(57)【要約】【課題】水気化によって改質器の温度が低下することを防止しつつ、高温型燃料電池の熱を有効に利用して水を気化することができる、間接内部改質型高温型燃料電池を提供する。【解決手段】水を気化する水気化器と、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質器と、水素含有ガスを用いて発電する高温型燃料電池と、水気化器、改質器および高温型燃料電池を収容する筐体とを有し、高温型燃料電池が高温型燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部を有し、改質器が該火炎形成部に対向する位置に配され、水気化器が高温型燃料電池の火炎形成部以外の部分に対向する位置に配された間接内部改質型高温型燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を気化する水気化器と、
水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質器と、
該水素含有ガスを用いて発電する高温型燃料電池と、
該水気化器、改質器および高温型燃料電池を収容する筐体とを有し、
該高温型燃料電池が、該高温型燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部を有し、
該改質器が該火炎形成部に対向する位置に配され、
該水気化器が、該高温型燃料電池の火炎形成部以外の部分に対向する位置に配された
間接内部改質型高温型燃料電池。
【請求項２】
前記水気化器と、高温型燃料電池との間に、断熱材が配された請求項１記載の間接内部改質型高温型燃料電池。
【請求項３】
前記水気化器が、水の流路が折り返された折り返し流路を有する請求項１または２記載の間接内部改質型高温型燃料電池。
【請求項４】
前記水気化器が、螺旋状の水の流路を有する請求項１または２記載の間接内部改質型高温型燃料電池。
【請求項５】
前記水気化器の少なくとも一部に粒子が充填された請求項１から４の何れか一項記載の間接内部改質型高温型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器を燃料電池近傍に有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ。以下場合によりＳＯＦＣという。）には、通常、改質器において灯油や都市ガスなどの炭化水素系燃料を改質して発生させた水素含有ガス（改質ガス）が供給される。ＳＯＦＣにおいて、この改質ガスと空気を電気化学的に反応させて発電を行う。ＳＯＦＣは通常５５０℃〜１０００℃程度の高温で作動させる。
【０００３】
改質には、水蒸気改質、部分酸化改質など種々の反応が利用されるが、得られる改質ガス中の水素濃度が高いことから主に水蒸気改質を行うことが多い。水蒸気改質は非常に大きな吸熱を伴う反応であり、また反応温度が５５０℃〜７５０℃程度と比較的高く、高温の熱源を必要とする。そのため、ＳＯＦＣの近傍（ＳＯＦＣからの熱輻射を受ける位置）に改質器を設置し、ＳＯＦＣからの輻射熱によって改質器を加熱する間接内部改質型ＳＯＦＣが開発されている。特に、間接内部改質型ＳＯＦＣにおいて、可燃分を含有するアノードオフガス（ＳＯＦＣのアノードから排出されるガス）を間接内部改質型ＳＯＦＣの容器（モジュール容器）内で燃焼させ、この燃焼熱を熱源として改質器を加熱することが行われている（特許文献１）。
【０００４】
そのため、ＳＯＦＣの近傍に改質器を設置し、主にＳＯＦＣからの輻射熱を熱源として改質器を加熱する内部改質型モジュールが知られている。
【０００５】
水蒸気改質反応を行うには、改質器に水蒸気を供給する必要があり、このために水（液体）を気化して水蒸気を発生させる水気化器が用いられる。
【０００６】
特許文献２には、改質部の燃料電池から遠い側に水気化部を接合する改質器構造が示される。燃料電池からの輻射熱で加熱された改質部からの伝導熱を利用して、水が気化される。
【特許文献１】特開２００４−３１９４２０号公報
【特許文献１】特開２００６−１９０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、水の蒸発潜熱は大きく、水気化部では大きな吸熱が生じる。従って、特許文献２のように、改質部からの伝導熱を利用して水を気化する場合、改質部の温度が低くなり、改質反応が良好に進行しなくなることがある。これを防ぐために改質触媒の量を増やすことは、改質器の大型化やコストの増大に繋がる。
【０００８】
本発明の目的は、水気化によって改質器の温度が低下することを防止しつつ、高温型燃料電池の熱を有効に利用して水を気化することができる、間接内部改質型高温型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により、以下の間接内部改質型高温型燃料電池が提供される。
