(57)【要約】【課題】  経済性、効率を向上させるとともに、設置スペースを削減することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】  固体酸化物形燃料電池３と、電力を用いて水から水素と酸素とを生成する水電解手段５と、水電解手段５により生成された水素を貯蔵する水素タンク２９と、を備え、固体酸化物形燃料電池３の立ち下げ時に、少なくとも水素タンク２９に貯蔵された水素を固体酸化物形燃料電池３の燃料極に導入することを特徴とする。【選択図】  図１
2006134767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池と、
電力を用いて水から水素と酸素とを生成する水電解手段と、
該水電解手段により生成された水素を貯蔵する水素タンクと、を備え、
前記固体酸化物形燃料電池の立ち下げ時に、少なくとも前記水素タンクに貯蔵された前記水素を前記固体酸化物形燃料電池の燃料極に導入することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記固体酸化物形燃料電池の立ち上げの際に、
その作動温度が所定温度に到達するまで前記固体酸化物形燃料電池が発電した電力を、前記水電解手段に供給することを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記水電解手段により生成された酸素を前記固体酸化物形燃料電池の空気極に導入することを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記水電解手段が、固体高分子形水電解装置であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して発電を行うものである。この燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。
【０００３】
また、燃料電池の発電効率の高さに着目して、燃料電池をさまざまな形式の発電システムに用いる技術が開発されている。
その中には、燃料電池が燃料として水素が使用可能な点を利用し、夜間の余剰電力を用いて水を電気分解して生成された水素を昼間の発電に利用し、電力負荷を平準化する技術が公開されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−５６８８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１においては、水電解装置と固体高分子形燃料電池とを備える燃料電池系発電システムの構成が開示されている。このシステムでは、水電解装置により水を電気分解して生成された水素と酸素とを貯蔵し、電力が必要なときに貯蔵された水素および酸素を用いて発電している。
しかしながら、上述の構成では、水電解装置に電力を供給して所定の効率で水素および酸素を生成し、固体高分子形燃料電池に生成された水素および酸素を供給して所定の効率で発電を行っている。つまり、水素および酸素の生成時と、水素および酸素を用いた発電時とにおいてエネルギーロスが発生しており発電の効率が悪いという問題があった。
【０００５】
また、上述の固体高分子形燃料電池の他に、より発電効率の高い固体酸化物形燃料電池を用いる燃料電池システムも提案されている。
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ
Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、燃料極としてニッケルが用いられている。ＳＯＦＣは、イオン電導率を高めるために作動温度が略９００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。
【０００６】
しかしながら、ＳＯＦＣは立ち下げの際に、燃料極側のパージを還元性気体で行う必要があり、還元性気体を供給するボンベ等を発電システムに備え付ける必要があった。つまり、ＳＯＦＣの作動温度のような高温状態で燃料極側に酸素が供給されると、燃料極が酸化され、燃料極破損の恐れがあった。この燃料極の破損を防止するため、少なくとも燃料極が酸化されなくなる温度（例えば４００℃）になるまでは燃料極側のパージは還元性気体で行われている。
【０００７】
そのため、還元性気体を供給するためのボンベ等を発電システムに備え付けるための設備費がかかり、さらに、ＳＯＦＣを立ち下げるたびに還元性気体を消費するため、ボンベを交換する必要がありコストがかかるという問題があった。また、ボンベ等をＳＯＦＣに設置するスペースを確保する必要があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、経済性、効率を向上させるとともに、設置スペースを削減することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池と、電力を用いて水から水素と酸素とを生成する水電解手段と、該水電解手段により生成された水素を貯蔵する水素タンクと、を備え、前記固体酸化物形燃料電池の立ち下げ時に、少なくとも前記水素タンクに貯蔵された前記水素を前記固体酸化物形燃料電池の燃料極に導入することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、水電解手段により生成された還元性気体である水素を固体酸化物形燃料電池の立ち下げ時に燃料極に導入してパージすることができる。そのため、燃料極の酸化を防止することができ、燃料極の破損を防止することができる。
