(57)【要約】【課題】発電端効率を向上させるためにエジェクタにおける駆動ガス体積流量を高めることができる上に、ＳＯＦＣ燃料極排ガスの循環に因る改質性能低下の問題を解消することができる、ＳＯＦＣにおける燃料極排ガスの循環再利用方法を提供する。【解決手段】ＳＯＦＣ（１）から排出される燃料極排ガス中に含まれる発電可能な未燃の燃料ガスを再利用するために、上記燃料極排ガスの一部を燃料電池（１）への燃料供給系へ循環させる。原燃料を燃料ガスに水蒸気改質する改質器（２）から燃料電池（１）への燃料ガス供給ライン（３）にエジェクタ（４）を設けてこれに燃料電池（１）からの燃料極排ガス循環ライン（５）を接続し、改質器（２）から出る燃料ガスによってエジェクタ（４）を駆動させて燃料極排ガスをエジェクタ（４）に吸引させる。【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（１）から排出される燃料極排ガス中に含まれる発電可能な未燃の燃料ガスを再利用するために、上記燃料極排ガスの一部を燃料電池（１）への燃料供給系へ循環させる方法において、
原燃料を燃料ガスに水蒸気改質する改質器（２）から燃料電池（１）への燃料ガス供給ライン（３）にエジェクタ（４）を設けてこれに燃料電池（１）からの燃料極排ガス循環ライン（５）を接続し、改質器（２）から出る燃料ガスによってエジェクタ（４）を駆動させて燃料極排ガスをエジェクタ（４）に吸引させることを特徴とする、固体酸化物型燃料電池における燃料極排ガスの循環再利用方法。
【請求項２】
循環すべき燃料極排ガスを冷却し、生じた凝縮水を除去し、残ったガスをエジェクタ（４）に吸引させることを特徴とする、請求項１記載の固体酸化物型燃料電池における燃料極排ガスの循環再利用方法。
【請求項３】
原燃料として、炭化水素および／またはアルコールを主に含む燃料を用いることを特徴とする、請求項１または２記載の固体酸化物型燃料電池における燃料極排ガスの循環再利用方法。
【請求項４】
上記凝縮水の少なくとも一部を改質器（２）へ送って原燃料の水蒸気改質に用いることを特徴とする、請求項２または３記載の固体酸化物型燃料電池における燃料極排ガスの循環再利用方法。
【請求項５】
上記凝縮水を燃料極排ガスの燃焼熱によって気化器（６）で蒸発させ、生じた水蒸気を改質器（２）へ送って原燃料の水蒸気改質に用いることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池における燃料極排ガスの循環再利用方法。
【請求項６】
原燃料の水蒸気改質に必要な熱を、改質器（２）内において燃料極排ガスから回収した熱で賄うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池における燃料極排ガスの循環再利用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と略記する場合もある）において、その燃料極から排出される燃料極排ガス中に含まれる発電可能な未燃の燃料ガスを再利用するために、上記燃料極排ガスの一部を燃料電池への燃料供給系へ循環させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置において燃料電池本体の長寿命化を考えると、供給する全ての燃料を発電によって消費するのは好ましくなく、実際に発電に利用される燃料には燃料利用率として制限が設けられ、未利用燃料は燃料電池の燃料極から排出される。ＳＯＦＣでは一般に燃料利用率は50〜85％程度であり、未利用燃料のエネルギーは燃料極から排出後に熱等として回収されるが、このことはシステムの発電端効率を大きく制限することとなる。
【０００３】
