JP4056755B2 - 固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器に関し、より具体的には固体酸化物形燃料電池に導入する空気、燃料、あるいはその両者を最高到達温度を抑えて加熱するための固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells：以下適宜ＳＯＦＣと略称する）は、固体電解質として酸化物イオン（Ｏ2-）導電体を用いる点に特徴を有するもので、固体電解質を挟んで燃料極と空気極（又は酸素極、以下適宜空気極と指称する）の両電極を配置して構成される。その運転時に、燃料極側に燃料を供給し、空気極側に空気、酸素富化空気、酸素等の酸化剤を供給して電気化学反応を起こさせることにより電力が取り出される。
【０００３】
図１は、ＳＯＦＣの単電池における固体電解質（＝固体酸化物電解質）、燃料極、空気極の配置関係及びその作動原理を説明する図である。単電池は固体酸化物電解質を挟んで燃料極及び空気極が配置されて構成される。空気極に導入される空気は空気極で酸化物イオン（Ｏ2-）となり、固体酸化物電解質を通って燃料極に至る。ここで、燃料極に導入される燃料と反応して電子を放出し、電気と水等の反応生成物を生成する。空気極での利用済み空気は空気極オフガスとして排出され、燃料極での利用済み燃料は燃料極オフガスとして排出されるが、本明細書及び図面中、空気極オフガスを排気空気、燃料極オフガスを排気燃料と指称している。
【０００４】
図２〜３は平板方式のＳＯＦＣの態様例を模式的に示す図である。ＳＯＦＣには円筒方式や一体積層方式などもあるが、原理的には平板方式の場合と同じである。図２は自立膜式の場合、図３は支持膜式の場合である。図２〜３では単電池の場合を示しているが、単電池１個の電圧は低いため、通常、単電池を複数層積層して構成される。なお、単電池を複数層積層した構造体を本明細書及び図面中スタック又はＳＯＦＣスタックと指称している。また、図２〜３にはその一部の使用材料を示しているが、これは一例として示したものである。
【０００５】
図２のとおり、自立膜式の場合、単電池の上に順次シール材、セパレータが配置され、単電池の下に順次セパレータ、シール材、セパレータが配置され、これらが密に積層されて構成される。自立膜式においては、固体酸化物電解質膜自体でその構造を保持するようになっている。このため固体酸化物電解質膜はその膜厚自体を厚くする必要があり、その厚さは通常１００μｍ程度と厚く構成される。また、その作動温度は８００〜１０００℃程度、通常１０００℃程度と高く、システム内に１０００℃を超える高温場が形成される。このため、その構成材料が高価な耐熱合金やセラミックスに制限され、セラミックスの場合はスタック内温度差に起因して割れが生じるなどの問題があり、また、断熱容器に収容する場合、その断熱材が厚くなり、ＳＯＦＣシステムとして大型化してしまう。
【０００６】
一方、図３のとおり、支持膜式の場合には、単電池はスペーサの枠内に保持され、その上部に順次接合材、セル支持体、スペーサ、セパレータが配置される。単電池の下部にも順次接合材、セル支持体、スペーサ、セパレータが配置されるが、図３ではそれらの部材の記載は省略している。支持膜式においては、固体酸化物電解質膜として例えばＬａＧａＯ3系やジルコニア系などの材料を用いてその膜厚を例えば１０μｍ程度というように薄くし、これを膜厚の厚い燃料極で支持するように構成されている。
【０００７】
本発明者らは、このような支持膜式ＳＯＦＣについて特に注目し、開発を進めており、これまで幾つかの成果を得ている（特願２００１−１７６７３９等）。支持膜式においては、固体酸化物電解質膜の膜厚を薄く構成できることなどから、前記自立膜式の場合に比べてより低温で運転でき、６５０〜８５０℃程度の範囲、例えば７５０℃程度というような低温運転ができる。このため、その構成材料として例えばステンレス鋼などの安価な材料の使用を可能とし、また小型化が可能であるなどの諸利点を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＯＦＣにおいては、水素はもちろん、メタンもＣＯも燃料となるが、燃料にメタン以外の炭化水素、すなわちエタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数Ｃ2以上の炭化水素が含まれていると、ＳＯＦＣへの配管や燃料極で炭素を生成し、これが電気化学反応を阻害して電池性能を劣化させてしまう。これら問題は、長期間、繰り返し作動して使用するＳＯＦＣにおいて致命的となるが、都市ガス、ＬＰガス、あるいは天然ガスなどの燃料にはメタン以外の炭化水素、すなわちＣ2以上の炭化水素が含まれている。
【０００９】
例えば都市ガス１３Ａでは、その一例として、メタン８８．５％、エタン４．６％、プロパン５．４％、ブタン１．５％（％はｖｏｌ％、以下同じ）程度であり、主成分であるメタンに加え、炭素数Ｃ2〜Ｃ4の炭化水素が約１１．５％も含まれている。このため、これらをＳＯＦＣの燃料とするには、それら炭化水素を改質し、Ｃ2以上の炭化水素を除去しておく必要がある。
【００１０】
炭化水素の改質法には水蒸気改質法や部分燃焼法がある。これらは炭化水素を水素を主成分とする改質ガスに変える技術であり、炭化水素が例えばメタンである場合の水蒸気改質反応は式：ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ＝３Ｈ2＋ＣＯで示される。しかし、ＳＯＦＣにおいては水素はもちろん、メタンも一酸化炭素も燃料となるため、ＳＯＦＣへ導入する燃料はＣ2以上の炭化水素が除去されていればよく、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る。予備改質器においてはＣ2以上の炭化水素がメタン、水素、ＣＯ等に変えられ、それで足りるので、ＳＯＦＣにおいては予備改質器のみが用いられる。
【００１１】
図４は、ＳＯＦＣに予備改質器を配置し、炭化水素（原料ガス）として都市ガス、ＬＰガス等を用いる場合における態様を示した図である。都市ガスやＬＰガスには付臭剤としてメルカプタンその他の形の硫黄化合物が含まれている。硫黄化合物はＳＯＦＣの燃料極を被毒するため、脱硫器で脱硫した後、水蒸気とともに予備改質器に供給され、ここでＣ2以上の炭化水素がメタン、水素、ＣＯ等に変えられる。なお、原料炭化水素が硫黄分を含まないか、既に除去されている場合には脱硫器は必要でなく、また水蒸気発生器は予備改質器に一体化される場合もある。
【００１２】
前記のように、支持膜式ＳＯＦＣの運転温度は８５０℃程度以下ではあるが、なお高温であるので、ＳＯＦＣスタック、予備改質器などからの熱損失を可及的に少なくする必要があり、このためそれらを断熱材で被うか断熱容器に収めることが考えられる。加えて、その運転時に、そのような範囲内で一定の温度に保持する必要があることから、ＳＯＦＣに導入する空気、燃料は加熱して供給することが望まれる。
【００１３】
本発明は、ＳＯＦＣシステム、特に支持膜式のＳＯＦＣシステムにおける以上のような事情に鑑みてなされたもので、固体酸化物形燃料電池に導入する空気、燃料、あるいはその両者を最高到達温度を抑えて加熱するようにして、機器構成材料として安価な材料の使用を可能とし、ＳＯＦＣシステムとして小型化を可能とするなど各種効果、利点を有する固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（１）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１５】
