JPH11354143A - アノード循環ラインを備えた燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラント停止時の窒素充填範囲をアノードに
接続する系統とし、起動時のアノードの酸化を防止する
ようにした燃料電池発電装置を提供する。 【解決手段】 カソードとアノードからなり酸素を含む
カソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃
料電池２０と、アノードから排出されるアノード排ガス
とカソードから排出されるカソード排ガスを燃焼する燃
焼器２３と、この燃焼器２３の燃焼排ガスで水蒸気を含
む燃料ガスを改質しアノードガスとしてアノードに供給
する改質器２２と、この改質器２２の燃焼排ガスをカソ
ードに供給する炭酸ガスリサイクルライン７と、カソー
ド排ガスによりタービンを駆動し圧縮空気を生成しこの
圧縮空気をカソードに供給する空気ライン８と、起動時
燃焼器２３に燃焼排ガスを供給する起動用加熱ライン１
１と、を備えた発電装置において、アノード排ガスをア
ノードに循環するアノード循環ライン３を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、起動時アノード循
環ラインで窒素ガスを循環してアノードの酸化を防止す
る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２
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２０とを備えており、改質器
２２で作られるアノードガスはアノードガスライン２に
より燃料電池２０に供給され、燃料電池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４より触媒燃焼器２３に入りカソード排ガスと
ともに燃焼して改質器２２の加熱室２２ｂに供給され
る。

【０００４】改質器２２の加熱室２２ｂより排出された
燃焼排ガスは、炭酸ガスリサイクルライン７によりカソ
ードへ供給される。カソード排ガスの一部は触媒燃焼器
２３に供給され、他はタービン圧縮機２５に供給され、
圧縮空気を発生し、空気ライン８によりカソードに供給
される。タービン圧縮機２５からの排気は蒸気発生装置
２６に供給され、蒸気を発生し、蒸気ライン９により燃
料ガスライン１に供給され、燃料ガスと混合して改質器
２２に供給される。タービン圧縮機２５には燃焼器２７
が設けられており、圧縮機２５からの空気と燃料ガスを
供給され、燃焼ガスをタービン圧縮機２５に供給し、カ
ソード排ガスがない場合でも圧縮空気を発生できるよう
になっている。

【０００５】燃焼器２３には起動用加熱ライン１１が接
続され、起動時バーナユニット２９で燃焼ガスを生成
し、温度の低い燃焼器２３に燃焼ガスを供給し、改質器
２２の改質反応が早期に正常に行われるようにし、さら
に高温の排ガスで系統を運転温度に高めるようにしてい
る。燃料ガスライン１には窒素供給ライン１２が接続さ
れており、燃料電池発電装置を停止したときに、各系統
内に窒素を充填し、酸化を防止するようにしている。起
動時はこの窒素を作動ガスに置換しながら各系統の温度
を負荷運転温度に高めてゆく。このため、窒素供給ライ
ン１２にはかなり大型の窒素製造設備３０が設けられて
いる。

【０００６】燃料電池発電装置起動時は、先ず燃焼器２
７に燃料ガスを供給し、燃焼ガスによりタービン圧縮機
２５を駆動し、この圧縮機２５の圧縮空気を燃焼器２７
に供給して、タービン圧縮機２５を完全に立ち上げ、圧
縮空気の供給と、蒸気発生装置２６による蒸気の供給を
可能にする。次に起動用加熱ライン１１のバーナユニッ
ト２９を点火し燃焼排ガスを燃焼器２３に供給し、燃焼
器２３の温度を高めるとともに、燃焼排ガスで改質器２
２を加熱し、この排ガスの一部は遮断弁４３から放出し
て窒素ガスの放出を行い、一部は炭酸ガスリサイクルブ
ロワ２８によりカソードを循環して窒素ガスを燃焼排ガ
スで置換しながら系統の温度上昇を行う。所定温度に上
昇すると、燃料ガスと蒸気を改質室２２、アノードを介
して触媒燃焼器２３に送るとともに、圧縮空気を空気ラ
イン８よりカソードを介して触媒燃焼器２３に送り、燃
焼して燃焼排ガスを改質器２２の加熱室２２ｂに送り、
改質作用をして、燃焼排ガスを炭酸ガスリサイクルライ
ン７に送る。かかる操作を繰り返して行くうちに各系
統、機器の温度が運転温度に達し、起動が終了し負荷運
転に入れるようになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池発電装置を停
止しておく際、プラントの各系統に窒素ガスを充填する
ため、大きな容量の窒素製造設備が必要となっている。
しかし全ての系統に窒素充填が必要ではなく、必要なの
はアノードに接続する系統で、この系統では起動昇温時
もアノードの酸化を防止するため窒素ガスが使用され
る。

