(57)【要約】【課題】改質器に加えて脱硫器の加熱に際しても熱ロスを抑えることができ、熱効率の高い間接内部改質型ＳＯＦＣを提供する。【解決手段】炭化水素系燃料を脱硫する脱硫器と、脱硫器によって脱硫された炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池を収容する筐体とを有し、固体酸化物形燃料電池の端面の一部が、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部とされ、改質器が筐体内の、火炎形成部に対向する位置もしくは火炎形成部の上方に配され、脱硫器が筐体内の、固体酸化物形燃料電池に対向する位置であって火炎形成部には対向しない位置に且つ火炎形成部の上方ではない位置に配された間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を脱硫する脱硫器と、
該脱硫器によって脱硫された炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、
該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物形燃料電池を収容する筐体とを有し、
該固体酸化物形燃料電池の端面の一部が、該固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部とされ、
該改質器が、該筐体内の、該火炎形成部に対向する位置もしくは該火炎形成部の上方に配され、
該脱硫器が、該筐体内の、該固体酸化物形燃料電池に対向する位置であって該火炎形成部には対向しない位置に、かつ該火炎形成部の上方ではない位置に配された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質器を燃料電池近傍に有する間接内部改質型固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ。以下場合によりＳＯＦＣという。）には、通常、改質器において灯油や都市ガスなどの炭化水素系燃料（改質原料）を改質して発生させた水素含有ガス（改質ガス）が供給される。ＳＯＦＣにおいて、この改質ガスと空気を電気化学的に反応させて発電を行う。ＳＯＦＣは通常５５０℃〜１０００℃程度の高温で作動させる。
【０００３】
改質には、水蒸気改質、部分酸化改質など種々の反応が利用される。いずれもある一定以上の温度を必要とする。そのため、ＳＯＦＣの近傍（ＳＯＦＣからの熱輻射を受ける位置）に改質器を設置し、ＳＯＦＣからの輻射熱によって改質器を加熱する間接内部改質型ＳＯＦＣが開発されている。特に、間接内部改質型ＳＯＦＣにおいて、可燃分を含有するアノードオフガス（ＳＯＦＣのアノードから排出されるガス）を間接内部改質型ＳＯＦＣの容器（モジュール容器）内で燃焼させ、この燃焼熱を熱源として改質器を加熱することが行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、炭化水素系燃料（改質原料）に含まれる硫黄は改質器に充填している改質触媒やＳＯＦＣを被毒するため、炭化水素系燃料（改質原料）中の硫黄を除去するための脱硫器が用いられる場合も多い。脱硫器に用いられる脱硫剤には適切な作動温度範囲があり、脱硫剤をこの作動温度範囲まで加熱することが行われている。特許文献２には、燃料改質装置のバーナーの燃焼排ガスを脱硫器に導き、これにより脱硫器内の触媒を加熱することが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３１９４２０号公報
【特許文献２】特開平５−３０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２のように、脱硫器を独立して設け、燃焼排ガスラインから燃料排ガスを脱硫器に導くことによって脱硫器を加熱する場合、配管からの放熱によって装置全体の熱効率が低下してしまう。
【０００６】
本発明の目的は、改質器に加えて脱硫器の加熱に際しても熱ロスを抑えることができ、熱効率の高い間接内部改質型ＳＯＦＣを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明により、炭化水素系燃料を脱硫する脱硫器と、
該脱硫器によって脱硫された炭化水素系燃料から改質ガスを製造する改質器と、
該改質器で得られる改質ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
該固体酸化物形燃料電池を収容する筐体とを有し、
