JP2002319428A - 溶融炭酸塩型燃料電池発電設備 - Google Patents
溶融炭酸塩型燃料電池発電設備Info
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- JP2002319428A JP2002319428A JP2001120818A JP2001120818A JP2002319428A JP 2002319428 A JP2002319428 A JP 2002319428A JP 2001120818 A JP2001120818 A JP 2001120818A JP 2001120818 A JP2001120818 A JP 2001120818A JP 2002319428 A JP2002319428 A JP 2002319428A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 カソードリサイクルガス中のＣＯ2濃度を高
め、燃料電池におけるＣＯ2利用率を下げて、電池性能
を向上させ、所内動力を下げて送電端効率を高めること
ができ、かつ負荷応答性を高めることができる溶融炭酸
塩型燃料電池発電設備を提供する。 【解決手段】 燃料電池１１と、燃料電池のアノード排
ガス４を燃焼させる燃焼器１７と、燃焼器の燃焼排ガス
を燃料電池のカソード入口側に循環させるＣＯ２リサイ
クルライン２０と、燃料電池で反応後のカソード排ガス
７から濃縮したＣＯ２ガスを含むＣＯ２濃縮ガス９を分
離する濃縮分離装置２２と、ＣＯ２濃縮ガスをＣＯ２リ
サイクルラインに供給する濃縮ガス補給ライン２４とを
備える。濃縮分離装置２２は、溶融炭酸塩を電解質とす
る電解質板２２ｂと、これを両面から挟持する多孔質の
アノ−ド２２ａ及びカソ−ド２２ｃとからなる濃縮分離
セル又はその積層体である。
め、燃料電池におけるＣＯ2利用率を下げて、電池性能
を向上させ、所内動力を下げて送電端効率を高めること
ができ、かつ負荷応答性を高めることができる溶融炭酸
塩型燃料電池発電設備を提供する。 【解決手段】 燃料電池１１と、燃料電池のアノード排
ガス４を燃焼させる燃焼器１７と、燃焼器の燃焼排ガス
を燃料電池のカソード入口側に循環させるＣＯ２リサイ
クルライン２０と、燃料電池で反応後のカソード排ガス
７から濃縮したＣＯ２ガスを含むＣＯ２濃縮ガス９を分
離する濃縮分離装置２２と、ＣＯ２濃縮ガスをＣＯ２リ
サイクルラインに供給する濃縮ガス補給ライン２４とを
備える。濃縮分離装置２２は、溶融炭酸塩を電解質とす
る電解質板２２ｂと、これを両面から挟持する多孔質の
アノ−ド２２ａ及びカソ−ド２２ｃとからなる濃縮分離
セル又はその積層体である。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料
電池発電設備に関する。
電池発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率かつ環
境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴
を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システム
として注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行わ
れている。
境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴
を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システム
として注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行わ
れている。
【０００３】図３は、例えば天然ガスを燃料とする溶融
炭酸塩型燃料電池発電設備の一例を示す構成図である。
この図において溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、改質
器１０、燃料電池１１、ターボチャージャー１２、排熱
回収熱交換器１５等を備え、天然ガス等の燃料１を燃料
予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室Ｒｅｆに供給
し、ここで燃料１を水素を含むアノードガス２に改質す
る。燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカ
ソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１
１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７
ａは、燃焼器１７に供給されて燃焼して高温の燃焼排ガ
ス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の燃
焼室に供給され、ここで改質反応に必要な熱を改質室Ｒ
ｅｆに供給する。
炭酸塩型燃料電池発電設備の一例を示す構成図である。
この図において溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、改質
器１０、燃料電池１１、ターボチャージャー１２、排熱
回収熱交換器１５等を備え、天然ガス等の燃料１を燃料
予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室Ｒｅｆに供給
し、ここで燃料１を水素を含むアノードガス２に改質す
る。燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカ
ソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１
１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７
ａは、燃焼器１７に供給されて燃焼して高温の燃焼排ガ
ス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の燃
焼室に供給され、ここで改質反応に必要な熱を改質室Ｒ
ｅｆに供給する。
【０００４】改質器１０を出た燃焼排ガス５は、ＣＯ2
