JP3671406B2

JP3671406B2 - Fuel cell power generator

Info

Publication number: JP3671406B2
Application number: JP15311895A
Authority: JP
Inventors: 一斉藤
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1995-06-20
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: JPH097619A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置に係わり、特に構成を単純にし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、高効率で環境への影響が少ないなど、従来の発電装置に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、現在鋭意研究が進められている。
【０００３】
図５は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の一例を示す図である。同図において、発電設備は、天然ガス８と蒸気９と混合した原料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０と、酸素を含むカソードガス３と水素を含むアノードガス２とから発電する燃料電池２０とを備えており、改質器１０で作られるアノードガス２は燃料電池２０に供給され、燃料電池２０の中でその大部分を消費してアノード排ガス４となり、燃料ガスとして改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給される。
【０００４】
改質器１０ではアノード排ガス４（燃料ガス）中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）を燃焼室Ｃｏで燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し、改質室Ｒｅで改質触媒により原料ガス１を改質してアノードガス２（改質ガス）とする。アノードガス２は燃料予熱器１１によって原料ガス１と熱交換し、冷却した後燃料電池２０のアノードＡに供給される。また燃焼室Ｃｏを出た燃焼排ガス５は空気予熱器３２で冷却され、凝縮器３３および気水分離器３４により水分が除去され、低温ブロワ３５により加圧され、空気６と混合し、空気予熱器３２により加熱され、循環ライン１４に入りカソードガス３となる。このカソードガス３は燃料電池２０内で一部が反応して高温のカソード排ガス７となり、その一部は改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給され酸素を供給し、他の一部は空気を圧縮するタービン圧縮機３６で動力を回収した後、さらに排熱回収蒸気発生装置３９で熱エネルギを回収して系外に排出される。なお、排熱回収蒸気発生装置３９では気水分離器３４で分離した水分より蒸気を発生し、この蒸気９が天然ガス８と混合されて原料ガス１となり、改質器１０に送られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池発電装置の効率を向上させ、構成を単純化し、コンパクトにすることは常に求められている。従来、改質器１０で使用する蒸気９を得るため改質器１０の燃焼排ガス５を凝縮器３３および気水分離器３４を通して水分を分離し排熱回収蒸気発生装置３９により蒸気９を発生させていた。この凝縮器３３と気水分離器３４によるヒートロスは大きく、発電装置の総熱量の約２５％を占めており、送電端出力の高効率化を妨げる大きな要因となっていた。また凝縮器３３と気水分離器３４を含むラインは低温とする必要があり、これらの機器３３、３４の他に低温ブロワ３５などが必要となっていた。また改質器１０に供給する原料ガス１を加熱する燃料予熱器１１が設けられているが、両機器１０、１１は独立した構造となっているため、改質器１０で発生する熱を十分燃料予熱器１１で利用できず、配置的にも多くのスペースを要しコンパクト化が求められていた。
