JPS61193371A

JPS61193371A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPS61193371A
Application number: JP60030606A
Authority: JP
Inventors: Mitsuie Matsumura; 光家松村; Tatsunori Okada; 達典岡田; Yoshihide Kotogami; 佳秀言上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-02-20
Filing date: 1985-02-20
Publication date: 1986-08-27
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JP2581662B2; US4650728A

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〕この発明は、燃料電池発電装置に関するもの・であり、
とりわけ、内部改質形燃料電池を用いた燃料電池発電装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は従来の内部改質形溶融炭酸塩形燃料電池を用い
た発電装置を示し、図において、（１）は単数または複
数の電池積層体よりなる内部改質形溶融炭酸塩形燃料電
池ｃ以下、単に燃料電池と記す）（２）は燃料電池（１
）で未反応の燃料ガスを酸化する燃焼器、（３ａ）（３
ｂ）は燃料電池（１）に供給する反応ガスを予熱するた
めの熱交換器である。

以上の構成により、炭化水素またはアルコール類を主成
分とした燃料（ｊ−）とスチーム（６）よりなる燃料ガ
ス（７）は熱交換器（３ａ）で所定の温度、たとえば５
り０℃まで予熱された後、燃料電池（１）に供給される
。一方空気（ｇ）は燃焼器（２）により完全に酸化され
た二酸化炭素を主要成分とする燃焼器（，２）の出口の
排出ガスと混合され、熱交換器（３ｂ）で予熱された後
、燃料電池（１）に供給される◎ここで、燃料電池（／
１は、炭化水素またはアルコール類を主要成分とする燃
料ガスを燃料とし、例えば４１０℃付近の温度で動作す
るもので、燃料電池（１）の燃料ガス側ガス流路および
電極において炭化水素またはアルコール類を分解し水素
を生成する化学反応ｃ下式（１）　−（４’）　）　、
水素を消費して電気を生み出す電気化学反応ｃ下式ケ）
）を、また。

酸化ガス側電極において電気化学反応ｃ下式（６））を
行い、全体として燃料ガスのもつ化学エネルギーを電気
エネルギーとそれに伴う熱エネルギーとに交換する。

（燃料ガス側ガス流路・電極）炭化水素＋ＨコＯ→　ＨＪ、００．ＣＯＪ、ＣＨ４１’
　　　　（ｖ）アルコール＋ＨＪＯ→　　ＨＪ、Ｃｏ、
ＣＯＪ、ＣＨダ　　　　　　　　　　　（２）ＣＨ１１
＋ＨＨＪ　　　ｄ　　　Ｃｏ　　＋　　、？Ｈコ　　　
　　　　　　　　　　　　（３）Ｃｏ　　　　　＋ＨＨ
Ｏ２；±　　ＣＯＪ　　＋　ＨＪ　　　　　　　　　　
　、　　　　　　（４’）ＨＪ　　　　＋ＣＯ，−＋　
　　ＨＪＯ＋　　Ｃ０，２＋　　ｊｅ　　　　　　　　
　　（ｊ）（酸化ガス側電極）了Ｏａ　＋　ＣＯＪ　＋　Ｊｅ−＋Ｃｏ　　　　　　　
　　　　　（Ａ）炭化水素またはアルコール類を、たと
えば６３０℃付近の温度で式（／ｌ〜（４１）に従い定
常的に分解して水素を生成する”ためには、反応を促進
するための触媒、たとえば改質触媒および式（１）〜（
７）の反応に必要な反応熱を供給することが必要である
。したかって１運営の内部改質形溶融炭酸塩形燃料電池
においては、たとえば燃料ガス側ガス流路内に電極に隣
接して改質触媒を設置し、また、式（＆１（Ａ）の電気
化学反応において副生ずる熱エネルギーを式（”／）〜
（りの反応熱として供給することにより、その定常的な
運転を可能にしている。よって燃料電池（／１を定常的
に安定に動作させるためには、触媒の・活性を維持する
こと、および十分な反応熱を常に供給することが肝要で
あ゛る。　　　・上記の触媒、たとえば改質触媒は、ア
ルミナ、マグネシアを主成分とする□担体上にニッケル
などの活物質を担持させたものであり、この触媒の活性
症を維持するためには、ニツ゛ケルなどの活物質一般的
な改質触媒を用いた炭化水素またはアルコール類の分解
・水素生成には式（１）〜（ｌＩ）に示すようにスチー
ムを添加して行うが、生成した水素に、よりニッケルな
どの活物質の酸化が防がれるため触媒の活性は維・持さ
れる。しかしこの種の燃料電池（／１においては、式（
，３−）に示したよ５に、式（１）〜（７）（４ｔ）で生成した水素を消費し、スチームを生成するため、水
素濃度が低下し、触媒の活物質１例えばニッケルの酸化
が起こり、触媒の活性の低下を呈し易くなる・このよう
な活物質の酸化の、し易さは、活物質の種類により異な
るが、活物質としてニッケルを用いた触媒では、一つの
目安として水蒸気濃度の水素濃度に対する比が１０〜コ
Ｏ以上Ｋｆｌるとニッケルの酸化が起こり、触媒の活性
が低下することが知られている。したがって触媒の活性
を保つためには、水蒸気濃度の水素濃度に対する比をあ
る値以下（例えば／θ〜２０以下）に保つ必要がある。

