(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードからなり酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃料電池と、アノードから排出されるアノード排ガスとカソードから排出されるカソード排ガスを燃焼し、その熱で水蒸気を含む燃料ガスを改質しアノードガスとしてアノードに供給する改質器と、アノード排ガスを改質器に供給するアノード排ガスラインと、カソード排ガスを改質器に供給するカソード排ガスラインと、カソード排ガスを供給されカソード排ガスのエネルギを再利用する排熱利用ラインと、を備え、前記排熱利用ラインには遮断弁が設けられ、緊急停止時燃料ガスの供給が遮断されると前記遮断弁を閉とし排熱利用ラインへ送られるカソード排ガスを改質器へ送るようにしたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記排熱利用ラインには、空気圧縮機を駆動するタービンが設けられ、前記遮断弁はタービン入側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記排熱利用ラインには、空気圧縮機を駆動するタービンと、このタービンの出側にタービン排ガスにより蒸気を発生する蒸気発生器とが接続され、前記遮断弁は蒸気発生器の排ガス放出部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、緊急停止時に発生する未燃焼アノード排ガスを減少させる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３は都市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、蒸気と混合した燃料ガス（都市ガス）を水素を含むアノードガスに改質する改質器２２と、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２０とを備えており、改質器２２で作られるアノードガスはアノードガスライン２により燃料電池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となり、アノード排ガスライン４により燃焼用ガスとして改質器２２の燃焼室へ供給される。
【０００４】
改質器２２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）を燃焼室で燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより改質室を加熱し、改質室で改質触媒により燃料ガスを改質してアノードガスとする。アノードガスは燃料予熱器２４によって燃料ガスライン１を流れる蒸気と混合した燃料ガスと熱交換し、冷却された後燃料電池２０のアノードに供給される。また燃焼室を出た燃焼排ガスは燃焼排ガスライン７で空気予熱器２６により冷却された後、凝縮器４４、気水分離器４６を通り水分を除去され、低温ブロワ３４で加圧され、空気ライン８からの空気と合流して空気予熱器２６で加熱されカソードガスとなる。
【０００５】
このカソードガスはカソードを循環する循環ライン３に入り燃料電池２０内で反応して高温のカソード排ガスとなり、一部は循環ライン３に戻って循環し、他の一部はカソード排ガスライン５により改質器２２の燃焼室へ供給され、残部は排熱利用ライン６で空気を圧縮するタービン圧縮機２８で動力を回収した後、さらに排熱回収蒸気発生装置３０で熱エネルギを回収して系外に排出される。カソード排ガスライン５には高温用の逆止弁Ｄが設けられ、燃焼室からアノード排ガスがカソードに逆流するのを防止している。なお、この排熱回収蒸気発生装置３０で発生した蒸気が蒸気ライン９により燃料ガスライン１に入り、燃料ガスと混合して改質器２２に送られる。
【０００６】
燃料電池発電装置停止時、機器や配管内に窒素ガスを充填する窒素ライン１０が燃料ガスライン１に接続されている。また燃焼排ガスライン７の低温ブロワ３４入側には排ガス処理ライン１１が接続され、燃料電池発電装置停止時、燃焼室から排出される未燃焼排ガスを排ガス処理部５０で完全に燃焼させた後、大気に放出している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
緊急停止時、燃料ブロワ３２が停止し、燃料ライン１の遮断弁Ｅが閉となり、窒素ライン１０の遮断弁Ｆが開、排ガス処理ライン１１の遮断弁Ｃを開とする。カソード排ガスはカソード排ガスライン５と排熱利用ライン６から引き続き排出されている。アノードガスは窒素ライン１０からの窒素パージにより改質器２２、アノード、燃焼室を通り、燃焼排ガスライン７の低温ブロワ３４の入側より排ガス処理ライン１１に入り排ガス処理部５０へ送られる。緊急停止時カソード側の圧力がアノード側に先行して低下するため、改質器２２の燃焼室に酸素を含むカソード排ガスが十分供給されず、燃焼室に供給されたアノード排ガスは十分燃焼されない状態で排ガス処理部５０に送られる。このため排ガス処理部５０の容量が大きくなり設備費や運転費が嵩むという問題があった。