JP3509141B2

JP3509141B2 - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP3509141B2
Application number: JP23702293A
Authority: JP
Inventors: 敏明吉田; 美裕四十物
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1993-09-24
Filing date: 1993-09-24
Publication date: 2004-03-22
Anticipated expiration: 2019-03-22
Also published as: JPH0794199A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電装置に係
わり、更に詳しくは、天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩
型燃料電池を用いた発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電装置と
して注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われ
ている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電
池を用いた発電装置は、図３に示すように改質器１０、
燃料電池１２、気水分離器１４、燃焼器１６、タービン
圧縮機２０等を備えており、燃料ガス１と水蒸気９の混
合ガスを燃料予熱器３１で予熱して改質器１０に供給
し、改質器１０で水素を含むアノードガス２に改質し、
更にこのアノードガス２と酸素を含むカソードガス３と
から燃料電池１２で発電するようになっている。

【０００３】改質器１０で作られたアノードガス２は燃
料電池１２内でその大部分（例えば８０％）を消費して
アノード排ガス４となり、燃料予熱器３１、ガス／ガス
熱交換器３２、冷却器３３で熱回収され、気水分離器１
４で水分を分離される。水分を分離されたアノード排ガ
ス４は、ブロア２２で加圧され、ガス／ガス熱交換器３
２で予熱されて改質器１０の燃焼室に供給される。改質
器１０ではアノード排ガス４中の可燃成分（水素、一酸
化炭素、メタン等）が燃焼室で燃焼し、発生した高温の
燃焼ガスにより改質管を加熱し内部を流れる混合ガス
（燃料ガス１と水蒸気９の混合ガス）を改質する。改質
室を出た燃焼排ガス５は、空気予熱器３４で熱回収さ
れ、空気６と合流してカソードガス３となり、燃料電池
１２のカソード側Ｃに供給される。カソードガス３は燃
料電池１２内でその一部が反応してカソード排ガス７と
なり、その一部はブロア２４によりカソード入口側に再
循環され、残りは燃焼器１６に供給されて燃料ガス１を
燃焼させて燃焼排ガス８となり、この燃焼排ガス８はタ
ービン圧縮機２０のタービン１８に供給されて圧力回収
され、過熱器３５、蒸発器３６、及び給水加熱器３７で
熱回収されて系外に排出される。なお、２６は給水ポン
プである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した燃料電池発電
装置において、部分負荷時には燃料ガス１及び空気６の
流量を負荷に応じて低減する必要がある。しかし、ター
ビン圧縮機２０の圧縮機１９は、流量制御範囲が１００
〜８０％であり、８０％以下に流量を絞るとサージング
を起こす問題点がある。

【０００５】そのため、従来の燃料電池発電装置では、
８０％以下の部分負荷時でも圧縮機Ｃの吐出流量を定格
の８０％以上に保持し、吐出流量の一部を空気供給ライ
ン６ａを介してタービン１８の入口側へ流出させて空気
６の実質的な流量を低減させていた。しかし、かかる手
段では、タービン１８に流入する燃焼排ガス８の温度が
下がり、過熱器３５及び蒸発器３６に供給する燃焼排ガ
ス８の温度が下がって、改質器１０で必要な蒸気９が不
足する問題点があった。従って、燃焼器１６で燃料ガス
１を燃焼させて燃焼排ガス８のタービン入口温度を昇温
する必要があった。

【０００６】しかし、従来の燃料電池発電装置では、燃
焼器１６にバーナ燃焼器を用いているため、燃料電池の
負荷変化時にカソード排ガス７の流量が変化すると、バ
ーナの火炎が吹き消えるおそれがあった。また、バーナ
燃焼器の燃焼を安定させるためにパイロットバーナを常
時点火させておく必要があり、パイロットバーナによる
燃料の消費によりプラントの発電効率が低下する問題点
があった。

【０００７】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、燃料
電池の部分負荷時において、カソード排ガスの流量が変
動しても安定して作動でき、タービン入口温度を所望の
温度範囲に維持でき、かつ燃焼の消費を最小限に抑える
ことができる燃料電池発電装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃焼排
ガス（８）で駆動するタービン（１８）と該タービンの
出力で空気（６）を圧縮する圧縮機（１９）とを有する
タービン圧縮機（２０）を備えた燃料電池発電装置にお
いて、内部に燃焼触媒（４２）を有し、燃料電池のカソ
ード排ガス（７）で燃料ガス（１）を燃焼させて前記タ
ービン（１８）への燃焼排ガス（８）を発生させる触媒
燃焼器（４０）と、前記圧縮機で圧縮された空気の一部
を前記触媒燃焼器に導く空気バイパスライン（６ａ，６
ｂ）と、燃料電池の部分負荷時に前記空気バイパスライ
ン（６ａ，６ｂ）を流れる空気の流量を調節して燃料電
池（１２）への供給流量を低減し、かつ触媒燃焼器（４
０）への燃料ガス（１）の流量を直接調節してタービン
（１８）への燃焼排ガスの温度を制御する制御装置（５
０）と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置が
提供される。

