(57)【要約】【課題】電池性能を向上させることができ、燃料極に不活性ガスを適正かつ安定的に供給できる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。【解決手段】固体酸化物形燃料電池本体１１の運転中に、空気分離装置１５は空気を窒素と酸素とに分離し、分離された窒素の一部を電池セル冷却設備１４に供給して固体酸化物燃料電池本体１１の電池セル１２を冷却し、残りの窒素を液体窒素貯蔵タンク１７に液体窒素として貯蔵する。また、空気分離装置１５は、分離された酸素を電池セル１２の空気極に供給する。そして、固体酸化物燃料電池本体１１の運転停止時には、燃料極窒素供給設備１９は液体窒素貯蔵タンク１７に貯蔵された窒素を電池セル１２の燃料極に供給する。【選択図】  図１
2004220942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セルの電解質がイオン導電性セラミックスで形成され電池セルの燃料極に供給される燃料ガスと電池セルの空気極に供給される酸素との電気化学反応により直流電力を発生する固体酸化物形燃料電池本体と、前記固体酸化物形燃料電池本体の運転中に空気を窒素と酸素とに分離し得られた酸素を前記電池セルの空気極に供給する空気分離装置と、前記空気分離装置で分離された窒素を液体窒素として貯蔵する液体窒素貯蔵タンクと、前記固体酸化物燃料電池の運転中に前記空気分離装置で分離された窒素により前記電池セルを冷却するための電池セル冷却設備と、前記固体酸化物燃料電池の運転停止時に前記液体窒素貯蔵タンクに貯蔵された窒素を前記電池セルの燃料極に供給するための燃料極窒素供給設備とを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムと、前記固体酸化物形燃料電池システムからの排ガスを燃焼させる燃焼装置とを備えたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル発電プラント。
【請求項３】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムと、前記固体酸化物形燃料電池システムからの排ガスが供給され燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成する燃焼器と、その高温の作動ガスで駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンの排ガスとの熱交換を通じて蒸気タービンを駆動するための蒸気を生成する排熱回収ボイラとを備えたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池セルの電解質がイオン導電性セラミックスで形成された固体酸化物形燃料電池システムおよび燃料電池コンバインドサイクル発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、電解質としてイオン導電性セラミックスを使用した固体酸化物形燃料電池がある。この固体酸化物形燃料電池は、電解質が固体で安定しており、高温での運転が可能で発電効率も高効率であることから、事業用発電プラントとして期待されている。
【０００３】
電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニアＹＳＺのような酸素イオンを通すイオン導線性セラミックスで形成され、空気極と燃料極との間に配置される（例えば被特許文献１参照）。空気極は、酸素と電子とを反応させ酸素イオンを発生させるものであり、ランタンマンガナイト系酸化物が一般的に用いられている。一方、燃料極は、空気極からの酸素イオンと燃料ガスとを反応させ燃料ガスを電気化学的に酸化させるものであり、金属ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物であるサーメットが使用されている。金属ニッケルを用いているのはメタン等の燃料ガスの水蒸気改質に優れているからである。
【０００４】
【特許文献１】
社団法人  火力原子力発電技術協会  火力原子力発電  ２００１−１０  Ｎｏ．５４１  Ｖｏｌ．５２  平成１３年１０月１５日  Ｐ１２８〜Ｐ１２９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料極には金属ニッケルＮｉが用いられているので、この金属ニッケルが酸化して酸化ニッケルとなると体積が膨張し、電解質であるイオン導電性セラミックスを破損する恐れがある。燃料電池の運転時においては燃料極には燃料ガスが供給されているので問題はないが、燃料電池の起動停止時には、燃料極が酸化しないように燃料極に酸素（空気）が流れ込まないようにしないようになければならない。
【０００６】
通常、燃料電池の停止の際には燃料ガスに代えて不活性ガスを燃料極に供給するようにしているが、起動停止の度に不活性ガスを必要とすることから、不活性ガスである例えば窒素ガスのボンベをその度に燃料電池発電システムに搬入しなければならない。また、燃料電池発電システムに対して外部からパイプラインで窒素ガスを供給することも考えられるが、その場合には設備コストが高くなる。
【０００７】
