JPH0821403B2

JPH0821403B2 - 燃料電池パワープラントの運転方法

Info

Publication number: JPH0821403B2
Application number: JP60270567A
Authority: JP
Inventors: リチヤード・アラン・セダークイスト
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-12-06
Filing date: 1985-11-30
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: ZA857765B; BR8505374A; DE3573865D1; JPS61135063A; CA1249329A; EP0184541A2; EP0184541A3; US4530886A; EP0184541B1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、燃料電池パワープラントとかかるパワープ
ラントに於てガス流れを加湿する技術とに係る。

背景技術炭化水素の燃料を水素に転換するための蒸気改質装置
を用いているような、蒸気を必要とする燃料電池パワー
プラントに於て、一般に蒸気は、例えば燃料電池に於て
発生する熱等の高温度域（200〜700℃）の排気熱を利用
することによって供給される。一般に、蒸気を生成する
過程の部分としてボイラが使用される。蒸気改質反応炉
とその反応炉に於て改質される蒸気を生成するボイラと
が一体に形成された装置を有する燃料電池パワープラン
トが記載されている特許は、共通の所有者を有する米国
特許第4,001,041号と米国特許第4,004,947号とに二特許
である。ボイラに於て蒸気を生成するために用いられる
熱は、ボイラ及び燃料電池積層体と間接的に熱交換する
ことが可能であるような二相冷却剤循環流路の中の加熱
された水と蒸気とによって供給される。

米国特許第4,072,625号と米国特許第4,238,403号とに
於ては、改質反応炉へ送られる蒸気の10％から30％は飽
和器内に於てガス流れを加湿することによって生成され
る。乾燥した炭化水素が飽和器内に通され、低温度域
（常温〜200℃）の廃棄熱によって加熱された水の循環
流と直接接触させられ、水から蒸発した蒸気から水を吸
収する。ボイラはこのシステムの蒸気のバランスを提供
する。蒸気改質反応炉内の圧力は、蒸気がボイラ内に於
て間接的な熱交換過程によって発生されることが可能で
あるような圧力によって限られる。

共通の所有者を有する米国特許第3,677,823号には、
蒸気改質反応炉へ送られる蒸気の少なくとも一部分を生
成するためのボイラを含んでおり、ボイラに於て使われ
る熱が反応炉バーナからの排気によって供給されるよう
な燃料電池パワープラントについて記載されている。他
の蒸気は、飽和器内に於て燃料を加湿することによって
供給される。飽和器内に於て、水と燃料ガスとは共に熱
交換壁を通して加熱される。

共通の所有者を有する米国特許第4,333,992号には、
燃料電池のための水素を生成するための蒸気改質装置を
含んだ、溶解した炭酸塩の燃料電池パワープラントにつ
いて記載されている。蒸気改質装置へ送られる水は、電
池の負極から生じる排出ガスから凝縮によって形成さ
れ、その圧力は弁に於て絞られることによって低減され
る。水が凝縮する前に負極の排気から生じる熱と凝縮熱
とは、凝縮した水を沸騰させて蒸気を発生させるために
用いられる。蒸気は、水が凝縮する圧力よりより低い圧
力の下で生成される。ボイラ内の圧力と温度とは、それ
ぞれ凝縮器内に於ける飽和圧力と飽和温度とよりも低
い。従って、蒸気の圧力は、例えばモータかパワープラ
ントの廃棄エネルギ源によって駆動される一連の圧縮機
等によって、システムの圧力にまで上昇させられなけれ
ばならない。

燃料電池及び炭化水素燃料の改質を含んだ燃料電池シ
ステムについて記載されている他の米国特許としては、
米国特許第3,539,395号と米国特許第3,453,146号と米国
特許第3,544,374号とが挙げられる。

