(57)【要約】【課題】燃料電池の起動から運転停止まで燃料電池やメカニカルシールのシール面に凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを行なうことができ、かつ大量の所内空気を必要とせず、これにより所内動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なうことができるカソードブロワへのシールガス供給方法を提供する。【解決手段】カソードブロワのメカニカルシール３２ａにシールガスとして所内空気を供給する空気供給ライン１２と、メカニカルシールにシールガスとして排熱回収ボイラ３０から水蒸気を供給する水蒸気供給ライン１４とを備える。排熱回収ボイラ３０から水蒸気が供給される通常運転時には水蒸気供給ライン１４からメカニカルシール３２ａに水蒸気を供給し、水蒸気が供給されない起動時又は停止時には空気供給ライン１２からメカニカルシール３２ａに所内空気を供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して水素を含むアノードガスに転換する改質器（２２）と、酸素を含むカソードガスとアノードガスとで発電する燃料電池（２０）と、燃料電池の排ガスで水蒸気を発生させる排熱回収ボイラ（３０）と、カソードガスを循環させるカソードブロワ（３２）と、を備える燃料電池発電装置のカソードブロワへのシールガス供給方法であって、
カソードブロワのメカニカルシール（３２ａ）にシールガスとして所内空気を供給する空気供給ライン（１２）と、該メカニカルシールにシールガスとして排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気を供給する水蒸気供給ライン（１４）とを備え、
排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気が供給される通常運転時には前記水蒸気供給ライン（１４）からメカニカルシール（３２ａ）に水蒸気を供給し、前記水蒸気が供給されない起動時又は停止時には前記空気供給ライン（１２）からメカニカルシール（３２ａ）に所内空気を供給する、ことを特徴とするカソードブロワへのシールガス供給方法。
【請求項２】
前記起動時に、先ずカソードブロワ（３２）へのシールガスとして所内空気の供給を開始した後、カソードブロワ（３２）を起動し、次いで排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気が供給された後に前記シールガスとして水蒸気の供給を開始し前記所内空気の供給を停止する、ことを特徴とする請求項１に記載のカソードブロワへのシールガス供給方法。
【請求項３】
前記停止時に、排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気が供給されている間に、先ずカソードブロワ（３２）へのシールガスとして所内空気の供給を開始し、次に前記シールガスとしての水蒸気の供給を停止し、次いでカソードブロワ（３２）を停止する、ことを特徴とする請求項１に記載のカソードブロワへのシールガス供給方法。
【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発電装置に係わり、更に詳しくは、カソードブロワへのシールガス供給方法に関する。
【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４は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の一例を示す図である。この図において、発電設備は、水蒸気と混合した燃料ガス（天然ガス）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で生成さ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触媒燃焼器２３へ供給される。
【０００４】
触媒燃焼器２３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）を燃焼して高温の燃焼排ガスを生成し、改質器２２の加熱室に供給しこの燃焼排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を流れる水蒸気と混合した燃料ガスと熱交換し、燃料電池２０のアノードに供給される。また加熱室を出た燃焼排ガスは炭酸ガスリサイクルライン７でカソードブロワ３２によりカソードに供給される。燃焼排ガスには多量の炭酸ガスが含まれており、電池反応に必要な炭酸ガスの供給源となる。空気ライン８からの空気がカソードブロワ３２の出側に供給されカソードの電池反応に必要な酸素を供給する。カソードから排出されるカソード排ガスの一部は循環ライン３によりカソードに供給される。このカソード排ガスと燃焼排ガスと空気が混合してカソードガスとなりカソードに供給される。アノード出側にはアノード排ガス改質ライン６が設けられ、未燃焼燃料を含むアノード排ガスを断熱改質器３６で改質し、アノードに供給する。断熱改質器３６は容器に改質触媒を充填し断熱してアノード排ガスの高温状態を保ち触媒作用により改質ガスにするものである。