【０００６】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたもので、燃料電池発電装置の効率を向上させ、構成機器の数を減らし、コンパクトにすることを目的とする。このため凝縮器と気水分離器を削除し、装置外部より蒸気発生用の水分を供給することにより装置全体のヒートロスを減少させ、あわせて構成機器を少なくすることを目的とする。また、改質器と燃料予熱器を一体化することにより熱効率を向上させ、あわせて装置をコンパクト化することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスとから発電する燃料電池と、燃料電池のアノード排ガスをカソード排ガスの一部で燃焼し、その熱で蒸気を含む原料ガスをアノードガスに改質する改質器と、この改質器の燃焼排ガスを凝縮器と気水分離器を通さずにそのまま全量加圧空気と混合してカソードガスとし燃料電池に供給する排ガス供給ラインと、燃料電池の前記カソード排ガスの一部によりタービン圧縮機を駆動して前記排ガス供給ラインに加圧空気を供給する空気供給ラインと、前記タービン圧縮機の排出ガスにより装置外部より供給される水分を加熱して蒸気を発生し前記改質器に供給する蒸気ラインとを備え、前記改質器は、発生直後のアノードガスと供給される蒸気を含む改質前の原料ガスとの間で熱交換を行わせることにより、該原料ガスを予熱する機能を有しているものである。
【００１０】
【作用】
請求項１の発明では、装置外部より供給される水分を蒸気ラインで加熱して蒸気を発生し改質器に供給する。燃焼排ガスから凝縮器と気水分離器により水分を分離しないので、この水分分離によるヒートロスを防止できる。また従来凝縮器と気水分離器を設けた低温のラインに低温ブロワを設け、カソードガスを循環する循環ラインに高温ブロワを設けていたが、凝縮器と気水分離器が不要となったので低温のラインも不要となり低温ブロワも不要となる。これにより燃料発電装置の効率が向上し、構成機器が従来より減少して、コンパクトな装置となる。
【００１１】
また、改質器は燃料予熱器の機能を備えているので、燃料予熱器と一体化された構造となり、従来の改質器と燃料予熱器が別個のときより熱効率が向上しコンパクトな構造となる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１は実施例の燃料電池発電装置の全体構成図である。本図において図５と同一機能を有するものは同一符号で表す。燃料電池発電装置は、蒸気を含む原料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０Ａと、アノードガス２と酸素および炭酸ガス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、燃料電池２０から排出されるアノード排ガス４は、改質器１０Ａの燃焼室Ｃｏに供給され、カソード排ガス７の一部と共に燃焼し、その燃焼排ガス５が排ガス供給ライン２４を経て燃料電池２０のカソードＣへ炭酸ガスと酸素を含むカソードガス３として供給される。
【００１４】
天然ガス８は後述する排熱回収蒸気発生器３９からの蒸気９と混合されて原料ガス１となり、改質器１０Ａに供給される。改質器１０Ａは、燃料電池２０から排出されたアノード排ガス４（燃料ガス）とカソード排ガス７を燃焼する燃焼室Ｃｏと、燃焼室Ｃｏからの伝熱により原料ガス１を改質しアノードガス２（改質ガス）を発生する改質室Ｒｅとからなる。改質器１０Ａは従来の改質器１０と燃料予熱器１１を一体にしたものであり詳細は後述する。
【００１５】
改質器１０Ａの燃焼室Ｃｏには燃料電池２０のアノード排ガス４とカソード排ガス７が供給される。燃料電池の燃料利用率は８０％程度なので、アノード排ガス４には２０％程度の燃料成分が含まれている。カソード排ガス７には燃焼に必要な空気（酸素）が含まれている。燃焼室Ｃｏからの燃焼排ガス５には炭酸ガスが含まれ、これはカソードＣでの電池反応に必要なので、排ガス供給ライン２４をへてカソードＣへ供給される。
【００１６】
カソード排ガス７の一部はタービン圧縮機３６のタービンを駆動した後、排熱回収蒸気発生装置３９へ供給される。排熱回収蒸気発生装置３９は発電装置の外部より供給された水分を用いてタービン圧縮機３６のタービンを駆動したカソード排ガス７で蒸気９を発生する蒸気ライン４１を構成し、改質器１０Ａに供給する。また、タービン圧縮機３６で圧縮された空気６は、後述する空気予熱器２５で加熱され燃焼排ガス５と合流する。タービン圧縮機３６と空気予熱器２５までのラインは空気供給ライン４０を構成する。タービン圧縮機３６には電動ブロワ３８を有するバックアップライン３７が設けられており、タービン圧縮機３６の容量が不足したときバックアップに使用される。
【００１７】
改質器１０Ａの燃焼室Ｃｏからは燃焼排ガス５が排ガス供給ライン２４に排出される。排ガス供給ライン２４には空気予熱器２５が設けられ、燃焼排ガス５と空気６の熱交換を行い、空気６を例えば２５℃から６００℃に昇温し、燃焼排ガス５を例えば７７０℃から５６０℃に冷却する。冷却された燃焼排ガス５は炭酸ガスリサイクルブロワ２６により加圧され加熱された空気６と混合しカソードガス３となり、カソードＣの入口温度の例えば５８０℃となってカソードＣに供給される。炭酸ガスリサイクルブロワ２６は従来の高温ブロワ２３と低温ブロワ３５に代る働きをし、燃焼室Ｃｏで発生した炭酸ガスを含む燃焼排ガス５をカソードＣに供給する。なお、カソードＣ入口付近には起動用加熱器２７が設けられ、燃料電池２０の起動時カソードガス３を例えば５８０℃に加熱する。起動用加熱器２７に用いた加熱用の蒸気はカソード排ガス７と合流してタービン圧縮機３６に供給される。
