JPH0412466A

JPH0412466A - 溶融炭酸塩型燃料電池の発電装置

Info

Publication number: JPH0412466A
Application number: JP2115614A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Nakazawa; 中沢　健三
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1990-05-01
Filing date: 1990-05-01
Publication date: 1992-01-17

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の有する化学エネルキーを直接電気工ネル
キーに変換させるエネルキ一部門で用いる燃料電池のう
ち、特に、溶融炭酸塩型燃料電池の発電装置に関するも
のである。

［従来の技術］現在までに提案されている溶融炭酸塩型燃料電池は、電
解質として溶融炭酸塩を多孔質物質にしみ込ませてなる
電解質板（タイル）を、カソード（酸素極）とアノード
（燃料極）で両面から挟み、カソード側に酸化ガスを供
給すると共にアノード側に燃料ガスを供給することによ
りカソードとアノードとの間で発生する電位差により発
電が行われるようにしたものを１セルとし、各セルをセ
パレータを介して多層に積層した構成のものとしである
。

かかる溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電システムとし
ては、第５図に示す如き系統構成のものがある。第５図
に示すものは、天然ガス改質溶融炭酸塩型燃料電池発電
システムの一例を示すもので、電解質板１をカソード２
とアノード３で挟んで１セルとしである燃料電池■のカ
ソード２には、圧縮機４で圧縮した後、冷却器５で冷却
し更に圧縮機６で圧縮した空気Ａを、空気予熱器７て予
熱して空気供給ライン８により供給すると共に、空気の
一部を分岐ライン９により改質器１０の燃焼室へ供給す
るようにしてあり、カソード２から排出されたカソード
ガスは、カソードガス出口ライン１１を通ってタービン
１２へ導かれ、更に上記空気予熱器７を通して大気へ排
出されるようにしである。一方、燃料電池■のアノード
３には、天然ガス（たとえば、メタンＣＨ，）ＮＧを天
然ガス予熱器１３，１４　、鋭硫器１５を経て改質器１
０に導いて改質した後、改質ガスを燃料ガスＦＧとして
燃料ガス供給ライン１６より供給すると共ｔこ、アノー
ド３から排出されたアノードガスは、熱交換器１７、上
記天然ガス予熱器１４、蒸発器１８、天然ガス予熱器１
３を通した後、凝縮器１９で冷却し凝縮して気液分離器
２０に導き、ここで、アノードガス中の１−（２０とＣ
Ｏ２を分離し、ＣＯ２は、プロ９２１ｇごて昇圧した後
、上記熱交換器１７へのライン２２を通して改質器１０
の燃焼室側へ導かれ、該改質器１ｏがらライン２６を通
してカソード２へ供給されるようにしである。上記気液
分離器２０で分離された水（１−１２０＞は、ポンプ２
３で加圧されて給水加熱器２４へ送られ、ここで加熱さ
れて蒸気としてライン２５、上記蒸発器１８を経て改質
器１０の入口側で天然ガスＮＧと混ぜられるようにしで
ある。２７はカソードリサイクル用ブロワである。

上記した溶融炭酸塩型燃料電池発電システムでカソード
側に注目すると、基本的には第６図に示す如く燃料電池
■のカソード２に供給される空気Ａを、空気予熱器７に
てカソード２からカソードガス出口ライン１１を経て排
出されるカソードガスにより予熱して、カソード２の入
口温度に適合覆るよう温度調節をし、又、燃料電池■の
アノ−！−″３から排出されたＣＯ２リッヂガスからＮ
２０を分離した後にｃｏ２をライン２６よりカソード２
に供給するようにしである。

上記カソード２へ供給されるガスの組成は、発電効率に
大きな影響をＩする。溶融炭酸塩型燃料電池のセル性能
を評価する基準として、基準ガス組成か定められている
か、そのうち、カソード２へのガスの組成は、０２：１
４．７％、ＣＯ２：３０．０％、Ｎ２：　５５．３％と
されており、ＣＯ２の分圧は０の分圧の２倍が最適とさ
れている。

［発明か解決しようとする課題］ところか、第６図に示づ基本的構成のものにおいて、空
気供給うイン８に供給される空気Ａには、αの約４倍の
母のＮ２が供給されている。

Ｎ２はクーリングの効果はあるか、電池反応には寄与し
ない。したかって、Ｎ２Ｍか多くなると、ＣＯ２の分圧
か低くなり発電効率か低下する。

そこで、本発明は、カソードへ供給する空気の量を少な
くして空気中のＮ２の量を低減させ、ＣＯ７分斤分圧下
させないようにして発電効率を良好に維持させるように
しようと覆るものである。

