JPH04101364A - 燃料電池 - 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］ 二の発明は、燃料ガスと酸化ガスが供給されて電気化学
反応を起こす燃料電池に関するものである。

［従来の技術］ 近年、将来の発電システムとして、燃料の持つ化学エネ
ルギーを直接電気エネルギーに交換する燃料電池の開発
が進められている。その中でも、溶融炭酸塩型燃料電池
は、発電効率が高いので実用化に向けての開発が活発に
行われている。

この溶融炭酸塩型燃料電池は、例えば炭酸リチウム（Ｌ
ｉ２Ｃ（ｈ　）や炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）等の溶融
炭酸塩を電解質として多孔物質にしみ込ませてなる電解
質板と、この電解質板を両面から挟むカソードとアノー
ドとによって構成された単電池を多数直列に接続して構
成されており、カソード側に酸化剤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って、カ
ソード側とアノード側の電位差により発電が行われるも
のである。

このような溶融炭酸塩型燃料電池において、アノード側
の電気化学反応における燃料ガスである水素（Ｈ２）及
び−酸化炭素（ＣＯ）は、原燃料である例えばメタン等
の炭化水素から水蒸気改質反応により生成される。この
生成方法として、般に外部改質方式と内部改質方式があ
る。外部改質方式は、燃料電池本体の外部の改質反応器
において燃料ガスを生成する方式であって、改質反応は
約８００°Ｃで進行し、吸熱反応であるために改質反応
に必要な熱を外部から加える必要がある。

方、内部改質方式は、燃料電池本体内に改質反応器を備
え、改質反応と電池反応とが互いに熱的な過不足を補う
ように組合されているので、燃料ガスを生成するために
、外部より熱を加える必要はないという利点を有してい
る。

また、このような内部改質方式においては、直接内部改
質方式と間接内部改質方式とに大別でき、直接内部改質
方式は、改質触媒をアノード側のガス流路内部に充填し
、改質反応と電池反応とを並列して進行させるものであ
る。しかしながら、このような直接内部改質方式におい
ては、アノードに保持される電解質による影響によって
、改質触媒の活性を長時間維持できないという問題があ
る。

したがって、改質反応に必要な反応熱として燃料電池か
ら発生する熱を利用する一方、改質反応と電池反応をそ
れぞれ独立して進行させる間接内部改質方式の燃料電池
が提案されている。

第５図は、−船釣な間接内部改質方式燃料電池の基本構
成図である。図において、　（１）は電気化学反応を起
こす電気化学反応部である燃料電池単体で、例えば溶融
炭酸塩からなる電解質（１ａ）と、二の電解質（１ａ）
を挟持する一方の電極であり、水素（Ｈ２）及び−酸化
炭素（Ｃｏ）を主成分とする燃料ガスが供給されるアノ
ード（１ｂ）と、上記電解質（１）を挟持する他方の電
極で、酸素（０２）、二酸化炭素（ＣＯ２）等の酸化剤
ガスが供給されるカソード（ＩＣ）で構成される。

（２）は上北アノード（１ｂ）に対応して設けられ、燃
料ガスが供給される燃料ガス流路、　（３）は上記カソ
ード（ＩＣ）に対応して設けられ、酸化剤ガスが供給さ
れる酸化剤ガス流路である。　〈４）はメタン等の炭化
水素を含む天然ガス又は石炭ガス等の原燃料ガスが供給
され、この原燃料ガスが水素を主成分とする燃料ガスに
改質される改質部で、原燃料ガスが供給される原燃料ガ
ス流路（５）内部に改質触媒（６）が充填されたもので
ある。この改質部（４）と燃料電池単体（１）とは、熱
的に接するように配されており、燃料電池単体（１）に
供給されるガスと改質部（４）内のガスが混合しないよ
うに分離されている。　（７）は二の改質部（４）で生
成された燃料ガスを燃料ガス流路（２）に導く導入路で
ある。また、矢印（８）は燃料ガス又は原燃料ガスの流
れを、白抜ま矢印（９）は酸化剤ガスの流れを不す。

