JPH065298A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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JPH065298A
JPH065298A JP4160533A JP16053392A JPH065298A JP H065298 A JPH065298 A JP H065298A JP 4160533 A JP4160533 A JP 4160533A JP 16053392 A JP16053392 A JP 16053392A JP H065298 A JPH065298 A JP H065298A
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一 斉藤
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構造で、短時間に発電出力を増加させ
ることができ、かつ二酸化炭素の貯蔵タンク等を必要と
しない燃料電池発電装置を提供する。 【構成】 水素を含むアノードガスと酸素を含むカソー
ドガスから電気を発電する燃料電池20と、反応後のア
ノードガスを燃焼させ、燃料ガスをアノードガスに改質
する改質器10と、改質器の燃焼排ガス中の水分を分離
する水分分離器16、18と、水分を分離した排ガスを
カソードガスに供給する排ガス循環ライン8と、反応後
のカソードガスを燃料電池の入口に戻すカソードガス循
環ライン9とを有する燃料電池発電装置において、改質
器の燃焼排ガスを水分を分離せずにカソードガス循環ラ
インに供給する排ガスバイパスライン50を備えること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電装置に関
し、更に詳しくは、燃料電池のアノード側からカソード
側に二酸化炭素を供給するラインを有する溶融炭酸塩型
燃料電池発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備は、都市部のビルやマンション
等に分散して設置し、都市ガスを燃料として発電と冷暖
房を行うことにより、従来の送電に伴うロスが大幅に低
減でき、かつ80%以上の熱効率を発揮できるシステム
として脚光を浴びている。
【0003】かかる発電設備は、改質器と燃料電池を備
え、改質器により天然ガスを水素を含むアノードガスに
改質し、このアノードガスと酸素を含むカソードガスと
から燃料電池により発電し、その余熱により温水を製造
するものである。この燃料電池内での主な電池反応は、 H2 +CO3 2-→H2 O+CO2 +2e のアノード反
応と、 1/2 O2 +CO2 +2e →CO3 2- のカソード反応
であり、全体としては水素(H2 )が水(H2 O)に変
わる反応である。従って、本質的に排ガスはクリーンで
あり、環境への影響は極めて少ない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記反応において、カ
ソード側では二酸化炭素(CO2 )を消費し、アノード
側ではこれを発生するので、発電設備内で二酸化炭素を
アノード側からカソード側へ循環させる必要がある。一
方、上記反応により発生した水蒸気を電池内で循環させ
ると、カソード側での水蒸気の分圧が上がり反応に寄与
する酸素や二酸化炭素の分圧が下がり、カソード反応が
阻害されるので、これを除去する必要がある。従来の発
電装置では、この水蒸気を除去するために、改質器の下
流に凝縮器と気液分離器を備え、改質器の排ガスを凝縮
器で凝縮し、次いで気液分離器で水滴を分離し、二酸化
炭素を含むガスのみをカソード側に循環させていた。
【0005】しかし、上述した従来の発電設備では、発
電出力の上昇に時間がかかる問題があった。すなわち、
発電設備は電力需要に対応して発電出力を変える必要が
あり、特に分散型の燃料電池発電では、この要望が強
く、例えば、10分間で出力を零から定格出力まで変え
られることが要望される。しかし、上述した従来の発電
設備では、前記二酸化炭素の循環によって発電に必要な
二酸化炭素の量を十分供給することができず、そのため
短時間に発電出力を上昇させることができない問題があ
った。
【0006】本発明は、かかる問題を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明は、簡単な構造
で、かつ二酸化炭素の貯蔵タンク等を備えることなく、
短時間に発電出力を増加させることができる燃料電池発
電装置を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、水素を
含むアノードガスと酸素を含むカソードガスから電気を
発電する燃料電池と、反応後のアノードガスを燃焼さ
