JPH088108B2 - 燃料電池発電プラント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池発電プラントに係り、特に、部分
負荷でも高い発電効率を有する燃料電池発電プラントに
関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料電池発電プラントは、特公昭58-56231号公
報に記載のように、燃料電池のアノードの未反応燃料を
改質器燃焼部へ供給し、熱回収を行う等により、定格運
転時での発電効率の向上を図つていた。

しかし、部分負荷時の発電効率を考慮して、プラント
の制御を行うことについては、部分負荷時の特性検討が
行われていなかったため、特別な配慮はされていなかっ
た。

〔発明が解決しようとする問題点〕 従来技術は、部分負荷時での発電効率向上について配
慮がなされておらず、定格運転時の発電効率向上のため
に、膨張タービン及び圧縮機を設置し、加圧の発電プラ
ントを構成していた。

しかし、従来技術では、膨張タービン及び圧縮機の運
転上の制約、すなわち一定回転数で、燃料電池へ一定圧
力の空気を供給する必要があるため、膨張タービン及び
圧縮機を通過するガスの流量及び温度をほぼ一定に保つ
必要があった。そして、膨張タービンへは補助燃料を供
給していたので、部分負荷時の発電効率が低下し、部分
負荷時の補助燃料及び補助空気の流量制御が複雑になる
という問題があった。

本発明の目的は、1kg/cm²以上の高い圧力で運転され
る加圧の燃料電池発電プラントに関して、部分負荷時の
発電効率を高く維持でき、単純で簡素な燃料電池発電プ
ラントを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の燃料電池発電プラントは、燃料を改質する改
質器と、空気を圧縮する圧縮機と、改質器で改質された
燃料が供給されるアノードと圧縮機で圧縮された空気が
改質器を介して供給されるカソードとを有し、燃料と空
気との反応によって発電する燃料電池と、カソード側か
ら排出された排ガスで駆動し、圧縮機と一つの軸でつな
がる膨張タービンと、を有するものである。そして、ア
ノード側から排出された排ガスを改質器に導く系統と、
空気を改質器をバイパスして改質器の出口側に導く系統
と、燃料電池が部分負荷の状態であっても膨張タービン
の入口温度を略一定とするように、燃料の流量を調整す
る制御装置と、を有することを特徴とする。

つまり、膨張タービンの運転条件が部分負荷の状態を
含む全運転負荷帯で略一定となるように燃料の流量を制
御する。そして、改質器の燃焼部におけるガス温度が略
一定となるよう空気の流量を制御する。したがって、余
剰の空気を改質器の燃焼部から出るガスの冷却空気とし
て使用することができる。

〔作用〕

アノード側から排出された排ガスを改質器に導く系統
と、空気を改質器をバイパスして改質器の出口側に導く
系統と、燃料電池が部分負荷の状態であっても膨張ター
ビンの入口温度を略一定するように、燃料の流量を調整
する制御装置と、を有することにより、膨張タービンの
入口側に形成されていた補助燃焼器を設置することなし
に、全運転負荷帯で膨張タービンの運転条件を、略一定
に保つことができる。

また、膨張タービンの入口側のガス温度を、燃料電池
へ供給する燃料で制御することにより、燃料電池をバイ
パスして補助燃料を補助燃焼器に供給する場合に比較し
て、燃料電池へより多くの燃料を供給することができ、
アノードにおける水素分圧を高くできる。したがって、
燃料電池の電圧を増加させることができ、燃料電池発電
プラントの発電効率が向上する。

また、改質器の燃焼部のガス温度が一定となるよう
に、改質器の燃焼部に供給される空気流量を制御する。
余剰の空気を改質器の燃焼部から出るガスの冷却空気と
して使用することにより、燃料電池を介して、改質器の
燃焼部に供給される未反応燃料が増加した場合であって
も、これに対応した運転が可能になる。

余剰の空気を改質器の燃焼部から出るガスと混合冷却
し、燃料電池へ供給することにより、改質器の燃焼部か
ら燃料電池へ供給するガス温度を低くできるので肉厚等
を軽減できる。

