(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる２流体が流れるプレート型の空気予熱器と、改質器と、燃料予熱器と、燃料電池とが順次垂直に連結され、
空気予熱器は、低温空気が流入する第１マニホールドと、予熱された空気が流出する第２マニホールドと、改質器の燃焼排ガスが流入する第３マニホールドと、燃焼排ガスが流出しこれを凝縮器に導く第４マニホールドとを有し、
改質器は、燃料ガスが流入する第５マニホールドと、改質ガスが流出する第６マニホールドと、アノード排ガスが流入する第７マニホールドと、燃焼排ガスが流出する第８マニホールドと、空気が流入しこの空気を改質器内のアノード排ガスと共に燃焼させるために改質器内に供給するとともに第２マニホールドに流す第９マニホールドとを有し、第８マニホールドは前記第３マニホールドに、第９マニホールドは前記第２マニホールドに、それぞれ連結され、
燃料予熱器は、燃料ガスが流入する第１０マニホールドと、燃料ガスが流出する第１１マニホールドと、改質ガスが流入する第１２マニホールドと、改質ガスが流出する第１３マニホールドと、空気が燃料予熱器をバイパスして流れる第１４マニホールドと、アノード排ガスが燃料予熱器をバイパスして流れる第１５マニホールドとを有し、第１１マニホールドは前記第５マニホールドに、第１２マニホールドは前記第６マニホールドに、第１４マニホールドは前記第９マニホールドに、第１５マニホールドは前記第７マニホールドに、それぞれ連結され、
燃料電池は、カソードガスが流入する第１６マニホールドと、カソード排ガスが流出する第１７マニホールドと、アノードガスが流入する第１８マニホールドと、アノード排ガスが流出する第１９マニホールドとを有し、第１７マニホールドは前記第１４マニホールドに、第１８マニホールドは前記第１３マニホールドに、第１９マニホールドは前記第１５マニホールドに、それぞれ連結され、
燃料予熱器の第１０マニホールドには燃料ガスが導入され、空気予熱器の第１マニホールドには低温空気が導入され、空気予熱器の第２マニホールドと燃料電池の第１６マニホールドの間には空気予熱器から燃料電池にカソードガスを循環させる高温ブロアが設置され、燃料電池の第１７マニホールドからカソード排ガスがタービン圧縮機に供給される、ことを特徴とする一体型燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、主要機器を一体に構成した一体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、かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置には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、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。特に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では、図３に示すように天然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから発電する燃料電池２０とを一般的に備えており、改質器１０で作られたアノードガスは燃料電池２０に供給され、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費した後、アノード排ガス４として改質器１０の燃焼室Ｃｏに供給される。燃料ガス１は燃料予熱器１１により予熱されて改質器の改質室Ｒｅに入る。改質器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）を燃焼室で燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し内部を流れる燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は、空気予熱器３２で熱回収され、凝縮器３３と気水分離器３４で水分を除去され、タービン圧縮機（動力回収装置４０）で加圧された空気６が混入し、この混合ガスが空気予熱器３２で加熱されてカソードガス３に合流する。これにより、電池のアノード側で発生した二酸化炭素が、燃焼排ガス５を介して燃料電池用のカソードガス３に入り、燃料電池のカソード反応に必要な二酸化炭素をカソード側Ｃに供給する。カソードガス３は燃料電池内でその一部が反応してカソード排ガス７となり、その一部はカソード入口側に再循環され、一部は改質器１０の燃焼室Ｃｏに供給されてアノード排ガス４を燃焼させ、残りは動力回収装置４０に供給されて圧力回収され、系外に排出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述した燃料電池発電装置では、燃料電池２０及び改質器１０は、通常圧力容器（例えば図３の２２）内に格納し、その他の機器（燃料予熱器１１、空気予熱器３２、等）は別個に設置して、各機器を配管で接続するため、特に比較的小出力の場合に設置面積が大きくなる問題点があった。また、空気予熱器３２〜燃料電池２０〜改質器１０〜空気予熱器３２を結ぶ配管は、大量の高温ガスが流れるため大口径配管となり、その配管の曲げや保温が困難であり、放熱ロスが大きく、発電装置全体の効率が低下する問題点があった。