本発明は、（２）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１６】
本発明は、（３）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する燃料を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１７】
本発明は、（４）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する燃料を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１８】
本発明は、（５）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気及び燃料を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１９】
本発明は、（６）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気及び燃料を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２０】
本発明は、（７）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２１】
本発明は、（８）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２２】
本発明は、（９）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する燃料を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２３】
本発明は、（１０）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する燃料を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２４】
本発明は、（１１）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気及び燃料を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２５】
さらに、本発明は、（１２）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気及び燃料を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の触媒燃焼一体型熱交換器は、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、ＳＯＦＣからの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とにより構成され、ＳＯＦＣに導入する空気及び燃料のいずれか一方または両方を加熱するようにしてなることを特徴とする。触媒燃焼層には燃焼触媒が充填、配置され、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスは第１熱交換器での加熱源として用いられる。
【００２７】
加えて、ＳＯＦＣからの排気空気及び排気燃料のいずれか一方または両方を第２熱交換器の加熱源として用いる。ＳＯＦＣからの排気空気、排気燃料は、第２熱交換器において、それぞれ、その全部とは限らず、その一部を利用するようにしてもよい。本触媒燃焼一体型熱交換器は、ＳＯＦＣスタックの近傍に配置され、好ましくはＳＯＦＣスタックと共に、あるいはＳＯＦＣスタックや予備改質器等の補器と共に断熱材で被うか、断熱容器内に収容して用いられる。
【００２８】
燃料としては、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス等のガス燃料のほか、灯油、ガソリン、アルコール類等の液体燃料も使用される。空気としては、空気のほか、酸素富化空気や酸素なども用いられるが、本明細書ではそれらを含めて空気と指称している。燃料、空気は、本熱交換器において、ＳＯＦＣに導入するその全部とは限らず、それぞれその一部を加熱するようにしてもよい。
【００２９】
次に、本熱交換器における第１熱交換器及び第２熱交換器への各流体の流通の仕方については、下記（１）〜（２）の態様で行うことができる。
（１）ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料のいずれか一方または両方を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層でＳＯＦＣスタックからの排気燃料を排気空気で燃焼させて生成した燃焼ガスにより予熱する。次いで、第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気、排気燃料のうちいずれか一方、または両方により加熱してＳＯＦＣスタックに供給するように構成する。
【００３０】
（２）ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料のいずれか一方または両方を、上記（１）の態様とは逆に、まず第２熱交換器で予熱した後、第１熱交換器で加熱する。すなわち、ＳＯＦＣに導入する空気及び燃料のいずれか一方または両方を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気及び排気燃料のいずれか一方または両方により予熱し、次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層でＳＯＦＣスタックからの排気燃料を排気空気で燃焼させて生成した燃焼ガスにより加熱してＳＯＦＣスタックに供給するように構成する。
【００３１】
図５〜１２は本発明に係る触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図である。図５〜８はＳＯＦＣスタックに導入する空気、燃料を第１熱交換器で予熱した後、第２熱交換器で加熱してＳＯＦＣスタックに供給する場合、図９〜１２はＳＯＦＣスタックに導入する空気、燃料を第２熱交換器で予熱した後、第１熱交換器で加熱してＳＯＦＣスタックに供給する場合である。
【００３２】
図５〜１２では、第１熱交換器と触媒燃焼層と第２熱交換器が、順次、下部から上部に配置されているが、これらの位置関係は、例えば、▲１▼それらの上下関係を図５〜１２とは逆に配置する、▲２▼触媒燃焼層の側部に第１熱交換器と第２熱交換器を配置するなど、触媒燃焼層を中心に適宜の配置とすることができる。また、これら第１熱交換器、第２熱交換器としては多管式、コイル式、平板式、二重管式など適宜選定して使用される。
【００３３】
図５の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気又は燃料を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第２熱交換器において、排気空気又は排気燃料と間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００３４】
