JP5331819B2

JP5331819B2 - Ｍｃｆｃ発電システム

Info

Publication number: JP5331819B2
Application number: JP2010539222A
Authority: JP
Inventors: 宏吉上松; 昭心渡部; 寛達亀山
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: KR101352219B1; KR20110086110A; JP2013219034A; US20110223500A1; WO2010058749A1; EP2360764A1; EP2360764A4; JP2013191572A; JPWO2010058749A1

Description

本発明はエネルギー変換装置の分野に属し、燃料ガスが持つ化学エネルギーを直接電気に変換する燃料電池に関するものである。特に、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）の発電効率を高め、かつ、ＣＯ_２の回収を容易にし、更に、熱電可変等の運転を可能にし、カソードガスの組成を自由に調整できるようにシステムに柔軟性を持たせ、それによってエネルギー資源の有効利用や地球環境の改善に貢献するＭＣＦＣ−ガスタービンハイブリッドシステムとその運転方法に関する。
以下、本出願において、ＭＣＦＣ−ガスタービンハイブリッドシステムを単に「ＭＣＦＣ発電システム」と呼ぶ。

図３は、従来型のＭＣＦＣ発電システム（ＭＣＦＣ−ガスタービンハイブリッドシステム）の全体構成図である。
都市ガス等の燃料ガスＦＧは脱硫器１の中の脱硫剤２で脱硫された後、燃料加湿器４１に導かれる。ここで燃料ガスはＭＣＦＣ１２のカソード排気で加熱される過程で処理水ＰＷが噴霧・蒸発され、予熱された燃料ガスと水蒸気の混合ガスは次にプレコンバータ９に導かれる。この時使われる処理水は供給水Ｗを水処理装置４で処理し、処理水タンク５を介してポンプ６で燃料加湿器４１に供給される。
プレコンバータ９は１種の改質器であり、内部に改質触媒１０が配置されているが加熱源はなく、自らが持つガスの顕熱で主にエタン以上の重質成分が改質され、メタンはほとんど改質されない。プレコンバータ９を出たガスは燃料加熱器１１で燃料電池の運転温度近くまで加熱され、ＭＣＦＣ１２に供給される。ＭＣＦＣ１２は内部改質型で内部改質器３８が燃料電池に組み込まれている。

アノードＡでは改質されて生成されたＨ_２とＣＯの合計の約７０％が発電反応（Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２−→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻）に使われるが、残りはアノード排気として触媒燃焼器１４に導かれる。ここでアノード排気はガスタービンの排気である空気と混合され、燃焼触媒１５によってアノード排気中の可燃成分が燃焼され、温度が上昇した燃焼ガスは高温熱交換器１６で圧縮空気ＣＡと熱交換され、温度が下がった燃焼ガスはカソードＣに供給される。
カソードＣでは発電反応（ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−）によって一部のＣＯ_２と酸素が消費されカソードＣから排出される。カソード排気は燃料加熱器１１で燃料側に熱を与えた後、低温再生熱交換器３２に導かれ、圧縮空気の予熱を行い、次いで、燃料加湿器４１で燃料側に熱を与えて、大気に放出される。
一方、ガスタービン発電機２７は圧縮機２８とタービン２９と発電機３０が一軸に繋がれた構成で、空気ＡＩＲはフィルター３１を介して圧縮機２８で圧縮され、圧縮空気ＣＡは低温再生熱交換器３２で予熱され、次いで高温熱交換器１６で所定の温度まで加熱されてタービン２９に導かれる。タービン２９では大気圧近くまで膨張する過程で仕事をし、排気は触媒燃焼器１４及び高温熱交換器１６を介してカソードへ供給される。ガスタービン発電機２７ではタービン２９の出力から圧縮機２８の動力と機械損失を差し引いた軸出力が発電機３０に伝えられることで、燃料電池の排熱を利用して交流出力が得られる。

このシステムは発電効率が高く、その分、ＣＯ_２の大気放出量は低減されるが、外部から供給される都市ガス等の燃料ガスから生成されるＣＯ_２は最終的にすべてカソード排気中に含まれ、大気に放出される。また、ＭＣＦＣ１２の排熱をガスタービン発電機２７で回収しているため、カソード排気の温度は最終的に低くなるので、そこから蒸気を回収する等のことはできない。

図４は、燃焼排ガスからＣＯ_２を分離回収する装置の構成図である。
燃焼排ガスＣＧは吸収塔４２の下部から入り上部から排出されるまでの過程で吸収液ＬＡＢと接触し、燃焼排ガス中のＣＯ_２は吸収液ＬＡＢ中に吸収される。ＣＯ_２を吸収した吸収液ＲＡＢはポンプ４３で昇圧され、熱交換器４４で予熱された後、再生塔４５の上部より供給され、落下する過程で下部から上昇してくる高温のガスと接触することによって加熱され、吸収していたＣＯ_２を放出する。再生塔４５の下部にはリボイラ４６が装備されており、熱媒体ＨＭによって吸収液が加熱され、ＣＯ_２や水蒸気が再生塔の下部から上部に向かって流れ、最終的に塔頂からＣＯ_２ガスＣＯ_２Ｇが回収される。ＣＯ_２を放出した吸収液ＬＡＢはポンプ４７で昇圧され、熱交換器４４及び冷却器４８で冷却され、再び吸収塔上部から供給される。
上述したＣＯ_２分離回収装置を使えば燃焼排ガス中に含まれるＣＯ_２を分離・回収することができるが、リボイラの熱源やポンプの動力等エネルギー消費が大きく、設備費も高価である。

また、本発明に関連する先行技術として、例えば特許文献１、２が既に開示されている。

図１は特許文献１に開示された第３図である。この図において、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のアノード排気中に含まれる可燃成分を酸素で燃焼すれば燃焼ガスがＣＯ_２とＨ_２Ｏになることを利用し、それを冷却し、Ｈ_２Ｏを分離すれば容易にＣＯ_２を回収できることが示されている。従って、燃料電池のアノード排気を酸素で燃焼した後、冷却して水分を分離すればＣＯ_２を回収できるということは、この特許文献１により既に公開されている。

一方、すべての炭化水素は酸素で燃焼すれば生成物は理論的にはＣＯ_２とＨ_２Ｏになることは化学の原理として知られている。燃料電池は燃料ガスの酸化プロセスであり、アノード排気は燃料ガスが部分酸化された状態である。燃料電池に供給する燃料ガスが炭化水素燃料か、または、それから導出された燃料ガスであれば、アノード排気は炭化水素燃料を部分酸化したものである。これを酸素で燃焼して、冷却して水を除去すればＣＯ_２が回収できる。