燃料電池発電プラントへ供給する燃料は、改質器、燃
料電池、改質器の燃焼部を経て膨張タービンへ供給され
る。また、空気は、圧縮機、改質器の燃焼部、燃料電池
を経て膨張タービンへ供給される。これにより、燃料及
び空気の流量配分の系統並びにこれらの制御装置が不要
となり、系統構成が簡素化、単純化できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

燃料１は、約６〜10kg/cm²に加圧されて改質器４に供
給される。改質器４のない改質器反応部５では、天然ガ
ス等の燃料と、膨張タービン37の排ガスを導く排熱回収
ボイラ41により生成される蒸気３とを改質反応させるこ
とにより、燃料を水素及び一酸化炭素を主成分とするガ
スに改質する。

改質された水素及び一酸化炭素を主成分とする反応ガ
ス７は、約600℃の温度で燃料電池８のアノード９に供
給される。

燃料電池８は、燃料電池の積層体で構成される。各燃
料電池は、正極と負極とこれらの両極の間に配置された
電解質10と、正極の非電解質側に設けられたガス通路
（正極および正極ガス通路をカソード11と呼ぶ）と負極
の非電解質側に設けられたガス通路（負極及び負極ガス
通路をアノードと呼ぶ）とを含む。

本実施例では、電解質に炭酸リチウム，炭酸カリウム
などの炭酸塩を用い、それが溶隔状態になる約550℃〜7
00℃の温度で運転する溶隔炭酸塩を用いている。

アノード９へ供給された反応ガス７はカソード11へ供
給される空気と炭酸ガスの混合ガス30と反応する。カソ
ード11では上記混合ガスが電子を受け取って炭酸イオン
になり電解質の中に入る。アノード９では、水素と電解
質中の炭酸イオンが反応して炭酸ガス及び水を生成し、
電子を放出する。この結果、アノードからカソードへ電
子が移動し、電流が発生する。

燃料電池８アノード排ガス12には、反応ガス７の中の
水素，一酸化炭素と、電解質中10の炭酸イオンとの反応
により生成した炭酸ガス，水および未反応の反応ガスを
含んでいる。

燃料電池8,アノード排ガス12は、ガス／ガス熱交13に
て熱交換し冷却される。さらに、ガス冷却器にて冷却さ
れ、気水分離器15にて、アノード排ガス12に生成した水
を分離する。

水分を分離したアノード排ガス17は、圧縮機18にて圧
縮され、改質器燃焼部６へ供給される。

燃料１を、水蒸気３と反応させて水素および一酸化炭
素に改質する改質反応は吸熱反応であり、外部より熱を
与える必要がある。本実施例では、改質器燃焼部６へ、
燃料電池8,アノード排ガス12を供給し、ガス中に含まれ
る水素，一酸化炭素等の未反応燃料を燃焼させて反応熱
を供給している。改質器４の反応は、改質器反応部５へ
供給する燃料１と、水蒸気３の比および、反応温度が一
定となるよう、燃料流量１に比例して水蒸気３の流量を
制御し、改質器燃焼部６の燃焼温度を空気過剰率を制御
することにより行つている。

燃料電池8,カソード11へ供給される空気と炭酸ガスの
混合ガス30は、空気については、空気圧縮機36にて６〜
10kg/cm²に加圧され圧縮空気27として供給される。一方
炭酸ガスについては、改質器燃焼部排ガス21として供給
される。排ガス21は、燃料となるアノード排ガス20を昇
圧圧縮機18で加圧すること、燃焼用空気29を圧縮機36で
加圧することにより６〜10kg/cm²に加圧されている。

燃料電池８は、アノード９の反応圧力，反応温度，反
応ガス中の燃料濃度が高いほど、反応ガスの持つ熱量よ
り電気出力として取り出せる割合である発電効率が高い
ことが知られている。

