(57)【要約】【課題】  固体酸化物形燃料電池システムの周辺機器のコストを下げつつ、発電システムの発電効率を高めることができる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】  原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器２４と、燃料ガスを部分酸化反応させるための部分酸化反応器２６と、燃料極３２側に送給される燃料ガスと空気極３４側に送給される空気との間で燃料電池発電反応を行って発電する固体酸化物形燃料電池２２と、を備えた固体酸化物形燃料電池システム。ブロア７２は部分酸化反応器２６に供給される空気中の酸素量が原燃料ガスを完全燃焼させるのに必要な酸素量の５〜１０％になるように供給し、酸化用空気加湿手段５６は、固体酸化物形燃料電池２２にて発生する排熱を利用して加温された加湿用水に接触させることによって、部分酸化反応器２６に送給される部分酸化用空気を露点８０℃以上となるように加湿する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタンを主成分とする原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器と、脱硫処理された燃料ガスを酸化触媒の下で部分酸化反応させて水素を含む還元性ガスを生成するための部分酸化反応器と、前記部分酸化反応器に部分酸化用空気を供給するための部分酸化用空気供給手段と、燃料極及び空気極を有し、部分酸化反応後に前記燃料極側に送給される燃料ガスと前記空気極側に送給される空気との間で燃料電池発電反応を行って発電する固体酸化物形燃料電池と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記部分酸化用空気供給手段と前記部分酸化反応器との間には酸化用空気加湿手段が配設されており、前記部分酸化用空気供給源は、前記部分酸化反応器に供給される空気中の酸素量が原燃料ガスを完全燃焼させるのに必要な酸素量の５〜１０％になるように供給し、前記酸化用空気加湿手段は、前記固体酸化物形燃料電池にて発生する排熱を利用して加温された加湿用水に接触させることによって、前記部分酸化反応器に送給される部分酸化用空気を露点８０℃以上となるように加湿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】
前記酸化反応触媒は、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、白金及びニッケルの少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記脱硫器には、銅及び亜鉛を含む脱硫剤が用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化用空気加湿手段に加湿用水としての上水を供給するための上水供給源が設けられ、前記上水供給源と前記酸化用空気加湿手段との間には、塩素成分を除去するための塩素除去手段が設けられ、前記塩素除去手段は活性炭を用いて上水に含まれた塩素成分を除去することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化用空気加湿手段は部分酸化用空気を加湿する空気加湿器を具備し、前記空気加湿器は加湿用水を溜める水溜め部と、前記水溜め部に加湿用水を供給する供給部と、前記水溜め部の加湿用水を排出する排出部とを有し、前記水溜め部は前記固体酸化物形燃料電池の排熱を利用して前記水溜め部内の加湿用水が加温されるように構成され、前記排出部には排水弁が配設され、前記排水弁を開閉制御することによって、前記水溜め部の加湿用水が調整されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化用空気加湿器の前記水溜め部には、通気性及び撥水性を有する第１樹脂膜が設けられ、加湿用水と部分酸化用空気とが前記第１樹脂膜を介して接触され、前記部分酸化反応器に送給される部分酸化用空気が前記第１樹脂膜を介して加湿されることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化用空気加湿器の前記水供給部には、通気性及び撥水性を有する第２樹脂膜が設けられ、前記加湿用水が前記第２樹脂膜を介して空気に接触され、前記水溜め部に供給される加湿用水に含まれた塩素成分が前記第２樹脂膜を通して空気側に除去されることを特徴とする請求項５又は６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
前記固体酸化物形燃料電池の出力側には切換手段を介して固定抵抗が接続されており、システムの発電出力を停止するとき、前記切換手段が切り換わって前記固体酸化物形燃料電池の出力側が前記切換手段を介して前記固定抵抗に電気的に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項９】
メタンを主成分とする原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器と、脱硫処理された燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料ガス加湿器にて加湿された燃料ガスを水蒸気改質するための改質反応触媒と、燃料極及び空気極を有し、前記燃料極側に送給される改質燃料ガスと前記空気極側に送給される空気との間で燃料電池発電反応を行って発電する固体酸化物形燃料電池と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記脱硫器は銅及び亜鉛を含む脱硫剤が用いられ、前記改質反応触媒はルテニウムを含んでおり、更に、前記燃料ガス加湿器は、前記固体酸化物形燃料電池にて発生する排熱を利用して加温された加湿用水に接触せることによって、燃料ガスを露点が８０℃以上となるように加湿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１０】
前記燃料ガス加湿手段は燃料ガスを加湿するガス加湿器を具備し、前記ガス加湿器は加湿用水を溜める水溜め部と、前記水溜め部に加湿用水を供給する供給部と、前記水溜め部の加湿用水を排出する排出部とを有し、前記水溜め部は前記固体酸化物形燃料電池の排熱を利用して前記水溜め部内の加湿用水が加温されるように構成され、前記排出部には排水弁が配設され、前記排水弁を開閉制御することによって、前記水溜め部の加湿用水が調整されることを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１１】
前記ガス加湿器の前記水溜め部には、通気性及び撥水性を有する樹脂膜が設けられ、加湿用水と燃料ガスとが前記樹脂膜を介して接触され、前記改質反応触媒に送給される燃料ガスが前記樹脂膜を介して加湿されることを特徴とする請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタンを主成分とする原燃料ガスを用いて燃料電池発電反応を行う固体酸化物形燃料電池を備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池が知られている。このような固体酸化物形燃料電池では、一般的に、固体電解質としイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、このような固体電解質の片側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他側の空気中の酸素を還元するための空気極が設けられている。この固体酸化物形燃料電池では、作動温度が７００〜１０００℃と高く、このような高温下で、燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応して発電が行われる。
【０００３】
近年、固体酸化物形燃料電池が注目され、実用化を目指して開発が進められており、このように注目される大きな特徴は、その発電効率が高いということである。固体酸化物形燃料電池の用途としては、数十kW〜MW程度の出力電力を発生するビル、工場用の分散電源やコージェネレーションに加えて、１０MW〜数百MW程度の出力電力を発生する大型発電プラントが想定されている。また、近年、1ｋW〜１０ｋW程度の小型のコージェネレーションシステムとしても開発が行われている。
【０００４】
