(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器と、アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電する燃料電池と、燃料電池を通過したカソードガスを燃料電池の上流側に循環させるカソード循環ラインとを備えた溶融炭酸塩型燃料電池設備において、
更に、燃料電池の上流側にアノードガスとカソードガスとを熱交換させる熱交換器を備え、
カソード循環ガス量の調節により、燃料電池入口のカソードガス温度を調節し、更に、前記熱交換器におけるカソードガスとアノードガスとの熱交換を介して、燃料電池入口のアノードガス温度を間接的に調節する、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池設備。
【請求項２】
前記熱交換器は、隔壁式平行流熱交換器であり、燃料電池の上流側直近に配置され、同一の格納容器内に格納される、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池設備。
【請求項３】
前記熱交換器は、燃料電池と一体に形成されたガスヘッダである、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池設備。
【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に係わり、更に詳しくは、燃料電池の入口温度を調節できる燃料電池設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガス等を燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備（以下、単に燃料電池設備という）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１１とを備えており、改質器１０で作られたアノードガス２は燃料電池１１のアノード側Ａ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として下流設備（例えば改質器の燃焼室等）に供給される。一方、改質器１０では、燃料ガスの燃焼により改質管１０ａを加熱して改質管を通る燃料ガス１を改質し、改質管１０ａによる吸熱で温度が下がった燃焼排ガス５は外部から供給される空気６と混合されてカソードガス３となり、燃料電池１１のカソード側Ｃに供給される。更に、燃料電池１１内でその一部が反応したカソードガス（カソード排ガス７）は高温ブロア１２によりその一部が燃料電池１１の上流側に循環され、残りが下流設備（例えばタービン圧縮機等）に供給される。なお、この図において１２ａはガスヒータである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の燃料電池設備では、燃料電池１１のアノード側Ａには改質器１０で生成された改質ガスがそのままアノードガス２として導入され、燃料電池１１のカソード側Ｃには、改質器１０の燃焼排ガス５に電池反応の酸化剤としての空気６を混合したものが、高温ブロア１２で循環される高温のカソード排ガスと混合して温度調節を行い、カソード側Ｃに送られている。
【０００４】
しかし、上述した従来の燃料電池設備では、カソード側の入口温度ｔc は、高温ブロア１２によるカソードガスの循環量により容易に調節できるが、アノード側の入口温度ｔa の調節が困難である問題点があった。以下、これを詳述する。
【０００５】
図４は、従来の燃料電池設備における各部の温度分布例であり、（Ａ）は高負荷時（約１００％負荷）、（Ｂ）は低負荷時（約３０％負荷）、（Ｃ）は出力回路の切断状態(Open Circuit Voltage:OCV)を示している。
図４（Ａ）に示すように、１００％負荷に近い高負荷時には、アノードガス２の改質器出口温度は、約６３０℃であり、これが放熱により約６１０℃になって燃料電池１１に流入する。一方、カソード側の改質器出口温度は、約５２４℃であり、空気６と混合し、高温（約６３０℃）のカソード排ガスと混合して約５８０℃で燃料電池１１に流入する。従って、高負荷時（Ａ）には、カソード側の入口温度を、カソードガス循環量で調節するだけで、両ガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に調節することができる。
【０００６】
一方、低負荷時（Ｂ）には、アノードガス３の改質器出口温度が低下し（例えば約５８４℃）、そのまま燃料電池１１に供給すると、アノード入口温度は更に低下してしまう。しかし、アノード入口温度が例えば約５５０℃以下になるとアノード側で炭素析出を起こし、発電に重大な支障を来すおそれがある。そのため、従来の燃料電池設備では、図４（Ｂ）に示すように、改質器１０と燃料電池１１の間のアノードガスラインに電気ヒータ１３と配管ヒータ１４を設置し、これによりアノードガス２の電池入口温度が適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）になるように温度調節を行っている。しかし、このため、電気ヒータ１３と配管ヒータ１４が必要になるばかりか、カソード側のみならずアノード側も別個に温度制御する必要がある問題点があった。
【０００７】
更に、図４（Ｃ）に示すように、ＯＣＶ時には、カソード側で必要な二酸化炭素量を確保するために、改質器燃焼側での空燃比を増加しなければならない（例えば低負荷の約１．７倍）。このため、改質ガス量に対して、燃焼排ガス量が過剰になり、アノードガスの改質器出口温度が高くなってしまい（例えは約６４１℃）、カソード側との温度差が大きくなり、電池に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００８】