発明の開示本発明の一つの目的は、低温度域（常温〜200℃）の
熱を用いて高い全圧力の下で蒸気を発生させるための過
程を提供することである。

本発明の他の一つの目的は、燃料電池パワープラント
の燃料電池に於て使用される燃料ガス流れを加湿する、
より効率的な過程を提供することである。

本発明によれば、比較的乾燥したガス流れは飽和器内
を通過して飽和器内を通過する液体の水の循環流れと直
接接触し、その液体の一部はガス流れの中に蒸発してガ
ス流れを加湿し、冷却された液体はその後凝縮器内に於
て飽和器から送られる加湿されたガス流れと直接接触す
ることによって再び加熱され、前記加湿されたガス流れ
は凝縮器に流入する前に更に加湿されており、循環水が
凝縮器を通過するときに循環水によって吸収される熱は
飽和器内に於て液体を蒸発させるために必要な蒸発熱を
供給するために用いられる。

本発明の実施例に於て、飽和器から流出する加湿され
たガス流れは燃料電池の積層体に於て使用される燃料を
含んでいる。この湿った燃料は燃料電池へ送られ、そこ
で電気化学的に反応して電気と熱と付加的な水とを発生
させる。この水はガス流れを更に加湿する。燃料電池か
ら排出されるこの湿った高温ガス流れは凝縮器内を通過
し、その際凝縮器と飽和器との間を連続的に循環してい
る飽和器から送られた冷却された水と直接接触する。凝
縮器内に於てガス流れと循環水とが直接接触するとき
に、湿った暖い負極の排気は循環流路内の水にかなりの
熱と凝縮熱とを与えてかかる水を加熱する。凝縮熱は、
循環水流れへ伝達される熱の大部分を提供する。この熱
は、循環する高温の水が飽和器内に於て比較的乾燥した
燃料ガスと直接接触させられるとき、かかる水の一部分
を蒸発させるために飽和器内に於て用いられ、このこと
によって燃料ガスが加湿されるのである。

溶解炭酸塩の燃料電池を含んだシステムに於て、飽和
器内に於て高温の循環水と接触することによって加湿さ
れたガス流れは、燃料電池の負極側に於て反応すること
によって更に加湿される。その理由は、燃料電池の反応
に於て生成される水はすべて電池の負極側で生成される
からである。つまり、負極の排気ガスはそれが燃料電池
へ流入した時よりもずっと多量の水分を含んでおり、循
環流路中のより低温の水と凝縮器内に於て接触すること
によって凝縮されることが必要であるのはその排気ガス
中の水のほんの一部分である。水が凝縮する温度は飽和
器内で水が蒸発させられる時の温度よりも高いので、凝
縮熱は蒸発に必要な熱を提供するために用いられること
が可能である。従って、外部熱源は全く必要とされない
か、或いは、他の何らかの熱源からほんの僅かな付加的
な熱が提供されればよい。このように、凝縮の際の低温
度域（常温〜200℃）の熱はシステム内の水を蒸発させ
るために用いられるので、燃料電池で生成される熱は実
質的にすべて他の目的のために用いられることが可能で
ある。

このような方法によって燃料ガス流れを飽和させるこ
とにより、燃料電池へ流入するガスの全圧はシステム内
のボイラ等に於て蒸気が昇圧されることができる圧力に
よって制限されない。従来技術はこの制限を受けるとい
う欠点を有していた。また、溶解炭酸塩の燃料電池の負
極に於て非常に湿った（飽和していることが望ましい）
燃料ガスを使用することによって、電池内に於ける酸素
の対炭素比が炭素形成領域外に於ける値まで上昇し、電
池内に於て炭素が形成され埋積することが防がれる。こ
のような炭素の埋積もまた従来技術のシステムに於て問
題となっていた。

