JPH0778626A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 全負荷帯にわたり、アノード排ガスとカソー
ド排ガスを爆発限界外で均一に混合して改質器の燃焼室
で高い燃焼効率で燃焼させる。 【構成】 アノードガス２とカソードガス３とから発電
する燃料電池２０と、燃料ガス１をアノードガス２に改
質する改質器１０と、原料ガス５１に水蒸気４２を混合
した燃料ガス１を改質１０へ供給する燃料ガスライン５
０と、カソード排ガス７をカソードに循環する循環ライ
ン２１と、燃焼排ガス５を循環ライン２１へ供給する排
ガス供給ライン１３とを備え、カソード排ガス７の一部
とアノード排ガス４を混合して改質器１０へ供給する混
合器１２と、燃料ライン５０の原料ガス５１の流量に応
じて排ガス供給ライン１３の燃焼排ガス５の流量を、混
合比が爆発限界外となるよう予め定められた関係に基づ
いて調整する調整装置６０とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池のカソード排ガ
スの一部とアノード排ガスを混合して改質器へ供給し、
改質器の燃焼効率を向上させる混合器を備えた燃料電池
発電装置に関する。

【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とす
るを有しており、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３は天然ガスを原料ガスとし、これに水
蒸気を加えた燃料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、天然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、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とを一般に備えている。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となり改質器１０の燃焼室Ｃｏに供給される。

【０００４】改質器１０にはカソード排ガス７の一部も
供給され、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で燃焼させて高温の燃
焼ガスを生成し、この熱により改質器１０の改質室Ｒｅ
に供給される燃料ガス１を改質室Ｒｅに充填された改質
用触媒によって改質してアノードガス２とする。改質器
１０より排出される燃焼排ガス５は空気６と混合して循
環ライン２１に供給され、循環ライン２１でカソード排
ガス７の一部と混合してカソードガス３となる。カソー
ドガス３は燃料電池２０内で反応して高温のカソード排
ガス７となり、一部は循環ライン２１へ供給され、一部
は改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給され、残部は空気６を
圧縮するタービン圧縮機４０で動力を回収した後、さら
に排熱回収蒸気発生器４１で熱エネルギを回収して系外
に排出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】アノード排ガス４は発
熱量が４００〜５００Ｋｃａｌ／ｍ³ 程度の低カロリガ
スであるため、燃焼室Ｃｏに燃焼用触媒を充填し、触媒
によって燃焼する触媒燃焼方式が用いられている。触媒
燃焼はアノード排ガス４中にカソード排ガス７が均一に
拡散していることが必要条件となっている。しかし、従
来のようにアノード排ガス４とカソード排ガス７を燃焼
室Ｃｏにそれぞれ供給する場合、燃料電池２０の負荷が
低負荷から高負荷までにわたり、アノード排ガス４にカ
ソード排ガス７を均一に拡散させることは困難であり、
特に低負荷の場合、困難であった。このため低負荷での
燃焼室Ｃｏでの燃焼効率が悪かった。このため混合器に
よりカソード排ガスとアノード排ガスを均一に混合した
後、燃焼室Ｃｏに供給すれば良いがこの場合、混合した
ガスの混合比によっては爆発限界内になるという問題点
が発生する。

【０００６】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、全負荷帯にわたり、アノード排ガスとカソード排
ガスを爆発限界外で均一に混合して改質器の燃焼室Ｃｏ
で高い燃焼効率で燃焼するようにした燃料電池発電装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、水素を含む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、燃料電池からのアノード排
ガスをカソード排ガスの一部で燃焼させ、その熱で水蒸
気を含む燃料ガスをアノードガスにする改質器と、原料
ガスに水蒸気を混合した燃料ガスを改質器へ供給する燃
料ラインと、燃料電池のカソード排ガスをカソードに循
環する循環ラインと、改質器の燃焼排ガスを循環ライン
に供給する排ガス供給ラインとを備えた燃料電池発電装
置において、燃料電池のカソード排ガスの一部とアノー
ド排ガスを混合して改質器へ供給する混合器と、燃料ラ
インの原料ガスの流量に応じて排ガス供給ラインの燃焼
排ガスの流量を、前記混合器におけるアノード排ガスと
カソード排ガスの混合比が爆発限界外となるよう予め定
められた関係に基づいて調整する調整装置とを備えたも
のである。

