JPH04190567A

JPH04190567A - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JPH04190567A
Application number: JP2319786A
Authority: JP
Inventors: Masaru Tanaka; 勝田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-11-22
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1992-07-08

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、電力事業用に好適する都市近郊地域立地形の
燃料電池発電プラントに関する。

（従来の技術）電力事業用に供されるＭＷ級（メガワットクラス）以上
の大容量の燃料電池発電プラントは複数個の電池スタッ
クから構成されている。例えば、］、ＯＭＷ級の発電プ
ラントでは、７００　ＫＷ級電池スタック１８台を１列
６台、３列で構成している。

第２図は］列６台の電池スタックの内、片側３台の電池
スタック１の夫々に空気、燃料ガスおよび冷却水を供給
・排出する多数の配管、配管部品、イ」属部品などから
成る配管システムを示している。

同図において、各電池スタック１には、酸化剤として空
気を電池空気極に供給する空気配管１１が接続されてい
る。各空気配管１１にはレジューサ１２が介挿されてい
る。また、各電池スタック１には、燃料として炭化水素
系燃料を改質した水素リッチな改質ガスを燃料極に供給
し、排出する燃料ガス配管１３か接続されている。各燃
料ガス配管１３にもレジューサ］２か介挿されている。

電池スタック１は、複数個積層された単位電池のブロッ
クの間に、適当な間隔毎に冷却板を介挿して構成されて
いるが、これらの冷却板に冷却水等の冷媒を供給・排出
する冷却水配管１４にもレジューサ１２が介挿されてい
る。

その他の配管としては、電池スタック容器の空間へ漏洩
した燃料ガスをパージするパージガス給排気配管、電池
スタック容器の底部に溜まるドレン水を排水するドレン
排出配管（いずれも図示せず）などがあるが、これらの
配管にもレジューサが介挿されている。

上記の各配管は、それぞれ異なった口径で１列６台の電
池スタック１に均等に流量配分する必要があり、また、
分配・分岐・合流の度に配管サイズが適当な口径にダウ
ンまたはアップされるためレデューサ１２を介して接続
される。

（発明が解決しようとする課題）上記において、各電池スタック１への配管ルーｉ・とル
ート長は大幅に異なり、それぞれの配管抵抗も異なって
くるので、これを調整するためのオリフィス、バルブ、
計器などが必要である。またそれらを設置する配管ルー
トの形成のために、配管エルボや適当な長さの直管を確
保する等、配管システムの設置スペースと容積か大きく
なり、スペースファクタが増大する上、特に空気・燃料
ガス配管系では、低圧損化による圧縮機容量を抑えた設
計への悪材料となり、全体のコストアップ要因となって
いる。

本発明は従来技術における上述のごとき欠点を解決すべ
くなされたもので、燃料電池スタックの配管システムの
設置スペースと容積の増大要因やそのための配管材料、
加工工数アップなどコストアップ要因の弊害を排除し、
コンパクトで低コストの燃料電池発電プラントを提供す
ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明の燃料電池発電プラ
ントは、空気加圧システム、燃料処理システム、冷却サ
ブシステムを付属する燃料電池スタックシステムと周辺
装置を備えた燃料電池発電プラントにおいて、入口・出
口間で同一圧損となるように設計、製作された複数台の
電池スタックと、空気配管系、燃料ガス配管系、冷却水
配管系のそれぞれを２または３系列化された電池スタッ
ク群に均等分配する入口ヘッダーと、各系列の電池スタ
ックそれぞれに均等に流量分配するために均圧化するマ
ニホールドと、これらのヘッダーとマニホールドを接続
する配管レデューサと、前記各系列のマニホールドと各
電池スタックの間に介挿され、これらのマニホールド径
に対して十分に小径で同口径のマニホールド取出座と、
前記マニホールドを電池スタック直径の範囲内において
段積み構造にした電池スタックパレットとを具備するこ
とを特徴とする。

（作　用）上述のように本発明によれば、コンパクトかつ低コスト
で燃料電池発電プラントを構成でき、しかも空気、燃料
ガスおよび冷却水の流量を低圧損で均等に配分すること
ができる。

（実施例）次に、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は１台当りの電気容量か１，０ＯＯＫＷの電池ス
タックを１２台用い、１列４台×３列構成としたＩＯＭ
Ｗ級発電プラントの例を示すもので、第１図（Ａ）は冷
却水配管系を、同図（Ｂ）は燃料ガス配管系を、同図（
Ｃ）は空気配管系を示している。また、第１図（Ｄ）は
、同図（Ａ）〜（Ｃ）の配管系を上から順に段積みして
構成した時のＤ−Ｄ矢視図である。

