JPS62160669A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池複合発電装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の燃料電池複合発電装置の構成の例１ｆｒ、第９図
に示す。第９図において燃料ガスは燃料予熱器２におい
て約７００℃に予熱され燃料電池３に送られる。一方、
反応用空気４は強制通風７アン５、空気予熱器６を経て
２００℃となりアフターバーナ７へ送られる。アフター
バーナ７においては、前記燃料電池３より排出された反
応後の可燃分含有ガスの燃焼が行われ８００〜９００℃
の空気よシ若干酸素濃度が減じた流体となり、一部は前
記燃料電池３へ供給され、一部はファン８、始動バーナ
９、弁１０を有する系と合流して前記燃料予熱器２の加
熱媒体として同予熱器２へ送られ、さらに一部の流体は
廃熱ボイラ１ノへ送られる。廃熱ボイラ１１において発
生した蒸気は、蒸気タービン１２に送られ、発電機１３
を回転せしめ発電が行われる。

前記廃熱がイン１ノの流体の下流側にはエコノマイザ１
４が設けられ給水による熱回収が行われる。なお、前記
ざイン１ノ及びエコノマイザ１４には前記タービン１２
での使用済蒸気がコンデンサ１５、給水加熱器１６、給
水ポンプ１７を通して供給される。前記燃料予熱器２出
口の流体および前記空気予熱器６出口の流体は煙突１８
から大気へ放出される。

このように、従来例の複合発電装置ではアフターバーナ
方式によって空気よシ若干酸素濃度を減じた組成の高温
流体を作シ、この流体を燃料電池の反応用空気源とする
とともに、同時に燃料ガスの加熱熱源となし、併せて廃
熱ゲイ２の熱源とするように構成されたものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述した従来の燃料電池複合発電装置は
次のような問題があった。燃料電池へ供給される高温空
気中には燃焼ガスが含まれ、酸素濃度が減少した状態と
なっている丸め燃料電池における反応特性を悪化せしめ
る恐れがあった。また、アフターバーナの構造・形式が
不明確であシ、燃料電池からの排出空気、同排出ガスと
供給された空気との結合状態および高温空気の燃料電池
への補給方法が未確立であって信頼性に欠ける。さらに
、燃料ガス予熱器の形式・構造が未確立であシ、信頼性
に欠けるという問題があった。

以上のように、従来の装置においてはシステムの一つの
概念が提示されているのみであシ、システムを構成する
各機器に関する具体的かつ詳細な説明はなされていない
のが現状である。

本発明は、上記問題点を解決することを目的としてなさ
れたものであシ、独立し九燃焼炉を設けるとともに、切
替可能の複数の蓄熱式熱交換器を有し、高温の燃料ガス
および高温のフレッシュな空気の供給を確実かつ容易に
行わせ、併せて排がスポイラを効果的に組み合わせ信頼
性が高く簡明かつ簡素なシステムから構成される燃料電
池複合発電装置を提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、燃料ガスと空気を加熱器により加熱して燃料
電池本体に送って発電させ、該燃料電池本体からの排空
気と排出され次可燃分含有ガスとを回収し、燃焼させて
前記燃料ガスと空気の加熱熱源とし、更に排ガスを排ガ
スボイラに送って蒸気を発生させ、この蒸気を蒸気ター
ビンに送って蒸気タービンを駆動させる構造の燃料電池
複合発電装置において、前記加熱器を切換可能な複数の
蓄熱式熱交換器を配して構成し、かつ前記排ガスざイラ
の内部に過熱器、再熱器、蒸発器、節炭器、脱硝装置及
び空気予熱器を配置して構成し、更に前記排ガスボイラ
からの蒸気の一部を燃料ガス系に連結、供給させるよう
に管路を設けたことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明は蓄熱式熱交換器を設け、高温の燃焼ガスで加熱
した後、前記蓄熱式熱交換器内に反応用空気または燃料
ガスを導入するので、燃料ガスと空気を容易かつ確実に
高温に維持できる。

また、反応用空気に燃焼ガスが含有されるのを抑制乃至
防止できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の燃料電池複合発電装置の基本構成を示
す概略図であり、かかる複合発電装置は次に示す６つの
主要部分より構成されている。

（１）燃料電池本体 この燃料電池本体２１は高温固体′１１ｃ解質形であシ
、陽極２２、陰極２３、及び前記各種２２゜２３に接続
されるインバータ２４よシ構成されている。

