JPH06176786A - 燃料電池発電設備におけるボイラ給水温度の制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ボイラ用給水が給水加熱器内において蒸発す
ることがなく、管内の偏流を防止し、圧力の損失を防止
して、安定な流れを得ることができ、よって、発電設備
の効率化を図ることができるボイラ給水温度の制御方法
及び装置を提供する。 【構成】 アノード排ガスライン１１における気水分離
器７０の上流においてガス冷却器６０を給水加熱器５０
と並列に配設し、給水加熱器とガス冷却器との入口側に
おける分岐点にそれぞれに流れるアノード排ガスの流量
を調整する調節弁９０を設け、ボイラ給水ライン８３に
おける給水加熱器の出口側のボイラ給水温度を温度検出
器９２により検出し、検出したボイラ用給水の温度によ
り上記調節弁を調節して給水加熱器に流れるアノード排
ガスの流量を変化させボイラ給水温度を制御する、こと
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電設備にお
けるボイラ給水温度の制御方法及び装置に関し、更に詳
しくは、溶融炭酸塩型燃料電池から排出されるアノード
排ガスを利用してボイラ給水を加熱する給水加熱器を備
えた燃料電池発電設備におけるボイラ給水温度の制御方
法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
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、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然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では、図２に示すように天然ガ
スと水蒸気とを混合してなる燃料ガスを水素を含むアノ
ードガスに改質する改質器１０と、アノードガスと酸素
を含むカソードガスとから発電する燃料電池２０とを一
般的に備えており、改質器で作られたアノードガスは燃
料電池に供給され、燃料電池内でその大部分（例えば８
０％）を消費した後、アノード排ガスとしてその水分を
分離した後、燃焼用ガスとして改質器の燃焼室に供給さ
れる。改質器では燃焼用ガス中の可燃成分（水素、一酸
化炭素、メタン等）を燃焼室で燃焼し、高温の燃焼ガス
により改質室で改質管を加熱し改質管内を通る燃料ガス
を改質する。改質室を出た燃焼排ガスは燃料電池用のカ
ソードガスに合流され、燃料電池のカソード側に必要な
二酸化炭素を供給する。カソードガスは燃料電池内でそ
の一部が反応した後、系外に排出される。

【０００３】上記アノード排ガスはその水分を分離する
ために所定の温度まで下げる必要があり、そのために、
幾つかの熱交換器（燃料予熱器３０、予熱器４０、給水
加熱器５０及びガス冷却器６０）を経て、気水分離器７
０に供給される。気水分離器においては充分に冷却され
たアノード排ガスの水分を分離し、水分が除去されたア
ノード排ガスは改質器の燃焼室へ供給されて燃焼用ガス
として利用される。一方、アノード排ガスから分離した
水分は所定の給水処理を施された後、ボイラ給水として
上記給水加熱器５０で加熱され、ボイラ８０へ供給され
る。ボイラに供給されたボイラ給水はボイラの蒸発器８
１及び過熱器８２で所定の温度及び圧力の水蒸気にされ
てから上記天然ガスと混合され、燃料ガスとして改質器
の改質管に供給される。気水分離器により分離したアノ
ード排ガスの水分を給水加熱器５０内を通過させるの
は、この水分を予め、昇温することにより、当該発電設
備の効率化を図るためであるが、通常、給水加熱器５０
におけるボイラの給水温度は飽和温度よりも１０〜２０
℃低い温度にする必要がある。これは、給水加熱器内に
おいて水分が一部分蒸発すると、二相流となり、管内の
流れに偏流が起き、圧力の損失が生じ、また、安定な流
れが得られず、発電設備の効率化と安定な運転を妨げる
ことになるからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した発電設備にお
いては、燃料電池から出たアノード排ガスの流量は一定
とは限らず、例えば、始動時や負荷変動時にアノード排
ガスの流量が多くなったとき、給水加熱器においてボイ
ラ給水温度が上昇してしまい給水の一部が蒸発してしま
うという問題があった。このような給水加熱器内のボイ
ラ給水の蒸発が生じないように、アノード排ガスの流量
が一定であるときにおけるボイラ給水の受熱量を低めに
設定しておくことが考えられ、このようにすることによ
り、上述のような事態をある程度は回避することができ
る。しかし、給水加熱器内における給水の受熱量を低め
にすることは、発電設備の効率化を図るという目的を充
分には達成することができず、しかも、このようにした
としても、それ以上にアノード排ガスの流量が多くなっ
たときは、結局、給水加熱器内において給水が蒸発して
しまい、上記問題の根本的な解決にはならない。