本発明は上述した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、高負荷時のみならず、低負荷時及びＯＣＶ時にも、燃料電池のアノードガス及びカソードガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に制御できる燃料電池設備を提供することにある。また、本発明の別の目的は、電気ヒータや配管ヒータ等の加熱装置を附加することなく、かつアノード側とカソード側で別々に温度制御することなく、燃料電池のアノードガス及びカソードガスの入口温度を適正範囲に制御できる燃料電池設備を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明の発明者は、アノードガスに比べてカソードガスの流量が非常に多い（例えば約７０倍）ため、アノードガスとカソードガスを熱交換させることによりアノードガスを常にカソードガスの温度に近ずけられることに着眼した。本発明はかかる新規の知見に基づくものである。
【００１０】
すなわち、本発明によれば、燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器と、アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電する燃料電池と、燃料電池を通過したカソードガスを燃料電池の上流側に循環させるカソード循環ラインとを備えた溶融炭酸塩型燃料電池設備において、更に、燃料電池の上流側にアノードガスとカソードガスとを熱交換させる熱交換器を備え、カソード循環ガス量の調節により、燃料電池入口のカソードガス温度を調節し、更に、前記熱交換器におけるカソードガスとアノードガスとの熱交換を介して、燃料電池入口のアノードガス温度を間接的に調節する、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池設備が提供される。
【００１１】
上記本発明の構成によれば、カソード循環ガス量により、燃料電池入口のカソードガス温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に調節するだけで、電気ヒータや配管ヒータ等の加熱装置を附加することなく、かつアノード側とカソード側で別々に温度制御することなく、高負荷時のみならず、低負荷時及びＯＣＶ時にも、燃料電池のアノードガス及びカソードガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に制御することができる。
【００１２】
すなわち、１００％負荷に近い高負荷時には、図４（Ａ）に示したように、カソード側の入口温度を、カソードガス循環量で調節するだけで、両ガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に調節することができる。この場合、アノード入口温度は、カソードガスにより冷却されて適正温度になるが、カソードガスよりはわずかに高めになる。
【００１３】
次に、低負荷時には、図４（Ｂ）に示したように、改質器出口温度が約５８０℃程度まで下がり、従来のように、電気ヒータや配管ヒータがないので、熱交換器入口温度は更に低くなる。しかし、カソードガス入口温度が適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）されており、しかもカソードガス量はアノードガス量の約７０倍の流量を有しているので、熱交換器内の熱交換により、アノードガス温度はカソードガス温度にほぼ等しい温度まで加熱される。従って、カソード側の入口温度を、適正範囲内で高め（例えば約５９０〜６００℃）に調節するだけで、両ガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に調節することができる。
【００１４】
更に、ＯＣＶ時には、図４（Ｃ）に示したように、改質器出口温度が約６４０℃程度まで上がり、熱交換器入口温度も６００℃以上になるが、低負荷時とは逆に、大量のカソードガスとの熱交換により、アノードガス温度はカソードガス温度にほぼ等しい温度まで冷却される。従って、この場合にも、カソード側の入口温度を、適正範囲内で低め（例えば約５８０〜５９０℃）に調節するだけで、両ガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に調節することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記熱交換器は、隔壁式平行流熱交換器であり、燃料電池の上流側直近に配置され、同一の格納容器内に格納される。この構成により、格納容器内で同圧に差圧制御されている容器圧力、アノードガス圧力、カソードガス圧力と同一の圧力に、熱交換器内の圧力を何らの制御装置をも追加することなく制御でき、熱交換器内のアノードガスとカソードガスの差圧が抑えられ、ガス漏れ等に対する安全性を高めることができる。
【００１６】
更に、前記熱交換器は、燃料電池と一体に形成されたガスヘッダである、ことが好ましい。この構成により、熱交換器を燃料電池に組み込むことができ、装置のコンパクト化とコストダウンを図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態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て使用する。
図１は、本発明による燃料電池設備の構成図である。この図において、本発明の燃料電池設備２０は、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１１と、燃料電池１１を通過したカソードガスを燃料電池１１の上流側に循環させるカソード循環ライン１５とを備えている。また、カソード循環ライン１５には、高温ブロア１２とガスヒータ１２ａが設置されている。かかる構成は、図３に示した従来の燃料電池設備と同様である。
