JP6439190B2 - アンモニアを燃料とする発電装置および該発電装置を用いた発電方法 - Google Patents
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Description
燃焼極:H2 + O2- → H2O + 2e-
空気極:O2+ 4e-→ 2O2-
昇温用装置にはアンモニア分解用触媒が設けられており、この昇温用装置にアンモニアと酸素とを含有するガスを供給することで、アンモニアの一部を酸素により燃焼させ、その燃焼熱を用いてアンモニアを水素及び窒素に分解するオートサーマルリフォーミング反応が進行する。アンモニア分解用触媒の形態としては、ペレット状やリング状の触媒を充填して用いることもできるが、圧力損失が少ないという観点からハニカム状触媒が好ましい。
昇温用装置に搭載されるアンモニア分解用触媒は、触媒活性成分と耐熱性酸化物を含むものが好ましいが、触媒活性成分の単位質量当たりの体積が大きい場合には触媒活性成分単独でもよい。触媒活性成分の単位質量当たりの体積が小さい触媒活性成分については耐熱性酸化物に担持及び/又は希釈して用いることが好ましい。耐熱性酸化物と併用することで触媒成分の耐熱性の向上、耐熱性酸化物上に分散されることで触媒成分の活性に関与する表面積の増加を見込まれるからである。
触媒の調製は公知の方法を用いることができ、例えば、(1)触媒成分を湿式粉砕して得られるスラリーに当該ハニカムを浸し、余剰のスラリーを除き、乾燥、焼成することで触媒を調製する方法、(2)耐熱性酸化物を湿式粉砕して得られるスラリーに当該ハニカムを浸し、余剰のスラリーを除き、乾燥または焼成した後、触媒活性成分の水性液に浸し、余剰の液を除き、乾燥または焼成する方法、(3)耐熱性酸化物前駆体であるゾル状物、場合によっては触媒活性成分の水性液を含む液状物に当該ハニカムを浸し、余剰の液状物を除き、乾燥、焼成することで触媒を調製する方法である。乾燥温度は50〜300℃、焼成温度は300〜700℃であることが好ましい。
昇温用装置では、昇温用装置の出口でのガス温度を高温とすることによって、SOFCの昇温を促進するのが好ましいため、アンモニアの燃焼反応(発熱反応)に用いられる(昇温用装置に供給される)ガスは、アンモニアに対する酸素の体積比率(以下、酸素/アンモニアという)が比較的高い比率であることが好ましく、具体的には、酸素/アンモニアが0.19〜0.25であることが好ましく、より好ましくは0.195〜0.23である。酸素/アンモニアが0.19より低いと、昇温用装置から高温の出口ガスを得ることができず、SOFCの昇温を十分に促進できないおそれがある。また、酸素/アンモニアが0.25より高いと、アンモニアの燃焼反応が過剰となり、無駄にアンモニアを消費してしまうばかりでなく、アンモニア分解用触媒がより高温に曝されて失活してしまうおそれがある。
昇温用装置と同様に、運転用装置にはアンモニア分解用触媒が設けられている。運転用装置で生成される水素含有ガスは、SOFCの発電のために用いられる。そのため、運転用装置の出口において、水素含有ガスは昇温用装置と比べ500℃程度と比較的低温で構わない。そうすると、運転用装置での反応温度は500〜600℃と比較的低温で十分であるため、運転用装置で用いられるアンモニア分解用触媒を長時間用いたとしても失活は緩やかである。
運転用装置に搭載されるアンモニア分解用触媒としては、昇温用装置に搭載されるアンモニア分解用触媒と同じ触媒を用いてもよいが、上述のとおり、運転用装置の出口でのガス温度が比較的低温で抑えられていることが好ましいため、500〜600℃程度の比較的低温での分解活性に優れるアンモニア分解用触媒とすることが好ましい。
運転用装置に搭載されるアンモニア分解用触媒とは、昇温用装置に搭載されるアンモニア分解用触媒と同様の方法で調製することができる。