【００１８】
図１に示す本実施例を図５に示す従来例と比較すると、図５に示す凝縮器３３と気水分離器３４が廃止され、かつこれらの機器のヒートロスがなくなることにより発電効率が向上する。また低温ブロワ３５と高温ブロワ２３は炭酸ガスリサイクルブロワ２６に統合される。また燃料予熱器１１と改質器１０は一体化され改質器１０Ａとなり熱効率が向上し、コンパクト化されている。いずれの場合も機器の数が減少し単純化されている。
【００１９】
次に一体化され改質器１０Ａの一例を説明する。なお、以降の説明において、燃料ガス４はアノード排ガス４、改質ガス２はアノードガス２である。
図２は、改質器１０Ａの平面図（Ａ）とそのＡ−Ａ線における側面断面図（Ｂ）である。この図に示すように、本実施例の改質器１０Ａは、複数の燃焼室Ｃｏと改質室Ｒｅが交互に伝熱隔壁１１３を隔てて積層された矩形平板状のプレート型改質器であり、各燃焼室Ｃｏは、単一の分散室１１４とこれを挟んで位置する一対の燃焼触媒室１１５とからなる。また、改質室Ｒｅは、単一の予熱室１１１とこれを挟んで位置する一対の改質触媒室１１２とからなる。
【００２０】
また、図２に示すように、改質器１０Ａは、矩形面の全体が、４辺のうちの１辺に接する矩形領域Ａと、この辺に対向する１辺に接する矩形領域Ｂと、領域Ａ，Ｂ間に位置しそれぞれ別の辺に接する矩形領域Ｃ，Ｄに区分され、更に、領域Ｂは、領域Ｃに接する矩形領域Ｂ₁と、領域Ｄに接する矩形領域Ｂ₂に区分され、領域Ｄは、領域Ａに接する矩形領域Ｄ₁、領域Ｂに接する矩形領域Ｄ₃、及び領域Ｄ₁とＤ₃の間の矩形領域Ｄ₂に区分される。
【００２１】
領域Ａの対向する外面には、領域Ｄ側に原料ガスマニホールド１１６ａ、領域Ｃ側に改質ガスマニホールド１１６ｅがそれぞれ外壁を貫通する開口１１９を介して連通して設けられ、領域Ｄ₁の外面には空気マニホールド１１６ｃ、領域Ｃの領域Ｄ₁に対向する外面には排ガスマニホールド１１６ｂがそれぞれ外壁を貫通する開口を介して連通して設けられている。
【００２２】
更に、領域Ｄ₂，Ｄ₃，Ｂ₂の共通する外面には、燃料予熱チャンバー１２０が領域Ｄ₂の外壁を貫通する開口を介して連通して設けられ、この燃料予熱チャンバー１２０には燃料ガスマニホールド１１６ｄが連通している。また、領域Ｃ，Ｄ間には全体に共通隔壁１２１が設けられ、この間のガスの流通を防止している。
【００２３】
図３（Ａ）は、燃焼室Ｃｏを構成する分散室１１４の平面図である。この図に示すように、各分散室１１４は、領域Ａ，Ｃ間及び領域Ｄ₁，Ｄ₂間に気密仕切板１１４ｂ，１１４ａが設けられ、かつ領域Ｄ₂の燃焼触媒室１１５との隔壁１１７に複数の燃料噴射穴１１７ａが設けられている。かかる構成により、燃料ガスマニホールド１１６ｄから燃料予熱チャンバー１２０を介して分散室１１４の領域Ｄに入った燃料ガス４を、燃料噴射穴１１７ａを通して燃焼触媒室１１５の領域Ｄ₂に噴射することができる。
【００２４】
また、図３（Ａ）に示すように、領域Ｃの分散室１１４と燃焼触媒室１１５の間の隔壁１１７の領域Ｄ₁に対向する部分に、燃料噴射穴１１７ａよりも小さい燃料排出穴１１７ｂが設けられている。この構成により、燃料排出穴１１７ｂを通して少量の燃料ガス４を隣接する燃焼触媒室１１５に導くことができ、運転中の燃料ガス４の滞留と、プラント停止時のガスパージ時間を短縮することができる。
【００２５】
図３（Ｂ）は、燃焼室Ｃｏを構成する燃焼触媒室１１５の平面図である。この図に示すように、各燃焼触媒室１１５には、領域Ａ，Ｃ間及び領域Ａ，Ｄ₁間に気密仕切板１１５ａ，１１５ｂ、領域Ｄ₁，Ｄ₂間に貫通穴を有する連通仕切板１１５ｃが設けられ、かつ領域Ｂ，Ｃ，Ｄ₂，Ｄ₃には燃焼触媒１２５が充填されている。かかる構成により、空気マニホールド１１６ｃから領域Ｄ₁に入った空気（カソード排ガス７中の空気）を領域Ｄ，Ｂ，Ｃの順で流し、排ガスマニホールド１１６ｂから排気することができる。また、前述のように領域Ｄ₂には、燃料噴射穴１１７ａを通して分散室１１４から燃料ガス４が流入して空気と混合し、燃焼触媒１２５の作用で領域Ｄ，Ｂ，Ｃで燃料ガス４が燃焼し、その熱を隣接する改質室Ｒｅに伝熱することができる。
【００２６】
図４（Ａ）は改質室Ｒｅを構成する予熱室１１１の平面図である。この図に示すように、各予熱室１１１は、領域Ａ，Ｄ₁間及び領域Ｂ₁，Ｂ₂間に気密仕切板１１１ａ，１１１ｂが設けられ、かつ領域Ｂ₁の改質触媒室１１２との隔壁１１８に複数の原料ガス噴射穴１１８ａが設けられている。かかる構成により、原料ガスマニホールド１１６ａから領域Ａに入った原料ガス１を、領域Ａ，Ｃ，Ｂ₁の順で流し、原料ガス噴射穴１１８ａを通して隣接する改質触媒室１１２に噴射させることができる。
