JP2013258004A

JP2013258004A - 高温型燃料電池システム

Info

Publication number: JP2013258004A
Application number: JP2012132614A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yoshida; 英樹吉田; Kentaro Ito; 健太郎伊東; Daisuke Sekine; 大輔関根
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2013-12-26

Abstract

【課題】水蒸気改質方式による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の発電効率向上に適した燃料電池システムに関する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、水蒸気改質器２と、第１セルスタック３と、混合部５ｄを介して第２スタック４と、改質器に燃料供給する主流路５ａと、第２スタックに燃料供給するバイパス流路５ｂと、改質器に水蒸気改質用水を供給する改質水供給手段６と、スタックに空気を供給する空気供給手段７と、各スタックで取り出した直流電力を交流電力に変換して負荷側に供給するパワーコンディショナー（ＰＣＳ）１０と、を備える。この構成により、燃料の一部を改質器に供給し残りの一部を第二セルスタックに供給するため、従来の水蒸気改質方式と比較して改質器に供給する水量を減らすことができる。また、改質水精製系統の設備コンパクト化、メンテナンスコストの低減化が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は高温型燃料電池システムに係り、特に、水蒸気改質方式による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の発電効率向上に適した燃料電池システムに関する。

従来、ＳＯＦＣ等の高温型燃料電池システムにおいては、燃料処理方法として部分酸化改質方式又は水蒸気改質方式が採用されている。部分酸化改質方式は、完全燃焼より少量の空気（空気比λ０．３程度）を投入して燃料を部分酸化反応させて水素や一酸化炭素に分解するため、水蒸気改質方式で必要な改質水系の補機やドレン水浄化用のイオン交換樹脂が不要となり、低コスト化と信頼性向上が可能である。

しかしながら、同方式では燃料を部分酸化反応させる際に燃料の発熱量が低下し、この低発熱量改質燃料がセルスタックに供給されるため、発電に取り出せるエネルギー量が少なく、水蒸気改質方式と比較して発電効率が低くなるという問題がある。
部分酸化方式において発電効率を高める方法として、改質器に供給される空気を所定の空気比に抑制するとともに、酸化用空気を排熱利用により加温した水に接触させて、改質器に供給される空気を加湿し、供給空気中の水蒸気により燃料ガスの一部を水蒸気改質する技術が提案されている（特許文献１）。

一方、水蒸気改質方式は、改質燃料の発熱量が水蒸気改質方式と比較して高く、システムの発電効率が高いという特徴を有する（例えば特許文献２）。しかしながら、上述のように改質器への純水供給のために、精密ポンプやタンク等の補機やドレン水浄化用のイオン交換樹脂が必要という問題がある。また、排ガスからのドレン回収が必要なため、排熱利用機器から発電システムへの熱媒戻り温度に制約があり、排熱利用の用途に制約がある。さらに、排ガス中の水分量が多く熱回収し難いため、総合効率が低下するという問題もある。

特開２００５−３１７４８９号公報特開２０１０−１７０８７７号公報

上記課題に鑑み本発明は、改質水精製装置を小型化でき、また、セルスタック排ガス中の水分量の減少化が可能な水蒸気改質方式による固体酸化物形燃料電池を提供する。

本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る高温型燃料電池システムは、
（１）水蒸気改質方式による高温型燃料電池システム（１）であって、
水蒸気改質触媒を充填した改質器（２）と、
改質器の下流側に第一セルスタック（３）と、
第一セルスタックの下流側に第二セルスタック（４）と、
改質器に炭化水素燃料を供給する主燃料供給手段（５ａ）と、その供給量を制御する主燃料量制御手段（Ｖ１）と、
第二セルスタックに炭化水素燃料を供給する副燃料供給手段（５ｂ）と、その供給量を制御する副燃料量制御手段（Ｖ２）と、
改質器に改質水を供給する改質水供給手段（６）と、その供給量を制御する改質水量制御手段（Ｖ３）と、
発電時における第一セルスタック及び第二セルスタックの電流値を制御する発電電流値制御手段（１０）と、
要求される電力量に対応して、改質水量制御手段（Ｖ３）、主燃料量制御手段（Ｖ１）、副燃料量制御手段（Ｖ２）、及び電流値制御手段（１０）の適宜制御により、改質器、第一セルスタック及び第二セルスタック内のガスの炭素原子割合が、それぞれ反応に伴う炭素析出が生じない割合となるように制御可能に構成したことを特徴とする。