【０００５】本発明は、かかる問題を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明は、給水加熱器
においてボイラ給水が蒸発することがなく、しかも、ボ
イラ給水温度として低すぎないようにすることができる
方法及び装置を提供し、これにより発電設備の効率化と
運転の安定化を図ることを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、水蒸気
を含む燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改
質器と、前記アノードガスと酸素を含むカソードガスと
から発電する燃料電池と、燃料ガスに混合する水蒸気を
発生するボイラとを備える燃料電池発電設備におけるボ
イラ給水温度の制御方法において、アノード排ガスの水
分を気水分離器のより分離してボイラ給水とし、低温の
ボイラ給水を給水加熱器において上記燃料電池から出た
高温のアノード排ガスと熱交換して加熱すると共に、ア
ノード排ガスラインにおける気水分離器の上流において
ガス冷却器を給水加熱器と並列に配設し、給水加熱器と
ガス冷却器との入口側における分岐点にそれぞれに流れ
るアノード排ガスの流量を調整する調節弁を設け、ボイ
ラ給水ラインにおける給水加熱器の出口側の温度を検出
し、該検出したボイラ給水温度により上記調節弁を調節
して前記給水加熱器に流れるアノード排ガスの流量を変
化させてボイラ給水温度を制御するようにした、ことを
特徴とする燃料電池発電設備の温度制御方法が提供され
る。

【０００７】更に、本発明によれば、水蒸気を含む燃料
ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器と、前
記アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電す
る燃料電池と、燃料ガスに混合する水蒸気を発生するボ
イラとを備える燃料電池発電設備におけるボイラ給水温
度の制御装置において、アノード排ガスの水分を分離し
てボイラ給水とする気水分離器と、上記燃料電池から出
た高温のアノード排ガスと低温のボイラ給水との間で熱
を交換する給水加熱器と、アノード排ガスラインにおい
て給水加熱器と並列に配設されると共にアノード排ガス
を冷却するガス冷却器と、アノード排ガスラインにおけ
る給水加熱器とガス冷却器との入口側の分岐点において
それぞれに流れるアノード排ガスの流量を調整する調節
弁と、ボイラ給水ラインにおける給水加熱器の出口側の
温度を検出する温度検出器と、を設け、該温度検出器の
検出温度により上記調節弁を調節して給水加熱器に流れ
るアノード排ガスの流量を変化させボイラ給水温度を制
御するようにした、ことを特徴とする燃料電池発電設備
の温度制御装置が提供される。

【０００８】

【作用】上記本発明によれば、給水加熱器を出たボイラ
給水温度を検出し、検出温度に基づき調節弁を調節する
ことにより給水加熱器を通るアノード排ガスの流量を制
御する。給水加熱器のアノード排ガスの流量を制御する
ことにより、給水加熱器内を通るボイラ給水温度を所定
の温度、例えば、飽和温度よりも１０〜２０℃低い温度
に設定することができる。これにより、燃料電池から出
るアノード排ガスの量が予想以上に多くなっても、給水
加熱器を通過するアノード排ガスの流量を制御できるた
め、ボイラ給水が給水加熱器内において蒸発することが
なく、従って、管内の偏流を防止し、圧力の損失を防止
して、安定な流れを得ることができ、よって、発電設備
の効率化と運転の安定化を図ることができる。

【０００９】

【実施例】以下に本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は、本発明による方法を実施するた
めの発電設備を示す全体構成図である。

