JP4218055B2

JP4218055B2 - Fuel cell power generator

Info

Publication number: JP4218055B2
Application number: JP32905698A
Authority: JP
Inventors: 一斉藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2018-11-19
Also published as: JP2000156238A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率で環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にない特徴を有しており、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在鋭意研究が進められている。
【０００３】
図３は都市ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備の一例を示す図である。図３において、発電設備は、蒸気と混合した燃料ガス（都市ガス）を水素を含むアノードガスに改質する改質器２２と、酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスとから発電する燃料電池２０とを備えており、改質器２２で生成されるアノードガスはアノードガスライン２により燃料電池２０に供給され、燃料電池２０の中でその大部分を消費してアノード排ガスとなり、アノード排ガスライン４により燃焼用ガスとして触媒燃焼器２３へ供給される。
【０００４】
触媒燃焼器２３ではアノード排ガス中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）を燃焼して高温の燃焼排ガスを生成し、改質器２２の加熱室に供給しこの燃焼排ガスにより改質室を加熱し、改質室で改質触媒により燃料ガスを改質してアノードガスとする。アノードガスは燃料予熱器２４によって燃料ガスライン１を流れる蒸気と混合した燃料ガスと熱交換し、燃料電池２０のアノードに供給される。また加熱室を出た燃焼排ガスは炭酸ガスリサイクルライン７で炭酸ガスリサイクルブロワ３２によりカソードに供給される。燃焼排ガスには多量の炭酸ガスが含まれており、電池反応に必要な炭酸ガスの供給源となる。空気ライン８からの空気が炭酸ガスリサイクルブロワ３２の出側に供給されカソードの電池反応に必要な酸素を供給する。カソードから排出されるカソード排ガスの一部は循環ライン３によりカソードに供給される。このカソード排ガスと燃焼排ガスと空気が混合してカソードガスとなりカソードに供給される。アノード出側にはアノード排ガス改質ライン６が設けられ、未燃焼燃料を含むアノード排ガスを断熱改質器３６で改質し、アノードに供給する。断熱改質器３６は容器に改質触媒を充填し断熱してアノード排ガスの高温状態を保ち触媒作用により改質ガスにするものである。
【０００５】
カソードガスは燃料電池２０内で電池反応して高温のカソード排ガスとなり、一部は循環ライン３によりカソードを循環し、他の一部はカソード排ガスライン５により触媒燃焼器２３へ供給され、残部はアノード排ガスとともに燃焼器３８で燃焼され、空気を圧縮する圧縮機を駆動するタービン圧縮機２８で動力を回収した後、さらに排熱回収蒸気発生装置３０で熱エネルギを回収して系外に排出される。なお、この排熱回収蒸気発生装置３０で発生した蒸気が蒸気ライン９により燃料ガスライン１に入り、燃料ガスと混合して改質器２２に送られる。
【０００６】
炭酸ガスリサイクルライン７には炭酸ガスリサイクルブロワ３２が設けられている。取り扱うガスの温度が６５０℃程度になるため、ブロワ３２の軸シールに圧縮空気が用いられ、所内用の空気圧縮機４０から圧縮空気が供給される。またアノード排ガス改質ライン６にもアノードリサイクルブロワ３４が設けられ、取り扱うガスの温度が６５０℃程度になるため、ブロワ３４の軸シールに窒素ガスが用いられ、窒素ガス供給装置４２から窒素が供給される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
炭酸ガスリサイクルブロワ３２に使用される圧縮空気量はかなりの量、例えば６０Ｎｍ³／ｈにもなり、所内空気用動力に大きな割合を占め、プラント効率低下の要因となっている。また、アノードリサイクルブロワ３４も窒素ガスの使用量が大きく、例えば３０Ｎｍ³／ｈにもなり、運転コスト増加の要因になっている。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたもので、所内用動力の削減と運転コストの低減を大幅に行なう燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、アノードに供給される水素を含むアノードガスとカソードに供給される酸素を含むカソードガスで発電する燃料電池と、燃料ガスと蒸気を改質器でアノードガスとしアノードに供給するアノードガスラインと、アノード排ガスを断熱改質器で改質しアノードに供給するアノード排ガス改質ラインと、アノード排ガスとカソード排ガスとを触媒燃焼器で燃焼して燃焼排ガスを発生し改質器を加熱した後カソードに供給する炭酸ガスリサイクルラインと、アノード排ガスとカソード排ガスを燃焼した燃焼ガスによりタービンを回転し圧縮機を駆動して圧縮空気を生成しカソードに供給するタービン圧縮機と、このタービン圧縮機のタービン排気で蒸気を発生し前記改質器に供給する排熱回収蒸気発生装置と、を備えた燃料電池発電装置であって、前記アノード排ガス改質ラインと前記炭酸ガスリサイクルラインにはガスを注入して軸シールを行なうリサイクルブロワが設けられており、この軸シール用ガスとして前記排熱回収蒸気発生装置の発生する蒸気を用いる。
【００１０】