【００１８】
本発明の燃料電池設備２０は、更に、燃料電池１１の上流側にアノードガス２とカソードガス３とを熱交換させる熱交換器２２を備える。この熱交換器２２は、隔壁式平行流熱交換器（例えばプレートフィン熱交換器）であり、燃料電池１１の上流側直近に配置され、かつ同一の格納容器１１ａ内に格納されている。
この構成により、格納容器１１ａ内で同圧に差圧制御されている容器圧力、アノードガス圧力、カソードガス圧力と同一の圧力に、熱交換器２２内の圧力を何らの制御装置をも追加することなく制御でき、熱交換器２２内のアノードガス２とカソードガス３の差圧が抑えられ、ガス漏れ等に対する安全性を高めることができる。
【００１９】
なお、熱交換器２２を、燃料電池１１と一体に形成されたガスヘッダとし、ガスヘッダと熱交換器の機能を併用するようにしてもよい。この構成により、熱交換器を燃料電池に組み込むことができ、装置のコンパクト化とコストダウンを図ることができる。
【００２０】
上述した本発明の燃料電池設備２０は、次のように運転する。まず、高温ブロア１２の回転数制御により、カソード循環ライン１５を通るカソード循環ガス量を変化させ、これにより、燃料電池１１の入口のカソードガス温度ｔc を調節する。この制御方法は、従来の燃料電池設備と同様であるが、温度制御範囲は後述するようにわずかに厳しく行う必要がある。なお、本発明の燃料電池設備では、アノードガス温度は直接制御せず、後述するように、カソードガスとアノードガスとの熱交換により、燃料電池入口のアノードガス温度を間接的に調節する。
【００２１】
従って、本発明の燃料電池設備では、高負荷時のみならず、低負荷時及びＯＣＶ時にも、電気ヒータや配管ヒータ等の加熱装置を附加することなく、かつアノード側とカソード側で別々に温度制御することなく、燃料電池のアノードガス及びカソードガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に制御することができる。
【００２２】
図２は、本発明による燃料電池設備における各部の温度を示す図４と同様の図である。この図において、（Ａ）は高負荷時（約１００％負荷）、（Ｂ）は低負荷時（約３０％負荷）、（Ｃ）は出力回路の切断状態(OCV) を示している。
【００２３】
１００％負荷に近い高負荷時には、図４（Ａ）に示すように、カソード側の入口温度を、カソードガス循環量で調節するだけで、両ガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６１０℃）に調節することができる。この場合、アノード入口温度は、カソードガスにより冷却されて適正温度になるが、カソードガスよりはわずかに高めになる。
【００２４】
次に、低負荷時には、図４（Ｂ）に示すように、改質器出口温度が約５８０℃程度まで下がり、従来のように、電気ヒータや配管ヒータがないので、熱交換器入口温度は更に低くなるが、カソードガス入口温度が適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）されており、しかもカソードガス量はアノードガス量の約７０倍の流量を有しているので、熱交換器内の熱交換により、アノードガス温度はカソードガス温度にほぼ等しい温度まで加熱される。従って、カソード側の入口温度を、適正範囲内で高め（例えば約５９０〜６００℃）に調節するだけで、両ガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に調節することができる。
【００２５】
更に、ＯＣＶ時には、図４（Ｃ）に示すように、改質器出口温度が約６４１℃程度まで上がり、熱交換器入口温度も６００℃以上になるが、低負荷時とは逆に、大量のカソードガスとの熱交換により、アノードガス温度はカソードガス温度にほぼ等しい温度まで冷却される。従って、この場合にも、カソード側の入口温度を、適正範囲内で低め（例えば約５８０〜５９０℃）に調節するだけで、両ガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に調節することができる。
【００２６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、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。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池設備は、高負荷時のみならず、低負荷時及びＯＣＶ時にも、電気ヒータや配管ヒータ等の加熱装置を附加することなく、かつアノード側とカソード側で別々に温度制御することなく、燃料電池のアノードガス及びカソードガスの入口温度を適正範囲（例えば約５８０〜６００℃）に制御することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池設備の構成図である。
【図２】本発明による燃料電池設備における各部の温度を示す図である。
【図３】従来の燃料電池設備の構成図である。
【図４】従来の燃料電池設備における各部の温度を示す図である。
【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
１０  改質器
１０ａ  改質管
１１  燃料電池
１１ａ  格納容器
１２  高温ブロア
１２ａ  ガスヒータ
１３  電気ヒータ
１４  配管ヒータ
１５  カソード循環ライン
２０  燃料電池設備
２２  熱交換器
【図１】
0003728742.tif 000002
【図２】
0003728742.tif 000003
【図３】
0003728742.tif 000004
【図４】
0003728742.tif 000005