(57)【特許請求の範囲】
【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で燃焼し、その熱で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、この改質器の燃焼排ガスを凝縮器と気水分離器を通さずにそのまま全量加圧空気と混合してカソードガスとし燃料電池に供給する排ガス供給ラインと、燃料電池の前記カソード排ガスの一部によりタービン圧縮機を駆動して前記排ガス供給ラインに加圧空気を供給する空気供給ラインと、前記タービン圧縮機の排出ガスにより装置外部より供給される水分を加熱して蒸気を発生し前記改質器に供給する蒸気ラインとを備え、
前記改質器は、発生直後のアノードガスと供給される蒸気を含む改質前の原料ガスとの間で熱交換を行わせることにより、該原料ガスを予熱する機能を有している、
ことを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置に係わり、特に構成を単純にし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５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、天然ガス８と蒸気９と混合した原料ガス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の中でその大部分を消費してアノード排ガス４となり、燃料ガスとして改質器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（燃料ガス）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（改質ガス）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は空気予熱器３２で冷却され、凝縮器３３および気水分離器３４により水分が除去され、低温ブロワ３５により加圧され、空気６と混合し、空気予熱器３２により加熱され、循環ライン１４に入りカソードガス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へ供給され酸素を供給し、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、排熱回収蒸気発生装置３９では気水分離器３４で分離した水分より蒸気を発生し、この蒸気９が天然ガス８と混合されて原料ガス１となり、改質器１０に送られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電装置の効率を向上させ、構成を単純化し、コンパクトにすることは常に求められている。従来、改質器１０で使用する蒸気９を得るため改質器１０の燃焼排ガス５を凝縮器３３および気水分離器３４を通して水分を分離し排熱回収蒸気発生装置３９により蒸気９を発生させていた。この凝縮器３３と気水分離器３４によるヒートロスは大きく、発電装置の総熱量の約２５％を占めており、送電端出力の高効率化を妨げる大きな要因となっていた。また凝縮器３３と気水分離器３４を含むラインは低温とする必要があり、これらの機器３３、３４の他に低温ブロワ３５などが必要となっていた。また改質器１０に供給する原料ガス１を加熱する燃料予熱器１１が設けられているが、両機器１０、１１は独立した構造となっているため、改質器１０で発生する熱を十分燃料予熱器１１で利用できず、配置的にも多くのスペースを要しコンパクト化が求められていた。
【０００６】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたもので、燃料電池発電装置の効率を向上させ、構成機器の数を減らし、コンパクトにすることを目的とする。このため凝縮器と気水分離器を削除し、装置外部より蒸気発生用の水分を供給することにより装置全体のヒートロスを減少させ、あわせて構成機器を少なくすることを目的とする。また、改質器と燃料予熱器を一体化することにより熱効率を向上させ、あわせて装置をコンパクト化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で燃焼し、その熱で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、この改質器の燃焼排ガスを凝縮器と気水分離器を通さずにそのまま全量加圧空気と混合してカソードガスとし燃料電池に供給する排ガス供給ラインと、燃料電池の前記カソード排ガスの一部によりタービン圧縮機を駆動して前記排ガス供給ラインに加圧空気を供給する空気供給ラインと、前記タービン圧縮機の排出ガスにより装置外部より供給される水分を加熱して蒸気を発生し前記改質器に供給する蒸気ラインとを備え、前記改質器は、発生直後のアノードガスと供給される蒸気を含む改質前の原料ガスとの間で熱交換を行わせることにより、該原料ガスを予熱する機能を有しているものである。