反応ガス温度については、電解質である溶融炭酸塩が
溶融状態を維持できる温度ということで、約550℃〜700
℃に制限される。

反応ガス圧力については、燃料電池の発電効率は高圧
ほど高くなるのが、日本国内では法規制上の制約より10
kg/cm²以下とするのが一般的である。

燃料電池で反応したガスの持つ熱量のうち電気出力と
して取り出すことのできない熱量は、分極，接触抵抗等
の抵抗により熱に交換されるため、燃料電池を冷却する
必要がある。

溶融炭酸塩を電解質として用いる燃料電池は、反応温
度が約550℃〜700℃と高いため、水で冷却する場合は、
冷却されるとガスと、冷却される水との温度差が大き
く、熱応力等の問題がある。燃料電池の冷却は、燃料電
池8,アノード９及びカソード11へ多量のガスを流し冷却
するのが一般的である。本実施例では、燃料電池8,カソ
ード11を通過するガスにより燃料電池を冷却している。
燃料電池８の反応温度は、カソード出口ガス33の再循環
により、カソード入口ガス温度52を制御することにより
行っている。また上記再循環系統は、カソード入口ガス
52が低温となりすぎて、燃料電池８の電解質である溶融
炭酸塩が凝固したり、過大な熱応力が発生するのを防止
している。

高温で作動する燃料電池発電プラントでは、冷却用等
の圧縮機の動力が大きく、ガス圧力を高圧化して、圧縮
機通過ガスの体積流量を小さくして、プラント全体の発
電効率を高くすることが必要となる。

燃料電池カソード排ガス32は、膨張タービン37にて仕
事をし、圧縮機36を駆動するとともに発電機38にて電気
出力を発生し熱回収している。

燃料電池発電プラントは、改質器4,燃料電池8,膨張タ
ービン37が相互にバランスして有効な熱回収システムを
構成することにより、定格負荷運転時のプラント総合発
電効率約60％を達成できる。

燃料電池８の部分負荷運転時の発電効率は、電池を流
れる電流が減少し電圧が上昇するため、発電効率は向上
するが、燃料電池発電プラントととしての発電効率は、
定格負荷運転時の総合発電効率向上のため、膨張タービ
ン37を用いた熱回収システムとしているので、部分負荷
運転時の総合発電効率が低下する。これは、膨張タービ
ン37は、高圧，高温の燃料電池カソード排ガス32を熱回
収して、圧縮機36を駆動するとともに、余剰の熱量で発
電機38を駆動し電気出力を発生しているために、発電機
は、発生電力の周波数を一定とする必要があるので、全
負荷帯で一定回転数で運転することが必要となり、発電
機38を駆動する膨張タービン37も一定回転数で運転する
ことになる。圧縮機36は、部分負荷運転時でも燃料電池
８が必要とする定格負荷運転時とほぼ同一の圧力の空気
を供給する必要があるが、圧縮機36の動力低減のため膨
張タービン37にて、圧縮機36を駆動しており、圧縮機36
は一定回転数で一定圧力の空気を供給する必要があるた
め、圧縮機36の吐出空気量37は、部分負荷運転時におい
ても圧縮機36の圧力比と流量の関係よりほぼ定格負荷運
転時と同一となる。上記膨張タービン37で発電機38を駆
動しなければ、回転数を可変として膨張タービン37,圧
縮機36の負荷を低減することができるが、発電を行わな
い分だけ発電効率が低下する。また、圧縮機36を駆動す
るタービンと発電機38を駆動するタービンを回転数制御
して、ガスタービンの負荷を減少させることも考えられ
るが、システム構成が複雑になること、現在実用化され
ている大容量ガスタービンと異なった型式のガスタービ
ンであるため、燃料電池発電プラント用として新規に開
発する必要がある。

