(57)【要約】【課題】発電効率を向上させながら水素と酸素との反応熱で高温になった固体酸化物形燃料電池を迅速に冷却して電池寿命を向上できる発電方法および発電システムを提供すること。【解決手段】原料ガス取出工程では、水素を含む原料ガスを圧縮した状態で貯蔵する原料ガス貯蔵器から、原料ガスを減圧させて取り出す。原料ガス加熱工程では、取り出された原料ガスを加熱する。水素分離工程では、加熱された原料ガスを水素とその他のガスとに分離する。発電工程では、分離された水素を固体酸化物形燃料電池において酸素と反応させて水蒸気と電気とを発生させる。熱交換工程では、固体酸化物形燃料電池と取り出された原料ガスとを熱交換させる。熱交換工程では、発電工程において発生した水素と酸素との反応熱によって原料ガスを加熱するとともに、原料ガスの減圧による冷却熱によって、固体酸化物形燃料電池を冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む原料ガスを圧縮した状態で貯蔵する原料ガス貯蔵器から、前記原料ガスを減圧させて取り出す原料ガス取出工程と、
前記原料ガス取出工程で取り出された原料ガスを加熱する原料ガス加熱工程と、
前記原料ガス加熱工程で加熱された原料ガスを前記水素とその他のガスとに分離する水素分離工程と、
前記水素分離工程で分離された水素を固体酸化物形燃料電池において酸素と反応させて水蒸気と電気とを発生させる発電工程と、
前記固体酸化物形燃料電池と前記取り出された原料ガスとを熱交換させる熱交換工程と、を備え、
前記熱交換工程は、
前記発電工程において発生した前記水素と前記酸素との反応熱によって、前記取り出された原料ガスを加熱するとともに、前記原料ガス取出工程において発生した前記原料ガスの減圧による冷却熱によって、前記固体酸化物形燃料電池を冷却する工程である、発電方法。
【請求項２】
前記固体酸化物形燃料電池と前記加熱された原料ガスとを熱交換させる第２の熱交換工程を更に備える、請求項１に記載の発電方法。
【請求項３】
前記水素分離工程は、水素分離膜で行う、請求項１または２に記載の発電方法。
【請求項４】
前記水素分離工程で分離された水素を減圧する減圧工程を更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電方法。
【請求項５】
前記酸素は、空気中に含まれた酸素である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電方法。
【請求項６】
水素を含む原料ガスを圧縮した状態で貯蔵する原料ガス貯蔵器から、前記原料ガスを減圧させて取り出す原料ガス取出部と、
前記原料ガス取出部から取り出された原料ガスを加熱する原料ガス加熱部と、
前記原料ガス加熱部で加熱された原料ガスを前記水素とその他のガスとに分離する水素分離部と、
前記水素分離部で分離された水素を酸素と反応させて水蒸気と電気とを発生させる固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池と前記取り出された原料ガスとを熱交換させる熱交換部と、を備え、
前記熱交換部は、
前記固体酸化物形燃料電池において発生した前記水素と前記酸素との反応熱によって、前記取り出された原料ガスを加熱するとともに、前記原料ガス取出部において発生した前記原料ガスの減圧による冷却熱によって、前記固体酸化物形燃料電池を冷却する、発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明による実施形態は、発電方法および発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素をエネルギー媒体とした水素エネルギー社会の実現が注目されており、いくつかの種類の燃料電池が考えられている。燃料電池のうち、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣとも呼ぶ）は、７００〜１０００℃程度の高温で水素と酸素を反応させ電気を取り出すものである。
【０００３】
ＳＯＦＣは、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）とは異なり、白金触媒が不要であったり、セルの排熱を利用した改質で都市ガスを利用できたりするという利点がある。
【０００４】
ＳＯＦＣを用いた発電に関する技術としては、これまでも、脱水素触媒の存在下でＳＯＦＣの排熱を利用して有機ハイドライドを脱水素反応させることによって水素を製造し、製造された水素を燃料電池に供給して発電に利用する技術が提案されている。
