JP2004039449A - 燃料電池モジュール及び複合発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガス化ガスのような炭素成分の割合の高いガスを用いる際、燃料電池モジュールのような燃料ガスの流速が遅く、燃料ガスの滞留時間が長く、温度が低い流路があるような炭素析出し易い環境でも、系内における炭素析出を防止する。
【解決手段】改質器２と、燃料電池モジュール本体１と、水分供給器６とを具備する燃料電池モジュールを用いる。改質器２は、ガス化炉１６から供給されるガス化ガスである燃料ガスを改質する。燃料電池モジュール本体１は、その改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う。水分供給器６は、燃料電池モジュール本体１から送出された排燃料ガスに含まれる水分の凝縮を行い、得られる水を水蒸気に変換して送出する。そして、改質器２は、水分供給器６から送出された水蒸気５６を用いて改質を行う。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のモジュール及び複合発電システムに関し、特に、炭素成分の多い燃料ガスを用いた燃料電池モジュール及び複合発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス化により生成されるガス化ガスは、熱力学的な平衡上、適正なＳ／Ｃ（スチーム／カーボン比）を確保せねば、炭素析出の可能性がある。特に、燃料電池は、系内での燃料ガスの流速がガスタービンなど一般機器に比べ遅く、滞留時間も長いため炭素析出の可能性が高くなる。従って、燃料電池モジュールにおいてガス化ガスのような炭素成分の割合の高いガスを用いる場合には、系内における炭素析出を防止する必要がある。
【０００３】
炭素析出の防止技術として、燃料電池モジュールにガス化ガスを投入する前に水蒸気添加を行うことが知られている。水蒸気は、例えば、燃料電池セルで使用後の燃料ガス（排燃料ガス）の一部を再循環することにより、再循環された排燃料ガス中の水蒸気を得ることが出来る。しかし、ガス化ガスはＣ分が多く、再循環で得られる水蒸気量は天然ガスなどに比べ低く不十分である。
【０００４】
燃料電池モジュールにおいてガス化ガスのような炭素成分の割合の高いガスを用いる際、系内における炭素析出を防止することが出来る技術が望まれている。ガス化ガスを用いる場合の適切な量の水蒸気を確保することが可能な技術が求められている。系内の水蒸気を有効利用することが可能な技術が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ガス化ガスのような炭素成分の割合の高いガスを用いる際、系内における炭素析出を防止することが出来る燃料電池モジュール及び複合発電システムを提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、ガス化ガスを用いる場合の適切な量の水蒸気を確保することが可能な燃料電池モジュール及び複合発電システムを提供することである。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、系内の水蒸気を有効利用することが可能な燃料電池モジュール及び複合発電システムを提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、他のシステムと合わせて効率を向上することが可能な燃料電池モジュール及び複合発電システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
従って、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池モジュール本体（１）と、水分供給器（６）とを具備する。燃料電池モジュール本体（１）は、燃料ガス（５１）と酸化剤ガス（５２）とを用いて発電を行う。水分供給器（６）は、燃料電池モジュール本体（１）から送出された排燃料ガス（５１’）に含まれる水分の凝縮を行い、得られる水を水蒸気に変換して送出する。ただし、燃料ガス（５１）は、水分供給器（６）から送出された水蒸気（５６）と混合されて燃料電池モジュール本体（１）へ供給される。
【００１１】
また、本発明の燃料電池モジュールは、燃料ガス（５１）を水分供給器（６）から送出された水蒸気（５６）と混合する水蒸気混合部（図示せず、（２））を更に具備する。
【００１２】
また、本発明の燃料電池モジュールは、改質器（２）と、燃料電池モジュール本体（１）と、水分供給器（６）とを具備する。改質器（２）は、燃料ガス（５１）を改質する。燃料電池モジュール本体（１）は、その改質された燃料ガス（５１）と酸化剤ガス（５２）とを用いて発電を行う。水分供給器（６）は、燃料電池モジュール本体（１）から送出された排燃料ガス（５１’）に含まれる水分（５４）の凝縮を行い、得られる水（５５）を水蒸気（５６）に変換して送出する。そして、改質器（２）は、水分供給器（６）から送出された水蒸気（５６）を用いて改質を行う。
【００１３】
