JPH0811960B2 - ターボコンプレッサの起動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は燃料電池発電システムのサブシステムを構成
する空気供給系に係り、特に、この空気供給系に備えら
れるターボコンプレッサの起動装置に関する。

（従来の技術） 燃料の化学エネルギーを電極反応で直接電気エネルギ
ーに変換する燃料電池の発電システムには、そのサブシ
ステムとして燃料電池本体に圧縮空気を供給する空気供
給系が設けられている。この空気供給系は燃料電池発電
システム全体の効率を向上させるために、燃料電池本体
からの排ガスの熱エネルギーを回収し、この回収エネル
ギーを空気供給系の主空気供給系エネルギーに利用して
いる。

燃料電池発電システムに備えられる空気供給系１は、
第４図に示すように多段式に接続された２台のターボコ
ンプレッサ2,3を備え、各ターボコンプレッサ2,3にはタ
ービン4,5と圧縮機6,7とがそれぞれ対をなして設けられ
る。各圧縮機6,7の間には圧縮機の駆動力を減少させる
ために中間冷却器８が設けられる。

前記空気供給系１は大気９を給気フィルタサイレンサ
10を経て低圧ターボコンプレッサ２の低圧圧縮機６に吸
い込み、この低圧圧縮機６と高圧ターボコンプレッサ３
の高圧圧縮機７により多段圧縮し、この圧縮空気をシス
テム分離弁10を経て燃料電池本体11に供給して燃料電池
本体11に電極反応を生じさせ、電気エネルギーに変換さ
せる。

一方、燃料電池本体11からの排ガスは燃料電池発電シ
ステムの運転状態に応じてシステム分離弁12を経て補助
燃焼器13に案内してこの補助燃焼器13で燃焼ガスと必要
に応じて混合した後、混合ガスを高圧タービン５および
低圧タービン４に送り、両タービン5,4にて排ガスに含
まれる熱エネルギーを回収する。この熱エネルギー回収
後、混合ガスは排気サイレンサ14を経て大気中へ放出さ
れる。

また、高圧ターボコンプレッサ３の高圧圧縮機７から
の吐出空気の一部は、補助燃焼器13の燃焼用空気や空気
圧力調整のためのバイパス用空気として利用される。燃
焼用空気は、燃焼用流量コントロール弁16により流量制
御され、燃料流量コントロール弁17により流量制御され
る燃料との割合が適切な空燃比となるように調整され
て、補助燃焼器13に供給される。補助燃焼器13はエネル
ギー付加装置として機能し、燃料電池本体11からの排ガ
スの熱エネルギーが不足する起動時や部分負荷運転時に
エネルギー付加を行なうようになっている。

一方、バイパス用空気は、燃料電池本体11に供給され
る吐出空気圧力を変化させないようにバイパス空気コン
トロール弁18により調節され、燃料電池本体11の運転状
態が変化して燃料電池本体11の必要空気流量が変化して
も、燃料電池本体11へ供給する空気圧力を変化させない
ようにしている。バイパス空気コントロール弁18を通る
バイパス用空気は、ウェストライン19を通り燃料電池本
体11からの排ガスもどり口側へ供給される。

燃料電池発電システムは、その起動時に高圧圧縮機７
からの吐出空気の圧力、流量が充分でないため、システ
ム分離弁10,12を閉じて燃料電池本体11を空気供給系１
から分離させ、補助燃焼器13を燃焼させて空気供給系１
を初めに単独で立ち上げてからシステム分離弁10,12を
開いて燃料電池本体11と接続する起動方法が採用され
る。この起動時には、空気供給系１に備えられた補助燃
焼器13を点火燃焼させてその燃焼ガスにより低圧および
高圧ターボコンプレッサ2,3を起動させ、自立させるよ
うになっている。

（発明が解決しようとする課題） 従来の燃料電池発電システムにおいて、空気供給系１
の低圧および高圧ターボコンプレッサ2,3を起動・自立
させるためには、まず、補助燃焼器13を点火して燃焼さ
せ、高圧タービン５および低圧タービン４に、高圧圧縮
機７および低圧圧縮機６をそれぞれ駆動するに充分な熱
エネルギーを有する排ガスを供給する必要がある。

