JPS63239777A - 燃料電池発電プラントの運転方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池発電プラントの制御方法に係り、部分
負荷でも高い発電効率を達成するのに好適な燃料電池発
電プラントの運転方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料電池発電プラントでは、特公昭５８−５６２
３１号公報で開示のように、燃料電池アノードの未反応
燃料を改質器燃焼部へ供給して熱回収を行うこと等によ
り、定格での発電効率の向上を図つていた。しかし、部
分負荷で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なわれていな
かった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

すなわち、従来技術は１部分負荷での発電効率向上につ
いて考慮がなされておらず、定格負荷運転時の発電効率
向上のために、膨張タービン、圧縮機を設置し、加圧の
発電プラントを構成しているので、膨張タービン、気縮
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、圧縮機を通過するガス流量、温度ををほぼ一定に保
つことが必要となり、膨張タービンへ補助燃料を供給す
るので、燃料電池本体の発電効率が向上するにもかかわ
らず、プラント全体として、部分負荷での発電効率が低
下するという問題があった。

また、補助燃料系統が必要であるため１部分負荷での補
助燃料、補助空気量の制御方法及び装置が複雑になると
いう問題があった。

本発明の目的は、加圧の燃料電池発電プラントの部分負
荷の発電効率を高く維持できるプラントの運転方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、多軸型膨張タービンを用い、空気圧縮機と
、発電機を別の膨張タービンで駆動し、空気圧縮機の回
転数番変化させ空気供給量を可変とし、燃料電池負荷信
号、または、燃料電池反応温度信号、あるいは、燃料電
池酸化剤ガス供給温度、あるいは、膨張タービン入口ガ
ス温度信号の高値を選択して燃料を供給することにより
達成される。

〔作用〕

多軸型膨張タービンを用い、空気圧縮機と発電機を別の
タービンで駆動し、空気圧縮機を駆動するタービンの回
転数を変化させて空気流量を可変とし、発電機を駆動す
るタービンを一定回転数とすることにより、高温、高圧
の燃料電池排ガスの持つエネルギを電気高力として動力
回収し、部分負荷時の空気供給量を少なくすることがで
きるので、空気圧縮のための動力を低減することができ
、補助燃料を゛供給し膨張タービン、空気圧縮機の運転
条件を一定に保つ運転方法に比べて２部分負荷時に余剰
となる空気を昇温するための補助燃料流量が減少するの
で１部分負荷での発電プラントの発電効率を高く維持す
ることができる。

膨張タービンへ供給される熱量の変化に伴って、回転数
が変化、軸動力にバランスした空気流量、圧力となるが
、燃料電池負荷信号、または、燃料電池反応温度信号、
あるいは、燃料電池酸化剤ガス温度信号の高値を選択し
て燃料電池への供給燃料を制御する事により、空気供給
量の変化及び燃料電池運転条件の変化に対応した最適運
転条件を維持できるので部分負荷の発電プラントの発電
プラントを高く維持できる。

負荷率に対応して、燃料電池酸化剤ガス供給温度を燃料
電池へ供給する燃料で制御することにより、補助燃焼器
を設置して、少なくとも一部を燃料電池をバイパスして
補助燃料として供給する場合に比べて、燃料電池へ過剰
に燃料を供給でき、燃料電池アノード内での水素相当分
圧を高くできるので、燃料電池の電圧が上昇し、燃料電
池発電プラントの部分負荷での発電効率が向上する。

本実施例によれば、補助燃料系統が不要となり系統構成
が簡素化され、運転方法、制御方法及び装置を単純化す
ることができる。

〔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／ｃｄに加圧されて改質器４
に供給される。改質器４では天然ガス等の燃料を、改質
器反応部５で、膨張タービン７５の排熱回収ボイラ４１
等により生成される蒸気３と改質反応を起こさせ、燃料
を水素及び−酸化炭素を主成分とするガスに改質させる
。

改質させた水素及び−酸化炭素を主成分とする反応ガス
７は約６００℃で燃料電池８のアノード９へ供給される
。

燃料電池８は、燃料電池の積層体により構成され、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
（正極及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、それが溶融状態になる約５５０℃〜
７００℃の温度で運転する溶融炭酸塩を用いている。

７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（酸化剤ガス）３
０と反応する。カソード１１では、酸化剤ガス電子を受
は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の７ノード排ガス１２には、反応ガス７中の
水素、−酸化炭素と、炭酸イオンとの反応により生成し
た炭酸ガス、水を含んでいる。

燃料電池８のアノード排ガス１２は、ガス／ガス熱交１
３で熱交換し、冷却される。さらに、ガス冷却器で冷却
され、気水分離器１５でアノード排ガス１２に生成した
水が分離される。

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

燃料１を水蒸気３と反応させて水素及び−酸化炭素に改
質する水蒸気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６八、燃料電池８のアノード排ガス１２を供給し、
ガス中に含まれる水素、−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、及び、
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なっている。

