JPS61290665A - 燃料電池複合発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、燃料電池の排ガス中に含まれているエネルギ
ーを有効に活用して、高いエネルギー効率が得られるよ
うに創作した複合発電装置に関するものである。

〔発明の背景〕

水素を含む燃料は一般に、触媒の存在下で加熱すること
によって、水素を発生する。この反応は吸熱反応であり
、水素発生後の燃料の発熱量は水素発生前の発熱量と比
較して高くなる。このことは低温度で水素を発生する燃
料および触媒の組み合わせにより、低温度の熱を化学エ
ネルギーとして回収可能であることを示している。　Ｃ
，Ｗ、ジーンズ（Ｃ，１，Ｊａｎｅｓ　）著の１′廃ガ
ス熱を利用したメタノール燃料ガスタービンの効率向上
（ＩｎｃｒθａｓｉｎｇＧａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｈｆ
ｆｉｃｅｎｃｙ　Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｔｈｅ　Ｕ！１１３
０ｆ＾Ｗａｓｔｅ　）ｆｅａｔ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｒ
ｅａｃｔｏｒ　）　’　（カリフォルニヤ　エネルギー
　コミッション　サクラメント発行）においては、２２
０℃強の比較的低温で反応して水素を発生するメタノー
ルを燃料として、ガスタービンの排熱によりメタノール
を反応させ８、反応した水素を含む燃料をガスタービン
燃焼器で燃焼させて、該ガスタービンの排ガスから排熱
を回収し、効率を向上する方法が述べられている。

しかしながら、この方法では１発生した水素をエネルギ
ーレベルとして最も低位な熱に変化させて利用するもの
であって、水素の持つ化学エネルギーを充分に利用でき
ない。また、反応後の水素を含む燃料は反応前のメタノ
ールよりも発熱量が増加し、燃焼器で燃焼した時に燃焼
ガス中のＮＯｘが高くなってしまう。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、燃料とし
て供給される物質の化学エネルギーを有効に利用して、
総合熱効率を格段に向上させた複合構成の燃料電池発電
装置を提供しようとするものである。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために創作し本発明の複合発電装
置について、まず、その基本的原理を略述する。

本発明者は、燃料電池を用いた発電装置が一般に、圧縮
機駆動用タービンを設け、上記のタービンは発電装置内
の排ガスで駆動されている点に注目して、当該タービン
出口の排ガスの持つ顕熱の一部もしくは全部を用いるこ
とによって、水素を含有する燃料から水素を発生させる
反応を行わせてシステム外部へ放出される熱量を減少さ
せ、さらに発生した水素およびその他のガスを当該燃料
電池アノードに導いて化学エネルギーを電力に変換し、
残りの化学エネルギーを熱として当該タービンへ導くこ
とにより、供給された燃料の化学エネルギを有効に利用
し得る装置を創作したものである。

上記の原理に基づいて前記の目的（エネルギーの完全利
用による効率の向上）を達成する為、本発明は、アノー
ドとカソードとの間に電解質を配設し、水素を含む気体
をアノードに供給すると共に酸素を含む気体をカソード
に供給して発電を行う燃料電池と、前記のカソードに空
気を供給する圧縮機と、当該装置の排ガスによって運転
されて上記の圧縮機を駆動するタービンとを備えた燃料
電池複合発電装置において、水素を含有する燃料から水
素を発生させる反応装置を設けるとともに。

該反応装置に前記タービンの排ガスを供給するように構
成したことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の燃料電池を用いた複合発電装置の１実施
例について、第１図を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の燃料電池を用いた複合発電装置の１実
施例における系統図である。

電解質２の一方にアノード３、他の一方にカソード４を
設けて構成されている。圧縮機５出口からの流路２４は
燃焼器８を経由し、燃料電池１のカソード４へ流路１４
で結ばれている。カソード４出口からの流路１５は圧縮
機５と動力的に結ばれたタービン６と結ばれ、タービン
６は発電４１！７とも動力的に結ばれている。タービン
６の出口は。

燃料反応装置９の加熱部１０と流路１６で結ばれている
。加熱部１０と燃料反応装置９の反応部１１は流路２１
で結ばれる。燃料反応器ｗ９の反応部１１の出口１７は
大気に解放されている。ポン′２１２の吐出口は燃料反
応装置！ｆ９の反応部１１と流路２０で結ばれさらに反
応部１１人口と燃料反応装置９の加熱部１０とは流路２
５で結ばれている。燃料反応器［９の加熱部１０出口は
、燃料電池１のアノード３と流路２２で結ばれ、アノー
ド３出口と燃焼器８とは流路２３で結ばれている。

