JP2998295B2 - 燃料電池発電設備 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電設備に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電設備は図２に示すようなも
のである。

【０００３】即ち、天然ガス１を燃料昇圧機２によって
昇圧しつつ、燃料ガス供給路３を介して燃料予熱器４の
低温側へ送給することにより天然ガス１を昇温し、次
に、天然ガス１を改質器５の改質側６へ送給して高熱で
天然ガス１を分解することにより水素と一酸化炭素を主
成分とする燃料ガスとし、該燃料ガスを前記燃料予熱器
４の高温側へ送給することにより燃料予熱器４の低温側
に供給される天然ガス１を昇温させ、燃料ガスを燃料電
池本体７のアノード８（陽極）へ送給することにより燃
料電池本体７による発電に利用させ、燃料電池本体７の
アノード８から排出された使用済みの燃料ガスを燃料ガ
ス排出路９を介して前記改質器５の燃焼側１０へ送給
し、後述する使用済みの酸化剤ガス中の酸素によって燃
焼させることにより、改質器５の改質側６へ供給される
天然ガスを分解するための高熱を発生させる。

【０００４】そして、改質器５の燃焼側１０から排出さ
れた燃焼ガスは、燃焼ガス排ガス路１１を介して空気予
熱器１２の高温側へ送給され、凝縮器１３及び気水分離
器１４へ送給されることにより水分１５を除去された
後、低温ブロワ１６によって、酸化剤ガス供給路１７へ
導入される。一方、コンプレッサ２０により空気ストレ
ーナ１８から吸入された空気１９はコンプレッサ２０で
圧縮されつつ空気供給路２１を送給され、前記酸化剤ガ
ス供給路１７へ導かれる。

【０００５】燃焼ガス排ガス路１１からの燃焼ガス中の
二酸化炭素と空気供給路２１からの空気１９中の酸素を
主成分とする酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路１７を介
して前記空気予熱器１２の低温側へ送給されることによ
り燃焼ガス排ガス路１１を流れる燃焼ガスの熱によって
昇温され、更に起動時用熱交換器２２を介して燃料電池
本体７のカソード２３（陰極）へ送給されることにより
燃料電池本体７による発電に利用され、燃料電池本体の
カソードから排出された使用済みの酸化剤ガスは酸化剤
ガス排出路２４を介してタービン２５へ送給されること
によりタービン２５を駆動して前記コンプレッサ２０を
回し、その後、系外へ排出されて図示しない排熱回収装
置へと導かれる。

【０００６】酸化剤ガス排出路２４を流れる使用済みの
酸化剤ガスの一部は、途中、循環流路２６及び高温ブロ
ワ２７を介して循環使用され、且つ、改質器酸素供給路
２８を介して前記したように改質器５の燃焼側１０へ送
給される。

【０００７】一方、燃料電池本体７の低負荷時にはター
ビン２５へ送給される使用済みの酸化剤ガスの流量や圧
力が低下してタービン２５を駆動できなくなるおそれが
あるので、酸化剤ガス排出路２４のタービン２５入側に
補助燃焼器２９を設け、補助燃焼器２９と前記燃料ガス
供給路３の燃料昇圧機２出側との間に補助燃焼器用燃料
供給路３０を接続し、補助燃焼器２９と空気供給路２１
のコンプレッサ２０出側との間に補助燃焼器用空気供給
路３１を接続して、低負荷時に補助燃焼器２９において
天然ガス１を空気１９などで燃焼させることにより、タ
ービン２５へ送給されるガスの流量や圧力を確保できる
ようにしている。

【０００８】尚、図中３２は燃料電池本体７のスタック
容器、３３は酸化剤ガス排出路２４のタービン２５入出
側をバイパスするバイパス路、３４は起動時用熱交換器
２２に供給される高温流体、３５，３６，３７，３８は
それぞれ弁である。

【０００９】そして、燃料電池本体７は通常、６５０度
もの高温で運転されるので、起動に先立って燃料電池本
体７を含む燃料電池発電設備の系全体を暖気する必要が
あるが、系全体の暖気は、天然ガス１に代えて高温の窒
素ガス３９を燃料ガス供給路３に供給し、又、空気１９
に代えて高温の窒素ガス３９を空気供給路２１に供給し
て、高温の窒素ガス３９を燃料電池発電設備の系全体に
流通させ、酸化剤ガス排出路２４からそのまま排出させ
ることにより行っていた。

