(57)【要約】【課題】固体電解質形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池を有する燃料電池発電システムにおける燃料極排出ガスのリサイクルを不要にし、かつ水自立を可能にする。【解決手段】固体酸化物形燃料電池５７の燃料極５４には、天然ガスなどの燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは混合ガスを改質して生成される改質ガスが供給されるようにするとともに、燃料極５４から排出される燃料極排出ガス６１が供給され、燃料極排出ガス６１中の水蒸気を選択的に分離して燃料と混合させる水蒸気分離器４を設ける。【選択図】図１
2008204784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システムであって、
前記燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは前記混合ガスを改質して生成される改質ガスが供給される燃料極と、陰イオンを透過させる電解質とを備える燃料電池と、
前記燃料極から排出される燃料極排出ガスが供給され、前記燃料極排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して前記燃料と混合させる水蒸気分離手段と、
を有する、燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システムであって、
前記燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは前記混合ガスを改質して生成される改質ガスが供給される燃料極と、陰イオンを透過させる電解質とを備える燃料電池と、
前記燃料極から排出される燃料極排出ガスを前記酸化剤極から排出される燃料極排出ガス及び／または前記酸化剤と燃焼させるバーナと、
前記バーナから排出されるバーナ燃焼排出ガスが供給され、前記バーナ燃焼排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して前記燃料と混合させる水蒸気分離手段と、
を有する、燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池発電システムであって、前記燃料は炭化水素ガスからなり、前記水蒸気分離手段は、水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を有する、燃料電池発電システム。
【請求項４】
炭化水素ガスと水蒸気とを反応させて一酸化炭素と水素を生成する改質器と、
酸素と電子を反応させて酸化物イオンを生成する酸化剤極と、前記酸化物イオンを通過させる固体酸化物電解質と、前記改質器からの改質ガスが供給されて前記水素と前記酸化物イオンとを反応させて水と電子を生成し、かつ前記一酸化炭素と前記酸化物イオンとを反応させて二酸化炭素と電子とを生成する燃料極と、を有する燃料電池と、
前記燃料極から排出されるガスから水蒸気を分離する水蒸気分離器と、
を有し、前記水蒸気分離器で分離された水蒸気が前記改質器に供給され、前記水蒸気分離器は、水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を有する、燃料電池発電システム。
【請求項５】
燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電方法であって、
陰イオンを透過させる電解質を備える前記燃料電池の燃料極に、前記燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは前記混合ガスを改質して生成される改質ガスを供給して発電を行わせる発電工程と、
前記燃料極から排出される燃料極排出ガスから水蒸気を選択的に分離して前記燃料と混合させる水蒸気分離工程と、
を有する、燃料電池発電方法。
【請求項６】
燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電方法であって、
陰イオンを透過させる電解質を備える前記燃料電池の燃料極に、前記燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは前記混合ガスを改質して生成される改質ガスを供給して発電を行わせる発電工程と、
前記燃料極から排出される燃料極排出ガスを前記酸化剤極から排出される燃料極排出ガス及び／または前記酸化剤と燃焼させる燃焼工程と、
前記燃焼工程からの排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して前記燃料と混合させる水蒸気分離工程と、
を有する、燃料電池発電方法。
【請求項７】
炭化水素ガスと水蒸気とを反応させて一酸化炭素と水素を生成する改質工程と、
酸化物イオンを透過させる電解質を有し、前記改質器からの改質ガスが供給される燃料電池において、酸素と電子を反応させて酸化物イオンを生成し、前記改質ガス中の水素と前記酸化物イオンとを反応させて水と電子を生成し、かつ前記改質ガス中の前記一酸化炭素と前記酸化物イオンとを反応させて二酸化炭素と電子とを生成する工程と、
