JP2005174551A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と吸熱反応装置との複合システムに関する従来技術の開発状況に鑑み、ＳＯＦＣの高温の反応熱を低級炭化水素改質装置等の吸熱反応プロセスに供給するための具体的な装置構成をもった円筒型固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】吸熱反応容器を内蔵する固体酸化物形燃料電池であって、固体酸化物形燃料電池は、断熱容器内に、円筒型固体酸化物セルと、反応触媒を内設した吸熱反応容器と、が配置され、円筒型固体酸化物セルの筒内部に燃料が供給され、筒外部に酸化剤が供給されて、発電するとともに高温の反応熱を発生し、円筒型固体酸化物セルの反応熱は、輻射熱及び酸化剤を熱媒とした伝熱により吸熱反応容器に反応熱として供給され、吸熱反応容器は原料が供給されて、吸熱反応により反応物質が生成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸熱反応容器を組み合わせてなる固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸素イオン導伝体を用い、水素、一酸化炭素、あるいはこれらの混合ガスを燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として６００〜１０００℃の高温で動作する高温型燃料電池である。このタイプの電池は発電反応の安定化のために、酸化剤である空気を大量に送給し電気化学反応後の高温の反応熱を除熱するものとなっている。

上記のＳＯＦＣの高温排熱をより高度に利用し、投入する１次エネルギーの利用効率を向上するために、各方面においてＳＯＦＣと発電装置等との複合化の研究開発が取り組まれており、ＳＯＦＣ等の高温型燃料電池の未利用燃料を含む高温排出ガスをガスタービンに供給する、ガスタービン機関とＳＯＦＣ等の高温型燃料電池との複合化によるコージェネレーション装置の研究開発が進められてきている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
特開２００３−１２３７７８号公報（同公報内図１） 特開２００３−４５４５５号公報（同公報内図１１）

こうした発電装置等との複合化は、ＳＯＦＣから排出される高温の排熱を利用して機関エネルギーを得るものであり、ＳＯＦＣと機関との複合化は複雑なものとなるとともに、電気化学反応による早い系とオフガスの熱機関への利用に伴う遅い系を組み合わせるため運転制限を受けたりするなどの問題があった。

これに対し、本願発明者等は、ＳＯＦＣを吸熱反応装置である低級炭化水素直接改質器と複合化して、ＳＯＦＣの高温排ガスを原料ガスに混合するとともに、ＳＯＦＣと直接改質器を同一の断熱容器内に配置して伝熱により直接改質反応の反応熱に供給する方式を開発し、引き続きその実用化に向けた研究開発を進めてきた（特許文献３参照）。
特開２００３−７３２１号公報（同公報内請求項１他）

低級炭化水素直接改質は、天然ガス、バイオガス、コークス炉オフガス等の１〜５炭素原子を分子内に含むメタン等の低級炭化水素含有原料を、金属坦持メタロシリケート触媒の存在下で直接改質し、水素およびベンゼン、ナフタレン等芳香族炭化水素を併産する方法として下記特許文献などにより公知となっている改質技術である。
特開平１０−２７２３６６号公報 特開平１１−４７６０６号公報 特開平１１−６０５１４号公報 特開２００１−３３４１５１号公報 特開２００１−３３４１５２号公報 特開２００２−３３６７０４号公報

上記の低級炭化水素含有原料の直接改質は、固定床、移動床又は流動床等の流通式反応形式により、低級炭化水素含有原料を金属坦持メタロシリケート触媒に３００〜８００℃、好ましくは４５０〜７７５℃、より好ましくは７０５〜７５０℃の高温下で接触させて行うものであるが、前記特許文献３に開示される技術では、それぞれ別体として構成されるＳＯＦＣと直接改質器とを断熱容器内に配置し、伝熱により直接改質器に反応熱を供給するものであったが、ＳＯＦＣの高温排熱を熱交換する具体的な装置構成は明らかにされていなかった。

本発明は、かかるＳＯＦＣと吸熱反応装置との複合システムに関する従来技術の開発状況に鑑み、ＳＯＦＣの高温の反応熱を低級炭化水素改質装置等の吸熱反応プロセスに供給するための、具体的な装置構成をもった円筒型固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、吸熱反応容器２０を内蔵する固体酸化物形燃料電池００であって、固体酸化物形燃料電池００は、断熱容器４０内に、円筒型固体酸化物セル１０と、反応触媒３０を内設した吸熱反応容器２０と、が配置され、円筒型固体酸化物セル１０の筒内部に燃料ガスが供給され、筒外部に酸化剤が供給されて、発電するとともに高温の反応熱を発生し、円筒型固体酸化物セル１０の反応熱は、輻射熱及び酸化剤を熱媒とした伝熱により吸熱反応容器２０に反応熱として供給され、吸熱反応容器２０は原料が供給されて、吸熱反応により反応物質が生成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を提供する。

