JP3269148B2 - 燃料電池発電装置起動時の運転方法 - Google Patents

燃料電池発電装置起動時の運転方法

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JP3269148B2
JP3269148B2 JP35022892A JP35022892A JP3269148B2 JP 3269148 B2 JP3269148 B2 JP 3269148B2 JP 35022892 A JP35022892 A JP 35022892A JP 35022892 A JP35022892 A JP 35022892A JP 3269148 B2 JP3269148 B2 JP 3269148B2
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和彦 伊藤
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料の有する化学エネル
ギーを直接電気エネルギーに変換させるエネルギー分野
で用いる燃料電池を用いた発電装置における運転初期に
おいて用いる運転方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】燃料電池のうち、溶融炭酸塩型燃料電池
は、電解質として溶融炭酸塩を多孔質物質にしみ込ませ
てなるタイル(電解質板)を、カソード(酸素極)とア
ノード(燃料極)の両電極で両面から挟み、カソード側
に酸化ガスを供給すると共にアノード側に燃料ガスを供
給することによりカソード側及びアノード側で反応させ
て発電が行われるようにしたものを1セルとし、各セル
をセパレータを介し多層に積層しスタックとするように
してある。
【0003】かかる構成の溶融炭酸塩型燃料電池を用い
た発電装置において、燃料に天然ガスを用いた場合のシ
ステム系統構成の一般的なものとしては、図3に一例を
示す如きものがある。すなわち、タイル1を両側からカ
ソード2とアノード3とで挟んでなる燃料電池Iのカソ
ード2の入口側に、途中に空気圧縮機4、冷却器5、圧
縮機6、空気予熱器7を有する空気供給ライン8を接続
して、空気Aが供給されるようにすると共に、空気Aの
一部を分岐ライン9により改質器10に供給するように
し、カソード2の出口側に接続したカソード出口ガスラ
イン11に排出されたカソード出口ガスCGをタービン
12に導いた後、空気予熱器7を通して排出させるよう
にしてある。一方、燃料電池Iのアノード3の出口側か
ら排出されたアノード出口ガスAGには水分が含まれて
いるので、このアノード出口ガス中の水分を一旦ガスと
分離した後に、分離した水H2 Oを系統内に入れるとい
う手法を採り入れるために、アノード3から排出された
アノード出口ガスAGを、冷却されたガスとの熱交換器
13を通した後、天然ガスNGと熱交換させる予熱器1
4、蒸発器15を経て冷却器16に導き、ここで凝縮さ
せて気液分離機17にてガスと水とに分離し、ガスはブ
ロワ18にて上記熱交換器13へのライン19を通して
改質器10の燃焼室側へ導くようにすると共に、水H2
Oはポンプ20で加圧されて給水加熱器21へ送られ、
ここで加熱されて蒸気として水蒸気ライン22より蒸発
器15を経て改質器10の入口側に供給されて天然ガス
NGと混ぜられるようにしてあり、改質器10で製造さ
れた燃料は燃料供給ライン23により燃料電池Iのアノ
ード3に、又、改質器10の燃焼室から排出された炭酸
ガスを含むガスはライン24より上記空気供給ライン8
の空気とともに燃料電池Iのカソード2にそれぞれ供給
されるようにしてある。25は脱硫器である。
【0004】上記のように構成されている溶融炭酸塩型
燃料電池発電プラントの運転中は、燃料電池Iのアノー
ド3から排出されたアノード出口ガスAGを改質器10
の燃焼室に供給して燃焼させ、該改質器10の燃焼室か
ら排出された炭酸ガスを含むガスを燃料電池のカソード
2に供給することによって、カソード2側での反応に必
要な炭酸ガスを得るようにし、カソード2側で、空気と
炭酸ガスの反応を行わせて炭酸イオンCO3 --を生じさ
せ、このCO3 --がタイル1中を泳動してアノード3に
到達させられることにより、アノード3側で、該アノー
ド3に供給されたガス中の炭酸ガスと炭酸イオンとの反
応が行われるようにしてある。
【0005】しかし、溶融炭酸塩型燃料電池発電プラン
トの起動時では、反応量が少なく、改質器10の燃焼室
に入る炭酸ガス量が少ないので、燃料電池Iのカソード
2側で必要とする炭酸ガスが改質器10の燃焼室側から
得られず一時的に不足することがある。
【0006】そのため、図4に示す如く、改質器10の
燃焼室入口側に、空気の分岐ライン9及びアノード出口
ガスを導入するライン19のほかに、途中に遮断弁27
を有する天然ガス供給ライン26を接続して、上記可燃
分の不足分を補う量の天然ガスを供給できるようにし、
改質器起動用バーナで天然ガスを燃焼させることによっ
て改質器燃焼室内で炭酸ガスを生成させ、この炭酸ガス
