JP2007287579A - 燃料電池設備及び複合発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化・高性能化を図ることができる燃料電池設備を提供する。
【解決手段】改質流量調整弁１９の調整により改質器９への熱源となるガスタービン４の排気ガス量を調整すると共に、流量調整弁２２の調整により改質器９への燃料の流通量を調整し、改質率が調整（低下）された燃料を内部改質手段１５で改質して吸熱反応させ、吸熱反応によりＭＣＦＣ２の温度制御を行い、温度制御に対する動力を削減して損失を抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池装置に関する。

また、本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池装置とガスタービンを組み合わせた複合発電設備に関する。

水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、天然ガス等の燃料から得られた水素（Ｈ_２）をアノードに供給すると共に、空気（Ｏ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）をカソードに供給することで、Ｈ_２とＯ_２の電気化学反応により発電が行われる。ＭＣＦＣは高温で作動するため高効率で、ＣＯ_２を回収分離できるため環境への影響が少ない等の特徴を有している。このため、近年は、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目されてきている。

また、ＭＣＦＣは高温で作動するため、排気ガスをガスタービンの燃焼器に供給するように構成して、ＭＣＦＣとガスタービンとを組み合わせた複合発電設備も従来から提案されてきている（例えば、特許文献１参照）。ＭＣＦＣとガスタービンとを組み合わせた複合発電設備とすることにより、ＭＣＦＣとガスタービンとで発電を行うことができる。

ＭＣＦＣをはじめとして水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池装置では、燃料としての水素を得るために、天然ガス等の燃料ガスを改質手段に送り、改質手段に燃料ガスの２倍から３倍程度の蒸気を投入し、燃料ガスを改質して水素ガスを得ている。

そして、例えば、ＭＣＦＣでは、炭酸塩が溶融している領域の温度領域で運転を行うため、カソード側の排気ガスを循環させて温度制御を行っている。ＭＣＦＣに限らず、燃料電池は運転温度が規制されており、温度制御を行うことは避けられないのが現状である。カソード側の排気ガスを循環させて温度制御を行う場合、特に、純酸素（例えば、９５％以上の酸素）を用いて水素との割合を量論比で運転する燃料電池の場合、供給酸素を高レベルに制御しても循環するカソードガスの組成が影響してしまい、燃料電池の性能を高く維持するのは限界があった。

このため、燃料電池は、高効率で発電が行え、環境に対しても影響が少ない発電システムとして注目されてきているが、反面、温度制御に対する動力等、発電に対して損失が少なからず存在し、また、性能を高次元で維持するのは限界があり、更なる高効率化・高性能化の可能性を有しているのが実情である。このことは、出力の大きさに拘わらず効率化が求められており、特に、少ない出力の設備であっても、高効率化・高性能化が求められている。また、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）に限らず、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を適用した発電設備においても同様に高効率化・高性能化が求められている。

特開平１１−１３５１３９号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化・高性能化を図ることができる燃料電池設備を提供することを目的とする。

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化・高性能化を図ることができる燃料電池設備とガスタービンとを組み合わせた複合発電設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質する改質器と、燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを吸熱反応させる吸熱反応手段と、吸熱反応手段におけるカソードガスの吸熱反応の状況を調整して燃料電池の運転温度を規制する吸熱調整手段とを備えたことを特徴とする燃料電池設備にある。

第１の態様では、吸熱調整手段によりアノードガスを吸熱反応させることで運転温度を所定温度に維持し、温度制御に対する動力を用いることなく燃料電池の運転温度を所定の状態に制御する。

上記目的を達成するための本発明の第２の態様は、水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質する改質器と、燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを吸熱反応させる吸熱反応手段と、改質器の改質熱源の状況を調整して燃料の改質状態を調整することで吸熱反応手段の状況を調整し燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段とを備えたことを特徴とする燃料電池設備にある。

第２の態様では、改質状況調整手段により改質器の改質熱源の状況を調整して燃料の改質状態を調整し、調整された燃料をアノードガスとして吸熱反応させることで運転温度を所定温度に維持し、温度制御に対する動力を用いることなく燃料電池の運転温度を所定の状態に制御する。

上記目的を達成するための本発明の第３の態様は、水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質すると共に燃料電池の排気ガスの熱を改質熱源とする改質器と、燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを吸熱反応させる吸熱反応手段と、改質器の改質熱源である燃料電池の排気ガスの流通を調整して燃料の改質状態を調整することで吸熱反応手段の状況を調整し燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段とを備えたことを特徴とする燃料電池設備にある。

第３の態様では、改質状況調整手段により排気ガスの流通を調整し、改質器の改質熱源の状況を調整して燃料の改質状態を調整し、調整された燃料をアノードガスとして吸熱反応させることで運転温度を所定温度に維持し、温度制御に対する動力を用いることなく燃料電池の運転温度を所定の状態に制御する。

