JP4154680B2

JP4154680B2 - Fuel cell power generator that injects steam into the anode exhaust gas line

Info

Publication number: JP4154680B2
Application number: JP13858699A
Authority: JP
Inventors: 意武井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: JP2000331697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノード排ガスに蒸気を注入する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３は都市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。図３において、発電設備は、蒸気と混合した燃料ガス（都市ガス）を水素を含むアノードガスに改質する改質器２２と、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２０とを備えており、改質器２２で作られるアノードガスはアノードガスライン２により燃料電池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となり、アノード排ガスライン４により燃焼用ガスとして触媒燃焼器２３へ供給される。
【０００４】
触媒燃焼器２３ではアノード排ガス中の可燃成分を触媒で燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、改質器２２の加熱室に供給しこの燃焼ガスにより改質室を加熱し、改質室で改質触媒により燃料ガスを改質してアノードガスとする。アノードガスは燃料予熱器２４によって燃料ガスライン１を流れる蒸気と混合した燃料ガスと熱交換し、燃料電池２０のアノードに供給される。また加熱室を出た燃焼ガスは炭酸ガスリサイクルライン７で炭酸ガスリサイクルブロワ３２によりカソードに供給される。燃焼ガスには多量の炭酸ガスが含まれており、電池反応に必要な炭酸ガスの供給源となる。空気ライン８からの空気が炭酸ガスリサイクルブロワ３２の出側に供給されカソードの電池反応に必要な酸素を供給する。カソードから排出されるカソード排ガスの一部は循環ライン３によりカソードに供給される。このカソード排ガスと燃焼ガスと空気が混合してカソードガスとなりカソードに供給される。
【０００５】
アノード排ガスライン４には、熱交換器３４と、この熱交換器３４を出たアノード排ガスを冷却するガス冷却器３６と、冷却により凝縮した水分を分離する気水分離器３８と、水分を分離したアノード排ガスを昇圧するアノードブロワ４０と、が設けられ、熱交換器３４はアノードを出た高温のアノード排ガスでアノードブロワ４０を出た低温のアノード排ガスを加熱する。このようにアノード排ガスを冷却して気水分離し水分を減少させるのは、単位体積当たりの発熱量を増加させるためと、アノードブロワ４０を低温仕様（例えば、設計温度１５０℃）とし、コストを低減するためである。
【０００６】
ガス冷却器３４は、冷却液を循環させアノード排ガスを冷却するとともに、バイパス３５を設け、流量制御弁４１でバイパス量を制御して冷却温度を制御している。圧力は一定なので冷却温度を制御すると凝縮量も制御できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ガス冷却器３６の温度制御は、アノードブロワ４０に対しては、アノード排ガスを所定温度以下に低下させればよいが、あまり低下させると凝縮量が多くなり、アノードブロワ４０で昇圧され熱交換器３４を通過するアノード排ガスに含まれる水蒸気の量が少くなる。この水蒸気量が少くなるとアノード排ガスに含まれるＣＯにより熱交換器３４に炭素析出が発生する。特に燃料電池２０が低負荷時には、アノード排ガス量が大幅に減少するため、ガス冷却器３６の出口のガス温度が低下し、凝縮量が増大し熱交換器３４を通過するアノード排ガス中の水蒸気濃度が極端に低下する。これにより、熱交換器３４に炭素析出が発生する可能性が大きくなる。このためガス冷却器３６の温度制御は大変難しくなっていた。
【０００８】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、アノード排ガスラインのガス冷却器の温度制御を容易にすることを目的とする。
【０００９】
【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、カソードとアノードからなり酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃料電池と、カソードから排出されるカソード排ガスとアノードから排出されるアノード排ガスとを燃焼する燃焼器と、この燃焼器の燃焼ガスで蒸気を含む燃料ガスを改質してアノードガスを生成し前記アノードに供給する改質器と、この改質器に供給された燃焼ガスをカソードに循環させる炭酸ガスリサイクルラインと、を備えた燃料電池発電装置において、前記アノード排ガスをアノードから前記燃焼器に供給するアノード排ガスラインは、アノード排ガスを冷却するガス冷却器と、冷却により凝縮した水分を分離する気水分離器と、水分分離したガスを加圧するアノードブロワと、このアノードブロワを出たガスをガス冷却器に入る前のアノード排ガスで加熱する熱交換器と、この熱交換器とアノードブロワとの間に接続され蒸気を供給するアノード蒸気ラインと、を備えている。