排熱回収蒸気発生装置の発生する蒸気は、燃料ガスラインに送られ燃料ガスと混合して改質器に送られ、アノードガスを生成するのに用いられている。しかし、容量的にはかなり余裕がある。両リサイクルブロワは少なくても６００℃以上のガスの移送に用いられるので、軸シール用ガスとして蒸気を使用することができる。これにより、所内圧縮空気用の動力の低下と、高価な窒素ガスが不要になることによる運転コストの低下が実現される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。図３と同一符号のものは同一のラインや機器等を表す。図３の装置について詳細に説明したので、図３との相違点を説明する。図１においては、図３の炭酸ガスリサイクルブロワ３２へ圧縮空気を供給する空気圧縮機４０とアノードリサイクルブロワ３４に窒素ガスを供給する窒素ガス供給装置４２を除去し、排熱回収蒸気発生装置３０からの蒸気ライン９をそれぞれのブロワ３２，３４に接続し、軸シールガスとして蒸気を供給する。これにより、炭酸ガスリサイクルブロワ３２に圧縮空気を供給し、アノードリサイクルブロワ３４に窒素ガスを供給した場合と同一のシール効果が得られる。
【００１２】
図２は炭酸ガスリサイクルブロワ３２とアノードリサイクルブロワ３４に用いられている軸シールの構造を示す図である。ブロワ軸５０には黒鉛よりなる耐熱材のスリーブ５１が固定され、このスリーブ５１にＳｉＣで製作されたメイティングリング５２が固定され、ブロワ軸５０とともに回転する。メイティングリング５２に摺動面５５で接するカーボンで製作されたシールリング５３が設けられ、ケーシング５４にブロワ軸５０方向に摺動可能に支持されている。このシールリング５３はセグメントシール５６を介してバネによりメイティングリング５２に押付けられシールを保つようになっている。ケーシング５４にはシールガス注入口５７が設けられ、シールガスとして蒸気が注入される。蒸気は矢印で示す経路を通りケーシング５４に固定されたラビリンスシール部５８を通り、ブロワ内に入る。このようにブロワ内圧より高い圧力の蒸気をブロワ内に注入することにより、ブロワ３２，３４からの高温ガスの漏洩を防止する。
【００１３】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、従来圧縮空気や窒素ガスで軸シールされていたブロワをシステム内の蒸気発生装置からの蒸気で行なうことにより、空気圧縮機の動力の減少を可能とし、窒素の供給を不要として運転コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の構成を示す図である。
【図２】高温ブロワの軸シールの構成を示す図である。
【図３】従来の燃料電池発電装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１燃料ガスライン
２アノードガスライン
３循環ライン
４アノード排ガスライン
５カソード排ガスライン
６アノード排ガス改質ライン
７炭酸ガスリサイクルライン
８空気ライン
９蒸気ライン
２０燃料電池
２２改質器
２３触媒燃焼器
２４燃料予熱器
２６脱硫器
２８タービン圧縮機
３０排熱回収蒸気発生装置
３２炭酸ガスリサイクルブロワ
３４アノードリサイクルブロワ
３６断熱改質器
３８燃焼器
４０空気圧縮機
４２窒素ガス供給装置
５０ブロワ軸
５１スリーブ
５２メイティングリング
５３シールリング
５４ケーシング
５５摺動面
５６セグメントシール
５７シールガス注入口
５８ラビリンスシール部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a molten carbonate fuel cell power generator.
[0002]
[Prior art]
Molten carbonate fuel cells have features that are not found in conventional power generators, such as high efficiency and little impact on the environment. They attract attention as a power generation system that follows hydropower, thermal power, and nuclear power, and are currently under intense research. It is being advanced.
[0003]
FIG. 3 is a diagram showing an example of power generation equipment using a molten carbonate fuel cell using city gas as fuel. In FIG. 3, the power generation facility is a fuel that generates power from a reformer 22 that reforms a fuel gas (city gas) mixed with steam into an anode gas containing hydrogen, a cathode gas containing oxygen, and an anode gas containing hydrogen. The anode gas generated by the reformer 22 is supplied to the fuel cell 20 through the anode gas line 2 and consumes most of the fuel cell 20 to become anode exhaust gas. A combustion gas is supplied to the catalytic combustor 23 through the line 4.
