JPH11273701A

JPH11273701A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH11273701A
Application number: JP10074151A
Authority: JP
Inventors: Hajime Saito; 一斉藤
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1999-10-08

Abstract

(57)【要約】【課題】機能を維持しつつ、構成機器の低コスト化を
図った燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】アノードに供給される水素を含むアノー
ドガスとカソードに供給される酸素を含むカソードガス
で発電する燃料電池２０と、燃料ガスと蒸気を部分酸化
改質器２１でアノードガスとしアノードに供給するアノ
ードガスライン１と、蒸気をアノードガスライン１に供
給する蒸気ライン２と、アノード排ガスを断熱改質器２
２で改質しイジェクタ２８により蒸気ライン２に供給す
るアノード排ガス改質ライン３と、空気を加圧してカソ
ードに供給する空気ライン４と、アノード排ガスとカソ
ード排ガスとを触媒燃焼器２３で燃焼して燃焼排ガスを
発生しイジェクタ２９により空気ライン４に供給する燃
焼排ガスライン５と、アノード排ガスとカソード排ガス
を燃焼器２４で燃焼して燃焼ガスを発生しタービン圧縮
機２５に供給する燃焼ガスライン６と、燃焼ガスにより
タービンを回転し圧縮機を駆動して圧縮空気を生成し空
気ライン４に供給するタービン圧縮機２５と、を備え
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、溶融炭酸塩型燃料
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は都市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。図２
において、発電設備は、蒸気と混合した燃料ガス（都市
ガス）を水素を含むアノードガスに改質する改質器１２
２と、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１２０とを備えており、改質
器１２２で生成されるアノードガスはアノードガスライ
ン１０２により燃料電池１２０に供給され、燃料電池１
２０の中でその大部分を消費してアノード排ガスとな
り、アノード排ガスライン１０４により燃焼用ガスとし
て触媒燃焼器１２３へ供給される。

【０００４】触媒燃焼器１２３ではアノード排ガス中の
可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）を燃焼して高
温の燃焼排ガスを生成し、改質器１２２の加熱室に供給
しこの燃焼排ガスにより改質室を加熱し、改質室で改質
触媒により燃料ガスを改質してアノードガスとする。ア
ノードガスは燃料予熱器１２４によって燃料ガスライン
１０１を流れる蒸気と混合した燃料ガスと熱交換し、燃
料電池１２０のアノードに供給される。また加熱室を出
た燃焼排ガスは炭酸ガスリサイクルライン１０７で炭酸
ガスリサイクルブロワ１３２によりカソードに供給され
る。燃焼排ガスには多量の炭酸ガスが含まれており、電
池反応に必要な炭酸ガスの供給源となる。空気ライン１
０８からの空気が炭酸ガスリサイクルブロワ１３２の出
側に供給されカソードの電池反応に必要な酸素を供給す
る。カソードから排出されるカソード排ガスの一部は循
環ライン１０３によりカソードに供給される。このカソ
ード排ガスと燃焼排ガスと空気が混合してカソードガス
となりカソードに供給される。

【０００５】このカソードガスは燃料電池１２０内で電
池反応して高温のカソード排ガスとなり、一部は循環ラ
イン１０３によりカソードを循環し、他の一部はカソー
ド排ガスライン１０５により触媒燃焼器１２３へ供給さ
れ、残部は排熱利用ライン１０６で空気を圧縮する圧縮
機を駆動するタービン圧縮機１２８で動力を回収した
後、さらに排熱回収蒸気発生装置１３０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１３０で発生した蒸気が蒸気ライン１０９により
燃料ガスライン１０１に入り、燃料ガスと混合して改質
器１２２に送られる。

