JPH01248475A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池発電プラントのプラント構成、及び
、運転方法に係り、特に、燃料電池の直流電力を電源と
する装置の構成、及び、運転に好適な燃料電池発電プラ
ントに関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料電池発電プラントでは、特公昭５８−５６２
３１号公報に記載のように、インバータにより燃料電池
で発生する直流電流を交流に変換して供給しており、直
流電流を直接電源とする場合の装置構成、及び、運転方
法については、十分検討がなされていなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は直流電流を電源とする装置の。

燃料電池で発生する直流電流の利用する点について考慮
されておらず、交流を直流に変換して使用する場合は、
変換の損失が大きいという問題があった。

また、他の直流電源、たとえば、蓄電池、又は、太陽光
発電を用いる場合、電源本体のみでは、直流の電源の電
圧を一定に制御することが難かしく、定電圧装置との組
み合わせが必要で、装置が複雑になり、高価格となると
いう問題があった。

本発明の目的は、燃料電池発電プラントを直流電流を用
いるｌに適用する場合の発電プラントを提供することに
ある。

（課題を解決するための手段〕 上記目的は、燃料電池の直流電源を直流電源を必要とす
る装置に接続し１．直流電源を用いる装置の電力需要に
対して、直流電圧を規定値とするように燃料流量を制御
することにより達成される。

〔作用〕

直流電流を電源として用いる装置に、燃料電池で発生す
る直流電流を供給することにより、運転動力を減少させ
ることができ、装置を簡素にすることができる。

直流電源を必要とする装置の運転動力の変化に対応して
、燃料電池の電圧が変化する。燃料電池電圧を規定値と
なるように燃料電池へ供給する燃料流量を制御すること
により、直流電流を電源とする装置の所要運転状態に対
応した運転を行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

燃料１は、約６〜１０ｋｇ／ｃｎｆに加圧されて改質器
４に供給される。改質器４では天然ガス等の燃料を、反
応部５で、ガスタービン３７の排熱回収ボイラ等により
生成される蒸気３と改質反応を起こさせ、燃料を水素及
び−酸化炭素を主成分とするガスに改質する。

改質された水素及び−酸化炭素を主成分とする反応ガス
７は、約６００°Ｃで燃料電池８のアノード９へ供給さ
れる。

燃料電池８は、燃料電池の積層体で構成され、各燃料電
池は、正極と負極とこれらの両極の間に配置された電解
質１ｏと、正極の非電解質側に設けられたガス通路（正
極および正極ガス通路をカソード１１と呼ぶ）と負極の
非電解質側に設けられたガス通路（負極及び負極ガス通
路をアノードと呼ぶ）とを含む。

本実施例では、電解質に、炭酸リチウム、炭酸カリウム
などの炭酸塩を用い、それが溶融状態になる温度約５５
０℃〜７００°Ｃで運転する溶融炭酸塩を用いている。

アノード９へ供給された反応ガス７は、カソード１１へ
供給される空気２６と炭酸ガスの混合ガス３０と反応す
る。カソード１１では混合ガスが電子を受は取って炭酸
イオンになり、電解質の中に入る。アノード９では、水
素と電解質中の炭酸イオンが反応して炭酸ガスおよび水
を生成し、電子を放出する。この結果、アノードからカ
ソードへ電子が移動し、電流が発生する。

燃料電池８のアノード排ガス１２には、反応ガス７中の
水素、−酸化炭素と、電解質中１０の炭酸イオンとの反
応により生成した炭酸ガス、水および未反応の反応ガス
を含んでいる。

燃料電池８のアノード排ガス１２は、ガス／ガス熱交１
３で熱交換し冷却される。さらに、ガスクーラで冷却さ
れ、気水分離器１５で、アノ−１〜排ガス１２に生成し
た水分を分離する。

水分を分離したアノード排ガス１７は、圧縮機１８で圧
縮され、ガス／ガス熱交１３で熱交換され昇温され、改
質器燃焼部６へ供給される。

燃料１と、水蒸気３とを反応させて水素および一酸化炭
素に改質する改質反応は吸熱反応であり、外部より熱を
与える必要がある。本実施例では、改質器燃焼部６へ、
燃料電池８アノード排ガス１２を供給し、ガス中に含ま
れる水素、−酸化炭素等の未反応燃料を燃焼させて反応
熱を供給している。

燃料電池８のカソード１１へ供給される空気は、空気圧
縮ｆｉ３６で６〜１０ｋｇ／ａＪに加圧され、圧縮空気
２７として供給される。一方、同じくカソード１１へ供
給される炭酸ガスについては、改質器燃焼部排ガス２１
として供給される。排ガス２１は、燃料となるアノード
排ガス２ｏを昇縮機１８で加圧すること、燃焼用空気２
９を圧縮機３６で加圧することにより６〜１０ｋｇ／ｃ
ｌＪに加圧されている。

燃料電池８は、アノード９の反応圧力２反応温度９反応
ガス中の燃料ガス濃度が高いほど、反応ガスの持つ熱量
より電気出力として取り出せる割合、発電効率が高いこ
とが知られている。

反応ガス温度については、電解質である溶融炭酸塩が溶
融状態を持続できる温度ということで。

約５５０℃〜７００℃に制限される。

反応ガス圧力については、日本国内では、法規上の制約
より１０ｋｇ／ａＪ以上の高圧ガスを取扱う設備の製造
に規制を受けるため１０ｋｇ／ｃ＋運未満の圧力を選定
するので一般的である。