【００１０】この図において、天然ガスライン１により
天然ガスが、蒸気ライン２により水蒸気がそれぞれ供給
され、これらが合流されて燃料ガスとして燃料ガスライ
ン３により発電設備に供給される。発電設備は、燃料ガ
スを水素を含むアノードガスに改質する改質器１０と、
前記アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電
する燃料電池２０と、この燃料電池２０から出た高温の
アノード排ガスと改質器１０に供給する低温の燃料ガス
との間で熱を交換する燃料予熱器３０と、燃料予熱器３
０を通過した高温のアノード排ガスと水分が除去され改
質器１０の燃焼室１０ａに供給される低温の燃焼用ガス
との間で熱を交換する予熱器４０と、該予熱器４０を通
過した高温のアノード排ガスと低温のボイラ給水との間
で熱を交換する給水加熱器５０と、該給水加熱器５０と
並列に配設されると共に高温のアノード排ガスを冷却す
るガス冷却器６０と、アノード排ガスの水分を分離して
ボイラ給水とする気水分離器７０と、該気水分離器７０
でアノード排ガスから分離した水分を天然ガスと混合し
て燃料ガスとするために蒸発させ過熱する排ガスボイラ
８０と、を備えている。なお、アノード排ガスは改質器
１０の燃焼室１０ａで燃焼される燃焼用ガスとして利用
されるが、説明の都合上、燃料電池２０から気水分離器
７０に入るまでのガスをアノード排ガスと、又その経路
をアノード排ガスライン１１といい、気水分離器７０か
ら改質器１０の燃焼室１０ａまでのガスを燃焼用ガス、
又その経路を燃焼用ガスライン７１という。

【００１１】改質器１０は、アノード排ガスから水分が
除去された燃焼用ガスを燃焼させる燃焼室１０ａと、燃
焼室１０ａにおいて燃焼ガスからの伝熱により燃料ガス
を改質する改質室１０ｂとからなる。燃焼室１０ａには
アノード排ガス中の水分が気水分離器７０において除去
され、燃焼用ガスとされ、該燃焼用ガスが供給される。
更に、燃焼室１０ａには図示しない空気源から空気４が
供給され、燃焼室１０ａ内で燃焼用ガスを燃焼させて高
温を発生できるようになっている。改質室１０ｂ内には
通常改質触媒が充填された改質管１０ｃが設けられ、燃
焼室１０ａで発生した高温の燃焼用ガスにより燃料ガス
を改質するようになっている。改質管１０ｃで改質され
た燃料ガスはアノードガスとしてアノードガスライン５
を介して燃料電池２０のアノード側に供給される。ま
た、改質室１０ａで温度が下がった燃焼ガスは燃焼排ガ
スとして燃焼排ガスライン６を介して燃料電池２０のカ
ソードガスに合流する。

【００１２】改質管１０ｃに供給される燃料ガスは燃料
予熱器３０において燃料電池２０から出た高温のアノー
ド排ガスとの間で熱が交換されて昇温され、一方、アノ
ード排ガスは燃料予熱器３０により温度が少し下げられ
る。燃焼室１０ａに供給されるアノード排ガスは燃焼室
１０ａと気水分離器７０との間における燃焼用ガスライ
ン７１に設けられた予熱器４０とブロア４２によりその
温度及び流量が制御されるようになっている。予熱器４
０は前記燃料予熱器３０を通過した高温のアノード排ガ
スと気水分離器７０により水分が除去され低温の燃焼用
ガスとの間で熱が交換され、燃焼用ガスは昇温され、ま
た、燃料予熱器３０を通過した高温のアノード排ガスは
更に温度が少し下げられる。

【００１３】燃料電池２０は、アノードガスが通過する
アノード側（Ａ）と、カソードガスが通過するカソード
側（Ｃ）とからなり、アノードガス中の水素、一酸化炭
素と、カソードガス中の酸素、二酸化炭素とから化学反
応により電気を発生するようになっている。この燃料電
池は溶融炭酸塩型燃料電池であるのが好ましい。カソー
ドガスライン７には反応に必要な二酸化炭素が燃焼排ガ
スライン６を介して供給されるようになっている。ま
た、燃料電池２０のカソードを通過したカソード排ガス
はカソード排ガスライン８を介して燃料電池２０から出
て、その一部がカソード循環ライン９を介してカソード
ガスライン７に循環され、残りが排ガスボイラ８０を介
して系外に放出されるようになっている。この排ガスボ
イラ８０は後述するようにアノード排ガスから除去した
水分を蒸発させ過熱して水蒸気とした後、上記蒸気ライ
ン２に供給するようになっている。

