JPH03225770A - 燃料電池パワープラント - 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、水素および酸化炭素豊富供給ガスを使用した
燃料電池パワープラントに関する。より詳しくは、プラ
ントの燃料電池を冷却する要求を減少することによって
か＼る燃料電池パワープラントの全体の効率を改良する
燃料電池パワープラントに関する。

（従来の技術） 燃料電池パワープラントにおいて、燃料ガスに含まれる
化学的エネルギーは、燃料電池で電気化学的反応によっ
て電気エネルギーに変換される。この供給ガスは、燃料
電池のアノードで電気化学的に酸化された電子を失い、
そしてこれは上記電池におけるカソードでオキシダント
反応体と化合される。公知の燃料パワープラントに広く
利用されている典型的な燃料電池は、水素−酸化炭素燃
料および空気オキシダント上で操作する。か＼る燃料電
池は、供給ガスおよびカソードオキシダントガスに含ま
れるＨ２０２−燃料が電気化学的反応によって水に転換
される公知の溶融カーボネート燃料電池および固形酸化
燃料電池である。

溶融カーボネート燃料電池を使用する場合、ＣＯ２は、
アノードおよびカソードに接触する電解質マトリックス
により好適なイオン移動を維持するためにカソードに必
要とされる。ＣＯ□は、以下の反応に従ってアノードで
生産され、 Ｈ２＋ＣＯ２２−→Ｈ２０＋　２ｅ−（１）Ｃｏ　＋Ｃ
Ｏｓ’−→２ＣＯ２＋　２ｅ−（２）そして反応： ’ＡＯｔ　＋ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯｓ”−（３）によっ
てカソードで消費される。

Ｈ２−０□−燃料電池の化学量論的熱効率は、団体の電
池反応の反応の自由エネルギーと熱との比率によって決
定される。

Ｈ２＋　！４０□→Ｈ２０；ΔＨ＝−２４１，８Ｋｊ／
ｍｏｌｅ　　（４）Ｈ２およびＣＯの酸化の自由エネル
ギーが温度の上昇に従って減少し、電池の可逆電圧の減
少を来すが、実際の燃料電池の性能は、平衡的にコント
ロールされ、そして温度上昇からの利益を得る。しかし
ながら、電池成分に使用される材料の機械的性質並びに
制限は、電解質マトリックスの焼成または結晶化によっ
て生ずる電池の操作温度を電解質材料の構造的応力また
は電解質分解を回避するためにいくぶんか狭い温度間隔
に制限される。例えば通常の溶融カーボネート燃料電池
の操作温度は、６００〜７００°Ｃの範囲内である。従
って発熱電気化学的プロセスによって発生した余剰の熱
および電池の極性の損失を電池かな除かなければならな
い。

燃料電池は、燃料電池パワープラントにおいて多くの個
々の電池に積み重ねなければならず、これの冷却は、熱
交換プレートまたは堆積物をその最適な操作温度で保持
する冷媒の流れのある溝によって提供される。公知の燃
料電池パワープラントにおいて、カソードオキシダント
ガスは、上記堆積物における冷媒として使用されている
。熱カソード排ガスは、冷却されそしてこれを循環する
前にアノード排ガスからの熱ＣＤ２と一緒に混合される
。混合リサイクルガスは、十分な冷却を提供するための
燃料電池堆積物の冷却要求に依存して好適な割合で調整
される。

石炭ガスまたは水素−酸化炭素豊富ガスを供給限として
使用する公知の燃料電池パワープラントの欠点は、燃料
電池における激しい発熱転換によって生ずる高い冷却に
対する要求である。

特に、カソードガスループのリサイクルおよびガス供給
流は、相当の区分された領域を有するパイピングおよび
十分なガス流を提供するために高いエネルギー消費を伴
う巨大な圧縮となる冷却要求に合致するように高いガス
流を企てなければならない。

（発明が解決しようとする課題） 水素および酸化炭素豊富ガスを供給源として使用し、そ
してプラントの燃料電池の冷却するという要求を低減す
ることによって全体としての効率が改良された燃料電池
パワープラントを提供することが本発明の目的である。

