JP2004247116A - 燃料電池発電プラントの起動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】大型でコストの高い機器を減らしてプラント建設コストを低減することができ、起動のために余分な燃料や電力を必要とせず、外気温度が低い場合でも短時間に安定して起動することができる燃料電池発電プラントの起動方法を提供する。
【解決手段】ガスタービン34による加圧空気の温度T2を、前記触媒燃焼器が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0より高く設定する。また、循環流量調節ダンパ36aでガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温まで加熱する。
【選択図】 図1
【解決手段】ガスタービン34による加圧空気の温度T2を、前記触媒燃焼器が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0より高く設定する。また、循環流量調節ダンパ36aでガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温まで加熱する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電プラントの起動方法に関する。
【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。
【0003】
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(燃料電池発電プラント)では、図2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11とを備えており、改質器10で作られたアノードガス2は燃料電池11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として触媒燃焼器20に供給される。触媒燃焼器20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)がカソード排ガス7の一部7aにより燃焼し、高温の燃焼ガスとなって改質器10の加熱室Hに入り、改質室Reを加熱し改質室の燃料を改質する。加熱室Hを出た燃焼排ガス5はカソードブロア17cで加圧され、加圧空気6と合流してカソードガス3となる。このカソードブロア17cは、改質器で発生したCO2ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【0004】
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)の残り7bは、ターボチャージャ12で圧力を回収され、排熱回収ボイラ19による熱回収後に系外に排出される。なお、この図において、13aは燃料予熱器、16は起動用ヒータ、17dは空気ブロア、18は起動用設備である。
【0005】
上述した従来の燃料電池発電プラントでは、装置全体が常温に近い状態から燃料電池の運転状態になるまでの起動のために、起動用のヒータ16(例えば電気ヒータや熱交換器)と改質器の燃焼器を昇温するための起動用設備18が必要であった。また、排熱回収ボイラ19での蒸気発生を優先させることで改質器10の昇温を先行させるためにカソードブロア17cの入口から排熱回収ボイラ19の入口までの抽気ライン15が必要であった。
【0006】
そのため、比較的頻度の低い起動時のみのために、起動用ヒータ16(電気ヒータ、熱交換器)、起動用設備18、抽気ライン15およびこれらの付帯設備が必要であり、プラント建設コストを押し上げる要因となっていた。すなわち、起動用ヒータ16として電気ヒータや熱交換器でカソードブロア17cによるリサイクルラインを加熱する場合には、大型の電気ヒータや熱交換器が必要となり、機器が大型であり、コスト高となるばかりでなく、リサイクルラインへの熱交換器等の設置により、定常運転時のブロア動力が増し、発電効率を低下させる問題点があった。また、起動用設備18と抽気ライン15の組合せで昇温する場合には、燃焼排ガス中の水分の凝縮により、燃料電池を構成する電解質板が水分を吸水し発電性能を低下させる問題点があった。
【0007】
上述した問題点を解決するために、例えば、[特許文献1]の「燃料電池発電プラントの起動方法」が提案されている。この起動方法は、図3に示すように改質器10、燃料電池11及びターボチャージャ12を備え、改質器で改質した燃料ガスとターボチャージャで加圧した空気とを燃料電池で反応させ、その排ガスでターボチャージャを駆動する燃料電池発電プラントの起動方法であって、ターボチャージャの上流側に設置された起動用燃焼器22と、ターボチャージャのタービン下流側に設置された起動用熱交換器24とを備え、起動用燃焼器で燃料を燃焼させてターボチャージャを自立運転させ、起動用熱交換器でターボチャージャの排ガスとその加圧空気を熱交換して、加圧空気を加熱しこの加熱空気で燃料電池発電プラントを昇温するものである。
【0008】
【特許文献1】
