JP3038393B2 - Ｌｎｇ冷熱を利用したｃｏ▲下２▼分離装置を有する溶融炭酸塩型燃料電池発電装置 - Google Patents

Ｌｎｇ冷熱を利用したｃｏ▲下２▼分離装置を有する溶融炭酸塩型燃料電池発電装置

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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
うち、溶融炭酸塩型燃料電池の発電装置に関するもの
で、特にLNG冷熱を利用したCO2分離装置を有する溶融炭
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溶融炭酸塩型燃料電池は、
電解質としての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）の両電極で両面から挟み、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。
かかる構成の溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電装置
において、燃料ガスに天然ガスを用いる場合の従来一般
的なシステム系統構成としては、第４図に示す如きもの
がある。すなわち、電解質板101を両側からカソード102
とアノード103とで挟んでなる燃料電池100のカソード10
2には酸化ガスを供給するため、空気Ａを圧縮機104で圧
縮させた後、冷却器105で冷却し、更に圧縮機106で圧縮
して空気予熱器107で予熱し、空気供給ライン108により
カソード102に供給すると共に、一部を改質器110に分岐
ライン109により供給し、カソード102から排出されたカ
ソードガスCGはカソードガス出口ライン111を経てター
ビン112に導き、更に、上記空気予熱器107を通して排出
されるようにしてある。一方、燃料電池100のアノード1
03から排出されたアノードガスAGにはH2OとCO2が含まれ
ているため、このアノードガス中の水分を一旦ガスと分
離した後に、分離した水H2Oを系統内に入れるという手
法を採ることが常識化されている。そのために、燃料電
池のアノード103から排出されたアノードガスAGは、冷
却されたガスとの熱交換器113を通した後、天然ガスNG
と熱交換させる予熱器114、蒸発器115を経て冷却器116
に導き、ここで凝縮させて気液分離機117にてガスと水
とに分離し、CO2を含むガスはブロワ118にて上記熱交換
器113へのライン119を通して改質器110の燃焼室側へ導
くようにすると共に、水H2Oはポンプ120で加圧されて給
水加熱器121へ送られ、ここで加熱されて蒸気としてラ
イン122より蒸発器115を経て改質器110の入口側に供給
されて天然ガスNGと混ぜられるようにしてあり、改質器
110で製造された燃料ガスは配管123により燃料電池100
のアノード103に、又、改質器110の燃焼室から排出され
た炭酸ガスを含むガスはライン124より上記ライン108の
空気とともに燃料電池100のカソード102にそれぞれ供給
されるようにしてある。125は脱硫器である。
［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電装置
では、アノード103から排出されたアノードガスAG中の
水H2Oを気液分離機117で分離した後に、CO2を含むガス
を改質器110の燃焼室で燃焼させてカソード102に供給す
るようにしてあるものであって、上記CO2をガスより分
離して回収するようなこと等は考慮されていない。その
ため、従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電装置は、大気中
へ放出されるCO2の回収を図るものとして使用されてい
ない。
そこで、本発明は、燃料電池のアノードから排出され
たアノードガス中の水分を分離除去した後に、LNGの冷
熱を利用してガス中のCO2をガスより分離して、CO2を回
収したり、あるいは回収したCO2を燃料電池のカソード
に供給できるようにした溶融炭酸塩型燃料電池発電装置
を提供す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、溶融炭酸塩型
