JPH0665060B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池発電システム

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JPH0665060B2
JPH0665060B2 JP61271221A JP27122186A JPH0665060B2 JP H0665060 B2 JPH0665060 B2 JP H0665060B2 JP 61271221 A JP61271221 A JP 61271221A JP 27122186 A JP27122186 A JP 27122186A JP H0665060 B2 JPH0665060 B2 JP H0665060B2
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    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
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    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は燃料電池と,改質装置と,圧縮空気発生装置と
を備えて構成される溶融炭酸塩型燃料電池発電システム
に係り、特にシステムの発電効率を高め得るようにした
溶融炭酸塩型燃料電池発電システムに関するものであ
る。
(従来の技術) 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換するものとして燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質層を挟んで燃料極およ
び酸化剤極(以下、空気極と称する)の一対の電極を配
置すると共に、燃料極に燃料ガスを供給しまた空気極に
酸化剤ガスを供給し、このとき起こる電気化学的反応を
利用して上記両電極間から電気エネルギーを取出すよう
にしたものであり、上記燃料ガスと酸化剤ガスが供給さ
れている限り高い変換効率で電気エネルギーを取出すこ
とができるものである。
さて、現在考えられている燃料電池としては種々のもの
があるが、リン酸水溶液電解質を電解質としたリン酸型
燃料電池に次いで実用化されると期待されている第二世
代の燃料電池として溶融炭酸塩型燃料電池がある。この
溶融炭酸塩型燃料電池は、溶融した炭酸塩を電解質とし
て保持した電解質層を挟んで,燃料極および空気極の一
対の電極を配置して成り、燃料極には燃料ガスとして水
素を,また空気極には炭酸ガスおよび酸化剤ガスとして
空気を夫々供給し、このとき起こる電気化学的反応によ
り両電極間から電気エネルギーを取出すようにしたもの
である。そしてこの種の溶融炭酸塩型燃料電池は、炭化
水素を主成分とする原燃料を水蒸気改質することによっ
て,その燃料ガスである水素ガスおよび一酸化炭素を改
質ガスとして得るための改質装置と、同じく酸化剤ガス
である空気を圧縮空気として得るための圧縮空気発生装
置とを備えて、溶融炭酸塩型燃料電池発電システム全体
を構成していることが多い。
ここで、炭化水素を主成分とする原燃料としては、例え
ば天然ガス,ナフサ,メタノール,石油ガス,石炭ガス
化ガス等が用いられる。また、溶融炭酸塩型燃料電池発
電システムの溶融炭酸塩型燃料電池の運転における必要
条件としては、次のようなものがある。
(a)空気極の酸化剤ガスには,炭酸ガス(CO2)を添
加する。
(b)燃料極の入口において,炭素析出が起こらない燃
料ガス組成にする。
一方、溶融炭酸塩型燃料電池発電システムを運用する上
で重要なことは、効率をできるだけ上げ、またシステム
をコンパクト化すること等である。そして、この溶融炭
酸塩型燃料電池発電システムが他の発電システムに対し
て経済的に優位にたつためには、システムの総合熱効率
を最大限に高めることが必要であり,このために種々の
方法が研究されてきている。
すなわち、溶融炭酸塩型燃料電池の燃料ガスとして,炭
化水素を水蒸気改質して得られる水素および一酸化炭素
を使用する場合、溶融炭酸塩型燃料電池内においてこの
燃料ガスに対し,ある燃料利用率(溶融炭酸塩型燃料電
池入口の水素+一酸化炭素の量に対する電気化学的反応
によって使用される水素+一酸化炭素の量)で運転を行
なった場合、溶融炭酸塩型燃料電池の燃料極から排出さ
れるガス(以下、燃料極排ガスと称する)には未反応分
の水素および一酸化炭素が存在し、この燃料極排ガスを
水蒸気改質のための改質装置の燃焼用燃料として利用す
ることが、溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの総合熱
効率を上げる方法として知られている。また、溶融炭酸
塩型燃料電池の空気極から排出される酸素の希薄となっ
た空気(以下、空気極排ガスと称する)は、溶融炭酸塩
型燃料電池で加圧運転する場合にはかなりのエネルギー
を有しており、このエネルギーをガスタービンにより回
収して,圧縮空気供給のための圧縮機動力の一部として
利用することが、溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの
総合熱効率を改善する方法として知られている。一方、
