JP6598367B2

JP6598367B2 - 固体酸化物形燃料電池システム及びその運転方法

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Publication number: JP6598367B2
Application number: JP2015222104A
Authority: JP
Inventors: 宗明馬場; 成嘉小林; 平野　　聡
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: JP2017091873A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システム及びその運転方法に関し、特に、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させる固体酸化物形燃料電池システム及びその運転方法に関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムにおいて、未反応燃料を含むアノード排ガスをセルに再循環させて燃料利用率を向上させる取り組みがなされている。また、アノード排ガスに含まれる水蒸気を炭化水素燃料の改質に利用し、発生する熱を再利用することでシステム全体のエネルギー効率を向上させることも提案されている。

例えば、特許文献１では、アノード排ガスを２つの経路でＳＯＦＣに再循環させることで、燃料利用率を高めるとともに、発電効率及び熱利用率も向上させ得るシステムを開示している。まず、約１０００℃のアノード排ガスの一部をエジェクタによって吸引して燃料とともにＳＯＦＣに再循環させる。また、これに併せて残りのアノード排ガスをＳＯＦＣに供給する空気（酸化ガス）及び燃料のそれぞれと熱交換させて温度を低下させる。そしてＣＯ変成器によってＨ_２を得るとともに、さらに凝縮器で水分を除去し、この一部を燃料と混合してエジェクタを駆動させつつＳＯＦＣに再循環する。更に、残りの一部を固体高分子形燃料電池などの水素利用装置に供給する。

また、特許文献２では、出力１ｋＷ〜数ｋＷの小規模のＳＯＦＣシステムにおいて、熱利用を効率的に行うための方法を開示している。小規模のＳＯＦＣでは燃料ガスの供給量が少ないために、これを駆動ガスとするエジェクタでは十分な量のアノード排ガスを吸引出来ない。そこで、エジェクタの代わりに金属製のブロワを用いてアノード排ガスを吸引して原燃料ガスとともにＳＯＦＣに再循環させる。金属製のブロワでは、アノード排ガスがブロワに導かれる前にＳＯＦＣに供給される空気と熱交換されて６００℃以下の温度にされるのである。このようにブロワを用いることで、小規模のＳＯＦＣでもアノード排ガスを再利用できるようになる。また、エジェクタの１／２以下の動力でブロアを駆動できてシステムの内部消費電力を削減できる。加えて、ブロワに吸引されなかったアノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼器で燃焼させてその排気によりＳＯＦＣに供給する空気を加熱し、効率的な熱利用を行うのである。

特許文献３では、原燃料としてメタノール／ジメチルエーテルを用いた上で、アノード排ガスをＳＯＦＣに再循環させて燃料利用率を向上させるシステムを開示している。ここでもアノード排ガスの一部をエジェクタで吸引し原燃料を混合させており、これを原料予熱器によって予熱して、アノード排ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を利用して水和／分解／改質させてＳＯＦＣに供給する。また、アノード排ガスの残部をカソード排ガスとともに燃焼器で燃焼させて、その燃焼ガスにより空気予熱器においてＳＯＦＣに供給する空気を予熱し、さらに上記した原料予熱器で燃料を予熱するのである。このようなシステムであれば、ＳＯＦＣの燃料ガスとなるＨ_２及びＣＯを発生させるメタノール／ジメチルエーテルを低温から原燃料として用いることができて、高温でなければ稼働できないＳＯＦＣの起動時間を短縮することができる。

特開２００４−１９９９９７号公報特開２００４−２４７２４７号公報特開２００８−２８２５９９号公報

特許文献１乃至３のように、ＳＯＦＣのアノード排ガスを再循環させて燃料利用率を向上させるシステムが数多く提案されている。これは、アノード排ガスを多岐に亘って利用できるからである。例えば、アノード排ガス中の未反応燃料をＳＯＦＣに利用するのはもちろん、燃焼させてシステム内の機器の加熱に利用したり、アノード排ガス中の水蒸気を燃料の改質に利用でき、また、アノード排ガスの熱に至っては各種機器や供給ガスの加熱に使用できる。他方、機器によっては高温の排ガスをそのまま利用できず、燃料や空気との熱交換によって温度を低下させてから利用する場合もある。このような燃料利用効率を向上させるシステムはその構成において複雑になりやすい。

