JPH02168569A - 燃料電池発電システム - 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、燃料電池と燃料改質器とを組合せて構成した
燃料電池発電システムに関する。

〔従来の技術〕

周知のように、燃料電池発電システムは燃料電池と燃料
改質器とを組合せ、例えば天然ガスを水蒸気改質して得
た水素リッチな燃料ガスと、酸化剤として大気中より取
り込んだ空気とを燃料電池に供給して発電させるもので
ある。

一方、最近では燃料電池の発電効率向上を狙いに、従来
では０．５　ｋｇ／ｃｄＧ程度でありた電池作動圧力を
４に９／ａｄＧ程度に高めて運転するようにした加圧形
燃料電池発電システムの開発が進められている′。

ところで、このような加圧形の燃料電池発成システムで
は、大気中より堰り込んだ空気を昇圧して燃料電池へ供
給させるために空気圧縮機が必要であり、かつその圧縮
機を駆動するには大きな動力源を要する。そこで、発電
システムの効率向上のために系内の排熱を回収し、前記
した圧縮機の動力源に改質器の燃焼排ガスを利用して空
気昇圧用のターボコンプレッサを駆動する方式が既に開
発。

実用化されている。

次に、上記した従来方式による燃料電池発電システムの
プロセスフロー図を第３図に示す。図において、１は燃
料電池、２は改質器、３は前記したターボコンプレッサ
、４は補助燃焼器、５は燃料電池１の冷却系に介装した
水蒸気分離器、６は冷却水の循環ポンプである。

ここで改質原料としての天然ガスは改質器２で水蒸気改
質され、水累リッチな燃料ガスとして燃料電池１のアノ
ード側ガススペースに供給される。

また酸化剤としての反応空気は、ターボコンプレｙ”′
＋ｊ３の圧縮機３ａにより昇圧されて燃料電池ｌのカソ
ード側ガススペースに供給され、これにより・燃料電池
１が発電する。一方、改質器２のバーナ２ａには燃料電
池ｌから出たオフ燃料ガス、オフ空気を供給し、これを
燃焼して必要な改質反応熱を与えるようにしており、さ
らに改質反応に要する水蒸気は前記した水蒸気分離器５
で得た水蒸気を使用している。才た。ターボコンプレッ
サ３のタービン３ｂの駆動源としては、改質器２の〃口
圧燃焼炉より排出する燃焼排ガスを主体に、これに燃料
電池より出た高温なオフ空気、および水蒸気分離器５の
余剰蒸気を加熱して得た過熱蒸気を加え、補助燃焼器４
でさらに高温加熱した高温。

高圧ガスを利用し、これをタービン３ｂに導入してター
ボコンプレッサ３を駆動するようｌこしている。

なお、発電システムを起動するには、その手順としてま
ず改質器２のバーナを点火し、炉内温度。

圧力を所定値まで高めた後別置の空気源より供給された
空気によりターボコンプレ、す３を起動し、しかる後に
燃料電池ｌに対し燃料ガス、空気を導入して発電を開始
し、ここで燃料電池の出力電圧の確Ｖを確認した上で電
力系統に投入して負荷を上昇させるようにする。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記した従来の燃料電池発電システムでは決
起のような問題点が残る。

すなわち、従来の発電システムでは、前記説明のように
ターボコンプレッサ３の入力エネルギーの主体を改質器
２の燃焼排ガスより得るとともに、その出力で燃料電池
１へ供給する反応空気を昇圧するようにして閉ループを
形成している。このために発電システムの起動停止、並
びに負荷変動などの攪乱要因に対し、系内の各部に通流
する流体の流量、圧力、温度などを含めて適正な関係を
保つように連繋制御されないと系全体の圧力分布が変化
し、電池内部の差圧上昇、ターボコンプレッサのサージ
ング発生などの不具合が生じる。

したがって従来では、サージング防止、燃料電池の圧力
変動への追随の悪さの面から、一般にターボコンプレッ
サ３を定圧、定風量で運転するようにしている。しかし
て負荷変動に追随して改質器２を運転制御すると、これ
に伴いターボコンブレラ？３の動力源である燃焼排ガス
の温度、圧力なども状態ス化するし、さらに非常に速い
負荷変動に対しては、空気系の系内ボリュームがバッフ
チーとして作用し、短時間ではあるがターボコンプレ、
すのタービンへの排ガス流入量が減少するなどの現３．
象が発生する。したがりてこのままでは、負荷変動、％
に部分負荷時にはターボコンプレッサ３の排気タービン
３ｂに対する動力エネルギーが不足し、圧縮機３ａの吐
出圧力、つ才り燃料電池へ供給する反応空気の圧力が低
下し、これが原因で電池内部に差圧が発生して燃料電池
にダメージを与えるおそれがある。