該固体酸化物形燃料電池の端面の一部が、該固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスを燃焼させて火炎を形成可能な火炎形成部とされ、
該改質器が、該筐体内の、該火炎形成部に対向する位置もしくは該火炎形成部の上方に配され、
該脱硫器が、該筐体内の、該固体酸化物形燃料電池に対向する位置であって該火炎形成部には対向しない位置に、かつ該火炎形成部の上方ではない位置に配された
間接内部改質型固体酸化物形燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、改質器に加えて脱硫器の加熱に際しても熱ロスを抑えることができ、熱効率の高い間接内部改質型ＳＯＦＣが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の一形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００１０】
図１に、本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣの一形態を模式的に示す。（ａ）は上面断面図、（ｂ）は正面断面図、（ｃ）は側面断面図である。
【００１１】
この間接内部改質型ＳＯＦＣは、脱硫器１と、改質器２と、固体酸化物形燃料電池３と、脱硫器、改質器および固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を収容する筐体（以下場合により、モジュール容器と称す）４とを有する。また、ＳＯＦＣが、アノードオフガス（ＳＯＦＣのアノードから排出されるガス）を燃焼させて火炎５を形成可能な火炎形成部１０を有する。ＳＯＦＣの上部が火炎形成部とされる。
【００１２】
脱硫器では炭化水素系燃料を脱硫する。
【００１３】
燃料気化器６は、炭化水素系燃料が灯油などの液体燃料である場合、気化する必要に応じ、脱硫器の上流または下流に、設けることができる。燃料気化器はモジュール容器の外部にあっても内部にあってもよいが、熱効率の観点からはモジュール容器内にあることが好ましい。
【００１４】
改質器は、脱硫器によって脱硫された炭化水素系燃料から改質ガスを製造する。改質反応を行うために水蒸気が必要な場合は水もしくは水蒸気を、適宜改質器に供給することができる。
【００１５】
水蒸気を得るために、水（液体）を気化する水気化器を用いることができる。水気化器はモジュール容器の外部にあっても内部にあってもよいが、熱効率の観点からはモジュール容器内にあることが好ましい。
【００１６】
ＳＯＦＣは、改質器で得られる改質ガスを用いて発電する。電気化学反応のための酸素を供給するために、空気などの酸素含有ガスを間接内部改質型ＳＯＦＣに供給することができる。
【００１７】
図１に示す形態では、灯油等、液体の炭化水素系燃料が用いられる。またＳＯＦＣの形状としては立方体状のものが用いられている。
【００１８】
ＳＯＦＣの上部端面（ここではＳＯＦＣの上面）が火炎形成部１０とされる。火炎形成部の上方に改質器２が配置される。ＳＯＦＣの側方に脱硫器１が設けられる。脱硫器と改質器との間に燃料気化器６が設けられる。燃料気化器は脱硫器の下流に接続され、燃料気化器の下流に改質器が接続され、さらに改質器の下流にＳＯＦＣが接続される。
【００１９】
炭化水素系燃料（液体）が脱硫器１に供給される。脱硫された炭化水素系燃料は燃料気化器６に供給され、ここで炭化水素系燃料が気化される。
【００２０】
気化した炭化水素系燃料が改質器に供給されて改質される。改質器から得られる改質ガスがＳＯＦＣ３（特にはそのアノード）に供給される。アノード出口がＳＯＦＣ上面において開口しており、アノードオフガスが、この開口において燃焼し、火炎５が形成される。つまり、アノードオフガスはＳＯＦＣの上面から排出されて燃焼し、その燃焼熱が改質器にて効果的に利用される。ＳＯＦＣが発する輻射熱が脱硫器および燃料気化器に伝えられる。なおカソードには空気が供給される。アノードオフガス（特にはその中に含まれる可燃分）をカソードオフガス（カソードから排出されるガス）によって燃焼させることができる。燃焼排ガスはモジュール容器に設けられた不図示の排出口から排出される。
【００２１】
ＳＯＦＣ３の火炎形成部１０に対向する位置に、かつ火炎形成部１０の上方に改質器２が配される。改質器を火炎形成部と対向する位置に配置することができる。これにより、火炎５で発生する燃焼熱を効率よく改質器に伝えることができる。火炎からの輻射熱を改質器に直に伝えるために、燃焼領域と改質器との間には遮蔽物を配置しないことが好ましい。火炎形成部（ここではＳＯＦＣの上面）と改質器の間に遮蔽物を配置しないことが好ましい。つまり、ＳＯＦＣの火炎形成部と改質器とが、遮蔽物を挟むことなく対向することが好ましい。ただし、必要な配管等は適宜配置される。
