JPH02301970A - 高温燃料電池の稼働方法 - Google Patents
高温燃料電池の稼働方法Info
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- JPH02301970A JPH02301970A JP2105476A JP10547690A JPH02301970A JP H02301970 A JPH02301970 A JP H02301970A JP 2105476 A JP2105476 A JP 2105476A JP 10547690 A JP10547690 A JP 10547690A JP H02301970 A JPH02301970 A JP H02301970A
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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。
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１
本発明は電解質内で水素及び酸素含有イオンが水に変換
されて電気エネルギーを発生し、その際に燃料電池の陰
極に酸素含有ガスの形態の酸素が導入されるようになさ
れているイオン伝導電解質により高温燃料電池を稼働す
る方法に関する。
されて電気エネルギーを発生し、その際に燃料電池の陰
極に酸素含有ガスの形態の酸素が導入されるようになさ
れているイオン伝導電解質により高温燃料電池を稼働す
る方法に関する。
［従来の技術］
西ドイツ国特許願Ｐ ３８１０１１３ によって燃料
電池設備の駆動方法が知られている。この燃料電池設備
内に投入物として例えば部分酸化による石炭ガス（Ｋｏ
ｈｌｅｇａｓ）、都市ガス又は合成ガス発生装置内で水
蒸気の添加によってＨ，／ＣＯ□合成ガスに変換された
天然ガスのような燃料ガスが用意される。この合成ガス
は更に調整（にｏｎｄｉ ｔｉｏｎｉｅｒ−ｕｎｇ）の
為にＣＯ変換（ＣＯ−Ｋｏｎｖｅｒｔｉｅｒｕｎｇ）を
受け、発生したＨ！燃料ガスは燃料電池の陽極側に導入
されるのである。陰極には二酸化炭素及び空気の混合物
が導入される。これにより陰極には酸素及び二酸化炭素
からイオン伝導電解質を通って拡散する００３′−イオ
ンが形成され、又陽極では水素によって水及び二酸化炭
素に変換されるのである。
電池設備の駆動方法が知られている。この燃料電池設備
内に投入物として例えば部分酸化による石炭ガス（Ｋｏ
ｈｌｅｇａｓ）、都市ガス又は合成ガス発生装置内で水
蒸気の添加によってＨ，／ＣＯ□合成ガスに変換された
天然ガスのような燃料ガスが用意される。この合成ガス
は更に調整（にｏｎｄｉ ｔｉｏｎｉｅｒ−ｕｎｇ）の
為にＣＯ変換（ＣＯ−Ｋｏｎｖｅｒｔｉｅｒｕｎｇ）を
受け、発生したＨ！燃料ガスは燃料電池の陽極側に導入
されるのである。陰極には二酸化炭素及び空気の混合物
が導入される。これにより陰極には酸素及び二酸化炭素
からイオン伝導電解質を通って拡散する００３′−イオ
ンが形成され、又陽極では水素によって水及び二酸化炭
素に変換されるのである。
しかし、酸化剤の空気からの窒素は分極によって陰極の
部分の閉塞を生ずる。このことはＣＯ２及び０２からＣ
Ｏ３２−イオンへの変換を阻止し、これにより同時に電
池の効率の減少を生じさせるのである。更に陰極で変換
されない他の不活性成分を有する廃ガスが引出され、こ
れの一部分が冷却、圧縮及び再加熱の後で陰極に戻され
て、燃料電池の温度を調整するようになっている。これ
によりＣＯ□−空気混合物を使用する場合に陰極出口に
主として窒素を含む廃ガスが発生し、これが循環によっ
て陰極に導かれた有効な酸素及び二酸化炭素部分を既に
陰極入口で希釈させるのである。窒素の必要な除去は大
なる廃ガス流を生じさせ、これによって処理に価値のあ
るＣＯ□が失われるのである。
部分の閉塞を生ずる。このことはＣＯ２及び０２からＣ
Ｏ３２−イオンへの変換を阻止し、これにより同時に電
