JP2006164953A - 高温形燃料電池の燃料供給系統及び高温形燃料電池設備 - Google Patents

Abstract

【課題】天然ガス及びガス化ガスを燃料とした際に、内部改質、外部改質のいずれの高温形燃料電池にも適用できる高温形燃料電池の燃料供給系統及び高温形燃料電池設備とする。
【解決手段】天然ガスｆ１とガス化ガスｆ２が所望の割合で導入されて温度調整されることで改質器モードもしくは生成器モードで動作して所定状態の水素あるいはメタン成分を含む燃料ガスを得るメタン濃度調整器４を備え、メタン濃度調整器４で得られた燃料ガスを高温形燃料電池（ＭＣＦＣ）２の燃料極（アノード）３に供給するアノード供給系６を備え、天然ガスｆ１とガス化ガスｆ２の割合に拘わらず（どちらのガスを用いた場合であっても）、ＭＣＦＣ２に対して燃料を供給することができるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温形燃料電池の燃料供給系統及び高温形燃料電池設備に関し、天然ガス及びガス化ガスを燃料とした際に、内部改質、外部改質のいずれの高温形燃料電池にも適用できるようにしたものである。

高温形燃料電池として、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）が知られている。ＭＣＦＣは、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、天然ガス等の燃料から得られた水素（Ｈ_２）をアノードに供給すると共に、アノードで生成された二酸化炭素（ＣＯ_２）及び空気（Ｏ_２）をカソードに供給することで、Ｈ_２とＯ_２の電気化学反応により発電が行われる。ＭＣＦＣは高温で作動するため高効率で、ＣＯ_２を回収分離できるため環境への影響が少ない等の特徴を有している。このため、近年は、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目されてきている。

既存の高温形燃料電池の設備は、燃料に合わせて、電池内部に触媒を配した改質機能を持たせてメタンなどが直接供給される内部改質形燃料電池や、外部の改質器で燃料が触媒により改質されて改質により得られた水素が供給される外部改質形燃料電池が存在している。

近年は、環境等に配慮して資源を有効に利用してエネルギーを得る趨勢となってきているのが現状であり、バイオマスや廃棄物、石炭等を部分燃焼させて（化学反応させて）ガス化したガス化ガスをＭＣＦＣの燃料として適用することが考えられている。ガス化ガスは、水素と一酸化炭素を成分としているため、燃料を改質することなくガス化ガス中の水素をアノードに供給することで高効率の発電が行える。ガス化ガスを燃料とする場合、外部改質形燃料電池を適用して燃料をそのままアノードに供給することができる。

高温形燃料電池としては、内部改質形のＭＣＦＣも存在しているため、バイオマス等を燃やして得られるガス化ガスを内部改質形のＭＣＦＣに適用するために、ガス化ガスをメタン化する装置が従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。ガス化ガスをメタン化することで、既存の内部改質形のＭＣＦＣに対してもバイオマス等から得られたガス化ガスを燃料として用いることが可能になる。

また、バイオマスをガス化して燃料電池に適用する燃料電池の設備が従来から提案されている（例えば、特許文献２参照）。バイオマスをガス化する技術と燃料電池を組み合わせることで、外部改質形の燃料電池を適用して、資源を再利用した燃料を用いた燃料電池設備とすることが可能になる。

特開２００３−３２１４００号公報 特開２０００−３５５６９２号公報

ガス化ガスを燃料とした高温形燃料電池を構築する場合、既存の内部改質形のＭＣＦＣにあっては、特許文献１で示されているように、ガス化ガスをメタン化する必要がある。このため、メタン化する装置を新たに追設する必要があり、設備コストが嵩んでしまう問題が生じる。

また、外部改質形のＭＣＦＣにあってはガス化ガスをそのまま適用することができるが、既存の改質器が不要となってしまう。特許文献２で示されているように、設備を新たに構築することにより、既存の設備が不要になる問題は生じないが、専用の設備を構築することになり設備コストが嵩んでしまう。

更に、ガス化ガスを適用してＭＣＦＣで電力を得る場合、出力変動が生じやすく需要要求に対して迅速に対応できないという問題もあり、出力変動を補うために天然ガスとの併用も必要となっている。しかし、高温形燃料電池には内部改質形と外部改質形が存在するのが現実であり、天然ガスとガス化ガスを併用するためには何らかの無駄な設備を備える必要があった。