この排ガスの供給には、補助燃焼器13にその点火に必
要な燃料や起動用空気を各コントロール弁17,20を通し
て補助燃焼器を点火・燃焼させ、その燃焼ガスを高圧タ
ービン５や低圧タービン４に順次案内して各タービン5,
4を起動させ、高圧圧縮機７や低圧圧縮機６を駆動させ
る。これにより低圧および高圧ターボコンプレッサ2,3
を起動させるようになっている。

このターボコンプレッサの起動方法を採用すると、空
気供給系１の系外から供給される起動用空気21自信が補
助燃焼器13内で燃焼して起動時に高圧タービン５や低圧
タービン４にエネルギーを付与して高圧および低圧圧縮
機7,6を駆動させる。この駆動により、低圧および高圧
圧縮機6,7内を空気が新たに流れ始め、高圧圧縮機７か
ら吐出される空気を補助燃焼器13に案内して燃焼させ
る。この燃焼ガスを高圧タービン５および低圧タービン
４に案内すると、格段のターボコンプレッサ2,3におい
てタービン側と圧縮機側との動力バランスが取りにくく
なり、燃料電池発電システムの運転が困難となる。この
ため、燃料電池発電システムには格段のタービン4,5を
バイパスさせるウェストライン19を設ける必要があっ
た。

第４図に示すように、ウェストライン19を備えた燃料
電池発電システムにおいては、ターボコンプレッサ2,3
の起動時にウェストライン19を流れる空気は起動用空気
21と同等の圧力となるため、ウェストライン19を流れる
空気流量分だけ起動用空気が無駄になる。これは、ター
ビン側にのみ空気を供給してターボコンプレッサ2,3を
起動させ、この駆動により圧縮機側を駆動させるエネル
ギーを支えているためである。

一方、起動用空気21は、ターボコンプレッサ2,3を起
動させるために、ある程度の圧力を持ったものでなけれ
ばならないので、起動用空気21の供給に所定の動力が必
要になる。したがって、起動用空気21の空気量を減少さ
せることができなければ、必要なエネルギーの節約を図
ることかでき、燃料電池発電システムにおける所内動力
を減らすこととなり、燃料電池発電システム全体の省エ
ネルギー化を図ることになる。

このことから、ターボコンプレッサ2,3の圧縮機6,7
を、別の方法で駆動させ、この圧縮機駆動により得られ
る吐出空気を補助燃焼器13に案内してこれを点火・燃焼
させ、この燃焼による熱エネルギーをタービン5,4に供
給してターボコンプレッサ2,3を起動させれば、第４図
に示す起動用空気21が不要となり、無駄を削減して燃料
電池発電システムの省エネルギー化を図ることができ
る。

第５図は、上述した考え方から生まれたターボコンプ
レッサ2,3の起動方法に関するものである。このターボ
コンプレッサ2,3は、低圧圧縮機６および高圧圧縮機７
に外部よりそれぞれエネルギーが付与されて駆動され、
高圧および低圧ターボコンプレッサ2,3を起動させるも
のである。

その際、ターボコンプレッサ2,3は出力を外部に発生
させないので出力軸を持たない。それゆえ、ターボコン
プレッサ2,3の軸を電動機等で外部から直接駆動させて
圧縮機6,7を駆動させることが困難である。このため、
一般には、起動用空気供給装置24,25によりターボコン
プレッサの各圧縮機6,7に少量の空気をそれぞれ供給し
て圧縮機6,7を駆動させている。

第５図に示す圧縮機6,7の駆動方法は、起動用供給装
置24,25からの少量の起動用空気で低圧圧縮機６および
高圧圧縮機７を駆動させ、この駆動により得られる低圧
および高圧圧縮機6,7からの吐出空気により補助燃焼器1
3を点火させ、燃焼させる。この燃焼ガスによる熱エネ
ルギーを高圧および低圧タービン5,4に順次供給し、高
圧ターボコンプレッサ３および低圧ターボコンプレッサ
２を起動させる。

第５図に示されたターボコンプレッサ2,3の起動に使
用される起動用空気は、低圧圧縮機６および高圧圧縮機
７で圧縮される空気と混合され、補助燃焼器13に案内さ
れるが、この補助燃焼器13に案内される空気のうち起動
用空気が占める比率は、1/5程度となり、ウェストライ
ン19を通る空気量は、第４図に示すものより少なくな
る。

