JP3611065B2 - 一体型燃料電池発電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主要機器を一体に構成し同一の格納容器内に収納した一体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、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。
【０００３】
図３は、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のフロー図であり、燃料予熱器１０、改質器１２、燃料電池１４、及び触媒燃焼器１６を備えている。燃料ガス１は燃料予熱器１０で柚され改質器１２の改質室Ｒｅに供給されて、水素を含むアノードガス２に改質され、燃料予熱器１０で冷却後、燃料電池１４のアノード側Ａに供給され、ここでアノード反応により水素の大部分を消費してアノード排ガス４となり、触媒燃焼器１６で未燃分を燃焼して高温の燃焼ガス５を発生し、改質器１２のガス室Ｇに供給されて改質室Ｒｅを加熱した後、系外に排出される。一方、ＣＯ２ を含む空気３は、燃料電池１４のカソード側Ｃに供給され、ここでカソード反応により一部の酸素を消費してカソード排ガス７となり、その一部が触媒燃焼器１６に供給されてアノード排ガス４を燃焼させる。なお、カソード排ガス７の残部７ａは系外に出て図示しない循環経路を経て空気３に混入され、カソード反応に必要なＣＯ２ を循環供給するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した燃料電池発電装置は、加圧下で運転することにより、より高効率が得られ、かつ小型化することができる。しかし、従来の装置では、燃料予熱器１０、改質器１２、燃料電池１４、及び触媒燃焼器１６をそれぞれ別々の圧力容器内に格納し、各機器を配管で接続するため，特に比較的小出力の場合に設置面積が大きくなる問題点があった。
【０００５】
また、各機器を連結する配管には、大量の高温ガスが流れるため大口径配管となり、その配管の曲げや保温が困難であり、放熱ロスが大きく、発電装置全体の効率が低下する問題点があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、小型で設置面積が小さく、かつ放熱ロスが少ない一体型燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料予熱器、改質器、燃料電池、触媒燃焼器、及びこれらを格納する圧力容器からなり、燃料電池と改質器が積層され、
正面側において、改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口が同一の向きに配置され、
背面側において、改質器の燃焼ガス出口と燃料電池へのカソードガス入口が同一の向きに配置され、
両側の側面において、改質器への燃料ガス入口と改質器の改質ガス出口が同一の向きに配置され、
改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口の間に複数の触媒燃焼器が配置され、
圧力容器への燃料ガス入口と改質器の改質ガス出口の間に複数の燃料予熱器が配置される、ことを特徴とする一体型燃料電池発電装置が提供される。
【０００８】
上記本発明の構成によれば、設置面積の大きい燃料電池と改質器が積層されるので、比較的小出力の場合でも設置面積を小さくすることができる。また、改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口、及び改質器の燃焼ガス出口と燃料電池へのカソードガス入口がそれぞれ同一の向きに配置されるので、流量の大きいカソードガス及び燃焼ガスの配管をほぼ直線の短い配管にすることができる。また、改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口の間に複数（例えば２系統）の触媒燃焼器が配置されるので、触媒燃焼器とその配管を小型化できる。更に、圧力容器への燃料ガス入口と改質器の改質ガス出口が同一の向きに配置され、その間に複数（例えば２系統）の燃料予熱器が配置されるので、比較的流量の小さいアノードガスラインもほぼ直線の短い配管にすることができ、かつ燃料予熱器も小型化できる。
【０００９】
従って、積層した燃料電池と改質器を圧力容器に収めた状態で、残る空間に小型化した触媒燃焼器と燃料予熱器を効率良く格納することができ、容器内の空間を有効に活用することができる。また、小口径配管の利用が可能となり，容器内配管が容易となり、結果として、陸上輸送できる大きさの圧力容器内（例えば直径約２ｍ程度）に比較的大出力（例えば５００ＫＷ前後）の一体型燃料電池発電装置を格納することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図１は、本発明による一体型燃料電池発電装置の正面斜視図であり、図２は、本発明による一体型燃料電池発電装置の背面斜視図である。
【００１１】
本発明の一体型燃料電池発電装置は、燃料予熱器１０、改質器１２、燃料電池１４、触媒燃焼器１６、及びこれらを格納する圧力容器（図示せず）からなる。燃料予熱器１０は、隔壁式熱交換器（好ましくは、プレートフィン熱交換器）であり、燃料ガス１とアノードガス２との熱交換により、アノードガス２を燃料電池１４に適した温度（例えば約６００〜６５０℃）まで冷却すると共に、燃料ガス１を予熱し熱効率を高めるようになっている。