以上のような問題は、ＭＣＦＣに限らず、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であっても同様に存在する。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、天然ガス及びガス化ガスを燃料とした際に、内部改質、外部改質のいずれの高温形燃料電池にも適用できる高温形燃料電池の燃料供給系統及び高温形燃料電池設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、天然ガスとガス化ガスが所望の割合で導入されて温度調整されることで所定状態の水素あるいはメタン成分を含む燃料ガスを得る燃料調整手段を備え、燃料調整手段で得られた燃料ガスを高温形燃料電池の燃料極に供給する供給系を備えたことを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第１の態様では、天然ガスとガス化ガスの割合に拘わらず（どちらのガスを用いた場合であっても）、内部改質形及び外部改質形のいずれの高温形燃料電池に対しても燃料を供給することができる燃料供給系統となる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、高温形燃料電池は内部改質機能を備えてメタンが供給される電池であり、燃料調整手段には、導入されたガスの温度をメタン生成用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第２の態様では、内部改質機能を備えた高温形燃料電池に対して燃料ガスとしてメタンを供給することができる燃料供給系統となる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段は、天然ガスが導入された際には導入された天然ガスを所定の温度に加熱する状態に機能すると共に、ガス化ガスが導入された際には導入されたガス化ガスをメタン生成用の温度に調整する機能が備えらていることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第３の態様では、天然ガスもしくはガス化ガスから生成されたメタンを所定の温度にして高温形燃料電池に供給することができる燃料供給系統となる。

本発明の第４の態様は、第２または３の態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段で所定の状態に調整されて得られた燃料を高温形燃料電池の作動温度に加熱する昇温熱交換手段を供給系に備えたことを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第４の態様では、燃料を高温形燃料電池の作動温度に昇温して高温形燃料電池に供給することができる燃料供給系統となる。

本発明の第５の態様は、第４の態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、昇温熱交換手段の加熱媒体は、高温形燃料電池の燃料極側の排気ガスであることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第５の態様では、燃料極側の排気ガスにより燃料を加熱することができる燃料供給系統となる。

本発明の第６の態様は、第４の態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、昇温熱交換手段の加熱媒体は、高温形燃料電池の空気極側の排気ガスであることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第６の態様では、空気極側の排気ガスにより燃料を加熱することができる燃料供給系統となる。

本発明の第７の態様は、第１の態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、高温形燃料電池は燃料が改質された水素が供給される電池であり、燃料調整手段には、導入されたガスの温度を改質用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第７の態様では、外部改質形の高温形燃料電池に対して、水素の状態の燃料を供給することができる燃料供給系統となる。

本発明の第８の態様は、第７の態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段は、天然ガスが導入された際には導入された天然ガスを水素に改質する温度に加熱する状態に機能すると共に、ガス化ガスが導入された際には導入されたガス化ガスを所定の温度に加熱する状態に機能することを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第８の態様では、天然ガスを用いる場合には燃料調整手段で水素に改質して供給することができると共に、ガス化ガスを用いる場合には燃料調整手段で水素を加熱して供給することができる燃料供給系統となる。

本発明の第９の態様は、第７または８の態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段で所定の状態に調整されて得られた燃料を高温形燃料電池の作動温度に冷却する冷却熱交換手段を供給系に備えたことを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第９の態様では、高温状態で所定の状態に調整された燃料を高温形燃料電池の作動温度に冷却して供給することができる燃料供給系統となる。

本発明の第１０の態様は、第９の態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、冷却熱交換手段の冷却媒体は、燃料調整手段に導入される燃料ガスであることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第１０の態様では、燃料調整手段に導入される燃料ガスにより高温状態で所定の状態に調整された燃料を冷却することができる燃料供給系統となる。

本発明の第１１の態様は、第１〜１０の何れかの態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段は、高温形燃料電池の燃料極側排気ガスを燃焼して温度を調整すると共に燃焼ガスを高温形燃料電池の空気極側に供給する燃焼器を備えたことを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第１１の態様では、燃料極側排気ガスを燃焼する燃焼器により燃料の温度調整を行うことができる燃料供給系統となる。

本発明の第１２の態様は、第１〜１１の何れかの態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、高温形燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池であることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第１２の態様では、溶融炭酸塩形燃料電池の燃料供給系統となる。

本発明の第１３の態様は、第１、７、８の何れかの態様に記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、高温形燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統にある。

第１３の態様では、固体酸化物形燃料電池の燃料供給系統となる。

上記目的を達成するための本発明の第１４の態様は、天然ガスとガス化ガスが所望の割合で導入されて温度調整されることで所定状態の水素あるいはメタン成分を含む燃料ガスを得る燃料調整手段と、燃料調整手段で得られた燃料ガスが供給系を介して燃料極に供給される高温形燃料電池とを備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第１４の態様では、天然ガスとガス化ガスの割合に拘わらず（どちらのガスを用いた場合であっても）、内部改質形及び外部改質形のいずれの高温形燃料電池に対しても燃料を供給することができる燃料電池設備となる。

本発明の第１５の態様は、第１４の態様に記載の高温形燃料電池設備において、高温形燃料電池は内部改質機能を備えてメタンが供給される電池であり、燃料調整手段には、導入されたガスの温度をメタン生成用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第１５の態様では、内部改質機能を備えた高温形燃料電池に対して燃料ガスとしてメタンを供給することができる燃料電池設備となる。