ブロア１６（以下、ＣＯ2リサイクルブロアと呼ぶ）で
カソード入口側にリサイクルされ、ターボチャージャー
１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス
３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反
応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソードリサイ
クルライン１８を介してＣＯ2リサイクルブロア１６の
吸引側にリサイクルされ、残り７ｃはターボチャージャ
ー用の燃焼器１４に供給される。燃焼器１４は、起動時
や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで
燃焼し燃焼排ガスでターボチャージャーを駆動する。
ブロア１６（以下、ＣＯ2リサイクルブロアと呼ぶ）で
カソード入口側にリサイクルされ、ターボチャージャー
１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス
３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反
応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソードリサイ
クルライン１８を介してＣＯ2リサイクルブロア１６の
吸引側にリサイクルされ、残り７ｃはターボチャージャ
ー用の燃焼器１４に供給される。燃焼器１４は、起動時
や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで
燃焼し燃焼排ガスでターボチャージャーを駆動する。
【０００５】ターボチャージャー１２は、カソード排ガ
ス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービン
Ｔを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、この加圧空気６
は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。
タービンＴを出た排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供
給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出され
る。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０に
おける改質反応に用いられる。なお、図３において、１
８ａはカソードリサイクルライン１８の流量を制御する
ための高温流量調節弁、１２ａはタービンＴをバイパス
してガスを流すための流量調節弁である。その他の流量
調節弁の説明は省略する。
ス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービン
Ｔを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、この加圧空気６
は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。
タービンＴを出た排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供
給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出され
る。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０に
おける改質反応に用いられる。なお、図３において、１
８ａはカソードリサイクルライン１８の流量を制御する
ための高温流量調節弁、１２ａはタービンＴをバイパス
してガスを流すための流量調節弁である。その他の流量
調節弁の説明は省略する。
【０００６】上述した燃料電池発電設備において、燃料
電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池）はアノード側とカソ
ード側とからなり、次のような電極反応が行われる。 アノード反応（負極反応）Ｈ2＋ＣＯ3 2-→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2＋２ｅ．．（１） カソード反応（正極反応）ＣＯ2＋１／２Ｏ2＋２ｅ→ＣＯ3 2-．．（２）
電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池）はアノード側とカソ
ード側とからなり、次のような電極反応が行われる。 アノード反応（負極反応）Ｈ2＋ＣＯ3 2-→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2＋２ｅ．．（１） カソード反応（正極反応）ＣＯ2＋１／２Ｏ2＋２ｅ→ＣＯ3 2-．．（２）
【０００７】すなわちアノード側では、（１）式により
水素ガスとＣＯ3 2-とから水と炭酸ガスと電荷が生成さ
れ、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と
電荷とからＣＯ3 2-が生成される。（１）式右辺はアノ
ードから排出されるアノード排ガス４の成分を表してお
り、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソ
ードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同
じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したＣＯ2
リサイクルブロア１６により、改質器で発生したＣＯ2
ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に
利用するようになっている。
水素ガスとＣＯ3 2-とから水と炭酸ガスと電荷が生成さ
れ、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と
電荷とからＣＯ3 2-が生成される。（１）式右辺はアノ
