JP2016136471A

JP2016136471A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2016136471A
Application number: JP2015011143A
Authority: JP
Inventors: 真哉大井; Masaya Oi; 智也藤峰; Tomoya Fujimine; 康晴川端; Yasuharu Kawabata; 小笠原　慶; Kei Ogasawara; 慶小笠原; 吉典亀田; Yoshinori Kameda; 泉　順; Jun Izumi; 順泉; 三浦　則雄; Norio Miura; 則雄三浦
Original assignee: Kyushu University NUC; Tokyo Gas Co Ltd; Adsorption Technology Industries Co Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Tokyo Gas Co Ltd; Adsorption Technology Industries Co Ltd
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: JP6546398B2

Abstract

【課題】ランニングコストを抑制しつつ、発電効率を向上させる。【解決手段】燃料電池システム１００は、空気中の酸素を吸着する吸着剤１３０が収容され、吸着剤に吸着した酸素を脱着させて、酸素富化ガスを排出する吸着塔１２０と、吸着塔から排出された酸素富化ガスが供給され、酸素を還元する還元反応が行われる空気極と、燃料を酸化する酸化反応が行われる燃料極と、燃料極と空気極との間に配され酸化物イオンが通過する電解質とを有する固体酸化物形燃料電池モジュール２００と、吸着塔と固体酸化物形燃料電池モジュールとを収容し、吸着塔および固体酸化物形燃料電池モジュールから外部への放熱を抑制する断熱容器１９０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料と酸素との電気化学的反応によって発電する燃料電池システムに関する。

近年、燃料を酸化する酸化反応が行われる燃料極（アノード）と、酸素を還元する還元反応が行われる空気極（カソード）と、燃料極と空気極の間に配される電解質とを備え、燃料と酸素との電気化学的反応によって発電する燃料電池が開発されている。燃料電池は、電解質の特性に応じて、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の４種類に大別される。

一般的に、燃料電池の燃料極には燃料が供給され、空気極には空気が供給されているが、発電効率を高めるために空気極に酸素富化ガスを供給する技術が開発されている。例えば、特許文献１には、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）法を利用した酸素製造装置によって空気から酸素富化ガスを分離し、分離した酸素富化ガスを固体酸化物形燃料電池の空気極に供給する技術が開示されている。

また、ＰＳＡ法を利用した酸素製造装置に用いられる吸着剤として、ペロブスカイト型酸化物が開発されている（例えば、特許文献２）。

特許第２９２６２５９号公報特開２００８−１２４３９号公報

上述した特許文献２に記載されたペロブスカイト型酸化物は、他の吸着剤と比較して酸素の吸着効率と、吸着剤からの酸素の脱着効率が高いため、空気から酸素を効率よく分離する吸着剤として注目されている。したがって、ペロブスカイト型酸化物を用いた酸素製造装置で酸素富化ガスを製造し、この酸素富化ガスを燃料電池に供給することで、他の吸着剤を用いた酸素製造装置と比較して、燃料電池の発電効率を向上できると考えられる。

しかし、ペロブスカイト型酸化物を利用したＰＳＡ法では、吸着剤に酸素を吸着させる吸着処理と、酸素を吸着した吸着剤から酸素を脱着させる脱着処理とを２５０℃〜９００℃といった高温下で行う必要がある。このため、吸着剤を加熱したり、２５０℃〜９００℃に維持したりするための熱エネルギーを要することから、ランニングコストが高くなってしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、ランニングコストを抑制しつつ、発電効率を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、空気中の酸素を吸着する吸着剤が収容され、該吸着剤に吸着した酸素を脱着させて、酸素を含むガスである酸素富化ガスを排出する吸着塔と、前記吸着塔から排出された酸素富化ガスが供給され、酸素を還元する還元反応が行われる空気極と、水素および一酸化炭素のうちいずれか一方または両方を含んで構成される燃料を酸化する酸化反応が行われる燃料極と、該燃料極と該空気極の間に配され酸化物イオンが通過する電解質とを有する固体酸化物形燃料電池モジュールと、前記吸着塔と前記固体酸化物形燃料電池モジュールとを収容し、該吸着塔および該固体酸化物形燃料電池モジュールから外部への放熱を抑制する断熱容器と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムは、前記吸着塔から排出された酸素富化ガスを前記断熱容器内に供給する酸素供給手段を備え、前記空気極は、前記断熱容器内の雰囲気下に曝されるように配されているとしてもよい。

また、本発明の前記燃料極、前記空気極、および、前記電解質は、筒形状であり、前記燃料極の外方に前記電解質が配され、該電解質の外方に前記空気極が配され、前記燃料極の内側が前記燃料に曝され、前記空気極の外側が前記酸素富化ガスに曝されるとしてもよい。

