JP2011216308A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム構成が複雑にならず、且つ、水素含有ガスがシステム外部に漏れ出す可能性を低くできる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池システムＳが、原燃料供給路１０を通して供給される原燃料の脱硫処理を行う脱硫器２と、原燃料の水蒸気改質を行って水素含有ガスを生成する改質器４と、発電反応を行う燃料電池セル部６と、燃料電池セル部６からのアノード排ガスを燃焼させる燃焼器７と、水素含有ガスの一部を原燃料供給路１０に流入させるリサイクルガス供給路１３の途中に設けられて、内部を通過する水素含有ガスの圧力を低下させる減圧手段１４と、を断熱槽１の内部に備え、原燃料は断熱槽１の外部の原燃料供給路１０の途中に設けられる昇圧手段１１によって昇圧された上で脱硫器２に供給され、リサイクルガス供給路１３は昇圧手段１１の上流側の原燃料供給路１０に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素を含む原燃料に水素を添加した上で、当該原燃料に含まれる硫黄成分の脱硫処理を行う脱硫器を有する固体酸化物形燃料電池システムに関する。

炭化水素を含む原燃料に水素を添加した上で、当該原燃料に含まれる硫黄成分の脱硫処理を行うことで、脱硫剤の長寿命化を図ることのできる脱硫器がある。例えば、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料供給路を通して供給される炭化水素を含む原燃料に水素を添加した上でその原燃料の脱硫処理を行う脱硫器と、水蒸気の存在下で脱硫処理後の原燃料の水蒸気改質を行って水素を主成分とする水素含有ガス（改質ガス）を生成する改質器と、改質器から水素含有ガス供給路を通して供給される水素含有ガスをアノードで用い、供給される酸素をカソードで用いて発電反応を行う燃料電池セル部と、アノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させる燃焼器と、を備える。特許文献１に記載の発明において、原燃料に添加される水素は、脱硫処理後の原燃料（炭化水素）の一部を改質器に流入する前に分岐させて抜き出し、そして改質器とは別の反応器でその抜き出した原燃料の改質処理を行って生成される。

特開２００６−５４１７１号公報

特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、本来の改質器とは別に改質処理を行うための反応器を用意しなければならない。そのため、固体酸化物形燃料電池システムの構成が複雑になるという問題が生じる。
尚、特許文献１の〔発明が解決しようとする課題〕の欄には、一般に、改質器から燃料電池セル部に供給されるべき水素含有ガスの一部をリサイクルして脱硫器に戻す方法がある旨の記載がある。このように、改質器とは別の反応器を用いることなく、単に、改質器から燃料電池セル部に供給されるべき水素含有ガスの一部をリサイクルして脱硫器に戻す方法を採用した場合には、固体酸化物形燃料電池システムの構成が大きく複雑になることはない。但し、改質器の下流側の配管内の圧力は生成される水素含有ガスによって高くなるため、改質器から脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスが通るリサイクルガス供給路の内部の圧力も高くなる。リサイクルガス供給路の途中に圧力が高い箇所がある場合、その箇所から水素含有ガスが漏れてシステム外部に排出される可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、システム構成が複雑にならず、且つ、水素含有ガスがシステム外部に漏れ出す可能性を低くできる固体酸化物形燃料電池システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの特徴構成は、
内部を気密状態に保つことができる断熱槽を備え、
前記断熱槽の外部から原燃料供給路を通して供給される炭化水素を含む原燃料の脱硫処理を行う脱硫器と、
水蒸気の存在下で脱硫処理後の前記原燃料の水蒸気改質を行って、水素を主成分とする水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器から水素含有ガス供給路を通して供給される前記水素含有ガスをアノードで用い、前記断熱槽の内部に供給される酸素をカソードで用いて発電反応を行う燃料電池セル部と、
前記アノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させて、前記断熱槽の内部に燃焼熱を放出する燃焼器と、
前記水素含有ガス供給路の途中と前記原燃料供給路の途中とを接続して前記改質器で生成された前記水素含有ガスの一部を前記原燃料供給路に流入させるリサイクルガス供給路の途中に設けられて、当該リサイクルガス供給路の内部を通過する前記水素含有ガスの圧力を低下させる減圧手段と、を前記断熱槽の内部に備え、
前記原燃料は前記断熱槽の外部の前記原燃料供給路の途中に設けられる昇圧手段によって昇圧された上で前記脱硫器に供給され、
前記リサイクルガス供給路は前記昇圧手段の上流側の昇圧前原燃料が流れる前記原燃料供給路に接続される点にある。

