JP2000509549A - 高温燃料電池発電装置の運転方法および高温燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 アノード部（６）とカソード部（８）とを持つ少なくとも１つの高温燃料電池ブロック（４）を備えた高温燃料電池発電装置（２）の運転方法において、エネルギー発生量を増大させるために、高温燃料電池ブロック（４）のアノード排ガスの少なくとも一部が、発電機（５０）に連結されたガス機関（２６）に作動媒体として供給される。この措置により、高効率で柔軟性に富んだエネルギー発生が保証される。

Description

【発明の詳細な説明】 高温燃料電池発電装置の運転方法および高温燃料電池発電装置 本発明は、高温燃料電池発電装置の運転方法ならびに高温燃料電池発電装置に 関する。 水の電気分解の際、電流を流すことによって水分子が水素（H₂）と酸素（O₂） に分解することは良く知られている。燃料電池においては、この過程が逆向きに 起こる。水素（H₂）と酸素（O₂）が電気化学的に結合して水を生成する際、高い 効率で電気の流れが生じる。このことは、純粋な水素（H₂）を燃料ガスとして導 入すれば、有害物質や二酸化炭素（CO₂）の放出もなく起こる。また、例えば天 然ガスや石炭ガス等の工業的な燃料ガスを用い、純粋酸素（O₂）の代わりに空気 、あるいは酸素（O₂）を付加して酸素濃度を高くした空気を用いる場合において も、化石燃料で作動している他のエネルギー発生器に比べて、有害物質や二酸化 炭素（CO₂）の放出量は明らかに少ない。 燃料電池の原理を工業化するためには、種々の課題の解決、しかも、多種多様 な電解質や、80℃から1000℃に達する運転温度に伴う課題の解決が必要である。 燃料電池は、その運転温度によって、低温燃料電池、中温燃料電池および高温 燃料電池に分類され、さらにその様々な実施形態に合わせて区別される。 高温燃料電池ブロック（なお、専門書では、燃料電池ブロックはスタックとも 呼ばれる）は、通常、多数の平板状に形成された高温燃料電池を互いに積層して 構成される。高温燃料電池ブロックを少なくとも１つ備えた燃料電池発電装置が 、例えばドイツ特許出願第195 23 973.3，195 23 972.5および195 14 469.4号明 細書に開示されている。 高温燃料電池発電装置は、例えば900℃以上の一定の運転温度で運転される。 したがって、運転に先立って運転温度に到達させる際、あるいは短時間の運転停 止のとき運転温度に保持する際、熱量を付加して供給する必要がある。 さらに問題となるのは、高温燃料電池ブロックの運転の際、作動媒体を効率よ く利用することである。高温燃料電池ブロックを高効率で運転するためには、作 動媒体を過剰に供給する必要がある。作動媒体を過剰に供給することによって、 はじめて高温燃料電池の反応に寄与する表面に十分な作動媒体が供給される。高 温燃料電池ブロックはこのように作動媒体を過剰に供給して運転されるので、必 然的に、電気化学反応後の高温燃料電池ブロックの出口からの排ガス中には、作 動媒体が残存することとなる。すなわち換言すれば、高温燃料電池ブロック中に おいて作動媒体のすべてが消費されるわけではない。作動媒体は一部分が未利用 のまま排出されるので、効率が低減することとなる。 ドイツ特許出願公開第41 37 968号公報に、高温燃料電池ブロックの排ガスを 膨張タービンに供給して用いる熱交換装置が開示されている。この場合、高温燃 料電池ブロックの排ガスは、カソード排ガスの未消費の空気とアノード排ガスの 未消費の水素を含んでいる。排ガスを膨張タービンの入口温度まで加熱するため に、排ガスは、供給に先立って、高温燃料電池ブロックに付設の熱交換器に通流 される。タービンに供給されると、排ガスは同じ状態のまま膨張する。すなわち 、排ガスの熱容量のみがタービンのエネルギー発生に用いられており、排ガス自 体の成分、例えば水素をエネルギー発生に用いることはない。 本発明は、効率的で柔軟性に富んだエネルギー発生を保証する高温燃料電池発 電装置の運転方法を提供することを課題とする。さらに、本発明は高効率の高温 燃料電池発電装置を提供ことも課題とする。 