JPH11250925A

JPH11250925A - りん酸型燃料電池発電設備

Info

Publication number: JPH11250925A
Application number: JP10047853A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Tsuru; 潔都留; Masaru Ogawa; 賢小川; Yasumasa Morita; 泰正森田
Original assignee: Chiyoda Corp; Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp; Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
Current assignee: Chiyoda Corp; Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp; Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】この発明は、改質器の圧損を従来よりも大き
くし、小型化を図りながら、燃料極出口圧力を低く、さ
らには極間差圧を小さく保つことができる常圧型燃料電
池を用いたりん酸型燃料電池発電設備を得る。【解決手段】燃焼排ガス吸引ブロア１３が改質器７の
燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガスライン２０の経
路中に設けられている。そして、燃焼排ガス吸引ブロア
１３を作動させて、燃焼排ガスを、改質器圧損に見合う
程度に吸引させることにより、燃料極出口ガス圧を大気
圧付近に低く抑えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、りん酸型燃料電
池発電設備に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は例えば特開平９−６３６１３号公
報に記載されている常圧型のりん酸型燃料電池発電設備
のフロー図である。図において、１は都市ガスや天然ガ
スなどの原燃料中の硫黄分を水素を用いて除去する脱硫
器である。２は脱硫器１の上流側に配設されて原燃料を
脱硫器１の動作温度まで昇温する原燃料予熱器、４は起
動時に使用する起動時用電気ヒータ４ａを有する水蒸気
分離器、５は脱硫器１の下流側に配設されたスチームエ
ゼクタであり、このスチームエゼクタ５は水蒸気分離器
４から供給されるスチームを用いて原燃料を吸引し、ス
チームと原燃料とを混合して混合ガスを生成する。６は
スチームエゼクタ５の下流側に配設されて混合ガスを予
熱する原料予熱器、７は原燃料とスチームとの混合ガス
を反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器、８
は改質器７を出た改質ガス中の一酸化炭素を水素に変換
して変成ガスを生成するＣＯ変成器である。９はＣＯ変
成器８を出た改質ガス中の水素と空気中の酸素とを反応
させて発電する常圧型の燃料電池であり、この燃料電池
９は変成ガスが供給される燃料極９ａ、空気が供給され
る空気極９ｂおよび発電時の発熱を逃がす冷却器９ｃを
備えている。１０はＣＯ変成器６を出た改質ガスの一部
を脱硫器１の上流にリサイクルするための水添用リサイ
クルガスラインである。３は空気極９ｂに電池用空気を
供給する電池空気用ブロア、１１は改質器７で燃料極９
ａから排気されたガスを燃焼させるために燃焼空気を供
給する燃焼空気用ブロア、１２は燃焼空気を改質器７か
ら排出される燃焼排ガスを用いて予熱する燃焼空気予熱
器である。

【０００３】つぎに、上記従来のりん酸型燃料電池発電
設備の動作について説明する。都市ガスや天然ガスから
なる原燃料は、原燃料予熱器２によって脱硫反応に適し
た温度まで昇温された後、脱硫器１に供給される。原燃
料は、脱硫器１により脱硫された後、水蒸気分離器４よ
り供給されるスチームの駆動力により、スチームエゼク
タ５に吸引され、スチームと混合される。そして、スチ
ームと混合された原燃料は、原料予熱器６で改質反応に
適した温度まで昇温された後、改質器７に供給される。
改質器７で改質反応により生成された改質ガスは、原料
予熱器６と原燃料予熱器２とで冷却された後、ＣＯ変成
器８に供給される。ＣＯ変成器８で改質ガス中の一酸化
炭素が水素に変換された後、燃料電池の燃料極９ａに供
給され、ここで電池用空気ブロア３から空気極９ｂに供
給された空気中の酸素と反応して発電が起こる。燃料極
９ａで発電のために水素が消費される。消費されなかっ
た水素やＣＯ₂などは、燃料極９ａ出口ガスとして改質
器７のバーナ部に供給され、燃焼用空気ブロア１１から
供給された燃焼用空気により燃焼する。燃焼ガスはその
熱により原燃料を加熱して改質ガスに変換させる。燃焼
排ガスは、燃焼空気予熱器１２で冷却されて放出され
る。ＣＯ変成器８を出た改質ガスの一部は、スチームエ
ゼクタ５により吸引されて水添用リサイクルガスライン
１０を通じて脱硫器１の上流側にリサイクルされる。

