(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、圧力容器に充填されるガスを有効利用し、設置面積の縮小や設備コストの低減を可能とする。【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０が収容され内部に窒素ガスＮ２が充填される圧力容器３０と、を有する燃料電池システム１において、圧力容器３０から排出される窒素ガスＮ２を、燃料電池１０のカソード１１に供給される酸化剤を含む物質（空気等）と熱交換器５１において熱交換させて冷却した後、圧力容器３０に還流させるようにする。また圧力容器３０に還流させる窒素ガスＮ２に、当該窒素ガスＮ２よりも低温の、液体窒素タンク３２及び気化器３１から供給される窒素ガスＮ２を混合するようにする。また圧力容器３０に還流させる窒素ガスＮ２は、昇圧して圧力容器３０に還流させるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池が収容され内部にガスが充填される圧力容器と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記圧力容器から排出される前記ガスを、前記燃料電池のカソードに供給される物質と熱交換させて冷却した後、前記圧力容器に前記ガスとして還流させるようにしたこと
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力容器に還流させる前記ガスに、当該ガスよりも低温の前記ガスと同質のガスを混合するようにしたこと
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力容器に還流させる前記ガスを昇圧して前記圧力容器に還流させるようにしたこと
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力容器に、前記燃料電池のアノードに供給する燃料を予熱する燃料予熱器と、前記燃料を改質する改質器とがさらに収容されていること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記物質は酸化剤を含み、前記ガスは窒素ガスであること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と、前記燃料電池が収容され内部にガスが充填される圧力容器と、を有する燃料電池システムにおける燃料電池加圧方法であって、
前記圧力容器から排出される前記ガスを、前記燃料電池のカソードに供給される物質と熱交換させて冷却した後、前記圧力容器に前記ガスとして還流させるようにすること
を特徴とする燃料電池加圧方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池加圧方法に関し、とくに圧力容器に充填されるガスを有効に利用し、燃料電池システムの設置面積の縮小や設備コストの低減を可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC :Molten Carbonate Fuel Cell）は、運転温度が約６５０℃と高温なため発電効率が高く、装置規模に自由度があり、高温の排熱を有効利用できるといった種々の特徴を有している。
【０００３】
溶融炭酸塩形燃料電池の一例として、特許文献１には、筐体の内部に機器載置用の架台を設置し、燃料電池と、プレート形とした改質器と、プレートフィン形とした天然ガス予熱器とを、筐体の内部に収納し、架台を利用して上下位置に配置し、且つ、上記燃料電池と改質器と天然ガス予熱器を配管にて接続してなる天然ガスを燃料とする、溶融炭酸塩形燃料電池発電装置が開示されている。
【０００４】
また特許文献２には、燃料電池、改質器よび改質器用の燃焼器を同一の格納容器に格納し、格納容器に加圧空気を導入し、格納容器内を介して燃料電池のカソード入口に空気を導入する構成からなる燃料電池発電設備が開示されている。
【特許文献１】特開平４−１９９６７号公報
【特許文献２】特開平９−３２４９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図２に融炭酸塩形燃料電池システム１の一例を示している。同図に示すように、この融炭酸塩形燃料電池システム１では、発電効率を高めるべく、燃料電池１０や改質器１５を、昇圧したガス（例えば窒素ガスＮ２）が充填された圧力容器３０に格納している（なお、上述の特許文献１では圧力容器３０は筐体に対応し、特許文献２では格納容器に相当する）。
【０００６】
ここで圧力容器３０に充填される上記ガスは、圧力容器３０の内部を昇圧する役割とともに、発電反応による圧力容器３０内の温度上昇を抑えて燃料電池１０周辺の温度を一定に保つ役割も果たしている。このため、この溶融炭酸塩形燃料電池システム１では、燃料電池１０等から放出される熱を吸収して昇温した圧力容器３０内のガスを適宜外部から供給される低温のガスに入れ替える必要がある。従って、燃料電池１０の運転時に大量のガスが必要となり、とくに大規模なシステムではランニングコストが増大する。また大規模システムではガスを保管しておくためのタンクや気化器等の設備規模が大きくなり、設置面積や設備コストが増大する。
【０００７】
