JPH04345766A - 燃料電池発電プラントの熱併給発電システム - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電プラントの
熱併給発電システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３に従来の燃料電池発電プラントの概
略系統図を、また、図４に燃料電池発電プラントの電池
冷却水系統の系統図を示す。

【０００３】図３に示すように、タンクまたはパイプラ
イン１０から供給される天然ガスは、コンプレツサ１１
によつて昇圧され水添脱硫器１２において脱硫された後
、気水分離器２から送られてきた蒸気と混合して改質器
１３に導入される。

【０００４】改質器１３においては、蒸気と混合した天
然ガスは吸熱反応によつて水素、一酸化炭素および二酸
化炭素に改質された後、さらに一酸化炭素高温段／低温
段変成器１４、１５および改質ガス用コンタクトクーラ
１６において一酸化炭素は二酸化炭素に変成され水素と
ともに燃料電池本体１の燃料極（アノード）１７に送ら
れる。

【０００５】電池本体１においては、発電に必要な水素
が消費され、また、その際の余剰の水素は改質器１３の
燃焼源として再度使用された後、燃焼排ガスとなりター
ボコンプレツサ２０の駆動源として再使用され、排気筒
２１から外気中に放出される。

【０００６】また、空気は外気から改質器１３の排ガス
によつて駆動されるターボコンプレツサ２０内に導入さ
れ、昇圧された後、電池本体１の空気極（カソード）１
８に送られ消費される。その際の余剰空気はカソード排
気用コンタクトクーラ１９を経て改質器１３へ送られ、
改質器１３の燃焼用の酸化剤として使用された後、燃焼
排ガスとなり、ターボコンプレツサ２０の駆動源として
再利用され、ついで大気中に放出される。

【０００７】電池本体１は供給される水素と空気（酸素
）の電気化学反応によつて直流電力を発電する。電池本
体１で発電された直流電気は直交変換装置２２および変
圧器２３を通つて需要側に配電される。その際、発生す
る熱を除去するため電池本体１をめぐつて図４に示すよ
うに、冷却水が循環しており、電池本体１内で熱交換さ
れた冷却水は、温水または温水と蒸気との二相流となつ
て気水分離器２に送られ、ここで蒸気と温水とに分離さ
れる。蒸気は改質器１３の蒸気源として使用され、一方
、温水は気水分離器２から循環ポンプ３により循環され
、電池本体１の入口側の排熱用熱交換器４において冷却
され、再度、電池本体１の冷却水として使用される。 温められた熱交換器４の冷媒は冷却塔５を通じ外気に排
熱される。さらに冷却水は水処理装置９（図３）におい
て処理される。

【０００８】また、電池本体１は発電を開始して初めて
熱を発生するため、燃料電池発電プラントの起動時には
発電プラントに他のエネルギを供給することが必要であ
る。図３においては他のエネルギ源として気水分離器２
内に電気ヒータ６を設け、起動時の電池本体１の昇温や
改質器３への蒸気の供給をおこなうようになつている。

【０００９】上述した説明では排熱回収として電池冷却
水を例として挙げた。しかし、実際に排熱回収を実施す
る場合は気水分離器２から直接蒸気を回収するとか、コ
ンタクトクーラ１６やターボコンプレツサ２０の排熱の
回収等ポイントは多数あり、また燃料電池発電プラント
の系統構成によりその態様は多種多様に変わる。

【００１０】以上のように燃料電池発電プラントの排熱
を回収するとその総合熱効率は一般に約８０％で、熱／
電比率は１（排熱回収効率４０％／発電効率４０％）と
いう大きな特徴をもつことになり、その実用化が大いに
期待されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱併給
発電システムの需要家側から燃料電池発電プラントを考
えてみると、季節や天候または時刻により日々／刻々必
要とされる熱負荷要求値と送電負荷要求値とが互いに無
関係に変動することが多い。結果的に燃料電池の基本的
な特徴である負荷全体に亘つて熱／電比率がほヾ１とい
うと特性が実際にはかえつて発電プラントの実用上弊害
となることがあつた。

【００１２】とくに、燃料電池発電プラントにおいては
、前述したように熱／電比率がほヾ１という特性のため
、すなわち熱電比１（一定）でしか運転できなかつたた
め、実際の熱併給発電システムの適用においては、下記
のような課題を解決することが必要であつた。

【００１３】（１）　需要側から熱併給発電システムに
対して要求される熱負荷要求値／送電負荷要求値に従い
それぞれ単独に要求値を満足されうる熱併給発電システ
ムを提供すること（熱／電比率１以下の範囲）、（２）
　夏場の冷房需要等を考慮して熱／電比率が１以上の熱
併給発電システムを提供すること。

