(57)【要約】【課題】部分負荷運転時にも熱自立を図ることができる熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを得る。【解決手段】断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック及びオフガス燃焼部に加えて蓄熱材層を配置し、且つ、蓄熱材層に空気導入管及び空気導出管を配置するとともに、その流路に対してバイパス流路を設け、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システム。【選択図】図２
2004071312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱自立型固体酸化物形燃料電池システムであって、断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック及びオフガス燃焼部を配置するとともに、蓄熱材層を配置することにより、全負荷運転時の燃料電池内発熱を利用して自己保温するようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
熱自立型固体酸化物形燃料電池システムであって、断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック及びオフガス燃焼部に加えて蓄熱材層を配置し、且つ、蓄熱材層に空気導入管及び空気導出管を配置するとともに、その流路に対してバイパス流路を設け、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の熱自立型固体酸化物形燃料電池システムにおいて、蓄熱材層の空気導出管からスタックに至る空気流路に電気ヒーターを配置し、部分負荷運転時に、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すとともに、蓄熱材からの回収熱量だけでは熱量が不足する場合もしくは温度調節が困難である場合、電気ヒーターを付加的に利用して温度調節を行うようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の熱自立型固体酸化物形燃料電池システムにおいて、燃料極オフガスの一部を原燃料にリサイクルさせる流路を設け、燃料極オフガス中の水蒸気を内部改質に利用するとともに、燃料極オフガス中の未利用燃料を再利用するようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置し、蓄熱材層に空気導入管及び導出管を配置するとともに、その流路に対してバイパス流路を設け、且つ、スタックからの燃料極オフガス導管を、順次、ＣＯ変成器及び水素吸蔵体容器に連結してなり、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、且つ、燃料極オフガスをＣＯ変成器を経て水素吸蔵体容器に通して水素を貯蔵し、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すとともに、水素吸蔵体容器中の水素を燃料として発電するようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素吸蔵体容器に充填する水素吸蔵体が水素吸蔵合金又はカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項５に記載の熱自立型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、熱自立型固体酸化物形燃料電池システムに関し、より具体的には全負荷運転時に加え、部分負荷運転時においても熱自立させるようにしてなる熱自立型固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ）は８５０〜１０００℃程度という高温で運転されるが、最近ではそれより低温、例えば７５０℃程度というような温度で運転されるものも開発されつつある。従来、ＳＯＦＣを運転するに際しては、全負荷運転が基本であり、しかも常時運転することが想定されている。しかし、現実には、例えば昼間に全負荷運転をし、夜間には低負荷運転をすることが考えられる。
【０００３】
