JP2004071279A

JP2004071279A - Fused carbonate fuel cell power generation system, and power generation method in system

Info

Publication number: JP2004071279A
Application number: JP2002226995A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Yoshiba; 吉葉　史彦
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-05
Also published as: JP4629950B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fused carbonate fuel cell power generation system and power generation method in this system, wherein a high generation efficiency and longer cell life are achieved. <P>SOLUTION: An air supplying means 23 which changes a supplied air pressure to a cathode 7 of the fused carbonate fuel cell is provided. The maximum generation efficiency in partial load operation is achieved by suppressing a cathode gas flow rate, while the cathode gas flow rate is increased in higher load operation than in the partial load operation by increasing the supplied air pressure. Further, a cathode gas recycling pipe 8 for recovering at least part of the cathode gas passing through the cathode 7 of the fused carbonate fuel cell, and for introducing the recovered gas to the prestage of the cathode 7, and a cooler 18 disposed therein for cooling the recovered cathode gas are provided. As a result, the maximum generation efficiency in partial load operation is achieved by suppressing the cathode gas flow rate in advance, and the cathode cooling capacity is backed up by cooling the recovered cathode gas in the higher load operation than in the partial load operation. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池発電システム及びこの発電システムにおける発電方法に関する。さらに詳述すると、本発明は溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を利用した発電システムの構造と発電方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩形燃料電池による発電システムは、例えば改質装置１０１、溶融炭酸塩形燃料電池１０２、タービン圧縮機１０３、排熱回収ボイラー（図示省略）、カソードリサイクルブロアー１０４等を備え、プラント負荷率を最大とした定格時に発電効率が高くなるように燃料電池の容量とタービン圧縮機の容量が選定されている（図４参照）。図４には基本的な発電システムを示しているが、この他、以下に（Ａ）〜（Ｃ）として説明するような発電システムも提案されている。
【０００３】
（Ａ）　溶融炭酸塩形燃料電池発電システムは、発電効率を高くするため１〜１．５ＭＰａ程度の高圧で運転され、タービン圧縮機の空気出口温度が上昇することから燃料電池の冷却に多くの空気流量を必要としているが、その反面、部分負荷運転時においてこの冷却用空気が逆に過剰となってしまう場合がある。そこで、従来の発電システムの中には燃料電池部分を迂回させるためのバイパス１０５を備え（図５参照）、部分負荷運転時、冷却用空気の一部を燃料電池１０２に供給せず、タービン圧縮機１０３の膨張タービン１０６に供給し、タービン圧縮機１０３に設置された燃焼器１０７に燃料を追い焚き（追加供給）して発電するという形で部分負荷運転を行っているものがある。
【０００４】
（Ｂ）　カソードを通過した電池反応後のカソードガスは電池反応熱により高熱化されているにもかかわらず、発電システムの構造上、単に外部に排出されるに過ぎない場合があった。そこで、このカソードガスを改質ユニットの熱源として利用し、冷却された後にそれを電池反応熱の冷却に利用することにより冷却用のカソードガスの量を低減させるようにした溶融炭酸塩形燃料電池発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
（Ｃ）　過給器の圧縮機で空気を昇圧し、この昇圧空気を燃料電池のカソードに供給する構造の燃料電池発電システムにおいては、部分負荷運転時、過給器タービン出力が低下するのに伴い圧縮機での空気圧力が低下してしまう。そこで、電動式のバックアップ用圧縮機を併設し、圧力低下分を補って所定圧力まで昇圧させるという技術が開示されており、例えば、空気供給ラインの途中にチェック弁を設けるとともに該チェック弁をバイパスするラインを設け、このバイパス上に電動機駆動圧縮機を設けるようにした溶融炭酸塩形燃料電池発電システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２３４６１０号公報（［０００９］、［００１０］）
【特許文献２】
特開平５−２１０８１号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した（Ａ）〜（Ｃ）の従来技術にはそれぞれ以下に述べるような問題がある。
【０００８】
（Ａ）の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムの場合、タービン圧縮機１０３側に燃料の追加供給を行って発電すると、燃料電池１０２の出力に対して膨張タービン１０６での発電出力割合が上昇することから、発電システムの部分負荷運転時における発電効率が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
（Ｂ）の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムでは、タービン圧縮機から供給された圧縮空気が電池反応熱を外部に運び出す役割を担っているが、その供給空気が高温となった場合、燃料電池スタックに供給された空気の顕熱と、スタックから外部に運び出されたガスの顕熱の差が小さくなるため、スタック冷却に必要な供給空気量が大幅に増大する。このように外部から供給される空気量が増大した場合、カソードガス中のＯ_２／ＣＯ_２比が上昇し、量論比（カソード反応におけるＯ_２とＣＯ_２との化学量論比）である０．５から大幅にずれ、燃料電池のセル電圧の低下を招く。セル電圧が低下すると、スタック内部における発熱量が上昇するため、さらに多くの空気流量が必要となり、空気流量の増大とセル電圧低下の相乗により発電効率（つまりシステムにおけるエネルギー総合効率）が低下するという問題が生じる。
【００１０】
（Ｃ）の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムでは、併設された電動空気圧縮機を部分負荷運転時に作動させることによりシステム運転圧力を高く保とうとすると、ニッケル短絡現象（カソードの酸化ニッケルが電解質中に溶出して対極と電気的に短絡してしまう現象）の加速発生要因であるカソードガス中の炭酸ガス分圧を低下させておくことができないという問題がある。
【００１１】
すなわち、溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおいては、ニッケル短絡現象が生じることにより、燃料電池に供給された燃料が外部出力として取り出されることなく消費されるため大幅な発電効率の低下を招く場合がある。そして、このニッケル短絡現象の発生する時間はカソードガス中の炭酸ガス分圧に依存しており、カソード炭酸ガス分圧が高い場合、ニッケル短絡現象が早期に発生するようになる。上述したように、溶融炭酸塩形燃料電池発電システムでは高効率発電を確保するため高圧運転されるので、カソードガス中の炭酸ガス分圧は上昇しニッケル短絡が早期に発生してしまう。したがって、部分負荷運転時においてもシステムの圧力を定格運転条件と同一に保とうとすれば、発電出力が低いにも関わらずカソードガス中の炭酸ガス分圧が高いままである。このため、このような構造の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおいては電池寿命を長くすることができなかった。
【００１２】