図１の場合、燃料電池としてＳＯＦＣを用いている。ＳＯＦＣの電解質は酸素イオン導電性を持っているので、空気極（カソード）に空気を供給してもその中の酸素だけが燃料極（アノード）に移動し、アノードで水素と反応して電気を発生するため、アノード排気中にはＮ_２が含まれることはない。従って、カソードには酸素でなく空気を供給することができるため、酸素が必要なのはアノード排気を酸素で燃焼するためだけであり、酸素の消費量を少なくすることができる。しかし、水素イオン導電性を持つリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）でも、カソードに空気を供給してもアノード排気中に窒素は含まれず、アノード排気を酸素で燃焼すれば生成するのはＣＯ_２とＨ_２Ｏであり、冷却して水分を除去することでＣＯ_２を回収することができる。

すなわち、図１の場合、燃料電池としてはＳＯＦＣを使い、そのカソードには、空気１２０を空気予熱器１１０で予熱した予熱空気１３０を供給し、空気予熱器の熱源はカソード排気である。また、燃料は石炭３４０と酸素３５０を石炭ガス化炉３１０でガス化し、脱硫器３２０で脱硫した後、メタノール合成触媒層３３０を通し、その入口及び出口で水蒸気を添加し、触媒層を出たガスをアノードＡに供給する。供給された燃料ガスは燃料電池内で内部改質反応を起こし、生成されたＨ_２やＣＯによって発電反応が起こる。その結果としてアノードＡから排出されるガスに外部から酸素を投入し、それを燃焼器３６０に導き、その燃焼ガスを熱交換器２００に導き、そこで水２２０を蒸発させ、その蒸気を燃料の改質用蒸気として使う。更に、熱交換器２００で冷却された燃焼ガスは次に冷却器２３０に導き、そこで水を分離し、残ったガスをＣＯ_２として回収する。また、回収した水は水蒸気を発生させるために利用する。

上述した特許文献１では燃料電池としてＳＯＦＣだけが対象であり、ＭＣＦＣについては一切触れていない。これはＭＣＦＣでは発電原理が異なり、同じプロセスが使えないからである。

一方、図２は、特許文献２に開示された図１４に相当し、ＭＣＦＣとガスタービンと蒸気タービンのハイブリッドシステムである。酸化剤は空気でなく、酸素を使うことでＣＯ_２回収を可能にしたシステムである。

このシステムの燃料電池はＭＣＦＣであり、アノード４０７にはメタノールをタンクから供給し、アノード排気のリサイクルガスと混合してアノードに供給している。また、カソード４０６には、アノード排気を酸素で燃焼した燃焼ガスとガスタービンの排気が混合されて供給される。カソード排気は蒸気発生器４０８に導かれ、蒸気を発生した後冷却器４１０に導かれ、水分を分離される。蒸気発生器で発生した蒸気は蒸気タービン４０９に導かれ蒸気タービンを駆動し、発電する。また、冷却器４１０で水分を分離されたカソード排気、すなわち、ＣＯ_２とＯ_２の混合ガスはガスタービンの圧縮機４１１に導かれ、圧縮されたガスは熱交換器４１３で加熱され、燃焼器４０３に導かれる。燃焼器４０３にはメタノールと酸素が供給され、燃焼ガスはガスタービンに供給され、ガスタービンで膨張する過程で仕事をし、発電する。ガスタービンの排気はカソードに供給される。一方、アノード排気は燃焼器４１２に導かれ、燃焼器には酸素が供給され、アノード排気中の可燃成分が燃焼される。この燃焼ガスは熱交換器４１３で圧縮ガスに熱を与えた後、２系統に分かれ、１系統は冷却器４１４で水分を分離され、ＣＯ_２ガスが回収される。もう１系統はカソードに供給される。

特開平４−１０８号公報、「燃焼装置」特開平１１−２６００４号公報、「発電システム」

特許文献２に開示されたシステムはＭＣＦＣとガスタービンと蒸気タービンの組合せで非常に複雑なシステムであり、かつ、サブシステムが相互に影響を与えており、運転や制御が難しく、特にカソードのガス組成を自由に変えるというようなことはできない。
以下、特許文献２のシステムで解決されていない問題点を詳述する。

（１）ＭＣＦＣの発電反応は以下の通りであり、水素の反応熱の半分前後が電気に変わり、残りが熱となる。
カソード反応：ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ ＣＯ_３ ^２−
アノード反応：Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２− → Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻
全体反応：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
従って、燃料電池は発電反応に伴う発熱に見合った冷却が必要であり、外部改質型ＭＣＦＣの場合はカソードガスとアノードガスの顕熱で冷却し、内部改質型の場合はカソードガス、アノードガスの顕熱に加え改質反応によっても冷却している。
従って、カソードを流れるガスの流量と入口、出口の温度は燃料電池の熱バランスから決まってしまう。カソードにはガスタービンの排気が供給され、カソード排気は水分を分離した後、ガスタービンの圧縮機に供給され、メタノールと酸素が添加され、燃焼ガスはガスタービンに供給される。すなわち、カソードとガスタービンは一体的であり、個別に自由な調整をすることはできない。カソードを流れるガスの量とカソードの入口、出口の温度を燃料電池の熱バランスが取れるように維持することはかなり難しい。

一方、カソードの発電反応によって消費されるＣＯ_２とＯ_２の量に一致する量が外部から補給されなければならない。ＣＯ_２はメタノールからとアノード排気を酸素で燃焼したガスのリサイクルによって補給されているが、この量は厳密に発電反応量に一致しなければならない。メタノールと酸素の量はカソード入口の温度を決めると同時にＣＯ_２バランスも決めることになるので、この条件を満足させることはかなり難しい。

更にカソードガス循環系にはパージラインがないので、メタノールから生成されるＣＯ_２の量が発電反応量を超えることはできないし、酸素も発電反応で消費される以上の量を入れることはできないし、アノード排気の燃焼ガスから入るＣＯ_２及びＯ_２の量とメタノールの燃焼器から来るＣＯ_２及びＯ_２の合計が常に発電反応によって消費される量と厳密に一致していなければならない。

一方、メタノールの燃焼によって決まるガスタービンの入口温度でガスタービンの出口温度、すなわち、カソード入口温度も決まるので、ＣＯ_２バランスとは別にメタノール流量を決める要因が存在する。これらの条件が満足される条件でしか燃料電池とガスタービンの両方を運転することはできない。

