JPH0828233B2

JPH0828233B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池を用いる発電プラント

Info

Publication number: JPH0828233B2
Application number: JP2325588A
Authority: JP
Inventors: 秀和藤村; 昌治伊藤; 昭三中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: JPH04206158A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、火力発電プラントやその他の発電プラン
ト、天然ガスのリフォーミング反応を用いる改質器ある
いは水素製造装置などから発生する炭酸ガスを溶融炭酸
塩型燃料電池を用いて分離、回収するための溶融炭酸塩
型燃料電池の運転方法に関する。

〔従来の技術〕

地球の環境保全の観点から、大気中への炭酸ガスの放
出規制が求められており、そのための技術手段もいくつ
か開示されてきている。

例えば、燃料電池発電プラントにおける炭酸ガスの分
離、回収方法を示すものとして、特開昭63−211571号公
報に記載されているリン酸型燃料電池発電プラント、あ
るいは、特開昭51−9071号公報、特開平１−187775号公
報などに記載のものがあげられる。

特開昭63−211571号公報に記載のものにあっては、ま
ず炭酸ガスを含む水素を燃料電池の燃料極側に導入し、
水素を電気化学反応により消費させ、電池出口において
より高濃度な炭酸ガスを含むガスを生成することから始
まる。続いて、この高濃度の炭酸ガスを含むガスは圧縮
され炭酸ガス吸収器（例えば、モノエタノールアミンの
ような液状吸収剤）にストリッピングされる。この炭酸
ガスに富む吸収剤は減圧されて再生塔に送られ、さらに
加熱されることにより、炭酸ガスが気体となって放出さ
れ、その後、冷却され、所望の圧力まで圧縮され系から
送出される。

特開昭51−9071号公報、特開平１−187775号公報に記
載のものにあっては、排出ガスを経路中に別途設けたガ
ス吸着、分離装置中を通過させることにより除去しよう
としている。

さらに、他の公知例として、AICh.E.J.Vol.28103に溶
融炭酸塩型燃料電池を用いて宇宙船内の空気中の炭酸ガ
スを除去する試みに対する基礎検討の報告例が示され
る。これは１％以下の低炭酸ガス濃度の空気を溶融炭酸
塩型燃料電池の空気極側に供給して、電池化学反応によ
り空気極側に含まれる炭酸ガスを燃料極側に移行させ、
空気極ガス中の炭酸ガスを除去することを意図したもの
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の従来技術のうち、特開昭63−211571号公報に記
載のものにおいては、水素を含む燃料ガス中に含まれる
炭酸ガスを濃縮分離するにすぎず、水素を含まないガ
ス、例えば一般の燃焼排ガスなどからの炭酸ガスの分
離、回収方法としては利用することができない。また、
吸収塔や再生塔及びそれに伴う圧縮、減圧、加熱、冷却
操作など、従来の発電プラントの機器以外に新たな機器
やその操作などが加わり、システム自体の機器構成が複
雑化し、コスト面でも問題が存在する。

さらに電池入口に入ってくる炭酸ガス量以上の炭酸ガ
ス量を燃料極出口で得ることはできないものであり、全
体としては必ずしも回収効率は高いものとはいえない。

また、特開昭51−9071号公報、特開平１−187775号公
報に記載のものにおいても、ガスの吸着、分離のための
特別の装置や配管系を必要とし、また、回収効率も必ず
しも充分でないという問題点を有している。

さらに、AICh.E.J.Vol.28103に記載のものにおいて
は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いて空気極ガス中の炭酸
ガスを燃料極側に移行させる技術についての開示はある
ものの、その後のプロセスについては特に開示されてい
ない。即ち、燃料極側に発生させた炭酸ガスをどう処理
するのか不明であり、また、溶融炭酸塩型燃料電池の具
体的運転方法についても、特に記述されていない（空気
極側の低炭酸ガス濃度運転に主眼がおかれている）。

本発明の目的は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた、簡
便で高率の良い対象ガス中の炭酸ガスの分離、回収方法
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、水素、水、炭
酸ガス、一酸化炭素、メタンなどを主成分とするガス
に、炭酸イオン（CO₃ ^2-）、あるいは酸素イオン（O^2-）
と、燃料極内において、電気化学反応を行わせると同時
に、その電流量あるいは上記ガス流量を制御して電気化
学反応の活物質を完全に消費尽くさせ上記ガスを炭酸ガ
スと水とに富むガスに組成変化させた後に、水を除去し
て炭酸ガスに富むガスを得ることを特徴とする炭酸ガス
の分離、回収方法を開示し提供する。

