JP2008204782A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】機器配置が制限されることを抑制し、熱効率を高めることのできるＳＯＦＣシステムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池から排出されるガスとの熱交換により水を加熱して温水とする熱交換器と、この熱交換器から得られる温水を熱源とする吸収式冷凍機とを有する固体酸化物形燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池の排熱を熱源として駆動される吸収式冷凍機とを有する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（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ。以下場合によりＳＯＦＣという。）には、通常、改質器において灯油や都市ガスなどの炭化水素系燃料（改質原料）を改質して発生させた水素含有ガス（改質ガス）が供給される。ＳＯＦＣにおいて、この改質ガスと空気を電気化学的に反応させて発電を行う。

ＳＯＦＣは通常５５０℃から１０００℃程度の高温で作動させる。このためＳＯＦＣからは高温の排ガスが発生し、これを有効活用することが高効率な運転を行うために重要である。

特許文献１には、ＳＯＦＣの燃料極排ガスと空気極排ガスとを燃焼室で燃焼させ、その燃焼排ガスによって吸収式冷凍機の再生器を加熱することが記載される。
特開２００６−７３４１６号公報

しかしながら、燃焼ガスを吸収式冷凍機の再生器に直接導入すると、高温ガスの配管をとり回す都合上、機器配置が制限される。また、圧力損失が比較的高くなり、熱効率の低下に繋がる。

本発明の目的は、機器配置が制限されることを抑制し、熱効率を高めることのできるＳＯＦＣシステムを提供することである。

本発明により、固体酸化物形燃料電池と、
固体酸化物形燃料電池から排出されるガスとの熱交換により水を加熱して温水とする熱交換器と、
該熱交換器から得られる温水を熱源とする吸収式冷凍機と
を有する固体酸化物形燃料電池システムが提供される。

上記固体酸化物形燃料電池システムが、
固体酸化物形燃料電池のアノードから排出されるガスを、固体酸化物形燃料電池のカソードから排出されるガスによって燃焼させる構造を有し、
前記熱交換器が、該燃焼ガスとの熱交換により水を加熱して温水とすることが好ましい。

上記固体酸化物形燃料電池システムが、
前記熱交換器から得られる温水を前記吸収式冷凍機に送るライン、
前記熱交換器から得られる温水を前記吸収式冷凍機を経由せずに取り出すライン、および、
これらのラインを切り替える切り替え手段
を有することができる。

本発明により、機器配置が制限されることを抑制し、熱効率を高めることのできるＳＯＦＣシステムが提供される。

本発明のＳＯＦＣシステムは、ＳＯＦＣと、ＳＯＦＣから排出されるガスとの熱交換により水を加熱して温水とする熱交換器と、この熱交換器から得られる温水を熱源とする吸収式冷凍機とを有する。

本発明によれば、ＳＯＦＣから排出されるガスが保有する熱を、温水を介して吸収式冷凍機に供給することができる。温水の配管は、高温のガス配管よりコンパクトにすることができるため、機器配置の制約を小さくすることができる。また、圧力損失も比較的小さくてすむので、熱効率の向上に資することができる。

本発明のＳＯＦＣシステムが、ＳＯＦＣのアノードから排出されるガス（アノードオフガス）を、ＳＯＦＣのカソードから排出されるガス（カソードオフガス）によって燃焼させて燃焼ガスを得る構造を有し、かつ、前記熱交換器がこの燃焼ガスとの熱交換により水を加熱して温水を得ることが可能な熱交換器であることができる。つまり、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させたうえで水と熱交換させ、温水を得ることができる。これにより、アノードオフガス中の可燃物を燃焼させてアノードオフガスが保有する熱を有効利用することができ、カソードオフガスの熱も利用することができ、同時に、可燃物処理もできる。

ただし、上記のようにする必要はなく、アノードオフガスを空気で燃焼させた燃焼ガスを用いて温水を得てもよい。また、アノードオフガスを燃焼させずに熱交換器に導いて温水を得てもよいし、カソードオフガスを燃焼に供さずに熱交換器に導いて温水を得てもよい。

