JP5216190B2 - 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は固体酸化物形燃料電池に関し、より詳しくは、改質器を燃料電池近傍に有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池に関する。
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ。以下場合によりＳＯＦＣという。）においては、灯油等の改質原料を改質して水素を含有する改質ガスとし、改質ガスをＳＯＦＣに燃料として供給することが行われている。改質反応としては吸熱を伴う水蒸気改質反応が主に利用される。
ＳＯＦＣの動作温度が高く改質原料燃料の改質温度に近いため、ＳＯＦＣからの熱輻射を受ける位置に改質器を配置し、ＳＯＦＣの熱を改質に利用する間接内部改質型ＳＯＦＣがある（特許文献１参照）。
特開２００２−３５８９９７号公報
しかし、灯油のような高次炭化水素を改質原料に用いる場合、改質が進んでいない炭化水素成分を、動作温度の高い固体酸化物形燃料電池に供給すると、炭素析出により運転の安定性が損なわれる場合がある。よって、灯油のような高次炭化水素をＣ１化合物（炭素数１の化合物）まで完全転化させることが望まれる。
燃料電池排熱を十分受けることのできる定常運転時は、システム設計により改質器に十分な受熱面積を与えておけば高い転化率を維持できるが、負荷変動や外乱等により燃料電池排熱量が減少した場合、あるいは急激に改質原料の改質量を増加させた場合、改質に必要な熱量が不足するため改質における転化率の低下を引き起こすことがある。この際、燃料電池の燃料利用率を低下させてアノードオフガスの熱量を大きくし、アノードオフガスの燃焼熱によって改質器を加熱することにより、転化率の低下を抑制することも考えられるが、この場合、いったん改質した燃料を燃焼させて熱供給するため効率が大幅に低下する。
本発明の目的は、灯油を改質原料に用いる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池において、運転条件が変動する際にも、効率を低下させることなく安定に運転することのできる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池を提供することである。
本発明により、灯油を改質可能な改質器と、該改質器から得られる改質ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池と、該改質器を加熱するためのバーナとを有し、
該改質器が外管と内管とからなる二重管構造を有し、
該外管と該内管との間の空間に灯油を水蒸気改質可能な改質触媒が充填され、
該内管の一端に該バーナが接続され、
該外管の外表面が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に該改質器が配され、
該バーナが、継続的に監視される改質触媒の温度が所定の値以上になるように制御される、
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が提供される。
また本発明により、灯油を改質可能な改質器と、該改質器から得られる改質ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池と、該改質器を加熱するためのバーナとを有し、
該改質器が外管と内管とからなる二重管構造を有し、
該外管と該内管との間の空間に灯油を水蒸気改質可能な改質触媒が充填され、
該内管の一端に該バーナが接続され、
該外管の外表面が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に該改質器が配された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
該改質触媒の温度を継続的に監視し、改質触媒の温度が所定の値以上になるように該バーナを制御する工程を有する
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法が提供される。
上記制御がＯＮ／ＯＦＦ制御であることができる。
前記制御が、改質触媒の出口温度を５８０℃以上にする制御であることができる。
該改質器が外管と内管とからなる二重管構造を有し、
該外管と該内管との間の空間に灯油を水蒸気改質可能な改質触媒が充填され、
該内管の一端に該バーナが接続され、
該外管の外表面が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に該改質器が配され、
該バーナが、継続的に監視される改質触媒の温度が所定の値以上になるように制御される、
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が提供される。
また本発明により、灯油を改質可能な改質器と、該改質器から得られる改質ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池と、該改質器を加熱するためのバーナとを有し、