【０００９】本発明の好ましい実施例によれば、前記空
気バイパスライン（６ａ，６ｂ）は、前記燃焼触媒（４
２）の上流側に前記圧縮機（１９）による圧縮空気を供
給する上流空気ライン（６ａ）と、前記燃焼触媒の下流
側に前記圧縮機による圧縮空気を供給する下流空気ライ
ン（６ｂ）とを有し、燃焼触媒の温度を検出する触媒温
度センサー（４６）と、タービンに供給される燃焼排ガ
スの温度を検出するガス温度センサー（４８）とを更に
備え、前記制御装置（５０）は、前記触媒温度センサー
（４６）の検出温度が燃焼触媒の許容最高温度に近ずく
場合には、前記上流空気ライン（６ａ）の流量を増加さ
せかつ下流空気ラインの流量を減少させ、ガス温度セン
サー（４８）の検出温度がタービンの必要最低温度に近
ずく場合には、触媒燃焼器（４０）への燃料ガス（１）
の流量を増加させるように制御されるようになってい
る。前記上流空気ライン（６ａ）には、流量調節弁（４
４）が設けられている、ことが好ましい。

【００１０】

【作用】上記本発明の構成によれば、燃焼触媒（４２）
を有しタービン（１８）への燃焼排ガス（８）を発生さ
せる触媒燃焼器（４０）を備えているので、燃料電池
（１２）の負荷変化時にカソード排ガス（７）の流量が
変化しても、バーナ燃焼器のようにバーナの火炎が吹き
消えるおそれがない。従って、従来のようにパイロット
バーナを用いることなく、広い温度範囲（例えば約３５
０℃〜８００℃）で安定した燃焼を維持することができ
る。また、圧縮機（１９）で圧縮された空気の一部を触
媒燃焼器（４０）に導く空気バイパスライン（６ａ，６
ｂ）と、空気バイパスラインを流れる空気の流量を調節
しかつ触媒燃焼器（４０）への燃料ガス（１）の流量を
直接調節する制御装置（５０）とを備えているので、空
気の流量を調節して燃料電池（１２）への供給流量を実
質的に低減して圧縮機の流量をサーシングが起こらない
流量に保持することができ、かつ触媒燃焼器（４０）へ
の燃料ガスの流量を直接調節してタービンへの燃焼排ガ
スの温度を必要な温度以上に保持することができる。

【００１１】また、本発明の好ましい実施例によれば、
制御装置（５０）により触媒温度センサー（４６）の検
出温度が燃焼触媒（４２）の許容最高温度（耐熱温度）
に近ずく場合には、上流空気ライン（６ａ）の流量を増
加させかつ下流空気ライン（６ｂ）の流量を減少させる
ので、空気バイパスライン（６ａ，６ｂ）を流れる空気
の全量を変化させることなく、燃焼触媒（４２）に供給
される空気量を増して燃焼触媒の温度を下げることがで
きる。逆に燃焼触媒の温度が触媒反応を維持できる最低
温度（例えば３５０℃）以下になるときは上流空気ライ
ンの調節弁によって空気量を減らすのがよい。

【００１２】更に、制御装置（５０）によりガス温度セ
ンサー（４８）の検出温度がタービンの必要最低温度に
近ずく場合には、触媒燃焼器（４０）への燃料ガス
（１）の流量を増加させるので、空気バイパスライン
（６ａ，６ｂ）を流れる空気の全量を変化させることな
く、タービン（１８）への燃焼排ガス（８）の温度をタ
ービンの必要最低温度以上に保持することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において共通する構成機器に
は同一の符号を付して使用する。図１は、本発明による
燃料電池発電装置の全体構成図である。この図におい
て、本発明による燃料電池発電装置は、燃焼排ガス８で
駆動するタービン１８とタービン１８の出力で空気６を
圧縮する圧縮機１９とを有するタービン圧縮機２０を備
えている。更に、この燃料電池発電装置は、内部に燃焼
触媒４２を有し燃料電池１２のカソード排ガス７で燃料
ガス１を燃焼させてタービン１８への燃焼排ガス８を発
生させる触媒燃焼器４０と、圧縮機１９で圧縮された空
気６の一部を触媒燃焼器に導く空気バイパスライン６
ａ、６ｂとを備えている。この空気バイパスライン６
ａ、６ｂは、燃焼触媒の上流側に圧縮機１９による圧縮
空気６を供給する上流空気ライン６ａと、燃焼触媒の下
流側に圧縮機１９による圧縮空気６を供給する下流空気
ライン６ｂとからなる。上流空気ライン６ａには、流量
調節弁４４が設けられ、燃料ガス１のライン及び下流空
気ライン６ｂにも、同様の流量調節弁が設けられてい
る。かかる構成において、カソード排ガス７、燃料ガス
１、及び上流空気ライン６ａからの空気６は触媒燃焼器
４０内の燃焼触媒４２の上流側で混合する。なお、図１
に示すその他の構成機器は、図３に示した従来の燃料電
池発電装置と同様であり、ここでは重複した説明を省略
する。

