(57)【要約】【課題】天然ガスなど炭化水素系列の物質を水素に切り替える改質器がスタック内部に組み込まれている内部改質型溶融炭酸塩燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池反応によって電力を生成するスタックと、前記スタックの燃料極に供給される燃料を混合する混合器と、前記混合器と前記スタックとの間に配置されて、前記混合器から前記スタックに供給される燃料を一部改質する初期改質器と、前記スタックの燃料極から排出される排出ガスを燃焼させて、前記スタックの空気極に必要な熱と二酸化炭素を供給する燃焼器と、を含む内部改質型溶融炭酸塩燃料電池発電地において、前記スタックと前記燃焼器間の排出ガスラインから分岐され、前記混合器とスタック間の燃料供給ラインに接続される排出ガス再循環ラインが設けられ、前記スタックの燃料極から反応を終えて排出される排出ガスの一部が、前記混合器と前記スタック間の燃料供給ラインを通る燃料と混合されて前記スタックの燃料極に再流入する構成とした。【選択図】図２
2008060065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池反応によって電力を生成するスタックと、前記スタックの燃料極に供給される燃料を混合する混合器と、前記混合器と前記スタックとの間に配置されて、前記混合器から前記スタックに供給される燃料を一部改質する初期改質器と、前記スタックの燃料極から排出される排出ガスを燃焼させて、前記スタックの空気極に必要な熱と二酸化炭素を供給する燃焼器と、を含む内部改質型溶融炭酸塩燃料電池発電地において、
前記スタックと前記燃焼器との間の排出ガスラインから分岐され、前記混合器とスタックとの間の燃料供給ラインに接続される排出ガス再循環ラインが設けられ、前記スタックの燃料極から反応を終えて排出される排出ガスの一部が前記混合器と前記スタックとの間の燃料供給ラインを通る燃料と混合されて前記スタックの燃料極に再流入することを特徴とする、燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記排出ガス再循環ラインは、前記初期改質器の前の燃料供給ラインに接続されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記排出ガス再循環ラインと前記燃料供給ラインとの接続部には、前記排出ガス再循環ライン側の排出ガスを前記燃料供給ラインに放出するための排出ガス放出器が設置されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記排出ガス放出器はベンチュリ式エジェクタからなり、該ベンチュリ式エジェクタを通る燃料ガスの流速によって排出ガス再循環ラインに生成される負圧により前記排出ガスが前記燃料供給ラインに自動で吸引されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記排出ガス放出器は高温用循環ファンからなり、該高温用循環ファンによって前記排出ガス再循環ラインの排出ガスが前記燃料供給ラインに強制に供給されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガスなど炭化水素系列の物質を水素に切り替える改質器がスタック内部に組み込まれている内部改質型溶融炭酸塩燃料電池に係り、特に、スタックの燃料極から排出される未反応ガスとスチームの一部を、燃料極の燃料として再使用することによって、燃料とスチームの使用量及びその供給系統の規模を減らして経済性を向上させるとともに、発電効率を向上させうる、燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、使用される電解質の種類によって常温〜１００℃以下で作動する高分子電解質型及びアルカリ型燃料電池、１５０〜２００℃付近で作動するリン酸型燃料電池、６００〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩燃料電池、１，０００℃以上の高温で作動する固体酸化燃料電池に分類され、これらの各燃料電池の根本的な原理は等しいが、燃料の種類、運転温度、触媒及び電解質の種類が異なる。
【０００３】
なかでも、溶融炭酸塩燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＭＣＦＣ）は、反応に必要な水素をスタック内部で製造する内部改質型と、反応に必要な水素をスタック外部で製造する外部改質型とに区分される。
【０００４】
内部改質型溶融炭酸塩燃料電池において、燃料極（Ａｎｏｄｅ）に注入される燃料ガスとして天然ガスのような炭化水素化合物が使用されるが、通常、燃料ガスのうち、Ｃ２以上の炭化水素化合物をまず初期改質器（Ｐｒｅ−ｆｏｒｍｅｒ）を用いて水素に切り替えて、全体燃料ガスの水素濃度を２％以上に維持させつつスチームと共にスタックの燃料極に注入することによって、スタック内で起こる水蒸気改質反応を促進する。
【０００５】
このような内部改質型溶融炭酸塩電池を用いた従来の発電装置を、図１に示す。
【０００６】