本発明の第１６の態様は、第１５の態様に記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段は、天然ガスが導入された際には導入された天然ガスを所定の温度に加熱する状態にすると共に、ガス化ガスが導入された際には導入されたガス化ガスをメタン生成用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第１６の態様では、天然ガスもしくはガス化ガスから生成されたメタンを所定の温度にして高温形燃料電池に供給することができる高温形燃料電池設備となる。

本発明の第１７の態様は、第１５または１６の態様に記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段で所定の状態に調整されて得られた燃料を高温形燃料電池の作動温度に加熱する昇温熱交換手段を供給系に備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第１７の態様では、燃料を高温形燃料電池の作動温度に昇温して高温形燃料電池に供給することができる燃料電池設備となる。

本発明の第１８の態様は、第１７の態様に記載の高温形燃料電池設備において、昇温熱交換手段の加熱媒体として高温形燃料電池の燃料極側の排気ガスを昇温熱交換手段に導入する加熱媒体供給系を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第１８の態様では、燃料極側の排気ガスにより燃料を加熱することができる燃料電池設備となる。

本発明の第１９の態様は、第１７の態様に記載の高温形燃料電池設備において、昇温熱交換手段の加熱媒体として高温形燃料電池の空気極側の排気ガスを昇温熱交換手段に導入する加熱媒体供給系を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第１９の態様では、空気極側の排気ガスにより燃料を加熱することができる燃料電池設備となる。

本発明の第２０の態様は、第１４の態様に記載の高温形燃料電池設備において、高温形燃料電池は燃料が改質された水素が供給される電池であり、燃料調整手段には、導入されたガスの温度を改質用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第２０の態様では、外部改質形の高温形燃料電池に対して、水素の状態の燃料を供給することができる燃料電池設備となる。

本発明の第２１の態様は、第２０の態様に記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段は、天然ガスが導入された際には導入された天然ガスを水素に改質する温度に加熱する状態にすると共に、ガス化ガスが導入された際には導入されたガス化ガスを所定の温度に加熱する状態にする機能を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第２１の態様では、天然ガスを用いる場合には燃料調整手段で水素に改質して供給することができると共に、ガス化ガスを用いる場合には燃料調整手段で水素を加熱して供給することができる高温形燃料電池設備となる。

本発明の第２２の態様は、第２０または２１の態様に記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段で所定の状態に調整されて得られた燃料を高温形燃料電池の作動温度に冷却する冷却熱交換手段を供給系に備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第２２の態様では、高温状態で所定の状態に調整された燃料を高温形燃料電池の作動温度に冷却して供給することができる高温形燃料電池設備となる。

本発明の第２３の態様は、第２２の態様に記載の高温形燃料電池設備において、冷却熱交換手段の冷却媒体として燃料調整手段に導入される燃料ガスを冷却熱交換手段に導入する冷却媒体供給系を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第２３の態様では、燃料調整手段に導入される燃料ガスにより高温状態で所定の状態に調整された燃料を冷却することができる高温形燃料電池設備となる。

本発明の第２４の態様は、第１４〜２３の何れかの態様に記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段は、高温形燃料電池の燃料極側排気ガスを燃焼して温度を調整すると共に燃焼ガスを高温形燃料電池の空気極側に供給する燃焼器を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第２４の態様では、燃料極側排気ガスを燃焼する燃焼器により燃料の温度調整を行うことができる高温形燃料電池設備となる。

本発明の第２５の態様は、第１４〜２４の何れかの態様に記載の高温形燃料電池設備において、高温形燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池であることを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第２５の態様では、溶融炭酸塩形燃料電池の高温形燃料電池設備となる。

本発明の第２６の態様は、第１４、２０、２１の何れかの態様に記載の高温形燃料電池設備において、高温形燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする高温形燃料電池設備にある。

第２６の態様では、固体酸化物形燃料電池の高温形燃料電池設備となる。

本発明の高温形燃料電池の燃料供給系統は、天然ガス及びガス化ガスを燃料とした際に、内部改質、外部改質のいずれの高温形燃料電池にも適用できる高温形燃料電池の燃料供給系統とすることができる。この結果、既存の高温形燃料電池であっても、高温形燃料電池を新設する場合であっても、天然ガス及びガス化ガスのいずれにも対応可能とすることができる。

本発明の高温形燃料電池設備は、天然ガス及びガス化ガスを燃料とした際に、内部改質、外部改質のいずれの高温形燃料電池にも適用できる高温形燃料電池設備とすることができる。この結果、既存の高温形燃料電池であっても、高温形燃料電池を新設する場合であっても、天然ガス及びガス化ガスのいずれにも対応可能とすることができる。

以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１に基づいて第１実施形態例を説明する。

図１には本発明の第１実施形態例に係る燃料供給系統を備えた高温形燃料電池設備の概略系統を示してある。図１に示した高温形燃料電池は、外部改質形の溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を適用した例を示してある。このため、燃料調整手段としてのメタン濃度調整器は、高温（〜８００℃）で作動して改質器としてのモードで使用される。

