JPH0629038A - 燃料電池発電設備の温度制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 改質器から出るアノードガスの温度が低い場
合であっても、燃料電池に供給されるアノードガスの温
度を所定の温度範囲に維持することができる方法及び装
置を提供する。 【構成】 燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改
質する改質器１０と、アノードガスと酸素を含むカソー
ドガス３とから発電する燃料電池２０とを備え、改質器
を出たアノードガスの一部を燃料電池を出たアノード排
ガスと熱交換器３０により熱交換させてアノードガスの
一部を加熱し、加熱された一部のアノードガスに加熱さ
れない残りのアノードガスを流量調節弁３２を介して混
合し、混合したアノードガスを燃料電池に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電設備の温
度制御方法及び装置に関し、更に詳しくは、溶融炭酸塩
型燃料電池に供給されるアノードガスの温度を制御する
方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
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、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然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では、図２に示すように天然ガ
ス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質す
る改質器１０と、アノードガスと酸素を含むカソードガ
ス３とから発電する燃料電池２０とを一般的に備えてお
り、改質器で作られたアノードガスは燃料電池に供給さ
れ、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費し
た後、アノード排ガス４として改質器の燃焼室に供給さ
れる。改質器１０ではアノード排ガス中の可燃成分（水
素、一酸化炭素、メタン等）が別に供給された空気６に
より燃焼室内で燃焼し、発生した高温の燃焼ガスにより
改質管が加熱され改質管を通る燃料が改質される。改質
器を出た燃焼排ガス７は空気８と合流してカソードガス
３となり、反応に必要な二酸化炭素を供給する。カソー
ドガスは燃料電池を通過後、その一部がカソード循環ラ
イン９を介して燃料電池の入口側に戻され、残りは系外
に排出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した発電設備にお
いて、改質器で改質されたアノードガスの温度は溶融炭
酸塩型燃料電池に用いられる電解質（タイル）を凝固さ
せないために、その凝固温度（約４９０°Ｃ）よりも高
いことが要求される。一方、アノードガス温度が燃料電
池自体の運転温度（平均６５０°Ｃ）よりも高いと燃料
電池の運転温度が上昇しすぎて電池寿命が短くなる。こ
のため、燃料電池に供給されるアノードガスの温度は５
５０〜６００°Ｃ、好ましくは約６００°Ｃであること
が要求される。

【０００４】しかし、従来、改質器を出たアノードガス
はそのまま燃料電池に供給されていたため、改質器の運
転状態によって燃料電池に供給されるアノードガスの温
度が低くなりすぎる場合があった。特に、高い改質率
を確保するため改質器の伝熱面積や触媒に余裕をもたせ
た場合、改質後の放熱が計画より大きい場合、原料
ガス、燃焼温度等が低い場合、改質器を部分負荷で運
転する場合、等には改質器を出たアノードガスの温度が
低下し、その温度が電解質の凝固温度（約４９０°Ｃ）
よりも低くなることがあることがわかった。

【０００５】かかる低温のアノードガスがそのまま燃料
電池に供給されると、電池性能が低下するばかりでな
く、燃料電池内のタイルの一部を凝固させてタイルの損
傷、例えば割れを引き起こすおそれがあった。

【０００６】本発明は、かかる問題を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明は、改質器から
出るアノードガスの温度が低い場合であっても、燃料電
池に供給されるアノードガスの温度を所定の温度範囲に
維持することができる方法及び装置を提供し、これによ
り燃料電池の性能低下と燃料電池の損傷を防止すること
を目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃料ガ
スを水素を含むアノードガスに改質する改質器と、前記
アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電する
燃料電池と、を備える燃料電池発電設備の温度制御方法
において、改質器を出たアノードガスの一部を燃料電池
を出たアノード排ガスと熱交換させてアノードガスの一
部を加熱し、前記加熱された一部のアノードガスに加熱
されない残りのアノードガスを混合し、前記混合したア
ノードガスを前記燃料電池に供給する、ことを特徴とす
る燃料電池発電設備の温度制御方法が提供される。

【０００８】更に、本発明によれば、燃料ガスを水素を
含むアノードガスに改質する改質器と、前記アノードガ
スと酸素を含むカソードガスとから発電する燃料電池
と、前記改質器を出たアノードガスの一部と燃料電池を
出たアノード排ガスとの間で熱を交換する熱交換器と、
前記熱交換器をバイパスする残りのアノードガスの流量
を制御する弁と、前記熱交換器を通る一部のアノードガ
スと熱交換器をバイパスした残りのアノードガスとを合
流させて燃料電池に供給する供給ラインと、を備えるこ
とを特徴とする燃料電池発電設備の温度制御装置が提供
される。