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたもので、緊急停止時における改質器の燃焼室でのアノード排ガスの燃焼を十分に行い、排ガス処理部の容量を小さくし、さらにはこれを廃止できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【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、カソードとアノードからなり酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃料電池と、アノードから排出されるアノード排ガスとカソードから排出されるカソード排ガスを燃焼し、その熱で水蒸気を含む燃料ガスを改質しアノードガスとしてアノードに供給する改質器と、アノード排ガスを改質器に供給するアノード排ガスラインと、カソード排ガスを改質器に供給するカソード排ガスラインと、カソード排ガスを供給されカソード排ガスのエネルギを再利用する排熱利用ラインと、を備え、前記排熱利用ラインには遮断弁が設けられ、緊急停止時燃料ガスの供給が遮断されると前記遮断弁を閉とし排熱利用ラインへ送られるカソード排ガスを改質器に送るようにしたものである。
【００１０】
緊急停止されると燃料ガスが遮断され、窒素ガスが注入されるが配管や改質器内のアノードガスはアノードでアノード排ガスとなり、アノード排ガスライン内のアノード排ガスとともに改質器の燃焼室に送られてくる。これらはカソード排ガス中の酸素により燃焼するが、緊急停止するとカソード側の圧力がアノード側に先行して低下するため、燃焼室へのカソード排ガスの供給が低下しアノード排ガスの未燃焼ガスが発生する。そこで緊急停止時に排熱利用ラインの遮断弁を閉とすることにより燃焼室に燃焼に十分なカソード排ガスを送ることができる。アノード排ガスを完全に燃焼できればこの燃焼ガスを大気に放出することができるので、排ガス処理部の容量を少なくでき、さらに排ガス処理部を廃止することも可能となる。
【００１１】
請求項２の発明では、前記排熱利用ラインには、空気圧縮機を駆動するタービンが設けられ、前記遮断弁はタービン入側に設けられている。
【００１２】
遮断弁をタービン入側に設けることにより排熱利用ラインへのカソード排ガスの流入は阻止され燃焼室へ流入するようになる。
【００１３】
請求項３の発明では、前記排熱利用ラインには、空気圧縮機を駆動するタービンと、このタービンの出側にタービン排ガスにより蒸気を発生する蒸気発生器とが接続され、前記遮断弁は蒸気発生器の排ガス放出部に設けられている。
【００１４】
遮断弁を蒸気発生器の排ガス放出部に設けても排ガス利用ラインへのカソード排ガスの流入を遮断することができる。タービン入側のカソード排ガス温度は高温なので、遮断弁も高温仕様とする必要があるが、蒸気発生器の排ガス放出部の排ガスの温度は低下しているので低温仕様の遮断弁でよく経済的である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態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３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、蒸気を含む燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器２２と、アノードガスと酸素および二酸化炭素を含むカソードガス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は、アノード排ガスライン４により改質器２２の燃焼室に供給され、カソード排ガスの一部と共に燃焼し、その燃焼排ガスが燃焼排ガスライン７と循環ライン３を経て燃料電池２０のカソードへ二酸化炭素と酸素を含むカソードガスとして供給される。
【００１６】
天然ガスを成分とする都市ガスは燃料ガスライン１の燃料ブロワ３２で加圧され、脱硫器４０で脱硫され遮断弁Ｅを通り蒸気ライン９からの蒸気と混合し、燃料予熱器２４で予熱されて改質器２２の改質室に入る。発電停止時装置内部を窒素ガスで置換する窒素ライン１０が遮断弁Ｆを介して燃料ガスライン１の遮断弁Ｅの出側に接続されている。改質器２２は、燃料電池２０から排出されるアノード排ガスとカソード排ガスを燃焼する燃焼室と、燃焼室からの伝熱により蒸気を含む燃料ガスを改質しアノードガスを発生する改質室とからなる。燃焼室には十分な燃焼が行われるよう燃焼触媒が充填され、改質室には燃料ガスを水素を主体とするアノードガスに改質するための改質触媒が充填されている。
【００１７】
改質室より生成されたアノードガスはアノードガスライン２により燃料予熱器２４で燃料ガスを加熱した後、燃料電池２０のアノードに供給される。燃料電池２０のカソードには循環ライン３が接続され酸素と二酸化炭素を含むカソードガスを供給する。燃料電池２０はアノードガスとカソードガスを供給され発電を行う。アノードでの反応により蒸気と未燃焼成分を含むアノード排ガスが排出され、アノード排ガスライン４により燃焼室に供給される。カソードでの反応により生成さたカソード排ガスは、一部は循環ライン３に戻って循環し、他の一部はカソード排ガスライン５により燃焼室に供給され、残部は排熱利用ライン６に供給される。
【００１８】
循環ライン３にはカソードガスを循環させる高温ブロワ３６と、燃料電池起動時カソードガスを加熱する起動用加熱器４２が設けられ、起動用加熱器４２は熱風発生炉５２から発生する熱風により加熱される。アノード排ガスライン４にはオリフィス４８が設けられカソードとアノード間の差圧を調整している。
【００１９】