【０００５】
しかしながら、従来は、システムの発電効率を向上させながら水素と酸素の反応熱で高温になったＳＯＦＣを迅速に冷却して製品寿命を向上させることについて、何ら有効な提案がなされていないのが実情であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０３２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、発電効率を向上させながら水素と酸素との反応熱で高温になった固体酸化物形燃料電池を迅速に冷却して電池寿命を向上させることができる発電方法および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】
【０００８】
本実施形態による発電方法は、原料ガス取出工程と、原料ガス加熱工程と、水素分離工程と、発電工程と、熱交換工程とを備える。原料ガス取出工程では、水素を含む原料ガスを圧縮した状態で貯蔵する原料ガス貯蔵器から、原料ガスを減圧させて取り出す。原料ガス加熱工程では、原料ガス取出工程で取り出された原料ガスを加熱する。水素分離工程では、原料ガス加熱工程で加熱された原料ガスを水素とその他のガスとに分離する。発電工程では、水素分離工程で分離された水素を固体酸化物形燃料電池において酸素と反応させて水蒸気と電気とを発生させる。熱交換工程では、固体酸化物形燃料電池と取り出された原料ガスとを熱交換させる。熱交換工程は、発電工程において発生した水素と酸素との反応熱によって、取り出された原料ガスを加熱するとともに、原料ガス取出工程において発生した原料ガスの減圧による冷却熱によって、固体酸化物形燃料電池を冷却する工程である。
【０００９】
本実施形態による発電システムは、原料ガス取出部と、原料ガス加熱部と、水素分離部と、固体酸化物形燃料電池と、熱交換部とを備える。原料ガス取出部は、水素を含む原料ガスを圧縮した状態で貯蔵する原料ガス貯蔵器から、原料ガスを減圧させて取り出す。原料ガス加熱部は、原料ガス取出部から取り出された原料ガスを加熱する。水素分離部は、原料ガス加熱部で加熱された原料ガスを水素とその他のガスとに分離する。固体酸化物形燃料電池は、水素分離部で分離された水素を酸素と反応させて水蒸気と電気とを発生させる。熱交換部は、固体酸化物形燃料電池と取り出された原料ガスとを熱交換させる。熱交換部は、固体酸化物形燃料電池において発生した水素と酸素との反応熱によって、取り出された原料ガスを加熱するとともに、原料ガス取出部において発生した原料ガスの減圧による冷却熱によって、固体酸化物形燃料電池を冷却する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発電効率を向上させながら水素と酸素との反応熱で高温になった固体酸化物形燃料電池を迅速に冷却して製品寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態による発電システムを示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態による発電システムにおいて、熱交換部の一例を模式的に示す図である。
【図３】第１の実施形態による発電システムの動作例を示すフローチャートである。
【図４】第２の実施形態による発電システムを示すブロック図である。
【図５】第２の実施形態による発電システムにおいて、酸素加熱部の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。また、実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態による発電システムについて説明する。第１の実施形態による発電システムは、水素を燃料とした固体酸化物型燃料電池の発電に利用することができる。図１は、第１の実施形態による発電システム１を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態による発電システム１において、熱交換部８の一例を模式的に示す図である。
【００１４】
図１に示すように、第１の実施形態における発電システム１は、原料ガス貯蔵器２と、原料ガス取出部３と、原料ガス加熱部４と、水素分離部５と、水素加熱部６と、ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）７と、熱交換部８とを備える。
【００１５】
（原料ガス貯蔵器２）
原料ガス貯蔵器２は、水素を含む原料ガスを、圧縮した状態で貯蔵する。以下、原料ガス貯蔵器２に貯蔵された圧縮された原料ガスのことを、圧縮原料ガスとも呼ぶ。
