JP3700162B2 - 一体型燃料電池発電装置 - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【産業上の利用分野】
本発明は、主要機器を一体に構成した一体型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溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備では、図3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10で作られたアノードガスは燃料電池20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を改質する。改質室を出た燃焼排ガス5は、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。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述した燃料電池発電装置では、燃料電池20及び改質器10は、通常圧力容器(例えば図3の22)内に格納し、その他の機器(燃料予熱器11、空気予熱器32、等)は別個に設置して、各機器を配管で接続するため、特に比較的小出力の場合に設置面積が大きくなる問題点があった。また、空気予熱器32〜燃料電池20〜改質器10〜空気予熱器32を結ぶ配管は、大量の高温ガスが流れるため大口径配管となり、その配管の曲げや保温が困難であり、放熱ロスが大きく、発電装置全体の効率が低下する問題点があった。
【0004】
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、小型で設置面積が小さく、かつ放熱ロスが少ない一体型燃料電池発電装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる2流体が流れるプレート型の空気予熱器と、改質器と、燃料予熱器と、燃料電池とが順次垂直に連結され、空気予熱器は、低温空気が流入する第1マニホールドと、予熱された空気が流出する第2マニホールドと、改質器の燃焼排ガスが流入する第3マニホールドと、燃焼排ガスが流出しこれを凝縮器に導く第4マニホールドとを有し、改質器は、燃料ガスが流入する第5マニホールドと、改質ガスが流出する第6マニホールドと、アノード排ガスが流入する第7マニホールドと、燃焼排ガスが流出する第8マニホールドと、空気が流入しこの空気を改質器内のアノード排ガスと共に燃焼させるために改質器内に供給するとともに第2マニホールドに流す第9マニホールドとを有し、第8マニホールドは前記第3マニホールドに、第9マニホールドは前記第2マニホールドに、それぞれ連結され、燃料予熱器は、燃料ガスが流入する第10マニホールドと、燃料ガスが流出する第11マニホールドと、改質ガスが流入する第12マニホールドと、改質ガスが流出する第13マニホールドと、空気が燃料予熱器をバイパスして流れる第14マニホールドと、アノード排ガスが燃料予熱器をバイパスして流れる第15マニホールドとを有し、第11マニホールドは前記第5マニホールドに、第12マニホールドは前記第6マニホールドに、第14マニホールドは前記第9マニホールドに、第15マニホールドは前記第7マニホールドに、それぞれ連結され、燃料電池は、カソードガスが流入する第16マニホールドと、カソード排ガスが流出する第17マニホールドと、アノードガスが流入する第18マニホールドと、アノード排ガスが流出する第19マニホールドとを有し、第17マニホールドは前記第14マニホールドに、第18マニホールドは前記第13マニホールドに、第19マニホールドは前記第15マニホールドに、それぞれ連結され、燃料予熱器の第10マニホールドには燃料ガスが導入され、空気予熱器の第1マニホールドには低温空気が導入され、空気予熱器の第2マニホールドと燃料電池の第16マニホールドの間には空気予熱器から燃料電池にカソードガスを循環させる高温ブロアが設置され、燃料電池の第17マニホールドからカソード排ガスがタービン圧縮機に供給される、ことを特徴とする一体型燃料電池発電装置、が提供される。
【0006】
【作用】
上記本発明の構成によれば、それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる2流体が流れるプレート型の空気予熱器と、改質器と、燃料予熱器と、燃料電池とが順次垂直に連結されて一体の燃料電池発電装置を構成するので、比較的小出力の場合でも設置面積を小さくすることができる。また、各構成機器を連結する配管のほとんどが各機器に設けられたマニホールドで直接連結されているので、大量の高温ガスが流れる大口径配管が少なくなり、その配管の曲げや保温箇所も大幅に低減することができ、放熱ロスが低減し、発電装置全体の効率を向上させることができる。
【0007】
