(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温燃料電池モジュール（４）を有する高温燃料電池設備（２）の運転方法において、主として電気化学反応に必要な水素と高温燃料電池モジュール（４）の外部での更なる利用に供される水素とを生成するために、改質プロセスが前記高温燃料電池モジュール（４）における電気化学反応からの熱容量を使用し、さらに前記高温燃料電池モジュール（４）における各燃料電池セルは、０．８Ｖより低いセル電圧で運転されることを特徴とする高温燃料電池設備の運転方法。
【請求項２】
前記高温燃料電池モジュール（４）における各燃料電池セルは、０．５〜０．７Ｖの範囲のセル電圧で運転されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
燃料ガス出力の少なくとも３０％が消費されなかった水素Ｈ2の生成に使用されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
燃料ガスが高温燃料電池モジュール（４）の内部において改質される請求項１乃至３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
燃料ガスが高温燃料電池モジュール（４）に入る前に改質される請求項１乃至３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の方法を実施するための高温燃料電池設備（２）であって、陽極部（２０）と陰極部（２２）とを有する少なくとも１つの高温燃料電池モジュール（４）と、電気化学反応のために燃料ガスを改質する改質器（５）と、陽極部（２０）の排出路（１０）に設けられ陽極排ガスから水素を分離するために設けられた水素分離装置（３６）とを備え、
さらに、高温燃料電池設備は、前記高温燃料電池モジュール（４）において発生する全熱量を実質的に前記改質器（５）に供給する手段を備え、かつ前記改質器（５）は、前記電気化学反応のために必要とされる水素より多い量の水素を生成するように設計されてなることを特徴とする高温燃料電池設備。
【請求項７】
前記高温燃料電池モジュール（４）において消費されない水素のための貯蔵器として、装置（７０）が陽極部（２０）の排出路（１０）に設けられたことを特徴とする請求項６記載の高温燃料電池設備。
【請求項８】
前記高温燃料電池モジュール（４）において消費されない水素のための負荷として、装置（７０）が陽極部（２０）の排出路（１０）に設けられたことを特徴とする請求項６記載の高温燃料電池設備。
【請求項９】
高温燃料電池モジュール（４）の内部に前記改質器（５）が設けられていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１つに記載の高温燃料電池設備。
【請求項１０】
少なくとも１つの熱交換器（２４、２８、３２）が陽極部（２０）の排出路（１０）に陽極排ガスの熱容量を供給路（８）を介して高温燃料電池モジュール（４）の内部に配置された改質器（５）に伝達するために設けられていることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１つに記載の高温燃料電池設備。
【請求項１１】
シフト反応器（３０）が水素Ｈ2を生成するために陽極部（２０）の排出路（１０）に配置されていることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１つに記載の高温燃料電池設備。
【請求項１２】
シフト反応器（３０）が陽極部（２０）の排出路（１０）において２つの熱交換器（２８、３２）の間に配置されていることを特徴とする請求項１１記載の高温燃料電池設備。
【請求項１３】
少なくとも１つの熱交換器（４２、４４）が陰極部（２２）の排出路（１６）に陰極排ガスの熱容量を放出するために配置されていることを特徴とする請求項６乃至１２のいずれか１つに記載の高温燃料電池設備。
