(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムであって、固体酸化物形燃料電池を二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、ペロブスカイト型の固体酸化物で構成してなるアノードを備える、アノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出されるアノードオフガスを強制的に酸化させるようにしてなり、且つその運転時に、前記固体酸化物アノードで構成されたアノードオフガス完全酸化用の模擬セルを短絡させてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システム。
【請求項２】
固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムの運転方法であって、固体酸化物形燃料電池セルを二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、ペロブスカイト型の固体酸化物で構成してなるアノードを備える、アノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出されるアノードオフガスを強制的に酸化させ、且つその運転時に、前記固体酸化物アノードで構成されたアノードオフガス完全酸化用の模擬セルを短絡させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムの運転方法。
【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から二酸化炭素（ＣＯ2）を分離回収するためのシステム及びその運転方法に関し、より詳しくは、固体酸化物形燃料電池から効率的にＣＯ2を分離回収するための固体酸化物形燃料電池システム及びその運転方法に関する。本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた分散型電源システムに好適に適用される。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell、以下適宜“ＳＯＦＣ”と略称する）の単電池すなわちセルは、固体酸化物からなる電解質を挟んで燃料極および空気極が配置され、燃料極／電解質／空気極の三層ユニットで構成される。本明細書中、固体酸化物からなる電解質を適宜「電解質」または「電解質膜」とも言う。また、空気極は、酸化剤ガスとして酸素が用いられる場合は酸素極であるが、本明細書においては、酸化剤ガスとして酸素または酸素富化空気が用いられる場合を含めて空気極という。
【０００３】
固体酸化物からなる電解質の構成材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等のジルコニア系やＬａＧａＯ3系などが用いられ、燃料極の構成材料としては、例えばニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物（Ｎｉ／ＹＳＺサーメット等）等の多孔質体が用いられ、空気極の構成材料としては、例えばＳｒドープのＬａＭｎＯ3等の多孔質体が用いられ、通常、電解質膜の両面に燃料極と空気極を焼き付けることによりセルが構成される。
【０００４】
ＳＯＦＣにはその形状の観点からして、平板方式、円筒方式、一体積層方式、その他各種あるが、これらは原理的には同じであり、（ａ）電解質膜自体でその構造を保持する自立膜式や（ｂ）膜厚の厚いアノードで電解質膜を支持する支持膜式のほか、（ｃ）多孔質の絶縁性支持基体の上に電池を配置した形式なども考えられている。また、ＳＯＦＣはその作動温度が１０００〜８００℃程度と高いが、最近ではそれ以下、８００〜６５０℃程度の範囲、例えば７５０℃程度の温度で作動するＳＯＦＣが開発されつつある。
【０００５】
図７（ａ）〜（ｃ）はそれらＳＯＦＣセルの態様例を説明する断面図である。図７（ａ）は自立膜式のＳＯＦＣセルで、セル１は、電解質膜３の下面にアノード２が配置され、電解質膜３の上面にカソード４が配置されて構成される。図７（ｂ）は支持膜式のＳＯＦＣセルで、セル１は、膜厚の厚いアノード２の上に電解質膜３が配置され、電解質膜３の上にカソード４が配置されて構成される。
【０００６】
支持膜式においては、電解質膜の膜厚を薄く構成でき、その膜厚が例えば１０μｍ程度となり、８００〜６５０℃という低温で運転できる。このため、インターコネクタなどの構成材料として耐熱合金、例えばステンレス鋼などの安価な材料の使用が可能となり、また小型化が可能であるなど各種利点を有する。図７（ｃ）は、支持基体５の上に順次、アノード２、電解質３及びカソード４を配置して構成したセル１である。それらいずれの態様でも、空気極側に空気を流し、燃料極側に燃料を流して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。
