JPH05303971A - 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料電池の負荷減少時における改質器燃焼ガ
ス温度制御、カソード供給ガス中の二酸化炭素濃度の確
保および燃料電池の昇温に好適な溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムを提供する。 【構成】 余剰アノード排ガスを分流するアノード排ガ
スバイパス１１を備え、改質器燃焼排ガスおよび一部の
カソード排ガスをも含むバイパスアノード排ガスを燃焼
させる燃焼器１３を備え、その排ガスをカソードに供給
することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電システ
ム。 【効果】 燃料電池の負荷減少時における余剰アノード
排ガスをバイパスさせ燃焼器１３で燃焼させてカソード
３に供給すれば、改質器燃焼ガス温度制御が容易になり
カソードの必要二酸化炭素量および電解質劣化抑制とを
確保できる。起動時燃焼器１３を用いた燃料電池１の昇
温動作により起動時間が短縮され、大量の不活性ガスま
たは電池加熱用ヒータが不要となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は外部改質型の溶融炭酸塩
型燃料電池発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、一般的な外部改質型の溶融炭酸塩
型燃料電池発電システムの系統を図２によって説明す
る。

【０００３】炭化水素系燃料と水蒸気とを混合したプロ
セスガスは改質器反応部４で水素リッチのガスに改質さ
れ、生成された水素は燃料電池１のアノード２に供給さ
れる。ここでカソード３に供給された酸素および二酸化
炭素と電気化学的に反応し発電を行う。反応後のアノー
ド排ガスは約１０％の水素を含むので、改質器燃焼部５
での燃料として使用され、改質反応に必要な熱を改質器
反応部に供給する。改質器燃焼部５の燃焼排ガスは圧縮
機８で加圧された空気と混合されカソード３に供給され
る。ここで酸素と二酸化炭素を消費したカソード排ガス
は、一部をカソード入口温度制御と二酸化炭素利用率向
上のためにカソードブロワ６によって昇圧しカソード循
環ライン７を通ってリサイクルされ、残りは補助燃焼器
１０を経てタービン９を駆動して系外へ排出される。

【０００４】燃料電池負荷変動時の動作特性について説
明する。燃料電池本体１は電気化学的に発電を行なって
いるので負荷追従性に優れているが、燃料電池発電シス
テムとしてはアノードガスやカソードガスの流動遅れ等
の影響でこれらのガス量の変化に時間的な遅れを生ず
る。例えば、燃料電池のインバータ負荷の減少指令に対
して、プロセスガスの供給を即座に減少させたとしても
配管や機器のボリュームの影響でアノード２の入口での
プロセスガスの減少には遅れを生ずるので、燃料電池１
が瞬時に負荷追従することにより一時的にアノード２で
は水素が過剰となりアノード排ガスの発熱量が増大す
る。これに対し、アノード排ガスを燃料として使用して
いる改質器燃焼部５ではプロセスガスの減少によって改
質器反応部４の吸熱量が減少するにも関わらず、燃焼熱
量が増大するので燃焼ガス温度が異常に上昇して反応管
等に損傷を与えることになる。

【０００５】従来の改質器燃焼ガス温度の制御には特開
昭５８−１６３１８３号に記載のように、余剰アノード
排ガスを導管１７で分流しフレアスタック１８等で燃焼
した後系外に排出するか、あるいは空燃比を増加させて
燃焼ガス温度の制御を行なうかするのが一般的である。

【０００６】また、起動時の燃料電池の昇温にはヒータ
等で加熱した不活性ガスを循環させるか（図示していな
い）、直接ヒータ１６で加熱するのが一般的であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の改質器燃焼ガスの温度制御法においては、次のよ
うな問題がある。

【０００８】まず、空燃比を増加させて改質器燃焼ガス
温度を制御する場合には、一時的に定格値以上の空気を
改質器燃焼部に供給する必要があり、圧縮機および改質
器燃焼部は定格値以上の容量を備えなければならないの
で、システム効率の低下とコスト上昇とを招くことにな
る。

【０００９】また、余剰アノード排ガスを分流廃棄して
燃焼ガス温度の制御を行なう方法では、速やかに燃焼ガ
ス温度を低下させ得る半面、カソードでは二酸化炭素が
不足して電解質が劣化する可能性がある。例えば、新し
い設備ではアノードの燃料利用率が８０％で燃料電池負
荷減少率が１０％／分の場合、燃料電池アノード排ガス
に対して、改質器燃焼部からの必要分流率は２５％以
上、燃料電池カソードからの許容分流率は２５％以下と
なる。しかし二酸化炭素分圧の低下や電解質経年劣化を
考慮すると燃料電池カソードからの許容分流率は数％に
過ぎなくなり、燃料電カソード向けの二酸化炭素補給装
置が必要になる。

