JPH01213966A - 燃料電池発電プラント - 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、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
合熱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５８−５６２
３１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、冷却してカソード出口
ガス中の水分を分離し、ボイラで加熱、蒸気を生成させ
て改質器へ供給している。改質器では、この水分と燃料
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、燃料電池出口ガスを冷却し、
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、燃料電池の出口に中空糸膜フィ
ルタ等の分離装置を設置し、水分を分離することにより
、水分の凝縮及び再蒸発の状態変化にともなう熱損失を
低減することにある。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、燃料電池出口排ガスの
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、燃料電池アノード出口に膜分離装置を設
置し、アノード出口の排燃料ガスより、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
供給する燃料ガスと混合し、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６項の発明
によって達成される。

すなわ゛ち、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、分離に必要なパージガスに燃料電
池に供給される燃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ガスと燃料ガス
との混合ガスを、燃料電池アノード出口排ガスと熱交換
し、加熱することにより達成できる。

あるいは、燃料電池の燃料を燃料電池出口排ガスと熱交
換し、余熱したのち、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６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子膜
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１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余熱することに
より分離装置を比較的高温で運転できる（第２の目的）
。

尚、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、−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１は、約６〜１０ｋｇ／ｃｄに加圧されて改質器４
に供給される。改質器４では、天然ガス等の燃料に、改
質器反応部５で水と改質反応を起こさせ、水素及び−酸
化炭素を主成分とする燃料ガス７に改質する。この水は
中空糸膜フィルタ等の分離装置６４で分離された水蒸気
であり燃料中に含まれた状態で分離装置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
装置６４の分離に用いられるパージガスに燃料ガスを用
いるからである。また、水蒸気のみならず、水分子より
も小さな分子量を有するメタンや酸化炭素も含まれてい
る。

改質された水素及び−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、燃料電池の積層体によ
り構成され、各燃料電池は、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１
１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℃〜
７００℃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の混合ガス（酸化剤ガス）５
２と反応する。カソード１１では、前記酸化剤ガス５２
が電子を受は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、アノードからカソードへ電子が移動し電流が発生す
る。

燃料電池８アノード排ガス１２には、燃料ガス７中の水
素、−酸化炭素、メタンと、前記炭酸イオンとの反応に
より生成した炭酸ガス、水蒸気を含んでいる。

燃料電池８アノード排ガス１２は約７００℃であるが、
ガス／ガス熱交換器１３で分離器出口ガス１９と熱交換
してアノード出口ガス１４となり、燃料加熱器６１で分
離器出口燃料ガス６９と熱交換し、燃料余熱器６２で分
離器入口燃料ガス６５と熱交換し、排熱回文熱交換器４
１へ給水する給水加熱器６３で水と熱交換し、１５０℃
程度に冷却されて分離器６４へ供給される。

分離器６４は、混合ガスの分子の大きさの違いと１分離
器１％７３（第２図参照）の内側と外側の圧力差を利用
して、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７
３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。

アノード出口ガス１４は、分離器６４へ供給され、中空
糸フィルタの外側を通り、分離器６４の出口より分離装
置出口ガス１７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、アノード出口ガス１４が、分離器を通過す
る過程で、水（分子量：１８）より小さい分子のガスが
、膜の外側から内側へ移動しく第２図中の７４で示す）
、分離される０分離されたガス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
０通常は、分離装置出口ガス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
燃料ガス６６を用いてパージし、燃料ガスと分離ガス（
水、メタン、水素）の混合ガス６７として排出されるゆ
アノード出口ガス１４には分子量の小さい順に、水素（
分子量：２）、メタン（分子量：１６）、水（分子量：
１８）、−酸化炭素（分子量：２８）、炭酸ガス（分子
量：４４）が含まれており１分子量の小さい水素、メタ
ン、水が分離されて除かれ分離装置出口ガス１７となり
、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、燃料１を水蒸気と反応させて水素及び−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１本実施例では、改質器燃
焼部６へ、分離装置６４出口ガス１７を供給し、ガス中
に含まれる一酸化炭素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、分離装置６
４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、この分離に必要なパージガスに、燃
料ガス６６を使用することにより水蒸気と燃料ガスが混
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
ド出口ガス１２に水分が生成するので、このアノード出
口ガス１２に対して分離装置を設ける。そしてアノード
出口ガス１２には水の分子量より小さい分子量を有する
水素、メタンが含まれるので水分と同時に、水素、メタ
ンの未反応燃料も、アノード出口ガス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燃料
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。

