JP2899709B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池発電装置

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JP2899709B2
JP2899709B2 JP1305584A JP30558489A JP2899709B2 JP 2899709 B2 JP2899709 B2 JP 2899709B2 JP 1305584 A JP1305584 A JP 1305584A JP 30558489 A JP30558489 A JP 30558489A JP 2899709 B2 JP2899709 B2 JP 2899709B2
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネ
ルギーに変換させるエネルギー部門で用いる燃料電池の
発電装置に関するもので、特に、溶融炭酸塩型燃料電池
発電装置に関するものである。
［従来の技術］ 現在までに提案されている燃料電池のうち、溶融炭酸
塩型燃料電池は、溶融炭酸塩を多孔質物質にしみ込ませ
てなる電解質板（タイル）を、カソード（酸素極）とア
ノード（燃料極）で両面から挟み、カソード側に酸化ガ
スを供給すると共にアノード側に燃料ガスを供給するこ
とによりカソードとアノードとの間で発生する電位差に
より発電が行われるようにしたものを１セルとし、各セ
ルをセパレータを介し多層に積層してスタックとするよ
うにしてある。
上記溶融炭酸塩型燃料電池の発電システムとして、従
来の代表的なものに第９図に示す如きカソードリサイク
ル方式がある。すなわち、電解質板１をカソード２とア
ノード３の両電極で両面から挟んでなるセルをセパレー
タを介し積層してスタックとしてある燃料電池FCの上記
カソード２には酸化ガスを供給するため、空気Ａを空気
供給ライン４上のブロワ５で加圧した後、空気予熱器６
で予熱してカソード２に供給するようにし、該カソード
２から排出されたカソード出口ガスは、ライン７より分
岐されて一部は上記空気予熱器６、熱交換器８を経た
後、大気へ排出されるものと分岐ライン９より上記空気
供給ライン４に戻されてカソード２へ送られるようにす
ると共に、上記ライン７より分岐した残りのカソード出
口ガスは、ライン10より改質装置11の燃焼部12へ導入さ
れるようにしてある。一方、燃料電池FCのアノード３に
供給する天然ガスNGは、改質装置11の改質部13から改質
ガスライン14に排出された改質ガスの一部と混合させら
れ、天然ガスに含まれている硫化物中の硫黄が硫化水素
化させられ、天然ガス予熱器15を経て脱硫器16で脱硫さ
れ、更に、該脱硫された天然ガスを、ボイラ17で発生さ
せられて蒸気ライン18にて送られる水蒸気を駆動流体と
してエジェクタ19を通すことにより上記改質部13へ導入
させて、水素、一酸化炭素、二酸化炭素等に改質させる
ようにしてあり、該改質されたガスのほとんどは、改質
ガスライン14より分岐された改質ガス供給ライン20より
燃料電池FCのアノード３に供給され、該アノード３から
排出されたアノード出口ガスは、未反応分のH2、COを含
んでいるので、アノード出口ガスライン21より改質装置
11の燃焼部12へ導入させるようにし、又、該改質装置11
の燃焼部12から排出された燃焼排ガスは、排ガスライン
22よりボイラ17を経て凝縮器23に導かれ、ここで冷却さ
れて水分は凝縮された後気液分離器24により水とガスに
分離され、ガスはブロワ25で加圧されて空気供給ライン
４よりカソード２へ供給されるようにしてあり、カソー
ド２に大量の酸化ガスをリサイクルさせることによって
燃料電池スタックの冷却を行わせるようにしてある。
上記構成の発電システムでは、カソード２側にCO2、O
2等を含む酸化ガスが供給されることによって、カソー
ド２側で CO2＋1/2O2＋2e-→CO3 -- の反応が行われて、炭酸イオンCO3 --が生じ、このCO3 --
は電解質板１中を泳動してアノード３に到達する。一
