(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む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溶融炭酸塩型燃料電池と、該溶融炭酸塩型燃料電池のカソード排ガスの一部を循環ブロアによりカソードに循環するカソード循環ラインと、該カソード循環ラインを流れるガスと混合させる圧縮空気を供給する圧縮空気供給ラインとを備えた溶融炭酸塩型燃料電池発電設備のカソード温度制御方法であって、
前記圧縮空気の量によりカソードガスのカソード出口温度を制御し、循環するカソード排ガスの温度を前記循環ブロアによるカソードガスの循環量を増大させないような温度に調節して、前記カソードに供給されるカソードガスのカソード入口温度を制御することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備のカソード温度制御方法。
【請求項２】
水素を含む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溶融炭酸塩型燃料電池と、該溶融炭酸塩型燃料電池のカソード排ガスの一部を循環ブロアによりカソードに循環するカソード循環ラインと、該カソード循環ラインを流れるガスと混合させる圧縮空気を供給する圧縮空気供給ラインを備えた溶融炭酸塩型燃料電池発電設備のカソード温度制御装置であって、
前記圧縮空気の量によりカソードガスのカソード出口温度を制御し、前記カソード循環ラインには、循環するカソード排ガスを加熱する加熱器が設けられ、該加熱器は、カソード入口温度を前記循環ブロアによるカソードガスの循環量を増大させないような温度に保持するように加熱量を制御することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備のカソード温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電池発電設備のカソード温度制御方法及び装置に関する。
【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に示す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２０とを備えており、改質器１０で作られたアノードガス２は燃料電池２０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として冷却器３２、セパレータ３４に入り、水分を除去されて改質器１０の燃焼室１０ａに供給される。改質器１０ではアノード排ガス４中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）が燃焼室１０ａで燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質管１０ｂを加熱し改質管内を通る燃料ガス１を改質する。改質管１０ｂを出た燃焼排ガス５はタービン圧縮機４４から供給される加圧空気６及び循環されるカソード排ガス７と合流してカソードガス３となり、燃料電池２０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、循環ブロア２２により燃料電池２０の上流側に一部が循環され、残りはタービン圧縮機４４で圧力を回収され、排熱回収装置５０で熱を回収されて系外に排出される。
【０００３】
燃料電池は、融点の高い溶融炭酸塩を電解液として用いており、平均温度が５００℃以下となると電解液が部分的に凝縮し、逆に７００℃以上になると電解液の蒸発や腐食が激しくなる問題がある。このため、従来、燃料電池の温度制御は、タービン圧縮機４４からの空気６の量により最高温度（出口温度）を制御し、循環ブロワ２２によるカソード排ガス７の循環量により最低温度（入口温度）を制御していた。すなわち、燃料電池２０に入るカソードガス３の温度を所定の範囲（例えば５５０〜６００℃）になるように循環ブロワ２２を制御して循環するカソード排ガス７の流量を増減させ、カソード排ガス７の温度が所定の範囲（例えば６８０〜７００℃）になるようにタービン圧縮機４４からの空気量を制御していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電設備では負荷が下がるにつれてカソード出口温度が下がる傾向にある。このため部分負荷運転の場合、カソード入口温度を所定の温度に保つためにカソード排ガス７の循環量が大幅に増大する。このため循環ブロワ２２の容量は部分負荷時の負荷により決まり、定格負荷時は循環ブロワ２２を低容量の低効率の状態で使用しなければならないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、カソード排ガスの温度を制御することによりカソード排ガスの循環量の変動を少なくすることを目的とする。また循環ブロワの容量を少なくすることを目的とする。
