(57)【要約】【課題】高いエネルギー効率を有するとともにコンパクトな直接内部改質型ＳＯＦＣシステムを提供する【解決手段】  固体酸化物からなる電解質を用いた燃料電池システムである。水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料を気化させるとともにこれを水蒸気と混合して混合ガスを生成する気化器と、電解質を間に挟んだ一対の多孔質電極の一方の表面に混合ガスを導くとともに多孔質電極の他方の表面に酸化剤ガスを導いて電気化学反応を生じせしめるセルからなる燃料電池と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物からなる電解質を用いた燃料電池システムであって、
水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料を気化させるとともにこれを水蒸気と混合して混合ガスを生成する気化器と、
前記電解質を間に挟んだ一対の多孔質電極の一方の表面に前記混合ガスを導くとともに他方の表面に酸化剤ガスを導いて電気化学反応を生じせしめるセルからなる燃料電池と、を含む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】
前記混合ガスの流路にある前記多孔質電極に改質触媒が担持されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記改質触媒は、ＶＩＩＩ族に属する触媒であることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記液体燃料は灯油留分からなることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記液体燃料の煙点は少なくとも３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つ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、固体酸化物を電解質に用いた燃料電池を含むシステムに関し、特に、よりコンパクトな構成の固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一対の電極の間に挟まれた電解質の種類によって、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体酸化物形などに分類される。これらは電解質の動作を確保するために所定の温度に保持されながら発電反応が進行する。ここで、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ：以下、ＳＯＦＣと称する。）は、他の電解質形燃料電池に比してより高い動作温度を有しており、一般に７００℃から１０００℃で運転される。このような高い運転温度のため、熱効率に優れるとともに使用可能な燃料の種類が多く、例えば、水素だけでなく一酸化炭素なども燃料とすることができるのである。
【０００３】
例えば、安定化ジルコニアのような酸化物イオン導電体を電解質に用いたＳＯＦＣがある。かかるＳＯＦＣでは、固体電解質の両側に多孔質からなる一対の電極を設けて、更に両側にそれぞれ水素リッチな改質ガスと空気等の酸化剤ガスとを供給する。カソードで電子を受け取った酸化物イオンは、固体電解質を通ってアノード側に移動するとともに、アノードの表面で水素や一酸化炭素と反応して水を生成し、アノードに電子を放出するのである。
【０００４】
特許文献１では、酸化物イオン導電体を電解質に用いたＳＯＦＣを含む電池システムが開示されている。詳細には、燃料としての灯油は、脱硫器において硫黄分を除去されて、続く気化器において水蒸気と混合されて気化ガスとなされる。該気化ガスは改質器において活性金属からなる改質触媒中を通過しながら、水素、二酸化炭素、一酸化炭素などからなる改質ガスに改質される。この改質ガスがＳＯＦＣに送られて発電反応が行われるのである。
【０００５】
ところで、上記した改質器での改質反応の温度は７００℃〜８００℃である。つまりＳＯＦＣの運転温度に近い。そこでＳＯＦＣに改質器を組み込んだ内部改質型ＳＯＦＣシステムが開発されている。
【０００６】
特許文献２では、ＳＯＦＣの運転における輻射熱を改質ガスの生成のための熱源に利用した間接内部改質型ＳＯＦＣシステムが開示されている。灯油を水素や、二酸化炭素、一酸化炭素などの低炭素化合物に改質するための改質器は、ＳＯＦＣ内の輻射伝熱の利用可能な位置に配置される。かかるＳＯＦＣシステムは、改質器のための独立した熱源を有さないため、エネルギー効率を向上せしめることが出来るのである。
【０００７】
