(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池、改質器、及び改質器用の燃焼器を同一の格納容器内に格納し、該格納容器内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、ことを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項２】
改質器を出た高温排ガスの一部を、他の流体と熱交換することなくカソード入口に再循環させる、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備。
【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を用いた発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、電解質として高温で溶融状態になる溶融炭酸塩を用いたものであり、約６５０℃前後の高温で作動し高い発電効率を達成できる特徴を有している。
図２は、かかる溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の発電設備（以下、単に燃料電池発電設備という）の全体構成図である。この図において、１は脱硫器、２ａ，２ｂは熱交換器、３は改質器（リフォーマ）、４は燃料電池、５は燃焼器、６は排熱回収ボイラ、７ａは凝縮器、７ｂはノックアウトドラム（ＫＯドラム）、８ａ，８ｂはブロア、９はタービンコンプレッサである。燃料としての天然ガスＮｇが、脱硫器１で硫黄分を除去され、熱交換器２ａで予熱されて、改質器３の改質室Ｒｅに入り、ここで水素を含むアノードガスＧａに改質され、熱交換器２ａで冷却され、燃料電池４のアノード側Ａに供給される。燃料電池４では、アノードガスＧａとカソードガスＧｃにより発電し、発電後のアノード排ガスＥａとカソード排ガスＥｃは、燃焼器５に供給され、ここで未燃分が触媒燃焼して高温ガスＥｇを発生し、改質器３の加熱室Ｈで改質室Ｒｅを加熱し、改質器３を出た燃焼排ガスは、空気予熱器２ｂで空気を予熱し、更に凝縮器７ａで常温までガスの温度を下げ、ノックアウトドラム７ｂで水分Ｗを除去される。更に、排ガスは、ブロア８ａで加圧され、タービンコンプレッサ９で加圧した空気Ａが混合され、熱交換器２ｂで予熱し、高温リサイクル系と合流した後、カソードガスＧｃとして燃料電池４に供給される。また、排熱回収ボイラ６で発生した水蒸気Ｓは、天然ガスＮｇに混入して改質反応に用いられ、凝縮器７ａで発生した水分Ｗは、ボイラ６の給水として用いられる。なお、８ｂはリサイクルブロアであり、カソードガスを循環して燃料電池の温度を制御するようになっている。
【０００３】
上述した燃料電池発電設備は、発電効率を高めるために、通常加圧下で運転される。そのため、改質器３や燃料電池４は、それぞれ圧力容器内に内蔵される。しかし、個々に圧力容器に内蔵すると、設置面積が大きくなり、放熱も大きくなることから、これらの主要機器を１つの圧力容器に収納することが提案されている（例えば、特願平２−１２２９７２号）。
【０００４】
一方、燃料電池４内のアノード側Ａとカソード側Ｂの差圧（極間差圧）が大きくなると、アノードガスＧａとカソードガスＧｃがクロスリーク（内部リーク）して、燃料を浪費するばかりでなく電池性能を大幅に低下させる。そのため、極間差圧は、通常例えば約４００ｍｍＡｑ以内の低い値に常に制御する必要があり、従来の燃料電池発電設備では、アノード排ガスＥａとカソード排ガスＥｃを同一の燃焼器５に導き、燃焼器５内で連通させることにより、この極間差圧を本質的に低い値にしている。
【０００５】
更に、燃料電池４内の圧力（アノード側Ａ及びカソード側Ｂ）とこれを囲む圧力容器内の圧力も、ガスリーク（外部リーク）を防止するために、極間差圧と同程度の低い値に常に制御する必要がある。この制御は、図３に模式的に示すように、従来、電池内と容器内の差圧を差圧検出器Ｄｐで検出し、容器内に供給するガス流量と排出するガス流量を流量制御弁１０ａ，１０ｂで調節することにより行っていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の燃料電池発電設備では、圧力容器内に窒素ガス又は冷却した排ガスを供給していた。しかし、▲１▼窒素ガスを使用した場合は、窒素ガスの購入又は製造のためにランニングコストがかかり、▲２▼排ガスを使用する場合には、ガスを冷却するための空気予熱器や凝縮器、水分を除去するＫＯドラム等の設備が必要となり、建設コストがかかる問題点があった。また、▲３▼燃料電池に供給する空気を予熱するために空気予熱器２ｂが不可欠であり、この空気予熱器はプレートフィン熱交換器でありコストがかかる問題点があった。
