JP2016110913A

JP2016110913A - ガス循環型の固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システム

Info

Publication number: JP2016110913A
Application number: JP2014249210A
Authority: JP
Inventors: 真悟峯田; Shingo Mineta; 敏杉田; Satoshi Sugita; 暢彦山下; Nobuhiko Yamashita
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】電気エネルギーと水素とを高効率に変換する固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システムを提供すること。【解決手段】水素ガスを燃料として電気エネルギーを生み出す発電動作と水蒸気と電気エネルギーから水素ガスを生成する電解動作を行う固体酸化物形燃料電池１０と、前記固体酸化物形燃料電池１０に供給する水素ガスと水蒸気とを貯蔵する貯蔵装置１１と、前記固体酸化物形燃料電池１０と前記貯蔵装置１１とを接続する導通配管１２とを備え、前記導通配管１２の経路途中に設けられ、前記固体酸化物形燃料電池１０から排出された排出ガスを前記貯蔵装置１１に入力し、前記貯蔵装置１１から供給される燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池１０に入力するよう、前記固体酸化物形燃料電池１０と前記貯蔵装置１１との間で前記水素ガスおよび前記水蒸気を循環させるブロア１４をさらに備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システム１。【選択図】図１

Description

燃料電池は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）を用いて、水素の酸化に伴う水の生成ギブスエネルギーを電気エネルギーとして取り出す発電装置である。燃料電池は発電素子であるセルの電解質種で分類されており、例えば電解質にプロトン伝導性高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池や、酸素イオン導電性を有する固体酸化物を用いたセルを使用する固体酸化物形燃料電池などがある。特に固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池と比べて高温で動作するため発電効率が高い。

燃料電池は、水素と酸素から水を生成する際のギブスの自由エネルギーから電気エネルギーを取出しているが、この逆反応を利用して、電気エネルギーで水もしくは水蒸気を電解することで水素を製造する電解装置にもなり得る。

このような電気エネルギーを水素へ変換して貯蔵する装置は、蓄電池などに比べて大規模・長期間のエネルギー貯蔵に有効とされている。従って、太陽光や風力発電などの不安定なエネルギー源を大量に導入する際の出力変動抑制や余剰電力の蓄積のために技術開発が進められている。

James Larminie/Andrew Dicks共著, "解説燃料電池システム", p.346-p.349.

固体酸化物形燃料電池は、発電の際に、燃料となる水素と酸素から水（水蒸気）を生成するため、燃料側の排ガス中には未利用の水素ガスと水蒸気とが存在する。また、固体酸化物形燃料電池システムを水蒸気電解として利用する際にも、生成水素と水蒸気が混合し、水素のみを単独で取り出すには別の装置で分離する必要があるなど、効率的な水素生成システムを作る上では様々な問題があった。

本発明は上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の課題は、電気エネルギーと水素とを高効率に変換するガス循環型の固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、水素ガスを燃料として電気エネルギーを生み出す発電動作と水蒸気と電気エネルギーから水素ガスを生成する電解動作を行う固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に供給する水素ガスと水蒸気とを貯蔵する貯蔵装置と、前記固体酸化物形燃料電池と前記貯蔵装置とを接続する導通配管とを備え、前記導通配管の経路途中に設けられ、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記貯蔵装置に入力し、前記貯蔵装置から供給される燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に入力するよう、前記固体酸化物形燃料電池と前記貯蔵装置との間で前記水素ガスおよび前記水蒸気を循環させるブロアをさらに備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システムである。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システムの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、固体酸化物形燃料電池および水蒸気電解装置の機能を兼ね備えた固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システムの構成例を示す図である。図１に示すガス循環型の固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システム１は、固体酸化物形燃料電池と水蒸気電解装置の機能を兼ね備えた複合的なシステムであり、発電運転および電解運転が可能な固体酸化物形燃料電池１０と、水素と水蒸気を貯蔵する貯蔵装置１１と、貯蔵装置１１を加熱するための加熱装置１５と、固体酸化物形燃料電池１０および貯蔵装置１１の間に設けられた導通配管１２およびブロワ１４とを備えて構成されている。導通配管１２およびブロワ１４は、水素および水蒸気からなる燃料ガスを貯蔵装置１１から固体酸化物形燃料電池１０へと送り、更に固体酸化物形燃料電池１０からの燃料排ガスを貯蔵装置１１まで送る。本実施形態の固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システムでは、燃料ガスは貯蔵装置１１から固体酸化物形燃料電池１０に流れ、また貯蔵装置１１へと戻る循環構成になっている。

固体酸化物形燃料電池１０は、固体酸化物からなる電解質層を挟んで、その表裏面に燃料極と空気極とをそれぞれ備えた単セルと、前記単セルの燃料極と空気極とに、それぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを互いに混じり合うことなく供給し、また単セル同士を電気的に接続する機能を有するセパレータとを、複数積み重ねることによって形成したセルスタックを備えている。固体酸化物形燃料電池１０では、セルの各電極に燃料ガスもしくは酸化剤ガスをそれぞれ供給することで発電を行う。

