JP2741580B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池システム - Google Patents
溶融炭酸塩型燃料電池システムInfo
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は溶融炭酸塩型燃料電池シ
ステムに係り、特に、システムから排出される排ガス中
のＮＯｘ量を負荷変動等に関係なく常に低く抑えること
が可能な溶融炭酸塩型燃料電池システムに関する。
ステムに係り、特に、システムから排出される排ガス中
のＮＯｘ量を負荷変動等に関係なく常に低く抑えること
が可能な溶融炭酸塩型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の溶融炭酸塩型燃料電池システムの
構成を図３に示す。図において、システムに供給された
天然ガス等の原燃料は水蒸気と混合された後に、改質器
１に送られ、ここで改質されて水素と二酸化炭素を主成
分とする改質ガスとなる。この改質ガスは燃料電池２の
アノード２ａに導入され、ここで改質ガス中の水素の約
８０％が電気化学反応による発電に使用される。通常、
燃料電池２における水素利用率（水素利用率とは、燃料
電池のアノードに供給された水素のうち発電に消費され
た水素の割合をいう）は約８０％である。燃料電池２の
アノード２ａでは、発電の結果、アノード排ガス１１が
発生し、そのアノード排ガス１１は熱交換器２１を経て
改質器１の燃焼部１ｂに導かれ、改質反応に必要な熱を
得るのに使用される。
構成を図３に示す。図において、システムに供給された
天然ガス等の原燃料は水蒸気と混合された後に、改質器
１に送られ、ここで改質されて水素と二酸化炭素を主成
分とする改質ガスとなる。この改質ガスは燃料電池２の
アノード２ａに導入され、ここで改質ガス中の水素の約
８０％が電気化学反応による発電に使用される。通常、
燃料電池２における水素利用率（水素利用率とは、燃料
電池のアノードに供給された水素のうち発電に消費され
た水素の割合をいう）は約８０％である。燃料電池２の
アノード２ａでは、発電の結果、アノード排ガス１１が
発生し、そのアノード排ガス１１は熱交換器２１を経て
改質器１の燃焼部１ｂに導かれ、改質反応に必要な熱を
得るのに使用される。
【０００３】一方、燃料電池２のカソード２ｂには、改
質器１よりの燃焼排ガスとタービン圧縮機４の圧縮機４
ｂからの空気との混合ガスが供給され、ここで酸素およ
び二酸化炭素の一部が発電に使用される。カソード２ｂ
では、発電の結果、カソード排ガス１５が発生し、その
カソード排ガス１５は補助燃焼器３の混合室３ｂに導入
される。
質器１よりの燃焼排ガスとタービン圧縮機４の圧縮機４
ｂからの空気との混合ガスが供給され、ここで酸素およ
び二酸化炭素の一部が発電に使用される。カソード２ｂ
では、発電の結果、カソード排ガス１５が発生し、その
カソード排ガス１５は補助燃焼器３の混合室３ｂに導入
される。
【０００４】なお、燃料電池２の運転温度を調整するた
めに、カソード２ｂの出口から入口へカソード循環ブロ
ワ５を介してカソード排ガスの一部（カソード循環ガス
１６）を循環させている。図において、２ｃはアノード
２ａとカソード２ｂ間に設けられた電解質である。
めに、カソード２ｂの出口から入口へカソード循環ブロ
ワ５を介してカソード排ガスの一部（カソード循環ガス
１６）を循環させている。図において、２ｃはアノード
２ａとカソード２ｂ間に設けられた電解質である。
【０００５】補助燃焼器３には補助燃料１２が導かれ燃
焼部３ａ内で燃焼して、タービン圧縮機４のタービン４
ａの運転に必要なエネルギを得ている。そして、燃焼部
３ａからの燃焼ガスによってタービン４ａは回転し、そ
の回転力により圧縮機４ｂは回転する。
焼部３ａ内で燃焼して、タービン圧縮機４のタービン４
ａの運転に必要なエネルギを得ている。そして、燃焼部
３ａからの燃焼ガスによってタービン４ａは回転し、そ
の回転力により圧縮機４ｂは回転する。
【０００６】ここで、補助燃料１２には天然ガス等の原
燃料が使用され、補助燃料流量調節弁１７等により流量
調節が行われる。燃焼に必要な空気（燃焼用空気１４）
は圧縮機４ｂにより燃焼用空気流量調節弁１９等にて流
量調節された後、補助燃焼器３の燃焼部３ａに供給され
る。
燃料が使用され、補助燃料流量調節弁１７等により流量
調節が行われる。燃焼に必要な空気（燃焼用空気１４）
は圧縮機４ｂにより燃焼用空気流量調節弁１９等にて流
量調節された後、補助燃焼器３の燃焼部３ａに供給され
る。
【０００７】ところで、従来の溶融炭酸塩型燃料電池シ
ステムでは、上述したように補助燃焼器３の燃料として
天然ガス等の原燃料が用られてきた。一般に、天然ガス
を使用する燃焼器では空燃比の制約から燃焼温度が高く
なり、そのため燃焼ガス中のＮＯｘ（サーマルＮＯｘ）
の濃度が高くなる傾向があった。比較的低いＮＯｘ濃度
の燃焼器でも５０〜１５０ｐｐｍ（７％Ｏ2濃度換算）
の濃度が普通である。
ステムでは、上述したように補助燃焼器３の燃料として
天然ガス等の原燃料が用られてきた。一般に、天然ガス
を使用する燃焼器では空燃比の制約から燃焼温度が高く
なり、そのため燃焼ガス中のＮＯｘ（サーマルＮＯｘ）
