JPH10199556A - 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の作動温度を常に最適温度に保持
し、且つリサイクルブロアを有するカソードガスリサイ
クルラインを省略してシステムのプラント効率の向上並
びにシステムの小型簡素化を図ることが可能な溶融炭酸
塩型燃料電池発電システムを提供する。 【解決手段】 燃料電池１の空気供給源である圧縮機９
からカソード極１ａに至る空気供給ライン１８ａに、こ
のライン１８ａ内の空気温度を上昇させる加熱手段１７
を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料
電池発電システムに関わり、特に、燃料電池のカソード
極にガスを流通させるカソードガス系統に改良を加えた
ものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池発電システムは、都市
ガスやプロパンガスなどの燃料の有する化学エネルギー
を電気エネルギーに変換するもので、燃料電池、燃料を
改質して水素を生成する改質器、燃料電池にて発電され
る直流電流を交流電流に変換する変換装置、及び燃料電
池の動作や水素生成に適した温度に作動ガスの温度を保
つための熱交換器などから構成されている。このような
燃料電池発電システムは、化学反応による発電のため発
電効率が高く、低騒音であり、しかも大気汚染物質の排
出が少ないクリーンな発電システムとして評価されてい
る。

【０００３】上記発電システムの主要構成要素である燃
料電池には、電解質が含浸保持されるマトリックスが形
成され、このマトリックスを挟むようにして燃料が流通
されるアノード極と、空気が流通されるカソード極とが
設けられている。このような燃料電池は、マトリックス
に保持される電解質の種類によって、リン酸型や溶融炭
酸塩型あるいは固体電解質型などに分類されている。

【０００４】中でも、溶融炭酸塩型燃料電池は発電効率
が高い電池として広く注目を集めている。炭酸塩は通
常、約４９０℃で溶け、高温になるほどイオンの伝導性
が良くなる。しかし、７００℃以上になると、溶融した
炭酸塩が電池に使用している材料を激しく腐蝕すること
が知られている。そこで、溶融炭酸塩型燃料電池では電
池の作動温度を６５０℃前後としている（例えば、「燃
料電池発電システム」燃料電池発電システム編集委員会
編 平成５年３月１５日・オーム社発行 １２２ページ
参照）。

【０００５】また、燃料電池は燃料から生成された水素
と空気中の酸素との結合による化学エネルギーを直接電
気エネルギーに変換するものであるが、電気エネルギー
と同時に熱エネルギーも発生する。したがって高温で作
動する溶融炭酸塩型燃料電池からは、高温の排熱を取出
すことができる。その結果、溶融炭酸塩型燃料電池では
高温の排熱を利用してガスタービンや蒸気タービンを回
して発電を行うこともでき、発電効率をいっそう高める
ことが可能となる。しかも、溶融炭酸塩型燃料電池には
次のような長所もある。すなわち、作動温度が高いので
電極反応が起こり易く、リン酸型のように高価な白金触
媒を必要としない。そのため、一酸化炭素による触媒被
毒のおそれがなく、石炭も使えるなど燃料の多様化を図
ることができる。

【０００６】ここで、図１３を参照して、従来の溶融炭
酸塩型燃料電池発電システムにおける燃料電池周辺のガ
スの流れを説明する。図中の符号１は溶融炭酸塩型燃料
電池、２は改質器である。燃料供給源からの燃料は改質
器２の反応部２ａで水蒸気改質され、水素及び一酸化炭
素が生成される。そして、これらのガスは燃料電池１の
アノード極１ｂに供給される。アノード極１ｂでは供給
された水素の８０％程度が電池反応に用いられ、残りの
水素は未反応のままアノード極１ｂからアノード排ガス
として排出される。排出されたアノード排ガスは改質器
２の燃焼部２ｂに供給され、改質器２の反応部２ａの熱
源として利用される。

【０００７】また、改質器２の燃焼部２ｂからは燃焼排
ガスが排出され、この燃焼排ガスは空気供給源からの空
気と共に二酸化炭素供給源として燃料電池１のカソード
極１ａへ供給される。さらに、カソード極１ａにはリサ
イクルブロア５を有するカソードガスリサイクルライン
６が接続されており、カソード極１ａから排出されるカ
ソード排ガスの一部は空気及び二酸化炭素の供給ライン
側にリサイクルされている。このようにカソードガスリ
サイクルライン６を通じてカソード排ガスをカソード極
１ａの入口側に送込み、カソード極１ａ入口側のガス温
度を上げている。これにより燃料電池１の作動温度を常
に６５０℃前後に保持するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電システムにおい
ては、燃料電池１を６５０℃前後の最適温度に保持する
ことを目的として、カソード極１ａにリサイクルブロア
５を有するカソードガスリサイクルライン６を設置した
ため、次のような課題が生じていた。すなわち、リサイ
クルブロア５のための補助動力が増加する分、システム
のプラント効率の低下を招いた。また、リサイクルブロ
ア５及びカソードガスリサイクルライン６の設置スペー
スを確保する必要上、システムプラントの配置構成が複
雑化するばかりでなく、その容積も増大した。