池の効率の減少を生じさせるのである。更に陰極で変換
されない他の不活性成分を有する廃ガスが引出され、こ
れの一部分が冷却、圧縮及び再加熱の後で陰極に戻され
て、燃料電池の温度を調整するようになっている。これ
によりＣＯ□−空気混合物を使用する場合に陰極出口に
主として窒素を含む廃ガスが発生し、これが循環によっ
て陰極に導かれた有効な酸素及び二酸化炭素部分を既に
陰極入口で希釈させるのである。窒素の必要な除去は大
なる廃ガス流を生じさせ、これによって処理に価値のあ
るＣＯ□が失われるのである。
［発明が解決しようとする課題］
本発明の目的は従来技術の欠点を排除した燃料電池設備
の稼働方法を提供することである。
の稼働方法を提供することである。
［課題を解決する為の手段］
本発明は上述の目的を、燃料電池の陰極に空気分解装置
から生じた酸素に富んだガスが導入されるようになすこ
とにより解決するものである。
から生じた酸素に富んだガスが導入されるようになすこ
とにより解決するものである。
この場合空気分解装置によって、例えば膜技術（Ｍｅｓ
＋ｂｒａｎ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ） 、吸着技術又
は低温技術によって酸素に富んだガスが得られるような
総ての種類の装置を意味するものとする。
＋ｂｒａｎ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ） 、吸着技術又
は低温技術によって酸素に富んだガスが得られるような
総ての種類の装置を意味するものとする。
これによって窒素が減少された酸素流が有利に提供され
、これの少ない窒素成分が分極及び従って陰極の閉塞を
著しく回避させるのである。
、これの少ない窒素成分が分極及び従って陰極の閉塞を
著しく回避させるのである。
本発明に於ては、窒素は何等、又は少量しか排除される
必要がないから、従来技術よりも温かに少量のＣＯｔ成
分しか失われないのである。
必要がないから、従来技術よりも温かに少量のＣＯｔ成
分しか失われないのである。
本発明を実施するに際して、燃料電池には低直空気分解
装置から生ずる酸素に富んだガスが導入されるのである
。
装置から生ずる酸素に富んだガスが導入されるのである
。
膜技術及び吸着技術による他の空気分解方法に比して、
低温空気分解は有利である。何故ならば空気分解は膜技
術に対比して大なる生産単位を与え、又吸着技術に比較
してエネルギー的に良好な状態で多量の酸素に富んだガ
スを得ることが出来るからである。特に大規模な燃料電
池設備に対しては、燃料電池の作動効率の改善と共に比
較的少ない単位当りのエネルギー要求量の稼働費用の利
点′が低直空気分解装置の若干の設備費用の増大よりも
蟲かに有利に作用するのである。
低温空気分解は有利である。何故ならば空気分解は膜技
術に対比して大なる生産単位を与え、又吸着技術に比較
してエネルギー的に良好な状態で多量の酸素に富んだガ
スを得ることが出来るからである。特に大規模な燃料電
池設備に対しては、燃料電池の作動効率の改善と共に比
較的少ない単位当りのエネルギー要求量の稼働費用の利
点′が低直空気分解装置の若干の設備費用の増大よりも
蟲かに有利に作用するのである。
本発明の更に他の構成によって陰極に酸素に富んだガス
及びＣＯ□含有ガスが化学量論的なＯ！／ＣＯ，の比率
で同時に導入されるようになされる。
及びＣＯ□含有ガスが化学量論的なＯ！／ＣＯ，の比率
で同時に導入されるようになされる。
更に、酸素に富んだガスには例えば陰極廃ガスの処理（
Ａｕｆａｒｂｅｉ ｔｕｎｇ）の際に発生する大なるＣ
０２含有量のガス流が混合される。陰極に導入されるガ
ス内に化学量論的な０２／ＣＯｔの比率を生ずることは
、陰極廃ガスも又化学量論的な０□／ＣＯｚの比率を有
し、これによって陰極に理想的な変換比を生ずる利点を
与えるのである。
Ａｕｆａｒｂｅｉ ｔｕｎｇ）の際に発生する大なるＣ
０２含有量のガス流が混合される。陰極に導入されるガ
