JPH0845526A - 多段反応型燃料電池 - Google Patents
多段反応型燃料電池Info
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- JPH0845526A JPH0845526A JP6181685A JP18168594A JPH0845526A JP H0845526 A JPH0845526 A JP H0845526A JP 6181685 A JP6181685 A JP 6181685A JP 18168594 A JP18168594 A JP 18168594A JP H0845526 A JPH0845526 A JP H0845526A
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- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 カソードガスの燃料電池への入口温度を下げ
ることなく、出口温度を更に下げることができ、これに
より、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制するこ
とができる多段反応型燃料電池を提供する。 【構成】 水素を含むアノードガス２と酸素を含むカソ
ードガス３とから発電する複数の燃料電池２０ａ、２０
ｂ、２０ｃと、複数の燃料電池のアノードとカソードを
それぞれ直列に連結するアノードガスライン２４ａ、２
４ｂ及びカソードガスライン２５ａ、２５ｂと、最下流
側の燃料電池を通過したカソードガスを最上流側のカソ
ード入口側に再循環するリサイクルライン２６と、燃料
電池間のカソードガスラインに低温空気を補給する空気
補給ライン２７ａ、２７ｂとを備え、各燃料電池に流入
するカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度に保
持しつつ各燃料電池から流出するカソードガスの温度を
低減する。
ることなく、出口温度を更に下げることができ、これに
より、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制するこ
とができる多段反応型燃料電池を提供する。 【構成】 水素を含むアノードガス２と酸素を含むカソ
ードガス３とから発電する複数の燃料電池２０ａ、２０
ｂ、２０ｃと、複数の燃料電池のアノードとカソードを
それぞれ直列に連結するアノードガスライン２４ａ、２
４ｂ及びカソードガスライン２５ａ、２５ｂと、最下流
側の燃料電池を通過したカソードガスを最上流側のカソ
ード入口側に再循環するリサイクルライン２６と、燃料
電池間のカソードガスラインに低温空気を補給する空気
補給ライン２７ａ、２７ｂとを備え、各燃料電池に流入
するカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度に保
持しつつ各燃料電池から流出するカソードガスの温度を
低減する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電装置の制
御方法に係わり、更に詳しくは、負荷変化時における溶
融炭酸塩型燃料電池の制御方法に関する。
御方法に係わり、更に詳しくは、負荷変化時における溶
融炭酸塩型燃料電池の制御方法に関する。
【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では、図４に示すように天然ガ
ス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質す
る改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソード
ガス３とから発電する燃料電池２０とを一般的に備えて
おり、改質器で作られたアノードガスは燃料電池に供給
され、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費
した後、アノード排ガス４として改質器１０の燃焼室Ｃ
ｏに供給される。燃料ガス１は燃料予熱器１１により予
熱されて改質器の改質室Ｒｅに入る。改質器ではアノー
ド排ガス中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）
を燃焼室で燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを
加熱し内部を流れる燃料ガスを改質する。改質室を出た
燃焼排ガス５は、排ガス循環ライン３０の空気予熱器３
２で熱回収され、凝縮器３３と気水分離器３４で水分を
除去され、タービン圧縮機（動力回収装置４０）で加圧
された空気６が混入し、この混合ガスが空気予熱器３２
で加熱されてカソードガス３に合流する。これにより、
電池のアノード側で発生した二酸化炭素が、燃焼排ガス
５を介して燃料電池用のカソードガス３に入り、燃料電
池のカソード反応に必要な二酸化炭素をカソード側Ｃに