以上より、膨張タービン37,圧縮機36は、燃料電池発
電プラントの部分負荷運転時においても、定格負荷運転
とほぼ同一の運転を行う必要がある。

一方、燃料電池８で部分負荷運転時必要とする空気流
量は、燃料電池８の冷却という点から見ると、電池電圧
が上昇し、電池冷却のために必要な熱量は減少する。第
３図及び第４図に、燃料電池８の部分負荷特性を示す。
第３図は、定格負荷運転時の燃料電池８への入熱を100
とした比率を示す。燃料電池８への供給される熱量80
は、部分負荷運転時、電池電圧が上昇し、発電効率が向
上するので、負荷の低下に比べて過剰に低下することに
なる。電池の冷却熱量82は、少なく供給された燃料で、
高い発電効率で発電するため、負荷率に比べて過剰に減
少する。第４図は、各負荷での燃料電池８への入熱を10
0として第３図を書き直したものであるが、負荷の低下
にしたがって電池の冷却熱量82は、相対的に減少するこ
とがわかる。燃料電池８の冷却は、アノード９とカソー
ド11を通過するガスによって行われるがアノードガスに
よる冷却熱量83は、燃料入熱80に比例して減少するの
で、第４図に示すとおり燃料入熱80に対する比は、一定
となる。燃料電池８へ冷却用としてカソード11へ供給す
る空気は、燃料電池８へ供給される燃料の減少分と、電
池電圧の上昇による冷却熱量の減少分に合わせて供給す
ることが必要となる。

膨張タービン37,圧縮機36はほぼ定格運転条件を維持
する必要有、余剰の空気を、補助燃料を供給昇温し、膨
張タービン37へ供給するため、燃料電池発電プラントの
発電効率は低下する。

第２図に示す従来技術では、膨張タービン37入口に補
助燃焼器43を設置し、部分負荷運転時燃料電池８及び改
質器燃焼部６で余剰となる空気44で補助燃料45で燃焼
し、高温ガスとして膨張タービン37に供給することによ
り膨張タービン37をほぼ定格運転と同一の運転状態に保
つている。

第１図に示す本発明の実施例では、定格運転時におい
ても部分負荷運転時においても、燃料電池の負荷信号62
と、膨張タービン入口ガス温度信号59の高値を選択して
燃料流量調整弁65,68を制御することにより、全負荷範
囲で膨張タービン入口ガス32温度が制御できるので、圧
縮機36の流量と圧力比の特性より、圧縮機吐出空気圧力
27は、ほぼ一定となる。燃料電池アノード９へは、燃料
電池８で発電するために必要な燃料に比べて、膨張ター
ビン入口ガス32温度を維持するのに必要な燃料分だけ、
従来技術に比べて相対的に過剰に供給されることにな
り、アノード９出口でのガス中の未反応燃料が増加す
る。アノード入口ガス７の燃料濃度は同一であるが、燃
料を過剰に供給しているので、アノード出口12で未反応
燃料が増加し、アノード９での燃料濃度が高くなるので
燃料電池での電圧が上昇し、発電効率は高くなる。

アノード出口12未反応燃料は、改質器燃焼部６へ供給
されるが、改質燃焼部６では、燃焼温度が一定となるよ
う空気制御弁73により空気流量が制御される。残りは、
空気バイパス弁74で、バイパス弁74入口圧力一定となる
よう制御することにより、燃焼部６をバイパスして、燃
焼部排ガス冷却器69へ供給し燃焼部排ガスを冷却する。
改質器燃焼部６への燃料は、部分負荷運転時相対的に過
剰となるが、燃焼温度が一定となるように空気流量を制
御することにより改質器反応部５の反応条件は維持でき
る。但し、燃焼部６への燃料が相対向に過剰となるの
で、燃焼部排ガス温度が上昇する。本発明では、改質器
燃焼部と一体構造の冷却器69へ燃焼電池８への反応ガス
を混合し冷却することにより、改質器出口排ガスの昇温
を防止している。

第２図に示す従来例では、燃料電池８の冷却熱量に合
わせて、反応で必要とする空気流量以上に、燃料電池カ
ソード11への供給空気流量を減少させるので、燃料電池
８の電圧を低下させるが、本発明では、全負荷範囲で、
圧縮機36の吐出空気を全量燃料電池カソード11へ供給さ
れることになるので、カソードへ供給する反応ガス中の
酸素濃度の減少による電圧低下を防止できる。

