JPH01246771A - 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池発電システムに係り、
特に、システムを構成する電池を効率良く運用するのに
好適なガス条件を供する運転法に関する。

〔従来の技術〕

従来、溶融炭酸塩型燃料電池（以下、ＭＣＦ　Ｃ）発電
システムについては、たとえば、エプリ、イーエム１６
７０、フューエル　セル　パワー　プラント　インティ
グレイティド　システム　イヴアリュエイション（ＥＰ
ＲＩ、ＥＭ１６７０　Ｆｕｅｌ　Ｃｅ１ｌ　Ｐｏｗｅｒ
Ｐｌａｎｔ　Ｉｎｔｅｇｒａｔ−ｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　
Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）において論じられている。本文
献には、石炭ガス化ガス用ＭＣＦＣプラント、ＮＧガス
用ＭＣＦＣプラントに分け、それぞれの条件で電池の性
能とプラント全体の経済性について、詳しく述べられて
いる。

しかし、電池に供給できるガス条件の許容範囲は明確に
示されていない。

燃料電池を長期間、効率良く運用するには、電池的温度
や電流密度を最適な値で、できるだけ均一にする必要が
ある。すなわち、現在のところ、ＭＣＦＣ（７）平均運
転温度は、６００℃〜６５０℃程度と考えられているが
、局所的に７００℃以上の高温部分が生じると、電解質
の蒸発速度や腐食速度が高くなり、寿命が短くなる。と
ころが、電池的温度分布や電流密度分布は、ガスの条件
（温度、圧力２組成、流量）、電池負荷（平均電流密度
）、電池抵抗に大きく影響をうける。さらに、電池抵抗
は、経時的に変化する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従って、ＭＣＦＣ発電プラントを長期間、高効率で運用
するには、電池に供給するガスの条件を最適となるよう
に設定する必要がある。

本発明の目的は、システムを構成する電池を効率良く運
用するのに好適なガス条件を明示することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、電池の負荷、運用経過時間にわたって、電
池入口条件での理論起電力と運転セル電圧との差に対す
る、電池出口条件での理論起電力と運転セル電圧との差
の比を一定値以内に収まるようなガス条件で電池を運転
することにより達成される。

〔作用〕

電池内部では、電解質温度、ガス温度、電流密度等が密
接にかかわりあい、相互にバランスの取れた状態となる
が、電解質温度分布、及び、これに影響を与える電流密
度分布を支配する基本的な影響因子は、電池各部のガス
組成であり、電池内電流密度は、電池各部のガス組成で
の理論起電力と運転セル電圧との差に大きく影響される
。

本発明では、電池に供給するガス条件を、電池入口部で
の理論起電力と運転セル電圧との差に対する電池出口部
での理論起電力と運転セル電圧との差を一定値内となる
ように設定するため、電池入口部と出口部とで電流密度
の差が少なくなり、その結果、電池内温変分布を平坦に
でき、電池内に局所的な高温部を生じさせないため、電
池寿命が延び、プラントとしても長時間、効率の良い運
転を行うことができる。

〔実施例〕

第一の実施例を第１図に示す。図に示した系統は、溶融
炭酸塩型燃料電池１とアノードガス入口系統２と、カソ
ードガス入口系統３と、アノードガス出口系統４と、カ
ソードガス出口系統５と、アノードガスリサイクル系統
６と、カソードガスリサイクル系統７と、電池のアノー
ドガス入口、カソードガス入口、アノードガス出口、カ
ソードガス出口のそれぞれに接続したガス組成検出器８
゜９．１０．１１と、信号を処理し制御信号をえる演算
器１２とによって構成されており、アノードガスリサイ
クル系統６はアノードガスリサイクルブロワ−１３と制
御器１４とで構成され、カソードガスリサイクル系統６
はカソードガスリサイクルブロワ−１５と制御器１６と
で構成され、演算器１２には、ガスの温度と圧力を含む
ガス組成検出器の信号と電池電圧とが伝達されるように
接続されており、また、演算器１２からは、ガスリサイ
クルの動力制御器１４．１６に信号を伝達するように接
続されている。なお、ここで示す燃料電池１とは、単セ
ルでも単一スタックでも、また、複数のスタックでも制
御単位のスタック群でもよい。