具体的には、本発明は、第１の群及び第２の群からな
る溶融炭酸塩型燃料電池と、第１の群の燃料電池に燃料
ガスを供給する第１の燃料供給系統及び第２の群の燃料
電池に燃料ガスを供給する第２の燃料供給系統と、第１
の群の燃料電池に対する第１の燃料極排ガス系統及び第
２の群の燃料電池に対する第２の燃料極排ガス系統と、
第２の燃料極排ガス系統に接続された炭酸ガス回収手段
とを含み、第１の群の燃料電池は通常の運転法による発
電を行い、第２の群の燃料電池は最大電流を発生させる
運転を行なって燃料極の出口ガスをほぼ炭酸ガスと水の
混合ガスとし、炭酸ガス回収手段で炭酸ガスと水を分離
して炭酸ガスを回収することを特徴とする溶融炭酸塩型
燃料電池を用いる発電プラントである。

第１の群の燃料電池と第２の群の燃料電池は電気的に
直列に接続し、第１の燃料供給系統及び第２の燃料供給
系統への燃料の流量配分を調節するための流量調節部を
備え、この流量調節部により第１の燃料供給系統へ供給
される燃料の流量と第２の燃料供給系統へ供給される燃
料の流量の比が一定になるように流量調節を行うように
することができる。

第１の燃料供給系統へ供給される燃料の流量と第２の
燃料供給系統へ供給される燃料の流量の比ｘは、第１の
群の燃料電池の総電極面積をZ₁、第２の群の燃料電池の
総電極面積をZ₂、燃料利用率（全燃料電池全体に供給さ
れた燃料に対する消費された燃料の割合）をU_Fとすると
き、次式で表されるものとすることができる。

ｘ＝U_F・Z₂/（Z₁＋Z₂）また、第２の群の燃料電池を更に上流側の燃料電池群
と下流側の燃料電池群に分割し、上流側の燃料電池群の
燃料検出口と下流側の燃料電池群の燃料極入口を配管で
結合し、その配管の途中に炭酸ガス吸着手段を設けても
よい。

炭酸ガスを分離、回収する対象ガスは、天然ガスその
もの、あるいは天然ガスを改質した水素含有ガスなどを
用いうる。

〔作用〕

溶融炭酸塩型燃料電池は、空気極側の炭酸ガスが電気
化学反応により、当量の炭酸イオンとなって燃料極で水
素と反応し、炭酸ガスCO₂と水H₂Oを生成する。即ち、燃
料極側では、水素が消費されるだけでなく、それと全く
当量分の炭酸ガスと水が生成される。言い換えれば、溶
融炭酸塩型燃料電池は空気極側の炭酸ガスを選択的に燃
料極側に吸い上げる分離膜の役割を果たしており、燃料
極側では水素は消費され、炭酸ガスと水が増加する。ま
た、これらのガスの物質バランスは電気化学反応量、即
ち電池を流れる電流量によってのみ支配される。つま
り、電流量をコントロールすることによって、水素の消
費量、水、炭酸ガス生成量をコントロールできることに
なる。

本発明はこの原理を応用し、溶融炭酸塩型燃料電池を
用いて炭酸ガスを積極的に回収することにある。

通常、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電プラントに
おいては、システム全体の効率化を考慮し（例えば、天
然ガスを改質するための改質器の運転のための燃料の供
給など）、最大電流値のところではなく、最も電力量が
大きくなる電流値のところで運転される。このとき、燃
料極出口は未反応の水素や炭酸ガス、一酸化炭素、水、
場合によってはメタンなどの混合ガスが出てくる。この
ような混合ガスから炭酸ガスのみを回収、分離すること
は、前記の先行技術の説明において記したように発電に
必要な施設に加え吸収塔や再生塔などの機器を必要とす
る。

本発明では、通常の運転点よりも電流量が大きくなる
最大電流値のところで運転を行う。これにより、反応活
物質である水素、一酸化炭素は消費尽くされ、燃料極側
の出口には生成物である炭酸ガスと水のみのガスが排出
される。炭酸ガスと水の分離は、比較的容易であり、簡
便に炭酸ガスだけが分離できる。しかも、同時に電気化
学反応が生じているため、炭酸ガスの分離と同時に電力
供給も行える効果もある。