【００２７】
図４（Ｂ）は、改質室Ｒｅを構成する改質触媒室１１２の平面図である。この図に示すように、各改質触媒室１１２は、領域Ａ，Ｃ間及び領域Ｃ，Ｂ₁間に気密仕切板１１２ａ，１１２ｂが設けられ、かつ領域Ｄ₁，Ｄ₂間及び領域Ｄ₃，Ｂ₂間に連通仕切板１１２ｃ，１１２ｄが設けられている。また、領域Ｄ₂及びＤ₃には改質触媒１２４が充填されている。かかる構成により、原料ガス噴射穴１１８ａを通して領域Ｂ₁に流入した原料ガス１を、領域Ｂ₁，Ｂ₂，Ｄ，Ａの順に流し、改質ガスマニホールド１１６ｅを介して外部に供給することができる。原料ガス１は、領域Ｄ₂及びＤ₃に充填された改質触媒１２４の作用で改質されて改質ガス４となる。
【００２８】
上述した構成によれば、原料ガス１は、予熱室１１１の領域Ａ，Ｃ，Ｂ₁を通って改質触媒室１１２の領域Ｂ₁に入り、領域Ｂ₂，Ｄ₃，Ｄ₂，Ｄ₁，Ａを通って外部に供給され、これにより、改質触媒１２４の充填された領域Ｄ₃，Ｄ₂で改質された改質ガス４と原料ガス１が領域Ａで熱交換され、改質ガス４により原料ガス１を予熱することができる。更に、原料ガス１は領域Ｃ，Ｂ₁，Ｂ₂でも、燃焼室Ｃｏから加熱される。従って、従来の予熱器以上に原料ガス１を改質前に予熱することができる。
【００２９】
更に、改質触媒１２４は領域Ｄ₂，Ｄ₃に充填されており、この領域は領域Ｃと燃料予熱チャンバー１２０の間に挟まれているので、改質領域の側壁が大気に接しておらず、側壁からの放熱を低減して、低温域を縮小することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は装置外部より供給される水分を蒸気ラインで加熱して蒸気を発生することにより、従来のように燃焼排ガスから凝縮器と気水分離器により水分を分離しないので、この水分分離によるヒートロスを防止できる。これにより凝縮器と気水分離器が不要となったので低温ブロワも不要となる。この結果燃料発電装置の効率が向上し、構成機器が従来より減少して、コンパクトな装置となる。また、改質器は燃料予熱器の機能を備えているので、燃料予熱器と一体化された構造となり、従来の改質器と燃料予熱器が別個のときより熱効率が向上し、機器数が減少しコンパクトな構造となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図２】実施例の改質器の平面図（Ａ）とそのＡ−Ａ線における側面断面図（Ｂ）である。
【図３】実施例の改質器の分散室と燃焼触媒室の平面図である。
【図４】実施例の改質器の予熱室と改質触媒室の平面図である。
【図５】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１原料ガス
２アノードガスまたは改質ガス
３カソードガス
４アノード排ガスまたは燃料ガス
５燃焼排ガス
６空気
７カソード排ガス
８天然ガス
９蒸気
１０Ａ改質器
２０燃料電池
２４排ガス供給ライン
２５空気予熱器
２６炭酸ガスリサイクルブロワ
２７起動用加熱器
３６タービン圧縮機
３７バックアップライン
３８電動ブロワ
３９排熱回収蒸気発生器
４０空気供給ライン
４１蒸気ライン
１１１予熱室
１１１ａ，１１１ｂ気密仕切板
１１２改質触媒室
１１２ａ，１１２ｂ気密仕切板
１１２ｃ，１１２ｄ連通仕切板
１１３伝熱隔壁
１１４分散室
１１４ａ，１１４ｂ気密仕切板
１１５燃焼触媒室
１１５ａ，１１５ｂ気密仕切板
１１５ｃ連通仕切板
１１６ａ〜１１６ｅマニホールド
１１７ａ，１１７ｂ穴
１１８ａ，１１８ｂ穴
１１９開口
１２０燃料予熱チャンバー
１２１共通隔壁
１２４改質触媒
１２５燃焼触媒
Ａアノード
Ｃカソード
Ｃｏ燃焼室
Ｒｅ改質室[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a molten carbonate fuel cell power generator, and more particularly to a fuel cell power generator having a simplified configuration.
[0002]
[Prior art]
Molten carbonate fuel cells have features that are not found in conventional power generators, such as high efficiency and little impact on the environment, and are attracting attention as a power generation system following hydropower, thermal power, and nuclear power. It is being advanced.