請求項２の発明は、吸熱反応容器２０を内蔵する固体酸化物形燃料電池００であって、固体酸化物形燃料電池００は、断熱容器４０内に、円筒型固体酸化物セル１０と、反応触媒３０を内設した吸熱反応容器２０と、が配置され、円筒型固体酸化物セル１０の筒内部に酸化剤が供給され、筒外部に燃料ガスが供給されて、発電するとともに高温の反応熱を発生し、円筒型固体酸化物セル１０の反応熱は、輻射熱及び燃料ガスを熱媒とした伝熱により吸熱反応容器２０に反応熱として供給され、吸熱反応容器２０は原料が供給されて、吸熱反応により反応物質が生成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を提供する。

請求項３の発明は、前記吸熱反応容器２０に供給される原料は、メタンガスと、水蒸気又は二酸化炭素のいずれかと、で構成される混合ガスを主成分とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。

請求項４の発明は、前記吸熱反応容器２０は、反応触媒３０が低級炭化水素直接改質触媒であって、原料としてメタンガス等の低級炭化水素含有ガスが供給されて、水素と芳香族炭化水素とを生成する、低級炭化水素直接改質反応容器であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。

請求項５の発明は、前記吸熱反応容器２０で生成される反応物質の少なくとも１つが水素であり、該水素は水素分離手段２５により分離されて、前記円筒型固体酸化物セル１０に燃料として供給され、あるいは水素貯蔵部５０に貯蔵されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。

請求項６の発明は、円筒型固体酸化物セル１０で発生する反応熱の熱量をＱとし、円筒型固体酸化物セル１０から酸化剤により断熱容器４０外部に排出される脱熱量をＱ１とし、吸熱反応容器２０の吸熱反応での吸熱の熱量をＱ２としたときに、常に、Ｑ２≦Ｑ−Ｑ１となるように、原料と酸化剤のいずれか又は両方の供給量をそれぞれ調整する手段を備えることを特徴とする請求項１および請求項３から請求項５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。

請求項７の発明は、円筒型固体酸化物セル１０で発生する反応熱の熱量をＱとし、円筒型固体酸化物セル１０から燃料ガスにより断熱容器４０外部に排出される脱熱量をＱ１とし、吸熱反応容器２０の吸熱反応での吸熱の熱量をＱ２としたときに、常に、Ｑ２≦Ｑ−Ｑ１となるように、原料と燃料ガスのいずれか又は両方の供給量をそれぞれ調整する手段を備えることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池を提供する。

本願発明によれば、高温排熱の利用が課題となるＳＯＦＣと、高温熱供給が課題となる吸熱反応装置との複合システムに関する従来技術の開発状況に鑑み、ＳＯＦＣの高温の反応熱を低級炭化水素改質装置等の吸熱反応プロセスに供給するための、具体的な装置構成をもった円筒型固体酸化物形燃料電池を提供することができる。

図１は、本願請求項１の発明の基本システム構成を示すものである。本願の固体酸化物形燃料電池００は、断熱容器４０内に、円筒型固体酸化物セル１０と、反応触媒３０を内設した吸熱反応容器２０とが配設されている。

円筒型固体酸化物セル１０は、円筒型多孔質性セラミック基材の外表面に燃料電池構成部材を積層したものであり、断熱容器内を上下に貫通して設置され、あるいは円筒の一端が封止されて断熱容器上部より断熱容器内に懸装される。いずれの場合も、円筒型固体酸化物セルは、その筒内への燃料ガス又は酸化剤の供給及び発電反応後ガスの排出のために断熱容器４０外部の燃料ガス又は酸化剤の供給装置（図示せず。）及び発電反応後ガス排出装置（図示せず。）と連結されている（図２ａ、図２ｂ）。

吸熱反応容器２０は、ＳＯＦＣの反応温度（概６００℃〜１０００℃）に耐性を有する材質からなり、前記、円筒型固体酸化物セル１０に並置して、断熱容器４０内を上下に貫通して設置され、あるいは断熱容器４０内に収容配置される（図３ａ、図３ｂ）。

円筒型固体酸化物セル１０には筒面の内部又は外部の一方に燃料ガスが供給され、他方の筒面には酸化剤が供給され、発電反応が生じて高温の反応熱（概６００℃〜１０００℃）を発生し、その反応熱が、円筒型固体酸化物セル１０の筒外部表面からの輻射熱により吸熱反応容器２０に伝熱するとともに、断熱容器４０内部の未反応の空気を熱媒として吸熱反応容器２０に熱供給される。