特開2000−348749号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の高温型燃料電池(例えば溶融炭酸塩型燃料電池)の場合、触媒燃焼器が燃料改質装置の一部として内蔵されており、これを使用して昇温している。しかし、触媒燃焼器により着火・燃焼するためには所定の反応開始温度(例えば約300℃以上)の酸化剤ガス(例えば空気)を供給する必要がある。
このため、上述した従来の高温型燃料電池の場合には、触媒燃焼器の昇温のため、起動用ヒータ16(電気ヒータ、熱交換器)、起動用設備18、抽気ライン15およびこれらの付帯設備、或いは少なくとも起動用熱交換器24が必要であり、設備費がかかる問題点があった。
また、カソード排ガスの圧力回収にターボチャージャ12を用いているが、ターボチャージャによる加圧空気の温度は約150℃未満にすぎず、この加圧空気を触媒燃焼器の反応開始温度(例えば約300℃以上)まで加熱するために、燃料や電力を必要とし、その分エネルギー効率が低下する。
更に、外気温度が低い(例えば氷点下8℃以下)である場合、ターボチャージャによる加圧空気の温度は更に低温となり、起動自体が困難であったり、起動に長時間を必要とし、エネルギー損失が過大となる問題点があった。
【0010】
本発明は、上述した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、(1)大型でコストの高い機器を減らしてプラント建設コストを低減することができ、(2)起動のために余分な燃料や電力を必要とせず、(3)外気温度が低い場合でも短時間に安定して起動することができる燃料電池発電プラントの起動方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、改質器、燃料電池、起動用触媒燃焼器及びガスタービンを備え、改質器で改質した燃料ガスとガスタービンで加圧した空気とを燃料電池で反応させ、その排ガスを起動用触媒燃焼器で着火・燃焼させて起動する燃料電池発電プラントの起動方法であって、前記ガスタービンによる加圧空気の温度T2を、前記触媒燃焼器が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0より高く設定する、ことを特徴とする燃料電池発電プラントの起動方法が提供される。
【0012】
上記本発明の方法によれば、触媒燃焼器が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0が例えば約300℃である場合、ガスタービンによる加圧空気の温度T2をこれより高く設定しているので、ガスタービンを起動し反応開始温度T0より高い加圧空気を供給するだけで、燃料電池の排ガス温度を高め、起動用触媒燃焼器をその反応開始温度T0まで昇温して着火・燃焼させることができる。
従って(1)起動のために追加の機器を全く用いないのでプラント建設コストを低減することができ、かつ(2)起動のために余分な燃料や電力を必要とせず、エネルギー損失を低減することができる。
【0013】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ガスタービンの吸気温度T1が常温のときに、ガスタービンによる加圧空気の温度T2が触媒燃焼器の反応開始温度T0を超えるように、ガスタービンの加圧空気の圧力P2を十分高く設定する。この方法によれば、ガスタービンの加圧空気の圧力P2を約1.1Mpa以上(圧力比P2/P1=11)に設定することにより、常温(約15℃)の吸気を断熱圧縮により約300℃の加圧空気に加熱することができる。
【0014】
また、前記ガスタービンの上流側に設置された起動用燃焼器と、ガスタービンの排ガスの一部をガスタービンの吸気ラインに再循環させる排ガス循環ラインと、該排ガス循環ラインの流量を調節する循環流量調節ダンパとを備え、起動用燃焼器で燃料を燃焼させてガスタービンを自立運転させ、かつ循環流量調節ダンパでガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温まで加熱する。
この方法により、吸気温度T1が常温より低い(例えば氷点下8℃)場合でも、ガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温(例えば約15℃)まで加熱することができ、ガスタービンによる加圧空気の温度T2を触媒燃焼器の反応開始温度T0を超えるようにできる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【0016】
図1は、本発明の方法を適用する燃料電池発電プラントの全体構成図である。この図において、図2に示した従来のプラントから起動用ヒータ16、起動用設備18、抽気ライン15、空気ブロア17dおよびこれらの付帯設備が省略されている。また、図3に示した起動用熱交換器24も省略されている。
【0017】
すなわち、図1の燃料電池発電プラントは、改質器10、燃料電池11、起動用触媒燃焼器20及びガスタービン34を備え、改質器10で改質した燃料ガス(すなわちアノードガス2)とガスタービン34で加圧した空気6を含む酸化ガス(すなわちカソードガス3)とを燃料電池11で反応させ、その排ガス4、7aを起動用触媒燃焼器20で着火・燃焼させてプラント全体を昇温して起動するようになっている。