また、本発明の実施に際しても、活物質としての水素
は不可欠となる。そこで必要となる水素量と回収される
炭酸ガス量との比、即ち、効率について、例えば水素を
リフォーミング反応によりメタンから生成した場合を例
にとって考える。リフォーミング反応によりメタンから
水素を生成する場合、水素４モルに対し炭酸ガス１モル
の割合で炭酸ガスが副産物として出てくる。そして、こ
の改質ガスを溶融炭酸塩型燃料電池の燃料極側に流した
場合、理論上、水素４モルは空気極からの炭酸イオンの
供給により、燃料極側で炭酸ガス４モルと水４モルに変
換され、さらにもともと燃料極入口から供給された炭酸
ガス１モルが加わり、出口において炭酸ガス５モル、水
４モルが排出されるととなる。そこで、水を分離する
と、炭酸ガスが５モル分離、回収できることになる。ま
た水４モル分の電気化学反応により電力も供給できるこ
とになり溶融炭酸塩型燃料電池を用いることは極めて効
率的な炭酸ガスの分離、回収手段と考えられる。

この方法であれば、炭酸ガスを分離、回収するため
に、別途さらに大きなエネルギーを使う必要はないの
で、炭酸ガスの回収のために、さらに炭酸ガスを大気へ
排出するといった矛盾も生じない。

本発明を溶融炭酸塩型燃料電池の発電プラントに適用
した場合に、その適用の態様によっては最大電流値で運
転することによる発電効率の低下を引き起こす恐れがあ
る。従って、本発明の一つの実施態様においては、電池
群を２つに分割し、一部の溶融炭酸塩型燃料電池のみに
最大電流運転を行わせるようにしている。後述するよう
に、その場合であっても、全体としての炭酸ガスの分
離、回収能力は際立っている。

例えば典型的な溶融炭酸塩型燃料電池の燃料の１つで
あるメタン改質ガスを用いた場合、燃料トータル流量を
仮に10モル（水素:8モル、炭酸ガス:2モル）としたと
き、その燃料の10％を、即ち水素:0.8モル、炭酸ガス:
0.2モルを最大電流運転を行う溶融炭酸塩型燃料電池の
燃料極側に供給したとすると、先に説明したように、電
池の燃料極内の水素が全て消費されたとすると、出口で
は入口炭酸ガス量の５倍にあたる１モルの炭酸ガスが排
出される。この１モルの炭酸ガス量は全燃料中の炭酸ガ
ス２モルの1/2にあたる量である。

これは、溶融炭酸塩型燃料電池プラントの全発電量に
占める割合は10％（即ち、燃料比が1/10である）でも、
炭酸ガスの分離、回収能力は全燃料中に含まれる炭酸ガ
ス量の50％に相当することを意味している。勿論、この
関係は燃料中の水素と炭酸ガスの組成比によって変わ
り、燃料中の水素の割合が大きい程、炭酸ガスの分離、
回収効果も大きくなる。

また、上記２つの電池群に分割する具体的な方法とし
て（１）式を提案しているが、この関係を満足させるこ
とにより、２つの直列につながる電池に、いかなる負荷
電流が流れても、トータルの燃料利用率U_Fと燃料の流量
割合ｘを維持している限り、炭酸ガスの分離、回収を行
う電池群に対しては、負荷電流値が常に、その電池群の
理論最大電流値になる。もし、（１）式のような関係が
満足されていない場合、該電池に最大電流値を発生させ
るためには、２つの電池を流れる電流値がそれぞれ異な
ったものにならなければならず１つの電力系統ではその
制御は困難となる。

即ち、（１）式の作用により、従来の場合はどのセル
も単位電極面積あたりの反応ガス供給流量は同一であっ
たのが、この場合にあっては全電池についてみれば単位
面積に対する流量は従来と同じであるが、２つの分割さ
れた電池群それぞれは、セルの単位面積あたりの反応ガ
ス流量は同一でなくなっている。即ち、炭酸ガス分離、
回収目的の電池群においては、（１）式により、その単
位電極面積あたりの流量は、常に一定の割合、即ち、ト
ータルの燃料利用率U_Fを乗じた分だけ従来よりも少なく
なっており、その反応ガスの流量は、負荷電流から定ま
る反応ガスの理論消費量に等しくなっている。これより
燃料極側（燃料極側）出口では反応ガスは排出されず、
炭酸ガスと水のみのガスが排出される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。こ
れは溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電プラントであ
る。燃料供給源23から供給される原燃料である天然ガス
100は燃料予熱器10で予熱され、水蒸気101と一緒に高温
状態の改質器２に入り、改質反応により、天然ガス中の
炭化水素は燃料極の電気化学反応の活物質である水素、
一酸化炭素、及び不活性ガスである炭酸ガスと水に変化
する。この改質ガス102は溶融炭酸塩型燃料電池1a、1b
の燃料極3a、3bに導入される。なお、本発電プラントの
運転仕様では電力負荷の大小にかかわらず常に該改質ガ
スの８割が該燃料電池での発電用に使われ、残りの２割
は、該改質器内のバーナ４で燃焼され、上記改質反応の
ための熱源として用いられる。即ち、燃料利用率U_Fは電
力負荷に対して常に0.8ということになる。

