JPS59186273A - 燃料電池発電プラント - 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〕 本発明は燃料電池発電プラントにおいて、特にその緊急
時に安全にプラント停止が可能な構成の燃料電池発電プ
ラントに関するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

燃料電池発電プラントは燃料極ガス室とを熱極ガス室と
を有する燃料電池本体と１．１本以上の改質管を有しこ
の改質管を通る原燃料を管外からの加熱により改質して
燃？″ｊ−籟＋億の惚料極ガス室に供給する燃料改質器
と、排熱を回収してタービンを駆動しこれによシコング
レッサを回転させて加圧された空気を燃料電池本体の空
気極ガス室および燃料改質器の管外の加熱部に供給する
タービン・コンプレッサと、燃料電池本体の空気極ガス
室、燃料改質器の管外からの加熱部からの排ガスおよび
タービン・コンプレッサからの空気が供給され且つター
ビン・コンプレッサへのエネルギ供給を加減して適切な
作動範囲に制御する補助燃焼器とを構成要素としている
。

ところで、このような燃料電池発電プラントにおいては
、各部において必要な流量、温度を／ ／ 満足するように運転することは当然の９′とであるが、
異常時および緊急時に特に留意しなければならないこと
はプラントを安全に停止させる必要がある。そのために
は燃料電池本体の燃料極ガス室と空気極ガス室との圧力
差をある範囲内にできるだけ抑えることと、燃料改質器
の反応管内の圧力が反応管外の圧力よシも太きくなるよ
うにすることが要求される。

〔発明の目的〕

本−発明はかかる要求を満たすべくなされたもので、そ
の目的は電源喪失、計装空気喪失などの緊急かつ重大な
故障のときに・もフェイルセーン方式によシブラントを
安全に停止することができる燃料電池発電プラントを提
供しようとするものである。

〔発明の概要〕

本発明はかかる目的を達成するため、原燃料の供給系に
７エイルセーフで閉となるし中断弁を設け、空気供給系
にはフーイルセー７で閉となるしゃ断弁を設けると共に
コンプレッサの吐出側にはフェイルセーフで開となる吐
出空気を排出するための放出弁を設け、また燃料改質器
り燃焼室出口よシ排出された燃焼排ガスと燃料電池本体
の空気極ガス室よシの排空気とがタービンを駆動する補
助燃焼器に供給される供給系にフェイルセーフで閉とな
る隔離弁を設けると共にこの隔離弁の上流に７エイルセ
ー７で開となる放出弁を設け、この放出弁を通る流量を
隔離弁を通る流量よシも小さくなるようにしたことを特
徴としている。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第１
図は燃料電池発電プラントの系統構成例を示すものであ
る。第１図に示すように燃料電池本体１は複数組の燃料
極２、空気極３および電解室４とを積層して構成したも
ので、図ではその１組を代表して示しである。そしてこ
の燃料電池本体１は燃料極２に接して燃料極ガス室５、
また空気極３に接して空気極ガス室６が形成されてお９
、燃料電池本体１の外部よシ後述する改質燃料ガス（水
素リッチガス）および空気をそれぞれ受は入れ、残余の
ガスを排出するようになっている。また燃料改質器７は
プロセス側の改質触媒が充填されている複数本の改質管
（図では１本の改質管を代表して示しである）８とこの
改質管８を外部より加熱して改質反応を行なわしめる燃
焼室９とから構成されている。そして燃焼室９には外部
よシ主燃料として燃料電池本体１の燃料極ガス室５から
排出される残余の燃料と配化剤としての空気とが供給さ
れるようになっておシ、またパイロット燃料として外部
よシ別の原燃料が供給できるように構成されている。さ
らに補助燃焼器１０はプラントの起動時に原燃料によジ
タービン１１を起動し、このタービンによりてコンプレ
ッサ１２を自立運転させる。また、グランド通常運転時
には燃料改質器７から供給される改質燃料ガス（水素リ
ッチガス）によシ燃焼させ、プラント全体に必要な空気
を供給するコンプレッサ１２を駆動するタービンへの供
給エネルギを調整するものである。

原燃料（一般には天然ガス）は図示していない貯蔵タン
クまたは導管よシブラントに供給されるようになってお
シ、プラント側においてその供給管１３を必要に応じて
分岐し、燃料改質器７のノロセス側の改質管８および燃
焼室９へ、また補助燃焼器１０へそれぞれ供給されるよ
うになっている。

