JPH03245471A - 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置 - 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］ 本発明は燃料の有する化学エネルキーを直接電気工ネル
キーに変換させるエネルキ一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発電装置に関するもので
ある。

［従来の技術］ 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”ｖ電極）で両面から挟
み、カソード側（酸化ガスを供給すると共にアノード側
に燃料カメを供給することにより反応を行わせ、カソー
ドとアノ−１−との間で発生する電位差により発電か行
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た構成
としである。

かかる溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電装置において
、アノードに供給する燃料ガスは、燃料として天然ガス
を用いる場合は該天然ガスを改質器で改質して製造した
ものを用いるようにしているか、天然ガス改質の場合は
、通常、スチームリフォーミングか行われている。すな
わち、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置における燃料電池
のアノードから排出された７ノート出ロガス中のＣＯ２
とト」２０を気液分離機で分離し、Ｈ７Ｏは系内の排気
ガスの保有する熱により蒸発させて水蒸気とし、この水
蒸気を天然ガスと混合して改質原料ガスとして改質器の
改質部へ送入させ、たとえば、 ＣＨｄ　十Ｈ２０→ＣＯ＋３）−１゜ の反応を行わせて改質を行わせるようにするものか最も
一般的である。

しかし、上記天然ガス改質の場合は、天然ガス改質に必
要な水蒸気の発生に要する熱量をすべて系内の排熱回収
によって賄うので、外部利用できる熱量か減少してしま
うという問題かある。

そのため、天然ガス改質に上記のようなスチームリフオ
ーミング方式を採用する形式に代え、アノードから排出
されたアノード出口ガスのみを改質器の入口側に導き、
天然ガスと混合して改質器にて天然ガスを改質させるよ
うにする方法が提案されている。この方法は、たとえば
、第３図に示す如く、電解質板１をカソード２とアノー
ド３て挟んでなるセルを有で−る溶融炭酸塩型燃料電池
工のアノード３側において、アノード３、改質器４の改
質部４ａ、天然ガスを予熱する熱交換器５を経てアノー
ド出口ガスを循環させるアノードリサイクルループを形
成し、アノード３から排出されたアノード出口ガスか改
質器４の改質部４ａを通り、更に熱交換器５、ブロワ６
を経てアノード３の入口側へ循環させられるようにし、
一方、改質器４の燃焼部４ｂには、アノード３からのア
ノード出口ガスの残りと、カソード２から排出されたカ
ソード出ロガスの一部を導入して燃焼させ、改質器４か
らの燃焼排ガスはブロア４で圧送される新鮮な空気と混
合してカソード２の入口側に供給されるようにしである
。８はホイラて、カソード出ロガスにより水を蒸発して
外部用途の蒸気を発生させるようにしである。

上記のアノードリサイクル方式は、アノード出口ガス中
に多量のＣＯ２とＨ２０か含まれているため、このアノ
ード出口ガスのみを利用して天然ガスを改質するもので
ある。

［発明か解決しようとする課題］ ところか、上記アノード出口ガスのみで天然ガスを改質
させる方法の場合、アノード出口ガス中にはＨ２０と同
時に非常に多量のＣＯ２か含まれているため、このアノ
ード出口ガスか天然ガスとともに改質器４の改質部４ａ
に導入されて天然ガスの改質か行われるとき、天然ガス
としてメタン（ＣＨ４＞を例にとると、 ＣＨ４＋Ｈ？　Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ＣＨ４＋ＣＯ？→２ＣＯ＋２Ｈ２ の反応が行われ、改質されたガスは改質器４からアノー
ド３の入口側へ供給されるか、改質されたガスの上記２
ＣＯは、２ＣＯ→ＣＯ２十〇に変形し、アノード３の入
口において炭素析出を起こし易くなる。炭素析出が生じ
ると、電池内ガス通路の閉塞や多孔質電極の閉塞等によ
って電池性能を低下させることになるので、炭素析出を
防止しなければならない。炭素析出を防止するためには
、アノードリサイクル方式でアノード出口ガスのリサイ
クル率を６０％又はそれ以上にまで著しく増大させる必
要かあり、これを実用させると、改質器４で改質された
燃料ガス中の１２、ＣＯの８度か低くなり、これに伴い
アノード内での燃料ガスの分圧か高く維持できなくなっ
て、セル電圧か低下し、発電効率か低下する問題かある
。

