JPS61198567A - 燃料電池発電システム - 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】

〔発明の技術分野〕 この発明は燃料電池発電システムの構成に関するもので
ある。 〔従来の技術〕 燃料電池発電システムは、従来の汽力発電に比べ高効率
が期待できること、環境保全性が良い等の利点があり、
実用化を目指して近年盛んに開発が進められている。燃
料電池発電システムは、空気極、燃料極及び電解質ノー
から成る燃料電池本体と、天然ガス等の炭化水素系燃料
を改質、して燃料電池本体に燃料となる水累ガスを供給
する改質器とを備えている。燃料電池本体の性能は、反
応ガスの圧力の増大によって向上する傾向を示し、この
ため燃料、空気各反応ガスの動作圧力は例えば８〜６Ｑ
／ｍＧ程度に加圧維持される。このとき、空気の圧縮に
は多大の動力を必要とし、このため通例としてシステム
排ガスエネルギを利用するターボコンプレッサが併せて
設置される。この具体的な従来の方法として、例えば昭
和５７年１２月発刊喧気学会技術報告■部第１４１号１
−燃料電池発電技術の展望」の２２９図４，５００ｋＷ
燃料電池発電設備の総合系統概念図Ｅと示されているも
のがあり、そのシステムを第１図に示す。図において、
（１）は燃料極（１ａ）、空気極（ｌｂ）ｊ電解質層（
ＩＣ）から成る燃料電池本体、（２）は天然ガス等の炭
化水素系燃料を改質して水素リッチガスを燃料電池本体
（１）に供給する改質器であり、反応部（２ａ）とバー
ナ部（２ｂ）より成る。（３）は改質器（２）のバーナ
部（２ｂ）より排出される燃焼排ガスによ−】で駆動さ
れ、燃料電池本体（１）の空気極（１ｂ）に必要な圧縮
空気を供給するターボコンプレッサであり、タービンω
ａ）とコンプレッサ（８ｂ）を同軸上に配置したもので
構成される。 （４）は改質器（２）の反応部（２ａ）で改質された水
素リッチガスを燃料電池本体（１）の燃料極（１ａ）に
供給する改質燃料供給配管、１５）は燃料電池本体（１
）の燃料極（１ａ）からの余剰燃料を改質器（２）のバ
ーナ部（２ｂ）に供給する余剰燃料供給配管、（６）は
改質器（２）のバーナ部（２ｂ）からの燃焼排ガスをタ
ーボコンプレッサ１３）のタービン（８ａ）に導く燃焼
排ガス配管、（７）はターボコンプレッサ（３）のコン
プレッサ（８ｂ）により圧縮された空気を燃料電池本体
（１）の空気極（１１）月ζ供給する空気供給配管、（
８）は燃料電池本体（１）の空気極（１ｂ）から排出さ
れる余剰空気を改質器（２）のバーナ部（２…へ供給す
る余剰空気配管を示す。 次に、上記の様に構成された従来のシステムの動作につ
いて説明する。天然ガス等の炭化水素系燃料が改質器（
２）の反応部（２ａ）に投入され、その中で改質反応が
行われ、水素を主成分とする改質ガスに変換される。改
質ガスは、改質燃料供給配管（４）を通−ノで燃料電池
本体（１）の燃料極（１ａ）に供給され、そこで反応に
消費される。消費されたあとの残りの余剰燃料は余剰燃
料供給配管１５）を通−ノで改質器（２）のバーナ部（
２ｂ）に送られる。バーナ部（２ｂ）では余ＪＮｍ料を
燃焼させ、反応部（２ａ）に対し改質反応Ｃζ必要な熱
を与える。バーナ部（２ｂ）からの燃焼排ガスは燃焼排
ガス配管（６）を経由して、ターボコンプレッサ１３）
のタービン（８ａ）に投入され、この燃焼排ガスのエネ
ルギーにより、ターボコンプレッサ（３）には回転動力
が与えられる。タービン（８ａ）と同軸上に配置された
コンプレッサ（８ｂ）より供給される圧縮空気は空気供
給配管（７）を経由して燃料電池本体（１）の空気極（
１ｂ）に送られる。そこで消費されたあとの残りの余剰
空気は余剰空気配管（８）を通り、改質器（２）のバー
ナ部（２ｂ）へ送られ、そこで燃焼用に消費される。な
お、システムの動作圧力は例えば８〜６に９／ｃ４Ｇで
あり、燃料電池本体（１）の両反応ガスの圧力及び改質
器バーナ部（２ｂ）の燃焼圧力はほぼこの圧力に維持さ
れる。 この様に、このシステムにおいては排ガスが有している