【００１０】尚、この際、酸化剤ガス供給路１７に設け
られた起動時用熱交換器２２で高温流体３４を用いて窒
素ガス３９を途中で昇温するようにし、又、酸化剤ガス
排出路２４を流れる窒素ガス３９がバイパス路３３によ
ってタービン２５をバイパスされるようにしている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池発電設備には、以下のような問題があっ
た。

【００１２】即ち、起動に先立って燃料電池本体７を含
む燃料電池発電設備の系全体を暖気するために、天然ガ
ス１に代えて燃料ガス供給路３に高温の窒素ガス３９を
供給し、且つ、空気１９に代えて空気供給路２１に高温
の窒素ガス３９を供給して、酸化剤ガス排出路２４から
そのまま排出させるようにしていたので、高価な窒素ガ
ス３９が多量に必要になると共に、窒素ガス３９を高温
化するために起動時用熱交換器２２などの特別な熱源が
必要になる。

【００１３】本発明は、上述の実情に鑑み、暖気時の高
価な窒素ガス３９の使用量を減少すると共に、暖気のた
めの特別な熱源などを不要化し得るようにした燃料電池
発電設備を提供することを目的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料ガスを燃
料昇圧機、改質器の改質側を通してアノードの入側へ導
く燃料ガス供給路と、アノードの出側から排出された使
用済みの燃料ガスを改質器の燃焼側へ導く燃料ガス排出
路と、改質器の燃焼側から排出された燃焼ガスを送給す
る燃焼ガス排ガス路と、コンプレッサによって空気を送
給する空気供給路と、燃焼ガス排ガス路からの燃焼ガス
及び空気供給路からの空気を混合してなる酸化剤ガスを
カソードの入側へ導く酸化剤ガス供給路と、カソードの
出側から排出された使用済みの酸化剤ガスを補助燃焼
器、前記コンプレッサを駆動するためのタービンを通し
て系外へ導く酸化剤ガス排出路と、前記空気供給路の空
気を補助燃焼器へ導入可能な補助燃焼器用空気供給路と
を備えた燃料電池発電設備において、燃料ガス排出路の
改質器燃焼側入口近傍と、燃料ガス供給路の燃料昇圧器
入口との間に、暖気用窒素ガス循環ラインを設け、酸化
剤ガス供給路及び酸化剤ガス排出路のカソード入出側に
暖気用カソードバイパスラインを設け、補助燃焼器に燃
料を供給可能な暖気用燃料供給ラインを接続し、酸化剤
ガス排出路のタービン出側と改質器の燃焼側との間に暖
気用燃焼ガス循環ラインを設けたことを特徴とする燃料
電池発電設備にかかるものである。

【００１５】

【作用】本発明によれば、燃料ガスは燃料ガス供給路に
より燃料昇圧機、改質器の改質側を通ってアノードの入
側へ導かれ、アノードの出側から排出された使用済みの
燃料ガスは燃料ガス排出路により改質器の燃焼側へ導か
れ、改質器の燃焼側から排出された燃焼ガスは燃焼ガス
排ガス路により送給され、空気供給路からコンプレッサ
によって送られる空気を混合されて酸化剤ガスとなり、
酸化剤ガスは酸化剤ガス供給路によりカソードの入側へ
導かれ、カソードの出側から排出された使用済みの酸化
剤ガスは酸化剤ガス排出路により補助燃焼器、タービン
を通って系外へ導かれる。

【００１６】暖気運転時には、高温の窒素ガスを燃料ガ
ス供給路に供給する。

【００１７】すると、高温の窒素ガスは、燃料ガス供給
路により燃料昇圧機、改質器の改質側を通ってアノード
の入側へ導かれ、燃料ガス排出路及び暖気用窒素ガス循
環ラインを通って燃料ガス供給路へ戻り、これらを暖気
する。

【００１８】一方、暖気用燃料供給ラインから補助燃焼
器に燃料を供給し、前記空気供給路の空気の一部を補助
燃焼器用空気供給路により補助燃焼器へ導入して補助燃
焼器で燃料を燃焼させると、補助燃焼器で発生した燃焼
ガスはタービンへ入り、タービンから暖気用燃焼ガス循
環ラインにより改質器の燃焼側へ導かれ、改質器の燃焼
側から燃焼ガス排ガス路を通って、空気供給路からの空
気と合流され、酸化剤ガス供給路、カソード、酸化剤ガ
ス排出路を通ってタービンへと循環され、これらを暖気
する。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。