【００１０】
熱交換器とアノードブロワとの間にアノード蒸気ラインを設けたことにより、熱交換器を通過するアノード排ガス中の水蒸気量を、炭素析出が発生しないように調整できる。ガス冷却器ではアノード排ガスの温度をアノードブロワに必要な温度以下にすればよいので、温度制御が簡単になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態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３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、蒸気を含む燃料ガスを加熱する燃料予熱器２４と、この加熱された燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器２２と、このアノードガスと酸素および炭酸ガスを含むカソードガスとから発電する燃料電池２０とを備える。燃料電池２０から排出されるアノード排ガスは、アノード排ガスライン４により触媒燃焼器２３に供給され、酸素を含むカソード排ガスの一部と共に燃焼触媒を用いて燃焼する。改質器２２は加熱室と改質室からなり、加熱室には触媒燃焼器２３からの燃焼ガスが供給され、改質室は水蒸気を含む都市ガスを改質触媒と加熱室からの加熱により水素を含むアノードガスに改質し、アノードガスライン２によりアノードに供給する。加熱室より排出される燃焼ガスには炭酸ガスが含まれるので、この炭酸ガスを炭酸ガスリサイクルライン７によりカソードに供給する。循環ライン３はこの炭酸ガスと空気ライン８により供給される酸素とカソード排ガスの一部とを混合してカソードガスとし、炭酸ガスリサイクルブロワ３２によりカソードを循環させる。循環ライン３の循環ガス量は流量制御弁３３により調整される。
【００１２】
天然ガスを成分とする都市ガスは燃料ガスライン１により供給され、脱硫器２６で硫酸分を除去された後蒸気ライン９からの蒸気と混合し、燃料予熱器２４で加熱されて改質器２２に入りアノードガスに改質されて、アノードガスライン２により燃料電池２０のアノードに供給される。燃料電池２０のカソードには、炭酸ガスリサイクルライン７からの炭酸ガスと、空気ライン８からの空気と、循環ライン３からのカソード排ガスとが混合されてカソードガスとなり、炭酸ガスリサイクルブロワ３２により供給される。燃料電池２０はアノードガスとカソードガスを供給され発電を行う。アノードでの反応により蒸気と未燃焼成分を含むアノード排ガスが排出され、アノード排ガスライン４により触媒燃焼器２３に供給される。カソードでの反応により生成さたカソード排ガスは、一部は循環ライン３によりカソードへ循環し、他の一部はカソード排ガスライン５により触媒燃焼器２３に供給され、残部はタービン圧縮機２８に供給される。
【００１３】
触媒燃焼器２３には燃料電池２０のアノード排ガスとカソード排ガスの一部が供給される。燃料電池２０の燃料利用率は８０％程度なので、アノード排ガスには２０％程度の燃料成分（水素、一酸化炭素、メタン等）が含まれている。カソード排ガスには燃焼に必要な酸素が含まれている。これらが触媒燃焼器２３で燃焼され高温の燃焼ガスを生成しこれを改質器２２に供給する。改質器２２を加熱した後の燃焼ガスには炭酸ガスが含まれ、これはカソードでの電池反応に必要なので、炭酸ガスリサイクルライン７によりカソードへ供給される。
【００１４】
アノード排ガスライン４には、熱交換器３４と、この熱交換器３４を出たアノード排ガスを冷却するガス冷却器３６と、冷却により凝縮した水分を分離する気水分離器３８と、水分を分離したアノード排ガスを昇圧するアノードブロワ４０と、が設けられ、熱交換器３４はアノードを出た高温のアノード排ガスでアノードブロワ４０を出た低温のアノード排ガスを加熱する。このようにアノード排ガスを冷却するのは、水分を少なくし単位体積当たりの発熱量増加と、アノードブロワ４０を低温仕様のものとするためである。
【００１５】
カソード排ガスの一部は、タービン圧縮機２８のタービンを駆動した後、排熱回収蒸気発生装置３０へ供給される。排熱回収蒸気発生装置３０では給水をタービン圧縮機２８のタービンを駆動した排ガスにより蒸気とし、蒸気ライン９により燃料ガスライン１に供給し、さらに、蒸気ライン９より分岐したアノード蒸気ライン１０により熱交換器３４のアノードブロワ４０側の入口側に供給する。アノード蒸気ライン１０には流量制御弁４３が設けられ、ガス冷却器３６の出口に設けられた温度計４２の計測値に基づき蒸気流量を制御する。排熱回収蒸気発生装置３０の排ガスは大気に放出される。空気はタービン圧縮機２８の圧縮機へ入り、加圧されて空気ライン８に供給される。
【００１６】
このように構成された燃料電池発電装置のアノード排ガスライン４に設けられたガス冷却器３６とアノード蒸気ライン１０の働きを説明する。ガス冷却器３６では出口におけるアノード排ガス温度が、アノードブロワ４０の設計仕様温度、例えば１５０℃以下になるように冷却液の流量等を制御する。設計仕様温度以下であればよいので、精確な制御は必要なく、制御が簡単になる。このため図３のようにバイパス３５は設けていない。燃料電池２０内は一定の圧力が保たれているのでアノード排ガスも所定の圧力で排出される。このためガス冷却器３６の出口の温度を温度計４２で計測すれば、この温度を凝縮温度として気水分離器３８を出てゆくアノード排ガスの蒸気濃度が分かる。