[0004]
In the catalytic combustor 23, combustible components (hydrogen, carbon monoxide, methane, etc.) in the anode exhaust gas are combusted to generate high-temperature combustion exhaust gas, which is supplied to the heating chamber of the reformer 22, and this combustion exhaust gas is used to reform the chamber. Then, the fuel gas is reformed by the reforming catalyst in the reforming chamber to obtain anode gas. The anode gas exchanges heat with the fuel gas mixed with the vapor flowing through the fuel gas line 1 by the fuel preheater 24 and is supplied to the anode of the fuel cell 20. The combustion exhaust gas that has left the heating chamber is supplied to the cathode by the carbon dioxide recycling blower 32 in the carbon dioxide recycling line 7. The combustion exhaust gas contains a large amount of carbon dioxide, and becomes a supply source of carbon dioxide necessary for the battery reaction. Air from the air line 8 is supplied to the outlet side of the carbon dioxide recycle blower 32 to supply oxygen necessary for the cell reaction of the cathode. A part of the cathode exhaust gas discharged from the cathode is supplied to the cathode through the circulation line 3. The cathode exhaust gas, combustion exhaust gas, and air are mixed to form cathode gas and supplied to the cathode. An anode exhaust gas reforming line 6 is provided on the anode exit side, and anode exhaust gas containing unburned fuel is reformed by an adiabatic reformer 36 and supplied to the anode. The adiabatic reformer 36 fills the container with a reforming catalyst and insulates it to keep the anode exhaust gas in a high temperature state and convert it into a reformed gas by catalytic action.
[0005]
The cathode gas reacts in the fuel cell 20 to become high-temperature cathode exhaust gas, part of which circulates through the cathode through the circulation line 3, the other part is supplied to the catalytic combustor 23 through the cathode exhaust gas line 5, and the rest After being combusted by the combustor 38 together with the anode exhaust gas and recovering power by the turbine compressor 28 that drives a compressor that compresses air, the exhaust heat recovery steam generator 30 further recovers thermal energy and exhausts it outside the system. The The steam generated by the exhaust heat recovery steam generator 30 enters the fuel gas line 1 through the steam line 9, mixes with the fuel gas, and is sent to the reformer 22.
[0006]
The carbon dioxide gas recycling line 7 is provided with a carbon dioxide gas recycling blower 32. Since the temperature of the gas to be handled is about 650 ° C., compressed air is used for the shaft seal of the blower 32, and compressed air is supplied from the in-house air compressor 40. An anode recycle blower 34 is also provided in the anode exhaust gas reforming line 6, and the temperature of the gas to be handled is about 650 ° C. Therefore, nitrogen gas is used for the shaft seal of the blower 34 and nitrogen is supplied from the nitrogen gas supply device 42. Is done.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The amount of compressed air used for the carbon dioxide gas recycle blower 32 is a considerable amount, for example, 60 Nm ³ / h, which occupies a large proportion of the power for in-house air and is a factor in reducing plant efficiency. The anode recycle blower 34 also uses a large amount of nitrogen gas, for example, 30 Nm ³ / h, which increases the operating cost.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell power generator that greatly reduces in-house power and operation costs.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell for generating electricity with an anode gas containing hydrogen supplied to the anode and a cathode gas containing oxygen supplied to the cathode, and a reformer for the fuel gas and steam. An anode gas line that is supplied to the anode as anode gas, an anode exhaust gas reforming line that reforms the anode exhaust gas with an adiabatic reformer and supplies it to the anode, and the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are burned by a catalytic combustor. A carbon dioxide gas recycling line that generates exhaust gas and heats the reformer and then supplies it to the cathode. The combustion gas that burns the anode exhaust gas and cathode exhaust gas rotates the turbine to drive the compressor to generate compressed air and supply it to the cathode. Turbine compressor, and exhaust heat recovery steam generator that generates steam from the turbine exhaust of the turbine compressor and supplies it to the reformer A recycle blower for injecting gas into the anode exhaust gas reforming line and the carbon dioxide gas recycling line to perform shaft sealing, and the shaft sealing gas. The steam generated by the exhaust heat recovery steam generator is used.
[0010]
Steam generated by the exhaust heat recovery steam generator is sent to the fuel gas line, mixed with the fuel gas, sent to the reformer, and used to generate anode gas. However, there is considerable capacity in terms of capacity. Since both the recycle blowers are used for transferring a gas at 600 ° C. or higher, steam can be used as the shaft seal gas. As a result, a reduction in power for in-house compressed air and a reduction in operating cost due to the need for expensive nitrogen gas are realized.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell power generator of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 3 represent the same lines and devices. Since the apparatus of FIG. 3 has been described in detail, differences from FIG. 3 will be described. In FIG. 1, the air compressor 40 that supplies compressed air to the carbon dioxide gas recycle blower 32 and the nitrogen gas supply device 42 that supplies nitrogen gas to the anode recycle blower 34 in FIG. Are connected to the respective blowers 32 and 34 to supply steam as shaft seal gas. As a result, the same sealing effect can be obtained as when compressed air is supplied to the carbon dioxide recycle blower 32 and nitrogen gas is supplied to the anode recycle blower 34.
