JP2511866B2 - 燃料電池発電システム及びその起動方法 - Google Patents

燃料電池発電システム及びその起動方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料電池発電システムに係り、特に燃料電池
発電システムの起動に好適な燃料電池発電システム及び
その起動方法に関する。
〔従来の技術〕
従来燃料電池発電システムの起動方法について述べら
れた例は少なく、例えばリン酸型燃料電池を用いた発電
システムの代表的な検討例である、「電気事業用の汎用
11MW燃料電池発電所の概要。（Description of a Gener
ic 11−MW Fuel Cell Power Plant for Utility Applic
ations）」,EPRI EM−3161（Sept.1983）によれば、燃
料改質器の起動昇温について「起動中、システムはチッ
素で満たされ、スタートサイクル圧縮機が、チッ素を改
質器および改質器上部の起動用トーチによる加熱システ
ムに循環させるように運転される」と述べられ、また、
燃料電池の起動昇温については、通常運転における電池
冷却系内にヒータを置き、冷却剤である水をヒータで加
熱し、この水を循環することにより行なわれることが示
されている。
改質器は、改質部と加熱部に分けられ、改質部に改質
用の触媒がつめられているため、改質部内に酸素を含む
ガスを流すことは、触媒の性能を劣化させるためにさけ
なければならなく、このため不活性ガスであるチッ素を
加熱作業媒体として、選択するのが一般的であった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、従来の方法ではチッ素を加熱作動媒体
として使用する場合、チッ素ガスの消費量の増加、起動
用としてチッ素循環系の設置を必要とする上に、起動時
の高温のチッ素と低温の燃料を置換する過程が必要で、
起動時間の増加および燃料系の圧力変動を抑える制御を
必要としていた。
また、燃料電池の昇温に冷却剤である水を使用するこ
とは、比較的低温（約170〜210℃）で作動するリン酸型
燃料電池では可能であるが、高温度（約400℃以上）で
作動可能となる溶融炭酸塩型燃料電池では他の昇温方法
が必要とされる。
本発明は上記点に鑑みなされたものであって、その目
的とするところは、起動に必要とする補機および手順を
簡略化した起動特性を実現可能とした燃料電池発電シス
テム及びその起動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〕
上記燃料電池発電システムを得るために本発明は、燃
料入口管を介して供給された原燃料を改質し水素を含む
ガスを発生させる改質部と、該改質部に熱を与える加熱
部とを有する改質器と、アノードとカソードとの間に電
解質を有し、前記アノードには前記水素を含むガスを燃
料出口管を介して流通せしめ、かつ前記カソードには酸
素を含むガスを流通せしめ発電を行う燃料電池と、水蒸
気を発生させる蒸気発生装置と、該蒸気発生装置に前記
水蒸気を発生させるための高温ガスを発生させる燃焼器
とを有すると共に、前記燃料出口管から分岐し、前記燃
焼器に前記原燃料若しくは前記水素を含むガスを供給す
る第１の管路と、前記蒸気発生装置で発生した水蒸気を
前記燃料入口管に導く第２の管路と、前記アノードから
排出された排ガスを前記加熱部に導く第３の管路とを備
えたものである。
また、上記燃料電池発電システムの起動方法を得るた
めに本発明は、燃料入口管を介して改質器の改質部に原
燃料を供給し、前記改質部を通過した原燃料を、前記改
質部と燃料電池のアノードとを結ぶ燃料出口管から分岐
した第１の管路を介して燃焼器に導き、該燃焼器を点火
し、前記燃焼器の点火によって得られた高温ガスを蒸気
発生装置に導き水蒸気を発生させ、該発生した水蒸気
を、第２の管路を介して前記燃料入口管に供給し、前記
改質部に供給された水蒸気を含む原燃料の一部を、前記
燃料出口管を介して前記燃料電池のアノードに供給し、
前記燃料電池のアノードを通過した前記水蒸気を含む原
燃料を第３の管路を介して改質器の加熱部に導き、前記
水蒸気を含む原燃料を前記改質部に流しつつ前記加熱部
を点火させ、前記改質部を昇温するものである。
〔作用〕
本発明によれば、起動時に不活性ガスを用いないので
不活性ガスから燃料への変換が不要となり、短時間にシ
ステムの昇温起動を図りうる。また、燃料電池発電シス
テムの起動昇温時において、燃料電池発電システムを構