【００１７】
アノード蒸気ライン１０では熱交換器３４を通過するアノード排ガスに含まれる蒸気濃度が熱交換器３４に炭素析出を発生しない濃度となるよう、流量制御弁４３で蒸気量を温度計４２の計測値に基づき制御する。この炭素析出を発生しない蒸気濃度はアノード排ガスが通過する熱交換器３４の温度によって決まり、例えば、アノードから排出されるアノード排ガスの温度が６７０〜６８０℃の場合、この熱交換器３４の温度は６００℃程度になる。このとき１７〜２０％以上の蒸気濃度とすれば熱交換器３４への炭素析出を防止できる。
【００１８】
このようにアノード排ガスに蒸気を注入することにより、この蒸気は触媒燃焼器23, 改質器２２を通り炭酸ガスリサイクルライン７によりカソードに供給される。カソードに蒸気が注入されると、次の理由により電池電圧が上昇する。
【００１９】
炭酸塩溶融電池の電池反応は次のように行われる。
アノード：Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2-→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋２ｅ
カソード：１／２Ｏ₂＋ＣＯ₂＋２ｅ→ＣＯ₃ ^2-
カソードに水蒸気が注入されると次の反応が起る。
Ｏ^2-＋Ｈ₂Ｏ＝２ＯＨ^-
２ＯＨ^-＋ＣＯ₂＝ＣＯ₃ ^2-＋Ｈ₂Ｏ
という過程と、
Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₃ ^2-＝ＨＣＯ₃ ^-＋ＯＨ^-
ＨＣＯ₃ ^-＋Ｏ₂ ^-＝ＣＯ₃ ^2-＋ＯＨ^-
という過程が生じる。いずれの過程も、アノードで電子ｅを生成するのに必要なＣＯ₃ ^2-が生成され、電解質板を通してカソードからアノードに供給され、発電電圧の上昇に寄与する。
【００２０】
アノード蒸気ライン１０によりカソードに供給された蒸気は上述の理由により電池電圧の上昇に寄与するが、電池の冷却効果も加わり電池出力の増大に寄与する。図２はカソードの蒸気濃度と電池電圧の変化を示す実験データの一例である。横軸はＨ₂Ｏ濃度（％）を示し、縦軸は電池電圧（Ｖ）を示す。折れ線ａ，ｂ，ｃは圧力別の電圧を示し、ａが１ａｔａ（絶対気圧）、ｂが３ａｔａ、ｃが５ａｔａの場合を示す。このようにカソード内のＨ₂Ｏ濃度が増加すれば、電池電圧が上昇することが明確に現れている。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、アノード排ガスラインに、冷却、気水分離、昇圧後蒸気を注入する装置を設け、アノード排ガス中の蒸気濃度を調整することにより、熱交換器内における炭素析出を防止でき、ガス冷却器の温度制御を簡単にすることができる。また注入された蒸気はカソードに送られ、電池電圧を上昇させ、電池出力を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図２】カソードに蒸気を注入した場合の電圧上昇を示す実験データの一例である。
【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燃料ガスライン
２アノードガスライン
３循環ライン
４アノード排ガスライン
５カソード排ガスライン
６排熱利用ライン
７炭酸ガスリサイクルライン
８空気ライン
９蒸気ライン
１０アノード蒸気ライン
２０燃料電池
２２改質器
２３触媒燃焼器
２４燃料予熱器
２６脱硫器
２８タービン圧縮機
３０排熱回収蒸気発生装置
３２炭酸ガスリサイクルブロワ
３３，４３流量制御弁
３４熱交換器
３６ガス冷却器
３８気水分離器
４０アノードブロワ
４２温度計[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generator that injects steam into anode exhaust gas.
[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. They attract attention as a power generation system that follows hydropower, thermal power, and nuclear power, and are currently under intense research. It is being advanced.
[0003]
