JPH0340896B2 - - Google Patents

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JPH0340896B2
JPH0340896B2 JP60039574A JP3957485A JPH0340896B2 JP H0340896 B2 JPH0340896 B2 JP H0340896B2 JP 60039574 A JP60039574 A JP 60039574A JP 3957485 A JP3957485 A JP 3957485A JP H0340896 B2 JPH0340896 B2 JP H0340896B2
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は燃料電池発電システムの構成に関す
るものである。
〔従来の技術〕
燃料電池発電システムは、従来の汽力発電に比
べ高効率が期待できること、環境保全が良い等の
利点があり、実用化を目指して近年盛んに開発が
進められている。燃料電池発電システムは、空気
極、燃料極及び電解質層から成る燃料電池本体
と、天然カス等の炭化水素系燃料を改質して燃料
電池本体に燃料となる水素ガスを供給する改質器
とを備えている。燃料電池本体の性能は、反応ガ
スの圧力の増大によつて向上する傾向を示し、こ
のため燃料、空気各反応ガス動作圧力は例えば3
〜6Kg/cm2G程度に加圧維持される。このとき、
空気の圧縮には多大の動力を必要とし、このため
通例としてシステム排ガスエネルギを利用するタ
ーボコンプレツサが併せて設置される。この具体
的な従来の方法として、例えば昭和57年12月発刊
電気学会技術報告部第141号「燃料電池発電技
術の展望」の2.29図4500kw燃料電池発電設備の
総合系統概念図に示されているものがあり、その
システムを第1図に示す。図において、1は燃料
極1a、空気極1b、電解質層1cから成る燃料
電池本体、2は天然ガス等の炭化水素系燃料を改
質して水素リツチガスを燃料電池本体1に供給す
る改質器であり、反応部2aとバーナ部2bより
成る。3は改質器2のバーナ部2bより排出され
る燃焼排ガスによつて駆動され、燃料電池本体1
の空気極1bに必要な圧縮空気を供給するターボ
コンプレツサであり、タービン3aとコンプレツ
サ3bを同軸上に配置したもので構成される。4
は改質器2の反応部2aで改質された水素リツチ
ガスを燃料電池本体1の燃料極1aに供給する改
質燃料供給配管、5は燃料電池本体1の燃料極1
aからの余剰燃料を改質器2のバーナ部2bに供
給する余剰燃料供給配管、6は改質器2のバーナ
部2bからの燃料排ガスをターボコンプレツサ3
のタービン3aに導く燃料排ガス配管、7はター
ボコンプレツサ3のコンプレツサ3bにより圧縮
された空気を燃料電池本体1の空気極1bに供給
する空気供給配管、8は燃料電池本体1の空気極
1bから排出される余剰空気を改質器2のバーナ
部Zbへ供給する余剰空気配管を示す。
次に、上記の様に構成された従来のシステムの
動作について説明する。天然ガス等の炭化水素系
燃料が改質器2の反応部2aに投入され、その中
で改質反応が行われ、水素を主成分とする改質ガ
スに変換される。改質ガスは、改質燃料供給配管
4を通つて燃料電池本体1の燃料極1aに供給さ
れ、そこで反応に消費される。消費されたあとの
残りの余剰燃料は余剰燃料供給配管5を通つて改
質器2のバーナ部2bに送られる。バーナ部2b
では余剰燃料を燃焼させ、反応部2aに対し改質
反応に必要な熱を与える。バーナ部2bからの燃
焼ガスは燃焼排ガス配管6を経由して、ターボコ
ンプレツサ3のタービン8aに投入され、この燃
焼排ガスのエネルギーにより、ターボコンプレツ
サ3には回転動力が与えられる。タービン3aと
同軸上に配置されたコンプレツサ3bより供給さ
れる圧縮空気は空気供給配管7を経由して燃料電
池本体1の空気極1bに送られる。そこで消費さ
れたあとの残りの余剰空気は余剰空気配管8を通
り、改質器2のバーナ部2bへ送られ、そこで燃
焼用に消費される。なお、システムの動作圧力は
例えば3〜6Kg/cm2Gであり、燃料電池本体1の
両反応ガスの圧力及び改質器バーナ部2bの燃焼
圧力はほぼこの圧力に維持される。
この様に、このシステムにおいては排ガスが有