ＳＯＦＣにおいては、上記のように高温で運転され、全負荷運転時には熱余り状態である。しかし、低負荷運転時には、電池内部の発熱に比して外部への散熱が大きくり、この場合でも、熱自立、すなわちＳＯＦＣの運転時に、発電に関して発生する熱とは別に別途余分なエネルギーを無駄に消費することなく、運転温度が所定の温度に維持され、保温される状態とすることが必要である。
【０００４】
ここで、一般的には、ＳＯＦＣシステムにおいては、システムケールが大きい場合には内部発熱に対して外部への放熱量が小さくなるため、熱自立は容易となる。また、ＳＯＦＣスタックのエネルギー密度を増加させると、ＳＯＦＣ自体コンパクトにできるために熱自立しやすくなる。しかし一方で、発電効率が低下するため、一般的には、セル電位が例えば０．７Ｖ程度の条件で所定の出力となるように設計される。したがって、この条件を全負荷運転とし、全負荷運転時に熱自立することが要求される。
【０００５】
ところで、ＳＯＦＣスタックにおいては、その燃料利用率は高々８０〜８５％程度であるので、スタックで利用されない２０〜１５％の燃料は燃焼して利用される。このため、ＳＯＦＣシステムでは、通常、ＳＯＦＣスタックとオフガス燃焼部が断熱材を配した断熱容器に収容されている。すなわち、オフガス燃焼部では燃料極からのオフガスを空気極からのオフガスで燃焼させる。燃焼ガスは、ＳＯＦＣスタックに供給する燃料及び空気の加熱に利用した後、ＳＯＦＣシステム外へ排出される。この排出燃焼ガス（燃焼排ガス）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に利用されるが、水蒸気や給湯の需要量にも限度がある。
【０００６】
また、電力需要家の使用用途によっては、夜間には部分負荷運転という使用条件となることから、全負荷運転時はもちろん、部分負荷運転時にも熱自立することが望ましい。部分負荷運転時には通常熱不足となり、また断熱容器からの放熱は不可避であることから、部分負荷運転時に熱不足が生じた場合には熱不足を補い、ＳＯＦＣシステムを保温する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＳＯＦＣシステムにおける上記のような事情に鑑み、それらの問題点を解決するためになされたものであり、ＳＯＦＣシステムにおいて、全負荷運転時はもちろん、部分負荷運転時にも熱自立を図るようにしてなる熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（１）熱自立型固体酸化物形燃料電池システムであって、断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック及びオフガス燃焼部を配置するとともに、蓄熱材層を配置することにより、全負荷運転時の燃料電池内発熱を利用して自己保温するようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【０００９】
本発明は、（２）熱自立型固体酸化物形燃料電池システムであって、断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック及びオフガス燃焼部に加えて蓄熱材層を配置し、且つ、蓄熱材層に空気導入管及び空気導出管を配置するとともに、その流路に対してバイパス流路を設け、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１０】
本発明は、（３）前記（２）の熱自立型固体酸化物形燃料電池システムにおいて、蓄熱材層の空気導出管からスタックに至る空気流路に電気ヒーターを配置し、部分負荷運転時に、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すとともに、蓄熱材からの回収熱量だけでは熱量が不足する場合もしくは温度調節が困難である場合、電気ヒーターを付加的に利用して温度調節を行うようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１１】
本発明は、（４）前記（２）の熱自立型固体酸化物形燃料電池システムにおいて、燃料極オフガスの一部を原燃料にリサイクルさせる流路を設け、燃料極オフガス中の水蒸気を内部改質に利用するとともに、燃料極オフガス中の未利用燃料を再利用するようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１２】