燃料ガスとして炭化水素やアルコールを用いる燃料電池システムにおいては、燃料ガスを改質するために水蒸気が用いられる。例えば、燃料ガスがメタンで、水蒸気を用いて改質する場合、その改質反応は、次の反応式（１）で示すようになる。
【０００５】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  →  ３Ｈ２＋ＣＯ      ・・・（１）
このような水蒸気改質を行う場合、水蒸気発生器、水タンク及び水精製器が必要となり、更には燃料電池からの排気に含まれる水分を除去するための凝縮水分離器が必要になり、燃料電池システム全体の構成が複雑になる。
【０００６】
このような改質のための水蒸気を不要にするために、固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料リサイクルを用いることが知られている。この燃料リサイクルは、燃料ガスとしての炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気として、固体酸化物形燃料電池における燃料電池反応後の反応燃料ガスに含まれる水蒸気を用いるものであり、燃料ガスがメタンである場合、その改質反応は反応式（２）で示すようになる。
【０００７】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  →  ３Ｈ２＋ＣＯ      ・・・（２）
この燃料リサイクルでは、燃料ガスを水蒸気改質するにもかかわらず、水精製器や精製水の循環系など、固体酸化物形燃料電池システムにおける精製水系統を省略することができる。
【０００８】
しかしながら、燃料リサイクルを用いる場合、高温ガスを循環させるためのガスリサイクル流路、エゼクタ、ブロアなどの構成要素が必要となり、特に小型の燃料電池システムに適用しようとすると、高温部からの放熱も大きくなり易く、エゼクタやブロアがこの高温部からの熱を受け、これら構成要素の信頼性を十分高めるのが難しいという課題があった。
【０００９】
このようなことから、燃料改質のために水蒸気を使用せず、空気を添加して燃料ガスを部分酸化反応する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この部分酸化反応を用いた燃料電池システムは、例えば、図６に示す構成を有しており、脱硫器２で硫黄成分が除去された原燃料ガスが部分酸化反応器４に送給され、またブロア６からの空気が部分酸化反応器４に供給され、この部分酸化反応器４において原燃料ガスの一部と空気中の酸素とが部分酸化反応して原料ガスの改質が行われ、このように改質された燃料ガスが固体酸化物形燃料電池８の燃料極１０側に供給される。また、ブロア１２からの空気が再空気極１６側に送給される。固体酸化物形燃料電池８においては、燃料極１０側の改質燃料ガスと空気極１６側の空気中の酸素との燃料電池発電反応により電気が発生する。
【００１０】
この部分酸化反応を用いた燃料電池システムでは、燃料ガスとしてメタンを用いた場合、その改質反応は、次の反応式（３）で示すようになる。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２  →  ２Ｈ２＋ＣＯ      ・・・（３）
この部分酸化反応を用いた燃料電池システムでは、水蒸気を生成して供給するための精製水系統を必要とせず、また燃料リサイクルのための高温対策なども必要とせず、燃料電池の周辺機器が簡便になるというメリットがある。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−３２０２５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、部分酸化反応を用いた燃料電池システムでは、反応式（１）及び（２）と反応式（３）とを対比することによって容易に理解されるように、原燃料ガスの単位量当たりの水素発生量が少なく、従って、燃料電池システムの発電効率が大きく低下し、例えば、ガスエンジンなどによるコージェネレーションシステムなどの競合技術に対し、発電効率の優位性がほとんどなくなるという問題があり、その特徴を維持しながら燃料効率の改善が望まれていた。
【００１３】
また、水蒸気改質を用いた燃料電池システムでは、上述したように、部分酸化反応に比して原燃料ガスの単位量当たりの水素発生量が多く、燃料電池システムの発電効率が高いという特徴を有するが、水蒸気発生器などを必要とし、燃料電池の周辺機器の構成が複雑で、その製作コストが高くなる問題があり、水蒸気改質の高発電効率を維持しながら燃料電池の周辺機器の簡便化が望まれていた。
【００１４】
本発明の目的は、固体酸化物形燃料電池システムの周辺機器のコストを下げつつ、発電システムの発電効率を高めることが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。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、固体酸化物形燃料電池システムの高発電効率を維持しつつ、その周辺機器の簡便化を図り、その製作コストを下げることが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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、メタンを主成分とする原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器と、脱硫処理された燃料ガスを酸化触媒の下で部分酸化反応させて水素を含む還元性ガスを生成するための部分酸化反応器と、前記部分酸化反応器に部分酸化用空気を供給するための部分酸化用空気供給手段と、燃料極及び空気極を有し、部分酸化反応後に前記燃料極側に送給される燃料ガスと前記空気極側に送給される空気との間で燃料電池発電反応を行って発電する固体酸化物形燃料電池と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記部分酸化用空気供給手段と前記部分酸化反応器との間には酸化用空気加湿手段が配設されており、前記部分酸化用空気供給源は、前記部分酸化反応器に供給される空気中の酸素量が原燃料ガスを完全燃焼させるのに必要な酸素量の５〜１０％になるように供給し、前記酸化用空気加湿手段は、前記固体酸化物形燃料電池にて発生する排熱を利用して加温された加湿用水に接触させることによって、前記部分酸化反応器に送給される部分酸化用空気を露点８０℃以上となるように加湿することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記酸化反応触媒は、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、白金及びニッケルの少なくとも一つを含んでいることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記脱硫器には、銅及び亜鉛を含む脱硫剤が用いられていることを特徴とする。
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記酸化用空気加湿手段に加湿用水としての上水を供給するための上水供給源が設けられ、前記上水供給源と前記酸化用空気加湿手段との間には、塩素成分を除去するための塩素除去手段が設けられ、前記塩素除去手段は活性炭を用いて上水に含まれた塩素成分を除去することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項５に記載の記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記酸化用空気加湿手段は部分酸化用空気を加湿する空気加湿器を具備し、前記空気加湿器は加湿用水を溜める水溜め部と、前記水溜め部に加湿用水を供給する供給部と、前記水溜め部の加湿用水を排出する排出部とを有し、前記水溜め部は前記固体酸化物形燃料電池の排熱を利用して前記水溜め部内の加湿用水が加温されるように構成され、前記排出部には排水弁が配設され、前記排水弁を開閉制御することによって、前記水溜め部の加湿用水が調整されることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記酸化用空気加湿器の前記水溜め部には、通気性及び撥水性を有する第１樹脂膜が設けられ、加湿用水と部分酸化用空気とが前記第１樹脂膜を介して接触され、前記部分酸化反応器に送給される部分酸