JP2942999B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置 - Google Patents

溶融炭酸塩型燃料電池発電装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネ
ルギーに変換させるエネルギー部門で用いる燃料電池の
発電装置に関するもので、特に、溶融炭酸塩型燃料電池
発電装置に関するものである。
［従来の技術］ 従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電装置としては、第２
図に一例を示す如く、燃料電池セルをセパレータを介し
多層に積層しスタックとしてなる燃料電池１のカソード
２に酸化ガスを供給するため、空気Ａを圧縮機Ａで圧縮
させた後、冷却器５で冷却し、更に、圧縮機６で圧縮し
て空気予熱器７で予熱し、ライン８によりカソード２に
供給すると共に、一部を改質器10に分岐ライン９により
供給し、カソード２から排出されたガスは、ライン11を
経てタービン12に導き、更に、上記空気予熱器７を通し
て排出されるようにしてあり、又、一部はリサイクルラ
イン25とリサイクル用ブロワ26にてカソード２の入口側
に戻すようにしてある。一方、燃料電池１のアノード３
から排出されたガスには水分が含まれているため、この
アノードガス中の水分を一旦ガスと分離した後に、分離
した水を再び系統内に入れるという手法を採ることが常
識化されている。そのために、燃料電池のアノード３か
ら排出されたアノードガスは、冷却されたガスとの熱交
換器13を通した後、天然ガスNGと熱交換させる予熱器1
4,15、蒸発器16を通し、凝縮器17で冷却し凝縮して気液
分離機18にてガスと水とに分離し、ガスはブロワ19にて
上記熱交換器13へのライン20を通して改質器10に導くよ
うにすると共に、水（H2O）はポンプ21で加圧され給水
加熱器22へ送られ、ここで加熱されて蒸気としてライン
23、上記蒸発器16を経て改質器10の入口側に供給されて
天然ガスNGと混ぜられるようにしてあり、改質器10で製
造された燃料は配管24により燃料電池１のアノード３
に、又、改質器10から排出された炭酸ガスを含むガス
は、前記ライン８を流れるガスとともに燃料電池１のカ
ソード２にそれぞれ供給されるようにしてある。
上記溶融炭酸塩型燃料電池発電装置において、燃料電
池１の運転が行われると、該燃料電池１内に熱が発生す
るので、これを冷却するために、通常、アノード３とカ
ソード２に供給されるガスの比率が1:10位になるように
カソード２へは多くのガスを供給して電池の冷却を行わ
せるようにしている。すなわち、上記カソード２に多量
の空気を供給してカソード冷却を行わせる場合、一般
に、カソード２の入口側と出口側の温度差は100〜150℃
であり、入口側と出口側の温度差が小さいために、冷却
に要する空気量は、反応に要する量の５〜10倍が必要と
なっている。
第３図は、カソード冷却に空気を用いる場合の基本的
な構成を示すもので、以下の説明においては、一例とし
て、カソード２の入口側／出口側温度は600/700℃と
し、温度差を100℃とした場合を示す。
［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記のように、カソード冷却に要する空気
量が多いと、第３図に示した基本型の如く空気予熱器７
を用いた方式では、 空気予熱器７が大きくなり、その結果、容積、コスト
の面でプラントとしての経済性を損うおそれがあり、
又、これに伴い配管もブロワも大きくなる。
溶融炭酸塩型燃料電池の高温排ガスが使えない。すな
わち、カソード２から排出されるガスの高温部はほとん
ど空気予熱器７にてカソード入口へのガスの予熱に費さ
れてしまうため、カソード２から排出される高温排ガス
が有効に使用できない。
空気量が多いと、CO2分圧が低くなり、電池電圧を高
くとれない。
等の欠点がある。
又、空気予熱器７を置く代りに、第４図に示す如く、
カソード２から排出されたカソードガスの一部をカソー
ド２の入口側にリサイクルさせるようにリサイクルライ
ン25とリサイクル用ブロワ26を設け、カソード２から排
出された高温のカソードガスをカソード２の入口へ供給
される空気に混入させて温度調節をさせるようにするこ
とも行われているが、この場合でもカソード冷却のため
の空気量（ガス量）が多いと、リサイクル用ブロワ26の
消費動力も大きくなり、保全性にも難点がある。
このように、カソード冷却に使用される空気量が多い
と、種々の問題点があり、これらの問題点を解決するた
めにはカソード２への空気量（ガス量）を減少させるこ
とが重要な課題である。
そこで、本発明は、カソードへのガス量を多く必要と
していることがカソードの出入口の温度差が小さいこと