上記目的を達成するための本発明の第４の態様は、水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質すると共に燃料電池の排気ガスの熱を改質熱源とする改質器と、燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを改質することにより吸熱反応させる内部改質手段と、改質器の改質熱源である燃料電池の排気ガスの流通を調整して燃料の改質状態を調整することで内部改質手段の改質状況を調整し燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段とを備えたことを特徴とする燃料電池設備にある。

第４の態様では、改質状況調整手段により排気ガスの流通を調整し、改質器の改質熱源の状況を調整して燃料の改質状態を調整し、調整された燃料をアノードガスとして内部改質手段で改質させ、吸熱反応させることで運転温度を所定温度に維持し、温度制御に対する動力を用いることなく燃料電池の運転温度を所定の状態に制御する。

本発明の第５の態様は、第４の態様に記載の燃料電池設備において、改質器への燃料の流通を調整して燃料の改質状態を調整することで内部改質手段の改質状況を調整する第２改質状況調整手段を備えたことを特徴とする燃料電池設備にある。

第５の態様では、第２改質状況調整手段により燃料の改質器への流通を更に調整し、流通量を含めた改質状態の調整を行う。

本発明の第６の態様は、第４または第５の態様に記載の燃料電池設備において、燃料電池のカソードガスとして所定圧力の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて燃料電池が運転されることを特徴とする燃料電池設備にある。

第６の態様では、燃料と当量比の酸素を供給して、水素と酸素の比が所定の量論比率となる量論比運転が行われる。

本発明の第７の態様は、第６の態様に記載の燃料電池設備において、所定圧力の純酸素は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された加圧状態の酸素であることを特徴とする燃料電池設備にある。

第７の態様では、加圧状態の酸素を容易に得ることができ、酸素を加圧する設備を備える必要がない。

本発明の第８の態様は、第１〜第７のいずれかの態様に記載の燃料電池設備において、燃料電池は、水素を含むアノードガス及び酸素を含むカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池であることを特徴とする燃料電池設備にある。

第８の態様では、溶融炭酸塩形燃料電池を備えた燃料電池設備とすることができる。

上記目的を達成するための本発明の第９の態様は、水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスを膨張するガスタービンと、アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質すると共に燃料電池の排気ガスの熱を改質熱源とする改質器と、燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを改質することにより吸熱反応させる内部改質手段と、改質器の改質熱源である燃料電池の排気ガスの流通を調整して燃料の改質状態を調整することで内部改質手段の改質状況を調整し燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段とを備えたことを特徴とする複合発電設備にある。

第９の態様では、改質状況調整手段により排気ガスの流通を調整し、改質器の改質熱源の状況を調整して燃料の改質状態を調整し、調整された燃料をアノードガスとして内部改質手段で改質させ、吸熱反応させることで運転温度を所定温度に維持し、温度制御に対する動力を用いることなく運転温度を所定の状態に制御することができる燃料電池、及び、ガスタービンを備えた複合発電設備とすることができる。

本発明の第１０の態様は、第９の態様に記載の複合発電設備において、改質器への燃料の流通を調整して燃料の改質状態を調整することで内部改質手段の改質状況を調整する第２改質状況調整手段を備えたことを特徴とする複合発電設備にある。

第１０の態様では、第２改質状況調整手段により燃料の改質器への流通を更に調整し、流通量を含めた改質状態の調整を行うことができる燃料電池を備えた複合発電設備とすることができる。

本発明の第１１の態様は、第９または第１０の態様に記載の複合発電設備において、燃料電池のカソードガスとして所定圧力の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて燃料電池が運転されることを特徴とする複合発電設備にある。

第１１の態様では、燃料と当量比の酸素を供給して、水素と酸素の比が所定の量論比率となる量論比運転が行われる燃料電池を備えた複合発電設備とすることができる。

本発明の第１２の態様は、第９〜第１１のいずれかの態様に記載の複合発電設備において、所定圧力の純酸素は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された加圧状態の酸素であることを特徴とする複合発電設備にある。

第１２の態様では、加圧状態の酸素を容易に得ることができ、酸素を加圧する設備を備える必要がない燃料電池を備えた複合発電設備とすることができる。

本発明の第１３の態様は、第９〜第１２のいずれかの態様に記載の複合発電設備において、燃料電池は、水素を含むアノードガス及び酸素と二酸化炭素を含むカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池であり、ガスタービンの排気ガスの二酸化炭素をカソードガスに混合する循環系統を備え、循環系統には、排気ガスから二酸化炭素を得る分離手段が備えられていることを特徴とする複合発電設備にある。

第１３の態様では、燃料と当量比の酸素をだけを供給することで発電に伴って発生した二酸化炭素の全量を回収してカソードガスの酸化剤として二酸化炭素を高濃度で得ることができる閉サイクルのシステムを構築することが可能になり、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備とすることができる。