方、アノード３側に供給されたH2、CO、CO2等を含む改
質ガスは、アノード３側で CO3 --＋H2→H2O＋CO2＋2e- の反応が行われ、水素ガスが主として消費され、水と炭
酸ガスが生成される。
アノード出口ガス中には未反応のH2、COが含まれてい
るので、改質装置11の燃焼部12に送り込まれ、未反応分
のO2が含まれているカソード出口ガスと混合して燃焼
し、この燃焼部12での燃焼により生じた熱によって改質
部13での改質反応が行われ、天然ガスNGは、H2、CO、CO
2等に改質されるようにしてある。
上記従来のカソードリサイクル方式の発電システム
は、アノード出口ガスとカソード出口ガスを改質装置11
の燃焼部12で混合させるようにしていることから、アノ
ード３とカソード２間の差圧を少なくすることができる
こと、改質装置11の燃焼部12からの燃焼排ガス及びカソ
ード出口ガスを循環させてカソード２に供給させるよう
にしてあることから、カソード２入口の炭酸ガス濃度を
高めることにより高発電効率が得られること、等の利点
を有している。
次に、第10図は従来のアノードリサイクル方式の発電
システムについて示すもので、燃焼電池FCのアノード３
と、アノード出口ガスライン21と、ブロワ26と、改質装
置11の改質部13と、改質ガスをアノード３に供給する改
質ガスライン14とによりアノードリサイクルループを形
成し、天然ガスNGは、脱硫器16、熱交換器16を経てアノ
ードリサイクルループのアノード出口ガスライン21に供
給されるようにしてあり、一方、カソード２に供給する
酸化ガスは、ブロワ５で昇圧された後、改質装置11の燃
焼部12から排ガスライン22に排出された燃焼排ガスと混
合されて空気供給ライン４より供給され、カソード出口
ガスの一部はボイラ17へ送られ、ここで、供給ポンプ27
からの水と熱交換して外部用途の蒸気を発生させて大気
へ排出され、カソード出口ガスの他の一部は、カソード
出口ライン７により改質装置11の燃焼部12へ導入される
ようにしてあり、カソード出口ガスとアノード出口ガス
の未反応ガスを燃焼部12で燃焼させることにより生じた
熱が改質部13に吸熱されて改質反応が行われるようにし
てある。
又、従来、内部改質型の燃料電池も提案されている
が、これは燃料電池スタックと改質器の機能を合体させ
たもので、第11図及び第12図に一例を示す如く、電解質
板１をカソード２とアノード３で両面から挟んだセルを
セパレータ31を介して積層してスタックとするときに、
上記アノード３にリブ付きのものを用い、リブ28の間に
形成される溝を燃料ガスの通路29として、この通路29に
改質用触媒（アルミナ担体＋Ni）30を充填して配置し、
上記通路29に、燃料ガスとして、天然ガス＋水蒸気を供
給し、且つセパレータ31により形成されたガス通路32′
に酸化ガスを供給することにより、アノード３側での改
質反応と、アノード３、カソード２間での電気化学反応
とを同時に行わせるようにしてある。32は冷却用空気の
通路である。
上記内部改質型燃料電池では、改質反応と電気化学反
応とを同時に発生させるものであり、かかる共存反応で
は水素及び一酸化炭素が消費されるので、改質反応は化
学平衡温度で決定されるメタン転化率以上に進行する。
したがって、低温で高メタン転化率が得られる。電気化
学反応は発熱反応、一方、改質反応は吸熱反応であり、
バランスを取りながら運転すると、高発電効率が得られ
る利点を有している。
［発明が解決しようとする課題］ ところが、前記した第９図に示すカソードリサイクル
方式のものでは、発電端効率が45.5％atHHV（アノード
燃料利用率80％、電流密度150mA/cm2、改質装置スチー
ムカーボン比（S/C比）＝３）であり、セル出力電圧が
0.69Vと低い。これは、カソード入口のCO2濃度を上げる
ために改質装置の燃焼部12からの燃焼排ガスを凝縮させ
て水を分離した後のガス及びカソード出口ガスの一部を
冷却した排ガスをリサイクルさせてカソード２に送り込
んでいるにもかかわらず、カソード入口のCO2濃度は11.