更に、発電負荷を定格の１００％から例えば５０％に下げようとすると、燃料電池での発熱は半分以下に下がり、カソードの入口、出口の温度を一定とすればガスタービンを流れる流量は半分以下にしなければならない。また、流量によってガスタービンの圧力比も変化してしまうので、カソード入口温度を一定に維持するためにはメタノールの量、すなわち、燃焼温度を流量に応じて変えなければならない。一方、発電反応によって消費されるＣＯ_２の量は半分以下になるので、メタノールの量も半分以下にしなければならない。

以上の通り、燃料電池の熱バランスを左右するカソードガスの循環量、カソードの入口、出口の温度及びＣＯ_２バランスを共に満足させながら、ガスタービンと燃料電池の両方を運転し、しかも、その負荷を自由に変えるということは非常に難しい。

（２）また、カソードの酸化剤として酸素を使う場合は、単にＣＯ_２が回収できるというだけではなく、カソードのＣＯ_２やＯ_２の分圧を高めることで、燃料電池の電圧を高めることができ、その結果、燃料電池の出力が大きくなり、発電効率も向上する。このメリットは活かされなければならない。しかし、一方ではＭＣＦＣではニッケル短絡という問題があり、カソードのＣＯ_２分圧を高くすると燃料電池の寿命が短くなるという問題がある。

ニッケル短絡とは、カソードを構成している酸化ニッケルが電解質の中にイオンの形で溶け出し（ＮｉＯ＋ＣＯ_２ → Ｎｉ^２＋＋ＣＯ_３ ^２−）、それが水素で還元される結果、電解質板の中で金属ニッケルが析出する現象で（Ｎｉ^２＋＋Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２− → Ｎｉ＋Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２）、ニッケルの析出量が増えると絶縁体でなければならない電解質板のアノード、カソード間が導通してしまうことで、燃料電池としては致命的な問題である。
このニッケル短絡を防ぎながら、燃料電池の電圧を少しでも高めるためにはカソードのガス組成を自由にコントロールできる必要があるが、図２に開示されたシステムでは燃料電池の熱バランスとＣＯ_２バランスを満足させながら、カソードのＣＯ_２及びＯ_２濃度を自由に変えるということは実質的に不可能であると考える。

（３）また、アノードには燃料としてメタノールを供給しているが、改質に必要な蒸気は外部から全く供給しておらず、すべてをアノード排気のリサイクルによって賄っている。アノード排気にはＨ_２Ｏ以外に大量のＣＯ_２が含まれており、ＣＯ_２もリサイクルされるので、アノードの水素分圧が下がり、それによって燃料電池の電圧が下がるので、発電効率が低下する。更に、燃料のメタノールはＭＣＦＣ用だけではなく、ガスタービン用としても供給しなければ運転できないシステムであり、最も発電効率の高いＭＣＦＣだけに燃料を供給するシステムと較べて発電効率が低くなる。

特に、図２に開示されたシステムには記載がないが、酸素を供給するためには酸素プラントが必要であり、しかもその酸素消費量は燃料電池用のメタノールとガスタービン用のメタノールの両方を燃焼する量が必要となり、消費動力が非常に大きくなることが発電効率を下げる大きな要因となる。
ＭＣＦＣは酸素を使うことで発電効率を高められる要因もあるが、ガスタービンはガスタービンを流れる流量と入口温度と圧力比で決まるので、酸素を使うメリットは特にないので、ガスタービン用に相当する酸素プラントの消費動力は発電効率を下げる要因となる。

（４）また、図２に開示されたシステムでは全く熱を回収しておらず、燃料の持つエネルギーのうち、そのできるだけ多くを電力に変換しようとしており、これは大型の商用発電設備としての用途を考慮したものと思われるが、熱と電力の両方を要求する中小型分散電源には向いていない。
さらに、分散電源では負荷変化も要求されるし、必要とする熱と電気の割合は一定ではなく、いわゆる熱電可変運転も要求される。しかし、図２はシステム全体が一体的であり、負荷変化、熱電可変運転、カソードガス組成の調整等を行うためのシステムの柔軟性に欠けていると思われる。

本発明は上述した従来の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、通常の発電設備に対して付加する設備を最小にして、ＣＯ_２の大気放出を大幅に削減するか又は実質的に放出せず、同時に高い発電効率及び熱回収効率を得ることができるＭＣＦＣ発電システムとその運転方法を提供することにある。すなわち、本発明の目的は、実質的にＣＯ_２の大気放出がなく、発電効率及び熱回収効率の高いＭＣＦＣ発電システムとその運転方法を提供することにある。さらに、本発明の目的は、カソードのガス組成を調整することで、燃料電池の電圧及び出力をある範囲で調整することができ、熱と電気の割合も大きく変えることができ、いわゆる熱電可変運転が可能なＭＣＦＣ発電システムとその運転方法を提供することにある。

本発明によれば、アノードとカソードと内部改質器を有する溶融炭酸塩形の燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統を有し、前記燃料ガス供給系統は、アノード出口に燃料加熱器を接続し、燃料加熱器出口のアノード排気を２系統に分け、その１系統をアノード排気循環ブロワに接続し、前記ブロワの出口ガスを前記燃料電池に外部から供給する燃料ガスと混合し、次いで、改質用水蒸気と混合した後プレコンバータの触媒層に導き、前記混合ガスの改質反応とメタン化反応を同時に進めた後、前記燃料加熱器で温度を上げて前記燃料電池の前記内部改質器に供給する、ことを特徴とするＭＣＦＣ発電システムが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記燃料ガス供給系統において、前記プレコンバータの運転温度が２５０〜４５０℃の範囲となるように、前記アノード排気循環ブロワの出口から前記プレコンバータへ供給されるアノード排気の量が制御されることを特徴とするＭＣＦＣ発電システムが提供される。

（１）アノード排気中の燃料ガスをリサイクル使用することで、外部から供給する燃料ガスの供給量を減らすことができる。
また、本発明では高温のアノード排気の一部と混合することによって燃料ガス及び改質用水蒸気の温度をプレコンバータの運転温度にまで上げることができるので、燃料加湿器が不要となる。
更に、アノード排気中にはアノードの発電反応で生成された水蒸気が含まれているために、新たに供給する改質用水蒸気の量を著しく低減できる。

（２）また、改質用水蒸気の供給量を著しく低減できるため、低温再生熱交換器を出たタービン排気から低圧の水蒸気を発生させると改質用水蒸気の供給はここだけで賄える。
一方、アノード排気を酸素で燃焼した燃焼ガスの系統では、従来必要であった燃料加湿器が必要なくなったため余剰の熱量はすべて高圧蒸気の発生に使うことができ、回収水蒸気量が著しく増大し、総合熱効率を著しく高くできる。