【００１０】
【作用】
請求項１の発明では、装置外部より供給される水分を蒸気ラインで加熱して蒸気を発生し改質器に供給する。燃焼排ガスから凝縮器と気水分離器により水分を分離しないので、この水分分離によるヒートロスを防止できる。また従来凝縮器と気水分離器を設けた低温のラインに低温ブロワを設け、カソードガスを循環する循環ラインに高温ブロワを設けていたが、凝縮器と気水分離器が不要となったので低温のラインも不要となり低温ブロワも不要となる。これにより燃料発電装置の効率が向上し、構成機器が従来より減少して、コンパクトな装置となる。
【００１１】
また、改質器は燃料予熱器の機能を備えているので、燃料予熱器と一体化された構造となり、従来の改質器と燃料予熱器が別個のときより熱効率が向上しコンパクトな構造となる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１は実施例の燃料電池発電装置の全体構成図である。本図において図５と同一機能を有するものは同一符号で表す。燃料電池発電装置は、蒸気を含む原料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０Ａと、アノードガス２と酸素および炭酸ガスを含むカソードガス３とから発電する燃料電池２０とを備え、燃料電池２０から排出されるアノード排ガス４は、改質器１０Ａの燃焼室Ｃｏに供給され、カソード排ガス７の一部と共に燃焼し、その燃焼排ガス５が排ガス供給ライン２４を経て燃料電池２０のカソードＣへ炭酸ガスと酸素を含むカソードガス３として供給される。
【００１４】
天然ガス８は後述する排熱回収蒸気発生器３９からの蒸気９と混合されて原料ガス１となり、改質器１０Ａに供給される。改質器１０Ａは、燃料電池２０から排出されたアノード排ガス４（燃料ガス）とカソード排ガス７を燃焼する燃焼室Ｃｏと、燃焼室Ｃｏからの伝熱により原料ガス１を改質しアノードガス２（改質ガス）を発生する改質室Ｒｅとからなる。改質器１０Ａは従来の改質器１０と燃料予熱器１１を一体にしたものであり詳細は後述する。
【００１５】
改質器１０Ａの燃焼室Ｃｏには燃料電池２０のアノード排ガス４とカソード排ガス７が供給される。燃料電池の燃料利用率は８０％程度なので、アノード排ガス４には２０％程度の燃料成分が含まれている。カソード排ガス７には燃焼に必要な空気（酸素）が含まれている。燃焼室Ｃｏからの燃焼排ガス５には炭酸ガスが含まれ、これはカソードＣでの電池反応に必要なので、排ガス供給ライン２４をへてカソードＣへ供給される。
【００１６】
カソード排ガス７の一部はタービン圧縮機３６のタービンを駆動した後、排熱回収蒸気発生装置３９へ供給される。排熱回収蒸気発生装置３９は発電装置の外部より供給された水分を用いてタービン圧縮機３６のタービンを駆動したカソード排ガス７で蒸気９を発生する蒸気ライン４１を構成し、改質器１０Ａに供給する。また、タービン圧縮機３６で圧縮された空気６は、後述する空気予熱器２５で加熱され燃焼排ガス５と合流する。タービン圧縮機３６と空気予熱器２５までのラインは空気供給ライン４０を構成する。タービン圧縮機３６には電動ブロワ３８を有するバックアップライン３７が設けられており、タービン圧縮機３６の容量が不足したときバックアップに使用される。
【００１７】
改質器１０Ａの燃焼室Ｃｏからは燃焼排ガス５が排ガス供給ライン２４に排出される。排ガス供給ライン２４には空気予熱器２５が設けられ、燃焼排ガス５と空気６の熱交換を行い、空気６を例えば２５℃から６００℃に昇温し、燃焼排ガス５を例えば７７０℃から５６０℃に冷却する。冷却された燃焼排ガス５は炭酸ガスリサイクルブロワ２６により加圧され加熱された空気６と混合しカソードガス３となり、カソードＣの入口温度の例えば５８０℃となってカソードＣに供給される。炭酸ガスリサイクルブロワ２６は従来の高温ブロワ２３と低温ブロワ３５に代る働きをし、燃焼室Ｃｏで発生した炭酸ガスを含む燃焼排ガス５をカソードＣに供給する。なお、カソードＣ入口付近には起動用加熱器２７が設けられ、燃料電池２０の起動時カソードガス３を例えば５８０℃に加熱する。起動用加熱器２７に用いた加熱用の蒸気はカソード排ガス７と合流してタービン圧縮機３６に供給される。
