JP2003115307A - 固体電解質型燃料電池の内部改質器 - Google Patents
固体電解質型燃料電池の内部改質器Info
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- JP2003115307A JP2003115307A JP2001309913A JP2001309913A JP2003115307A JP 2003115307 A JP2003115307 A JP 2003115307A JP 2001309913 A JP2001309913 A JP 2001309913A JP 2001309913 A JP2001309913 A JP 2001309913A JP 2003115307 A JP2003115307 A JP 2003115307A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 内部改質器とSOFCセルとを備えるSOF
Cにおいて、SOFCセルから内部改質器への不均一な
熱伝導量を防止し、SOFCセルおよび内部改質器に温
度差が生じることを抑制しうるSOFCを提供する。 【解決手段】 固体電解質型燃料電池セル(1)と、前
記固体電解質型燃料電池セルに隣接して配置される、内
部に改質触媒を有する内部改質器(3)と、前記固体電
解質型燃料電池セル(1)と前記内部改質器(3)との
間の熱伝導量を調整する熱伝導量調整手段(5)と、を
有する固体電解質型燃料電池を用いることによって上記
課題の解決が可能である。調整手段(5)としては、壁
部の厚さや熱伝導率が変化してなる内部改質器(3)や
固体電解質型燃料電池セル(1)などを用いることが可
能である。
Cにおいて、SOFCセルから内部改質器への不均一な
熱伝導量を防止し、SOFCセルおよび内部改質器に温
度差が生じることを抑制しうるSOFCを提供する。 【解決手段】 固体電解質型燃料電池セル(1)と、前
記固体電解質型燃料電池セルに隣接して配置される、内
部に改質触媒を有する内部改質器(3)と、前記固体電
解質型燃料電池セル(1)と前記内部改質器(3)との
間の熱伝導量を調整する熱伝導量調整手段(5)と、を
有する固体電解質型燃料電池を用いることによって上記
課題の解決が可能である。調整手段(5)としては、壁
部の厚さや熱伝導率が変化してなる内部改質器(3)や
固体電解質型燃料電池セル(1)などを用いることが可
能である。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内部改質器を備え
た固体電解質型燃料電池に関し、より詳しくは、内部改
質器と固体電解質型燃料電池セルとの間の熱授受を最適
化し、固体電解質型燃料電池セルの性能や耐久性に優れ
る固体電解質型燃料電池に関する。
た固体電解質型燃料電池に関し、より詳しくは、内部改
質器と固体電解質型燃料電池セルとの間の熱授受を最適
化し、固体電解質型燃料電池セルの性能や耐久性に優れ
る固体電解質型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池(Solid O
xide Fuel Cell:以下「SOFC」とも
記載)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアな
どの酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面に
多孔性電極を取り付け、これを隔壁として一方の側に燃
料ガス、他方の側にSOFC用酸化剤(空気、酸素等)
を供給し、約1000℃で動作する燃料電池である。燃
料ガスとしては、通常、天然ガスなどの炭化水素系燃料
が使用され、水蒸気改質反応を用いてH2およびCOに
富むガスに改質される。
xide Fuel Cell:以下「SOFC」とも
記載)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアな
どの酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面に
多孔性電極を取り付け、これを隔壁として一方の側に燃
料ガス、他方の側にSOFC用酸化剤(空気、酸素等)
を供給し、約1000℃で動作する燃料電池である。燃
料ガスとしては、通常、天然ガスなどの炭化水素系燃料
が使用され、水蒸気改質反応を用いてH2およびCOに
富むガスに改質される。
【0003】この水蒸気改質を行う方法としては、外部
改質器を用いてSOFCの外部で水蒸気改質を行う方
法、内部改質器を用いてSOFCの内部で水蒸気改質を
行う方法がある。このうち、外部改質器を用いる方法
は、水蒸気改質反応に要する熱量および水蒸気を何ら
かの手段で確保する必要がある、外部改質器および外
部改質器とSOFCとの連結用導管からの熱ロスにより
エネルギー損失が生じる、などの問題があり、システム
が高価かつ複雑なものとなってしまう。
改質器を用いてSOFCの外部で水蒸気改質を行う方
法、内部改質器を用いてSOFCの内部で水蒸気改質を
行う方法がある。このうち、外部改質器を用いる方法
は、水蒸気改質反応に要する熱量および水蒸気を何ら
かの手段で確保する必要がある、外部改質器および外
部改質器とSOFCとの連結用導管からの熱ロスにより
エネルギー損失が生じる、などの問題があり、システム
が高価かつ複雑なものとなってしまう。
【0004】一方、内部改質器を用いる方法は、上記問
題点を解決し得るものであることからSOFCへの適用
が期待され、各種研究開発が行われている。例えば、特
開平4−334871号公報には、内部に改質触媒が配
置された中空の仕切り手段を内部改質器として使用し、
これをSOFCセルの側面に設置した構成のSOFCが
開示されている。該SOFCは、SOFCセルの側面に
内部改質器が設置された構成を有するため、SOFCセ
ルと内部改質器との間での熱交換が促進され、SOFC
セルから発せられる熱エネルギーが有効に利用される。
題点を解決し得るものであることからSOFCへの適用
が期待され、各種研究開発が行われている。例えば、特
開平4−334871号公報には、内部に改質触媒が配
置された中空の仕切り手段を内部改質器として使用し、
これをSOFCセルの側面に設置した構成のSOFCが
開示されている。該SOFCは、SOFCセルの側面に
内部改質器が設置された構成を有するため、SOFCセ
ルと内部改質器との間での熱交換が促進され、SOFC
セルから発せられる熱エネルギーが有効に利用される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
内部改質器を備えたSOFCにおいては、内部改質器と
SOFCセルとの間の熱伝導量に関しては特に考慮され
ていなかった。このため、従来のSOFCを用いると以
下の問題が生じていた。この問題について図6を参照し
ながら説明する。
内部改質器を備えたSOFCにおいては、内部改質器と
SOFCセルとの間の熱伝導量に関しては特に考慮され
ていなかった。このため、従来のSOFCを用いると以
下の問題が生じていた。この問題について図6を参照し
ながら説明する。
【0006】図6は、SOFCセル(101)と内部改
質器(103)との熱伝導を示す模式図である。内部改
質器(103)における水蒸気改質反応は、メタンおよ
びエタン(天然ガス)を用いた場合について例示する
と、下記式(I)〜(II):
質器(103)との熱伝導を示す模式図である。内部改
質器(103)における水蒸気改質反応は、メタンおよ
びエタン(天然ガス)を用いた場合について例示する
と、下記式(I)〜(II):
【0007】
【化1】
【0008】で表される。水蒸気改質反応は吸熱反応で
あり、反応に必要な熱は隣接する高温のSOFCセル
(101)から供給される。一般に、水蒸気改質反応の
進行は、燃料成分への熱伝達と改質触媒の温度とによっ
て規定され、主には内部改質器(103)に充填された
触媒への熱伝導、内部改質器(103)の内壁面の温度
に主に支配されている。このとき、内部改質器(10
3)とSOFCセル(101)との間で何ら熱伝導量の
制御がされていない場合であっても、内部改質器(10