図１に示すように、本実施形態例の高温形燃料電池設備１には、外部改質形の溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２が備えられ、ＭＣＦＣ２の燃料極（アノード）３には、燃料調整手段としてのメタン濃度調整器４及び冷却熱交換手段としての冷却用熱交換器５を介して天然ガスｆ１（ＣＨ_４主成分）、バイオマス、廃棄物、石炭等から得られるガス化ガスｆ２（Ｈ_２、ＣＯ主成分）が送られ、天然ガスｆ１、ガス化ガスｆ２から得られる燃料ガス（Ｈ_２）が供給される。燃料は天然ガスｆ１、ガス化ガスｆ２のどちらか一方のガスまたは混合ガスが供給される。

つまり、天然ガスｆ１のラインとガス化ガスｆ２のラインが合流されている。ガス化ガスｆ２のラインにはガスホルダー７が設けられ、ガスホルダー７によりガス化ガスｆ２の流量変動が抑制されて圧力調整されている。合流された燃料ガスＢ１は冷却用熱交換器５の冷却媒体とされて加熱され、加熱された燃料ガスＢ２はメタン濃度調整器４に送られる。メタン濃度調整器４は一体に設けられた燃焼器８により８００℃程度に動作されて改質器モード（ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ）にて水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が主成分である燃料組成に変換される。

燃焼器８の燃焼温度は、外部から供給される空気とＭＣＦＣ２のアノード３の排気ガスとの混合比（空気／燃料比）の調整によって制御される。また、メタン濃度調整器４で改質に必要な蒸気（Ｈ_２Ｏ）は後述する排熱回収ボイラ９から供給される。

水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が主成分である燃料組成に変換された燃料ガスは、アノード供給系６の冷却用熱交換器５に送られ（Ａ１）、燃料ガスＢ１によってＭＣＦＣ２の入口温度である６００℃に冷却される（Ａ２）。

尚、８００℃を越える改質器モードはメタン濃度調整器４内の触媒寿命の観点から好ましくないので、メタン濃度調整器４の上限動作温度は８００℃に設定されている。ガス化ガスｆ２を単独で使用する場合、メタン濃度調整器４は８００℃までガスを昇温させる加熱器として機能する。

冷却用熱交換器５で冷却された燃料ガス（Ａ２）はＭＣＦＣ２のアノード３に導入され、ＭＣＦＣ２の燃料ガス利用率（ＭＣＦＣ２内の発電反応に消費されたＨ_２＋ＣＯガス／ＭＣＦＣ２の入口に供給したＨ_２＋ＣＯガスの比）に応じてＨ_２、ＣＯをＣＯ_２とＨ_２Ｏへと転換させ、７００℃程度の排ガスとして燃焼器８に送られる。アノード３側の排ガスは燃料利用率に応じた可燃成分を含んでいる。即ち、可燃成分＝１−燃料利用率（燃料利用率が８０％であれば入口ガスの可燃成分の内２０％がＭＣＦＣ２の内部で反応せずに排ガスとなる。

燃焼器８に送られた排ガスは燃焼器８で燃焼され、燃焼ガスはＭＣＦＣ２の空気極（カソード）１０に送られる。カソード１０に送られる燃焼ガスが６００℃以上である場合、燃焼ガスのカソード１０へのカソード供給ライン１１には外部から空気が導入され、ガス温度がＭＣＦＣ２の入口温度である６００℃まで冷却される。燃焼ガスが６００℃を下回る場合、カソード１０の排ガス（７００℃程度の温度を有する）の一部がカソード出口流量調整弁１３の制御により導入され、ＭＣＦＣ２の入口温度である６００℃まで加熱される。６００℃に調整された燃焼ガスはカソードブロアー１２によりカソード１０に圧送される。

燃焼ガスはＭＣＦＣ２のカソード１０に導入され、ガス利用率に応じてＯ_２とＣＯ_２を消費し、７００℃程度の排ガスとして排熱回収ボイラ９に送られる。排ガスの一部は必要に応じてカソード出口流量調整弁１３を通してカソード１０の入口側に循環される。排熱回収ボイラ９に送られた排ガスはメタン濃度調整器４で改質に必要な蒸気（Ｈ_２Ｏ）の発生熱源として熱回収された後、廃棄されるか、もしくは別の熱回収系統に送られる。別の熱回収系統としては、例えば、排ガスの顕熱を利用して燃焼器８に送られる空気の予熱に用いることができる。

排熱回収ボイラ９で必要となる水は、外部の給水系から供給される。この時、排熱回収ボイラ９で熱回収された燃焼ガス中の水蒸気を凝縮して蒸気発生用の給水に用いることも可能である。

