JPH01140563A - 固体酸化物燃料電池発電装置及び装置内での燃料改質方法 - Google Patents
固体酸化物燃料電池発電装置及び装置内での燃料改質方法Info
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- JPH01140563A JPH01140563A JP62166250A JP16625087A JPH01140563A JP H01140563 A JPH01140563 A JP H01140563A JP 62166250 A JP62166250 A JP 62166250A JP 16625087 A JP16625087 A JP 16625087A JP H01140563 A JPH01140563 A JP H01140563A
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Classifications
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
-
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、固体酸化物燃料電池発電装置の内部における
気体状の改質可能な燃料の改質に関する。
気体状の改質可能な燃料の改質に関する。
高温固体酸化物燃料電池では、空気と燃料が結合して、
熱と電気を発生する。メタンやアルコール等の燃料は、
燃料電池の動作温度である極めて高い温度条件下では炭
素及び煤を形成し、これらの炭素や煤が燃料電池の効率
を低下させるおそれがあるため、燃料電池の内部で使用
できる燃料は通常は一酸化炭素と水素に限られている。
熱と電気を発生する。メタンやアルコール等の燃料は、
燃料電池の動作温度である極めて高い温度条件下では炭
素及び煤を形成し、これらの炭素や煤が燃料電池の効率
を低下させるおそれがあるため、燃料電池の内部で使用
できる燃料は通常は一酸化炭素と水素に限られている。
−酸化炭素及び水素は、メタン及びアルコール類のよう
な各種燃料の改質によって得られる。改質は、改質可能
な燃料を水及び／または二酸化炭素（炭酸ガス）と結合
させて一酸化炭素と水素を生成させるプロセスである。
な各種燃料の改質によって得られる。改質は、改質可能
な燃料を水及び／または二酸化炭素（炭酸ガス）と結合
させて一酸化炭素と水素を生成させるプロセスである。
例えば、水と二酸化炭素を使用するエタン及びメタンの
改質は次式によって示される。
改質は次式によって示される。
Ｃ）Ｉ４＋）１２０→ＣＯ＋３Ｈ２
０Ｈ４＋ （：０２ →２ＧＯ＋、２）１２（：２Ｈ
６” ２Ｈ２０→２ＣＯ＋ ５１（２改質された燃料を
固体酸化物燃料電池で使用する。改質工程は吸熱プロセ
スであるから、直接燃焼または熱交換器の壁部を介する
熱伝達により熱エネルギーを供給しなければならない。
６” ２Ｈ２０→２ＣＯ＋ ５１（２改質された燃料を
固体酸化物燃料電池で使用する。改質工程は吸熱プロセ
スであるから、直接燃焼または熱交換器の壁部を介する
熱伝達により熱エネルギーを供給しなければならない。
［従来の技術］
これまでは、発電装置自体の内部で改質を行う方法が発
見されていなかったので、燃料電池発電装置の外部で燃
料の改質を行わざるを得なかった。燃料電池の外部で改
質には、熱交換器、ポンプ類、その他の設備が必要であ
った。たとえば、米国特許第４，１２８，７００号明細
書に燃料電池発電装置の外部における燃料の改質方法が
開示されている。発電装置の外部で燃料の改質をしよう
とすると、改質装置の内部及び発電装置と改質装置を結
ぶ配管部で熱エネルギーの損失が生じ、装置が複雑にな
り、大きな空間を必要とし、より高価になるので、望ま
しくない。。
見されていなかったので、燃料電池発電装置の外部で燃
料の改質を行わざるを得なかった。燃料電池の外部で改
質には、熱交換器、ポンプ類、その他の設備が必要であ
った。たとえば、米国特許第４，１２８，７００号明細
書に燃料電池発電装置の外部における燃料の改質方法が
開示されている。発電装置の外部で燃料の改質をしよう