一方、特許文献３では、ＳＯＦＣと同様に高い動作温度を有する溶融炭酸塩形の直接内部改質型燃料電池システムが開示されている。詳細には、アノードに接する電解質の近傍に改質触媒を配置して、アノードにおける発電反応とともに、炭化水素原料の改質反応が行われる。ここで、白金族系の改質触媒は電解質であるアルカリ炭酸塩によって、汚染、被毒されにくいと述べている。
【特許文献１】特開２００６−３５１２９３号公報
【特許文献２】特開２００７−１７９８８５号公報
【特許文献３】特開平６−３３９６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
直接内部改質型燃料電池システムは、改質器との熱交換だけを行う間接内部改質型燃料電池システムに比してエネルギー効率に優れており、システムをよりコンパクトにすることができるのである。ここで、特許文献２で述べられているようにＳＯＦＣシステムでは、灯油のような高次炭化水素から得られる改質ガスは、改質の進まないまま動作温度の高いＳＯＦＣに供給されると、炭素を析出して運転の安定性を損ねてしまうのである。一方で、特許文献３に開示の触媒は、電解質中のアルカリ炭酸塩によって汚染、被毒されにくい触媒であって、溶融炭酸塩形燃料電池とは電解質の異なるＳＯＦＣに直ちにこれを用いることは出来ないのである。
【０００９】
本発明は以上のような点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高いエネルギー効率を有するとともにコンパクトな直接内部改質型ＳＯＦＣシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、固体酸化物からなる電解質を用いた燃料電池システムであって、水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料を気化させるとともにこれを水蒸気と混合して混合ガスを生成する気化器と、前記電解質を間に挟んだ一対の多孔質電極の一方の表面に前記混合ガスを導くとともに前記多孔質電極の他方の表面に酸化剤ガスを導いて電気化学反応を生じせしめるセルからなる燃料電池と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、改質性の高い、水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料をセルに直接導くことで、高いエネルギー効率を有するとともにコンパクトな直接内部改質型ＳＯＦＣシステムを得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明による１つの実施例は、固体酸化物からなる電解質を用いた燃料電池システムであって、液体燃料を気化させるとともにこれを水蒸気と混合して混合ガスを生成する気化器と、混合ガスを酸化剤ガスと電気化学反応を生じせしめて発電を行うセルからなる燃料電池と、を含む。セルでは、電解質を間に挟んだ一対の多孔質電極の一方の表面に混合ガスを導くとともに、多孔質電極の他方の表面に酸化剤ガスを導く。混合ガス側の電極で電気化学反応を生じると電子が電極に取り出されるとともに、この電極近傍で混合ガスの改質が生じるのである。ここで、液体燃料は水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料を少なくとも主成分とした燃料である。かかる液体燃料は灯油留分からなり、煙点が一般灯油よりも非常に高い。つまり、少なくとも３０ｍｍ以上の煙点であることが好ましい。このような高い煙点で示されるように、本実施例に用いられるパラフィン系液体燃料は、燃焼性に優れている。しかも芳香族分をほとんど含まない。これらにより、直接内部改質における改質時の電極近傍での煤（炭素）の発生を大きく低減できるなどの改質性に優れるのである。特に、混合ガス側の多孔質電極に改質触媒、好ましくはＶＩＩＩ族に属する白金、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウムなどの元素からなる触媒が担持されていると、より効率的に改質を進めることができて、煤の発生を大幅に低減できるなどの更なる改質性の向上が可能である。かかる高い改質性により、セルの温度を下げることが可能であって、燃料電池システムの設計の自由度を高めることもできるのである。
【実施例】
【００１３】
更に本発明による１つの実施例について図１乃至３、表１を用いて詳細に説明する。
【００１４】
図１に示すように、ＳＯＦＣシステム１０は、後述する本実施例にかかる液体燃料をその内部に導く第１導入口１２と、水と空気とを取り入れる第２導入口１４とを有する。なお、かかる液体燃料は硫黄を含まないため、脱硫器を第１導入口１２の上流側に設ける必要はない。第１導入口１２及び第２導入口１４はいずれも気化器１６に連通している。気化器１６では、水を例えば約２００℃の水蒸気にするとともに、第１導入口１２から導かれた液体燃料を加熱しながら水蒸気と混合、気化させて混合ガスを生成するのである。