また、本発明の燃料電池モジュールは、水分供給器（６）が、その凝縮の際に放出される凝縮熱を用いて、水（５５）を水蒸気（５６）に変換する。
【００１４】
また、本発明の燃料電池モジュールは、水分供給器（６）が、第１凝縮部（６−１）と、気液分離部（６−３）と、ポンプ（６−４）とを備える。第１凝縮部（６−１）は、排燃料ガス（５１’）が通過する第１配管（６−１ａ）の排燃料ガス（５１’）に対してその凝縮を行う。ここで、第１凝縮部（６−１）は、第１配管（６−１ａ）と、内部の流体が第１配管（６−１ａ）内の流体と熱交換を行う第２配管（６−１ｂ）とを含む。気液分離部（６−３）は、排燃料ガス（５１’’’）とその凝縮により得られる水（５４’）とを分離する。ポンプ（６−４）は、気液分離部（６−３）の水（５５）を第２配管（６−１ｂ）へ供給する。そして、第１凝縮部（６−１）は、第２配管（６−１ｂ）の水（５５）を、その凝縮熱を用いて、水蒸気（５６）に変換する。
【００１５】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、水分供給器（６）が、排燃料ガス（５１’）に対して、第１凝縮部（６−１）に加えて２回目のその凝縮を行なう第２凝縮部（６−２）を更に具備する。第２凝縮部（６−２）は、第１配管（６−１ａ）に接続された第３配管（６−２ａ）と、外部の低温熱媒体を供給する第４配管（６−２ｂ）とを含む。そして、その２回目のその凝縮は、第３配管（６−２ａ）中の排燃料ガス（５１’’）と第４配管（６−２ｂ）中の低温熱媒体（６１）との熱交換により行う。
【００１６】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、気液分離部（６−３）で分離された排燃料ガス（５７）と、燃料電池モジュール本体（１）から送出された排酸化剤ガス（５２’）とを熱交換する熱交換部（５、５’）を更に具備する。
【００１７】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、燃料ガス（５１）が、ガス化炉（１６）から供給されるガス化ガスである。
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明の複合発電システムは、ガスタービン（３）と、ガス化炉（１６）と、燃料電池モジュール（３０）と、燃焼器（８）とを具備する。ガスタービン（３）は、第１発電機（図示せず）を有し、酸化剤ガス（５２）の圧縮を行う。ガス化炉（１６）は、炭化水素系燃料と酸素含有ガスとを供給され、燃料ガス（５１）を生成する。燃料電池モジュール（３０）は、燃料ガス（５１）と、酸化剤ガス（５２）とにより発電を行う。上記各項のいずれか一項に記載されている。燃焼器（８）は、燃料電池モジュール（３０）で使用済みの燃料ガス（５７）と酸化剤ガス（５２’）とを燃焼する。そして、ガスタービン（３）は、燃焼器（８）により発生した燃焼ガス（５３）を用いてその圧縮を行い、第１発電機（図示せず）を駆動する。
【００１９】
また、本発明の複合発電システムは、ガスタービン（３）で使用済みの燃焼ガス（５３）の排熱回収を行う排熱回収システム（４０）を更に具備する。ここで、排熱回収システム（４０）は、燃焼ガス（５３）の排熱により作動流体としての水（６１）を水蒸気（６０）に変換する排熱回収ボイラ（９）と、第２発電機（図示せず）を有し、水蒸気（６０）により回転して第２発電機（図示せず）を駆動する蒸気タービン（１０）とを備える。
【００２０】
更に、本発明の複合発電システムは、排熱回収システム（４０）が、作動流体としての水（６１）を、水分供給器（６）での排燃料ガス（５１’’）に含まれる水分（５４）のその凝縮用に、水分供給器（６）へ供給する。
【００２１】
更に、本発明の複合発電システムは、ガスタービン（３）と、ガス化炉（１６）と、燃料電池モジュール（３０）と、燃焼器（８）と、排熱回収システム（４０）とを具備する。ガスタービン（３）は、第１発電機（図示せず）を有し、酸化剤ガス（５２）の圧縮を行う。ガス化炉（１６）は、炭化水素系燃料と酸素含有ガスとを供給され、燃料ガス（５１）を生成する。燃料電池モジュール（３０）は、燃料ガス（５１）と、酸化剤ガス（５２）とにより発電を行う。燃焼器（８）は、燃料電池モジュール（３０）で使用済みの燃料ガス（５１’）と酸化剤ガス（５２’）とを燃焼し、燃焼ガス（５３）をガスタービン（３）へ送出する。排熱回収システム（４０）は、ガスタービン（３）で使用済みの燃焼ガス（５３）の排熱回収を行う。そして、ガスタービン（３）は、燃焼ガス（５３）を用いてその圧縮を行い、第１発電機（図示せず）を駆動する。排熱回収システム（４０）は、燃焼ガス（５３）の排熱により作動流体としての水（６１）を水蒸気（６０）に変換する排熱回収ボイラ（９）と、第２発電機（図示せず）を有し水蒸気（６０）により回転して第２発電機（図示せず）を駆動する蒸気タービン（１０）とを備える。そして、燃料電池モジュール（３０）は、水蒸気（６０）の一部と燃料ガス（５１）とを混合する水蒸気混合部（図示せず、（２））を備える。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、ガス化システムの燃料ガスを利用した固体電解質型燃料電池モジュールについて例を示して説明するが、他の炭素成分の多い燃料ガスを利用した燃料電池モジュールについても適用が可能である。また、他のタイプの燃料電池にも適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００２３】