燃料電池８のカソード１１へ供給される空気と炭酸ガス
の混合ガスである酸化剤ガス３ｏは、空気については空
気圧縮機３６で、定格負荷運転時６〜１０ｋｇ／ａＪ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、空気２７を圧縮機３６で
加圧することにより、定格負荷運転時６〜１０ｋｇ／ｃ
ｏｔに加圧される。

燃料電池８は、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、燃料電池の発電効率は高圧は
ど高くなるが、法規制上の制約より１０ｋｇ／ａ＋ｆ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
抗により熱に変換されるため、燃料電池は冷却する必要
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
、冷却されるガスと冷却する水との温度差が大きく熱応
力等の問題がある。

燃料電池は、燃料電池８のアノード９及びカソード１１
へ多量のガスを流して冷却している。

燃料電池カソード排ガス３２は、第一段膨張タービン３
７で仕事をして圧縮機３６を駆動し、第二段膨張タービ
ン７５で発電機３８を駆動し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３７．７５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５５〜６０％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、抵抗が減るため電圧が上昇するので向
上する。

燃料電池発電プラントの発電効率は、第２図に示す従来
技術では、定格負荷運転時の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を用いているので
、部分負荷の発電効率は低下する。これは、膨張タービ
ン３７が、高温高圧の燃料電池カソード排ガス３２を熱
回収して圧縮機３６を駆動し、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、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になる。従って。

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。燃料電池運転圧力を部分負荷運転
時にも一定に保つ運転を行う場合には、第３図に示す圧
縮機の特性曲線より、圧縮機の吐出空気量を一定とする
運転が必要となる。

燃料電池８で部分負荷運転時に必要とする空気流量は、
燃料電池８の冷却という点からみると。

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４図及び第５図に燃料電池８の部分負荷特性を
示す。第４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
、電池の電圧が上昇し、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５図は
、各負荷での燃料電池８への入熱を１００として第４図
を書き直したものであるが、負荷の低下に従って電池の
冷却熱ｊｆｔ８２は、相対的に減少することがわかる。

燃料電池の冷却は、アノード９とカソード１１を通過す
るガスによって行なわれるが、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
５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。

第２図の従来技術では、膨張タービン３７の入口に補助
燃焼器７１を設置し１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を
燃焼し、高温ガスとして膨張タービン３°７に供給する
ことにより膨張タービン３７での仕事量を一定に保って
いるため、燃料電池発電プラントの部分負荷での発電効
率は低下する。

第１図の実施例によると、空気圧縮機３６を駆動する膨
張タービン３７と、発電機３８を駆動する膨張タービン
７５を別軸として、発電機３８を駆動する膨張タービン
７５を一定回転数に制御することにより、定格負荷運転
時の有効な熱回収を図ることができ１部分負荷運転時の
空気供給量を減少することができるので、補助燃料を低
減でき発電プラントの発電効率は向上する。

第３図は、空気圧縮機３７の流量、圧力特性の一例を示
したものである。第一段膨張タービン３７の圧縮機３６
は、部分負荷運転時、膨張タービン３７の入口熱量の低
下に伴い、特性曲線８８に示されるとおり、回転数、圧
力比が低下し、流量は減少する。従って、部分負荷での
空気余剰量が減少し、補助燃料量を少なくできるので１
部分負荷運転時の発電効率は、従来例にべて向上する。

また１本実施例では、燃料電池の反応温度の制御が、燃
料電池負荷信号６２と燃料電池反応温度信号（セパレー
タのメタル温度信号６３）の高値を選択して燃料供給す
ることにより行なわれ、圧縮機吐出空気２７の流量の変
化、及び燃料電池の電圧上昇による電池放熱量の相対的
低下の運転状態の変化に対応したプラントの負荷運用が
可能となる。

第２図の従来技術では、カソード出ロガス３３のリサイ
クル流量により行っており１部分負荷時、電池電圧の上
昇に伴って、電池放熱量が低下すると、リサイクル流量
３３が増加し、リサイクル圧縮機３４の動力が増加する
という問題がある。

また、本発明によると燃料電池アノード９へは、燃料電
池で発電するために必要な燃料流量に比べて、燃料電池
の反応温度を維持するために必要な燃料分だけ相対的に
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し、電池
電圧も従来技術に孔入で高くなる。

本実施例による部分負荷運転時の発電効率の向上値を二
号五千ＫＷ級以上の発電所をベースに説明する。

従来例では、燃料電池の５０％負荷時、定格燃料流量の
４６％に相当する燃料１が供給され、定格１６％に相対
する燃料が補助燃料４５として供給される。膨張タービ
ン３７は定格負荷運転を行なっており、定格時の電気出
力は、燃料電池５６％、膨張タービン５％であるので、
５０％燃料電池負荷時は、燃料電池２８％、膨張タービ
ン５％の合計３３％となる。従って、発電効率は６１％
から約５３％と１３％低下する。

本実施例では、燃料電池の５０％負荷運転時、定格燃料
の５５％を燃料電池８へ供給する。燃料電池８では、ア
ノード中の燃料濃度が増加するので定格時の４５％の熱
量で定格時の５０％の燃料電池出力を得る。余剰の１０
％の熱量は膨張タービン３７へ供給されるので、膨張タ
ービンの空気量は約６０％まで減少し、電気出力も約６
０％となる。従って、定格燃料の５５％人熱で、定格燃
料比３１％の出力を得る事ができ、発電効率は約５６％
と、約６％相当値従来技術に比べて向上する。

第６図は、本発明の実施例二の例を示す。実施例二では
、燃料電池反応温度を、カソード出入ロガス温度信号６
７．６８として与えている。本発明は、燃料電池の反応
温度を燃料流量１で制御することに特徴があり、温度の
検出方法を特定するものではない。

第７図は、本発明の実施例三の例を示す。実施例三では
、改質器出口の酸化剤ガス２１の温度を制御することに
特徴がある。酸化剤ガス温度を一定とすれば、電池電圧
の上昇に伴う冷却熱量の減少分だけ電池反応温度は低下
する。例えば、定格負荷運転時０．８５　　Ｖ／セル、
燃料利用率８０％の条件では、５０％燃料電池出力時、
約５０’ＣＩａ化剤ガス温度を供給すれば実施例１．２
と同様の効果が得られる。

第８図は、本発明の実施例４の例を示す。本実施例では
膨張タービン入口ガス温度３２を制御している。

燃料電池負荷信号、又は、燃料電池反応温度信号、ある
いは、酸化剤供給温度信号の高値を選択して燃料流量を
制御する事により、空気流量の変化及び燃料電池熱バラ
ンスの変化に対応した運転を行うことができる。

部分負荷運転時、電気抵抗の減少による電池電圧の上昇
による電池熱損失の低下及び、空気流量の相対的過剰に
よる燃料電池の過冷却防止を、燃料電池への供給燃料に
より行うため、燃料電池アノードでの燃料ガス濃度が増
加し、電池電圧が上昇するのでプラント効率が向上する
。

補助燃料系統、補助空気系統のバスパス系統が削除でき
、系統構成が簡素化できる。

プラントの負荷の制御を燃料電池へ供給する燃料流量の
制御により行うことができるので運転制御が単純となる
。

第９＠は、本発明によるプラントの発電効率と、従来の
プラント発電効率との偏差を、燃料電池負荷率との関係
で示したものである。

補助燃料の減少により発電効率は８５のように向上、燃
料電池アノード中の燃料ガス濃度の上昇により８６のよ
うに向上するが、燃料電池の運転圧力の低下により８７
のように低減するので、プラント発電効率の向上値は８
４のようになる。図中６５は燃料流量調節弁、６６はマ
スター制御装置、７０は補助燃料調節弁、７２は余剰空
気調整弁である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、多軸型膨張タービンを用い、空気圧縮
機と発電機を別の膨張タービンで駆動し、発電機を駆動
する膨張タービンを一定回転数に制御することにより、
圧縮機駆動膨張タービン入熱の減少に従って、空気流量
が減少するので、部分負荷運転時、補助燃料の低減が図
れ、プラント効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第６図は、本発明の一実施例の系統図、第７
図は実施例二の系統図、第８図は実施例三の系統図、第
２図は従来の系統図、第３図は圧縮機の特性曲線図、第
４図、第５図は燃料電池発電プラントの部分負荷特性図
、第９図は本発明の効果を示す図である。 ４・・・改質器、５・・・改質器反応部、６・・・改質
器燃焼枠 基　３　回 ４ｖ［有］んＣ尺

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、改質装置、燃料電池、前記燃料電池の排ガスで駆動
   する膨張タービン、前記膨張タービンで駆動する空気圧
   縮機及び発電機からなる燃料電池発電プラントにおいて
   、 多軸型膨張タービンを用い前記空気圧縮機を駆動する前
   記膨張タービンと前記発電機を駆動する前記膨張タービ
   ンを別置とし、前記発電機を駆動する前記膨張タービン
   を一定回転数に制御することにより、圧縮機吐出空気流
   量を可変とし、かつ、電気出力とし前記燃料電池の排ガ
   スの熱量を回収することを特徴とする燃料電池発電プラ
   ントの運転方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記燃料電池の負荷信号と前記燃料電池の反応温度信号
   の高値を選択して前記燃料電池への供給燃料流量を制御
   することを特徴とする燃料電池発電プラントの運転方法
   。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において、前記
   燃料電池の反応温度信号のかわりに、前記燃料電池の酸
   化剤ガス供給温度を用いることを特徴とする燃料電池発
   電プラントの運転方法。 ４、特許請求の範囲第１項または第２項において、前記
   燃料電池の反応温度信号のかわりに、前記膨張タービン
   の入口または出口ガス温度を用いることを特徴とする燃
   料電池発電プラントの運転方法。