JPH06103629B2

JPH06103629B2 - 複合燃料電池発電設備

Info

Publication number: JPH06103629B2
Application number: JP59207061A
Authority: JP
Inventors: 芳樹野口; 洋市服部; 成久杉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-10-04
Filing date: 1984-10-04
Publication date: 1994-12-14
Anticipated expiration: 2009-12-14
Also published as: JPS6185773A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、電解質に炭酸リチウム、炭酸カリウムなどの
炭酸塩を用いた溶融炭酸塩型燃料電池（以下、MFCとい
う）と、電解質にリン酸を用いたリン酸型燃料電池（以
下、PFCという）とを組み合わせた複合燃料電池発電設
備に関する。

〔発明の背景〕

電解質に炭酸リチウムや炭酸カリウムなどの炭酸塩を用
い、この炭酸塩が溶融状態になる600〜700℃で運転する
燃料電池は、MFCと呼ばれている。このMFCは、高温で反
応するため、反応が活発で、白金などの高価な触媒を必
要とせず、現在実用化が進んでいるPFCに有害な一酸化
炭素も使用可能なため、使用燃料の幅が広くなる。さら
に、MFCは排熱回収により石炭ガス化プロセスと組み合
わせて約45％以上の熱効率が期待できる。このため、PF
Cが第一世代燃料電池と呼ばれるのに対し、次世代に実
用化できる有望な発電装置として、MFCは第二世代燃料
電池とも呼ばれている。

第11図に、雑誌EPRI EM-1670 Page E-7 FigE-3等に示さ
れているMFCを用いた燃料電池発電設備の従来技術を示
す。

この第11図に示す燃料電池発電設備は、改質器反応管３
および改質器燃焼部４を有する改質器２と、改質ガスと
アノード排ガスのガス／ガスヒータ６と、アノード９と
電解質10とカソード11を有するMFC8と、アノード排ガス
用のガス／ガス熱交換器13と、同アノード排ガス用のガ
ス冷却器14と、ノツクアウトドラム15と、アノード排ガ
ス用の圧縮機17と、カソード排ガス用の圧縮機24と、空
気予熱器29と、膨張タービン33と、蒸発器36および節炭
器37を有する排熱回収熱交換器35と、改質蒸気用の加熱
器40と、ノツクアウトドラム15とガス冷却器14間の給水
管に設けられた給水ポンプ46と、膨張タービン33に連結
された空気用の圧縮機47および発電機48等を備えてい
る。

なお、第11図中、１は燃料、５は改質ガス、７は反応ガ
ス、12,16,18,19はアノード排ガス、20は燃料ガス、21
は圧縮空気と改質器燃焼部排ガスとカソード循環ガスと
の混合ガス、22はカソード排ガス、23はカソード循環ガ
ス、25は圧縮空気と改質器燃焼部排ガスとの混合ガス、
26は空気、27,28,30は圧縮空気、31,32はカソード排ガ
ス、34はタービン排ガス、38は排熱回収熱交換器出口排
ガス、39は改質蒸気、41は加熱蒸気、42,43,44は改質器
燃焼部排ガス、45は給水である。

そして、この第11図に示す従来の燃料電池発電設備で
は、燃料１には天然ガスなどが使用され、その燃料１は
加圧されて改質器２に送られ、この改質器２により改質
され、その改質ガス５はガス／ガスヒータ６を通り、反
応ガス７としてMFC8のアノード９へ供給される。

一方、空気26は膨張タービン33により駆動される圧縮機
47により圧縮された後、二つに分岐され、その一方の圧
縮空気27は後述の改質器燃焼部排ガスと混合され、他方
の圧縮空気28は空気予熱器29で予熱され、その空気30は
燃料ガス20と混合される。

他方、炭酸ガスである改質器燃焼部排ガス42は二つに分
岐され、その一方の改質器燃焼部排ガス43は加熱器40を
通つた後、圧縮空気27に混合され、他方の改質器燃焼部
排ガス44は空気予熱器29を通つた後、同じ圧縮空気27に
混合される。

前記圧縮空気27は改質器燃焼部排ガス43,44との混合ガ
ス25は、圧縮機24で加圧されカソード循環ガス23と混合
され、これらの混合ガス21はMFC8のカソード11へ供給さ
れる。