とすると、改質装置の内部及び発電装置と改質装置を結
ぶ配管部で熱エネルギーの損失が生じ、装置が複雑にな
り、大きな空間を必要とし、より高価になるので、望ま
しくない。。
［発明が解決しようとする問題点及びその解決手段］
従って、本発明は、一部減損した燃料流及び一部減損し
た酸化剤流を生ぜしめる固体酸化物燃料電池発電装置の
複数のそれぞれ独立した燃料電池を収納する耐火物製容
器の内部において気体状の改質可能な燃料の改質を行う
方法であって、一部減損した燃料流を二つの流れ、即ち
減損燃料流Ｉ及び減損燃料流Ｉ夏に分割減損し、耐火物
製容器の内部で減損燃料流Ｉを一部減損した酸化剤流で
燃焼させて排気流を生成させ、排気流を二つの流れ、即
ち排気流Ｉ及び排気流■！に分割し、排気流Ｉを放出し
、排気流ＩＩを減損燃料流ＩＩと混合して再循環流を形
成させ、再循環流を耐火物製容器の内部で気体状の改質
可能な燃料と混合上記のように、複数の流れに分流し、
また合流させることにより、改質プロセスで必要な量の
エネルギーが得られ、同時に、燃料の改質に必要な適当
な量の水及び二酸化炭素が得られる。上記のようにして
、燃料を固体酸化物燃料電池発電装置の内部で改質する
。その結果、発電装置外部では熱損失が起こらず、燃料
を電気エネルギーに変換するプロセス全体の効率が高く
なる。
た酸化剤流を生ぜしめる固体酸化物燃料電池発電装置の
複数のそれぞれ独立した燃料電池を収納する耐火物製容
器の内部において気体状の改質可能な燃料の改質を行う
方法であって、一部減損した燃料流を二つの流れ、即ち
減損燃料流Ｉ及び減損燃料流Ｉ夏に分割減損し、耐火物
製容器の内部で減損燃料流Ｉを一部減損した酸化剤流で
燃焼させて排気流を生成させ、排気流を二つの流れ、即
ち排気流Ｉ及び排気流■！に分割し、排気流Ｉを放出し
、排気流ＩＩを減損燃料流ＩＩと混合して再循環流を形
成させ、再循環流を耐火物製容器の内部で気体状の改質
可能な燃料と混合上記のように、複数の流れに分流し、
また合流させることにより、改質プロセスで必要な量の
エネルギーが得られ、同時に、燃料の改質に必要な適当
な量の水及び二酸化炭素が得られる。上記のようにして
、燃料を固体酸化物燃料電池発電装置の内部で改質する
。その結果、発電装置外部では熱損失が起こらず、燃料
を電気エネルギーに変換するプロセス全体の効率が高く
なる。
耐火性容器の内部に設けた複数のそれぞれ独立した燃料
電池と、一部減損した燃料流と一部減損した酸化剤流と
を合流させて燃焼させ耐火物製器から放出される排気ガ
スを形成させる燃料室とから成る固体酸化物燃料電池発
電装置であって、発電装置が更に耐火製容器の内部に設
けた混合室と、一部減損した燃料流の一部分を燃焼室に
流入させずに混合室に流入させる手段と、排気ガスの一
部分を混合室に流入させて、一部減損した燃料流の一部
分と混合して再循環流を形成させる手段と、気体状の改
頁可能な燃料流を再循環流中に注入する手段と、再循環
流を燃料電池に還流させる手段とを有することを特徴と
する発電装置も本発明の技術的範囲内に含まれる。
電池と、一部減損した燃料流と一部減損した酸化剤流と
を合流させて燃焼させ耐火物製器から放出される排気ガ
スを形成させる燃料室とから成る固体酸化物燃料電池発
電装置であって、発電装置が更に耐火製容器の内部に設
けた混合室と、一部減損した燃料流の一部分を燃焼室に
流入させずに混合室に流入させる手段と、排気ガスの一
部分を混合室に流入させて、一部減損した燃料流の一部
分と混合して再循環流を形成させる手段と、気体状の改
頁可能な燃料流を再循環流中に注入する手段と、再循環
流を燃料電池に還流させる手段とを有することを特徴と
する発電装置も本発明の技術的範囲内に含まれる。
［実施例コ
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。
する。
図面に示すように、耐火物製容器１は、壁部２と、底部
３と、空気導入マニホルド４を有する。耐火物製容器１
の内部には、多数の固体酸化物燃料電池５がある。各電
池は、内側の空気電極と、中央部の電解買と、外側の燃
料電極とから成る（電池の構造の細部は図示しなかった