運転用装置で生成される水素含有ガスは、SOFCの発電のために用いられるので、運転用装置の出口での水素濃度が比較的高いのが好ましい。そのため、アンモニアの分解反応(吸熱反応)に用いられるアンモニアの比率が比較的高い(アンモニアの燃焼反応(発熱反応)に用いられるアンモニアの比率が比較的低い)のが好ましい。すなわち、運転用装置に供給されるガスは、酸素/アンモニアが比較的低い比率であることが好ましく、具体的には、酸素/アンモニアが0.08〜0.17であることが好ましく、より好ましくは0.09〜0.165である。酸素/アンモニアが0.08より低いと、オートサーマルリフォーミングに必要な熱量を十分に得ることができないおそれがあり、酸素/アンモニアが0.17より高いとアンモニアの燃焼反応が増加し、SOFCに供給する水素含有ガスにおける水素の比率が少なくなる上に、アンモニア分解用触媒が失活するおそれがある。
本発明に用いるSOFCの形態について説明する。通常、SOFCのセルは、固体酸化物電解質と当該電解質の一方の面に燃料極を配し他方の面に空気極を配する。
燃料極は、燃料ガスと、空気極で生じて固体酸化物電解質を介して燃料極へ移動してきた酸素イオンとを反応させる極であり、反応後には燃料排ガスを排出する。当該燃料極は、燃料ガスに用いるSOFCで通常使用される燃料極材料を用いることができ、一般的には、燃料極電極触媒及び固体電解質粒子により形成される。
燃料極は、薄膜、フィルム等の形成に慣用されている任意の技法を使用して形成することができる。例えば、すでに形成してある固体酸化物電解質の表面に電極の材料を含むペーストを所定のパターンで塗布し、乾燥後に焼成することによって容易に形成することができる。ペーストの塗布には、例えば、スクリーン印刷法などの印刷法を有利に使用することができる。焼成温度は、使用する材料の特徴などに応じて広い範囲で変更することができるが、通常、約900〜1500℃の範囲である。もちろん、必要ならば、その他の手法を使用して形成してもよい。
空気極は、空気の他、酸素を含むガスなどが導入される極であり、当該極において酸素は酸素イオンとなり、固体酸化物電解質を介して燃料極に移動する。その材料としては、通常SOFCに用いられる空気極材料を用いることができ、一般的には空気極電極触媒と固体電解質粒子により形成される。
固体酸化物電解質の一方の面に燃料極が設置されており、他方の面に空気極が設置されている場合、空気極で生成した酸素イオンが燃料極に移動する際に固体酸化物電解質中を通過する。
SOFCセルは、従来の燃料電池と同様、例えば、固体酸化物電解質と、固体酸化物電解質の一方の面に形成された燃料極と、固体酸化物電解質を挟んで燃料極と反対の面に形成された空気極とを含むセルとして構成される。
燃料ガスには、アンモニア分解装置の出口ガス(アンモニアを分解することによって生成された水素含有ガス)を用いる。そのため、燃料ガスには、装置内でアンモニア分解反応により発生した窒素及び水素の他に、アンモニア分解装置において、反応せずに残存しているアンモニアや水蒸気等が含まれていてもよい。また、発電効率が落ちない程度に希ガスなどの不活性ガスが含まれていてもよい。
酸化剤ガスとしては、燃料ガスを酸化する能力を有するものであれば特に問わないが、酸素を主に含有するガスのほか、空気などを用いることができる。
燃料極に燃料ガスを導入し、空気極に酸化剤ガスを導入することで発電を行うことができる。燃料電池としての発電自体は、各電極上において800〜1000℃程度で、以下の反応式で進行する。
燃焼極:H2 + O2- → H2O + 2e-
空気極:O2 + 4e-→ 2O2-
本発明の発電装置を用いた発電方法の一例を以下に記載する。ここでは、1機の昇温用装置と、1機の運転用装置と、昇温用装置又は運転用装置のいずれか一方で生成された水素含有ガスを燃料として運転されるSOFCとを備えた発電装置を用いて発電を行うものとする。
