(57)【要約】【課題】エクセルギー損失が少なく、発電効率が高い固体酸化物形燃料電池システムを提供すること。【解決手段】炭化水素の電気化学的部分酸化反応を利用して発電を行い、一酸化炭素及び水素と未反応の炭化水素とを排出する部分酸化型固体酸化物形燃料電池２と、前記未反応の炭化水素の水蒸気改質反応により一酸化炭素及び水素を発生させるスタック改質器３と、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２での電気化学的部分酸化反応及びスタック改質器３での水蒸気改質反応により生成した一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４と、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２の前段に設置された、前記炭化水素の部分酸化反応により一酸化炭素及び水素を生成させる部分酸化型改質器１とを有する固体酸化物形燃料電池システムを構成する。【選択図】　　図１
2004022380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含むガスを燃料とし、前記炭化水素の電気化学的部分酸化反応を利用して発電を行い、前記電気化学的部分酸化反応の生成物である一酸化炭素及び水素と未反応の炭化水素とを排出する部分酸化型固体酸化物形燃料電池と、前記未反応の炭化水素の水蒸気改質反応により一酸化炭素及び水素を発生させるスタック改質器と、前記部分酸化型固体酸化物形燃料電池での電気化学的部分酸化反応及び前記スタック改質器での水蒸気改質反応により生成した一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池とを有する固体酸化物形燃料電池システムであって、前記部分酸化型固体酸化物形燃料電池の前段に前記炭化水素の部分酸化反応により一酸化炭素及び水素を生成させる部分酸化型改質器を設置する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】
炭化水素を含むガスを燃料とし、前記炭化水素の電気化学的完全酸化反応を利用して発電を行い、前記電気化学的完全酸化反応の生成物である二酸化炭素及び水蒸気と未反応の炭化水素とを排出する完全酸化型固体酸化物形燃料電池と、前記未反応の炭化水素の水蒸気改質反応により一酸化炭素及び水素を発生させるスタック改質器と、前記スタック改質器での水蒸気改質反応により生成した一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池とを有する固体酸化物形燃料電池システムであって、前記完全酸化型固体酸化物形燃料電池の前段に前記炭化水素の部分酸化反応により一酸化炭素及び水素を生成させる部分酸化型改質器を設置することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の固体酸化物形燃料電池システムを示す図である。
【０００３】
システムに供給された天然ガス（ＣＨ４：８８％、Ｃ２Ｈ６：６％、Ｃ３Ｈ８：４％、Ｃ４Ｈ１０：２％）は、昇温されてプレ改質器６に供給される。
【０００４】
プレ改質器６は、図６に示したように、複数の水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池セルを重ねてなるセルスタック２２（水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池セルセルスタック）とスタック改質器７とからなるセルモジュール２１に隣接して配置されている。このプレ改質器６では、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０の全てとＣＨ４の一部が下記反応式（１）に示す水蒸気改質反応、
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ　→　ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ２　　（１）
により水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換される。水蒸気改質反応（１）は吸熱反応であり、この熱には隣接して配置された水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池セルスタック２２からの排熱が利用される。プレ改質器６の触媒は、アルミナ担体にニッケルを担持したものである。
【０００５】
プレ改質器６の排出ガスは、スタック改質器７に供給され、プレ改質器６で未反応の全てのＣＨ４は水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される。
【０００６】
スタック改質器７は、図６に示すように、水蒸気改質型酸化物形燃料電池セルスタック２２と入れ子状に配置されている。プレ改質器６とスタック改質器７は、ともに水蒸気を利用して炭化水素を改質する水蒸気改質器であり、両者の相違は、配置される場所の違いにあり、構造的には同種の触媒を主体としたものである。　スタック改質器７と水蒸気改質型酸化物形燃料電池セルスタック２２とが入れ子状に配置されていることにより、スタック改質器７で行う水蒸気改質に必要な熱を効率良く水蒸気改質型酸化物形燃料電池セルスタック２２からスタック改質器７に伝える。スタック改質器７の触媒は、プレ改質器６と同様にアルミナ担体にニッケルを担持したものである。
【０００７】