【０００８】また、前記予め定められた関係は、燃料電
池の出力に対する、燃料ラインの原料ガスの流量および
排ガス供給ラインの燃焼排ガスの流量を表したものであ
る。

【０００９】

【作用】カソード排ガスの一部とアノード排ガスを混合
器で混合してアノード排ガス中にカソード排ガスを均一
に拡散するので、燃料電池の低負荷から高負荷にわたり
燃焼室での触媒燃焼が充分に行われ、高い燃焼効率が得
られる。またアノード排ガスの流量は燃料ラインの原料
ガスの流量によって決まり、原料ガスの流量は燃料電池
の出力によって決まる。一方カソード排ガスの流量は循
環ラインのカソードガスの流量によって決まり、カソー
ドガスの流量は排ガス供給ラインから循環ラインに供給
される燃焼排ガスの流量によって決まる。そこでアノー
ド排ガスとカソード排ガスとの混合比が爆発限界外とな
るように、原料ガスの流量に対して、燃焼排ガスの流量
を決めれば、混合器内でアノード排ガスとカソード排ガ
スは安全に均一に混合されて燃焼室へ送られ、高い燃焼
効率での燃焼が可能となる。

【００１０】燃料電池の出力を幾らにするかに応じて原
料ガスの流量がきまる。この原料ガスの流量に応じてア
ノード排ガスの流量が決まる。このアノード排ガスの流
量に対して、爆発限界に対し所定の裕度を持ったカソー
ド排ガスの流量が決まる。このカソード排ガスの流量を
発生させる排ガス供給ラインの燃焼排ガスの流量も決ま
るので、原料ガスの流量を決めた燃料電池の出力に対す
る排ガス供給ラインの燃焼排ガス流量が決まる。このよ
うにして燃料電池の出力に対して、原料ガスの流量と燃
焼排ガスの流量を決めれば、混合器で安全にアノード排
ガスとカソード排ガスを混合することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
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３と同一のものは同
一符号で表す。燃料電池発電装置は、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１
０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とカソード排ガス７の一部は
混合器１２によって均一に混合され改質器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と循環ライン２１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、燃料ガスライン５０は原料
ガス５１を供給する燃料ブロワ５２と流量計５３と流量
調整弁５４を備え、流量調整弁５４の出側で水蒸気４２
を供給され、原料ガス５１と混合して燃料ガス１を生成
する。原料ガス５１としては天然ガス等を用いる。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は燃焼室Ｃｏと改質室Ｒ
ｅとからなり、燃焼室Ｃｏには燃焼用触媒が充填され、
改質室Ｒｅには改質用触媒が充填されている。混合器１
２によって均一に混合されたアノード排ガス４とカソー
ド排ガス７は燃焼室Ｃｏへ供給され、触媒燃焼を行う。
なお、混合器１２としてはエゼクタを用いている。改質
室Ｒｅは燃焼室Ｃｏで発生した高温の燃焼ガスによって
加熱され、燃料ガス１を改質用触媒によって水素を含む
アノードガス２に改質し、燃料加熱器１１によって冷却
して燃料電池２０に供給する。

【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、循環ライン２１に
入るが、排ガス供給ライン１３内では空気予熱器３２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、流量調整
弁３６と流量計３７を通り、空気６と混合し、空気予熱
器３２により加熱され循環ライン２１に入る。

【００１４】カソード排ガス７の一部はタービン圧縮機
４０のタービンを駆動し、排熱回収蒸気発生器４１へ供
給される。排熱回収蒸気発生器４１は気水分離器３４よ
り分離された水より水蒸気４２を発生して、燃料ライン
５０の流量調整弁５４出側に供給する。

【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。

【００１６】カソード排ガス７の一部は空気予熱器３２
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、循環ライン２１によりカソード側Ｃ
に供給される。循環ライン２１は高温ブロワ２３により
カソードガス３を循環する。

【００１７】調整装置６０は、燃料ライン５０の流量計
５３の流量を検出する流量センサ６１と、燃料電池２０
の出力指令から原料ガス５１の流量を演算する演算装置
６５と、演算装置６５の演算値と、流量センサ６１の差
を演算し、この流量差に基づいて流量調整弁５４を調整
する流量差演算器６３と、排ガス供給ライン１３の流量
計３７の流量を検出する流量センサ６２と、燃料電池２
０の出力指令から燃焼排ガス５の流量を演算する演算装
置６６と、演算装置６６の演算値と流量センサ６２の流
量差に基づいて流量調整弁３６を調整する流量差演算器
６４より構成されている。

【００１８】次に混合器１２と調整装置６０との動作に
ついて説明する。混合器１２には燃料電池２０のアノー
ド排ガス４とカソード排ガス７の一部が入り、均一に混
合されて改質器１０の燃焼室Ｃｏに供給され、燃焼用触
媒により高い燃焼効率で燃焼する。