固体酸化物形燃料電池１０のセルの電解質層の材料としては、例えばスカンジア安定化ジルコニア（ScSZ）、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）、サマリア安定化ジルコニア（SSZ）、コバルト添加ランタンガレート系酸化物（LSGMC）などが挙げられる。

また、空気極の材料には、例えばランタンニッケルフェライト（LNF）、ランタンマンガネート（LSM）、ランタンストロンチウムコバルタイト（LSC）、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト（LSCF）、ランタンストロンチウムフェライト（LSF）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（SSC）などがある。

燃料極の材料としては、例えばニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ni-YSZ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ni-SSZ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ni-ScSZ）などの金属Niと前記固体電解質を構成する材料との混合物などがある。

セパレータには、例えばLaCrO₃といったセラミックス材料やフェライト系ステンレス鋼などの合金材料などがある。また、前記セパレータにはセルのカソードとアノードとを絶縁するための部位が存在する。その部位の絶縁体はガラスやセラミックス接合材などの絶縁性シール材が担う場合や、セパレータ構造中にアルミナ、マグネシア、マイカ等から成る絶縁体を用いる場合がある。

本実施形態における固体酸化物形燃料電池１０は、少なくとも燃料が循環できるようにガスシールされているスタックを用いる必要がある。

導通配管１２およびブロワ１４は、水素と水蒸気を貯蔵する貯蔵装置１１と水素および水蒸気からなる燃料ガスを貯蔵装置１１から固体酸化物形燃料電池１０へと燃料ガスを送り、固体酸化物形燃料電池１０からの燃料排ガスを貯蔵装置１１まで送るために固体酸化物形燃料電池１０および貯蔵装置１１に接続される。

導通配管１２およびブロア１４は、たとえば２００℃以上を常に保つように保温もしくは加熱される。このときに用いられるブロア１４も高温で動作するものが用いられ、効率を高く保つためには固体酸化物型燃料電池１０の発電・電解の動作温度近くで動作することが望ましい。たとえば、８００℃近傍で動作する固体酸化物形燃料電池１０を用いる場合、ブロアも８００℃近くで動作するものを用いることが好ましい。

上述のように構成されたシステムで、固体酸化物形燃料電池１０は水素ガスを燃料とした発電運転と、水蒸気を電解して水素へと変換する電解運転を行うが、いずれにおいても水素と水蒸気からなる燃料ガスは常に循環するよう運転される。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システム１では、固体酸化物形燃料電池１０に電力を供給する外部電源１８と、固体酸化物形燃料電池１０が発電した電力を供給する負荷１７とを備えている。固体酸化物形燃料電池１０は、水素および水蒸気からなる燃料ガス中の水素ガスを燃料とした発電運転と、水素および水蒸気からなる燃料ガス中の水蒸気を電解して水素へと変換する電解運転を行うが、いずれにおいても水素と水蒸気からなる燃料ガスは常に循環するよう運転する。

導通配管１２およびブロア１４は、水素および水蒸気が気体状態で安定して存在するために、水素および水蒸気からなる燃料ガスの温度を水蒸気の露点より十分高く保つための保温機構もしくは加熱機構を有している。

貯蔵装置１１には、循環する水素および水蒸気からなる燃料ガスを適当な圧力に保つための制御弁１３と、外部から水蒸気を追加供給するための水蒸気供給装置１６とが設けられている。

固体酸化物型燃料電池１０のスタックの電圧は循環する水素および水蒸気からなる燃料ガスの水素濃度に応じて変化するため、接続される負荷１７や外部電源１８の電圧に応じて発電動作や電解動作を自在に行うことができる。より細かく発電動作と電解動作を制御するためにはスタックの出力を双方向のインバータに接続し、インバータを外部回路で制御することで実現できる。

本実施形態の複合システム１では、固体酸化物形燃料電池１０は水素ガスを燃料とした発電運転と、水蒸気を電解して水素へと変換する電解運転を行うが、いずれにおいても水素と水蒸気からなる燃料ガスは常に循環するよう運転されるため、発電運転の際、発電に利用されなかった未利用水素ガスはすべて貯蔵装置１１へと戻り、再び燃料ガスとして固体酸化物形燃料電池１０へ送ることができるため、高い発電効率を実現できる。また電解運転では、固体酸化物形燃料電池１０は燃料ガス中の水蒸気を利用して水素を生成するが、未利用水蒸気と共に貯蔵装置１１へと直接戻す構成であるため、水素と水蒸気とを分離することなく電気エネルギーを水素として貯蔵することが可能である。

