JPH10223247A - 軸シールラインを備えた燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 カソードにカソードガスを供給する循環ライ
ンを有し、循環ラインの高温ブロワの軸シール部に軸シ
ールガスを供給する。 【解決手段】 循環ライン３にはカソードガスを循環す
る高温ブロワ３６が設けられ、それにはブロワの回転軸
の貫通部をシールする軸シール部４８が設けられ、燃焼
排ガスライン７より分岐して軸シール部４８へ接続する
軸シールライン１３が設けられている、カソードとアノ
ードからなり酸素を含むカソードガスと水素を含むアノ
ードガスから発電する燃料電流２０と、アノードから排
出されるアノード排ガスとカソードから排出されるカソ
ード排ガスを燃焼し、その熱で水蒸気を含む燃料ガスを
改質しアノードガスとしてアノードに供給する改質器２
２と、カソード排ガスの一部と改質器２２の燃焼排ガス
と空気を混合したカソードガスを循環してカソードに供
給する循環ライン３と燃焼排ガスライン７と空気ライン
８を備えた、燃料発電装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カソードにカソー
ドガスを供給する循環ラインを有し、循環ラインの高温
ブロワの軸シール部に軸シールガスを供給する軸シール
ライン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、現在鋭意研究が進められている。

【０００３】図３は都市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、蒸気と混合した燃料ガス（都市
ガス）を水素を含むアノードガスに改質する改質器２２
と、酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガス
とから発電する燃料電池２０とを備えており、改質器２
２で作られるアノードガスはアノードガスライン２によ
り燃料電池２０に供給され、燃料電池２０の中でその大
部分を消費してアノード排ガスとなり、アノード排ガス
ライン４により燃焼用ガスとして改質器２２の燃焼室へ
供給される。

【０００４】改質器２２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）を燃焼室で燃焼して
高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより改質室を
加熱し、改質室で改質触媒により燃料ガスを改質してア
ノードガスとする。アノードガスは燃料予熱器２４によ
って燃料ガスライン１を流れる蒸気と混合した燃料ガス
と熱交換し、冷却された後燃料電池２０のアノードに供
給される。また燃焼室を出た燃焼排ガスは燃焼排ガスラ
イン７で空気予熱器２６により冷却された後、凝縮器４
４、気水分離器４６を通り水分を除去され、低温ブロワ
３４で加圧され、空気ライン８からの空気と合流して空
気予熱器２６で加熱されカソードガスとなる。

【０００５】このカソードガスはカソードを循環する循
環ライン３に入り燃料電池２０内で反応して高温のカソ
ード排ガスとなり、一部は循環ライン３に戻って循環
し、他の一部はカソード排ガスライン５により改質器２
２の燃焼室へ供給され、残部は排熱利用ライン６で空気
を圧縮するタービン圧縮機２８で動力を回収した後、さ
らに排熱回収蒸気発生装置３０で熱エネルギを回収して
系外に排出される。なお、この排熱回収蒸気発生装置３
０で発生した蒸気が蒸気ライン９により燃料ガスライン
１に入り、燃料ガスと混合して改質器２２に送られる。

【０００６】燃料電池発電装置停止時、機器や配管内に
窒素ガスを充填する窒素ライン１０が燃料ガスライン１
に接続されている。循環ライン３にはカソードガスを循
環する高温ブロワ３６が設けられている。高温ブロワ３
６はモータで回転駆動されブロワ軸貫通部には空気によ
る軸シール部４８が設けられている。軸シール部４８に
は発電所内に汎用の圧縮空気を供給する圧縮空気源５０
から空気を供給する所内空気ライン１１が接続されてい
る。この所内空気ライン１１には燃料電池起動時高温ブ
ロワ３６の軸シール部４８を窒素ガスでシールするため
窒素ガスを供給する軸シール窒素ライン１２が設けられ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】循環ラインの高温ブロ
ワの軸シール部４８に供給される圧縮空気の量は、例え
ば６０Ｎｍ³ ／ｈというように大量であり、このために
消費される圧縮空気源５０の動力が大きい。また発電装
置起動時はプラント内を窒素ガスで充満して昇温し、順
次燃料ガスや空気と入れ替えてゆくため、高温ブロワの
軸シールガスも窒素ガスを用いる必要があり、窒素ガス
供給設備とかなりな量の窒素ガスが必要とされた。