図６の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気又は燃料を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第２熱交換器において、排気空気及び排気燃料の両方と間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００３５】
図７の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第２熱交換器において、排気空気又は排気燃料と間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００３６】
図８の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第２熱交換器において、排気空気及び排気燃料と間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００３７】
以上の図５〜８の態様においては、第２熱交換器で用いる加熱源はＳＯＦＣスタックからの排気空気、排気燃料であるので、その温度はＳＯＦＣスタックの運転温度と同等の温度であり、この加熱源で加熱される空気、燃料はＳＯＦＣスタックの運転温度に近い温度でＳＯＦＣスタックに導入される。
【００３８】
図９の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気又は燃料を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気又は排気燃料と間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスと間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。第１熱交換器での加熱源は触媒燃焼層で生成した燃焼ガスであるので、この加熱源で加熱された空気、燃料はＳＯＦＣスタックの運転温度に近い温度でＳＯＦＣスタックに導入される。この点、図１０〜１２の態様においても同様である。
【００３９】
図１０の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気又は燃料を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気及び排気燃料と間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスと間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００４０】
図１１の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気又は排気燃料と間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスと間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００４１】
図１２の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気及び排気燃料と間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスと間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００４２】
触媒燃焼層に充填、配置する燃焼触媒としては、ＳＯＦＣスタックからの排気燃料を排気空気で燃焼させ得る触媒であれば特に限定はなく、例えば白金、パラジウム等の貴金属触媒などが用いられる。貴金属触媒はアルミナ等の担体に担持した形で用いられる。また、触媒燃焼層における空間速度については特に限定はないが、好ましくは１０００〜６００００ｈ-1の範囲とすることができる。
【００４３】
本発明に係る触媒燃焼一体型熱交換器によれば、ＳＯＦＣからの排気燃料を排気空気により触媒燃焼層で燃焼させ、その燃焼熱を利用してＳＯＦＣスタックに導入する燃料、空気、あるいはその両方を加熱することにより、ＳＯＦＣスタックの運転時における最高到達温度を８２０℃程度以下に抑えることができる。これにより、触媒燃焼一体型熱交換器自体はもちろん、ＳＯＦＣスタック、予備改質器等の構成材料として、自立膜式ＳＯＦＣのような高価な材料を必要とせず、ステンレス鋼などの安価な材料が使用できる。また、ＳＯＦＣスタック等と共に断熱容器に収容する場合、その断熱材が薄くでき、且つ、ＳＯＦＣシステム全体としての小型化を可能とすることができる。
【００４４】
また、本発明の触媒燃焼一体型熱交換器は、特に支持膜式ＳＯＦＣに対して使用されるが、自立膜式ＳＯＦＣについても、８５０℃程度以下で運転されるものであれば上記と同様にして適用できることはもちろんである。
【００４５】
図１３は、本触媒燃焼一体型熱交換器を組み込んだＳＯＦＣシステムの態様例を示す図で、触媒燃焼一体型熱交換器を前述予備改質器とともに組み込んだ場合を示している。断熱材を配置して構成された断熱容器内に、ＳＯＦＣスタックを配置し、その下部に触媒燃焼一体型熱交換器を配置し、その下部に予備改質器が組み込まれている。なお、図１３では、触媒燃焼層（室）については、排気燃料と排気空気の混合、燃焼後の流通路を便宜上導管として示しているが、排気燃料及び排気空気は触媒燃焼層に混合、供給されて燃焼し、第１熱交換器、これに続く予備改質器での加熱源として利用され、燃焼排ガスとして排出される。断熱材としては、ガラスウールやスラグウール、各種耐火物その他適宜の材料が用いられる。
【００４６】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実施例により制限されないことはもちろんである。図１４〜１５は実施例で用いた触媒燃焼一体型熱交換器を示す図で、図１５は図１４中Ａ−Ａ線断面図である。
【００４７】
《実施例１》
図１４のとおり、中央下部に第１熱交換器、中央上部に第２熱交換器が配置されている。両熱交換器は、ＳＯＦＣスタックに導入する空気を間接熱交換により加熱するもので、チューブプレートとコルゲートフィンを交互に積み重ねたプレートフィン型の熱交換器である。第１熱交換器の側部には触媒燃焼層が配置され、第２熱交換器の側部には触媒燃焼層と混合部が配置され、触媒燃焼層と混合部の間にはバッフル（多孔板）が配置されている。
【００４８】
ＳＯＦＣスタックからの排気燃料と排気空気が混合部で混合され、第２熱交換器側部の触媒燃焼層に導入される。ＳＯＦＣスタックからの排気空気は、第２熱交換器の側部（混合部と相対する側）に設けたヘッダから第２熱交換器に導入され、第２熱交換器において、第１熱交換器で加熱（予熱）された空気をさらに加熱した後、混合部に導入される。ここで排気空気自体の温度は低下する。
【００４９】
混合部で混合された混合ガスは、第２熱交換器側部の触媒燃焼層で燃焼した後、さらに第１熱交換器側部の触媒燃焼層で燃焼し、第１熱交換器に導入される。触媒燃焼層と第１熱交換器の間にはバッフル（多孔板）が配置されている。燃焼ガスは第１熱交換器で空気を間接的に加熱し、燃焼排ガス出口ヘッダを経て排出される。第１熱交換器で加熱された空気は、第２熱交換器でさらに加熱され、ＳＯＦＣスタックの空気極に導入され、発電に供される。
【００５０】