【０００７】
更に、▲４▼容器とカソードの差圧を制御するための差圧検出器Ｄｐと流量調節弁１０ａ，１０ｂにより、その差圧を精密に制御しなければならないず、特に、プラント緊急遮断時に容器内と電池内の差圧が大きくなる問題点があった。すなわち、図３に示した従来の制御弁１０ａ，１０ｂによる差圧制御では、プラント緊急遮断時に容器内ガスが配管Ｂを通ってカソードラインに抜けるが、カソードライン圧が緊急開放により瞬時に常圧になるのに対して、容器内圧力は容量が大きいため配管Ｂの流量に制約されて徐々に抜ける。そのため、プラント緊急遮断時には、カソード圧に対して容器圧が一時的に許容圧を大きく超え、電池内のシール部を破損することがあった。また、この差圧制御（容器内と電池内の差圧）は、制御弁と制御装置を用いているため、停電や電圧変動に影響を受けやすく、長期運転時の信頼性に乏しい問題点があった。
【０００８】
本発明はかかる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、本発明の主目的は、改質器及び燃料電池を格納する格納容器への窒素ガス又は排ガスの供給を無くすことができ、これによりユーティリティとしての窒素ガスを不要とし、かつガス冷却及び水分除去のための凝縮器やＫＯドラム等の設備を不要にすることができ、更に、空気予熱器なしで燃料電池に供給する空気を予熱することができ、これにより高価な空気予熱器を不要にすることができる燃料電池発電設備を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の別の目的は、プラント通常運転時、緊急遮断時を問わず、容器内と電池内の差圧を許容値以内の小さい値に抑制することができ、停電や電圧変動に影響を受けない信頼性の高い差圧制御が可能である燃料電池発電設備を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池、改質器、及び改質器用の燃焼器を同一の格納容器内に格納し、該格納容器内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、ことを特徴とする燃料電池発電設備が提供される。
【００１１】
上記本発明の構成によれば、カソードガスＧｃに導入する加圧空気Ａが一旦格納容器内に導入されて容器内ガスの役目を果たすので、格納容器への窒素ガスの供給を無くすことができ、これによりユーティリティとしての窒素ガスが不要になる。また、加圧空気Ａは、タービンコンプレッサで加圧した乾燥空気であるため、凝縮器やＫＯドラム等の設備を不要にすることができる。更に、格納容器内で加圧空気は電池からの熱により予熱されて、燃料電池のカソード入口に導入されるので、空気予熱器が不必要になる。
【００１２】
また、上記構成によれば、カソード入口が格納容器内の加圧空気を導入できるように容器内と連通しているので、電池内カソード側と容器圧がほぼ同圧となり、従来技術のように、制御弁による容器／カソード側の差圧制御を必要としない。従って、プラント通常運転時、緊急遮断時を問わず、容器内と電池内の差圧を許容値以内の小さい値に抑制することができ、かつ停電や電圧変動に影響を受けない信頼性の高い差圧制御が可能となる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、改質器を出た高温排ガスの一部を他の流体と熱交換することなく、燃料電池のカソード入口に再循環させるようになっている。
この構成により、改質器燃焼排ガスの熱量をそのままカソードに持ち込めるため、高温リサイクル系の容量を小さくすることができる。また、電池の放熱熱量は、格納容器内の空気を加熱し再びカソードガスとして燃料電池内に戻されるため損失にならない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態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、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の燃料電池発電設備の全体構成図である。この図において、本発明の燃料電池発電設備では、燃料電池４、改質器３、及び改質器用の燃焼器５（好ましくは触媒燃焼器）を同一の格納容器１２内に格納し、格納容器１２内に加圧空気Ａを導入し、格納容器１２内を介して燃料電池４のカソード入口に空気を導入するようになっている。