【請求項１４】
改質器（６２）が高温燃料電池モジュール（４）の外部に陽極部（２０）の供給路（８）に配置されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１つに記載の高温燃料電池設備。
【請求項１５】
陰極部（２２）の排出路（１６）が陰極排ガスの熱容量を改質器（６２）に伝達するために設けられていることを特徴とする請求項１４記載の高温燃料電池設備。
【請求項１６】
陰極部（２２）の排出路（１６）に陰極排ガスの熱容量を改質器（６２）に伝達するためにの分岐路（７２）が設けられていることを特徴とする請求項１５記載の高温燃料電池設備。
【請求項１７】
陽極部（２０）の排出路（１０）が陽極排ガスの熱容量を改質器（６２）に伝達するために設けられていることを特徴とする請求項１４記載の高温燃料電池設備。
【発明の詳細な説明】
この発明は、高温燃料電池設備の運転方法及び高温燃料電池設備に関する。
高温燃料電池設備を運転するために、炭化水素を含む燃料、例えば、天然ガス、燃料油、ナフサ或いはバイオガスが使用される。これらの燃料は、通常、高温燃料電池モジュールに構成された高温燃料電池セルの運転のために適切な方法で精製、即ち改質されねばならない。
炭化水素を含む燃料は、その場合、高温燃料電池モジュールにおいて電気化学反応する前に、加湿された後改質プロセスを経過し、その際ガス状の改質生成物としてＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2及びＨ2Ｏが発生する。改質物とも言われるガス状の改質生成物はそこで高温燃料電池モジュールの運転のために適した燃料ガスを生成する。
改質のプロセスはその場合外部で或いは内部で、即ち高温燃料電池モジュールの外部で或いは内部で、高温燃料電池モジュールの陽極排ガスの熱容量を利用して或いは利用することなく行うことができる。
内部改質は例えば、Ｅ．リーンシェ（Riensch）の報告「高温燃料電池セルのプロセス工学（Verfahrenstechnik der Hochtemperaturbrennstoffzelle）」、ファウ・デー・イー・ベリヒト（VDI-Bericht）１１７４（１９９５）、６３乃至７８頁により公知であり、この方法では高温燃料電池モジュールにおいて電気化学燃焼の際に発生する、大きな熱容量を持つ排熱が燃料ガスの内部改質のために使用される。改質が高温燃料電池モジュールにおいて陽極部の外部で行われる場合には、この方法は間接的内部改質と称される。陽極部での改質は従って直接内部改質と言われる。
外部改質プロセスのために、従来技術から、特にＫ．Ｈ．ファン・ヘーク（van Heek）の報告、
0004311762.tif 000002
ファウ・デー・イー・ベリヒト（VDI-Bericht）１１７４（１９９５）、９７乃至１１６頁から公知の外部改質器は、丁度、電気化学燃焼のために高温燃料電池モジュールにおける量として必要とされる量の燃料ガスが改質されるように設計され、構成されている。このような仕様は、同様に直接もしくは間接内部改質においても適用される。
それぞれ単位セルから構成された少なくとも１つの燃料電池スタックからなる、即ちモジュール構造を持ち、かつ陽極部と陰極部とを備え、電気化学反応に必要な燃料ガスが改質プロセスによって作られるその他の燃料電池設備は、ドイツ特許出願公開第４３３０６２３号及び第４０３２６５２号明細書並びにヨーロッパ特許出願第０４３００１７号から公知である。
この従来技術から公知の高温燃料電池設備は、電気化学反応における燃料ガス利用が最適に高くなるように設計されている。従って改質された燃料ガスは、専ら高温燃料電池設備の内部で利用する目的で使用される。