以上の構造を有する触媒燃焼一体型熱交換器をすべてステンレス鋼：ＳＵＳ３１０Ｓを用いて構成し、触媒燃焼層に、燃焼触媒としてＰｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒〔アルミナにＰｄを担持した触媒、Ｐｄ＝０．５重量％、球状（平均直径≒２ｍｍ）〕を充填した。こうして構成した熱交換器をスラグウールを配した断熱容器に収容し、また常法に従い必要箇所に温度センサを配置した。本触媒燃焼一体型熱交換器を用いて熱交換試験を実施した。
【００５１】
本試験では、支持膜式ＳＯＦＣスタック実機における５ｋＷのＤＣ発電を運転温度７５０℃で行い、同スタックから導出した７５０℃の排気燃料及び排気空気を用いて実施した。他の試験条件は以下のとおりである。燃料＝都市ガス１３Ａ（脱硫済み）。燃料利用率＝８０％。酸化剤＝空気。酸化剤利用率＝３０％。Ｓ／Ｃ比＝２．０。触媒燃焼層での空間速度（水蒸気込み）＝３００００ｈ-1。試験条件のうち、関係ガスの組成、流量（ＮＬＭ＝Normal Liter per Mimute）、温度等の条件は表１のとおりである。
【００５２】
【表 １】
【００５３】
ＳＯＦＣスタックからの排気空気を、第２熱交換器でＳＯＦＣスタックに導入する空気と熱交換して温度を下げ、混合部で排気燃料と混合して燃焼触媒層で燃焼させた。この燃焼により最高８２０℃まで温度が上昇した。この最高温度は触媒燃焼層と第１熱交換器の間のバッフル部で観察された。こうして、構成機器の最高到達温度を８２０℃に抑えることができた。室温で供給した空気は７０３℃まで加温された。本試験を連続して３０日間続けたが、これらの温度に実質上変化はなかった。
【００５４】
《実施例２》
本実施例では、図１４〜１５において、ＳＯＦＣスタックに導入する空気に代えて、ＳＯＦＣスタックに導入する燃料を加熱する試験を行った。他の試験条件は実施例１と同じくした。この試験でも実施例１と同様の結果が得られた。こうして、構成機器の最高到達温度を８２０℃に抑えることができた。本試験を連続して３０日間続けたが、これら温度に実質上変化はなかった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の触媒燃焼一体型熱交換器によれば、ＳＯＦＣに導入する空気、燃料、あるいはその両方を最高到達温度を抑えて加熱することができる。これにより、機器構成材料として安価な材料の使用を可能とし且つ小型化が図れるなど各種有用な効果が得られる。また、最高到達温度を抑えることができることから、ＳＯＦＣでも、特に運転温度が８５０℃程度以下である支持膜式ＳＯＦＣにおける熱交換器として非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＯＦＣにおける固体電解質、燃料極、空気極の配置関係及びその作動原理を説明する図
【図２】平板方式のＳＯＦＣの態様例を模式的に示す図（自立膜式）
【図３】平板方式のＳＯＦＣの態様例を模式的に示す図（支持膜式）
【図４】ＳＯＦＣに予備改質器を配置した態様を示す図
【図５】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図６】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図７】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図８】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図９】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図１０】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図１１】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図１２】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図１３】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器を組み込んだＳＯＦＣシステムの態様例を示す図
【図１４】実施例で用いた触媒燃焼一体型熱交換器を示す図
【図１５】図１４のＡ−Ａ線断面
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器に関し、より具体的には固体酸化物形燃料電池に導入する空気、燃料、あるいはその両者を最高到達温度を抑えて加熱するための固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells：以下適宜ＳＯＦＣと略称する）は、固体電解質として酸化物イオン（Ｏ2-）導電体を用いる点に特徴を有するもので、固体電解質を挟んで燃料極と空気極（又は酸素極、以下適宜空気極と指称する）の両電極を配置して構成される。その運転時に、燃料極側に燃料を供給し、空気極側に空気、酸素富化空気、酸素等の酸化剤を供給して電気化学反応を起こさせることにより電力が取り出される。
【０００３】
図１は、ＳＯＦＣの単電池における固体電解質（＝固体酸化物電解質）、燃料極、空気極の配置関係及びその作動原理を説明する図である。単電池は固体酸化物電解質を挟んで燃料極及び空気極が配置されて構成される。空気極に導入される空気は空気極で酸化物イオン（Ｏ2-）となり、固体酸化物電解質を通って燃料極に至る。ここで、燃料極に導入される燃料と反応して電子を放出し、電気と水等の反応生成物を生成する。空気極での利用済み空気は空気極オフガスとして排出され、燃料極での利用済み燃料は燃料極オフガスとして排出されるが、本明細書及び図面中、空気極オフガスを排気空気、燃料極オフガスを排気燃料と指称している。
【０００４】
図２〜３は平板方式のＳＯＦＣの態様例を模式的に示す図である。ＳＯＦＣには円筒方式や一体積層方式などもあるが、原理的には平板方式の場合と同じである。図２は自立膜式の場合、図３は支持膜式の場合である。図２〜３では単電池の場合を示しているが、単電池１個の電圧は低いため、通常、単電池を複数層積層して構成される。なお、単電池を複数層積層した構造体を本明細書及び図面中スタック又はＳＯＦＣスタックと指称している。また、図２〜３にはその一部の使用材料を示しているが、これは一例として示したものである。
【０００５】
図２のとおり、自立膜式の場合、単電池の上に順次シール材、セパレータが配置され、単電池の下に順次セパレータ、シール材、セパレータが配置され、これらが密に積層されて構成される。自立膜式においては、固体酸化物電解質膜自体でその構造を保持するようになっている。このため固体酸化物電解質膜はその膜厚自体を厚くする必要があり、その厚さは通常１００μｍ程度と厚く構成される。また、その作動温度は８００〜１０００℃程度、通常１０００℃程度と高く、システム内に１０００℃を超える高温場が形成される。このため、その構成材料が高価な耐熱合金やセラミックスに制限され、セラミックスの場合はスタック内温度差に起因して割れが生じるなどの問題があり、また、断熱容器に収容する場合、その断熱材が厚くなり、ＳＯＦＣシステムとして大型化してしまう。
【０００６】
一方、図３のとおり、支持膜式の場合には、単電池はスペーサの枠内に保持され、その上部に順次接合材、セル支持体、スペーサ、セパレータが配置される。単電池の下部にも順次接合材、セル支持体、スペーサ、セパレータが配置されるが、図３ではそれらの部材の記載は省略している。支持膜式においては、固体酸化物電解質膜として例えばＬａＧａＯ3系やジルコニア系などの材料を用いてその膜厚を例えば１０μｍ程度というように薄くし、これを膜厚の厚い燃料極で支持するように構成されている。