この実施例では、燃料電池１として、カソード４にＣｏ
２の供給が必要な溶融炭酸塩型の燃料電池を選び、メタ
ノールを燃料とするように構成しである。メタノールは
約２２０℃の比較的低い温度で触媒を用いて水素を発生
させる技術が公知である。

溶融炭酸塩型燃料電池の作動温度は約６５０℃であり、
カソードおよびアノードの排ガス温度は約７００℃に達
する。

空気は入口流路１３から圧縮機５人口に入り、約７ａｔ
ａに昇圧され、流路２４を通って燃焼器８に入る。燃焼
器８では、アノード３からの未反応燃料を含んだガス流
路２３から流入させる。燃料電池１内におけるアノード
３とカソード４との間の差圧を少なくすることが必要な
らば、アノード３と燃焼器８との間の流路２３内に圧縮
機等の昇圧手段を設ければ良い。

燃焼器８内では流路２４から供給された空気により流路
２３からのアノード未反応燃料が燃焼し。

ＣＯ□　を発生させると同時にガスの温度を上昇させる
６燃焼器８で反応したＣｏ２および０２を含むガスは、
流路１４を通って、燃料電池１のカソード４へ供給され
る。

燃料電池１内では、アノード３へ供給された燃料中のＨ
□やＣＯが、カソード４に供給されたＣＯ２およびｏｔ
と反応して、発電を行なうと同時に、燃料の化学エネル
ギー中で電力に変換されなかった残りの化学エネルギー
が熱となり、アノード３およびカソード４を通過するガ
スを加熱し、アノード３排ガスおよびカソード排ガスは
約７００℃に達する。

カソード４を出たカソード排ガスは流路１５を通ってタ
ービン６に入る。この例ではタービン６人口におけるカ
ソード排ガスは圧力約７ａｔａ、温度約７００℃で、タ
ービン６出口では圧力約１ａｔａ、温度約３７０℃にな
る。タービン１６で発生した動力は圧縮機５を駆動する
と同時に発電機７を駆動する。タービン１６を出た排ガ
スは流路１６を通り燃料反応器９の加熱部１０に入る。

一方、燃料であるメタノール１８は１９とポンプ１２の
上流側で混合され、該ポンプ１２により昇圧されて流路
２０から燃料反応器９の反応部１１に入る。燃料反応器
９の反応部内でメタノールと水との混合物は予熱、蒸発
され、反応用触媒の詰まった反応層を通過し、■（２を
発生する。反応部１１を出たＨ２および、その他のガス
は流路２１を通って燃料反応器９の加熱部１０により加
熱され、流路２２を通って燃料電池１のアノード３へ供
給される。

タービン６から流出したガスは、燃料反応器９の加熱部
１０でＨｌおよびその他のガスを加熱し、流路２５を通
って燃料反応器９の反応部１１に入り、水とメタノール
との混合物の予熱・蒸発・Ｈ２発生を行なった後に流路
１７を通って大気中に放出される。

本実施例によれば、燃料の持つ化学エネルギーを直接最
大限に燃料電池で利用し、その上、未利用の化学エネル
ギーを熱に変換してガスタービンで動力として回収し、
さらにその排ガスから化学エネルギーの回収を行なえる
ためシステムの効率を高くする効果がある。この場合、
メタノールは約２２０℃以上で水素を発生するため、ガ
スタービンの排ガス（約３７０℃）を他の加熱手段なし
にそのまま熱源として利用できるので経済的である。

本実施例では燃料をメタノールとしたが他の燃料を用い
ても低温でＨ９を発生する触媒の存在により本実施例と
同様の効果が得られるのは明らかである。

本発明の他の実施例を第２図に示す。第２図の実施例が
第１図の実施例と異なる点は、燃料電池１のカソード４
のガス流出口とタフビン６との間に補助燃焼器３０を設
け、カソード４と補助燃焼器３０との間に流路３１を、
補助燃焼器３０とタービン６との間に流路３２をそれぞ
れ設けたことと、並びに、燃料電池１のアノード３の流
出流路３３を分岐し、一方は流路３４によって燃焼器８
と接続し、他方は流路３５によって補助燃焼器３０と接
続したことである。

補助燃焼器３０はカソード４から流路３１を経て流れて
きた排ガス中の酸素を用い、流路３３および３５を通っ
てきたアノード３の排ガスを燃焼させてタービン６の入
口温度を高める。高温となったガスにより該タービン６
の出力が増加し１発電Ｉａ７の出力を増加させることが
できる。また、タービン６出口の排ガス温度も上昇し、
アノード３に入る燃料の温度を高め、燃料電池１におけ
る電池温度とアノード３人ロガス温度との差を少なくし
て熱応力の発生を少なくするという効果も有る。

また、本実施例の構成によれば、従来使用されているタ
ービン入口温度１１００℃クラスの高温ガスタービンに
、該入口温度を変えることなく本発明を適用することが
できる。