【０００８】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、プラント停止時の窒素充填範囲をアノードに接
続する系統とし、起動時のアノードの酸化を防止するよ
うにした燃料電池発電装置を提供することを目的する。

【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、 カソードとアノードからなり酸
素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから発
電する燃料電池と、アノードから排出されるアノード排
ガスとカソードから排出されるカソード排ガスを燃焼す
る燃焼器と、この燃焼器の燃焼排ガスで水蒸気を含む燃
料ガスを改質しアノードガスとしてアノードに供給する
改質器と、この改質器の燃焼排ガスをカソードに供給す
る炭酸ガスリサイクルラインと、カソード排ガスにより
タービンを駆動し圧縮空気を生成しこの圧縮空気をカソ
ードに供給する空気ラインと、起動時前記燃焼器に燃焼
排ガスを供給する起動用加熱ラインと、を備えた発電装
置において、アノード排ガスをアノードに循環するアノ
ード循環ラインを有する。

【００１０】アノードを循環するアノード循環ラインを
設け、燃料電池発電装置を停止する際には、このアノー
ド循環ラインに窒素を充填すればよいので、窒素製造装
置の容量を大幅に小さくすることができ、窒素ボンベで
供給することもできる。また起動時もアノードに窒素ガ
スを循環しながら昇温し、窒素ガスを作動ガスに置換し
てゆくので、多くの窒素は必要なく、置換も容易に行わ
れる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は実施形態の燃料電池発電装置
の構成を示す図である。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２２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２０と、アノード
排ガスとカソード排ガスを燃焼し燃焼排ガスを改質器２
２に供給し改質反応を行わせる触媒燃焼器（燃焼器）を
備えている。

【００１２】燃料ガスライン１は遮断弁４４を介して燃
料予熱器２４に接続され、燃料予熱器２４は改質器２２
の改質室２２ａに接続され、改質室２２ａで生成された
水素ガスを主成分とするアノードガスと熱交換して都市
ガスおよび蒸気ライン９から供給される蒸気を加熱す
る。燃料予熱器２４で熱交換したアノードガスはアノー
ドガスライン２によりアノードに供給される。

【００１３】アノード排ガスをアノード入り口へ戻し循
環させるアノード循環ライン３が設けられており、起動
時、充填されている窒素ガスをアノード循環ブロワ３１
により循環させアノードの酸化を防止する。

【００１４】触媒燃焼器２３にはアノード排ガスライン
４から燃焼成分を含むアノード排ガスが供給され、カソ
ード排ガスライン５から酸素を含むカソード排ガスが供
給され、燃焼して高温の燃焼排ガスとなり、燃焼排ガス
ライン６により、加熱室２２ｂへ燃焼排ガスが供給さ
れ、改質室２２ａを加熱した後、炭酸ガスリサイクルラ
イン７により、炭酸ガスリサイクルブロワ２８でカソー
ドに供給される。なお、カソード排ガスライン５から分
岐してカソード入り口に戻るカソード循環ライン１０が
設けてられ、流量制御弁４８を介して炭酸ガスリサイク
ルブロワ２８によりカソード排ガスをカソードに循環さ
せる。

【００１５】カソード排ガスライン５よりタービン圧縮
機２５にカソード排ガスが供給され、タービンを駆動し
同軸で接続された圧縮機により圧縮空気を生成して、空
気ライン８によりカソードに供給する。タービンの排ガ
スは蒸気発生装置２６に供給され、蒸気を発生し、蒸気
ライン９により燃料ガスライン１に供給される。タービ
ン圧縮機２５には燃焼器２７が設けられ、燃料ガスと圧
縮空気を供給されて燃焼し、燃焼排ガスをタービンに供
給し、起動時のまだカソード排ガスが十分発生しないと
きタービンを駆動して圧縮空気を生成し，その排ガスに
より蒸気発生装置２６で蒸気を発生する。

