(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、該燃料電池からのカソード排ガスにより駆動され空気を前記燃料電池に必要な圧力まで加圧するタービン圧縮機と、該タービン圧縮機により加圧された空気を燃料電池上流側のカソートガスに混入させる燃料電池用空気ラインと、前記タービン圧縮機からの空気を改質器の燃焼室に供給する改質器燃焼用空気ラインとを備え、
前記改質器燃焼用空気ラインは前記タービン圧縮機により加圧された空気を更に加圧する空気ブロアを備えたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電装置。
【請求項２】
燃料電池のカソードガス出口側から入口側にガスを循環させる循環ラインにガス加熱器を備えた、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を用い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、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燃料電池発電装置では、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２０とを備えており、改質器で作られたアノードガス２は燃料電池に供給され、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として燃料予熱器２８、ガス／ガス熱交換器２９を経て冷却器２３に入り、セパレータ２５で水分を除去されてブロア２４により改質器１０の燃焼室に供給される。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）が燃焼室内で燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質管を加熱し改質管内を通る燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５はタービン圧縮機３０から供給される加圧空気６と合流してカソードガス３となり、燃料電池のカソード側Ｃに必要な二酸化炭素を供給する。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、カソード循環ブロア２２により燃料電池の上流側に一部が循環され、残りはタービン圧縮機３０で圧力を回収され、排熱回収熱交換器３４で熱を回収されて系外に排出される。
【０００３】
なお、図２で２１は脱硫器、２６は給水ポンプ、３２は補助燃焼器である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の燃料電池発電装置では、加圧空気６は、タービン圧縮機３０の出口Ａから、燃料電池のカソードガス入口Ｂと、改質器１０の燃焼室の両方に供給される。また、改質器１０を出た燃焼排ガス５は、空気予熱器２７を経て、燃料電池のカソードガス入口Ｂに導かれる。従って、タービン圧縮機３０の出口Ａと燃料電池のカソードガス入口Ｂとを直接結ぶ燃料電池用空気ライン６ａと、タービン圧縮機３０の出口Ａから空気予熱器２７、改質器１０を経てＢ点に至るライン（改質器燃焼用空気ライン）との圧力損失は同一となる必要がある。
【０００５】
しかし、改質器１０や空気予熱器２７の圧力損失は比較的大きい（例えば、改質器約０．６ｋｇ／ｃｍ２、空気予熱器約０．１ｋｇ／ｃｍ２）のに対して、空気ライン６ａの圧力損失は配管だけのため小さく、従来の装置では空気ライン６ａに圧損調整用の弁１１を設け、この弁で２つのラインの圧力損失を一致させる必要があった。
【０００６】
すなわち、従来の装置では、燃料電池用と改質器燃焼用の空気を供給するために１台の圧縮機（タービン圧縮機３０）を共用しているため、圧縮機の吐出圧力を圧力損失の大きい（例えば約０．９ｋｇ／ｃｍ２）改質器燃焼用空気ラインに合わせる必要があった。このため燃料電池用空気も必要以上に昇圧することになり、その分余計に圧縮機動力が必要となり、プラントの発電効率が低下していた。
【０００７】
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、圧縮機動力を低減することができ、これにより発電効率を高めることができる燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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、該燃料電池からのカソード排ガスにより駆動され空気を前記燃料電池に必要な圧力まで加圧するタービン圧縮機と、該タービン圧縮機により加圧された空気を燃料電池上流側のカソートガスに混入させる燃料電池用空気ラインと、前記タービン圧縮機からの空気を改質器の燃焼室に供給する改質器燃焼用空気ラインとを備え、前記改質器燃焼用空気ラインは前記タービン圧縮機により加圧された空気を更に加圧する空気ブロアを備えたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電装置が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施例によれば、更に、燃料電池のカソードガス出口側から入口側にガスを循環させる循環ラインにガス加熱器を備えている。
【００１０】
【作用】
上述した本発明の構成によれば、タービン圧縮機の他に、改質器燃焼用空気ラインに別に空気ブロアを備えているので、燃料電池用と改質器燃焼用の空気は、タービン圧縮機によって燃料電池用空気に必要な圧力にだけ昇圧され、燃料電池用空気はそのまま燃料電池へ供給される。また、改質器燃焼用空気は空気ブロアにより更に必要な圧力まで昇圧される。従って、改質器燃焼用空気のみを必要な高圧まで昇圧するので、燃料電池用空気を必要以上に昇圧することがなくなり、タービン圧縮機の必要動力が減り、その結果プラントの発電効率が上昇する。
【００１１】
また、タービン圧縮機を起動させなくても、改質器燃焼用空気を空気ブロアにより単独で供給することができるので、プラント全体の起動時間を短縮することができる。