【００１４】したがつて、本発明の目的は、（１）　熱
負荷要求値が零であるときには、燃料電池発電プラント
の排熱のすべてを大気に放出しうる機能を有し、（２）
　需要側の熱負荷要求値と送電負荷要求値との比率を演
算する機能とその比率に従つて燃料電池発電プラントの
排熱を回収分と排気分とに分配する機能を有し、かつ（
３）　熱／電比率を１以上にするため、燃料電池発電プ
ラントの送電負荷を減少させるか、または排熱を増加さ
せるか、あるいはその両方の変化を同時に実施するシス
テムを有する、燃料電池発電プラントの熱併給発電シス
テムを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池発電プ
ラントの熱併給発電システムは、燃料電池発電プラント
の電池冷却水系に排熱排出用熱変換器と排熱回収用熱変
換器とを直列に配設し、該排熱回収用熱変換器を熱負荷
需要側と接続して排熱回収システムを構成し、かつ熱電
比率判断装置を備えて需要側の送電負荷要求値が需要側
の熱負荷要求値に比して大または等しい場合には、その
送電負荷要求値に対応して燃料電池発電プラントの目標
発電負荷を設定し、逆に該熱負荷要求値が送電負荷要求
値に比して大の場合には、その熱負荷要求値に対応して
燃料電池発電プラントの目標発電負荷を設定するととも
に、該目標発電負荷と送電負荷要求値との差分を燃料電
池発電プラントの所内負荷として消費することを特徴と
するものである。

【００１６】

【作用】本発明によれば、熱電比率判断装置は入力され
た需要側からの熱負荷要求値と送電負荷要求値との比率
（熱電比）を演算し、熱電比が１以下すなわち送電負荷
要求値が大の場合には送電負荷要求値をそのまま燃料電
池発電プラントの目標発電負荷とする。また、目標所内
負荷を零、排熱排気指令を１から熱電比を引いた差分に
それぞれ設定して燃料電池発電プラントに伝送するとと
もに排熱回収システムには需要側からの熱負荷要求値を
排熱回収指令としてそのまま設定して伝送する。

【００１７】一方、熱電比が１以上すなわち熱負荷要求
値が送電負荷要求値より大の場合には熱負荷要求値を関
数として熱負荷要求値を満足しうる排熱を出力できる目
標発電負荷を求め、さらに、その目標発電負荷と送電負
荷要求値との差分を目標所内負荷として設定する。さら
に、排熱排気指令を零として燃料電池発電プラントに伝
送するとともに排熱回収システムには排熱回収指令とし
て需要側の熱負荷要求値を設定して伝送する。

【００１８】

【実施例】本発明の燃料電池発電プラントの熱併給発電
システムの実施例を図１と図２について説明する。

【００１９】図１は本発明の燃料電池発電プラントの熱
併給発電システムの実施例の全体的構成図を示す。ここ
では従来の技術に説明に用いた図４に示した電池冷却水
系に、排熱回収用熱交換器４ｂを新たに追設して需要側
への熱負荷供給を行う。すなわち、排熱排出用熱交換器
４ａと循環ポンプ３の間に排熱回収用熱交換器４ｂを配
設し、熱負荷需要側７と接続して排熱回収システム８を
構成する。。

【００２０】すなわち、図示するように、電池本体１は
供給された水素と空気（酸素）の電気化学反応によつて
直流電力を発電する。発電された直流電気は図３に示し
た直交変換装置２２および変圧器２３を通つて需要側に
配電される。その際、発生する熱を除去するため冷却水
が電池本体１をめぐつて循環しており、電池本体１内で
熱交換された冷却水は、温水または温水と蒸気との二相
流となつて気水分離器２に送られ、蒸気と温水とに分離
された後、分離された蒸気は改質器１３の蒸気源として
使用される。一方、分離された温水は気水分離器２から
循環ポンプ３により循環され、電池本体１の入口側に配
設した排熱回収用熱交換器４ｂおよび排熱排出用熱交換
器４ａにおいて冷却された後、再度、電池本体１の冷却
水として使用される。また、温められた排熱回収用熱交
換器４ｂの冷媒は熱負荷需要側７に熱源として供給され
る。排熱排出用熱交換器４ａの冷媒は冷却塔５を通じ外
気に排熱される。

【００２１】なお、電池本体１は発電して初めて熱を発
生するため、燃料電池発電プラントの起動時には他のエ
ネルギを供給することが必要である。そこで、気水分離
器２内に電気ヒータ６を設け、起動時の電池本体１の昇
温や改質器１３蒸気への供給をおこなう。

