されたカソードガス９０とアノードガス１００は、（２）式及び（３）式で示された反応式にしたがって電気化学反応する。これにより、電気と熱が発生する。この時に発生する熱で、燃料電池セル８０の運転温度である７００〜１０００℃に維持される。また、モジュール３０を取り囲む断熱容器２０によって、放熱が抑制される。カソードガス９０の未利用（酸化剤）分とアノードガス１００の未利用（燃料）分は、燃焼して排ガス１０１となる。

改質器１０が、燃料電池モジュールの排ガス１０１のみで改質を行う改質器の場合、すなわち図４に示す発電システムの構成の場合には、改質器１０は排ガス１０１の熱を回収して改質反応（吸熱反応）の熱源として用いることになる。

しかし、昇温開始時或いは昇温途中の時のように、燃料電池セル８０の発電量が少ない時には、燃料電池セル８０の温度が低いために排ガス１０１の温度も低い。このため、改質器１０の温度が低く、改質が十分に行われない。この結果、図５に示す改質ガス中の炭化水素濃度と改質温度との関係図から明らかなように、炭化水素濃度の高い、すなわちＣＨ_４濃度の高いアノードガス１００Ａが燃料電池に供給されることになり、内部改質により燃料電池が冷却されるために、結果として昇温が促進されない。この方式では、定格発電までに長時間を要することになり、システムの使い勝手が悪い。

また、逆に、燃料電池セル８０の温度を低下させたい時でも、今度は改質器の温度が高いためにＣＨ_４濃度の低いアノードガス１００Ｂが燃料電池に供給されることになり、燃料電池セル８０の内部改質による吸熱（冷却）効果が得られずに温度制御が困難になるという問題がある。

これに対して、本発明では、改質器１０に、流体ライン２０１から高温又は低温の流体を流すことで、改質器１０を燃料電池セル８０の温度によらずに独立に制御することが可能である。燃料電池の温度を上昇させたい場合には、流体ライン２０１から高温の流体を供給し、改質器の温度を高くしてＨ_２濃度が高く炭化水素濃度が低い改質ガスが得られるようにし、内部改質を抑制してモジュールを昇温する。反対に、燃料電池の温度を下げたい場合には、流体ライン２０１から低温の流体を供給し、改質器の温度を低くＨ_２濃度が低く炭化水素濃度が高い改質ガスが得られるようにし、内部改質を促進しモジュールを下げる。

図６に排ガス１０１のみで改質を行う場合の改質器の一例を示す。また、図７に流体ラインを有する改質器の一例を示す。排ガス１０１のみで改質する改質器の場合には、炭化水素系燃料に水蒸気を添加した被改質ガス２００を改質器１０に供給し、排ガス１０１のみの熱を隔壁１２により回収し、改質ガス１００を得ることになる。なお、改質器の被改質ガス２００の流路には、一般に改質反応を促進させる改質触媒１３が充填される。この改質触媒１３には通常、Ｎｉ或いはＲｕ系の触媒が用いられる。

これに対し、本発明では、改質器１０に流体ライン２０１を通じて低温或いは高温の流体を供給することが可能であり、排ガスの温度すなわち燃料電池セル８０の運転状態によらずに改質器１０の温度を制御することが可能である。なお、ここで改質器の温度とは、改質触媒１３の温度をさす。

改質器１０の構造は図７に示す構造に限るものではない。しかし、図７に示すように隔壁１２を介して被改質ガス２００の流路と流体ライン２０１から供給された流体の流路とが隣接し、流体ラインからの流体の流路の外側に排ガス１０１の流路を有する構成は、改質触媒１３の近傍に昇降温用の流体の流路を有することから、改質触媒の温度制御に対する応答性が速くなり好ましい。

図８は、図１に示す構成の固体酸化物形燃料電池発電システムにおける制御系統の一例を示したものである。燃料電池セル８０の温度５を信号５ｓとして、また、改質器の温度６を信号６ｓとして、これらの信号がシステム制御装置５００に送信されると、システム制御装置５００から信号２０１ｓにより流体ライン２０１の温度、流量が制御される。また、信号３００ｓが負荷装置３００に伝えられ、燃料電池の発電量が制御される。

燃料電池発電システムの運転においては、モジュールの温度または負荷に応じて改質器の温度を制御したい場合がある。また、モジュールの昇降温速度を制御したい場合がある。モジュールの温度を下げる必要があるときには、改質器１０に流体ライン２０１から低温の流体を供給し、その流体の温度及び流量の少なくとも一方をコントロールすることで改質器の温度を低くし、改質反応を進みにくくしてＣＨ_４濃度を高め、内部改質を進みやすくすれば良い。逆にモジュールの温度を上げる必要がある場合には、流体ライン２０１から改質器１０に高温の流体を供給し、その流体の温度及び流量の少なくとも一方をコントロールすることでＨ_２濃度を高めＣＨ_４濃度を低くして、内部改質を進みにくくすればよい。これらの制御により、表１に示したように、急速昇温、徐冷、急速降温といった制御が可能となる。

一般的な固体酸化物形燃料電池発電システムでは、モジュールの昇温時に発電を加速するためにアノードガス流路にＨ_２を供給しているが、本発明ではＨ_２濃度の高いアノードガスが供給されるので、Ｈ_２の供給を不要にすることができる。また、一般にモジュールの降温時にはアノードの酸化を防ぐためにＮ_２とＨ_２をパージして降温しているが、本発明では、モジュールの降温時にＣＨ_４濃度の高いアノードガスを供給されるので、このパージ量を減少或いはパージを不要にできる。