上記目的を達成するための本発明の第１４の態様は、水素を含むアノードガス及び酸素と二酸化炭素を含むカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、溶融炭酸塩形燃料電池の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスを膨張するガスタービンと、アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質すると共に溶融炭酸塩形燃料電池の排気ガスの熱を改質熱源とする改質器と、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを改質することにより吸熱反応させる内部改質手段と、ガスタービンの排気ガスの二酸化炭素をカソードガスに混合する循環系統を備え、循環系統は、排気ガスを熱回収してカソードガスの予熱を行う予熱手段と、排気ガスを改質器に流通させる流通系統と、予熱手段の経路及び流通系統への排気ガスの流通状況を調整して改質器での改質状態を調整することでアノードガスの改質状況を調整し、内部改質手段の改質状況を制御して溶融炭酸塩形燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段と、予熱手段及び流通系統を流通した排気ガスから二酸化炭素を得る分離手段と、分離手段で分離された二酸化炭素を加圧してカソードガスに混合する加圧手段とを備えたことを特徴とする複合発電設備にある。

第１４の態様では、改質状況調整手段により排気ガスの流通を調整し、改質器の改質熱源の状況を調整して燃料の改質状態を調整し、調整された燃料をアノードガスとして内部改質手段で改質させ、吸熱反応させることで運転温度を所定温度に維持し、温度制御に対する動力を用いることなく運転温度を所定の状態に制御することができる溶融炭酸塩形燃料電池を備えた複合発電設備となり、燃料と当量比の酸素だけを供給することで発電に伴って発生した二酸化炭素の全量を回収してカソードガスの酸化剤として二酸化炭素を高濃度で得ることができる閉サイクルのシステムを構築することが可能になり、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備とすることができる。

本発明の第１５の態様は、第１４の態様に記載の複合発電設備において、アノードガスの改質器への流通状態を調整して内部改質手段の改質状況を制御するアノードガス流通調整手段を備えたことを特徴とする複合発電設備にある。

第１５の態様では、改質器への流通状態を調整して内部改質手段の改質状況を調整して溶融炭酸塩形燃料電池の温度制御を行うことができる。

本発明の第１６の態様は、第１４または第１５の態様に記載の複合発電設備において、加圧手段は二酸化炭素圧縮機であり、二酸化炭素圧縮機の出口側で溶融炭酸塩形燃料電池のカソードガスとして所定圧力の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて溶融炭酸塩形燃料電池が運転されることを特徴とする複合発電設備にある。

第１６の態様では、二酸化炭素だけを圧縮する圧縮機を備えることで閉サイクルのシステムを構築することが可能になる。

本発明の第１７の態様は、第１４または第１５の態様に記載の複合発電設備において、加圧手段は酸素・二酸化炭素圧縮機であり、酸素・二酸化炭素圧縮機の入口側で溶融炭酸塩形燃料電池のカソードガスとして常圧の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて溶融炭酸塩形燃料電池が運転されることを特徴とする複合発電設備にある。

第１７の態様では、供給される純酸素を圧縮する圧縮機を備えることで閉サイクルのシステムを構築することが可能になる。

本発明の燃料電池設備は、発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化・高性能化を図ることができる燃料電池設備とすることができる。

また、本発明の複合発電設備は、発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化・高性能化を図ることができる燃料電池設備とガスタービンとを組み合わせた複合発電設備とすることができる。

図１には本発明の第１実施形態例に係る複合発電設備の概略系統、図２には本発明の第２実施形態例に係る複合発電設備の概略系統、図３には本発明の第３実施形態例に係る複合発電設備の概略系統、図４には本発明の第４実施形態例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。

図１に基づいて第１実施形態例を説明する。

図１に示すように、本実施形態例の複合発電設備１には、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２が備えられ、ＭＣＦＣ２の出口ガス（排気ガス）が導入されて燃焼が行われる燃焼器３が設けられている。燃焼器３からの燃焼ガスを膨張して駆動するガスタービン４が備えられ、ガスタービン４には発電機５が同軸上に設けられている。ガスタービン４の駆動により発電機５が作動して発電が行われる。尚、図中の符号で６は燃焼器３の前流側に供えられ逆火を防止するための混合器である。

ＭＣＦＣ２は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）７と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）８との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、天然ガス等の燃料ｆから得られた水素（Ｈ_２）をアノード７に供給すると共に、空気（Ｏ_２）とＣＯ_２をカソード８に供給することで、Ｈ_２とＯ_２の電気化学反応により発電が行われる。

ガスタービン４の下流にはガスタービン４で仕事を終えた排気ガスの熱回収を行う改質器９及びカソードガス予熱器１０が並列に設けられると共に、改質器９及びカソードガス予熱器１０の下流側には蒸気発生器１１が設けられている。蒸気発生器１１で発生した蒸気は改質のための蒸気として燃料ｆに供給される。