【００２２】図２は本発明の熱併給発電システムの熱電
比率判断装置を用いた制御系の系統図である。このシス
テムでは、熱負荷需要側７の熱負荷要求値Ｖ１と送電負
荷要求値Ｖ２とを入力する手段を備えた熱電比率判断装
置３０は、それらの要求値Ｖ１およびＶ２の比率を演算
し、その結果に基づき燃料電池発電プラントに目標発電
負荷Ｌ１と目標所内負荷Ｌ２および排熱排気指令Ｄ１を
設定し燃料電池発電プラント４０に伝送する手段と、排
熱回収システム８に排熱回収指令Ｄ２を設定し伝送する
手段とを有する。さらに、燃料電池発電プラント４０は
伝送されたそれぞれの目標Ｌ１とＬ２と指定Ｄ２にした
がい発電プラントを運転する手段と、排熱回収システム
８は伝送された排熱回収指令Ｄ２にしたがい排熱を回収
する手段とを有する。

【００２３】この排熱回収システム８の付加によつて、
熱電比率判断装置３０において演算設定した熱電比によ
り決定される排熱排気指令Ｄ２　に基づき、一方、燃料
電池発電プラントでは既設の冷却塔５につながる排熱排
出熱交換器４ａの、他方、排熱回収システム８では排熱
回収指令Ｄ２　に基づき、排熱回収用熱交換器４ｂの流
量や温度等を制御する。この制御により、燃料電池発電
プラントの排熱から需要側にとつて必要な熱負荷のみ提
供するとともに余剰の排熱を外気に排出することでより
安定した燃料電池発電プラントの熱併給発電システムが
得られる。

【００２４】なお熱電比が１以上の場合には、前述した
ように燃料電池発電プラントの排熱量を増加するよう図
１の気水分離器内２の電気ヒータ６をオン（目標所内負
荷相当分）させるだけで、熱電比１以上の熱負荷を提供
することができる。

【００２５】以上述べた排熱回収システム８は電池冷却
水系に関するものであるが、実際の発電プラントでは前
述したように多種多様に具体化することができる。しか
しながら、燃料電池発電プラントの排熱回収と排気方法
を電池冷却水系とまつたく同じシステム構成にすること
により容易に他システムも回収可能となる。このためそ
れらの説明を省略する。

【００２６】また、排熱量を増加するための手段として
一番分り易い気水分離器２内の電気ヒータ６を本発明の
実施例として説明したが、その他のシステムに電気ヒー
タが設けられていればその電気ヒーターを使つてシステ
ムを組むことは当然ながら可能である。また電気ヒータ
に代わるエネルギ源がある場合、例えば補助ボイラ、に
も同様に本発明を適用できる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、上述した機能をもつ熱
電比率判断装置と燃料電池発電プラントおよび排熱回収
システムを組合せて燃料電池発電プラントの熱併給発電
システムを構成することにより、需要側からみて最適な
燃料電池発電プラントの熱併給発電システムを得ること
ができる。さらに、本発明による従来の燃料電池発電プ
ラントの熱併給発電システムにおいて弊害があつた熱電
比１の一定運転を需要側の要求に基づいて、広汎に変化
する熱負荷および電気負荷を提供することができる燃料
電池発電プラントの熱併給発電システムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電プラントの熱併給発電シ
ステムの実施例の全体的構成図。

【図２】本発明の燃料電池発電プラントの熱併給発電シ
ステムの熱電比率判断装置を用いた制御系の系統図。

【図３】従来の燃料電池発電プラントの概略系統図。

【図４】図３に示す従来の燃料電池発電プラントの電池
冷却水系の系統図。

【符号の説明】

１　　燃料電池本体 ２　　気水分離器 ３　　循環ポンプ ４ａ　　排熱排出用熱交換器 ４ｂ　　排熱回収用熱交換器 ６　　電気ヒータ ７　　需要側熱負荷 ８　　排熱回収システム ３０　　熱電比率判断装置 ４０　　燃料電池発電プラント

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池発電プラントの電池冷却水系に排
   熱排出用熱変換器と排熱回収用熱変換器とを直列に配設
   し、該排熱回収用熱変換器を熱負荷需要側と接続して排
   熱回収システムを構成し、かつ、発電比率判断装置を備
   え需要側の送電負荷要求値が需要側の熱負荷要求値に比
   して大または等しい場合には該送電負荷要求値に対応し
   て燃料電池発電プラントの目標発電負荷を設定し、逆に
   需要側の熱負荷要求値が送電負荷要求値に比して大の場
   合には該熱負荷要求値に対応して燃料電池発電プラント
   の目標発電負荷を設定するとともに、前記目標発電負荷
   と前記送電負荷要求値との差分を燃料電池発電プラント
   の所内負荷として消費するように構成したことを特徴と
   する燃料電池発電プラントの熱併給発電システム。