JPS62140375A - 内部改質型溶融炭酸塩燃料システムの起動方法 - Google Patents

内部改質型溶融炭酸塩燃料システムの起動方法

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JPS62140375A JP60279185A JP27918585A JPS62140375A JP S62140375 A JPS62140375 A JP S62140375A JP 60279185 A JP60279185 A JP 60279185A JP 27918585 A JP27918585 A JP 27918585A JP S62140375 A JPS62140375 A JP S62140375A
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は内部改質型溶融炭酸塩燃料電池システムに係わ
り、特に燃料電池に起動時速やかな昇温を可能にした燃
料電池システムに関する。
〔発明の背景〕
従来、溶融炭酸塩燃料電池の起動時に於ける昇温方法に
は燃料電池積層体の両端に電熱板を設け、熱電導により
昇温する方法、高温ガスたとえば外部で加熱された燃料
ガス、酸化剤ガスをそれぞれ電池の燃料ガス流路、酸化
剤流路に通して昇温する方法、電解質保持体に面積抵抗
が1〜100ΩcI112の金属で被覆した電解質保持
体を混合し、これに通電してジュール熱により昇温する
方法(例えば特許公報特開昭58−129785号)等
が提案されている。
しかしながら、これらの方法を、電池内部に炭化水素ガ
スたとえばメタンの水蒸気改質触媒を充填し、電池に直
接メタンと水蒸気を吹込んで次の(1)、(2)式によ
る反応を生じせしめて水素を発生させ、 CH4+ Hz O→3 H2+G O・”  (1)
CH4+2H20→4. Hx + C02・・・(2
)同時にその水素を燃料として電気エネルギーで得る内
部改質型溶融炭酸塩燃料電池に適用した場合。
充填した前記水蒸気改質触媒の重量に相当するだけ熱容
量が増加し、電池の起動時にその作動温度650〜70
0℃まで電池全体を昇温するには、より長時間を要する
という問題がある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、」1記の問題点に鑑み、内部改質型溶
融炭酸塩燃料電池の昇温、起動をより短時間に行ない得
る燃料電池システムを提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は燃料極排ガスラインに、排ガスを冷却して排ガ
ス中の水分を除去する気水分離器を接続し、この気水分
離器に水分を除去した排ガスを貯蔵するための貯蔵タン
クを接続し、更に、この貯蔵タンク中の排ガスを必要に
応じて燃料ガス流路に導入し得るように燃料極入口ライ
ンに接続した内部改質型溶融炭酸塩燃料電池システムで
ある。
更に、本発明は気水分離器と排ガス貯蔵タンクとの間に
更に排ガス中の水素を選択的に吸引、貯蔵する水素吸蔵
合金を利用した水素貯蔵タンクを設け、必要に応じて燃
料ガス流路に貯蔵した水素を導入し得るように水素貯蔵
タンクを燃料極入口ラインに接続した内部改質型溶融炭
酸塩燃料電池である。
本発明の燃料電池では、電池の起動昇温時において上記
貯蔵タンクから水素(Hz)、−酸化炭素(CO)、炭
酸ガス(Co2)からなる燃料排ガスを燃料ガス流路に
供給して、Ni系の改質触媒の存在下で(3)、(4)
式によるH2とCO。
およびH2とCO2との反応を生じせしめ、その反応熱
(発熱)を利用して電池の速やかな昇温を行なわせるも
のである。
3H2+CO→CH&+ HzO−52X 108kc
a Q /kmo El、 e (発熱反応)    
   ・(3)4Hz+C0z−+Cl−Ti+2TI
20−42.6X 1.O”kca Q /kmo Q
、 e (発熱反応)       −(4)(3)、
(4)式は(1,)、(2)式の改質反応の逆反応であ
り、いわゆるメタネーション反応と呼ばれる反応である
。(3)、(4)式の反応が主に進行するか、(1)、
(2)式の反応が主に進行するかは化学平衡によって決
まり、本発明はNi系触媒の存在下200〜500℃に
おいては(3)、(4)式が主に進行することに基づく
ものである。該温度範囲はちょうど電池の昇温過程の範
囲にある。内部改質用に燃料極に装填される触媒はNi
系の触媒であり、メタネーション触媒として兼用できる
[発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。
実施例1 内部改質型溶融炭酸塩燃料電池の本体は、電解質板1.