而して、第１図において、１４〜１６は供給管１３を通
して燃料改質器７の改質管８および燃焼室９、補助燃焼
器１０へそれぞれ原燃料が供給される供給系に設けられ
た主原燃刺供給しゃ断弁、１７〜２１は燃料改質器７の
改質管８および燃焼室９、補助燃焼器１０．燃料電池本
体１の燃料極ガス室５の排出側および空気極ガス室６に
対してプラントの緊急時それぞれ窒素ガスを供給する各
供給系に設けられた窒素ガス供給弁、２２，２３は燃料
改質器７の改質管８から燃料電池本体１の燃料極ガス室
５と補助燃焼器１０とに対して改質燃料ガスをそれぞれ
供給する供給系に設けられた改質燃料供給しゃ断弁、２
４は燃料改質器７の燃焼室９、燃料電池本体１の空気極
ガス室６の排出ガスが合流されて補助燃焼器１０に供給
される合流点以降の供給系に設けられた隔離弁である。

また、２５゜２９はこの隔離弁２４が設けられている供
給系とコンプレッサ１２の出側空気供給系とに各々接続
されている外部放出系に設けられた放出弁、２６〜２８
はコンプレッサ１２から送出される空気を燃料電池本体
１の空気極ガス室６、燃料改質器７の燃料室９および補
助燃料器１０にそれぞれ供給する空気供給系に設けられ
た空気供給しゃ断弁である。

ここで、各供給系に設けられた弁において、黒塗シの弁
はプラントの緊急時にはフェイルセーフで閉となる弁で
あシ、また白抜きの弁はフェイルセーフで開となる弁を
示している。

なお、プラントの台系には制御弁、オリフィス、各種の
計測器などがあるが、本図では省略しである。

次に上記のように構成された燃料電池発電プラントの作
用について述べる。まず、通常運転時には７０ランドへ
の原燃料は供給管１３を経て開となっているしゃ断弁１
４〜１６を通って図示しない制御弁またはオリフィス等
によシ必要な量が燃料改質器７のプロセス側の改質管８
および燃焼室９へ、また補助燃焼器１０へそれぞれ供給
されている。この場合、窒素ガス供給系は通常運転時に
窒素ガスがプロセスに供絽されないように各窒素ガス供
給弁１７〜２ノは閉としである。

燃料改質器７で改質された改質燃料ガス（水素リッチガ
ス）は図示していない制御弁によシ流量が制御されて燃
料電池本体１および補助燃料器１０へ通常運転時開と麿
るしゃ新井２２゜２３を通して必要量供給される。燃料
電池本体１に供給された改質燃料ガスは燃料極ガス室５
に供給され、燃料極２で既知の電極反応Ｈ２→＋ ２Ｈ＋２８が行なわれる。そして残余の改質燃料ガスは
燃料改質器７の燃焼室９へ導びかれ、燃焼して改質管８
を加熱し、この改質管８を通過する原料ガスを水素リッ
チの改質燃料ガスへと改質される。また燃料改質器７の
燃焼室９よシ排出された燃焼排ガスは燃料電池本体１の
空気極ガス室６から排出された排出ガスと合流し、開と
なっている隔離弁２４を通して補助燃焼器１０に送られ
タービン１１への供給エネルギが調整される。

一部プラントで必要な空気はコンプレッサ１２よシ送ら
れ、燃料電池本体１の空気極ガス室６へ開となっている
しゃ新井２６を通して供給される。空気極３では既知の
′電極反応”２Ｈ＋十捧０２　＋２　ｅ−−Ｈ２Ｏが行
なわれる。そして残余の空気および反応生成蒸気は隔離
弁２４を通して補助燃焼器１０へ供給される。また空気
の一部は燃料改質器７の燃焼室９へ開となっているしゃ
新井２７を通して燃焼用酸化剤として供給され、さらに
空気の一部は補助燃焼器１ｏへ開となっているしゃ新井
２８を通して酸化剤として供給される。

このようにプラントの通常運転時には主原燃料供給しゃ
新井１４〜１６、改質燃料ガス供給しゃ新井２２・２３
、隔離弁２４および空気供給しゃ新井２６〜２８を全て
開とし、また空気放出弁２５．２９を閉とし−（も供給
系を運用している◇ さて、通常時のプラント停止過程においては図示してい
ない多数の制御弁を用いることによシブラントの各所が
安全に経過するようにすることができる。しかし乍ら、
電源喪失や制御用空気喪失などのような外部からの信号
まだはタービン駆動エネルギの供給が不能のときにはプ
ラントの個有の装置にて安全にプラントを停止させる必
要がある。以下このような緊急時にプラントを停止させ
る場合の作用について述べる。

