JP2012160467A - 固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法 - Google Patents

固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法 Download PDF

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Abstract

【課題】原燃料の予備改質システムとSOFCのオフガス燃焼器を含むSOFCシステムを備えた複合システムにおいて、SOFCシステムの運転温度制御に主眼を置いた温度制御法を得る。
【解決手段】原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、アノードオフガスの分岐量を増やして電池温度を低下させ、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出すことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法。
【選択図】図8

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池(以下、適宜“SOFC”と略称する)の運転温度制御法に関し、より具体的には、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとSOFCユニット及びオフガス燃焼器を含むSOFCシステムとSOFCユニットの余剰熱を利用する水素製造システムを含む複合システムにおけるSOFCシステムの運転温度を制御する方法に関する。
SOFCの余剰熱を利用する水素製造システムが開発されつつある。SOFCは700〜1000℃程度という高温で運転されるが、その発電性能が運転温度に大きく影響されるために、性能をきちんと引き出すためには、その運転温度を所定温度に制御する必要がある。運転温度が低い場合にはSOFCセルの性能が低下し、運転温度が高い場合にはSOFCセルの劣化、耐久性が問題となる。
図1は、従来考えられている、原燃料の予備改質器(プリリフォーマ)を併置した出力100kW級のSOFCシステム及びその熱交換構成の態様を示す図で、都市ガスを原燃料とする場合を例にしている。原燃料に硫黄化合物が含まれていると改質触媒が被毒し性能劣化を来たすので、図1中脱硫器として示すように硫黄化合物は予め除去される。
脱硫済みの原燃料は、熱交換器1を経て予備改質器に導入され、別途設けられた水蒸気発生器からの水蒸気を供給して粗改質ガスを生成し、熱交換器2に導入される。粗改質ガスは、熱交換器2においてオフガス燃焼器からの燃焼ガスにより加熱され、SOFCスタック、SOFCモジュール、あるいはSOFCバンドルのアノード(より詳しくは、それらSOFCスタック、SOFCモジュール、あるいはSOFCバンドルを構成する各セルのアノード)に供給される。本明細書、図面中、それらSOFCスタック、SOFCモジュール、SOFCバンドル、その他SOFCの各種構造体を含めて「SOFCユニット」と称している。
一方、SOFCユニットにはブロワ(=送風機)を介して空気を供給する。ブロワを経た空気は、順次熱交換器3、4で予熱され、SOFCユニットのカソード(より詳しくは、SOFCユニットを構成する各セルのカソード)に供給される。SOFCユニットから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスをオフガス燃焼器で燃焼する。そして、その燃焼ガスを熱交換器2、4、3を経て熱交換器1に通すことにより、予備改質器に供給する原燃料を加熱し、さらに気化器に通して水を加熱して水蒸気を発生させる。
以上の機器のうち、SOFCユニット、オフガス燃焼器、熱交換器2、4、それらを結ぶ配管系によりSOFCシステムを構成しており、それらの機器、配管系は通常断熱容器中に配置される。また、脱硫器、熱交換器1、3、予備改質器、気化器、それらを結ぶ配管系により予備改質システムを構成している。予備改質システムの温度は、SOFCシステムの温度よりも低いが、なお高温であるので、それらの機器、配管系は必要に応じて断熱容器中に配置される。
ここで、SOFCにおいては水素のほか、メタン(メタンはSOFCのアノードでの内部改質により水素となる)及びCOも燃料となる。このため、SOFC用の燃料としては炭素数2(C2)以上の炭化水素が改質されていればよく、水素を主成分とする改質ガスにまで改質する必要はない。このためSOFC用燃料の改質には予備改質器が用いられ、これによりC2以上の炭化水素がメタン、水素、CO等に変えられる。
なお、メタンをも改質してSOFCユニットに供給してもよく、この場合には予備改質器ではなく、改質器と言うことになるが、後述本発明(1)〜(6)においては、そのうち予備改質器を配置することを前提とし、本発明(3)〜(6)では予備改質器に加え、別系統の水素製造用の改質器を配置するものである。本明細書中、予備改質器で生成した改質ガスを適宜“粗改質ガス”と称し、予備水蒸気改質器、水蒸気改質器をそれぞれ予備改質器、改質器とも称している。
それら本発明(1)〜(6)のうち、本発明(3)〜(4)が本願分割出願に係る発明であり、本発明(1)〜(2)、(5)〜(6)は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
図2は通常の改質器を説明する図で、概略、バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部と改質触媒を配置した改質部により構成される。改質器には例えばアルミナ等の担体にNi、Ru等の金属を担持した改質触媒が充填される。改質部では炭化水素やアルコール類が水蒸気と反応して水素リッチの改質ガスが生成される。
