JPH05347161A

JPH05347161A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH05347161A
Application number: JP4177731A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Tanaka; 祐介田中
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1992-06-12
Filing date: 1992-06-12
Publication date: 1993-12-27

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料電池本体からの排ガスを冷却する際に、
二酸化炭素が液化されると同時に、再利用できる資源と
高純度の二酸化炭素との分離が行われる。【構成】燃料電池発電システムにおける回収系に圧縮
機と排熱利用により作動する冷熱発生設備とが配設され
る。そして、当該回収系よって回収されたアノード排ガ
スは、前記圧縮機で圧縮された後、冷却することによっ
て、二酸化炭素とその他の資源とに分離されると共に、
液化された二酸化炭素が回収される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池本体から排出
される排ガスを処理する燃料電池発電システムに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池発電システムにおいて
は、大気汚染物質として、硫黄酸化物や窒素酸化物の排
出が少なくて、良好な発電設備と考えられていた。しか
し、従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池本体で
生成されるアノード排ガス中の二酸化炭素を大気中に排
出している。そして、近年この二酸化炭素は、地球温暖
化の原因の一つとされるようになっている。しかし、燃
料電池発電システムにおける二酸化炭素は、未だ液体で
取り出す処理が行われていない。以下、典型的な燃料電
池発電システムについて説明する。

【０００３】図２は従来例における典型的な燃料電池発
電システムの概略説明図である。図２において、燃料電
池発電システムは、燃料電池本体１１２と、当該燃料電
池本体１１２を冷却すると共に、原燃料ガスを改質する
水蒸気を供給する系と、当該系によって得られる余剰熱
を利用する排熱利用系と、前記原燃料ガスを前記燃料電
池本体の燃料に改質して、燃料電池本体１１２に供給す
る燃料系と、前記燃料ガスの反応後、二酸化炭素や未反
応の水素、メタン、一酸化炭素等を含むアノード排ガス
から資源を回収する回収系とから構成されている。ま
た、燃料電池発電システムには、図示されていないが、
燃料電池本体１１２における水素と酸素との化学反応に
よって発生する直流電力を交流電力に変換する直交変換
装置、および燃料電池発電システムを安全かつ効率良く
運転するための運転制御装置が配設されている。

【０００４】燃料電池を構成する燃料電池本体１１２で
は、改質された改質ガスと空気とを反応させることによ
って化学反応を起こす。そして、この化学反応は、電気
エネルギーを発生すると共に、熱エネルギーと排ガスと
を発生する。上記燃料電池本体１１２等で発生した熱エ
ネルギーは、排熱利用設備１１５によって利用される。
排ガスの内利用できるものは、改質装置１１１で再利用
される。また、排ガスの内二酸化炭素のようなものは、
大気に放出されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池発電システム
の排ガス処理系において、再利用していなかった二酸化
炭素は、植物により吸収され、自然界のバランスが採ら
れていた。ところが、最近では、二酸化炭素を排出する
機器が多くなり、地球温暖化による自然界のバランスが
崩れ出し始めたと言われている。燃料電池発電システム
においても、二酸化炭素の自然放出を防止する必要がで
てきた。

【０００６】ところで、一般的な二酸化炭素の回収方法
には、所謂ＰＳＡ法、ＴＳＡ法と称される吸着法、物理
的吸収や化学的吸収による吸収法、あるいは膜利用によ
る回収法等があるが、高純度のものは得られない。高純
度にするには、さらに冷却して液化する工程が必要であ
る。

【０００７】そこで、たとえば食品用等に使用する高純
度の二酸化炭素を得ようとする場合には、前記製造方法
で得た二酸化炭素ガスを液化し、蒸留によってもう一度
精製していた。このように回収された二酸化炭素ガス
は、加圧冷却することによって液化し、蒸留することに
より純度をさらに高くして、食品添加物や化学原料、ま
たは溶接用として広く利用される。さらに、液体二酸化
炭素は、深海中に供給され、二酸化炭素を閉じ込めるこ
とができる。

【０００８】本発明は、以上のような課題を解決するた
めのもので、燃料電池本体の冷却によって得られた熱を
利用して、排ガスを冷却する際に、二酸化炭素が一段階
の処理で液化されると同時に、燃料電池発電システムで
再利用できる資源と高純度の二酸化炭素との分離が同時
に行われる燃料電池発電システムを提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、燃料改質による水素を主とした改質ガス
を還元剤として、酸素を含むガスを酸化剤とする燃料電
池発電システムであって、燃料電池から排出するアノー
ド排ガスを加圧して冷却することによって、アノード排
ガス中の二酸化炭素を除去することを特徴とする。この
発明によれば燃料電池のアノード排ガスを、１．０〜１
０．０ＭＰａ好ましくは１．５〜７．０ＭＰａに加圧圧
縮し、−１０°Ｃ〜−５５°Ｃ好ましくは−１５°Ｃ〜
５０°Ｃに冷却することによって排ガス中に含まれる二
酸化炭素を凝縮して残留する水素ガス及びメタンガス等
から液体として分離することにより、二酸化炭素を除去
することができる。必要ならば液体の二酸化炭素部分は
更に蒸留等によって高純度に精製できる。

