JP2640485B2

JP2640485B2 - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JP2640485B2
Application number: JP63039017A
Authority: JP
Inventors: 伸男長崎; 芳樹野口; 建志横須賀; 洋市服部; 成久杉田
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1988-02-22
Filing date: 1988-02-22
Publication date: 1997-08-13
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JPH01213966A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、燃料電池の排ガスに含まれる水蒸気等をガ
ス状で分離するために、中空糸膜をフィルタとして用い
た分離装置を設置した燃料電池発電プラントに係り、発
電効率及び総合効率を向上させるのに好適な燃料電池発
電プラントの系統構成に関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料電池発電プラントでは、特公昭58−56231
号に記載のように、燃料電池（リン酸型）カソード出口
に、コンデンサーを設置し、このコンデンサーでカソー
ド排ガスを冷却してカソード排ガス中の水分を分離し、
分離した水をボイラで加熱し、蒸気を生成させて改質器
へ供給している。改質器では、この水蒸気と燃料を反応
させて燃料の改質をおこなう。

このコンデンサーにおいては、カソードガス中の水分
を凝縮させるために冷却水が必要となり、冷却水に回収
される熱の温度レベルが低く、回収できる熱量を有効に
利用することができないため、熱効率向上の制約要因と
なっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように従来技術は、燃料電池から出る排ガスを
冷却し、凝縮する水分を分離する方法をとっていたた
め、水分の凝縮熱の冷却熱量の温度レベルが低く、総合
熱効率を向上させる上で問題があった。

本発明の第１の目的は、燃料電池の排ガス出口に中空
糸膜フィルタを備えた分離装置を設置し、ここで排ガス
中に含む水分を水蒸気のまま分離することにより、水分
の凝縮及び再蒸発の常態変化にともなう熱損失を低減す
ることにある。

本発明の第２の目的は、この分離装置を比較的高温で
運転することにより、燃料電池から出る排ガスの冷却に
よる回収熱量の温度レベルを上げ、総合熱効率の向上を
図ることにある。

本発明の第３の目的は、溶融炭酸塩型燃料電池発電プ
ラントにおいて、燃料電池アノード排ガス出口に膜分離
装置を設置し、この膜分離装置でアノード排ガスに含む
水分とともに、水素、メタン等の燃料成分を合わせて分
離し、改質器へ供給する原料ガスと混合し、燃料電池へ
再循環することにより、燃料電池アノード中での水素濃
度を高くし、電池電圧を上昇させ、発電効率の向上を図
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記第１の目的は特許請求範囲の第１から第５項の発
明によって達成される。

すなわち、原料ガスを改質して燃料ガスとして用いる
燃料電池発電プラントにおいて、燃料電池の排ガス出口
に、中空糸膜を用いた分離装置を設置し、この分離装置
で分離した水蒸気を運び出すパージガスとして燃料電池
に供給される原料ガスを用いることにより、達成され
る。

また第２の目的は、特許請求範囲の第４項又は第５項
の発明によって達成される。

すなわち、分離装置によって分離された水蒸気をパー
ジし搬送するパージガスとしての原料ガスを、燃料電池
アノードから出るアノード排ガスと熱交換し、加熱する
ことにより達成できる。

あるいは、原料ガスを燃料電池から出る排ガスと熱交
換し、予熱したのち、分離装置で分離された水蒸気を運
び出すパージガスとして用いることにより達成される。

第３の目的は、特許請求範囲第３項又は第５項の発明
によって達成される。

すなわち、燃料電池を溶融炭酸塩を電解質として用い
る燃料電池とし、燃料電池アノード排ガス出口に中空糸
膜を用いた分離装置を設置することにより達成される。

〔作用〕

燃料電池排ガス出口に、中空糸膜を用いた分離装置を
設置することにより、分子の大きさの違いを利用して、
排ガス中から水（分子量:18）程度以下の成分を物理的
に除去できるので、従来のガスを冷却しドレインを生成
させて水を分離する方法に比べて、ドレンの凝縮にとも
なう熱損失を低減できる（第１の目的）。

さらに、分離した水を加熱蒸発させ、蒸気として、改
質器あるいは燃料電池に比べ、蒸気を生成させる熱量が
不要となり、熱効率の向上を図ることができる。

特許請求の範囲第４項又は第５項の発明のように熱交
換によって混合ガスあるいはパージガスを予熱すること
により分離装置を比較的高温で運転できる（第２の目
的）。

なお、前記第１の目的を達成するためリン酸型燃料電
池発電プラントでは、燃料電池カソード出口に水分が生
成するため、カソード出口の酸化剤ガスを冷却して水分
を分離しているが、溶融炭酸塩型燃料電池発電プラント
では、燃料電池アノード出口に水分が生成し、アノード
出口の排燃料ガスを冷却して水分を分離する。