本発明の他の実施例を第３図に示す。第３図の実施例が
第１図に示す実施例と異なる点は、ガスタービン６と燃
料反応器９の加熱器１０との間↓こ助燃装置４３を設け
、タービン６出口と助燃装置４３との間を流路４４で結
び、助燃袋［４３と加熱器１０との間に流路４５を設け
たこと、及びアノード３流出ガスの流路４０を分岐せし
めて、燃焼器８への流路４１と助燃装置４３への流路４
２とを設けたことである。

本実施例によればアノード３出口から、流路４０．４２
を通ってきた未反応燃料を助燃装置４３において燃焼さ
せ、助燃焼装置！４３出口の排ガス４５の温度を高くす
ること、が可能であるため、水素を発生させる反応を活
性化するのに高温を必要とする燃料と触媒の組み合せも
有効に利用できるという効果がある。

本発明の他の実施例として、第１．２．３図の実施例に
おけるタービン６の流出ガス流路に対して燃料反応器９
と直列または並列に蒸気発生器を設置することもできる
。この実施例では、燃料反応器において水素を発生する
反応に蒸気が必要な場合、タービン排ガスによって蒸気
を発生せしめることができ、蒸気発生のための熱源が不
要となるという効果があり、さらに余剰蒸気により蒸気
タービンを駆動してシステム効率を増加させることもで
きる。

本発明の、更に異なる実施例として、第１，２゜３図の
実施例におけるタービン流出ガス流路に対して燃料反応
器９は直列または並列に蒸気発生器を設置し、該蒸気発
生器で発”生じた蒸気を蒸気タービンへ導入すると共に
、当該蒸気タービンから蒸気の一部を抽気し、この油気
蒸気を前記の燃料反応器へ導入する。本実施例によれば
、燃料反応器へ導入される蒸気は蒸気タービン内で仕事
を行なうため、システム効率が増加するという効果があ
る。

本発明の更に異なる実施例を第４１！Ｉに示す、この実
施例は、圧縮機５．燃焼器５２．タービン６および発電
機７で構成される一般のガスタービン発電装置と、排熱
回収ボイラ６５．蒸気タービン６６、および発電機６７
で構成される蒸気タービンプラントとを組み合せた、ガ
スタービン−蒸気タービン複合発電システムに本発明を
適用した１例である。電解質２の一方にアノード３．他
の一方にカソード４を、設は構成されている燃料電池１
と、燃料反応装置６３と、熱交換器６４と、助燃装置６
２およびブースト圧縮機５８とを新たに設ける。

ガスタービン発電装置は圧縮機５．タービン６と発電機
７とが動力的に結ばれており、圧縮機５出口と燃焼器５
２との間に流路５５が設けられ、燃焼器５２とタービン
６との間に流路が設けられている。流路５５の途中から
流路５７を分岐せしめてブースト圧縮機５８人口に接続
する。ブースト圧縮機５８は動力的に駆動袋［１０と結
ばれている、ブースト圧縮機５８の出口は流路５９で燃
料電池１のアノード４人口と結ばれ、アノード出口は流
路１５によって燃焼器５２と結ばれる。

タービン６の流出ガス流路６１は、排熱回収ボイラ６５
と結ばれる途中で助燃焼器６２と燃料反応器Ｗ６３とを
通過する。燃料電池１のアノード出口３の流路５１の途
中から分岐された流路５４が助燃焼器６２に接続される
。

燃料流路６８は熱交換器６４を経由して燃料反応装置６
３に入り、該燃料反応器Ｗ１６３を出た流路７２は熱交
換器６４を経て燃料電池１のアノード３に入る。アノー
ド３出口流路５１は燃焼器５２と結ばれる。

排熱回収ボイラ６５は流路７２′により蒸気タービン６
６人口と結ばれ、蒸気タービン６６の抽出蒸気流路６９
が燃料流路６８と接続される。蒸気タービン６６は復水
器７１と結合され、復水器７１出口は流路７０により排
熱回収ボイラ６５と結ばれている。

タービン６を出た高温排ガスは、流路６１を通つて助燃
器６２に入り、アノード３を出て流路５４を通ってきた
未反応燃料との燃焼によりさらに高温となって燃料反応
器Ｎ６３に入る。燃料反応装置６３内では、燃料流路６
８を通ってきた燃料と、蒸気タービン６６から抽気され
て流路６９を通ってきた蒸気とが熱交換器６４の上流側
で混合され、高温となった燃料・蒸気の混合流体が。