成する主要機器である燃料改質器および燃料電池の昇温
用媒体に必要とされるつぎの条件、即ち改質器改質部に
対して（ａ）酸素による改質触媒の劣化防止及び（ｂ）
炭素析出をさける、又溶融炭酸塩型燃料電池に対して
（ａ）酸素によるアノード腐食防止、（ｂ）炭素析出を
さける及び（ｃ）電解質が溶融する温度（約400℃）以
上では、電解質蒸散防止のためCO2成分が必要である
が、本発明によればこれを満足させるように、昇温用触
媒として燃料電池発電システムの燃料を用いることがで
きる。燃料は酸素を含まないため、改質触媒の劣化防
止、アノードの腐食防止に有効であるし、炭素析出反応
が生じる温度以下では、蒸気を混合させることで炭素析
出を防止することが可能である。さらに、燃料電池電解
質蒸散が問題となる温度以上ではCO2の混合により電解
質蒸散を防止することが可能となる。
〔実施例〕
以下本発明を実施例にて説明する。
第１図は本発明の一実施例を示す。燃料改質器１は主
に、内部に改質触媒を充填した改質部２と加熱部３とに
より構成される。該改質部２入口には、燃料供給管４が
接続され、該改質部２出口に接続された燃料出口管５
は、アノード41およびカソード42を主構成要素とする燃
料電池40のアノード41へ接続される。
燃料改質器１の加熱部３へは、空気圧縮器10より空気
供給管８が接続されるとともに、補助燃料供給管６が接
続され、さらに燃料電池40のアノード41よりアノードリ
サイクル78が接続されている。また、該加熱部３出口に
は燃焼ガス排出管７が接続されている。
一方、給水ポンプ15よりの配管は熱回収ボイラ20へ接
続される。熱回収ボイラ20と燃料供給管４との間は蒸気
配管９で結ばれ、熱回収ボイラ20へはガスタービン排ガ
ス管76が接続されている。
空気圧縮機58は、ガスタービン60および発電機61と動
力的に接続されており、空気圧縮機58の出口からは燃料
改質器１の加熱部３への空気流路72が設けられ、さらに
燃焼器C77へも流路が設けられている。該燃焼器C77へ
は、燃料改質器１の改質部２出口に設けられた燃料出口
管５より分岐した燃料バイパスA75が設けられている。
該燃焼器77の出口はガスタービン60と接続され、ガスタ
ービン60出口にはガスタービン排ガス管76が設けられて
いる。すなわち蒸気発生装置は、給水ポンプ15、熱回収
ボイラ20、燃焼器C77、空気圧縮機58、ガスタービン
６、及びガスタービン排ガス管76から構成される。
起動時における各要素の動作を以下に説明する。
燃料は燃料供給管４を通り燃料改質器１の改質部２に
入る。改質部２を通過した燃燃料の料出口管を通って、
燃料電池40のアノード41へ供給される。アノード41を出
た燃料はアノードリサイクル78を通って燃料改質部１の
加熱部へ供給され、空気圧縮機10により昇圧され空気供
給管８により送られた空気により燃焼を行ない、改質部
２を加熱昇温する。必要ならば補助燃料供給管６より燃
料を供給する。加熱部３で生じた燃焼ガスは改質部２、
その他を昇温し、燃焼ガス排出管７により外部へ排出さ
れる。
加熱部３により加えられた熱により改質部２が昇温す
るに伴ない、改質部２内部を流れる燃料の温度が上昇
し、該燃料の持つ顕熱は、燃料電池40のアノードを昇温
する。
一方、ガスタービン60を出た排ガスは、ガスタービン
排ガス管76を通り、熱回収ボイラ20に供給し、給水ポン
プ15より供給された給水16を蒸気にかえる。
蒸気は蒸気配管９を通して燃料供給管４に導入し、燃
料と混合させる。
そして、起動時においては、燃料供給管４に蒸気が導
入されるのは、燃料改質器１の改質部２内において炭素
析出が生じる温度以前であることが必要であり、安全面
から、加熱部３において燃焼が生じる以前に蒸気の混合
が行なわれる。
改質部２の温度が上昇し、改質反応が活性化してくる
と該改質部出口の燃料内には改質反応により生じた二酸
化炭素が含まれるようになるので、溶融炭素塩型の場合
燃料電池40の電解質が溶融する以前に、燃料改質器１の
改質部２温度が改質反応を生じる温度に達するようにす
れば、該燃料電池昇温時の電解質の分解、蒸散を防止で
きる。
燃料改質器１の加熱部３の温度制御は、基本的には、
改質部２を流れる燃料流量により行なわれる。多少の調
整は空気圧縮機10よりの空気流量により可能であり、改
質部２、アノード41を通り加熱部３供給される燃料では
熱量が足らない場合には、補助燃料供給管６より燃料を
供給し熱量を補い、熱量が余る場合は改質部出口と燃焼
