JPH08153533A - 燃料電池発電設備の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 通常の定格運転時にコンプレッサがサージン
グを起こさず、電池性能が低下してもコンプレッサの吐
出空気量が過大とならず、かつ燃料ガスを浪費すること
なく熱回収装置で十分な過熱蒸気を発生することができ
る燃料電池発電設備の温度制御方法を提供する。 【構成】 水素を含むアノードガス２と酸素を含むカソ
ードガス３とから発電する燃料電池２０と、燃料電池を
通過したカソード排ガス７により駆動され空気６を加圧
する圧力回収装置４０と、空気冷却装置６２を有し加圧
空気を燃料電池上流側のカソートガスに混入させる空気
供給ライン１４とを備え、燃料電池の性能低下に対応し
て空気冷却装置により加圧空気を冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池
を用いた燃料電池発電設備の温度制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図３に示すように天然ガ
ス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質す
る改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソード
ガス３とから発電する燃料電池２０とを備えており、改
質器で作られたアノードガス２は燃料電池に供給され、
燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費した
後、アノード排ガス４として水分除去装置３０に入り、
水分を除去されて改質器の燃焼室１０ａに供給される。
改質器１０ではアノード排ガス中の可燃成分（水素、一
酸化炭素、メタン等）が燃焼室１０ａで燃焼し、高温の
燃焼ガスにより改質管１０ｂを加熱し改質管内を通る燃
料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は圧力回収装
置４０から供給される加圧空気６と合流してカソードガ
ス３となり、燃料電池のカソード側に必要な二酸化炭素
を供給する。燃料電池内でその一部が反応したカソード
ガス（カソード排ガス７）は、ブロア２２により燃料電
池の上流側に一部が循環され、残りは圧力回収装置４０
で圧力を回収され、熱回収装置５０で熱を回収されて系
外に排出される。

【０００３】水分除去装置３０は、凝縮器３２、水分分
離器３４、ブロア３６、給水ポンプ３８、等からなり、
水分分離器３４で分離した水を、給水ポンプ３８により
熱回収装置５０へ供給する。圧力回収装置４０は、ター
ビンコンプレッサ装置４４（タービン４１、コンプレッ
サ４２、及び発電機４３から構成される）と補助燃焼器
４６を備え、補助燃焼器４６でカソード排ガス７を加熱
してタービン４１に供給できるようになっている。熱回
収装置５０は、給水加熱器５２、蒸発器５４、及び過熱
器５６からなり、タービン４１を出た高温の排ガスで給
水ポンプ３８からの給水を加熱蒸発させて、過熱蒸気８
を発生させる。発生した蒸気８は、燃料予熱器１２に供
給される燃料ガス１に供給され、改質反応に用いられ
る。

【０００４】燃料電池２０は、融点の高い溶融炭酸塩を
電解液として用いており、平均温度が５００℃以下にな
ると電解液が部分的に凝縮し、逆に７００℃以上になる
と電解液の蒸発や腐食が激しくなる問題がある。そのた
め、従来、燃料電池の温度制御は、コンプレッサ４２か
らの空気量により最高温度（出口温度）を制御し、ブロ
ア２２によるカソードガスの循環量により最低温度（入
口温度）を制御していた。すなわち、従来の燃料電池発
電設備は図３に示すように、入口温度制御装置２４と出
口温度制御装置４８を備え、燃料電池に入るカソードガ
ス３の温度を検出してこの温度が所定の範囲（例えば５
５０〜６００℃）になるようにブロア２２を制御して循
環するカソードガスの流量を増減させ、カソード排ガス
７の温度を検出してこの温度が所定の範囲（例えば６８
０〜７００℃）になるように圧力回収装置４０を制御し
てコンプレッサ４２からの空気量を増減させていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池は、図４に例
示するような発電特性（電流密度と電圧の関係）を示
し、通常の定格運転時には電流密度と電圧は一定に保持
される（例えばＡ点：１５０ｍＡ／ｃｍ²,０．８Ｖ／セ
ル）。しかし、長期運転により電池性能が低下すると内
部抵抗Ｒが増大して電圧Ｖが下がり、かつ同一の電力Ｐ
（＝Ｖ×Ｉ）を得るために電流Ｉを増大させる（例えば
Ｂ点）ため、燃料電池内での発熱量（＝Ｉ×Ｒ² ）が急
増する問題点があった。この際、燃料電池を所定の温度
範囲に保持するために、上述した出口温度制御装置４８
によりコンプレッサ４２からの空気量を増加させると、
通常の定格運転時に較べて必要空気量が過大となる問題
点があった。また、この状況に対応できるように、コン
プレッサ４２の最大流量を大きく設定すると、通常の定
格運転時にコンプレッサの流量が最大流量の約８０％以
下になり、サージングが起きて使用できなくなる問題点
があった。更に、これを避けるために、コンプレッサを
サージングが起きない流量（定格の約８０％）で運転
し、過剰の空気量をバイパスライン６ａ（図３参照）を
介して補助燃焼器４６に供給すると、タービン４１に供
給されるカソード排ガス７の温度が低下し、熱回収装置
５０で十分な過熱蒸気８ができなくなる問題点があっ
た。また、タービン４１に供給されるカソード排ガス７
の温度を保持するために、補助燃焼器４６で燃料ガス１
を燃焼させると、燃料ガス１を浪費し、発電設備全体の
発電効率が悪化する問題点があった。