加えて、ＳＯＦＣは例えば定常運転中であるシステム定常運転時には１０００℃程度の高温のアノード排ガスを得られるが、６００℃程度以上の高温でなければ稼働できず、システム起動時とシステム定常運転時とでは得られる熱量が異なる。そのため、システム起動時には燃料を燃焼させてシステム内の機器を加熱するなど、システム定常運転時とは異なる燃料やアノード排ガスの利用方法が存在し、これによってもシステム構成が複雑になりやすい。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、比較的単純なシステム構成でありながら、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させるＳＯＦＣシステム及びその運転方法の提供にある。

本発明による固体酸化物形燃料電池システムは、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させる固体酸化物形燃料電池システムであって、燃料とともに前記未反応燃料を少なくとも酸素を含む酸化ガスと一緒に混合部で混合し吐出させてこれを燃焼させるエジェクタ燃焼器を含み、前記エジェクタ燃焼器はその燃焼部内に酸化触媒を与えられ、前記酸化ガスの前記エジェクタ燃焼器への供給を制御する制御装置を更に含むことを特徴とする。

かかる発明によれば、特にシステム起動時にＳＯＦＣにおいて生成できない水蒸気をエジェクタ燃焼器で生成できて改質に利用でき、例えば、起動時にのみ使用する水蒸気供給装置を配置する必要もなく、比較的単純なシステム構成でありながら、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させることができる。

上記した発明において、前記制御装置は、前記酸化ガスをシステム起動及び停止時に前記エジェクタ燃焼器に通じさせる一方、システム定常運転時には遮断することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、エジェクタ燃焼器に供給する酸化ガスを遮断するだけで、システム定常運転時にも燃料を効率良く利用できて、比較的単純なシステム構成でありながら、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させることができる。

上記した発明において、前記エジェクタ燃焼器は直線流路である前記混合部から径を連続的に拡げる拡散部を含み、前記燃焼部は前記拡散部の出口と同一径の直線流路であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、エジェクタ燃焼器で酸化ガスと燃料とを効率よく燃焼させることができて、比較的単純なシステム構成でありながら、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させることができる。

上記した発明において、前記エジェクタ燃焼器は、前記燃料、前記未反応燃料及び前記酸化ガスのうちの１又は２を吸引ガスとして他を包み込んで前記混合部に圧送させ得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、燃料、未反応燃料、酸化ガスのそれぞれを駆動ガス又は吸引ガスとして効率よく組み合わせることができて、比較的単純なシステム構成でありながら、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させることができる。

上記した発明において、前記エジェクタ燃焼器は前記燃焼部の前記酸化触媒の下流に改質触媒を与えられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、改質器を設けることなくエジェクタ燃焼器内にて燃料の改質ができて、より単純なシステム構成でありながら、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させることができる。

上記した発明において、前記エジェクタ燃焼器は前記燃料電池スタックとともに断熱容器内に配置されることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、エジェクタ燃焼器及び燃料電池スタックの熱の散逸を防止しつつ互いに加熱することも可能となり、より単純なシステム構成でありながら、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させることができる。

さらに、本発明による固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、燃料電池スタックにおける未反応燃料を再循環させる固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、燃料とともに前記未反応燃料を少なくとも酸素を含む酸化ガスと一緒に混合部で混合し吐出させてこれを燃焼させるエジェクタ燃焼器を含み、前記エジェクタ燃焼器はその燃焼部内に酸化触媒を与えられ、前記酸化ガスをシステム起動及び停止時に前記エジェクタ燃焼器に通じさせる一方、システム定常運転時には遮断することを特徴とする。

かかる発明によれば、特にシステム起動時にＳＯＦＣにおいて生成できない水蒸気をエジェクタ燃焼器で生成できて改質に利用でき、例えば、起動時にのみ使用する水蒸気供給装置を配置する必要もなく、他方、システム定常運転時にはエジェクタ燃焼器に供給する酸化ガスを遮断するだけで燃料を効率良く利用できて、比較的単純なシステム構成でありながら、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させることができる。

上記した発明において、前記エジェクタ燃焼器は、直線流路である前記混合部から径を連続的に拡げる拡散部を含み、前記燃焼部室は前記拡散部の出口と同一径の直線流路であり、前記システム起動及び停止時において、前記燃料、前記未反応燃料及び前記酸化ガスのうちの１又は２を吸引ガスとして他を包み込んで前記混合部に送出させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、エジェクタ燃焼器で酸化ガスと燃料とを効率よく燃焼させることができて、比較的単純なシステム構成でありながら、燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させることができる。

