JP2006031989A - 固体酸化物形燃料電池による発電方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池の燃料利用率を高め、発電効率を向上させてなる固体酸化物形燃料電池による発電方法及び発電システムを得る。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気、あるいは水蒸気と二酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、その再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として利用して固体酸化物形燃料電池における燃料利用率を改善することを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電方法及び発電システム。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池による発電方法及びシステムに関し、より詳しくは固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善し、発電効率を向上させてなる発電方法及び発電システムに関する。

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下適宜ＳＯＦＣと略称する）は、固体電解質として酸化物イオン（Ｏ^2-）導電体を用いる点に特徴を有するもので、固体電解質を挟んでアノード（燃料極）とカソード（空気極または酸素極）の両電極を配置して構成される。ＳＯＦＣは、一般的には、作動温度が８００〜１０００℃程度と高いが、６００〜８００℃程度、例えば７５０℃程度の作動温度のものも開発されつつある。以下、カソードに空気を供給する場合を例に説明するが、酸化剤ガスとして酸素富化空気や酸素を供給する場合も同様である。

ＳＯＦＣでは、その運転時に、アノード側に燃料を供給し、カソード側に空気を供給して電気化学反応を起こさせることで電力が取り出される。空気供給管から供給される空気中の酸素はカソードで酸化物イオン（Ｏ^2-）となり、電解質膜を通ってアノードに至る。ここで燃料供給管から供給される燃料と反応して電子を放出し、電気と反応生成物（Ｈ₂ＯやＣＯ₂）を生成する。

ＳＯＦＣにおいては、水素と一酸化炭素が燃料となるが、メタンはアノードの構成成分である金属、例えばニッケルの触媒作用により水蒸気改質されて水素と一酸化炭素になるので、アノードへ導入する燃料としては水素燃料のほか、水素及び一酸化炭素を含む燃料、あるいは水素、一酸化炭素及びメタンを含む燃料が利用される。

ＳＯＦＣにおいて、原燃料（本明細書中、予備改質前の燃料を適宜原燃料という）として炭化水素を利用する場合、その予備改質により得られた水素、一酸化炭素及びメタンが電気化学反応に寄与する（なお、メタンについては、ＳＯＦＣのアノードで改質されて電気化学反応に利用される）。ＳＯＦＣにおいては、アノードに供給された燃料は、通常、その８０〜８５％程度が利用され、残りの２０〜１５％は未利用のままセルスタック外に排出される。その際、その未利用のままのガスはそのまま放出するのではなく、熱回収のために燃焼して燃料や空気の予熱に利用される。

そのように、ＳＯＦＣは通常燃料利用率８０〜８５％程度で運転されるが、これは、燃料利用率をこれ以上高めると、燃料枯れが起こって電池の電位が落ち、発電効率が低下するからである。このため、ＳＯＦＣの課題の一つは、燃料利用率が高く設定できないということにある。ＳＯＦＣに供給する燃料は、理論的には９５％程度までは十分利用可能であるが、実際には、燃料の若干のリークや電極内部の拡散律速などの問題があり、高々８０％程度利用できるのが現状である。

このため、アノードオフガスとして排出される残り約２０％の燃料は燃焼し、ＳＯＦＣに供給する燃料や空気の予熱などによるＳＯＦＣの熱自立のため、あるいはコージェネレーションシステムなどでの熱源に利用されるのみである（特開２００１−２６６９２４号公報、特開２００２−５６８７５号公報）。また、特開２００４−６２８１号公報には、特開２００２−５６８７５号公報のように温水を利用する技術では、電力及び温水が均等に使用されることは少なく、電力だけを使用して温水を使用しない場合や温水だけを使用して電力を使用しない場合も多いとし、発電の過程で生成される排水素を温水生成に利用したり、電力生成に利用することが可能なエネルギ生成装置が提案されている。