FIG. 3 is a diagram showing an example of power generation equipment using a molten carbonate fuel cell using city gas as fuel. In FIG. 3, the power generation facility is a fuel that generates power from a reformer 22 that reforms a fuel gas (city gas) mixed with steam into an anode gas containing hydrogen, a cathode gas containing oxygen, and an anode gas containing hydrogen. The anode gas produced by the reformer 22 is supplied to the fuel cell 20 through the anode gas line 2 and consumes most of the fuel cell 20 to become anode exhaust gas. 4 is supplied to the catalytic combustor 23 as a combustion gas.
[0004]
In the catalytic combustor 23, combustible components in the anode exhaust gas are combusted with a catalyst to generate high-temperature combustion gas, which is supplied to the heating chamber of the reformer 22 and heated by the combustion gas. The fuel gas is reformed by the reforming catalyst to make anode gas. The anode gas exchanges heat with the fuel gas mixed with the vapor flowing through the fuel gas line 1 by the fuel preheater 24 and is supplied to the anode of the fuel cell 20. Further, the combustion gas leaving the heating chamber is supplied to the cathode by a carbon dioxide gas recycle blower 32 in the carbon dioxide gas recycle line 7. The combustion gas contains a large amount of carbon dioxide gas, and serves as a supply source of carbon dioxide gas necessary for the battery reaction. Air from the air line 8 is supplied to the outlet side of the carbon dioxide recycle blower 32 to supply oxygen necessary for the cell reaction of the cathode. A part of the cathode exhaust gas discharged from the cathode is supplied to the cathode through the circulation line 3. The cathode exhaust gas, combustion gas, and air are mixed to form cathode gas and supplied to the cathode.
[0005]
In the anode exhaust gas line 4, the moisture is separated by a heat exchanger 34, a gas cooler 36 that cools the anode exhaust gas that has exited the heat exchanger 34, a steam / water separator 38 that separates moisture condensed by cooling. And an anode blower 40 for boosting the anode exhaust gas, and the heat exchanger 34 heats the low-temperature anode exhaust gas exiting the anode blower 40 with the high-temperature anode exhaust gas exiting the anode. The reason why the anode exhaust gas is cooled and separated into water by reducing the amount of water is to increase the heat generation amount per unit volume, to make the anode blower 40 at a low temperature specification (for example, a design temperature of 150 ° C.), and to reduce the cost. This is to reduce.