また、リン酸型燃料電池では、電池の反応により水分
がカソード側に生成し、酸素、窒素、水の混合ガスより
水が分離されるのみであるが、溶融炭酸塩型燃料電池で
は、電池の反応により水分がアノード側に生成し、メタ
ン、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、水の混合ガスより
水素、メタン、水が同時に分離され、燃料ガスと混合し
て、改質器あるいは燃料電池へ供給されるので、燃料電
池アノードでの水素濃度が高くなり、電池電圧が上昇す
るので発電効率の向上を図ることができる（第３の目
的）。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

燃料電池用の燃料ガスに改質される原料ガス１は、約
６〜10kg/cm²に加圧されて改質器４に供給される。改質
器４の反応部５では、天然ガス等の原料ガス１と水蒸気
（H₂O）とで改質反応を起こさせ、水素（H₂）及び一酸
化炭素（CO）を主成分とする燃料ガス７に改質する。こ
の水蒸気は中空糸膜フィルタ（後に詳述する）を備えた
分離装置としての分離器64で分離された水蒸気であり、
原料ガス１中に含まれた状態で分離器64から改質器反応
部５へ送られてくる。これは後述するように、分離器64
で分離された水蒸気等を搬送するパージガスとして、改
質器４に供給する原料ガス１を用いるからである。な
お、中空糸膜フィルタは、（H₂O）のみならず、水分子
よりも小さな分子量を有するメタン（CH₄）や水素
（H₂）も分離するので、これらのメタン、水素も水蒸気
と一緒にパージガス中に含まれている。

改質された、水素及び一酸化炭素を主成分とする燃料
ガス７は約600℃で燃料電池８のアノード９へ供給され
る。

本実施例で用いた燃料電池８は、単電池の積層体によ
り構成され、各単電池は、正極と負極とこれらの両極の
間に配置された電解質10と、正極の非電解質側に設けら
れたガス通路（正極及び正極ガス通路をカソード11と呼
ぶ）と負極の非電解質側に設けられたガス通路（負極及
び負極ガス通路をアノード９と呼ぶ）とを含む。

本実施例では、電解質に炭酸リチウム、炭酸カリウム
などの炭酸塩を用い、それが溶融状態になる約550℃〜7
00℃の温度で運転する溶融炭酸塩を用いている。

アノード９への供給された燃料ガス７は、カソード11
へ供給される空気と炭酸ガス（CO₂）の混合ガス（酸化
剤ガス）52と反応する。カソード11では、酸化剤ガス52
が電子を受け取って炭酸イオンになり電解質の中に入
る。アノード９では、水素と電解質中の炭酸イオンが反
応して、炭酸ガス及び水を生成し電子を放出する。この
結果、燃料電池に付加が接続されれば、アノード極から
負荷を通じてカソード極へ電子が移動して電流が発生す
る。

燃料電池８のアノード９から出るアノード排ガス12に
は、燃料電池８で未反応であった燃料ガス７分の水素
（H₂）、一酸化炭素（CO）、メタン（CH₄）と、前記炭
酸イオンと水素との反応により生成した炭酸ガス、水蒸
気とを含んでいる。

アノード排ガス12は約700℃であるが、複数回の熱交
換により150℃に冷却されて分離器４に供給される。す
なわち、アノード排ガス12は、まず熱交換器13におい
て、分離器64で分離され改質器燃焼部６に送られる分離
ガス17（CO、CO₂の混合ガス）と熱交換し、次に燃料加
熱器61において、分離器64から改質器反応部５に送られ
る混合原料ガス６（原料ガス、H₂、CH₄、H₂Oの混合ガ
ス）と熱交換し、続いて燃料予熱器62において、分離器
64に供給される原料ガス１と熱交換し、最後に給水加熱
器63において、排熱回収熱交換器41へ給水する水と熱交
換することにより冷却されて、分離器64へ供給される。

分離器64は、混合ガス中の各ガスの分子の大きさの違
いと、分離膜73（第２図参照）の内側と外側の圧力差を
利用して、分子の大きなガスと分子の小さなガスに分離
する装置である。

さらに詳しく述べると分離器64は、多数の中空糸膜73
より構成される。中空糸膜は、糸の中心が空洞となって
いる膜で、分子の大きさの違いを利用して、所要の物質
を分離する。

