JPS60195880A - 固体電解質燃料電池発電システム - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は固体電解質撚°料電池に係り、特に、良好な効
率を示す固体電解質燃料電池発電システムに関する。

〔発明の背景〕

燃料電池はエネルギの変簿効率が高く、環境問題が少な
く、モジュール構成により出力規模を自由に選択可能で
ある等の特徴があり、水力、火力。

原子力に次ぐ発電方式として有望視されている。

固体電解質型燃料電池は燐酸型、溶融炭酸塩型に次ぐ第
三供代の燃料電池として我が国ではムーンライト計画で
開発が推進されており、米国ではウェスチングハウス社
が開発を行なっている。これらの状況については、例え
ば、゛電気学会技術報告（■部１４１号（燃料電池の展
望）″、電気学会（昭和５７年１２月）等に詳細に記述
されている。

固体電解質型燃料Ｗ１ｉｌＩ！Ｉの発電原理は、例えば
、゛高温固体電解質燃料電池の試作および発電試験″高
温学会誌（第７巻、第５号）、（１９８１年９月）等に
詳細に記述されているのでここでは第１図により概略を
説明する。

第１図において、固体電解質燃料電池はアノード１、カ
ソード２、固体電解質３より構成される。

アノード、カソードは良電子導電性、化学および物理的
に安定であり、耐熱性に優れた材料が要求され、アノー
ドにはＮｉｐ、Ｇｏ等、カソードにはＮ　１−ＡＱ、Ｌ
ａＣｏ０．、ＳｎＯ，ドープのＩｎ、Ｏ，等が考えられ
ている。固体電解質はＺ　ｒ　Ｏ２ＨＴ　ｈ　Ｏ２１Ｃ
ｅ　Ｏｚ等の安定化物質が利用可能である。が、現在は
、酸化イツトリウム（ｙ、ｏ３）で安定したジルコニア
（ＺｒＯ，）が多く用いられている。この安定化ジルコ
ニアは蛍石型結晶構造をもち、酸素原子の格子欠陥によ
り酸素分圧に比例した酸素イオン導電性を持つ。

この酸素イオン導電性は１０００℃程度で顕著になる。

電池を作動させるためにはアノード側には、例えば、水
素、−酸化炭素等の燃料５を流し、カソード側には空気
、あるいは、酸素を含む気体７を流す、アノードとカソ
ードを負荷４で結ぶ。アノードでは燃料５と電解質中の
酸素イオンが、例えば、つどのような反応を生じる。

ｃｏ＋ｏ’−→ＣＯ＋２ｅ− Ｈ２＋０’−−＊Ｈ，Ｏ＋２　ｅ− 酸素イオンは電解質中を導電しカソード側では酸素イオ
ンの不足が生じ、気体７中の酸素は、０、＋４ｅ−→２
０２− となる、これらの反応により電子９は負荷を動かしアノ
ードからカソードへと流れる。

この電池は、燐酸型、溶融炭酸塩型などのように燃料材
成分に対する制限はなく、例えば、天然ガス等を直接燃
料として用いる作が可能であり。

高温のため出１コ排燃料はリフオーミング反応によりＨ
，、Ｃｏとなる。他の燃料電池と同様に供給はた燃料お
よび酸素を完全に消費する事は、ａ流密度、電池の大き
さ等の制限により困難であり、アノード側の排燃料６中
には未反応燃料が残り。

カソード側の排気体８中には未反応酸素が残る。

また、分極による電池効率の低下分は反応に伴う熱とな
り、特別な冷却機構、媒体を用いない限り、アノード側
、カソード側の気体両方、もしくは、一方の温度を上昇
させる結果となる。

理論的な起電力である開路電圧Ｅは、ネルンストの式に
より、アノード側およびカソード側の酸素分圧Ｐａ、の
比として、つどのように表わすことができる。

こζでＲはガス定数、Ｔは動作温度、Ｆはファラデイ定
数である。

固体電解質燃料電池の動作温度はイオン導電性を良くす
るために必然的に高くならざるを得ず。

その排熱温度が高い事を利用し１発電プラントに利用す
る考えは、例えば、”　Ｈｉｇｈ−Ｔ　ｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅＳｏｌｉｄ　Ｏｘ、ｉｄｅ　Ｆｕｅｌｌ　Ｃａ１
ｌ−Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　５ｔａｔｕ＋”。

Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　５ｏｕｒｃｅｓ
、　１０　（１９８３）　８９−１０２等で詳細に検討
されている。

第２図は前記文献中で検討さ九でいる例を引用したもの
で、以下第２図により説明する。

燃料２７は、燃料予熱器１０を通り、固体電解質燃料電
池本体１１に入る。一方、空気２９はファン２３から空
気予熱器１３を通り、固体電解質燃料電池本体に入る。

固体電解質燃料電池で発電３６を行なった排燃料および
排空気はアフターバーナ１２内で燃焼され、一部は燃料
予熱器】０へ導入され３２、燃料を予熱した後に煙突２
６より外部へ放出される。残りの燃焼排ガス３３は、ボ
イラ１５を通り給水加熱器１６を通り、空気予熱器１３
を通った後に、煙突２６より外部へ放出される。給水加
熱器１６では給水３４を加熱し、加熱された給水はボイ
ラ１５で蒸気３５となり、蒸気タービン１９を駆動する
。蒸気タービンは発電機２１を駆動し充電を行ない、蒸
気タービンを駆動した蒸気はコンデンサ２０で復水され
、脱気器１７に入り、脱気された後に給水ポンプへ入る
。

補助燃焼器１４は、起動時に弁２４を開き、燃料２７を
供給、ファン２２を作動させ空気２８を供給し、弁２５
を開き燃焼ガスを燃料予熱器ｌＯに導入し、供給燃料の
予熱源として用いる。

このような固体電解質燃料電池発電システムでは、固体
電解質燃料電池における電気化学反応による発熱および
固体電解質燃料電池における未反応燃料は、熱に変換さ
れ、熱の形態のみで蒸気の発生、蒸気タービンの駆動等
に使用されるため十分に固体電解質燃料電池の作動温度
が高く排熱の質が良好である特徴を生かすことができな
い。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、高温良質な排熱、未反応な燃料の有効
利用を図る固体電解質燃料電池発電システムを提供する
にある。

〔発明の概要〕

本発明は、カソードへの供給空気圧力を空気圧縮機によ
り高くし、固体電解質燃料電池の作動圧力を高圧下にお
き、固体電解質燃料電池よりの高温高圧排空気、排熱料
を燃焼させ、−燃焼後の高温高圧燃焼ガスを膨張タービ
ンに導入し、膨張タービンにより圧縮機および発ｔｌＬ
機を駆動し、膨張タービン出口の排気ガスにより蒸気を
発生させ、蒸気タービンを駆動することにより、固体電
解質燃料電池発電システムの総合効率を向上させるよう
にしたものである。

固体電解質燃料電池の効率を（発電出力／反応燃料総発
熱量）と定義し、η、Ｃとし、燃料利用率（反応燃料量
／供給燃料量）をη。、蒸気タービンプラント発電効率
をηＢ１とすると第２図に示す従来例による固体１１！
解質燃池発電システムの総合充電効率９１はつどのよう
になる。

＋７１＝ηｕＸｒ）Ｆｃ＋（（１−ηＵ）＋η。×（１
−η、、ｅ））×η、Ｔ 一方、カソードへの供給空気圧縮機、固体電解質燃料電
池本体、排空気と主燃料による燃焼器、膨張タービンに
より祷成されるプレイトンサイクルの効率をり。□どお
けば、本発明による固体電解質燃料電池発電システムの
総合発電効率η２は、η、＝す。×η、＝　ｃ　＋　（
（＋−η。）＋　ｆｌｕ　Ｘ（１−ηｐ　ｅ））×（η
、１＋（＋−η６ｔ　）ＸηｇＴ）ここで両者を比較す
ると、 η７−η＋　＝　（（］　’７ｕ　）＋すｕｘ（ｔ−η
、Ｃ））Ｘ（１−η、Ｔ）ＸηＧ７ り。〈１．η、　ｃ＜１　、ηｓ　Ｔ　＜　１であるか
ら、η、〉り。

