JP3006200B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池発電方法 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池発電方法

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JP3006200B2
JP3006200B2 JP3223598A JP22359891A JP3006200B2 JP 3006200 B2 JP3006200 B2 JP 3006200B2 JP 3223598 A JP3223598 A JP 3223598A JP 22359891 A JP22359891 A JP 22359891A JP 3006200 B2 JP3006200 B2 JP 3006200B2
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健三 中沢
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【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うち、特に、溶融炭酸塩型燃料電池
の発電装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在までに知られている溶融炭酸塩型燃
料電池の発電装置のうち、一例を示すと、図6に示す如
き系統構成のものがある。
【0003】この図6に示すものは、次のように構成さ
れている。すなわち、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
極で両面から挟み、カソード2側に酸化ガスとして空気
Aを、又、アノード3側に燃料ガスFGをそれぞれ供給
するようにしたものを1セルとし、各セルをセパレータ
(図示せず)を介し積層してスタックとした構成の溶融
炭酸塩型燃料電池Iを用い、該燃料電池Iのアノード3
の入口側に改質器4で改質された燃料ガスFGの供給ラ
イン5を接続し、改質原料ガスとしての天然ガスNG
が、天然ガス供給ライン6上の脱硫器7で脱硫された
後、天然ガス予熱器8で予熱されて改質器4の改質室4
aに供給されて改質され、上記燃料ガスFGとしてアノ
ード3に供給されるようにしてある。一方、空気Aは、
フィルタ9を通り、空気供給ライン10上の空気ブロワ
11で昇圧され、空気予熱器12で加熱されて燃料電池
Iのカソード2の入口側へ供給されるようにしてあり、
上記アノード3から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13により触媒燃焼器14へ導か
れ、ここでアノード出口ガス中の未反応成分を、空気供
給ライン10より分岐させた分岐ライン10aに分岐さ
せて導いた空気の一部を利用して燃焼させるようにし、
この燃焼熱を改質器4の加熱室4bへ供給して改質反応
に利用させるように触媒燃焼器14と加熱室4bとを燃
焼排ガスライン16にて接続してあり、上記カソード2
から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15より上記空気予熱器12を経て大気へ放出さ
せるようにし、又、カソード出口ガスの一部はカソード
リサイクルブロワ18によりリサイクルライン17を通
してカソード2の入口側へリサイクルするようにしてあ
る。又、上記改質器4の加熱室4bから排出されたガス
は、該ガスの顕熱を水蒸気発生に用いるようにするた
め、排ガスライン19より蒸気過熱器20、蒸気発生器
21、改質用蒸気発生器22、凝縮器23を経て気液分
離器24へ導くようにしてあり、該気液分離器24に
は、上水H2 Oを水処理装置25で処理して供給するよ
うにしてあって、気液分離器24で分離された水は、上
水H2 Oとともに給水ポンプ26で加圧されて上記蒸気
発生器21、改質用蒸気発生器22へ導かれるようにし
てある。更に、上記蒸気発生器21で発生した水蒸気
は、水蒸気回収ライン27より回収されるようにすると
共に、上記改質用蒸気発生器22で発生した水蒸気は、
蒸気過熱器20で過熱されて水蒸気ライン28より天然
