(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、
この燃料電池のアノード排ガスを燃焼する燃焼室と、水蒸気を含む燃料ガスをアノードガスに改質する改質室とを有する改質器と、
この改質器の燃焼室からの燃焼排ガスによりこの改質器の燃焼室へ供給する燃焼用空気を加熱する空気予熱器と、
この空気予熱器を通過した燃焼排ガスに空気を混合してカソードガスとしカソードに供給するカソードガスラインと、
前記燃料電池のアノード排ガスを改質器の燃焼室に供給するアノード排ガスラインと、
このアノード排ガスラインより分岐しアノード排ガスを排出するアノード排ガス分岐ラインと、
前記空気予熱器を通過する燃焼用空気を分岐して改質器の燃焼室へ供給する空気分岐ラインと、を備え、
前記空気分岐ラインの分岐量を制御して改質器の燃焼室へ供給される燃焼用空気温度を制御し、この温度に応じて前記アノード排ガス分岐ラインの分岐量を制御する
ことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、
この燃料電池のアノード排ガスをカソード排ガスの一部で燃焼する燃焼室と、その熱で水蒸気を含む燃料ガスをアノードガスに改質する改質室とを有する改質器と、
前記燃料電池のカソード排ガスの一部を改質器の燃焼室へ供給するカソード排ガスラインと、
前記改質器の燃焼室の燃焼排ガスに空気を混合してカソードガスとしカソードに供給するカソードガスラインと、
前記カソード排ガスラインに設けられ改質器の燃焼室へ供給するカソード排ガスを分岐して排出する排出ラインと、
前記改質器の燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気ラインと、を備え、
前記燃料電池の負荷が所定値より低いときは、前記排出ラインより改質器の燃焼室へ供給されるカソード排ガスを系外へ排出し、前記空気ラインより燃焼用空気を改質器の燃焼室へ供給する
ことを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアノードガスを生成する改質器に燃焼用空気を供給する設備を有する燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池はアノードとカソードとからなり、次のような電極反応が行われる。
アノード反応（負極反応）
Ｈ2 ＋ＣＯ3 2-→Ｈ2 Ｏ＋ＣＯ2 ＋２ｅ  …（１）
カソード反応（正極反応）
ＣＯ2 ＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ→ＣＯ3 2-    …（２）
【０００３】
アノードでは、（１）式により水素ガスとＣＯ3 2-とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソードでは、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ3 2-が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガスの成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このためアノード排ガスの炭酸ガスをカソードに供給するようにしている。
【０００４】
この供給方法としては、アノード排ガスにはアノード反応が行われなかった燃焼可能成分が含まれているので、改質器で燃焼させ燃料ガスをアノードガスに改質する熱源とする。この燃焼排ガスに空気を混合しカソードガスを生成してカソードに供給する。また、カソード排ガスにはカソード反応が行われなかった酸素が含まれており、これらは高温であるのでアノード排ガスを燃焼するに必要な酸素供給源として使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池は電力を供給する最低負荷を、例えば定格出力の３０％というように設定してあり、最低負荷から定格負荷間は、アノードにおける未反応分と改質器の燃焼に必要な熱量との熱バランスがとれているが、無負荷から最低負荷までの負荷上昇過程では負荷に対して燃料が過剰となる。このため改質器の熱源となるアノード排ガスの量が過剰になり改質器が過熱してしまうので、過剰なアノード排ガスを系外に排出している。しかし過熱を抑えるため過剰なアノード排ガスを排出するとカソードに送られる炭酸ガスの量が減少し安定した出力上昇ができなくなるという問題が発生していた。