部入口間に燃料放出部を設ける。
改質部２を通過した燃料は燃料出口管５、燃料バイパ
ス75を通り燃焼器C77にも供給される。空気圧縮機58、
ガスタービン60および発電機61で構成されたガスタービ
ン装置は、ここには示されていないが駆動装置により予
め回転されており、燃焼器C77には空気圧縮機58より空
気が供給されているので、該燃料は燃焼器Ｃ内で燃焼し
燃焼ガスとなり、ガスタービン60へ入る。ガスタービン
60内で該燃焼ガスは仕事を行ない、ガスタービン60は空
気圧縮機58および発電機61を駆動する。ガスタービンを
駆動した該燃焼ガスはガスタービン排ガス管76を通り外
部へ排出される。
時間が経過し、該ガスタービン装置の運転が安定した
後に、空気圧縮機58より空気流路72を通して空気を燃料
改質器１の加熱部３へ供給しはじめる。その後に、燃料
改質器１の改質部２を通過した水蒸気を含む原燃料を燃
料電池40のアノード41を通して、燃料改質器１の加熱部
３へ供給し、燃焼を行ない、改質部２を加熱する。
空気圧縮機10による空気および補助燃料供給管６より
の燃料は、燃料改質部１内のバランスが不均衡になった
場合に使用するもので、通常は不要である。
本実施例によれば、燃料改質器１の加熱部３に対する
外部よりの燃料供給量を低減できる効果がある。
本実施例によれば、起動過程においてもガスタービン
装置により発電が可能である上、燃料改質器および燃料
電池の昇温速度をガスタービン装置へのバイパス燃料量
により制御できシステム上燃料の損失をなくす効果があ
る。
本実施例によれば、蒸気発生に必要な燃料の供給を必
要としない効果がある。
本発明の他の実施例では、上記実施例に加え、さら
に、ガスタービン排ガス管76途中に助燃装置を設ける。
該助燃装置によりガスタービン排ガスは昇温され熱回収
ボイラ20へ供給される。
本実施例によれば、ガスタービン排ガスの温度に係ら
ず、助燃燃料により熱回収ボイラにおける蒸気発生量を
制御できる効果がある。
本発明の他の実施例では、上記実施例に加え、該助燃
装置へ、燃料出口管５の途中より分岐した燃料配管を設
置する。
該助燃装置の燃料として、燃料改質器１の改質部２を
出た燃料を該燃料配管を通して用いる。
本実施例によれば、助燃装置への燃料供給系を不要と
する効果がある。
本発明の他の実施例を第２図に示す。第２図に示す実
施例が第１図に示す実施例と異なる点を以下に示す。第
２図に示す実施例では、燃料改質器１の改質部２よりの
燃料出口管５を燃料電池40のカソード42入口へ結なげ、
さらに該カソード42出口より、燃焼器C77までカソード
出口管路75を接続したことである。
第２図の実施例における起動は第１図の実施例におけ
る起動とほぼ同様に行なわれ、燃料改質器１の加熱部３
で発生した燃焼ガスは、該燃料改質器の改質部２等を昇
温した後に、燃焼ガス排出管７を通り、燃料電池40のカ
ソード42に供給され、該カソードを昇温した後にカソー
ド出口管路74を通り燃焼器C77に供給され、ガスタービ
ン60を駆動しガスタービン排ガス管76より系外に排出さ
れる。
本実施例によれば、燃料電池40のアノード41の昇温と
同時にカソード42の昇温も行なうことができるので燃料
電池内に熱応力の発生を少なくすることができると共に
昇温時間を短縮できる効果がある。
また、カソードを昇温する作動媒体は、燃料改質器１
の加熱部３で生じた燃焼ガスであり、その成分に二酸化
炭素を含むため、溶融炭酸塩型では電解質の分解、蒸散
を防ぐ効果がある。
本発明の他の実施例を第３図に示す。第３図の実施例
は天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型の燃料電池発電プ
ラントの基本構成に本発明を実施したものである。
以下第３図にしたがい説明する。
溶融炭酸塩型燃料電池発電プラントを構成する主要機
器は、燃焼改質器101、溶融炭酸塩型燃料電池102、空気
圧縮器116、タービン118、排熱回収ボイラ120などであ
る。
燃料改質器101は、燃料改質部113および、これと壁で
仕切られた燃焼加熱部112より構成される。燃料改質部
内には改質触媒が充填されている。燃料改質部入口は第
３図には示されていないが、燃料供給部と結ばれ、制御
弁X121が設けてある。出口は制御弁b122を介して、溶融
炭酸塩型燃料電池102のアノード103と結ばれる溶融炭酸
塩型燃料電池102は、炭酸塩の電解質をアノード103とカ
ソード104で挟み、アノード103側に燃料の流路が、カソ