本実施例によると、従来は、膨張タービン36入口に補
助燃焼器を設置し、補助燃料を供給することにより、膨
張タービン37の運転状態を定格運転とほぼ同一に保つて
いたものが、燃料電池負荷信号と膨張タービン入口ガス
温度の負荷信号の高値を選択して燃料電池へ供給する燃
料流量を制御することにより行われるので、第２図に示
す補助燃焼器71,補助燃料系統45,空気バイパス系統44が
不要で、改質器燃焼部６で通常の燃料系統を使つて膨張
タービン37,圧縮機36の運転が制御できるので、系統構
成が簡素化され、制御が単純化できる。

本実施例による部分負荷運転時の発電効率の向上値
を、２万５千KW級以上の発電所をベースに説明する。

従来例では、燃料電池50％負荷時、定格燃焼流量の46
％に相当する燃料が、燃料１として供給される。また、
定格の16％に相当する燃料が補助燃料45として供給され
る。膨張タービンは、定格負荷運転を行っているので、
発電プラントの出力は燃料電池46％，膨張タービン８％
の計54％となる。一方燃料入熱は定格時の62％供給され
ているので、発電効率は、87％まで低下する。

本実施例では、同じく50％負荷時定格燃料の60％を燃
料電池８へ供給する。燃料電池８では、アノード９中の
燃料濃度を示す指標である水素相当濃度（一酸化炭素1m
olは、水素1mol,メタン1molは、水素4molとして換算）
が上昇し、電圧が上昇するので定格時の44％の熱量で、
定格時の50％の燃料電池電気出力を得る。余剰の16％の
熱量は、膨張タービン37へ16％供給されるので膨張ター
ビン37は、定格負荷運転を維持でき、プラント効率は、
90％程度までしか低下しない。したがって、50％負荷時
のプラント効率は、約４％相対値向上する。

第５図は、本発明の第２の実施例を示す。この実施例
では、膨張タービン入口ガス温度32が約700℃と比較的
高温のため、約400℃の膨張タービン出口排ガス39の温
度を検出し、制御を行っている点が、第１の実施例と異
なる。膨張タービン39は、ほぼ定格運転で運転されるた
め、膨張タービン37の入口ガスと出口ガスの関係は一定
であるので、本実施例でも、膨張タービン入口ガス32温
度を制御できる。

第６図は、本発明の第３の実施例を示す。この実施例
では、燃料電池負荷信号62と膨張タービン負荷信号の高
値を選択して燃料調整弁を制御している。本実施例で
は、膨張タービン37,圧縮機36は、大気温度，大気圧力
により、仕事量が異なるため、膨張タービン負荷信号
の、大気温度，大気圧力の変化特性を、マスター制御装
置66に与えておき、設定値を可変することが必要とな
る。

第７図は、本発明の第４の実施例を示す。この実施例
では、膨張タービン37入口ガス温度を、燃料電池への供
給燃料１の燃料で制御するため、補助燃焼器71を用いる
場合に比べて、配管，機器の体積相当分の時間遅れがあ
るが、本実施例では、過渡的な変化に対しては、補助燃
料調整弁72にて対応し、負荷を静定させながら、補助燃
料45と燃料１を切り換えることにより、負荷変化の過渡
応答特性と部分負荷の熱効率の両方の改善を図つてい
る。

第８図は、本発明によるプラント発電効率と、従来技
術によるプラント発電効率の偏差を、燃料電池負荷率と
の関係で示したものである。

本発明によれば、部分負荷運転時、燃料電池へは、過
剰の燃料が供給され、燃料濃度が増加するので、発電効
率は85に示すとおり向上する。一方、燃料流量が増加し
た分だけ、アノード出口ガスの冷却による熱損失が増加
し、発電効率は、87に示すとおり低下する。また、燃料
電池カソードへは、燃料電池での燃料を燃焼し、高温の
ガスが供給できるので、カソード循環フアンの動力を低
減でき、発電効率は86のとおり増加する。送電端の発電
効率としては、〔（85）＋（86）−（87）＝（84）〕と
なる。尚25MW級以上の規模を想定した送電端での発電効
率の試算例では、燃料電池50％負荷運転時、電圧上昇に
より3.7％，熱損失により0.4％，補機動力の低減に
より0.6％で、送電端では、3.9％（相対値）発電効率
が向上する。