溶融炭酸塩型燃料電池の燃料極から排出される水素と一
酸化炭素の希薄となった燃料極排ガスは、上述のように
改質装置の燃焼用燃料として利用されるが、燃料極排ガ
スの有する圧力エネルギーを回収し,また改質装置から
排出される燃焼排ガスの有する熱エネルギーの回収効率
を改善するために、改質装置の燃焼室を溶融炭酸塩型燃
料電池と同様に加圧とし、燃焼排ガスを上述の空気極排
ガスと共にガスタービンに供給することによって動力回
収を行なう方法も知られている。
第3図は、この種の従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
ステムの構成例を示したものである。第3図において、
100は燃焼室107を有し,燃料ガス系に配置された
改質装置、101は単数または複数の燃料電池積層体か
らなる溶融炭酸塩型燃料電池であり、溶融した炭酸塩を
電解質として保持した図示しない電解質層を挟んで配置
された空気極105と燃料極106を有している。ま
た、102はタービン103およびこれにより駆動され
る圧縮機104からなり,酸化剤ガス系に配置された圧
縮空気発生装置である。
すなわち第3図において、外部から供給された炭化水素
を主成分とする原燃料1と,系内の排熱により発生させ
た水蒸気2とを混合した混合ガス3は、改質装置100
内つまり内部に改質触媒層が設けられた改質管の内側に
導入され、上記改質管の外側に燃焼用燃料および燃焼用
空気を燃焼室107で燃焼して得られた高温燃焼ガスを
流通させることによって、水素および一酸化炭素を主成
分として改質ガス4に改質され、これより溶融炭酸塩型
燃料電池101の燃料極106にその燃料ガスとして供
給される。また、大気中の新鮮な空気7は、圧縮空気発
生装置102により空気極排ガス12の排熱を利用して
所定の圧力まで昇圧して圧縮空気8とした後に、一部は
溶融炭酸塩型燃料電池101の空気極105へ供給する
酸化剤ガス10として、また残りは上記改質装置100
の燃焼室107の燃焼用空気9として供給される。そし
て、上記溶融炭酸塩型燃料電池101へ供給される酸化
剤ガス10と,改質装置100から排出される燃焼排ガ
ス6との混合ガス11は、溶融炭酸塩型燃料電池101
の空気極105へ供給される。一方、上記溶融炭酸塩型
燃料電池101の燃料極106から排出された燃料極排
ガス5は、改質装置100の燃焼室107の燃焼用燃料
として供給される。また、溶融炭酸塩型燃料電池101
の空気極105から排出された空気極排ガス12は、圧
縮空気発生装置102のタービン103へ供給されて排
熱回収が行なわれる。さらに、上記溶融炭酸塩型燃料電
池101は例えば650℃付近の温度で作動し、空気極
105,燃料極106において夫々電気化学的反応を行
なうことにより、全体として燃料ガスの有する化学的エ
ネルギーを,電気エネルギーと反応に伴う熱エネルギー
とに変換する。
ところで、上述したような従来の溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムにおいては、次のような問題がある。すな
わち、従来では溶融炭酸塩型燃料電池101の排ガス利
用としては、燃料極排ガス5は改質装置100の燃焼室
107での燃焼用燃料として用いられ、空気極排ガス1
2は圧縮空気発生装置102のタービン103を駆動す
る動力用として回収される。そして、この動力回収分に
より新鮮な空気7を改質装置100の燃焼室107での
燃焼用空気として用いていることから、この分だけ外部
からの余分の新鮮な空気7を導入する必要があり、この
分だけ効率を高くすることができないという問題があっ
た。
(発明が解決しようとする問題点) 以上のように、従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電システ
ムでは、高い発電効率で運転を行なうことができないと
いう問題があった。
本発明は上述のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は高い発電効率で運転を行なうことが可
能な信頼性の高い溶融炭酸塩型燃料電池発電システムを
提供することにある。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 本発明は、改質管の内側に原燃料と水蒸気との混合ガス
を導入すると共に、改質管の外側に燃焼用燃料及び燃焼
用空気を燃焼室で燃焼して得られた高温燃焼ガスを流通
させることにより水素及び一酸化炭素を主成分とした改
質ガスを生成する改質装置と、 タービンにて駆動される圧縮機により大気中の空気を所
定圧まで昇圧して圧縮空気を発生する圧縮空気発生装置
と、 改質装置で得られた改質ガスを燃料ガスとして燃料極に
導入すると共に、圧縮空気発生装置で得られた圧縮空気
と改質装置から排出される燃焼排ガスとの混合ガスと酸
化剤ガスとして酸化剤極に導入し、このとき起こる電気
化学的反応により両電極間から電気エネルギーを取出す
溶融炭酸塩型燃料電池とを備え、 溶融炭酸塩型燃料電池の酸化剤極から排出される排ガス
を、圧縮空気発生装置で得られた圧縮空気の少なくとも
一部との混合ガスとして改質装置の燃焼室における燃焼
用空気として導入するとともに圧縮空気発生装置のター
ビンに供給して排熱回収し、 かつ溶融炭酸塩型燃料電池の燃料極から排出される排ガ