プラント停止過程においては燃焼火炎を消し、原料ガス
および改質燃料ガスを窒素ガスにて安全にパージするこ
とが重要である。このとき燃料電池本体１の燃料極ガス
室５と空気極ガス室６との間の圧力差をできるだけ小さ
くすること、および燃料改質器７の改質管８の中の圧力
が燃焼室９内の圧力よシ大きくなるように配慮しつつ窒
素パージ？・行なうことが必要である。このためには単
に放出弁を多数設けてパージすることではなくて充分考
慮されたパージ方法を採ることが望まれている。

今、外部からの信号や計装空気源が喪失した場合を考え
ると、第１図において黒塗シの弁はフェイルセーフで閉
となる。これによシ原料ガスの供給はしゃ断さ−れるが
、プラント内にはまだ改質燃料ガスの一部が保有してい
る。また白抜きの弁はフェイルセーフで開としであるの
で、窒素ガスが図示していない貯蔵源よシ供給される。

窒素ガス供給弁１７．１８はそれぞれ燃料改質器７の燃
焼室９内のパークと補助燃焼器１０内のパージを行なう
ための弁であシ、・千イロット燃焼用の原料ガスをそれ
ぞれパージした後に、それぞれの燃焼部をパージするた
めに用いられる。また窒素ガス供給弁１７は燃料改質器
７の改質管８へ供給された原料ガスをパージするだめの
弁であシ、窒素ガス供給弁２０は燃料極ガス室５の下流
および燃料改質器７の燃焼室９をパージするだめの弁で
ある。燃料系においては窒素ガス供給弁１７よシ供給さ
れた窒素ガスは改質管８内の原料ガスおよび改質燃料ガ
スをパージしつつしゃ新井２２を通して窒素ガス供給弁
２０よシの供給窒素ガスと混合しつつ放出弁２５よシ排
出される。他方空気系は空気供給しゃ断弁２６〜２８を
閉として余剰の空気を放出する。したがって、タービン
１１は燃焼エネルギ、空気の供給がＵＴたれて停止する
ことになる。

また窒素ガス供給弁２ノの開により燃料電池本体１の燃
料極ガス室５には窒素ガスが供給され、空気極ガス室５
内をパージしつつ放出弁２５よシ放出される。

以上は空気系、窒素ガス供給系の各弁の説明であるが、
この場合隔離弁２４はフェイルセーフで閉となシ、通常
運転では開となるようにしである。何故なら緊急時にこ
の弁を開とすると、一般に弁口径が大きいので、空気極
ガス室６および燃焼器ガス室５の中の圧力降下が大きく
なる可能性が大となる。このため電源喪失とか計装空気
源喪失などの緊急時には隔離弁２４を閉として放出弁２
５を開としている。この場合、放出弁２５の口径は一般
に隔離弁２４に比して著しく小さい口径にしである。

したがって、窒素ガス供給弁１７〜２１から供給される
パージ窒素ガスの量よシも放出弁２５よシ放出される排
気量の方がわずかに多く麿るようにその弁口径を選択す
るか、または図示していないが、これらの弁と組となっ
て配設されるオリフィスの口径とか、手動弁などの口径
や開度を選択することによシ、燃料極ガス室５と空気極
ガス室６との圧力差を小さくしつつ系内のガスを安全に
徐々に排出できることになる。このとき、当然のことで
あるが燃料改質器７の改質管８の圧力は燃焼室９の圧力
よシわずかながら大きくしつつガスを排出できるととも
に系内の圧力もゆっくシ低下させることが可能となシ、
燃料電池発電プラントを安全に停止することができる。

第２図は第１図と同一部分には同一記号を付して示す本
発明の他の実施例を示すものである０すなわち、本実施
例では第２図に示すように補助燃焼器１０からタービン
１１へ供給されるエネルギ供給系にフェイルカーフで開
となる放出弁３０を設けて緊急時にこの放出弁３０を開
としてエネルギを外部へ放出するようにしたものである
。このようにすれば、第１図に示す作用に加えてタービ
ン１１をよシ早く停止することができる。

なお、第１図及び第２図に示す各実施例ではプラントの
緊急時に燃料改質器７の燃焼室９に窒素ガスを供給する
系に設けられたフェイルセーフで開となる窒素ガス供給
弁２０を省略するようにしてもよい。