蒸気発生器１１で熱回収された排気ガスはドレン分離冷却器１２で凝縮水（Ｈ_２Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ_２）に分離される。ドレン分離冷却器１２で分離されたＣＯ_２はＣＯ_２圧縮機１３で圧縮され、加圧されたＯ_２と混合されてカソードガス予熱器１０に送られる（循環系統）。カソードガス予熱器１０で予熱されたＯ_２とＣＯ_２の混合ガス（カソードガス）がＭＣＦＣ２のカソード８に供給される。

燃料ｆ（例えば、メタン）は供給系としての供給路１４から改質器９に送られ、改質器９で改質されてアノードガス（Ｈ_２を含むアノードガス）とされる。改質器９で改質されたアノードガスがＭＣＦＣ２のアノード７に供給される。

ＣＯ_２圧縮機１３で圧縮されたＣＯ_２が混合されるＯ_２は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された加圧状態のＯ_２であり、例えば、酸素が９５％で窒素が５％の組成とされている。このため、加圧状態のＯ_２を容易に得ることができ、循環系統に備えられる圧縮機にてＣＯ_２だけを圧縮するＣＯ_２圧縮機１３とすることが可能になる。ＣＯ_２だけを圧縮する圧縮機とすることで圧縮流体が特定されるため、翼の設計等が容易な圧縮機とすることができる。

一方、ＭＣＦＣ２のアノード７には吸熱反応手段としての内部改質手段１５が備えられ、内部改質手段１５によりアノードガスが改質されて吸熱反応を生じさせるようになっている。詳細は後述するが、アノードガスを内部改質手段１５で改質して吸熱反応させることで、ＭＣＦＣ２の運転温度が規制される。ＭＣＦＣ２の運転温度を規制するために、内部改質手段１５で改質されるアノードガスの改質状況が調整される（吸熱調整手段）。

つまり、改質器９の改質熱源であるガスタービン４の排気ガスの流通を調整して改質器９の温度を調整し、燃料ｆの改質状態が調整される（例えば、改質器９での改質率を低下させる：改質状況調整手段）。また、改質器９への燃料ｆの流通を調整して流通量を調整し、内部改質手段１５の改質状況が調整される（例えば、改質器９での改質率を低下させる：第２改質調整手段）。

改質状況調整手段を説明する。

ガスタービン４の排気側に設けられた改質器９に排気ガスを流通させる改質流路１６が備えられると共に、ガスタービン４の排気側に設けられたカソードガス予熱器１０に排気ガスを流通させる予熱流路１７が備えられている。改質流路１６及び予熱流路１７は蒸気発生器１１の上流で合流されている。また、ガスタービン４の排気ガスを蒸気発生器１１の上流に直接合流させるバイパス流路１８が設けられている。

改質器９の下流側の改質流路１６には改質流量調整弁１９が設けられ、カソードガス予熱器１０の下流側の予熱流路１７には予熱流量調整弁２０が設けられている。改質流量調整弁１９及び予熱流量調整弁２０の開度を制御することにより、改質流路１６、予熱流路１７、バイパス流路１８へのガスタービン４の排気ガス流量が制御され、改質器９の熱源となる排気ガス流量が調整されて燃料ｆの改質状態が調整される。

第２改質調整手段を説明する。

燃料ｆの供給系には改質器９を流通しないバイパス流路２１が設けられ、バイパス流路２１には改質器９を流通する燃料ｆの量、即ち、燃料ｆの改質量を調整する流量調整弁２２が設けられている。改質流量調整弁１９及び予熱流量調整弁２０の調整により改質器９の熱源の量が調整され、熱量に応じた燃料ｆが流通するように流量調整弁２２が調整される。これにより、改質器９での改質率を低下させてその分アノードガスを内部改質手段１５で改質させて吸熱反応を行わせ、ＭＣＦＣ２の運転温度を規制することができる。

上述した複合発電設備１では、ＭＣＦＣ２の排気ガスは燃焼器３で未燃分が完全燃焼されてガスタービン４を駆動し、ガスタービン４の排気ガスの熱が回収（ガス予熱、改質熱源等）され、ドレン分離冷却器１２で凝縮水（Ｈ_２Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ_２）に分離される。これらのうち、電池反応及び燃焼で生じたＨ_２Ｏは系外に排出し、ＣＯ_２は昇圧してカソードガスとして循環使用する。

このため、燃料ｆと当量比のＯ_２だけを供給して量論比運転を行うことで発電に伴って発生したＣＯ_２の全量を回収してカソードガスの酸化剤としてＣＯ_２を高濃度で得ることができる閉サイクルのシステムを構築することが可能になり、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備１とすることができる。また、ガスタービン４の排気ガスの熱を用いてアノードガス及びカソードガスを適切に昇温させることができる。

