JP4670228B2 - 燃料電池プラント - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池セルの電解質がイオン導電性セラミックスや溶融炭酸塩で形成された燃料電池プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体酸化物形燃料電池は、電解質としてイオン導電性セラミックスが使用されており、電解質が固体で安定していることから、高温での運転が可能で発電効率も高効率であり、事業用発電プラントとして期待されている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池の電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニアＹＳＺのような酸素イオンを通すイオン導電性セラミックスで形成され、空気極と燃料極との間に配置される（例えば非特許文献１参照）。空気極は、酸素と電子とを反応させ酸素イオンを発生させるものであり、ランタンマンガナイト系酸化物が一般的に用いられている。一方、燃料極は、空気極からの酸素イオンと燃料ガスとを反応させ燃料ガスを電気化学的に酸化させるものであり、金属ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物であるサーメットが使用されている。金属ニッケルを用いているのはメタン等の燃料ガスの水蒸気改質に優れているからである。
【０００４】
このような固体酸化物形燃料電池を用いて事業用発電プラントを構成する場合には、複数台の固体酸化物形燃料電池をそれぞれ電池ユニットとして配置して固体酸化物形燃料電池プラントを構成している。図６はそのような固体酸化物形燃料電池プラントの構成図である。図６では５台の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅを配置した場合を示している。
【０００５】
電池ユニットは１１Ａ〜１１Ｅは、それぞれ燃料を改質する燃料処理器１２Ａ〜１２Ｅと、燃料処理器１２Ａ〜１２Ｅで改質された燃料を電気化学的に酸化させ直流電力を発生する電池セル１３Ａ〜１３Ｅとから構成されている。電池セル１３Ａ〜１３Ｅは、燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成され、電解質は固体のイオン導電性セラミックスで形成されている。また、燃料極は金属ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物であるサーメットで形成され、空気極はランタンマンガナイト系酸化物で形成されている。
【０００６】
電池セル１３Ａ〜１３Ｅで発生した直流電力は、図示省略のインバータ装置により交流電力に変換されて電力系統に送電される。このように各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅは、燃料改質をその内部で行え、電解質が固体で構成されるので電解質の蒸発による電池性能の低下がなく、作動温度が８００℃〜１０００℃であり、その排ガス温度が高いという特徴を有する。
【０００７】
電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料極には、燃料供給設備１４から燃料供給系統１５を介して、通常、天然ガスＮＧが供給される。燃料供給系統１５には燃料供給主弁１６および各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料極の入口に燃料供給制御弁１７Ａ〜１７Ｅが設けられている。一方、電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの空気極には、酸素供給設備１８から酸素供給系統１９を介して、通常、圧縮された高温の空気が供給される。空気供給系統１９には各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの空気極の入口に空気供給制御弁２０Ａ〜２０Ｅが設けられている。
【０００８】
また、燃料供給系統１５にはパージガス供給主弁２３を介してパージガス供給設備２４が接続されており、電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの停止時には、燃料極が酸化しないように、停止電池ユニットの燃料極にパージガス（例えば窒素）を供給するようにしている。これは、電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料極は金属ニッケルＮｉで形成されており、この金属ニッケルが酸化して体積が膨張し電解質であるイオン導電性セラミックスや燃料極が破損することを防止するためである。
【０００９】