該燃料電池は、各セルの燃料極3a、3bに供給するため
の燃料供給系統及び排気系統が２つに分かれている。そ
の結果、一方の燃料供給系統103aに対応する燃料電池群
1aと他方の燃料供給系統103bに対応する燃料電池群1bと
に該燃料電池は区別されるが、電力系統は、この２つの
燃料系統に何ら影響されず、燃料系統が１つの場合と同
じである。なお空気極側5a、5bについては、従来通りの
供給、排気系統となっている。

上記、燃料電池の構造に関して、第２図により、さら
に詳細に説明する。該燃料電池に供給される改質ガスの
うち、セル30bから成る該燃料電池群1bに供給される燃
料の割合を燃料流量の大小にかかわらず常にｘとした場
合、セル30aから成る該燃料電池群1aの燃料極総面積Z₁
と該燃料電池群1bの燃料極総面積Z₂とは式（１）の関係
を満足するように決められる。

なお、上記改質ガスは、それぞれの供給ヘッダー31
a、31b内に導入されるが、従来の燃料電池あるいは、本
実施例の燃料電池の空気極側のように、各セルに同流量
のガスが配分されるよう運転する場合には、式（２）の
関係となるはずであるが、式（１）の関係を維持することに
より、該燃料電池群1aと同1bの各セル30a、30bに供給さ
れる改質ガス102の流量は式（２）による値とは異なる
ことになる。

しかも、単に流量が異なるだけでなく、該燃料電池群
1bは、常に燃料利用率が1.0、即ち、該電池群1bを流れ
る負荷電流に対し理論的に一意的に定まる電池内での
水、一酸化炭素の消費量と、該燃料電池群1bの燃料極入
口のガスヘッダー31に供給される改質ガス中に含まれる
水、一酸化炭素の流量とが等しくなるように運転され
る。その結果、該燃料電池群1bの燃料極出口側のガスヘ
ッダー32bの内部では、水、一酸化炭素は電気化学反応
により消費尽くされ、その反応における生成物である炭
酸ガスと水のみの混合ガスが排出されることになる。

該燃料電池群1aと1bとは電気的には直列につながって
おり、インバータ22を含む電気系統104も同図に示すよ
うに１系統として該燃料電池群1a、1bを流れる電流値は
常に同一となる。

第１図において、該燃料電池全体に供給される改質ガ
ス量に対し、該燃料電池群1bに供給する改質ガスの流量
を上記の式（１）に述べられたｘの割合に調節するた
め、上記燃料供給系統103bには流量調節弁６が設けられ
ている。本発明による運転方法の１つの実施例として、
該燃料電池1bへ供給される改質ガス量の割合、即ち、式
（１）のｘの値を0.1に制御するものとする。その場合
に、式（１）から該電池群1bの総セル数は該電池群1aと
1bの合計したセル数の12.5％となる。このときの本発電
プラントにおける炭酸ガスの収支を追いながら具体的な
炭酸ガスの分離、回収量について本発明の効果を説明す
る。

説明を容易にするため、上記改質器２を出た改質ガス
102の組成を水素と炭酸ガスだけとし、その組成比をモ
ル比で4:1とする。実際にはシフト反応により一酸化炭
素や水も含まれることになるが、これらを無視しても本
発明の効果に影響は及ぼさない。なお、ガス量に関して
は、便宜上、本発電プラントの原燃料の供給量を100と
している。原燃料をメタンと考えて、供給されたメタン
100単位が改質器２により水素量400単位と炭酸ガス量10
0単位に変換するとする。この実施例は、この改質器２
で発生する炭酸ガスの分離、回収を行うものである。

上記の説明により、該電池群1aには水素360単位、炭
酸ガス90単位が燃料極3aに供給され、一方、該電池群1b
には水素40単位、炭酸ガス10単位が同じく燃料極3bに供
給される。U_Fが0.8であることおよび式（１）から該電
池群1aにおいて、水素360単位のうちの280単位が電気化
学反応に使われ、消費される。その結果、該電池群1aの
燃料極3aの出口排出管105aには残水素80単位および炭酸
ガスと水とがそれぞれ280単位ずつ生成される。その結
果、燃料極出口での炭酸ガス量は90＋280＝370単位とな
る。