本発明による燃料電池システムにおいて、第一セルスタックと第二セルスタックの燃料分配割合は、分配割合ごとの各スタック入口における炭素析出危険度から決定することができる。この場合、炭素析出危険度の指標として炭素活量を用いることができる。炭素活量は以下の炭素析出反応の平衡定数と、ＣＯ及びＣＯ２の平衡分圧から求めることができる。
２ＣＯ → ＣＯ２＋Ｃ
本システムの燃料種を都市ガス（Ｃ1.17Ｈ4.33）とし、第一セルスタックにおける燃料利用率を７５%、改質器スチームカーボン比を２．５（S/C=2.5：水蒸気改質において通常用いられる比率）と仮定して、第二セルスタックへの燃料分配割合ｂを変化させた場合の、第二セルスタック入口の炭素活量と温度の関係は図５の通りとなる。同図より、分配割合が大きい（バイパス量が多い）ほど、炭素活量が高い（炭素析出しやすい）傾向にあることが分かる。
一般的な発電温度である600℃〜800℃条件で、第二セルスタック入口において、第一セルスタック入口の燃料であるS/C=2.5改質ガス（同図実線）と同等の炭素活量となる条件は、およそb=0.5の場合（同図●）である。これより、バイパス側に燃料を１／２分配することが最適であるといえる。
要求される電力量に対応する改質水量制御手段（Ｖ３）、主燃料量制御手段（Ｖ１）、副燃料量制御手段（Ｖ２）、及び電流値制御手段（１０）の具体的制御方法については、後述する。

（２）上記発明において、前記第一セルスタック出の燃料オフガスと前記副燃料供給手段により供給される副燃料との混合ガスを、前記第二セルスタックに導入する混合部を、さらに備え、
燃料オフガス、副燃料及び前記第二セルスタック導入前の混合ガスを、炭素析出が生じない温度以下に保持可能に、それぞれの流路を構成したことを特徴とする。

（３）上記各発明において、前記混合部と前記第二セルスタックの間に水蒸気改質触媒を充填した予備改質器を、さらに備え、
前記混合ガスを水蒸気改質した後に前記第二セルスタックに導入可能に構成したことを特徴とする。

本発明によれば、燃料の一部を改質器に供給し残りの一部を第二セルスタックに供給するため、改質器に供給する水量を減らすことができる。これにより、従来の水蒸気改質方式（全量改質器に供給）のシステムと比較して供給水量を削減することができ、改質水精製系統の設備コンパクト化、メンテナンスコストの低減化が可能となる。

さらに、燃料に添加する水分量を減らすことができるため、セルスタック排ガス中の水分量も減るため、高効率な熱回収が可能となる。

また、バイパス燃料を第一セルスタックの燃料オフガスと合流させた後に第二セルスタックに投入する構成としたため、バイパス燃料を直接第二セルスタックに投入する場合と比較して、高温環境下での炭素析出を回避できるという効果がある。

また、混合部と改質部を有する予備改質器を備え、バイパス燃料供給手段からの燃料と第一セルスタック出の燃料オフガスとを、混合部で合流させる構成の発明においては、混合ガスが混合部で徐々に加熱され予備改質器に投入されるため、特に燃料ガス中のＣ２以上成分の熱分解による炭素析出を回避できるという効果がある。

第一の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１の全体構成を示す図である。第一の実施形態における燃料・改質空気・電流の制御フローを示す図である。要求電力量（Ｐｄ）に対応する各スタックからの取り出し電流値（Ｉ１、Ｉ２）の関係テーブルを概念的に示す図である。第二の実施形態に係る燃料電池システム２０の全体構成を示す図である。燃料電池システム２０の各構成要素の配置関係を示す図である。第二セルスタックへの燃料分配割合ごとの、平衡温度と炭素活量の関係を示す図である。本発明による水蒸気改質システムにおける燃料量、改質水量、燃料分配率と発電量の関係の一実施例を示す図である。従来の水蒸気改質システムにおける同上の関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至５を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１（以下、適宜燃料電池システム１又はシステム１と略記）の全体ブロック構成を示す図である。燃料電池システム１は、内部に水蒸気改質用触媒を充填した水蒸気改質器２と、改質器２の下流側に発電セル（図示せず）を積層した第１セルスタック（以下、適宜スタックと略記）３と、第１スタック３の下流側に混合部５ｄを介して第２スタック４と、改質器２及び第２スタック４に燃料であるメタン（ＣＨ４）を主成分とする都市ガスを供給する燃料供給手段５と、改質器２に水蒸気改質用水を供給する改質水供給手段６と、スタック３，４に空気（酸素）を供給する空気供給手段７と、各スタックで取り出した直流電力を交流電力に変換して負荷側に供給するパワーコンディショナー（ＰＣＳ）１０と、を主要構成として備えている。