前記MFC8のアノード９には反応ガス７である水素または
水素含有ガスが供給され、カソード11には空気と炭酸ガ
スとの混合ガス21が供給される。そして、カソード11で
は酸素と炭酸ガスとが電子を受け取つて炭酸イオンとな
り、電解質10中に入る。アノード９では、水素と電解質
10中の炭酸イオンが反応して炭素ガスと水を生成し、電
子を放出する。つまり、カソード11で炭酸ガスを生成す
る。

反応後のアノード排ガス12中には、水素、一酸化炭素な
ど、未反応の反応ガスが含まれているため、アノード排
ガス12を改質器用の燃料ガス20として改質器２へ供給
し、熱回収している。

MFC8では、作動温度が600〜750℃の高温で、加圧下で行
われているので、カソード排ガス22を膨張タービン33で
膨張させ、動力回収している。なお、タービン排ガス34
は熱回収されて系外へ排出される。

前述のごとく、MFC8では炭酸ガスをカソード11で消費
し、これをアノード９で生成するため、反応ガスの利用
率（アノードで実際に消費される反応ガス量／アノード
へ供給される反応ガス量）を上昇させると、アノード９
で生成される炭酸ガスおよび水分のために反応ガスが希
釈される。また、同時に燃料電池内での反応による反応
ガスの消費が進むため、反応ガスの反応に関与する成分
の濃度が著しく減少し、燃料電池の電圧が低下し、熱効
率が低下することが知られている。

第７図に、MFCの反応ガスの利用率と電池効率の関係を
示す。

反応ガスの利用率の増加に従つて電池効率が低下するこ
とが分かる。燃料電池発電設備の効率は、（電池効率）
×（反応ガスの利用率）として表されるため、燃料電池
発電設備の熱効率を向上させるためには、反応ガスの利
用率を上げても電池効率の低下の少ない燃料電池を開発
すると同時に、低い反応ガスの利用率でも高い熱効率が
得られる熱回収システムを開発することが重要である。

前述のMFCの特性に対して、PFCは反応ガスの利用率につ
いて異なつた特性を示す。

第８図に、PFCの反応ガスの利用率と電池効率の関係を
示す。

MFCが反応ガスの利用率の増加に従つて電池効率が低下
するのに対し、PFCは反応ガスの利用率が増加しても、
反応ガス利用率が80％位までは一定の電池効率を示し、
その後反応ガス利用率が約90％付近で、電池効率が急速
に低下する。これは、MFCは電池反応に関与する反応ガ
スの成分の消費と同時に、アノードでの炭酸ガスと水の
生成により反応ガスの反応に関与する成分が著しく減少
するのに対し、PFCはアノードでは反応ガスの消費だけ
で、反応に関与しない成分の生成による反応ガスの希釈
は起こらないためである。

第９図に、PFCの特性として、反応ガスの水素濃度と電
池効率の関係について示す。

この第９図から反応ガス中の水素濃度の増加に従い、電
池効率はリニアに増加していることが分かる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、MFCとPFCの特性を利用して設備全体の
熱効率を向上させ且つ圧縮機動力を低減して設備総合効
率を向上させ得る複合燃料電池発電設備を提供するにあ
る、本発明の他の目的は燃料として天然ガス等を有効に
利用して運転可能な複合燃料電池発電設備を提供するに
ある。

〔発明の概要〕

本発明の１番目の発明は、燃料を改質反応により反応ガ
スに改質する改質器と、該改質器から反応ガスがアノー
ドへ供給されるMFCと、該MFCのアノード排ガスがアノー
ドへ供給されるPFCと、該PFCのカソードへ圧縮空気を供
給する圧縮機と、前記PFCのカソード排ガスを昇圧してM
FCのカソードへ供給する圧縮機と、前記MFCのカソード
へ炭酸ガスを供給する前記改質器の燃焼部もしくは他の
燃焼器とから成るところに特徴を有するもので、この構
成により、MFCの熱効率を高くするために反応ガス利用
率を下げても、MFCのアノード排ガスをPFCにおいて高い
反応ガス利用率で再び利用できるため、設備全体の熱効
率を向上させることができ、圧縮空気の供給をPFCからM
FCへシリーズに供給することにより供給空気量を減少し
て圧縮機動力を低減でき、設備総合効率を向上させるこ
とができる。