図１は、本発明である燃料電池モジュールを適用した複合発電システムの実施の形態を示す構成図である。複合発電システムは、燃料電池モジュール本体１と改質器２（又は水蒸気混合部２）と熱交換器５と熱交換器５’と水分供給器６とを有する燃料電池モジュール３０、ガスタービン３、空気圧縮機４、燃焼器８、排熱回収ボイラ９と蒸気タービン１０と復水器１１とポンプ１２とを有する排熱回収システム４０、煙突１３及びガス化システム１６を備える。
そして、それらは図示しない制御部により制御され、燃料ガス配管２１−１〜２１−２、排燃料ガス配管２３−１〜２３−５、水分配管２４−１〜２４−３、酸化剤ガス配管２５−１〜２５−６、排酸化剤ガス配管２６−１〜２６−４、燃焼ガス配管２７−１〜２７−３、ボイラ配管２８−１〜２８−４及びボイラ配管２９−１〜２９−２で接続されている。
【００２４】
ガスタービン３は、タービンとコンプレッサと発電機を有する。ガスタービン３は、燃焼ガス配管２７−１を介して供給される燃焼ガス５３により、タービンを回転させる。そして、その回転により発電機（図示されず）を動作させる。同時に、その回転によりコンプレッサを駆動し、酸化剤ガス配管２５−１を介して供給される酸化剤ガス５２（酸素を含むガス、本実施例では空気）を圧縮する。その後、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管２５−２へ排出される。
【００２５】
酸化剤ガス配管２５−２の酸化剤ガス５２は、一部は、酸化剤ガス配管２５−５経由で、ガス化システム１６内の空気分離器（図示せず）へ供給される。残りは、酸化剤ガス配管２５−５経由で、空気圧縮機４へ供給される。
【００２６】
空気圧縮機４は、酸化剤ガス配管２５−３を介して供給される酸化剤ガス５２を、燃料電池モジュール本体１の運転圧力まで、更に圧縮する。その後、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管２５−４へ排出される。
【００２７】
酸化剤ガス配管２５−４の酸化剤ガス５２は、ガス化システム１６内の空気分離器（図示せず）から供給される窒素を主成分とするガスと混合され、燃料電池モジュール本体１へ供給される。
【００２８】
ガス化システム１６は、炭化水素系燃料を用いて一酸化炭素及び水素を主成分とするガス化ガスを生成する。生成されたガス化ガスは、燃料ガス５１として燃料ガス配管２１−１へ供給される。その際、酸素含有ガスを用いるために、酸化剤ガス配管２５−５から酸化剤ガス５２である酸素を含むガス（本実施例では空気）を供給され、酸素を分離する。分離後の残ガス（本実施例では窒素を主成分とするガス）は、酸化剤ガス配管２５−６から酸化剤ガス配管２５−４へ戻される。
【００２９】
改質器２は、水分配管２４−３から供給される水蒸気５６（後述）とを用いて、燃料ガス配管２１−１を介して供給される燃料ガス５１（ガス化システム１６で生成したガス化ガス）の改質（水蒸気改質反応）を行う。水蒸気を豊富に含んだ水素と一酸化炭素を主成分とする燃料ガスは、配管２１−２を介して燃料電池モジュール本体１へ供給される。
ただし、ガス化システム１６で生成したガス化ガスが、所望の組成範囲（水蒸気を除く）に入っていれば、改質器２の位置で、水蒸気を添加するだけでも良い。その場合、改質器２の位置には、燃料ガス５１に水蒸気５６を混合する水蒸気混合部２が設置される。流量が少ない場合には、単に配管でガス化ガスと水蒸気とを混合しても良い。
【００３０】
燃料電池モジュール本体１は、酸化剤ガス配管２５−４を介して供給される酸化剤ガス５２と、燃料ガス配管２１−２を介して供給される燃料ガス５１とを用いて発電を行う。燃料電池モジュール本体１で使用済みの燃料ガス５１としての排燃料ガス５１’（生成した水蒸気を含む）は、排燃料ガス配管２３−１へ送出される。燃料電池モジュール本体１で使用済みの酸化剤ガス５２としての排酸化剤ガス５２’は、排酸化剤ガス配管２６−１へ送出される。
【００３１】
水分供給器６は、第１凝縮部６−１、第２凝縮部６−２、気液分離部６−３及びポンプ６−４を備える。
第１凝縮部６−１は、第１配管６−１ａと第２配管６−１ｂを含む。
第１配管６−１ａは、排燃料ガス配管２３−１に接続され、そこから供給される排燃料ガス５１’が通過する。第２配管６−１ｂは、水分配管２４−１−ポンプ６−４−水分配管２４−２を介して気液分離部６−３からの水５５（後述）が通過する。そして、第１配管６−１ａ内の排燃料ガス５１’と、第２配管６−１ｂ内の水とが熱交換を行う。熱交換により、第１配管６−１ａ内には、排燃料ガス５１’中の水分が凝縮して、排燃料ガス５１’’と水５４となり、凝縮熱が発生する。第２配管６−１ｂ内の水５５は、その凝縮熱により、水蒸気５６となる。