【０００４】一般に、常圧型の燃料電池９の場合、１０
００mmAq以下の圧力条件（ガスの入口部の圧力）で使用
される。これは、加圧型に見られるように燃料電池が筐
体を有していないので、圧力が高いと大気圧との差が大
きくなり、燃料電池のヘッダ部などから燃料や空気が漏
れるために、低く抑える必要があることによる。また、
燃料電池９の燃料極９ａと空気極９ｂは薄い電極材料で
仕切られているだけなので、燃料極９ａ出口圧力と空気
極９ｂ出口圧力の圧力差（以下、極間差圧と呼ぶ）が大
きいとこれらが損傷してしまう。そのため、これらの差
圧は３００mmAq程度以下（できれば１００mmAq以下が望
ましい。）とすることが求められる。加圧型では燃料極
側、空気極側にそれぞれ圧力調節弁を有して、極間差圧
を調整しているのに対して、常圧型では、燃料極側、空
気極側の圧力そのものを大気圧付近に低く保つことで、
極間差圧を小さくしているため、調節弁を用いた極間差
圧（燃料極出口と空気極出口の差圧のこと）の制御を行
わないなどの特徴がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のりん酸型燃料電
池発電設備は、以上のように、常圧型の燃料電池９を用
いていたので、次の様な課題があった。燃料電池９を１
０００mmAq以下の圧力で運転するためには、燃料極９ａ
下流の改質器７や燃焼空気予熱器１２などの圧力損失を
低いレベルに抑える必要がある（４００mmAq以下程
度）。そして、改質器７は燃料極９ａ出口ガスを燃やし
て得た高温の燃焼ガスの顕熱を利用して原燃料（都市ガ
ス＋スチーム）を加熱し、改質ガスに変換するが、改質
器７における胴側（燃焼ガス側）の圧損を低く抑えるた
めに、大きな圧力損失を要する高度な伝熱促進策がとれ
ず、従って燃焼ガスから改質ガスへの熱伝達率を上げら
れず、広い伝熱面積が必要となり、その結果として改質
器７の大型化を招いてしまっていた。特に、数ＭＷ級の
改質器の場合には、この制限により、陸上輸送制限を越
えてしまうこともあった。

【０００６】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、改質器の胴側（燃焼ガス側）
の圧損を従来よりも大きくし、小型化を図りながら、燃
料極出口圧力を低く、さらには極間差圧を小さく保つこ
とができる常圧型燃料電池を用いたりん酸型燃料電池装
置を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明のりん酸型燃料
電池発電設備は、燃焼排ガス吸引ブロアが燃焼排ガスラ
インの経路中に設けられているものである。

【０００８】また、燃料極出口ガス圧を検出する圧力検
出器と、圧力検出器の検出圧が一定となるように燃焼排
ガス吸引ブロアの動力をコントロールするインバータと
を備えたものである。

【０００９】また、燃料極出口ガス圧と空気極出口ガス
圧との差圧を検出する極間差圧検出器と、極間差圧検出
器の検出差圧が一定となるように燃焼排ガス吸引ブロア
の動力をコントロールするインバータとを備えたもので
ある。

