JP3882965B2 - 燃料電池発電設備 - Google Patents
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Description
【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、電解質として高温で溶融状態になる溶融炭酸塩を用いたものであり、約650℃前後の高温で作動し高い発電効率を達成できる特徴を有している。
図2は、かかる溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の発電設備(以下、単に燃料電池発電設備という)の全体構成図である。この図において、1は脱硫器、2a,2bは熱交換器、3は改質器(リフォーマ)、4は燃料電池、5は燃焼器、6は排熱回収ボイラ、7aは凝縮器、7bはノックアウトドラム(KOドラム)、8a,8bはブロア、9はタービンコンプレッサである。燃料としての天然ガスNgが、脱硫器1で硫黄分を除去され、熱交換器2aで予熱されて、改質器3の改質室Reに入り、ここで水素を含むアノードガスGaに改質され、熱交換器2aで冷却され、燃料電池4のアノード側Aに供給される。燃料電池4では、アノードガスGaとカソードガスGcにより発電し、発電後のアノード排ガスEaとカソード排ガスEcは、燃焼器5に供給され、ここで未燃分が触媒燃焼して高温ガスEgを発生し、改質器3の加熱室Hで改質室Reを加熱し、改質器3を出た燃焼排ガスは、空気予熱器2bで空気を予熱し、更に凝縮器7aで常温までガスの温度を下げ、ノックアウトドラム7bで水分Wを除去される。更に、排ガスは、ブロア8aで加圧され、タービンコンプレッサ9で加圧した空気Aが混合され、熱交換器2bで予熱し、高温リサイクル系と合流した後、カソードガスGcとして燃料電池4に供給される。また、排熱回収ボイラ6で発生した水蒸気Sは、天然ガスNgに混入して改質反応に用いられ、凝縮器7aで発生した水分Wは、ボイラ6の給水として用いられる。なお、8bはリサイクルブロアであり、カソードガスを循環して燃料電池の温度を制御するようになっている。
【0003】
上述した燃料電池発電設備は、発電効率を高めるために、通常加圧下で運転される。そのため、改質器3や燃料電池4は、それぞれ圧力容器内に内蔵される。しかし、個々に圧力容器に内蔵すると、設置面積が大きくなり、放熱も大きくなることから、これらの主要機器を1つの圧力容器に収納することが提案されている(例えば、特願平2−122972号)。
【0004】
一方、燃料電池4内のアノード側Aとカソード側Bの差圧(極間差圧)が大きくなると、アノードガスGaとカソードガスGcがクロスリーク(内部リーク)して、燃料を浪費するばかりでなく電池性能を大幅に低下させる。そのため、極間差圧は、通常例えば約400mmAq以内の低い値に常に制御する必要があり、従来の燃料電池発電設備では、アノード排ガスEaとカソード排ガスEcを同一の燃焼器5に導き、燃焼器5内で連通させることにより、この極間差圧を本質的に低い値にしている。
【0005】
更に、燃料電池4内の圧力(アノード側A及びカソード側B)とこれを囲む圧力容器内の圧力も、ガスリーク(外部リーク)を防止するために、極間差圧と同程度の低い値に常に制御する必要がある。この制御は、図3に模式的に示すように、従来、電池内と容器内の差圧を差圧検出器Dpで検出し、容器内に供給するガス流量と排出するガス流量を流量制御弁10a,10bで調節することにより行っていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の燃料電池発電設備では、圧力容器内に窒素ガス又は冷却した排ガスを供給していた。しかし、▲1▼窒素ガスを使用した場合は、窒素ガスの購入又は製造のためにランニングコストがかかり、▲2▼排ガスを使用する場合には、ガスを冷却するための空気予熱器や凝縮器、水分を除去するKOドラム等の設備が必要となり、建設コストがかかる問題点があった。また、▲3▼燃料電池に供給する空気を予熱するために空気予熱器2bが不可欠であり、この空気予熱器はプレートフィン熱交換器でありコストがかかる問題点があった。
【0007】
更に、▲4▼容器とカソードの差圧を制御するための差圧検出器Dpと流量調節弁10a,10bにより、その差圧を精密に制御しなければならないず、特に、プラント緊急遮断時に容器内と電池内の差圧が大きくなる問題点があった。すなわち、図3に示した従来の制御弁10a,10bによる差圧制御では、プラント緊急遮断時に容器内ガスが配管Bを通ってカソードラインに抜けるが、カソードライン圧が緊急開放により瞬時に常圧になるのに対して、容器内圧力は容量が大きいため配管Bの流量に制約されて徐々に抜ける。そのため、プラント緊急遮断時には、カソード圧に対して容器圧が一時的に許容圧を大きく超え、電池内のシール部を破損することがあった。また、この差圧制御(容器内と電池内の差圧)は、制御弁と制御装置を用いているため、停電や電圧変動に影響を受けやすく、長期運転時の信頼性に乏しい問題点があった。