さらに、（Ｃ）のような溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおいては、システムの圧力が一定であり、ガスタービンからの排熱温度が一定であることから、熱電比（システムにおいて発生する熱量と電気との比）を変更することによるシステム効率の向上が不可能であった。すなわち、熱と電気の両方を供給することが可能なシステムである場合、熱と電気の必要とされる割合に応じて熱電比を適宜変えることによりエネルギー利用面からエネルギー効率向上が図れるが、上述のような溶融炭酸塩形燃料電池発電システムでは熱電比を変えられないことからこの面からのエネルギー効率向上を図ることができなかった。
【００１３】
そこで、本発明は、高い発電効率を達成することができ、かつ電池寿命を長くすることができる溶融炭酸塩形燃料電池発電システム及びこの発電システムにおける発電方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本願発明者は、部分負荷運転時に冷却空気量が過剰となるのだから逆に空気量を削減すれば部分負荷運転時の効率を高くしうるという観点から検討を開始した。そして、上述したような従来の各溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおいては、そもそもプラント負荷率が最大となる動作時を定格負荷領域としているため部分負荷運転した場合に冷却空気過剰が生じているが（図６参照）、これとは逆に、部分負荷運転時に定格負荷領域をシフトしておき必要時に高負荷運転する発電プラントの構築という着想に至り、この観点から検討を進めた。
【００１５】
そこで、発明者はまず発電システムにおける供給圧縮空気の圧力に着目した。ただし、溶融炭酸塩形燃料電池は電解質が液体であり、燃料及び酸化剤と圧力容器の間を液体の表面張力でシールしているため燃料−容器間、酸化剤−容器間の圧力差が３ｋＰａ程度以下に保たれる必要があり、この圧力制限値を越えるとガスが漏れ出し（リーク）故障状態となることから、単純に圧力を下げるだけでは発電システムとして成り立たなくなる場合がある。具体的には、ガスと容器の差圧で最大となるのはカソード入口−容器間であり、実際のシステムでは圧力容器ガス、燃料ガス、酸化ガスの３種類が電池出口部分で合流していることから、「カソードの圧力損失」＝「カソード容器間の最大差圧」となり、リーク防止の観点からはカソードの圧力損失を求めてその値が３ｋＰａ程度以下になるようにしなくてはならない。そこで本発明者は、システム計算を行い、空気流量が部分負荷時に少なくなるようなシステムとし、更にその際、スタック内部における発電状態について数値解析し、カソード側のシステム解析結果を基にスタック内部の温度分布、電流密度、圧力分布を解析し、運転不可能と判断される点では運転しないように種々実験と検討を繰り返した。
【００１６】
実験と検討の結果を以下に示す。ここでは、部分負荷運転時のシステム条件として、電池温度や燃料利用率に加えて、スタック冷却空気量の適切さを判断する必要があるため、スタックでのカソードガス圧力損失上限値を新たに設定して、熱・物質収支解析を実施した（表１参照）。
【表１】

・ケース▲１▼
スタック冷却空気のバイパスを行わない最も基本となるシステム構成の場合（図４参照）、部分負荷運転時の熱・物質収支解析を行った結果、８０％負荷程度以下ではカソード圧力損失が過大となり、運転不可能となることが予測された。
・ケース▲２▼
カソードリサイクル系に冷却器を設置したシステム（図１参照）について熱・物質収支解析を行った。ここでは、スタック冷却空気量が過剰になることを避けるため、流量がケース▲１▼の約半分程度の空気圧縮機を採用し、高負荷運転域に対しては、カソードガスリサイクル系に設置した冷却器によりスタックを冷却するようにした。本システムでは、運転負荷範囲は拡大され、空気流量の設定下限界から、最低負荷率は５０％程度となることが分かった。
・ケース▲３▼
膨張タービンから切り離された流量可変型の空気圧縮機を適用し、高負荷運転域ではカソードガスリサイクル系の冷却と組み合わせるシステム（図１参照）について熱・物質収支解析を行った。供給空気流量は回転数により調整し、定格負荷時に高圧、部分負荷時に低圧とする変圧運転を行うことにより、３０％負荷程度までの運転が可能となった（図３参照）。
【００１７】
このような実験と検討の結果、電池冷却用空気を多量に必要とする高負荷運転領域ではタービン回転数を上昇させる一方で、電池冷却用空気を多量には必要としない低負荷運転領域では回転数を低下させることにより、電池冷却空気量が過剰とならないようにするという制御が可能であり、このように空気圧縮機の回転数を変更すると必然的に圧縮機の圧力比も変わるため、燃料電池は負荷に合わせて変圧運転をすることが確認された。そしてこうした場合、部分負荷運転時にシステム圧力が低下するためニッケル短絡発生時間の指標となるカソード炭酸ガス分圧を低下させることが可能となり、電池寿命を長くすることができることに加え、熱電比が変更できるという効果が得られることを知見した。
【００１８】
本発明はかかる知見に基づくものであり、請求項１記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムは、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードへの供給空気圧力を変更することができる空気供給手段を備え、カソードガス流量を抑えることにより部分負荷運転時に最大発電効率を達成するとともにこの部分負荷運転時よりも高負荷の運転をする時には供給空気圧力を上げてカソードガス流量を増やすことを特徴とするものである。この発電システムは、空気供給手段が膨張タービンから切り離され独立した構造であり、膨張タービンの回転量に関わらず独立して供給空気の流量および圧力比の変更が可能な変圧運転型として構成されている。そして、通常時はシステムへの負担が少ない部分負荷運転をすることにより最大発電効率が得られる状態で発電するので高効率であり、燃料電池の高寿命化も達成される。しかも、これより高い出力が必要な場合は高負荷運転することにより所定の出力が得られる。
【００１９】
また、請求項４記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおける発電方法は、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードへの供給空気圧力を変更してカソードガス流量を抑えることにより部分負荷運転時に最大発電効率を達成するとともにこの部分負荷運転時よりも高負荷の運転をする時には供給空気圧力を上げてカソードガス流量を増やすことを特徴とするものである。この場合、通常時はシステムへの負担が少ない部分負荷運転をすることにより最大発電効率が得られる状態で発電するので高効率であり、燃料電池の高寿命化も達成される。しかも、これより高い出力が必要な場合は高負荷運転することにより所定の出力を得ることが可能である。
【００２０】
また、本願発明者は上記の実験および検討の結果、発電システムの効率を向上させるための更なる構造についても発明した。すなわち、請求項２記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムのごとく、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードを通過したカソードガスの少なくとも一部を回収してカソードの前段に導くカソードガスリサイクル配管と、このカソードガスリサイクル配管に設置され回収されたカソードガスを冷却する冷却器とを備え、カソードガス流量を予め抑えることにより部分負荷運転時に最大発電効率を達成するとともにこの部分負荷運転時よりも高負荷の運転をする時には回収されたカソードガスを冷却してカソード冷却能力を補うようにした発電システムである。
【００２１】
この発電システムにおけるスタックの冷却は、空気供給手段から供給される空気のみならず、このカソードガスリサイクル配管からなるカソードガスリサイクル系において冷却されたリサイクルガスによっても行われる。つまり、高負荷運転する時には冷却空気の流量を多くする必要があるが、空気供給手段（例えば空気圧縮機）は供給可能な空気量以上は供給する必要がなく、その分は冷却器により賄う。すなわち、高負荷運転する場合、空気供給手段の圧力を上げて供給可能な範囲内で空気流量を増加させるが、それでも冷却が足りない時には冷却器を用いることによってスタック冷却能力不足を解消する。この場合、冷却リサイクルガスを利用した冷却が行われ、高負荷時であっても十分なスタック冷却が可能となることから、高負荷運転時のスタック冷却能力の不足分を補える。このため、この発電システムによれば部分負荷運転時に最大発電効率が得られることに加え、高負荷運転を行った場合でも空気供給手段からの空気供給量を一定限度に抑えて高い発電効率を維持できる。
【００２２】
また、請求項５記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおける発電方法は、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードを通過したカソードガスの少なくとも一部を回収してカソードの前段に導くことによって部分負荷運転時に最大発電効率を達成するとともにこの部分負荷運転時よりも高負荷の運転をする時には回収されたカソードガスを冷却してカソード冷却能力を補うものである。つまり、高負荷運転する時には空気供給手段（例えば空気圧縮機）の圧力を上げて空気流量を増加させるが、高い発電効率を得るためこの空気供給手段で供給可能な空気量以上は供給しないようにし、供給可能範囲内で空気流量を増加させてもなお冷却能力が足りない時には冷却器を用いることによってスタック冷却能力不足を解消する。この場合、スタックの冷却は、空気供給手段から供給される空気のみならず、カソードガスリサイクル系において冷却されたリサイクルガスによっても行われ、高負荷時であっても十分なスタック冷却が可能となることから、高負荷運転時のスタック冷却空気流量不足が解消する。このため、この発電方法によれば部分負荷運転時に最大発電効率が得られることに加え、高負荷運転を行った場合でも高い発電効率を維持できる。