なおこの例において、燃料電池11は反応温度が約650℃の溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)であるが、本発明はこれに限定されず、その他の高温燃料電池、例えば固体電解質燃料電池(SOFC)にも適用することができる。
【0018】
またこの例において、改質器10、燃料電池11、空気予熱器13a、及び起動用触媒燃焼器20は、同一の電池格納容器31内に格納され、容器内圧力とのバランスにより、高圧(例えば1.0Mpa以上)で運転できるようになっている。この運転圧力はガスタービン34の最大吐出圧力よりも低く設定される。
【0019】
本発明によれば、図1のガスタービン34による加圧空気の温度T2は、触媒燃焼器20が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0より高く設定される。
【0020】
すなわち、触媒燃焼器20が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0が例えば約300℃である場合、ガスタービン34による加圧空気の温度T2をこれより高く設定することにより、ガスタービン34を起動し反応開始温度T0より高い加圧空気を供給するだけで、燃料電池の排ガス温度を高め、起動用触媒燃焼器をその反応開始温度T0まで昇温して着火・燃焼させることができる。
従って、起動のために追加の機器を全く用いないのでプラント建設コストを低減することができ、かつ起動のために余分な燃料や電力を必要とせず、エネルギー損失を低減することができる。
【0021】
ガスタービン34の吸気温度T1が常温(例えば約15℃)のときに、ガスタービン34による加圧空気の温度T2が触媒燃焼器20の反応開始温度T0(例えば約300℃)を超えるように、ガスタービンの加圧空気の圧力P2を十分高く設定する。
具体的には、ガスタービン34の加圧空気の圧力P2を約1.1Mpa以上(圧力比P2/P1=11)に設定することにより、常温(約15℃)の吸気を断熱圧縮により約300℃の加圧空気に加熱することができる。
【0022】
また、図1の例では、ガスタービン36の上流側に起動用燃焼器32を設置する。この起動用燃焼器32は、燃料電池11とガスタービン34のタービンTを結ぶカソード排ガスラインの途中に設置されている。この燃焼器32には計装用空気と、起動用燃料(例えば天然ガス)が供給できるようになっている。
【0023】
さらに、図1の例では、ガスタービン34の排ガスの一部をガスタービンの吸気ラインに再循環させる排ガス循環ライン36と、排ガス循環ライン36の流量を調節する循環流量調節ダンパ36aとを備える。
すなわち、ガスタービン34の排ガスを吸込空気側に再循環する系統(排ガス循環ライン36)を設ける。再循環流量は、タービン排圧のみで吸気側に送られるように低圧損のダクト(排ガス循環ライン36)と流量調節用のダンパ36aで構成するのがよい。
【0024】
この構成において、本発明の方法では、起動用燃焼器32で燃料を燃焼させてガスタービン34を自立運転させ、かつ循環流量調節ダンパ36aでガスタービン34の排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温まで加熱する。
必要再循環流量は、比較的高圧のガスタービン34と燃料電池11のコンバインドシステムの場合で最大10%程度である。この程度の再循環流量比では、圧縮機吐出空気中のO2濃度は20%程度で燃焼上問題ない範囲であり、排ガス中に含まれる蒸気のドレン化によるガスタービン圧縮機へのミスト混入も防止可能である。
【0025】
ダンパ36aの調節は、この例では吸気温度を検出する温度検出器37及び循環流量制御器38により、吸気温度T1を所定の常温(例えば15℃)まで加熱するようになっている。なおこれと相違し、圧縮機吐出温度、吸込混合温度あるは類似の温度で制御してもよく、或いは運転状態によるプログラム制御、又は一定量を常時流す等で対応してもよい。
【0026】
上述した本発明の方法によれば、触媒燃焼器が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0が例えば約300℃である場合、ガスタービン34による加圧空気の温度T2をこれより高く設定しているので、ガスタービン34を起動し反応開始温度T0より高い加圧空気を供給するだけで、燃料電池の排ガス温度を高め、起動用触媒燃焼器をその反応開始温度T0まで昇温して着火・燃焼させることができる。
【0027】
また、起動用燃焼器で燃料を燃焼させてガスタービンを自立運転させ、かつ循環流量調節ダンパでガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温まで加熱する方法により、吸気温度T1が常温より低い(例えば氷点下8℃)場合でも、ガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温(例えば約15℃)まで加熱することができ、ガスタービンによる加圧空気の温度T2を触媒燃焼器の反応開始温度T0を超えるようにできる。