二のように構成された間接内部改質方式燃料電池は、次
のように動作する。炭化水素を主成分とする原燃料ガス
を改質部（４）に供給すると、原燃料ガス流路（２）に
充填された改質触媒（６）により、原燃料ガスは下記〈
１）に示された式のように改質反応が生じ、水素を主成
分とする燃料ガスに改質される。また、同時に下記〈２
）式に示されるような転化反応も進行する。

ＣＨ４＋２Ｈ２ｏ−ＣＯ＋３Ｈ２（１）ＣＯ＋Ｈ２０−
ＣＯ２＋Ｈ２−（２） 上記（１）式は強い吸熱反応であり、また、上記（２）
式は弱い発熱反応である。これらの反応は、全体として
は吸熱反応であり、燃料電池単体（１）で生成する熱エ
ネルギーを反応熱として利用すると共に、燃料電池単体
（１）の冷却を行なっている。ここで、溶融炭酸塩型燃
料電池は、約６５０°Ｃで動作している。このように改
質部（４〕で改質された燃料ガスは、導入路 して燃料ガス流路（２）に供給される。

素及び二酸化炭素等の酸化剤ガスが、 流路（３）に供給されると、カン 酸素又は二酸化炭素が、アノード 又は−酸化炭素が供給され、アノ びカソード（ｌｃｌにおいて下記 に示すような電気化学反応が生じ、 になる。

アノード：　　Ｈ２＋Ｃ○３２ （７）を介 一方、　酸 酸化剤ガス ド　　（１ｃ　）　　に （ｌｂ）に水素 ド　　（１ｂ　）　　及 （３）　（４）式 発電すること ＝）（２０＋ｃＯ２＋２　　ｅ　−−（３）カソ一ド二
　０２＋ＣＯ２＋２ｅ →ＣＯ３２−（４） 上記（３）（４）式の電気化学反応は発熱反応であり、
上記述べたように熱的に接している改質部（４）の反応
熱として用いられる。その後、アノード（１ｂ）で消費
された燃料ガスは、水蒸気及び二酸化炭素を含む排出燃
料ガスとして燃料電池単体（１）より排出される。一方
、カソード（Ｉｃ）では酸化剤ガス中の二酸化炭素及び
酸素が消費され、残りは排出酸化ガスとして燃料電池単
体（１）より排出される。

二のような間接内部改質方式の燃料電池は、特開昭６１
−２４１６８号公報に示されるような構成となっている
。第６図は、この種の間接内部改質方式溶融塩炭酸型燃
料電池の断面図であって、（１０）は原燃料ガスを改質
部（４）に供給するための内部マニホルド、　（１１〕
は上記改質部（４）で改質された燃料ガスを反転させ、
各燃料電池単体（１）に供給するための反転マニホルド
、（１２）は数個積層した燃料電池単体（１）毎に改質
部（４）を積層した燃料電池積層体であって、この燃料
電池積層体（１２）は端板〈１３）により挟持されてお
り、また、上記各燃料電池単体（１）　及ヒ改ｉｌｉ部
（４）間には化バレート板り１４）が介在されており、
燃料電池単体（１）は電気的に直列に接続されている。

　（１５）は上記燃料電池単体（１）の各燃料ガス流路
（２）より排出された排出燃料ガスをまとめて、外部に
排出するための排出マニホルドである。

二のように構成された間接内部改質方式燃料電池におい
ては、数個の燃料電池単体（１）毎に改質部（４）が積
層されていおり、燃料電池積層体（１２）内部に改質部
（４）が構成されていることとなるので、改質反応に必
要な反応熱は、燃料電池積層体（１２）で発生した熱が
熱伝導及び熱伝達により改質部（４）に与えられ、改質
触媒（６）の作用により原燃料を水素を主成分とする燃
料ガスに改質する。その後、燃料ガスは反転マニホルド
（１１）によって反転し、燃料ガス流路（２）からアノ
ード（１ｂ）に供給される。一方、カソード（１ｃ）に
は、酸化剤ガスが供給されており、カソード（ｌｃ））
とアノード（１ｂ）間では電気化学反応が起こり、発電
が生じる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このように構成された燃料電池において
は、燃料電池の反応温度が６５０℃と外部で原燃料を燃
料ガスに改質する温度である８００°Ｃより低いために
、原燃料の改質率（投入した原燃料中改、質した原燃料
の割合）が８５〜９０％と低く、未反応成分のまま燃料
電池単体（１）に供給されることなり、投入原燃料に対
する燃料電池〈１）の発電効率が低いという問題があっ
た。