【００２２】
脱硫器１は、モジュール容器４内の、ＳＯＦＣ３の側方に配される。つまり、脱硫器は、ＳＯＦＣに対向する位置ではあるが火炎形成部には対向しない位置に、かつ火炎形成部の上方ではない位置（例えば側方もしくは下方）に配される。これにより、ＳＯＦＣからの輻射熱を脱硫器に伝えることができる。ＳＯＦＣからの輻射熱が脱硫器に直に伝わるよう、脱硫器とＳＯＦＣとの間には遮蔽物を配置しないことが好ましい。
【００２３】
このように、ＳＯＦＣ上部に存在する火炎形成部の上方に改質器を設け、脱硫器をＳＯＦＣの側方に設けることにより、改質器および脱硫器に必要とされる熱をＳＯＦＣから効率的に供給することが可能となる。
【００２４】
ここでは改質器を火炎形成部に対向する位置、かつ、火炎形成部の上方に配置している。この形態は、改質器加熱の観点から特に好ましい。しかし、この限りではない。例えば、ＳＯＦＣ３の上面は火炎形成部とされず一つの側面が火炎形成部とされる場合など、改質器を、火炎形成部に対向する位置であって火炎形成部の上方ではではない位置（側方）に配置することができる。この場合、改質器を火炎からの輻射熱によって加熱することができる。あるいは、改質器を、火炎形成部には対向しないが火炎形成部の上方に配置することができる。この場合、改質器を対流伝熱によって加熱することができる。
【００２５】
ＳＯＦＣ、アノードオフガスの燃焼領域、改質器、脱硫器を上記のように配置することで、ＳＯＦＣの排熱を、改質器のみならず脱硫器にても極めて有効に利用することができ、間接内部改質型ＳＯＦＣの熱効率を向上させることが可能となる。
【００２６】
各供給物は必要に応じて適宜予熱されたうえで間接内部改質型ＳＯＦＣに供給される。
【００２７】
モジュール容器としては、少なくともＳＯＦＣを収容可能な適宜の筐体を用いることができる。その材料としては、例えばステンレス鋼など、使用する環境に耐性を有する適宜の材料を用いることができる。モジュール容器には、ガスの取り合い等のために、適宜接続口が設けられる。モジュール容器の内部と外界（大気）とが連通しないように、モジュール容器が気密性を持つことが好ましい。モジュール容器の外形は、立方体状の他、直方体状や円筒状など適宜の形状を採用することができる。
【００２８】
本発明では、改質器がモジュール容器（筐体）内に配される。これは、図１に示したように、モジュール容器とは別個に設けられた改質器がモジュール容器より内側に存在する場合に加え、改質器自体によってモジュール容器の少なくとも一部が形成されている場合も含む。すなわち改質器がモジュール容器と一体化されていてもよい。脱硫器についても同様である。
【００２９】
改質器が、モジュール容器の少なくとも一部を形成している構造を得るために、例えば、モジュール容器の少なくとも一部を二重壁構造とし、内側の壁と外側の壁との間の空間に改質触媒を収容することができる。あるいは、モジュール容器の壁に反応容器を溶接などにより固定し、この反応容器の内部に改質触媒を収容することができる。これはコンパクト化の観点から好ましい。
【００３０】
脱硫器が、モジュール容器の少なくとも一部を形成している構造を得るために、例えば、モジュール容器の少なくとも一部を二重壁構造とし、内側の壁と外側の壁との間の空間に脱硫剤を収容することができる。あるいは、モジュール容器の壁に反応容器を溶接などにより固定し、この反応容器の内部に脱硫剤を収容することができる。これはコンパクト化の観点から好ましい。
【００３１】
図１では、改質ガスがＳＯＦＣに側方から供給されるかのごとくに示されるが、これらはガスの供給位置を正確に示すものではない。要するに、改質ガスがＳＯＦＣのアノードに供給され、空気がカソードに供給されればよい。
【００３２】
図１に示した形態では、改質器および脱硫器を一つずつ用いたが、これに限られるわけではない。例えば、二つの脱硫器（並列に接続される）をＳＯＦＣの両側に配することもできる。
【００３３】
〔炭化水素系燃料〕
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料としてＳＯＦＣの分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む（酸素など他の元素を含んでもよい）化合物もしくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。
