固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法
【課題】原燃料の予備改質システムとＳＯＦＣのオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムを備えた複合システムにおいて、ＳＯＦＣシステムの運転温度制御に主眼を置いた温度制御法を得る。
【解決手段】原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、前記燃料改質器による水素製造量を増やして電池温度を低下させ、前記別系統の燃料改質器で製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出す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温度制御法。
【解決手段】原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、前記燃料改質器による水素製造量を増やして電池温度を低下させ、前記別系統の燃料改質器で製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出す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温度制御法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池（以下、適宜“ＳＯＦＣ”と略称する）の運転温度制御法に関し、より具体的には、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムとＳＯＦＣユニットの余剰熱を利用する水素製造システムを含む複合システムにおけるＳＯＦＣシステムの運転温度を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣの余剰熱を利用する水素製造システムが開発されつつある。ＳＯＦＣは７００〜１０００℃程度という高温で運転されるが、その発電性能が運転温度に大きく影響されるために、性能をきちんと引き出すためには、その運転温度を所定温度に制御する必要がある。運転温度が低い場合にはＳＯＦＣセルの性能が低下し、運転温度が高い場合にはＳＯＦＣセルの劣化、耐久性が問題となる。
【０００３】
図１は、従来考えられている、原燃料の予備改質器（プリリフォーマ）を併置した出力１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステム及びその熱交換構成の態様を示す図で、都市ガスを原燃料とする場合を例にしている。原燃料に硫黄化合物が含まれていると改質触媒が被毒し性能劣化を来たすので、図１中脱硫器として示すように硫黄化合物は予め除去される。
【０００４】
脱硫済みの原燃料は、熱交換器１を経て予備改質器に導入され、別途設けられた水蒸気発生器からの水蒸気を供給して粗改質ガスを生成し、熱交換器２に導入される。粗改質ガスは、熱交換器２においてオフガス燃焼器からの燃焼ガスにより加熱され、ＳＯＦＣスタック、ＳＯＦＣモジュール、あるいはＳＯＦＣバンドルのアノード（より詳しくは、それらＳＯＦＣスタック、ＳＯＦＣモジュール、あるいはＳＯＦＣバンドルを構成する各セルのアノード）に供給される。本明細書、図面中、それらＳＯＦＣスタック、ＳＯＦＣモジュール、ＳＯＦＣバンドル、その他ＳＯＦＣの各種構造体を含めて「ＳＯＦＣユニット」と称している。
【０００５】
一方、ＳＯＦＣユニットにはブロワ（＝送風機）を介して空気を供給する。ブロワを経た空気は、順次熱交換器３、４で予熱され、ＳＯＦＣユニットのカソード（より詳しくは、ＳＯＦＣユニットを構成する各セルのカソード）に供給される。ＳＯＦＣユニットから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスをオフガス燃焼器で燃焼する。そして、その燃焼ガスを熱交換器２、４、３を経て熱交換器１に通すことにより、予備改質器に供給する原燃料を加熱し、さらに気化器に通して水を加熱して水蒸気を発生させる。
【０００６】
以上の機器のうち、ＳＯＦＣユニット、オフガス燃焼器、熱交換器２、４、それらを結ぶ配管系によりＳＯＦＣシステムを構成しており、それらの機器、配管系は通常断熱容器中に配置される。また、脱硫器、熱交換器１、３、予備改質器、気化器、それらを結ぶ配管系により予備改質システムを構成している。予備改質システムの温度は、ＳＯＦＣシステムの温度よりも低いが、なお高温であるので、それらの機器、配管系は必要に応じて断熱容器中に配置される。
【０００７】
ここで、ＳＯＦＣにおいては水素のほか、メタン（メタンはＳＯＦＣのアノードでの内部改質により水素となる）及びＣＯも燃料となる。このため、ＳＯＦＣ用の燃料としては炭素数２（Ｃ２）以上の炭化水素が改質されていればよく、水素を主成分とする改質ガスにまで改質する必要はない。このためＳＯＦＣ用燃料の改質には予備改質器が用いられ、これによりＣ２以上の炭化水素がメタン、水素、ＣＯ等に変えられる。
【０００８】
なお、メタンをも改質してＳＯＦＣユニットに供給してもよく、この場合には予備改質器ではなく、改質器と言うことになるが、後述本発明（１）〜（６）においては、そのうち予備改質器を配置することを前提とし、本発明（３）〜（６）では予備改質器に加え、別系統の水素製造用の改質器を配置するものである。本明細書中、予備改質器で生成した改質ガスを適宜“粗改質ガス”と称し、予備水蒸気改質器、水蒸気改質器をそれぞれ予備改質器、改質器とも称している。
それら本発明（１）〜（６）のうち、本発明（５）〜（６）が本願分割出願に係る発明であり、本発明（１）〜（４）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【０００９】
図２は通常の改質器を説明する図で、概略、バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部と改質触媒を配置した改質部により構成される。改質器には例えばアルミナ等の担体にＮｉ、Ｒｕ等の金属を担持した改質触媒が充填される。改質部では炭化水素やアルコール類が水蒸気と反応して水素リッチの改質ガスが生成される。
【００１０】
改質部で起こる改質反応は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、６００℃以上、特に７００〜８００℃程度の温度が必要である。そのため燃焼部で発生する燃焼熱により加熱する。これを図１に示す態様を例に言えば、オフガス燃焼器→熱交換器２→熱交換器４→熱交換器３を経て熱交換器１に導入される燃焼ガスが、図２における「バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部」の役割をすることになる。
【００１１】
予備改質器においては、上述改質器の場合と同様、水蒸気改質法により原燃料を改質して水素リッチでＣＯ、メタンを含む粗改質ガスを生成する。図１のとおり、予備改質器で生成した粗改質ガスを熱交換器２で加熱してＳＯＦＣユニットにおける各セルのアノードに供給する。なお、本明細書、図面では予備改質器での予備改質前の燃料を適宜“原燃料”と称している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、ＳＯＦＣの運転温度の調整は、通常、ブロワにより供給空気量を調整する方法がとられる。ＳＯＦＣの温度が高い場合には空気量を増加して空冷し、ＳＯＦＣの温度が低い場合には空気量を減少させてＳＯＦＣの温度を上昇するような制御がとられる。
【００１３】
しかし、空気供給量で調整できる温度レベルは限られており、また過剰の空気を導入する場合にはブロワでの消費エネルギーが増大してＳＯＦＣのシステム効率の低下に繋がってしまう。さらには、ＳＯＦＣの熱交換システムは非常に熱容量の大きい熱交換システムであり、空気供給量の調整を行っても応答時間が遅く、その効果を電池運転温度すなわち運転中のＳＯＦＣユニットにおける電池部分の温度に反映させるまでには相当のタイムラグを生じる。
【００１４】
一方、ＳＯＦＣの余剰熱を利用して水素を製造するシステムが幾つか提案されているが、それらのシステムはあくまでも単にＳＯＦＣの余剰熱を効果的に利用して水素を製造することに主眼を置いたものであり、特に電池部分の温度コントロールを行うことについては言及されていない。
【００１５】
本発明は、それとは逆に、ＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットすなわち電池部分の運転温度コントロールに主眼を置き、その運転時の負荷（＝発電量）に対応したＳＯＦＣユニットにおける発電効率を一定に維持しつつ、ＳＯＦＣシステムにおける電池部分の運転温度を制御する方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、（１）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質器からの粗改質ガスを分岐し且つ前記燃料電池ユニットの近傍に該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、粗改質ガスの分岐量を増やして電池温度を低下させるとともに、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増加させ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温度制御法である。
