JPH04345764A - 燃料電池発電プラントにおける燃料供給システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池本体に格納し
た燃料極および空気極が大気圧よりも高い圧力で運転さ
れる、たとえば、リン酸型の燃料電池発電プラントに関
するもので、特にその燃料系統を改良した燃料電池発電
プラントにおける燃料供給システムに関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来例における燃料電池発電プラ
ントの概略を示す構成図である。図２において、燃料電
池発電プラントは、黒線で示す燃料電池へ原燃料を改質
した水素リッチな混合ガスを供給する燃料系１０と、斜
線入りの白線で示す燃料電池へ酸素を供給する空気系２
０と、点入り白線で示す燃料電池における水素と酸素と
の化学反応によって発生する反応熱の冷却、空気系処理
部２１と圧力調整部２４との冷却（図示されていない）
、および前記燃料となる混合ガスに加える過熱水蒸気の
供給を行う水系３０とから構成される。また、燃料電池
発電プラントには、図示されていないが、燃料電池本体
における水素と酸素との化学反応によって発生する直流
電力を交流電力に変換する直交変換装置、および燃料電
池発電プラントを安全かつ効率良く運転するための運転
制御装置が配設されている。

【０００３】燃料電池を構成する燃料電池本体１は、原
燃料を改質した水素リッチな混合ガスが通過する燃料極
２と、酸素が通過する空気極３と、水素と酸素との化学
反応熱を冷却する冷却水路４と、燃料極２と空気極３と
の間に設けられた電解質５とを備えている。たとえば、
上記電解質５にリン酸を使用するリン酸型燃料電池では
、水素と酸素との化学反応によって直流電力を発生する
際に、燃料中の水素分圧および空気中の酸素分圧を高く
とると発電効率が向上する。このため、数千キロワット
から数万キロワット程度の規模からなる大型燃料電池発
電プラントでは、燃料系１０および空気系２０の圧力が
２〜１０気圧程度の高圧の下に運転されている。

【０００４】先ず最初に燃料電池発電プラントにおける
燃料系１０について説明する。燃料供給部１１から供給
される原燃料と水系３０から供給される過熱水蒸気とは
、原燃料予熱器１２、改質器１３、第１変成器１４、第
２変成器１５、凝縮器１６、圧力調整バルブ１７を通り
燃料電池本体１の燃料極２に供給されると共に、燃料電
池本体１で反応に使用されずに残された燃料（本明細書
では排燃料という）が前記改質器１３の改質器バーナー
１８に供給される。上記燃料系１０では、原燃料たとえ
ば、天然ガス、ナフサ等の炭化水素と過熱水蒸気との化
学反応によって、原燃料を改質した水素リッチな混合ガ
スが生成される。そして、当該混合ガスは、燃料電池本
体１の燃料極２へ供給される。

【０００５】上記混合ガスを燃料電池本体１の燃料極２
へ供給する過程について詳細に説明する。燃料供給部１
１から供給される原燃料は、過熱水蒸気と混合されて原
燃料予熱器１２に供給される。その後、前記原燃料と過
熱水蒸気との混合ガスは、改質器１３の改質管を通過し
て原燃料予熱器１２で改質器１３に入る前の混合ガスを
予熱する。原燃料予熱器１２に供給される過熱水蒸気は
、後述する水蒸気分離器３４から分離された水蒸気が低
温蒸気過熱器を兼ねる第２変成器１５と高温蒸気過熱器
を兼ねる第１変成器１４とを通過する際に規定温度に生
成される。前記原燃料予熱器１２により予熱された原燃
料と過熱水蒸気との混合ガスは、改質器１３に供給され
る。そして、当該混合ガスは、改質器１３に格納されて
いる触媒の下で、化学反応により水素、炭酸ガス、一酸
化炭素および水蒸気等の混合ガスに改質される。当該化
学反応は、吸熱反応であるため、当該化学反応に必要な
熱は、燃料電池本体１の燃料極２および空気極３から出
る排燃料および空気（本明細書では排空気という）を改
質器バーナー１８で燃焼させることにより得られる。

【０００６】前記改質器１３により改質された水素、炭
酸ガス、一酸化炭素および水蒸気等からなる混合ガスは
、原燃料予熱器１２において、約４００度Ｃに冷却され
る。冷却された混合ガスは、第１変成器１４に供給され
、高温で反応の早い触媒の作用により一酸化炭素が水素
と炭酸ガスとに変成される。また、第１変成器１４にお
いて、一酸化炭素が水素と炭酸ガスとに変成された後の
混合ガスは、水系処理部３１からの冷却水により、約２
００度Ｃに冷却される。次に、前記冷却された混合ガス
は、第２変成器１５に供給される。第２変成器１５では
、第１変成器１４において、変成されずに残された一酸
化炭素が低温で反応し、変換率の良い触媒の下に水素と
炭酸ガスとに変成される。