3％しか上がらないという、カソード入口ガスのCO2濃度
が低レベルであることに基因するものである。又、ブロ
ワ５で昇圧された空気とブロワ25で昇圧されてリサイク
ルされる空気が合流されてカソード２に供給される流量
を20mol/mとしたとき、カソード出口ガスの流量は17.6m
ol/mと多くなるので、ブロワ5,25の動力が大きくなり、
所内動力が増加して送電端効率が悪くなるという問題が
あると共に、上記のようにセル出力電圧が低いため、電
流密度を上げることができず、プラントのコンパクト化
ができない、という問題がある。
又、第10図に示す従来のアノードリサイクル方式のも
のでは、燃料電池スタックの冷却は主としてアノードリ
サイクルガスを使用するものであり、又、改質反応に必
要な熱量はアノード出口ガスの顕熱（温度約700℃）を
主体に用いるものであるため、 アノード出口ガス中には炭酸塩蒸気ないしKOH等の
分解ガスが存在するので、これが改質装置11の改質部の
触媒を被毒すること、 アノードリサイクルループは高温リサイクルであ
り、ここに用いられるブロワ26としては、アノードリサ
イクルの圧損が一定であれば動力損失はガスの温度が上
昇する分だけ大きくなる。つまり、常温に対して、 すなわち、約３倍の動力ロスになること、 H2、COのガス濃度の低いアノード出口ガスをリサイ
クルさせるために、アノード入口のH2、COガス濃度が低
減するので、セル電圧が低減すること、 アノード３側は、カソード２側からの炭酸ガスイオ
ンCO3 --が水素ガスと反応して生成ガスH2、CO2を吹き出
すため、温度境界層が厚くなり、熱伝達率がカソード２
に比較して小さいため、燃料電池スタック冷却をアノー
ド３側で実施するのが不利であること、 等の問題がある。
更に、第11図に示す形式の内部改質型燃料電池では、
アノード３側のガス流路に改質用触媒30を配置するの
で、触媒が炭酸塩で直接濡れることになって被毒される
という基本的な問題があると共に、燃料電池スタック内
の温度コントロールが難しい、という問題がある。
そこで、本発明は、内部改質型の燃料電池として改質
用触媒が炭酸塩と直接接することがないようにして改質
用触媒が炭酸塩により被毒されることを防止すると共
に、内部改質型の燃料電池スタック内の温度制御が容易
にできるようにし、更に、高発電効率が得られるような
溶融炭酸塩型燃料電池発電装置を提供しようとするもの
である。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決するために、溶融炭酸塩を
しみ込ませた電解質板をカソードとアノードの両電極で
挟み、カソード側に酸化ガスを、又、アノード側に燃料
ガスをそれぞれ供給するようにしてなるセルをセパレー
タを介して積層して構成する燃料電池スタックの数セル
ごとに、スタック冷却用改質原料ガスを流す複数の通路
に改質用触媒を充填してなる冷却板を挿入配置し、且つ
上記燃料電池スタックの外部に、改質部と燃焼部を隣接
させた外部改質装置を設置し、上記冷却板にスタック冷
却用改質原料ガスを供給するスタック冷却用ガスライン
を接続すると共に、上記外部改質装置の改質部に上記ス
タック冷却用改質原料ガスとは別の外部改質装置プロセ
ス用の改質原料ガスを供給する外部改質装置プロセス用
ガスラインを接続し、上記冷却板で改質された改質ガス
を、外部改質装置の改質部で改質され空気予熱器で熱交
換された改質ガスと合流させてアノードに供給する改質
ガスラインを設け、更に、アノード出口ガスを外部改質
装置の燃焼部へ供給するアノード出口ガスラインと、外
部改質装置の燃焼部から排出された燃焼排ガスを空気と
ともにカソードに供給する空気供給ラインを備えた構成
とする。又、上記構成において、外部改質装置の燃焼部
からの燃焼排ガスを、空気を駆動流体としてエジェクタ
にてカソードに供給させるようにしてもよい。更に、上
記冷却板からの改質ガスをアノードに供給することに代
えて改質装置の改質部に供給させるようにすることもで
きる。
［作用］ 燃料電池スタックに組み入れられた冷却板にスタック
冷却用の改質原料ガスが供給されて、該冷却板に充填さ
れた改質用触媒により上記改質原料ガスが改質されると
きの吸熱反応を利用して燃料電池スタックの冷却が行わ
れる。この際、改質用触媒は、冷却板に設けたガス通路
内に充填されているので、改質用触媒は炭酸塩から完全