［課題を解決するための手段］本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池のカソ
ード出口に接続されたカソードガス出口ラインの途中に
、上記カソードから排出されたカソードガス中のｃｏの
一部をαとＣに分解させる機能を有する変成器（たとえ
ば、鉄系の触媒を用いて高温で分解するもの）を設け、
該変成器で分解された０を含むガスを流すガス供給ライ
ンをカソードの入口に接続して閉ループとし、燃料電池
のアノードから排出されたアノードガス中のＣＯ？とと
もに上記０を含むガスをカソードに供給量るようにした
構成と覆る。

又、上記変成器は、変換量を可変にできる構成のものと
することかできる。あるいは、燃料電池のアノードから
排出されたアノードガスをＣＯ２リッチなガスとしてカ
ソードへ供給するようにしであるラインの途中に、ＣＯ
２の一部を０２とＣに分解する変成器を設け、該変成器
から０を含むガスをカソード入口に供給するようにした
構成とする。

［作　　用］カソードを閉ループにして、その途中に変成器を設けた
構成にすると、変成器ではＣＯの一部か０２とＣに分け
られ、このαと残りのＣＯ２かカソードへ供給される。

−万、アノードから排出されたアノードガス中のＣＯ２
もカソードに供給される。ＣＯｒとαの組成比は２：］
が望ましい値とされており、上記変成器から０２がカソ
ードに供給されることから、カソードへ供給される空気
（０，、）のωを減少させることができ、又、上記変成
器でのｃｏ２→Ｑの変成量を可変にして、カソードにお
けるＣＯ２と０の比を２：１となるようにして最適化を
図ることにより、新鮮な空気をカソードに供給すること
を省略することができる。このように空気の供給量を減
少若しくは零に覆ることにより全体ガス足に占めるＮ２
の量を小さくすることが可能となる。アノードガス中の
ＣＯ？の一部を変成器でＯ７とＣに分け、０２を残りの
ＣＯ２とともにカソードに供給するようにした場合でも
、ＣＯ２に対する０をアノード側からカソードにイ共給
できることから、カソードへの新鮮な空気の供給量を低
減若しくは零にすることかでき、Ｎ２の量か増大せす、
ＣＯ２及び０２の分圧を高く維持できることになる。

［実　施　例］以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すもので、燃料電池１の
カソード２の入口側に空気供給ライン８を接続して空気
へを供給できるようにすると共に、カソード２の出口側
にカソードガス出口ライン１１を接続してカソードガス
を排出させるようにし、又、燃料電池１のアノード３０
入口側に、燃料を改質して１＊られた燃料ガス［Ｇを供
給できるようにすると共に、アノード３の出口側から排
出されたアノードガス中より気液分離器２０にて水を除
去したガスを改質器１０の燃焼室で燃焼させ、燃焼ガス
中のＣＯ２をライン２６によりカソード２の入口側に供
給するようにしである構成において、上記カソードガス
出口ライン１１の途中に、ＣＯ２をαとＣに分解する機
能を有する変成器２８を設け、且つ該変成器２８とカソ
ード２の入口側とを接続するガス供給ライン２９を設け
て、カソード２側を閉ループとし、上記ガス供給ライン
２９と空気供給うイン８とを合流させると共に、ガス供
給ライン２９の途中にブロワ３０を設置し、カソードガ
スを変成器２８を介して循環させるようにする。

今、燃料として天然ガス（ＣＨ，）を用いる場合は、改
質器１０の改貿至で改質され、改質ガス（燃料ガス）と
してアノード３に供給されるが、この場合、改質器１０
では、ＣＨａ　±Ｈ２０→ＣＯ＋３１−１２の反応か行われる。

アノード３には、カソード２側での反応により生成され
た炭酸イオンＣＯ，−か電解質板１中を遊泳して達する
ので、アノード３側ではＣＯ：＋−＋１−ｂｅＣＯｚ＋
ｌ−１２０＋２ｅＣＯ３−＋ＣＯ−２００＋２ｅの反応が行われ、アノードガスとして、３ＣＯ７＋ｌ−
ｈ　Ｏが排出されることになる。

一方、カソード２側では、ＣＯ２＋１／２　ｏ２＋２　ｅ−→ＣＯ］の反応か行わ
れ、ＣＯ２と０２を２：１の比率とするガスかカソード
２て利用される。

カソード２側での電池反応を終えて出口から排出された
カソードガスには、使い残されたＣＱと０が含まれてい
るか、カソードガスか変成器２８に導入されることによ
り、該変成器２８にて、ＧＯ，の一部は、ＣとＯに分解
されて、０４はカソードガス中の残りのＣＯ２、αとと
もにガス供給ライン２９よりカソード２の入口側へ供給
されることになり、上記変成器２８で分解されたＣのみ
か系外へ排出されることになる。上記カソード２の入口
側には、更に、アノード３から排出されたアノードガス
中のＣＯが供給される。