エネルギーをタービンで回収して空気を圧′縮する仕事
に利用することにより、システム内で有効にエネルギー
回収を行い、システム効率の向上を図っている。 しかるに、この様な従来のシステムのものは改質器バー
ナ部が高圧燃焼となるため、燃焼の安定性を確保するの
が雉しいという欠点を有している。 即ち、このシステムはいわゆる発電システムとして迅速
な負荷変動制御が要求され、負荷変動時には一時的にコ
ンプレッサ吐出流量を変化させる必要があるが、このと
き同時にシステム動作圧力が変動してバーナ部燃焼圧力
が変動する傾向がさり、このためにバーナ部の燃焼安定
性が損われ、失火が生じ易くなるという問題があった。 この様な圧力変動はターボコンプレッサの特性（ζよっ
て生ずるものである。また、このシステムではバーナ部
の炉構造を高圧燃焼に耐える耐圧溝造とする必要がある
ため、改質器の重量が増し、そのため熱容量が大゛きく
なって起動時の昇温に長時間を要するという欠点もあっ
た。 〔発明の概要〕 この発明は上記の様な従来のものの欠点に鑑みてなされ
たものであり、改質器のバーナ部はブロワからの燃焼用
空気によりほぼ常圧に近い圧力で燃焼を行わせ、一方燃
料電池より排出される余剰空気をターボコンプレッサの
タービンに導く配曽上に熱交換器を設置し、この熱交換
器の加熱媒体として゛バーナ部から排出される燃焼排ガ
スを使用することにより、従来システムと同等に系内で
有効なエネルギー回収が図れる上に、安定したバーす燃
焼を保証し、且つ起動時の昇温時間を短縮できる燃料ｍ
油発電システムを提供することを目的としている。 〔発明の実施例」 以下、この発明の一実施例を第１図に基いて説明する。 図

【ζおいて（１）〜！５１　、　＋７１は上述した従
来のシステムの構成と同様である。（９）は燃料電池本
体（１）の空気極（１ｂ）より排出される余剰空気をタ
ーボコンプレッサ（３）のタービン（８ａ）に供給する
余剰空気配管、ｄ■はこの余剰空気配管（９）上に設置
された熱交換器、ｉｌＤは改質器（２）のバーナ部（２
ｂ）より排出される燃焼排ガスを、前記熱交換器００）
の加熱側に導いたあと大気に放出する燃焼排ガス配管、
＋１２１　。 鋸は改質器（２）のバーナ部（２ｂ）へ燃焼用空気を供
給するための電動ブロワと燃焼用空気供給配管である。 次いで・りこの発明によるシステムの動作を説明する。 このシステムにおいては、従来システムと同様、特性向
上のために燃料電池本体（１）の各反応ガス圧力は例え
ば８〜６Ｋｐ／ｃＩＩＧ程度の高圧に維持される。従来
システムでは、改質器（２）のバーナ部（２ｂ）の燃焼
用空気は、燃料電池本体（１）の空気極（１ｂ）からの
高圧の余剰空気を利用していたが、このシステムでは電
動ブロワ１＋２１から供給される空気を使用し、バーナ
部（２ｂ）は大気圧に近い圧力での燃焼、即ち帛圧燃焼
としている。バーナ部（２ｂ）への燃料は、従来システ
ムと同様、燃料電池本体（１）の燃料極（１ａ）からの
余剰燃料が使用されるが、この場合余剰燃料は余剰燃料
供給配管＋５１上の調節弁（図示せず）により圧力の調
整が行われ、大気圧に近い圧力でバーナ部（２ｂ）に供
給される。バーナ部（２ｂ）より排出される燃焼排ガス
は燃焼排ガス配管（１１１を経由して大気へ放出される
が、その途中で熱交換器側を通過する。一方、燃料電池
本体（１）の空気極（１ｂ）から排出される軸圧の余剰
空気は、余剰空気配管（９）を経由してターボコンプレ
ッサ１３）のタービン（８ａ）に送られるが、その途中
において、余剰空気は上述のバーナ部（２ｂ）からの燃
焼・排ガスを加熱媒体とする熱交換器［１０１１ζよっ
て加熱され、即ち、熱交換器０（））によって燃焼排ガ
スの熱エネルギーが伝えられて、タービン（８ａ）に投
入される。このためこのシステムでターボコンプレッサ
１３＋のタービン（８ａ）に与えられる動力は、従来シ
ステムにおいて高圧燃焼バーナ部からの燃焼排ガスを導
入する場合と比較して、同等の量を得ることができ、し
たがって従来システムと同様に、系内で有効なエネルギ