に絶縁されていて、炭酸塩により被毒されることはな
く、又、燃料電池スタック内の垂直方向の温度分布は、
別々に供給されている外部改質装置へのプロセス用改質
原料ガスの流量と冷却板へのスタック冷却用改質原料ガ
スの流量の比をコントロールすることにより容易に制御
できる。更に、燃焼排ガスをカソードに供給する場合
に、空気を駆動流体としてエジェクタにより圧送させる
ようにしてあるので、スタック内のアノードとカソード
の差圧制御をエジェクタを利用して行うことができる。
又、上記冷却板からの改質ガスを、改質装置の改質部の
入口側に戻すようにすると、冷却板の改質率をスタック
出口温度に無関係に選定できることになる。
［実 施 例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電装置の一
実施例を示す系統図であり、第２図に一例を示す如く、
溶融炭酸塩を多孔質物質にしみ込ませてなる電解質板１
をカソード２とアノード３の両電極で両面から挟んでな
るセルＣをセパレータ31を介して多層に積層させるよう
にすると共に、数セルＣごとに上記セパレータ31に代え
て、内部にガス通路34を貫通して設けて該ガス通路34内
に改質用触媒を充填してなる冷却板33を挿入配置し、上
記電解質板１、セパレータ31、冷却板33の周辺部に設け
た酸化ガス給排用のマニホールド35と燃料ガス給排用マ
ニホールド36を通して、各セルごとにカソード２側に酸
化ガスを、又、アノード３側に燃料ガスをそれぞれ供給
するようにしてなる間接内部改質型の燃料電池スタック
Ｓを構成し、且つ該間接内部改質型燃料電池スタックＳ
の外部に、改質部38と燃焼部39を隣接してなる外部改質
装置37を設置し、上記冷却板33のガス通路34には、スタ
ック冷却用改質原料ガス（天然ガス）CGを脱硫器40で脱
硫させた後、ボイラ41から水蒸気ライン42で送られる水
蒸気を駆動流体としてエジェクタ43から予熱器44を経て
スタック冷却用ガスライン45に通して供給させるように
し、一方、外部改質装置37の改質部38には、外部改質装
置プロセス用の改質原料ガス（天然ガス）PGを脱硫器46
で脱硫させた後、上記ボイラ41から水蒸気ライン47を通
して送られる水蒸気を駆動流体としてエジェクタ48で圧
送させ、予熱器49を経てプロセス用ガスライン50により
供給させるようにする。又、上記冷却板33で改質されて
排出された改質ガスは、外部改質装置37の改質部38から
排出されて空気予熱器51で熱交換された改質ガスと合流
させて改質ガスライン52よりアノード３に供給させるよ
うにし、該アノード３で、 H2＋CO3 --→H2O＋CO2＋2e- の反応を終えて排出されたアノード出口ガスは、アノー
ド出口ガスライン53より予熱器44及び49を通して外部改
質装置37の燃焼部39へ導くようにし、更に、燃料電池ス
タックＳのカソード２には、空気Ａを空気予熱器54で予
熱した後、上記外部改質装置37の燃焼部39から排出され
た燃焼排ガスと合流させ、更に空気予熱器51で予熱して
空気供給ライン55により供給させるようにし、該カソー
ド２で、 CO2＋1/2 O2＋2e-→CO3 -- の反応を終えて排出されたカソード出口ガスは、カソー
ド出口ガスライン56を通り、一部は前記ボイラ41へ導い
て、ポンプ57により圧送される水を蒸発させて水蒸気ラ
イン42,47へ水蒸気を供給させるようにすると共に、カ
ソード出口ガスの他の一部は分岐ライン58より予熱器59
及び空気予熱器54に通して大気へ放出させるようにし、
上記予熱器59では、ブロワ60で昇圧されて外部改質装置
37の燃焼部39へ導入させる燃焼用空気を予熱させるよう
にする。
上記燃料電池スタックＳの数セルごとに挿入した冷却
板33の詳細は、第３図及び第４図に示す如くであり、周
辺部に酸化ガス給排用のマニホールド35と燃料ガス給排
用のマニホールド36を形成し、且つ一方のマニホールド
側から他方のマニホールド側へガスを流すための複数個
のガス通路34を貫通させて設け、該各ガス通路34内に改
質用触媒61を充填し、該改質用触媒61が燃料電池セルの
炭酸塩と接触することがないようにすると共に、水蒸気
を駆動流体とする改質原料ガス（天然ガス）が、各ガス
通路34を通過する間にセルで発熱される熱量を吸収して
改質されるようにしてある。又、外部改質装置37として
は、各種タイプのものがあるが、たとえば、本特許出願
