JP3564812B2 - 燃料電池発電設備 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電池発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備では、図２に示すように天然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから発電する燃料電池１１とを備えており、改質器１０で作られたアノードガス２は燃料電池に供給され、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費した後、アノード排ガス４として改質器の燃焼室Ｃｏに供給される。改質器１０ではアノード排ガス中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）がカソード排ガスにより燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し改質室の燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は空気予熱器１３ｂ、凝縮器１６ａ、気水分離器１５を通って水分を除去され、低温ブロア１７ｃで加圧され、タービン圧縮機１２から供給される加圧空気６と合流してカソードガス３となり、燃料電池のカソード側に電池反応に必要な二酸化炭素を供給する。燃料電池内でその一部が反応したカソードガス（カソード排ガス７）は、高温ブロア１７ｂにより燃料電池の上流側に一部が循環され、残りの一部７ａは改質器に燃焼用空気として供給され、残り７ｂはタービン圧縮機１２で圧力を回収され、排熱回収装置１９による熱回収後に系外に排出される。なお、図２において、１３ａは燃料予熱器、１４は脱硫器、１６ｂは加熱器、１７ｄは空気ブロア、１８は熱風発生炉である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、かかる燃料電池発電設備の起動は、▲１▼内部に窒素ガスを充填した状態で、熱風発生炉１８により加熱器１６ｂに熱風を供給し、加熱器１６ｂで内部を循環する窒素ガスを加熱し、▲２▼この窒素ガスの循環により、燃料電池１１と改質器１０を加熱し、これらが所定の温度に達したときに、タービン圧縮機１２から空気を導入して、燃料電池１１を介して改質器１０の燃焼室Ｃｏに空気を供給し、▲３▼次いで水蒸気８と燃料ガス１を改質器に供給して、燃料電池１１を介して改質器１０の燃焼室Ｃｏに燃料ガスを供給して燃焼させ、その熱で改質室Ｒｅを流れる燃料ガス１を改質して改質ガス（アノードガス２）を燃料電池１１に供給し発電を開始する。
【０００４】
熱風発生炉１８は、発電開始後は熱風の供給を停止し、燃料電池の温度制御は高温ブロア１７ｂによるカソードガスの循環により行うようになっている。しかし、実際には燃料電池の運転中も加熱器１６ｂや循環ラインからの放熱が大きく、燃料電池の反応熱だけでは燃料電池の温度が維持できない問題点があった。そのため、発電開始後であっても、熱風発生炉１８を運転して熱風を供給する必要があり、余分な燃料を必要とし、プラント効率が悪化する問題点があった。
【０００５】
また、従来の燃料電池発電設備では、上述したように、改質器１０を出た燃焼排ガスを冷却・凝縮して水分を除去しているため、例えば空気予熱器１３ｂ、凝縮器１６ａ、気水分離器１５等を必要するとと共に、凝縮熱によるヒートロスが大きく、プラント効率の向上を妨げる一因となっていた。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、余分な燃料を用いることなく、燃料電池の温度を所定範囲に維持することができ、かつ排ガスの冷却・凝縮を最小限に抑えて凝縮熱によるヒートロスを大幅に低減すると共に、冷却・凝縮に必要な機器をなくし、設備のコンパクト化を図ることができる燃料電池発電設備を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池のカソードガスを間接加熱する加熱器と、該加熱器に高温ガスを供給する熱風発生炉と、該熱風発生炉に改質器の燃焼室を出た燃焼排ガスを供給する排ガスラインと、を備え、発電開始後に燃焼排ガスを熱風発生炉を通して前記加熱器に供給する、ことを特徴とする燃料電池発電設備が提供される。この構成により、燃焼室を出た燃焼排ガスによりカソードガスを間接加熱することができ、余分な燃料を用いることなく、燃料電池の温度を所定範囲に維持することができ、かつ燃焼排ガスの冷却・凝縮によるヒートロスをなくし、プラント効率を大幅に向上することができる。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態によれば、タービン圧縮機で加圧された空気を前記熱風発生炉に供給する空気供給ラインと、該空気供給ラインに設けられた空気ブロアと、外気を空気ブロアに導く逆止弁と、を備える。この構成により、内圧が低い起動時には、空気ブロアにより逆止弁を通して外気を熱風発生炉に供給することができ、タービン圧縮機が駆動され内圧が高まってきた段階では、タービン圧縮機で加圧された空気を空気ブロアにより更に高圧にして熱風発生炉に供給することができ、起動から加圧運転時まで熱風発生炉に効率的に空気を供給することができる。