しているエネルギーをタービンで回収して空気を
圧縮する仕事に利用することにより、システム内
で有効にエネルギー回収を行い、システム効率の
向上を図つている。
しかるに、この様な従来のシステムのものは改
質器バーナ部が高圧燃焼となるため、燃焼の安定
性を確保するのが難しいという欠点を有してい
る。即ち、このシステムはいわゆる発電システム
として迅速な負荷変動制御が要求され、負荷変動
時には一時的にコンプレツサ吐出流量を変化させ
る必要があるが、このとき同時にシステム動作圧
力が変動してバーナ部燃焼圧力が変動する傾向が
あり、このためにバーナ部の燃焼安定性が損わ
れ、失火が生じ易くなるという問題があつた。こ
の様な圧力変動はターボコンプレツサの持性によ
つて生ずるものである。また、このシステムでは
バーナ部の炉構造を高圧燃焼に耐える耐圧構造と
する必要があるため、改質器の重量が増し、その
ため熱容量が大きくなつて起動時の昇温に長時間
を要するという欠点もあつた。
〔発明の概要〕
この発明は上記の様な従来のものの欠点に鑑み
てなされたものであり、改質器のバーナ部はブロ
ワからの燃焼用空気によりほぼ常圧に近い圧力で
燃焼を行わせ、一方燃料電池より排出される余剰
空気をターボコンプレツサのタービンに導く配管
上に熱交換器を設置し、この熱交換器の加熱媒体
としてバーナ部から排出される燃焼排ガスを使用
することにより、従来システムと同等に系内で有
効なエネルギー回収が図れる上に、安定したバー
ナ燃焼を保証し、且つ起動時の昇温時間を短縮で
きる燃料電池発電システムを提供することを目的
としている。
〔発明の実施例〕
以下、この発明の一実施例を第2図に基いて説
明する。図において1〜5,7は上述した従来の
システムの構成と同様である。9は燃料電池本体
1の空気極1bより排出される余剰空気をターボ
コンプレツサ3のタービン3aに供給する余剰空
気配管、10はこの余剰空気配管9上に設置され
た熱交換器、11は改質器2のバーナ部2bより
排出される燃焼排ガスを、前記熱交換器10の加
熱側に導いたあと大気に放出する燃焼排ガス配
管、12,13は改質器2のバーナ部2bへ燃焼
空気を供給するための電動ブロワと燃焼用空気供
給配管である。
次いでこの発明によるシステムの動作を説明す
る。このシステムにおいては、従来システムと同
様、特性向上のために燃料電池本体1の各反応ガ
ス圧力は例えば3〜6Kg/cm2G程度の高圧に維持
される。従来システムでは、改質器2のバーナ部
2bの燃焼用空気は、燃料電池本体1の空気極1
bからの高圧の余剰空気を利用していたが、この
システムでは電動ブロワ12から供給される空気
を使用し、バーナ部2bは大気圧に近い圧力での
燃焼、即ち常圧燃焼としている。バーナ部2bへ
の燃料は、従来システムと同様、燃料電池本体1
の燃料極1aからの余剰燃料が使用されるが、こ
の場合余剰燃料は余剰燃料供給配管5上の調節弁
(図示せず)により圧力の調整が行われ、大気に
近い圧力でバーナ部2bに供給される。バーナ部
2bより排出される燃焼排ガスは燃焼排ガス配管
11を経由して大気へ放出されるが、その途中で
熱交換器10を通過する。一方、燃料電池本体1
の空気極1bから排出される高圧の余剰空気は、
余剰空気配管9を経由してターボコンプレツサ3
のタービン8aに送られるが、その途中におい
て、余剰空気は上述のバーナ部2bからの燃焼用
排ガスを加熱媒体とする熱交換器10によつて加
熱され、即ち、熱交換器10によつて燃焼排ガス
の熱エネルギーが伝えられて、タービン3aに投
入される。このためこのシステムでターボコンプ
レツサ3のタービン3aに与えられる動力は、従
来システムにおいて高圧燃焼バーナ部からの燃焼
排ガスを導入する場合と比較して、同等の量を得
ることができ、したがつて従来システムと同様
に、系で有効なエネルギー回収を図り、必な圧縮
空気を供給できる機能を有する。その上で、改質
器2のバーナ部2bをターボコンプレツサ3の系
統から切離し常圧燃焼させる様にしたので、前述
の様にシステムの負荷変動に伴う圧力変動がな
く、したがつて安定したバーナ燃焼を保証するこ
とができる。即ち、バーナ部2bをターボコンプ
レツサ3の系統から切離したので、負荷変動時に
生ずるターボコンプレツサ3の圧力変動がバーナ
部2bへ伝わらず、このため燃焼の安定性が確保