この仕様によれば高温燃料電池モジュールの内部の電気化学反応のための有効面全体にわたって燃料ガスの濃度勾配が存在する。高温燃料電池モジュールの出口までの有効面にわたるこの燃料ガスの欠乏は８０乃至９０％にまでなる。この欠乏のため高温燃料電池モジュールの電解質内の拡散阻害が生じ、これにより高温燃料電池モジュールの出力密度のかなりの損失を招く。
この発明の課題は、それ故、高温燃料電池設備の運転方法であって、高温燃料電池設備の効率が最適化されるものを提示することにある。さらに、この発明はこの方法を実施するための高温燃料電池設備を提示しようとするものである。
第一の課題は、この発明によれば、陽極部と陰極部とを備えた高温燃料電池モジュールを含む高温燃料電池設備の運転方法において、電気化学反応に必要な燃料ガスが改質プロセスによって作られ、その際電気化学反応の際に高温燃料電池モジュールにおいて消費されるより多い水素Ｈ2が作られ、高温燃料電池モジュールにおいて消費されなかった水素Ｈ2が高温燃料電池モジュールの外部での更なる利用に供されることにより解決される。
第二の課題は、この発明によれば、陽極部と陰極部とを備えた少なくとも１つの高温燃料電池モジュールを含み、余剰の水素Ｈ2のための貯蔵器として設けられた装置が陽極部の排出路に配置されている高温燃料電池設備により解決される。
改質から直接発生した余剰の水素Ｈ2はこの貯蔵器で、例えば運転のため水素Ｈ2を必要とする可動或いは固定の設備に供給される。さらに、この水素Ｈ2は直接、即ち付加的な貯蔵容器を使用することなく負荷に供給することができる。負荷は例えば水素Ｈ2が使用される種々の産業分野において、例えば化学工業において可能な全ての用途を対象とすることができる。高温燃料電池設備は貯蔵容器もしくは負荷を効率設計の際に含んでいるので、高温燃料電池設備全体の有効性、換言すれば効率が改善される。
さらに、同時に高温燃料電池モジュールの出力密度が最適化される。何となれば、高温燃料電池モジュールの全有効面にわたる高濃度の燃料ガスにより、電気的出力密度が高温燃料電池モジュールにおける高い燃料ガス利用に設計されている従来技術から公知の高温燃料電池設備の場合よりも高いからである。公知の高温燃料電池設備においては、陽極部の排出路に向かって８０〜９０％にもなる燃料ガスの欠乏により拡散阻害が生じ、これにより大きな出力損失を招く。
さらに、この発明による方法においては、高温燃料電池モジュールを高いセル効率に設計する必要はない。それに代わって、発電に最適化された高温燃料電池設備におけるよりも、場合によっては明らかに低いセル電圧、例えば０．８Ｖに代わって０．５乃至０．７Ｖのセル電圧、従って著しく高められた出力密度が選ばれることができる。この２つの効果に基づき、即ち、所定の電気出力に対しては公知の高温燃料電池設備におけるより少ない有効面積しか必要でない。セル電圧が低い場合に減少する電気効率によって発生する高められた排熱はその場合この方法においては主として付加的な改質に使用することができる。この手段により、従来の技術においては１０倍もの過剰空気で行われる高温燃料電池モジュールの冷却を低減すことができる。空気流量は高温燃料電池モジュールにおける電気化学反応に対して必要な量にとどまる。送風器、空気熱交換器及び空気通路がそれだけ小形な寸法とされ、これにより装置コスト及び付加的コストが節減される。
好ましくは、燃料ガス出力の少なくとも３０％が消費されない水素Ｈ2の発生に使用される。特に高温燃料電池モジュールにおける電気化学燃焼からの熱容量が燃料ガスの改質に使用される。
特に燃料ガスは高温燃料電池モジュールの内部で改質される。これにより電気化学燃焼の熱容量がこの熱容量の伝達のための付加的な外部配管なしに直接改質に供給される。
異なる構成例においては燃料ガスは高温燃料電池モジュールに入る前に改質される。高温燃料電池モジュールの外部に配置された改質器がこの場合陽極排ガスの熱容量によって加熱される。
好ましくは、電気化学反応のための燃料ガスの改質のために高温燃料電池モジュールの内部に改質器が配置される。この内部改質器は、改質が行われる範囲の少なくとも一部が例えば高温燃料電池モジュールの陽極部に組み込まれる。この手段により、高温燃料電池モジュールの内部には配置されていない外部改質器が省略される。
