JPS6139459A - 燃料電池発電プラント - 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、電解質に炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなど
の炭酸塩を用い、これら炭酸塩の溶融状態において運転
する溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電池発電プラン
トに関する。

〔発明の背景〕

電解質に炭酸リチウム、炭酸カリウムなどの炭酸塩を用
い、これらが溶融状態になる６００〜７００Ｃにおいて
運転する燃料電池は、溶融炭酸塩型燃料電池と呼ばれて
いる。この溶融炭酸塩型燃料電池は、高温において運転
されるため反応が活発であって、白金などの高価な触媒
を必要としない。しかも、溶融炭酸塩型燃料電池は、現
在実用化が進んでいるリン酸型燃料電池にとって有害な
一酸化炭素をも使用することができるため、使用燃料の
幅が広くなる利点を有しておシ、高温の排ガスからの排
熱回収によシ、石炭ガスプロセスと組み合せて約４５チ
以上の熱効率が期待されている。このため、溶融炭酸塩
型燃料電池は、次世代に実用化できる有望な発電装置と
して注目されておシ、リン酸型燃料電池が第一世代燃料
電池と呼ばれるのに対比して、第二世代燃料電池とも呼
ばれている。

溶融炭酸塩型燃料電池は、アノード責負極）に燃料であ
る水素ちるいは水素含有ガスを反応ガスとして供給し、
カソード（正極）に空気と炭酸ガスとを混合して供給す
る。カソードに供給された空気と炭酸ガスとは、カソー
ドにおいて電子を受は取シ、炭酸イオンとなって電解質
中に入る。一方、アノードにおいては、水素が電解質中
の炭酸イオンと反応し、炭酸ガスと水とを生成し、電子
を放出する。この結果、溶融炭酸塩型燃料電池は、カソ
ードにおいて炭酸ガスを消費し、アノードにおいて炭酸
ガスおよび水分を生成することになる。

このため、溶融炭酸塩型燃料電池においては、反応ガス
の利用率（アノードにおいて実際に消費される反応ガス
量／アノードへ供給される反応ガス量）を上昇させると
、アノードにおいて生成する炭酸ガスおよび水分のため
に反応ガスが稀釈される。同時に電池内における反応に
よシ反応ガスの消費が進むため、反応ガスの反応に関与
する成分の濃度が著しく減少し、燃料電池の電圧が低下
し、熱効率が低下することが知られている。すなわち、
第７図に示すように、−燃料利用率が上昇すると、電池
効率が低下する。この電池効率は、（電池出力（ＫＷ）
　Ｘ８６０　）／　（アノードにおいて実際に消費され
た反応ガスの反応熱）と表わされるため、燃料利用率の
上昇に伴い、燃料電池の燃料効率が低下することになる
。なお、第７図に示した電池効率偏差は、燃料利用率を
５０％としたときの電池効率を基準としたものである。

ところで、燃料電池の設備効率は、（電池出力（ＫＷ）
Ｘ８６０　）／（アノードへ供給される反応ガスの反応
熱）として表わぜれ、（燃料電池効率）×（反応ガスの
利用率）として求めることができる。このため、燃料電
池発電プラントの熱効率を向上させるためには、反応ガ
スの利用率を上げても電池効率の低下が少ない燃料電池
本体の開発と同時に、低い燃料利用率であっても熱回収
を高めることによシ、高い熱効率が得られる発電システ
ムの検討が進められている。第８囚は熱回収システムを
備えた従来の燃料電池発電プラントの踏戻酸塩からなっ
ておシ、アノード１４とカッ−・ド１６とを有している
。アノード１４は、電解質１２に接して設けた負極と、
この負極の非電解質側に設けた図示しないガス通路とか
らなっておシ、カソード１６は、電解質１２に隣接して
設けた正極と、この正極の非電解質側に設けた図示しな
いガス通路とからなっている。そして、燃料電池１０は
、電解質１２とアノード１４とカソード１６とからなる
セルを複数積層して構成しである。

燃料電池は、反応ガスを高圧にすればする程、熱効率が
向上することが矧られている。このため、アノード１４
に供給される反応ガス２０は、燃料２２として、例えば
６〜１０　Ｋｇ／ｃｍ　”に加圧された天然ガスを改質
器２４に供給し、改質器２４の改質反応管２６において
、水素および一酸化炭素を主成分とする改質ガス２８に
改質した後、熱交換器３０によシ約６００Ｃに加熱した
ものである。

