JPH0757755A - 燃料電池発電装置の起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】起動用装置および系統のコンパクト化と低コス
ト化。 【構成】燃料電池２０のカソード排ガス７を、カソード
循環ライン２１、カソード排ガスライン１４とタービン
ライン１５に分け、タービン４５の排気で水蒸気４８を
発生し燃料ライン８に供給する蒸気発生器４４と、燃焼
器に原料ガスを供給する起動用燃料ライン５３と、ライ
ン２１に設けられ循環ガスを加熱する起動用熱交換器２
４とを備えた燃料電池発電装置に、熱交換器２４の加熱
ガスをライン１５に供給する熱交ガスライン６０を設
け、熱料電池起動時、ライン５３より供給される原料ガ
スをライン１４より供給される排ガス７により加熱して
燃焼させ、タービン４５からの排ガスにより蒸気発生器
４４で発生した水蒸気４８が混合された燃料ガスを改質
器１０でアノードガスに改質し、燃料電池２０に供給し
て、起動する、燃料電池発電装置の起動方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池を起動する起
動装置を備えた燃料電池発電装置の起動方法に関する。

【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が進められて
いる。

【０００３】図２は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の一例を示す図である。同図
において、発電設備は、原料ガスとしての都市ガスと水
蒸気とを混合した燃料ガス１を水素を含むアノードガス
２に改質する改質器１０と、酸素を含むカソードガス３
とアノードガス２とから発電する燃料電池２０とを一般
に備えており、改質器１０で作られたアノードガス２は
燃料電池２０に供給され、燃料電池２０内でその大部分
を消費してアノード排ガス４となり、アノード排出ライ
ン１２を経て、燃焼用ガスとして改質器１０の燃焼室Ｃ
ｏに供給される。

【０００４】改質器１０ではアノード排ガス４中の可燃
成分（水素、一酸化炭素、メタン等）を燃焼室Ｃｏで燃
焼して高温の燃焼ガスを生成し、この高温の燃焼ガスに
より改質器１０を加熱し、改質器１０内を通る燃料ガス
１を改質する。改質器１０を出た燃焼排ガス５は空気６
と合流してカソード循環ライン２１に入り、カソードガ
ス３として燃料電池２０に供給される。このカソードガ
ス３は、燃料電池２０内で一部が反応して高温のカソー
ド排ガス７となる。このカソード排ガス７の一部はカソ
ード循環ライン２１に入り、一部はカソード排ガスライ
ン１４を経て改質器１０の燃焼室Ｃｏへ入る。また、残
部はタービンライン１５に入り、空気６を供給する空気
圧縮機４６の駆動用タービン４５で動力を回収した後、
さらに蒸気発生器４４で動力を回収して系外に排出され
る。

【０００５】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備を
起動するにあたり、改質器１０、燃料電池２０を含む系
統を、運転状態とほぼ同じ高温状態にする必要がある。
このため起動用の装置や系統が設けられている。このよ
うな装置や系統として、改質器１０の燃焼室Ｃｏへ燃料
を供給する流量調整弁５４を備えた起動用燃料ライン５
３と、カソード循環ライン２１の循環ガスを加熱する起
動用熱交換器２４と、この起動用熱交換器２４の加熱ガ
スをカソード排ガスライン１４に導くガスライン６１が
設けられている。ガスライン６１には運転時、ガスライ
ン６１をカソード排ガスライン１４から遮断する遮断弁
６２が設けらさている。また、カソード排ガスライン１
４には起動時、起動用熱交換器２４より供給されるガス
がカソード循環ライン２１に逆流しないように遮断弁６
３が設けられている。