（ｉｉ）　　燃焼炉 燃焼炉２５は前記燃料電池本体２１から回収される可燃
ガスを燃焼させるものである。

（１１０高温燃料ガス予熱系統 この予熱系統は複数、例えば３つの切換可能な蓄熱式の
高温燃料ガス予熱器２９１〜２９３を備えている。これ
ら予熱器２９１〜２９３は第２図及び第３図に示す如く
筒状断熱体６６と、この断熱体６６内に上下方向に配置
されガス通路６７を形成する蓄蒸体６８とから構成され
ている。これら予熱器２９１〜２９３の下部は、夫々燃
料ガス人口弁２Ｂ、〜２８３を介して燃料ガス入口マニ
ホールド２２に連結している。

前記各予熱器２９１〜２９３の下部は、夫々熱ガス出目
弁３４１〜３４３を介して第１の熱ガス出口マニホール
ド３５に連結されている。前記各予熱器２９１〜２９３
の上部は夫々燃料ガス出口弁３０１〜ＳＯ３を介して燃
料ガス出口マニホールド３１に連結されておシ、かつ夫
々熱ガス人口弁３３１〜３３３を介して第１の熱ガス入
口マニホールド３２に連結されている。

この熱ガス入口マニホールド３２には前記燃焼炉２５の
ガスが供給される。また、前記燃料出口マニホールド３
１は前記燃料電池本体２１に連結されている。なお、各
予熱器２９１〜２９３のＡ−ＡＭに沿う断面形状は第３
図に限定されず、第４図乃至第６図に示す形状にしても
よい。

（ψ　高温空気予熱系統 この予熱系統は、複数、例えば３つの切換可能な蓄熱式
の高温空気予熱器３８１〜３８３を備えておシ、これら
予熱器３８１〜３８３は前述した高温燃料ガス予熱器！
９１〜２９３と同様な構造となっている。前記各予熱器
３８１〜３８３の下部は夫々空気人口弁４３１〜４３３
を介して空気入口マニホールド４４に連結され、かつ夫
々熱ガス出口弁３７１〜３２３を介して第２の熱ガス出
口マニホールド３６に連結されている。また、前記各予
熱器３８１〜３８３の上部は夫々空気出口弁４２１〜４
２３を介して空気出口マニホールド４１に連結されてお
シ、かつ夫々熱ガス人口弁３９１〜３９３を介して第２
の熱ガス入口マニホールド４０１１Ｃ連結されている。

前記空気出口マニホールド４１は前記燃料電池本体２１
に連結されている。前記熱ガス出口マニホールド３６に
は前記燃焼炉２５からのガスが供給される。

（Ｖ）　　排ガスボイラ この排ガスボイラ４７は前記高温燃料ガス予熱系統及び
高温空気予熱系統の第１．第２の熱ガス出口マニホール
ド３５．３６の排ガスの熱源とするものである。この排
ガスボイラ４７は、過熱器４８、高圧蒸発器４９、脱硝
装置５０、節炭器５１、低圧蒸発器５２、低温空気予熱
器５３から構成されている。この予熱器５３には、空気
圧縮機５４で圧縮された空気が導入される。

帖　蒸気ターピン系統 この蒸気タービン系統は、前記排ガスざイラにおいて発
生した蒸気が主蒸気管５７を介し導入され、それにより
駆動される高圧蒸気タービン５８、低圧蒸気タービン５
９、発電機６１、復水器６２、復水ポンゾロ５から構成
されている。前記低圧蒸気タービン５９には、前記低圧
発生器５２の低圧蒸気が低圧蒸気管６０を通して供給さ
れる。

なお、図中の５５は前記空気予熱器５３からの空気を燃
焼炉２５に供給するための空気パイノ譬ス管、５６は該
バイパス管５５に介装された空気パイノ々ス弁である。

図中の６３は前記主蒸気管５７から分岐され、燃料ガス
２６に蒸気を供給するための管路である蒸気管であシ、
この蒸気管６３には調整弁６４が介装されている。

次に、それぞれの流体の系統とその作動要領について説
明する。

（１）燃料ガスの流れとその加熱 燃料ガス２６は燃料ガス予熱器入口マニホールド２２に
導入され、ここから燃料ガス人口弁２８１〜２８ｍを経
て高温燃料ガス予熱器２９１〜２９３に到り、所定の温
度に加熱される。その後、燃料ガス出口弁３０１〜３０
３を経て燃料ガス出口マニホールド３１に集められ、こ
こから燃料電池本体２１に供給される。燃料電池本体２
ノにて反応を終了した後の可燃分を含むガスは燃焼炉２
５に送られる。

ここで、高温燃料ガス予熱器２９１はセラミ、クス材な
どにより形成された複数の蓄熱方式としており、燃焼炉
２５から供給される９００〜１３００℃程度の熱ガスに
より蓄熱体が加熱され、その後燃料ガスを前記高温状態
の蓄熱体内部を通すことによって所定の温度に加熱しよ
うとするものである。

