JPH0465064A - 溶融炭酸塩型燃料電池の発電方法 - 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］ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換させるエネルギ一部門で用いる燃料電池のう
ち、特に、溶融炭酸塩型燃料電池の発電方法に関するも
のである。

［従来の技術］ 現在までに提案されている燃料電池のうち、特に溶融炭
酸塩型燃料電池は、電解質として溶融炭酸塩を多孔質物
質にしみ込ませてなるターイル（電解質板〉を、アノー
ド（燃料極）とカソード（酸素極）で両面から挟み、ア
ノード側に燃料ガスを供給すると共にカソード側に酸化
ガスを供給することによりアノード側とカソード側で反
応が行われて発電が行われるようにしたものを１セルと
し、各セルをセパレータを介して多層に積層した構成の
ものとしである。

上記溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電システムにおい
て、燃料として天然ガスあるいは都市ガスを用いる場合
は、これら天然ガス、都市ガスを改質して燃料ガスとし
燃料電池のアノードに供給するようにしである。

上記天然ガスの改質の型式どしては、外部改質型と内部
改質型とが従来より知られている。

従来の外部改質型のものとしては、第２図に概略を示す
如く、燃料電池ａのアノードｂに供給する燃料ガスとし
て、メタン（ＣＨ，）を改質して用いる場合、メタン（
ＣＨ，）を水蒸気Ｓと共に改質器ｄに入れ、ここで吸熱
反応により得られた水素（Ｈ２）と−酸化炭素（Ｃｏ）
を燃料ガスとしてアノードｂに供給して一部発電に消費
させるようにし、又、７ノードｂから排出された７ノー
ド出ロガスは、燃料電池内で発生した炭酸ガス（ＣＯ２
）、水（Ｈ２Ｏ）のほかに、未利用のメタン（ＣＨ４）
、水素（Ｈ２）、−酸化炭素（Ｃｏ）を含むので、改質
器ｄの燃焼室へ導入して燃焼させるために、ラインｅに
て改質器ｄの燃焼室に空気Ａと共に供給し燃焼させて改
質に必要な熱量を供給させられるようにし、改質器ｄの
燃焼室から排出されたＣＯ２を含むガスはラインｆを通
り空気へと合流させてカソードＣに送り電池反応に利用
させるようにしたものが一般的である。

一方、内部改質型のものとしては、第３図に示す如く、
メタン（ＣＨ，）に水蒸気Ｓを混合したものを燃料電池
ａ内の改質器ｄに供給し、改質に必要な熱量を電池反応
から得られるようにしたものがある。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記外部改質型のものの場合、改質反応に必
要な水蒸気を供給する必要があるため、水蒸気発生装置
及び熱量が必要となり、又、改質反応にも熱が必要であ
るため、燃料の利用率を高くできない、という問題があ
る。一方、上記内部改質型のものの場合、改質に必要な
熱量供給のための燃料消費はないが、やはり水蒸気の供
給が必要であり、又、この方式の電池は改質率を高くし
ないと燃料利用率を高くてきないが、改質触媒が劣化し
易いためそれが難しく、更に、電池では未利用の燃料が
あるため、発電効率を低下させる欠点がある。

そこで、本発明は、水蒸気発生装置を用いることなく改
質に必要な水蒸気が得られるようにし、且つ全体として
の燃料利用率を高めることができるような溶融炭酸塩型
燃料電池の発電方法を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決するために、溶融炭酸塩型燃
料電池のアノードから排出された７ノード出ロガスを該
アノード出口ガスのもつ顕熱及び水蒸気を利用して改質
反応を行わせ、次いで、この改質ガスに含まれる炭酸ガ
スの一部を分離除去した残りのカスをリサイクルして上
記アノードに燃料ガスとして供給するようにし、上記改
質ガスから除去した炭酸ガスを空気と共に上記燃料電池
のカソードに供給することを特徴とする溶融炭酸塩型燃
料電池の発電方法とする。