【００１９】調整装置６０では、燃料電池２０の出力指
令が出されると、演算装置６５，６６はそれぞれ出力指
令に応じた流量を演算する。図２は出力指令と、原料ガ
ス５１の流量（曲線Ａ）、燃焼排ガス５の流量（曲線
Ｂ）を示す図である。なお、縦軸は弁開度としてもよ
い。原料ガス５１の流量によって燃料ガス１の流量が決
まり、燃料ガス１の流量によってアノードガス２の流量
が決まる。アノードガス２の流量によってアノード排ガ
ス４の流量が決まる。一方燃焼排ガス５の流量によって
循環ライン２１のカソードガス３の流量が決まり、カソ
ードガス３の流量によってカソード排ガス７の流量が決
まる。故に原料ガス５１と燃料排ガス５の流量を調整す
ることにより混合器１２に入るアノード排ガス４の流量
とカソード排ガス７の流量を調整できるので、アノード
排ガス４とカソード排ガスの混合比が爆発限界外となる
ように原料ガス５１の流量と燃焼排ガス５の流量を出力
指令に応じて決めることができ、このようにして決めた
ものが図２である。

【００２０】流量差演算器６３は演算装置６５と流量セ
ンサ６１との差を演算し、その差の流量分流量を増加す
るよう流量調整弁５４を制御する。つまり演算装置６５
が図２に基づき演算した流量となるよう流量調整弁５４
を制御する。流量差演算器６４は演算装置６６と流量セ
ンサ６２との差を演算し、その差の流量分流量を増加す
るように流量調整弁３６を制御する。つまり演算装置６
６が図２に基づき演算した流量となるよう流量調整弁３
６を制御する。

【００２１】混合器１２には、図２に示すように燃料電
池２０への出力指令に基づいたアノード排ガス４の流量
とカソード排ガス７の流量が入ってくるので、爆発限界
外の混合比となっており、安全性が確保される。また、
混合器１２でアノード排ガスとカソード排ガス７は均一
に混合されて燃焼室Ｃｏに供給されるので、燃焼室Ｃｏ
内の燃焼用触媒により全負荷帯で高い燃焼効率が得られ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
はアノード排ガスとカソード排ガスを混合器で均一に混
合して改質器の燃焼室で触媒燃焼するので高い燃焼効率
が得られる。また原料ガスの流量と燃焼排ガスの流量を
調整して混合器におけるアノード排ガスとカソード排ガ
スの混合比が爆発限界外となるようにしているので、混
合器で安全に混合することが可能となる。

【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】出力指令と原料ガスの流量および燃焼排ガスの
流量との関係を示す図である。

【図３】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 １０ 改質器 １１ 燃料加熱器 １２ 混合器 １３ 排ガス供給ライン ２０ 燃料電池 ２１ 循環ライン ２２ 格納容器 ２３ 高温ブロワ ３２ 空気予熱器 ３３ 凝縮器 ３４ 気水分離器 ３５ 低温ブロワ ３６，５４ 流量調整弁 ３７，５３ 流量計 ４０ タービン圧縮機 ４１ 排熱回収蒸気発生器 ４２ 水蒸気 ５０ 燃料ライン ５１ 原料ガス ５２ 燃料ブロワ ６０ 調整装置 ６１，６２ 流量センサ ６３，６４ 流量差演算器 ６５，６６ 演算装置 Ｒｅ 改質室 Ｃｏ 燃焼室 Ａ アノード側 Ｃ カソード側 ＦＸ 流量センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小倉 一将 東京都江東区豊洲３丁目２番16号 石川島 播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素を含む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、燃料電池からの
   アノード排ガスをカソード排ガスの一部で燃焼させ、そ
   の熱で水蒸気を含む燃料ガスをアノードガスに改質する
   改質器と、原料ガスに水蒸気を混合した燃料ガスを改質
   器へ供給する燃料ラインと、燃料電池のカソード排ガス
   をカソードに循環する循環ラインと、改質器の燃焼排ガ
   スを循環ラインに供給する排ガス供給ラインとを備えた
   燃料電池発電装置において、 燃料電池のカソード排ガスの一部とアノード排ガスを混
   合して改質器へ供給する混合器と、燃料ラインの原料ガ
   スの流量に応じて排ガス供給ラインの燃焼排ガスの流量
   を、前記混合器におけるアノード排ガスとカソード排ガ
   スの混合比が爆発限界外となるよう予め定められた関係
   に基づいて調整する調整装置とを備えたことを特徴とす
   る燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】 前記予め定められた関係は、燃料電池の
   出力に対する、燃料ラインの原料ガスの流量および排ガ
   ス供給ラインの燃焼排ガスの流量を表したものであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。