【００１０】また、改質器の炉口圧が負圧となるように
燃焼排ガス吸引ブロアを動作させるものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に係るり
ん酸型燃料電池発電設備のフロー図である。図におい
て、１は都市ガスや天然ガスなどの原燃料中の硫黄分を
水素を用いて除去する脱硫器である。２は脱硫器１の上
流側に配設されて原燃料を脱硫器１の動作温度まで昇温
する原燃料予熱器、４は起動時に使用する起動時用電気
ヒータ４ａを有する水蒸気分離器、５は脱硫器１の下流
側に配設されたスチームエゼクタであり、このスチーム
エゼクタ５は水蒸気分離器４から供給されるスチームを
用いて原燃料を吸引し、スチームと原燃料とを混合して
混合ガスを生成する。６はスチームエゼクタ５の下流側
に配設されて混合ガスを予熱する原料予熱器、７は原燃
料とスチームとの混合ガスを反応させて水素を含む改質
ガスを生成する改質器、８は改質器７を出た改質ガス中
の一酸化炭素を水素に変換して変成ガスを生成するＣＯ
変成器である。９はＣＯ変成器８を出た改質ガス中の水
素と空気中の酸素とを反応させて発電する常圧型の燃料
電池であり、この燃料電池９は変成ガスが供給される燃
料極９ａ、空気が供給される空気極９ｂおよび発電時の
発熱を逃がす冷却器９ｃを備えている。１０はＣＯ変成
器６を出た改質ガスの一部を脱硫器１の上流にリサイク
ルするための水添用リサイクルガスラインである。３は
空気極９ｂに電池用空気を供給する電池空気用ブロア、
１１は改質器７で燃料極９ａから排気されたガスを燃焼
させるために燃焼空気を供給する燃焼空気用ブロア、１
２は改質器７での燃焼排ガスを外部に排出する燃焼排ガ
スライン２０の経路中に配設されて、該燃焼排ガスを用
いて燃焼空気を予熱する燃焼空気予熱器、１３は燃焼排
ガスライン２０の経路中に設置された燃焼排ガス吸引ブ
ロアである。

【００１２】つぎに、この実施の形態１によるりん酸型
燃料電池発電設備の動作について説明する。都市ガスや
天然ガスからなる原燃料は、原燃料予熱器２によって脱
硫反応に適した温度まで昇温された後、脱硫器１に供給
される。原燃料は、脱硫器１により脱硫された後、水蒸
気分離器４より供給されるスチームの駆動力により、ス
チームエゼクタ５に吸引され、スチームと混合される。
そして、スチームと混合された原燃料は、原料予熱器６
で改質反応に適した温度まで昇温された後、改質器７に
供給される。改質器７で改質反応により生成された改質
ガスは、原料予熱器６と原燃料予熱器２とで冷却された
後、ＣＯ変成器８に供給される。ＣＯ変成器８で改質ガ
ス中の一酸化炭素が水素に変換された後、燃料電池の燃
料極９ａに供給され、ここで電池用空気ブロア３から空
気極９ｂに供給された空気中の酸素と反応して発電が起
こる。燃料極９ａで発電のために水素が消費される。消
費されなかった水素やＣＯ₂などは、燃料極出口ガスと
して改質器７のバーナ部に供給され、燃焼用空気ブロア
１１から供給された燃焼用空気により燃焼する。燃焼ガ
スはその熱により原燃料を加熱して改質ガスに変換させ
る。燃焼排ガスは、燃焼排ガスライン２０を通って燃焼
空気予熱器１２で冷却されて放出される。ＣＯ変成器８
を出た改質ガスの一部は、スチームエゼクタ５により吸
引されて水添用リサイクルガスライン１０を通じて脱硫
器１の上流側にリサイクルされる。

