JP3589363B2 - 燃料電池発電設備の起動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電池発電設備の起動方法に関する。
【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・原子力に続く発電システムとして注目を集め、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設備では、図３に示すように天然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから発電する燃料電池１１とを備えており、改質器で作られたアノードガス２は燃料電池に供給され、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費した後、アノード排ガス４として改質器の燃焼室Ｃｏに供給される。改質器１０ではアノード排ガス中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）がカソード排ガスにより燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し改質室の燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は空気予熱器１３ｂ、凝縮器１６ａ、気水分離器１５を通って水分を除去され、低温ブロア１７ｃで加圧され、タービン圧縮機１２から供給される加圧空気６と合流してカソードガス３となり、燃料電池のカソード側に必要な二酸化炭素を供給する。燃料電池内でその一部が反応したカソードガス（カソード排ガス７）は、高温ブロア１７ｂにより燃料電池の上流側に一部が循環され、残りの一部７ａは改質器に燃焼用空気として供給され、残り７ｂはタービン圧縮機１２で圧力を回収されて系外に排出される。なお、図３において、１３ａは燃料予熱器、１４は脱硫器、１６ｂは加熱器、１７ｄは空気ブロア、１８は熱風発生炉、１９は排ガス処理装置、１９ａはアノード排ガス４の一部を排ガス処理装置１９に導く放出ラインである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、かかる燃料電池発電設備の起動は、▲１▼内部に窒素ガスを充填した状態で、起動用熱風発生炉１８により起動用加熱器１６ｂに熱風を供給し、起動用加熱器１６ｂで内部を循環する窒素ガスを加熱し、この窒素ガスが図３に太線で示すように、燃料電池１１、改質器１０、空気予熱器１３ｂの間を循環して、燃料電池１１と改質器１０を加熱し、▲２▼燃料電池１１が約６５０℃前後に達してウェットシールが形成され、かつ改質器１０が約４５０〜５００℃に達したときに、タービン圧縮機１２から空気を導入して、燃料電池１１を介して改質器１０の燃焼室Ｃｏに空気を供給し、▲３▼次いで水蒸気を供給し、更に燃料１を供給して、改質器１０で改質を開始し、改質ガス（アノードガス２）を燃料電池１１に供給して発電を開始している。
【０００４】
この起動時において、改質器１０の改質室内を均一な温度分布に保持するには、定格の３０％程度のガス流量を改質室Ｒｅに供給する必要があり、かつ、燃料電池１１の発電開始時には、直流を交流に変換するインバータの特性上、やはり定格の約３０％程度のアノードガス２を燃料電池１１に供給する必要がある。このため、従来は、上述した起動時の▲３▼において、定格の約３０％の燃料ガス１を改質器に供給して改質室内の均一な温度分布を保持し、かつこの燃料ガス１をそのまま改質して定格の約３０％程度のアノードガス２を生成し、このアノードガス２を燃料電池に供給してインバータの最低出力条件を満たし、燃料電池１１の発電を開始していた。しかし、この起動運転において、燃料電池１１の発電開始前には、３０％相当のアノードガス２が燃料電池１１をそのまま通過して改質器１０の燃焼室Ｃｏに供給されるので、燃焼室Ｃｏが過熱され改質器温度が許容値（約８００℃）を越えてしまう問題点があった。
【０００５】
この問題点を解決するために、従来の燃料電池発電設備では、上述した排ガス処理装置１９と放出ライン１９ａを設け、改質器温度を許容値内に保持できる流量（定格の約５％相当）だけを改質器１０に供給し、残りの定格の約２５％相当のアノードガス２を放出ライン１９ａを介して排ガス処理装置１９に供給して焼却処理していた。しかし、そのため、通常運転時には不要な排ガス処理装置１９や放出ライン１９ａが起動時だけのために不可欠となり、発電設備のコンパクト化の弊害になっていた。
【０００６】