【００２３】
さらに、請求項３記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムは、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードへの供給空気圧力を変更することができる空気供給手段と、カソードを通過したカソードガスの少なくとも一部を回収してカソードの前段に導くカソードガスリサイクル配管と、このカソードガスリサイクル配管に設置され回収されたカソードガスを冷却する冷却器とを備え、カソードガス流量を予め抑えることにより部分負荷運転時に最大発電効率を達成するとともにこの部分負荷運転時よりも高負荷の運転をする時には供給空気圧力を上げてカソードガス流量を増やしあるいは回収されたカソードガスを冷却してカソード冷却能力を補う一方で、この部分負荷運転時よりも低負荷の運転をする時には供給空気圧力を下げてカソードガス流量をさらに低減させるようにしたことを特徴としている。
【００２４】
この溶融炭酸塩形燃料電池発電システムの場合、電池の冷却を空気圧縮機からの供給空気とカソードガスリサイクル配管に設けた冷却器とで行うことにより、高負荷運転時においてスタック冷却能力が不足するような事態が生じるのを防ぐことが可能である。しかも、部分負荷運転時よりも低負荷の運転をする時には供給空気圧力を下げてカソードガス流量をさらに低減させることができることから、より幅広く負荷変動させることが可能となり、需要に応じた種々の運転態様で対応することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
図１〜図２に本発明の一実施形態を示す。本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムは、カソード７への供給空気圧力を変更することができる空気供給手段２３を備え、カソードガス流量を抑えることにより部分負荷運転時に最大発電効率を達成するとともにこの部分負荷運転時よりも高負荷の運転をする時には供給空気圧力を上げてカソードガス流量を増やすようにしたものである。さらに本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムは、カソード７を通過したカソードガスの少なくとも一部を回収してカソード７の前段に導くカソードガスリサイクル配管８と、このカソードガスリサイクル配管８に設置され回収されたカソードガスを冷却する冷却器１８とを備え、カソードガス流量を予め抑えることにより部分負荷運転時に最大発電効率を達成するとともにこの部分負荷運転時よりも高負荷の運転をする時には回収されたカソードガスを冷却してカソード冷却能力を補うようにしている。なお、図１において符号１３は水供給用ポンプ、符号１６は燃料電池発電用インバータ、符号１７はカソードリサイクルブロア２１を駆動するためのモータ、符号２０は空気圧縮機回転数制御用インバータを表している。
【００２７】
この溶融炭酸塩形燃料電池発電システムでは、天然ガスなどの燃料ガス（符号１で表す）を燃料予熱器２に供給して昇温した後、蒸気発生器１２から供給された蒸気を混合し、さらにその後、改質器２２の改質室３に供給して蒸気改質を行う。改質された燃料ガス１は燃料予熱器２で燃料ガス１の昇温に使われた後、燃料電池のアノード４に供給される。アノード４に供給された燃料ガス１の内、約８割程度が燃料電池における発電反応により消費される。その後、アノードガスは改質器２２の燃焼室６に供給され、改質室３で起きる改質反応の反応熱を補うために、カソード７からの排ガス（カソードガス）とともに燃焼する。燃焼した後のガスは、空気供給手段２３から供給される空気（符号１０で表す）と混合された後、カソード７に供給される。空気供給手段２３は、例えば空気圧縮機１１とこれを駆動するモータなどの駆動力源２０とから構成される。
【００２８】
カソード７で反応したガスの一部はカソード入口のガス温度を保つために、カソードガスリサイクル配管８およびカソードリサイクルブロア２１によりカソード入口に再循環される。再循環されなかった残りのガスの一部は上述した改質器２２の燃焼室６での燃焼に使用され、さらに残ったガスは膨張タービン９に導かれて発電機１９による発電に供される。膨張タービン９からの排気ガスは燃料改質用蒸気を生成するために蒸気発生器１２に導かれ、蒸気を生成した後、排ガス（符号１５で表す）となって系外に放出される。システムからの熱出力は、排ガス１５及びカソード循環ラインに設置した冷却器１８であり、この排ガス１５及びカソード循環ラインに設置した冷却器１８から熱を回収することとなる。
【００２９】
通常の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおいては空気圧縮機１１から供給した空気のみにより燃料電池スタック５の冷却を行うが、上述のような構成の本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムでは、空気圧縮機１１の流量を低く設定してスタック５を冷却する能力が足りなくなった場合には、カソードガスリサイクル配管８に設けた冷却器１８により冷却したカソードガスを供給空気に混合することによってスタック５を効率的に冷却することができる。このようにカソードガスリサイクル配管８で冷却された熱は、排ガス１５と同様にシステムからの熱出力となる。本実施形態の発電システムでは、負荷が変動した際には、カソードガスリサイクル配管８での冷却器１８の冷却能力を調整することにより、スタック５の温度を適切に保つことが可能となる。この場合、運転可能な負荷範囲は最低でも５０％程度であり、このことは、低負荷運転時において、スタック５の冷却空気量が電池内における発熱量に対して過剰となることに起因している。
【００３０】
ここで、本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおいては、スタック冷却空気量が低負荷運転時において過剰となることを回避するため、低負荷運転時において冷却空気流量が低下するような空気圧縮機１１が選定されており、具体的には、例えば回転数により流量の調整が可能であり回転数の変化とともに吐出圧力の変化するタイプの空気圧縮機１１が採用されている。したがって本実施形態においては、低負荷運転時に空気圧縮機１１の回転数が低下して供給空気量が減少し、システム運転圧力が低下することから、部分負荷運転時におけるカソード炭酸ガス分圧が低下する。しかも、この空気圧縮機１１の作用により更に低負荷で運転する場合にも適正量の冷却空気を供給することが可能となることから、運転可能なプラント負荷範囲が５０％より下の範囲、例えば負荷率３０％位にまで広がり、電気等の需要に応じた種々の運転態様で対応することが可能である。
【００３１】
一方、高負荷運転時においてスタック５を冷却するには、この空気圧縮機１１を高回転数で駆動させて空気を多量に供給するようにするが、それでもスタック５の冷却が不十分な時は、カソードガスリサイクル配管８に設置した冷却器１８によりカソードガスを冷却しこれを再循環させてスタック５の冷却を行う。従って、溶融炭酸塩形燃料電池発電システムが高負荷運転する場合には高圧運転となり、低負荷運転をする場合には低圧運転をすることとなる。ここで、発電システムの負荷を変更させた場合のシステム電気出力の効率を図２に示す。負荷が１００％〜３０％程度の領域にわたり、発電効率が４０％程度以上を維持している。
【００３２】
しかも、この図２（および上述した図３）から明らかなように、本実施形態における溶融炭酸塩形燃料電池発電システムの場合、最も高い発電効率が得られる負荷領域がプラント負荷率の中程、具体的にはプラント負荷率５０％〜７０％辺りとなるように設定されており、いわば定格負荷領域が負荷率最大の位置から負荷率中程の辺りにシフトされた状態となっている。このため本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムは、プラント負荷率が最大となる動作時を定格負荷領域としている従来の発電システムとはそもそも異なり、例えばプラント負荷率５０％〜７０％辺りで通常運転し続け、それよりも高出力が要求された場合には非常時運転として高負荷運転し所望の出力を供給するようなシステムに適用して好適なものであり、具体例を挙げれば、例えばオフィスビルのような中規模施設におけるシステムであって分散型の電源として設置されるような発電システムに好適である。
【００３３】
また、本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおいては、発電システムからの熱出力は排ガス１５及び冷却器１８から回収されることとなる。これらの熱回収率は、システムの運転負荷により変化し、例えば排ガス１５は、システムの運転圧力が高い時すなわち高負荷運転時には低温となり、システムの運転圧力が低い時すなわち低負荷運転時には高温となる。このことは、高圧運転時にはガスタービン出入口間の圧力差が大きくなり、低圧運転時にはガスタービン出入口間の圧力差が小さくなることに起因している。従って本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムは、運転負荷の変動に伴い熱出力の調整が可能なシステムとなっている。ここで、図２に、運転負荷に対する排ガス１５および冷却器１８からの回収熱量の変化を示す。高負荷側では、カソードガスリサイクル配管８における冷却量が増大するため回収熱量が増大する。また、低負荷側においては発電システムの圧力が低下することから排ガス１５における回収熱量が同じく増大する。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムは、回転数制御型の空気圧縮機１１を採用したことから、低負荷運転時に回転数を減少させ供給空気量を低下させることができる。一方、高負荷運転時には空気圧縮機１１の回転数を上昇させ、さらにカソードガスリサイクル配管８における冷却を行うことにより、空気圧縮機１１のみでは足りなくなるスタック冷却を行うことができる。このように両負荷運転時における制御手段を組み合わせることにより広い運転負荷領域下で効率の低下しない（低下割合の少ない）システムが実現できる。また、電気が必要でないときはシステムの圧力を下げることによりニッケル短絡現象を抑えて電池寿命を引き延ばすことができる。