【００１３】ここで、燃焼排ガス吸引ブロア１３を動作
させて、燃焼排ガスを、燃料極下流のガスの圧損（改質
器７や燃焼空気予熱器１２および燃焼排ガスライン２０
の配管の圧損）に見合う程度の吸引・昇圧を行うことに
より、燃料極出口圧力を大気圧付近（０〜３００mmAq）
に保つことができる。りん酸型燃料電池発電設備は、通
常、発電端で２０〜１００％程度の運転範囲を有する
が、部分負荷になれば、その出力にほぼ比例するように
プロセスガス流量が減少する。そして、プロセスガス流
量が減れば、燃料極下流のガスの圧損も減少する。この
とき、定格時と同様の動力で燃焼排ガス吸引ブロア１３
を動作させれば、吸引力が強すぎて燃料極出口ガス圧が
負圧になる恐れがある。負圧になれば、燃料電池９のヘ
ッダ部から大気を吸い込む恐れがあり、逆火の危険も生
じる。よって、ある負荷以下になれば、燃焼排ガス吸引
ブロア１３を止めるようにする。なお、この吸引ブロア
を同様の目的で燃料極９ａの出口に設置することも可能
である。しかしながら、この場合には、吸引、昇圧する
ガスが可燃性ガス（水素成分が３０％以上）となるた
め、吸引ブロア内での引火やガスの漏れ等、吸引ブロア
に高い信頼性が要求され、吸引ブロアのコストやメンテ
ナンス費用が大きくなってしまうという不具合がある。

【００１４】このように、この実施の形態１によれば、
燃焼排ガス吸引ブロア１３が改質器７からの燃焼排ガス
ライン２０の経路中に配設されているので、この燃焼排
ガス吸引ブロア１３を動作させて、燃焼排ガスを、燃料
極下流のガスの圧損に見合う程度の吸引・昇圧を行わせ
ることにより、燃料極出口ガス圧を大気圧付近（０〜３
００mmAq）に保つことができる。そこで、改質器７の胴
側（燃焼ガス側）の圧損を従来のりん酸型燃料電池発電
設備に比べて大きくし有効な伝熱促進をはかることによ
り、改質器７の小型化を図りながら、燃料極出口ガス圧
を低く保つことができるりん酸型燃料電池発電設備が得
られる。また、燃料極出口ガス圧を低く保つことができ
るので、燃料電池として筐体がなく、調整弁による極間
差圧の制御を行わない簡易な構成の常圧型の燃料電池を
用いることが可能となり、安価なりん酸型燃料電池発電
設備が得られる。

【００１５】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形
態２に係るりん酸型燃料電池発電設備のフロー図であ
る。この実施の形態２では、燃料極出口のガス圧を検出
する圧力検出器１５を設け、この圧力検出器１５の検出
圧力に基づいて燃焼排ガス吸引ブロア１３の動力をコン
トロールするインバータ１４を設けている。なお、他の
構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

【００１６】この実施の形態２では、圧力検出器１５の
検出圧力を大気圧付近（０〜３００mmAq）で一定となる
ように、インバータ１４が圧力検出器１５の検出圧力に
基づいて燃焼排ガス吸引ブロア１３の動力をコントロー
ルしている。そこで、燃料極出口ガス圧を低く、かつ、
一定に保つことができ、上記実施の形態１と同様の効果
が得られる。

【００１７】ここで、上記実施の形態１では、ある負荷
以下になれば、燃焼排ガス吸引ブロア１３を止める必要
があった。従って、上記実施の形態１では、ある負荷を
境に燃焼排ガス吸引ブロア１３のＯＮ／ＯＦＦが生じる
ため、負荷変化時の連続性が崩れ、燃料極出口ガス圧が
瞬時的に数百mmAqの変化を生じてしまい、燃料電池９に
損傷を与える恐れがあった。この実施の形態２によれ
ば、インバータ１４により燃焼排ガス吸引ブロア１３の
動力を制御しているので、負荷変化時の連続性が保た
れ、負荷変化時の連続性が崩れることに起因する燃料極
出口ガス圧の瞬時的な変化に伴う燃料電池９の損傷を確
実に防止することができる。また、燃料極出口のガスの
圧損は、負荷だけでなく、改質器バーナの燃焼空気比の
変化や改質器７や燃焼空気予熱器１２などのつまりなど
によっても変化してしまう。この実施の形態２によれ
ば、インバータ１４が圧力検出器１５の検出圧力に基づ
いて燃焼排ガス吸引ブロア１３の動力をコントロールし
ているので、負荷だけでなく、改質器バーナの燃焼空気
比の変化や改質器７や燃焼空気予熱器１２などのつまり
などによる変化に応じて燃焼排ガス吸引ブロア１３の動
力が自動的にコントロールされ、燃料極出口ガス圧を低
く、かつ、一定に保つことができる。