カソード１６に供給される混合ガス３２は、空気３４を
圧縮機３６によシ圧縮して得た圧縮空気３８と、詳細を
後述する改質器燃焼排ガス４０との混合ガス４２に、カ
ソード循環ガス４４を加えたものである。

アノード１４に流入する反応ガス２０は、カソード１６
に流入する空気と炭酸ガスからなる混合ガス３２と反応
する。すなわち、混合ガス３２は、カソード１６におい
て電子を受は取シ、炭酸イオンとなって電解質の中に入
る。また、反応ガス２０は、アノード１４において水素
と電解質中の炭酸イオンとが反応し、炭酸ガスおよび水
を生成するとともに、電子を放出する。この結果、アノ
ード１４側からカソード１６側へ電子が移動し、電流が
発生する。

アノード１４から出た７ノードの排ガス４６は、燃料中
の水素と電解質中の炭酸イオンとの反応によシ生成した
炭酸ガスおよび水と、未反応の反応ガスを含んでおシ、
熱交換器４８において冷却された後、ガス冷却器５０に
おいてさらに冷却され、ノックアウトドラム５２におい
て７ノード排ガス４６中の水分が分離され、乾わいたア
ノード排ガス５４となる。水分が分離された７ノード排
ガス５４は、圧縮機５６によシ圧縮されて高圧アノード
排ガス５８となシ、熱交換器４８においてアノード排ガ
ス４６によシ温められ、高温のアノード排ガス６０とな
る。この高温のアノード排ガス６０は、熱交換器３０に
おいて改質ガス２８を温めた後、改質器２４の燃焼部６
２に燃焼用ガス６４として送られる。

改質器２４における改質反応は、吸熱反応である。した
がって、ガスの改質には、外部から熱を与える必要があ
シ、アノード排ガス４６を燃焼用ガス６４として加熱空
気６６とともに改質器２４の燃焼部６２に送シ、アノー
ド排ガス４６の一部を燃焼して改質器２４に反応熱を供
給する。燃焼部６２において生じた燃焼排ガス６８は、
過熱器７０において後述する蒸気を過熱するとともに、
空気予熱器７２において圧縮機３６からの圧縮空気７４
を加熱した後、燃焼排ガス４０となって圧縮空気３８と
混合する。なお、燃焼部６２に供給される燃焼用ガス６
４が、水の補給を必要とする場合には、アノード排ガス
４６の水分をノックアクトドラム５２におりて分離する
ことなく燃焼部６２に供給する。

カソード１６からのカソード排ガス７６は、一部がカソ
ード循環ガス７８として圧縮機８０に送られて圧縮され
た後、カソード循環ガス４４として混合ガス４２ととも
にカソード１６に供給される。

また、カソード排ガス７６は、燃料電池工０の作動温度
が６００〜７５０Ｃと高温であるため、−７００〜７５
０Ｃの温度を有しておシ、シかも燃料電池作動圧力が６
〜８　Ｋｇ／ｃＷ１”であるため、タービン駆動ガス８
２として膨張タービン８４に供給される。すなわち、膨
張タービン８４は、タービン駆動ガス８２の膨張により
駆動され、カソード排ガス７６の熱回収を図っている。

この膨張タービン８４は、圧縮機３６を駆動し、空気３
４を６〜１０Ｋｇメ溝２に加圧して圧ｍ空気３８とする
とともに、発電機８６を駆動して霊気出力を発生させる
。

ノックアウトドラム５２においてアノード排ガス４６か
ら分離した給水８８は、給水ポンプ９０により圧送され
、ガス冷却器５０において温められた後、排熱回収装置
９２に送られる。この排熱回収装置１！ｉ９２は、節炭
器９４と蒸発器９６とを有しておシ、膨張タービン８４
からのタービン排ガス９８によシ温められる。タービン
排ガス９８は、温度が３００〜４００Ｃであり、排熱回
収装置９２において給水８８と熱交換をした後、排ガス
１００として系外に排出される。排熱回収装置９２にお
いて発生した蒸気は、改質蒸気１０２として過熱器７０
に送られ、過熱器７０において燃焼排ガス６８によシ過
熱されて過熱蒸気１０４となる。この過熱蒸気１０４は
、燃料２２とともに改質器２４に供給され、改質器反応
管２６において改質反応をおこし、燃料２２のメタンを
主成分とするガスが、水素および一酸化炭素を主成分と
する改質ガス２８に改質される。