（３）また、本発明のＭＣＦＣは内部改質型であり、アノード排気の一部と外部から供給する都市ガス等の燃料ガスを混合し、改質用水蒸気を加えて１つの改質触媒層を通すことで、改質反応とメタン化反応を同時に進めることができ、吸熱反応と発熱反応が同時に進行するため相互に温度変化が緩和され、反応温度を目的とする温度に維持することが容易になる。

特許文献１に開示された発電システムの構成図である。特許文献２に開示された発電システムの構成図である。従来型のＭＣＦＣ発電システムの全体構成図である。燃焼排ガスからＣＯ_２を分離回収する装置の構成図である。本発明のＭＣＦＣ発電システムの全体構成図である。図５のカソードガス循環系統の詳細図である。図５の燃料ガス供給系統の詳細図である。図５のエネルギー回収システムの詳細図である。燃焼ガスリサイクル量とガスタービンの入口温度及び出力の関係図である。電圧一定運転時のデータである。

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、重複した説明を省略する。

図５は、本発明のＭＣＦＣ発電システムの全体構成図である。
外部から供給する都市ガス等の燃料ガスＦＧは脱硫装置１の中の脱硫剤２で脱硫され、フィルター３を介してプレコンバータ９に供給されるが、その途中でアノード排気の一部が高温の状態で混合される。次いで、外部から供給される都市ガス等の燃料ガスに見合った改質用水蒸気と混合され、プレコンバータ内に設けられた改質触媒層１０を通過する過程で、外部から供給された都市ガス等の燃料ガスに含まれるエタン以上の重質成分が改質されると同時に、リサイクルされるアノード排ガス中のＨ_２，ＣＯ，ＣＯ_２は逆にメタン化反応を起こす。

外部から供給される都市ガス等の燃料ガスとアノード排気の一部と改質用水蒸気の混合の順序は図５に記載の通りか又はアノード排気の一部と改質用水蒸気を混合した後に都市ガス等と混合することでドレンの発生を防ぐことが好ましいが、混合の場所は図５では配管で混合するように記載しているが、配管の途中にミキサーを設ける方法やプレコンバータ内で混合する方法があり、いずれにしても図５はこれらの中の１例を示しているに過ぎない。

プレコンバータを出たガスは燃料加熱器１１に導かれ、アノード排気によって燃料電池の運転温度より少し低い温度まで加熱され、燃料電池１２に供給される。燃料電池１２は内部改質型ＭＣＦＣで改質器３８が燃料電池内部に組み込まれており、燃料ガスは燃料電池内で改質され、ＭＣＦＣの燃料となるＨ_２やＣＯが生成される。

図３に示した従来型のＭＣＦＣ−ガスタービンハイブリッドシステムでは生成されたＨ_２＋ＣＯの約７０％程度が発電反応（Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２−→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻）で消費され、残りはアノード排気として触媒燃焼器で可燃成分が燃焼されるが、本発明ではアノード排気の一部をリサイクルしているので、燃料利用率を８０％以上にまで高めることができ、それによって外部から供給される都市ガス等の燃料ガス及び改質用水蒸気の供給量を減らすことができる。

いずれにせよ、燃料ガス中のＨ_２やＣＯの一部は発電反応で消費され、残りはアノード排気として燃料電池から排出される。燃料電池では直流の電気が発生するのでこれをインバータ３７で交流に変えて出力する。
アノード排気は燃料加熱器１１でプレコンバータ出口ガスに熱を与えた後、一部はアノード排気循環ブロワ８で昇圧され、外部から供給される都市ガス等の燃料ガスと混合される。残りはミキサー１３で酸素及びリサイクル燃焼ガスＲＣＧと混合され、触媒燃焼器１４に導かれる。
触媒燃焼器１４には燃焼触媒層１５が設けられており、これによってアノード排気中の可燃成分は燃焼される。触媒燃焼器１４を出た燃焼ガスは高温熱交換器１６に導かれ、圧縮空気ＣＡをタービン入口温度まで加熱する。次いで、ＣＯ_２加熱器１７でリサイクルＣＯ_２であるＲＣＯ_２に熱を与え、排熱回収ボイラ１８に導かれる。排熱回収ボイラ１８は蒸発部ＥＶＡと給水加熱部ＥＣＯから構成されており、熱源は同じ燃焼ガスであるが、リサイクル燃焼ガスＲＣＧは排熱回収ボイラ１８の蒸発部の出口から分岐されるので、蒸発部と給水加熱部では燃焼ガスの流量が異なる。

なお、図５では燃焼ガスをリサイクルする位置を排熱回収ボイラの蒸発部出口としているが、ＣＯ_２加熱器１７の出口または高温熱交換器１６の出口とすることも可能で、リサイクル位置が高温になるほど発電効率は高くなるが、排熱回収効率は下がるのでそれぞれの特徴を有している。

リサイクル燃焼ガスは燃焼ガスリサイクルブロワ１９で昇圧され、ミキサー１３に送られる。図５では酸素ライン上で混合するように記載しているが、アノード排気と酸素とリサイクル燃焼ガスの混合はミキサー１３で行う方法やその他の方法があり、図５は特定する意味で描いたものではない。

排熱回収ボイラ１８の給水加熱部を出た燃焼ガスはクーラ２０で冷却され、ＫＯドラム２１で凝縮水が分離される。ＫＯドラム２１を出たガスはほぼＣＯ_２ガスと言えるものであるが、必要に応じ更に温度を下げて水分を除去する除湿システム２２に導かれる。除湿システム２２は冷凍機２３、熱交換器２４、ＫＯドラム２５から構成されている。
ＫＯドラム２５を出たＣＯ_２ガスは、ＣＯ_２濃度が９５％程度にまで高められている。その一部はＣＯ_２リサイクルブロワ２６で昇圧され、ＣＯ_２加熱器１７で予熱された後、カソードガス循環系に補給される。残りのＣＯ_２ガスは高濃度な状態で高濃度ＣＯ_２回収装置７０により回収され、大気への放出はほとんどなくなる。

一方、カソードガス循環系はカソードガス循環ブロワ３６で循環される閉サイクルを形成しており、カソードの発電反応（ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−）によって消費される酸素は酸素供給プラント３３から補給される。図５では酸素供給プラント３３は空気圧縮機３４と分離装置３５の構成としているが、酸素供給プラントにはＰＳＡ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｂｅｒ）、液化分離等数種の方式があり、本発明は酸素供給プラントの詳細を特定するものではない。