【００１０】
１）水を気化する水気化器と、
水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質器と、
該水素含有ガスを用いて発電する高温型燃料電池と、
該水気化器、改質器および高温型燃料電池を収容する筐体とを有し、
該高温型燃料電池が、該高温型燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部を有し、
該改質器が該火炎形成部に対向する位置に配され、
該水気化器が、該高温型燃料電池の火炎形成部以外の部分に対向する位置に配された
間接内部改質型高温型燃料電池。
【００１１】
２）前記水気化器と、高温型燃料電池との間に、断熱材が配された１）記載の間接内部改質型高温型燃料電池。
【００１２】
３）前記水気化器が、水の流路が折り返された折り返し流路を有する１）または２）記載の間接内部改質型高温型燃料電池。
【００１３】
４）前記水気化器が、螺旋状の水の流路を有する１）または２）記載の間接内部改質型高温型燃料電池。
【００１４】
５）前記水気化器の少なくとも一部に粒子が充填された１）から４）の何れか一項記載の間接内部改質型高温型燃料電池。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、水気化によって改質器の温度が低下することを防止しつつ、高温型燃料電池の熱を有効に利用して水を気化することができる、間接内部改質型高温型燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明の間接内部改質型高温型燃料電池の一形態を模式的に示す側断面図である。ここでは高温型燃料電池としてＳＯＦＣを採用する。
【００１８】
この間接内部改質型ＳＯＦＣは、水を気化する水気化器１と、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素含有ガス（改質ガス）を製造する改質器２と、改質器で得られる水素含有ガスを用いて発電するＳＯＦＣ３を有する。また間接内部改質型ＳＯＦＣは、水気化器１、改質器２およびＳＯＦＣ３を収容する筐体（以下場合によりモジュール容器という。）４を有する。
【００１９】
ここでは水気化器、改質器、ＳＯＦＣ、モジュール容器ともに直方体状とする。また炭化水素系燃料として灯油を用いる。
【００２０】
ＳＯＦＣは、アノードオフガス（アノードから排出されるガス）を燃焼させて火炎５を形成可能な火炎形成部３ａを有する。ここでは火炎形成部は、ＳＯＦＣのアノード出口を有する一側面とされる。
【００２１】
改質器２は火炎形成部３ａに対向する位置に配される。つまり、上記一側面に対向する位置に改質器が配される。
【００２２】
水気化器１は、ＳＯＦＣ３の火炎形成部３ａ以外の部分に対向する位置に配される。ここでは、水気化器がＳＯＦＣの底面（上記一側面以外の側面または天面であってもよい）に対向するに対向する位置に配される。
【００２３】
水が水気化器１で気化されて水蒸気となり、水蒸気が予熱器６を経て改質器２に供給される。一方、灯油は予熱管７から改質器２に供給される。予熱器も直方体状とされ、水気化器１と改質器２とは予熱器６を介してＬ字状に接続され、一体化されている。予熱器６の中を予熱管７が貫通している。水気化器と予熱器とを隔てる壁に開口９が設けられ、この開口から水蒸気が予熱器に供給される。予熱器と改質器とを隔てる壁にも開口１０が設けられ、この開口から水蒸気が改質器に供給され、またこの開口を通って予熱管７が改質器２内（改質触媒層２ａが存在しない領域）まで延在している。灯油が予熱管７を通る際に、水蒸気の顕熱によって予熱される。予熱管には、灯油を液状で供給してもよいし、予め気化して気化灯油を供給してもよいし、気液混相で供給してもよい。灯油の一部もしくは全部が液体である場合には、予熱管出口から灯油の液滴が噴出し、水蒸気の流れと混合しながら液滴が気化するようにすることができる。
【００２４】
水蒸気と気化灯油との混合ガスが改質触媒層２ａに供給され、ここで水蒸気改質反応によって改質され、改質ガスが改質器２からＳＯＦＣ３のアノードに供給される。水蒸気改質反応には部分酸化反応が伴ってもよく、この場合部分酸化反応に必要な空気等の酸素含有ガスが適宜改質器に供給される（不図示）。また、図示しないが空気がカソードに供給され、ＳＯＦＣにて発電が行われる。火炎形成部５において、アノードオフガス中の可燃分がカソードオフガス中の酸素によって燃焼され、火炎５が形成される。燃焼ガスは、モジュール容器４に設けられた不図示の排出口から排出される。
【００２５】