ード104側に空気の流路が設けられている。アノード出
口は熱交換器105と結ばれ、該熱交換出口はK,Oドラム10
6と結ばれる。該K,Oドラム出口は２系統設けられ、一方
は、水タンク107に、一方はアノードブロアー110と接続
する。アノードブロアー110は電動機111と結ばれ、出口
は前記熱交換器105を経て、前記改質器101の燃焼加熱部
112とつながっている。
また、燃焼加熱部112は制御弁j127、を介して圧縮機1
16と結ばれている。
空気圧縮機116、タービン118および発電機119は同じ
動力系で結ばれ、ここには示していないが、動力系はさ
らにクラッチを介して駆動装置と結ばれる。圧縮機116
の出口は制御弁f125を介して前記燃料電池102のカソー
ド104と結ばれる。カソード出口は２方向に分かれ、一
方は電動機115と結ばれたカソードブロアー114を介して
カソード入口と結ばれ、一方は圧縮機116とタービン118
間の流路と結ばれる。圧縮機116とタービン118間には制
御弁i126および燃焼器117が設けられ、燃焼器117はさら
に改質器101改質部113を出口と制御弁a123を介して結ば
れている。
改質器101燃焼加熱部112は、前記燃料電池120カソー
ド104入口部と結ばれる。
タービン118の出口には排熱回収ボイラ120が設けら
れ、タービン出口と排熱回収ボイラ入口とは結ばれ、排
熱回収ボイラ出口はここには示されていないが排煙処理
装備と結ばがっている。
水タンク107は水処理設備108、給水ポンプ109を介し
て排熱回収ボイラ120と結ながっており、排熱回収ボイ
ラは、さらに制御弁C124を介して改質器101入口部と結
ながっている。
定格運転時における各機器の動きを以下に示す。
燃料は、天然ガス、LPG、メタノール、軽油などが考
えられ本発明はいづれかの燃料に対しても適用できる
が、ここでは代表的な天然ガスを例として説明する。
天然ガスは燃料供給設備から制御弁X121を経て改質器
101の改質部113へ供給される。改質反応に必要な蒸気
は、天然ガスが改質部へ入る前に、天然ガスと混合され
る。改質器101では、燃焼加熱部112における発生熱によ
り、改質部113内の触媒による改質反応が生じる。天然
ガスの主成分であるメタンCH4の改質反応は一般に、 で示され、改質後のガス成分は改質温度に依存する。改
質温度とガス成分との関係は例えば“新エネルギーとこ
れからの発電技術”、電気計算臨時増刊（Vol.49,No.8,
1981−5,P374）などに示されているように、改質温度が
高くなると水素、一酸化炭素濃度が高く、改質温度が低
いとメタン、二酸化炭素濃度が高くなる。また、実用的
な改質反応は、改質触媒が活性化する温度以上で活性化
し、一般には改質温度は800℃前後が選ばれる。
改質後、H2,CO,H2O,CO2,CH4などになった燃料ガス
は、制御弁b122を経て、溶融炭酸塩型燃料電池102のア
ノード103へ入る。溶融炭酸塩型燃料電池は、電解質を
炭酸塩としたもので、炭酸塩としてはLi2CO3,Na2CO3,K2
CO3などで、これは常温において固体で、作動時に溶融
状態となる。炭酸塩の融解温度は、炭酸塩の成分比によ
り異なるが、“燃料電池発電技術の展望”、電気学会技
術報告（II部）第141図、P50、（昭和57年12月）に示さ
れているように一般には約400℃以上で、この温度以下
では炭酸塩は固体であり、イオン導電性がなく燃料電池
として作動はしない。
一般には溶融炭酸塩型燃料電池の作動温度は約650℃
が選ばれる。これは、電池として高温であるほど高効率
であるが、約650℃を上限として電解質の蒸散などによ
り寿命が短くなるためである。
電池内ではアノード３側の水素とカソード側の酸素お
よび二酸化炭素とがつぎの反応を生じる アノード Ｈ＋CO3 2−→H2O＋CO2＋2e ここで示されるように電解質内では炭酸イオンCO3 2−
の移動が起き、カソード104側には酸素の他に二酸化炭
素の補給が必要である。また、電池内では全ての燃料が
消費されるわけではない。これは、燃料の平均分圧低下
による効率低下防止および、残存燃料を改質器101燃焼
加熱部112燃料として用いるためである。燃料電池内の
反応は改質器内のそれと違い発熱反応で、アノード出口
の燃料ガス温度は高くなる。第３図の実施例では、改質
に必要とする蒸気をアノード出口より分離する。また、
これにより残りのガス成分濃度は高く、改質器燃焼加熱
部112における燃焼は良好になり、さらにカソード104に