【０００９】本発明の好ましい実施例によれば、熱交換
器をバイパスするアノードガスの流量を制御する前記弁
は流量調節弁であり、更に燃料電池に供給されるアノー
ドガスの温度を制御するように前記流量調節弁を制御す
る制御装置を備える。また、温度制御精度は低下する
が、熱交換器をバイパスするアノードガスの流量を制御
する前記弁を固定抵抗体とすることも可能である。

【００１０】

【作用】上記本発明によれば、改質器を出たアノードガ
スの一部が燃料電池を出たアノード排ガスと熱交換され
て温度が上昇し、次いでこの加熱された一部のアノード
ガスに加熱されない残りのアノードガスが混合される。
アノード排ガスの温度は通常約７００°Ｃであり、アノ
ードガスの運転温度（５５０〜６００°Ｃ）より常に十
分高いので、改質器から出るアノードガスの温度が低い
場合であっても、熱交換器をバイパスするアノードガス
の流量を調節することにより、燃料電池に供給されるア
ノードガスの温度を所定の温度範囲に維持することがで
きる。

【００１１】従って、例えば、高い改質率を確保する
ため改質器の伝熱面積や触媒に余裕をもたせた場合、
改質後の放熱が計画より大きい場合、原料ガス、燃焼
温度等が低い場合、改質器を部分負荷で運転する場
合、等であっても熱交換器をバイパスするアノードガス
の流量が少なくなるように調節することにより、燃料電
池に供給されるアノードガスの温度を所定の温度範囲に
維持することができ、特に電解質の凝固温度（約４９０
°Ｃ）よりも低くなることは完全に回避することができ
る。

【００１２】

【実施例】以下に本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は、本発明による方法を実施する発
電設備を示す主要構成図である。この図において、発電
設備は、燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質
する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソー
ドガス３とから発電する燃料電池２０と、改質器１０を
出たアノードガス２の一部と燃料電池２０を出たアノー
ド排ガス４との間で熱を交換する熱交換器３０と、熱交
換器３０をバイパスする残りのアノードガスの流量を制
御する弁３２と、熱交換器３０を通る一部のアノードガ
スと熱交換器３０をバイパスした残りのアノードガスと
を合流させて燃料電池に供給する供給ライン５とを備え
る。

【００１３】天然ガス等の燃料ガス１は水蒸気と共に改
質器１０に供給される。改質器１０は、アノード排ガス
４を燃焼させる燃焼室１０ａと、燃焼室１０ａからの伝
熱により燃料ガス１を改質する改質管１０ｂとからな
る。燃焼室１０ａには、未燃成分を含むアノード排ガス
４と燃焼用の空気６が供給され、アノード排ガス４が燃
焼して高温の燃焼ガスが発生する。改質管１０ｂには改
質触媒が充填され、燃焼室１０ａで発生した高温の燃焼
ガスにより燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改
質する。燃焼ガスは改質管１０ｂによる吸熱により温度
が下がり、燃焼排ガス７として排出される。この燃焼排
ガス７には空気８が追加され、カソードガス３として燃
料電池２０のカソード側に供給される。

【００１４】一方、改質器１０を出たアノードガス２の
一部は、熱交換器３０に供給され、燃料電池２０を出た
アノード排ガス４と熱交換し加熱される。残りのアノー
ドガスはバイパスライン２ａにより弁３２を通り、熱交
換器３０の下流に供給され、熱交換器３０で加熱された
アノードガスに混流する。弁３２は流量調節弁であり、
更に燃料電池に供給されるアノードガスの温度を制御す
るように流量調節弁３２を制御する制御装置３４を備え
ているのが良い。かかる構成により、改質器から出るア
ノードガスの温度が低い場合であっても、熱交換器をバ
イパスするアノードガスの流量を調節することにより、
燃料電池に供給されるアノードガスの温度を所定の温度
範囲に維持することができる。

【００１５】なお、弁３２は手動流量調節弁、或いはオ
リフィスなどの固定抵抗体であっても良い。これによっ
ても、燃料電池に供給されるアノードガスの温度を所定
の温度範囲に維持することができる。

