JP3582131B2 - Molten carbonate fuel cell power generator - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電池発電装置に関する。
【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燃料電池発電装置では、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２０とを備えており、改質器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として燃料予熱器２８、ガス／ガス熱交換器２９を経て冷却器２３に入り、セパレータ２５で水分を除去されてブロア２４により改質器１０の燃焼室に供給される。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）が燃焼室内で燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質管を加熱し改質管内を通る燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５はタービン圧縮機３０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Ｃ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、カソード循環ブロア２２により燃料電池の上流側に一部が循環され、残りはタービン圧縮機３０で圧力を回収され、排熱回収熱交換器３４で熱を回収されて系外に排出される。
【０００３】
なお、図２で２１は脱硫器、２６は給水ポンプ、３２は補助燃焼器である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の燃料電池発電装置では、加圧空気６は、タービン圧縮機３０の出口Ａから、燃料電池のカソードガス入口Ｂと、改質器１０の燃焼室の両方に供給される。また、改質器１０を出た燃焼排ガス５は、空気予熱器２７を経て、燃料電池のカソードガス入口Ｂに導かれる。従って、タービン圧縮機３０の出口Ａと燃料電池のカソードガス入口Ｂとを直接結ぶ燃料電池用空気ライン６ａと、タービン圧縮機３０の出口Ａから空気予熱器２７、改質器１０を経てＢ点に至るライン（改質器燃焼用空気ライン）との圧力損失は同一となる必要がある。
【０００５】
しかし、改質器１０や空気予熱器２７の圧力損失は比較的大きい（例えば、改質器約０．６ｋｇ／ｃｍ２、空気予熱器約０．１ｋｇ／ｃｍ２）のに対して、空気ライン６ａの圧力損失は配管だけのため小さく、従来の装置では空気ライン６ａに圧損調整用の弁１１を設け、この弁で２つのラインの圧力損失を一致させる必要があった。
【０００６】
すなわち、従来の装置では、燃料電池用と改質器燃焼用の空気を供給するために１台の圧縮機（タービン圧縮機３０）を共用しているため、圧縮機の吐出圧力を圧力損失の大きい（例えば約０．９ｋｇ／ｃｍ２）改質器燃焼用空気ラインに合わせる必要があった。このため燃料電池用空気も必要以上に昇圧することになり、その分余計に圧縮機動力が必要となり、プラントの発電効率が低下していた。
【０００７】
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、圧縮機動力を低減することができ、これにより発電効率を高めることができる燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器と、アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電する燃料電池と、該燃料電池からのカソード排ガスにより駆動され空気を前記燃料電池に必要な圧力まで加圧するタービン圧縮機と、該タービン圧縮機により加圧された空気を燃料電池上流側のカソートガスに混入させる燃料電池用空気ラインと、前記タービン圧縮機からの空気を改質器の燃焼室に供給する改質器燃焼用空気ラインとを備え、前記改質器燃焼用空気ラインは前記タービン圧縮機により加圧された空気を更に加圧する空気ブロアを備えたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電装置が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施例によれば、更に、燃料電池のカソードガス出口側から入口側にガスを循環させる循環ラインにガス加熱器を備えている。
【００１０】
【作用】
上述した本発明の構成によれば、タービン圧縮機の他に、改質器燃焼用空気ラインに別に空気ブロアを備えているので、燃料電池用と改質器燃焼用の空気は、タービン圧縮機によって燃料電池用空気に必要な圧力にだけ昇圧され、燃料電池用空気はそのまま燃料電池へ供給される。また、改質器燃焼用空気は空気ブロアにより更に必要な圧力まで昇圧される。従って、改質器燃焼用空気のみを必要な高圧まで昇圧するので、燃料電池用空気を必要以上に昇圧することがなくなり、タービン圧縮機の必要動力が減り、その結果プラントの発電効率が上昇する。
【００１１】
また、タービン圧縮機を起動させなくても、改質器燃焼用空気を空気ブロアにより単独で供給することができるので、プラント全体の起動時間を短縮することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の方法を適用する燃料電池発電装置の全体構成図である。この図において、燃料電池発電装置は、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、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２０、燃料電池からのカソード排ガス７により駆動され空気６を加圧するタービン圧縮機３０、排熱回収熱交換器３４等を備え、改質器１０で燃料ガス１を改質し、燃料電池２０で発電し、セパレータ２５でアノード排ガス４中の水分を除去し、タービン圧縮機３０でカソード排ガス７の圧力を回収し、排熱回収熱交換器３４で排熱を回収するようになっている。
【００１３】
かかる構成は図２に示した従来の燃料電池発電装置と同様である。なお、図２と共通する部分には同一の符号を付して使用し、重複した説明を省略する。
【００１４】
