JPH0963607A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 カソードガスに供給される空気及び熱風発生
炉に供給される空気の流量制御を単純化し、急激な負荷
変動に対応する。 【解決手段】 酸素を含むカソードガス３と水素を含む
アノードガス２とから発電する燃料電池２０と、そのア
ノード排ガス４をカソード排ガス７の一部と燃焼し、そ
の熱で水蒸気８を含む原料ガス１をガス２に改質する改
質器１０と、その燃焼排ガス５を冷却し空気を混合して
混合ガス６ａとする排ガス供給ライン１３と、電池２０
の排ガス７の一部とガス６ａとを混合しガス３としてカ
ソードＣを循環する循環ライン１４と、それを加熱する
加熱器２２と、それに加熱ガス９ａを供給する熱風発生
炉２３と、それに空気を供給する空気ブロワ２４とを有
する起動用加熱ライン１５と、電池２０の排ガス７の一
部とライン１５の加熱排ガス９ｂによりタービン圧縮機
２６を駆動して加圧空気を生成しライン１３に供給する
空気ライン１６とを備え、ライン１５を電池２０運転中
稼働させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、循環ライン及び起
動用加熱ラインに加圧空気を供給する装置を備えた燃料
電池発電装置に関する。

【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２は天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型
燃料電池を用いた発電設備の一例を示す図である。同図
において、発電設備は、供給ブロワ１７により天然ガス
１ａを脱硫器１８を通して水蒸気８と混合させた原料ガ
ス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０
と、酸素を含むカソードガス３と水素を含むアノードガ
ス２とから発電する燃料電池２０とを備えており、改質
器１０で作られるアノードガス２は燃料電池２０に供給
され、燃料電池２０の内でその大部分を消費してアノー
ド排ガス４となり、排出ライン１２を経て燃焼用ガスと
して改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給される。

【０００４】改質器１０ではアノード排ガス４中の可燃
成分（水素、一酸化炭素、メタン等）を燃焼室Ｃｏで燃
焼して高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより改
質室Ｒｅを加熱し、改質室Ｒｅで改質触媒により原料ガ
ス１を改質してアノードガス２とする。アノードガス２
は燃料予熱器１１によって原料ガス１と熱交換し、冷却
した後燃料電池２０のアノードＡに供給される。また燃
焼室Ｃｏを出た燃焼排ガス５は排ガス供給ライン１３を
経て空気予熱器３２で冷却された後、凝縮器３３で凝縮
され気水分離器３４で水分を除去され、低温ブロワ３５
により駆動され、空気６と合流して混合ガス６ａとな
り、循環ライン１４に入りカソード排ガス７と混合して
カソードガス３となる。このカソードガス３は燃料電池
２０内で一部が反応して高温のカソード排ガス７とな
り、その一部は改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給され、他
の一部は空気を圧縮するタービン圧縮機３６で動力を回
収した後、さらに排熱回収蒸気発生装置３９で熱エネル
ギを回収して系外に排出される。なお、この排熱回収蒸
気発生装置３９には気水分離器３４で分離された水分が
供給され、発生した水蒸気８が天然ガス１ａと混合され
て原料ガス１となる。

【０００５】燃焼排ガス５は空気６と混合した後空気予
熱器３２で加熱され、循環ライン１４に入る。循環ライ
ン１４はカソードＣからの高温のカソード排ガス７の一
部と、低温の燃焼排ガス５と空気６との混合ガス６ａと
を混合してカソードガス３とし、高温ブロワ２１により
カソードＣに供給する。循環ライン１４には起動用の加
熱器２２が設けられ、起動時に循環ライン１４内のガス
を加熱して所定の温度とし、電池反応を開始させる。起
動用の加熱器２２には熱風発生炉２３から加熱ガス９ａ
が供給される。起動用加熱ライン１５は起動用加熱器２
２と熱風発生炉２３から構成され、起動用加熱器２２よ
り排出さる加熱排ガス９ｂはカソード排ガス７と合流し
タービン圧縮機３６に供給される。

【０００６】熱風発生炉２３には原料ガス１が燃料流量
調節弁２３ｂを介して供給され、空気は後述する空気ラ
イン１６から供給される空気６が空気流量調節弁２３ｃ
を介して供給される。熱風発生炉２３の出口には炉出口
温度計２３ａが設けられ、炉より発生した加熱ガス９ａ
の温度を計測し設定温度となるように燃料流量調節弁２
３ｂと空気流量調節弁２３ｃを調節する。