一方、該電池群1bでは水素40単位が全て電気化学反応
に使われるため、燃料極3bの出口配管105bにおける炭酸
ガス量としては電気化学反応による生成量が40単位、該
電池入口の改質ガス供給系統103bに含まれていた炭酸ガ
ス量10単位の計50単位となる。その他、電気化学反応に
より水が40単位生成される。

該電池1aの出口排出管105aを流れる燃料極排ガスと該
電池1b出口配管105bを流れる炭酸ガスと水だけの混合ガ
スである燃料極排ガスとは、それぞれ、混合することな
く、燃料予熱器10、ガス／ガス熱交換器11、ガス冷却器
12を通って冷却され、最後に気水分離器13により排ガス
中の水分が除去される。その結果、該電池1aからの排ガ
ス系統106aには水素量80単位と炭酸ガス量370単位が流
れ、該電池1bの排ガス系統106bには炭酸ガス50単位のみ
が流れることになる（この後は圧縮して液化炭酸ガスと
してボンベ詰めにし、可販品の状態にするなり、あるい
は人工農園などの炭酸ガス供給源として搬送される）。

次に、該電池群1aの燃料極排ガスは、ブロア14によ
り、ガス／ガス熱交換器11により予熱され、改質器２の
バーナ部４に送られ、ここで未燃分の水素80単位が燃焼
し、その発生する熱量がメタンの改質反応に用いられ
る。バーナ部４を出た燃焼排ガス107（炭酸ガス370単
位、水80単位）は空気予熱器15を通り、導管108により
混合器16に入る。該混合器には、ガスタービン17の圧縮
器18により圧縮された空気が分離機19と空気導管109を
通って流入する。また、該電池群1a、1bの空気極側の排
ガス113の一部（再循環ガス）も分離器20により導管110
を通ってブロア21により該混合器16に流入する。該空気
と該空気極排ガスとが混合された上記燃焼排ガスは、該
燃料電池群1a、1bに酸化剤供給系統114a、114bを通って
それぞれ供給される。該電池1aと1bの空気極への流量配
分の調節機構は特に設けられておらず、従って、それぞ
れの電池群のセル数の比に応じて配分されることにな
る。その結果、該電池1aの空気極5aには上記酸化剤ガス
の87.5％が、該電池16の空気極56には12.5％が供給され
ることになる。

従って、該電池群1aの空気極5aに供給される炭酸ガス
量としては、該導管108を流れる上記燃焼排ガス中の炭
酸ガス量370単位の87.5％、即ち、約324単位と該導管11
0を流れる上記空気極再循環排ガス中の炭酸ガス量のや
はり87.5％が加わる。同様にして該電池1bには、残り1
2.5％分の上記燃焼排ガス中に含まれる炭酸ガス46単位
に、上記空気極排ガス中の炭酸ガス量の12.5％が加わ
る。

該電池群1aの空気極5aでは炭酸ガス280単位とその1/2
酸素が電気化学反応に使われ、同様に、該電池群1bの空
気極5bでは、炭酸ガス40単位とその1/2の酸素が消費さ
れる。この結果、該電池1aの空気極出口配管111aでは、
炭酸ガス量は324−280＝44単位（再循環ガスの分は含め
ない）となる。また、該電池1bの空気極出口配管111bで
は炭酸ガス量は46−40＝６単位（再循環ガスの分は含め
ない）である。

この結果、分離器20には、再循環ガスと、炭酸ガス量
44＋６＝50単位と、水80単位及び酸素が消費された残り
の空気が流入する。また再循環ガスの組成は当然のこと
ながら、炭酸ガス50単位、水80単位及び酵素が消費され
た残りの空気が混ざった混合ガスの組成に等しい。そし
て、再循環系統110に流れる該再循環ガス以外は導管112
を通って補助燃焼器21に供給される。従って、該導管11
2中のガスに含まれる炭酸ガス量は50単位である。

補助燃焼器21を出た排ガスは導管115を通って、ガス
タービン18で仕事をなし、排熱回収ボイラ70を通り、煙
突71から大気中へ排出される。

この結果、改質器２で発生した炭酸ガスは、該電池群
1aから空気極出口配管111aを通って補助燃焼器21へ流れ
るものと、該電池群1bの燃料極3bから排出系統106bを通
って排出されるものに分かれて、改質器２で発生した炭
酸ガス発生量100単位に対してその1/2にあたる50単位の
炭酸ガスが、該電池1bによって分離されたことになる。