上記の如く構成しである燃料電池発電プラントにおいて
は、タービン駆動ガス８２すなわちカソード排ガス７６
の温度が７００〜７５０Ｃであり、現在一般に使用され
ているガスタービンに供給されるガスの温証に比較して
低く、タービンの熱効率が低くなっている。また、ター
ビン排ガス９８の温度も３００〜４００Ｃと低く、シか
も排熱回収装置９２の蒸発器９６において発生させた蒸
気は、改質蒸気１０２として燃料２２とともに改質器２
４に供給する必要があシ、蒸気タービンを駆動させるの
に必要とする蒸気を十分得ることができず、蒸気タービ
ンを設けて排熱の回収を図ることが困難である。

このように上記の燃料電池発電プラントにおいては、タ
ービン駆動ガス８２の温度が低いところから、現在実用
化されているガスタービンコンバインドプラント（ガス
タービン＋蒸気タービン）に比べ、極めて低い熱効率の
排熱回収システムを構成せざるを得す、燃料電池発電プ
ラント全体の熱効率の向上を図るうえで問題となってい
る。なお、燃料電池発電プラント全体の熱効率は、次式
によシ定義される。

プラント全体の熱効率＝〔電気出力（燃料電池電気出力
＋ガスタービン電気出力子蒸気タービン電気出力）　（
Ｋ９Ｖ）　）ｘ　ｓ　ｅ　ｏ÷〔燃料入熱（Ｋｃａｔ／
Ｈ）　　〕 第９図は燃料として石炭を使用できるように、石炭ガス
化装置と溶融炭酸塩型燃料電池とを組み合せた、従来の
発電プラントの一例を示したものである。第９図におい
て、燃料である石炭１０６は、酸素、空気等のガス化剤
１０８とともにガス化炉１１０に供給され、ガス化炉粗
生成ガス１１２として取シ出される。このガス化炉粗生
成ガス１１２は、ガス化炉出口蒸気発生装置１１１４に
おいて後述する給水を過熱する。そして、ガス化炉出口
蒸気発生装置１１４を出た粗生成ガス１１６は、熱交換
器１１８において精製ガス１２０と熱交換をした後精製
される。すなわち、熱交換後の粗生成ガス１２２は、ア
ンモニア水洗塔１２４、硫化カルボニル転換塔１２６、
脱硫塔１２８および精製脱硫塔１３０を通過して精製さ
れ、精製ガス１２０となる。この精製ガス１２０は、熱
交換器１１８において粗生成ガス１１６によシ温められ
た後、燃料電池ｌＯの７ノード１４に反応ガス２０とし
て供給される。

一方、アノード排ガス４６は、圧縮機５６において圧縮
された後、一部が７ノード循環ガス１２２となシ、精製
ガス１２０とともにアノード１４に供給され、残部が燃
焼用ガス１２４として燃焼器１２６に供給される。燃焼
器１２６は、燃焼用ガス１２４を圧縮空気３８を用いて
燃焼し、燃焼ガス１２８をカソード循環ガス４４ととも
にカソード１６に供給する。

カンード排ガス７６は、前記の場合と同様に、タービン
駆動ガス８２として膨張タービン８４に供給されるとと
もに、一部がカソード循環ガス７８となる。このカソー
ド循環ガス７８は、過熱器１３０において石炭ガス化装
置に設けたガス化炉蒸気発生装置１３２からの蒸気１３
４と、蒸気タービン１３６からの蒸気１３８とを過熱し
、過熱蒸気１４０として蒸気タービン１４２に送る。

蒸気タービン１４２を駆動した蒸気は、さらに蒸気ター
ビン１４４を駆動した後、復水器１４６に入シ、復水さ
せられる。これら各蒸気タービン１３６．１４２，１４
４は、発電機１４７を駆動し、電気出力を発生させる。

復水器１４６内の復水は、復水ボンダ１４８によシ吸引
され、給水１５０として給水加熱器１５２に送られる。

給水加熱器１５２においてタービン排ガス９８によシ温
められた給水１５４は、給水ポンプ１５６を介して石炭
ガス化装置に設けたガス化炉蒸気発生装置１５８に送ら
れるとともに、一部が前記したガス化炉蒸気発生装置１
３２に供給される。ガス化炉蒸気発生装置１５８に供給
された給水１５４は、ガス化炉出口蒸気発生装置との間
を循環している粗生成循環ガス１６０によシ加熱されて
蒸気となシ、過熱器１６２によシ過熱された蒸気１６４
となった後、蒸気タービン１８６に供給される。また、
ガス化炉蒸気発生装置１３２に供給された給水１５４は
、ガス化炉１１０の炉壁の寿命の制限によシ、炉壁のメ
タル＠度が制限されているため、ガス化炉循環ガス１６
６によシ加熱されて飽和蒸気１３４となシ、過熱器１３
０に送られる。