この系統では、アノードカス（燃料ガス）は、アノード
ガス入口系統２を経て燃料電池１に入り、燃料電池１か
らアノードガス出口系統４に出て、その一部はアノード
ガスリサイクル系統６をへて、再度、アノードガス入口
系統２にはいり、燃料電池１に供給される。また、カソ
ードガスは、カソードガス入口系統３から燃料電池１に
供給され、カソードガス出口系統４に出たのち、同じく
一部が、カソードガスリサイクル系統７によって再循環
される。

燃料電池内部の模式的なアノードガス濃度分布を第２図
に示す。アノードガス入口部では、ガス中の水素の分圧
が高いが、電池内アノード側で水素が消費され、水、二
酸化炭素が発生するため。

アノードガス出口部では、水素の分圧が低くなる。

一方、カソードガス側では、第３図に示すように、カソ
ードガス中の酸素、及び、二酸化炭素が電池反応が進む
につれて消費され、カソードガス出口では、酸素の分圧
が低くなる。

電池内にこのようなガス濃度分布があるため、無負荷状
態での電池内の局所的な理論起電力は、第４図ａで示す
通り電池入口部のＶｉから電池出口のＶｏまで変化する
ような分布を生じる。電池の運転セル電圧Ｖと曲線ａ値
との差が電圧降下分となるので、？！！池内部各部によ
ってこの差の違いが大きい程、電池内部の電流密度、ひ
いては、温度分布に偏りをもたらす可能性が高くなる。

本発明では、燃料電池１のガス出入ロ部四ケ所にガス組
成検出器８，９，１０，１１とを設けておき、それぞれ
の検出器で得たガス濃度から演算器１２でＶｉ、Ｖｏを
計算し、これを運転セル電圧■と比較し、式（１）の値
が一定値以上であることを確認する。

・・・（１） ここで、 Ｖｉ　　：入口側ガス条件での理論起電力Ｅｏ　　：標
準起電力（入口側ガス条件）Ｒニ一般ガス定数 Ｔ　　　：温度 Ｆ　　　：ファラデ一定数 ＲＨ２：水素分圧（Ｐｃｏｚ）ａ二酸化炭素分圧（アノ
ード側） Ｐｕ２ｏ　　　：水の分圧 （ＰＣＯ２）Ｃ：二酸化炭素分圧（カソード側）ＰＯ２
：酸素分圧 もし、電池の負荷変化により、電池平均電流密度が下が
り運転セル電圧がＶ′に上昇した場合、プラント効率の
みに着目し、ガス組成を一定のまま流量のみを下げるよ
うな運転を行うと、第４図で、 Ｖｉ−Ｖ’Ｖｉ−Ｖ で示す通り、差が大きくなり、電池内部の温度分布が大
きくなる。本発明では、式（１）の値が一定値となると
、演算器１２が信号を発生させ、アノードガス、カソー
ドガスリサイクルブロワ−の動力を制御し、リサイクル
比を高くして電池内でのガス濃度分布をより平坦（第４
図曲線ｂ）とする制御を行う。従って、電池内部の温度
分布も良好な状態に保つことができる。なお、詳細計算
をおこなった結果、電池的温度分布は、電流密度を平坦
にする効果もあるので、式（１）の値が、０．２程度以
上であれば、′ａ池内温度分布として、はぼ、許容でき
ると考えられる。

第二の実施例を第５図に示す。この例では、ガス組成検
出器の代りに、アノードガス入口系統及び、カソードガ
ス入口系統に接続された燃料電池１７とアノードガス出
口系統、及び、カソードガス出口系統に接続された燃料
電池１８とを設けている。入口系統に接続された燃料電
池１７は、燃料電池１のアノード入口側、カソード入口
側と同一のガス組成で、かつ、そのガス利用率を無視出
来る状態で運転されている。すなわち、燃料電池１７で
消費するガス量にたいして多量のガスを導入して運転す
る。一方、出口系統に接続された燃料電池１８は、燃料
電池１のアノード出口、カソード出口と同一のガス組成
で、同じく、そのガス利用率を無視出来る状態で運転さ
れている。