【０００９】本発明は、上記課題を解決するために提案
されたものであり、その主たる目的は、燃料電池の作動
温度を常に最適温度に保持し、且つリサイクルブロアを
有するカソードガスリサイクルラインを省略することに
より、システムのプラント効率の向上並びにシステムの
小型簡素化を図ることが可能な溶融炭酸塩型燃料電池発
電システムを提供することである。

【００１０】また、本発明の他の目的は、システム内を
流通する高温熱源を利用して燃料電池の作動温度を最適
に保持することにより、いっそうのシステムの簡素化を
図ることができる溶融炭酸塩型燃料電池発電システムを
提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に対応する溶融炭酸塩型燃料電池発電シス
テムは、溶融炭酸塩を電解質とする燃料電池と、燃料を
改質する改質器と、燃料供給源と、空気供給源とが備え
られ、前記改質器には、水素を生成する反応部と、この
反応部を加熱して燃焼排ガスを排出する燃焼部とが設け
られ、前記燃料電池には、前記燃料供給源から燃料を取
込みアノード排ガスを排出するアノード極と、前記空気
供給源から空気を取込みカソード排ガスを排出するカソ
ード極とが設けられ、前記カソード極には前記カソード
排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイ
ラーが接続され、さらに、前記反応部で生成した水素を
前記アノード極に供給する燃料供給ラインと、前記アノ
ード極が排出するアノード排ガスを前記燃焼部に供給す
るアノード排ガス供給ラインと、前記空気供給源からの
空気を前記カソード極に供給する空気供給ラインとが配
設された溶融炭酸塩型燃料電池発電システムであって、
前記空気供給ラインに、空気温度を上昇させる加熱手段
が設置されたことを構成上の特徴としたものである。

【００１２】このような請求項１の溶融炭酸塩型燃料電
池発電システムでは、加熱手段によって燃料電池のカソ
ード極入口側に供給される空気の温度を上昇させること
ができる。そのため、カソード極側にリサイクルブロア
を有するカソードガスリサイクルラインを設置する必要
がなくなり、燃料電池内を常に最適な作動温度に保持す
ることができる。

【００１３】請求項２に対応する溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムは、請求項１における加熱手段を加熱ヒー
タとしたものである。

【００１４】請求項３に対応する溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムは、請求項１における加熱手段を熱交換器
としたものである。

【００１５】これら請求項２、３の溶融炭酸塩型燃料電
池発電システムでは、加熱ヒータまたは熱交換器によっ
て燃料電池カソード極入口側に供給される空気の温度を
上昇させることができる。したがって、上記請求項１と
同様に、カソード極側にリサイクルブロアを有するカソ
ードガスリサイクルラインを設置することなく、燃料電
池の作動温度を常に最適に保持することができる。

【００１６】請求項４に対応する溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムは、請求項３において、前記熱交換器の高
温側に流す高温流体を、前記アノード極からのアノード
排ガスとしたものである。

【００１７】請求項５に対応する溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムは、請求項３において、前記熱交換器の高
温側に流す高温流体を、前記改質器の燃焼部からの燃焼
排ガスとしたものである。

【００１８】請求項６に対応する溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムは、請求項３において、前記熱交換器の高
温側に流す高温流体を、排熱回収ボイラーで発生した蒸
気としたものである。

【００１９】これら請求項４、５、６の溶融炭酸塩型燃
料電池発電システムでは、請求項１の作用に加えて、空
気供給ラインに設置した熱交換器の高温側に流す高温流
体としてシステム内に流通する高温流体を利用すること
ができるので、システムのいっそうの簡素化を進めるこ
とができる。

【００２０】請求項７に対応する溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムは、請求項３、４、５または６において、
前記熱交換器の高温側にはバイパスラインが設置され、
このバイパスラインと前記熱交換器側を通過する熱交換
器流入ラインとの分岐部にはそれぞれのラインに流す空
気の流量を制御する流量制御手段が設けられたことを特
徴とする。

【００２１】このような請求項７の溶融炭酸塩型燃料電
池発電システムでは、流量制御手段がバイパスライン及
び熱交換器流入ラインに流す空気の流量を調整すること
により、燃料電池のカソード極の入口側温度を容易に制
御することが可能となる。

【００２２】請求項８に対応する溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムは、請求項１、２、３、４、５、６または
７において、空気供給源から燃料電池のカソード極まで
直接空気を供給する空気供給ラインに、このラインの空
気を低温側に流すように熱交換器が設置されたことを特
徴とする。