ガス供給ライン6に導かれるようにしてあり、又、上記
気液分離器24で分離されたガスは、一部は排ガスライ
ン29より径外へ取り出し、残りの部分は、リサイクル
ライン30より空気供給ライン10の空気ブロワ11の
吸入側へ導かれ、空気と混合されてカソード2の入口に
導かれるようにしてある。
【0004】上記のように構成されている溶融炭酸塩型
燃料電池発電装置で発電を行わせるときは、天然ガスN
Gが脱硫器7、天然ガス予熱器8を経て改質器4の改質
室4aに導かれることにより、ここで、 CH4 +H2 O→CO+3H2 の反応が行われて、燃料ガスFGとして燃料電池Iのア
ノード3へ供給される。一方、燃料電池Iのカソード2
には、空気Aが空気予熱器12で予熱されて供給され、
カソード2側では、 CO2 +1/2 O2 +2e- →CO3 -- の反応が行われ、生成された炭酸イオンCO3 --が電解
質板1を通ってアノード3へ達する。アノード3には、
燃料ガスFGが供給されているので、アノード3側で、 CO3 --+H2 →CO2 +H2 O+2e- CO3 --+CO→2CO2 +2e- の反応が行われ、カソード2側とアノード3側の各端子
板間に負荷を接続することにより電気が流れるようにし
てある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、これまでの
溶融炭酸塩型燃料電池発電システムでは、アノード3か
ら排出されたアノード出口ガス中のCO2 をカソード2
に供給するようにしてCO2 をリサイクルさせ、カソー
ド2に必要なCO2 を供給しているが、リサイクルされ
てカソード2に送入されるCO2 は空気に希釈されるの
で、カソード2入口のCO2 濃度は標準の30%に比し
てはるかに低く(たとえば、7%)、セル電圧もこれに
伴って低くなっている。
【0006】そのため、最近では、カソードに供給する
CO2 濃度を高くしてCO2 の利用率を低くしCO2
圧を維持させることにより反応促進を図るようにして発
電効率を向上させることができるようにしたものが、本
特許出願人により出願されている(特願平2−3453
2号)。
【0007】本発明者は、更に研究を重ね、地球の環境
問題に鑑みてCO2の大気放出の抑制を図るために、カ
ソード出口ガス中のCO2 濃度の低限界を下げても燃料
電池の運転ができるようにすること、発電効率を高める
こと、等に着目して本発明をなした。
【0008】したがって、本発明は、カソード出口ガス
のCO2 濃度を低くしてCO2 の大気への放出量を抑制
すると共に、CO2 を含むガスからCO2 のみを回収で
きるようにして、なお且つ電池電圧を高めて発電効率を
高く維持できるような溶融炭酸塩型燃料電池発電方法を
提供しようとするものである。
【0009】
【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、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供給すると共にアノー
ド側に燃料ガスを供給するようにしたセルをセパレータ
を介し積層してスタックとした溶融炭酸塩型燃料電池を
用い、該燃料電池のアノード入口側に改質器で改質され
た燃料ガスを供給して、該アノードから排出されたアノ
ード出口ガスを燃焼器へ導いてアノード出口ガス中の可
燃成分を燃焼した後、冷却して気液分離をし、ガスの一
部を系外へ取り出すと共に、残りのガスを空気と混合さ
せてカソード入口側へ供給させるようにしてある溶融炭
酸塩型燃料電池発電方法において、上記溶融炭酸塩型燃
料電池を複数個用いて、上流側の燃料電池のカソードか
ら排出されたカソード出口ガスを下流側の燃料電池のカ
ソードに導き、下流側の燃料電池のカソード出口ガスを
大気へ放出させるように直列に配置し、且つ上記上流側
と下流側のすべての燃料電池で必要とされる燃料ガスを
まとめて下流側の燃料電池のアノードに供給し、該下流
側の燃料電池のアノード出口から排出されたアノード出
口ガスを上流側の燃料電池のアノード入口に導き、該上
流側のアノード出口から排出されたアノード出口ガスを
燃焼器に導入させる構成とする。
【0010】又、上流側の燃料電池を2つ以上に分割し
て、1つの燃料電池のカソード出口ガスが直接別の燃料