ードから排出されるアノード排ガス４の成分を表してお
り、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソ
ードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同
じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したＣＯ2
リサイクルブロア１６により、改質器で発生したＣＯ2
ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に
利用するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】図４は、上述した溶融
炭酸塩型燃料電池発電設備の模式図である。この図に示
すように、一般的に、溶融炭酸塩型燃料電池では、通
常、アノードから排出されるガスを燃焼器等で燃焼させ
た後、ＣＯ2を含むこの燃焼ガスをカソード側に高温ブ
ロア等でリサイクルすることにより、電解質内の炭酸イ
オンをカソードからアノードへ連続的に移動させ、発電
を行っている。このラインは大量のＣＯ2、空気混合ガ
スを循環させることにより電池の冷却も同時に行う場合
がある。
炭酸塩型燃料電池発電設備の模式図である。この図に示
すように、一般的に、溶融炭酸塩型燃料電池では、通
常、アノードから排出されるガスを燃焼器等で燃焼させ
た後、ＣＯ2を含むこの燃焼ガスをカソード側に高温ブ
ロア等でリサイクルすることにより、電解質内の炭酸イ
オンをカソードからアノードへ連続的に移動させ、発電
を行っている。このラインは大量のＣＯ2、空気混合ガ
スを循環させることにより電池の冷却も同時に行う場合
がある。
【０００９】上述したように、溶融炭酸塩型燃料電池を
用いた燃料電池発電設備では、アノード反応で生成した
ＣＯ2ガスをカソードで反応させるために、アノード側
からカソード側へＣＯ2ガスを供給する必要がある。そ
のため、以下の問題点があった。
用いた燃料電池発電設備では、アノード反応で生成した
ＣＯ2ガスをカソードで反応させるために、アノード側
からカソード側へＣＯ2ガスを供給する必要がある。そ
のため、以下の問題点があった。
【００１０】（１）ＣＯ2利用率が高すぎる アノードから排出されるＣＯ2はカソードが必要とする
量の１．２〜１．４倍にすぎず、結果として常に高い利
用率となり、電池電圧低下をもたらす。これをカバーす
るためにカソード循環ブロア（ＣＯ2リサイクルブロア
１６）によるガス循環で見掛け上の利用率を低下させて
いるが、これはＣＯ2分圧の低下を招き、やはり性能低
下の一因となる。また、この循環ラインは冷却システム
と兼用であるため循環量を任意には設定できない。
量の１．２〜１．４倍にすぎず、結果として常に高い利
用率となり、電池電圧低下をもたらす。これをカバーす
るためにカソード循環ブロア（ＣＯ2リサイクルブロア
１６）によるガス循環で見掛け上の利用率を低下させて
いるが、これはＣＯ2分圧の低下を招き、やはり性能低
下の一因となる。また、この循環ラインは冷却システム
と兼用であるため循環量を任意には設定できない。
【００１１】（２）高温ブロアが必要 冷却用空気供給だけであれば比較的低温のブロアが使用
可能であるが、高温ガスであるカソード出口ガスを循環
させるには耐熱性の高い高価な高温ブロア（ＣＯ2リサ
イクルブロア１６）を使用する必要があり、コストが上
がるばかりでなく、このブロアの消費動力が大きく、送
電端効率を低下させる主要因となっていた。
可能であるが、高温ガスであるカソード出口ガスを循環
させるには耐熱性の高い高価な高温ブロア（ＣＯ2リサ
イクルブロア１６）を使用する必要があり、コストが上
がるばかりでなく、このブロアの消費動力が大きく、送
電端効率を低下させる主要因となっていた。
【００１２】（３）負荷応答性が低い 使用したＣＯ2がそのまま供給原料となるため、急速な
負荷上昇の際にシステムの遅れでＣＯ2の供給が追いつ
かなくなる可能性があり、負荷応答性に制約がある。
負荷上昇の際にシステムの遅れでＣＯ2の供給が追いつ
かなくなる可能性があり、負荷応答性に制約がある。
【００１３】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、カソードリサイクルガス中のＣＯ2濃度を高め、燃
料電池におけるＣＯ2利用率を下げて、電池性能を向上
させることができ、かつアノード側からカソード側へＣ
Ｏ2ガスを供給するためのブロア動力を低減することが
でき、更に、ＣＯ2リサイクルのための必要機器を小型
かつ安価にすることができ、これにより所内動力を下げ
て送電端効率を高めることができ、かつ負荷応答性を高
めることができる溶融炭酸塩型燃料電池発電設備を提供
することにある。
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、カソードリサイクルガス中のＣＯ2濃度を高め、燃
料電池におけるＣＯ2利用率を下げて、電池性能を向上
させることができ、かつアノード側からカソード側へＣ
Ｏ2ガスを供給するためのブロア動力を低減することが
でき、更に、ＣＯ2リサイクルのための必要機器を小型
かつ安価にすることができ、これにより所内動力を下げ
て送電端効率を高めることができ、かつ負荷応答性を高
めることができる溶融炭酸塩型燃料電池発電設備を提供
することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、水素を
含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電
する燃料電池（１１）と、燃料電池で反応後のアノード
排ガス（４）を燃焼させる燃焼器（１７）と、該燃焼器
の燃焼排ガス（５）を燃料電池のカソード入口側に循環
させるＣＯ2リサイクルライン（２０）と、燃料電池で
反応後のカソード排ガス（７）から濃縮したＣＯ2ガス
を含むＣＯ2濃縮ガス（９）を分離する濃縮分離装置
（２２）と、該ＣＯ2濃縮ガスを前記ＣＯ2リサイクルラ
インに供給する濃縮ガス補給ライン（２４）とを備え
た、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備が
提供される。