化用空気が前記第１樹脂膜を介して加湿されることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記酸化用空気加湿器の前記水供給部には、通気性及び撥水性を有する第２樹脂膜が設けられ、前記加湿用水が前記第２樹脂膜を介して空気に接触され、前記水溜め部に供給される加湿用水に含まれた塩素成分が前記第２樹脂膜を通して空気側に除去されることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記固体酸化物形燃料電池の出力側には切換手段を介して固定抵抗が接続されており、システムの発電出力を停止するとき、前記切換手段が切り換わって前記固体酸化物形燃料電池の出力側が前記切換手段を介して前記固定抵抗に電気的に接続されることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、メタンを主成分とする原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器と、脱硫処理された燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料ガス加湿器にて加湿された燃料ガスを水蒸気改質するための改質反応触媒と、燃料極及び空気極を有し、前記燃料極側に送給される改質燃料ガスと前記空気極側に送給される空気との間で燃料電池発電反応を行って発電する固体酸化物形燃料電池と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記脱硫器は銅及び亜鉛を含む脱硫剤が用いられ、前記改質反応触媒はルテニウムを含んでおり、更に、前記燃料ガス加湿器は、前記固体酸化物形燃料電池にて発生する排熱を利用して加温された加湿用水に接触せることによって、燃料ガスを露点が８０℃以上となるように加湿することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記燃料ガス加湿手段は燃料ガスを加湿するガス加湿器を具備し、前記ガス加湿器は加湿用水を溜める水溜め部と、前記水溜め部に加湿用水を供給する供給部と、前記水溜め部の加湿用水を排出する排出部とを有し、前記水溜め部は前記固体酸化物形燃料電池の排熱を利用して前記水溜め部内の加湿用水が加温されるように構成され、前記排出部には排水弁が配設され、前記排水弁を開閉制御することによって、前記水溜め部の加湿用水が調整されることを特徴とする。
【００２５】
更に、本発明の請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記ガス加湿器の前記水溜め部には、通気性及び撥水性を有する樹脂膜が設けられ、加湿用水と燃料ガスとが前記樹脂膜を介して接触され、前記改質反応触媒に送給される燃料ガスが前記樹脂膜を介して加湿されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、部分酸化反応器に供給される空気中の酸素量が原燃料ガスを完全燃焼させるのに必要な酸素量の５〜１０％になるように供給するとともに、酸化用空気加湿手段によって部分酸化反応器に送給される部分酸化用空気を露点が８０℃以上となるように加湿しているので、燃料発電システムの発電効率を改善することができる。このように発電効率の改善を図ることができる第１理由は、酸化用空気加湿手段によって露点８０℃以上に加湿された部分酸化用空気を供給しているので、この空気によって原燃料ガスの一部が部分酸化反応による改質が行われるとともに、この空気に含まれた水蒸気が原燃料ガスの改質に寄与し、原燃料ガスの他の一部が水蒸気改質されることによる。また、その第２理由は、部分酸化反応（メタンガスの改質反応：ＣＨ４＋１／２Ｏ２  →  ２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ）の比率を下げ、燃料電池反応に用いる水素量を減らさないようにしているためである。従来の典型的な部分酸化（特許文献１に開示された方法であって、この方法では、メタンガスの場合、その改質反応は、ＣＨ４＋２Ｏ２  →  ２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２で、Ｏ２／Ｃ＝０．５であるときには、完全燃焼させる量の２５％ということになる）では、炭化水素を完全燃焼させる酸素量の２４〜３０％を加えことになるが、この燃料電池システムでは、炭化水素を完全燃焼させる酸素量の５〜１０％に抑制されている。その結果、固体酸化物形燃料電池の燃料極側の窒素量が充分に少なくなるように抑えられ、固体酸化物形燃料電池の発電がこの窒素ガスによるガス拡散抵抗により妨げられることがほとんどなく、高い燃料利用率での燃料電池発電が可能になる。
【００２７】
この固体酸化物形燃料電池システムでは、上述したことに加えて、加湿用水を固体酸化物形燃料電池の排熱を利用して加温しているので、排熱を水蒸気の発生に有効に利用することができる。また、部分酸化用空気を加温された加湿用水に接触させているので、高温熱を必要とすることなく、露点８０℃以上に加湿された空気を生成することができる。尚、部分酸化用空気と加湿用水との接触は、例えば、この空気を加湿用水の中に通してバブリングする（換言すると、水中に流して泡立てる）ことや樹脂膜を用いて加湿用水と空気とを接触させることにより行うことができる。
【００２８】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、酸化反応触媒がルテニウム、パラジウム、ロジウム、白金及びニッケルの少なくとも一つを含んでいるので、部分酸化反応器における酸素過剰に対する耐性を高めたり、炭素析出の発生を防止することができる。白金、パラジウムは、起動時などに発生し易い酸素過剰の雰囲気における耐性を高める。また、ルテニウム、ロジウム及びニッケルは炭素析出を防ぐ上で効果的であり、特にニッケルは最も安価に提供できる。
【００２９】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、脱硫剤として銅及び亜鉛を含むものを用いているので、原燃料ガス中に含まれる硫黄成分をｐｐｂレベルまで下げることができ、これによって、固体酸化物形燃料電池の発電状態を長時間にわたって安定させることができる。
【００３０】
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、上水供給源と酸化用空気加湿手段との間に塩素除去手段が設けられているので、加湿用水として上水を使用したときのもそれに含まれた塩素成分を除去することができ、部分酸化反応器の部分酸化触媒の性能を長期間にわたって維持することができる。また、塩素除去手段として活性炭を用いているので、フィルタ状などの適宜の形態で適用することが可能であり、またコストも安価で寿命も長く保つことができる。更に、通常の水蒸気改質システムで必要な逆浸透膜による水精製器、燃料電池排気からの凝縮水分離器、水流量制御器なども不要となり、燃料電池の周辺機器のコスト、メンテナンス性向上に大きな効果がある。
【００３１】
上水の脱塩素処理としては、チオ硫酸ナトリウムなどを添加するようにしてもよく、これにより、塩素成分を塩としておくことができ、塩素成分がガスとなって出ないようにすることができる。また、加湿用水を大気中に曝露しておくことにより、塩素成分を減らすことも可能である。
【００３２】
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、酸化用空気加湿手段は、加湿用水を溜める水溜め部を有する空気加湿器を備え、この空気加湿器の排出部に排水弁が設けられているので、この排水弁を開閉制御することによって、水溜め部に溜まった加湿用水を調整する、例えばその水温を所定範囲に維持する、加湿用水の成分を所定範囲に維持することができる。また、固体酸化物形燃料電池の排熱を利用して水溜め部に溜まった加湿用水が加温されるように構成されているので、この排熱を加湿用水の加温に有効に利用することができる。
【００３３】
また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、酸化用空気加湿器の水溜め部において、通気性及び撥水性を有する第１樹脂膜を介して加湿用水と部分酸化用空気とが接触されるので、加湿用水の水分が第１樹脂膜を通して部分酸化用空気に取り込まれ、この水分でもって部分酸化用空気が加湿され、比較的簡単な構成でもって、部分酸化用空気を所要の通りに加湿することができる。尚、第１樹脂膜としては、例えば、多孔質のポリ四フッ化エチレン製膜を用いることができる。