本発明（１）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００１７】
そのように、本発明（１）においては、ＳＯＦＣの温度が高いときに粗改質ガスの分岐量を増やすが、その際、ＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増加して調整する。
【００１８】
本発明は、（２）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質器からの粗改質ガスを分岐し且つ前記燃料電池ユニットの近傍に該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、粗改質ガスの分岐量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させるとともに、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も減少させ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温度制御法である。本発明（２）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００１９】
そのように、本発明（２）においては、ＳＯＦＣの温度が低いときに、粗改質ガスの分岐量を減らすかゼロにするが、その際、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定になるように燃料供給量も減少させて調整する。
【００２０】
本発明は、（３）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、アノードオフガスの分岐量を増やして電池温度を低下させ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温度制御法である。
本発明（３）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００２１】
本発明は、（４）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、アノードオフガスの分岐量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させ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温度制御法である。
本発明（４）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００２２】
本発明は、（５）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、前記燃料改質器による水素製造量を増やして電池温度を低下させ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温度制御法である。
本発明（５）は本願分割出願に係る発明である。
【００２３】
本発明は、（６）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、前記燃料改質器による水素製造量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させ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温度制御法である。
本発明（６）は本願分割出願に係る発明である。
【００２４】
ここで、本発明（１）〜（６）の複合システムの運転温度制御法において、その運転に際しての“ＳＯＦＣユニットの温度”とは、ＳＯＦＣユニットの定格運転温度、つまりＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットを適正に作動、運転する上で必要な温度条件に対する、現実の運転時に計測されるＳＯＦＣユニットの温度を意味する。
【００２５】
より具体的には、本発明（１）〜（２）の複合システムの運転温度制御法を例すると、定格運転温度が例えば９５０℃±３０℃の場合、ＳＯＦＣユニットに配置した温度センサ等で計測される“ＳＯＦＣユニットの温度”がその上限温度９８０℃の近傍あるいはそれ以上となった時に粗改質ガスの分岐量を多くし、逆に、その下限温度９２０℃の近傍あるいはそれ以下となった時に粗改質ガスの分岐量を少なくする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の運転温度制御法によれば、ＳＯＦＣユニットへの空気供給量を変えることなく、独立にＳＯＦＣユニットの運転温度を制御することが可能であり、空気ブロワの消費エネルギーの増大を抑制するとともに、迅速にＳＯＦＣユニットの運転温度を制御することができる。また、本発明は、ＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットの運転温度の制御に主眼を置くものであるが、ＳＯＦＣシステム及び水素製造の双方に関わる発明であり、分散型発電、ホロニックシステムなどのエネルギー供給分野においても活用することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
前述のとおり、従来技術では、ＳＯＦＣシステムにおいて、ＳＯＦＣの運転温度の調整は、空気ブロワによる供給空気量の調整のみで行われ、運転温度を下げる場合には空気供給量を増加させて空気冷却し、逆に運転温度を上げる場合には空気供給量を減少させる。しかし、供給空気量で調整できる温度レベルは限られており、また、過剰の空気を導入する場合にはブロワの損失つまりエネルギー消費が増大してＳＯＦＣの効率低下に繋がってしまう。さらには、ＳＯＦＣシステムにおける熱交換システムは非常に熱容量の大きな熱交換システムであり、空気供給量の調整を行ってもその効果が電池運転温度に反映されるまでには相当のタイムラグを生じる。
【００２８】
ところで、ＳＯＦＣシステムにおいては、通常、空気利用率３０％程度の空気過剰の状態で運転される。図１に示すような構成の１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムを運転した場合における空気利用率と電池部到達最高温度の相関関係を図３に示している。なお、このケースでは、熱ロスを１０ｋＷとしている。
【００２９】
図３のとおり、ＳＯＦＣシステムでの空気利用率を１０％から６０％まで変化させることにより、電池温度を３５０℃程度変化させることができる。ＳＯＦＣは、その耐久性を担保するために、あまり高温で運転することはなく、通常は１０００℃程度以下で運転され、例えば７００〜１０００℃程度で運転される。従って、１００ｋＷ級ＳＯＦＣの場合には、空気利用率を１０％以下程度に下げて運転するか、空気利用率を上げる場合には、無駄に熱ロスを増加させて運転温度を低下させる等の対処が必要となる。
【００３０】
しかし、空気利用率を下げると、つまり空気供給量を増やすと、空気ブロワのエネルギー消費が増大し、システムとしての効率が低下し、また、熱ロスが増加するとＳＯＦＣシステム全体としての総合効率の低下に繋がる。
【００３１】
ＳＯＦＣの作動温度が例えば７００〜８００℃程度であると、アノードオフガス及びカソードオフガスはその程度の温度で排出される。オフガスを燃焼させれば、さらに高温の排ガスを得ることが可能であるが、通常は、発電時の自己発熱のみで作動温度が維持できるよう（熱自立と言う）な温度バランスで運転される。ＳＯＦＣシステムの温度バランスは発熱と放熱の比によって決定され、システムスケールが大きくなればなるほど熱自立性は高くなり、あるレベル以上のスケール、例えば出力１００ｋＷ程度では逆に冷却が必要になるほど熱余剰の状態となる。
【００３２】
ＳＯＦＣシステムにおいて、そのような余剰熱を利用する先行技術として特開２００１−２６６９２４号公報（以下“９２４号公報”と略記する）や特開２００２−３３４７１４号公報（以下“７１４号公報”と略記する）などがある。このうち９２４号公報では、その余剰熱を都市ガスの水蒸気改質用に利用して発電と同時に水素製造を行うとするもので、その概略を図４に示している。図４のとおり、都市ガスを予備改質器に通して粗改質ガスを生成した後、分岐し、一方はＳＯＦＣユニットに供給して発電し、他方はＳＯＦＣの余剰熱を熱源とする水蒸気改質器つまり水素製造装置に供給して水素を製造する。
【００３３】
また、７１４号公報においては、ＳＯＦＣからのアノードオフガスを精製して高純度水素を製造するもので、その概略を図５に示している。図５のとおり、都市ガスをＳＯＦＣユニットに供給して内部改質して発電し、ＳＯＦＣのアノードオフガスを浄化装置に通して純水素を製造する。浄化装置では、例えば、アノードオフガスをＣＯ変成器に通し、またこれに続きＣＯ2吸着剤層に通すことにより純水素を製造する。
【００３４】
【特許文献１】特開２００１−２６６９２４号公報
