(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される水素を含むアノードガスとカソードに供給される酸素を含むカソードガスで発電する燃料電池と、燃料ガスと蒸気を改質器でアノードガスとしアノードに供給するアノードガスラインと、アノード排ガスとカソード排ガスとを触媒燃焼器で燃焼して燃焼排ガスを発生し改質器を加熱した後ブロワによりカソードに供給する炭酸ガスリサイクルラインと、カソード排ガスで給水を加熱して蒸気を発生し前記燃料ガスに混合して改質器に供給する排熱回収蒸気発生装置と、この給水を加熱したカソード排ガスの放出量を調整する調整弁と、を備え、前記ブロワに空気取り入れ口を設け、前記調整弁で放出量を調整することにより前記空気取り入れ口より取り入れる空気量を調整することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記空気取り入れ口の上流に空気により燃料を燃焼し燃焼ガスを空気取り入れ口に供給する燃焼器が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置に係わり、特にカソードに供給する空気を炭酸ガスリサイクルラインのブロワで供給するようにした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４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。図４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と蒸気の混合気体を改質して水素を主体とするアノードガスにする。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の出側でカソード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。
【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へ供給されてアノード排ガスとともに燃焼し、残部は空気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。また、触媒燃焼器２３の出口温度を改質器２２の改質に必要な温度領域に保持するため、カソード排ガスライン５の触媒燃焼器２３への分岐点の手前より炭酸ガスリサイクルブロワ３２の入口に至る触媒燃焼器バイパス３が設けられている。触媒燃焼器バイパス３には流量調整弁２５が設けられ、カソード排ガスの触媒燃焼器２３への流量を制御している。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】
タービン圧縮機２８の圧縮機Ｃで圧縮された空気は空気ライン８によりカソードに供給される。また空気ライン８に並行して起動用空気ライン６が設けられている。起動用空気ライン６には電動の起動用ブロワ３４と起動用燃焼器３６が設けられ、燃料電池２０起動時に燃焼により加熱された空気をカソードに供給する。起動用燃焼器３６は燃料を空気で燃焼し酸素を含む燃焼ガスを発生する。起動が終わり定常運転になり、タービン圧縮機２８からの圧縮空気が供給されるようになると、起動用ブロワ３４と起動用燃焼器３６とは停止する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池が火力発電や原子力発電と競合して商業的に成り立つためには、装置を簡略化しコストを低減することが強く要望されている。カソードへの空気供給は、タービン圧縮機２８、起動用ブロワ３４により行われ、これらにより供給された空気を炭酸ガスリサイクルブロワ３２で循環させており、ブロワと圧縮機が重複されている。また触媒燃焼器バイパス３には高温のカソード排ガスが流れるため、流量調整弁２５は高温仕様の弁であり、高価なものとなっていた。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたもので、カソードに空気を供給するブロワや圧縮機および高温仕様の流量調整弁の低減を図った燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、アノードに供給される水素を含むアノードガスとカソードに供給される酸素を含むカソードガスで発電する燃料電池と、燃料ガスと蒸気を改質器でアノードガスとしアノードに供給するアノードガスラインと、アノード排ガスとカソード排ガスとを触媒燃焼器で燃焼して燃焼排ガスを発生し改質器を加熱した後ブロワによりカソードに供給する炭酸ガスリサイクルラインと、カソード排ガスで給水を加熱して蒸気を発生し前記燃料ガスに混合して改質器に供給する排熱回収蒸気発生装置と、この給水を加熱したカソード排ガスの放出量を調整する調整弁と、を備え、前記ブロワに空気取り入れ口を設け、前記調整弁で放出量を調整することにより前記空気取り入れ口より取り入れる空気量を調整する。
【００１０】
