(57)【要約】【課題】改質反応部の出口温度を６００℃以下としてもアルコール燃料を十分に改質でき、固体酸化物型燃料電池を効率よく運転できると共に、低濃度のアルコールを燃料として使用できる固体酸化物型燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池発電システム１は、固体酸化物型燃料電池本体２と、アルコール燃料を改質して水素、メタンまたは一酸化炭素を得る改質反応部４とを備える。改質反応部４は、触媒充填層を備え、（触媒充填層の長さ）２×３．１４／改質反応部のガス入口断面積＞１００であり、１２〜６４質量％の濃度のアルコール燃料を改質反応部４に供給する。アルコール燃料は、改質反応部４に導入される前の段階で、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃが１〜７である。アルコールと水との混合気が１００〜３５０℃となるように運転する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池本体と、アルコール燃料を改質して該固体酸化物型燃料電池本体に供給される水素を得る改質反応部とを備え、
該アルコール燃料の改質により得られた水素、メタンまたは一酸化炭素を用いて発電する燃料電池発電システムにおいて、
該改質反応部は、触媒充填層を備え、（触媒充填層の長さ）２×３．１４／改質反応部のガス入口断面積＞１００であり、
１２〜６４質量％の範囲の濃度に調整されたアルコール燃料を、該改質反応部に供給すると共に、
該アルコール燃料は、該改質反応部に導入される前の段階で、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃが１〜７の範囲にあり、アルコールと水との混合気が１００〜３５０℃の範囲の温度となるように運転することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、前記アルコール燃料は、バイオマスの発酵により得られたエタノール燃料であることを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば、サトウキビ、トウモロコシ等の農作物、又はイナワラ、ムギワラ等のセルロースを含むバイオマスの醗酵により得たエタノール（以下、バイオエタノールと略記する）を内燃機関等の燃料に用いることが検討されている。前記バイオマスは植物性物質であり、原料となる植物自体が既に光合成により二酸化炭素を吸収しているので、かかる植物性物質から得られたバイオエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しい。即ち、土壌管理等を厳重に行うことにより、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるという所謂カーボンニュートラル効果を得ることができ、二酸化炭素排出量を削減して地球温暖化防止に寄与することができる。
【０００３】
ところが、前記バイオエタノールは低濃度であるため、内燃機関等の燃料として用いるには、蒸留等の手段により高濃度とする必要がある。従って、前記バイオエタノールは、前記高濃度化まで含めた全製造過程を考慮すると、必ずしもエネルギー効率が高いと言うことはできない。
【０００４】
一方、前記バイオエタノールを水蒸気改質して、水素、メタンまたは一酸化炭素等を含むガスとして、燃料電池の燃料に用いることが検討されている。この場合、前記燃料電池としては、電解質に固体酸化物を用いる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。
【０００５】
前記固体酸化物型燃料電池として、メタノールを該固体酸化物型燃料電池の排熱により熱分解して、生成した水素及び一酸化炭素を燃料として用いるものが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の前記固体酸化物型燃料電池は、メタノールを直接熱分解するものであり、水蒸気改質には言及していない。
【０００６】
一方、エタノールを水蒸気改質する改質反応部を備える固体酸化物型燃料電池が知られている（例えば特許文献２参照）。前記改質反応部を備える前記固体酸化物型燃料電池は、該改質反応部に該固体酸化物型燃料電池の排熱を供給することにより、前記エタノールの水蒸気改質を行い、該水蒸気改質により得られた水素またはメタンをアノードに供給するものである。
【０００７】
ところが、前記エタノールの水蒸気改質反応は吸熱反応であり、前記固体酸化物型燃料電池を効率よく運転するには、該改質反応部の出口温度を６００℃以上に保持する必要がある。前記改質反応部の出口温度が６００℃未満であるときには、改質ガス中の副生成物や残留アルコールにより改質触媒が劣化したり、炭素の析出によりアノード側の触媒が劣化するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１９４０９５号公報
【特許文献２】特開２００８−１８６７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記改質反応部で必要とされる熱量を前記固体酸化物型燃料電池の排熱のみによって賄おうとすると、前記改質反応部の出口温度が６００℃以上に維持することが難しいという不都合がある。
【００１０】
本発明は、かかる不都合を解消して、前記改質反応部の出口温度を６００℃以下としても前記アルコール燃料を十分に改質でき、前記固体酸化物型燃料電池を効率よく運転することができると共に、低濃度のアルコールを燃料として使用することができる固体酸化物型燃料電池発電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】
【００１１】