即ち、該電池1bに1/10の改質ガスを供給するだけで改
質器で発生する炭酸ガスの1/2を分離、回収することが
可能となるわけである。しかも、特に炭酸ガスを分離す
るための新たな装置は一切必要なく、該燃料電池1aと1b
の燃料流量分配を調節する操作だけを行えば、殆ど100
％近い濃度の炭酸ガスが回収できることになり、炭酸ガ
ス回収に伴う設備面、運転面でのコストが大幅に低減で
きる。

また、本実施例では該燃料電池群1aが全体の電力量の
0.875を占めており、残りの0.125を該燃料電池1bが占め
るに過ぎない。従って、該燃料電池群1bは常に入口の反
応ガス流量から定まる最大電流運転を行うため、発電効
率は該電池1aと比べて低下することは否めないが、燃料
電池全体の発電効率に及ぼす影響は小さい。つまり炭酸
ガスの分離、回収に伴うエネルギーロスも小さくてすむ
ことになる。

第２の実施例を第３図を用いて説明する。第１の実施
例と同じく、やはり改質器を用いて天然ガスから水素を
製造するときに発生する炭酸ガスを回収する手段を示
す。メタンを主とする天然ガス100を改質器２に導き、
水素と炭酸ガス、水、一酸化炭素に変換されたガスの一
部、望むべくは改質器で発生する炭酸ガスをすべて回収
するため、その２割を、溶融炭酸塩型燃料電池１の燃料
極側３に流量調節弁６を通して導く。そして残りの水素
リッチなガス102aを使用した後、即ち、ガスタービンの
燃焼器40の燃焼に使用した後、その排ガス103を約600℃
近傍に調整し、その温度を保ちながら該電池の空気極５
へ供給する。もし排ガス中の酸素濃度が炭酸ガス濃度の
1/2より小さいときは空気供給源43から空気104を混入し
て、酸素濃度を炭酸ガス濃度の1/2よりも大きくする。

この実施例においても、第一の実施例と同様に改質ガ
ス102b中のガス組成を水素量400単位、炭酸ガス量100単
位とすると、燃料極３には水素量80単位、炭酸ガス量20
単位が、また、空気極５には炭酸ガス量は80単位とな
る。

該電池をインバータ22を通して、ある電気負荷50に接
続して電流を流すことにより、電極内での電気化学反応
により、空気極側５の炭酸ガスは消費され、逆にその
分、燃料極側３では水素が減り、炭酸ガスと水が生成さ
れる。負荷電流が燃料極３に供給される水素を含む活物
質量から定まる最大電流値に等しい場合には、空気極５
中の炭酸ガスは消費尽くされ、出口では炭酸ガスは排出
されず、逆に燃料極側３出口で炭酸ガスと水のみが排出
されることになる。即ち、燃料極中の水素、空気極中の
炭酸ガスを全て消費する運転が行われる。上記、燃料極
側の排出ガスである炭酸ガスと水は冷却器12で冷却し、
気水分離器13で水を除去することにより炭酸ガスのみを
取り出すことができる。

この結果、改質器２（あるいは水素製造装置）の稼働
に伴い副産物として排出される炭酸ガスを全て回収でき
るとともに、その回収のために用いられる燃料電池に導
入された改質ガスは電力供給と炭酸ガスの分離、濃縮の
２つの作用を行うため、無駄にはならず、溶融炭酸塩型
燃料電池と組合わせた改質器の効率のよい運用が図れ
る。

なお、負荷電流が常に該電池の最大電流に等しくなる
よう、燃料流量弁６によりその流量を調整する必要が生
じることがあるが、常時、燃料極出口配管105での水素
濃度を検知器41により検知し、その値がゼロとなるよ
う、演算器42により流量調節弁を制御する方法が用いら
れる。

第３の実施例は天然ガスを用いる火力発電プラントに
関するもので第４図を用いて説明する。

ここにおいては、火力コンバインド発電プラント73に
おける燃料排ガス、例えばガスタービン74出口の炭酸ガ
スを含む排出ガスの一部を流量弁７を介して溶融炭酸塩
型燃料電池１の空気極側５に供給している。その際ガス
温度は少なくとも600℃以上の高温ガスとすることが望
まれる。該燃料電池１の燃料極３には、改質触媒６が備
わっている。この該燃料極３へ、発電プラントのメタン
供給源９からの天然ガス100の一部を水蒸気101と共に導
管102にて流量調節弁８を用いて供給する。該導管102を
流れる天然ガスの供給量は、該燃料電池に接続されてい
る電気負荷の負荷電流が、該電池の最大電流値に等しく
なるよう調整する。