改質部で起こる改質反応は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、600℃以上、特に700〜800℃程度の温度が必要である。そのため燃焼部で発生する燃焼熱により加熱する。これを図1に示す態様を例に言えば、オフガス燃焼器→熱交換器2→熱交換器4→熱交換器3を経て熱交換器1に導入される燃焼ガスが、図2における「バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部」の役割をすることになる。
予備改質器においては、上述改質器の場合と同様、水蒸気改質法により原燃料を改質して水素リッチでCO、メタンを含む粗改質ガスを生成する。図1のとおり、予備改質器で生成した粗改質ガスを熱交換器2で加熱してSOFCユニットにおける各セルのアノードに供給する。なお、本明細書、図面では予備改質器での予備改質前の燃料を適宜“原燃料”と称している。
ところで、SOFCの運転温度の調整は、通常、ブロワにより供給空気量を調整する方法がとられる。SOFCの温度が高い場合には空気量を増加して空冷し、SOFCの温度が低い場合には空気量を減少させてSOFCの温度を上昇するような制御がとられる。
しかし、空気供給量で調整できる温度レベルは限られており、また過剰の空気を導入する場合にはブロワでの消費エネルギーが増大してSOFCのシステム効率の低下に繋がってしまう。さらには、SOFCの熱交換システムは非常に熱容量の大きい熱交換システムであり、空気供給量の調整を行っても応答時間が遅く、その効果を電池運転温度すなわち運転中のSOFCユニットにおける電池部分の温度に反映させるまでには相当のタイムラグを生じる。
一方、SOFCの余剰熱を利用して水素を製造するシステムが幾つか提案されているが、それらのシステムはあくまでも単にSOFCの余剰熱を効果的に利用して水素を製造することに主眼を置いたものであり、特に電池部分の温度コントロールを行うことについては言及されていない。
本発明は、それとは逆に、SOFCシステムにおけるSOFCユニットすなわち電池部分の運転温度コントロールに主眼を置き、その運転時の負荷(=発電量)に対応したSOFCユニットにおける発電効率を一定に維持しつつ、SOFCシステムにおける電池部分の運転温度を制御する方法を提供することを目的とするものである。
本発明は、(1)原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質器からの粗改質ガスを分岐し且つ前記燃料電池ユニットの近傍に該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、粗改質ガスの分岐量を増やして電池温度を低下させるとともに、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増加させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法である。
本発明(1)は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
そのように、本発明(1)においては、SOFCの温度が高いときに粗改質ガスの分岐量を増やすが、その際、SOFCにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増加して調整する。
本発明は、(2)原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質器からの粗改質ガスを分岐し且つ前記燃料電池ユニットの近傍に該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、粗改質ガスの分岐量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させるとともに、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も減少させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法である。本発明(2)は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
そのように、本発明(2)においては、SOFCの温度が低いときに、粗改質ガスの分岐量を減らすかゼロにするが、その際、SOFCシステム中のSOFCにおける燃料利用率が一定になるように燃料供給量も減少させて調整する。
本発明は、(3)原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、アノードオフガスの分岐量を増やして電池温度を低下させ、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出すことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法である。
本発明(3)は本願分割出願に係る発明である。
本発明は、(4)原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、アノードオフガスの分岐量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させ、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出すことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法である。
本発明(4)は本願分割出願に係る発明である。