かかる目的を達成するために、本発明は、固体酸化物型燃料電池本体と、アルコール燃料を改質して該固体酸化物型燃料電池本体に供給される水素を得る改質反応部とを備え、該アルコール燃料の改質により得られた水素、メタンまたは一酸化炭素を用いて発電する燃料電池発電システムにおいて、該改質反応部は、触媒充填層を備え、（触媒充填層の長さ）２×３．１４／改質反応部のガス入口断面積＞１００であり、１２〜６４質量％の範囲の濃度に調整されたアルコール燃料を、該改質反応部に供給すると共に、該アルコール燃料は、該改質反応部に導入される前の段階で、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃが１〜７の範囲にあり、アルコールと水との混合気が１００〜３５０℃の範囲の温度となるように運転することを特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池発電システムでは、触媒充填層を備え、（触媒充填層の長さ）２×３．１４／（改質反応部のガス入口断面積）＞１００である改質反応部に１２〜６４質量％の範囲の濃度に調整されたアルコール燃料を供給する。このとき、前記アルコール燃料は、前記改質反応部に導入される前の段階で、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃが１〜７の範囲とされており、アルコールと水との混合気が１００〜３５０℃の範囲の温度となるように運転される。
【００１３】
この結果、本発明の燃料電池発電システムによれば、前記改質反応部の出口温度を４００〜６００℃の範囲としても、改質ガス中の副生成物や残留アルコールによる改質触媒の劣化や、炭素の析出によるアノード側の触媒の劣化を防止することができる。従って、本発明の燃料電池発電システムによれば、前記固体酸化物型燃料電池を効率よく運転することができると共に、低濃度のアルコールを燃料として使用することができる。
【００１４】
前記改質反応部における（触媒充填層の長さ）２×３．１４／（改質反応部のガス入口断面積）の値が１００未満であるときには、該改質反応部に供給されたアルコール燃料が改質されないまま通過してしまう。
【００１５】
また、前記アルコール燃料は、アルコール濃度が１２質量％未満では前記改質反応部に導入される前の段階で、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃが７より大きくなる。一方、アルコール濃度が６４質量％より大きいと前記改質反応部に導入される前の段階で、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃが１未満となる。
【００１６】
ここで、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃが１未満では、炭素が析出し、アノード側の触媒が劣化する。一方、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃが７より大きくなると、水の気化に要する熱量が多くなり過ぎ、生成される水素の濃度が低下する。
【００１７】
本発明の燃料電池発電システムでは、例えば、前記固体酸化物型燃料電池の排熱を利用することにより、前記改質反応部に導入される前の段階で、アルコールと水との混合気が１００〜３５０℃の範囲の温度となるようにする。
【００１８】
前記改質反応部に導入される前の段階で、アルコールと水との混合気の温度が１００℃未満であると、該混合気中の水が凝縮してしまい該混合気の水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃを１〜７の範囲とすることができなくなる。この場合、アノード側の触媒が劣化するばかりでなく、アノード自体も劣化する虞がある。
【００１９】
一方、前記改質反応部に導入される前の段階で、アルコールと水との混合気の温度を３５０℃を超える温度とするにはさらに熱源を必要とする上、アルコールと水との混合気の温度が３５０℃を超えると炭素が析出する虞がある。
【００２０】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記アルコール燃料としては、メタノール、エタノール、ブタノール等のアルコールを用いることができるが、特にバイオエタノールを用いることが好ましい。前記バイオエタノールを用いることにより、前記アルコール燃料のアルコール濃度を容易に１５．４〜４６質量％の範囲に調整することができる。また、前記バイオエタノールを用いることにより、二酸化炭素排出量を削減して地球温暖化防止に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの一構成例を示すシステム構成図。
【図２】エタノール濃度と水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃとの関係を示すグラフ。
【図３】比Ｒに対するバイオエタノールの燃料転化率と、改質反応における副生成物の生成量との関係を示すグラフ。
【図４】各種アルコールのアルコール濃度と水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃとの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１は、固体酸化物型燃料電池本体２と、固体酸化物型燃料電池本体２の発電後の余剰燃料及び余剰酸素を燃焼させる燃焼部３と、改質反応部４と、アルコール燃料気化混合部５とを備えている。
【００２４】
固体酸化物型燃料電池本体２は、余剰燃料導管６及び余剰酸素導管７を介して燃焼部３に接続されている。燃焼部３は余剰燃料及び余剰酸素を燃焼させるものであり、燃焼により発生した排気を、固体酸化物型燃料電池本体２、改質反応部４、アルコール燃料気化混合部５に供給する排気導管８と、余剰の排気を排出する排出導管９とを備えている。
【００２５】
尚、燃焼部３で発生した排気は、その全量を排気導管８を介して固体酸化物型燃料電池本体２、改質反応部４、アルコール燃料気化混合部５に供給してもよい。この場合、排出導管９は不要である。
【００２６】
改質反応部４は、上流側にアルコール燃料気化混合部５を備えると共に、アルコール燃料気化混合部５に対向する側から導出される燃料導管１０を介して固体酸化物型燃料電池本体２のアノード側に接続されている。  