(アンモニア分解用触媒Aの作製)
硝酸コバルト六水和物131.0g、硝酸マンガン六水和物34.1gおよび硝酸銀7.56gを秤量し、純水200mLに溶解した。得られた金属硝酸塩溶液中にγ−アルミナ51.6gを投入し、ウォーターバスで100℃に加熱して蒸発乾固させた。得られた固体を空気雰囲気下、500℃で3時間焼成することで、触媒成分を得た。触媒成分をアルミナ乳鉢で粗粉砕した後、触媒成分粉末100g、純水100g、およびコロイダルシリカゾル10gを混合し、ボールミルで6時間、湿式粉砕した。1平方インチ辺り600セルを有する六角セルコージェライトハニカム成形体に、得られた触媒成分のスラリーをウォッシュコート法によってコートし、余分なスラリーをエアブローによって吹き飛ばし、120℃で乾燥させる工程を6回繰り返し行い、その後500℃で1時間焼成を行うことによって、触媒成分をコートしたハニカム状のアンモニア分解用触媒Aを得た。得られたアンモニア分解用触媒Aの触媒担持量はハニカム成形体1L当たり300gであった。また、触媒活性成分含有率は35質量%、助触媒成分含有率は5質量%であった。
アンモニア分解用触媒Aの体積が20mLとなるようにして、アンモニア分解装置1を作製した。
(アンモニア分解用触媒Bの作製)
硝酸コバルト六水和物291.0g、硝酸セリウム六水和物43.4gおよびジルコニアゾル(ZrO2換算25質量%濃度)懸濁液49.3gを秤量し、純水1Lに溶解して、金属硝酸塩水溶液を調製した。水酸化カリウム147.6gを純水2Lに溶解し、水酸化カリウム水溶液を調製した。水酸化カリウム水溶液を撹拌しながら、金属硝酸塩水溶液を滴下した。滴下終了後、得られた懸濁液を吸引ろ過して、純水で5回水洗を行い、沈殿物を得た。得られた沈殿物を120℃の乾燥機で一晩乾燥させた後、空気雰囲気下、450℃で3時間焼成することで、触媒成分を得た。触媒成分をアルミナ乳鉢で粗粉砕した後、触媒成分粉100g、純水100g、水酸化セシウム5.0g、およびコロイダルシリカゾル10gを混合し、ボールミルで6時間、湿式粉砕した。1平方インチ辺り600セルを有する六角セルコージェライトハニカム成形体に、得られた触媒成分のスラリーをウォッシュコート法によってコートし、余分なスラリーをエアブローによって吹き飛ばし、120℃で乾燥させる工程を6回繰り返し行い、その後500℃で1時間焼成を行うことによって、触媒成分をコートしたハニカム状のアンモニア分解用触媒Bを得た。得られたアンモニア分解用触媒Bの触媒担持量はハニカム成形体1L当たり280gであった。また、触媒活性成分含有率は73%であった。
アンモニア分解用触媒Bの体積が20mLとなるようにして、アンモニア分解装置2を作製した。
アンモニア分解装置2と全く同じ方法で作製した。
(アンモニア分解反応)
アンモニア分解装置1に、アンモニアを毎分3.32Lの流量、空気を毎分3.66Lの流量で供給した。供給ガスを電気ヒーターで200℃に加熱し、アンモニア分解用触媒上でのオートサーマルリフォーミング反応を開始した。このときの供給ガス中の酸素/アンモニアは0.23であった。また、アンモニア分解装置1の出口ガス(水素含有ガス)は毎分9.54Lの流量で、温度は750℃であった。
アンモニア分解装置1の出口ガスを直接、SOFC(セルサイズ:50mm×50mm)に供給しつつ、同時にSOFC加熱用ヒーターでSOFCセルを作動温度(650℃)まで加熱した。室温から作動温度への昇温には8分を要した。
SOFCセルを作動温度(650℃)まで昇温した後、アンモニア分解装置1からアンモニア分解装置2に切り替えた。同時に、供給ガスについては、アンモニアを毎分3.32Lの流量、空気を毎分2.49Lの流量に変更した。このときの酸素/アンモニアは0.16であった。また、分解触媒反応によるアンモニア転化率は83%であった。