供給する。カソードガス３は燃料電池内でその一部が反
応してカソード排ガス７となり、その一部はカソード入
口側に再循環され、一部は改質器１０の燃焼室Ｃｏに供
給されてアノード排ガス４を燃焼させ、残りは動力回収
装置４０に供給されて圧力回収され、系外に排出され
る。なお、２２は燃料電池の格納容器である。
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では、図４に示すように天然ガ
ス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質す
る改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソード
ガス３とから発電する燃料電池２０とを一般的に備えて
おり、改質器で作られたアノードガスは燃料電池に供給
され、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費
した後、アノード排ガス４として改質器１０の燃焼室Ｃ
ｏに供給される。燃料ガス１は燃料予熱器１１により予
熱されて改質器の改質室Ｒｅに入る。改質器ではアノー
ド排ガス中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）
を燃焼室で燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを
加熱し内部を流れる燃料ガスを改質する。改質室を出た
燃焼排ガス５は、排ガス循環ライン３０の空気予熱器３
２で熱回収され、凝縮器３３と気水分離器３４で水分を
除去され、タービン圧縮機（動力回収装置４０）で加圧
された空気６が混入し、この混合ガスが空気予熱器３２
で加熱されてカソードガス３に合流する。これにより、
電池のアノード側で発生した二酸化炭素が、燃焼排ガス
５を介して燃料電池用のカソードガス３に入り、燃料電
池のカソード反応に必要な二酸化炭素をカソード側Ｃに
供給する。カソードガス３は燃料電池内でその一部が反
応してカソード排ガス７となり、その一部はカソード入
口側に再循環され、一部は改質器１０の燃焼室Ｃｏに供
給されてアノード排ガス４を燃焼させ、残りは動力回収
装置４０に供給されて圧力回収され、系外に排出され
る。なお、２２は燃料電池の格納容器である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述した燃料電池２０
は、複数の単電池（セル）が積層されたものであり、各
セルは、２枚の電極（アノードとカソード）と、その間
に挟持された電解質板（タイル）から構成される。しか
し、電解質板（タイル）は、セラミックの粉末板に電解
質（高温で液体の溶融炭酸塩）を浸み込ませたものであ
り、例えば約７００℃以上になると電解質の蒸発が激し
くなり、電解質が消耗して電池の寿命が短くなり、逆に
約５５０℃以下になると電解質が凝固してタイルに亀裂
が入り、燃料電池に大きなダメージを与える問題点があ
った。
は、複数の単電池（セル）が積層されたものであり、各
セルは、２枚の電極（アノードとカソード）と、その間
に挟持された電解質板（タイル）から構成される。しか
し、電解質板（タイル）は、セラミックの粉末板に電解
質（高温で液体の溶融炭酸塩）を浸み込ませたものであ
り、例えば約７００℃以上になると電解質の蒸発が激し
くなり、電解質が消耗して電池の寿命が短くなり、逆に
約５５０℃以下になると電解質が凝固してタイルに亀裂
が入り、燃料電池に大きなダメージを与える問題点があ
った。
【０００４】このため、従来の燃料電池発電装置では、
図５に模式的に示すように、カソード排ガス７の一部
（例えば約６割）を高温リサイクルブロア３６でカソー
ド入口側に再循環することにより、燃料電池２０の入口
温度を約５８０℃、出口温度を約６８０℃に調節してい
たが、電池の寿命は依然として十分ではなく、更に長寿
命化することが重要課題となっていた。
図５に模式的に示すように、カソード排ガス７の一部
（例えば約６割）を高温リサイクルブロア３６でカソー
ド入口側に再循環することにより、燃料電池２０の入口
温度を約５８０℃、出口温度を約６８０℃に調節してい
たが、電池の寿命は依然として十分ではなく、更に長寿
命化することが重要課題となっていた。
【０００５】しかし、図５における再循環量を単に増す
と、燃料電池２０の入口温度が下がり、電解質が凝固し
てタイルに亀裂が入るおそれがあった。
と、燃料電池２０の入口温度が下がり、電解質が凝固し
てタイルに亀裂が入るおそれがあった。
【０００６】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、カソ
ードガスの燃料電池への入口温度を下げることなく、出
口温度を更に下げることができ、これにより、電解質の
蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる多段
反応型燃料電池を提供することにある。