この他、本発明はその要旨を変更しない範囲内で種々変
形して実施できるものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、電源喪失、計装空気
喪失など緊急かつ重大な故障のときにもフェイルセーフ
方式によシブラントを安全に停止することができる燃料
電池発電プラントを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池発電プラントの一実施例
を示す系統構成図、第２図は本発明の他の実施例を示す
糸ａ構成図である。 １・・・燃料電池本体、７・・・燃料改質器、８・・・
改質管、１０・・・補助燃焼器、１１・・・タービン、
１２・・・コンプレッサ、１４〜１６・・・主原燃料供
給しゃ断弁、２２．２３・・・改質燃料ガス供給しゃ断
弁、２４・・・隔離弁、２５．２９−・・放出弁、２６
〜２８・・・空気供給しゃ断弁、１７〜２１・・・窒素
ガス供給弁。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　タービンと、このタービンによ多回転駆動さ
   れ加圧された空気を送シ出すコンプレッサと、原燃料及
   び前記コンプレッサからの空気が供給され前記タービン
   へのエネルギ供給を加減して前記コンプレッサを適切な
   作動範囲に制御する補助燃焼器と、原燃料を通す改質管
   と前記コンプレッサからの空気及び少なくとも起動時に
   は原燃料が供給され前記改質管を加熱してこの改質管を
   通る原燃料を改質させるとともにその排ガスを前記補助
   燃焼器に供給する燃焼室とを有する燃料改質器と、この
   燃料改質器から得られる燃料改質ガスが供給され且つそ
   の残余のガスを前記燃料改質器の燃焼室に供給する燃料
   極ガス室と前記コンプレッサからの空気が供給され空気
   極での電極反応を行なわせた残余の空気を前記補助燃焼
   器に供給する空気極ガス室とを有する燃料電池本体とを
   備え、原燃料の各供給系にフェイルセーフで閉となるし
   ゃ断弁を設け、また前記コンプレッサからの各空気供給
   系に７エイルセーフで閉となるしゃ断弁を設けると共に
   前記コンプレッサの吐出、側にはフェイルセーフで開と
   なる空気放出弁を設け、さらに前記燃料改質器の燃焼室
   よシ排出される排ガスと前記燃料電池本体の空気極ガス
   室よシの残余の空気とを前記補助燃焼器に供給する共通
   の供給系に７エイルセ＝７で閉となる隔離弁を設けると
   共にその上流側にフェイルセーフで開となる放出弁を設
   ける構成としてこの放出弁を通る流量が前記隔離弁を通
   る流量よシも小さくなるようにしたことを特徴とする燃
   料電池発電プラント。
2. （２）　　タービンと、このタービンによ多回転駆動さ
   れると加圧された空気を送シ出すコンプレッサと、原燃
   料及び前記コンプレッサからの空気が供給され前記ター
   ビンへのエネルギ供給を加減して・前記コンプレッサを
   適切な作動範囲に制御する補助燃焼器と、原燃料を通す
   改質管と前記コンプレッサからの空気及び少なくとも起
   動時には原燃料か供給され前記改質管を加熱してこの改
   質管を通る原燃料を改質させるとともにその排ガスを前
   記補助燃焼器に供給する燃焼室とを有する燃料改質器と
   、この燃料改質器から得られる燃料改質ガスが供給され
   且つその残余のガスを前記燃料改質器の燃焼室に供給す
   る燃料極ガス室と前記コンプレッサからの空気が供給さ
   れ空気極での電極反応を行なわせた残余のを気及び反応
   生成蒸気を前記補助燃焼器に供給する空気極ガス室とを
   有する燃料電池本体とを備え、原燃料の各供給系にフェ
   イルセーフで閉となるしゃ断弁を設け、また前記コンプ
   レッサからの各空気供給系にフェイルセーフで閉となる
   しゃ断弁を設けると共に前記コンプレッサの吐出側には
   フェイルセーフで開となる空気放出弁を設け、さらに前
   記燃料改質器の燃焼室よシ排出される排ガスと前記燃料
   電池本体のを熱極ガス室よシの残余の空気及び反応生成
   蒸気とを前記補助燃焼器に供給する共通の供給系に７エ
   イルセーフで閉となる隔離弁を設けると共にその上流側
   にフェイルセーフで開となる放出弁を設ける構成とし、
   また前記も原燃料供給系に設けられたしゃ断弁の後流側
   及び前記燃料電池本体の空気極ガス室の入口側に、フェ
   イルセーフで開となる窒素ガス供給弁がそれぞれ設けら
   れ且つプラントの緊急時窒素ガスを供給する窒素ガス供
   給系を接続したことを特徴とする燃料電池発電プラント
   。