【００２３】請求項９に対応する溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムは、請求項１、２、３、４、５、６または
７において、空気供給源から改質器の燃焼部まで空気を
供給する空気供給ラインに、このラインの空気を低温側
に流すように熱交換器が設置されたことを特徴とする。

【００２４】請求項１０に対応する溶融炭酸塩型燃料電
池発電システムは、請求項１、２、３、４、５、６また
は７において、前記改質器の燃焼部からの前記燃焼排ガ
スを含む空気を供給する空気供給ラインに、このライン
の空気を低温側に流すように熱交換器が設置されたこと
を特徴とする。

【００２５】請求項１１に対応する溶融炭酸塩型燃料電
池発電システムは、前記空気供給ラインに分岐点が形成
されて該供給ラインが次の３つのライン、すなわち前記
空気供給源から前記分岐点までの上流側ラインと、前記
分岐点から前記燃料電池のカソード極までのカソード極
側ラインと、前記分岐点から前記改質器の燃焼部までの
燃焼部側ラインとに分けられ、前記上流側ラインに、こ
のラインの空気を低温側に流すように熱交換器が設置さ
れたことを特徴とする。

【００２６】これら請求項８、９、１０、１１の溶融炭
酸塩型燃料電池発電システムでは、燃料電池のカソード
極へ供給される空気を熱交換器の低温側に流すことによ
って、この空気の温度を上昇させることができ、請求項
１と同様、燃料電池のカソード極入口側に供給される空
気温度を上昇させることができる。そのため、カソード
極側にリサイクルブロアを有するカソードガスリサイク
ルラインを設置することなく、燃料電池を常に最適な作
動温度に保持することができる。

【００２７】特に、請求項９及び１１の溶融炭酸塩型燃
料電池発電システムでは、熱交換器の働きにより改質器
の燃焼部への供給空気温度を上昇させることができるた
め、改質器の燃焼効率を高めることができる。また、請
求項１０の溶融炭酸塩型燃料電池発電システムでは、熱
交換器の働きにより改質器燃焼部の出口側温度を上昇さ
せることができるため、改質器の燃焼効率を高めること
ができる。

【００２８】請求項１２に対応する溶融炭酸塩型燃料電
池発電システムは、請求項１、２、３、４、５、６、
７、８、９、１０または１１において、前記空気供給ラ
インには分岐点が形成されて該供給ラインが次の３つの
ライン、すなわち前記空気供給源から前記分岐点までの
上流側ラインと、前記分岐点から前記燃料電池のカソー
ド極までのカソード極側ラインと、前記分岐点から前記
改質器の燃焼部までの燃焼部側ラインとに分けられ、前
記分岐部に、前記カソード極側ライン及び前記燃焼部側
ラインに流す空気の流量を制御する流量制御手段が設け
られたことを特徴とする。

【００２９】このような請求項１２の溶融炭酸塩型燃料
電池発電システムでは、流量制御手段がカソード極側ラ
イン及び燃焼部側ラインに流す空気の流量を調整するこ
とにより、燃料電池のカソード極の入口側温度を簡単に
制御することができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
について図面を参照して具体的に説明する。なお、各実
施形態に共通する構成部材に関しては同一符号を付し、
説明は省略する。

【００３１】（１）第１の実施形態 第１の実施形態は、本発明の請求項１に対応するもので
あり、図１は第１の実施形態の構成図である。

【００３２】図に示すように、第１の実施形態システム
には、溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩型の燃料電
池１と、燃料を改質する改質器２と、燃料供給源４と、
空気供給源である圧縮機９が備えられている。このうち
改質器２には、水素を生成する反応部２ａと、この反応
部２ａを加熱して燃焼排ガスを排出する燃焼部２ｂとが
設けられている。

【００３３】また、燃料電池１には、燃料供給源４から
燃料を取込みアノード排ガスを排出するアノード極１ｂ
と、燃焼部２ｂからの燃焼排ガスを含む圧縮機９からの
空気を取込みカソード排ガスを排出するカソード極１ａ
とが設けられている。さらに、カソード極１ａには補助
燃焼器７及び膨脹タービン８が順次接続されている。ま
た、膨脹タービン８の下流側にはカソード排ガスの排熱
を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラー３が接続
されている。なお、膨脹タービン８には前記圧縮機９及
び外部に電力を供給可能な発電機１０が直結されてい
る。

【００３４】さらに、第１の実施形態の溶融炭酸塩型燃
料電池発電システムには、次のようなガスの供給ライン
が配設されている。すなわち、燃料供給源４から改質器
２の反応部２ａを通ってアノード極１ｂまでには、燃料
供給源４から反応部２ａに燃料を供給すると共に前記反
応部２ａで生成した水素をアノード極１ｂに供給する燃
料供給ライン２７が配設されている。なお、燃料供給ラ
イン２７において反応部２ａの入口部手前側には、反応
部２ａに供給する燃料を予熱するための燃料予熱器１１
が設置されている。