【０００７】
本発明者らは、このような支持膜式ＳＯＦＣについて特に注目し、開発を進めており、これまで幾つかの成果を得ている（特願２００１−１７６７３９等）。支持膜式においては、固体酸化物電解質膜の膜厚を薄く構成できることなどから、前記自立膜式の場合に比べてより低温で運転でき、６５０〜８５０℃程度の範囲、例えば７５０℃程度というような低温運転ができる。このため、その構成材料として例えばステンレス鋼などの安価な材料の使用を可能とし、また小型化が可能であるなどの諸利点を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＯＦＣにおいては、水素はもちろん、メタンもＣＯも燃料となるが、燃料にメタン以外の炭化水素、すなわちエタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数Ｃ2以上の炭化水素が含まれていると、ＳＯＦＣへの配管や燃料極で炭素を生成し、これが電気化学反応を阻害して電池性能を劣化させてしまう。これら問題は、長期間、繰り返し作動して使用するＳＯＦＣにおいて致命的となるが、都市ガス、ＬＰガス、あるいは天然ガスなどの燃料にはメタン以外の炭化水素、すなわちＣ2以上の炭化水素が含まれている。
【０００９】
例えば都市ガス１３Ａでは、その一例として、メタン８８．５％、エタン４．６％、プロパン５．４％、ブタン１．５％（％はｖｏｌ％、以下同じ）程度であり、主成分であるメタンに加え、炭素数Ｃ2〜Ｃ4の炭化水素が約１１．５％も含まれている。このため、これらをＳＯＦＣの燃料とするには、それら炭化水素を改質し、Ｃ2以上の炭化水素を除去しておく必要がある。
【００１０】
炭化水素の改質法には水蒸気改質法や部分燃焼法がある。これらは炭化水素を水素を主成分とする改質ガスに変える技術であり、炭化水素が例えばメタンである場合の水蒸気改質反応は式：ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ＝３Ｈ2＋ＣＯで示される。しかし、ＳＯＦＣにおいては水素はもちろん、メタンも一酸化炭素も燃料となるため、ＳＯＦＣへ導入する燃料はＣ2以上の炭化水素が除去されていればよく、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る。予備改質器においてはＣ2以上の炭化水素がメタン、水素、ＣＯ等に変えられ、それで足りるので、ＳＯＦＣにおいては予備改質器のみが用いられる。
【００１１】
図４は、ＳＯＦＣに予備改質器を配置し、炭化水素（原料ガス）として都市ガス、ＬＰガス等を用いる場合における態様を示した図である。都市ガスやＬＰガスには付臭剤としてメルカプタンその他の形の硫黄化合物が含まれている。硫黄化合物はＳＯＦＣの燃料極を被毒するため、脱硫器で脱硫した後、水蒸気とともに予備改質器に供給され、ここでＣ2以上の炭化水素がメタン、水素、ＣＯ等に変えられる。なお、原料炭化水素が硫黄分を含まないか、既に除去されている場合には脱硫器は必要でなく、また水蒸気発生器は予備改質器に一体化される場合もある。
【００１２】
前記のように、支持膜式ＳＯＦＣの運転温度は８５０℃程度以下ではあるが、なお高温であるので、ＳＯＦＣスタック、予備改質器などからの熱損失を可及的に少なくする必要があり、このためそれらを断熱材で被うか断熱容器に収めることが考えられる。加えて、その運転時に、そのような範囲内で一定の温度に保持する必要があることから、ＳＯＦＣに導入する空気、燃料は加熱して供給することが望まれる。
【００１３】
本発明は、ＳＯＦＣシステム、特に支持膜式のＳＯＦＣシステムにおける以上のような事情に鑑みてなされたもので、固体酸化物形燃料電池に導入する空気、燃料、あるいはその両者を最高到達温度を抑えて加熱するようにして、機器構成材料として安価な材料の使用を可能とし、ＳＯＦＣシステムとして小型化を可能とするなど各種効果、利点を有する固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（１）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１５】
本発明は、（２）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１６】
本発明は、（３）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する燃料を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１７】
本発明は、（４）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する燃料を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１８】
本発明は、（５）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気及び燃料を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００１９】
本発明は、（６）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気及び燃料を、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で予熱した後、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２０】
本発明は、（７）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２１】
本発明は、（８）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２２】
本発明は、（９）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する燃料を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２３】
本発明は、（１０）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する燃料を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２４】
本発明は、（１１）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気及び燃料を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２５】