3)中の燃料の流れ方向に関して、SOFCからの一定
の入熱量と水蒸気改質の吸熱量とのバランスが保たれて
いる場合には、SOFCセルには殆ど温度分布が生じな
い。しかしながら、SOFCからの入熱量が一定である
のに対し、水蒸気改質の吸熱量がアンバランスである場
合には、SOFCセルに大きな温度分布が生じる。
あり、反応に必要な熱は隣接する高温のSOFCセル
(101)から供給される。一般に、水蒸気改質反応の
進行は、燃料成分への熱伝達と改質触媒の温度とによっ
て規定され、主には内部改質器(103)に充填された
触媒への熱伝導、内部改質器(103)の内壁面の温度
に主に支配されている。このとき、内部改質器(10
3)とSOFCセル(101)との間で何ら熱伝導量の
制御がされていない場合であっても、内部改質器(10
3)中の燃料の流れ方向に関して、SOFCからの一定
の入熱量と水蒸気改質の吸熱量とのバランスが保たれて
いる場合には、SOFCセルには殆ど温度分布が生じな
い。しかしながら、SOFCからの入熱量が一定である
のに対し、水蒸気改質の吸熱量がアンバランスである場
合には、SOFCセルに大きな温度分布が生じる。
【0009】吸熱反応である水蒸気改質反応に必要な熱
量は、隣接するSOFCセル(101)から供給される
が、SOFCセル(101)から内部改質器(103)
に充填された触媒への伝熱は、発電反応後の燃料による
対流よりも、SOFCセル(101)からの輻射に大き
く影響される。これは、通常、SOFCセル(101)
を流れる改質燃料は緩やかな層流であり、流量も少量な
ためである。従って、内部改質器(103)における水
蒸気改質反応の吸熱量とSOFCセルからの入熱量が、
内部改質器(103)中の燃料の流れ方向に関してアン
バランスである場合には、隣接するSOFCセル(10
1)からの吸熱量も不均一なものとなる。例えば、内部
改質器(103)への燃料供給口(105)側で水蒸気
改質が盛んに進行する場合には、図6に示すように、燃
料供給口(105)側でSOFCセル(101)からの
熱伝導量が多くなり、逆に、燃料排出口(107)側で
はSOFCセル(101)からの熱伝導量が少なくな
る。このように、SOFCセル(101)からの熱伝導
量が異なると、SOFCセル(101)に例えば100
℃前後もの大きな温度分布が生じることになる。図6に
示すケースにおいては、燃料供給口(105)側のSO
FCセル温度が、燃料排出口(107)側のSOFCセ
ル温度よりも低くなる。
量は、隣接するSOFCセル(101)から供給される
が、SOFCセル(101)から内部改質器(103)
に充填された触媒への伝熱は、発電反応後の燃料による
対流よりも、SOFCセル(101)からの輻射に大き
く影響される。これは、通常、SOFCセル(101)
を流れる改質燃料は緩やかな層流であり、流量も少量な
ためである。従って、内部改質器(103)における水
蒸気改質反応の吸熱量とSOFCセルからの入熱量が、
内部改質器(103)中の燃料の流れ方向に関してアン
バランスである場合には、隣接するSOFCセル(10
1)からの吸熱量も不均一なものとなる。例えば、内部
改質器(103)への燃料供給口(105)側で水蒸気
改質が盛んに進行する場合には、図6に示すように、燃
料供給口(105)側でSOFCセル(101)からの
熱伝導量が多くなり、逆に、燃料排出口(107)側で
はSOFCセル(101)からの熱伝導量が少なくな
る。このように、SOFCセル(101)からの熱伝導
量が異なると、SOFCセル(101)に例えば100
℃前後もの大きな温度分布が生じることになる。図6に
示すケースにおいては、燃料供給口(105)側のSO
FCセル温度が、燃料排出口(107)側のSOFCセ
ル温度よりも低くなる。
【0010】このようにSOFCセル(101)におい
て大きな温度分布が生じた場合、SOFCセル(10
1)の表面温度が低い部分においては、発電効率が低下
する問題がある。特に、発電性能に関しては劇的な影響
を及ぼす。また、内部改質器(103)への熱伝導量が
少ない部分のSOFCセル表面温度が必要以上に上昇す
る恐れがあり、過熱により電池寿命が短くなる。
て大きな温度分布が生じた場合、SOFCセル(10
1)の表面温度が低い部分においては、発電効率が低下
する問題がある。特に、発電性能に関しては劇的な影響
を及ぼす。また、内部改質器(103)への熱伝導量が
少ない部分のSOFCセル表面温度が必要以上に上昇す
る恐れがあり、過熱により電池寿命が短くなる。
【0011】一方、内部改質器(103)に関しても、
上述の不均一な熱伝導は悪影響を及ぼす。即ち、図6に
示すような水蒸気改質状況下においては、大部分の燃料
は燃料供給口(105)側で改質され、燃料排出口(1
07)側の改質触媒は、水蒸気改質に利用される割合が
減少しており、水蒸気改質反応に伴う吸熱が生じない。
このため、シンタリングするほどの高温に改質触媒が加
熱され、耐久性が低下する恐れがある。
上述の不均一な熱伝導は悪影響を及ぼす。即ち、図6に
示すような水蒸気改質状況下においては、大部分の燃料
は燃料供給口(105)側で改質され、燃料排出口(1
07)側の改質触媒は、水蒸気改質に利用される割合が
減少しており、水蒸気改質反応に伴う吸熱が生じない。
このため、シンタリングするほどの高温に改質触媒が加
熱され、耐久性が低下する恐れがある。
【0012】上述事項に鑑みて本発明は完成されたもの
であり、内部改質器とSOFCセルとを備えるSOFC
において、SOFCセルから内部改質器への不均一な熱
伝導量を抑制し、SOFCセルおよび内部改質器に温度
差が生じることを抑制しうるSOFCを提供することを
目的とする。
であり、内部改質器とSOFCセルとを備えるSOFC
において、SOFCセルから内部改質器への不均一な熱
伝導量を抑制し、SOFCセルおよび内部改質器に温度
差が生じることを抑制しうるSOFCを提供することを
目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために鋭意検討したところ、SOFCセルと
内部改質器との間に、SOFCセルから内部改質器への
熱伝導量を調整しうる熱伝導量調整手段を設けることに
よって、SOFCセルから内部改質器への熱伝導量を好
適に制御でき、SOFCセルおよび内部改質器に温度差
が生じることを抑制しうることに着目し完成されたもの
である。本発明の具体的構成は以下の通りである。
を解決するために鋭意検討したところ、SOFCセルと
内部改質器との間に、SOFCセルから内部改質器への
熱伝導量を調整しうる熱伝導量調整手段を設けることに
よって、SOFCセルから内部改質器への熱伝導量を好
適に制御でき、SOFCセルおよび内部改質器に温度差
が生じることを抑制しうることに着目し完成されたもの
である。本発明の具体的構成は以下の通りである。
【0014】本発明は、固体電解質型燃料電池セルと、
前記固体電解質型燃料電池セルに隣接して配置される、
内部に改質触媒を有する内部改質器と、前記固体電解質
型燃料電池セルと前記内部改質器との間の熱伝導量を調
整する熱伝導量調整手段と、を有する固体電解質型燃料
電池である。
前記固体電解質型燃料電池セルに隣接して配置される、
内部に改質触媒を有する内部改質器と、前記固体電解質
型燃料電池セルと前記内部改質器との間の熱伝導量を調
整する熱伝導量調整手段と、を有する固体電解質型燃料
電池である。
【0015】前記熱伝導量調整手段は、前記内部改質器
における前記固体電解質型燃料電池セルに隣接する壁部
の厚みまたは熱伝導率の少なくとも一方を変化させたも
のであることが好ましい。
における前記固体電解質型燃料電池セルに隣接する壁部
の厚みまたは熱伝導率の少なくとも一方を変化させたも
のであることが好ましい。
【0016】また、前記熱伝導量調整手段は、前記固体
電解質型燃料電池セルと前記内部改質器との間に配置さ
れた断熱部材であってもよい。
電解質型燃料電池セルと前記内部改質器との間に配置さ
れた断熱部材であってもよい。
【0017】また、前記熱伝導量調整手段は、前記内部
改質器中の燃料の流れ方向に変化してなることが好まし
い。