【００３４】
また、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、酸化用空気加湿器の水供給部に通気性及び撥水性を有する第２樹脂膜が設けられ、この第２樹脂膜を介して加湿用水と空気とが接触されるので、加湿用水中の塩素成分が水分とともに第２樹脂膜を通して空気側に取り込まれ、加湿用水中の塩素成分を空気側に除去することができる。このような塩素成分の除去は、例えば、第２樹脂膜から形成されたチューブを水供給部の加湿用水中に浸し、部分酸化用空気供給手段から酸化用空気加湿手段に供給される空気の一部をこのチューブを通して流すようにすればよく、このようにすることによって、加湿用水中の塩素成分を第２樹脂膜を通してチューブ中を流れる空気に取り込ませて除去することができる。尚、第２樹脂膜としては、例えば、多孔質のポリ四フッ化エチレン製膜を用いることができる。
【００３５】
また、本発明の請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料電池の作動時に、部分酸化反応器で発生させた還元性ガスが固体酸化物形燃料電池の燃料極側に供給されるが、固体酸化物形燃料電池の温度、燃料極側の状態によっては、部分酸化反応器の触媒上では炭素析出が生じない条件であっても、燃料極上で炭素析出が起こる可能性がある。発電状態では固体酸化物形燃料電池の燃料極から水蒸気が発生しているため、炭素析出は発生し難い状態にあり、炭素析出を回避するためには、固体酸化物形燃料電池を発電状態に維持することが望ましい。このようなことから、固体酸化物形燃料電池システムから発電出力を取り出さないときには切換手段を介して固定抵抗に電気的に接続し、この固定抵抗で発生電力を消費することにより、固定酸化物形燃料電池を稼働状態に維持し、燃料極からの水蒸気の発生を継続させることにより、燃料極における炭素析出を防止することができる。
【００３６】
また、本発明の請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料ガス加湿器において燃料ガスの露点が８０℃以上となるように加湿され、加湿された燃料ガスは燃料ガス加湿器の下流側に設けられる改質反応触媒により改質された後に固体酸化物形燃料電池の燃料極側に送給される。
【００３７】
従来の固体酸化物形燃料電池では、蒸気発生器又は気化器中で加熱面に水を添加して蒸気を発生させ、この蒸気でもって燃料ガスを加湿している。このような加湿方式では、水に含まれている塩分などが蒸発面に蓄積されるとい問題があり、このような問題を解消しようとすると、加湿用水に含まれている塩分を非常に低濃度まで除去する必要があり、そのためには逆浸透膜による水精製が必要となり、逆浸透膜の設置費用、逆浸透膜の交換などのメンテナンス費用などが発生する。また、逆浸透膜による水精製を行わない、又は逆浸透膜の交換頻度を下げるための方法として、固体酸化物形燃料電池からの排気を冷却して凝縮水を得るようにし、得た凝縮水を蒸気発生器又は気化器にて添加して蒸発させて燃料ガスを加湿する方法もあるが、固体酸化物形燃料電池では加湿に必要な充分な量の凝縮水を得るのが難しいという問題がある。
【００３８】
これに対して、この固体酸化物形燃料電池システムでは、加湿用空気とを接触させて燃料ガスを加湿する場合、蒸発面でのスケール蓄積という問題を回避することができ、カーボンの析出が起こらず、安定して改質を行うことができる条件を燃料ガスの加湿条件に合わせることによって、燃料ガスを所要の通りに水蒸気改質することができる。例えば、固体酸化物形燃料電池システムに商用的に適用できるコスト、サイズの燃料ガス加湿器において、９０℃程度の温水と接触させて得られる燃料ガスの露点は８５℃程度である。露点８５℃では飽和水蒸気圧は５７．８ｋｐａであり、日本国内で供給されている天然ガスベースの都市ガス（例えば、都市ガス１３Ａ）を８５℃の加湿用水で加湿した場合、加湿後の水蒸気／カーボン（燃料ガス１モル当たりの炭素数）モル比は約１．０である。これは、通常の燃料電池システムに用いられる水蒸気／カーボンモル比が約２．５〜３．５であるのに比して極めて低い値となる。９０℃程度の温水を用いた加湿により安定して得ることができる燃料ガスの露点は、水蒸気／カーボンモル比が１．０前後であるために、この条件でカーボンの析出を起こさず安定して改質させる条件を燃料ガスの加湿に併せて用いる必要がある。このようなことから、脱硫剤として銅及び亜鉛を含むものを用い、また改質反応触媒としてルテニウムを含むものを用いることによって、蒸気発生器又は気化器を用いることなく、燃料ガスの加湿用水との接触による加湿を用いた燃料改質が可能となる。
【００３９】
即ち、この固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料ガス加湿器は加湿用水との接触により燃料ガスを加湿するので、蒸発器、気化器のように塩分などの固形分が蓄積することがなく、加湿用水として用いる水の純度を大幅に下げることができ、従来必要であった逆浸透膜による水精製を省略でき、加湿用水に関連する機器コスト、機器のメンテナンスコストを大幅に下げることができる。また、固体酸化物形燃料電池における燃料電池側の水蒸気濃度が下がるために、従来よりも固体酸化物形燃料電池における燃料利用率を高くすることができ、従って、この燃料電池システムの発電効率を高めることができる。固体酸化物形燃料電池の燃料極側で燃料電池反応が進行するに伴い水蒸気が発生し、発生する水蒸気量が多くなるに従い固体酸化物形燃料電池の起電力の低下、ガス拡散障害が生じ、このことが燃料利用率の上限を決定する要因の一つになっているが、上述したように、この燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池の燃料極側に供給される水蒸気濃度が下がるので、この燃料極側の水蒸気分圧を下げることができ、その結果、従来よりも高い燃料利用率で発電することが可能となる。
【００４０】
また、本発明の請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料ガス加湿手段は、加湿用水を溜める水溜め部を有するガス加湿器を備え、このガス加湿器の排出部に排水弁が設けられているので、この排水弁を開閉制御することによって、水溜め部に溜まった加湿用水を調整する、例えばその水温を所定範囲に維持する、加湿用水の成分を所定範囲に維持することができる。また、固体酸化物形燃料電池の排熱を利用して水溜め部に溜まった加湿用水が加温されるように構成されているので、この排熱を加湿用水の加温に有効に利用することができる。
【００４１】
また、本発明の請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、ガス加湿器の水溜め部において、通気性及び撥水性を有する樹脂膜を介して加湿用水と燃料ガスとが接触されるので、加湿用水の水分が樹脂膜を通して燃料ガスに取り込まれ、この水分でもって燃料ガスが加湿され、比較的簡単な構成でもって、燃料ガスを所要の通りに加湿することができる。尚、このような樹脂膜としては、例えば、多孔質のポリ四フッ化エチレン製膜を用いることができ、多孔質のポリ四フッ化エチレン製のチューブを加湿用水に浸し、この状態で燃料ガスをこのチューブ内を通して改質反応触媒に送給すればよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの実施形態について説明する。
第１の実施形態
まず、図１〜図３を参照して、第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図１は、第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの全体を簡略的に示すシステム図であり、図２は、図１の固体酸化物形燃料電池システムの出力側の構成を簡略的に示す部分システム図であり、図３は、図１の固体酸化物形燃料電池システムの酸化用空気加湿器を簡略的に示す図である。
【００４３】
図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池２２、脱硫器２４、部分酸化反応器２６及び燃焼部２８を備えている。固体酸化物形燃料電池２２は固体電解質３０を備え、この固体電解質３０として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。固体電解質３０の片側（図１において左側）には燃料極３２が設けられ、その他側（図１において右側）には空気極３４が設けられている。燃料極３２は改質された燃料ガスを酸化し、空気極３４は空気中の酸素を還元し、燃料極３２側の酸化及び空気極３４側の還元による燃料電池発電反応により発電が行われる。