すなわち、７ノード３から排出されたアノードガス中に
は、ＣＯ２と８２０のほかに若干のＨ２とＣＯが含まれ
ているが、気液分離器２０にて８２０か除去され、残っ
たＣｏ２と若干のＨ２とＣＯを含むガスは改質器１０の
燃焼室で燃焼させられ、大部分のＣＯ２と少畢のＨ２Ｏ
か生成される。この大部分のＣＯ２かライン２６からカ
ソード２の入口側に供給される。したかつて、カソード
２には、変成器２８から変成されなかったＣＯ２と多く
のＱがガス供給ライン２９を経て供給されると同時に、
アノード３側からＣＯ２リッチガスかライン２６を経て
供給されるので、カソード２におけるαの量を多くする
ことかでき、ＣＱと０の比率が２：１になるのに不足す
る０２聞のみを、空気供給ライン８より新鮮空気を供給
してやればよいことになる。これにより空気供給ライン
８より供給する空気量を大幅に減少させることができて
、全体ガス量に占めるＮ２量を小さくすることかでき、
ＣＯ２の分圧を下げることがなくなって、ＣＯの分圧と
Ｏの分圧の比を、最適とされる値、ＧＯ２分圧／　０２
分圧＝２に保つことができて、発電効率の高い燃料電池発電装置
とすることができる。

以上本発明の一実施例について説明したが、本発明では
、上記変成器２７を変成量か可変となるよう構成し、Ｇ
ＯからＣとαに分解する量を変えられるようにして、カ
ソード２におｔフるＣＯ７と０の比が２：１になるよう
に０の量を変えられるようにすれば、外部からカソード
２へ供給する。２（すなわち、空気）の聞を極減させる
ことかできるばかりでなく、外部からの空気の供給を不
要にすることが可能となる。かかる外部からカソード２
への新鮮空気の供給か不要にてきると、カソードシステ
ムをり０−ズドシステムとすることができ、０２供給の
困難な環境化における溶融炭酸塩型燃料電池弁型装置と
して有用なものとなる。

又、変成器２８に外部から加熱するようにした加熱装置
を設け、必要に応じて加熱するようにし、且つアノード
３側からのＣｏ２リッチガスのカソード２への供給量と
ガス温度を調整するようにした構成とすることかできる
。この構成としてもカソード２でのＣＯ２とＱの比をほ
ぼ２：１にし、カソード入口の温度を所定温度にするこ
とかできて、最適化を図ることができる。

次に、第２図は本発明の別の実施例を示すもので、アノ
ード３側からのＣｏ２の一部をＣとαに分解してカソー
ド２の入口側に供給させるようにし、カソード２へ外部
から供給する空気の供給量を大幅に減少させるようにし
たものである。すなわち、前記したように７ノード３か
ら排出されたＣＯ２と１−（２０と反応で残った若干の
Ｈ２とＣＯを含むアノードガスを、気液分離器２０で水
（１２０）を除去し、残ったＣＯ７と若干のＨ２とＣＯ
を改質器１０の燃焼室で燃焼させ、大部分かＣＯ２であ
るガス（Ｃｏ、リッヂガス）をカソード２０人口側に供
給するようにしである構成において、上記ＧＯ？リッチ
ガスをカソード２の入口側に供給するライン２６の途中
に、変成器２８を設置し、ライン２６におけるＣＯ２の
一部をＣとαに分解し、０をＣＱとともにライン２６よ
りカソード２の入口側へ供給させるようにすると共に、
分解されたＣは系外へ排出させるようにし、又、カソー
ド２から排出されたカソードガスの一部はリサイクルラ
イン３１とリサイクル川ブロワ３２によりカソード２の
入口側ヘリサイクルさせるようにし、このリサイクルラ
イン３１と空気供給ライン８とを合流させるようにする
。

この実施例では、アノード３側からカソード２へ供給さ
れるＣＯ２リッチガスの一部を変成器２８で０とＣに分
解し、この０．をカソード２での電池反応に必要な０と
してカソード２へ供給することかて゛きるのて、カソー
ド２てのＣＯ２と０の比をほぼ２：１に保つために必要
な０のみを空気供給ライン８からカソード２へ供給すれ
ばよく、空気供給ライン８からの空気の供給量を大幅に
減少させることができ、これに伴いＮ２の量が多くなる
ことか抑えられてＣＯ２の分圧か下がることかなくなり
、発電効率の向上か図れることになる。

