JP3865167B2 - Fuel cell power generator with carbon dioxide recovery device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノード排ガスに含まれる炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収装置付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2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。同図において、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で作ら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燃焼器23へ供給される。
【0004】
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。
【0005】
この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により燃焼器23へ供給され、残部は排熱利用ライン6で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】
【発明が解決しようとする課題】
アノード排ガス中にはドライベースで90%程度の炭酸ガスが含まれている。この炭酸ガスは燃焼器23、加熱室を通り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、電池反応に必要な炭酸ガスが消費される。しかし余剰の炭酸ガスはカソード排ガスとともにタービン圧縮機28に供給され、タービンを駆動後、排熱回収蒸気発生装置30で蒸気を発生した後、大気に放出される。従来からアノード排ガス中の炭酸ガスを回収するという考えはあったが、燃焼器23へ供給されるアノード排ガスライン4に炭酸ガス回収装置を設けると、アノード排ガスの流量は大幅に減少する。これは炭酸ガス回収装置は通常アノード排ガスを冷却して水分を凝縮し炭酸ガスを回収するためアノード排ガスに約50%(ウェット)の存在する水分がほとんど凝縮するためである。この流量減少と温度低下により、電池での燃料利用率とプラント効率は低下する。また炭酸ガス回収両が過大な時は電池反応に必要な炭酸ガスが不足するという問題がある。炭酸ガスの大気放出削減はプラントの存続にかかわる重要な問題であり、発電量当たりの炭酸ガス排出量の低減が強く要望されている。
【0007】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたもので、アノード排ガス中の炭酸ガスについて、電池反応に必要な炭酸ガスを除く残りの炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収装置付燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【0008】
【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、カソードとアノードからなり酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃料電池と、カソードから排出されるカソード排ガスの一部とアノードから排出されるアノード排ガスの一部とを燃焼する第1燃焼器と、この第1燃焼器の燃焼排ガスで水蒸気を含む燃料ガスを改質する改質器と、この改質器の燃焼排ガスをカソードに循環させる炭酸ガスリサイクルラインと、カソード排ガスの一部に前記炭酸ガスリサイクルラインの燃焼排ガスと空気とを混合してカソードを循環させる循環ラインと、前記アノード排ガスの残部より炭酸ガスを回収する炭酸ガス回収装置と、この炭酸ガス回収装置からの排ガスと前記カソード排ガスの残部とを燃焼する第2燃焼器と、この第2燃焼器の燃焼排ガスでタービンを回転して空気圧縮機を駆動し前記循環ラインに空気を供給するタービン圧縮機と、を備える。
【0009】
アノード排ガスから改質器の加熱およびカソードが必要とする炭酸ガス量に対応するアノード排ガス量を第1燃焼器に分岐し、残部を炭酸ガス回収装置に供給する。炭酸ガス回収装置では加圧・冷却により炭酸ガスを液化して取り出す等によりアノード排ガス中より炭酸ガスを除去する。この炭酸ガス回収装置からの排ガスとカソード排ガスの残部とを第2燃焼器で燃焼し、この燃焼ガスでタービン圧縮機のタービンを駆動した後、タービン排ガスを最終的には大気放出する。第2燃焼器には炭酸ガスをかなりの割合で除去したカソード排ガスが供給されるので、燃焼ガスに含まれる炭酸ガスは従来に比べ大幅に減少している。
【0010】
