JP2005079040A - 燃料電池発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱リフォーマを備えることなく燃料の改質率を向上する燃料電池発電設備を提供する。
【解決手段】燃料電池４の循環系統を備え、改質器１の改質反応により生じた改質ガスを燃料電池４に供給し、燃料電池４のカソード２で生じたカソード排ガスをガスタービン５に送給し、ガスタービン５の排ガスで生じた蒸気と共に燃料を改質器１に送給する燃料電池発電設備であって、燃料電池４の循環系統と異なる蒸気ラインを備えて改質器１に他の蒸気を追加し、改質ガスの改質率を向上させる。これにより、改質器１において蒸気量を増加して断熱リフォーマを備えることなく燃料の改質率を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、改質器から改質ガスを燃料電池に供給する燃料電池発電設備に関するものである。

一般に、燃料電池発電設備は、図２に示す如く、主にメタンを含む燃料を改質する改質器１と、カソード２とアノード３を含む溶融炭酸塩型の燃料電池４と、空気を圧縮するガスタービン５と、給水を加熱する排熱回収ボイラ６とを備えている。

燃料を改質する改質器１は、入口側に、外部からの燃料及び蒸気を燃料導入ライン７及び蒸気導入ライン８により合流させた燃料供給ライン９を接続すると共に、出口側に、改質ガスを燃料電池４のアノード３に供給する改質ガス供給ライン１０を接続している。ここで、改質器１は、触媒を配して、
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
で表される改質反応を主に起すと共に、加熱器１１を備えて改質器１の温度を所定温度以上にしており、加熱器１１は、出口側に、加熱ガスを燃料電池４のカソード２に供給するカソード供給ライン１２を接続している。

燃料電池４は、カソード２の排出側に、カソード排ガスをガスタービン５へ送給するカソード排ガス送給ライン１３を接続すると共に、アノード３の排出側に、アノード排ガスを改質器１の加熱器１１へ送給するアノード排ガス送給ライン１４を接続している。ここで、燃料電池４のカソード２は、カソード反応を起すように構成されると共に、アノード３は、電解質板（図示せず）を介して移動した炭酸イオンと、改質ガス中の水素とにより、
Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２−→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻
で表されるアノード反応を主に起すように構成されている。

ガスタービン５は、タービン排ガス送給ライン１５を備えてカソード排ガスを排熱回収ボイラ６へ送給すると共に、エア導入ライン１６からのエアに伴って潜熱を改質器１の加熱器１１へ送給するエア送給ライン１７を備え、更に、外気より導入した空気を、酸化ガスとしてカソード供給ライン１２へ送給するエア送給ライン１８を設けている。

排熱回収ボイラ６は、ガスタービン５からの排ガスを外部へ排出する排ガスライン１９を備え、ガスタービン５からの排ガスの排熱により給水を加熱して蒸気導入ライン８に供給している。

カソード排ガス送給ライン１３には、ブロワ２０を介してカソード排ガスを戻すカソードリサイクルライン２１を備え、カソード２へ流れるガス流量を変更してカソード２温度を調整している。アノード排ガス送給ライン１４には、断熱リフォーマ２２とブロワ２３を介するアノードリサイクルライン２４を備え、アノード排ガス中に含まれるメタンを改質して改質ガス供給ライン１０に戻している。ここで、断熱リフォーマ２２は、改質器１と同じ触媒を備えて同様な改質反応をさせており、断熱リフォーマ２２の温度はアノード排ガス自体の潜熱により維持されている。

このように種々のライン９，１０，１２，１３，１４，１５，１７，１８からなる循環ラインで構成された燃料電池発電設備は、燃料電池４のカソード２で酸化ガスを反応させると共に、アノード３で改質ガスを反応させることにより発電している。

ここで、アノード３に改質ガスを供給する改質器１の改質反応では、水素に改質する改質率が、燃料ガス中の添加水蒸気量とカーボン量との比（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ値））により大きく支配されるため、給水量や排熱回収ボイラ６等の設定条件によって改質率がある程度限定されている。なお、通常の燃料電池発電設備では、スチームカーボン比を規定値として設計している。

一方、改質器１では、改質反応により体積（モル数）が増加するため、燃料電池発電設備の効率を高めるよう運転圧力を高圧化する場合には、高圧化に伴って改質反応の平衡定数が低下し、改質率が低下するという問題がある。又、燃料ガス中のメタンに対する水蒸気の割合を大きくして改質率を向上させることが可能だが、高圧化に伴ってガスタービン５では膨脹比増加によりタービン出口温度が低下すると共に、排熱回収ボイラ６では水蒸気圧力を上昇させて水蒸気の飽和温度を上げるため、蒸気発生量の確保が困難になるという問題がある。

このため、断熱リフォーマ２２を備えたアノードリサイクルライン２４を設けて高圧下でも改質率の低下を防止し、改質器１と断熱リフォーマ２２の改質反応で改質率を維持させている。

