(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、アノード排ガスを改質器の燃焼室に供給するガスリサイクルラインと、アノード排ガスをカソード排ガスで燃焼させて高温ガスを発生させる燃焼器と、該高温ガスで駆動され空気を圧縮しかつ発電するガスタービン発電機と、燃焼器に供給するアノード排ガス量を制御する制御装置と、カソードガスの圧力とＣＯ２濃度を検出する圧力検出器と濃度検出器とを備え、前記燃焼室での燃焼排ガスが前記燃料電池のカソードに供給されるようになっており、
該制御装置により、前記圧力検出器と前記濃度検出器から検出されたカソードガスの圧力とＣＯ２濃度からカソードガス中のＣＯ２分圧を演算し、該ＣＯ２分圧が所定の範囲になるように燃焼器に供給するアノード排ガス量を制御する、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンの複合発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池とガスタービンの複合発電装置に関する。
【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溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備では、図２に例示する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１２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は圧力回収装置１５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、ブロア１４により燃料電池の上流側に一部が循環され、残りは圧力回収装置１５で圧力回収され、熱回収装置１８で熱回収されて系外に排出される。なお、この図で８は水蒸気である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、燃料電池のアノード側を出たアノード排ガス４は、従来全量を改質器１０に供給して燃焼させ、その排ガスを燃料電池のカソード側に供給することにより、電池反応に必要な二酸化炭素を燃料電池にリサイクルするようになっていた。
【０００４】
しかし、燃料電池及びガスタービン発電機の運転圧力が上昇するにつれて、リサイクルガス中の二酸化炭素濃度（ＣＯ2 濃度）及びカソードガス中のＣＯ2 濃度が上昇し過ぎる問題点がある。
【０００５】
すなわち、ＣＯ2 ガスは、カソードでの電池反応に必要不可欠であるが、この分圧が高くなり過ぎると（例えば０．５〜０．６ａｔａ以上）、電解質中に電極中のＮｉが溶出し、電池寿命が短くなる問題点がある。そのため、従来のように常圧から数ａｔａ程度の低圧では、アノード排ガスを全量リサイクルしても、ＣＯ2 分圧が低く問題がないが、運転圧力が更に上昇し、例えば１０ａｔａ程度以上になる場合には、カソードガス中のＣＯ2 分圧を低く抑えかつ電池反応に必要なＣＯ2 量を確保する必要があった。
【０００６】
本発明はかかる課題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、燃料電池のアノード側に生じるＣＯ2 ガスをカソード側に必要十分な量だけ循環させることができ、かつカソード側のＣＯ2 分圧を低く抑えることができ、更に、全体の発電効率も高く維持できる燃料電池とガスタービンの複合発電装置を提供することにある。
【０００７】
【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、アノード排ガスを改質器の燃焼室に供給するガスリサイクルラインと、アノード排ガスをカソード排ガスで燃焼させて高温ガスを発生させる燃焼器と、該高温ガスで駆動され空気を圧縮しかつ発電するガスタービン発電機と、燃焼器に供給するアノード排ガス量を制御する制御装置と、カソードガスの圧力とＣＯ２濃度を検出する圧力検出器と濃度検出器とを備え、前記燃焼室での燃焼排ガスが前記燃料電池のカソードに供給されるようになっており、該制御装置により、前記圧力検出器と前記濃度検出器から検出されたカソードガスの圧力とＣＯ２濃度からカソードガス中のＣＯ２分圧を演算し、該ＣＯ２分圧が所定の範囲になるように燃焼器に供給するアノード排ガス量を制御する、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンの複合発電装置が提供される。
【０００８】