【００２０】図１は、本発明の一実施例である。

【００２１】又、図中、図２と同一の構成部分について
は同一の符号を付すことにより説明を省略し、以下、本
発明に特有の構成についてのみ説明して行く。

【００２２】燃料ガス排出路９における改質器５の燃焼
側１０入口近傍と、燃料ガス供給路３の燃料昇圧器２の
入口との間に、暖気用窒素ガス循環ライン４０を設け、
暖気用窒素ガス循環ライン４０の途中、及び、燃料ガス
排出路９の改質器５と暖気用窒素ガス循環ライン４０接
続部との間、並びに、燃料ガス供給路３の暖気用窒素ガ
ス循環ライン４０接続部の入側にそれぞれ弁４１，４
２，４３を設ける。

【００２３】酸化剤ガス供給路１７及び酸化剤ガス排出
路２４にカソード２３の入出側をバイパスする暖気用カ
ソードバイパスライン４４を設け、暖気用カソードバイ
パスライン４４の途中、及び、酸化剤ガス供給路１７の
カソード２３と暖気用カソードバイパスライン４４接続
部との間にそれぞれ弁４５，４６を設ける。

【００２４】補助燃焼器用燃料供給路３０の弁３５と補
助燃焼器２９との間に、弁４７を備え暖気時に補助燃焼
器２９へ燃料４８を供給する暖気用燃料供給ライン４９
を接続する。

【００２５】酸化剤ガス排出路２４のタービン２５出側
と改質器５の燃焼側１０との間に暖気用燃焼ガス循環ラ
イン５０を設け、暖気用燃焼ガス循環ライン５０の途
中、及び、酸化剤ガス排出路２４の暖気用燃焼ガス循環
ライン５０接続部出側にそれぞれ弁５１，５２を設け
る。

【００２６】次に、作動について説明する。

【００２７】燃料電池発電設備を運転する過程自体につ
いては図２と同様なので説明を省略する。

【００２８】燃料電池発電設備の起動に先立って燃料電
池発電設備を暖気する場合には、先ず、燃料ガス供給路
３途中の弁４３を開き、燃料ガス排出路９途中の弁４２
を閉じ、暖気用窒素ガス循環ライン４０途中の弁４１を
開き、補助燃焼器用燃料供給路３０途中の弁３５を閉じ
て、燃料ガス供給路３に天然ガス１に代えて高温の窒素
ガス３９を供給する。

【００２９】すると、高温の窒素ガス３９は、燃料昇圧
機２によって燃料ガス供給路３を送給されて、燃料予熱
器４の低温側、改質器５の改質側６、燃料予熱器４の高
温側、燃料電池本体７のアノード８を暖気し、更に、燃
料ガス排出路９、暖気用窒素ガス循環ライン４０を暖気
して燃料ガス供給路３へと戻される。

【００３０】窒素ガス３９が燃料ガス供給路３へ戻って
きたら、燃料ガス供給路３途中の弁４３を閉じて、以
後、窒素ガス３９が循環されるようにする。このように
窒素ガス３９を循環使用することによって、アノード８
側を暖気する窒素ガス３９の使用量を減らすことができ
る。

【００３１】上記と同時に、空気供給路２１途中の弁３
６を開け、酸化剤ガス供給路１７途中の弁４６を閉じ、
暖気用カソードバイパスライン４４途中の弁４５を開
け、酸化剤ガス排出路２４途中の弁５２を閉じ、暖気用
燃焼ガス循環ライン５０途中の弁５１を開いて、暖気用
燃料供給ライン４９途中の弁４７を開けて、暖気用燃料
供給ライン４９に燃料４８を供給し、コンプレッサ２０
を駆動すると、補助燃焼器２９で暖気用燃料供給ライン
４９からの燃料４８が空気供給路２１からの空気によっ
て燃焼され、燃焼により発生した燃焼ガスは酸化剤ガス
排出路２４を介してタービン２５へ入り、タービン２５
を駆動してコンプレッサ２０を回した後、酸化剤ガス排
出路２４から暖気用燃焼ガス循環ライン５０へ入って改
質器５の燃焼側へ導かれ、改質器５の燃焼側１０を暖気
した後、低温ブロワ１６によって燃焼ガス排ガス路１１
を送給されて、空気予熱器１２の低温側、凝縮器１３、
気水分離器１４を暖気し、空気供給路２１からの空気１
９を混合されて、酸化剤ガス供給路１７へ導かれ、酸化
剤ガス供給路１７、空気予熱器１２の高温側、暖気用カ
ソードバイパスライン４４、酸化剤ガス排出路２４、循
環流路２６、改質器酸素流路２８を暖気して補助燃焼器
２９へと戻される。