【０００６】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、無負荷から最低負荷までの負荷上昇過程においても炭酸ガスをカソードに適切に供給することにより、負荷上昇を安定して行う燃料電池装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【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、酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、この燃料電池のアノード排ガスを燃焼する燃焼室と、水蒸気を含む燃料ガスをアノードガスに改質する改質室とを有する改質器と、この改質器の燃焼室からの燃焼排ガスによりこの改質器の燃焼室へ供給する燃焼用空気を加熱する空気予熱器と、この空気予熱器を通過した燃焼排ガスに空気を混合してカソードガスとしカソードに供給するカソードガスラインと、前記燃料電池のアノード排ガスを改質器の燃焼室に供給するアノード排ガスラインと、このアノード排ガスラインより分岐しアノード排ガスを排出するアノード排ガス分岐ラインと、前記空気予熱器を通過する燃焼用空気を分岐して改質器の燃焼室へ供給する空気分岐ラインと、を備え、前記空気分岐ラインの分岐量を制御して改質器の燃焼室へ供給される燃焼用空気温度を制御し、この温度に応じて前記アノード排ガス分岐ラインの分岐量を制御する。
【０００８】
改質器でアノード排ガスを燃焼するのに使用する燃焼用空気を空気予熱器により改質器の燃焼排ガスで予熱して供給するが、無負荷から最低負荷までの負荷上昇過程においては、空気予熱器を通過する燃焼用空気を空気分岐ラインにより分岐して予熱されない低温の空気を改質器へ供給する。これにより燃焼用空気の顕熱が低下するので、その分改質器へ供給するアノード排ガス量を増大させ、この燃焼排ガスに含まれる炭酸ガスをカソードに供給することにより、カソードにおける炭酸ガスの不足を防止し安定した出力上昇を行うことができる。このため空気分岐ラインの分岐量を制御して改質器へ供給される燃焼用空気温度を制御し、この温度に応じてアノード排ガス分岐ラインの分岐量を制御して、改質器が過熱せずかつカソードに適切な量の炭酸ガスを供給することができる。
【０００９】
請求項２の発明では、酸素を含むカソードガスの供給を受けるカソードと水素を含むアノードガスの供給を受けるアノードとからなる燃料電池と、この燃料電池のアノード排ガスをカソード排ガスの一部で燃焼する燃焼室と、その熱で水蒸気を含む燃料ガスをアノードガスに改質する改質室とを有する改質器と、前記燃料電池のカソード排ガスの一部を改質器の燃焼室へ供給するカソード排ガスラインと、前記改質器の燃焼室の燃焼排ガスに空気を混合してカソードガスとしカソードに供給するカソードガスラインと、前記カソード排ガスラインに設けられ改質器の燃焼室へ供給するカソード排ガスを分岐して排出する排出ラインと、前記改質器の燃焼室へ燃焼用空気を供給する空気ラインと、を備え、前記燃料電池の負荷が所定値より低いときは、前記排出ラインより改質器の燃焼室へ供給されるカソード排ガスを系外へ排出し、前記空気ラインより燃焼用空気を改質器の燃焼室へ供給する。
【００１０】
請求項２の発明では、改質器でアノード排ガスを燃焼させる酸素源としてカソード排ガスを用いている。無負荷から最低負荷までの負荷上昇過程においては、カソード排ガスラインより供給されるカソード排ガスを全て排出ラインより系外に排出してしまい、空気ラインから低温の空気を供給する。この空気量はアノード排ガスの燃焼によって改質器が過熱しない量とする。本発明は改質器の過熱を防止するためアノード排ガスの供給を少なくするという方法を用いていないのでカソードで炭酸ガスが不足するということは生じない。
【００１１】