となる。ここで両者のηＢ１を同じとするのは蒸気条件
が同一でないため必ずしも正確ではないが、一般には、
ガスタービン＝蒸気タービン複合充電発電プラントの効
率（η、中のη。、＋（１−η。Ｔ）Ｘη８Ｔの項）は
蒸気タービンの効率ηＢＴより高いことは周知であり、
この事がらもη、〉η１となる。

例えば、η。＝０．８．　η、１ｅ＝０．５．　η、７
＝０．４．ηｏ、Ｉ＋（１−りａｔ）Ｘη、、＝０．４
３を仮定すれば、 η、＝０．６４ η、　＝０．６５８ となり絶対値で１．８％の差となる。この両者の差は固
体電解質燃料電池本体の効率ηｒｅおよび燃料利用率η
□の低下、すなわち、固体電解質燃料電池の性能が悪い
ほど大きくなることはη１とη、の計算式より明らかで
あり、言いかえれば、固体電解質燃料電池の性能が低い
場合にも本発明によれば発電総合効率の高い固体電解質
燃料電池発電システムを提供し得る６ また、高圧化にする事トこより電気化学反応の活性化が
高くなり電池本体の効率ηｐｃの向上が期待される。こ
れは、アノードにおける反応、例えば、 ｃｏ＋ｏ’−→ＣＯ＋２ａ− Ｈ，＋０２−→Ｈ２０＋　２　ｅ　− などが高圧下で促進されることで明らかであるし。

供給空気の昇圧により空気温度が高くでき、予熱器を小
さくする効果も得られる。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を、以下、組節３図より説明する。固
体電解質燃料電池本体はカソード４０、アノード４】、
固体電解質４２より摺成され、カソードへの供給空気系
として空気圧縮機３９、空気予熱器４３を設け、アノー
ドへの燃料供給系として燃料予熱）計４７を設け、空気
圧縮機出口と空気予熱器、空気予熱器と固体電解質燃料
電池カソード部を配管で結ぶ、燃料予熱門出口と固体電
解質燃料電池アノード部を配管で結ぶ。カソード部およ
びアノード部のそれぞれの出口からは補助燃焼器４４へ
配管し、補助燃焼量出口部と膨張タービン４５人口を結
ぶ。膨張タービン出口から燃料予熱器４７へおよび燃料
予熱器出口から蒸気発生袋４８へそれぞれ配管を結ぶ。

蒸気発生器４８には、給水ポンプ４９よりの給水配管が
結ばれ、蒸気発生器出口よりの蒸気配管は蒸気タービン
５０に結ばれ、蒸気タービン出口部にはコンデンサ５１
を設けである。空気圧縮機４４と膨張タービン４５とは
回転軸間の動力を伝達可能にしてあり。

さらに、発電機４６へ動力を伝達可能としてし）る。

空気圧縮機３９に入った大気よりの空気５３は空気圧縮
機で昇圧されると同時に、圧縮仕事により出口空気５４
の温度は高くなる。空気は固体電解質燃料電池の反応用
として供給され、固体電解質燃料電池における電気化学
反応の反応生成熱の冷却用も兼ねる。圧縮機を出た高温
高圧の空気は空気予熱器４３に供給される。固体電解質
燃料電池の作動温度は約１０００℃であり、空気圧縮機
出口の空気を直接導入するには、温度が低い（空気圧縮
機圧力比１０と仮定すれば３００〜４００℃）ため、固
体電解質燃料電池における熱応力を低下させるため、さ
らに、固体電解質燃料電池本体構造物の冷却を行なうた
めである。この実施例では、予熱器４３と固体電解質燃
料電池本体とを別構造のように示しているが、本発明は
別構造に限定したものではなく、予熱器４３と電池本体
との一体構造も考えられる。予熱器４３を出た高温高圧
空気は固体電解質燃料電池カソード４０に供給される。