そして、改質流量調整弁１９及び予熱流量調整弁２０の調整によりガスタービン４の排気ガスの流通を調整し、改質器９の改質熱源の状況を調整して燃料ｆの改質状態を調整し、改質状態が調整された燃料ｆをアノードガスとして内部改質手段１５で改質させて吸熱反応させている。吸熱反応によりＭＣＦＣ２の運転温度が所定温度に維持され、温度制御に対する動力を用いることなくＭＣＦＣ２の運転温度を所定の状態に制御することができる。

因みに、温度制御に対する動力を用いる場合、カソード８の排気ガスをブロアにより循環させてＭＣＦＣ２の温度を制御することが考えられる。この時、冷却後の排気ガスをカソードガスに合流させてカソード８に供給することになるが、排気ガスの循環によりＯ_２以外のもの（例えば、窒素）が蓄積され、燃料ｆと当量比のＯ_２により量論比運転する設備としているも拘らず、発電効率の低下を招いてしまう。このため、本実施形態例のように、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された加圧状態のＯ_２ガス（僅かであるが窒素が含まれるカソードガス）を用いると、Ｏ_２の比率が相対的に低下して発電効率の低下が顕著に現れる虞がある。

上述した複合発電設備１は、吸熱反応によりＭＣＦＣ２の運転温度が所定温度に維持され、カソード８の排気ガスをブロアにより循環させる、といった温度制御に対する動力を用いることなく、ＭＣＦＣ２の運転温度を所定の状態に制御することができるので、温度制御用の動力が不要になり、Ｏ_２の比率の相対的な低下の問題が生じることがなく、高い効率を維持することができる。そして、低温のガスが流通する流路に設けられた改質流量調整弁１９、予熱流量調整弁２０、流量調整弁２２の開度を制御することによりＭＣＦＣ２の運転温度を制御することができるので、高価な高温対応の弁を用いることなくＭＣＦＣ２の運転温度を制御することができる。また、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された加圧状態のＯ_２が用いられるので、加圧状態の酸素を容易に得ることができ、酸素を加圧する設備を備える必要がない。

従って、温度制御用の動力が不要になり高い効率を維持することができるＭＣＦＣ２を備えた複合発電設備１となり、燃料と当量比のＯ_２だけを供給することで発電に伴って発生したＣＯ_２の全量を回収してカソードガスの酸化剤としてＣＯ_２を高濃度で得ることができる閉サイクルのシステムを構築することが可能になり、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備１となる。このため、発電に対する損失を極力抑えて高次元で効率化・高性能化を図ることができるＭＣＦＣ２とガスタービン４とを組み合わせた複合発電設備１とすることができる。

尚、上述した実施形態例では、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された加圧状態のＯ_２を供給する例を挙げて説明したが、例えば、深冷設備で製造した純Ｏ_２を別途加圧して供給することも可能である。

図２に基づいて第２実施形態例を説明する。

第２実施形態例の複合発電設備３１は、第１実施形態例の複合発電設備１に対して常圧の純Ｏ_２を供給し、回収したＣＯ_２と共に圧縮してカソードガスとしたものである。このため、第１実施形態例の複合発電設備１の構成部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

第１実施形態例のＣＯ_２圧縮機１３（図１参照）に代えて、図２に示すように、ドレン分離冷却器１２とカソードガス予熱器１０との間には、圧縮機３２が備えられている。圧縮機３２はＣＯ_２とＯ_２の混合ガスが圧縮され、カソードガスとしてカソードガス予熱器１０で予熱されてＭＣＦＣ２のカソード８に供給される。圧縮機３２の入口側には、例えば、深冷設備で製造された常圧の純Ｏ_２が供給され、ドレン分離冷却器１２で回収されたＣＯ_２が混合される。

第２実施形態例の複合発電設備３１は、第１実施形態例の複合発電設備１と同様に、温度制御用の動力が不要になり高い効率を維持することができるＭＣＦＣ２を備えた複合発電設備３１となり、燃料と当量比のＯ_２だけを供給することで発電に伴って発生したＣＯ_２の全量を回収してカソードガスの酸化剤としてＣＯ_２を高濃度で得ることができる閉サイクルのシステムを構築することが可能になり、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備３１となる。このため、発電に対する損失を極力抑えて高次元で効率化・高性能化を図ることができるＭＣＦＣ２とガスタービン４とを組み合わせた複合発電設備３１とすることができる。

そして、常圧の純Ｏ_２を圧縮することができるので、深冷設備で製造した極めて純度の高いＯ_２を供給することができる。このため、燃料と当量比のＯ_２を安定して供給することができ、高効率の発電を安定して行うことができる。