燃料供給手段５は、改質器２に燃料供給する主流路５ａと、ここから分岐して第２スタック４に燃料供給するバイパス流路５ｂと、により構成されている。主流路５ａ及びバイパス流路５ｂには、それぞれ流量制御バルブＶ１、Ｖ２が介装されている。
改質水供給手段６には、水道水等をイオン交換樹脂により浄化する浄化装置（図示せず）、浄化水を貯留する純水タンク（図示せず）が配設されており、改質器２に純水を供給可能に構成されている。
空気供給手段７は、スタック３、４の空気極（図示せず）に電気化学反応のための酸素を供給する流路７ａ、７ｂにより構成されている。
各装置は各部を高温環境に保持するため、断熱処置を施した高温モジュール（図示せず）内に配置されている。これによりスタック３，４で発生した排熱は、水蒸気改質器２において利用可能に構成されている。

第１スタック３，第２スタック４は、酸素イオン透過性電解質を介して空気極、燃料極をインタコネクターで区画したセルを複数枚積層して構成されている。両スタックは電気的に、直列又は並列に接続することもでき、各々個別に外部へ電力供給することもできる。
各スタックで取り出した直流電力はパワーコンディショナー１０において交流電力に変換されて負荷側に供給される。パワーコンディショナー１０にはそれぞれ発電出力計測のための電流計Ｓ１、Ｓ２が配設されている。

燃料電池システム１の運転制御は不図示の制御部の指令により行われる。制御部は、要求電力に対応する取り出し電流値設定テーブル（図３参照）を備えており、このテーブルに基づいて、要求電力に対応して取り出し電流値の設定、及び、バルブＶ１乃至Ｖ３の開度調整を行い、改質用触媒やスタックにおける炭素析出回避制御を可能とするように構成されている。

燃料電池システム１は以上のように構成されており、次に本実施形態における燃料処理及び発電の態様について説明する。
改質器２に供給される燃料と水は、触媒環境下で水蒸気改質反応（Ａ１）、シフト反応（Ａ２）により、反応生成物であるＨ２、ＣＯ及び未燃の炭化水素を含む改質ガスとなる。反応（Ａ）は吸熱反応であり、反応温度は７００−１０００℃が望ましい。後述するように触媒等への炭素析出を防止するため、スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）＝２．５程度となるように流量制御弁Ｖ３の開度調整により制御される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（Ａ１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・（Ａ２）

改質器２出の改質ガスは反応温度における平衡組成となり、第１スタック３の燃料極３ａに供給される。燃料極内部のガス組成は、ＣＨ４、ＣＯ，ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等の平衡条件により定まる組成となる。空気極３ｂへの空気供給量は、第１スタック３で消費する酸素量と空気利用率により定まる（第２スタック４についても同様）。
燃料極３ａでは電気化学反応（Ｂ）、（Ｃ）が、空気極３ｂでは電気化学反応（Ｄ）が行われ、その際、酸素イオン（Ｏ^２−）が電解質３ｃ内部を移動する。（Ｂ）、（Ｃ）により放出される電子（ｅ⁻）の両電極間を結ぶ外部配線を介しての移動により電力が取り出される。
Ｈ２＋Ｏ^２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ⁻・・・・（Ｂ）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ２＋２ｅ⁻・・・・（Ｃ）
Ｏ２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・・（Ｄ）

燃料極３ａ出の燃料オフガスは、混合部５ｄにおいてバイパス流路５ｂを介して供給されるバイパス燃料と混合した後、第２スタック４の燃料極４ａに供給される。ここで第１スタック３と同様の電気化学反応により、電力が取り出される。
第２スタック４の燃料極出口から排出されるオフガスは、空気極出口ガスと混合燃焼し排ガスとなり、排ガス熱交換器（図示せず）において熱回収され、給湯等に利用される。

次に、図２を参照して、本実施形態における要求電力量に対応する改質水量、主燃料量、副燃料量、電流値制御の具体的内容について説明する。
運転開始とともに負荷側の要求電力量（Ｐｄ）を把握する（Ｓ１０１）。次いで、要求電力量に対応する各スタックからの取り出し電流値（Ｉ１、Ｉ２）を、Ｐｄ−Ｉｄテーブル（図３）に基づいて求める（Ｓ１０２）。さらに、上記電流値を取り出し、かつ、炭素析出を回避するために必要な燃料供給量（Ｆ）、供給比（Ｆ１／Ｆ２）、改質器供給水量（Ｗ）を求める（Ｓ１０３）。次いで、求めた燃料、改質器供給水量に対応して流量制御弁Ｖ１乃至Ｖ３の開度を調整する（Ｓ１０４）。