図１の燃料電池発電装置では、タービン圧縮機３０により加圧された空気を燃料電池上流側のカソートガスに混入させる燃料電池用空気ライン６ａと、この加圧空気を更に加圧する空気ブロア３６と、空気ブロア３６により加圧された空気を改質器１０の燃焼室に供給する改質器燃焼用空気ライン３７とを備えている。図１の実施例において、タービン圧縮機３０による加圧空気の圧力は従来より約１．０ｋｇ／ｃｍ２低い圧力に設定されており、従来必要だった圧損調整用弁１１（図２参照）が廃されている。この構成により、燃料電池用空気を必要以上に昇圧することがなくなり、タービン圧縮機３０の必要動力を大幅に低減することができる。
【００１５】
また、この実施例において、空気ブロア３６による加圧空気の圧力は、従来のタービン圧縮機３０の吐出圧にほぼ等しい約４．２５ｋｇ／ｃｍ２に設定されており、タービン圧縮機３０の出口Ａから空気予熱器２７、改質器１０を経てＢ点に至るライン（改質器燃焼用空気ライン）に必要な圧力と流量の空気を従来と同様に供給することができる。
【００１６】
表１は、従来の発電装置と、本発明による発電装置とを比較したものである。
【００１７】
【表１】

Figure 0003582131
【００１８】
表１から明らかなように、本発明によれば、タービン発電機の発電出力が約２０．６ｋＷ増加し、空気ブロアの動力を差し引いても、約１４．４ｋＷの発電量の増加となる。また、これにより、発電端効率及び送電端効率の両方が改善される。なお、上述した実施例に示す数値は、一例にすぎず、運転圧力や発電出力等によって変動することは勿論である。
【００１９】
また、空気ブロア３６をタービン圧縮機３０と別に設置することにより、大型のタービン圧縮機３０を起動させなくても、改質器燃焼用空気を空気ブロア３６により単独で供給することができ、プラント全体の起動時間を短縮することができる。
【００２０】
図１の発電装置は、更に、燃料電池２０のカソードガス出口側から入口側にガスを循環させる循環ラインに循環ガス加熱器３８を備えている。燃料電池発電装置では、部分負荷時に燃料電池出口温度が低下する傾向があり、それをそのまま循環ラインを介して燃料電池の入口側に供給すると、カソード入口を所定の温度とするためには、カソードガスの循環流量が増加し、プラントの定格負荷時よりも循環流量が大きくなってしまう場合がある。
【００２１】
上述した循環ガス加熱器３８により、カソード循環ブロア２２で昇圧されたカソードガスを加熱して、燃料電池に必要な所定温度にすることにより、部分負荷時であってもカソード循環ガス量を減らすことができ、カソード循環ブロア２２の駆動動力を減らすことができる。また、循環ガス加熱器３８でガス温度を設定することにより、カソード循環ガス量を任意に設定できる。更に、カソード循環ブロアの最大容量をプラントの定格負荷に合わせた小さい容量にすることができる。
【００２２】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、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。
【００２３】
【発明の効果】
上述したように本発明の燃料電池発電装置によれば、タービン圧縮機の他に、改質器燃焼用空気ラインに別に空気ブロアを備えているので、燃料電池用と改質器燃焼用の空気は、タービン圧縮機によって燃料電池用空気で必要な分だけ昇圧され、燃料電池用空気はそのまま燃料電池へ供給され、改質器燃焼用空気は空気ブロアにより更に必要な圧力まで昇圧される。従って、改質器燃焼用空気のみを必要な高圧まで昇圧するので、燃料電池用空気を必要以上に昇圧することがなくなり、タービン圧縮機の必要動力が減り、その結果プラントの発電効率が上昇する。また、タービン圧縮機を起動させなくても、改質器燃焼用空気を空気ブロアにより単独で供給することができるので、プラント全体の起動時間を短縮することができる。
【００２４】
すなわち、本発明の燃料電池発電装置は、圧縮機動力を低減することができ、これにより発電効率を高めることができる、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装置の全体構成図である。
【図２】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の発電装置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
６ａ 燃料電池用空気ライン
７ カソード排ガス
１０ 改質器
１１ 圧損調整弁
２０ 燃料電池
２１ 脱硫器
２２ カソード循環ブロア
２３ 冷却器
２４ ブロア
２５ セパレータ
２６ 給水ポンプ
２７ 空気予熱器
２８ 燃料予熱器
２９ ガス／ガス熱交換器
３０ タービン圧縮機
３２ 補助燃焼器
３４ 排熱回収熱交換器
３６ 空気ブロア
３７ 改質器燃焼用空気ライン
３８ 循環ガス加熱器[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a fuel cell power generator using a molten carbonate fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Molten carbonate fuel cells have features that are not found in conventional power generation equipment, such as high efficiency and low environmental impact, and have attracted attention as a power generation system following hydro, thermal and nuclear power. Research and development are being conducted in various countries. In particular, in a fuel cell power generator using natural gas as a fuel, as shown in FIG. 2, a reformer 10 for reforming a fuel gas 1 such as a natural gas into an anode gas 2 containing hydrogen and containing the anode gas 2 and oxygen And a fuel cell 20 for generating electricity from the cathode gas 3. The anode gas 2 produced by the reformer is supplied to the fuel cell, and after consuming most (for example, 80%) of the fuel cell in the fuel