この発明は係る問題を解決するためなされたものであっ
て、投入した原燃料に対して発電効率の高い燃料電池を
帰ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明の燃料電池においては、燃料ガスが供給され電
気化学反応を起こす電気化学反応部と、この電気化学反
応部がら排出された排出燃料ガスを改質し、上記電気化
学反応部にリサイクルする改質部を備えたものである。

［作用コ このすうに構成された燃料電池においては、電気化学反
応部より排出された排出燃料ガス中に含まれる未反応成
分が改質部で効率よく改質されることになる。また、改
質されたガスは電気化学反応部にリサイクルされるので
、電池の発電効率を向上させることができる。

［実施例］ 以下、この発明の燃料電池の実施例について説明する。

第１図はこの発明の一実施例の溶融塩炭酸塩型燃料電池
の基本構成を示す構成図で、図において、　（４）は燃
料ガス流路（２）の供給口側に配置され、原燃料ガスが
供給され、水素ガスを主成分とする燃料ガスに改質する
第１の改質部、（２０）は燃料ガス流路（２）の排出口
側に配置され、燃料ガス流路（２）より排出された排出
燃料ガス中の炭化水素のメタン等を改質触媒（６）によ
って水素に改質する第２の改質部、　（２１）はこの第
２の改質部（２０）により生成したガスを燃料電池単体
（１）にリサイクルするためのアノード排ガス系、　（
２２）はこのアノード排ガス系（２１）に設けられ、上
記第２の改質部（２ｏ）より排出されたガスより二酸化
炭素、又は水を除去する分離装置であって、例えば圧力
スウィング吸着式（Ｐ　ｒｅｓｓｕｒｅ　　Ｓ　ｗｉｎ
ｇ　　Ａ　ｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　％　　以下ＰＳＡ式と
略す）の炭酸ガス分離装置である。

このように構成された燃料電池においても、従来例で示
したものと同様に、第１の改質部（４）を通過した原燃
料ガスは、水素を主成分とする燃料ガスに改質され、ア
ノード（１ｂ　）　二水素及ｒＪ−酸化炭素が、カソー
ド（ＩＣ）に酸素又は二酸化炭素が供給されると、上記
（３）（４）式に示される電気化学反応が起こり、水素
及び−酸化炭素の持つ化学エネルギーを電気エネルギー
と副生する熱エネルギーとに変換する。二〇熱エフ、）
レギは、改質反応の反応熱として利用される。また、二
の燃料電池においても動作温度が約６５０°Ｃと低いた
め、第１の改質部（４）では投入した原燃料ガス中のメ
タン等は約８５〜９０％改質されるが、改質されない未
反応成分のメタン等は、そのまま燃料ガス流路（２）を
通過し第２の改質部（２０）に供給される。この第２の
改質部（２０）に供給された未反応成分であるメタノは
、上記〈３）（４）式に示された改質反応及び転化反応
により水素、−酸化炭素又は二酸化炭素に変えられ、ア
ノード排ガス系（２１）に排出される。排出されたガス
は、ＰＳＡ式炭酸ガス分離装置（２２）によって二酸化
炭素及び水が取り除かれ、残りの水素及び−酸化炭素を
含む排出燃料ガスは燃料電池に導入路（７〕にリサイク
ルされ、第１の改質部く４）で改質された燃料ガスと共
に、燃料ガス流路（２）に供給される。