【０００６】改質器１２２としてはチューブラ式改質器
とプレート型改質器がある。燃料電池のプラント効率は
高温高圧化することにより向上するが、圧力を高くする
と燃料電池１２０と同じ圧力としている改質器２２の改
質率が低下するため、８ａｔａ（絶対気圧）程度の圧力
が用いられ、この圧力ではコンパクトなプレート型改質
器がよく採用されている。しかしプラント効率を上げる
ため８ａｔａ以上の圧力とする場合は、圧力による改質
率の低下の少ないチューブ型の改質器が用いられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池発電装
置にはアノードガスを生成するのに、プレート型改質器
やチューブラ式改質器が用いられ、これらの構造は複雑
でありコストが高い。また、カソードにはアノードに比
べ数倍の流量の高温ガスが空気を加えながら循環してい
る。またアノードで発生した炭酸ガスをカソードに循環
させている。従来は図２に示すように燃料電池１２０内
で電池反応をした高温のカソード排ガスを循環ライン１
０３によりカソードを循環させ、炭酸ガスを含むアノー
ド排ガスを触媒燃焼器１２３で燃焼し、炭酸ガスリサイ
クルライン１０７でカソードに供給している。循環ライ
ン１０３と炭酸ガスリサイクルライン１０７の循環はい
ずれも炭酸ガスリサイクルブロワ１３２により行われ
る。このため炭酸ガスリサイクルブロワ１３２として、
大容量で高温仕様のブロアが必要となり、高価な機器と
なっている。このように高価な機器を構成要素とするた
め、発電装置の価格が上昇していた。

【０００８】本発明は上述の問題に鑑みてなされたもの
で、機能を維持しつつ、構成機器の低コスト化を図った
燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【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の発明では、アノードに供給される水素を
含むアノードガスとカソードに供給される酸素を含むカ
ソードガスで発電する燃料電池と、燃料ガスと蒸気を部
分酸化改質器でアノードガスとしアノードに供給するア
ノードガスラインと、蒸気をアノードガスラインに供給
する蒸気ラインと、アノード排ガスを断熱改質器で改質
しイジェクタにより蒸気ラインに供給するアノード排ガ
ス改質ラインと、空気を加圧してカソードに供給する空
気ラインと、アノード排ガスとカソード排ガスとを触媒
燃焼器で燃焼して燃焼排ガスを発生しイジェクタにより
空気ラインに供給する燃焼排ガスラインと、アノード排
ガスとカソード排ガスを燃焼器で燃焼して燃焼ガスを発
生しタービン圧縮機に供給する燃焼ガスラインと、燃焼
ガスによりタービンを回転し圧縮機を駆動して圧縮空気
を生成し空気ラインに供給するタービン圧縮機と、を備
える。

【００１０】かかる構成は図１のように表すことができ
る。図１では図２のカソード排ガスをカソード入側に戻
す循環ライン１０３を取り止め、アノード排ガスとカソ
ード排ガスを触媒燃焼器２３で燃焼して高温の燃焼排ガ
スを発生させ、図２のような改質器１２２を加熱するこ
となく、イジェクタにより空気ライン４に供給し、空気
を加熱してカソードに供給する。これにより、高温で多
量のカソード排ガスとアノード排ガスに含まれる炭酸ガ
スのカソードへの循環を一緒に行なうことができる。イ
ジェクタの効率をよくするため空気ライン４の圧力を増
加するが、加圧装置は低温仕様のブロワなので、コスト
アップは少なく、かつ高価で大容量、高温仕様の炭酸ガ
スリサイクルブロワ１３２が不要になるので大幅なコス
トダウンとなる。

【００１１】このようなラインの改良は改質室と加熱室
から構成される複雑で高価な改質器を、加熱用の高温な
燃焼排ガスを必要とせず、触媒中を燃料成分を含むガス
を通して改質する改質室のみからなる簡単な構造の断熱
改質器や部分酸化改質器に変更することにより可能とな
っている。これらの改質器は低コストであるので、プラ
ントの全体コストは低下する。

【００１２】請求項２の発明では、前記空気ラインにイ
ジェクタで流入した燃焼排ガスにより加熱された空気を
前記部分酸化改質器に供給する加熱空気ラインを設け
る。

【００１３】加熱室を備えた改質器は燃料と水蒸気を触
媒の下で加熱して改質ガスを生成するが、部分酸化改質
器は燃料と水蒸気にさらに酸素（空気）を加え部分的に
酸化（燃焼）させて高温にし改質ガスを生成する。この
空気として空気ラインにイジェクタで流入し燃焼排ガス
により加熱された空気を用いることにより、改質効率が
向上する。

【００１４】請求項３の発明では、前記燃焼器に前記ア
ノードガスラインより分岐して燃料ガスを供給する燃料
分岐ラインと、前記燃焼器に前記空気ラインより分岐し
て空気を供給する空気分岐ラインと、を設ける。

【００１５】燃焼器に電池反応で発生したアノード排ガ
スとカソード排ガスの供給に加えて、燃料ガスと空気を
供給することにより、発電装置起動時の圧縮空気の確保
が可能となり、さらにタービン圧縮機で発電機を駆動す
るようにすると、起動時の電力および電力需要ピーク時
の電力供給などに使用できる。