【００１８】実施の形態３．図３はこの発明の実施の形
態３に係るりん酸型燃料電池発電設備のフロー図であ
る。この実施の形態３では、燃料極出口のガス圧と空気
極出口のガス圧との差圧を検出する極間差圧検出器１６
を設け、インバータ１４がこの極間差圧検出器１６の検
出差圧に基づいて燃焼排ガス吸引ブロア１３の動力をコ
ントロールするようにしている。なお、他の構成は上記
実施の形態１と同様に構成されている。

【００１９】このりん酸型燃料電池発電設備において
は、空気極出口のガス圧は、電池用空気流量の増減や空
気極下流の熱交換器（図示せず）のつまり等により変動
する可能性がある。しかしながら、上記実施の形態２で
は、燃料極出口のガス圧を一定に保つことができるもの
の、これでは空気極出口のガス圧の変動が大きい設備に
おいては、極間差圧を低く保つことはできなかった。こ
の実施の形態３では、極間差圧検出器１６の検出差圧を
３００mmAq以下（望ましくは１００mmAq以下）で一定と
なるように、インバータ１４が燃焼排ガス吸引ブロア１
３の動力をコントロールしている。そこで、燃料極出口
ガス圧を低く、かつ、一定に保つことができるととも
に、燃料極出口ガス圧をも低く保つことができる。従っ
て、この実施の形態３によれば、上記実施の形態２の効
果に加えて、極間差圧の増大に起因する燃料電池９の損
傷を未然に防止することができる。なお、燃料極出口ガ
ス圧の過度の上昇に対しては、燃料極出口ガス圧をモニ
タする圧力センサを設け、過度の圧力上昇時にトリップ
することでプラントを保護することも可能である。

【００２０】実施の形態４．図４はこの発明の実施の形
態４に係るりん酸型燃料電池発電設備のフロー図であ
る。この実施の形態４では、燃焼排ガスライン２０の経
路中に設置された燃焼排ガス吸引ブロア１３で、燃焼排
ガスを、燃料極下流のガスの圧損に見合う程度の吸引・
昇圧を行わせるとともに、改質器７の炉口圧力（バーナ
部出口圧力）が負圧になる程度まであげるようにして、
燃焼空気用空気ブロアを省略している。なお、他の構成
は上記実施の形態１と同様に構成されている。

【００２１】この実施の形態４によれば、燃焼排ガス吸
引ブロア１３を動作させた際に、改質器７の炉内圧力が
負圧となり、燃焼空気が大気から改質器７に吸引され
て、改質器バーナで燃焼させることができる。そこで、
上記実施の形態１で必要であった燃焼空気用ブロア１１
が不要となり、その分コストを低減できる。さらに、燃
焼空気用ブロア１１および供給配管等の補機動力が不要
となり、その分発電効率を上げることができる。なお、
この低減分は燃焼排ガス吸引ブロア１３の補機動力より
も小さいことから、この実施の形態４による設備の発電
効率は、燃焼排ガス吸引ブロア１３を用いない従来の設
備よりわずかに低くなる。また、この実施の形態４にお
いても、上記実施の形態２、３で示したように、インバ
ータを設けて、改質器７の炉内圧力を負圧とする場合で
も、燃料極９ａの出口圧力が負圧とならないように燃焼
排ガス吸引ブロア１３の動力をコントロールするのが望
ましい。

