JPH11233129A - 固体電解質型燃料電池発電システム - Google Patents

固体電解質型燃料電池発電システム

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JPH11233129A
JPH11233129A JP10034396A JP3439698A JPH11233129A JP H11233129 A JPH11233129 A JP H11233129A JP 10034396 A JP10034396 A JP 10034396A JP 3439698 A JP3439698 A JP 3439698A JP H11233129 A JPH11233129 A JP H11233129A
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Hirotsugu Nagayasu
弘貢 長安
Hitoshi Miyamoto
均 宮本
Yasuhiko Ikemoto
泰彦 池本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池本体で使用された燃料ガスの排ガス
を効率よく再利用し、発電効率を向上させた固体電解質
型燃料電池発電システムを提供する。 【解決手段】 水素あるいは炭化水素系燃料ガスを燃料
とする固体電解質型燃料電池において、燃料電池本体で
発電後の燃料排ガスの一部３ｄを、再生熱交換器１２、
凝縮器１３を経由して、燃料電池アノード入口３ｃへ再
循環させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池本体で使
用された燃料ガスの排ガスを効率よく再利用し、発電効
率を向上させた固体電解質型燃料電池発電システムに関
する。また、本技術は、リン酸型燃料電池発電システ
ム、溶融炭酸塩型燃料電池発電システムに用いて好適な
ものである。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池は水素あるいは炭
化水素系ガスを燃料とし、空気を酸化剤として使用し、
約１０００℃という高温下で以下のような反応を利用し
て発電を行っている。燃料ガスがメタンの場合、以下の
化学反応式により、発電が行われる。
【０００３】
【化１】 ＣＨ4 ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ2 ・・・・（１） ＣＯ ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ Ｈ2 ・・・・（２） Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 → Ｈ2Ｏ ・・・・（３）
【０００４】上記（１）式は、燃料改質反応、（２）式
はＣＯシフト反応である。また、固体電解質型燃料電池
では（３）式により発電が行われる。メタンなどの炭化
水素ガスを燃料とする場合には、一般的に炭化水素系燃
料の一部もしくは全部を予め、反応（１），（２）によ
りＨ2 を含むガスに変換して燃料電池に供給して発電を
行う。化学反応式から、燃料改質部ではＨ2 Ｏ（水）を
供給する必要があり、燃料電池部ではＨ2 Ｏが生成する
ことになる。
【０００５】このため、Ｈ2 Ｏを含む固体電解質型燃料
電池の燃焼ガスをリサイクルし、燃料改質部の供給する
方法が提案されている。この様に燃料排ガスを燃料電池
にリサイクルする場合には、 （１）Ｈ2 Ｏの供給が系内ガスを利用として可能とな
る。 （２）高温である燃料排ガスの排熱を回収することによ
り全体のエネルギー効率の向上が可能である。 （３）発電に使用されなかった燃料の回収・再利用によ
るエネルギー効率向上が可能である。 しかし、アノードでは水蒸気分圧が高くなると起電圧の
低下があこり、発電効率が低くなる。従来、燃焼排ガス
をリサイクル方法として、エゼクタ方式や高温ブロア方
式、ターボコンプレッサ方式が提案されている。
【０００６】図３にエゼクタ方式を用いた従来のリサイ
クルシステムの一例を示す。図３に示すように、供給燃
料ガス０１は燃料ガス供給ライン０２からエゼクタ０３
に供給され、エゼクタ０３では燃料ガス供給ライン０２
からの燃料がその圧力を駆動力として燃料電池（ＳＯＦ
Ｃ）０４のアノード出口０４ｄの燃料排ガスから分岐し
た燃料排ガスリサイクルガスを合流し、別途燃焼用空気
０５ａが導入される燃料加熱用燃焼器０５、燃料改質器
０６を経て燃料電池アノード入口０４ｃに供給される。
燃料排ガスリサイクルガスには燃料電池０４で生成した
Ｈ2 Ｏが含まれておりこのＨ2 Ｏがリサイクルにより燃
料電池に供給され、燃料改質用として使用される。ま