このように構成した石炭ガス化装置を有する燃料電池発
電プラントにおいても、膨張タービン８４に供給される
タービン駆動ガス８２Ｏ温［が低いため、第８図に示し
た燃料電池発電プラントと同様膨張タービン８４を駆動
するガスの熱を利用したガスタービンコンバインドブ２
ントの熱効率が低くなシ、プラント全体の熱効率が低下
するという開明がある。

ところで、リン酸型燃料電池を用いた発電プラントにお
いて、改質器の燃焼部出口排ガスに燃焼用空気を供給し
、別に設けた燃焼器にょシ燃焼させて温度を上昇させ、
このガスを膨張タービンに導き、膨張タービン入口ガス
温度を上昇させる方法が提案されている（特公昭５８−
５６２３１号公報）。しかし、この方法を溶融炭酸塩型
燃料電池を用いた発電プラントに適用する場合には、次
のような不都合を生ずる。第１に、カソードに供給する
炭酸ガスは、改質器の燃焼ガスを使用することができな
いため、別の方法により供給する必要がある。すなわち
、例えばアノードガスの一部をバイパスし、触媒燃焼器
等によシ燃焼して生成した炭酸ガスを、カソードへ供給
するサイクルを構成する等の対策が必要となる。一方、
燃焼器において燃焼したガスをカソードへ供給する場合
には、高温の燃焼ガスを電池作動温度まで冷却する必要
があシ、燃焼器において昇温させることが無意味となる
。

また、カソード排ガス温度は、電池の運転温度に依存し
て低いため、このカソード排ガスを燃焼器排ガスと混合
して膨張タービンに供給する場合には、タービン入口ガ
スの温度を十分高くすることができない。このため、タ
ービン入口ガスの温度を高くするためには、カソード排
ガスを膨張タービンに供給することができず、カソード
排ガスからの熱回収ができないことによシ、熱効率の低
下をきたす。しかも、カソードに供給する空気として圧
＃１機出口空気を用いるため、温度が電池の作動温度に
対して２００〜ａｏｏＣ低く、空気を昇温するために余
分の燃料を必要とする。

〔発明の目的〕

本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電プラント
全体の熱効率を向上することができる燃料電池発電プラ
ントを提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、カソード排ガスをタービンに導く管路に燃焼
器を設け、この燃焼器にアノード排ガスの一部を導いて
カソード排ガスとともに燃焼し、この燃焼器において燃
焼したガスをタービンに導くことにより、タービン入口
ＷＡ度を上昇させ、燃料電池本体の反応ガスの利用率が
低くてもアノード排ガスからの熱回収を高め、プラント
全体の熱効率を向上できるように構成したものである。

〔発明の実施例〕

本発明に係る燃料電池発電プラントの好ましい実施例を
、添付図面に従って詳説する。なお、前記従来技術にお
いて説明した部分に対応する部分については同一の符号
を付し、その説明を省略する。

第１図は、本発明に係る燃料電池発電プラントの一実施
例を示す構成図である。第１図において、カソード排ガ
ス７６のうちのカソード循環ガス７８と分岐したカソー
ド排ガスは、燃焼用空気１６８としてカソード排ガス７
６を膨張タービン８４に導く管路に設けた燃焼器１７０
に供給される。また、この燃焼器１７０には、改質器２
４の燃焼部６２に供給する燃焼用ガス６４の一部が燃焼
用ガス１７２として供給される。燃焼器１７０は、燃焼
用ガス１７２を燃料とし、カソード排ガス７６の一部を
燃焼用空気１６８として燃焼し、燃焼排ガスをタービン
入口ガス１７４として膨張タービン８４に供給する。