【００３５】また、アノード極１ｂから改質器２の燃焼
部２ｂまでには、アノード極１ｂが排出するアノード排
ガスを燃焼部２ｂに供給するアノード排ガス供給ライン
２８が配設されている。このアノード排ガス供給ライン
２８には、アノード排ガス温度を下げアノード排ガス中
の水分を凝縮させるアノード排ガス凝縮熱交換器１２、
アノード排ガス中の気相／液相を分離させる気水分離器
１３、アノード排ガスをリサイクルし改質器２の燃焼部
２ａに供給するアノードガス循環ブロア１４、及び改質
器２の燃焼部２ｂに供給するアノード排ガスを予熱する
ためのアノード排ガス予熱器１６が設置されている。

【００３６】さらに、圧縮器９には空気供給ライン１８
ａが配設され、この空気供給ライン１８ａには分岐部２
１が形成され、ここにカソード極１ａ側に接続される空
気供給ライン１８ｂと、改質器２の燃焼部２ｂ側に接続
される空気供給ライン１８ｃが配設されている。

【００３７】第１の実施形態では、前記空気供給ライン
１８ａに空気温度を上昇させる加熱手段１７が設置され
たことを構成上の特徴としている。また、改質器２の燃
焼部２ｂからカソード極１ａまでには、燃焼部２ｂが排
出する燃焼排ガスを含む空気をカソード極１ａに供給す
るための空気供給ライン１８ｄが配設されている。この
空気供給ライン１８ｄには、改質器２の燃焼部２ｂを出
た燃焼排ガスを熱源として前記圧縮器９から改質器２の
燃焼部２ｂまで送られる空気を加熱する改質器燃焼空気
予熱器１５が設置されている。

【００３８】以上のような構成を有する溶融炭酸塩型燃
料電池発電システムにおいて、システム内を流通するガ
スの系統は、燃料電池１のアノード極１ｂへ燃料を供給
すると共にアノード極１ｂからアノード排ガスを流すア
ノードガス系統と、カソード極１ａへ空気を供給すると
共にカソード極１ａからカソード排ガスを流すカソード
ガス系統とに大別することができる。

【００３９】まずアノードガス系統について説明する。
系燃料供給源４から出た燃料は、排熱回収ボイラー３か
らの水蒸気と混合し、改質器２の反応部２ａにて水蒸気
改質して水素と一酸化炭素となり、燃料供給ライン２７
を通って燃料電池１のアノード極１ｂに入る。アノード
極１ｂに供給された水素のうち、その８０％程度は電池
反応を起こし、残りの水素は未反応のままアノード排ガ
スとなってアノード排ガス供給ライン２９を通り、改質
器２の燃焼部２ｂへと入る。

【００４０】続いて、カソードガス系統について説明す
る。圧縮機９を出た空気は、一部分岐して補助燃焼器７
に入るが、その他大部分は空気供給ライン１８ａに入
る。このとき、加熱手段１７の働きにより空気の温度は
上昇する。そして、空気供給ライン１８ａを通過した空
気は分岐部２１を経由して、空気供給ライン１８ｂおよ
び空気供給ライン１８ｃに入る。空気供給ライン１８ｂ
を通過した空気は燃料電池１のカソード極１ｂに入り、
空気供給ライン１８ａｃ通過した空気は改質器２の燃焼
部２ｂに入る。このうち、燃焼部２ｂに供給された空気
は燃焼部２ｂにて燃焼し、ここで生成された二酸化炭素
と混合して空気供給ライン１８ｄを通って燃料電池１の
カソード極１ｂへ入る。さらに、カソード極１ｂはカソ
ード排ガスを排出するが、このカソード排ガスはその全
量が補助燃焼器７に入り、膨脹タービン８を駆動するよ
うになっている。

【００４１】以上のような溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
ステムによれば、空気供給源である圧縮機９から燃料電
池１のカソード極１ａに至る空気供給ライン１８ａに空
気温度を上昇させる加熱手段１７を設置するといった簡
単な構成により、燃料電池１のカソード極１ｂ入口の空
気温度を上昇させ、燃料電池１を常に最適な作動温度と
することができる。

【００４２】しかも、カソード極１ａからのカソード排
ガスをカソード極１ａ入口にリサイクルする必要がない
ので、従来のようなリサイクルブロア５のための補助動
力が不要であり、システムのプラント効率を向上させる
ことができる。また、リサイクルブロア５及びカソード
ガスリサイクルライン６のための設置スペースを確保し
なくて済むため、システムプラントの簡素化が進むと同
時、プラント容積の縮小化に寄与することができる。さ
らに、カソード極１ａから排出されるカソード排ガスを
全て補助燃焼器７に送り膨脹タービン８を駆動させるこ
とができるため、発電効率をより高めることが可能であ
る。