本発明の２番目の発明は、前記１番目の発明において、
MFCとPFCの他にシフトコンバータを連続的に組み合わ
せ、MFCのアノード排ガスをシフトコンバータへ導入
し、シフトコンバータにて一酸化炭素と水分から二酸化
炭素と水素を生成するシフト反応を行つた後の反応ガス
を前記PFCの燃料として使用するように構成したところ
に特徴を有するもので、この構成により、燃料ガス中の
一酸化炭素をPFCに対して全く無害な二酸化炭素にする
とともに、燃料としても利用可能な水素を生成させるこ
とができ、したがつて燃料として天然ガス等を有効に使
用して運転することができる。

〔発明の実施例〕以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は、本発明の第１実施例を示す。

この第１の実施例のものは、改質器反応管３および改質
器燃焼部４を有する改質器２と、アノード９と電解質10
とカソード11とを有するMFC8と、ガス／ガス熱交換器13
と、シフトコンバータ49と、アノード52と電解質53とカ
ソード54とを有するPFC51と、膨張タービン33と、これ
に連結された発電機48および圧縮機24,47,56と、排熱回
収ボイラ35と、加熱器40と、気水分離器59と、給水ポン
プ46等を備えている。

そして、この実施例ではシフトコンバータ49は、MFC8と
PFC51との間に設置され、MFC8とはガス／ガス熱交換器1
3を介して接続され、PFC51とは直接接続されている。

なお、第１図中、１は燃料、５は反応ガス、12はMFCの
アノード排ガス、22は同カソード排ガス、23はMFCのカ
ソード循環ガス、32はMFCから出るカソード排ガス、34
は膨張タービンから出るカソード排ガス、38は排熱回収
熱交換器出口排ガス、39は改質蒸気、41は加熱蒸気、50
はシフトコンバータからPFCへ入れる反応ガス、55はPFC
のアノード排ガス、57は圧縮空気、58はPFCのカソード
排ガス、60は気水分離器で分離された水、61はPFCから
出て圧縮機で圧縮されかつMFCのカソードへ入れるカソ
ード排ガス、62はPFCのカソードへ入れるカソード排ガ
ス、63は改質器排ガス、64は圧縮器から改質器燃焼部へ
送る圧縮空気である。

前記改質器２には、燃料１として約10〜12kg/cm²に加圧
された天然ガス等が供給される。

一方、排熱回収ボイラ35で蒸気39が生成され、この蒸気
39は加熱器40で加熱され、その加熱蒸気41は前記改質器
２に供給される。

前記改質器２では、改質器反応管３で燃料１が加熱蒸気
41と改質反応を起こし、メタンを主成分とするガスが水
素および一酸化炭素を主成分とするガスに改質される。

前記改質された水素および一酸化炭素を主成分とする反
応ガス５は、MFC8のアノード９へ供給される。

前記MFC8は、燃料電池セルの積層体で構成され、各燃料
電池セルは正極と負極とこれら両極の間に配置された電
解質10とを有して構成されている。前記正極と、この正
極の非電解質側に設けられたガス通路とでカソード11が
構成されている。前記負極と、この負極の非電解質側に
設けられたガス通路とでアノード９が構成されている。
前記電解質10には、炭酸リチウム、炭酸カリウム等の炭
酸塩を用い、この炭酸塩が溶融状態になる温度で運転さ
れる。

前記MFC8のアノード９へ供給された反応ガス５は、カソ
ード11へ供給される空気と炭酸ガスの混合ガスと反応す
る。MFC8のカソード11では、前記混合ガスが電子を受け
取つて炭酸イオンとなり、電解質10中へ入る。前記MFC8
のアノード９では、水素と電解質10中の炭酸イオンが反
応して炭酸ガスおよび水が生成され、電子を放出する。
この結果、MFC8のアノード９からカソード11へ電子が移
動し、電流が発生する。

MFC8のアノード排ガス12は、ガス／ガス熱交換器13にて
熱交換して冷却され、シフトコンバータ49へ送られる。

MFC8では、前述のごとく、アノード９において水が生成
されるため、アノード排ガス12中には水分が含まれてい
る。前記シフトコンバータ49では、このアノード排ガス
12中の水分と一酸化炭素から水素と二酸化炭素を生成す
るシフト反応を行い、PFC51へ供給する反応ガス50を生
成する。すなわち、 CO＋H₂O→CO₂＋H₂ により、アノード排ガス12中の一酸化炭素をPFC51に対
して無害な二酸化炭素にするとともに、燃料として利用
できる水素を生成する。