水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を使用して、前記燃料極から排出されるガスから水蒸気を分離する水蒸気分離工程と、
前記水蒸気分離工程で分離された水蒸気を前記改質工程に供給する工程と、
を有する、燃料電池発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法に関し、特に、改質器及び／または燃料電池の燃料極で燃料を改質して改質ガスを生成させて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池発電システムは、発電を行う燃料電池と、燃料電池の動作を補助する各種の補機類とが組み合わされて構成される。燃料電池発電システムに供給される燃料としては、例えば、水素、天然ガス、その他の炭化水素などが使用され、酸化剤としては、例えば、空気や酸素が使用される。
【０００３】
以下、燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムを例にして、従来の燃料電池発電システムを説明する。固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、例えば非特許文献１に記載されている。
【０００４】
図３に示す従来の燃料電池発電システムは、燃料として天然ガス１が供給され、酸化剤として空気１８を使用するものである。天然ガス１は、一般に、メタン（ＣＨ4）を主成分とし、メタンのほかにプロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）を含むものである。
【０００５】
図３に示す燃料電池発電システムは、主な構成要素として、天然ガス１中の硫黄分を吸着除去する脱硫器２と、脱硫器２から得られる脱硫天然ガス２９に対して水蒸気が混合された水蒸気と脱硫天然ガスとの混合ガス２８に対して水蒸気改質反応を行わせる改質器３と、固体酸化物形燃料電池５７と、固体酸化物形燃料電池５７に供給される空気を予熱する空気予熱器８０と、空気予熱器８０に備えられた空気予熱器バーナ８１と、固体酸化物形燃料電池５７の燃料電池直流出力８８と負荷８７との間に設けられる出力調整装置８６と、を備えている。出力調整装置８６の出力端は送電端交流出力８９である。さらにこの燃料電池発電システムは、空気１８を空気予熱器８０に供給する空気ブロア１３と、後述する改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０をリサイクルするためのリサイクルブロワ１４と、流量制御弁３７，５９，６２と、各種配管類を備えている。固体酸化物形燃料電池５７は、改質器３から得られる水素リッチな改質ガス２７が供給される燃料極５４と、空気予熱器８０で予熱された固体酸化物形燃料電池用空気５８が供給される酸化剤極５６と、燃料極５４と酸化剤極５６とによって挟持された固体酸化物電解質５５を備えている。流量制御弁３７は、脱硫器２に対する天然ガス１の供給量を制御するためのものである。流量制御弁６２は、空気ブロア１３と空気予熱器８０との間の空気１８の配管に設けられている。
【０００６】
固体酸化物形燃料電池５７の動作に伴って、燃料極５４からは燃料極排出ガス６１が排出され、酸化剤極５６からは酸化剤極排出ガス６３が排出されるようになっている。燃料極排出ガス６１は、水蒸気（Ｈ2Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ2）を主成分とし、その他に水素（Ｈ2）、メタン（ＣＨ4）、一酸化炭素（ＣＯ）を含んでいる。燃料極排出ガス６１の一部は、リサイクルブロワ１４及び流量制御弁５９を介して、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０となり、この改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０と脱硫天然ガス２９とが混合されて水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２８となるようになっている。燃料極排出ガス６１の残りは、空気予熱器バーナ８１の燃料となる空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス６４として、空気予熱器バーナ８１に供給されている。空気予熱器バーナ８１には、酸化剤極排出ガス６３も供給され、空気予熱器バーナ８１からは、空気予熱器バーナ排出ガス８４が排出される。
【０００７】
以下、図３を用いて、この従来の燃料電池発電システムの動作について説明する。
【０００８】
燃料の天然ガス１は、脱硫器２に供給される。天然ガス１の供給量は、燃料電池直流出力８８での電池電流と流量制御弁３７との開度（すなわち天然ガス１の供給量）とについての予め設定されている関係に基づいて、流量制御弁３７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力８８の電池電流に見合った値に設定される。
【０００９】
