JP3664178B2 - 多段反応型燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池発電装置の制御方法に係わり、更に詳しくは、負荷変化時における溶融炭酸塩型燃料電池の制御方法に関する。
【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４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とを一般的に備えており、改質器で作られたアノードガス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１０の燃焼室Ｃｏに供給される。燃料ガス１は燃料予熱器１１により予熱されて改質器の改質室Ｒｅに入る。改質器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）を燃焼室で燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し内部を流れる燃料ガスを改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は、排ガス循環ライン３０の空気予熱器３２で熱回収され、凝縮器３３と気水分離器３４で水分を除去され、タービン圧縮機（動力回収装置４０）で加圧された空気６が混入し、この混合ガスが空気予熱器３２で加熱されてカソードガス３に合流する。これにより、電池のアノード側で発生した二酸化炭素が、燃焼排ガス５を介して燃料電池用のカソードガス３に入り、燃料電池のカソード反応に必要な二酸化炭素をカソード側Ｃに供給する。カソードガス３は燃料電池内でその一部が反応してカソード排ガス７となり、その一部はカソード入口側に再循環され、一部は改質器１０の燃焼室Ｃｏに供給されてアノード排ガス４を燃焼させ、残りは動力回収装置４０に供給されて圧力回収され、系外に排出される。なお、２２は燃料電池の格納容器である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した燃料電池２０は、複数の単電池（セル）が積層されたものであり、各セルは、２枚の電極（アノードとカソード）と、その間に挟持された電解質板（タイル）から構成される。しかし、電解質板（タイル）は、セラミックの粉末板に電解質（高温で液体の溶融炭酸塩）を浸み込ませたものであり、例えば約７００℃以上になると電解質の蒸発が激しくなり、電解質が消耗して電池の寿命が短くなり、逆に約５５０℃以下になると電解質が凝固してタイルに亀裂が入り、燃料電池に大きなダメージを与える問題点があった。
【０００４】
このため、従来の燃料電池発電装置では、図５に模式的に示すように、カソード排ガス７の一部（例えば約６割）を高温リサイクルブロア３６でカソード入口側に再循環することにより、燃料電池２０の入口温度を約５８０℃、出口温度を約６８０℃に調節していたが、電池の寿命は依然として十分ではなく、更に長寿命化することが重要課題となっていた。
【０００５】
しかし、図５における再循環量を単に増すと、燃料電池２０の入口温度が下がり、電解質が凝固してタイルに亀裂が入るおそれがあった。
【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、カソードガスの燃料電池への入口温度を下げることなく、出口温度を更に下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる多段反応型燃料電池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、水素を含む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複数の独立した燃料電池ゼグメントと、該複数の燃料電池セグメントのアノードとカソードをそれぞれ直列に連結するアノードガスライン及びカソードガスラインと、最下流側の燃料電池セグメントを通過したカソードガスを最上流側のカソード入口側に再循環するリサイクルラインと、燃料電池セグメント間のカソードガスラインに低温空気を補給する空気補給ラインと、該空気補給ラインの空気流量を調節する流量調節弁と、該流量調節弁の弁開度を制御してカソードガスラインを流れるカソードガスの温度を制御する温度調節器と、を備え、前記複数の燃料電池セグメントは、単一の燃料電池内のセルを分割して構成されており、これにより、各燃料電池セグメントに流入するカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度に保持しつつ各燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度を低減する、ことを特徴とする多段反応型燃料電池が提供される。
【０００８】
本発明の好ましい実施例によれば、前記電解質が凝固しない温度は、約５８０℃であり、各燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度は約６３０℃である。
【０００９】
【作用】
上記本発明の構成によれば、複数の独立した燃料電池セグメントが、単一の燃料電池内のセルを分割して構成されているので、単一の格納容器内にこれを収納し、従来と同様のシンプルな構成にできる。また、複数の燃料電池セグメントのアノードとカソードが直列に連結されているので、同一容量の単一燃料電池と比較した場合に、入口温度を同一にすると、個別の燃料電池セグメントの容量（すなわち反応面積）が小さいため、最上流側の燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度は従来より低くなる。また、空気補給ラインにより燃料電池セグメント間に補給する低温空気により、次の燃料電池セグメントに流入するカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度まで下げることができ、その燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度も従来より低くできる。従って、この繰り返しにより、複数の燃料電池セグメントからなる多段反応型燃料電池においてカソードガスの各燃料電池セグメントへの入口温度を下げることなく、出口温度を十分下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる。