固体酸化物形燃料電池プラントの運転時には、パージガス供給設備１４のパージガス供給主弁２３は閉じられており、燃料供給設備１４から燃料供給主弁１６および燃料供給制御弁１７Ａ〜１７Ｅを介して各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅに燃料を供給し、また、酸素供給設備１８から酸素供給弁２０Ａ〜２０Ｅを介して各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅに酸素を供給して電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅを稼働させる。電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅでの排ガスは排ガス弁２１Ａ〜２１Ｅを介して排ガス系統に排出される。
【００１０】
一方、溶融炭酸塩形燃料電池は電解質として炭酸リチウムや炭酸カリウムなどの混合アルカリ炭酸塩を溶融した溶融炭酸塩が使用され、空気極には酸化ニッケル（リチウムドープ）、燃料極にはニッケル（クロムドープ）が用いられ、高温（例えば６５０℃）での運転が可能で発電効率も高効率である。また、溶融炭酸塩形燃料電池の電池ユニットは、固体酸化物形燃料電池と同様に、それぞれ燃料を改質する燃料処理器と、燃料処理器で改質された燃料を電気化学的に酸化させ直流電力を発生する電池セルとから構成され、複数台の溶融炭酸塩形燃料電池をそれぞれ電池ユニットとして配置して溶融炭酸塩形燃料電池プラントが構成される。
【００１１】
【特許文献１】
社団法人 火力原子力発電技術協会 火力原子力発電 ２００１−１０ Ｎｏ．５４１ Ｖｏｌ．５２ 平成１３年１０月１５日 Ｐ１２８〜Ｐ１２９
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、固体酸化物形燃料電池プラントにおいては、夜間など電力負荷需要が低下する場合には、固体酸化物形燃料電池プラントを停止することが電力系統運用上必要となる場合がある。この場合、固体酸化物形燃料電池プラントは、通常、高温で運転されていることから、一旦停止するとその停止に伴い電池ユニットの温度が低下してしまう。
【００１３】
電池ユニットの温度が低下した状態から起動するには、電解質であるイオン導電性セラミックスに熱ストレスを与えないようにしなければならないので、急激に温度を上昇させることができない。従って、起動時の昇温時間が長くなり、電力需要の増減に迅速に応答できない。また、電池ユニットの停止時には燃料極の酸化防止のためにパージガスの供給が必要となることから、別途、パージガスを供給しなければならない。このように、一旦、電池ユニットを停止すると、その起動に時間がかかるだけでなく、停止電池ユニットの燃料極にパージガスの供給をしなければならないので、そのユーティリティー消費が増えることになり、経済的な運用に支障をきたすことになる。
【００１４】
一方、溶融炭酸塩形燃料電池プラントの場合は、運転時の高温から停止時の常温になると、電解質である溶融炭酸塩の体積が例えば１１％程度も減少し、電解質を支える電解質板が破損する。従って、電力負荷需要が低下する場合に溶融炭酸塩形燃料電池プラントを停止するには、電解質である溶融炭酸塩を高温に保つための熱が必要となり、そのような保温装置を別に設置しなければならない。
【００１５】
本発明の目的は、電力需要の増減に迅速に応答でき経済的な運用ができる燃料電池プラントを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係わる燃料電池プラントは、燃料供給設備から燃料極に供給される燃料を改質して酸素供給設備から空気極に供給される酸素との電気化学反応により直流電力を発生する複数台の電池ユニットと、前記燃料供給設備から複数台の電池ユニットの燃料極に並列的に燃料を供給するための燃料供給系統と、複数台の前記電池ユニットのうちの稼働電池ユニットからの排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給するための暖機系統とを備え、前記稼働電池ユニットからの排ガスに還元性ガスを添加する還元性ガス添加器を前記暖機系統に設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明に係わる燃料電池プラントは、請求項１の発明において、前記稼働電池ユニットからの排ガス中の未燃焼ガスを燃焼させ排ガス中の残存酸素や未燃焼ガスを低減させる触媒燃焼器を前記暖機系統に設けたことを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明に係わる燃料電池プラントは、請求項２の発明において、前記稼働電池ユニットからの排ガスを所定温度に調整する温度調整器を設けたことを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明に係わる燃料電池プラントは、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明において、複数台の前記電池ユニットのうちの少なくともいずれか１台を常に稼働電池ユニットとし、停止電池ユニットがあるときは、その停止電池ユニットの燃料極に前記稼働電池ユニットからの排ガスを暖機系統を介して供給することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池プラントの構成図である。