スタック改質器７の排出ガスは、水蒸気改質型酸化物形燃料電池セルスタック２２（図５においては、これをまとめて水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８で示す）に供給される。水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８では、下記反応式（２）に示す、プレ改質器６とスタック改質器７で生成した一酸化炭素の電気化学的酸化反応、
ＣＯ＋０．５Ｏ２　→　ＣＯ２　　　　　　　　　　　　　　　（２）
及び下記反応式（３）に示す、プレ改質器６とスタック改質器７で生成した水素の電気化学的酸化反応、
Ｈ２＋０．５Ｏ２　→　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
を利用して発電が行われる。
【０００８】
水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８の排出ガスの一部はプレ改質器６に供給され、該排出ガス中に含まれる水蒸気は、プレ改質器６及びスタック改質器７の水蒸気改質反応に利用される。
【０００９】
このような固体酸化物形燃料電池システムにおいては、例えば、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８での燃料利用率を８０％、発電電圧を０．６５Ｖとすると、その直流端の発電効率は５１％となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、システムに供給する全ての炭化水素を水蒸気と反応させることによって得られたＨ２とＣＯの電気化学的酸化反応を利用して発電を行う従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、水蒸気改質反応により炭化水素からＨ２とＣＯを生成する過程において大きなエクセルギー損失を伴うめに、発電効率が低下するという問題があった。
【００１１】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、エクセルギー損失が少なく、発電効率が高い固体酸化物形燃料電池システムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
炭化水素を含むガスを燃料とし、前記炭化水素の電気化学的部分酸化反応を利用して発電を行い、前記電気化学的部分酸化反応の生成物である一酸化炭素及び水素と未反応の炭化水素とを排出する部分酸化型固体酸化物形燃料電池と、前記未反応の炭化水素の水蒸気改質反応により一酸化炭素及び水素を発生させるスタック改質器と、前記部分酸化型固体酸化物形燃料電池での電気化学的部分酸化反応及び前記スタック改質器での水蒸気改質反応により生成した一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池とを有する固体酸化物形燃料電池システムであって、前記部分酸化型固体酸化物形燃料電池の前段に前記炭化水素の部分酸化反応により一酸化炭素及び水素を生成させる部分酸化型改質器を設置することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムを構成する。
【００１３】
また、本発明は、請求項２に記載のように、
炭化水素を含むガスを燃料とし、前記炭化水素の電気化学的完全酸化反応を利用して発電を行い、前記電気化学的完全酸化反応の生成物である二酸化炭素及び水蒸気と未反応の炭化水素とを排出する完全酸化型固体酸化物形燃料電池と、前記未反応の炭化水素の水蒸気改質反応により一酸化炭素及び水素を発生させるスタック改質器と、前記スタック改質器での水蒸気改質反応により生成した一酸化炭素及び水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池とを有する固体酸化物形燃料電池システムであって、前記完全酸化型固体酸化物形燃料電池の前段に前記炭化水素の部分酸化反応により一酸化炭素及び水素を生成させる部分酸化型改質器を設置することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムを構成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態においては、炭化水素の直接的な電気化学的酸化反応を利用して発電を行う固体酸化物形燃料電池を用い、エクセルギー損失の大きい炭化水素の水蒸気改質反応の割合を減らすことによって、発電効率の高い固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
実施の形態１
図１は本発明の第一の実施形態の固体酸化物形燃料電池発電システムを示す図である。
【００１７】
炭化水素を含み、水分を含まない、すなわちドライな燃料ガスである天然ガスは、炭化水素の部分酸化反応を利用してＨ２とＣＯを生成する部分酸化型改質器１に供給される。部分酸化型改質器１には空気も供給され、空気中の酸素を利用してＣ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０の全てが下記反応式（４）〜（６）に示す部分酸化反応により水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に変換される。
【００１８】
Ｃ２Ｈ６＋Ｏ２　→　３Ｈ２＋２ＣＯ　　　　　　　　　　　　（４）
Ｃ３Ｈ８＋１．５Ｏ２　→　４Ｈ２＋３ＣＯ　　　　　　　　　　（５）
Ｃ４Ｈ１０＋２Ｏ２　→　５Ｈ２＋４ＣＯ　　　　　　　　　　　（６）
これらの部分酸化による改質反応は発熱反応なので、部分酸化改質器１に熱を供給する必要はないので、部分酸化型改質器１は、図３のように、セルモジュール１１と隣接して配置しても構わないし、図４のように、セルモジュール１１と独立して配置しても構わない。