【0028】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【0029】
【発明の効果】
上述したように、本発明の方法は以下の効果を有する。
(1)簡素な系統構成により起動装置を設けることなく、大容量の燃料電池を起動可能となる。
(2)触媒燃焼器点火条件を大気温度変化等の環境変化時も常に確保できるため、緊急停止後の再起動が容易となる。
(3)ガスタービン圧縮機吸込温度を一定とすることも可能となり、発電出力の面で大気温度の変化を受けにくいシステムとなる。
(4)燃料電池に供給される空気中に微量の炭酸ガスを含むため、溶融炭酸塩型燃料電池の場合は電解質の変質を防止できる可能性がある。
【0030】
従って、本発明の燃料電池発電プラントの起動方法は、(1)大型でコストの高い機器を減らしてプラント建設コストを低減することができ、(2)起動のために余分な燃料や電力を必要とせず、(3)外気温度が低い場合でも短時間に安定して起動することができる、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プラントの全体構成図である。
【図2】従来の燃料電池発電プラントの全体構成図である。
【図3】従来の燃料電池発電プラントの別の全体構成図である。
【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 空気ライン、
7 カソード排ガス、7a,7b カソード排ガスライン、
8 水蒸気、10 改質器、11 燃料電池、
12 ターボチャージャ、13a 燃料予熱器、
16 加熱器、17c カソードブロア、17d 空気ブロア、
18 起動用設備、19 排熱回収ボイラ、
20 触媒燃焼器、22 起動用燃焼器、
24 起動用熱交換器、32 起動用燃焼器、
34 ガスタービン、36 排ガス循環ライン、
36a 循環流量調節ダンパ、37 温度検出器、
38 循環流量制御器
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電プラントの起動方法に関する。
【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。
【0003】
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(燃料電池発電プラント)では、図2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11とを備えており、改質器10で作られたアノードガス2は燃料電池11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として触媒燃焼器20に供給される。触媒燃焼器20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)がカソード排ガス7の一部7aにより燃焼し、高温の燃焼ガスとなって改質器10の加熱室Hに入り、改質室Reを加熱し改質室の燃料を改質する。加熱室Hを出た燃焼排ガス5はカソードブロア17cで加圧され、加圧空気6と合流してカソードガス3となる。このカソードブロア17cは、改質器で発生したCO2ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【0004】
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)の残り7bは、ターボチャージャ12で圧力を回収され、排熱回収ボイラ19による熱回収後に系外に排出される。なお、この図において、13aは燃料予熱器、16は起動用ヒータ、17dは空気ブロア、18は起動用設備である。
【0005】
上述した従来の燃料電池発電プラントでは、装置全体が常温に近い状態から燃料電池の運転状態になるまでの起動のために、起動用のヒータ16(例えば電気ヒータや熱交換器)と改質器の燃焼器を昇温するための起動用設備18が必要であった。また、排熱回収ボイラ19での蒸気発生を優先させることで改質器10の昇温を先行させるためにカソードブロア17cの入口から排熱回収ボイラ19の入口までの抽気ライン15が必要であった。
【0006】
そのため、比較的頻度の低い起動時のみのために、起動用ヒータ16(電気ヒータ、熱交換器)、起動用設備18、抽気ライン15およびこれらの付帯設備が必要であり、プラント建設コストを押し上げる要因となっていた。すなわち、起動用ヒータ16として電気ヒータや熱交換器でカソードブロア17cによるリサイクルラインを加熱する場合には、大型の電気ヒータや熱交換器が必要となり、機器が大型であり、コスト高となるばかりでなく、リサイクルラインへの熱交換器等の設置により、定常運転時のブロア動力が増し、発電効率を低下させる問題点があった。また、起動用設備18と抽気ライン15の組合せで昇温する場合には、燃焼排ガス中の水分の凝縮により、燃料電池を構成する電解質板が水分を吸水し発電性能を低下させる問題点があった。
【0007】