【０００９】
また、排気用開閉弁を有し、加熱器を通過した高温ガスをタービン圧縮機のタービン上流側に導く排気ラインと、循環用開閉弁を有し、前記高温ガスを燃料電池の上流側のカソードガスに導入する循環ラインと、を備え、起動時には排気用開閉弁のみを開いて高温ガスにより、タービン圧縮機を駆動し、発電開始後には循環用開閉弁のみを開いて燃焼排ガスをカソードガスに導入する、ことが好ましい。この構成により、起動時に、高温ガスによりタービン圧縮機を駆動して空気を内部に導入することができ、発電開始後にはＣＯ２ ガスを含む燃焼排ガスをカソードガスに導入して電池反応に用いることができる。なお、燃焼排ガスが混入されたカソードガスは、燃料電池を通過後にその一部がタービン圧縮機に供給されるため、発電開始後もタービン圧縮機により空気が導入される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による燃料電池発電設備の全体構成図である。この図において、燃料電池発電設備は、燃料電池１１のカソードガス３を間接加熱する加熱器１６ｂと、加熱器１６ｂに高温ガスを供給する熱風発生炉１８と、熱風発生炉１８に改質器１０の燃焼室Ｃｏを出た燃焼排ガス５を供給する排ガスライン２１と、を備え、発電開始後に燃焼排ガス５を熱風発生炉１８を通して加熱器１６ｂに供給するようになっている。すなわち、本発明の燃料電池発電設備には、図２の従来例に示した空気予熱器１３ｂ，凝縮器１６ａ，気水分離器１５等がなく、燃焼室Ｃｏを出た燃焼排ガス５が排ガスライン２１を介して熱風発生炉１８に直接供給されるようになっている。
【００１１】
この構成により、燃焼室Ｃｏを出た燃焼排ガス５によりカソードガス３を間接加熱することができ、余分な燃料を用いることなく、燃料電池１１の温度を所定範囲に維持することができ、かつ燃焼排ガス５の冷却・凝縮によるヒートロスをなくし、プラント効率を大幅に向上することができる。
【００１２】
また、図１の燃料電池発電設備は、タービン圧縮機１２で加圧された空気６を熱風発生炉１８に供給する空気供給ライン２３と、空気供給ライン２３に設けられた空気ブロア１７ｄと、外気を空気ブロア１７ｄに導く逆止弁２２と、を備えている。この構成により、内圧が低い起動時には、空気ブロア１７ｄにより逆止弁２２を通して外気を熱風発生炉１８に供給することができ、タービン圧縮機１２が駆動され内圧が高まってきた段階では、タービン圧縮機１２で加圧された空気を空気ブロア１７ｄにより更に高圧にして熱風発生炉１８に供給することができ、起動から加圧運転時まで熱風発生炉１８に効率的に空気を供給することができる。
【００１３】
更に、この発電設備は、加熱器１６ｂを通過した高温ガスをタービン圧縮機１２のタービン上流側に導く排気ライン２５と、高温ガスを燃料電池１１の上流側のカソードガス３に導入する循環ライン２６と、を備えている。また、排気ライン２５と循環ライン２６にはそれぞれのラインを開閉させる排気用開閉弁２０ｂと循環用開閉弁２０ａが設けられている。なお、この図で２０ｃは、遮断弁であり、２４は、発電開始後の燃焼排ガス５の流れを容易にするためのオリフィスである。
【００１４】
この構成により、起動時には排気用開閉弁２０ｂのみを開いて高温ガスにより、タービン圧縮機１２を駆動し空気６を内部に導入することができ、発電開始後には循環用開閉弁２０ａのみを開いてＣＯ２ ガスを含む燃焼排ガス５をカソードガス３に導入して電池反応に用いることができる。その他の構成は、図２と同様である。
【００１５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１６】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池発電設備は、余分な燃料を用いることなく、燃料電池の温度を所定範囲に維持することができ、かつ排ガスの冷却・凝縮を最小限に抑えて凝縮熱によるヒートロスを大幅に低減すると共に、冷却・凝縮に必要な機器をなくし設備のコンパクト化を図ることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図２】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