【００１４】給水加熱器５０は、予熱器４０を通過した
高温のアノード排ガスと低温のボイラ給水との間で熱が
交換され、予熱器４０を通過した高温のアノード排ガス
は更に温度が少し下げられる。ガス冷却器６０は、アノ
ード排ガスライン１１において給水加熱器５０と並列に
配設されると共に高温のアノード排ガスを冷却水との間
で熱交換して充分に冷却するようになっている。９０
は、アノード排ガスライン１１における給水加熱器５０
とガス冷却器６０との入口側の分岐点に配設された三方
弁であり、該三方弁９０は給水加熱器５０とガス冷却器
６０とにそれぞれ流れるアノード排ガスの流量を調節で
きるようになっている。

【００１５】９２は、前記給水加熱器５０から出たボイ
ラ給水温度を検出し、上記三方弁９０を制御するための
温度検出器であり、該温度検出器９２の検出結果により
上記三方弁９０を制御し、給水加熱器５０及びガス冷却
器６０のそれぞれに流れるアノード排ガスの量を調節す
るようになっている。なお、上記三方弁９０は、これに
限らず、給水加熱器５０とガス冷却器６０との入口側の
分岐点からそれぞれ給水加熱器５０及びガス冷却器６０
に寄った位置に各別に流量調節弁を設けても良い。気水
分離器７０は、給水加熱器５０とガス冷却器６０との出
口側の分岐点よりも下流側に配設されており、充分に冷
却されたアノード排ガスから水分を除去するようになっ
ている。水分が除去されたアノード排ガスは上述のよう
に燃焼用ガスとして改質器１０の燃焼室１０ａに供給さ
れ、一方、アノード排ガスから除去された水分はボイラ
給水としてボイラ給水ライン８３を介して排ガスボイラ
８０に供給される。ボイラ給水は、図示しない給水処理
設備により所定の処理が施された後、給水ポンプ８５に
より圧送され、給水加熱器５０を介して排ガスボイラ８
０の供給される。

【００１６】給水加熱器５０においてボイラ給水は高温
のアノード排ガスとの間で熱交換が行われて昇温される
と共に、上述のように、その出口側で温度が検出され
る。排ガスボイラ８０は、高温のカソード排ガスと低温
のボイラ給水との間で熱交換を行うものであり、ボイラ
給水を蒸発させる蒸発器８１と蒸発させた水蒸気をさら
に過熱する過熱器８２とから成る。排ガスボイラ８０に
おいて、蒸発され、過熱されたボイラ給水は蒸気ライン
２へ供給され、天然ガスと混合されて燃料ガスとされ
る。

【００１７】以上のような発電設備において、ボイラ給
水温度は以下のように制御され、給水加熱器５０内にお
いて蒸発することはない。即ち、給水加熱器５０内のボ
イラ給水温度は温度検出器９２により逐次検出され、該
検出結果により、例えば、設定温度より高いときは、上
記三方弁９０の開度を調節して給水加熱器５０に流れる
アノード排ガスの量を減少させ、ガス冷却器６０に流れ
るアノード排ガスの量を増加して、これ以上、ボイラ給
水温度が上がらないようにされ、また、逆に、設定温度
より低いときは、上記三方弁９０の開度を調節して給水
加熱器５０に流れるアノード排ガスの量を増加させ、ガ
ス冷却器６０に流れるアノード排ガスの量を減少して、
これ以上、ボイラ給水温度が下がらないようにされてい
る。これにより、給水加熱器５０内のボイラ給水は所定
の温度、例えば、飽和温度よりも１０〜２０℃低い温度
に設定することができ、ボイラ給水が給水加熱器５０内
において蒸発されることはなく、また、排ガスボイラ８
０に供給される温度として低くない温度にすることがで
きる。

【００１８】なお、上記温度検出器９２に基づき三方弁
９０の開度を調節したとき、給水加熱器５０及びガス冷
却器６０に流れるアノード排ガスの量が変化して気水分
離器７０に入るアノード排ガスの温度が変動してしまう
が、これは、例えば、ガス冷却器６０に流す冷却水の量
を変えることにより対処することができる。ガス冷却器
６０に流す冷却水の量を変えるには、例えば、気水分離
器７０に入るアノードガスの温度を検出して、ガス冷却
器６０に流す冷却水の量を制御することが考えられる。