第１図（Ａ）において、冷却水入口ヘッダー２と３本の
冷却水入口マニホールド３の間はそれぞれ冷却水入口ヘ
ッダー・マニホールド間レジューサ４で接続されている
。出口側も同様で、冷却水出口ヘッダ−５と３本の冷却
水出口マニホールド６の間はそれぞれ冷却水出口ヘッダ
ー・マニホールド間レジューサ７で接続されている。冷
却水入口マニホールド３と冷却水出口マニホールド６と
は、それらのマニホールド径に比して十分に小径で同口
径の、４個ずつの人口取出塵または出口取出圧９を介し
て、各列４台の・電池スタック１に取付けられている。

第１図（Ｂ）において、燃料ガス入口ヘッダ−２２と３
本の燃料ガス入口マニホールド２３の間は、それぞれ燃
料ガス入口ヘッダー・マニホールド間レジューサ２４で
接続されている。出口側も同様で、燃料ガス出口ヘッダ
−２５と３本の燃料ガス出口マニホールド２６の間は、
それぞれ燃料ガス出口ヘッダー・マニホールド間レジュ
ーサ２７で接続されている。燃料ガス入口マニホールド
２３と燃料ガス出口マニホールド２６とは、それらのマ
ニホールド径に比して十分に小径で同口径の、４個ずつ
の入口堰出座２８または出口取出圧２９を介して、各列
４台の電池スタック１に取付けられている。

第１図（Ｃ）において、空気入口ヘッダ−３２と３本の
空気入口マニホールド３３の間は、それぞれ空気入口ヘ
ッダー・マニホールド間レジユーザ３４で接続されてい
る。出口側も同様で、空気出口ヘッダ−３５と３本の空
気出口マニホールド３６の間は、それぞれ空気出口ヘッ
ダー・マニホールド間レジューサ３７で接続されている
。空気入口マニホールド３３と空気出口マニホールド３
６とは、それらのマニホールド径に比して十分に小径で
同口径の、４個ずつの入口堰出座３８または出口取出圧
３９を介して、各列４台の電池スタック１に取付けられ
ている。

本発明においては、上述のように各移送媒体別に構成れ
た配管系を、口径の小さな順に上がら、冷却水配管系（
第１図（Ａ））　、燃料ガス配管系（第１図（Ｂ））　
、空気配管系（第１図（Ｃ））と段積みし、互いの配管
が干渉しないように構築する。

この場合、各電池スタック容器１の底部に溜まるドレン
水を各列毎に一本の配管に集めて排水する集合排水管４
０か、各列電池スタック中心最低部の下側に、他の配管
に干渉しないように、かつ傾斜して配置されている。

次に、本発明プラントの作動を、第１図（Ｂ）の燃料ガ
ス配管系を例にとって説明すると、発電プラントの燃料
処理系で改質された改質ガスは、燃料ガス入口ヘッダ−
２２から、燃料ガス入口ヘッダー・マニホールド間レジ
ューサ２４を介して３本の燃料ガス入口マニホールド２
３に分流して均圧化され、各列の４台の電池スタック１
に均等配分される。出口側においても同様で、各電池ス
タック１から排出される燃料ガスは各列の燃料ガス出口
マニホールド２６と燃料ガス出口ヘッダー・マニホール
ド間レデューサ２７を流れ、燃料ガス出口マニホールド
２５で合流した後、共通の一本の配管から排出される。

この場合、各列４個ずつの入口堰出座２８と出口取出圧
２９は、燃料ガス入口マニホールド２３および燃料ガス
出口マニホールド２５の径に比して十分に小径で、かつ
同径であり、電池スタック１と同一圧損、同一条件で取
合うので、均等な流量分配を可能にする。

なお、第１図（Ａ）の冷却水配管系と、同図（Ｃ）の空
気配管系についても、上述した燃料ガス配管系と同様の
作用をもって機能するので、説明は省略する。

第３図と第４図は、上述した本発明プラントにおける電
池スタックまわりの配管システムを設置するための電池
スタック・パレットを例示している。

これらの図において、１列４台×３列構成の電池スタッ
ク１を据付けるパレット架台４］には床中間部４２を設
け、そこに段積みした配管ヘッダ３５．２５．５と、マ
ニホールド３，２３．３３とを−Ｌ場において予め組立
て据付けし、パレットを単位として気密テスト等の検査
まで終えた後、半製品として現地へ輸送する。

このようにパレット構造として予め組込まれた配管シス
テムは、−括または適当な大きさに分割されて現地へ輸
送、据付けられ、パレット架台１］上に１２台の電池ス
タック］を据付けられると共に、パレット架台４１の床
面近傍まで引用された電池スタック１の取出配管座と、
パレット架台３］側に据付けられた配管側取合座とを、
それぞれの配管毎に接続することにより据付けを完了す
る。