特開２００１−２６６９２４号公報 特開２００２−５６８７５号公報 特開２００４−６２８１号公報

図１は、ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスを燃料及び空気の予熱に加え、コージェネレーションシステムなどにおける給湯システムに利用する従来のＳＯＦＣシステムを示している。図１のとおり、都市ガス等の原燃料は、昇圧機、脱硫器を経て予備改質器に供給される。ここで、ＳＯＦＣにおいては、水素及び一酸化炭素のほか、メタンも燃料になるが、ＳＯＦＣに供給する燃料にメタン以外のエタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数Ｃ₂以上の炭化水素が含まれていると、ＳＯＦＣスタックへの配管やアノードに炭素を生成し、これが電気化学反応を阻害して電池性能を劣化させてしまう。このため、予備改質器では、原燃料を予備改質して水素、一酸化炭素及びメタンを含む予備改質ガスに変えられる。

予備改質ガスは、熱交換器２で予熱された後、ＳＯＦＣスタックのアノードに供給され、カソードからの酸素との電気化学反応により発電する。その際、予備改質ガス中のメタンは内部改質により水素及び一酸化炭素に改質される。一方、空気は、ブロワを経て、熱交換器１で予熱された後、ＳＯＦＣスタックのカソードに供給される。なお、ＳＯＦＣスタックで得られた電力は必要に応じてインバータで交流電流に変えられる。

ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスは燃焼器（図１中オフガス燃焼器）でカソードオフガスと混合し、燃焼する。燃焼ガスは、順次、熱交換器１、熱交換器２に通され、それぞれ空気、予備改質ガスの予熱に利用された後、さらに熱交換器３に通される。ここで給湯システムでの水の加熱に利用された後、排気として放出される。

しかし、熱交換器１、熱交換器２での空気、予備改質ガスの加熱には限度がある（空気、予備改質ガスの予熱には燃焼ガスの全熱量は必要でない）。また、給湯システムにおける必要温水量にも限度があるので、必要量以上の温水を得ても無駄になってしまう。このように、ＳＯＦＣシステムの効率にはＳＯＦＣスタックそれ自体での燃料利用率が大きく影響する。そして、ＳＯＦＣそれ自体での燃料利用率の限界がＳＯＦＣシステムの効率を引き下げている。

ところで、ＳＯＦＣスタックから排出される利用済み燃料、すなわちアノードオフガスに着目すると、アノードオフガスにはＳＯＦＣで未利用の水素や一酸化炭素などが含まれている。そこで、本発明は、従来のＳＯＦＣシステムにおける、そのような未利用の水素や一酸化炭素を含むアノードオフガスに着目し、これをＳＯＦＣスタックそれ自体での燃料利用率の向上に利用してＳＯＦＣシステムの効率を上げることを目的とする。

すなわち、本発明は、ＳＯＦＣスタックのアノードオフガスから、（ａ）水蒸気を除去するか、（ｂ）水蒸気及び二酸化炭素を除去するか、あるいは（ｃ）水蒸気、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを燃料電池の燃料として再利用することによりＳＯＦＣにおける燃料利用率を高め、発電効率を向上させてなるＳＯＦＣによる発電方法及びシステムを提供することを目的とするものである。

本発明は、（１）固体酸化物形燃料電池による発電方法であって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用して固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善することを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電方法を提供する。

本発明は、（２）固体酸化物形燃料電池による発電方法であって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用することにより固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善することを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電方法を提供する。

本発明は、（３）固体酸化物形燃料電池による発電方法であって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体高分子形燃料電池の燃料として利用することにより燃料利用率を改善することを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電方法を提供する。

本発明は、（４）固体酸化物形燃料電池における固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善してなる発電システムであって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電システムを提供する。

本発明は、（５）固体酸化物形燃料電池における固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善してなる発電システムであって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電システムを提供する。

本発明は、（６）固体酸化物形燃料電池における燃料利用率を改善してなる発電システムであって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体高分子形燃料電池の燃料として利用するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電システムを提供する。