図３に基づいて本発明の第３実施形態例を説明する。

第３実施形態例の複合発電設備３５は、第１実施形態例の複合発電設備１に対して、ＭＣＦＣ２に代えて酸化物固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）を適用したもので、カソードガスとして常圧のＯ_２を適用したものである。そして、ＣＯ_２を循環させる閉サイクルではなく、第１実施形態例の内部改質手段１５と同様の機能としてＳＯＦＣの内部改質手段３９を使用した構成となっている。このため、第１実施形態例の複合発電設備１の構成部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

第１実施形態例のＭＣＦＣ２（図１参照）に代えて、図３に示すように、酸化物固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）３６が備えられている。ＳＯＦＣ３６は、空気極（カソード）３７と燃料が供給される燃料極（アノード）３８とを備え、アノード３８には吸熱反応手段としての内部改質手段３９が備えられている。そして、第１実施形態例におけるＣＯ_２圧縮機１３（図１参照）は設けられておらず、ドレン分離冷却器で分離された気体は外部に放出（回収）される。

ＳＯＦＣ３６のカソード３７にはカソードガス予熱器１０で所定温度に予熱されたＯ_２が供給され、ＳＯＦＣ３６のアノード３８には改質器９で改質された燃料ｆ（バイパス流路２１の流通が調整された燃料ｆが供給されて発電が行われる。アノード３８では内部改質手段３９で燃料ｆが改質され（吸熱反応）、ＳＯＦＣ３６の温度が調整される。

第３実施形態例の複合発電設備３５は、第１実施形態例の複合発電設備１と同様に、温度制御用の動力が不要とされた複合発電設備３５となり、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備３５となる。このため、発電に対する損失を極力抑えて高次元で効率化・高性能化を図ることができるＳＯＦＣ３６とガスタービン４とを組み合わせた複合発電設備３５とすることができる。

図４に基づいて本発明の第４実施形態例を説明する。

図４に示すように、本実施形態例の複合発電設備４１には、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）４２が備えられ、ＭＣＦＣ４２の出口ガス（排気ガス）の一部が導入されて燃焼が行われる燃焼器４３が設けられている。また、空気を圧縮する圧縮機４４と圧縮空気及び燃料ｆを燃焼する燃焼器４５と燃焼器４５からの燃焼ガスを膨張して発電を行うタービン４６とを有するガスタービン設備４７が備えられている。ＭＣＦＣ４２の排気ガスの一部はガスタービン設備４７のタービン４６で膨張される燃焼ガスに混合される。

尚、図中の符号で４８は燃焼器４３の前流側に供えられ逆火を防止するための混合器、４９はガスタービン設備４７の始動用のモータ兼発電機、５０は始動時に圧縮機４４で圧縮された空気の一部と燃料が導入されて燃焼ガスを生成しＭＣＦＣ４２の排気ガスに混合する始動燃焼器である。

ＭＣＦＣ４２は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）５１と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）５２との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、天然ガス等の燃料ｆから得られた水素（Ｈ_２）をアノード５１に供給すると共に、圧縮機４４で圧縮された空気をカソード５２に供給することで、Ｈ_２とＯ_２の電気化学反応により発電が行われる。

燃料ｆはアノードガス予熱器５３で予熱された後、改質器５４で改質されアノードガス予熱器５３で熱回収されてアノード５１に供給される。ＭＣＦＣ４２の排気ガスは混合器４８で混合されて燃焼器４３で燃焼され、改質器５４の熱源として熱回収された後、ブロア５５によりカソード５２に圧送される。

一方、カソード５２の排気ガスの一部がガスタービン設備４７の燃焼器４５の燃焼ガスに合流されてタービン４６で膨張され、タービン４６の排気ガスは蒸気発生器５６で熱回収される。蒸気発生器５６で熱回収された排気ガスは凝縮器５７で凝縮されて凝縮水が蒸気発生器５６に給水ポンプにより給水されると共に排気ガスが放出される。

また、ＭＣＦＣ４２のアノード５１には吸熱反応手段としての内部改質手段６１が備えられ、内部改質手段６１によりアノードガスが改質されて吸熱反応を生じさせるようになっている。詳細は後述するが、アノードガスを内部改質手段６１で改質して吸熱反応させることで、ＭＣＦＣ４２の運転温度が規制される。ＭＣＦＣ４２の運転温度を規制するために、内部改質手段６１で改質されるアノードガスの改質状況が調整される（吸熱調整手段）。

つまり、改質器５４の改質熱源である燃焼器４３からの燃焼ガスの流通を調整して改質器５４の温度を調整し、燃料ｆの改質状態が調整される（例えば、改質器５４での改質率を低下させる：改質状況調整手段）。また、改質器５４への燃料ｆの流通を調整して流通量を調整し、内部改質手段６１の改質状況が調整される（例えば、改質器５４での改質率を低下させる：第２改質調整手段）。