上記特徴構成によれば、脱硫器に供給される原燃料に対して、改質器で生成された水素含有ガスがリサイクルガス供給路を介して供給される。つまり、従来技術のように、本来の改質器とは別に改質処理を行うための反応器を用意する必要はないので、システム構成が複雑になることもない。
加えて、リサイクルガス供給路の内部を通過する水素含有ガスの圧力を低下させる減圧手段が、断熱槽の内部に設けられる。つまり。リサイクルガス供給路のうち、断熱槽の外部に存在する部位（即ち、減圧手段の下流側の部位）を通過する水素含有ガスの圧力は、その減圧手段によって有効に減圧されている。その結果、減圧手段の下流側の部位では、水素含有ガスが外部に漏れる可能性が低くなる。尚、減圧手段の上流側の部位で水素含有ガスがリサイクルガス供給路から漏れても、減圧手段の上流側の部位は内部を気密状態に保つことができる断熱槽の内部にあるので、リサイクルガス供給路から漏れ出した水素含有ガスが断熱槽の外部に漏れ出すことはない。
従って、システム構成が複雑にならず、且つ、水素含有ガスがシステム外部に漏れ出す可能性を低くできる固体酸化物形燃料電池システムを提供できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記リサイクルガス供給路を通過する前記水素含有ガスの一部に含まれる水分を凝縮する凝縮器と、当該凝縮器で凝縮された凝縮水を排出する排出器とを前記リサイクルガス供給路の途中に備える点にある。

上記特徴構成によれば、改質器での水蒸気改質により生成される水素含有ガスに含まれている水分がリサイクルガス供給路の途中に設けられている凝縮器及び排出器で除去される。その結果、原燃料に添加される水素含有ガスから水分を有効に除去でき、原燃料供給路への水分の混入及び昇圧手段への水分の混入を防止できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記断熱槽の内部に、前記改質器と前記燃料電池セル部と前記燃焼器とを収容する内部筐体を備え、
前記脱硫器は、前記内部筐体の内部と気体の流通がある前記内部筐体の外部に設けられる点にある。

上記特徴構成によれば、改質器と燃料電池セル部とが内部筐体の内部に収容されているので、燃焼器から放出される燃焼熱が改質器と燃料電池セル部とに良好に伝わる。加えて、脱硫器は、内部筐体の外部に設けられるので、内部筐体の内部に収容される燃焼器からの燃焼熱を直接受けない。その結果、脱硫器が高温になり過ぎることを防止できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの更に別の特徴構成は、前記燃料電池セル部の前記カソードで用いられる酸素は、前記断熱槽の空気供給口から内部に供給され、
前記燃焼器の燃焼排ガスは、燃焼触媒が設けられた前記断熱槽の排出口から外部に排出される点にある。

上記特徴構成によれば、断熱槽の内部から排出されるガス（例えば、燃焼器でアノード排ガスを燃焼した後の燃焼排ガス）中に水素や一酸化炭素が含まれていても、燃焼触媒によって燃焼（酸化）された上で断熱槽の排出口から外部に排出される。加えて、減圧手段の上流側のリサイクルガス供給路から水素含有ガスが断熱槽の内部に漏れ出したとしても、その水素含有ガスに含まれる水素及び一酸化炭素などは燃焼触媒によって燃焼された上で断熱槽の排出口から外部に排出される。その結果、断熱槽の外部に水素や一酸化炭素などのガスが排出されないようにできる。