【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は本発明の実施形態の燃料電池発電装置の全体構成図である。本図において図2と同一機能を有するものは同一符号で表す。燃料電池発電装置は、蒸気を含む燃料ガスを加熱する燃料予熱器24と、この加熱された燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器22と、このアノードガスと酸素および炭酸ガスを含むカソードガスとから発電する燃料電池20とを備える。燃料電池20から排出されるアノード排ガスの一部は、アノード排ガスライン4により第1燃焼器23に供給され、酸素を含むカソード排ガスの一部と共に燃焼触媒を用いて燃焼する。改質器22は加熱室と改質室からなり、加熱室には第1燃焼器23からの燃焼排ガスが供給され、改質室は水蒸気を含む都市ガスを改質触媒と加熱室からの加熱により水素を含むアノードガスに改質し、アノードガスライン2によりアノードに供給する。加熱室より排出される燃焼排ガスには炭酸ガスが含まれるので、この炭酸ガスを炭酸ガスリサイクルライン7により循環ライン3に供給する。循環ライン3はこの炭酸ガスと空気ライン8により供給される酸素とカソード排ガスの一部とを混合してカソードガスとし、炭酸ガスリサイクルブロワ32によりカソードを循環させる。循環ライン3の循環ガス量は流量制御弁42により調整される。
【0011】
天然ガスを成分とする都市ガスは燃料ガスライン1により供給され、脱硫器26で硫酸分を除去された後蒸気ライン9からの蒸気と混合し、燃料予熱器24で加熱されて改質器22に入りアノードガスに改質されて、アノードガスライン2により燃料電池20のアノードに供給される。燃料電池20のカソードには、炭酸ガスリサイクルライン7からの炭酸ガスと、空気ライン8からの空気と、循環ライン3からのカソード排ガスとが混合されてカソードガスとなり、炭酸ガスリサイクルブロワ32により供給される。燃料電池20はアノードガスとカソードガスを供給され発電を行う。アノードでの反応により蒸気と未燃焼成分を含むアノード排ガスが排出され、アノード排ガスライン4により一部は第1燃焼器23に供給され、残部は炭酸ガス回収装置40に供給される。燃焼器23と炭酸ガス回収装置40へのラインを分けることにより、燃焼器23の燃料の流量減少、温度低下を防ぐことができ、電池の燃料利用率低下をひき起こさない。カソードでの反応により生成さたカソード排ガスは、一部は循環ライン3によりカソードへ循環し、他の一部はカソード排ガスライン5により第1燃焼器23に供給され、残部は第2燃焼器41に供給される。
【0012】
第1燃焼器23には燃料電池20のアノード排ガスの一部とカソード排ガスの一部が供給される。燃料電池20の燃料利用率は80%程度なので、アノード排ガスには20%程度の燃料成分が含まれている。カソード排ガスには燃焼に必要な酸素が含まれている。これらが第1燃焼器23で燃焼され高温の燃焼排ガスを生成しこれを改質器22に供給する。改質器22で燃料ガスを加熱した後の燃焼排ガスには炭酸ガスが含まれ、これはカソードでの電池反応に必要なので、炭酸ガスリサイクルライン7によりカソードへ供給される。
【0013】
炭酸ガス回収装置40はアノード排ガス中に含まれる炭酸ガスを分離して取り出す装置で、幾つかの方式があるが、一例として加圧・冷却し液化して取り出す方法がある。本実施形態ではアノード排ガスを3MPa程度に加圧し、−40℃程度に冷却して炭酸ガスを液化して分離して取り出す。なお、冷却にはLNG(液化天然ガス)の気化の際の冷熱などを用いることにより低コストで冷却を行うことができる。また炭酸ガス回収量が過大になると電池反応に必要な炭酸ガスが不足するという制約もない。
【0014】
炭酸ガス回収装置40で炭酸ガスを除去されたアノード排ガスとカソード排ガスは第2燃焼器41で燃焼して燃焼ガスとなり、タービン圧縮機28のタービンを駆動した後、排熱回収蒸気発生装置30へ供給される。排熱回収蒸気発生装置30では給水をタービン圧縮機28のタービンを駆動した排ガスにより蒸気とし、蒸気ライン9により燃料ガスライン1に供給する。排熱回収蒸気発生装置30の排ガスは大気に放出されるが、炭酸ガスは従来に比べ大幅に低減している。
【0015】
空気はタービン圧縮機28の圧縮機へ入り、加圧されて空気ライン8に供給される。
【0016】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、改質器の加熱や電池反応に必要な炭酸ガスを含むアノード排ガスを除いたアノード排ガスより炭酸ガスを回収し、この炭酸ガスを除いた排ガスとカソード排ガスとを燃焼して、この燃焼ガスのエネルギを回収した後、大気に放出する。これによりプラント発電効率をあまり低下させずに大気に放出される炭酸ガスを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図2】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【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 排熱利用ライン
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 第1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
40 炭酸ガス回収装置
41 第2燃焼器
42 流量制御弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generator with a carbon dioxide recovery device that recovers carbon dioxide contained in anode exhaust gas.