本発明は、(5)原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、前記燃料改質器による水素製造量を増やして電池温度を低下させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法である。
本発明(5)は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
本発明は、(6)原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、前記燃料改質器による水素製造量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法である。
本発明(6)は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
ここで、本発明(1)〜(6)の複合システムの運転温度制御法において、その運転に際しての“SOFCユニットの温度”とは、SOFCユニットの定格運転温度、つまりSOFCシステム中のSOFCユニットを適正に作動、運転する上で必要な温度条件に対する、現実の運転時に計測されるSOFCユニットの温度を意味する。
より具体的には、本発明(1)〜(2)の複合システムの運転温度制御法を例すると、定格運転温度が例えば950℃±30℃の場合、SOFCユニットに配置した温度センサ等で計測される“SOFCユニットの温度”がその上限温度980℃の近傍あるいはそれ以上となった時に粗改質ガスの分岐量を多くし、逆に、その下限温度920℃の近傍あるいはそれ以下となった時に粗改質ガスの分岐量を少なくする。
本発明の運転温度制御法によれば、SOFCユニットへの空気供給量を変えることなく、独立にSOFCユニットの運転温度を制御することが可能であり、空気ブロワの消費エネルギーの増大を抑制するとともに、迅速にSOFCユニットの運転温度を制御することができる。また、本発明は、SOFCシステムにおけるSOFCユニットの運転温度の制御に主眼を置くものであるが、SOFCシステム及び水素製造の双方に関わる発明であり、分散型発電、ホロニックシステムなどのエネルギー供給分野においても活用することができるものである。
前述のとおり、従来技術では、SOFCシステムにおいて、SOFCの運転温度の調整は、空気ブロワによる供給空気量の調整のみで行われ、運転温度を下げる場合には空気供給量を増加させて空気冷却し、逆に運転温度を上げる場合には空気供給量を減少させる。しかし、供給空気量で調整できる温度レベルは限られており、また、過剰の空気を導入する場合にはブロワの損失つまりエネルギー消費が増大してSOFCの効率低下に繋がってしまう。さらには、SOFCシステムにおける熱交換システムは非常に熱容量の大きな熱交換システムであり、空気供給量の調整を行ってもその効果が電池運転温度に反映されるまでには相当のタイムラグを生じる。
ところで、SOFCシステムにおいては、通常、空気利用率30%程度の空気過剰の状態で運転される。図1に示すような構成の100kW級のSOFCシステムを運転した場合における空気利用率と電池部到達最高温度の相関関係を図3に示している。なお、このケースでは、熱ロスを10kWとしている。
図3のとおり、SOFCシステムでの空気利用率を10%から60%まで変化させることにより、電池温度を350℃程度変化させることができる。SOFCは、その耐久性を担保するために、あまり高温で運転することはなく、通常は1000℃程度以下で運転され、例えば700〜1000℃程度で運転される。従って、100kW級SOFCの場合には、空気利用率を10%以下程度に下げて運転するか、空気利用率を上げる場合には、無駄に熱ロスを増加させて運転温度を低下させる等の対処が必要となる。
しかし、空気利用率を下げると、つまり空気供給量を増やすと、空気ブロワのエネルギー消費が増大し、システムとしての効率が低下し、また、熱ロスが増加するとSOFCシステム全体としての総合効率の低下に繋がる。
SOFCの作動温度が例えば700〜800℃程度であると、アノードオフガス及びカソードオフガスはその程度の温度で排出される。オフガスを燃焼させれば、さらに高温の排ガスを得ることが可能であるが、通常は、発電時の自己発熱のみで作動温度が維持できるよう(熱自立と言う)な温度バランスで運転される。SOFCシステムの温度バランスは発熱と放熱の比によって決定され、システムスケールが大きくなればなるほど熱自立性は高くなり、あるレベル以上のスケール、例えば出力100kW程度では逆に冷却が必要になるほど熱余剰の状態となる。
SOFCシステムにおいて、そのような余剰熱を利用する先行技術として特開2001−266924号公報(以下“924号公報”と略記する)や特開2002−334714号公報(以下“714号公報”と略記する)などがある。このうち924号公報では、その余剰熱を都市ガスの水蒸気改質用に利用して発電と同時に水素製造を行うとするもので、その概略を図4に示している。図4のとおり、都市ガスを予備改質器に通して粗改質ガスを生成した後、分岐し、一方はSOFCユニットに供給して発電し、他方はSOFCの余剰熱を熱源とする水蒸気改質器つまり水素製造装置に供給して水素を製造する。
また、714号公報においては、SOFCからのアノードオフガスを精製して高純度水素を製造するもので、その概略を図5に示している。図5のとおり、都市ガスをSOFCユニットに供給して内部改質して発電し、SOFCのアノードオフガスを浄化装置に通して純水素を製造する。浄化装置では、例えば、アノードオフガスをCO変成器に通し、またこれに続きCO2吸着剤層に通すことにより純水素を製造する。
特開2001−266924号公報 特開2002−334714号公報