燃料５９は外部よりの天然ガス、石炭ガス化カスなどで
、はとんどの気体燃料が有効である。一般には、これら
の燃料は、ガス発生設備等で加圧されて供給されるため
１本実施例では昇圧設備は示されていないが、空気圧縮
機と同様なガス圧縮機を１置する事は可能である６本実
施例では燃料５９は膨張タービン４５よりの排ガス５７
を用い。

燃料予熱器４７で予熱され６０、固体電解質燃料電池ア
ノード４１に供給される。

固体電解質燃料電池内ではアノードの燃料がカソードか
ら、Ｖ素イオンが固体電解質４２内を移動してきたもの
と反応し、電子の移動に生じさせる。インバータ６２は
アノード、カソードで発生した直流電気を交流出力６３
に変換する。

アノード内で未反応な燃料は、アノードにおける反応生
成物（（１，０２，Ｈ，Ｏ等）と共にアノードより排出
される６１゜カソード内では空気中の酸素が消費され、
カソード出口は未反応な酸素（燐酸型などでは酸素利用
率５０％が一般的であるが、本実施例では冷却用空気が
多ｂ１ので利用率は低い。換言すれば、残存酸素凰は多
い、）を含む排空気が放出される。

カソード出口の排空気およびアノード出口の排燃料ガス
は、電池内部の電気化学反応による損失熱のため温度が
上昇し、それぞれの出口では固体電解質燃料電池の作動
温度近くに到達する。アノード１１冒」の排燃料６１と
カソード出口の排空気５５は補助燃焼器４４に導入され
燃焼を行なう。

例えば、固体電解質燃料電池の性能が高く、排燃料が低
発熱量、排空気が低酸素濃度であったとしても触媒燃焼
を行なうことが可能である。

補助燃焼器４４を出た燃焼ガス５６は膨張タービン４５
を駆動する。膨張タービン４５は空気圧縮機３９および
発電機４６を駆動する。

膨張タービン出口の排ガス５７は燃料予熱器４７で燃料
を予熱した後、５８に、蒸気発生器４８に導入される。

蒸気発生器で発生した蒸気は蒸気タービン５０を駆動し
、蒸気タービンは！＠電機５２を駆動する。蒸気タービ
ン出口の蒸気はコンデンサ５１で復水された後に給水ポ
ンプ４９で昇圧された後に蒸気発生器に供給される。

本実施例によれば、空気圧縮機３９、補助燃焼器４４、
膨張タービン４５、発電機４６によって構成されるブレ
インドサイクルは、通常のガスタービンであり、熱回収
ボイラ４８、蒸気タービン５０、発電機５２、コンデン
サ５１、給水ポンプ４９を含めた構成は通常のガスター
ビン＝蒸気タービン複合発電設備と同一な設備を利用可
能であり、既存ガスタービン設備、既存ガスタービン・
蒸気タービン複合発電設備のプラント出力の増加、効率
の大１１】の向上を行なえる効果があり、燃料の大部分
は電池により電気化学反応で処理され、排燃料も低発熱
量であるための低ＮＯｘの効果がある。

本発明の他の実施例を第４図に示す。第３図に示す実施
例はでは固体電解質燃料電池をカソード４０、アノード
４１、固体電解質４２と分けて示したが第４図の実施例
では、固体電解質燃料電池本体６４として示しである１
本実施例が第３図の実施例と異なる点は、第３図の実施
例における空気予熱器４３および燃料予熱器をなくし、
燃料リサイクルファン６７、燃料リサイクルファン駆動
用電動機６８、空気リサイクルファン６９．空気リサイ
クルファン駆動電動機７０を設置したことで、燃料リサ
イクルループおよび、空気リサイクルループの燃料電池
出口部と供給部入口間のいずれの部分かにリサイクルフ
ァンを設置してもよく。

この実施例は一例を示したものである。

カソード用の空気５３は空気圧縮機３９で昇圧された後
に、さらに空圧リサイクルファン６９によって加圧され
、カソードへ供給される。空気リサイクルファンはリサ
イクルファン駆動用電動機７０により駆動される。カソ
ード出口の空気５５の一部７５は空気リサイクルファン
入口部ヘリサイクルされる。これと同じように、燃料５
９はアノードへ供給され、アノード出口の排燃料７１は
燃料リサイクルファン駆動用電動機６８により駆動され
る燃料リサイクルファン６７により昇圧され、一部は燃
料供給部へもどされ７２、他は補助燃焼器へもどされる
７３゜ 本実施例では空気および燃料の両方をリサイクルしてい
るが、もちろん、いずれか一方のみをリサイクルする方
法もある。