【０００６】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、通常
の定格運転時にコンプレッサがサージングを起こさず、
電池性能が低下してもコンプレッサの吐出空気量が過大
とならず、かつ燃料ガスを浪費することなく熱回収装置
で十分な過熱蒸気を発生することができる燃料電池発電
設備の温度制御方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、水素を
含むアノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電
する燃料電池と、燃料電池を通過したカソード排ガスに
より駆動され空気を加圧する圧力回収装置と、空気冷却
装置を有し前記加圧空気を燃料電池上流側のカソートガ
スに混入させる空気供給ラインと、を備え、燃料電池の
性能低下に対応して空気冷却装置により前記加圧空気を
冷却する、ことを特徴とする燃料電池発電設備の温度制
御方法が提供される。

【０００８】本発明の好ましい実施例によれば、前記空
気冷却装置の冷媒流量を調節する冷媒流量調節弁と、前
記冷媒流量調節弁を制御する空気温度制御装置と、を更
に備え、カソード排ガスの温度を検出して該温度が所定
の範囲になるように冷媒流量調節弁を制御して加圧空気
の温度を変化させる。また、前記空気冷却装置は、空気
を冷媒とする間接熱交換器である、ことが好ましい。

【０００９】

【作用】上述した本発明の方法によれば、加圧空気を燃
料電池上流側のカソートガスに混入させる空気供給ライ
ンに空気冷却装置を備えており、燃料電池の性能低下に
対応して空気冷却装置により加圧空気を冷却するので、
長期運転により電池性能が低下し燃料電池内での発熱量
が急増しても、低温の加圧空気がカソートガスに流入す
ることにより、圧力回収装置からの空気量を増加させる
ことなく、カソード排ガスの温度を所定の範囲まで下げ
ることができる。

【００１０】従って、電池性能が低下しても圧力回収装
置（コンプレッサ）の吐出空気量が増加せず、また、コ
ンプレッサの最大流量を従来と同一にできるので、通常
の定格運転時にコンプレッサがサージングを起こすこと
がない。更に、サージングが起きないため、電池が必要
とする流量でコンプレッサを運転でき、余分な空気が補
助燃焼器に供給されず、カソード排ガスの温度を高く保
持し、燃料ガスの助燃なしに熱回収装置で十分な過熱蒸
気を発生することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は、本発明の方法を適用する燃料電
池発電設備の全体構成図である。この図において、燃料
電池発電設備は、改質器１０、水素を含むアノードガス
２と酸素を含むカソードガス３とから発電する燃料電池
２０、水分除去装置３０、燃料電池を通過したカソード
排ガス７により駆動され空気６を加圧する圧力回収装置
４０、熱回収装置５０等を備え、改質器１０で燃料ガス
１を改質し、燃料電池２０で発電し、水分除去装置３０
でアノード排ガス４中の水分を除去し、圧力回収装置４
０でカソード排ガス７の圧力を回収し、熱回収装置５０
で排熱を回収するようになっている。また、燃料電池２
０の上流側にカソード排ガス７の一部を循環するブロア
２２と、燃料電池に入るカソードガス３の温度を検出し
てこの温度が所定の範囲（５５０〜６００℃）になるよ
うにブロア２２を制御して循環するカソードガスの流量
を増減させる入口温度制御装置２４とを備えている。更
にまた、加圧空気を燃料電池上流側のカソートガスに混
入させる空気供給ライン１４を備えている。かかる構成
は図３に示した従来の燃料電池発電設備と同様である。
なお、その他の図３と共通する部分には同一の符号を付
して使用し、重複した説明を省略する。

【００１２】図１の燃料電池発電設備では、図３と相違
し、空気供給ライン１４に空気冷却装置６２が設けられ
ている。この空気冷却装置６２は、好ましくは空気を冷
媒とする間接熱交換器であるが、淡水又は海水を冷媒と
するものでもよい。また図１の燃料電池発電設備は、空
気冷却装置の冷媒流量を調節する冷媒流量調節弁６３
と、冷媒流量調節弁６３を制御する空気温度制御装置６
４とを更に備えている。かかる構成により、カソード排
ガス７の温度を検出してこの温度が所定の範囲（例えば
６８０〜７００℃）になるように冷媒流量調節弁６３を
制御して加圧空気の温度を変化させることができる。な
お、空気温度制御装置６４は従来の出口温度制御装置４
８（図３参照）の機能をも有し、カソード排ガス７の温
度を検出して冷媒流量調節弁６３と圧力回収装置４０の
両方を同時に制御してもよく、或いは運転状態に応じ
て、両者を選択して制御してもよい。