【０００６】起動時、起動用熱交換器２４によりカソー
ド循環ライン２１の循環ガスを約６００℃に加熱し、ガ
スライン６１より４００〜５００℃程度のガスを改質器
１０の燃焼室Ｃｏへ供給する。これと同時に起動用燃料
ライン５３より都市ガスを燃焼室Ｃｏへ供給し、燃焼さ
せ改質室Ｒｅの温度を運転の状態とし、燃料ガス１を改
質しアノードガス２としてアノード側Ｃに供給する。こ
のようにして運転状態になったとき、流量調整弁５４と
遮断弁６２を閉じ、遮断弁６３を開け、運転状態に入
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】起動用装置としては、
燃料電池２０に電気ヒータを設け、これを熱源としてカ
ソード循環ライン２１の循環ガスを加熱し、燃料電池２
０内の熱交換で改質器１０を含むアノード系統を昇温す
る装置もあるが、電気ヒータの容量が極めて大きくな
り、実用的でなかった。また、上述の起動用熱交換器２
４のガスを用いて燃焼室Ｃｏで都市ガスを燃焼させる装
置の場合、遮断弁６２、６３が必要になるが、この遮断
弁６２、６３は高温で使用されるため特別仕様となりコ
ストが高くなると言う問題点があった。また、そのサイ
ズが、例えば、燃料電池２０の出力が数１０ｋｗの場
合、２００ｍｍ程度とかなりの大きさとなり、広いスペ
ースが必要となるため、装置のコンパクト化という点で
問題があった。

【０００８】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、コンパクト化、低コスト化を図った起動用装置お
よび系統を備えた燃料電池発電装置の起動方法を提供す
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、原料ガスと水蒸気を混合して燃料ガスとする燃料ラ
インと、該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、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、該燃料電池のカソード排ガス
の一部をカソード入側に循環するカソード循環ライン
と、前記カソード排ガスの一部を改質器の燃焼器に排出
するカソード排ガスラインと、前記カソード排ガスの残
部を空気圧縮機駆動用のタービンに供給するタービンラ
インと、該タービンの排気で前記燃料ラインに供給され
る水蒸気を発生する蒸気発生器と、前記燃料電池のアノ
ード排ガスを前記改質器の燃焼室に排出するアノード排
ガスラインと、該アノード排ガスラインに前記原料ガス
を供給する起動用燃料ラインと、前記カソード循環ライ
ンに設けられ、循環ガスを加熱する起動用熱交換器と、
を備えた燃料電池発電装置の起動方法において、前記起
動用熱交換器に供給され、熱交換されたガスを前記ター
ビンラインに供給する熱交ガスラインが設けられ、燃料
電池起動時、前記起動用燃料ラインより供給される原料
ガスを前記カソード排ガスラインより供給されるカソー
ド排ガスにより加熱して燃焼させ、前記タービンからの
排ガスにより蒸気発生器で発生した水蒸気が混合された
前記燃料ガスを改質器でアノードガスに改質し、燃料電
池に供給して、起動するようにしたものである。

【００１０】

【作用】起動時、カソード循環ラインの循環ガスは起動
用交換器により加熱され、カソード入側に供給されて、
出側よりカソード排ガスとして排出され、その一部はカ
ソード排ガスラインより改質器の燃焼室Ｃｏへ供給され
る。一方起動用燃料ラインより原料ガスも燃焼室Ｃｏへ
供給され、カソード排ガスにより加熱されて燃焼し改質
室Ｒｅの温度を運転状態まで高める。熱交ガスラインよ
り供給される加熱ガスはカソード排ガスの残部と共にタ
ービンで動力回収した後、蒸気発生器で水蒸気を発生
し、燃料ラインに送られて原料ガスと混合し、燃料ガス
となって改質室Ｒｅでアノードガスに改質され、燃料電
池のアノード側Ａに送られる。このようにして運転状態
になったとき、原料ガスの供給と、起動用熱交換器の動
作を止め、運転状態に入る。このような起動方法によ
り、従来用いられていた起動用熱交換器の加熱ガスを遮
断する高温仕様の遮断弁が不要になり、コストの低減と
装置のコンパクト化が実現される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明による燃料電池発電装置の全体構成
図である。本図において図２と同一のものは同一符号で
表す。燃料電池発電設備は、水蒸気を含む燃料ガス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とを備え、燃料電池２０から排出される
アノード排ガス４はアノード排ガスライン１２により改
質器１０の燃焼室Ｃｏに供給されて燃焼し、その燃焼排
ガス５が排ガス供給ライン１３とカソード循環ライン２
１を経て燃料電池２０のカソード側Ｃに供給される。