cell, The anode exhaust gas 4 enters the cooler 23 via the fuel preheater 28 and the gas / gas heat exchanger 29, and is supplied to the combustion chamber of the reformer 10 by the blower 24 after moisture is removed by the separator 25. In the reformer 10, combustible components (hydrogen, carbon monoxide, methane, etc.) in the anode exhaust gas are burned in the combustion chamber, and the high-temperature combustion gas heats the reforming pipe to reform the fuel passing through the reforming pipe. The combustion exhaust gas 5 that has exited the reforming chamber merges with the pressurized air 6 supplied from the turbine compressor 30 to become the cathode gas 3 and supplies necessary carbon dioxide to the cathode side C of the fuel cell. Cathode gas (cathode exhaust gas 7) partially reacted in the fuel cell is partially circulated upstream of the fuel cell by the cathode circulation blower 22, and the remaining pressure is recovered by the turbine compressor 30, and the exhaust heat The heat is recovered by the recovery heat exchanger 34 and discharged outside the system.
[0003]
In FIG. 2, reference numeral 21 denotes a desulfurizer, 26 denotes a water supply pump, and 32 denotes an auxiliary combustor.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional fuel cell power generator described above, the compressed air 6 is supplied from the outlet A of the turbine compressor 30 to both the cathode gas inlet B of the fuel cell and the combustion chamber of the reformer 10. Further, the combustion exhaust gas 5 that has exited the reformer 10 is guided to the cathode gas inlet B of the fuel cell via the air preheater 27. Accordingly, the fuel cell air line 6a directly connecting the outlet A of the turbine compressor 30 and the cathode gas inlet B of the fuel cell, and the point B through the air preheater 27 and the reformer 10 from the outlet A of the turbine compressor 30 (The reformer combustion air line) must have the same pressure loss.
[0005]
However, the pressure loss of the reformer 10 and air preheater 27 is relatively large (e.g., reformer about 0.6 kg / cm 2, from about 0.1 kg / cm 2 air preheater) whereas, an air line The pressure loss of the line 6a is small because only the piping is used. In the conventional apparatus, it is necessary to provide a valve 11 for adjusting the pressure loss in the air line 6a, and to match the pressure loss of the two lines with this valve.
[0006]
That is, in the conventional apparatus, one compressor (turbine compressor 30) is commonly used to supply air for the fuel cell and for the reformer combustion, so that the discharge pressure of the compressor is reduced by the pressure loss. A large (eg, about 0.9 kg / cm 2 ) reformer combustion air line had to be fitted. For this reason, the pressure of the fuel cell air is also increased more than necessary, which requires extra compressor power, which reduces the power generation efficiency of the plant.