ＳＯＦＣシステムが、前記熱交換器から得られる温水を吸収式冷凍機に送るラインと、前記熱交換器から得られる温水を吸収式冷凍機を経由せずに取り出すラインと、これらのラインを切り替える切り替え手段を有することができる。これにより、吸収式冷凍機を稼働させる必要がない場合に、温水をそのまま利用することが可能となる。例えば、夏期には吸収式冷凍機から得られる冷水を用いて冷房を行い、冬期には吸収式冷凍機を稼働させずに温水を用いて暖房を行うことができる。

＜吸収式冷凍機＞
図４に単効用吸収式冷凍機の基本構造を模式的に示す。この図を用いて吸収式冷凍機の基本的な動作について説明する。

蒸発器４ａで液体の冷媒を気化させる。気化の際に蒸発潜熱が奪われ、水が冷却されて冷水が得られる。この冷水を冷房等に利用する。

蒸発器で発生した冷媒蒸気が吸収器４ｂにて吸収液に吸収される。吸収器に供給される吸収液は比較的高濃度の濃縮液であり、冷媒蒸気を吸収した比較的低濃度の吸収液（希溶液）が吸収器から再生器４ｃに送られる。吸収器は、冷却水によって冷却される。

再生器４ｃには外部から熱エネルギーが加えられ、すなわち希溶液が加熱され、冷媒が気化して冷媒蒸気が凝縮器４ｄに送られる。冷媒の気化により濃縮液となった吸収液は、吸収器に戻される。

冷媒蒸気は凝縮器にて冷却されて液化し、冷媒液となり、蒸発器に戻される。

このように吸収式冷凍機には再生器が備わる。ＳＯＦＣから得られる排ガスとの熱交換によって得た温水を再生器に導き、温水によって再生器を加熱することにより、再生器に加える熱エネルギーとしてこの温水の持つエネルギーを利用することができる。

＜ＳＯＦＣシステム＞
以下、図面を用いて本発明のＳＯＦＣシステムの形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。なお図１〜３において、破線は、図示した状況では使用しないラインもしくは所望により使用してもよいラインを表す。また、吸収式冷凍機の構成要素については、蒸発器および再生器のみ図示し、吸収器および凝縮器については図示を省略してある。吸収器および凝縮器には冷却水が適宜供給される。

図１は、本発明のＳＯＦＣシステムの一形態につき、その概略構成を示すフロー図である。このＳＯＦＣシステムでは、改質器がＳＯＦＣの近傍に配置され、改質器とＳＯＦＣが容器（モジュール容器）内に収容された間接内部改質型ＳＯＦＣが採用されている。改質器では水蒸気改質を行う。改質の対象となる改質原料として灯油が用いられている。またこのＳＯＦＣシステムには、冷房設備が接続されている。

灯油は脱硫器１で脱硫され、間接内部改質型ＳＯＦＣ２に供給される。また間接内部改質型ＳＯＦＣには、水蒸気改質反応のために水が供給され、カソードガスとして空気が供給される。

このＳＯＦＣシステムで採用できる間接内部改質型ＳＯＦＣ２の例を図５に示す。図５においてＳＯＦＣ２ｃに付されたＡおよびＣはそれぞれアノードおよびカソードを表す。脱硫器で脱硫された灯油が気化器２ａで気化され、改質器２ｂで改質され、ＳＯＦＣ２ｃのアノードに供給される。水も気化器２ａにて気化され、スチームが改質器に供給される。ＳＯＦＣのカソードには空気が供給される。空気が空気予熱器２ｄにて予熱される。ＳＯＦＣのセル出口は、アノード側、カソード側とも開口しており、アノードオフガス（特にはアノードオフガスに含まれる可燃分）はモジュール容器内のセル出口近傍においてカソードオフガス（酸素を含む）と混合し、燃焼する。この燃焼ガスが空気予熱器、改質器、気化器を加熱した後、間接内部改質型ＳＯＦＣから排出され、熱交換器３に送られる。気化器、改質器、空気予熱器およびＳＯＦＣは、モジュール容器２ｅに収容される。また、間接内部改質型ＳＯＦＣには、着火のために適宜イグナイターを設けることができる。