【０００５】
カソードガスは燃料電池２０内で電池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によりカソードを循環し、他の一部はカソード排ガスライン５により触媒燃焼器２３へ供給され、残部は燃料ガスとともに燃焼器３８で燃焼され、空気を圧縮する圧縮機を駆動するタービン圧縮機２８で動力を回収した後、さらに排熱回収ボイラ３０で熱エネルギを回収して系外に排出される。なお、この排熱回収ボイラ３０で発生した水蒸気が水蒸気ライン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】
炭酸ガスリサイクルライン７にはカソードブロワ３２が設けられている。取り扱うガスの温度が６５０℃程度になるため、ブロワ３２の軸シールに圧縮空気が用いられ、所内用の空気圧縮機４０から圧縮空気が供給される。またアノード排ガス改質ライン６にもアノードブロワ３４が設けられ、取り扱うガスの温度が６５０℃程度になるため、ブロワ３４の軸シールに窒素ガスが用いられ、窒素ガス供給装置４２から窒素が供給される。
【０００７】
上述したカソードブロワ３２とアノードブロワ３４（以下、単にブロワという）に使用される圧縮空気量はかなりの量に達し、所内空気用動力に大きな割合を占め、プラント効率低下の要因となっている。すなわち高温時にシールガスとして空気を用いる場合には、ブロワのメカニカルシールを冷却するため大量のシールガスを必要とする。
この問題を解決するために、例えば［特許文献１］が出願されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１５６２３８号公報
【０００９】
［特許文献１］の「燃料電池発電装置」は、アノード排ガス改質ラインと炭酸ガスリサイクルラインにガスを注入して軸シールを行なうブロワを設け、このシールガスとして排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）で発生する水蒸気を用いることを特徴とするものである。なおカソードブロワのメカニカルシールは無冷却の場合約６５０℃程度に達するため、その機能を保持するために、シールガスにより約４００℃以下に冷却する必要がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カソードブロワのシールガスとして排熱回収ボイラの発生する水蒸気を用いる場合、以下の問題点があった。
（１）通常運転時はシールガスとしてＨＲＳＧからの水蒸気供給が可能であるが、起動時は水蒸気発生源がなくシールガスの供給ができない状態となる。
（２）低温時に水蒸気をシールガスとした場合には、内部で凝縮する可能性があり、シール面にとって好ましくないばかりでなく、燃料電池の電極に付着して性能劣化を引き起こすおそれもある。
【００１１】
本発明は上述した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、燃料電池の起動から運転停止まで燃料電池やメカニカルシールのシール面に凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを行なうことができ、かつ大量の所内空気を必要とせず、これにより所内動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なうことができるカソードブロワへのシールガス供給方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料を改質して水素を含むアノードガスに転換する改質器（２２）と、酸素を含むカソードガスとアノードガスとで発電する燃料電池（２０）と、燃料電池の排ガスで水蒸気を発生させる排熱回収ボイラ（３０）と、カソードガスを循環させるカソードブロワ（３２）と、を備える燃料電池発電装置のカソードブロワへのシールガス供給方法であって、
カソードブロワのメカニカルシール（３２ａ）にシールガスとして所内空気を供給する空気供給ライン（１２）と、該メカニカルシールにシールガスとして排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気を供給する水蒸気供給ライン（１４）とを備え、
排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気が供給される通常運転時には前記水蒸気供給ライン（１４）からメカニカルシール（３２ａ）に水蒸気を供給し、前記水蒸気が供給されない起動時又は停止時には前記空気供給ライン（１２）からメカニカルシール（３２ａ）に所内空気を供給する、ことを特徴とするカソードブロワへのシールガス供給方法が提供される。
【００１３】