また、燃料電池で反応したガスの持つ熱量のうち、電気
出力として取り出すことのできない熱量は、分極、電極
の接触抵抗等の抵抗により熱に変換されるため、燃料電
池を冷却する必要がある。

溶融炭酸塩を電解質として用いる燃料電池は。

反応温度が約５５０℃〜７００℃と高いため、水で冷却
する場合は、冷却されるガスと、冷却する水との温度差
が大きく、熱応力等の問題があり、蒸気で冷却する場合
は、多数に積層した燃料電池の冷却部の中での水から蒸
気への相変化が起こり冷却部の構造を複雑にするので好
ましくない。

従って、燃料電池の冷却は燃料電池８のアノード９．お
よび、カソード１１へ多量のガスを流し、冷却するのが
一般的である。本実施例では、燃料電池８のカソード１
１を通過するガスにより燃料電池を冷却しており、カソ
ード入口ガス３０とカソード出口ガス３１の間に大きな
温度差が生じ熱応力が発生しないよう、カソード出口ガ
ス３１を圧縮機３４で再循環し、カソード入口ガス３０
の温度を調節している。

高温で作動する燃料電池発電プラントでは、冷却用等の
圧縮機の動力が大きく、ガス圧力を高圧化して、圧縮機
を通過する体積ガス流量を小さくして圧縮機の動力を小
さくしてプラン１〜全体の発電効率を高くすることが必
要となる。

燃料電池８のアノード９の反応ガスの濃度については、
アノード９での平均の反応ガス濃度が高いほど抵抗が小
さくなり、電気出力として取り出せる割合である発電効
率が向上する。

燃料電池８のカソード排ガス３２は、ガスタービン３７
で仕事をし、空気圧縮機３６を駆動するとともに、発電
［３８で電気出力を発生し熱回収している。

燃料電池発電プラントは、改質器４．燃料電池８、ガス
タービン３７が相互にバランスして有効な熱回収システ
ムを構成している。

本実施例では、燃料電池発電プラントの出力端子を直流
電流を用いる電源装置として海水淡水化装置９ｏに接続
し、燃料電池の発生する直流電流を直接海水淡水化装置
９ｏの電源として用いる。

海水淡水化袋にとして、海水に対して電位差を与えて陽
イオン、陰イオンに選択透過性をもつイオン交換膜を用
い、濃縮、及び、脱塩を行うことによって淡水化を行う
方法である電気透析法を用いている。

造水能力１０００ｍ２／日の海水淡水化装置では、電極
部分の面積が約３０ｍ２であり、１０〜２０　ｍ　Ａ　
／　ａａ、約３００Ａの電流を流す必要がある。使用電
力量は約３００　ｋＷＨであるので、電圧は１００ＯＶ
としている。燃料電池の一セル当りの電圧は０．８ｖ程
度であり、１００ＯＶを確保するには１２５０セルが必
要となる。本実施例では、約４００セルで−スタックを
構成し、三スタックを直列に接続して、電圧を確保して
いる。

燃料電池−海水淡水化装置プラントは、海水淡水化装置
９０の海水９１処理量に対応して、燃料流量１が制御さ
れている。

海水淡水化装置の海水処理量を増加させる必要がある場
合は、海水処理量の増加に従って燃料電池の電圧が低下
するか、燃料電池の電圧を規定値に保つように燃料流量
制御弁６５を制御することにより、燃料電池と海水淡水
化装置の均衡は維持できる。

海水処理量を減少させる必要がある場合は、燃料電池の
電圧９３が上昇するので、電池電圧の上昇を抑えるよう
に、燃料流量制御弁６５を制御することにより、プラン
１への均衡は保たれる。

本実施例は、蓄電池、太陽光発電等の他の直流電源を用
いる場合に比べて、負荷変化特性が優れているという特
徴をもつ。

電気透析法による海水淡水化装置は、海水処理量が変化
する場合でも、淡水９２の水質を一定に保つためには、
はぼ一定の電圧を維持する必要がある。

？Ａ主電池は、電池の放電特性により電圧が変化し複数
の蓄電池による切替が必要になり、電力単価が高くなる
。太陽光発電の場合は、単独では需要に対応した電力量
の変化が困難である。太陽光発電と組み合わせる場合は
、蓄電池との組合わせが必要となる。

本実施例によれば、交流電流を直流電流に変換し、電源
として用いる場合に比べ、約５％の電力が節約できる。

なお、図中３９は膨張タービン排ガス、５４は電池温度
調整弁である。

また、直流電流を電源とする装置の所要動力に対応して
、電池電圧を規定値となるように燃料流量を制御するこ
とにより、燃料電池発電プラントを運転することができ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、インバータが不要となり、システム構
成が簡素化され、交流から直流への変換損失がなくなる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は５本発明の一実施例の系統図である。 １・・・燃料、３・・・蒸気、４・・・改質器、５・・
・改質器反応部、６・・・改質器燃焼部、７・・・改質
ガス、８・・燃料電池、９・・・燃料電池アノード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直流電流を電源とする装置と、燃料電池とを含むプ
   ラントにおいて、 前記燃料電池と前記直流電流を電源とする装置とを接続
   することを特徴とする燃料電池発電プラント。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記直流を電源とする装置の全運転範囲に対応して前記
   燃料電池の直流電圧を、規定値となるように前記燃料電
   池へ供給する燃料流量を制御する手段を設けたことを特
   徴とする燃料電池発電プラント。 ３、特許請求の範囲第２項において、 前記燃料電池の電圧として、少なくとも一セルの電圧を
   少なくとも一ケ所測定し、平均値よりスタック、又は、
   プラント全体の電圧を推定する手段を含む燃料電池発電
   プラント。