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、カソ
ードガスの燃料電池への入口温度を下げることなく、出
口温度を更に下げることができ、これにより、電解質の
蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる多段
反応型燃料電池を提供することにある。
【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とから発電
する複数の燃料電池と、該複数の燃料電池のアノードと
カソードをそれぞれ直列に連結するアノードガスライン
及びカソードガスラインと、最下流側の燃料電池を通過
したカソードガスを最上流側のカソード入口側に再循環
するリサイクルラインと、燃料電池間のカソードガスラ
インに低温空気を補給する空気補給ラインと、を備え、
これにより、各燃料電池に流入するカソードガスの温度
を電解質が凝固しない温度に保持しつつ各燃料電池から
流出するカソードガスの温度を低減する、ことを特徴と
する多段反応型燃料電池が提供される。
含むアノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電
する複数の燃料電池と、該複数の燃料電池のアノードと
カソードをそれぞれ直列に連結するアノードガスライン
及びカソードガスラインと、最下流側の燃料電池を通過
したカソードガスを最上流側のカソード入口側に再循環
するリサイクルラインと、燃料電池間のカソードガスラ
インに低温空気を補給する空気補給ラインと、を備え、
これにより、各燃料電池に流入するカソードガスの温度
を電解質が凝固しない温度に保持しつつ各燃料電池から
流出するカソードガスの温度を低減する、ことを特徴と
する多段反応型燃料電池が提供される。
【０００８】本発明の好ましい実施例によれば、前記電
解質が凝固しない温度は、約５８０℃であり、各燃料電
池から流出するカソードガスの温度は約６３０℃であ
る。
解質が凝固しない温度は、約５８０℃であり、各燃料電
池から流出するカソードガスの温度は約６３０℃であ
る。
【０００９】
【作用】上記本発明の構成によれば、複数の燃料電池の
アノードとカソードが直列に連結されているので、同一
容量の単一燃料電池と比較した場合に、入口温度を同一
にすると、個別の燃料電池の容量（すなわち反応面積）
が小さいため、最上流側の燃料電池から流出するカソー
ドガスの温度は従来より低くなる。また、空気補給ライ
ンにより燃料電池間に補給する低温空気により、次の燃
料電池に流入するカソードガスの温度を電解質が凝固し
ない温度まで下げることができ、その燃料電池から流出
するカソードガスの温度も従来より低くできる。従っ
て、この繰り返しにより、複数の燃料電池からなる多段
反応型燃料電池においてカソードガスの各燃料電池への
入口温度を下げることなく、出口温度を十分下げること
ができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消
耗を抑制することができる。
アノードとカソードが直列に連結されているので、同一
容量の単一燃料電池と比較した場合に、入口温度を同一
にすると、個別の燃料電池の容量（すなわち反応面積）
が小さいため、最上流側の燃料電池から流出するカソー
ドガスの温度は従来より低くなる。また、空気補給ライ
ンにより燃料電池間に補給する低温空気により、次の燃
料電池に流入するカソードガスの温度を電解質が凝固し
ない温度まで下げることができ、その燃料電池から流出
するカソードガスの温度も従来より低くできる。従っ
て、この繰り返しにより、複数の燃料電池からなる多段
反応型燃料電池においてカソードガスの各燃料電池への
入口温度を下げることなく、出口温度を十分下げること
ができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消
耗を抑制することができる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付して使用する。図１は、本発明による多
段反応型燃料電池の構成図である。この図において、本
発明の多段反応型燃料電池は、水素を含むアノードガス
２と酸素を含むカソードガス３とから発電する複数（こ
の図で３つ）の燃料電池２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、該
複数の燃料電池２０ａ、２０ｂ、２０ｃのアノードとカ
ソードをそれぞれ直列に連結するアノードガスライン２
４ａ、２４ｂ及びカソードガスライン２５ａ、２５ｂ
と、最下流側の燃料電池２０ｃを通過したカソードガス
（カソード排ガス７）を最上流側のカソード入口側に再
循環するリサイクルライン２６と、燃料電池間のカソー
ドガスライン２５ａ、２５ｂに低温空気を補給する空気
補給ライン２７ａ、２７ｂと、を備えている。また、リ
サイクルライン３には、高温リサイクルブロア３６が設
けられ、空気補給ライン２７ａ、２７ｂにはそれぞれ流