【００３５】
このように、本実施形態の発電システムではシステム圧力を低下させてしまうため、（Ｃ）として説明した従来の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムのようにガスタービンの出力が足りなくなり空気圧力が保てなくなるようなことがない。また、ガスタービン出力が余分となった場合にはシステムの圧力を上昇させて運転するため、ガスタービンのバイパスを設ける必要がない。さらに、変圧運転をしないシステムの場合、余剰となった空気について燃料電池部分をバイパスさせ、燃焼器にて燃料を追い焚きするため発電効率が低下するが、変圧運転型とした本実施形態の発電システムの場合、空気が余剰となるような場合には空気圧縮機１１の回転数を低下させ、流量を低下させるので余剰空気が発生することがない。
【００３６】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれ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において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では発電プラントにおける発電システムとして好適なシステムの一例を示したが、上述したように変圧運転型であって空気流量および圧力比を変更することによって熱電比を変えることが可能な本発明に係る溶融炭酸塩形燃料電池発電システムは、例えば貯湯槽と組み合わせることによってエネルギーをより有効に利用することを可能にするものである。
【００３７】
すなわち、例えば発電装置と熱需要地が近い場合、電気と共に熱を供給することが可能なシステムは、電気と熱の総合効率（つまりシステム効率）を高くすることが可能であり、また、熱は給湯装置等により貯蔵しておくことが可能であるため、電気と熱の必要な割合に応じて熱電比を可変とすることはエネルギー利用面から省エネルギーに有効である。この点、変圧運転可能な本発明に係る溶融炭酸塩形燃料電池発電システムによれば、電気出力が主に必要である時は高圧運転を行ってガスタービン出入口間における温度差を拡大してガスタービン出口における熱エネルギーを低下させシステムの排気ガスから回収される熱量を小さくする一方で、電気出力を主に必要としない時は低圧運転を行い、ガスタービン出入口間における温度差を小さくしてガスタービン出口における熱エネルギーを高くし、システムの排気ガスから回収される熱量を大きくすることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムによると、独立構造の空気圧縮機等を利用した変圧運転型としたことにより、膨張タービンの回転量に関わらず独立して供給空気の流量および圧力比を変更することができる。このため、電池冷却用空気量を多量には必要としない低負荷運転時にタービン回転数を低下させることにより電池冷却空気量が過剰とならないように制御することができ、これにより、部分負荷運転時にシステム圧力を低下させてカソード炭酸ガス分圧を低下させることができる。したがって、溶融炭酸塩形燃料電池の電池寿命をより長くすることができる。
【００３９】
しかも、システム圧力を変化させることによりガスタービンからの排熱温度を変化させ得ることから、熱電比を適宜変更することが可能である。したがって、熱と電気の必要とされる割合に応じて熱電比を適宜変えることによりシステム効率の向上を図ることができる。
【００４０】
また請求項２記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムによると、冷却リサイクルカソードガスを利用した高効率のスタック冷却が行われ、高負荷時であっても十分なスタック冷却が可能となることから、高負荷運転時のスタック冷却空気流量不足が解消する。このため、この発電システムによれば部分負荷運転時に最大発電効率が得られることに加え、高負荷運転を行った場合でも高い発電効率を維持できる。
【００４１】
さらに請求項３記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムによると、高負荷運転時におけるスタックの冷却を冷却カソードガスを利用して行うため、冷却空気供給量増加が抑えられて高効率発電が可能となる。また、低負荷時に供給空気量を削減することが可能であるため、低負荷運転時における燃料電池のバイパスが不要であり、高効率発電が可能となる。以上より、幅広い負荷範囲において高効率な発電が可能となる。また、低負荷運転時にはシステムの運転圧力が低下するため、カソード炭酸ガス分圧が低下しニッケル短絡による電池寿命を長くすることができる。さらに、低負荷運転時には回収熱量が多く、高負荷運転時には回収熱量が少なくなることから、運転負荷を適宜変えることによる熱電比の変更が可能となる。また、このような回転数制御型の空気供給手段とカソードガス冷却器を組み合わせることにより、運転負荷率を２０〜３０％程度に低下させた場合でも発電が可能であり、かつ最低負荷時においても発電効率が４０％以上という高い値を達成することができる。
【００４２】
また請求項４記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおける発電方法によると、電池冷却用空気量を多量には必要としない低負荷運転時にタービン回転数を低下させることにより電池冷却空気量が過剰とならないように制御することができ、これにより、部分負荷運転時にシステム圧力を低下させてカソード炭酸ガス分圧を低下させることができる。したがって、溶融炭酸塩形燃料電池の電池寿命をより長くすることができる。しかも、システム圧力を変化させることによりガスタービンからの排熱温度を変化させ得ることから、熱電比を適宜変更することが可能である。したがって、熱と電気の必要とされる割合に応じて熱電比を適宜変えることによりシステム効率の向上を図ることができる。
【００４３】
さらに請求項５記載の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおける発電方法によると、冷却リサイクルカソードガスを利用した高効率のスタック冷却が行われ、高負荷時であっても十分なスタック冷却が可能となることから、高負荷運転時のスタック冷却空気流量不足が解消する。このため、この発電方法によれば部分負荷運転時に最大発電効率が得られることに加え、高負荷運転を行った場合でも高い発電効率を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す溶融炭酸塩形燃料電池発電システムの構成図である。
【図２】運転負荷に対する発電効率および熱出力効率の変化の一例を示すグラフである。
【図３】ケース▲３▼のシステムおよびバイパスを備えたシステムにおける負荷率と発電効率の変化を示すグラフである。
【図４】従来における基本的な溶融炭酸塩形燃料電池発電システムの一例を示す構成図である。
【図５】スタック冷却空気のバイパスを備えた従来の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムの一例を示す構成図である。
【図６】従来の溶融炭酸塩形燃料電池発電システムにおける負荷率と発電効率の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
７　カソード
８　カソードガスリサイクル配管
１８　冷却器
２０　駆動力源
２３　空気供給手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a molten carbonate fuel cell power generation system and a power generation method in the power generation system. More specifically, the present invention relates to an improvement in the structure of a power generation system using a molten carbonate fuel cell (MCFC) and a power generation method.
[0002]
[Prior art]
The power generation system using the molten carbonate fuel cell includes, for example, a reformer 101, a molten carbonate fuel cell 102, a turbine compressor 103, an exhaust heat recovery boiler (not shown), a cathode recycle blower 104, and the like. The capacity of the fuel cell and the capacity of the turbine compressor are selected so that the power generation efficiency becomes high at the time of the maximum rating (see FIG. 4). FIG. 4 shows a basic power generation system. In addition, power generation systems described below as (A) to (C) have also been proposed.
