JPH1092451A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】負荷変動に対する燃料電池差圧制御弁および排
ガスタービン入口圧力制御弁の制御性を共に確保し、高
効率運転と排ガスの持つエネルギーの最大限の有効回収
を図る。 【解決手段】排ガスタービン４の排ガス入口部に圧力制
御弁１０と直列に可変型ノズル１５を設け、この可変型
ノズル１５は、燃料電池の運転負荷に対して決められた
ノズル開度を示すノズル開度曲線に従って適正なノズル
開度をとるように、ノズル開度制御部１８により制御さ
れるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の排ガス
および改質器の燃焼排ガスで駆動する熱回収用の排ガス
タービンを装置内に設けてなる加圧型燃料電池発電装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムでは、天然ガス、
ＬＰＧ、メタノール等の燃料を改質器で水素リッチな燃
料ガスに改質して燃料電池のアノードに供給し、カソー
ドには空気ブロア、コンプレッサを通じて大気側から取
り込んだ空気を供給して発電するとともに、アノード側
から排出する燃料系の排ガス（水素を含む）を改質器の
バーナに送り込んで燃焼させ、その燃焼熱で燃料の改質
を行うようにしている。また、特に燐酸型燃料電池で動
作圧力を４kg/cm²G 、動作温度を１９０℃程度で運転を
行う加圧型燃料電池発電装置では、プラント効率の向上
を狙いに、改質器から排出する燃焼排ガスおよび燃料電
池のカソードから排出する空気排ガスで排ガスタービン
を駆動し、燃焼排ガスの保有する熱エネルギーを動力と
して回収する方式が開発されている。

【０００３】一方、燃料電池では内部のマトリクスを透
過してアノードとカソードとの極間でガスクロスが発生
すると、電池の出力特性が低下するほか、局所加熱が生
じて電池寿命が低下する。そのために、アノード／カソ
ードの極間差圧をある程度以内に抑える必要があり、こ
の差圧制御手段として、従来では燃料電池の出口側でア
ノード、カソードの排ガス配管系に差圧制御弁を介装し
て、極間差圧を許容限度内に維持するようにした極間差
圧制御方式が一般に採用されている。

【０００４】このような燃料電池発電装置においては、
燃料電池の運転負荷の増減によって、燃料電池に導入さ
れる燃料ガス、空気の流量が変動し、これに伴い排ガス
タービンに流入するカソードおよび改質器からの排ガス
の流量が変化する。しかも排ガスタービン（タービン出
口が大気に開放している）の特性から、排ガスタービン
への流入ガス流量が低下すると、排ガスタービンでのガ
ス膨張比が小となって排ガスタービンの入口側圧力が減
少し、この結果として排ガスタービンからみて上流側に
ある燃料電池の排ガス配管系のガス圧が低下する。

【０００５】すなわち、燃料電池の排ガス配管系の圧力
が排ガスタービンへの流入量によって直接に影響をう
け、ガス流量の少ない軽負荷時には排ガス圧力が大きく
低下し、逆にガス流量の多い高負荷時には排ガス圧力が
上昇する。このため、実際の負荷範囲での最大負荷と最
小負荷との運転状況を比較すると、改質器の燃焼排ガス
および燃料電池の空気系排ガスをそのまま排ガスタービ
ンに導入する方式では、燃料電池の排ガス配管系におけ
る圧力変動幅が極めて大となり、燃料電池の運転効率が
低下する。

【０００６】特開平２ー２９７８６６には、この課題を
解決するため、排ガスタービンの上流入口付近に圧力制
御弁を設け、排ガス配管系内の圧力を所定の圧力に制御
する方法が記載されている。図５は、そのような構成の
従来の燃料電池発電装置のシステムフロー図である。図
５において、１は加圧型の燃料電池、２は天然ガスなど
の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器、
３は大気から取り込んだ空気を昇圧する空気ブロア、４
は排ガスの熱回収を行う排ガスタービン、５は発電機、
６、７は燃料電池１のアノード１ａ、カソード１ｂ出口
より引き出した燃料系、空気系の排ガス管路に接続した
差圧制御弁である。