固体酸化物形燃料電池システムの構成を説明する図である。

以下に図面を参照して本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。
図１は、固体酸化物形燃料電池システムＳの構成を説明する図である。本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムＳは、内部を気密に保つことができる断熱槽１を備える。加えて、固体酸化物形燃料電池システムＳは、断熱槽１の内部に、脱硫器２と改質器４と燃料電池セル部６と燃焼器７と減圧手段１４を備える。また、固体酸化物形燃料電池システムＳは、改質器４における水蒸気改質に用いるための水蒸気を生成する気化器３を備える。

このうち、改質器４と燃料電池セル部６と燃焼器７と気化器３とは、断熱槽１の内部に設けられる内部筐体１６に収容される。この内部筐体１６は、例えば、鉄などの金属製の板によって形成される。内部筐体１６の内部は閉じられた空間ではなく、その内部と外部との間で気体の流通は可能になっている。従って、断熱槽１に形成された空気供給口１７から断熱槽１の内部に供給された空気（酸素）は内部筐体１６の内部にも流入して、燃料電池セル部６のカソード６ｂや燃焼器７で消費される。一方で、筐体内部の燃料電池セル部６のカソード６ｂや燃焼器７で消費された空気は、排ガスとして内部筐体１６から排出され、更に断熱槽１に形成された排出口１８から断熱槽１の外部に排出される。本実施形態では、排出口１８には種々公知の燃焼触媒１９を設けている。従って、燃焼器７での燃焼排ガス中に水素や一酸化炭素などが含まれていても、燃焼触媒１９によって燃焼（酸化）された上で断熱槽１の外部に排出される。

脱硫器２は、断熱槽１の外部から原燃料供給路１０を通して供給される炭化水素を含む原燃料の脱硫処理を行う。本実施形態において、原燃料は、メタンやプロパンなどの炭化水素を主成分とする原燃料ガスである。これら原燃料として用いられるメタンやプロパンなどは一般に都市ガスやＬＰＧであり、例えばジメチルスルフィド（ＤＭＳ）などの硫黄化合物が付臭剤として含まれている。よって、後段の改質器４に充填されている改質触媒や燃料電池セル部６を構成するアノード６ａなどが硫黄化合物によって劣化することを避けるために、脱硫器２によってその硫黄化合物を除去する。原燃料ガスは、流量を調節するバルブ、キャピラリなどの流量調節手段（図示せず）を経て、更に、原燃料供給路１０の途中に設けられる昇圧手段（例えば、昇圧ポンプ）１１によって昇圧された上で脱硫器２に供給される。

脱硫器２には種々公知の脱硫剤が充填されている。また、原燃料ガスに水素を添加した水添脱硫を行うことで、脱硫触媒の長寿命化を図ることができる。原燃料ガスに水素を添加するために利用するリサイクルガス供給路１３の構成については後述する。

改質器４は、水蒸気の存在下で脱硫処理後の原燃料の水蒸気改質を行って、水素を主成分とする水素含有ガスを生成する。本実施形態では、改質水供給路１２によって供給される改質水を、原燃料供給路１０を通過する脱硫処理後の原燃料ガスに混合した上で、気化器３に流入させる。原燃料ガスに混合される水蒸気量は、気化器３に供給される改質水量を制御して調節される。その結果、改質器４には、水蒸気が混合された原燃料ガスが供給される。改質器４には種々公知の改質触媒を充填してある。そして、改質器４は、原燃料ガスを、水素を主成分とし、副生成物としての一酸化炭素などを含む改質ガスに改質する。

燃料電池セル部６は、アノード６ａ、カソード６ｂ、及び、それらの間に設けられる固体酸化物電解質（図示せず）を有する単一の燃料電池セルを、インターコネクタ（図示せず）を介して複数個接続したものである。尚、図１は単に説明目的で描いたものである。よって、図１では、アノード６ａ及びカソード６ｂが互いに平行に配置された単一の燃料電池セルを複数個並列に配置した形態を描いており、上述のように固体酸化物電解質やインターコネクタは省略している。改質器４で生成された水素含有ガスは、水素含有ガス供給路２０を介してインテークマニホールド５に供給される。インテークマニホールド５に供給された水素含有ガスは、上方へ向かって（燃焼器７の方へ向かって）複数の燃料電池セルのアノード６ａに対してほぼ均等に供給される。カソード６ｂには、空気供給口１７から供給されて内部筐体１６内に流入した酸素が供給される。つまり、燃料電池セル部６は、改質器４から水素含有ガス供給路２０を通して供給される水素含有ガスをアノード６ａで用い、断熱槽１の内部に供給される酸素をカソード６ｂで用いて発電反応を行う。発電反応に用いられた後でアノード６ａから排出されるアノード排ガスは、アノード６ａに供給される水素含有ガスから水素濃度が低下したガスである。つまり、発電反応によって水素が完全に消費される訳ではなく、アノード排ガスにも水素は含まれている。

