(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード排ガスを改質器の燃焼室に供給する燃料電池発電設備であって、
燃料電池のカソード排ガスを改質器の燃焼室に全量供給するように構成するとともに、
前記改質器と燃料電池を収納する圧力容器と、改質器の燃焼排ガスの一部をタービン圧縮機のタービンに導入する排ガス導入ラインと、燃焼排ガスの残部とタービン圧縮機による加圧空気との混合ガスを燃料電池のカソード側に供給する循環ラインと、を備え、
前記圧力容器を貫通する配管は、前記循環ラインと、改質器から燃焼排ガスを導出する燃焼排ガスラインと、改質器の改質室に燃料ガスを供給する燃料ガスラインのみとした、ことを特徴とする燃料電池発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電池発電設備に関する。
【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２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として改質器の燃焼室Ｃｏに供給される。改質器１０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）がカソード排ガスにより燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し改質室の燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は空気予熱器１３ｂで加圧空気６により冷却された後、低温ブロア１７ｃで加圧され、空気予熱器１３ｂで予熱された加圧空気６と合流してカソードガス３に供給される。低温ブロア１７ｃは、改質器で発生したＣＯ２  ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用することからＣＯ２  リサイクルブロアとも呼ばれる。
【０００３】
燃料電池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１７ｂにより燃料電池の上流側に一部が循環され、残りの一部７ａは改質器に燃焼用空気として供給され、残り７ｂはタービン圧縮機１２で圧力を回収され、排熱回収装置１９による熱回収後に系外に排出される。なお、図２において、１３ａは燃料予熱器、１４は脱硫器、１５は逆止弁、１６は加熱器、１７ｄは空気ブロア、１８は熱風発生炉である。
【０００４】
しかし、図２に示した従来の燃料電池発電設備では、ＣＯ２  リサイクルブロア（低温ブロア１７ｃ）の入口に空気予熱器１３ｂを設置してブロア入口温度を下げ、かつ電池入口温度を適正温度（約５８０℃）に保持していため、空気予熱器１３ｂの入口温度差が大きく（例えば７５０℃以上）、熱交換器（空気予熱器１３ｂ）の運転条件が厳しく、装置が大型化する問題点があった。
【０００５】
そこで、本願発明者は、図３に示す燃料電池発電設備を創案し、先に出願した（特願平７−２５０７２４号、未公開）。この燃料電池発電設備は、改質器１０の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード側３に供給するようになっており、カソード側に供給する低温の加圧空気６と高温の燃焼排ガス５とを直接混合するガス混合器２０と、混合され低温化した混合ガスを加圧する低温ブロア２１と、加圧された混合ガスを燃料電池のカソード側に供給する循環ライン２２と、を備えている。循環ライン２２には、カソードガス３の逆流を防止する逆止弁２３が設けられている。
【０００６】
上述した構成により、ガス混合器２０によりカソード側３に供給する低温（例えば約２０℃）の加圧空気６と高温（例えば約７７０℃）の燃焼排ガス５とを直接混合するので、この混合により、混合ガスの温度を低温（例えば約６００℃）にすることができる。また、このガス混合器２０は２つの流体を直接混合させるので、許容温度差の大きいものを、簡単な構造で、小型かつ安価に製造することができる。従って、シェル・アンド・チューブ形熱交換器のような大型の熱交換器を用いることなく、ＣＯ２  リサイクルブロア（低温ブロア２１）の入口温度を下げることができるようになった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電設備では、装置の小型化、発電効率の上昇、及びコストダウンが大きな課題である。図２及び図３に示した燃料電池発電設備では、改質器１０と燃料電池１１が別々に設置されているため、設備が大型化し、かつその間を結ぶ高温配管からの放熱により発電効率が低下する問題点があった。そのため、図２及び図３で破線で囲む部分を同一の圧力容器内に設置し、好ましくは改質器１０と燃料電池１１を一体化して、装置の小型化、発電効率の上昇、及びコストダウンを図ることが望まれていた。
【０００８】
しかし、図２及び図３から明らかなように、改質器１０と燃料電池１１を同一の圧力容器内に設置しても、燃料電池１１のカソード排ガス７は、改質器１０の燃焼室へ導かれるライン７ａ、タービン圧縮機１２のタービンへ導かれるライン７ｂ、及び燃料電池１１のカソードガス３へ再循環されるライン７ｃの３本に分岐し、この３本のラインのうち２本７ｂ，７ｃは、圧力容器を貫通して外部に取り出す必要があるため、圧力容器が複雑化するばかりでなく、約７５０℃前後に達する２本の高温ライン７ｂ，７ｃからの放熱ロスが低減できない問題点があった。
【０００９】