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、排ガス処理装置を用いることなく、改質室内の温度分布と燃焼室内の温度を許容範囲に抑制することができ、かつインバータの最低出力条件を満たすアノードガス量を燃料電池に供給することができ、これにより、発電設備をよりコンパクトにすることができる燃料電池発電設備の起動方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内部に窒素ガスを充填した状態で、熱風発生炉により高温の燃焼排ガスを発生させ、該燃焼排ガスにより内部の窒素ガスを間接加熱し、加熱された窒素ガスの循環により燃料電池と改質器を加熱し、燃料電池にウェットシールが形成され、かつ改質器が安定燃焼できる温度に達したときに、前記燃焼排ガスでタービン圧縮機を駆動して空気を導入し、次いで水蒸気と燃料ガスを改質器に供給し、改質器で生成したアノードガスを燃料電池に供給し、その排ガスを改質器の燃焼室に供給する燃料電池発電設備の起動方法において、インバータの最低出力条件を満たす流量の燃料ガスと、その全量が改質され燃焼する場合に最高温度が改質器の許容温度以下になる十分な流量の希釈ガスと、を改質器に供給する、ことを特徴とする燃料電池発電設備の起動方法が提供される。
【０００８】
この方法によれば、インバータの最低出力条件を満たす流量の燃料ガス（例えば定格の約３０％の燃料ガス）を改質器に供給するので、インバータの最低出力条件（定格の約３０％程度）を満たすアノードガス２を改質器で生成し燃料電池に供給することができる。また、燃料ガスの全量が改質され燃焼する場合に最高温度が改質器の許容温度以下になる十分な流量の希釈ガスを燃料ガスと共に改質器に供給するので、希釈ガスと燃料ガスの総量は定格の約３０％程度のガス流量より多く、改質器の改質室内を均一な温度分布に保持することができる。また、希釈ガスと燃料ガスの混合ガスが全量が改質され燃料電池で反応せずにそのまま改質器の燃焼器で燃焼しても、希釈ガスの量が十分多いので、最高温度を改質器の許容温度以下にすることができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記熱風発生炉の燃焼排ガスにより水蒸気を発生させ、この水蒸気を希釈ガスとして燃料ガスに混入する。この方法により、必要な水蒸気量を熱風発生炉の燃焼排ガスから発生させることができ、余分な機器を必要とせず、発電設備をコンパクトにすることができる。また、希釈ガスを窒素ガスとしてもよい。窒素ガスは、燃料電池発電設備の付帯設備として常備されているので、この窒素ガスを用いても、発電設備のコンパクト性を害することがなく、かつ凝縮器１６ａによる水蒸気の凝縮による熱ロスを低減することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による起動方法を適用する燃料電池発電設備の全体構成図である。この図において、燃料電池発電設備は、図３に示した排ガス処理装置１９と放出ライン１９ａがなく、逆に改質器１０の燃料ガスラインに窒素ガスを導入する窒素ガスライン２０が設けられている。その他の構成は、図３に示した構成図と同様である。なお、窒素ガスライン２０は、従来から発電設備を停止する際に、内部に窒素ガスを充填するために、図１と同一の箇所に設けられている。また、改質器１０の燃料ガスラインに水蒸気を導入する水蒸気ライン８も、従来から設けられており、この水蒸気は、図示しない排熱回収ボイラによりタービン圧縮機１２の排ガスから熱回収して発生するようになっている。従って、図１と図３は、排ガス処理装置１９及び放出ライン１９ａがない点を除き共通している。
【００１１】
図２は、本発明による燃料電池発電設備の起動方法を示すブロック線図である。以下、図１及び図２を参照して、本発明の起動方法を説明する。
▲１▼燃料電池の最初の起動前、或いはメンテナンス等のため一旦停止したときには、内部に窒素ガスを充填した状態で、全ての機器が停止し、温度が常温又は数百度程度に保持されている。
【００１２】
▲２▼燃料電池を起動するために、先ず熱風発生炉１８を起動（着火）し、この熱風発生炉１８により燃焼排ガスを発生させる（図２のＳ１）。次いで、この燃焼排ガスを加熱器１６ｂに供給して内部の窒素ガスを間接加熱する（図２のＳ２）。この間接加熱の際に、低温ブロア１７ｃを予め駆動しておき、図１に太線で示したように、燃料電池１１、改質器１０、空気予熱器１３ｂの間を窒素ガスを循環させ、燃料電池１１と改質器１０を加熱する（図２のＳ３）。
【００１３】
▲３▼燃料電池１１が約６５０℃前後に達して電解質が溶けてウェットシールが形成され、かつ改質器１０が約４５０〜５００℃に達して安定燃焼できる温度になったときに、タービン圧縮機１２により空気を導入する（図２のＳ４）。このタービン圧縮機１２は熱風発生炉１８からの燃焼排ガス７ｂにより既に駆動されており（図１参照）、空気の導入は空気ラインに設けられた流量調節弁（図示せず）を開くだけで行うことができる。
