JP7291819B1 - アンモニア固体酸化物形燃料電池システム、運転方法、及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、アンモニアは毒性を有しているため、燃料として用いられなかった余剰アンモニアをそのまま大気放出することができず、無害化処理を図る必要がある。
固体酸化物形燃料電池システムであって、
電極部と、ガス供給部と、燃焼部と、排熱部を備え、
前記電極部は、アノード側が燃料極、カソード側が酸素極であり、
前記ガス供給部は、前記燃料極にはアンモニアガスを分解して得られる水素ガスを、前記酸素極には空気を供給し、
前記燃焼部は、前記燃料極で使用されなかった前記水素ガスや前記分解前の前記アンモニアガスが、前記水素ガスの含有割合により個別に燃焼するよう複数からなり、
前記排熱部は、前記複数の燃焼部で発生する排気ガスを熱源として、前記アンモニアガスの分解、前記電極の電極触媒および前記アンモニアガスの燃焼が活性化するよう、構成される、ものである。
固体酸化物形燃料電池システムであって、
電極部と、ガス供給部と、貯留部と、燃焼部と、排熱部を備え、
前記電極部は、アノード側が燃料極、カソード側が酸素極であり、
前記ガス供給部は、前記燃料極にはアンモニアガスを分解して得られる水素ガスを、前記酸素極には空気を供給し、
前記貯留部は前記水素ガスを備蓄し、
前記燃焼部は、前記貯留部から供給される前記水素ガスや前記分解前の前記アンモニアガスを燃焼し、
前記排熱部は、前記複数の燃焼部で発生する排気ガスを熱源として、前記アンモニアガスの分解、前記電極の電極触媒が活性化するよう、構成される、ものである。
固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
次の各ステップを備え、
ガス供給ステップでは、アノード側電極である燃料極にはアンモニアガスを分解して得られる水素ガスを、カソード側電極である酸素極には空気を供給し、
燃焼ステップでは、前記燃料極で使用されなかった前記水素ガスや前記分解前の前記アンモニアガスを、前記水素ガスの含有割合により個別に複数で燃焼し、
排熱ステップでは、前記燃焼部で発生する排気ガスを熱源として、前記アンモニアガスの分解、前記電極の電極触媒および前記アンモニアガスの燃焼を活性化させる、方法である。
固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
次の各ステップを備え、
ガス供給ステップでは、アノード側電極である燃料極にはアンモニアガスを分解して得られる水素ガスを、カソード側電極である酸素極には空気を供給し、
貯留ステップでは、前記水素ガスを貯留し、
燃焼ステップでは、前記貯留部から供給される前記水素ガスや前記分解前の前記アンモニアガスを燃焼し、
排熱ステップでは、前記燃焼部で発生する排気ガスを熱源として、前記アンモニアガスの分解、前記電極の電極触媒を活性化させる、方法である。
第1節では、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの装置構成について説明する。
図1は、本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの概略図である。固体酸化物形燃料電池システム1はスタック2と、バーナ5と、アンモニア分解部6と、排熱ライン7とを備える。スタック2は、燃料電池において所定の電圧を生成しうるようアノード電極3と、カソード電極4を一対としたセルの積層型構造となっているものや、当該セルを円筒状に並べて集積型構造となっているものなどである。バーナ5は、アノード電極3に供給される水素および液化アンモニア貯留槽から気化させたアンモニアや、アンモニア分解部6で分解しなかったアンモニアを燃焼させるよう構成される。図2に記載の水素ガス備蓄部8が備わっている場合、バーナ5単独による混焼となる。一方、水素ガス備蓄部8が備わっていない場合は、水素ガスの含有割合によってバーナ5複数による専焼となる。
固体酸化物形燃料電池は、アノード電極3と、カソード電極4で電解質を挟み込んで一対としたセルの積層構造や円筒状に並べた集積型構造となっている。このような構造となっているのは、セル単独で出力できる電圧が大きくないため、直列的に接続することで所定の電圧を生成するためである。電解質の材料としては、ガスを通さない酸素イオンの伝導性が高いものが望ましく、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニアやランタンガレートなどのセラミックが使われる。
アノード電極3は、いわゆる燃料極と呼ばれるものである。電解質から酸素イオンを受け取り、水素ガスを通せるようポーラス構造となっており、以下の発電反応となるよう構成されるものである。アノード電極3は、ニッケルやコバルトなどの金属とセラミックの複合材料が使われる。
カソード電極4は、いわゆる空気極と呼ばれるものである。上記アノード電極3と同様に電解質まで酸素を通せるようポーラス構造となっており、以下の発電反応となるよう構成されるものである。カソード電極4は酸化による劣化が少なくなるよう、ランタンストロンチウムマンガナイトやランタンストロンチウムコバルトといった電子性混合伝導体が使われる。
バーナ5は、アノード電極3を経由してくる水素や、液化アンモニア貯留槽から気化させたアンモニア、アンモニア分解部6で分解しなかったアンモニアを燃焼するよう構成される。上述のとおり、水素ガス備蓄部8が備わっている場合、バーナ5単独による混焼となる。一方、水素ガス備蓄部8が備わっていない場合は、水素ガスの含有割合によってバーナ5複数による専焼となる。
特に固体酸化物形燃料電池システム1においては、バーナ5により毒性のあるアンモニアガスの無害化とともに、排熱ライン7を介して、上記電極触媒等の昇温の補助とすることで外部電力を用いない、または、極めて小型のバッテリーのみで起動する固体酸化物形燃料電池システム1が提供されることになる。なお上記電極触媒等の昇温の補助については後述の本発明の実施形態において詳説する。