含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電
する燃料電池（１１）と、燃料電池で反応後のアノード
排ガス（４）を燃焼させる燃焼器（１７）と、該燃焼器
の燃焼排ガス（５）を燃料電池のカソード入口側に循環
させるＣＯ2リサイクルライン（２０）と、燃料電池で
反応後のカソード排ガス（７）から濃縮したＣＯ2ガス
を含むＣＯ2濃縮ガス（９）を分離する濃縮分離装置
（２２）と、該ＣＯ2濃縮ガスを前記ＣＯ2リサイクルラ
インに供給する濃縮ガス補給ライン（２４）とを備え
た、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備が
提供される。
【００１５】本発明の構成によれば、燃料電池で反応後
のカソード排ガス（７）から濃縮分離装置（２２）によ
り濃縮したＣＯ2ガスを含むＣＯ2濃縮ガス（９）を分離
し、これを濃縮ガス補給ライン（２４）からＣＯ2リサ
イクルラインに供給するので、例えば５〜１０％程度の
低濃度のリサイクルガスに、高濃度のＣＯ2ガスを供給
して、カソードリサイクルガス中のＣＯ2濃度を高め、
燃料電池におけるＣＯ２利用率を下げて、電池性能を向
上させることができる。
のカソード排ガス（７）から濃縮分離装置（２２）によ
り濃縮したＣＯ2ガスを含むＣＯ2濃縮ガス（９）を分離
し、これを濃縮ガス補給ライン（２４）からＣＯ2リサ
イクルラインに供給するので、例えば５〜１０％程度の
低濃度のリサイクルガスに、高濃度のＣＯ2ガスを供給
して、カソードリサイクルガス中のＣＯ2濃度を高め、
燃料電池におけるＣＯ２利用率を下げて、電池性能を向
上させることができる。
【００１６】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
濃縮分離装置（２２）は、溶融炭酸塩を電解質とする電
解質板（２２ｂ）と、これを両面から挟持する多孔質の
アノ−ド（２２ａ）及びカソ−ド（２２ｃ）とからなる
濃縮分離セル又はその積層体であり、該濃縮分離セルに
必要な電位を印加し、かつカソード（２２ｃ）に前記カ
ソード排ガス（７）を供給し、該カソードで、ＣＯ2＋
１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →ＣＯ3 2-の電気化学反応を行わ
せ、生成された炭酸イオンを電解質板（２２ｂ）を通し
てアノード側に移動させ、アノードで炭酸イオンを電気
化学反応を行わせて、高濃度のＣＯ2ガスを選択的に分
離してＣＯ2濃縮ガス（９）として取り出す。
濃縮分離装置（２２）は、溶融炭酸塩を電解質とする電
解質板（２２ｂ）と、これを両面から挟持する多孔質の
アノ−ド（２２ａ）及びカソ−ド（２２ｃ）とからなる
濃縮分離セル又はその積層体であり、該濃縮分離セルに
必要な電位を印加し、かつカソード（２２ｃ）に前記カ
ソード排ガス（７）を供給し、該カソードで、ＣＯ2＋
１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →ＣＯ3 2-の電気化学反応を行わ
せ、生成された炭酸イオンを電解質板（２２ｂ）を通し
てアノード側に移動させ、アノードで炭酸イオンを電気
化学反応を行わせて、高濃度のＣＯ2ガスを選択的に分
離してＣＯ2濃縮ガス（９）として取り出す。
【００１７】この構成により、アノードで発生するＣＯ
2濃縮ガス（９）は、ＣＯ2濃度が約６６％、酸素濃度が
約３３％の高濃度ガスであり、かつ密閉空間に電気化学
反応で生成されるため電源以外の補助エネルギーを必要
とせずに加圧状態で発生させることができる。従って、
電池性能を向上させることができるばかりでなく、アノ
ード側からカソード側へＣＯ2ガスを供給するためのブ
ロア動力を低減することができ、更に、ＣＯ2リサイク
ルのための必要機器を小型かつ安価にすることができ、
これにより所内動力を下げて送電端効率を高めることが
できる。また、ＣＯ2濃縮ガス（９）の発生量は、燃料
電池の発電出力にほぼ比例するので、急速な負荷上昇の
際には自動的にＣＯ2濃縮ガスの供給量が増加し、負荷
応答性を自動的に高めることができる。
2濃縮ガス（９）は、ＣＯ2濃度が約６６％、酸素濃度が
約３３％の高濃度ガスであり、かつ密閉空間に電気化学
反応で生成されるため電源以外の補助エネルギーを必要
とせずに加圧状態で発生させることができる。従って、
電池性能を向上させることができるばかりでなく、アノ
ード側からカソード側へＣＯ2ガスを供給するためのブ
ロア動力を低減することができ、更に、ＣＯ2リサイク
ルのための必要機器を小型かつ安価にすることができ、
これにより所内動力を下げて送電端効率を高めることが
できる。また、ＣＯ2濃縮ガス（９）の発生量は、燃料
電池の発電出力にほぼ比例するので、急速な負荷上昇の
際には自動的にＣＯ2濃縮ガスの供給量が増加し、負荷
応答性を自動的に高めることができる。
【００１８】また、前記濃縮分離装置（２２）のカソー
ド側とアノード側を、前記燃料電池（１１）のアノード
側とカソード側にそれぞれ接続する印加ライン（２６
ａ，２６ｂ）を備える。
ド側とアノード側を、前記燃料電池（１１）のアノード
側とカソード側にそれぞれ接続する印加ライン（２６
ａ，２６ｂ）を備える。
【００１９】この構成により、濃縮分離装置（２２）に
必要な電力を燃料電池（１１）の発電電力の一部で供給
することができる。この場合、同一電流密度で同一量の
ＣＯ 2量を利用するのに必要な電圧は、燃料電池の約１
ｖ／セルに対して濃縮分離セルでは約０．１〜０．３ｖ
／セルであり、かつ電流はさらに発電セルの１／５〜１
／１０であるので、例えばリサイクルガス中のＣＯ2濃
度（５〜１０％程度）を＋２〜３％高める場合、その電
力負荷は１／２０〜１／５０に過ぎず、全体として電池
性能を大幅に向上させることができる。
必要な電力を燃料電池（１１）の発電電力の一部で供給
することができる。この場合、同一電流密度で同一量の
ＣＯ 2量を利用するのに必要な電圧は、燃料電池の約１
ｖ／セルに対して濃縮分離セルでは約０．１〜０．３ｖ
／セルであり、かつ電流はさらに発電セルの１／５〜１
／１０であるので、例えばリサイクルガス中のＣＯ2濃
度（５〜１０％程度）を＋２〜３％高める場合、その電
力負荷は１／２０〜１／５０に過ぎず、全体として電池