燃料極３に入った天然ガスは、改質触媒６により水素
に変換されながら電気化学反応によりその水素を消費す
る。この結果、燃料極出口側配管103では天然ガスも水
素も排出されず、炭酸ガスと水だけが排出される。一
方、空気極５の排ガスは、出口配管105内で温度も600℃
以上と高いので、排熱回収プラント75につながる配管系
統104へ戻してやる。

この実施例により、水素のない発電プラントにおいて
も、溶融炭酸塩型燃料電池を用いることにより、そのプ
ラント内で発生する炭酸ガスの分離、回収を効率良く行
うことができる。

第４の実施例について第５図を用いて説明する。この
実施例では、第１の実施例で示した溶融炭酸塩型燃料電
池を用いた２つの電池群からなる発電プラント、即ち、
セル30aを積層し、燃料供給用ヘッダー31a、同排出用ヘ
ッダー32aから成る電池群1a、およびセル30bを積層し、
燃料供給用ヘッダー31b、同排出用ヘッダー32bから成る
電池群1b、に加え、さらに、セル30cを積層し、燃料供
給ヘッダー31c、同排出用ヘッダー32cから成る電池群1c
を組み込んだ計３つの電池群から構成される。

該電池群1aは第１の実施例で説明した大部分の発電量
を賄う発電を主とした電池群1aに対応し、その電極層面
積は第１実施例のものと同じである。該電池群1bと1c
は、先の第１の実施例における炭酸ガス分離、回収用電
池群1bに対応し、該電池群1bと1cの電極総面積は、第１
の実施例の電池群1bの電極総面積に等しい。即ち、炭酸
ガス分離、回収用の燃料電池群を２つに分割したもので
ある。なお、電気的に該電池群1a、1b、1cは直列に接続
されている。

第１の実施例でも述べたように、改質ガス102は流量
調節弁６により、要求される炭酸ガス回収量によって定
まる燃料分配割合に基づいてその一部が、燃料系統103b
を通って、該電池群1bの燃料供給ヘッダー31bに供給さ
れ、セル30b内で電気化学反応を生じ、出口排出ヘッダ
ー32bに導かれる。該ヘッダー32b内の排出ガスには、該
電池群1bの電極総面積と、該燃料供給ヘッダー31bに供
給される燃料流量、及び負荷電流との関係から、未反応
分の水素が残存しているが、その水素濃度は低く、大部
分は反応生成ガスである炭酸ガスと水である。この低濃
度水素を含む未反応ガスは導管105bを通って炭酸ガスの
吸収塔60に送入される。吸収塔60の内部には、酸化カル
シウムCaOが充填されており、該未反応ガス中の水と炭
酸ガスと反応し、それぞれ水酸化カルシウムCa（OH）_２
と炭酸カルシウムCaCO₃に変化する。この反応は500〜60
0℃の高温で最も活発に行われるため、該電池1bの排ガ
ス温度が600℃以上であることを考えると、熱的な問題
は解決される。

この結果、吸収塔60内で該未反応ガス中の炭酸ガス、
水が除去されることになり、該吸収塔60を出た導管103c
内に於ける該ガス中の水素濃度は高くなっている。この
水素濃度を高められた未反応ガスは、電池群1cの燃料供
給ヘッダー31cに送られセル30c内で最大電流が流れる運
転が行われる。出口排出ヘッター32cには、炭酸ガスと
水だけの混合ガスが排出される。該排出ガスは先の実施
例１で示したように予熱器10を通り、冷却され、最終的
には気水分離により、炭酸ガスだけを回収する。

このように、燃料ガス中の水素濃度を高めることによ
り、該電池群1cの性能低下をできるだけ最少限に抑える
ことができ、発電プラント全体の効率を実施例の１より
もさらに高めることができる。また、吸収塔60の位置で
あるが、燃料中の炭酸ガスを吸収するのに、本実施例の
位置は発電プラントの他の位置に比べて比較的吸収塔に
流入するガス量を少なくでき、しかも、炭酸ガス濃度も
高いことから、非常に小型でコンパクトな吸収塔で対応
できる。その他の有力な位置として燃料系統103bも可能
であるが炭酸ガス濃度が低い。従って他の位置に吸収塔
あるいは分離器を設置して、本実施例と同様の炭酸ガス
の分離、回収を行う場合に比べて設備コストが低減でき
る。