【００４３】なお、加熱手段１７の設置位置は適宜変更
可能であり、空気供給源である圧縮機９から燃料電池１
のカソード極１ｂまでの他の空気供給ライン１８ｂ、１
８ｃ、１８ｄに設置しても良い。また、ラインを通過す
る空気を加熱する加熱手段１７としては、熱交換器や加
熱ヒータなど様々な手段が考えられる。さらに、その加
熱源としては燃料電池発電システム内の高温熱源を利用
したり、システム外部の高温熱源を利用したりすること
も可能である。また、燃料電池発電システムの運転中、
燃料電池１のカソード極１ａ入口における空気温度が常
に最適温度になるよう、カソード極１ａ入口空気温度を
センサーで計測し加熱手段１７の運転を制御することも
可能である。

【００４４】（２）第２の実施形態 第２の実施形態は、本発明の請求項２に対応するもので
あり、図２は第２の実施形態の構成図である。第２の実
施形態は、加熱手段を加熱ヒータ２０としたものであ
る。この第２の実施形態では、空気供給ライン１８ａに
空気温度を上昇させる加熱ヒータ２０を設置することに
より、上記第１の実施形態と同様、燃料電池１のカソー
ド極１ａ入口温度を上昇させ、燃料電池１内を最適な作
動温度に保持することができる。

【００４５】なお、第２の実施形態では、図１に示した
第１の実施形態と同様に、加熱ヒータ２０を空気供給源
ライン１８ａに設置しているが、他の空気供給ライン１
８ｂ、１８ｃ、１８ｄに設置することもできる。また、
空気を加熱する加熱ヒータ２０の電源としては燃料電池
発電システムの内部電源を利用したり、外部電源を利用
したりすることが考えられる。

【００４６】（３）第３の実施形態 第３の実施形態は、本発明の請求項３に対応するもので
あり、図３は第３の実施形態の構成図である。第３の実
施形態は、加熱手段を熱交換器１９としたものである。
この第３の実施形態では、空気供給ライン１８ａに空気
温度を上昇させる熱交換器１９を設置することにより、
上記第１及び第２の実施形態と同様、燃料電池１のカソ
ード極１ａ入口温度を上昇させ、燃料電池１内を最適な
作動温度に保持することができる。

【００４７】なお、第３の実施形態では、図１に示した
第１の実施形態と同様に、熱交換器１９を設置する箇所
を空気供給源ライン１８ａにしているが、他の空気供給
ライン１８ｂ、１８ｃ、１８ｄにも設置しても良い。ま
た、熱交換器１９の加熱源としては燃料電池発電システ
ム内の高温熱源を利用したり、システム外部の高温熱源
を利用したりすることができる。さらに、熱交換器１９
の形式についても、シェル＆チューブ式、プレート式、
プレートフィン式など、様々な形式が考えられる。

【００４８】（４）第４の実施形態 第４の実施形態は、本発明の請求項４に対応するもので
あり、図４は第４の実施形態の構成図である。この第４
の実施形態は、空気供給ライン１８ａに設置する熱交換
器１９ａの高温側に流す高温流体を、燃料電池１のアノ
ード極１ｂからのアノード排ガスとしたことを構成上の
特徴としている。なお、第４の実施形態では、図１に示
した第１の実施の形態と同様に、熱交換器１９ａを設置
する箇所を空気供給源ライン１８ａにしているが、他の
空気供給ライン１８ｂ、１８ｃ、１８ｄでも良い。

【００４９】このような第４の実施形態によれば、上記
の実施形態の持つ作用効果に加えて、空気供給ライン１
８ａに設置した熱交換器１９ａの高温側に流す高温流体
として、システム内に流通するアノード排ガスを利用し
ているので、システムのいっそうの簡素化を進めること
ができる。

【００５０】（５）第５の実施形態 第５の実施形態は、本発明の請求項５に対応するもの
で、図５は第５の実施形態の構成図である。第５の実施
形態は、カソード空気供給ライン１８ａに設置する熱交
換器１９ｂの高温側に流す高温流体を、改質器２の燃焼
部２ｂからの燃焼排ガスとしたことを特徴としている。
なお、第５の実施形態では、図１に示した第１の実施の
形態と同様に、熱交換器１９ｂを設置する箇所を空気供
給源ライン１８ａにしているが、他の空気供給ライン１
８ｂ、１８ｃ、１８ｄでも構わない。

【００５１】このような第５の実施形態によれば、空気
供給ライン１８ａに設置した熱交換器１９ｂの高温側に
流す高温流体として、システム内に流通する燃焼排ガス
を利用できるので、上記第４の実施形態と同様、システ
ムのいっそうの簡素化を進めることができる。