電池のカソードに供給されるよう直列に接続し、上記別
の燃料電池のカソード出口ガスを下流側の燃料電池のカ
ソード入口に導くようにし、且つ下流側燃料電池のアノ
ード出口ガスを上流側の2つ以上に分割した各燃料電池
のアノード入口に分散して供給すると共に該各燃料電池
のアノードからそれぞれ排出されたアノード出口ガスを
燃焼器に導入させる構成とすることもできる。
【0011】更に、燃焼器に代えてCO2 分離装置を用
いて、上流側燃料電池のアノードから排出されたアノー
ド出口ガス中のCO2 を分離し、CO2 を分離したアノ
ード出口ガスを下流側燃料電池のアノード入口又は上流
側燃料電池のアノード入口に還流させ、分離されたCO
2 は系外へ取り出すか又は一部を上流側燃料電池のカソ
ード入口に導入させるようにしてもよい。
【0012】更に又、上流側燃料電池のカソード入口
に、系外よりCO2 を含むガスを導入させるようにして
もよい。
【0013】
【作用】下流側の燃料電池のアノード入口に、上流側及
び下流側の各燃料電池で必要とされる燃料ガスを供給す
ると、H2 濃度の高い燃料ガスを供給することになるの
で、CO2 濃度が低くても運転できるようになり、CO
2 濃度を更に下げることが可能となり、又、下流側燃料
電池のアノード出口ガスを直接上流側の燃料電池のアノ
ード入口に導入するので、複数の燃料電池の発生電圧、
出力等の平均化が可能となる。
【0014】又、上流側の燃料電池を2つ以上に分割し
てカソード側を直列に接続すると、カソード出口ガス中
のCO2 の大気放出量を削減しながら、なお且つカソー
ドのCO2 濃度を高めて発電効率を高く維持することが
可能となる。
【0015】更に、CO2 分離装置を用いて、CO2
分離したアノード出口ガスを下流側燃料電池のアノード
入口に還流させることにより燃料ガスのH2 /CO分圧
を更に高め、電池電圧を高くすることができる。
【0016】更に又、系外のCO2 発生源からCO2
含むガスを上流側燃料電池のカソード入口に導入するこ
とによりCO2 ガス中のCO2 の回収ができ、この場
合、CO2 は出来るだけ低濃度になるまで燃料電池を作
動させる必要があるが、前記したように下流側燃料電池
のアノード入口側にH2 濃度の高いガスを導入すること
から、上記低CO2 濃度が可能となる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0018】なお、図1〜図5の説明においては、ヒー
トバランスのための熱交換器や補助的配管は省略してい
る。
【0019】図1は本発明の一実施例の概要を示すもの
で、図6に示した従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電シス
テムと同様に、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構成したセルをセパレータを介
し積層してスタックとしてある溶融炭酸塩型燃料電池の
アノード3の入口に、天然ガスNGの如き改質原料ガス
を改質器4で改質して得られた燃料ガスFGを供給し、
アノード出口ガスを触媒燃焼器14へ導入し、更に蒸気
過熱器20、蒸気発生器21,22、凝縮器23等を経
て冷却した後、気液分離器24で水H2 Oを除去し、ガ
スの一部は排ガスライン29より系外に取り出し、残っ
たガスは空気供給ライン10に導いて空気と混合させて
カソード2の入口に導入させるような系統としてある構
成において、上記溶融炭酸塩型燃料電池を複数個(実施
例では2個)用い、上流側の燃料電池Iのカソード2か
ら排出されたカソード出口ガスが下流側の燃料電池IIの
カソード2に直接導入されるよう燃料電池IとIIをカソ
ード出口ガスライン15で接続して直列に配置し、且つ
改質器4で改質された燃料ガスFGを供給する燃料ガス
供給ライン5を、下流側の燃料電池IIのアノード3の入
口側に接続し、該燃料電池IIのアノード3の出口側と上
流側の燃料電池Iのアノード3の入口側とをアノード出
口ガスライン13にて直接接続し、該燃料電池Iのアノ
ード3の出口側から排出されたアノード出口ガスを触媒
燃焼器14に導入させるようにしたものである。図中、
図6と同一符号のものは同一のものを示す。