【０００４】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、小型で設置面積が小さく、かつ放熱ロスが少ない一体型燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる２流体が流れるプレート型の空気予熱器と、改質器と、燃料予熱器と、燃料電池とが順次垂直に連結され、空気予熱器は、低温空気が流入する第１マニホールドと、予熱された空気が流出する第２マニホールドと、改質器の燃焼排ガスが流入する第３マニホールドと、燃焼排ガスが流出しこれを凝縮器に導く第４マニホールドとを有し、改質器は、燃料ガスが流入する第５マニホールドと、改質ガスが流出する第６マニホールドと、アノード排ガスが流入する第７マニホールドと、燃焼排ガスが流出する第８マニホールドと、空気が流入しこの空気を改質器内のアノード排ガスと共に燃焼させるために改質器内に供給するとともに第２マニホールドに流す第９マニホールドとを有し、第８マニホールドは前記第３マニホールドに、第９マニホールドは前記第２マニホールドに、それぞれ連結され、燃料予熱器は、燃料ガスが流入する第１０マニホールドと、燃料ガスが流出する第１１マニホールドと、改質ガスが流入する第１２マニホールドと、改質ガスが流出する第１３マニホールドと、空気が燃料予熱器をバイパスして流れる第１４マニホールドと、アノード排ガスが燃料予熱器をバイパスして流れる第１５マニホールドとを有し、第１１マニホールドは前記第５マニホールドに、第１２マニホールドは前記第６マニホールドに、第１４マニホールドは前記第９マニホールドに、第１５マニホールドは前記第７マニホールドに、それぞれ連結され、燃料電池は、カソードガスが流入する第１６マニホールドと、カソード排ガスが流出する第１７マニホールドと、アノードガスが流入する第１８マニホールドと、アノード排ガスが流出する第１９マニホールドとを有し、第１７マニホールドは前記第１４マニホールドに、第１８マニホールドは前記第１３マニホールドに、第１９マニホールドは前記第１５マニホールドに、それぞれ連結され、燃料予熱器の第１０マニホールドには燃料ガスが導入され、空気予熱器の第１マニホールドには低温空気が導入され、空気予熱器の第２マニホールドと燃料電池の第１６マニホールドの間には空気予熱器から燃料電池にカソードガスを循環させる高温ブロアが設置され、燃料電池の第１７マニホールドからカソード排ガスがタービン圧縮機に供給される、ことを特徴とする一体型燃料電池発電装置、が提供される。
【０００６】
【作用】
上記本発明の構成によれば、それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる２流体が流れるプレート型の空気予熱器と、改質器と、燃料予熱器と、燃料電池とが順次垂直に連結されて一体の燃料電池発電装置を構成するので、比較的小出力の場合でも設置面積を小さくすることができる。また、各構成機器を連結する配管のほとんどが各機器に設けられたマニホールドで直接連結されているので、大量の高温ガスが流れる大口径配管が少なくなり、その配管の曲げや保温箇所も大幅に低減することができ、放熱ロスが低減し、発電装置全体の効率を向上させることができる。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明による一体型燃料電池発電装置の全体構成図である。この図において、本発明の一体型燃料電池発電装置は、一点鎖線で囲む部分が一体に構成されている。なお、この図で、９は燃料ガスに供給する水蒸気、３５は燃料ガス中の硫黄分を除去する脱硫器である。その他の構成は、図３に示した従来の発電装置と同様である。
【０００８】
図２は、図１の一点鎖線で囲んだ部分の全体斜視図である。この図において、本発明の一体型燃料電池発電装置は、それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる２流体が流れるプレート型の空気予熱器３２と、改質器１０と、燃料予熱器１１と、燃料電池２０とが順次垂直に連結されている。なお、図２では、図の明瞭化のためにそれぞれの機器を間隔を開けて示しているが、これらは互に密着され、溶接、フランジ、等により強固に連結されている。また、一体化されたこれらの機器は、同一の圧力容器（二点鎖線で示す）内に格納される。
【０００９】
空気予熱器３２は、低温空気が流入する第１マニホールドＭ１と、予熱された空気が流出する第２マニホールドＭ２と、改質器の燃焼排ガスが流入する第３マニホールドＭ３と、燃焼排ガスが流出する第４マニホールドＭ４とを有する。空気予熱器３２は、水平な隔壁を有するプレート型熱交換器であり、空気を燃焼排ガスで予熱するようになっている。
【００１０】
改質器１０は、燃料ガスが流入する第５マニホールドＭ５と、改質ガスが流出する第６マニホールドＭ６と、アノード排ガスが流入する第７マニホールドＭ７と、燃焼排ガスが流出する第８マニホールドＭ８と、空気が流入しこの空気を改質器１０内のアノード排ガスと共に燃焼させるために改質器内に供給するとともに第２マニホールドM２に流す第９マニホールドＭ９とを有する。改質器１０は、水平な隔壁を隔てて燃焼触媒と改質触媒が充填されたプレート型リホーマであり、アノード排ガスを空気で燃焼し、その熱で燃料ガスを改質ガスに変換するようになっている。
【００１１】