特に少なくとも１つの熱交換器が陽極排ガスの熱容量を供給路を介して高温燃料電池モジュールの内部に配置された改質器に伝達するための陽極部の排出路に設けられる。
さらに異なる構成例においては水素Ｈ2を生成するためのシフト反応器が陽極部の排出路に設けられる。このシフト反応器により付加的な水素Ｈ2が生成される。
特に水素Ｈ2を生成するためのシフト反応器は陽極部の排出路において２つの熱交換器の間に配置されるのがよい。
また異なる構成においては少なくとも１つの熱交換器が陰極排ガスの熱容量を放出するために陰極部の排出路に設けられる。
特に改質器は陽極部の供給路において高温燃料電池モジュールの外部に設けられるのがよい。
特に陰極排ガスの熱容量を改質器に伝達するための陰極部の排出路が設けられる。
また、異なる構成においては陰極部の排出路に陰極排ガスの熱容量を改質器に伝達するための分岐路が設けられる。
特に陽極排ガスの熱容量を外部の改質器に伝達するための陽極部の排出路が設けられるのがよい。
この発明をさらに説明するために図面の実施例を参照する。図面において、図１及び図２はこの発明による高温燃料電池設備を概略的に示す。
図１において、高温燃料電池設備２は高温燃料電池モジュール４のための燃料ガスの改質のための改質器５を備えた高温燃料電池モジュール４を含む。
高温燃料電池モジュール４は陽極部２０及び陰極部２２を含む。改質器５はこの場合陽極部２０に組み込まれている。図示されてない実施例では改質器５は陽極部２０の外部に、しかし高温燃料電池モジュール４の内部に配置される。
さらに高温燃料電池設備２は陽極路６と陰極路１２とを備え、この陽極路は高温燃料電池モジュール４の陽極部２０への供給路８と、高温燃料電池モジュール４の陰極部２０からの排出路１０とを備え、陰極路は高温燃料電池モジュール４の陰極部への供給路１４と、高温燃料電池モジュール４の陰極部からの排出路１６とを備える。
炭化水素を含む燃料は陽極路６の供給路８を介して高温燃料電池モジュール４の改質器５に供給され、改質される。改質の際に発生する燃料ガスは次いで高温燃料電池モジュール４において部分的に電気化学反応をうける。
改質器５における改質の際に高温燃料電池モジュール４において電気化学反応の際に消費されるより多い燃料ガスが改質される。全体として燃料ガス出力の少なくとも１０乃至３０％が、特に０．８Ｖ以下の電池電圧において余剰水素Ｈ2に変換される。理論的上限は例えばメタンの改質の際に０．５乃至０．８Ｖのセル電圧において８５乃至５５％である。これにより水素Ｈ2の余剰が作られ、この余剰水素Ｈ2は陽極部２０の陽極路６の排出路１０を介して装置７０にその更なる使用のために供給される。この装置７０は、また高温燃料電池設備の構成要素でもあり得る貯蔵器或いは負荷である。
供給路８には流れ方向に順番に熱交換器２４、注水器２６及び別の熱交換器２８が配置されている。炭化水素を含む燃料は熱交換器２４、２８において加熱され、注水器２６で水蒸気で加湿される。
高温燃料電池モジュール４の陽極部２０の排出路１０には流れ方向に順番に熱交換器２８、シフト反応器３０、付加的な熱交換器３２、水分離器３４、熱交換器２４、水素分離装置３６及び装置７０が配置されている。
排出路１０の陽極排ガスには主として一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ2、水Ｈ2Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ2が含まれている。陽極排ガスに含まれている一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ2の成分は代表的には高温燃料電池モジュール４に燃料と共に供給路８を介して供給される炭化水素の高発熱量の１０乃至３０％より多い。