［作　　用］ アノードから出たアノード出口ガスには、未利用の燃料
、水素、−酸化炭素のほかに、燃料電池内で発生した炭
酸ガス、水蒸気が含まれているため、上記水蒸気及び自
身の顕熱を利用して改質を行わせることができ、更に、
改質されたガスから炭酸ガスの一部を分離除去した残り
のガスを電池にリサイクルさせ発電に利用すると、改質
率は低いが、未改質燃料が循環されることにより完全に
改質させることができる。又、同様（、電池を通過する
燃料の利用率は低いか、循環利用により完全に発電反応
に利用することができる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の発電方法の実施に用いる発電装置のシ
ステム系統構成図を示すもので、１は溶融炭酸塩がしみ
込ませであるタイル２をアノード３とカソード４とで両
面から挟んでなる溶融炭酸塩型の燃料電池、５は燃料供
給ライン、６は該燃料供給うイン５の途中に設けた予熱
器、７はアノード出口ガスライン８に設けた改質器であ
って、改質室のみからなるものであり、アノード出口ガ
スのもつ顕熱及びアノード出口ガスに含まれる水蒸気を
利用してアノード出口ガス中の燃料を改質するようにし
である。９は上記アノード出口ガスライン８の改質器７
よりも下流側に設けたクーラー、１０は該クーラー９よ
りも下流側に設けたシフトコンバータ、１１は該シフト
コンバータ１０よりも更に下流側に設けたクーラー、１
２は炭酸ガス分離装置で、該炭酸ガス分離装置１２は、
−例として、５０ｗｔ％ＤＥＡ（ジェタノールアミン）
水溶液を吸収液に用いて該吸収液により炭酸ガスを吸収
させるようにする吸収塔１２ａと、吸収液を再生させる
再生塔１２ｂと、吸収液を再生塔１２ｂに供給する吸収
液供給ライン１２ｃと、再生塔１２ｂで再生された吸収
液を吸収塔１２ａに戻す吸収液戻しライン１２ｄとから
構成されている。１３は炭酸ガス分離装置１２で炭酸ガ
スの一部が分離除去されて吸収塔１２ａから取り出され
る残ガス（炭酸ガス、メタン、水素等を含む〉を燃料供
給ライン５の予熱器６の上流側に供給するためのリサイ
クルライン、１４は該リサイクルライン１３の途中に設
けた残ガス予熱器、１５は炭酸ガス分離装置１２の再生
塔１２ｂの下部に接続した空気供給管、１６は炭酸ガス
分離装置１２で分離された炭酸ガスを含む空気を再生塔
１２ｂより取り出して燃料電池１のカソード４に供給す
る空気供給ライン、１７は該空気供給ライン１６の途中
に設けた熱交換器、１８は該熱交換器１７よりも下流側
に設けた補助燃焼器、１９は燃料電池１のカソード４が
ら排出されるカソード出ロガスを上記熱交換器１７て冷
却してから大気へ放出させるようにしたカソード出ロガ
スラインである。

今、燃料供給ライン５に供給する燃料として、メタン（
ＣＨ４）を用いる場合を示すと、メタン（ＣＨ４）は予
熱器６で予熱されてから燃料供給うイン５により燃料電
池１のアノード３に入り、電気化学反応に利用された後
、アノード出口ガスフィン８を通り改質器７に送られる
。アノード３から排出されるアノード出口ガスには、未
利用のメタン（ＣＨ４）、水素（Ｈ２）、−酸化炭素（
ＣＯ）のほかに燃料電池１内で発生した炭酸ガス（ＣＯ
２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）を含んでいるため、上記水蒸気
及び自身の顕熱を利用して改質器７で改質反応が行われ
る。改質器７で改質されたガスは、クーラー９で冷却さ
れ、シフトコンバータ１０へ送られ、更にクーラー１０
で冷却されて水（Ｈ２Ｏ）が分離された後、炭酸ガス分
離装置１２の吸収塔１２ａに送り込まれる。吸収塔１２
ａに送り込まれたガス中の炭酸ガスの一部は吸収液に接
触することにより吸収されて除去され、炭酸ガスの一部
が分離除去されて残った未反応のメタン、未利用の水素
等を含む残ガスは、吸収塔１２ａの頂部よりリサイクル
ライン１３に取り出され、予熱器１４て予熱されて燃料
供給ライン５の予熱器６の上流側に入り、燃料供給ライ
ン５を通して供給されるメタンと混合されて燃料電池１
のアノード３に供給される。一方、上記吸収塔１２ａで
炭酸ガスの一部を吸収した吸収液は、吸収液供給ライン
１２ｃを経て再生塔１２ｂに供給され、ここで、空気供
給管１５より供給される空気によって炭酸ガスはストリ
ップされ、炭酸ガスを分離した吸収液は吸収液戻しライ
ン１２ｄにより吸収塔１２ａに戻されて炭酸ガスの吸収
に用いられる。再生塔１２ｂで炭酸ガスを含んだ空気は
、熱交換器１７で予熱され、更に補助燃焼器１８で燃料
電池１へ供給できる温度まで昇温された後、燃料電池１
のカソード４に空気供給ライン１６により供給され、こ
こで、酸素と炭酸ガスは電気化学反応に利用される。又
、カソード４から排出されたカソード出ロガスは熱交換
器１７て冷却された後、大気へ放出される。