改質器が火炎形成部に対向する位置に配されることにより、ＳＯＦＣからの輻射熱のみならず火炎５からの輻射熱によって改質器が効率的に加熱される。
【００２６】
一方、水気化器は改質器より低温でよい。このため、ＳＯＦＣの火炎形成部以外の部分に対向する位置に水気化器を配することによって、ＳＯＦＣからの輻射熱によって水気化器を加熱可能とする。
【００２７】
水がＳＯＦＣの輻射熱で急激に加熱されると、蒸発振動が発生し、その結果ＳＯＦＣの電気出力が変動する可能性がある。これを抑制するために、水気化器１と、ＳＯＦＣ３との間に、断熱材８を配することが好ましい。つまり、水気化器は、断熱材を挟んで、ＳＯＦＣと対向することができる。断熱材としては、使用環境に耐えうる公知の断熱材を適宜用いることができる。
【００２８】
また、蒸発振動低減のために、水気化器が、水の流路が折り返された折り返し流路、あるいは螺旋状の水の流路を有することが好ましい。ここでは、水気化器の内部に平板１ａが配され、これによってＳＯＦＣから遠方の温度の低い部分から、ＳＯＦＣに近い温度の高い部分に向けて流路が折り返されている。このように水気化器１は断面が矩形の折り返し流路を有している。
【００２９】
上記断熱材や折り返し流路によって、水を緩やかに加熱できる。また、蒸発振動低減のために、水気化器の少なくとも一部に粒子が充填することも好ましい。
【００３０】
図２に、間接内部改質型ＳＯＦＣの別の例を示す。この例は、図１に示した例とは異なり、予熱器７がない。また、水気化器１と改質器２とが一体化されず、互いに離間して設けられる。灯油は予め気化されたうえで供給される。
【００３１】
水気化器、改質器、ＳＯＦＣ、さらには予熱器とも図１および２に示した例では直方体状としたが、その限りではない。
【００３２】
図３に、間接内部改質型ＳＯＦＣの別の例を示す。図１および図２に示した例では、改質器が火炎形成部の全体と対向しているが、これとは異なり、本例では改質器２が火炎形成部３ａの一部に対向している。また、断熱材８が、水気化器１のＳＯＦＣと対向しない面にも設けられている。
【００３３】
図４に、間接内部改質型ＳＯＦＣの別の例を示す。この例では、改質器２の一部が火炎形成部３ａに対向している。また、改質器の別の一部、がＳＯＦＣの火炎形成部以外の部分に対向している。
【００３４】
図５に、間接内部改質型ＳＯＦＣの別の例を示す。この例では、ＳＯＦＣ３が二つ設けられている。そして、それぞれのＳＯＦＣの火炎形成部３ａの一部に対向する位置に改質器２が配されている。また、水気化器１は、その一部が２つのＳＯＦＣ３の火炎形成部３ａ以外の部分に対向しており、断面（水の流れに対して垂直な断面）が円形の螺旋状流路を有している。これによってＳＯＦＣから遠方の温度の低い部分から、ＳＯＦＣに近い温度の高い部分に向けて水が供給される。また、断熱材８が、水気化器１のＳＯＦＣと対向しない面にも設けられている。
【００３５】
図６に、間接内部改質型ＳＯＦＣの別の例を示す。図５に示した例と同様、この例でもＳＯＦＣ３が二つ設けられる。しかし図５に示した例では、それぞれのＳＯＦＣの内側にも外側にも火炎形成部が存在したが、これとは異なり、この例ではそれぞれのＳＯＦＣの内側のみに火炎形成部が存在する。２つのＳＯＦＣ３の火炎形成部３ａに対向する位置に改質器２が配されている。また、２つのＳＯＦＣ３の周囲（火炎形成部３ａ以外の部分に対向する位置）に水気化器１が配されている。水気化器１は２重の螺旋状流路を有している。水は外側の螺旋状流路を上方に流通し、その後、内側の流路を下方に流通して改質器２に供給される。これによってＳＯＦＣから遠方の温度の低い部分から、ＳＯＦＣに近い温度の高い部分に向けて水が供給される。
【００３６】
〔水気化器〕
水気化器としては、水を気化可能な公知の構造および材質を適宜採用することができる。前述のように、水気化器が水の流路が折り返された折り返し流路、あるいは螺旋状流路を有することが好ましい。折り返し流路を有する水気化器の構造としては、前述の例に限られず、管が折り返された構造を採用することもできる。螺旋状流路を有する水気化器の構造としては、前述の例に限られず、平板により螺旋状流路を形成された構造を採用することもできる。また、折り返し流路、螺旋状流路いずれの場合にも、前述の例に限られず、並列に複数の流路を有する構造を採用することもできる。
【００３７】
また水気化器の少なくとも一部に粒子が充填されることが好ましい。このための粒子としては、温度および雰囲気に耐える材料から適宜選ぶことができ、例えばアルミナやシリカなどのセラミックス、あるいはステンレスなどの金属を挙げることができる。粒の形状としては、球、円柱、楔、直方体など、適宜の形状を採用することができる。
【００３８】
〔炭化水素系燃料〕