に起因していることに着目し、カソードへ供給するガス
量を大幅に低減できるようにする溶融炭酸塩型燃料電池
発電装置を提供しようとするものである。
［発明を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決するために、溶融炭酸塩型
燃料電池を少なくとも３個配置してカソードガスライン
を直列に接続し、最上流側の燃料電池のカソード出口と
その下流側の燃料電池のカソード入口とを接続するカソ
ードガスラインの途中に、熱交換器を設置すると共に、
上記下流側の燃料電池のカソード出口と更にその下流側
の燃料電池のカソード入口とを接続するカソードガスラ
インの途中に別の熱交換器を設置し、且つ最上流側の燃
料電池のカソードに供給するガスを予熱する空気予熱器
を設置して、該空気予熱器に、最下流側の燃料電池のカ
ソードから排出されたガスを通すようにし、更に、上記
空気予熱器で予熱されたガスを上記最上流側の燃料電池
のカソードに供給するラインを、上記下流側のカソード
ガスライン途中の熱交換器に通した後に上記上流側のカ
ソードガスライン途中の熱交換器に通すようにしてなる
構成とする。
［作用］ 上流側の燃料電池のカソード出口から排出された高温
のカソードガスは、上流側の燃料電池のカソード入口へ
供給されるガスと熱交換させられて温度が下げられるの
で、個々の燃料電池のカソード入口に供給するガスの温
度は同じにコントロールできるが、実質的には上流側の
燃料電池のカソード入口と下流側の燃料電池のカソード
出口の温度を燃料電池の数だけ大きくすることができる
ので、その温度差が大きくなった分だけカソードへのガ
ス量を減らすことができる。この場合、燃料電池を３個
直列に接続して熱交換器を２個設置した構成としてある
ので、最下流の燃料電池のカソード出口から空気予熱器
を経て高温のガスを取り出すことができる。
［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図は本発明の一実施例を示すもので、溶融炭酸塩
型燃料電池発電装置として、第３図における燃料電池に
代えて、３つの燃料電池ＩとIIとIIIを直列に配置し
て、各燃料電池I,II,IIIを同じ条件で運転できるように
したものである。なお、カソードガスの電池反応による
消失分、熱交換器のロス、放熱ロスを無視して取り扱
い、カソード冷却用ガスについてのみ示す。
直列に配置した３つの燃料電池I,II,IIIを、ともにカ
ソード２の入口／出口温度が600/700℃で運転できるよ
うにするため、最上流側の燃料電池Ｉのカソード出口と
その下流側の燃料電池IIのカソード入口とを接続するカ
ソードガスライン27の途中に熱交換器28を、又、上記燃
料電池IIのカソード出口とその下流側の燃料電池IIIの
カソード入口とを接続するカソードガスライン29の途中
に熱交換器30をそれぞれ設け、ライン８に供給され、最
下流側の燃料電池IIIのカソード２から排出されたカソ
ードガスとの熱交換により空気予熱器７で予熱されたガ
スを上記熱交換器30,28に順に通すことによって、最上
流側の燃料電池Ｉのカソード２からその下流側の燃料電
池IIのカソード２に供給されるカソードガス及び燃料電
池IIのカソード２から最下流側の燃料電池IIIのカソー
ド２に供給されるカソードガスと熱交換させ、各燃料電
池I,II,IIIが同じカソード入口／出口温度で運転される
ようにする。
今、第３図に示す基本型において、ライン８に供給す
るガスの量をG1とし、そのガスの温度を350℃とする
と、空気予熱器７では350℃から600℃に予熱して燃料電
池１のカソード２へ供給させるようにし、該カソード２
から排出されたカソードガスは空気予熱器７で熱交換に
より450℃として大気へ放出されることになる。したが
って、上記空気予熱器７の交換熱量は単純に250G1とな
る。
上記の考え方を第１図に適用すると、ライン８に供給
されるガス温度を350℃とすると、空気予熱器７では400
℃に予熱された後、熱交換器30で500℃に予熱され、更
に熱交換器28で600℃に予熱された最上流側の燃料電池
Ｉのカソード２入口に供給されることになる。これによ
り燃料電池Ｉのカソード２から排出されたカソードガス
は熱交換器28で700℃から600℃に減温され、燃料電池II
のカソード２から排出されたカソードガスは、熱交換器
30により700℃から600℃に減温される。直列に接続され
た最上流の燃料電池Ｉのカソード２の入口ガス温度と最
下流の燃料電池IIIのカソード２の出口ガス温度の温度
差は300℃になるので、ライン８に供給するガス量G4
は、第３図に示す基本型の３分の１に減らすことができ
る。このように３分の１の出力の燃料電池を３段直列に
接続しインタークーリングすると、ガス量G4＝1/3G1で