【００１６】起動用加熱ライン１１は触媒燃焼器２３に
接続され、起動時、燃焼排ガスを供給するもので、バー
ナユニット２９を備え、燃料ガスとして都市ガスの供給
を受け、空気ライン８よりの圧縮空気によって燃焼す
る。窒素供給ライン１２は燃料ガスライン１に接続され
ている。窒素供給源は窒素ボンベ３２だけの簡単な装置
となっている。なお、図１で４０〜４６は遮断弁を示
し、４７〜４８は流量制御弁、４９〜５０は逆止弁を示
す。

【００１７】次に本燃料電池発電装置の起動について説
明する。アノード循環ライン３には窒素が充填されてい
るが、起動時もさらに充填される。燃焼器２７に燃料ガ
スを供給して燃焼ガスを発生させ、タービン圧縮機２５
を駆動して圧縮空気を発生させ、燃焼器２７に供給す
る。また、タービン排ガスにより蒸気発生装置２６で蒸
気を発生させる。

【００１８】次の手順により起動する。 窒素供給ライン１２の遮断弁４６を開とし窒素を改
質器２２、燃料予熱器２４を経由してアノード循環ライ
ン１に充填し、アノード循環ブロワ３１を稼働し、窒素
の循環を開始する。 起動用加熱ライン１１のバーナユニット２９を点火
し、高温燃焼ガスを触媒燃焼器２３に供給し、７００℃
程度まで加熱する。遮断弁４０、４１、４２を閉、４３
を開とし、高温燃焼ガスは加熱室２２ｂを通り遮断弁４
３から系外へ排出される。アノード循環ブロワ３１は引
き続き運転し、炭酸ガスリサイクルブロワ２８も運転を
開始し、触媒燃焼器２３および改質器２２の昇温と平行
して、遮断弁４２を微開してカソード側も昇温する。

【００１９】 改質器２２の温度が７００℃程度とな
ると、遮断弁４４，４５を開とし、燃料ガスと蒸気を改
質器２２に供給し、改質室２２ａで改質ガス（アノード
ガス）を生成しアノードに供給する。カソード側は燃料
電池温度が３００〜３５０℃となると、遮断弁４０を開
とし、空気ライン８より空気を導入する。 遮断弁４２を開方向に調節して炭酸ガスリサイクル
ブロワ２８の回転数を調整し、燃料電池温度を上昇さ
せ、これとともに遮断弁４３を閉、遮断弁４１を開と
し、起動が完了する。

【００２０】なお、 において、燃料電池温度が３０
０〜３５０℃までは、遮断弁４２を開とする代わりに、
遮断弁４０を開とし、カソード側に空気を供給するよう
にしてもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、アノード循環ラインを設け、燃料電池停止時、およ
び起動時には、このラインにのみ窒素ガスを充填すれば
よいので、大がかりな窒素製造設備が不要になり、製造
および運転コストを大きく低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態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 燃料ガスライン ２ アノードガスライン ３ アノード循環ライン ４ アノード排ガスライン ５ カソード排ガスライン ６ 燃焼排ガスライン ７ 炭酸ガスリサイクルライン ８ 空気ライン ９ 蒸気ライン １０ カソード循環ライン １１ 起動用加熱ライン １２ 窒素供給ライン ２０ 燃料電池 ２２ 改質器 ２２ａ 改質室 ２２ｂ 加熱室 ２３ 触媒燃焼器 ２４ 燃料予熱器 ２５ タービン圧縮機 ２６ 蒸気発生装置 ２７ 燃焼器 ２８ 炭酸ガスリサイクルブロワ ３０ 窒素製造設備 ３２ 窒素ボンベ ４０，４１，４２，４３，４４，４５ ４６遮断弁 ４７、４８ 流量制御弁 ４９、５０ 逆止弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カソードとアノードからなり酸素を含む
   カソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃
   料電池と、アノードから排出されるアノード排ガスとカ
   ソードから排出されるカソード排ガスを燃焼する燃焼器
   と、この燃焼器の燃焼排ガスで水蒸気を含む燃料ガスを
   改質しアノードガスとしてアノードに供給する改質器
   と、この改質器の燃焼排ガスをカソードに供給する炭酸
   ガスリサイクルラインと、カソード排ガスによりタービ
   ンを駆動し圧縮空気を生成しこの圧縮空気をカソードに
   供給する空気ラインと、起動時前記燃焼器に燃焼排ガス
   を供給する起動用加熱ラインと、を備えた発電装置にお
   いて、アノード排ガスをアノードに循環するアノード循
   環ラインを有することを特徴とするアノード循環ライン
   を備えた燃料電池発電装置。