ー回収を〆す、必要な圧縮空気を供給できる機能を有す
る。その上で、改質器（２）のバーナ部（２ｂ）をター
ボコンプレッサ＋３１の系統から切離し常圧燃焼させる
様にしたので、前述の様にシステムの負荷変動に伴う圧
力変動がなく、したか−】で安定したバーナ燃焼を保証
することができる。即ち、バーナ部（２ｂ）をターボコ
ンプレッサ１３）の系統から切離したので、負荷変動時
に生ずるターボコンプレッサ（３）の圧力変動がバーナ
部（２ｂ）へ伝わらず、このため燃焼の安定−性が確保
される。また、バーナ部（２ｂ）が常圧燃焼であるため
、従来システムの様な耐圧構造とする必要がなく、した
がって炉槽。 造を軽量化することが可能で、これにより炉構造の熱容
量低減、起動時の昇温時間短縮を図ることができる他、
コスト低減の効果も得ることができる。なお、このシス
テムでは、従来システムに対し、電動ブロワ１１２ｊが
追加となるが、バーナ部（２ｂ）が常圧船焼のため、例
えば数百ｉａＡｇ程度の低圧のブロワでよく、このため
電動ブロワ［２１の消費動力はごく僅かであり、これに
よるシステム効率への影響は殆どない。 この様に、この発明の方法では、従来と同様に系内で有
効なエネルギー回収を図−〕だ上で、改質器（２）のバ
ーナ部（２ｂ）の燃焼を常圧燃焼としたので、システム
効率が損われることなくバーナ燃焼の安定化を保証する
ことが可能となり、ひいてはバーナ部の炉構造が軽量化
されて起動時の昇温時間を短縮することが可能となる他
、バーナ部の低コスト化の効果もｉ尋ることができる。 なお、上記実施例では、バーナ燃焼用空気の供給手段と
して設ける電動ブロワは、空気供給側に設ける押込形で
あったが、燃焼排ガス配管側に設ける誘引形でも良く、
あるいは押込形と誘引形を併用しても良く、いずれも上
記実施例と全く同様の効果を奏する。また電動ブロワは
、他の電力以外の駆動源を持−】ブロワに置き換えても
良いことはもちろんである。 〔発明の効果〕 この発明は以上に説明したとおり、燃料電池本体の空気
極から排出される余剰空気をターボコンプレッサのター
ビンへ導く配管の途中に熱交換器を設置し、この熱交換
器の加熱媒体として改質器ノハーナ部より排出される燃
焼排ガスを使用した構成としたので、システム効率を損
うことなく改質器のバーナ部を常圧燃焼とすることが可
能となり、バーナ燃焼の安定化が確保される効果が得ら
れる他、起動時の昇温時間の短縮の効果を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料電池発電システムを示す系統図、第
２図はこの発明の一実施例による燃料電池発電システム
を示す系統図である。 図において、（１）は燃料電池本体、（２）は改質器、
（２ａ）は反応部、（２ｂ）はバーナ部、（３）はター
ボコンプレッサ、（８ａ）はタービン、（ａｂ）はコン
プレッサ、（９）は余剰空気配管、Ｏ１］ｌは熱交換器
、（１１）は燃焼排ガス配管、＋１２１はブロワである
。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料電池本体と、この燃料電池本体に炭化水素系燃
   料を改質したガスを供給する反応部とバーナ部とから成
   る改質器と、上記燃料電池本体の空気極から排出される
   余剰空気によって駆動され上記燃料電池本体に必要な圧
   縮空気を供給するタービンとコンプレッサから成るター
   ボコンプレッサを備えた燃料電池発電システムにおいて
   、上記燃料電池本体の空気極から排出される余剰空気を
   上記ターボコンプレッサのタービンへ導く配管の途中に
   熱交換器を設置し、この熱交換器の加熱媒体として上記
   改質器のバーナ部より排出される燃焼排ガスを使用した
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。 ２、改質器のバーナ部はブロワによる空気を導入して常
   圧燃焼させることを特徴とする特許請求範囲第１項記載
   の燃料電池発電システム。