一方、発電反応によって消費されるＣＯ_２については、既に記載の通り、アノード排気を酸素で燃焼し、冷却・除湿したリサイクルＣＯ_２を予熱した後カソードガス循環系に補給する。カソードガスの温度は燃料電池での発電反応に伴う発熱によって、入口より出口温度が高くなるが、常温近くの酸素と２５０〜４５０℃に予熱したリサイクルＣＯ_２の混合によって入口温度に調節することができる。この温度制御はＣＯ_２加熱器１７の出口温度を制御することによって行う。

以上が本発明のＭＣＦＣ発電設備部分の基本構成であるが、本発明はこれに空気を作動媒体とするガスタービン発電機が付加されている。

フィルター３１を介して空気はガスタービン発電機２７の圧縮機２８に導かれ、圧縮された空気ＣＡは再生熱交換器３２でタービン２９の排気によって先ず加熱され、次いで、高温熱交換器１６によってアノード排気の燃焼ガスＣＧと熱交換され、タービン入口温度まで昇温された圧縮空気はタービン２９に導かれる。タービン２９で大気圧近くの圧力まで膨張する過程で仕事をし、発電機３０によって交流出力として取り出される。また、タービン排気は再生熱交換器３２に導かれ、そこで圧縮空気に熱を与え、次いで、排熱回収ボイラ７に導かれる。排熱回収ボイラ７では改質に必要な低圧蒸気が発生され、排熱回収ボイラを出たタービン排気は大気に放出される。
以上が本発明の基本システム構成であるが、各サブシステム詳細については、後述する図６〜図１０を使ってその構成、用途、効果等について説明する。

上述した本発明のＭＣＦＣ発電システムは、以下の効果を有する。

（１）カソードガスはカソードガス循環ブロワで循環されており、閉ループを形成している。発電反応（ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−）によって消費される酸素は酸素供給プラントから補給され、ＣＯ_２はリサイクルＣＯ_２で補給されているので、カソード循環ガスはその量も組成も必要な状態に維持することができ、基本的にカソードガス循環系からは排気がない。ただし、補給する酸素やＣＯ_２に不純物が含まれている場合は一定のパージが必要となる。しかし、酸素に含まれる窒素やＣＯ_２に含まれるＨ_２Ｏの量は僅かであり、このＣＯ_２の一部はカソードへリサイクルし、残りは高濃度ＣＯ_２ガスとしてほとんど回収されるため、アノードからのＣＯ_２の大気放出はほとんどなくなる。

（２）一方、カソードで生成された炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）は電解質の中を通ってアノードに行き、アノードの発電反応（Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２−→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻）によってアノードでＣＯ_２が生成される。アノード排気中にはＣＨ_４，Ｈ_２，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏが含まれているが、可燃成分を酸素で燃焼するとＣＯ_２とＨ_２Ｏになり、冷却して水を除去すればＣＯ_２だけが残ることになる。ただし、酸素中に窒素が含まれている場合はＣＯ_２の中に微量の窒素が含まれ、酸素が過剰に入れられた場合は微量の酸素も含まれる。更に、ＣＯ_２は冷却して水分を除去しても完全には除去できないことから、ＣＯ_２の中には微量の窒素、酸素、水蒸気等が含まれることになるが、この不純物はリサイクルする場合も回収する場合も特に害とはならない。このＣＯ_２の一部を回収し、残りはカソードへリサイクルするので、アノードからのＣＯ_２の大気放出はゼロである。

（３）また、図３の従来システムではアノード排気中にはまだ燃料ガスが３０％近く残っており、その全量を空気で燃焼し、その熱をガスタービンの熱源として動力回収することでシステム全体としての発電効率を高めていた。
本発明ではアノード排気の一部をリサイクルし、外部から供給する都市ガス等の燃料ガス及び改質用水蒸気と混合し、アノード排気中の燃料ガスをリサイクル使用することで、外部から供給する燃料ガスの供給量を減らすことができる。
また、図３の従来システムでは外部から供給する都市ガス等の燃料ガスの予熱と改質用水蒸気の発生及びそれらの予熱のために燃料加湿器を必要としたが、本発明では高温のアノード排気の一部と混合することによって燃料ガス及び改質用水蒸気の温度をプレコンバータの運転温度にまで上げることができるので、燃料加湿器が不要となる。
更に、アノード排気中にはアノードの発電反応で生成された水蒸気が含まれているために、新たに供給する改質用水蒸気の量を著しく低減できる。外部から供給する都市ガス等の燃料ガスが減っていることも改質用水蒸気の供給量を低減できる要因となっている。

（４）図５に示す本発明のシステムでアノード排気の一部をリサイクルしない場合を考えてみると、低温再生熱交換器を出たタービン排気は温度も低く、熱源としてほとんど有効利用することができなかったが、アノード排気の一部をリサイクルすることによって改質用水蒸気の供給量を著しく低減できたため、低温再生熱交換器を出たタービン排気から低圧の水蒸気を発生させると改質用水蒸気の供給はここだけで賄えることになった。
一方、アノード排気を酸素で燃焼した燃焼ガスの系統では、従来必要であった燃料加湿器が必要なくなったため余剰の熱量はすべて高圧蒸気の発生に使うことができ、回収水蒸気量が著しく増大した。この高圧水蒸気は図５に示す本発明のシステムの外で使うことができるので、総合熱効率が著しく高くなった。

（５）また、本発明のＭＣＦＣは内部改質型であり、燃料電池の冷却のために吸熱反応である改質反応（ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２）を利用している。従って、燃料電池に供給する燃料ガス中のメタン濃度が高いことが好ましい。しかし、アノード排気中の主成分はＨ_２，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏでメタンはほとんど含まれていない。従って、改質反応の逆反応であるメタン化反応（ＣＯ_２＋４Ｈ_２→ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ）を進める必要がある。
この反応は同じ改質触媒で温度を調整することで達成できるが、メタン化反応は発熱反応でアノード排気の一部を単独でメタン化させると温度が上がり過ぎ、平衡上メタン濃度が高くならないばかりか温度が高くなり過ぎると触媒を劣化させてしまう。一方、外部から供給する都市ガス等の燃料ガスにはメタンの外にエタン、プロパン、ブタン等が含まれており、改質温度が低い場合はエタン以上の重質成分はほとんど改質されるが、メタンはほとんど改質されない。この改質反応は吸熱反応であり、単独で進めるためには予め予熱する必要がある。