なお、このような燃料電池発電設備としては特許文献１〜４があり、特許文献１〜３には通常の燃料電池発電設備を記載しており、特許文献４には、燃料電池発電設備に断熱リフォーマを備えたものを記載している。
特開昭６１−３９４５９号公報 特許第３１０４３１６号 特開平１１−２９７３３６号公報 特開平１１−２７３７０３号公報

以上のことから、断熱リフォーマ２２を備えていない燃料電池発電設備では、燃料の改質率を向上することができないという問題があった。又、断熱リフォーマ２２を備えた燃料電池発電設備では、アノードリサイクルライン２４等により設備が複雑になるため、安全性及び信頼性が減じられると共にコストが増加するという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑み、断熱リフォーマを備えることなく燃料の改質率を向上する燃料電池発電設備を提供することを目的としたものである。

本発明の請求項１は、改質器で生じた改質ガスを燃料電池に供給する燃料電池発電設備であって、前記燃料電池の循環系統と異なる蒸気ラインを備えて改質器に他の蒸気を追加したことを特徴とする燃料電池発電設備、にかかるものである。

本発明の請求項２は、燃料電池の循環系統を備え、改質器で
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
の改質反応により生じた改質ガスを燃料電池のアノードに供給し、前記燃料電池のカソードで生じたカソード排ガスをガスタービンに送給し、前記ガスタービンの排ガスで生じた蒸気と共に燃料を改質器に送給する燃料電池発電設備であって、前記燃料電池の循環系統と異なる別系統の蒸気ラインを備えて改質器に前記蒸気ラインの蒸気を追加し、改質ガスの改質率を向上させたことを特徴とする燃料電池発電設備、にかかるものである。

本発明の請求項３は、改質器で
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
の改質反応により生じた改質ガスを燃料電池のアノードに供給する改質ガス供給ラインと、前記燃料電池のカソードで生じたカソード排ガスをガスタービンに送給するカソード排ガス送給ラインと、前記ガスタービンの排ガスで生じた蒸気と共に燃料を改質器に供給する燃料供給ラインとを備えて燃料電池の循環系統を形成する燃料電池発電設備であって、前記燃料電池の循環系統と異なる別系統の蒸気ラインを備えて改質器に前記蒸気ラインの蒸気を追加し、改質ガスの改質率を向上させたことを特徴とする燃料電池発電設備、にかかるものである。

本発明の請求項４は、燃料供給ラインに、燃料電池の循環系統と異なる別系統の蒸気ラインを接続した請求項１、２又は３記載の燃料電池発電設備、にかかるものである。

本発明の請求項５は、蒸気ラインの蒸気がガスエンジンの排熱により生じる請求項１、２、３又は４記載の燃料電池発電設備、にかかるものである。

このように、請求項１、２又は３によれば、循環系統と異なる蒸気ラインを備えて改質器に他の蒸気を追加するので、改質器における蒸気量を増加することにより断熱リフォーマを備えることなく燃料の改質率を向上することができる。又、断熱リフォーマを廃止して燃料電池の循環系統を簡略化するので、安全性及び信頼性を増し得ると共にコストを削減することができる。更に、燃料電池の循環系統の簡略化により運転圧力の高圧化を容易にするので、燃料電池の発電効率を高めることができる。

請求項４に示す如く、燃料供給ラインに、燃料電池の循環系統と異なる蒸気ラインを接続すると、改質器に他の蒸気を容易に追加し得るので、燃料電池の循環系統を一層簡略化し、安全性及び信頼性を増し得ると共にコストを確実に削減することができる。

請求項５に示す如く、蒸気ラインの蒸気がガスエンジンの排熱により生じるよう構成されると、他の蒸気の発生を容易にして改質器に他の蒸気を追加し得るので、コストを一層確実に削減することができる。

本発明の燃料電池発電設備によれば、下記の如き、種々の優れた効果を奏し得る。

循環系統と異なる蒸気ラインを備えて改質器に他の蒸気を追加するので、改質器において蒸気量を増加して断熱リフォーマを備えることなく燃料の改質率を向上することができる。又、断熱リフォーマを廃止して燃料電池の循環系統を簡略化するので、安全性及び信頼性を増し得ると共にコストを削減することができる。更に、燃料電池の循環系統の簡略化により運転圧力の高圧化を容易にするので、燃料電池の発電効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態の一例であって、図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

本形態例の燃料電池発電設備は、断熱リフォーマ２２を備えたアノードリサイクルライン２４を取り除いた構成を備えており、燃料供給ライン９には、燃料電池４の種々のライン９，１０，１２，１３，１４，１５，１７，１８の循環系統と異なる別系統から蒸気ライン２５を接続している。

蒸気ライン２５には、外部からの給水を加熱して蒸気にする他の排熱回収ボイラ２６を備え、排熱回収ボイラ２６には、既存の他のガスエンジン２７からの排熱を流入させている。