【００５２】（６）第６の実施形態 第６の実施形態は、本発明の請求項６に対応するもの
で、図６は第５の実施形態の構成図である。第６の実施
形態は、空気供給ライン１８ａに設置する熱交換器１９
ｃの高温側に流す高温流体を、排熱回収ボイラー３で発
生した蒸気とすることを特徴とする。なお、第６の実施
の形態では、図１に示した第１の実施の形態と同様に、
熱交換器１９ｃを設置する箇所を空気供給源ライン１８
ａにしているが、他の空気供給ライン１８ｂ、１８ｃ、
１８ｄであっても構わない。

【００５３】このような第６の実施形態によれば、空気
供給ライン１８ａに設置した熱交換器１９ｃの高温側に
流す高温流体として、排熱回収ボイラー３で発生した蒸
気を利用できるので、上記第４および第５の実施形態と
同様、システムのいっそうの簡素化を進めることができ
る。

【００５４】（７）第７の実施形態 第７の実施形態は、本発明の請求項７に対応するもので
あり、図７は第７の実施形態の構成図である。この第７
の実施形態は、空気供給ライン１８ａに熱交換器１９ｄ
が設置され、熱交換器１９ｄの高温流体側に熱交換器１
９ｄをバイパスするバイパスライン２３と、熱交換器１
９ｄ側を通過する熱交換器流入ライン２５とが設置され
ている。また、バイパスライン２３と熱交換器流入ライ
ン２５との分岐部２４には、それぞれのライン２３，２
５に流す空気の流量を制御する三方流量制御弁２６が設
けられているこのような第７の実施形態によれば、発電
システムの運転中、センサにて燃料電池１のカソード極
１ａの入口側温度を測定し、その測定結果に基づいて三
方流量制御弁２６の開度を制御することにより、熱交換
器１９ｄの高温側を流れる高温流体の流量を調節するこ
とができる。これにより、熱交換器１９ｄの低温側を流
れる空気の出口温度を容易に制御することができる。し
たがって、燃料電池１のカソード極１ａの入口側温度を
常に最適温度に保持することが可能となる。

【００５５】なお、バイパスライン２３と熱交換器流入
ライン２５への空気流量比率を変化させる手段として
は、前記三方流量制御弁２６の他にも、ライン２３、２
５のそれぞれあるいはライン２３、２５のどちらかに一
方に流量調整弁を設置し、ライン２３、２５のそれぞれ
の流量を独立して制御することも考えられる。

【００５６】（８）第８の実施形態 第８の実施形態は、本発明の請求項８に対応するもので
あり、図８は第８の実施形態の構成図である。この第８
の実施形態は、空気供給源である圧縮機９から燃料電池
１のカソード極１ａまで直接空気を供給する空気供給ラ
イン１８ｂに、このライン１８ｂの空気を低温側に流し
て熱交換する熱交換器１９ｅが設置されたことを特徴と
している。

【００５７】以上の第８の実施形態では、燃料電池１の
カソード極１ａへ供給される直接空気を熱交換器１９ｅ
の低温側に流すことによって、この空気の温度を上昇さ
せることができる。したがって、第１の実施形態と同
様、燃料電池１のカソード極１ａ入口側に供給される空
気温度を上昇させることができ、カソード極１ａ側にリ
サイクルブロア５を有するカソードリサイクルライン６
を設置することなく、燃料電池を常に最適な作動温度に
保持することができる。

【００５８】なお、この第８の実施形態を含めて以下の
第９〜第１１の実施形態における熱交換器では、その加
熱源として燃料電池発電システム内の高温熱源を利用し
たり、システム外部の高温熱源を利用したりすることが
可能である。また、上記第８の実施形態では、分岐部２
１から分れた空気供給ライン１８ｂに熱交換器１９ｅを
設置しているが、圧縮機９から燃料電池１のカソード極
１ａまで直接空気を供給する独立した空気供給ラインを
設け、そこに熱交換器を設置しても良い。

【００５９】（９）第９の実施形態 第９の実施形態は、本発明の請求項９に対応するもので
あり、図９は第９の実施形態の構成図である。この第９
の実施形態は、圧縮機９から改質器２の燃焼部２ｂまで
空気を供給する空気供給ライン１８ｃに、このライン１
８ｃの空気を低温側に流して熱交換する熱交換器１９ｆ
が設置されたことを特徴としている。

【００６０】この第９の実施の形態では、上記第８の実
施形態の持つ作用効果に加えて、熱交換器１９ｆの働き
により改質器２の燃焼部２ｂへ供給される空気温度を上
昇させることができるので、改質器２の燃焼効率を高め
ることができる。また、上記第８の実施形態では、分岐
部２１から分れた空気供給ライン１８ｃに熱交換器１９
ｅを設置しているが、圧縮機９から改質器２の燃焼部２
ｂまで空気を供給する独立した空気供給ラインを設け、
そこに熱交換器を設置しても良い。