【００１６】
原料ガス貯蔵器２に貯蔵されている圧縮原料ガスは、例えば、天然ガスである。圧縮原料ガスは、固体酸化物型電解セルなどによって水から生成されたものであってもよい。圧縮原料ガスに含まれている水素は、例えば、パラジウム系の水素であってもよく、また、バナジウム系の水素であってもよい。
【００１７】
圧縮原料ガスを貯蔵することで、液化水素を貯蔵する場合と比較して取扱いが容易である。
【００１８】
（原料ガス取出部３）
原料ガス取出部３は、原料ガス貯蔵器２に対して圧縮原料ガスの下流に位置し、原料ガス貯蔵器２から圧縮原料ガスを減圧させて取り出す。原料ガス取出部３は、例えば、図２に示すように、原料ガス貯蔵器２の下流側に接続された管路３１と、管路３１上に設けられた調圧弁３２とを有する。
【００１９】
原料ガス取出部３によれば、圧縮原料ガスを減圧することで、原料ガスに含まれる水素の圧力をＳＯＦＣ７での発電への利用に適した圧力に近づくように減少させることができる。
【００２０】
（原料ガス加熱部４）
原料ガス加熱部４は、原料ガス取出部３に対して原料ガスの下流に位置し、原料ガス取出部３から取り出された原料ガスを加熱する。原料ガス加熱部４は、例えば、原料ガスを外部加熱する燃焼器であってもよく、または、電気加熱式のヒータであってもよい。
【００２１】
ＳＯＦＣ７において水素と酸素を効率的に反応させて電気を発生させるため、反応前に予め水素と酸素を７００〜１０００℃の高温にすることが求められる場合がある。原料ガス加熱部４によれば、ＳＯＦＣ７での酸素との反応前に、反応に必要な温度に近づくように水素を加熱することができる。
【００２２】
（水素分離部５）
水素分離部５は、原料ガス加熱部４に対して原料ガスの下流に位置し、原料ガス加熱部４で加熱された原料ガスを、水素とその他のガスとに分離する。水素分離部５は、例えば、水素分離膜を有する。水素分離部５は、水素分離膜を透過して純度が高められ水素を発電のために下流に送ってもよい。その他のガスは、原料ガスに含まれる水素以外の不純物である。
【００２３】
水素分離部５によれば、原料ガスから不純物を除去して純度が高い水素を取り出すことができるので、水素と酸素との反応による発電をより効率的に行うことができる。
【００２４】
なお、水素分離部５で分離された水素のライン上に減圧機１１を設けてもよい。減圧機１１を設けることで、ＳＯＦＣ７への水素の供給量を高精度に制御することができる。なお、減圧機は、水素分離部５で分離されたその他のガスのライン上にも設けてもよい。
【００２５】
（水素加熱部６）
水素加熱部６は、水素分離部５に対して水素の下流に位置し、原料ガスから分離された水素を加熱する。
【００２６】
原料ガス加熱部４と同様に、水素加熱部６は、例えば、水素を外部加熱する燃焼器であってもよく、または、電気加熱式のヒータであってもよい。
【００２７】
水素分離部５における水素の分離が膨張行程をともなう場合、水素分離部５の出口側の水素温度は、水素分離部５の入口側の水素温度すなわち原料ガスの温度よりも低くなる。しかるに、水素加熱部６によれば、水素を加熱することで、水素分離部５において水素の温度が低下した場合においても、水素の温度をＳＯＦＣ７での反応に適した温度に調整することができる。
【００２８】
（ＳＯＦＣ７）
ＳＯＦＣ７は、水素加熱部６に対して水素の下流に位置し、水素分離部５で分離されて水素加熱部６で加熱された水素を酸素と反応させて水蒸気と電気とを発生させる。酸素は、空気中の酸素であってもよい。
【００２９】
ＳＯＦＣ７は、例えば、酸素が供給され、供給された酸素に電子をわたして酸化物イオンを生成する空気極（正極）と、水素が供給され、供給された水素を酸化物イオンと反応させて水蒸気と二酸化炭素を発生させるとともに電子を放出する燃料極（負極）と、空気極から燃料極に酸化物イオンを移動させる電解質とを有していてもよい。電気を生成できる限り、空気極、燃料極および電解質の具体的な態様は特に限定されない。
【００３０】
ＳＯＦＣ７での反応によって発生した水蒸気は、原料ガス取出部３の入熱として利用してもよい。また、水蒸気は、原料ガス加熱部４の上流および下流の原料ガスと第２の熱交換器１０を介して熱交換させてもよい。また、水蒸気は、水素分離部５の下流の水素と熱交換させてもよい。
【００３１】
水素と酸素との反応によって、ＳＯＦＣ７には反応熱が発生する。発生した反応熱が元々水素および酸素が有していた高温の熱に加えられることで、ＳＯＦＣ７の温度は水素と酸素との反応によって更に上昇する。反応後のＳＯＦＣ７の温度は、好ましくは７００℃以上である。
【００３２】