[0007]
The present invention has been made to solve such a problem. That is, an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation device that can reduce compressor power and thereby increase power generation efficiency.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a reformer for reforming fuel gas to the anode gas containing hydrogen, and a fuel cell that generates from a cathode gas containing anode gas and oxygen, air is driven by the cathode exhaust gas from the fuel cell and the fuel cell turbine compressor for pressurizing to the pressure required for the air line for a fuel cell of mixing pressurized air of the fuel cell upstream side Kasotogasu by the turbine compressor, air from the turbine compressor And a reformer combustion air line that supplies air to the combustion chamber of the reformer, wherein the reformer combustion air line has an air blower that further pressurizes the air pressurized by the turbine compressor. The present invention provides a molten carbonate fuel cell power generation device characterized by the following.
[0009]
According to a preferred embodiment of the present invention, a gas heater is further provided in a circulation line for circulating gas from the cathode gas outlet side to the inlet side of the fuel cell.
[0010]
[Action]
According to the configuration of the present invention described above, in addition to the turbine compressor, a separate air blower is provided in the reformer combustion air line, so that the fuel cell and reformer combustion air is supplied to the turbine compressor. As a result, the pressure is increased only to the pressure required for the fuel cell air, and the fuel cell air is supplied to the fuel cell as it is. The reformer combustion air is further pressurized to a required pressure by an air blower. Accordingly, since only the reformer combustion air is boosted to the required high pressure, the fuel cell air is not boosted more than necessary, and the required power of the turbine compressor is reduced, and as a result, the power generation efficiency of the plant is increased. .
[0011]
Further, since the reformer combustion air can be supplied independently by the air blower without starting the turbine compressor, the start-up time of the entire plant can be reduced.
[0012]
【Example】
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell power generator to which the method of the present invention is applied. In this figure, a fuel cell power generator includes a reformer 10 for reforming a fuel gas 1 to an anode gas 2 containing hydrogen, a fuel cell 20 for generating electricity from the anode gas 2 and a cathode gas 3 containing oxygen, and a fuel cell. A turbine compressor 30 which is driven by the cathode exhaust gas 7 of the above and pressurizes the air 6, an exhaust heat recovery heat exchanger 34, etc., reforms the fuel gas 1 by the reformer 10, generates electricity by the fuel cell 20, Then, the water in the anode exhaust gas 4 is removed, the pressure of the cathode exhaust gas 7 is recovered by the turbine compressor 30, and the exhaust heat recovery heat exchanger 34 recovers the exhaust heat.
[0013]
Such a configuration is the same as that of the conventional fuel cell power generator shown in FIG. Note that portions common to FIG. 2 are denoted by the same reference numerals and used, and redundant description will be omitted.
[0014]
In the fuel cell power generator shown in FIG. 1, a fuel cell air line 6a for mixing the air pressurized by the turbine compressor 30 into the gusset gas upstream of the fuel cell, an air blower 36 for further pressurizing the pressurized air, A reformer combustion air line 37 is provided for supplying the air pressurized by the air blower 36 to the combustion chamber of the reformer 10. In the embodiment of FIG. 1, the pressure of the pressurized air by the turbine compressor 30 is set to a pressure about 1.0 kg / cm 2 lower than that of the related art, and the pressure loss adjusting valve 11 (see FIG. 2) which is conventionally required is provided. Has been abolished. With this configuration, the pressure of the fuel cell air is not increased more than necessary, and the required power of the turbine compressor 30 can be significantly reduced.
[0015]
In this embodiment, the pressure of the pressurized air by the air blower 36 is set to about 4.25 kg / cm 2 which is almost equal to the discharge pressure of the conventional turbine compressor 30, and the outlet A of the turbine compressor 30 The air having the necessary pressure and flow rate can be supplied to the line (reformer combustion air line) that reaches the point B through the air preheater 27 and the reformer 10 as in the conventional case.
[0016]
Table 1 compares the conventional power generator and the power generator according to the present invention.
[0017]
[Table 1]
Figure 0003582131
[0018]
As is clear from Table 1, according to the present invention, the power generation output of the turbine generator increases by about 20.6 kW, and even if the power of the air blower is subtracted, the power generation amount increases by about 14.4 kW. Thereby, both the power generation end efficiency and the transmission end efficiency are improved. It should be noted that the numerical values shown in the above-described embodiments are merely examples, and needless to say, they fluctuate depending on the operating pressure, the power generation output, and the like.