【特許文献２】特開２００２−３３４７１４号公報
【００３５】
これらの先行技術はＳＯＦＣユニットによる発電に際して水素を製造することに主眼を置いたものである。これに対して、本発明は、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムを備える複合システムを運転するに際して、ＳＯＦＣユニットすなわち電池部分の運転温度制御に主眼を置き、この観点からその運転時における負荷に対応した発電効率を一定に維持しつつ、ＳＯＦＣユニットの運転温度を制御し、併せて水素を製造するものである。
【００３６】
このように、本発明は、ＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットの運転温度を適正に制御することを主眼とする運転温度制御法であり、それに付随して水素を製造するものである。
【００３７】
以下、本発明（１）〜（６）の態様を順次説明する。これら本発明（１）〜（６）のうち、本発明（５）〜（６）が本願分割出願に係る発明であり、本発明（１）〜（４）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００３８】
〈本発明（１）〜（２）の態様〉
本発明（１）〜（２）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
本発明（１）〜（２）においては、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムを備えるとともに、前記予備改質器からの粗改質ガスを分岐し且つ前記燃料電池ユニットの近傍に該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造する複合システムを構成する。そして、その運転時に、ＳＯＦＣの運転温度に対応して粗改質ガスの分岐量を調整するとともに、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増減させる。
【００３９】
図６はその態様を説明する図である。図６のとおり、原燃料のの予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムである点については前述図１の構成と同じである。本発明（１）〜（２）においては、予備改質器からの粗改質ガスを分岐し、且つＳＯＦＣユニットの近傍に当該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造するようにする。粗改質ガスの分岐は具体的には、予備改質器からの粗改質ガス導管に分岐管を設ける。そして、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応して粗改質ガスの“分岐量”を調整し、且つ、燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増減させるものである。
【００４０】
ＳＯＦＣユニットにはＳＯＦＣの温度検出用のセンサ、例えば熱電対等を配置するが、図６中その記載は省略している。温度センサの配置箇所はＳＯＦＣユニットの適宜の箇所に配するが、好ましくは、その運転中最も高温となる箇所、例えばＳＯＦＣユニットの中央部に配置する。この点、後述〈本発明（３）〜（４）の態様〉、〈本発明（５）〜（６）の態様〉についても同じである。
【００４１】
そして、ＳＯＦＣの運転温度が高い場合には、粗改質ガスの分岐量を増加させることにより電池温度を低下させ、逆に、ＳＯＦＣの運転温度が低い場合には、粗改質ガスの分岐量を減少させるかゼロにすることにより電池温度を上昇させる。いずれの場合も、ＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定になるように供給燃料量を調整する。
【００４２】
すなわち、（ａ）ＳＯＦＣユニットの近傍に配置した改質器での改質反応は吸熱反応であるので、分岐した粗改質ガスを当該改質器で改質すると、その分吸熱反応によりＳＯＦＣの温度を低下させることができる。また、その際、（ｂ）粗改質ガスをＳＯＦＣユニットに供給する前に分岐することから、ＳＯＦＣユニットに供給される粗改質ガス量が少なくなってしまう。そこで、それを補うように原燃料の供給量を増加させ、ＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように制御する。
【００４３】
図７は、１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおいて、放熱量１０ｋＷの場合におけるＳＯＦＣユニットの負荷率と粗改質ガス分岐率との関係を示した図である。ここでＳＯＦＣユニットの定格運転温度が９５０℃の場合を示している。図７のとおり、粗改質ガスの分岐率を下げるに伴い、ＳＯＦＣの負荷率は漸次低下する。このことは、負荷率を低下させても、粗改質ガスの分岐量を調整することにより、低負荷の領域まで温度を一定に制御できることを示している。
【００４４】
なお、分岐した粗改質ガスはＳＯＦＣユニットの近傍に配置した改質器で改質するが、当該改質器での改質反応は吸熱反応であるので、これによってもＳＯＦＣユニットの運転温度を制御することになり、これに付随して改質ガスを製造することになる。なお、粗改質ガスには水蒸気が含まれているので、ＳＯＦＣユニットの近傍に配置した改質器に別途水蒸気を供給する必要はない。
【００４５】
改質器で得られた改質ガスについては、その中から水素を回収して利用することができる。改質ガスには、主成分であるＨ2のほか、ＣＯ、ＣＯ2、余剰水蒸気などが含まれているので、その成分のうちＣＯは例えばＣＯ変成器でのシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）により水素に変え、ＣＯ2はＣＯ2吸着剤により除去するなどにより処理し、高純度の水素を製造することができる。
【００４６】
〈本発明（３）〜（４）の態様〉
本発明（３）〜（４）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
本発明（３）〜（４）においては、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムを備え、且つ、ＳＯＦＣユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムを構成する。そして、その運転時に、ＳＯＦＣの運転温度をアノードオフガスの分岐量を調整することにより制御するものである。
【００４７】
前述図１のとおり、従来考えられるＳＯＦＣシステムにおいては、ＳＯＦＣユニットから排出されるアノードオフガスはオフガス燃焼器に供給してカソードオフガスで燃焼する。アノードオフガスはＳＯＦＣの温度と同程度の温度で排出されるが、本発明適用前では、アノードオフガスはその全部をオフガス燃焼器で燃焼するのでさらに高温となり、ＳＯＦＣユニットの温度上昇に繋がることになる。
【００４８】
そして、オフガス燃焼器での燃焼ガスは順次、熱交換器２→熱交換器４→熱交換器３→熱交換器１→気化器を経て排出されることから、その熱の全部がＳＯＦＣシステム及び予備改質システムで消費されることになり、これでは、ＳＯＦＣユニットの運転温度制御の観点からは制御する要素はないことになる。
【００４９】
そこで、本発明（３）〜（４）においては、ＳＯＦＣユニットから排出されるアノードオフガスを分岐してＳＯＦＣシステム外に取り出し、その分岐量を調整することにより、ＳＯＦＣシステムの運転温度を制御し、併せて、ＳＯＦＣシステム外に取り出したアノードオフガスから水素を製造するものである。図８はその態様を説明する図である。
【００５０】
図８のとおり、原燃料の予備改質システムとオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムである点については前述図１の構成と同様であるが、本発明（３）〜（４）においてはＳＯＦＣユニットからのアノードオフガスを分岐してＳＯＦＣシステム外に取り出すようにする。そして、その運転時に、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応してその分岐量を制御し、ＳＯＦＣシステム外に取り出したアノードオフガスからは水素を製造する。
【００５１】
具体的には、ＳＯＦＣユニットからオフガス燃焼器へのアノードオフガス導管に分岐管を設ける。そして、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応して、分岐管によるアノードオフガスの分岐量を制御する。すなわち、ＳＯＦＣユニットの運転温度が高い場合には、アノードオフガスの分岐量を増加させることにより電池温度（＝ＳＯＦＣユニットの温度）を低下させ、逆に、ＳＯＦＣユニットの運転温度が低い場合には、アノードオフガスの分岐量を減少させることにより電池温度を上昇させる。
【００５２】
ここで、アノードオフガスの分岐量を増加させるとその増加分だけアノードオフガス自体の熱の外部への取り出し量が多くなり、オフガス燃焼器での燃焼量も減じることになるので、その分電池温度を低下させることができる。逆に、アノードオフガスの分岐量を減少させるとその減少分だけアノードオフス自体の熱の外部への取り出し量が少なくなり、オフガス燃焼器での燃焼量も増えることになるので、その分電池温度を上昇させることができる。