が、米国特許第４，５２０，０８２号、第４，３９５，
４６８号及び第４，５６２，１２４号の明細書に示され
ている。）空気供給管６が空気導入マニホルド４を貫通
して各電池の底部まで延びている。空気中の酸素は酸素
イオンの形で燃料電池材料を通り抜けて管の外面に移動
し、そこで燃料と反応して電気と熱を発生する。減損し
た空気または未反応の空気は、排気ブレナム７に入る。
３と、空気導入マニホルド４を有する。耐火物製容器１
の内部には、多数の固体酸化物燃料電池５がある。各電
池は、内側の空気電極と、中央部の電解買と、外側の燃
料電極とから成る（電池の構造の細部は図示しなかった
が、米国特許第４，５２０，０８２号、第４，３９５，
４６８号及び第４，５６２，１２４号の明細書に示され
ている。）空気供給管６が空気導入マニホルド４を貫通
して各電池の底部まで延びている。空気中の酸素は酸素
イオンの形で燃料電池材料を通り抜けて管の外面に移動
し、そこで燃料と反応して電気と熱を発生する。減損し
た空気または未反応の空気は、排気ブレナム７に入る。
燃料は複数の孔部８を通過して燃料ブレナム９に入り、
管外側の周囲を通って図面の上方に流れる。減損した燃
料は二つの流れに分割され、流れの一方は排気マニホル
ド１１の複数の孔部１０を通過して排気ブレナム７に入
り、そこで一部減損した空気の流れと混合されて、燃料
が燃焼する。排気ブレナム７内の排気ガスの一部分は空
気導入マニホルド４の孔部１２を通過して、そこで放出
される。排気ブレナムフの内部の排気ガスの残部は、仕
切り壁１４の孔部１３を通過して、混合室１５に入る。
管外側の周囲を通って図面の上方に流れる。減損した燃
料は二つの流れに分割され、流れの一方は排気マニホル
ド１１の複数の孔部１０を通過して排気ブレナム７に入
り、そこで一部減損した空気の流れと混合されて、燃料
が燃焼する。排気ブレナム７内の排気ガスの一部分は空
気導入マニホルド４の孔部１２を通過して、そこで放出
される。排気ブレナムフの内部の排気ガスの残部は、仕
切り壁１４の孔部１３を通過して、混合室１５に入る。
減損した燃料の他の一部分は、仕切り壁１４の孔部１６
を通過して混合室１５に入り、そこで排気ガスの残部と
混合される。改質可能な気体状燃料は、管１７からノズ
ル１８を通り障壁１９を通過する。ノズル１８と障壁１
９によって、ジェット流が形成され、その結果、改質可
能な燃料が混合室１５内のガス中に注入され、混合室１
５からガス類を吸引して触媒室２１中の触媒充填物２０
に接触させる。触媒室中で、改質可能な燃料が改質され
、−酸化炭素と水素が形成される。−酸化炭素と水素は
燃料ブレナム２２に入り、次いで燃料分配ブロック９の
複数の孔部８を通過して、流れサイクルが完結する。
を通過して混合室１５に入り、そこで排気ガスの残部と
混合される。改質可能な気体状燃料は、管１７からノズ
ル１８を通り障壁１９を通過する。ノズル１８と障壁１
９によって、ジェット流が形成され、その結果、改質可
能な燃料が混合室１５内のガス中に注入され、混合室１
５からガス類を吸引して触媒室２１中の触媒充填物２０
に接触させる。触媒室中で、改質可能な燃料が改質され
、−酸化炭素と水素が形成される。−酸化炭素と水素は
燃料ブレナム２２に入り、次いで燃料分配ブロック９の
複数の孔部８を通過して、流れサイクルが完結する。
本発明方法及び装置においては、メタン、エタン、プロ
パン等の炭化水素類並びにメタノール等のアルコール類
を含む気体状の各種の改質可能な燃料類を使用できる。
パン等の炭化水素類並びにメタノール等のアルコール類
を含む気体状の各種の改質可能な燃料類を使用できる。
好ましい燃料としては、安価である点から、主としてメ
タンから成る天然ガスを挙げることができる。上記の燃
料類の改質は触媒を用いずに行うこともできるが、触媒
を使用しない場合には反応速度が遅すぎるので好ましく
は触媒を存在させる０通常使用される触媒は細かく粉砕
したニッケル及び白金であるが、白金よりも遥かに安価
であるのでニッケルが好ましい。
タンから成る天然ガスを挙げることができる。上記の燃
料類の改質は触媒を用いずに行うこともできるが、触媒