さらに、本発明は、（１２）固体酸化物形燃料電池の近傍に配置する触媒燃焼一体型熱交換器であって、該熱交換器が、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とからなり、燃料電池に導入する空気及び燃料を、燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方により第２熱交換器で予熱した後、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより第１熱交換器で加熱して燃料電池に供給するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼一体型熱交換器を提供する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の触媒燃焼一体型熱交換器は、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源とする第１熱交換器と、ＳＯＦＣからの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とにより構成され、ＳＯＦＣに導入する空気及び燃料のいずれか一方または両方を加熱するようにしてなることを特徴とする。触媒燃焼層には燃焼触媒が充填、配置され、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスは第１熱交換器での加熱源として用いられる。
【００２７】
加えて、ＳＯＦＣからの排気空気及び排気燃料のいずれか一方または両方を第２熱交換器の加熱源として用いる。ＳＯＦＣからの排気空気、排気燃料は、第２熱交換器において、それぞれ、その全部とは限らず、その一部を利用するようにしてもよい。本触媒燃焼一体型熱交換器は、ＳＯＦＣスタックの近傍に配置され、好ましくはＳＯＦＣスタックと共に、あるいはＳＯＦＣスタックや予備改質器等の補器と共に断熱材で被うか、断熱容器内に収容して用いられる。
【００２８】
燃料としては、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス等のガス燃料のほか、灯油、ガソリン、アルコール類等の液体燃料も使用される。空気としては、空気のほか、酸素富化空気や酸素なども用いられるが、本明細書ではそれらを含めて空気と指称している。燃料、空気は、本熱交換器において、ＳＯＦＣに導入するその全部とは限らず、それぞれその一部を加熱するようにしてもよい。
【００２９】
次に、本熱交換器における第１熱交換器及び第２熱交換器への各流体の流通の仕方については、下記（１）〜（２）の態様で行うことができる。
（１）ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料のいずれか一方または両方を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層でＳＯＦＣスタックからの排気燃料を排気空気で燃焼させて生成した燃焼ガスにより予熱する。次いで、第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気、排気燃料のうちいずれか一方、または両方により加熱してＳＯＦＣスタックに供給するように構成する。
【００３０】
（２）ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料のいずれか一方または両方を、上記（１）の態様とは逆に、まず第２熱交換器で予熱した後、第１熱交換器で加熱する。すなわち、ＳＯＦＣに導入する空気及び燃料のいずれか一方または両方を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気及び排気燃料のいずれか一方または両方により予熱し、次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層でＳＯＦＣスタックからの排気燃料を排気空気で燃焼させて生成した燃焼ガスにより加熱してＳＯＦＣスタックに供給するように構成する。
【００３１】
図５〜１２は本発明に係る触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図である。図５〜８はＳＯＦＣスタックに導入する空気、燃料を第１熱交換器で予熱した後、第２熱交換器で加熱してＳＯＦＣスタックに供給する場合、図９〜１２はＳＯＦＣスタックに導入する空気、燃料を第２熱交換器で予熱した後、第１熱交換器で加熱してＳＯＦＣスタックに供給する場合である。
【００３２】
図５〜１２では、第１熱交換器と触媒燃焼層と第２熱交換器が、順次、下部から上部に配置されているが、これらの位置関係は、例えば、▲１▼それらの上下関係を図５〜１２とは逆に配置する、▲２▼触媒燃焼層の側部に第１熱交換器と第２熱交換器を配置するなど、触媒燃焼層を中心に適宜の配置とすることができる。また、これら第１熱交換器、第２熱交換器としては多管式、コイル式、平板式、二重管式など適宜選定して使用される。
【００３３】
図５の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気又は燃料を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第２熱交換器において、排気空気又は排気燃料と間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００３４】
図６の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気又は燃料を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第２熱交換器において、排気空気及び排気燃料の両方と間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００３５】
図７の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第２熱交換器において、排気空気又は排気燃料と間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００３６】
図８の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料を、まず第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスにより間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第２熱交換器において、排気空気及び排気燃料と間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００３７】
以上の図５〜８の態様においては、第２熱交換器で用いる加熱源はＳＯＦＣスタックからの排気空気、排気燃料であるので、その温度はＳＯＦＣスタックの運転温度と同等の温度であり、この加熱源で加熱される空気、燃料はＳＯＦＣスタックの運転温度に近い温度でＳＯＦＣスタックに導入される。
【００３８】
図９の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気又は燃料を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気又は排気燃料と間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスと間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。第１熱交換器での加熱源は触媒燃焼層で生成した燃焼ガスであるので、この加熱源で加熱された空気、燃料はＳＯＦＣスタックの運転温度に近い温度でＳＯＦＣスタックに導入される。この点、図１０〜１２の態様においても同様である。
【００３９】
