JPH03208258A - 燃料電池発電システムおよび燃料ガス供給方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、燃料電池を用いた発電システムおよ発電所と
、燃料電池の使用方法とに関する。

［従来技術］ 燃料電池は、通常、燃料ガスであるメタンを，改質触媒
により水素リッチのガスに改質して、電気化学反応に用
いている。

改質反応は以下の通りであり、この反応は吸熱反応であ
る。

ＣＨ４＋Ｈ，○→　３Ｈ２＋Ｃ○　　・・（１）Ｃ○＋
｝｛２０　−｝　Ｈ２＋Ｃ○２　　　・・（２）（１）
および（２）式を総合すると、 ＣＨ４＋２　Ｈ２０→４Ｈ２＋ＣＯ２　・・（３）燃料
電池の起電力特性は、燃料ガスの利用率が低くいほど高
くなる。このために、通常、燃料ガスの利用率は、６０
％〜８０％程度にして稼動している。すなわち、２０％
〜４０％の燃料ガスが、未使用のまま、燃料排ガスとし
て排出されている。

ところで，燃料電池では、エネルギの単価を低くするた
めに様々な方法が検討されている。

例えば、燃料排ガスに含まれるメタンを、上記した吸熱
反応である改質反応の加熱源に再利用している。

また、燃料電池に供給するガス圧を高くして、電池内で
起きる電気化学反応を促進し、燃料電池の発電効率を上
げることが行なわれている。

［発明が解決しようとする課題コ 発明者らは、供給するガス圧を高くして、発電効率を上
げた燃料電池から排出される燃料排ガス中のメタン濃度
と供給ガス圧との関係について調べた。

その結果を、第６図に示す。

第６図は、溶融炭酸塩燃料電池に供給されるガス圧を横
軸に、アノード側から排出される燃料排ガスに含まれる
メタン濃度を縦軸に示している。

第６図より，供給されるガス圧が増すと、燃料排ガスに
含まれるメタンの量が増すことが明らかになった。これ
は圧力が高くなるに従い、電池内で、水素と一酸化炭素
によるメタネーション反応が起きていることを示す。

すなわち，燃料電池の発電効率を上げようとして、圧力
を増していくと、電池内でメタネーション反応が生じて
、燃料利用率が下がり、排ガスに含まれるメタンの量が
増す。このため、エネルギの単価を充分に低くはできな
い。

そこで、燃料排ガスを、改質器の加熱用に再利用するこ
とが考えられる。

しかし，改質器の燃料源には、石炭等の安価な燃料を利
用することができるために、高圧運転して排出される燃
料排ガスに含まれる多くのメタンを，改質器の燃料源に
利用することは、満足いく燃料ガスの有効利用法とはな
らない。

本発明の第１の目的は、燃料電池に供給される燃料ガス
を有効に利用した発電システムおよび発電所を提供する
ことにある。

本発明の第２の目的は、燃料電池に供給される燃料ガス
を有効に利用できる燃料電池の運転方法を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の第１の目的は、 複数の燃料電池を含む発電システムにおいて、第１の燃
料電池から排出された燃料排ガスを、第２の燃料電池の
燃料ガスとして使用することを特徴とする発電システム
によって達成される。

水素ガスを燃料とする複数の燃料電池を含む発電システ
ムにおいて、第１の燃料電池内部で生じたメタンを改質
して、第２の燃料電池の燃料として使用することを特徴
とする発電システムによっても達或される。

複数の燃料電池からなる発電システムにおいて、該複数
の燃料電池は、少なくとも１以上の燃料電池からなる前
段の燃料電池群と、少なくとも１以上の燃料電池からな
る後段の燃料電池群とが配置され，前記前段の燃料電池
群は、前記後段の燃料電池群と同数またはこれより多い
数の燃料電池からなり、かつ、前記前段の燃料電池群が
排出する燃料排ガスを、前記後段の燃料電池群が、その
燃料の全部または一部として、使用することを特徴とす
る発電システムによっても達或される。