該改質器が外管と内管とからなる二重管構造を有し、
該外管と該内管との間の空間に灯油を水蒸気改質可能な改質触媒が充填され、
該内管の一端に該バーナが接続され、
該外管の外表面が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に該改質器が配された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
該改質触媒の温度を継続的に監視し、改質触媒の温度が所定の値以上になるように該バーナを制御する工程を有する
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法が提供される。
上記制御がＯＮ／ＯＦＦ制御であることができる。
前記制御が、改質触媒の出口温度を５８０℃以上にする制御であることができる。
上記間接内部改質型固体酸化物形燃料電池において、前記改質器が、前記二重管構造を複数有することができる。
前記改質触媒が灯油酸化活性を有する改質触媒を含むことができる。
本発明により、灯油を改質原料に用いる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池において、運転条件が変動する際にも、効率を低下させることなく安定に運転することのできる間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が提供される。
改質器では、水蒸気改質反応により、改質原料である灯油から、水素を含むガスである改質ガスを製造する。このとき部分酸化改質反応を伴ってもよいが、水素を効率的に製造する観点から、水蒸気改質が支配的になるようにする。従って、改質器ではオーバーオールで吸熱になる反応が進む。
改質器は、外管と内管とで形成される二重管構造を有する。従って、改質器は、外管と内管との間の空間（以下場合により、環状部という。）と、内管の内側の空間との、別個に仕切られた二つの空間を有する。
環状部には、灯油を改質可能な改質触媒が充填される。改質触媒としては、水蒸気改質触媒やオートサーマルリフォーミング触媒（水蒸気改質能および部分酸化改質能を有する触媒）を用いることができる。使用する灯油を水蒸気改質もしくはオートサーマルリフォーミング可能な公知の触媒から適宜選んで採用することができる。
改質触媒が灯油酸化活性を有する改質触媒を含むことが好ましい。灯油酸化活性とは、触媒上で灯油を酸素と酸化反応させ発熱させる能力をさす。本改質部に灯油酸化活性を有する触媒を充填することにより、触媒上で直接発熱が得られ、改質触媒が改質に適する温度に到達するまでの時間を短縮することができる。
内管の一端にはバーナが接続される。内管自体にバーナを取り付けることができる。あるいは、内管とバーナとを離間させて配置し、これらの間を導管により接続し、バーナの燃焼ガスを内管に導いてもよい。二重管が複数存在する場合、それぞれの二重管の内管に一つずつバーナを接続してもよいが、一つのバーナの燃焼ガスを分岐して複数の内管に供給してもよい。
バーナは、使用するバーナ燃料を燃焼可能な公知のバーナから適宜選んで用いることができる。
バーナの燃料としては、改質原料として用いる灯油を用いることが好ましい。別途の燃料を用意する必要がないからである。ただし、他の燃料を用いることもできる。
ＳＯＦＣとしては、平板型や円筒型などの各種形状を適宜選んで採用できる。またＳＯＦＣは単セルであってもよいが、実用上は複数の単セルを配列させたスタックが好ましく用いられる。この場合、スタックは１つでも複数でもよい。ＳＯＦＣ、改質器およびバーナを缶体等の容器の中に収容してモジュール化することができる。
改質器は、ＳＯＦＣから外管の外表面へと直接輻射伝熱可能な位置に配される。改質器とＳＯＦＣとの間には実質的に遮蔽物は配置しないことが好ましい。また、改質器とＳＯＦＣとの距離は極力短くすることが好ましい。例えば、複数の二重管をＳＯＦＣスタックを取り囲む位置に配置することができる。
本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣにおいて、改質触媒は、外管表面からＳＯＦＣの排熱を受けることができ、また、内管に流れるバーナ燃焼ガスの熱を受けることが可能となる。
外乱あるいは改質量の急増などの理由で燃料電池排熱のみでは改質器への熱供給が不足する場合、バーナで燃焼を行い、バーナ燃焼ガスの熱により熱不足を補うことができるため、効率を低下させることなく安定に固体酸化物形燃料電池を運転することができる。ＳＯＦＣ排熱のみで改質に必要な熱をまかなうことができる場合には、バーナの燃焼は行わないでよい。バーナ燃焼の必要性については改質触媒出口温度で判定できる。改質触媒出口温度は、灯油の水蒸気改質反応を完結させるため、好ましくは５８０℃以上、より好ましくは６２０℃以上、さらに好ましくは６５０℃以上とする。また、改質触媒の熱劣化抑制のため、好ましくは８５０℃以下、より好ましくは８００℃以下、さらに好ましくは７５０℃以下とする。