改質器中の燃料の流れ方向に変化してなることが好まし
い。
【0018】また、前記固体電解質型燃料電池セルは円
筒型固体電解質型燃料電池セルであり、前記内部改質器
は内部に改質触媒を有する金属筒からなり、前記固体電
解質型燃料電池セルの長手方向と前記内部改質器の長手
方向とが平行であることが好ましい。
筒型固体電解質型燃料電池セルであり、前記内部改質器
は内部に改質触媒を有する金属筒からなり、前記固体電
解質型燃料電池セルの長手方向と前記内部改質器の長手
方向とが平行であることが好ましい。
【0019】また、前記内部改質器における燃料用流路
の燃料供給口側が中空であることが好ましい。
の燃料供給口側が中空であることが好ましい。
【0020】さらに、前記内部改質器における燃料用流
路にフィンが設けられてなることが好ましい。
路にフィンが設けられてなることが好ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づき説明
する。図1は、内部改質器(3)によって改質されたS
OFC用燃料(7)および酸化剤(17)を用いて、S
OFCセル(1)において発電が行われる本発明のSO
FCの第一の実施形態である。図中に記載されたその他
の番号は、5は熱伝導量調整手段であり、7は燃料であ
り、9はエジェクターであり、11はリサイクル室であ
り、13は予備改質室であり、15は燃料室であり、1
7は酸化剤であり、19は空気室であり、21は導入管
であり、23は多孔質壁であり、25は燃焼室であり、
27は燃焼排ガスであり、29はハウジングケースであ
る。
する。図1は、内部改質器(3)によって改質されたS
OFC用燃料(7)および酸化剤(17)を用いて、S
OFCセル(1)において発電が行われる本発明のSO
FCの第一の実施形態である。図中に記載されたその他
の番号は、5は熱伝導量調整手段であり、7は燃料であ
り、9はエジェクターであり、11はリサイクル室であ
り、13は予備改質室であり、15は燃料室であり、1
7は酸化剤であり、19は空気室であり、21は導入管
であり、23は多孔質壁であり、25は燃焼室であり、
27は燃焼排ガスであり、29はハウジングケースであ
る。
【0022】まず、SOFCを用いた発電反応について
簡単に説明する。
簡単に説明する。
【0023】SOFCには、発電に用いられるSOFC
用燃料(7)が供給される。なお、以下の説明において
は、特に説明がない限り、「燃料」とは「SOFC用燃
料」を意味するものである。燃料(7)は、メタン、エ
タン、プロパンなど各種の炭化水素系燃料を用いること
ができるが、特にこれらに限定されるものではない。燃
料(7)の供給は、燃料供給装置(図示せず)に設けら
れた弁などを用いて制御することができ、燃料(7)の
供給量はSOFCの運転状況、SOFCの規模に応じて
決定される。燃料供給装置には各種改良を加えても良
く、例えば脱硫器や加湿器を設けることができる。脱硫
器を設けた場合、SOFCセルや改質器に設置された触
媒が、燃料(7)中に含まれる硫黄によって被毒するこ
とを抑制できる。また、加湿器を設けた場合、燃料
(7)の改質に十分な量の水蒸気を含ませることができ
る。
用燃料(7)が供給される。なお、以下の説明において
は、特に説明がない限り、「燃料」とは「SOFC用燃
料」を意味するものである。燃料(7)は、メタン、エ
タン、プロパンなど各種の炭化水素系燃料を用いること
ができるが、特にこれらに限定されるものではない。燃
料(7)の供給は、燃料供給装置(図示せず)に設けら
れた弁などを用いて制御することができ、燃料(7)の
供給量はSOFCの運転状況、SOFCの規模に応じて
決定される。燃料供給装置には各種改良を加えても良
く、例えば脱硫器や加湿器を設けることができる。脱硫
器を設けた場合、SOFCセルや改質器に設置された触
媒が、燃料(7)中に含まれる硫黄によって被毒するこ
とを抑制できる。また、加湿器を設けた場合、燃料
(7)の改質に十分な量の水蒸気を含ませることができ
る。
【0024】SOFCに供給された燃料(7)は、エジ
ェクター(9)によってリサイクル室(11)から吸引
された残存燃料(発電に使用されなかった燃料)と混合
され、予備改質室(13)に供給される。
ェクター(9)によってリサイクル室(11)から吸引
された残存燃料(発電に使用されなかった燃料)と混合
され、予備改質室(13)に供給される。
【0025】予備改質室(13)では、通常、供給され
た燃料のうち炭素原子数2個以上の炭化水素系燃料が主
に断熱改質され、断熱改質された燃料はSOFCセル
(1)に隣接する内部改質器(3)に供給される。内部
改質器(3)が複数設けられてなる場合には、各内部改
質器(3)それぞれに燃料が供給される。改質に必要と
なる水蒸気は、エジェクター(9)を用いた残存燃料の
リサイクルによって供給できる他、前述の加湿器によっ
て供給できる。改質反応を十分に進行させるには、S/
C(水蒸気モル数/炭化水素炭素モル数)が2.5以上
となるように水蒸気を供給するとよい。内部改質器
(3)では、上記式(I)〜(II)に示す水蒸気改質反
応によって、燃料の改質が行われる。なお、内部改質器
(3)において、点画状に示されている部分は触媒が充
填されている部分を指す。
た燃料のうち炭素原子数2個以上の炭化水素系燃料が主
に断熱改質され、断熱改質された燃料はSOFCセル
(1)に隣接する内部改質器(3)に供給される。内部
改質器(3)が複数設けられてなる場合には、各内部改
質器(3)それぞれに燃料が供給される。改質に必要と
なる水蒸気は、エジェクター(9)を用いた残存燃料の
リサイクルによって供給できる他、前述の加湿器によっ
て供給できる。改質反応を十分に進行させるには、S/
C(水蒸気モル数/炭化水素炭素モル数)が2.5以上
となるように水蒸気を供給するとよい。内部改質器
(3)では、上記式(I)〜(II)に示す水蒸気改質反
応によって、燃料の改質が行われる。なお、内部改質器
(3)において、点画状に示されている部分は触媒が充
填されている部分を指す。
【0026】内部改質器(3)の内部には、水蒸気改質
のための改質触媒が設けられている。内部改質器(3)
の構造は、特に限定されるものではなく、各種公知の装
置を用いることができる。内部に改質触媒を有する金属
筒を用いる場合、使用される金属材料としては、ステン
レス、インコネル、Ni材などが挙げられる。改質用触
媒も通常使用される改質触媒を用いることができ、Ni
系触媒、Pt−Ni系触媒、Pd−Zn系触媒、Cu−
Zn系触媒などが挙げられる。具体的には、球形やリシ
ヒリングの改質触媒を内部改質器(3)の内部に充填し
たり、繊維状の改質触媒やフェルト状の改質触媒を内部
改質器(3)の壁面に設置したりすることができる。
のための改質触媒が設けられている。内部改質器(3)
の構造は、特に限定されるものではなく、各種公知の装
置を用いることができる。内部に改質触媒を有する金属
筒を用いる場合、使用される金属材料としては、ステン
レス、インコネル、Ni材などが挙げられる。改質用触
媒も通常使用される改質触媒を用いることができ、Ni
系触媒、Pt−Ni系触媒、Pd−Zn系触媒、Cu−
Zn系触媒などが挙げられる。具体的には、球形やリシ
ヒリングの改質触媒を内部改質器(3)の内部に充填し
たり、繊維状の改質触媒やフェルト状の改質触媒を内部
改質器(3)の壁面に設置したりすることができる。
【0027】燃料の水蒸気改質にあたっては、SOFC
セル(1)から水蒸気改質に必要な熱量が供給される。
熱量の供給は、SOFCセル(1)と内部改質器(3)
との間の輻射伝熱やSOFCセル(1)の外周を流れる
燃料による対流伝熱によって行われる。なお、SOFC
セル(1)から内部改質器(3)への熱伝導について
は、後で詳細に説明する。
セル(1)から水蒸気改質に必要な熱量が供給される。
熱量の供給は、SOFCセル(1)と内部改質器(3)
との間の輻射伝熱やSOFCセル(1)の外周を流れる
燃料による対流伝熱によって行われる。なお、SOFC
セル(1)から内部改質器(3)への熱伝導について
は、後で詳細に説明する。
【0028】内部改質器(3)によって燃料はH2およ
びCOに富む改質ガスに改質され、この改質ガスは燃料