第１配管６−１ａは、排燃料ガス配管２３−２に接続され、そこへ排燃料ガス５１’’と水５４が送出される。第２配管６−１ｂは、水分配管２４−３に接続され、そこへ水蒸気５６が送出される。
【００３２】
第２凝縮部６−２は、第３配管６−２ａと第４配管６−２ｂを含む。
第３配管６−２ａは、排燃料ガス配管２３−２に接続され、そこから供給される排燃料ガス５１’’と水５４が通過する。第４配管６−２ｂは、ボイラ配管２９−１からの低温熱媒体（後述）が通過する。そして、第３配管６−２ａ内の排燃料ガス５１’’と水５４と、第４配管６−２ｂ内の低温熱媒体とが熱交換を行う。熱交換により、第３配管６−２ａ内には、排燃料ガス５１’’中の水分が凝縮して、排燃料ガス５１’’’と水５４’となり、凝縮熱が発生する。第４配管６−２ｂ内の低温熱媒体は、その凝縮熱により、昇温する。
第３配管６−２ａは、排燃料ガス配管２３−３に接続され、そこへ排燃料ガス５１’’’と水５４’が送出される。第２配管６−２ｂは、ボイラ配管２９−２に接続され、そこへ昇温された低温熱媒体が送出される。
【００３３】
気液分離部６−３は、排燃料ガス５１’’’と水５４’とを気液分離する。そして、それらは、排燃料ガス５７と水５５となる。液面計（図示せず）を有し、制御部（図示せず）が監視している。そして、水分不足の場合には、水供給系統（図示せず）から水を供給する。
気液分離部６−３の底部には、水分配管２４−１が接続され、水５５は、ポンプ６−４により吸い出される。また、気液分離部６−３の上部には、排燃料ガス配管２３−４が接続され、排燃料ガス５７は、そこから送出される。
燃料電池モジュール３０の運転初期では、予め水５５を供給しておくものとする。
【００３４】
ポンプ６−４は、水分配管２４−１を介して気液分離部６−３から水５５を吸い出し、水分配管２４−１を介して第１凝縮部６−１の第２配管６−１ｂへ水５５を供給する。第２配管６−１ｂへ供給する水の量は、改質器２（又は水蒸気混合部２）へ供給される燃料ガス５１の流量に基づいて、制御部（図示しない）により決定される。決定の基準としては、例えば、予め設定されたＳ／Ｃとなるように決定する。
【００３５】
また、再循環は、液相の水５５をポンプアップするので、機器（ポンプ６−４）が小型かつ高温対応の機器を用いる必要が無く低コストで実施出来る。
【００３６】
なお、第１凝縮部６−１の容量が十分に大きければ、第２凝縮部６−２は無くても良い。その場合、ボイラ配管２９−１〜ボイラ配管２９−２を省略できる。そして、コストを削減できる。
【００３７】
熱交換器５は、熱交換器５’に接続した熱交換配管２２を有する。排燃料ガス配管２３−４から供給された排燃料ガス５７は、熱交換配管２２内を流通する高温の熱媒体と熱交換して昇温される。そして、排燃料ガス配管２３−５へ送出される。高温の熱媒体は、熱交換により低温となり、熱交換配管２２を経由して熱交換器５’へ供給される。
熱交換器５’は、熱交換器５に接続した熱交換配管２２を有する。排酸化剤ガス配管２６−１−排酸化剤ガス配管２６−３経由で供給された排酸化剤ガス５２’の一部は、熱交換配管２２内を流通する低温の熱媒体と熱交換して降温される。そして、排酸化剤ガス配管２６−４へ送出される。低温の熱媒体は、熱交換により高温となり、熱交換配管２２を経由して熱交換器５へ供給される。
【００３８】
この熱交換により、燃焼器８入口での排燃料ガス５７の温度を高温化することが出来る。
【００３９】
燃焼器８は、排酸化剤ガス配管２６−１−排酸化剤ガス配管２６−２経由で供給された排酸化剤ガス５２’と、排燃料ガス配管２３−５を介して供給される排燃料ガス５７とを燃焼させ、燃焼ガス５３を生成する。燃焼ガス５３は、燃焼ガス配管２７−１へ送出される。
ガスタービン３は、燃焼ガス配管２７−１を介して供給される燃焼ガス５３により、タービンを回転させ、発電機を動作させる。その後、燃焼ガス５３は、燃焼ガス配管２７−２を介して排熱回収ボイラ９へ送出される。
【００４０】
排熱回収ボイラ９は、燃焼ガス配管２７−２経由で供給された燃焼ガス５３と、ボイラ配管２８−４経由で供給された水６１とが熱交換を行う。そして、水６１が水蒸気６０となる。水蒸気６０は、ボイラ配管２８−１へ送出される。また、燃焼ガス５３は、燃焼ガス配管２７−３へ送出される。
蒸気タービン１０は、タービンと発電機を有する。ボイラ配管２８−１経由で供給された水蒸気６０により、タービンを回転させる。そして、その回転により発電機を動作させる。水蒸気６０は、ボイラ配管２８−２へ送出される。
復水器１１は、ボイラ配管２８−２経由で供給された水蒸気６０を低温の熱媒体により凝縮し、水６１とする。水６１は、ボイラ配管２８−３へ送出される。
ポンプ１２は、ボイラ配管２８−３から供給される水６１を吸い込み、ボイラ配管２８−４へ吐出する。
ボイラ配管２８−４は途中で分岐し、ボイラ配管２９−１〜ボイラ配管２９−２となり、第２凝縮部６−２へ、低温熱媒体としての水６１を供給する。
煙突１３は、燃焼ガス配管２７−３から供給される燃焼ガス５３を外部に排気する。
【００４１】