【0008】
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、本発明の主目的は、改質器及び燃料電池を格納する格納容器への窒素ガス又は排ガスの供給を無くすことができ、これによりユーティリティとしての窒素ガスを不要とし、かつガス冷却及び水分除去のための凝縮器やKOドラム等の設備を不要にすることができ、更に、空気予熱器なしで燃料電池に供給する空気を予熱することができ、これにより高価な空気予熱器を不要にす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。
【0009】
また、本発明の別の目的は、プラント通常運転時、緊急遮断時を問わず、容器内と電池内の差圧を許容値以内の小さい値に抑制することができ、停電や電圧変動に影響を受けない信頼性の高い差圧制御が可能である燃料電池発電設備を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池、改質器、及び改質器用の燃焼器を同一の格納容器内に格納し、該格納容器内に加圧空気を導入し、格納容器内を介して燃料電池のカソード入口に空気を導入する、ことを特徴とする燃料電池発電設備が提供される。
【0011】
上記本発明の構成によれば、カソードガスGcに導入する加圧空気Aが一旦格納容器内に導入されて容器内ガスの役目を果たすので、格納容器への窒素ガスの供給を無くすことができ、これによりユーティリティとしての窒素ガスが不要になる。また、加圧空気Aは、タービンコンプレッサで加圧した乾燥空気であるため、凝縮器やKOドラム等の設備を不要にすることができる。更に、格納容器内で加圧空気は電池からの熱により予熱されて、燃料電池のカソード入口に導入されるので、空気予熱器が不必要になる。
【0012】
また、上記構成によれば、カソード入口が格納容器内の加圧空気を導入できるように容器内と連通しているので、電池内カソード側と容器圧がほぼ同圧となり、従来技術のように、制御弁による容器/カソード側の差圧制御を必要としない。従って、プラント通常運転時、緊急遮断時を問わず、容器内と電池内の差圧を許容値以内の小さい値に抑制することができ、かつ停電や電圧変動に影響を受けない信頼性の高い差圧制御が可能となる。
【0013】
本発明の好ましい実施形態によれば、改質器を出た高温排ガスの一部を他の流体と熱交換することなく、燃料電池のカソード入口に再循環させるようになっている。
この構成により、改質器燃焼排ガスの熱量をそのままカソードに持ち込めるため、高温リサイクル系の容量を小さくすることができる。また、電池の放熱熱量は、格納容器内の空気を加熱し再びカソードガスとして燃料電池内に戻されるため損失にならない。
【0014】
【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、重複した説明を省略する。
図1は、本発明の燃料電池発電設備の全体構成図である。この図において、本発明の燃料電池発電設備では、燃料電池4、改質器3、及び改質器用の燃焼器5(好ましくは触媒燃焼器)を同一の格納容器12内に格納し、格納容器12内に加圧空気Aを導入し、格納容器12内を介して燃料電池4のカソード入口に空気を導入するようになっている。
【0015】
なお、図1の実施形態では、熱交換器2aは、格納容器12の外部に配置されているが、これを内部に格納してもよい。また格納容器12は、圧力容器であっても、常圧用の単なる密閉容器であってもよい。
【0016】
すなわち、本発明の燃料電池発電設備では、タービンコンプレッサ9で加圧した乾燥空気Aが空気ライン14を通って格納容器12内に導入され、格納容器内に一旦充満して容器内ガスの役目を果たすようになっている。従って、格納容器12への窒素ガスの供給を無くすことができ、これによりユーティリティとしての窒素ガスが不要になる。また、加圧空気Aは、タービンコンプレッサ9で加圧した乾燥空気であるため、従来の凝縮器やKOドラム等の設備を不要にすることができる。更に、格納容器12内で加圧空気Aは燃料電池4からの熱により予熱されて、燃料電池のカソード入口に導入されるので、従来の空気予熱器も不必要になる。
【0017】
また、図1に示すように、本発明の燃料電池発電設備では、改質器3を出た高温排ガスの一部を他の流体と熱交換することなく排ガス循環ライン16及び分岐ライン16aを介して燃料電池4のカソード入口に再循環させ、残部を分岐ライン16bを介してタービンコンプレッサ9のタービンTに導くようになっている。
【0018】
この構成により、改質器燃焼排ガスの熱量をそのままカソードに持ち込めるため、高温リサイクル系の容量を小さくすることができる。また、電池の放熱熱量は、格納容器12内の空気を加熱し再びカソードガスとして燃料電池内に戻されるため損失にならない。
【0019】