本発明における１つの実施例によるＳＯＦＣシステムのブロック図である。エジェクタ燃焼器の断面図である。ＳＯＦＣシステムの運転方法を示すフロー図である。他のエジェクタ燃焼器の断面図である。

以下に、本発明によるＳＯＦＣシステムの１つの実施例について、図１及び図２を用いてその詳細を説明する。

図１に示すように、ＳＯＦＣシステム１は、ＳＯＦＣセルスタック１０と、アノード排ガスをセルスタック１０に再循環させるためのエジェクタ燃焼器２と、エジェクタ燃焼器２から供給される燃料の改質を行う改質器３と、セルスタック１０からの排ガスの熱を利用する熱機関９とを含む。

ＳＯＦＣシステム１は、さらに、エジェクタ燃焼器２に燃料及び空気のそれぞれを供給する燃料弁４及びアノード側空気弁５と、セルスタック１０のカソード側に空気を供給するカソード側空気弁６とを含む。燃料弁４、アノード側空気弁５及びカソード側空気弁６のそれぞれは、図示しない制御装置に接続され、その開度によってそれぞれのガスの供給量が制御される。燃料や空気はコンプレッサ等によりそれぞれ所与の圧力を与えられて供給される。なお、燃料には炭化水素を使用し得るが、本実施例ではメタン（ＣＨ_４）を例として説明する。

セルスタック１０は、改質器３にアノード側入口１１を接続させて燃料極に燃料を導くことができるとともに、空気弁６にカソード側入口１３を接続させ空気極に酸化ガスとして空気を導くことができる。また、燃料極の下流側には未反応燃料を含むアノード排ガスの一部をエジェクタ燃焼器２に導くアノード排ガス出口１２を備え、さらに下流側にはアノード排ガスの残部とカソード排ガスとを混合して燃焼させるセルスタック燃焼室１５を備える。セルスタック燃焼室１５には排ガスを熱機関９に送出する排ガス出口１４が備えられる。なお、セルスタック１０は、アノード側とは別系統の起動用バーナを加熱器として備えているとよい。

図２を併せて参照すると、エジェクタ燃焼器２は、燃料を供給する燃料弁４と酸化ガスとして空気を供給するアノード側空気弁５とを駆動ガス入口２１にそれぞれ接続させ、アノード排ガス出口１２を吸引ガス入口２２に接続させる。駆動ガス入口２１を内部のノズル２３に連通させ、吸引ガス入口２２をノズル２３の周囲の空間に連通させる。ノズル２３の前方には直線流路である混合部２４が設けられ、混合部２４の出口から連続して径を拡げる流路である拡散部２５が設けられる。拡散部２５の出口からは同一径の直線流路が設けられ、燃焼部２６とされる。

エジェクタ燃焼器２によれば、燃料及び空気を駆動ガスとして、ノズル２３から噴出させると、吸引ガス入口２２から吸引ガスとしてアノード排ガスを吸引できる。吸引ガスは駆動ガスを包み込むようにして一緒に混合部２４に圧送されて混合され、拡散部２５に吐出されると拡散しつつ燃焼部２６に向かう。燃焼部２６では混合されたガス成分のうち、メタンと酸素によって、ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（式１）の燃焼反応を進めて水蒸気を生成する。このとき、かかる燃焼反応を促進させて炭素の析出を防止するため、燃焼部２６には酸化触媒３１を備えることが好ましい。酸化触媒３１としては公知のＰｄ系触媒やＰｔ系触媒を用い得るが、より低温で燃焼反応を促進できる触媒が好ましい。

また、エジェクタ燃焼器２は、酸化触媒３１を加熱して触媒活性を高めるよう電気ヒータ等の加熱器を備えているとよい。さらに、エジェクタ燃焼器２は、ノズル２３に挿入されてその位置によりノズル２３の開度を調整できる図示しないニードルを備え、ノズル２３から噴出されるガスの量を調整可能とするようにされていることが好ましい。この場合、上記した図示しない制御装置によってノズル２３の開度が制御される。

改質器３はエジェクタ燃焼器２の下流側に接続されて、エジェクタ燃焼器２から供給される燃料及び水蒸気により燃料の水蒸気改質を行い得る。つまり、内部に改質触媒を備えており、さらに改質反応に必要な温度を得るための電気ヒータ等の加熱器も備えることが好ましい。