固体酸化物形燃料電池に還元性気体を供給するボンベ等を別途配置する必要がなくなるため、設備費等を削減することができるとともに、消費された還元性気体を補充するためのコストを削減することができる。また、ボンベ等を配置するスペースを必要としない。
なお、水電解手段に供給される電力は、固体酸化物形燃料電池が発電した電力であってもよいし、他の発電手段で発電された電力であってもよい。
【００１１】
また、上記発明においては、前記固体酸化物形燃料電池の立ち上げの際に、その作動温度が所定温度に到達するまで前記固体酸化物形燃料電池が発電した電力を、前記水電解手段に供給することが望ましい。
【００１２】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の作動温度が所定温度に到達するまでに発電された電力を用いて、水電解手段が水を電解することにより、従来、利用されていなかった電力を有効利用することができるようになる。
【００１３】
さらに、上記発明においては、前記水電解手段により生成された酸素を前記固体酸化物形燃料電池の空気極に導入することが望ましい。
本発明によれば、水電解手段により生成された酸素を固体酸化物形燃料電池の空気極に導入することにより、固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることができる。
【００１４】
上記発明においては、前記水電解手段が、固体高分子形水電解装置であることが望ましい。
本発明によれば、固体高分子形水電解装置を水電解手段として用いることにより、例えばアルカリ水電解法と比較して、高い効率で水を電解することができ、固体酸化物形燃料電池システムの効率を向上させることができる。また、高電流密度化が可能であり、固体高分子形水電解装置の小型化が可能であり、固体酸化物形燃料電池システムの設置スペースの削減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池の立ち下げ時に水電解手段により生成された水素をパージガスとして燃料極に導入することができる。そのため、燃料極の酸化を防止し燃料極の破損を防止することができる。また、還元性気体を供給するボンベ等を別途配置する必要がなくなるため、設備費等を削減することができ、消費された還元性気体を補充するためのコストを削減することができるため、固体酸化物形燃料電池システムの経済性を向上させることができる。
また、上記ボンベ等を配置するスペースを必要としないため、固体酸化物形燃料電池システムの設置スペースを削減できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の一実施形態に係るＳＯＦＣシステムについて、図１を参照して説明する。
図１は、本発明に係るＳＯＦＣシステムの概要を説明する図である。
ＳＯＦＣシステム（固体酸化物形燃料電池システム）１は、図１に示すように、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）３と、固体高分子形水電解装置（水電解手段）５（以下、「ＳＰＷＥ」と呼ぶ）と、から概略構成されている。
【００１７】
ＳＯＦＣ３による発電は、例えば略１０００℃の作動温度となるように加熱して供給される高温燃料ガスおよび高温空気の反応によって行われる。一方の高温燃料ガスは、高温燃料ガス流路７からＳＯＦＣ３の燃料極側に供給される。この高温燃料ガス流路７には後述する水素ガス流路２５が接続されており、ＳＰＷＥ５により生成された水素ガスが導入されるようになっている。他方の高温空気は、高温空気流路９からＳＯＦＣ３の空気極側に供給される。この高温空気流路９には後述する酸素ガス流路２７が接続されており、ＳＰＷＥ５により生成された酸素ガスが導入されるようになっている。
なお、ＳＯＦＣ３に供給される燃料ガスとしては、たとえば水素ガスや天然ガスなどを使用することができる。
【００１８】
ＳＯＦＣ３から排出された排燃料ガスおよび排空気は燃焼器１１に導入される。排燃料ガスは排燃料ガス流路１３によりＳＯＦＣ３の燃料極側から燃焼器１１に供給され、排空気は排空気流路１５によりＳＯＦＣ３の空気極側から燃焼器１１に供給される。
排燃料ガスには、ＳＯＦＣ３における反応に用いられなかった未反応燃料ガスが含まれ、排空気には、ＳＯＦＣ３における反応に用いられなかった未反応酸素が含まれている。
燃焼器１１に供給された排燃料ガスおよび排空気は燃焼されて排ガスとなり、排ガス流路１７を通って煙突１９から放出される。
【００１９】
ＳＯＦＣ３には、ＳＯＦＣ３で発電された直流電力を交流に変換するインバータ２１と、上記直流電力を用いて水を電気分解するＳＰＷＥ５が接続されている。
ＳＰＷＥ５には、水を供給する水供給流路２３と、生成された水素ガスをＳＯＦＣ３に供給する水素ガス流路２５と、生成された酸素ガスをＳＯＦＣ３に供給する酸素ガス流路２７と、が接続されている。水素ガス流路２５は上述の高温燃料ガス流路７に接続され、その途中には、水素ガスを貯蔵する水素ガスタンク（水素タンク）２９と水素ガスの流量を制御する水素ガス開閉弁３１とが配置されている。酸素ガス流路２７は上述の高温空気流路９に接続され、その途中には、酸素ガスを貯蔵する酸素ガスタンク３３と酸素ガスの流量を制御する酸素ガス開閉弁３５とが配置されている。
【００２０】
次に、上記の構成からなるＳＯＦＣシステム１について、その作用を説明する。
最初にＳＯＦＣシステム１の立ち上げ時の作用について説明する。