図１０の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気又は燃料を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気及び排気燃料と間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスと間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００４０】
図１１の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気又は排気燃料と間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスと間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００４１】
図１２の態様の場合、ＳＯＦＣスタックに導入する空気及び燃料を、まず第２熱交換器において、ＳＯＦＣスタックからの排気空気及び排気燃料と間接的に熱交換させて予熱する。次いで、第１熱交換器において、触媒燃焼層で生成した燃焼ガスと間接的に熱交換させて加熱した後、ＳＯＦＣスタックに導入するように構成される。
【００４２】
触媒燃焼層に充填、配置する燃焼触媒としては、ＳＯＦＣスタックからの排気燃料を排気空気で燃焼させ得る触媒であれば特に限定はなく、例えば白金、パラジウム等の貴金属触媒などが用いられる。貴金属触媒はアルミナ等の担体に担持した形で用いられる。また、触媒燃焼層における空間速度については特に限定はないが、好ましくは１０００〜６００００ｈ-1の範囲とすることができる。
【００４３】
本発明に係る触媒燃焼一体型熱交換器によれば、ＳＯＦＣからの排気燃料を排気空気により触媒燃焼層で燃焼させ、その燃焼熱を利用してＳＯＦＣスタックに導入する燃料、空気、あるいはその両方を加熱することにより、ＳＯＦＣスタックの運転時における最高到達温度を８２０℃程度以下に抑えることができる。これにより、触媒燃焼一体型熱交換器自体はもちろん、ＳＯＦＣスタック、予備改質器等の構成材料として、自立膜式ＳＯＦＣのような高価な材料を必要とせず、ステンレス鋼などの安価な材料が使用できる。また、ＳＯＦＣスタック等と共に断熱容器に収容する場合、その断熱材が薄くでき、且つ、ＳＯＦＣシステム全体としての小型化を可能とすることができる。
【００４４】
また、本発明の触媒燃焼一体型熱交換器は、特に支持膜式ＳＯＦＣに対して使用されるが、自立膜式ＳＯＦＣについても、８５０℃程度以下で運転されるものであれば上記と同様にして適用できることはもちろんである。
【００４５】
図１３は、本触媒燃焼一体型熱交換器を組み込んだＳＯＦＣシステムの態様例を示す図で、触媒燃焼一体型熱交換器を前述予備改質器とともに組み込んだ場合を示している。断熱材を配置して構成された断熱容器内に、ＳＯＦＣスタックを配置し、その下部に触媒燃焼一体型熱交換器を配置し、その下部に予備改質器が組み込まれている。なお、図１３では、触媒燃焼層（室）については、排気燃料と排気空気の混合、燃焼後の流通路を便宜上導管として示しているが、排気燃料及び排気空気は触媒燃焼層に混合、供給されて燃焼し、第１熱交換器、これに続く予備改質器での加熱源として利用され、燃焼排ガスとして排出される。断熱材としては、ガラスウールやスラグウール、各種耐火物その他適宜の材料が用いられる。
【００４６】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実施例により制限されないことはもちろんである。図１４〜１５は実施例で用いた触媒燃焼一体型熱交換器を示す図で、図１５は図１４中Ａ−Ａ線断面図である。
【００４７】
《実施例１》
図１４のとおり、中央下部に第１熱交換器、中央上部に第２熱交換器が配置されている。両熱交換器は、ＳＯＦＣスタックに導入する空気を間接熱交換により加熱するもので、チューブプレートとコルゲートフィンを交互に積み重ねたプレートフィン型の熱交換器である。第１熱交換器の側部には触媒燃焼層が配置され、第２熱交換器の側部には触媒燃焼層と混合部が配置され、触媒燃焼層と混合部の間にはバッフル（多孔板）が配置されている。
【００４８】
ＳＯＦＣスタックからの排気燃料と排気空気が混合部で混合され、第２熱交換器側部の触媒燃焼層に導入される。ＳＯＦＣスタックからの排気空気は、第２熱交換器の側部（混合部と相対する側）に設けたヘッダから第２熱交換器に導入され、第２熱交換器において、第１熱交換器で加熱（予熱）された空気をさらに加熱した後、混合部に導入される。ここで排気空気自体の温度は低下する。
【００４９】
混合部で混合された混合ガスは、第２熱交換器側部の触媒燃焼層で燃焼した後、さらに第１熱交換器側部の触媒燃焼層で燃焼し、第１熱交換器に導入される。触媒燃焼層と第１熱交換器の間にはバッフル（多孔板）が配置されている。燃焼ガスは第１熱交換器で空気を間接的に加熱し、燃焼排ガス出口ヘッダを経て排出される。第１熱交換器で加熱された空気は、第２熱交換器でさらに加熱され、ＳＯＦＣスタックの空気極に導入され、発電に供される。
【００５０】
以上の構造を有する触媒燃焼一体型熱交換器をすべてステンレス鋼：ＳＵＳ３１０Ｓを用いて構成し、触媒燃焼層に、燃焼触媒としてＰｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒〔アルミナにＰｄを担持した触媒、Ｐｄ＝０．５重量％、球状（平均直径≒２ｍｍ）〕を充填した。こうして構成した熱交換器をスラグウールを配した断熱容器に収容し、また常法に従い必要箇所に温度センサを配置した。本触媒燃焼一体型熱交換器を用いて熱交換試験を実施した。
【００５１】
本試験では、支持膜式ＳＯＦＣスタック実機における５ｋＷのＤＣ発電を運転温度７５０℃で行い、同スタックから導出した７５０℃の排気燃料及び排気空気を用いて実施した。他の試験条件は以下のとおりである。燃料＝都市ガス１３Ａ（脱硫済み）。燃料利用率＝８０％。酸化剤＝空気。酸化剤利用率＝３０％。Ｓ／Ｃ比＝２．０。触媒燃焼層での空間速度（水蒸気込み）＝３００００ｈ-1。試験条件のうち、関係ガスの組成、流量（ＮＬＭ＝Normal Liter per Mimute）、温度等の条件は表１のとおりである。
【００５２】
【表 １】
ＳＯＦＣスタックからの排気空気を、第２熱交換器でＳＯＦＣスタックに導入する空気と熱交換して温度を下げ、混合部で排気燃料と混合して燃焼触媒層で燃焼させた。この燃焼により最高８２０℃まで温度が上昇した。この最高温度は触媒燃焼層と第１熱交換器の間のバッフル部で観察された。こうして、構成機器の最高到達温度を８２０℃に抑えることができた。室温で供給した空気は７０３℃まで加温された。本試験を連続して３０日間続けたが、これらの温度に実質上変化はなかった。
【００５４】
《実施例２》
本実施例では、図１４〜１５において、ＳＯＦＣスタックに導入する空気に代えて、ＳＯＦＣスタックに導入する燃料を加熱する試験を行った。他の試験条件は実施例１と同じくした。この試験でも実施例１と同様の結果が得られた。こうして、構成機器の最高到達温度を８２０℃に抑えることができた。本試験を連続して３０日間続けたが、これら温度に実質上変化はなかった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の触媒燃焼一体型熱交換器によれば、ＳＯＦＣに導入する空気、燃料、あるいはその両方を最高到達温度を抑えて加熱することができる。これにより、機器構成材料として安価な材料の使用を可能とし且つ小型化が図れるなど各種有用な効果が得られる。また、最高到達温度を抑えることができることから、ＳＯＦＣでも、特に運転温度が８５０℃程度以下である支持膜式ＳＯＦＣにおける熱交換器として非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＯＦＣにおける固体電解質、燃料極、空気極の配置関係及びその作動原理を説明する図