【００１０】
【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。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、本発明による多段反応型燃料電池の原理図である。この図において、本発明の多段反応型燃料電池は、水素を含むアノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから発電する複数（この図で３つ）の独立した燃料電池セグメント２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、該複数の燃料電池セグメント２０ａ、２０ｂ、２０ｃのアノードとカソードをそれぞれ直列に連結するアノードガスライン２４ａ、２４ｂ及びカソードガスライン２５ａ、２５ｂと、最下流側の燃料電池セグメント２０ｃを通過したカソードガス（カソード排ガス７）を最上流側のカソード入口側に再循環するリサイクルライン２６と、燃料電池セグメント間のカソードガスライン２５ａ、２５ｂに低温空気を補給する空気補給ライン２７ａ、２７ｂと、を備えている。また、リサイクルライン３には、高温リサイクルブロア３６が設けられ、空気補給ライン２７ａ、２７ｂにはそれぞれ流量調節弁２８ａ、２８ｂが設けられている。更に、カソードガスライン２５ａ、２５ｂには温度調節器２９ａ、２９ｂが設けられ、この温度調節器２９ａ、２９ｂにより流量調節弁２８ａ、２８ｂを制御して低温空気量を調節し、カソードガスライン２５ａ、２５ｂの温度を制御するようになっている。また、複数の燃料電池セグメント２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、全体で従来の単一燃料電池と同一の電極面積を有し、同一の発電容量を有している。その他の構成は、図４に示した従来の燃料電池発電装置と同様である。
【００１１】
図２は、図１の具体例である。この図に示すように、本発明において、複数の燃料電池セグメント２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、単一の燃料電池内のセルを分割して構成されている。その他の構成は図１と同様である。
【００１２】
図３は、図１及び図２の構成におけるカソードガス温度のプロフィールを示す模式図である。図１及び図２の多段反応型燃料電池において、リサイクルライン３に供給する冷却空気量を１００、再循環するカソードガス量を６０とすると、最上流側の燃料電池セグメント２０ａに流入するカソードガス量は１６０となる。これは、図５に示した従来の燃料電池発電装置と同一である。また、流入温度を従来と同じ約５８０℃とすると、個別の燃料電池セグメントの容量（すなわち反応面積）が小さいため、最上流側の燃料電池セグメント２０ａから流出するカソードガスの温度は従来より低く、例えば図１の例で電池容量（電極面積）が約１／３であるので、流出するカソードガスの温度は約６３０℃（従来は約６８０℃）となる。次いで、空気補給ライン２７ａから冷却空気を供給するすることにより、次の燃料電池セグメント２０ｂに流入するカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度（例えば約５８０℃）まで下げることができ、その燃料電池セグメント２０ｂから流出するカソードガスの温度も従来より低くできる。従って、この繰り返しにより、図３に示すように、複数の燃料電池セグメントからなる多段反応型燃料電池においてカソードガスの各燃料電池セグメントへの入口温度を下げることなく、出口温度を十分下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
【発明の効果】
上述したように、本発明の多段反応型燃料電池は、カソードガスの燃料電池への入口温度を下げることなく、出口温度を更に下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多段反応型燃料電池の原理図である。
【図２】図１の具体例である。
【図３】図１及び図２の構成におけるカソードガス温度のプロフィールを示す模式図である。
【図４】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図５】従来の燃料電池発電装置のリサイクルラインの模式図である。
【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
１０ 改質器
１１ 燃料予熱器
２０ 燃料電池
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 燃料電池セグメント
２２ 格納容器
２４ａ、２４ｂ アノードガスライン
２５ａ、２５ｂ カソードガスライン
２６ リサイクルライン
２７ａ、２７ｂ 空気補給ライン
２８ａ、２８ｂ 流量調節弁
２９ａ、２９ｂ 温度調節器
３０ 排ガス循環ライン
３２ 空気予熱器
３３ 凝縮器
３４ 気水分離器
３６ 高温リサイクルブロア
３８ 循環ブロア
４０ 動力回収装置
Ｒｅ 改質室
Ｃｏ 燃焼室
Ａ アノード側
Ｃ カソード側
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池発電装置の制御方法に係わり、更に詳しくは、負荷変化時における溶融炭酸塩型燃料電池の制御方法に関する。