【０００７】かかる構成の発電装置の運転時には、改質
器２のバーナ２ａに燃料電池１のアノード１ａ排ガスと
空気ブロア３から送気した空気を供給して燃焼させ、そ
の燃焼熱により燃料と改質触媒とを触媒反応させて、燃
料を水素リッチな燃料ガスに改質する。また、改質器２
より引き出した燃焼排ガス配管８に、燃料電池１のカソ
ード１ｂより引き出した空気排ガス配管９を結合し、改
質器２の燃焼排ガスと空気系の排ガスとを合流させた上
で排ガスタービン４に導いて排ガスタービン４を駆動
し、これに接続された発電機５より得られた電力を例え
ば空気ブロア３の駆動モータ３ａに供給する。

【０００８】一方、燃料電池１の通常運転時には、燃料
電池１の圧力容器（図示せず）に封入した窒素のガス圧
を基準に差圧制御弁６、７を制御し、燃料電池１におけ
るアノード１ａとカソード１ｂとの極間差圧が許容限度
以内に収まるように差圧制御を行っている。さらに、排
ガスタービン４の入口付近には圧力制御弁１０が設けら
れている。そして差圧制御弁６、７の下流側には、圧力
検出器１１、１２が設置してあり、その検出信号は信号
切替器１３を介して圧力制御弁制御部１４に与えられ
る。一方、圧力制御弁制御部１４は、加圧型燃料電池１
の運転圧力に相応して定めた所定の一定圧、もしくは負
荷に対して求められた圧力曲線に対応した圧力を設定値
として与え、前記圧力検出器１１、１２の検出値を基
に、燃焼排ガス配管８系内のガス圧が設定圧力を維持す
るように圧力制御弁１０をフィードバック制御してい
る。

【０００９】このようにして、圧力制御弁１０により燃
焼排ガス配管８系内のガス圧を設定圧力に維持すること
で、負荷変動に伴う排ガス配管系の圧力変動幅を差圧制
御弁６、７の制御可能な範囲内に収めることを可能にし
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の方
式では、圧力制御弁１０の下流の圧力は、排ガスタービ
ン４に流入するガス流量に依存して大きく変動し、燃料
電池１の運転負荷が小さく排ガスタービン４への流入ガ
ス流量も少ない場合は、排ガスタービン４入口圧力が低
下し、排ガスタービン４の動力回収量も低下する。ま
た、圧力制御弁１０の前後のガス圧差が大きいので、圧
力制御弁１０の開度は非常に小さな開度、あるいは最悪
の場合ＯＮーＯＦＦ制御のようになることもある。そし
て、この制御性の悪さが、燃焼排ガス配管８系内および
改質器２内の圧力変動を引き起こす不都合を生じる。こ
のように、圧力制御弁１０の開度調節により燃焼排ガス
配管８系内のガス圧を微調整する際の圧力制御弁１０の
制御性については、依然問題が残されていた。

【００１１】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
であり、燃料電池１の運転負荷変動に伴って排ガスター
ビン４に流入する排ガスの流量が変化しても、排ガスタ
ービン４の動力を低下させることなく流入ガスの持つエ
ネルギーを有効に回収するとともに、圧力制御弁１０の
制御性に優れ、精密な排ガス配管系内の圧力制御が可能
な燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願発明においては、燃料電池の排ガスと燃料改質
器の燃焼排ガスにより駆動する排ガスタービンと、前記
排ガスタービンへ排ガスを導入するための排ガス配管系
とを有し、前記排ガス配管系内のガス圧を所定の値に維
持するための圧力制御弁を前記排ガスタービンの上流に
設けてなる燃料電池発電装置において、前記排ガスター
ビンの排ガス入口部に可変型ノズルを設けた。この可変
型ノズルと前記圧力制御弁は直列に位置するものであ
る。そして、この可変型ノズルは燃料電池の運転負荷に
対して決められたノズル開度を示すノズル開度曲線にし
たがって、適正なノズル開度をとるように制御されるも
のとする。

【００１３】これにより、ノズルの上流に設けられた圧
力制御弁の前後のガス圧差が小さくなるため、従来のよ
うに圧力制御弁を全開または全閉のいずれかの状態に小
刻みに変化させてラフな制御を行うのではなく、燃料電
池の運転負荷変動に応じた適正な圧力制御弁の開度を保
持し、排ガス配管系内および改質器内の圧力変動が許容
範囲を超えることなくスムーズな調整を行うことが可能
となった。

