JP2005044571A

JP2005044571A - ハイブリッド型燃料電池システム

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Publication number: JP2005044571A
Application number: JP2003201502A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ogawa; 賢小川
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: JP4578787B2

Abstract

【課題】高温型燃料電池の高温排気ガスのエネルギーと、加圧型燃料電池の高圧排気ガスのエネルギーとを、それぞれ有効に活用する。
【解決手段】ハイブリッド型燃料電池システムは、常圧高温型燃料電池１と、改質器２２を備える加圧低温型燃料電池２と、ターボコンプレッサー発電機３とを併設して構成される。常圧高温型燃料電池１の燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇは、加圧低温型燃料電池２の改質器バーナ２２１の燃料として活用される。なお燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇを燃焼させた燃焼排ガスで改質器２２を加熱するようにしても良い。一方、加圧低温型燃料電池２の燃料極排ガス２０１Ｇ及び空気極排空気２０２Ｇは、ターボコンプレッサー発電機３のタービン３２を駆動させるためのバーナ３１の燃料として活用される。これにより、システムを高効率で運用性の高いものとすることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、発電容量が数ｋＷから数百ＭＷ級の業務用や自家用発電設備、および電気事業用電源として、常圧型の高温型燃料電池と加圧型の低温型燃料電池をハイブリット化することにより、高い発電効率と幅広い負荷運用性を兼ね備えたハイブリッド型燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を分類するカテゴリーの一つとして電池の作動温度による区分があり、大きく分けて作動温度が６００〜１０００℃程度以上である高温型燃料電池（例えば特許文献１）と、作動温度が２００℃程度以下の低温型燃料電池とがある。また、電池スタックへ供給する燃料ガスおよび空気を加圧状態で供給するか否かによる区分があり、加圧供給を行う加圧型燃料電池と、特に加圧を行わずに供給する常圧型（低圧型）燃料電池とがある。
【０００３】
図７は、高温型燃料電池の代表である固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のシステム構成概要を示すブロック図であり、図７（ａ）は加圧型ＳＯＦＣを、図７（ｂ）は常圧型ＳＯＦＣをそれぞれ示している。図７（ａ）において、都市ガス等の燃料ＮＧは、脱硫器７１でイオウ分を除去して水蒸気を加えられ、続いて予熱器７２で加温状態とされ、作動温度が７００〜１０００℃のＳＯＦＣ電池スタック７０へ導入される。電池スタック７０内部で水素、一酸化炭素、二酸化炭素に改質されながら、水素と一酸化炭素の大部分は、その燃料極７０１で酸素イオンと反応して電気を発生する。一方、電池スタック７０の空気極７０２では、空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、この酸素イオンは電解質７０３を拡散して燃料極７０１へ移動する。なお、加圧型の場合、空気極７０２へは加圧空気を送る必要があるが、この例では後述するタービン７４１によりコンプレッサー７４３を動作させ、これを空気極７０２へ送気する構成とされている。
【０００４】
図７（ｂ）に示す常圧型ＳＯＦＣも、基本構成は加圧型ＳＯＦＣとほぼ同じである。ただ、空気極７０２へ加圧された空気を送らないので、電動機７６０とブロワー７６１とからなる送気装置７６により常圧空気を空気極７０２へ送る点で相違している。
【０００５】
このようなＳＯＦＣにおいて、一般に燃料極７０１での水素の利用率は７０〜８０％でであって、残りの水素は燃料極排ガスとして排出される。また、空気極７０２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％で、残りの空気は空気極排空気として排出される。これらの燃料極排ガスや空気極排空気は、電池スタックに内蔵されている燃焼室や外部設置のバーナにおいて燃焼し、電池スタックを高温に維持するために使用され、その後４００〜６００℃の高温ガスとして排出される。而して、これら燃料極排ガスや空気極排空気、あるいはこれらの燃焼排ガスの活用が、燃料電池の運用性や経済性を高める上で重要となる。
【０００６】
ところで図７（ｂ）に示す常圧型ＳＯＦＣの場合は、これらの燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスも常圧であり、従ってこれら燃料極排ガス及び空気極排空気、或いは燃焼排ガスも、熱交換器７３を介して排熱回収ボイラー７５へ送られ、該ボイラーのバーナ燃料や加熱用熱源として使用し、蒸気や高温水を製造する程度の用途に止まる。しかし、ボイラーの加熱用熱源として使用する場合は、電気に対して価値の低い熱の発生しかできない。また、夏季等の熱需要が低い時期には熱利用自体の必要性がなくなり、経済性に乏しいという問題がある。
【０００７】
一方、図７（ａ）に示す加圧型ＳＯＦＣの場合は、燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスも高圧であり、例えばガスタービン発電機のバーナ燃料や高温・高圧の駆動ガスとして使用することができる。図７（ａ）はこのような発電装置７４を、電池スタック７０の後段側に配置した例を示している。電池スタック７０から排出された燃料極排ガスと空気極排空気は、電池スタック７０内の燃焼室７０４のバーナで燃焼して燃焼排ガスとされ、熱交換器７３を経由して発電装置７４へ供給され、そのガスタービン７４１を駆動させるエネルギー源として用いられる。なお７５は、ガスタービン７４１の排気エネルギーを回収するための排熱回収ボイラーである。前記ガスタービン７４１は発電機７４２を作動させて電気を発生させると共に、コンプレッサー７４３も作動させて加圧空気を生成し、電池スタック７０の空気極７０２にこの加圧空気を供給する。このように加圧型ＳＯＦＣにあっては、余剰の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスから電気と空気極７０２での反応用加圧空気を得ることが可能となり、前記燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを効果的に利用することができる。
【０００８】
他の高温型燃料電池の例として、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）が挙げられる。ＭＣＦＣの場合、燃料電池からの燃料極排ガスと空気極排空気の温度が４００〜５００℃程度と、若干ＳＯＦＣのそれ（５００〜１０００℃）より低くなる。システム構成については、電池動作温度が低いために、燃料極排ガスと空気極排空気を燃焼させて電池スタックの保温をする必要性がないため、電池スタックから燃料極排ガスと空気極排空気とを別々に取り出して利用することが可能である。
【０００９】
このように、ＳＯＦＣやＭＣＦＣの電池スタックからの燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスをガスタービンに利用して発電するには加圧型を採用する必要がある。しかしながら、加圧型にするとＳＯＦＣやＭＣＦＣの燃料電池本体の発電効率も常圧型よりも高くなるものの、電池スタックにおけるシール部の耐圧について厳格性が求められること、及びシステムが複雑となり制御が困難になること等の別観点の課題が発生するので、一概に加圧型が常圧型より優越しているとは言い難い。特に、十数ｋＷ程度の業務用や数百ｋＷ程度の工場の自家発電用設備は加圧型を採用してもメリットが少ないため、製造コストや技術の難易度を考えると、このクラスでは常圧型が主力となっている。現在、高温型燃料電池としては３〜５ｋＷ，数十ｋＷ，２００ｋＷ級が開発され、逐次市場に投入されようとしている。