【００１２】
改質器１２は、水平な隔壁を隔ててガス室Ｇと改質室Ｒｅが対峙したプレート型改質器であり、改質室Ｒｅには改質触媒が充填され、ガス室Ｇにはガスの流れを均一化するように分散用粒子が充填されている。ガス室Ｇには触媒燃焼器１６で発生した高温の燃焼ガス５が供給／排出され、改質室Ｒｅには水蒸気を含む燃料ガス１が供給され、ガス室Ｇからの伝熱で加熱され、改質触媒により水素を含むアノードガス２に改質するようになっている。
【００１３】
燃料電池１４は、２枚の平板状電極（アノードとカソード）の間に電解質板（タイル）を挟持した単セルを導電性の水平なセパレータ板の間に挟持して積層した積層電池（スタック）である。燃料電池１４は、この例では溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩型燃料電池であり、約６５０℃前後の温度で運転され、水素を含むカノードガス２と酸素を含むカソードガス３とをそれぞれアノードとカソードに供給し、電気を発電するようになっている。触媒燃焼器１６は、内部に燃焼触媒が充填され、燃料電池１４を出たアノード排ガス４をカソード排ガス７で触媒燃焼させ、高温（例えば約７５０〜８５０℃）の燃焼ガス５を発生するようになっている。
【００１４】
図１に示すように、本発明の一体型燃料電池発電装置では、燃料電池１４の上に改質器１２が同一位置に積層される。また、図中の１８は、締付け装置であり、上下の締付け板１８ａの間に、燃料電池１４と改質器１２を挟持し、複数のコンロッド１８ｂを介してその間を圧縮して燃料電池１４と改質器１２に所定の面圧を付加すると同時に、燃料電池１４と改質器１２を一体化している。この構成により、構成機器のうち特に設置面積の大きい燃料電池１４と改質器１２が積層されるので、比較的小出力の場合でも設置面積を小さくすることができる。
【００１５】
また、図１に示すように、改質器１２の燃焼ガス５の入口部と燃料電池１４のカソード排ガス７の出口部が同一の向きに配置され、同様に、図２に示すように、改質器１２の燃焼ガス５の出口部と燃料電池１４のカソードガス３の入口部が同一の向きに配置されている。なお、各配管の出入口は、図の下方に位置する図示しない圧力容器の鏡板に設けられている。また、燃料電池１４のカソード排ガス７の出口部は、上向き及び下向きに設けられ、下向きの出口部から一部のカソード排ガス７ａを直接系外に排出するようになっている。かかる構成により、流量の大きいカソードガス３，カソード排ガス７及び燃焼ガス５の配管をほぼ直線の短い配管にすることができる。
【００１６】
更に図１に示すように、複数（この例では、２系統）の触媒燃焼器１６が、改質器１２の燃焼ガス５の入口部と燃料電池１４のカソード排ガス７の出口部の間に配置されている。この構成により、触媒燃焼器１６とその配管５，７を小型化でき、容器内空間を有効に活用することができる。
【００１７】
また、図１及び図２に示すように、燃料ガス１の入口部と改質器１２の改質ガス２の出口部が同一の向きに配置されており、その間に複数（この例では、２系統）の燃料予熱器１０が配置されている。この構成により、比較的流量の小さいアノードガスラインもほぼ直線の短い配管にすることができ、かつ燃料予熱器１０も小型化できる。
【００１８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００１９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の一体型燃料電池発電装置は、積層した燃料電池と改質器を圧力容器に収めた状態で、残る空間に小型化した触媒燃焼器と燃料予熱器を効率良く格納することができ、容器内空間を有効に活用することができる。また、小口径配管の利用が可能となり，容器内配管が容易となり、結果として、陸上輸送できる大きさの圧力容器内に比較的大出力（例えば５００ＫＷ前後）の一体型燃料電池発電装置を格納することが可能となる。
【００２０】
従って、本発明の一体型燃料電池発電装置は、小型で設置面積が小さく、かつ放熱ロスが少ない、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一体型燃料電池発電装置の正面斜視図である。
【図２】本発明による一体型燃料電池発電装置の背面斜視図である。
【図３】天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備のフロー図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
２ アノードガス
３ 空気
４ アノード排ガス
５ 燃焼ガス
７ カソード排ガス
１０ 燃料予熱器
１２ 改質器
１４ 燃料電池
１６ 触媒燃焼器
１８ 締付け装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、主要機器を一体に構成し同一の格納容器内に収納した一体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、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。