改質状況調整手段を説明する。

燃焼器４３の後流側に設けられた改質器５４に燃焼ガスを流通させる改質流路６２が備えられると共に、改質器５４をバイパスするバイパス流路６３が備えられている。そして、改質器５４の後流側のバイパス流路６３との合流部の前側には燃焼ガス流量調整弁６４が設けられている。燃焼ガス流量調整弁６４の開度を調整することにより改質流路６２、バイパス流路６３への燃焼器４３の燃焼ガスの流量が制御され、改質器５４の熱源となる燃焼ガス流量が調整されて燃料ｆの改質状態が調整される。

第２改質調整手段を説明する。

燃料ｆの供給系にはアノードガス予熱器５３を流通させて改質器５４に燃料ｆを流通させる流通路６５と、アノードガス予熱器５３をバイパスして改質器５４に燃料ｆを流通させるバイパス流通路６６と、ＭＣＦＣ４２のアノード５１に燃料ｆを直接供給する燃料供給路６７とが備えられている。流通路６５、バイパス流通路６６、燃料供給路６７の分岐部位には三方弁６８が設けられ、三方弁６８の開度状態を調整することにより流通路６５、バイパス流通路６６、燃料供給路６７への燃料ｆの供給量、即ち、燃料ｆの改質量を調整することができる。

改質状況調整手段及び第２改質調整手段により、改質器５４の熱源の量が調整され、熱量に応じた燃料ｆが改質器５４を流通するようになる。これにより、改質器５４での改質率を低下させてその分アノードガスを内部改質手段６１で改質させて吸熱反応を行わせ、ＭＣＦＣ４２の運転温度を規制することができる。

上述した複合発電設備４１では、燃焼ガス流量調整弁６４の調整により燃焼器４３の燃焼ガス流量を調整して改質器５４の改質熱源の状況を調整し、三方弁６８の調整により燃料ｆの改質量を調整し、燃料ｆの改質状態が調整される。そして、改質状態が調整された燃料ｆをアノードガスとして内部改質手段６１で改質させて吸熱反応させている。吸熱反応によりＭＣＦＣ４２の運転温度が所定温度に維持され、圧縮空気を燃焼させるガスタービン設備４７を備えた設備で、温度制御に対する動力を用いることなくＭＣＦＣ４２の運転温度を所定の状態に制御することができる。

従って、温度制御用の動力が極僅かとなり高い効率を維持することができるＭＣＦＣ４２を備えた複合発電設備４１となり、圧縮空気を燃焼させるガスタービン設備４７を備えた設備で、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備４１となる。

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池装置及び水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池装置とガスタービンを組み合わせた複合発電設備の産業分野で利用することができる。

本発明の第１実施形態例に係る複合発電設備の概略系統図である。 本発明の第２実施形態例に係る複合発電設備の概略系統図である。 本発明の第３実施形態例に係る複合発電設備の概略系統図である。 本発明の第４実施形態例に係る複合発電設備の概略系統図である。

符号の説明

１、３１、３５、４１ 複合発電設備
２、４２ 溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
３、４３、４５ 燃焼器
４ ガスタービン
５ 発電機
６、４８ 混合器
７、３８、５１ 燃料極（アノード）
８、３７、５２ 空気極（カソード）
９、５４ 改質器
１０ カソードガス予熱器
１１、５６ 蒸気発生器
１２ ドレン分離冷却器
１３ ＣＯ_２圧縮機
１５、３９、６１ 内部改質手段
１６、６２ 改質流路
１７ 予熱流路
１８ バイパス流路
１９ 改質流量調整弁
２０ 予熱流量調整弁
２１、６３ バイパス流路
２２ 流量調整弁
３２、４４ 圧縮機
３６ 酸化物固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）
４６ タービン
４７ ガスタービン設備
４９ モータ／発電機
５０ 始動燃焼器
５５ ブロア
５７ 凝縮器
６４ 燃焼ガス流量調整弁
６５ 流通路
６６ バイパス流通路
６７ 燃料供給路
６８ 三方弁

Claims (17)