【００５３】
また、本発明（３）〜（４）において、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量も増減させて調整することにより、ＳＯＦＣユニットの運転温度をより良好に制御することができる。本発明（３）においては、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を増加させ、本発明（４）においては、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を減少させる。
【００５４】
また、分岐してＳＯＦＣシステム外に取り出したアノードオフガスにはＳＯＦＣで未利用の水素、ＣＯのほか、電池反応で生成したＣＯ2や水蒸気が含まれているので、当該アノードオフガスから水素を製造する。図８には、分岐したアノードオフガスを順次、熱交換器５、気化器に通して水蒸気を凝縮、除去して水素を製造する場合を示しているが、それらの成分のうち、ＣＯは例えばＣＯ変成器でのシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）により水素に変え、ＣＯ2は吸着剤により除去するなど各種態様により水素を回収、製造することができる。
【００５５】
〈本発明（５）〜（６）の態様〉
本発明（５）〜（６）は本願分割出願に係る発明である。
本発明（５）〜（６）においては、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器をＳＯＦＣユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムを構成する。そして、その運転時に、ＳＯＦＣユニットの運転温度を改質器による水素製造量を増減することにより制御するものである。
【００５６】
図９はその態様を説明する図である。図９のとおり、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムである点については前述図１の構成と同様である。本発明（５）〜（６）においては、予備改質システムとは別系統の燃料改質器をＳＯＦＣユニットの近傍に配置し、その加熱源としてオフガス燃焼器の燃焼ガスを使用して水素を製造するようにする。そして、その運転時に、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応して当該別系統の燃料改質器による「水素製造量」を増減することによりＳＯＦＣユニットの運転温度を制御するものである。
【００５７】
具体的には、ＳＯＦＣユニットの近傍に配置した燃料改質器にオフガス燃焼器からの燃焼ガス導管を配置し、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応して燃料改質器での改質ガス製造量を制御する。すなわち、計測されるＳＯＦＣユニットの運転温度が高い場合には、改質器での改質ガス製造量を増加させることにより電池温度を低下させ、逆に、計測されるＳＯＦＣユニットの運転温度が低い場合には、燃料改質器での改質ガス製造量を減少させることにより電池温度を上昇させる。図９に示すとおり、ＳＯＦＣシステムの運転に際し、予備改質システムとは別系統の燃料改質器で製造される水素は、運転中のＳＯＦＣシステムの系外に取り出される。
【００５８】
運転中のＳＯＦＣ温度の計測については〈本発明（１）〜（２）の態様〉で述べたりとおりである。また、燃料改質器を経た燃焼ガスは順次、熱交換器２→熱交換器４→熱交換器３→熱交換器１→気化器を経て排出される。
【００５９】
また、本発明（５）〜（６）において、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量も増減させて調整する。これにより、ＳＯＦＣユニットの運転温度をより良好に制御することができる。計測されるＳＯＦＣユニットの運転温度が高い場合の制御である本発明（５）においては、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を減少させ、計測されるＳＯＦＣの運転温度が低い場合の制御である本発明（６）においては、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を増加させる。
【００６０】
燃料改質器で製造した改質ガスからは水素を回収する。改質ガスには主成分であるＨ2のほかＣＯや水蒸気が含まれているが、それらの成分のうち、ＣＯは例えばＣＯ変成器でのシフト反応により水素に変え、水蒸気は凝縮して分離するなど各種態様により水素を回収、製造することができる。
【００６１】
図１０は、１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおいて、放熱量１０ｋＷの場合におけるＳＯＦＣユニットの負荷率と水素製造量との関係を示した図である。ここでＳＯＦＣユニットの運転温度は９５０℃に固定している。図１０のとおり、ＳＯＦＣの負荷率を上げる（つまり発電量を増やす）に伴い、改質器での水素製造量を増やすことができる。この間、ＳＯＦＣでの発電量を増やすと発熱量も増加するが、その発熱量はオフガス燃焼器からの燃焼ガスを介して改質器での水素製造の際の吸熱反応により消費される。このことは、ＳＯＦＣユニットの出力を全負荷からターンダウンしても、つまりＳＯＦＣユニットの出力を少なくしても、水素製造量を調整することにより、運転温度を一定に制御できることを示している。
【００６２】
以上都市ガスを例に説明したが、本発明における原燃料、また予備改質システムとは別系統の改質器で改質する燃料としては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素系気体燃料、これらの二種以上の混合ガス、天然ガス、石油ガス、石炭ガス、発生炉ガス、水性ガス、高炉ガス、石油分解ガスなどの気体燃料、ガソリン、軽油、灯油、ディーゼル油などの炭化水素系液体燃料、ジメチルエーテルなどのエーテル系液体燃料、メタノールやエタノールなどのアルコール系液体燃料、各種有機性廃棄物のメタン発酵や木材チップなどのガス化により得られるバイオマス燃料のほか、それら気体燃料、液体燃料の二種以上の混合燃料、すなわち二種以上の気体燃料の混合燃料、ガソリンとエタノールの混合物などの二種以上の液体燃料の混合燃料、少なくとも一種の気体燃料と少なくとも一種の液体燃料の混合燃料なども用いられる。
【００６３】
また、ＳＯＦＣには平板積層型、円筒型、その他各種形式があるが、本発明はそれいずれの形式のＳＯＦＣにも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】従来考えられている、原燃料の予備改質器（プリリフォーマ）を併置した１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステム及びその熱交換構成の態様を示す図
【図２】通常の改質器を説明する図
【図３】図１に示すようなＳＯＦＣシステムを運転した場合における空気利用率と電池到達最高温度の相関関係を示す図
【図４】ＳＯＦＣシステムの余剰熱を利用する先行技術（９２４号公報）を示す図
【図５】ＳＯＦＣシステムの余剰熱を利用する先行技術（７１４号公報）を示す図
【図６】本発明（１）〜（２）（参考発明）の態様を説明する図
【図７】１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットの負荷率と粗改質ガス分岐率との関係を示した図
【図８】本発明（３）〜（４）（参考発明）の態様を説明する図
【図９】本発明（５）〜（６）の態様を説明する図
【図１０】１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットの負荷率と水素製造量との関係を示した図
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池（以下、適宜“ＳＯＦＣ”と略称する）の運転温度制御法に関し、より具体的には、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムとＳＯＦＣユニットの余剰熱を利用する水素製造システムを含む複合システムにおけるＳＯＦＣシステムの運転温度を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣの余剰熱を利用する水素製造システムが開発されつつある。ＳＯＦＣは７００〜１０００℃程度という高温で運転されるが、その発電性能が運転温度に大きく影響されるために、性能をきちんと引き出すためには、その運転温度を所定温度に制御する必要がある。運転温度が低い場合にはＳＯＦＣセルの性能が低下し、運転温度が高い場合にはＳＯＦＣセルの劣化、耐久性が問題となる。
【０００３】
図１は、従来考えられている、原燃料の予備改質器（プリリフォーマ）を併置した出力１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステム及びその熱交換構成の態様を示す図で、都市ガスを原燃料とする場合を例にしている。原燃料に硫黄化合物が含まれていると改質触媒が被毒し性能劣化を来たすので、図１中脱硫器として示すように硫黄化合物は予め除去される。