ス内に化学量論的な０２／ＣＯｔの比率を生ずることは
、陰極廃ガスも又化学量論的な０□／ＣＯｚの比率を有
し、これによって陰極に理想的な変換比を生ずる利点を
与えるのである。
陰極廃ガスを陰極に戻すことは燃料電池がこの循環によ
って冷却され、又同時にＯｔ及びＣＯ２の利用を、特に
酸素に富んだガス内の酸素含有量が大なる場合に向上さ
せる利点を有する。極端な場合には、殆ど全部の陰極廃
ガスが戻されることが出来、このことはＣＯ□損失及び
Ｏ！損失が最小限になることを意味する。
って冷却され、又同時にＯｔ及びＣＯ２の利用を、特に
酸素に富んだガス内の酸素含有量が大なる場合に向上さ
せる利点を有する。極端な場合には、殆ど全部の陰極廃
ガスが戻されることが出来、このことはＣＯ□損失及び
Ｏ！損失が最小限になることを意味する。
更に、陰極廃ガスの戻される部分は酸素に富んだガスと
混合される前に高温圧縮機又は高温送風機によって圧縮
されるのである。
混合される前に高温圧縮機又は高温送風機によって圧縮
されるのである。
陰極廃ガスは陰極入口に於けるガスよりも小さい圧力を
有する。燃料電池の冷却の為の熱交換器内での部分流の
冷却の際の圧力損失及び導管内に於ける圧力損失によっ
て部分流は再圧縮されなければならない。従来の圧縮機
を利用する場合には、廃ガスは先ずこの低温の稼働温度
まで冷却され、圧縮されたガスが再度加熱されなければ
ならなかった。これによって価値のある熱が失われたの
である。
有する。燃料電池の冷却の為の熱交換器内での部分流の
冷却の際の圧力損失及び導管内に於ける圧力損失によっ
て部分流は再圧縮されなければならない。従来の圧縮機
を利用する場合には、廃ガスは先ずこの低温の稼働温度
まで冷却され、圧縮されたガスが再度加熱されなければ
ならなかった。これによって価値のある熱が失われたの
である。
これに反して高温空気圧縮機又は高温ガス送風機が利用
される場合には、このような高価な段階が有利に省略さ
れ、更に全体の部分流から高温で排出される熱が利用出
来るのである。
される場合には、このような高価な段階が有利に省略さ
れ、更に全体の部分流から高温で排出される熱が利用出
来るのである。
本発明による方法の応用は水素−燃料ガスを投与される
燃料電池に限定されるものではなく、同様に内部的改質
（Ｒｅｆｏｒｍｉｅｒｕｎｇ）による燃料電池に対して
も応用されることが出来る。
燃料電池に限定されるものではなく、同様に内部的改質
（Ｒｅｆｏｒｍｉｅｒｕｎｇ）による燃料電池に対して
も応用されることが出来る。
公知のように、この燃料電池は例えば天然ガスのような
炭化水素投入物及び水蒸気を供給され、燃料電池の熱を
利用して陽極空間内に変換に必要な水素自体を発生する
のである。
炭化水素投入物及び水蒸気を供給され、燃料電池の熱を
利用して陽極空間内に変換に必要な水素自体を発生する
のである。
［実施例］
本発明による方法は以下に例として図面を参照して説明
される。その場合濃度はモル％によって示されている。
される。その場合濃度はモル％によって示されている。
さて図面を参照し、後置接続されるＣＯ変換装置を有す
る蒸気改質装置から得られた、Ｈ２６３，５％ Ｃｏ ４．５％ＣＨ、１，
７％ ＣＯｚ １３．２％８、０
１７．６％の組成の水素燃料ガ
スが導管１を経て戻り水素流２と混合される。熱交換器
Ｅｌ内でこの混合物は例えば６００°Ｃの燃料電池稼働
温度まで加熱され、陽極側Ａに導入される。陽極出口に
於て、陽極廃ガス３が発生する。この陽極廃ガスは熱交
換器Ｅ２内で冷却され、その際に熱交換器内にある水分
が一部分凝縮され、分離器り内で分離されて導管４を経
て排出される。充分に水を除去された陽極廃ガス５は、 Ｈ，２４，２％ ＣＯ４，６％ Ｃ１Ｈ４１，６％ Ｃ０、６９，０％ Ｈ，ＯＯ，６％ の組成を有し、更に処理される為にＣＯ□除去の為の洗
浄Ｗを受ける。充分にＣＯ２を除去された陽極廃ガス６
は水素回収の為の圧力変化吸着設備Ｐ内で更に浄化され
る。その場合に発生する残余ガス７は改質加熱装置の加
熱に導かれる。圧力変化吸着設備内で回収された水素は