【０００７】空気ライン１６はタービン圧縮機３６によ
り空気を加圧する。タービン圧縮機３６にはカソード排
ガスの一部と加熱排ガス９ｂが供給され、タービンを回
転させた後排熱回収蒸気発生装置３９で熱エネルギを回
収して系外に排出される。タービンにはバイパスが設け
られ流量調節弁３６ａによりバイパスを流れる流量を制
御して回転計３６ｂにより計測される回転数を調節し圧
縮機の空気流量を調節する。空気ライン１６にはバック
アップライン３７が設けられ、空気ブロワ３８により圧
縮機出口に加圧空気を供給する。

【０００８】溶融炭酸塩型燃料電池装置では起動時改質
器１０を均一な温度分布に保持するためには３０％負荷
相当以上の原料ガス１を改質室Ｒｅに供給する必要があ
る。原料ガス１は改質室Ｒｅで改質反応によりアノード
ガス２となりアノードＡで電池反応が行われるが、電池
出力が少ないためアノードガス２は未燃分の多いアノー
ド排ガス４となって燃焼室Ｃｏへ多量に供給されること
になり燃焼温度が上昇する。改質室Ｒｅにおける温度上
昇とこの温度上昇によるカーボン析出を防止するため原
料ガス１中の水蒸気の量を８０％負荷時の量ぐらいにし
なければならない。この水蒸気の量を確保するためには
排熱回収蒸気発生器３９に８０％負荷相当のタービン排
ガスを供給する必要があり、起動用熱風発生炉２３から
これに相当する加熱ガス９ａを発生し、加熱器２２を通
して加熱排ガス９ｂとしてタービン圧縮器３６に供給し
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】起動時より８０％負荷
までは電池反応により発生したカソード排ガス７のうち
タービン圧縮機３６に供給される量により圧縮機から発
生する空気６だけでは、混合ガス６ａとしてカソードガ
ス３に混入する空気量と熱風発生炉２３に供給する空気
量を満たすことが出来ない。このためバックアップライ
ン３７が設けられ、その空気ブロワ３８とタービン圧縮
機３６により空気を供給する。電池により発生した直流
をインバータにより交流に変換し電力系統に併入して負
荷を上昇してゆくとき、熱風発生炉２３に供給する空気
量を空気流量調節弁２３ｃで絞りつつ、混合ガス６ａと
してカソードガス３に混入する空気量を増加させてゆく
ため、流量調節弁３６ａによるタービン圧縮機３６の回
転数の制御と空気ブロワ３８の回転数の制御を行うが、
複雑な制御系となっていた。

【００１０】このように複雑な制御系のため空気流量の
制御が不安定となり、一時的な空気流量の変動により発
電プラントのトリップが頻繁に発生していた。また、８
０％負荷以上になると電池反応により発生したカソード
排ガス７のうちタービン圧縮機３６に供給される量によ
り圧縮機から発生する空気６だけでカソードガス３に供
給する空気６の量は満たされ、タービン圧縮機３６が自
立しバックアップライン３７の空気ブロワ３８は停止さ
れる。しかし負荷変動により８０％負荷以下になったと
きは空気ブロワ３８を再起動するが、回転数を０から所
定の回転数まで上昇させるに当たりプロセスの流動変動
を最小に抑制する必要上、回転数の上昇時間が長くなり
急激な負荷変動に対応できないという問題点があった。

【００１１】また、タービン圧縮機３６が自立すると起
動用加熱ライン１５を停止する。熱風発生炉２３は停止
すると放熱により冷却され温度が低下する。このため加
熱器２２とこれに接続する配管を介して循環ライン１４
の熱が伝達されカソードガス３の温度が低下する。カソ
ードガス３の温度はカソードＣの入口で一定、例えば５
８０℃となるようにする必要があり、このため高温ブロ
ワ２１の回転数を上げ混合ガス６ａに対して高温のカソ
ード排ガス７の混合割合を多くしカソードガス３の温度
を維持している。これにより高温ブロワ２１の動力が増
大し発電プラントの効率が低下するという問題点があっ
た。