[0012]
FIG. 2 is a view showing the structure of the shaft seal used in the carbon dioxide gas recycle blower 32 and the anode recycle blower 34. A heat resistant material sleeve 51 made of graphite is fixed to the blower shaft 50, and a mating ring 52 made of SiC is fixed to the sleeve 51 and rotates together with the blower shaft 50. A sealing ring 53 made of carbon that contacts the mating ring 52 at a sliding surface 55 is provided, and is supported by the casing 54 so as to be slidable in the direction of the blower shaft 50. The seal ring 53 is pressed against the mating ring 52 by a spring through a segment seal 56 so as to keep the seal. The casing 54 is provided with a seal gas injection port 57, and steam is injected as a seal gas. The steam passes through a path indicated by an arrow, passes through a labyrinth seal portion 58 fixed to the casing 54, and enters the blower. By injecting steam having a pressure higher than the blower internal pressure into the blower in this way, leakage of hot gas from the blowers 32 and 34 is prevented.
[0013]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention can reduce the power of the air compressor by performing the blower that has been conventionally sealed with compressed air or nitrogen gas with the steam from the steam generator in the system. In addition, the operation cost can be reduced by eliminating the need for nitrogen supply.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell power generator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a shaft seal of a high-temperature blower.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional fuel cell power generator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel gas line 2 Anode gas line 3 Circulation line 4 Anode exhaust gas line 5 Cathode exhaust gas line 6 Anode exhaust gas reforming line 7 Carbon dioxide recycling line 8 Air line 9 Steam line 20 Fuel cell 22 Reformer 23 Catalytic combustor 24 Fuel preheating 26 Desulfurizer 28 Turbine compressor 30 Waste heat recovery steam generator 32 Carbon dioxide gas recycle blower 34 Anode recycle blower 36 Adiabatic reformer 38 Combustor 40 Air compressor 42 Nitrogen gas supply device 50 Blower shaft 51 Sleeve 52 Mating ring 53 Seal ring 54 Casing 55 Sliding surface 56 Segment seal 57 Seal gas inlet 58 Labyrinth seal part

Claims

アノードに供給される水素を含むアノードガスとカソードに供給される酸素を含むカソードガスで発電する燃料電池と、燃料ガスと蒸気を改質器でアノードガスとしアノードに供給するアノードガスラインと、アノード排ガスを断熱改質器で改質しアノードに供給するアノード排ガス改質ラインと、アノード排ガスとカソード排ガスとを触媒燃焼器で燃焼して燃焼排ガスを発生し改質器を加熱した後カソードに供給する炭酸ガスリサイクルラインと、アノード排ガスとカソード排ガスを燃焼した燃焼ガスによりタービンを回転し圧縮機を駆動して圧縮空気を生成しカソードに供給するタービン圧縮機と、このタービン圧縮機のタービン排気で蒸気を発生し前記改質器に供給する排熱回収蒸気発生装置と、を備えた燃料電池発電装置であって、前記アノード排ガス改質ラインと前記炭酸ガスリサイクルラインにはガスを注入して軸シールを行なうリサイクルブロワが設けられており、この軸シール用ガスとして前記排熱回収蒸気発生装置の発生する蒸気を用いることを特徴とする燃料電池発電装置。A fuel cell that generates electricity with an anode gas containing hydrogen supplied to the anode and a cathode gas containing oxygen supplied to the cathode, an anode gas line that supplies fuel gas and steam to the anode as an anode gas in a reformer, and an anode An anode exhaust gas reforming line that reforms exhaust gas with an adiabatic reformer and supplies it to the anode, and burns anode exhaust gas and cathode exhaust gas with a catalytic combustor to generate combustion exhaust gas, heats the reformer, and then supplies it to the cathode A carbon dioxide gas recycling line, a turbine compressor that rotates the turbine by combustion gas combusting anode exhaust gas and cathode exhaust gas, generates a compressed air by driving a compressor, and supplies the compressed air to the cathode, and a turbine exhaust of the turbine compressor An exhaust heat recovery steam generator for generating steam and supplying it to the reformer, and a fuel cell power generator comprising: The anode exhaust gas reforming line and the carbon dioxide gas recycling line are provided with a recycle blower for injecting gas to seal the shaft, and the steam generated by the exhaust heat recovery steam generator is used as the shaft sealing gas. A fuel cell power generator characterized by that.