【０００８】本発明は上述の問題に鑑みてなされたもの
で、循環ラインの高温ブロワの軸シール用の空気を発電
装置内の作動ガスを用いることにより圧縮空気源からの
空気の供給を不要とすることを目的とする。また起動時
の軸シール用の窒素ガスも発電装置内に充填された窒素
ガスを用いることにより窒素ガス供給設備とこの設備に
使用する窒素ガスを不要と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、請求項１の発明では、カソードとアノードからなり
酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから
発電する燃料電池と、アノードから排出されるアノード
排ガスとカソードから排出されるカソード排ガスを燃焼
し、その熱で水蒸気を含む燃料ガスを改質しアノードガ
スとしてアノードに供給する改質器と、カソード排ガス
の一部と改質器の燃焼排ガスと空気を混合したカソード
ガスを循環してカソードに供給する循環ラインと、改質
器の燃焼排ガスを循環ラインに供給する燃焼排ガスライ
ンと、この燃焼排ガスラインに空気を供給する空気ライ
ンと、を備えた燃料電池発電装置において、前記循環ラ
インにはカソードガスを循環する高温ブロワが設けら
れ、この高温ブロワにはブロワの回転軸の貫通部をシー
ルする軸シール部が設けられており、前記燃焼排ガスラ
インより分岐して軸シール部へ接続する軸シールライン
が設けられている。

【００１０】燃焼排ガスラインより分岐して循環ライン
の高温ブロワの軸シール部へ接続する軸シールラインを
設け、燃焼排ガスを軸シール部に供給することにより軸
シールを行う。軸シールは高温ブロワからカソードガス
が外部に漏れないようにするためカソードガスより幾分
高い圧力の燃焼排ガスを加え、しかもこの大部分が循環
ライン３内に入るようにするので軸シールに要する動力
は極めて少なくてよい。また発電装置起動時は装置内に
充填された窒素ガスが燃焼排ガスラインを通り軸シール
ラインから軸シール部に窒素ガスを供給するので、別途
に軸シールに使用する起動用窒素ガス供給装置が不要に
なり、この装置用の窒素ガスも不要になる。

【００１１】請求項２の発明では、前記燃焼排ガスライ
ンには、燃焼排ガスを加圧する低温ブロワが設けられ、
前記軸シールラインはこの低温ブロワの出側から分岐さ
れている。

【００１２】燃焼排ガスラインに軸シールラインが接続
され、軸シールラインは軸シール部に接続されている。
軸シール部に燃焼排ガスを充填するためには循環ライン
の圧力よりも高い圧力で燃焼排ガスを加圧する必要があ
り、低温ブロワは充填に必要な圧力としている。このた
め軸シールラインの分岐は低温ブロワの出側とする。

【００１３】請求項３の発明では、前記燃焼排ガスライ
ンには、燃焼排ガスを加圧する低温ブロワが設けられ、
前記空気ラインはこの低温ブロワの出側に接続されてお
り、前記軸シールラインは空気ライン接続部の下流側か
ら分岐されている。

【００１４】軸シール部へ燃焼排ガスに空気を混合した
ガスを供給してもシールは可能である。このため軸シー
ルラインを空気ライン接続部の下流側から分岐する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の燃料電
池発電装置の全体構成図である。本図において図３と同
一機能を有するものは同一符号で表す。燃料電池発電装
置は、蒸気を含む燃料ガスを水素を含むアノードガスに
改質する改質器２２と、アノードガスと酸素および二酸
化炭素を含むカソードガス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
は、アノード排ガスライン４により改質器２２の燃焼室
に供給され、カソード排ガスの一部と共に燃焼し、その
燃焼排ガスが燃焼排ガスライン７と循環ライン３を経て
燃料電池２０のカソードへ二酸化炭素と酸素を含むカソ
ードガスとして供給される。