まず停止状態のＳＯＦＣ３の起動準備に入る。この起動準備では、セラミックスの電解質を適当な加熱源によって室温から徐々に温度上昇させ、運転（発電）開始の準備をする。
その後、ＳＯＦＣ３の燃料極側に高温燃料ガス流路７を介して高温燃料ガスが供給され、ＳＯＦＣ３の空気極側に高温空気流路９を介して高温空気が供給される。するとＳＯＦＣ３では高温燃料ガスと高温空気とが反応して発電が開始される。
このようなＳＯＦＣ３の立ち上げ段階では、ＳＯＦＣ３の定常運転時の作動温度（例えば略９００℃〜略１０００℃）よりも低い作動温度で発電が行われている。そのため、燃料ガスと酸素とが反応して開放されるエネルギーの内、電気エネルギーに変換される割合が定常運転時と比較して少なく発電効率は低い。電気エネルギーに変換されなかったエネルギーは熱エネルギーに変換され、ＳＯＦＣ３の作動温度上昇に寄与する。
【００２１】
ＳＯＦＣ３の立ち上げ段階で発電された電力は、その全てがＳＰＷＥ５に供給される。ＳＰＷＥ５では、水供給流路２３を介して供給された水をＳＯＦＣ３から供給された電力を用いて電気分解し、水素ガスと酸素ガスとを生成する。水素ガスは水素ガス流路２５を介して水素ガスタンク２９に導かれ一時的に貯蔵される。酸素ガスは酸素ガス流路２７を介して酸素ガスタンク３３に一時的に貯蔵される。このとき、水素ガス開閉弁３１および酸素ガス開閉弁３５は閉じられている。
【００２２】
ＳＰＷＥ５による水素ガスおよび酸素ガスの生成は、少なくともＳＯＦＣ３の作動温度が定常運転時の作動温度に達するまで行われる。ＳＯＦＣ３が定常運転状態になると、ＳＯＦＣ３により発電された電力は、外部の電力需要に応じてインバータ２１により交流に変換され、外部に供給される。
例えば夜間のように外部の電力需要が少なく、ＳＯＦＣ３の発電能力より低い場合には、ＳＯＦＣ３により発電された電力の余剰分はＳＰＷＥ５に供給され、水素ガスおよび酸素ガスの生成に用いられる。また、昼間のように外部の電力需要が高い場合には、ＳＯＦＣ３で発電された電力の全てがインバータ２１を介して供給される。さらに、電力需要が高いときには、酸素ガスタンク３３に貯蔵されていた酸素ガスをＳＯＦＣ３に供給してもよい。それまで閉じられていた酸素ガス開閉弁３５が開かれ、酸素ガスは酸素ガス流路２７および高温空気流路９を介してＳＯＦＣ３に供給される。
【００２３】
次に、ＳＯＦＣシステム１の立ち下げ時の作用について説明する。
ＳＯＦＣシステム１を立ち下げるときには、ＳＯＦＣ３の燃料極側にＳＰＷＥ５で生成した水素ガスをパージガスとして導入する。それまで閉じられていた水素ガス開閉弁３１が開かれ、水素ガスは水素ガス流路２５および高温燃料ガス流路７を介してＳＯＦＣ３に供給される。
水素ガスの導入は、ＳＯＦＣ３の温度が定常作動温度から少なくとも燃料極が酸素と反応し酸化しなくなる温度（例えば略４００℃）に下がるまでの間であることが望ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、ＳＯＦＣ３の立ち下げ時にＳＰＷＥ５により生成された還元性気体である水素ガスをパージガスとしてＳＯＦＣ３の燃料極に導入することができる。そのため、燃料極の酸化を防止することができ、燃料極の破損を防止することができる。また、ＳＯＦＣ３にパージ用の還元性気体を供給するボンベ等を別途配置する必要がなくなるため、設備費等を削減することができるとともに、消費された還元性気体を補充するための交換等のコストを削減することができ、ＳＯＦＣシステム１の経済性を向上させることができる。
さらに、上記ボンベ等を配置するスペースを必要としないため、ＳＯＦＣシステム１の設置スペース削減を図ることができる。
【００２５】
ＳＯＦＣ３の立ち上げ時に、作動温度が所定温度に到達するまでに発電された電力を用いて、ＳＰＷＥ５が水を電解することにより、従来、利用されていなかった電力を利用することができ、ＳＯＦＣシステム１の経済性を向上させることができる。
また、ＳＰＷＥ５により生成された酸素ガスをＳＯＦＣ３の空気極に導入することにより、ＳＯＦＣ３の性能を向上させることができ、ＳＯＦＣシステム１の性能を向上させることができる。
【００２６】
ＳＰＷＥ５を水電解手段として用いることにより、例えばアルカリ水電解法と比較して、高い効率で水を電解することができ、ＳＯＦＣシステム１の効率を向上させることができる。また、高電流密度化が可能であり、ＳＰＷＥ５の小型化が可能であり、ＳＯＦＣシステム１の設置スペースの削減を図ることができる。
【００２７】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、ＳＰＷＥに供給される電力は、ＳＯＦＣで発電された電力のみの構成に適用して説明したが、ＳＯＦＣで発電した電力に限られることなく、例えば太陽電池や風力発電装置など自然エネルギーを利用して発電した電力をＳＰＷＥに供給してもよいし、これらの電力を組み合わせてＳＰＷＥに供給してもよく、特に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係るＳＯＦＣシステムの概要を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ＳＯＦＣシステム（固体酸化物形燃料電池システム）
３  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
５  固体高分子形水電解装置（水電解手段）
２９  水素ガスタンク（水素タンク）
【図１】
2006134767.tif 000003