戻り水素流２として圧縮機■１内でＨｚ燃料ガスの圧力
まで再圧縮され、Ｈ２燃料ガスに混合される。燃料電池
の陰極側Ｋには酸素に富んだガス９が導入される。
る蒸気改質装置から得られた、Ｈ２６３，５％ Ｃｏ ４．５％ＣＨ、１，
７％ ＣＯｚ １３．２％８、０
１７．６％の組成の水素燃料ガ
スが導管１を経て戻り水素流２と混合される。熱交換器
Ｅｌ内でこの混合物は例えば６００°Ｃの燃料電池稼働
温度まで加熱され、陽極側Ａに導入される。陽極出口に
於て、陽極廃ガス３が発生する。この陽極廃ガスは熱交
換器Ｅ２内で冷却され、その際に熱交換器内にある水分
が一部分凝縮され、分離器り内で分離されて導管４を経
て排出される。充分に水を除去された陽極廃ガス５は、 Ｈ，２４，２％ ＣＯ４，６％ Ｃ１Ｈ４１，６％ Ｃ０、６９，０％ Ｈ，ＯＯ，６％ の組成を有し、更に処理される為にＣＯ□除去の為の洗
浄Ｗを受ける。充分にＣＯ２を除去された陽極廃ガス６
は水素回収の為の圧力変化吸着設備Ｐ内で更に浄化され
る。その場合に発生する残余ガス７は改質加熱装置の加
熱に導かれる。圧力変化吸着設備内で回収された水素は
戻り水素流２として圧縮機■１内でＨｚ燃料ガスの圧力
まで再圧縮され、Ｈ２燃料ガスに混合される。燃料電池
の陰極側Ｋには酸素に富んだガス９が導入される。
このガスは低直空気分解装置りにて空気８から得られ、
ｏ、 ９９．５％Ａ ｒ
０．４％Ｎ、
０．１％の組成を有していた
。
０．４％Ｎ、
０．１％の組成を有していた
。
この流れには陰極の前で殆ど１００％のＣＯ□含有量を
有するＣＯ２に富んだガスが混合される。
有するＣＯ２に富んだガスが混合される。
このＣＯ！流１１は洗浄Ｗの洗浄剤の脱着Ｒから生ずる
のである。このＣＯ２流の混合の後で酸素に富んだガス
は例えば８．０バールの燃料電池の作動圧力まで圧縮機
■２内で圧縮されて熱交換器Ｅ３内で大体燃料電池の温
度まで加熱され、戻されて来る陽極廃ガス１３と混合さ
れる。陰極の出口に於て廃ガス１０が引出され、これか
ら一部分１２が分岐される。この部分１２は熱交換器Ｅ
４内で高温に於ける熱を利用し、即ち例えば処理蒸気を
発生させて冷却され、高温圧縮機■３内で燃料電池の圧
力まで圧縮され、その後で陰極人口ガスと混合される。
のである。このＣＯ２流の混合の後で酸素に富んだガス
は例えば８．０バールの燃料電池の作動圧力まで圧縮機
■２内で圧縮されて熱交換器Ｅ３内で大体燃料電池の温
度まで加熱され、戻されて来る陽極廃ガス１３と混合さ
れる。陰極の出口に於て廃ガス１０が引出され、これか
ら一部分１２が分岐される。この部分１２は熱交換器Ｅ
４内で高温に於ける熱を利用し、即ち例えば処理蒸気を
発生させて冷却され、高温圧縮機■３内で燃料電池の圧
力まで圧縮され、その後で陰極人口ガスと混合される。
上述の特別の実施形態に於ては、殆ど８０％の燃料電池
の効率が得られるのである。陰極出口ガスの少量の部分
流１４によって例えばアルゴン及び窒素のような陰極に
導入された総ての不活性ガスが排除されるのである。空
気分解装置りの残余ガス１５、窒素は別に使用されるこ
とが出来る。
の効率が得られるのである。陰極出口ガスの少量の部分
流１４によって例えばアルゴン及び窒素のような陰極に
導入された総ての不活性ガスが排除されるのである。空
気分解装置りの残余ガス１５、窒素は別に使用されるこ
とが出来る。
［発明の効果］
本発明は上述のように構成されているから、燃料電池の
陰極に空気分解装置から生じた酸素に富んだガスが導入
されるようになすことにより窒素が減少された酸素流が
得られ、これの少ない窒素成分が分極及び従って陰極の
閉塞を著しく回避させる為に従来技術の欠点が排除され
る優れた効果を得ることが出来る。
陰極に空気分解装置から生じた酸素に富んだガスが導入
されるようになすことにより窒素が減少された酸素流が
得られ、これの少ない窒素成分が分極及び従って陰極の
閉塞を著しく回避させる為に従来技術の欠点が排除され
る優れた効果を得ることが出来る。