電力供給中は現在電力量Ｐ（ｔ）が要求電力量Ｐｄから所定の範囲内（±α）に維持されているかを監視し（Ｓ１０５）、制御範囲を外れたときは（Ｓ１０５においてＮＯ）、取り出し電流値（Ｉ１、Ｉ２）の調整を行い（Ｓ１０６）、さらに燃料供給量、供給比、改質器供給水量を調整する（Ｓ１０３）。制御範囲内に維持されているときは（Ｓ１０５においてＹＥＳ）、Ｓ１０１に戻って新たな要求電力量（Ｐｄ）に対応して上述のフローを繰り返し行う。

上記フローＳ１０３における要求電力量に対応する改質水量、主燃料量、副燃料量、電流値の具体的算出例を以下に示す。以下の計算式で用いる記号の内容は、次の通りである。
要求電力：Pd [W]（第１スタック：Pd1、第２スタック：Pd2）
スタックセル枚数：N（第１スタック：N1、第２スタック：N2）
燃料利用率：Uf
セル電流：I [A]（第１スタック：I1、第２スタック：I2）
単セル電圧：Vcell [V]
全燃料流量：F [mol/min]（改質器側流量：F1、バイパス流量：F2）
改質水供給量：W [mol/min]
改質器スチームカーボン比（S/C）：a
燃料１mol中の反応電子数：n [mol]

（１）燃料流量
要求電力Pdに対して、各セル電圧をVcell、スタックの全セル枚数をNとすると、全セルで以下電流を発電する必要がある。
I = Pd / (Vcell × N)
この場合、システム全体の供給燃料流量Fは以下で表される。なお、Rはファラデー定数である。
n × F × Uf = 60 × I × N / R
F = 60 × I × N / (n × R × Uf)
上述の通りS/C＝2.5とすれば、バイパス側燃料を１/２分配することが最適であるため、燃料流量は以下で表される。
F1 = F2 = 30 × I × N / (n × R × Uf)
なお、燃料分配割合の最適な値は、S/Cや第１スタックの燃料利用率や作動温度によって変化するため、これらの条件が異なる場合は改質器やスタックの仕様に沿って、炭素活量を計算し、最適値を算出する必要がある。

（２）改質水流量
上記分配割合の場合、改質器に供給する改質水流量Wは、改質器に投入される燃料F1と改質器のスチームカーボン比aから、以下式で表される。なお、供給ガスは都市ガス（C1.17H4.33）と仮定している。
W = 1.17 × F1 × a
= 35.1 × I × N × a / (n × R × Uf)

（３）スタック発電量
スタックの燃料利用率をUfとした場合、第１スタックにおける発電量は以下式で表される。
n × F1 × Uf = 60 × I1 × N1 / R
Pd1 = I1 × N1 × Vcell
= n × F1 × Uf × R × Vcell / 60
= I × N × Vcell / 2
= Pd /2
システム全体の発電量はPdであるため、第２スタックにおける発電量は以下式で表される。
Pd2 = Pd - Pd1 = Pd / 2
よって、バイパス燃料割合を50%（b=0.5）とした場合、第１スタックと第２スタックの発電電力が同じになるよう制御すれば良い。
また、バイパス割合を一般的にbとした場合、システム全体の燃料利用率をスタック単体と同じUfにするには、第１スタックと第２スタックの発電電力を1-b : bの割合にすれば良く、以下式が成り立つ。
Pd1 = (1 - b) × Pd
Pd2 = b × Pd
第１スタックと第２スタックを直列に接続すると仮定すると、両スタックの電流は等しいため、各スタックのセル枚数は以下で表される。
N1 = (1 - b) × N
N2 = b × N

なお、本実施形態ではシステム全体の燃料利用率は従来システムと同じと仮定したが、本システムでは水蒸気供給量が削減される分、燃料極における酸素分圧も低下する傾向にあるため、より高い燃料利用率で稼動できる可能性がある。その場合、従来システムより高い発電効率が期待できるが、燃料利用率を上げすぎると、燃料中の酸素分圧が上がりすぎるため、一定の限度がある。

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、第１スタックと第２スタックの間に第二の改質器を配置する態様に関する。
図４（ａ），４（ｂ）を参照して、本実施形態に係るＳＯＦＣ燃料電池システム２０の構成が上述の燃料電池システム１と異なる点は、第１スタック３と第２スタック４の間に第２スタックに投入するガスを予め改質する予備改質器２１を備えていることである。