【００１０】一方、燃料電池起動時の昇温に関しては、
昇温媒体に不活性ガスを使用すると大量の不活性ガスが
必要であり、また燃料ガスとの切り替え時に極間差圧が
発生するなどの問題がある。また、ヒータによる直接加
熱では大容量のヒータを設置する必要があり実用プラン
トでは設備上実現困難である。

【００１１】本発明の第１の目的は、燃料電池の負荷の
減少時における改質器燃焼部の燃焼ガス温度の制御とカ
ソード供給ガス中の二酸化炭素濃度の確保である。

【００１２】本発明の第２の目的は、実用プラントに適
した発電プラント起動時における燃料電池昇温装置の提
供にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的は、燃焼
器と、燃料電池アノード出口から制御弁を介して燃焼器
に至るバイパス導管と、燃焼器に空気供給源から空気を
供給する導管と、燃焼器から燃料電池カソードに至る導
管とを備えることによって達成される。また前記第２の
目的は発電システム起動時に起動用燃料を上記燃焼器に
導入して燃料電池の昇温を行うことによって達成され
る。

【００１４】

【作用】本発明によれば、改質器燃焼部に供給される燃
料電池アノード排ガスの流量制御を、バイパス導管中に
備えられた制御弁を使用したバイパス流量制御によって
行う。これによって、燃料電池負荷変動による改質器燃
焼部の燃焼ガス温度の変動を許容範囲内に抑えることが
可能になる。

【００１５】次に、上記バイパスアノード排ガスを燃焼
器で燃焼させ、発生二酸化炭素を系外に排出することな
く燃料電池カソードに供給する。これにより、改質器燃
焼排ガスと一緒にして燃料電池アノード排ガス全量分の
二酸化炭素を燃料電池カソードに供給することが可能に
なる。したがって燃料電池カソードの二酸化炭素不足の
問題は解決される。この場合、改質器燃焼排ガスを、独
立導管で直接燃料電池カソードへ供給せず、恐らくは改
質器のそば近くに配置される上記燃焼器に供給すること
によって発電システムの簡素化が計られる。

【００１６】また、上記燃焼器に触媒燃焼器を用いるこ
とにより、比較的低い温度で効率よく上記アノード排ガ
スを燃焼させることが可能となる。燃焼触媒を約７００
℃の燃料電池カソード排ガスの一部のリサイクルガスで
常時加熱する。これによって触媒燃焼器は安定な運転を
続けることが可能になる。

【００１７】バイパスアノード排ガス燃焼を目的に設置
した燃焼器は、天然ガス燃料コールドスタートを可能に
することによって、発電システム起動時の燃料電池昇温
に利用できる。これによって、大量の不活性ガスおよび
その昇温設備が不要になり、燃料ガスとの切替え問題も
解決されることになる。あるいは、実用プラントでは設
備上実現困難と思われる燃料電池用ヒータも不要とな
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１によって説明
する。図１において、１〜１０は前述した図２の従来シ
ステムの構成と同様である。改質器燃焼部５の燃焼ガス
温度を制御するための余剰アノード排ガス用バイパス１
１は、アノード出口から制御弁１２を経由して燃焼器１
３に至る。改質器燃焼部５の燃焼ガス温度の制御は燃焼
ガス温度が設定温度より上昇した場合に温度調節器１４
の指示に従った制御弁１２がアノード排ガスのバイパス
流量を増やすよう調節することによって行なう。バイパ
スされたアノード排ガスは、燃焼器１３で未焼ガスを燃
焼させた後カソードガス供給ライン１５を通ってカソー
ドに供給される。こうすれば改質器燃焼部の燃焼ガス温
度を制御すると同時にカソードでの二酸化炭素不足を防
止することが可能になる。

【００１９】また、前記実施例の燃焼器１３を触媒燃焼
器にすることにより、低カロリーで、しかも燃料電池の
負荷変動によって潜在的発熱量が２０〜３０％も変化す
るアノード排ガスを安定的に燃焼させることが可能にな
る。ここでは、燃料電池負荷が軽い時や変動時の可燃ガ
スの少ない場合にも燃焼触媒を作動温度に保持するため
の熱源としてガス温度７００℃のカソードリサイクルガ
スを利用する。