【０００７】
図８は支持膜式ＳＯＦＣセルを例にし、それを組込んだ支持膜式ＳＯＦＣスタックの構成例を断面図で示している。支持膜式ＳＯＦＣセルは、燃料極の上に電解質膜が配置され、電解質膜の上に空気極が配置されて構成される。支持膜式ＳＯＦＣスタックは、上部から下部へ順次セパレータＡ、セパレータＢ、セパレータＣ、接合材（シール材による接合箇所）、支持膜式ＳＯＦＣセル、セパレータＤが配置される。セパレータＡの上部および下部には集電板等が配置されるが、図示は省略している。
【０００８】
ところで、ＳＯＦＣのセル一つでは高々０．８Ｖ程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためにセルとセルをインターコネクタを介して交互に積層配置してスタック化される。図９は、セル１を二個、その間にインターコネクタ６を一個、上方セルの上面および下方セルの下面にそれぞれ枠体７（この枠体も一種のインターコネクタである）を備えてスタックを構成した場合を示している。インターコネクタ６には、セルに空気および燃料を供給するための複数個の溝状のガス流路が形成されている。なお、図９中Ａ−Ａ線断面が図７（ａ）〜（ｃ）の各断面に相当している。すなわち、隣接するセルを電気的に直列に接続するのと同時に、カソードとアノードのそれぞれに空気と燃料とを分配し供給し排出する目的でインターコネクタとセルとが交互に積層される。
【０００９】
図１０（ａ）〜（ｂ）はその積層の態様例を説明する図である。図１０（ａ）は、各セル１とインターコネクタ６、７の燃料流路、空気流路との位置関係を示す図で、燃料流と空気流が並行流する態様を示している。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のようにしてセルを積層したＳＯＦＣスタックの斜視図で、インターコネクタ等の記載は省略している。図１０（ｂ）ではセル数が１６個の場合を示しているが、その数は適宜設定される。ＳＯＦＣの運転時には、セルのアノード側に燃料を流し、カソード側に酸化剤ガス、例えば空気を流して、両電極間に外部負荷Ｗを接続することで電力が得られる。
【００１０】
図１０（ｃ）は、図１０（ａ）〜（ｂ）に示すＳＯＦＣスタックを構成するセル１個を取り出し、その作動時における空気中の酸素、電子の流れなどを示した図である。
図１０（ｃ）のとおり、カソード側を流れる空気中の酸素はカソードで酸素イオン（Ｏ2-）となり、電解質３を通ってアノード２に至る。ここで、アノード２側を流れる燃料と反応して電子を放出し、電気と水、二酸化炭素等の反応生成物を生成する。カソードでの利用済み空気は空気極オフガスつまりカソードオフガスとして排出され、アノードでの利用済み燃料は、燃料極オフガスつまり、未利用の燃料と水蒸気や二酸化炭素等の反応生成物を含むアノードオフガスとして排出される。
【００１１】
ところで、ＳＯＦＣにおいては、水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）が燃料となるが、炭化水素のうちメタンは、アノードの構成成分である金属、例えばニッケルの触媒作用により水蒸気改質されて水素と一酸化炭素になる。このため、ＳＯＦＣでは、水素、一酸化炭素、メタン、あるいはそれらの２種以上からなる燃料であればそのままアノードへ導入すればよいが、燃料にメタン以外の炭化水素、すなわち炭素数２以上の炭化水素が含まれていると、ＳＯＦＣへの配管、特にアノードへの燃料導入管やアノードに炭素を生成し、これが電気化学反応を阻害して電池性能を劣化させてしまう。
【００１２】
このため、炭素数Ｃ2以上の炭化水素を含む原燃料の場合は、水蒸気改質法や部分酸化法で予備改質して水素、一酸化炭素及びメタンを含む予備改質ガスに変えられる。予備改質に代えて、メタンも改質して水素、一酸化炭素に変えてもよい。水蒸気改質法で原燃料を改質する場合、メタン換算スチーム（モル）比（Ｓ／Ｃ比）は２以上（＝完全水蒸気改質に必要な水蒸気量の２倍以上）、好ましくは３以上とされる。
【００１３】
ここで、本明細書において、そのように、予備改質または改質する前の燃料を“原燃料”と言い、その原燃料を水蒸気改質法や部分酸化法で予備改質または改質してＳＯＦＣのアノードへ導入する予備改質済みの燃料（水素、一酸化炭素、メタン、あるいはそれらの２種以上を含む燃料）及び改質済みの燃料（水素、一酸化炭素のうちの一方または両者を含む燃料）を単に“燃料”と称している。
【００１４】
