JPH0352188B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は燃料電池の空気極出口の余剰空気及
び上記改質器の排ガスによつて駆動され上記燃料
電池と改質器に必要な圧縮空気を供給するターボ
コンプレツサを備えた燃料電池発電システムに関
するものである。

〔従来技術〕

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、環境保全性が良い等の
利点があり、実用化を目指し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基本的に
は電池本体、改質器、インバータにより構成され
るが、この他のシステムの効率向上に不可欠な構
成機器としてターボコンプレツサがある。

燃料電池本体は燃料ガスとして天然ガス等の炭
化水素系燃料を改質して得られる水素リツチな改
質ガスを使用し、酸化剤ガスとして空気を使用す
る。電池本体の性能は各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
各反応ガスの動作圧力は、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、その値は電池の発生エ
ネルギーの約20％にも達する。一方、電池の燃料
ガスを生成するための改質反応は、約800℃の高
温で行われ、改質器からは高い温度の排ガスが排
出される。したがつて空気の圧縮動力源をシステ
ムの排ガスエネルギーに求めることができればシ
ステムの効率向上に大きな効果がある。ターボコ
ンプレツサはこのような目的で導入されるもの
で、システムの排ガスエネルギーをタービンで回
収し、同軸上のコンプレツサで必要な圧縮空気を
供給することによつて、システム内部で動力回収
をし、システム効率の向上を図るものである。

第１図に一般的な燃料電池発電システムの空気
回路系統図を示す。図において、１は燃料電池本
体、２は改質器、３はターボコンプレツサ、３
ａ，３ｂはそれぞれターボコンプレツサ３のコン
プレツサ、タービンであり、コンプレツサ３ａで
圧縮された空気の一部が流量調節弁５を経て燃料
電池本体１の反応に、残りの空気が流量調節弁６
を経て改質器２の燃料用に使用されたあと、それ
ぞれの排ガスがタービン３ｂに投入される。４は
タービン３ｂの不足動力を補う助燃炉であり、タ
ーボコンプレツサ３と組合せて使用される。一般
に空気流量の少ない部分負荷運転条件時は定格負
荷時に比しターボコンプレツサ３の効率が低く、
タービン３ｂの動力が不足する傾向にある。この
ようなとき、流量調節弁７を開いてコンプレツサ
３ａの吐出空気の一部を助燃炉４に導き、その燃
焼ガスをシステムの排ガスに加えることにより、
タービン３ｂの動力不足をカバーする。又、低負
荷域でコンプレツサ３ａのサージングを防止する
必要があるとき、調節弁８を開いて空気の一部を
バイパスさせるが、これによつてタービン３ｂの
動力が不足する分は助燃炉４に空気を導いて補
う。この他、運転時の負荷調整用にタービンバイ
パス調節弁９、及びタービンノズル（図示せず）
がある。

燃料電池発電システムは上記のように構成され
るが、このような燃料電池発電システムを起動さ
せるには、通常、反応温度が高く且つ熱時定数の
大きい改質器２の昇温からスタートするが、これ
には燃焼用の空気を必要とする。一方、ターボコ
ンプレツサ３は何等かの入力なしには自力で立ち
上がることができない。したがつて、燃料電池発
電システムを起動するには何等かの外部エネルギ
ーを付与してターボコンプレツサ３を起動させて
やる必要がある。このターボコンプレツサ３は従
来航空機の分野で補助動力ユニツト（APU）や
空調システム（ECS）に一般的に使用される例が
あり、この場合、ターボコンプレツサ３の起動は
例えばジエツトエンジンコンプレツサの圧縮空気
の一部をタービンに導入するとか直結セルモータ
方式で行われていた。但し、燃料電池発電システ
ムにおいては、システム停止状態において、ター
ボコンプレツサ３を起動させるために駆動力を与
えるのに必要な利用できる動力源（圧縮空気）が
周囲に存在しないため、特別にターボコンプレツ
サ３の起動手段を構成する必要がある。そこで、
燃料電池発電システムにおいて、直結セルモータ
方式によりターボコンプレツサ３の起動手段を構
成することが考えられるが、この場合、システム
構成が複雑となり、又ターボコンプレツサ３の動
作効率が低下するという欠点があつた。

〔発明の概要〕

この発明は上記のような従来のものの欠点に鑑
がみてなされたものであり、ターボコンプレツサ
のコンプレツサ出口側に設置され、システム起動
時に運転されこれに伴う圧縮空気を改質器に供給
して燃焼させ且つ改質器での燃焼後その圧縮空気
の一部を助燃炉に供給して助燃エネルギーを付与
する起動用圧縮空気供給装置を設け、簡単な構成
で効率的にターボコンプレツサを運転することが
できる燃料電池発電システムを提供するものであ
る。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を第２図に基づいて
説明する。図において、１〜９は上述した従来の
構成と同様である。１０はターボコンプレツサ３
のコンプレツサ３ａ出口側に設置され、システム
起動時に運転されこれに伴う圧縮空気を改質器２
に供給して燃焼させ且つ改質器２での燃焼後その
圧縮空気の一部を助燃炉４に供給して助燃エネル
ギーを付与する起動用圧縮空気供給装置、１１は
コンプレツサ３ａ出口側で大気に解放するサージ
防止弁、１２は逆止弁である。