そこで、本発明は、上記アノードリサイクル方式でアノ
ード出口ガスの循環量を少なくしてアノード入口におけ
る燃料濃度を高くし、セル電圧を高くして発電効率を向
上させることができるように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、アノードから排
出された７ノード出ロガスの一部を改質器の改質部、熱
交換器を経てアノード入日に導くアノードリサイクルル
ープを形成し、上記改質器の改質部入口側におけるアノ
ードリサイクルラインに、上記熱交換器で予熱された改
質原料ガスを導入する改質原料ガスラインを接続すると
共に、系内の熱回収によって発生した水蒸気を導く水蒸
気ラインを接続した構成とする。叉、液体と高温のガス
を直接接触させて水蒸気を発生させるようにした直接接
触熱交換器を設置し、アノードから排出されたアノード
出口ガスの一部を通すアノード出口ガスラインを上記直
接接触熱交換器に接続すると共に、上記直接接触熱交換
器内のスプレー装置に液体（水）供給ラインを接続し、
且つ上記直接接触熱交換器から取り出されるアノード出
口ガスと水蒸気を、改質原料ガスと混合して改質器の改
質部へ導入するようにし、更に改質器の改質部で改質さ
れた燃料ガスをアノード入口側へ導入させるようにする
。

［作　　用］ アノード出口ガスの一部と系内での熱回収によって発生
させられた水蒸気とを改質原料ガスと混合させて改質器
の改質部へ送り込むよりにすると、アノード入口部での
炭素析出から来るアノード出口ガスのリサイクル率を、
水蒸気のために低く（３５％以下）に抑えることかでき
る。

これによりアノードに入る燃料のｍＷか薄くなることか
防止され、燃料ガス８度か薄くなることによる発電効率
の低下を防止することかできる。又、直接接触熱交換器
を設置して、ここで７ノート出ロガスと水を直接接触さ
せ、アノード出口ガスの顕熱て水を蒸発させるようにし
て、発生した水蒸気をアノード出口ガスとともにアノー
ドリサイクルラインに入れるようにすると、アノード出
口ガスの顕熱を利用して改質用の水蒸気を発生させるこ
とになるので、熱回収が効果的になされ、系内の熱回収
によって得られた熱量は外部利用でき、外部利用熱量を
増大できる。更に、アノード出口ガスを直接接触熱交換
器で液体と接触させることにより洗浄できるので、アノ
ード出口ガス中に存在するに２ＣＯ，の如き改質用触媒
を被毒させるような電解質成分を洗い落すことができ、
改質器内の改質用触媒を被毒さぜるようなこともなくな
る。

［実　施　例１ 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を示すもので、第１図におい
て、電解質板１をカソード２とアノード３０両電極で挟
んでなるセルを積層した構成の溶融炭酸塩型撚′１４電
地ｆの７ノード３から出たアノード出口ガスの一部を、
改質器４の改質部４ａ、改質原料ガスとしての天然ガス
を予熱するための熱交換器５、ブロワ６を経てアノード
３の入口側に戻すようにリサイクルさせるように、アノ
ード出口ガスライン９ａと燃料ガス供給ライン１０とで
アノードリサイクルループを形成し、上記改質器４の改
質部４ａの入口側に上記熱交換器５で予熱された天然ガ
スＮＧか供給されるように天然ガス供給ライン１１を接
続し、且つ上記カソード２から出たカソード出ロガスの
一部を通すカソード出ロガスライン１２ａと上記アノー
ド出口ガスの残りを通すアノード出口ガスライン９ｂと
を、改質器４の燃焼部４ｂへ導き、該燃焼部４ｂからの
燃焼排ガスに新鮮な空気を混入してカソード２の入口側
に供給するようにしである構成は、第３図の場合と同様
である。本発明の特徴とするところは、上記構成におい
て、上記改質器４の燃焼部４ｂから排出された燃焼排ガ
スを、蒸発器１３、熱交換器１４を経て気液分離機１５
へ導くようにし、該気液分離機１５で分離されたガスは
、空気供給ライン１６内の空気と混合された後、ブロワ
１７て７ＪＯ圧され、空気予熱器１８を経てカソード２
に供給されるようにする。又、−ト記気液分離機１５で
分離された液体（水）は、ポンプ１９で昇圧された後、
液溜容器２０から上記蒸発器１３に送られ、ここで蒸発
させられると、水蒸気の一部か液溜容器２０から水蒸気
ライン２１にて改質器４の改質部４ａ入口側へ天然ガス
改質用として供給させるようにする。１２ｂは空気を予
熱させるためカソード出ロガスの残りを空気予熱器１８
を通して大気へ蔵出させるようにするカソード出ロガス
ライン、２２はアノード出口ガスをアノード出口ガスラ
イン９ａと９ｂに分岐して流す量を調節するためのバタ
フライ弁、２３はカソード出ロガスをカソード出ロガス
ライン１２ａと１２ｂに分岐して流す量を調節するため
のバタフライ弁、２４は触媒燃焼器である。