本発明の目的は、電池性能を向上させることができ、燃料極に不活性ガスを適正かつ安定的に供給できる固体酸化物形燃料電池システムおよび燃料電池コンバインドサイクル発電プラントを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、電池セルの電解質がイオン導電性セラミックスで形成され電池セルの燃料極に供給される燃料ガスと電池セルの空気極に供給される酸素との電気化学反応により直流電力を発生する固体酸化物形燃料電池本体と、前記固体酸化物形燃料電池本体の運転中に空気を窒素と酸素とに分離し得られた酸素を前記電池セルの空気極に供給する空気分離装置と、前記空気分離装置で分離された窒素を液体窒素として貯蔵する液体窒素貯蔵タンクと、前記固体酸化物燃料電池の運転中に前記空気分離装置で分離された窒素により前記電池セルを冷却するための電池セル冷却設備と、前記固体酸化物燃料電池の運転停止時に前記液体窒素貯蔵タンクに貯蔵された窒素を前記電池セルの燃料極に供給するための燃料極窒素供給設備とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明に係る燃料電池コンバインドサイクル発電プラントは、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムと、前記固体酸化物形燃料電池システムからの排ガスを燃焼させる燃焼装置とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明に係る燃料電池コンバインドサイクル発電プラントは、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムと、前記固体酸化物形燃料電池システムからの排ガスが供給され燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成する燃焼器と、その高温の作動ガスで駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンの排ガスとの熱交換を通じて蒸気タービンを駆動するための蒸気を生成する排熱回収ボイラとを備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成図である。固体酸化物形燃料電池本体（ＳＯＦＣ）１１は、電池セル１２が積層して形成された電池スタック１３を有し、電池スタック１３の各々の電池セル１２からの発熱を冷却する電池セル冷却設備１４を有している。電池セル１２は、燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成され、電解質は固体のイオン導電性セラミックスで形成されている。また、燃料極は金属ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物であるサーメットで形成され、空気極はランタンマンガナイト系酸化物で形成されている。
【００１２】
そして、電池セル１２の燃料極には燃料ガスが供給され、空気極には酸素が供給され、燃料極に供給される燃料と空気極に供給される酸素との電気化学反応により直流電力を発生する。発生した直流電力は、図示省略のインバータ装置により交流電力に変換されて電力系統に送電される。この固体酸化物形燃料電池本体１１は、燃料改質を電池の内部で行え、電解質が固体で構成されるので電解質の蒸発による電池性能の低下がなく、作動温度が８００℃〜１０００℃であり、その排ガス温度が高いという特徴を有する。
【００１３】
燃料極に供給される燃料ガスとしては、通常、天然ガスＮＧを使用する。また、空気極に供給する酸素ガスとしては、本発明の第１の実施の形態では、空気分離装置１５で得られた酸素を用いる。空気分離装置１５で得られた酸素を用いることから、空気極に供給される酸素は酸素リッチガスとなり電池性能が向上する。すなわち、空気極に空気を供給する場合には空気を加圧して燃料極に送ることになるが、酸素リッチガスを供給する場合には、酸素濃度が高いことからその加圧の必要もなくなる。
【００１４】
空気分離装置１５は、空気を窒素と酸素に分離するものであり、空気を冷却し窒素および酸素を気相から液相に状態変化させ、窒素の沸点と酸素の沸点の相違から窒素と酸素を分離する。この空気分離装置１５は固体酸化物形燃料電池本体１１の通常運転中に運転される。
【００１５】
すなわち、固体酸化物形燃料電池本体１１の通常運転中には、空気分離装置１５で分離された窒素は冷却用窒素供給設備１６により電池セル冷却設備１４に供給され電池スタック１３を冷却し、残りの窒素は液体窒素貯蔵タンク１７に貯蔵される。また、空気分離装置１７で分離された酸素は酸素供給設備１８により電池セル１２の酸素極に供給され、電池セル１２での電気化学反応に使用される。
【００１６】
一方、  固体酸化物形燃料電池本体１１の運転停止時には、空気分離装置１５の運転を停止させ、燃料ガスに代えて液体窒素貯蔵タンク１７から燃料極窒素供給設備１９により電池セル１２の燃料極に窒素を供給する。これにより、燃料極から燃料ガスをパージし固体酸化物形燃料電池本体１１の燃料極に不活性ガスである窒素ガスを充満させる。また、電池セル１２の酸素極に供給される酸素は空気分離装置１５の停止により、その供給が停止される。
【００１７】
このように、本発明の第１の実施の形態では、固体酸化物形燃料電池本体１１の運転中は、空気分離装置１５を運転させ窒素と酸素とを生成し、生成した窒素で電池スタック１３を冷却すると共に、生成した酸素を電池セル１２の空気極に供給するので、空気極に供給される酸素は酸素リッチガスとなり固体酸化物形燃料電池本体１１の運転効率が向上する。