【００４４】
脱硫器２４は硫黄成分を除去するためのものであり、メタンを主成分とする原燃料ガス、例えば天然ガスは、燃料供給流路３６を通して脱硫器２４に送給され、原燃料ガスに含まれた硫黄成分は脱硫器２４において除去される。この脱硫器２４においては、銅及び亜鉛を含む脱硫剤を用いるのが好ましい。この脱硫剤は２００〜３００℃の温度範囲において非常に顕著な脱硫作用を発揮し、従って、固体酸化物形燃料電池システムにおけるこのような温度範囲となる部位に脱硫器２４を配設するのが望ましく、かく配置することによって、固体酸化物形燃料電池システムの排熱を利用して脱硫器２４を所定の温度範囲に保つことができる。銅及び亜鉛を含む脱硫剤を用いることによって、燃料ガス中の硫黄成分をｐｐｂレベルまで脱硫することができ、その結果、固体酸化物形燃料電池システムの発電状態を長期にわたって安定させることができる。尚、このような脱硫剤については、特開平２−３０２３０３号公報を参照されたい。
【００４５】
部分酸化反応器２６は脱硫処理された燃料ガスを部分酸化反応して改質するためのものであり、酸化反応触媒（図示せず）下において燃料ガスの部分酸化が行われる。この酸化反応触媒は例えばアルミナから形成され、このアルミナ担体に、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、白金及びニッケルの少なくとも一つが担持させる。白金、パラジウムは酸素過剰の雰囲気における耐性を高める機能を発揮し、ルテニウム、ロジウム及びニッケルは炭素析出防止機能を発揮する。
【００４６】
この部分酸化反応器２６には、脱硫器２４において脱硫処理された燃料ガスが燃料送給流路３７を通して送給されるとともに、露点が８０℃以上の水蒸気を含む部分酸化用空気が後述する如く供給され、部分酸化反応器２６においては、部分酸化用空気に含まれた酸素によって燃料ガスの一部が部分酸化されて改質されるとともに、部分酸化用空気に含まれた水蒸気によって燃料ガスの一部が水蒸気改質され、かく改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス流路４０を通して固体酸化物形燃料電池２２の燃料極３２側に送給される。
【００４７】
燃料部２８は固体酸化物形燃料電池２２の下流側に配設され、燃料電池２２の燃料極３２側から排出される反応燃料ガスとその空気極３４側から排出された空気が送給され、反応ガス中に残留する水素ガスが空気中の酸素により燃焼され、燃焼排ガスが排気流路４２を通して外部に排出される。尚、この形態では、固体酸化物形燃料電池２２、燃焼部２８及び部分酸化反応器２６の一部が７００〜１０００℃の高温断熱部３８内に設置され、これらが高温状態に保たれるように構成されている。
【００４８】
排気流路４２には、上流側から下流側に向けて順に、再生器４４、第１排熱回収器４６及び第２排熱回収器４８が配設されている。再生器４４は、固体酸化物形燃料電池２２の空気極３４側に供給される空気を加温する。即ち、燃料電池用空気供給手段としての第１ブロア５０からの空気は、空気供給流路５２を通して再生器４４に送給され、再生器４４において、この空気と排気流路４２を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された空気が空気送給流路５４を通して固体酸化物形燃料電池２２の空気極３４側に供給される。
【００４９】
第１排熱回収器４６は、酸化用空気加湿手段５６に送給される加湿用水を加温する。この形態では、酸化用空気加湿手段５６は加湿タンク（図示せず）を備え、この加湿タンク内に加湿用水が収容される。上水を供給するための上水供給源５８、例えば水道管からの上水は、加湿用水として加湿用水供給流路６０を通して第１排熱回収器４６に供給され、第１排熱回収器４６において、この加湿用水（上水）と排気流路４２を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された加湿用水が加湿用水送給流路６２を通して酸化用空気加湿手段５６の加湿タンク（図示せず）に送給される。
【００５０】
加湿用水供給流路６０には塩素除去手段６４が設けられる。塩素除去手段６４は上水供給源５８から供給される上水に含まれる塩素成分を除去し、塩素が除去された上水が第１排熱回収器４６で加温されるようになり、このように塩素除去手段６４を設けることによって、加湿用水として水道水を用いることが可能となる。塩素除去手段６４は、例えば活性炭フィルタを用いたものでよく、活性炭フィルタを用いることによって、安価に且つ長期にわたって塩素成分を除去することができる。
【００５１】
第２排熱回収器４８は、上水供給源５８からの貯湯用水を加温する。この固体酸化物形燃料電池システムは、更に、温水を貯湯するための貯湯タンク６６を備え、上水供給源５８からの上水が貯湯用水として貯湯用水供給流路６８を通して第２排熱回収器４８に供給され、第２排熱回収器４６において、この貯湯用水（上水）と排気流路４２を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された貯湯用水が第１貯湯用温水送給流路７０を通して貯湯タンク６６に貯えられ、このように貯湯された温水は、給湯機器などに利用される。尚、第１排熱回収器４６及び第２排熱回収器４８は一体となるように構成してもよい。
【００５２】
部分酸化反応器２６に送給される部分酸化用空気は、酸化用空気加湿手段５６において加湿されるように構成されている。この形態では、部分酸化用空気供給手段としての第２ブロア７２からの空気（部分酸化用空気）は、部分酸化用空気供給流路７４を通して加湿手段５６に供給される。酸化用空気加湿手段５６は加湿タンク（図示せず）を備え、塩素除去手段６４により塩素成分が除去され、且つ第１排熱回収器４６において加温された加湿用水が、加湿用水送給流路６２を通して送給される。部分酸化用空気供給流路７４を通して供給される部分酸化用空気は、加湿タンク内の加湿用水内に導かれ、この加湿用水においてこの空気をバブリングすることによって加湿が行われる。燃焼部２８における燃焼ガスを含む燃焼排ガスを利用した第１排熱回収器４６における熱交換によって加湿用水が８０〜９０℃程度に加温されるので、酸化用空気加湿手段５６においてこのような温度の温水中でバブリングを行うことによって、露点が８０〜９０℃となるように加湿された部分酸化用空気が生成される。
【００５３】
この加湿手段５６においては、露点が８０℃以上となるように加湿することが重要であり、このような加湿状態の空気はある程度の水蒸気を含み、この水蒸気を部分酸化反応器２６において水蒸気改質反応に寄与させることができる。この露点が８０℃未満であるときには、空気中に含まれる水分が少なく、燃料ガスを所望の通りに水蒸気改質することができなくなる。この加湿の際に加湿用水を８０〜９０℃に加温するには、固体酸化物形燃料電池２２からの燃焼排ガスとの熱交換で生成することができ、その排熱を有効利用して部分酸化用空気を所要の通りに加湿することができる。
【００５４】
このように加湿された部分酸化用空気は、部分酸化用空気送給流路７６を通して部分酸化反応器２６に送給され、このように供給される空気中の酸素量は、原燃料ガスを完全燃焼させるのに必要な酸素量の５〜１０％になるように供給するのが重要であり、このように供給することによって、部分酸化反応器２６において、部分酸化用空気による部分酸化反応による改質と水蒸気による改質とが行われ、燃料ガスを所望の通りに改質することができる。このとき、部分酸化反応器２６に送給される空気中の酸素量が５％未満であると、部分酸化反応による改質が充分でなく、固体酸化物形燃料電池２２に送給される燃料ガスの改質が充分に行われなくなる。また、この空気中の酸素量が１０％を越えると、部分酸化反応による改質の比率が大きくなり、燃料電池システムの発電効率が低下する。尚、酸化用空気加湿手段５６の加湿タンクの加湿用水（温水）は、第２貯湯用温水送給流路７７を通して貯湯タンク６６に貯えられる。
【００５５】
上述した燃料電池システムの作動を説明すると、次の通りである。メタンを主成分とする原燃料ガス（例えば、天然ガス）は、脱硫器２４に供給されて脱硫処理された後に部分酸化反応器２６に送られる。また、第２ブロア７２からの部分酸化用空気は酸化用空気加湿手段５６において露点が８５℃程度となるように加湿され、加湿された部分酸化用空気が部分酸化反応器２６に送給される。