【００３２】尚、暖気用カソードバイパスライン４４を
設けて、燃焼ガスをカソード２３から迂回させるように
したのは、カソード２３の酸化を防止するためである
が、暖気の終了直前の極く短時間の間にカソード２３に
燃焼ガスを通してカソード２３を暖気するようにしても
良い。

【００３３】燃焼ガスが補助燃焼器２９へ戻ってきた
ら、酸化剤ガス排出路２４途中の弁５２、及び、暖気用
燃焼ガス循環ライン５０途中の弁５１の開度を適宜に調
整して、補助燃焼器２９で発生される燃焼ガスの一部が
暖気用燃焼ガス循環ライン５０へと循環され、残りの燃
焼ガスが系外へ排出されるようにする。このように、既
設の補助燃焼器２９を利用して燃焼ガスを発生させ、燃
焼ガスによってカソード２３側を暖気するようにしたの
で、高価な窒素ガスが不要化されると共に、特別な熱源
などが不要化される。

【００３４】尚、本発明は、上述の実施例にのみ限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内に
おいて種々変更を加え得ることは勿論である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
発電設備によれば、暖気時の高価な窒素ガスの使用量を
減少すると共に、暖気のための特別な熱源を不要化し得
るという優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体系統図である。

【図２】従来例の全体系統図である。

【符号の説明】

２ 燃料昇圧機 ３ 燃料ガス供給路 ５ 改質器 ６ 改質側 ８ アノード ９ 燃料ガス排出路 １０ 燃焼側 １１ 燃焼ガス排ガス路 １７ 酸化剤ガス供給路 １９ 空気 ２０ コンプレッサ ２１ 空気供給路 ２３ カソード ２４ 酸化剤ガス排出路 ２５ タービン ２９ 補助燃焼器 ３１ 補助燃焼器用空気供給路 ４０ 暖気用窒素ガス循環ライン ４４ 暖気用カソードバイパスライン ４８ 燃料 ４９ 暖気用燃料供給ライン ５０ 暖気用燃焼ガス循環ライン

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスを燃料昇圧機、改質器の改質側
   を通してアノードの入側へ導く燃料ガス供給路と、アノ
   ードの出側から排出された使用済みの燃料ガスを改質器
   の燃焼側へ導く燃料ガス排出路と、改質器の燃焼側から
   排出された燃焼ガスを送給する燃焼ガス排ガス路と、コ
   ンプレッサによって空気を送給する空気供給路と、燃焼
   ガス排ガス路からの燃焼ガス及び空気供給路からの空気
   を混合してなる酸化剤ガスをカソードの入側へ導く酸化
   剤ガス供給路と、カソードの出側から排出された使用済
   みの酸化剤ガスを補助燃焼器、前記コンプレッサを駆動
   するためのタービンを通して系外へ導く酸化剤ガス排出
   路と、前記空気供給路の空気を補助燃焼器へ導入可能な
   補助燃焼器用空気供給路とを備えた燃料電池発電設備に
   おいて、燃料ガス排出路の改質器燃焼側入口近傍と、燃
   料ガス供給路の燃料昇圧器入口との間に、暖気用窒素ガ
   ス循環ラインを設け、酸化剤ガス供給路及び酸化剤ガス
   排出路のカソード入出側に暖気用カソードバイパスライ
   ンを設け、補助燃焼器に燃料を供給可能な暖気用燃料供
   給ラインを接続し、酸化剤ガス排出路のタービン出側と
   改質器の燃焼側との間に暖気用燃焼ガス循環ラインを設
   けたことを特徴とする燃料電池発電設備。