【００１５】
なお、図１の実施形態では、熱交換器２ａは、格納容器１２の外部に配置されているが、これを内部に格納してもよい。また格納容器１２は、圧力容器であっても、常圧用の単なる密閉容器であってもよい。
【００１６】
すなわち、本発明の燃料電池発電設備では、タービンコンプレッサ９で加圧した乾燥空気Ａが空気ライン１４を通って格納容器１２内に導入され、格納容器内に一旦充満して容器内ガスの役目を果たすようになっている。従って、格納容器１２への窒素ガスの供給を無くすことができ、これによりユーティリティとしての窒素ガスが不要になる。また、加圧空気Ａは、タービンコンプレッサ９で加圧した乾燥空気であるため、従来の凝縮器やＫＯドラム等の設備を不要にすることができる。更に、格納容器１２内で加圧空気Ａは燃料電池４からの熱により予熱されて、燃料電池のカソード入口に導入されるので、従来の空気予熱器も不必要になる。
【００１７】
また、図１に示すように、本発明の燃料電池発電設備では、改質器３を出た高温排ガスの一部を他の流体と熱交換することなく排ガス循環ライン１６及び分岐ライン１６ａを介して燃料電池４のカソード入口に再循環させ、残部を分岐ライン１６ｂを介してタービンコンプレッサ９のタービンＴに導くようになっている。
【００１８】
この構成により、改質器燃焼排ガスの熱量をそのままカソードに持ち込めるため、高温リサイクル系の容量を小さくすることができる。また、電池の放熱熱量は、格納容器１２内の空気を加熱し再びカソードガスとして燃料電池内に戻されるため損失にならない。
【００１９】
更に、本発明の燃料電池発電設備では、容器内とカソード入口を連通させるようになっている。この構成により、電池内カソード側と容器圧がほぼ同圧となり、従来技術のように、制御弁による容器／カソード側の差圧制御を必要としない。また、プラント緊急遮断時においても、容器内と電池内の差圧を許容値以内の小さい値に抑制することができ、かつ停電や電圧変動に影響を受けない信頼性の高い差圧制御が可能となる。
【００２０】
すなわち、従来の制御弁による差圧制御では、上述したように、プラント緊急遮断時に容器内ガスが配管Ｂを通るため、瞬時にカソードラインに開放されず、カソード圧に対して、容器圧が高くなる傾向があったが、本発明では容器内のガスが容易にリフォーマ加熱室又はカソードに流れ込むため、電池の内外差圧を小さく制御することができる。
【００２１】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、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。
【００２２】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池発電設備は、改質器及び燃料電池を格納する格納容器への窒素ガス又は排ガスの供給を無くすことができ、これによりユーティリティとしての窒素ガスを不要とし、かつ凝縮器やＫＯドラム等の設備を不要にすることができ、更に、空気予熱器なしで燃料電池に供給する空気を予熱することができ、これにより高価な空気予熱器を不要にすることができ、更にプラント通常運転時、プラント緊急遮断時を問わず、圧力調節弁等の制御装置を用いずに、容器内と電池内の差圧を許容値以内の小さい値に抑制することができ、停電や電圧変動に影響を受けない信頼性の高い差圧制御が可能である、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図２】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図３】図２の燃料電池まわりの部分構成図である。
【符号の説明】
１  脱硫器
２ａ，２ｂ  熱交換器
３  改質器（リフォーマ）
４  燃料電池
５  燃焼器
６  排熱回収ボイラ
７ａ  凝縮器
７ｂ  ノックアウトドラム（ＫＯドラム）
８ａ，８ｂ  ブロア
９  タービンコンプレッサ
１０ａ，１０ｂ  流量制御弁
１１  カソード出口配管
１２  格納容器
１３  アノード出口配管
１４  空気ライン
１６  排ガス循環ライン
１８  給水蒸発器
【図１】
0003882965.tif 000002
【図２】
0003882965.tif 000003
【図３】
0003882965.tif 000004