【００１０】
次に、低温型燃料電池としては、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が挙げられる。図８はＰＡＦＣのシステム構成を示すブロック図である。都市ガス等の燃料ＮＧは、脱硫器８１でイオウ分を除去して水蒸気を加えられ、７００〜８００℃とされた改質器８２内部で改質されながら水素、一酸化炭素、二酸化炭素に分離される。熱交換器８３を経て、一酸化炭素は一酸化炭素変成器８４で水素と二酸化炭素とに変換され、一酸化炭素濃度は一定値（数％）以下とされる。その後、該混合気体はＰＡＦＣ電池スタック８０へ導入され、導入された水素の大部分は燃料極８０１で水素イオンになり、この水素イオンは電解質８０３を通って空気極８０２に移動する。空気極８０２には加圧空気が導入され、空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、該酸素イオンと空気極８０２に移動してきた前記の水素イオンとが反応して電気を発生するものである。
【００１１】
一般に、ＰＡＦＣにおいては、前記燃料極８０１での水素の利用率は７０〜８０％で残りは燃料極排ガス８０１Ｇとして排出される。また、空気極８０２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％で、残りは空気極排空気８０２Ｇとして排出される。これらの燃料極排ガス８０１Ｇと空気極排空気８０２Ｇとは、改質器８２のバーナ８２１に導入され、改質器８２の加熱用燃料として使用することで、有効活用が図られている。
【００１２】
一方ＰＥＦＣは、電池の作動温度がＰＡＦＣは１８０〜２００℃であるのに対して，ＰＥＦＣは８０〜１００℃程度と、低温型燃料電池の中でも比較的低温であり、またＰＥＦＣの場合は燃料電池セルに入る改質ガス組成中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下にする必要があるといった相違はあるが、基本的にはＰＡＦＣと同じシステム構成である。
【００１３】
なお、ＰＡＦＣやＰＥＦＣにも加圧型と常圧型があり、送電端発電効率（ＨＨＶ）面で比較すると、常圧型が３６〜３８％であるのに対して、加圧型は４１〜４２％であるため、電気事業用電源や電気主体の発電設備とする場合は加圧型が好ましいと言える。しかし、加圧型はシステムが複雑となり制御が困難である等の課題があり、製造コストや技術の難易度が高い。従って、十数ｋＷ程度の業務用や数百ｋＷ程度の工場の自家発電用設備として加圧型を採用してもメリットが少なく、一般的に普及しているのは常圧型である。
【００１４】
近年、業務用ＰＥＦＣとして３〜５ｋＷ，３０ｋＷ，２００ｋＷ級のものが開発され、逐次市場に投入されようとしている。また、工場用ＰＡＦＣとしては５０ｋＷ，１００ｋＷ，２００ｋＷ，５００ｋＷ，さらには１０００ｋＷ級のものが開発されているのが現状である。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００１−７６７５０号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
需要家の電気や熱負荷需要量は、需要家の業種や規模、昼夜、或いは季節により様々なものになる。その一例として、図９に事務所ビルの一日の電力・熱負荷需要量の変化を季節別に示す。このように、夏季、冬季、中間期等の季節や一日の間でも時間帯によっても負荷は変化しており、数ｋＷ〜数百ｋＷの燃料電池を経済的に運用するには、このような負荷変動にうまく追従させて運転し、余剰となる電気や熱の発生を極力少なくさせる必要がある。
【００１７】
このような要請があるのに拘わらず、高温型燃料電池はその構造上、負荷変化や起動停止が極めて制限されてしまうという特質がある。すなわち、固体電解質電池（ＳＯＦＣ）の場合、電池の作動温度は７００〜１０００℃もの高温になることから、その電池スタックはセラミック材等の耐熱材料で構成する必要があるが、もし起動停止を繰り返すと、常温〜１０００℃にも及ぶ広範囲の温度変化が生じることとなり、これを繰り返すとセラミック材に割れが発生する恐れがあることから、間欠的に運転と停止を繰り返すといった運用は基本的には行えない。また、負荷変化についても、負荷を下げると電池温度が下がるために７５〜１００％程度の負荷変化しか許容できないとされている。
【００１８】
これは溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）の場合も事情はほぼ同じで、起動・停止や負荷変化に対する許容は極めて少ない。実際、定期点検等で高温型燃料電池の運転を停止した場合、再起動に数十時間から数日を要しており、総じて高温型燃料電池は、発電効率は高効率であるが臨機応変に起動停止や負荷変動に対応できないと評価される。
【００１９】
このため、高温型燃料電池を設置する場合は、需要家の最低負荷相当容量の燃料電池を設置するものとし、年間を通してほぼ一定負荷で運転できるような燃料電池システムの設計を目指すこととなる。しかしながら、現実には、休日や深夜においては電気や熱負荷需要は極めて少なくなるので、前記のように最低負荷に合わせるとなると、設置できる燃料電池容量は極めて小容量機にならざるを得ない。例えば、図９に示した事務所ビルの電力負荷パターンを見ると、昼間の電力負荷は３０ｋＷ超程度あるにもかかわらず、夜間若しくは休日では５ｋＷ程度しかなく、従って５ｋＷ程度の高温型燃料電池しか設置できないという不都合がある。
【００２０】
これに対して、りん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）や固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）のような低温型燃料電池においては、起動停止や負荷変化に対して強い耐力を持っていると言える。ＰＡＦＣの場合、電池作動温度が２００℃程度と低温であるため、起動停止を行ってもさほど大きな熱変化が電池スタックに付加されず、また負荷変化の許容幅は３０〜１００％と広範であり、例えば週一回程度の起動停止を行う「ＷＳＳ運用」にも十分対応可能である。また、ＰＥＦＣの場合は、動作温度が８０〜１００℃程度とさらに低く、負荷変化の許容幅も３０〜１００％であり、毎日一回程度の起動停止を行う「ＤＳＳ運用」にも対応可能である。ただ、低温型燃料電池は一般に発電効率は高温型よりもかなり低いという根本的な問題があり、低温型燃料電池単体では燃料電池システムの経済的な運用は図り難いという問題があった。
【００２１】
他方、上述の通り常圧型燃料電池の場合は、燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスはせいぜい各種ボイラーのバーナ燃料として用いる程度の活用しかできないが、加圧型燃料電池にあっては、前記燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスも高圧であり、例えばガスタービン発電機のバーナ燃料として使用しコージェネレーションシステムを構築することも可能である。
【００２２】