の濃度が高くなる傾向があった。比較的低いＮＯｘ濃度
の燃焼器でも５０〜１５０ｐｐｍ（７％Ｏ2濃度換算）
の濃度が普通である。
【０００８】一方、燃料電池本体はその発電原理から、
燃焼部分がないためＮＯｘが殆ど発生しない長所があ
る。しかしながら、従来のシステムでは、システム内に
天然ガス等を使用する補助燃焼器があるために、システ
ム全体としてはＮＯｘが発生してしまい燃料電池の利点
を損なうという欠点があった。
燃焼部分がないためＮＯｘが殆ど発生しない長所があ
る。しかしながら、従来のシステムでは、システム内に
天然ガス等を使用する補助燃焼器があるために、システ
ム全体としてはＮＯｘが発生してしまい燃料電池の利点
を損なうという欠点があった。
【０００９】また、システム効率を上げるために水素利
用率を約８０％と高くとっているため、水素量に余裕が
無く、電池電圧があまり高くとれない、また急激な負荷
増加に対応できないという欠点があった。
用率を約８０％と高くとっているため、水素量に余裕が
無く、電池電圧があまり高くとれない、また急激な負荷
増加に対応できないという欠点があった。
【００１０】さらに、負荷遮断が発生した場合、原燃料
を絞り込むまでの間、消費されなくなった水素が改質器
１の燃焼部１ｂに流入し、燃焼量が急増する結果、燃焼
温度が急上昇し改質器１の反応管１ａを過熱し、場合に
よっては反応管１ａを破損してしまう恐れがあった。
を絞り込むまでの間、消費されなくなった水素が改質器
１の燃焼部１ｂに流入し、燃焼量が急増する結果、燃焼
温度が急上昇し改質器１の反応管１ａを過熱し、場合に
よっては反応管１ａを破損してしまう恐れがあった。
【００１１】そこで、図４に示すように、アノード排ガ
ス１１の一部（アノード排ガス１１ｂ）を補助燃焼器３
に導入し、補助燃焼器３の燃焼部３ａ内でアノード排ガ
ス１１ｂを燃焼させるようにした溶融炭酸塩型燃料電池
システムが知られている。図４の構成によれば、補助燃
料流量調節弁１７を操作することにより、改質器１で改
質されてから燃料電池２に供給される原燃料の量を多く
できるとともに、燃料電池２からのアノード排ガス１１
ｂを補助燃焼器３に導入できるため、急激な負荷増加や
負荷遮断にも対応できるといった効果はある。
ス１１の一部（アノード排ガス１１ｂ）を補助燃焼器３
に導入し、補助燃焼器３の燃焼部３ａ内でアノード排ガ
ス１１ｂを燃焼させるようにした溶融炭酸塩型燃料電池
システムが知られている。図４の構成によれば、補助燃
料流量調節弁１７を操作することにより、改質器１で改
質されてから燃料電池２に供給される原燃料の量を多く
できるとともに、燃料電池２からのアノード排ガス１１
ｂを補助燃焼器３に導入できるため、急激な負荷増加や
負荷遮断にも対応できるといった効果はある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の溶融炭酸塩型燃料電池システムでは、アノード排ガ
スをその流量を制御せずに単に補助燃焼器に導入し、そ
の燃焼部で燃焼させているだけなので、ＮＯｘ値を充分
に低減することができないという欠点がある。すなわ
ち、燃料電池のアノードで発生するアノード排ガスの量
は負荷等に応じて変動しており、補助燃焼器の燃焼部に
多量の外部からの燃料ガスが導入されることがあり、Ｎ
Ｏｘ値が増大してしまう恐れがある。
来の溶融炭酸塩型燃料電池システムでは、アノード排ガ
スをその流量を制御せずに単に補助燃焼器に導入し、そ
の燃焼部で燃焼させているだけなので、ＮＯｘ値を充分
に低減することができないという欠点がある。すなわ
ち、燃料電池のアノードで発生するアノード排ガスの量
は負荷等に応じて変動しており、補助燃焼器の燃焼部に
多量の外部からの燃料ガスが導入されることがあり、Ｎ
Ｏｘ値が増大してしまう恐れがある。
【００１３】本発明の目的は、負荷が変動しても常にＮ
Ｏｘ値を低く抑えることができる溶融炭酸塩型燃料電池
システムを提供することである。
Ｏｘ値を低く抑えることができる溶融炭酸塩型燃料電池
システムを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、燃焼部で発生する熱を利用して、外部か
ら供給される燃料ガスと水蒸気を水素と二酸化炭素を主
成分とする改質ガスに変換する改質器と、前記改質ガス
と空気とを取り込んで電気化学反応により発電を行う燃
料電池本体と、前記燃料電池本体からのアノード排ガス
の一部または外部からの燃料ガスを取り込んで燃焼部で
燃焼させることにより、燃料電池本体からのカソード排
ガスを加熱する補助燃焼器と、前記補助燃焼器で加熱さ
れたカソード排ガスの熱エネルギを利用して圧縮機を駆
動し、その圧縮機で圧縮された空気を、前記燃料電池本
体のカソード、前記改質器の燃焼部、および前記補助燃
焼器の燃焼部に供給するタービン圧縮機と、を備えた溶
融炭酸塩型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本
体からのアノード排ガスの一部を前記補助燃焼器に取り
込むための配管の途中に弁を設けるとともに、前記補助
燃焼器の下流側に補助燃焼器からの排ガス中のＮＯｘ量
を検出する検出手段を設け、かつ前記検出手段からの検
出結果を取り込んで、ＮＯｘ量が大きくなったときは前