[0006]
The gas cooler 34 circulates the coolant to cool the anode exhaust gas, and is provided with a bypass 35, and controls the cooling temperature by controlling the bypass amount with the flow rate control valve 41. Since the pressure is constant, the amount of condensation can be controlled by controlling the cooling temperature.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The temperature control of the gas cooler 36 may be performed by reducing the anode exhaust gas to a predetermined temperature or lower for the anode blower 40. However, if the temperature is lowered too much, the amount of condensation increases, and the pressure is increased by the anode blower 40. The amount of water vapor contained in the anode exhaust gas passing through 34 is reduced. When the amount of water vapor decreases, carbon deposition occurs in the heat exchanger 34 due to CO contained in the anode exhaust gas. In particular, when the fuel cell 20 is under a low load, the amount of anode exhaust gas is greatly reduced. Therefore, the gas temperature at the outlet of the gas cooler 36 is lowered, the amount of condensation is increased, and the water vapor concentration in the anode exhaust gas passing through the heat exchanger 34 is increased. Is extremely reduced. Thereby, the possibility that carbon deposition occurs in the heat exchanger 34 is increased. For this reason, the temperature control of the gas cooler 36 has become very difficult.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to facilitate temperature control of a gas cooler of an anode exhaust gas line.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell comprising a cathode and an anode and generating electricity from a cathode gas containing oxygen and an anode gas containing hydrogen, cathode exhaust gas discharged from the cathode, and exhausted from the anode. A combustor that combusts anode exhaust gas, a reformer that reforms a fuel gas containing steam with the combustion gas of the combustor, generates anode gas, and supplies the anode gas, and the reformer is supplied to the reformer And a carbon dioxide gas recycling line for circulating the combustion gas to the cathode. The anode exhaust gas line for supplying the anode exhaust gas from the anode to the combustor includes a gas cooler for cooling the anode exhaust gas, and a cooling A steam separator for separating the moisture condensed by the above, an anode blower for pressurizing the moisture separated gas, and the anode Leaving the gas blower comprises a heat exchanger for heating the anode exhaust gas before entering the gas cooler, and a anode steam line for supplying steam connected between the heat exchanger and the anode blower.
[0010]
By providing an anode vapor line between the heat exchanger and the anode blower, the amount of water vapor in the anode exhaust gas passing through the heat exchanger can be adjusted so that carbon deposition does not occur. In the gas cooler, the temperature of the anode exhaust gas only needs to be lower than the temperature required for the anode blower, so that the temperature control becomes simple.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
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 of the present invention. In this figure, components having the same functions as those in FIG. The fuel cell power generator includes a fuel preheater 24 that heats a fuel gas containing steam, a reformer 22 that reforms the heated fuel gas into an anode gas containing hydrogen, and the anode gas, oxygen, and carbon dioxide gas. A fuel cell 20 that generates electric power from a cathode gas containing The anode exhaust gas discharged from the fuel cell 20 is supplied to the catalytic combustor 23 through the anode exhaust gas line 4 and combusts using a combustion catalyst together with a part of the cathode exhaust gas containing oxygen. The reformer 22 is composed of a heating chamber and a reforming chamber. Combustion gas from the catalytic combustor 23 is supplied to the heating chamber, and the reforming chamber generates city gas containing water vapor by heating from the reforming catalyst and the heating chamber. The gas is reformed into an anode gas containing hydrogen and supplied to the anode through the anode gas line 2. Since the combustion gas discharged from the heating chamber contains carbon dioxide, this carbon dioxide is supplied to the cathode through the carbon dioxide recycling line 7. The circulation line 3 mixes the carbon dioxide gas, oxygen supplied from the air line 8 and a part of the cathode exhaust gas to form a cathode gas, and circulates the cathode by the carbon dioxide gas recycle blower 32. The amount of circulating gas in the circulation line 3 is adjusted by the flow control valve 33.
