JPS61135063A - 燃料電池パワープラントの運転方法 - Google Patents

燃料電池パワープラントの運転方法

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JPS61135063A
JPS61135063A JP60270567A JP27056785A JPS61135063A JP S61135063 A JPS61135063 A JP S61135063A JP 60270567 A JP60270567 A JP 60270567A JP 27056785 A JP27056785 A JP 27056785A JP S61135063 A JPS61135063 A JP S61135063A
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heat
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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  • Electrochemistry (AREA)
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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】 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
生する熱等の高級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゜001.0
41号と米国特許第4,004,947号との二特許で
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4.23
8.403号とに於ては、改質反応炉へ送られる蒸気の
1o%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、低級の廃棄熱に
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@
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づるための蒸気改質
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、低級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侵凝縮器内に於て
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J5す、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に、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a@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、凝縮の際の低級の
熱はシステム内の水は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燃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ばシステム内の
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ン燃料ガスを使用するこ
とによって、電池内、に於シするW!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m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、水の閉じた循環流路
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が一つの電池だけが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2゜と負極NWA22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。l!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sm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蛍と、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2
8℃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池の不純物と
を含み且比較的屹燥している燃料が、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退引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珊
加し、この過程に於て設定された水の運W11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Il!温
度以下で且要求される出ロガス崗和濡度よりも高い温度
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、と同時に
液体の水の流れの1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を経由して
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3Bにより凝縮器へ送られる。
ガスの温度はガスが飽和器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。従うて、過程を維持さ
せるために外部熱源が用いられるので、その熱の除去は
過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WAr!1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
の過程は、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過程に近い、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、過程は極度に制限さ
れて過程を維持するための駆動力を提供するために10
0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W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.
30barの下で作動するとする。その圧力に於て水の
沸点は171℃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、飽和器に於ける湯度低下が28
℃であり、これと対応して凝縮器に於ける温度上昇が2
8℃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、0.9H
!!+0.6GO2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3.997
bar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、0.1
8241.4CO2+2.2H20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(7) モ/Iz組成は、0.1Ht +1.4CO
2+0゜8H20となる。その水のモル分率は0.34
8であり、水の分圧は2.876bar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濃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(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、1
7・・・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、ioo・・・加熱装置、104・・・送風機 特許出願人  ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション 代  理  人   弁  理  士   明  石 
 昌  毅苦 f

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 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トメント内へ送り込む過程と、 (c)前記負極ガスコンパート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)循環流路内に延在する液体の水を過程(a)の飽
    和器内と過程(c)の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と、を含み、前記液体の水
    は前記凝縮器内で前記ガス流れを冷却し水蒸気の一部分
    を凝縮させ、かかる凝縮物は凝縮器内にて前記ガス流れ
    によって捨てられた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、飽
    和器内に於て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方
    法。
JP60270567A 1984-12-06 1985-11-30 燃料電池パワープラントの運転方法 Expired - Fee Related JPH0821403B2 (ja)

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