前記PFC51は、アノード52、電解質53およびカソード54
により構成されており、電解質53にはリン酸が用いられ
ている他は、前記MFC8と同様である。前記MFC8は電解質
10である炭酸塩が溶融状態となるように、約65℃と高温
で作動するのに対し、PFC51は約200℃と比較的低温で作
動する。

したがつて、この実施例のように、シリーズにMFC8のア
ノード９とシフトコンバータ49とPFC51のアノード52と
を設けたことにより、例えばMFC8の作動温度を600〜650
℃とした時、シフトコンバータ49の作動温度を250〜350
℃、PFC51の約200℃とすることができ、MFC8、シフトコ
ンバータ49およびPFC51をそれぞれ合理的な温度で反応
利用させることができる。

前記PFC51のアノード52へ供給された反応ガス50は、こ
の反応ガス50中の水素が電子を放出して水素イオンとな
り、電解質53中へ入る。PFC51のカソード54では、水素
イオンと酸素が反応して電子を受け取り、水を生成す
る。その結果、アノード52がカソード54へ電子が移動
し、電流が発生する。

PFC51のアノード排ガス55は、ガス／ガス熱交換器13に
て熱交換することによつて加熱され、第１図中に符号
で示すように改質器燃焼部４へ送られる。

一方、圧縮機56により空気が約7kg/cm²に加圧され、そ
の圧縮空気57はPFC51のカソード54へ供給される。ま
た、前記圧縮空気57の一部が分岐され、この分岐された
圧縮空気64は第１図中に符号で示すように改質器燃焼
部４へ送られる。

PFC51のカソード排ガス58は、気水分離器59にて冷却さ
れ、このカソード排ガス58中の水分が除去された後、圧
縮機47へ送られる。また、カソード排ガス58から分離さ
れた水60は給水ポンプ46により排熱回収ボイラ35へ送ら
れ、ここで改質蒸気39とされ、改質器２に供給される。

前記圧縮機47により約10kg/cm²に加圧されたカソード排
ガス61は、ガス中に未だ多量の未反応酸素を含んでいる
ため、MFC8のカソード11へ送られ、電池反応に使われ
る。また、この実施例ではPFC51を空冷式としているの
で、前記圧縮機47で加圧されたカソード排ガス61の一部
を分岐し、分岐されたカソード排ガス62を電池冷却用と
してPFC51のカソード54へ戻し、再循環させている。

MFC8のカソード11へは、PFC51のカソード排ガス61の他
に、炭酸ガス供給用として改質器２の排ガス63が送られ
る。

電池反応後のMFC8のカソード排ガス22は分岐され、その
一方のカソード排ガス31は圧縮機24に送られ、加圧され
てMFC8のカソード11へ戻され、電池冷却のために再循環
される。他方のカソード排ガス32は、膨張タービン33に
て仕事をし、圧縮機24,47,56を駆動する。そして、膨張
タービン33を出たカソード排ガス34は排熱回収ボイラ35
にて熱回収されてから系外へ放出される。

改質器２により燃料１を水素および一酸化炭素を主成分
とするガスに改質する反応は、吸熱反応であり、外部か
ら熱を与える必要がある。この実施例では、改質器燃焼
部４の燃料としてPFC51のアノード排ガス55を供給し、
燃焼用空気として圧縮機56で加圧された圧縮空気64を供
給し、改質器燃焼部４において燃焼反応を行つている。

MFC8およびPFC51は、そのいずれも反応ガスの圧力が高
い程、熱効率が高くなる。そこで、この実施例において
も、MFC8およびPFC51に入れる反応ガスを加圧するよう
に構成されている。

前記第11図に示した従来の燃料電池発電設備では、燃料
１は改質器２→MFC8のアノード９→改質器燃焼部４の順
に送られ、アノード排ガス12は改質器２で燃焼し、改質
反応に必要な熱を供給し、膨張タービン33で仕事をする
だけであつたが、第１図に示す本発明の第１の実施例で
は、燃料１は改質器２→MFC8のアノード９→シフトコン
バータ49→PFC51のアノード52→改質器燃焼部４の順に
送られ、MFC8のアノード排ガス12は改質器２で燃焼し、
改質反応に熱を供給し、膨張タービン33で仕事をする他
に、さらにPFC51で電気を発生させる。