２ アノードガス
３ カソードガス
４ アノード排ガス
５ 燃焼排ガス
６ 空気
７ カソード排ガス
８ 水蒸気
１０ 改質器
１１ 燃料電池
１２ タービン圧縮機
１３ａ 燃料予熱器
１３ｂ 空気予熱器
１４ 脱硫器
１５ 気水分離器
１６ａ 凝縮器
１６ｂ 加熱器
１７ａ 燃料ブロア
１７ｂ 高温ブロア
１７ｃ 低温ブロア
１７ｄ 空気ブロア
１８ 熱風発生炉
２０ａ 循環用開閉弁
２０ｂ 排気用開閉弁
２０ｃ 遮断弁
２１ 排ガスライン
２２ 逆止弁
２３ 空気供給ライン
２４ オリフィス
２５ 排気ライン
２６ 循環ライン
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電池発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備では、図２に示すように天然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから発電する燃料電池１１とを備えており、改質器１０で作られたアノードガス２は燃料電池に供給され、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費した後、アノード排ガス４として改質器の燃焼室Ｃｏに供給される。改質器１０ではアノード排ガス中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）がカソード排ガスにより燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し改質室の燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は空気予熱器１３ｂ、凝縮器１６ａ、気水分離器１５を通って水分を除去され、低温ブロア１７ｃで加圧され、タービン圧縮機１２から供給される加圧空気６と合流してカソードガス３となり、燃料電池のカソード側に電池反応に必要な二酸化炭素を供給する。燃料電池内でその一部が反応したカソードガス（カソード排ガス７）は、高温ブロア１７ｂにより燃料電池の上流側に一部が循環され、残りの一部７ａは改質器に燃焼用空気として供給され、残り７ｂはタービン圧縮機１２で圧力を回収され、排熱回収装置１９による熱回収後に系外に排出される。なお、図２において、１３ａは燃料予熱器、１４は脱硫器、１６ｂは加熱器、１７ｄは空気ブロア、１８は熱風発生炉である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、かかる燃料電池発電設備の起動は、▲１▼内部に窒素ガスを充填した状態で、熱風発生炉１８により加熱器１６ｂに熱風を供給し、加熱器１６ｂで内部を循環する窒素ガスを加熱し、▲２▼この窒素ガスの循環により、燃料電池１１と改質器１０を加熱し、これらが所定の温度に達したときに、タービン圧縮機１２から空気を導入して、燃料電池１１を介して改質器１０の燃焼室Ｃｏに空気を供給し、▲３▼次いで水蒸気８と燃料ガス１を改質器に供給して、燃料電池１１を介して改質器１０の燃焼室Ｃｏに燃料ガスを供給して燃焼させ、その熱で改質室Ｒｅを流れる燃料ガス１を改質して改質ガス（アノードガス２）を燃料電池１１に供給し発電を開始する。
【０００４】
熱風発生炉１８は、発電開始後は熱風の供給を停止し、燃料電池の温度制御は高温ブロア１７ｂによるカソードガスの循環により行うようになっている。しかし、実際には燃料電池の運転中も加熱器１６ｂや循環ラインからの放熱が大きく、燃料電池の反応熱だけでは燃料電池の温度が維持できない問題点があった。そのため、発電開始後であっても、熱風発生炉１８を運転して熱風を供給する必要があり、余分な燃料を必要とし、プラント効率が悪化する問題点があった。
【０００５】
また、従来の燃料電池発電設備では、上述したように、改質器１０を出た燃焼排ガスを冷却・凝縮して水分を除去しているため、例えば空気予熱器１３ｂ、凝縮器１６ａ、気水分離器１５等を必要するとと共に、凝縮熱によるヒートロスが大きく、プラント効率の向上を妨げる一因となっていた。