本発明によれば、前者の課題は、アノード部とカソード部とを持つ少なくとも １つの高温燃料電池ブロックを備えた高温燃料電池発電装置の運転方法によって 解決される。エネルギー発生量を増大させるために、高温燃料電池ブロックのア ノード排ガスの少なくとも一部が、発電機に連結されたガス機関に作動媒体とし て供給される。 この方法は、全作動媒体が、燃料電池ブロック中で消費されずアノード排ガス に残存している限り、ガス機関の作動媒体として更なるエネルギー発生に使用さ れるので、明らかに効率的である。同時に、この方法は、ガス機関で作動媒体と して用いるアノード排ガスの量を全ての運転時点で同一量とする必要がないので 、明らかに柔軟性に富んでいる。ある運転時点でアノード排ガスの作動媒体の量 がガス機関の運転のために不十分となった時には、ガス機関に作動媒体の不足分 を 別途供給すればよい。 アノード排ガスは、ガス機関への供給に先立ち、まず水分の除去が行われる。 換言すれば、高温燃料電池ブロックの電気化学反応で生じた水分をアノード排ガ スから除去し、ガス機関の作動媒体として使用できる形態とする。水分とともに アノード排ガスの熱容量の一部が除去される。したがって、アノード排ガスすな わちガス機関の作動媒体の温度は、高温燃料電池ブロックからガス機関へ送られ る過程で低下する。 特に、アノード部への作動媒体には、供給に先立って、水蒸気の形態で水分を 補給することができる。 別の実施態様においては、発電機で生じた電流の一部が、高温燃料電池ブロッ クの起動時の作動媒体の加熱に使用される。例えば、高温燃料電池ブロックの通 常運転のために用意された作動媒体を、起動時にバイパス回路を介して直接ガス 機関へ供給し、得られたエネルギーを高温燃料電池ブロックの電気加熱に使用す る。したがって、高温燃料電池発電装置の全システムの一部として備えられたガ ス機関によって、高温燃料電池ブロックは起動することができる。 特に、ガス機関の廃熱によって、高温燃料電池ブロックのアノード部及び／又 はカソード部への作動媒体を加熱することもできる。 本発明によれば、後者の課題は、アノード部とカソード部とを持つ少なくとも １つの高温燃料電池ブロックを備えた高温燃料電池発電装置によって解決される 。エネルギー発生量を増大させるために、発電機に連結されたガス機関を備え、 このガス機関が高温燃料電池ブロックのアノード部の排出回路に接続される。 特に、アノード部の排出回路には少なくとも１つの水分離器を備えてもよい。 少なくとも１つの水分離器によってアノード排ガスより除去された水は、例えば 、給水タンクを通したのち、蒸気発生器へ供給される。蒸気発生器で引き続き蒸 発した水は、高温燃料電池ブロックのアノード部への作動媒体に補給される。こ れによりアノード排ガスの水も高温燃料電池ブロックへ補給されて再利用される 。 特に、ガス機関の排出配管に少なくとも１つの熱交換器を備えてもよい。 別の実施態様においては、ガス機関の排出配管に蒸気発生器が備えられる。高 温燃料電池ブロックのアノード部の排ガスからの水は、カソード部で再利用する ために、蒸気発生器において蒸気化される。 特に、発電機はカソード部の供給回路に備えられた加熱装置に接続される。発 電機で生じた電流の一部はカソード部への作動媒体の加熱に使用される。 特に、電流を供給するために発電機を電流回路網へ接続してもよい。電流は電 流回路網を介して需要家へ供給することができる。 本発明をより詳細に説明するために、実施例を図に示す。唯一示した図には、 高温燃料電池発電装置が模式的に示されている。 図のように、高温燃料電池発電装置２は高温燃料電池ブロック４を備えており 、この高温燃料電池ブロック４は、詳細に示されていないアノードガス空間を備 えたアノード部６と、図示されていないカソードガス空間を備えたカソード部８ とに区分される。高温燃料電池ブロック４は、主に、多数の平板状に形成された 図示されていない高温燃料電池によって構成されている。 高温燃料電池ブロック４にはインバータ１０が接続されており、高温燃料電池 ブロック４で発生した直流は、このインバータ１０によって、電流回路網１８へ 供給する交流電流へ変換される。 