を使用しない場合には反応速度が遅すぎるので好ましく
は触媒を存在させる０通常使用される触媒は細かく粉砕
したニッケル及び白金であるが、白金よりも遥かに安価
であるのでニッケルが好ましい。
種々の方法で原料燃料を混合室内に注入することかでき
るが、固体酸化物燃料電池内部が極めて高温であるため
に他の方法によると費用が高くなり面倒な問題が起こる
から、ジェット・ポンプを用いるのが好ましい。ジェッ
ト・ポンプは、よく知られたベンチュリの原理に従って
働き、図中の障壁１９を空気力学上燃料とともに混合ガ
スが吸引される形状にしである。
るが、固体酸化物燃料電池内部が極めて高温であるため
に他の方法によると費用が高くなり面倒な問題が起こる
から、ジェット・ポンプを用いるのが好ましい。ジェッ
ト・ポンプは、よく知られたベンチュリの原理に従って
働き、図中の障壁１９を空気力学上燃料とともに混合ガ
スが吸引される形状にしである。
直接に混合室に入る部分または排気ブレナムに入る部分
への一部減損した燃料の分割比率は、使用する改質可能
な燃料に応じて定める。−船釣な原則は、排気ガス室に
入る一部減損した燃料の割合が多くなればなるほど、温
度が高くなり、形成される水の量が多くなるということ
である。従って、孔部１０及び１６の大きさ（相対的な
寸法）を調整して、混合室１５に入る水の量が、使用す
る燃料の改質に必要な化学量論的な必要量と等しいかま
たはそれ以上になるようにする。排気ブレナムで起こる
燃焼によって熱が放出されるから、減損した燃料をより
多量に排気ブレナムに送入すると、混合室内部のガス類
の温度が高くなる。従って、孔部１０及び１３の大きさ
の調整により使用する燃料の改質に必要な温度にするこ
とができ、異なる流れの相対的な比率を制御するために
他の手段、例えば弁を用いる等の手段も考えられる０例
えばメタンの場合については、一部減損した燃料の１７
４乃至１／３（容積比）を、直接にまたは一部減損した
空気流と反応させた後に、混合室に戻す、各種の渣れの
比率の計算は、本技術分野における通常の知識を有する
者の技術知 １識の範囲内の事項である。発電装置自
体の特性が燃料利用率約７５％で酸化剤利用率約２５％
である場合には、減損した燃料の１５乃至２５容量％を
直接に混合室に送り、７５乃至８５容量％を排気ブレナ
ムに送入し、排気ブレナム中の減損した燃料が１０乃至
２０容量％の未反応の酸化剤を含有するようにする。
への一部減損した燃料の分割比率は、使用する改質可能
な燃料に応じて定める。−船釣な原則は、排気ガス室に
入る一部減損した燃料の割合が多くなればなるほど、温
度が高くなり、形成される水の量が多くなるということ
である。従って、孔部１０及び１６の大きさ（相対的な
寸法）を調整して、混合室１５に入る水の量が、使用す
る燃料の改質に必要な化学量論的な必要量と等しいかま
たはそれ以上になるようにする。排気ブレナムで起こる
燃焼によって熱が放出されるから、減損した燃料をより
多量に排気ブレナムに送入すると、混合室内部のガス類
の温度が高くなる。従って、孔部１０及び１３の大きさ
の調整により使用する燃料の改質に必要な温度にするこ
とができ、異なる流れの相対的な比率を制御するために
他の手段、例えば弁を用いる等の手段も考えられる０例
えばメタンの場合については、一部減損した燃料の１７
４乃至１／３（容積比）を、直接にまたは一部減損した
空気流と反応させた後に、混合室に戻す、各種の渣れの
比率の計算は、本技術分野における通常の知識を有する
者の技術知 １識の範囲内の事項である。発電装置自
体の特性が燃料利用率約７５％で酸化剤利用率約２５％
である場合には、減損した燃料の１５乃至２５容量％を
直接に混合室に送り、７５乃至８５容量％を排気ブレナ
ムに送入し、排気ブレナム中の減損した燃料が１０乃至
２０容量％の未反応の酸化剤を含有するようにする。
上述の実施例は、比較的簡単な構造で安価であるばかり
でなく、固体酸化物燃料電池の占める空間を増大させる
ことなく上述の実施例に修正を加えることができる。
でなく、固体酸化物燃料電池の占める空間を増大させる
ことなく上述の実施例に修正を加えることができる。
添付の図面は、固体酸化物燃料電池の側断面図である。