記弁を制御してアノード排ガスの流量を増加させ、（そ
の分外部からの燃料ガスを減少させ）ＮＯｘ量が小さく
なったときは前記弁を制御してアノード排ガスの流量を
減少させる（その分外部からの燃料ガスを増加させる）
制御手段を設けたことを特徴としている。
に、本発明は、燃焼部で発生する熱を利用して、外部か
ら供給される燃料ガスと水蒸気を水素と二酸化炭素を主
成分とする改質ガスに変換する改質器と、前記改質ガス
と空気とを取り込んで電気化学反応により発電を行う燃
料電池本体と、前記燃料電池本体からのアノード排ガス
の一部または外部からの燃料ガスを取り込んで燃焼部で
燃焼させることにより、燃料電池本体からのカソード排
ガスを加熱する補助燃焼器と、前記補助燃焼器で加熱さ
れたカソード排ガスの熱エネルギを利用して圧縮機を駆
動し、その圧縮機で圧縮された空気を、前記燃料電池本
体のカソード、前記改質器の燃焼部、および前記補助燃
焼器の燃焼部に供給するタービン圧縮機と、を備えた溶
融炭酸塩型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本
体からのアノード排ガスの一部を前記補助燃焼器に取り
込むための配管の途中に弁を設けるとともに、前記補助
燃焼器の下流側に補助燃焼器からの排ガス中のＮＯｘ量
を検出する検出手段を設け、かつ前記検出手段からの検
出結果を取り込んで、ＮＯｘ量が大きくなったときは前
記弁を制御してアノード排ガスの流量を増加させ、（そ
の分外部からの燃料ガスを減少させ）ＮＯｘ量が小さく
なったときは前記弁を制御してアノード排ガスの流量を
減少させる（その分外部からの燃料ガスを増加させる）
制御手段を設けたことを特徴としている。
【００１５】また、本発明は、上記構成と同様の溶融炭
酸塩型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体か
らのアノード排ガスの一部を前記補助燃焼器に取り込む
ための配管の途中に弁を設けるとともに、燃料電池の経
時的な出力変化を記憶した記憶手段を設け、かつ前記記
憶手段に記憶した燃料電池の経時的出力変化に基づいて
前記弁を制御し、補助燃焼器に取り込まれるアノード排
ガスの流量を増減させる制御手段を設けたことを特徴と
している。
酸塩型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体か
らのアノード排ガスの一部を前記補助燃焼器に取り込む
ための配管の途中に弁を設けるとともに、燃料電池の経
時的な出力変化を記憶した記憶手段を設け、かつ前記記
憶手段に記憶した燃料電池の経時的出力変化に基づいて
前記弁を制御し、補助燃焼器に取り込まれるアノード排
ガスの流量を増減させる制御手段を設けたことを特徴と
している。
【００１６】
【作用】まず、補助燃焼器の燃料にアノード排ガスを用
いると、天然ガス等の原燃料を用いる場合に比べてＮＯ
ｘの発生量を少なくすることができる理由について説明
する。アノード排ガスのガス組成の一例を以下に示す
と、 Ｈ2 ： ７％ ＣＯ ： ２％ ＣＯ2 ： ３７％ Ｈ2Ｏ ： ５４％ であり、可燃性ガス（Ｈ2およびＣＯ）の割合が極めて
低いために、燃焼温度を下げることができる。
いると、天然ガス等の原燃料を用いる場合に比べてＮＯ
ｘの発生量を少なくすることができる理由について説明
する。アノード排ガスのガス組成の一例を以下に示す
と、 Ｈ2 ： ７％ ＣＯ ： ２％ ＣＯ2 ： ３７％ Ｈ2Ｏ ： ５４％ であり、可燃性ガス（Ｈ2およびＣＯ）の割合が極めて
低いために、燃焼温度を下げることができる。
【００１７】そして、ＮＯｘ（サーマルＮＯｘ）は燃焼
用空気中の窒素と酸素が Ｎ2 ＋ Ｏ2 → ２ＮＯ 等の反応で発生するが、この反応は燃焼温度が高いほど
起こり易い。したがって、補助燃焼器で天然ガス等の外
部からの燃料ガスの代わりにアノード排ガスを燃焼させ
ることによって燃焼温度を下げることができれば、ＮＯ
ｘの発生量が少なくなる。
用空気中の窒素と酸素が Ｎ2 ＋ Ｏ2 → ２ＮＯ 等の反応で発生するが、この反応は燃焼温度が高いほど
起こり易い。したがって、補助燃焼器で天然ガス等の外
部からの燃料ガスの代わりにアノード排ガスを燃焼させ
ることによって燃焼温度を下げることができれば、ＮＯ
ｘの発生量が少なくなる。
【００１８】本発明によればアノード排ガスの流量を制
御できるので、ＮＯｘ発生量の増加を抑えることができ
る。すなわち上記構成によれば、システム運転時には、
補助燃焼器からの排ガス中に含まれるＮＯｘ量を検出手
段が常時検出し、そのＮＯｘ量検出結果を制御手段が入
力する。そして制御手段は、ＮＯｘ量が大きくなったと
き、燃料電池のアノードから補助燃焼器へ流入するアノ
ード排ガスの流量が増加するよう前記弁を制御する。こ
れにより、補助燃焼器の燃焼部内の燃焼温度を下げるこ
とができ、ＮＯｘ量を低減させることができる。またＮ
Ｏｘ量が小さくなったときは、制御手段はアノード排ガ
スの流量が減少するよう前記弁を制御して、燃焼部内の
燃焼温度を元の適正な温度に戻す。
御できるので、ＮＯｘ発生量の増加を抑えることができ
る。すなわち上記構成によれば、システム運転時には、
補助燃焼器からの排ガス中に含まれるＮＯｘ量を検出手
段が常時検出し、そのＮＯｘ量検出結果を制御手段が入
