JP2011210648A - 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動信頼性及び安全性を高めることができる間接内部改質型固体酸化物燃料電池システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】間接内部改質型ＳＯＦＣシステム１０は、炭化水素系燃料を用いて改質ガスを生成する改質触媒層を有する改質器１と、改質器１で得られる改質ガスを用いて発電するＳＯＦＣ３と、ＳＯＦＣ３から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域４と、改質器１、ＳＯＦＣ３及び燃焼領域４を収容する筐体７と、を具備し、燃焼領域４で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に改質器１が配されている。この間接内部改質型ＳＯＦＣシステム１０は、改質触媒層後段１１ｘを加熱する改質触媒層後段ヒータ２と、改質触媒層後段１１ｘの温度を検知する温度検知手段５と、温度検知手段５で検知された温度に基づき改質触媒層後段ヒータ２の動作を制御するヒータ制御手段６と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、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システム、及びその運転方法に関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）には、灯油や都市ガス等の炭化水素系燃料（改質原料）を改質器で改質して発生させた水素含有ガス（改質ガス）が供給される。そして、ＳＯＦＣは、この改質ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う。このようなＳＯＦＣは、通常、５５０℃〜１０００℃程度の高温で作動される。

改質には、水蒸気改質、部分酸化改質等の種々の反応が利用される。これらの何れの反においても一定以上の温度が必要とされるため、ＳＯＦＣシステムとしては、ＳＯＦＣの近傍（ＳＯＦＣからの熱輻射を受ける位置）に改質器を設置し、ＳＯＦＣからの輻射熱によって改質器を加熱する間接内部改質型のものが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

間接内部改質型ＳＯＦＣシステムでは、可燃分を含有するアノードオフガス（ＳＯＦＣのアノードから排出されるガス）を筐体（モジュール容器）内で燃焼させ、この燃焼熱を熱源として改質器を加熱することが行われている（例えば、特許文献２参照）。また、ＳＯＦＣと改質器との間の燃焼領域内に着火用ヒータを設け、常時通電させることにより、着火信頼性を向上させる場合がある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２−３５８９９７号公報 特開２００４−３１９４２０号公報 特開２００８−２４３５９２号公報

図１は、改質ガス平衡組成の温度依存性を示すグラフである。図１に示すように、改質ガスにおける水素濃度は改質温度に大きく依存しており、改質温度が低いときには水素濃度は低く、改質温度の増大とともに水素濃度は大きく増大する。

この点、間接内部改質型ＳＯＦＣシステムの起動時には、改質器の温度が低くて改質反応が不十分であることや、前述したように改質ガス平衡組成の水素濃度が低いことから、燃焼継続に十分なアノードオフガスを燃焼領域に供給することが困難となり、燃焼領域においてしばしば失火する場合がある。失火すると、モジュールを加熱する熱源がないため、発電開始所定温度までＳＯＦＣを昇温できないことや、失火するアノードオフガス中の一酸化炭素が燃焼領域で燃焼されずに装置外に一酸化炭素のまま排出されるおそれがある。よって、間接内部改質型ＳＯＦＣシステムでは、起動時に燃焼領域での燃焼を継続させ、起動信頼性及び安全性を高めることが求められている。

そこで、本発明は、起動信頼性及び安全性を高めることができる間接内部改質型固体酸化物燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る間接内部改質型固体酸化物燃料電池システムは、炭化水素系燃料を用いて改質ガスを生成する改質触媒層を有する改質器と、改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域と、該改質器、固体酸化物形燃料電池及び燃焼領域を収容する筐体と、を具備し、燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に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システムであって、改質触媒層の後段を加熱する電気ヒータと、改質触媒層の後段の温度を検知する温度検知手段と、温度検知手段で検知された温度に基づいて、電気ヒータの動作を制御するヒータ制御手段と、を備えたことを特徴とする。

この本発明では、起動時において、改質触媒層の後段の温度に基づき電気ヒータの動作が制御されることから、例えば改質触媒層の後段の温度が低い場合、電気ヒータを制御して改質触媒層後段の温度を上昇させることができる。これにより、起動時において、自己熱改質反応、水蒸気改質反応の活性化及び改質ガス平衡組成の水素濃度の増大を図り、失火を防止して燃焼を確実に継続させることができる。特に、改質触媒層後段の温度を高めると、平衡組成の水素濃度を一層高めることができ、失火の頻発を抑制することが可能となる。従って、本発明によれば、起動信頼性及び安全性を高めることが可能となる。