を改質器10からカソード2へ補給するという助燃が行
われている。
【0007】上記助燃は、遮断弁27を開閉することに
より行われるが、助燃開始時に遮断弁27を開けると、
改質器10の燃焼室内のガス流量は天然ガス供給ライン
26より流入させられる天然ガスの量の分だけ増加し、
助燃終了で遮断弁27を閉じると、天然ガスの流入が停
止させられる分だけ上記燃焼室内のガス流量は減少し、
助燃時の流量変化は図5に示す如くなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】ところが、助燃開始時
に流量が増加した状態で助燃を終了させるために遮断弁
27を閉じると、改質器10の燃焼室内のガス流量が急
に少なくなって、急激な流量変化が生じることになり、
これに伴い分岐ライン9から供給される燃焼用空気の流
量も急激に変化して、カソード2の圧力変動の原因とな
り、カソード2とアノード3の各極間、あるいは圧力容
器とカソード2間の急激な差圧が生じる可能性がある、
という問題がある。
【0009】そこで、本発明は、助燃終了時の急激な流
量変化を抑えてカソードの圧力変動を緩和させるように
しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、改質器で改質された燃料を燃料電池のア
ノードに供給し、アノードから排出されたアノード出口
ガスと燃焼用空気を改質器の燃焼室で燃焼させて、燃焼
排ガスを改質器の燃焼室から燃料電池のカソードに供給
するようにしてあり、更に、途中に遮断弁を有する天然
ガス供給ラインを、上記改質器の燃焼室に接続して、起
動時に、天然ガスを改質器の燃焼室で燃焼させてカソー
ド側で必要とする炭酸ガスの不足分を補うようにする助
燃を行うようにしてある燃料電池発電装置の起動時の運
転方法において、上記改質器の燃焼室に接続した天然ガ
ス供給ラインに、上記遮断弁のほかに流量調節弁を設け
ると共に、カソードとアノードの極間差圧を計測する差
圧計により流量調節弁に指令を発する制御器を設けて、
上記起動時は遮断弁を開け、流量調節弁の開度を一定に
した状態にして助燃し、助燃終了時にカソードの圧力変
動を起こさせないでカソードとアノードの極間差圧が保
てるように上記流量調節弁の開度を徐々に小さくして天
然ガスの供給流量を減らして行き、該流量調節弁が閉じ
たときに遮断弁を閉じて助燃を終了するように運転する
ようにする。
【0011】
【作用】助燃終了時に流量調節弁を徐々に閉じて流量を
減少させて行くと、流量の急激な変化がなくなる。これ
により急激な流量変化に起因して発生するカソード圧力
変動も抑えられる。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0013】図1は本発明の実施例を示すもので、図3
に一例を示した天然ガス改質溶融炭酸塩型燃料電池発電
システムと同様に、燃料電池Iのアノード3の入口側に
改質器10があり、改質器10の改質室に天然ガスNG
を導入して改質し、改質ガスを燃料供給ライン23より
上記アノード3に供給するようにし、且つアノード3か
ら排出されたアノード出口ガスAGをライン19を経て
改質器10の燃焼室に供給するようにすると共に、燃焼
用空気Aを分岐ライン9より改質器10の燃焼室に供給
するようにし、更に、該改質器10の燃焼室から排出さ
れる燃焼排ガスをライン24より燃料電池Iのカソード
2側へ供給し、空気供給ライン8からの空気と合流させ
てカソード2に供給するようにしてあり、更に、図4の
如く、助燃のため改質器起動用バーナで燃焼させられる
天然ガスNGを導入するための天然ガス供給ライン26
を、改質器10の燃焼室10aの入口側に、上記の分岐
ライン9やライン19とともに接続してある構成におい
て、上記天然ガス供給ライン26の途中に、遮断弁27
のほかに流量調節弁28を設け、助燃終了時に流量調節
弁28で流量を変化させるようにする。
【0014】詳述すると、上記天然ガス供給ライン26
に設けた流量調節弁28を、カソード2とアノード3の
極間差圧を見ながら調節できるようにするために、カソ
ード2とアノード3の差圧を計測する差圧計29と、該
差圧計29からの信号を入力して流量調節弁28に指令
信号を発する制御器30とを備え、制御器30により流
量調節弁28が調節されて天然ガスの流量が変化させら
れるようにする。
【0015】溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの起動
時においては、天然ガス供給ライン26上の流量調節弁
28の開度を一定にした状態で、遮断弁27を開けて天
然ガスNGを改質器10の燃焼室に流入させることによ
って助燃を開始し、助燃で得られた炭酸ガスをカソード
2へ供給して、カソード2で必要とする炭酸ガスの不足
分を補うようにする。
【0016】上記助燃開始時の天然ガスNGの流入によ
り、改質器10の燃焼室内のガス流量は、一気に上昇
(たとえば、5Nm3 /1時間)させられ、図2に示す如
き流量変化が生じる。
【0017】助燃を終了するときは、改質器10の燃焼