更に、本発明の燃料電池発電設備では、容器内とカソード入口を連通させるようになっている。この構成により、電池内カソード側と容器圧がほぼ同圧となり、従来技術のように、制御弁による容器/カソード側の差圧制御を必要としない。また、プラント緊急遮断時においても、容器内と電池内の差圧を許容値以内の小さい値に抑制することができ、かつ停電や電圧変動に影響を受けない信頼性の高い差圧制御が可能となる。
【0020】
すなわち、従来の制御弁による差圧制御では、上述したように、プラント緊急遮断時に容器内ガスが配管Bを通るため、瞬時にカソードラインに開放されず、カソード圧に対して、容器圧が高くなる傾向があったが、本発明では容器内のガスが容易にリフォーマ加熱室又はカソードに流れ込むため、電池の内外差圧を小さく制御することができる。
【0021】
なお、本発明は上述した実施例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。
【0022】
【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、改質器及び燃料電池を格納する格納容器への窒素ガス又は排ガスの供給を無くすことができ、これによりユーティリティとしての窒素ガスを不要とし、かつ凝縮器やKOドラム等の設備を不要にすることができ、更に、空気予熱器なしで燃料電池に供給する空気を予熱することができ、これにより高価な空気予熱器を不要にすることができ、更にプラント通常運転時、プラント緊急遮断時を問わず、圧力調節弁等の制御装置を用いずに、容器内と電池内の差圧を許容値以内の小さい値に抑制することができ、停電や電圧変動に影響を受けない信頼性の高い差圧制御が可能である、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の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。
【図3】図2の燃料電池まわりの部分構成図である。
【符号の説明】
1 脱硫器
2a,2b 熱交換器
3 改質器(リフォーマ)
4 燃料電池
5 燃焼器
6 排熱回収ボイラ
7a 凝縮器
7b ノックアウトドラム(KOドラム)
8a,8b ブロア
9 タービンコンプレッサ
10a,10b 流量制御弁
11 カソード出口配管
12 格納容器
13 アノード出口配管
14 空気ライン
16 排ガス循環ライン
18 給水蒸発器
Claims (2)
- 燃料電池、改質器、及び改質器用の燃焼器を同一の格納容器内に格納し、該格納容器内に加圧空気を導入し、格納容器内を介して燃料電池のカソード入口に空気を導入する、ことを特徴とする燃料電池発電設備。
- 改質器を出た高温排ガスの一部を、他の流体と熱交換することなくカソード入口に再循環させる、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電設備。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP32494197A JP3882965B2 (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 燃料電池発電設備 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32494197A JP3882965B2 (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 燃料電池発電設備 |
Publications (2)
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JPH11162493A JPH11162493A (ja) | 1999-06-18 |
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ID=18171342
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP32494197A Expired - Fee Related JP3882965B2 (ja) | 1997-11-26 | 1997-11-26 | 燃料電池発電設備 |
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---|---|
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US20110117466A1 (en) * | 2008-05-30 | 2011-05-19 | Michael Edward Badding | Solid Oxide Fuel Cell Systems |
-
1997
- 1997-11-26 JP JP32494197A patent/JP3882965B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH11162493A (ja) | 1999-06-18 |
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