【０００７】燃料系１０における燃料ガスの化学反応に
使用される水蒸気量は、炭素析出を避けるために、当該
化学反応に必要な量だけより多くの量が供給されている
。したがって、前記改質器１３、第１変成器１４、およ
び第２変成器１５により生成された混合ガスは、燃料電
池本体１の燃料極２へ供給する前に、水蒸気を除去する
必要がある。すなわち、前記混合ガスは、凝縮器１６に
供給され、水系処理部３１から冷却水路３２を介して冷
却水が供給されている凝縮器１６によって冷却される。 そして、前記混合ガスに含まれている水蒸気は、凝縮器
１６を通過する際に直接接触して凝縮する。なお、凝縮
器１６を冷却した冷却水は、冷却器３３で冷却された後
、水系処理部３１へ排水される。残りは再度凝縮器１６
の冷却水として利用される。上記のように、水蒸気が除
去された水素と炭酸ガスからなる混合ガス（水素リッチ
ガス）は、圧力調整バルブ１７を介して燃料電池本体１
の燃料極２に供給される。なお、圧力調整バルブ１７は
、燃料電池本体１の負荷等の変動に対して混合ガスを規
定の流量および圧力に調整するものである。

【０００８】次に、燃料電池発電プラントにおける空気
系を説明する。燃料電池発電プラントの空気系２０は、
空気極３から出た空気に含まれている水蒸気あるいは不
必要な物質、たとえば、リン酸を除去する空気系処理部
２１と、燃料系１０の混合ガスを冷却する冷却器２２と
、改質器１３における燃焼ガスにより空気を予熱する予
熱器２３と、原燃料および空気をコンプレッサによって
規定の圧力に昇圧する圧力調整部２４とから構成されて
いる。燃料電池本体１では、水素と酸素との化学反応に
よって直流電力と水蒸気とに変換される。そして、当該
化学反応により発生した上記水蒸気は、空気極３へ随伴
される。燃料電池本体１の燃料極２と空気極３へ供給さ
れる水素と空気とは、その全量が化学反応に消費されず
、燃料極２と空気極３とを素通りする。空気極３を素通
りした空気（本明細書では排空気という）は、酸素と窒
素および水蒸気との混合ガスであるから、再利用される
。

【０００９】空気極３を素通りして出てきた排空気は、
空気系処理部２１において、リン酸と水蒸気とが除去さ
れる。リン酸と水蒸気とが除去された排空気は、冷却器
２２において、前記燃料となる混合ガスを冷却すること
により加熱される。また、排空気は、圧力調整部２４か
ら供給される新鮮な空気と予熱器２３とによって、改質
器１３で燃焼する際に適した酸素濃度と温度とに設定さ
れる。さらに、改質器の燃焼用に設定された排空気は、
改質器バーナー１８に供給され、燃料極２を素通りした
ガスを燃焼させる。改質器１３では、改質器バーナー１
８により排燃料ガスと排空気とを燃焼することにより、
改質器１３における化学反応に必要な温度を維持する。

【００１０】改質器１３において、化学反応に必要な熱
を供給した後の燃焼排気ガスは、依然として、高温・高
圧の高いエネルギーを有している。そのため、この燃焼
排気ガスは、圧力調整部２４において、空気を空気極３
に供給するための高圧を生成するための図示されていな
いタービンを駆動する。そして、当該タービンは、図示
されていないコンプレッサを駆動して空気を高圧にする
。

【００１１】次に、燃料電池本体１の化学反応によって
発生した反応熱の冷却および原燃料に混合する過熱水蒸
気を循環させる水系について説明する。水系３０には、
燃料電池本体１を冷却する冷却系と、原燃料に過熱水蒸
気を混合する水蒸気供給系と、空気系処理部２１および
圧力調整部２４の冷却あるいは再利用を行う図示されて
いない水系と、燃料電池本体１の化学反応あるいは凝縮
器１６等において使用した水を処理する処理系とがある
。そして、これらの系は、水系処理部３１によって処理
されている。たとえば、水系処理部３１に設けられてい
る図示されていない水蒸気分離器によって作られた冷却
水は、図示されていない冷却水ポンプによって昇圧され
、冷却水路４に供給することにより、燃料電池本体１を
冷却する。その後、当該冷却水は、前記水蒸気分離器に
回収され、水と水蒸気とに分離される。分離された水蒸
気は、第２変成器１５と第１変成器１４とによって加熱
された後、過熱蒸気として原燃料と混合される。一方、
分離された水は、燃料電池本体１の冷却水として供給さ
れるが、燃料系１０で原燃料に混合して化学反応に消費
した分だけ不足する。そのため、水の不足分は、空気系
処理部２１と凝縮器１６とで回収されて再利用される。