脱硫器２は、改質器３の改質触媒の劣化原因となり、また固体酸化物形燃料電池５７の燃料極５４での電極触媒の劣化原因となる、天然ガス１中に付臭剤として添加されているメルカプタン等の硫黄分を吸着除去する。脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２９は、固体酸化物形燃料電池５７で電池反応により生成した水蒸気を含む改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０と混合された後に、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２８として、改質器３に供給される。改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量は、流量制御弁３７の開度（すなわち天然ガス１の供給量）と流量制御弁５９の開度（すなわち改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量）とについての予め設定されている関係に基づいて、流量制御弁５９の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に合わせて予め設定された所定のスチームカーボン比(steam-to-carbon ratio)となるように設定される。
【００１０】
改質器３では、そこに充填されたニッケル系触媒、ルテニウム系触媒等の改質触媒の働きにより、天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス２７がつくられる。天然ガス１の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は(1)式で表される。
【００１１】
（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ＋３Ｈ2                                    (1)
(1)式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は、吸熱反応であるので、効率的に水素を生成させるためには、必要な反応熱を改質器３に対して外部から供給し、改質器３の温度を７００〜７５０℃に維持しなければならない。このため、改質器３の近傍に、８００〜１０００℃で発電を行う後述する固体酸化物形燃料電池５７を設置し、固体酸化物形燃料電池５７からの排熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給する。
【００１２】
改質器３でつくられた水素リッチな改質ガス２７は、固体酸化物形燃料電池５７の燃料極５４に供給される。水素リッチな改質ガス２７は、一酸化炭素と水素を含むほかに、未反応のメタン、水蒸気、二酸化炭素を含んでいる。一方、固体酸化物形燃料電池５７の酸化剤極５６には、酸化剤として空気が供給される。すなわち、空気ブロア１３を用いて取り込んだ空気１８を後述する空気予熱器８０で昇温し、固体酸化物形燃料電池用空気５８として酸化剤極５６に供給する。固体酸化物形燃料電池用空気５８の供給量は、流量制御弁３７の開度（すなわち天然ガス１の供給量）と流量制御弁６２の開度（すなわち固体酸化物形燃料電池用空気５８の供給量）とについての予め設定されている関係に基づいて、流量制御弁６２の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定される。
【００１３】
次に、固体酸化物形燃料電池５７での動作の詳細を説明する。図３では、固体酸化物形燃料電池５７は、燃料極５４、固体酸化物電解質５５及び酸化剤極５６からなる単セルとして描かれているが、単セルではその発生電圧が１Ｖ以下と低いので、所定の電力を取り出すために、実際には単セルを複数組み合わせてセルスタックを構成し、このセルスタックから固体酸化物形燃料電池５７は構成されている。
【００１４】
固体酸化物形燃料電池５７の酸化剤極５６では、金属酸化物系電極触媒の働きで、固体酸化物形燃料電池用空気５８中の酸素が、(2)式に示す酸化剤極反応により電子と反応し、酸化物イオン（Ｏ2-）に変わる。
【００１５】
（酸化剤極反応）
1/2Ｏ2＋２ｅ-  →  Ｏ2-                                      (2)
酸化剤極５６で生成した酸化物イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなる固体酸化物電解質５５の内部を移動し、燃料極５４に到達する。燃料極５４では、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒の働きで、酸化剤極５６から固体酸化物電解質５５の内部を燃料極５４に移動してきた酸化物イオンが、(3)式及び(4)式に示す燃料極反応により、燃料極５４に供給された水素リッチな改質ガス２７中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
【００１６】
（燃料極反応）
Ｈ2＋Ｏ2-  →  Ｈ2Ｏ＋２ｅ-                                      (3)
ＣＯ＋Ｏ2-  →  ＣＯ2＋２ｅ-                                      (4)