【０００４】
脱硫済みの原燃料は、熱交換器１を経て予備改質器に導入され、別途設けられた水蒸気発生器からの水蒸気を供給して粗改質ガスを生成し、熱交換器２に導入される。粗改質ガスは、熱交換器２においてオフガス燃焼器からの燃焼ガスにより加熱され、ＳＯＦＣスタック、ＳＯＦＣモジュール、あるいはＳＯＦＣバンドルのアノード（より詳しくは、それらＳＯＦＣスタック、ＳＯＦＣモジュール、あるいはＳＯＦＣバンドルを構成する各セルのアノード）に供給される。本明細書、図面中、それらＳＯＦＣスタック、ＳＯＦＣモジュール、ＳＯＦＣバンドル、その他ＳＯＦＣの各種構造体を含めて「ＳＯＦＣユニット」と称している。
【０００５】
一方、ＳＯＦＣユニットにはブロワ（＝送風機）を介して空気を供給する。ブロワを経た空気は、順次熱交換器３、４で予熱され、ＳＯＦＣユニットのカソード（より詳しくは、ＳＯＦＣユニットを構成する各セルのカソード）に供給される。ＳＯＦＣユニットから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスをオフガス燃焼器で燃焼する。そして、その燃焼ガスを熱交換器２、４、３を経て熱交換器１に通すことにより、予備改質器に供給する原燃料を加熱し、さらに気化器に通して水を加熱して水蒸気を発生させる。
【０００６】
以上の機器のうち、ＳＯＦＣユニット、オフガス燃焼器、熱交換器２、４、それらを結ぶ配管系によりＳＯＦＣシステムを構成しており、それらの機器、配管系は通常断熱容器中に配置される。また、脱硫器、熱交換器１、３、予備改質器、気化器、それらを結ぶ配管系により予備改質システムを構成している。予備改質システムの温度は、ＳＯＦＣシステムの温度よりも低いが、なお高温であるので、それらの機器、配管系は必要に応じて断熱容器中に配置される。
【０００７】
ここで、ＳＯＦＣにおいては水素のほか、メタン（メタンはＳＯＦＣのアノードでの内部改質により水素となる）及びＣＯも燃料となる。このため、ＳＯＦＣ用の燃料としては炭素数２（Ｃ２）以上の炭化水素が改質されていればよく、水素を主成分とする改質ガスにまで改質する必要はない。このためＳＯＦＣ用燃料の改質には予備改質器が用いられ、これによりＣ２以上の炭化水素がメタン、水素、ＣＯ等に変えられる。
【０００８】
なお、メタンをも改質してＳＯＦＣユニットに供給してもよく、この場合には予備改質器ではなく、改質器と言うことになるが、後述本発明（１）〜（６）においては、そのうち予備改質器を配置することを前提とし、本発明（３）〜（６）では予備改質器に加え、別系統の水素製造用の改質器を配置するものである。本明細書中、予備改質器で生成した改質ガスを適宜“粗改質ガス”と称し、予備水蒸気改質器、水蒸気改質器をそれぞれ予備改質器、改質器とも称している。
それら本発明（１）〜（６）のうち、本発明（５）〜（６）が本願分割出願に係る発明であり、本発明（１）〜（４）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【０００９】
図２は通常の改質器を説明する図で、概略、バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部と改質触媒を配置した改質部により構成される。改質器には例えばアルミナ等の担体にＮｉ、Ｒｕ等の金属を担持した改質触媒が充填される。改質部では炭化水素やアルコール類が水蒸気と反応して水素リッチの改質ガスが生成される。
【００１０】
改質部で起こる改質反応は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要であり、６００℃以上、特に７００〜８００℃程度の温度が必要である。そのため燃焼部で発生する燃焼熱により加熱する。これを図１に示す態様を例に言えば、オフガス燃焼器→熱交換器２→熱交換器４→熱交換器３を経て熱交換器１に導入される燃焼ガスが、図２における「バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部」の役割をすることになる。
【００１１】
予備改質器においては、上述改質器の場合と同様、水蒸気改質法により原燃料を改質して水素リッチでＣＯ、メタンを含む粗改質ガスを生成する。図１のとおり、予備改質器で生成した粗改質ガスを熱交換器２で加熱してＳＯＦＣユニットにおける各セルのアノードに供給する。なお、本明細書、図面では予備改質器での予備改質前の燃料を適宜“原燃料”と称している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、ＳＯＦＣの運転温度の調整は、通常、ブロワにより供給空気量を調整する方法がとられる。ＳＯＦＣの温度が高い場合には空気量を増加して空冷し、ＳＯＦＣの温度が低い場合には空気量を減少させてＳＯＦＣの温度を上昇するような制御がとられる。
【００１３】
しかし、空気供給量で調整できる温度レベルは限られており、また過剰の空気を導入する場合にはブロワでの消費エネルギーが増大してＳＯＦＣのシステム効率の低下に繋がってしまう。さらには、ＳＯＦＣの熱交換システムは非常に熱容量の大きい熱交換システムであり、空気供給量の調整を行っても応答時間が遅く、その効果を電池運転温度すなわち運転中のＳＯＦＣユニットにおける電池部分の温度に反映させるまでには相当のタイムラグを生じる。
【００１４】
一方、ＳＯＦＣの余剰熱を利用して水素を製造するシステムが幾つか提案されているが、それらのシステムはあくまでも単にＳＯＦＣの余剰熱を効果的に利用して水素を製造することに主眼を置いたものであり、特に電池部分の温度コントロールを行うことについては言及されていない。
【００１５】
本発明は、それとは逆に、ＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットすなわち電池部分の運転温度コントロールに主眼を置き、その運転時の負荷（＝発電量）に対応したＳＯＦＣユニットにおける発電効率を一定に維持しつつ、ＳＯＦＣシステムにおける電池部分の運転温度を制御する方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、（１）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質器からの粗改質ガスを分岐し且つ前記燃料電池ユニットの近傍に該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、粗改質ガスの分岐量を増やして電池温度を低下させるとともに、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増加させ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温度制御法である。
本発明（１）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００１７】
そのように、本発明（１）においては、ＳＯＦＣの温度が高いときに粗改質ガスの分岐量を増やすが、その際、ＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増加して調整する。
【００１８】
本発明は、（２）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質器からの粗改質ガスを分岐し且つ前記燃料電池ユニットの近傍に該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、粗改質ガスの分岐量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させるとともに、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も減少させ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温度制御法である。本発明（２）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００１９】
そのように、本発明（２）においては、ＳＯＦＣの温度が低いときに、粗改質ガスの分岐量を減らすかゼロにするが、その際、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定になるように燃料供給量も減少させて調整する。
【００２０】
本発明は、（３）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、アノードオフガスの分岐量を増やして電池温度を低下させ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温度制御法である。
本発明（３）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００２１】
本発明は、（４）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、アノードオフガスの分岐量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させ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温度制御法である。