なお、該電池群1bと1cの総電極面積比はある値に限定
するものではなく、吸収塔60の能力や電池運転条件に合
わせて、最適な割合にすればよい。また吸収塔60の反応
後の水酸カルシウムや炭酸カルシウムの処理は、加熱す
ることにより再びCaOに還元することが可能である。例
えば炭酸カルシウムの場合は1000℃以上の加熱が必要で
あるが水酸化カルシウムは580℃で完全に還元される。
従って発電プラント内の高熱源を利用してCaOの再生プ
ロセスを該吸収塔で行わせることにより、CaOの半永久
的な利用が可能となり、燃料電池と組合せた効率良い炭
酸ガスの分離、回収が行える。

〔発明の効果〕

本発明によれば、炭酸ガスの分離、回収に溶融炭酸塩
型燃料電池を用いるため、他の設備、装置を用いること
なく、殆ど100％近い濃度の炭酸ガスを回収できるた
め、炭酸ガス回収に伴う設備面、運転コストが大幅に低
減できる。

また、炭酸ガスの回収とともに、電力も供給できるの
で、炭酸ガスの分離や回収に伴うエネルギーの損失が少
なくてすみ、効率が高くなる。

さらに水素がなくても天然ガスを使用するプラントに
も適用が図れるので、用途範囲がさらに広がる効果もあ
る。

炭酸ガス及び水と反応し、それらを吸着する吸収塔を
設けるものにあっては、炭酸ガスの分離、回収に伴う燃
料電池の性能を向上することができるので、発電効率を
さらに高める効果もある。

【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を用いた炭
酸ガスの分離、回収装置の一実施例である発電プラント
の系統図、第２図は第１図の燃料電池本体の構成を表わ
す概略図、第３図および第４図はそれぞれ本発明の第
２、第３の実施例を示すプラント系統図、第５図は第４
の実施例である燃料電池本体とその近傍の構成概略図、
である。 1a,1b……燃料電池、２……改質器、3a,3b……燃料極、
5a,5b……空気極、６……燃料流量調節弁、13……気水
分離器、22……インバータ、31a,31b……燃料供給ヘッ
ダー、32a,32b……出口ガスヘッダー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の群及び第２の群からなる溶融炭酸塩
型燃料電池と、前記第１の群の燃料電池に燃料ガスを供
給する第１の燃料供給系統及び前記第２の群の燃料電池
に燃料ガスを供給する第２の燃料供給系統と、前記第１
の群の燃料電池に対する第１の燃料極排ガス系統及び前
記第２の群の燃料電池に対する第２の燃料極排ガス系統
と、前記第２の燃料極排ガス系統に接続された炭酸ガス
回収手段とを含み、前記第１の群の燃料電池は通常の運
転法による発電を行い、前記第２の群の燃料電池は最大
電流を発生させる運転を行なって燃料極の出口ガスをほ
ぼ炭酸ガスと水の混合ガスとし、前記炭酸ガス回収手段
で炭酸ガスと水を分離して炭酸ガスを回収することを特
徴とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いる発電プラント。
【請求項２】前記第１の群の燃料電池と第２の群の燃料
電池は電気的に直列に接続され、前記第１の燃料供給系
統及び第２の燃料供給系統への燃料の流量配分を調節す
るための流量調節部を備え、前記流量調節部は前記第１
の燃料供給系統へ供給される燃料の流量と前記第２の燃
料供給系統へ供給される燃料の流量の比が一定になるよ
うに流量調節を行うことを特徴とする請求項１記載の溶
融炭酸塩型燃料電池を用いる発電プラント。
【請求項３】前記第１の燃料供給系統へ供給される燃料
の流量と前記第２の燃料供給系統へ供給される燃料の流
量の比ｘは、前記第１の群の燃料電池の総電極面積を
Z₁、前記第２の群の燃料電池の総電極面積をZ₂、燃料利
用率（全燃料電池全体に供給された燃料に対する消費さ
れた燃料の割合）をU_Fとするとき、次式で表されること
を特徴とする請求項２記載の溶融炭酸塩型燃料電池を用
いる発電プラント。ｘ＝U_F・Z₂/（Z₁＋Z₂）
【請求項４】前記第２の群の燃料電池を更に上流側の燃
料電池群と下流側の燃料電池群に分割し、上流側の燃料
電池群の燃料極出口と下流側の燃料電池群の燃料極入口
を配管で結合し、前記配管の途中に炭酸ガス吸着手段を
設けたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の溶融
炭酸塩型燃料電池を用いる発電プラント。