この構成では、燃料電池１７の示す運転セル電圧は、第
４図のＶｉに相当し、燃料電池１８の示す運転セル電圧
は、第４図のＶｏに相当すると考えられるので、第５図
の演算器１２では、直接、三種の電圧を比較して、制御
を行うことができる。

この例では、入口、出口系統に設けられた燃料電池１７
．１８がガス濃度にたいして、敏感に反応するため、ガ
ス組成の分析による遅れ時間がないので、急激なガス条
件の変化にも十分対応できる。なお、この様にガス条件
の変化が早い場合、各種機器の制御のおくれがあるため
、式（１）を目標値以上にすることが出来ない時間が生
じることも考えられる。このような場合には、発生した
温度分布は電池にたいして熱疲労やクリープ変形の集積
として影響を与えるため、目標値からずれた時間、回数
を記録しておけば、その後の電池寿命の評価のデータと
して使用できる。

第三の実施例を第６図に示す。これは、燃料電池発電プ
ラントが、これまで述べて電池周りの系統を複数グルー
プ持つ場合の例で、第６図内に明示した電池グループ（
Ａ）のみが待機状態で、その他のグループ（Ｂ）、（Ｃ
）・・・は、主電源系統につながっている状態を示した
ものである。本実施例では、待機状態にあるグループＡ
にもアノードガス及び、カソードガスを流し、電池グル
ープの入口部、出口部でガス組成の監視を行った状態で
負荷電流を荷している。負荷電流を取っているため、電
池内では１発熱が起こり、電池の温度を保持している。

このときの温度分布も本発明の実施によって、良好な状
態に保たれている。また、電池外部に取りだした電流は
、負荷装置１９を設けておきこれを消費する。なお、こ
の余剰の電源はりサイクルブロワ−の電源やその他所内
勤力として利用してもよい。この例では、待機状態にあ
る電池を良好な温度分布で保持することができる。

なお、本発明の実施例対象は、平行流型燃料電池でも、
直交流型燃料電池でもよい。平行流型燃料電池のうち、
自流型燃料電池では、カソード入口と出口を逆に読み換
えれば良い。また、文中に示したガス組成分析器とは、
ガス圧力とガス温度とウェット、及び、ドライ状態のガ
ス組成を測定しうるものとして示した。これらの検出器
は、たとえば、水分測定器など個々に分割した機能のも
のを取付けても良い。