【００１０】

【作用】燃料電池本体において、電池反応に使用さ
れずに排出されたアノード排ガスは、たとえば排ガス処
理系に設けられた圧縮機によって圧縮される。一方、燃
料電池本体における電池反応によって発生した熱エネル
ギーは、燃料電池本体の冷却水路を流れる冷却水を加熱
する。冷却水は、熱水となって、たとえば冷熱発生設備
を作動させる。そして、前記排熱を利用した冷熱発生設
備は、前記圧縮されたアノード排ガスを冷却することに
よって、二酸化炭素を液化する。たとえば、冷熱発生設
備を−４０°Ｃにすると、二酸化炭素は、液化されて他
の資源である水素、メタン、あるいは一酸化炭素等から
分離される。したがって、燃料電池本体から排出された
アノード排ガスを加圧冷却によって得られた液体の二酸
化炭素は、そのまま蒸留によって精製することができ高
純度であるため、食品添加物や化学原料として利用され
る。そして、他の資源は、再び電池本体に燃料ガスとし
て戻されたり、改質設備に戻され、原料ガスの改質およ
び変成に再利用される。すなわち、従来、放出していた
二酸化炭素は、燃料電池発電システム内の排熱によっ
て、高純度の二酸化炭素の分離と液化とが同時に行われ
る。

【００１１】また、二酸化炭素は、不活性気体として燃
料電池本体やシステムのシール用、パージ用気体として
も利用できる。さらに、液体二酸化炭素から気体として
分離された水素ガス等は、再利用されることによって何
の損失もなくなる。燃料電池本体における一回通過での
燃料ガス中の水素利用率を低くして、電池を安定させて
長寿命化が計れる。これに反して、一回通過の水素利用
率を高くすれば、燃料電池アノードにおいて、部分的に
反応が進み過ぎて水素不足となり、電極材料にまで電池
反応が及ぶ。そのため、電極材料は、腐食されて、燃料
電池寿命を縮めることになる。従来８０％前後の水素利
用率が設定されているが、本発明により二酸化炭素分離
後の水素ガスを循環再供給すれば、総合水素利用率は８
０％よりも低く保ち、電池の劣化を少なくして寿命を永
く保つことが出来る。

【００１２】

【実施例】図１を参照しつつ本発明の一実施例を説
明する。図１は本発明の一実施例に係る燃料電池発電シ
ステムを説明するための概略図である。図１において、
パイプライン１１により供給されたメタン等の原燃料ガ
スは、パイプライン２２から供給された水蒸気とが混合
され、パイプライン１２より、改質装置１１１に供給さ
れる。改質装置１１１では、前記原燃料ガスと水蒸気と
が、主として水素と二酸化炭素とに改質し変成されて、
一部未反応の炭化水素および一酸化炭素を含む燃料とな
る。そして、当該燃料は、パイプライン１３から燃料電
池本体１１２のアノード１２３に供給される。パイプラ
イン１４から吸引された大気は、送風機１１５によって
パイプライン１５を通り、燃料電池本体１１２のカソー
ド１３３に酸化剤として供給され、前記燃料ガスと反応
して電流と熱とを発生する。

【００１３】上記燃料ガスは、アノード１２３で水素を
消費してアノード排ガスとしてパイプライン１より放出
される。アノード排ガスは、主として二酸化炭素であ
り、他に未反応の水素、メタン、および一酸化炭素を含
む。アノード排ガスは、圧縮機１０１によって、５．０
ＭＰａまで加圧され、そして冷却される。また、アノー
ド排ガスは、パイプライン２から脱水機１０２に導入さ
れドレン分離、および吸着処理によって脱水された後、
−４０°Ｃまで冷却される。冷却されたアノード排ガス
のうち主として二酸化炭素は、液状となってパイプライ
ン４から抜き出される。前記二酸化炭素は、必要があれ
ば、精留塔１０４により精製されて９９．９％の液化さ
れた二酸化炭素となってパイプライン６より取り出され
る。冷却機１０３および精留塔１０４によって得られた
アノード排ガス中に存在した未反応の水素、メタン、一
酸化炭素、および一部の二酸化炭素は、パイプライン５
およびパイプライン７よりパージされ合流し、主として
パイプライン８から燃料電池本体１１２において再利用
される。また、上記ガスの一部は、パイプライン９から
パイプライン１２に供給され、再び改質装置１１１へ循
環される。さらに、上記ガスの一部は、パイプライン１
０によって改質装置１１１の加熱用燃料として利用され
る。また、燃料電池カソード排空気、および／または新
鮮空気は、酸化剤として燃焼して、改質のための反応熱
が供給される。