性能を大幅に向上させることができる。
【００２０】更に、本発明の好ましい実施形態によれ
ば、前記濃縮分離装置（２２）の下流側に、ＣＯ2ガス
から発電するＣＯ2発電装置（３０）を備え、該ＣＯ２
発電装置は、溶融炭酸塩を電解質とする電解質板（３０
ｂ）と、これを両面から挟持する多孔質のアノ−ド（３
０ａ）及びカソ−ド（３０ｃ）とからなる発電セル又は
その積層体であり、カソード（３０ｃ）に濃縮分離装置
（２２）のＣＯ2ガスを含む排ガスを供給し、アノード
（３０ａ）にＣＯ２ガス濃度の相対的に低いガスを供給
し、カソードで、ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →ＣＯ3
2-の電気化学反応を行わせ、生成された炭酸イオンを電
解質板（２２ｂ）を通してアノード側に移動させ、アノ
ードでＣＯ3 2-→ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- の電気化
学反応を行わせ、これにより、カソードとアノード間に
電力を発生させ、該電力を前記濃縮分離装置（２２）に
供給する。
ば、前記濃縮分離装置（２２）の下流側に、ＣＯ2ガス
から発電するＣＯ2発電装置（３０）を備え、該ＣＯ２
発電装置は、溶融炭酸塩を電解質とする電解質板（３０
ｂ）と、これを両面から挟持する多孔質のアノ−ド（３
０ａ）及びカソ−ド（３０ｃ）とからなる発電セル又は
その積層体であり、カソード（３０ｃ）に濃縮分離装置
（２２）のＣＯ2ガスを含む排ガスを供給し、アノード
（３０ａ）にＣＯ２ガス濃度の相対的に低いガスを供給
し、カソードで、ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →ＣＯ3
2-の電気化学反応を行わせ、生成された炭酸イオンを電
解質板（２２ｂ）を通してアノード側に移動させ、アノ
ードでＣＯ3 2-→ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- の電気化
学反応を行わせ、これにより、カソードとアノード間に
電力を発生させ、該電力を前記濃縮分離装置（２２）に
供給する。
【００２１】この構成により、濃縮分離装置（２２）を
出たＣＯ2ガスを含む排ガスから、ＣＯ2発電装置（３
０）で発電し、この電力を濃縮分離装置（２２）に供給
することができ、燃料電池（１１）から供給する電力を
低減し、所内動力を更に下げて送電端効率を高めること
ができる。
出たＣＯ2ガスを含む排ガスから、ＣＯ2発電装置（３
０）で発電し、この電力を濃縮分離装置（２２）に供給
することができ、燃料電池（１１）から供給する電力を
低減し、所内動力を更に下げて送電端効率を高めること
ができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の
部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の
部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２３】図１は、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発
電設備の第１実施形態を示す図である。この図におい
て、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、燃料電
池１１、燃焼器１７、ＣＯ2リサイクルライン２０、濃
縮分離装置２２及び濃縮ガス補給ライン２４を備える。
電設備の第１実施形態を示す図である。この図におい
て、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、燃料電
池１１、燃焼器１７、ＣＯ2リサイクルライン２０、濃
縮分離装置２２及び濃縮ガス補給ライン２４を備える。
【００２４】燃料電池１１は、水素を含むアノードガス
と酸素を含むカソードガスにより発電する溶融炭酸塩型
燃料電池である。燃焼器１７は、燃料電池１１で反応後
のアノード排ガス４を燃焼させる燃焼器である。この燃
焼器１７は、触媒燃焼器であってもその他の燃焼器であ
ってもよい。
と酸素を含むカソードガスにより発電する溶融炭酸塩型
燃料電池である。燃焼器１７は、燃料電池１１で反応後
のアノード排ガス４を燃焼させる燃焼器である。この燃
焼器１７は、触媒燃焼器であってもその他の燃焼器であ
ってもよい。
【００２５】ＣＯ2リサイクルライン２０は、燃焼器１
７の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード入口側に循
環させるようになっている。このＣＯ2リサイクルライ
ン２０は、図３の例のように、改質器、ＣＯ2ブロアを
介して燃料電池１１のカソード入口側に循環させてもよ
く、その他の経路を介してもよい。
７の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード入口側に循
環させるようになっている。このＣＯ2リサイクルライ
ン２０は、図３の例のように、改質器、ＣＯ2ブロアを
介して燃料電池１１のカソード入口側に循環させてもよ
く、その他の経路を介してもよい。
【００２６】濃縮分離装置２２は、燃料電池で反応後の
カソード排ガス７から濃縮したＣＯ 2ガスを含むＣＯ2濃
縮ガス９を分離する機能を有する。
カソード排ガス７から濃縮したＣＯ 2ガスを含むＣＯ2濃
縮ガス９を分離する機能を有する。
【００２７】図１の例で、濃縮分離装置２２は、溶融炭
酸塩を電解質とする電解質板２２ｂと、これを両面から
挟持する多孔質のアノ−ド２２ａ及びカソ−ド２２ｃと
からなる濃縮分離セル又はその積層体である。濃縮分離
装置２２のカソ−ド２２ｃには、カソード排ガス７が導
入され、反応後のカソード排ガス７ａは外部に排出され
る。また、濃縮分離装置２２のアノ−ド２２ａ側への供
給ガスラインはなく、アノード側から発生したガス（後
述のＣＯ2濃縮ガス）をＣＯ2リサイクルライン２０に供
給する濃縮ガス補給ライン２４が設けられている。更
に、この例では濃縮分離装置２２のカソード側とアノー
ド側を、燃料電池１１のアノード側とカソード側にそれ
ぞれ接続する印加ライン２６ａ，２６ｂが設けられてい
る。