される。また、バーナ部2bが常圧燃焼であるた
め、従来システムの様な耐圧構造とする必要がな
く、したがつて炉構造を軽量化することが可能
で、これにより炉構造の熱容量低減、起動時の昇
温時間短縮を図ることができる他、コスト低減の
効果も得るこができる。なお、このシステムで
は、従来システムに対し、電動ブロワ12が追加
となるが、バーナ部2bが常圧燃焼のため、例え
ば数百mmAg程度の低圧のブロワでよく、このた
め電動ブロワ12の消費動力はごく僅かであり、
これによるシステム効率への影響は殆どない。
この様に、この発明の方法では、従来と同様に
系内で有効なエネルギー回収を図つた上で、改質
器2のバーナ部2bの燃焼を常圧燃焼としたの
で、システム効率が損われることなくバーナ燃焼
の安定化を保証することが可能となり、ひいては
バーナ部の炉構造が軽量化されて起動時の昇温時
間を短縮することが可能となる他、バーナ部の低
コスト化の効果も得ることができる。
なお、上記実施例では、バーナ燃焼用空気の供
給手段として設ける電動ブロワは、空気供給側に
設ける押込形であつたが、燃焼排ガス配管側に設
ける誘引形でも良く、あるいは押込形と誘引形を
併用しても良く、いずれも上記実施例と全く同様
の効果を奏する。また電動ブロワは、他の電力以
外の駆動源を持つブロワに置き換えても良いこと
はもちろんである。
〔発明の効果〕
この発明は以上に説明したとおり、燃料電池本
体の空気極から排出される余剰空気をターボコン
プレツサのタービンへ導く配管の途中に熱交換器
を設置し、この熱交換器の加熱媒体として改質器
のバーナ部より排出される燃焼排ガスを使用した
構成としたので、システム効率を損うことなく改
質器のバーナ部を常圧燃焼とすることにより、バ
ーナ燃焼の安定化が確保される効果が得られる
他、起動時の昇温時間の効果を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の燃料電池発電システムを示す系
統図、第2図はこの発明の一実施例による燃料電
池発電システムを示す系統図である。 図において、1は燃料電池本体、2は改質器、
2aは反応部、2bはバーナ部、3はターボコン
プレツサ、3aはタービン、3bはコンプレツ
サ、9は余剰空気配管、10は熱交換器、11は
燃焼排ガス配管、12はブロワである。なお、図
中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 燃料電池本体と、この燃料電池本体に炭化水
    素系燃料を改質したガスを供給する反応部と常圧
    燃焼されるバーナ部とから成る改質器と、上記燃
    料電池本体の空気極から排出される余剰空気によ
    つて駆動され上記燃料電池本体に必要な圧縮空気
    を供給するタービンとコンプレツサから成るター
    ボコンプレツサと、上記燃料電池本体の空気極か
    ら排出される余剰空気を上記ターボコンプレツサ
    のタービンへ導く配管と、この配管の途中に設け
    られ、上記改質器のバーナ部より排出される燃焼
    排ガスと上記余剰空気とを熱交換する熱交換器と
    を備えたことを特徴とする燃料電池発電システ
    ム。 2 改質器のバーナ部はブロワによる空気を導入
    して常圧燃焼させることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の燃料電池発電システム。
JP60039574A 1985-02-26 1985-02-26 燃料電池発電システム Granted JPS61198567A (ja)

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JPS61198567A JPS61198567A (ja) 1986-09-02
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JPH03266368A (ja) * 1990-03-16 1991-11-27 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池用燃料改質器

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