燃料ガス５１は、ガス化システム１６で生成されたガス化ガスであり、水素と一酸化炭素を主成分とする。一酸化炭素の割合が高いため、燃料ガス５１の流速が遅く、温度が低く、含有する水蒸気量が少ない場合には、炭素の析出が起き易い。
そこで本発明では、燃料電池モジュール本体１の燃料ガス配管２３の途中に、排燃料ガス５１’中の水分を凝縮し、燃料ガス５１の改質器２へ供給する水分供給器６を設けている。この水（水蒸気）により燃料ガス５１の水蒸気量が増加し、炭素析出を防止することが可能となる。そして、水分供給器６は、排燃料ガス５１’の水分を凝縮し、水分を有効に用いることが出来る。
また、水分を抜いた排燃料ガス５７を用いて燃焼器８で燃焼を行うので、利用できる熱量が多くなり、ガスタービン３の効率を向上させることができる。
【００４２】
次に、本発明である燃料電池モジュールを適用した複合発電システムの実施の形態の動作に関して、図１を参照して説明する。
【００４３】
まず、酸化剤ガス５２について説明する。
【００４４】
酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス供給部（図示せず）が接続された酸化剤ガス配管１１−１を経由してガスタービン３に供給され、コンプレッサにより圧縮される。その後、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管２５−２を経由して、一部は、酸化剤ガス配管２５−５経由でガス化システム１６へ供給される（酸素を分離して、酸素を炭素の酸化に用いる）。残りは、酸化剤ガス配管２５−３経由で空気圧縮機４へ供給される。その際、排酸化剤ガス配管２６−４からの排酸化剤ガス５２’が酸化剤ガス配管２５−３へ合流する。
酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管２５−３経由で空気圧縮機４へ供給され、そこで、燃料電池モジュール本体１の運転圧力まで更に圧縮される。そして、酸化剤ガス配管２５−４へ送出される。酸化剤ガス配管２５−４の途中で、ガス化システム１６から酸素を分離された酸化剤ガス（窒素を主成分とする）が酸化剤ガス配管２５−６経由で合流する。そして、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管２５−４経由で燃料電池モジュール本体１へ供給される。
【００４５】
燃料電池モジュール本体１へ供給された酸化剤ガス５２は、燃料電池モジュール本体１において燃料電池セルに供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セルの発熱により、温度を上昇させる。そして、使用済みの酸化剤ガス５２としての排酸化剤ガス５２’は、燃料電池モジュール本体１から排酸化剤ガス配管２６−１へ送出される。
排酸化剤ガス配管２６−１の排酸化剤ガス５２’の一部は、排酸化剤ガス配管２６−３を経由して熱交換器５’へ供給される。そして、そこで熱交換配管２２の低温の熱媒体と熱交換して、降温され、排酸化剤ガス配管２６−４へ送出される。また、排酸化剤ガス配管２６−１の排酸化剤ガス５２’の残りは、排酸化剤ガス配管２６−２経由で燃焼器８へ供給される。
【００４６】
次に、燃料ガス５１について説明する。
【００４７】
ガス化システム１６により生成された一酸化炭素及び水素を主成分とするガス化ガスは、燃料ガス５１として燃料ガス配管２１−１へ供給される。
燃料ガス５１は、改質器２において水分配管２４−３から供給される水蒸気５６を用いて、改質（水蒸気改質反応）される。そして、燃料ガス５１は、水蒸気を豊富に含んだ水素と一酸化炭素を主成分とするガスとなる。その後、燃料ガス５１は、燃料ガス配管２１−２を介して燃料電池モジュール本体１へ供給される。
あるいは、燃料ガス５１は、水蒸気混合部２（又は、燃料ガス配管２１−１の途中）において水分配管２４−３から供給される水蒸気５６を混合される。そして、燃料ガス５１は、水蒸気を豊富に含んだ水素と一酸化炭素を主成分とするガスとなる。その後、燃料ガス５１は、燃料ガス配管２１−２を介して燃料電池モジュール本体１へ供給される。
【００４８】
燃料電池モジュール本体１へ供給された燃料ガス５１は、燃料電池モジュール本体１において燃料電池セルに供給され、発電に寄与する。使用済みの燃料ガス５１としての排燃料ガス５１’は、燃料電池モジュール本体１から排燃料ガス配管２３−１へ送出される。その際、発電により生成する水（水蒸気）は、排燃料ガス５１’に含まれる。
【００４９】
排燃料ガス５１’は、排燃料ガス配管２３−１を通り、水分供給器６の第１凝縮部６−１の第１配管６−１ａに供給される。そして、そこで、水分配管２４−２を介して第２配管６−１ｂに供給された水５５と熱交換を行う。熱交換により、第１配管６−１ａ内では、排燃料ガス５１’中の水分が凝縮する。すなわち、排燃料ガス５１’が、排燃料ガス５１’’と水５４となり、凝縮熱が発生する。また、第２配管６−１ｂ内の水５５は、その凝縮熱により、水蒸気５６となる。
排燃料ガス５１’’と水５４は、排燃料ガス配管２３−２に供給される。水蒸気５６は、水分配管２４−３に供給される。