燃料電池発電システムを起動させる動作を次に
述べる。まず、圧縮空気供給装置１０を起動し、
調節弁６を開いて改質器２に空気を導いて改質器
２の燃焼をスタートする。このとき、コンプレツ
サ３ａの出口側が締切状態であればサージングを
生じるので、サージ防止弁１１を開いてコンプレ
ツサ３ａ出口側を大気に解放して置く。逆止弁１
２の作用によつて圧縮空気供給装置１０からの空
気がコンプレツサ３ａ側に逆流することはない。
調節弁９が閉じているときは、改質器２に空気を
導くと同時にターボコンプレツサ３の回転がスタ
ートし、改質器２の排ガスの温度上昇とともにタ
ーボコンプレツサ３の回転数が上昇し、コンプレ
ツサ３ａの吐出流量が増加する。調節弁９が開い
ているときは、ターボコンプレツサ３は停止した
ままである。改質器２の排ガスの温度がある程度
上昇した時点で、調節弁７を開いて助燃炉４に空
気を導くと同時に助燃炉４に燃料を導入して助燃
炉４の燃焼をスタートする。このとき、圧縮空気
供給装置１０からの空気は、改質器２と助燃炉４
に分配される。助燃炉４の排ガスの温度が上昇す
れば、ターボコンプレツサ３の自力運転の条件は
成立する。即ち、調節弁９が閉じているときは、
助燃炉４の排ガスの温度が上昇し、十分なコンプ
レツサ３ａ吐出流量になつた時点でサージ防止弁
１１を閉じれば、コンプレツサ３ａの吐出圧力が
圧縮空気供給装置１０の吐出圧力を上回り、逆止
弁１２が開いてコンプレツサ３ａの吐出空気が改
質器２と助燃炉４に供給される。又調節弁９）が
開いているときは、この時点で調節弁９を徐々に
閉じればターボコンプレツサ３は起動し、以後は
同上の手順でコンプレツサ３ａの吐出空気を改質
器２と助燃炉４に導くことができる。しかる後、
圧縮空気供給装置１０を停止させればターボコン
プレツサ３は自力運転に入ることになる。ターボ
コンプレツサ３が自力運転に入れば、以後のシス
テム立ち上げに必要な空気はターボコンプレツサ
３から供給される。燃料電池本体１へは、このあ
と調節弁５を開いて空気を供給する。このように
して改質器２の排ガスエネルギーを有効に利用し
ながら助燃炉４を使用してターボコンプレツサ３
を立ち上げシステムを起動するようにしている。
ターボコンプレツサ３が自力運転に改質器２の排
ガスエネルギーを利用することは、その分助燃炉
４を小さくできる点でメリツトがある。例えば、
ひとつの試算例として改質器２の燃焼スタートと
同時に助燃炉４を点火し、ターボコンプレツサ３
を自力運転させる場合、電池発生エネルギーの15
％〜20％程度の容量の助燃炉４が必要である。一
方、改質器２の昇温が十分に行われた後に助燃炉
４を点火し、ターボコンプレツサ３を自力運転さ
せる場合、助燃炉４の容量は電池発生エネルギー
の約５％程度でよい。尚、助燃炉４の点火を必要
以上に遅らせば、圧縮空気供給装置１０の運転時
間が長くなり、システム起動に要する全消費エネ
ルギーが大きくなるので助燃炉４の点火、ターボ
コンプレツサ３の立ち上げのタイミングは、助燃
炉４の容量とシステム起動時のエネルギー消費量
の双方を勘案して適正値が決められる。以上のよ
うにコンプレツサ３ａ出口側に起動用圧縮空気供
給装置１０を設置するという簡単な構成で、又タ
ーボコンプレツサ３の動作効率を低下させること
なく、システム起動時にターボコンプレツサ３を
起動及び自力運転するようにしている。

尚、上記実施例の圧縮空気供給装置１０は、タ
ーボコンプレツサ３を初起動させるだけの容量が
あればよく、例えば電動その他の駆動によるコン
プレツサ又はブロワが使用される。

又、圧縮空気供給装置１０の位置は、コンプレ
ツサ３ａ出口側逆止弁１２の下流側で、調節弁
５，６，７，８のそれぞれの弁に至までの間の回
路上であれば何処に設置してもよく、上記実施例
と同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り、ターボコンプレ
ツサのコンプレツサ出口側に設置され、システム
起動時に運転されこれに伴う圧縮空気を改質器に
供給して燃焼させ且つ改質器での燃焼後その圧縮
空気の一部を助燃炉に供給して助燃エネルギーを
付与する起動用圧縮空気供給装置を設けたことに
より、簡単な構成で効率的にターボコンプレツサ
を運転することができる燃料電池発電システムを
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な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、
３はターボコンプレツサ、４は助燃炉、１０は圧
縮空気供給装置である 尚、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 燃料電池と、炭化水素系燃料を改質して上記
   燃料電池に水素ガスを供給する改質器と、この改
   質器の排ガス又は上記燃料電池の空気極出口の余
   剰空気及び上記改質器の排ガスの両に方よつて駆
   動され上記燃料電池と改質器に必要な圧縮空気を
   供給するコンプレツサとタービンを有するターボ
   コンプレツサと、上記コンプレツサ出口空気の一
   部を上記タービン入口回路にバイパスする回路上
   に設置され上記タービンの不足動力を補う助燃炉
   を備えた燃料電池発電システムにおいて、上記タ
   ーボコンプレツサのコンプレツサ出口側に設置さ
   れ、システム起動時に運転されたこれに伴う圧縮
   空気を上記改質器に供給して燃焼させ且つ上記改
   質器での燃焼後その圧縮空気の一部を上記助燃炉
   に供給して助燃エネルギーを付与する起動用圧縮
   空気供給装置を備えたことを特徴とする燃料電池
   発電システム。 ２ 圧縮空気供給装置はコンプレツサであること
   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。 ３ 圧縮空気供給装置はブロワであることを特徴
   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。