【００５６】
部分酸化反応器２６においては、脱硫処理された燃料ガスと加湿状態の空気とが混合されて部分酸化触媒部（酸化反応触媒が配設された部分）に流れる。部分酸化触媒部の入口温度は３００〜５００℃程度に予熱され、このように予熱することによって、部分酸化用空気中の空気を利用して燃料ガスの一部が部分酸化反応により部分酸化改質されるとともに、この空気中の水蒸気を利用して燃料ガスの他の一部が水蒸気反応により水蒸気改質される。
【００５７】
部分酸化改質及び水蒸気改質された改質燃料ガスは固体酸化物形燃料電池２２の燃料極３２側に送給され、また第１ブロア５０からの空気は再生器４４で加温された後にその空気極３４側に送給される。固体酸化物形燃料電池２２においては、改質燃料ガスと空気中の酸素を利用して燃料電池発電反応が行われる。燃料極３２側で発電反応に用いられた反応燃料ガスは、固体酸化物形燃料電池２２の下流の燃焼部２８に送給され、また固体酸化物形燃料電池２２の空気極３４側からの空気も燃焼部２８に送給され、これら反応燃料ガスと空気とが混合され燃焼する。
【００５８】
燃焼部２８にて燃焼された燃焼排ガスは排気流路４２を通して外部に排出され、外部に排出される前にその排熱が、再生器４４において固体酸化物形燃料電池２２の空気極３４側に供給される空気を加温するために利用され、第１排熱回収器４６において酸化用空気加湿手段５６に供給される加湿用水を加温するために利用され、また第２排熱回収器４８において貯湯タンク６６に貯えられる温水の加温に利用される。１０ｋＷ未満の家庭や小規模事業所などに設置される固体酸化物形燃料電池システムでは、排熱は温水として取り出して給湯などとして利用することが一般的であり、上述した燃料電池システムはこのような用途に好都合に適用することができる。
【００５９】
この固体酸化物形燃料電池システムは、発電出力の取出しに関し、図２に示すように構成するのが好ましい。図２において、固体酸化物形燃料電池２２の出力側に切換スイッチ８２（切換手段を構成する）が接続され、この切換スイッチ８２の一方の端子８４はインバータ８６を介して電力負荷８８に電気的に接続され、その他方の端子９２は固定抵抗９４に電気的に接続される。尚、電力負荷８８には商業電力９０も接続され、固体酸化物形燃料電池３２の稼動が停止したとき、電力負荷８８の消費電力が固体酸化物形燃料電池２２の発電出力よりも大きいときなどに、商業電力９０からの電力が電力負荷８８に供給される。
【００６０】
このような燃料電池システムにおいては、固体酸化物形燃料電池２２の発電出力を利用する（電力負荷８８で利用する）ときには、切換スイッチ８２は図２に実線で示す状態となり、固体酸化物形燃料電池２２とインバータ８６とが切換スイッチ８２を介して電気的に接続され、従って、この燃料電池２２での発電電力がインバータ８６を介して電力負荷８８に供給され、この電力負荷８８で消費される。一方、固体酸化物形燃料電池２２の発電出力を停止するときには、切換スイッチ２２が図２に破線で示す状態となり、固体酸化物形燃料電池２２と固定抵抗９４とが切換スイッチ８２を介して電気的に接続され、従って、この燃料電池２２での発電電力が固定抵抗９４に供給され、この固定抵抗９４で消費される。従って、このときにおいても固体酸化物形燃料電池２２の稼動状態が維持され、その燃料極３２からの水蒸気の発生が維持され、燃料極３２における炭素析出を防止することができる。
【００６１】
酸化用空気加湿手段及びこれに関連して、図３に示すように構成するようにしてもよい。図３にいて、図示の酸化用空気加湿手段５６Ａは空気加湿器１０２を備え、この空気加湿器１０２は、例えば直方体状の水溜め部１０４と、水溜め部１０４の一端部に設けられた供給部１０６と、水溜め部１０４の他端部に設けられた排出部１０８とから構成されている。水溜め部１０４には加湿用水が溜められ、この水溜め部１０４に溜められた水を用いて部分酸化用空気の加湿が行われる。供給部１０６は上水供給源５８に接続され、上水供給手段５８からの上水が供給部１０６を通して水溜め部１０４に供給される。尚、この上水供給源５８からの上水は、図１に示すように、第１排熱回収器４６において固体酸化物形燃料電池２２からの燃料排ガスとの間で熱交換して例えば６０〜７０℃程度に加温される。
【００６２】
排出部１０８は貯湯タンク６６に接続され、水溜め部１０４から排出された温水は貯湯タンク６６に溜められる。この排出部１０８には排水弁１１０が配設され、排水弁１１０を開閉制御することによって、水溜め部１０４からの加湿用水の排水が制御される。また、水溜め部１０４には、例えば熱電対などから構成される水温検知センサ１１２が配設され、この水温検知センサ１１２は水溜め部１０４内の加湿用水の温度を検知する。尚、水温検知センサ１１２及び排水弁１１０を組み合わせたものとして、例えば、所定の融点をするロウを用いたサーモスタット弁を用いるようにしてもよく、この場合、所定温度（例えば、９０℃）になると、ロウが融解してサーモスタット弁が開状態となり、水溜め部１０４内の加湿用水が排水されるようになる。
【００６３】
この実施形態では、空気加湿器１０２の水溜め部１０４の底部が固体酸化物形燃料電池２２の高温断熱部３８に近接して配設され、この水溜め部１０４内の加湿用水が固体酸化物形燃料電池２２の排熱を利用して加温されるように構成され、この水溜め部１０４内の加湿用水がこの排熱により加温されて例えば８５〜９０℃程度に維持される。例えば、水溜め部１０４内の加湿用水の温度が９０℃を越えると、水温検知センサ１１２の検知信号に基づいて排水弁１１０が開放され、高温の加湿用水が排水部１０８を通して排水される一方、６０〜７０℃程度の加湿用水が供給部１０６を通して水溜め部１０４内に供給され、このように新しい加湿用水を供給することによって、水溜め部１０４内の加湿用水の温度が所定の温度範囲、例えば８５〜９０℃程度に維持される。また、このように水温を維持する際に、新しい加湿用水が水溜め部１０４に供給されるので、加湿用水の水質も一定の範囲に保つことができ、これによって、水溜め部１０４における濃縮による塩分などの析出を防止することができる。
【００６４】
この実施形態では、空気加湿器１０２の水溜め部１０４にて、部分酸化反応器２６に供給される部分酸化用空気と加湿用水とが、樹脂膜（第１樹脂膜を構成する）を介して接触して加湿されるように構成されている。樹脂膜は、通気性及び撥水性を有する多孔質樹脂膜、例えばポリ四フッ化エチレン製の膜から形成される。この形態では、多孔質樹脂膜は、流路空間を規定するチューブ１１４に形成され、このチューブ１１４の一端側が部分酸化用空気供給流路７４（図１参照）を介して第２ブロア７２に連通され、その他端側が部分酸化用空気送給流路７６（図１参照）を介して部分酸化反応器２６に連通され、その中間大部分が水溜め部１０４の加湿用水中に浸される。このように構成されているので、第２ブロア７２からの部分酸化用空気はチューブ１１４を通して部分酸化反応器２６に流れ、空気加湿器１０２の水溜め部１０４において、チューブ１１４を流れる部分酸化用空気はその樹脂膜を介して加湿用水と接触される。従って、加湿用水の水分が樹脂膜を通して部分酸化用空気に取り込まれ、チューブ１１４を流れる間に部分酸化用空気が加湿され、所要の通りに加湿された部分酸化用空気が部分酸化反応器２６に送給される。
【００６５】
この形態では、第２ブロア７２からの空気の一部が空気加湿器１０２の供給部１０６に送給されるように構成されている。供給部１０６では、第２ブロア７２からの空気と供給部１０６に供給された加湿用水とが、樹脂膜（第２樹脂膜を構成する）を介して接触して加湿されるように構成されている。この樹脂膜は、部分酸化用空気を加湿する際に用いる第１樹脂膜と同様のものでよく、通気性及び撥水性を有する多孔質樹脂膜（例えば、ポリ四フッ化エチレン製の膜）から形成され、多孔質樹脂膜製のチューブ１１６の一端側が部分酸化用空気供給流路７４（図示１参照）に連通され、その他端側が大気に開放される。このように構成されているので、第２ブロア７２からの部分酸化用空気の一部はチューブ１１６を通して大気中に放出され、空気加湿器１０２の供給部１０４において、チューブ１１４を流れる空気（第２ブロア７２からの空気の一部）はその樹脂膜を介して加湿用水と接触される。従って、加湿用水の水分及びこの水分に含まれた塩素成分が樹脂膜を通して部分酸化用空気に取り込まれ、塩素成分が除去された加湿用水が水溜め部１０４に供給される。チューブ１１６に送給する空気の量は、第２ブロア７２から供給される部分酸化用空気の１／１０〜１／２０程度でよく、このように第２ブロア７２からの空気を流すことによって、専用のブロアを必要とせず、比較的簡単な構成でもって加湿用水中の塩素成分を除去することができる。このように、この酸化用空気加湿手段５６Ａを用いても、上述したと同様に、部分酸化用空気を所要の通りに加湿することができる。