ところで、ＳＯＦＣにおいては、適量の燃料をアノードへ供給するために原燃料の流量を制御する必要があるが、その制御は一般的には次のように行うことができる。ＳＯＦＣの効率を決める一つの要因として燃料利用率がある。燃料利用率は、投入した燃料に対し、どれだけ発電に利用できたかを示す指標である。より具体的に言えば、アノードへ導入する燃料量に対する実際に発電に寄与する燃料量の比率であり、アノードへ導入する燃料のうちどれだけ発電に利用されるかを示す比率である。従って、燃料利用率が高いほど発電効率が高くなるので、一般的には、できる限り燃料利用率を高めるような工夫をし、できる限り高い燃料利用率で運転する。
【００１５】
しかし、燃料利用率には理論上、そして実用上も上限がある。図１１はその事実を説明する図で、電流密度を例えば０．２Ａ/ｃｍ2と一定にして、燃料利用率を高めた場合のＳＯＦＣセル中における燃料出口付近のセル電圧の変化を示している。図１１のとおり、ＳＯＦＣセルでの燃料利用率が高くなるにつれてセル電圧が漸次低下し、燃料利用率が９０％程度を超えるとセル電圧が急激に落ち込む。
【００１６】
そのようにセル電圧が落ちてくる現象は、アノード側での酸素分圧の増加を意味しており、酸素分圧がある一定値以上に増加すると、アノード中の触媒金属、例えばニッケル（Ｎｉ）が酸化してＮｉＯに変化し、Ｎｉの酸化に伴って起こる格子膨張によりアノードが破損し、安全性を損なってしまう。これが“燃料枯れ”と呼ばれるもので、セルに十分な燃料が行き渡らず、発電を損なうことになる。
【００１７】
ＳＯＦＣセルのアノードに供給された燃料は出口に向けて順次消費されていくため、燃料枯れは、単セルでも、複数のセルを配置したＳＯＦＣスタックでも、また複数のＳＯＦＣスタックを併置したＳＯＦＣバンドルでも、通常、アノードでの燃料の出口側で起こり得る。加えて、実際のＳＯＦＣセル、ＳＯＦＣスタックあるいはＳＯＦＣバンドルの場合には、若干の燃料リークや、電極内部のガス拡散が律速（支配的）となり、これらに起因して燃料利用率は８５％程度が限度となる。
【００１８】
〈分散型電源システムについて〉
ところで、燃料電池は、太陽光発電、太陽熱発電などとともに分散型電源として期待されているが、通常、分散型電源システムにおいては、発電に伴い発生したＣＯ2はほとんど回収されることなく、大気中に放出される。ＳＯＦＣその他、各種燃料電池に関しても、一般的にＣＯ2を回収することはない。
【００１９】
〈従来のＳＯＦＣについて〉
図１のとおり、従来のＳＯＦＣセルでは、燃料を水蒸気により改質し、生成改質ガスをＳＯＦＣセルのアノードに供給するとともに、空気をカソードに供給して発電することで電気を発生させる。燃料利用率は８５％程度が限度であることから、ＳＯＦＣセルでの残燃料つまりアノードオフガスと残空気つまりカソードオフガスを混合し燃焼（混合燃焼）させる。
【００２０】
ＳＯＦＣセルで発生するアノードオフガスには、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2のほか、燃料利用率の関係からＳＯＦＣセルで未利用のＨ2、ＣＯが１５％以上含まれており、カソードオフガスにはＳＯＦＣセルで未利用のＯ2が含まれている。そこで、未利用のＨ2、ＣＯを有効利用するために、図１のとおり、アノードオフガスをカソードオフガスと混合して燃焼し、その発生熱をＳＯＦＣセルの保温に利用することが考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかし、そのようにアノードオフガスをカソードオフガスと混合燃焼してしまうと、燃焼排ガスにはＣＯ2に混じって多量の窒素が混入することになり、燃焼排ガスからのＣＯ2の分離回収が困難になる。また、その排出燃焼ガスは、例えばコジェネレーションシステムにおける水蒸気発生用や給湯用などにも利用されるが、水蒸気や温湯の需要量にも限度があり、多量の窒素が混入することにも変りはない。
【００２２】
そこで、ＳＯＦＣセルを多段に構成し、後段のＳＯＦＣセルにおいて、発電により強制的にオフガスを燃焼させ、燃料利用率を９０％程度まで高め、その後、ガスを冷却・圧縮することによりＣＯ2を分離回収することが提案されている。図２はその先行技術（Ｗestinghouse）の概略を説明する図である。図２のとおり、ＳＯＦＣセルを二段（多段）に配置して、二段目（二段目以降）のＳＯＦＣセルをオフガス酸化用のセルとする。そして、オフガス酸化用セルに一段目のＳＯＦＣセルからのアノードオフガスとカソードオフガスを導入して、燃料利用率を９０％程度まで高める。
【００２３】
そして、オフガス酸化用セルからのアノードオフガスを冷却して、その中の水蒸気は冷却・凝縮し、ＣＯ2を分離回収する。さらに、それらの成分を回収した後の残余のアノードオフガスをオフガス酸化用セルからのカソードオフガスと混合燃焼して燃焼排ガスとして排出する。しかし、このシステムでの燃料利用率は９０％程度で限度であり、オフガス酸化用セルは依然、そのアノードが酸化する危険がある。