燃料ガス供給源と第１の燃料電池と第２の燃料電池とを
備え，第２の燃料電池は、燃料ガス供給源が供給する燃
料ガスと第１の燃料ガスが排出する燃料排ガスとを燃料
とすることを特徴とする発電システムによっても達威さ
れる。

前記発電システムは、排出される排ガスを利用するボト
ミングサイクルを設けることが好ましい。

前記発電システムに供給される燃料ガス圧は、大気圧よ
り高いことが好ましい。

また、本発明の第１の目的は、 複数の燃料電池を含む燃料電池発電所において、第１の
燃料電池から排出されるメタンを含む燃料排ガスを、第
２の燃料電池の燃料ガスとして用いることを特徴とする
燃料電池発電所によっても達成される。

本発明の第２の目的は、 燃料電池から排出される燃料排ガスを改質して異なる燃
料電池の燃料ガスとして供給することを特徴とする燃料
電池の運転方法によって達成される。

［作　用］ 燃料電池に供給するガス圧を，常圧（］．ａｔｍ）より
増していくと、発電効率は上がっていく。しかし、それ
に従い、燃料電池内でメタネーションが発生し、燃料排
ガスに含まれるメタンの量が増し燃料ガスの利用率が低
下していく。

メタンは上記（３）式より、１分子当たり、燃料電池の
燃料となる水素を、４分子も生ずることができる。

このために、本発明は、燃料排ガス中に含まれるメタン
を、再び，改質して燃料電池の燃料として使用すること
により燃料利用率を上げて、従来行なわれている，燃料
排ガスを改質器の加熱源として使用するよりも、燃料排
ガス中のメタンを有効に利用する。

［実施例］ 以下、実施例を説明するが，本発明はこれに限定される
ものではない。

以下の実施例では、溶融炭酸塩を電解質とする溶融型炭
酸塩燃料電池を用いた発電システムの実施例を述べるが
、これに限定されない。例えば、リン酸を電解質とする
リン酸型燃料電池および固体電解質を用いる固体電解質
型燃料電池等を使用してもよい。

第１図および第２図を用いて発電システムの一実施例を
説明する。第１図は、本実施例の発電システムの全体構
戊を示す。第２図は、第１図に示す発電システムの主に
電池部の構成を示す。

第］−図に示す発電システムは，外部改質型燃料電池１
０と、外部改質型燃料電池１０に送られる燃料ガスを改
質する改質器３０と、内部改質型燃料電池２０と、燃料
ガス供給源６０と５酸化剤ガス供給源６１と、電池から
生じた直流電力を交流電力に変換するインバータ７０と
、燃料電池から発生する廃熱を利用するボトミングサイ
クル８０とを備えている。

外部改質型燃料電池１０は耐圧容器１６に納められてい
る。同様に、内部改質型燃料電池２０は劇圧容器２６に
納められている。

改質器３０と外部改質型燃料電池１０と内部改質型燃料
電池２０とは、燃料ガス供給源６０から燃料ガスを送る
燃料ガス配管４０によって、直列に結ばれている。燃料
ガス供給源６０と改質器３０との間には，コンプレッサ
５０を設けてガスを送っている。酸化剤ガスは、酸化剤
ガス供給源６１と外部改質型燃料電池１０との間に設け
られたコンプレッサ５０により、酸化剤ガス配管４１を
通じて、外部改質型燃料電池１０と内部改質型燃料電池
２０とに送りこまれる。

外部改質型燃料電池１０と内部改質型燃料電池２０とか
ら得られた電力は，インバータ７０によって交流電力に
変換される。

第２図は，外部改質型燃料電池１０と内部改質型燃料電
池２０と改質器３０との構戊を示す概略図である。

外部改質型燃料電池１０は、アノード］７１，カソード
１３と、燃料ガス用ガス通路１４と、酸化剤ガス用ガス
通路１、５とから構成されている。

内部改質型燃料電池２０はアノード２１と、電解質２２
と、カソード２３と、燃料ガス用ガス通路２４と、酸化
剤ガス用ガス通路２５とから構威されている。そして、
燃料ガス用ガス通路２４には、改質触媒２７が充填され
ている。