【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４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とを一般的に備えており、改質器で作られたアノードガス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１０の燃焼室Ｃｏに供給される。燃料ガス１は燃料予熱器１１により予熱されて改質器の改質室Ｒｅに入る。改質器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）を燃焼室で燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し内部を流れる燃料ガスを改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は、排ガス循環ライン３０の空気予熱器３２で熱回収され、凝縮器３３と気水分離器３４で水分を除去され、タービン圧縮機（動力回収装置４０）で加圧された空気６が混入し、この混合ガスが空気予熱器３２で加熱されてカソードガス３に合流する。これにより、電池のアノード側で発生した二酸化炭素が、燃焼排ガス５を介して燃料電池用のカソードガス３に入り、燃料電池のカソード反応に必要な二酸化炭素をカソード側Ｃに供給する。カソードガス３は燃料電池内でその一部が反応してカソード排ガス７となり、その一部はカソード入口側に再循環され、一部は改質器１０の燃焼室Ｃｏに供給されてアノード排ガス４を燃焼させ、残りは動力回収装置４０に供給されて圧力回収され、系外に排出される。なお、２２は燃料電池の格納容器である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した燃料電池２０は、複数の単電池（セル）が積層されたものであり、各セルは、２枚の電極（アノードとカソード）と、その間に挟持された電解質板（タイル）から構成される。しかし、電解質板（タイル）は、セラミックの粉末板に電解質（高温で液体の溶融炭酸塩）を浸み込ませたものであり、例えば約７００℃以上になると電解質の蒸発が激しくなり、電解質が消耗して電池の寿命が短くなり、逆に約５５０℃以下になると電解質が凝固してタイルに亀裂が入り、燃料電池に大きなダメージを与える問題点があった。
【０００４】
このため、従来の燃料電池発電装置では、図５に模式的に示すように、カソード排ガス７の一部（例えば約６割）を高温リサイクルブロア３６でカソード入口側に再循環することにより、燃料電池２０の入口温度を約５８０℃、出口温度を約６８０℃に調節していたが、電池の寿命は依然として十分ではなく、更に長寿命化することが重要課題となっていた。
【０００５】
しかし、図５における再循環量を単に増すと、燃料電池２０の入口温度が下がり、電解質が凝固してタイルに亀裂が入るおそれがあった。
【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、カソードガスの燃料電池への入口温度を下げることなく、出口温度を更に下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる多段反応型燃料電池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、水素を含む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複数の独立した燃料電池ゼグメントと、該複数の燃料電池セグメントのアノードとカソードをそれぞれ直列に連結するアノードガスライン及びカソードガスラインと、最下流側の燃料電池セグメントを通過したカソードガスを最上流側のカソード入口側に再循環するリサイクルラインと、燃料電池セグメント間のカソードガスラインに低温空気を補給する空気補給ラインと、該空気補給ラインの空気流量を調節する流量調節弁と、該流量調節弁の弁開度を制御してカソードガスラインを流れるカソードガスの温度を制御する温度調節器と、を備え、前記複数の燃料電池セグメントは、単一の燃料電池内のセルを分割して構成されており、これにより、各燃料電池セグメントに流入するカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度に保持しつつ各燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度を低減する、ことを特徴とする多段反応型燃料電池が提供される。
【０００８】
本発明の好ましい実施例によれば、前記電解質が凝固しない温度は、約５８０℃であり、各燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度は約６３０℃である。
【０００９】
【作用】
上記本発明の構成によれば、複数の独立した燃料電池セグメントが、単一の燃料電池内のセルを分割して構成されているので、単一の格納容器内にこれを収納し、従来と同様のシンプルな構成にできる。また、複数の燃料電池セグメントのアノードとカソードが直列に連結されているので、同一容量の単一燃料電池と比較した場合に、入口温度を同一にすると、個別の燃料電池セグメントの容量（すなわち反応面積）が小さいため、最上流側の燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度は従来より低くなる。また、空気補給ラインにより燃料電池セグメント間に補給する低温空気により、次の燃料電池セグメントに流入するカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度まで下げることができ、その燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度も従来より低くできる。従って、この繰り返しにより、複数の燃料電池セグメントからなる多段反応型燃料電池においてカソードガスの各燃料電池セグメントへの入口温度を下げることなく、出口温度を十分下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる。
【００１０】