【００２４】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムにおける以上の諸問題を解決してなる、固体酸化物形燃料電池から効率的にＣＯ2を分離回収するためのシステム及び固体電解質形燃料電池から効率的にＣＯ2を分離回収する方法を提供することを目的とするものである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明（１）は、固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムであって、固体酸化物形燃料電池を二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、アノードを固体酸化物で構成したアノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出されるアノードオフガスを強制的に酸化させるようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムである。
【００２６】
本発明（２）は、固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムであって、固体酸化物形燃料電池を二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、アノードを固体酸化物で構成したアノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出されるアノードオフガスを強制的に酸化させるようにしてなり、且つその運転時に、前記固体酸化物アノードで構成されたアノードオフガス完全酸化用の模擬セルを短絡させてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムである。
【００２７】
本発明（１）〜（２）の固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムにおいて、前記固体酸化物アノードの構成材料としては、例えばペロブスカイト型の酸化物を使用することができる。
【００２８】
本発明（３）は、固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムの運転方法であって、固体酸化物形燃料電池セルを二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、アノードを固体酸化物で構成したアノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出される燃料オフガスを強制的に酸化させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムの運転方法である。
【００２９】
本発明（４）は、固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムの運転方法であって、固体酸化物形燃料電池セルを二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、アノードを固体酸化物で構成したアノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出されるアノードオフガスを強制的に酸化させ、且つその運転時に、前記固体酸化物アノードで構成されたアノードオフガス完全酸化用の模擬セルを短絡させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムの運転方法である。
【００３０】
本発明（３）〜（４）の固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムの運転方法において、前記固体酸化物アノードの構成材料としては、例えばペロブスカイト型の酸化物を使用することができる。
【発明の効果】
【００３１】
前記のように、従来技術や先行技術の場合には、ＳＯＦＣからのオフガス中のＣＯ2濃度を極めて高濃度に高めることは困難である。本発明によれば、ＳＯＦＣからのオフガス中のＣＯ2濃度を９９％乃至その近傍まで高めることが可能であり、ＣＯ2の分離回収を容易にするだけでなく、分離回収するＣＯ2濃度の純度も上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術（ＳＯＦＣオフガス混合燃焼等）を説明する図である。
【図２】先行技術（Ｗestinghouse）の概略を説明する図である。
【図３】本発明のＳＯＦＣを説明する図である。
【図４】本発明のＳＯＦＣを説明する図である。