ぞ熟を挟む燃料極板2および酸化剤極板3、Ni系のイ
R蒸気改質触媒4が装填された燃料ガス流路5、酸化剤
流路6からなる。電解質は炭酸リチウム、炭酸カリウム
等の混合溶融塩が用いられ、炭酸イオン(Cog”−)
  が電荷担体となる。
燃料ガス流路5には炭化水素ガス、たとえばメタン11
及びスチーム12の混合ガスの供給ライン13が接続さ
れ、また該流路5の出口は燃料極排ガスライン14に接
続され、該排ガスライン14は燃焼器31、リサイクル
ライン15、さらに分岐ライン16を通って本発明によ
る気液分離器21と排ガス貯蔵タンク22につながって
いる。
該排ガス貯蔵タンクの出口ライン23はバルブ24を通
ってメタン、スチームの供給ライン13につながってい
る。
燃焼器31にはバルブ32を通してメタン33の供給ラ
イン34および燃焼用の空気供給ライン35が接続され
る。燃焼器31からの燃焼ガスライン36は酸化剤流路
6につながれ、さらに該流路出口は酸化剤極排ガスライ
ン37につながれ、図示を省略しているが次のエネルギ
回収工程、及び該排ガスの冷却器40を有する該排ガス
ライン7) クルライン38につながれる。該リサイクルライン38
は燃焼ガスライン36に接続される。
通常の運転時には電池は650〜700℃に保持されて
、メタン11おにびスチーム12は供給ライン13を通
って燃料ガス流路5に供給され、該流路で(1)、(2
)式の反応を生じてHzを生成する。生成したHzを燃
料にして燃料極2では(5)式の反応を生じる。一方、
酸化剤流路6には酸素(02)、COzが燃焼ガスライ
ン36及び酸化剤極排ガスのリサイクルライン38から
供給されて酸化剤極3において(6)式の反応を生じ、
結果として2θ−なる電気エネルギを得る。
H2+ COs2−→T−IzO+CO2+2e−・=
 (5)1/202+CO2+2e−→CO52−−(
6)しかしながら、燃料極においては生成したHzをす
べて消費することは困−離でありHzは残存して燃料極
排ガスハ残T−Tz、、Go、Cox、Hz、O及び若
干の未反応CTT 4から成る。前記の燃焼ガスライン
36における02.、Co2を含むガスは燃料極排ガス
ライン14からの排ガスを燃焼器31.において空気ラ
イン35からの空気よって燃焼して得られる。また燃料
極排ガスの一部は該排ガスライン14からリサイクルラ
イン15を通して燃料極にリサイクルされ、該排ガス中
のHx OはCHaの改質反応に、Hzは電池反応に再
利用される。
さらに、燃料極排ガスの一部は該排ガスライン14から
分岐ライン16を通って本発明による気液分離器21に
導かれ、冷却によってスチームを凝縮して水分7を除去
し、排ガス貯蔵タンク22に蓄積される。この時バルブ
24は閉じられた状態にある。
起動のための常温からの昇温時には、まずバルブ32を
開いてメタン33を供給ライン34を通して燃焼器31
に供給し、空気ライン35からの空気によって燃焼して
高温燃焼ガスを発生させる。
高温燃焼ガスをライン36から酸化剤流路6に通すこと
によって高温燃焼ガスの持つ顕熱を電池に与えて昇温す
る。一方の燃料ガス流路5には高温のメタンあるいは、
及びスチームを通して昇温する。
電池温度、特に燃料ガス流路5の温度が上記の操作によ
って200℃以上に達した時、燃料ガス流路5への高温
のメタンあるいは、及びスチームの供給を停止、バルブ
24を開いて排ガス貯蔵タンク22からライン23,1
3を通して該タンク内のHz、Go、Co2からなる貯
蔵ガスを燃料ガス流路5に供給する。燃料ガス流路5に
おいて、Hz、Go、CotはNj系の改質触媒の存在
下、(3)、(4)の反応を起して反応熱を生じ、過熱
スチームによる顕熱供給時以上の速度で昇温か行なわれ
る。電池が昇温しで500℃以」二になると化学平衡上
(3) 、  (4,)式の反応は緩慢になるが、50
0℃以」二からは代って貯蔵ガス中のHzを燃料として
(5)、(6)式による電池反応が生じて発熱し、電池
を昇温させる。
以上のごとくして、本発明によれば酸化剤流路6へ高温
燃焼ガスの顕熱を与える従来の昇温方法と併用して、2
00〜500℃の範囲では(3)。
(4)式のメタネーション反応熱を、500℃以上では
(5)、(6)式による電池反応熱を加えることによっ
て電池作動温度へのより速やかな昇温を達成することが
できる。ざらにメタネーション反応によって生成したC
 H4は燃料極排ガスライン14からライン34を通し
て燃焼器31に供給され、電池昇温用の高温燃焼ガスを
発生することができる。
実施例2 第2図は本発明の他の実施例であり、第1図と同一部分
は同一符号で示す。第1図と異なるのは、水分除去後の