人の出願に係る実願昭62−145404号のプレート型改質装
置を用いるようにする。
なお、本発明の他の実施例として、第１図に示してあ
るように、カソード２へ空気を供給する空気供給ライン
55にエジェクタ62を設け、外部改質装置37の燃焼部39か
らの燃焼排ガスを、上記エジェクタ62に導くようにし、
空気を駆動流体としてエジェクタ62よりカソード２へ供
給させるようにした構成としてもよい。
今、第１図において、燃焼電池スタックＳに挿入した
冷却板33に供給するスタック冷却用改質原料ガスCGは、
脱硫器40を通り、ここで硫化物を活性炭又は二酸化マン
ガンに直接吸着させて除去する。上記硫化物は改質用触
媒及び燃焼用触媒の毒となるが、予め除去するので被毒
されることが防止される。次に、ボイラ41からの水蒸気
により上記スタック冷却用の改質原料ガスは、エジェク
タ43で圧送され、予熱器44を経て冷却板33のガス通路34
に供給される。該ガス通路34に供給された改質原料ガス
CGは改質用触媒61と接触しながら流れる間にスタックＳ
の発熱による熱を吸収してH2、COに転換される。この冷
却板33での改質反応は、蒸気／カーボン比、温度、圧力
に依存する。冷却板33で改質されたガスは、外部改質装
置37の改質部38からの改質ガスと合流してスタックＳの
アノード３に供給される。
一方、外部改質装置37に供給するためのプロセス用改
質原料ガス（天然ガス）PGは、脱硫器46、エジェクタ4
8、予熱器49を経て外部改質装置37の改質部38に供給さ
れ、ここで改質反応が行われて改質され、改質ガスが上
述のようにアノード３に供給される。上記改質部38での
改質反応は、アノード出口ガスを外部改質装置37の燃焼
部39で燃焼させて得られた熱を吸収して行われる。
上記アノード３に供給された改質ガスは、カソード２
での反応により生じた炭酸ガスイオンCO3 --と反応してC
O2とH2Oを生成させる。アノード出口ガス中には未反応
物のH2、COが含まれているので、予熱器44と49でそれぞ
れ熱交換した後に外部改質装置37の燃焼部39へ導入して
燃焼させる。この場合、アノード３に供給されるガス中
のH2＋COのモル流量のうち、どれだけ電流に変えられる
かという燃料利用率については、外部改質装置37の改質
原料ガス流量が従来のカソードリサイクル方式より少な
いので、アノード出口ガス中の未反応分H2、COは少なく
てよくて、スタックの上記燃料利用率を高くとることが
可能であり、高発電効率が得られる。
外部改質装置37の燃焼部39からの燃焼排ガスは、空気
Ａと合流してカソード２に供給するが、この場合に、空
気を駆動流体としてエジェクタ62でカソード２へ圧送さ
せるようにすることにより、アノード３とカソード２間
の差圧を少なくすることができること、高価な熱交換器
を用いることなくコストセービングを行うことができる
こと、等の利点が生じる。
今、一例として、第１図に示すシステムの発電出力2.
11KW、電流密度150mA/cm2、燃料利用率UF＝80％、スタ
ック冷却用改質原料ガス（天然ガス）とプロセス用改質
原料ガスのスチームカーボン比（S/C比）＝３、燃料電
池入口温度550℃、出口温度700℃、外部改質装置入口温
度550℃、出口温度720℃、外部改質装置37の燃焼部空気
過剰率EA＝1.2、エジェクタ62の流量比EJ（空気モル流
量／外部改質装置燃焼排ガス流量）＝1.0、大気圧作動
の条件で実施し、スタック冷却用改質原料ガスCGの流量
は0.183mol/m、プロセス用改質原料ガスPGの流量は0.10
9mol/mとし、流量比＝0.183/0.109≒63/37、つまり全改
質原料ガス必要流量の約60％がスタック冷却用、約40％
がプロセス用である。
燃料電池スタックＳのカソード３の入口のガス濃度
は、CO2が約17％、H2Oが約24％、N2が約48％、O2が約11
％であり、このCO2濃度の約17％は従来のカソードリサ
イクル方式におけるカソード入口のCO2濃度の11％より
かなり高くすることができる。発電効率及びセル電圧に
ついても次に示す如く従来のカソードリサイクル方式に
比して高くなる。すなわち、発電効率EFは、カソードリ
サイクル方式が45.5％であるのに比し本発明では48.5％
であり、セル電圧（VOLT）は、カソードリサイクル方式
が0.69％であるのに比し本発明では0.72％である。又、