【図５】本発明を説明する図である。
【図６】本発明を説明する図である。
【図７】本発明の前提となる従来のＳＯＦＣを説明する図である。
【図８】本発明の前提となる従来のＳＯＦＣを説明する図である。
【図９】本発明の前提となる従来のＳＯＦＣを説明する図である。
【図１０】本発明の前提となる従来のＳＯＦＣを説明する図である。
【図１１】本発明の前提となる事実を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明（１）は、固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムである。そして、固体酸化物形燃料電池を二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、アノードを固体酸化物で構成したアノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出されるアノードオフガスを強制的に酸化させるようにしてなることを特徴とする。
【００３４】
本発明（２）は、固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムである。そして、固体酸化物形燃料電池を二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、アノードを固体酸化物で構成したアノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出されるアノードオフガスを強制的に酸化させるようにしてなり、且つその運転時に、前記固体酸化物アノードで構成されたアノードオフガス完全酸化用の模擬セルを短絡させてなることを特徴とする。
【００３５】
本発明（３）は、固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムの運転方法である。そして、固体酸化物形燃料電池セルを二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、アノードを固体酸化物で構成したアノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出される燃料オフガスを強制的に酸化させることを特徴とする。
【００３６】
本発明（４）は、固体酸化物形燃料電池からＣＯ2の分離回収システムの運転方法である。そして、固体酸化物形燃料電池セルを二段構成とし、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルの後段に、アノードを固体酸化物で構成したアノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セルを配することにより、前段に置いた固体酸化物形燃料電池の通常の発電セルから排出されるアノードオフガスを強制的に酸化させ、且つその運転時に、前記固体酸化物アノードで構成されたアノードオフガス完全酸化用の模擬セルを短絡させることを特徴とする。
【００３７】
〈先行技術のＳＯＦＣシステム〉
前述図２のとおり、先行技術のＳＯＦＣセルでは、燃料を水蒸気改質し、生成した改質ガスをＳＯＦＣセルのアノードに供給するとともに、空気をカソードに供給して発電することで電気を発生させる。ここまでは、従来のＳＯＦＣシステムと同じである。先行技術のＳＯＦＣシステムでは、ＳＯＦＣセルに続きオフガス酸化用セル（以下“先行技術：オフガス酸化用セル”とする）を配置する。
【００３８】
ここで“先行技術：オフガス酸化用セル”は、通常の発電セルであるＳＯＦＣセル（「ＳＯＦＣセルＡ」とする）と同じ材料で構成したセルであり、燃料利用率を９０％程度まで上げ得るが、これで限度である。このため“オフガス酸化用セル”を経た後のアノードオフガスには尚（なお）、１０％程度の水素およびＣＯが残ることになり、当該残分の水素およびＣＯは混合燃焼により低減させるほかはない。このため“オフガス酸化用セル”を経た残燃料つまりアノードオフガスと残空気つまりカソードオフガスを混合し燃焼（混合燃焼）させる。
【００３９】
〈本発明のＳＯＦＣシステム〉
図３は本発明のＳＯＦＣシステムを説明する図である。図３のとおり、本発明のＳＯＦＣセルでは、原燃料を水蒸気改質し、生成した改質ガスをＳＯＦＣセルのアノードに供給するとともに、空気をカソードに供給して発電することで電気を発生させる。ここまでは、従来のＳＯＦＣシステム、先行技術のＳＯＦＣシステムと同じである。
【００４０】
