JPH07302609A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

燃料電池発電プラント

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Publication number
JPH07302609A
JPH07302609A JP6093615A JP9361594A JPH07302609A JP H07302609 A JPH07302609 A JP H07302609A JP 6093615 A JP6093615 A JP 6093615A JP 9361594 A JP9361594 A JP 9361594A JP H07302609 A JPH07302609 A JP H07302609A
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JP
Japan
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fuel cell
hydrogen
air
fuel
supplied
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Pending
Application number
JP6093615A
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English (en)
Inventor
Masato Watanabe
政人 渡邉
Nobuhiko Inai
信彦 稲井
Tadaharu Ichiki
忠治 一木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラント運転上の取扱いが困難となる程に加
圧すること無く、しかも、発電出力を高めることができ
る燃料電池発電プラントを提供することにある。 【構成】 本発明の燃料電池発電プラントは、水素を含
んだ燃料ガスが供給されるアノード極と酸化剤としての
空気が供給されるカソード極とを有する燃料電池本体
と、燃料電池本体のアノード極に燃料ガスを供給する燃
料供給装置と、燃料電池本体のカソード極に空気を供給
する空気供給装置と、燃料供給装置から供給される燃料
ガスの水素成分を濃縮してアノード極に出力する水素分
離膜と、空気供給装置から供給される空気の酸素成分を
濃縮してカソード極に出力する酸素分離膜とを備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、水素を含んだ燃料ガス
と酸化剤としての空気との反応で発電する燃料電池発電
プラントに関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、燃料電池発電プラントの燃料電
池本体は、アノード極には水素を含んだ燃料ガスを還元
剤として供給し、カソード極には空気を酸化剤として供
給し、電気化学反応により電力を得るものである。還元
剤としては、天然ガス、ナフサ等を改質することにより
得られる水素リッチガスを用い、酸化剤としては空気を
使用している。
【0003】ここで、改質器で得られる燃料ガスである
水素リッチガスの水素濃度は70〜80%であり、一
方、酸化剤である空気の酸素濃度は21%程度である。
したがって、還元剤としての燃料ガスや酸化剤としての
空気を、そのまま使用して発電出力を増加させることに
は限度がある。
【0004】発電出力の増加のためには、燃料電池本体
に供給する水素及び酸素の絶対量を増加させる必要があ
るが、そのために、燃料ガスや空気の圧力を高くするこ
とが行われている。また、燃料電池本体のアノード極に
おいて水素の絶対量を確保するためにアノード極出口ガ
ス中に含まれる未反応還元剤の一部をアノード極入口に
還流することも行われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料ガ
スや空気の圧力を高くするには、それらを加圧する必要
があり、また、高い圧力に維持する必要がある。大きな
圧力を得るには、その圧力を得るための装置に大きな動
力を必要とすることから、プラント効率を低下させた
り、またプラント運転上の取扱いを難しくするという問
題を有していた。
【0006】一方、燃料電池本体のアノード極出口ガス
中に含まれる未反応還元剤の一部をアノード極入口に還
流させた場合には、アノード極出口ガス中の未反応還元
ガスの水素濃度が20〜30%と低いので、還流量が少
ない場合にはその効果が小さい。したがって、還流量を
増大させる必要があった。
【0007】このように、従来では、燃料電池発電プラ
ントに供給する酸化剤や還元剤の濃度に上限があるため
出力を向上させるためには、その圧力を増加させたり、
酸化剤や還元剤の絶対量を増加させるしかなかったが、
それらを実現することも容易でなかった。
【0008】そこで、本発明の目的は、プラント運転上
の取扱いが困難となる程に加圧すること無く、しかも、
発電出力を高めることができる燃料電池発電プラントを