あるから、熱交換器28、30、空気予熱器７の交換熱量
は、 熱交換器 28:100G4＝33G1 熱交換器 30:100G4＝33G1 空気予熱器 7: 50G4＝17G1 で、合計83G1となり、第３図に示す基本型の交換熱量の
３分の１になり、熱交換器を小さくすることができる。
又、第１図の実施例では、650℃という高温排ガスを取
り出すことができる利点がある。
なお、本発明は上記した実施例のみに限定されるもの
ではなく、多段にして直列に接続する燃料電池の数は３
段以上としてもよく、その他本発明の要旨を逸脱しない
範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
［発明の効果］ 以上述べた如く、本発明の溶融炭酸塩型燃料電池発電
装置によれば、溶融炭酸塩型燃料電池を少なくとも３個
配置してカソードガスラインを直列に接続し、最上流側
の燃料電池のカソード出口とその下流側の燃料電池のカ
ソード入口とを接続するカソードガスラインの途中に、
熱交換器を設置すると共に、上記下流側の燃料電池のカ
ソード出口と更にその下流側の燃料電池のカソード入口
とを接続するカソードガスラインの途中に別の熱交換器
を設置し、且つ最上流側のカソードに供給するガスを予
熱する空気予熱器を設置して、該空気予熱器に、最下流
側の燃料電池のカソードから排出されたガスを通すよう
にし、更に、上記空気予熱器で予熱されたガスを上記最
上流側の燃料電池のカソードに供給するラインを、上記
下流側のカソードガスライン途中の熱交換器に通した後
に上記上流側のカソードガスライン途中の熱交換器に通
すようにしてなる構成としてあって、上流側の燃料電池
のカソード入口側と下流側の燃料電池のカソード出口側
の実際のガス温度差を大きくとれるようにするので、カ
ソード冷却用として供給するガス量を、通常のカソード
入口／出口温度差の小さいシステムに比して大幅に減少
させることができて、空気予熱器を小さくすることが可
能となり、空気予熱器の動力消費も低減でき、更に、燃
料電池を３個直列に接続して熱交換器を２個設置した構
成としてあることから、最下流側の燃料電池のカソード
出口から空気予熱器を経て高温のガスを取り出すことが
できる、等の優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示す概要図、第２図は溶融
炭酸塩型燃料電池発電装置の一例を示すシステム系統構
成図、第３図はカソード入口へのガス温度を空気予熱器
で調節するようにした基本的構成を示す概要図、第４図
はリサイクル方式でカソード入口へのガス温度を調節す
るようにした基本的構成を示す概要図である。 I,II,III……燃料電池、２……カソード、７……空気予
熱器、８……ライン、8a,8b……ガス供給ライン、25…
…リサイクルライン、26……リサイクル用ブロワ、27,2
9……カソードガスライン、28,30……熱交換器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリアス エイチ カマラ アメリカ合衆国 イリノイ州 バー リ ジ エス マジソン ストリート 8040 番地 エム―シイ パワー コーポレー ション内 (56)参考文献 特開 昭63−133461（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−149670（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−195968（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】溶融炭酸塩型燃料電池を少なくとも３個配
    置してカソードガスラインを直列に接続し、最上流側の
    燃料電池のカソード出口とその下流側の燃料電池のカソ
    ード入口とを接続するカソードガスラインの途中に、熱
    交換器を設置すると共に、上記下流側の燃料電池のカソ
    ード出口と更にその下流側の燃料電池のカソード入口と
    を接続するカソードガスラインの途中に別の熱交換器を
    設置し、且つ最上流側の燃料電池のカソードに供給する
    ガスを予熱する空気予熱器を設置して、該空気予熱器
    に、最下流側の燃料電池のカソードから排出されたガス
    を通すようにし、更に、上記空気予熱器で予熱されたガ
    スを上記最上流側の燃料電池のカソードに供給するライ
    ンを、上記下流側のカソードガスライン途中の熱交換器
    に通した後に上記上流側のカソードガスライン途中の熱
    交換器に通すようにしてなる構成を有することを特徴と
    する溶融炭酸塩型燃料電池発電装置。
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