[0003]
FIG. 5 is a diagram showing an example of power generation equipment using a molten carbonate fuel cell using natural gas as fuel. In the figure, a power generation facility includes a reformer 10 for reforming a raw material gas 1 mixed with natural gas 8 and steam 9 into an anode gas 2 containing hydrogen, a cathode gas 3 containing oxygen, and an anode gas 2 containing hydrogen. The anode gas 2 produced by the reformer 10 is supplied to the fuel cell 20 and consumes most of the fuel cell 20 to become the anode exhaust gas 4. The gas is supplied to the combustion chamber Co of the reformer 10 as a gas.
[0004]
In the reformer 10, combustible components (hydrogen, carbon monoxide, methane, etc.) in the anode exhaust gas 4 (fuel gas) are combusted in the combustion chamber Co to generate high-temperature combustion gas, and the reforming chamber Re And the raw material gas 1 is reformed by the reforming catalyst in the reforming chamber Re to obtain an anode gas 2 (reformed gas). The anode gas 2 is heat-exchanged with the raw material gas 1 by the fuel preheater 11, cooled, and supplied to the anode A of the fuel cell 20. The flue gas 5 exiting the combustion chamber Co is cooled by an air preheater 32, moisture is removed by a condenser 33 and a steam / water separator 34, pressurized by a low temperature blower 35, mixed with air 6, and air preheated. Heated by the vessel 32, enters the circulation line 14 and becomes the cathode gas 3. A part of the cathode gas 3 reacts in the fuel cell 20 to become high-temperature cathode exhaust gas 7, a part of which is supplied to the combustion chamber Co of the reformer 10 to supply oxygen, and the other part is air. After the power is recovered by the turbine compressor 36 to be compressed, the heat energy is further recovered by the exhaust heat recovery steam generator 39 and discharged outside the system. The exhaust heat recovery steam generator 39 generates steam from the water separated by the steam separator 34, and the steam 9 is mixed with the natural gas 8 to become the raw material gas 1 and sent to the reformer 10.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
There is always a need to improve the efficiency of fuel cell power generators, simplify the configuration, and make them compact. Conventionally, in order to obtain the steam 9 used in the reformer 10, moisture is separated from the flue gas 5 of the reformer 10 through the condenser 33 and the steam separator 34, and the steam 9 is generated by the exhaust heat recovery steam generator 39. It was. The heat loss due to the condenser 33 and the steam / water separator 34 is large and accounts for about 25% of the total heat quantity of the power generation apparatus, which is a major factor that hinders the high efficiency of the power transmission end output. Further, the line including the condenser 33 and the steam separator 34 needs to be at a low temperature, and in addition to these devices 33 and 34, a low-temperature blower 35 and the like are necessary. Further, a fuel preheater 11 for heating the raw material gas 1 supplied to the reformer 10 is provided, but since both the devices 10 and 11 have independent structures, the heat generated in the reformer 10 is sufficiently generated. The fuel preheater 11 cannot be used, and requires a lot of space in terms of arrangement, so that compactness is required.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to improve the efficiency of a fuel cell power generation device, reduce the number of constituent devices, and make the device compact. For this reason, it aims at reducing the heat loss of the whole apparatus by supplying the water | moisture content for a vapor | steam generation | occurrence | production from the outside of an apparatus, and also reducing a component apparatus in addition, eliminating a condenser and a steam-water separator. Another object of the present invention is to improve the thermal efficiency by integrating the reformer and the fuel preheater, and to make the apparatus compact.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell that generates electricity from a cathode gas containing oxygen and an anode gas containing hydrogen, and the anode exhaust gas of the fuel cell are combusted in part of the cathode exhaust gas, A reformer that reforms the raw material gas containing steam into anode gas, and the combustion exhaust gas of this reformer is mixed with the entire amount of pressurized air as it is without passing through the condenser and the steam separator, and used as the cathode gas. and exhaust gas supply line for supplying a battery, an air supply line to drive the turbine compressor for supplying pressurized air to the exhaust gas supply line by a portion of the cathode exhaust gas of the fuel cell, the exhaust gas of the turbine compressor and heating the water supplied from the outside of the apparatus to generate steam and a steam line for supplying to the reformer, the reformer, the steam supplied to the anode gas immediately after the occurrence By causing the heat exchange between the non-reformed before the raw material gas, those having a function to preheat the raw material gas.
[0010]
[Action]
In the first aspect of the invention, moisture supplied from the outside of the apparatus is heated by a steam line to generate steam, which is supplied to the reformer. Since water is not separated from the combustion exhaust gas by the condenser and the steam separator, heat loss due to this water separation can be prevented. Conventionally, a low-temperature blower is installed in the low-temperature line with the condenser and steam separator, and a high-temperature blower is installed in the circulation line for circulating the cathode gas, but the condenser and steam separator are no longer needed. A low-temperature line is also unnecessary, and a low-temperature blower is also unnecessary. As a result, the efficiency of the fuel power generation device is improved, and the number of components is reduced from the conventional one, resulting in a compact device.