また、本発明の燃料電池システムは、炭化水素から前記燃料を製造する改質器を備え、前記吸着塔、前記固体酸化物形燃料電池モジュールとともに、前記改質器が前記断熱容器内に収容されるとしてもよい。

本発明によれば、ランニングコストを抑制しつつ、発電効率を向上させることが可能となる。

燃料電池システムを説明するための図である。固体酸化物形燃料電池モジュールの構成を説明するための図である。セルスタックの構成を説明するための図である。燃料電池システムの運転方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。定格運転処理における酸素製造装置の処理の流れを説明するためのフローチャートである。定格運転処理の各処理におけるバルブの開閉状態を説明するための図である。第１の吸着処理の流れを説明するためのフローチャートである。第１の脱着処理の流れを説明するためのフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（燃料電池システム１００）
図１は、燃料電池システム１００を説明するための図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、酸素製造装置１１０と、断熱容器１９０と、酸素製造装置１１０によって分離された酸素富化ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池モジュール２００と、固体酸化物形燃料電池モジュール２００で生じた排ガスを燃焼させる燃焼器３１０と、制御手段３２０とを含んで構成される。以下、燃料電池システム１００を構成する酸素製造装置１１０、断熱容器１９０、固体酸化物形燃料電池モジュール２００、燃焼器３１０、制御手段３２０について詳述する。

（酸素製造装置１１０）
酸素製造装置１１０は、筒形状（例えば、円筒形状）の吸着塔１２０（図１中、１２０ａ、１２０ｂで示す）を備えている。吸着塔１２０内には、吸着剤１３０（図１中、クロスハッチングで示す）が設けられ（充填され）ている。

吸着剤１３０は、所定の圧力および温度環境下で空気に接触すると、空気に含有される酸素を吸着して、空気から酸素を分離する。吸着剤１３０は、例えば、構造式Ａ_１−ｘＢ_ｘＣ_１−ｙＤ_ｙＯ_３−ｚで表されるペロブスカイト型酸化物である。ここで、Ａはランタノイド元素またはアルカリ土類金属元素であり、Ｂはランタノイド元素、アルカリ土類金属元素、アルカリ金属元素の群のうちいずれかの元素ドーパントであり、Ｃはチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）の群から選択される１または複数の元素であり、Ｄはチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）の群から選択される１または複数の元素であり、かつ、Ｃとは異なる元素である。また、ｘ、および、ｙは、０以上１以下のいずれかの値である。具体的に説明すると、吸着剤１３０は、例えば、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３−ｚ（Ｌａ：Ｓｒ：Ｃｏ：Ｆｅ＝１：９：９：１）である。

ペロブスカイト型酸化物は、所定の吸着温度（例えば、２５０℃〜９００℃）において、酸素を選択的に吸着する（化学吸着）。したがって、吸着剤１３０として、ペロブスカイト型酸化物を利用することにより、空気から選択的に酸素を吸着することができる。また、ペロブスカイト型酸化物は、２５０℃〜９００℃において、圧力を変化させることにより、酸素の吸着および脱着（吸着していた物質が界面から離れること）を容易に行うことが可能となる。

また、吸着塔１２０には、空気供給管１４２を介して空気供給部１４０が接続されている。空気供給部１４０は、例えば、ブロワで構成され、吸着塔１２０内に空気を供給する。また、吸着塔１２０には、窒素排出管１５０が接続されており、窒素排出管１５０を介して吸着塔１２０内から窒素富化ガス（空気から酸素が取り除かれたガス）が外部に排出される。

さらに、吸着塔１２０には、酸素排出管１６２を介して酸素排出部１６０が接続されている。酸素排出部１６０は、例えば、真空ポンプで構成され、吸着塔１２０内を減圧して吸着剤１３０から酸素を脱着させ、酸素富化ガス（空気より酸素を多く含むガス）を吸着塔１２０内から排出する。

また、空気供給部１４０および酸素排出部１６０は、酸素供給配管１７０（酸素供給手段）を介して断熱容器１９０に接続されており、空気供給部１４０から断熱容器１９０内へ空気が供給され、また、酸素排出部１６０から断熱容器１９０内へ酸素富化ガスが供給されることとなる。

なお、空気供給管１４２には、バルブ１４４ａ、１４４ｂ、１４６ａ、１４６ｂが設けられ、窒素排出管１５０には、バルブ（窒素排出部）１５４ａ、１５４ｂ、１５６ａ、１５６ｂが設けられ、酸素排出管１６２には、バルブ１６４ａ、１６４ｂ、１６６ａ、１６６ｂが設けられ、酸素供給配管１７０における酸素排出部１６０との接続箇所の上流側には、バルブ１７２が設けられている。