本発明のＳＯＦＣシステムでは、ＳＯＦＣセル（すなわち「ＳＯＦＣセルＡ」）に続き、“アノードを固体酸化物で構成したアノードオフガス中の水素およびＣＯ酸化用の模擬固体酸化物形燃料電池セル”すなわち“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”を配置する。先行技術のＳＯＦＣシステムでも“先行技術：オフガス酸化用セル”を配置するが、当該“先行技術：オフガス酸化用セル”はＳＯＦＣセルＡと同じ材料で構成されたセルであり、当該“先行技術：オフガス酸化用セル”の燃料利用率は９０％程度まで上げ得るが、これで限度である。
【００４１】
これに対して、本発明のＳＯＦＣシステムで配置する、本発明に係る“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”は燃料利用率を１００％乃至ほぼ１００％、すなわち燃料を完全乃至ほぼ完全に利用する“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”である。このためアノードの構成材料として、アノードとしての性能は劣るが、アノード側での酸素分圧が増加しても酸化されることのない材料を使用する。
【００４２】
そのようなアノード（燃料極）の構成材料としては酸化物、例えばペロブスカイト型の酸化物が挙げられる。その例としてはＬａXＳｒ(1-X)ＣｒYＭｎ(1-Y)Ｏ3（０．１≦ｘ≦０．４、０．３≦ｙ≦０．７）を挙げることができ、その一例としてＬａ0.2Ｓｒ0.8Ｃｒ0.5Ｍｎ0.5Ｏ3を挙げることができる。この材料は、ＳＯＦＣセルのアノードとしての性能は劣るが、酸素に侵されることなく、模擬ＳＯＦＣセルとして長期間使用することができる。
【００４３】
ここで、本明細書中“模擬ＳＯＦＣセル”とは、セル構造としてはＳＯＦＣと同様であるが、電力を取り出すためのものではなく、“前段の発電用ＳＯＦＣから排出されるアノードオフガス中の水素およびＣＯを水蒸気とＣＯ2へ変えるためのＳＯＦＣセル”との意味である。
【００４４】
〈通常の発電用ＳＯＦＣセルと“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”について〉
図４は通常の発電用ＳＯＦＣシステムの構成と対比して、本発明のアノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣシステムの構成を説明する図である。図４（ａ）のとおり、通常の発電用ＳＯＦＣシステムにおいては、ＳＯＦＣセルのアノードとカソードの間に負荷をかけることにより電力を取り出すことができる。
【００４５】
これに対して、図４（ｂ）のとおり、本発明に係る“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”の場合には、ＳＯＦＣセルに負荷をかけず、アノードとカソードとの間を導線で結んで両電極間に電流を流して短絡させる。短絡（ショート）とは“触れるべきでない所で導線が触れ合って抵抗が小さくなり、大きな電流が流れる”ことを意味するが、本発明に係る“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”では、“前段の発電用ＳＯＦＣから排出されるアノードオフガス中の水素およびＣＯを水蒸気とＣＯ2へ変える”ために当該セルでの発生電流を短絡させることを目的として、アノードとカソードとの間を導線で結ぶものである。
【００４６】
本発明のアノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセルにおいて、そのようにアノードとカソードとの間を導線で結んで短絡させることにより、発電用ＳＯＦＣセルからのアノードオフガス中の残燃料である水素およびＣＯの全部乃至ほぼ全部を水蒸気とＣＯ2へ変えることにより、アノードオフガス中のＣＯを完全乃至ほぼ完全に除去し、低減させる。すなわち、本発明では、通常の発電用ＳＯＦＣセルの後段に、酸化物からなるアノードで構成されたアノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセルを配し、且つ、アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセルを短絡させることによって、空気極側からアノードオフガス側に強制的に酸素イオン（Ｏ2-）を注入し、アノードオフガスを酸化してＣＯ2を濃縮し、それに続き当該ＣＯ2を分離回収するものである。
【００４７】
ここで“短絡”とは、下記のように“・・・触れるべきでない所で導線が触れ合って抵抗が小さくなり、大きな電流が流れること・・・”などマイナーな意味で使用される場合が多いが、本発明においては“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセルによって、発電用ＳＯＦＣセルからのアノードオフガス中の残燃料である水素およびＣＯの全部乃至ほぼ全部を水蒸気とＣＯ2へ変えるために、アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセルのカソードとアノードとを導線で結ぶ”との意味で使用している。