[0011]
In addition, since the reformer has the function of a fuel preheater , the reformer has a structure integrated with the fuel preheater, and has a more compact structure with improved thermal efficiency than when the conventional reformer and fuel preheater are separated. Become.
[0013]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell power generator according to an embodiment. In this figure, components having the same functions as those in FIG. The fuel cell power generator includes a reformer 10A that reforms a raw material gas 1 containing steam into an anode gas 2 containing hydrogen, and a fuel cell 20 that generates electricity from the anode gas 2 and a cathode gas 3 containing oxygen and carbon dioxide. The anode exhaust gas 4 discharged from the fuel cell 20 is supplied to the combustion chamber Co of the reformer 10A, combusted together with a part of the cathode exhaust gas 7, and the combustion exhaust gas 5 passes through the exhaust gas supply line 24 to the fuel cell. A cathode gas 3 containing carbon dioxide and oxygen is supplied to 20 cathodes C.
[0014]
The natural gas 8 is mixed with the steam 9 from the exhaust heat recovery steam generator 39, which will be described later, to become the raw material gas 1, and is supplied to the reformer 10A. The reformer 10A reforms the source gas 1 by the heat transfer from the combustion chamber Co, the combustion chamber Co that burns the anode exhaust gas 4 (fuel gas) and the cathode exhaust gas 7 discharged from the fuel cell 20, and the anode gas 2 And a reforming chamber Re for generating (reforming gas). The reformer 10A is a unit in which the conventional reformer 10 and the fuel preheater 11 are integrated, and details will be described later.
[0015]
The anode exhaust gas 4 and the cathode exhaust gas 7 of the fuel cell 20 are supplied to the combustion chamber Co of the reformer 10A. Since the fuel utilization rate of the fuel cell is about 80%, the anode exhaust gas 4 contains about 20% of fuel components. The cathode exhaust gas 7 contains air (oxygen) necessary for combustion. The combustion exhaust gas 5 from the combustion chamber Co contains carbon dioxide gas, which is necessary for the cell reaction at the cathode C, and is supplied to the cathode C through the exhaust gas supply line 24.
[0016]
A part of the cathode exhaust gas 7 is supplied to the exhaust heat recovery steam generator 39 after driving the turbine of the turbine compressor 36. The exhaust heat recovery steam generator 39 constitutes a steam line 41 that generates steam 9 with the cathode exhaust gas 7 that has driven the turbine of the turbine compressor 36 using moisture supplied from the outside of the power generator, and is supplied to the reformer 10A. Supply. Further, the air 6 compressed by the turbine compressor 36 is heated by an air preheater 25 described later and merges with the combustion exhaust gas 5. The line from the turbine compressor 36 to the air preheater 25 constitutes an air supply line 40. The turbine compressor 36 is provided with a backup line 37 having an electric blower 38, and is used for backup when the capacity of the turbine compressor 36 is insufficient.
[0017]
The combustion exhaust gas 5 is discharged to the exhaust gas supply line 24 from the combustion chamber Co of the reformer 10A. The exhaust gas supply line 24 is provided with an air preheater 25 for exchanging heat between the combustion exhaust gas 5 and the air 6 to raise the temperature of the air 6 from, for example, 25 ° C. to 600 ° C. Cool down. The cooled combustion exhaust gas 5 is mixed with the air 6 pressurized and heated by the carbon dioxide recycle blower 26 to become the cathode gas 3, and is supplied to the cathode C at an inlet temperature of the cathode C of, for example, 580 ° C. The carbon dioxide gas recycle blower 26 functions in place of the conventional high temperature blower 23 and the low temperature blower 35, and supplies the combustion exhaust gas 5 containing carbon dioxide gas generated in the combustion chamber Co to the cathode C. An activation heater 27 is provided near the cathode C inlet, and the cathode gas 3 is heated to, for example, 580 ° C. when the fuel cell 20 is activated. The heating steam used in the starter heater 27 joins the cathode exhaust gas 7 and is supplied to the turbine compressor 36.
[0018]
1 is compared with the conventional example shown in FIG. 5, the condenser 33 and the steam separator 34 shown in FIG. 5 are eliminated, and the heat loss of these devices is eliminated, thereby improving the power generation efficiency. . The low temperature blower 35 and the high temperature blower 23 are integrated into the carbon dioxide gas recycle blower 26. In addition, the fuel preheater 11 and the reformer 10 are integrated into a reformer 10A, which has improved thermal efficiency and is made compact. In either case, the number of devices is reduced and simplified.
[0019]
Next, an example of the integrated reformer 10A will be described. In the following description, the fuel gas 4 is the anode exhaust gas 4, and the reformed gas 2 is the anode gas 2.