一方、タービン排ガス９８と熱交換する排熱回収装置９
２は、低圧蒸発器１７６と高圧蒸発器１７８とを有して
いる。そして、この排熱回収装置９２には、ノックアワ
トド２ム５２において凝縮した給水８８と、復水ポンプ
１４８によシ圧送されてきた給水１５０とが供給される
。低圧蒸発器１７６において発生した蒸気は、改質蒸気
１０２として過熱器７０において過熱した後、燃料２２
に混入される。また、高圧蒸発器１７８には、給水ポン
プ１８０により給水が供給され、高圧蒸発器１７８にお
いて発生した蒸気が、過熱器１８２において過熱された
後、主蒸気１８４として蒸気タービン１８６に供給され
る。主蒸気１８４は、蒸気タービン１８６を介して発電
機１４７を駆動し、その後復水器１４６において復水と
なる。

上記の如く構成した実施例の発電プラントにあっては、
第８図に示した従来の発電プラントに比較し、プラント
全体の熱効率を高めることができる。その具体的数値の
一例を示すと、次のようになる。

第８図に示した従来の発電プラントにおいては、アノー
ド排ガス４６の全量が燃焼用ガス６４として改質器２４
の燃焼部６２に供給される。このときの反応ガスの利用
率は７４．５　％であり、燃料電池ｌＯの電池効率が５
５％、改質器の熱効率が１３１．４チであった。そして
、（電池効率）×（反応ガスの利用率）×（改質器の熱
効率）として表わされる燃料電池の熱効率は、直流とし
て５：ｌ（，８％、直交変換器の損失を差し引いた燃料
２２の入熱のｓ’；＝ｓｓが燃料電池において電気出力
として発生する。燃料電池ｌＯにおいて電気出力を発生
した残シのエネルギー４６．２％は、カソード排ガス７
６の顕熱、アノード排ガス４６の顕熱、アノード排ガス
４６中の未反応ガスの反応熱として供給されることにな
る。ところが、カソード排ガス７６は、圧力が６．２　
Ｋｇ／ｃｍ　”　、温度が７００Ｃの圧縮されたガスで
あり、膨張タービン８４のタービン駆動ガス８２として
は＠度が低いため、熱回収サイクルの効率が約２０％と
低く、膨張タービン８４を介して発ｔｌｆｉ８６が発生
する電気出力は、燃料２２の入熱の９．４％しか発生し
ない。このため、第８図に示した従来の発電プラントに
おいては、燃料２２の入熱に対して得ることができた全
電気出力が燃料電池ｌＯにおいて得た５１８チと発電機
８６において得た９、４％との和である６２２％であっ
た。

一方、第１図に示した実施例においては、燃料の利用率
を６０％とし、アノード排ガスの約４０−に相当するガ
スを燃焼用ガス１７２として燃焼器１７０に供給し、ま
−たカソード排ガス７６・と・燃焼用空気１６８として
燃焼器１７０に供給した。

アノード排ガスである燃焼用ガス６４、すなわち燃焼用
ガス１７２中には、−酸化炭素および水素の可燃成分を
約３５％含んでおシ、発熱量が約１０００　ｃａＬ／Ｎ
ｍ’　であった。一方、燃焼用空気１６８は、圧力が９
　Ｋ　ｇ／　ｃｍ　”、温度が７００Ｃであって、酸素
を約１３％含んでいる。したがって、燃焼器１７０に石
炭ガス化発電用として現在開発−が進んでいる低カロリ
ー燃焼器を用いることによシ、燃焼用ガス１７２と燃焼
用空気１６８とを低カロリーの低酸素燃焼に供すること
ができる。

第１図に示した実施例においては、前記した如く、反応
ガスの利用率を６０チと低下させたことによシ、電池の
効率が第７図に示した特性図に従い、第８図の従来プリ
ントに比較して電池の効率が相対的に４．４チ上昇し、
５７．４％となった。しかし、反応ガスの利用率が６０
％と、第８図に示した従来のプラントに比較し、１９．
５％低下する。

この結果、第１図に示した実施例の燃料電池ｌＯの電気
出力の入熱に対する割合は、第８図に示した従来のプラ
ントに比較して１５．９％低下し、燃料２２の入熱に対
する比は、直流として４５．３％、交流として４４．４
％であった。なお、改質器２４の熱効率は従来と同一で
ある。