蓄熱体１８０（図１中、１８０ａ、１８０ｂで示す）は、吸着剤１３０よりも空気の供給方向の上流側および下流側の双方に配される。換言すれば、吸着剤１３０は、２つの蓄熱体１８０で挟まれている。また、空気供給部１４０や、酸素排出部１６０が駆動されたり、バルブ１４４ａ、１４４ｂ、１４６ａ、１４６ｂ、１５４ａ、１５４ｂ、１５６ａ、１５６ｂ、１６４ａ、１６４ｂ、１６６ａ、１６６ｂが開弁されたりすることで、空気、窒素富化ガス、および、酸素富化ガスが、蓄熱体１８０を流通することとなる。本実施形態において、蓄熱体１８０は、吸着塔１２０ａとバルブ１４４ａ、１５４ａ、１６４ａとの間、吸着塔１２０ａとバルブ１４６ａ、１５６ａ、１６６ａとの間、吸着塔１２０ｂとバルブ１４４ｂ、１５４ｂ、１６４ｂとの間、吸着塔１２０ｂとバルブ１４６ｂ、１５６ｂ、１６６ｂとの間に配される。

蓄熱体１８０は、蓄熱する機能（熱を保持する機能）を有し、窒素富化ガスおよび酸素富化ガスの熱を蓄熱して、蓄熱した熱を空気に付与（伝熱）する。つまり、窒素富化ガスおよび酸素富化ガスと、空気とは、蓄熱体１８０によって間接的に熱交換されることとなる。蓄熱体１８０による熱交換機構（蓄熱機構および伝熱機構）については、後に詳述する。

吸着剤１３０における流体（空気、窒素富化ガス、酸素富化ガス）の流通方向の両側に蓄熱体１８０を配することにより、吸着剤１３０から外部への熱の流出を、例えば、１０％未満に低減することができる。

蓄熱体１８０は、例えば、ライナー間ピッチ２ｍｍ程度、平板厚さ０．５ｍｍ程度のステンレス製蓄熱材ハニカムを挙げることができる。また、蓄熱体１８０は、吸着剤１３０と同一の部材で構成されていてもよい。かかる構成により、蓄熱体１８０においても酸素を吸着および脱着することが可能となる。さらに、蓄熱体１８０は、所定の圧力および吸着剤１３０よりも常温（例えば、５℃〜３０℃）に近い温度環境下で空気に接触すると、酸素を吸着する物質（例えば、活性炭（ＭＳＣ）や、低温で作動する複合酸化物等の吸着剤）で構成されてもよい。これにより、蓄熱体１８０において、より効率的に酸素を吸着および脱着することが可能となる。

（断熱容器１９０）
断熱容器１９０は、内壁に断熱材が配されており、内部から外部への放熱を抑制する容器である。本実施形態において、断熱容器１９０は、酸素製造装置１１０の吸着塔１２０と、固体酸化物形燃料電池モジュール２００とを収容する。断熱容器１９０が吸着塔１２０および固体酸化物形燃料電池モジュール２００を収容することの効果については後に詳述する。

（固体酸化物形燃料電池モジュール２００）
図２は、固体酸化物形燃料電池モジュール２００の構成を説明するための図である。なお、図２中、ガスの流れを実線の矢印で示し、熱の流れを破線の矢印で示す。図２に示すように、固体酸化物形燃料電池モジュール２００は、改質器２１０を備えている。改質器２１０には、ガス管２１２、バルブ２１４を介して、炭化水素（Ｃ_ｎＨ_ｍ、例えば、都市ガス）および水蒸気が供給される。また、改質器２１０には、炭化水素の水蒸気改質反応を促進するための触媒が配されており、改質器２１０に炭化水素および水蒸気が供給されると下記反応式（１）および反応式（２）に示す水蒸気改質反応が進行し、炭化水素が水素や一酸化炭素に改質される。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２ …反応式（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２ …反応式（２）

このようにして、改質器２１０では、水素および一酸化炭素のうちいずれか一方または両方（以下、「燃料」と称する）が製造され、燃料分配管２２０によって、セルスタック２３０の燃料極２５４（図３参照）に供給されることとなる。

図３は、セルスタック２３０の構成を説明するための図である。図３（ａ）に示すように、セルスタック２３０は、複数のセル２５０で構成される。セル２５０は、筒形状（例えば、円筒形状）であり、セル２５０の一端側が燃料分配管２２０に、他端側が排ガス集合管２４０に接続されている。したがって、燃料分配管２２０から供給された燃料は、セル２５０の内部を流通して排ガス集合管２４０に導かれることとなる。