第グ図に示すように、従来の燃料電池発−装置において
は、燃料電池（１）に供給される燃料ガス（７）中に水
素が含まれていないため、電気化学反応式（３）を過度
に行わせた場合、すなわち。

燃料電池Ｃ・ｌ）から電流を大量に取り出した場合、特
に燃料ガスの入口部分の燃料ガス流路において水素濃度
が低下して燃料ガス流路に設けられた触媒の活性が低下
し、連続的に運転を行えないこと、になる。

また、燃料電池（１）は、取り出す電流量を小さくした
場合、一般的に電池特性が向上し、すなわち電気エネル
ギーに変換される割合が増大し、副生ずる熱エネルギー
の占める割合が低下する性質をもっている。したがって
、電流量を小さくした場合には、炭化水素またはアルコ
ール類の分解（式　。

（／ｌ〜（４’ｌ　）に必要な反応熱の減少に比べて電
気化学反応１式（ｓ）　、　（ａｌ　）で副生ずる熱エ
ネルギの減少の割合の方が大きく、その結果として炭化
水素またはアルコール類の分解に必要な反応熱が不足し
長時間車さな負荷での運転が行えないという事態がおこ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来の燃料電池発電装置では、触媒の活物
質の酸化に基く活性低下により、高負荷での燃料電池の
運転が不可能であり、一方、逆に負荷を小さくした場合
には炭化水素またはアルコール類の分解に必要な反応熱
を、燃料電池で副生ずる熱エネルギーのみではまかない
できなくなるなど、可能な運転条件がきわめて狭い範囲
に限定され、この種の発電装置の特長である需要負荷に
追随した効率的な運転を長期的に安定して行えないとい
う問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、触媒の活性低下なく、燃料電池の高負荷運
転ができるとともに、広い範囲で部分負荷運転が可能な
燃料電池発電装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る燃料電池発電装置は、内部改質形燃料電
池に燃料ガスを供給する燃料ガス系に燃料処理装置を設
け、外部から供給された炭化水素またはアルコール類を
主成分とする燃料の一部または全部を燃料処理装置に通
過させ、燃料処理装置において発生した水素を含んだ燃
料ガスを内部改質形燃料電池に供給する。

〔作　用〕

この発明においては、内部改質形燃料電池に供給される
燃料ガス中に、すでに水素が含まれているため、高負荷
運転においても触媒の活性が低下（７）することがない。また、燃料ガスの分解反応の一部を燃
料処理装置において行う結果、内部改質形燃料電池にお
いて必要とされる反応熱が減少し、広い範囲で部分負荷
運転が可能になる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図は内部改質形溶融炭酸塩形燃料電池ｃ以下、単に燃料
電池と記す）を利用した発電装置で、（７）は燃料電池
（１）に燃料ガスを供給する燃料ガス系に設けられた燃
料処理装置で、燃料電池発電装置に供給される炭化水素
またはアルコール類を主要成分とする燃料ガスの一部ま
たは全部を分解し、水素を主成分とする燃料ガス（１３
）に変質する化学反応装置である。その他、゛第１図に
おけると同一符号は同一部分を示している。