本発明（１）及び（４）は、ＳＯＦＣによる発電方法及び発電システムである。そして、ＳＯＦＣのアノードオフガスから水蒸気を除去してアノードオフガスを再生し、その再生オフガスをＳＯＦＣの燃料として再利用することにより燃料利用率を改善することを特徴とする。ここで、ＳＯＦＣのアノードオフガスから水蒸気を除去して再生するＳＯＦＣと、再生オフガスを燃料として再利用するＳＯＦＣとは同じＳＯＦＣであってもよいが、それぞれ別個のＳＯＦＣであってもよい。

本発明（２）及び（５）は、ＳＯＦＣによる発電方法及び発電システムである。そして、ＳＯＦＣのアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、その再生オフガスをＳＯＦＣの燃料として再利用することにより燃料利用率を改善してなることを特徴とする。ここで、ＳＯＦＣのアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去して再生するＳＯＦＣと、再生オフガスを燃料として再利用するＳＯＦＣとは同じＳＯＦＣであってもよいが、それぞれ別個のＳＯＦＣであってもよい。

本発明（３）及び（６）は、ＳＯＦＣによる発電方法及び発電システムである。そして、ＳＯＦＣのアノードオフガスから水蒸気、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、その再生オフガスを固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：以下適宜ＰＥＦＣと略称する）の燃料として利用することにより、燃料利用率を改善してなることを特徴とする。

本発明（３）及び（６）においては、ＳＯＦＣによる発電に加えて、ＰＥＦＣによる発電を行い、ＳＯＦＣの再生アノードオフガスをＰＥＦＣの燃料として利用するものである。ＰＥＦＣの場合、燃料中のＣＯの許容濃度は１００ｐｐｍ（ｐｐｍ＝ｖｏｌｐｐｍ、以下同じ）程度、そのアノードの構成材料等の如何によっては１０ｐｐｍ程度であり、これを超えると電池性能が著しく劣化するので、ＳＯＦＣのアノードオフガスからは、水蒸気及び二酸化炭素のほか、一酸化炭素も除去してＰＥＦＣの燃料として利用する。

図２は、本発明の作用、効果を説明する図で、ＳＯＦＣにおける燃料利用率とセル電圧との関係を示している。図２のとおり、ＳＯＦＣでの燃料利用率を高めると、漸次セル電圧が低下する。そして、９０％程度を超える燃料利用率で急激にセル電圧の低下が起こる。また、燃料枯れすなわち濃度過電圧や、燃料の若干のリークなどにより、実際には燃料利用率８０〜８５％程度が限度となる。

ここで、その燃料利用率Ｕ_fを８０％とし、電池の効率η_cellを７０%、インバータ効率η_invを９０％、補機効率η_auxを９０％とすると、最終的な発電効率ηは、η＝Ｕ_f×η_cell×η_inv×η_aux＝０．８×０．７×０．９×０．９≒０．４５、すなわち４５％程度となる。

残った２０%のアノードオフガスを再生し、１００％の水素燃料としてＳＯＦＣもしくはＰＥＦＣで利用すると、残った２０％での発電効率はη＝Ｕ_f×η_cell×η_inv×η_aux＝０．２×０．７×０．９×０．９≒０．１１、すなわち１１％程度が付加されることになり、総合発電効率は５６％に増加させることが可能となる。

本発明においては、この事実を利用して、アノードオフガス中の（ａ）水蒸気、（ｂ）水蒸気及び二酸化炭素、あるいは（ｃ）水蒸気、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、その再生オフガスを燃料として再利用することによりＳＯＦＣにおける燃料利用率を高め、発電効率を向上させるものである。本発明における原燃料としては、都市ガスのほか、天然ガス、石油ガス、ガソリン、灯油、あるいはアルコール類（メタノールやエタノール）などが用いられる。

以下、実施例に基づき本発明をさら詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。

〈実施例１〉
図３は、本発明（１）及び（４）の実施例を示す図で、ＳＯＦＣからのアノードオフガスから水蒸気を除去してアノードオフガスを再生し、その再生オフガスをＳＯＦＣの燃料として再利用する例である。図３のとおり、本例のＳＯＦＣシステムではＳＯＦＣスタックＡとＳＯＦＣスタックＢを用いる。