た、リサイクルガスは約１０００℃と高温であり、リサ
イクルガスの顕熱が燃料ガス供給ラインの燃料の昇温に
使用される。
【０００７】一方、供給空気０７は空気供給ライン０８
から供給され、送風機あるいは圧縮機により加圧され、
そして空気熱交換器０９において燃焼器０１０からの燃
焼排ガスにより加熱され、燃料電池カソード入口０４ａ
へ供給される。ここで、燃料電池カソード出口０４ｂの
空気排ガスとアノード出口０４ｄからの燃焼排ガスのう
ち、リサイクルしない燃焼排ガスは燃焼器０１０へ供給
され、燃料電池カソード入口０４ａへ供給される。上記
燃料電池カソード出口０４ｂからの空気排ガスとアノー
ド出口０４ｄからの燃焼排ガスの内、リサイクルしない
燃焼排ガスは、燃焼器０１０へ供給され、該燃焼器０１
０では燃焼排ガス中の未反応水素あるいは炭化水素が酸
化、即ち燃焼が起こる。燃焼器０１０からの燃焼排ガス
は空気熱交換器０９にて空気の加熱に使用され、その
後、排ガス０１１として排出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】前述したような従来の
ガスリサイクル技術を使用したシステムでは、アノー
ド排ガスのうちリサイクル出来るガス量に制約が生じ、
未反応水素あるいは炭化水素を燃焼させる割合が高いた
めに、エネルギー効率が低くなる、アノード内の水蒸
気分圧が高くなり、起電力低下に伴う燃料電池の発電性
能の低下が起こる、という問題点がある。 循環ガス量の制約をなくすためには、エゼクタ方式で
はなく、循環ブロワ、ターボコンプレッサを使用する方
法が提案されているが、１０００℃という高温環境下で
の適用は困難という問題がある。
【０００９】本発明は、上記問題点を解決し、発電シス
テム効率を向上させる固体電解質型燃料電池発電システ
ムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決する［請
求項１］に係る発明は、水素あるいは炭化水素系燃料ガ
スを燃料とする固体電解質型燃料電池において、燃料電
池本体で発電後の燃料排ガスの一部を、再生熱交換器、
凝縮器を経由して、燃料電池アノード入口へ再循環させ
ることを特徴とする。
【００１１】［請求項２］に係る発明は、［請求項１］
の燃料電池において、燃料排ガスの一部を、燃料改質
器、再生熱交換器、凝縮器を経由して、燃料電池アノー
ド入口へ再循環させることを特徴とする。
【００１２】上記固体電解質型燃料電池発電システムに
おいて、固体電解質型燃料電池のアノード排ガスを再循
環させ再循環ガス中の水蒸気分圧を下げて燃料電池アノ
ード入口に供給することにより、燃料電池起電力の低下
を防ぎ、システム効率の向上を図ることが可能となる。
【００１３】燃料電池アノード出口から放出された高温
の燃料排ガスの一部は再循環系統内に設けられた再生熱
交換器内で凝縮器通過後の低温のリサイクルガスとの熱
交換により一旦冷却される。冷却された低温のリサイク
ルガスは凝縮器内で更に冷却され排ガス中の余剰な水蒸
気を凝縮分離する。これにより燃料排ガスリサイクルガ
ス中の水蒸気分圧を低く保て、起電力が上昇するため燃
料電池の発電性能向上が図れる。
【００１４】また、凝縮器通過後に設置された循環ブロ
アは常温作動であることから、循環流量の調整が広範囲
にわたって可能であり、燃料排ガス中の未反応水素ある
いは炭化水素の利用率を向上することができ、燃料電池
の発電効率の向上が可能である。
【００１５】なお、循環ブロアの下流側に設置された再
生熱交換器はリサイクルガスの冷却及び加熱をおのおの
の保有顕熱で行うことから余分なエネルギー消費を必要
とせず、高いシステム効率を可能とする。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例について説明す
るが、本発明はこれに限定されるものではない。 ＜実施例１＞図１に本発明の実施例１にかかる発電シス
テムの概略図を示す。図１に示すように本固体電解質型
燃料電池発電システムは、水素あるいは炭化水素系燃料
ガスを燃料１０とする固体電解質型燃料電池において、
燃料電池本体（ＳＯＦＣ）３で発電後の燃料排ガス３ｄ
の一部を、再生熱交換器１２、凝縮器１３を経由して、
燃料電池アノード入口３ｃへ再循環させるようにしたも
のである。
【００１７】図１に示すように、供給空気は供給空気ラ
イン１から供給され、送風機あるいは圧縮機により空気
予熱用熱交換器２において燃焼器４からの燃焼排ガスに
より加熱され、燃料電池本体３の燃料電池カソード入口
３ａに供給される。ここで燃料電池カソード出口３ｂか
らの空気排ガスとアノード出口３ｄからのリサイクルし
ない燃焼排ガスは燃焼器４へ供給され、空気予熱用熱交
