JPS62281275A

JPS62281275A - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JPS62281275A
Application number: JP61122162A
Authority: JP
Inventors: Yoshikiyo Iwasaki; 岩崎　芳摩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-05-29
Filing date: 1986-05-29
Publication date: 1987-12-07

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】３、発明の詳細な説明［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は燃料電池発電プラントに係り、特に燃料排ガス
の再循環による燃料供給ガスの一酸化炭素濃度増大に伴
う燃料極の触媒の触媒毒作用を低近年、燃料の有してい
るエネルギーを直接電気的エネルギーに変換するものと
して燃料電池が知られている。この種燃料電池は、通常
、電解質を挟んで一対の多孔質電極を配置して構成され
ると共に、一方の電極の背面に水素などの燃料を接触さ
せ、また他方の電極の背面に酸素などの酸化剤を接触さ
せ、このとき起こる電気化学的反応を利用して、上記両
電極間から電気エネルギーを取り出すように構成された
ものであり、燃料と酸化剤が供給されている限り高い変
換効率で電気エネルギーを取り出すことができるもので
ある。

第３図は燃料電池を用いた代表的な発電プラントの基本
的構成図を示したものである。同図において、天然ガス
または石炭ガス等の化石燃料よりなる燃料１とスチーム
供給器２からのスチームが、それぞれ燃料流量調節弁３
とスチーム流量調節弁４とにより、スチームとカーボン
の混合モル比が３〜５程度となるように制御されて燃料
改質装置５内の改質接触チューブ６に導入される。ここ
で、スチームと燃料は５００〜６００　’Ｃ程度まで加
熱されて改質反応を行ない、次に変成器７を経て水素含
有率の高い燃料ガスとなる。この水素含有率が高くなっ
た燃料ガスは、燃料ガス気水分離器８に送られて改質で
余剰になったスチームを除去した後、補助バーナ９へは
補助バーナ燃料流量調節弁１０により、また燃料電池１
１の燃料極１１Ａへは燃料ガス流量調節弁１２により、
それぞれ流量が制御されて送られる。

燃料電池１１の燃料極１１Ａへ流入した燃料ガス中の水
素は、酸化剤極１１Ｂに流入している空気中の酸素と触
媒反応を行ない、その結果燃料の一部が消費されて電気
エネルギーと反応生成水とが得られる。この燃料電池１
１内で生成した反応生成水の一部を含んで燃料極１１Ａ
を出た燃料排ガスは、前述の燃料改質装置５のメインバ
ーナ１３の燃料として送られるが、この途中においてガ
ス中の水分を回収するため燃料排ガス気水分離器１６を
通過させる。

そして、メインバーナ１３へ送られた燃料排ガスは燃料
改質装置５内で燃焼し、改質触媒チューブ６を加熱した
後に高温排ガス１７として排出される。

ざらに、この高温排ガス１７は燃料電池１１の酸化剤１
１１Ｂから送られる空気排ガスと合流した後、混合器１
８へ送られて空気供給装置（ターボコンプレッサ）１９
の駆動用エネルギーの一部として使われる。一方、補助
バーナ９へ送られた燃料ガスは補助バーナ９内で燃焼し
、その燃料ガスが混合器１８を通過して空気供給装置１
９のタービン１９Ａを駆動する。

一方、タービン１９Ａに連結して駆動されるコンプレッ
サ１９Ｂの吐出空気は、補助バーナ９．メインバーナ１
３へ夫々補助バーナ空気流量調節弁２０゜メインバーナ
空気流量調節弁２１により空燃比を調節して送られると
共に、空気流Ｍ調節弁２２により燃料電池１１の酸化剤
極１１Ｂへ送られ、余剰分は空気供給装置１９の駆動用
エネルギーの一部としてン昆合器１８へ送られる。酸化
剤極１１Ｂに送られた空気の一部は燃料極１１Ａの水素
と反応して消費された後、酸化剤極１１Ｂ内で生成した
水分を含んで排出される。この排出された空気排ガスは
燃料排ガスと同様に空気排ガス気水分離器２５により空
気排ガス中のスチーム分を一部復水した後に燃料改質装
置５からの高温排ガス１７と合流する。