【００１２】図１において、原料ガスとして用いられる
都市ガスは燃料ガスライン８で燃料昇圧ブロワ５０によ
り加圧され、脱硫器５２で脱硫された後、水蒸気４８と
混合され燃料ガス１となる。燃料ガスライン８には、流
量調整弁５４を有し、原料ガスをアノード排ガスライン
１２を介して改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給する起動用
燃料ライン５３が設けられている。燃料ガス１は燃料加
熱器１１において加熱された後、改質器１０に供給され
る。改質器１０は燃料電池２０を出たアノード排ガス４
とカソード排ガス７により燃焼する燃焼室Ｃｏと、燃焼
室Ｃｏからの伝熱により燃料ガス１を改質する改質室Ｒ
ｅとからなる。改質室Ｒｅ内には改質触媒が充填され、
燃焼室Ｃｏで発生した高温の燃焼ガスによって燃料ガス
１を水素を含む高温のアノードガス２に改質し、燃料加
熱器１１において冷却して燃料電池２０に供給される。

【００１３】一方放熱により温度の下がった燃焼排ガス
５は排ガス供給ライン１３を通りカソード循環ライン２
１に入るが、排ガス供給ライン１３内では空気予熱器３
２で冷却され、凝縮器３３および気水分離器３４により
水分が除去され、低温ブロワ３５により加圧され、空気
６と混合し、空気予熱器３２により加熱され、カソード
循環ライン２１に入る。

【００１４】カソード排ガス７の一部は、カソード循環
ライン２１に入りカソードガス３となって燃料電池２０
のカソード側Ｃに入り、一部はカソード排ガスライン１
４により改質器１０の燃焼室Ｃｏへ入り、アノード排ガ
ス４とともに燃焼し、残部はタービンライン１５に入
り、タービン圧縮機４０のタービン４５を駆動し、蒸気
発生器４４へ排出される。タービン圧縮機４０は空気圧
縮機４６とこれを駆動するタービン４５よりなる。ター
ビン圧縮機４０で圧縮された空気６は低温ブロア３５の
出口で燃焼排ガス５と合流する。タービン圧縮機４０に
は電動ブロワ４２を有するバイパスライン４１が設けら
れており、タービン圧縮機４０の容量が不足したときの
バックアップに使用される。

【００１５】燃料電池２０は、アノードガス２が通過す
るアノード側Ａと、カソードガス３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
によって電気を発生する。格納容器２２は燃料電池２０
を格納し保護する。

【００１６】カソード排ガス７の一部は、空気予熱器３
２で加熱された燃焼排ガス５および空気６と混合し、カ
ソードガス３となり、カソード循環ライン２１によりカ
ソード側Ｃに供給される。カソード循環ライン２１は、
高温ブロワ２３によりカソードガス３を循環させる。カ
ソード循環ライン２１には起動用熱交換器２４が設けら
れており、起動時に循環ガスを６００℃程度に加熱す
る。起動用熱交換器２４は図示しない起動用熱風炉より
送られてくる熱風により循環ガスを加熱し、その排ガス
を熱交ガスライン６０によりタービンライン１５に導
く。

【００１７】気水分離器３４により分離された水分は、
水処理装置３６を経て蒸気発生器４４に入りる。蒸気発
生器４４では、タービン４５の排ガスにより水処理され
た水分から水蒸気４８を発生し、蒸気ライン４７により
燃料ガスライン８へ水蒸気４８を供給する。

【００１８】上記のように構成された装置の起動時にお
ける動作を説明する。燃料電池発電装置を運転開始する
にためには、燃料電池２０、改質器１０及びこれらに関
連する系統を運転時と同じ高温状態にする必要がある。
さらに、運転前各系統にはＮ₂ パージにより窒素ガス等
の不活性ガスが充填されており、高温にするとと共にこ
れらのガスを動作ガスに置換してゆく必要がある。

【００１９】高温ブロワ２３によりカソード循環ライン
２１の窒素ガスを循環させ、図示しない起動用熱風発生
炉より熱風を起動用熱交換器２４に送り、循環ガスの温
度を６００℃程度に加熱する。循環ガスの一部はカソー
ド排ガスライン１４より改質器１０の燃焼室Ｃｏに送ら
れ、起動用燃料ライン５３より送られてくる都市ガスを
を加熱して燃焼させる。カソード排ガスライン１４より
送られてくる排ガスの温度は４００℃以上はあり、都市
ガスを加熱して燃焼させることが出来る。燃焼室Ｃｏの
温度は運転時の温度と同じ７００℃程度となるので、燃
料ライン８より燃料ガス１を改質器１０の改質室Ｒｅに
導入し、アノードガス２に改質して、燃料電池２０に供
給することができる。