【００２０】つぎに、図１に示す燃料電池発電システム
の、起動時における燃料電池１の昇温方法について説明
する。まず、燃焼器１３の燃焼触媒が作動温度に達する
まで改質器燃焼部５の排ガスと燃焼器１３が内包するヒ
ータの一方あるいは両方とで触媒を加熱する。上記燃焼
触媒が作動温度に達した時点で天然ガス等の燃料と空気
を導入して燃焼させ、その燃焼排ガスをカソード３に供
給し燃料電池１の昇温を行なう。ここで、カソードブロ
ワ６を用いてカソード排ガスをカソード入口に循環し、
カソード内ガスの流速を上げて熱伝達率を向上させれば
更に燃料電池１の昇温時間を短縮することができる。

【００２１】このように本発明によれば、燃焼器１３を
燃料電池１の昇温と、余剰アノード排ガスの燃焼との両
方に利用することが可能でありシステム系統の簡略化に
も寄与することができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、燃料電池の負荷変動時
における改質器燃焼部の燃焼ガス温度の制御は、燃料電
池アノード排ガスパイパスライン中の制御弁を、改質器
燃焼部検出温度の指示に応じて制御することによって達
成される。またカソード供給ガス中の二酸化炭素濃度
は、バイパスアノード排ガスを燃焼器で燃焼させた後
に、改質器燃焼部燃焼排ガスと一緒に燃料電池カソード
へ供給することにより充分確保される。この場合、改質
器燃焼部燃焼排ガスを独立した導管によらず、上記燃焼
器を経由させて燃料電池カソードへ供給することにより
発電システムの簡素化が達成される。

【００２３】また、上記燃焼器に触媒燃焼器を用い、燃
料電池カソードリサイクルガスを使って燃焼触媒加熱を
行うことにより、安定な定常運転を達成できる。また燃
料電池カソードリサイクルラインを燃焼器に導くことに
より、発電システムの簡素化が計られる。

【００２４】つぎに、実用プラントに適した発電プラン
ト起動時における燃料電池昇温装置は、上記燃焼器に天
然ガス燃料コールドスタート可能なものを使うことによ
って提供可能である。これにより、大量の不活性ガスと
その昇温設備、または燃料電池用ヒータが不要になる。
さらに、大量の不活性ガスを燃料ガスに切替える必要が
なくなり、切替え時間省略とカソードブロワ利用による
熱伝達率向上とによって起動時間が大幅に短縮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による溶融炭酸塩型燃料電
池発電システムを示す系統図である。

【図２】一般的な溶融炭酸塩型燃料電池発電システムを
示す系統図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２ アノード ３ カソード ４ 改質器反応部 ５ 改質器燃焼部 ６ カソードブロワ ７ カソード循環ライン １１ アノード排ガスバイパスライン １２ 制御弁 １３ 燃焼器 １４ 温度調節器 １５ カソードガス供給ライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 昭三 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 難波 茂昭 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融炭酸塩を電解質とする燃料電池と、
   炭化水素系燃料を改質し水素を生成する反応部および前
   記反応部加熱用の燃焼部を有する改質器と、前記改質器
   反応部で生成した水素を前記燃料電池のアノードに供給
   する導管と、前記燃料電池のアノード排ガスを前記改質
   器燃焼部に供給する導管と、前記改質器燃焼部の排ガス
   を前記燃料電池のカソードに供給する導管と、前記燃料
   電池のカソードおよび前記改質器燃焼部に空気を供給す
   る空気供給源とを備えた溶融炭酸塩型燃料電池発電シス
   テムにおいて、燃焼器と、前記燃料電池アノード出口か
   ら制御弁を介して前記燃焼器に至るバイパス導管と、前
   記燃焼器に、前記空気供給源から空気を供給する導管
   と、前記燃焼器から前記燃料電池カソードに至る導管と
   を備えたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
   ステム。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記制御弁が前記改
   質器燃焼部の検出温度に応じて前記燃料電池アノード排
   ガスのバイパス量を制御することを特徴とする溶融炭酸
   塩型燃料電池発電システム。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記改質器燃焼部排
   ガスを前記燃焼器を経由して前記燃料電池のカソードに
   導入することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
   ステム。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記燃焼器が触媒燃
   焼器であることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電
   システム。
5. 【請求項５】 請求項４において、前記触媒燃焼器に前
   記燃料電池カソードのリサイクルガスを導入し、燃焼触
   媒を加熱することを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発
   電システム。
6. 【請求項６】 請求項１において、発電システム起動時
   に起動用燃料を前記燃焼器に導入して前記燃料電池を昇
   温させることを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
   ステム。