第７図は高温燃料ガス予熱器２９１の作動状態を示すも
のである。第７図において、加熱媒体たる熱ガスが燃焼
炉２５から供給され、第１の熱ガス入口マニホールド３
２、熱ガス人口弁３３２ｔ−経て高温燃料ガス予熱器２
９２に到シ蓄熱体を加温する。熱ガスは、その後熱ガス
出口弁３４２を経て第１の熱ガス出口マニホールド３５
に送られる。この時、他の熱ガス人口弁３３１．３３３
および熱ガス出口弁３４！　。

３４３は閉じられており、高温燃料ガス予熱器２９１に
は燃料ガスが導入、加熱されている。

この時、燃料ガス人口弁２８２および燃料ガス出口弁３
０２は閉じられておシ、高温燃料ガス予熱器２９２への
熱ガスの導入を妨害しない。

また他の高温燃料ガス予熱器２９３には、燃料ガスの予
熱作業終了後燃料ガス人口弁２８３を閉として燃料ガス
をし中断した後、・クージ用蒸気弁７０３を開け、・ヤ
ージ用蒸気を流して残存燃料ガスを／？−ジし、系統内
に残存する燃料ガスが熱ガスとともに排ガス系へ持ち去
られるのを防止している。なお、予熱器２９１〜２９３
の熱ガス出口側にパージ用蒸気弁６９１〜６９３を介し
て／４′−ジ用蒸気全供給するようにしてもよい。

このように複数の蓄熱式熱交換器と弁を設け、熱ガスに
よる蓄熱体の加温、高温蓄熱体による燃料ガスの加温お
よび蒸気による燃料ガス系のノージを交互に〈シ返すこ
とにより確実な熱交換を行わせようとするものである。

なお、熱ガス出口側にパージ用蒸気弁６９１〜６９３を
介してパージ用蒸気を供給するようにしてもよい。

燃料ガスは１０００℃前後の高温状態に加熱されるため
、現存する金属材料により各種形式の予熱器を構成する
方式では、金額的にも、また、信頼性の面からも現実的
な解決策ではない。

このためセラミ、り材などによる蓄熱体形式の予熱器を
採用するとともに付属するマニホールド、配管および弁
本体をもセラミック材によ多構成せしめ、耐熱特性を持
たせ、信頼性を確保している。

（２）空気の流れと加熱 第１図において反応用空気は空気圧縮機５４により昇圧
され、排ガスざイラ４７の内部に設けられた低温の空気
予熱器５３において加熱された後空気入ロマニホールド
４４に到シ、空気人口弁４３１〜４３３を経て高温空気
予熱器３８１〜３８８に入り、ここで所定の温度に加熱
された後空気出口弁４２１〜４２３、空気出口マニホー
ルド４１を経て燃料電池本体２１に供給される。反応後
の空気は燃焼炉２５に送られる。なお、燃焼炉２５にお
ける燃焼調整および空気の温度調整は空気バイパス管５
５、空気バイパス４Ｐ５６により行７）ｈれ机燃焼炉２
５から供給される熱ガスによる蓄熱体の加熱と蓄熱体に
よる空気の加熱の要領は、先に述べた高温燃料ガス予熱
器と基本的に同一なので詳細な説明は省略する。ただし
、高温空気予熱器３８１〜３８３にあっては燃料ガス系
と異なシ、パージ用蒸気は必ずしも必要としない。また
、蓄熱体および周辺の材料は高温燃料ガス予熱器と同様
にセラミック材を河川し、耐高温性を持たせている。以
上の結果、燃料電池本体２１に高温かつフレッシュな反
応用空気を確実に供給することができるので燃料電池本
体２ノの反応特性向上に大きく寄与することが可能とな
った。

（３）排ガスの流れと有効熱回収 第１図において高温燃料ガス予熱器２９１〜２９３出口
および高温空気予熱ｅｒ３８　ｒ　〜３８　ｓ出口の熱
ガスは、それぞれ第１．第２の熱ガス出口マニホールド
３５．３６に集められ、さらに排ガスボイラ４７に導か
れる。燃焼炉２５出ロガスの一部ハバイノヤスガス”ｇ
４ｓ、ガスバイパス弁４６を経て排ガスボイラ４２の上
流において前記排ガスに混合されガス温度が調整される
。排ガスボイラ４７は過熱器４８、高圧蒸発器４９、脱
硝装置５０、節炭器５１、低圧蒸発器５２、低温空気予
熱器５３などにより構成され、効果的な熱回収が行われ
る。排ガスがイン４２出口のガスは図示しない煙突から
大気へ放出される。