燃料極５４で生成した電子は、外部回路を移動し、酸化剤極５６に到達する。酸化剤極５６に到達した電子は、前述した(2)式に示した酸化剤極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、この固体酸化物形燃料電池５７から電気エネルギーを燃料電池直流出力８８として取り出すことができる。
【００１７】
(2)式と(3)式、及び(2)式と(4)式をまとめると、固体酸化物形燃料電池５７の電池反応は、(5)式に示した水素と酸素から水蒸気ができる水の電気分解の逆反応と、(6)式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成する反応として表すことができる。
【００１８】
（電池反応）
Ｈ2＋1/2Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                                      (5)
ＣＯ＋1/2Ｏ2  →  ＣＯ2                                      (6)
固体酸化物形燃料電池５７の発電によって得られた燃料電池直流出力８８は、出力調整装置８６において、負荷８７に合わせて電圧の変換と直流から交流への変換が行なわれた後に、送電端交流出力８９として負荷８７に供給される。なお、図３の例では、出力調整装置８６において直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置８６では電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８７に供給するようにしてもよい。
【００１９】
固体酸化物形燃料電池５７の発電温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により、固体酸化物形燃料電池５７が発電温度に維持されている。このため、固体酸化物形燃料電池５７の排熱を改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。実際、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、固体酸化物形燃料電池５７での電池反応による発熱量は大きく、発電温度に維持するために必要なレベルを超えているので、固体酸化物形燃料電池５７の温度を発電温度に維持するために、大量の固体酸化物形燃料電池用空気５８を固体酸化物形燃料電池５７の酸化剤極５６に供給し、固体酸化物形燃料電池５７の冷却を行っている。固体酸化物形燃料電池用空気５８に関し、酸化剤極５６での酸素利用率は２０％程度である。
【００２０】
燃料極５４で電池反応により生成した水蒸気を含む燃料極排出ガス６１の一部は、前述したように、改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０としてリサイクルし、脱硫天然ガス２９と混合される。その際、発電出力が１０ｋＷ以下であるような小型の固体酸化物形燃料電池では、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量が少ないため、図３に示したように燃料極５４から改質器３へのリサイクルの経路内にリサイクルブロワ１４を設け、リサイクルブロワ１４を用いて改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０をリサイクルし、脱硫天然ガス２９と混合するようにしている。
【００２１】
空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス６４と酸化剤極排出ガス６３は、空気予熱器バーナ８１に供給され、空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス６４中の未反応燃料、未反応水素、及び未反応一酸化炭素を酸化剤極排出ガス６３中の未反応酸素と燃焼させられる。この燃焼による熱を熱交換させ、空気１８を昇温する。空気予熱器バーナ８１における水素と一酸化炭素の燃焼反応を(7)式及び(8)式に示す。
【００２２】
（水素の燃焼反応）
Ｈ2＋1/2Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                                      (7)
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ＋1/2Ｏ2  →  ＣＯ2                                      (8)
空気予熱器８０で昇温した空気１８は、固体酸化物形燃料電池用空気５８として固体酸化物形燃料電池５７に供給され、固体酸化物形燃料電池５７の発電に用いられる。また、空気予熱器バーナ８１からは、空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス６４と酸化剤極排出ガス６３を燃焼させることによって生じた空気予熱器バーナ排出ガス８４が排出される。
【００２３】
次に、図３に示した従来の燃料電池発電システムの問題点について述べる。
【００２４】