これらの先行技術はSOFCユニットによる発電に際して水素を製造することに主眼を置いたものである。これに対して、本発明は、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとSOFCユニット及びオフガス燃焼器を含むSOFCシステムを備える複合システムを運転するに際して、SOFCユニットすなわち電池部分の運転温度制御に主眼を置き、この観点からその運転時における負荷に対応した発電効率を一定に維持しつつ、SOFCユニットの運転温度を制御し、併せて水素を製造するものである。
このように、本発明は、SOFCシステムにおけるSOFCユニットの運転温度を適正に制御することを主眼とする運転温度制御法であり、それに付随して水素を製造するものである。
以下、本発明(1)〜(6)の態様を順次説明する。これら本発明(1)〜(6)のうち、本発明(3)〜(4)が本願分割出願に係る発明であり、本発明(1)〜(2)、(5)〜(6)は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
〈本発明(1)〜(2)の態様〉
本発明(1)〜(2)は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
本発明(1)〜(2)においては、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとSOFCユニット及びオフガス燃焼器を含むSOFCシステムを備えるとともに、前記予備改質器からの粗改質ガスを分岐し且つ前記燃料電池ユニットの近傍に該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造する複合システムを構成する。そして、その運転時に、SOFCの運転温度に対応して粗改質ガスの分岐量を調整するとともに、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増減させる。
図6はその態様を説明する図である。図6のとおり、原燃料のの予備改質器を含む予備改質システムとSOFCユニット及びオフガス燃焼器を含むSOFCシステムである点については前述図1の構成と同じである。本発明(1)〜(2)においては、予備改質器からの粗改質ガスを分岐し、且つSOFCユニットの近傍に当該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造するようにする。粗改質ガスの分岐は具体的には、予備改質器からの粗改質ガス導管に分岐管を設ける。そして、SOFCユニットの運転温度に対応して粗改質ガスの“分岐量”を調整し、且つ、燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増減させるものである。
SOFCユニットにはSOFCの温度検出用のセンサ、例えば熱電対等を配置するが、図6中その記載は省略している。温度センサの配置箇所はSOFCユニットの適宜の箇所に配するが、好ましくは、その運転中最も高温となる箇所、例えばSOFCユニットの中央部に配置する。この点、後述〈本発明(3)〜(4)の態様〉、〈本発明(5)〜(6)の態様〉についても同じである。
そして、SOFCの運転温度が高い場合には、粗改質ガスの分岐量を増加させることにより電池温度を低下させ、逆に、SOFCの運転温度が低い場合には、粗改質ガスの分岐量を減少させるかゼロにすることにより電池温度を上昇させる。いずれの場合も、SOFCにおける燃料利用率が一定になるように供給燃料量を調整する。
すなわち、(a)SOFCユニットの近傍に配置した改質器での改質反応は吸熱反応であるので、分岐した粗改質ガスを当該改質器で改質すると、その分吸熱反応によりSOFCの温度を低下させることができる。また、その際、(b)粗改質ガスをSOFCユニットに供給する前に分岐することから、SOFCユニットに供給される粗改質ガス量が少なくなってしまう。そこで、それを補うように原燃料の供給量を増加させ、SOFCユニットにおける燃料利用率が一定になるように制御する。
図7は、100kW級のSOFCシステムにおいて、放熱量10kWの場合におけるSOFCユニットの負荷率と粗改質ガス分岐率との関係を示した図である。ここでSOFCユニットの定格運転温度が950℃の場合を示している。図7のとおり、粗改質ガスの分岐率を下げるに伴い、SOFCの負荷率は漸次低下する。このことは、負荷率を低下させても、粗改質ガスの分岐量を調整することにより、低負荷の領域まで温度を一定に制御できることを示している。
なお、分岐した粗改質ガスはSOFCユニットの近傍に配置した改質器で改質するが、当該改質器での改質反応は吸熱反応であるので、これによってもSOFCユニットの運転温度を制御することになり、これに付随して改質ガスを製造することになる。なお、粗改質ガスには水蒸気が含まれているので、SOFCユニットの近傍に配置した改質器に別途水蒸気を供給する必要はない。
改質器で得られた改質ガスについては、その中から水素を回収して利用することができる。改質ガスには、主成分であるH2のほか、CO、CO2、余剰水蒸気などが含まれているので、その成分のうちCOは例えばCO変成器でのシフト反応(CO+H2O→CO2+H2)により水素に変え、CO2はCO2吸着剤により除去するなどにより処理し、高純度の水素を製造することができる。
〈本発明(3)〜(4)の態様〉
本発明(3)〜(4)は本願分割出願に係る発明である。
本発明(3)〜(4)においては、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとSOFCユニット及びオフガス燃焼器を含むSOFCシステムを備え、且つ、SOFCユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムを構成する。そして、その運転時に、SOFCの運転温度をアノードオフガスの分岐量を調整することにより制御するものである。