燃料電池のカソードに酸化ガスを供給すると共にアノー
ドに改質原料ガスを改質して供給するようにして、カソ
ード側とアノード側での電池反応で発電するようにして
ある溶融炭酸塩型燃料電池発電システムに、LNGの冷熱
を利用してガス中のCO2を液化分離し且つ分離された液
化CO2をそのまま回収するように貯蔵タンクと回収ライ
ンが備えてあるCO2分離装置を備え、更に、上記溶融炭
酸塩型燃料電池のカソードに、溶融炭酸塩型燃料電池発
電システムの外部で発生したCO2を、酸化ガスとして供
給するようにし、上記溶融炭酸塩型燃料電池のアノード
から排出されたアノードガスを上記CO2分離装置に直接
導入するように導入ラインを設けて、アノードからCO2
の濃縮したガスをCO2分離装置に直接導入させるように
した構成とし、又、CO2分離装置に、分離した液化CO2を
ガス化するための冷熱回収用多流体熱交換器を備え、該
冷熱回収用多流体熱交換器よりガス化したCO2を取り出
して回収するようにした機構を備えてなる構成とする。
更に、上記CO2分離装置で回収された液化CO2を冷熱回収
用多流体熱交換器でガス化して上記カソードへ酸化ガス
として戻すようにすると共に上記CO2分離装置で液化CO2
の回収で残ったガスを上記アノードへ燃料ガスとして直
接戻すようにしてなる構成とする。
［作用］ CO2を含む酸化ガスを溶融炭酸塩型燃料電池のカソー
ドに供給し、アノードに燃料ガスを供給すると、カソー
ド側とアノード側で電池反応が行われて発電が行われる
と共に、カソードに供給された酸化ガス中のCO2は炭酸
イオンとしてアノード側へ運ばれ、CO2は濃縮されてア
ノードから排出される。このCO2が濃縮されたガスは、C
O2分離装置へ導かれ、LNGの冷熱を利用してCO2を分離し
た後、CO2は液体のまま回収して処理するようにする。
本発明では、溶融炭酸塩型燃料電池発電システム外部の
他のCO2発生源からのCO2をも取り込んで分離してCO2の
回収を図ることができる。液化ガスをそのまま回収する
ようにすると、CO2の液化に要するLNG量を多くできて、
ガス化される天然ガスNGの量も多くなることから、天然
ガスを多く使いたい場合に好適となる。又、CO2を液化
分離した後、液化CO2をガス化しガスの状態で回収する
こともできる。CO2の回収はCO2濃度を高めてから行われ
ることから、CO2分離に必要な動力が少なくてすむ。
又、CO2の液化分離にLNGの冷熱を有効利用していること
からエネルギー効率がよい。CO2分離装置でガス化され
た天然ガスは、溶融炭酸塩型燃料電池へ導かれ、改質さ
れて燃料ガスとしてアノードへ供給される。更に、CO2
分離装置で回収したCO2のガスを上記カソードに供給し
且つCO2分離装置で残ったガスを上記アノードに供給す
るようにすると、発電効率の向上が図れる。
［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図は本発明の一実施例の基本的な構成例を示すも
ので、天然ガス火力発電所５から排出されたCO2を含む
処理ガスＢを新鮮空気Ａとともに溶融炭酸塩型燃料電池
１のカソードに供給するようにし、且つ改質原料ガスと
しての天然ガスを改質してアノードに供給するようにし
てある溶融炭酸塩型燃料電池発電システムＩに、LNGの
冷熱を利用してCO2を液化分離した後、液化CO2を回収す
るようにしてあるCO2分離装置IIを備えた構成としてあ
る。
詳述すると、上記溶融炭酸塩型燃料電池発電システム
は、電解質として溶融炭酸塩をしみ込ませてなる電解質
板２をカソード（酸素極）３とアノード（燃料極）４で
両面から挟んでなるものを１セルとする溶融炭酸塩型燃
料電池１のカソード３に、新鮮空気Ａをフィルタ６を通
した後、圧縮機７で圧縮して空気供給ライン８を通して
供給するようにすると共に、カソード３から排出された
カソードガスは、カソードガス出口ライン９よりタービ
ン10に導入した後に大気へ放出させるようにし、カソー
ドガスの一部は、分岐ライン11を通して改質器12の燃焼
室12bへ導入させるようにし、該改質器12の燃焼室12bか
ら排出された排ガスはブロワ13で昇圧してライン14によ
りカソード３へ供給されるようにしてある。一方、アノ