本発明者はこのような事情に鑑み、高効率の高温型燃料電池と、発電効率は低いが運用性の高い低温型燃料電池とを、並びに比較的簡易にシステムを構成できる常圧型と、燃料極排ガス及び空気極排空気を有効に活用できる加圧型とを、それぞれの特徴を生かして効果的に組み合わせ、発電システム全体として経済的運用することを着想し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、高温型燃料電池と低温型燃料電池とをハイブリッド化すると共に、高温型燃料電池の高温排気ガスのエネルギーと、加圧型燃料電池の高圧排気ガスのエネルギーとを、それぞれ有効に活用した、高効率で運用性の高いハイブリッド型燃料電池システムを提供することを目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のハイブリッド型燃料電池システムは、常圧高温型燃料電池、加圧低温型燃料電池、及びタービン発電機を備えるハイブリッド型燃料電池システムであって、前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記加圧低温型燃料電池が具備する改質器の炉内加熱用燃料として用い、さらに前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記タービン発電機のタービン駆動源として用いるべく構成したことを特徴とするものである。
【００２４】
また、請求項２記載のハイブリッド型燃料電池システムは、常圧高温型燃料電池、加圧低温型燃料電池、及びタービン発電機を備えるハイブリッド型燃料電池システムであって、前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスを、前記加圧低温型燃料電池が具備する改質器の炉内加熱用熱源として用い、さらに前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記タービン発電機のタービン駆動源として用いるべく構成したことを特徴とするものである。
【００２５】
このような構成によれば、第一に運用性に関し、（常圧）高温型燃料電池と（加圧）低温型燃料電池とを組み合わせる構成であるので、前述した高温型燃料電池の欠点である起動停止や負荷変動に対する硬直性の問題を、低温型燃料電池が柔軟に補うことが可能になる。例えば、高温型燃料電池には需要家の最低負荷相当の容量分を担持させ、低温型燃料電池にはピーク負荷から前記最低負荷を引いた容量分を担持させるようにすれば、常時は双方を運転し、休日や深夜には低温型燃料電池の運転を停止するといったシステムの能率的な運用が可能となる。
【００２６】
第二にエネルギー回収の効率に関し、本発明によれば、常圧（高温）型燃料電池と加圧（低温）型燃料電池とを組み合わせる構成であるので、
（１）常圧（高温）型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスで改質器を動作させ、加圧低温型燃料電池の燃料極へ供給する改質ガスを生成し、これにより加圧（低温）型燃料電池が発電する。
（２）加圧（低温）型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気を駆動源としてタービン発電機を動作させ発電する。
という利用関係が構築される。つまり、常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスは、それ自身は高温ではあるが常圧なので、例えばターボコンプレッサー発電機等は直ちに駆動できないものの、改質器の加熱熱源として用いることで加圧低温型燃料電池の燃料極用改質ガスを生成し、その排ガスで発電機を駆動するという、因果的な連繋関係が創設され、エネルギーの効率的な回収が行い得るものである。
【００２７】
請求項３記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１又は請求項２のシステムにおいて、前記タービン発電機がターボコンプレッサー発電機であり、前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスを、前記ターボコンプレッサー発電機のタービンを駆動させるバーナの燃料として用い、前記加圧低温型燃料電池の空気極排空気を、前記バーナの燃焼用酸化剤として用いることを特徴とするものである。
【００２８】
このように構成すれば、前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気を用いて、ターボコンプレッサー発電機を動作させることができ、前記燃料極排ガス及び空気極排空気に基づいた大出力発電を行うことができる。
【００２９】
また請求項４記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項３のシステムにおいて、前記ターボコンプレッサー発電機は少なくともタービン、発電機、及び加圧気体を発生するコンプレッサーを備え、これらは一つの駆動軸上に配置されており、且つ、前記コンプレッサーはクラッチを介して前記駆動軸による動力伝達系から離脱自在とされていることを特徴とする。
【００３０】
この構成のように、発電機にコンプレッサーを併設しておけば、例えば前記加圧低温型燃料電池の空気極へ送るべき加圧空気を当該コンプレッサーで生成することが可能である。しかし本発明のシステムにあっては、前述の通り加圧低温型燃料電池は負荷に応じて停止させることを想定しているため、停止時においては前記コンプレッサーは動作不要となる。そこでクラッチを用いて動作不要時には該コンプレッサーを駆動系から外せるようにし、動力損失を低減させ得るよう構成したものである。
【００３１】
請求項５記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１のシステムにおいて、排熱回収ボイラーをさらに備え、前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気の一部を、前記排熱回収ボイラーの駆動バーナにバイパス供給して燃料として用いることを特徴とする。
【００３２】
また請求項６記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項２のシステムにおいて、排熱回収ボイラーをさらに備え、前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスの一部を、前記排熱回収ボイラーにバイパス供給して、該排熱回収ボイラーの加熱用熱源として用いることを特徴とする。
【００３３】
上記請求項５又は請求項６記載の構成によれば、余剰の燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを用い、排熱回収ボイラーにて蒸気、高温水、或いは低温水が製造できるばかりでなく、ハイブリッド化している加圧低温型燃料電池の負荷変化や停止をさせる場合（改質器のパワー変動や停止を行う場合）に、適宜前記燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを迂回させることができ、運用性の高いシステムを構築することができる。
【００３４】
請求項７記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１又は請求項２のシステムにおいて、前記加圧低温型燃料電池が水蒸気分離器を備えており、前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記タービン発電機のタービン駆動源の一部として用いることを特徴とする。
【００３５】
このように水蒸気分離器を具備させれば、生成される蒸気を蒸気吸収式冷凍機暖房装置などに活用できるのは勿論のこと、本発明のシステムにおいてターボコンプレッサー発電機のタービンにこの蒸気を投入するようにすれば、当該発電機の動力源として有効活用できる。加えて、電力需要があるが熱負荷がないような夏季には発電量を増加させ、熱発生量を極力少なくするといった運用が行えるので、このような蒸気系統を設けておけば、季節や時刻により発生する熱需要の変化に柔軟に対応できるシステムを構築することができる。
【００３６】
請求項８記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項５のシステムにおいて、前記排熱回収ボイラーが水蒸気分離器を備えており、前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記タービン発電機のタービン駆動源の一部として用いることを特徴とする。