図１に示すように、内部改質型溶融炭酸塩燃料電池を用いた発電装置では、天然ガス（ＮＧ）とスチーム（Ｓｔｅａｍ）からなる燃料は、それぞれの供給源から圧送されて混合器３で充分に混合された後、初期改質器２に送られる。このスチームは、注入される炭素の２〜５倍の量が注入される。初期改質器２では炭化水素化合物が一部改質されることによって、水素濃度が３〜２０％に維持される。また、スタック１に注入される燃料の流量は、必要な反応が充分に起きうるようにするために、通常、理論的な反応流量よりも１２０〜１５０％過供給される。
【０００７】
スタック１の燃料電池反応の後に燃料極から排出されるガスは、上記のように過注入された余分の水素、反応後に生成された二酸化炭素（ＣＯ２）及びスチームを含んでいる。かかる燃料極排出ガスは、燃焼器４に注入し水素を燃焼させて必要な熱を回収し、排出ガス中に含まれた二酸化炭素は空気極（Ｃａｔｈｏｄ）に送って反応に利用する。空気極において必要な酸素は空気注入ファン５を通って流入する空気から得られ、この空気は、燃焼器４を通過しつつ必要な温度となる。また、場合によって、空気極から排出されるガスの一部は、空気極循環ファン６を通って再びスタック１の空気極に送られて再使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のように反応を終えてスタック１の燃料極から排出される排出ガスには多量の未反応水素が含まれているにもかかわらず、今までは排出ガスを燃焼器４で燃焼させて空気極に必要な熱と二酸化炭素を供給する用途にのみ使用する実情であった。このため、多量の天然ガスとスチームを供給しなければならず、燃料の無駄使いが多く、天然ガスとスチームを供給するための設備の規模が増加し、結果としてシステム全体の効率も劣化してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、スタックの燃料極から排出される未反応ガスとスチームの一部を燃料極燃料として再使用することによって、燃料とスチームの使用量及びその供給系統の規模を減らして経済性を向上させるとともに、発電効率を向上させうるようにした、燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置は、燃料電池反応によって電力を生成するスタックと、前記スタックの燃料極に供給される燃料を混合する混合器と、前記混合器と前記スタックとの間に配置されて、前記混合器から前記スタックに供給される燃料を一部改質する初期改質器と、前記スタックの燃料極から排出される排出ガスを燃焼させて、前記スタックの空気極に必要な熱と二酸化炭素を供給する燃焼器と、を含む内部改質型溶融炭酸塩燃料電池発電地において、前記スタックと前記燃焼器間の排出ガスラインから分岐され、前記混合器とスタックとの間の燃料供給ラインに接続される排出ガス再循環ラインが設けられ、前記スタックの燃料極から反応を終えて排出される排出ガスの一部が前記混合器と前記スタックとの間の燃料供給ラインを通る燃料と混合されて前記スタックの燃料極に再流入することを特徴とする。
【００１１】
上記の本発明の燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置において、前記排出ガス再循環ラインは、前記初期改質器の前の燃料供給ラインに接続されることが好ましい。
【００１２】
上記の本発明の燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置において、前記排出ガス再循環ラインと前記燃料供給ラインとの接続部には、前記排出ガス再循環ライン側の排出ガスを前記燃料供給ラインに放出するための排出ガス放出器が設置されることが好ましい。
【００１３】
ここで、前記排出ガス放出器はベンチュリ式エジェクタからなり、該ベンチュリ式エジェクタを通る燃料ガスの流速によって排出ガス再循環ラインに生成される負圧により前記排出ガスが前記燃料供給ラインに自動で吸引されるようにすることが好ましい。
【００１４】
一方、前記排出ガス放出器は高温用循環ファンからなり、該高温用循環ファンによって、前記排出ガス再循環ラインの排出ガスが前記燃料供給ラインに強制に供給されるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１５】
従来の燃料電池発電装置では、燃料極から排出される排出ガスが、空気極に必要な熱と二酸化炭素を供給する用途にのみ使用された。
【００１６】
しかしながら、本発明に係る燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置によれば、燃料極から排出される排出ガスの一部がスタックの燃料極に再び流入するため、再循環される水素の流量だけ燃料を節減でき、燃料電池反応から生成された高温のスチームを初期改質器で活用できるため、供給されるスチーム使用量を節減でき、その結果、燃料電池発電装置の経済性を向上させるとともに効率を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【００１８】
図２には、本発明による燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置の構成を示す系統図を示す。図２中、図１の構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付する。
【００１９】