酸塩を電解質とする電解質板２２ｂと、これを両面から
挟持する多孔質のアノ−ド２２ａ及びカソ−ド２２ｃと
からなる濃縮分離セル又はその積層体である。濃縮分離
装置２２のカソ−ド２２ｃには、カソード排ガス７が導
入され、反応後のカソード排ガス７ａは外部に排出され
る。また、濃縮分離装置２２のアノ−ド２２ａ側への供
給ガスラインはなく、アノード側から発生したガス（後
述のＣＯ2濃縮ガス）をＣＯ2リサイクルライン２０に供
給する濃縮ガス補給ライン２４が設けられている。更
に、この例では濃縮分離装置２２のカソード側とアノー
ド側を、燃料電池１１のアノード側とカソード側にそれ
ぞれ接続する印加ライン２６ａ，２６ｂが設けられてい
る。
【００２８】上述した濃縮分離セルに印加ライン２６
ａ，２６ｂを介して必要な電位を印加し、かつカソード
２２ｃに燃料電池のカソード排ガス７を供給すると、カ
ソードで、ＣＯ2 ＋１／２Ｏ2＋２ｅ- →ＣＯ3 2-の電
気化学反応が生じ、生成された炭酸イオンが電解質板２
２ｂを通してアノード側に移動し、アノードで炭酸イオ
ンが電気化学反応により高濃度のＣＯ2ガスを選択的に
分離してＣＯ２濃縮ガス９が発生する。
ａ，２６ｂを介して必要な電位を印加し、かつカソード
２２ｃに燃料電池のカソード排ガス７を供給すると、カ
ソードで、ＣＯ2 ＋１／２Ｏ2＋２ｅ- →ＣＯ3 2-の電
気化学反応が生じ、生成された炭酸イオンが電解質板２
２ｂを通してアノード側に移動し、アノードで炭酸イオ
ンが電気化学反応により高濃度のＣＯ2ガスを選択的に
分離してＣＯ２濃縮ガス９が発生する。
【００２９】かかる濃縮分離装置２２の原理は、本発明
の発明者等による「二酸化炭素濃縮法」（特開平１１−
０３３３４０号）に開示されている。また、この出願に
よれば、アノードで発生するＣＯ2濃縮ガス９は、Ｃ
Ｏ2：Ｏ2＝６６．７：３３．３の不純物を含まない高純
度ガスであり、かつ密閉空間に電気化学反応で生成され
るため電源以外の補助エネルギーを必要とせずに加圧状
態で発生させることができる。また、同一電流密度で同
一量のＣＯ2量を利用するのに必要な電圧は、燃料電池
の約１ｖ／セルに対して濃縮分離セルでは約０．１〜
０．３ｖ／セルであり、かつ電流はさらに発電セルの１
／５〜１／１０である。
の発明者等による「二酸化炭素濃縮法」（特開平１１−
０３３３４０号）に開示されている。また、この出願に
よれば、アノードで発生するＣＯ2濃縮ガス９は、Ｃ
Ｏ2：Ｏ2＝６６．７：３３．３の不純物を含まない高純
度ガスであり、かつ密閉空間に電気化学反応で生成され
るため電源以外の補助エネルギーを必要とせずに加圧状
態で発生させることができる。また、同一電流密度で同
一量のＣＯ2量を利用するのに必要な電圧は、燃料電池
の約１ｖ／セルに対して濃縮分離セルでは約０．１〜
０．３ｖ／セルであり、かつ電流はさらに発電セルの１
／５〜１／１０である。
【００３０】従って、この構成により、濃縮分離装置２
２に必要な電力を燃料電池１１の発電電力の一部で供給
することができ、かつ、例えばリサイクルガス中のＣＯ
２濃度（５〜１０％程度）を＋２〜３％高める場合、そ
の電力負荷は１／２０〜１／５０に過ぎず、全体として
電池性能を大幅に向上させることができることがわか
る。
２に必要な電力を燃料電池１１の発電電力の一部で供給
することができ、かつ、例えばリサイクルガス中のＣＯ
２濃度（５〜１０％程度）を＋２〜３％高める場合、そ
の電力負荷は１／２０〜１／５０に過ぎず、全体として
電池性能を大幅に向上させることができることがわか
る。
【００３１】図２は、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発
電設備の第２実施形態を示す図である。この図におい
て、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、濃縮分
離装置２２の下流側に、ＣＯ2ガスから発電するＣＯ2発
電装置３０を更に備える。
電設備の第２実施形態を示す図である。この図におい
て、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、濃縮分
離装置２２の下流側に、ＣＯ2ガスから発電するＣＯ2発
電装置３０を更に備える。
【００３２】このＣＯ2発電装置３０は、溶融炭酸塩を
電解質とする電解質板３０ｂと、これを両面から挟持す
る多孔質のアノ−ド３０ａ及びカソ−ド３０ｃとからな
る発電セル又はその積層体である。ＣＯ2発電装置３０
のカソ−ド３０ｃには、濃縮分離装置２２を出たカソー
ド排ガス７ａが導入され、反応後のカソード排ガス７ｂ
は外部に排出される。また、ＣＯ2発電装置３０のアノ
−ド３０ａ側へは、カソード排ガス７ａよりＣＯ2濃度
の低いガス（例えば空気）が供給され、その排ガスは、
カソード排ガス７ｂと同様に外部に排出される。更に、
この例では濃縮分離装置２２のカソード側とアノード側
を、ＣＯ2発電装置３０のアノード側とカソード側にそ
れぞれ接続する印加ライン３４ａ，３４ｂが設けられて
いる。
電解質とする電解質板３０ｂと、これを両面から挟持す
る多孔質のアノ−ド３０ａ及びカソ−ド３０ｃとからな
る発電セル又はその積層体である。ＣＯ2発電装置３０
のカソ−ド３０ｃには、濃縮分離装置２２を出たカソー
ド排ガス７ａが導入され、反応後のカソード排ガス７ｂ
は外部に排出される。また、ＣＯ2発電装置３０のアノ
−ド３０ａ側へは、カソード排ガス７ａよりＣＯ2濃度
の低いガス（例えば空気）が供給され、その排ガスは、
カソード排ガス７ｂと同様に外部に排出される。更に、
この例では濃縮分離装置２２のカソード側とアノード側
を、ＣＯ2発電装置３０のアノード側とカソード側にそ
れぞれ接続する印加ライン３４ａ，３４ｂが設けられて
いる。
【００３３】上述したＣＯ2発電装置３０のカソード３
０ｃに濃縮分離装置２２のＣＯ2ガスを含む排ガスを供
給し、アノード３０ａにＣＯ２ガス濃度の相対的に低い
ガス（例えば空気）を供給することにより、カソード
で、ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →ＣＯ3 2-の電気化学
反応を行わせ、生成された炭酸イオンを電解質板２２ｂ
を通してアノード側に移動させ、アノードでＣＯ3 2-→
ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- の電気化学反応を行わせ、
これにより、カソードとアノード間に電力を発生させる
ことができる。この構成では、ＣＯ2発電装置３０で発
生した電力を、印加ライン３４ａ，３４ｂを介して濃縮
分離装置２２に印加し、燃料電池１１から印加ライン２
６ａ，２６ｂを介して供給される電力を低減するように
なっている。
０ｃに濃縮分離装置２２のＣＯ2ガスを含む排ガスを供
給し、アノード３０ａにＣＯ２ガス濃度の相対的に低い
ガス（例えば空気）を供給することにより、カソード
で、ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →ＣＯ3 2-の電気化学
反応を行わせ、生成された炭酸イオンを電解質板２２ｂ
を通してアノード側に移動させ、アノードでＣＯ3 2-→
ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- の電気化学反応を行わせ、
これにより、カソードとアノード間に電力を発生させる
ことができる。この構成では、ＣＯ2発電装置３０で発
生した電力を、印加ライン３４ａ，３４ｂを介して濃縮
分離装置２２に印加し、燃料電池１１から印加ライン２
６ａ，２６ｂを介して供給される電力を低減するように
なっている。
【００３４】かかるＣＯ2発電装置３０の原理は、本発
明の発明者等による「排ガスからの電力回収方法」（特
開平１１−１９１４２７号）に開示されている。この構
成により、濃縮分離装置２２を出たＣＯ2ガスを含む排
ガスから、ＣＯ2発電装置３０で発電し、この電力を濃
縮分離装置２２に供給することができ、燃料電池１１か
ら供給する電力を低減し、所内動力を更に下げて送電端
効率を高めることができる。
明の発明者等による「排ガスからの電力回収方法」（特
開平１１−１９１４２７号）に開示されている。この構
成により、濃縮分離装置２２を出たＣＯ2ガスを含む排
ガスから、ＣＯ2発電装置３０で発電し、この電力を濃
縮分離装置２２に供給することができ、燃料電池１１か
ら供給する電力を低減し、所内動力を更に下げて送電端
効率を高めることができる。
【００３５】なお本発明は、上述した実施形態に限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の変更が可能である。
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の変更が可能である。
【００３６】
【発明の効果】上述したように、本発明は、カソード下
流に電池類似の材料から構成される分離セル（濃縮分離
装置）を設置し、カソード出口ガスからＣＯ2及びＯ2を
回収して、カソード入口に導入する。この濃縮分離装置
は電圧の供給のみで稼働し、分離時にガス搬送圧も発生
するためここから直接カソード上流側にガスを供給で
き、他の補機を必要としない。また、分離ガスはカソー
ド循環ガスの１／２０以下であり、配管も細くスペース
上も容易に設置できかつ安価である。
流に電池類似の材料から構成される分離セル（濃縮分離
装置）を設置し、カソード出口ガスからＣＯ2及びＯ2を
回収して、カソード入口に導入する。この濃縮分離装置
は電圧の供給のみで稼働し、分離時にガス搬送圧も発生
するためここから直接カソード上流側にガスを供給で
き、他の補機を必要としない。また、分離ガスはカソー
ド循環ガスの１／２０以下であり、配管も細くスペース
上も容易に設置できかつ安価である。
【００３７】本発明において、カソード下流に設置され
た分離セル（濃縮分離装置）は、外部から供給される電
流により機能的にカソード下流ガスからＣＯ2とＯ2を選
択的に分離し、同時に発生するガス圧力により分離ガス
をカソード入口側に供給する。これにより、カソード側
のＣＯ2の不足を補うことができる。これはセルの性能
を向上させるばかりでなく、ＣＯ2供給遅れをなくすこ
とにより、システムの負荷応答性を向上させることがで
きる。
た分離セル（濃縮分離装置）は、外部から供給される電
流により機能的にカソード下流ガスからＣＯ2とＯ2を選
択的に分離し、同時に発生するガス圧力により分離ガス
をカソード入口側に供給する。これにより、カソード側
のＣＯ2の不足を補うことができる。これはセルの性能
を向上させるばかりでなく、ＣＯ2供給遅れをなくすこ
とにより、システムの負荷応答性を向上させることがで
きる。
【００３８】従って、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発
電設備は、カソードリサイクルガス中のＣＯ2濃度を高
め、燃料電池におけるＣＯ2利用率を下げて、電池性能
を向上させることができ、かつアノード側からカソード
側へＣＯ2ガスを供給するためのブロア動力を低減する
ことができ、更に、ＣＯ2リサイクルのための必要機器
を小型かつ安価にすることができ、これにより所内動力
を下げて送電端効率を高めることができ、かつ負荷応答
性を高めることができる等の優れた効果を有する。
電設備は、カソードリサイクルガス中のＣＯ2濃度を高
め、燃料電池におけるＣＯ2利用率を下げて、電池性能
を向上させることができ、かつアノード側からカソード
側へＣＯ2ガスを供給するためのブロア動力を低減する
ことができ、更に、ＣＯ2リサイクルのための必要機器
を小型かつ安価にすることができ、これにより所内動力
を下げて送電端効率を高めることができ、かつ負荷応答
性を高めることができる等の優れた効果を有する。
【図１】本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備の第１
実施形態を示す図である。
実施形態を示す図である。
【図２】本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備の第２
実施形態を示す図である。
実施形態を示す図である。
【図３】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図４】従来の燃料電池発電設備の模式図である。
１ 燃料、２ アノードガス、３ カソードガス、４
アノード排ガス、５ 燃焼排ガス、６ 空気、７，７
ａ，７ｂ，７ｃ カソード排ガス、８ 水蒸気、９ Ｃ