【0020】なお、図1は要部のみが示してあるが、そ
の詳細は図6に示してあるものと同じであり、又、直列
に配置した燃料電池IとIIの各カソード2及び各アノー
ド3へのガス入口、出口の矢印は、燃料電池スタックを
構成するセルのガス流形式、すなわち、対向流となるこ
とを表わすものではなく、同じ燃料電池のカソード入口
側とアノード入口側が同じ側となっている図6の場合と
同じであって、ガス流が並行流、対向流あるいは直交流
のいずれの場合にも適用されるものである。
【0021】通常、燃料電池のアノード入口部では、燃
料利用率80%とした場合、燃料ガス中のH2 /CO分
は約70%を示すが、出口部で8〜9%に低下し、CO
2 /H2 Oの分圧が高くなる。
【0022】燃料ガスFGの組成が電池電圧に効く要素
としてPH2 /PCO2 ・PH2 Oがあり、その効果に
ついて、1つの実例では、図7のようになっている。図
7中のA点は単一の燃料電池における平均電圧であり、
B点、C点は、それを2分割したときの前半、後半の平
均電圧であり、電池の電圧は、入口付近ほど高く、出口
に近づくに従い低下する。燃料電池を2分割したときの
前半の電圧はB/A=1.05、後半の電圧はC/A=
0.95というように変化する。
【0023】この点、図1に示す溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムでは、上流側と下流側のすべての燃料電池
I,IIに必要とされる燃料ガスFGをまとめて下流側の
燃料電池IIのアノード3の入口に供給することによって
2 濃度の高い燃料ガスを供給し、該下流側の燃料電池
IIのアノード3から排出された一部反応済の燃料ガスを
直接上流側燃料電池Iのアノード3の入口に導入するの
で、2つの燃料電池の発生電圧、出力等の平均化が可能
となり、低CO2 濃度でも運転することができて、CO
2 濃度を更に下げることができ、CO2 の大気放出量を
低減できることになる。この際、上流側の燃料電池Iの
アノード3から排出された反応済のアノード出口ガスを
燃焼器14に導入して可燃成分を燃焼させた後、冷却し
て、H2Oを除去するので、高濃度CO2 ガスが得られ
る。
【0024】図2は図1の変形例を示すもので、下流側
の燃料電池IIを上流側の燃料電池Iに対して出力比を小
さくして、下流側の燃料電池IIにCO2 の回収用として
の役割をもたせるようにしたものである。
【0025】この例によれば、図1と同様に上流側と下
流側の燃料電池I,IIの各アノード3を直列としている
ので、燃料ガスをH2 /CO濃度の高い状態で下流側の
燃料電池IIのアノード3を通過させた後、上流側の燃料
電池Iのアノード3に導入させることができ、これによ
りCO2 回収用としての役割をもつ下流側燃料電池IIの
カソード2におけるCO2 分圧がかなり低い状態でも電
池電圧が一定値以上に保てるようになる。又、排ガスラ
イン29より系外に取り出されるCO2 量を増やして行
くことにより、下流側の燃料電池IIのカソード2から排
出されるCO2 量を減少させることができ、CO2 の大
気放出を抑制することができる。
【0026】次に、図3は本発明の他の実施例を示すも
ので、図2において、上流側の燃料電池Iのアノード3
から排出されたアノード出口ガス中のCO2を空気供給
ライン10を流れる空気と混合させてカソード2に循環
させるようにしてある構成に加えて、空気供給ライン1
0に、CO2 発生源31を接続して、系外からCO2
含むガスを、上流側の燃料電池Iのカソード2入口に導
入させるようにしたものである。
【0027】この実施例では、外部のCO2 発生源31
からCO2 を含むガスを系内に導入し、空気と混合させ
た後、上流側の燃料電池Iのカソード2に導入し、上流
側と下流側の各燃料電池IとIIのカソード2を通過させ
る過程でCO2 をアノード3側へ移動させてCO2 を分
離回収することが可能となる。この実施例では、外部の
CO2 発生源31から導入したCO2 ガス中のCO2
回収を目的とするものであるから、出来るだけ低CO2
濃度となるまで燃料電池を作動させる必要があるが、下
流側の燃料電池IIのアノード3入口にH2 濃度の高い燃
料ガスを導入するようにしてあるので、上記低CO2
度での燃料電池の運転ができる。