力する。そして制御手段は、ＮＯｘ量が大きくなったと
き、燃料電池のアノードから補助燃焼器へ流入するアノ
ード排ガスの流量が増加するよう前記弁を制御する。こ
れにより、補助燃焼器の燃焼部内の燃焼温度を下げるこ
とができ、ＮＯｘ量を低減させることができる。またＮ
Ｏｘ量が小さくなったときは、制御手段はアノード排ガ
スの流量が減少するよう前記弁を制御して、燃焼部内の
燃焼温度を元の適正な温度に戻す。
【００１９】さらに上記構成によれば、燃料電池の水素
利用率を下げることもできる。すなわち、従来より補助
燃焼器に用いられてきた天然ガス等の原燃料は、上記構
成においては改質器で改質されてから燃料電池に供給さ
れる量が多くなり、従来のシステムに比べ発電量が同一
であれば水素利用率が下がることになる。これにより燃
料電池入口と出口の水素の平均分圧が従来に比べ大きく
なり、燃料電池のセル電圧が高くなる。その結果、シス
テムへ投入する燃料の量を低減することができ、システ
ムの発電効率が向上する。
利用率を下げることもできる。すなわち、従来より補助
燃焼器に用いられてきた天然ガス等の原燃料は、上記構
成においては改質器で改質されてから燃料電池に供給さ
れる量が多くなり、従来のシステムに比べ発電量が同一
であれば水素利用率が下がることになる。これにより燃
料電池入口と出口の水素の平均分圧が従来に比べ大きく
なり、燃料電池のセル電圧が高くなる。その結果、シス
テムへ投入する燃料の量を低減することができ、システ
ムの発電効率が向上する。
【００２０】また、補助燃焼器からの排ガス中に含まれ
るＮＯｘ量を検出する代わりに、記憶手段に燃料電池の
経時的な出力変化を記憶しておいても、ＮＯｘの発生量
を抑えることができる。すなわち、この場合は、制御手
段が経時的な出力変化のデータを記憶手段から取り込ん
で、そのデータに基づいて前記弁を制御することによ
り、補助燃焼器に取り込まれるアノード排ガスの流量を
増減させることができ、ＮＯｘの発生量を低く抑えるこ
とが可能となる。
るＮＯｘ量を検出する代わりに、記憶手段に燃料電池の
経時的な出力変化を記憶しておいても、ＮＯｘの発生量
を抑えることができる。すなわち、この場合は、制御手
段が経時的な出力変化のデータを記憶手段から取り込ん
で、そのデータに基づいて前記弁を制御することによ
り、補助燃焼器に取り込まれるアノード排ガスの流量を
増減させることができ、ＮＯｘの発生量を低く抑えるこ
とが可能となる。
【００２１】
【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に従って説明
する。図１は本発明の溶融炭酸塩型燃料電池システムの
概略構成を示している。図において、改質器１、燃料電
池２、補助燃焼器３およびタービン圧縮器は、図３およ
び図４に示した従来技術の場合と同じ構成である。
する。図１は本発明の溶融炭酸塩型燃料電池システムの
概略構成を示している。図において、改質器１、燃料電
池２、補助燃焼器３およびタービン圧縮器は、図３およ
び図４に示した従来技術の場合と同じ構成である。
【００２２】前述したように、燃料電池２に供給された
改質ガス中の水素うち、発電のために消費された水素の
割合を水素利用率というが、本実施例では水素利用率が
従来のシステムの約８０％より低くなるように構成され
ている。例えば、水素利用率が約６０〜８０％となるよ
うにシステムに供給される原燃料や水蒸気の流量が調節
できる構成となっている。
改質ガス中の水素うち、発電のために消費された水素の
割合を水素利用率というが、本実施例では水素利用率が
従来のシステムの約８０％より低くなるように構成され
ている。例えば、水素利用率が約６０〜８０％となるよ
うにシステムに供給される原燃料や水蒸気の流量が調節
できる構成となっている。
【００２３】そのような構成として、本実施例では、ア
ノード排ガス１１の一部をアノード排ガス１１ｂとして
補助燃焼器３の燃焼部３ａに導入している。アノード排
ガス１１ｂが燃焼部３ａに導入されることにより、結果
的には、従来補助燃料１２として用いていた原燃料が改
質器１側へ余分に供給され、水素利用率が下がることに
なるが、これによって、燃料電池セル電圧が上がり発電
効率が上がるため、上記原燃料の量は従来よりも少なく
なる。
ノード排ガス１１の一部をアノード排ガス１１ｂとして
補助燃焼器３の燃焼部３ａに導入している。アノード排
ガス１１ｂが燃焼部３ａに導入されることにより、結果
的には、従来補助燃料１２として用いていた原燃料が改
質器１側へ余分に供給され、水素利用率が下がることに
なるが、これによって、燃料電池セル電圧が上がり発電
効率が上がるため、上記原燃料の量は従来よりも少なく
なる。
【００２４】また、本実施例では、アノード２から補助
燃焼器３にアノード排ガス１１ｂを導入するための配管
の途中にアノード排ガス流量調節弁１８を設け、さら
に、補助燃焼器３の下流側（図ではタービン圧縮機４ａ
の下流側）にＮＯｘ検出器４１を設けている。また、Ｎ
Ｏｘ検出器４１とアノード排ガス流量調節弁１８との間
に制御装置４２を設置している。そして制御装置４２は
ＮＯｘ検出器４１からのＮＯｘ量の検出信号を取り込ん
で、その検出信号に基づいてアノード排ガス流量調節弁
１８の開度制御を行うことができるようになっている。