更に、か＼る燃料電池パワープラントのカソードガス供
給ループを単純化することも本発明の目的である。

（課題を解決するための手段） 本発明によると、水素および酸化炭素豊富供給ガス（４
）を使用し、そして アノード室およびカソード室を有する水素−酸化炭素消
費燃料電池、 上記アノード室の供給ガスを供給する手段、圧縮された
カソードオキシダントガスを有する上記カソード室を供
給する圧縮手段、および燃料電池排ガスを上記カソード
室にリサイクルする手段とからなる燃料電池パワープラ
ントであっ。

て、 上記燃料電池パワープラントが更に 水素および酸化炭素豊富供給ガスをメタン化ガスに転換
するメタン化ユニット、 メタン化ガスを受けそして上記燃料電池からの排熱を吸
収することによってアノードプロセスガスに再生するの
に適合する再生触媒床からなることを特徴とする上記燃
料電池パワープラントが提供される。

メタン化ユニットは、いかなる公知のメタン化反応器、
例えば断熱性メタン化反応器および沸騰水メタン化反応
器からなることができる。

断熱性メタン化反応器を使用する場合、米国特許第４．
１３０．５７５号明細書に記載されている通り加工され
たガスを１種類またはそれ以上の反応器に供給する一連
の反応器に接続することが有利である。

本発明の好ましい実施態様において、このメタン化−反
応は、本発明に参考文献として取り込まれている米国特
許第４．２９８．６９４号明細書に開示された通りの沸
騰水メタン化反応器に接続された断熱性反応器で行われ
る。これによって、発熱性メタン化反応の際に生じる排
熱を使用して過熱水蒸気を製造することができ、この過
熱水蒸気は、水蒸気タービンで付加的電気を発生するの
に使用することができる。

メタン化ユニットからのメタン豊富ガスは、レフォーミ
ング触媒床中で吸熱性水蒸気リフォーミングによって水
素豊富アノードプロセスに転換される。燃料電池との熱
伝導関係にリフオーミング触媒床をアレンジすることに
よって、吸熱リフオーミングプロセスに必要な熱が排熱
により供給され、そしてこれは燃料電池における発熱性
電気化学的反応の際に発生する。

更に、本発明の好ましい実施態様において、リフォーミ
ング触媒床は、公知のリフォーミング熔融カーボネート
燃料電池のように一体化された部分の燃料電池である。

一般に、本発明のパワープラントの燃料電池を冷却する
という要求は、メタン化ユニットにおける水素−酸化炭
素供給ガスに含まれる反応熱を消費することによってそ
して吸熱水蒸気リフォーミングプロセスによるリフォー
ミング触媒中の燃料電池から排熱を吸収することによっ
て低減される。

その結果、本発明による燃料電池パワープラントのカソ
ードガス供給ループかパイピングの割合が減少し７、そ
してカソードガスを循環させる圧縮操作が低減するとい
う点で簡素化される。

排熱除去は、これにより燃料パワープラントを使用する
水素−酸化炭素供給源として公知のカソードガスループ
からメタン化ユニットカソードに有利に移動し、そして
これは更に高いガス圧およびカソードガスループにおけ
る相当するパラメーターに比較するとメタン化ユニット
において得られる比較的に高い熱移動により水蒸気製造
が改良される。

更に、本発明の有利な特徴として、熱カソード排ガスが
エゼクタ−により循環することができることによって高
価な熱ガス圧縮に対する費用を節約できることである。

図面によると、本発明の一実施態様による燃料電池パワ
ープラントは、電解質マトリックス２ｅにより接触して
保持されたアノード室２ａおよびカソ−ド室２ｃを有す
る水素−酸化炭素消費燃料電池２からなる。本明細書で
使用されそして上記の記載で述べられた通り、燃料電池
は、堆積物を冷却するための熱交換プレートが付された
数個の個々の電池の堆積物からなる（図示せず）。