【００６１】（１０）第１０の実施形態 第１０の実施形態は、本発明の請求項１０に対応するも
ので、図１０は第１０の実施形態の構成図である。この
第１０の実施形態は、改質器２の燃焼部２ｂからの燃焼
排ガスを含む空気を燃料電池１のカソード極１ａに供給
するライン１８ｄに、このライン１８ｄの空気を低温側
に流して熱交換する熱交換器１９ｇが設置されたことを
特徴としている。このような第１０の実施の形態によれ
ば、上記第８の実施形態と同様の作用効果を得ることが
できる。

【００６２】（１１）第１１の実施形態 第１１の実施形態は、本発明の請求項１１に対応するも
ので、図１１は第１１の実施形態の構成図である。この
第１１の実施形態は、空気供給ライン１８ａにこのライ
ン１８ａの空気を低温側に流すように熱交換器１９ｈが
設置されたことを特徴とする。なお、以上説明してきた
空気供給ライン１８ａ，１８ｂ及び１８ｃは、請求項１
１でいうところの上流側ライン、カソード極側ライン及
びカソード極側ラインに相当する。図中の符号２１が各
ラインを分ける分岐点である。

【００６３】このような第１１の実施形態によれば、空
気供給源ライン１８ａに熱交換器１９ｈを設置すること
により、燃料電池１のカソード極１ａ入口ガス温度を上
昇させて燃料電池内を最適な運転温度に保持することが
できると共に、改質器２の燃焼部２ｂへの供給空気温度
を上昇させて、改質器２の燃焼効率を向上させることが
できる。

【００６４】（１２）第１２の実施形態 第１２の実施形態は、本発明の請求項１２に対応するも
ので、図１２は第１２の実施形態の構成図である。この
第１２の実施の形態は、図１１に示した分岐点２１に、
空気供給ライン１８ｂ（カソード極側ライン）及び空気
供給ライン１８ｃ（燃焼部側ライン）に流す空気の流量
を制御する三方流量制御弁２２が設けられたことを特徴
とする。

【００６５】このような第１２の実施形態によれば三方
流量制御弁２２の開度を制御することにより、空気供給
ライン１８ｂ，１８ｃを流れる空気供給量を調整するこ
とができる。これにより、燃料電池１のカソード極１ａ
入口ガス温度を容易に制御することができる。

【００６６】なお、空気供給ライン１８ｂ，１８ｃのそ
れぞれに供給する空気流量比率を変化させる手段として
は、この三方流量制御弁２２の他にも、ライン１８ｂ、
１８ｃのそれぞれあるいはライン１８ｂ、１８ｃのどち
らか一方に流量調整弁を設置し、ライン１８ｂ、１８ｃ
のそれぞれの流量を独立して制御することも考えられ
る。また、上記第１２の実施形態では加熱手段１７とし
ているが、この加熱手段は適宜選択可能であることは言
うまでもない。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の溶融炭酸
塩型燃料電池発電システムによれば、燃料電池の空気供
給源からカソード極に至る空気供給ラインに、ライン内
の空気温度を上昇させる加熱手段を設置するといった簡
単な構成により、燃料電池の温度を常に最適温度に保持
することができ、且つ燃料電池のカソード排ガスの全量
を補助燃焼器へ供給し膨脹タービンを駆動することが可
能となり、リサイクルブロアを有するカソードガスリサ
イクルラインを設置する必要が無くなり、システムを簡
素化でき、大容量発電システムへの対応が可能となる。
また、リサイクルブロアに伴う補助動力を削減すること
ができ、発電システムのプラント効率の向上を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の構成図

【図２】本発明の第２の実施形態の構成図

【図３】本発明の第３の実施形態の構成図

【図４】本発明の第４の実施形態の構成図

【図５】本発明の第５の実施形態の構成図

【図６】本発明の第６の実施形態の構成図

【図７】本発明の第７の実施形態の構成図

【図８】本発明の第８の実施形態の構成図

【図９】本発明の第９の実施形態の構成図

【図１０】本発明の第１０の実施形態の構成図

【図１１】本発明の第１１の実施形態の構成図

【図１２】本発明の第１２の実施形態の構成図

【図１３】従来の溶融炭酸塩型燃料電池の周辺ガスの流
れを示す構成図

【符号の説明】

１…燃料電池 １ａ…カソード極 １ｂ…アノード極 ２…改質器 ２ａ…改質器の反応部 ２ｂ…改質器の燃焼部 ３…排熱回収ボイラー ４…燃料供給源 ５…リサイクルブロア ６…カソードガスリサイクルライン ７…補助燃焼器 ８…膨脹タービン ９…圧縮機 １０…発電機 １１…燃料予熱器 １２…アノード排ガス凝縮熱交換器 １３…気水分離器 １４…アノードガス循環ブロア １５…改質器燃焼空気予熱器 １６…アノード排ガス予熱器 １７…加熱手段 １８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ…空気供給ライン １９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｆ，１９
ｇ，１９ｈ…熱交換器 ２０…加熱ヒータ ２１，２４…分岐部 ２２，２６…三方流量制御弁 ２３…バイパスライン ２５…熱交換器流入ライン ２７…燃料供給ライン ２８…アノード排ガス供給ライン