【００５０】
排燃料ガス５１’’と水５４は、第２凝縮部６−２の第３配管６−２ａに供給される。そして、そこで、ボイラ配管２９−１を介して第４配管６−２ｂに供給された低温熱媒体と熱交換を行う。熱交換により、第３配管６−２ａ内では、排燃料ガス５１’’中の水分が凝縮する。すなわち、排燃料ガス５１’’と水５４とは、排燃料ガス５１’’’と水５４’となり、凝縮熱が発生する。また、第４配管６−２ｂ内の低温熱媒体は、その凝縮熱により、昇温される。
排燃料ガス５１’’’と水５４’は、排燃料ガス配管２３−３に供給される。低温熱媒体は、ボイラ配管２９−２へ送出される。
【００５１】
排燃料ガス５１’’’と水５４’とは、気液分離部６−３に供給される。そして、そこで、気液分離され、排燃料ガス５７と水５５となる。
排燃料ガス５７は、排燃料ガス配管２３−４から送出される。水５５は、ポンプ６−４により吸い出され、第１凝縮部６−１の第２配管６−１ｂへ送出される。
【００５２】
排燃料ガス５７は、排燃料ガス配管２３−４から熱交換器５へ供給される。そして、そこで、熱交換配管２２は、熱交換配管２２内を流通する高温の熱媒体と熱交換する。熱交換により、排燃料ガス５７は、昇温される。そして、排酸化剤ガス配管２６−５を経由して燃焼器８へ送出される。高温の熱媒体は、降温され、熱交換配管２２を経由して熱交換器５’へ供給される。
【００５３】
次に、燃焼ガス５３について説明する。
【００５４】
排酸化剤ガス配管２６−２から供給された排酸化剤ガス５２’と、排燃料ガス配管２３−５から供給された排燃料ガス５７は、燃焼器８において混合され燃焼し、燃焼ガス５３を生成する。燃焼ガス５３は、燃焼ガス配管２７−１を経由してガスタービン３へ供給される。
燃焼ガス配管２７−１を経由した燃焼ガス５３は、ガスタービン３のタービンを回転させる。この回転により、発電機が動作する。同時に、その回転によりコンプレッサが駆動し、酸化剤ガス配管２５−１を介して供給される酸化剤ガス５２（本実施例では空気）が圧縮される。使用済みの燃焼ガス５３は、燃焼ガス配管２７−２から排出される。
燃焼ガス配管２７−２から排出された燃焼ガス５３は、排熱回収ボイラ９へ供給される。そして、排熱回収ボイラ９において熱交換を行う。熱交換後、燃焼ガス５３は、燃焼ガス配管２７−３を経由して、煙突１３から外部に排気される。
【００５５】
次に、排熱回収ボイラ９内での水６１（水蒸気６０）について説明する。
【００５６】
ボイラ配管２８−４経由で供給された水６１は、排熱回収ボイラ９により、燃焼ガス配管２７−２経由で供給された燃焼ガス５３と熱交換を行う。熱交換により、水６１は、水蒸気６０となる。水蒸気６０は、ボイラ配管２８−１へ送出される。また、燃焼ガス５３は、降温され、燃焼ガス配管２７−３へ送出される。
ボイラ配管２８−１経由で供給された水蒸気６０は、蒸気タービン１０のタービンを回転させる。そして、その回転により発電機を動作させる。その後、水蒸気６０は、ボイラ配管２８−２へ送出される。
ボイラ配管２８−２経由で供給された水蒸気６０は、復水器１１において、低温の熱媒体と熱交換を行う。熱交換により、水蒸気６０は、凝縮し、水６１となる。水６１は、ボイラ配管２８−３へ送出される。
ボイラ配管２８−３から供給される水６１は、ポンプ１２に吸い込まれ、ボイラ配管２８−４へ吐出される。ただし、水６１の一部は、ボイラ配管２８−４の途中で分岐し、低温熱媒体としてボイラ配管２９−１経由で第２凝縮部６−２の第４配管６−２ｂへ供給され、ボイラ配管２９−２経由でボイラ配管２８−４へ戻る。
【００５７】
本発明では、ガス化ガスのような炭素成分の割合の高いガスを用いる際、改質器２（又は、水蒸気混合部２）で適切な量の水分をガス化ガスに供給する。従って、燃料電池モジュール関係の、燃料ガスの流速が遅く、燃料ガスの滞留時間が長く、温度が低い流路があるような炭素析出し易い環境でも、系内における炭素析出を防止することが出来る。
また、その際に用いる水は、排燃料ガス５１’中の水分（燃料ガス５１に含まれていた水分、及び、燃料電池モジュール本体１内の発電で生成した水分）である。従って、系内の水蒸気を再循環させて、有効利用することが可能となる。
【００５８】
排燃料ガス５１’の水分を凝縮し、水分だけを再循環させて用いている。従って、排燃料ガス５１’を再循環させる場合に比較して、水分の供給が効率的であり、適切な量の水蒸気を確保することが可能となる。
また、燃焼器８へ供給される排燃料ガス５７は、水分を含まないガスとなる。従って、燃焼器８で燃焼する際、水分の加熱分のエネルギーを消耗することが無く、排燃料ガス５７の発熱量を高くすることが出来る。
【００５９】
本実施例では、複合発電システム（図１）において、燃料電池モジュール３０を１つの系とみなして、その中で、水分を有効に利用するようにしている。
ただし、複合発電システム全体を１つの系とみなして、その中で、水分を有効に利用するようにしても良い。その一例を示すのが図２である。
【００６０】
図２は、本発明である複合発電システムの他の実施の形態を示す構成図である。