このような燃料電池においては、第１の改質部（４）で
改質されずに、燃料電池単体（１）に供給されたメタン
等が、燃料電池単体（１）における電気化学反応によっ
て生じた水とともに、第２の改質部〈２０）に供給され
るので、改質反応に必要な水蒸気が充分供給されること
になり、このため、上記く３）式の改質反応が促進され
る。さらに、改質反応に必要な反応熱は、燃料電池単体
（１）の反応熱を利用することがでよるので、供給され
た未反応成分のメタン等は、はぼ１００％改質され、水
素及び−酸化炭素に変わる。またこの時、同時に上記（
２）式に示される転化反応も進行し、二酸化炭素も生成
される。その後、第２の改質Ｂ（２０）で生成されたガ
スは、燃料電池によって消費された排出燃料ガスととも
にＰＳＡ式炭酸ガス分離装置（２２）に供給されて、二
酸化炭素及び水蒸気が除去され、この結果、残りの水素
及び−酸化炭素を含むガスが、燃料電池単体（１）に戻
されることになるので、アノード（］ｂ）に供給される
水素及び−酸化炭素の量が増加することになり、電池特
性を向上させることかできる。

なお、＠２図に示されるように、第２の改質部（２０）
を燃料電池単体（１）に密接して形成せずとも良い。即
ち、燃料電池単体（１）より排出された排出燃料ガスは
、上記（３）式の電気化学反応により、水蒸気（Ｈ２０
）を多く含んでいる。

したがって、第２の改質部（２０）においては、改質反
応が進みやすく、また改質反応に必要な反応熱は排出燃
料ガス自身の温度が高いために、他より与える必要が無
い。さらに、この排出燃料ガス中の未反応成分は、少量
であるために第２の改質１（２０）の温替シ＜でも、未
反応成分はほぼ１００％改質できる。

また、第３図はこの発明の他の実施例の燃料電池である
。この実施例は、第１の改質部（４）を燃料電池単体体
（］）　とは別に設けた外部改質方式の燃料電池に第２
の改質部（２０）を設けたものである。

このように構成された燃料電池においては、般に投入さ
れた原燃料ガスの約９５〜９８％が改質され、燃料ガス
となる。しかし、上記第１の改質部（４）の改質触媒が
劣化し、改質率が低下した場合においても、改質されず
燃料電池単体（１）に排出された未反応成分は、燃料ガ
ス流路（２）を通過して、第２の改質部（２０）に供給
され、未反応成分を改質して、燃料ガスに１００％改質
した後に、水素及び−酸化炭素を燃料電池単体（１）に
リサイクルするため、燃料電池単体（１）に供給される
水素及び−酸化炭素の量は減少することはないので、電
池特性は一定に保つことがでよる。

また、第４図はこの発明の燃料電池を用いた発電システ
ムを示す図である。図において、　（２３）はアノード
から排出された排出燃料ガスをアノードに再循環するた
めにアノード排ガス系に設けられたアノード再循環ブロ
ア、　（２４）は上記アノード排ガス系に設けられ、第
２の改質部（２０）より排出された排出燃料ガスを冷却
器（２５）を介して供給され、排出燃料ガス中の一酸化
炭素を二酸化炭素に変質する転化反応器、　（２６）は
カソード（ＩＣ）に供給される酸化剤ガスを供給するた
めの空気圧縮機、　（２７）はこの空気圧縮機（２６）
から供給され、空気予熱器（２８）により予熱された酸
化剤ガスと、ＰＳＡ式炭酸ガス分離装置く２１）により
分離された二酸化炭素ガスとを混合し、カソード（ＩＣ
）に供給する混合器、（２９）はカソード（１ｃｌ　よ
り排出された排出酸化剤ガスの一部を熱交換器（３０）
を介し、再循環ブロア（３１）によって再循環するカソ
ード排ガス系、　（３２）はカソード（ＩＣ）より排出
された排出酸化剤ガスの一部を大気中に放出するための
膨張ターピノで、この膨張タービン（３２）の出力の一
部は上記空気圧縮機（２６）の動力となり、残りの一部
は発電機（３３）の動力の一部となる。　（３４）は上
記膨張タービン（３２）より排出されたガス中に含まれ
る二酸化炭素を回収するための第２の炭酸ガス分離装置
で、この第２の炭酸ガス分離装置で回収された二酸化炭
素は空気圧縮機（２６）に戻される。