室(15)に供給される。改質されたSOFC用燃料
は、通常550〜850℃程度の高温ガスである。燃料
室(15)に供給された改質ガスは均等分配され、SO
FCセル(1)の外周に供給される。なお、以下の説明
においては、固体電解質膜を介して外側の燃料極と内側
の空気極とが積層されてなる、一般的な円筒型SOFC
セルを用いた場合について説明する。
びCOに富む改質ガスに改質され、この改質ガスは燃料
室(15)に供給される。改質されたSOFC用燃料
は、通常550〜850℃程度の高温ガスである。燃料
室(15)に供給された改質ガスは均等分配され、SO
FCセル(1)の外周に供給される。なお、以下の説明
においては、固体電解質膜を介して外側の燃料極と内側
の空気極とが積層されてなる、一般的な円筒型SOFC
セルを用いた場合について説明する。
【0029】一方、SOFCには650℃前後のSOF
C用酸化剤(17)が供給される。SOFC用酸化剤
(17)は酸素を含んでいれば特に制限はなく、空気、
酸素ガス、酸素ガスの混入により酸素濃度を調整した高
酸素ガスなどを用いることができる。ただし、設備コス
トを考慮すると空気が好ましい。SOFC用酸化剤(1
7)はSOFC用酸化剤供給装置(図示せず)を用いて
供給でき、SOFC用酸化剤供給装置としてはブロワ等
の公知手段を用いればよい。また、SOFC用酸化剤
(17)は、SOFCに供給される前に、ヒーター、バ
ーナー等の手段で加熱することができる。
C用酸化剤(17)が供給される。SOFC用酸化剤
(17)は酸素を含んでいれば特に制限はなく、空気、
酸素ガス、酸素ガスの混入により酸素濃度を調整した高
酸素ガスなどを用いることができる。ただし、設備コス
トを考慮すると空気が好ましい。SOFC用酸化剤(1
7)はSOFC用酸化剤供給装置(図示せず)を用いて
供給でき、SOFC用酸化剤供給装置としてはブロワ等
の公知手段を用いればよい。また、SOFC用酸化剤
(17)は、SOFCに供給される前に、ヒーター、バ
ーナー等の手段で加熱することができる。
【0030】酸化剤(17)は、まず空気室(19)に
供給され、空気室(19)から導入管(21)を介して
SOFCセル(1)の内側に供給される。空気室(1
9)からSOFCセル(1)の内側に供給される過程に
おいて、酸化剤(17)は後述する燃焼室(25)の作
用によってさらに加温される。
供給され、空気室(19)から導入管(21)を介して
SOFCセル(1)の内側に供給される。空気室(1
9)からSOFCセル(1)の内側に供給される過程に
おいて、酸化剤(17)は後述する燃焼室(25)の作
用によってさらに加温される。
【0031】SOFCセル(1)の内側(空気極側)に
供給された酸化剤のうち、一部の酸素がSOFCセル
(1)内側の空気極を通過し、酸素イオンの状態でさら
に固体電解質膜を通過し、SOFCセル(1)の外側の
燃料極に到達する。酸素イオンは、SOFCセル(1)
の外側(燃料極側)に供給されたH2およびCOと化学
反応してH2OおよびCO2を生成する。このとき化学エ
ネルギーが電気エネルギーに変換される、即ち発電が行
われる。また、化学エネルギーのうち電気エネルギーに
変換されなかった部分は、熱エネルギーとなる。この発
電反応は、通常は900〜1000℃の範囲で進行させ
る。
供給された酸化剤のうち、一部の酸素がSOFCセル
(1)内側の空気極を通過し、酸素イオンの状態でさら
に固体電解質膜を通過し、SOFCセル(1)の外側の
燃料極に到達する。酸素イオンは、SOFCセル(1)
の外側(燃料極側)に供給されたH2およびCOと化学
反応してH2OおよびCO2を生成する。このとき化学エ
ネルギーが電気エネルギーに変換される、即ち発電が行
われる。また、化学エネルギーのうち電気エネルギーに
変換されなかった部分は、熱エネルギーとなる。この発
電反応は、通常は900〜1000℃の範囲で進行させ
る。
【0032】発電に使用されなかった残存燃料は、多孔
質壁(23)を通過してリサイクル室(11)へ流通す
る。残存燃料の一部はエジェクター(9)によって吸引
されSOFC用燃料として再利用され、他の残存燃料は
さらに多孔質壁(23’)を通過して燃焼室(25)へ
放出される。
質壁(23)を通過してリサイクル室(11)へ流通す
る。残存燃料の一部はエジェクター(9)によって吸引
されSOFC用燃料として再利用され、他の残存燃料は
さらに多孔質壁(23’)を通過して燃焼室(25)へ
放出される。
【0033】一方、発電に使用された一部の酸素を除
く、残りの酸化剤は、SOFCセル(1)の内側を流通
し、燃焼室(25)へ放出される。この酸化剤と、同じ
く燃焼室(25)に放出された残存燃料とが、燃焼室
(25)で燃焼し、燃焼排ガス(27)としてSOFC
外部に排出される。燃焼排ガス(27)の顕熱、輻射熱
の一部は、空気室(19)内部の酸化剤の加温、およ
び、導入管(21)内部を流通する酸化剤の加温に用い
られる。SOFC外部に排出された燃焼排ガス(27)
は、800℃程度の高温であり、熱を必要とする各種用
途に用いることが可能である。このように、SOFCの
燃焼排ガス(27)を用いたコージェネレーションシス
テムを構築することによって、エネルギーの有効利用を
図ることができる。
く、残りの酸化剤は、SOFCセル(1)の内側を流通
し、燃焼室(25)へ放出される。この酸化剤と、同じ
く燃焼室(25)に放出された残存燃料とが、燃焼室
(25)で燃焼し、燃焼排ガス(27)としてSOFC
外部に排出される。燃焼排ガス(27)の顕熱、輻射熱
の一部は、空気室(19)内部の酸化剤の加温、およ
び、導入管(21)内部を流通する酸化剤の加温に用い
られる。SOFC外部に排出された燃焼排ガス(27)
は、800℃程度の高温であり、熱を必要とする各種用
途に用いることが可能である。このように、SOFCの
燃焼排ガス(27)を用いたコージェネレーションシス
テムを構築することによって、エネルギーの有効利用を
図ることができる。
【0034】続いて、SOFCセル(1)から内部改質
器(3)への不均一な熱伝導によってSOFCセル
(1)に大きな温度分布が生じることを抑制するため、
SOFCセル(1)と内部改質器(3)との間の熱伝導
量を調整する熱伝導量調整手段(5)を有する本発明の
SOFCについて、熱伝導量調整手段(5)の構成を中
心に詳細に説明する。
器(3)への不均一な熱伝導によってSOFCセル
(1)に大きな温度分布が生じることを抑制するため、
SOFCセル(1)と内部改質器(3)との間の熱伝導
量を調整する熱伝導量調整手段(5)を有する本発明の
SOFCについて、熱伝導量調整手段(5)の構成を中
心に詳細に説明する。
【0035】本発明のSOFCは、SOFCセル(1)
と内部改質器(3)との間の熱伝導量を調整する熱伝導
量調整手段(5)を有することによって、上記「解決し
ようとする課題」の卓抜な解決が図れる。熱伝導量調整
手段(5)としては、SOFCセル(1)から内部改質
器(3)への不均一な熱伝導を抑制し、SOFCセル
(1)に大きな温度分布が生じないようにするものであ
れば特に限定されるものではない。具体的手段として
は、SOFCセル(1)に隣接する壁部の厚さまたは熱
伝導率の少なくとも一方を変化させた内部改質器
(3)、SOFCセル(1)と内部改質器(3)との間
に配置された断熱部材などを挙げることができる。SO
FCの運転に際して通常制御される内部改質器(3)を
流れる燃料の温度・流速に加え、SOFCセル(1)か
らの熱伝導を考慮して、熱伝導量調整手段(5)を設け
ることによって、SOFCセル(1)から内部改質器
(3)への不均一な熱伝導を防止することができ、SO
FCセル(1)表面温度に温度分布が生じることを抑制
できる。このため、SOFCの発電効率が優れたものと
なり、また、SOFCセルにおける各部位の熱膨張差も
小さく、SOFCセル寿命を永くすることができる。ま
た、内部改質器(3)の温度を自由に制御することがで
き、改質反応温度の制御、即ち改質率を容易に制御でき
る。
と内部改質器(3)との間の熱伝導量を調整する熱伝導
量調整手段(5)を有することによって、上記「解決し