アノード排ガス12（CO₂、H₂O、H₂、CO、CH₄の混合ガ
ス）は、複数回の熱交換により冷却された後、分離器64
へ供給され、中空糸膜73の外側を通って、分離器64の出
口より分離ガス17（CO、CO₂）として排出される。中空
糸膜73の外側に対して内側の圧力を若干低く保つことに
より、アノード排ガス12が、分離器64を通過する過程
で、水（分子量:18）より小さい分子のガス（水素、メ
タン、水蒸気）が、膜の外側から内側空洞へ透過し（第
２図中の74で示す）、分離される。透過したガス74は、
そのままでは滞留し、分離効率が低下するので、パージ
する必要がある。通常は、分離器64から出る混合燃料ガ
ス67（原料ガス、H₂、CH₄、H₂O）の一部を再循環してパ
ージするのが一般的であるが、本実施例では、天然ガス
等の原料ガス１を用いてパージし、原料ガス１と、中空
糸膜73を透過したガス74（水素、メタン、水蒸気）との
混合ガス67として送り出される。なお、アノード排ガス
12に含まれるガスの分子量は、小さい順に、水素
（H₂）:2、メタン（CH₄）:16、水蒸気（H₂O）:18、一酸
化炭素（CO）:28、炭酸ガス（CO₂）:44である。分離器6
4でアノード排ガス12から分子量の小さい水素、メタ
ン、水蒸気が除去されてなる分離ガス17（CO、CO₂）
は、圧縮機18で圧縮され、改質器燃焼部６へ供給されて
燃焼される。この燃焼によって、改質器４での改質反応
に必要な熱を与えることができる。

すなわち、天然ガス等の原料ガス１を水蒸気と反応さ
せて水素および一酸化炭素に改質する水蒸気改質反応
は、吸熱反応であり、外部から熱を与える必要がある。
本実施例では、改質器燃焼部６へ、分離器64から出る分
離ガス17（CO、CO₂）を供給し、分離ガス17中に含まれ
る一酸化炭素（CO）を燃焼させて反応熱を供給してい
る。

改質器反応部５の改質反応に必要な水分は、分離器64
で分離される水素、メタン、水蒸気のうちの水蒸気を用
いる。すなわち、分離された水蒸気、メタン、水素を搬
送するパージガスとして、原料ガス１を使用することに
より水蒸気と原料ガス１が混合された状態で改質器反応
部５へ供給される。

本実施例で用いた溶融炭酸塩型燃料電池では、アノー
ド排ガス12に水分が含まれているので、このアノード排
ガス12に対して水分を分離する分離器64を設ける。そし
てアノード排ガス12には水の分子量より小さい分子量を
有する水素、メタンも含まれるので、分離器64では水分
と同時に、水素、メタンの未反応燃料も、アノード排ガ
ス12から分離される。そして、これら分離されたものは
天然ガス等の原料ガス１と混合し、改質器反応部５を経
て、燃料電池８へ再循環される。

さて原料ガス１は、常温で供給されるので、分離器64
に流入するアノード排ガス12の温度に近づけるため燃料
予熱器62でアノード排ガス12との熱交換により予熱され
て分離器64へ供給される。かくして、それぞれ分離器64
に流入するアノード排ガス12と原料ガス１の温度差は小
さくなる。

この他の原料ガス予熱方法としては、燃料電池８のカ
ソード11から排出されるカソード排ガス32を利用する、
すなわち膨張タービン37によってカソード排ガス32が送
り込まれた排熱回収熱交換器41でカソード排ガス32と熱
交換して原料ガスを予熱する方法、あるいは給水加熱器
63でアノード排ガス12と熱交換して温められ排熱回収熱
交換器41に送られる給水71と熱交換して原料ガスを予熱
する方法等がある。

そして、予熱された原料ガス１は、分離器64へ供給さ
れ、アノード排ガス12より分離された水蒸気、メタン、
水素を運ぶパージガスとして用いられる。水蒸気、メタ
ン、水素と原料ガス１の混合ガス67として分離器64より
出たガスは、燃料加熱器61でアノード排ガス12と熱交換
し、加熱されて改質器反応部５へ供給される。

改質器反応部６では、混合ガス67（原料ガス、H₂、CH
₄、H₂O）中の原料ガスと水蒸気が反応し、水素と一酸化
炭素に富んだ燃料電池の燃料ガス７として燃料電池８へ
供給される。

この燃料電池８で反応したガスの持つ熱量のうち、電
気出力として取り出すことのできない熱量は、分極、接
触抵抗等の抵抗により熱に変換され燃料電池が加熱され
てしまうため、燃料電池を冷却する必要がある。