【００１４】図２は、本発明による燃料電池発電装置の
部分構成図であり、タービン圧縮機２０と触媒燃焼器４
０の周辺を示している。この図において、本発明の燃料
電池発電装置は、更に、燃焼触媒４２の温度を検出する
触媒温度センサー４６と、タービン１８に供給される燃
焼排ガス８の温度を検出するガス温度センサー４８と、
燃料電池１２（図１）の部分負荷時に空気バイパスライ
ン６ａ、６ｂを流れる空気の流量を調節して燃料電池１
２への供給流量を低減し、かつ触媒燃焼器４０への燃料
ガス１の流量を調節してタービン１８への燃焼排ガス８
の温度を制御する制御装置５０を備えている。この制御
装置５０は、触媒温度センサー４６の検出温度が燃焼触
媒４２の許容最高温度に近ずく場合には、上流空気ライ
ン６ａの流量を増加させかつ下流空気ライン６ｂの流量
を減少させ、ガス温度センサー４８の検出温度がタービ
ン１８の必要最低温度に近ずく場合には、触媒燃焼器４
０への燃料ガス１の流量を増加させるように制御される
ようになっている。

【００１５】すなわち、触媒燃焼器４０への燃料ガス１
の流量は、触媒燃焼器４０の出口ガス（燃焼排ガス８）
をタービン入口で必要な温度まで加熱できる量であり、
図示の流量調節弁で制御される。また触媒燃焼器４０に
供給する空気は、上流空気ライン６ａと下流空気ライン
６ｂによって供給される。また、触媒燃焼器４０に供給
する空気６のうち燃焼触媒４２の入口で混合する空気流
量は、混合ガス温度が触媒で反応することができる最低
温度（約３５０℃）以上であり、かつ触媒温度が触媒の
耐熱温度（約７８０℃）以下となる流量とする。この燃
焼触媒４２の上流に供給する空気流量は上流空気ライン
６ａに設けた調節弁４４によって制御する。残りの空気
６は下流空気ライン６ｂに設けた流量調節弁によって制
御され、下流空気ライン６ｂを通り、燃焼触媒４２の下
流で燃焼排ガスと混合した後、触媒燃焼器４０から出て
いき、ガスタービン１８の入口へと導かれる。なお、下
流空気ライン６ｂに流量調節弁を設けず、図にＡで示す
位置に流量調節弁を設けて下流空気ライン６ｂへ流れる
空気流量を調節してもよい。

【００１６】上述した構成により、本発明によれば、燃
焼触媒４２を有しタービン１８への燃焼排ガス８を発生
させる触媒燃焼器４０を備えているので、燃料電池１２
の負荷変化時にカソード排ガス７の流量が変化しても、
バーナ燃焼器のようにバーナの火炎が吹き消えるおそれ
がない。従って、従来のようにパイロットバーナを用い
ることなく、広い温度範囲（例えば約３５０℃〜８００
℃）で安定した燃焼を維持することができる。また、圧
縮機１９で圧縮された空気の一部を触媒燃焼器４０に導
く空気バイパスライン６ａ，６ｂと、空気バイパスライ
ンを流れる空気の流量を調節しかつ触媒燃焼器４０への
燃料ガス１の流量を直接調節する制御装置５０とを備え
ているので、空気の流量を調節して燃料電池１２への供
給流量を実質的に低減して圧縮機の流量をサーシングが
起こらない流量に保持することができ、かつ触媒燃焼器
（４０）への燃料ガスの流量を直接調節してタービンへ
の燃焼排ガスの温度を必要な温度以上に保持することが
できる。