なお、上記“短絡”により電流が流れるが、その際発生する熱は発電用ＳＯＦＣセルの運転温度保持、保温などに利用する。
「（２）短絡  われわれの使う電気器具はみな一定の抵抗をもっていて、この抵抗と電圧とによりきまった電流が流れる。だから配線設備などをする場合には、流れる電流の大きさを考えて適当な太さの導線を選び、また必要な絶縁を施さなければならない。ところが、導線の絶縁布・ゴムなどが取れて、線と線とがじかに触れ合うと、そこの抵抗は非常に小さいので、きわめて大きな電流が流れることになる。このために装置がこわれたり、また電流の流れる各部分の温度が上がって、火事の原因にもなる。また、電気回路の中で不注意に金属の物体を扱ったり、絶縁物をぬらしたりしても同じような結果を起す。このように、触れるべきでない所で導線が触れ合って抵抗が小さくなり、大きな電流が流れることを、短絡（ショート）という。短絡が起きたとき電流をすぐ切るために、ヒューズを所々に入れておく。」（非特許文献１）
【００４８】
【非特許文献１】昭和２９年１月２５日、実教出版株式会社発行、真島正市外６名著「物理の教室（上）」ｐ．１５
【００４９】
〈本発明の“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”の構成例について〉
図５は、本発明の固体酸化物形燃料電池システムで用いるアノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣスタックの構成例を説明する図で、３つのＳＯＦＣセルを積層して構成した例を示している。なお、単電池を複数層積層した構造体を本明細書及び図面中適宜スタックと指称している。図５のとおり、アノード２、電解質３、カソード４からなるＳＯＦＣセルをインターコネクタを介して３個積層してスタックを構成している。
【００５０】
最下部のインターコネクタの周縁上面にセパレータＤを配置し、セパレータＤの上面にセパレータＣを配置し、セパレータＣの上面にインターコネクタを配置し、インターコネクタの周縁上面にセパレータＤを配置し、セパレータＤの上面にセパレータＣを配置し、セパレータＣの上面にインターコネクタを配置し、それら各部材間はシール材による接合箇所Ｓとして示すようにシール材Ｓによりシールし固定する。３個の各ＳＯＦＣセルは、セパレータＤで囲われた空間に配置し、それぞれセパレータＣにより支持する。
【００５１】
本発明に係る“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”について、その電解質の材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の焼結体が用いられ、空気極の材料としては、例えばＳｒドープのＬａＭｎＯ3等の多孔質体が用いられる。本発明に係る“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”において、カソード材料、電解質材料については、通常の発電用ＳＯＦＣセルと同様の材料を用いることができる。
【００５２】
そして、アノードの材料としては、前記のとおり、ペロブスカイト型の酸化物などが挙げられる。これを、通常の発電用ＳＯＦＣセルとの関係で言えば、アノードの構成材料として、通常の発電用ＳＯＦＣセルでは、例えばニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物（Ｎｉ／ＹＳＺサーメット）等を使用するのに対して、本発明に係る“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”においては酸化物、例えばペロブスカイト型の酸化物を用いる点で基本的に相異する。
【００５３】
本発明に係る“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”において、そのカソードへは、その前段に置いた通常の発電用ＳＯＦＣセルから出るカソードオフガスを導入する。通常の発電用ＳＯＦＣセルから出るカソードオフガス中の酸素は、“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”のカソードで酸素イオン（Ｏ2-）となり、電解質を通ってアノード側に至る。そして、当該アノード側で、その前段に置いた通常の発電用ＳＯＦＣセルから出るアノードオフガス中の水素およびＣＯと反応し、それぞれ水蒸気（Ｈ2Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ2）を生成する。
【００５４】