都市ガス等の原燃料は、昇圧機、脱硫器を経て予備改質器に供給され、ここで予備改質して水素、一酸化炭素及びメタンを含む予備改質ガスに変えられる。予備改質ガスは、熱交換器２で予熱された後、ＳＯＦＣスタックＡのアノードに供給され、カソードからの酸素との電気化学反応により発電する。その際、予備改質ガス中のメタンはアノードでの内部改質により水素及び一酸化炭素に改質されて燃料として利用される。なお、アノードでの内部改質とともに、あるいはこれに代えて、ＳＯＦＣスタックＡ内あるいはその前段にその改質用の改質器を配置する場合もある。この点、以下の実施例においても同様である。一方、空気は、ブロワを経て、順次、熱交換器４、熱交換器１で予熱された後、ＳＯＦＣスタックＡのカソードに供給される。熱交換器４での加熱源はＳＯＦＣスタックＡからのアノードオフガスである。

ＳＯＦＣスタックＡからのアノードオフガスは、熱交換器４でＳＯＦＣスタックＡへ供給する空気との熱交換により冷却され、さらに熱交換器５で給湯システムからの水により冷却され、水蒸気を凝縮、除去した後、熱交換器６で加熱され、ＳＯＦＣスタックＢのアノードに供給される。ここで、給湯システムはコージェネレーションシステムなどにおける給湯システムでもよく、給湯システムに代えて、他の冷却源を利用してもよい。その際、冷却源自体は加熱されるので熱の有効利用ができる。この点は、以下の実施例についても同様である。

一方、空気がブロワを経て、分岐してＳＯＦＣスタックＢのカソードに供給される。水蒸気を凝縮除去したアノードオフガスはＳＯＦＣスタックＢのカソードからの酸素との電気化学反応により発電する。このように、ＳＯＦＣスタックＡからのアノードオフガスから水蒸気を凝縮、除去して再生し、その再生アノードオフガスをＳＯＦＣスタックＢの燃料として利用する。これにより、本システムでのトータルとしての燃料利用率を上げることができる。水蒸気の凝縮水は常法に従いアノードオフガス導管から分岐したドレイン管から排出される。

ＳＯＦＣスタックＢからの利用済み燃料、すなわちアノードオフガスはオフガス燃焼器でＳＯＦＣスタックＢからのカソードオフガスと混合して燃焼する。その燃焼ガスは、熱交換器６に通して、ＳＯＦＣスタックＢへ供給する空気及び再生アノードオフガス（熱交換器５で水蒸気を除去することで再生されている）の加熱源として利用された後、排気として排出される。ＳＯＦＣスタックＡからのアノードオフガスの一部は、図３中“燃料リサイクル”として示すように、熱交換器４の前で分岐してリサイクルさせ、予備改質器に供給してもよい。この点、以下の実施例においても同様である。ＳＯＦＣスタックＡ及びＢで得られた電力はインバータで交流電流に変えられる。

また、ＳＯＦＣスタックＡからのカソードオフガスについては、順次、熱交換器１、熱交換器２に通され、それぞれ空気、予備改質ガスの加熱源として利用された後、さらに熱交換器３に通される。ここで給湯システムからの水の加熱に利用され、空気排気として排出される。

〈実施例２〉
図４は、本発明（２）及び（５）の実施例を示す図で、ＳＯＦＣのアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、その再生オフガスをＳＯＦＣの燃料として再利用する例である。図４のとおり、本例のＳＯＦＣシステムではＳＯＦＣスタックＡとＳＯＦＣスタックＢを用いる。

都市ガス等の原燃料は、昇圧機、脱硫器を経て予備改質器に供給され、ここで予備改質して水素、一酸化炭素及びメタンを含む予備改質ガスに変えられる。予備改質ガスは、熱交換器２で予熱された後、ＳＯＦＣスタックＡのアノードに供給され、カソードからの酸素との電気化学反応により発電する。その際、予備改質ガス中のメタンはアノードでの内部改質により水素及び一酸化炭素に改質される。