【００１４】また、排ガスタービンのノズルは、排ガス
の持つ熱エネルギーを速度エネルギーに変換する作用を
有するものであり、この可変型ノズルの開度を運転負荷
によって調整することにより、低負荷時の排ガスタービ
ン流入ガス流量が少ない場合においても、排ガスタービ
ン流入ガスの圧力低下を抑え、排ガスの持つエネルギー
を有効に回収することを可能にする。

【００１５】しかし、運転負荷に応じて開度を制御され
る可変型ノズルを有する上述のような構成としても、経
時的な燃料電池特性の変化によるガス流量の変化等、運
転負荷以外の要因によっても圧力制御弁前後の圧力差は
変動する。本願発明の第二の発明は、この差圧変動に対
応するため、上記の排ガスタービンにノズルを設けた構
成の燃料電池発電装置において、圧力制御弁前後の圧力
差を検出する差圧検出器を設けた構成とするものであ
る。そして、検出した圧力差が、標準圧力差より大きい
設定値以上の値を一定時間以上継続するならば、排ガス
タービンのノズルの開度を一定量減じ、検出した圧力差
が標準圧力差より小さい方の設定値以下の値を一定時間
以上継続するならば、排ガスタービンのノズルの開度を
一定量増すこととする。

【００１６】このような微調整を加えることにより、圧
力制御弁の前後差圧が常に所定の範囲内に抑えられるの
で、圧力制御弁による排ガス配管系内の圧力制御性がよ
り向上するとともに、排ガスタービンにおいても排ガス
の持つエネルギーをより無駄なく有効に回収できるよう
になり、燃料電池発電装置全体の効率を上げることがで
きる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例を示すシス
テムフロー図である。簡略のため、図５と共通する部位
には同じ記号を付して説明を省略する。本発明の燃料電
池発電装置は図１に示すように、圧力制御弁１０の下流
側かつ直列に設けられた排ガスタービン４の入口に、可
変型のノズル１５を設けるものである。圧力制御弁１０
を通過したガスは、可変型ノズル１５を介して排ガスタ
ービン４に導入され、排ガスの持つ熱エネルギーは回転
エネルギーに変換されて発電機５を駆動し、電力として
回収される。

【００１８】圧力制御弁１０は燃焼排ガス配管８系内の
圧力を所定の値を維持するような適度な開度となるよう
に制御されており、可変型ノズル１５は、圧力制御弁１
０が適度な開度を維持して燃焼排ガス配管８系内の圧力
を制御することが出来るように、圧力制御弁１０と可変
型ノズル１５の圧力を制御する。このノズル開度は、運
転負荷に応じて図２に示すノズル開度曲線に従って設定
される。

【００１９】このノズル開度曲線は、圧力制御弁１０の
燃焼排ガス配管８系内の圧力制御性を考慮して、各運転
負荷において圧力制御弁１０が適正な圧力制御が行える
ようなノズル開度を選定して求めたものである。運転負
荷の値がノズル開度制御部１８に与えられると、ノズル
開度制御部１８は図２に示すノズル開度曲線に従って、
運転負荷に応じた適正なノズル開度を維持するように制
御を行う。

【００２０】図３は、第二の発明の実施例を示すシステ
ムフロー図である。図３は、上述した図１に示す燃料電
池発電装置において、圧力制御弁１０の前後差圧を検出
する差圧検出器１６を設けた構成としたものであり、差
圧検出器１６の検出信号がノズル開度補正用制御部１７
に入力され、制御信号が可変型ノズル１５に出力されて
ノズル開度の補正を行うものである。このような構成と
することにより、燃料電池１の運転負荷変動以外の理由
により生じた排ガス流量の変化による圧力制御弁１０前
後の圧力差の変動が、常に所定の範囲内にあるように補
正を行うことが可能となる。このような制御を行った場
合の圧力制御弁１０前後の差圧とノズル開度の関係につ
いて図４に示す。

【００２１】図４は、圧力制御弁１０の前後差圧と可変
型ノズル１５の開度補正の関係を模式的に示したもので
ある。図４の（ｂ）は運転負荷が一定状態の場合、
（ｃ）は負荷上昇中の場合におけるノズル開度の補正を
表している。ここでは一例として、圧力制御弁１０の前
後差圧の計画値を０．２kg/cm²とし、差圧がt₀から一定
時間（例えば１０秒）経過後のt₁まで継続して０．３kg
/cm²を上回ると、可変型ノズル１５の開度を一定量（例
えば１％）減じ、また圧力制御弁１０の前後差圧が０．
１kg/cm²を一定時間（例えば１０秒）以上継続して下回
れば、可変型ノズル１５の開度を一定量（例えば１％）
増大させるようにした場合を示している。