一方、圧縮機6,7の起動のために用いられる起動用空
気の圧力は第４図に示される起動用空気と異ならないの
で、その流量減少分だけ所内動力が減少し、燃料電池発
電システム全体の省エネルギー化および付帯設備のコン
パクト化を図ることができる。

（発明が解決しようとする課題） 従来の燃料電池発電システムに用いられる空気供給系
において、ターボコンプレッサの起動時に、各ターボコ
ンプレッサ2,3の圧縮機6,7にそれぞれ起動用空気を供給
して各圧縮機6,7を各々回転駆動させるようになってい
るため、起動用空気の空気量減少に限界があり、システ
ム全体の省エネルギー化やコンパクト化を図る上で問題
があった。

すなわち、各圧縮機6,7に自立回転力を与えるために
は、各圧縮機6,7への回転動力ほかに、各タービン4,5に
も回転動力を与えなければならず、結局、一つのターボ
コンプレッサを回転させる場合、一つの圧縮機では２倍
の回転動力を要する起動要空気が必要であった。このた
め圧縮機自身に負荷がかかっており、この負荷軽減とと
もにそれに伴うシステム全体の省エネルギー化・コンパ
クト化が必要であった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、タ
ーボコンプレッサ起動用空気量を大幅に削減して、燃料
電池発電システム等のシステム全体の省エネルギー化お
よびコンパクト化を図ることができるターボコンプレッ
サの起動装置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） 本発明に係るターボコンプレッサの起動装置は、上述
した課題を解決するために、圧縮機とタービンを組み合
せたターボコンプレッサを複数台多段式に連結して空気
供給系を構成し、この空気供給系の最も高圧側のターボ
コンプレッサの圧縮機に起動用空気を供給する起動用空
気供給装置を設けたターボコンプレッサの起動装置にお
いて、前記最も高圧側のターボコンプレッサの圧縮機の
空気吸込口を画成するスタートリングノズルを包囲する
ように起動用空気供給チャンバを設けて前記起動用空気
供給装置の起動用空気供給ラインを接続し、前記圧縮機
の起動時、前記起動用空気供給ラインを経て前記起動用
空気供給チャンバからの起動用空気の噴口力を利用して
前記圧縮機インペラを自立回転せしめるようにしたもの
である。

（作用） このターボコンプレッサの起動装置は、最も高圧側の
ターボコンプレッサの圧縮機の空気吸込口を画成するス
タートリングノズルを包囲するように起動用空気供給チ
ャンバを設け、この起動用空気供給チャンバからの起動
用空気の噴口力を利用して前記圧縮機インペラを回転せ
しめるものである。

したがって、圧縮機インペラの回転にあたり、起動用
空気供給チャンバからの噴口力が利用されているので、
従来のように圧縮機の空気吸込口からの起動用空気の助
けを借りずに済み、その分だけ起動用空気量を減少させ
ることができる。また、このターボコンプレッサの起動
装置では、最も高圧側のターボコンプレッサの圧縮機が
前記起動用空気供給チャンバからの起動用空気の噴口力
で自立運転可能になったので、他のターボコンプレッサ
の圧縮機では起動用空気供給装置を新らたに設ける必要
がなく、この種分野のコンパクト化に寄与することがで
きる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について添付図面を参照して
説明する。

第１図は本発明を適用した燃料電池発電プラントを示
す系統図であり、この燃料電池発電プラント30にはサブ
システムの１つとして空気供給系31が備えられている。
空気供給系31には複数台、図示例では高圧および低圧２
台のターボコンプレッサ32,33が多段式に組み込まれて
いる。各ターボコンプレッサ32,33にはタービン34,35お
よび圧縮機36,37がそれぞれ対をなして設けられ、ター
ビンの起動により圧縮機36,37が駆動されるようになっ
ている。

低圧タービンコンプレッサ32の低圧圧縮機36には吸気
フィルタサイレンサ38を経て大気39が供給され、この低
圧圧縮機36で一段圧縮を受けた後、圧縮空気は中間冷却
器40で冷却水41と熱交換されて冷却され、高圧ターボコ
ンプレッサ33の高圧圧縮機37に案内される。高圧圧縮機
37にて圧縮された吐出空気はシステム分離弁43を経て燃
料電池本体44に供給される。燃料電池本体44では燃料の
化学エネルギーを電極反応で電気エネルギーに直接変換
しており、燃料電池本体44からの排ガスはシステム分離
弁45を経て補助燃焼器46に案内されこの補助燃焼器46か
ら高圧ターボコンプレッサ33の高圧タービン35に送ら
れ、その熱エネルギーにより高圧タービン35を駆動させ
る。この高圧タービン35を駆動した排ガスは続いて低圧
タービン34に送られ、ここで低圧タービン34を駆動させ
る。この低圧タービン34の駆動により排ガスは膨脹して
排気サイレンサ47から大気39中に放出される。