以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。図１は、本発明の内部改質型ＳＯＦＣの一形態を示す模式図である。
改質器１は、外管１ａおよび内管１ｂを有し、内管にはバーナ４が接続される。外管と内管との間の環状部には改質触媒５が充填される。改質器とＳＯＦＣ３は近接して配置され、これらの間は空隙とされる（遮蔽物は配置しない）。
環状部に水蒸気および気化された灯油が供給され、灯油が水蒸気改質されて水素を含むガス（改質ガス）となり、ＳＯＦＣのアノード（燃料極）３ａに供給される。水蒸気改質反応は吸熱反応である。一方、ＳＯＦＣのカソード（空気極）３ｃには酸素含有ガス（ここでは空気）が供給される。発電に伴いＳＯＦＣが発熱し、その熱がＳＯＦＣから外管の外表面へと輻射伝熱する。こうしてＳＯＦＣ排熱が改質反応の吸熱に利用される。なお３ｂは固体酸化物からなる電解質である。ガスの取り合い等は適宜配管等を用いて行う。
運転条件が変動した場合など、ＳＯＦＣ排熱だけでは改質反応に必要な熱がまかなえない場合、バーナ４にて灯油を酸素含有ガス（ここでは空気）によって燃焼させ、その燃焼ガスを内管に流し、不足分を補うことができる。内管から排出される燃焼排気は、必要に応じてさらに熱利用されて外界に排出される。
バーナの制御は、例えば、改質触媒の温度を継続的に監視し、その温度が所定の値以上になるようにＯＮ／ＯＦＦ制御することができる。
各供給ガスは必要に応じて適宜予熱されたうえで改質器もしくはＳＯＦＣに供給される。
本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣは、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用できる。
１：改質器
１ａ：外管
１ｂ：内管
３：固体酸化物形燃料電池
３ａ：アノード
３ｂ：固体酸化物電解質
３ｃ：カソード
４：バーナ
５：改質触媒
１ａ：外管
１ｂ：内管
３：固体酸化物形燃料電池
３ａ：アノード
３ｂ：固体酸化物電解質
３ｃ：カソード
４：バーナ
５：改質触媒
Claims (8)
- 灯油を改質可能な改質器と、該改質器から得られる改質ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池と、該改質器を加熱するためのバーナとを有し、
該改質器が外管と内管とからなる二重管構造を有し、
該外管と該内管との間の空間に灯油を水蒸気改質可能な改質触媒が充填され、
該内管の一端に該バーナが接続され、
該外管の外表面が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に該改質器が配され、
該バーナが、継続的に監視される改質触媒の温度が所定の値以上になるように制御される、
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。 - 前記制御がＯＮ／ＯＦＦ制御である請求項１記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
- 前記改質器が、前記二重管構造を複数有する請求項１または２記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
- 前記改質触媒が灯油酸化活性を有する改質触媒を含む請求項１から３の何れか一項記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
- 前記制御が、改質触媒の出口温度を５８０℃以上にする制御である請求項１から４の何れか一項記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
- 灯油を改質可能な改質器と、該改質器から得られる改質ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池と、該改質器を加熱するためのバーナとを有し、
該改質器が外管と内管とからなる二重管構造を有し、
該外管と該内管との間の空間に灯油を水蒸気改質可能な改質触媒が充填され、
該内管の一端に該バーナが接続され、
該外管の外表面が固体酸化物形燃料電池から熱輻射を受ける位置に該改質器が配された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
該改質触媒の温度を継続的に監視し、改質触媒の温度が所定の値以上になるように該バーナを制御する工程を有する
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の運転方法。 - 前記制御がＯＮ／ＯＦＦ制御である、請求項６記載の方法。
- 前記制御によって、改質触媒の出口温度を５８０℃以上にする請求項６または７記載の方法。
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