本発明でのガス流量は、上記従来のカソードリサイクル
方式の1/3以下であるので、所内動力が少なく、したが
って、送電端効率も本発明の方が高くなる。
次に、燃料電池スタックＳのアノード３の燃料利用率
UFとプラントの性能についてみると、第５図に示す如く
である。なお、第５図では前記した条件と同様に燃料電
池入出口温度550℃、700℃、外部改質装置37の入出口温
度550℃、720℃、スタック冷却用とプロセス用天然ガス
のスチームカーボン比（S/C）＝３、外部改質装置燃焼
部の空気過剰率EA＝1.2、エジェクタ62の流量比EJ＝1.0
の条件での実験結果である。
発電効率EFは、曲線Ｉの如く、燃料利用率UF＝82％近
傍で50％を超え、セル電圧（VOLT）は、曲線IIの如く、
UFの増加とともに低減する。これはアノード３中にH2、
CO濃度及び流量が低減するためである。スタック冷却用
天然ガス（メタン）の流量は、曲線IIIの如くUFが増加
するとともに増加する。これはUFが大きくなるとともに
ガス流量が低減し、アノード及びカソードガスの冷却能
力が低減するためである。逆に、プロセス用天然ガス
（メタン）の流量は、曲線IVの如くUFが増加するととも
に低減する。両方の流量は、UF＝72％でクロスする。図
中、曲線Ｖはカソード２へ入るガス流量、曲線VIはアノ
ード３へ入るガス流量である。第５図から燃料利用率UF
が増加するとプラント発電効率が向上することがわか
る。
第６図は燃料電池スタックＳの出口温度がプラント性
能に及ぼす影響を示すもので、燃料利用率UF＝85％、燃
料電池入口温度550℃、外部改質装置入出口温度550℃、
720℃、その他は第５図における条件と同じ条件での実
験結果である。
プラント発電効率EFは燃料電池出口側温度の上昇とと
もに曲線Ｉの如く漸増し、又、冷却板33の天然ガス（メ
タン）の改質率は曲線VIIの如く、セル電圧（VOLT）は
曲線IIの如く、それぞれ燃料電池出口温度の上昇ととも
に増加する。曲線IIIはスタック冷却用天然ガス（メタ
ン）の流量を又、曲線IVはプロセス用天然ガス（メタ
ン）の流量をそれぞれ示す。
次に、第７図は冷却板33の改質原料ガス（メタン）の
改質率を向上させるために、スタック冷却用メタンのS/
Cを増加させたときのプラント性能を示すもので、燃料
利用率UF＝85％、プロセス用天然ガスのS/C比＝３と
し、その他の条件は第５図の場合と同じ条件としたもの
である。
発電効率EFは、スタック冷却用メタンのS/Cを増加さ
せても曲線Ｉの如くほぼ一定であるが、セル電圧（VOL
T）はS/Cの増加とともに曲線IIの如く低減する。曲線II
Iはスタック冷却用天然ガス（メタン）の流量を、又、
曲線IVはプロセス用天然ガス（メタン）の流量をそれぞ
れ示す。
第８図はエジェクタ62の流量比EJがプラント性能に及
ぼす影響を示すもので、燃料利用率UF＝85％とし、その
他の条件は第５図の場合と同じ条件としたものである。
発電効率EFは曲線Ｉの如く、又、セル電圧（VOLT）は
曲線IIの如く、ともにエジェクタ62の流量比EJの影響は
少ない。したがって、アノード、カソードの差圧コント
ロールはEF、セル電圧にあまり影響されずに実施できる
ことになる。なお、曲線VIIIはカソードに供給されるCO
2濃度（wet vol％）、曲線IXは同じくO2濃度（wet vol
％）である。
なお、上記実施例では冷却板33で改質された改質ガス
をアノード３に直接供給するようにした場合を示した
が、冷却板33からの改質ガスを外部改質装置37の改質部
38の入口側にライン63により導くようにしてもよい。こ
のようにすれば、スタック冷却用の天然ガスの改質率が
スタック出口温度に依存される問題が克服でき、冷却板
33での改質結果をスタック出口温度に無関係に選定でき
ることになる。
［発明の効果］ 以上述べた如く本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電装
置によれば、溶融炭酸塩をしみ込ませた電解質板をカソ
ードとアノードの両電極で挟み、カソード側に酸化ガス
を、又、アノード側に燃料ガスをそれぞれ供給するよう
にしてなるセルをセパレータを介し積層して構成する燃
料電池スタックの数セルごとに、スタック冷却用改質原
料ガスを流す複数の通路に改質用触媒を充填してなる冷
却板を挿入配置し、且つ上記燃料電池のスタックの外部