[0012]
The city gas containing natural gas is supplied from the fuel gas line 1, and after the sulfuric acid content is removed by the desulfurizer 26, it is mixed with the steam from the steam line 9, heated by the fuel preheater 24, and reformer 22. The anode gas is reformed and supplied to the anode of the fuel cell 20 through the anode gas line 2. The cathode of the fuel cell 20 is mixed with carbon dioxide from the carbon dioxide recycling line 7, air from the air line 8, and cathode exhaust gas from the circulation line 3 to form cathode gas, which is supplied by the carbon dioxide recycling blower 32. Is done. The fuel cell 20 is supplied with anode gas and cathode gas to generate power. Anode exhaust gas containing steam and unburned components is discharged by the reaction at the anode and supplied to the catalytic combustor 23 through the anode exhaust gas line 4. Part of the cathode exhaust gas generated by the reaction at the cathode is circulated to the cathode through the circulation line 3, the other part is supplied to the catalytic combustor 23 through the cathode exhaust gas line 5, and the remainder is supplied to the turbine compressor 28. Is done.
[0013]
A part of anode exhaust gas and cathode exhaust gas of the fuel cell 20 is supplied to the catalyst combustor 23. Since the fuel utilization rate of the fuel cell 20 is about 80%, the anode exhaust gas contains about 20% of fuel components (hydrogen, carbon monoxide, methane, etc.). The cathode exhaust gas contains oxygen necessary for combustion. These are combusted in the catalytic combustor 23 to generate high-temperature combustion gas, which is supplied to the reformer 22. The combustion gas after heating the reformer 22 contains carbon dioxide, which is necessary for the cell reaction at the cathode and is supplied to the cathode by the carbon dioxide recycling line 7.
[0014]
In the anode exhaust gas line 4, the moisture is separated by a heat exchanger 34, a gas cooler 36 that cools the anode exhaust gas that has exited the heat exchanger 34, a steam / water separator 38 that separates moisture condensed by cooling. And an anode blower 40 for boosting the anode exhaust gas, and the heat exchanger 34 heats the low-temperature anode exhaust gas exiting the anode blower 40 with the high-temperature anode exhaust gas exiting the anode. The reason why the anode exhaust gas is cooled in this way is to reduce moisture, increase the heat generation amount per unit volume, and make the anode blower 40 have a low temperature specification.
[0015]
A part of the cathode exhaust gas is supplied to the exhaust heat recovery steam generator 30 after driving the turbine of the turbine compressor 28. In the exhaust heat recovery steam generator 30, the feed water is converted into steam by the exhaust gas that has driven the turbine of the turbine compressor 28, supplied to the fuel gas line 1 through the steam line 9, and further heated by the anode steam line 10 branched from the steam line 9. The exchanger 34 is supplied to the inlet side of the anode blower 40 side. The anode steam line 10 is provided with a flow rate control valve 43 to control the steam flow rate based on the measured value of the thermometer 42 provided at the outlet of the gas cooler 36. The exhaust gas from the exhaust heat recovery steam generator 30 is released to the atmosphere. Air enters the compressor of the turbine compressor 28, is pressurized and supplied to the air line 8.
[0016]
The operation of the gas cooler 36 and the anode vapor line 10 provided in the anode exhaust gas line 4 of the fuel cell power generator configured as described above will be described. In the gas cooler 36, the flow rate of the coolant is controlled so that the anode exhaust gas temperature at the outlet becomes a design specification temperature of the anode blower 40, for example, 150 ° C. or less. Since it is sufficient if the temperature is lower than the design specification temperature, precise control is not necessary, and control becomes simple. For this reason, the bypass 35 is not provided as shown in FIG. Since a constant pressure is maintained in the fuel cell 20, the anode exhaust gas is also discharged at a predetermined pressure. Therefore, if the temperature at the outlet of the gas cooler 36 is measured by the thermometer 42, the vapor concentration of the anode exhaust gas exiting the steam separator 38 using this temperature as the condensation temperature can be known.
[0017]
In the anode steam line 10, the steam amount is adjusted to a measured value of the thermometer 42 by the flow rate control valve 43 so that the steam concentration contained in the anode exhaust gas passing through the heat exchanger 34 becomes a concentration that does not cause carbon deposition in the heat exchanger 34. Control based on. The vapor concentration at which the carbon deposition does not occur is determined by the temperature of the heat exchanger 34 through which the anode exhaust gas passes. For example, when the temperature of the anode exhaust gas discharged from the anode is 670 to 680 ° C., the temperature of the heat exchanger 34 is It becomes about 600 ° C. At this time, if the vapor concentration is 17 to 20% or more, carbon deposition on the heat exchanger 34 can be prevented.