【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は第１実施の形態を示す機器配管図である。燃料電池１はカソードＣとアノードＡより構成される。改質器２は、燃料ガスライン９より水蒸気を含む燃料ガス（天然ガスがよく用いられる）を供給され、改質触媒によりアノードガスを生成しアノードガス供給ライン１０によりアノードＡに供給する改質室Ｒｅと、アノード排ガスライン５より供給されるアノード排ガスを燃焼用空気により燃焼して高温の燃焼排ガスを発生しこの発生熱で改質室Ｒｅを加熱する燃焼室Ｃｏより構成される。
【００１２】
空気予熱器３は改質器２の燃焼室Ｃｏへ供給する燃焼用空気を燃焼室Ｃｏから排出される燃焼排ガスで加熱する。このため空気予熱器３には燃焼用空気ライン７が接続され、さらに、燃焼排ガスに空気を混合しカソードガスを生成しカソードＣに供給するカソードガスライン４が接続している。燃焼用空気ライン７には空気予熱器３をバイパスする空気分岐ライン８が設けられている。空気分岐ライン８にはバイパスする空気流量を調節する流量調節弁１２が設けられ、燃焼室Ｃｏ内へ供給される燃焼用空気の温度が所定の温度となるように空気流量を調節する。アノード排ガスライン５にはアノード排ガス分岐ライン６が設けられ、アノード排ガスを分岐して系外に排出する。アノード排ガス分岐ライン６には流量調節弁１１が設けられ排出するアノード排ガス量を制御する。
【００１３】
次に動作について説明する。本燃料電池１は定格出力の、例えば、３０％を最低負荷とする。先ず無負荷より最低負荷までの動作について説明する。最低負荷とは発電装置として正常に動作する最低の負荷であり、燃料ガス、改質器燃焼用燃料であるアノード排ガス、改質器に必要な熱量との熱バランスがとれている。そのとき各系統を流れるガス等はこの最低負荷時の流量が流れるように制御されている。このため、起動すると燃料ガスライン９より最低負荷に相当する燃料ガスと水蒸気が改質器２の改質室Ｒｅに送られ、改質されてアノードガスとなり、アノードガス供給ライン１０によりアノードに供給される。アノードＡではアノード反応によりアノード排ガスが発生し、アノード排ガスライン５より改質器２の燃焼室Ｃｏに供給される。しかし、燃料電池１の出力が最低負荷に達していない間は、負荷に対して燃料ガスが過剰であるので、改質器に必要な熱量以上にアノード排ガス中の未反応可燃成分が多くなる。このためアノード排ガスの全量を改質器２に供給すると燃焼用燃料として過剰となり、燃焼室Ｃｏが過熱する。
【００１４】
このためアノード排ガス分岐ライン６によりアノード排ガスを分岐して系外に排出する。しかし、このようにしただけでは、燃焼室Ｃｏからの燃焼排ガスも少なくなり、この燃焼排ガスにカソードガスライン４で空気を混合してカソードガスが生成されカソードＣに供給されるので、アノード排ガスの供給が少なくなると燃焼排ガスに含まれる炭酸ガスが不足し、カソードＣに十分な炭酸ガスが供給されなくなり正常なカソード反応ができなくなる。このため空気予熱器３を通る燃焼用空気ライン７の空気を、空気予熱器３をバイパスし予熱しない状態で顕熱を低くして燃焼室Ｃｏに供給する。これによりアノード排ガス分岐ライン６の系外放出量を少なくし、燃焼室Ｃｏへ供給するアノード排ガスを増加させ、カソードガスの炭酸ガス含有量を多くし、カソードＣにおける炭酸ガス利用率を低下させ、負荷上昇速度を大きくし、安定した運転を行うことが可能になる。
【００１５】
空気分岐ライン８は燃焼室Ｃｏへ供給する空気の温度を検出して、所定の温度となるよう流量調節弁１２を制御する。またアノード排ガス分岐ライン６では流量調節弁１１を調節して、燃焼室Ｃｏで発生する燃焼排ガスより生成するカソードガスの炭酸ガス含有量が不足しないように分岐ガス流量を制御する。最低負荷に相当する燃料ガス量で改質器の熱バランスのとれる負荷に達した後は、アノード排ガス分岐ライン６からの分岐量を少なくして零としてゆき、空気分岐ライン８の分岐量も同様に零にしてゆく。
【００１６】
次に第２実施の形態について説明する。図２は第２実施の形態を示す機器配管図である。燃料電池２１はカソードＣとアノードＡより構成される。改質器２２は、燃料ガスライン２７より水蒸気を含む燃料ガス（天然ガスがよく用いられる）を供給され、改質触媒によりアノードガスを生成しアノードガス供給ライン２８によりアノードＡに供給する改質室Ｒｅと、アノード排ガスライン２９より供給されるアノード排ガスを燃焼用空気により燃焼して高温の燃焼排ガスを発生しこの発生熱で改質室Ｒｅを加熱する燃焼室Ｃｏより構成される。