燃焼器７は、アノード６ａから排出されるアノード排ガスを燃焼させて、断熱槽１の内部に燃焼熱を放出する。上述のように、アノード排ガスには水素が含まれているので、燃焼器７は、その水素を周囲の酸素を用いて燃焼させる。その燃焼熱によって内部筐体１６に収容されている気化器３及び改質器４が加熱されて、気化器３における改質水の気化及び改質器４における水蒸気改質反応が促進される。尚、燃焼器７から放出される燃焼熱は、内部筐体１６の内部だけでなく、内部筐体１６の外部の断熱槽１の内部全体に行きわたる。つまり、熱の伝播は内部筐体１６によってある程度遮られるものの、内部筐体１６の外部に設けられている脱硫器２にも、燃焼器７から放出される燃焼熱が伝播される。燃焼器７での燃焼により生成される排ガスは、内部筐体１６の外部に流出した後、排出口１８から断熱槽１の外部に排出される。排出口１８には、上述したように燃焼触媒１９が設けられているので、燃焼器７での燃焼により一酸化炭素などが生成されていたとしても、酸化された上で断熱槽１の外部に排出される。

次に、脱硫器２に水素を添加する手法について説明する。
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池システムＳには、水素含有ガス供給路２０の途中と原燃料供給路１０の途中とを接続して改質器４で生成された水素含有ガスの一部を原燃料供給路１０に流入させるリサイクルガス供給路１３が設けられている。本実施形態において、リサイクルガス供給路１３は、内部筐体１６の内部で水素含有ガス供給路２０から分岐された後で断熱槽１の外部に引き出され、昇圧手段１１の上流側の昇圧前原燃料ガスが流れる原燃料供給路１０に接続される。昇圧手段１１は、水素含有ガスをリサイクルガス供給路１３を介して原燃料供給路１０へ引き込む役割も果たしている。

リサイクルガス供給路１３には、減圧手段１４と、凝縮器８及び排出器９と、電磁開閉弁１５とが設けられている。
減圧手段１４は、リサイクルガス供給路１３の内部を通過する水素含有ガスの圧力を低下させる。減圧手段１４として、例えば、オリフィスや減圧弁等を用いることができる。この減圧手段１４は、断熱槽１の内部に、即ち、断熱槽１の外部に引き出される前のリサイクルガス供給路１３の所定部位に配置される。従って、断熱槽１の外部に引き出されているリサイクルガス供給路１３の内部の圧力は、その上流側に設けられている減圧手段１４によって低下された後の圧力である。

このように、断熱槽１の外部に引き出されている部分のリサイクルガス供給路１３の内部の圧力は低くなっているので、水素含有ガスがリサイクルガス供給路１３の外部に漏れ出す可能性が低くなる。尚、減圧手段１４の上流側のリサイクルガス供給路１３の内部の圧力は高いままではあるが、その減圧手段１４の上流側のリサイクルガス供給路１３から水素含有ガスが漏れ出したとしても、漏れ出した水素含有ガスは断熱槽１の内部に留まることになる。更に、断熱槽１の内部に留められた水素含有ガス（水素や一酸化炭素など）が排出口１８から排出されるとしても、燃焼触媒１９によって酸化された上で排出されるので、水素や一酸化炭素などがそのまま外部に排出されることはない。