燃料利用率による発電端効率向上の制限を打破する一つの方法として、エジェクタを用いて未利用燃料を含む燃料極排ガスを循環させる方法が既に知られている。燃料極排ガスを循環するためにエジェクタを用いる理由は、エジェクタはブロワ等のような外部動力を必要としない流体機械であるので発電端効率の向上に貢献できることと、エジェクタはブロワ等のような摺動部を一切持たないために長期間運転時に故障等が発生しにくく、信頼性が高いことによる。この方法では、燃料極排ガスをエジェクタ吸引ガスとし、原燃料ガスを駆動ガスとし、それらの混合ガスを改質器へ導いている。また、循環される燃料極排ガス中に含まれるＨ２Ｏと排ガスの熱によって、水蒸気改質に必要なＨ２Ｏと熱エネルギーを賄っている。この従来技術の課題の一つは、エジェクタでの吸引ガス体積流量を大きくするためにエジェクタにおける駆動ガス体積流量を高めることである。
【０００４】
特許文献１には、図３に示すように、ＳＯＦＣ（２１）の燃料極排ガスの一部を原燃料供給系へ改質器（２２）上流で循環させる循環ライン（２５）にエジェクタ（２４）を設け、燃料極排ガスを冷却器（２７）で冷却して同ガス中のＨ２Ｏを凝縮させ、得られた凝縮水を気液分離器（２８）から気化器（２６）へ送ってここで再蒸発させ、生じた水蒸気をエジェクタ（２４）に送ってこれを駆動させ、気液分離器（２８）から凝縮水分離後の燃料極排ガスを循環ライン（２５）を経てエジェクタ（２４）に吸引させ、ここで得られた混合物を改質器（２２）へ噴射供給する方法が提案されている。図３中、（２３）は燃料ガス供給ライン、（２９）は排ガス燃焼器である。
【０００５】
この燃料極排ガス循環方法では、エジェクタ吸引ガスの低温化、吸引比の低減、駆動ガス昇圧動力の省略を果たすことができる。加えて、起動時以外には系外からＨ２Ｏを供給する必要もない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１３−５０９６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の方法では、上述の通り、燃料極排ガスの一部を改質器（２２）上流で原燃料供給系に循環するので、同排ガス中の改質反応生成物を再び改質器（２２）に供給することになり、化学反応の平衡が反応原料側に偏り、改質性能が低下する可能性がある。
【０００８】
すなわち、下記反応式(1)および(2)は都市ガス等を原燃料とした場合に改質器で起こりうるＣＨ４の水蒸気改質反応とＣＯのシフト反応をそれぞれ示している。ＣＨ４を主成分とする都市ガス等の原燃料を用いる場合、燃料極排ガスには発電反応によって生成されるＣＯ２や、発電に用いられなかったＨ２やＣＯといったガスが多く含まれている。これら燃料極排ガスを改質器へと導入した場合、反応式(1)および(2)の生成物（右辺）濃度が初めから高いことになり、平衡状態は反応原料側（左辺）へ偏り、燃料極排ガスを導入しない場合よりも改質性能が低下してしまう。
【式１】
【０００９】
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本発明者らは、化学平衡反応シミュレーションにより、改質器に都市ガスの他に燃料極排ガスを導いた場合の改質性能を調べた。その結果を図２のグラフに示す。該グラフ中、縦軸は炭化水素改質率であり、これは
１−（改質後ガス中 ＭＣＨ４＋２ＭＣ２Ｈ６＋３ＭＣ３Ｈ８＋４ＭＣ４Ｈ１０）/（供給都市ガス中 ＭＣＨ４＋２ＭＣ２Ｈ６＋３ＭＣ３Ｈ８＋４ＭＣ４Ｈ１０）と定義される。定義中、Ｍαは物質量であり、αは各物質種を表す。横軸は改質器入口に供給される都市ガス物質量に対する燃料極排ガス物質量の比である。このグラフから明らかなように、燃料供給系に燃料極排ガスを加えることで炭化水素の改質率は低下する。なお、本シミュレーションでは「都市ガス中Ｃ量:Ｈ２Ｏ量=1：3」とし、都市ガスの組成は「ＣＨ４:Ｃ２Ｈ６:Ｃ３Ｈ８:Ｃ４Ｈ１０=89:7:3:1」、燃料極排ガス組成は「Ｈ２:ＣＯ:ＣＯ２=15:15:70」と仮定し、反応条件は、温度600℃、圧力100kPaGの定圧定温とした。また、支配方程式としてペン＝ロビンソンの状態方程式を用いてギブスの自由エネルギーを元にした平衡反応を解いている。