従って、アノード排気の一部と外部から供給する都市ガス等の燃料ガスを混合し、改質用水蒸気を加えて１つの改質触媒層を通すことで、改質反応とメタン化反応を同時に進めることができ、吸熱反応と発熱反応が同時に進行するため相互に温度変化が緩和され、反応温度を目的とする温度に維持することが容易になる。この過程でガスの予熱や反応器の冷却といった操作は不要である。
なお、外部から供給する都市ガス等の燃料ガスは常温であり、これと飽和水蒸気を混合するとドレンが発生するので、高温のアノード排気の一部と燃料ガスを混合した後、水蒸気を混合するか、または、高温のアノード排気の一部と水蒸気を混合した後、燃料ガスを混合することでドレンが発生することなく混合することができる。

（６）ガスタービンの媒体は空気で、排気によって大気を汚染することはなく、またＭＣＦＣ発電システムから熱交換器を介して熱を受け取っているだけなので、ガスタービンが停止してもＭＣＦＣ発電システムの運転は継続できる。従って、ガスタービンを運転している時は電気出力が多くなるが、停止すれば排熱回収が大きくなるので、熱電比可変運転が可能となる。この切換えの過程として、燃焼ガスのリサイクル量を増やし、触媒酸化器出口温度を下げることで、高温熱交換器の交換熱量を減らし、ガスタービンの出力を下げると同時に排熱回収ボイラでの蒸気発生量を増やすことができ、その最終形態がガスタービンの停止である。この詳細については参考例の中で記述する。

【００６９】
（７）ＭＣＦＣのカソードに供給する酸化剤として空気でなく、酸素を供給する場合は、単にＣＯ_２回収ができるというだけではなく、カソードのＣＯ_２及びＯ_２濃度を高めることで燃料電池の電圧を高めることができる。これによって燃料電池の出力を高め、発電効率を向上させることができる。
しかし、一方ではＭＣＦＣにはニッケル短絡という問題があり、カソードのＣＯ_２分圧を高くすると燃料電池の寿命が短くなるという問題がある。ニッケル短絡とは、カソードを構成している酸化ニッケルが電解質の中にイオンの形で溶け出し（ＮｉＯ＋ＣＯ_２ → Ｎｉ^２＋＋ＣＯ_３ ^２−）、それが水素で還元される結果、電解質板の中で金属ニッケルが析出する現象で（Ｎｉ^２＋＋Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２− → Ｎｉ＋Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２）、ニッケルの析出量が増えると絶縁体でなければならない電解質板のアノード、カソード間が導通してしまうことで、燃料電池としては致命的な問題である。
これを防ぎながら、燃料電池の電圧を少しでも高めるためにはカソードのガス組成を自由にコントロールできる必要があるが、本発明のカソードガス循環系統は他のサブシステムとは完全に独立した閉ループであり、カソードのガス組成を自由に調整できると同時に、ガス組成の変化が他のサブシステムに影響を与えることもない。
燃料電池の電圧が高くなると燃料電池での発熱が減り、燃料電池の冷却はそれだけ少なくて済むことになるが、カソードの循環ガス量はブロワの回転数を変えることによって容易に増減できるので、燃料電池の熱バランスを考えても、カソードガスのＣＯ_２及びＯ_２濃度を、ニッケル短絡を考慮しながら、容易に、かつ、正確に調整することができる。これについては参考例の中で詳細に記述する。
【参考例１】

図６は図５のカソードガス循環系統の部分だけを取り出し、詳細に記述したものである。
カソードの発電反応（ＣＯ_２＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → ＣＯ_３ ^２−）及びパージによって消費されるＣＯ_２及びＯ_２を補給してやる必要がある。反応量は燃料電池の直流電流から算出でき、パージ量は流量調節弁５３で確認できる。Ｏ_２はＭＣＦＣ発電プラントの外部に設けられた酸素プラントから流量調節弁５１によって制御され、常温付近の温度で供給される。ＣＯ_２はアノード排気を酸素で燃焼し、冷却して水分を落としたリサイクルＣＯ_２（ＲＣＯ_２）を流量調節弁５２で流量を制御され、ＣＯ_２加熱器４９に設けられた温度調節弁４０で温度を制御した後カソードガス循環系統に補給される。カソードを通過するガスは発電反応に伴う発熱によって入口より出口の温度が高くなるので、ＣＯ_２とＯ_２の補給・混合によって入口温度に戻すように制御される。混合後のガスをカソードガス循環ブロワで断熱圧縮した温度がカソード入口温度となるようにリサイクルＣＯ_２の補給温度をＣＯ_２加熱器で調整する。カソードガス循環ブロワはカソード出口ガス温度が一定になるように循環量を制御する。

一方、補給するＣＯ_２及びＯ_２にはいずれも不純ガスが含まれているので、パージが必要になり、カソード循環系統のカソード出口を２系統に分け、１系統を流量制御弁５３を装備したパージラインに接続し、もう１系統を逆止弁５４に接続し、この逆止弁５４の下流にＣＯ_２及びＯ_２の補給ラインを接続する構成とする。
本発明のカソードガス循環系統はカソードのガス組成を自由に変更することができ、かつ、燃料電池の発熱の程度に応じて循環量を自由に増減することができる。また、それによって他のサブシステムに影響を与えることもない。

一参考例として、本発明のカソードガス組成を変えたときのプラント性能を表１に示す。
表１のＣＯ_２及びＯ_２濃度は最高濃度を意味するものではなく、ニッケル短絡の影響を考慮した濃度であり、それでも発電効率が５％向上している。かつ、高濃度での運転は発電効率を高めたい時だけ行えば良く、容易に標準運転条件に戻すこともできる。

【００７３】
【表１】

【参考例２】

すべての燃料電池は運転時間とともに電圧が劣化して行く。一般的にはセル電圧が１０％劣化した時を燃料電池の寿命としている。１年間の運転時間を８０００時間と仮定し、燃料電池の寿命を５年間、４００００時間とすれば半年に１％ずつ劣化していくことになり、燃料電池の電圧に比例して燃料電池の出力も発電効率も半年に１％ずつ低下することになる。しかし、本発明では、この燃料電池の劣化に応じてカソードのＣＯ_２及びＯ_２濃度を徐々に上げて行くことができ、これによって燃料電池の電圧を常に一定に保持することができる。

図１０は、電圧一定運転時のデータである。この図は、標準運転条件と同じ性能を５年間維持するためのカソードのＣＯ_２及びＯ_２濃度の変化の一例を示したもので、この運転をすることで燃料電池の寿命の間に相対的に平均５％の燃料電池の出力及び発電効率を向上することができる。この運転方法ではカソードのＣＯ_２分圧が非常に高い期間は短く、ニッケル短絡に至る金属ニッケルの累積析出量が抑えられるので、ニッケル短絡を抑えながら発電効率を高める１つの運転方法である。