おける酸素および二酸化炭素濃度を高め電池効率を高く
することができる。
アノード出口ガスより水を分解するためにアノード10
3出口ガスは熱交換器105で温度を降下され、さらにK,O
ドラム106内で低温にされ、その温度における蒸気圧ま
でガス中の水分は低下し、水は分離される。分離された
水は水タンク107に入り、分離後のアノード出口ガス
は、電動機111により駆動されるアノードブロワ110によ
り昇圧された後に前記熱交換器105に入り、アノード103
出口直後のガスを冷却すると同時に、それ自身の昇温を
行なう。
熱交換器105を出たガスは改質器101燃焼加熱部112に
入り、圧縮器116を出て制御弁j127を通った空気により
燃焼させられ、燃焼熱は改質部113に伝えられ改質反応
に熱を与える。燃焼加熱部112を出た燃焼ガスはカソー
ド104入口部へおくられ、空気圧縮機116よりの空気と混
合される。
空気圧縮機116は空気を昇圧し、一部を前記改質器101
燃焼加熱部112へ送り、他は制御弁f125を介し溶融炭酸
塩型燃料電池102カソード104へ送られる。カソード104
では電気化学反応により酸素および二酸化炭素が消費さ
れる。電池内の発熱反応により温度上昇したカソード10
4出口ガスの一部は、電動機115により駆動されるカソー
ドブロワ114でカソード104入口部へ循環される。これ
は、カソード内の温度差を少なくし、熱応力の発生を少
なくしたり、溶融塩の凝固を防ぐためカソード入口温度
を高くするためまた酸素および二酸化炭素の利用率向上
のためである。残りのカソード出口ガスは、空気圧縮機
116とタービン118間の流路に入る。この実施例では、圧
縮機116出口に制御弁i126および燃焼器117を設け、前記
カソード出口ガスは制御弁i126、燃焼器117間に入り、
燃焼器117を経てタービン118に入り仕事を行なう。定格
運転時には、燃焼器117に対する空気および燃料は制御
弁i126および制御弁a123を全閉し全く流さないか、ごく
わずかに開け燃焼器内でパイロットのみの燃焼を保持す
る。
タービン118は空気圧縮機116および発電機119を駆動
する。タービン出口の排ガスは排熱回収ボイラ120に流
入する。
水タンク107に貯蔵された水は、水処理装置108で水質
処理された後に給水ポンプ109で昇圧され、排熱回収ボ
イラ120に送られ、排熱回収ボイラ120内で蒸気を発生
し、制御弁C124を介して改質器101改質部113入口へ送ら
れる。
第３図の実施例により本発明の起動時の動作を説明す
る。
起動時には一般に改質器改質部102、燃料電池102内に
は不活性ガスが封入され、第３図に示された制御弁は全
て閉じられている。
圧縮機116と燃焼器117間の制御弁i126を開き、駆動装
置を起動し、圧縮機116、タービン118、発電機119を回
転させる。圧縮機116の回転により空気は燃焼器117に送
られる。次に、燃料供給系の制御弁X121およびa123を徐
々に開き、燃焼器117内の点火装置により燃焼器を起動
する。圧縮機116、タービン118、発電機119系が設定回
転数に達した時点で駆動装置とのクラッチを切り自立運
転を行なう。定格回転に達した時点で、さらに燃料を増
加すれば発電機120は発電を開始することが可能であ
る。
この間、燃料は改質器101の改質部113を通過して供給
されるが、改質部温度は供給燃料温度（一般には常温）
であるため、触媒は不活性で炭素析出反応は起らない。
圧縮機116、燃焼器117、タービン118、発電機119系の
運転によりタービン118出口より高温の燃焼排ガスが排
熱回収ボイラ120に供給される。一方、タンク107内の水
が、水処理装置108を通り給水ポンプ109により排熱回収
ボイラ120に供給される。排熱回収ボイラ120で発生した
蒸気は制御弁C124を通り、改質器101の改質部113入口で
燃料と混合する。この蒸気の混合により改質部を通過す
る燃料は、炭素析出条件を避けることができ、蒸気によ
り改質部の昇温を行ない改質の準備を行なう。
次に、アノード103入口の制御弁b122およびカソード1
04入口の制御弁f125を序々に開き、アノード103へ燃料
と蒸気、カソード104へ空気を流し電池の昇温を行な
う。アノード103およびカソード104へ同時に流すことに
より、アノード，カソード間の差圧制御が容易になる。
同時に、改質器101の燃焼部112へ空気を送るため圧縮機
出口の制御弁j127も序々に開く。
改質器101の燃焼加熱部112ヘアノード103を通過した
