JPS6280968A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

燃料電池発電プラント

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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〕 本発明は内部改質型溶融炭酸塩燃料電池の発電プラント
に関し、特に起動時の昇温、昇圧を容易にした燃料電池
発電プラントに関する。
〔発明の背景〕
溶融炭酸塩型燃料電池は、電池電圧が高く、発電効率も
高く、しかも高温作動型電池である事からタービン発電
機と組み合わせた複合発電機にすることにより更に高い
発電効率が得られることから、最近、注目されだしてい
る。特に内部改質型の燃料電池は、その発電効率が高い
事から特に注目されている。内部改質型溶融炭酸塩燃料
電池を用いた発電システムについては、  r6500
BTU/kwhの熱効率をもつ発電機の評価J(”As
sesmentof a 6500−Btu/kwh 
Heat Rate DispersedGenera
tor” E P R/レポートEM33071983
年11月 Energy Re5earch Corp
oration、 FlouvEngjneers a
nd Con5tractions Inc、) と題
する文献に詳細に論じられている。
これによると、溶融炭酸塩型燃料電池は、反応温度が約
600℃〜800℃と高く、特にプラント起動時の燃料
電池の昇温に時間がかかり、起動損失の低減を図る事が
技術的課題の一つであるとされた。
この問題点を解決する方法として、第2図に示す燃料電
池発電プラントが開示されている。
即ち、燃料電池4のアノード6に圧縮機44により燃料
が流路1,2を通って供給されるが、この流路1に起動
用ボイラ100を設は燃料が加熱し昇温する方法である
。一方、燃料電池4のカソードに供給される燃料はター
ビン34に連結された圧縮機32によって圧縮され触媒
バーナ18で所定温度に加熱される。
しかし、この開示された発電プラントは需要地分散配地
(オンサイト)用の比較的小規模の発電プラントに対す
る電気と熱とを併給する熱電併給システム(コジェネレ
ーションシステム)用としての常圧の燃料電池発電シス
テムの検討例であり、発電を目的とした比較的大規模な
加圧システムに対する問題に関しては認識されていない
。即ち、作動温度の高い溶融炭酸塩型燃料電池は負荷変
化に対応、特に起動時の昇温、昇圧に問題あり、更に高
価な起動用ボイラの設置等経済性の面でも問題があった
〔発明の目的〕
本発明の目的は負荷変動に対する対応、時に起動時の昇
温、昇圧を容易に、しかもじん速に行える内部改質型溶
融炭酸塩燃料電池発電プラントを提供することに在る。
〔発明の概要〕
本発明の第1の発電は第2図に示された従来の内部改質
型溶融炭酸塩電池発電プラントに於いて、ガスタービン
のガス導入口に燃焼器を設け、これに燃料電池の燃料の
一部及び燃料電池のカソードからの排ガスの一部を併給
し得る流路を設けた燃料電池発電プラントであり、第2
の発明は第1の発明の燃料電池発電プラントに於いて、
触媒バーナの出口のガスと燃料電池のアノードからの徘
ガースとの間に熱交換を行うために熱交換器を設けた燃
料電池発電プラントである。
本発明の燃料電池発電プラントの起動は、まず燃料ガス
の少なくとも一部をガスタービン入口の燃焼器に通じ、
ガスタービンの単独運転を行い、次に、ガスタービンに
より駆動される圧縮機にて圧縮された空気と、燃料を同
時に、それぞれカソード及びアノードへ供給して昇圧す
る。次に燃料の少なくとも一部を触媒バーナに供給し、
残りをバイパスし、ガスタービン入口燃焼器へ供給して
カソードへ供給する混合ガスを徐々に昇温し、燃料電池
を昇温する。熱交換器を設けた発電プラントでは、さら
に、触媒バーナ出口ガスと、アノード出口ガスとを熱交
換し、アノード出口ガスをアノード入口ヘリサイクルし
てアノードガスを徐々に昇温し、その結果として燃料電
池を昇温する。
以上の工程により燃料電池は昇温、昇圧し、発電プラン
トは起動状態に入る。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を実施例に基づき更に説明する。
第1図は本発明に係わる燃料電池発電プラントである。
燃料電池4への燃料ガス(流路2通路、以下同様)は、
燃料電池アノード6での燃料ガス(流路1)の改質に必
要な水分を供給するために、アノード6からの排ガス(
流路3)の一部をリサイクルした混合ガスとして供給さ
れる。
燃料電池4は、燃料電池の積層体で摺電され、各燃料電
池は、正極と負極とこれらの両極の間に配置された電解
質5と、正極の非電解質側に設けられたガス通路(正極
及び正極ガス通路をカソード7と呼ぶ。)と負極の非電
解質側に設けられたガス通路(負極及び負極ガス通路を
アノード6と呼ぶ。)とを含む。