【０００６】
【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、水素を含む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溶融炭酸塩型燃料電池と、該溶融炭酸塩型燃料電池のカソード排ガスの一部を循環ブロアによりカソードに循環するカソード循環ラインと、該カソード循環ラインを流れるガスと混合させる圧縮空気を供給する圧縮空気供給ラインとを備えた溶融炭酸塩型燃料電池発電設備のカソード温度制御方法であって、前記圧縮空気の量によりカソードガスのカソード出口温度を制御し、循環するカソード排ガスの温度を前記循環ブロアによるカソードガスの循環量を増大させないような温度に調節して、前記カソードに供給されるカソードガスのカソード入口温度を制御する。
【０００７】
請求項２の発明では、水素を含む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溶融炭酸塩型燃料電池と、該溶融炭酸塩型燃料電池のカソード排ガスの一部を循環ブロアによりカソードに循環するカソード循環ラインと、該カソード循環ラインを流れるガスと混合させる圧縮空気を供給する圧縮空気供給ラインを備えた溶融炭酸塩型燃料電池発電設備のカソード温度制御装置であって、前記圧縮空気の量によりカソードガスのカソード出口温度を制御し、前記カソード循環ラインには、循環するカソード排ガスを加熱する加熱器が設けられ、該加熱器は、カソード入口温度を前記循環ブロアによるカソードガスの循環量を増大させないような温度に保持するように加熱量を制御する。
【０００９】
【作用】
請求項１の発明によれば、循環するカソード排ガスの温度を循環ブロアによるカソードガスの循環量を増大させないような温度に調整し、混合してカソードガスとすることによりカソードガスの入口温度を制御することができる。これにより、部分負荷時カソード排ガスの温度が低下してもカソード入口の温度を所定の範囲に保つため循環量を増やす必要がない。
【００１０】
請求項２の発明によれば、カソード循環ラインにカソード入口温度を前記循環ブロアによるカソードガスの循環量を増大させないような温度に保持するように加熱量を制御する加熱器を設けるので、カソード排ガスの温度を調整することができ、混合してカソードガスとすることによりカソードガスの入口温度を制御することができる。これにより、部分負荷時カソード排ガスの温度が低下してもカソード入口の温度を所定の範囲に保つため循環量を増やす必要がない。
【００１２】
【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。図１は、本発明を実施する燃料電池発電設備の全体構成図である。図２と同一符号は同一機能を有するものを表す。この図において、燃料電池発電設備は、改質器１０、水素を含むアノードガス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２０、セパレータ３４、燃料電池を通過したカソード排ガス７により駆動され空気６を加圧するタービン圧縮機４４、排熱回収装置５０等を備え、改質器１０で燃料ガス１を改質し、燃料電池２０で発電し、セパレータ３４でアノード排ガス４中の水分を除去し、タービン圧縮機４４でカソード排ガス７の圧力を回収し、排熱回収装置５０で排熱を回収するようになっている。また、燃料電池２０の上流側にカソード排ガス７の一部を循環する循環ブロア２２と、燃料電池に入るカソードガス３の温度を検出してこの温度が所定の範囲（５５０〜６００℃）になるように循環するカソード排ガス７の温度を制御してカソード入口温度を制御する加熱器２６とを備えている。また、符号２５は、カソード循環ライン２４を流れるガスと混合させる圧縮空気６を供給する圧縮空気供給ラインである。
【００１３】
天然ガス等の燃料ガス１は脱硫器１１で脱硫後、セパレータ３４で分離され排熱回収装置５０で加熱された水蒸気８と混合し、燃料予熱器１２で加熱され、改質器１０で改質されて水素を主体とするアノードガス２となり、燃料電池２０のアノードＡに供給される。燃料予熱器１２はアノードＡより排出されたアノード排ガス４により燃料ガス１を加熱する。改質器１０はアノード排ガス４とタービン圧縮機４４で加圧された空気６とを燃焼する燃焼室１０ａと、燃焼室１０ａからの伝熱により燃料ガス１を改質してアノードガス２にする改質管１０ｂとからなる。