本実施形態の複合システム１では、水素と水蒸気とから構成される燃料ガスが常に循環するように運転されるため、固体酸化物形燃料電池１０を用いた発電運転と電解運転の交互の切替えが容易になる。

循環する水素および水蒸気からなる燃料ガス中の水素濃度は、セルスタックを酸化による劣化や破壊を防ぐのに十分な濃度を保つ必要がある。導通配管１２内の燃料ガスの水素濃度が一定以上となるように制御するために、水素濃度に応じて過剰な発電による水素の消費を防ぐ機構を設けている。水素濃度に応じて過剰な発電による水素の消費を防ぐ機構は、例えば以下の構成により実現できる。すなわち、用いる固体酸化物型燃料電池１０のスタックの電流―電圧特性の水素および水蒸気からなる燃料ガス中の水素濃度依存性を予め測定して用意しておく。動作時にはスタックの電流―電圧特性をモニタして、モニタした電流―電圧特性と予め用意したスタックの電流―電圧特性とを比較して動作時の水素濃度を特定する。特定した水素濃度に応じて固体酸化物形燃料電池１０における運転を停止または取出す電流密度を制御したり、もしくは水素を消費する発電運転と水素を生成する電解運転とのいずれかに切り替えるよう制御することで実現できる。例えば、特定した水素濃度が所定値を下回った場合に強制的に電解運転に切り替える場合も考えられる。

たとえば、８００℃で動作する固体酸化物燃料電池１０で主にＮｉＯを燃料極材料として用いられているものを用いる場合、水素および水蒸気からなる燃料ガス中の最低の水素濃度は１％程度が必要である。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池１０を発電運転させるとき、発電に利用されなかった未利用水素ガスはすべて貯蔵装置１１へと戻り、再び燃料ガスとして固体酸化物形燃料電池１０へ送ることができるため、高い発電効率を実現できる。このとき、燃料ガス中の水素を燃料として消費しながら、代わりに水蒸気が発生していくため、発電の継続時間と共に燃料ガス中の水素ガス量は減少していくことになる。

一方、固体酸化物形燃料電池１０を電解運転させるとき、燃料ガス中の水蒸気を利用して水素を生成するが、未利用水蒸気と共に貯蔵装置１１へと直接戻す構成であるため、水素と水蒸気とを分離することなく電気エネルギーを水素として貯蔵することが可能である。またこの電解運転のときは、燃料ガス中の水素ガス量が増加していくことになる。

水蒸気供給装置１６は、外部から貯蔵装置１１に水蒸気を追加する機構として機能する。固体酸化物型燃料電池１０のガスシールは完全な機密を実現することが困難なため、運転を重ねると、循環する水素および水蒸気からなる燃料ガスが複合システム１から散逸し、減少するが、水蒸気供給装置１６で水蒸気を供給することにより補填することができる。したがって長期間の運転動作が可能である。

また、本実施形態の複合システム１においては常に燃料ガスを循環させて運転している。そのため、例えば発電運転から電解運転に移行する際にも、燃料ガスの切り替えなどが必要ないため、俊敏な運転の切替えが可能となる。この切り替えを高度に行うためには、スタックに対する電流の入出を外部につながれた負荷の状態と連携して適切に行う必要があるが、これには、スタックと電気的につながれた双方向インバータを設けこのインバータを制御することで実現できる。このインバータの外部への出力は直流でも交流でも実現可能であり、直流、交流を問わず高効率な蓄電システムを実現できる。

１複合システム
１０固体酸化物形燃料電池
１１貯蔵装置
１２導通配管
１３圧力制御弁
１４ブロワ
１５加熱装置
１６水蒸気供給装置
１７負荷
１８外部電源

Claims

水素ガスを燃料として電気エネルギーを生み出す発電動作と水蒸気と電気エネルギーから水素ガスを生成する電解動作を行う固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池に供給する水素ガスと水蒸気とを貯蔵する貯蔵装置と、
前記固体酸化物形燃料電池と前記貯蔵装置とを接続する導通配管とを備え、
前記導通配管の経路途中に設けられ、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記貯蔵装置に入力し、前記貯蔵装置から供給される燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に入力するよう、前記固体酸化物形燃料電池と前記貯蔵装置との間で前記水素ガスおよび前記水蒸気を循環させるブロアをさらに備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システム。
前記導通配管内の前記排出ガスおよび前記燃料ガスの温度を水蒸気の露点よりも十分高く保つための加温手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システム。
前記導通配管内の前記燃料ガスの水素濃度が一定以上となるように制御する水素濃度制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システム。
前記水素濃度制御手段は、前記固体酸化物形燃料電池のスタックの電流―電圧特性を動作時にモニタして、モニタした電流―電圧特性と予め用意した水素濃度に依存する電流―電圧特性とを比較して動作時の水素濃度を特定し、特定した水素濃度に応じて運転動作を制御することを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池・水蒸気電解システム。