JP2000348742A

JP2000348742A - 燃料電池発電設備

Info

Publication number: JP2000348742A
Application number: JP11154140A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Aimono; 美裕四十物
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-06-01
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】０〜３０％程度の低負荷範囲においても、放
出ライン１０ａからのアノード排ガスの放出量を低減
し、燃料電池の負荷上昇速度を高めることができ、かつ
アノード排ガスの放出を行うことなく、燃料電池の最低
負荷率を従来より下げることができる燃料電池発電設備
を提供する。【解決手段】改質器（１０）及び燃料電池（１１）を
備え、改質器で燃料を改質し、改質した燃料ガスをアノ
ードガスとして燃料電池で反応させ、反応後のアノード
排ガスを改質器で燃焼させて改質熱を発生させ、その燃
焼排ガスをカソードガスとして燃料電池に供給する燃料
電池発電設備において、改質器に供給する燃焼用空気を
冷却するための空気冷却手段（２０）を備える。この空
気冷却手段は、空気予熱器１８ｂをバイパスするバイパ
スライン２１と、このバイパスラインに設けられた空気
冷却器２２と、バイパスラインおよび空気予熱器ライン
６ａに設けられた流量調節弁２３ａ，２３ｂとからな
り、プラントの運用状態によって改質器燃焼用空気の冷
却・予熱を切り替える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低負荷時の負荷上
昇速度を高め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、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。

【０００３】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（燃料電池発電プラント）で
は、図３に示すように改質器１０、燃料電池１１、ガス
タービン発電機１２、排熱回収熱交換器１５等を備え、
天然ガス等の燃料ガス１を脱硫器１７ａで脱硫し、燃料
予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室に供給し、こ
こで燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質す
る。燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカ
ソードガス３とから電気化学的に発電し、そのアノード
排ガス４は、燃料予熱器１３、ガス／ガス熱交換器１８
ｃ、及び冷却器１８ｄで凝縮点以下まで冷却され、セパ
レータ１９ｂで水滴を分離し、ブロア１９ａで加圧さ
れ、ガス／ガス熱交換器１８ｃで昇温して改質器１０の
燃焼室に供給され、ここで燃焼して改質反応に必要な熱
を改質室に供給する。

【０００４】改質器１０を出た燃焼排ガスは、ガスター
ビン発電機１２から供給される加圧空気６と合流し、カ
ソードガス３となって燃料電池１１のカソード側に供給
され、反応後のカソード排ガス７は一部７ａがカソード
循環ブロア１６でカソード入口側にリサイクルされ、残
り７ｂは補助燃焼器１４に供給され、天然ガスの燃焼に
供される。ガスタービン発電機１２では、カソード排ガ
ス７及び補助燃焼器１４による燃焼排ガスでタービンを
駆動して圧縮機と発電機を駆動して、加圧空気６の供給
と同時に発電を行う。加圧空気６はカソード空気冷却器
１８ａで所定の温度に冷却し、燃料電池１１に供給され
る。タービン排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供給さ
れ、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出される。
発生した水蒸気８は改質器１０に供給され、改質用の水
蒸気として用いられる。

【０００５】なお、定常状態において、改質器１０で作
られたアノードガス２は燃料電池１１内でその大部分
（例えば８０％）を消費するが、そのアノード排ガス中
の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）が改質室１
０の燃焼室で燃焼して改質室を加熱し改質室内の燃料を
改質する。

【０００６】また、溶融炭酸塩型の燃料電池１１はアノ
ードとカソードとからなり、次のような電極反応が行わ
れる。アノード反応（負極反応）Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2-→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋２ｅ．．（１）カソード反応（正極反応）ＣＯ₂＋１／２Ｏ₂＋２ｅ→ＣＯ₃ ^2- ．．（２）

【０００７】すなわちアノードでは、（１）式により水
素ガスとＣＯ₃ ^2-とから水と炭酸ガスと電荷が生成さ
れ、カソードでは、（２）式により炭酸ガスと酸素と電
荷とからＣＯ₃ ^2-が生成される。（１）式右辺はアノー
ドから排出されるアノード排ガス４の成分を表してお
り、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソ
ードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同
じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したこのカ
ソードブロア１６により、改質器で発生したＣＯ₂ガス
を燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用
するようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備（燃料電池発
電プラント）では、改質器での改質反応に必要な熱は、
燃料電池アノードでの未反応分の水素等可燃性ガスを含
むアノード排ガスを空気と燃焼することにより得てい
る。