【００１２】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、カソードガスに供給される空気及び熱風発生炉に
供給される空気の流量制御を単純化することを目的とす
る。また、急激な負荷変動に対応できる燃料電池発電装
置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、酸素を含むカソードガスと水素
を含むアノードガスとから発電する燃料電池と、燃料電
池のアノード排ガスをカソード排ガスの一部と燃焼し、
その熱で水蒸気を含む原料ガスをアノードガスに改質す
る改質器と、改質器の燃焼排ガスを冷却し空気を混合し
て混合ガスとする排ガス供給ラインと、燃料電池のカソ
ード排ガスの一部と混合ガスとを混合しカソードガスと
してカソードを循環する循環ラインと、循環ラインを加
熱する加熱器とこの加熱器に加熱ガスを供給する熱風発
生炉とこの熱風発生炉に空気を供給する空気ブロワとを
有する起動用加熱ラインと、燃料電池のカソード排ガス
の一部と起動用加熱ラインの加熱排ガスによりタービン
圧縮機を駆動して加圧空気を生成し前記排ガス供給ライ
ンに供給する空気ラインとを備え、前記起動用加熱ライ
ンを電池運転中稼働させるようにする。

【００１４】排ガス供給ラインの混合ガスとしてカソー
ドガスに混入する空気は空気ラインのタービン圧縮機に
よって供給し、起動用加熱ラインの熱風発生炉には専用
の空気ブロワを設ける。これによりそれぞれの系統は自
系統の有する圧縮機またはブロワにより空気量を制御す
ればよいので制御が簡単化される。起動時加熱ラインは
電池運転中は稼働させているので熱風発生炉の温度は低
下せず、加熱器やこれに接続する配管を介して循環ライ
ンからの放熱がなく、カソードガスの温度を維持するた
め高温ブロワの回転数を上げる必要もない。また、熱風
発生炉を常時稼働させているためこの空気ブロワも常時
運転しており、負荷が急変したとき負荷に応じて空気ブ
ロワの空気量を調節し熱風発生炉の加熱ガスの量を調節
しタービン圧縮機へ供給する加熱排ガスの量を制御す
る。これによりタービン圧縮機は供給されるガス量の一
部をバイパスして回転数を迅速に調節することにより負
荷の変動に応じた空気量を迅速にカソードガスに混入さ
せることができる。

【００１５】請求項２の発明は、前記空気ブロワは前記
空気ラインの空気を取り入れ加圧するようにする。これ
により空気ブロワはタービン圧縮機で加圧した空気圧と
熱風発生炉の必要とする空気圧との差圧を発生すればよ
いので、容量を小さくすることができる。なおタービン
圧縮機の発生する空気を空気ブロワに供給するのでこの
量を補うため熱風発生炉の発生する加熱ガスの発生量を
増加し、タービン圧縮機へ供給する加熱排ガスの量を増
加する。これにより空気ラインは空気ブロワに加圧空気
を供給することが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本実施の形態の燃料
電池発電装置の構成図である。本図において図２と同一
のものは同一符号で表す。図１に示す実施の形態と図２
に示す従来の構成との構成上の差は図２に示すバックア
ップライン３７を空気ブロワ３８とともに除去し、図１
に示すように空気ブロワ２４を熱風発生炉２３の空気流
量調節弁２３ｃの入口側へ設け、空気ブロワ２４の入口
には空気ライン１６を接続し、タービン圧縮機３６から
の加圧空気が供給されるようにする。また空気ブロワ２
４の入口には逆止弁２７を介して大気圧の空気を取り入
れできるようにする。空気ブロワ２４の入口と出口の差
圧を計測する差圧計２５を設け、この差圧が所定値を越
えるときは空気ブロワ２４の出口の加圧空気を差圧計２
５に制御される流量調節弁２６により所定値となるよう
に大気に放出する。

【００１７】次に動作について説明する。起動用加熱ラ
イン１５は起動時には循環ライン１４のカソードガス３
を加熱して電池反応を起こさせると共に加熱器２２の加
熱排ガス９ｂをタービン圧縮機３６に供給し加圧空気６
を発生させるとともに、タービン排ガスを排熱回収蒸気
発生器３９に供給し起動時多量に必要とする水蒸気８を
改質器１０に供給する。起動用加熱ライン１５の空気ブ
ロワ２４は起動時には逆止弁２７を介して大気より空気
を取り入れるが、タービン圧縮機３６が立ち上がり加圧
空気を発生するようになると、空気遮断弁６ｃを開とし
て空気ブロワ２４に加圧空気を供給する。空気ブロワ２
４はさらに加圧して空気流量調節弁２３ｃで流量を調節
して熱風発生炉２３に供給する。