に、改質部と燃焼部を隣接させた外部改質装置を設置
し、上記冷却板に、スタック冷却用改質原料ガスを水蒸
気とともに供給するようスタック冷却用ガスラインを接
続すると共に、上記外部改質装置の改質部に、上記スタ
ック冷却用改質原料ガスとは別の外部改質装置プロセス
用の改質原料ガスを水蒸気とともに供給するよう外部改
質装置プロセス用ガスラインを接続し、上記冷却板で改
質された改質ガスを、外部改質装置の改質部で改質され
空気予熱器で熱交換された改質ガスと合流させてアノー
ドに供給する改質ガスラインを設け、更に、アノード出
口ガスを外部改質装置の燃焼部へ供給するアノード出口
ガスラインと、外部改質装置の燃焼部から排出された燃
焼排ガスを空気とともに上記空気予熱器を経てカソード
に供給する空気供給ラインを備えてなる構成としてある
ので、次の如き優れた効果を奏し得る。
（ｉ） 燃料電池スタックの冷却は、スタック内の数セ
ルごとに挿入した冷却板内で生ずる改質原料ガス＋水蒸
気改質の吸熱反応を利用するため、セル平面内で従来の
カソードリサイクル方式、アノードリサイクル方式より
も均一の温度でスタックを冷却することができる。
（ii） 上記（ｉ）の如く燃料電池スタックの冷却を改
質原料ガス＋水蒸気の改質反応を利用することから、カ
ソード入口ガスの炭酸ガス濃度をスタック冷却のために
下げる必要がなく、したがって、セル電圧は従来のカソ
ードリサイクル方式より高くなり、結果として電流密度
を向上でき、スタックのコンパクト化が図れる。
（iii） 冷却板に充填した改質用触媒は、炭酸塩から
絶縁されているので、被毒が防止される。
（iv） 燃料電池発電システムの送電端効率を向上させ
る方式として、カソードリサイクル、アノードリサイク
ルを実施しないので、スタック冷却に必要な大量のガス
循環に伴うブロワ動力損失が大きくなるという問題が避
けられる。
（ｖ） 間接内部改質型の燃料電池スタックでは、スタ
ック内垂直方向に温度分布が付く可能性があるが、本発
明では、外部改質装置をスタック冷却板と併設して、こ
れら装置の流量比をコントロールするようにしてあるの
で、間接内部改質型スタックの垂直方向の温度差を小さ
くすることができる。
（vi） 冷却板を数セルごとに挿入することにより、セ
ル欠陥（定格電流を負荷したとき、セル電圧が低い）を
有するブロックを、冷却板を利用し電気的にバイパスさ
せ負荷を取ることが可能である。
（vii） セルを多層に積層する場合に、数セルごとに
剛性の高い冷却板を入れることにより、各セルの製作精
度が一番弱いセル（たとえば、温度が高く剛性が弱い）
に集積されてセル欠陥になるのを防止することができ
る。
（viii） 冷却板で改質熱が得られるので、外部改質装
置の必要熱量が少なくてすむ。したがって、スタックの
燃料利用率を上げることができ、高プラント発電効率が
図れる。
更に、本発明では、外部改質装置の燃焼部からの燃焼
排ガスを、エジェクタを利用し且つ空気を駆動流体とし
て圧送させるようにすることにより、燃料電池スタック
のカソード、アノード間の差圧コントロールが可能で、
高価な熱交換器が不要となり、又、エジェクタの空気流
量はプラント発電効率及びセル電圧に対し鈍感で制御範
囲が広い、という利点がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電装置の一実
施例を示す系統図、第２図は本発明における間接内部改
質型の燃料電池スタックを示す斜視図、第３図は冷却板
の斜視図、第４図は第３図におけるガス通路の拡大図、
第５図はアノードの燃料利用率とプラントの性能との関
係を示す図、第６図は燃料電池スタックの出口温度とプ
ラント性能との関係を示す図、第７図はスタック冷却用
天然ガスのスチームカーボン比とプラント性能との関係
を示す図、第８図はエジェクタの流量比とプラント性能
との関係を示す図、第９図は従来の燃料電池発電システ
ムにおけるカソードリサイクル方式を示す系統図、第10
図は従来の燃料電池発電システムにおけるアノードリサ
イクル方式を示す図、第11図は従来の内部改質型燃料電
池の一例を示す図、第12図は第11図のXII部の拡大図で
ある。 １……電解質板、２……カソード、３……アノード、31
……セパレータ、33……冷却板、34……ガス通路、37…
…外部改質装置、38……改質部、39……燃焼部、45……
スタック冷却用ガスライン、50……プロセス用ガスライ