上記本発明の構成によれば、制御装置により、燃焼器に供給するアノード排ガス量を制御してカソードガス中のＣＯ2 分圧を所定の範囲に制御することができる。すなわち、運転圧力が低い場合には、従来と同様に燃焼器にアノード排ガスを供給せず、全量をガスリサイクルラインを介してカソードガスに混入することにより、アノード側で発生したＣＯ2 の全量をカソード側に供給してカソードでの電池反応に供することができる。また、運転圧力が高く、ＣＯ2 分圧が問題になる場合には、アノード排ガスの一部をリサイクルすることなく燃焼器に供給して燃焼させガスタービン発電機を駆動することにより、リサイクルガス中のＣＯ2 を減らし、ＣＯ2 分圧を下げることができる。このＣＯ2 分圧の低下の割合は、燃焼器での燃焼量が増えるほど急激に低下するので、例えば１０％程度を燃焼させることにより、１０ａｔａ以上の運転圧力において、カソードガス中のＣＯ2 分圧を低く抑えかつ電池反応に必要なＣＯ2 量を確保することができる。
【０００９】
また、カソードガスの圧力とＣＯ２濃度を検出する圧力検出器と濃度検出器を備え、検出されたカソードガスの圧力とＣＯ２濃度からカソードガス中のＣＯ２分圧を演算し、該ＣＯ２分圧が所定の範囲になるように燃焼器に供給するアノード排ガス量を制御するので、制御装置により、アノードガスのＣＯ２分圧とＣＯ２量を正確に把握し、これらを所望の範囲に制御することができる。
【００１０】
【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。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は本発明による燃料電池とガスタービンの複合発電装置の構成図である。この図において、本発明の複合発電装置は、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２０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２２と、アノード排ガス４を改質器２０の燃焼室２０ｂに供給するガスリサイクルライン２３と、アノード排ガス４をカソード排ガス７で燃焼させて高温ガスを発生させる燃焼器２４と、発生した高温ガスで駆動され空気を圧縮しかつ発電するガスタービン発電機２５とを備えている。
【００１１】
改質器２０は、内部に改質触媒が充填された改質管２０ａと、改質管２０ａを加熱するための燃焼室２０ｂとからなる。燃焼室２０ｂには、ガスリサイクルライン２３からアノード排ガス４が供給され、ガスタービン発電機１８から供給される加圧空気６によりアノード排ガス４を燃焼させるようになっている。また、燃焼室２０ｂには別に燃料ガス１の供給ラインが設けられており、必要に応じて燃料ガス１を燃焼させることができるようになっている。燃焼室２０ｂで発生した燃焼排ガス５は、ガスタービン発電機２５から供給される加圧空気６に混入され、カソードガス３として燃焼電池１２のカソード側Ｃに供給される。
【００１２】
燃料電池２２は、電解質板ｔ、アノードａ（電極）、カソードｃ（電極）及びセパレータ板ｓとからなる。電解質板ｔは、焼結したセラミック粉末からなる平板であり、その隙間に溶融炭酸塩を高温の溶融状態で保持するようになっている。それぞれ焼結した金属粉末からなる平板状のアノードａ及びカソードｃは、電解質板ｔを間に挟持する。単一の電池（単セル）は、これらのアノードａ、電解質板ｔ及びカソードｃから構成される。複数の導電性セパレータ板ｓは、その上下面にガス流路を有し、その間に単セルを挟持し、アノードａ及びカソードｃに沿ってそれぞれ水素を含むアノードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソードガスを流すようになっている。かかる燃料電池２２を例えば約６５０℃の高温に保持し、アノードａ及びカソードｃに沿ってそれぞれアノードガスとカソードガスを流すことにより、次の反応により電気が発電される。
【００１３】
アノード反応  Ｈ2 ＋ＣＯ32- →Ｈ2 Ｏ＋ＣＯ2 ＋２ｅ．．．式１
カソード反応  ＣＯ2 ＋1/2 Ｏ2 ＋２ｅ→ＣＯ32-     ．．．式２
式１、２から明らかなように、アノード反応により二酸化炭素（ＣＯ2 ）が生成され、カソード反応により同量のＣＯ2 が消費される。従って、アノード側で発生したＣＯ2 ガスをカソード側に循環することにより、外部からＣＯ2 を補給することなく、反応を促進することができる。
【００１４】
ガスリサイクルライン２３には、リサイクルブロア２９が設置されており、アノード排ガス４を改質器２０の燃焼室２０ｂに供給するようになっている。これにより、アノード排ガス４の一部を改質器の燃焼室２０ｂで燃焼させ、その排ガスをカソードガスに混入させることにより、アノード側からカソード側にＣＯ2 ガスを循環させることができる。なお、図１に細線で示すように、アノード排ガスの一部をアノードの入口側に供給してもよい。これにより、アノード側のガス流量を増大させることができる。
【００１５】