【０００９】しかし、プラントの起動・停止時等の負荷
上昇・下降時では、例えば０〜３０％程度の低負荷範囲
においても、燃料電池や改質器等の運転特性上の制約か
らアノードへ供給する燃料ガスを一定の流量（例えば、
定格流量の３０％）に維持する必要がある。そのため、
負荷で必要とする量以上を燃料電池に供給することにな
り、多量の未反応の可燃性ガスを含むアノード排ガスが
改質器へ供給される。このため改質器へは必要以上の熱
量が供給され、改質器燃焼温度が上がりすぎるので、こ
れを防ぐために余剰なアノード排ガスを改質器入口に設
けた放出ライン１０ａから系外に放出していた。

【００１０】この放出を行う場合、アノード排ガス４に
はカソードで反応に必要なＣＯ₂が含まれているため、
アノード排ガスを系外に放出するとカソードへ供給する
ＣＯ ₂量が減少する問題が発生する。そのため、プラン
トの負荷を取り始めてからある負荷（例えば３０％負
荷）までの間はカソードへのＣＯ₂の供給量に余裕がな
く、燃料電池の負荷上昇速度を低く（例えば１％／分程
度）に抑える必要が生じていた。言い換えれば、０〜３
０％程度の低負荷範囲では、カソードへのＣＯ₂供給量
は、負荷が徐々に上がり、反応量が増加して電池反応に
よるアノード排ガス中のＣＯ₂量が増えるのを待たなけ
ればならず、その結果、その間の負荷上昇に時間がかか
り、短時間での負荷上昇ができなかった。

【００１１】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、０
〜３０％程度の低負荷範囲においても、放出ライン１０
ａからのアノード排ガスの放出量を低減し、燃料電池の
負荷上昇速度を高め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。また、本発明の別の目的は、アノ
ード排ガスの放出を行うことなく、燃料電池の最低負荷
を従来より下げ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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、改質器
（１０）及び燃料電池（１１）を備え、改質器で燃料を
改質し、改質した燃料ガスをアノードガスとして燃料電
池で反応させ、反応後のアノード排ガスを改質器で燃焼
させて改質熱を発生させ、その燃焼排ガスをカソードガ
スとして燃料電池に供給する燃料電池発電設備におい
て、改質器に供給する燃焼用空気を冷却するための空気
冷却手段（２０）を備える、ことを特徴とする燃料電池
発電設備が提供される。

【００１３】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
空気冷却手段（２０）は、改質器の燃焼排ガスを冷却し
て燃焼用空気を予熱するための空気予熱器（１８ｂ）を
バイパスするバイパスライン（２１）と、このバイパス
ラインに設けられた空気冷却器（２２）と、バイパスラ
インおよび空気予熱器ライン（６ａ）に設けられた流量
調節弁（２３ａ，２３ｂ）とからなり、プラントの運用
状態によって改質器燃焼用空気の冷却・予熱を切り替え
る。

【００１４】また、別の実施形態によれば、前記空気冷
却手段（２０）は、カソードに供給する圧縮空気を冷却
するカソード空気冷却器（１８ａ）の出口側と改質器の
燃焼排ガスを冷却して燃焼用空気を予熱するための空気
予熱器（１８ｂ）の空気出口側を連結する冷却空気ライ
ン（２４）と、該冷却空気ラインと空気予熱器ライン
（６ａ）に設けられた流量調節弁（２５ａ，２５ｂ）と
からなり、プラントの運用状態によって改質器燃焼用空
気の冷却を行う。