【００１７】
カソードＣからのカソード排ガスの一部は、カソード排ガスライン２３により燃焼室Ｃｏに供給されアノード排ガスを燃焼する酸素源となる。燃焼室Ｃｏで発生する燃焼排ガスはカソードガスライン２４で空気と混合してカソードガスとなりカソードＣに供給される。カソード排ガスライン２３にはカソード排ガス分岐ライン２５が設けられ、カソード排ガスを系外に排出する。また燃焼室Ｃｏには空気ライン２６が設けられ、カソード排ガスに代わる低温酸素源となる。カソード排ガスライン２３には遮断弁３０、カソード排ガス分岐ライン２５には遮断弁３１、空気ライン２６には遮断弁３２が設けられている。
【００１８】
次に動作について説明する。燃料電池２１は定格出力の３０％を最低負荷とし、無負荷より最低負荷までの動作について説明する。最低負荷とは発電装置として正常に動作する最低の負荷であり、燃料ガス、改質器燃焼用燃料であるアノード排ガス、改質器に必要な熱量との熱バランスがとれている。そのとき各系統を流れるガス等はこの最低負荷時の流量が流れるように制御されている。このため、起動すると燃料ガスライン２７より最低負荷に相当する燃料ガスと水蒸気が改質器２２の改質室Ｒｅに送られ、改質されてアノードガスとなり、アノードガス供給ライン２８によりアノードＡに供給される。アノードＡではアノード反応によりアノード排ガスが発生し、アノード排ガスライン２９より改質器２２の燃焼室Ｃｏに供給される。しかし、燃料電池２１の出力が最低負荷に達していない間は、負荷に対して燃料ガスが過剰であるので、改質器に必要な熱量以上にアノード排ガス中の未反応可燃成分が多くなる。このためアノード排ガスの全量を改質器２２に供給すると燃焼用燃料として過剰となり、燃焼室Ｃｏが過熱する。
【００１９】
このため従来は第１実施の形態に示すようにアノード排ガスを分岐して系外に排出していたが、本実施の形態ではカソード排ガスライン２３の遮断弁３０を閉とし、カソード排ガス分岐ライン２５の遮断弁３１を開としてカソード排ガスの燃焼室Ｃｏへの供給を止め、遮断弁３２を開として空気ライン２６より空気を供給する。これにより高温のカソード排ガスに代えて低温の空気が供給されるため、アノード排ガスの供給を制限しなくても燃焼室Ｃｏの過熱を防止することができる。また、アノード排ガスの供給を制限していないので、燃焼室Ｃｏから排出される燃焼排ガスに含まれる炭酸ガスの量は減少せず、カソードＣに供給される炭酸ガスも不足しない。これにより、カソードＣにおける炭酸ガス利用率を低下させ、負荷上昇速度を大きくし、安定した運転を行うことが可能になる。
【００２０】
このようにして最低負荷まで出力が上昇すると遮断弁３０を開とし、遮断弁３１を閉にしてカソード排ガスの供給を開始し、これに応じて遮断弁３２を閉じて空気の供給を停止する。以降この状態で所定の負荷まで出力上昇して定常運転を行う。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、起動時より最低負荷となるまでの期間にアノード排ガスの改質器への供給を減少させず低温の空気を供給して改質器の過熱を防止し、かつカソードへの炭酸ガスの供給を適切に行う。これによりカソード入口の炭酸ガス濃度が上がるため、電池のセル電圧が上昇し、負荷上昇速度が上げられ、安定した運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態を示す機器配管図である。
【図２】  本発明の第２実施の形態を示す機器配管図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  改質器
３  空気予熱器
４  カソードガスライン
５  アノード排ガスライン
６  アノード排ガス分岐ライン
７  燃焼用空気ライン
８  空気分岐ライン
９  燃料ガスライン
１０  アノードガス供給ライン
１１，１２  流量調節弁
２１  燃料電池
２２  改質器
２３  カソード排ガスライン
２４  カソードガスライン
２５  カソード排ガス分岐ライン
２６  空気ライン
２７  燃料ガスライン
２８  アノードガス供給ライン
２９  アノード排ガスライン
３０，３１，３２  遮断弁
【図１】
0003659276.tif 000002
【図２】
0003659276.tif 000003