ここで、ヒータ制御手段は、電気ヒータに対する通電量を可変制御可能に構成されている場合がある。

また、本発明に係る間接内部改質型固体酸化物燃料電池システムの運転方法は、ヒータ制御手段を用いて、温度検知手段で検知した温度に基づき電気ヒータに対し通電することにより、改質触媒層の温度を管理する工程を含むことを特徴とする。

この本発明でも、起動時において、失火を防止して燃焼を確実に継続させ、且つ失火の頻発を抑制することができるため、起動信頼性及び安全性を高めることが可能となる。

本発明によれば、起動信頼性及び安全性を高めることが可能となる。

改質触媒層における改質ガス平衡組成の温度依存性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの概要を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

［間接内部改質型ＳＯＦＣシステム］
図２は、本発明の一実施形態に係る間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの概要を示す模式図である。図２に示すように、本実施形態の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システム（以下、「間接内部改質型ＳＯＦＣシステム」という）１０は、改質器１、ＳＯＦＣ３、燃焼領域４及び筐体７を備えている。

改質器１は、炭化水素系燃料から改質ガスを生成するものであり、改質触媒層１１をその内部に有している。改質器１は、ＳＯＦＣ３から受熱可能な位置に配されている。ここでの改質器１は、燃焼領域４で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配されている。この改質器１には、炭化水素系燃料が供給されると共に、必要に応じて空気等の酸素含有ガスや水蒸気も改質器１に供給される。改質器１から得られる改質ガスは、ＳＯＦＣ３のアノードに供給される。

ＳＯＦＣ３は、改質器１で得られる改質ガスを用いて発電を行う。燃焼領域４は、ＳＯＦＣ３のアノードから排出されるアノードオフガスを燃焼させる領域である。換言すると、アノードから排出されるアノードオフガスは、燃焼領域４で燃焼可能とされている。筐体７は、改質器１、ＳＯＦＣ３及び燃焼領域４を収容するモジュール容器である。

また、間接内部改質型ＳＯＦＣシステム１０は、改質触媒層後段ヒータ２、温度検知手段５及びヒータ制御手段６をさらに備えている。改質触媒層後段ヒータ２は、改質器１に充填された改質触媒層１１の後半部分、すなわち改質器１の出口付近を構成する改質触媒層後段１１ｘを加熱する。

温度検知手段５は、改質触媒層後段１１ｘの温度を検知するものであり、改質器１において改質ガスの出口付近に設けられている。温度検知手段５としては、改質触媒層後段１１ｘの温度を検知できるものであれば、例えば熱電対等の公知の温度センサを適宜用いることができる。

ヒータ制御手段６は、温度検知手段５で検知された温度に基づいて改質触媒層後段ヒータ２に通電することで、改質触媒層後段ヒータ２の動作を制御する。これにより、改質触媒層後段１１ｘの温度を上昇させ、自己熱改質反応、水蒸気改質反応の活性化及び改質ガス平衡組成の水素濃度の増大を図り、燃焼継続の信頼性を向上させることが可能とされる。

改質触媒層後段ヒータ２は、改質触媒層後段１１ｘの温度を４５０℃以上、特に５００℃以上にすることが好ましい。改質触媒層後段１１ｘの温度が４５０℃未満では、平衡組成における水素濃度が低いため、ＳＯＦＣ３上部の燃焼領域４において、失火が頻発する可能性がある。

ここでの改質触媒層後段ヒータ２としては、棒状のヒータ（例えばシースヒータ等）が用いられている。改質触媒層後段ヒータ２は、その軸方向が改質器１内部にて改質ガスの流路と平行となるように設置されている。このように、改質触媒層後段ヒータ２を改質器１内部に設置することで、改質触媒層後段ヒータ２の発熱の略全てを改質触媒層１１に与えることができ、熱のロスを少なくすることが可能となる。これと共に、燃焼領域４の火炎に改質触媒層後段ヒータ２が直接さらされることはなくなるため、その過昇温を防止でき、改質触媒層後段ヒータ２の低コスト化及び長寿命化も可能となる。

また、改質触媒層後段ヒータ２の発熱部は、改質器１において改質ガス出口側の端に対し少し手前側（改質ガス入口側）に位置している。これにより、改質ガスの流れによる熱輸送を好適に利用でき、より高効率な改質触媒層後段１１ｘの温度上昇を図ることができる。

このヒータ制御手段６は、改質触媒層後段ヒータ２への通電をオンオフ制御すると共に、この通電量を可変制御可能とする。可変制御では、具体的には、温度検知手段５により検知された改質触媒層後段１１ｘの温度がヒータ制御手段６に信号として送られ、そして、ヒータ制御手段６は、この信号を利用して改質触媒層後段ヒータ２の通電量を制御する。このような可変制御によって、改質器１の負荷量の変化や外乱に対して随意対応でき、また、改質触媒層後段ヒータ２の電力消費量を削減できる。