燃焼器３にアノード排ガス１１ｂを導入するための配管
の途中にアノード排ガス流量調節弁１８を設け、さら
に、補助燃焼器３の下流側（図ではタービン圧縮機４ａ
の下流側）にＮＯｘ検出器４１を設けている。また、Ｎ
Ｏｘ検出器４１とアノード排ガス流量調節弁１８との間
に制御装置４２を設置している。そして制御装置４２は
ＮＯｘ検出器４１からのＮＯｘ量の検出信号を取り込ん
で、その検出信号に基づいてアノード排ガス流量調節弁
１８の開度制御を行うことができるようになっている。
【００２５】このようにアノード排ガス流量調節弁１８
の開度制御を行うことにより、補助燃焼器３の燃焼部３
ａに導入されるアノード排ガス１１ｂの量を調節するこ
とができ、負荷等の増大により、万一、アノード排ガス
１１が多くに発生しても、そのアノード排ガス１１が多
量に燃焼部３ａに流れ込むのが回避され、ＮＯｘの発生
量を所定値以下に抑えることができる。
の開度制御を行うことにより、補助燃焼器３の燃焼部３
ａに導入されるアノード排ガス１１ｂの量を調節するこ
とができ、負荷等の増大により、万一、アノード排ガス
１１が多くに発生しても、そのアノード排ガス１１が多
量に燃焼部３ａに流れ込むのが回避され、ＮＯｘの発生
量を所定値以下に抑えることができる。
【００２６】アノード排ガス流量調節弁１８の開度制御
を行う制御装置４２は、ＮＯｘ検出器４１からの検出信
号を取り込んで、ＮＯｘ量が大きくなったときは、アノ
ード排ガス流量調節弁１８の開度を大きくしてアノード
排ガス１１ｂの流量を増加させ、ＮＯｘ量が小さくなっ
たときは、アノード排ガス流量調節弁１８の開度を小さ
くしてアノード排ガス１１ｂの流量を減少させる制御を
行う。また、制御装置４２は、ＮＯｘ検出器４１からの
検出信号にあわせて、補助燃焼器３の燃焼温度やタービ
ン圧縮機４の回転数等の信号を取り込んで、アノード排
ガス流量調節弁１８の開度制御を行うようにしてもよ
い。
を行う制御装置４２は、ＮＯｘ検出器４１からの検出信
号を取り込んで、ＮＯｘ量が大きくなったときは、アノ
ード排ガス流量調節弁１８の開度を大きくしてアノード
排ガス１１ｂの流量を増加させ、ＮＯｘ量が小さくなっ
たときは、アノード排ガス流量調節弁１８の開度を小さ
くしてアノード排ガス１１ｂの流量を減少させる制御を
行う。また、制御装置４２は、ＮＯｘ検出器４１からの
検出信号にあわせて、補助燃焼器３の燃焼温度やタービ
ン圧縮機４の回転数等の信号を取り込んで、アノード排
ガス流量調節弁１８の開度制御を行うようにしてもよ
い。
【００２７】補助燃焼器３ではタービン圧縮機４のター
ビン４ａの運転に必要なエネルギーを得るためにアノー
ド排ガス１１ｂが燃焼され、カソード排ガス１５と混合
された後にタービン４ａに供給されてタービン４ａを回
転させる。そして、その回転力で圧縮機４ｂが回転す
る。
ビン４ａの運転に必要なエネルギーを得るためにアノー
ド排ガス１１ｂが燃焼され、カソード排ガス１５と混合
された後にタービン４ａに供給されてタービン４ａを回
転させる。そして、その回転力で圧縮機４ｂが回転す
る。
【００２８】システムの起動時等には、補助燃焼器３の
燃焼部３ａに補助燃料１２が供給される。補助燃料１２
には天然ガス等の原燃料が使用され、補助燃料流量調節
弁１７等により流量調節された上で燃焼部３ａに供給さ
れる。
燃焼部３ａに補助燃料１２が供給される。補助燃料１２
には天然ガス等の原燃料が使用され、補助燃料流量調節
弁１７等により流量調節された上で燃焼部３ａに供給さ
れる。
【００２９】アノード排ガス１１ｂあるいは補助燃料１
２の燃焼に必要な空気（燃焼用空気１４）は圧縮機４ｂ
により燃焼用空気流量調節弁１９等にて流量調節された
後、補助燃焼器３の燃焼部３ａに供給される。
２の燃焼に必要な空気（燃焼用空気１４）は圧縮機４ｂ
により燃焼用空気流量調節弁１９等にて流量調節された
後、補助燃焼器３の燃焼部３ａに供給される。
【００３０】一方、ＮＯｘ値や制御弁（補助燃料流量調
節弁１７、アノード排ガス流量調節弁１８、燃焼用空気
流量調節弁１９）の開度等、システムの過去の運転状態
を記憶した記憶装置４４を設けておき、制御装置４２で
演算処理した制御設定値に基づいて運転することによ
り、最も効率の良い、あるいは制御性の良い運転状態を
予測しながら運転することも可能である。なお、図３に
おいて、４３は燃料電池２の直流出力を交流に変換して
電力系統へ供給するためのインバータであり、このイン
バータ４３も制御装置４２によってその動作が制御され
ている。
節弁１７、アノード排ガス流量調節弁１８、燃焼用空気
流量調節弁１９）の開度等、システムの過去の運転状態
を記憶した記憶装置４４を設けておき、制御装置４２で
演算処理した制御設定値に基づいて運転することによ
り、最も効率の良い、あるいは制御性の良い運転状態を
予測しながら運転することも可能である。なお、図３に
おいて、４３は燃料電池２の直流出力を交流に変換して
電力系統へ供給するためのインバータであり、このイン
バータ４３も制御装置４２によってその動作が制御され
ている。
【００３１】本実施例では補助燃焼器３の燃料にアノー
ド排ガス１１を用いることにより、従来の天然ガス等の
原燃料を用いる場合に比べ燃焼温度を下げることができ
る。これはアノード排ガス１１の発熱量が原燃料に比べ
