JPH03167760A

JPH03167760A - 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH03167760A
Application number: JP1305584A
Authority: JP
Inventors: Minoru Koga; 実古賀; Takenori Watabe; 武憲渡部; Toshio Kamata; 鎌田　敏雄; Satoshi Morishima; 森嶋　敏; Minoru Mizusawa; 水沢　実; Kazunori Kobayashi; 和典小林
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1989-11-25
Filing date: 1989-11-25
Publication date: 1991-07-19
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: EP0429958B1; DE69006458D1; JP2899709B2; US5082752A; KR910010805A; EP0429958A2; EP0429958A3; DE69006458T2

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］本発明は燃料の有する化学エネルキーを直接電気エネル
キーに変換させるエネルキ一部閂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］現在までに提案ざれている燃料電池のうち、溶融炭酸塩
型燃料電池は、溶融炭酸塩を多孔貿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７ノ
ード（燃Ｆｌ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サイクル方
式かある。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の上記力
ソー１２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て力Ｄ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
ト２から排出されたカソート出口ガスは、ライン７より
分岐ざれて一部は上記空気予熱器６、熱交換器８を経た
後、大気へ排出ざ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Ｎ
Ｇは、改質装置１１の改買部１３から改買ガスライン１
４に排出された改質ガスの一部と混合させられ、天然ガ
スに含まれている付臭剤｛主として硫化物｝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て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より燃科電池ＦＣのアノード３に
供給され、該アノート３から排出されたアノード出口ガ
スは、未燃分の口，、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、ここで冷却されて凝
縮された後、気液分離器２４により水とガスに分離ざれ
、ガスはブロワ２５て加圧されて空気供給ライン４より
カソード２へ供給ざれるようにしてあり、カソート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、
α等を含む酸化ガスか供給ざれることによって、カソー
ト２側でＣ０２＋１／２０．，＋２ｅ＝ＣＯ３゜−の反応が行わ
れて、炭酸イオンＣＯ３−か生じ、このＣＯ３−ｔよ電
解貿仮１中を泳動してアノート３に到達する。一方、ア
ノード３側に供給された口，、ＣＯ，Ｃ０２等を含む改
質ガスは、アノード３側でＣ０３−−十口，→口２０＋ｃｏ２＋　２８の反応が行
われ、水素ガスが主として消費ざれ、水と炭酸ガスが生
戊ざれる。

７ノード出口ガス中には未反応の口，、Ｃ○か含まれて
いるので、改質装＠１１の燃焼部１２に送り込まれ、未
燃分の０が含まれているカンート出口ガスと混合して燃
焼し、この燃焼部１２ての燃焼により生じた熱によって
改質部１３ての改質反応か行われ、天然ガスＮＧは、口
，、Ｃｏ，ＣＯ２等に改質されるようにしてある。

上記従来のカソートリサイクル方式の発電システムは、
７ノート出口ガスとカソード出口ガスを改質装置１１の
燃焼部１２て混合させるよう（こしていることから、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人口の炭酸ガス
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、燃料電池ＦＣのアノード
３と、７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７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
ルループを形或し、天然ガスＮＧは、脱硫器１６、熱交
換器１５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に供給ざ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ざれて空気供給ライン４
より供給され、カソード出ロガスの一部はホイラ１７へ
送られ、ここで、給水ボンプ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ざれ、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へ導入ざ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燃ガスを燃焼
部１２で燃焼させることにより生じた熱が改質部１３に
吸熱ざ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７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
間に形或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（アルミナ担体十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により形戒さ
れたガス通路２９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、７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ざれるので、改質反応は化学
平衡温度で決定ざ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。

［発明か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／
ｃｍ、改質装置スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ比）一３〉
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Ｃ０２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濃度か低レベ
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て昇圧され
てリサイクルされる空気が合流されて力ソード２に供給
ざれる流量を２０ｍｏｆ／ｍとしたとき、カソード出口
ガスの流量は１７．６ｍｏｌ／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トリ
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然（温度約７００℃）
を主体に用いるものであるため、 ■　アノード出ロガス中には炭＠塩蒸気ないしＫＯ日等
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２
６としては、アノードリサイクルの圧損が一定であれＴ
′３、すなわち、約３倍の動力ロスになること、 ■　口，、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、アノード入口の口，、ＣＯガス
Ｓ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口，、ＣＯ２
を吹き出すため、温度境界層か厚くなり、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かあると共に、燃料電池スタック内
の温度コントロールが難しい、という問題かある。

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かないようにして改質用
触媒か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７ノードの両電極で挟
み、カソード側に酸化ガスを、又、７ノ一ド側に燃料ガ
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、上記改質装置の改質部に外部改質装置プ
ロセス用ガスラインを接続し、上記冷却板で改質された
改質ガスと外部改質装置の改質部で改質された改質ガス
を７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Ｎ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、上記構或において、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｛こ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１燃料電池スタックに組み入れられた冷却仮にスタック冷
却用の改質原料ガスか供給されて、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′Ｒ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
に絶縁ざれていて、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、外
部に設けてある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かできる。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二ホールド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３
３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４
８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、該アノート３で、Ｈ２＋
Ｃ０３゜−→口２０＋ＣＯ２＋２ｅ−の反応を終えて排
出されたアノード出口ガスは、アノート出口ガスライン
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丁予熱し
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
ソート２て゛、ＣＯ２＋　１／２０２＋２　ｅ−→Ｃ　０３゜ーの反応
を終えて排出されたカソード出口ガスは、カソート出口
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に通して大気へ敢出ざせる
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へ導入ざせる燃焼用空
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ボールド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３
４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ざれる
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、各種タイプのものかあるか、たと
えば、本特許出願人の出願に係る実願昭６２−１４５４
０４号のプレート型改質装置を用いるようにする。