ヒータ制御手段６としては、ＳＯＦＣ３若しくは間接内部改質型ＳＯＦＣシステム１０において、制御に用いられる公知の制御手段を適宜用いることができる。ここでは、ヒータ制御手段６として、制御用コンピュータ、シーケンサ又はインバータ等が用いられている。

［炭化水素系燃料］
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料としてＳＯＦＣ分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む（酸素等の他の元素を含んでもよい）化合物若しくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類等の分子中に炭素及び水素を有する化合物を用いることができる。例えば、炭化水素系燃料としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等が挙げられる。

なかでも灯油やＬＰＧは、入手容易であり好ましい。また、灯油やＬＰＧは、独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。さらに、灯油やＬＰＧを利用したＳＯＦＣ３は、非常用電源として有用である。特に、取り扱いも容易である点で、灯油がより好ましい。

改質原料として用いる炭化水素系燃料は、必要に応じて脱硫した上で改質器１に供給することができる。また、炭化水素系燃料が液体である場合には、適宜気化した上で改質器１に供給することができる。

［改質器］
改質器１は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを生成（製造）する。改質器１においては、水蒸気改質、部分酸化改質、及び水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴う自己熱改質のいずれを行ってもよい。

改質器１には、水蒸気改質能を有する水蒸気改質触媒、部分酸化改質能を有する部分酸化改質触媒、部分酸化改質能と水蒸気改質能とを併せ持つ自己熱改質触媒を適宜用いることができる。改質器１の構造は、改質器として公知の構造を適宜採用できる。例えば、密閉可能な容器内に改質触媒を収容する領域を有し、改質に必要な流体の導入口と改質ガスの排出口を有する構造とすることができる。

改質器１の材質は、改質器として公知の材質から、使用環境における耐性を考慮して適宜選んで採用できる。改質器１の形状は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。改質器１（改質触媒層１１）には、炭化水素系燃料（必要に応じて予め気化される）及び水蒸気、さらに必要に応じて空気等の酸素含有ガスをそれぞれ単独で、若しくは適宜混合した上で供給することができる。

改質器１から得られる改質ガスは、ＳＯＦＣ３のアノードに供給される。一方、ＳＯＦＣ３のカソードには空気などの酸素含有ガスが供給される。発電時には、発電に伴いＳＯＦＣ３が発熱し、その熱がＳＯＦＣ３から改質器１へと、輻射伝熱等により伝わる。このようにＳＯＦＣ３における排熱は、改質器１を加熱するために利用される。ガスの取り合い等は、配管等が適宜用いられる。

［ＳＯＦＣ］
ＳＯＦＣ３としては、公知のＳＯＦＣを適宜採用できる。ＳＯＦＣ３では、一般的に、酸素イオン導電性セラミックス若しくはプロトン導電性セラミックスが電解質として利用される。

ＳＯＦＣ３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（円筒型の場合はバンドルと呼ばれることもあるが、ここでのスタックにはバンドルも含む）が好ましいとして用いられる。この場合、スタックは１つでも複数でもよい。ＳＯＦＣ３の形状は、立方体状スタックに限らず、適宜の形状を採用できる。

［筐体］
筐体７としては、ＳＯＦＣ３、改質器１及び燃焼領域４を収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼等、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。筐体７には、ガスの取り合い等のために、接続口が適宜設けられる。

この筐体７は、その内部と外界（大気）とが連通しないように気密性を有することが好ましい。

［燃焼領域］
燃焼領域４は、ＳＯＦＣ３のアノードから排出されるアノードオフガスが燃焼ガスとして燃焼される領域である。例えば、アノード出口を筐体７内の改質器１側に開放し、改質器１とＳＯＦＣ３との間におけるアノード出口近傍の空間を燃焼領域４とすることができる。なお、アノードオフガスを燃焼させるためには、イグナイター等の着火手段を適宜用いることができる。

［改質器の配置］
間接内部改質型ＳＯＦＣシステム１０では、改質器１がＳＯＦＣ３から受熱可能な位置に配置されている。ここでは、筐体７内においてＳＯＦＣ３の上部に該ＳＯＦＣ３に対向するよう設けられている。特に、改質器１は、ＳＯＦＣ３の熱輻射を最も受ける位置に改質器を置くことが熱エネルギーロス低減の観点から好ましい。また、燃焼領域４と改質器１の間には、遮蔽物を配置しないことが好ましい。つまり、燃焼領域４と改質器１とが、遮蔽物を挟むことなく対向することが好ましい。但し、必要な配管等は適宜配置される。さらにまた、改質器１と燃焼領域４とを、できるだけ近い位置に配することが好ましい。