アノード部６には、例えば水素（Ｈ₂）や、燃料ガスと反応蒸気との混合物等 の作動媒体をアノード部６に供給するためのアノード回路１２が付設されており 、アノード回路１２には供給回路１４と排出回路１６が含まれる。アノード部６ に供給される前の作動媒体を“アノード部６への作動媒体”、アノード部６より 排出された後の作動媒体を“アノード部６のアノード排ガス”と称する。 高温燃料電池ブロック４のアノード部６の供給回路１４には、流れ方向に沿っ て順に、ガス分配器２０、混合室２２および熱交換器２４が備えられている。高 温燃料電池ブロック４のアノード部６の排出回路１６にはガス機関２６が接続さ れている。ここで“ガス機関”の概念は、作動媒体（アノード排ガス）の保持す る化学エネルギーを機械的エネルギーに変換する装置を意味するものである。ガ ス機関２６には、このガス機関２６で発生した機械的エネルギーを交流電流に変 換する発電機５０が連結されている。交流電流はライン５２を介して電流回路網 ５４へ送られる。 ガス機関２６の排ガスは排出配管１７を通して高温燃料電池発電装置２から排 出される。排出配管１７には流れ方向に沿って順に熱交換器３６、蒸気発生器３ ８、別の熱交換器４０が配されている。 アノード部６の排出回路１６には流れ方向に沿って順に２個の水分離器３０、 ３２と混合室３４が備えられている。 アノード部６への作動媒体は供給回路１４を介して高温燃料電池ブロック４の アノード部６へ供給される。このとき作動媒体はまずガス分配器２０へ通流され る。作動媒体の一部はガス分配器２０において供給回路１４から配管４４へ分流 され、アノード部６の排出回路１６においてガス機関２６の前段に配された混合 室３４へ直接供給される。したがって、高温燃料電池ブロック４のアノード部６ のアノード排ガスに十分な作動媒体が含まれていない場合においても、ガス機関 ２６の運転は保証される。アノード部６への作動媒体は熱交換器２４においてア ノード排ガスによって加熱される。 高温燃料電池ブロック４での電気化学反応の後、アノード排ガスは排出回路１ ６を介して高温燃料電池ブロック４から排出される。水分離器３０、３２におい て、高温燃料電池ブロック４での反応により生じた生成水の大部分と、アノード 排ガスの熱容量の一部が分離される。 アノード排ガスから生成水を分離したのち、冷却されたアノード排ガスは作動 媒体として混合室３４を介してガス機関２６へ達する。ここでこの作動媒体すな わちアノード排ガスは機械的エネルギーを発生させるために燃焼される。 水分離器３０、３２でアノード排ガスより分離された生成水は蒸気発生器３８ において蒸気化される。そのため、水分離器３０、３２で得られた生成水は給水 タンク６２とポンプ６４とが配された配管６０を通して蒸気発生器３８へ送られ る。この場合、給水タンク６２は生成水の貯留槽としての役割を果たす。所望量 の生成水がポンプ６４によって貯留槽から蒸気発生器３８へ送られる。 蒸気発生器３８で得られた水蒸気は、配管６８を通して、アノード部６の供給 回路１４に配された混合室２２へ送られる。これにより、水蒸気はアノード部６ への作動媒体に混合され、作動媒体を加熱する。 水分離器３０と熱交換器４０で得られた熱は、熱輸送媒体が流れる配管１２０ を通して、図示されていない近傍の温水網１２２へ供給される。 高温燃料電池ブロック４のカソード部８には、供給回路８２と排出回路８４と を含むカソード回路８０が付設されている。カソード部８への供給回路８２には 、流れの方向に順に、圧縮器８６、ガス分配器８８、混合室９０、熱交換器９２ および電気式加熱器９４が配されている。 カソード部８への作動媒体は供給回路８２を通してカソード部８へ供給される 。このとき、作動媒体、例えば空気や酸素（Ｏ₂）の濃度を上げた空気は、圧縮 器８６を通して、ガス分配器８８へ送られる。 ガス分配器８８において、カソード部８への作動媒体の少なくとも一部は、カ ソード部８への供給回路８２から分流され、配管１００を通して熱交換器３６へ 送られる。これらは、引き続いて混合器９０を介して再び供給回路８２へ送られ る。熱交換器３６はガス機関２６の下流側でガス機関２６の排ガス用の排出配管 １７に連結されているので、供給回路８２より分離されたカソード部８への作動 媒体はガス機関２６の排ガスによって加熱される。