このために従来では、第３図のように補助燃焼器４に天
然ガスなどの燃料を補給して改質器の燃焼排ガスの顕熱
を上昇させたり、補助蒸気を投入するなどの方法を採用
し、部分負荷時におけるターボコンプレッサ３の動力源
の不足をカハーシている。しかしながら、−膜特性とし
て燃料電池自身は定格負荷運転よりも部分負荷運転の方
が発電効率が高いのに、ターボコンプレッサ３の勤カエ
ネルギー不足を補うために補助燃焼器４を採用した前記
方式では、発電システム全体としての発電効率は負荷率
が低くなるほど低下すると言った問題が新たに派生する
。また、発電システムの運用面でも、ターボコンプレッ
サの採用によりターボコンプレッサーの起動には別の空
気源が必要となり又ターボコンプレッサ３の運転が確豆
してから反応空気を燃料電池１へ供給する必要がある他
。

一般にターボコンプレッサは起動に際してのサージング
防止のために、慎重な起動操作を必要とし、定格圧力ま
で昇圧させるのにかなりの時間を要するために、このこ
とが発電システムの起動時間を長引かせ、さらに負荷応
答性も低下させる要因となっている。

本発明は上記の点にかんがみ成されたものであり、頭記
した加圧形の燃料電池発電システムを対象に、起動、負
荷変動などの攪乱要因に対する反応空気糸への直接的な
波及を防止して負荷応答性を窩めつつ、併せて発電シス
テムからの排熱エネルギーを有効に回収してシステム全
体としての発電効率の向上が図れるようにし、さらに部
分負荷効率の改善が図れるようにした燃料電池発電シス
テムを快便することを目的とする。

〔裸題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池発電シス
゛ケムは、燃料電池に供給する反応空気を昇圧する電動
機駆動の圧縮機と、改質器の燃焼排ガスを生体とした高
温高圧ガスで＃、動するガスタービン、および電力回収
用の発電機を装備して構成するものとする。

さらに、前記の燃料電池発電システムにおいて。

燃料電池の排熱を回収して発生させた蒸気の余剰蒸気で
駆動する蒸気タービン、および電力回収用の発電機を追
加装備して構成し７たものである。

また、部分負荷効率の改善のためｌこ１反応空気昇圧用
の圧縮機の吸込側に部分負荷運転時ζこ空気流量を絞る
流！調節弁を設けるものとする。

さらに、部分負荷運転時にはガスタービンに流入するガ
スの流入角度をｖＩ４整し、ガスタービンでの回収動力
を運転負荷Ｉこよって最適にｖＩ４整するために、ガス
タービンの吸込み側に可変ノズルを設けるものとする。

〔作用〕

上記の構成により、燃料電池に供給される反応空気は、
電力系統から給電を受けて運転する電動機駆動の圧縮機
により燃料電池の作動圧力まで昇圧される。一方、改質
器の燃焼排ガス、系内の余剰蒸気の保有エネルギーはガ
スタービン、蒸気タービンを駆動し、発電機を介して電
力として有効に回収される。

また、この場合に負荷変動などの攪乱要因に起因する改
質器の燃焼排ガスの状態変化、あるいは系内余剰蒸気量
の発生量変化は、単に電力回収用発電機を駆動するガス
タービン、蒸気タービンの動力を変動させるのみであっ
て反応空気系に直接影響を及ぼすことがなく、反応空気
は電動機駆動の圧縮機により所定圧力に昇圧して燃料電
池へ安定供給される。

さらに、圧縮機の吸込側ζこ接続した流量調節弁を部分
負荷運転時の低流量域で絞りながら所定の吐出圧力を一
定に維持するために圧縮機の軸動力を調節する。これに
より部分負荷運転時の圧縮機の軸動力の低減が図られ、
部分負荷効率の改善が図れる。

