(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、該格納容器内に燃料電池を出たカソード排ガスの一部を導入し、該カソード排ガスを格納容器を介して燃焼器の入口に導入する、ことを特徴とする差圧自己制御機能を有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係わり、更に詳しくは差圧自己制御機能を有する燃料電池発電設備に関する。
【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）。
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【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排ガスを供給していた。しかし、▲１▼窒素ガスの製造や排ガスの循環用配管等にコストがかかり、かつ▲２▼差圧制御のために高価な制御弁が必要となる問題点があった。
【０００６】
また、▲３▼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。
【０００７】
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な差圧自己制御機能を有する燃料電池発電設備を提供することにある。
【０００８】
【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、該格納容器内に燃料電池を出たカソード排ガスの一部を導入し、該カソード排ガスを格納容器を介して燃焼器の入口に導入する、ことを特徴とする差圧自己制御機能を有する燃料電池発電設備が提供される。
【０００９】
上記本発明の構成によれば、燃焼器の入口に導入するカソード排ガス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、上記構成によれば、カソード排ガスの一部を格納容器内に導入するように燃料電池のカソード排ガス出口が格納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。
【００１０】
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。
【００１１】
【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、熱交換器２ａ、改質器３、燃料電池４、及び改質器用の燃焼器５（好ましくは触媒燃焼器）が同一の格納容器１２内に格納されている。また、燃料電池４のアノード出口配管１３は、２つに分岐されて一方がオリフィス１３ａを介して燃焼器５に供給され、他方がタービンコンプレッサ９の燃焼器９ａに供給される。更に、燃料電池４のカソード出口配管１１は、３つに分岐されて、１つは逆止弁１１ａを介して改質器用の燃焼器５に供給され、１つは流量調節弁１１ｂを介してカソード入口側に供給され、残る１つは、タービンコンプレッサ９の燃焼器９ａに供給される。
【００１２】
更に、本発明によれば、格納容器１２内に位置するカソード出口配管１１に開放孔１７ａを有し、かつ燃焼器５と逆止弁１１ａの間にも導入孔１７ｂを有する。開放孔１７ａと導入孔１７ｂは、それぞれ十分小さい圧損でカソードガスを流すように設定されている。この構成により、燃料電池４を出たカソード排ガスの一部を開放孔１７ａを介して格納容器１２内に導入し、更にこのカソード排ガスを格納容器１２から導入孔１７ｂを介して燃焼器５の入口に導入することができる。
なお、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。
【００１３】
すなわち、本発明の燃料電池発電設備では、燃焼器５の入口に導入するカソード排ガスが一旦格納容器１２内に導入され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、容器に導入するカソード排ガスは容器内温度上昇が起こらない少量とすることにより、容器内でのガス流れにより可燃性ガスの滞留（例えばアノードガスが洩れた場合でも）も防止できる。また、可燃性ガス濃度が上昇しても触媒燃焼器を通って系内に再循環されるので、可燃性ガスが系内に入ることも防止できる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池発電設備では、開放孔１７ａと導入孔１７ｂを介して容器内とカソード出口が連通するので、運転圧力がアノード≒カソード＞容器の関係となり、かつこの関係を特別の制御なしに自然に維持できるので、カソードガスがアノード側に混入せずアノード酸化を防止できる。また、この関係から、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。
【００１５】
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。
【００１６】
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及び循環ブロア１６ａを介して燃料電池４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。
【００１７】
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。
【００１８】
【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
９ａ  燃焼器
１０ａ，１０ｂ  流量制御弁
１１  カソード出口配管
１１ａ  逆止弁
１１ｂ  流量調節弁
１２  格納容器
１３  アノード出口配管
１３ａ  オリフィス
１４  空気ライン
１６  排ガス循環ライン
１６ａ  循環ブロア
１７ａ  開放孔
１７ｂ  導入孔
【図１】
0003882337.tif 000002
【図２】
0003882337.tif 000003
【図３】
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