本発明（４）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００２２】
本発明は、（５）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、前記燃料改質器による水素製造量を増やして電池温度を低下させ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温度制御法である。
本発明（５）は本願分割出願に係る発明である。
【００２３】
本発明は、（６）原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、前記燃料改質器による水素製造量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させ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温度制御法である。
本発明（６）は本願分割出願に係る発明である。
【００２４】
ここで、本発明（１）〜（６）の複合システムの運転温度制御法において、その運転に際しての“ＳＯＦＣユニットの温度”とは、ＳＯＦＣユニットの定格運転温度、つまりＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットを適正に作動、運転する上で必要な温度条件に対する、現実の運転時に計測されるＳＯＦＣユニットの温度を意味する。
【００２５】
より具体的には、本発明（１）〜（２）の複合システムの運転温度制御法を例すると、定格運転温度が例えば９５０℃±３０℃の場合、ＳＯＦＣユニットに配置した温度センサ等で計測される“ＳＯＦＣユニットの温度”がその上限温度９８０℃の近傍あるいはそれ以上となった時に粗改質ガスの分岐量を多くし、逆に、その下限温度９２０℃の近傍あるいはそれ以下となった時に粗改質ガスの分岐量を少なくする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の運転温度制御法によれば、ＳＯＦＣユニットへの空気供給量を変えることなく、独立にＳＯＦＣユニットの運転温度を制御することが可能であり、空気ブロワの消費エネルギーの増大を抑制するとともに、迅速にＳＯＦＣユニットの運転温度を制御することができる。また、本発明は、ＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットの運転温度の制御に主眼を置くものであるが、ＳＯＦＣシステム及び水素製造の双方に関わる発明であり、分散型発電、ホロニックシステムなどのエネルギー供給分野においても活用することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
前述のとおり、従来技術では、ＳＯＦＣシステムにおいて、ＳＯＦＣの運転温度の調整は、空気ブロワによる供給空気量の調整のみで行われ、運転温度を下げる場合には空気供給量を増加させて空気冷却し、逆に運転温度を上げる場合には空気供給量を減少させる。しかし、供給空気量で調整できる温度レベルは限られており、また、過剰の空気を導入する場合にはブロワの損失つまりエネルギー消費が増大してＳＯＦＣの効率低下に繋がってしまう。さらには、ＳＯＦＣシステムにおける熱交換システムは非常に熱容量の大きな熱交換システムであり、空気供給量の調整を行ってもその効果が電池運転温度に反映されるまでには相当のタイムラグを生じる。
【００２８】
ところで、ＳＯＦＣシステムにおいては、通常、空気利用率３０％程度の空気過剰の状態で運転される。図１に示すような構成の１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムを運転した場合における空気利用率と電池部到達最高温度の相関関係を図３に示している。なお、このケースでは、熱ロスを１０ｋＷとしている。
【００２９】
図３のとおり、ＳＯＦＣシステムでの空気利用率を１０％から６０％まで変化させることにより、電池温度を３５０℃程度変化させることができる。ＳＯＦＣは、その耐久性を担保するために、あまり高温で運転することはなく、通常は１０００℃程度以下で運転され、例えば７００〜１０００℃程度で運転される。従って、１００ｋＷ級ＳＯＦＣの場合には、空気利用率を１０％以下程度に下げて運転するか、空気利用率を上げる場合には、無駄に熱ロスを増加させて運転温度を低下させる等の対処が必要となる。
【００３０】
しかし、空気利用率を下げると、つまり空気供給量を増やすと、空気ブロワのエネルギー消費が増大し、システムとしての効率が低下し、また、熱ロスが増加するとＳＯＦＣシステム全体としての総合効率の低下に繋がる。
【００３１】
ＳＯＦＣの作動温度が例えば７００〜８００℃程度であると、アノードオフガス及びカソードオフガスはその程度の温度で排出される。オフガスを燃焼させれば、さらに高温の排ガスを得ることが可能であるが、通常は、発電時の自己発熱のみで作動温度が維持できるよう（熱自立と言う）な温度バランスで運転される。ＳＯＦＣシステムの温度バランスは発熱と放熱の比によって決定され、システムスケールが大きくなればなるほど熱自立性は高くなり、あるレベル以上のスケール、例えば出力１００ｋＷ程度では逆に冷却が必要になるほど熱余剰の状態となる。
【００３２】
ＳＯＦＣシステムにおいて、そのような余剰熱を利用する先行技術として特開２００１−２６６９２４号公報（以下“９２４号公報”と略記する）や特開２００２−３３４７１４号公報（以下“７１４号公報”と略記する）などがある。このうち９２４号公報では、その余剰熱を都市ガスの水蒸気改質用に利用して発電と同時に水素製造を行うとするもので、その概略を図４に示している。図４のとおり、都市ガスを予備改質器に通して粗改質ガスを生成した後、分岐し、一方はＳＯＦＣユニットに供給して発電し、他方はＳＯＦＣの余剰熱を熱源とする水蒸気改質器つまり水素製造装置に供給して水素を製造する。
【００３３】
また、７１４号公報においては、ＳＯＦＣからのアノードオフガスを精製して高純度水素を製造するもので、その概略を図５に示している。図５のとおり、都市ガスをＳＯＦＣユニットに供給して内部改質して発電し、ＳＯＦＣのアノードオフガスを浄化装置に通して純水素を製造する。浄化装置では、例えば、アノードオフガスをＣＯ変成器に通し、またこれに続きＣＯ2吸着剤層に通すことにより純水素を製造する。
【００３４】
【特許文献１】特開２００１−２６６９２４号公報
【特許文献２】特開２００２−３３４７１４号公報
【００３５】
これらの先行技術はＳＯＦＣユニットによる発電に際して水素を製造することに主眼を置いたものである。これに対して、本発明は、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムを備える複合システムを運転するに際して、ＳＯＦＣユニットすなわち電池部分の運転温度制御に主眼を置き、この観点からその運転時における負荷に対応した発電効率を一定に維持しつつ、ＳＯＦＣユニットの運転温度を制御し、併せて水素を製造するものである。
【００３６】
このように、本発明は、ＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットの運転温度を適正に制御することを主眼とする運転温度制御法であり、それに付随して水素を製造するものである。
【００３７】
以下、本発明（１）〜（６）の態様を順次説明する。これら本発明（１）〜（６）のうち、本発明（５）〜（６）が本願分割出願に係る発明であり、本発明（１）〜（４）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
【００３８】
〈本発明（１）〜（２）の態様〉
本発明（１）〜（２）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
本発明（１）〜（２）においては、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムを備えるとともに、前記予備改質器からの粗改質ガスを分岐し且つ前記燃料電池ユニットの近傍に該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造する複合システムを構成する。そして、その運転時に、ＳＯＦＣの運転温度に対応して粗改質ガスの分岐量を調整するとともに、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増減させる。
【００３９】
図６はその態様を説明する図である。図６のとおり、原燃料のの予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムである点については前述図１の構成と同じである。本発明（１）〜（２）においては、予備改質器からの粗改質ガスを分岐し、且つＳＯＦＣユニットの近傍に当該粗改質ガスの改質器を配置して水素を製造するようにする。粗改質ガスの分岐は具体的には、予備改質器からの粗改質ガス導管に分岐管を設ける。そして、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応して粗改質ガスの“分岐量”を調整し、且つ、燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増減させるものである。