なお、ＳＯＦＣ７の温度を発電に適した温度に調整するため、ＳＯＦＣ７に温度調節機を設けてもよい。
【００３３】
（熱交換部８）
熱交換部８は、ＳＯＦＣ７と原料ガス取出部３との間に位置し、ＳＯＦＣ７と原料ガス取出部３で取り出された原料ガスとを熱交換させる。
【００３４】
熱交換部８は、ＳＯＦＣ７において発生した水素と酸素との反応熱によって、原料ガス取出部３で取り出された原料ガスを加熱するとともに、原料ガス取出部３において発生した原料ガスの減圧による冷却熱によって、ＳＯＦＣ７を冷却する。
【００３５】
例えば、図２に示すように、熱交換部８は、原料ガス取出部３の管路３１の途上にＳＯＦＣ７を囲むように位置する管路８１を有していてもよい。
【００３６】
他の電池と比較して高温の状況下で水素と酸素を反応させたうえで反応熱によって更に温度が上昇した高温のＳＯＦＣ７を放置する場合、ＳＯＦＣ７が熱で劣化して電池寿命が短縮する要因となる。
【００３７】
これに対して、熱交換部８によれば、原料ガス取出部３において発生した原料ガスの減圧による冷却熱によって、ＳＯＦＣ７をすみやかに冷却することができるので、熱によるＳＯＦＣ７の劣化を抑制することができる。また、ＳＯＦＣ７の冷却と同時に、ＳＯＦＣ７において発生した水素と酸素との反応熱によって原料ガス取出部３で取り出された原料ガスを加熱することができる。これにより、システム１の発電効率を向上させながら水素と酸素の反応熱で高温になったＳＯＦＣ７を迅速に冷却して製品寿命を向上させることができる。また、原料ガス取出部３において冷却された原料ガスを反応熱で加熱することができるので、原料ガスの凍結を防止することができる。
【００３８】
（動作例）
次に、以上の構成を有する第１の実施形態による発電システム１の動作例について説明する。図３は、第１の実施形態による発電システム１の動作例を示すフローチャートである。
【００３９】
なお、図３の初期状態において、原料ガス貯蔵器２には、例えば、７０ＭＰａに圧縮された圧縮原料ガスが貯蔵されているものとする。
【００４０】
そして、初期状態から、先ず、原料ガス取出部３によって原料ガス取出工程を実施する（ステップＳ１）。原料ガス取出工程では、例えば、調圧弁によって圧縮原料ガスの圧力を段階的に例えば０．９ＭＰａ程度に減圧することで、原料ガスを取り出す。原料ガスを取り出すとき、圧縮原料ガスの断熱膨張によって原料ガスが冷却される。
【００４１】
また、原料ガス取出工程を実施するとき、熱交換部８によって熱交換工程を実施する（ステップＳ１）。熱交換工程では、原料ガス取出工程で発生した原料ガスの冷却熱によって、後述する発電工程で発生した反応熱によって温度上昇したＳＯＦＣ７が冷却される。また、熱交換工程では、後述する発電工程で発生した反応熱によって、原料ガス取出工程において取り出された原料ガスが室温程度まで加熱される。
【００４２】
原料ガス取出工程および熱交換工程を実施した後、原料ガス加熱部４による原料ガス加熱工程を実施する（ステップＳ２）。原料ガス加熱工程においては、原料ガス取出工程において取り出された原料ガスを例えば３００℃程度に加熱する。
【００４３】
原料ガス加熱工程を実施した後、水素分離部５による水素分離工程を実施する（ステップＳ３）。水素分離工程では、加熱された原料ガスから水素のみを分離してＳＯＦＣ７側に供給し、水素の他のガスは、排ガスとして処理する。
【００４４】
水素分離工程を実施した後、水素加熱部６による水素加熱工程を実施する（ステップＳ４）。水素加熱工程においては、水素分離で分離された水素を７００〜１０００℃程度に加熱する。
【００４５】
水素加熱工程を実施した後、ＳＯＦＣ７による発電工程を実施する（ステップＳ５）。発電工程においては、水素と酸素とを反応させて電気と水蒸気を発生させる。水素と酸素との反応によって、ＳＯＦＣ７には反応熱が発生する。反応熱が発生することで、ＳＯＦＣ７の温度が上昇する。しかるに、第１の実施形態によれば、既述した熱交換工程によって、反応熱によって温度上昇したＳＯＦＣ７をすみやかに冷却することができる。
【００４６】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、熱交換工程を実施することで、原料ガス取出工程において発生した原料ガスの減圧による冷却熱によって、ＳＯＦＣ７をすみやかに冷却することができるので、熱によるＳＯＦＣ７の劣化を抑制することができる。また、ＳＯＦＣ７の冷却と同時に、ＳＯＦＣ７において発生した水素と酸素との反応熱によって原料ガス取出工程で取り出された原料ガスを加熱することができる。これにより、システム１全体での入熱を抑制して発電効率を向上させながら、水素と酸素の反応熱で高温になったＳＯＦＣ７を迅速に冷却して製品寿命を向上させることができる。また、原料ガス取出部３において冷却された原料ガスを反応熱で加熱することができるので、原料ガスの凍結を防止することができる。
