(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を直接燃料として用い、炭化水素の部分酸化反応を発電反応とする固体酸化物型燃料電池であって、燃料ガス供給系に、空気極用酸化ガスを含むガスを供給する手段を少なくとも備え、定格より低い出力が要求された場合、要求出力に見合った、定格出力時よりも多量の酸化ガスを混合した混合ガスを発電部に供給することで、定格より低い所望の出力で運転することを特徴とする固体酸化物型燃料電池の運転方法。
【請求項２】
燃料である炭化水素ガスと、空気極用酸化ガスを含むガスとを発電部に供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、上記燃料ガス供給系に、該燃料ガスと上記空気極用酸化ガスを含むガスの一部を混合する燃料混合部を設け、該燃料混合部には、上記発電部からの熱エネルギーの供給により、上記燃料ガスを予熱する手段を少なくとも備え、上記燃料ガスに酸化ガスを含むガスを混合することにより、定格より低い所望の出力で運転することを特徴とする固体酸化物型燃料電池の運転方法。
【請求項３】
燃料である炭化水素ガスと、空気極用酸化ガスを含むガスとを発電部に供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、上記燃料ガス供給系に、上記燃料電池とは独立した設備からの酸化ガスを含むガスを供給して混合する燃料混合部を設け、該燃料混合部から酸化ガスを含むガスを一部取り出して燃焼装置で燃焼させ、高温の排ガスを該燃料混合部に戻し熱交換させて燃料ガスを予熱する手段を具備することを特徴とする固体酸化物型燃料電池の運転方法。
【請求項４】
燃料である炭化水素ガスと、空気極用酸化ガスを含むガスとを発電部に供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、上記燃料ガス供給系に、燃料電池から独立した設備からの酸化ガスを含むガスを供給して混合する燃料混合部を設け、該燃料混合部には、上記発電部からの熱エネルギーの供給により、上記燃料ガスを予熱する手段を少なくとも備え、上記燃料ガスに酸化ガスを含むガスを混合することにより、定格より低い所望の出力で運転することを特徴とする固体酸化物型燃料電池の運転方法。
【請求項５】
燃料である炭化水素ガスと、空気極用酸化ガスを含むガスとを発電部に供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、上記燃料ガス供給系に、該燃料ガスと上記空気極用酸化ガスを含むガスの一部を混合する燃料混合部を設け、該燃料混合部から酸化ガスを含むガスを一部取り出して燃焼装置で燃焼させ、高温の排ガスを該燃料混合部に戻し熱交換させて燃料ガスを予熱する手段を具備することを特徴とする固体酸化物型燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素の部分酸化反応を優先的に用いる固体酸化物型燃料電池の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の炭化水素を燃料として用いる固体酸化物型燃料電池においては、炭化水素の分解による炭素の析出を避けるため、その炭化水素を、水あるいは二酸化炭素と水蒸気を主成分とする燃焼ガスと加熱反応させ、水素と一酸化炭素に改質した後、固体酸化物型燃料電池の燃料として用いる方法が一般的である（特開平９−１２９２５６号公報）。
ところが、この種の改質過程を含む燃料電池では、改質反応は発電に寄与しないうえに、全体として吸熱部位の改質反応部であるため、発熱部位である発電部分との効率的な熱の移動に関する技術の開発が必要となる。つまり、全体として熱効率および発電効率が低くなるという問題がある。
【０００３】
一方、メタンを燃料とする固体酸化物型燃料電池において、電解質材料に高イオン伝導性物質を用いることにより、炭素の析出がなく改質および発電を行うことのできる方法が、小型かつ短期間の試験において見出されている（石原ら、第８回ＳＯＦＣ研究発表会要旨集、ｐ９３,１９９９）。
この場合において、図１（ｂ）に示されるように、改質反応としては次式に示す部分酸化反応が優先して起こっている。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２＝ＣＯ＋２Ｈ２
この反応は、固体酸化物型燃料電池の燃料として用いることのできる一酸化炭素と水素を生成するだけでなく、それ自身が発電反応として機能するため、生成した燃料を他の固体酸化物型燃料電池に用い発電を起こすことにより、発電効率が高くなることを意味している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の部分酸化反応を優先して発電反応とする固体酸化物型燃料電池においては、長期の運転の際、もしくは電池およびその周辺構造が大型化し高温領域が大きくなり、そこに燃料が長く存在する場合、電池構成材およびその周辺部材にメタンの直接分解に代表されるように、次式に示される炭素が析出する。
ＣＨ４→Ｃ＋２Ｈ２
炭素が電池構成材上に析出した場合、触媒の能力が低下し、電池周辺部材、例えば燃料流通配管中に析出した場合には配管を閉塞するという不具合が生じていた。