[0018]
By injecting steam into the anode exhaust gas in this way, this steam passes through the catalytic combustor 23 and the reformer 22 and is supplied to the cathode by the carbon dioxide gas recycling line 7. When steam is injected into the cathode, the battery voltage rises for the following reason.
[0019]
The battery reaction of the carbonate molten battery is performed as follows.
Anode: H ₂ + CO ₃ ²⁻ → H ₂ O + CO ₂ + 2e
Cathode: 1 / 2O ₂ + CO ₂ + 2e → CO ₃ ^2-
When water vapor is injected into the cathode, the following reaction occurs.
O ² + + H ₂ O = 2OH ⁻
2OH ⁻ + CO ₂ ═CO ₃ ²⁻ + H ₂ O
And the process
H ₂ O + CO ₃ ²⁻ = HCO ₃ ⁻ + OH ⁻
HCO ₃ ⁻ + O ₂ ⁻ = CO ₃ ² ⁻ + OH ⁻
This process occurs. In either process, CO ₃ ²⁻ required to generate electrons e at the anode is generated and supplied from the cathode to the anode through the electrolyte plate, contributing to an increase in the generated voltage.
[0020]
The vapor supplied to the cathode by the anode vapor line 10 contributes to an increase in battery voltage for the above-described reason, but also contributes to an increase in battery output due to an added cooling effect of the battery. FIG. 2 is an example of experimental data showing changes in cathode vapor concentration and battery voltage. The horizontal axis indicates the H ₂ O concentration (%), and the vertical axis indicates the battery voltage (V). The polygonal lines a, b, and c indicate voltages according to pressure, where a is 1 ata (absolute atmospheric pressure), b is 3 ata, and c is 5 ata. Thus, it is clearly shown that the battery voltage increases as the H ₂ O concentration in the cathode increases.
[0021]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention provides a device for injecting steam after cooling, air-water separation, and pressurization in the anode exhaust gas line, and adjusting the vapor concentration in the anode exhaust gas, thereby adjusting the inside of the heat exchanger. The carbon deposition in the gas can be prevented, and the temperature control of the gas cooler can be simplified. The injected steam is sent to the cathode, and the battery voltage can be increased and the battery output can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell power generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an example of experimental data showing an increase in voltage when steam is injected into the cathode.
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a conventional fuel cell power generator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel gas line 2 Anode gas line 3 Circulation line 4 Anode exhaust gas line 5 Cathode exhaust gas line 6 Waste heat utilization line 7 Carbon dioxide recycling line 8 Air line 9 Steam line 10 Anode steam line 20 Fuel cell 22 Reformer 23 Catalytic combustor 24 Fuel Preheater 26 Desulfurizer 28 Turbine Compressor 30 Waste Heat Recovery Steam Generator 32 Carbon Dioxide Recycle Blower 33, 43 Flow Control Valve 34 Heat Exchanger 36 Gas Cooler 38 Gas / Water Separator 40 Anode Blower 42 Thermometer

Claims

A fuel cell comprising a cathode and an anode and generating electricity from a cathode gas containing oxygen and an anode gas containing hydrogen; a combustor that burns cathode exhaust gas discharged from the cathode and anode exhaust gas discharged from the anode; and A reformer that reforms fuel gas containing steam with combustion gas to generate anode gas and supplies the anode gas, and a carbon dioxide gas recycling line that circulates the combustion gas supplied to the reformer to the cathode. The anode exhaust gas line for supplying the anode exhaust gas from the anode to the combustor includes a gas cooler that cools the anode exhaust gas, a steam separator that separates moisture condensed by cooling, and moisture An anode blower for pressurizing the separated gas, and an anode before the gas exiting the anode blower enters the gas cooler. A fuel cell for injecting steam into an anode exhaust gas line, comprising: a heat exchanger for heating with an exhaust gas; and an anode steam line connected between the heat exchanger and an anode blower for supplying steam Power generation device.