JPS60165063A - 燃料電池発電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの熱効率
を向上し得る燃料電池発電方法に関するものである。

〔従来技術〕

従来の石炭ガス化燃料電池発電システムを第１図を参照
して説明する。石炭・水スラリー（ａ）と酸素（ｂ）を
ガス化炉（１）に送り、ここで部分酸化法によって水素
（Ｈ２）、−酸化炭素（００）、二酸化炭素（００２）
、水蒸気（Ｈ２０）を主成分とする高温、高圧の燃料ガ
ス（１）を生成する。

この高温、高圧の燃料ガス（Ｃ）を排熱回収ボイラ（２
）に送シ、ここで蒸気タービン発電システム（３）に熱
を与える。次に、温度が降下した燃料ガスをガス精製装
置（４）に送り、ここでガス中のダストおよび不純ガス
（Ｈ２Ｓ、　００８．　ＨＯｌ、　ＨＦなど）を除去す
る。圧力を持った清浄な燃料ガスは、リサイクルブロア
（５）によって供給されるリザイクルガス（ｄ）と混合
し、溶融炭酸塩型燃料電池（６）（以下ＭＯＦＣと称す
）のアノード（７）入口側に供給される。

アノード（力では、次の（１）式、（２）式で示す電気
化学反応が起こり、水素（Ｈ２）と−酸化炭素（ＣＯ）
を消費し二酸化炭素（００□）と水（Ｈ２０）を生成す
る。

Ｈ２＋００３−→１（２０＋　００２　＋　２　ｇ　（
１）弐〇〇　＋００３−→２００２＋２　ｅ　（２）式
ＭＯＦＱ（６）内における燃料（Ｈ２，００）の反応率
は８０〜９０％であるので、アノード（力量ロガス中に
は未反応の一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２）が残存し
ている。これを前記リサイクルブロア（５）で昇圧し、
一部をリサイクルしてアノード（７）入口側に戻し、残
りの出口ガス（ｆ）を触媒燃焼器（８）に送る。

一方、空気（σ）を圧縮機（９）で昇圧し前記触媒燃焼
器（８）に送る。前記残りの出口ガス（ｆ）中の一酸化
炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ２）は、ここで完全燃焼して二
酸化炭素（００２）及び水（Ｈ，、０）を生成する。

触媒燃焼器（８）内でＭＯＰＣのカソード（ＩＱに必要
な二酸化炭素（Ｃ！０２）を補給された空気（ｈ）は、
リサイクルブロア（１渇で昇圧したリサイクル空気（ｉ
）と混合しカソードα０）入口側に送られる。

カソード００）では下記（３）式に示す電気化学反応が
起り、カソード（１０）で生成された炭酸塩イオン（Ｃ
Ｏ３＝）は電解質α３）中をアノード（７）に移行する
（矢印ｊ）。

Ｃｏ２＋−０２＋　２　ｅ　−＋　００３−（３）式Ｍ
Ｃ！ＦＣ（６）内では（１）式、（２）式、（３）式に
示す反応が連続的に起こり直流の電気を発生し、同時に
多量の熱を発生する。この熱は、アノード（７）および
カソード（１０）を通る燃料ガスおよび前記空気Ｃｈ＋
ｉ）によって持ち去られＭＯＦＣ（６）の運転温度が一
定に保持される。

一部酸素を消費してカソード（１０）を出た空気の一部
は排熱回収ボイラα（イ）に導かれ、前述の蒸気タービ
ン発電システム（３）に熱を与え、温度が降下した空気
は、前記リサイクルブロアαりによってカソードα０）
入口側にリサイクルされる。一方、カソード００）を出
た残シの空気（ｋ）は膨張タービンαつで圧力回収され
たのち、さらに排熱回収ボイラ（１θを通って熱回収さ
れ、大気中に放出される（矢印Ｉり。なお、膨張タービ
ン（１５１の出方の一部を利用して前記圧縮機（９）を
駆動し、残シの出力で発電機０７）を、駆動して電力を
発生する。