本実施例によれば、固体電解質燃料電池本体６４へ供給
される供給空気、供給燃料の両方、あるいは、いずれか
のリサイクルを行なう作により、リサイクルを行なった
場合の酸素分圧に変化が生じ、リサイクルを行なわなか
った場合より、固体電解質燃料電池本体の性能は低下す
ると考えられるが、空気予熱器、燃料予熱器を用いなく
ても空気、燃料の予熱ができるので、プラント建設コス
トを大ＩＩＩに低下できる。

第５図に本発明の他の実施例を示す。第３図に示す実施
例と異なる点は、燃料予熱器７８の加熱源として、アノ
ード出口の排燃料を利用した点と、空気圧減機４４と固
体電解質燃料電池６４間に、燃料燃焼による空気予熱器
８４を設けた点である。

燃料５９は燃料予熱器７８で予熱され固体電解質燃料電
池６４内のアノードへ導入される。燃料電池内の電気化
学反応により昇温された排燃料は、燃料予熱器７８に入
り、供給排燃料を昇温する。

燃料ブーストファン７９はブーストファン駆動電動機８
５により駆動され、排燃料を昇圧する。排燃料の一部は
排燃料制御弁８０を通り、空気予熱器８４に導入される
。残りの排燃料は排燃料制御弁８２を通り、補助燃焼器
４４に入る。空気５３は空気圧縮機３９により昇圧され
５４、空気予熱器８４内で排燃料を燃焼させる事により
、昇温された後８１に、固体電解質燃料電池本体６４．
カソードへと導入される。固体電解質燃料電池本体を出
た排空気５５は、補助燃焼器４４で排燃料を燃焼させ、
燃焼排ガス５６は膨張タービン４５を駆動する。

本実施例によれば、空気予熱器を燃焼による直接接触加
熱として予熱器をコンパクト化ときるほか、起動時に起
動装置８３により空気圧縮機３９を駆動し、一方では、
燃料５９を供給し、固体電解質燃料電池は低温のため電
気化学反応は発生せず、供給燃料はそのまま空気予熱量
内で燃焼し、昇温された空気予熱器出口空気８１で固体
電解質燃料電池を昇温し、さらに、補助燃焼器４４へ、
燃料ブーストファン７９、排燃料制御弁８２を通り、燃
料を送り、膨張タービン４５を駆動し、膨張タービンは
空気圧縮機４４を駆動する事により、固体電解ｇＩ！燃
料電池本体の起動時の昇温を他の補助装置を必要とせず
に行なうことができる。また、固体電解質燃料電池を作
動させなくても発電可能である。

本発明の他の実施例を第６図に示す。第６図の実施例が
第５図の実施例と異なる点は、アノード排ガスの燃焼に
よる空気予熱器８４のかわりに、空気予熱源として膨張
タービン４５出口の排ガス５７を用いた空気・排ガス熱
交換器８６を設置した点である。燃料は第５図の実施例
と同様に、固体電解質出口の排燃料により燃料予熱器７
８で予熱され、ブーストファン７９により昇圧され補助
燃焼器５６へ導入される。空気圧縮機３９の出口の空気
５４は、膨張タービン４５出口の高温排ガス５７で予熱
された後に、燃料電池に導入される。

本実施例では、空気圧縮機３９、補助燃焼器５６゜膨張
タービン４５、空気予熱器８６により再生サイクルガス
タービンを構成することとなり、特に、空気圧縮機の圧
力比が低い場合には効率上有利となり、第５図の実施例
と同様に起動時に補助燃焼器を作動させ空気圧縮機、膨
張タービンを自立作動させながら固体電解質燃料電池を
昇温することができる。