Claims (12)

【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、
   燃料を改質する改質器と、燃料供給源と、空気供給源と
   が備えられ、 前記改質器には、水素を生成する反応部と、この反応部
   を加熱して燃焼排ガスを排出する燃焼部とが設けられ、 前記燃料電池には、前記燃料供給源から燃料を取込みア
   ノード排ガスを排出するアノード極と、前記空気供給源
   から空気を取込みカソード排ガスを排出するカソード極
   とが設けられ、 前記カソード極には前記カソード排ガスの排熱を利用し
   て蒸気を発生させる排熱回収ボイラーが接続され、 さらに、前記反応部で生成した水素を前記アノード極に
   供給する燃料供給ラインと、前記アノード極が排出する
   アノード排ガスを前記燃焼部に供給するアノード排ガス
   供給ラインと、前記空気供給源からの空気を前記カソー
   ド極に供給する空気供給ラインとが配設された溶融炭酸
   塩型燃料電池発電システムにおいて、 前記空気供給ラインに、空気温度を上昇させる加熱手段
   が設置され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】 前記加熱手段が加熱ヒータであることを
   特徴とする請求項１記載の溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
   ステム。
3. 【請求項３】 前記加熱手段が熱交換器であることを特
   徴とする請求項１記載の溶融炭酸塩型燃料電池発電シス
   テム。
4. 【請求項４】 前記熱交換器の高温側に流す高温流体
   を、前記アノード極からのアノード排ガスとしたことを
   特徴とする請求項３記載の溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
   ステム。
5. 【請求項５】 前記熱交換器の高温側に流す高温流体
   を、前記改質器の燃焼部から排出される燃焼排ガスとし
   たことを特徴とする請求項３記載の溶融炭酸塩型燃料電
   池発電システム。
6. 【請求項６】 前記熱交換器の高温側に流す高温流体
   を、前記排熱回収ボイラーで発生した蒸気としたことを
   特徴とする請求項３記載の溶融炭酸塩型燃料電池発電シ
   ステム。
7. 【請求項７】 前記熱交換器の高温側にはバイパスライ
   ンが設置され、このバイパスラインと前記熱交換器側を
   通過する熱交換器流入ラインとの分岐部にはそれぞれの
   ラインに流す空気の流量を制御する流量制御手段が設け
   られたことを特徴とする請求項３、４、５または６記載
   の溶融炭酸塩型燃料電池発電システム。
8. 【請求項８】 前記空気供給ラインにおいて前記空気供
   給源から前記燃料電池のカソード極まで直接空気を供給
   するラインに、このラインの空気を低温側に流すように
   熱交換器が設置されたことを特徴とする請求項１、２、
   ３、４、５、６または７記載の溶融炭酸塩型燃料電池発
   電システム。
9. 【請求項９】 前記空気供給ラインにおいて前記空気供
   給源から前記改質器の燃焼部まで空気を供給するライン
   に、このラインの空気を低温側に流すように熱交換器が
   設置されたことを特徴とする請求項１、２、３、４、
   ５、６または７記載の溶融炭酸塩型燃料電池発電システ
   ム。
10. 【請求項１０】 前記空気供給ラインにおいて前記改質
    器の燃焼部から排出される燃焼排ガスを含む空気を前記
    燃料電池のカソード極に供給するラインに、このライン
    の空気を低温側に流すように熱交換器が設置されたこと
    を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記
    載の溶融炭酸塩型燃料電池発電システム。
11. 【請求項１１】 前記空気供給ラインには分岐点が形成
    されて該供給ラインが次の３つのライン、すなわち前記
    空気供給源から前記分岐点までの上流側ラインと、前記
    分岐点から前記燃料電池のカソード極までのカソード極
    側ラインと、前記分岐点から前記改質器の燃焼部までの
    燃焼部側ラインとに分けられ、 前記上流側ラインに、このラインの空気を低温側に流す
    ように熱交換器が設置されたことを特徴とする請求項
    １、２、３、４、５、６または７記載の溶融炭酸塩型燃
    料電池発電システム。
12. 【請求項１２】 前記空気供給ラインには分岐点が形成
    されて該供給ラインが次の３つのライン、すなわち前記
    空気供給源から前記分岐点までの上流側ラインと、前記
    分岐点から前記燃料電池のカソード極までのカソード極
    側ラインと、前記分岐点から前記改質器の燃焼部までの
    燃焼部側ラインとに分けられ、 前記分岐部に、前記カソード極側ライン及び前記燃焼部
    側ラインに流す空気の流量を制御する流量制御手段が設
    けられたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、
    ６、７、８、９、１０または１１記載の溶融炭酸塩型燃
    料電池発電システム。