この第１の実施の形態は燃料電池プラントが固体酸化物形燃料電池プラントである場合を示し、図６に示した従来の固体酸化物形燃料電池プラントに対し、複数台の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅのうちの稼働電池ユニットからの排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給するための暖機系統２５を追加して設け、パージガス供給設備２４を必要としない構成としたものである。図６と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２２】
暖気系統２５は、固体酸化物形燃料電池プラントの電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅのいずれかが停止したとき、その停止した停止電池ユニットの燃料極に稼働中の稼働電池ユニットからの排ガスを供給するものである。これにより、停止電池ユニットの燃料処理器１２Ａ〜１２Ｅおよび電池セル１３Ａ〜１３Ｅの温度低下を防止する。
【００２３】
すなわち、暖気系統２５には、各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの排ガスを電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅのうちの少なくともいずれか１台の電池ユニットの燃料極に戻すための排ガス戻し弁２６Ａ〜２６Ｅと、排ガス戻し弁２６Ａ〜２６Ｅで戻された排ガスを電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料極に供給するための排ガス供給弁２７Ａ〜２７Ｅとが設けられている。
【００２４】
図２は、電池ユニット１１の電池セル１３周囲の発電動作時の説明図である。図示省略の燃料処理器１２で改質された燃料（水素リッチガスＨ２）は、燃料配管２８を通り電池セル１３の燃料極に供給され、空気極には空気配管２９を通り酸素Ｏ２が供給される。これにより、電池セル１３において空気極からの酸素イオンＯ２−と燃料極の水素Ｈ２とを反応させて燃料極から水（水蒸気）Ｈ２Ｏが発生する。そして、燃料極の排ガスと空気極の排ガスとが排ガス管３０で合流して電池ユニット１３の排ガスとして排ガス系統２２に供給される。停止発電ユニットに対して、この排ガス管２７の排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給することになる。
【００２５】
図３は、停止指令を受けた固体酸化物形燃料電池プラントの各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの稼働停止状態を示す構成図である。固体酸化物形燃料電池プラントが停止指令を受けた場合には、固体酸化物形燃料電池プラントから電力系統に電力を供給することができないので、通常はすべての電池ユニットを停止させることになるが、本発明では、例えば、電池ユニット１１Ａを稼働状態に保持したまま、その他の電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅを停止させる。
【００２６】
すなわち、電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料供給制御弁１７Ｂ〜１７Ｅおよび空気供給弁２０Ｂ〜２０Ｅを閉じ運転を停止させ、燃料供給制御弁１７Ａおよび空気供給弁２０Ａは開いたままで電池ユニット１１Ａは稼働を継続させる。この場合、暖気系統２５の排ガス戻し弁２６Ａおよび排ガス供給弁２７Ｂ〜２７Ｅを開くと共に、排ガス供給弁２７Ａおよび排ガス戻し弁２６Ｂ〜２６Ｅを閉じる。また、排ガス弁２１Ａは閉じ排ガス弁２１Ｂ〜２１Ｅは開いておく。
【００２７】
これにより、電池ユニット１１Ａは稼働を継続し、その排ガスは、排ガス戻し弁２６Ａ、暖気系統２５、排ガス供給弁２７Ｂ〜２７Ｅを通って、停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給される。停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給された排ガスは、それぞれ停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料処理器１２Ｂ〜１２Ｅおよび電池セル１３Ｂ〜１３Ｅを暖機し、その排ガスは排ガス弁２１Ｂ〜２１Ｅを通って排ガス系統２２に供給される。従って、停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅは、停止中であっても高温に保持され、起動指令があった場合にも迅速に起動できる。