上述したように、燃料電池１１は燃料極１１Ａ内の水素
と酸化剤極１１８内の酸素との触媒反応によって酸化剤
極１１Ｂが正極、燃料極１１Ａが負極となるように電気
エネルギーを発生する。その両電極１１Ａ　、１１８間
に接続された電気負荷２６により吸収された電流値に略
比例して、両電極１１Ａ　、１１８人口に供給された水
素と酸素が反応して反応生成水が得られ、このスチーム
分を含んだ未反応ガス分が両電極１１Ａ　、ＩＩＢ出口
より排出されることになる。

一方、燃料極１１八出口からは燃料再循環装置に連なる
リサイクル配管１４が分岐され、燃料排ガスの一部は燃
料再循環ファン１５を経て燃料極１１Ａの入口に戻され
る。あるいは、酸化剤極１１８の出口からは空気再循環
装置に連なる空気リサイクル配管２３が分岐され、空気
排ガスの一部は空気再循環ファン２４を経て酸化剤極１
１Ｂの入口に戻される。

これらの両極と再循＠装置は、燃料排ガスの水素濃度お
よび空気排ガスの酸素濃度を調節し、燃料電池の濃度分
離作用により電池発生電圧を調整するとともに電池反応
後の未反応ガスを再利用することにより電池に対してよ
り多くの反応ガスを供給できるのでより高い負荷で運転
でき、燃料電池発電プラントの効率を増大させることが
できる。

このような燃料電池発電プラントの運転状態において、
燃料電池１１が安定な出力電圧を保ちながら負荷指令に
応じた負荷電力を出力しつづけるためには、燃料極１１
Ａ入口に供給される燃料ガス中に含まれる水素ガス量と
、酸化剤極１１Ｂ人口に供給される空気中に含まれる酸
素ガス量が、適正な量に調整されている必要がある。こ
こで、適正な量とは電池反応で消費される反応ガス量に
ある程度の余剰の未反応ガス借を加えた値であり、一般
的にこの余剰分は、水素ガスの場合反応ガス量に対し２
０％程度以上、酸素ガスの場合反応ガス量に対し４０％
程度以上でおることが望ましい。

また、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）量も許
容値以下に調節する必要がある。これは、−酸化炭素（
ＣＯ）により触媒面での反応である電離作用が低下し電
池の発生電圧が下がること、で、通常触媒毒作用と言わ
れているものである。ここで、この−酸化炭素（ＣＯ）
許容値は、一般的にリン酸燃料電池の場合、運転温度が
２００’Ｃで濃度が１〜２％前後であり、燃料改質装置
５によって改質された燃料ガスは変成器７を通過するこ
とにより許容値以下に調整される。

（発明が解決しようとする問題点）このように燃料電池に供給される水素ガス徂および酸素
ガス量または水素ガスと混合する一酸化炭素が適正な値
に保たれなければ燃料電池の過電圧または異常低下を来
たして安定な発電運転の継続が困難となる。

？ところで、以上述べたような再循環装置を有する燃料電
池発電プラントで問題になるのは、燃料極において電流
相当分の水素ガスが消費されるため燃料極１１Ａ入口の
燃料ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度に比べて燃料極１
１Ａ出口の燃料排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度が高
くなりこの一酸化炭素（ＣＯ）濃度の高くなった燃料排
ガスの一部が再循環装置によって燃料ガスと混合し、再
び燃料極１１Ａに供給されるため再循環しないときに比
べて、燃料極１１Ａ入口の一酸化炭素（ＣＯ）濃度が高
くなることである。この−酸化炭素（ＣＯ）濃度は場合
によっては許容値を越える可能性も生ずる。

これは例えば次のような計算例でも示される。

燃料改質装置によって改質され、変成器を通過した燃料
ガスの濃度を８２＝７５％、Ｃ０＝１％としく残りは０
０２など）余剰水素ガス量を２０％として燃料ガスを供
給し発電を行うと、水素ガスのみ８０％消費されるため
燃料排ガス量は燃料極入口のガス量に対して４０％に減
少し、この分−酸化炭素を含む水素ガス以外の混合ガス
の濃度は２．５倍となり、−酸化炭素濃度も２．５％に
なる。この燃料排ガスの一部を再循環し、その流量を燃
料ガス流量と同流量とすると、燃料極大口の一酸化炭素
（ＣＯ）濃度は１．７５％と再循環しないときの１％に
比べて高くなり、ざらに再循環量を燃料ガス流量の２倍
とすると、燃料極入口の一酸化炭素（ＣＯ）濃度は２％
となり許容値に等しい濃度に到達する。またざらに、再
精１ｚ　ｉを増やせば一酸化炭素（ＣＯ）濃度は高くな
り許容値をオーバーする。しかしながら、再循環量を増
やす程、余剰水素ガス量が増加する効果がおり再循環を
行う目的がこの一つになっている。このように再循環量
を増やす程余剰水素は増えるが、他方−酸化炭素（ＣＯ
）１度が高くなるというように相反する作用があるので
、何等かの手段により一酸化炭素濃度を下げることが望
まれていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は
、燃料極に供給するガス中の一酸化炭素濃度を許容値以
下に保ちざらに水素ガス但を地組する機能を備えた燃料
電池発電プラントを提供することであり、これによって
再循環装置の機能を最大限に利用して燃料電池発電プラ
ントの効率増大を実現することでおる。