【００１９】
部分酸化型改質器１の触媒は、プレ改質器６（図５）及びスタック改質器３の触媒と同様にアルミナ担体にニッケルを担持したものである。すなわち、この触媒に、水蒸気と炭化水素が供給されれば水蒸気改質が起こり、空気と炭化水素が供給されれば部分酸化による改質が起こる。
【００２０】
ＣＨ４、ＣＯ及びＨ２を含有する、部分酸化型改質器１の排出ガスは、下記反応式（７）に示すＣＨ４の電気化学的部分酸化反応、
ＣＨ４＋０．５Ｏ２　→　２Ｈ２＋ＣＯ　　　　　　　　　　　（７）
を利用して発電を行う部分酸化型固体酸化物形燃料電池２に供給される。
【００２１】
部分酸化型固体酸化物形燃料電池２と、スタック改質器３と、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４との配置は、図３及び図４に示したように、セルモジュール１１内で、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２は、複数の部分酸化型固体酸化物形燃料電池セル又は完全酸化型固体酸化物形燃料電池セル（本実施形態においては前者）を重ねてなるセルスタック１２に分割され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４も同様にセルスタック１３に分割され、セルスタック１２とセルスタック１３とがスタック改質器３を挟んだ形で入れ子状の配置となっている。
【００２２】
部分酸化型固体酸化物形燃料電池２においては、ＣＨ４の一部について電気化学的に部分酸化反応が起こり、発電が行われる。部分酸化型固体酸化物形燃料電池２の発電温度は１０００℃程度である。
【００２３】
部分酸化型固体酸化物形燃料電池２の排出ガスはスタック改質器３に供給され、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２で未反応の全てのＣＨ４は水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される。このように、水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される燃料ガスはＣＨ４のみであるので、従来技術に比べて、水蒸気改質反応の割合は少なくなり、エクセルギー損失も少なくなる。
【００２４】
スタック改質器３の排出ガスは、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４に供給され、部分酸化型改質器１、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２、及びスタック改質器３で生成したＨ２とＣＯの電気化学的酸化反応（上記反応式（３）と（２））が起こり、発電が行われる。
【００２５】
水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の排出ガスの一部は、図３及び図４に示したように、スタック改質器３の直前に戻され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の排出ガスに含まれる水蒸気が、スタック改質器３の水蒸気改質反応に利用される。
【００２６】
このような固体酸化物形燃料電池システムにおいて、例えば、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２で部分酸化型改質器１から供給されたＣＨ４の５０％が部分酸化反応により発電に利用され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４で部分酸化型改質器１、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２、及びスタック改質器３で生成したＨ２とＣＯの８０％が発電に利用されたとする。このとき、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２の発電電圧を１．０Ｖ、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の発電電圧を０．６５Ｖとすると、システムとしての発電効率は５２％となる。燃料電池として水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８のみを用いた従来の固体酸化物形燃料電池システム（図５）よりも発電効率が１％上昇する。
【００２７】
実施の形態２
図２は本発明の第二の実施形態の固体酸化物形燃料電池発電システムを示す図である。
【００２８】
炭化水素を含み、水分を含まない、すなわちドライな燃料ガスである天然ガスは、炭化水素の部分酸化反応を利用してＨ２とＣＯを生成する部分酸化型改質器１に供給される。部分酸化型改質器１には空気も供給され、空気中の酸素を利用してＣ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０の全てが上記反応式（４）〜（６）に示す部分酸化反応によりＨ２とＣＯに変換される。
【００２９】
これらの部分酸化による改質反応は発熱反応なので、部分酸化改質器１に熱を供給する必要はないので、部分酸化型改質器１は、図３のように、セルモジュール１１と隣接して配置しても構わないし、図４のように、セルモジュール１１と独立して配置しても構わない。
【００３０】
部分酸化型改質器１の触媒は、プレ改質器６（図５）及びスタック改質器３の触媒と同様にアルミナ担体にニッケルを担持したものである。すなわち、この触媒に、水蒸気と炭化水素が供給されれば水蒸気改質が起こり、空気と炭化水素が供給されれば部分酸化による改質が起こる。