本発明では、電解質に炭酸リチウム、炭酸カリウ11な
どの炭酸塩を用い、それが溶融状態になる温度約600
℃〜700℃で運転する溶融炭酸塩を用いている。本燃
料電池は、メタン等の天燃ガスをアノード電極の触媒作
用により、あるいは、アノードに設置された改:σ触媒
の触媒作用により水素及び−酸化炭素に改質する機能を
アノードに持つ内部改質型燃料電池を用いる。
アノード6へ供給されろ燃料ガス(流路2)は、カソー
ド7へ供給されろ空−tと炭酸ガスの混合ガス(流路2
4)と反応する。カソード7では、混合ガスが電子を受
取って炭酸イオンになり電解質の中に入る。アノード6
では、アノードの触媒作用により燃料ガス(流路2)が
改質され生成する水素と炭酸イオンが反応して炭酸ガス
および水を生成し、電子を放出する。この結果、アノー
ドからカソードへ電子が移動し電流が発生する。
アノードからの排ガス(流路3)の一部は、アノード6
での燃料ガス(流路1)の改質反応に必要な水分を供給
するためにアノード6人口ヘリサイクルされ、流路12
を通って一部は、触媒バーナ18へ供給される。
カソード7へ供給される酸素は、圧縮機32にて大気を
7〜10kg/fflに圧縮して形成され、流路22を
介して触媒バーナ18へ供給され、その一部をアノード
排ガス17の燃焼用空気として使用される。
この際、触媒バーナ18では、 2Hz+02→2H20 2CO+ 02−+ 2 COz の反応が起り、触媒バーナ18からはH20、COz及
び未燃焼の酸素、空気中の窒素等が流路19に排出され
、カソードに供給される。カソードへ供給された混合ガ
スはアノードの燃料ガスと反応する。
カソードからの排ガス(流路26)は、一部をリサイク
ル圧縮機25での昇圧、カソード7人ロヘリサイクルす
る。残りのカソードからの排ガス(流路28)は、燃料
電池4の反応温度が約600℃〜800”C反応圧力が
6〜10kg/dと高温高圧のため、ガスタービン34
にて熱回収される。
ガスタービン34での仕事は、一部を圧縮機32駆動動
力として使用され、残りは発電機36にて電気出力を発
生させる。
本発明では、ガスタービン34人口に設置の燃焼器29
及び触媒バーナ18及び、触媒バーナ出口ガス43とア
ノード出口ガス(流路3)を用いる事により、燃料電池
発電システムの起動を行っている。
燃料圧縮機44にて昇圧された燃料は、ガスタービン3
4人口に設置される燃焼器29へ、起動用燃料供給流路
47.起動用燃料バイパス弁46を通り供給される。一
方燃焼用空気は、起動用空気供給流路49.起動用空気
供給弁48を通り、燃焼器29へ供給される。
ガスタービン34が起動し、ガスタービンは無負荷運転
となる。
燃料電池は、アノード6、カソード7の間に、差圧があ
るとアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供
給される空気と二酸化炭素の混合ガスが直接反応し、燃
料電池としての機能を果さなくなるため、アノードとカ
ソード間の差圧を常に微差圧に保つ事が必要である。こ
の差圧の許容値は典型的には約0.1kg/a+を以下
である。
アノード6、カソード7間の微差圧を保ちつつ燃料電池
を昇圧する方法として、本発明では、空気調整弁50及
び燃料調整弁45を徐開し、起動用空気調整弁48.起
動用燃料調整弁46を徐閉していく事により行われる。
発電プラントの昇圧状態では、燃料は、1,2の燃料流
路、アノード6.3,51のアノード出口流路、アノー
ドリサイクル圧縮機8、燃料バイパス流路10.15を
通り、燃焼器29へ供給される。
一方空気は、33.22の空気供給流路、触媒バーナ1
8、空気流路24,26.28を通って燃焼器29へ供
給される。
燃料電池4の昇温は、ガスタービン34運転での昇圧条
件が確立したのち行う。触媒バーナ燃料供給弁16を徐
開し触媒バーナ18へ燃料を供給する。触媒バーナ18
の燃料供給量は流路10を介してバイパス流路15を通
過する流量と、流路17の流量との配分をバイパス調整
弁11.燃料調整弁16を制御する二とにより行う。触
媒バーナ出口の混合ガス出口ガス温度は、触媒バーナを
バイパスする流路20の空気の流量と、触媒バーナへ供
給する流路22の空気流量を制御する事により行う。昇
温された混合ガスは、燃料電池4のカソード7へ送られ
、電池の昇温に用いられる。
アノード6の通過ガス量に比ベカソード7の通過ガス量
は、5〜10倍と大きいため、第3図に示す本発明の他
の実施例のように、カソード側を加熱し、熱伝導により
アノードガスを加熱する事も可能であるが、第1図に示
す実施例では、アノードガスの加熱用に、別に起動系M
Aを設置している。触媒バーナ18の出口の加熱ガスは
、一部をバイパス流路43を通り、バイパス弁42を経
て、熱交換器39へ送られる。一方アノード出ロガスは
、バイパス流路38.バイパス弁37を通り、熱交換器
39にて、触媒バーナ18の出口ガス(流路19)と熱
交換し昇温する。昇温されたアノード出口ガス(流路4