１・・・・容器
４・・・・空気導入マニホルド
５・・・・燃料電池
６・・・・空気供給管
７・・・・排気ブレナム
１５・・混合室
１８・・ノズル
２１・・触媒室
２２・・燃料プレナム
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、一部減損した燃料流及び一部減損した酸化剤流を生
ぜしめる固体酸化物燃料電池発電装置の複数のそれぞれ
独立した燃料電池を収納する耐火物製容器の内部におい
て気体状の改質可能な燃料の改質を行う方法であって、
一部減損した燃料流を二つの流れ、即ち減損燃料流 I
及び減損燃料流IIに分割し、耐火物製容器の内部で減損
燃料流 I を一部減損した酸化剤流で燃焼させて排気流
を生成させ、排気流を二つの流れ、即ち排気流 I 及び
排気流IIに分割し、排気流 I を放出し、排気流IIを減
損燃料流IIと混合して再循環流を形成さ せ、再循環流を耐火物製容器の内部で気体状の改質可能
な燃料と混合し、燃料流を燃料電池に供給することを特
徴とする方法。 ２、気体状の改質可能な燃料を燃料圧力のほうが高い圧
力の状態でジェット・ポンプにより再循環流と混合する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３、気体状の改質可能な燃料が天然ガスであることを特
徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の方
法。 ４、燃料電池に供給する前に、燃料流を触媒充填物に通
すことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項また
は第３項に記載の 方法。 ５、触媒充填物がニッケルであることを特徴とする特許
請求の範囲第４項に記載の方法。 ６、排気流 I の容積が減損燃料流の容積の ２／３至３／４であることを特徴とする特許請求の範囲
第１項乃至第５項の何れかに記載の 方法。 ７、発電装置内部での燃料利用率が約７５％であり、酸
化剤利用率が約２５％であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項乃至第６項の何れかに記載の方法。 ８、減損燃料流 I が一部減損した燃料流の ７５％乃至８５％を占め、減損燃料流IIが一部減損した
燃料流の１５％乃至２５％を占めていることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項乃至第７項の何れかに記載の方
法。 ９、排気流II中の酸化剤の量が１０乃至２０容量％であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第８項の
何れかに記載の方法。 １０、耐火製容器の内部に設けた複数のそれぞれに独立
した燃料電池と、一部減損した燃料流と一部減損した酸
化剤流とを合流させて燃焼させ耐火物製容器から放出さ
れる排気ガスを形成させる燃料室とから成る固体酸化物
燃料電池発電装置であって、発電装置が更に耐火製容器
の内部に設けた混合室と、一部減損した燃料流の一部分
を燃焼室に流入させずに混合室に流入させる手段と、排
気ガスの一部分を混合室に流入させて、一部減損した燃
料流の一部分と混合して再循環流を形成させる手段と、
気体状の改質可能な燃料流を再循環流中に注入する手段
と、再循環流を燃料電池に還流させる手段とを有するこ
とを特徴とする発電装置。 １１、気体状の改質可能な燃料を再循環流中に注入する
手段がジェット・ポンプであることを特徴とする特許請
求の範囲第１０項に記載の発電装置。 １２、混合室が燃焼室と接しており、排気ガスの一部分
を分流させて混合室に流入させる手段が混合室と燃焼室
の間に設けた孔部であることを特徴とする特許請求の範
囲第１０項または第１１項に記載の発電装置。 １３、燃料電池が底部を密閉し鉛直方向に吊下げた管か
ら成り、燃焼室が管の上部にあることを特徴とする特許
請求の範囲第１０項、第１１項または第１２項に記載の
発電装置。
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