燃料電池８の冷却は、燃料電池アノード９及びカソー
ド11へ多量のガス（燃料ガス７又は空気52）を流して冷
却している。

燃料電池８から排出されるカソード排ガス32は、膨張
タービン37によって圧縮機36を駆動し、空気26をとり込
んでいる。取り込まれた空気26は圧縮器36によって改質
器４に送られる。この空気26は改質器４を経て燃料電池
８のカソード11に送られるが、燃料電池における反応を
よくするために空気は400℃程度に保たれる必要があ
る。そのため、この改質器燃焼部６において、分離器64
から供給された分離ガス17（CO、CO₂）を燃焼させ、余
った空気（26）が400℃程度に加熱される。このとき温
度検出器84が、改質器燃焼部６の温度を検出し、弁77に
より燃焼部６に供給する空気量を調節して燃焼部６の温
度を調整し、したがって空気の温度を維持することがで
きる。

このようにして温度を維持された空気はさらに、カソ
ード排ガス32を循環させ取り込んでさらに温度を上げ
る。この循環はモータ60によっておこなわれカソード排
ガス32を取り込んで混合された空気の温度を温度検出器
50が検出し、カソード排ガス32の循環量を弁54によって
調整する。

膨張タービン37から出たカソード排ガス32は、排熱回
収熱交換器41で給水71を加熱して蒸気86をつくり熱回収
する。

熱回収し生成した蒸気86は、本実施例では、飽和蒸気
として図示しない熱供給設備へ供給される。

また、発生した蒸気86は、図示しない蒸気タービンへ
供給し、電気出力を発生させることも可能である。蒸気
タービンを駆動する場合には、排熱回収熱交換器41に、
加熱器を設置し、加熱蒸気を発生させる。

尚、排熱回収熱交換器41へ供給される給水16は、アノ
ード排ガス12と給水加熱器63で熱交換し、加熱されたの
ち供給している。

以上のように燃料電池発電プラントでは、改質器４、
燃料電池８、膨張タービン37が相互にバランスして、熱
回収システムを構成することにより、プラントの熱効率
の向上を図っている。

特公昭58−56231号に示される従来技術は、リン酸型
燃料電池を用いたものであるが、燃料電池のカソードか
ら出るカソード排ガスを冷却し、水分を凝縮し水として
分離して回収、回収した水を、改質器燃焼部６から出る
排ガスを用いて蒸気を生成し、改質器反応部へ供給する
方法をとっており、水の凝縮及び水の蒸発のための潜熱
損失があった。

本実施例の分離器64は、アノード排ガス12中の水分を
凝縮させることなく分離し、そのまま燃料ガスと混合
し、改質器反応部５へ供給することができるので、水の
凝縮、蒸発のくり返しによる潜熱損失を低減できる。

本実施例に示す溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電
池発電プラントで、アノード排ガス12を冷却して凝縮分
離する場合の凝縮熱は、供給される原料ガス１入熱の約
10％であり、発電プラントでは、すべて損失となる。本
実施例に示す分離器64を用いた場合は、この損失熱量に
相当する熱量を蒸気86として回収し、蒸気タービンを駆
動し電気出口を発生させること等により、発電効率は約
５％相対値向上する。

熱併給プラントの場合は従来技術では、凝縮熱を80℃
程度の高温水として回収、熱水として供給するが、本実
施例では、以上のように蒸気として回収することができ
るので、熱の需要先での利用の選択が大きくなる。熱損
失的には、凝縮冷却、蒸発過程での熱の授受は、供給さ
れる原料ガス入熱の約30％あり、熱交換器での放熱損失
が原料ガス入熱の約１％低下する。熱併給プラントで
は、同じ熱量でも、高レベルの熱量ほど単位当りの価格
が高く、７〜10kg/cm²・Ｇの単価は、80℃の熱水の単価
の約２倍以上である。したがって、１万kWのプラント
で、本実施例に示す分離器を用いた場合の年間の利得は
5000万円〜１億円となる。

本実施例に示されるとおり、溶融炭酸塩型燃料電池を
用いた発電プラントでは、前記に示す効果に加え、アノ
ード排ガス12中のメタン及び水素も同時に分離し、改質
器反応部５へ再循環できるので、燃料電池アノード９で
の水素濃度等が増加するという効果がある。

従来技術では、原料ガス１は、その供給量の85％程度
が、改質器反応部５で一酸化炭素と水素に改質されて燃
料ガス７となり、この燃料ガス７の熱量の約80％が燃料
電池（約73％の効率）で利用されて発電し、発電効率
は、約50％（0.85×0.80×0.73）となる。