燃焼器２４には、アノード排ガス４とカソード排ガス７が供給され、アノード排ガス４をカソード排ガス７で燃焼させて高温ガスを発生させるようになっている。また、燃焼器２４にアノード排ガス４を供給するラインには流量調節弁２６が設置され、その流量を調節できるようになっている。更に、燃焼器２４には別に燃料ガス１の供給ラインが設けられており、必要に応じて燃料ガス１を燃焼させることができるようになっている。
【００１６】
ガスタービン発電機２５は、ガスタービンＴ、コンプレッサＣ、及び発電機Ｇからなり、これらが同軸又は減速機を介して連結されており、燃焼器２４で発生した高温ガスでガスタービンＴを駆動し、ガスタービンＴで駆動されたコンプレッサＣで空気を圧縮して改質器２０等に供給し、同時に発電機Ｇを駆動して発電するようになっている。従って、本発明の複合発電装置では、燃料電池２２とガスタービン２５の両方で発電が行われる。
【００１７】
本発明の複合発電装置は、更に、燃焼器２４に供給するアノード排ガス量を制御する制御装置３０とを備えている。また、燃料電池のカソード側入口又は出口（この例では両方）に、カソードガスの圧力とＣＯ２濃度を検出する圧力検出器２７ａ，２７ｂと濃度検出器２８ａ，２８ｂを備えている。制御装置は、圧力検出器２７ａ，２７ｂと濃度検出器２８ａ，２８ｂで検出されたカソードガスの圧力とＣＯ２濃度からカソードガス中のＣＯ２分圧を演算し、このＣＯ２分圧が所定の範囲になるように流量調節弁２６を調節して燃焼器２４に供給するアノード排ガス量を制御する。ＣＯ２分圧の所定の範囲とは、例えば０．６ａｔａ以下であり、Ｎｉ溶出が発生しない或いは許容できるＣＯ２分圧に設定する。この構成により、制御装置により、カソードガスのＣＯ２分圧とＣＯ２量を正確に把握し、Ｎｉ溶出が発生しない或いは許容できるＣＯ２分圧であり、かつカソード反応（式２）で必要となる量より十分に多いＣＯ２量に制御することができる。
【００１８】
上述したように本発明の構成によれば、制御装置３０により、燃焼器２４に供給するアノード排ガス量を制御してカソードガス中のＣＯ2 分圧を所定の範囲に制御することができる。すなわち、運転圧力が低い場合には、従来と同様に燃焼器２４にアノード排ガス４を供給せず、全量をガスリサイクルライン２３を介してカソードガスに混入することにより、アノード側で発生したＣＯ2 の全量をカソード側に供給してカソードでの電池反応に供することができる。
【００１９】
また、運転圧力が高く、ＣＯ2 分圧が問題になる場合には、アノード排ガス４の一部をリサイクルすることなく燃焼器２４に供給して燃焼させガスタービン発電機２５を駆動することにより、リサイクルガス中のＣＯ2 を減らし、ＣＯ2 分圧を下げることができる。このＣＯ2 分圧の低下の割合は、燃焼器での燃焼量が増えるほど急激に低下するので、例えば１０％程度を燃焼させることにより、１０ａｔａ以上の運転圧力において、カソードガス中のＣＯ2 分圧を低く抑えかつ電池反応に必要なＣＯ2 量を確保することができる。
【００２０】
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。
【００２１】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池とガスタービンの複合発電装置は、燃料電池のアノード側に生じるＣＯ2 ガスをカソード側に必要十分な量だけ循環させることができ、かつカソード側のＣＯ2 分圧を低く抑えることができ、Ｎｉ溶出を抑制し電池の長寿命化を図ることができる。また、アノード排ガスの全量を燃料電池とガスタービンで無駄なく有効に利用しているので、全体の発電効率も高く維持できる。更に、ガスタービンの燃焼器の燃料がアノード排ガスであり、反応で発生した水蒸気も大量に含まれているので、ガスタービン出力を高めると同時にＮＯx の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池とガスタービンの複合発電装置の構成図である。
【図２】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の発電設備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
７  カソード排ガス
８  蒸気
９  冷却水
１０  改質器
１２  燃料電池
１４  ブロア
１５  圧力回収装置
１６  タービン
１７  コンプレッサ
１８  熱回収装置
２０  改質器
２０ａ  改質管
２０ｂ  燃焼室
２２  燃料電池
２４  燃焼器
２５  ガスタービン発電機
２６  流量調節弁
２７ａ，２７ｂ  圧力検出器
２８ａ，２８ｂ  濃度検出器
２９  リサイクルブロア
３０  制御装置
【図１】
0003928675.tif 000002
【図２】
0003928675.tif 000003