【図２】平板方式のＳＯＦＣの態様例を模式的に示す図（自立膜式）
【図３】平板方式のＳＯＦＣの態様例を模式的に示す図（支持膜式）
【図４】ＳＯＦＣに予備改質器を配置した態様を示す図
【図５】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図６】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図７】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図８】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図９】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図１０】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図１１】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図１２】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器の構成態様を説明する図
【図１３】本発明の触媒燃焼一体型熱交換器を組み込んだＳＯＦＣシステムの態様例を示す図
【図１４】実施例で用いた触媒燃焼一体型熱交換器を示す図
【図１５】図１４のＡ−Ａ線断面
Claims (14)
- 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する空気を、前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として予熱した後、
前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方を熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する空気を、前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として予熱した後、
前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方を熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する燃料を、前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として予熱した後、
前記第２熱交換器で、前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方を熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する燃料を、前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として予熱した後、
前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方を熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順 に配置してなり、
前記燃料電池に導入する空気及び燃料を、前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として予熱した後、
前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方を熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する空気及び燃料を、前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として予熱した後、
前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方を熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する空気を、前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方を熱源として予熱した後、
前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する空気を、前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方を熱源として予熱した後、
前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する燃料を、前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方を熱源として予熱した後、
前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する燃料を、前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方を熱源として予熱した後、
前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する空気及び燃料を、前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料のいずれか一方を熱源として予熱した後、
前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 固体酸化物形燃料電池用の触媒燃焼層一体型熱交換器であって、
前記触媒燃焼層一体型熱交換器が、第１熱交換器と、前記燃料電池からの排気燃料を排気空気で燃焼させる触媒燃焼層と、第２熱交換器とを備え、且つ、前記燃料電池からの排気空気または排気燃料の流れ方向でみて、第２熱交換器、触媒燃焼層、第１熱交換器の順に配置してなり、
前記燃料電池に導入する空気及び燃料を、前記第２熱交換器で前記燃料電池からの排気空気及び排気燃料の両方を熱源として予熱した後、
前記第１熱交換器において前記触媒燃焼層で生成した燃焼ガスを熱源として加熱して前記燃料電池に供給するようにしてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。 - 前記固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器が、固体酸化物形燃料電池とともに、断熱容器内に配置されてなることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。
- 前記固体酸化物形燃料電池が、固体酸化物電解質膜を膜厚の厚い燃料極で支持する支持膜式の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用触媒燃焼層一体型熱交換器。
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