複合発電システムは、燃料電池モジュール本体１と改質器２（又は水蒸気混合部２）とを有する燃料電池モジュール３０、ガスタービン３、空気圧縮機４、燃焼器８、排熱回収ボイラ９と蒸気タービン１０と復水器１１とポンプ１２と排ガス凝縮器１４とポンプ１５と三方弁２４ａとを有する排熱回収システム４０、煙突１３及びガス化システム１６を備える。
そして、それらは図示しない制御部により制御され、燃料ガス配管２１−１〜２１−２、排燃料ガス配管２３、水分配管２４、酸化剤ガス配管２５−１〜２５−６、排酸化剤ガス配管２６、燃焼ガス配管２７−１〜２７−４、ボイラ配管２８−１〜２８−４で接続されている。
【００６１】
図１の複合発電システムでは、排燃料ガス配管２３の途中に設けられた水分供給器６において、燃料電池モジュール本体１から排出された排燃料ガス５１’から直ぐに水分を凝縮して取り出していた。
図２では、水分供給器６の代わりに、ボイラ配管２８−１の途中に設けられた三方弁２４ａから水蒸気６０をそのまま抽気し、水分配管２４を介して改質器２（又は水蒸気混合部２）へ供給している。
【００６２】
三方弁２４ａにおいて、改質器２（又は水蒸気混合部２）へ供給する水蒸気の量は、燃料ガス５１の流量に基づいて、制御部（図示しない）により決定される。決定の基準としては、例えば、予め設定されたＳ／Ｃとなるように決定する。
【００６３】
また、三方弁２４ａから水蒸気６０の一部が抜けるため、排熱回収ボイラ９の水６１の循環ラインであるボイラ配管２８−１〜ボイラ配管２８−４内の水分が減少する。それを補うために、燃焼ガス配管２７−３の途中に排ガス凝縮器１４を用い、煙突１３で排出する前の燃焼ガス５３から水分を凝縮させ、凝縮した水をポンプ１５により、ボイラ配管２８−４へ供給する。すなわち、燃料電池モジュール３０へ供給された水分を排ガス凝縮器１４で凝縮し、ポンプ１５でボイラ配管２８−４へ返還している。
【００６４】
この場合、水分供給器６や熱交換器５及び熱交換器５’の構成が不要になるので、燃料電池モジュール３０の構造を簡略化することが出来る。
【００６５】
本発明により、ガス化ガスのような炭素成分の割合の高いガスを用いる際、改質器２（又は水蒸気混合部２）で適切な量の水分をガス化ガスに供給する。従って、燃料電池モジュール関係の、燃料ガスの流速が遅く、燃料ガスの滞留時間が長く、温度が低い流路があるような炭素析出し易い環境でも、系内における炭素析出を防止することが出来る。
また、その際に用いる水は、燃料電池モジュール３０−燃焼器８−ガスタービン３−ボイラ配管２８の系内の水分である。従って、系内の水蒸気を再循環させて、有効利用することが可能となる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明により、ガス化ガスのような炭素成分の割合の高いガスを用いる際、燃料電池モジュールのような燃料ガスの流速が遅く、燃料ガスの滞留時間が長く、温度が低い流路があるような炭素析出し易い環境でも、系内における炭素析出を防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池モジュールを適用した複合発電システムの実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明である複合発電システムの他の実施の形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１　　燃料電池モジュール本体
２　　改質器（又は、水蒸気混合部）
３　　ガスタービン
４　　空気圧縮機
５（’）　　熱交換器
６　　水分供給器
６−１　　第１凝縮部
６−２　　第２凝縮部
６−３　　気液分離部
６−４　　ポンプ
８　　燃焼器
９　　排熱回収ボイラ
１０　　蒸気タービン
１１　　復水器
１２　　ポンプ
１３　　煙突
１４　　排ガス凝縮器
１５　　ポンプ
１６　　ガス化システム
２１−１〜２１−２　　燃料ガス配管
２２　　熱交換配管
２３−１〜２３−５　　排燃料ガス配管
２４−１〜２４−３　　水分配管
２５−１〜２５−６　　酸化剤ガス配管
２６−１〜２６−４　　排酸化剤ガス配管
２７−１〜２７−４　　燃焼ガス配管
２８−１〜２８−４　　ボイラ配管
２９−１〜２９−２　　ボイラ配管
３０　　燃料電池モジュール
４０　　排熱回収システム
５１　　燃料ガス
５１’、５１’’、５１’’’、５７　　排燃料ガス
５２　　酸化剤ガス
５２’　　排酸化剤ガス
５３　　燃焼ガス
５４、５４’、５５　　水
５６　　水蒸気
６０　　水蒸気
６１　　水

Claims (12)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池モジュール本体と、
   前記燃料電池モジュール本体から送出された排燃料ガスに含まれる水分の凝縮を行い、得られる水を水蒸気に変換して送出する水分供給器と、
   を具備し、
   前記燃料ガスは、前記水分供給器から送出された前記水蒸気と混合されて前記燃料電池モジュール本体へ供給される、
   燃料電池モジュール。
2. 前記燃料ガスを前記水分供給器から送出された前記水蒸気と混合する水蒸気混合部を更に具備する、