本発明は、（５）断熱容器内に、固体酸化物形燃料電池スタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置し、蓄熱材層に空気導入管及び導出管を配置するとともに、その流路に対してバイパス流路を設け、且つ、スタックからの燃料極オフガス導管を、順次、ＣＯ変成器及び水素吸蔵体容器に連結してなり、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、且つ、燃料極オフガスをＣＯ変成器を経て水素吸蔵体容器に通して水素を貯蔵し、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すとともに、水素吸蔵体容器中の水素を燃料として発電するようにしてなることを特徴とする熱自立型固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、断熱容器内に、ＳＯＦＣスタック及びオフガス燃焼部を配置してなるＳＯＦＣシステムにおいて、該断熱容器内に蓄熱材層を配置し、全負荷運転時に加え、部分負荷運転時においても電池内発熱の熱を利用して自己保温するようにしてなることを特徴とする。断熱容器に配置する断熱材としてはスラグウールやガラスウール、あるいは各種耐火物その他適宜の材料が用いられる。
【００１４】
ＳＯＦＣシステムにおける通常の全負荷運転では基本的に熱余りの状態である。そこで、本発明においては、ＳＯＦＣシステムにおいて、全負荷運転時の余剰熱を蓄熱材に吸収させて蓄熱しておき、部分負荷運転時に、蓄熱材の熱をＳＯＦＣスタックにフィードバックして利用する。
【００１５】
図１はＳＯＦＣシステムにおける全負荷運転時の熱バランスを説明する図である。図１のとおり、断熱材を配置した断熱容器内にＳＯＦＣスタックとオフガス燃焼部が収容されている。ここで、ＳＯＦＣスタックの出力が１０ｋＷのシステムの場合を例にすると、その仕様は表１のようになり、全負荷運転時の熱バランスは表２のとおりとなる。
【００１６】
熱回収後の排ガス温度は約２３０℃であり、熱バランスはＱ１＋Ｑ５＝Ｑ３＋Ｑ６＝２０ｋＷとなる。しかし、これはＱ１＋Ｑ５≦Ｑ３＋Ｑ６において、その≦のうち＝の場合であり、ＳＯＦＣスタックの全負荷運転時には、通常、熱余りの状態、すなわちＱ１＋Ｑ５＜Ｑ３＋Ｑ６となる。
【００１７】
【表１】
2004071312.tif 000003
【００１８】
【表２】
2004071312.tif 000004
【００１９】
一方、同じくＳＯＦＣスタックの出力が１０ｋＷのシステムを２０％の部分負荷で運転する場合、すなわち２ｋＷの発電時の熱収支は表３のとおりとなる。ここでの熱バランスはＱ１＋Ｑ５＝４．９ｋＷ＞Ｑ３＋Ｑ６＝４．４ｋＷとなる。すなわち放散熱の方が発熱量よりも大きくなり、熱バランスが崩れる。
【００２０】
【表３】
2004071312.tif 000005
【００２１】
そこで、本発明においては、ＳＯＦＣシステムの全負荷運転時における余剰熱をシステム内に配置した蓄熱材層に蓄熱しておき、そして、その部分負荷運転時に当該全負荷運転時に蓄熱した熱をスタックにフィードバックするものである。システムの保温に必要な熱量の不足分は５００Ｗである。例えば昼間に１６時間全負荷運転をし、夜間に８時間程度部分負荷運転をする場合、８時間の保温で必要とされる熱量は５００×３６００×８＝１．１５×１０７Ｊとなる。
【００２２】
蓄熱材の比熱が１Ｊ／Ｋ／ｇである場合、蓄熱状態を９００℃とし、最終放熱温度を２００℃とすると、１７ｋｇの蓄熱材による蓄熱量は（９００−２００）×１７×１０３＝１．１９×１０７Ｊとなり、これにより部分負荷運転時の保温のために必要な熱量を確保することができる。蓄熱材としては、耐熱性で熱容量が大きい材料であれば特に限定はなく、その例としては、例えばセラミックス、れんが、石、コンクリート、塩化カルシウム６水塩などが挙げられる。
【００２３】
また、前述のとおり、ＳＯＦＣスタックにおいては、その燃料利用率は高々８０〜８５％程度であり、スタックで利用されない残余の燃料（２０〜１５％）は燃料極オフガスとして排出される。そこで、本発明（５）においては、蓄熱材を利用して、全負荷運転時だけでなく、部分負荷運転時においても電池内発熱（＝ＳＯＦＣシステム内発熱）の熱を利用して自己保温するのに加え、全負荷運転時に燃料極オフガス中の水素を水素吸蔵体に貯蔵しておき、この水素を部分負荷運転時の燃料として発電する。
【００２４】