図３（ｂ）に示すように、セル２５０は、筒形状であり、内部を燃料が流通する、多孔質体の基管２５２を備えている。基管２５２の外周面には、燃料極２５４、電解質２５６、空気極２５８が順に積層された単電池膜２６０を備えている。つまり、燃料極２５４、空気極２５８、および、電解質２５６は、筒形状であり、燃料極２５４の外方に電解質２５６が配され、電解質２５６の外方に空気極２５８が配されることとなる。単電池膜２６０は、基管２５２の長手方向に沿って複数形成され、隣接する単電池膜２６０同士は、インターコネクタ２６２を介して電気的に接続されている。

基管２５２は、多孔質体であり、かつ、絶縁体であれば、材質に限定はなく、例えば、ニッケルまたはニッケル酸化物と希土類元素の酸化物が固溶したジルコニア、スピネル、フォルステライト、および、ジルコン酸カルシウムの群から選択されるいずれか１または複数を挙げることができる。なお、希土類元素としては、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ツリウム（Ｔｍ）、エルビウム（Ｅｒ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）等が挙げられ、Ｙや、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）が好ましい。

燃料極２５４は、ニッケル・ジルコニアの多孔質体で構成され、電解質２５６は、ジルコニア系電解質（例えば、イットリア安定化ジルコニア）の多孔質体で構成され、空気極２５８は、ランタンマンガナイトの多孔質体で構成される。

上述したようにセル２５０の内周面、すなわち、基管２５２の内周面には、燃料が流通し、基管２５２が多孔質体であることから、基管２５２に積層された燃料極２５４の内側が燃料に曝されることとなる。

また、セル２５０の外周面、すなわち、空気極２５８は、断熱容器１９０内の雰囲気に曝されている。上述したように、断熱容器１９０内には、酸素供給配管１７０を介して酸素富化ガスが供給されているため、断熱容器１９０内は酸素富化ガスで満たされている。したがって、空気極２５８は、酸素富化ガスに曝されることとなる。

このように、燃料極２５４に燃料が接触することにより、下記反応式（３）に示す酸化反応が進行し、空気極２５８に酸素（酸素富化ガス）が接触することにより、下記反応式（４）に示す還元反応が進行する。そして、酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質２５６を通過することにより、セル２５０（固体酸化物形燃料電池モジュール２００）では、燃料と酸素とによって発電することとなる。
Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …反応式（３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− …反応式（４）

また、固体酸化物形燃料電池モジュール２００では、上記反応式（３）、（４）に示す反応が進行して発電すると、熱が生じ、固体酸化物形燃料電池モジュール２００（セルスタック２３０）は、７００℃〜１１００℃程度となる。

したがって、固体酸化物形燃料電池モジュール２００とともに吸着塔１２０を断熱容器１９０内に収容することにより、固体酸化物形燃料電池モジュール２００の熱を吸着塔１２０（吸着剤１３０）に伝達することができる。固体酸化物形燃料電池モジュール２００は、吸着剤１３０を吸着温度（２５０℃〜９００℃）に加熱することができるため、別途の加熱源を備えずとも吸着剤１３０を吸着温度に保持することが可能となる。

これにより、酸素製造装置１１０のランニングコスト（吸着剤１３０の加熱に要するコスト）を抑制することが可能となる。したがって、燃料電池システム１００は、低コストで発電効率を向上させることが可能となる。

さらに、空気極２５８には、酸素製造装置１１０で製造された酸素富化ガスが供給されることとなるため、空気が供給される場合と比較して、発電効率を向上させることができる。

また、断熱容器１９０には、セルスタック２３０とともに、改質器２１０が収容されることとなる。改質器２１０で進行する上記水蒸気改質反応は、吸熱反応であるため、改質器２１０を７００℃〜１１００℃程度に加熱する必要がある。そこで、断熱容器１９０が、セルスタック２３０と改質器２１０を収容することにより、セルスタック２３０の熱を改質器２１０に伝達することができ、改質器２１０を加熱するための加熱源を削減することが可能となる。

ただし、固体酸化物形燃料電池モジュール２００を駆動する際には、セルスタック２３０が発熱していないため、固体酸化物形燃料電池モジュール２００には、改質器２１０を一時的に加熱する補助加熱部２１６が設けられている。