本発明の上述の、及び他の、目的と特徴と利点とは、
以下の実施例に関する詳細な説明及び添付の図面によっ
てより明らかとなろう。

発明を利用するための最良の形態以下に於ては、本発明の例示的な実施例として図面に
概略的に示されているパワープラントの一部分について
説明する。パワープラントは、符号10によって全体的に
示されており、符号12により全体的に示されている燃料
電池の積層体12と、接触飽和器14と、接触凝縮器16と、
蓄熱式の熱交換器17と、水が循環される閉回路からなる
循環流路18とを含んでいる。積層体12は、一般的には負
荷と共に電気的に直列に連結された複数の燃料電池から
なっているが、ここでは説明を解り易くする目的で、積
層体12が一つの電池だけからなっている場合が示されて
いる。図示されているようにそれぞれの電池は、互いに
隔置された正極電極20と負極電極22とを含んでおり、更
にこれらの電極の間に於て電解質を保持するマトリック
ス24を含んでいる。電池としては、538℃以上の温度下
で作動する高温型電池が望ましい。溶解した炭酸塩電解
質の燃料電池は一般に593℃から704℃までの間の温度の
下で作動する。例えばリン酸電解質の燃料電池といった
低温型燃料電池の使用も可能であるが、そのような場合
には、本発明は本発明が高温型電池に対して有する利点
のうちの幾つかを提供することが不可能となろう。それ
ぞれの電池は更に、正極電極20の電解質に面していない
側に於て正極ガススペース26を、負極電極22の電解質に
面していない側に於て負極ガススペース28を含んでい
る。

本発明によれば、飽和器14と凝縮器16とは共に、（飽
和器に於て）加湿されまた（凝縮器に於て）凝縮した水
が取除かれるガスと、流れる液体とを直接接触させるこ
とによって作動する。飽和器と凝縮器とは、プラスチッ
クやセラミックや金属のサドル或いはリング等の大表面
積を有する不活性材料若しくは適切な充填材料或いはト
レイによって満たされており、それら充填物の中を液体
とガスとが同時に通過して直接接触する。液体は重力に
従って下向きに通過し、一方ガスはそれと反対向きに流
れることが望ましい。

飽和器内でガス流れを加湿するための、或いは凝縮器
内でガス流れから水を凝縮させるための主な駆動力は、
液体水の温度とガス飽和温度との間の局所的絶対温度差
である。循環する水の流量の要求値は、凝縮器と飽和器
との間に於て運搬される水の量と、循環する水が凝縮器
或いは飽和器の中で受ける温度変化の要求値とに依存す
る。水の飽和器或いは凝縮器の中での温度変化がおよそ
28℃の場合、蒸発速度（ないしは凝縮速度）の概ね20倍
の循環速度が必要である。循環する水によって凝縮器内
にて拾われ、又は飽和器内で捨てられる熱量は、この過
程に於て運搬される水を凝縮又は蒸発させるために凝縮
器或いは飽和器が要求されるエネルギと本質的に等し
い。

作動に於ては、水素と酸化炭素とメタンと他の不純物
とを含み且比較的乾燥している燃料が、管路30を経由し
て飽和器14へ送られる。この燃料ガスには更に、管路36
内の凝縮器排気ガスから送風機104によって再生された
ガスが加えられる。このように再生ガスが加えられるこ
とによって、飽和器へ流入するガスのモル流量は増加
し、この過程に於て設定された水の運搬量を達成するた
めに要求される、飽和器から排出するガスの水濃度及び
飽和温度が低減される。ガスと同時に、沸騰温度以下で
且要求される出口ガス飽和温度よりも高い温度の液体の
水が、飽和器内を下向きに通過しガスと直接接触する。
飽和器内に於て液体の一部が蒸発し、これと同時に液体
の水の流れの温度は低下する。ガス流れが蒸発した水分
を拾い続けるとガス流れの飽和温度は上昇し、極限に於
て飽和器に流入する高温の水の入口温度に等しい飽和温
度に近づく。飽和器の大きさと効率とは、ガス流れの温
度が如何にしてこの飽和温度に近づくかを決定する。酸
素の炭素に対する比率が2.5以上になるために、飽和器
内の燃料ガスに十分な水が加えられる。このことによっ
て、飽和器の下流に延在するすべての装置内に於て炭素
の生成が起こらないで済む。