【００２０】タービンライン１５には循環ガスの一部
と、熱交ガスライン６０の熱交加熱ガスが送られ、ター
ビン４５で空気圧縮機４６により加圧空気６を生成した
後、蒸気発生器４４に送られる。蒸気発生器４４で発生
した水蒸気４８は蒸気ライン４７により燃料ガスライン
８に送られ、都市ガスと混合して燃料ガス１となり、改
質器１０へ送られる。このようにして燃料電池２０、改
質器１０を含む各ラインが運転状態となったとき、起動
用燃料ライン５３の流量制御弁５４を閉じ、起動用熱風
炉より起動用熱交換器２４に送られてくる熱風を停止
し、運転状態に入る。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は起動用熱交換器の排ガスをタービンラインに導くよう
にし、起動用燃料ラインより供給される原料ガスをカソ
ード排ガスにより加熱して燃焼させるようにしたので、
従来のように起動用熱交換器の排ガスを遮断弁を設けて
カソード排ガスラインに導く必要はなくなり、この遮断
弁およびカソード排ガスラインに設けていた遮断弁が不
要となり、コストが低減し、配置がコンパクトになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電装置の全体構成図で
ある。

【図２】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 ２ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ５ 燃焼排ガス ６ 空気 ７ カソード排ガス ８ 燃料ガスライン １０ 改質器 １１ 燃料加熱器 １２ アノード排ガスライン １３ 排ガス供給ライン １４ カソード排ガスライン １５ タービンライン ２０ 燃料電池 ２１ カソード循環ライン ２２ 格納容器 ２３ 高温ブロワ ２４ 起動用熱交換器 ３２ 空気予熱器 ３３ 凝縮器 ３４ 気水分離器 ３５ 低温ブロワ ３６ 水処理装置 ４０ タービン圧縮機 ４１ バイパスライン ４２ 電動ブロワ ４５ タービン ４６ 空気圧縮機 ４７ 蒸気ライン ４８ 水蒸気 ５０ 燃料昇圧ブロワ ５２ 脱硫器 ５３ 起動用燃料ライン ５４ 流量調整弁 ６０ 熱交ガスライン ６１ ガスライン ６２、６３ 遮断弁 Ｒｅ 改質室 Ｃｏ 燃焼室 Ａ アノード側 Ｃ カソード側

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料ガスと水蒸気を混合して燃料ガスと
   する燃料ラインと、該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、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、該燃料電池のカソ
   ード排ガスの一部をカソード入側に循環するカソード循
   環ラインと、前記カソード排ガスの一部を改質器の燃焼
   器に排出するカソード排ガスラインと、前記カソード排
   ガスの残部を空気圧縮機駆動用のタービンに供給するタ
   ービンラインと、該タービンの排気で前記燃料ラインに
   供給される水蒸気を発生する蒸気発生器と、前記燃料電
   池のアノード排ガスを前記改質器の燃焼室に排出するア
   ノード排ガスラインと、該アノード排ガスラインに前記
   原料ガスを供給する起動用燃料ラインと、前記カソード
   循環ラインに設けられ、循環ガスを加熱する起動用熱交
   換器と、を備えた燃料電池発電装置の起動方法におい
   て、 前記起動用熱交換器に供給され、熱交換されたガスを前
   記タービンラインに供給する熱交ガスラインが設けら
   れ、燃料電池起動時、前記起動用燃料ラインより供給さ
   れる原料ガスを前記カソード排ガスラインより供給され
   るカソード排ガスにより加熱して燃焼させ、前記タービ
   ンからの排ガスにより蒸気発生器で発生した水蒸気が混
   合された前記燃料ガスを改質器でアノードガスに改質
   し、燃料電池に供給して、起動するようにしたことを特
   徴とする燃料電池発電装置の起動方法。