[0003]
(A) The molten carbonate fuel cell power generation system is operated at a high pressure of about 1 to 1.5 MPa in order to increase the power generation efficiency, and the temperature of the air outlet of the turbine compressor increases. Although an air flow rate is required, on the other hand, the cooling air may be excessive during partial load operation. Therefore, the conventional power generation system is provided with a bypass 105 for bypassing the fuel cell part (see FIG. 5). During partial load operation, a part of the cooling air is not supplied to the fuel cell 102, and the turbine compression is performed. There is a type in which partial load operation is performed in such a manner that the power is supplied to the expansion turbine 106 of the compressor 103 and the fuel is reheated (added supply) to the combustor 107 installed in the turbine compressor 103 to generate power.
[0004]
(B) In some cases, the cathode gas after the battery reaction that has passed through the cathode is simply discharged to the outside due to the structure of the power generation system, despite the fact that the temperature of the cathode gas is increased by the heat of the battery reaction. Therefore, the molten carbonate fuel cell uses the cathode gas as a heat source of the reforming unit, and after cooling, uses the cathode gas for cooling the reaction heat of the cell to reduce the amount of the cathode gas for cooling. A power generation system has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0005]
(C) In a fuel cell power generation system having a structure in which air is pressurized by a compressor of a supercharger and the pressurized air is supplied to a cathode of the fuel cell, the turbocharger turbine output is reduced during partial load operation. Accordingly, the air pressure in the compressor decreases. In view of this, a technique has been disclosed in which an electric backup compressor is additionally provided to compensate for the pressure drop and raise the pressure to a predetermined pressure.For example, a check valve is provided in the air supply line and the check valve is bypassed. A molten carbonate fuel cell power generation system has been proposed in which a line is provided and a motor-driven compressor is provided on the bypass (for example, see Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-234610 ([0009], [0010])
[Patent Document 2]
JP-A-5-21081 (FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described prior arts (A) to (C) have the following problems.
[0008]
In the case of the molten carbonate fuel cell power generation system of (A), when the fuel is additionally supplied to the turbine compressor 103 side to generate power, the power generation output ratio of the expansion turbine 106 to the output of the fuel cell 102 increases. Therefore, there is a problem that the power generation efficiency during the partial load operation of the power generation system is reduced.
[0009]
In the molten carbonate fuel cell power generation system of (B), the compressed air supplied from the turbine compressor plays a role of carrying out the reaction heat of the cell to the outside. Since the difference between the sensible heat of the air supplied to the stack and the sensible heat of the gas carried out of the stack to the outside is reduced, the amount of air supplied for cooling the stack is greatly increased. When the amount of air supplied from the outside is increased in this manner, O in the cathode gas is reduced. ₂ / CO ₂ The stoichiometric ratio (O in the cathodic reaction ₂ And CO ₂ Stoichiometric ratio of 0.5), which causes a decrease in the cell voltage of the fuel cell. When the cell voltage decreases, the amount of heat generated inside the stack increases, so more air flow is required, and the power generation efficiency (that is, the overall energy efficiency of the system) is reduced due to the synergistic effect of the increase in air flow and the decrease in cell voltage. Problems arise.
[0010]
In the molten carbonate fuel cell power generation system of (C), if the system operating pressure is kept high by operating the electric air compressor provided at the time of the partial load operation, a nickel short-circuit phenomenon (the nickel oxide at the cathode is contained in the electrolyte). The partial pressure of carbon dioxide in the cathode gas, which is a cause of acceleration of the phenomenon of elution and electrical short-circuit with the counter electrode, cannot be reduced.
[0011]
That is, in the molten carbonate fuel cell power generation system, the fuel supplied to the fuel cell is consumed without being taken out as an external output due to the occurrence of the nickel short circuit phenomenon, which may cause a significant decrease in power generation efficiency. is there. The time during which the nickel short-circuit phenomenon occurs depends on the partial pressure of carbon dioxide in the cathode gas. If the partial pressure of the cathode carbon dioxide is high, the nickel short-circuit phenomenon occurs early. As described above, since the molten carbonate fuel cell power generation system is operated at a high pressure in order to ensure high efficiency power generation, the partial pressure of carbon dioxide in the cathode gas increases, and nickel short-circuit occurs early. Therefore, if the pressure of the system is to be kept the same as the rated operation condition even during the partial load operation, the carbon dioxide partial pressure in the cathode gas remains high despite the low power generation output. For this reason, in the molten carbonate fuel cell power generation system having such a structure, the battery life could not be extended.
[0012]
Further, in the molten carbonate fuel cell power generation system as shown in (C), since the system pressure is constant and the exhaust heat temperature from the gas turbine is constant, the heat-to-electric ratio (the amount of heat generated in the system It was not possible to improve the system efficiency by changing the ratio to electricity. That is, in the case of a system capable of supplying both heat and electricity, energy efficiency can be improved in terms of energy utilization by appropriately changing the thermoelectric ratio according to the required ratio of heat and electricity. In such a molten carbonate fuel cell power generation system, since the thermoelectric ratio cannot be changed, energy efficiency cannot be improved from this aspect.
[0013]
Therefore, an object of the present invention is to provide a molten carbonate fuel cell power generation system capable of achieving high power generation efficiency and extending the battery life, and a power generation method in the power generation system.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the inventor of the present application has started a study from the viewpoint that the cooling air amount becomes excessive during the partial load operation, and conversely, if the air amount is reduced, the efficiency during the partial load operation can be increased. . In each of the conventional molten carbonate fuel cell power generation systems as described above, since the operation time when the plant load factor is the maximum is the rated load region, excessive cooling air occurs when the partial load operation is performed. However, conversely, the idea came to the idea of constructing a power generation plant that shifts the rated load region during partial load operation and operates at high load when necessary, and studied from this viewpoint.
[0015]
Therefore, the inventor first focused on the pressure of the supplied compressed air in the power generation system. However, since the molten carbonate fuel cell has a liquid electrolyte and seals the space between the fuel and the oxidant and the pressure container with the surface tension of the liquid, the pressure difference between the fuel and the container and between the oxidant and the container is 3 kPa. If the pressure exceeds the pressure limit value, gas leaks out (leakage) and a failure state occurs. Therefore, simply lowering the pressure may not be enough to realize a power generation system. Specifically, the maximum pressure difference between the gas and the vessel is between the cathode inlet and the vessel, and in an actual system, three types of pressure vessel gas, fuel gas, and oxidizing gas join at the battery outlet. Therefore, “cathode pressure loss” = “maximum differential pressure between cathode vessels”, and from the viewpoint of leak prevention, the cathode pressure loss must be obtained and the value must be about 3 kPa or less. Therefore, the present inventor performed a system calculation to obtain a system in which the air flow rate was reduced at the time of partial load, and at that time, numerically analyzed the power generation state inside the stack, and based on the system analysis result on the cathode side, the inside of the stack. The temperature distribution, current density, and pressure distribution were analyzed, and various experiments and examinations were repeated so as not to operate at the point where operation was determined to be impossible.
[0016]
The results of the experiment and study are shown below. Here, as the system conditions during partial load operation, it is necessary to determine the appropriateness of the stack cooling air amount in addition to the battery temperature and fuel utilization rate, so the upper limit of the cathode gas pressure loss in the stack is newly set. Then, a heat and mass balance analysis was performed (see Table 1).
[Table 1]

・ Case ▲ 1 ▼
In the case of the most basic system configuration that does not bypass the stack cooling air (see FIG. 4), the heat and mass balance analysis during partial load operation showed that the cathode pressure loss was excessive at about 80% load or less, It was predicted that driving would be impossible.
・ Case ▲ 2 ▼
A heat and mass balance analysis was performed on a system in which a cooler was installed in the cathode recycling system (see Fig. 1). Here, an air compressor with a flow rate of about half of case (1) was adopted to avoid an excessive amount of stack cooling air, and was installed in the cathode gas recycling system for the high load operation range. The stack was cooled by a cooler. In this system, the operating load range was expanded, and it was found from the lower limit of the air flow rate that the minimum load factor was about 50%.