上記本発明の方法によれば、排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気が供給される「通常運転時」には水蒸気供給ライン（１４）からメカニカルシール（３２ａ）に水蒸気を供給するので、燃料電池やメカニカルシールのシール面に凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを行なうことができる。また「通常運転時」は全運転時間に占める割合が高く、この通常運転時に所内空気を必要としないので、所内動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なうことができる。
一方、水蒸気が供給されない「起動時、停止時」には空気供給ライン（１２）からメカニカルシール（３２ａ）に所内空気を供給するので、燃料電池やメカニカルシールのシール面に凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを行なうことができる。なお、この起動時又は停止時に所内空気を必要とするが、起動時間又は停止時間は全運転時間に比較して短時間であり、所内動力への影響は少ない。従って、全体として所内動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なうことができる。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記起動時に、先ずカソードブロワ（３２）へのシールガスとして所内空気の供給を開始した後、カソードブロワ（３２）を起動し、次いで排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気が供給された後に前記シールガスとして水蒸気の供給を開始し前記所内空気の供給を停止する。
【００１５】
この方法により、カソードブロワ（３２）及び排熱回収ボイラ（３０）が起動していない起動初期の低温時に、シールガスとして所内空気を用いるので、シールガスの凝縮のおそれがなく、凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを行なうことができる。
また、カソードブロワ（３２）を起動し、次いで排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気が供給された後に水蒸気の供給を開始するので、カソードブロワ（３２）及び排熱回収ボイラ（３０）が昇温されており、シールガス（水蒸気）の凝縮のおそれがなく、凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを継続することができる。
さらに、水蒸気の供給後に所内空気の供給を停止するので、シールガスを連続して供給しながらシールガスを所内空気から水蒸気に切換えることができる。従って、カソードブロワの安定的な連続運用が可能となり、以降の通常運転時に所内空気を必要とせず、所内動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なうことができる。
【００１６】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記停止時に、排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気が供給されている間に、先ずカソードブロワ（３２）へのシールガスとして所内空気の供給を開始し、次に前記シールガスとしての水蒸気の供給を停止し、次いでカソードブロワ（３２）を停止する。
【００１７】
この方法により、カソードブロワ（３２）及び排熱回収ボイラ（３０）が稼動しており、排熱回収ボイラ（３０）から水蒸気が供給されている間に、シールガスとして所内空気の供給を開始し、次にシールガスとしての水蒸気の供給を停止するので、シールガスの凝縮のおそれなく、シールガスを水蒸気から所内空気に切換えることができる。
また、所内空気に切換えた後にカソードブロワ（３２）を停止するので、カソードブロワが停止し、温度が低下してもシールガス（空気）の凝縮のおそれがなく、凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを継続することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について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、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明のシールガス供給方法を適用する燃料電池発電装置の概略系統図である。この図に示すように、本発明のシールガス供給方法を適用する燃料電池発電装置は、改質器２２、燃料電池２０、排熱回収ボイラ３０及びカソードブロワ３２を備える。
改質器２２は、燃料を改質して水素を含むアノードガスに転換する。燃料電池２０は、好ましくは溶融炭酸塩型燃料電池であり、アノードガスと酸素を含むカソードガスで発電する。排熱回収ボイラ３０は、燃料電池２０の排ガスで水蒸気を発生させる。この水蒸気の圧力は、少なくとも定常運転中のカソードブロワ内圧力よりも高く、例えば０．５８ＭＰａ以上である。カソードブロワ３２は、図４と同様に燃料電池発電装置内のカソードガスを循環させる機能を有する。