燃料電池の特性として前述のように、MFC8は反応ガスの
利用率の増加に従い、電池効率が低下するのに対し、PF
C51は反応ガスの利用率を増加させても、電池効率はほ
ぼ一定となる。また、燃料電池発電設備の効率は、（電
池効率）×（反応ガスの利用率）で表され、第11図に示
した従来の燃料電池発電設備では電池効率を高くするた
めに反応ガスの利用率を下げると、改質器２への燃料の
熱量が増加するだけで、結局系外への熱損失が増加する
ことになり、設備全体の熱効率を向上させることができ
なかつた。これに対して、第１図に示す本発明の第１の
実施例においては、MFC8の反応ガスの利用率を下げて、
電池効率の高い状態でMFC8を運転し、さらにMFC8のアノ
ード排ガス12をPFC51で使用して発電するため、改質器
２への燃料の熱量は一定であり、またPFC51は燃料の利
用率を上げても電池効率はほぼ一定となるので、設備全
体の熱効率を向上させることができる。

燃料電池の燃料として電池反応に使われるガスの成分
は、各燃料電池によつて異なる。MFC8では水素と一酸化
炭素が電池反応に使われるのに対し、PFC51では電池反
応に使われる燃料の成分は水素のみであり、燃料ガス中
に一酸化炭素が含まれていると電極の触媒である白金が
被毒するため、PFC51の燃料ガス中には一酸化炭素が含
まれていてはならない。

第１図に示す本発明の第１の実施例では、MFC8のアノー
ド排ガス12には一酸化炭素が含まれているため、このア
ノード排ガス12をそのままPFC51の反応ガスとして使用
することができず、アノード排ガス12中の一酸化炭素を
二酸化炭素に転換する必要がある。一方、MFC8のアノー
ド排ガス12中には電池反応により生成された水分が含ま
れている。したがつて、シフトコンバータ49でシフト反
応（CO＋H₂O→CO₂＋H₂）を行わせるための水分を外部から供給する必要がなく、
シンプルな構成で、PFC51に供給する反応ガス50を生成
することができる。

また第１図において、圧縮空気の供給はPFC51からMFC8
へシリーズに供給する。空気をシリーズに供給すること
によって空気量を減少して圧縮機動力の低減ができる。
PFC51は酸素濃度が低いと電池効率が低下する性質があ
るが、MFC8は酸素濃度に対する依存性が小さく、酸素濃
度が低くても電池効率があまり変化しないため、未反応
酸素を多量に含むPFC51のカソード排ガスの利用ができ
る。そこで圧縮空気の供給をPFC51からMFC8へとシリー
ズに供給することによりパラに供給する場合に比べて電
池効率を低下させずに供給する圧縮空気量を減少させる
ことができる。そして、この供給空気量の減少に伴って
圧縮機56の動力を低減することができる。また前記のよ
うに圧縮空気圧がPFC51は7kg/cm²、MFC8は約10kg/cm²と
相違しているが、本実施例では、圧縮機56によってPFC5
1に圧縮空気を供給し、MFC8にはPFC51のカソード排ガス
を圧縮機47により昇圧して供給するので、各燃料電池に
最適な圧力の圧縮空気を最小の無駄のない動力で供給で
き、電池反応効率を高めると同時に圧縮機動力を低減で
きる。

第２図は、本発明の第２の実施例を示す。

この第２の実施例のものは、前記第１の実施例に示した
設備とほとんど同じであるが、改質器燃焼部への空気供
給の仕方が異なつている。

つまり、圧縮機47で加圧された圧縮空気としてのカソー
ド排ガス61を改質器燃焼部４へ送つて使用している。

なお、改質器燃焼部４への空気供給源としては、設備内
の幾つかの空気取り出し点が考えられるが、この第２の
実施例はそのうちの一つの例である。

第３図は、本発明の第３の実施例を示す。

この第３の実施例のものは、前記第1,第２の実施例とは
MFCのカソードへの炭酸ガスの供給、および改質器への
空気供給の仕方が異なつている。

すなわち、MFC8のカソード11への炭酸ガスの供給は、ア
ノード排ガス12中の一部を分岐し、この分岐されたアノ
ード排ガス66を触媒バーナ67へ導き、圧縮機47により加
圧されたPFC51のカソード排ガス61と燃焼させ、炭酸ガ
ス68を生成し、これをMFC8のカソード11へ送るようにし
ている。