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、余分な燃料を用いることなく、燃料電池の温度を所定範囲に維持することができ、かつ排ガスの冷却・凝縮を最小限に抑えて凝縮熱によるヒートロスを大幅に低減すると共に、冷却・凝縮に必要な機器をなくし、設備のコンパクト化を図ることができる燃料電池発電設備を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池のカソードガスを間接加熱する加熱器と、該加熱器に高温ガスを供給する熱風発生炉と、該熱風発生炉に改質器の燃焼室を出た燃焼排ガスを供給する排ガスラインと、を備え、発電開始後に燃焼排ガスを熱風発生炉を通して前記加熱器に供給する、ことを特徴とする燃料電池発電設備が提供される。この構成により、燃焼室を出た燃焼排ガスによりカソードガスを間接加熱することができ、余分な燃料を用いることなく、燃料電池の温度を所定範囲に維持することができ、かつ燃焼排ガスの冷却・凝縮によるヒートロスをなくし、プラント効率を大幅に向上することができる。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態によれば、タービン圧縮機で加圧された空気を前記熱風発生炉に供給する空気供給ラインと、該空気供給ラインに設けられた空気ブロアと、外気を空気ブロアに導く逆止弁と、を備える。この構成により、内圧が低い起動時には、空気ブロアにより逆止弁を通して外気を熱風発生炉に供給することができ、タービン圧縮機が駆動され内圧が高まってきた段階では、タービン圧縮機で加圧された空気を空気ブロアにより更に高圧にして熱風発生炉に供給することができ、起動から加圧運転時まで熱風発生炉に効率的に空気を供給することができる。
【０００９】
また、排気用開閉弁を有し、加熱器を通過した高温ガスをタービン圧縮機のタービン上流側に導く排気ラインと、循環用開閉弁を有し、前記高温ガスを燃料電池の上流側のカソードガスに導入する循環ラインと、を備え、起動時には排気用開閉弁のみを開いて高温ガスにより、タービン圧縮機を駆動し、発電開始後には循環用開閉弁のみを開いて燃焼排ガスをカソードガスに導入する、ことが好ましい。この構成により、起動時に、高温ガスによりタービン圧縮機を駆動して空気を内部に導入することができ、発電開始後にはＣＯ２ ガスを含む燃焼排ガスをカソードガスに導入して電池反応に用いることができる。なお、燃焼排ガスが混入されたカソードガスは、燃料電池を通過後にその一部がタービン圧縮機に供給されるため、発電開始後もタービン圧縮機により空気が導入される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による燃料電池発電設備の全体構成図である。この図において、燃料電池発電設備は、燃料電池１１のカソードガス３を間接加熱する加熱器１６ｂと、加熱器１６ｂに高温ガスを供給する熱風発生炉１８と、熱風発生炉１８に改質器１０の燃焼室Ｃｏを出た燃焼排ガス５を供給する排ガスライン２１と、を備え、発電開始後に燃焼排ガス５を熱風発生炉１８を通して加熱器１６ｂに供給するようになっている。すなわち、本発明の燃料電池発電設備には、図２の従来例に示した空気予熱器１３ｂ，凝縮器１６ａ，気水分離器１５等がなく、燃焼室Ｃｏを出た燃焼排ガス５が排ガスライン２１を介して熱風発生炉１８に直接供給されるようになっている。
【００１１】
この構成により、燃焼室Ｃｏを出た燃焼排ガス５によりカソードガス３を間接加熱することができ、余分な燃料を用いることなく、燃料電池１１の温度を所定範囲に維持することができ、かつ燃焼排ガス５の冷却・凝縮によるヒートロスをなくし、プラント効率を大幅に向上することができる。
【００１２】
また、図１の燃料電池発電設備は、タービン圧縮機１２で加圧された空気６を熱風発生炉１８に供給する空気供給ライン２３と、空気供給ライン２３に設けられた空気ブロア１７ｄと、外気を空気ブロア１７ｄに導く逆止弁２２と、を備えている。この構成により、内圧が低い起動時には、空気ブロア１７ｄにより逆止弁２２を通して外気を熱風発生炉１８に供給することができ、タービン圧縮機１２が駆動され内圧が高まってきた段階では、タービン圧縮機１２で加圧された空気を空気ブロア１７ｄにより更に高圧にして熱風発生炉１８に供給することができ、起動から加圧運転時まで熱風発生炉１８に効率的に空気を供給することができる。
【００１３】
更に、この発電設備は、加熱器１６ｂを通過した高温ガスをタービン圧縮機１２のタービン上流側に導く排気ライン２５と、高温ガスを燃料電池１１の上流側のカソードガス３に導入する循環ライン２６と、を備えている。また、排気ライン２５と循環ライン２６にはそれぞれのラインを開閉させる排気用開閉弁２０ｂと循環用開閉弁２０ａが設けられている。なお、この図で２０ｃは、遮断弁であり、２４は、発電開始後の燃焼排ガス５の流れを容易にするためのオリフィスである。
【００１４】