上述した問題点を解決するために、例えば、[特許文献1]の「燃料電池発電プラントの起動方法」が提案されている。この起動方法は、図3に示すように改質器10、燃料電池11及びターボチャージャ12を備え、改質器で改質した燃料ガスとターボチャージャで加圧した空気とを燃料電池で反応させ、その排ガスでターボチャージャを駆動する燃料電池発電プラントの起動方法であって、ターボチャージャの上流側に設置された起動用燃焼器22と、ターボチャージャのタービン下流側に設置された起動用熱交換器24とを備え、起動用燃焼器で燃料を燃焼させてターボチャージャを自立運転させ、起動用熱交換器でターボチャージャの排ガスとその加圧空気を熱交換して、加圧空気を加熱しこの加熱空気で燃料電池発電プラントを昇温するものである。
【0008】
【特許文献1】
特開2000−348749号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の高温型燃料電池(例えば溶融炭酸塩型燃料電池)の場合、触媒燃焼器が燃料改質装置の一部として内蔵されており、これを使用して昇温している。しかし、触媒燃焼器により着火・燃焼するためには所定の反応開始温度(例えば約300℃以上)の酸化剤ガス(例えば空気)を供給する必要がある。
このため、上述した従来の高温型燃料電池の場合には、触媒燃焼器の昇温のため、起動用ヒータ16(電気ヒータ、熱交換器)、起動用設備18、抽気ライン15およびこれらの付帯設備、或いは少なくとも起動用熱交換器24が必要であり、設備費がかかる問題点があった。
また、カソード排ガスの圧力回収にターボチャージャ12を用いているが、ターボチャージャによる加圧空気の温度は約150℃未満にすぎず、この加圧空気を触媒燃焼器の反応開始温度(例えば約300℃以上)まで加熱するために、燃料や電力を必要とし、その分エネルギー効率が低下する。
更に、外気温度が低い(例えば氷点下8℃以下)である場合、ターボチャージャによる加圧空気の温度は更に低温となり、起動自体が困難であったり、起動に長時間を必要とし、エネルギー損失が過大となる問題点があった。
【0010】
本発明は、上述した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、(1)大型でコストの高い機器を減らしてプラント建設コストを低減することができ、(2)起動のために余分な燃料や電力を必要とせず、(3)外気温度が低い場合でも短時間に安定して起動することができる燃料電池発電プラントの起動方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、改質器、燃料電池、起動用触媒燃焼器及びガスタービンを備え、改質器で改質した燃料ガスとガスタービンで加圧した空気とを燃料電池で反応させ、その排ガスを起動用触媒燃焼器で着火・燃焼させて起動する燃料電池発電プラントの起動方法であって、前記ガスタービンによる加圧空気の温度T2を、前記触媒燃焼器が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0より高く設定する、ことを特徴とする燃料電池発電プラントの起動方法が提供される。
【0012】
上記本発明の方法によれば、触媒燃焼器が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0が例えば約300℃である場合、ガスタービンによる加圧空気の温度T2をこれより高く設定しているので、ガスタービンを起動し反応開始温度T0より高い加圧空気を供給するだけで、燃料電池の排ガス温度を高め、起動用触媒燃焼器をその反応開始温度T0まで昇温して着火・燃焼させることができる。
従って(1)起動のために追加の機器を全く用いないのでプラント建設コストを低減することができ、かつ(2)起動のために余分な燃料や電力を必要とせず、エネルギー損失を低減することができる。
【0013】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ガスタービンの吸気温度T1が常温のときに、ガスタービンによる加圧空気の温度T2が触媒燃焼器の反応開始温度T0を超えるように、ガスタービンの加圧空気の圧力P2を十分高く設定する。この方法によれば、ガスタービンの加圧空気の圧力P2を約1.1Mpa以上(圧力比P2/P1=11)に設定することにより、常温(約15℃)の吸気を断熱圧縮により約300℃の加圧空気に加熱することができる。
【0014】
また、前記ガスタービンの上流側に設置された起動用燃焼器と、ガスタービンの排ガスの一部をガスタービンの吸気ラインに再循環させる排ガス循環ラインと、該排ガス循環ラインの流量を調節する循環流量調節ダンパとを備え、起動用燃焼器で燃料を燃焼させてガスタービンを自立運転させ、かつ循環流量調節ダンパでガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温まで加熱する。
この方法により、吸気温度T1が常温より低い(例えば氷点下8℃)場合でも、ガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温(例えば約15℃)まで加熱することができ、ガスタービンによる加圧空気の温度T2を触媒燃焼器の反応開始温度T0を超えるようにできる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【0016】