【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、重複する説明を省略する。
図1は、本発明による一体型燃料電池発電装置の全体構成図である。この図において、本発明の一体型燃料電池発電装置は、一点鎖線で囲む部分が一体に構成されている。なお、この図で、9は燃料ガスに供給する水蒸気、35は燃料ガス中の硫黄分を除去する脱硫器である。その他の構成は、図3に示した従来の発電装置と同様である。
【0008】
図2は、図1の一点鎖線で囲んだ部分の全体斜視図である。この図において、本発明の一体型燃料電池発電装置は、それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる2流体が流れるプレート型の空気予熱器32と、改質器10と、燃料予熱器11と、燃料電池20とが順次垂直に連結されている。なお、図2では、図の明瞭化のためにそれぞれの機器を間隔を開けて示しているが、これらは互に密着され、溶接、フランジ、等により強固に連結されている。また、一体化されたこれらの機器は、同一の圧力容器(二点鎖線で示す)内に格納される。
【0009】
空気予熱器32は、低温空気が流入する第1マニホールドM1と、予熱された空気が流出する第2マニホールドM2と、改質器の燃焼排ガスが流入する第3マニホールドM3と、燃焼排ガスが流出する第4マニホールドM4とを有する。空気予熱器32は、水平な隔壁を有するプレート型熱交換器であり、空気を燃焼排ガスで予熱するようになっている。
【0010】
改質器10は、燃料ガスが流入する第5マニホールドM5と、改質ガスが流出する第6マニホールドM6と、アノード排ガスが流入する第7マニホールドM7と、燃焼排ガスが流出する第8マニホールドM8と、空気が流入しこの空気を改質器10内のアノード排ガスと共に燃焼させるために改質器内に供給するとともに第2マニホールド M 2に流す第9マニホールドM9とを有する。改質器10は、水平な隔壁を隔てて燃焼触媒と改質触媒が充填されたプレート型リホーマであり、アノード排ガスを空気で燃焼し、その熱で燃料ガスを改質ガスに変換するようになっている。
【0011】
また、改質器の第8マニホールドは空気予熱器の第3マニホールドM3に、第9マニホールドM9は空気予熱器の第2マニホールドM2に、それぞれ連結されている。燃料予熱器11は、燃料ガスが流入する第10マニホールドM10と、燃料ガスが流出する第11マニホールドM11と、改質ガスが流入する第12マニホールドM12と、改質ガスが流出する第13マニホールドM13と、空気が燃料予熱器をバイパスして流れる第14マニホールドM14と、アノード排ガスが燃料予熱器をバイパスして流れる第15マニホールドM15とを有する。燃料予熱器11は、水平な隔壁を有するプレート型熱交換器であり、改質ガス(アノードガス)により低温の燃料ガスを予熱するようになっている。
【0012】
また、第11マニホールドM11は改質器の第5マニホールドM5に、第12マニホールドM12は改質器の第6マニホールドM6に、第14マニホールドM14は改質器の第9マニホールドM9に、第15マニホールドM15は改質器の第7マニホールドM7に、それぞれ連結されている。
燃料電池20は、カソードガスが流入する第16マニホールドM16と、カソード排ガスが流出する第17マニホールドM17と、アノードガスが流入する第18マニホールドM18と、アノード排ガスが流出する第19マニホールドM19とを有する。燃料電池20は、上述したように、アノードガスとカソードガスから電気を発電するようになっている。
【0013】
また、第17マニホールドM17は燃料予熱器の第14マニホールドM14に、第18マニホールドM18は燃料予熱器の第13マニホールドM13に、第19マニホールドM19は燃料予熱器の第15マニホールドM15に、それぞれ連結されている。
燃料予熱器の第10マニホールドM10には燃料ガスが導入され、空気予熱器の第1マニホールドM1には低温空気が導入され、空気予熱器の第2マニホールドM2と燃料電池の第16マニホールドM16の間には空気予熱器から燃料電池にカソードガスを循環させる高温ブロア24が設置され、燃料電池の第17マニホールドM17からカソード排ガスがタービン圧縮機に供給される。
【0014】
かかる構成により、図3に示した従来の燃料電池発電装置と同様に、第10マニホールドM10から供給された燃料ガス1を燃料予熱器11内で予熱し、マニホールドM11、M5を介して供給された燃料ガス1を改質器10内で改質ガス2に改質し、マニホールドM6、M12を介して供給された改質ガス2を燃料予熱器11内で冷却してアノードガス2として燃料電池20の第18マニホールドM18に供給し、燃料電池内で反応したアノード排ガス4をマニホールドM19、M15を介して改質器10の第7マニホールドM7に供給し、第9マニホールドM9から供給された空気と共に燃焼させ、燃焼排ガス5をマニホールドM8、M3を介して空気予熱器32に供給し、空気予熱器32で冷却して第4マニホールドM4から凝縮器に導くことができる。また、燃料電池20の第17マニホールドM17から出たカソード排ガス7をタービン圧縮機のタービンに導き、タービン圧縮機ので圧縮された空気6を空気予熱機32の第1マニホールドM1に導き、空気予熱機32で予熱した空気を高温ブロアを介して燃料電池20の第16マニホールドM16に導くことができる。