せ、燃料ガスをアノードガスに改質する改質器と、改質
器の燃焼排ガス中の水分を分離する水分分離器と、水分
を分離した排ガスをカソードガスに供給する排ガス循環
ラインと、反応後のカソードガスを燃料電池の入口に戻
すカソードガス循環ラインとを有する燃料電池発電装置
において、改質器の燃焼排ガスを水分を分離せずに前記
カソードガス循環ラインに供給する排ガスバイパスライ
ンを備えることを特徴とする燃料電池発電装置が提供さ
れる。
【0008】本発明の好ましい実施例によれば、排ガス
バイパスラインの流量を調節する流量調節弁と、カソー
ドガス循環ラインの二酸化炭素濃度を測定する濃度セン
サーと、前記濃度センサーの測定値に応じて前記流量調
節弁を制御する制御装置とを更に備えている。
【0009】
【作用】燃料電池の発電出力が上昇すると、上述した燃
料電池内で、 H2 +CO3 2-→H2 O+CO2 +2e のアノード反
応と、 1/2 O2 +CO2 +2e →CO3 2- のカソード反応
が活発になる。すなわち、発電出力の上昇により、水素
(H2 )と酸素(O2 )の消費量が多くなるが、同時に
二酸化炭素(CO2 )の発生も多くなる。従って、発生
した二酸化炭素を短時間にカソード側に戻せば、二酸化
炭素の不足が生じず、短時間に発電出力を増加させるこ
とができる。本発明は、かかる知見に基づくものであ
る。
【0010】すなわち、従来の発電装置の排ガス循環ラ
インによる循環手段、すなわち、改質器の排ガスを凝縮
器で凝縮し、気液分離器で水滴を分離し、次いで二酸化
炭素を含むガスのみをカソード側に循環させる循環手段
では、二酸化炭素の供給遅れが生じていることがわかっ
た。また、水蒸気を含む排ガスを電池内で循環させて
も、短時間であれば、カソード反応を阻害することなく
発電出力を高めることができることがわかった。
【0011】従って本発明の構成によれば、改質器の燃
焼排ガスを水分を分離せずにカソードガス循環ラインに
直接供給する排ガスバイパスラインを備えているので、
燃料電池で発生した二酸化炭素を短時間でカソード側に
戻すことができる。特に、カソードガス循環ラインの二
酸化炭素濃度を測定し、この測定値に応じて流量調節弁
を制御すれば、出力の上昇速度に応じた濃度の二酸化炭
素をカソードガスに供給することができる。
【0012】
【実施例】以下に本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図1は、本発明による発電設備を示す全
体構成図である。この図において、発電設備は、燃料ガ
スを水素を含むアノードガスに改質する改質器10と、
前記アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電
する燃料電池20と、反応後のアノードガスすなわちア
ノード排ガスを燃焼させる触媒燃焼器30と、改質器1
0を出た高温のアノードガスと改質器10に供給する低
温の燃料ガスとの間で熱を交換する熱交換器すなわち燃
料予熱器40とを備える。更に、本発電設備は、燃料ガ
ス中に含まれる硫黄分を除去する脱硫器12と、空気を
予熱する空気予熱器14と、排ガス中の水分を凝縮する
凝縮器16と、凝縮した水分を分離する気液分離器18
とを備えている。
【0013】硫黄分を含む天然ガス等の燃料ガスは脱硫
器12により脱硫された後、ライン1を通って燃料加熱
器40に供給され、この燃料予熱器40で加熱されて改
質器10に供給される。
【0014】改質器10は、触媒燃焼器30から燃焼ガ
スライン6を介して供給される高温の燃焼ガスが完全燃
焼する燃焼室Coと、燃焼室からの伝熱により燃料ガス
を改質する改質室Reとからなる。改質器10は、燃焼
室Coと改質室Reを平面状にし、これを複数積層させ
たプレート型改質器であるのが良い。改質室Re内には
改質触媒が充填され、燃焼室Coで発生した高温の燃焼
ガスにより燃料ガスを水素を含む高温のアノードガスに
改質する。放熱により温度が下がった燃焼排ガスは、燃
焼排ガスライン7を介して空気予熱器14に供給されて
空気を加熱し、次いで、凝縮器16と気液分離器18に
より水分が分離される。一方、改質器10を出た高温の
アノードガスは、アノードガスライン2を介して燃料予
熱器40に供給され、この燃料予熱器40で冷却され、
燃料電池20に供給される。
【0015】燃料電池20は、アノードガスが通過する
アノード側Aと、カソードガスが通過するカソード側C
とからなり、アノードガス中の水素、一酸化炭素と、カ
ソードガス中の酸素、二酸化炭素とから化学反応により
電気を発生するようになっている。燃料電池20は、溶
融炭酸塩型燃料電池であるのが良い。
【0016】燃料電池20を出たアノード排ガスとカソ
ード排ガス(反応後のカソードガス)はアノード排ガス
ライン4及びカソード排ガスライン5を介して触媒燃焼
器30に供給される。この触媒燃焼器30内には、ハニ