前述の燃料電池発電システムの最大の欠点は、アノード
（７）出口ガスの一部（１）を触媒燃焼器（８）を用い
て燃焼させる点にあり、ここで燃焼する水素（Ｈ２）、
−酸化炭素（ＣＯ）はＭＯＦＣ（６）に供給される水素
（Ｈ２）、−酸化炭素（ＣＯ）の約１５係を占めている
。

効率の良い燃料電池という発電装置がありながら燃料ガ
ス中に含まれる水素（Ｈ２）、−酸化炭素（ＣＯ）の約
１５チを燃焼して熱に変え、この熱を効率の悪い蒸気タ
ービン発電システム（３）に供給して発電するのは次の
二つの理由による。

■　アノード（７）の入口および出口における水素（Ｈ
２）、−酸化炭素（ＣＯ）の濃度を一定に保持する必要
があること。

■　前記（３）式の反応に必要な二酸化炭素（００２）
をカソード００）に供給する必要があること。

そして、前記欠点を改善するため触媒燃焼器（８）内で
燃焼する水素（Ｈ２）、−酸化炭素（ＣＯ）の量を少く
すると、アノード（力の入口、出口における水素（ｌ−
Ｉ２　）、−酸化炭素（ＣＯ）の濃度が下り、ＭＯＰＣ
（６）の性能低下を招くほか、リサイクルガス（ｄ）の
量が増大してリサイクルブロア（５）の消費動力も増大
し、結局、改善することがない。

〔発明の目的〕

本発明は前述の発電方法の欠点を解消し、効率の良い溶
融炭酸塩型燃料電池発電方法を提供することにある。

〔発明の構成〕 本発明の発電方法の構成を第２図を参照して説明する。

なお、図中、前記従来技術を説明した際のシステム各部
分と同じ部分については、同一の符号および記号を流用
して示す。

石炭・水スラ’Ｊ−（ｃＬ）と酸素（ｂ）をガス化炉（
１）に送り、ここで部分酸化法によってｌ−１２，Ｃｏ
、　ＣＯ２゜Ｈ２Ｏを主成分とする高温、高圧の燃料ガ
ス（ｃ）を生成し、この燃料ガス（１）の熱を、排熱回
収ボイラ（２）を介して蒸気タービン発電システム（３
）に供給し、次いでガス精製装置（４）に送り、ガス中
のダストおよび不純ガスを除去する。ここまでは従来の
方法と同じである。

圧力を持った清浄な燃料ガスは、高温リサイクルブロア
（２０）によって供給されるリサイクルガス（ｍ）およ
び低温リサイクルブロアＱ］）によって供給されるリサ
イクルガス（ｐ）と混合し、ＭＯＦＣ（６）のアノード
責７）に入る。アノード（７）では、従来と同様、（１
）式、（２）式の電気化学反応を生じ、Ｈ２とＣＯを消
費しＨ２Ｏと００２を増加させる。

Ｉ（２＋００３″′−→Ｈ２０＋　ｃｏ、、　＋　２　
ｅ　（１）式○Ｏ＋ＣＯ３−−−）　２００２＋　２　
ｅ　（２）式ＭＯＦＣ（６）における燃料ガス（Ｈ２，
Ｃｏ）の反応率は約８０〜９０％であるので、アノード
（７）出口ガス中に未反応のＣｏ、　Ｈ２が残存してい
る。このアノード（７）出口ガスの一部は前述したよう
に高温リサイクルブロア（２０）によって昇圧されアノ
ード（７）入口側にリサイクルされる。残りの出口ガス
（ｆ）は、熱交換器（イ）を介して低温リサイクルブロ
ア１２］）の出口ガスと熱交換して温度が下シ、次に熱
交換器−を介してカソード（１０）に供給する空気と熱
交換して温度が下り、さらに排熱回収ボイラ（ハ）を介
して蒸気タービン発電システム（３）に熱を与えること
によって温度が下り、そののち吸収器（ハ）に導かれる
。