また、ガスタービンの吸込み側に設置した０Ｔ変ノズル
により、運転負荷の変化に伴った流入ガス量の変化によ
る、ガスタービン特性の低下を最少限に止めるよう調整
する。これにより、ガスタービンでの回収動力が改善さ
れ、Ｓ分負荷効率の改善が図れる。

〔実施例〕

第１図、第２図はそれぞれ本発明の異なる実施例を示す
燃料電池発電システムのプロセスフロー図であり、第３
図に対応する同一部材には同じ符号が付しである。

まず第１図の実施例において、燃料電池ｌのカソード側
ガススペースの入口側には電動機７で駆動される反応空
気昇圧用の圧縮機８が接続され、さらに圧縮機８の吸込
側には流量調節弁１５が接總され、圧縮機８の吐田側に
は空気圧力を検出する圧力計１６が設置されている。一
方、改質器２の排気側には電力回収用の発電機９８駆動
するガスタービンｌＯが、また燃料電池１の冷却系に介
装した蒸気分離器５には電力回収用発ｔｉＦ！＆ｌｌを
駆動する蒸気タービン１２がそれぞれ配管接続されてい
る。

なお、！３は水蒸気分離器５で得た飽和蒸気をガスター
ビン１０の排出ガスで過熱蒸気に変える蒸気過熱器であ
る。また、前記した電動機７は電力系統から給電を受け
て運転され、電力回収用の発電機９．１１で発電した電
力は電力系統へ戻される。

次に上記構成による燃料電池発電システムの運転動作を
説明すると、大気中より取り込んだ反応空気は、電動機
７で枢動される圧縮機８を介して電池作動圧力まで昇圧
した状態で燃料電池１のカンード側ガススペースに供給
される。また、７ノード側ガススペースには改質器２を
通じて水蒸気改質された燃料ガスが供給され、ここで燃
料電池１が発電する。

この場合に、燃料電池１に供給される反応空気は、改質
器２の運転状態、水蒸気分離器５での蒸気発生量の状態
変化、つまり発電システムの起動。

負荷変動などの攪乱要因に関係なく、電動機７で駆動さ
れる圧縮機８により所要圧力、流量が得られる。また、
反応空気系の圧縮機８と改質器２の燃焼排ガスで駆動す
るタービンｌＯとを分離して個別に起動５．運用するよ
うにしたので、改質器、燃料電池冷却系の温度条件がタ
ービン１０を起動できる状態を確！する以前の段階でも
、圧縮機８を単独で起動することができ、これにより発
電システム全体の起動時間の短縮化が図れる。しかも、
圧縮機８は電動機７による駆動方式を採用したので、特
別な起動装置を必要とせずに短時間で所定圧まで昇圧で
きる。さらに加えて１図示実施例のように圧縮機８の吸
込側に流量調節ｙＰ１５を設け％部分負荷運転時におけ
る定流量域で流量調節片１５を絞ることにより、所足吐
出圧を維持しつつ圧縮機８の軸動力を軽減でき、発電シ
ステムとしての部分負荷効率の改善が図れる。

一方、燃料電池１から出たオフ燃料ガス、オフ空気は改
質器２のバーナ２ａで燃焼され、その燃焼排ガスはバー
ナ２ａをバイパスしたオフ空気と合流した上でガスター
ビン１０へ導入し、当該ガスタービンを駆動する。同様
に燃料電池ｌの排熱により蒸気発生器５で発生した水蒸
気の一部は改質器２に供給して水蒸気改質に消費され、
残りの余剰蒸気は蒸気過熱器１３を経て蒸気タービン１
２へ導入し、当該蒸気タービンを駆動する。これにより
改質器２の燃焼排ガスを主体とする高温、高圧ガスの保
有するエネルギーが発電機９，１２より電力として有効
に回収されることになる。

また、第４図はガスタービン入口の断面図であるが、同
図において、運転負荷の変化に１ｔっだ流入ガス址の変
化に従って、可変ノズル１６を調整することによって、
タービン６＜　１７へのガス流入角度を常に最適に制御
し、発電機９での回収動力を増し、部分負荷効率の改善
を図る。