そのため“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”のアノードから排出するアノードオフガスには、通常の発電用ＳＯＦＣセルのカソードに導入した空気に由来する窒素等を含まないので、ＣＯ2の分離回収を容易にし、分離回収するＣＯ2の純度も上げることができる。本発明によれば、回収ＣＯ2濃度を９９％乃至その近傍まで高めることが可能である。
【００５５】
図６は、本発明における“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”を含む固体酸化物形燃料電池システムの態様例を説明する図である。図６のとおり、水気化器、水蒸気改質器、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の通常の発電用ＳＯＦＣセル、“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”を配置する。水気化器では水から原燃料の改質用水蒸気を発生させる。その加熱源として“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”からのアノードオフガスとカソードオフガスの熱を利用する。
【００５６】
原燃料は、水蒸気と混合され、水蒸気改質器へ導入されて改質される。水蒸気改質器で生成した水素、ＣＯを主成分とする改質ガスは発電用ＳＯＦＣセルのアノードへ導入され、発電用ＳＯＦＣセルのカソードへは空気が導入される。発電用ＳＯＦＣセルで発電した電力は直流電源として各種電気機器（負荷）に使用し、またインバータにより交流電流である商用電源に変え、各種電気機器に使用される。
【００５７】
発電用ＳＯＦＣセルからのアノードオフガス、カソードオフガスは、それぞれ“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”のアノード、カソードへ導入される。“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”は、アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセルのカソードとアノードとを導線で結んで短絡させ、通常の発電用ＳＯＦＣセルから排出されるアノードオフガス中の水素およびＣＯの全部乃至殆ど全部を水蒸気とＣＯ2へ変えるものである。
【００５８】
発電用ＳＯＦＣセルからのアノードオフガスには未利用の水素、未利用のＣＯが含まれている。すなわち、発電用ＳＯＦＣセルへ導入された燃料中の水素およびＣＯについては、その１５％程度が未利用のままアノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセルのアノードへ導入され、その全部またはほぼ全部が水蒸気とＣＯ2へ変換される。
このように、発電用ＳＯＦＣセルでの未利用水素およびＣＯの全部またはほぼ全部を水蒸気とＣＯ2へ変換するのがアノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセルの役割であり、そのため“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”を含む固体酸化物形燃料電池システムの運転中、アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセルのカソードとアノード間を短絡させておくことが必須である。
【００５９】
本発明における“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”を含む固体酸化物形燃料電池システムにおいて、原燃料中のＣ成分は、ＳＯＦＣの通常の発電セル、“アノードオフガス酸化用模擬ＳＯＦＣセル”を経て、実質上その全部がＣＯ2となり、副次的にＨ2Ｏを生成するが、それらは水気化器を経てＣＯ2とドレインに分離され取り出される。
【符号の説明】
【００６０】
１：セル
２：アノード
３：電解質（膜）
４：カソード
５：支持基体
６：インターコネクタ
７：枠体（インターコネクタ）
【図１】
0005713698.tif 000002
【図２】
0005713698.tif 000003
【図３】
0005713698.tif 000004
【図４】
0005713698.tif 000005
【図５】
0005713698.tif 000006
【図６】
0005713698.tif 000007
【図７】
0005713698.tif 000008
【図８】
0005713698.tif 000009
【図９】
0005713698.tif 000010
【図１０】
0005713698.tif 000011
【図１１】
0005713698.tif 000012