また、リサイクルガス供給路１３の途中の、断熱槽１の外部に引き出されている部位には、水素含有ガスに含まれる水分を凝縮する凝縮器８と凝縮水を排出する排出器９とが設けられている。つまり、水素含有ガスに含まれる水分が凝縮器８によって強制的に凝縮されるので、凝縮器８及び排出器９の下流側のリサイクルガス供給路１３を通過する水素含有ガスの露点が低くなる。

電磁開閉弁１５は、固体酸化物形燃料電池システムＳを稼動させていないとき、即ち、昇圧手段１１を作動させていないときに閉止される。従って、リサイクルガス供給路１３の内部を、電磁開閉弁１５側から減圧手段１４側へ向かってガスが逆流しないようにできる。一方で、電磁開閉弁１５は昇圧手段１１が作動されているときに開放される。昇圧手段１１が作動されていれば、リサイクルガス供給路１３の内部の気体が原燃料供給路１０へと引き込まれるので、リサイクルガス供給路１３の内部をガスが逆流することはない。

＜別実施形態＞
上記実施形態では、水蒸気を生成する気化器３を原燃料供給路１０の途中に設け、原燃料ガスが流れている原燃料供給路１０に改質水を導入して気化器３に流入させることで原燃料ガスと水蒸気とが混合された気体を得ていたが、他の方法によって原燃料ガスと水蒸気とが混合された気体を得ることもできる。例えば、気化器３を原燃料供給路１０とは別に設け、予め気化器３で生成された水蒸気を原燃料供給路１０に添加するように構成してもよい。

本発明は、水添脱硫を行う脱硫器を備える固体酸化物形燃料電池システムに利用できる。

１ 断熱槽
２ 脱硫器
４ 改質器
６ 燃料電池セル部
６ａ アノード
６ｂ カソード
７ 燃焼器
８ 凝縮器
９ 排出器
１０ 原燃料供給路
１１ 昇圧手段
１２ 改質水供給路
１３ リサイクルガス供給路
１４ 減圧手段
１６ 内部筐体
１７ 空気供給口
１８ 排出口
１９ 燃焼触媒
２０ 水素含有ガス供給路
Ｓ 固体酸化物形燃料電池システム

Claims (4)

1. 内部を気密状態に保つことができる断熱槽を備え、
   前記断熱槽の外部から原燃料供給路を通して供給される炭化水素を含む原燃料の脱硫処理を行う脱硫器と、
   水蒸気の存在下で脱硫処理後の前記原燃料の水蒸気改質を行って、水素を主成分とする水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記改質器から水素含有ガス供給路を通して供給される前記水素含有ガスをアノードで用い、前記断熱槽の内部に供給される酸素をカソードで用いて発電反応を行う燃料電池セル部と、
   前記アノードから排出されるアノード排ガスを燃焼させて、前記断熱槽の内部に燃焼熱を放出する燃焼器と、
   前記水素含有ガス供給路の途中と前記原燃料供給路の途中とを接続して前記改質器で生成された前記水素含有ガスの一部を前記原燃料供給路に流入させるリサイクルガス供給路の途中に設けられて、当該リサイクルガス供給路の内部を通過する前記水素含有ガスの圧力を低下させる減圧手段と、を前記断熱槽の内部に備え、
   前記原燃料は前記断熱槽の外部の前記原燃料供給路の途中に設けられる昇圧手段によって昇圧された上で前記脱硫器に供給され、
   前記リサイクルガス供給路は前記昇圧手段の上流側の昇圧前原燃料が流れる前記原燃料供給路に接続される固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記リサイクルガス供給路を通過する前記水素含有ガスの一部に含まれる水分を凝縮する凝縮器と、当該凝縮器で凝縮された凝縮水を排出する排出器とを前記リサイクルガス供給路の途中に備える請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記断熱槽の内部に、前記改質器と前記燃料電池セル部と前記燃焼器とを収容する内部筐体を備え、
   前記脱硫器は、前記内部筐体の内部と気体の流通がある前記内部筐体の外部に設けられる請求項１又は２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記燃料電池セル部の前記カソードで用いられる酸素は、前記断熱槽の空気供給口から内部に供給され、
   前記燃焼器の燃焼排ガスは、燃焼触媒が設けられた前記断熱槽の排出口から外部に排出される請求項１〜３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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