【００６６】
第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの発電効率を確認するために、次の通りの試験を行った。実施例１として図１に示す形態の固体酸化物形燃料電池システムを用いた。原燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガスを用い、天然ガスを脱硫処理した後に部分酸化反応器にて部分酸化反応した。部分酸化反応においては、完全酸化するに必要な酸素量の６．３％の酸素を含む空気を部分酸化用空気として第２ブロアから供給し、加湿手段で露点が８６℃となるように加湿した。このように部分酸化反応した改質燃料ガスを用いて固体酸化物形燃料電池にていて燃料電池発電反応を行ったところ、固体酸化物形燃料電池システムの定格出力３．０ｋWでの発電効率として５３．１％（直流発電端効率、低位発熱量基準）を得た。
【００６７】
一方、比較例１として図６に示す形態の固体酸化物形燃料電池システム（加湿手段及びこれに関連する構成を備えていないシステム）を用いた。原燃料ガスの改質のために、天然ガスを完全酸化するに必要な酸素量の２５％の酸素を含む空気を第２ブロアから部分酸化反応器に供給した。この際、実施例１と同じ固体酸化物形燃料電池、脱硫器、部分酸化反応器を用い、また実施例１と同じ天然ガスを燃料ガスとして用いた。この比較例１では、固体酸化物形燃料電池システムの定格出力３．０ｋWでの発電効率として４６．３％（直流発電端効率、低位発熱量基準）を得た。
【００６８】
以上のことから、実施例１の燃料電池システムでは、比較例１に示す部分酸化による固体酸化物形燃料電池システムに比べて７ポイント高い発電効率が得られた。これは、逆浸透膜による水精製器、燃料電池排気からの水分を除く凝縮水分離器、水流量制御器を必要とする従来の固体酸化物形燃料電池システムとほぼ同じ発電効率である。このように、本発明の燃料電池システムは１０ｋW未満の小型の固体酸化物形燃料電池システムに適した簡易なシステム構成でありながら、高い発電効率が得られる。
【００６９】
第２の実施形態
次に、図４及び図５を参照して、第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図４は、第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの全体を簡略的に示すシステム図であり、図５は、図４の固体酸化物形燃料電池システムの燃料ガス加湿器を簡略的に示す図である。
【００７０】
図４において、図示の固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池１２２、脱硫器１２４、改質器１２６及び燃焼部１２８を備えている。固体酸化物形燃料電池１２２は、図１に示す第１の実施形態のものと同様のものでよく、固体電解質１３０を備え、この固体電解質１３０として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。固体電解質１３０の片側の燃料極１３２は改質された燃料ガスを酸化し、固体電解質１３０の他側の空気極１３４は空気中の酸素を還元し、燃料極１３２側の酸化及び空気極１３４側の還元による燃料電池発電反応により発電が行われる。
【００７１】
脱硫器１２４は硫黄成分を除去するためのものであり、メタンを主成分とする原燃料ガス、例えば天然ガスは、燃料供給流路１３６を通して脱硫器１２４に送給され、原燃料ガスに含まれた硫黄成分は脱硫器１２４において除去される。この燃料電池システムにおいては、脱硫器１２４の脱硫剤として、銅及び亜鉛を含むものを用いるのが重要である。この脱硫剤は、第１の実施形態のものと同様のものであり、２００〜３００℃の温度範囲において非常に顕著な脱硫作用を発揮し、燃料ガス中の硫黄成分をｐｐｂレベルまで脱硫することができる。この脱硫器１２４は、固体酸化物形燃料電池システムにおけるこような温度範囲となる部位に配設される。
【００７２】
改質器１２６は、改質反応を促進するための改質反応触媒を備え、この改質反応触媒下で燃料ガスの改質が行われる。この改質反応触媒は、例えばアルミナ担体にルテニウムを担持させたものを用いるのが重要であり、このような触媒を用いることによって、改質時の炭素析出を防止しながら燃料ガスを所要の通りに改質する。
【００７３】
脱硫器１２４と改質器１２６との間の燃料送給流路１３７には燃料ガス加湿加湿器１５６が設けられており、脱硫器１２４から改質器１２６に送給される燃料ガスがこの加湿器１５６において所要の通りに加湿され、加湿された燃料ガスが改質器１２６に送給されて水蒸気改質が行われ、かく改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス流1４０を通して固体酸化物形燃料電池１２２の燃料極１３２側に送給される。燃料ガス加湿器１５６及びその加湿については、後述する。
【００７４】
燃焼部１２８は固体酸化物形燃料電池２２の高温部、例えば７００〜９００℃程度の部位に設置される。この燃焼部１２８には、燃料電池１２２の燃料極１３２側から排出される反応燃料ガスとその空気極１３４側から排出される空気が送給され、反応ガス中に残留する水素ガスが空気中の酸素により燃焼され、燃焼排ガスが排気流路１４２を通して外部に排出される。尚、この形態では、固体酸化物形燃料電池１２２、燃焼部１２８及び改質器１２６が７００〜１０００℃の高温断熱部１３８内に設置され、これらが高温状態に保たれるように構成されている。
【００７５】
排気流路１４２には、上流側から下流側に向けて順に、再生器１４４及び排熱回収器１４６が配設され、燃焼部１２８からの燃焼排ガスは再生器１４４及び排熱回収器１４６を通り、更に燃料ガス加湿器１５６に送給されて大気中に放出されるように構成される。再生器１４４は、固体酸化物形燃料電池１２２の空気極１３４側に供給される空気を加温する。即ち、燃料電池用空気供給手段としての第１ブロア１５０からの空気は、空気供給流路１５２を通して再生器１４４に送給され、再生器１４４において、この空気と排気流路１４２を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された空気が空気送給流路１５４を通して固体酸化物形燃料電池２２の空気極３４側に供給される。
【００７６】
排熱回収器１４６は、貯湯タンク１６６から循環流路１６７を通して循環される水（乃至温水）を加温する。この形態では、貯湯タンク１６６に例えば水道管からの上水が供給され、貯湯タンク１６６に貯えられた水が循環流路１６７及び排熱回収器１４６を通して循環され、この排熱回収器１４６において、貯湯タンク１６６からの水と排気流路１４２を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された温水が貯湯タンク１６６に貯えられる。また、排熱回収器１４６にて加温された温水の一部は、加湿用水として分岐送給流路１６９を通して燃料ガス加湿器１５６に送給され、加湿用水として利用された後に戻し流路１７１を通して貯湯タンク１６６に戻される。
【００７７】
改質器１２６に送給される燃料ガスは、燃料ガス加湿器１５６において加湿されるように構成されている。主として図５を参照して、図示の燃料ガス加湿器１５６は、例えば直方体状の水溜め部１８４と、水溜め部１８４の一端部に設けられた供給部１８６と、水溜め部１８４の他端部に設けられた排出部１８８とから構成され、その基本的構成は、図３に示す加湿器１０２と略同様である。水溜め部１８４には加湿用水が溜められ、この水溜め部１８４に溜められた水を用いて燃料ガスの加湿が行われる。供給部１８６は分岐送給流路１６９を介して排熱回収器１４６に接続され、貯湯タンク１６６から排熱回収器１４６に送給されて加温された温水が、この供給部１８６に送給される。尚、この排熱回収器１４６からの温水は、排熱回収器１４６において固体酸化物形燃料電池１２２からの燃料排ガスとの間で熱交換して例えば６０〜７０℃程度に加温される。
【００７８】