1. 水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質する改質器と、
   燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを吸熱反応させる吸熱反応手段と、
   吸熱反応手段におけるアノードガスの吸熱反応の状況を調整して燃料電池の運転温度を規制する吸熱調整手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池設備。
2. 水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質する改質器と、
   燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを吸熱反応させる吸熱反応手段と、
   改質器の改質熱源の状況を調整して燃料の改質状態を調整することで吸熱反応手段の状況を調整し燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池設備。
3. 水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質すると共に燃料電池の排気ガスの熱を改質熱源とする改質器と、
   燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを吸熱反応させる吸熱反応手段と、
   改質器の改質熱源である燃料電池の排気の流通を調整して燃料の改質状態を調整することで吸熱反応手段の状況を調整し燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池設備。
4. 水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質すると共に燃料電池の排気ガスの熱を改質熱源とする改質器と、
   燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを改質することにより吸熱反応させる内部改質手段と、
   改質器の改質熱源である燃料電池の排気ガスの流通を調整して燃料の改質状態を調整することで内部改質手段の改質状況を調整し燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池設備。
5. 請求項４に記載の燃料電池設備において、
   改質器への燃料の流通を調整して燃料の改質状態を調整することで内部改質手段の改質状況を調整する第２改質状況調整手段を備えた
   ことを特徴とする燃料電池設備。
6. 請求項４または請求項５に記載の燃料電池設備において、
   燃料電池のカソードガスとして所定圧力の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて燃料電池が運転される
   ことを特徴とする燃料電池設備。
7. 請求項６に記載の燃料電池設備において、
   所定圧力の純酸素は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された加圧状態の酸素である
   ことを特徴とする燃料電池設備。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の燃料電池設備において、
   燃料電池は、水素を含むアノードガス及び酸素を含むカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池である
   ことを特徴とする燃料電池設備。
9. 水素を含むアノードガスが供給されると共に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   燃料電池の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器と、
   燃焼器からの燃焼ガスを膨張するガスタービンと、
   アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質すると共に燃料電池の排気ガスの熱を改質熱源とする改質器と、
   燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを改質することにより吸熱反応させる内部改質手段と、
   改質器の改質熱源である燃料電池の排気ガスの流通を調整して燃料の改質状態を調整することで内部改質手段の改質状況を調整し燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段と
   を備えたことを特徴とする複合発電設備。
10. 請求項９に記載の複合発電設備において、
    改質器への燃料の流通を調整して燃料の改質状態を調整することで内部改質手段の改質状況を調整する第２改質状況調整手段を備えた
    ことを特徴とする複合発電設備。
11. 請求項９または請求項１０に記載の複合発電設備において、
    燃料電池のカソードガスとして所定圧力の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて燃料電池が運転される
    ことを特徴とする複合発電設備。
12. 請求項９〜請求項１１のいずれかに記載の複合発電設備において、
    所定圧力の純酸素は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された加圧状態の酸素である
    ことを特徴とする複合発電設備。
13. 請求項９〜請求項１２のいずれかに記載の複合発電設備において、
    燃料電池は、水素を含むアノードガス及び酸素と二酸化炭素を含むカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池であり、
    ガスタービンの排気ガスの二酸化炭素をカソードガスに混合する循環系統を備え、
    循環系統には、排気ガスから二酸化炭素を得る分離手段が備えられている
    ことを特徴とする複合発電設備。
14. 水素を含むアノードガス及び酸素と二酸化炭素を含むカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、
    溶融炭酸塩形燃料電池の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器と、
    燃焼器からの燃焼ガスを膨張するガスタービンと、
    アノードガスの供給系に備えられ燃料を改質すると共に溶融炭酸塩形燃料電池の排気ガスの熱を改質熱源とする改質器と、
    溶融炭酸塩形燃料電池のアノード極側に備えられアノードガスを改質することにより吸熱反応させる内部改質手段と、
    ガスタービンの排気ガスの二酸化炭素をカソードガスに混合する循環系統を備え、
    循環系統は、
    排気ガスを熱回収してカソードガスの予熱を行う予熱手段と、
    排気ガスを改質器に流通させる流通系統と、
    予熱手段の経路及び流通系統への排気ガスの流通状況を調整して改質器での改質状態を調整することでアノードガスの改質状況を調整し、内部改質手段の改質状況を制御して溶融炭酸塩形燃料電池の運転温度を規制する改質状況調整手段と、
    予熱手段及び流通系統を流通した排気ガスから二酸化炭素を得る分離手段と、
    分離手段で分離された二酸化炭素を加圧してカソードガスに混合する加圧手段と
    を備えた
    ことを特徴とする複合発電設備。
15. 請求項１４に記載の複合発電設備において、
    アノードガスの改質器への流通状態を調整して内部改質手段の改質状況を制御するアノードガス流通調整手段を備えた
    ことを特徴とする複合発電設備。
16. 請求項１４または請求項１５に記載の複合発電設備において、
    加圧手段は二酸化炭素圧縮機であり、二酸化炭素圧縮機の出口側で溶融炭酸塩形燃料電池のカソードガスとして所定圧力の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて溶融炭酸塩形燃料電池が運転される
    ことを特徴とする複合発電設備。
17. 請求項１４または請求項１５に記載の複合発電設備において、
    加圧手段は酸素・二酸化炭素圧縮機であり、酸素・二酸化炭素圧縮機の入口側で溶融炭酸塩形燃料電池のカソードガスとして常圧の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて溶融炭酸塩形燃料電池が運転される
    ことを特徴とする複合発電設備。
    

Images