間接内部改質型ＳＯＦＣ２から排出された燃焼ガスは、熱交換器３にて水と熱交換した後、システム外に排気される。熱交換器３より前、熱交換器３より後、またはこれらの両方において、燃焼ガスを他の熱交換器等に導き、燃焼ガスが保有する熱を回収してもよい。

熱交換器３において水が加熱されて温水となる。なお、温水とは熱交換器３に供給される水が加熱されてより高い温度となったものを意味する。

熱交換器３から温水が吸収式冷凍機４、特にはその再生器４ｃに導かれる。温水は再生器を加熱する。再生器にて、温水は冷却され、より低温の水となって熱交換器３に戻される。水（温水となることもある）の循環経路が形成されている。

一方、吸収式冷凍機４の蒸発器４ａで水が冷却され冷水が得られる。なお冷水とは、吸収式冷凍機（特にはその蒸発器）に供給された水がより低い温度となったものを意味する。

この冷水は、ファンコイルユニット６に送られ、冷水を用いて熱需要室５の冷房が行われる。熱需要室５はここでは冷熱を必要とする。ファンコイルユニット６における空気との熱交換によって冷水は加熱される。ファンコイルユニットから得られる水は、吸収式冷凍機４（特には蒸発器４ａ）に戻される。水（冷水となることもある）の循環経路が形成されている。

なお、熱交換器３から得られる温水を吸収冷凍機４に送るライン１０１の途中に三方弁１１が設けられ、貯湯槽７に繋がる分岐ラインが設けられている。吸収式冷凍機の停止中においては、貯湯槽７に温水を蓄えることにより、冷熱需要の無い場合においても、ＳＯＦＣシステムから発生する熱を有効に利用することができる。

このように、ＳＯＦＣから排出されるガス（ここではカソードオフガスを用いてアノードオフガスを燃焼させた燃焼ガス）との熱交換により温水を得、この温水を吸収式冷凍機内部の再生器に循環させることにより、吸収式冷凍機から冷水を得ることができる。

冷水は冷熱の需要がある個所に循環させ、この個所において、室内もしくは室外の空気と冷水とを熱交換させることにより、熱需要室内に冷熱を供給することができる。

図２および３を用いて、本発明のＳＯＦＣシステムの別の形態について説明する。このシステムには冷暖房設備が接続されている。熱交換器３で温水を発生させるまでは、図１のシステムと同様である。

このＳＯＦＣシステムは、熱交換器３から得られる温水を吸収式冷凍機４に送るライン１０１に加えて、熱交換器３から得られる温水を吸収式冷凍機４を経由せずに取り出すライン１１１を有する。そして、これらのライン１０１および１１１を切り替える切り替え手段として三方弁１２を有する。これらのラインを切り替えることにより、吸収式冷凍機から冷水を得ることができ、また熱交換器３から温水を得ることができる。従って、熱需要室５において暖房が必要とされる場合に、吸収式冷凍機を稼動することなく、ＳＯＦＣから排出されるガスの持つエネルギーを温水として有効に利用することが可能となる。

冷房が必要な際には、図２に示すように、三方弁１２により、ライン１０１を通って温水が吸収式冷凍機４に流れるようにする。吸収式冷凍機４で得られた冷水をファンコイルユニット６に送り、熱需要室５の冷房を行う。ここでは熱需要室５は冷熱を必要とする。ファンコイルユニットから得られる水は、三方弁１３により、ライン１０２を通って蒸発器４ａに戻される。温水や冷水の流れは、基本的には図１に示した状況と同様となる。

暖房が必要な際には、図３に示すように、三方弁１２により、ライン１１１を通して温水をファンコイルユニット６に送る。室内もしくは室外の空気と温水との熱交換によって熱需要室５の暖房を行う。ここでは熱需要室５は温熱を必要とする。ファンコイルユニットにて温水は冷却される。ファンコイルユニットから得られる水は、三方弁１３により、ライン１１２を経て熱交換器３に戻される。