ライン１４上に供給されたアノードプロセスガスは、ラ
イン６上に供給された水蒸気と一緒にライン４中の水素
および酸化炭素−供給ガスをメタン化ユニット９および
リフォマーユニット１３ａにより上首尾に通過させるこ
とによって製造される。

メタン化ユニット９への供給ガスおよび水蒸気の併せた
水蒸気を通過させる前に、この水蒸気は、ライン８に配
列された熱交換器７中のアノードガスで熱交換器によっ
て約３５０　’Ｃの温度に調整される。

メタン化ユニット９において、供給ガスと水蒸気を併せ
た水蒸気に含まれる水素および酸化炭素は、以下の式に
よりメタン化触媒の存在下にメタン化される。

ＣＯ＋３Ｈ２ｅＣＨ４＋Ｈ２０゜ ΔＨ＝−２０６，１５Ｋｊ／ｍｏｌｅ　　（５）ＣＯ□
＋４Ｈ２←ＣＨ４＋２Ｈ２０゜ ΔＨ＝−１６４．９６Ｋｊ／ｍｏｌｅ　　（６）従って
、激しい発熱性のメタン化反応（５）および（６）の際
に形成された排熱を使用して水蒸気を製造することがで
きる。上記した通り、メタン化ユニット９は、過熱水蒸
気がメタン化プロセスの際に製造される断熱性メタン化
反応器およびこれに接続された沸騰水メタン化反応器か
らなることかできる。

ライン１０によち約３５０°Ｃの温度でメタン化ユニッ
ト９から離れるメタン化ガスは、主としてメタン、二酸
化炭素および水蒸気から構成される。このガスは、アノ
ード質２ａがらのライン１６における熱排ガスにより約
６００°Ｃの温度に熱交換器１１中で過熱される。

過熱されたガスは次いで、ライン１２中リフオーミング
触媒１３を含有するリフオーマ−ユニット１３ａに通過
させる。このリフォーミンク触媒１３は、熱交換分離プ
レート１５により燃料電池２と熱伝導性関係にある。

上記した通り、リフオーミンク反応および電気化学的反
応は、例えば公知の内部−リフォーミンク溶融カーボネ
ート燃料電池により燃料電池中で統合される（図示せず
）。従って、外部リフオーマ−ユニット１３ａに対する
要求は、排除される。

リフオーマ−ユニット１３ａにおいて、過熱ガス中に含
まれるメタンおよび水蒸気は、以下の反応によってリフ
ォーミンク触媒１３の存在下にアノード室１３に供給さ
れたアノードプロセスガスにリフォームされる。

ＣＨ４＋　ＨｚＯｏ３Ｈ２＋　ＣＯ ΔＨ−＋２０６．１５Ｋｊ／ｍｏｌｅ　　（７）Ｃ）ｆ
４＋　Ｈ２００４Ｈｔ　＋　ＣＯ２ΔＨ−＋１６４．９
６Ｋｊ／ｍｏｌｅ　　（８）従って、吸熱水蒸気リフオ
ーミンク反応（７）および（８）に必要な熱は、ライン
４４で供給されたカソードオキシダントガスとのアノー
ドプロセスガスの発熱電気化学反応（４）によってもた
らされる。

アノードプロセスガスは、アノード室２ａによる約６５
０°Ｃの温度で流動し、そして電気化学的に反応して少
量の未使用水素、−酸化炭素およびメタンとともに主と
して二酸化炭素の排ガスとなりこれはライン１６により
アノード室２ａから離れる。

ライン１６におけるアノード排ガスは、上記の通りの熱
交換器１１および１７で冷却され、そして冷却ユニット
２】で更に冷却される。冷却された排ガス２２中に含ま
れる水の主要部分は、流出分離器２３に除去される。次
いで、乾燥した排ガス２４は、ブロアー２７で圧縮され
、そして燃焼ユニット２５に通過する。燃焼ユニット２
５において、乾燥した排ガス２４に含まれる未使用水素
、−酸化炭素およびメタンは、二酸化炭素と水とに燃焼
され、カソードリサイクルガスと以下に詳述するような
燃焼ユニットにライン４２上から通過させた圧縮空気と
の混合物と混合される。

