説明

固体酸化物形燃料電池システム

【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。

【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‐ZrO)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(LaMnO)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】

【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

【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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2009−104884(P2009−104884A)
【公開日】平成21年5月14日(2009.5.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−275190(P2007−275190)
【出願日】平成19年10月23日(2007.10.23)
【出願人】(000186913)昭和シェル石油株式会社 (322)
【Fターム(参考)】