ようとする課題」の卓抜な解決が図れる。熱伝導量調整
手段(5)としては、SOFCセル(1)から内部改質
器(3)への不均一な熱伝導を抑制し、SOFCセル
(1)に大きな温度分布が生じないようにするものであ
れば特に限定されるものではない。具体的手段として
は、SOFCセル(1)に隣接する壁部の厚さまたは熱
伝導率の少なくとも一方を変化させた内部改質器
(3)、SOFCセル(1)と内部改質器(3)との間
に配置された断熱部材などを挙げることができる。SO
FCの運転に際して通常制御される内部改質器(3)を
流れる燃料の温度・流速に加え、SOFCセル(1)か
らの熱伝導を考慮して、熱伝導量調整手段(5)を設け
ることによって、SOFCセル(1)から内部改質器
(3)への不均一な熱伝導を防止することができ、SO
FCセル(1)表面温度に温度分布が生じることを抑制
できる。このため、SOFCの発電効率が優れたものと
なり、また、SOFCセルにおける各部位の熱膨張差も
小さく、SOFCセル寿命を永くすることができる。ま
た、内部改質器(3)の温度を自由に制御することがで
き、改質反応温度の制御、即ち改質率を容易に制御でき
る。
【0036】具体的な形態について、内部改質器(3)
として内部に改質触媒が充填された金属筒の周囲に断熱
材が設けられたものを用い、SOFCセル(1)として
円筒型SOFCセルを用いて、内部改質器(3)におけ
るSOFCセル(1)に隣接する壁部の厚みを変化させ
る実施形態を例にとって説明する。なお、本願において
「壁部」とは、燃料用流路を取り囲む部位全体を指す概
念であり、例えば内部改質器(3)を構成する肉部の外
表面に断熱材が設置された場合には、設置された断熱材
も「壁部」に含まれる。また、「壁部」は単一の材料か
らなる必要はなく、内部改質器(3)の表面部位によっ
て材質が異なっていてもよい。即ち、壁部の厚みを変化
させ、かつ、壁部の熱伝導率を変化させてもよい。
として内部に改質触媒が充填された金属筒の周囲に断熱
材が設けられたものを用い、SOFCセル(1)として
円筒型SOFCセルを用いて、内部改質器(3)におけ
るSOFCセル(1)に隣接する壁部の厚みを変化させ
る実施形態を例にとって説明する。なお、本願において
「壁部」とは、燃料用流路を取り囲む部位全体を指す概
念であり、例えば内部改質器(3)を構成する肉部の外
表面に断熱材が設置された場合には、設置された断熱材
も「壁部」に含まれる。また、「壁部」は単一の材料か
らなる必要はなく、内部改質器(3)の表面部位によっ
て材質が異なっていてもよい。即ち、壁部の厚みを変化
させ、かつ、壁部の熱伝導率を変化させてもよい。
【0037】金属筒の周囲に断熱材を設けた内部改質器
(3)は、図2に示すように断熱材の厚みが段階的に変
化してなる。図2に示すように、熱伝導量調整手段
(5)は、内部改質器(3)を流れる燃料の流れ方向に
変化してなることが好ましい。通常は、燃料の流れ方向
に沿って改質触媒の温度分布が生じるため、改質触媒が
必要とする熱量も燃料の流れ方向に沿って分布が生じる
からである。なお、内部改質器(3)を流れる燃料の流
れ方向に熱伝導量調整手段(5)が変化してなることが
好ましいのは、本実施形態に限られるものではなく、全
ての実施形態に対して言えることである。
(3)は、図2に示すように断熱材の厚みが段階的に変
化してなる。図2に示すように、熱伝導量調整手段
(5)は、内部改質器(3)を流れる燃料の流れ方向に
変化してなることが好ましい。通常は、燃料の流れ方向
に沿って改質触媒の温度分布が生じるため、改質触媒が
必要とする熱量も燃料の流れ方向に沿って分布が生じる
からである。なお、内部改質器(3)を流れる燃料の流
れ方向に熱伝導量調整手段(5)が変化してなることが
好ましいのは、本実施形態に限られるものではなく、全
ての実施形態に対して言えることである。
【0038】また、SOFCセル(1)から内部改質器
(3)への熱伝導制御性、SOFCセル(1)での発電
効率、内部改質器(3)での改質率などに関して優れた
特性を得るためには、円筒型SOFCセルと、金属筒か
らなる内部改質器(3)とを用いて、円筒型SOFCセ
ルの長手方向と金属筒の長手方向とが平行となるように
両者を隣接させることが好ましい。また、金属筒に形成
される燃料流路を一方向とすることによって、燃料流路
を短くすることができ、圧力損失の低減が図れる。即
ち、内部改質器として例えばU字型のパイプを用いた場
合には、内部改質器内部の燃料流路が長くなり、ある程
度の圧力損失は否めない。これに対し、燃料流路を一方
向とした場合、圧力損失が低減される。そして、圧力損
失が低減された場合、エジェクター駆動による燃料リサ
イクル率を高めに設定でき、水蒸気量の確保が容易とな
り、触媒の耐久性を向上させることができる。また、水
蒸気改質反応の改質率を高めることができる。
(3)への熱伝導制御性、SOFCセル(1)での発電
効率、内部改質器(3)での改質率などに関して優れた
特性を得るためには、円筒型SOFCセルと、金属筒か
らなる内部改質器(3)とを用いて、円筒型SOFCセ
ルの長手方向と金属筒の長手方向とが平行となるように
両者を隣接させることが好ましい。また、金属筒に形成
される燃料流路を一方向とすることによって、燃料流路
を短くすることができ、圧力損失の低減が図れる。即
ち、内部改質器として例えばU字型のパイプを用いた場
合には、内部改質器内部の燃料流路が長くなり、ある程
度の圧力損失は否めない。これに対し、燃料流路を一方
向とした場合、圧力損失が低減される。そして、圧力損
失が低減された場合、エジェクター駆動による燃料リサ
イクル率を高めに設定でき、水蒸気量の確保が容易とな
り、触媒の耐久性を向上させることができる。また、水
蒸気改質反応の改質率を高めることができる。
【0039】微細な熱伝導調整が必要な場合には図3に
示すように連続的に厚みを変化させてもよい。また、S
OFCセル(1)から内部改質器(3)への熱伝導量調
整にあたっては、内部改質器中を流通する燃料の流れ方
向に熱伝導量調整手段(5)が変化してなることが好ま
しい。断熱材は、特に限定されるものではないが、SO
FC内部が800〜1000℃程度もの高温になること
を考慮するとアルミナからなることが好ましい。断熱材
と金属筒とは、ピン、ネジ、バンド(アルミナ糸で編ん
だもの)等を用いて密着させることができる。なお、断
熱材を後で設置する構成とせずに、予め所定の厚さ勾配
を有する金属筒を形成してもよい。
示すように連続的に厚みを変化させてもよい。また、S
OFCセル(1)から内部改質器(3)への熱伝導量調
整にあたっては、内部改質器中を流通する燃料の流れ方
向に熱伝導量調整手段(5)が変化してなることが好ま
しい。断熱材は、特に限定されるものではないが、SO
FC内部が800〜1000℃程度もの高温になること
を考慮するとアルミナからなることが好ましい。断熱材
と金属筒とは、ピン、ネジ、バンド(アルミナ糸で編ん
だもの)等を用いて密着させることができる。なお、断
熱材を後で設置する構成とせずに、予め所定の厚さ勾配
を有する金属筒を形成してもよい。
【0040】SOFCセル(1)から内部改質器(3)
への熱伝導特性は、SOFCの装置構成、内部改質器
(3)への燃料供給量および燃料温度、SOFCセル
(1)の形態、SOFCセル(1)と内部改質器(3)
との距離等によって影響を受けるものであり、熱伝導量
調整手段(5)をどのように設置するかは、これらを考
慮して決定すればよい。具体的には、SOFCの発電出
力に応じて、燃料供給量および燃料温度を決定し、それ
に応じて、SOFCセル(1)からの熱伝導量を調整す
べく、熱伝導量調整手段(5)の熱伝導特性(断熱材の
厚さ、素材など)を選択する。なお、内部改質器(3)
中を流れる燃料温度は、通常は、内部改質器(3)への
燃料供給口側が低温、燃料排出口側が高温となってい
る。
への熱伝導特性は、SOFCの装置構成、内部改質器
(3)への燃料供給量および燃料温度、SOFCセル
(1)の形態、SOFCセル(1)と内部改質器(3)
との距離等によって影響を受けるものであり、熱伝導量
調整手段(5)をどのように設置するかは、これらを考
慮して決定すればよい。具体的には、SOFCの発電出