また、本発明と従来技術での補助燃料系統を組み合わ
せたシステム構成により、負荷応答特性が改善できる。

第９図に、各システムの負荷変化特性を示す。燃料電
池発電プラントでは、燃料電池，直交交換器の電気設備
は、瞬時に応答するので改質器の応答特性と燃料電池へ
の燃料供給の時間遅れが、負荷変化時の制約要因とな
る。例えば、50％から100％負荷まで負荷変化をさせた
場合、従来例では89のような負荷変化特性を示す。改質
器と燃料電池アノード間体積相当の時間遅れで遅れ、そ
の後改質器の負荷特性に合わせて燃料流量が増加し、負
荷が上昇する。本発明では、燃料電池で必要とする燃料
に対して過剰に燃料があるので、過剰燃料を利用して急
激に負荷を上昇させることができる。しかし、膨張ター
ビンの負荷は、燃料電池を経由してしか上昇できないた
め、従来例に比べても余分に時間遅れが生ずる。（90に
示す。）本発明と従来例の組み合わせにより、膨張ター
ビンは、補助燃料供給で、負荷上昇できるので、負荷変
化特性は91のように改善される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、膨張タービンの運転条件を略一定に
保つことができる。部分負荷時においても、燃料電池ア
ノードにおける燃料ガス濃度が増加し、電池電圧を上昇
させることができるので、プラント効率向上が図れる。

また、補助燃料系統、補助空気系統のバイパス系統が
削除できるので、系統構成が簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例、第５図は第２の実施
例、第６図は第３の実施例、第７図は第４の実施例の系
統図を、又第２図は従来の系統図を、更に又第３図及び
第４図は、燃料電池発電プラントの部分負荷特性、第８
図及び第９図は、本発明の効果をそれぞれ示すものであ
る。 １……燃料、３……蒸気、４……改質器、５……改質器
反応部、６……改質器燃焼部、７……改質ガス、８……
燃料電池、９……燃料電池アノード、11……燃料電池カ
ソード、12……アノード出口ガス、20……アノード出口
ガス、21……改質器燃焼部出口ガス、26……空気、32…
…膨張タービン入口ガス、36……圧縮機、37膨張タービ
ン、38……発電機、39……膨張タービン排ガス、54……
電池温度調整弁、56……膨張タービン入口温度計、59…
…膨張タービン入口温度信号、61……膨張タービン負荷
信号、62……燃料電池負荷信号、65……燃料調整弁、68
……燃料調整弁、73……燃焼温度調整弁、74……バイパ
ス空気流量制御弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横須賀 建志 東京都千代田区神田駿河台４丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 服部 洋市 茨城県日立市幸町３丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 杉田 成久 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−212778（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−133780（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料を改質する改質器と、空気を圧縮する
   圧縮機と、前記改質器で改質された燃料が供給されるア
   ノードと前記圧縮機で圧縮された空気が前記改質器を介
   して供給されるカソードとを有し、前記燃料と空気との
   反応によって発電する燃料電池と、前記カソード側から
   排出された排ガスで駆動し、前記圧縮機と一つの軸でつ
   ながる膨張タービンと、を有する燃料電池発電プラント
   において、 前記アノード側から排出された排ガスを前記改質器に導
   く系統と、前記空気を前記改質器をバイパスして前記改
   質器の出口側に導く系統と、前記燃料電池が部分負荷の
   状態であっても前記膨張タービンの入口温度を略一定と
   するように、前記燃料の流量を調整する制御装置と、を
   有することを特徴とする燃料電池発電プラント。