こうして、セルスタック２３０の燃料極２５４で消費された燃料（排ガス）は、排ガス集合管２４０、排ガス管３１２（図１参照）を介して、燃焼器３１０に導入されることとなる。また、断熱容器１９０に供給され、空気極２５８で消費された酸素富化ガス（排ガス）も、排ガス管３１４（図１参照）を介して、燃焼器３１０に導入されることとなる。そして、燃焼器３１０は、導入された排ガスを燃焼させて、外部に排気する。

制御手段３２０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して燃料電池システム１００全体を管理および制御する。本実施形態において、制御手段３２０は、空気供給部１４０、酸素排出部１６０、補助加熱部２１６を駆動制御するとともに、バルブ１４４ａ、１４４ｂ、１４６ａ、１４６ｂ、１５４ａ、１５４ｂ、１５６ａ、１５６ｂ、１６４ａ、１６４ｂ、１６６ａ、１６６ｂ、１７２、２１４を開閉制御する。

（燃料電池システム１００の運転方法）
続いて、燃料電池システム１００の運転方法について説明する。図４は、燃料電池システム１００の運転方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。なお、運転開始前において、バルブ１４４ａ、１４４ｂ、１４６ａ、１４６ｂ、１５４ａ、１５４ｂ、１５６ａ、１５６ｂ、１６４ａ、１６４ｂ、１６６ａ、１６６ｂ、１７２、２１４は閉じられている。また、制御手段３２０は、停止指示が入力された場合には、空気供給部１４０、酸素排出部１６０、補助加熱部２１６を停止し、バルブ１４４ａ、１４４ｂ、１４６ａ、１４６ｂ、１５４ａ、１５４ｂ、１５６ａ、１５６ｂ、１６４ａ、１６４ｂ、１６６ａ、１６６ｂ、１７２、２１４を閉じる。

（暖機運転処理：ステップＳ４１０）
制御手段３２０は、まず、空気供給部１４０、補助加熱部２１６を駆動し、バルブ１７２、２１４を開弁する。そうすると、空気極２５８に空気が供給され、固体酸化物形燃料電池モジュール２００において発電が為される暖機運転処理が実行される。

（ステップＳ４１２）
制御手段３２０は、吸着剤１３０が吸着温度Ｔｑに到達し、改質器２１０が上記水蒸気改質反応を遂行できる反応温度Ｔｓに到達するまで（ステップＳ４１２におけるＮＯ）、空気供給部１４０、補助加熱部２１６の駆動を維持し、バルブ１７２、２１４を開状態に維持し、吸着温度Ｔｑに到達し、反応温度Ｔｓに到達したら（ステップＳ４１２におけるＹＥＳ）、ステップＳ４１４に処理を移す。

（ステップＳ４１４）
制御手段３２０は、バルブ１７２を閉弁し、補助加熱部２１６を停止する。

（定格運転処理：ステップＳ４１６）
制御手段３２０は、バルブ１４４ａ、１４４ｂ、１４６ａ、１４６ｂ、１５４ａ、１５４ｂ、１５６ａ、１５６ｂ、１６４ａ、１６４ｂ、１６６ａ、１６６ｂを開閉制御することで、酸素製造装置１１０において連続的に酸素富化ガスを製造して、断熱容器１９０内に配された固体酸化物形燃料電池モジュール２００の空気極２５８に供給する。

こうして、固体酸化物形燃料電池モジュール２００において効率よく発電が為されることとなる。

以下、定格運転処理Ｓ４１６における酸素製造装置１１０による酸素富化ガスの製造処理について詳述する。

図５は、定格運転処理Ｓ４１６における酸素製造装置１１０の処理の流れを説明するためのフローチャートであり、図６は、定格運転処理Ｓ４１６の各処理におけるバルブの開閉状態を説明するための図である。なお、図６中、開弁を「○」で示し、閉弁を「×」で示す。

図５に示すように、制御手段３２０は、バルブ１４４ａ、１４４ｂ、１４６ａ、１４６ｂ、１５４ａ、１５４ｂ、１５６ａ、１５６ｂ、１６４ａ、１６４ｂ、１６６ａ、１６６ｂを開閉制御して、吸着塔１２０において、第１の吸着処理Ｓ４２０、第１の脱着処理Ｓ４３０、第２の吸着処理Ｓ４４０、第２の脱着処理Ｓ４５０を実行する。なお、酸素製造装置１１０では、１の吸着塔１２０について、第１の吸着処理Ｓ４２０および第１の脱着処理Ｓ４３０を含む処理工程と、第２の吸着処理Ｓ４４０および第２の脱着処理Ｓ４５０を含む処理工程を交互に繰り返す。