改質器３０は、改質触媒３３が充填されたリホーマ３１
とバーナ３２とからなる。

上記発電システムの燃料ガスと酸化剤ガスの流れについ
て説明する。

燃料ガスには天然ガス，メタン等が使用され、酸化剤ガ
スには空気とＣＱ２との混合ガスが使用される。

燃料ガス供給源６０から，燃料ガス配管４０を経て送ら
れた燃料ガスは，リホーマ３１で前記式（３）で表わせ
られる反応により、水素リッチガスに改質される。この
反応は吸熱反応であり，反応を促進するためには加熱が
必要である。このために、改質器３０にはバーナ３２が
設けられている。バーナ３２の燃料には安価な燃料、例
えば石炭等を使用する。

水素リッチガスは外部改質型燃料電池１０の燃料ガス用
ガス通路１４に送られた後、アノード１１で電気化学的
に水素酸化反応を起し、電子を放出する。反応後の燃料
排ガスは、さらに、燃料ガス配管４０により内部改質型
燃料電池２０へ送られる 内部改質型燃料電池２０は、前記燃料排ガスに含まれる
メタンを水素リッチガスに改質した後、水素リッチガス
をアノード２１で電気化学的反応に使用する。こうして
、外部改質型燃料電池１０で生した燃料排ガスは，内部
改質型燃料電池２０で再び燃料電池の発電反応に用いら
れる。

一方、酸化剤ガス供給ｇ６１から送られた酸化剤ガスは
、酸化剤ガス配管４１を通り２外部改質型燃料電池１０
および内部改質型燃料電池２０の、各々の、酸化剤ガス
用ガス通路１５および２５から、カソード１３および２
３に取り込まれて電気化学的に反応し、炭酸イオンを生
或する。

第１図を用いて、排ガスの熱を利用するボトミングサイ
クル８０について説明する。

ボトミングサイクル８０は、ガスタービン８１とボイラ
ー８２とスチームタービン８３とからなる。燃料電池１
０．２０は６５０℃で稼動しており，排出されるガスは
６５０℃〜７５０℃の熱を有している。　まず，ガスタ
ービン８１を用いて廃熱を取りだした後、約４００℃に
なった排ガスによりボイラーから蒸気を発生し、スチー
ムタービンをまわす。さらに，生じた温水を給湯に用い
る。こうして、無．駄なく生じたエネルギを使用する。

本実施例では，燃料ガスとして使用される燃料排ガスを
排出する，前段にある燃料電池（以後、第１の燃料電池
という）は、外部改質型であるが、内部改質型でもよい
。

外部改質型は、燃料電池の外に改質器を設けるために、
改質反応を充分に行なうだけ加熱することが、改質触媒
を電池内部に備えた内部改質型よりも難しく、改質後の
ガスに未反応のメタンが生じやすい。このため，第１の
燃料電池が外部改質型燃料電池であると、燃料排ガス中
に残存しているメタンの量が多くなり、本実施例の発電
システムを用いれば、燃料利用率が上がる。

また、燃料排ガスを使用する燃料電池（以後、第２の燃
料電池という）も同様に、内部改質型あるいは外部改質
型どちらでもよい。

但し、内部改質型を使用した場合には、第１の燃料電池
が排出した燃料排ガス中のメタンを、外部改質型よりも
、効率良く改質でき、燃料利用率が高くなる。

また、第１図には２台の燃料電池を直列に接続している
が、さらに、後段に燃料電池を接続してもよい。

発電効率は、燃料電池に供給するガス圧が７ａｔｍ以上
では、ほぼ一定になる。本実施例の発電システムに供給
するガス圧は、発電効率と燃料ガス利用率から最適点が
選択される。発電システムの容量等の性能によって最適
点は異なるが、通常、５〜７ａｔＩｌ＋が選ばれる。