改質器２２の燃焼室には燃料電池２０のアノード排ガスとカソード排ガスが供給される。燃料電池の燃料利用率は８０％程度なので、アノード排ガスには２０％程度の燃料成分が含まれている。カソード排ガスには燃焼に必要な酸素が含まれている。燃焼室からの燃焼排ガスには炭酸ガスが含まれ、これはカソードでの電池反応に必要なので、燃焼排ガスライン７と循環ライン３を経てカソードへ供給される。
【００２０】
改質器２２の燃焼室からは燃焼排ガスが燃焼排ガスライン７に排出される。燃焼排ガスライン７に入った燃焼排ガスは空気予熱器２６で冷却され、凝縮器４４と気水分離器４６で水分を除去され低温ブロワ３４により加圧され、空気ライン８と合流して空気を供給され、空気予熱器２６で加熱されて循環ライン３にカソードガスとして供給される。
【００２１】
カソード排ガスの一部は排熱利用ライン６へ供給され、タービン圧縮機２８のタービンを駆動した後、排熱回収蒸気発生装置３０へ供給される。排熱回収蒸気発生装置３０では給水をタービン圧縮機２８のタービンを駆動したカソード排ガスにより蒸気とし、蒸気ライン９により燃料ガスライン１に供給する。排熱回収蒸気発生装置３０の排ガスは大気放出される。排熱利用ライン６のタービン入側に遮断弁Ａが設けられている。遮断弁Ａはタービン入側なので高温となり高温仕様の弁とする必要がある。タービン圧縮機２８で圧縮された空気は空気ライン８で空気ブロワ３８で加圧されて低温ブロワ３４の出側へ流入する。
【００２２】
低温ブロワ３４の入側には排ガス処理ライン１１が接続され、遮断弁Ｃを介して排ガス処理部５０に接続されている。本発明の装置では緊急停止時、改質器２２の燃焼室からはほぼ完全に燃焼した燃焼排ガスが排出されるので、排ガス処理部５０の容量は小さくてもよく、排ガス処理ライン１１と排ガス処理部５０の廃止も可能である。
【００２３】
次に緊急停止時の動作について説明する。緊急停止指令が出されると燃料ガスライン１の遮断弁Ｅを閉とし、窒素ライン１０の遮断弁Ｆを開として窒素ガスの注入が開始される。それとともに排熱利用ライン６の遮断弁Ａを閉とし、排ガス処理ライン１１の遮断弁Ｃを開とする。これにより燃料ガスライン１と改質室内に残存する燃料ガスはアノードガスになり、アノードガスライン２内とアノード内のアードガスとともにアノードでアノード排ガスとなってアノード排ガスライン４により燃焼室に送り込まれる。
【００２４】
緊急停止時はカソード側の圧力はアノード側の圧力に先行して低下するが、排熱利用ライン６へのカソード排ガスの供給が遮断され、カソード排ガスライン５に供給されるため、アノード排ガスを燃焼させるのに十分な量のアノード排ガスが供給されるので、装置内に残存するアノード排ガスは完全に燃焼して燃焼排ガスライン７より排ガス処理ライン１１へ送られる。これにより排ガス処理部５０ではほとんど燃焼処理を行うことなく大気に排出できるので、排ガス処理能力を小さくすることができる。また、カソード排ガスは排熱利用ライン６へ供給される分までカソード排ガスライン５を通って供給されるので、燃焼室からカソードへのアノード排ガスの逆流は発生しなくなり、図３に示すようにカソード排ガスライン５に設置していた逆止弁Ｄを削除することができる。
【００２５】
次に第２実施形態を説明する。図２は第２実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１実施形態が排熱利用ラインのタービン入側に遮断弁Ａを設けたのに対し、排熱回収蒸気発生装置３０の排ガス出側に遮断弁Ｂを設けた点が相違し、他は同じである。緊急停止時には遮断弁Ｂを閉とすることにより第１実施形態と同様の作用をする。なお、遮断弁Ｂは排熱回収蒸気発生装置３０の出側にあるので排ガスは低温であり、低温仕様の弁でよいので経済的には遮断弁Ａを設けるよりも遮断弁Ｂを設ける方がよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、排熱利用ラインに遮断弁を設け、緊急停止時排熱利用ラインに流れるカソード排ガスを燃焼室に流すようにしたので、アノード排ガスをほぼ完全に燃焼させることができるため、排ガス処理部の容量を小さくすることができる。またカソード排ガスラインの高温仕様の逆止弁を廃止することができる。またアノードとカソード間の差圧調整が容易になり、アノード排ガスラインに設けたオリフィス４８の設計が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【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  燃料ガスライン
２  アノードガスライン
３  循環ライン
４  アノード排ガスライン
５  カソード排ガスライン
６  排熱利用ライン
７  燃焼排ガスライン
８  空気ライン
９  蒸気ライン
１０  窒素ライン
１１  排ガス処理ライン
２０  燃料電池
２２  改質器
２４  燃料予熱器
２６  空気予熱器
２８  タービン圧縮機
３０  排熱回収蒸気発生装置
３２  燃料ブロワ
３４  低温ブロワ
３６  高温ブロワ
３８  空気ブロワ
４０  脱硫器
４２  起動用加熱器
４４  凝縮器
４６  気水分離器
４８  オリフィス
５０  排ガス処理部
５２  熱風発生炉
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ  遮断弁
Ｄ    逆止弁
【図１】
0003573239.tif 000002
【図２】
0003573239.tif 000003
【図３】
0003573239.tif 000004