本発明においては、上述したように、アノード出口ライ
ン８に設けた改質器７により、高温のアノード出口ガス
がもつ顕然とそれに含まれる水蒸気を利用して改質反応
を行わせ、更に、この改質ガスを炭酸ガス分離装置１２
で処理して炭酸カスの一部を分離除去した俊、リサイク
ルライン１３を通して燃料供給ライン５内のメタンと混
合して燃料電池１のアノード３に循環供給するようにし
たので、改質器７での１回の改質率は低くても、何回も
循環させることにより未改質燃料を完全に改質でき、更
にこの際、改質に必要な水蒸気及び熱量はアノード出口
ガス自身が有するものを利用しているので、水蒸気発生
器及びその熱量が不要であり、又、同様に、燃料電池１
を通過する燃料の１回の利用率は低くても、循環利用に
より完全に発電反応に供することができるため、システ
ム全体としては燃料利用率を高くすることができる。

上記において、燃料電池１に常圧型のものを用いて実験
を行ったところ、アノード出口ガスを１゜０７Ｋｇ７／
ｃｄＡで７００℃て循環させた場合、アノード３ではガ
ス中のメタンの約３０％が電極の触媒作用で改質され、
更に改質器７でも改質反応が起り、残りの炭化水素の約
４０％が改質され、温度は５７１℃まで低下した。この
ガスをクーラー９で１８０℃まで冷却してからシフトコ
ンバータ１０へ供給したところ、ここで約７７％の一酸
化炭素が変成反応を起し、ガス温度は２７５℃まで上昇
した。更にこのガスをクーラー１１で４０℃まで冷却し
、水分の一部を凝縮して除去した。このガスを吸収塔１
２ａに供給し、炭酸ガスの４３％が吸収液に吸収されて
除去されたものをリサイクルして燃料と共にアノード３
に供給することにより、燃料の利用率を高めることがで
きた。

一方、炭酸ガスを吸収した吸収液を再生塔１２ｂに送っ
て炭酸ガスを空気によりストリップさせた後、炭酸ガス
を含む空気を熱交換器１７でカソード出ロガスと熱交換
させることにより４７７℃まで上昇させ、更に補助燃焼
器１８で昇温させてから、カソード４に供給したところ
、このときの燃料電池１での単セル当りの電圧は、平均
７２８ｍ　Ｖでおった。

なお、上記実験例では、燃料電池１内で改質反応が一部
起きているが、本発明は燃料電池１内での改質反応に関
係なく適用できること、又、炭酸ガス分離装置としては
、吸収液としてＤＥＡ水溶液以外に炭酸カリ水溶液など
他の吸収液を利用したものや、分離膜を利用したものや
、ＰＳＡ　（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏ
ｒｂｅｒ　）を利用したもの等を採用してもよいこと、
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変
更を加え得ることは勿論である。

［発明の効果］ 以上述べた如く、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池の発電
方法によれば、次の如き優れた効果を発揮する。

（：）アノード出口ガスのもつ顕然及び水蒸気を利用し
て改質反応を行わせるため、改質器の構造をシンプルに
できて改質用燃料を不要にできると共に、改質に必要な
水蒸気の発生装置及びその熱量を不要にすることが可能
となる。

（―）　　アノード出口ガス中の炭酸ガスの一部を分離
除去して電池での未利用の燃料を電池にリサイクルさせ
るようにしたので、電池を通過するガス中の電池での燃
料利用率は低くても、発電システム全体としての燃料利
用率を高めることができる。

（ｉｉｉ）　　上記（１）と同様に、未改質燃料を循環
させることにより１回の改質率は低くても燃料の改質を
完全に行うことができる。

特　外部改質型式であっても内部改質型式であっても、
又、その両方を併用した型式であっても適用することが
でき、システムをフレキシブルに構成することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶融炭酸塩型燃料電池の発電方法の実
施に用いる発電システムの一例を示す系統図、第２図は
従来の外部改質型の燃料電池発電システムの概略図、第
３図は従来の内部改質型の燃料電池発電システムの概略
図である。 １・・・溶融炭酸塩型燃料電池、３・・・アノード、４
・・・カソード、５・・・燃料供給ライン、７・・・改
質器、８・・・アノード出口ガスライン、１２・・・炭
酸ガス分離装置、１３・・・リサイクルライン、１５・
・・空気供給管、１６・・・空気供給ライン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融炭酸塩型燃料電池のアノードから排出された
   アノード出口ガスを該アノード出口ガスのもつ顕然及び
   水蒸気を利用して改質反応を行わせ、次いで、この改質
   ガスに含まれる炭酸ガスの一部を分離除去した残りのガ
   スをリサイクルして上記アノードに供給するようにし、
   上記改質ガスから除去した炭酸ガスを空気と共に上記燃
   料電池のカソードに供給することを特徴とする溶融炭酸
   塩型燃料電池の発電方法。