【００１４】
▲４▼次いで、タービン圧縮機１２を出た燃焼排ガスから排熱回収ボイラ（図示せず）により水蒸気を発生させる（図２のＳ５）。
▲５▼次に、発生した水蒸気を水蒸気ライン８から改質器１０に供給し、更に、燃料ガス１を改質器１０に供給する（図２のＳ６）。この際、燃料ガス１の流量は、インバータの最低出力条件を満たすように設定し、水蒸気量は、燃料ガス１の全量が改質され燃焼する場合に最高温度が改質器の許容温度以下になるように十分な量に設定する。水蒸気を希釈ガスとして用いることにより、必要な水蒸気量を熱風発生炉１８の燃焼排ガスから発生させることができ、余分な機器を必要とせず、発電設備をコンパクトにすることができる。
【００１５】
なお、▲５▼における希釈ガス（水蒸気）の代わりに、水蒸気量は改質に必要な量（例えばＳ／Ｃ＝３程度）にし、窒素ガスを大量に混入させて、改質器を許容温度以下にしてもよい。窒素ガスは、燃料電池発電設備の付帯設備として常備されているので、この窒素ガスを用いても、発電設備のコンパクト性を害することがなく、かつ水蒸気の供給による熱ロスを低減することができる。
【００１６】
上述した本発明の燃料電池発電設備の起動方法によれば、インバータの最低出力条件を満たす流量の燃料ガス１（例えば定格の約３０％の燃料ガス）を改質器１０に供給するので、インバータの最低出力条件（定格の約３０％程度）を満たすアノードガス２を改質器１０で生成し燃料電池１１に供給することができる。また、燃料ガス１の全量が改質され燃焼する場合に最高温度が改質器１０の許容温度以下になる十分な流量の希釈ガス（水蒸気又は窒素ガス）を燃料ガス１と共に改質器１０に供給するので、希釈ガスと燃料ガスの総量は定格の約３０％程度のガス流量より多く、改質器１０の改質室内を均一な温度分布に保持することができる。また、希釈ガスと燃料ガスの混合ガスが全量が改質され燃料電池１１で反応せずにそのまま改質器１０の燃焼器で燃焼しても、希釈ガスの量が十分多いので、最高温度を改質器１０の許容温度以下にすることができる。
【００１７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１８】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池発電設備の起動方法は、排ガス処理装置を用いることなく、改質室内の温度分布と燃焼室内の温度を許容範囲に抑制することができ、かつインバータの最低出力条件を満たすアノードガス量を燃料電池に供給することができ、これにより、発電設備をよりコンパクトにす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設備の部分構成図である。
【図２】本発明による燃料電池発電設備の起動方法を示すブロック線図である。
【図３】従来の燃料電池発電設備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 水蒸気ライン
１０ 改質器
１１ 燃料電池
１２ タービン圧縮機
１３ａ 燃料予熱器
１３ｂ 空気予熱器
１４ 脱硫器
１５ 気水分離器
１６ａ 凝縮器
１６ｂ 加熱器
１７ａ 燃料ブロア
１７ｂ 高温ブロア
１７ｃ 低温ブロア
１７ｄ 空気ブロア
１８ 熱風発生炉
１９ 排ガス処理装置
１９ａ 放出ライン
２０ 窒素ガスライン

Claims (3)

1. 内部に窒素ガスを充填した状態で、熱風発生炉により高温の燃焼排ガスを発生させ、該燃焼排ガスにより内部の窒素ガスを間接加熱し、加熱された窒素ガスの循環により燃料電池と改質器を加熱し、
   燃料電池にウェットシールが形成され、かつ改質器が安定燃焼できる温度に達したときに、前記燃焼排ガスでタービン圧縮機を駆動して空気を導入し、
   次いで水蒸気と燃料ガスを改質器に供給し、改質器で生成したアノードガスを燃料電池に供給し、その排ガスを改質器の燃焼室に供給する燃料電池発電設備の起動方法において、
   インバータの最低出力条件を満たす流量の燃料ガスと、その全量が改質され燃焼する場合に最高温度が改質器の許容温度以下になる十分な流量の希釈ガスと、を改質器に供給する、ことを特徴とする燃料電池発電設備の起動方法。
2. 前記熱風発生炉の燃焼排ガスにより水蒸気を発生させ、この水蒸気を希釈ガスとして燃料ガスに混入する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備の起動方法。
3. 前記希釈ガスは窒素ガスである、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備の起動方法。

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