本発明はこのような背景に鑑みてなされたもので、圧力容器に充填されるガスを有効に利用し、燃料電池システムの設置面積の縮小や設備コストの低減が可能な燃料電池システム及び燃料電池加圧方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池が収容され内部にガスが充填される圧力容器と、を有する燃料電池システムにおいて、前記圧力容器から排出される前記ガスを、前記燃料電池のカソードに供給される物質と熱交換させて冷却した後、前記圧力容器に前記ガスとして還流させるようにしたこととする。
【０００９】
本発明によれば、圧力容器から排出されるガスはカソードに供給される物質との熱交換により冷却された後、圧力容器に還流されて再利用される。このため、圧力容器に充填されるガスを有効利用することができ、ランニングコストを抑えることができる。またガスの冷却を燃料電池のカソードに供給される物質との熱交換により行うようにしているので、還流されるガスを冷却するために特別な装置やエネルギーを必要とせず、効率よくガスを冷却することができる。
【００１０】
本発明のうち請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記圧力容器に還流させる前記ガスに、当該ガスよりも低温の前記ガスと同質のガスを混合するようにしたこととする。
【００１１】
本発明によれば、圧力容器から排出されるガスのうち、回収できなかった分のガスを補充することができる。また低温のガスを混合することで、圧力容器から回収したガスを効率よく冷却することができる。
【００１２】
本発明のうち請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記圧力容器に還流させる前記ガスを昇圧して前記圧力容器に還流させるようにしたこととする。
【００１３】
このように、昇圧器等により昇圧した後に圧力容器にガスを還流させるようにすることで、圧力容器内の圧力を変化させることなく、ガスを圧力容器に還流させることができる。
【００１４】
本発明のうち請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記圧力容器に、前記燃料電池のアノードに供給する燃料を予熱する燃料予熱器と、前記燃料を改質する改質器とがさらに収容されていることとする。
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池システムであり、この場合、圧力容器には、前記燃料電池のアノードに供給する燃料を予熱する燃料予熱器と、前記燃料を改質する改質器とがさらに収容される。
【００１６】
本発明のうち請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記物質は酸化剤を含み、前記ガスは窒素ガスであることとする。
【００１７】
本発明のうち請求項６に記載の発明は、燃料電池と、前記燃料電池が収容され内部にガスが充填される圧力容器と、を有する燃料電池システムにおける燃料電池加圧方法であって、前記圧力容器から排出される前記ガスを、前記燃料電池のカソードに供給される物質と熱交換させて冷却した後、前記圧力容器に前記ガスとして還流させるようにする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧力容器に充填されるガスを有効利用し、燃料電池システムの設置面積の縮小や設備コストの低減が可能な燃料電池システム及び燃料電池加圧方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態につき詳細に説明する。図１に本発明の一実施形態として説明する溶融炭酸塩形燃料電池システム１の概略的な構成を示している。同図において、溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell）(以下、燃料電池１０と略記する。）のカソード１１には、循環ブロワ１３によって、酸化剤としての空気（二酸化炭素ＣＯ２及び酸素Ｏ２を含む）が供給される。
【００２０】
カソード１１では、二酸化炭素ＣＯ２と酸素Ｏ２とが反応し、炭酸イオン（ＣＯ３２−）が生成される。生成された炭酸イオン（ＣＯ３２−）は電解質を通ってアノード１２に移動する。
【００２１】
アノード１２では、炭酸イオン（ＣＯ３２−）と水素Ｈ２とが反応して二酸化炭素ＣＯ２と水Ｈ２Ｏが生成される。以上の過程において、カソード１１では電子（２ｅ−）が吸収され、アノードでは電子（２ｅ−）が放出され、これにより生じる電流が負荷に供給される。
【００２２】
脱硫処理が施された後の燃料（天然ガスや石炭ガス等）は、燃料予熱器１４に導入され、燃料は燃料予熱器１４で予熱された後、改質器１５の改質室１５１で水素Ｈ２を含んだアノードガスに改質される。そして生成したアノードガスは、燃料予熱器１４で冷却された後、アノード１２に供給される。
【００２３】
カソード１１から排出される未反応ガスの一部、及びアノード１２から排出されるガスは、触媒燃焼器１６に導かれてここで燃焼して高温ガスとなる。またこの高温ガスは、改質器１５の加熱室１５２に導入されて改質室１５１を加熱した後、循環ブロワ１３に還流される。
【００２４】
カソード１１から排出される未反応ガスの他の一部は、外部燃焼器１７に導かれる。ここでこの未反応ガスは、燃料電池１０の内部を通過することにより高温となっているため、ガスタービン１８のタービン１８１に供給されてタービン１８１の動力源となり、カソード１１に供給される空気を搬送している圧縮器１８２及び発電機１９はこの動力源によって動作する。
【００２５】
なお、後述するように、圧縮器１８２によって搬送させる空気は熱交換器５１に導入されて圧力容器３０の内部に充填される窒素ガススＮ２の冷却に利用された後、カソード１１に供給される。  