【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。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、本発明による多段反応型燃料電池の原理図である。この図において、本発明の多段反応型燃料電池は、水素を含むアノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから発電する複数（この図で３つ）の独立した燃料電池セグメント２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、該複数の燃料電池セグメント２０ａ、２０ｂ、２０ｃのアノードとカソードをそれぞれ直列に連結するアノードガスライン２４ａ、２４ｂ及びカソードガスライン２５ａ、２５ｂと、最下流側の燃料電池セグメント２０ｃを通過したカソードガス（カソード排ガス７）を最上流側のカソード入口側に再循環するリサイクルライン２６と、燃料電池セグメント間のカソードガスライン２５ａ、２５ｂに低温空気を補給する空気補給ライン２７ａ、２７ｂと、を備えている。また、リサイクルライン３には、高温リサイクルブロア３６が設けられ、空気補給ライン２７ａ、２７ｂにはそれぞれ流量調節弁２８ａ、２８ｂが設けられている。更に、カソードガスライン２５ａ、２５ｂには温度調節器２９ａ、２９ｂが設けられ、この温度調節器２９ａ、２９ｂにより流量調節弁２８ａ、２８ｂを制御して低温空気量を調節し、カソードガスライン２５ａ、２５ｂの温度を制御するようになっている。また、複数の燃料電池セグメント２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、全体で従来の単一燃料電池と同一の電極面積を有し、同一の発電容量を有している。その他の構成は、図４に示した従来の燃料電池発電装置と同様である。
【００１１】
図２は、図１の具体例である。この図に示すように、本発明において、複数の燃料電池セグメント２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、単一の燃料電池内のセルを分割して構成されている。その他の構成は図１と同様である。
【００１２】
図３は、図１及び図２の構成におけるカソードガス温度のプロフィールを示す模式図である。図１及び図２の多段反応型燃料電池において、リサイクルライン３に供給する冷却空気量を１００、再循環するカソードガス量を６０とすると、最上流側の燃料電池セグメント２０ａに流入するカソードガス量は１６０となる。これは、図５に示した従来の燃料電池発電装置と同一である。また、流入温度を従来と同じ約５８０℃とすると、個別の燃料電池セグメントの容量（すなわち反応面積）が小さいため、最上流側の燃料電池セグメント２０ａから流出するカソードガスの温度は従来より低く、例えば図１の例で電池容量（電極面積）が約１／３であるので、流出するカソードガスの温度は約６３０℃（従来は約６８０℃）となる。次いで、空気補給ライン２７ａから冷却空気を供給するすることにより、次の燃料電池セグメント２０ｂに流入するカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度（例えば約５８０℃）まで下げることができ、その燃料電池セグメント２０ｂから流出するカソードガスの温度も従来より低くできる。従って、この繰り返しにより、図３に示すように、複数の燃料電池セグメントからなる多段反応型燃料電池においてカソードガスの各燃料電池セグメントへの入口温度を下げることなく、出口温度を十分下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
【発明の効果】
上述したように、本発明の多段反応型燃料電池は、カソードガスの燃料電池への入口温度を下げることなく、出口温度を更に下げることができ、これにより、電解質の蒸発を低減し電解質の消耗を抑制することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多段反応型燃料電池の原理図である。
【図２】図１の具体例である。
【図３】図１及び図２の構成におけるカソードガス温度のプロフィールを示す模式図である。
【図４】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図５】従来の燃料電池発電装置のリサイクルラインの模式図である。
【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
１０ 改質器
１１ 燃料予熱器
２０ 燃料電池
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 燃料電池セグメント
２２ 格納容器
２４ａ、２４ｂ アノードガスライン
２５ａ、２５ｂ カソードガスライン
２６ リサイクルライン
２７ａ、２７ｂ 空気補給ライン
２８ａ、２８ｂ 流量調節弁
２９ａ、２９ｂ 温度調節器
３０ 排ガス循環ライン
３２ 空気予熱器
３３ 凝縮器
３４ 気水分離器
３６ 高温リサイクルブロア
３８ 循環ブロア
４０ 動力回収装置
Ｒｅ 改質室
Ｃｏ 燃焼室
Ａ アノード側
Ｃ カソード側
Claims (2)
- 水素を含む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複数の独立した燃料電池ゼグメントと、該複数の燃料電池セグメントのアノードとカソードをそれぞれ直列に連結するアノードガスライン及びカソードガスラインと、最下流側の燃料電池セグメントを通過したカソードガスを最上流側のカソード入口側に再循環するリサイクルラインと、燃料電池セグメント間のカソードガスラインに低温空気を補給する空気補給ラインと、該空気補給ラインの空気流量を調節する流量調節弁と、該流量調節弁の弁開度を制御してカソードガスラインを流れるカソードガスの温度を制御する温度調節器と、を備え、前記複数の燃料電池セグメントは、単一の燃料電池内のセルを分割して構成されており、これにより、各燃料電池セグメントに流入するカソードガスの温度を電解質が凝固しない温度に保持しつつ各燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度を低減する、ことを特徴とする多段反応型燃料電池。
- 前記電解質が凝固しない温度は、約５８０℃であり、各燃料電池セグメントから流出するカソードガスの温度は約６３０℃である、ことを特徴とする請求項１に記載の多段反応型燃料電池。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2534138A (en) * | 2015-01-12 | 2016-07-20 | Intelligent Energy Ltd | Exhaust processing unit |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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