また一方では、炭素の析出を抑えるために燃料側に酸化剤ガスを含むガスを供給した場合、酸化剤ガスが多く含まれると起電力の低下が生ずるため、固体酸化物型燃料電池の初期特性だけを考えた場合には、添加する酸化剤ガスの割合は少ないほうが好ましい。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決するものであって、燃料として炭化水素系燃料を用いて発電を行う際に、電池構成材およびその周辺部材への炭素の析出を抑制することができる固体酸化物型燃料電池の運転方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項１に記載のように、炭化水素系燃料を直接燃料として用い、炭化水素の部分酸化反応を発電反応とする固体酸化物型燃料電池であって、燃料ガス供給系に、空気極用酸化ガスを含むガスを供給する手段を少なくとも備え、定格より低い出力が要求された場合、要求出力に見合った、定格出力時よりも多量の酸化ガスを混合した混合ガスを発電部に供給することで、定格より低い所望の出力で運転する固体酸化物型燃料電池の運転方法とするものである。
また、請求項２に記載のように、燃料である炭化水素ガスと、空気極用酸化ガスを含むガスとを発電部に供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、上記燃料ガス供給系に、該燃料ガスと上記空気極用酸化ガスを含むガスの一部を混合する燃料混合部を設け、該燃料混合部には、上記発電部からの熱エネルギーの供給により、上記燃料ガスを予熱する手段を少なくとも備え、上記燃料ガスに酸化ガスを含むガスを混合することにより、定格より低い所望の出力で運転する固体酸化物型燃料電池の運転方法とするものである。
また、請求項３に記載のように、燃料である炭化水素ガスと、空気極用酸化ガスを含むガスとを発電部に供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、上記燃料ガス供給系に、上記燃料電池とは独立した設備からの酸化ガスを含むガスを供給して混合する燃料混合部を設け、該燃料混合部から酸化ガスを含むガスを一部取り出して燃焼装置で燃焼させ、高温の排ガスを該燃料混合部に戻し熱交換させて燃料ガスを予熱する手段を具備する固体酸化物型燃料電池の運転方法とするものである。
また、請求項４に記載のように、燃料である炭化水素ガスと、空気極用酸化ガスを含むガスとを発電部に供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、上記燃料ガス供給系に、燃料電池から独立した設備からの酸化ガスを含むガスを供給して混合する燃料混合部を設け、該燃料混合部には、上記発電部からの熱エネルギーの供給により、上記燃料ガスを予熱する手段を少なくとも備え、上記燃料ガスに酸化ガスを含むガスを混合することにより、定格より低い所望の出力で運転する固体酸化物型燃料電池の運転方法とするものである。
また、請求項５に記載のように、燃料である炭化水素ガスと、空気極用酸化ガスを含むガスとを発電部に供給して発電する固体酸化物型燃料電池であって、上記燃料ガス供給系に、該燃料ガスと上記空気極用酸化ガスを含むガスの一部を混合する燃料混合部を設け、該燃料混合部から酸化ガスを含むガスを一部取り出して燃焼装置で燃焼させ、高温の排ガスを該燃料混合部に戻し熱交換させて燃料ガスを予熱する手段を具備する固体酸化物型燃料電池の運転方法とするものである。
【００１３】
本発明は、燃料に都市ガスなどの天然ガスを用いて、部分酸化反応により燃料の改質を行う固体酸化物型燃料電池であって、定格より低い出力で運転する際、一時的に酸化剤ガスを含むガスを供給する工程を設け、それにより出力に合わせ酸化剤ガスを含むガスを供給する手段を持つものである。これにより、燃料の分解により析出する炭素が酸化剤ガスにより燃焼除去され、電池構成材等への炭素の析出を防止することができるので、長期安定型の燃料電池を実現できる効果がある。
【００１４】
また、起電力の低下を防ぐために定格運転条件においては、酸化剤ガスを含むガスは無供給もしくは少量の供給にとどめておき、定格より低い出力で運転する際には、酸化剤ガスを含むガスを出力に合わせ一時的に供給量を高く変化させる方向に調整することにより、長期運転における電池構成材およびその周辺部材への炭素の析出を抑制することが可能となり、長期安定型の燃料電池を実現できる効果がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を例示し、図面を用いてさらに詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の一時的に酸化剤ガスを含むガスを供給・混合する工程を含む固体酸化物型燃料電池の基本的な反応を示す概念図である。
図１（ａ）において、固体酸化物型燃料電池の発電部１に、燃料である炭化水素ガス３と酸化剤ガスを含むガス２を供給・混合し、上記発電部１において燃料である炭化水素ガス３の分解による炭素の析出を抑制し、水素、一酸化炭素ガス４が生成する発電反応を示す模式図である。
図１（ｂ）に示す従来型は、固体酸化物型燃料電池の発電部１に燃料である炭化水素ガス３が直接、上記発電部１に供給されるのに対し、本発明は図１（ａ）に示すように、燃料である炭化水素ガス３の供給と同時に酸化剤ガスを含むガス２を混合するものである。
【００１６】