一方、空気は、ブロワを経て、順次、熱交換器４、熱交換器１で予熱された後、ＳＯＦＣスタックＡのカソードに供給される。熱交換器４での加熱源はＳＯＦＣスタックＡからのアノードオフガスである。ＳＯＦＣスタックＡからのアノードオフガスの一部は熱交換器４の前で分岐してリサイクルさせ、予備改質器に供給してもよい。

ＳＯＦＣスタックＡからのアノードオフガスは、熱交換器４でＳＯＦＣスタックＡへ供給する空気により冷却された後、二酸化炭素除去器（図４中ＣＯ₂除去器）に供給される。二酸化炭素除去器では、例えば吸収剤等によりアノードオフガスから二酸化炭素を選択的に除去すればよく、その吸収剤の一例としてリチウム化ジルコニア（Ｌｉ₂ＺｒＯ₃やＬｉ₄ＺｒＯ₄）を挙げることができる。この吸収剤は二酸化炭素と反応して二酸化炭素を吸収、除去するが、この反応は、７００℃程度以下で進み、６００℃あたりでは体積比でリチウム化ジルコニアの５２０倍というような二酸化炭素を吸収する。熱交換器４を経たアノードオフガスの温度は７００℃程度より低いが、なお高温であるので、例えばそのような吸収剤を使用してアノードオフガス中の二酸化炭素を選択的に除去することができる。

アノードオフガスは、さらに熱交換器５で給湯システムからの水により冷却され、アノードオフガスの中の水蒸気が凝縮、除去される。こうして、二酸化炭素及び水蒸気を除去することで再生されたＳＯＦＣスタックＡのアノードオフガスが熱交換器６を経てＳＯＦＣスタックＢのアノードに供給される。一方、空気が、ブロワを経て、分岐してＳＯＦＣスタックＢのカソードに供給される。

上記再生アノードオフガスは、ＳＯＦＣスタックＢのカソードからの酸素との電気化学反応により発電する。ＳＯＦＣスタックＡ及びＢで得られた電力はインバータで交流電流に変えられる。ＳＯＦＣスタックＢからのアノードオフガスは、同じくスタックＢからのカソードオフガスと混合して燃焼する。その燃焼ガスは、熱交換器６に通して、ＳＯＦＣスタックＢへ供給する空気及び再生アノードオフガス（ＣＯ除去器で二酸化炭素を除去し、熱交換器５で水蒸気を除去することで再生されている）の加熱源として利用された後、排気として排出される。

このように、ＳＯＦＣスタックＡからのアノードオフガスを、その中の二酸化炭素及び水蒸気を除去して再生して、ＳＯＦＣスタックＢの燃料として利用することにより、本システムでのトータルとして燃料利用率を上げることができる。

また、ＳＯＦＣスタックＡからのカソードオフガスについては、順次、熱交換器１、熱交換器２に通され、それぞれ空気、予備改質ガスの加熱源として利用された後、さらに熱交換器３に通される。ここで給湯システムから水の加熱に利用され、空気排気として排出される。

〈実施例３〉
図５は、本発明（３）及び（６）の実施例を示す図で、ＳＯＦＣのアノードオフガスから水蒸気、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、その再生オフガスをＰＥＦＣの燃料として利用する例である。本例のシステムではＳＯＦＣスタックとＰＥＦＣスタックを用いる。

都市ガス等の原燃料は、昇圧機、脱硫器を経て予備改質器に供給され、ここで予備改質して水素、一酸化炭素及びメタンを含む予備改質ガスに変えられる。予備改質ガスは、熱交換器２で予熱された後、ＳＯＦＣスタックのアノードに供給され、カソードからの酸素との電気化学反応により発電する。その際、予備改質ガス中のメタンは内部改質により水素及び一酸化炭素に改質される。一方、空気は、ブロワを経て、順次、熱交換器４、熱交換器１で予熱された後、ＳＯＦＣスタックのカソードに供給される。

ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスは、熱交換器４でＳＯＦＣスタックへ供給する空気により冷却された後、二酸化炭素及び一酸化炭素が除去される。図５中“ＣＯ₂、ＣＯ除去部”として示している箇所である。ここでの二酸化炭素及び一酸化炭素の両成分の除去手段には特に限定はなく、アノードオフガスから両成分を除去し得る手段であればよいが、例えば図６（ａ）〜（ｂ）に示すようにして実施する。

まず、熱交換器４からのアノードオフガスを例えば前記リチウム化ジルコニア吸収剤を充填したＣＯ₂除去器に通してＣＯ₂を除去する。次いで、ＣＯ変成触媒（＝シフト触媒）を充填したＣＯ変成器に供給してＣＯ変成反応（ＣＯ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋２Ｈ₂）によりＣＯを除去する。シフト触媒としては例えば銅ー亜鉛系触媒や白金触媒等を用いることができる。ＣＯ変成反応に必要な水蒸気としてはアノードオフガス中の水蒸気が利用される。

なお、ＣＯ変成器でのＣＯ変成反応は、発熱反応であるため、化学平衡上低温ほど進行する。このため、ＣＯ₂除去器を経たアノードオフガスの温度如何により、ＣＯ変成器の前段に冷却器を配するか、ＣＯ変成器の内部または外部に冷却機構を設けるなどして、反応温度の上昇を回避する。図６（ｂ）にＣＯ変成器の前段に冷却器を配した場合を示している。冷媒としては例えば給湯システムからの水を利用することができる。

ＰＥＦＣでは、燃料中の一酸化炭素は１００ｐｐｍ程度、アノードの構成材料等の如何によっては１０ｐｐｍが限度であり、これを超えると電池性能を著しく劣化させるので、一酸化炭素はＰＥＦＣに供給する前に除去しておく必要がある。このため、アノードオフガスはＣＯ変成器によりＣＯ濃度を１％（％＝ｖｏｌ％）程度以下まで低下させた後、ＣＯ選択酸化器に供給し、ＣＯの酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ₂＝ＣＯ₂）により除去して、ＣＯを１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下まで低減させる。ＣＯ選択酸化器ではＣＯのみを選択的に酸化する必要があるので、Ｒｕ系（アルミナ等の担体に担持）などのＣＯ選択酸化触媒が用いられる。ここでの酸化用酸素としては空気等の酸化剤ガスが添加される。

こうして、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去したＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスは、さらに熱交換器５で水により冷却して水蒸気を凝縮、除去し、ＰＥＦＣスタックのアノードに供給される。一方、空気が、ブロワを経て、分岐してＰＥＦＣスタックのカソードに供給される。

ＳＯＦＣスタックからの再生アノードオフガスは、ＰＥＦＣスタックのカソードからの酸素との電気化学反応により発電する。ＳＯＦＣスタック及びＰＥＦＣスタックで得られた電力はインバータで交流電流に変えられる。ＰＥＦＣスタックからのアノードオフガスは、同じくＰＥＦＣスタックからのカソードオフガスと混合、燃焼し、排気として排出される。

このように、ＳＯＦＣスタックのアノードオフガスから二酸化炭素、一酸化炭素及び水蒸気を除去して再生し、その再生アノードオフガスをＰＥＦＣスタックの燃料として利用することにより、本システムでのトータルとして燃料利用率を上げることができる。

また、ＳＯＦＣスタックからのカソードオフガスについては、順次、熱交換器１、熱交換器２に通され、それぞれ空気、予備改質ガスの加熱源として利用された後、さらに熱交換器３に通される。ここで給湯システムからの水の加熱に利用された後、空気排気として排出される。ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスの一部は熱交換器４の前で分岐してリサイクルさせ、予備改質器に供給してもよい。