さて燃料１は、常温で供給されるので、アノード出口ガ
ス１４の温度に近づけるため燃料余熱器６２で余熱され
て分離器６４へ供給される。本実施例では、燃料余熱器
６２において７ノード出ロガス１２と熱交換し、余熱を
おこなっており、アノード出口ガスと燃料ガス６６の温
度差は小さくなる。

燃料のこの他の余熱方法としては、膨張タービン出口ガ
ス３９と出口排熱回収熱交換器４１で熱交換し余熱する
方法、温められた給水７１と熱交換する方法等がある。

そして、余熱された燃料６６は、分離装置６４へ供給さ
れ、アノードガス１４より分離される水蒸気、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、水素と燃料ガス６６の混合ガス６７として分離器６
４より排出されたガスは、燃料加熱槽６１でアノード出
口ガス１４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７０中の燃料ガスと水蒸
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
出口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７７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４において、分離器出口ガス２０を
燃焼させ、余った空気が４００℃程度に加熱される。こ
のとき温度検出器８４が、燃焼部６の温度を検出し、弁
７３により燃焼部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。

膨張タービン出口ガス３９は、非熱回収熱交換器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、電気出口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
、過熱器を設置し、過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、ガ
ス／ガス熱交換鼎１４出ロガスと給水加熱器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、燃料電池カソード
出口ガスを冷却し、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。

本実施例の分離装置は、アノード出口ガス１４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、アノード出口ガス１４を冷却して凝縮
分離する場合の凝縮熱は、燃料１人熱の約１０％であり
、発電プラントでは、すべて損失となる６本実施例に示
す分Ｓ器６４を用いた場合は、この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、燃料入
熱の約３０％あり、熱交換器での放熱損失が約燃料人熱
の１％低下する。熱併給プラントでは、同じ熱量でも、
高レベルの熱量はど単位当りの価格が高く、７〜１０ｋ
ｇ／ａＪ・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
ド出口ガス１４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。

従来技術では燃料１は、改質器反応部５で供給される燃
料の８５％程度が、−酸化炭素と水素に改質され、燃料
の燃料電池入口熱料の約８０％が利用されて発電し１発
電効率は、約５０％となる。

したがって、０．８５Ｘ０，８の燃料１の約７０％の燃
料が消費されて、燃料１の５０％の電気出力を発生する
。これに対し本実施例では、アノード出口の約３０％の
燃料のうち２０％を改質器へ再循環し、燃料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、燃料の消費量を７
０％と押えた場合には、燃料電池入口の燃料に対し、６
０％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へ天然ガス等の燃料を直接供
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、燃料電池アノード出口１４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
、７ノード出ロガス１４中の未反応燃料の２７３〜５／
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、燃料電池出口ガスから、膜分離方法を
用いた分離器により、水の状態変化なしに、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は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・・・燃料、４・・・改質器、訃・・改質器反応部、
６・・・改質器燃焼部、７・・・改質ガス、８・・・燃
料電池、９・・・燃料電池７ノード、１１・・・燃料電
波カソード、１２・・・アノード出口ガス、３２・・・
カソード出口ガス、３７・・・膨張タービン、４１・・
・排熱回収熱交換塁、６４・・・水蒸気分離器、６７・
・・混合ガス、８６・・・蒸気。 第３図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）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定し、分離に必要なパ
   ージガスに燃料電池に供給される燃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。
2. （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。
3. （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
4. （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、燃料ガスとの混合ガスを、燃料
   電池アノード出口排ガスと熱交換し、加熱することを特
   徴とする燃料電池発電プラント。
5. （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、燃料電池の燃料を燃料電池出口排ガスと熱
   交換し、余熱したのち、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。
6. （６）特許請求の範囲第１項、第２項、または第３項記
   載の燃料電池発電プラントにおいて、分離装置へ供給す
   る排ガスの温度を、蒸気発生装置への給水流量の制御に
   よりおこなうことを特徴とする燃料電池発電プラント。