予備改質器２１は混合部２１ｂと改質部２１ａとにより構成されている。混合部２１ｂは高温モジュール１ａの外部に、改質部２１ａはその内部に、それぞれ配置されている。改質部２１ａには改質用触媒が充填されている。第１スタック３出の燃料オフガスは流路２２、またバイパス燃料は流路２３を介してそれぞれ混合部２１ｂに導入されるように構成されている。流路２２、２３はモジュール２０ａ外部を通過するように配置されている。さらに、改質器２１の改質ガスは、配管２４を介して第２スタック４に供給されるように構成されている。
その他の構成については、第一の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、予備改質器２１における燃料処理の態様について説明する。上述したように、混合部２１ｂ及び流路２２、２３がモジュール２０ａ外部に配置されているため、燃料オフガス及びバイパス燃料が比較的低温（１００℃〜４００℃）で混合するため、特に都市ガス中の炭素析出しやすいＣ２以上成分の熱分解反応による炭素析出を回避することができる。低温状態で混合したガスは、改質部２１ａ内において高温（約７００℃）状態で改質反応により一部がＨ２，ＣＯ成分に改質されるとともに、平衡条件により定まる組成で第２スタック４に導入されることになる。
第２スタック４における電気化学反応の態様については、第一の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。

以下、本発明の燃料電池システムにより発電した場合の、炭素析出回避実証と発電効率向上に関する解析（シミュレーション）結果について説明する。なお、発電効率については従来システムとの比較も行った。

解析に際しての前提条件は表１の通りである。

図６に本発明システムの場合の燃料量、改質水量、燃料分配率と発電量の関係を示す。比較のため、図７に従来システムの場合について併せて示している。
結果を表２に示す。スチームカーボン比２．５であるため、炭素析出は回避できることは上述の通りである。
発電効率（ＤＣ端効率）は従来システムと同等であるが、排ガス中の水分量が減ることによる熱ロス低減により、高い熱回収効率が得られた。さらに、改質水供給量は１／２に削減できた。

本発明は、ＳＯＦＣ燃料電池システムのみならず、ＭＣＦＣ、ＰＡＦＣ等の中高温燃料電池システムについても適用可能である。

１、２０・・・・固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム
２・・・・水蒸気改質器
３・・・・第１スタック
４・・・・第２スタック
３ａ、４ａ・・・・燃料極
３ｂ、４ｂ・・・・空気極
３ｃ・・・・電解質
５・・・・・燃料供給手段
５ａ・・・・主流路
５ｂ・・・・バイパス流路
５ｄ・・・・混合部
６・・・・・改質水供給手段
７・・・・・空気供給手段
１０・・・・パワーコンディショナー
２０ａ・・・・高温モジュール
２１・・・・予備改質器
２１ａ・・・・改質部
２１ｂ・・・・混合部

Claims

水蒸気改質方式による高温型燃料電池システム（１）であって、
水蒸気改質触媒を充填した改質器（２）と、
改質器の下流側に第一セルスタック（３）と、
第一セルスタックの下流側に第二セルスタック（４）と、
改質器に炭化水素燃料を供給する主燃料供給手段（５ａ）と、その供給量を制御する主燃料量制御手段（Ｖ１）と、
第二セルスタックに炭化水素燃料を供給する副燃料供給手段（５ｂ）と、その供給量を制御する副燃料量制御手段（Ｖ２）と、
改質器に改質水を供給する改質水供給手段（６）と、その供給量を制御する改質水量制御手段（Ｖ３）と、
発電時における第一セルスタック及び第二セルスタックの電流値を制御する発電電流値制御手段（１０）と、
要求される電力量に対応して、改質水量制御手段（Ｖ３）、主燃料量制御手段（Ｖ１）、副燃料量制御手段（Ｖ２）、及び電流値制御手段（１０）の適宜制御により、改質器、第一セルスタック及び第二セルスタック内のガスの炭素原子割合が、それぞれ反応に伴う炭素析出が生じない割合となるように制御可能に構成したことを特徴とする高温型燃料電池システム。
前記第一セルスタック出の燃料オフガスと前記副燃料供給手段により供給される副燃料との混合ガスを、前記第二セルスタックに導入する混合部を、さらに備え、
燃料オフガス、副燃料及び前記第二セルスタック導入前の混合ガスを、炭素析出が生じない温度以下に保持可能に、それぞれの流路を構成したことを特徴とする請求項１に記載の高温型燃料電池システム。
前記混合部と前記第二セルスタックの間に水蒸気改質触媒を充填した予備改質器を、さらに備え、
前記混合ガスを水蒸気改質した後に前記第二セルスタックに導入可能に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の高温型燃料電池システム。