スと原燃料の少なくとも一部との混合ガスを改質装置の
燃焼室における燃焼用燃料として導入する構成として上
記目的を達成しようとする溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
ステムである。
(作用) このような手段を備えたことにより、溶融炭酸塩型燃料
電池の酸化剤極からの排ガスを、圧縮空気発生装置から
の新鮮な空気との混合ガスとして改質装置の燃焼室に燃
焼用空気として供給すると共に圧縮空気発生装置のター
ビンに供給して排熱回収し、かつ溶融炭酸塩型燃料電池
の燃料極からの排ガスと外部から供給される原燃料との
混合ガスを改質装置の燃焼室に燃焼用燃料として供給す
る。
これにより、新鮮な空気の使用量が減少し、この新鮮な
空気を圧縮するために必要な圧縮空気発生装置の圧縮機
の動力が節減できる。
そして、この動力節減量は、圧縮空気発生装置のタービ
ンへ供給されるガス量が全体として減少することによる
回収動力の減少量に比べて大きいため、高い発電効率で
運転が行なわれる。
(実施例) 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。
第1図は、本発明による溶融炭酸塩型燃料電池発電シス
テムの構成例をブロック的に示すものであり、第3図と
同一部分には同一符号を付して示してその説明を省略
し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
すなわち第1図は、前述した第4図における溶融炭酸塩
型燃料電池101の空気極105から排出される空気極
排ガス12の一部17と,前記圧縮空気発生装置102
で得られた圧縮空気8の一部9との混合ガス19を、前
記改質装置100の燃焼室107における燃焼用空気と
して導入し、一方上記溶融炭酸塩型燃料電池101の燃
料極106から排出される燃料極排ガス5と,前記原燃
料1の一部14との混合ガス16を、上記改質装置10
0の燃焼室107における燃焼用燃料として導入する構
成としたものである。
次に、かかる如く構成した溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
ステムの作用について述べる。
第1図において、まず外部から供給された炭化水素を主
成分とする原燃料1は、改質装置100の改質管内に供
給される原燃料15と,改質装置100の燃焼室107
に供給される原燃料14とに分離される。そして、この
分離された一方の原燃料15と,系内の排熱により発生
させた水蒸気2とを混合した混合ガス3は、改質装置1
00の改質管内に供給され、ここで水素および一酸化炭
素を主成分とした改質ガス4に改質され、この改質ガス
4は溶融炭酸塩型燃料電池101の燃料極106に燃料
ガスとして供給される。また、上記溶融炭酸塩型燃料電
池101の空気極105から排出される空気極排ガス1
2の一部18にて,圧縮空気発生装置102のタービン
103を駆動し、これを動力源として圧縮機104によ
り,大気中の新鮮な空気7が所定の圧力まで昇圧され
る。そして、この昇圧により得られた圧縮空気8の一部
は,酸化剤ガス10として溶融炭酸塩型燃料電池101
に供給され、残り9は改質装置100の燃焼室107に
供給される。ここで、溶融炭酸塩型燃料電池101に供
給される酸化剤ガス10は改質装置100からの燃焼排
ガス6と混合され、空気極用の酸化剤ガス11として溶
融炭酸塩型燃料電池101の空気極105に供給され
る。これにより、溶融炭酸塩型燃料電池101は例えば
650℃付近の温度で作動し、空気極105,燃料極1
06において夫々電気化学的反応が起こり、全体として
燃料ガスの有する化学的エネルギーが,電気エネルギー
と反応に伴う熱エネルギーとに変換される。
一方,上記溶融炭酸塩型燃料電池101の燃料極106
から排出された燃料極排ガス5は、上述の分離された他
方の原燃料14と混合された後、改質装置用の燃焼用燃
料16として改質装置100の燃焼室107に供給され
る。また、溶融炭酸塩型燃料電池101の空気極105
から排出された空気極排ガス12は、一部が圧縮空気発
生装置102のタービン103にその駆動用ガスとして
供給され、残り17は上述の圧縮空気8の一部の空気9
と混合された後、改質装置用の燃焼用空気19として改
質装置100の燃焼室107に供給される。
この場合、本実施例の溶融炭酸塩型燃料電池発電システ
ムでは、溶融炭酸塩型燃料電池101の空気極105か
ら排出される空気極排ガス12の一部17と,圧縮空気
発生装置102で得られた圧縮空気8の一部9との混合
ガスを、改質装置100の燃焼室107における燃焼用
空気として使用するようにしているので、溶融炭酸塩型
燃料電池101の酸素利用率により発電効率の変化が現
われる。すなわち第2図は、酸素利用率(%)に対する
発電効率(%,HHV)の特性曲線を示したものであ
る。なお第2図では、改質装置100の燃焼用空気とし
て新鮮な空気7のみを用いた従来例のものについても,
比較のために併せて示している。第2図から、本実施例
の溶融炭酸塩型燃料電池発電システムでは,酸素利用率
60%において発電効率52.2%であるのに対して、
従来例のものでは発電効率51.2%であり、本実施例
のものによって約1%の発電効率のアップが可能となる
