(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードからなり酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃料電池と、カソードから排出されるカソード排ガスの一部とアノードから排出されるアノード排ガスの一部とを燃焼する第１燃焼器と、この第１燃焼器の燃焼排ガスで水蒸気を含む燃料ガスを改質する改質器と、この改質器の燃焼排ガスをカソードに循環させる炭酸ガスリサイクルラインと、カソード排ガスの一部に前記炭酸ガスリサイクルラインの燃焼排ガスと空気とを混合してカソードを循環させる循環ラインと、前記アノード排ガスの残部より炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収装置と、この炭酸ガス回収装置からの排ガスと前記カソード排ガスの残部とを燃焼する第２燃焼器と、この第２燃焼器の燃焼排ガスでタービンを回転して空気圧縮機を駆動し前記循環ラインに空気を供給するタービン圧縮機と、を備えたことを特徴とする炭酸ガス回収装置付燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノード排ガスに含まれる炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収装置付燃料電池発電装置に関する。
【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２は都市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。同図において、発電設備は、蒸気と混合した燃料ガス（都市ガス）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で作ら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燃焼器２３へ供給される。
【０００４】
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で炭酸ガスリサイクルブロワ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からの空気が炭酸ガスリサイクルブロワ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。
【０００５】
この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により燃焼器２３へ供給され、残部は排熱利用ライン６で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、さらに排熱回収蒸気発生装置３０で熱エネルギを回収して系外に排出される。なお、この排熱回収蒸気発生装置３０で発生した蒸気が蒸気ライン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】
【発明が解決しようとする課題】
アノード排ガス中にはドライベースで９０％程度の炭酸ガスが含まれている。この炭酸ガスは燃焼器２３、加熱室を通り炭酸ガスリサイクルブロワ３２によりカソードに供給され、電池反応に必要な炭酸ガスが消費される。しかし余剰の炭酸ガスはカソード排ガスとともにタービン圧縮機２８に供給され、タービンを駆動後、排熱回収蒸気発生装置３０で蒸気を発生した後、大気に放出される。従来からアノード排ガス中の炭酸ガスを回収するという考えはあったが、燃焼器２３へ供給されるアノード排ガスライン４に炭酸ガス回収装置を設けると、アノード排ガスの流量は大幅に減少する。これは炭酸ガス回収装置は通常アノード排ガスを冷却して水分を凝縮し炭酸ガスを回収するためアノード排ガスに約５０％（ウェット）の存在する水分がほとんど凝縮するためである。この流量減少と温度低下により、電池での燃料利用率とプラント効率は低下する。また炭酸ガス回収両が過大な時は電池反応に必要な炭酸ガスが不足するという問題がある。炭酸ガスの大気放出削減はプラントの存続にかかわる重要な問題であり、発電量当たりの炭酸ガス排出量の低減が強く要望されている。
【０００７】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたもので、アノード排ガス中の炭酸ガスについて、電池反応に必要な炭酸ガスを除く残りの炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収装置付燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、カソードとアノードからなり酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃料電池と、カソードから排出されるカソード排ガスの一部とアノードから排出されるアノード排ガスの一部とを燃焼する第１燃焼器と、この第１燃焼器の燃焼排ガスで水蒸気を含む燃料ガスを改質する改質器と、この改質器の燃焼排ガスをカソードに循環させる炭酸ガスリサイクルラインと、カソード排ガスの一部に前記炭酸ガスリサイクルラインの燃焼排ガスと空気とを混合してカソードを循環させる循環ラインと、前記アノード排ガスの残部より炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収装置と、この炭酸ガス回収装置からの排ガスと前記カソード排ガスの残部とを燃焼する第２燃焼器と、この第２燃焼器の燃焼排ガスでタービンを回転して空気圧縮機を駆動し前記循環ラインに空気を供給するタービン圧縮機と、を備える。
【０００９】