吸熱反応容器２０は、反応触媒３０の存在下で、原料が供給され、円筒型酸化物セル１０から供給される概６００℃〜１０００℃の熱により吸熱反応が生じ反応物質を生成する。目的とする吸熱反応の反応熱の調整は、吸熱反応容器に供給する原料の供給速度の調整により行うことができる。

吸熱反応容器２０の吸熱反応は、断熱容器４０内で生じるために、固体酸化物形セル１０の反応熱を吸収し、同セルの過熱を防ぐとともに、固体酸化物形燃料電池００全体の排熱の発生を低減する。

また、本願請求項６又は請求項７の発明によれば、定格発電時の固体酸化物形セル１０で発生する反応熱Ｑに対し、酸化剤の供給量を、吸熱反応容器２０での吸熱量Ｑ２を差し引いた余剰熱をＱ１として排出するに十分な供給量に調整することができ、酸化剤による排熱量を低減させて、装置全体の熱的効率を最適化することができる。

従来のＳＯＦＣでは、固体酸化物形セル１０の冷却のために、反応に必要とする以上の空気を断熱容器内に送入する必要が生じ、発電反応での空気利用率が１０〜２０％と低くなり装置全体の効率を低下させていた。また、高温の排出空気が大量に生じ、断熱容器外でより効率の低い熱利用を組み合わせることで、装置全体のエネルギー効率の改善を図る必要があった。本願発明は、このような従来のＳＯＦＣの高温の反応熱を効率的に除熱するとともに、その熱を吸熱反応に利用することで、発電と物質生産を複合させて、極めて高効率な装置を実現することができる。

とりわけ、本願請求項３の発明のように、概７５０℃の吸熱反応により、メタンガス等の低級炭化水素を、水素と芳香族炭化水素とに改質する低級炭化水素直接改質反応は、ＳＯＦＣの反応熱を効率的に利用することができ極めて好適である。本願発明によれば、ＳＯＦＣの高温排熱活用及び低級炭化水素直接改質装置の高温反応熱供給のそれぞれに関わる熱的な課題を相互補完的に解消することができる。

さらに、本願発明では、低級炭化水素直接改質反応に限定されず、任意の高温吸熱反応プロセスとＳＯＦＣの一体化に適用することができる。例えば、メタンガスの水蒸気改質反応や、メタンガスの二酸化炭素改質反応、水素化物（例えば、水素化芳香族炭化水素等）の脱水素反応、等の反応プロセスを、本願発明の吸熱反応容器２０で行うことができる。

円筒型固体酸化物セル１０に供給される燃料ガスは、水素または一酸化炭素のいずれか、またはその混合ガスであり、燃料供給部（図示せず。）から供給される。また燃料供給部（図示せず。）の前段階において、原燃料を改質して、水素または一酸化炭素のいずれか、またはその混合ガスが生成されてもよい。この場合の原燃料としては、天然ガス、メタンガス、メタンハイドレート、コークス炉ガス、石炭乾溜ガス（ＣＯＧ）、石炭ガス化ガス、し尿や生ゴミ等を発酵処理して得られるバイオガス（発酵メタンガスを含む。）、木材等の有機物等を高温処理して得られる乾溜又は熱分解ガス、液化石油ガス、ブタンガス、などを用いることができる。これ以外にも、炭化水素含有燃料であり、改質により水素または一酸化炭素のいずれか、またはその混合ガスを生成するものであればいずれの原燃料も用いることができる。

いずれの反応プロセスのときも、原料の一部又は全部がメタンガスであるものは、同原料が円筒型固体酸化物セル１０の原燃料ともなるため、供給系統や制御系統を簡素化することができるとともに、吸熱反応容器２０の反応プロセスで未反応メタンガスがあるときで、反応物質を選択的に分離することができるときは、該未反応メタンガスを原燃料として燃料ガスを生成し、円筒型固体酸化物セル１０で再利用することができる。

同様に、本願請求項４の発明のように、吸熱反応容器２０での生成反応物質に、水素があるときは、同水素は水素分離手段２５により選択的に分離し、生成物として水素貯蔵部５０に貯蔵してもよいし、円筒型固体酸化物セル１０に燃料として供給してもよい（図４）。また、当然に、水素と同時に未反応メタンガスのあるときは、それらを原燃料として燃料ガスを生成し、円筒型固体酸化物セル１０に供給することができる。

本願発明に用いる酸化剤としては、空気、酸素ガス等の酸素含有ガスであればいずれのものでもよい。

本願発明では、現時点での実用上の実現可能性から、円筒型固体酸化物セル１０を有するＳＯＦＣにかかる発明となっているが、発電反応部を内包する容器内に、本願発明の吸熱反応容器２０を設置することが可能であれば、平板型固体酸化物セルを有するＳＯＦＣや、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）でも、本願発明の同様の構成で、円筒型固体酸化物セル１０を代替して利用することができる。このため、平板型固体酸化物セルを有するＳＯＦＣや、ＭＣＦＣを利用することも、本願発明の技術的思想の範囲に含まれている。