なお、燃料電池発電装置の全体の構成は、例えば図４に示したものであるが、本発明はこの構成に限定されず、構成が異なっていてもよい。以下、燃料電池２０が、溶融炭酸塩型燃料電池である場合について説明する。
【００２０】
本発明によるカソードブロワへのシールガス供給方法では、更に空気供給ライン１２、水蒸気供給ライン１４及びシールガス制御装置１６を備える。
【００２１】
空気供給ライン１２は、カソードブロワ３２のメカニカルシール３２ａにシールガスとして所内空気を供給する機能を有する。この所内空気源は、燃料電池発電装置の一部として、或いは別の設備として備えられた圧縮空気源であり、燃料電池発電装置の全体が停止し温度が常温まで低下している時でも独立して圧縮空気を供給できるようになっている。またこの所内空気の圧力は、少なくとも定常運転中のカソードブロワ内圧力よりも高く、例えば０．５８ＭＰａ以上である。
更に空気供給ライン１２には、図１に示すように、ライン内の流れを全閉又は全開する空気遮断弁１２ａと、その下流側に設けられ逆流を防ぐ逆止弁１５ａとが設けられている。
【００２２】
水蒸気供給ライン１４は、カソードブロワ３２のメカニカルシール３２ａにシールガスとして排熱回収ボイラ３０から水蒸気を供給する機能を有する。更に水蒸気供給ライン１４には、図１に示すように、ライン内の流量を調節する水蒸気流量調節弁１４ａ、ライン内の流れを全閉又は全開する水蒸気遮断弁１４ｂ、及びその下流側に設けられ逆流を防ぐ逆止弁１５ｂが設けられている。
【００２３】
シールガス制御装置１６は、例えばＰＣ（パーソナルコンピュータ）であり、燃料電池発電装置の全体からアノードブロア入口温度、カソードブロア入口温度、水蒸気圧力、改質器反応部温度、カソード入口温度、カソードブロアの回転速度、その他の運転データを受信し、カソードブロア、空気遮断弁１２ａ、水蒸気流量調節弁１４ａ、水蒸気遮断弁１４ｂに制御信号を出力するようになっている。
【００２４】
本発明の方法では、このシールガス制御装置１６により、排熱回収ボイラ３０から水蒸気が供給される通常運転時には水蒸気供給ライン１４からメカニカルシール３２ａに水蒸気を供給し、水蒸気が供給されない起動時又は停止時には空気供給ライン１２からメカニカルシール３２ａに所内空気を供給するようになっている。
【００２５】
図２は本発明による起動時のフロー図である。この図に示すように、燃料電池発電装置の起動時、すなわち停止状態では、カソードブロア３２は停止し、空気遮断弁１２ａ、水蒸気流量調節弁１４ａ、及び水蒸気遮断弁１４ｂは全閉している。
【００２６】
この停止状態において、起動指令Ｓ１を受けると、空気遮断弁１２ａが全開（Ｓ２）して軸シールを開始し、次いで空気遮断弁１２ａの作動時間に相当するタイマ遅延（Ｓ３）の後、カソードブロア３２が起動し（Ｓ４）、次いでカソードブロア３２がターニング回転数から回転数制御に切換わり（Ｓ５）、カソードガスを循環させる。
【００２７】
次いで、改質器、燃料電池、排熱回収ボイラ、等が更に昇温され、改質開始条件（この例では、改質器反応部温度が４００℃以上、かつカソード入口温度が３８０℃以上）になった後、水蒸気遮断弁１４ｂを全閉から全開にし（Ｓ７）、次いで水蒸気遮断弁１４ｂの作動時間に相当するタイマ遅延（Ｓ８）の後、空気遮断弁１２ａを全閉し（Ｓ９）、シールガスを水蒸気に切換える。
【００２８】
その後、発電開始条件（例えばカソード入口温度が５８０℃以上）になった後、水蒸気流量調節弁１４ａを規定開度から流量制御に切換える（Ｓ１０）ことにより、起動が完了する。
【００２９】
すなわち、図２に示したように、本発明の方法では、起動時に、先ずカソードブロワ３２へのシールガスとして所内空気の供給を開始した後、カソードブロワ３２を起動し、次いで排熱回収ボイラ３０から水蒸気が供給された後に、シールガスとして水蒸気の供給を開始し所内空気の供給を停止する。
【００３０】
この方法により、カソードブロワ３２及び排熱回収ボイラ３０が起動していない起動初期の低温時に、シールガスとして所内空気を用いるので、シールガスの凝縮のおそれがなく、凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを行なうことができる。
また、カソードブロワ３２を起動し、次いで排熱回収ボイラ３０から水蒸気が供給された後に水蒸気の供給を開始するので、カソードブロワ３２及び排熱回収ボイラ３０が昇温されており、シールガス（水蒸気）の凝縮のおそれがなく、凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを継続することができる。
さらに、水蒸気の供給後に所内空気の供給を停止するので、シールガスを連続して供給しながらシールガスを所内空気から水蒸気に切換えることができる。従って、カソードブロワの安定的な連続運用が可能となり、以降の通常運転時に所内空気を必要とせず、所内動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なうことができる。
【００３１】
図３は、本発明のシールガス供給方法の停止時のフロー図である。この図に示すように、燃料電池発電装置の停止開始時、すなわち運転状態では、カソードブロア３２は回転数制御し、空気遮断弁１２ａは全閉し、水蒸気流量調節弁１４ａは流量制御し、水蒸気遮断弁１４ｂは全開している。