【００１３】図２は図１の主要部分の構成図であり、図
中の矩形で囲んだ数字は、１０００ＫＷの発電設備の場
合の定格運転時における流量重量Ｋｇと温度℃の概略値
である。図２において、カソード排ガス７は約６６００
ｋｇ／ｈ、６８０〜７００℃であり、流入空気６は空気
冷却装置６２に入る前（上流側）で流量重量は約４００
０ｋｇ／ｈ、１００〜３００℃である。従って、空気と
カソード排ガスのガス比熱がほとんど等しいことから、
燃料電池が劣化してカソード排ガス７の温度が例えば約
５０℃上昇するような場合でも、空気冷却装置６２によ
り流入空気を約７０〜８０℃冷却すれば、カソード排ガ
スの温度上昇を抑えることができることがわかる。ま
た、この場合に燃料電池２０に流入するカソードガス３
の温度が低下するが、図に示すようにブロア２２による
循環ガス量が多いので、この温度低下は約２０〜３０℃
程度であり、上述した入口温度制御装置２４による温度
制御で十分に対応することができる。

【００１４】上述したように、本発明の方法によれば、
加圧空気６を燃料電池上流側のカソードガスに混入させ
る空気供給ライン１４に空気冷却装置６２を備えてお
り、燃料電池の性能低下に対応して空気冷却装置６２に
より加圧空気を冷却するので、長期運転により電池性能
が低下し燃料電池内での発熱量が急増しても、低温の加
圧空気がカソートガスに流入することにより、圧力回収
装置４０からの空気量を増加させることなく、カソード
排ガス７の温度を所定の範囲まで下げることができる。

【００１５】従って、電池性能が低下しても圧力回収装
置４０（コンプレッサ４２）の吐出空気量が増加せず、
また、コンプレッサの最大流量を従来と同一にできるの
で、通常の定格運転時にコンプレッサがサージングを起
こすことがない。更に、サージングが起きないため、電
池が必要とする流量でコンプレッサを運転でき、余分な
空気が補助燃焼器４６に供給されず、カソード排ガスの
温度を高く保持し、燃料ガスの助燃なしに熱回収装置で
十分な過熱蒸気を発生することができる。

【００１６】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。

【００１７】

【発明の効果】上述したように本発明の燃料電池発電設
備の温度制御方法は、通常の定格運転時にコンプレッサ
がサージングを起こさず、電池性能が低下してもコンプ
レッサの吐出空気量が過大とならず、かつ燃料ガスを浪
費することなく熱回収装置で十分な過熱蒸気を発生する
ことができる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を適用する燃料電池発電設備の全
体構成図である。

【図２】図１の主要部分の構成図である。

【図３】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の発電設備
の全体構成図である。

【図４】燃料電池の発電特性図である。

【符号の説明】

１ 燃料ガス ２ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ５ 燃焼排ガス ６ 空気 ７ カソード排ガス ８ 蒸気 １０ 改質器 １０ａ 燃焼室 １０ｂ 改質管 １２ 燃料予熱器 １４ 空気供給ライン ２０ 燃料電池 ２２ ブロア ２４ 入口温度制御装置 ３０ 水分除去装置 ３２ 凝縮器 ３４ 水分分離器 ３６ ブロア ３８ 給水ポンプ ４０ 圧力回収装置 ４１ タービン ４２ コンプレッサ ４３ 発電機 ４４ タービンコンプレッサ装置 ４６ 補助燃焼器 ４８ 出口温度制御装置 ５０ 熱回収装置 ５２ 給水加熱器 ５４ 蒸発器 ５６ 過熱器 ６２ 空気冷却装置 ６３ 冷媒流量調節弁 ６４ 空気温度制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 和彦 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 長崎 伸男 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所内 (72)発明者 石田 心一 東京都豊島区南大塚三丁目10番10号 日本 生命南大塚ビル６Ｆ 溶融炭酸塩型燃料電 池発電システム技術研究組合内 (72)発明者 沢 好博 東京都豊島区南大塚三丁目10番10号 日本 生命南大塚ビル６Ｆ 溶融炭酸塩型燃料電 池発電システム技術研究組合内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素を含むアノードガスと酸素を含むカ
   ソードガスとから発電する燃料電池と、燃料電池を通過
   したカソード排ガスにより駆動され空気を加圧する圧力
   回収装置と、空気冷却装置を有し前記加圧空気を燃料電
   池上流側のカソートガスに混入させる空気供給ライン
   と、を備え、 燃料電池の性能低下に対応して空気冷却装置により前記
   加圧空気を冷却する、ことを特徴とする燃料電池発電設
   備の温度制御方法。
2. 【請求項２】 前記空気冷却装置の冷媒流量を調節する
   冷媒流量調節弁と、前記冷媒流量調節弁を制御する空気
   温度制御装置と、を更に備え、カソード排ガスの温度を
   検出して該温度が所定の範囲になるように冷媒流量調節
   弁を制御して加圧空気の温度を変化させる、ことを特徴
   とする請求項１に記載の燃料電池発電設備の温度制御方
   法。
3. 【請求項３】 前記空気冷却装置は、空気を冷媒とする
   間接熱交換器である、ことを特徴とする請求項１に記載
   の燃料電池発電設備の温度制御方法。