【００４０】
ＳＯＦＣユニットにはＳＯＦＣの温度検出用のセンサ、例えば熱電対等を配置するが、図６中その記載は省略している。温度センサの配置箇所はＳＯＦＣユニットの適宜の箇所に配するが、好ましくは、その運転中最も高温となる箇所、例えばＳＯＦＣユニットの中央部に配置する。この点、後述〈本発明（３）〜（４）の態様〉、〈本発明（５）〜（６）の態様〉についても同じである。
【００４１】
そして、ＳＯＦＣの運転温度が高い場合には、粗改質ガスの分岐量を増加させることにより電池温度を低下させ、逆に、ＳＯＦＣの運転温度が低い場合には、粗改質ガスの分岐量を減少させるかゼロにすることにより電池温度を上昇させる。いずれの場合も、ＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定になるように供給燃料量を調整する。
【００４２】
すなわち、（ａ）ＳＯＦＣユニットの近傍に配置した改質器での改質反応は吸熱反応であるので、分岐した粗改質ガスを当該改質器で改質すると、その分吸熱反応によりＳＯＦＣの温度を低下させることができる。また、その際、（ｂ）粗改質ガスをＳＯＦＣユニットに供給する前に分岐することから、ＳＯＦＣユニットに供給される粗改質ガス量が少なくなってしまう。そこで、それを補うように原燃料の供給量を増加させ、ＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように制御する。
【００４３】
図７は、１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおいて、放熱量１０ｋＷの場合におけるＳＯＦＣユニットの負荷率と粗改質ガス分岐率との関係を示した図である。ここでＳＯＦＣユニットの定格運転温度が９５０℃の場合を示している。図７のとおり、粗改質ガスの分岐率を下げるに伴い、ＳＯＦＣの負荷率は漸次低下する。このことは、負荷率を低下させても、粗改質ガスの分岐量を調整することにより、低負荷の領域まで温度を一定に制御できることを示している。
【００４４】
なお、分岐した粗改質ガスはＳＯＦＣユニットの近傍に配置した改質器で改質するが、当該改質器での改質反応は吸熱反応であるので、これによってもＳＯＦＣユニットの運転温度を制御することになり、これに付随して改質ガスを製造することになる。なお、粗改質ガスには水蒸気が含まれているので、ＳＯＦＣユニットの近傍に配置した改質器に別途水蒸気を供給する必要はない。
【００４５】
改質器で得られた改質ガスについては、その中から水素を回収して利用することができる。改質ガスには、主成分であるＨ2のほか、ＣＯ、ＣＯ2、余剰水蒸気などが含まれているので、その成分のうちＣＯは例えばＣＯ変成器でのシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）により水素に変え、ＣＯ2はＣＯ2吸着剤により除去するなどにより処理し、高純度の水素を製造することができる。
【００４６】
〈本発明（３）〜（４）の態様〉
本発明（３）〜（４）は本願分割出願に係る発明に対する参考発明である。
本発明（３）〜（４）においては、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムを備え、且つ、ＳＯＦＣユニットからのアノードオフガスを分岐して水素を製造する複合システムを構成する。そして、その運転時に、ＳＯＦＣの運転温度をアノードオフガスの分岐量を調整することにより制御するものである。
【００４７】
前述図１のとおり、従来考えられるＳＯＦＣシステムにおいては、ＳＯＦＣユニットから排出されるアノードオフガスはオフガス燃焼器に供給してカソードオフガスで燃焼する。アノードオフガスはＳＯＦＣの温度と同程度の温度で排出されるが、本発明適用前では、アノードオフガスはその全部をオフガス燃焼器で燃焼するのでさらに高温となり、ＳＯＦＣユニットの温度上昇に繋がることになる。
【００４８】
そして、オフガス燃焼器での燃焼ガスは順次、熱交換器２→熱交換器４→熱交換器３→熱交換器１→気化器を経て排出されることから、その熱の全部がＳＯＦＣシステム及び予備改質システムで消費されることになり、これでは、ＳＯＦＣユニットの運転温度制御の観点からは制御する要素はないことになる。
【００４９】
そこで、本発明（３）〜（４）においては、ＳＯＦＣユニットから排出されるアノードオフガスを分岐してＳＯＦＣシステム外に取り出し、その分岐量を調整することにより、ＳＯＦＣシステムの運転温度を制御し、併せて、ＳＯＦＣシステム外に取り出したアノードオフガスから水素を製造するものである。図８はその態様を説明する図である。
【００５０】
図８のとおり、原燃料の予備改質システムとオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムである点については前述図１の構成と同様であるが、本発明（３）〜（４）においてはＳＯＦＣユニットからのアノードオフガスを分岐してＳＯＦＣシステム外に取り出すようにする。そして、その運転時に、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応してその分岐量を制御し、ＳＯＦＣシステム外に取り出したアノードオフガスからは水素を製造する。
【００５１】
具体的には、ＳＯＦＣユニットからオフガス燃焼器へのアノードオフガス導管に分岐管を設ける。そして、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応して、分岐管によるアノードオフガスの分岐量を制御する。すなわち、ＳＯＦＣユニットの運転温度が高い場合には、アノードオフガスの分岐量を増加させることにより電池温度（＝ＳＯＦＣユニットの温度）を低下させ、逆に、ＳＯＦＣユニットの運転温度が低い場合には、アノードオフガスの分岐量を減少させることにより電池温度を上昇させる。
【００５２】
ここで、アノードオフガスの分岐量を増加させるとその増加分だけアノードオフガス自体の熱の外部への取り出し量が多くなり、オフガス燃焼器での燃焼量も減じることになるので、その分電池温度を低下させることができる。逆に、アノードオフガスの分岐量を減少させるとその減少分だけアノードオフス自体の熱の外部への取り出し量が少なくなり、オフガス燃焼器での燃焼量も増えることになるので、その分電池温度を上昇させることができる。
【００５３】
また、本発明（３）〜（４）において、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量も増減させて調整することにより、ＳＯＦＣユニットの運転温度をより良好に制御することができる。本発明（３）においては、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を増加させ、本発明（４）においては、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を減少させる。
【００５４】
また、分岐してＳＯＦＣシステム外に取り出したアノードオフガスにはＳＯＦＣで未利用の水素、ＣＯのほか、電池反応で生成したＣＯ2や水蒸気が含まれているので、当該アノードオフガスから水素を製造する。図８には、分岐したアノードオフガスを順次、熱交換器５、気化器に通して水蒸気を凝縮、除去して水素を製造する場合を示しているが、それらの成分のうち、ＣＯは例えばＣＯ変成器でのシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）により水素に変え、ＣＯ2は吸着剤により除去するなど各種態様により水素を回収、製造することができる。
【００５５】
〈本発明（５）〜（６）の態様〉
本発明（５）〜（６）は本願分割出願に係る発明である。
本発明（５）〜（６）においては、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器をＳＯＦＣユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムを構成する。そして、その運転時に、ＳＯＦＣユニットの運転温度を改質器による水素製造量を増減することにより制御するものである。
【００５６】
図９はその態様を説明する図である。図９のとおり、原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとＳＯＦＣユニット及びオフガス燃焼器を含むＳＯＦＣシステムである点については前述図１の構成と同様である。本発明（５）〜（６）においては、予備改質システムとは別系統の燃料改質器をＳＯＦＣユニットの近傍に配置し、その加熱源としてオフガス燃焼器の燃焼ガスを使用して水素を製造するようにする。そして、その運転時に、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応して当該別系統の燃料改質器による「水素製造量」を増減することによりＳＯＦＣユニットの運転温度を制御するものである。
【００５７】