・ Case ▲ 3 ▼
A heat and mass balance analysis was performed on a system (see Fig. 1) that uses a variable flow rate air compressor separated from the expansion turbine and combines it with cooling of the cathode gas recycling system in the high-load operation range. The supply air flow rate was adjusted according to the number of revolutions, and by performing a variable pressure operation in which the pressure was high at the rated load and low at the partial load, operation up to about 30% load was possible (see FIG. 3).
[0017]
As a result of these experiments and studies, the turbine rotation speed was increased in the high-load operation region where a large amount of battery cooling air was required, while the rotation was reduced in the low-load operation region where a large amount of battery cooling air was not required. By reducing the number, it is possible to control that the amount of battery cooling air does not become excessive.In this way, changing the rotation speed of the air compressor inevitably changes the pressure ratio of the compressor. It was confirmed that the battery operated in a variable pressure according to the load. In such a case, the system pressure is reduced during the partial load operation, so that it is possible to reduce the partial pressure of the cathode carbon dioxide, which is an indicator of the nickel short-circuit occurrence time, to extend the battery life and to change the thermoelectric ratio. It was found that the effect of being able to do is obtained.
[0018]
The present invention is based on such knowledge, and the molten carbonate fuel cell power generation system according to claim 1 includes air supply means capable of changing the pressure of air supplied to the cathode of the molten carbonate fuel cell. The feature is that the maximum power generation efficiency is achieved during partial load operation by suppressing the cathode gas flow rate, and the cathode air flow rate is increased by increasing the supply air pressure when operating at a higher load than during this partial load operation. It is. This power generation system has a structure in which an air supply means is separated from an expansion turbine and is independent, and is configured as a variable pressure operation type capable of independently changing a flow rate and a pressure ratio of supply air regardless of a rotation amount of the expansion turbine. I have. In a normal state, the power generation is performed in a state where the maximum power generation efficiency is obtained by performing the partial load operation with a small load on the system. In addition, when a higher output is required, a predetermined output can be obtained by high-load operation.
[0019]
Further, in the power generation method in the molten carbonate fuel cell power generation system according to claim 4, the maximum power generation during the partial load operation is performed by changing the air pressure supplied to the cathode of the molten carbonate fuel cell to suppress the cathode gas flow rate. In order to achieve efficiency and to operate at a higher load than during the partial load operation, the supply air pressure is increased to increase the cathode gas flow rate. In this case, the power generation is performed in a state where the maximum power generation efficiency is obtained by performing the partial load operation with a small load on the system in a normal state, so that the efficiency is high and the life of the fuel cell is prolonged. In addition, when a higher output is required, a predetermined output can be obtained by high-load operation.
[0020]
Further, as a result of the above experiments and studies, the inventor of the present application has invented a further structure for improving the efficiency of the power generation system. That is, as in the molten carbonate fuel cell power generation system according to claim 2, a cathode gas recycling pipe that collects at least a part of the cathode gas that has passed through the cathode of the molten carbonate fuel cell and guides the cathode gas to a stage preceding the cathode, A cooler installed in the cathode gas recycling pipe to cool the collected cathode gas is provided.The maximum power generation efficiency is achieved during the partial load operation by suppressing the cathode gas flow rate in advance, and the load is higher than during the partial load operation. In this operation, the recovered cathode gas is cooled to make up for the cathode cooling capacity.
[0021]
The cooling of the stack in this power generation system is performed not only by the air supplied from the air supply means, but also by the recycled gas cooled in the cathode gas recycling system including the cathode gas recycling pipe. In other words, it is necessary to increase the flow rate of the cooling air during high-load operation, but it is not necessary for the air supply means (for example, an air compressor) to supply more air than can be supplied, and the air is supplied by the cooler. That is, in the case of high-load operation, the pressure of the air supply means is increased to increase the air flow rate within a range that can be supplied. However, when the cooling is still insufficient, the use of the cooler eliminates the insufficient stack cooling capacity. In this case, cooling using the cooling recycle gas is performed, and sufficient stack cooling can be performed even under a high load, so that the shortage of the stack cooling capacity during a high load operation can be compensated. For this reason, according to this power generation system, the maximum power generation efficiency is obtained at the time of partial load operation, and the high power generation efficiency is maintained by suppressing the air supply amount from the air supply means to a certain limit even at the time of high load operation. it can.
[0022]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a power generation method for a molten carbonate fuel cell power generation system, wherein at least a portion of the cathode gas that has passed through the cathode of the molten carbonate fuel cell is recovered and guided to a stage preceding the cathode. During operation, the maximum power generation efficiency is achieved, and at the time of operation with a higher load than during the partial load operation, the recovered cathode gas is cooled to supplement the cathode cooling capacity. In other words, during high-load operation, the pressure of the air supply means (for example, an air compressor) is increased to increase the air flow rate. However, in order to obtain high power generation efficiency, the air supply means should not supply more air than can be supplied by this air supply means. When the cooling capacity is still insufficient even if the air flow rate is increased within the supply range, the lack of the stack cooling capacity is solved by using a cooler. In this case, the cooling of the stack is performed not only by the air supplied from the air supply means but also by the recycle gas cooled in the cathode gas recycle system, and sufficient stack cooling can be performed even under a high load. Therefore, the shortage of the flow rate of the stack cooling air during the high-load operation is eliminated. Therefore, according to this power generation method, in addition to obtaining the maximum power generation efficiency during the partial load operation, high power generation efficiency can be maintained even when the high load operation is performed.
[0023]
Further, in the molten carbonate fuel cell power generation system according to claim 3, at least one of an air supply means capable of changing a supply air pressure to a cathode of the molten carbonate fuel cell, and a cathode gas passing through the cathode. A cathode gas recycle pipe that collects the part and guides it to the preceding stage of the cathode, and a cooler that is installed in the cathode gas recycle pipe and cools the collected cathode gas. While achieving maximum power generation efficiency and operating at a higher load than during this partial load operation, while increasing the supply air pressure to increase the cathode gas flow rate or cooling the recovered cathode gas to supplement the cathode cooling capacity, When operating at a lower load than during this partial load operation, lower the supply air pressure to reduce the cathode gas flow rate. It is characterized in that so as to further reduce.
[0024]
In the case of this molten carbonate fuel cell power generation system, the cooling of the battery is performed by the air supplied from the air compressor and the cooler provided in the cathode gas recycling pipe, so that the stack cooling capacity is insufficient during high load operation. Such a situation can be prevented from occurring. In addition, when operating at a lower load than during the partial load operation, the supply air pressure can be reduced to further reduce the cathode gas flow rate, so that the load can be varied more widely, and various types of operation according to demand can be performed. It is possible to respond in an aspect.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.
[0026]
1 and 2 show an embodiment of the present invention. The molten carbonate fuel cell power generation system of the present embodiment includes air supply means 23 capable of changing the air pressure supplied to the cathode 7, and achieves the maximum power generation efficiency during partial load operation by suppressing the flow rate of the cathode gas. At the same time, when operating at a higher load than during the partial load operation, the supply air pressure is increased to increase the cathode gas flow rate. Further, the molten carbonate fuel cell power generation system according to the present embodiment includes a cathode gas recycle pipe 8 that collects at least a part of the cathode gas that has passed through the cathode 7 and guides the gas to a stage preceding the cathode 7. A cooler 18 for cooling the collected and recovered cathode gas is provided, and the maximum power generation efficiency is achieved at the time of partial load operation by suppressing the cathode gas flow rate in advance, and when a higher load operation is performed than at the time of this partial load operation. The recovered cathode gas is cooled to supplement the cathode cooling capacity. In FIG. 1, reference numeral 13 denotes a water supply pump, reference numeral 16 denotes a fuel cell power generation inverter, reference numeral 17 denotes a motor for driving the cathode recycle blower 21, and reference numeral 20 denotes an air compressor rotation speed control inverter. I have.