一方、MFC8のカソード排ガス22は分岐され、その一部は
改質器燃焼部４に送られ、他の一部はMFC8の冷却のため
に再循環される。

改質器燃焼部４では、PFC51のアノード排ガス55と、MFC
8のカソード排ガス22とが燃焼反応し、燃料１の改質反
応に必要な熱を与えふ後、改質器排ガス63は膨張タービ
ン33、排熱回収ボイラ35により熱回収させ、系外へ放出
される。

第４図は、本発明の第４の実施例を示す。

前記第１〜第３の実施例のものは、空冷MFCと空冷PFCの
組み合わせであるのに対し、この第４実施例のものは空
冷MFCと水冷PFCの組み合わせである。

PFCの冷却系統としては、給水ポンプ46により冷却水70
がPFC51へ送られ、このPFC51と熱交換してこれを冷却す
るとともに、冷却水70は加熱されて気水分離器69へ送ら
れる。気水分離器69では、水が蒸気となるための潜熱に
より水が冷却され、その冷却水70は再びPFC51へ送られ
る。また、気水分離器69で発生した蒸気は、ガス／ガス
熱交換器71で加熱され、改質器２へ改質蒸気39として送
られる。

この第４の実施例において、PFCの冷却系統以外の構
成，作用は前記第１の実施例と同様である。

第５図は、本発明の第５の実施例を示すもので、圧縮機
47で加圧された圧縮空気としてのPFC51のカソード排ガ
ス61の一部を分岐し、このカソード排ガス61を改質器燃
焼部４へ送り、使用している。

この第５の実施例の他の構成，作用は、前記第４の実施
例と同様である。

第６図は、本発明の第６の実施例を示すもので、PFC51
を空冷PFCに代えて水冷PFCとし、PFCの冷却系統を変え
た他は、前記第３の実施例と同様である。

次に、第10図は本発明複合燃料電池設備の特性を、従来
技術と比較して示す。

前記第11図に示した従来技術では、電池効率は55％、反
応ガス利用率は74.5％、改質器の熱効率は131.4％であ
り、燃料電池の熱効率は（電池効率）×（反応ガスの利
用率）×（改質器の熱効率）として表され、直流として
53.8％、直流／交流変換器のロスを差し引いて燃料１の
入熱の52.8％の燃料電池電気出力（第10図中に符号72で
示す）を発生する。燃料電池で電気出力を発生した残り
のエネルギー46.2％は、カソード排ガスの顕熱、アノー
ド排ガス中の顕熱、未反応ガスの反応熱として熱回収サ
イクルへ供給されるが、膨張タービンの熱効率が低いた
め、膨張タービンでは燃料１の入熱の9.4％の電気出力
（第10図中に符号73で示す）しか発生しなかつた。した
がつて、従来技術では、設備全体として燃料入熱の62.2
％の電気出力を発生する。

本発明によれば、MFCでの反応ガスの利用率を60％とす
ることにより、電池効率57.4％と第７図に示す特性に従
つて上昇する。改質器の熱効率は同一であるので、反応
ガス利用率を19.5％低下させても、燃料電池の出力比は
15.9％しか低下せず、直流として45.3％の電気出力を発
生し、交流として44.4％の電気出力（第10図中に符号74
で示す）を発生する。

本発明において、MFCで電気を発生した残りのエネルギ
ーである燃料入熱の54.7％は、MFCの反応ガスの利用率
を下げたことにより、その多くが未反応ガスの反応熱と
なつているため、未反応ガス（MFCのアノード排ガス）
をPFCに使うことにより、直流として22.3％、交流とし
て21.9％の電気出力（第10図中に符号75で示す）を発生
する。したがつて、設備全体としては第10図から分かる
ように、燃料入熱の66.3％の電気出力を発生させること
ができ、従来の燃料電池発電設備に比べ、相対値6.6％
熱効率が向上する。

従来技術では、MFCで電気を発生した残りのエネルギー
の約20％しか電気出力となつていないのに対し、本発明
においては約40％が電気出力となつている。このため、
MFCの反応ガス利用率を下げても、MFCを高い電池効率で
運転でき、またMFCで電気を発生した残りのエネルギー
をPFCで有効に熱回収できるので、設備全体の熱効率を
向上させることができる。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明の１番目の発明によれば、MFCとPFC
とを連続的に組み合わせ、MFCのアノード排ガスをPFCの
燃料として使用し、PFCのカソード排ガスをMFCの酸化ガ
スとして使用するように構成しており、MFCとPFCの特性
を有効に利用して設備全体の熱効率を向上させ且つ圧縮
機動力を低減して設備総合効率を向上させ得る効果があ
る。