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料として高温型燃料電池の分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む（酸素など他の元素を含んでもよい）化合物もしくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。
【００３９】
なかでも灯油やＬＰＧは、入手容易であり好ましい。また独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。さらに、灯油やＬＰＧを利用した高温型燃料電池は、非常用電源として有用である。特には、取り扱いも容易である点で、灯油が好ましい。
【００４０】
〔高温型燃料電池〕
本発明は、燃料電池からの熱輻射によって改質器を加熱可能な間接内部改質型高温型燃料電池に好適に適用することができる。高温型燃料電池としてはＳＯＦＣの他に、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）を挙げることができる。
【００４１】
ＳＯＦＣとしては、平板型や円筒型などの各種形状の公知のＳＯＦＣから適宜選んで採用できる。ＳＯＦＣの形状は、平板形ＳＯＦＣを積層した直方体（立方体を含む）状のスタック、円筒体状のＳＯＦＣスタック、管状のＳＯＦＣセルをまとめたバンドル、あるいは筒状円筒形ＳＯＦＣなど、適宜の形状を採用できる。ＳＯＦＣでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。
【００４２】
ＭＣＦＣについても、公知のＭＣＦＣから適宜選んで採用できる。
【００４３】
ＳＯＦＣやＭＣＦＣは単セルであってもよいが、実用上は複数の単セルを配列させたスタックもしくはバンドルが好ましく用いられる。この場合、スタックもしくはバンドルは１つでも複数でもよい。
【００４４】
〔改質器〕
改質器では、水蒸気改質能を有する改質触媒を用いることができる。水蒸気改質能を有する改質触媒としては、水蒸気改質能を有する水蒸気改質触媒、および、部分酸化改質能と水蒸気改質能とを併せ持つオートサーマル改質触媒から適宜選んで用いることができる。
【００４５】
炭化水素系燃料（必要に応じて予め気化される）および水蒸気、さらに必要に応じて空気等の酸素含有ガスをそれぞれ単独で、もしくは適宜混合した上で改質器（改質触媒層）に供給することができる。また、改質ガスは高温型燃料電池のアノードに供給される。
【００４６】
間接内部改質型高温型燃料電池のなかでも、間接内部改質型ＳＯＦＣは熱効率を高めることができる点で優れている。間接内部改質型ＳＯＦＣは、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する改質器と、ＳＯＦＣとを有する。この改質器では、水蒸気改質反応を行うことができ、また、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングを行ってもよい。ＳＯＦＣの発電効率の観点からは部分酸化反応は起きない方が好ましい。オートサーマルリフォーミングにおいても、水蒸気改質が支配的になるようにされ、従って改質反応はオーバーオールで吸熱になる。そして、改質反応に必要な熱がＳＯＦＣから供給される。改質器とＳＯＦＣが一つのモジュール容器に収容されモジュール化される。改質器はＳＯＦＣから熱輻射を受ける位置に配される。こうすることによって、発電時にＳＯＦＣからの熱輻射によって改質器が加熱される。また、ＳＯＦＣから排出されるアノードオフガスをセル出口で燃焼させることにより、ＳＯＦＣを加熱することもできる。
【００４７】
間接内部改質型ＳＯＦＣにおいて、改質器は、ＳＯＦＣから改質器の外表面へと直接輻射伝熱可能な位置に配することが好ましい。従って改質器とＳＯＦＣとの間には実質的に遮蔽物は配置しないこと、つまり改質器とＳＯＦＣとの間は空隙にすることが好ましい。また、改質器とＳＯＦＣとの距離は極力短くすることが好ましい。
【００４８】
各供給ガスは必要に応じて適宜予熱されたうえで改質器もしくはＳＯＦＣに供給される。
【００４９】
モジュール容器としては、ＳＯＦＣと改質器とを収容可能な適宜の容器を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。容器には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。
【００５０】
セル出口がモジュール容器内で開口している場合は特に、モジュール容器の内部と外界（大気）とが連通しないように、モジュール容器が気密性を持つことが好ましい。
【００５１】
〔改質触媒〕