（４）　　蒸気および水の系統 第１図において排ガスボイラ４７内に設けられた過熱器
４８出口の蒸気は、一部が蒸気管６３、調整弁６４ｆ：
経て燃料ガス添加用蒸気として使用される。この添加用
蒸気は過熱器４８出口以外の部分（ドラムなど）から供
給することも可能である。燃料添加用蒸気を抽出した残
シの蒸気は、主蒸気管５２を通って高圧蒸気タービン５
８に流入する。高圧蒸気タービン５８の排気ガスは低圧
蒸気タービン５９に流入する。

ここで、排ガスボイラ４７の内部に設けられた低圧蒸発
器５２から発生する低圧蒸気が、低圧蒸気管６０を経て
低圧蒸気タービン５９の上流に混合供給される。低圧蒸
気タービン５９にて仕事を終了した排気は復水器６２に
到シ、冷却され復水となシ、復水ポンプ６５を経て再び
排ガスボイラ４７に供給される。

なお、本発明の燃料電池複合発電装置は前述した第１図
に示す構成に限定されず、例えば第８図に示すように排
ガスがイラ系統、蒸気タービン系統の構成の異なる構造
にしてもよい。

即ち、第８図において、排ガスがイラ４２は過熱器４８
、高圧蒸発器４９、節炭器５１、低圧蒸発器５２、低温
空気予熱器５３のほかに、再熱器７１、低温燃料ガス予
熱器７２および低圧過熱器７３を配して構成されている
。低温燃料ガス予熱器７２あるいは低温空気予熱器５３
は第８図に示した位置以外の適当な位置に配置すること
もできる。このような構成により、高温燃料ガス予熱器
２９１〜２９３および高温空気予熱器３８１〜３８３の
負担を減少せしめ、設備容量の減縮を図ることができる
。

前記過熱器４８出口の蒸気は主蒸気管５７を経て高圧蒸
気タービン５８に流入し、仕事をする。高圧蒸気タービ
ン５８の排気は排ガスがイラの前記再熱器７１に送られ
、再加熱された後中圧蒸気タービン７４に送られる。中
圧蒸気タービン７４の排気は、排ガスボイラ内に設けら
れた低圧過熱器７３出口よシ低圧蒸気管６０を経て供給
される低圧蒸気と混合された後、低圧蒸気タービン５９
に供給される。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、高温の燃料ガス
および高温のフレ、シュな空気を容易に燃料電池本体に
供給できるので、燃料電池における反応特性を向上させ
ることができる。

また、セラミ、り系材料の活用による耐熱性の蓄へ成熱
交換器を使用するので信頼性が向上する。さらに、排ガ
スからの有効な熱回収をはかるので、グランド全体の熱
効率向上に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す燃料電池複合発電装置
の概略図、第２図は第１図の高温燃料ガス予熱器の断面
図、第３図は第２図のＡ−Ａ融に沿う断面図、第４図〜
第６図は前記予熱器の他の例を示す断面図、第７図は高
温燃料ガス予熱器の作用を示す概略図、第８図は本発明
の他の実施例を示す燃料電池複合発電装置の概略図、第
９図は従来の燃料電池複合発電装置を示す概略図である
。 ２１・・・燃料電池本体、２５・・・燃焼炉、２６・・
・燃料ガス、２７・・・燃料ガス入口マニホールド、２
９１〜２９３・・・高温燃料ガス予熱器、３１・・・燃
料ガス出口マニホールド、３２．４０・・・熱ガス入口
マニホールド、３５．３６・・・熱ガス出口マニホール
ド、３８１〜３８３・・・高温空気予熱器、４１・・・
空気出口マニホールド、４４・・・空気入口マニホール
ド、４２・・・排ガスボイラ、４８・・・過熱器、４９
・・・高圧蒸発器、５０・・・脱硝装置、５１・・・節
炭器、５３・・・空気予熱器、５８・・・高圧蒸気ター
ビン、５９・・・低圧蒸気タービン、６１・・・発電機
、６３・・・蒸気管（管路）、６８・・・蓄熱体、６９
１〜６９３　　、７０１〜７０．　・・・パージ用蒸気
弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料ガスと空気を夫々加熱器により加熱して燃料電池本
   体に送って発電させ、該燃料電池本体からの排空気と排
   出された可燃分含有ガスとを回収し、燃焼させて前記燃
   料ガスと空気の加熱熱源とし、更に排ガスを排ガスボイ
   ラに送って蒸気を発生させ、この蒸気を蒸気タービンに
   送って蒸気タービンを駆動させる構造の燃料電池複合発
   電装置において、前記加熱器を切換可能な複数の蓄熱式
   熱交換器を配して構成し、かつ前記排ガスボイラの内部
   に過熱器、再熱器、蒸発器、節炭器、脱硝装置及び空気
   予熱器を配置して構成し、更に前記排ガスボイラからの
   蒸気の一部を燃料ガス系に連結、供給させるように管路
   を設けたことを特徴とする燃料電池複合発電装置。