図２に示すように、本発明による燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置は、内部改質型溶融炭酸塩燃料電池発電装置において、スタック１から電池反応を終えて排出される排出ガスの一部を燃料極に再び循環させることによって、排出ガスの未反応水素を電池反応に再使用するようにしたものである。
【００２０】
内部改質型溶融炭酸塩燃料電池発電装置は、燃料電池反応によって電力を生成するスタック１と、該スタック１の燃料極に供給される燃料を混合する混合器３と、該混合器３とスタック１との間に配置されて、混合器３からスタック１に供給される燃料を一部改質する初期改質器２と、スタック１の燃料極から排出される排出ガスを燃焼させてスタック１の空気極に必要な熱と二酸化炭素を供給する燃焼器４とを含む。
【００２１】
ここで、混合器３から初期改質器２及びスタック１をつなぐラインは、燃料供給ライン１０であり、スタック１から燃焼器４に続くラインは排出ガスライン１１である。
【００２２】
本発明の一実施形態の燃料電池発電装置は、スタック１と燃焼器４との間の排出ガスライン１１から排出ガス再循環ライン１２が分岐され、分岐された排出ガス再循環ライン１２が混合器３とスタック１間の燃料供給ライン１０に接続された構成を有する。したがって、スタック１の燃料極から反応を終えて排出される排出ガスの一部は、混合器３とスタック１との間の燃料供給ライン１０を通る燃料と混合されてスタック１の燃料極に再流入する。
【００２３】
ここで、排出ガス再循環ライン１２は、図２に示すように、初期改質器２の前の燃料供給ライン１０に接続させることによって、排出ガスのうち、未反応水素とともにスタック１の電池反応から得られたスチームを初期改質器２における改質反応に使用できるようにすることが好ましい。
【００２４】
また、排出ガス再循環ライン１２と燃料供給ライン１０との接続部には、排出ガス再循環ライン１２側の排出ガスを燃料供給ライン１０に放出するための排出ガス放出器７が設置されている。
【００２５】
排出ガス放出器７は、例えば、燃料供給ライン１０と排出ガス再循環ライン１２との間に圧力差を生じさせるベンチュリ（ｖｅｎｔｕｒｉ）式エジェクタ（ｅｊｅｃｔｏｒ）とすれば良い。この場合、ベンチュリ式エジェクタを通る燃料ガスの流速によって排出ガス再循環ライン１２には負圧が形成され、よって、排出ガスが燃料供給ライン１０に自動で吸引される。ベンチュリ式エジェクタは、燃料供給ライン１０の燃料の圧力が通常３ｂａｒを維持するので、別の動力源無しに初期に流入する燃料の運動エネルギーを用いて循環動力を得ることができる。
【００２６】
一方、排出ガス放出器７は、上記のベンチュリ式エジェクタの代わりに、高温用循環ファンとしても良い。この場合には、高温用循環ファンによって排出ガス再循環ライン１２の排出ガスが燃料供給ライン１０に強制供給される。
【００２７】
上記のような本発明の燃料極排出ガスの再循環方式を適用した内部改質型溶融炭酸塩燃料電池発電装置において、天然ガスとスチームは、混合器３で充分に混合されたのち初期改質器２に送られる。ここで、スチームの注入量は、注入される炭素の２〜５倍とする。初期改質器２では、水素濃度が３〜２０％と維持されるように炭素化合物の一部が改質される。このようにして生成された燃料極側の燃料は、スタック１を通過しつつ９９％以上水素に切り替えて燃料電池反応に参入することになる。燃料極排出ガスは、過注入された燃料によって当然ながら水素を含有し、また、燃料電池反応から生成されたスチーム及び二酸化炭素を含有した状態で排出される。このようにして排出される排出ガスの４０％以下が排出ガス再循環ライン１２を通って排出ガス放出器７に再循環され、そこで初期に流入する天然ガス及びスチームと混合されたのち初期改質器２に流入するように設備する。この場合、再循環される排出ガスが総排出ガス流量の４０％以上になると、尖頭電圧が大きく減少し、スタック１の負荷が増加するという問題につながる。
【００２８】
下記の表１は、本発明により得られるシステム性能改善効果を評価するために燃料極循環率をパラメータとして工程シミュレーションをした結果を示す。
【００２９】
【表１】
2008060065.tif 000003
【００３０】
上記の表１からわかるように、本発明によってスタック１から排出される排出ガス中の水素とスチームを再使用すると、（イ）排出される水素を再使用することによって燃料電池発電装置で消費される燃料量を節減でき、（ロ）スタックから生成されたスチームを再使用することによってスチームの無駄使いを減らし、スチーム発生器を小型にすることができ、（ハ）スチーム発生に必要なエネルギー使用量を節減でき、（ニ）排出ガスの温度によって新たに注入される燃料の初期運転温度を追加のエネルギー注入無しに得られる。
【００３１】
一方、表１では、燃料の組成変化によって尖頭電圧がやや減少することがわかる。しかし、このような尖頭電圧の減少に比べて上述した改善効果が著しいため、発電率減少は無視できる程度であり、燃料特性に応じて最も経済的な循環率を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の燃料電池発電装置の構成を示す系統図である。
【図２】本発明による燃料極排出ガスの再循環方式を適用した燃料電池発電装置の構成を示す系統図である。
【図１】
2008060065.tif 000004
【図２】
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