触媒の存在下で反応して水素を発生する。燃料反応装置
６３を出た燃料は熱交換器６４で前記の燃料・蒸気の混
合流体を加熱した後に流路７２を通り、燃料電池１のア
ノード３に入る。アノード３で電気化学的に反応して電
力を発生した後の未反応燃料は、その一部が流路５５を
通って、ガスタービンの燃焼＠５２で燃焼され、他の一
部は流路５４を通って助燃器６２で燃焼される。

燃料反応器６３において燃料の変換反応に熱を与えて温
度の下がった排ガスは、排熱口取ボイラ６５に入って蒸
気を発生させる。発生した蒸気は流路７２′を通って蒸
気タービン６６に入り、該蒸気タービン６６は発電機６
７を駆動して電力を発生させる。蒸気タービン６６に入
った蒸気の一部は油気されて流路６９を通り、燃料変換
用として用いられる。抽気された残りの蒸気は復水器７
１内で復水され排熱回収ボイラ６５に給水される６ 圧縮機５を出た空気は流路５５を通り燃焼器５２に入り
、アノードを出た未反応燃料の燃焼により高温となりタ
ービン６に入る。それと同時に。

圧縮機５を出た空気の一部は流路５７を通り、駆動装ｗ
ｔｏ”ｒ駆動されるブースト圧縮機５８に入り、昇圧さ
れ流路５９を通ってａ群電池１のカソード４へ供給され
る。ブースト圧縮機５８による昇圧は、燃料電池ｉにお
けるアノード３とカソード４との差圧を少なくシ、ガス
タービン燃焼器に対するカソードＨ］＋ガスの供給をス
ムーズにするという効果がある。カソード４を出たカソ
ードＭ１：ガスは流路１５を通り燃焼器５２に供給され
る。

本実施例（第４図）によれば、ガスタービン６の排ガス
の持つエネルギーを有効に利用し、システムの効率を高
めることができるのみならず、燃焼器５２内、および助
燃器６２内において、低発熱量となったアノード排ガス
の燃焼が行なわれるために、発生するＮＯｘ量を低減す
ることが可能である。

図示を省略するが、上記実施例（第４図）の変形例とし
て、燃料反応装置６３出口の燃料を（アノード未反応ガ
スの代りに）助燃器６用の燃料として用いることもでき
る０本例によると、高発熱量の燃料を用いても、燃焼用
排ガス中の酸素濃度が低いためＮ　Ｏｘ量を低減すると
いう効果が有る。

この場合、燃焼装置として触媒燃焼方式を採用すれば低
ＮＯｘの効果はさらに高くなる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、供給燃料の有す
る化学エネルギーを有効に利用して、総合熱効率の高い
燃料電池式の複合発電装置を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は、それぞれ本発明の燃料電池を用い
た複合発電装置の１実施例を示す系統図である。 １・・・燃料電池、３・・・アノード、４・・・カソー
ド、５・・・圧縮機、６・・・タービン、８・・・燃線
器、９・・・燃料反応装置、３０・・・補助燃焼器、４
３・・・助燃器、５２・・・ガスタービン燃焼器、６３
・・・燃料反応装置、６５・・・排熱回収ボイラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アノードとカソードとの間に電解質を配設し、水素
   を含む気体をアノードに供給すると共に酸素を含む気体
   をカソードに供給して発電を行う燃料電池と、前記のカ
   ソードに空気を供給する圧縮機と、当該装置の排ガスに
   よって運転されて上記の圧縮機を駆動するタービンとを
   備えた燃料電池複合発電装置において、水素を含有する
   燃料から水素を発生させる反応装置を設けるとともに、
   該反応装置に前記タービンの排ガスを供給するように構
   成したことを特徴とする燃料電池を用いた複合発電装置
   。 ２、前記の反応装置は、水素を発生させる反応部と、反
   応によって発生した水素及びその他のガスを加熱する為
   の熱交換部とを設けたものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の燃料電池を用いた複合発電装
   置。 ３、前記のタービンと反応装置とを結ぶ管路の途中に補
   助燃焼装置を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項又は第２項に記載の燃料電池を用いた複合発電装置
   。 ４、前記のタービンは、その排ガス流出管路に排熱回収
   装置を設けて蒸気を発生させるように構成したものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項、同第２項、
   及び同第３項の内の何れか一つに記載の燃料電池を用い
   た複合発電装置。 ５、前記の排熱回収装置で発生した蒸気は、これを蒸気
   タービンの駆動に用いるように構成したものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の燃料電池を
   用いた複合発電装置。 ６、前記の排熱回収装置で発生した蒸気は、これを前記
   の反応装置に用いるように構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第４項に記載の燃料電池を用いた複合発電
   装置。 ７、前記排熱回収装置で発生した蒸気は、これを蒸気タ
   ービンの駆動、および前記の反応装置に用いるように構
   成したものであることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項に記載の燃料電池を用いた複合発電装置。