JP2009176660A - 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】改質器、SOFC、SOFCのアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域、並びに改質器、SOFC及び燃焼領域を収容する筐体を有する間接内部改質型SOFCの停止方法であって、アノード温度が定常かつ酸化劣化点未満で、改質器で燃料が改質されアノードに供給するのに適した組成の改質ガスが生成し、かつその生成量がアノード温度が酸化劣化点以上の温度にある場合においてアノード酸化劣化を防止するために必要最小限な流量以上である状態で改質器に供給される燃料流量をFE、停止方法開始時点で改質器に供給していた燃料流量をFSとしたとき、改質器に供給する燃料の流量をFSからFEにする工程及びアノード温度が酸化劣化点を下回ったら改質器への燃料供給を停止する工程を有する。
【選択図】図2
Description
該改質ガスを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域と、
該改質器、固体酸化物形燃料電池および燃焼領域を収容する筐体と、を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法であって、
次の条件iからiv、
i)該固体酸化物燃料電池のアノード温度が定常であり、
ii)該アノード温度が酸化劣化点未満であり、
iii)改質器において、炭化水素系燃料が改質され、アノードに供給するのに適した組成の改質ガスが生成しており、
iv)前記改質ガスの生成量が、該固体酸化物燃料電池のアノード温度が酸化劣化点以上の温度にある場合においてアノードの酸化劣化を防止するために必要最小限な流量以上である、
が全て満たされる状態において改質器に供給される炭化水素系燃料の流量をFEと表し、
該停止方法開始時点で改質器に供給していた炭化水素系燃料の流量をFSと表したとき、
a)改質器に供給する炭化水素系燃料の流量をFSからFEにする工程、および
b)アノード温度が酸化劣化点を下回ったら、該改質器への炭化水素系燃料の供給を停止する工程
を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法が提供される。
図1に、本発明を実施することのできる間接内部改質型SOFCの一形態を模式的に示す。
本明細書において、次の条件i〜ivの全てが満たされている状態を改質停止可能状態と呼ぶ。
i)SOFCのアノード温度が定常である。
ii)前記アノード温度が酸化劣化点未満である。
iii)改質器においてアノードに供給するのに適した組成の改質ガスが生成している。
iv)この改質ガスの生成量が、SOFCのアノード温度が酸化劣化点以上の温度にある場合においてアノードの酸化劣化を防止するために必要最小限な流量以上である。
アノード温度は、アノード電極の温度を意味するが、アノード電極の温度を物理的に直接測定することが困難な場合には、アノード近傍のセパレータなどのスタック構成部材の温度とすることができる。アノード温度の測定位置は、安全制御の観点から相対的に温度が高くなる箇所、より好ましくは最も温度が高くなる箇所を採用することが好ましい。温度が高くなる位置は、予備実験やシミュレーションにより知ることができる。
条件iiiは、改質器において炭化水素系燃料が改質されており、アノードに供給するのに適した組成の改質ガスが得られている状態であることを意味している。例えば、炭化水素系燃料が炭素数2以上の炭化水素系燃料を含む場合、改質ガスが還元性であるとともに、改質ガス中のC2+成分(炭素数2以上の化合物)が炭素析出による流路閉塞やアノード劣化に対して問題にならない濃度以下である状態であることを意味している。このときのC2+成分の濃度は、改質ガス中の質量分率として50ppb以下が好ましい。
アノードの酸化劣化を防止するために必要最小限の改質ガス流量は、カソードオフガスのアノード出口からアノード内部への拡散によりアノード電極が酸化劣化しない流量のうち最も小さい流量である。この改質ガス流量は、アノード温度を酸化劣化点以上に保持した状態で、改質ガス流量を変えて実験やシミュレーションを行い、予め知っておくことができる。アノード酸化劣化は、例えば、実験でアノード電極の電気伝導度を測定し、酸化劣化していないアノード電極との比較により判断することができる。あるいは、移流拡散項を含む方程式を用いたシミュレーションによりアノードのガス組成分圧を計算し、アノード電極の酸化反応における平衡分圧との比較により判断することができる。例えば、アノード電極材料がNiの場合、次式で表されるアノード電極酸化反応における酸素の平衡分圧は1.2×10-14atm(1.2×10-9Pa)であり、この値よりアノードの酸素分圧の計算値が小さければ、アノード電極が酸化劣化しないと判断することができる。
停止方法開始時点で改質器に供給していた炭化水素系燃料の流量をFSと表す。
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料としてSOFC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から適宜選んで用いることができ、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。
改質器は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。
改質器から得られる改質ガスが、SOFCのアノードに供給される。一方、SOFCのカソードには空気などの酸素含有ガスが供給される。発電時には、発電に伴いSOFCが発熱し、その熱がSOFCから改質器へと、輻射伝熱などにより伝わる。こうしてSOFC排熱が改質器を加熱するために利用される。ガスの取り合い等は適宜配管等を用いて行う。
筐体(モジュール容器)としては、SOFC、改質器および燃焼領域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。
燃焼領域は、SOFCのアノードから排出されるアノードオフガスを燃焼可能な領域である。例えば、アノード出口を筐体内に開放し、アノード出口近傍の空間を燃焼領域とすることができる。酸素含有ガスとして例えばカソードオフガスを用いてこの燃焼を行なうことができる。このために、カソード出口を筐体内に開放することができる。
改質器で用いる水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒、自己熱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、自己熱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。燃焼を促進可能な改質触媒の例としては白金系およびロジウム系触媒を挙げることができる。
以下、水蒸気改質、自己熱改質、部分酸化改質のそれぞれにつき、改質器における定格運転時および停止運転時の条件について説明する。
間接内部改質型SOFC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、液体を気化させる気化器、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(改質原料)や燃焼用燃料の貯蔵手段、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、燃料中の硫黄分濃度を低減する脱硫器などである。
2 水気化器に付設された電気ヒータ
3 改質器
4 改質触媒層
5 燃焼領域
6 SOFC
7 イグナイター
8 筐体(モジュール容器)
9 改質器に付設された電気ヒータ
Claims (3)
- 炭化水素系燃料を改質して改質ガスを製造する、改質触媒層を有する改質器と、
該改質ガスを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域と、
該改質器、固体酸化物形燃料電池および燃焼領域を収容する筐体と、を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法であって、
次の条件iからiv、
i)該固体酸化物燃料電池のアノード温度が定常であり、
ii)該アノード温度が酸化劣化点未満であり、
iii)改質器において、炭化水素系燃料が改質され、アノードに供給するのに適した組成の改質ガスが生成しており、
iv)前記改質ガスの生成量が、該固体酸化物燃料電池のアノード温度が酸化劣化点以上の温度にある場合においてアノードの酸化劣化を防止するために必要最小限な流量以上である、
が全て満たされる状態において改質器に供給される炭化水素系燃料の流量をFEと表し、
該停止方法開始時点で改質器に供給していた炭化水素系燃料の流量をFSと表したとき、
a)改質器に供給する炭化水素系燃料の流量をFSからFEにする工程、および
b)アノード温度が酸化劣化点を下回ったら、該改質器への炭化水素系燃料の供給を停止する工程
を有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法。 - 前記炭化水素系燃料が、炭素数が2以上の炭化水素系燃料を含む請求項1記載の方法。
- 前記改質ガス中の、炭素数2以上の化合物の濃度が、質量基準で50ppb以下である請求項2記載の方法。
Priority Applications (9)
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