なあ、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５
５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、燃料電池スタック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、ここで付臭剤（主成分は硫化物〉
を活性炭又は二酸化マンカ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ざ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４
４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に転換ざれる。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
ト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、■ジエ
クタ４８、予熱器４９を経て外部改質装置３７の改質部
３８に供給ざれ、ここで改質反応が行われて改質ざれ、
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、７ノ一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
ＣＧとｌ−１．，０を生或させる。７ノード出口ガス中
には未燃分の口，、ＣＯが含まれているので、予熱器４
４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。この堀合、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
中の未燃分口，、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か可能であり、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とカソート
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かで
きること、等の利点か生じる。

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／ｃ／ｉ、燃料利用率Ｕ
Ｆ＝　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’Ｃ、出口温
度７　０　０　’Ｃ、外部改質装置入口温度５５０’Ｃ
、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）　＝ｉ．ｏ
　、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／７１’Ｌ，プロ
セス用改質原料ガスＰＧの流量は０．　１０９ｍｏｌ／
　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ａ度は、
ＣＯ２　カ約１　７　％、Ｈ２　０　カＩｔ　２４％、
Ｎ，カ約４８％、０が約１１％であり、このＣＯ２溌度
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ＣＯ４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４
５．５％であるのに比し本発明では４８．５％であり、
セル電圧（Ｖ叶丁）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１７３以下であるので、所内動力か少なく、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Ｕ
Ｆ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
池人出口温度５５０゜Ｃ、７００℃、外部改質装置３７
の人出口温度５５０’Ｃ，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、曲線工の如く、燃料利用率ＵＦ＝８２
％近傍で５０％を超え、セル電圧（　ＶＯＬＴ　）は、
曲線■の如く、ＩＦの増加とともに低減する。これはア
ノード３中の口，、ＣＯ′ａ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■の如く叶が増加するとともに増加する。これはＵ
Ｆ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＜ＯＦ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■はカソード２
へ入るガス流量、曲線Ｖｌはアノード３へ入るガス流量
である。第５図から燃料利用率叶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５　５　０　’Ｃ、外部改質装置人
出口温度５　５　０　’Ｃ、７　２　０　’Ｃ、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■の如く漸増し、又、冷却板３３の天然ガス（
メタン）の改買率は曲線ＶＩの如く、セル電圧（　ＶＯ
ＬＴ　）は曲線■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■はスタック冷却用天然ガス（メタン）の流量を又
、曲線Ｖｌ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
改買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
料利用率叶＝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を増り
Ｏさせても曲礫工の如くほぼ一定であるか、セル電圧（
ＶＯＬＴ）はＳ／Ｃの増加とともに曲線■の如く低減す
る。曲線■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■の如く、又、セル電圧（　ＶＯＬ
丁’）は曲線■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■はカソードに
供給されるＣＯ２濃度（ｗｅｔ　ｖｏｌ％）、曲線■は
同じ＜０２１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て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、燃料電池スタックの数セルごとに、内部に貫
通するガス通路を複数形成して各ガス通路内に改質用触
媒を充填してなる冷却板を挿入し、且つ燃料電池スタッ
クの外部に外部改質装置を設置し、上記冷却板には、ス
タック冷却用改質原料ガスを水蒸気とともに供給して改
質させるようにし、又、外部改質装置の改質部には、プ
ロセス用改質原料ガスを水蒸気とともに供給して改質さ
せるようにし、上記冷却板からの改質ガスと外部改質装
置の改質部からの改質ガスを燃料電池スタックのアノー
ドに供給させるようにし、アノード出口ガスは外部改質
装置の燃焼部へ導くようにし、該燃焼部から排出された
燃焼排ガスを空気とともにカソトに供給するようにして
あるので、次の如き優れた効果を奏し得る。

〈１）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かできる。

（１１）上記（１〉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
下げる必要かなく、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。

（ハ）燃料電池発電システムの送電喘効率を向上させる
方式として、カソートリサイクル、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か、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。

（■ｌ）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
せ負荷を取ることか可能である。

（Ｖ１）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
か一番弱いセル（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かできる。

〜０　冷却板で改質熱か得られるので、外部改質装置の
必要熱量が少なくてすむ。したかつて、スタックの燃料
利用率を上げることかでき、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、エシエ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
カソート、アノード間の差圧コントロールか可能で、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
か広い、という利点があり、更に、冷却板からの改質ガ
スを外部改質装置の改質部入口へ供給させるようにする
ことにより、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７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１
０図は従来の燃料電池発電システムにおける７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Ｘ■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・・・７ノード出口ガスライン
、５５・・・空気供給ライン、５６・・・カソード出ロ
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。

Claims

【特許請求の範囲】

（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、上記改質装置の改
質部に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と外部改質装置の改質部
で改質された改質ガスを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）空気をカソードに供給するための空気供給ライン
にエジェクタを設け、外部改質装置の燃焼部から排出さ
れた燃焼排ガスを上記空気を駆動流体としてエジェクタ
よりカソードへ供給させるようにする請求項（１）記載
の溶融炭酸塩型燃料電池発電装置。
（３）冷却板で改質された改質ガスを直接アノードに供
給することに代えて外部改質装置の改質部へ供給させる
ようにする請求項（１）又は（２）記載の溶融炭酸塩型
燃料電池発電装置。