【００１２】
【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。
図１は、本発明の方法を適用する燃料電池発電装置の全体構成図である。この図において、燃料電池発電装置は、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、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、燃料電池からのカソード排ガス７により駆動され空気６を加圧するタービン圧縮機３０、排熱回収熱交換器３４等を備え、改質器１０で燃料ガス１を改質し、燃料電池２０で発電し、セパレータ２５でアノード排ガス４中の水分を除去し、タービン圧縮機３０でカソード排ガス７の圧力を回収し、排熱回収熱交換器３４で排熱を回収するようになっている。
【００１３】
かかる構成は図２に示した従来の燃料電池発電装置と同様である。なお、図２と共通する部分には同一の符号を付して使用し、重複した説明を省略する。
【００１４】
図１の燃料電池発電装置では、タービン圧縮機３０により加圧された空気を燃料電池上流側のカソートガスに混入させる燃料電池用空気ライン６ａと、この加圧空気を更に加圧する空気ブロア３６と、空気ブロア３６により加圧された空気を改質器１０の燃焼室に供給する改質器燃焼用空気ライン３７とを備えている。図１の実施例において、タービン圧縮機３０による加圧空気の圧力は従来より約１．０ｋｇ／ｃｍ２低い圧力に設定されており、従来必要だった圧損調整用弁１１（図２参照）が廃されている。この構成により、燃料電池用空気を必要以上に昇圧することがなくなり、タービン圧縮機３０の必要動力を大幅に低減することができる。
【００１５】
また、この実施例において、空気ブロア３６による加圧空気の圧力は、従来のタービン圧縮機３０の吐出圧にほぼ等しい約４．２５ｋｇ／ｃｍ２に設定されており、タービン圧縮機３０の出口Ａから空気予熱器２７、改質器１０を経てＢ点に至るライン（改質器燃焼用空気ライン）に必要な圧力と流量の空気を従来と同様に供給することができる。
【００１６】
表１は、従来の発電装置と、本発明による発電装置とを比較したものである。
【００１７】
【表１】
0003582131.tif 000002
【００１８】
表１から明らかなように、本発明によれば、タービン発電機の発電出力が約２０．６ｋＷ増加し、空気ブロアの動力を差し引いても、約１４．４ｋＷの発電量の増加となる。また、これにより、発電端効率及び送電端効率の両方が改善される。なお、上述した実施例に示す数値は、一例にすぎず、運転圧力や発電出力等によって変動することは勿論である。
【００１９】
また、空気ブロア３６をタービン圧縮機３０と別に設置することにより、大型のタービン圧縮機３０を起動させなくても、改質器燃焼用空気を空気ブロア３６により単独で供給することができ、プラント全体の起動時間を短縮することができる。
【００２０】
図１の発電装置は、更に、燃料電池２０のカソードガス出口側から入口側にガスを循環させる循環ラインに循環ガス加熱器３８を備えている。燃料電池発電装置では、部分負荷時に燃料電池出口温度が低下する傾向があり、それをそのまま循環ラインを介して燃料電池の入口側に供給すると、カソード入口を所定の温度とするためには、カソードガスの循環流量が増加し、プラントの定格負荷時よりも循環流量が大きくなってしまう場合がある。
【００２１】
上述した循環ガス加熱器３８により、カソード循環ブロア２２で昇圧されたカソードガスを加熱して、燃料電池に必要な所定温度にすることにより、部分負荷時であってもカソード循環ガス量を減らすことができ、カソード循環ブロア２２の駆動動力を減らすことができる。また、循環ガス加熱器３８でガス温度を設定することにより、カソード循環ガス量を任意に設定できる。更に、カソード循環ブロアの最大容量をプラントの定格負荷に合わせた小さい容量にすることができる。
【００２２】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、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。
【００２３】
【発明の効果】
上述したように本発明の燃料電池発電装置によれば、タービン圧縮機の他に、改質器燃焼用空気ラインに別に空気ブロアを備えているので、燃料電池用と改質器燃焼用の空気は、タービン圧縮機によって燃料電池用空気で必要な分だけ昇圧され、燃料電池用空気はそのまま燃料電池へ供給され、改質器燃焼用空気は空気ブロアにより更に必要な圧力まで昇圧される。従って、改質器燃焼用空気のみを必要な高圧まで昇圧するので、燃料電池用空気を必要以上に昇圧することがなくなり、タービン圧縮機の必要動力が減り、その結果プラントの発電効率が上昇する。また、タービン圧縮機を起動させなくても、改質器燃焼用空気を空気ブロアにより単独で供給することができるので、プラント全体の起動時間を短縮することができる。
【００２４】
すなわち、本発明の燃料電池発電装置は、圧縮機動力を低減することができ、これにより発電効率を高めることができる、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装置の全体構成図である。
【図２】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の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
６ａ  燃料電池用空気ライン
７  カソード排ガス
１０  改質器
１１  圧損調整弁
２０  燃料電池
２１  脱硫器
２２  カソード循環ブロア
２３  冷却器
２４  ブロア
２５  セパレータ
２６  給水ポンプ
２７  空気予熱器
２８  燃料予熱器
２９  ガス／ガス熱交換器
３０  タービン圧縮機
３２  補助燃焼器
３４  排熱回収熱交換器
３６  空気ブロア
３７  改質器燃焼用空気ライン
３８  循環ガス加熱器
【図１】
0003582131.tif 000003
【図２】
0003582131.tif 000004