【００１２】以上のように、従来の大型リン酸型燃料電
池発電プラントでは、燃料電池からの排燃料と排空気と
を改質反応の熱源として、また、改質器で発生した燃焼
排気ガスを圧力調整部２４におけるタービンの駆動原と
しそれぞれ有効に利用している。さらに、水系において
も、燃料電池本体の化学反応熱を冷却するために発生し
た水蒸気は、燃料系に利用されている。したがって、こ
のような燃料電池発電プラントは、化石燃料を直接燃焼
した発電プラントと比較して高い効率で運転されている
。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、改質器１３の
改質管に供給する原燃料と過熱水蒸気との混合ガスの圧
力は、燃料を燃料電池本体１の燃料極２に供給する際の
圧力が約８気圧に規定されていると、第１変成器１４お
よび第２変成器１５、凝縮器１６、圧力調整バルブ１７
によって落ちる分、数気圧（たとえば、１〜４気圧）だ
け高くしておく必要がある。また、改質器１３の温度は
、改質器１３における化学反応を促進するために、改質
器バーナー１８における燃焼によって１０００度Ｃ以上
という高温を保持している。このように改質器１３では
、上記のような高温下で、しかも原燃料と過熱水蒸気と
が通過する改質管の内部と排燃料を燃焼する改質管の外
部（改質器バーナー１８）との圧力差が数気圧に達する
。上記高温と圧力差に耐える改質管には、耐熱、耐圧、
耐クリープ強度の高い超耐熱鋼が必要であった。前記改
質器１３は、前記の条件を満たす超耐熱鋼、たとえば、
ハイニッケル・クロム鋼にジルコニア等を入れた合金（
ＨＫ４０、ハステロイ、インコネル・・・商標名）が使
用されている。そして、前記超耐熱鋼は、大量生産で製
作されるものではないので、改質器１３の製作費用は、
非常に高価なものとなる。すなわち、改質器１３の価格
は、燃料電池発電プラントにおける価格の内、燃料電池
本体１に次いで高価であり、全価格の約１５％程度を占
めている。

【００１４】本発明は、以上のような問題を解決するた
めのもので、原燃料と過熱水蒸気とが通過する改質管の
内部と排燃料を燃焼する改質管の外部との圧力差を下げ
ることにより、改質器に使用する材料をより安価な耐熱
鋼に変えると共に、改質器における反応温度を下げる燃
料電池発電プラントにおける燃料供給システムを提供す
ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の燃料電池発電プラントにおける燃料供給シ
ステムは、原燃料ガスおよび水蒸気を反応させて燃料と
なる混合ガスに改質する改質器１３と、当該改質器１３
で改質された混合ガスを変成する変成器１４、１５とか
ら構成された燃料電池発電プラントにおける燃料系にお
いて、前記原燃料ガスおよび水蒸気からなる混合ガスが
通過する改質管と、燃料電池本体で生成された排燃料ガ
スおよび空気または排空気を供給して前記混合ガスを燃
焼する改質器バーナー１８とから構成される改質器１３
と、当該改質器１３で改質された燃料ガスを燃料電池本
体１の燃料極２に供給する直前の自動調整バルブ１７の
前に設けられた燃料電池本体１で規定されている流量お
よび圧力に調整する燃料供給用昇圧ブロワー４０とから
構成される。