アノード排ガスから改質器の加熱およびカソードが必要とする炭酸ガス量に対応するアノード排ガス量を第１燃焼器に分岐し、残部を炭酸ガス回収装置に供給する。炭酸ガス回収装置では加圧・冷却により炭酸ガスを液化して取り出す等によりアノード排ガス中より炭酸ガスを除去する。この炭酸ガス回収装置からの排ガスとカソード排ガスの残部とを第２燃焼器で燃焼し、この燃焼ガスでタービン圧縮機のタービンを駆動した後、タービン排ガスを最終的には大気放出する。第２燃焼器には炭酸ガスをかなりの割合で除去したカソード排ガスが供給されるので、燃焼ガスに含まれる炭酸ガスは従来に比べ大幅に減少している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態の燃料電池発電装置の全体構成図である。本図において図２と同一機能を有するものは同一符号で表す。燃料電池発電装置は、蒸気を含む燃料ガスを加熱する燃料予熱器２４と、この加熱された燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器２２と、このアノードガスと酸素および炭酸ガスを含むカソードガスとから発電する燃料電池２０とを備える。燃料電池２０から排出されるアノード排ガスの一部は、アノード排ガスライン４により第１燃焼器２３に供給され、酸素を含むカソード排ガスの一部と共に燃焼触媒を用いて燃焼する。改質器２２は加熱室と改質室からなり、加熱室には第１燃焼器２３からの燃焼排ガスが供給され、改質室は水蒸気を含む都市ガスを改質触媒と加熱室からの加熱により水素を含むアノードガスに改質し、アノードガスライン２によりアノードに供給する。加熱室より排出される燃焼排ガスには炭酸ガスが含まれるので、この炭酸ガスを炭酸ガスリサイクルライン７により循環ライン３に供給する。循環ライン３はこの炭酸ガスと空気ライン８により供給される酸素とカソード排ガスの一部とを混合してカソードガスとし、炭酸ガスリサイクルブロワ３２によりカソードを循環させる。循環ライン３の循環ガス量は流量制御弁４２により調整される。
【００１１】
天然ガスを成分とする都市ガスは燃料ガスライン１により供給され、脱硫器２６で硫酸分を除去された後蒸気ライン９からの蒸気と混合し、燃料予熱器２４で加熱されて改質器２２に入りアノードガスに改質されて、アノードガスライン２により燃料電池２０のアノードに供給される。燃料電池２０のカソードには、炭酸ガスリサイクルライン７からの炭酸ガスと、空気ライン８からの空気と、循環ライン３からのカソード排ガスとが混合されてカソードガスとなり、炭酸ガスリサイクルブロワ３２により供給される。燃料電池２０はアノードガスとカソードガスを供給され発電を行う。アノードでの反応により蒸気と未燃焼成分を含むアノード排ガスが排出され、アノード排ガスライン４により一部は第１燃焼器２３に供給され、残部は炭酸ガス回収装置４０に供給される。燃焼器２３と炭酸ガス回収装置４０へのラインを分けることにより、燃焼器２３の燃料の流量減少、温度低下を防ぐことができ、電池の燃料利用率低下をひき起こさない。カソードでの反応により生成さたカソード排ガスは、一部は循環ライン３によりカソードへ循環し、他の一部はカソード排ガスライン５により第１燃焼器２３に供給され、残部は第２燃焼器４１に供給される。
【００１２】
第１燃焼器２３には燃料電池２０のアノード排ガスの一部とカソード排ガスの一部が供給される。燃料電池２０の燃料利用率は８０％程度なので、アノード排ガスには２０％程度の燃料成分が含まれている。カソード排ガスには燃焼に必要な酸素が含まれている。これらが第１燃焼器２３で燃焼され高温の燃焼排ガスを生成しこれを改質器２２に供給する。改質器２２で燃料ガスを加熱した後の燃焼排ガスには炭酸ガスが含まれ、これはカソードでの電池反応に必要なので、炭酸ガスリサイクルライン７によりカソードへ供給される。
【００１３】
炭酸ガス回収装置４０はアノード排ガス中に含まれる炭酸ガスを分離して取り出す装置で、幾つかの方式があるが、一例として加圧・冷却し液化して取り出す方法がある。本実施形態ではアノード排ガスを３ＭＰａ程度に加圧し、−４０℃程度に冷却して炭酸ガスを液化して分離して取り出す。なお、冷却にはＬＮＧ（液化天然ガス）の気化の際の冷熱などを用いることにより低コストで冷却を行うことができる。また炭酸ガス回収量が過大になると電池反応に必要な炭酸ガスが不足するという制約もない。
【００１４】
炭酸ガス回収装置４０で炭酸ガスを除去されたアノード排ガスとカソード排ガスは第２燃焼器４１で燃焼して燃焼ガスとなり、タービン圧縮機２８のタービンを駆動した後、排熱回収蒸気発生装置３０へ供給される。排熱回収蒸気発生装置３０では給水をタービン圧縮機２８のタービンを駆動した排ガスにより蒸気とし、蒸気ライン９により燃料ガスライン１に供給する。排熱回収蒸気発生装置３０の排ガスは大気に放出されるが、炭酸ガスは従来に比べ大幅に低減している。
【００１５】
空気はタービン圧縮機２８の圧縮機へ入り、加圧されて空気ライン８に供給される。
【００１６】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、改質器の加熱や電池反応に必要な炭酸ガスを含むアノード排ガスを除いたアノード排ガスより炭酸ガスを回収し、この炭酸ガスを除いた排ガスとカソード排ガスとを燃焼して、この燃焼ガスのエネルギを回収した後、大気に放出する。これによりプラント発電効率をあまり低下させずに大気に放出される炭酸ガスを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図２】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【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  排熱利用ライン
７  炭酸ガスリサイクルライン
８  空気ライン
９  蒸気ライン
２０  燃料電池
２２  改質器
２３  第１燃焼器
２４  燃料予熱器
２６  脱硫器
２８  タービン圧縮機
３０  排熱回収蒸気発生装置
３２  炭酸ガスリサイクルブロワ
４０  炭酸ガス回収装置
４１  第２燃焼器
４２  流量制御弁
【図１】
0003865167.tif 000002
【図２】
0003865167.tif 000003