【００１５】上記本発明の構成によれば、流量調節弁
（２３ａ，２３ｂ）又は流量調節弁（２５ａ，２５ｂ）
により、改質器燃焼用空気は常に冷却するのではなく、
アノード排ガスを系外に放出していた運転状態（例えば
無負荷から３０％負荷程度の運転状態）の時等、必要な
ときに行うことができる。これにより、改質器燃焼用空
気を冷却すると改質器での燃焼温度が下がるので、燃焼
温度を保つためにアノード排ガス流量（改質器燃焼用燃
料流量）を増加することができ、その分、系外へ放出す
るアノード排ガスが減少する。その結果、カソードで必
要なＣＯ₂の系外への放出する量が減少し、プラントの
起動（例えば０％〜３０％負荷程度）の負荷上昇率を大
きくとることができ、負荷上昇時間が短縮できる。ま
た、カソード入口でのＣＯ₂量が増加するため、燃料電
池の電圧降下を防ぎ、高い電圧で余裕をもった運転が可
能となる。

【００１６】更に、これまでは例えば３０％負荷程度の
最低負荷にならないとアノード排ガスを全量系内で使う
ことができなかったため、これがプラントの最低負荷と
なっていた。しかし、本発明によって、３０％負荷以下
でアノード排ガスの全量を系内へ投入することができる
ので、プラントの最低負荷を更に下げる（例えば約２０
％負荷まで）ことができ、より幅広い負荷要求に対応で
きるようになる。

【００１７】

【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、各図において共通の
部材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第１実施形態を示す
全体構成図である。この図において、本発明の燃料電池
発電設備は、改質器１０に供給する燃焼用空気を冷却す
るための空気冷却手段２０を備える。

【００１８】この第１実施形態において、空気冷却手段
２０は、バイパスライン２１、空気冷却器２２及び流量
調節弁２３ａ，２３ｂからなる。バイパスライン２１
は、改質器の燃焼排ガスを冷却して燃焼用空気を予熱す
るための空気予熱器１８ｂをバイパスする配管ラインで
ある。空気冷却器２２は、例えば水冷の間接冷却器であ
り、バイパスライン２１に設けられ、このラインを通過
する燃焼用空気を冷却する。流量調節弁２３ａ，２３ｂ
は、バイパスライン２１および空気予熱器ライン６ａに
それぞれ設けられた流量調節弁２３ａ，２３ｂであり、
各ラインを流れるガス量を調節する。

【００１９】この構成により、例えば、プラントの起動
・停止時等の負荷上昇・下降時では、例えば０〜３０％
程度の低負荷範囲においても、流量調節弁２３ａを開
き、流量調節弁２３ｂを閉じて、空気冷却器２２を流れ
る燃焼用空気量を増し、この空気冷却器２２により燃焼
用空気を所望の温度（例えば約１００℃前後）までに冷
却することができる。また、逆に、放出ライン１０ａか
らの放出が生じない通常の状態（３０％以上の負荷範
囲）では、流量調節弁２３ａを全閉し、流量調節弁２３
ｂを全開することにより、全量を従来どおり供給でき
る。すなわち、プラントの運用状態によって改質器燃焼
用空気の冷却・予熱を切り替えることができる。

【００２０】図２は、本発明の燃料電池発電設備の第２
実施形態の全体構成図である。この第２実施形態におい
て、空気冷却手段２０は、冷却空気ライン２４及び流量
調節弁２５ａ，２５ｂからなる。冷却空気ライン２４
は、燃料電池１１のカソードに供給する圧縮空気を冷却
するカソード空気冷却器１８ａの出口側と改質器１０の
燃焼排ガスを冷却して燃焼用空気を予熱するための空気
予熱器１８ｂの空気出口側を連結する配管ラインであ
る。また、流量調節弁２５ａ，２５ｂは、冷却空気ライ
ン２４と空気予熱器ライン６ａにそれぞれ設けられた流
量調節弁２５ａ，２５ｂであり、各ラインを流れるガス
量を調節する。

【００２１】この構成により、例えば、プラントの起動
・停止時等の負荷上昇・下降時では、例えば０〜３０％
程度の低負荷範囲においても、流量調節弁２５ａを開
き、流量調節弁２５ｂを閉じて、カソード空気冷却器１
８ａで冷却された低温（例えば約８０℃前後）の空気を
改質器に供給することができる。また、逆に、放出ライ
ン１０ａからの放出が生じない通常の状態（３０％以上
の負荷範囲）では、流量調節弁２５ａを全閉し、流量調
節弁２５ｂを全開することにより、全量を従来どおり供
給できる。すなわち、プラントの運用状態によって改質
器燃焼用空気の冷却・予熱を切り替えることができる。