【0028】図4は本発明の別の実施例を示すもので、
図1に示す実施例の場合と同様な構成において、上流側
の燃料電池Iに代えて、2つ以上に分割した燃料電池I
aとIbを配置し、第1の燃料電池Iaのカソード2入
口に空気供給ライン10により空気とアノード出口ガス
からのCO2 が供給されるようにし、該燃料電池Iaの
カソード2からのカソード出口ガスをカソード出口ガス
ライン15aにより第2の燃料電池Ibのカソード2入
口に直接導入された後、該第2の燃料電池Ibのカソー
ド出口ガスを下流側の燃料電池IIのカソード2にカソー
ド出口ライン15にて導入されるよう直列に接続する。
更に、下流側の燃料電池IIのアノード3入口に供給され
たH2 /CO濃度の高い燃料ガスFGを該アノード3の
出口側から、上記2つに分割した第1と第2の燃料電池
IaとIbの各アノード3へ別々にアノード出口ガスラ
イン13,13aにて並列に分配して導入し、各燃料電
池Ia,Ibのアノード3から排出されたアノード出口
ガスを触媒燃焼器14へ導入させるようにしたものであ
る。
【0029】この実施例では、上流側の燃料電池Iを2
分割してカソード2を直列にしているので、カソード出
口ガス中のCO2 の大気放出量を削減しながら、なお且
つカソードのCO2 濃度を高めて発電効率を高く維持す
ることができる利点がある。
【0030】図5は本発明の更に他の実施例を示すもの
で、図2に示す例と同様な構成において、アノード出口
ガス中のCO2 を分離するためのCO2 分離装置32を
新たに備え、該CO2 分離装置32で分離したCO2
必要に応じて、一部を排ガスライン29より系外に出
し、残ったCO2 を空気供給ライン10へリサイクルラ
イン30にて導いて、空気と混合させ、上流側の燃料電
池Iのカソード2入口へ供給するようにし、一方、CO
2 分離装置32でCO2 を分離除去してH2 /COリッ
チになっているアノード出口ガスを還流ライン33にて
下流側の燃料電池IIのアノード3入口の燃料ガス供給ラ
イン5又は上流側の燃料電池Iのアノード3入口のアノ
ード出口ガスライン13に還流させるようにしたもので
ある。
【0031】この図5の実施例では、上流側燃料電池I
のアノード3から排出されたアノード出口ガス中のCO
2 がCO2 分離装置32で分離され、分離されたCO2
は空気とともに上流側燃料電池Iのカソード2に導入さ
れるため、図2の場合と同様に下流側の燃料電池IIによ
るCO2 回収作用が行われてカソードガスのCO2 分圧
がかなり低い状態でも電池電圧が一定値以上に保てるよ
うになることのほか、CO2 を分離してH2 /COリッ
チとなったアノード出口ガスを下流側の燃料電池IIのア
ノード3入口又は上流側の燃料電池Iのアノード3入口
に還流されることから、燃料ガスFGのH2 /CO分圧
を更に高め得られて電池電圧を高くすることができる。
すなわち、未反応のH2 /COがCO2 分離装置32か
ら還流ライン33にてアノード3の入口側へ還流できる
ので、アノード3のガス量が増加してワンスルーの燃料
利用率を低くしても、システム全体の燃料利用率は常に
100%に近く維持できるので、アノード3におけるH
2 分圧を更に高めることができ、その結果、発電効率を
高く維持できると共に、カソード出口ガス中のCO2
大気放出量を減少させることができることになる。
【0032】又、図5に二点鎖線で示す如く、図3と同
様に外部のCO2 発生源31を空気供給ライン10に接
続して、系外からCO2 を含むガスをカソード2に導入
するようにした構成とすることにより、図3の場合と同
様にCO2 を分離回収することが可能となる。
【0033】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の溶融炭酸塩型
燃料電池発電方法によれば、燃料電池を複数個用いて直
列に配置し、すべての燃料電池で必要とされる燃料ガス
をまとめて下流側燃料電池のアノードに供給し、該下流
側燃料電池のアノードから排出されたガスを上流側燃料
電池のアノードに導入させるようにするので、H2 濃度
の高い燃料ガスを下流側燃料電池のアノードに供給する
ことができて、低CO2 濃度でも運転することができる
ことになり、CO2 濃度を更に下げることが可能となっ