燃料電池ｌＯにおいて電気出力を発生した残りの出力は
、燃料２２の入熱に対し５４．７％であり、この一部を
燃焼用ガス１７２と燃焼用空気１６８とによシ燃焼器１
７０において燃焼し、膨張タービン８４のタービン入口
ガス１７４の温度を高くした。タービン入口温度は、第
８図に示した従来のプラントが約７０００であったのに
対し、約９５００と約２５００上昇した。この結果、−
膨張タービン８４の熱効率が上昇し、発電機８６による
電気出力が燃料２２の入熱に対し１６．５％と増加した
。そして、タービン排ガス９８の温度は、第８図に示し
た従来のプラントにおいては約３８０Ｃであったものが
、本実施例においては約４９０Ｃまで上昇した。この４
９０ｔ’ｉ’−ビン排ガス９８を用い、排熱回収装置９
２の低圧蒸発器１７６によシ改質鼎λ１０２を得、改質
器２４に供給した。この改質ａ犬ｘｏ２の圧力は、改質
器２４に供給するために必要な圧力を満足するよう、約
１２Ｋｇ／Ｃｍ２と選定した。さらに、タービン排ガス
９８を用いて、排熱回収装置９２の高圧蒸発器１７８、
過熱器１８２によシ圧力が４０　Ｋｇ／ａｎ　”、温度
が４２０Ｃの主蒸気１８４を得、蒸気タービン１８６を
駆動して発電機１４７により、燃料２２の入熱に対し３
．４％に相当する電気出力を発生きせることかできた。

これによシ、排熱回収サイクルの効率を約４０％と高め
ることができた。

そして、排熱回収装置９２から出た排ガス１００の温度
は約２００Ｃと高かった。

以上のように、第１図に示した本実施例にあっては、燃
料２２の入熱に対する電気出力が燃料電池ｌＯにおいて
４４．４％、膨張タービン８４の駆動による発電機８６
において１６．５％、蒸気タービン１８６を駆動するこ
とによる発電機１４７において３．４チ得ることができ
、合計６４．３％となシ、第８図に示した従来の発電プ
ラントに比較して３，２条効率を向上することができた
。

なお、排熱回収システムの効率を向上させるだめの比較
例を以下に示す。

第２図に示し７’（第１比較例は、第８図に示した従来
の発電プラントに蒸気タービンを設けたものである。す
なわち、排熱回収装置９２に過熱器１８２を設け、蒸発
器９６において蒸発した蒸気を過熱して改質蒸気１０２
を得るとともに、主蒸気１８４として蒸気タービン１８
６を駆動するようにしたものである。この第２図に示し
た発電プラントにおいては、膨張タービン８４に供給さ
れるタービン駆動ガス８２の温度が、第８図に示した従
来の発電プラントと同一であり、燃料電池１０の温度に
依存しているため、７ｏｏ〜７５０Ｃと低く、膨張ター
ビン８４の熱効率が低い。また、タービン排ガス９８の
温度も３００〜４００Ｃと低いため、主蒸気１８４を高
級化することができない。しかも、排熱回収装置９２に
おいて発生した蒸気の一部は、改質蒸気１０２として改
質器２４に供給しなければならず、主蒸気１８４の量が
少ない。このため、蒸気タービン１８６を設置したこと
による熱効率の向上は、０．９％である。

このように、第２図に示した発電プラントにおいては、
電池出力と蒸気タービン出力との比が５０；ｌとなって
おシ、蒸気タービンの出力が電池出力に比較して著しく
小さいため、サイクル構成が困難となる。

第３図に示した第２比較例は、タービン排ガス９８を燃
焼用空気として排ガス助燃装置１８８に導くとともに、
燃料１９０を排ガス助燃装置１８８に供給し、燃焼させ
ることによシ、排熱回収装置入口ガス１９２の温度を上
昇させるものでおる。

これによ）、例えば排熱回収装置入口ガス１９２の温度
を第８図に示した従来の発・亀プラントの約３９０Ｃか
ら４９０Ｃまでに高め、主蒸気１８４の高級化が図れ、
出力が第８図の従来プラントに対して相対的に約５，５
％増加する。しかし、排熱回収装置入口ガス１９２の温
度を約４９００捷で上昇きせるために、改質器２４に供
給する燃料２２の約９％に相当する燃料１９０を排ガス
助燃装置１８８に供給する必要があり、第８図に示した
従来の発電プラン１４対し熱動′＄が約０．８チ低下す
る。したがって、タービン排ガス９８ｔ−助燃すること
は、発電プラント全体の熱効率の向上を図る対策とはな
らない。