また、後述するように、吸着処理では吸着剤１３０に酸素が吸着されて吸着塔１２０内から窒素富化ガスが排出され、脱着処理では、吸着塔１２０内から酸素富化ガスが排出される。そこで、本実施形態では、吸着塔１２０ａと吸着塔１２０ｂとで、吸着処理と脱着処理とを排他的に交互に繰り返し、酸素富化ガスを連続的に生成するようにしている。

以下、吸着塔１２０ａを例に挙げて、第１の吸着処理Ｓ４２０から第２の脱着処理Ｓ４５０の処理について詳述し、実質的に処理が等しい吸着塔１２０ｂにおける第１の吸着処理Ｓ４２０から第２の脱着処理Ｓ４５０の処理についての説明を省略する。

（第１の吸着処理：ステップＳ４２０）
図７は、第１の吸着処理Ｓ４２０の流れを説明するためのフローチャートである。

（空気供給処理：ステップＳ４２０−１）
制御手段３２０は、バルブ１４４ａを開弁する（図６参照）。そうすると、吸着塔１２０ａ内へ空気が供給されることとなる。なお、空気供給処理Ｓ４２０−１においては、常温の空気が、蓄熱体１８０ａを流通して吸着剤１３０に到達することとなる。

（吸着処理：ステップＳ４２０−２）
そして、制御手段３２０は、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ１（例えば、１００ｋＰａ〜２００ｋＰａ）以上となったか否かを判定する。制御手段３２０は、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ１以上となるまで（Ｓ４２０−２におけるＮＯ）、空気供給処理Ｓ４２０−１を遂行する。制御手段３２０が空気供給処理を遂行し、吸着塔１２０ａ内を所定の圧力Ｐ１まで昇圧している間に、空気中の酸素を吸着剤１３０に吸着させる。一方、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ１以上となると（Ｓ４２０−２におけるＹＥＳ）、後述する窒素富化ガス排出処理Ｓ４２０−３に移る。

（窒素富化ガス排出処理：ステップＳ４２０−３）
吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ１以上となると（Ｓ４２０−２におけるＹＥＳ）、制御手段３２０は、バルブ１４４ａを閉弁し、バルブ１５６ａを開弁する（図６参照）。これにより、窒素排出管１５０を介して、窒素富化ガスが吸着塔１２０ａ内から排出されることとなる。

なお、窒素富化ガス排出処理Ｓ４２０−３においては、吸着剤１３０によって加熱された高温（２５０℃〜９００℃）の窒素富化ガスが、蓄熱体１８０ｂを流通することとなる。このため、蓄熱体１８０ｂは、流通過程において窒素富化ガスによって加熱されることとなる。そして、吸着塔１２０ａ内から排出された窒素富化ガスは、窒素排出管１５０を介して外部に排気されることとなる。

（窒素富化ガス排出判定処理：ステップＳ４２０−４）
制御手段３２０は、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ２（例えば、６０ｋＰａ）未満となったか否かを判定する。制御手段３２０は、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ２未満となるまで（Ｓ４２０−４におけるＮＯ）、窒素富化ガス排出処理Ｓ４２０−３を遂行する。一方、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ２未満となると（Ｓ４２０−４におけるＹＥＳ）、第１の吸着処理Ｓ４２０が終了したとみなし、後述する第１の脱着処理Ｓ４３０に移る。

（第１の脱着処理：ステップＳ４３０）
図８は、第１の脱着処理Ｓ４３０の流れを説明するためのフローチャートである。

（酸素富化ガス排出処理：ステップＳ４３０−１）
上述した窒素富化ガス排出判定処理Ｓ４２０−４において、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ２未満となると（Ｓ４２０−４におけるＹＥＳ）、制御手段３２０は、バルブ１５６ａを閉弁し、バルブ１６４ａを開弁するとともに（図６参照）、酸素排出部１６０の駆動を開始する。なお、制御手段３２０は、初回の酸素富化ガス排出処理Ｓ４３０−１でのみ、酸素排出部１６０の駆動を開始し、以降酸素排出部１６０の駆動を維持する。これにより、吸着塔１２０ａ内が減圧されて吸着剤１３０に吸着した酸素が吸着剤１３０から脱着し、吸着塔１２０ａ内から酸素富化ガスが排出されることとなる。

なお、酸素富化ガス排出処理Ｓ４３０−１においては、吸着剤１３０によって加熱された高温（２５０℃〜９００℃）の酸素富化ガスが、蓄熱体１８０ａを流通することとなる。このため、蓄熱体１８０ａは、流通過程において酸素富化ガスによって加熱されることとなる。そして、吸着塔１２０ａ内から排出された酸素富化ガスは、酸素供給配管１７０を介して、断熱容器１９０内（空気極２５８）に供給されることとなる。