加湿された後、湿気を含んだガス流れは蓄熱式の熱交
換器17に於て加熱され、その後管路32を経由して負極ガ
ススペース28へ送られそこで電気化学的に反応して電気
と熱と水と二酸化炭素とを生成する。更により湿気を多
く含んだガス流れは負極ガススペース28から排出し、熱
交換器17に於て熱を捨て、管路34経由して接触凝縮器16
へ送られる。ガスは凝縮器の大表面積を有する材料の間
を通り、管路36を経由して凝縮器から排出する。循環流
路18内の水は、飽和器14から出て、管路38により凝縮器
へ送られる。上記水の温度は飽和器14内を通過すること
によって低下するが、若しその温度が凝縮器16内に於て
効率的な熱伝達と質量輸送が起こるために十分低くない
ならば、更に40等に於て温度低下を起こさせなければな
らない。40に於て取除かれた熱は、例えば100に於て再
び補充されなければならない。従って、加湿工程を維持
させるために外部熱源が用いられるで、その熱の除去は
加湿工程の効率に於ける損失と解釈されなければならな
い。次に、冷却された水は凝縮器16の大表面積の材料の
間を通過し、そこを通過しているより高温の負極排出ガ
スと直接接触する。凝縮器へ流入する液体の水の温度
は、出口ガスの飽和温度の要求値よりも低くあるべきで
ある。飽和温度は極限に於て入口液体水の温度に近づ
く。凝縮器の大きさと効率とは、ガス流れがこの飽和温
度にどれだけ近づくかを決定する。燃料ガスの組成及び
流量が適切に選ばれ、また凝縮器及び飽和器の両方に於
てガス温度が飽和温度の極値へ良好に近づくならば、こ
の加湿工程は、40に於ける冷却と、100に於ける加熱と
を必要としないような自己永続的な加湿工程に近い、或
いは完全にその過程にされることが可能である。そうで
ない場合には、この加湿過程を維持するために要求され
る外部熱量は、最小限に抑えられる若しくは実質的に低
減されることが可能である。

明らかに、凝縮器へ流入するガス流れが飽和器に於て
蒸発した水だけを含んでいるならば、加湿工程は極度に
制限されて加湿工程を維持するための駆動力を提供する
ために100に於ける加熱と40に於ける冷却とが要求され
ることになろう。幸運なことに、溶融炭酸塩の燃料電池
（及び他の高温型の固体酸化物燃料電池）に於ては、電
気化学的反応によって発生するすべての水は負極に於て
形成され解放される。負極に於て電気化学的に反応する
水素１モルに対して、１モルの水が形成され、燃料ガス
流れの水含有率は増加する。従って、飽和器に於て蒸発
する水はすべて凝縮器に於て補充されるのである。本発
明の更に他の利点は、凝縮器に於て水が凝縮する温度が
飽和器に於て水が蒸発する温度よりも高いことである。
このことは、水が凝縮器内を通過する際に水によって吸
収される凝縮熱が、飽和器に於ける蒸発熱を提供するた
めに用いられることが可能であることを意味する。蒸発
熱を提供するために凝縮熱が使用されることによって燃
料電池に於て発生する熱は加湿のために蒸気を発生する
こと以外の目的のために使用されることが可能となる。

