(57)【要約】【課題】二酸化炭素回収率の高い溶融炭酸塩型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法を提供する。【解決手段】電解質板（１）をアノード（３）とカソード（２）で挟持してセルを構成する溶融炭酸塩型燃料電池のカソード（２）側に排ガス発生装置（９）から排出される酸素と二酸化炭素を含むガスを供給し、該溶融炭酸塩型燃料電池のカソード（２）から排出されるカソード排ガスを該溶融炭酸塩型燃料電池と並んで設置された他の溶融炭酸塩型燃料電池のカソード側に供給し、前記溶融炭酸塩型燃料電池と前記他の溶融炭酸塩型燃料電池のアノード（３）で生成される二酸化炭素を二酸化炭素回収装置（１１）により回収する【選択図】      図１
2004186074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質板（１）をアノード（３）とカソード（２）で挟持してセルを構成する溶融炭酸塩型燃料電池のカソード側に排ガス発生装置（９）から排出される酸素と二酸化炭素を含むガスを供給し、該溶融炭酸塩型燃料電池のカソード（２）から排出されるカソード排ガスを該溶融炭酸塩型燃料電池に並設された他の溶融炭酸塩型燃料電池のカソード側に供給し、前記溶融炭酸塩型燃料電池と前記他の溶融炭酸塩型燃料電池のアノード（３）で生成される二酸化炭素を二酸化炭素回収装置（１１）により回収する、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法。
【請求項２】
前記他の溶融炭酸塩型燃料電池のカソード側に排ガス発生装置（９）から排出される酸素と二酸化炭素を含むガスを供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率で環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にない特徴を有しており、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在鋭意研究が進められている。
【０００３】
図４は溶融炭酸塩型燃料電池の発電原理を模式的に示した図である。アノード（燃料極）には水素が供給され、もう一方のカソード（空気極）には酸素と二酸化炭素が供給される。炭酸イオンは、カソードで酸素と二酸化炭素および外部回路を通ってきた電子との電気化学反応により生成される。この炭酸イオンは電解質を通ってアノードへと移動し、そこで電子を放出した水素イオンと反応して水と二酸化炭素を生成する。放出された電子は、外部回路を通じてカソードへと向かい、カソードで炭酸イオンとなる。そして、このアノードから放出された電子が外部回路を通りアノードへ移動することにより発電が行われる。
【０００４】
この溶融炭酸型燃料電池においてはカソードでの反応に二酸化炭素を必要とし、アノードでの反応に同一量の二酸化炭素を生成する。すなわち、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに入った二酸化炭素が電解質を通り、アノードから濃縮されて排出されることになる。
【０００５】
ところで、近年、地球温暖化現象が世界的な問題となっており、ＣＯ２ガスの排出量低減が重要な課題となっている。かかるＣＯ２の排出量低減対象の１つが、火力発電所排ガス等の工業的燃焼排ガスであり、低濃度かつ大量のＣＯ２ガスが高温で排出される特徴がある。現在、火力発電の他に水力、火力、原子力等の発電システムが利用されているが、火力発電はこれら発電システムにおいて中心的役割を担っており、火力発電なしでは電力需要を満足することはできない。したがって、火力発電所により排出されるＣＯ２ガスの量を抑制することができれば、地球温暖化防止に寄与するところが大きいといえる。
【０００６】
上記低濃度のＣＯ２  ガスを濃縮して分離回収する代表的な方法としては、▲１▼吸収液にＣＯ２  を化学反応で吸収させ、それを加熱することなどにより、ＣＯ２  を分離回収する化学吸収法、▲２▼ゼオライトなどの固体吸着剤の細孔にＣＯ２  を物理的に吸着させ、圧力を下げることによってＣＯ２  を分離、回収する物理吸着法、▲３▼高分子膜に対する機体の透過速度の違いを利用してＣＯ２  を分離、回収する膜分離（透過）法、等が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
しかし、上記▲１▼の化学吸収法の場合には、吸収液（溶媒）側の制約で、ＣＯ２ガスの温度を低くする必要があるので、分離のためには大きな加熱エネルギーが必要になり、かつ吸収液の使用量が多く高価となる問題がある。また、上記▲２▼の物理吸着法の場合には、ＣＯ２  の分離に非常に大きなエネルギーが必要であり、大容量化が困難である等の問題がある。一方、上記▲３▼の膜分離法の場合には、膜が非常に高価なためコストが高く、かつ膨大な面積の膜が必要なため大容量化が困難であり、更に不純物が多い排ガスに適した膜の開発が必要である等の問題がある。
【０００８】