【００２２】

【発明の効果】上述のように、本願発明は、燃料電池発
電装置に連結された排ガスタービンに可変型ノズルを設
け、この可変型ノズルを運転負荷に応じたノズル開度と
なるように制御することとした。これにより、可変型ノ
ズルの上流に設けられた圧力制御弁の前後のガス圧差が
小さくなったため、燃料電池の運転負荷変動に応じた適
度な圧力制御弁の開度を保持し、排ガス配管系内の圧力
を過度に変化させることなくスムーズな調整を行うこと
が可能となった。

【００２３】またさらに、低負荷時の排ガスタービン流
入ガス流量が少ない場合においても、排ガスタービン流
入ガスの圧力低下を抑え、排ガスの持つエネルギーを最
大限有効に回収することが可能となった。さらに第二の
発明として、上記の排ガスタービンに可変型ノズルを設
けた構成の燃料電池発電装置において、圧力制御弁の前
後の圧力差を検出する差圧検出器を設けた構成とし、検
出した圧力差が、標準圧力差より大きい設定値以上の値
を一定時間以上継続するならば、排ガスタービンのノズ
ル開度を一定量減じ、検出した圧力差が標準圧力差より
小さいほうの設定値以下の値を一定時間以上継続するな
らばノズル開度を一定量増すこととした。これにより、
経時的な燃料電池の特性変化等の運転負荷変動以外の理
由によるガス流量の変化等にも対応して、圧力制御弁の
前後差圧が常に所定の範囲内に収まるように微調整する
ことが可能となった。従って、圧力制御弁による排ガス
配管系内の圧力制御性がより向上するとともに、排ガス
タービンにおいても排ガスの持つエネルギーをより無駄
なく有効に回収できるようになり、燃料電池発電装置全
体の効率を上げることが出来るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すシステムフロー図。

【図２】運転負荷とノズル開度の関係を示すノズル曲線
図。

【図３】本発明の第二の実施例を示すシステムフロー
図。

【図４】圧力制御弁の前後差圧とノズルの開度補正の関
係を模式的に示した図。

【図５】従来の燃料電池発電装置のシステムフロー図。

【符号の説明】

１…燃料電池、１ａ…アノード、１ｂ…カソード、２…
改質器、３…空気ブロア、４…排ガスタービン、５…発
電機、６，７…差圧制御弁、８…燃焼排ガス配管、９…
空気排ガス配管、１０…圧力制御弁、１１，１２…圧力
検出器、１３…信号切換器、１４…圧力制御弁制御部、
１５…可変型ノズル、１６…差圧検出器、１７…ノズル
開度補正用制御部、１８…ノズル開度制御部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池の排ガスと燃料改質器の燃焼排ガ
   スにより駆動する排ガスタービンと、前記排ガスタービ
   ンへ排ガスを導入するための排ガス配管系とを有し、前
   記排ガス配管系内のガス圧を所定の値に維持するための
   圧力制御弁を前記排ガスタービンの上流に設けてなる燃
   料電池発電装置において、前記圧力制御弁と前記排ガス
   タービンの間に直列に設けられた可変型ノズルと、当該
   可変型ノズルの開度を前記燃料電池の運転負荷に応じて
   制御するノズル開度制御部とを有することを特徴とする
   燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】前記ノズル開度制御部は、前記燃料電池の
   運転負荷に応じて決められたノズル開度曲線に従った設
   定値を前記可変型ノズルに与えて制御するものであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の燃料電池発電装
   置において、前記圧力制御弁の前後の圧力差を検出する
   差圧検出器と、当該差圧検出器の圧力検出信号に基づい
   て、その圧力差が第一の設定値以上の値を所定時間以上
   継続するときに前記可変型ノズルの開度を所定量減じ、
   その圧力差が前記第一の設定値より低く設定された第二
   の設定値以下の値を所定時間以上継続するときに前記可
   変型ノズルの開度を所定量増加させるように前記ノズル
   開度制御部に指令するノズル開度補正用制御部とを備え
   たことを特徴とする燃料電池発電装置。