燃料ガスに含まれる、水蒸気とメタンとの比率（スチー
ム／カーボン（Ｓ／Ｃ））が、２．０以下の場合にはカ
ーボンが析出しやすく、電池性能を劣化しやすい。この
ために、第１の燃料電池の排出する燃料ガス（第２の燃
料電池の燃料ガス）のＳ／Ｃが２．０以上に、好ましく
は、２．５以上になるように水蒸気を添加するとよい。

第２図で図示した燃料電池は、カソード、アノード，電
極質からなるセルをーっ有しているが、複数のセルを有
している多層型の燃料電池も使用できる。

上記の発電システムによる実験例を、実験例−１と実験
例−２に示す。

実験例−１ 第１の燃料電池に外部改質型を、第２の燃料電池に内部
改質型を使用した。

燃料ガスを改質する触媒には、ニッケルを用いた。

メタンを水蒸気改質し、水素リッチガスの燃料ガスと、
空気と炭酸ガスをモル比７０対３ｏに混合した酸化剤ガ
スとを，ともにガス圧５　ａｔＩＩで、第１の燃料電池
に供給した。第１の燃料電池の運転条件は、電池内温度
６５０℃，電流密度１５０ｗｒＡ／ａｊであり、燃料ガ
スの利用率を６０％となるようにした。第１の燃料電池
のアノード側から排出される、燃料排ガス中のメタンの
濃度は、約７％であった。

Ｓ／Ｃ比を２．５に調整した燃料排ガスを、第２の燃料
電池（内部改質型）に燃料ガスとして供給した。

第２の燃料電池は、その内部で、供給された燃料排ガス
中のメタンを改質した後、電気化学反応を行なう。運転
条件は、電池内温度を６５０℃、燃料ガスの利用率を約
９０％とした。燃料ガスの利用率は電流密度等を選択す
ることにより約９０％となるようにした。

第２の燃料電池から排出される、燃料排ガス中のメタン
の含有量を調べたところ，第１の燃料電池に供給された
燃料ガスに含まれるメタンの約９５％を、第１の燃料電
池と第２の燃料電池とが使用していた。

実験例−２ 本実験例では、第２の燃料電池に、第１の燃料電池より
容量の小さい外部改質型燃料電池を使用した以外は、実
験例−１と同様にした。

本実験例では，第１の燃料電池の燃料排ガスの出口に、
ニッケル触媒を充填したリホーマを接続して、燃料排ガ
ス中のメタンを、水素リッチの燃料ガスに改質して，第
２の燃料電池に供給した。

この時Ｓ／Ｃ比は、実験例−１と同様になるように調整
した。

本実験例では、燃料排ガスの改質時に加熱を施さなかっ
たために、燃料排ガスに含まれるメタンの、約８６％ま
で水素に改質できたが、残り約１４％は改質されずメタ
ンのままであった。

第２の燃料電池から排出される、燃料排ガス中のメタン
の含有量を調べたところ、第１の燃料電池に供給された
燃料ガスに含まれるメタンの約９Ｏ％を、第ｌの燃料電
池と第２の燃料電池とが使用していた。

以上の実験例で明らかなように、２つの燃料電池を直列
にむすび、第１の燃料電池から排出される燃料排ガスを
、第２の燃料電池の燃料ガスとすることにより、燃料排
ガスを有効に使用して、第１の燃料電池に供給された燃
料ガスに含まれるメタンの約９０％以上を使用すること
ができる．実験例−２において、第１の燃料電池と第２
の燃料電池の間に設けた改質器に加熱を施していないが
、加熱を行なってもよい。加熱を行なうか否かは、加熱
に用する石炭等に費やす費用と、燃料電池から取りだす
ことができる電気量との、コストパーフオマンスから選
択を行なうとよい。