したがって、ガス機関２６の 排ガスの廃熱がカソード部８への作動媒体の加熱に効果的に利用される。 作動媒体のうち分流されなかった作動媒体は、供給回路８２を通して混合器９ ０へ送られ、分流された作動媒体と合流する。カソード部８への作動媒体は、続 いて熱交換器９２と電気式加熱器９４とにおいて加熱される。カソード部８への 作動媒体は、熱交換器９２においてカソード排ガスによって加熱され、電気式加 熱器９４において高温燃料電池ブロック４を起動させるために電気的に加熱され る。このとき、電気式加熱器９４には、ガス機関２６に付設された発電機５０よ り電流が供給される。電気式加熱器９４への電流供給はライン５２からライン１ ０２を介して行われる。 カソード排ガスは、カソード部８の排出回路８４によってまず熱交換器９２へ 流され、ここでカソード部８への作動媒体を加熱する。つづいて、詳細には示さ れていない近傍の温水網１１０へ供給される。 上述のように、一方では高温燃料電池ブロック４のアノード排ガスによりガス 機関２６が運転され、他方では高温燃料電池ブロック４を起動するためにガス機 関２６が使用される。高温燃料電池ブロック４の電気化学反応により生じた生成 水は、水蒸気の形で、アノード部６への作動媒体へ加熱のために送られる。また 、 高温燃料電池ブロック４のカソード部８への作動媒体を加熱するために、ガス機 関２６と発電機５０により生じた電流によって電気式加熱器９４が作動される。 さらに、ガス機関２６の排ガスの熱により高温燃料電池ブロック４のカソード部 ８への作動媒体が予熱される。 したがって、高温燃料電池発電装置２の起動操作を、この高温燃料電池ブロッ ク４に備えられたコンポーネントのみによって、遂行することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．アノード部（６）とカソード部（８）とを持つ少なくとも１つの高温燃料電 池ブロック（４）を備え、エネルギー発生量を増大させるために、高温燃料電池 ブロック（４）のアノード排ガスの少なくとも一部が、発電機（５０）に連結さ れたガス機関（２６）に作動媒体として供給される高温燃料電池発電装置（２） の運転方法。 ２．ガス機関（２６）に供給する前に作動媒体より水分を除去することを特徴と する請求項１記載の方法。 ３．アノード部（６）への作動媒体に、アノード部（６）へ供給する前に、水蒸 気の形態で水分を補給することを特徴とする請求項１または２記載の方法。 ４．高温燃料電池ブロック（４）の起動時に、発電機（５０）で生じた電流の一 部を作動媒体の加熱に用いることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方 法。 ５．ガス機関（２６）の廃熱により、高温燃料電池ブロック（４）のアノード部 （６）及び／又はカソード部（８）への作動媒体を加熱することを特徴とする請 求項１乃至４の１つに記載の方法。 ６．アノード部（６）及びカソード部（８）を持つ少なくとも１つの高温燃料電 池ブロック（４）と、エネルギー発生のために発電機（５０）に連結されたガス 機関（２６）とを備え、このガス機関（２６）が高温燃料電池ブロック（４）の アノード部（６）の排出回路（１６）に接続されている高温燃料電池発電装置（ ２）。 ７．アノード部（６）の排出回路（１６）に少なくともｌつの水分離器（３０， ３２）を備えたことを特徴とする請求項６記載の高温燃料電池発電装置（２）。 ８．ガス機関（２６）の排出配管（１７）に少なくとも１つの熱交換器（３６， ４０）を備えたことを特徴とする請求項６または７記載の高温燃料電池発電装置 （２）。 ９．ガス機関（２６）の排出配管（１７）に蒸気発生器（３８）を備えたことを 特徴とする請求項８記載の高温燃料電池発電装置（２）。 １０．発電機（５０）が、カソード部（８）の供給回路（８２）に配された電気 式加熱器（９４）に接続されていることを特徴とする請求項６乃至９の１つに記 載の高温燃料電池発電装置（２）。 １１．発電機（５０）が、電流を供給するために電流回路網（５４）に接続され ていることを特徴とする請求項６乃至１０の１つに記載の高温燃料電池発電装置 （２）。