【００３４】
なかでも灯油やＬＰＧは、入手容易であり好ましい。また独立して貯蔵可能であるため、都市ガスのラインが普及していない地域において有用である。さらに、灯油やＬＰＧを利用したＳＯＦＣ発電装置は、非常用電源として有用である。特には、取り扱いも容易である点で、灯油が好ましい。
【００３５】
〔脱硫器〕
脱硫器は、脱硫剤と、脱硫剤を収容する容器とを有することができる。
【００３６】
脱硫剤としては、加熱が必要な公知の脱硫剤を適宜用いることができる。
【００３７】
例えば、いわゆる加温吸着脱硫剤を用いることができる。加温吸着脱硫剤としては遷移金属系脱硫剤を用いることができる。
【００３８】
脱硫器の構造は、脱硫器として公知の構造を適宜採用でき、例えば、密閉可能な容器内に加温脱硫剤を収容する領域を有し、脱硫しようとする流体の導入口と排出口を有する構造とすることができる。
【００３９】
脱硫器の材質は、脱硫器として公知の材質から、使用環境における耐性を考慮して適宜選んで採用できる。
【００４０】
脱硫器の形状は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。
【００４１】
〔改質器〕
改質器は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。
【００４２】
改質器は、一般に公知な水蒸気改質能、部分酸化改質能などを有する公知な非貴金属もしくは貴金属改質触媒を備えることができる。
【００４３】
改質器の構造は、改質器として公知の構造を適宜採用できる。例えば、密閉可能な容器内に改質触媒を収容する領域を有し、改質に必要な流体の導入口と改質ガスの排出口を有する構造とすることができる。
【００４４】
改質器の材質は、改質器として公知の材質から、使用環境における耐性を考慮して適宜選んで採用できる。
【００４５】
改質器の形状は、直方体状や円管状など適宜の形状とすることができる。
【００４６】
炭化水素系燃料（必要に応じて予め気化される）および水蒸気、さらに必要に応じて空気等の酸素含有ガスをそれぞれ単独で、もしくは適宜混合した上で改質器（改質触媒層）に供給することができる。また、改質ガスはＳＯＦＣのアノードに供給される。
【００４７】
〔ＳＯＦＣ〕
改質器から得られる改質ガスが、ＳＯＦＣのアノードに供給される。一方、ＳＯＦＣのカソードには空気などの酸素含有ガスが供給される。発電に伴いＳＯＦＣが発熱し、その熱がＳＯＦＣから改質器、脱硫器へと輻射伝熱する。こうしてＳＯＦＣ排熱が改質反応及び吸着脱硫反応の吸熱に利用される。ガスの取り合い等は適宜配管等を用いて行う。
【００４８】
ＳＯＦＣとしては、アノード出口にてアノードオフガスを燃焼可能な公知のＳＯＦＣを適宜選んで採用できる。ＳＯＦＣでは、一般的に、酸素イオン導電性セラミックスもしくはプロトンイオン導電性セラミックスが電解質として利用される。
【００４９】
ＳＯＦＣは単セルであってもよいが実用上は複数の単セルを配列させたバンドルもしくはスタックが好ましく用いられる。この場合、バンドルもしくはスタックは１つでも複数でもよい。
【００５０】
ＳＯＦＣの形状も、立方体状スタックに限らず、適宜の形状を採用できる。
【００５１】
〔他の機器〕
間接内部改質型ＳＯＦＣの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、液体を気化させる気化器、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、炭化水素系燃料や可燃物の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の間接内部改質型ＳＯＦＣは、例えば定置用もしくは移動体用の発電システムに、またコージェネレーションシステムに利用できる。本発明の改質器は、このような間接内部改質型ＳＯＦＣに好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の一形態を示す模式図であり、（ａ）は上面断面図、（ｂ）は正面断面図、（ｃ）は側面断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  脱硫器
２  改質器
３  ＳＯＦＣ
４  筐体（モジュール容器）
５  火炎
６  燃料気化器
１０  火炎形成部
【図１】
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