なお、セルスタック燃焼室１５からの排ガスを導入される熱機関９は、ガスタービンエンジンやスターリングエンジン等であり、ＳＯＦＣシステム１をいわゆるコンバインドシステムとしているが、セルスタック１０に供給される燃料や空気等の予熱を行う熱交換器とすることもできる。

次に、ＳＯＦＣシステム１の運転方法について図３に沿って、図１を参照しつつ詳細に説明する。

図３に図１を併せて参照すると、まず、システム起動時（Ｓ１）には、起動用バーナ等の加熱器でセルスタック１０、改質器３の改質触媒、エジェクタ燃焼器２の酸化触媒３１を必要に応じて加熱する。さらに、図示しない制御装置は、燃料弁４、アノード側空気弁５、カソード側空気弁６をそれぞれ開き、燃料と空気をエジェクタ燃焼器２に供給するとともに、セルスタック１０のカソード（空気極）に空気を供給する。このとき、エジェクタ燃焼器２内では燃料と空気とが混合されるので、加熱された酸化触媒３１により上記した式１のような燃焼反応を生じて水蒸気を生成する。

特に、エジェクタ燃焼器２に導入される燃料及び空気の量は、以下の観点で調整される。すなわち、燃焼温度の過度の上昇を避けて構成部品の破損を防ぎ、燃焼反応によりアノード側の空気内の酸素を全て消費し、さらにメタン及びアノード排ガスから導かれたＣＯに対する燃焼反応により生じた水蒸気のモル比を２より大きくして炭素の析出を防止する。

エジェクタ燃焼器２から排出された水蒸気を含むガスは、改質器３に導かれ、改質触媒により燃料の水蒸気改質反応が発生する。水蒸気改質反応では、例えば、ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２（式２）やＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２（式３）の反応式により水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を生成する。

改質された燃料はセルスタック１０のアノード（燃料極）に導かれる。一方、カソードに導かれた空気中の酸素は電解質を酸素イオンとなって通過し、アノードの水素及び一酸化炭素と反応しそれぞれ水（水蒸気）及び二酸化炭素を生成しつつ発電する電気化学反応を進行させる。ここで未反応燃料であるメタン、水素及び一酸化炭素を含むアノード排ガスのうち一部は、アノード排ガス出口１２からエジェクタ燃焼器２に導かれ、残部は排ガス出口１４から排出されて熱機関９に導入される。

システム起動時（Ｓ１）においては、セルスタック１０の温度が低く、発電反応が十分ではなく、アノード排ガス出口１２からは燃料の水蒸気改質に必要な量の水蒸気を得られない。そのため、一般には水蒸気を生成する起動時用の補器を用いるが、本実施例においてはエジェクタ燃焼器２により十分な量の水蒸気を生成できるので、このような補器を必要としない。

セルスタック１０の電気化学反応は発熱を伴うのでセルスタック１０の温度を上昇させ得る。この温度上昇に伴いさらに電気化学反応が進行し生成される水蒸気の量が増加する。するとアノード排ガス出口１２から得られる水蒸気量も増加するので、これに合わせて、制御装置はアノード側空気弁５を絞ってエジェクタ燃焼器２で生成される水蒸気の量を減少させる。ついにはアノード排ガス出口１２から得られる水蒸気だけで水蒸気改質に必要な量を得られるので、エジェクタ燃焼器２での水蒸気の生成を不要とする。よって、制御装置はアノード側空気弁５を遮断し、システム定常運転（定常の運転）に移行する。

システム定常運転時（Ｓ２）には、アノード側空気弁５を遮断され、エジェクタ燃焼器２は燃焼反応を起こさないため、エジェクタを用いてアノード排ガスをセルスタックに再循環させる公知の方法と同様に制御される。

システム停止時（Ｓ３）には、セルスタック１０の温度を急激に変化させないよう徐々に発電反応を減少させて行く。そのため、制御装置は燃料弁４を徐々に絞りつつ、セルスタック１０の温度低下によるアノード排ガス出口１２から得られる水蒸気量に合わせて、アノード側空気弁５を、適宜、開いてエジェクタ燃焼器２により水蒸気を生成させる。このとき、エジェクタ燃焼器２に導入される燃料及び空気の量は、上記したシステム起動時（Ｓ１）と同様の観点で調整される。