アノード３から排出された高温のアノード出口ガスの一
部をバタフライ弁２２にて調節してアノード出口ガスラ
イン９ａに流し、天然ガス供給ライン１１より供給され
る天然ガスＮＧと系内の蒸発器１３にて発生して水蒸気
ライン２１により供給される水蒸気と混合させて改質器
４の改質部４ａに供給すると、アノード出口ガスの一部
と水蒸気が天然ガスを改質するための原料として利用さ
れる。アノード出口ガスには、アノード反応において生
成されたＨ２ＯとＧＯ２が多量に含まれているので、ア
ノードリサイクルにおいて燃料ガス［Ｇがアノード３の
入口側に供給されるとぎ、アノード３の入口において前
記した如き炭素析出か生じ易く、これを防止するために
従来ではアノード出口ガスのリサイクル率を６０％又は
それ以上に増大させていたか、本発明の場合はアノード
リサイクル方式において、アノード出口ガスのみで天然
ガスを改質させるのではなく、アノード出口ガスに水蒸
気を加えて天然ガスの改質を行わせるようにしであるた
め、水蒸気をｉ）］］えることによって７ノート出口ガ
ス早を全体の３５％以下に下げることかでき、これに伴
いアノード出口ガスのリサイクル量を少なくすることか
できて、燃料ガス中のＨ７、ＣＯａ度を薄めることかな
くなり、アノード３の入口における燃料ガスの濃度を高
くすることかできてセルの発生電圧を高くすることかで
き、発電効率を面子させることか可能となる。又、アノ
ード出口ガス中のｌ−１２０、ｃｏ２を有効に回収する
ことから、外部利用可能な熱量を増大させることかでき
ることになる。

次に、第２図は本発明の他の実施例を示すもので、高温
のガスと液体（水）とを直接接触させて熱交換させ水蒸
気を発生させるようにした直接接触熱交換器２５を設置
し、該直接接触熱交換器２５にアノード出口ガスの一部
を導入するようアノード出口ガスライン９ａを接続し、
且つ上記直接接触熱交換器２５のスプレー装置２６に、
ポンプ１９て圧送される液体（水）の一部を液体供給ラ
イン２７を接続し、更に、上記直接接触熱交換器２５か
ら取り出される７ノート出ロガスと水蒸気を、天然ガス
供給ライン１１により改質器４の改質部４ａに供給され
る天然ガスＮＧと混合させて改質器４へ導入させるよう
にするため、途中にアノードリサイクル用のブロワ２８
を有するリサイクルライン２９を直接接触熱交換器２５
と天然ガス供給ライン１１との間に配した構成とし、そ
の他の構成は第１図の場合と同じにしたものであり、同
一のものには同一の符号が付しである。

この実施例では、アノード出口ガスの一部は直接接触熱
交換器２５を経て天然ガスＮＧとともに改質器４の改質
部４ａへ送られ、該改質部４ａから燃料ガスとしてアノ
ード３の入口側へ供給されてリサイクルされるか、上記
直接接触熱交換器２５にて、ポンプ１９から圧送されて
スプレー装置２６から噴出される液体と直接接触させら
れるので、液体はアノード出口ガスの顕熱により蒸発さ
せられ、水蒸気としてアノード出口ガスとともにリサイ
クルライン２９、ブロワ２８を経て天然ガスＮＧと混合
させられ、７ノート出ロガスの−部と水蒸気か天然ガス
を改質するための原料として使用され、改質器４て天然
ガスか改質され、燃料ガス［Ｇかアノード３に供給され
ることになる。この際、直接接触熱交換器２５ては、ア
ノード出口ガスの顕熱を利用して改質用蒸気を発生させ
るようにしであるため、アノード出口ガスの顕熱を効果
的に回収できて、系内の蒸発器１３て発生させられた水
蒸気は他の目的のために利用できることになると共に、
十記直接接鯨熱交換器２５て発生した水蒸気かアノ−１
へ出口ガスとともに天然ガスの改質に用いられるので、
前記実施例の場合と同様に天然ガスの改質に用いる上記
アノード出［］ガスの量を少なく、たとえば、３５％以
上にすることかできる。これによりリサイクルさせるア
ノード出口ガスの量か少なくなることから改質器４から
アノード３へ供給される燃料ガス中の目７、ＣＯ濃葭を
薄くさせないで高くすることかでき、これに伴いレル発
生電斤を高くすることかできて発電効率を向上させるこ
とか可能となる。叉、９７ノード出ロガス中には、ｃＯ
，ｃｏ、Ｈ２、Ｎ２等の不活性成分か含まれており、直
接接触熱交換器２５から出る水蒸気分圧を下げているの
で、アノード出口ガスの熱回収において、たとえば、仝
斤は１ａｔ…以上ても熱回収は１００°Ｃ以下まで可能
である。したかって、アノードリサイクル用のブロワ２
８の吸込み温度か下げられ、消費動力を低減させること
かできる。更に、この実施例では、７ノート出ロガスを
直接液体と接触させることにより洗浄させることかでき
るため、７ノート出ロガス中に含まれて排出される電解
質板１中の電解質成分、たとえば、Ｋ、、Ｃｏ、を洗い
落すことができ、アノードリサイクル方式で改質器４の
改質用触媒を劣化させるおそれを未然に防止することか
できる。又、直接接触熱交換器２５のボトムに溜る液体
は、ガス温度とほぼ一致するか、全圧から見ると過冷却
状態になっているので、ブロワ２８の負荷変動に伴う減
圧かあってもフラッシュせす、制御上有利となる。