【００１４】改質装置１１１によって燃焼された排気ガ
スは、パイプライン１７から放出される。さらに、改質
装置１１１によって燃焼された排気ガスの圧力および温
度としてもっている余剰のエネルギーは、膨張タービン
１１６で軸動力として回収される。一方、燃料電池本体
１１２において、燃料電池反応によって発生した熱エネ
ルギーは、パイプライン１９によって吸収され、パイプ
ライン２０によって、気水分離器１１４に入り、水蒸気
と水に分離される。気水分離器１１４によって分離され
た水は、再びパイプライン１９によって、燃料電池本体
１１２の冷却水路１１３に供給される。分離された水蒸
気は、パイプライン２１によって取り出され、一部パイ
プライン２２に分かれ、燃料の改質装置１１１へ送られ
る。また、水蒸気の一部は、パイプライン２３によって
排熱利用設備１１７として設置した、吸収式冷凍機に供
給される。

【００１５】排熱利用設備１１７によって熱量を消費し
た水蒸気は、パイプライン２４から再び気水分離器１１
４に戻る。冷却機１０３は、前記吸収式冷凍機からパイ
プライン２５を通して、冷媒を取り出し、前記アノード
排ガスを冷却する。当該冷媒は、パイプライン２６によ
って再び吸収式冷凍機に循環される。本実施例におい
て、アノード排ガス中に含まれる二酸化炭素の８０％が
液体二酸化炭素として回収された。液体二酸化炭素の回
収のために要したエネルギーは、燃料電池によって発生
した発電量の内、約３％は主として圧縮機動力に消費さ
れる。燃料電池の反応熱を利用して発生した冷熱によっ
て冷却に必要な冷熱を賄うことができる範囲である。

【００１６】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、
特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することがな
ければ、種々の設計変更を行うことが可能である。たと
えば、燃料電池発電システムは、リン酸型燃料電池を始
め、他の形式のものに適用することができることはいう
までもない。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、アノ
ード排ガスを加圧した後燃料電池本体の冷却によって得
られた熱を利用して、排ガスを冷却する際に、高純度の
二酸化炭素が一段階の処理で分離液化されると同時に蒸
留し、精製すれば、再利用できるガスと高純度の液体と
二酸化炭素との分離が行われる。また、本発明による燃
料電池発電システムは、二酸化炭素を有効利用すること
が可能であるから、従来のように大気に放出せずに済
み、クリーンな設備となった。本発明の燃料電池発電シ
ステムは、燃料電池本体のアノード排ガス中に存在する
二酸化炭素を効率よく液化されて分離できると共に、燃
料電池反応における未反応の水素ガスを主とする分離ガ
スを再び燃料電池の反応ガスとして利用できる。したが
って、上記排ガスが利用できる分だけ改質装置の規模を
小さくすることができる。さらに、上記未反応分離ガス
は、改質装置の加熱用として燃焼させる時にも、二酸化
炭素を回収することによって、容積当たりの発熱量が増
加して、失火することもなく燃焼管理が容易である。

【００１８】燃料電池本体における一回通過での水素利
用率を、通常用いる基準より低くしても未反応の水素
は、排ガス処理系を通って再び循環して利用できるの
で、総合水素利用率を高く保つことができる。一方、燃
料電池本体の水素利用率を低く保つことによって、燃料
電池のアノード電極における化学反応を平均化できるの
で、前記アノード電極の一部が部分的に腐食されること
なく、燃料電池本体の寿命を永くすることができる。

【００１９】従来純度の高い液体二酸化炭素は、一旦、
吸着、吸収又は膜による分離回収する方法によって二酸
化炭素ガスを製造した後に、加圧冷却して液化した後、
蒸留により精製するといった二段階の工程が必要であっ
たものを、本発明によれば、燃料電池本体から出る排ガ
スを冷却するだけで、高純度の液体二酸化炭素を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る典型的な燃料電池発電
システムを説明するための概略図である。

【図２】従来例における燃料電池発電システムの概略説
明図である。

【符号の説明】

１０１・・・圧縮機１０２・・・脱水機１０３・・・冷却機１０４・・・精留塔１１１・・・改質装置１１２・・・燃料電池本体１１３・・・冷却水路１２３・・・アノード１３３・・・カソード１１４・・・気水分離器１１５・・・送風機１１６・・・膨張タービン１１７・・・排熱利用設備１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１
２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２
０、２１、２２、２３、２４、２５、２６・・・パイプ
ライン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料改質による水素を主とした改質ガス
を還元剤として、酸素を含むガスを酸化剤とする燃料電
池発電システムにおいて、燃料電池から排出するアノード排ガスを加圧して冷却す
ることによって、アノード排ガス中の二酸化炭素を除去
することを特徴とする燃料電池発電システム。