【００２２】

【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００２３】この発明によれば、燃焼排ガス吸引ブロア
が燃焼排ガスラインの経路中に設けられているので、燃
焼排ガス吸引ブロアを作動させて燃焼排ガスを改質器圧
損に見合う程度に吸引でき、改質器圧損が大きい場合で
も燃料極出口ガス圧を大気圧付近に保つことができる。
そこで、改質器の圧損を大きくして、小型化を図りなが
ら、燃料極出口ガス圧を低く抑えることができ、常圧型
の燃料電池を採用した小型で安価なりん酸型燃料電池発
電設備が得られる。

【００２４】また、燃料極出口ガス圧を検出する圧力検
出器と、圧力検出器の検出圧が一定となるように燃焼排
ガス吸引ブロアの動力をコントロールするインバータと
を備えたので、燃料極出口ガス圧を低く、かつ、一定に
保ち、燃料極出口ガス圧の瞬時的な変動に起因する燃料
電池の損傷を未然に防止することができる。

【００２５】また、燃料極出口ガス圧と空気極出口ガス
圧との差圧を検出する極間差圧検出器と、極間差圧検出
器の検出差圧が一定となるように燃焼排ガス吸引ブロア
の動力をコントロールするインバータとを備えたので、
燃料極出口ガス圧を低く、かつ、一定に保つことができ
るとともに、極間差圧をも低く、かつ、一定に保つこと
ができるので、燃料極出口ガス圧の瞬時的な変動や極間
差圧の増大に起因する燃料電池の損傷を未然に防止する
ことができる。

【００２６】また、改質器の炉内圧力が負圧となるよう
に燃焼排ガス吸引ブロアを動作させているので、燃焼空
気を燃焼空気用ブロアを設置することなしに改質器に吸
引することができ、その分コストの削減が図れるととも
に、発電効率を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係るりん酸型燃料
電池発電設備のフロー図である。

【図２】この発明の実施の形態２に係るりん酸型燃料
電池発電設備のフロー図である。

【図３】この発明の実施の形態３に係るりん酸型燃料
電池発電設備のフロー図である。

【図４】この発明の実施の形態４に係るりん酸型燃料
電池発電設備のフロー図である。

【図５】従来のりん酸型燃料電池発電設備のフロー図
である。

【符号の説明】

１脱硫器、２原燃料予熱器、４水蒸気分離器、５
スチームエジェクタ、６原料予熱器、７改質器、
８ＣＯ変成器、９燃料電池、９ａ燃料極、９ｂ
空気極、１３燃焼排ガス吸引ブロア、１４インバー
タ、１５圧力検出器、１６極間差圧検出器、２０
燃焼排ガスライン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者都留潔東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者小川賢大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者森田泰正神奈川県横浜市鶴見区鶴見中央２丁目12番１号千代田化工建設株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原燃料とスチームから改質ガスを生成す
る改質器と、上記改質ガスを変成ガスに変成するＣＯ変
成器と、上記変成ガスが燃料ガスとして燃料極に供給さ
れ、かつ、空気が空気極に供給されて発電する燃料電池
と、上記改質器の燃焼排ガスを外部に排気する燃焼排ガ
スラインとを備えたりん酸型燃料電池発電設備におい
て、燃焼排ガス吸引ブロアが上記燃焼排ガスラインの経路中
に設けられていることを特徴とするりん酸型燃料電池発
電設備。
【請求項２】燃料極出口ガス圧を検出する圧力検出器
と、上記圧力検出器の検出圧が一定となるように上記燃
焼排ガス吸引ブロアの動力をコントロールするインバー
タとを備えたことを特徴とする請求項１記載のりん酸型
燃料電池発電設備。
【請求項３】燃料極出口ガス圧と空気極出口ガス圧と
の差圧を検出する極間差圧検出器と、上記極間差圧検出
器の検出差圧が一定となるように上記燃焼排ガス吸引ブ
ロアの動力をコントロールするインバータとを備えたこ
とを特徴とする請求項１記載のりん酸型燃料電池発電設
備。
【請求項４】上記改質器の炉内圧が負圧となるように
上記燃焼排ガス吸引ブロアを動作させることを特徴とす
る請求項１または請求項２記載のりん酸型燃料電池発電
設備。