第１図に示した発電システムとは異なる発電システムを
、第３，４および５図に示す。

以下に説明する発電システムにおいて、第１の燃料電池
は外部改質型で，第２の燃料電池は内部改質型を示して
いるが，第１図に示した発電システムと同様に、第１お
よび第２の燃料電池ともに、外部改質型または内部改質
型どちらでもよい。

また、第１の燃料電池および第２の燃料電池を構成する
セルは、単独または複数どちらでもよいさらに、第１の
燃料電池および第２の燃料電池に供給されるガスは、高
圧ガスであることが好ましいが、特にそれに限定される
ことはなく、常圧でもよい。

第３図に、複数の第１の燃料電池から構成さている前段
の燃料電池群と、複数の第２の燃料電池から構成さてい
る後段の燃料電池群とを設けた実施例を示す。

燃料ガスを改質器３０１にて水素リッチなガスにした後
、このガスを前段の燃料電池群３０２に供給する。前段
の燃料電池３０２から排出された燃料排ガスを集めて、
後段の燃料電池３０３の燃料ガスとして用いる。

本実施例は、前段の燃料電池群３０２は、例えば５台の
燃料電池からなり，後段の燃料電池群３０３は、例えば
２台の燃料電池からなっているが、前段の燃料電池群３
０２は．前記後段の燃料電池群３０３と同数またはこれ
より多い数の燃料電池から構或されていれば，その数は
特に限定されない。前段の燃料電池群３０２および後段
の燃料電池群３０３に用いる燃料電池の数は、運転条件
および出力によって任意に選択される。

本実施例は，前段の燃料電池群３０２を構成する燃料電
池の、例えば１台に、トラブルが発生し運転が不可能と
なった場合あるいは定期点検等で運転を中断する場合で
も、他の前段の燃料電池群３０２を構成する燃料電池が
稼動することにより、発電システムを停止する必要はな
く、発電システムの稼動効率が上がる。

また、前段の燃料電池群３０２と後段の燃料電池群３０
３とに同じ燃料電池を使用し，さらに、前段の燃料電池
群３０２と後段の燃料電池群３０３とを任意に切り換え
ることができるように配管およびバルブを設けると、前
段の燃料電池群３ｏ２を構或する燃料電池の数と、後段
の燃料電池群３０３を構或する燃料電池の数とを、随時
，運転条件および出力によって変更することができる。

本実施例は、前段の燃料電池群３０２を高圧で運転しな
い場合、すなわち、メタネーション反応が起こりにくく
、前段の燃料電池群３０２から排出される燃料排ガス中
に含まれるメタンの量が少ない場合にも有効である。

第４図に第１の燃料電池から排出される燃料排ガスに、
未ｔ！用の燃料ガスを補充して第２の燃料電池の燃料ガ
スとするシステムを示す。

本実施例の発電システムは，１示していない燃料ガス供
給源から送られてくる燃料ガスを、改質器４０１が水素
リッチなガスに改質する。そして、上記ガスを、第１の
燃料電池４０２と、燃料ガスの一部を供給できる開閉バ
ルブを付設した分岐管を経て、第２の燃料電池４０３と
に供給するできる構成を有している。

このため、第２の燃料電池は、改質器４０１か改質した
ガスおよび第１の燃料電池の排出する排ガスを、燃料ガ
スとして使用できる。特に、第１の燃料排ガスに含まれ
るメタンの量が少ないとき、あるいは、第２の燃料電池
の出力を大きくする必要が生したときに、バイパスライ
ンに設けられた開閉バルブを開いて、第２の燃料電池に
必要な燃料を供給できる。

第１の燃料電池にトラブルが発生し運転が不可能となっ
た場合、あるいは，定期点検等で運転を中断するときに
は、バイパスラインを用いて、第２の燃料電池のみでも
１・転ができるやまた、第３図のように，第１の燃料電
池と第２の燃料電池とが　＊＊の燃料電池から構威され
ていてもよい。