ことが明らかである。
上述したように、本実施例による溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムにおいては、溶融炭酸塩型燃料電池101
の空気極105から排出される空気極排ガス12の一部
17と,前記圧縮空気発生装置102で得られた圧縮空
気8の一部9との混合ガス19を、前記改質装置100
の燃焼室107における燃焼用空気として導入し、一方
上記溶融炭酸塩型燃料電池101の燃料極106から排
出される燃料極排ガス5と,前記原燃料1の一部14と
の混合ガス16を、上記改質装置100の燃焼室107
における燃焼用燃料として導入する構成としたものであ
る。
従って、改質装置100の燃焼室107での燃焼用空気
として使用される新鮮な空気7の使用量が減少し、この
新鮮な空気7を圧縮するために必要な圧縮空気発生装置
102の圧縮機104の動力を節減することができる。
そしてこの動力節減量は、圧縮空気発生装置102のタ
ービン103へ供給されるガス量が全体として減少する
ことによる回収動力の減少量に比べて大きいため、極め
て高い発電効率で運転を行なうことが可能となる。さら
に、空気極105に対して改質装置100の燃焼排ガス
を供給するので、溶融炭酸塩型燃料電池101での高い
ガス燃焼利用率後では、水素希薄な燃料極の排ガスによ
る炭酸ガス生成量が不足となるが、この不足分として外
部から燃料を供給できる。
尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を変更しない範囲で種々に変形して実施す
ることができるものである。
[発明の効果] 以上詳記したように本発明によれば、新鮮な空気の使用
量が減少して圧縮機の動力を節減できて高い発電効率で
運転を行うことができ、かつ酸化剤極に対して改質装置
の排ガスを供給するので、溶融炭酸塩型燃料電池での高
いガス燃焼利用率後では、水素希薄な燃料極の排ガスに
よる炭酸ガス生成量が不足となるが、この不足分は外部
から燃料を供給できるようにした極めて信頼性の高い溶
融炭酸塩型燃料電池発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による溶融炭酸塩型燃料電池発電システ
ムの一実施例を示す構成ブロック図、第2図は酸素利用
率と発電効率との関係を,本発明と従来のものについて
夫々比較して示す特性曲線図、第3図は従来の溶融炭酸
塩型燃料電池発電システムを示す構成ブロック図であ
る。 100……改質装置、101……溶融炭酸塩型燃料電
池、102……圧縮空気発生装置、103……タービ
ン、104……圧縮機、105……空気極、106……
燃料極、107……燃焼室、1……原燃料、2……水蒸
気、3……混合ガス、4……改質ガス、5……燃料極排
ガス、6……燃焼排ガス、7……新鮮な空気、8……圧
縮空気、9……燃焼用空気、10……酸化剤ガス、11
……混合ガス、12……空気極排ガス、14……原燃料
1の一部、16……混合ガス、17,18……空気極排
ガス12の一部、19……混合ガス。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】改質管の内側に原燃料と水蒸気との混合ガ
    スを導入すると共に、前記改質管の外側に燃焼用燃料及
    び燃焼用空気を燃焼室で燃焼して得られた高温燃焼ガス
    を流通させることにより水素及び一酸化炭素を主成分と
    した改質ガスを生成する改質装置と、 タービンにて駆動される圧縮機により大気中の空気を所
    定圧まで昇圧して圧縮空気を発生する圧縮空気発生装置
    と、 前記改質装置で得られた改質ガスを燃料ガスとして燃料
    極に導入すると共に、前記圧縮空気発生装置で得られた
    圧縮空気と前記改質装置から排出される燃焼排ガスとの
    混合ガスを酸化剤ガスとして酸化剤極に導入し、このと
    き起こる電気化学的反応により両電極間から電気エネル
    ギーを取出す溶融炭酸塩型燃料電池とを備え、 前記溶融炭酸塩型燃料電池の酸化剤極から排出される排
    ガスを、前記圧縮空気発生装置で得られた圧縮空気の少
    なくとも一部との混合ガスにして前記改質装置の燃焼室
    における燃焼用空気として導入するとともに前記圧縮空
    気発生装置のタービンに供給して排熱回収し、 かつ前記溶融炭酸塩型燃料電池の燃料極から排出される
    排ガスと前記原燃料の少なくとも一部との混合ガスを前
    記改質装置の燃焼室における燃焼用燃料として導入する
    構成としたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電
    システム。
  2. 【請求項2】原燃料としては炭化水素を主成分とするも
    のを用いるようにしたものである特許請求の範囲第(1)
    項記載の溶融炭酸塩型燃料電池発電システム。
JP61271221A 1986-11-14 1986-11-14 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム Expired - Lifetime JPH0665060B2 (ja)

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