主として空気および二酸化炭素からなるカソードオキシ
ダントガスは、ライン２６よりカソード室２Ｃを離れる
排ガスを燃焼ユニット２５中のライン４０上の燃焼空気
と混合することによって製造される。

従って、カソード排ガスの一部分は、ライン５ｏに配列
された排熱ボイラー４７で冷却した後リサイクルライン
５０に循環される。

ライン５０中のカソード排ガスは、ライン４０上に供給
された圧縮空気により駆動しそして圧縮ユニット４１に
より圧縮するエゼクタ−５１により循環させる。エゼク
タ−５１中の空気を有する排ガスと混合する前に、空気
は、ライン４８中のカソード排ガスの残留物で熱交換器
で予備過熱させる。

次いで、このライン４２中の混合ガスは、燃焼ユニット
２５中の燃焼アノード排ガスと一緒にされる。

このようにして得られたカソードオキシダントガスは、
カソード室２ｃにライン４４中通過し、これは、アノー
ド室２ａ中の電気化学的反応の際に形成した電子と反応
させる。

燃料電池２の冷却は、ライン４４中に通過させたオキシ
ダントガスの温度を燃料電池２の操作温度（６５０°Ｃ
）より低い例えば約５７０°Ｃに調整することによって
得られる。オキシダントガスの流れは、更に燃料電池２
外への排熱の充分な移動が保証される流速に調整しなけ
ればならない。カソードオキシダントガス４４の流れは
、エゼクタ−５１によりおよび公知のエゼクタ−ポンプ
原理に従って圧縮された空気４２によってコントロール
されるカソード排ガスのリサイクル流れによって調整さ
れる。

排熱は、上記した通りに、主としてリフォーミングプロ
セスによって吸収され、そして残留物は、ライン４６お
よび４８中にカソードオキシダントガスおよび熱カソー
ド排ガスの流れによって除去される。

（実施例） 以下の実施例に示した算定法モデルにおいて、本発明の
好ましい実施態様（実施例２）に従ってメタン化ユニッ
トおよび内部リフオーミング溶融カーボネート燃料電池
が付された燃料電池パワープラントの性能を、従来の燃
料電池パワープラント（実施例１）と比較する。

比較の目的で、以下のプロセスパラメーターを両方の場
合同一と見なす。

パワープラントの供給ガスは、モル％て表した以下の組
成を有する水素および酸化炭素豊富ガスである。

Ｈ２３３，６ Ｎ２　　　０．１ ＣＯ５０，３ ＣＯ□　　１５．９ ＣＨ，０，１ 燃料電池は、６５０°Ｃて操作する３００個の内部リフ
ォーミング溶融カーボネート燃料電池の堆積からなり、
１０５ｋＷのネットパワーアウトプットを与える。

実施例１ この実施例において、流れと一緒にした水素−酸化炭素
供給ガスを直接ライン１４により燃料電池のアノード室
２ａに通過させる。燃料電池の冷却は、ライン４０中の
圧縮された空気およびカソードリサイクルガスの混合物
をとライン２４中の乾燥アノード排ガスと一緒にするこ
とによってもたらされ、燃焼ユニット２５中で燃焼され
る。

正確なプロセスパラメーターおよびガス組成は、以下の
第１表から明らかであり、 位置番号は、 図 示されたラインおよびユニッ トである。

第１表 第１表（続き） にＣａｔ／ｎ ８４５３ 実施例２ この実施例は、実施例１の従来の燃料電池に比較して本
発明の好ましい実施態様による燃料電池パワープラント
を使用して全体としての水素−酸化炭素の効率の改良を
説明するものである。

流れと一緒にした供給ガスは、ライン８上に供給され、
メタン化ユニット９中での水素および環炭素のメタン化
によりメタン豊富ガス豊富に転換される。メタン化ユニ
ットからのメタン化されたガスは、ライン１２中アノー
ド室２ａに通過させ、これは燃料電池２に配置された内
部リフオーミング触媒と接触させることによってそして
燃料電池からの排熱を使用して再変換させる。以下の第
２表に示される通り、この実施例のライン８中の供給ガ
スは、実施例１においてアノード室２ａに直接通過させ
た実施例１の供給ガス１４と同一の組成を有している。