上述した高温形燃料電池設備１は、天然ガスｆ１とガス化ガスｆ２の割合に拘わらず（どちらのガスを用いた場合であっても）、外部改質形のＭＣＦＣ２に対して水素の状態の燃料を供給することができる。また、天然ガスｆ１を用いる場合にはメタン濃度調整器４で水素に改質して供給することができると共に、ガス化ガスｆ２を用いる場合にはメタン濃度調整器４で水素を加熱して供給することができる。また、冷却用熱交換器５により、高温状態で水素に調整された燃料をＭＣＦＣ２の作動温度に冷却して供給することができる。更に、メタン濃度調整器４ではアノード３側の排気ガスを燃焼する燃焼器８により燃料の温度調整を行うことができる。

従って、天然ガスｆ１とガス化ガスｆ２の何れにも対応可能な設備となり、燃料の適用調整によりＭＣＦＣ２の出力を一定にさせる運用が可能になる。また、電力系統側、電力需要者側からの出力応答要求（負荷応答要求）に対して燃料の適用調整を行うことで迅速に応えることが可能になる。

図２乃至図４に基づいて第２実施形態例を説明する。

図２には本発明の第２実施形態例に係る燃料供給系統を備えた高温形燃料電池設備の概略系統、図３にはカーボン析出の温度依存性を説明する３相図状況、図４にはカーボン析出の圧力依存性を説明する３相図状況を示してある。

図２に示した高温形燃料電池は、内部改質形の溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を適用した例を示してある。このため、燃料調整手段としてのメタン濃度調整器は、低温（〜４００℃）で作動してメタン生成器としてのモードで使用される。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。

図２に示すように、本実施形態例の高温形燃料電池設備２１には、内部改質形の溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２２が備えられ、ＭＣＦＣ２２の燃料極（アノード）２３には、燃料調整手段としてのメタン濃度調整器４及び昇温熱交換手段としての昇温熱交換器２４を介して天然ガスｆ１（ＣＨ_４主成分）、バイオマス、廃棄物、石炭等から得られるガス化ガスｆ２（Ｈ_２、ＣＯ主成分）が送られ、天然ガスｆ１、ガス化ガスｆ２から得られる燃料ガス（ＣＨ_４）が供給される。燃料は天然ガスｆ１、ガス化ガスｆ２のどちらか一方のガスまたは混合ガスが供給される。

つまり、天然ガスｆ１のラインとガス化ガスｆ２のラインが合流されている。ガス化ガスｆ２のラインにはガスホルダー７が設けられ、ガスホルダー７によりガス化ガスｆ２の流量変動が抑制されて圧力調整されている。合流された燃料ガスはメタン濃度調整器４に送られる。メタン濃度調整器４は一体に設けられた燃焼器８により４００℃程度に動作され、燃料ガスは、生成器モード（３Ｈ_２＋ＣＯ→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ）にてＣＨ_４が主成分である燃料組成に変換されて昇温熱交換器２４に送られる。燃焼器８の燃焼温度は、外部から供給される空気とＭＣＦＣ２２のアノード２３の排気ガスとの混合比（空気／燃料比）の調整によって制御される。

メタン濃度調整器４に送られる燃料ガスの組成が４００℃近傍であるメタン濃度調整器４内でカーボン析出（ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ_２）を起こす可能性がある場合、後述する排熱回収ボイラ９から水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が供給されてカーボン析出が防止される。カーボン析出に関しては後述する。

ＣＨ_４が主成分である燃料組成に変換されて４００℃とされた燃料ガスは昇温熱交換器２４に送られ（Ａ１）、アノード２３の排ガスＣ１によってＭＣＦＣ２２の入口温度である６００℃に昇温される（Ａ２）。尚、天然ガスｆ１を単独で使用する場合、メタン濃度調整器４は４００℃までガスを昇温させる加熱器として機能すると共に、天然ガスｆ１にエタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）といった高次の炭化水素が含まれている場合、高次の炭化水素を予め改質する改質器としても機能する。

昇温熱交換器２４で６００℃に昇温された燃料ガスは（Ａ２）はＭＣＦＣ２２のアノード２３に導入され、ＣＨ_４をＨ_２とＣＯに改質しながらＭＣＦＣ２２の利用率に応じてＨ_２とＣＯをＣＯ_２とＨ_２Ｏへと転換させ、７００℃程度の排ガスとして昇温熱交換器２４の熱媒体とされる（Ｃ１）。熱媒体とされた排ガスは昇温熱交換器２４での熱交換により降温され（Ｃ２）、燃焼器８に送られる。尚、昇温熱交換器２４の熱媒体としては、後述するＭＣＦＣ２２の空気極（カソード）２５の排ガスを適用することも可能である。

燃焼器８に送られた排ガスは燃焼器８で燃焼され、燃焼ガスはＭＣＦＣ２２のカソード２５に送られる。カソード２５に送られる燃焼ガスが６００℃以上である場合、燃焼ガスのカソード２５へのカソード供給ライン１１には外部から空気が導入されガス温度がＭＣＦＣ２２の入口温度である６００℃まで冷却される。燃焼ガスが６００℃を下回る場合、カソード２５の排ガス（７００℃程度の温度を有する）の一部がカソード出口流量調整弁１３の制御により導入され、ＭＣＦＣ２２の入口温度である６００℃程度まで加熱される。６００℃に調整された燃焼ガスはカソードブロアー１２によりカソード２５に圧送される。