以上の構成により、燃料電池発電装置に供給される炭化
水素またはアルコール類を主成分とする燃料ガスの一部
（？）は、燃料ガスの分解に必要なスチーム（１０，）
と共に燃料処理装置（りに供給され。

水素を主成分とする燃料ガス（１３）に変質される。

（ざ　）炭化水素またはアルコール類の分解は吸熱反応であるた
め、燃料処理装置（４’）に反応熱を供給してやる必要
がある。この燃料電池発電装置においては、図中、破線
で示すとおり、燃焼器（２）で得られた未利用の燃料側
排出ガスのもつ燃焼熱を燃料処理装置（りに必要な反応
熱として利用している。このことは、具体的には、燃焼
器（２）を燃料処理装置（７）の内部に設は加熱用に用
いたり、または燃焼器（２）から排出された高温の燃焼
ガスを燃料処理装置（７）に導き、燃料処理装置（７）
内部において燃料ガスと熱交換させるなどにより容易に
実現できる。

他方、燃料電池発電装置に供給される燃料ガスの残部（
ｔｉ）は燃料電池（７）における燃料ガスの分解に必要
なスチーム（ｌ２）と混合され、熱交換器（３ａ）にお
いて適切な温度にまで予熱された後、燃料電池（／ｌに
直接供給される。

燃料電池（１）に供給された水素、−酸化炭素、二酸化
炭素、メタン、スチーム、炭化水素またはアルコール類
等を含んだ燃料ガス（ｔ３）、（ｔ’ｌ）は燃料ガス側
ガス流路、燃料ガス側電極において式（１）〜（３）に
従い消費され、電気エネルギーと副生ずる熱エネルギー
を生み出す。

以上の実施例においては、燃料電池（７）に供給される
燃料ガス中に、すでに触媒の活物質の酸化による活性低
下を防ぐに十分な水素を含んでいるため、高負荷での燃
料電池の運転が可能となる。また、供給される燃料ガス
の分解の一部を燃料処理装置（４’）の内部で行うこと
により、燃料電池（１）において必要とされる燃料ガス
の分解のための反応熱を減少せしめ、燃料電池の広い範
囲での部分負荷運転を可能にする。

また、かかる燃料電池発電装置を効率よく効果的に運転
するためには、供給される燃料を燃料（９）と燃料（１
１）へ分配する比率の調整が重要である。

燃料処理装置（りに供給する燃料（？）の比率を増やし
た場合には、燃料電池（１）に供給される燃料ガス中に
含まれる水素分圧が増大し、燃料電池内部に設けられた
触媒の活性の安定性という面からは望ましい。また、燃
料電池’ｔｔ＞における燃料ガスの分解に必要な反応熱
と電気化学反応たより副生ずる熱とのバランスという観
点からは、一般的に定格時においては副生ずる熱が必要
な反応熱を上回るため問題なく、一方、負荷を小さくし
てゆくと両者のバランスが逆転し、部分角荷率を小さく
するほどその差が拡がるので、その場合には燃料処理装
置（４’）に供給する燃料（？）の比率を大弾＜シてや
る必要がある。

しかしながら、この種の燃料電池（１）の特長の一つは
、燃料ガスの分解を燃料電池内部で行うことにより、電
気化学反応で副生じた熱を効率よく燃料ガスの分解の反
応熱として利用し７、同時に燃料電池の冷却負荷を軽減
し、また外部に独立した燃料処理装置を必要とせず、従
って発電装着の効率を向上せしめ、かつ、装置を小形化
できるという点にある。したがって、この燃料電池発電
装置において、燃料処理装置（りに供給される燃料（９
）の割合は、燃料電池（１）メ特長をできるだけ生かす
という観点から、燃料電池発電装置の長期的に安定な運
転を可能にする最小限にとどめるのが望ましい。

このような燃料（′？］の“全投入燃料に対する割合は
、燃料電池発電装置の運転条件１部分負荷率等により変
化するが、たとえば、定格動作時において燃料電池の平
均電流密度を７２θｍＡ／ｃｄ、燃料である炭化水素を
メタンとし、スチーム／メタン比を３．０とする場合に
は、燃料（９）の全投入燃料忙対する割合は３〜３０％
程度が適切である。