【００１６】

【作　　　　用】以上のような構成においては、原燃料
ガスおよび過熱水蒸気と排燃料ガスとを反応させて燃料
となる混合ガスに改質する改質器において、前記原燃料
ガスと過熱水蒸気とが通過する改質管の内部と燃料電池
本体で生成された排燃料ガスと排空気を燃焼する改質器
バーナーすなわち、改質管の外部との圧力差を減少させ
ることが可能となる。このような改質器における圧力差
を減少したので、従来のシステムで第１変成器および第
２変成器、凝縮器、圧力調整バルブ等を通過する際に、
燃料となる混合ガスの減少した圧力は、前記混合ガスを
燃料電池本体の燃料極に供給する直前の圧力調整バルブ
の前に設けられた燃料供給用昇圧ブロワーによって補う
。このように燃料供給用昇圧ブロワーで燃料電池本体の
燃料極に必要な圧力を維持するため、改質器における改
質管の内外圧力差は、減少させても差し支えない。当該
圧力差の減少によって、改質器を構成する超耐熱鋼は、
品質の低いものを採用できる。また、改質器における前
記圧力差を減少させると、改質器の原燃料から水素への
転化率が向上するので、反応平衡温度を下げることが可
能になる。さらに、改質器における前記相対圧力差と温
度を従来のものより低下させると、改質器を構成する耐
熱鋼の寿命は長くなる。したがって、燃料電池発電プラ
ントにおける総価格を安価に提供することが可能になる
。

【００１７】

【実　　施　　例】図１は本発明における燃料電池発電
プラントの概略を示す構成図である。図１において、図
２と異なる所は、凝縮器１６と圧力調整バルブ１７との
間に燃料供給用昇圧ブロワー４０を設けた点にある。す
なわち、燃料供給部１１からの原燃料と水系３０から供
給される水蒸気とは、原燃料予熱器１２、改質器１３、
第１変成器１４、第２変成器１５、凝縮器１６、燃料供
給用昇圧ブロワー４０、圧力調整バルブ１７を通り燃料
電池本体１の燃料極２に供給されると共に、燃料電池本
体１で反応に使用されずに残された排燃料および排空気
が前記改質器１３の改質器バーナー１８に供給される。 上記燃料系１０では、原燃料たとえば、天然ガス、ナフ
サ等の炭化水素と過熱水蒸気との化学反応によって、水
素リッチな混合ガスが生成される。そして、当該混合ガ
スは、燃料電池本体１の燃料極２へ供給される。

【００１８】燃料供給部１１から供給された原燃料は、
圧力調整部２４によって、たとえば、約８気圧に昇圧さ
れ、過熱水蒸気と混合されて原燃料予熱器１２に供給さ
れる。原燃料予熱器１２に供給された過熱水蒸気は、水
系処理部３１における図示されていない水蒸気分離器か
ら分離された水蒸気が低温蒸気過熱器を兼ねる第２変成
器１５と高温蒸気過熱器を兼ねる第１変成器１４とを通
過する際に規定温度に生成される。前記原燃料予熱器１
２により予熱された原燃料と過熱水蒸気との混合ガスは
、改質器１３に供給される。そして、当該混合ガスは、
改質器１３に格納されている触媒の下で、化学反応によ
り水素、炭酸ガス、および一酸化炭素の混合ガスに変成
される。当該化学反応は、吸熱反応であるため、当該化
学反応に必要な熱は、燃料電池本体１の燃料極２および
空気極３から出る排燃料および排空気を燃焼させること
により得られる。また、改質器１３における改質管の内
外の圧力差を従来例より、たとえば約３気圧程度低下さ
せられるので、前記原燃料と過熱水蒸気との混合ガスの
温度を数１０度Ｃだけ低下させても、原燃料から水素お
よび炭酸ガスへの転化効率は低下しなかった。

【００１９】前記改質器１３により改質された水素、炭
酸ガス、一酸化炭素からなる混合ガスは、原燃料予熱器
１２において、約３５０度Ｃに冷却される。冷却された
混合ガスは、第１変成器１４に供給され、高温で反応の
早い触媒の作用により一酸化炭素が水素と炭酸ガスとに
変成される。また、第１変成器１４において、一酸化炭
素が水素と炭酸ガスに変成された後の混合ガスは、水系
処理部３１からの冷却水により、約２００度Ｃに冷却さ
れる。次に、前記冷却された混合ガスは、第２変成器１
５に供給される。第２変成器１５では、第１変成器１４
において、変成されずに残された一酸化炭素が低温で反
応し、変換率の高い触媒の下に水素と炭酸ガスに変成さ
れる。

【００２０】燃料系１０における燃料ガスの化学反応に
使用される水蒸気量は、当該化学反応に必要な量より多
くの量が供給されている。したがって、前記改質器１３
、第１変成器１４、および第２変成器１５により変成さ
れた混合ガスは、燃料電池の燃料極２へ供給される前に
、水蒸気を除去する必要がある。すなわち、前記混合ガ
スは、凝縮器１６に供給され冷却される。そして、前記
混合ガスに含まれている水蒸気は、凝縮器１６を通過す
る際に凝縮する。なお、凝縮器１６を冷却して昇温した
冷却水は、熱利用系から供給される冷水が通る冷却器３
３により冷却され、一部は水系処理部３１へ戻り、残り
は再度凝縮器１６の冷却水として利用される。