FIG. 2 is a plan view (A) of the reformer 10A and a side cross-sectional view (B) taken along the line AA. As shown in this figure, the reformer 10A of this embodiment is a rectangular flat plate type reformer in which a plurality of combustion chambers Co and reforming chambers Re are alternately stacked with a heat transfer partition wall 113 interposed therebetween. Each combustion chamber Co includes a single dispersion chamber 114 and a pair of combustion catalyst chambers 115 positioned therebetween. The reforming chamber Re is composed of a single preheating chamber 111 and a pair of reforming catalyst chambers 112 positioned therebetween.
[0020]
As shown in FIG. 2, the reformer 10A includes a rectangular area A in which the entire rectangular surface is in contact with one of the four sides, a rectangular area B in contact with one side facing the side, and a region A. , B and is divided into rectangular areas C and D that are in contact with different sides, and area B is further divided into a rectangular area B _{1 that} is in contact with area C and a rectangular area B ₂ that is in contact with area D. D is divided into a rectangular area D ₁ in contact with the area A, a rectangular area D ₃ in contact with the area B, and a rectangular area D ₂ between the areas D ₁ and D ₃ .
[0021]
The outer surface facing region A, the raw material gas manifold 116a in the area D side, the reformed gas manifold 116e in the area C side are provided in communication through an opening 119 extending through the outer wall, respectively, the outer surface of the region D ₁ air manifold 116c is on the outer surface facing the region D ₁ of the area C is provided in communication through an opening exhaust gas manifold 116b penetrate the outer wall, respectively.
[0022]
Further, a fuel preheating chamber 120 is provided on the outer surface common to the regions D ₂ , D ₃ , and B ₂ through an opening penetrating the outer wall of the region D ₂ , and the fuel preheating chamber 120 includes a fuel gas. A manifold 116d communicates. Further, a common partition wall 121 is provided between the regions C and D as a whole to prevent gas from flowing between them.
[0023]
FIG. 3A is a plan view of the dispersion chamber 114 constituting the combustion chamber Co. FIG. As shown in this figure, the dispersion chamber 114, the area A, C and between regions D _1, D airtight partition plate 114b between _2, 114a are provided, and the partition wall 117 of the combustion catalyst chamber 115 in the region D ₂ A plurality of fuel injection holes 117a are provided. With this configuration, the fuel gas 4 enters a region D of the dispersion chamber 114 from the fuel gas manifold 116d through fuel preheating chamber 120 can be injected into region D ₂ of the combustion catalyst chamber 115 through the fuel injection hole 117a.
[0024]
Further, as shown in FIG. 3 (A), in a portion opposed to the region D ₁ of the partition wall 117 between the dispersion chamber 114 and the combustion catalyst chamber 115 in the region C, and a small fuel discharge holes 117b than the fuel injection hole 117a Is provided. With this configuration, a small amount of the fuel gas 4 can be guided to the adjacent combustion catalyst chamber 115 through the fuel discharge hole 117b, and the retention of the fuel gas 4 during operation and the gas purge time when the plant is stopped can be shortened.
[0025]
FIG. 3B is a plan view of the combustion catalyst chamber 115 constituting the combustion chamber Co. As shown in this figure, in each combustion catalyst chamber 115, a communication partition plate having airtight partition plates 115 a and 115 _b between regions A and C and between regions A and D ₁ and a through hole between regions D ₁ and D _2. 115c is provided, and regions B, C, D ₂ and D ₃ are filled with a combustion catalyst 125. With this configuration, flow air entering from the air manifold 116c to a region D ₁ (air in the cathode exhaust gas 7) regions D, B, in the order and C, can be exhausted from the exhaust gas manifold 116 b. In the region D ₂ as described above, flows into the fuel gas 4 from the dispersion chamber 114 through the fuel injection hole 117a is mixed with air, the region D by the action of the combustion catalyst 125, B, the fuel gas 4 at C It can burn and transfer its heat to the adjacent reforming chamber Re.
[0026]
FIG. 4A is a plan view of the preheating chamber 111 constituting the reforming chamber Re. As shown in this figure, the preheating chamber 111, the area A, D ₁ and between regions B _1, B ₂ airtight partition plate 111a between, 111b are provided, and the area B ₁ of the reforming catalyst chamber 112 The partition wall 118 is provided with a plurality of source gas injection holes 118a. With this configuration, the raw material gas 1 enters a region A from the feed gas manifold 116a, the area A, flow C, and the order of B _1, it can be injected into the reforming catalyst chamber 112 adjacent through source gas injection holes 118a .