一方、ガスタービン１８から排出される排ガスは、排熱回収ボイラ２０において水と熱交換された後、さらに気水分離器２１で水分が除去され、その後、外部に放出される。また気水分離器２１で回収された水分は、排熱回収ボイラ２０に導入され、ここで熱交換されて水蒸気とされた後、改質用蒸気として燃料とともに燃料予熱器１４に導入される。
【００２６】
ここで図１に示しているように、本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池システム１では、燃料電池１０、燃料予熱器１４、改質器１５、及び触媒燃焼器１６が、窒素ガスＮ２が充填された圧力容器３０に収容されている。なお、圧力容器３０充填される窒素ガスＮ２は、液体窒素タンク３２から気化器３１を介して供給される。そして、圧力容器３０から排出される窒素ガスＮ２の一部は、熱交換器５１において圧縮器１８２によって搬送されてくる空気（酸化剤）と熱交換されて冷却され、その後、昇圧器５２で昇圧され、再び圧力容器３０に還流される。
【００２７】
このように、本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池システム１においては、窒素ガスＮ２が循環的に再利用されるため、圧力容器３０に充填される窒素ガスＮ２の有効利用が図られる。また前述したように、圧力容器３０に充填される窒素ガスＮ２は、圧力容器３０内部の温度上昇を抑え、燃料電池１０周辺の温度を一定に保つ役割も果たしている。ここで窒素ガスＮ２を循環的に再利用するには、圧力容器３０に戻す前に、圧力容器３０で昇温された窒素ガスＮ２を冷却する必要があるが、本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池システム１では、この冷却をカソードに酸化剤として供給される空気との熱交換により行っている。このため、窒素ガスＮ２の冷却のために特別な装置やエネルギーを必要とせず、窒素ガスＮ２を効率よく冷却することができる。
【００２８】
また本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池システム１においては、圧力容器３０から排出される窒素ガスＮ２のうち、回収できなかった分の窒素ガスＮ２を、圧力容器３０に還流されるガスに混合することにより補給するようにしている。
【００２９】
ここで液体窒素タンク３２から供給される窒素ガスＮ２は、気化器３１により気化された直後の低温の状態であるので、混合により圧力容器３０から回収された窒素ガスＮ２が冷却されることになる。
【００３０】
以上の構成からなる３００ｋＷ級の溶融炭酸塩形燃料電池システム１について行った熱量計算の結果を表１に示す。
【表１】
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【００３１】
表１において、（１）は圧力容器３０から排出される窒素ガスＮ２の温度及び流量、（２）は熱交換器５１に流入する窒素ガスＮ２の温度及び流量、（３）は熱交換器５１から流出する窒素ガスＮ２の温度及び流量、（４）は圧力容器３０に流入する窒素ガスＮ２の温度及び流量、（５）は気化器３１を介して液体窒素タンク３２から供給される窒素ガスＮ２の温度及び流量である。また（６）は圧縮器１８２によって搬送されて熱交換器５１に導入される空気（酸化剤）の温度及び流量、（７）は熱交換器５１から流出する空気（酸化剤）の温度及び流量である。
【００３２】
表１に示すように、圧力容器３０から排出される窒素ガスＮ２の温度は３７５．０℃であるが、熱交換器５１を通過することにより２００℃まで冷却され、さらに気化器３１を介して液体窒素タンク３２から新たに供給される窒素ガスＮ２と混合されることにより１７５．２℃まで冷却されている。
【００３３】
ここでこの温度は気化器３１を介して液体窒素タンク３２から供給される窒素ガスＮ２の温度（１５℃）に比べて高くなっている。しかし、本発明を実施しない場合と比較して、外部から供給する窒素ガスＮ２（５）は減少できるが、還流する窒素ガスＮ２（２）と混合するため、圧力容器３０に供給する窒素ガスＮ２（４）の総流量が増加し、従って熱容量が増加する。このため、圧力容器３０の内部は目標とする温度以下に保たれ、燃料電池１０の発電効率等に与える影響は殆ど無い。
【００３４】
また圧縮器１８２によって搬送されて熱交換器５１に導入される空気の温度（１４６．２℃）と熱交換器５１から流出する空気（酸化剤）の温度（１５７．５℃）との差が１０℃程あるが、この程度の温度差であれば、燃料電池１０の発電効率等に与える影響は殆ど無い。
【００３５】
以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態として説明する溶融炭酸塩形燃料電池システム１の概略的な構成を示す図である。
【図２】溶融炭酸塩形燃料電池システム１の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池システム
１０  燃料電池
１１  カソード
１２  アノード
１３  循環ブロワ
１４  燃料予熱器
１５  改質器
１５１  改質室
１５２  加熱室
１６  触媒燃焼器
１７  外部燃焼器
１８  ガスタービン
１８１  タービン
１８２  圧縮器
３０  圧力容器
【図１】
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【図２】
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