図1は、本発明の方法を適用する燃料電池発電プラントの全体構成図である。この図において、図2に示した従来のプラントから起動用ヒータ16、起動用設備18、抽気ライン15、空気ブロア17dおよびこれらの付帯設備が省略されている。また、図3に示した起動用熱交換器24も省略されている。
【0017】
すなわち、図1の燃料電池発電プラントは、改質器10、燃料電池11、起動用触媒燃焼器20及びガスタービン34を備え、改質器10で改質した燃料ガス(すなわちアノードガス2)とガスタービン34で加圧した空気6を含む酸化ガス(すなわちカソードガス3)とを燃料電池11で反応させ、その排ガス4、7aを起動用触媒燃焼器20で着火・燃焼させてプラント全体を昇温して起動するようになっている。
なおこの例において、燃料電池11は反応温度が約650℃の溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)であるが、本発明はこれに限定されず、その他の高温燃料電池、例えば固体電解質燃料電池(SOFC)にも適用することができる。
【0018】
またこの例において、改質器10、燃料電池11、空気予熱器13a、及び起動用触媒燃焼器20は、同一の電池格納容器31内に格納され、容器内圧力とのバランスにより、高圧(例えば1.0Mpa以上)で運転できるようになっている。この運転圧力はガスタービン34の最大吐出圧力よりも低く設定される。
【0019】
本発明によれば、図1のガスタービン34による加圧空気の温度T2は、触媒燃焼器20が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0より高く設定される。
【0020】
すなわち、触媒燃焼器20が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0が例えば約300℃である場合、ガスタービン34による加圧空気の温度T2をこれより高く設定することにより、ガスタービン34を起動し反応開始温度T0より高い加圧空気を供給するだけで、燃料電池の排ガス温度を高め、起動用触媒燃焼器をその反応開始温度T0まで昇温して着火・燃焼させることができる。
従って、起動のために追加の機器を全く用いないのでプラント建設コストを低減することができ、かつ起動のために余分な燃料や電力を必要とせず、エネルギー損失を低減することができる。
【0021】
ガスタービン34の吸気温度T1が常温(例えば約15℃)のときに、ガスタービン34による加圧空気の温度T2が触媒燃焼器20の反応開始温度T0(例えば約300℃)を超えるように、ガスタービンの加圧空気の圧力P2を十分高く設定する。
具体的には、ガスタービン34の加圧空気の圧力P2を約1.1Mpa以上(圧力比P2/P1=11)に設定することにより、常温(約15℃)の吸気を断熱圧縮により約300℃の加圧空気に加熱することができる。
【0022】
また、図1の例では、ガスタービン36の上流側に起動用燃焼器32を設置する。この起動用燃焼器32は、燃料電池11とガスタービン34のタービンTを結ぶカソード排ガスラインの途中に設置されている。この燃焼器32には計装用空気と、起動用燃料(例えば天然ガス)が供給できるようになっている。
【0023】
さらに、図1の例では、ガスタービン34の排ガスの一部をガスタービンの吸気ラインに再循環させる排ガス循環ライン36と、排ガス循環ライン36の流量を調節する循環流量調節ダンパ36aとを備える。
すなわち、ガスタービン34の排ガスを吸込空気側に再循環する系統(排ガス循環ライン36)を設ける。再循環流量は、タービン排圧のみで吸気側に送られるように低圧損のダクト(排ガス循環ライン36)と流量調節用のダンパ36aで構成するのがよい。
【0024】
この構成において、本発明の方法では、起動用燃焼器32で燃料を燃焼させてガスタービン34を自立運転させ、かつ循環流量調節ダンパ36aでガスタービン34の排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温まで加熱する。
必要再循環流量は、比較的高圧のガスタービン34と燃料電池11のコンバインドシステムの場合で最大10%程度である。この程度の再循環流量比では、圧縮機吐出空気中のO2濃度は20%程度で燃焼上問題ない範囲であり、排ガス中に含まれる蒸気のドレン化によるガスタービン圧縮機へのミスト混入も防止可能である。
【0025】
ダンパ36aの調節は、この例では吸気温度を検出する温度検出器37及び循環流量制御器38により、吸気温度T1を所定の常温(例えば15℃)まで加熱するようになっている。なおこれと相違し、圧縮機吐出温度、吸込混合温度あるは類似の温度で制御してもよく、或いは運転状態によるプログラム制御、又は一定量を常時流す等で対応してもよい。
【0026】
上述した本発明の方法によれば、触媒燃焼器が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0が例えば約300℃である場合、ガスタービン34による加圧空気の温度T2をこれより高く設定しているので、ガスタービン34を起動し反応開始温度T0より高い加圧空気を供給するだけで、燃料電池の排ガス温度を高め、起動用触媒燃焼器をその反応開始温度T0まで昇温して着火・燃焼させることができる。