【００３７】
本構成においても、生成される蒸気をタービン発電機の動力源として有効に活用することができる。
【００３８】
請求項９記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１又は請求項２のシステムにおいて、蒸気タービン式発電機を追加して設け、さらに前記加圧低温型燃料電池には水蒸気分離器を具備させ、前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記蒸気タービン発電機のタービン駆動源として用いることを特徴とする。
【００３９】
かかる構成とすれば、追加的に設けた蒸気タービン式発電機を、例えば加圧低温型燃料電池の水蒸気分離器が発生した蒸気のうちの余剰分を用いて運転させる如き運用を行うことができる。すなわち熱負荷需要がさほど無い場合に、余剰の排熱を用いてボトミングサイクルとしての蒸気タービンを作動させることで、排熱を電気として回収するもので、発電効率をさらに向上させたハイブリッド型燃料電池システムとすることができる。
【００４０】
請求項１０記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１又は請求項２のシステムにおいて、蒸気タービン式発電機を追加して設けると共に、さらに水蒸気分離器を有する排熱回収ボイラーを設け、前記排熱回収ボイラーの水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記蒸気タービン発電機のタービン駆動源として用いることを特徴とする。
【００４１】
この構成においても、排熱回収ボイラーの余剰蒸気を有効活用して排熱を電気として回収でき、発電効率をさらに向上させたハイブリッド型燃料電池システムを構築することができる。
【００４２】
請求項１１記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、加圧低温型燃料電池が加圧変圧運転を実行可能としたことを特徴とする。
【００４３】
加圧低温型燃料電池は加圧変圧運転を行うようにすれば、最低負荷が下がり、部分負荷運転をせざるを得ない場合でも高い発電効率を維持できる。従って、加圧変圧運転を実行可能としておけば、本発明のシステム全体として広い負荷範囲で高効率に運用できるシステムとすることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
［第一実施例］
図１は本発明のハイブリッド型燃料電池システムにかかる基本的なシステムの一例として、常圧高温型燃料電池１と加圧低温型燃料電池２とを併設し、これらに加え、ターボコンプレッサー発電機３と排熱回収ボイラー４とをハイブリッド化したシステムに関するものであり、これらの要素を効果的に連係運用をすることにより、従来の加圧高温型燃料電池とターボコンプレッサー発電機の結合方式よりも高い運用性と経済的を持つシステムを提供するものである。
【００４５】
図１において、常圧高温型燃料電池１は電池本体部としての電池スタック１０、脱硫器１１、及び電池スタック１０の空気極１０２へ空気を送るための、電動機１３０及びブロワー１３１からなる送気装置１３を備えている。まず天然ガスなど（プロパンガス、ナフサ、灯油等でもよい）の燃料源ＮＧから供給された燃料ＮＧ１は、脱硫器１１で燃料中に含まれる付臭材としてのイオウ分が除去された後、常圧で電池スタック１０の燃料極１０１へ供給される。
【００４６】
ここで常圧高温型燃料電池１として、例えば溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を採用した場合で説明すると、電池スタック１０の作動温度は約６５０℃とされ、水蒸気と共に電池スタック１０へ送られた燃料ＮＧ１は、電池スタック１０内部で水素、一酸化炭素、二酸化炭素に改質されながら、水素と一酸化炭素の大部分は、その燃料極１０１で炭酸イオンと反応して水と二酸化炭素を生成すると共に電気を発生する。一方、電池スタック１０の空気極１０２では、空気中の酸素と二酸化炭素を取り込んでこれを炭酸イオンとし、この炭酸イオンは電解質１０３を通って燃料極１０１へ移動し、前記反応源としての炭酸イオンを供給する。
【００４７】
前述の通り、ＭＣＦＣにおいては、一般に燃料極１０１での水素の利用率は７０〜８０％程度であって、残りの水素は燃料極排ガス１０１Ｇとして排出される。また、空気極１０２での空気中の酸素利用率は５０〜６０％程度で、残りの空気は空気極排空気１０２Ｇとして排出される。ＭＣＦＣの場合、燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇは電池スタック１０から別々に排出される。この排出された燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇは、再循環ブロワーによりそれぞれ燃料系統や空気系統に返され有効利用される。また、燃料極排ガス１０１Ｇの一部は空気系統に送られ、二酸化炭素を空気極１０２に供給して再利用されている。また、余剰となる燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇについては、ガスタービンの駆動源として使用することもできる。
【００４８】
本発明においては、これら燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇを有効活用する。すなわち、前記電池スタック１０から排出される燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇとは、それぞれ配管路１０１Ｍ，１０２Ｍを経由して、加圧低温型燃料電池２用の改質ガスを生成する改質器２２の炉内加熱用バーナ２２１に燃料として供給されるよう構成されている。
【００４９】
これに加えて、該バーナ２２１の燃焼排ガス２２Ｇをも活用すべく、該燃焼排ガス２２Ｇは熱交換器２２２を経由して排熱回収ボイラー４へ送られ、熱回収がなされる。排熱回収ボイラー４の内部では、蒸気発生器４１、高温水発生器４２、及び低温水発生器４３にて、それぞれ蒸気、高温水（９０℃程度）、低温水（４０℃程度）が生成され、冷凍機や暖房、給湯などの用途に供される。一方、熱回収された前記燃焼排ガス２２Ｇは、排熱回収ボイラー４を出た後に水回収器４４へ導出され、水回収器４４にて燃焼排ガス２２Ｇ中に含まれている水分を回収して排気筒４５から排出されることになる。
【００５０】
次に、加圧低温型燃料電池２は、基本構成として脱硫器２１、改質器２２、熱交換器２３，２６、一酸化炭素変成器２４、気水分離器２５、及び電池本体部としての電池スタック２０を備えている。かかる構成において、燃料源ＮＧから供給された燃料ＮＧ２は、燃料昇圧コンプレッサー２Ｃで加圧され、脱硫器２１へ送られてイオウ分が除去され、水蒸気と共に、前記の通り常圧高温型燃料電池の燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇで作動される改質器２２へ、５００℃程度に予熱されてから送られる。なお、この改質器２２の改質側は加圧反応とし、燃焼炉側は常圧燃焼の構造をとる。
【００５１】
改質器２２へ導入された脱硫後燃料と水蒸気は、改質温度まで昇温された改質器２２内部で加熱・反応され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素に分離されて改質ガスが生成される。続いて、熱交換器２３を経て、一酸化炭素は一酸化炭素変成器２４で水素と二酸化炭素とに変換され、該改質ガスは、気水分離器２５で余分な水分を除去した後に、熱交換器２６を経て電池スタック２０の燃料極２０１へ導入される。
【００５２】