【００１８】空気ブロワ２４の入口と出口の圧力差は差
圧計２５で計測し、この差圧が所定値となるように流量
調節弁２６で空気ブロワ２４の出口の圧力を調整し、熱
風発生炉２３への空気流量は空気流量調節弁２３ｃによ
り調節される。燃料電池２０の負荷が増大するにつれて
カソード排ガス７の発生量も増大し、タービン圧縮機３
６に供給される量も増大し、熱風発生炉２３で発生する
加熱ガス９ａを減少させ、加熱器２２の加熱排ガス９ｂ
のタービン圧縮機３６への供給量を減少させる。加熱ガ
ス９ａの減少は空気流量調節弁２３ｃによる空気量の減
少とこれに応じて燃料流量調節弁２３ｂによる天然ガス
１ａの流量減少により行われる。

【００１９】８０％負荷以上になるとカソード排ガス７
による流量だけでタービン圧縮機３６は循環ライン１４
に供給する混合ガス６ａに混合される空気６を供給でき
るようになる。しかし起動用加熱ライン１５は燃料電池
２０稼働中は稼働させ、循環ライン１４のカソードガス
３の温度がカソードＣ入口で所定温度、例えば５８０℃
となるよう加熱器２２に加熱ガス９ａを供給している。
このため空気ブロワ２４は稼働している。負荷変動が急
激に発生した場合、空気ブロワ２４はこれに対応して回
転数を変えて熱風発生炉２３に供給する空気量を調整
し、加熱ガス９ａの発生量を変化させ、タービン圧縮機
３６への加熱排ガス９ｂの流量を変化させ、タービン圧
縮機３６の回転数を調節しカソードガス３の空気量を変
化させる。これにより負荷の急激な変化に対応できる。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
ではカソードガスに混合する空気量はタービン圧縮機の
制御により行い、起動用加熱ラインの熱風発生炉への空
気は専用の空気ブロワで供給するので、空気流量制御が
簡単となっている。また、起動用加熱ラインを常時稼働
しておくことにより負荷の急激な変動にも対応できる。
さらに起動用加熱ラインを停止することによる循環ライ
ンの温度低下も防止でき、カソードガスの加熱を高温ブ
ロワに代って行うことにより高温ブロワの動力を大幅に
削減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の構成図である。

【図２】従来の燃料電池発電装置の構成図である。

【符号の説明】

１ 原料ガス １ａ 天然ガス ２ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ５ 燃焼排ガス ６ 空気 ６ａ 混合ガス ７ カソード排ガス ８ 水蒸気 ９ａ 加熱ガス ９ｂ 加熱排ガス １０ 改質器 １１ 燃料予熱器 １２ 排出ライン １３ 排ガス供給ライン １４ 循環ライン １５ 起動用加熱ライン １６ 空気ライン １７ 供給ブロワ １８ 脱硫器 ２０ 燃料電池 ２１ 高温ブロワ ２２ 加熱器 ２３ 熱風発生炉 ２３ａ 炉出口温度計 ２３ｂ 燃料流量調節弁 ２３ｃ 空気流量調節弁 ２４ 空気ブロワ ２５ 差圧計 ２６ 流量調節弁 ２７ 逆止弁 ３２ 空気予熱器 ３３ 凝縮器 ３４ 気水分離器 ３５ 低温ブロワ ３６ タービン圧縮機 ３６ａ 流量調整弁 ３６ｂ 回転計 ３９ 排熱回収蒸気発生装置 Ａ アノード Ｃ カソード Ｃｏ 燃焼室 Ｒｅ 改質室

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素を含むカソードガスと水素を含むア
   ノードガスとから発電する燃料電池と、燃料電池のアノ
   ード排ガスをカソード排ガスの一部と燃焼し、その熱で
   水蒸気を含む原料ガスをアノードガスに改質する改質器
   と、改質器の燃焼排ガスを冷却し空気を混合して混合ガ
   スとする排ガス供給ラインと、燃料電池のカソード排ガ
   スの一部と混合ガスとを混合しカソードガスとしてカソ
   ードを循環する循環ラインと、循環ラインを加熱する加
   熱器とこの加熱器に加熱ガスを供給する熱風発生炉とこ
   の熱風発生炉に空気を供給する空気ブロワとを有する起
   動用加熱ラインと、燃料電池のカソード排ガスの一部と
   起動用加熱ラインの加熱排ガスによりタービン圧縮機を
   駆動して加圧空気を生成し前記排ガス供給ラインに供給
   する空気ラインとを備え、前記起動用加熱ラインを電池
   運転中稼働させるようにしたことを特徴とする燃料電池
   発電装置。
2. 【請求項２】 前記空気ブロワは前記空気ラインの空気
   を取り入れ加圧するようにしたことを特徴とする請求項
   １記載の燃料電池発電装置。