燃料と圧縮機116よりの空気が達した時点で燃焼力の加
熱器112の燃焼を開始する。安全のため改質器燃焼部へ
は空気を先に供給し、失火時用のフレアーシステム、パ
ージシステムを備なえることが望ましい。
改質器101燃焼加熱部112の燃焼により改質器の昇温が
行なわれると同時に温度上昇した燃料ガスがアノード10
3へ供給され、燃料電池の昇温を行なう。また、燃焼部
を出た高温の燃焼ガスは、制御弁f126を通ってきた空気
と混合後にカソード104へ供給されカソードの昇温を行
なう。カソード104を出たガスは一部リサイクルされる
が、残りは燃焼器117入口で空気圧縮機116通過後の空気
と混合し、燃焼器117へ供給される。
改質器101と溶融炭酸塩型燃料電池102の昇温スケジュ
ールとして、改質器101の改質部113で改質触媒が活性化
し改質反応が生じる温度に達した後に燃料電池102内の
電解質である炭酸塩が溶融を開始するようにすれば、ア
ノード103には改質反応により生じた二酸化炭素を含む
燃料が供給され、カソード104に燃焼加熱部で生じた二
酸化炭素を含む燃焼ガスが供給され、前述の炭酸塩の蒸
散を防止できる。
燃料電池102の電解質が完全に溶融した状態になる
と、アノード103へは改質によって生じた水素、一酸化
炭素、二酸化炭素が供給され、カソード104へは改質器1
01の燃焼加熱部112で発生した二酸化炭素および空気圧
縮器116よりの酸素が供給されているために、電池は発
電可能となり、発電すると同時に発電が行なわれ電池自
体で昇温が行なわれる。
定格運転もしくはそれに相当する温度に改質器および
燃料電池が達した後に、改質器101よりの燃料を燃料制
御弁a123により、圧縮機116よりの空気を空気制御弁i12
6により絞り燃焼器117内の燃焼を停止するか、パイロッ
ト炎の維持のみにする。
起動時における主要機の操作手順をまとめて、第４図
に示す。
停止の場合は、起動時とほぼ逆の手順で行なう。改質
器101出口の燃料制御弁a123を開き燃焼器117へ燃料を供
給開始し、燃焼器117を駆動させる。この時、必要なら
ば空気制御弁i126を開き空気を燃焼器117へ供給する。
しかし、カソード104出口ガス中にも酸素が含まれてお
り、燃料電池の負荷を下げれば電池における酸素消費量
が低下する点、電池の冷却を早めるためにはより多量の
空気をカソードに送るほうが有利であることから、制御
弁i126を通る空気は必要最小限であることが望ましい。
電池の負荷を低下させ、燃料制御弁b122を閉じていく
と同時に圧縮機116出口の空気制御弁i127から改質器燃
焼加熱部112へ空気を多量に送り改質器101の冷却も行な
う。
改質器101および燃料電池102の温度が低下した時点
で、制御弁b122、f125およびj127は全閉となり制御弁i1
26は開き、空気は燃焼器117に供給される。
冷却のスケジュールは、燃料電池102内の溶融炭酸塩
の凝固が生じた後に、改質器101内の改質反応が停止す
ることが、炭酸塩の蒸発を防止する上で望ましい。
燃料電池102に燃料、空気の供給が停止した時点では
電池アノード103およびカソード104内は不活性ガスに置
換される。
最終的には燃料は改質器101を通り燃焼器117に供給さ
れ、圧縮器116、燃焼器117、タービン118、発電機119お
よび排熱回収ボイラ120系統のみが作動し、改質器101改
質部113温度が改質触媒を不活性とする点まで低下した
時点で、制御弁C124が閉じ排熱回収ボイラ120よりの蒸
気供給は停止し、続いて制御弁X121、a123を閉じ圧縮器
116、燃焼器117、タービン118、発電機119系も停止す
る。
次に運用上最も急激な変化の一つである全員荷よりの
負荷遮断時の動作を説明する。負荷遮断では発電中に送
変電系等に障害により、発電を即時停止しかつプラント
を待機状態に保つことを要求される。
待機状態で必要とされるのは、改質器101および燃料
電池102の温度維持で、改質器は少なくとも改質触媒が
活性化する温度以上に、燃料電池は電解質である炭酸塩
が溶融する温度以上に保つ必要があり、前記起動におけ
る制限条件で示した。改質器改質部入口燃料には反応用
および炭素析出防止用に蒸気を混合させる必要があり、
燃料電池へ入るガス中には炭酸塩の蒸散を防止するため
二酸化炭素を混ぜる必要がある。
負荷遮断の信号は第３図に示す制御弁に入り、制御弁
X121,b122,f125,j127は急速に閉じ始め制御弁a123とi12