【００１６】天然ガスを成分とする都市ガスは燃料ガス
ライン１の燃料ブロワ３２で加圧され、脱硫器４０で脱
硫され遮断弁Ａを通り蒸気ライン９からの蒸気と混合
し、燃料予熱器２４で予熱されて改質器２２の改質室に
入る。発電停止時装置内部を窒素ガスで置換する窒素ラ
イン１０が遮断弁Ｂを介して燃料ガスライン１の遮断弁
Ａの出側に接続されている。改質器２２は、燃料電池２
０から排出されるアノード排ガスとカソード排ガスを燃
焼する燃焼室と、燃焼室からの伝熱により蒸気を含む燃
料ガスを改質しアノードガスを発生する改質室とからな
る。燃焼室には十分な燃焼が行われるよう燃焼触媒が充
填され、改質室には燃料ガスを水素を主体とするアノー
ドガスに改質するための改質触媒が充填されている。

【００１７】改質室より生成されたアノードガスはアノ
ードガスライン２により燃料予熱器２４で燃料ガスを加
熱した後、燃料電池２０のアノードに供給される。燃料
電池２０のカソードには循環ライン３が接続され酸素と
二酸化炭素を含むカソードガスを供給する。燃料電池２
０はアノードガスとカソードガスを供給され発電を行
う。アノードでの反応により蒸気と未燃焼成分を含むア
ノード排ガスが排出され、アノード排ガスライン４によ
り燃焼室に供給される。カソードでの反応により生成さ
たカソード排ガスは、一部は循環ライン３に戻って循環
し、他の一部はカソード排ガスライン５により燃焼室に
供給され、残部は排熱利用ライン６に供給される。

【００１８】循環ライン３にはカソードガスを循環させ
る高温ブロワ３６と、燃料電池起動時カソードガスを加
熱する起動用加熱器４２が設けられている。高温ブロワ
３６はモータで回転駆動されブロワの回転軸のケーシン
グ貫通部には軸シール部があり空気シールにより高温ブ
ロワ３６からカソードガスが漏洩するのを防止してい
る。

【００１９】改質器２２の燃焼室には燃料電池２０のア
ノード排ガスとカソード排ガスが供給される。燃料電池
２０の燃料利用率は８０％程度なので、アノード排ガス
には２０％程度の燃料成分が含まれている。カソード排
ガスには燃焼に必要な酸素が含まれている。燃焼室から
の燃焼排ガスには炭酸ガスが含まれ、これはカソードで
の電池反応に必要なので、燃焼排ガスライン７と循環ラ
イン３を経てカソードへ供給される。

【００２０】改質器２２の燃焼室からは燃焼排ガスが燃
焼排ガスライン７に排出される。燃焼排ガスライン７に
入った燃焼排ガスは空気予熱器２６で冷却され、凝縮器
４４と気水分離器４６で水分を除去され低温ブロワ３４
により加圧され、空気ライン８と合流して空気を供給さ
れ、空気予熱器２６で加熱されて循環ライン３にカソー
ドガスとして供給される。

【００２１】カソード排ガスの一部は排熱利用ライン６
へ供給され、タービン圧縮機２８のタービンを駆動した
後、排熱回収蒸気発生装置３０へ供給される。排熱回収
蒸気発生装置３０では給水をタービン圧縮機２８のター
ビンを駆動したカソード排ガスにより蒸気とし、蒸気ラ
イン９により燃料ガスライン１に供給する。排熱回収蒸
気発生装置３０の排ガスは大気放出される。タービン圧
縮機２８で圧縮された空気は空気ライン８で空気ブロワ
３８で加圧されて低温ブロワ３４の出側へ流入する。

【００２２】低温ブロワ３４の出側には軸シールライン
１３が接続され、循環ライン３の高温ブロワ３６の軸シ
ール部４８に接続されている。

【００２３】次に動作について説明する。発電時には、
軸シールライン１３を通して燃焼排ガスが循環ライン３
の高温ブロワ３６の軸シール部４８に供給される。軸シ
ール部４８に供給されたガスは常時多少外部に放出され
るが、大部分は循環ライン３に入りカソードガスとなる
ので、軸シールによって失われるエネルギは少ない。