また、本発明の２番目の発明によれば、前記１番目の発
明において、MFCとPFCの他のシフトコンバータを連続的
に組み合わせ、MFCのアノード排ガスをシフトコンバー
タへ導入し、シフトコンバータにより一酸化炭素と水分
から二酸化炭素と水素を生成するシフト反応を行つた後
の反応ガスをPFCの燃料として使用するように構成して
いるので、燃料ガス中の一酸化炭素をPFCに対して全く
無害な二酸化炭素にするとともに、燃料としても利用可
能な水素を生成させることができる結果、燃料として天
然ガス等を有効に使用して運転し得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明複合燃料電池発電設備の第１〜
第６の実施例を示す図、第７図はMFCの電池効率と燃料
（反応ガス）の利用率の関係を示す図、第８図はPFCの
電池効率と燃料（反応ガス）の利用率の関係を示す図、
第９図はPFCの電池効率と燃料（反応ガス）中の水素濃
度の関係を示す図、第10図は本発明複合燃料電池発電設
備の熱効率を従来技術と比較して示す図、第11図は従来
技術としてのMFCの発電設備を示す図である。１…燃料、２…改質器、５…改質器で改質された反応ガ
ス、８…MFC、９…MFCのアノード、10…同電解質、11…
同カソード、12…MFCのカソード排ガス、22,31,32…同
カソード排ガス、23…圧縮機からMFCのカソードへ送ら
れる圧縮空気、24,47,56…圧縮機、33…膨張タービン、
35…排熱回収ボイラ、40…改質蒸気の加熱器、48…発電
機、49…シフトコンバータ、50…シフトコンバータから
PFCへ送られる反応ガス、51…PFC、52…PFCのアノー
ド、53…同電解質、54…同カソード、55…PFCのアノー
ド排ガス、57…圧縮機からPFCのカソードへ送られる圧
縮空気、58…PFCのカソード排ガス、59…気水分離器、6
0…気水分離器で分離された水、61…気水分離器で分離
されかつ圧縮機で加圧された空気であるPFCのカソード
排ガス、62…同PFCのカソードへ戻すカソード排ガス。

フロントページの続き (72)発明者杉田成久茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (56)参考文献特開昭60−227363（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−24154（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料を改質反応により反応ガスに改質する
改質器と、該改質器から反応ガスがアノードへ供給され
る電解質に炭酸リチウム、炭酸カリウムなどの炭酸塩を
用いかつ前記炭酸塩が溶解状態になる温度で運転する溶
融炭酸塩型燃料電池と、該溶融炭酸塩型燃料電池のアノ
ード排ガスがアノードへ供給される電解質にリン酸を用
いたリン酸型燃料電池と、該リン酸型燃料電池のカソー
ドへ圧縮空気を供給する圧縮機と、前記リン酸型燃料電
池のカソード排ガスを昇圧して前記溶融炭酸塩型燃料電
池のカソードへ供給する圧縮機と、前記溶融炭酸塩型燃
料電池のカソードへ炭酸ガスを供給する前記改質器の燃
焼部もしくは他の燃焼器とを設けて成ることを特徴とす
る複合燃料電池発電設備。
【請求項２】燃料を改質反応により反応ガスに改質する
改質器と、該改質器から反応ガスがアノードへ供給され
る電解質に炭酸リチウム、炭酸カリウムなどの炭酸塩を
用いかつ前記炭酸塩が溶解状態になる温度で運転する溶
融炭酸塩型燃料電池と、該溶融炭酸塩型燃料電池のアノ
ード排ガスがアノードへ供給される電解質にリン酸を用
いたリン酸型燃料電池と、該リン酸型燃料電池のカソー
ドへ圧縮空気を供給する圧縮機と、前記リン酸型燃料電
池のカソード排ガスを昇圧して前記溶融炭酸塩型燃料電
池のカソードへ供給する圧縮機と、前記溶融炭酸塩型燃
料電池のカソードへ炭酸ガスを供給する前記改質器の燃
焼部もしくは他の燃焼器とを設けたものにおいて、前記
溶融炭酸塩型燃料電池のアノード排ガスが供給されシフ
ト反応を行った後の反応ガスを前記リン酸型燃料電池の
アノードへ供給するシフトコンバータを設けて成ること
を特徴とする複合燃料電池発電設備。