図７は図５の燃料ガス供給系統だけを取り出した詳細図で、アノード出口は燃料加熱器１１に接続されており、アノード排気を熱源としてプレコンバータ９の出口ガスを燃料電池の運転温度近くまで加熱する。これによって温度の下がったアノード排気を２系統に分け、１系統をアノード排気循環ブロワに接続し、そのブロワ出口ガスを外部から供給する都市ガス等の燃料ガスと混合する。都市ガス等の燃料ガスは流量調節弁５６によって流量を調節されて供給される。次いで、これらの都市ガス等を改質するための蒸気と混合される。蒸気は流量調節弁５７によって流量を調節されて供給される。

図７ではこれらの混合は配管内で行われるように記載しているが、ミキサーを設けて混合する方法やプレコンバータ９の内部で混合する方法があり、本発明ではこの混合方法は特定していない。

この混合ガスは次にプレコンバータ９の改質触媒層１０に導かれる。ここで都市ガス中のエタン以上の重質成分は改質され、アノードリサイクルガス中のＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏはメタン化反応を起こす。改質反応は吸熱反応であり、メタン化反応は発熱反応であり、この２つの反応が同時に起こることで相互に温度変化を抑制する効果があり、プレコンバータの運転温度を希望する温度に維持することが容易となる。

また図７のＭＣＦＣは内部改質型であり、燃料電池の冷却に吸熱反応である改質反応（ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ_２）を利用しているので、プレコンバータ出口ガスはメタン濃度が高いことが好ましく、プレコンバータの触媒層出口温度が２５０〜４５０℃の範囲に入るように温度コントローラ５８によって、都市ガス等の流量及び改質用蒸気の流量に応じて、アノード排気循環ブロワに装備された速度コントローラ３９でリサイクル量を制御する。

本発明の燃料供給系統の構成要件は、アノード出口と燃料加熱器を接続し、アノード排気の温度を下げること、その温度が下がったアノード排気のラインを２系統に分け、その１系統をアノード排気循環ブロワに接続すること、アノード排気循環ブロワの出口ガスと都市ガス等の燃料ガスと改質用水蒸気を混合することによって、プレコンバータへの供給ガス温度まで熱交換器を使わずに温度調節をすること、次いで、熱源を持たないプレコンバータの改質触媒層に混合ガスを導くこと、プレコンバータ出口ガスのメタン濃度が高くなるようにプレコンバータの運転温度は２５０〜４５０℃の範囲であること、この目的を達成するためにアノード排気のリサイクル率は約２０〜４０％の範囲であることである。

アノード排気をリサイクルする場合としない場合の性能比較を表２に示す。発電効率は変わらないが、熱回収率が大きく向上する。
また、アノードリサイクル率を変えてもプラント全体としての発電効率は大きく変化しないが、個々の要因はいろいろと変化している。アノードリサイクル率を上げると、都市ガス供給量は減り、供給する改質用蒸気量が減り、燃料電池の電圧は下がり、従って、燃料電池の出力も下がり、ガスタービンの出力は下がり、所内動力も下がる。これらの変動要因はプラントの運転条件を変える効果があり、例えば、カソードのＣＯ_２及びＯ_２濃度を高くすると燃料電池の電圧が高くなり、燃料電池の発熱が減るので条件によっては燃料電池が冷却され過ぎる状態も起こってくるが、このときは、アノードのリサイクル率を上げることで燃料電池の電圧を下げ、その代わり都市ガス供給量も下げることで、発電効率を維持しながら燃料電池の熱バランスを取ることができる。その他、構成機器の仕様を調整する上でも有効である。

【００８２】
【表２】

【参考例４】

図８は図５におけるアノード排気を酸素で燃焼して各種熱交換器を介して、その燃焼熱を有効に利用するエネルギー回収システムを取り出し、その詳細を示した図である。

アノード排気ＡＥＧはミキサー１３において酸素ＯＸＧ及びリサイクル燃焼ガスＲＣＧと混合される。アノード排気中の可燃成分の量は、燃料供給量、燃料利用率、燃料電池の直流電流等から算出することができるので、それに基づいて必要酸素量を算出し、流量調節弁５９によって制御され供給される。一方、一度冷却された燃焼ガスＲＣＧは燃焼ガスリサイクルブロワによってミキサーにリサイクルされる。単純にアノード排気を酸素で燃焼すると温度が高くなりすぎるので、低温の燃焼ガスをリサイクルすることで触媒燃焼器の出口温度を調節できるように配慮されている。

アノード排気と酸素とリサイクル燃焼ガスの混合ガスは触媒燃焼器１４の燃焼触媒でアノード排気中の可燃性ガスが燃焼され、温度が上昇する。燃焼ガスリサイクルブロワの速度コントローラ６１は触媒燃焼器の出口温度を設定値に合うように流量を制御する。この設定値は必要に応じ変更される。
触媒燃焼器１４を出た燃焼ガスは先ず高温熱交換器１６で圧縮空気に熱を与え、次いでＣＯ_２加熱器でリサイクルＣＯ_２に熱を与え、次いで、排熱回収ボイラ１８で蒸気を発生させる。

標準運転条件では排熱回収ボイラの蒸発部ＥＶＡを出たところで燃焼ガスはリサイクルされる。残りの燃焼ガスは排熱回収ボイラの給水加熱部ＥＣＯに送られる。
一方、高出力運転モードでは燃焼ガスのリサイクルは高温熱交換器１６の出口からとなる。この切換えはダンパー６２の開度を低温側から高温側に徐々に切り換えて行くことで行う。同時に、触媒燃焼器出口温度を設定値に維持するように燃焼ガスリサイクルブロワの流量が増大する。従って、高温熱交換器１６を通る燃焼ガスの量が増大し、圧縮空気に与える熱量が増大する。このとき、ガスタービン発電機の速度コントローラ６４によってガスタービンの空気量を増大する。この結果、ガスタービンは出力が増大するが、排熱回収ボイラに行く熱量はその分低減するので蒸気発生量は低減する。

表３に標準運転条件と高出力運転モードの比較を示す。高出力運転モードにすると発電効率は２ポイント向上するが、熱回収率は逆に６ポイント低下する。どのような運転モードが望ましいかどうかは、その時の熱需要と電力需要のバランスで決まる。