ード４には、天然ガスNGを天然ガス予熱器15で予熱した
後、天然ガス供給ライン16を通して改質器12の改質室12
aに導入し、ここで燃料ガスFGに改質して燃料ガス供給
ライン17より燃料ガスFGを供給するようにし、アノード
４から排出されたアノードガスは、熱交換器18、蒸発器
19、凝縮器20を経て気液分離機21へ導き、ここでアノー
ドガス中の水（H2O）を分離し、CO2を含むガスは、導入
ライン33よりCO2分離装置IIへ導いてCO2を液化分離し、
液化CO2を回収して処理するようにし、上記気液分離機2
1で分離されたH2Oは、ポンプ22で加圧して液留容器23に
入れた後、上記蒸発器19で蒸発させ蒸気として天然ガス
供給ライン16の途中に混入されるようにしてあり、空気
供給ライン８のフィルタ６入口側に、天然ガス火力発電
所５からの処理ガスを処理ガスライン24により供給する
ようにしてある。
かかる発電システムに備えるCO2分離装置IIは、気液
分離機25と、ガス熱交換器26と、CO2液化用間接加熱式
熱交換器27と、CO2気液分離用ドラム28と、CO2処理装置
の負荷平準用貯蔵タンク29と、CO2液払出しポンプ30
と、オープンラックベーパライザー31とを備えていて、
上記導入ライン33を通して導入されたCO2を含むアノー
ドガスを、気液分離機25で更に水を分離してから、ガス
熱交換器26で冷却した後、CO2液化用間接加熱式熱交換
器27に導入し、ここでLNGの冷熱を利用してCO2を冷却し
液化分離するようにし、液化されたCO2は気液分離用ド
ラム28を経て貯蔵タンク29、CO2液払出しポンプ30、CO2
回収ライン32を経て回収してCO2液処理装置34へ送られ
るようにしてあり、一方、上記CO2液化用間接加熱式熱
交換器27でCO2の液化に供したLNGは、ガス化されて天然
ガスNGとなり、オープンラックベーパライザー31を経て
一部が天然ガス供給ライン16に供給されるようにし、
又、CO2液化用間接加熱式熱交換器27でCO2を分離した残
りのガス（H2/CO）は、CO2気液分離ドラム28よりガス熱
交換器26へ送られ、アノードガスを冷却した後、溶融炭
酸塩型燃料電池発電システムＩへ戻し、改質器12の燃焼
室12bへのライン35へ導入し、ブロワ36で昇圧させて上
記燃焼室12bへ送るようにしてある。
今、火力発電所５から排出された処理ガスＢ中のCO2
を回収しようとする場合は、上記処理ガスＢを処理ガス
ライン24より空気供給ライン８に入れ、空気Ａとともに
圧縮機７で圧縮してカソード３へ供給するようにし、一
方、CO2分離装置IIでガス化された天然ガスNGの一部を
天然ガス供給ライン16に導いて改質器12で改質した後、
燃料ガスFGとしてアノード４に供給して、カソード３と
アノード４でそれぞれ電池反応を起こさせ、CO2を濃縮
してアノード４から取り出すようにする。すなわち、カ
ソード３側では、 の反応が行われて、炭酸イオン に変えられ、この炭酸イオンは、電解質板２中を泳動し
てアノード４へ運ばれる。アノード４側では、 の反応が行われる。
上記カソード３側とアノード４側での反応が進むこと
により発電が行われると共に、CO2がカソード３側から
アノード４側へ移動する。アノード４側のガス流量はカ
ソード３側のガス流量に対して数分の１と少ないため、
アノード４側のガス流量が少ない分だけ、アノード４側
へ移動したCO2は濃縮され、数倍の濃度になる。したが
って、溶融炭酸塩型燃料電池１で発電とともにCO2の濃
縮が行われることになる。
アノード４側でCO2の濃縮されたアノードガスは、熱
交換器18、蒸発器19、凝縮器20を経て気液分離機21に送
られ、ここでH2Oを分離してCO2分離装置IIに導かれ、気
液分離機25で更にH2Oが分離された後、ガス熱交換器26
にて低温のガスと熱交換されて冷却され、次いで、CO2
液化用間接加熱式熱交換器27にてLNGが冷熱を有効利用
してCO2を冷却し、CO2を液化分離する。液化されたCO2
は、CO2気液分離用ドラム28でガスと分離して貯蔵タン
ク29へ導かれ、CO2処理装置の負荷を平準化する。更
に、ここから液払出しポンプ30によりCO2を液の状態で
払い出し、CO2回収ライン32より回収し、CO2の処理装置