【００１９】

【発明の効果】上述した本発明によれば、給水加熱器を
出たボイラ給水温度を検出し、検出温度に基づき調節弁
を調節することにより給水加熱器を通るアノード排ガス
の流量を制御する。給水加熱器のアノード排ガスの流量
を制御することにより、給水加熱器内を通るボイラ給水
温度を所定の温度、例えば、飽和温度よりも１０〜２０
℃低い温度に設定することができる。これにより、燃料
電池から出るアノード排ガスの量が予想以上に多くなっ
ても、給水加熱器を通過するアノード排ガスの流量を制
御できるため、ボイラ給水が給水加熱器内において蒸発
することがなく、従って、管内の偏流を防止し、圧力の
損失を防止して、安定な流れを得ることができ、よっ
て、発電設備の効率化と運転の安定化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による方法及び装置を実施する発電設備
を示す全体構成図である。

【図２】従来の発電設備を示す全体構成図である。

【符号の説明】

１ 天然ガスライン ２ 蒸気ライン ３ 燃料ガスライン ４ 空気ライン ５ アノードガスライン ６ 燃焼排ガスライン ７ カソードガスライン ８ カソード排ガスライン ９ カソード循環ライン １０ 改質器 １０ａ 燃焼室 １０ｂ 改質室 １０ｃ 改質管 １１ アノード排ガスライン ２０ 燃料電池 ３０ 燃料予熱器 ４０ 予熱器 ４２ ブロア ５０ 給水加熱器 ６０ ガス冷却器 ７０ 気水分離器 ７１ 燃焼用ガスライン ８０ 排ガスボイラ ８１ 蒸発器 ８２ 過熱器 ８３ ボイラ給水ライン ８５ 給水ポンプ ９０ 三方弁 ９２ 温度検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水蒸気を含む燃料ガスを水素を含むアノ
   ードガスに改質する改質器と、前記アノードガスと酸素
   を含むカソードガスとから発電する燃料電池と、燃料ガ
   スに混合する水蒸気を発生するボイラとを備える燃料電
   池発電設備におけるボイラ給水温度の制御方法におい
   て、 アノード排ガスの水分を気水分離器により分離してボイ
   ラ給水とし、低温のボイラ給水を給水加熱器において上
   記燃料電池から出た高温のアノード排ガスと熱交換して
   加熱すると共に、 アノード排ガスラインにおける気水分離器の上流におい
   てガス冷却器を給水加熱器と並列に配設し、 給水加熱器とガス冷却器との入口側における分岐点にそ
   れぞれに流れるアノード排ガスの流量を調整する調節弁
   を設け、 ボイラ給水ラインにおける給水加熱器の出口側のボイラ
   給水温度を検出し、 該検出したボイラ給水温度により上記調節弁を調節して
   前記給水加熱器に流れるアノード排ガスの流量を変化さ
   せてボイラ給水温度を制御するようにした、ことを特徴
   とする燃料電池発電設備におけるボイラ給水温度の制御
   方法。
2. 【請求項２】 水蒸気を含む燃料ガスを水素を含むアノ
   ードガスに改質する改質器と、前記アノードガスと酸素
   を含むカソードガスとから発電する燃料電池と、燃料ガ
   スに混合する水蒸気を発生するボイラとを備える燃料電
   池発電設備におけるボイラ給水温度の制御装置におい
   て、 アノード排ガスの水分を分離してボイラ給水とする気水
   分離器と、 上記燃料電池から出た高温のアノード排ガスと低温のボ
   イラ給水との間で熱を交換する給水加熱器と、 アノード排ガスラインにおいて給水加熱器と並列に配設
   されると共にアノード排ガスを冷却するガス冷却器と、 アノード排ガスラインにおける給水加熱器とガス冷却器
   との入口側の分岐点においてそれぞれに流れるアノード
   排ガスの流量を調整する調節弁と、 ボイラ給水ラインにおける給水加熱器の出口側のボイラ
   給水温度を検出する温度検出器と、を設け、 該温度検出器の検出温度により上記調節弁を調節して給
   水加熱器に流れるアノード排ガスの流量を変化させてボ
   イラ給水温度を制御するようにした、ことを特徴とする
   燃料電池発電設備におけるボイラ給水温度の制御装置。