【００８９】
一方、空気を作動媒体とするガスタービンはフィルター３１を介して空気が圧縮機で圧縮され、再生熱交換器３２でタービン排気と熱交換する。この再生熱交換器ではタービン排気側の出口温度を制御しており、排熱回収ボイラ７で常に改質に必要な低圧蒸気が発生できるように制御される。従って、圧縮空気の再生熱交換器出口温度は運転条件によって一定とはならず、その分は高温熱交換器１６で調整されるシステムである。
高温熱交換器で昇温された圧縮空気はタービンに導かれ、そこで大気圧近くまで膨張する過程で仕事をし、発電機３０によって交流出力が得られる。このガスタービンは燃料電池の排熱を回収して発電するもので、ＭＣＦＣ側の負荷で排熱の量も変わるので、発電機はモータ／ジェネレータとし、かつ、回転数可変としており、燃料電池の運転状態に合わせて空気流量も変えられるように配慮している。
【参考例５】

図８のエネルギー回収システムを利用することで熱電可変運転が可能である。電気出力を最大にする条件は前記の通り、燃焼ガスのリサイクル位置を高温熱交換器出口に切り換える運転モードである。一方、熱回収を最大にする運転方法は以下に記述する通りである。

燃焼ガスのリサイクル位置は排熱回収ボイラの蒸発部を出た所とし、その状態で触媒燃焼器の出口温度の設定値を徐々に下げて行く。それによって燃焼ガスリサイクルブロワの流量が増える。触媒燃焼器の出口温度が下がると高温熱交換器１６を介して圧縮空気に与えられる熱量が減り、ガスタービン入口温度は下がる。それによってガスタービン出力は下がって来る。一方、その過程でＣＯ_２加熱器でリサイクルＣＯ_２を加熱する熱量は変わらないので、ガスタービンに与える熱が減った分だけ排熱回収ボイラでの蒸発量が増える。

燃焼ガスリサイクル量とガスタービンの入口温度及び出力の関係が図９に示されている。触媒燃焼器出口温度がある温度以下になるとガスタービンの出力はゼロになる。この時点で改質用の蒸気の供給をガスタービン側の排熱回収ボイラから燃焼ガス側の排熱回収ボイラに切り換え、ガスタービンを停止する。ガスタービンを停止すると標準運転時にガスタービンに入っていた熱はすべて燃焼ガス側の排熱回収ボイラに入ることになるので熱回収量は最大となる。標準運転と熱回収を最大にしたときの比較を表４に示す。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ａアノード、ＡＥＧアノード排気、ＡＩＲ空気
Ｃカソード、ＣＡ圧縮空気、ＣＧ燃焼ガス
ＣＭＰ圧縮機、ＣＯ_２ＧＣＯ_２ガス、ＣＯ_２Ｒ回収ＣＯ_２
ＤＲドレン、ＥＣＯ給水加熱部、ＥＶＡ蒸発部
ＥＸＧ排気、ＦＧ燃料、Ｇ発電機、ＨＭ熱媒体
ＨＰＳＴＭ高圧水蒸気、ＬＡＢＣＯ_２を放出した吸収液
ＬＰＳＴＭ低圧水蒸気、Ｍモータ、ＯＸＧ酸素
ＰＷ処理水、ＲＡＢＣＯ_２を吸収した吸収液
ＲＣＧリサイクル燃焼ガス、ＲＣＯ_２リサイクルＣＯ_２
ＳＣ速度制御、Ｔタービン、ＴＣ温度制御、Ｗ供給水
１脱硫器、２脱硫剤、３フィルター、４水処理装置、
５処理水タンク、６ポンプ、７低圧蒸気用排熱回収ボイラ、
８アノード排気循環ブロワ、９プレコンバータ、
１０改質触媒、１１燃料加熱器、１２ＭＣＦＣ、
１３ミキサー、１４触媒燃焼器、１５燃焼触媒、
１６高温熱交換器、１７ＣＯ_２加熱器、
１８高圧蒸気発生用排熱回収ボイラ、
１９燃焼ガスリサイクルブロワ、
２０冷却器、２１ＫＯドラム、２２冷却・除湿システム、
２３冷凍機、２４熱交換器、２５ＫＯドラム、
２６ＣＯ_２リサイクルブロワ、２７ガスタービン発電機、
２８圧縮機、２９タービン、３０発電機、
３１フィルター、３２低温再生熱交換器、
３３酸素供給プラント、３４空気圧縮機、３５空気分離装置、
３６カソードガス循環ブロワ、３７インバータ、
３８内部改質器、３９速度調節器、
４０温度調節器、４１燃料加湿器、
４２吸収塔、４３ポンプ、４４熱交換器、
４５再生塔、４６リボイラ、４７ポンプ、４８冷却器、４９ＣＯ _２加熱器
５０起動用ヒータ、５１流量調節弁、５２流量調節弁、
５３流量調節弁、５４逆止弁、５５速度コントローラ
５６流量調節弁５７流量調節弁５８温度コントローラ
５９流量調節弁６０温度コントローラ
６１速度コントローラ、６２ダンパー、６３温度調節弁、
７０高濃度ＣＯ_２回収装置
１１０空気予熱器、１２０空気、１３０予熱空気、１５０ＳＯＦＣ、
２００熱交換器、２２０水、２３０冷却器、２４０ドレン、
３１０石炭ガス化炉、３２０脱硫器、３３０メタノール合成器、
３４０石炭、３５０酸素、
４０１燃料電池（ＭＣＦＣ）、４０２ガスタービン、
４０３燃焼器、４０４酸素タンク、４０５メタノールタンク、
４０６カソード、４０７アノード、４０８蒸気発生器、
４０９蒸気タービン、４１０冷却器、４１１圧縮機、
４１２燃焼器、４１３熱交換器、４１４冷却器、
４１５ＣＯ_２回収装置

Claims

アノードとカソードと内部改質器を有する溶融炭酸塩形の燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統を有し、
前記燃料ガス供給系統は、アノード出口に燃料加熱器を接続し、燃料加熱器出口のアノード排気を２系統に分け、その１系統をアノード排気循環ブロワに接続し、前記ブロワの出口ガスを前記燃料電池に外部から供給する燃料ガスと混合し、次いで、改質用水蒸気と混合した後プレコンバータの触媒層に導き、前記混合ガスのエタン以上の重質成分の改質反応とメタン化反応を同時に進めた後、前記燃料加熱器で温度を上げて前記燃料電池の前記内部改質器に供給する、ことを特徴とするＭＣＦＣ発電システム。
前記燃料ガス供給系統において、
前記プレコンバータの運転温度が２５０〜４５０℃の範囲となるように、
前記アノード排気循環ブロワの出口から前記プレコンバータへ供給されるアノード排気の量が制御されることを特徴とする請求項１に記載のＭＣＦＣ発電システム。