34で処理させるようにする。これにより大気へ排出され
るガス中のCO2量を大幅に低減できて、地球温暖化を緩
和することができる。
この実施例においては、CO2を液の状態で回収するた
め、CO2液化用間接加熱式熱交換器27でのCO2液化に要す
るLNG量を多くすることができ、これに伴いガス化する
天然ガスNGの量が多くなるので、天然ガスNGを多く使い
たい溶融炭酸塩型燃料電池発電装置の場合に好適であ
る。
次に、第２図は本発明の他の実施例を示すもので、CO
2分離装置IIに、液化分離したCO2を更にガス化して回収
できるようにした機能をもたせたものである。すなわ
ち、前記実施例におけるガス熱交換器26に代えて冷熱回
収用多流体熱交換器37を用いるようにすると共に、気液
分離機25からのガスを上記冷熱回収用多流体熱交換器37
へ導入する前に圧縮する圧縮機38と、上記冷熱回収用多
流体熱交換器37とCO2液化用間接加熱式熱交換器27との
間に設置する気液分離機39とを新設し、更に、CO2気液
分離用ドラム28から貯蔵タンク29へ導入されるCO2液の
一部及びCO2回収ライン32からのCO2液を合流させて回収
ライン40に導き、該回収ライン40より冷熱回収用多流体
熱交換器37に導き、該多流体熱交換器37にてガスの冷却
に液化CO2の冷熱を利用する熱交換を行わせ、CO2をガス
化して回収させるようにしたものである。その他の構成
は第１図に示すものと同じである。
第２図に示す実施例の場合には、導入ライン33よりCO
2分離装置IIに導入されたアノードガスは、気液分離機2
5、圧縮機38を経て多流体熱交換器37に導かれ、ここ
で、アノードガスと相分離後のガス、液とが熱交換させ
られて、一部CO2が液化される。更にCO2液化用間接加熱
式熱交換器27にてLNGの冷熱を有効利用してCO2を冷却し
て液化分離し、液化されたCO2は、CO2気液分離用ドラム
28を経て貯蔵タンク29へ導かれるが、この場合、本実施
例では、液CO2の一部は回収ライン40より多流体熱交換
器37へそのまま導かれて、保有する冷熱をアノードガス
の冷却に利用することによってガス化し、ガス化したCO
2は多流体熱交換器37より取り出してCO2処理装置34へ送
り、CO2ガスを大気へ放出させないようにする。上記間
接加熱式熱交換器27で凝縮されずに残ったガスは、CO2
気液分離ドラム28より多流体熱交換器37を経て、溶融炭
酸塩型燃料電池発電システムＩにおけるブロワ36、熱交
換器18を通って改質器12の燃焼室12bへと導かれ、カソ
ード３にリサイクルされることになる。
又、第３図は本発明の別の実施例を示すもので、第２
図に示す実施例におけるCO2分離装置IIで分離回収され
たCO2のガスを、溶融炭酸塩型燃料電池１のカソード３
への酸化ガスの一部として供給するようにすると共に、
CO2分離装置IIでのCO2回収で残ったガス（H2/CO）を溶
融炭酸塩型燃料電池１のアノード４に供給するようにし
て、発電効率の向上が図れるようにしたものである。す
なわち、ガス中のCO2をLNGの冷熱を有効利用することに
より液化分離させた後、液化CO2を更にガス化して回収
するようにしてある第２図に示すCO2分離装置IIの回収
ライン40を、溶融炭酸塩型燃料電池１のカソード３へ空
気Ａを供給するための空気供給ライン８に合流させて、
CO2を空気Ａと一緒にカソード３へ戻すようにすると共
に、上記CO2分離装置IIでのCO2回収で残ったガスを、ラ
イン35より改質器12の燃焼室12bへ戻すようにしてある
第１図及び第２図に示す方式に代えて、燃料ガスライン
17の燃料ガスFGとともに溶融炭酸塩型燃料電池１のアノ
ード４に戻すようにしたものである。第２図と同一部分
には同一符号が付してある。
第３図に示す実施例では、LNGの冷熱を利用するCO2分
離装置IIでCO2を液化分離後にガスの状態で回収したCO2
をカソード３に戻し、CO2分離装置IIでCO2を分離した残
りのガス（H2/CO）をアノード４に戻すようにしてある
ため、溶融炭酸塩型燃料電池１の発電効率の向上を図る
ことができる、という利点がある。
上記第３図に示す実施例では、第１図及び第２図に示
す場合と同様に、空気供給ライン８に火力発電所５等か
らの排ガスを取り込むようにして、排ガス中のCO2を回