導入された水素の約８０％程度は燃料極２０１で水素イオンになり、この水素イオンは空気極２０２に移動する。空気極２０２には後述するコンプレッサー３４から加圧空気が導入され、該空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、この酸素イオンと空気極２０２に移動してきた前記の水素イオンとが反応して電気を発生するものである。ここでも、燃料極２０１及び空気極２０２で水素や酸素が完全に利用されず、利用されなかった分は余剰の燃料極排ガス２０１Ｇ及び空気極排空気２０２Ｇとして電池スタック２０から排出される。
【００５３】
本発明においては、この燃料極排ガス２０１Ｇ及び空気極排空気２０２も有効活用する。すなわち、加圧低温型燃料電池２の後段にターボコンプレッサー発電機３を配置し、該発電機を電池スタック２０から排出される燃料極排ガス２０１Ｇと空気極排空気２０２Ｇとを利用して駆動させ、電気を発生させる構成としている。具体的には、ターボコンプレッサー発電機３は発電機３０とタービン３２を備え、該タービン３２はバーナ３１の燃焼ガスにて回転されるものであって、前記燃料極排ガス２０１Ｇをバーナ燃料として、空気極排空気２０２Ｇを燃焼用酸化剤として、両者を該バーナ３１において燃焼反応させて、その燃焼ガスによりタービン３２を駆動するものである。
【００５４】
前記ターボコンプレッサー発電機３は、タービン３２及び発電機３０と一つの駆動軸上に配置されたコンプレッサー３４をさらに備え、該コンプレッサー３４は外気を取り入れ、タービン３２の回転に伴い駆動されて加圧空気Ａを製造する。かかる加圧空気Ａは、電池スタック２０の空気極２０２へ送られ、該空気極２０２の動作源として活用される。なお、タービン３２の回転軸とコンプレッサー３４の回転軸との間にはクラッチ３３が介装されており、加圧空気Ａを必要としない場合（加圧低温型燃料電池２の運転を停止している場合）にコンプレッサー３４のみを回転軸系から離脱自在とし、動力損失が軽減できるよう構成されている。また、前記タービン３２を駆動させた後のバーナ３１の燃焼排ガス３２Ｇは、配管路により排熱回収ボイラー４に導かれ熱回収される。
【００５５】
ところで、電池スタック２０には、セルの冷却のために水蒸気分離器２８が付設されている。この水蒸気分離器２８はその容器２８０内に冷却水Ｗを備え、電池スタック２０内に敷設された循環配管路に前記冷却水Ｗを流通させることで冷却を行う。電池スタック１０内の熱を吸熱して蒸気化した冷却水Ｗは容器２８０内に戻され容器２８０の外へ逃がされるのであるが、本実施例では容器２８０からタービン３２へ至る配管路２８Ｍにて、前記蒸気をタービン３２へ導き、その駆動源として活用している。
【００５６】
これに加えて本実施例では、排熱回収ボイラー４の蒸気発生器（水蒸気発生器）４１の蒸気口から配管路４１Ｍを延出させて前記配管路２８Ｍと合流接続し、蒸気発生器４１が発生する蒸気を、ターボコンプレッサー発電機３のタービン３２へ供給可能としている。これにより蒸気発生器４１からの蒸気によりターボコンプレッサー発電機３が駆動され得ることになり、加圧低温型燃料電池２の運転が停止されバーナ３１の燃焼ガスや水蒸気分離器からの蒸気の供給がなくとも、発電機３が運転できるものである。このような場合に、前記クラッチ３３を操作してコンプレッサー３４を駆動軸系から外し、タービン３２の回転負荷を軽減することが望ましい。
【００５７】
以上のように常圧高温型燃料電池１と加圧低温型燃料電池２とを併置したハイブリッド型燃料電池システムによれば、高効率である（常圧）高温型燃料電池１、起動停止性や負荷変化性に優れる（加圧）低温型燃料電池２の特性をそれぞれ生かし、夜間や休日は常圧高温型燃料電池１のみを運転して加圧低温型燃料電池２は停止し、それ以外は負荷に応じて常圧低温型燃料電池２も併用運転するという如き運用が可能となる。
【００５８】
そこで、加圧低温型燃料電池２を停止している間は、改質器２２による改質ガスの生成は不要となることから、常圧高温型燃料電池１の燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇとは余剰となる。そこで、電池スタック１０と改質器バーナ２２１とを繋ぐ配管路１０１Ｍ，１０２Ｍの途中に制御弁１０１Ｂ，１０２Ｂを介在し、排熱回収ボイラー４のバーナ４０に至るバイパス配管路１０１Ｓ，１０２Ｓを設け、前記の燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇを排熱ボイラー４の駆動用に活用できるよう構成している。
【００５９】
ここで、加圧低温型燃料電池２を停止し、改質器２２が常温まで冷却されてしまうと、加圧低温型燃料電池２を再起動させる際に改質器２２が相当温度に昇温されるまで発電がスタートできず、再起動のために長時間を要することになる。かかる不都合を解消するためには、常圧高温型燃料電池１の燃料極排ガス１０１Ｇと空気極排空気１０２Ｇが具備するエネルギーを活用し、加圧低温型燃料電池２の停止時において改質器２２をホットバンキング状態に保ち、再起動に要する時間を大幅に短縮させるようにすることが望ましい。
【００６０】
そこで本実施例においては、余剰の燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇの全てを排熱回収ボイラー４のバーナ４０へ供給するのではなく、その一部を加圧低温型燃料電池２の改質器バーナ２２１に導入して燃焼させ、その燃焼ガスを改質器２２の炉内へ導入することで、加圧低温型燃料電池２の停止時において改質器２２をホットバンキング状態に維持可能なように構成している。このようなホットバンキング運転を行う場合は、前記制御弁１０１Ｂ，１０２Ｂは、加圧低温型燃料電池２の運転時にあっては、バイパス配管路１０１Ｓ，１０２Ｓへの流路を「閉」として改質器バーナ２２１にのみ燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇを供給し、加圧低温型燃料電池２の停止時にあっては、バイパス配管路１０１Ｓ，１０２Ｓへの流路を「開」として、改質器バーナ２２１と排熱回収ボイラー４のバーナ４０とへ前記の燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇを分岐供給するよう制御される。
【００６１】
勿論、加圧低温型燃料電池２を運転している場合でも、加圧低温型燃料電池２の負荷が小さくてもよい場合や、熱需要が多いときは、前記制御弁１０１Ｂ，１０２Ｂを調整して、改質器バーナ２２１へ供給する燃料極排ガス１０１Ｇ及び空気極排空気１０２Ｇの量を少なくすると共に、排熱ボイラー４のバーナ４０に送る燃料の量を増やし、蒸気、高温水、低温水の発生量を増加させるようにしても良い。
【００６２】
［第二実施例］
図２は、図１で説明したハイブリッド型燃料電池システムの変形実施例を示すブロック図であり、図１のシステムと相違する点は、常圧高温型燃料電池１で発生した燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスを、加圧低温型燃料電池２の改質器２２の炉内加熱用熱源として用いるようにシステムを構成した点である。以下、この相違点について主に説明し、図１に示したシステムと同一である点については説明を省略する。
【００６３】
本実施例においては、常圧高温型燃料電池１の電池スタック１０として、その内部に燃焼室１０５を具備するものが用いられる。燃焼室１０５の排気口には、燃焼排ガスを改質器２２へ導く配管路１０５Ｍが接続されている。さらに、配管路１０５Ｍの中間には制御弁１０５Ｂが介在されると共に、排熱回収ボイラーに至るバイパス配管路１０５Ｓが前記制御弁１０５Ｂに接続されており、制御弁１０５Ｂの操作により燃焼排ガスの一部が排熱回収ボイラー４へ導かれるよう構成されている。
【００６４】
このような構成において、電池スタック１０の燃料極１０１及び空気極１０２においてそれぞれ発生した燃料極排ガスと空気極排空気は、前記燃焼室１０５へ導入され、この燃焼室１０５内で燃焼される。かかる燃焼によって、電池スタック１０が高温燃料電池の動作温度付近に保温されることになる。
【００６５】