本実施例によれば、アノード側空気弁５から酸化ガスを供給してエジェクタ燃焼器２によって水蒸気を生成できるので、特にシステム起動時（Ｓ１）及び停止時（Ｓ３）に、燃料の水蒸気改質に必要となる量の水蒸気を得られる。そのため、上記したように水蒸気を生成するための補器やこれに伴うバイパスラインを必要としない。また、改質器３において水蒸気を不足させず、改質触媒の表面での炭素の析出による触媒性能の劣化を抑制できる。さらに、高温のガスを通過させるバルブがないためバルブからのリークやバルブの耐久性の問題もない。すなわち、ＳＯＦＣシステム１によれば、比較的単純なシステム構成としながら、セルスタック１０での未反応燃料を再循環させて燃料利用率を向上させることができる。

また、家庭用の発電機を想定し、１ｋＷ級のＳＯＦＣに上記したシステムを組み込み、定格での発電実験を行ったところ、アノード排ガスの十分な再循環量を確保でき、外部からの水蒸気の供給なしに安定した発電を行うことができた。

なお、図４に示すように、改質触媒を備えるエジェクタ燃焼器２’を用いることもできる。エジェクタ燃焼器２’では、酸化触媒３１の下流に改質触媒３２を備えており、エジェクタ燃焼器２’の燃焼部２６内で燃料の改質を行う。これによって、エジェクタ燃焼器２’での燃焼熱をほとんどロスすることなく吸熱反応である改質反応に用いることができる。この場合、改質器を不要とし得る。

また、エジェクタ燃焼器は、ノズル２３の代わりに二重ノズルを用いてもよい。この場合、空気及び燃料を二重ノズルのそれぞれの流路へ導いて駆動ガスとし、アノード排ガスを吸引ガスとする。空気又は燃料のいずれか一方を駆動ガスとして、他方及びアノード排ガスを吸引ガスとすることもできる。なお、アノード排ガスを加圧して駆動ガスとしてもよい。つまり、燃料、アノード排ガス、酸化ガスのそれぞれを駆動ガス又は吸引ガスとして、例えば駆動エネルギーを小さくするなど効率のよい組み合わせを選択するとよい。

さらに、エジェクタ燃焼器は、セルスタック１０とともに図示しない１つの断熱容器内に収容されて発生する熱の散逸を防止するようにしても良い。かかる断熱容器内において、エジェクタ燃焼器とセルスタック１０とは互いに加熱できるように配置されることが好ましい。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１固体酸化物形燃料電池システム
２エジェクタ燃焼器
４燃料弁
５アノード側空気弁
１０セルスタック
１２アノード排ガス出口

Claims

燃料電池スタックでの未反応燃料を再循環させる固体酸化物形燃料電池システムであって、
燃料とともに前記未反応燃料を少なくとも酸素を含む酸化ガスと一緒に混合部で混合し吐出させてこれを燃焼させるエジェクタ燃焼器を含み、
前記エジェクタ燃焼器はその燃焼部内に酸化触媒を与えられ、
前記酸化ガスの前記エジェクタ燃焼器への供給を制御する制御装置を更に含み、
前記制御装置は、前記酸化ガスをシステム起動及び停止時に前記エジェクタ燃焼器に通じさせる一方、システム定常運転時には遮断するものであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
前記エジェクタ燃焼器は直線流路である前記混合部から径を連続的に拡げる拡散部を含み、前記燃焼部は前記拡散部の出口と同一径の直線流路であ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。
前記エジェクタ燃焼器は、前記燃料、前記未反応燃料及び前記酸化ガスのうちの１又は２を吸引ガスとして他を包み込んで前記混合部に圧送させ得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。
前記エジェクタ燃焼器は前記燃焼部の前記酸化触媒の下流に改質触媒を与えられてい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。
前記エジェクタ燃焼器は前記燃料電池スタックとともに断熱容器内に配置され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。
燃料電池スタックにおける未反応燃料を再循環させる固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
燃料とともに前記未反応燃料を少なくとも酸素を含む酸化ガスと一緒に混合部で混合し吐出させてこれを燃焼させるエジェクタ燃焼器を含み、前記エジェクタ燃焼器はその燃焼部内に酸化触媒を与えられ、
前記酸化ガスをシステム起動及び停止時に前記エジェクタ燃焼器に通じさせる一方、システム定常運転時には遮断することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
前記エジェクタ燃焼器は直線流路である前記混合部から径を連続的に拡げる拡散部を含み、前記燃焼部は前記拡散部の出口と同一径の直線流路であり、前記システム起動及び停止時において、前記燃料、前記未反応燃料及び前記酸化ガスのうちの１又は２を吸引ガスとして他を包み込んで前記混合部に送出させることを特徴とする請求項６記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。