水素吸蔵体としては、水素含有ガスから水素を選択的に吸蔵し、水素以外のガスは吸蔵しないか、実質上吸蔵しない材料であれば特に限定はないが、その例としては、例えば水素吸蔵合金（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ａｌｌｏｙ）やカーボンナノチューブなどが挙げられる。これによって燃料極オフガス中の水素を選択的に貯蔵し、貯蔵された水素は加熱することにより放出される。水素吸蔵合金の例としては、例えばＴｉＦｅ０．９Ｍｎ０．１、Ｍｇ２Ｎｉ、ＣａＮｉＳ、ＬａＮｉ５、ＬａＮｉ４．７Ａｌ０．３、ＭｍＮｉ４．５Ａｌ０．５（Ｍｍ＝ミッシュメタル）、ＭｍＮｉ４．１５Ｆｅ０．８５（Ｍｍ＝ミッシュメタル）等を挙げることができる。
【００２５】
この態様では、断熱容器内に、ＳＯＦＣスタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置し、蓄熱材層に空気導入管及び導出管を配置するとともに、該蓄熱材層を介する流路に対するバイパス流路を断熱容器外に設け、且つ、スタックからの燃料極オフガス導管を、順次、ＣＯ変成器及び水素吸蔵体容器に連結する。
【００２６】
そして、全負荷運転時に、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、且つ、燃料極オフガスをＣＯ変成器を経て水素吸蔵体容器に通し、燃料極オフガス中の水素を貯蔵する。一方、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱していた熱を回収してスタックに戻すとともに、水素吸蔵体容器中の水素を放出し、これを燃料として発電する。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。
【００２８】
〈実施例１〉
図２は本実施例１を示す図である。断熱材を配した断熱容器内に、下部から上部へ順次ＳＯＦＣスタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置する。そして、蓄熱材層に空気導入管及び空気導出管を配置するとともに、その空気流路に対してバイパス流路を設ける。バイパス流路は断熱容器外に配置する。また、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスを熱源としてスタックへ導入する空気及び燃料を加熱する熱交換器を設ける。
【００２９】
オフガス燃焼部は、ＳＯＦＣスタックに連設するか、あるいはその近傍に配置する。オフガス燃焼部では燃料極オフガスを空気極オフガスで燃焼させ、その熱を蓄熱材層の蓄熱材に蓄熱する。燃焼ガスは、▲１▼蓄熱材層に直接通してもよく、▲２▼蓄熱材層に配置した管内に通してもよい。▲２▼の場合には間接熱交換になるが、間接熱交換の仕方として、管内を通すのに代えて、▲３▼オフガス燃焼部を囲むように蓄熱材層を配置して、燃焼熱をその壁面を通して蓄熱するようにしてよい。また、蓄熱材層は、ＳＯＦＣスタックとともに断熱容器に収容されているので、蓄熱材にはＳＯＦＣスタックでの発生熱も蓄熱される。
【００３０】
全負荷発電時には、上記余剰熱を蓄熱材に蓄熱し、且つ、空気をバイパス流路を経てスタックの空気極に供給する。空気は、蓄熱材層を通らず、断熱容器外に配置されたバイパス流路を通ってバイパスするので冷却効果が高められる。空気は、熱交換器で、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスとの熱交換によってのみ予熱され、スタックの空気極に導入される。一方、部分負荷運転時には、空気を空気導入管を介して蓄熱材に供給する。空気は、蓄熱材との直接熱交換により全負荷発電時に蓄熱した熱を回収し、空気導出管を経て、さらに熱交換器で加熱され、スタックの空気極に導入される。
【００３１】
このように、断熱容器内に、ＳＯＦＣスタック及びオフガス燃焼部に加え、蓄熱材層を配置しておくことにより、全負荷運転時に余剰熱を蓄熱材に蓄熱する。そして、この熱を部分負荷運転時にシステム保温用の熱としてフィードバックする。この熱により部分負荷運転時の内部発熱不足を補うことにより、例えばその保温用に、別途、燃料を無駄に消費することなく、システムを保温することができる。
【００３２】
〈実施例２〉