0)は、リサイクル圧縮機8を通り、アノードリサイク
ル系統(流路13)を経てアノード入口ヘリサイクルさ
れ、アノード入口ガス(流路2)を昇温する。
触媒バーナ入口燃料調整弁16を徐開し、燃料バイパス
弁11を徐閉し、触媒バーナ18の負荷を上昇させる事
により昇温か行われる。昇温過程においてアノードリサ
イクル調整弁52を徐開し。
バイパス弁37.42を徐閉して熱交換器39のバイパ
ス運転を切り換える。この切り換え時期は。
本実施例では、燃料電池4の電極5の材料である溶融炭
酸塩が溶融し、電池反応が起こり、電池での発熱作用に
より、昇温か進みだす約500℃で切り換えている。
電池4が定格時の反応温度、本実施例では、平均反応温
度650℃まで昇温か進むと、除去に燃料圧縮機の負荷
を上昇させ燃料供給弁45を徐開し、燃料バイパス弁4
6を徐閉して、電池への通過ガス量を増やし燃料電池4
の負荷を増加させる。
ガスタービン34の通過ガス量は、燃料電池4のアノー
ド6への燃料供給量に応じて増加し、負荷上昇、昇圧し
定格運転に至る。
尚、本実施例では、起動方法の一例として、YX池が昇
温したのちガスタービン34の負荷を上昇させ昇圧して
いるが、昇温時、触媒バーナへの通過ガス歓を増やし、
昇温、昇圧を同時に行う事もできる。
本発明によると、燃料電池の昇温、昇圧を、触媒バーナ
の燃焼熱及び、電池の反応熱により行う事ができるため
、従来の起動方法に比べて、起動用ボイラを削除する事
ができ、例えば2SMW級のプラントでは約100M円
の建設費を低減できる。
また、補助ボイラ等の起動装置を用いる場合は、起動時
の燃料の流量のアンバランスは、ボイラで吸収する事に
なり、余分にボイラに燃料を供給する分だけ起動損失が
増える事、又燃焼ガス、ボイラ、燃料と間接的に加熱す
るため熱ロスが発生する。本発明では、補助燃料使用量
を1回の起動につき約0.5し節約でき、−年に1ヶ月
定検として、日々起動停止を行うとすると年に330回
の起動として年間10M円の燃料費節約となる。
第3図は2本発明の他の実施例を示す。本実施例では、
燃料電池4の加熱は、カソード7へ供給する混合ガスに
よって行われ、アノードガスの加熱は電池を通じての熱
伝導により行うという点に特徴がある。
第1図の実施例に比べて、熱交換器が必要でないため、
建設コストは小さくなるが、アノードガスは、電池の熱
伝導により加熱する事になり、起動時間は多少長くなる
〔発明の効果〕
本発明によれば、燃料電池の昇温、昇圧を、簡単な燃焼
器と起動バイパス流路及び燃料電池の燃料ガスを用いて
行う事ができるため、特別の起動装置を設置する必要が
なくなるため、建設コストの低減がはかれる。さらには
、起動装置を駆動するための補助燃料が削減でき、起動
損失の低減がはかれる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の詳細な説明する図で燃料電池発電プラ
ントの起動系統の構成を示す図、第2図は従来の燃料電
池発電プラントの起動系統の構成を示す図、第3図は本
発明の他の実施例を説明する図で燃料電池発電プラント
の起動系統を示す図である。 4・・・燃料電池、5・・・電解質、6・・・アノード
、7・・・カソード、8・・・リサイクル圧縮機、18
・・・触媒バーナ、29・・・燃焼器、34・・・ター
ビン、39・・・熱交換器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、内部改質型溶融炭酸塩燃料電池と、燃料を上記燃料
    電池のアノードに供給する装置と、上記燃料電池のカソ
    ードに圧縮空気を供給する圧縮機と、上記アノードから
    の排ガスを燃焼し、燃焼した排ガスを上記カソードに供
    給する触媒バーナと、前記圧縮機を駆動するタービンと
    を有する燃料電池発電プラントにおいて、上記タービン
    のガス流入口近傍に燃焼器を設置すると共に上記燃焼器
    に上記燃料の一部及び上記カソードからの排ガスの一部
    がそれぞれ供給される流路を設けたことを特徴とする燃
    料電池発電プラント。 2、内部改質型溶融炭酸塩燃料電池と、燃料を上記燃料
    電池のアノードに供給する装置と、上記燃料電池のカソ
    ードに圧縮空気を供給する圧縮機と、上記アノードから
    の排ガスを燃焼し、燃焼した排ガスを上記カソードに供
    給する触媒バーナと、前記圧縮機を駆動するタービンと
    を有する燃料電池発電プラントに於いて、上記タービン
    のガス流入口近傍に燃焼器を設置すると共に上記燃焼器
    に上記燃料の一部及び上記カソードからの排ガスの一部
    がそれぞれ供給される流路を設け、更に上記触媒バーナ
    の出口からのガスと上記燃料電池のアノードからの排ガ
    スと間接的に熱交換させるための熱交換器を設けたこと
    を特徴とする燃料電池発電プラント。
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