低いことによるが、このことは燃焼ガス中のＮＯｘ（サ
ーマルＮＯｘ）発生量を低減するのに極めて効果があ
る。
ド排ガス１１を用いることにより、従来の天然ガス等の
原燃料を用いる場合に比べ燃焼温度を下げることができ
る。これはアノード排ガス１１の発熱量が原燃料に比べ
低いことによるが、このことは燃焼ガス中のＮＯｘ（サ
ーマルＮＯｘ）発生量を低減するのに極めて効果があ
る。
【００３２】また、本実施例によれば、水素利用率を低
くすることができるため次のような効果がある。すなわ
ち、 燃料電池入口と出口の水素の平均分圧が従来に比べ
高くなり、燃料電池のセル電圧が高くなる。その結果、
システムへ投入される燃料の量を低減することができ、
システムの発電効率が向上する。 燃料電池アノード２ａに改質ガスが従来に比べ多く
流入することから、改質ガスによる燃料電池からの発熱
量除去の効果が向上する。これにより燃料電池カソード
２ｂに供給される空気（発電用酸化剤と冷却用を兼ね
る）の量を低減することができる。その結果、システム
の発電効率が向上する。 燃料電池にとっては常時は水素量に余裕を持った
（水素量が多い）運転をしていることになり、負荷が急
増したときの追従が容易である。
くすることができるため次のような効果がある。すなわ
ち、 燃料電池入口と出口の水素の平均分圧が従来に比べ
高くなり、燃料電池のセル電圧が高くなる。その結果、
システムへ投入される燃料の量を低減することができ、
システムの発電効率が向上する。 燃料電池アノード２ａに改質ガスが従来に比べ多く
流入することから、改質ガスによる燃料電池からの発熱
量除去の効果が向上する。これにより燃料電池カソード
２ｂに供給される空気（発電用酸化剤と冷却用を兼ね
る）の量を低減することができる。その結果、システム
の発電効率が向上する。 燃料電池にとっては常時は水素量に余裕を持った
（水素量が多い）運転をしていることになり、負荷が急
増したときの追従が容易である。
【００３３】また、システムの運転中に負荷遮断が発生
した場合、改質ガスの供給を急激に抑え込むのは制御系
の時間遅れ等の制約から困難であり、余剰の改質ガスが
生ずる。従来のシステムではこのガスを改質器１の燃焼
部１ｂに導き燃焼させていたため、改質器１の反応管１
ａを過熱してしまう欠点があったが、本実施例ではアノ
ード排ガス１１の一部を補助燃焼器３側に導入できるの
で、上記欠点を解消できる。すなわち、負荷遮断発生の
信号を受けた時に、アノード排ガス流量調節弁１８を急
開する制御を行うことにより、改質器１の燃焼部１ｂの
温度上昇を抑え、反応管１ａの過熱を防止することがで
きる。
した場合、改質ガスの供給を急激に抑え込むのは制御系
の時間遅れ等の制約から困難であり、余剰の改質ガスが
生ずる。従来のシステムではこのガスを改質器１の燃焼
部１ｂに導き燃焼させていたため、改質器１の反応管１
ａを過熱してしまう欠点があったが、本実施例ではアノ
ード排ガス１１の一部を補助燃焼器３側に導入できるの
で、上記欠点を解消できる。すなわち、負荷遮断発生の
信号を受けた時に、アノード排ガス流量調節弁１８を急
開する制御を行うことにより、改質器１の燃焼部１ｂの
温度上昇を抑え、反応管１ａの過熱を防止することがで
きる。
【００３４】図２は本発明の溶融炭酸塩型燃料電池シス
テムの他の実施例を示している。本実施例の特徴は、ア
ノード排ガス１１ｂを補助燃焼器３の燃焼部３ａに導入
するための配管の途中に、弁３１、オリフィス３２およ
び遮断弁３３を設けたことである。弁３１またはオリフ
ィス３２はアノード排ガス１１ｂの流量を固定するため
に設置されている。このような構成のものは、精密な流
量調節の必要の無いシステムに適用される。
テムの他の実施例を示している。本実施例の特徴は、ア
ノード排ガス１１ｂを補助燃焼器３の燃焼部３ａに導入
するための配管の途中に、弁３１、オリフィス３２およ
び遮断弁３３を設けたことである。弁３１またはオリフ
ィス３２はアノード排ガス１１ｂの流量を固定するため
に設置されている。このような構成のものは、精密な流
量調節の必要の無いシステムに適用される。
【００３５】上記構成において、制御装置４２はＮＯｘ
検出器４１からの信号を取り込んで、遮断弁（オンオフ
弁）３３を全開または全閉させる。すなわち、ＮＯｘ量
が大きくなったときは、遮断弁３３を全開させて所定量
のアノード排ガス１１ｂが燃焼部３ａに導入されるよう
にし、ＮＯｘ量が小さくなったときは、遮断弁３３を全
閉させてアノード排ガス１１ｂの流量をゼロとするよう
制御する。
検出器４１からの信号を取り込んで、遮断弁（オンオフ
弁）３３を全開または全閉させる。すなわち、ＮＯｘ量
が大きくなったときは、遮断弁３３を全開させて所定量
のアノード排ガス１１ｂが燃焼部３ａに導入されるよう
にし、ＮＯｘ量が小さくなったときは、遮断弁３３を全
閉させてアノード排ガス１１ｂの流量をゼロとするよう
制御する。
【００３６】本実施例は、負荷が急増したとき等、シス
テム内の水素が不足する場合に一時的に補助燃焼器３側
へのアノード排ガス１１ｂの供給を停止するために用い
られる。また、制御装置４２は、ＮＯｘ検出器４１から
の検出信号にあわせて、補助燃焼器３の燃焼温度やター
ビン圧縮機４の回転数等の信号を取り込んで、遮断弁３