Ｏ2濃縮ガス、１０ 改質器、１１ 燃料電池、１２
ターボチャージャー、１２ａ 流量調節弁、１３ 燃料
予熱器、１４ ガスタービン用燃焼器、１５ 排熱回収
熱交換器、１６ ＣＯ2リサイクルブロア、１７ 燃焼
器、１８ カソードリサイクルライン、１８ａ 高温流
量調節弁、２０ ＣＯ2リサイクルライン、２２ 濃縮
分離装置、２２ａ アノ−ド、２２ｂ 電解質板、２２
ｃ カソ−ド、２４ 濃縮ガス補給ライン、２６ａ，２
６ｂ 印加ライン、３０ ＣＯ2発電装置、３０ａ ア
ノ−ド、３０ｂ 電解質板、３０ｃ カソ−ド
アノード排ガス、５ 燃焼排ガス、６ 空気、７，７
ａ，７ｂ，７ｃ カソード排ガス、８ 水蒸気、９ Ｃ
Ｏ2濃縮ガス、１０ 改質器、１１ 燃料電池、１２
ターボチャージャー、１２ａ 流量調節弁、１３ 燃料
予熱器、１４ ガスタービン用燃焼器、１５ 排熱回収
熱交換器、１６ ＣＯ2リサイクルブロア、１７ 燃焼
器、１８ カソードリサイクルライン、１８ａ 高温流
量調節弁、２０ ＣＯ2リサイクルライン、２２ 濃縮
分離装置、２２ａ アノ−ド、２２ｂ 電解質板、２２
ｃ カソ−ド、２４ 濃縮ガス補給ライン、２６ａ，２
６ｂ 印加ライン、３０ ＣＯ2発電装置、３０ａ ア
ノ−ド、３０ｂ 電解質板、３０ｃ カソ−ド
Claims (4)
- 【請求項１】 水素を含むアノードガスと酸素を含むカ
ソードガスにより発電する燃料電池（１１）と、燃料電
池で反応後のアノード排ガス（４）を燃焼させる燃焼器
（１７）と、該燃焼器の燃焼排ガス（５）を燃料電池の
カソード入口側に循環させるＣＯ2リサイクルライン
（２０）と、燃料電池で反応後のカソード排ガス（７）
から濃縮したＣＯ2ガスを含むＣＯ2濃縮ガス（９）を分
離する濃縮分離装置（２２）と、該ＣＯ2濃縮ガスを前
記ＣＯ2リサイクルラインに供給する濃縮ガス補給ライ
ン（２４）とを備えた、ことを特徴とする溶融炭酸塩型
燃料電池発電設備。 - 【請求項２】 前記濃縮分離装置（２２）は、溶融炭酸
塩を電解質とする電解質板（２２ｂ）と、これを両面か
ら挟持する多孔質のアノ−ド（２２ａ）及びカソ−ド
（２２ｃ）とからなる濃縮分離セル又はその積層体であ
り、 該濃縮分離セルに必要な電位を印加し、かつカソード
（２２ｃ）に前記カソード排ガス（７）を供給し、該カ
ソードで、ＣＯ2 ＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →ＣＯ3 2-の電
気化学反応を行わせ、生成された炭酸イオンを電解質板
（２２ｂ）を通してアノード側に移動させ、アノードで
炭酸イオンを電気化学反応を行わせて、高濃度のＣＯ2
ガスを選択的に分離してＣＯ2濃縮ガス（９）として取
り出す、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩
型燃料電池発電設備。 - 【請求項３】 前記濃縮分離装置（２２）のカソード側
とアノード側を、前記燃料電池（１１）のアノード側と
カソード側にそれぞれ接続する印加ライン（２６ａ，２
６ｂ）を備える、ことを特徴とする請求項２に記載の溶
融炭酸塩型燃料電池発電設備。 - 【請求項４】 前記濃縮分離装置（２２）の下流側に、
ＣＯ2ガスから発電するＣＯ2発電装置（３０）を備え、
該ＣＯ2発電装置は、溶融炭酸塩を電解質とする電解質
板（３０ｂ）と、これを両面から挟持する多孔質のアノ
−ド（３０ａ）及びカソ−ド（３０ｃ）とからなる発電
セル又はその積層体であり、 カソード（３０ｃ）に濃縮分離装置（２２）のＣＯ2ガ
スを含む排ガスを供給し、アノード（３０ａ）にＣＯ2
ガス濃度の相対的に低いガスを供給し、 カソードで、ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →ＣＯ3 2-の
電気化学反応を行わせ、生成された炭酸イオンを電解質
板（２２ｂ）を通してアノード側に移動させ、 アノードでＣＯ3 2-→ＣＯ2＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- の電
気化学反応を行わせ、これにより、カソードとアノード
間に電力を発生させ、該電力を前記濃縮分離装置（２
２）に供給する、ことを特徴とする請求項２に記載の溶
融炭酸塩型燃料電池発電設備。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001120818A JP2002319428A (ja) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 溶融炭酸塩型燃料電池発電設備 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001120818A JP2002319428A (ja) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 溶融炭酸塩型燃料電池発電設備 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002319428A true JP2002319428A (ja) | 2002-10-31 |
Family
ID=18970799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001120818A Pending JP2002319428A (ja) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 溶融炭酸塩型燃料電池発電設備 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002319428A (ja) |
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-
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- 2001-04-19 JP JP2001120818A patent/JP2002319428A/ja active Pending
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