【０００３】
図３は、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のフロー図であり、燃料予熱器１０、改質器１２、燃料電池１４、及び触媒燃焼器１６を備えている。燃料ガス１は燃料予熱器１０で柚され改質器１２の改質室Ｒｅに供給されて、水素を含むアノードガス２に改質され、燃料予熱器１０で冷却後、燃料電池１４のアノード側Ａに供給され、ここでアノード反応により水素の大部分を消費してアノード排ガス４となり、触媒燃焼器１６で未燃分を燃焼して高温の燃焼ガス５を発生し、改質器１２のガス室Ｇに供給されて改質室Ｒｅを加熱した後、系外に排出される。一方、ＣＯ２ を含む空気３は、燃料電池１４のカソード側Ｃに供給され、ここでカソード反応により一部の酸素を消費してカソード排ガス７となり、その一部が触媒燃焼器１６に供給されてアノード排ガス４を燃焼させる。なお、カソード排ガス７の残部７ａは系外に出て図示しない循環経路を経て空気３に混入され、カソード反応に必要なＣＯ２ を循環供給するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した燃料電池発電装置は、加圧下で運転することにより、より高効率が得られ、かつ小型化することができる。しかし、従来の装置では、燃料予熱器１０、改質器１２、燃料電池１４、及び触媒燃焼器１６をそれぞれ別々の圧力容器内に格納し、各機器を配管で接続するため，特に比較的小出力の場合に設置面積が大きくなる問題点があった。
【０００５】
また、各機器を連結する配管には、大量の高温ガスが流れるため大口径配管となり、その配管の曲げや保温が困難であり、放熱ロスが大きく、発電装置全体の効率が低下する問題点があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、小型で設置面積が小さく、かつ放熱ロスが少ない一体型燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料予熱器、改質器、燃料電池、触媒燃焼器、及びこれらを格納する圧力容器からなり、燃料電池と改質器が積層され、
正面側において、改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口が同一の向きに配置され、
背面側において、改質器の燃焼ガス出口と燃料電池へのカソードガス入口が同一の向きに配置され、
両側の側面において、改質器への燃料ガス入口と改質器の改質ガス出口が同一の向きに配置され、
改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口の間に複数の触媒燃焼器が配置され、
圧力容器への燃料ガス入口と改質器の改質ガス出口の間に複数の燃料予熱器が配置される、ことを特徴とする一体型燃料電池発電装置が提供される。
【０００８】
上記本発明の構成によれば、設置面積の大きい燃料電池と改質器が積層されるので、比較的小出力の場合でも設置面積を小さくすることができる。また、改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口、及び改質器の燃焼ガス出口と燃料電池へのカソードガス入口がそれぞれ同一の向きに配置されるので、流量の大きいカソードガス及び燃焼ガスの配管をほぼ直線の短い配管にすることができる。また、改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口の間に複数（例えば２系統）の触媒燃焼器が配置されるので、触媒燃焼器とその配管を小型化できる。更に、圧力容器への燃料ガス入口と改質器の改質ガス出口が同一の向きに配置され、その間に複数（例えば２系統）の燃料予熱器が配置されるので、比較的流量の小さいアノードガスラインもほぼ直線の短い配管にすることができ、かつ燃料予熱器も小型化できる。
【０００９】
従って、積層した燃料電池と改質器を圧力容器に収めた状態で、残る空間に小型化した触媒燃焼器と燃料予熱器を効率良く格納することができ、容器内の空間を有効に活用することができる。また、小口径配管の利用が可能となり，容器内配管が容易となり、結果として、陸上輸送できる大きさの圧力容器内（例えば直径約２ｍ程度）に比較的大出力（例えば５００ＫＷ前後）の一体型燃料電池発電装置を格納することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図１は、本発明による一体型燃料電池発電装置の正面斜視図であり、図２は、本発明による一体型燃料電池発電装置の背面斜視図である。
【００１１】
本発明の一体型燃料電池発電装置は、燃料予熱器１０、改質器１２、燃料電池１４、触媒燃焼器１６、及びこれらを格納する圧力容器（図示せず）からなる。燃料予熱器１０は、隔壁式熱交換器（好ましくは、プレートフィン熱交換器）であり、燃料ガス１とアノードガス２との熱交換により、アノードガス２を燃料電池１４に適した温度（例えば約６００〜６５０℃）まで冷却すると共に、燃料ガス１を予熱し熱効率を高めるようになっている。
【００１２】
改質器１２は、水平な隔壁を隔ててガス室Ｇと改質室Ｒｅが対峙したプレート型改質器であり、改質室Ｒｅには改質触媒が充填され、ガス室Ｇにはガスの流れを均一化するように分散用粒子が充填されている。ガス室Ｇには触媒燃焼器１６で発生した高温の燃焼ガス５が供給／排出され、改質室Ｒｅには水蒸気を含む燃料ガス１が供給され、ガス室Ｇからの伝熱で加熱され、改質触媒により水素を含むアノードガス２に改質するようになっている。