【００１７】また、本発明の好ましい実施例によれば、
制御装置５０により触媒温度センサー４６の検出温度が
燃焼触媒４２の許容最高温度（耐熱温度）に近ずく場合
には、上流空気ライン６ａの流量を増加させかつ下流空
気ライン６ｂの流量を減少させるので、空気バイパスラ
イン６ａ，６ｂを流れる空気の全量を変化させることな
く、燃焼触媒４２に供給される空気量を増して燃焼触媒
の温度を低下させることができる。逆に燃焼触媒の温度
が触媒反応を維持できる最低温度（例えば３５０℃）以
下になるときは上流空気ラインの調節弁によって空気量
を減らすのがよい。

【００１８】更に、制御装置５０によりガス温度センサ
ー４８の検出温度がタービンの必要最低温度に近ずく場
合には、触媒燃焼器４０への燃料ガスの流量を増加させ
るので、空気バイパスライン６ａ，６ｂを流れる空気の
全量を変化させることなく、タービン１８への燃焼排ガ
ス８の温度をタービンの必要最低温度以上に保持するこ
とができる。

【００１９】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、ター
ビン圧縮機２０に高温ガスを供給するために従来のバー
ナ燃焼ではなく触媒燃焼を用いた触媒燃焼器を有してお
り、バーナ燃焼に起こるような、燃料電池の負荷変動
からくるガス流量の変動による燃焼器の失火を防ぐこと
ができ、かつ、バーナ燃焼で必要なパイロットバーナ
による燃料の消費がないため、そこでの燃料消費分だけ
プラントの発電効率の低下を防ぐことができる。

【００２０】従って、本発明の燃料電池発電装置は、燃
料電池の部分負荷時において、カソード排ガスの流量が
変動しても安定して作動でき、タービン入口温度を所望
の温度範囲に維持でき、かつ燃焼の消費を最小限に抑え
ることができる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池発電装置の全体構成図で
ある。

【図２】本発明による燃料電池発電装置のタービン圧縮
機と触媒燃焼器の周辺を示す部分構成図である。

【図３】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。

【符号の説明】

１燃料ガス２アノードガス３カソードガス４アノード排ガス５燃焼排ガス６空気７カソード排ガス８燃焼排ガス９蒸気１０改質器１２燃料電池１４気水分離器１６燃焼器１８タービン１９圧縮機２０タービン圧縮機２２ブロア２４ブロア２６給水ポンプ３１燃料予熱器３２ガス／ガス熱交換器３３冷却器３４空気予熱器３５過熱器３６蒸発器３７給水加熱器４０触媒燃焼器４２燃焼触媒４４流量調節弁４６触媒温度センサー４８ガス温度センサー５０制御装置Ａアノード側Ｃカソード側

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−366560（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−146367（ＪＰ，Ａ) 特開平３−286150（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−170169（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04 H01M 8/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼排ガス（８）で駆動するタービン
（１８）と該タービンの出力で空気（６）を圧縮する圧
縮機（１９）とを有するタービン圧縮機（２０）を備え
た燃料電池発電装置において、内部に燃焼触媒（４２）を有し、燃料電池のカソード排
ガス（７）で燃料ガス（１）を燃焼させて前記タービン
（１８）への燃焼排ガス（８）を発生させる触媒燃焼器
（４０）と、前記圧縮機で圧縮された空気の一部を前記触媒燃焼器に
導く空気バイパスライン（６ａ，６ｂ）と、燃料電池の部分負荷時に前記空気バイパスライン（６
ａ，６ｂ）を流れる空気の流量を調節して燃料電池（１
２）への供給流量を低減し、かつ触媒燃焼器（４０）へ
の燃料ガス（１）の流量を直接調節してタービン（１
８）への燃焼排ガスの温度を制御する制御装置（５０）
と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】前記空気バイパスライン（６ａ，６ｂ）
は、前記燃焼触媒（４２）の上流側に前記圧縮機（１
９）による圧縮空気を供給する上流空気ライン（６ａ）
と、前記燃焼触媒の下流側に前記圧縮機による圧縮空気
を供給する下流空気ライン（６ｂ）とを有し、燃焼触媒の温度を検出する触媒温度センサー（４６）
と、タービンに供給される燃焼排ガスの温度を検出する
ガス温度センサー（４８）とを更に備え、前記制御装置（５０）は、前記触媒温度センサー（４
６）の検出温度が燃焼触媒の許容最高温度に近ずく場合
には、前記上流空気ライン（６ａ）の流量を増加させか
つ下流空気ラインの流量を減少させ、ガス温度センサー
（４８）の検出温度がタービンの必要最低温度に近ずく
場合には、触媒燃焼器（４０）への燃料ガス（１）の流
量を増加させるように制御されるようになっている、こ
とを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】前記上流空気ライン（６ａ）には、流量
調節弁（４４）が設けられている、ことを特徴とする請
求項２に記載の燃料電池発電装置。