【００２１】前記凝縮器１６を通過した水素と炭酸ガス
等からなる燃料ガスの圧力は、各変成器により低下され
るため、改質器１３における電池作動圧力、たとえば８
気圧よりかなり低下している。そのため、燃料電池本体
１に供給する前記燃料ガスの圧力を燃料電池の反応効率
を考慮して規定されている電池作動圧力に昇圧する必要
がある。そこで、凝縮器１６と圧力調整バルブ１７との
間に燃料供給用昇圧ブロワー４０を設け、当該燃料供給
用昇圧ブロワー４０により、前記燃料ガスを規定の電池
作動圧力より約１〜２気圧だけ高く昇圧する。そして、
燃料電池における負荷の変動に伴う燃料供給量の調整あ
るいは負荷変動に対する応答性を確保するために圧力調
整バルブ１７が設けられている。すなわち、水蒸気が除
去された水素と炭酸ガスからなる燃料ガス（水素リッチ
ガス）は、圧力調整バルブ１７を介して燃料電池本体１
の燃料極２に規定の圧力で供給される。

【００２２】その後、前記燃料ガスは、燃料電池本体１
において化学反応を起こし電力に変換される。前記燃料
ガスが燃料電池本体１で電力に変換された後の排燃料ガ
ス、排空気、および生成された水等は、従来例において
説明したごとく同様に循環しながら効率良く処理される
。

【００２３】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、
特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することがな
ければ、種々の設計変更を行うことが可能である。たと
えば、明細書記載の実施例は、リン酸型燃料電池発電プ
ラントの代わりに他の形式の燃料電池発電プラントにも
適用することができることはいうまでもない。そして、
その際に各燃料系における気圧および温度、あるいは改
質器を構成する材質等は、適宜選択できるものである。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、燃料供給用昇圧ブロワ
ーによって燃料電池本体に必要な規定圧力に昇圧するた
め、改質器において原燃料および過熱水蒸気を供給する
改質管内外の圧力差を低減できる。そのため、燃料電池
発電プラントの中で耐熱、耐圧、および耐クリープ強度
が最も厳しい前記改質管の材料の低質化とその寿命の向
上が達成できた。また、改質管内の原燃料ガス圧力を低
減できたために、原燃料は、低い温度で水素と炭酸ガス
に転換でき、改質効率が向上した。さらに、改質器にお
ける改質管の内外の圧力差を低減するに伴い、改質器を
始めその下流に設けられている変成器および凝縮器等の
内圧を低減することができる。したがって、これらを構
成する材料の低質化および材料の厚さを薄くすることが
可能になった。以上のように、本発明によれば、改質器
における改質管の内外の圧力差を低減し、燃料供給用昇
圧ブロワーを設けただけで、燃料電池発電プラントを大
幅にコストダウンすることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における燃料電池発電プラントの概略を
示す構成図である。

【図２】従来例における燃料電池発電プラントの概略を
示す構成図である。

【符号の説明】

１・・・燃料電池本体 ２・・・燃料極 ３・・・空気極 ４・・・冷却水路 ５・・・電解質 １０・・燃料系 １１・・燃料供給部 １２・・原燃料予熱器 １３・・改質器 １４・・第１変成器 １５・・第２変成器 １６・・凝縮器 １７・・圧力調整バルブ １８・・改質器バーナー ２０・・空気系 ２１・・空気系処理部 ２４・・圧力調整部 ３０・・水系 ４０・・燃料供給用昇圧ブロワー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　原燃料ガスおよび水蒸気を反応させて
   燃料となる混合ガスに改質する改質器と、当該改質器で
   改質された混合ガスを変成する変成器とから構成された
   燃料電池発電プラントにおける燃料系において、前記原
   燃料ガスおよび水蒸気からなる混合ガスが通過する改質
   管と、燃料電池本体で生成された排燃料ガスおよび空気
   または排空気を供給して前記混合ガスを燃焼する改質器
   バーナーとから構成される改質器と、当該改質器で改質
   された燃料ガスを燃料電池本体の燃料極に供給する直前
   の自動調整バルブの前に設けられた燃料電池本体で規定
   されている流量および圧力に調整する燃料供給用昇圧ブ
   ロワーと、を備えたことを特徴とする燃料電池発電プラ
   ントにおける燃料供給システム。