図３に示した従来の燃料電池発電システムでは、前述したように、出力が１０ｋＷ以下であって改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０の供給量が少ない固体酸化物形燃料電池５７の場合には、図３に示したようにリサイクルブロワ１４を設け、リサイクルブロワ１４を用いて改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０をリサイクルし脱硫天然ガス２９と混合することによって、改質器３に対し、天然ガス１の水蒸気改質に必要な水蒸気を供給する。この場合、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０は５００℃以上の高温であるため、改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０のリサイクルのために、高価であって寿命が短くかつ信頼性の低い、高温ガス用のリサイクルブロワ１４を設ける必要があり、燃料電池発電システムの信頼性を低下させるとともに、システムコストとメインテナンスコストを上昇させるという問題があった。また、燃料の天然ガス１の供給量にあわせて流量制御弁５９の開度を調節することによって改質器リサイクル用燃料極排出ガス６０のリサイクル量、すなわち供給量を正確に制御する必要があり、燃料電池発電システムの制御が複雑になるという問題があった。
【非特許文献１】電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編：「燃料電池の技術」，オーム社，ｐｐ．２０３−２０８（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明の目的は、燃料電池の燃料極排出ガスのリサイクルが不要であって、かつ水自立が可能であって、これによりリサイクルブロワの設置や燃料極排出ガスのリサイクル量の制御が必要ない、安価で高信頼な燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システムであって、燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは混合ガスを改質して生成される改質ガスが供給される燃料極と、陰イオンを透過させる電解質とを備える燃料電池と、燃料極から排出される燃料極排出ガスが供給され、燃料極排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して燃料と混合させる水蒸気分離手段と、を有する。
【００２７】
あるいは本発明の燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システムであって、燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは混合ガスを改質して生成される改質ガスが供給される燃料極と、陰イオンを透過させる電解質とを備える燃料電池と、燃料極から排出される燃料極排出ガスを酸化剤極から排出される燃料極排出ガス及び／または酸化剤と燃焼させるバーナと、バーナから排出されるバーナ燃焼排出ガスが供給され、バーナ燃焼排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して燃料と混合させる水蒸気分離手段と、を有する。
【００２８】
前述の各燃料電池発電システムにおいては、燃料として炭化水素ガスを使用し、水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を有する水蒸気分離手段を使用することができる。
【００２９】
あるいは本発明の燃料電池発電システムは、炭化水素ガスと水蒸気とを反応させて一酸化炭素と水素を生成する改質器と、酸素と電子を反応させて酸化物イオンを生成する酸化剤極と、酸化物イオンを通過させる固体酸化物電解質と、改質器からの改質ガスが供給されて水素と酸化物イオンとを反応させて水と電子を生成し、かつ一酸化炭素と酸化物イオンとを反応させて二酸化炭素と電子とを生成する燃料極と、を有する燃料電池と、燃料極から排出されるガスから水蒸気を分離する水蒸気分離器と、を有し、水蒸気分離器で分離された水蒸気が改質器に供給され、水蒸気分離器は、水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を有する。
【００３０】
本発明の燃料電池発電方法は、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電方法であって、陰イオンを透過させる電解質を備える燃料電池の燃料極に、燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは混合ガスを改質して生成される改質ガスを供給して発電を行わせる発電工程と、燃料極から排出される燃料極排出ガスから水蒸気を選択的に分離して燃料と混合させる水蒸気分離工程と、を有する。
【００３１】