【００１８】
また、固体酸化物形燃料電池本体１１の運転停止時には、固体酸化物形燃料電池本体１１の運転中に液体窒素貯蔵タンク１７に貯蔵した窒素ガスを燃料極に供給するので、不活性ガスである窒素を外部より供給する大がかりな設備を設けることなく、燃料極に窒素ガスを供給でき燃料極の酸化を適正に防止できる。
【００１９】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池コンバインドサイクル発電プラントの構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムと既存のコンバインドサイクル発電プラントとを複合化したものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２０】
固体酸化物形燃料電池本体１１の電池セル１２の燃料極の排ガスは、コンバインドサイクル発電プラントの燃焼器２０に供給され、ガスタービン２１の燃料として利用される。固体酸化物形燃料電池本体１１は作動温度が８００℃〜１０００℃であり、その排ガスは温度が高くさらに排ガス中には未利用燃料を含んでいるので、燃焼器２０でその未利用燃料を燃焼させ効率を向上させる。同様に、固体酸化物形燃料電池本体１１の電池セル１２の空気極の排ガスにも高温の未利用酸素が含まれているので、燃焼器２０の燃焼に使用し効率を向上させる。
【００２１】
燃焼器２０で得られた高温の作動ガスはガスタービン２１に導かれて、ガスタービン２１を駆動し、ガスタービン２１を駆動した排ガスは排熱回収ボイラ２２に導かれる。排熱回収ボイラ２２では、ガスタービン２１の排ガスで蒸気を発生させ、その蒸気で蒸気タービン２３を起動する。ガスタービン２１や蒸気タービン２３は交流発電機を駆動して交流電力を発生し、図示省略の電力系統に交流電力を送電する。なお、蒸気タービンで仕事を終えた蒸気は復水器で復水され排熱回収ボイラ２２に戻される。また、ガスタービン２１には空気圧縮機２４が連結されておりガスタービン２１の駆動により空気を圧縮し、空気圧縮機２４で圧縮された空気は空気分離装置１５に供給されるようになっている。
【００２２】
空気分離装置１５は、固体酸化物形燃料電池本体１１の通常運転中に、空気圧縮機２４で圧縮された空気を窒素と酸素に分離する。そして、第１の実施の形態と同様に、固体酸化物形燃料電池本体１１の通常運転中には、分離した窒素を冷却用窒素供給設備１６により電池セル冷却設備１４に供給して電池スタック１３を冷却し、残りの窒素を液体窒素貯蔵タンク１７に貯蔵する。また、分離した酸素のリッチガスを酸素供給設備１８により電池セル１２の酸素極に供給し電池セル１２での電気化学反応に使用する。一方、  固体酸化物形燃料電池本体１１の運転停止時には、空気分離装置１５の運転を停止させ、燃料ガスに代えて液体窒素貯蔵タンク１７から燃料極窒素供給設備１９により電池セル１２の燃料極に窒素を供給する。
【００２３】
以上の説明では、固体酸化物形燃料電池システムと既存のコンバインドサイクル発電プラントとを複合化し、固体酸化物形燃料電池システムからの排ガスを利用する場合について説明したが、固体酸化物形燃料電池システムからの排ガスを燃焼装置に供給し、その燃焼装置で発生するガスおよび熱を利用するようにしてもよい。
【００２４】
例えば、排熱回収ボイラを省略したガスタービン発電プラントの燃焼装置に固体酸化物形燃料電池システムからの排ガスを供給するようにしてもよい。また、燃焼装置として、例えばボイラを用いる場合にはボイラで蒸気を発生させて蒸気タービンを駆動するようにしてもよいし、暖房用に使用するようにしてもよい。さらには、燃焼装置としてガスエンジンを用いガスエンジンを駆動するようにしてもよい。
【００２５】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、固体酸化物形燃料電池システムからの排ガスを有効利用できるので、高効率の燃料電池コンバインドサイクル発電プラントを得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、空気分離装置で得られた窒素で電池セルを冷却すると共に、空気分離装置で得られた酸素のリッチガスを固体酸化物形燃料電池の空気極に供給するので電池性能を向上させることができる。また、固体酸化物形燃料電池の運転停止時には、空気分離装置で得られ液体窒素貯蔵タンクに貯蔵した窒素ガスを燃料極に供給し充満させるので、固体酸化物形燃料電池の運転停止時に燃料極を酸化させることがない。また、固体酸化物形燃料電池システムからの排ガスを有効利用できるので、高効率の燃料電池コンバインドサイクル発電プラントを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池コンバインドサイクル発電プラントの構成図。
【符号の説明】
１１…固体酸化物形燃料電池本体、１２…電池セル、１３…電池スタック、１４…電池セル冷却設備、１５…空気分離装置、１６…冷却用窒素供給設備、１７…液体窒素貯蔵タンク、１８…燃料極窒素供給設備、１９…燃料極窒素供給設備、２０…燃焼器、２１…ガスタービン、２２…排熱回収ボイラ、２３…蒸気タービン、２４…空気圧縮機
【図１】
2004220942.tif 000003
【図２】
2004220942.tif 000004