本発明の他の実施例な第７図に示す、第７図の実施例が
第５図の実施例と異なる点は、燃料５９の加熱を排燃料
を直接使用して行なうのではなく、高温排燃料により蒸
気を発生し、その蒸気を使用するもので蒸気の一部は蒸
気タービン５０で使用する。本実施例では燃料の予熱部
に蒸気を使用しているが、空気の予熱に本方式を採用す
る事も可能である。

膨張タービン出口の蒸気発生Ｍ＋４８より油気した給水
の一部は９０は、給水リサイクルポンプ９３より供給さ
れた給水と混合し、固体電解ＪＲｍ料電池７ノード出口
の高温燃料排ガスにより加熱される蒸気発生器９１に供
給されて蒸発し、一部は蒸気タービンの駆動に使用され
９５．残りは燃料予熱器９２で燃料５９を予熱するのに
使用される６本実施例では燃料および空気、またはいず
れか一方の予熱を蒸気で行なうので予熱器の構成が容易
であり、さらに、蒸気発生器４８を給水加熱蒸発主体と
し、蒸気発生１９１を過熱主体とする事により、燃料排
ガスの温度が約１０００℃と高いため蒸気プラントの蒸
気条件を高くする効果がある。

本発明の他の実施例では、燃料供給源とし゛Ｃ酸素酸化
石決方ス化炉を用いる場合に、石状ガス化炉用のＭＭ製
造プラントが設置されているため。

この設備を利用し空気圧縮機を出て予熱された後の空気
に、ｒｄ！索を混入しカソード供給空気酸素分圧を高く
する。

この：メに施例によれば、ｌｉ’ｉ！体電Ｍ’ｆｊ燃料
電池本体の効率が増加するので、発電システム全体の効
率を高くする事ができる。

本発明のさらに他の実施例では、固体電解質燃料電池本
体中の簿造強度が許容可能な範囲でカソード空気系の圧
力をアノード燃料系の圧力より高くする事である。固体
電解質型燃料電池は燐酸型溶融Ｑ酸塩型と異なり電解質
は作動状態で液体とはならず、従って、カソード、アノ
ード間の差圧許容値は電解質およびそれを補強する構造
材の強度に依存する０本実施例によれば、アノード、カ
ソード間の酸素分圧比を大きくする事ができ固体電解質
燃料電池本体の効率が増加するのでＪｌ！電シ電子ステ
ム全体率を高くすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、固体電解質燃料電池の高温排熱、未反
応燃料を有効に利用する事ができるので、固体電解質燃
料電池発電システムの総合効率を向上することができる
。

【図面の簡単な説明】 第１図は固体電解質燃料電池の原理説明図、第２図は従
来例の説明図、第３図ないし第７ｒＪ！ｉは本発明の一
実施例の系統図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、安定化ジルコニアなどの固体電解質を用いた高温固
   体電解質型燃料電池において、 カソードへ空気を供給する空気圧縮機、供給空気または
   供給燃料、あるいは供給空気および供給燃料を予熱する
   予熱装置、前記燃料電池の排空気および排ＩｙＡｍを燃
   焼する燃焼器、燃焼ガスにより作動する膨張タービン、
   前記空気圧縮機を前記燃料電池の排空気を使用して排燃
   料を燃焼させる前記燃焼器からの燃焼ガスで作動させる
   膨張タービンからなることを特徴とする固体電解質燃料
   電池発電システム。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記高温固体電解質型燃料電池を通過後の前記排空気、
   前記排燃料のリサイクるにより、前記供給空気および前
   記供給燃料、または、いずれが一方の予熱を行なうこと
   を特徴とする固体電解質燃料電池発電システム。 ３、特許請求の範囲第１項において、 前記空気圧縮機と前記固体電解質燃料電池の間に補助燃
   焼器を設け、空気の予熱を前記補助燃焼器による燃焼に
   より行なうことを特徴とする固体電解質燃料電池発電シ
   ステム。 ４、特許請求の範囲第１項において、 前記供給空気および前記供給燃料、または、いずれか一
   方を予熱装置の予熱源とした膨張タービン排ガスを使用
   することを特徴とする固体電解質燃料電池発電システム
   。