換器２にて熱交換された後、排ガス５として排気され
る。供給燃料ガスは燃料ガス供給ライン１０から供給さ
れ、アノード出口３ｄからの燃焼排ガスの内、リサイク
ルするガスと混合され、混合された燃料ガスは燃料加熱
用熱交換器１２に導入され、その後凝縮器１３にて水分
の一部を取り除いた後、循環ブロア１４により燃料加熱
用熱交換器１２に再度導入される。更に、燃料加熱用燃
焼器１５を経て燃料電池アノード入口３ｃに供給され、
発電が行われる。燃料ガスのリサイクル量は循環ブロア
流量を制御する事により可能となる。また、燃料ガス中
の水蒸気分圧は凝縮器作動温度を制御することにより可
能となる。
【００１８】＜実施例２＞図２に本発明の実施例２にか
かる発電システムの概略図を示す。実施例２は実施例１
において、燃料改質器を設けて、燃料改質を行ったもの
である。実施例１と構成の概要は同じであるが、燃料ガ
ス供給ライン１０から供給された供給燃料ガスと、アノ
ード出口３ｄからの燃料排ガスの内、リサイクルガスと
混合した後、燃料加熱用熱交換器１２に導入する前に、
燃料改質器１１を設けている。ここで、混合されたガス
は温度が高いこと、水蒸気分圧が高いことから改質反応
が効率よく行われる。燃料改質器がない場合、燃料は水
素に変えられることなく、燃料電池に導入される。この
場合、燃料電池の内部で発電に伴って発生する水蒸気を
下記の反応で改質に利用する。この改質反応は吸熱反応
であり、電池の発熱を吸収するので、高性能化が達成で
きる。 メタン＋水蒸気＝水素＋二酸化炭素 燃料改質器がある場合にはあらかじめ水素と二酸化炭素
に改質されて燃料電池に導入されるため、電池内部では
発熱のみがおこるため、冷却が必要となる。燃料改質器
には熱が必要なため、この熱は外部から供給する必要が
ある。ただし、排熱を効率的に使用することにより、両
者は同等であるため、熱損失のないことと、電池内の冷
却が出来る、という有利な点がある。
【００１９】
【発明の効果】以上実施例と共に説明したように、本発
明によれば、水素あるいは炭化水素系燃料ガスを燃料と
する固体電解質型燃料電池において、燃料電池本体で発
電後の燃料排ガスの一部を、再生熱交換器、凝縮器を経
由して、燃料電池アノード入口へ再循環させるようにし
たので、系内の水蒸気分圧上昇による起電力低下を起こ
すことなく、高効率での発電が可能となる。なお、燃料
ガス再循環装置であるブロアーを常温で用いるため装置
の信頼性向上が期待でき、安定した運転が可能となる。
【００２０】［請求項２］に係る発明は、［請求項１］
の燃料電池において、燃料排ガスの一部を、燃料改質
器、再生熱交換器、凝縮器を経由して、燃料電池アノー
ド入口へ再循環させるようにしたので、改質反応は吸熱
反応であり、電池の発熱を吸収するので、高性能化が達
成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る固体電解質型燃料電池
発電システムの基本系統図である。
【図２】本発明の実施例２に係る固体電解質型燃料電池
発電システムの基本系統図である。
【図３】従来のエゼクタ−循環方式の固体電解質型燃料
電池発電システムの基本系統図である。
【符号の説明】
１ 供給空気ライン ２ 空気予熱用熱交換器 ３ 固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ） ３ａ 空気極入口ライン ３ｂ 空気極出口ライン ３ｃ 燃料極入口ライン ３ｄ 燃料極出口ライン ４ 燃焼器 ５ 排ガス １０ 燃料ガス供給ライン １１ 燃料改質器 １２ 燃料加熱用熱交換器（再生熱交換器） １３ 凝縮器 １４ 循環ブロア １５ 燃料加熱用燃焼器 １６ 燃焼用空気 １７ 凝縮水

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素あるいは炭化水素系燃料ガスを燃料
    とする固体電解質型燃料電池において、 燃料電池本体で発電後の燃料排ガスの一部を、再生熱交
    換器、凝縮器を経由して、燃料電池アノード入口へ再循
    環させることを特徴とする固体電解質型燃料電池発電シ
    ステム。
  2. 【請求項２】 請求項１において、燃料排ガスの一部
    を、燃料改質器、再生熱交換器、凝縮器を経由して、燃
    料電池アノード入口へ再循環させることを特徴とする固
    体電解質型燃料電池発電システム。
JP10034396A 1998-02-17 1998-02-17 固体電解質型燃料電池発電システム Withdrawn JPH11233129A (ja)

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