燃焼ガスはＭＣＦＣ２２のカソード２５に導入され、ガス利用率に応じてＯ_２とＣＯ_２を消費し、７００℃程度の排ガスとして排熱回収ボイラ９に送られる。排ガスの一部は必要に応じてカソード出口流量調整弁１３を通してカソード２５の入口側に循環される。

尚、カソード２５の排ガス部分に昇温熱交換器２４を設け、７００℃程度のカソード排ガスを熱媒体として（Ｃ１）、燃料ガス（Ａ１）を６００℃まで昇温する（Ａ２）事も可能である。

排熱回収ボイラ９に送られた排ガスはメタン濃度調整器４でカーボン析出防止に必要な蒸気（Ｈ_２Ｏ）の発生熱源として熱回収された後、廃棄されるか、もしくは別の熱回収系統に送られる。別の熱回収系統としては、例えば、排ガスの顕熱を利用して燃焼器８に送られる空気の予熱に用いることができる。

排熱回収ボイラ９で必要となる水は、外部の給水系から供給される。この時、排熱回収ボイラ９で熱回収された燃焼ガス中の水蒸気を凝縮して蒸気発生用の給水に用いることも可能である。

ここで、メタン濃度調整器４内でのカーボン析出の防止に関して図３、図４に基づいて説明する。図３にはカーボン析出の温度依存性を説明するために燃料ガス組成の炭素分、水素分、酸素分の比率を分配した３相図状況、図４にはカーボン析出の圧力依存性を説明するために燃料ガス組成の炭素分、水素分、酸素分の比率を分配した３相図状況を示してある。

カーボン析出反応が与えられた運転条件で析出するか、しないかの判断基準の１つとして、(1) ブドワール反応（２ＣＯ＝Ｃ＋ＣＯ_２）と(2) シフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ＝Ｈ_２＋ＣＯ_２）の２つが熱平衡にある場合を考える。図における実線及び破線、点線は、(1)と(2) の２つの反応が平衡に達している組成を各温度あるいは各圧力毎にプロットしたものであり、線より上側は、(1) の反応が右側に進み、カーボン析出が進む領域となる。逆に線より下側の領域は、(1) の反応が左側に進み、カーボン非析出領域となる。図３より、温度が低下する程、カーボン析出範囲が広くなり、析出が起こりやすくなることがわかる。また、図４より、圧力が増加する程、カーボン析出範囲が広くなり、析出が起こりやすくなることがわかる。カーボン析出が生じた場合は、燃料電池の燃料であるＣＯ成分が消費されるとともに、配管内で析出したカーボンが配管を閉塞させ、運転トラブルの原因となる。

図３、図４の３相図には、水蒸気成分を除いたドライな天然ガス組成（ＣＨ_４）、ガス化ガス組成も図示してある。何れの組成も水蒸気を除いたドライ組成では、カーボン析出領域となるが、天然ガスを燃料電池に導入する場合は、ＣＨ_４をＨ_２、ＣＯに改質するための水蒸気を天然ガスに添加するため、水蒸気を含んだウェット組成で考えると、カーボン非析出領域となる。

これに対しガス化ガスを燃料電池に導入する場合、ガス化ガスは一般に、燃料電池に有害な不純物（タール、硫黄化合物、ハロゲン化合物など）を含んでいるため、現状のガス精製プロセスでは、常温近傍まで温度を下げ、不純物を除去している。常温近傍までガスの温度を下げた場合、ガス中の水蒸気は水として凝縮してしまうため、ほとんど水蒸気を含まないドライな組成となる。このドライな組成では、上述したように組成的にはカーボン析出領域となる。これを避けるため、ガス化ガスには水蒸気を新たに添加する必要があり、過去の運転実績から、５００℃前後が最もカーボン析出が起こりやすい温度領域となる。このため図３（内部改質形のＭＣＦＣを適用した例）では、４００℃程度で動作するメタン濃度調整器４（図１、図２参照）での触媒をカーボン析出から保護する意味で、水蒸気を添加することになる。添加量としては、３相図における２平衡ライン上組成（各温度、圧力における線）まで水蒸気を添加することになる。

以上により、排熱回収ボイラ９（図１、図２参照）から水蒸気（Ｈ_２Ｏ）をメタン濃度調整器４（図１、図２参照）に供給することで、カーボン析出を防止することができる。

上述した高温形燃料電池設備２１は、天然ガスｆ１とガス化ガスｆ２の割合に拘わらず（どちらのガスを用いた場合であっても）、内部改質形のＭＣＦＣ２２に対してメタンの状態の燃料を供給することができる。また、ガス化ガスｆ２を用いる場合にはメタン濃度調整器４でメタンの状態にして供給することができると共に、天然ガスｆ１を用いる場合にはメタン濃度調整器４で燃料を加熱して供給することができる。また、昇温熱交換器２４により、低温状態でメタンに調整された燃料をＭＣＦＣ２２の作動温度に昇温して供給することができる。更に、メタン濃度調整器４ではアノード２３側の排気ガスを燃焼する燃焼器８により燃料の温度調整を行うことができる。