陽極部２０の排出路１０における陽極排ガスは熱交換器２８におけるその熱容量の一部を陽極路６の供給路８における陽極部２０の燃料に伝達する。供給路８における注水器２６には水が配管５０を介して導かれる。
水の流れ方向に配管５０にはポンプ５２、別の熱交換器４４及び熱交換器３２が配置されている。
シフト反応器３０は隣接の熱交換器２８、３２に組み込むこともできるが、このシフト反応器３０では一酸化炭素ＣＯの大部分が陽極排ガスの水Ｈ2Ｏで二酸化炭素ＣＯ2と水素Ｈ2に変換される。一酸化炭素ＣＯと水Ｈ2Ｏとの二酸化炭素ＣＯ2と水素Ｈ2へのシフト反応はシフト反応器３０においてのみ行われるのではなく、部分的には陽極部２０の排出路１０の全長にわたって行われる。従って陽極部２０の全排出路１０は陽極排ガスからの水素Ｈ2の濃縮作用に役立つ。
次いで熱交換器３２における陽極排ガスはその熱容量の他の一部を配管５０の水に伝える。
水の一部は水分離器３４において陽極排ガスから除去される。その熱容量のその他の部分は熱交換器２４内の陽極排ガスにより高温燃料電池モジュール４の陽極部２０の供給路８の燃料に伝えられる。水素分離装置３６においては水素Ｈ2の他に陽極排ガス中にある全ての成分が分離され、その結果排出路１０の最後の部分では主としてなお水素Ｈ2だけが存在し、これが次いで装置７０に導かれる。
酸化剤、例えば空気或いは酸素は陰極路１２の供給路１４を介して高温燃料電池モジュール４の陰極部２２に導かれる。流れ方向にこの供給路１４には圧縮器４０及び熱交換器４２が配置されている。酸化剤は圧縮器４０で加圧され、その際付加的に酸化剤の必要な流量を設定することができ、次いで熱交換器４２内で加熱される。
高温燃料電池モジュール４の陰極部２２において反応が行われた後、陰極排ガスは熱交換器４２、４４が配置されている陰極部２２の排出路１６を介して外気に導かれる。熱交換器４２においては陰極部２２の加熱された陰極排ガスはその熱容量の一部を陰極部２２の供給路１４内の酸化剤に伝達する。
熱交換器２４、２８、３２、４２及び４４を使用することにより、高温燃料電池モジュール４の陰極及び陽極排ガスの熱容量が燃料及び酸化剤の予備加熱、従って改質に使用されるようになる。
図２の高温燃料電池設備２においては、陽極部２０の供給路８に流れ方向に見て注水器２６の後に改質器２６が高温燃料電池モジュール４の外部に配置されている。図１の実施例の熱交換器２４、２８は省略されている。図１の実施例とは異なり、燃料ガスは高温燃料電池モジュール４の内部においては改質されず、外部の改質器６２において改質されるので、燃料ガスは陽極部２０に供給される前に既に少なくとも部分的に改質されている。
陽極部２０の排ガスは排出路１０を介してその熱容量の一部を改質器６２に放出する。改質器６２の後には陽極部２０の排出路１０に蒸発器６４が配置され、この中で排ガスはその熱容量のその他の一部を水蒸気に伝え、改質器６２のための燃料を加湿する。次いで陽極部２０の排ガスは水素分離装置３６を通過し、その際水素分離装置３６の後では水素Ｈ2のみが陽極排ガス中に存在し装置７０に導かれる。
陰極排ガスは、熱交換器４２が配置されている陰極部２２の排出路１６を介して外部の改質器６２に供給される。陰極排ガスは、その熱容量の一部を陽極部２０に対する燃料ガスの改質のために放出した後に蒸発器６４を通過し、そこでその熱容量の他の一部が改質器６２に対する燃料の加湿のための水に与えられる。次いで、主として空気を含む陰極排ガスは外気に放出される。
陰極部２２の排出路１６から、陰極部２２と熱交換器４２との間で分岐路７２が分岐している。この分岐路７２は陰極部２２の陰極排ガスの一部をその熱容量の放出のため直接外部改質器６２に供給する。その熱容量の一部が放出された後、陰極排ガスのこの部分は蒸発器６４を通流し、ついで同様に外気に放出される。
【図１】
0004311762.tif 000003
【図２】
0004311762.tif 000004