[0027]
In this molten carbonate fuel cell power generation system, a fuel gas (represented by reference numeral 1) such as natural gas is supplied to a fuel preheater 2 and heated, and then the steam supplied from a steam generator 12 is mixed. Thereafter, the steam is supplied to the reforming chamber 3 of the reformer 22 to perform steam reforming. The reformed fuel gas 1 is used to raise the temperature of the fuel gas 1 in the fuel preheater 2 and then supplied to the anode 4 of the fuel cell. About 80% of the fuel gas 1 supplied to the anode 4 is consumed by the power generation reaction in the fuel cell. Thereafter, the anode gas is supplied to the combustion chamber 6 of the reformer 22 and burns together with the exhaust gas (cathode gas) from the cathode 7 in order to supplement the reaction heat of the reforming reaction occurring in the reforming chamber 3. The gas after combustion is supplied to the cathode 7 after being mixed with the air (represented by reference numeral 10) supplied from the air supply means 23. The air supply means 23 includes, for example, the air compressor 11 and a driving power source 20 such as a motor for driving the air compressor 11.
[0028]
Part of the gas reacted at the cathode 7 is recirculated to the cathode inlet by the cathode gas recycle pipe 8 and the cathode recycle blower 21 to maintain the gas temperature at the cathode inlet. Part of the remaining gas that has not been recirculated is used for combustion in the combustion chamber 6 of the reformer 22 described above, and the remaining gas is guided to the expansion turbine 9 and used for power generation by the generator 19. . Exhaust gas from the expansion turbine 9 is guided to a steam generator 12 to generate steam for fuel reforming, and after generating steam, is discharged as exhaust gas (represented by reference numeral 15) out of the system. The heat output from the system is the exhaust gas 15 and the cooler 18 installed in the cathode circulation line, and heat is recovered from the exhaust gas 15 and the cooler 18 installed in the cathode circulation line.
[0029]
In the ordinary molten carbonate fuel cell power generation system, the fuel cell stack 5 is cooled only by the air supplied from the air compressor 11, but the molten carbonate fuel cell power generation system of the present embodiment having the above-described configuration is used. Then, when the flow rate of the air compressor 11 is set low and the ability to cool the stack 5 becomes insufficient, the cathode gas cooled by the cooler 18 provided in the cathode gas recycling pipe 8 is mixed with the supply air. Thereby, the stack 5 can be cooled efficiently. The heat cooled in the cathode gas recycle pipe 8 becomes a heat output from the system similarly to the exhaust gas 15. In the power generation system of the present embodiment, when the load fluctuates, the temperature of the stack 5 can be appropriately maintained by adjusting the cooling capacity of the cooler 18 in the cathode gas recycling pipe 8. In this case, the operable load range is at least about 50%. This is because the amount of cooling air in the stack 5 becomes excessive with respect to the amount of heat generated in the battery during low-load operation. I have.
[0030]
Here, in the molten carbonate fuel cell power generation system of the present embodiment, in order to prevent the stack cooling air amount from becoming excessive during low load operation, the cooling air flow rate is reduced during low load operation. The air compressor 11 is selected. Specifically, for example, a type in which the flow rate can be adjusted by the rotation speed and the discharge pressure changes with the rotation speed is employed. Therefore, in the present embodiment, the number of revolutions of the air compressor 11 decreases during low load operation, the amount of supplied air decreases, and the system operating pressure decreases. Therefore, the partial pressure of cathode carbon dioxide during partial load operation decreases. I do. Moreover, the operation of the air compressor 11 makes it possible to supply an appropriate amount of cooling air even when operating at a lower load, so that the operable plant load range is lower than 50%, for example, The load factor is extended to about 30%, and it is possible to cope with various operation modes according to demand for electricity and the like.
[0031]
On the other hand, to cool the stack 5 during high-load operation, the air compressor 11 is driven at a high rotation speed to supply a large amount of air. However, if the cooling of the stack 5 is still insufficient, Then, the cathode gas is cooled by the cooler 18 installed in the cathode gas recycle pipe 8, and the cathode gas is recirculated to cool the stack 5. Therefore, when the molten carbonate fuel cell power generation system performs a high load operation, the operation becomes a high pressure operation, and when the low load operation is performed, a low pressure operation is performed. Here, the efficiency of the system electric output when the load of the power generation system is changed is shown in FIG. The power generation efficiency is maintained at about 40% or more over the region where the load is about 100% to 30%.
[0032]
Moreover, as is clear from FIG. 2 (and FIG. 3 described above), in the case of the molten carbonate fuel cell power generation system according to the present embodiment, the load region where the highest power generation efficiency is obtained is in the middle of the plant load factor. Specifically, the plant load factor is set so as to be around 50% to 70%, that is, the rated load region is shifted from the position where the load factor is maximum to around the middle of the load factor. For this reason, the molten carbonate fuel cell power generation system of the present embodiment is different from the conventional power generation system in which the operation time when the plant load factor is maximized is set as the rated load region. It is suitable to be applied to a system that supplies a desired output by performing a high load operation as an emergency operation when a higher output is required, and if a higher output is required, a specific example will be given. For example, the present invention is suitable for a system in a medium-scale facility such as an office building and installed as a distributed power supply.
[0033]
Further, in the molten carbonate fuel cell power generation system of the present embodiment, the heat output from the power generation system is recovered from the exhaust gas 15 and the cooler 18. These heat recovery rates vary depending on the operating load of the system. For example, the exhaust gas 15 becomes low when the operating pressure of the system is high, that is, at the time of high load operation, and becomes high when the operating pressure of the system is low, that is, at the time of low load operation. . This is due to the fact that the pressure difference between the gas turbine inlet and outlet is large during high-pressure operation, and the pressure difference between gas turbine inlet and outlet is small during low-pressure operation. Therefore, the molten carbonate fuel cell power generation system of the present embodiment is a system capable of adjusting the heat output in accordance with the fluctuation of the operation load. Here, FIG. 2 shows a change in the amount of heat recovered from the exhaust gas 15 and the cooler 18 with respect to the operation load. On the high load side, the amount of heat recovered increases because the amount of cooling in the cathode gas recycling pipe 8 increases. Also, on the low load side, since the pressure of the power generation system decreases, the amount of heat recovered in the exhaust gas 15 also increases.
[0034]
As described above, since the molten carbonate fuel cell power generation system of the present embodiment employs the rotation speed control type air compressor 11, the rotation speed is reduced and the supply air amount is reduced during low load operation. be able to. On the other hand, during high load operation, by increasing the rotation speed of the air compressor 11 and further cooling the cathode gas recycling pipe 8, it is possible to perform stack cooling that is not sufficient with the air compressor 11 alone. In this way, by combining the control means at the time of both load operation, a system in which the efficiency does not decrease (the decrease ratio is small) under a wide operating load region can be realized. Also, when electricity is not required, the system pressure can be reduced to suppress the nickel short circuit phenomenon and extend the battery life.
[0035]
As described above, in the power generation system according to the present embodiment, the system pressure is reduced, so that the output of the gas turbine is insufficient and the air pressure is maintained as in the conventional molten carbonate fuel cell power generation system described as (C). There is no such thing as disappearing. In addition, when the gas turbine output becomes excessive, the system is operated by increasing the pressure of the system, so that there is no need to provide a gas turbine bypass. Further, in the case of the system that does not perform the variable pressure operation, the fuel cell portion is bypassed for the surplus air, and the combustor reheats the fuel, thereby lowering the power generation efficiency. In the case of the system, when the air becomes excessive, the rotation speed of the air compressor 11 is reduced and the flow rate is reduced, so that no excess air is generated.