収してカソード３に取り込むような構成としてもよく、
又、CO2をガス化して取り出すようにしてあるCO2分離装
置IIについて示したが、CO2を液体のまま取り出す場合
でも適用できる。
なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではな
く、たとえば、第１図及び第２図では天然ガス火力発電
所５から排出される処理ガス中のCO2を発電に利用して
回収する場合を示したが、火力発電所以外のものから排
出される処理ガスでも同様に扱えること、又、上記処理
ガスを空気とともに溶融炭酸塩型燃料電池のカソードへ
供給する場合は一例であり、システム内で生成されるCO
2をLNGの冷熱を利用してガスより液化分離する場合は、
処理ガスライン24を省略できること、更に、CO2分離装
置IIでガス化した天然ガスNGの一部を改質器の入口側へ
導く場合を示したが、これに限定されるものではないこ
と、更に又、溶融炭酸塩型燃料電池発電システムは一例
を示すもので、これに限定されるものではないこと、タ
ービン10を経て排出される先に別の溶融炭酸塩型燃料電
池を置くようにしてもよいこと、等は勿論である。
［発明の効果］ 以上述べた如く、本発明のLNG冷熱を利用したCO2分離
装置を有する溶融炭酸塩型燃料電池発電装置によれば、
溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する
と共にアノードに改質原料ガスを改質して供給するよう
にして、カソード側とアノード側での電池反応で発電す
るようにしてある溶融炭酸塩型燃料電池発電システム
に、LNGの冷熱を利用してガス中のCO2を液化分離し且つ
分離された液化CO2をそのまま回収するように貯蔵タン
クと回収ラインが備えてあるCO2分離装置を備え、更
に、上記溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに、溶融炭酸
塩型燃料電池発電システムの外部で発生したCO2を、酸
化ガスとして供給するようにし、上記溶融炭酸塩型燃料
電池のアノードから排出されたアノードガスを上記CO2
分離装置に直接導入するように導入ラインを設けて、ア
ノードからCO2の濃縮したガスをCO2分離装置に直接導入
させるようにした構成として、燃料であるLNGだけでな
く、他のCO2発生源からもCO2を取り込んで分離するもの
として使用することができ、しかも、CO2をLNGの冷熱で
液化分離した後、CO2の回収を行わせるようにするの
で、発電とCO2回収が同時にできると共に、CO2濃度を高
めてから回収することから、CO2分離に必要な動力が少
なくてすみ、又、分離したCO2は、液化又はガス化して
回収されることから、大気中へ放出されるCO2を低減さ
せることができ、更に、大気へ捨てていたLNGの冷熱をC
O2分離に有効利用するので、エネルギー効率が良い、等
の優れた効果を奏し得られ、更に、CO2を液の状態で回
収するようにすると、CO2の液化に要するLNGの量を多く
することができてNGを多く発生させることが可能とな
り、天然ガスを多く使いたい場合に好適なものとするこ
とができ、更に又、CO2分離装置で回収された液化CO2を
ガス化してカソードへ戻すようにし、CO2分離装置で液
化CO2の回収で残ったガスを改質器の燃焼室で燃焼させ
たりアノードへ直接戻すようにすることにより発電効率
の向上を図ることができる、という効果も奏し得られ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示す概要図、第２図は本発
明の他の実施例を示す概要図、第３図は本発明の更に別
の実施例を示す概要図、第４図は従来例を示す概要図で
ある。 Ｉ……溶融炭酸塩型燃料電池発電システム、II……CO2
分離装置、１……溶融炭酸塩型燃料電池、２……電解質
板、３……カソード、４……アノード、５……天然ガス
火力発電所、８……空気供給ライン、12……改質器、16
……天然ガス供給ライン、21……気液分離機、24……処
理ガスライン、26……ガス熱交換器、27……CO2液化用
間接加熱式熱交換器、32,39……回収ライン、33……導
入ライン、37……冷熱回収用多流体熱交換器、Ａ……空