３の開閉制御を行うようにしてもよい。本実施例によれ
ば、前述の実施例に比べて、アノード排ガス１１ｂの流
量調節機能は無いが、比較的経済的な手段で同等の効果
を上げることができる。
テム内の水素が不足する場合に一時的に補助燃焼器３側
へのアノード排ガス１１ｂの供給を停止するために用い
られる。また、制御装置４２は、ＮＯｘ検出器４１から
の検出信号にあわせて、補助燃焼器３の燃焼温度やター
ビン圧縮機４の回転数等の信号を取り込んで、遮断弁３
３の開閉制御を行うようにしてもよい。本実施例によれ
ば、前述の実施例に比べて、アノード排ガス１１ｂの流
量調節機能は無いが、比較的経済的な手段で同等の効果
を上げることができる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
補助燃焼器に導入されるアノード排ガスが補助燃焼器出
口のＮＯｘ値をもとに流量調整されるため、燃料電池シ
ステムからの排ガス中のＮＯｘ量を常に低く抑えること
ができる。
補助燃焼器に導入されるアノード排ガスが補助燃焼器出
口のＮＯｘ値をもとに流量調整されるため、燃料電池シ
ステムからの排ガス中のＮＯｘ量を常に低く抑えること
ができる。
【００３８】また、水素利用率を低くできることから、
燃料電池セル電圧が高くなるとともに、改質ガスによる
燃料電池冷却効果が向上してカソードに供給される空気
量が低減する。その結果、発電効率を向上させることが
可能となる。また水素利用率を低くできることから、燃
料電池の負荷増加に対しても容易に追従できるようにな
る。
燃料電池セル電圧が高くなるとともに、改質ガスによる
燃料電池冷却効果が向上してカソードに供給される空気
量が低減する。その結果、発電効率を向上させることが
可能となる。また水素利用率を低くできることから、燃
料電池の負荷増加に対しても容易に追従できるようにな
る。
【００３９】さらに、負荷遮断に対し、余剰の改質ガス
を補助燃焼器で消費できるため、反応管の過熱が防止さ
れ、安全性も向上させることができる。またさらに、燃
料電池に改質ガスが従来に比べ多く流入することから、
改質ガスによる燃料電池からの発熱の除去が促進され
る。
を補助燃焼器で消費できるため、反応管の過熱が防止さ
れ、安全性も向上させることができる。またさらに、燃
料電池に改質ガスが従来に比べ多く流入することから、
改質ガスによる燃料電池からの発熱の除去が促進され
る。
【図１】本発明の一実施例による溶融炭酸塩型燃料電池
システムの構成図である。
システムの構成図である。
【図２】本発明の他の実施例による溶融炭酸塩型燃料電
池システムの構成図である。
池システムの構成図である。
【図３】従来技術による溶融炭酸塩型燃料電池システム
の構成図である。
の構成図である。
【図４】他の従来技術による溶融炭酸塩型燃料電池シス
テムの構成図である。
テムの構成図である。
１ 改質器 １ａ 反応管 １ｂ 燃焼部 ２ 燃料電池 ２ａ アノード ２ｂ カソード ２ｃ 電解質 ３ 補助燃焼器 ３ａ 燃焼部 ３ｂ 混合室 ４ タービン圧縮機 ４ａ タービン ４ｂ 圧縮機 ５ カソード循環ブロワ １１，１１ａ，１１ｂ アノード排ガス １２ 補助燃料 １４ 燃焼用空気 １５ カソード排ガス １６ カソード循環ガス １７ 補助燃料流量調節弁 １８ アノード排ガス流量調節弁 １９ 燃焼用空気流量調節弁 ２１ 熱交換器 ３１ 弁 ３２ オリフィス ３３ 遮断弁 ４１ ＮＯｘ検出器 ４２ 制御装置 ４３ インバータ ４４ 記憶装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 正 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平２−215053（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−303971（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−76845（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】 燃焼部で発生する熱を利用して、外部か
ら供給される燃料ガスと水蒸気を水素と二酸化炭素を主
成分とする改質ガスに変換する改質器と、前記改質ガス
と空気とを取り込んで電気化学反応により発電を行う燃
料電池本体と、前記燃料電池本体からのアノード排ガス
の一部または外部からの燃料ガスを取り込んで燃焼部で
燃焼させることにより、燃料電池本体からのカソード排
ガスを加熱する補助燃焼器と、前記補助燃焼器で加熱さ
れたカソード排ガスの熱エネルギを利用して圧縮機を駆
動し、その圧縮機で圧縮された空気を、前記燃料電池本
体のカソード、前記改質器の燃焼部、および前記補助燃
焼器の燃焼部に供給するタービン圧縮機と、を備えた溶
融炭酸塩型燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池本体からのアノード排ガスの一部を前記補
助燃焼器に取り込むための配管の途中に弁を設けるとと
もに、前記補助燃焼器の下流側に補助燃焼器からの排ガ
ス中のＮＯｘ量を検出する検出手段を設け、かつ前記検
出手段からの検出結果を取り込んで、ＮＯｘ量が大きく