従って、天然ガスｆ１とガス化ガスｆ２の何れにも対応可能な設備となり、燃料の適用調整によりＭＣＦＣ２の出力を一定にさせる運用が可能になる。また、電力系統側、電力需要者側からの出力応答要求（負荷応答要求）に対して燃料の適用調整を行うことで迅速に応えることが可能になる。

図５に基づいて第３実施形態例を説明する。

図５には本発明の第３実施形態例に係る燃料供給系統を備えた高温形燃料電池設備の概略系統を示してある。図５に示した高温形燃料電池設備３１は、高温型燃料電池として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）３２を用いた例を示してある。

基本的にＳＯＦＣは、１０００℃近傍で動作する開発が進められてきているが、近年、低温化（８００℃前後）される傾向にある。この低温化されたＳＯＦＣが８００℃以下で動作する場合は、図１、図２で示したＭＣＦＣと同様なプロセス運用となる。

図５には８００℃以上で動作するＳＯＦＣ３２の高温形燃料電池設備を示してあり、８００℃以上で動作する場合、ＳＯＦＣ３２内にＭＣＦＣで想定したような内部改質用の触媒を置くことは、触媒寿命の観点から難しい。また、８００℃以上の高温下では、触媒を置かなくても電極自身の触媒作用によりＣＨ_４はある程度Ｈ_２、ＣＯに改質される。このため８００℃以上のＳＯＦＣ３２にＭＣＦＣのような電池内部に改質用の触媒を配した内部改質形を想定することは、あまり意味がないことである。

以上の観点から、図５では、外部改質形のＳＯＦＣ３２となっている。高温形燃料電池設備３１の系統は、図２に示した系統に対しＭＣＦＣに代えて外部改質形のＳＯＦＣ３２を適用した系統となっている。このため、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

メタン濃度調整器４は８００℃程度の改質器モードで動作するが、メタン濃度調整器４で調整された８００℃である燃料ガスは昇温熱交換器２４で８００℃以上に加熱される。図２の設備と異なる点は、メタン濃度調整器４を生成器モードで動作させるのではなく、改質器モードで動作させる点と、ＳＯＦＣ３２のアノード３３、カソード３４の出入口温度が２００℃から３００℃程度高くなる点である。また、メタン濃度調整器４の入口側には昇温熱交換手段としての昇温熱交換５１が備えられている。この場合、天然ガスｆ１及びガス化ガスｆ２は昇温熱交換５１に送られ（Ｂ１）、カソード３４の排気ガス（Ｄ１）によってメタン濃度調整器４の手前で予め加熱される（Ｂ２）。昇温熱交換５１で熱回収されたカソード３４の排気ガス（Ｄ２）は排熱回収ボイラ９に送られる。その他のガスの流れや機器の動作等は図２に示したＭＣＦＣの設備と同一であるので、詳細な説明は省略してある。

従って、天然ガスｆ１とガス化ガスｆ２の何れにも対応可能なＳＯＦＣ３２を用いた設備となり、燃料の適用調整によりＳＯＦＣ３２の出力を一定にさせる運用が可能になる。また、電力系統側、電力需要者側からの出力応答要求（負荷応答要求）に対して燃料の適用調整を行うことで迅速に応えることが可能になる。

本発明は、天然ガス及びガス化ガスを燃料とした際に、内部改質、外部改質のいずれの高温形燃料電池にも適用できる高温形燃料電池の燃料供給系統及び高温形燃料電池設備の産業分野で利用することができる。

本発明の第１実施形態例に係る燃料供給系統を備えた高温形燃料電池設備の概略系統図である。 本発明の第２実施形態例に係る燃料供給系統を備えた高温形燃料電池設備の概略系統図である。 カーボン析出の温度依存性を説明する３相図状況図である。 カーボン析出の圧力依存性を説明する３相図状況図である。 本発明の第３実施形態例に係る燃料供給系統を備えた高温形燃料電池設備の概略系統図である。

符号の説明

１、２１、３１ 高温形燃料電池設備
２、２２ 溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
３、２３、３３ 燃料極（アノード）
４ メタン濃度調整器
５ 冷却用熱交換器
６ アノード供給系
７ ガスホルダー
８ 燃焼器
９ 排熱回収ボイラ
１０、２５、３４ 空気極（カソード）
１１ カソード供給ライン
１２ カソードブロアー
１３ カソード出口流量調整弁
２４、５１ 昇温熱交換器
３２ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）

Claims (26)