【0027】
また、起動用燃焼器で燃料を燃焼させてガスタービンを自立運転させ、かつ循環流量調節ダンパでガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温まで加熱する方法により、吸気温度T1が常温より低い(例えば氷点下8℃)場合でも、ガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温(例えば約15℃)まで加熱することができ、ガスタービンによる加圧空気の温度T2を触媒燃焼器の反応開始温度T0を超えるようにできる。
【0028】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【0029】
【発明の効果】
上述したように、本発明の方法は以下の効果を有する。
(1)簡素な系統構成により起動装置を設けることなく、大容量の燃料電池を起動可能となる。
(2)触媒燃焼器点火条件を大気温度変化等の環境変化時も常に確保できるため、緊急停止後の再起動が容易となる。
(3)ガスタービン圧縮機吸込温度を一定とすることも可能となり、発電出力の面で大気温度の変化を受けにくいシステムとなる。
(4)燃料電池に供給される空気中に微量の炭酸ガスを含むため、溶融炭酸塩型燃料電池の場合は電解質の変質を防止できる可能性がある。
【0030】
従って、本発明の燃料電池発電プラントの起動方法は、(1)大型でコストの高い機器を減らしてプラント建設コストを低減することができ、(2)起動のために余分な燃料や電力を必要とせず、(3)外気温度が低い場合でも短時間に安定して起動することができる、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プラントの全体構成図である。
【図2】従来の燃料電池発電プラントの全体構成図である。
【図3】従来の燃料電池発電プラントの別の全体構成図である。
【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 空気ライン、
7 カソード排ガス、7a,7b カソード排ガスライン、
8 水蒸気、10 改質器、11 燃料電池、
12 ターボチャージャ、13a 燃料予熱器、
16 加熱器、17c カソードブロア、17d 空気ブロア、
18 起動用設備、19 排熱回収ボイラ、
20 触媒燃焼器、22 起動用燃焼器、
24 起動用熱交換器、32 起動用燃焼器、
34 ガスタービン、36 排ガス循環ライン、
36a 循環流量調節ダンパ、37 温度検出器、
38 循環流量制御器
Claims (3)
- 改質器、燃料電池、起動用触媒燃焼器及びガスタービンを備え、改質器で改質した燃料ガスとガスタービンで加圧した空気とを燃料電池で反応させ、その排ガスを起動用触媒燃焼器で着火・燃焼させて起動する燃料電池発電プラントの起動方法であって、
前記ガスタービンによる加圧空気の温度T2を、前記触媒燃焼器が着火・燃焼するための所定の反応開始温度T0より高く設定する、ことを特徴とする燃料電池発電プラントの起動方法。 - 前記ガスタービンの吸気温度T1が常温のときに、ガスタービンによる加圧空気の温度T2が触媒燃焼器の反応開始温度T0を超えるように、ガスタービンの加圧空気の圧力を十分高く設定する、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電プラントの起動方法。
- 前記ガスタービンの上流側に設置された起動用燃焼器と、ガスタービンの排ガスの一部をガスタービンの吸気ラインに再循環させる排ガス循環ラインと、該排ガス循環ラインの流量を調節する循環流量調節ダンパとを備え、起動用燃焼器で燃料を燃焼させてガスタービンを自立運転させ、かつ循環流量調節ダンパでガスタービンの排ガスの一部を吸気空気に直接混入して、吸気温度T1を所定の常温まで加熱する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池発電プラントの起動方法。
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JP2003034542A JP2004247116A (ja) | 2003-02-13 | 2003-02-13 | 燃料電池発電プラントの起動方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010211931A (ja) * | 2009-03-06 | 2010-09-24 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システムと、この燃料電池システムの運転方法 |
WO2020240885A1 (ja) * | 2019-05-31 | 2020-12-03 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法 |
-
2003
- 2003-02-13 JP JP2003034542A patent/JP2004247116A/ja active Pending
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