気、Ｂ……処理ガス、NG……天然ガス、FG……燃料ガ
ス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−69775（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−19974（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−187932（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−80674（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−164612（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24 B01D 53/34

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに酸化ガ
    スを供給すると共にアノードに改質原料ガスを改質して
    供給するようにして、カソード側とアノード側での電池
    反応で発電するようにしてある溶融炭酸塩型燃料電池発
    電システムに、LNGの冷熱を利用してガス中のCO2を液化
    分離し且つ分離された液化CO2をそのまま回収するよう
    に貯蔵タンクと回収ラインが備えてあるCO2分離装置を
    備え、更に、上記溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに、
    溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの外部で発生したCO
    2を、酸化ガスとして供給するようにし、上記溶融炭酸
    塩型燃料電池のアノードから排出されたアノードガスを
    上記CO2分離装置に直接導入するように導入ラインを設
    けて、アノードからCO2の濃縮したガスをCO2分離装置に
    直接導入させるようにしたことを特徴とするLNG冷熱を
    利用したCO2分離装置を有する溶融炭酸塩型燃料電池発
    電装置。
  2. 【請求項２】CO2分離装置に、分離した液化CO2をガス化
    するための冷熱回収用多流体熱交換器を備え、該冷熱回
    収用多流体熱交換器よりガス化したCO2を取り出して回
    収するようにした機構を備えてなる請求項１記載のLNG
    冷熱を利用したCO2分離装置を有する溶融炭酸塩型燃料
    電池発電装置。
  3. 【請求項３】溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに酸化ガ
    スを供給すると共にアノードに改質原料ガスを改質して
    供給するようにして、カソード側とアノード側での電池
    反応で発電するようにしてある溶融炭酸塩型燃料電池発
    電システムに、LNGの冷熱を利用してガス中のCO2を液化
    分離し、且つ分離された液化CO2をガス化するための冷
    熱回収用多流体熱交換器を有するCO2分離装置を備え、
    更に、上記溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに、溶融炭
    酸塩型燃料電池発電システムの外部で発生したCO2を、
    酸化ガスとして供給するようにし、上記溶融炭酸塩型燃
    料電池のアノードから排出されたアノードガスを上記CO
    2分離装置に直接導入するように導入ラインを設けて、
    アノードからCO2の濃縮したガスをCO2分離装置に直接導
    入させるようにし、更に、上記CO2分離装置で回収され
    液化CO2を冷熱回収用多流体熱交換器でガス化して上記
    カソードへ酸化ガスとして戻すようにすると共に上記CO
    2分離装置で液化CO2の回収で残ったガスを上記アノード
    へ燃料ガスとして直接戻すようにしてなることを特徴と
    するLNG冷熱を利用したCO2分離装置を有する溶融炭酸塩
    型燃料電池発電装置。
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