一方、上述した溶融炭酸塩型燃料電池の二酸化炭素濃縮機能を利用して、火力発電所から排出される低濃度の二酸化炭素を溶融炭酸塩型燃料電池のカソードで利用することにより、これより更に低濃度の二酸化炭素を排出し、アノードで濃縮された二酸化炭素を回収する手段が考えられている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−３３３４０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
溶融炭酸塩型燃料電池を用いて二酸化炭素を回収する手段では、カソードに二酸化炭素を含む排出ガスを供給するが、カソードの二酸化炭素利用率には限界があり（例えば、３００ｋＷ級溶融炭酸塩型燃料電池で４０％程度。）、このため、カソード排ガスには二酸化炭素が残留することになる（例えば、３００ｋＷ級溶融炭酸塩型燃料電池定格時で３００ｍ３／ｈ程度）。しかし、現在考えられている手段ではカソード出口から排出されるガスはそのまま大気に放出されるため、カソード排ガスに残留している二酸化炭素は依然として回収できていない。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明は、従来よりも二酸化炭素回収率の高い溶融炭酸塩型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法を提供することにある。
【００１２】
【発明を解決するための手段】
本発明によれば、電解質板（１）をアノード（３）とカソード（２）で挟持してセルを構成する溶融炭酸塩型燃料電池のカソード（２）側に排ガス発生装置（９）から排出される酸素と二酸化炭素を含むガスを供給し、該溶融炭酸塩型燃料電池のカソード（２）から排出されるカソード排ガスを該溶融炭酸塩型燃料電池に並設された他の溶融炭酸塩型燃料電池のカソード側に供給し、前記溶融炭酸塩型燃料電池と前記他の溶融炭酸塩型燃料電池のアノード（３）で生成される二酸化炭素を二酸化炭素回収装置（１１）により回収する、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法が提供される。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態によれば、前記他の溶融炭酸塩型燃料電池のカソード側に排ガス発生装置（９）から排出される酸素と二酸化炭素を含むガスを供給する。
【００１４】
上記手段によれば、溶融炭酸塩型燃料電池のカソード（２）から排出されるカソード排ガスを他の溶融炭酸塩型燃料電池のカソード（２）側に供給するので、カソード排ガスの大気放出は最下流側の溶融炭酸塩型燃料電池でのみ行われ、かつ、各溶融炭酸塩型燃料電池のアノード（３）で生成された二酸化炭素は二酸化炭素回収装置（１１）により回収されるので、二酸化炭素回収率が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、火力発電所等の低濃度かつ大量のＣＯ２ガスが低温で排出される設備（排ガス発生設備９）の下流側に設置した本発明に係る第１の実施の形態による二酸化炭素回方法を実施するための設備の全体構成図である。図中４は溶融炭酸塩型燃料電池（以下、ＭＣＦＣという。）であり、
最上流側のＭＣＦＣ４のカソード側には、排ガス発生装置から排出される二酸化炭素を含む排ガスと圧縮機１２により圧縮された空気とを混合したガスを供給する排ガスライン５が接続されている。最上流側のＭＣＦＣ４を除いて各ＭＣＦＣ４のカソード側と、このＭＣＦＣ４の上流側に隣接するＭＣＦＣ４のカソード出口は、カソード排ガスライン６により接続されている。図中１１は各ＭＣＦＣのアノードで生成される二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置であり、各ＭＣＦＣのアノード側と二酸化炭素回収ライン８により接続されている。
【００１７】
図中１０は水蒸気を含む燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器であり、燃料ライン７により各ＭＣＦＣ４のアノード側に接続されている。天然ガスは図示しない燃料ブロワで加圧され脱硫機で脱硫後、水蒸気と混合し燃料ガスとして改質器１０に供給される。改質器１０は、燃焼室と、燃焼室からの伝熱により燃料ガスを改質しアノードガスを発生する改質室とからなる。燃料室には十分な燃焼が行われるよう燃焼媒体が充填され、改質室には燃料ガスを水素を主体とするアノードガスに改質するための改質媒体が充填されている。
【００１８】
図３は、本発明の方法に係るＭＣＦＣ４の概念図である。この図に示すように、ＭＣＦＣは、溶融炭酸塩を電解質とする電解質板１とこれを両面から挟持する多孔質のカソード２及びアノード３とからなる濃縮セルとからなる。
【００１９】
電解質板１は、電解質としての溶融塩を浸み込ませた多孔質平板であり、例えば、リチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ２）により構成したマトリックスに電解質である炭酸塩を主成分とする溶融塩を含浸させたものを用いる。電解質としては、リチウム、ナトリウム、カリウム等をはじめとするアルカリ金属の炭酸塩、マグネシウム、カルシウム等をはじめとするアルカリ土類金属の炭酸塩を単独または複数混合した状態で使用する。