【００２２】上述した本発明の構成によれば、流量調節
弁２３ａ，２３ｂ又は流量調節弁２５ａ，２５ｂによ
り、改質器燃焼用空気は常に冷却するのではなく、アノ
ード排ガスを系外に放出していた運転状態（例えば無負
荷から３０％負荷程度の運転状態）の時等、必要なとき
に行うことができる。これにより、改質器燃焼用空気を
冷却すると改質器での燃焼温度が下がるので、燃焼温度
を保つためにアノード排ガス流量（改質器燃焼用燃料流
量）を増加することができ、その分、系外へ放出するア
ノード排ガスが減少する。その結果、カソードで必要な
ＣＯ₂の系外への放出する量が減少し、プラントの起動
（例えば０％〜３０％負荷程度）の負荷上昇率を大きく
とることができ、負荷上昇時間が短縮できる。また、カ
ソード入口でのＣＯ₂量が増加するため、燃料電池の電
圧降下を防ぎ、高い電圧で余裕をもった運転が可能とな
る。

【００２３】更に、これまでは例えば３０％負荷程度の
最低負荷にならないとアノード排ガスを全量系内で使う
ことができなかったため、これがプラントの最低負荷と
なっていた。しかし、本発明によって、３０％負荷以下
でアノード排ガスの全量を系内へ投入することができる
ので、プラントの最低負荷を更に下げる（例えば約２０
％負荷まで）ことができ、より幅広い負荷要求に対応で
きるようになる。

【００２４】なお本発明は、上述した実施形態に限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の変更が可能である。

【００２５】

【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、０〜３０％程度の低負荷範囲においても、放出
ライン１０ａからのアノード排ガスの放出量を低減し、
燃料電池の負荷上昇速度を高めることができ、かつアノ
ード排ガスの放出を行うことなく、燃料電池の最低負荷
を従来より下げることができる、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第１実施形態を示
す全体構成図である。

【図２】本発明の燃料電池発電設備の第２実施形態を示
す全体構成図である。

【図３】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６ａ空気予熱器ライン７，７ａ，７ｂカソード排ガス８水蒸気１０改質器１０ａ放出ライン１１燃料電池１２ガスタービン発電機１３燃料予熱器１４ガスタービン用燃焼器１５排熱回収熱交換器１６カソード循環ブロア１７ａ脱硫器１８ａカソード空気冷却器１８ｂ空気予熱器２０空気冷却手段２１バイパスライン２２空気冷却器２３ａ，２３ｂ流量調節弁２４冷却空気ライン２５ａ，２５ｂ流量調節弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質器（１０）及び燃料電池（１１）を
備え、改質器で燃料を改質し、改質した燃料ガスをアノ
ードガスとして燃料電池で反応させ、反応後のアノード
排ガスを改質器で燃焼させて改質熱を発生させ、その燃
焼排ガスをカソードガスとして燃料電池に供給する燃料
電池発電設備において、改質器に供給する燃焼用空気を冷却するための空気冷却
手段（２０）を備える、ことを特徴とする燃料電池発電
設備。
【請求項２】前記空気冷却手段（２０）は、改質器の
燃焼排ガスを冷却して燃焼用空気を予熱するための空気
予熱器（１８ｂ）をバイパスするバイパスライン（２
１）と、このバイパスラインに設けられた空気冷却器
（２２）と、バイパスラインおよび空気予熱器ライン
（６ａ）に設けられた流量調節弁（２３ａ，２３ｂ）と
からなり、プラントの運用状態によって改質器燃焼用空
気の冷却・予熱を切り替える、ことを特徴とする請求項
１に記載の燃料電池発電設備。
【請求項３】前記空気冷却手段（２０）は、カソード
に供給する圧縮空気を冷却するカソード空気冷却器（１
８ａ）の出口側と改質器の燃焼排ガスを冷却して燃焼用
空気を予熱するための空気予熱器（１８ｂ）の空気出口
側を連結する冷却空気ライン（２４）と、該冷却空気ラ
インと空気予熱器ライン（６ａ）に設けられた流量調節
弁（２５ａ，２５ｂ）とからなり、プラントの運用状態
によって改質器燃焼用空気の冷却を行う、ことを特徴と
する請求項１に記載の燃料電池発電設備。