改質器で用いる水蒸気改質触媒、オートサーマル改質触媒のいずれも、それぞれの触媒として公知の触媒を用いることができる。水蒸気改質触媒の例としてはルテニウム系およびニッケル系、オートサーマル改質触媒の例としてはロジウム系触媒を挙げることができる。
【００５２】
以下、水蒸気改質、オートサーマル改質のそれぞれにつき、改質器における定格運転の条件について説明する。
【００５３】
水蒸気改質では、灯油等の炭化水素系燃料にスチームが添加される。水蒸気改質の反応温度は例えば４００℃〜１０００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、炭化水素系燃料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは１〜１０、より好ましくは１．５〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。炭化水素系燃料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は炭化水素系燃料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ-1、より好ましくは０．１〜１０ｈ-1、さらに好ましくは０．２〜５ｈ-1の範囲で設定される。
【００５４】
オートサーマル改質ではスチームの他に酸素含有ガスが炭化水素系燃料に添加される。酸素含有ガスとしては純酸素でも良いが入手容易性から空気が好ましい。水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスし、かつ、改質触媒層やＳＯＦＣの温度を保持もしくはこれらを昇温できる発熱量が得られるように酸素含有ガスを添加することができる。酸素含有ガスの添加量は、炭化水素系燃料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．００５〜１、より好ましくは０．０１〜０．７５、さらに好ましくは０．０２〜０．６とされる。オートサーマル改質反応の反応温度は例えば４００℃〜１０００℃、好ましくは４５０℃〜８５０℃、さらに好ましくは５００℃〜８００℃の範囲で設定される。炭化水素系燃料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．０５〜２０、より好ましくは０．１〜１０、さらに好ましくは０．２〜５の範囲で選ばれる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム／カーボン比として好ましくは１〜１０、より好ましくは１．５〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。
【００５５】
〔他の機器〕
本発明の間接内部改質型高温型燃料電池に、高温型燃料電池システムの公知の構成要素を必要に応じて適宜付設して用いることができる。このような構成要素の具体例を挙げれば、炭化水素系燃料に含まれる硫黄分を低減する脱硫器、液体を気化させる気化器、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、炭化水素系燃料や可燃物の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の間接内部改質型高温型燃料電池は、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の間接内部改質型高温型燃料電池の例を示す模式的側断面図である。
【図２】本発明の間接内部改質型高温型燃料電池の別の例を示す模式的側断面図である。
【図３】本発明の間接内部改質型高温型燃料電池の別の例を示す模式的側断面図である。
【図４】本発明の間接内部改質型高温型燃料電池の別の例を示す模式的側断面図である。
【図５】本発明の間接内部改質型高温型燃料電池の別の例を示す模式的側断面図である。
【図６】本発明の間接内部改質型高温型燃料電池の別の例を示す模式的側断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１    水気化器
１ａ  平板
２    改質器
２ａ  改質触媒層
３    ＳＯＦＣ
３ａ  ＳＯＦＣの火炎形成部
４    筐体（モジュール容器）
５    火炎
６    予熱器
７    予熱管
８    断熱材
９    開口
１０    開口
【図１】
2008287959.tif 000003
【図２】
2008287959.tif 000004
【図３】
2008287959.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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