【0015】
従って、上述した構成の一体型燃料電池発電装置により、図3に示した従来の燃料電池発電装置と同様の機能を果たすことができる。また、それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる2流体が流れるプレート型の空気予熱器と、改質器と、燃料予熱器と、燃料電池とが順次垂直に連結されて一体の燃料電池発電装置を構成するので、比較的小出力の場合でも設置面積を小さくすることができる。更に、各構成機器を連結する配管のほとんどが各機器に設けられたマニホールドで連結されているので、大量の高温ガスが流れる大口径配管が少なくなり、その配管の曲げや保温箇所も大幅に低減することができ、放熱ロスが低減し、発電装置全体の効率を向上させることができる。
【0016】
なお、本発明は上述した構成に限定されるものではなく、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。
【0017】
【発明の効果】
上述したように、本発明の一体型燃料電池発電装置は、小型で設置面積が小さく、かつ放熱ロスが少ない、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による一体型燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図2】図1の一点鎖線で囲む部分の全体斜視図である。
【図3】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 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 パージガス
9 水蒸気
10 改質器
11 燃料予熱器
20 燃料電池
22 格納容器
24 高温ブロア
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
35 脱硫器
40 動力回収装置(タービン圧縮機)
Re 改質室
Co 燃焼室
A アノード側
C カソード側
M1〜M19 マニホールド
Claims (1)
- それぞれ水平な隔壁を隔てて異なる2流体が流れるプレート型の空気予熱器と、改質器と、燃料予熱器と、燃料電池とが順次垂直に連結され、
空気予熱器は、低温空気が流入する第1マニホールドと、予熱された空気が流出する第2マニホールドと、改質器の燃焼排ガスが流入する第3マニホールドと、燃焼排ガスが流出しこれを凝縮器に導く第4マニホールドとを有し、
改質器は、燃料ガスが流入する第5マニホールドと、改質ガスが流出する第6マニホールドと、アノード排ガスが流入する第7マニホールドと、燃焼排ガスが流出する第8マニホールドと、空気が流入しこの空気を改質器内のアノード排ガスと共に燃焼させるために改質器内に供給するとともに第2マニホールドに流す第9マニホールドとを有し、第8マニホールドは前記第3マニホールドに、第9マニホールドは前記第2マニホールドに、それぞれ連結され、
燃料予熱器は、燃料ガスが流入する第10マニホールドと、燃料ガスが流出する第11マニホールドと、改質ガスが流入する第12マニホールドと、改質ガスが流出する第13マニホールドと、空気が燃料予熱器をバイパスして流れる第14マニホールドと、アノード排ガスが燃料予熱器をバイパスして流れる第15マニホールドとを有し、第11マニホールドは前記第5マニホールドに、第12マニホールドは前記第6マニホールドに、第14マニホールドは前記第9マニホールドに、第15マニホールドは前記第7マニホールドに、それぞれ連結され、
燃料電池は、カソードガスが流入する第16マニホールドと、カソード排ガスが流出する第17マニホールドと、アノードガスが流入する第18マニホールドと、アノード排ガスが流出する第19マニホールドとを有し、第17マニホールドは前記第14マニホールドに、第18マニホールドは前記第13マニホールドに、第19マニホールドは前記第15マニホールドに、それぞれ連結され、
燃料予熱器の第10マニホールドには燃料ガスが導入され、空気予熱器の第1マニホールドには低温空気が導入され、空気予熱器の第2マニホールドと燃料電池の第16マニホールドの間には空気予熱器から燃料電池にカソードガスを循環させる高温ブロアが設置され、燃料電池の第17マニホールドからカソード排ガスがタービン圧縮機に供給される、ことを特徴とする一体型燃料電池発電装置。
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