【００１０】
改質性能の低下は、これを解決のために改質温度の上昇やＨ２Ｏ導入量の増加を要するためにエネルギー損失の増大を招くばかりか、ＣＨ４がより多く残ることによって燃料電池本体内部で吸熱反応である水蒸気改質反応が増え、発熱反応である発電反応と混在することで内部の温度勾配が大きくなり、燃料電池本体の機械的損傷にもつながる。
【００１１】
本発明は、上記のような実情から、発電端効率を向上させるためにエジェクタにおける駆動ガス体積流量を高めることができる上に、ＳＯＦＣ燃料極排ガスの循環に因る改質性能低下の問題を解消することができる、ＳＯＦＣにおける燃料極排ガスの循環再利用方法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】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成することを企図して完成されたものであり、
ＳＯＦＣ（１）から排出される燃料極排ガス中に含まれる発電可能な未燃の燃料ガスを再利用するために、上記燃料極排ガスの一部をＳＯＦＣ（１）への燃料供給系へ循環させる方法において、
原燃料を燃料ガスに水蒸気改質する改質器（２）からＳＯＦＣ（１）への燃料ガス供給ライン（３）にエジェクタ（４）を設けてこれにＳＯＦＣ（１）からの燃料極排ガス循環ライン（５）を接続し、改質器（２）から出る燃料ガスによってエジェクタ（４）を駆動させて燃料極排ガスをエジェクタ（４）に吸引させることを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい形態においては、循環すべき燃料極排ガスを冷却し、生じた凝縮水を除去し、残ったガスをエジェクタ（４）に吸引させる。
【００１４】
本発明方法に用いる原燃料は、都市ガス、メタンなどの炭化水素やエタノールなどのアルコール類に代表されるように、水蒸気改質を行うことでＨ２やＣＯを含むガスへと変換できる物質それ自体、あるいはそれらを含んだもの（例えばメタン発酵ガス（炭化水素以外にＣＯ２等を含む）、粗精製バイオエタノール（アルコール以外に酢酸やアルデヒド等を含む））などであって良いが、炭化水素および／またはアルコールを主に含む燃料が好ましい。
【００１５】
本発明の別の好ましい形態においては、上記凝縮水を改質器（２）へ送って原燃料の水蒸気改質に用いる。
【００１６】
本発明のさらに別の好ましい形態においては、上記凝縮水を燃料極排ガスの燃焼熱によって気化器（６）で蒸発させ、生じた水蒸気を改質器（２）へ送って原燃料の水蒸気改質に用いる。
【００１７】
原燃料の水蒸気改質に必要な熱を、改質器（２）内において燃料極排ガスから回収した熱で賄うこともできる。
【発明の効果】
【００１８】
１）本発明では、原燃料を燃料ガスに水蒸気改質する改質器（２）から燃料電池（１）への燃料ガス供給ライン（３）にエジェクタ（４）を設けてこれに燃料電池（１）からの燃料極排ガス循環ライン（５）を接続し、改質器（２）から出る燃料ガスによってエジェクタ（４）を駆動させて燃料極排ガスをエジェクタ（４）に吸引させるので、循環される燃料極排ガスは改質反応後の改質ガスすなわち燃料ガスと混合されることになり、改質性能には何ら影響を及ぼさない。したがって、この発明によれば、発電端効率を向上させるためにエジェクタにおける駆動ガス体積流量を高めることができる上に、特許文献１におけるＳＯＦＣ燃料極排ガスの循環に因る改質性能低下の問題を解消することができる。
【００１９】
２）改質ガスをエジェクタ駆動ガスとすることで次のような循環率向上効果が得られる。
【００２０】