第４図は、第３の比較例を示したもので、膨張タービン
８４の入口側に燃焼器１７０を設け、燃焼器に燃料１９
０を供給するとともに、カソード排ガス７６を燃焼用空
気１６８として供給し、燃料１９０を燃焼してタービン
入口ガス１７４の温度を上昇させるようにしたものであ
る。これによシ、タービン入口ガス１７４の温度を例え
ば約７００２：’から約９４０Ｃに高めることができる
。

そして、膨張タービン８４を有効に作動させるため、燃
料電池１０の作動圧力を上げ、タービン入口ガス１７４
の圧力を約６　Ｋｇ１０ｎ’から約９Ｋｇ／ｃｍ２へ上
昇させることにより、膨張タービン８４を介して発電機
８６の電気出力が第８図に示した従来の発現プラントに
比較し約２倍となる。

この結果、グランド全体の燃料２２の入熱に対する出力
の増加の割合は第８図に示した従来の発電プラントに比
較し、相対値において約１１％向上する。さらに、ター
ビン排ガス９８の温度上昇によシ、蒸気タービン１８６
の出力も第３図に示した比較例と同様に第８図に示す従
来の発電プラントの出力の約５．５チを出力でき、あわ
せて熱効率が約１７％向上する。しかし、タービン入口
ガス１７４の温度を上昇させるため、燃焼器１７０に燃
料２２の約２０優に相当する量の燃料１９０を供給しな
ければならないため、プラント全体の熱効率としては、
第８図に示した従来発電プラントに比較し、相対値とし
て約１％熱効率が向上するだけである。

第５図は、第１図に示した実施例と第２図〜第４図に示
した比較例とを第８図に示した従来の発電プラントに対
する熱効率の向上値を示したものである。

第６図は、石炭ガス化装置を備えた燃料電池発電プラン
トの実施例を示したものである。本実施例において、第
１図に示した実施例と同様、カソード排ガス７６を膨張
タービン８４に導く管路に燃焼器１７０を設け、この燃
焼器１７０にアノード排ガス４６の一部を燃焼用ガス１
７２として導くとともに、カソード排ガス７６の一部を
燃焼用空気１６８として供給する。また、ガス化炉蒸気
発生装置１５８において発生した蒸気は、排熱回収装置
９２の過熱器１８２に導くようにしである。

そして、過熱器１８２を出た蒸気１９４は、蒸気タービ
ン１３６に供給するよりになっている。

本実施例の効率を第９図に示した従来の石炭ガス化炉を
備えた燃料電池発電プラントの効率と比較すると、次の
ようになる。第９図に示した従来のプラントにおいては
、燃料利用率が８５チ、電池効率が５Ｌ２％であり、ガ
ス化炉における石炭の反応ガスへの転換率は７７％であ
った。なお、ここに燃料電池の電池効率、反応ガスの利
用率および反応ガスへの転換率は、次式によって定義さ
れる。

（燃料電池効率） （反応ガスの利用率） （燃料転換効率）（＝（改質器の熱効率））燃料電池ｌ
Ｏの電気出力は、直流として石炭入熱の３４．２％を得
ることができ、交流としては直交変換器のロスを考慮し
て３１５％である。そして、燃料電池ｌＯにおいてオＵ
用されない熱は、ガスタービンコンバインドにおいて排
熱回収される。しかし、膨張タービン８４の入口温度が
約７００ｃと低いため、ガスタービンコンバインドの熱
効率が３１７％ト低く、ガスタービンコンバイントドし
ては石炭入熱の２２２％しか電気出力として得ることが
できない。このため、発電プラント全体としての電気出
力は、石炭入熱の５５．７−である。

一方、第６図に示した本発明に係る実施例においては、
反応ガスの利用率を８５％から７０％に低下させている
。これにより燃料電池ｉｏの電池効率は５４チとなり、
燃料電池の電気出力は直流で石炭入熱の２９．トチ、交
流で２８．５　％となる。