このように燃料極排ガスと空気極排空気とが電池スタック１０の燃焼室１０５で燃焼されるが、かかる燃焼により高温（４００〜６００℃程度）の燃焼排ガス１０５Ｇが生成される。本実施例では、この高温燃焼排ガス１０５Ｇを、配管路１０５Ｍを通して改質器２２へ導き、当該改質器２２の炉内加熱用熱源として活用する。すなわち燃焼排ガス１０５Ｇが保有する熱によって改質器２２が動作されるのであるが、もし燃焼熱が改質器２２の動作のために十分でない場合は、改質器バーナ２２１を作動させて追い炊きするようにしても良い。
【００６６】
さらに、前記制御弁１０５Ｂを制御することで、前記燃焼排ガス１０５Ｇの一部又は全部を、バイパス配管路１０５Ｓを通して排熱回収ボイラー４へ導入可能な構成としているので、例えば、制御弁１０５Ｂを調整して燃焼排ガス１０５Ｇの半分を改質器２２の炉内加熱用に、残り半分を排熱回収ボイラー４の加温用に導いて、熱回収を図るようにすることができる。或いは、加圧低温型燃料電池２を停止させているときは、燃焼排ガス１０５Ｇを全量バイパス配管路１０５Ｓに流して排熱回収ボイラー４の加温用へ導いたり、若しくは燃焼排ガス１０５Ｇの一部を、再起動時間を短縮するために改質器２２をホットバンキング状態に保つための加熱源として用いるようにしても良い。
【００６７】
以上説明したハイブリッド型燃料電池システムの実際上の効果を確認すべく、発電効率や排熱効率等について計算した。ここでは、常圧高温型燃料電池１として固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を、加圧低温型燃料電池２としてりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）を使用した場合に基づいて計算している。なお、ＳＯＦＣでは、その燃料極排ガス温度及び空気極排空気温度の双方共に５００〜６００℃となり、一方ＰＡＦＣの空気極排空気温度は５５０℃でＳＯＦＣとほぼ同等、燃料極排ガス温度は１８３℃でＳＯＦＣの方が高いが燃料流量の空気量に対する割合は約１５％と少なく、温度差の影響は僅かであると考えられる。
【００６８】
検討条件として、ＳＯＦＣの容量を５０００ｋＷとし、以下の条件の下、その効率に対する排熱量を下記（１），（２）のように定めた。
［条件］
燃料の発熱量；１１０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３
燃料エネルギーの費消配分；発電＝５０％、排熱＝４０％、放熱＝１０％
排ガスを燃焼させたときの燃焼ガス温度；１２００℃
燃焼ガスの改質器出口温度；５００℃
（１）ＳＯＦＣシステムの発電効率が５０％の場合
燃料流量；５０００×８６０×１００／（１１０００×５０）＝７８２Ｎｍ^３／ｈ
排熱エネルギー；７８２×１１０００×０．４＝３４４０Ｍｃａｌ／ｈ
改質器で利用可能なエネルギー量；
３４４０×（１２００−５００）／１２００×０．９＝１８０６Ｍｃａｌ／ｈ
（２）ＳＯＦＣシステムの発電効率が４５％の場合
燃料流量；５０００×８６０×１００／（１１０００×４５）＝８６８Ｎｍ^３／ｈ
排熱エネルギー；８６８×１１０００×０．４＝３８２０Ｍｃａｌ／ｈ
改質器で利用可能なエネルギー量；
３８２０×（１２００−５００）／１２００×０．９＝２００５Ｍｃａｌ／ｈ
【００６９】
上記の通り、ＳＯＦＣの燃料極排ガス空気極排空気を利用した場合の排熱量は、発電効率が４５％の場合は３８２０Ｍｃａｌ、発電効率が５０％の場合は３４４０Ｍｃａｌとなる。
【００７０】
一方、加圧りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）としては、国家プロジェクトで実施された都市エネルギーセンター型５０００ｋＷ容量のＰＡＦＣの例があり、このシステムの設計値を採用した。このＰＡＦＣシステムの仕様を図３に示す。
【００７１】
図４に記載の通り、改質器バーナには燃料極排ガスとして１８３℃，２３６０Ｎｍ^３／ｈ、空気極排空気として５５０℃，１５０００Ｎｍ^３／ｈ程度の燃料や空気を利用しており、この熱量でＰＡＦＣの改質器で必要とする水素ガスを製造している。当該改質器バーナで必要とする熱負荷は約３６００Ｍｃａｌであり、上記ＳＯＦＣの排熱エネルギーに相対して０．９５（発電効率５０％）〜１．０６（発電効率４５％）の容量になり、これを当てはめるとＳＯＦＣが５０００ｋＷ容量のときのＰＡＦＣ容量は４７５０（発電効率５０％）ｋＷ〜５３００ｋＷ（発電効率４５％）程度となる。これは、最大容量であり、実際は１０００〜３０００ｋＷ程度になると予想されるが、ここではＳＯＦＣもＰＡＦＣも５０００ｋＷ容量として検討する。
【００７２】
本発明においては、上記ＰＡＦＣ（加圧低温型燃料電池２）から排出される燃料極排ガス２０１Ｇと空気極排空気２０２Ｇは、ターボコンプレッサー発電機３の駆動エネルギーとして利用される。５０００ｋＷ容量の加圧ＰＡＦＣシステムの場合は、タービン３２への入口ガス条件として６ｋｇ／ｃｍ^２，２８０℃，１３２１０Ｎｍ^３／ｈの排ガスを利用して１８００ｋＷの発電が可能である。これに対し、本発明のハイブリット型燃料電池システムでは、６ｋｇ／ｃｍ^２，１９０〜２００℃の水素を２０％含む燃料極排ガス２０１Ｇや空気極排空気２０２Ｇを、バーナ３１で燃焼させて高温排ガスを製造する。従って、１２００〜１３００℃程度の高温燃焼ガスをガスタービン３２に供給して高効率で運転することが可能である。このエネルギーを利用して、１２００℃から５００℃までガスタービン３２にて発電機３０を駆動した場合、ガスタービン３２に供給されるエネルギーは２５０８Ｍｃａｌであり、ガスタービンの効率を約９０％、発電機効率９８％として計算すると、次式の通り２５７２ｋＷの発電が可能となる。
２５０８Ｍｃａｌ×０．９×０．９８／８６０＝２５７２ｋＷ（５０００ｋＷ改質器の場合）
しかしながら、電池スタック２０の空気極２０２へ反応空気を供給するためのコンプレッサー３４が必要となり、５０００ｋＷ級の６ｋｇ／ｃｍ^２・ＰＡＦＣには約１３００ｋＷ相当の動力を要し、このためターボコンプレッサー発電機３としての正味の発電量は約１２７０ｋＷ相当となる。
【００７３】
以上を前提にして５０００ｋＷ級ＳＯＦＣ−ＰＡＦＣハイブリッドシステムの発電効率について計算すると、
常圧５０００ｋＷＳＯＦＣシステム：送電端効率５０％（ＨＨＶ）の必要ＮＧ量は７８２Ｎｍ^３／ｈ、
加圧５０００ｋＷＰＡＦＣシステム：送電端効率４２％（ＨＨＶ）の必要ＮＧ量は８６２Ｎｍ^３／ｈ、
となり、従って発電効率は、
［５０００ｋＷ（ＳＯＦＣ）＋５０００ｋＷ（ＰＡＦＣ）＋１２７０ｋＷ（ＴＣＧ）］×８６０×１００／［（７８２＋８６２）×１１０００］＝５３．６％
となる。一方、従来の常圧５０００ｋＷ級ＳＯＦＣシステムで送電端効率４５％（ＨＨＶ）の場合の発電効率は、ＳＯＦＣの燃料量は８６９Ｎｍ^３／ｈ、ＰＡＦＣの燃料量は８６２Ｎｍ^３／ｈであるから、
［５０００ｋＷ（ＳＯＦＣ）＋５０００ｋＷ（ＰＡＦＣ）＋１２７０ｋＷ（ＴＣＧ）］×８６０×１００／［（８６９＋８６２）×１１０００］＝５０．９％（１２００℃から５００℃までガスタービンで利用／効率計算の詳細は図５参照）
であることから、本発明にかかるハイブリッドシステムは、常圧ＳＯＦＣ、又は加圧ＰＡＦＣの単純システムとほぼ同等の発電効率が得られることがわかる。
【００７４】
なお、本実施例では改質器バーナ２２１の燃焼排ガス２２Ｇやターボコンプレッサー排ガス３２Ｇは排熱回収ボイラー４に送るよう構成している。そして排熱回収ボイラー４で発生する蒸気を、タービン３２に導入可能としており、実際に蒸気を導入して発電した場合はさらに発電量が増加する。
【００７５】
［第三実施例］
本発明において、加圧低温型燃料電池２で発生する蒸気を活用すべく、前記のターボコンプレッサー発電機３に加えて、ボトミングサイクルとしての蒸気タービン発電システム５を設置して発電するようにすると、発電量をさらに増加することができるので好ましい。図３にこのような蒸気タービン発電システム５を含むハイブリッド型燃料電池システムの構成例を示している。