また、改質器の第８マニホールドは空気予熱器の第３マニホールドＭ３に、第９マニホールドＭ９は空気予熱器の第２マニホールドＭ２に、それぞれ連結されている。燃料予熱器１１は、燃料ガスが流入する第１０マニホールドＭ１０と、燃料ガスが流出する第１１マニホールドＭ１１と、改質ガスが流入する第１２マニホールドＭ１２と、改質ガスが流出する第１３マニホールドＭ１３と、空気が燃料予熱器をバイパスして流れる第１４マニホールドＭ１４と、アノード排ガスが燃料予熱器をバイパスして流れる第１５マニホールドＭ１５とを有する。燃料予熱器１１は、水平な隔壁を有するプレート型熱交換器であり、改質ガス（アノードガス）により低温の燃料ガスを予熱するようになっている。
【００１２】
また、第１１マニホールドＭ１１は改質器の第５マニホールドＭ５に、第１２マニホールドＭ１２は改質器の第６マニホールドＭ６に、第１４マニホールドＭ１４は改質器の第９マニホールドＭ９に、第１５マニホールドＭ１５は改質器の第７マニホールドＭ７に、それぞれ連結されている。
燃料電池２０は、カソードガスが流入する第１６マニホールドＭ１６と、カソード排ガスが流出する第１７マニホールドＭ１７と、アノードガスが流入する第１８マニホールドＭ１８と、アノード排ガスが流出する第１９マニホールドＭ１９とを有する。燃料電池２０は、上述したように、アノードガスとカソードガスから電気を発電するようになっている。
【００１３】
また、第１７マニホールドＭ１７は燃料予熱器の第１４マニホールドＭ１４に、第１８マニホールドＭ１８は燃料予熱器の第１３マニホールドＭ１３に、第１９マニホールドＭ１９は燃料予熱器の第１５マニホールドＭ１５に、それぞれ連結されている。
燃料予熱器の第１０マニホールドＭ１０には燃料ガスが導入され、空気予熱器の第１マニホールドＭ１には低温空気が導入され、空気予熱器の第２マニホールドＭ２と燃料電池の第１６マニホールドＭ１６の間には空気予熱器から燃料電池にカソードガスを循環させる高温ブロア２４が設置され、燃料電池の第１７マニホールドＭ１７からカソード排ガスがタービン圧縮機に供給される。
【００１４】
かかる構成により、図３に示した従来の燃料電池発電装置と同様に、第１０マニホールドＭ１０から供給された燃料ガス１を燃料予熱器１１内で予熱し、マニホールドＭ１１、Ｍ５を介して供給された燃料ガス１を改質器１０内で改質ガス２に改質し、マニホールドＭ６、Ｍ１２を介して供給された改質ガス２を燃料予熱器１１内で冷却してアノードガス２として燃料電池２０の第１８マニホールドＭ１８に供給し、燃料電池内で反応したアノード排ガス４をマニホールドＭ１９、Ｍ１５を介して改質器１０の第７マニホールドＭ７に供給し、第９マニホールドＭ９から供給された空気と共に燃焼させ、燃焼排ガス５をマニホールドＭ８、Ｍ３を介して空気予熱器３２に供給し、空気予熱器３２で冷却して第４マニホールドＭ４から凝縮器に導くことができる。また、燃料電池２０の第１７マニホールドＭ１７から出たカソード排ガス７をタービン圧縮機のタービンに導き、タービン圧縮機ので圧縮された空気６を空気予熱機３２の第１マニホールドＭ１に導き、空気予熱機３２で予熱した空気を高温ブロアを介して燃料電池２０の第１６マニホールドＭ１６に導くことができる。
【００１５】
従って、上述した構成の一体型燃料電池発電装置により、図３に示した従来の燃料電池発電装置と同様の機能を果たすことができる。また、それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる２流体が流れるプレート型の空気予熱器と、改質器と、燃料予熱器と、燃料電池とが順次垂直に連結されて一体の燃料電池発電装置を構成するので、比較的小出力の場合でも設置面積を小さくすることができる。更に、各構成機器を連結する配管のほとんどが各機器に設けられたマニホールドで連結されているので、大量の高温ガスが流れる大口径配管が少なくなり、その配管の曲げや保温箇所も大幅に低減することができ、放熱ロスが低減し、発電装置全体の効率を向上させることができる。
【００１６】
なお、本発明は上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の一体型燃料電池発電装置は、小型で設置面積が小さく、かつ放熱ロスが少ない、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一体型燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図２】図１の一点鎖線で囲む部分の全体斜視図である。
【図３】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  燃料ガス
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
７  カソード排ガス
８  パージガス
９  水蒸気
１０  改質器
１１  燃料予熱器
２０  燃料電池
２２  格納容器
２４  高温ブロア
３０  排ガス循環ライン
３２  空気予熱器
３３  凝縮器
３４  気水分離器
３５  脱硫器
４０  動力回収装置（タービン圧縮機）
Ｒｅ  改質室
Ｃｏ  燃焼室
Ａ  アノード側
Ｃ  カソード側
Ｍ１〜Ｍ１９  マニホールド
【図１】
0003700162.tif 000002
【図２】
0003700162.tif 000003
【図３】
0003700162.tif 000004