一方、高圧タービンコンプレッサ33の高圧圧縮機37の
吐出側には、補助燃焼用ライン50とバイパスライン51と
がそれぞれ分岐される。補助燃焼用ライン50は、燃焼用
空気コントロール弁52を介して補助燃焼器46に接続さ
れ、上記コントロール弁52にて補助燃焼器46に供給され
る燃焼用空気量を調節している。この補助燃焼器46には
燃料供給ライン53を経て燃料源54から燃料が供給され
る。燃料供給ライン53には燃料流量コントロール弁55が
設けられて燃料流量をコントロールしており、燃焼用空
気コントロール弁52からの燃焼用空気とともに空燃比が
適性に保たれる。

また、バイパスライン51にはバイパス空気コントロー
ル弁56が設けられ、このコントロール弁56にてバイパス
空気量を調節している。バイパスライン56は、燃料電池
本体44の運転状態が変化して必要とする空気流量が変化
しても、燃料電池本体へ供給する空気圧力を変化させな
いようにバイパス空気量をそのコントロール弁56で調節
している。バイパスライン51はウェストライン57に接続
されており、このウェストライン57はターボコンプレッ
サ32,33をバイパスして排気サイレンサ47に接続され
る。符号58はウェストライン弁である。

ところで、多段式に連結された各ターボコンプレッサ
32,33のうち最も高圧側のターボコンプレッサ33の高圧
圧縮機37には、起動用空気供給装置60が設けられてい
る。起動用空気供給装置60は起動用空気61を圧送する起
動用空気供給ライン62を備え、この空気供給ライン62に
起動用空気コントロール弁63が備えられ、起動用空気量
がコントロールされる。起動用空気供給ライン62は第２
図に示す高圧側圧縮機37の起動用空気入口64に接続され
る。

高圧側ターボコンプレッサ33の圧縮機37は、圧縮機ケ
ーシング65内に圧縮機インペラ66を回転自在に収容して
いる。圧縮機インペラ66は連通軸67の一側に接続され、
その他側に高圧タービン35のタービン翼車68が設けられ
る。タービン翼車68は圧縮機ケーシング65と一体あるい
は一体的に設けられたタービンケーシング69内に収容さ
れる。

前記圧縮機ケーシング65にはスタートリングノズル70
が設けられ、このスタートリングノズル70は大気中から
供給される空気吸込口71を中央部に画成する一方、この
空気吸込口71の周りに起動用空気供給チャンバ72がトー
ラス状に形成される。この供給チャンバ72には起動用空
気入口64が臨む一方、その出口73は第３図に示すように
周方向に沿って複数個形成され、この起動用空気出口74
からの起動用空気の噴口力によって圧縮機インペラ66に
自立回転力を与えている。

他方、高圧タービン35は、ガス入口77からタービンノ
ズル78を経てタービン翼車68にガスを導びいており、こ
こで生成された回転力を、連通軸67を介して増速回転力
として圧縮機インペラ66に与えている。

次に、ターボコンプレッサの起動について説明する。

空気供給系31に備えられるターボコンプレッサ32,33
を起動させる場合には、起動用空気供給装置60を作動さ
せてある程度の圧力を有する起動用空気を高圧ターボコ
ンプレッサ33の高圧縮機37に供給する。具体的には、第
２図に示すように、高圧圧縮機37の起動用空気入口64か
らスタートノズルリング70内の起動用空気供給チャンバ
72に案内し、複数の起動用空気出口74から圧縮機インペ
ラ66に向けて噴口させる。

起動用空気出口74はノズル構造に形成され、周方向に
傾斜して設けられている。このため、起動用空気は第３
図の矢印Ａで示す方向に旋回流を伴った速度エネルギー
（噴口力）として、圧縮機インペラ66に自立回転力を与
えている。このようにして自立回転力が与えられた圧縮
機インペラ66は、この間、空気吸込口71より若干の空気
を吸い込み、吸込まれた空気は起動用空気61と混合して
空気吐出口76より吐出される。