6は急速に開き、燃焼器117は起動し、カソード104排ガ
スに変わりタービン118へ燃焼器117燃焼ガスを供給す
る。
最終的には、少量の燃料が制御弁X121を通り改質器10
1改質部113に入り改質された後に、一部は制御弁b122を
通り燃料電池102アノード103へ、残りは制御弁a123を通
り燃焼器117へ入り燃焼される。制御弁b122を通る燃料
流量は、改質器101改質部113の改質反応および改質器10
1、燃料電池102の温度維持に必要な流量を、制御弁a123
を通る燃料流量は、タービン118の駆動力が圧縮機116の
駆動力とつり合うように選ばれる。この時、排熱回収ボ
イラ120入口の排ガス温度が蒸気発生に必要な温度より
低くなる場合は、制御弁a123を通る燃料流量を増し、排
熱回収ボイラ120入口で助熱を行なう装置を必要とす
る。
空気圧縮機116よりの空気は、制御弁j127を通り改質
器燃焼加熱部112へ、アノード103を通過した燃料が燃焼
するに必要な最小限の量だけ供給され、残りは全て制御
弁i126を通り燃焼器117に入る。これによって、燃料電
池102のカソード104へは改質器燃焼加熱部112の酸素を
ほとんど含まず、二酸化炭素を含む燃焼排ガスのみが供
給され、このガスの顕熱およびアノードを通過する改質
燃料の顕熱により燃料電池は温度を維持される。
また、排熱回収ボイラ120は運転されているので改質
器改質部113への蒸気も供給され続ける。
本発明の一実施例によれば、燃料電池部分に故障が生
じた場合には、制御弁b122,f125,j127を閉じて燃料電池
系への燃料、空気の供給を停止し制御弁a123,j126を開
き圧縮器116、燃焼器117、タービン118、発電機119系の
負荷を増加させることにより、発電プラントとしての機
能を損なうことがない効果がある。
本発明の他の実施例では、第３図の実施例に加え、ガ
スタービン118と排熱回収ボイラ120間の燃焼ガス流路に
助燃装置を設ける。該助燃装置はガスタービン118の排
ガスを昇温し排熱回収ボイラ120へ供給することが可能
である。
本実施例によれば、ガスタービン排ガスの温度に係ら
ず、助燃燃料により該排熱回収ボイラにおける蒸気発生
量を制御できる効果がある。
本発明の他の実施例では、上記実施例に加え該助燃装
置へ、燃料改質器101の改質器113よりの燃料配管を設置
する。該助燃装置の燃料として、燃料改質器101の改質
部113を出た燃料を用いることができる。
本実施例によれば、助熱装置への燃料供給系を不要と
する効果がある。
本発明による一実施例を第５図に示す。第５図に示す
実施例では補助ボイラ11に対する燃料配管にかえて、燃
料改質器１の改質部２出口よりの燃料出口管５から、補
助ボイラ11へ燃料バイパス130を設けている。
これにより補助ボイラ11の燃料として、燃料改質器１
の改質部２を通過した燃料を使用でき、補助ボイラ11へ
の燃料供給設備を不要とする効果がある。
本発明の他の実施例では、第５図に示す実施例に加え
て、燃料改質器１の加熱部３出口の燃焼ガス排出管７を
燃料電池40のカソード42入口へ結なぐ。これによって、
燃料改質器１の加熱部３で発生した燃焼ガスは、燃焼ガ
ス排出管７を通って、燃料電池40のカソードに供給さ
れ、燃料電池40をカソード42からも昇温する。
本実施例によれば、アノードのみならずカソードから
も燃料電池の昇温が行なわれるので昇温時の熱応力の発
生を防止できる効果がある。
〔発明の効果〕
本発明によれば、起動に必要とする補機および手順を
簡略化した良好な起動特性を有する燃料電池発電システ
ム及びその起動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図４は本発明の実施例における動作説明図。図４を除
く、図１〜５は本発明の実施例を示す図。 １……燃料改質器、２……改質部、３……加熱部、４…
…燃料供給管、５……燃料出口管、６……補助燃料供給
管、７……燃焼ガス排出管、８……空気供給管、９……
蒸気配管、10……空気圧縮機、11……補助ボイラ、12…
…燃料配管、13……空気供給配管、15……給水ポンプ、
16……給水、17……ガスタービン、18……排ガス供給
管、20……熱回収ボイラ、21……助燃装置、22……燃料
燃料、23……助燃燃料供給管、24……熱交換器、25……
蒸気配管、26……補助ボイラ燃料供給管、27……燃料バ
イパス、28……空気圧縮機、29……燃焼器、30……ガス
タービン、31……発電機、32……空気抽気管、33……排