（酸素富化ガス排出判定処理：ステップＳ４３０−２）
制御手段３２０は、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ３（例えば、２ｋＰａ〜２０ｋＰａ）未満となったか否かを判定する。制御手段３２０は、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ３未満となるまで（Ｓ４３０−２におけるＮＯ）、酸素富化ガス排出処理Ｓ４３０−１を遂行する。一方、吸着塔１２０ａ内の圧力Ｐが所定の圧力Ｐ３未満となると（Ｓ４３０−２におけるＹＥＳ）、第１の脱着処理Ｓ４３０が終了したとみなし、制御手段３２０は、バルブ１６４ａを閉弁して（図６参照）、後述する第２の吸着処理Ｓ４４０に移る。

このように、制御手段３２０は、第１の吸着処理Ｓ４２０において、吸着塔１２０の一端側から窒素富化ガスを排出し、第１の脱着処理Ｓ４３０において、吸着塔１２０の他端側から酸素富化ガスを排出する。これにより、吸着剤１３０の両側に配された蓄熱体１８０ａ、１８０ｂを、双方とも加熱することができる。

しかし、１の処理工程（第１の吸着処理Ｓ４２０、および、第１の脱着処理Ｓ４３０）において、蓄熱体１８０ａは、高温の酸素富化ガスによって加熱され、蓄熱体１８０ｂは、高温の窒素富化ガスによって加熱される。ただし、空気中における窒素と酸素との割合は、約８：２であるため、蓄熱体１８０を流通する流体の流量に差（約４倍）が生じる。つまり、蓄熱体１８０に対する加熱量に差が生じてしまう。

そこで、制御手段３２０は、後述する第２の吸着処理Ｓ４４０において、前回の処理工程の吸着処理（第１の吸着処理Ｓ４２０）で窒素富化ガスを排出した側と異なる側から窒素富化ガスを排出し、後述する第２の脱着処理Ｓ４５０において、前回の処理工程の脱着処理（第１の脱着処理Ｓ４３０）で酸素富化ガスを排出した側と異なる側から酸素富化ガスを排出する。こうすることで、蓄熱体１８０ａ、１８０ｂを実質的に均一に加熱することが可能となる。

（第２の吸着処理：ステップＳ４４０）
制御手段３２０は、図７に示す吸着処理を遂行する。なお、ここでは、図７の吸着処理のうち、ステップＳ４２０−１およびステップＳ４２０−３において、制御手段３２０が開閉するバルブが異なる点以外は、上記したとおりであるため、制御手段３２０によるバルブの開閉制御について詳述し、その他の詳細な説明は省略する。

第２の吸着処理Ｓ４４０における空気供給処理Ｓ４２０−１において、制御手段３２０は、バルブ１４６ａを開弁し、吸着塔１２０ａ内へ空気を供給する。そうすると、常温の空気は、蓄熱体１８０ｂを流通して吸着剤１３０へ到達することとなる。

このように、制御手段３２０は、第２の吸着処理Ｓ４４０において、吸着塔１２０の一端側および他端側のうち、前回の吸着工程（第１の吸着処理Ｓ４２０）において窒素富化ガスを排出した側から、空気を供給する。換言すれば、制御手段３２０は、前回高温の窒素富化ガスによって加熱された蓄熱体１８０ｂに空気を流通させることにより、流通過程において、蓄熱体１８０ｂによって空気を加熱するとともに、蓄熱体１８０ｂを、空気によって冷却する。つまり、蓄熱体１８０ｂによって、窒素富化ガスと、空気とを間接的に熱交換させる。これにより、別途の加熱装置を要さずとも、吸着剤１３０に到達する空気を加熱することができ、吸着剤１３０の加熱量を低減することが可能となる。

また、第２の吸着処理Ｓ４４０における窒素富化ガス排出処理Ｓ４２０−３において、制御手段３２０は、バルブ１４６ａを閉弁し、バルブ１５４ａを開弁する。これにより、窒素排出管１５０は、窒素富化ガスを吸着塔１２０ａ内から排出する。

そうすると、第２の吸着処理Ｓ４４０の窒素富化ガス排出処理Ｓ４２０−３においては、吸着剤１３０によって加熱された高温（２５０℃〜９００℃）の窒素富化ガスが、蓄熱体１８０ａを流通することとなる。このため、蓄熱体１８０ａは、流通過程において窒素富化ガスによって加熱されることとなる。そして、吸着塔１２０ａ内から排出された窒素富化ガスは、窒素排出管１５０を介して外部に排気されることとなる。