改質ガスは、水蒸気改質反応を経ることで原燃料よりも物質量が大きくなるために、原燃料を一定流量で流している場合、同温・同圧力下では体積流量が大きくなる。エジェクタの動作原理からして駆動ガスの質量流量が一定の場合、より流速が大きい方がより多くの流体を吸引できる。同温・同圧下の同一形状の流路では体積流量が大きいほど流体の流速は大きくなるため、改質ガスを駆動ガスに用いることで流速が大きくなり、同じエジェクタを用いた場合でも燃料極排ガス循環率を大きくできる。以下に数式を用いてその理由を説明する。
【００２１】
エジェクタの最大吸込圧や無負荷吸引量といった性能は作動流体の運動量に比例し、作動流体運動量が大きいほど高い性能を発揮できる。作動流体の運動量をFとすると、(3)式のように表される。ｍは流体の質量流量、ｖは流速である。
【式２】
【００２２】
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ｍ、ｖはそれぞれ(4)、(5)式のように表すことができる。ρは体積密度、Ｑは体積流量、Ｓは流路断面積を表し、添字ｆ、ｒは改質器投入ガスと改質器出口ガスをそれぞれ示す。改質器内では質量保存が成り立っているため質量流量を一定としている。
【式３】
【００２３】
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エジェクタの流路形状は不変であることから、流路断面積Ｓは一定であり、(6)式に示す通り運動量は体積流量のみに比例することになる。(1)式からもわかるように、一般に改質反応を経ることでガスの総物質量が増えることになるから、同温・同圧を仮定すれば(7)式の関係が成り立ち、原燃料と水蒸気の混合ガスよりも改質ガスを駆動ガスに用いた方が同じ質量流量でもより多くのガスを吸引できる可能性があることが分かる。
【式４】
【００２４】
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また、改質器に投入する炭素分と比較して水蒸気量が少なくなると炭素析出等好ましくない反応が生じ、改質器が劣化してしまう。本実施例では、改質器へ投入される再蒸発したＨ2Ｏ量をバルブ等で簡単に制御でき、改質器に導入される混合ガスのスチームメタン比を２〜４とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の実施形態を示すフロー図である。
【図２】図２は、炭化水素改質率と循環ガス量の関係、すなわち、炭化水素改質率と、改質器入口に供給される都市ガス物質量に対する燃料極排ガス物質量の比（供給燃料極排ガス物質量）/（供給都市ガス物質量）との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、特許文献１記載の燃料極排ガス循環方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に、本発明を図示の実施態様に基づいて具体的に説明する。
【００２７】
図１は、ＳＯＦＣ（１）から排出される燃料極排ガス中に含まれる発電可能な未燃の燃料ガスを再利用するために、上記燃料極排ガスの一部をＳＯＦＣ（１）への燃料供給系へ循環させる方法の一例を示すフロー図である。
【００２８】
この方法において、ＳＯＦＣの原燃料としては都市ガスやメタンガスが用いられる。原燃料は改質器（２）に供給され、ここで燃料ガスに水蒸気改質される。改質器（２）に導入される原燃料がメタンガスである場合、［水蒸気／メタン］流量比は２〜４である。改質器（２）で生成したＨ２やＣＯやＣＯ２を多く含む改質ガスすなわち燃料ガスは、改質器（２）出口において０．１〜３．２ＭＰaＧの圧力を有する。
【００２９】
改質器（２）からＳＯＦＣ（１）への燃料ガス供給ライン（３）にエジェクタ（４）が設けられ、これにＳＯＦＣ（１）からの燃料極排ガス循環ライン（５）が接続されている。エジェクタ（４）は、改質器（２）から来る燃料ガスによって駆動させられ、循環ライン（５）を経て来る燃料極排ガスを吸引して同排ガスと燃料ガスの混合物をＳＯＦＣ（１）へ噴射供給する。吸引される燃料極排ガスの圧力は０〜１００ｋＰaＧの範囲にある。