アンモニア分解部6は、タンク等に貯留された液化アンモニアを気化させたアンモニアガスを、水素と窒素に分解し、当該水素についてはアノード電極3に供給するよう構成される。上述のとおりアンモニア分解部6にてアンモニアを全て分解するのは困難であるため、アノード電極3には一部アンモニアガスも混合した状態で供給されうる。
アノード電極3とバーナ5の間に、設けられており、システム全体の起動時において、アノード電極3を通過したアンモニアガスがバーナ5に到達する前に、いち早く水素ガスをバーナ5にて燃焼できるよう構成されている。アノード電極3とバーナ5の間において水素ガスを加圧することで、水素ガス備蓄部8である高圧容器に押し込む、または水素ガス備蓄部8である水素吸蔵合金への吸着を行う。
水素吸蔵合金は、一般的には金属の原子が作る隙間に水素を取り込み、100℃程度の比較的低温で加熱することにより取り込んだ水素を放出することができる材料である。つまり、水素吸蔵反応は発熱反応であり、金属原子間に取り込まれた水素は原子状になっているため、水素吸蔵合金中の水素が占める体積(体積水素密度)は、液体水素よりも高くなる。典型的な水素吸蔵合金として希土類系合金やマグネシウムニッケル合金がある。
水素ガス備蓄部8に水素が蓄えられるタイミングやバーナ5へ供給されるタイミング等については後述で詳説する。
第2節では、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて、図2のシステム構成図および図3のフローチャート図の各フローに沿って説明する。
しかし、スタック2に負荷が掛かっておらず発電反応(スッテプS108)が生じていない場合や、水素ガスのアノード電極3への供給過多になっている場合には、当該水素ガスは、アンモニア分解部6で分解しきれなかったアンモニアガスとともにアノード電極3を通過して(ステップS106)、バーナ5に供給されることになる。
第3節では、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて、図2のシステム構成図および図3のフローチャート図の各フローに沿って説明する。なお、第1の実施形態と略同様の機能や構成ついては、その説明を省略する。
充分電極触媒を昇温した後アンモニアガスを流通することで、アノード電極3およびアンモニア分解部6からバーナ5に流入するアンモニア量はかなり抑えられることになり、アンモニアの燃焼温度は水素よりも低いため、バーナ5での燃焼条件に大きな変化は生じない。
本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池システム1に関して、以下のような態様を採用してもよい。
排熱ライン7が複数設けられており、アンモニアガス分解の活性化が、電極触媒およびアンモニアガス燃焼の活性化とは個別になされるよう、構成されるものである。
一方、水素の含有割合の低いガス(アンモニアの含有割合の高いガス)の場合の排熱は、アンモニア分解触媒の昇温にのみ利用されるものである。
アンモニアを燃料の一部とする船舶においては、燃料として液化アンモニアを搭載しており、固体酸化物形燃料電池システム1に併用して用いることができ、船舶全体としての効率化を図ることができる。また船舶であれば、エンジン動作用等に圧縮空気が使われるため、手動でバルブ等を制御すれば外部電力なしで起動できるところ、固体酸化物形燃料電池システム1に転用することができてより好ましい。
2 スタック
3 アノード電極
4 カソード電極
5 バーナ
6 アンモニア分解部
7 排熱ライン
8 水素ガス備蓄部
Claims (5)
- 固体酸化物形燃料電池システムであって、
電極部と、ガス供給部と、貯留部と、燃焼部と、排熱部を備え、
前記電極部は、アノード側が燃料極、カソード側が酸素極であり、
前記ガス供給部は、前記燃料極にはアンモニアガスを分解して得られる水素ガスを、前記酸素極には空気を供給し、
前記貯留部は、前記水素ガスを備蓄し、
前記燃焼部は、前記貯留部から供給される前記水素ガス及び前記分解前の前記アンモニアガスを燃焼し、
前記排熱部は、前記燃焼部で発生する排気ガスを熱源として、前記アンモニアガスの分解、前記電極部において前記アノード側および前記カソード側に設けられる電極触媒が活性化するよう構成される、固体酸化物形燃料電池システム。 - 請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、
アンモニアを燃料の一部とする船舶に設置されるよう構成される、固体酸化物形燃料電池システム。 - 固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
次の各ステップを備え、
ガス供給ステップでは、アノード側電極である燃料極にはアンモニアガスを分解して得られる水素ガスを、カソード側電極である酸素極には空気を供給し、
貯留ステップでは、前記水素ガスを貯留し、
燃焼ステップでは、前記貯留ステップから供給される前記水素ガス及び前記分解前の前記アンモニアガスを燃焼し、
排熱ステップでは、前記燃焼ステップで発生する排気ガスを熱源として、前記アンモニアガスの分解、前記アノード側電極及び前記カソード側電極に設けられる電極触媒を活性化させる、固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。 - 請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
アンモニアを燃料の一部とする船舶に設置されるよう構成される、固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。 - プログラムであって、
コンピュータに、請求項3~請求項4の何れか1つに記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法における各ステップを実行させる、プログラム。
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