[0036]
The above embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the present embodiment, an example of a system suitable as a power generation system in a power plant has been described. However, as described above, the present invention is of a variable-voltage operation type in which the thermoelectric ratio can be changed by changing the air flow rate and the pressure ratio. The molten carbonate fuel cell power generation system according to the present invention makes it possible to use energy more effectively by combining it with a hot water tank, for example.
[0037]
That is, for example, when the power generation device and the heat demanding area are close, a system that can supply heat together with electricity can increase the total efficiency of electricity and heat (that is, system efficiency), and the heat is Since it can be stored by a hot water supply device or the like, making the thermoelectric ratio variable according to the required ratio of electricity and heat is effective in energy saving from the viewpoint of energy utilization. In this regard, according to the molten carbonate fuel cell power generation system according to the present invention capable of performing the variable pressure operation, when the electric output is mainly required, the high pressure operation is performed to expand the temperature difference between the inlet and the outlet of the gas turbine, thereby increasing the gas. While reducing the heat energy at the turbine outlet to reduce the amount of heat recovered from the exhaust gas of the system, low-pressure operation is performed when electric power is not mainly required, and the temperature difference between the gas turbine inlet and outlet is reduced to reduce the gas. The heat energy at the turbine outlet can be increased and the amount of heat recovered from the system exhaust gas can be increased.
[0038]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the molten carbonate fuel cell power generation system according to the first aspect, the variable pressure operation type using an air compressor or the like having an independent structure allows the expansion turbine to be operated regardless of the rotation amount of the expansion turbine. Independently, the flow rate and pressure ratio of supply air can be changed. For this reason, it is possible to control the battery cooling air amount so as not to be excessive by lowering the turbine rotation speed at the time of low load operation where a large amount of battery cooling air is not required. The partial pressure of the cathode carbon dioxide can be reduced by lowering the system pressure. Therefore, the life of the molten carbonate fuel cell can be further extended.
[0039]
Moreover, since the exhaust heat temperature from the gas turbine can be changed by changing the system pressure, the thermoelectric ratio can be appropriately changed. Therefore, system efficiency can be improved by appropriately changing the thermoelectric ratio according to the required ratio of heat and electricity.
[0040]
According to the molten carbonate fuel cell power generation system according to the second aspect of the present invention, highly efficient stack cooling using the cooled and recycled cathode gas is performed, and sufficient stack cooling can be performed even under a high load. Insufficient stack cooling air flow during high load operation is eliminated. For this reason, according to this power generation system, in addition to obtaining the maximum power generation efficiency during partial load operation, high power generation efficiency can be maintained even when high load operation is performed.
[0041]
Further, according to the molten carbonate fuel cell power generation system of the third aspect, since the cooling of the stack during the high load operation is performed using the cooling cathode gas, an increase in the supply of cooling air is suppressed, and high efficiency power generation is possible. It becomes. Further, since the amount of supplied air can be reduced at a low load, a bypass of the fuel cell at a low load operation is not required, and high-efficiency power generation is possible. As described above, highly efficient power generation can be performed in a wide load range. In addition, at the time of low load operation, the operating pressure of the system decreases, so that the partial pressure of the cathode carbon dioxide decreases, and the battery life due to the nickel short circuit can be extended. Furthermore, since the amount of recovered heat is large at the time of low-load operation and the amount of recovered heat is small at the time of high-load operation, it is possible to change the thermoelectric ratio by appropriately changing the operation load. In addition, by combining such a rotational speed control type air supply means and a cathode gas cooler, power can be generated even when the operating load factor is reduced to about 20 to 30%, and even at the minimum load. A high value of power generation efficiency of 40% or more can be achieved.
[0042]
Further, according to the power generation method in the molten carbonate fuel cell power generation system according to the fourth aspect, the amount of battery cooling air becomes excessive by lowering the turbine speed during low-load operation where a large amount of battery cooling air is not required. Can be controlled so as not to occur, whereby the system pressure can be reduced during the partial load operation and the partial pressure of the cathode carbon dioxide can be reduced. Therefore, the life of the molten carbonate fuel cell can be further extended. Moreover, since the exhaust heat temperature from the gas turbine can be changed by changing the system pressure, the thermoelectric ratio can be appropriately changed. Therefore, system efficiency can be improved by appropriately changing the thermoelectric ratio according to the required ratio of heat and electricity.
[0043]
Further, according to the power generation method in the molten carbonate fuel cell power generation system according to claim 5, highly efficient stack cooling using the cooled recycle cathode gas is performed, and sufficient stack cooling can be performed even under a high load. Thus, the shortage of the flow rate of the stack cooling air during the high load operation is resolved. Therefore, according to this power generation method, in addition to obtaining the maximum power generation efficiency during the partial load operation, high power generation efficiency can be maintained even when the high load operation is performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a molten carbonate fuel cell power generation system showing one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an example of changes in power generation efficiency and heat output efficiency with respect to an operation load.
FIG. 3 is a graph showing changes in the load factor and the power generation efficiency in the system of Case (3) and the system including the bypass.
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of a conventional basic molten carbonate fuel cell power generation system.
FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of a conventional molten carbonate fuel cell power generation system having a stack cooling air bypass.
FIG. 6 is a graph showing changes in load factor and power generation efficiency in a conventional molten carbonate fuel cell power generation system.
[Explanation of symbols]
7 Cathode
8 Cathode gas recycling piping
18 Cooler
20 Driving power source
23 Air supply means

Claims

Equipped with air supply means capable of changing the supply air pressure to the cathode of the molten carbonate fuel cell, achieving the maximum power generation efficiency during partial load operation by suppressing the cathode gas flow rate, A molten carbonate fuel cell power generation system characterized in that when operating under a high load, the supply air pressure is increased to increase the cathode gas flow rate.

A cathode gas recycling pipe for recovering at least a part of the cathode gas that has passed through the cathode of the molten carbonate fuel cell and leading it to a stage preceding the cathode, and cooling installed in the cathode gas recycling pipe for cooling the recovered cathode gas A cathode cooling device is provided to achieve maximum power generation efficiency during partial load operation by suppressing the cathode gas flow rate in advance, and to cool the collected cathode gas when operating at a higher load than during the partial load operation to perform cathode cooling. A molten carbonate fuel cell power generation system characterized by supplementing capacity.

Air supply means capable of changing the supply air pressure to the cathode of the molten carbonate fuel cell, a cathode gas recycling pipe for recovering at least a part of the cathode gas passing through the cathode and leading it to the preceding stage of the cathode; A cooler installed in the cathode gas recycle pipe to cool the collected cathode gas, to achieve the maximum power generation efficiency during the partial load operation by suppressing the cathode gas flow rate in advance, and to increase the power generation efficiency during the partial load operation. When operating the load, the supply air pressure is increased to increase the cathode gas flow rate, or the recovered cathode gas is cooled to supplement the cathode cooling capacity, while when operating at a lower load than during the partial load operation, The feed air pressure is lowered to further reduce the cathode gas flow rate. Carbonate fuel cell power generation system.

By changing the air supply pressure to the cathode of the molten carbonate fuel cell to reduce the cathode gas flow, maximum power generation efficiency is achieved during partial load operation, and supply is performed when operating at higher load than during partial load operation. A power generation method in a molten carbonate fuel cell power generation system, wherein the air pressure is increased to increase the cathode gas flow rate.

By recovering at least a part of the cathode gas that has passed through the cathode of the molten carbonate fuel cell and guiding it to the preceding stage of the cathode, the maximum power generation efficiency is achieved at the time of partial load operation and the load of higher load than at the time of this partial load operation is achieved. A method for power generation in a molten carbonate fuel cell power generation system, comprising cooling the recovered cathode gas during operation to supplement the cathode cooling capacity.