【００２０】
また、カソード２及びアノード３としては、高温かつ酸化雰囲気に耐えられる導電性金属酸化物として、どちらも、酸化ニッケル、酸化鉄、或いは、酸化銅その他の金属酸化物が単独又は複合されたものにリチウムがドープされた多孔質を用いる。
【００２１】
カソード側では、
ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→ＣＯ３２−
の電気化学反応が行われ、炭酸イオンＣＯ３２−が生成される。このカソードで未反応となった二酸化炭素と酸素を含むガスは、カソード出口より排出される。
【００２２】
次に、上記生成された炭酸イオンＣＯ３２−は、電解質板１中を永動してアノード３へ達し、アノード側で、
Ｈ２＋ＣＯ３２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ−
の電気化学反応が行われ、電子が奪われることにより、炭酸イオンからＣＯ２が濃縮分離され、ガス出口から排出される。
【００２３】
各ＭＣＦＣ４のアノード出口から排出される水蒸気と二酸化炭素は、図示しない第１の冷却装置により冷却される。この冷却により、水蒸気は凝縮して液化し分離回収される。水蒸気と分離された二酸化炭素は、図示しない第２の冷却装置により−７８．５℃以下に冷却されることにより液化されて二酸化炭素回収装置１１により回収される。
【００２４】
各ＭＣＦＣ４のカソード出口から排出されるカソード排ガスは、その下流側に隣接するＭＣＦＣ４のカソード側に供給される。最上流側のＭＣＦＣ４のカソード側に供給されるガスは排ガス発生装置９により排出されるガスであり、そのＣＯ２ガス濃度は約８％である。一方、この最上流側のＭＣＦＣ４のカソード出口から排出されるカソード排ガスのＣＯ２ガス濃度は５％となる。このように、上流側から下流側のＭＣＦＣ４のカソードを経由することにより、最下流側のＭＣＦＣ４のカソード出口から排出されるカソード排ガスのＣＯ２ガス濃度は、最上流側のＭＣＦＣ４のカソード出口から排出されるカソード排ガスと比較して低濃度となる。これにより、ＣＯ２ガスの大気への排出量を削減するとともに、高濃度のＣＯ２ガスを二酸化炭素回収装置により回収するので、二酸化炭素回収率が向上する。
【００２５】
図２は、本発明に係る第２の実施の形態による二酸化炭素回方法を実施するための設備の全体構成図であり、全てのＭＣＦＣ４のカソード側に排ガス発生装置９から排出される酸素と二酸化炭素を含むガスと圧縮機１２により圧縮された空気とを混合したガスを供給する排ガスライン５が接続されている。その他の構成は前記第１の実施の形態と同様である。
【００２６】
第２の実施の形態によれば、ＭＣＦＣ４による発電に必要な酸素と二酸化炭素の濃度を確保するために、排ガス発生装置９から排出される酸素と二酸化炭素を含むガスと圧縮機１２により圧縮された空気とを混合したガスを各ＭＣＦＣ４のカソード側に供給するので、ＭＣＦＣ４による発電効率を低下させることなく、二酸化炭素回収率を向上させることができる。
【００２７】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法によれば、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードから排出されるカソード排ガスを他の溶融炭酸塩型燃料電池のカソード側に供給するため、カソード排ガスの大気放出は最下流側の溶融炭酸塩型燃料電池でのみ行われ、かつ、各溶融炭酸塩型燃料電池のアノードで生成された二酸化炭素は二酸化炭素回収装置により回収されるので、二酸化炭素回収率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態による溶融炭酸塩型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法を実施するための設備の全体構成図である。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態による溶融炭酸炎型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法を実施するための設備の全体構成図である。
【図３】本発明の実施に係る溶融炭酸塩型燃料電池の概念図である。
【図４】溶融炭酸塩型燃料電池の発電原理を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１  電解質板
２  カソード（空気極）
３  アノード（燃料極）
４  溶融炭酸塩型燃料電池
５  排ガスライン
６  カソード排ガスライン
７  燃料ライン
８  二酸化炭素回収ライン
９  排ガス発生設備
１０  改質器
１１  二酸化炭素回収装置
１２  圧縮機
【図１】
2004186074.tif 000003
【図２】
2004186074.tif 000004
【図３】
2004186074.tif 000005
【図４】
2004186074.tif 000006