切り替え手段としては、三方弁に替えて、図において三方弁が設けられる位置において配管を分岐させ、分岐の下流のそれぞれのラインに弁を設けてもよい。

以上、間接内部改質型ＳＯＦＣシステムを例に説明したが、本発明のＳＯＦＣシステムは、改質器とＳＯＦＣとが別個に設けられた（一つの容器に収容されない）外部改質型のＳＯＦＣシステムであってもよい。この場合、流体の気化や予熱のために、また改質に必要な熱の供給のために、バーナや触媒燃焼器などの燃焼手段を利用することができる。例えば、バーナを備える外部改質器を用い、アノードオフガスをこのバーナで燃焼させることができる。改質に必要な熱はこのバーナにおける燃焼熱を利用し、その燃焼排ガスによって気化器や空気予熱器を加熱することができる。また、アノードオフガスやカソードオフガスが有する顕熱を利用してもよい。

〔ＳＯＦＣ〕
ＳＯＦＣとしては、平板型や円筒型などの各種形状の公知のＳＯＦＣから適宜選んで採用できる。ＳＯＦＣでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。

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（円筒型の場合はバンドルと呼ばれることもあるが、本明細書でいうスタックはバンドルも含む）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と改質器とが容器に収容された間接内部改質型ＳＯＦＣを有するシステムを採用することが、熱効率やコンパクト化の観点から好ましい。

〔間接内部改質型ＳＯＦＣ〕
間接内部改質型ＳＯＦＣは、改質器とＳＯＦＣを有する。これらが一つのモジュール容器に収容されモジュール化される。

間接内部改質型ＳＯＦＣでは、改質器は、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から改質ガスを製造する。この改質器では、水蒸気改質反応を行うことができ、また、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングを行ってもよい。ＳＯＦＣの発電効率の観点からは部分酸化反応は起きない方が好ましい。オートサーマルリフォーミングにおいても、水蒸気改質が支配的になるようにされ、従って改質反応はオーバーオールで吸熱になる。改質器はＳＯＦＣから熱輻射を受ける位置に配される。こうすることによって、発電時にＳＯＦＣからの熱輻射によって改質器が加熱される。また、ＳＯＦＣから排出されるアノードオフガスをセル出口で燃焼させることにより、ＳＯＦＣを加熱することもできる。

改質器は、ＳＯＦＣから改質器の外表面へと直接輻射伝熱可能な位置に配することが好ましい。従って改質器とＳＯＦＣとの間には実質的に遮蔽物は配置しないこと、つまり改質器とＳＯＦＣとの間は空隙にすることが好ましい。また、改質器とＳＯＦＣとの距離は極力短くすることが好ましい。

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。

モジュール容器としては、ＳＯＦＣと改質器とを収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。容器には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。

セル出口がモジュール容器内で開口している場合は特に、モジュール容器の内部と外界（大気）とが連通しないように、モジュール容器が気密性を持つことが好ましい。

間接内部改質型ＳＯＦＣの内部に、液体改質原料の気化器、水の気化器、空気予熱器などを設けてもよい。気化器や予熱器をＳＯＦＣからの輻射熱や、間接内部改質型ＳＯＦＣ内に存在する高温のガスによって加熱することができる。

〔アノードオフガスをカソードオフガスによって燃焼させる構造〕
間接内部改質型ＳＯＦＣでは、前述のように、アノード、カソードともセル出口を開口させ、モジュール容器内のセル近傍でアノードオフガスをカソードオフガスによって燃焼させることができる。外部改質型ＳＯＦＣシステムでは、バーナや触媒燃焼器などの燃焼手段を用い、アノードオフガスをカソードオフガスによって燃焼させることができる。

〔脱硫器〕
硫黄分を含む改質原料を改質触媒に供給すると、改質触媒の劣化原因となることがある。このような改質触媒の劣化を抑制するために、必要に応じて脱硫器を用いて改質原料を脱硫することが行われる。脱硫器としては、公知の脱硫器から適宜選んで採用することができる。

〔改質器〕
必要に応じて改質器が設けられる。系外から水素が供給できる場合は、改質器は不要である。

改質器は、炭化水素系燃料等の改質原料から水素を含む改質ガスを製造する。改質器においては、水蒸気改質、部分酸化改質、および、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングのいずれを行ってもよい。