ン、52……改質ガスライン、53……アノード出口ガスラ
イン、55……空気供給ライン、56……カソード出口ガス
ライン、61……改質用触媒、62……エジェクタ、63……
ライン、Ｃ……セル、Ｓ……間接内部改質型燃料電池ス
タック（燃料電池スタック）、CG……スタック冷却用改
質原料ガス、PG……プロセス用改質原料ガス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森嶋 敏 東京都江東区豊洲３丁目１番15号 石川 島播磨重工業株式会社東京第二工場内 (72)発明者 水沢 実 東京都江東区豊洲３丁目１番15号 石川 島播磨重工業株式会社東京第二工場内 (72)発明者 小林 和典 東京都江東区豊洲３丁目１番15号 石川 島播磨重工業株式会社東京第二工場内 (56)参考文献 特開 平１−186565（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−226667（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】溶融炭酸塩をしみ込ませた電解質板をカソ
    ードとアノードの両電極で挟み、カソード側に酸化ガス
    を、又、アノード側に燃料ガスをそれぞれ供給するよう
    にしてなるセルをセパレータを介し積層して構成する燃
    料電池スタックの数セルごとに、スタック冷却用改質原
    料ガスを流す複数の通路に改質用触媒を充填してなる冷
    却板を挿入配置し、且つ上記燃料電池スタックの外部
    に、改質部と燃焼部を隣接させた外部改質装置を設置
    し、上記冷却板に、スタック冷却用改質原料ガスを水蒸
    気とともに供給するようスタック冷却用ガスラインを接
    続すると共に、上記外部改質装置の改質部に、上記スタ
    ック冷却用改質原料ガスとは別の外部改質装置プロセス
    用の改質原料ガスを水蒸気とともに供給するよう外部改
    質装置プロセス用ガスラインを接続し、上記冷却板で改
    質された改質ガスを、外部改質装置の改質部で改質され
    空気予熱器で熱交換された改質ガスと合流させてアノー
    ドに供給する改質ガスラインを設け、更に、アノード出
    口ガスを外部改質装置の燃焼部へ供給するアノード出口
    ガスラインと、外部改質装置の燃焼部から排出された燃
    焼排ガスを空気とともに上記空気予熱器を経てカソード
    に供給する空気供給ラインを備えてなることを特徴とす
    る溶融炭酸塩型燃料電池発電装置。
  2. 【請求項２】溶融炭酸塩をしみ込ませた電解質板をカソ
    ードとアノードの両電極で挟み、カソード側に酸ガス
    を、又、アノード側に燃料ガスをそれぞれ供給するよう
    にしてなるセルをセパレータを介し積層して構成する燃
    料電池スタックの数セルごとに、スタック冷却用改質原
    料ガスを流す複数の通路に改質用触媒を充填してなる冷
    却板を挿入配置し、且つ上記燃料電池スタックの外部
    に、改質部と燃焼部を隣接させた外部改質装置を設置
    し、上記冷却板に、スタック冷却用改質原料ガスを水蒸
    気を駆動流体としてエジェクタから供給するようスタッ
    ク冷却用ガスラインを接続すると共に、上記外部改質装
    置の改質部に、上記スタック冷却用改質原料ガスとは別
    の外部改質装置プロセス用の改質原料ガスを水蒸気を駆
    動流体としてエジェクタから供給するよう外部改質装置
    プロセス用ガスラインを接続し、上記冷却板で改質され
    た改質ガスを、外部改質装置の改質部で改質され空気予
    熱器で熱交換された改質ガスと合流させてアノードに供
    給する改質ガスラインを設け、更に、アノード出口ガス
    を外部改質装置の燃焼部へ供給するアノード出口ガスラ
    インと、外部改質装置の燃焼部から排出された燃焼排ガ
    スを空気を駆動流体としてエジェクタから上記空気予熱
    器を経てカソードへ供給する空気供給ラインを備えてな
    ることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電装置。
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