【００２７】
燃料電池発電システム１では、まず、アルコール燃料としてバイオエタノールをアルコール燃料気化混合部５に供給する。前記バイオエタノールは、例えば、イナワラから得られた糖溶液をアルコール発酵させたものであり、１５．４〜４６質量％の範囲のエタノール濃度に調整されている。
【００２８】
前記バイオエタノールは、アルコール燃料気化混合部５で、燃焼部３から排気導管８を介して供給される排気により加熱されて気化され、水蒸気とエタノール蒸気との混合気とされて改質反応部４に供給される。このとき、前記混合気は、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃが１．５〜７の範囲にあり、１００〜３５０℃の範囲の温度に加熱されている。
【００２９】
前記混合気は、改質反応部４で改質触媒と接触することにより水蒸気と反応して、水素、メタン等の混合ガス（以下、改質ガスと記載することがある）に改質される。前記混合気が水蒸気と反応して水素、メタン等に改質される反応の例として、次に、エタノールが水蒸気と反応して水素に改質される場合の反応式を示す。
【００３０】
Ｃ２Ｈ５ＯＨ  ＋  ３Ｈ２Ｏ  →  ２ＣＯ２  ＋  ６Ｈ２  −２０９（ｋＪ）
前記反応式から、エタノール１モルの改質のために水３モルが必要とされることがわかり、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃ≧１．５とする必要があることが明らかである。また、前記反応式から、前記混合気が水蒸気と反応して水素、メタン等に改質される反応は吸熱反応であり、反応を進行させるためには改質反応部４を加熱する必要があることが明らかである。
【００３１】
そこで、燃料電池発電システム１では、前述のように、燃焼部３の排気を排気導管８を介して供給することにより改質反応部４を加熱すると共に、その余熱により前記混合気を改質反応部４に導入される前の段階で１００〜３５０℃の範囲の温度に加熱している。具体的には、燃焼部３で発生する排気は５００〜８００℃の範囲の温度であり、まず改質反応部４を加熱することにより、１５０〜４５０℃の範囲の温度に冷却される。次いで、前記排気はアルコール燃料気化混合部５で前記バイオエタノールを加熱し、気化させて、得られた混合気を改質反応部４に導入される前の段階で１００〜３５０℃の範囲の温度に加熱する。
【００３２】
そして、１００〜３００℃の範囲の温度に冷却された前記排気が大気中に放出される。前記排気による改質反応部４及びアルコール燃料気化混合部５の加熱は、熱交換によるものであってもよく、単に輻射熱によるものであってもよい。
【００３３】
また、改質反応部４は、改質触媒が充填された触媒充填層を備え、次式（１）で表される比ＲがＲ＞１００となっている。
【００３４】
Ｒ＝（触媒充填層の長さ）２×３．１４／（改質反応部のガス入口断面積）  …(1)
燃料電池発電システム１では、改質反応部４が前述のように排気導管８を介して供給される排気により加熱されると共に、前記式（１）で表される比ＲがＲ＞１００であることにより、改質反応部４の出口温度を４００〜６００℃とすることができる。この結果、改質反応部４では、実質的に副生成物を発生させることなく、前記混合気を水蒸気と反応させて水素、メタン等からなる改質ガスを得ることができる。そして、前記改質ガスを燃料導管１０を介して固体酸化物型燃料電池本体２に供給することができる。
【００３５】
改質反応部４は、前記改質触媒が充填された触媒充填層を螺旋状としたり、ジグザグに折れ曲がるようにすることにより、該触媒充填層の長さを延長することができ、前記式（１）で表される比ＲをＲ＞１００とすることができる。
【００３６】
次に、前記バイオエタノールのエタノール濃度と水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃとの関係を図２に示す。図２から、エタノール濃度を１５．４〜４６質量％の範囲とすることにより、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃを１．５〜７の範囲とすることができることが明らかである。
【００３７】
次に、前記式（１）で表される比Ｒに対する前記バイオエタノールの燃料転化率と、改質反応における副生成物の生成量との関係を図３に示す。図３から比Ｒの値が１００を超えると前記燃料転化率は実質的に１００％となり、前記副生成物は実質的に生成しなくなることが明らかである。
【００３８】
本実施形態の燃料電池発電システム１では、燃料アルコールとしてバイオエタノールを用いているが、これに代えて一般のエタノールを用いてもよく、メタノール、ブタノール等の他のアルコールを用いてもよい。エタノールの場合には前述のように、濃度を１５．４〜４６質量％の範囲とすることにより、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃを１．５〜７の範囲とすることができる。また、メタノールの場合には、濃度を２０．２〜６４質量％の範囲とすることにより、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃを１〜７の範囲とすることができる。また、ブタノールの場合には、濃度を１２．８〜３７質量％の範囲とすることにより、水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃを１．７５〜７の範囲とすることができる。
【００３９】
次に、メタノール、エタノール、ブタノールの各種アルコール濃度と水蒸気カーボン比Ｓ／Ｃとの関係を図４に示す。  
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池発電システム、  ２…固体酸化物型燃料電池本体、  ３…燃焼部、  ４…改質反応部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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