室への天然ガスNGの供給を停止するが、従来の技術で
述べたように、助燃を終了させるために遮断弁27を閉
じると、改質器10の燃焼室内のガス流量が急に少なく
なって、急激な流量変化が生じることになり、これが原
因でカソード2の圧力変動が起り、カソード2とアノー
ド3の極間差圧が生じる可能性があるので、上記天然ガ
スNGの供給を停止させるときに、カソード2とアノー
ド3の極間の差圧が保てるようにするために、制御器3
0からの指令により流量調節弁28の開度を徐々に小さ
くして行くことにより、急激な流量変化がないように天
然ガスNGの流量を絞って行き、改質器10の燃焼室内
のガス流量をゆるやかに減少するようにコントロールす
る。流量調節弁28が全閉になるとき、遮断弁27を閉
じ、助燃終了とする。これにより助燃終了時の流量変化
は、図2に示す如くゆるやかとなり、カソード2の圧力
の急激な変動を防止することができる。
【0018】なお、本発明は、図3に示す溶融炭酸塩型
燃料電池発電システム以外のシステム系統構成のものに
も適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範
囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
【0019】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、改質
器で改質された燃料を燃料電池のアノードに供給し、ア
ノードから排出されたアノード出口ガスと燃焼用空気を
改質器の燃焼室で燃焼させて、燃焼排ガスを改質器の燃
焼室から燃料電池のカソードに供給するようにしてあ
り、更に、途中に遮断弁を有する天然ガス供給ライン
を、上記改質器の燃焼室に接続して、起動時に、天然ガ
スを改質器の燃焼室で燃焼させてカソード側で必要とす
る炭酸ガスの不足分を補うようにする助燃を行うように
してある燃料電池発電装置の起動時の運転方法におい
て、上記改質器の燃焼室に接続した天然ガス供給ライン
に、上記遮断弁のほかに流量調節弁を設けると共に、カ
ソードとアノードの極間差圧を計測する差圧計により流
量調節弁に指令を発する制御器を設けて、上記起動時は
遮断弁を開け、流量調節弁の開度を一定にした状態にし
て助燃し、助燃終了時にカソードの圧力変動を起こさせ
ないでカソードとアノードの極間差圧が保てるように上
記流量調節弁の開度を徐々に小さくして天然ガスの供給
流量を減らして行き、該流量調節弁が閉じたときに遮断
弁を閉じて助燃を終了するように運転するようにするの
で、助燃終了で天然ガス供給ライン途中の遮断弁を閉じ
る時の急激なガス流量の変化を生じさせることなくゆる
やかにガス流量を減少させることができて、カソードの
圧力の急激な変動を防止することができる、という優れ
た効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す概要図である。
【図2】本発明による助燃開始と助燃終了時のガス流量
の変化を示す図である。
【図3】従来の燃料電池発電システムの系統構成の一例
を示す図である。
【図4】従来の燃料電池発電システムの起動時の助燃を
行う構成を示す概要図である。
【図5】従来方法による助燃開始と助燃終了時のガス流
量の変化を示す図である。
【符号の説明】 I 燃料電池 1 タイル 2 カソード 3 アノード 9 分岐ライン 10 改質器 19 ライン 26 天然ガス供給ライン 27 遮断弁 28 流量調節弁 29 差圧計 30 制御器

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 改質器で改質された燃料を燃料電池のア
    ノードに供給し、アノードから排出されたアノード出口
    ガスと燃焼用空気を改質器の燃焼室で燃焼させて、燃焼
    排ガスを改質器の燃焼室から燃料電池のカソードに供給
    するようにしてあり、更に、途中に遮断弁を有する天然
    ガス供給ラインを、上記改質器の燃焼室に接続して、起
    動時に、天然ガスを改質器の燃焼室で燃焼させてカソー
    ド側で必要とする炭酸ガスの不足分を補うようにする助
    燃を行うようにしてある燃料電池発電装置の起動時の運
    転方法において、上記改質器の燃焼室に接続した天然ガ
    ス供給ラインに、上記遮断弁のほかに流量調節弁を設け
    ると共に、カソードとアノードの極間差圧を計測する差
    圧計により流量調節弁に指令を発する制御器を設けて、
    上記起動時は遮断弁を開け、流量調節弁の開度を一定に
    した状態にして助燃し、助燃終了時にカソードの圧力変
    動を起こさせないでカソードとアノードの極間差圧が保
    てるように上記流量調節弁の開度を徐々に小さくして天
    然ガスの供給流量を減らして行き、該流量調節弁が閉じ
    たときに遮断弁を閉じて助燃を終了するように運転する
    ことを特徴とする燃料電池発電装置起動時の運転方法。
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