提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】燃料電池発電プラント
は、水素を含んだ燃料ガスが供給されるアノード極と酸
化剤としての空気が供給されるカソード極とを有する燃
料電池本体と、燃料電池本体のアノード極に燃料ガスを
供給する燃料供給装置と、燃料電池本体のカソード極に
空気を供給する空気供給装置と、燃料供給装置から供給
される燃料ガスの水素成分を濃縮してアノード極に出力
する水素分離膜と、空気供給装置から供給される空気の
酸素成分を濃縮してカソード極に出力する酸素分離膜と
を備えている。
【0010】また、請求項2に記載の燃料電池発電プラ
ントは、水素を含んだ燃料ガスが供給されるアノード極
と酸化剤としての空気が供給されるカソード極とを有す
る燃料電池本体と、燃料電池本体のアノード極に燃料ガ
スを供給する燃料供給装置と、燃料電池本体のカソード
極に空気を供給する空気供給装置と、燃料電池本体のア
ノード極から排出された燃料ガスを再度アノード極に導
くアノードリサイクルブロワと、燃料供給装置から供給
される燃料ガスの水素成分を濃縮してアノード極に出力
する第1の水素分離膜と、空気供給装置から供給される
空気の酸素成分を濃縮してカソード極に出力する酸素分
離膜と、アノード極から排出された燃料ガスの水素成分
を濃縮してアノード極に再度出力する第2の水素分離膜
とを備えている。
【0011】そして、さらに、酸素分離膜で分離され窒
素成分が濃縮された空気を貯蔵する不活性ガス貯蔵タン
クを設けている。
【0012】
【作用】燃料供給装置から供給される燃料ガスの水素成
分を、水素分離膜で濃縮して、アノード極に出力するの
で、燃料電池本体のアノード極に供給される燃料ガスの
水素成分は高いものとなる。また、空気供給装置から供
給される空気の酸素成分を、酸素分離膜で濃縮してカソ
ード極に出力するので、燃料電池本体のカソード極に供
給される酸素は多くなる。
【0013】また、燃料供給装置から供給される燃料ガ
スの水素成分を、第1の水素分離膜で濃縮してアノード
極に出力すると共に、燃料電池本体のアノード極から排
出された燃料ガスを、再度、第2の水素分離膜濃縮して
アノード極に出力するので、燃料電池本体のアノード極
に供給される燃料ガスの水素成分はより高いものとな
る。
【0014】そして、さらに、酸素分離膜で分離され窒
素成分が濃縮された空気を貯蔵する不活性ガス貯蔵タン
クを設け、不活性ガスの有効利用が図れる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図1は本
発明の実施例の構成図である。燃料電池本体1は、水素
を含んだ燃料ガスが供給されるアノード極2と、酸化剤
としての空気が供給されるカソード極3とを有してい
る。
【0016】燃料電池本体1のアノード極2には、燃料
供給装置4から第1の水素分離膜7aを介して燃料ガス
が供給される。すなわち、第1の水素分離膜7aは、燃
料供給装置4から供給される燃料ガスを入力し、燃料ガ
スの水素成分を濃縮してアノード極2に出力する。燃料
電池本体1のアノード極2から排出された燃料ガスは、
アノードリサイクルブロワ6にて、第2の水素分離膜7
bを介して、再度アノード極2に導かれる。すなわち、
アノード極2から排出された燃料ガスの水素成分を第2
の水素分離膜7bで濃縮してアノード極2に再度出力す
る。
【0017】一方、燃料電池本体1のカソード極3に
は、空気供給装置5から酸素分離膜8を介して空気が供
給される。酸素分離膜8は空気供給装置4から供給され
る空気の酸素成分を濃縮するもので、ここで酸素成分が
濃縮された空気をカソード極3に出力する。一方、窒素
成分が濃縮された空気は、不活性ガス昇圧コンプレッサ
ー9にて不活性貯蔵タンク10に貯蔵される。
【0018】このように、燃料供給装置4にて生成され
た水素濃度60〜70%程度の水素リッチガスを第1の
水素分離膜7aへ導き、一方、空気供給装置5にて圧縮
された空気を酸素分離膜8へ導く。これらの分離膜7,
8は、一般に高分子材料等からできており、2種以上の
混合気体を分離する性能を有している。したがって、水
素濃度で90〜95%、酸素濃度で35〜40%程度に
まで濃縮することができる。
【0019】また、アノード極2から排出されるガス
は、燃料電池本体1で反応に関与した後の還元剤である
ため、その水素濃度は40%以下となっているが、これ
をアノードリサイクルブロワ6で昇圧し第2の水素分離
膜7bで水素を50%以上にしてアノード極2の入口部
に還流させる。この場合、圧力を同一とすれば電流で2
0%、電圧で10%程度増加させることができる。
【0020】酸素分離膜8での酸素非濃縮側のガスは窒
素リッチガスとなるが、この窒素リッチガスは酸素分離
膜8を通過することによる圧力損失も少なく、その窒素
リッチガスの一部を不活性ガス昇圧コンプレッサ9を用
いて昇圧し、プラント内の可燃分ガス置換用ガスとして
不活性ガス貯蔵タンク10に貯える。
【0021】さらに、余剰の窒素リッチガスは空気供給
設備5等でガスタービン等を用いてそのエネルギーを回