【００１６】燃料電池２０は、アノードガスが通過する
アノード側Ａと、カソードガスが通過するカソード側Ｃ
とからなり、アノードガス中の水素、一酸化炭素と、カ
ソードガス中の酸素、二酸化炭素とから化学反応により
電気を発生するようになっている。この燃料電池は溶融
炭酸塩型燃料電池であるのが好ましい。燃料電池２０を
出たアノード排ガス４は、熱交換器３０に供給され、ア
ノードガスの一部と熱交換した後、改質器１０に供給さ
れる。

【００１７】燃料電池２０を出たカソード排ガスは、そ
の一部がカソード循環ライン９を介して燃料電池の入口
側に循環され、残りは系外に排出される。カソード循環
ライン９には通常、熱交換器（図示せず）、ブロアが設
けられ、循環するカソードガスの温度、流量を制御して
カソード入口ガス温度を制御できるようになっている。

【００１８】上述した本発明によれば、改質器を出たア
ノードガスの一部が燃料電池を出たアノード排ガスと熱
交換されて温度が上昇し、次いでこの加熱された一部の
アノードガスに加熱されない残りのアノードガスが混合
される。アノード排ガスの温度は通常約７００°Ｃであ
り、アノードガスの運転温度（５５０〜６００°Ｃ）よ
り常に高いので、改質器から出るアノードガスの温度が
低い場合であっても、熱交換器をバイパスするアノード
ガスの流量を調節することにより、燃料電池に供給され
るアノードガスの温度を所定の温度範囲に維持すること
ができる。

【００１９】例えば、高い改質率を確保するため改質
器の伝熱面積や触媒に余裕をもたせた場合、改質後の
放熱が計画より大きい場合、原料ガス、燃焼温度等が
低い場合、改質器を部分負荷で運転する場合、等であ
っても熱交換器をバイパスするアノードガスの流量が少
なくなるように調節することにより、燃料電池に供給さ
れるアノードガスの温度を所定の温度範囲に維持するこ
とができ、特に電解質の凝固温度（約４９０°Ｃ）より
も低くなることは完全に回避することができる。

【００２０】

【発明の効果】従って、本発明によれば、改質器から出
るアノードガスの温度が低い場合であっても、燃料電池
に供給されるアノードガスの温度を所定の温度範囲に維
持することができ、これにより燃料電池の性能低下と燃
料電池の損傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による方法を実施する発電設備を示す全
体構成図である。

【図２】従来の発電設備を示す全体構成図である。

【符号の説明】

１ 燃料ガス ２、５ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ６、８ 空気 ７ 燃焼排ガス ９ カソード循環ライン １０ 改質器 ２０ 燃料電池 ３０ 熱交換器 ３２ 流量調節弁 ３４ 制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスを水素を含むアノードガスに改
   質する改質器と、前記アノードガスと酸素を含むカソー
   ドガスとから発電する燃料電池と、を備える燃料電池発
   電設備の温度制御方法において、 改質器を出たアノードガスの一部を燃料電池を出たアノ
   ード排ガスと熱交換させてアノードガスの一部を加熱
   し、 前記加熱された一部のアノードガスに加熱されない残り
   のアノードガスを混合し、 前記混合したアノードガスを前記燃料電池に供給する、
   ことを特徴とする燃料電池発電設備の温度制御方法。
2. 【請求項２】 燃料ガスを水素を含むアノードガスに改
   質する改質器と、 前記アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電
   する燃料電池と、 前記改質器を出たアノードガスの一部と燃料電池を出た
   アノード排ガスとの間で熱を交換する熱交換器と、 前記熱交換器をバイパスする残りのアノードガスの流量
   を制御する弁と、 前記熱交換器を通る一部のアノードガスと熱交換器をバ
   イパスした残りのアノードガスとを合流させて燃料電池
   に供給する供給ラインと、を備えることを特徴とする燃
   料電池発電設備の温度制御装置。
3. 【請求項３】 熱交換器をバイパスするアノードガスの
   流量を制御する前記弁は流量調節弁であり、更に燃料電
   池に供給されるアノードガスの温度を制御するように前
   記流量調節弁を制御する制御装置を備える、ことを特徴
   とする請求項２に記載の燃料電池発電設備の温度制御装
   置。
4. 【請求項４】 熱交換器をバイパスするアノードガスの
   流量を制御する前記弁は固定抵抗体である、ことを特徴
   とする請求項２に記載の燃料電池発電設備の温度制御装
   置。