吸収器（ハ）内には、二酸化炭素（ＣＯ□）を化学的ま
たは物理的に吸収する物質が配設され、ガスげ）中に含
まれる二酸化炭素（００２）を除去する。

二酸化炭素（００２）が除去され一酸化炭素（ＣＯ）、
水素（Ｈ２）の濃度が高くなったガスは前述したように
低温リサイクルブロアＱυによって昇圧され、熱交換器
（イ）によって昇温したのちアノード（力入ロ側にリサ
イクルされる。

一方、空気（ｇ）を圧縮機（９）によって断熱圧縮し、
排熱回収ボイラ（イ）を介して蒸気タービン発電機シス
テム（３）に熱を与え、再生器（イ）に導く。吸収器（
ハ）内で二酸化炭素（ＣＯ２）を吸収した物質（ｑ）は
再生器（イ）に移送され、再生器勾内で大量の空気と接
触する。吸収器（ハ）と再生器（５）の各内部圧力はほ
ぼ同じ圧力レベルであるが、再生器（イ）内の空気中の
ＣＯ□分圧が低いため、物質（ｑ）は化学的または物理
的平衡の関係から二酸化炭素（ＣＯ２）を空気中に放出
する。

このようにして二酸化炭素（ＣＯｚ）を放出し再生され
た物質（ｒ）は再び吸収器（ハ）に戻される。再生器（
イ）内で二酸化炭素（００２）を供給された空気は、熱
交換器（ハ）、熱交換器（ハ）内で昇温され、リザイク
ルブロア翰によって昇圧されたりサイクル空気（ｓ）と
混合したのちカソード００）に供給される。カソード０
０）においては従来と同様、下記（３）式の反応を生じ
、生成された炭酸塩イオンＣＯ３−は電解質（１３）中
をアノード（力に向って移行する（矢印ｊ）。

ＣＯ２＋７０２＋　２　ｅ−＋００３−Ｂ３）式ＭＣＩ
”　Ｏ（６）ては、（１）式、（２）式、（３）式の反
応が連続的に起こり、直流の電気を発生し且つ同時に多
量の熱を発生する。発生した熱は、Ｍ　ＣＦ”　Ｃ（６
）を通過する燃料ガスおよび空気によって持ち去られ、
燃料電池の運転温度は一定に保持される。

一部酸素を消費してカソード００）を出た空気は、その
一部かりサイクルブロア翰によってカソード（１０）入
口側にリサイクルされ、残りの空気は・Ｑ：＋（焼器（
７）に送られる。一方、二酸化炭素（Ｃｏ、、）を除去
され低温リサイクルブロア（１）で昇圧され、熱交換器
（２）内で昇温されたガスの一部（ｔ）も・黙焼器（至
）に送られ燃焼される。燃焼器（剣を出た排ガスは膨張
タービン（３功によって圧力回収され、次いで熱交換器
（ハ）内で熱回収され大気中に放出される（矢印ｌ）。