本発明における燃料に混合する酸化剤ガスを含むガスは、酸素および酸素を含む空気が望ましいが、その他、酸素含有物質も使用可能である。他方、燃料である炭化水素ガス３としては、部分酸化反応により水素、一酸化炭素ガス４を生成する炭化水素類であれば使用可能であるが、具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の単独もしくはこれらの混合物を用いることが望ましく、中でもメタンもしくはメタンを主成分とする天然ガスがより望ましい。
【００１７】
本発明に用いられる空気極用酸化剤ガスを含むガスの供給方法の一例を、図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ａ）は、空気極ガスからの分岐による酸化剤ガスを含むガスの供給および発電部からの熱の供給による燃料の予熱を示す模式図であり、図２（ｂ）は、独立した設備からの酸化剤ガスを含むガスの供給および燃料混合部での燃焼による燃料の予熱を示す模式図である。
図２（ａ）、（ｂ）において、１は固体酸化物型燃料電池の発電部、２は酸化剤ガスを含むガス、３は炭化水素ガス、４は水素、一酸化炭素ガス、５は空気極用酸化剤ガス、６…燃料混合部、７は熱エネルギー（予熱）、８は調節器、９は燃焼装置を示す。
【００１８】
本発明におけるガスの供給方法は、単独のガス供給設備であっても良いが、供給設備の有効利用の面から、固体酸化物型燃料電池の一方の反応ガスである空気極用酸化剤ガス５を含むガスの供給設備からの分岐が望ましい。この際の酸化剤ガスを含むガス２および燃料である炭化水素ガス３の予熱は、後段の固体酸化物型燃料電池の発電部１からの排熱もしくは他の施設から供給される熱により行われることが望ましいが、供給する酸化剤ガスを含むガス２により燃料を別途燃焼し予熱７することも可能である。
【００１９】
本発明における運転方法についての一例を図３に示す運転方法判断図を用いて説明する。
通常の定格運転においては、〈運転モード１〉に示すように、燃料ガスには酸化剤ガスを含むガスを混合せず、起電力の低下による出力低下を防止し、高い効率での発電を可能とする。
一方、定格より低い出力で発電する際は、一時的に酸化剤ガスを含むガスを混合して出力を下げる〈運転モード２〉と同時に、電池構成材および周辺部材への炭素の析出を防止することを可能とするものである。
【００２０】
上記実施の形態においては、定格時に酸化剤ガスを含むガスを混合しない〈運転モード１〉としたが、定格時における電池構成材および周辺部材への炭素析出の条件は、開発された装置ごとに異なるので、定格運転時においても酸化剤ガスを含むガスをあらかじめ混合し、その出力の変動に合わせて酸化剤ガスを含むガスの混合比を変化させることにより、電池構成材および周辺部材への炭素の析出を防止することができる。
【００２１】
本発明においては、炭素析出の抑制のために酸化剤ガスを含むガスを混合するとしたが、本発明の一時的に酸化剤ガスを含むガスを供給する工程を含む固体酸化物型燃料電池の構成を採ることにより、実際に電池構成材および周辺部材へ炭素が析出した場合でも、それを検知し、析出した炭素が燃焼し除去できるだけの酸化剤ガスを含むガスを供給することにより〈運転モード３〉、一時的に電池出力は低下するものの、発電可能な状態へ装置を再生することを可能とするものである。
【００２２】
上記実施の形態における燃料の分解により析出する炭素が酸化剤ガスを含むガスにより燃焼される際の発熱を燃料電池の発電反応のための熱源として有効に利用することも可能である。
上記実施の形態における固体酸化物型燃料電池は、円筒型、平板型および中空平板型、いずれの構造をもつ燃料電池についても適応可能であり、上記同様の効果が期待できる。
また、上記実施の形態における固体酸化物型燃料電池は単セルのみならず、セル集合体においても上記同様の効果が期待できる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明においては、燃料となる炭化水素の部分酸化反応を優先して発電反応とする固体酸化物型燃料電池を長期運転する際、定格より低い出力が必要な場合、一時的に酸化剤ガスを含むガスを供給する工程を設け、出力の変動に合わせて酸化剤ガスを含むガスの混合比を変化させることにより、電池構成材および周辺部材への炭素の析出を防止することが可能となり、かつ長期間安定した発電が可能となる。
また、燃料の分解により析出する炭素が酸化剤ガスを含むガスにより燃焼される際の発熱を燃料電池の発電反応のための熱源としても有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態において例示した固体酸化物型燃料電池の基本的な反応を示す模式図。
【図２】本発明の実施の形態において例示した固体酸化物型燃料電池における酸化剤ガスを含むガスの供給方法を示す模式図。
【図３】本発明の実施の形態において例示した固体酸化物型燃料電池の運転方法を示す模式図。
【符号の説明】
１…固体酸化物型燃料電池の発電部
２…酸化剤ガスを含むガス
３…炭化水素ガス
４…水素、一酸化炭素ガス
５…空気極用酸化剤ガス
６…燃料混合部
７…熱エネルギー（予熱）
８…調節器
９…燃焼装置
【図１】
0003693933.tif 000002
【図２】
0003693933.tif 000003
【図３】
0003693933.tif 000004