前述図1のとおり、従来考えられるSOFCシステムにおいては、SOFCユニットから排出されるアノードオフガスはオフガス燃焼器に供給してカソードオフガスで燃焼する。アノードオフガスはSOFCの温度と同程度の温度で排出されるが、本発明適用前では、アノードオフガスはその全部をオフガス燃焼器で燃焼するのでさらに高温となり、SOFCユニットの温度上昇に繋がることになる。
そして、オフガス燃焼器での燃焼ガスは順次、熱交換器2→熱交換器4→熱交換器3→熱交換器1→気化器を経て排出されることから、その熱の全部がSOFCシステム及び予備改質システムで消費されることになり、これでは、SOFCユニットの運転温度制御の観点からは制御する要素はないことになる。
そこで、本発明(3)〜(4)においては、SOFCユニットから排出されるアノードオフガスを分岐してSOFCシステム外に取り出し、その分岐量を調整することにより、SOFCシステムの運転温度を制御し、併せて、SOFCシステム外に取り出したアノードオフガスから水素を製造するものである。図8はその態様を説明する図である。
図8のとおり、原燃料の予備改質システムとオフガス燃焼器を含むSOFCシステムである点については前述図1の構成と同様であるが、本発明(3)〜(4)においてはSOFCユニットからのアノードオフガスを分岐してSOFCシステム外に取り出すようにする。そして、その運転時に、SOFCユニットの運転温度に対応してその分岐量を制御し、SOFCシステム外に取り出したアノードオフガスからは水素を製造する。
具体的には、SOFCユニットからオフガス燃焼器へのアノードオフガス導管に分岐管を設ける。そして、SOFCユニットの運転温度に対応して、分岐管によるアノードオフガスの分岐量を制御する。すなわち、SOFCユニットの運転温度が高い場合には、アノードオフガスの分岐量を増加させることにより電池温度(=SOFCユニットの温度)を低下させ、逆に、SOFCユニットの運転温度が低い場合には、アノードオフガスの分岐量を減少させることにより電池温度を上昇させる。
ここで、アノードオフガスの分岐量を増加させるとその増加分だけアノードオフガス自体の熱の外部への取り出し量が多くなり、オフガス燃焼器での燃焼量も減じることになるので、その分電池温度を低下させることができる。逆に、アノードオフガスの分岐量を減少させるとその減少分だけアノードオフス自体の熱の外部への取り出し量が少なくなり、オフガス燃焼器での燃焼量も増えることになるので、その分電池温度を上昇させることができる。
また、本発明(3)〜(4)において、SOFCシステム中のSOFCユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量も増減させて調整することにより、SOFCユニットの運転温度をより良好に制御することができる。本発明(3)においては、SOFCシステム中のSOFCユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を増加させ、本発明(4)においては、SOFCシステム中のSOFCにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を減少させる。
また、分岐してSOFCシステム外に取り出したアノードオフガスにはSOFCで未利用の水素、COのほか、電池反応で生成したCO2や水蒸気が含まれているので、当該アノードオフガスから水素を製造する。図8には、分岐したアノードオフガスを順次、熱交換器5、気化器に通して水蒸気を凝縮、除去して水素を製造する場合を示しているが、それらの成分のうち、COは例えばCO変成器でのシフト反応(CO+H2O→CO2+H2)により水素に変え、CO2は吸着剤により除去するなど各種態様により水素を回収、製造することができる。
〈本発明(5)〜(6)の態様〉
本発明(5)〜(6)は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
本発明(5)〜(6)においては、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとSOFCユニット及びオフガス燃焼器を含むSOFCシステムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器をSOFCユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムを構成する。そして、その運転時に、SOFCユニットの運転温度を改質器による水素製造量を増減することにより制御するものである。
図9はその態様を説明する図である。図9のとおり、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとSOFCユニット及びオフガス燃焼器を含むSOFCシステムである点については前述図1の構成と同様である。本発明(5)〜(6)においては、予備改質システムとは別系統の燃料改質器をSOFCユニットの近傍に配置し、その加熱源としてオフガス燃焼器の燃焼ガスを使用して水素を製造するようにする。そして、その運転時に、SOFCユニットの運転温度に対応して当該別系統の燃料改質器による「水素製造量」を増減することによりSOFCユニットの運転温度を制御するものである。
具体的には、SOFCユニットの近傍に配置した燃料改質器にオフガス燃焼器からの燃焼ガス導管を配置し、SOFCユニットの運転温度に対応して燃料改質器での改質ガス製造量を制御する。すなわち、計測されるSOFCユニットの運転温度が高い場合には、改質器での改質ガス製造量を増加させることにより電池温度を低下させ、逆に、計測されるSOFCユニットの運転温度が低い場合には、燃料改質器での改質ガス製造量を減少させることにより電池温度を上昇させる。