【００１３】
燃料電池１４は、２枚の平板状電極（アノードとカソード）の間に電解質板（タイル）を挟持した単セルを導電性の水平なセパレータ板の間に挟持して積層した積層電池（スタック）である。燃料電池１４は、この例では溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩型燃料電池であり、約６５０℃前後の温度で運転され、水素を含むカノードガス２と酸素を含むカソードガス３とをそれぞれアノードとカソードに供給し、電気を発電するようになっている。触媒燃焼器１６は、内部に燃焼触媒が充填され、燃料電池１４を出たアノード排ガス４をカソード排ガス７で触媒燃焼させ、高温（例えば約７５０〜８５０℃）の燃焼ガス５を発生するようになっている。
【００１４】
図１に示すように、本発明の一体型燃料電池発電装置では、燃料電池１４の上に改質器１２が同一位置に積層される。また、図中の１８は、締付け装置であり、上下の締付け板１８ａの間に、燃料電池１４と改質器１２を挟持し、複数のコンロッド１８ｂを介してその間を圧縮して燃料電池１４と改質器１２に所定の面圧を付加すると同時に、燃料電池１４と改質器１２を一体化している。この構成により、構成機器のうち特に設置面積の大きい燃料電池１４と改質器１２が積層されるので、比較的小出力の場合でも設置面積を小さくすることができる。
【００１５】
また、図１に示すように、改質器１２の燃焼ガス５の入口部と燃料電池１４のカソード排ガス７の出口部が同一の向きに配置され、同様に、図２に示すように、改質器１２の燃焼ガス５の出口部と燃料電池１４のカソードガス３の入口部が同一の向きに配置されている。なお、各配管の出入口は、図の下方に位置する図示しない圧力容器の鏡板に設けられている。また、燃料電池１４のカソード排ガス７の出口部は、上向き及び下向きに設けられ、下向きの出口部から一部のカソード排ガス７ａを直接系外に排出するようになっている。かかる構成により、流量の大きいカソードガス３，カソード排ガス７及び燃焼ガス５の配管をほぼ直線の短い配管にすることができる。
【００１６】
更に図１に示すように、複数（この例では、２系統）の触媒燃焼器１６が、改質器１２の燃焼ガス５の入口部と燃料電池１４のカソード排ガス７の出口部の間に配置されている。この構成により、触媒燃焼器１６とその配管５，７を小型化でき、容器内空間を有効に活用することができる。
【００１７】
また、図１及び図２に示すように、燃料ガス１の入口部と改質器１２の改質ガス２の出口部が同一の向きに配置されており、その間に複数（この例では、２系統）の燃料予熱器１０が配置されている。この構成により、比較的流量の小さいアノードガスラインもほぼ直線の短い配管にすることができ、かつ燃料予熱器１０も小型化できる。
【００１８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００１９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の一体型燃料電池発電装置は、積層した燃料電池と改質器を圧力容器に収めた状態で、残る空間に小型化した触媒燃焼器と燃料予熱器を効率良く格納することができ、容器内空間を有効に活用することができる。また、小口径配管の利用が可能となり，容器内配管が容易となり、結果として、陸上輸送できる大きさの圧力容器内に比較的大出力（例えば５００ＫＷ前後）の一体型燃料電池発電装置を格納することが可能となる。
【００２０】
従って、本発明の一体型燃料電池発電装置は、小型で設置面積が小さく、かつ放熱ロスが少ない、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一体型燃料電池発電装置の正面斜視図である。
【図２】本発明による一体型燃料電池発電装置の背面斜視図である。
【図３】天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備のフロー図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
２ アノードガス
３ 空気
４ アノード排ガス
５ 燃焼ガス
７ カソード排ガス
１０ 燃料予熱器
１２ 改質器
１４ 燃料電池
１６ 触媒燃焼器
１８ 締付け装置
Claims (1)
- 燃料予熱器、改質器、燃料電池、触媒燃焼器、及びこれらを格納する圧力容器からなり、燃料電池と改質器が積層され、
正面側において、改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口が同一の向きに配置され、
背面側において、改質器の燃焼ガス出口と燃料電池へのカソードガス入口が同一の向きに配置され、
両側の側面において、改質器への燃料ガス入口と改質器の改質ガス出口が同一の向きに配置され、
改質器への燃焼ガス入口と燃料電池のカソード排ガス出口の間に複数の触媒燃焼器が配置され、
圧力容器への燃料ガス入口と改質器の改質ガス出口の間に複数の燃料予熱器が配置される、ことを特徴とする一体型燃料電池発電装置。
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