添付図面は本発明の方法の実施例を実施する循環回路図
。 ２・・・・・・戻り水素流 ３．５．６・・陽極廃ガス ７・・・・・・残余ガス ８・・・・・・空気 ９・・・・・・酸素に富んだガス １０・・・・・・廃ガス １１・・・・・・ＣＯ，流 １２・・・・・・廃ガス１０の一部分 １３・・・・・・陽極廃ガス １４・・・・・・陰極出口ガスの部分流１５・・・・・
・残余ガス Ａ・・・・・・・燃料電池の陽極側 Ｄ・・・・・・・分離器 Ｅｌ、Ｅ２・・・熱交換器 Ｅ３、Ｅ４・・・熱交換器 Ｋ・・・・・・・燃料電池の陰極側 Ｌ・・・・・・・空気分解装置 Ｖｌ、■２・・・圧縮機 ■３・・・・・・高温圧縮機
。 ２・・・・・・戻り水素流 ３．５．６・・陽極廃ガス ７・・・・・・残余ガス ８・・・・・・空気 ９・・・・・・酸素に富んだガス １０・・・・・・廃ガス １１・・・・・・ＣＯ，流 １２・・・・・・廃ガス１０の一部分 １３・・・・・・陽極廃ガス １４・・・・・・陰極出口ガスの部分流１５・・・・・
・残余ガス Ａ・・・・・・・燃料電池の陽極側 Ｄ・・・・・・・分離器 Ｅｌ、Ｅ２・・・熱交換器 Ｅ３、Ｅ４・・・熱交換器 Ｋ・・・・・・・燃料電池の陰極側 Ｌ・・・・・・・空気分解装置 Ｖｌ、■２・・・圧縮機 ■３・・・・・・高温圧縮機
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、電解質内で水素及び酸素含有イオンが水に変換され
て電気エネルギーを発生し、その際に燃料電池の陰極に
酸素含有ガスの形態の酸素が導入されるようになされて
いるイオン伝導電解質により高温燃料電池を稼働する方
法に於て、前記陰極に空気分解装置から生じた酸素に富
んだガスが導入されることを特徴とする高温燃料電池の
駆動方法。 ２、前記酸素に富んだガスが低直空気分解装置から生じ
たものであることを特徴とする請求項１に記載された方
法。 ３、前記陰極に酸素に富んだガス及び化学量論的なＯ＿
２／ＣＯ＿２比率を有するＣＯ＿２含有ガスが導入され
ることを特徴とする請求項１及び２に記載された方法。 ４、前記陰極に陰極廃ガスが全部又は一部分附加的に導
入されることを特徴とする請求項１乃至３に記載された
方法。 ５、前記陰極廃ガスの戻される部分が高温で陰極へ戻さ
れる前に冷却され、高温ガス圧縮機又は高温ガス送風機
によって圧縮されることを特徴とする請求項４に記載さ
れた方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3913580 | 1989-04-25 | ||
| DE3913580.2 | 1989-04-25 | ||
| DE3932217A DE3932217A1 (de) | 1989-04-25 | 1989-09-27 | Verfahren fuer den betrieb von hochtemperatur-brennstoffzellen |
| DE3932217.3 | 1989-09-27 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02301970A true JPH02301970A (ja) | 1990-12-14 |
Family
ID=25880255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2105476A Pending JPH02301970A (ja) | 1989-04-25 | 1990-04-23 | 高温燃料電池の稼働方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
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| JP (1) | JPH02301970A (ja) |
| DE (1) | DE3932217A1 (ja) |
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