高圧圧縮機37の起動時には、低圧圧縮機36は停止して
いるが、高圧圧縮機37の圧縮機インペラ66の回転によ
り、高圧および低圧圧縮機37,36間が大気圧より低い負
圧となり、この負圧により大気は、吸気フィルタサイレ
ンサ38および低圧圧縮機36を通って高圧圧縮機37に案内
される。

上記高圧および低圧圧縮機37,36間に生じる負圧や低
圧縮機36を通過する大気流量により、低圧圧縮機36を駆
動する充分なエネルギーが発生して、低圧圧縮機36は回
転を始める。

この結果、高圧圧縮機37と低圧圧縮機36との間の負圧
が解消され、低圧圧縮機36を通る大気39の流量は増加
し、補助燃焼器46を着火させるに充分な空気流量を得る
ことができる。

このとき、高圧圧縮機37を自立起動させる起動用空気
量は、第５図の高圧縮機が必要とする起動用空気量と同
等であり、圧力も同等であるため、起動用空気量は、各
段のターボコンプレッサの圧縮機を個別に駆動させる第
５図の起動用空気量の半分以下となり、燃料電池発電シ
ステム30の起動時の所内動力も半分以下となり、その分
だけシステム30の省エネルギー化、起動用圧縮機空気源
設備等の付帯設備のコンパクト化を図ることができる。

なお本発明の一実施例では、２台のターボコンプレッ
サを多段式に接続した例を示したが、燃料電池本体の出
力によって必要とする空気量や圧力が異なるため、ター
ボコンプレッサは３台以上設けてもよく、多数台のター
ボコンプレッサを多段式に接続した場合には、最も高圧
側のターボコンプレッサの圧縮機に起動用空気を供給す
るだけでよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明に係るターボコンプレッサの
起動装置においては、空気供給系の最も高圧側のターボ
コンプレッサの圧縮機に設けた起動用空気供給チャンバ
からの起動用空気の噴口力を利用して圧縮機インペラを
自立回転させてターボコンプレッサを起動させたから、
圧縮機自身の負荷を軽減させることができ、起動用空気
量を従来のターボコンプレッサに比べ半分以下とするこ
とかでき、この起動用空気量の減少に伴って起動用空気
供給装置等の簡素化、コンパクト化を図ることができ、
燃料電池発電システム等のシステム全体の省エネルギー
化、コンパクト化を有効的に図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空気供給系に備えられる本発明のターボコンプ
レッサの起動装置の一実施例を示す系統図、第２図は上
記ターボコンプレッサの起動装置を示すターボコンプレ
ッサの断面図、第３図は第２図に示されたターボコンプ
レッサのスタートノズルリングをタービン翼車側から見
た図、第４図および第５図は従来の空気供給系に備えら
れるターボコンプレッサの起動装置をそれぞれ示す図で
ある。 30……燃料電池発電システム、31……空気供給系、32…
…低圧ターボコンプレッサ、33……高圧ターボコンプレ
ッサ、34……低圧タービン、35……高圧タービン、36…
…低圧圧縮機、37……高圧圧縮機、38……吸気フィルタ
サイレンサ、40……中間冷却器、43,45……システム分
離弁、44……燃料電池本体、46……補助燃焼器、50……
補助燃焼用ライン、51……バイパスライン、57……ウェ
ストライン、60……起動用空気供給装置、62……起動用
空気供給ライン、66……圧縮機インペラ、68……タービ
ン翼車、72……起動用空気供給チャンバ、74……空気吐
出口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機とタービンを組み合せたターボコン
   プレッサを複数台多段式に連結して空気供給系を構成
   し、この空気供給系の最も高圧側のターボコンプレッサ
   の圧縮機に起動用空気を供給する起動用空気供給装置を
   設けたターボコンプレッサの起動装置において、前記最
   も高圧側のターボコンプレッサの圧縮機の空気吸込口を
   画成するスタートリングノズルを包囲するように起動用
   空気供給チャンバを設けて前記起動用空気供給装置の起
   動用空気供給ラインを接続し、前記圧縮機の起動時、前
   記起動用空気供給ラインを経て前記起動用空気供給チャ
   ンバからの起動用空気の噴口力を利用して前記圧縮機イ
   ンペラを自立回転せしめるようにしたことを特徴とする
   ターボコンプレッサの起動装置。