なお、上記実施例では内部改質−形溶融炭酸塩形燃料電
□池を用いた場合について説明したが、他の種類゛の内
部改質形燃料電池でも□よく、上記実施例と同様の効果
を奏する。

また、上記実施例では燃料処理装置（りで必要とされる
反応熱を燃焼器（２）で発生した燃焼熱より供給する場
゛合について説明したが、内部改質形燃料電池から排出
された高温の燃料ガスまたは酸化ガスのもつ顕′熱から
供給してもよく、その他、燃料電池発電装置において得
られる排熱を用いてもよい。あるいは、燃料処理装置の
内部において新たに外部から供給した燃料を燃焼せしめ
、その燃□焼熱で加熱してもよい。

さらに、上記実施例では、燃料処理装置とじて（ｌ２）独立した反応器を設けた例を示したが、これを燃料電池
に燃料ガスまたは酸化ガスを供給・排出するガスマニホ
ルド内部に設け、燃料電池と燃料処理装置とを一体化し
てもよい。具体的には例えば燃料ガス入口マニホルド（
ｌり内部に燃料処理装置（４Ｉ）を設けた。他の実施例
を第一図に示す。この場合には、燃料電池（１）側面か
らのふく射熱により燃料処理装置（７）に反応熱が供給
される。

また、酸化ガス出ロマエホルド（／Ａ）内部に燃料処理
装置（４’）を設けた□、さらに他の実施例を第３図に
示す。この場合には、燃料電池（１）側面からのふく射
熱および燃料電池（／ｌから排出された高温の酸化ガス
により燃料処理装置（１１が加熱される。

〔発明の効果〕゛この発明は１以上の説明から明らかなように。

内部改質形燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス系に
燃料処理装置を設け、外部から供給された燃料ガスの少
なくとも一部を前もって゛水素に分解した後に内部改質
形□燃料電池に供給するようｋしたので、長期にわたり
安定した高負荷運転が可能になり、かつ、負荷の小さな
場合にも内部改質形燃料電池の熱バランスが崩れること
なく、全体として負荷追従性がよく、信頼性を向上する
ことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の配管接続図、第２図、第
３図はそれぞれ他の実施例の要部の一部断面側面図、第
９図は従来の燃料電池発電装置の配置接続図である。（１）・・内部改質形燃料電池、（ｌＩ）・・燃料処理
装置Ｏなお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。雉１図４　：　メπＦ＋−処理装置恒隼４図空気　　空気手続補正書「自発」０９″０６０チロ凸ｏＢ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料ガス系より燃料ガスが供給されるとともに酸
素ガス系より酸素ガスが供給されて化学反応および電気
化学反応を起こす内部改質形燃料電池と、反応熱が供給
され前記燃料ガスを水素を主成分とするガスに変質させ
て前記内部改質形燃料電池の前記燃料ガス系に供給する
燃料処理装置とを備えてなる燃料電池発電装置。
（２）外部から供給される燃料ガスの一部が供給される
燃料処理装置と、前記燃料ガスの残部とともに前記燃料
処理装置で変質された水素を主成分とするガスが供給さ
れる内部改質形燃料電池とを備えた特許請求の範囲第１
項記載の燃料電池発電装置。
（３）内部改質形燃料電池が、内部改質形溶融炭酸塩形
燃料電池である特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発
電装置。
（４）燃料ガスが、炭化水素およびアルコール類のいず
れかである特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電装
置。
（５）燃料処理装置へ供給される反応熱が、内部改質形
燃料電池から排出される未利用の燃料ガスの燃焼熱であ
る特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電装置。
（６）燃料処理装置へ供給される反応熱が、内部改質形
燃料電池から排出された燃料ガスおよび酸素ガスの少な
くとも一方の顕熱である特許請求の範囲第１項記載の燃
料電池発電装置。
（７）内部改質形燃料電池の燃料ガス入口マニホルドお
よび酸化ガス出口マニホルドのいずれかに配設した燃料
処理装置を備えた特許請求の範囲第１項記載の燃料電池
発電装置。