従来の燃料電池発電プラントにおいては、例えば空気・
燃料ガス配管系において、空気・燃料ガスを、低圧損か
つ均等に、各電池スタックへ流量分配する場合、配管ル
ートの違いから圧損が異なるため、これを調整するのに
オリフィス、バルブおよび計器等が必要となり、そのた
めに配管ルートか変わる上、ルート長も長くなり、設置
容積が増大し、コストかアップしていたか、本発明にお
いては、各配管系を配管ヘッダ、均圧マニホールドおよ
び、より少ないレデューサで構成しているので、従来技
術における上述の弊害が排除され、プラント全体に占め
る割合いが大きい電池スタック・パレットをコンパクト
に、かつ低コストで実現でき、従ってコンパクトで低コ
ストの燃料電池発電プラントを構成することができる。

なお、上記実施例は４電池スタック／列×３列の構成例
であるが、トータル電圧を高くとり、電流をそれぞれ小
さくしても同一電気容量　（ＫＷ）を実現できるため、
６電池スタック／列×２列で構成してもよい。この場合
、電池スタック・パレットは、第３図に比べて、電池ス
タック２台分だけ長平方向に長くなり、それと直角方向
は電池スタックの１列分だけ細めのパレット構造となる
。

第５図の実施例は、均圧マニホールドとして、家庭用ガ
スコンロから想像される円環マニホールドを使用し、３
ユニツトの円環マニホールド上にそれぞれ４台の電池ス
タッド１を配置した場合における１ユニツト分の概略図
を示し、第６図はこの１ユニツト分の円環マニホールド
の段積み状態を示す。

これらの図において、空気入口分岐配管５２には空気入
口円環マニホールド５３が空気配管エルボ５４を介して
接続されている。また空気出口分岐配管５５には空気出
口円環マニホールド５６が空気配管エルボ５７を介して
接続されている。

燃料ガス入口分岐配管６２には燃料ガス入口円環マニホ
ールド６３が燃料ガス配管エルボを介して接続されてい
る。また燃料ガス出口分岐配管６５には燃料ガス出口円
環マニホールド６６が燃料ガス配管工ルホを介して接続
されている。

冷却水入口分岐配管７２には冷却水入口円環マニホール
ド７３が冷却水配管工ルホを介して接続されている。ま
た冷却水出口分岐配管７５には冷却水出口円環マニホー
ルド７６か冷却水配管エルボを介して接続されている。

空気人口円環マニホールド５３、燃料ガス入口円環マニ
ホールド６３、冷却水入口円環マニホールド７３、空気
出口円環マニホールド５６、燃料ガス出口円環マニホー
ルド６６、および冷却水出口円環マニホールド７６は、
電池スタック］の直−］　２　− 径の範囲内において同心状に、かつ電池スタック取合配
管座と垂直方向に接続できるよう段積みして配置され、
それらの上に設置された４台の電池スタック１に取出座
５８，６８，７８，５９゜６９．７９を介して接続され
ている。これらの各取出座５８，６８，７８，５９，６
９．７９は円環マニホールドの径に比して十分に小径で
あり、かつ同一ユニット内の４台の電池スタック１に対
して同口径とされている。

なお、空気入口円環マニホールド５３、燃料ガス入口円
環マニホールド６３、冷却水入口円環マニホールド７３
は、この順に円環径か増大するように寸法を定められ、
同心円上に段積みされている。また、空気出口円環マニ
ホールド５６、燃料ガス出口円環マニホールド６６、お
よび冷却水出口円環マニホールド７６は、この順に円環
径が縮小するように寸法を定められ、同心円上に段積み
されている。

次に、上記構成の実施例の作用を、空気配管系を例にと
って説明する。

この実施例においては、空気供給母管（図示せず）から
３本に分岐された内の１本の空気入口分岐配管５２か、
空気入口円環マニホールド５３上に導かれ、同マニホー
ルド取出座まで、配管エルボ５４をはさんで接続されて
おり、空気が円環マニホールド５３に導かれると、相当
・の空気ボリュームをもつ円環マニホールド５３内で空
気は均圧化され、充分に小さな口径の取出塵を通して４
台の各電池スタック］内の空気マニホールドを経由して
空気極へ供給される。酸素を部分消費された（Ｊｌ気空
気は、出口側の前述とは逆方向の経路を通して空気山口
円環マニホールド５６へ導かれ、空気出口分岐配管５５
へ排出される。