アンモニア分解装置2に、アンモニアを毎分3.32Lの流量、空気を毎分3.36Lの流量で供給した。供給ガスを電気ヒーターで200℃に加熱し、アンモニア分解用触媒上でのオートサーマルリフォーミング反応を開始した。このときの供給ガス中の酸素/アンモニアは0.21であった。また、アンモニア分解装置2の出口ガス(水素含有ガス)は毎分9.28Lの流量で、温度は650℃であった。
アンモニア分解装置2の出口ガスを直接、SOFC(セルサイズ:50mm×50mm)に供給しつつ、SOFC加熱用ヒーターでSOFCセルを作動温度(650℃)まで加熱した。室温から作動温度への昇温には10分を要した。
SOFCセルを作動温度(650℃)まで昇温した後、アンモニア分解装置2からアンモニア分解装置2’に切り替えた。同時に、供給ガスについては、アンモニアを毎分3.32Lの流量、空気を毎分2.49Lの流量に変更した。このときの酸素/アンモニアは0.16であった。また、分解触媒反応によるアンモニア転化率は83%であった。
実施例2において、SOFCセルを作動温度(650℃)まで昇温した後もそのままアンモニア分解装置2を使い続けたこと以外は実施例2と同様に発電を行った。室温から作動温度650℃への昇温に要した時間は10分、分解触媒反応によるアンモニア転化率は78%であった。
実施例2において、アンモニア分解装置2に空気を毎分2.49Lの流量(供給ガス中の酸素/アンモニアは0.16)で供給したこと以外は実施例2と同様に発電を行った。その結果、SOFCの昇温中における出口ガスの流量は毎分8.06Lで、その温度は480℃であった。また、室温から作動温度650℃への昇温に要した時間は14分であった。
SOFCセルをSOFC加熱用ヒーターのみで昇温させたところ、室温から作動温度650℃への昇温には20分を要した。
Claims (4)
- アンモニア分解用触媒によって、アンモニアの一部を酸素により燃焼させ、その燃焼熱を用いてアンモニアを水素に分解する複数のアンモニア分解装置と、
上記複数のアンモニア分解装置の少なくとも一つによって生成された水素含有ガスを燃料として運転される固体酸化物形燃料電池とを備える発電装置であって、
上記アンモニア分解装置は、上記固体酸化物形燃料電池が所定の温度に到達するまで上記水素含有ガスを生成する装置として用いられる第一のアンモニア分解装置及び上記固体酸化物形燃料電池が所定の温度に到達した後に上記水素含有ガスを生成する装置として用いられる第二のアンモニア分解装置を含むことを特徴とする発電装置。 - 上記第一のアンモニア分解装置及び上記第二のアンモニア分解装置に設けられたアンモニア分解用触媒は、それぞれ、鉄、コバルト、及びニッケルから選ばれる少なくとも1種の元素を触媒活性成分として含んでなる請求項1に記載の発電装置。
- 上記第二のアンモニア分解装置のアンモニア分解用触媒における上記触媒活性成分の含有率は、上記第一のアンモニア分解装置のアンモニア分解用触媒における上記触媒活性成分の含有率よりも高い請求項2に記載の発電装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の発電装置を用いた発電方法であって、
上記第一のアンモニア分解装置に、アンモニアに対する酸素の体積比率が0.19以上である混合ガスを供給する第1工程と、
上記水素含有ガスを生成する装置を上記第一のアンモニア分解装置から上記第二のアンモニア分解装置に切り替える第2工程と、
上記第二のアンモニア分解装置に、アンモニアに対する酸素の体積比率が0.17以下である混合ガスを供給する第3工程とを含み、
上記第2工程は、上記固体酸化物形燃料電池が所定の温度に到達したときに行われる
ことを特徴とする発電方法。
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