図３は本実施例２を示す図である。ＳＯＦＣスタックの空気極への空気流路に電気ヒーターを設ける。他の構成は実施例１（図２）の場合と同様である。これにより、部分負荷運転時に、蓄熱材層から回収する熱量だけでは熱量が不足する場合、もしくは蓄熱材層から回収する熱量だけではシステムの温度調節が困難である場合に、付加的に電気ヒーターを利用して温度調節を行う。電気ヒーターの電源としては深夜電力等の安価な電気を利用することができる。
【００３３】
〈実施例３〉
図４〜５は本実施例３を示す図で、図４は全負荷運転時、図５は部分負荷運転時を示している。図４〜５のとおり、ＳＯＦＣスタックの燃料極からのオフガスの一部をリサイクルさせて再利用するようにする。他の構成は実施例１（図２）の場合と同様である。ＳＯＦＣスタックにおいては、例えば都市ガスを原燃料とする場合、その主成分はメタンである。メタンは通常水蒸気を添加して予備改質するか、ＳＯＦＣスタックの燃料極において水蒸気で内部改質して水素と一酸化炭素に変え、これを燃料として発電する。
【００３４】
このため、原燃料には水の添加が不可欠であるが、本実施例においては、燃料極オフガスの一部をリサイクルさせて原燃料に添加し、該オフガス中の水蒸気を内部改質に利用し、併せて該オフガス中の未利用の燃料を再利用する。図５は、全負荷運転時にバイパスさせていた空気の流れを、部分負荷運転時に徐々に蓄熱材層の方に切り替えて、蓄熱材層から全負荷運転時に蓄熱した熱を回収している状態を示している。なお、図４〜５において、実線で示す配管は流体が矢印（→）の方向に流れていることを示し、点線で示す配管は流体が流れていないことを示し、この点図６〜７においても同様である。
【００３５】
〈実施例４〉
図６〜７は蓄熱材に加えて水素吸蔵体を用いた例を示す図で、図６は全負荷運転時、図７は部分負荷運転時を示している。断熱容器内にＳＯＦＣスタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置したシステムに、ＣＯ変成器及び水素吸蔵体容器を併置し、ＳＯＦＣスタックからの燃料極オフガスを、順次、ＣＯ変成器及び水素吸蔵体容器に通すように構成されている。空気極オフガスは、全負荷運転時に、熱交換器１に通して導入燃料及び空気の加熱源として利用する。他の構成は実施例３（図４〜５）の場合と同様である。
【００３６】
図６のとおり、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材に蓄熱し、且つ、空気をバイパス流路、熱交換器１を経てスタックの空気極に供給する。そして、オフガス燃焼部は作動させず、燃料極オフガスを熱交換器１、ＣＯ変成器、熱交換器２を経て水素吸蔵体容器に導入して水素を貯蔵する。熱交換器１及び熱交換器２の熱源としては燃料極オフガスを利用する。また、空気極オフガスは、オフガス燃焼部に通して蓄熱した後、熱交換器１に通して導入燃料及び空気の加熱源として利用する。空気極オフガスは、蓄熱材層に直接通して直接熱交換により蓄熱してもよく、蓄熱材層に配置した管内に通して間接熱交換により蓄熱してよい。
【００３７】
一方、図７のとおり、部分負荷発電時には、オフガス燃焼部を作動させ、また空気を空気導入管を介して蓄熱材に供給する。ここで蓄熱材との直接熱交換により熱を回収し、空気導出管、熱交換器１を経てスタックの空気極に導入する。加えて、水素吸蔵体容器中の水素を放出し、この水素をＳＯＦＣスタックでの燃料として利用して発電する。水素の放出には、オフガス燃焼部から熱交換器１を経た燃焼排ガスの熱を利用することができる。この場合、燃焼排ガスは水素吸蔵体を間接的に加熱した後、排出される。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳＯＦＣシステムにおいて、全負荷運転時に加え、部分負荷運転時にも熱自立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＯＦＣシステムにおける全負荷運転時の熱バランスを説明する図
【図２】実施例１を示す図
【図３】実施例２を示す図
【図４】実施例３を示す図
【図５】実施例３を示す図
【図６】実施例４を示す図
【図７】実施例４を示す図
【図１】
2004071312.tif 000006
【図２】
2004071312.tif 000007
【図３】
2004071312.tif 000008
【図４】
2004071312.tif 000009
【図５】
2004071312.tif 000010
【図６】
2004071312.tif 000011
【図７】
2004071312.tif 000012