［改質触媒］
改質器１の改質触媒１１として用いることのできる水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒、自己熱改質触媒の何れについても、公知な非貴金属若しくは貴金属改質触媒を用いることができる。

［他の機器］
間接内部改質型ＳＯＦＣシステム１０の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体的には、液体を気化させる気化器、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するための（或いは、流体の流れを遮断／切り替えるための）バルブ等の流量調節手段や流路遮断／切替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチーム等で各種機器を外熱する加熱／保温手段、炭化水素系燃料や燃焼用燃料の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統、燃料中の硫黄分濃度を低減する脱硫器等が挙げられる。

以上のように構成された本実施形態の間接内部改質型ＳＯＦＣシステム１０では、例えば起動時において、炭化水素系燃料、空気及び水蒸気が改質器１に供給され、改質器１により改質ガスが生成されてＳＯＦＣ３へ供給される。そして、アノードオフガス及び空気がＳＯＦＣ３から燃焼領域４に供給されて該燃焼領域４にて燃焼され、この燃焼熱を熱源に改質器１が加熱される。その後、燃焼領域４の排ガスが外部へ排気される。

このとき、温度検知手段５によって改質触媒層後段１１ｘの温度が検知され、改質触媒層後段１１ｘの温度が監視される。そして、この改質触媒層後段１１ｘの温度に基づいて、改質触媒層後段ヒータ２がヒータ制御手段６によってオンオフ制御され、又はその通電量が可変制御（電流値可変制御）される。その結果、起動時に改質触媒層後段１１ｘの温度が低い場合、改質触媒層後段ヒータ２によって改質触媒層後段１１ｘの温度が上昇され、かかる温度が例えば４５０℃（４５０℃以上）に維持されることとなる。換言すると、温度検知手段５で検知した温度に基づき改質触媒層後段ヒータ２が通電され、改質触媒層１１の温度が管理されることとなる。

従って、本実施形態では、起動時において、自己熱改質反応、水蒸気改質反応の活性化及び改質ガス平衡組成の水素濃度の増大を図り、失火を防止して燃焼を確実に継続させることができる。特に、改質触媒層後段１１ｘの温度を高めると、平衡組成の水素濃度を一層高めることができ、失火の頻発を抑制することが可能となる。その結果、発電開始所定温度までＳＯＦＣ３を確実に昇温できると共に、アノードオフガス中の一酸化炭素が外部に一酸化炭素のまま排出されるのを防止することが可能となる。従って、本実施形態によれば、起動信頼性及び安全性を高めることが可能となる。

なお、改質触媒層後段１１ｘの温度が４５０℃以上あれば、燃焼継続のための水素が十分供給できていると考えられるため、本実施形態では、改質触媒層後段１１ｘの温度が例えば４５０℃となるように改質触媒層後段ヒータ２を制御したが、これに限定されるものではない。制御目標となる改質触媒層後段１１ｘの温度は、改質器１の構造、触媒性能、原燃料種及び空燃比等の少なくとも１つに応じて種々の温度に設定してもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る間接内部改質型固体酸化物燃料電池システム及びその運転方法は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

１…改質器、２…改質触媒層後段ヒータ（電気ヒータ）、３…ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）、４…燃焼領域、５…温度検知手段、６…ヒータ制御手段、７…筐体、１０…間接内部改質型ＳＯＦＣシステム（間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システム）、１１…改質触媒層、１１ｘ…改質触媒層後段（改質触媒層の後段）。

Claims (3)

1. 炭化水素系燃料を用いて改質ガスを生成する改質触媒層を有する改質器と、
   前記改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼させる燃焼領域と、
   前記該改質器、前記固体酸化物形燃料電池及び前記燃焼領域を収容する筐体と、を具備し、前記燃焼領域で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に前記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システムであって、
   前記改質触媒層の後段を加熱する電気ヒータと、
   前記改質触媒層の後段の温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段で検知された温度に基づいて、前記電気ヒータの動作を制御するヒータ制御手段と、を備えたことを特徴とする間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記ヒータ制御手段は、前記電気ヒータに対する通電量を可変制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の固体酸化物形燃料電池システムを起動するための運転方法であって、
   前記ヒータ制御手段を用いて、前記温度検知手段で検知した温度に基づき前記電気ヒータに対し通電することにより、前記改質触媒層の温度を管理する工程を含むことを特徴とする間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。

Images