なあ、第２図に示した実施例では、直接接触熱交換器２
５（−アノ−１−出口ガスの一部と液体とを接触させ、
７ノード出［］ガスの顕熱を利用して液体（水）を蒸発
させる場合を示したか、アノード出口ガスの一部（３５
％以下）と天然ガスを直接接触熱交換器２５に導き、そ
こで液体（水）と直接接触させてアノード出口ガスの顕
熱により水蒸気を発生させ、水蒸気とともに７ノート出
［］ガスと天然ガスを改質器４に導くようにしでもよい
こと、その細氷発明の昔旨を逸脱しない範囲内で種々変
更を７ＪＯえ得ることは勿論である。

［発明の効果１ 以−Ｌ述ぺた如く、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電
装置によれば、アノード出口ガスの一部を、水蒸気とと
もに改質原料ガスとしての天然ガス改質用の原料として
利用するようにして、リサイクルさせるようにしである
ので、アノード出口ガスのみで天然ガスを改質すること
なく水蒸気をＩ）０えて改質作用を行わせることからア
ノード出口ガスのリサイクル量を全体の３５％以Ｆと低
くづることかできて、アノ−１−人口における燃料濃麿
を高くでき、これに伴いセル電圧を高めて発電効率を向
上させることかできると共に、改質に必要な水蒸気のず
ぺてを系内ての排熱回収により賄う６式に比して、アノ
ード出［］ガス中のＨ２Ｃ、ＣＯ２を有効に回収してい
るので、外部利用できる熱量を増大させることかでき、
又、アノード出し］ガスの一部と液体（水）とを直接接
触させて熱交換させる直接接触熱交換器を設置し、該直
接接触熱交換器でアノード出口ガスの顕熱を利用して液
体を蒸発させるようにすることにより、アノード出口ガ
スの顕熱を効果的に回収でき、且つここで発生させた水
蒸気を改質に用いることから系内の熱回収によって発生
した水蒸気は他の目的にｌへて利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略を示す系統構成図、第
２図は本発明の他の実施例の概略を示す系統構成図、第
３図は従来のアノードリサィクル方式の一例を承り系統
構成図である。 ■・・・溶融炭酸塩型燃料電池、１・・・電解質板、２
・・・カソード、３・・・アノード、４・・・改質器、
４ａ・・・改質部、５・・・熱交換器、９ａ、９ｂ・・
・７ノード出ロガスライン、１０・・・燃料ガス供給ラ
イン、１１・・・天然ガス供給ライン、１３・・・蒸発
器、２１・・・水蒸気ライン、２５・・・直接接触熱交
換器、２６・・・スプレ装置、２７・・・液体供給ライ
ン、２９・・・リサイクルライン、ＮＧ・・・天然ガス
（改質原料ガス）、ＦＧ・・・燃料ガス。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解質板をカソードとアノードで両面から挟んだ
   セルを積層してなる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出口ガスの一部を、改質器の改質
   部へ改質原料ガスと混合して供給し、燃料ガスをアノー
   ド入口に供給させるようにするアノードリサイクル方式
   とした溶融炭酸塩型燃料電池発電装置において、上記改
   質器の改質部の入口側に水蒸気ラインを接続し、アノー
   ド出口ガスの一部と系内の熱回収で発生した水蒸気と改
   質原料ガスとを混合して上記改質器へ送るようにした構
   成を有することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電
   装置。
2. （２）電解質板をカソードとアノードで両面から挟んだ
   セルを積層してなる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出口ガスの一部を、改質器の改質
   部へ改質原料ガスと混合して供給し、燃料ガスをアノー
   ド入口に供給させるようにするアノードリサイクル方式
   とした溶融炭酸塩型燃料電池発電装置において、上記ア
   ノード出口ガスの一部と液体とを直接接触させる直接接
   触熱交換器を設置し、該直接接触熱交換器でアノード出
   口ガスの顕熱で発生させられた水蒸気をアノード出口ガ
   スとともに改質原料ガスと混合させて上記改質器へ送る
   ようにした構成を有することを特徴とする溶融炭酸塩型
   燃料電池発電装置。