力に応じて、燃料供給量および燃料温度を決定し、それ
に応じて、SOFCセル(1)からの熱伝導量を調整す
べく、熱伝導量調整手段(5)の熱伝導特性(断熱材の
厚さ、素材など)を選択する。なお、内部改質器(3)
中を流れる燃料温度は、通常は、内部改質器(3)への
燃料供給口側が低温、燃料排出口側が高温となってい
る。
【0041】例えば、SOFCセル(1)の表面温度と
して、SOFCセル(1)の中央部で970℃、上下端
で945℃と低くなる状態で、発電させる場合を想定す
る。この程度の吸熱量の差であると、SOFCセル
(1)には発電性能や耐久性を低下させるほどの温度分
布は殆ど生じないといえる。予備改質器(13)を経て
供給される燃料温度は約600℃とする。また、内部改
質器(3)の内壁温度(水蒸気改質温度)は、内部改質
器を燃料供給口側、中央部、燃料排出口側の3分割した
場合に、燃料供給口側で640℃前後、中央部で700
℃前後、燃料排出口側で800℃前後とし、SOFCセ
ル(1)の上部(燃料供給口側に対応)・中央部・下部
(燃料排出口側に対応)からほぼ均等に吸熱されるよう
にする。このように、内部改質器(3)中の改質触媒の
温度を燃料供給口側から燃料排出口側にかけて徐々に高
まるように調整することによって、内部改質器(3)の
一部での急激な改質反応を抑制することができる。
して、SOFCセル(1)の中央部で970℃、上下端
で945℃と低くなる状態で、発電させる場合を想定す
る。この程度の吸熱量の差であると、SOFCセル
(1)には発電性能や耐久性を低下させるほどの温度分
布は殆ど生じないといえる。予備改質器(13)を経て
供給される燃料温度は約600℃とする。また、内部改
質器(3)の内壁温度(水蒸気改質温度)は、内部改質
器を燃料供給口側、中央部、燃料排出口側の3分割した
場合に、燃料供給口側で640℃前後、中央部で700
℃前後、燃料排出口側で800℃前後とし、SOFCセ
ル(1)の上部(燃料供給口側に対応)・中央部・下部
(燃料排出口側に対応)からほぼ均等に吸熱されるよう
にする。このように、内部改質器(3)中の改質触媒の
温度を燃料供給口側から燃料排出口側にかけて徐々に高
まるように調整することによって、内部改質器(3)の
一部での急激な改質反応を抑制することができる。
【0042】このようなSOFCにおいて、発電反応進
行中にSOFCセル(1)に大きな温度分布が生じない
ようにするため、内部改質器(3)の周囲に、アルミナ
系断熱材(熱伝導率0.55W/mK)を設置した。断
熱材の厚みは、燃料供給口側、中央部、燃料排出口側の
順に、約70mm、約70mm、約30mmとした。こ
のような厚さ勾配を設けた場合、水蒸気改質反応に伴う
SOFCセル(1)からの吸熱量は、SOFCセル上
部、中央部、下部の順に、36%、35%、29%とな
る。また、内部改質器(3)における改質率は、燃料供
給口側から中央部へ流通する時点において75%、中央
部から燃料排出口側に流通する時点において94%、燃
料排出口側から排出される時点において100%とな
る。
行中にSOFCセル(1)に大きな温度分布が生じない
ようにするため、内部改質器(3)の周囲に、アルミナ
系断熱材(熱伝導率0.55W/mK)を設置した。断
熱材の厚みは、燃料供給口側、中央部、燃料排出口側の
順に、約70mm、約70mm、約30mmとした。こ
のような厚さ勾配を設けた場合、水蒸気改質反応に伴う
SOFCセル(1)からの吸熱量は、SOFCセル上
部、中央部、下部の順に、36%、35%、29%とな
る。また、内部改質器(3)における改質率は、燃料供
給口側から中央部へ流通する時点において75%、中央
部から燃料排出口側に流通する時点において94%、燃
料排出口側から排出される時点において100%とな
る。
【0043】上記説明は、内部改質器(3)の壁部の厚
みを変化させる実施形態について説明したが、壁部の熱
伝導率を変化させる実施形態にも同様の手法で対応でき
る。これにより、装置構成の都合上、壁部の厚みを変化
させることが困難な場合であっても、SOFCセル
(1)から内部改質器(3)への不均一な熱伝導を抑制
することができる。内部改質器(3)の壁部の熱伝導率
は、内部改質器(3)中の燃料の流れ方向に変化してな
ることが好ましい。
みを変化させる実施形態について説明したが、壁部の熱
伝導率を変化させる実施形態にも同様の手法で対応でき
る。これにより、装置構成の都合上、壁部の厚みを変化
させることが困難な場合であっても、SOFCセル
(1)から内部改質器(3)への不均一な熱伝導を抑制
することができる。内部改質器(3)の壁部の熱伝導率
は、内部改質器(3)中の燃料の流れ方向に変化してな
ることが好ましい。
【0044】また、SOFCセル(1)と内部改質器
(3)との間に断熱部材を配置することによってSOF
Cセル(1)から内部改質器(3)への熱伝導量を調整
することも可能である。具体的には、面方向に厚さまた
は熱伝導率が異なるアルミナボードなどを設ければよ
い。このような手段によっても、SOFCセル(1)に
発電性能や耐久性を低下させるほどの温度分布が生じる
ことを防止できる。
(3)との間に断熱部材を配置することによってSOF
Cセル(1)から内部改質器(3)への熱伝導量を調整
することも可能である。具体的には、面方向に厚さまた
は熱伝導率が異なるアルミナボードなどを設ければよ
い。このような手段によっても、SOFCセル(1)に
発電性能や耐久性を低下させるほどの温度分布が生じる
ことを防止できる。
【0045】次に、本発明のSOFCの改良形態につい
て説明する。
て説明する。
【0046】図4は、燃料用流路の燃料供給口側が中空
である内部改質器(3)を用いたSOFCである。な
お、本願において燃料用流路が「中空」であるとは、改
質触媒が設けられていないことを意味する。従って、燃
料用流路の全体に渡って改質触媒が充填されている場合
には、燃料用流路が中空ではない。このような構成は、
内部改質器(3)に供給される燃料の温度が低い場合に
有効である。内部改質器(3)に供給される燃料が低い
場合、水蒸気改質反応が効率よく進行しない恐れがあ
る。しかし、本実施形態においては、内部改質器(3)
における燃料供給口側の燃料用流路が中空であるため、
当該中空部位に供給された燃料は水蒸気改質反応があま
り進行しない。その代わりに、SOFCセル(1)から
の熱伝導によって燃料が加熱される。従って、燃料が中
空部位を通過している間に、燃料の温度を水蒸気改質に
好適な温度にまで昇温させることが可能となる。内部改
質器(3)のどの程度の割合を中空にするかは、一義的
に決定されるものではなく、内部改質器(3)に供給さ
れる燃料供給量や燃料温度に応じてトータルで最も高い
改質率が得られるように調整すればよい。
である内部改質器(3)を用いたSOFCである。な
お、本願において燃料用流路が「中空」であるとは、改
質触媒が設けられていないことを意味する。従って、燃
料用流路の全体に渡って改質触媒が充填されている場合
には、燃料用流路が中空ではない。このような構成は、
内部改質器(3)に供給される燃料の温度が低い場合に
有効である。内部改質器(3)に供給される燃料が低い
場合、水蒸気改質反応が効率よく進行しない恐れがあ
る。しかし、本実施形態においては、内部改質器(3)
における燃料供給口側の燃料用流路が中空であるため、
当該中空部位に供給された燃料は水蒸気改質反応があま
り進行しない。その代わりに、SOFCセル(1)から
の熱伝導によって燃料が加熱される。従って、燃料が中
空部位を通過している間に、燃料の温度を水蒸気改質に
好適な温度にまで昇温させることが可能となる。内部改
質器(3)のどの程度の割合を中空にするかは、一義的
に決定されるものではなく、内部改質器(3)に供給さ
れる燃料供給量や燃料温度に応じてトータルで最も高い
改質率が得られるように調整すればよい。
【0047】例えば、SOFCセル(1)の表面温度と
して、SOFCセル(1)の中央部で970℃、上下端
で945℃と低くなる状態で発電させる場合を想定す
る。この程度の吸熱量の差であると、SOFCセル
(1)には発電性能や耐久性を低下させるほどの温度分