あるいは本発明の燃料電池発電方法は、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電方法であって、陰イオンを透過させる電解質を備える燃料電池の燃料極に、燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは混合ガスを改質して生成される改質ガスを供給して発電を行わせる発電工程と、燃料極から排出される燃料極排出ガスを酸化剤極から排出される燃料極排出ガス及び／または酸化剤と燃焼させる燃焼工程と、燃焼工程からの排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して燃料と混合させる水蒸気分離工程と、を有する。
【００３２】
あるいは本発明の燃料電池発電方法は、炭化水素ガスと水蒸気とを反応させて一酸化炭素と水素を生成する改質工程と、酸化物イオンを透過させる電解質を有し、改質器からの改質ガスが供給される燃料電池において、酸素と電子を反応させて酸化物イオンを生成し、改質ガス中の水素と酸化物イオンとを反応させて水と電子を生成し、かつ改質ガス中の一酸化炭素と酸化物イオンとを反応させて二酸化炭素と電子とを生成する工程と、水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を使用して、燃料極から排出されるガスから水蒸気を分離する水蒸気分離工程と、水蒸気分離工程で分離された水蒸気を改質工程に供給する工程と、を有する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、燃料改質手段である改質器または燃料極への燃料極排出ガスのリサイクルが不要であり、燃料極排出ガスのリサイクルのために高価で寿命が短く信頼性の低い高温ガス用リサイクルブロワを設ける必要がないので、安価で高信頼な燃料電池発電システムが実現できる。また、本発明によれば、水自立が可能、すなわち発電開始後は外部からの水補給なしでの発電継続が可能となるとともに、改質器または燃料極への燃料極排出ガスのリサイクルを行わないことから、リサイクル量すなわち供給量の制御を行う必要がないので、燃料電池発電システムの制御を簡略化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３５】
図１は、本発明の第１の実施形態の燃料電池発電システムの構成を示している。なお、図１において、図３におけるものと同じ構成要素には同じ参照符号が付与されており、重複する説明は省略する。
【００３６】
図１に示した燃料電池発電システムは、図３に示した燃料電池発電システムにおいて、リサイクルブロワを用いて燃料極排出ガス６１の一部をリサイクルする代わりに、水蒸気分離器４を設けて燃料極排出ガス６１を水蒸気分離器４に供給し、燃料極排出ガス６１中の水蒸気を水蒸気分離器４で選択的に分離させ、この分離した水蒸気を同じく水蒸気分離器４に供給した脱硫天然ガス２９と混合して水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２８を生成させるようにしたものである。水蒸気分離器４は、水蒸気分離膜、水蒸気を選択的に透過させるイオン交換樹脂などを備えている。水蒸気分離器４において水蒸気が分離された燃料極排出ガス６１は、水蒸気分離器排出ガス５として、空気予熱器バーナ８１に供給される。また、空気予熱器バーナ８１には、空気ブロア１３から流量制御弁８５を介して空気予熱器バーナ用空気８３が供給されている。したがって、図１に示した燃料電池発電システムは、主な構成要素として、脱硫器２、燃料改質手段である改質器３、燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池である固体酸化物形燃料電池５７、空気予熱器８０、空気予熱器バーナ８１、水蒸気分離手段である水蒸気分離器４、出力調整装置８８、流量制御弁３７，６２，８５、空気ブロア１３及び配管類を備えている。
【００３７】
次に、この燃料電池発電システムの動作を説明する。
【００３８】
固体酸化物形燃料電池５７の燃料極５４から排出される燃料極排出ガス６１中には、固体酸化物形燃料電池５７での電池反応により生成した水蒸気が大量に含まれているため、水蒸気分離器４において燃料極排出ガス６１中の水蒸気を分離して脱硫天然ガス２９に供給することにより、燃料改質手段である改質器３での天然ガス１の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を十分にまかなうことができる。水蒸気分離器４において水蒸気が分離された燃料極排出ガス６１は、水蒸気分離器排出ガス５として空気予熱器バーナ８１に供給され、同じく空気予熱器バーナ８１に供給された酸化剤極排出ガス６３及び／または酸化剤である空気予熱器バーナ用空気８３とともに燃焼させられる。空気予熱器バーナ８１において水蒸気分離器排出ガス５を空気予熱器バーナ用空気８３と燃焼させる場合には、流量制御弁８５を用いて、空気予熱器バーナ８１への空気予熱器バーナ用空気８３の供給量を制御する。
【００３９】
なお、燃料極排出ガス６１中に水蒸気とともに含まれる水素が水蒸気とともに水蒸気分離器４を経て脱硫天然ガス２９に混入する可能性があるが、そのような水素の混入があったとしても、本実施形態の燃料電池発電システムの動作に影響を与えることはない。また、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、起動時にのみ、小型の水蒸気発生器を用いて水蒸気を外部から供給する。ひとたび固体電解質形燃料電池５７が発電を開始すると、電池反応によって水蒸気が生成するので、外部からの水蒸気の供給は不要となる。