ガス供給管、34……燃料バイパス、40……燃料電池、41
……アノード、42……カソード、43……燃料供給管、44
……燃料排出管、45……燃料供給装置、46……補助バー
ナ、47……空気圧縮機、48……空気管、49……燃焼ガス
管、50……燃料予熱器、51……アノードリサイクル、52
……空気予熱器、53……空気、54……給水ポンプ、55…
…補助ボイラ、56……蒸気供給管、58……空気圧縮機、
59……燃焼器、60……ガスタービン、61……発電機、62
……空気管、63……燃焼ガス管、64……燃焼加熱管、65
……空気バイパス、66……燃料バイパス、67……カソー
ドガス供給管、68……ボイラ燃料バイパス、69……燃焼
ガス流路、70……燃焼器Ａ、71……カソード入口管路、
72……空気流路、73……燃焼器Ｂ、74……カソード出口
管路、75……燃料バイパスＡ、76……ガスタービン排ガ
ス管、77……燃焼器Ｃ、78……アノードリサイクル、80
……アノード出口管路、101……燃料改質器、102……燃
料電池、103……アノード、104……カソード、105……
熱交換器、106……K,Oドラム、107……水タンク、108…
…水処理装置、109……給水ポンプ、110……アノードブ
ロワ、111……電動機、112……燃焼加熱部、113……改
質部、114……カソードブロワ、115……電動機、116…
…空気圧縮機、117……燃焼器、118……ガスタービン、
119……発電機、120……排熱回収ボイラ、121……制御
弁Ｘ、122……制御弁ｂ、123……制御弁ａ、124……制
御弁Ｃ、125……制御弁ｆ、126……制御弁ｉ、130……
燃料バイパス、131……カソードガスヒータ、132……燃
料ガスバイパス、133……内部改質型燃料電池。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂口 晴一郎 土浦市神立町502番地 株式会社日立製 作所機械研究所内 (72)発明者 黒田 偏夫 土浦市神立町502番地 株式会社日立製 作所機械研究所内 (72)発明者 野口 芳樹 東京都千代田区神田駿河台４丁目６番地 株式会社日立製作所内 (56)参考文献 特開 昭60−212971（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−119168（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料入口管を介して供給された原燃料を改
    質し水素を含むガスを発生させる改質部と、該改質部に
    熱を与える加熱部とを有する改質器と、アノードとカソ
    ードとの間に電解質を有し、前記アノードには前記水素
    を含むガスを燃料出口管を介して流通せしめ、かつ前記
    カソードには酸素を含むガスを流通せしめ発電を行う燃
    料電池と、水蒸気を発生させる蒸気発生装置と、該蒸気
    発生装置に前記水蒸気を発生させるための高温ガスを発
    生させる燃焼器とを有すると共に、前記燃料出口管から
    分岐し、前記燃焼器に前記原燃料若しくは前記水素を含
    むガスを供給する第１の管路と、前記蒸気発生装置で発
    生した水蒸気を前記燃料入口管に導く第２の管路と、前
    記アノードから排出された排ガスを前記加熱部に導く第
    ３の管路とを備えたことを特徴とする燃料電池発電シス
    テム。
  2. 【請求項２】燃料入口管を介して改質器の改質部に原燃
    料を供給し、前記改質部を通過した原燃料を、前記改質
    部と燃料電池のアノードとを結ぶ燃料出口管から分岐し
    た第１の管路を介して燃焼器に導き、該燃焼器を点火
    し、前記燃焼器の点火によって得られた高温ガスを蒸気
    発生装置に導き水蒸気を発生させ、該発生した水蒸気
    を、第２の管路を介して前記燃料入口管に供給し、前記
    改質部に供給された水蒸気を含む原燃料の一部を、前記
    燃料出口管を介して前記燃料電池のアノードに供給し、
    前記燃料電池のアノードを通過した前記水蒸気を含む原
    燃料を第３の管路を介して改質器の加熱部に導き、前記
    水蒸気を含む原燃料を前記改質部に流しつつ前記加熱部
    を点火させ、前記改質部を昇温することを特徴とする燃
    料電池発電システムの起動方法。
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