布は生じないといえる。予備改質器(13)を経て供給
される燃料温度は約550℃とする。また、内部改質器
(3)は、内部改質器を燃料供給口側、中央部、燃料排
出口側の3分割した場合に、燃料供給口側を中空とし、
燃料が中央部に流通する時点で燃料温度が800℃に上
昇するものとする。中央部および燃料排出口側の内部改
質器(3)の内壁温度(水蒸気改質温度)は約800℃
とする。また、SOFCセル(1)の上部(燃料供給口
側に対応)・中央部・下部(燃料排出口側に対応)から
ほぼ均等に吸熱されるようにする。このように、内部改
質器(3)の燃料供給口側を中空にし、燃料供給側で水
蒸気改質反応を進行させない構成とすることによって、
内部改質器(3)に供給される燃料の温度が低い場合で
あっても、優れた改質率を得ることができる。
して、SOFCセル(1)の中央部で970℃、上下端
で945℃と低くなる状態で発電させる場合を想定す
る。この程度の吸熱量の差であると、SOFCセル
(1)には発電性能や耐久性を低下させるほどの温度分
布は生じないといえる。予備改質器(13)を経て供給
される燃料温度は約550℃とする。また、内部改質器
(3)は、内部改質器を燃料供給口側、中央部、燃料排
出口側の3分割した場合に、燃料供給口側を中空とし、
燃料が中央部に流通する時点で燃料温度が800℃に上
昇するものとする。中央部および燃料排出口側の内部改
質器(3)の内壁温度(水蒸気改質温度)は約800℃
とする。また、SOFCセル(1)の上部(燃料供給口
側に対応)・中央部・下部(燃料排出口側に対応)から
ほぼ均等に吸熱されるようにする。このように、内部改
質器(3)の燃料供給口側を中空にし、燃料供給側で水
蒸気改質反応を進行させない構成とすることによって、
内部改質器(3)に供給される燃料の温度が低い場合で
あっても、優れた改質率を得ることができる。
【0048】このようなSOFCにおいて、発電反応進
行中にSOFCセル(1)に大きな温度分布が生じない
ようにするため、内部改質器(3)の周囲に、アルミナ
系断熱材(熱伝導率0.55W/mK)を設置した。断
熱材の厚みは、燃料供給口側、中央部、燃料排出口側の
順に、約13mm、約19mm、約15mmとした。こ
のような厚さ勾配を設けた場合、水蒸気改質反応に伴う
SOFCセル(1)からの吸熱量は、SOFCセル上
部、中央部、下部の順に、30%、35%、35%とな
る。また、内部改質器(3)における改質率は、中央部
から燃料排出口側に流通する時点において50%、燃料
排出口側から排出される時点において100%となる。
行中にSOFCセル(1)に大きな温度分布が生じない
ようにするため、内部改質器(3)の周囲に、アルミナ
系断熱材(熱伝導率0.55W/mK)を設置した。断
熱材の厚みは、燃料供給口側、中央部、燃料排出口側の
順に、約13mm、約19mm、約15mmとした。こ
のような厚さ勾配を設けた場合、水蒸気改質反応に伴う
SOFCセル(1)からの吸熱量は、SOFCセル上
部、中央部、下部の順に、30%、35%、35%とな
る。また、内部改質器(3)における改質率は、中央部
から燃料排出口側に流通する時点において50%、燃料
排出口側から排出される時点において100%となる。
【0049】また、図4のような内部改質器(3)にお
ける燃料用流路の燃料供給口側を中空にし、燃料を加温
する部位と、水蒸気改質する部位とに、内部改質器
(3)を機能分けした場合、中空部には水蒸気改質反応
のための熱量を補う必要がないため設計を簡略化でき
る。また、熱伝導量を調整するための壁部の厚み、また
は、SOFCセル(1)と内部改質器(3)との間に設
けられた断熱部材の厚みを薄くすることができる。従っ
て、コンパクトかつ安価な改質手段を提供できる。
ける燃料用流路の燃料供給口側を中空にし、燃料を加温
する部位と、水蒸気改質する部位とに、内部改質器
(3)を機能分けした場合、中空部には水蒸気改質反応
のための熱量を補う必要がないため設計を簡略化でき
る。また、熱伝導量を調整するための壁部の厚み、また
は、SOFCセル(1)と内部改質器(3)との間に設
けられた断熱部材の厚みを薄くすることができる。従っ
て、コンパクトかつ安価な改質手段を提供できる。
【0050】続いて、本発明のSOFCの改良形態につ
いて説明する。
いて説明する。
【0051】図5は、内部改質器(3)の燃料流路中に
フィン(31)が設けられてなる本発明のSOFCの実
施形態である。内部改質器(3)の燃料流路中にフィン
(31)を設置した場合、フィン(31)を介した熱伝
導によってフィンが設けられた部位周辺の改質触媒に
は、より多くの熱が供給されることとなる。SOFCセ
ル(1)の側から考えると、より多くの熱が奪われるこ
ととなり、結果としてSOFCセル(1)の反応温度を
下げることができる。このような構成とすることは、S
OFCセル(1)の温度分布を微調整する上で有効であ
る。例えば、上記実施形態において想定した、SOFC
セル(1)の表面温度が、SOFCセル(1)の中央部
で970℃、上下端で945℃と低くなる状態で発電さ
せる場合において、内部改質器(3)の中央部にフィン
(31)を設けることによって、中央部の温度を上下端
の温度に近づけることができる。フィン(31)の材質
は、熱伝導が図れ、所望する効果が得られるのであれば
特に限定されるものではなく、ステンレス、インコネ
ル、Ni材などを用いることができる。フィン(31)
の形状も特に限定されるものではなく、平板状、波板状
など各種公知の形態を利用できる。フィン(31)の設
置部位、設置個数は、SOFCセル(1)の低下させた
い度合いによって決定すべきである。ただし、フィン
(31)を設置しすぎるとSOFCセル(1)の温度が
必要以上に低下してしまい、発電効率の低下を招くので
留意する必要がある。
フィン(31)が設けられてなる本発明のSOFCの実
施形態である。内部改質器(3)の燃料流路中にフィン
(31)を設置した場合、フィン(31)を介した熱伝
導によってフィンが設けられた部位周辺の改質触媒に
は、より多くの熱が供給されることとなる。SOFCセ
ル(1)の側から考えると、より多くの熱が奪われるこ
ととなり、結果としてSOFCセル(1)の反応温度を
下げることができる。このような構成とすることは、S
OFCセル(1)の温度分布を微調整する上で有効であ
る。例えば、上記実施形態において想定した、SOFC
セル(1)の表面温度が、SOFCセル(1)の中央部
で970℃、上下端で945℃と低くなる状態で発電さ
せる場合において、内部改質器(3)の中央部にフィン
(31)を設けることによって、中央部の温度を上下端
の温度に近づけることができる。フィン(31)の材質
は、熱伝導が図れ、所望する効果が得られるのであれば
特に限定されるものではなく、ステンレス、インコネ
ル、Ni材などを用いることができる。フィン(31)
の形状も特に限定されるものではなく、平板状、波板状
など各種公知の形態を利用できる。フィン(31)の設
置部位、設置個数は、SOFCセル(1)の低下させた
い度合いによって決定すべきである。ただし、フィン
(31)を設置しすぎるとSOFCセル(1)の温度が
必要以上に低下してしまい、発電効率の低下を招くので
留意する必要がある。
【0052】図4に示す内部改質器(3)の一部が中空
になっている実施形態に、さらにフィン(31)を設け
て、SOFCセル(1)の表面温度を、SOFCセル
(1)の中央部で955℃、上下端で945℃となる状
態で発電させるためには、水蒸気改質反応に伴うSOF
Cセル(1)からの吸熱量は、SOFCセル上部、中央
部、下部の順に、30%、47%、23%となる。
になっている実施形態に、さらにフィン(31)を設け
て、SOFCセル(1)の表面温度を、SOFCセル
(1)の中央部で955℃、上下端で945℃となる状
態で発電させるためには、水蒸気改質反応に伴うSOF
Cセル(1)からの吸熱量は、SOFCセル上部、中央
部、下部の順に、30%、47%、23%となる。
【0053】図5は、内部改質器(3)の一部が中空に
なっている実施形態について説明したが、図1に示すよ
うな内部改質器(3)の内部全体に改質触媒が充填され