燃料極排ガスをH2とCO,Coxに分けて貯蔵、およ
び燃料極流路に供給するようにしたことである。すなわ
ちi(2はH2を選択的に吸収、貯蔵する水素吸蔵合金
による水素貯蔵タンク51により貯蔵し、G O、CO
xは第1図と同様に貯蔵タンク22によって貯蔵するよ
うにしたことである。これに゛よりH2とCO,CO2
をそれぞれライン52およびライン23から最適な供給
比になるようバルブ53.24により供給量を調節して
供給することができ、燃料ガス流路5でのメタネーショ
ン反応を高効率で行なわしめることができる。水素貯蔵
タンクからH2を排出するには、水素貯蔵タンクの温度
を高めることによって行なわれる。
上記実施例1及び2に於いて、それぞれの貯蔵タンクか
らのガスの耕1出はバルブ24..53を手動で行なっ
ていたが、燃料ガス流路の温度を自動的に検出し、この
検出温度に、1:って自動的にバルブの開閉乃至排出ガ
ス量の1llil整を行なうこともできる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、メタネーション反応熱を利用すること
によって、電池のより速やかな昇温、起動ができ電力需
要の変化に、より速やかな対応が可能となる。またメタ
ネーション反応熱を利用することによって外部からの燃
料供給が少なくてすみ、経済的に有利となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を説明するための図で、内部
改質型溶融炭酸塩燃料電池の起動時に於ける燃料ガスの
流れ図を示す。第2図は本発明の他の実施例を説明する
図で、同じく内部改質型溶融炭酸塩燃料電池の燃料ガス
の流れ図を示す。 ■・・・電解質板、2・・・燃料極、3・・・酸化剤極
、4・・・改質触媒、5・・・燃料ガス流路、6・・・
酸化剤流路、11・・・メタン、12・・・スチーム、
14・・・燃料極排ガスライン、21・・・気水分離器
、22・・・排ガス貯蔵タンク、51・・・水素貯蔵タ
ンク。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、燃料極と接する燃料ガス流路に水蒸気改質触媒を装
    填し、該流路に炭化水素ガスと水蒸気を直接供給して電
    気エネルギーを得る内部改質型溶融炭酸塩燃料電池シス
    テムにおいて、燃料極排ガスラインに上記排ガスライン
    からの排ガスを冷却すると共に排ガス中の水分を除去す
    る気水分離器を接続し、上記気水分離器によつて水分を
    除去された燃料極排ガスを貯蔵する貯蔵タンクを上記気
    水分離器に接続し、更に上記貯蔵タンク中の排ガスを燃
    料極に供給するために燃料極入口ラインに接続したこと
    を特徴とする内部改質型溶融炭酸塩燃料電池システム。 2、燃料極と接する燃料ガス流路に水蒸気改質触媒を装
    填し、該流路に炭化水素ガスと水蒸気を直接供給して電
    気エネルギーを得る内部改質型溶融炭酸塩燃料電池シス
    テムにおいて、燃料極排ガスラインに上記排ガスライン
    からの排ガスを冷却し、排ガス中の水分を除去する気体
    分離器を接続し、上記気水分離器によつて水分が除去さ
    れた排ガスの内H_2を選択的に吸収、貯蔵する水素吸
    蔵合金を利用した水素貯蔵タンクと他の残りのガスを貯
    蔵する排ガス貯蔵タンクをそれぞれ上記気水分離器に接
    続し、更に上記水素貯蔵タンク中のH_2と上記排ガス
    貯蔵タンク中のガスとを燃料極に供給するためにそれぞ
    れ燃料極入口ラインに接続したことを特徴とする内部改
    質型溶融炭酸塩燃料電池システム。 3、燃料ガス流路の温度が200〜500℃の範囲にあ
    る時に排ガス貯蔵タンク中のガスを上記燃料ガス流路に
    供給するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載の内部改質型溶融炭酸燃料電池システム。 4、燃料ガス流路の温度が200〜500℃の範囲にあ
    る時に水素貯蔵タンク及び排ガス貯蔵タンクからそれぞ
    れH_2及びCO、CO_2を供給するようにしたこと
    を特徴とする特許請求の範囲第2項記載の内部改質型溶
    融炭酸燃料電池システム。
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JP2510982B2 (ja) 1996-06-26

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