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、比較的簡単な構造の圧力容器により改質器と燃料電池を収納することができ、かつ高温配管からの放熱ロスを大幅に低減することができる燃料電池発電設備を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池のカソード排ガスを改質器の燃焼室に供給する燃料電池発電設備であって、燃料電池のカソード排ガスを改質器の燃焼室に全量供給するように構成するとともに、前記改質器と燃料電池を収納する圧力容器と、改質器の燃焼排ガスの一部をタービン圧縮機のタービンに導入する排ガス導入ラインと、燃焼排ガスの残部とタービン圧縮機による加圧空気との混合ガスを燃料電池のカソード側に供給する循環ラインと、を備え、前記圧力容器を貫通する配管は、前記循環ラインと、改質器から燃焼排ガスを導出する燃焼排ガスラインと、改質器の改質室に燃料ガスを供給する燃料ガスラインのみとした、ことを特徴とする燃焼電池発電設備が提供される。
【００１１】
本発明のこの構成によれば、燃料電池のカソード排ガスはその全量が、改質器の燃焼室へ導かれ、タービン圧縮機のタービンへは排ガス導入ラインから改質器の燃焼排ガスの一部が導入され、燃料電池のカソードガスへはカソード排ガスの代わりに燃焼排ガスの残部とタービン圧縮機による加圧空気との混合ガスが供給される。カソード排ガスと燃焼排ガスは、温度及び圧力がほぼ同一であるので、この構成によりタービン圧縮機の性能を保持することができる。また、カソード排ガスと燃料電池への混合ガスは、温度及び圧力がわずかに異なるが、温度は加熱器１６，圧力は低温ブロア２１により自由に調節することができる。従って、上記構成により、タービン圧縮機及び燃料電池の性能を保持したまま、カソード排ガスの上述した２本の高温ライン７ｂ，７ｃをなくすことができ、改質器と燃料電池を収納する圧力容器を備える場合に、比較的簡単な構造の圧力容器により改質器と燃料電池を収納することができ、かつ高温配管からの放熱ロスを大幅に低減することができる。
【００１２】
【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発電設備の全体構成図である。この図において、本発明の燃料電池発電設備は、改質器１０の燃焼排ガス５の一部５ａをタービン圧縮機１２のタービンに導入する排ガス導入ライン２４と、燃焼排ガス５の残部５ｂとタービン圧縮機１２による加圧空気６との混合ガスを燃料電池１１のカソード側に供給する循環ライン２６と、を備えている。また、この燃料電池発電設備は、燃料電池のカソード排ガスを改質器の燃焼室に全量供給するように構成されている。
【００１３】
排ガス導入ライン２４には、逆止弁２４ａが設置され、排ガスの逆流を防止している。また、熱風発生炉１８から供給された高温ガスは、加熱器１６を通過後に排ガス導入ライン２４に合流するようになっている。カソード排ガス７と燃焼排ガス５は、温度及び圧力がほぼ同一であるので、この構成によりタービン圧縮機１２の性能を保持することができる。
【００１４】
循環ライン２６には、図３に示した混合器２０と低温ブロア２１が設置され、燃料電池１１からのカソード循環ライン７ｃと高温ブロア１７ｂが廃されている。また、低温ブロア２１の流量は、従来の低温ブロアの流量にカソード循環ガス７ｃの流量を加えた大流量に設定されている。この構成により、カソード排ガス７と混合ガスは、温度及び圧力がわずかに異なるが、温度は加熱器１６，圧力は低温ブロア２１により自由に調節することができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池発電設備は更に、改質器１０と燃料電池１１を収納する圧力容器２８を備えている。図１から明らかなように、改質器１０と燃料電池１１を同一の圧力容器２８内に設置すると、燃料電池１１のカソード排ガス７は、改質器１０の燃焼室へ導かれるライン（従来のライン７ａ）だけであり、従来のライン７ｂ，７ｃが廃されている。そのため、圧力容器を貫通して外部に取り出す部分は全体で５ヵ所から３ヵ所（小丸で示す）になり、約７５０℃前後に達する従来の２本の高温ライン７ｂ，７ｃからの放熱ロスを実質的になくすことができる。つまり、圧力容器を貫通する配管は、循環ライン２６と、改質器から燃焼排ガスを導出する燃焼排ガスライン３１と、改質器の改質室に燃料ガスを供給する燃料ガスライン３２のみとなる。
【００１６】
すなわち、上述した本発明によれば、タービン圧縮機及び燃料電池の性能を保持したまま、カソード排ガスの上述した２本の高温ライン７ｂ，７ｃをなくすことができ、改質器と燃料電池を収納する圧力容器を備える場合に、比較的簡単な構造の圧力容器により改質器と燃料電池を収納することができ、かつ高温配管からの放熱ロスを大幅に低減することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池発電設備は、比較的簡単な構造の圧力容器により改質器と燃料電池を収納することができ、かつ高温配管からの放熱ロスを大幅に低減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発電設備の全体構成図である。
【図２】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図３】本願発明者による先の出願にかかわる燃料電池発電設備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  水蒸気
１０  改質器
１１  燃料電池
１２  タービン圧縮機
１３ａ  燃料予熱器
１３ｂ  空気予熱器
１４  脱硫器
１５  逆止弁
１６  加熱器
１７ａ  燃料ブロア
１７ｂ  高温ブロア
１７ｃ  低温ブロア
１７ｄ  空気ブロア
１８  熱風発生炉
１９  排熱回収装置
２０  ガス混合器
２１  低温ブロア
２２  循環ライン
２３  逆止弁
２４  排ガス導入ライン
２４ａ 逆止弁
２６ 循環ライン
２８ 圧力容器
３１  燃焼排ガスライン
３２  燃料ガスライン
【図２】
0003601734.tif 000002
【図３】
0003601734.tif 000003
【図１】
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