なお、膨張タービン０功の出力の一部は圧縮機（９）の
消費動力として使われ、残りの出力で発’ｊ（Ｌ機（１
７）を駆動し、電力を発生ずる。

以上述べたごとく、本発電方法でに１、アノード（７）
出口ガスの一部を吸収器（ハ）ＶＣ４いて出口カス中の
二酸化炭素の大部分を吸収除去し、二酸化炭素を除去し
たガスをアノード（７）側にリーリイクルする一方、吸
収器（イ）内で二酸化炭素を吸収した物質（ｑ）を再生
器（イ）に移送し、再生器（ハ）内で、再生器を通って
カソード（１，０）に供給される空気と直接接触させ、
供給した空気中の二酸化炭素の分圧が低いことを利用し
て前記物７Ｉ￥（ｑ）から二酸化炭素を分離して物質（
ｒ）に再生すると共に、分離した二酸化炭素を空気と共
にカソード（１０）に供給することを特徴とするもので
あり、アノード（７）の入口および出口におけるＨ、、
、Ｃ！Ｏ濃度を常に高く保持できるのでパージガス（ｊ
）の量を少くすることができ、従って燃料ガスの大部分
を、燃料電池（６）内で電気化学反応させ、その結果、
システムの効率を向上し得るなどの利点を有するもので
ある。

〔実　施　例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。本
発電方法による実施例のフローチャートを第３図に示す
。ガス化、ガス精製までのプロセスは第２図と同じであ
るので、第６図には適切な温度、圧力を有する清浄な燃
料ガス（ｕ）が供給されたところより下流のシステムを
示し、その範囲について詳述する。なお、システム各部
の符号、記号について同一部分については第２図の説明
に使用したものを流用して示す。

供給された燃料ガス（塾）は、６８２°Ｑ、７．０５α
は、流量１４．３２８　ｋｇ−ｍｏびｈで、組成は下記
の通りである。

Ｃｏ　５３．７　ｑ　ｒｎｏｔ％ Ｈ２３６，５５／７ ００２　７．０６　ｔｔ 山　Ω１０　〃 ＮＨ３０，２４ｔｔ Ｈ２Ｏ２，２６ｔｔ 上記の燃料ガス（、）は、高温リサイクルブロア翰によ
って昇圧されたガスおよび低温リザイクルプロアＣ］）
によって昇圧され熱交換器（イ）によって昇温されたガ
スと混合し、溶融炭酸塩型燃料電池（６）（ＭＣＦＯと
称す）のアノード（力に導かれる。なお、後者のリサイ
クルガスの一部（Ｚ）は、後述するように燃焼器−を経
て系統外にパージされる。

アノード（７）入口側の燃料ガスし）は、６０７°Ｃ１
７，０５ａｔａ、流量４２．１１６ｋｇ−ｍｏｌ／ｈで
組成は下記のとおりである。

００　２６、０９　ｍｏ１％ Ｉ（２１６，５１ｍｏ１％ ＣＯ２３６，６４ｕ ０１（、０，７０ｕ Ｎ２０．７９　ｕ ＮＨ３０，０８ｕ Ｈ２０１９，３８ｔｔ アノード（７）では、既に述べた（１）式、（２）式の
電気化学反応が起こる。

Ｈ２＋　００３−→Ｈ２０＋　００２　＋　２　ｇ　（
１）弐〇〇　＋　００３”’−−）　２　Ｃｏ２＋　２
　ｅ　（２）式この反応の結果、アノード責７）出口ガ
ス（Ｗ）は、７０４℃、６９６αＬα、５４．８０４　
ｋｙ−脩Ｏφとなり、その組成は次のとおりである。

ＣＯ６，Ｓ　９　ｍｏｌ　％ １−Ｉ２　３．１９　ｔｔ Ｃｏ、、’　６４．９１　ｕ ＣＩＬ　Ｄ、５　４　ｔｔ Ｎ２　０．６４　ｔｔ Ｈ２Ｏ２４，３３／／ アノード出口ガス（ｗ）の一部は高温リサイクルフ゛ロ
ア（２０）によってアノード（７）入口ｌ刊にリサイク
ルされる。残りの出口ガスは、熱交換器（イ）、ヒート
パイプ式熱交換器（２６α）、排熱回収ボイラ（財）、
熱交換器ＨＮ、気液分離ドラム（至）を通って吸収塔（
２５α）に導入され、ここでｉｏｏ℃、３０ｗｔ％の炭
酸カリウム水溶液と接触し、吸収塔に導かれたガスに含
まれている大部分の二酸化炭素（Ｃｏ□）、水（Ｈ２Ｏ
）が除去される。