【００１６】請求項４の発明では、前記燃焼排ガスライ
ンには、カソード排ガスを前記触媒燃焼器をバイパスす
る排ガスバイパスラインが設けられていることを特徴と
する請求項１記載の燃料電池発電装置。

【００１７】排ガスバイパスラインを設けカソード排ガ
スの燃料排ガスラインへの流入量を調節することによ
り、カソードに循環するカソード排ガスの流量を調整す
ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図１は本発明の燃料電池発電
装置の構成を示すブロック図である。２０は燃料電池で
アノードとカソードを有し、アノードガスとカソードガ
スにより電池反応で発電してアノード排ガスとカソード
排ガスを排出する。アノードガスライン１では燃料ガス
と蒸気と空気より水素を含む改質ガス（アノードガス）
を生成してアノードに供給する。アノードガスライン１
には蒸気ライン２が合流し燃料ガスに蒸気を混合し、さ
らに加熱空気ライン７が混合器２７を介して合流し、高
温の酸素が混合して部分酸化改質器２１で水素を主体と
するアノードガスが生成される。部分酸化改質器２１は
円筒状の容器に改質触媒を上部に空間を残して充填した
もので、触媒内で燃料ガスと蒸気が酸素と反応して部分
的に酸化され高温（例えば１０００℃程度）の改質ガス
となる。容器上部の空間部には蒸気ライン２より分岐し
た冷却ライン１０が接続され、高温の改質ガスに蒸気を
混合してアノードの入口温度である５８０℃程度に冷却
する。

【００１９】アノード出側にはアノード排ガス改質ライ
ン３が設けられ、未燃焼燃料を含むアノード排ガスを断
熱改質器２２で改質し、イジェクタ２８により蒸気ライ
ン２に供給する。断熱改質器２２は容器に改質触媒を充
填し断熱してアノード排ガスの高温状態を保ち触媒作用
により改質ガスにするものである。しかし改質されない
未燃焼燃料も残るので蒸気ライン２を経由して部分酸化
改質器２１でさらに十分な改質が行われる。

【００２０】タービン圧縮機２５にはタービンに空気圧
縮機と発電機が同軸上で結合され、燃焼ガスライン６よ
り供給される高温の燃焼ガスによりタービンを駆動し、
空気圧縮機と発電機を駆動する。タービンの排ガスは図
示しない排熱蒸気発生器で蒸気を発生し、蒸気ライン２
に供給する。燃焼器２４はアノード排ガスに含まれる未
燃焼燃料をカソード排ガスに含まれる酸素で燃焼して燃
焼ガスを発生する。

【００２１】空気圧縮機で加圧された空気は空気ライン
４に送られカソードに供給される。触媒燃焼器２３では
アノード排ガスに含まれる未燃焼燃料をカソード排ガス
に含まれる酸素で触媒の作用で燃焼し、高温の燃焼排ガ
スを発生する。この燃焼排ガスは燃焼排ガスライン５に
よりイジェクタ２９を介して空気ライン４に供給され、
アノードで発生した炭酸ガスと、アノード排ガスとをカ
ソードに供給する循環ラインが構成される。カソードに
循環するカソード排ガスの温度を調整するため、カソー
ド排ガスライン１４からのカソード排ガスが触媒燃焼器
２３をバイパスする排ガスバイパスライン１２が設けら
れている。空気ライン４で燃焼排ガスと空気が混合し酸
素を含む高温ガスとなり、このガスをカソードガスとす
る。このカソードガスの一部は加熱空気ライン７により
アノードガスライン１に供給される。

【００２２】空気ライン４には低温ブロワ２６が設けら
れ、空気圧縮機の圧縮空気をさらに加圧する。この低温
ブロワ２６をバイパスするバイパスライン１１が設けら
れている。低温ブロワ２６の入側とバイパスライン１１
には逆止弁３８，３９が設けられ、低温ブロワ２６停止
時はバイパスライン１１より空気の供給を可能としてい
る。

【００２３】燃焼器２４にはさらに燃料ガスを供給する
アノードガスライン１から分岐した燃料分岐ライン８
と、空気ライン４から分岐した空気分岐ライン９が接続
され、燃料電池２０の起動時等のアノード排ガスやカソ
ード排ガスの発生が不十分のときとか、発電量を増大す
るときに燃料ガスによる燃焼を行なう。