   請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 燃料ガスを改質する改質器と、
   前記改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池モジュール本体と、
   前記燃料電池モジュール本体から送出された排燃料ガスに含まれる水分の凝縮を行い、得られる水を水蒸気に変換して送出する水分供給器と、
   を具備し、
   前記改質器は、前記水分供給器から送出された前記水蒸気を用いて改質を行う、
   燃料電池モジュール。
4. 前記水分供給器は、前記凝縮の際に放出される凝縮熱を用いて、前記水を前記水蒸気に変換する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記水分供給器は、
   前記排燃料ガスが通過する第１配管の前記排燃料ガスに対して前記凝縮を行う第１凝縮部と、ここで、前記第１凝縮部は、前記第１配管と、内部の流体が前記第１配管内の流体と熱交換を行う第２配管とを含み、
   前記排燃料ガスと前記凝縮により得られる前記水とを分離する気液分離部と、
   前記気液分離部の前記水を前記第２配管へ供給するポンプと、
   を備え、
   前記第１凝縮部は、前記第２配管の前記水を、前記凝縮熱を用いて、前記水蒸気に変換する、
   請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記水分供給器は、前記排燃料ガスに対して、前記第１凝縮部に加えて２回目の前記凝縮を行なう第２凝縮部を更に具備し、
   前記第２凝縮部は、前記第１配管に接続された第３配管と、外部の低温熱媒体を供給する第４配管とを含み、前記２回目の前記凝縮は、前記第３配管中の前記排燃料ガスと前記第４配管中の前記低温熱媒体との熱交換により行う、
   請求項５に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記気液分離部で分離された前記排燃料ガスと、前記燃料電池モジュール本体から送出された排酸化剤ガスとを熱交換する熱交換部を更に具備する、
   請求項４乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記燃料ガスは、ガス化炉から供給されるガス化ガスである、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
9. 第１発電機を有し、酸化剤ガスの圧縮を行うガスタービンと、
   炭化水素系燃料と酸素含有ガスとを供給され、燃料ガスを生成するガス化炉と、
   前記燃料ガスと、前記酸化剤ガスとにより発電を行う請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールで使用済みの前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼する燃焼器と、
   を具備し、
   前記ガスタービンは、前記燃焼器により発生した燃焼ガスを用いて前記圧縮を行い、前記第１発電機を駆動する、
   複合発電システム。
10. 前記ガスタービンで使用済みの前記燃焼ガスの排熱回収を行う排熱回収システムを更に具備し、
    ここで、前記排熱回収システムは、
    前記燃焼ガスの排熱により作動流体としての水を水蒸気に変換する排熱回収ボイラと、
    第２発電機を有し、前記水蒸気により回転して前記第２発電機を駆動する蒸気タービンと、
    を備える、
    請求項９に記載の複合発電システム。
11. 前記排熱回収システムは、前記作動流体としての水を、前記水分供給器での前記排燃料ガスに含まれる前記水分の前記凝縮用に、前記水分供給器へ供給する、
    請求項１０に記載の複合発電システム。
12. 第１発電機を有し、酸化剤ガスの圧縮を行うガスタービンと、
    炭化水素系燃料と酸素含有ガスとを供給され、燃料ガスを生成するガス化炉と、
    前記燃料ガスと、前記酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールで使用済みの前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼し、燃焼ガスを前記ガスタービンへ送出する燃焼器と、
    前記ガスタービンで使用済みの前記燃焼ガスの排熱回収を行う排熱回収システムと、
    を具備し、
    前記ガスタービンは、前記燃焼ガスを用いて前記圧縮を行い、前記第１発電機を駆動し、
    前記排熱回収システムは、前記燃焼ガスの排熱により作動流体としての水を水蒸気に変換する排熱回収ボイラと、第２発電機を有し前記水蒸気により回転して前記第２発電機を駆動する蒸気タービンとを備え、
    前記燃料電池モジュールは、前記水蒸気の一部と前記燃料ガスとを混合する水蒸気混合部を備える、
    複合発電システム。

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