【００４７】
また、第１の実施形態によれば、水素分離工程によって純度が高い水素をＳＯＦＣ７に供給することができるので、原料ガス貯蔵器２に貯蔵する圧縮原料ガスとして、水素純度が低いガスを選択できるといったコストメリットを得ることができる。
【００４８】
（実施例）
次に、第１の実施形態による発電システム１の実施例について説明する。実施例においては、原料ガス貯蔵器２に貯蔵されるガスとして、２０℃、７０ＭＰａの１ｍｏｌ／ｈの水素を仮定した。
【００４９】
この水素を原料ガス取出工程において０．９ＭＰａに減圧した場合、水素が理想気体であり、且つ断熱状態で取り出されると仮定すると、以下のポアッソンの式により、水素は−２５２℃まで冷却される。
Ｔ１／Ｐ１（ｋ‐１）／ｋ＝Ｔ２／Ｐ２（ｋ‐１）／ｋ＝ｃｏｎｓｔ      （１）
但し、数式（１）において、Ｔ１は、原料ガス取出工程での取出し前の水素の温度、Ｐ１は原料ガス取出工程での取出し前の水素の圧力、ｋは比熱比、Ｔ２は、原料ガス取出工程での取出し後の水素の温度、Ｐ２は原料ガス取出工程での取出し後の水素の圧力である。
【００５０】
このときのエンタルピー変化は、定圧時での水素の比熱ｃｐを１４．３８５Ｊ／ｇ／Ｋとすると、次式により、‐８ｋＪ／ｈとなる。
【数１】
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但し、ｈＴ１は、原料ガス取出工程での取出し前の水素のエンタルピー、ｈＴ２は、原料ガス取出工程での取出し後の水素のエンタルピーである。
【００５１】
一方、ＳＯＦＣ７では、水素１ｍｏｌ／ｈと酸素０．５ｍｏｌ／ｈが反応すると仮定すると、その反応熱はおよそ２４１ｋＪ／ｈとなる。
【００５２】
したがって、ＳＯＦＣ７での水素と酸素の反応熱と、水素減圧時の吸収熱すなわち冷却熱とを熱交換することで、水素減圧時の水素の冷却を抑えることができるとともに、ＳＯＦＣ７を冷却することができる。
【００５３】
また、ＳＯＦＣ７と水素分離膜後の圧力はほぼ等しく０．１ＭＰａとなり、水素分離膜前の圧力が０．９ＭＰａであるから、温度を３００℃以上にすることで、圧力差を推進力として水素のみを水素分離膜で通過させてＳＯＦＣ７に供給することができる。
【００５４】
（第２の実施形態）
次に、ＳＯＦＣ７に供給される酸素を予め加熱する第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態による発電システム１を示すブロック図である。
【００５５】
第１の実施形態では、ＳＯＦＣ７における水素と酸素との反応を効率的に行って発電効率を高めるため、熱交換部８におけるＳＯＦＣ７との熱交換によってＳＯＦＣ７に供給される水素を原料ガスの段階で加熱する発電システム１の例について説明した。これに対して、第２の実施形態の発電システム１においては、熱交換部８における水素（原料ガス）の加熱に加えて、更に、ＳＯＦＣ７に供給される酸素を予め加熱する構成を備えている。
【００５６】
具体的には、図４に示すように、第２の実施形態における発電システム１は、第１の実施形態の構成に加えて、更に、酸素加熱部９を備える。酸素加熱部９は、ＳＯＦＣ７に対して酸素の上流に位置し、ＳＯＦＣ７に供給される酸素を加熱する。
【００５７】
図５は、第２の実施形態による発電システム１において、酸素加熱部９の一例を模式的に示す図である。例えば、図５に示すように、酸素加熱部９は、管路９１と、管路９１上に設けられた調圧弁９２および電気炉９３とを有する。
【００５８】
第２の実施形態によれば、酸素加熱部９によって酸素を加熱することで、酸素の温度をＳＯＦＣ７での水素との反応に適した温度に調整することができる。これにより、ＳＯＦＣ７における反応をより効率的に行うことができるので、発電効率を更に向上させることができる。
【００５９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６０】
１  発電システム、３  原料ガス取出部、５  水素分離部、７  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）、８  熱交換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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