ＣＯ変成器及びＣＯ選択酸化器でのＣＯ除去処理において、再生アノードオフガス中の二酸化炭素が増えるが、ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガス自体に含まれていた二酸化炭素は既にＣＯ変成器の前段のＣＯ₂除去器で除去されている。このため、ＣＯ選択酸化器からの再生アノードオフガス中の二酸化炭素は実質上ＣＯ選択酸化器で生成した分だけであるので、その再生アノードオフガスはそのままＰＥＦＣスタックの燃料として利用することができる。ただし、二酸化炭素をより少なくなるように除去してＰＥＦＣスタックに供給するために、ＣＯ₂除去器をＣＯ選択酸化器の後段に配置してもよい。図７はこの場合の態様を示す図である。

図７のとおり、ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスを、ＣＯ変成器に通してＣＯを変成、除去した後、ＣＯ選択酸化器（図７中ＣＯ酸化器）に通してさらにＣＯを低減する。ＣＯ選択酸化器を経たガスには、アノードオフガス自体に含まれていた二酸化炭素に加え、ＣＯ選択酸化器で生成した二酸化炭素も含まれているので、ＣＯ₂除去器に通して二酸化炭素分を除去してＰＥＦＣスタックのアノードに供給して燃料として利用する。その際、ＣＯ選択酸化器からの出ガスはＣＯの燃焼反応で高温となっているので、ＣＯ₂除去器でのＣＯ₂吸収剤として例えば前述リチウム化ジルコニアを用いることができる。

ここで、そのようにＣＯ₂吸収剤としてリチウム化ジルコニアを用いるに際して、ＣＯ選択酸化器からのガス温度が不足する場合には、そのガスを加熱した後に、ＣＯ₂除去器に通すようにしてもよい。図８はその例を示す図である。図８では、熱交換器７を配置し、その加熱に別途配置されたＳＯＦＣシステムからのカソードオフガスなどの排気を利用する例を示しているが、その加熱源としては適宜の加熱源を利用することができる。なお、ＣＯ変成器やＣＯ選択酸化器には触媒の種類などにより適温があるので、それぞれシステムに適した触媒を用いるが、適温への調整には給湯システムからの水やＳＯＦＣスタックからのオフガスなどが利用できる。

ＳＯＦＣからのアノードオフガスを、燃料及び空気の予熱に加え、給湯システムに利用する従来のＳＯＦＣシステムの例を説明する図 本発明を説明する図（ＳＯＦＣにおける燃料利用率とセル電圧との関係） 実施例１を示す図 実施例２を示す図 実施例３を示す図 実施例３を示す図 実施例３を示す図 実施例３を示す図

符号の説明

１〜７ 熱交換器

Claims (10)

1. 固体酸化物形燃料電池による発電方法であって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用して固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善することを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電方法。
2. 請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池による発電方法において、前記固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を除去して再生する固体酸化物形燃料電池と、前記再生オフガスを燃料として再利用する固体酸化物形燃料電池とが別個の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電方法。
3. 固体酸化物形燃料電池による発電方法であって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用することにより固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善することを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電方法。
4. 請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池による発電方法において、前記固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去して再生する固体酸化物形燃料電池と、前記再生オフガスを燃料として再利用する固体酸化物形燃料電池とが別個の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電方法。
5. 固体酸化物形燃料電池による発電方法であって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体高分子形燃料電池の燃料として利用することにより燃料利用率を改善することを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電方法。
6. 固体酸化物形燃料電池における固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善してなる発電システムであって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電システム。
7. 請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池による発電システムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気を除去して再生する固体酸化物形燃料電池と、前記再生オフガスを燃料として再利用する固体酸化物形燃料電池とが別個の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電システム。
8. 固体酸化物形燃料電池における固体酸化物形燃料電池それ自体での燃料利用率を改善してなる発電システムであって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体酸化物形燃料電池の燃料として再利用するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電システム。
9. 請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池による発電システムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去して再生する固体酸化物形燃料電池と、前記再生オフガスを燃料として再利用する固体酸化物形燃料電池とが別個の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電システム。
10. 固体酸化物形燃料電池における燃料利用率を改善してなる発電システムであって、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスから水蒸気、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生し、再生オフガスを固体高分子形燃料電池の燃料として利用するようにしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池による発電システム。
    

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