【００２４】停止状態では、窒素ライン１０より燃料電
池装置に窒素ガスが既に充填されており、起動時はこの
窒素ガスを循環しながら昇温し順次燃料ガスや空気と置
換してゆくが、この際高温ブロワ３６の軸シール部４８
へは燃焼排ガスライン７に充填されている窒素ガスが供
給されるので、図３に示すように外部から窒素ガスを供
給する必要はない。このため外部から窒素ガスを供給す
る窒素ガス供給装置も不要となる。

【００２５】次に第２実施形態を説明する。図２は第２
実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態
は、第１実施形態が軸シールライン１３を低温ブロワ３
４の出口から取ったのに対して、燃焼排ガスライン７の
空気ライン８が接続している下流側に軸シールライン１
４を設けた点が相違し、他は第１実施形態と同じであ
る。空気ライン合流部より下流に軸シールライン１４を
接続したことにより、空気分の多いシールガスが供給さ
れる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、高温ブロワの軸シール部へ燃焼排ガスラインより軸
シールラインを設けてシールガスとして燃焼排ガスを供
給するようにしたので、発電時の軸シール用空気とこの
供給装置を必要としない。また起動時には燃焼排ガスラ
インより充填されている窒素ガスを軸シール部に供給す
るので、軸シール用窒素ガスとこの供給装置を必要とし
ない。これによりシステム効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池発電装置の全
体構成図である。

【図２】本発明の第２実施形態の燃料電池発電装置の全
体構成図である。

【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 燃料ガスライン ２ アノードガスライン ３ 循環ライン ４ アノード排ガスライン ５ カソード排ガスライン ６ 排熱利用ライン ７ 燃焼排ガスライン ８ 空気ライン ９ 蒸気ライン １０ 窒素ライン １３，１４ 軸シールライン ２０ 燃料電池 ２２ 改質器 ２４ 燃料予熱器 ２６ 空気予熱器 ２８ タービン圧縮機 ３０ 排熱回収蒸気発生装置 ３２ 燃料ブロワ ３４ 低温ブロワ ３６ 高温ブロワ ３８ 空気ブロワ ４０ 脱硫器 ４２ 起動用加熱器 ４４ 凝縮器 ４６ 気水分離器 ４８ 軸シール部 Ａ，Ｂ， 遮断弁

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カソードとアノードからなり酸素を含む
   カソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃
   料電池と、アノードから排出されるアノード排ガスとカ
   ソードから排出されるカソード排ガスを燃焼し、その熱
   で水蒸気を含む燃料ガスを改質しアノードガスとしてア
   ノードに供給する改質器と、カソード排ガスの一部と改
   質器の燃焼排ガスと空気を混合したカソードガスを循環
   してカソードに供給する循環ラインと、改質器の燃焼排
   ガスを循環ラインに供給する燃焼排ガスラインと、この
   燃焼排ガスラインに空気を供給する空気ラインと、を備
   えた燃料電池発電装置において、前記循環ラインにはカ
   ソードガスを循環する高温ブロワが設けられ、この高温
   ブロワにはブロワの回転軸の貫通部をシールする軸シー
   ル部が設けられており、前記燃焼排ガスラインより分岐
   して軸シール部へ接続する軸シールラインが設けられて
   いることを特徴とする軸シールラインを備えた燃料電池
   発電装置。
2. 【請求項２】 前記燃焼排ガスラインには、燃焼排ガス
   を加圧する低温ブロワが設けられ、前記軸シールライン
   はこの低温ブロワの出側から分岐されていることを特徴
   とする請求項１記載の軸シールラインを備えた燃料電池
   発電装置。
3. 【請求項３】 前記燃焼排ガスラインには、燃焼排ガス
   を加圧する低温ブロワが設けられ、前記空気ラインはこ
   の低温ブロワの出側に接続されており、前記軸シールラ
   インは空気ライン接続部の下流側から分岐されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の軸シールラインを備えた
   燃料電池発電装置。