燃料ガス配管系および冷却水配管系についても同様であ
る。

なお、上記実施例は第５図および第６図の円環マニホー
ルドを３ユニツト、独立して平面上に配置した例である
が、さら′に別の変形例としては、これらの円環マニホ
ールドユニットを積上げ、３段の階層構造とすることに
より、設置面積をさらに小さくすることもできる。

〔発明の効果〕

従来の配管、配管部、付属品からなる電池スタックまわ
り配管システムは、各電池スタックへの配管ルートの違
いからそれぞれの配管圧損が異なるため、各電池スタッ
クへ均等に流量を分配するための調整手段が必要であり
、このためさらに圧損要素か追加となり、いたちごっこ
で設置容積とコストが増えたが、本発明では、これら従
来の配管システムを改め、配管ヘッダー、直線状または
円環状の均圧マニホールド、およびより少ないレゾユー
ザで構成すると共に、各マニホールドを、それらのマニ
ホールド径に比して十分に小径で同口径の複数個ずつの
取出塵を介して電池スタックに取イ・ｊけるようにして
いるので、配管ルートの違いや流量調整手段の追加など
圧損要素を調節する必要か排除され、電池スタック・パ
レット全体かコンパクトで安価になり、結果的にコンパ
クトで安価な燃料電池発電プラントを構成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、　　（Ｂ）、　　（Ｃ）は本発明におけ
る電池スタック廻りの冷却水配管系、燃料ガス配管系、
空気配管系の伝送媒体別分割説明図、第１図（Ｄ）は同
図（Ａ）−〜（Ｃ）の各配管系を段積みし、電池スタッ
クと取合い配管で接続した状態で示すＤ−Ｄ矢視図、第
２図は従来の電池スタックまイつりの配管系統図、第３
図は本発明の実施例を示す電池スタック・パレットの正
面図、第４図は、第３図に示す電池スタック・パレット
の側面図、第５図は本発明の他の実施例を示す説明図、
第６図は第５図における円環マニホールドを拡大して示
す断面図である。１・・・電池スタック、２・・・冷却水入口ヘッダー、
３・・・冷却水入口マニホールド、４，７・・・レジユ
ーザ、５・・冷却水出口ヘッダー、６・・・冷却水出ロ
マニホールト、８・・・冷却水入ロマニホールド取出座
、９・・・冷却水出ロマニホールト取入座、２２・・燃
料ガス入ロヘノダー、２３・・・燃料ガス入口マニホー
ルド、２４．２７・レジューサ、２５・・・燃料ガス出
口ヘッダー、２６・・・燃料ガス出口マニホールド、２
８・燃料ガス入ロマニホールド取出座、２９・・・燃料
ガス出ロマニホールド取入座、３２・・空気入口ヘッダ
ー、３３・・・空気入口マニホールド、３４゜３７・・
レジューサ、３５・・・空気出口ヘッダー、３６・・空
気出口マニホールド、３８・・・空気入ロマニボールド
取出座、３９・・・空気用ロマニホールド取入座、４０
・・・集合排水配管、４１・・・パレット架台、４２・
・床中間部、５２・・・空気入口分岐配管、５３・・・
空気入口円環マニホールド、５４．５７・・・空気配管
エルボ、５５・・・空気出口分岐配管、５６・・・空気
出口円環マニホールド、５８，５９，６８゜６９．７８
．７９・・・取付座、６２・・・燃料ガス入口分岐配管
、６３・・燃料ガス入口円環マニホールド、６５・・・
燃料ガス出口分岐配管、６６・・・燃料ガス出口円環マ
ニホールド、７２・冷却水入口分岐配管、７３・・冷却
水入口円環マニホールド、７５・・・冷却水出口分岐配
管、７６・・冷却水出口円環マニホールド。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄

Claims

【特許請求の範囲】

空気加圧システム、燃料処理システム、冷却サブシステ
ムを付属する燃料電池スタックシステムと周辺装置を備
えた燃料電池発電プラントにおいて、入口・出口間で同
一圧損となるように設計、製作された複数台の電池スタ
ックと、空気配管系、燃料ガス配管系および冷却水配管
系のそれぞれを２または３系列化された電池スタック群
に均等分配する入口ヘッダーと、各系列の電池スタック
それぞれに均等に流量分配するために均圧化するマニホ
ールドと、これらのヘッダーとマニホールドを接続する
配管レデューサと、前記各系列のマニホールドと各電池
スタックの間に取付けられ、これらのマニホールド径に
対して十分に小径で同口径のマニホールド取出座と、前
記マニホールドを電池スタック直径の範囲内において段
積み構造にした電池スタックパレットとを具備すること
を特徴とする燃料電池発電プラント。