1. 天然ガスとガス化ガスが所望の割合で導入されて温度調整されることで所定状態の水素あるいはメタン成分を含む燃料ガスを得る燃料調整手段を備え、燃料調整手段で得られた燃料ガスを高温形燃料電池の燃料極に供給する供給系を備えたことを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
2. 請求項１記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、高温形燃料電池は内部改質機能を備えてメタンが供給される電池であり、燃料調整手段には、導入されたガスの温度をメタン生成用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
3. 請求項２記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段は、天然ガスが導入された際には導入された天然ガスを所定の温度に加熱する状態に機能すると共に、ガス化ガスが導入された際には導入されたガス化ガスをメタン生成用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
4. 請求項２または３記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段で所定の状態に調整されて得られた燃料を高温形燃料電池の作動温度に加熱する昇温熱交換手段を供給系に備えたことを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
5. 請求項４記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、昇温熱交換手段の加熱媒体は、高温形燃料電池の燃料極側の排気ガスであることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
6. 請求項４記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、昇温熱交換手段の加熱媒体は、高温形燃料電池の空気極側の排気ガスであることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
7. 請求項１記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、高温形燃料電池は燃料が改質された水素が供給される電池であり、燃料調整手段には、導入されたガスの温度を改質用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
8. 請求項７記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段は、天然ガスが導入された際には導入された天然ガスを水素に改質する温度に加熱する状態に機能すると共に、ガス化ガスが導入された際には導入されたガス化ガスを所定の温度に加熱する状態に機能することを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
9. 請求項７または８記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段で所定の状態に調整されて得られた燃料を高温形燃料電池の作動温度に冷却する冷却熱交換手段を供給系に備えたことを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
10. 請求項９記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、冷却熱交換手段の冷却媒体は、燃料調整手段に導入される燃料ガスであることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
11. 請求項１〜１０の何れかに記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、燃料調整手段は、高温形燃料電池の燃料極側排気ガスを燃焼して温度を調整すると共に燃焼ガスを高温形燃料電池の空気極側に供給する燃焼器を備えたことを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
12. 請求項１〜１１の何れかに記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、高温形燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池であることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
13. 請求項１、７、８の何れかに記載の高温形燃料電池の燃料供給系統において、高温形燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする高温形燃料電池の燃料供給系統。
14. 天然ガスとガス化ガスが所望の割合で導入されて温度調整されることで所定状態の水素あるいはメタン成分を含む燃料ガスを得る燃料調整手段と、燃料調整手段で得られた燃料ガスが供給系を介して燃料極に供給される高温形燃料電池とを備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備。
15. 請求項１４記載の高温形燃料電池設備において、高温形燃料電池は内部改質機能を備えてメタンが供給される電池であり、燃料調整手段には、導入されたガスの温度をメタン生成用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池設備。
16. 請求項１５記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段は、天然ガスが導入された際には導入された天然ガスを所定の温度に加熱する状態にすると共に、ガス化ガスが導入された際には導入されたガス化ガスをメタンに生成用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池設備。
17. 請求項１５または１６記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段で所定の状態に調整されて得られた燃料を高温形燃料電池の作動温度に加熱する昇温熱交換手段を供給系に備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備。
18. 請求項１７記載の高温形燃料電池設備において、昇温熱交換手段の加熱媒体として高温形燃料電池の燃料極側の排気ガスを昇温熱交換手段に導入する加熱媒体供給系を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備。
19. 請求項１７記載の高温形燃料電池設備において、昇温熱交換手段の加熱媒体として高温形燃料電池の空気極側の排気ガスを昇温熱交換手段に導入する加熱媒体供給系を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備。
20. 請求項１４記載の高温形燃料電池設備において、高温形燃料電池は燃料が改質された水素が供給される電池であり、燃料調整手段には、導入されたガスの温度を改質用の温度に調整する機能が備えられていることを特徴とする高温形燃料電池設備。
21. 請求項２０記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段は、天然ガスが導入された際には導入された天然ガスを水素に改質する温度に加熱する状態にすると共に、ガス化ガスが導入された際には導入されたガス化ガスを所定の温度に加熱する状態にする機能を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備。
22. 請求項２０または２１記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段で所定の状態に調整されて得られた燃料を高温形燃料電池の作動温度に冷却する冷却熱交換手段を供給系に備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備。
23. 請求項２２記載の高温形燃料電池設備において、冷却熱交換手段の冷却媒体として燃料調整手段に導入される燃料ガスを冷却熱交換手段に導入する冷却媒体供給系を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備。
24. 請求項１４〜２３の何れかに記載の高温形燃料電池設備において、燃料調整手段は、高温形燃料電池の燃料極側排気ガスを燃焼して温度を調整すると共に燃焼ガスを高温形燃料電池の空気極側に供給する燃焼器を備えたことを特徴とする高温形燃料電池設備。
25. 請求項１４〜２４の何れかに記載の高温形燃料電池設備において、高温形燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池であることを特徴とする高温形燃料電池設備。
26. 請求項１４、２０、２１の何れかに記載の高温形燃料電池設備において、高温形燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする高温形燃料電池設備。
    

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