第２図は第１図の応用実施例であり、ＷＪ１図の冥施例
と−５４なる点は、ガスタービンｌＯと萎えタービン１
２とが同軸上で結合され、双方のタービンで′１電力収
用の発電機１４を駆動するようにしたこと、および水蒸
気分離器５を含む温水循還系が燃料電池１の冷却系を通
流する冷媒と熱交換器１５を介して熱交換されるように
したことにある。なお１６は燃料電池冷却系の冷媒循環
ポンプである。

かかる構成により、第１図の実施例と同傍な効果に加え
＼て、電力回収用の発電機１４が１基で済む他、燃料電
池１の冷却系に水以外の耐触性、伝熱性の高い冷媒を選
択することができるなどの利点が得られる。

なお、第１図、第２図は基本的な例を示したものであり
、系内における熱回収の配管系などについては種々なバ
リエーションで実施することが可能である。

〔発明の効果〕

本発明による燃料電池発電システムは、以上説明したよ
うに構成されているので、欠配の効果を奏する。すなわ
ち、 （１）反応空気昇圧用の圧縮機を、従来のように改質器
の燃焼排ガスで駆動するターボコンプレ、すとせず、独
宣した電動機駆動の圧縮機としたことにより、発電シス
テムの起動、負荷変動などの擾乱要因が反応空気の供給
系に波及するのを抑え、反応空気を所定圧力に昇圧して
安定よく燃料電池に供給できる。

（２）反応空気昇圧用の圧縮機、および電力回収用発電
機の駆動タービンは、各々個別に起動、運転することが
可能であり、改質器、燃料電池冷却系の温度条件、つま
り改′Ｍ器の燃焼排ガス温度、余ニー１蒸気量などの条
件に関係なく、したがって改質器、燃料電池冷却系の温
度条件がタービンを起動できる状聾まで至らない段階で
も、反応空気昇圧用の圧縮機を単独で起動でき、これに
より発電シスデム全体の起動時間の短縮化が図れるとと
もに、併せて負荷応答性も改善できる。

（３）改質器の燃焼排ガス、系内の余剰蒸気の保有する
エネルギーを活用して電力として有効に回収することが
でき、これにより発電システム全体としての発電効率の
改善が図れる。

（４）反応空気外圧用の圧縮機の吐出圧力を検出し、吸
込側に接続した流量調節弁を部分負荷運転時の低ａｔ域
で絞りかつ、吐出圧力を一足に保つように圧縮機動力を
調節することにより、所定の反応空気圧を維持しつつ圧
縮機の軸動力の低減が達成でき、これにより発電システ
ムでの部分負荷効率の改善が図れる。

（５）ガスタービンの吸込側に設置した可変ノズルを部
分負荷運転による流を変化１こおいて、各流量に対しタ
ービン翼へのガス流入角反を最適に調整することで部分
食Ａｔこおけるタービン効率の低下を最少限に止め、部
分負荷効率の改善か図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれ本発明の異なる実施例のプロ
セスフロー図、第３図は従来における燃料電池発電シス
テムのプロセスフロー図、第４１．ｆｌはガスタービン
入口の断面図である。各図において、 １：燃料【１２：燃料改質器、５：水蒸気分離器、７：
電動器、８：反り空気昇圧用圧縮機、９．１１，１４：
電力回収用発電機、１０：がスタービン。 １２：蒸気タービン、１５：流量調節弁、′１６：可変
ノズル、１７：タービン翼、１８：圧力計。 、：”ｒｊｖ 第 図 雨 乙 区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）燃料電池と、燃料改質器とを組合せた燃料電池発電
   システムであり、反応空気を昇圧して燃料電池へ供給す
   るようにしたものにおいて、燃料電池に供給する反応空
   気を昇圧する電動機駆動の圧縮機と、改質器の燃焼排ガ
   スを主体とした高温高圧ガスで駆動するガスタービン、
   および電力回収用の発電機を装備したことを特徴とする
   燃料電池発電システム。 ２）請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   燃料電池の排熱を回収して発生させた蒸気の余剰蒸気で
   駆動する蒸気タービン、および電力回収用の発電機を追
   加装備したことを特徴とする燃料電池発電システム。 ３）請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   圧縮機の吸込側に部分負荷運転時に空気流量を絞る流量
   調節弁を接続したことを特徴とする燃料電池発電システ
   ム。 ４）請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
   ガスタービンの流入側に部分負荷運転時にガスの流入角
   度を調節する可変ノズルを設置したことを特徴とする燃
   料電池発電システム。