本願発明は、上述の説明に限定されることなく、本願請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されることはいうまでもない。

本願発明の基本システム構成を示す。 断熱容器内への円筒型固体酸化物セルの設置例を示す。ａは断熱容器を貫通するもの、ｂは断熱容器内に懸装されるものを示す。 断熱容器内への吸熱反応容器の設置例を示す。ａは断熱容器を貫通するもの、ｂは断熱容器内に設置されるものを示す。 吸熱反応容器で生成する水素を選択分離し、貯蔵又はＳＯＦＣの燃料として利用するシステム構成を示す（円筒型固体酸化物セルの筒内部に燃料・水素を供給するケース）。

符号の説明

００ 固体酸化物形燃料電池
１０ 円筒型固体酸化物セル
２０ 吸熱反応容器
２５ 水素分離手段
３０ 反応触媒
４０ 断熱容器
５０ 水素貯蔵部

Claims (7)

1. 吸熱反応容器（２０）を内蔵する固体酸化物形燃料電池（００）であって、
   固体酸化物形燃料電池（００）は、断熱容器（４０）内に、円筒型固体酸化物セル（１０）と、反応触媒（３０）を内設した吸熱反応容器（２０）と、が配置され、円筒型固体酸化物セル（１０）の筒内部に燃料ガスが供給され、筒外部に酸化剤が供給されて、発電するとともに高温の反応熱を発生し、
   円筒型固体酸化物セル（１０）の反応熱は、輻射熱及び酸化剤を熱媒とした伝熱により吸熱反応容器（２０）に反応熱として供給され、
   吸熱反応容器（２０）は原料が供給されて、吸熱反応により反応物質が生成されることを特徴とする
   固体酸化物形燃料電池
2. 吸熱反応容器（２０）を内蔵する固体酸化物形燃料電池（００）であって、
   固体酸化物形燃料電池（００）は、断熱容器（４０）内に、円筒型固体酸化物セル（１０）と、反応触媒（３０）を内設した吸熱反応容器（２０）と、が配置され、円筒型固体酸化物セル（１０）の筒内部に酸化剤が供給され、筒外部に燃料ガスが供給されて、発電するとともに高温の反応熱を発生し、
   円筒型固体酸化物セル（１０）の反応熱は、輻射熱及び燃料ガスを熱媒とした伝熱により吸熱反応容器（２０）に反応熱として供給され、
   吸熱反応容器（２０）は原料が供給されて、吸熱反応により反応物質が生成されることを特徴とする
   固体酸化物形燃料電池
3. 前記吸熱反応容器（２０）に供給される原料は、メタンガスと、水蒸気又は二酸化炭素のいずれかと、で構成される混合ガスを主成分とすることを特徴とする
   請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池
4. 前記吸熱反応容器（２０）は、反応触媒（３０）が低級炭化水素直接改質触媒であって、原料としてメタンガス等の低級炭化水素含有ガスが供給されて、水素と芳香族炭化水素とを生成する、低級炭化水素直接改質反応容器であることを特徴とする
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池
5. 前記吸熱反応容器（２０）で生成される反応物質の少なくとも１つが水素であり、該水素は水素分離手段（２５）により分離されて、前記円筒型固体酸化物セル（１０）に燃料として供給され、あるいは水素貯蔵部（５０）に貯蔵されることを特徴とする
   請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池
6. 円筒型固体酸化物セル（１０）で発生する反応熱の熱量をＱとし、円筒型固体酸化物セル（１０）から酸化剤により断熱容器（４０）外部に排出される脱熱量をＱ１とし、吸熱反応容器（２０）の吸熱反応での吸熱の熱量をＱ２としたときに、常に、Ｑ２≦Ｑ−Ｑ１となるように、原料と酸化剤のいずれか又は両方の供給量をそれぞれ調整する手段を備えることを特徴とする
   請求項１および請求項３から請求項５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池
7. 円筒型固体酸化物セル（１０）で発生する反応熱の熱量をＱとし、円筒型固体酸化物セル（１０）から燃料ガスにより断熱容器（４０）外部に排出される脱熱量をＱ１とし、吸熱反応容器（２０）の吸熱反応での吸熱の熱量をＱ２としたときに、常に、Ｑ２≦Ｑ−Ｑ１となるように、原料と燃料ガスのいずれか又は両方の供給量をそれぞれ調整する手段を備えることを特徴とする
   請求項２から請求項５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池

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