【００４０】
図１には示されていないが、水蒸気分離器４での燃料極排出ガス６１中の水蒸気の分離を促進するために、圧縮機等の加圧手段を用いて燃料極排出ガス６１を昇圧した後に水蒸気分離器４に供給してもよい。
【００４１】
図２は、本発明の第２の実施形態の燃料電池発電システムを示している。なお、図２において、図３におけるものと同じ構成要素には同じ参照符号が付与されており、重複する説明は省略する。
【００４２】
図２に示した燃料電池発電システムは、図３に示した燃料電池発電システムにおいて、リサイクルブロワを用いて燃料極排出ガス６１の一部をリサイクルする代わりに、水蒸気分離器４を設け、燃料極排出ガス６１と酸化剤極排出ガス６３及び／または酸化剤である空気予熱器バーナ用空気８３とを空気予熱器バーナ８１で燃焼させることによって生成させた空気予熱器バーナ燃焼排出ガス８４を水蒸気分離器４に供給し、空気予熱器バーナ燃焼排出ガス８４中の水蒸気を水蒸気分離器４で選択的に分離させ、この分離した水蒸気を同じく水蒸気分離器４に供給した脱硫天然ガス２９と混合して水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２８を生成させるようにしたものである。第１の実施形態の場合と同様に、水蒸気分離器４は、水蒸気分離膜、水蒸気を選択的に透過させるイオン交換樹脂などを備え、また、空気予熱器バーナ用空気８３は、空気ブロア１３から流量制御弁８５を介して空気予熱器バーナ８１に供給される。水蒸気分離器４において水蒸気が分離された空気予熱器バーナ燃焼排出ガス８４は、水蒸気分離器排出ガス５として水蒸気分離器４から排出される。したがって、図２に示した燃料電池発電システムは、主な構成要素として、脱硫器２、燃料改質手段である改質器３、燃料と酸化剤が供給されて発電を行う燃料電池である固体酸化物形燃料電池５７、空気予熱器８０、空気予熱器バーナ８１、水蒸気分離手段である水蒸気分離器４、出力調整装置８８、流量制御弁３７，６２，８５、空気ブロワ１３及び配管類を備えている。
【００４３】
次に、この燃料電池発電システムの動作を説明する。
【００４４】
空気予熱器バーナ燃焼排出ガス８４中には、固体酸化物形燃料電池５７での電池反応及び空気予熱器８０での燃焼反応により生成した水蒸気が多量に含まれているため、水蒸気分離器４において空気予熱器バーナ燃焼排出ガス８４中の水蒸気を分離して脱硫天然ガス２９に供給することにより、燃料改質手段である改質器３での天然ガス１の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を十分にまかなうことができる。空気予熱器バーナ８１において空気予熱器バーナ燃焼排出ガス８４を空気予熱器バーナ用空気８３と燃焼させる場合には、流量制御弁８５を用いて、空気予熱器バーナ８１への空気予熱器バーナ用空気８３の供給量を制御する。
【００４５】
なお、図２には示されていないが、水蒸気分離器４での空気予熱器バーナ燃焼排出ガス８４中の水蒸気の分離を促進するために、圧縮機等の加圧手段を用いて空気予熱器燃焼排出ガス８４を昇圧した後に水蒸気分離器４に供給してもよい。
【００４６】
次に、本発明における水蒸気分離手段である水蒸気分離器４において分離した水蒸気と脱硫天然ガス２９の混合について説明する。
【００４７】
水蒸気と脱硫天然ガス２９との混合比率は、一般に、スチームカーボン比で表される。スチームカーボン比は、当業者にはよく知られているように、水蒸気分子と、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素からなる天然ガスに含まれる炭素原子とのモル比である。ここで、スチームカーボン比が低いと、改質器内などで炭素が析出するおそれが生じる。また、好適なスチームカーボン比は使用する触媒にも左右され、炭素が析出しにくいルテニウム系触媒を用いると、炭素が析出しやすいニッケル系触媒を用いる場合と比較して、スチームカーボン比を小さくすることができる。しかし、スチームカーボン比が理論量の２よりも大きくなければ、改質によって水素を効率よく生成できないことを以下に説明する。
【００４８】
炭化水素ガスがメタンであるとして、下記のメタンの水蒸気改質反応と一酸化炭素シフト反応とによる水素生成過程を考える。
【００４９】
（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ＋３Ｈ2
（一酸化炭素のシフト反応）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋Ｈ2
このように、メタンから水素を生成するのに必要な理論量の水蒸気を供給しようとする場合、１モルのメタン（炭素原子）と２モルの水（すなわち水蒸気）を要するので、スチームカーボン比を２以上としなければならないことが分かる。前記の第１及び第２の実施形態では、スチームカーボン比が２以上となるように、水蒸気と脱硫天然ガス２９とを混合することが必要となる。さらに、スチームカーボン比は天然ガスの組成や水蒸気の濃度分布等に依存することを考慮すると、前記の各実施形態においては、スチームカーボン比を２．５〜３．５とすることが好ましい。このような混合比の調整は、水蒸気分離器４における水蒸気分離膜の面積を増減することなどによって可能である。