以下に示されるのは、本発明の加湿能力を示す例であ
る。この例に於ては、如何なる外部加熱或いは冷却も用
いられておらず、溶解炭酸塩の燃料電池に於て乾燥燃料
ガスが用いられ、ガス流れの酸素の炭素に対する比率は
2.5以上である。飽和器と凝縮器とは逆流型であるとす
る。燃料電池積層体と、飽和器と凝縮器とは、圧力8.30
barの下で作動するとする。その圧力に於て水の沸点は1
71℃である。この例に於て、水の循環流路に於ける設定
点としては、飽和器に於ける温度低下が28℃であり、こ
れと対応して凝縮器に於ける温度上昇が28℃である。こ
の例では、循環流路内の水の飽和器入口に於ける温度は
148℃とする。その温度が飽和器内にて28℃低下し、凝
縮器に於て再び28℃上昇して回復するのである。飽和器
へ流入する燃料ガスは、0.9H₂＋0.6CO₂のモル組成を有
する乾燥転移石炭ガスとする。これは乾燥しているの
で、その飽和温度は−17.8℃以下である。飽和器の出口
に於て酸素の炭素に対する比率を2.6とするために、飽
和器内のガス流れには1.4モルの水が送られる。このこ
とによって、飽和器出口に於けるガスの水のモル含有率
は0.483となる。このようなガスに於て、水の分圧は3.9
97barであり、水の温度は143℃となる。モルで分量を考
えることにして、燃料電池積層体が燃料ガス中の0.8モ
ルの水素を消費すると仮定する。これによって0.8モル
の水と0.8モルの二酸化炭素とが負極に於て形成され
る。従って負極排出ガスのモル組成は、0.1H₂＋1.4CO₂
＋2.2H₂Oとなる。水のモル分率は0.595となり、水の分
圧は4.924barであり水の飽和温度は151.5℃となる。凝
縮器に於てはこのガス流れから1.4モルの水分が凝縮し
水の循環流路へ送られる。この結果として凝縮器から流
出するガスのモル組成は、0.1H₂＋1.4CO₂＋0.8H₂Oとな
る。その水のモル分率は0.348であり、水の分圧は2.876
barであり、その飽和温度は132℃である。凝縮器へ流入
する燃料ガスの飽和温度と飽和器から流出する液体の水
の温度との差が少なくとも120℃であり、一方飽和器か
ら流出するガスの飽和温度と飽和器へ流入する水の温度
との差が3.8℃であることは注目されるべきである。こ
れに対応して、凝縮器へ流入するガスの飽和温度は凝縮
器から流出する液体の水の温度よりもおよそ3.3℃高
く、一方、凝縮器から流出するガスの飽和温度は凝縮器
へ流入する水の温度よりも12.1℃高い。この例に於て
は、循環流路内の水の単位時間当りの流量は飽和器に於
ける水の単位時間当りの蒸発量の約18倍であることが必
要である。この値は、水の単位時間当りの流量と水の熱
容量と水の温度変化との積が形成される蒸気の重量流量
とその蒸発熱との積に等しいとおくことによって得られ
る。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の特徴が取入れられた溶解炭酸塩燃料電
池パワープラントの一部分の概略図である。 10……パワープラント,12……燃料電池の積層体,14……
接触飽和器,16……接触凝縮器,17……熱交換器,18……
循環流路,20……正極電極,22……負極電極,24……電解
質保持マトリックス,26……正極ガススペース,28……負
極ガススペース,30……管路,32……管路,34……管路,36
……管路,38……管路,40……冷却装置,100……加熱装
置,104……送風機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負極ガスコンパートメントと正極ガスコン
パートメントとを含む燃料電池積層体を有し、前記積層
体のためのガス状の燃料流が加湿されることを必要とす
る燃料電池パワープラントを運転する方法にして、（ａ）加湿されることを必要としているガス流れを飽
和器内を通過させる過程と、（ｂ）前記加湿されたガス流れを前記飽和器から前記
積層体の負極ガスコンパーメント内へ送り込む過程と、（ｃ）前記負極ガスコンパーメントの排気の少なくと
も一部分を凝縮器内へ送り込む過程と、（ｄ）水が循環する閉回路からなる循環流路内に延在
する液体の水を上記飽和器内と上記凝縮器内とを交互に
通過するように循環させ、前記飽和器及び凝縮器内を通
過する前記ガス流れと直接接触させる過程を含み、前記
液体の水は前記凝縮器内で負極ガスコンパーメントから
の排ガスを冷却しそのガス中に含まれる水蒸気の一部分
を凝縮させ、かかる凝縮物は凝縮器内にて上記排ガスに
よって捨てられ多量の熱及び凝縮熱と共に前記水の循環
流によって拾われ、凝縮器から排出される加熱された前
記液体の水の流れが前記飽和器内を通過するとき、飽和
器内に於て前記液体の水の一部分が前記ガス流れ中で蒸
発して前記ガス流れを加湿するために必要とされる量の
水蒸気を提供し、このとき飽和器内に於ける蒸発熱は実
質的にすべて負極排出ガス流れから凝縮器内を流れる液
体の水の循環流へ伝達される凝縮熱によって提供される
ことを特徴とする燃料電池パワープラントの運転方法。