電気化学的反応から熱消費リフオーミング反応への排熱
を使用することによって、カソードガスループ５０．４
２．４４．４６中の流速は、実施例１のカソードガスル
ープと比較するど萌１かに減少している。

適切なプロセスパラメーターおよびガス組成は、以下の
第２表から明らかであり、位置番号は、図示されたライ
ンおよびユニットを言う。

第１表 第１表（続き） 第１表および第２表に記載した上記算定モデルから見出
されるように、本発明の好ましい実施態様による燃料電
池パワープラントのカソードループのリサイクルライン
５０における流速は、約１５分の１にそして供給ライン
４２の約６分の１に低減し、そして実施例１に記載され
たような燃料電池パワープラントを使用した従来の水素
−酸化炭素に比較して約５分の１の圧縮操作に低減した
。

本発明の特定の実施態様に関して詳細に記載された通り
、当業者に明らかな種々の変更は、本発明の範囲内とし
て意図され、そして本発明は、特許請求の範囲によって
のみ制限されることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の特徴および態様を説明する略式フロー
ダイアグラムである。この図面は、簡略化し、そして燃
料電池パワープラントの従来部分、例えばボトムサイク
ル、水蒸気タービンおよびその他の設備は図示していな
い。 水素および酸化炭素豊富供給ガス（４）を使用し、２・
・・燃料電池、 ２ａ・・・アノード室 ２ｃ・・・カソード室 ４・・・酸化炭素豊富供給ガス ８、１０．１２　・・・供給ガス ９・・・メタン化ユニット １３・・・再生触媒床 ４２、４６．５０゜３．リサイクル手段４４・・・カソ
ードオキシダントガス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）水素および酸化炭素豊富供給ガス（４）を使用し、
   そして アノード室（２ａ）およびカソード室（２ｃ）を有する
   水素−酸化炭素消費燃料電池（２）、 上記アノード室（２ａ）の供給ガス（８、１０、１２）
   を供給する手段、 圧縮されたカソードオキシダントガス（４４）を有する
   上記カソード室（２ｃ）を供給する圧縮手段、および 燃料電池排ガスを上記カソード室（２ｃ）にリサイクル
   する手段（４６、５０、４２）とからなる燃料電池パワ
   ープラントであって、 上記燃料電池パワープラントが更に 水素および酸化炭素豊富供給ガス（４）をメタン化ガス
   （４）に転換するメタン化ユニット（９）、メタン化ガ
   スを受けそして上記燃料電池（２）からの排熱を吸収す
   ることによってアノードプロセスガスに再生するのに適
   合する再生触媒床（１３）からなることを特徴とする上
   記燃料電池パワープラント。 ２）上記メタン化ユニット（９）が沸騰水メタン化反応
   器からなる請求項１に記載の燃料電池パワープラント。 ３）上記メタン化ユニット（９）が１種類またはそれ以
   上の断熱性メタン化反応器からなる請求項１に記載の燃
   料電池パワープラント。 ４）上記メタン化ユニット（９）が１種類の断熱性メタ
   ン化反応器および沸騰水メタン化反応器からなる請求項
   １に記載の燃料電池パワープラント。 ５）上記再生触媒床（１３）が燃料電池（２）の一体化
   された部分である請求項１に記載の燃料電池パワープラ
   ント。 ６）上記燃料電池（２）が溶融カーボネート燃料電池で
   ある請求項５に記載の燃料電池パワープラント。 ７）上記燃料電池（２）が固形酸化燃料電池である請求
   項５に記載の燃料電池パワープラント。 ８）上記燃料電池排ガスをリサイクルする手段（４６、
   ５０、４２）がカソード排空気および圧縮ガスを受けそ
   して循環するのに適合するエゼイター（５１）を含む請
   求項１に記載の燃料電池パワープラント。