このように構成された燃料電池発電システムにおいては
、上記実施例で示したものと同様に原伊料ガスか第１の
改質部（４）に供給され、水素を主成分とする燃料ガス
に改質される。このＰ料ガスは燃料電池単体（１）のア
ノード（１ｂ）に供給される。また、二の時改質されな
かった未反応成分は燃料電池単体（１）を通過し、アノ
ード（ｌｂ）で消費されたガスとともに、排出燃料ガス
として第２の改質部（２０）に送られることになり、排
出燃料ガス中に含まれる未反応成分は、はぼ１００％水
素又は−酸化炭素に改質される。二の第２の改質Ｅ（２
０）より排出された排出燃料ガスは、冷却器（２５）で
約２００℃に冷却され、転化反応器（２４）に供給され
る。この転化反応器では、上記第（２）式に示された転
化反応が促進され、排出燃料ガス中の一酸化炭素は、二
酸化炭素及び水素に変えられる。その後、ＰＳＡ式炭酸
ガス分離装［：（２１）で排出燃料ガス中の水蒸気及び
二酸化炭素が分離され、残りの水素を含む排出燃料ガス
は、再循環ブロア（２３）を介して再びアノード（］、
　ｂ　ｌにリサイクルされる。一方、カソードく１ｃ）
には、酸化剤ガスとして空気圧縮機（２６）と空気予熱
器（２８）を順次通過した空気と、ＰＳＡ式炭酸ガス分
離装置（２１）により分離された二酸化炭素と、カソー
ド排ガス系（２９）よりリサイクルされたガスとが混合
器（２７）で混合され、供給される。この酸化剤ガスは
、カソード（１ｃ）で消費され、排出酸化剤ガスとして
排出されるとともに、二の排出酸化剤ガスの一部は膨張
タービン（３２）を介して外部に放出される。この時、
外部に放出されるガス中の二酸化炭素を第２のＰＳＡ式
炭酸ガス分離装置（３４）によって回収し、再び空気圧
縮機（２６）に戻す二とによって酸化剤ガスとすること
ができ、残りはた外部に放出される。また、排出酸化剤
ガスの残りはカソード排ガス系（２９）に送られ、再循
環ブロア（３Ｉ）によって、混合器＜２７）に供給され
、カソード（ＩＣ）にリサイクルされる。

このように、この燃料電池発電システムにおいでも、上
記実施例同様にアノード（１ｂ）より排出された排出燃
料ガス中の未反応成分は、第２の改質器（２０）で改質
され、アノード（１ｂ）にリサイクルされるので、アノ
ード（］ｂ）に供給できる水素量は多くなる。また、こ
の実施例では第２の改質部（２０）で生成された一酸化
炭素を、転化反応器（２５）でほとんど水素と二酸化炭
素にできるので、排出燃料ガス中の二酸化炭素の量が多
くプｉも）、ＰＳＡ式炭酸ガス分離装置ｔ（２１）にお
いて分離された後、カソード（ＩＣ）に供給される二酸
化炭素の分圧を高くてと　この結果起電力を大永くする
ことが可能となり、電池特性を向上させることかできる
。

また、この実施例においては、膨張タービン（３２）を
通過し、外部に排出されるガス中の二酸化炭素を第２の
炭酸ガス分離装置（３４）で再び空気圧縮機（２６）を
介してカソード（ｌｃ）ｉ：供給させるので、さらに二
酸化炭素の分圧を高める二とができ、電池特性を高める
ことができる。

口効果］ 上記説明したようにこの発明の燃料電池は、改質されず
電気化学反応部に供給された原燃料の未反応成分を改質
部で改質し、電気化学反応部にリサイクルするので、投
入した原炉料に対して発電効率の高い燃料電池が得られ
るという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこ“の発明の一実施例である燃料電池の構成図
、第２図は二の発明の他の実施例を示す燃料電池の構成
図、第３図はこの発明のさらに他の実施例を示す燃料電
池の構成図、第４図はこの発明の燃料電池を用いた発電
ノステムを示す構成図、第５図は従来の一般的な間接内
部改質方式の燃料電池の基本構成図、第６図は従来の間
接内部改質方式の燃料電池の構成図を示す。 図において、　（１）は電気化学反応部、　（２０）は
改質部である。 なお図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料ガスが供給され電気化学反応を起こす電気化学反応
   部、この電気化学反応部から排出された排出燃料ガスを
   改質し、上記電気化学反応部にリサイクルする改質部を
   備えた燃料電池。