【００７６】
図３において、常圧高温型燃料電池１と加圧低温型燃料電池２とを併設し、これらに加え、ターボコンプレッサー発電機３と排熱回収ボイラー４とをハイブリッド化している点では、前述の図１に示した実施例と同様であるが、本実施例ではこれらに追加して蒸気タービン発電システム５を設置している。該蒸気タービン発電システム５は、蒸気タービン５２、発電機５０、及び復水器５３を備えている。蒸気タービン５２へ供給される蒸気としては、電池スタック２０の冷却系統を担う水蒸気分離器２８が発生する蒸気２８Ｓと、排熱回収ボイラー４の蒸気発生器４１が発生する蒸気４１Ｓを利用する。
【００７７】
前記蒸気２８Ｓは配管路２８Ｍで、蒸気４１Ｓは配管路４１Ｍで、それぞれ水蒸気分離器２８及び蒸気発生器４１から導出され、これら配管路２８Ｍ，４１Ｍが蒸気タービン５２へ直結されているメイン配管路５Ｍへ送られ、これにより蒸気タービン５２が回転され、発電機５０が駆動されて発電を行う。蒸気タービン５２を作動させた後の排出蒸気５２Ｓは、復水器５３へ導入される。そこで発生した回収水は、例えば前記蒸気発生器４１へ送り、新たな蒸気発生用に用いることができる。
【００７８】
このようなハイブリッド型燃料電池システムの発電効率を算出した。
まず、５０００ｋＷ改質器の必要熱量は前述の通り３４４０Ｍｃａｌであるので、１２００℃から５００℃までタービンで利用するとして、改質器２２からの排熱エネルギー量は、有効に利用できる正味の熱量を１／２と仮定すると
３４４０Ｍｃａｌ／ｈ×１／２×５００／１２００＝７１６Ｍｃａｌ／ｈ
また、ターボコンプレッサー３からの排熱エネルギー量（５００℃）は、１２００℃→５００℃のエンタルピ変化は２５００Ｍｃａｌ／ｈ（５０００ｋＷ）であるから、
２５００Ｍｃａｌ／ｈ×１／２×５／７＝８９２Ｍｃａｌ／ｈ
従って、排熱回収ボイラーでの流入総熱量は、
７１６Ｍｃａｌ／ｈ＋８９２Ｍｃａｌ／ｈ＝１６０８Ｍｃａｌ／ｈ
となる。この熱量を使用し、蒸気サイクルの発電効率を約３０％と仮定すると、発電出力は、
１６０８０００ｋｃａｌ／ｈ×０．３÷８６０＝５６１ｋＷ
であるので、システム全体の発電効率は、
［５０００ｋＷ（ＳＯＦＣ）＋５０００ｋＷ（ＰＡＦＣ）＋１２７０ｋＷ（ＴＣＧ）＋５６１ｋＷ（ＳＴ）］×８６０×１００／［（７８２＋８６２）×１１０００］＝５６．３％
となる。この計算では、水蒸気分離器２８が発生する蒸気分を加えておらず、この蒸気もボトミングサイクルの蒸気タービン５２に導入して発電すると発電量はさらに増加し、加圧ＳＯＦＣとタービン発電機とのハイブリッドシステムの発電効率である５７％とほぼ同レベルを達成できることになる。
【００７９】
ところで、図７（ａ）に示した如き加圧ＳＯＦＣ単体とタービン発電機とを組み合わせたハイブリットシステムは、前述したようにＳＯＦＣの性質上、起動停止や負荷変化が困難で年間を通してほぼ一定運転せねばならないという運用上の大きな課題がある。従って、発電効率が高レベルであっても、著しい運用制限が課せられているといえる。この点、本発明のハイブリッドシステムによれば、ＳＯＦＣ（常圧高温型燃料電池１）自体の負荷変化は７５〜１００％であるものの、ＰＡＦＣ（加圧低温型燃料電池２）については起動停止が可能で、負荷変化幅は３０〜１００％の範囲で対応可能である。ゆえに、システム全体としては４０〜１００％の負荷範囲で負荷調整が可能となり、最低負荷が小さくできるために、深夜の燃料電池運用性の向上や設置できるに燃料電池容量が大きくなり、経済的なメリットが生じる。
【００８０】
このように高効率であるが負荷変動への対応や起動停止が困難な高温型燃料電池と、効率は若干低いが負荷変化や起動停止を自由に行える低温型燃料電池とを組み合わせることにより、ベース負荷を前者の燃料電池で分担し、ベース負荷よりも高い部分を後者の燃料電池で分担して、システム全体の効率を改善することを可能としているのが本発明の基本構成である。前者の例としては固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）が挙げられ、後者の例としてはりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が挙げられる。本発明においては、これらの中から適宜常圧高温型燃料電池１及び加圧低温型燃料電池２を選択してシステムを構築することができる。なお、ＰＥＦＣを選定する場合、電池に入る燃料ガスを温度は８０℃程度、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ以下にする必要があり、一酸化炭素選択酸化器を設置する必要がある。
【００８１】
また発電容量に対する適性としては、ＰＡＦＣが５０ｋＷ〜１１ＭＷと比較的大型の発電容量に適しているのに対し、ＰＥＦＣは１ｋＷ〜２５０ｋＷと比較的小容量機に適している。このため、数ｋＷ〜２５０ｋＷ級の業務用の場合はＳＯＦＣ−ＰＥＦＣ−ＴＣＧ（ターボコンプレッサー発電機）ハイブリッドシステムが適している。なお、ＰＥＦＣはＰＡＦＣよりも発電効率は低いが、将来的にはＰＡＦＣよりも低コストで製造できる可能性もあり、発電効率よりもコストを重視するならば、大容量機でもＰＥＦＣが採用される可能性がある。
【００８２】
本発明においては、加圧低温型燃料電池２が加圧変圧運転を実行可能としておくことが望ましい。ここで加圧変圧運転とは、燃料電池の動作圧力を加圧〜常圧へ切り替え可能として運転することをいう。図６に各負荷率における、加圧形と常圧形のりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）の発電効率を示す。定格負荷での発電効率が高いのは加圧型であるが、加圧型によると本発明のシステムおいてはターボコンプレッサー発電機５のコンプレッサー３４の最低負荷が７５％負荷に制約されるため、７５％以下の負荷では所内動力が増加して発電効率が大幅に低下する。一方、常圧型では、電池スタックに常圧空気を送る空気ブロワーの負荷は小さくできるために、所内動力の大幅な低下は発生せず、部分負荷での発電効率の低下は僅かである。
【００８３】
このような両者の特徴を生かすためには、燃料電池の動作圧力を定格では加圧、最低負荷では常圧として、その間は圧力をスライドした変圧運転とすればよい。その結果ＰＡＦＣの発電効率は図６の一点鎖線に示すように、最低負荷から定格負荷の間で高い状態にでき、経済的な運用が可能となる。従って本発明のシステムにおいても、加圧低温型燃料電池２の電池スタック２０内の動作圧力を、このような加圧変圧運転が可能なように制御し、発電効率を高めるよう運用することが望ましい。具体的には、燃料極２０１へ送る燃料ＮＧ１を昇圧する燃料昇圧コンプレッサー２Ｃ、及び空気極２０２へ加圧空気Ａを送るコンプレッサー３４の出力を、負荷に応じて制御すればよい。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明した通りの本発明のハイブリッド型燃料電池システムによれば、常圧高温型燃料電池はほぼ一定格負荷運転をし、加圧低温型燃料電池とターボコンプレッサー発電機などのタービン発電機とが、負荷変化や起動停止を行うために、システム全体としては４０〜１００％程度の幅広い負荷変化に対して対応可能となる。このため、高温型燃料電池設置時の欠点である需要家の最低負荷相当の設置容量に縛られずに、より大容量機の設置が可能となり運用性が向上するという効果を奏する。
【００８５】
また、加圧低温形燃料電池の改質器の炉内加熱燃料として、常圧高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを使用する構成であり、つまりハイブリッド化した一方の燃料電池の燃料極排ガス・空気極排空気を用いて他方の燃料電池の発電を行う構成であるから、システムの発電効率を向上させることができる。加えて、ガスタービンや蒸気タービンのボトミングサイクルを組み込むことにより、加圧高温型燃料電池単体とガスタービンとを組み合せた従来方式と同等の発電効率が得られると共に、上記のように負荷変化や起動停止に柔軟に対応できる、高効率で運用性の高いハイブリッドシステムを構築することができるという効果もある。