【００３１】
ＣＨ４、ＣＯ及びＨ２を含有する、部分酸化型改質器１の排出ガスは、下記反応式（８）に示すＣＨ４の電気化学的完全酸化反応、
ＣＨ４＋２Ｏ２　→　２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２　　　　　　　　　　　（８）
を利用して発電を行う完全酸化型固体酸化物形燃料電池５に供給される。
【００３２】
完全酸化型固体酸化物形燃料電池５と、スタック改質器３と、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４との配置は、図３及び図４に示したように、セルモジュール１１内で、完全酸化型固体酸化物形燃料電池５は、複数の部分酸化型固体酸化物形燃料電池セル又は完全酸化型固体酸化物形燃料電池セル（本実施形態においては後者）を重ねてなるセルスタック１２に分割され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４も同様にセルスタック１３に分割され、セルスタック１２とセルスタック１３とがスタック改質器３を挟んだ形で入れ子状の配置となっている。
【００３３】
完全酸化型固体酸化物形燃料電池５においては、ＣＨ４の一部について電気化学的完全酸化反応が起こり、発電が行われる。完全酸化型固体酸化物形燃料電池５の発電温度は、部分酸化型固体酸化物形燃料電池２と異なり、６００℃程度である。
【００３４】
完全酸化型固体酸化物形燃料電池５の排出ガスは、スタック改質器３に供給され、完全酸化型固体酸化物形燃料電池５で未反応の全てのＣＨ４は水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される。この場合にも、水蒸気改質反応によりＨ２とＣＯに変換される燃料ガスはＣＨ４のみであるので、従来技術に比べて、水蒸気改質反応の割合は少なくなり、エクセルギー損失も少なくなる。
【００３５】
スタック改質器３の排出ガスは、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４に供給される。部分酸化型改質器１及びスタック改質器３で生成したＨ２とＣＯの電気化学的酸化反応（上記反応式（３）と（２））が起こり、発電が行われる。
【００３６】
水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の排出ガスの一部は、図３及び図４に示したように、スタック改質器３の直前に戻され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の排出ガスに含まれる水蒸気が、スタック改質器３の水蒸気改質反応に利用される。
【００３７】
このような固体酸化物形燃料電池システムにおいて、例えば、完全酸化型固体酸化物形燃料電池５で部分酸化型改質器１から供給されたＣＨ４の５０％が完全酸化反応により発電に利用され、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４では、部分酸化型改質器１及びスタック改質器３で生成したＨ２とＣＯの８０％が発電に利用されたとする。このとき、完全酸化型固体酸化物形燃料電池５の発電電圧を０．９Ｖ、水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池４の発電電圧を０．６５Ｖとすると、システムとしての発電効率は６２％となる。燃料電池として水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池８のみを用いた従来の固体酸化物形燃料電池システム（図５）よりも発電効率が１０％向上する。
【００３８】
以上説明したように、本発明に依れば、炭化水素の電気化学的酸化反応を利用して発電を行う固体酸化物形燃料電池を用いることによって、高効率な固体酸化物形燃料電池システムを提供することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の実施により、エクセルギー損失が少なく、発電効率が高い固体酸化物形燃料電池システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを示す図である。
【図２】本発明の第二の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムを示す図である。
【図３】本発明の第一の実施形態及び第二の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの内部構成を示す図である。
【図４】本発明の第一の実施形態及び第二の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの内部構成を示す図である。
【図５】従来の固体酸化物形燃料電池システムを示す図である。
【図６】従来の固体酸化物形燃料電池システムの内部構成を示す図である。
【符号の説明】
１…部分酸化型改質器、２…部分酸化型固体酸化物形燃料電池、３…スタック改質器、４…水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池、５…完全酸化型固体酸化物形燃料電池、６…プレ改質器、７…スタック改質器、８…水蒸気改質型固体酸化物形燃料電池、１１…セルモジュール、１２、１３…セルスタック、２１…セルモジュール、２２…セルスタック。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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