【００３２】
この停止開始状態において、停止指令Ｓ１１を受けると、カソードブロア３２が回転数制御からターニング回転数に切換え（Ｓ１２）、次いで、カソードブロア入口温度が４００℃以下になった後に、空気遮断弁１２ａを全閉から全開にし（Ｓ１３）、次いで空気遮断弁１２ａの作動時間に相当するタイマ遅延（Ｓ１４）の後、水蒸気流量調節弁１４ａを流量制御から規定開度にし（Ｓ１５）、シールガスを空気に切換え、最後にカソードブロア３２を停止（Ｓ１７）して、停止状態となる。
【００３３】
すなわち、図２に示したように、本発明の方法では、停止時に、排熱回収ボイラ３０から水蒸気が供給されている間に、先ずカソードブロワ３２へのシールガスとして所内空気の供給を開始し、次に前記シールガスとしての水蒸気の供給を停止し、次いでカソードブロワ３２を停止する。
【００３４】
この方法により、カソードブロワ３２及び排熱回収ボイラ３０が稼動しており、排熱回収ボイラ３０から水蒸気が供給されている間に、シールガスとして所内空気の供給を開始し、次にシールガスとしての水蒸気の供給を停止するので、シールガスの凝縮のおそれなく、シールガスを水蒸気から所内空気に切換えることができる。
また、所内空気に切換えた後にカソードブロワ３２を停止するので、カソードブロワが停止し、温度が低下してもシールガス（空気）の凝縮のおそれがなく、凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを継続することができる。
【００３５】
上述した本発明の方法によれば、排熱回収ボイラ３０から水蒸気が供給される「通常運転時」には水蒸気供給ライン１４からメカニカルシール３２ａに水蒸気を供給するので、燃料電池やメカニカルシールのシール面に凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを行なうことができる。
また「通常運転時」は全運転時間に占める割合が高く、この通常運転時に所内空気を必要としないので、所内動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なうことができる。
一方、水蒸気が供給されない「起動時又は停止時」には空気供給ライン１２からメカニカルシール３２ａに所内空気を供給するので、燃料電池やメカニカルシールのシール面に凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを行なうことができる。なお、この起動時又は停止時に所内空気を必要とするが、起動時間又は停止時間は全運転時間に比較して短時間であり、所内動力への影響は少ない。従って、全体として所内動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なうことができる。
【００３６】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、カソードブロワのメカニカルシールへのシールガスの供給方法に関するものであり、通常運転中はメカニカルシールのシールガスとして（ＨＲＳＧからの）水蒸気を供給し、起動時には所内空気から空気を供給し、シールガスの切換えを行うものである。
これにより、カソードブロワのメカニカルシールへのシールガスの連続供給により、カソードブロワの安定的な連続運用が可能となる。
【００３７】
従って、本発明のカソードブロワへのシールガス供給方法は、燃料電池の起動から運転停止まで燃料電池やメカニカルシールのシール面に凝縮水による悪影響を及ぼすことなく軸シールを行なうことができ、かつ大量の所内空気を必要とせず、これにより所内動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なうことができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシールガス供給方法を実施する燃料電池発電装置の概略系統図である。
【図２】本発明のシールガス供給方法の起動時のフロー図である。
【図３】本発明のシールガス供給方法の起動時のフロー図である。
【図４】従来の燃料電池発電装置の構成を示す図である。
【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  アノード排ガス改質ライン、
７  炭酸ガスリサイクルライン、８  空気ライン、９  水蒸気ライン、
１２  空気供給ライン、１４  水蒸気供給ライン、
２０  燃料電池、２２  改質器、２３  触媒燃焼器、
２４  燃料予熱器、２６  脱硫器、２８  タービン圧縮機、
３０  排熱回収ボイラ、３２  カソードブロワ、
３２ａ  メカニカルシール、３４  アノードブロワ、
３６  断熱改質器、３８  燃焼器、４０  空気圧縮機、
４２  窒素ガス供給装置
【図１】
2004172018.tif 000003
【図２】
2004172018.tif 000004
【図３】
2004172018.tif 000005
【図４】
2004172018.tif 000006