【００２４】次に各ラインの流量制御について説明す
る。アノードガスライン１には流量制御弁３０と流量を
計測するオリフィス４１が設けられ、蒸気ライン２にも
流量制御弁３１と流量を計測するオリフィス４２が設け
られ、両オリフィス４１，４２の流量の比をスチィーム
／カーボン比メータ５６で算出し、所定のＳ／Ｃ比とな
るよう流量制御弁３１を制御する。なおＳ／Ｃ比が３．
０以上となるときは流量制御弁３１を絞って蒸気量を減
少する。また流量制御弁３１はＳ／Ｃ３以上を確保する
と同時にアノード排ガスライン１３より燃焼器２４に供
給するアノード排ガスの流量を計測しＭｉｎ流量以上と
なるように制御する。これはアノード排ガスをＭｉｎ流
量以上確保することにより、アノード排ガスライン１３
への燃料分岐ライン８からの逆流を防止するためであ
る。さらにアノード排ガスライン１３の燃焼器２４に流
入する位置には逆止弁４０が設けられ、燃料分岐ライン
８からの燃料ガスの逆流を防止する。

【００２５】加熱空気ライン７には流量制御弁３２とオ
リフィス４３が設けられ、部分酸化改質器２１へ供給さ
れる空気の量を制御する。冷却ライン１０に設けられた
流量制御弁３３は部分酸化改質器２１の出側に設けられ
た温度計５０により、アノードに供給するアノードガス
の温度が適切な温度となるよう蒸気流量を制御する。カ
ソード入側に設けられた温度計５１と出側に設けられた
温度計５２の差を温度差計５４で計測し、所定の温度差
となるよう空気ライン４に設けられた流量制御弁３４を
制御して空気流量を調整する。なお空気ライン４には流
量を固定的に制御する流量制限オリフィス４４が設けら
れている。

【００２６】燃焼排ガスライン５には温度計５３が設け
られ、排ガスバイパスライン１２に設けられた流量制御
弁３５を制御することにより、カソード排ガスの流量を
制御して、空気ライン４に供給される燃焼排ガスの温度
を制御する。燃料分岐ライン８には流量制御弁３６が設
けられ、燃焼ガスライン６に設けられた温度計５５によ
り燃焼ガスの温度を計測して燃料ガスの流量を制御す
る。燃料分岐ライン８には流量制限オリフィス４５が設
けられ、適正を流量値が設定されている。空気分岐ライ
ン９には圧力計５７と流量制御弁３７が設けられ、空気
圧に応じて空気流量を制御する。

【００２７】次に動作について説明する。アノードガス
ライン１に供給された燃料ガスと蒸気ライン２に供給さ
れた蒸気が混合され、さらに加熱空気ライン７からの加
熱空気が混合器２７で混合して高温となり、部分酸化改
質器２１に入り、空気中の酸素Ｏ₂と燃料ガスＣＨ₄と
水蒸気Ｈ₂Ｏとが部分酸化触媒のもとで次の（１）式で
示す部分酸化を行なう。ＣＨ₄＋１／２Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋２Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ…（１）この部分酸化反応は発熱反応であり、加熱空気により加
熱された燃料ガスと水蒸気は５００℃程度で部分酸化改
質器２１に入り、内部を上昇するにつれて徐々に高温と
なり上部では１０００℃近くなる。このようにして発生
した改質ガス（ＣＯ＋２Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）に冷却ライン１
０から蒸気を吹き込み、アノード入口温度に適切な５８
０℃程度に冷却してアノードに供給する。

【００２８】アノード排ガスライン１３とカソード排ガ
スライン１４とからそれぞれアノード排ガスとカソード
排ガスが燃焼器２４に供給され、アノード排ガス中に含
まれる未燃焼燃料をカソード排ガスに含まれる酸素で燃
焼し、発生した燃焼ガスを燃焼ガスライン６よりタービ
ン圧縮機２５に供給して圧縮空気を発生し、空気ライン
４に供給する。タービンの排ガスは排熱蒸気発生器で蒸
気を発生し、蒸気ライン２に供給する。空気ライン４で
は低温ブロワ２６により圧縮空気をさらに加圧し、燃焼
排ガスライン５からの高温の燃焼排ガスのリサイクルイ
ジェクタ２９の作用を強化し、カソード排ガスのリサイ
クルを実施する。これにより高温ブロワが不要となって
いる。