炭酸ガスリサイクルラインはカソード排ガスを循環させるが、その一部を排熱回収蒸気発生装置に供給している。炭酸ガスリサイクルラインのブロワは一定回転数で回転している場合、出側の排熱回収蒸気発生装置でカソード排ガスを放出すると、ヘッド圧が高まり放出したカソード排ガス量に応じた空気量を吸入することができる。本発明はこの作用を用いて、排熱回収蒸気発生装置の出側に設けた調整弁でカソード排ガスの放出量を調整することにより、ブロワで吸引する空気量を制御し吸引した空気をカソードに送るようにしたものである。これにより起動用ブロワとタービン圧縮機を用いる必要がなくなる。また、触媒燃焼器に供給するカソード排ガスの流量も排熱回収蒸気発生装置の出側に設けた調整弁で調整できるので、従来の触媒燃焼器バイパスが不要になり高温仕様の流量調整弁も不要になる。
【００１１】
請求項２の発明では、前記空気取り入れ口の上流に空気により燃料を燃焼し燃焼ガスを空気取り入れ口に供給する燃焼器が設けられている。
【００１２】
燃料電池起動時は電池内は低温であるので、燃料ガスを空気で燃焼して燃焼ガスを発生しブロワにより電池内に供給し、アノードガスとともに電池反応を開始し、起動を行う。
【００１３】
【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は本発明の燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。図４と同一符号のものは同一のラインや機器等を表す。図４の装置について詳細に説明したので、図４との相違点を説明する。図１においては、図４のタービン圧縮機２８と空気ライン８、および起動用ブロワ３４と起動用空気ライン６を廃止し、カソード排ガスの一部を排熱回収蒸気発生装置３０に供給して給水を加熱し、流量調整弁４０を経て大気に放出する。燃料ガスを空気で燃焼して燃焼ガスを発生する起動用燃焼器３６を炭酸ガスリサイクルブロワ３２の入側に設け、この起動用燃焼器３６の入側には取り入れる空気の流量を計測するオリフィス３８を設け、この計測データはトランスミッタ３９で流量調整弁４０に送られる。流量調整弁４０はこの計測データに基づきカソード排ガスの放出流量を調節する。なお、起動用燃焼器３６は起動時には燃料ガスを空気で燃焼するが、起動後は単に空気の通路となる。
【００１４】
次に動作について説明する。図２は炭酸ガスリサイクルライン７とカソード排ガスの放出ラインを示す。図３は炭酸ガスリサイクルブロワの流量Ｑと入側と出側の差圧ΔＰとの関係を示す。炭酸ガスリサイクルブロワ３２の回転数は一定とする。炭酸ガスリサイクルブロワ３２には一定流量Ｑ0 が流れており、この時の炭酸ガスリサイクルブロワ３２の差圧をΔＰ0 とする。流量調整弁４０を開けて流量Ｑ1 を放出すると、炭酸ガスリサイクルライン７にはＱ0 −Ｑ1 の流量が流れる。このとき炭酸ガスリサイクルブロワ３２の回転数一定としたときの性能曲線によりブロワ差圧はΔＰ1 に上昇する。この差圧により空気を流量Ｑ1 吸入するとブロワ差圧はΔＰ0 になり、安定する。このように流量調整弁４０で放出するガスの流量Ｑ1 とほぼ同じ空気流量を炭酸ガスリサイクルブロワ３２は吸入することができるので、流量調整弁４０の放出流量を調整することにより炭酸ガスリサイクルブロワ３２の空気吸入流量を調整することができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、カソード排ガスの放出流量を流量調整弁により調整することにより、炭酸ガスリサイクルブロワで吸入する空気流量を調整できるので、従来用いられていたタービン圧縮機や起動用ブロワを不要とすることができる。また、触媒燃焼器に供給するカソード排ガスの流量も流量調整弁で調整できるので、従来の触媒燃焼器バイパスが不要になり高温仕様の流量調整弁も不要になる。これにより、プラントの建設コストおよびメンテナンスコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の構成を示す図である。
【図２】炭酸ガスリサイクルラインとカソード排ガスの放出ラインの動作を示す図である。
【図３】炭酸ガスリサイクルブロワの流量Ｑと入側と出側の差圧ΔＰの関係を示す図である。
【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  触媒燃焼器バイパス
４  アノード排ガスライン
５  カソード排ガスライン
７  炭酸ガスリサイクルライン
９  蒸気ライン
２０  燃料電池
２２  改質器
２３  触媒燃焼器
２４  燃料予熱器
２５  流量調整弁
２６  脱硫器
３０  排熱回収蒸気発生装置
３２  炭酸ガスリサイクルブロワ
３６  起動用燃焼器
３８  オリフィス
３９  トランスミッタ
４０  流量調整弁
【図１】
0004158131.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004158131.tif 000005