吸収塔（２５α）に入る前に気液分離ドラム（７）内で
分離された凝縮水はポンプ（ト）によって熱交換器０′
３を通り昇温したのち吸収塔トップのトレイ０乃に供給
される。吸収塔トップでは、二酸化炭素（ＣＯ２）、水
（Ｈ２Ｏ）を除去したガスと、上記トンイ（イ）に供給
した水（Ｈ２Ｏ）が接触し、ガスはその温度に見合った
水分飽和の状態となる。このようにして吸収塔（２５α
）出口ガス中の水分（Ｈ２Ｏ）の量が調整される。

吸収塔（２５（Ｌ）出口ガス（、）は、１３０’Ｑ、６
．５　ａｔａ、流量６．４８２　ｋ’；ｌ　−ｍｏｌ！
／ｈで、組成は次のとおりである。

ＣＯ３２，４１ｍｏ１％ Ｈ２１６，２１ｔｔ ＣＯ□　６２９　〃 ＣＨ４２，７２ｕ Ｎ２　３．２５　〃 Ｈ２０４２，１２／１ このガス（、）は、低温リサイクルブロア（ｇ］）によ
ってアノード（７）入口側にリサイクルされる。

二酸化炭素（００２）および水（Ｈ２０）を吸収した炭
酸カリウム水溶液は、ポンプ６２によって再生塔（２７
ａ）に送られる。

一方、空気（（７）、流量８６．０３９　ｋｇ−ｍｏｌ
／ｈは圧縮機（９）によって７６８αｔａまで圧縮され
、排熱回収ボイラ（イ）によって熱回収されたのち再生
塔（２７α）に導入される。この空気は、二酸化炭素（
００２）および水（Ｈ２０）を吸収した炭酸カリウム水
溶液と直接接触し、平衡作用によって上記溶液中の二酸
化炭素（ＣＯ□）および水分（Ｈ２０）を空気側に取り
出す。

再生塔（２７α）出口の空気（ｆＬ）は、１００’Ｑ。

７．１７ａｔａ、流量１１２．４３９　ｋｇ　−ｍｏｌ
／ｈで、組成は下記のとおりである。

００２　１８、７９　ｍｏｌ　％ ０□　１６．０２　ｎ Ｎ２／ｋｒ　６０．５０　ｔｔ Ｈ２０’　４．６９　ｔｔ 上記の空気（ｒＬ）は、熱交換器（ハ）、ヒートパイプ
式熱交換器（２６α）を通って昇温され、次いでリサイ
クルプロア翰によってリサイクルされる空気と混合し、
ＭＯＦＣ（６）のカソードα０）に入る。カソード（１
０）では、既述した下記（３）式の反応が起こり、炭酸
塩イオン（ＣＯ３″′−）は電解質０３）中をアノード
責力側に移行する（矢印ｊ）。

ｃｏ２＋　０２　＋　２　ｅ−）００３−（３）式ＭＯ
ＦＣ（６）では式（１）　（２）　（３１の反応が連続
的に起こシ、直流電気を発生すると同時に大量の熱を発
生する。この熱は、燃料ガスおよび空気によって持ち去
られ燃料電池の運転温度は一定に保持される。

カソード００）出口の空気（ｙ）は、７０４°０．６．
９６αｔα、流量２４１．１５１１ｃ針ｍｏｌ／ｈで、
組成は下記のとおりである。

００２　９、０７　ｍｏｌ　％ ０２　１２．５１　〃 Ｎ２　／Ａｒ　７２．７８　ｔｔ Ｈ２０５，６３ｔｔ カソード吐出口の空気（ｙ）の一部は、リサイクルブロ
ア翰によってカソード（１０）入口側にリサイクルされ
、残りの出口ガスは燃焼器−に送られる。