[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. 2 is a diagram showing an example of power generation equipment using a molten carbonate fuel cell using city gas as fuel. In the figure, the power generation facility is a fuel that generates power from a
[0004]
In the
[0005]
This cathode gas reacts in the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The anode exhaust gas contains about 90% carbon dioxide on a dry basis. The carbon dioxide gas passes through the
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a fuel cell power generator with a carbon dioxide recovery device that recovers the remaining carbon dioxide excluding the carbon dioxide necessary for battery reaction with respect to carbon dioxide in the anode exhaust gas. For the purpose.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell comprising a cathode and an anode and generating electricity from a cathode gas containing oxygen and an anode gas containing hydrogen, a part of cathode exhaust gas discharged from the cathode, and the anode are used. A first combustor that combusts a part of the discharged anode exhaust gas, a reformer that reforms fuel gas containing water vapor with the combustion exhaust gas of the first combustor, and the combustion exhaust gas of the reformer as a cathode A carbon dioxide gas recycling line to be circulated, a circulation line to circulate the cathode by mixing a part of the cathode exhaust gas with the combustion exhaust gas and air of the carbon dioxide gas recycling line, and a carbon dioxide gas to recover carbon dioxide gas from the remainder of the anode exhaust gas. A gas recovery device, a second combustor for combusting the exhaust gas from the carbon dioxide recovery device and the remainder of the cathode exhaust gas, and the second fuel By rotating the turbine at a vessel of the combustion exhaust gas to drive the air compressor and a turbine compressor for supplying air to the circulation line.
[0009]
From the anode exhaust gas, the amount of anode exhaust gas corresponding to the heating of the reformer and the amount of carbon dioxide required by the cathode is branched to the first combustor, and the remainder is supplied to the carbon dioxide recovery device. In the carbon dioxide gas recovery device, carbon dioxide gas is removed from the anode exhaust gas by liquefying and taking out the carbon dioxide gas by pressurization and cooling. The exhaust gas from the carbon dioxide recovery device and the remainder of the cathode exhaust gas are combusted by the second combustor, and the turbine of the turbine compressor is driven by this combustion gas, and then the turbine exhaust gas is finally released into the atmosphere. The second combustor is supplied with cathode exhaust gas from which carbon dioxide gas has been removed in a considerable proportion, so that the carbon dioxide contained in the combustion gas is greatly reduced as compared with the prior art.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell power generator according to an embodiment of the present invention. In this figure, those having the same functions as those in FIG. The fuel cell power generator includes a
[0011]
The city gas containing natural gas is supplied from the fuel gas line 1, and after the sulfuric acid content is removed by the
[0012]
The
[0013]
The carbon
[0014]
The anode exhaust gas and cathode exhaust gas from which the carbon dioxide gas has been removed by the carbon
[0015]
Air enters the compressor of the
[0016]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention recovers carbon dioxide gas from the anode exhaust gas excluding the anode exhaust gas containing carbon dioxide necessary for heating the reformer and the battery reaction, and the exhaust gas from which the carbon dioxide gas is removed. After the cathode exhaust gas is combusted and the energy of the combustion gas is recovered, it is released to the atmosphere. Thereby, the carbon dioxide gas discharged | emitted by air | atmosphere can be reduced significantly, without reducing plant power generation efficiency very much.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell power generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a conventional fuel cell power generator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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