【００１８】
図１に示す本実施例を図５に示す従来例と比較すると、図５に示す凝縮器３３と気水分離器３４が廃止され、かつこれらの機器のヒートロスがなくなることにより発電効率が向上する。また低温ブロワ３５と高温ブロワ２３は炭酸ガスリサイクルブロワ２６に統合される。また燃料予熱器１１と改質器１０は一体化され改質器１０Ａとなり熱効率が向上し、コンパクト化されている。いずれの場合も機器の数が減少し単純化されている。
【００１９】
次に一体化され改質器１０Ａの一例を説明する。なお、以降の説明において、燃料ガス４はアノード排ガス４、改質ガス２はアノードガス２である。
図２は、改質器１０Ａの平面図（Ａ）とそのＡ−Ａ線における側面断面図（Ｂ）である。この図に示すように、本実施例の改質器１０Ａは、複数の燃焼室Ｃｏと改質室Ｒｅが交互に伝熱隔壁１１３を隔てて積層された矩形平板状のプレート型改質器であり、各燃焼室Ｃｏは、単一の分散室１１４とこれを挟んで位置する一対の燃焼触媒室１１５とからなる。また、改質室Ｒｅは、単一の予熱室１１１とこれを挟んで位置する一対の改質触媒室１１２とからなる。
【００２０】
また、図２に示すように、改質器１０Ａは、矩形面の全体が、４辺のうちの１辺に接する矩形領域Ａと、この辺に対向する１辺に接する矩形領域Ｂと、領域Ａ，Ｂ間に位置しそれぞれ別の辺に接する矩形領域Ｃ，Ｄに区分され、更に、領域Ｂは、領域Ｃに接する矩形領域Ｂ1 と、領域Ｄに接する矩形領域Ｂ2 に区分され、領域Ｄは、領域Ａに接する矩形領域Ｄ1 、領域Ｂに接する矩形領域Ｄ3 、及び領域Ｄ1 とＤ3 の間の矩形領域Ｄ2 に区分される。
【００２１】
領域Ａの対向する外面には、領域Ｄ側に原料ガスマニホールド１１６ａ、領域Ｃ側に改質ガスマニホールド１１６ｅがそれぞれ外壁を貫通する開口１１９を介して連通して設けられ、領域Ｄ1 の外面には空気マニホールド１１６ｃ、領域Ｃの領域Ｄ1 に対向する外面には排ガスマニホールド１１６ｂがそれぞれ外壁を貫通する開口を介して連通して設けられている。
【００２２】
更に、領域Ｄ2 ，Ｄ3 ，Ｂ2 の共通する外面には、燃料予熱チャンバー１２０が領域Ｄ2 の外壁を貫通する開口を介して連通して設けられ、この燃料予熱チャンバー１２０には燃料ガスマニホールド１１６ｄが連通している。また、領域Ｃ，Ｄ間には全体に共通隔壁１２１が設けられ、この間のガスの流通を防止している。
【００２３】
図３（Ａ）は、燃焼室Ｃｏを構成する分散室１１４の平面図である。この図に示すように、各分散室１１４は、領域Ａ，Ｃ間及び領域Ｄ1 ，Ｄ2 間に気密仕切板１１４ｂ，１１４ａが設けられ、かつ領域Ｄ2 の燃焼触媒室１１５との隔壁１１７に複数の燃料噴射穴１１７ａが設けられている。かかる構成により、燃料ガスマニホールド１１６ｄから燃料予熱チャンバー１２０を介して分散室１１４の領域Ｄに入った燃料ガス４を、燃料噴射穴１１７ａを通して燃焼触媒室１１５の領域Ｄ2 に噴射することができる。
【００２４】
また、図３（Ａ）に示すように、領域Ｃの分散室１１４と燃焼触媒室１１５の間の隔壁１１７の領域Ｄ1 に対向する部分に、燃料噴射穴１１７ａよりも小さい燃料排出穴１１７ｂが設けられている。この構成により、燃料排出穴１１７ｂを通して少量の燃料ガス４を隣接する燃焼触媒室１１５に導くことができ、運転中の燃料ガス４の滞留と、プラント停止時のガスパージ時間を短縮することができる。
【００２５】
図３（Ｂ）は、燃焼室Ｃｏを構成する燃焼触媒室１１５の平面図である。この図に示すように、各燃焼触媒室１１５には、領域Ａ，Ｃ間及び領域Ａ，Ｄ1 間に気密仕切板１１５ａ，１１５ｂ、領域Ｄ1 ，Ｄ2 間に貫通穴を有する連通仕切板１１５ｃが設けられ、かつ領域Ｂ，Ｃ，Ｄ2 ，Ｄ3 には燃焼触媒１２５が充填されている。かかる構成により、空気マニホールド１１６ｃから領域Ｄ1 に入った空気（カソード排ガス７中の空気）を領域Ｄ，Ｂ，Ｃの順で流し、排ガスマニホールド１１６ｂから排気することができる。また、前述のように領域Ｄ2 には、燃料噴射穴１１７ａを通して分散室１１４から燃料ガス４が流入して空気と混合し、燃焼触媒１２５の作用で領域Ｄ，Ｂ，Ｃで燃料ガス４が燃焼し、その熱を隣接する改質室Ｒｅに伝熱することができる。
【００２６】
図４（Ａ）は改質室Ｒｅを構成する予熱室１１１の平面図である。この図に示すように、各予熱室１１１は、領域Ａ，Ｄ1 間及び領域Ｂ1 ，Ｂ2 間に気密仕切板１１１ａ，１１１ｂが設けられ、かつ領域Ｂ1 の改質触媒室１１２との隔壁１１８に複数の原料ガス噴射穴１１８ａが設けられている。かかる構成により、原料ガスマニホールド１１６ａから領域Ａに入った原料ガス１を、領域Ａ，Ｃ，Ｂ1 の順で流し、原料ガス噴射穴１１８ａを通して隣接する改質触媒室１１２に噴射させることができる。