【００１５】
気化器１６で生成された混合ガスは、配管１８を通ってＳＯＦＣ本体２０に直接、導かれる。すなわち、混合ガスは、改質器などを通過することなく、ＳＯＦＣ本体２０に導かれるのである。ＳＯＦＣ本体２０の第３導入口２２からは、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が導かれる。ＳＯＦＣ本体２０では、混合ガス及び酸化剤ガスを電気化学反応させて発電が行われる。この運転時の定常状態では、ＳＯＦＣ本体２０の内部は７００℃〜１０００℃の温度となる。
【００１６】
図２に示すように、ＳＯＦＣ本体２０では、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる固体酸化物電解質３０を間に挟むようにして、ニッケル・ジルコニア（Ｎｉ‐ＺｒＯ２）サーメットからなる混合ガス側電極３２と、ランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ３）からなる酸化剤側電極３４とが設けられている。これらの電極３２及び３４はともに多孔質である。そこで、特に、混合ガス側電極３２には例えば含侵法等により白金微粒子を担持させることができる。なお、触媒は、ＶＩＩＩ族に属する他の元素、例えばイリジウム、オスミウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウムなどの元素からなる微粒子であってもよい。
【００１７】
ここで本実施例における液体燃料は、水素及び一酸化炭素から合成され、灯油留分に蒸留されたパラフィン系液体燃料である。詳細には、図３に示すように、例えば、メタンを主成分とする天然ガス等に酸素を加えて化学反応させると、一酸化炭素及び水素が生成される。この一酸化炭素と水素とをフィッシャートロプシュ（ＦＴ）合成によりパラフィン系鎖状炭化水素に合成するのである。更に、かかるパラフィンのＣ鎖の長さを調整するための分解等を行って、蒸留して灯油留分を取り出すと本実施例のパラフィン系液体燃料を得ることができる。
【表１】
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【００１８】
表１には、上記したパラフィン系液体燃料である実施例１及び２、一般的なＪＩＳ１号灯油である比較例の性状をまとめた。かかる実施例１及び２の灯油留分に蒸留されたパラフィン系液体燃料、及び、比較例の灯油のそれぞれを用いて一定時間のＳＯＦＣシステム１０の運転を行う。すると実施例において、混合ガス側電極３２の目詰まり及び汚染が比較例に比べて大幅に低減されるのである。また触媒の活性の低減も大幅に緩和されるのである。つまりより高い改質性を得ることができる。
【００１９】
ここで、実施例１及び２の水素及び一酸化炭素から合成され灯油留分に蒸留されたパラフィン系液体燃料と、比較例の灯油とでは、芳香族分、硫黄などの含有量が大きく異なっている。また、表１からわかるように、特に煙点が大きく異なるのである。実施例１及び２では、煙点が比較例に比して高く、燃焼性に優れている。これらの差異のために改質時の電極近傍での煤（炭素）の発生を大きく低減できるものと思われる。
【００２０】
以上、本実施例によれば、高い燃焼性を有する水素及び一酸化炭素から合成・蒸留されたパラフィン系液体燃料を少なくとも主成分とした燃料をセルに直接導くことができて、ＳＯＦＣシステムにおいて、高いエネルギー効率を有するとともに、安定した運転が可能である。また、脱硫器や改質器を設ける必要が無いため、コンパクトなＳＯＦＣシステムを得ることが可能である。また、上記した燃料の高い改質性により、セルの温度を下げることが可能である。故に、ＳＯＦＣシステムに使用される材料の選択など、設計の自由度を高めることもできるのである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の１つの実施例によるＳＯＦＣシステムの図である。
【図２】本発明の１つの実施例によるＳＯＦＣシステムの要部の図である。
【図３】本発明の１つの実施例によるＳＯＦＣシステムに使用される液体燃料についての図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０      ＳＯＦＣシステム
１２      第１導入口
１４      第２導入口
１６      気化器
２０      ＳＯＦＣ本体
２２      第３導入口
３０      固体酸化物電解質
３２      混合ガス側電極
３４      酸化剤側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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