［発明の構成１（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明は再循環装置を有す
る燃料電池発電プラントにおいて、燃料排ガスの再精Ｉ
Ｍ装置ラインに当該ラインを流れるガス中の一酸化炭素
を変成する変成器を設けたことを特徴とするものであり
、ざらにまた燃料排ガスの再循環装置ラインの出口を燃
料改質装置からの燃料ガスを変成する変成器の入口に接
続したことも特徴とするものである。

（作　用）本発明は上記の如く構成することにより、燃料電池の燃
料極の出口の排出ガスの一部でおる再循環ガス中に含ま
れる一酸化炭素を同じく燃料排ガス中に含む水分とからＣＯ＋Ｈ２０→Ｈ２＋　ＣＯ２の反応を促して、ＣＯを００２に変成するとともに水素
ガス（１２を生成し、この水素ガス眩を再循環装置によ
り再び燃料極入口に供給するようにしたものでおる。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図に基づいて詳細に説明す
る。なお既に説明した第３図と同一部分には同一符号を
付してその詳細な説明は省略するものとする。。

第１図は本発明の一実施例の燃料電池発電プラントの構
成図であり、同図において、燃料１は燃料改質装置５で
改質され、ざらに変成器７および燃料ガス気水分離器８
によって一酸化炭素（Ｃｏ）濃度および余剰スチームを
調節し、燃料ガス流量調節弁１２を介して燃料極１１Ａ
に供給される。また、空気供給装置１９がら空気流量調
節弁２２を介して酸化剤極１１８に空気を供給してこの
とき起こる電気化学反応により前記両電極間から電気エ
ネルギーを取り出す。燃料再循環ファン１５は燃料電池
１１の燃料極１１Ａの出口側に設けられ、燃料極１１Ａ
がら排出される燃料排ガスの一部を再び燃料極１１Ａの
入口側に循環する。変成器２７は燃料極１１Ａおよび燃
料再循環ファン１５の間に設けられ、当該ラインを流れ
る燃料排ガス中の一酸化炭素を変成する。

次に本実施例の作用について説明する。

燃料電池発電プラントが発電運転状態では、第１図に示
すように燃料極１１Ａ側では燃料流量調節弁１２で流量
調節された燃料ガスあるいは上記燃料ガスと燃料再循環
ファン１５で再循環された燃料排ガスの一部が混合し、
燃料極１１Ａに供給され発電電流に略比例した水素ガス
が消費され、燃料極１１Ａから燃料排ガスとして排出さ
れる。しかして燃料再循環ファン１５が運転していない
時には、燃料排ガスの全ては燃料排ガス気水分離器１６
を通過し、燃料改質装置５のメインバーナー１３に送ら
れる。

次に、燃料再循環ファン１５が運転し燃料排ガスの一部
が燃料極１１Ａに再循環される場合は、再循環ガスは変
成器２７において再循環ガス中に含まれる一酸化炭素（
Ｃｏ）の一部と同じく再循環ガス中に含まれるＮｏの一
部とでＣＯ＋　Ｈ２０→Ｈ２＋　　ＣＯ２の反応を起こし、−酸化炭素を酸化させるとともに水素
ガスを増但し、ざらに−酸化炭素濃度を低下ざぜ、燃料
流量調節弁１２で流量調節された燃料ガスと混合し燃料
極１１Ａに供給する。また燃料再循環ファン１５によっ
て再循環されない燃料排ガスは、燃料再循環ファン１５
が運転しない時と同様に燃料排ガス気水分離器１６を通
過し、燃料改質装置５のメインバーナー１３に送られる
。

以上説明したところから明らかなように、本実施例によ
ると、燃料再循環ラインに一酸化炭素（ＣＯ）を変成す
る変成器２７を設け、−酸化炭素濃度の高まった燃料排
ガスの一酸化炭素（Ｃｏ）を二酸化炭素（ＣＯ２）に酸
化させるとともに水素ガス（■２）の増量を図ることが
できるので、従来の燃料電池のように燃料再循環装置に
よって再循環を行っても燃料極１１八に流入する燃料ガ
ス中の一酸化炭素濃度は高くならずざらに水素ガスが増
量されることにより燃料電池の性能を安定することがで
きる。

（他の実施例）上記実施例は変成器２７を燃料極１１Ａと燃料再循環フ
ァン１５の入口側の間に設けたものでおるが、この変成
器２７の位置は例えば燃料極再循環ファン１５の出口側
と燃料極１１Ａの間などのように燃料再循環ファン１５
によって、燃料排ガスが通過するどの部分に設けても上
記実施例と同様の効果を奏する。また、第２図に示すよ
うに、新たに他の変成器８設けるのではなく既設の変成
器７の入口側に燃料排ガスを戻すように構成しても上記
実施例と同様の効果を秦する。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の燃料電池発電プラントに
よれば、燃料電池の燃料極から排出される燃料排ガスの
一部を再循環するように構成された再循環装置を有して
いるので、燃料排ガスの再循環によって生ずる燃料極流
入ガスの一酸化炭素濃度増大を防止でき、燃料電池の発
生電圧低下を防ぐことができる。ざらに、水素増母作用
があるので安定した発電を行うことができるというすぐ
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は本発明の
他の実施例の燃料電池発電プラントの燃料極側の再循環
系のみを示す構成図、第３図は従来の燃料電池発電プラ
ントの構成図である。１・・−燃料２・・・スチーム供給器３・・・燃料流星調節弁４・・・スチーム流量調節弁５・・・燃料改質装置６・・・改質接触チューブ７・・・変成器８・・・燃料ガス気水分離器９・・・補助バーナ１０・・・補助バーナ燃料流量調節弁１１・・・燃料電池１１Ａ・・・燃料極１１Ｂ・・・酸化剤極１２・・・燃料ガス流量調節弁１３・・・メインバーナ１４・・・燃料リサイクル配管１５・・・燃料再循環ファン１６・・・燃料排ガス気水分離器１７・・・高温排ガス１８・・・混合器１９・・・空気供給袋＠（ターボコンプレッサ）１９Ａ
・・・タービン１９Ｂ・・・コンプレッサ２ｏ・・・補助バーナ空気流量調節弁２１・・・メインバーナ空気流量調節弁２２・・・空気
流量調節弁２３・・・空気リサイクル配管２４・・・空気再循環ファン２５・−・空気排ガス気水分離器２６・・・電気負荷２７・・・変成器代理人・弁理士　則　近　憲　佑同　　三俣弘文茅　１　　図Ｌコ菓２図茅　３　図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）混合成分の原燃料を水素主成分の燃料ガスに改質
する燃料改質装置と、圧縮した空気を供給する空気供給
装置と、前記燃料ガス中の水素と前記圧縮空気中の酸素
の反応により電流を出力する燃料電池と、前記燃料電池
を通過した未反応の水素を含む燃料排ガスまたは未反応
の酸素を含む空気排ガスの両者あるいは一方の排ガスの
一部を再循環ファンを通して前記燃料電池入口側に再循
環するように構成された再循環装置とを備えている燃料
電池発電プラントにおいて、前記燃料排ガスの再循環装
置ラインに当該ラインを流れるガス中の一酸化炭素を変
成する変成器を設けたことを特徴とする燃料電池発電プ
ラント。
（２）混合成分の原燃料を水素主成分の燃料ガスに改質
する燃料改質装置と、圧縮した空気を供給する空気供給
装置と、前記燃料ガス中の水素と前記圧縮空気中の酸素
の反応により電流を出力する燃料電池と、前記燃料電池
を通過した未反応の水素を含む燃料排ガスまたは未反応
の酸素を含む空気排ガスの両者あるいは一方の排ガスの
一部を再循環ファンを通して前記燃料電池入口側に再循
環するように構成された再循環装置とを備えている燃料
電池発電プラントにおいて、前記燃料排ガスの再循環装
置ラインの出口を前記燃料改質装置からの燃料ガスを変
成する変成器の入口に接続したことを特徴とする燃料電
池発電プラント。