て大気放出を抑制できると共に、複数の燃料電池の発生
電圧、出力等の平均化が可能となる効果があり、又、上
流側の燃料電池を2つ以上に分割して直列に接続するこ
とによりカソード出口ガス中のCO2 の大気放出量を削
減しながらなお且つ発電効率を高く維持することが可能
となり、更に、CO2 分離装置でCO2 を分離してH2
/COリッチなガスを下流側燃料電池のアノード入口へ
還流させることにより、燃料ガスのH2 /CO分圧を更
に高めて電池電圧を高くすることができるという効果が
ある。更に、系外のCO2発生源からCO2 を含むガス
を上流側燃料電池のカソード入口に導入することによ
り、該導入されたガス中のCO2 を回収することができ
るという効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電方法の一実
施例の概要を示す系統図である。
【図2】図1の変形例を示す系統図である。
【図3】本発明の他の実施例の概要を示す系統図であ
る。
【図4】本発明の更に他の実施例の概要を示す系統図で
ある。
【図5】本発明の更に別の実施例の概要を示す系統図で
ある。
【図6】従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電装置の一例を
示す系統構成図である。
【図7】アノード側のガス組成の電圧に及ぼす影響につ
いて示す図である。
【符号の説明】
I 上流側燃料電池 II 下流側燃料電池 Ia 第1の燃料電池(1つの燃料電池) Ib 第2の燃料電池(別の燃料電池) 1 電解質板 2 カソード 3 アノード 4 改質器 5 燃料ガス供給ライン 10 空気供給ライン 13,13a アノード出口ガスライン 14 触媒燃焼器(燃焼器) 15,15a カソード出口ガスライン 24 気液分離器 31 CO2 発生源 32 CO2 分離装置 33 還流ライン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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供給すると共にアノー
    ド側に燃料ガスを供給するようにしてあるセルをセパレ
    ータを介し積層してスタックとした溶融炭酸塩型燃料電
    池のアノード出口ガスを燃焼器に導いた後、冷却して気
    液分離をし、ガスは一部を系外へ取り出し、残りを空気
    と混合してカソード入口へ導くようにする溶融炭酸塩型
    燃料電池発電方法において、上記燃料電池を複数個設置
    して、カソードガスの流れから見て上流側燃料電池のカ
    ソードと下流側燃料電池のカソードとを直列に接続し、
    該下流側燃料電池のアノード入口に、全燃料電池で必要
    とされる燃料ガスすべてを供給し、該下流側燃料電池の
    アノード出口から排出されたアノード出口ガスを上流側
    燃料電池のアノードに供給することを特徴とする溶融炭
    酸塩型燃料電池発電方法。
  2. 【請求項2】 上流側に位置する燃料電池を2つ以上に
    分割し、該分割した1つの燃料電池のカソード出口ガス
    が別の燃料電池のカソードに直接供給されるよう直列に
    接続して、該別の燃料電池のカソード出口ガスを下流側
    燃料電池のカソード入口に導くようにし、又、下流側燃
    料電池のアノード出口ガスを上記2つ以上に分割された
    各燃料電池のアノードに分散して供給する請求項1記載
    の溶融炭酸塩型燃料電池発電方法。
  3. 【請求項3】 燃焼器に代えてCO2 分離装置を用い、
    上流側燃料電池のアノードから排出されたガス中のCO
    2 を分離し、CO2 を除去したガスを下流側燃料電池の
    アノード入口へ還流させる請求項1記載の溶融炭酸塩型
    燃料電池発電方法。
  4. 【請求項4】 上流側燃料電池のカソード入口に、系外
    のCO2 発生源で発生したCO2 を含むガスを導入させ
    て空気と混合させてカソードに供給する請求項1又は3
    記載の溶融炭酸塩型燃料電池発電方法。
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