[0019]
Further, by installing the air blower 36 separately from the turbine compressor 30, the reformer combustion air can be supplied by the air blower 36 alone without starting the large-sized turbine compressor 30. The overall startup time can be reduced.
[0020]
1 further includes a circulation gas heater 38 in a circulation line that circulates gas from the cathode gas outlet side to the inlet side of the fuel cell 20. In a fuel cell power generator, the fuel cell outlet temperature tends to decrease at the time of partial load, and if the temperature is supplied to the inlet side of the fuel cell via a circulation line as it is, in order to bring the cathode inlet to a predetermined temperature, the cathode The circulating flow rate of the gas increases, and the circulating flow rate may become larger than at the time of the rated load of the plant.
[0021]
The above-mentioned circulating gas heater 38 heats the cathode gas pressurized by the cathode circulating blower 22 to a predetermined temperature required for the fuel cell, thereby reducing the amount of cathode circulating gas even at a partial load. And the driving power of the cathode circulation blower 22 can be reduced. In addition, by setting the gas temperature with the circulating gas heater 38, the amount of circulating cathode gas can be arbitrarily set. Furthermore, the maximum capacity of the cathode circulation blower can be made small to match the rated load of the plant.
[0022]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell power generator of the present invention, in addition to the turbine compressor, an air blower is separately provided in the reformer combustion air line, so that the fuel cell and the reformer combustion air are provided. Is boosted by the amount required by the fuel cell air by the turbine compressor, the fuel cell air is directly supplied to the fuel cell, and the reformer combustion air is further boosted to the required pressure by the air blower. Accordingly, since only the reformer combustion air is boosted to the required high pressure, the fuel cell air is not boosted more than necessary, and the required power of the turbine compressor is reduced, and as a result, the power generation efficiency of the plant is increased. . Further, since the reformer combustion air can be supplied independently by the air blower without starting the turbine compressor, the start-up time of the entire plant can be reduced.
[0024]
That is, the fuel cell power generation device of the present invention has excellent effects such as a reduction in compressor power and an increase in power generation efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell power generator according to the present invention.
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a conventional power generator using a molten carbonate fuel cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel gas 2 Anode gas 3 Cathode gas 4 Anode exhaust gas 5 Combustion exhaust gas 6 Air 6 a Fuel cell air line 7 Cathode exhaust gas 10 Reformer 11 Pressure loss control valve 20 Fuel cell 21 Desulfurizer 22 Cathode circulation blower 23 Cooler 24 Blower 25 Separator 26 Feedwater pump 27 Air preheater 28 Fuel preheater 29 Gas / gas heat exchanger 30 Turbine compressor 32 Auxiliary combustor 34 Exhaust heat recovery heat exchanger 36 Air blower 37 Reformer combustion air line 38 Circulating gas heater

Claims (2)

燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器と、アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電する燃料電池と、該燃料電池からのカソード排ガスにより駆動され空気を前記燃料電池に必要な圧力まで加圧するタービン圧縮機と、該タービン圧縮機により加圧された空気を燃料電池上流側のカソートガスに混入させる燃料電池用空気ラインと、前記タービン圧縮機からの空気を改質器の燃焼室に供給する改質器燃焼用空気ラインとを備え、
前記改質器燃焼用空気ラインは前記タービン圧縮機により加圧された空気を更に加圧する空気ブロアを備えたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電装置。A reformer for reforming fuel gas to the anode gas containing hydrogen, require a fuel cell generating electricity from the cathode gas containing anode gas and oxygen, the air is driven by the cathode exhaust gas from the fuel cell to the fuel cell a turbine compressor pressurized to pressures, and air lines for a fuel cell of mixing pressurized air of the fuel cell upstream side Kasotogasu by the turbine compressor, combustion air from the turbine compressor of the reformer A reformer combustion air line for supplying to the chamber,
The molten carbonate fuel cell power generator, wherein the reformer combustion air line further includes an air blower for further pressurizing the air pressurized by the turbine compressor . 燃料電池のカソードガス出口側から入口側にガスを循環させる循環ラインにガス加熱器を備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池発電装置。2. The molten carbonate fuel cell power generator according to claim 1, wherein a gas heater is provided in a circulation line for circulating gas from a cathode gas outlet side to an inlet side of the fuel cell.
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