図９は図１の変形例であり、排ガス１０１に別の流体ライン９３からのガスを混合させることにより、積極的に排ガス１０１を冷却あるいは加熱できるようにしたものである。流体ライン９３すなわちガス混合手段から供給するガスとしては、排ガス１０１の温度を高める場合には、例えばヒータで加熱したガス或いはバーナを用いて燃焼した燃焼ガスを供給すればよい。また、排ガス１０１の温度を下げる場合には、例えば空気を供給すればよい。このようにすれば、燃料電池セル８０の温度によらずに排ガス１０１の温度を制御できるので、結果として改質器温度の独立制御が達成できる。

なお、これまでの実施例においては、円筒形の固体酸化物形燃料電池を用いて説明してきたが、本発明の骨子は、燃料電池セルの運転状態に関係なく、改質器の温度を独立に制御することである。したがって、円筒形以外の平板形を有する固体酸化物形燃料電池の場合にも適用できることはもちろんである。また、改質器の温度を制御するための構成に関しても、本発明の内容を逸脱しない範囲内で種々変更が可能であることはもちろんである。本発明の固体酸化物形燃料電池発電システムは、効率向上が達成できるため、地球環境に優しい分散電源システムとして利用可能である。

本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池発電システムの概略構成図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 固体酸化物形燃料電池セルの構造を示した断面図である。 排ガスのみで改質を行う改質器を備えた固体酸化物形燃料電池発電システムの構成図である。 改質ガス中の炭化水素濃度と改質温度との関係を示す特性図である。 排ガスのみで改質を行う改質器の一例を示した概略図である。 本発明における改質器の一例を示した概略図である。 本発明の燃料電池発電システムにおける制御系統の構成を示した概略図である。 本発明の他の実施例による固体酸化物形燃料電池発電システムの概略構成図である。

符号の説明

１０…改質器、１２…隔壁、１３…改質触媒、２０…断熱容器、３０…モジュール、８０…燃料電池セル、８０ａ…アノード、８０ｃ…カソード、８０ｅ…固体酸化物電解質、９０…カソードガス、９１…ヘッダ、９２…空気導入管、９３…流体ライン、１００…アノードガス、１０１…排ガス、２００…被改質ガス、２０１…流体ライン、３００…負荷装置、５００…システム制御装置。

Claims (13)

1. 改質器を備え、当該改質器を燃料電池モジュールの排ガスで加熱する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池モジュールの温度とは独立に前記改質器の温度を制御できる温度調節手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１において、前記改質器として前記排ガスよりも高温又は低温の流体を導入可能な三流体熱交換器よりなる改質器を備え、前記三流体熱交換器に導入された前記排ガスよりも高温又は低温の流体により前記改質器の温度を調節できるようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 請求項１において、前記温度調節手段として前記燃料電池モジュールの排ガスを加熱又は冷却する手段を備え、当該手段により排ガスの温度を調節することにより前記改質器の温度を制御できるようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 請求項３において、前記排ガスを加熱又は冷却できる手段として、前記排ガスよりも高温のガス又は低温のガスを前記排ガスに混合するガス混合手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 請求項１において、前記改質器で改質される燃料が炭化水素系燃料であり、前記燃料電池モジュールが固体酸化物形燃料電池モジュールよりなることを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 請求項２において、前記三流体熱交換器よりなる改質器が、被改質ガスの流路と排ガスの流路及び排ガスよりも高温又は低温の流体が流れる流路を有し、前記被改質ガスの流路と前記排ガスよりも高温又は低温の流体が流れる流路とが隔壁を介して隣接していることを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 改質器を備え、当該改質器を燃料電池モジュールの排ガスで加熱する燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池モジュールの温度とは独立に前記改質器の温度を制御できる温度調節手段を追加し、前記燃料電池モジュールの温度または負荷に応じて前記温度調節手段を起動して、前記改質器の温度を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
8. 請求項７において、前記改質器で改質する燃料が炭化水素系燃料であり、前記燃料電池モジュールが固体酸化物形燃料電池モジュールよりなり、前記改質器の温度を調節して改質ガスの炭化水素濃度を調節し、前記燃料電池モジュールの改質反応を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
9. 請求項７において、前記改質器を前記排ガスよりも高温又は低温の流体を導入可能な三流体熱交換器よりなる改質器とし、前記三流体熱交換器に導入する前記流体の温度及び／又は流量を調節して、前記改質器の温度を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
10. 請求項７において、前記温度調節手段として前記燃料電池モジュールの排ガスを加熱又は冷却できる手段を備え、当該手段により排ガスの温度を調節して前記改質器の温度を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
11. 請求項１０において、前記排ガスを加熱又は冷却できる手段として、前記排ガスよりも高温又は低温のガスを前記排ガスに混合するガス混合手段を備え、前記ガス混合手段から供給するガスの温度及び／又は量を調節して前記改質器の温度を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
12. 改質器を備え、当該改質器を燃料電池モジュールの排ガスで加熱する燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池モジュールの温度とは独立に前記改質器の温度を制御できる温度調節手段を付加して、当該温度調節手段により前記改質器の温度を調節し、改質ガスの炭化水素濃度を調節してモジュールの昇降温速度を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
13. 改質器を備え、当該改質器を燃料電池モジュールの排ガスで加熱する燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池モジュールの温度とは独立に前記改質器の温度を制御できる温度調節手段を付加して、燃料電池モジュールの温度を下げる必要があれば前記改質器の温度を低くして炭化水素濃度を増加させ、逆に燃料電池モジュールの温度を上げる必要があれば前記改質器の温度を高くして炭化水素濃度を低減させる制御を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。

Images