収することができる。
【0022】このような本発明の燃料電池発電プラント
においては、各々水素分離膜7a,7b、酸素分離膜8
を用いて還元剤および酸化剤の濃度をそれぞれ90〜9
5%、35〜40%にまで高め燃料電池本体1へ導入す
ることができる。したがって、燃料電池本体1の運転圧
力が同じであれば、還元剤や酸化剤の濃度が高い分だけ
反応ガスの量が増えることになる。燃料電池本体1の出
力電流と反応ガス量とは比例関係にあるので、同じ圧力
でも還元剤や酸化剤の濃度が高い分だけ燃料電池本体1
の出力電流を増加させることができる。
【0023】逆に、出力電流を同じとすれば、還元剤や
酸化剤の濃度を増加させた分だけ燃料電池本体1の運転
圧力を下げることができる。
【0024】次に、発電出力を増加させるには電流のみ
ならず電圧を増加させることも必要である。一般に燃料
電池本体1の出力電圧はネルンストの式により下記のよ
うに与えられる。
【0025】E=Eo+RT/nF lnPo2 1/
2 PH2/PH2O Eo 標準電極電位(V) n 反応に関与する電子数 T 温度(K) F ファラデー定数 R ガス定数 P 各成分の分圧
【0026】燃料電池本体1の出力電圧には限界がある
が、上式より水素や酸素の分圧を増加することで電圧を
増加できることが解る。また、出力電圧を同じとするな
らば、水素や酸素の濃度を増加させ、水素や酸素の分圧
を増加させることにより燃料電池本体1の運転圧力を低
下させることができる。
【0027】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、水
素分離膜および酸素分離膜を設け、水素および酸素の濃
度を高めるので、燃料ガスや空気の圧力を高くすること
なく、燃料電池本体の出力を高めることができる。
【0028】また、燃料電池本体のアノード極出口ガス
中に含まれる未反応還元剤の一部を酸素分離膜を介して
アノード極入口に還流させので、還流量を増大させなく
とも水素量を確保でき、燃料電池本体の出力を高めるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例のブロック構成図
【符号の説明】
1 燃料電池 2 アノード極 3 カソード極 4 燃料供給装置 5 空気供給装置 6 アノードリサイクルブロワ 7 水素分離膜 8 酸素分離膜 9 不活性ガス昇圧コンプレッサ 10 不活性ガス貯蔵タンク

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素を含んだ燃料ガスが供給されるアノ
    ード極と酸化剤としての空気が供給されるカソード極と
    を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の前記アノ
    ード極に燃料ガスを供給する燃料供給装置と、前記燃料
    電池本体の前記カソード極に空気を供給する空気供給装
    置とを備えた燃料電池発電プラントにおいて、前記燃料
    供給装置から供給される燃料ガスの水素成分を濃縮して
    前記アノード極に出力する水素分離膜と、前記空気供給
    装置から供給される空気の酸素成分を濃縮して前記カソ
    ード極に出力する酸素分離膜とを備えたことを特徴とす
    る燃料電池発電プラント。
  2. 【請求項2】 水素を含んだ燃料ガスが供給されるアノ
    ード極と酸化剤としての空気が供給されるカソード極と
    を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の前記アノ
    ード極に燃料ガスを供給する燃料供給装置と、前記燃料
    電池本体の前記カソード極に空気を供給する空気供給装
    置と、前記燃料電池本体の前記アノード極から排出され
    た燃料ガスを再度前記アノード極に導くアノードリサイ
    クルブロワとを備えた燃料電池発電プラントにおいて、
    前記燃料供給装置から供給される燃料ガスの水素成分を
    濃縮して前記アノード極に出力する第1の水素分離膜
    と、前記空気供給装置から供給される空気の酸素成分を
    濃縮して前記カソード極に出力する酸素分離膜と、前記
    アノード極から排出された燃料ガスの水素成分を濃縮し
    て前記アノード極に再度出力する第2の水素分離膜とを
    備えたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
  3. 【請求項3】 前記酸素分離膜で分離され窒素成分が濃
    縮された空気を貯蔵する不活性ガス貯蔵タンクを設けた
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電
    池発電プラント。
JP6093615A 1994-05-06 1994-05-06 燃料電池発電プラント Pending JPH07302609A (ja)

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