【００３０】
改質器（２）は、水蒸気改質触媒の充填層（７）と、燃料極排ガス循環ライン（５）の一部からなる熱交換管部（５a）とを内装する。熱交換管部（５a）は、ＳＯＦＣ（１）から出た燃料極排ガスの一部と原燃料を熱交換することで、原燃料の水蒸気改質に必要な熱を燃料極排ガスから回収した熱で賄うものである。
【００３１】
ＳＯＦＣ（１）は、燃料極（９）と空気極（１０）とが固体電解質層（１１）を介して配置されたものである。この燃料極（９）に、改質器（２）から燃料ガス供給ライン（３）を経て燃料ガスが供給され、空気極（１０）には、空気予熱器（１２）を有する空気供給ライン（１７）を経て空気が供給される。
【００３２】
燃料極排ガス循環ライン（５）には、熱交換管部（５a）の下流に冷却器（１３）とその下流に気液分離器（１４）が設置されている。ＳＯＦＣ（１）の燃料極（９）から出た燃料極排ガスの一部は、燃料極排ガス循環ライン（５）上の熱交換管部（５a）において原燃料を予熱し、次いで冷却器（１３）によって冷却された後、気液分離器（１４）へ送られる。燃料極排ガスは標準状態における体積分率で４０〜６５％程度のＨ２Ｏを含むので、同ガスを冷却器（１３）で冷却することによって凝縮水が生じる。燃料極排ガス循環ライン（５）は、気液分離器（１４）内の水中に浸漬した浸漬管部（５ｂ）を有している。気液分離器（１４）は、冷却器（１３）から来る気液混合物を浸漬管部（５ｂ）から気液分離器（１４）内の水中にバブリングすることによって、冷却器（１３）で生じた凝縮水を除去する（これは燃料極排ガス中のＨ２Ｏの２０〜８０％に相当する）。気液分離器（１４）内の水は、上記凝縮水が徐々に溜まったものである。
【００３３】
凝縮水除去後の燃料極排ガスは、気液分離器（１４）の頂部から循環ライン（５）を経てエジェクタ（４）に吸引され、ここで改質器（２）からの燃料ガスと混合され、この混合物がＳＯＦＣ（１）の燃料極（９）に供給される。
【００３４】
気液分離器（１４）内に溜まった凝縮水の一部は、送水ポンプ（１６）によって気化器（６）へ送られて蒸発させられる。生じた水蒸気は０．１〜３．２ＭＰaＧ（１２０〜２３５℃）程度の蒸気圧を有しており、これは次いで改質器（２）へ送られて原燃料の水蒸気改質に用いられる。この時、改質器（２）に供給される水蒸気の蒸気圧と供給量を制御することによって、エジェクタ（４）に吸引される凝縮水除去後の燃料極排ガス量を制御することができ、［吸引ガス体積流量／駆動ガス体積流量］で表される体積流量比を標準状態で０．５〜６の範囲で制御することができる。
【００３５】
燃料極（９）から出た燃料極排ガスの残部は、排ガス燃焼器（１５）へ送られて同ガス中の可燃成分がＳＯＦＣ（１）の空気極（１０）から来る余剰空気によって燃焼される。生じた燃焼排ガスの一部は上記気化器（６）へ送られてその熱源として用いられた後、系外へ排出される。燃焼排ガスの残部は、空気供給ライン（１７）の空気予熱器（１２）へ送られて、空気極（１０）へ供給する空気の予熱に用いられた後、系外へ排出される。
【符号の説明】
【００３６】
（１）：ＳＯＦＣ
（２）：改質器
（３）：燃料ガス供給ライン
（４）：エジェクタ
（５）：燃料極排ガス循環ライン
（５a）：熱交換管部
（５ｂ）：浸漬管部
（６）：気化器
（７）：水蒸気改質触媒の充填層
（９）：燃料極
（１０）：空気極
（１１）：固体電解質層
（１２）：空気予熱器
（１３）：冷却器
（１４）：気液分離器
（１５）：排ガス燃焼器
（１６）：送水ポンプ
（１７）：空気供給ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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