【００２７】
図４（Ｂ）は、改質室Ｒｅを構成する改質触媒室１１２の平面図である。この図に示すように、各改質触媒室１１２は、領域Ａ，Ｃ間及び領域Ｃ，Ｂ1 間に気密仕切板１１２ａ，１１２ｂが設けられ、かつ領域Ｄ1 ，Ｄ2 間及び領域Ｄ3 ，Ｂ2 間に連通仕切板１１２ｃ，１１２ｄが設けられている。また、領域Ｄ2 及びＤ3 には改質触媒１２４が充填されている。かかる構成により、原料ガス噴射穴１１８ａを通して領域Ｂ1 に流入した原料ガス１を、領域Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｄ，Ａの順に流し、改質ガスマニホールド１１６ｅを介して外部に供給することができる。原料ガス１は、領域Ｄ2 及びＤ3 に充填された改質触媒１２４の作用で改質されて改質ガス４となる。
【００２８】
上述した構成によれば、原料ガス１は、予熱室１１１の領域Ａ，Ｃ，Ｂ1 を通って改質触媒室１１２の領域Ｂ1 に入り、領域Ｂ2 ，Ｄ3 ，Ｄ2 ，Ｄ1 ，Ａを通って外部に供給され、これにより、改質触媒１２４の充填された領域Ｄ3 ，Ｄ2 で改質された改質ガス４と原料ガス１が領域Ａで熱交換され、改質ガス４により原料ガス１を予熱することができる。更に、原料ガス１は領域Ｃ，Ｂ1 ，Ｂ2 でも、燃焼室Ｃｏから加熱される。従って、従来の予熱器以上に原料ガス１を改質前に予熱することができる。
【００２９】
更に、改質触媒１２４は領域Ｄ2 ，Ｄ3 に充填されており、この領域は領域Ｃと燃料予熱チャンバー１２０の間に挟まれているので、改質領域の側壁が大気に接しておらず、側壁からの放熱を低減して、低温域を縮小することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は装置外部より供給される水分を蒸気ラインで加熱して蒸気を発生することにより、従来のように燃焼排ガスから凝縮器と気水分離器により水分を分離しないので、この水分分離によるヒートロスを防止できる。これにより凝縮器と気水分離器が不要となったので低温ブロワも不要となる。この結果燃料発電装置の効率が向上し、構成機器が従来より減少して、コンパクトな装置となる。また、改質器は燃料予熱器の機能を備えているので、燃料予熱器と一体化された構造となり、従来の改質器と燃料予熱器が別個のときより熱効率が向上し、機器数が減少しコンパクトな構造となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図２】実施例の改質器の平面図（Ａ）とそのＡ−Ａ線における側面断面図（Ｂ）である。
【図３】実施例の改質器の分散室と燃焼触媒室の平面図である。
【図４】実施例の改質器の予熱室と改質触媒室の平面図である。
【図５】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１  原料ガス
２  アノードガスまたは改質ガス
３  カソードガス
４  アノード排ガスまたは燃料ガス
５  燃焼排ガス
６  空気
７  カソード排ガス
８  天然ガス
９  蒸気
１０Ａ改質器
２０  燃料電池
２４  排ガス供給ライン
２５  空気予熱器
２６  炭酸ガスリサイクルブロワ
２７  起動用加熱器
３６  タービン圧縮機
３７  バックアップライン
３８  電動ブロワ
３９  排熱回収蒸気発生器
４０  空気供給ライン
４１  蒸気ライン
１１１  予熱室
１１１ａ，１１１ｂ  気密仕切板
１１２  改質触媒室
１１２ａ，１１２ｂ  気密仕切板
１１２ｃ，１１２ｄ  連通仕切板
１１３  伝熱隔壁
１１４  分散室
１１４ａ，１１４ｂ  気密仕切板
１１５  燃焼触媒室
１１５ａ，１１５ｂ  気密仕切板
１１５ｃ  連通仕切板
１１６ａ〜１１６ｅ  マニホールド
１１７ａ，１１７ｂ  穴
１１８ａ，１１８ｂ  穴
１１９  開口
１２０  燃料予熱チャンバー
１２１  共通隔壁
１２４  改質触媒
１２５  燃焼触媒
Ａ  アノード
Ｃ  カソード
Ｃｏ  燃焼室
Ｒｅ  改質室
【図１】
0003671406.tif 000002
【図２】
0003671406.tif 000003
【図３】
0003671406.tif 000004
【図４】
0003671406.tif 000005
【図５】
0003671406.tif 000006