排出部１８８は戻し流路１７６を介して貯湯タンク６６に接続され、水溜め部１８４から排出された温水は戻し流路１７６を通して貯湯タンク６６に溜められる。この排出部１８８には排水弁１９０が配設され、また水溜め部１８４内には温水検知センサ１９２が配設され、温水検知センサ１９２からの検知信号に基づいて排水弁１９０が開閉制御され、このように開閉制御することによって、水溜め部１８４からの加湿用水の排水が制御され、水溜め部１８４内の加湿用水を所定温度範囲に保つことができるとともに、加湿用水の水質も所定範囲に維持することができる。
【００７９】
この実施形態では、燃料ガス加湿器１５６の水溜め部１８４が固体酸化物形燃料電池１２２の高温断熱部１３８に近接して配設され、また排熱回収器１４６から流れる燃焼排ガスがこの水溜め部１０４の一部周囲を通って大気中に放出されるように構成され、このように構成することによって、加湿用水が固体酸化物形燃料電池１２２の排熱を利用して加温され、水溜め部１０４内の加湿用水が例えば８５〜９０℃程度に維持される。
【００８０】
この実施形態では、燃料ガス加湿器１５６の水溜め部１８４にて、改質器１２６に送給される燃料ガスと加湿用水とが、樹脂膜を介して接触して加湿されるように構成されている。樹脂膜は、第１の実施形態と同様に、通気性及び撥水性を有する多孔質樹脂膜、例えばポリ四フッ化エチレン製の膜から形成され、この多孔質膜は、流路空間を規定するチューブ１９４に形成され、このチューブ１９４の一端側が脱硫器１２４（図４参照）に連通され、その他端側が改質器１２６に連通され、その中間大部分が水溜め部１８４の加湿用水中に浸される。このように構成されているので、脱硫器１２４にて脱硫処理された燃料ガスはチューブ１９４を通して改質器１２６に流れ、燃料ガス加湿器１５６の水溜め部１８４において、チューブ１９４を流れる燃料ガスはその樹脂膜を介して加湿用水と接触される。従って、加湿用水の水分がチューブ１９４の樹脂膜を通して燃料ガスに取り込まれ、チューブ１９４を流れる間に燃料ガスが加湿され、所要の通りに加湿された燃料ガスが改質器１２６に送給される。
【００８１】
この燃料ガス加湿器１５６においては、露点が８０℃以上となるように燃料ガスを加湿することが重要であり、このような加湿状態の燃料ガスはある程度の水蒸気を含み、この水蒸気を利用して改質器１２６において水蒸気改質反応を行うことができる。この露点が８０℃未満であるときには、燃料ガス中に含まれる水分が少なく、燃料ガスを所望の通りに水蒸気改質することができなくなる。
【００８２】
上述した燃料電池システムの作動を説明すると、次の通りである。メタンを主成分とする原燃料ガス（例えば、天然ガス）は、脱硫器１２４に供給されて脱硫処理された後に燃料ガス加湿器１５６に送給される。また、貯湯タンク１６６から排熱回収器１４６に送給された水は固体酸化物形燃料電池１２２からの燃焼排ガスとの間で熱交換されて加温された後に燃料ガス加湿器１５６に送給される。燃料ガス加湿器１５６においては、排熱回収器１４６からの加湿用水は水溜め部１８４に溜まり、脱硫器１２４からの燃料ガスは水溜め部１８４中の水に浸かったチューブ１９４を通して流れ、チューブ１９４の樹脂膜を通して水分が取り込まれ、このようにしてチューブ１９４を流れる燃料ガスは露点が例えば８０℃程度となるように加湿され、加湿された燃料ガスが改質器１２６に送給される。
【００８３】
改質器１２６においては、燃料ガス中に含まれる水分を利用して水蒸気改質が所要の通りに行われ、改質された改質燃料ガスが固体酸化物形燃料電池１２２の燃料極１３２側に送給され、またブロア１５０からの空気は再生器１４４で加温された後にその空気極１３４側に送給される。固体酸化物形燃料電池１２２においては、改質燃料ガスと空気中の酸素を利用して燃料電池発電反応が行われる。燃料極１３２側で発電反応に用いられた反応燃料ガスは、固体酸化物形燃料電池１２２の下流の燃焼部１２８に送給され、また固体酸化物形燃料電池１２２の空気極１３４側からの空気も燃焼部１２８に送給され、燃焼部１２８において、これら反応燃料ガスと空気とが混合、燃焼される。
【００８４】
燃焼部１２８にて燃焼された燃焼排ガスは排気流路１４２を通して外部に排出され、外部に排出される前にその排熱が、再生器１４４において固体酸化物形燃料電池１２２の空気極１３４側に供給される空気を加温するために利用され、また排熱回収器１４６において貯湯タンク１６６の水を加温するために利用され（排熱回収器１４６にて加温された温水の一部は、燃料ガス加湿器１５６に送給される加湿用水として利用される）、更に燃料ガス加湿器１５６において水溜め部１０４に溜められた水を加温するために利用される。このような固体酸化物形燃料電池システムにおいても、燃料電池の排熱は温水として取り出して給湯などに利用することができ、家庭用の小型の燃料電池システムとして好都合に適用することができる。
【００８５】
第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの発電効率を確認するために、次の通りの試験を行った。実施例２として、図４に示す形態の固体酸化物形燃料電池システムを用いた。原燃料ガスとしてメタンを主成分とする天然ガス（その成分は表１に示す通りである）を用い、脱硫器として銅及び亜鉛を含む円柱状の脱硫剤（直径３ｍｍ、長さあ３ｍｍ）を６００ｃｃ入れたものを用い、脱硫器の温度が約２３０〜２７０℃に保たれる部位に配設した。また、改質器の改質反応触媒としてアルミナにルテニウムを担持させたものを用い、更に燃料ガス加湿器にて露点が約８６℃となるまで燃料ガスを加湿した。
【００８６】
【表１】
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このように水蒸気改質した改質燃料ガスを用いて固体酸化物形燃料電池にていて燃料電池発電反応を行ったところ、固体酸化物形燃料電池システムの定格出力３．０ｋWでの発電効率として５４．５％（直流発電端効率、低位発熱量基準）を得た。また、この燃料電池システムを約１００時間継続して稼動させたが性能的に変化はなかった。以上のように、逆浸透膜による水精製を行わずに安定して高い発電効率での発電状態を維持することが可能であった。また、逆浸透膜による水精製器の交換に伴う費用発生を削減できることが確認された。
【００８７】
一方、比較例２として、改質器の改質反応触媒としてアルミナにニッケルを担持したものを用いた以外は、実施例２と同様の燃料電池システムを用い、また実施例１と同様の稼動条件でもって燃料電池発電反応を行ったことろ、実施例１と同様の発電特性が得られ、定格出力３．０ｋＷでの発電効率として５４．２％（直流発電端効率、低位発熱量基準）を得たが、稼動後約１０時間経過した時点で燃料ガス供給量が低下したために、燃料電池システムの発電を停止した。この停止後、改質器を調べたことろ、内部に顕著な炭素析出が認められた。
【００８８】
以上のことから、実施例２の燃料電池システムにおいても、比較例１に示す部分酸化による固体酸化物形燃料電池システムに比べて７ポイント高い発電効率が得られた。また、脱硫剤として銅及び亜鉛を含むものを用い、改質反応触媒としてルテニウムを含むものを用いることによって、改質器における炭素析出を抑え、長期にわたって安定して稼動運転できることが確認できた。このように、本発明の燃料電池システムは水精製に伴うメンテナンスコスト増大を回避しつつ、高い発電効率が得られることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態を簡略的に示すシステム図である。
【図２】図１の燃料電池システムの出力側の構成を簡略的に示す部分システム図である。
【図３】図１の固体酸化物形燃料電池システムの酸化用空気加湿器を簡略的に示す図である。
【図４】第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの全体を簡略的に示すシステム図である。
【図５】図４の固体酸化物形燃料電池システムの燃料ガス加湿器を簡略的に示す図である。
【図６】従来の固体酸化物形燃料電池システムを示すステップである。
【符号の説明】
【００９０】
２２，１２２  固体酸化物形燃料電池
２４，１２４  脱硫器
２６  部分酸化反応器
３２，１３２  燃料極
３４，１３４  空気極
５６  加湿手段
５０，７２，１５０  ブロア
１２６  改質器
１５６  燃料ガス加湿器
【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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