【００８６】
さらに、需要負荷が低いときは加圧低温型燃料電池を停止するよう運用すれば、システム全体での最低負荷が切り下げられ、広い負荷領域での運用が可能となって、システムの経済性を向上させることができる。また、熱需要が多く、電気需要が低いときにも加圧低温型燃料電池を停止し、常圧高温型燃料電池が発する排熱を排熱回収ボイラー等で積極的に利用して蒸気や高温水を多く発生する運転モードにすることにより、システム全体の広い負荷領域で熱需要に応じた熱を発生させることが可能となる。これにより、需要家別の電気・熱需要の変化や、季節による熱需要の変化にも柔軟に対応することが可能となるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるハイブリッド型燃料電池システムの第一実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明にかかるハイブリッド型燃料電池システムの第二実施例を示すブロック図である。
【図３】本発明にかかるハイブリッド型燃料電池システムの第三実施例を示すブロック図である。
【図４】５０００ｋＷ加圧型ＰＡＦＣの仕様を示す表形式の図である。
【図５】図４の仕様に基づいたタービン発電機の出力計算をした表形式の図である。
【図６】常圧型と加圧型のりん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）の発電効率を示すグラフ図である。
【図７】従来の高温型燃料電池の一例を示すブロック図である。
【図８】従来の低温型燃料電池の一例を示すブロック図である。
【図９】需要家の負荷パターンの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１常圧高温型燃料電池
１０１Ｇ燃料極排ガス
１０２Ｇ空気極排空気
１０５Ｇ燃焼排ガス
１１，２１脱硫器
２加圧低温型燃料電池
２０１Ｇ燃料極排ガス
２０２Ｇ空気極排空気
２２改質器
２２１改質器バーナ
２８水蒸気分離器
３ターボコンプレッサー発電機（タービン発電機）
３１（タービン回転用）バーナ
３２タービン
３３クラッチ
３４コンプレッサー
４排熱回収ボイラー
４１蒸気発生器
５蒸気タービン発電機
５１タービン

Claims

常圧高温型燃料電池、加圧低温型燃料電池、及びタービン発電機を備えるハイブリッド型燃料電池システムであって、
前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記加圧低温型燃料電池が具備する改質器の炉内加熱用燃料として用い、さらに前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記タービン発電機のタービン駆動源として用いるべく構成したことを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
常圧高温型燃料電池、加圧低温型燃料電池、及びタービン発電機を備えるハイブリッド型燃料電池システムであって、
前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスを、前記加圧低温型燃料電池が具備する改質器の炉内加熱用熱源として用い、さらに前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記タービン発電機のタービン駆動源として用いるべく構成したことを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
前記タービン発電機がターボコンプレッサー発電機であり、
前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスを、前記ターボコンプレッサー発電機のタービンを駆動させるバーナの燃料として用い、
前記加圧低温型燃料電池の空気極排空気を、前記バーナの燃焼用酸化剤として用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のハイブリッド型燃料電池システム。
前記ターボコンプレッサー発電機は少なくともタービン、発電機、及び加圧気体を発生するコンプレッサーを備え、これらは一つの駆動軸上に配置されており、且つ、前記コンプレッサーはクラッチを介して前記駆動軸による動力伝達系から離脱自在とされていることを特徴とする請求項３記載のハイブリッド型燃料電池システム。
請求項１記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、排熱回収ボイラーをさらに備え、
前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気の一部を、前記排熱回収ボイラーの駆動バーナにバイパス供給して燃料として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
請求項２記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、排熱回収ボイラーをさらに備え、
前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスの一部を、前記排熱回収ボイラーにバイパス供給して、該排熱回収ボイラーの加熱用熱源として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
請求項１又は請求項２記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記加圧低温型燃料電池が水蒸気分離器を備えており、
前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記タービン発電機のタービン駆動源の一部として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
請求項５記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記排熱回収ボイラーが水蒸気分離器を備えており、
前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記タービン発電機のタービン駆動源の一部として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
請求項１又は請求項２記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、蒸気タービン式発電機を追加して設け、さらに前記加圧低温型燃料電池には水蒸気分離器を具備させ、
前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記蒸気タービン発電機のタービン駆動源として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
請求項１又は請求項２記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、蒸気タービン式発電機を追加して設けると共に、さらに水蒸気分離器を有する排熱回収ボイラーを設け、
前記排熱回収ボイラーの水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記蒸気タービン発電機のタービン駆動源として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
請求項１〜請求項１０いずれかに記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、加圧低温型燃料電池が加圧変圧運転を実行可能に構成したことを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。