なったときは前記弁を制御してアノード排ガスの流量を
増加させ、外部からの燃料ガスを減少させ、ＮＯｘ量が
小さくなったときは前記弁を制御してアノード排ガスの
流量を減少させ、外部からの燃料ガスを増加させる制御
手段を設けたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池シ
ステム。 - 【請求項２】 燃焼部で発生する熱を利用して、外部か
ら供給される燃料ガスと水蒸気を水素と二酸化炭素を主
成分とする改質ガスに変換する改質器と、前記改質ガス
と空気とを取り込んで電気化学反応により発電を行う燃
料電池本体と、前記燃料電池本体からのアノード排ガス
の一部または外部からの燃料ガスを取り込んで燃焼部で
燃焼させることにより、燃料電池本体からのカソード排
ガスを加熱する補助燃焼器と、前記補助燃焼器で加熱さ
れたカソード排ガスの熱エネルギを利用して圧縮機を駆
動し、その圧縮機で圧縮された空気を、前記燃料電池本
体のカソード、前記改質器の燃焼部、および前記補助燃
焼器の燃焼部に供給するタービン圧縮機と、を備えた溶
融炭酸塩型燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池本体からのアノード排ガスの一部を前記補
助燃焼器に取り込むための配管の途中に弁を設けるとと
もに、燃料電池の経時的な出力変化を記憶した記憶手段
を設け、かつ前記記憶手段に記憶した燃料電池の経時的
出力変化に基づいて前記弁を制御し、補助燃焼器に取り
込まれるアノード排ガスの流量を増減させる制御手段を
設けたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池システ
ム。 - 【請求項３】 請求項１又は２記載の溶融炭酸塩型燃料
電池システムにおいて、 前記制御手段は、前記弁の開度を変化させることによ
り、アノード排ガスの流量を増減させることを特徴とす
る溶融炭酸塩型燃料電池システム。 - 【請求項４】 請求項１又は２記載の溶融炭酸塩型燃料
電池システムにおいて、 前記制御手段は、前記弁を全開また全閉させることによ
り、アノード排ガスの流量を増減させることを特徴とす
る溶融炭酸塩型燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7174699A JP2741580B2 (ja) | 1995-07-11 | 1995-07-11 | 溶融炭酸塩型燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7174699A JP2741580B2 (ja) | 1995-07-11 | 1995-07-11 | 溶融炭酸塩型燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0927333A JPH0927333A (ja) | 1997-01-28 |
| JP2741580B2 true JP2741580B2 (ja) | 1998-04-22 |
Family
ID=15983128
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7174699A Expired - Fee Related JP2741580B2 (ja) | 1995-07-11 | 1995-07-11 | 溶融炭酸塩型燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2741580B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100802283B1 (ko) | 2006-09-01 | 2008-02-11 | 두산중공업 주식회사 | 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2884357A1 (fr) * | 2005-04-11 | 2006-10-13 | Renault Sas | Dispositif de production d'electricite embarque a bord d'un vehicule automobile incluant un reformeur de carburant |
| KR102098399B1 (ko) * | 2013-07-15 | 2020-04-08 | 한국전력공사 | 질소산화물 제어가 가능한 연료전지 복합발전 시스템 |
-
1995
- 1995-07-11 JP JP7174699A patent/JP2741580B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100802283B1 (ko) | 2006-09-01 | 2008-02-11 | 두산중공업 주식회사 | 연료극 배출가스의 재순환 방식을 적용한 연료전지 발전장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0927333A (ja) | 1997-01-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |