JP2004247116A

JP2004247116A - 燃料電池発電プラントの起動方法

Info

Publication number: JP2004247116A
Application number: JP2003034542A
Authority: JP
Inventors: Shogo Sonoda; 章吾薗田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

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

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ＣＯ_２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Ｏ_２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

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。