第１の燃料電池と第２の燃料電池とが同一耐圧容器に納
められた例を，第５図に示す。

燃料電池に使用されるメタンガス等は引火性があるため
、燃料電池からガスがリークしないように、供給される
ガスと反応しないガス（一般的に，窒素ガス）で満たし
た耐圧容器内に，燃料電池を収納することが多い。特に
、発電効率を向上するために，燃料電池に供給する燃料
ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力とは常圧より高いガス圧
を使用する場合には，安全性を高めるために、耐圧容器
が必要とされることが多い。

本実施例では、第１の燃料電池５０１と第２の燃料電池
５０２とを同し耐圧容器に納めることにより、耐圧容器
の数を減少することができる。

第１の燃料電池５０１と第２の燃料電池５０２とは上下
方向に配置されているが、左右方向に配置されても構わ
ない。

また、第４図で示したように、第１の燃料電池と第２の
燃料電池との間に，バイパスラインを設けるとよい。

［発明の効果コ 本発明によれば，燃料排ガスを有効に利用することがで
き、燃料ガス中に含まれるメタンの利用効率を、向上す
ることが可能である。このようにして、発電効率を上げ
、エネルギの単価を低くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の発電システムの一実施例を示す模式図
、第２図は第１図に示した発電システムの主として燃料
電池の構或を示したもの、第３図、第４図および第５図
は各々第１図とは異なる本発明の発電システムの主とし
て燃料電池の配列を示す模式図、第６図は燃料電池の運
転時ガス圧力と燃料排ガス中のメタン濃度との関係を示
した図である。 １０・・・外部改質型燃料電池、２０・・・内部改質型
燃料電池、　３０・・・改質器＋　　４０・・・燃料ガ
ス配管、４１・・酸化剤ガス配管、　５０・・・コンプ
レッサ、６０・・・燃料ガス供給源、６１・酸化剤ガス
供給源、７０・・・インバータ、８０・・・ボトミング
サイクル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の燃料電池を含む発電システムにおいて、第１
   の燃料電池から排出された燃料排ガスを、第２の燃料電
   池の燃料ガスとして使用することを特徴とする発電シス
   テム。 ２、水素ガスを燃料とする複数の燃料電池を含む発電シ
   ステムにおいて、 第１の燃料電池内部で生じたメタンを改質して、第２の
   燃料電池の燃料として使用することを特徴とする発電シ
   ステム。 ３、複数の燃料電池からなる発電システムにおいて、該
   複数の燃料電池は、少なくとも１以上の燃料電池からな
   る前段の燃料電池群と、少なくとも１以上の燃料電池か
   らなる後段の燃料電池群とが配置され、 前記前段の燃料電池群は、前記後段の燃料電池群と同数
   またはこれより多い数の燃料電池からなり、かつ、前記
   前段の燃料電池群が排出する燃料排ガスを、前記後段の
   燃料電池群が、その燃料の全部または一部として、使用
   することを特徴とする発電システム。 ４、燃料ガス供給源と第１の燃料電池と第２の燃料電池
   とを備え、 第２の燃料電池は、燃料ガス供給源が供給する燃料ガス
   と第１の燃料電池が排出する燃料排ガスとを燃料とする
   ことを特徴とする発電システム。 ５、前記発電システムは、排出される排ガスを利用する
   ボトミングサイクルを設けたことを特徴とする請求項１
   、２、３または４記載の発電システム。 ６、前記発電システムに供給される燃料ガス圧は、大気
   圧より高いことを特徴とする請求項１、２、３、４また
   は５記載の発電システム。 ７、複数の燃料電池を含む燃料電池発電所において、 第１の燃料電池から排出されるメタンを含む燃料排ガス
   を、第２の燃料電池の燃料ガスとして用いることを特徴
   とする燃料電池発電所。 ８、燃料電池から排出される燃料排ガスを改質して異な
   る燃料電池の燃料ガスとして供給することを特徴とする
   燃料電池の運転方法。