運転中のSOFC温度の計測については〈本発明(1)〜(2)の態様〉で述べたりとおりである。また、燃料改質器を経た燃焼ガスは順次、熱交換器2→熱交換器4→熱交換器3→熱交換器1→気化器を経て排出される。
また、本発明(5)〜(6)において、SOFCシステム中のSOFCユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量も増減させて調整する。これにより、SOFCユニットの運転温度をより良好に制御することができる。計測されるSOFCユニットの運転温度が高い場合の制御である本発明(5)においては、SOFCシステム中のSOFCユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を減少させ、計測されるSOFCの運転温度が低い場合の制御である本発明(6)においては、SOFCシステム中のSOFCにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を増加させる。
燃料改質器で製造した改質ガスからは水素を回収する。改質ガスには主成分であるH2のほかCOや水蒸気が含まれているが、それらの成分のうち、COは例えばCO変成器でのシフト反応により水素に変え、水蒸気は凝縮して分離するなど各種態様により水素を回収、製造することができる。
図10は、100kW級のSOFCシステムにおいて、放熱量10kWの場合におけるSOFCユニットの負荷率と水素製造量との関係を示した図である。ここでSOFCユニットの運転温度は950℃に固定している。図10のとおり、SOFCの負荷率を上げる(つまり発電量を増やす)に伴い、改質器での水素製造量を増やすことができる。この間、SOFCでの発電量を増やすと発熱量も増加するが、その発熱量はオフガス燃焼器からの燃焼ガスを介して改質器での水素製造の際の吸熱反応により消費される。このことは、SOFCユニットの出力を全負荷からターンダウンしても、つまりSOFCユニットの出力を少なくしても、水素製造量を調整することにより、運転温度を一定に制御できることを示している。
以上都市ガスを例に説明したが、本発明における原燃料、また予備改質システムとは別系統の改質器で改質する燃料としては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素系気体燃料、これらの二種以上の混合ガス、天然ガス、石油ガス、石炭ガス、発生炉ガス、水性ガス、高炉ガス、石油分解ガスなどの気体燃料、ガソリン、軽油、灯油、ディーゼル油などの炭化水素系液体燃料、ジメチルエーテルなどのエーテル系液体燃料、メタノールやエタノールなどのアルコール系液体燃料、各種有機性廃棄物のメタン発酵や木材チップなどのガス化により得られるバイオマス燃料のほか、それら気体燃料、液体燃料の二種以上の混合燃料、すなわち二種以上の気体燃料の混合燃料、ガソリンとエタノールの混合物などの二種以上の液体燃料の混合燃料、少なくとも一種の気体燃料と少なくとも一種の液体燃料の混合燃料なども用いられる。
また、SOFCには平板積層型、円筒型、その他各種形式があるが、本発明はそれいずれの形式のSOFCにも適用できるものである。
従来考えられている、原燃料の予備改質器(プリリフォーマ)を併置した100kW級のSOFCシステム及びその熱交換構成の態様を示す図 通常の改質器を説明する図 図1に示すようなSOFCシステムを運転した場合における空気利用率と電池到達最高温度の相関関係を示す図 SOFCシステムの余剰熱を利用する先行技術(924号公報)を示す図 SOFCシステムの余剰熱を利用する先行技術(714号公報)を示す図 本発明(1)〜(2)(参考発明)の態様を説明する図 100kW級のSOFCシステムにおけるSOFCユニットの負荷率と粗改質ガス分岐率との関係を示した図 本発明(3)〜(4)の態様を説明する図 本発明(5)〜(6)(参考発明)の態様を説明する図 100kW級のSOFCシステムにおけるSOFCユニットの負荷率と水素製造量との関係を示した図

Claims (3)

  1. 原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、アノードオフガスの分岐量を増やして電池温度を低下させ、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出すことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法。
  2. 原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、アノードオフガスの分岐量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させ、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出すことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法。
  3. 請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法において、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増減させて調整することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法。
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