この構成により、起動時には排気用開閉弁２０ｂのみを開いて高温ガスにより、タービン圧縮機１２を駆動し空気６を内部に導入することができ、発電開始後には循環用開閉弁２０ａのみを開いてＣＯ２ ガスを含む燃焼排ガス５をカソードガス３に導入して電池反応に用いることができる。その他の構成は、図２と同様である。
【００１５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１６】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池発電設備は、余分な燃料を用いることなく、燃料電池の温度を所定範囲に維持することができ、かつ排ガスの冷却・凝縮を最小限に抑えて凝縮熱によるヒートロスを大幅に低減すると共に、冷却・凝縮に必要な機器をなくし設備のコンパクト化を図ることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図２】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
２ アノードガス
３ カソードガス
４ アノード排ガス
５ 燃焼排ガス
６ 空気
７ カソード排ガス
８ 水蒸気
１０ 改質器
１１ 燃料電池
１２ タービン圧縮機
１３ａ 燃料予熱器
１３ｂ 空気予熱器
１４ 脱硫器
１５ 気水分離器
１６ａ 凝縮器
１６ｂ 加熱器
１７ａ 燃料ブロア
１７ｂ 高温ブロア
１７ｃ 低温ブロア
１７ｄ 空気ブロア
１８ 熱風発生炉
２０ａ 循環用開閉弁
２０ｂ 排気用開閉弁
２０ｃ 遮断弁
２１ 排ガスライン
２２ 逆止弁
２３ 空気供給ライン
２４ オリフィス
２５ 排気ライン
２６ 循環ライン
Claims (3)
- 燃料電池のカソードガスを間接加熱する加熱器と、該加熱器に高温ガスを供給する熱風発生炉と、該熱風発生炉に改質器の燃焼室を出た燃焼排ガスを供給する排ガスラインと、を備え、発電開始後に燃焼排ガスを熱風発生炉を通して前記加熱器に供給する、ことを特徴とする燃料電池発電設備。
- タービン圧縮機で加圧された空気を前記熱風発生炉に供給する空気供給ラインと、該空気供給ラインに設けられた空気ブロアと、外気を空気ブロアに導く逆止弁と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備。
- 排気用開閉弁を有し、加熱器を通過した高温ガスをタービン圧縮機のタービン上流側に導く排気ラインと、循環用開閉弁を有し、前記高温ガスを燃料電池の上流側のカソードガスに導入する循環ラインと、を備え、起動時には排気用開閉弁のみを開いて高温ガスにより、タービン圧縮機を駆動し、発電開始後には循環用開閉弁のみを開いて燃焼排ガスをカソードガスに導入する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備。
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|---|---|---|---|
| JP21034795A JP3564812B2 (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | 燃料電池発電設備 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21034795A JP3564812B2 (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | 燃料電池発電設備 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0963608A JPH0963608A (ja) | 1997-03-07 |
| JP3564812B2 true JP3564812B2 (ja) | 2004-09-15 |
Family
ID=16587902
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21034795A Expired - Fee Related JP3564812B2 (ja) | 1995-08-18 | 1995-08-18 | 燃料電池発電設備 |
Country Status (1)
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1995
- 1995-08-18 JP JP21034795A patent/JP3564812B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH0963608A (ja) | 1997-03-07 |
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