したがって、0.85×0.8の原料ガス１の約70％の入熱
が消費されて、原料ガス１入熱の50％の電気出力を発生
する。これに対し本実施例では、アノード排ガス12の約
30％を占める燃料分の2/3を改質器へ再循環し、原料ガ
ス１の約85％を燃料電池で消費されることになるので、
発電効率は約10％（相対値）向上する。また、原料ガス
１の消費量を70％と押えた場合には、燃料電池に供給さ
れる燃料ガスに対し、60％程度消費すればよいことにな
り、燃料電池アノードでの水素濃度が増加し、発電効率
は、５％（相対値）向上する。

本発明の実施例２の例を第３図に示す。

本実施例では、燃料電池８へ天然ガス等の原料ガス１
を直接供給する内部改質型燃料電池のプラント構成を示
す。したがって、第１図のような改質器４が設けられて
いない。

この内部改質型燃料電池は、燃料電池８のアノード９
で、燃料７を一酸化炭素及び水素に改質しつつ、反応を
おこなわせるもので、第１図に示す外部改質型燃料電池
を用いる発電プラントと異なり、燃料電池アノード９か
ら出るアノード排ガス12中の未反応燃料の熱回収手段が
ないため、できるだけ燃料電池で燃料を利用することが
発電効率向上の上で重要となる。

本発明で示される分離器64を用いた発電プラントで
は、アノード排ガス12中の未反応燃料の2/3〜5/6の再循
環が可能で、未反応燃料をそのまま再循環する場合に比
べ、電池反応に必要な、水蒸気、水素、メタンを選択的
に再循環でき、アノード９での水素濃度が増加するので
発電効率は、相対値10％〜15％向上する。

水を凝縮分離するプラント構成に対しては、再循環に
より燃料利用率を向上させることができるので、発電効
率を10％〜15％相対値向上させることができる。熱量を
評価した場合の利得は５万円/kW、年〜10万円/kW・年
で、１万kWのプラントでは、１億円／年の利得となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料電池のアノード排ガスから、中
空糸膜による膜分離方法を用いた分離器により、水の常
態変化なしに、水分を分離することができるので、発電
プラントでは、余剰の蒸気で蒸気タービンを駆動する等
ができ、発電効率を向上させることができる。また、熱
併給プラントとするとき熱水として回収していた熱量に
相当する熱量を蒸気として回収することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例における全体系統図であ
る。第２図は、第１図における分離装置の構造の一例であっ
て分離の原理を示す説明図である。第３図は、本発明の第２実施例における全体系統図であ
る。１……原料ガス、４……改質器、５……改質器反応部、
６……改質器燃焼部、７……燃料ガス、８……燃料電
池、９……燃料電池アノード、11……燃料電池カソー
ド、12……アノード排ガス、32……カソード排ガス、37
……膨張タービン、41……排熱回収熱交換器、64……分
離器、67……混合原料ガス、86……蒸気。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者横須賀建志茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者服部洋市茨城県日立市幸町３丁目２番１号日立エンジニアリング株式会社内 (72)発明者杉田成久茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (56)参考文献特開昭63−119163（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−131068（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガスを改質して燃料ガスとして用いる
燃料電池発電プラントにおいて、燃料電池の排ガス出口
に、水分子を分離するための中空糸膜を用いた分離装置
を設置し、この分離装置で分離した水蒸気を搬出するパ
ージガスとして燃料電池に供給される原料ガスを用いる
ことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電
プラントにおいて、前記燃料電池はリン酸を電解質とし
て用いる燃料電池であり、燃料電池カソード排ガス出口
に、中空糸膜を用いた分離装置を設置することを特徴と
する燃料電池発電プラント。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電
プラントにおいて、前記燃料電池は溶融炭酸塩を電解質
として用いる燃料電池であり、燃料電池アノード排ガス
出口に中空糸膜を用いた分離装置を設置することを特徴
とする燃料電池発電プラント。
【請求項４】特許請求の範囲第１項又は第３項記載の燃
料電池発電プラントにおいて、分離装置で分離した水蒸
気と該水蒸気を搬出したパージガスとしての原料ガスと
の混合ガスを、燃料電池アノードから出るアノード排ガ
スと熱交換し、加熱することを特徴とする燃料電池発電
プラント。
【請求項５】特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電
プラントにおいて、原料ガスを燃料電池の排ガスと熱交
換し、予熱したのち、パージガスとして用いることを特
徴とする燃料電池発電プラント。