以下、本発明を実施する形態例の作用を説明する。

燃料電池発電設備において高圧下で発電するために改質器１で燃料を改質する際には、他のガスエンジン２７から生じた排熱により排熱回収ボイラ２６で水を水蒸気にし、蒸気ライン２５より燃料供給ライン９に供給し、燃料ガス中の添加水蒸気量とカーボン量との比（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ値））で水蒸気の量を高めた燃料ガスを、燃料供給ライン９により改質器１に供給し、改質器１で燃料ガスを高い改質率で改質する。ここで、燃料電池発電設備（１．５ＭＷ級）において中圧下（０．４−０．８ＭＰａ）で発電する際であっても、ガスエンジン２７からの排熱を利用して蒸気量を倍増させ、発電効率を６０％から６３％＠ＬＨＶ（Ｌｏｗ Ｈｅａｔ Ｖａｌｕｅにおいて）に上昇させることができる。

このように、本形態例によれば、改質ガス供給ライン１０、カソード排ガス送給ライン１３、タービン排ガス送給ライン１５，燃料供給ライン９等の燃料電池４の循環系統と異なる別系統の蒸気ライン２５を備えて、改質器１に他の蒸気を追加するので、改質器１において蒸気量を増加して断熱リフォーマ２２を備えることなく燃料の改質率を向上することができる。又、断熱リフォーマ２２を廃止して燃料電池４の循環系統を簡略化するので、安全性及び信頼性を増し得ると共にコストを削減することができる。更に、燃料電池４の循環系統の簡略化により運転圧力の高圧化を容易にするので、燃料電池４の発電効率を高めることができる。更に又、運転圧力が中圧下であっても燃料電池４の発電効率を高めることができる。

燃料供給ライン９に、燃料電池４の循環系統と異なる蒸気ライン２５を接続すると、改質器１に他の蒸気を容易に追加し得るので、燃料電池４の循環系統を一層簡略化し、安全性及び信頼性を増し得ると共にコストを確実に削減することができる。

蒸気ライン２５の蒸気がガスエンジン２７の排熱により生じるよう構成されると、他の蒸気の発生を容易にして改質器１に他の蒸気を追加し得るので、コストを確実に削減することができる。又、既存のガスエンジン２７の排熱を用いるので、コストを一層確実に削減することができる。

なお、本発明の燃料電池発電設備は、上述の形態例のみに限定されるものではなく、蒸気ラインの蒸気が、ガスエンジンでなく、他の熱源から生じたものでもよいこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の燃料電池発電設備を実施する形態の一例を示す概念図である。 従来の燃料電池発電設備を示す概念図である。

符号の説明

１ 改質器
２ カソード
３ アノード
４ 燃料電池
５ ガスタービン
９ 燃料供給ライン
１０ 改質ガス供給ライン
１２ カソード供給ライン
１３ カソード排ガス送給ライン
１４ アノード排ガス送給ライン
１５ タービン排ガス送給ライン
２５ 蒸気ライン
２７ ガスエンジン

Claims (5)

1. 改質器で生じた改質ガスを燃料電池に供給する燃料電池発電設備であって、前記燃料電池の循環系統と異なる蒸気ラインを備えて改質器に他の蒸気を追加したことを特徴とする燃料電池発電設備。
2. 燃料電池の循環系統を備え、改質器で
   ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
   の改質反応により生じた改質ガスを燃料電池のアノードに供給し、前記燃料電池のカソードで生じたカソード排ガスをガスタービンに送給し、前記ガスタービンの排ガスで生じた蒸気と共に燃料を改質器に送給する燃料電池発電設備であって、前記燃料電池の循環系統と異なる別系統の蒸気ラインを備えて改質器に前記蒸気ラインの蒸気を追加し、改質ガスの改質率を向上させたことを特徴とする燃料電池発電設備。
3. 改質器で
   ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
   の改質反応により生じた改質ガスを燃料電池のアノードに供給する改質ガス供給ラインと、前記燃料電池のカソードで生じたカソード排ガスをガスタービンに送給するカソード排ガス送給ラインと、前記ガスタービンの排ガスで生じた蒸気と共に燃料を改質器に供給する燃料供給ラインとを備えて燃料電池の循環系統を形成する燃料電池発電設備であって、前記燃料電池の循環系統と異なる別系統の蒸気ラインを備えて改質器に前記蒸気ラインの蒸気を追加し、改質ガスの改質率を向上させたことを特徴とする燃料電池発電設備。
4. 燃料供給ラインに、燃料電池の循環系統と異なる別系統の蒸気ラインを接続した請求項１、２又は３記載の燃料電池発電設備。
5. 蒸気ラインの蒸気がガスエンジンの排熱により生じる請求項１、２、３又は４記載の燃料電池発電設備。

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