したがって、本実施例においては、電池効率が第９図に
示した従来例に比較し、相対的に約３．４チ向１するた
め、燃料利用率が相対的に１７．７％低下しても、電池
出力の石炭入熱に対する割合の低下は、１４．９％にと
どめることができる。燃料電池において電気出力として
取シ出せなかったエネルギーは、石炭入熱の７０．９　
％に相当する。このエネルギーのうち、アノード循環ガ
ス１２２の約５０チを燃焼器１７０に燃焼用ガス１７２
として供給し、カソード排ガス７６の一部を燃焼用空気
１６８として供給して燃焼する。この燃焼用空気１６８
の圧力は、７．４　Ｋｇ／ｃｍ”、温度が７００Ｃであ
る。燃焼器１７０における燃焼用ガス１７２と燃焼用空
気１６８との燃焼によりタービン入口ガス１７４の温度
は、カソード排ガス７６の温度に比較し約２００Ｃ上昇
した。このため、ガスタービンコンバインドプラントの
熱効率が４０チとなシ、第９図に示した従来のプラント
に比較し、相対値として熱効率が１８．７％上昇し、ガ
スタービンコンバインドプラントの電気出力は、石炭入
熱に対し２８．３ｅｓを得ることができた。この結果、
本実施例における電気出力の合計は、燃料電池１０の２
８．５％とガスタービンコンバインドプラントの２８．
３俤との和の５６．８％となシ、第９図に示した従来の
プラントの５５．５％に比較し、相対的に約２９６効率
の向上を図ることができた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電プラントにおけるプラント全体の熱
効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料電池発電プラントの一実施例
を示す構成図、第２図〜第４図は溶融炭酸塩型燃料電池
を用いた発電プラントの熱効率を図る比較例の構成図、
第５図は第１図に示した実施例と第２図〜第４図に示し
た比較例との熱効率を、従来の発電プラントの熱効率と
比較した図、第６図は石炭ガス化装置を備えた溶融炭酸
塩型燃料電池発電プラントの実施例を示す構成図、第７
図は燃料電池における燃料利用率と電池効率との関係を
示す図、第８図は従来の溶融炭酸塩型燃料電池を用いた
発電プラントの一例を示す構成図、第一９図は従来の石
炭ガス化装置を備え７’（溶融炭酸塩型燃料電池発電プ
ラントの一例を示す構成図である。 ｉｏ・・・燃料電池、１２・・・電解質、１４・・・７
ノード、１６・・・カソード、２０・・・反応ガス、２
２・・・燃料、２４・・・改質器、３４・・・空気、３
６・・・圧縮機、４６・・・アノード排ガス、６２・・
・燃焼部、６４，１７２・・・燃焼用ガス、７６・・・
カソード排ガス、８２・・・タービン駆動ガス、８６・
・・発電機、９２・・・排熱口収装［、ｉｏ６・・・石
炭、１０８・・・ガス化剤、１１０・・・ガス化炉、１
１２・・・ガス化炉粗生成ガス、１１４・・・ガス化炉
出口蒸気発生装置、１３２，１５８・・・ガス化炉蒸気
発生装置、１３６，１４２，１４４゜１８６・・・蒸気
タービン、１５２・・・給水加熱器、１６８・・・燃焼
用空気、１７０・・・燃焼器、１７４・・・タービン入
口ガス、１７６・・・低圧蒸発器、１７８・高圧蒸発器
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融炭酸塩を電解質とする燃料電池と、この燃料電
   池のアノードに反応ガスを供給する燃料ガス供給装置と
   、前記燃料電池のカソードに圧縮空気を供給する圧縮機
   と、前記アノードの排ガスを燃焼し、燃焼排ガスを前記
   カソードに供給する燃焼器と、前記カソードの排ガスが
   カソード排ガス管を介して供給され、前記圧縮機と発電
   機とを駆動するタービンと、このタービンの排ガスと熱
   交換した流体を前記燃料ガス供給装置に供給する排熱回
   収装置とを有する燃料電池発電プラントにおいて、前記
   カソード排ガス管に設けた燃焼装置と、この燃焼装置に
   前記アノードの排ガスを燃料として導くアノード排ガス
   供給配管とを設けたことを特徴とする燃料電池発電プラ
   ント。 ２、前記燃料ガス供給装置は、水素を含む燃料ガスを水
   素と一酸化炭素を主成分とするガスに改質する改質器で
   あり、前記アノードの排ガスを燃焼する燃焼器は、前記
   改質器の燃焼部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発電プラント。 ３、前記燃料ガス供給装置は、石炭をガス化するガス化
   炉であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の燃料電池発電プラント。 ４、前記排熱回収装置において熱交換した流体は蒸気で
   あり、一部を前記燃料ガス供給装置に供給し、他を蒸気
   タービンに供給す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発電プラント。 ５、前記排熱回収装置は、前記燃料ガス供給装置に蒸気
   を供給する低圧蒸発器と、前記蒸気タービンに蒸気を供
   給する高圧蒸発器とを備えてい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発電プラント。