具体的には、ＳＯＦＣユニットの近傍に配置した燃料改質器にオフガス燃焼器からの燃焼ガス導管を配置し、ＳＯＦＣユニットの運転温度に対応して燃料改質器での改質ガス製造量を制御する。すなわち、計測されるＳＯＦＣユニットの運転温度が高い場合には、改質器での改質ガス製造量を増加させることにより電池温度を低下させ、逆に、計測されるＳＯＦＣユニットの運転温度が低い場合には、燃料改質器での改質ガス製造量を減少させることにより電池温度を上昇させる。図９に示すとおり、ＳＯＦＣシステムの運転に際し、予備改質システムとは別系統の燃料改質器で製造される水素は、運転中のＳＯＦＣシステムの系外に取り出される。
【００５８】
運転中のＳＯＦＣ温度の計測については〈本発明（１）〜（２）の態様〉で述べたりとおりである。また、燃料改質器を経た燃焼ガスは順次、熱交換器２→熱交換器４→熱交換器３→熱交換器１→気化器を経て排出される。
【００５９】
また、本発明（５）〜（６）において、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量も増減させて調整する。これにより、ＳＯＦＣユニットの運転温度をより良好に制御することができる。計測されるＳＯＦＣユニットの運転温度が高い場合の制御である本発明（５）においては、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣユニットにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を減少させ、計測されるＳＯＦＣの運転温度が低い場合の制御である本発明（６）においては、ＳＯＦＣシステム中のＳＯＦＣにおける燃料利用率が一定になるように原燃料の供給量を増加させる。
【００６０】
燃料改質器で製造した改質ガスからは水素を回収する。改質ガスには主成分であるＨ2のほかＣＯや水蒸気が含まれているが、それらの成分のうち、ＣＯは例えばＣＯ変成器でのシフト反応により水素に変え、水蒸気は凝縮して分離するなど各種態様により水素を回収、製造することができる。
【００６１】
図１０は、１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおいて、放熱量１０ｋＷの場合におけるＳＯＦＣユニットの負荷率と水素製造量との関係を示した図である。ここでＳＯＦＣユニットの運転温度は９５０℃に固定している。図１０のとおり、ＳＯＦＣの負荷率を上げる（つまり発電量を増やす）に伴い、改質器での水素製造量を増やすことができる。この間、ＳＯＦＣでの発電量を増やすと発熱量も増加するが、その発熱量はオフガス燃焼器からの燃焼ガスを介して改質器での水素製造の際の吸熱反応により消費される。このことは、ＳＯＦＣユニットの出力を全負荷からターンダウンしても、つまりＳＯＦＣユニットの出力を少なくしても、水素製造量を調整することにより、運転温度を一定に制御できることを示している。
【００６２】
以上都市ガスを例に説明したが、本発明における原燃料、また予備改質システムとは別系統の改質器で改質する燃料としては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素系気体燃料、これらの二種以上の混合ガス、天然ガス、石油ガス、石炭ガス、発生炉ガス、水性ガス、高炉ガス、石油分解ガスなどの気体燃料、ガソリン、軽油、灯油、ディーゼル油などの炭化水素系液体燃料、ジメチルエーテルなどのエーテル系液体燃料、メタノールやエタノールなどのアルコール系液体燃料、各種有機性廃棄物のメタン発酵や木材チップなどのガス化により得られるバイオマス燃料のほか、それら気体燃料、液体燃料の二種以上の混合燃料、すなわち二種以上の気体燃料の混合燃料、ガソリンとエタノールの混合物などの二種以上の液体燃料の混合燃料、少なくとも一種の気体燃料と少なくとも一種の液体燃料の混合燃料なども用いられる。
【００６３】
また、ＳＯＦＣには平板積層型、円筒型、その他各種形式があるが、本発明はそれいずれの形式のＳＯＦＣにも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】従来考えられている、原燃料の予備改質器（プリリフォーマ）を併置した１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステム及びその熱交換構成の態様を示す図
【図２】通常の改質器を説明する図
【図３】図１に示すようなＳＯＦＣシステムを運転した場合における空気利用率と電池到達最高温度の相関関係を示す図
【図４】ＳＯＦＣシステムの余剰熱を利用する先行技術（９２４号公報）を示す図
【図５】ＳＯＦＣシステムの余剰熱を利用する先行技術（７１４号公報）を示す図
【図６】本発明（１）〜（２）（参考発明）の態様を説明する図
【図７】１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットの負荷率と粗改質ガス分岐率との関係を示した図
【図８】本発明（３）〜（４）（参考発明）の態様を説明する図
【図９】本発明（５）〜（６）の態様を説明する図
【図１０】１００ｋＷ級のＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣユニットの負荷率と水素製造量との関係を示した図
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、前記燃料改質器による水素製造量を増やして電池温度を低下させ、前記別系統の燃料改質器で製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出す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温度制御法。
【請求項２】
原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、前記燃料改質器による水素製造量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させ、前記別系統の燃料改質器で製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出す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温度制御法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法において、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増減させて調整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温度制御法。
【請求項１】
原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が高いときに、前記燃料改質器による水素製造量を増やして電池温度を低下させ、前記別系統の燃料改質器で製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出す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温度制御法。
【請求項２】
原燃料の予備改質器を含む予備改質システムと固体酸化物形燃料電池ユニット及びオフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムを備えるとともに、前記予備改質システムとは別系統の燃料改質器を前記燃料電池ユニットの近傍に配置して水素を製造する複合システムにおいて、その運転に際し、前記燃料電池ユニットの温度が低いときに、前記燃料改質器による水素製造量を減らすかゼロにして電池温度を上昇させ、前記別系統の燃料改質器で製造される水素は、運転中の前記固体酸化物形燃料電池システムの系外に取り出す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温度制御法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転温度制御法において、前記燃料電池ユニットにおける燃料利用率が一定となるように供給燃料量も増減させて調整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温度制御法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１６０４６８（Ｐ２０１２−１６０４６８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９２５３７（Ｐ２０１２−９２５３７）
【出願日】平成２４年４月１４日（２０１２．４．１４）
【分割の表示】特願２００７−１９６７６０（Ｐ２００７−１９６７６０）の分割
【原出願日】平成１９年７月２７日（２００７．７．２７）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月１４日（２０１２．４．１４）
【分割の表示】特願２００７−１９６７６０（Ｐ２００７−１９６７６０）の分割
【原出願日】平成１９年７月２７日（２００７．７．２７）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
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