さらに、本明細書では、流量の計測については広く行わ
れているため明示しながったが、各系統に容積流量計、
もしくは、質量流量計等をもうけ、流量を計測しガス条
件と合せて評価すれば、より詳しい状態検知、及び、制
御が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電池の負荷にかかわらず電池内温変分
布を一様にすることができ、電池を長寿命で効率良く使
用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電池周りの系統図、第２図
は電池入口での水素濃度を１．０　とした場合の電池内
部での水素組成比の変化を示す図、第３図は電池入口で
の酸素濃度を１．０　とした場合の電池内部での酸素組
成比の変化を示す図、第４図は電池内部での理論起電力
及び運転セル電圧の変化を示す図、第５図は本発明の実
施例の系統図、第６図は本発明の第三の実施例の系統図
である。 １・・・燃料電池、８・・・アノード入口ガス組成検出
器、９・・・カソード入口ガス組成検出器、１０・・・
アノード出口ガス組成検出器、１１・・・カソード出口
ガス組成検出器、１２・・・信号演算器、１７・・・入
口系統に接続した燃料電池、１８・・−出口系統に接続
した窮２囚　　　　　地３０ 先４−日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融炭酸塩型燃料電池本体と、燃料電池にアノード
   ガスを供給するアノードガス入口系統と、前記アノード
   ガスを排出するアノードガス出口系統と、前記燃料電池
   にカソードガスを供給するカソードガス入口系統と、前
   記カソードガスを排出するカソードガス出口系統とを含
   む溶融炭酸塩型燃料電池発電システムにおいて、 前記アノードガス入口系統、前記アノードガス出口系統
   、前記カソードガス入口系統、前記カソードガス出口系
   統の一部もしくは、全てにガス組成検出器を設け、前記
   のガス組成検出器からの信号によつて理論起電力を算出
   し、電池運転電圧を測定し、前記理論起電力と前記運転
   セル電圧とを基準として、前記アノードガスおよび／ま
   たは前記カソードガスのガス条件を制御することを特徴
   とする溶融炭酸塩型燃料電池発電システム。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記アノードガスの入口と前記カソードガスの入口にお
   ける前記ガス組成検出器からの信号の組合せで算出され
   る理論起電力をＶｉとし、前記アノードガスの出口と前
   記カソードガスの出口における前記ガス組成検出器から
   の信号の組合せで算出される理論起電力をＶｏとし、運
   転セル電圧をＶとした時に、（Ｖｏ−Ｖ）／（Ｖｉ−Ｖ
   ）の値が一定値以上となるように前記アノードガスおよ
   び／または前記カソードガスのガス条件を制御すること
   を特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電システム。 ３、特許請求の範囲第２項において、 制御の過程で前記（Ｖｏ−Ｖ）／（Ｖｉ−Ｖ）の値が一
   定値以下となつた場合には警報を発し、その時間及び回
   数を計測することを特徴とする運転法。 ４、特許請求の範囲第２項において、 目標とする一定値を０．２とした運転法。 ５、特許請求の範囲第１項に示した構成に加えて、アノ
   ードガスリサイクル系統および／またはカソードガスリ
   サイクル系統をもつ溶融炭酸塩型燃料電池発電システム
   であつて、ガス条件を変化させる方法として、リサイク
   ル比を変えるように制御することにより特徴とした溶融
   炭酸塩型燃料電池発電システム。 ６、溶融炭酸塩型燃料電池本体と、燃料電池にアノード
   ガスを供給するアノードガス入口系統と、アノードガス
   を排出するアノードガス出口系統と、燃料電池にカソー
   ドガスを供給するカソードガス入口系統と、カソードガ
   スを排出するカソードガス出口系統とを設けた溶融炭酸
   塩型燃料電池発電システムにおいて、 前記アノードガス、前記カソードガスとも最も上流側に
   相当するガス条件で、少なくとも一ケの電池を実質的に
   そのガス利用率が零となるように運転し、その電池電圧
   をＶｉとし、また、前記アノードガス、前記カソードガ
   スとも最も下流側に相当するガス条件で、少なくとも、
   一ケの電池を実質的にそのガス利用率が零となるように
   運転し、その電池電圧をＶｏとし、主として発電を行つ
   ている電池の運転セル電圧をＶとして、（Ｖｏ−Ｖ）／
   （Ｖｉ−Ｖ）の値が一定値以上となるよう前記アノード
   ガスおよび／または前記カソードガスのガス条件を制御
   することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電システ
   ム。 ７、特許請求の範囲第２項、または第６項において、 前記溶融炭酸塩型燃料電池発電システムが、複数の電池
   グループから構成されており、それぞれの前記電池グル
   ープの電池の平均電流密度と前記（Ｖｏ−Ｖ）／（Ｖｉ
   −Ｖ）の値が測定し、前記（Ｖｏ−Ｖ）／（Ｖｉ−Ｖ）
   が一定値以下となつた場合には、そのグループを待機状
   態とする溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの運転法。 ８、前記溶融炭酸塩型燃料電池発電システムが、複数の
   電池グループから構成され、主電源系統から離され、待
   機状態となつている電池グループにたいして、負荷電流
   を流し、かつ、特許請求の範囲第１項ないし第６項の制
   御を行うことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
   ステムの運転法。