改質器は、水蒸気改質能を有する水蒸気改質触媒、部分酸化改質能を有する部分酸化改質触媒、部分酸化改質能と水蒸気改質能とを併せ持つオートサーマル改質触媒を適宜用いることができる。

炭化水素系燃料（必要に応じて予め気化される）および水蒸気、さらに必要に応じて空気等の酸素含有ガスをそれぞれ単独で、もしくは適宜混合した上で改質器（改質触媒層）に供給することができる。また、改質ガスはＳＯＦＣのアノードに供給される。

〔気化器〕
気化器は、改質原料が液体である場合に、必要に応じて設けられる。水を気化する気化器も必要に応じて設けられる。また、気化器にて液体改質原料とともに水を気化させることもできる。気化器には、使用する液体を気化可能な構造を適宜採用できる。

〔空気予熱器〕
カソードに供給する空気等の酸素含有ガスを予熱するために一以上の空気予熱器を用いることができる。間接内部改質型ＳＯＦＣを採用する場合、空気予熱器は間接内部改質型ＳＯＦＣの内部（モジュール容器の内部）に配してもよいし、外部に配してもよいし、あるいはこれらの両方において配してもよい。空気を予熱するための熱源としては、ＳＯＦＣから得られる排ガスが持つ熱を用いることができる。間接内部改質型ＳＯＦＣを採用する場合、ＳＯＦＣからの輻射熱を利用することもできる。

〔熱利用設備〕
図１〜３には、熱利用設備として冷房設備および冷暖房設備を示したが、この限りではない。例えば、温水を給湯用に用いてもよいし、別の熱利用設備であるデシカント空調機の除湿ローターの乾燥用熱源として利用してもよい。

〔炭化水素系燃料〕
改質器で改質する炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料としてＳＯＦＣシステムの分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む（酸素など他の元素を含んでもよい）化合物もしくはその混合物を適宜用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。なかでも灯油、ＬＰＧ、都市ガスは入手容易である点で好ましい。

〔改質触媒〕
改質器で用いる水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒、オートサーマル改質触媒のいずれも、それぞれ公知の触媒を用いることができる。部分酸化改質触媒の例としては白金系触媒、水蒸気改質触媒の例としてはルテニウム系およびニッケル系、オートサーマル改質触媒の例としてはロジウム系触媒を挙げることができる。

〔他の機器〕
上記機器の他にも、ＳＯＦＣシステムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、炭化水素系燃料や可燃物の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。

本発明は、コージェネレーションに好適に用いることができる。

本発明のＳＯＦＣシステムの一形態の概略を示すフロー図である。 本発明のＳＯＦＣシステムの別の形態の概略につき、冷熱使用時の状態を説明するためのフロー図である。 図２に示したＳＯＦＣシステムの形態の概略につき、温熱使用時の状態を説明するためのフロー図である。 吸収式冷凍機の構成を説明するための模式図である。 間接内部改質型ＳＯＦＣの構造例を示す模式図である。

符号の説明

１：脱硫器
２：間接内部改質型ＳＯＦＣ
３：熱交換器
４：吸収式冷凍機
４ａ：蒸発器
４ｂ：吸収器
４ｃ：再生器
４ｄ：凝縮器
５：熱需要室
６：ファンコイルユニット
７：貯湯槽
１１、１２、１３：三方弁

Claims (3)

1. 固体酸化物形燃料電池と、
   固体酸化物形燃料電池から排出されるガスとの熱交換により水を加熱して温水とする熱交換器と、
   該熱交換器から得られる温水を熱源とする吸収式冷凍機と
   を有する固体酸化物形燃料電池システム。
2. 固体酸化物形燃料電池のアノードから排出されるガスを、固体酸化物形燃料電池のカソードから排出されるガスによって燃焼させる構造を有し、
   前記熱交換器が、該燃焼ガスとの熱交換により水を加熱して温水とする
   請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記熱交換器から得られる温水を前記吸収式冷凍機に送るライン、
   前記熱交換器から得られる温水を前記吸収式冷凍機を経由せずに取り出すライン、および、
   これらのラインを切り替える切り替え手段
   を有する請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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