量調節弁２８ａ、２８ｂが設けられている。更に、カソ
ードガスライン２５ａ、２５ｂには温度調節器２９ａ、
２９ｂが設けられ、この温度調節器２９ａ、２９ｂによ
り流量調節弁２８ａ、２８ｂを制御して低温空気量を調
節し、カソードガスライン２５ａ、２５ｂの温度を制御
するようになっている。また、複数の燃料電池２０ａ、
２０ｂ、２０ｃは、全体で従来の単一燃料電池と同一の
電極面積を有し、同一の発電容量を有している。その他
の構成は、図４に示した従来の燃料電池発電装置と同様
である。
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付して使用する。図１は、本発明による多
段反応型燃料電池の構成図である。この図において、本
発明の多段反応型燃料電池は、水素を含むアノードガス
２と酸素を含むカソードガス３とから発電する複数（こ
の図で３つ）の燃料電池２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、該
複数の燃料電池２０ａ、２０ｂ、２０ｃのアノードとカ
ソードをそれぞれ直列に連結するアノードガスライン２
４ａ、２４ｂ及びカソードガスライン２５ａ、２５ｂ
と、最下流側の燃料電池２０ｃを通過したカソードガス
（カソード排ガス７）を最上流側のカソード入口側に再
循環するリサイクルライン２６と、燃料電池間のカソー
ドガスライン２５ａ、２５ｂに低温空気を補給する空気
補給ライン２７ａ、２７ｂと、を備えている。また、リ
サイクルライン３には、高温リサイクルブロア３６が設
けられ、空気補給ライン２７ａ、２７ｂにはそれぞれ流
量調節弁２８ａ、２８ｂが設けられている。更に、カソ
ードガスライン２５ａ、２５ｂには温度調節器２９ａ、
２９ｂが設けられ、この温度調節器２９ａ、２９ｂによ
り流量調節弁２８ａ、２８ｂを制御して低温空気量を調
節し、カソードガスライン２５ａ、２５ｂの温度を制御
するようになっている。また、複数の燃料電池２０ａ、
２０ｂ、２０ｃは、全体で従来の単一燃料電池と同一の
電極面積を有し、同一の発電容量を有している。その他
の構成は、図４に示した従来の燃料電池発電装置と同様
である。
【００１１】図２は、本発明の別の実施例であり、この
図において、複数の燃料電池２０ａ、２０ｂ、２０ｃ
は、図１と相違し、単一の燃料電池内のセルを分割して
構成されている。その他の構成は図１と同様である。
図において、複数の燃料電池２０ａ、２０ｂ、２０ｃ
は、図１と相違し、単一の燃料電池内のセルを分割して
構成されている。その他の構成は図１と同様である。
【００１２】図３は、図１及び図２の構成におけるカソ
ードガス温度のプロフィールを示す模式図である。図１
及び図２の多段反応型燃料電池において、リサイクルラ
イン３に供給する冷却空気量を１００、再循環するカソ
ードガス量を６０とすると、最上流側の燃料電池２０ａ
に流入するカソードガス量は１６０となる。これは、図
５に示した従来の燃料電池発電装置と同一である。ま
た、流入温度を従来と同じ約５８０℃とすると、個別の
燃料電池の容量（すなわち反応面積）が小さいため、最
上流側の燃料電池２０ａから流出するカソードガスの温
度は従来より低く、例えば図１の例で電池容量（電極面
積）が約１／３であるので、流出するカソードガスの温
度は約６３０℃（従来は約６８０℃）となる。次いで、
空気補給ライン２７ａから冷却空気を供給するすること
により、次の燃料電池２０ｂに流入するカソードガスの
温度を電解質が凝固しない温度（例えば約５８０℃）ま
で下げることができ、その燃料電池２０ｂから流出する
カソードガスの温度も従来より低くできる。従って、こ
の繰り返しにより、図３に示すように、複数の燃料電池
からなる多段反応型燃料電池においてカソードガスの各
燃料電池への入口温度を下げることなく、出口温度を十
分下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減
し電解質の消耗を抑制することができる。
ードガス温度のプロフィールを示す模式図である。図１
及び図２の多段反応型燃料電池において、リサイクルラ
イン３に供給する冷却空気量を１００、再循環するカソ
ードガス量を６０とすると、最上流側の燃料電池２０ａ
に流入するカソードガス量は１６０となる。これは、図
５に示した従来の燃料電池発電装置と同一である。ま
た、流入温度を従来と同じ約５８０℃とすると、個別の
燃料電池の容量（すなわち反応面積）が小さいため、最
上流側の燃料電池２０ａから流出するカソードガスの温
度は従来より低く、例えば図１の例で電池容量（電極面
積）が約１／３であるので、流出するカソードガスの温
度は約６３０℃（従来は約６８０℃）となる。次いで、
空気補給ライン２７ａから冷却空気を供給するすること
により、次の燃料電池２０ｂに流入するカソードガスの
温度を電解質が凝固しない温度（例えば約５８０℃）ま
で下げることができ、その燃料電池２０ｂから流出する
カソードガスの温度も従来より低くできる。従って、こ