ている場合にもフィン(31)を設けてSOFCセル
(1)の温度の微調整を測ることも勿論できる。
なっている実施形態について説明したが、図1に示すよ
うな内部改質器(3)の内部全体に改質触媒が充填され
ている場合にもフィン(31)を設けてSOFCセル
(1)の温度の微調整を測ることも勿論できる。
【0054】
【発明の効果】上記説明した本発明の運転方法を用いる
ことによって、以下の効果が得られる。
ことによって、以下の効果が得られる。
【0055】以上述べたように、本発明のSOFCは、
SOFCセルと内部改質器との間に熱伝導量を調整する
熱伝導量調整手段を設けることによって、SOFCセル
から内部改質器への不均一な熱伝導を防止することがで
き、SOFCセルの表面温度に温度分布が生じることを
抑制できる。このため、SOFCの発電効率が優れたも
のとなり、また、SOFCセルにおける各部位の熱膨張
差も小さく、SOFCセル寿命を永くすることができ
る。
SOFCセルと内部改質器との間に熱伝導量を調整する
熱伝導量調整手段を設けることによって、SOFCセル
から内部改質器への不均一な熱伝導を防止することがで
き、SOFCセルの表面温度に温度分布が生じることを
抑制できる。このため、SOFCの発電効率が優れたも
のとなり、また、SOFCセルにおける各部位の熱膨張
差も小さく、SOFCセル寿命を永くすることができ
る。
【0056】また、内部改質器の温度を自由に制御する
ことができ、改質反応温度の制御、即ち改質率を容易に
制御できる。特に、燃料の流れ方向に添って燃料の改質
率を制御することが容易となる結果、良好な発電状態を
維持することが可能となる。
ことができ、改質反応温度の制御、即ち改質率を容易に
制御できる。特に、燃料の流れ方向に添って燃料の改質
率を制御することが容易となる結果、良好な発電状態を
維持することが可能となる。
【0057】さらに、内部改質器における燃料用流路の
燃料供給口側を中空とした場合には、SOFCの設計を
簡略化でき、内部改質器に供給される燃料の温度が低い
場合であっても、優れた改質率を得ることができる。
燃料供給口側を中空とした場合には、SOFCの設計を
簡略化でき、内部改質器に供給される燃料の温度が低い
場合であっても、優れた改質率を得ることができる。
【図1】 本発明に係るSOFCの概観断面図である。
【図2】 断熱材の厚みが段階的に変化してなる熱伝導
量調整手段の断面図である。
量調整手段の断面図である。
【図3】 断熱材の厚みが連続的に変化してなる熱伝導
量調整手段の断面図である。
量調整手段の断面図である。
【図4】 内部改質器の上部および下部で機能を分離し
た本発明に係るSOFCの概観断面図である。
た本発明に係るSOFCの概観断面図である。
【図5】 フィン付き内部改質器を備えたSOFCの概
観断面図である。
観断面図である。
【図6】 SOFCセルと内部改質器との熱伝導を示す
模式図である。
模式図である。
1 固体酸化物型燃料電池セル(SOFCセル)
3 内部改質器
5 熱伝導量調整手段
7 燃料
9 エジェクター
11 リサイクル室
13 予備改質室
15 燃料室
17 酸化剤
19 空気室
21 導入管
23 多孔質壁
25 燃焼室
27 燃焼排ガス
29 ハウジングケース
31 フィン
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 篠原 善隆
東京都千代田区大手町2−6−3 新日本
製鐵株式会社内
(72)発明者 石橋 洋一
東京都千代田区大手町2−6−3 新日本
製鐵株式会社内
Fターム(参考) 5H026 AA06 CC06 CV02 EE11
5H027 AA06 BA02 CC02 CC15 KK42
KK44 KK46
Claims (7)
- 【請求項1】 固体電解質型燃料電池セルと、 前記固体電解質型燃料電池セルに隣接して配置される、
内部に改質触媒を有する内部改質器と、 前記固体電解質型燃料電池セルと前記内部改質器との間
の熱伝導量を調整する熱伝導量調整手段と、を有する固
体電解質型燃料電池。 - 【請求項2】 前記熱伝導量調整手段は、前記内部改質
器における前記固体電解質型燃料電池セルに隣接する壁
部の厚みまたは熱伝導率の少なくとも一方を変化させた
ものであることを特徴とする請求項1に記載の固体電解
質型燃料電池。 - 【請求項3】 前記熱伝導量調整手段は、前記固体電解
質型燃料電池セルと前記内部改質器との間に配置された
断熱部材であることを特徴とする請求項1または2に記
載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項4】 前記熱伝導量調整手段は、前記内部改質
器中の燃料の流れ方向に変化してなることを特徴とする
請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料
電池。 - 【請求項5】 前記固体電解質型燃料電池セルは円筒型
固体電解質型燃料電池セルであり、前記内部改質器は内
部に改質触媒を有する金属筒からなり、前記固体電解質
型燃料電池セルの長手方向と前記内部改質器の長手方向
とが平行であることを特徴とする請求項1〜4のいずれ
か1項に記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項6】 前記内部改質器における燃料用流路の燃
料供給口側が中空であることを特徴とする請求項1〜5
のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項7】 前記内部改質器における燃料用流路にフ
ィンが設けられてなることを特徴とする請求項1〜6の
いずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001309913A JP2003115307A (ja) | 2001-10-05 | 2001-10-05 | 固体電解質型燃料電池の内部改質器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001309913A JP2003115307A (ja) | 2001-10-05 | 2001-10-05 | 固体電解質型燃料電池の内部改質器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003115307A true JP2003115307A (ja) | 2003-04-18 |
Family
ID=19128983
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001309913A Withdrawn JP2003115307A (ja) | 2001-10-05 | 2001-10-05 | 固体電解質型燃料電池の内部改質器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003115307A (ja) |
Cited By (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005093222A (ja) * | 2003-09-17 | 2005-04-07 | Osaka Gas Co Ltd | 燃料電池システム |
JP2005276616A (ja) * | 2004-03-24 | 2005-10-06 | Tokyo Gas Co Ltd | 発電システムおよび前処理装置 |
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CN112595986A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-04-02 | 同济大学 | 一种基于差热伏安曲线特征的电池寿命诊断方法 |
-
2001
- 2001-10-05 JP JP2001309913A patent/JP2003115307A/ja not_active Withdrawn
Cited By (29)
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