他方、燃焼器（７）にはパージガス（１）として６０５
℃、７．０３　ａｔａ、流量５２９　ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ
の下記組成のガスが供給され、ここで燃焼する。

Ｃｏ　５２．４１　ｍｏｌ　％ ■１□　１６．２１　ｕ ００２　３．２９　ｔｔ ＯＨ４２，７２ｔｔ Ｎ２／ｋｒ　３．２５　ｔｔ Ｈ２０４２，１２ｕ 燃焼器（７）を出たガスは、膨張タービン０埠に導入さ
れ、膨張時に発生する仕事によって圧縮機（９）を駆動
するほか、同時に発電機０７）を駆動し、電力を発生す
る。

膨張タービンＯ）を出たガスは熱交換器（ハ）、（ホ）
で熱回収され、大気中に放出される（矢印ｌ）。

なお、図中、符号（４［相］は再生された炭酸カリウム
水溶液を吸収塔（２５α）に送るポンプ、０］）（ハ）
は、系統外から取り入れる補給水（ｚ）および吸収塔（
２５α）の上部から排出される水によって炭酸カリウム
水溶液の濃度を調整するだめの水ポンプである。

また、排熱回収ボイラ（ハ）翰で回収した熱は、蒸気タ
ービン発電システム（３）（第２図参照）によって回収
され発電に利用される。

〔発明の効果〕

以上述べたごとく、本発明の燃料電池発電方法は、 （ｉ）　燃料電池アノード出口ガスの一部を吸収装置に
導き、前記出口ガス中の二酸化炭素を除去してアノード
入口側にリサイクルさせるようにしたので、アノード入
口および出口の水素（Ｈ２）、−酸化炭素（ＣＯ２）の
濃度を常に高く保持することができ、従って反応ガスの
パージ量が少なく、効率の良い燃料電池の出力を著るし
く増大させ、効率の悪い蒸気タービン、膨張タービンの
出力を減少させる。この結果、システムの総合熱効率は
従来の約５１％に対し、本発明のシステムでは約５６係
に向上する。

（ＩＩ）二酸化炭素を吸収した物質を再生する場合、通
常、加熱および減圧操作を適宜組み合せるので、この過
程においてエネルギの消費が大きいが、本発明の方法で
は燃料電池のカソードの冷却兼熱回収に必要な大量の空
気を利用して操作圧を下げることなく二酸化炭素の分圧
を下げるだけの操作によって再生するので、再生過程で
のエネルギの消費が極めて少量である。

（ｉｉｉ）　パージガスの熱エネルギを、従来のように
蒸気タービン発電システムで回収する替わりに膨張ター
ビン入口のガス温度を上昇させ、膨張タービンの出力を
増大させると同時に、その排熱をカソードへの供給空気
の加熱に利用することによりパージガスの熱エネルギを
さらに有効に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電方法の説明図
、第２図は本発明の方法の構成を示す発電システムのフ
ローチャート、第ろ図は本発明の方法を実施するための
発電システムのフローチャートである。 図中、（３）は蒸気タービン発電システム、（６）は燃
料電池、（力はアノード、００）はカソード、（ハ）は
吸収器、（イ）は再生器を示す。 特許出願人 石川島播磨重工業株式会社 第１図 ８ 第２図 ］

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）溶融炭酸塩型燃料電池を有する発電装置の発電方法
   において、燃料電池のアノード出口ガスの一部を二酸化
   炭素吸収装置に導き、前記ガス中に含まれる二酸化炭素
   の大部分を除去して前記アノード入口側に再循環せしめ
   、前記吸収装置内で二酸化炭素を吸収した物質を再生装
   置に移送し、該再生装置に導入した空気を前記物質に直
   接接触させて前記物質から二酸化炭素を前記空気中に取
   シ出し、取り出した二酸化炭素を空気と共に燃料電池の
   カソード側に供給することを特徴とする燃料電池発電方
   法。