の繰り返しにより、図３に示すように、複数の燃料電池
からなる多段反応型燃料電池においてカソードガスの各
燃料電池への入口温度を下げることなく、出口温度を十
分下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減
し電解質の消耗を抑制することができる。
【００１３】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。
【００１４】
【発明の効果】上述したように、本発明の多段反応型燃
料電池は、カソードガスの燃料電池への入口温度を下げ
ることなく、出口温度を更に下げることができ、これに
より、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制するこ
とができる、等の優れた効果を有する。
料電池は、カソードガスの燃料電池への入口温度を下げ
ることなく、出口温度を更に下げることができ、これに
より、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制するこ
とができる、等の優れた効果を有する。
【図１】本発明による多段反応型燃料電池の構成図であ
る。
る。
【図２】本発明の別の構成図である。
【図３】図１及び図２の構成におけるカソードガス温度
のプロフィールを示す模式図である。
のプロフィールを示す模式図である。
【図４】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図５】従来の燃料電池発電装置のリサイクルラインの
模式図である。
模式図である。
１ 燃料ガス ２ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ５ 燃焼排ガス ６ 空気 ７ カソード排ガス １０ 改質器 １１ 燃料予熱器 ２０ 燃料電池 ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 燃料電池 ２２ 格納容器 ２４ａ、２４ｂ アノードガスライン ２５ａ、２５ｂ カソードガスライン ２６ リサイクルライン ２７ａ、２７ｂ 空気補給ライン ２８ａ、２８ｂ 流量調節弁 ２９ａ、２９ｂ 温度調節器 ３０ 排ガス循環ライン ３２ 空気予熱器 ３３ 凝縮器 ３４ 気水分離器 ３６ 高温リサイクルブロア ３８ 循環ブロア ４０ 動力回収装置 Ｒｅ 改質室 Ｃｏ 燃焼室 Ａ アノード側 Ｃ カソード側
Claims (2)
- 【請求項１】 水素を含むアノードガスと酸素を含むカ
ソードガスとから発電する複数の燃料電池と、該複数の
燃料電池のアノードとカソードをそれぞれ直列に連結す
るアノードガスライン及びカソードガスラインと、最下
流側の燃料電池を通過したカソードガスを最上流側のカ
ソード入口側に再循環するリサイクルラインと、燃料電
池間のカソードガスラインに低温空気を補給する空気補
給ラインと、を備え、これにより、各燃料電池に流入す
るカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度に保持
しつつ各燃料電池から流出するカソードガスの温度を低
減する、ことを特徴とする多段反応型燃料電池。 - 【請求項２】 前記電解質が凝固しない温度は、約５８
０℃であり、各燃料電池から流出するカソードガスの温
度は約６３０℃である、ことを特徴とする請求項１に記
載の多段反応型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18168594A JP3664178B2 (ja) | 1994-08-03 | 1994-08-03 | 多段反応型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18168594A JP3664178B2 (ja) | 1994-08-03 | 1994-08-03 | 多段反応型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0845526A true JPH0845526A (ja) | 1996-02-16 |
| JP3664178B2 JP3664178B2 (ja) | 2005-06-22 |
Family
ID=16105086
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18168594A Expired - Fee Related JP3664178B2 (ja) | 1994-08-03 | 1994-08-03 | 多段反応型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3664178B2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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