【００１４】
改質器１０の燃焼室１０ａからの燃焼排ガス５は、空気予熱器１４により改質室１０ａに供給される空気６を加熱して冷却され、タービン圧縮機４４からの空気６と混合してカソードガス３となり、さらに循環するカソード排ガス７と混合して燃料電池２０のカソードＣに供給される。燃料電池２０はアノードガス２が通過するアノードＡと、カソードガス３が通過するカソードＣとからなり、アノードガス２中の水素、一酸化炭素と、カソードガス３中の酸素、二酸化炭素とから化学反応によって電気を発生する。
【００１５】
アノードＡから排出されるアノード排ガス４は燃焼成分を含んでいるので、改質器１０の燃焼ガスとなる。このため燃料予熱器１２とガス／ガス熱交換器１３で冷却し、冷却器３２で凝縮してセパレータ３４で水分を分離した後、ブロワ３６でガス／ガス熱交換器１３に送られ加熱されて燃焼室１０ａに送られる。
【００１６】
カソードＣから排出されるカソード排ガス７の一部は補助燃焼器４６で加熱され、タービン圧縮機４４を駆動した後、排熱回収装置５０で熱回収をした後放出される。タービン圧縮機４４はタービン４１と、タービン４１に駆動される圧縮機４２と発電機４３からなり、圧縮機４２は空気を圧縮して加圧空気６を供給し、発電機４３は燃料電池発電設備に電力を供給する。補助燃焼器４６は燃料ガス１を空気６で燃焼しカソード排ガス７を加熱する。排熱回収装置５０はセパレータ３４で分離され、給水ポンプ３８により送られてくる水分を、タービン４１を駆動したカソード排ガス７で加熱して水蒸気８とし燃料ガス１に混入する。
【００１７】
カソードＣから排出されるカソード排ガス７の他の一部はカソード循環ライン２４に入る。カソード循環ライン２４は循環ブロワ２２と加熱器２６とカソード入口の温度を計測する温度センサ２８を備える。加熱器２６はカソード入口のカソードガス３の温度が所定の範囲、例えば５８０〜６００℃になるようカソード排ガス７の温度を制御する。カソード循環ライン２４に分岐されたアノード排ガス７は循環ブロワ２２で昇圧された後、加熱器２６により昇温される。昇温されたガスはカソードガス３と混合し、カソードガス３の温度を昇温し、カソード入口温度が所定の温度となる。これにより部分負荷等によりカソード排ガス７の温度が低下しても従来のようにカソード排ガス７の流量を増加しなくてもよい。また、循環ブロワ２２の容量を定格負荷に基づいて定め、常に効率よく運転することができる。加熱器２６としては電気加熱器、または燃焼加熱器等が用いられる。
【００１８】
カソード循環ガスの流量はカソードガス３に与える熱量によって決まる。このため加熱器２６により加熱することによりカソード循環ガスの流量を調整することができる。これによりカソード循環流量が所定の流量より多い場合は加熱器２６で昇温し循環量を減らすことができ、逆にカソード循環量が少ない場合は加熱器２６の加熱温度を下げてカソード循環量を増やすことが出来る。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明はカソード循環ラインで循環ガスの温度を調整することにより以下の効果を奏する。
▲１▼カソード循環ガス量を減らすことが出来るので、循環ブロワの駆動動力を減らすことが出来る。
▲２▼カソード排ガスを加熱器でガス温度を設定することにより、カソード循環ガス量を任意に設定することが出来る。
▲３▼循環ブロワの最大容量を小さくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する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。
【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  水蒸気
１０  改質器
１０ａ  燃焼室
１０ｂ  改質管
１１  脱硫器
１２  燃料予熱器
１３  ガス／ガス熱交換器
１４  空気予熱器
２０  燃料電池
２２  循環ブロワ
２４  カソード循環ライン
２５  圧縮空気供給ライン
２６  加熱器
２８  温度センサ
３２  冷却器
３４  セパレータ
３６  ブロア
３８  給水ポンプ
４１  タービン
４２  圧縮機
４３  発電機
４４  タービン圧縮機
４６  補助燃焼器
５０  排熱回収装置
【図１】
0003741288.tif 000002
【図２】
0003741288.tif 000003