カム状のニッケルを主成分とする燃焼触媒が充填されて
おり、アノード排ガスに含まれる未燃分をカソード排ガ
スに含まれる酸素により燃焼させるようになっている。
この触媒燃焼器30で発生した高温の燃焼ガスはライン
6を介して改質器10の燃焼室Coに供給される。
【0017】なお、触媒燃焼器30を設けず、改質器1
0の燃焼室Coでアノード排ガスに含まれる未燃分をカ
ソード排ガスに含まれる酸素により燃焼させる場合もあ
る。
【0018】燃料電池20のカソードガスライン3には
空気源(図示せず)から空気ライン8、空気予熱器14
を介して空気が供給される。この空気ライン8には気液
分離器18により水分が分離された燃焼排ガスが供給さ
れ、電池の反応に必要な二酸化炭素を供給するようにな
っている。
【0019】更に、燃料電池のカソード側Cを通過した
カソード排ガスの一部はカソード循環ライン9を介して
カソードライン3に循環される。このカソード循環ライ
ン9には通常、熱交換器(図示せず)、ブロア22が設
けられ、循環するカソードガスの温度、流量を制御でき
るようになっている。
【0020】本発電装置は更に、改質器10の燃焼排ガ
ス7を水分を分離せずに前記カソードガス循環ライン9
に供給する排ガスバイパスライン50を備えている。こ
の排ガスバイパスライン50には排ガスバイパスライン
の流量を調節する流量調節弁52と、カソードガス循環
ラインの二酸化炭素濃度を測定する濃度センサー54
と、濃度センサー54の測定値に応じて流量調節弁52
を制御する制御装置56とが設けられる。
【0021】排ガスバイパスライン50は、改質器10
と空気予熱器14を結ぶラインの途中から、カソード循
環ライン9のブロア22の上流側(カソード排ガスライ
ン5の側)までを連通させており、その途中に流量調節
弁52が設けられる。この流量調節弁52は、発電出力
に対応した二酸化炭素の濃度になるように調節するのが
良い。これにより、短時間でカソードガス中の二酸化炭
素の濃度を高め、かつ凝縮器16及び気液分離器18を
通って循環されるガスの二酸化炭素濃度が高まるにつ
れ、流量調節弁52を徐々に閉じることができ、水分を
含むガスが長時間循環されるのを防ぐことができる。
【0022】上述した本発明の構成によれば、改質器の
燃焼排ガスを水分を分離せずにカソードガス循環ライン
に直接供給する排ガスバイパスラインを備えることによ
り、燃料電池で発生した二酸化炭素を短時間でカソード
側に戻すことができる。また、カソードガス循環ライン
の二酸化炭素濃度を測定し、この測定値に応じて前記流
量調節弁を制御すれば、出力の上昇速度に応じた濃度の
二酸化炭素をカソードガスに供給することができる。
【0023】
【発明の効果】従って、本発明によれば、簡単な構造
で、かつ、二酸化炭素の貯蔵タンク等を備えることな
く、短時間に発電出力を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による発電装置を示す全体構成図であ
る。
【符号の説明】
1 燃料ガスライン 2 アノードガスライン 3 カソードガスライン 4 アノード排ガスライン 5 カソード排ガスライン 6 燃焼ガスライン 7 燃焼排ガスライン 8 カソードガスライン 9 カソード循環ライン 10 改質器 12 脱硫器 14 空気予熱器 16 凝縮器 18 気液分離器 20 燃料電池 30 触媒燃焼器 40 燃料予熱器 50 排ガスバイパスライン 52 流量調節弁 54 濃度センサー 56 制御装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素を含むアノードガスと酸素を含むカ
    ソードガスから電気を発電する燃料電池と、 反応後のアノードガスを燃焼させ、燃料ガスをアノード
    ガスに改質する改質器と、 改質器の燃焼排ガス中の水分を分離する水分分離器と、 水分を分離した排ガスをカソードガスに供給する排ガス
    循環ラインと、 反応後のカソードガスを燃料電池の入口に戻すカソード
    ガス循環ラインとを有する燃料電池発電装置において、 改質器の燃焼排ガスを水分を分離せずに前記カソードガ
    ス循環ラインに供給する排ガスバイパスラインを備える
    ことを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 【請求項2】 前記排ガスバイパスラインの流量を調節
    する流量調節弁と、 前記カソードガス循環ラインの二酸化炭素濃度を測定す
    る濃度センサーと、 前記濃度センサーの測定値に応じて前記流量調節弁を制
    御する制御装置とを更に備える、ことを特徴とする請求
    項1に記載の燃料電池発電装置。
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