（第２の脱着処理：ステップＳ４５０）
制御手段３２０は、図８に示す脱着処理を遂行する。なお、ここでは、図８の脱着処理のうち、ステップＳ４３０−１において、制御手段３２０が開閉するバルブが異なる点以外は、上記したとおりであるため、制御手段３２０によるバルブの開閉制御について詳述し、その他の詳細な説明は省略する。

第２の脱着処理Ｓ４５０における酸素富化ガス排出処理Ｓ４３０−１において、制御手段３２０は、バルブ１５４ａを閉弁し、バルブ１６６ａを開弁する（図６参照）。これにより、吸着塔１２０ａ内が減圧されて吸着剤１３０に吸着した酸素が吸着剤１３０から脱着し、吸着塔１２０ａから酸素富化ガスが排出される。

つまり、第２の脱着処理Ｓ４５０においては、吸着剤１３０によって加熱された酸素富化ガスが、蓄熱体１８０ｂを流通することとなる。このため、蓄熱体１８０ｂは、流通過程において酸素富化ガスによって加熱されることとなる。

そして、次回の処理工程の第１の吸着処理Ｓ４２０では、前々回の処理工程の第１の脱着処理Ｓ４３０で酸素富化ガスによって、また、前回の処理工程の第２の吸着処理Ｓ４４０で窒素富化ガスによって加熱された蓄熱体１８０ａを通じて常温の空気を吸着剤１３０に到達させるため、酸素富化ガスおよび窒素富化ガスの熱で常温の空気を加熱することができる。

また、１の蓄熱体１８０に着目すると、吸着処理において常温の空気（１００％）が通過し、次に行われる脱着処理において高温の酸素富化ガス（約２０％）が通過し、続いて行われる吸着処理において高温の窒素富化ガス（約８０％）が通過するという処理を繰り返す。したがって、１の蓄熱体１８０において、高温の酸素富化ガスおよび高温の窒素富化ガスが排出されるときに保持した熱と、空気が供給されるときに付与する熱とを実質的に等しくすることが出来るため、１の蓄熱体１８０において外部から加えられる熱を理論上ゼロとすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において、吸着塔１２０ａ、１２０ｂを２つ備えた酸素製造装置１１０を例に挙げて説明したため、吸着塔１２０ａと吸着塔１２０ｂとが吸着処理と脱着処理とを並行して行う場合について説明した。しかし、吸着塔１２０と固体酸化物形燃料電池モジュール２００とが同一の断熱容器１９０に収容されていればよく、吸着塔の数に限定はない。つまり、吸着塔の数は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。なお、吸着塔の数が１の場合、吸着塔が吸着処理を実行している間は、酸素富化ガスに代えて空気を断熱容器１９０に供給するとよい。

また、上記実施形態において固体酸化物形燃料電池モジュール２００が改質器２１０を備える構成について説明した。しかし、改質器は、少なくとも固体酸化物形燃料電池モジュールとともに断熱容器１９０内に収容されていればよく、固体酸化物形燃料電池モジュールと改質器とは別体であってもよい。

本発明は、燃料と酸素との電気化学的反応によって発電する燃料電池システムに利用することができる。

１００燃料電池システム
１２０吸着塔
１３０吸着剤
１７０酸素供給配管（酸素供給手段）
１９０断熱容器
２００固体酸化物形燃料電池モジュール
２１０改質器
２５４燃料極
２５６電解質
２５８空気極

Claims

空気中の酸素を吸着する吸着剤が収容され、該吸着剤に吸着した酸素を脱着させて、酸素を含むガスである酸素富化ガスを排出する吸着塔と、
前記吸着塔から排出された酸素富化ガスが供給され、酸素を還元する還元反応が行われる空気極と、水素および一酸化炭素のうちいずれか一方または両方を含んで構成される燃料を酸化する酸化反応が行われる燃料極と、該燃料極と該空気極の間に配され酸化物イオンが通過する電解質とを有する固体酸化物形燃料電池モジュールと、
前記吸着塔と前記固体酸化物形燃料電池モジュールとを収容し、該吸着塔および該固体酸化物形燃料電池モジュールから外部への放熱を抑制する断熱容器と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記吸着塔から排出された酸素富化ガスを前記断熱容器内に供給する酸素供給手段を備え、
前記空気極は、前記断熱容器内の雰囲気下に曝されるように配されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料極、前記空気極、および、前記電解質は、筒形状であり、
前記燃料極の外方に前記電解質が配され、該電解質の外方に前記空気極が配され、
前記燃料極の内側が前記燃料に曝され、前記空気極の外側が前記酸素富化ガスに曝されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
炭化水素から前記燃料を製造する改質器を備え、
前記吸着塔、前記固体酸化物形燃料電池モジュールとともに、前記改質器が前記断熱容器内に収容されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。