【００５０】
次に、本発明における水蒸気分離手段である水蒸気分離器４について説明する。前述の第１及び第２の実施形態の燃料電池発電システムでは、水蒸気分離膜を有する水蒸気分離器４を好ましく使用できるが、水蒸気分離膜としては、燃料極排出ガス６１あるいは空気予熱器燃焼排出ガス８４の温度が２００℃以上と比較的高温度であることから、これらの温度に耐え得るセラミック系の材質のものであることが好ましい。特に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、あるいはジルコニア（ＺｒＯ2）は、耐食性や化学的安定性が高いので、水蒸気分離膜の素材として適している。また、これらのセラミックスを複合して用いることも可能である。水蒸気分離膜は、前記のセラミックスを微細な細孔を有する多孔質の薄膜にすることによって得られる。水蒸気分離膜の水蒸気分離機構については特に限定するものではないが、水蒸気が凝縮性であることから、細孔内での表面拡散、あるいは毛管凝縮機構が支配的になると考えられる。したがって、この分離機構を有効に作用させるために、水蒸気分離膜の平均細孔径は、１０ｎｍ以下にすることが好ましく、さらに好ましくは５ｎｍ以下である。このような水蒸気分離膜を得る方法としては、前述した種類のセラミックスのゾルを多孔質支持体表面に塗布する方法が簡便で、かつ良好な多孔質薄膜を得る上で好ましい。また、この他にＣＶＤ、ＰＶＤ、あるいはスパッタリングなどの方法を用いても、良好な水蒸気分離膜を得ることができる。
【００５１】
このような水蒸気分離器４では、燃料極排出ガス６１あるいは空気予熱器燃焼排出ガス８４が流れる流路と、脱硫天然ガス２９が流れる流路とが水蒸気分離膜をはさんで配置しており、燃料極排出ガス６１あるいは空気予熱器燃焼排出ガス８４に含まれる水蒸気が水蒸気分離膜内を脱硫天然ガス２９の流路側に移動し、その結果、脱硫天然ガス２９に水蒸気が含まれることとなる。
【００５２】
また、本発明においては、水蒸気分離手段である水蒸気分離器４において、水蒸気透過性のイオン交換樹脂を用いることができる。そのようなイオン交換樹脂としては、例えば、ポリエステルポリエーテル無孔性樹脂等の樹脂を用いることができる。
【００５３】
なお、図１及び図２にそれぞれ示した第１及び第２の実施形態の燃料電池発電システムでは、燃料である天然ガス１の改質を改質器３で行い、固体酸化物形燃料電池５７の電池反応に必要な水素と一酸化炭素を生成させ、水素リッチな改質ガス２７を固体酸化物形燃料電池５７の燃料極５４に供給して固体酸化物形燃料電池５７での発電を行っているが、改質器３を用いずに燃料である天然ガス１の改質を直接固体酸化物形燃料電池５７の燃料極５４で行い、固体酸化物形燃料電池５７の電池反応に必要な水素と一酸化炭素を生成させ、固体酸化物形燃料電池５７の発電を行ってもよい。その場合には、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２８は、固体酸化物形燃料電池５７の燃料極５４に直接供給される。また、これらの実施形態の燃料電池発電システムでは、燃料電池として固体酸化物形燃料電池５７を用いているが、固体酸化物形燃料電池５７の代わり溶融炭酸塩形燃料電池を用いてもよい。
【００５４】
本発明は、前述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図３】従来の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１    天然ガス
２    脱硫器
３    改質器
４    水蒸気分離器
５    水蒸気分離器排出ガス
１３    空気ブロア
１４    リサイクルブロワ
１８    空気
２７    水素リッチな改質ガス
２８    水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス
２９    脱硫天然ガス
３７，５９，６２，８５    流量制御弁
５４    燃料極
５５    固体酸化物電解質
５６    酸化剤極
５７    固体酸化物形燃料電池
５８    固体酸化物形燃料電池用空気
６０    改質器リサイクル用燃料極排出ガス
６１    燃料極排出ガス
６３    酸化剤極排出ガス
６４    空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス
８０    空気予熱器
８１    空気予熱器バーナ
８３    空気予熱器バーナ用空気
８４    空気予熱器バーナ燃焼排出ガス
８６    出力調整装置
８７    負荷
８８    燃料電池直流出力
８９    送電端交流出力
【図１】
2008204784.tif 000003
【図２】
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【図３】
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