[0027]
FIG. 4B is a plan view of the reforming catalyst chamber 112 constituting the reforming chamber Re. As shown in this figure, the reforming catalyst chamber 112, the area A, C and between regions C, airtight partition plates 112a, 112b is provided between B _1, and region D _1, D ₂ and between the regions D ₃ , B ₂ are provided with communication partition plates 112c and 112d. Further, the reforming catalyst 124 is filled in the regions D ₂ and D ₃ . With this configuration, the raw material gas 1 that has flowed into the region B ₁ through the raw material gas injection hole 118a can be flowed in the order of the regions B ₁ , B ₂ , D, and A and supplied to the outside through the reformed gas manifold 116e. . The source gas 1 is reformed by the action of the reforming catalyst 124 filled in the regions D ₂ and D ₃ to become the reformed gas 4.
[0028]
According to the above-described configuration, the raw material gas 1, region A of the preheating chamber 111, C, enters the area B ₁ of the reforming catalyst chamber 112 through the B _1, region _{_{_{B 2, D 3, D 2}}} , D 1 , A is supplied to the outside through this, whereby the reformed gas 4 and the raw material gas 1 reformed in the regions D ₃ and D ₂ filled with the reforming catalyst 124 are heat-exchanged in the region A, and reformed. The source gas 1 can be preheated by the gas 4. Furthermore, the source gas 1 is also heated from the combustion chamber Co in the regions C, B ₁ and B ₂ . Therefore, the raw material gas 1 can be preheated before reforming more than the conventional preheater.
[0029]
Further, the reforming catalyst 124 is filled in the regions D ₂ and D ₃ , and this region is sandwiched between the region C and the fuel preheating chamber 120, so that the side wall of the reforming region is not in contact with the atmosphere. The heat radiation from the side wall can be reduced and the low temperature region can be reduced.
[0030]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention heats moisture supplied from the outside of the apparatus with a steam line to generate steam, so that moisture is removed from the combustion exhaust gas by a condenser and a steam separator as in the prior art. Since it is not separated, heat loss due to this moisture separation can be prevented. This eliminates the need for a condenser and a steam / water separator, thus eliminating the need for a low-temperature blower. As a result, the efficiency of the fuel power generation apparatus is improved, and the number of components is reduced from the conventional one, resulting in a compact apparatus. In addition, since the reformer has the function of a fuel preheater, the reformer has a structure integrated with the fuel preheater, so that the thermal efficiency is improved and the number of devices is improved as compared with the case where the conventional reformer and the fuel preheater are separated. Reduced and compact structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell power generator according to an embodiment.
FIG. 2 is a plan view (A) of the reformer of the embodiment and a side sectional view (B) taken along the line AA.
FIG. 3 is a plan view of a dispersion chamber and a combustion catalyst chamber of the reformer of the embodiment.
FIG. 4 is a plan view of a preheating chamber and a reforming catalyst chamber of the reformer according to the embodiment.
FIG. 5 is an overall configuration diagram of a conventional fuel cell power generator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Source gas 2 Anode gas or reformed gas 3 Cathode gas 4 Anode exhaust gas or fuel gas 5 Combustion exhaust gas 6 Air 7 Cathode exhaust gas 8 Natural gas 9 Steam 10A reformer 20 Fuel cell 24 Exhaust gas supply line 25 Air preheater 26 Carbon dioxide gas Recycle blower 27 Heating heater 36 Turbine compressor 37 Backup line 38 Electric blower 39 Waste heat recovery steam generator 40 Air supply line 41 Steam line 111 Preheating chamber 111a, 111b Airtight partition plate 112 Reforming catalyst chamber 112a, 112b Airtight partition Plate 112c, 112d Communication partition plate 113 Heat transfer partition 114 Dispersion chamber 114a, 114b Airtight partition plate 115 Combustion catalyst chamber 115a, 115b Airtight partition plate 115c Communication partition plate 116a-116e Manifold 117a, 117b Hole 118a, 118b Hole 11 9 Opening 120 Fuel preheating chamber 121 Common partition 124 Reforming catalyst 125 Combustion catalyst A Anode C Cathode Co Combustion chamber Re Reforming chamber

Claims

A fuel cell that generates electricity from a cathode gas containing oxygen and an anode gas containing hydrogen, and an anode gas exhausted from the fuel cell that burns with a portion of the cathode exhaust gas, and that heat reforms the raw material gas containing steam into the anode gas. An exhaust gas supply line for supplying the fuel gas to the fuel cell as a cathode gas by mixing the combustion exhaust gas of the reformer with the pressurized air as it is without passing through the condenser and the steam separator, and the cathode of the fuel cell An air supply line that drives a turbine compressor by a part of the exhaust gas and supplies pressurized air to the exhaust gas supply line, and generates steam by heating moisture supplied from the outside of the apparatus by the exhaust gas of the turbine compressor And a steam line for supplying to the reformer,
The reformer has a function of preheating the source gas by causing heat exchange between the anode gas immediately after generation and the source gas before reforming including the supplied steam.
A fuel cell power generator characterized by that.