上記の実施例においても、変成器２７によるＣＯ２→α
の変成量を可変に匁ることによりＣＯ２と０２の比を最
適化できるようにすると、空気供給ライン８を省略して
第３図に示す如くカソード２側を閉ループにしてシンプ
ルなシステムにすることができ、更に、変成器２８を経
てカソード２へ供給するアノード３側からのガスの供給
量と温度、変成器２８の変成量、等を調整して最適化さ
せることにより第４図に示す如きよりシンプルなシステ
ムとすることもてぎる。

なお、上述した各実施例では、アノードガスを改質器１
０の燃焼室で燃焼させてからカソード？へ供給させる場
合を示したが、改質器１０の燃焼室は一例であって、こ
れに限定されるものではなく、燃焼器であればバーナそ
の仙任意のものでもよいこと、第２図ではカソードガス
の一部をリサイクルさせる場合を示したか、必ずリサイ
クルさせる必要はないこと、その他本発明の要旨を逸脱
しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

［発明の効果］以上述べた如く、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池の発電
装置によれば、カソードガス出口ラインの途中に、ＣＯ
２をＣとＱに分解する機能を有する変成器を設け、該変
成器で分解されたＯ９゜と変成されないで残っているＣ
Ｏ？をガス供給ラインにてカソードの入口側に供給する
ようにしてカソード側を閉ループとした構成を荷重るの
で、変成器で得られた０２を電池反応用の０２としてカ
ソードにイ共給で゛きることから、カソードへ供給する
外部からの空気の供給量はαの不足分のみてよく、した
かつて、空気の供給量を大幅に減少できて、全体ガス量
に占めるＮ２の量を小さくてき、ＣＯ７の分圧低下を防
止できて発電効率を向上でき、又、上記変成器からの０
の量を調整することにより外部からの空気供給を不要に
覆ることができる、等の優れた効果を奏し得られ、又、
アノードから研出されたアノードガス中の水分か除去さ
れ、更に燃焼させられてカソードの入口側へ供給される
ＣＯ２リッチガスの一部をＣと０に分解する機能を有ｌ
る変成器を、カソード入口側に接続されたラインの途中
に設け、上記アノード側からカソードへ供給されるＣＯ
２の一部を０に変換してカソードに供給させるようにし
た構成とすることにより、アノード側からのＣαととも
に０２がカソードｌ＼供給されるので、カソードへの空
気供給ラインを経て供給する空気を大幅に減少もしくは
供給を不要にできて前記と同様の効果か得られ、更に、
アノード側からのＣＯ２リッチガスはＣｏＪａ度か高く
、ガス量か少ないので、変成器はコンパクトにすること
かでき、且つＣＯ７リッチであることがらＣＯ７→Ｃ十
０．へ反応し易くできる可能性かある、等の利点かある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概要を水量系統図、第２図
は本発明の別の実施例の概要を示す系統図、第３図及び
第４図はいずれも第２図の変形例を示す図、第５図は溶
融炭Ｍ塩型燃料電池発電システムの系統構成の一例を示
１概略図、第６図は第５図の要部の概凹図である。 ■・・・溶融炭酸塩型燃料電池、１・・・電解質板、２
・・・カソード、３・・・アノ−１；、８・・・空気供
給ライン、１０・・・改質器、１１・・・カソードガス
出口ライン、２０・・・気液分離器、２６・・・ライン
、２８・・・変成器、２９・・・ガス供給ライン。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電解質板をカソードとアノードの両電極で挟み、
カソード側に酸化ガスを供給すると共にアノード側に燃
料ガスを供給し、且つアノードから排出されたアノード
ガスをＣＯ＿２リッチなガスとしてカソードへ供給する
ようにしてある溶融炭酸塩型燃料電池の発電装置におい
て、上記カソード出口に接続したカソードガス出口ライ
ンの途中に、カソードガス中のＣＯ＿２の一部をＣとＯ
＿２に分解する機能を有する変成器を設け、該変成器で
得られたＯ＿２を含むガスを流すガス供給ラインを変成
器からカソード入口に接続してなる構成を有することを
特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池の発電装置。
（２）電解質板をカソードとアノードの両電極で挟み、
カソード側に酸化ガスを供給すると共にアノード側に燃
料ガスを供給し、且つアノードから排出されたアノード
ガスをＣＯ＿２リッチなガスとしてカソードへ供給する
ようにしてある溶融炭酸塩型燃料電池の発電装置におい
て、上記アノード側からのＣＯ＿２リッチガスをカソー
ドへ供給するラインの途中に、ＣＯ＿２の一部をＣとＯ
＿２に分解する機能を有する変成器を設け、該変成器か
らＣＯ＿２とＯ＿２をカソードへ供給するようにした構
成を有することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池の発
電装置。
（３）変成器の変成量を可変にできるようにしてなる請
求項（１）又は（２）記載の溶融炭酸塩型燃料電池の発
電装置。