【００２９】アノード排ガスライン１３から分岐したア
ノード排ガス改質ライン３では、アノード排ガス中の未
燃焼燃料を断熱改質器２２で改質ガスにし、イジェクタ
２８により蒸気ライン２に吹き込み、部分酸化改質器２
１でさらに十分な改質を行なう。アノード排ガスライン
１３とカソード排ガスライン１４より触媒燃焼器２３に
それぞれアノード排ガスとカソード排ガスを供給して高
温の燃焼排ガスを生成し、燃焼排ガスライン５より空気
ライン４にイジェクタ２９により供給し、空気と混合し
てカソードガスとしてカソードに供給する。これにより
カソード排ガスのカソードへの循環が行われるととも
に、アノードで発生した炭酸ガスのカソードへの循環が
行われる。なお、燃料電池２０の起動時は燃料分岐ライ
ン８からの燃料ガスと空気分岐ライン９からの空気によ
り燃焼器２４で燃焼ガスを発生し、タービンを駆動して
圧縮空気を空気ライン４に供給するとともに、発電機で
発電し必要な機器に電気を供給する。また通常運転時も
電力需要のピーク時等には発電を行いピーク処理等を行
なう。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、コスト低減対策として高価な高温ブロワと改質器を
削除し、これに代わるものとして安価なイジェクタ、部
分酸化改質器、断熱改質器を採用した。また高温ガスの
リサイクルイジェクタのパワーを強化するため、安価な
低温ブロワを用いる。これによりシステムの単純化と大
幅なコスト低減が可能になる。高温ブロワの動力もゼロ
になるので、さらなる高効率の実現が可能になる。この
ような大幅なコスト低減と高効率化により燃料電池発電
装置の商用化が容易となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電装置の構成を示す図であ
る。

【図２】従来の燃料電池発電装置の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１アノードガスライン２蒸気ライン３アノード排ガス改質ライン４空気ライン５燃焼排ガスライン６燃焼ガスライン７加熱空気ライン８燃料分岐ライン９空気分岐ライン１０冷却ライン１１空気バイパスライン１２排ガスパイパスライン１３アノード排ガスライン１４カソード排ガスライン２０燃料電池２１部分酸化改質器２２断熱改質器２３触媒燃焼器２４燃焼器２５タービン圧縮機２６低温ブロワ２７混合器２８，２９イジェクタ３０〜３７流量制御弁３８〜４０逆止弁４１〜４６オリフィス５０〜５３，５５温度計５４温度差計５６スティーム／カーボン比メータ５７圧力計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アノードに供給される水素を含むアノー
ドガスとカソードに供給される酸素を含むカソードガス
で発電する燃料電池と、燃料ガスと蒸気を部分酸化改質
器でアノードガスとしアノードに供給するアノードガス
ラインと、蒸気をアノードガスラインに供給する蒸気ラ
インと、アノード排ガスを断熱改質器で改質しイジェク
タにより蒸気ラインに供給するアノード排ガス改質ライ
ンと、空気を加圧してカソードに供給する空気ライン
と、アノード排ガスとカソード排ガスとを触媒燃焼器で
燃焼して燃焼排ガスを発生しイジェクタにより空気ライ
ンに供給する燃焼排ガスラインと、アノード排ガスとカ
ソード排ガスを燃焼器で燃焼して燃焼ガスを発生しター
ビン圧縮機に供給する燃焼ガスラインと、燃焼ガスによ
りタービンを回転し圧縮機を駆動して圧縮空気を生成し
空気ラインに供給するタービン圧縮機と、を備えたこと
を特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】前記空気ラインにイジェクタで流入した
燃焼排ガスにより加熱された空気を前記部分酸化改質器
に供給する加熱空気ラインを設けたことを特徴とする請
求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】前記燃焼器に前記アノードガスラインよ
り分岐して燃料ガスを供給する燃料分岐ラインと、前記
燃焼器に前記空気ラインより分岐して空気を供給する空
気分岐ラインと、を設けたことを特徴とする請求項１記
載の燃料電池発電装置。
【請求項４】前記燃焼排ガスラインには、カソード排
ガスを前記触媒燃焼器をバイパスする排ガスバイパスラ
インが設けられていることを特徴とする請求項１記載の
燃料電池発電装置。