【００２８】
ここで、稼働電池ユニット１１Ａで発電した直流電力は図示省略の電力変換器で交流に変換され固体酸化物形燃料電池プラントの所内負荷に電源を供給する。例えば、稼働電池ユニット１１Ａに燃料や酸素を供給するために必要な動力や所内の照明電力等に使用される。
【００２９】
以上の説明では、固体酸化物形燃料電池プラントが停止指令を受け、電力系統に電力を供給しない場合について説明したが、電力系統に供給する電力を減少させた部分負荷運転を行う場合にも適用できることは言うまでもない。例えば、２台の電池ユニット１１Ａ、１１Ｂを稼働状態として３台の電池ユニット１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅを停止する場合には、稼働電池ユニット１１Ａ、１１Ｂの排ガスを停止電池ユニット１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅの燃料極に供給する。稼働電池ユニット１１Ａ、１１Ｂの排ガスが余剰になる場合には、稼働電池ユニット１１Ａ、１１Ｂの排ガス弁２１Ａ、２１Ｂを開き、排ガス系統２２に排ガスを排出することになる。
【００３０】
また、停止指令を受けたときや部分負荷運転の際に稼働を継続する電池ユニットは、順番に選択するようにしても良いし、各々の電池ユニットの運転時間を考慮し運転時間が平均化するように選択してもよい。これにより、電池ユニットの全体としての長寿命化が図れる。
【００３１】
第１の実施の形態によれば、固体酸化物形燃料電池プラントが停止状態にあるときあるいは部分負荷運転になったときに、少なくとも１台の電池ユニット１３は稼働させ、稼働電池ユニットからの排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給し暖機しているので、停止電池ユニットの電池セルの温度が低下することがなく、起動指令があったときに即座に起動できる。例えば、停止し電池セルの温度が常温まで下がっている状態から定格出力を得るまでに２４時間程度かかっていたものが１時間程度で定格出力を得ることができる。また、停止電池ユニットを起動する際の熱供給源が不要となり、熱ストレスが少なくなるので寿命が延びる。さらに、稼働電池ユニットからの排ガスには未燃焼分の還元性ガス（水素ガス）が微量ながら含まれているので、停止電池ユニットに供給される排ガスがパージガスの役目をするのでパージガス供給設備が不要となる。
【００３２】
次に本発明の第２の実施の形態を説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池プラントの構成図である。この第２の実施の形態は、燃料電池プラントが固体酸化物形燃料電池プラントである場合を示し、図１に示した第１の実施の形態に対し、暖気系統２５に、稼働電池ユニットからの排ガスを所定温度に調整するための温度調整器３１、稼働電池ユニットからの排ガス中の未燃焼ガスを燃焼させ排ガス中の残存酸素や未燃焼ガスを低減させる触媒燃焼器３２、排ガスに還元性ガスを添加する還元性ガス添加器３３を追加して設け、また、還元性ガス添加器３３に還元性ガス（水素リッチガス）を供給する還元性ガス供給系統３４および還元性ガス供給弁３５Ａ〜３５Ｅを追加して設けたものである。
図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３３】
暖気系統２５には、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３が直列的に接続され、また、電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料処理器１２Ａ〜１２Ｅからの還元性ガス（水素リッチガス）は、還元性ガス供給系統３４の還元性ガス供給弁３５Ａ〜３５Ｅを介して還元性ガス添加器３３に供給されるように構成されている。
【００３４】
温度調整器３１は稼働電池ユニットからの排ガスを排ガス戻し弁２６Ａ〜２６Ｅを通して受け入れ、所定の温度に調節して触媒燃焼器３２に供給する。通常、稼働電池ユニットの運転温度は８００℃〜１０００℃であり、停止電池ユニットを暖機するために必要な温度は５００℃〜８００℃程度であるので、所定温度としてはこの範囲のいずれかの温度に設定する。所定温度を設定するのは、停止電池ユニットに供給する排ガス温度のばらつきをなくすと共に、温度調整器３１の後段の触媒燃焼器３２の触媒に悪影響を与えないようにするためである。なお、停止電池ユニットの暖機温度が５００℃程度であれば、電池セルに熱ストレスを与えることなく起動を開始し運転温度８００℃〜１０００℃まで上昇できる。
【００３５】
触媒燃焼器３２は温度調整器３１で温度調整された排ガスを受け入れ、排ガス中の残存酸素や未燃分の燃料ガスを還元性ガスに変換するものであり、触媒により排ガス組成を調整する。例えば、排ガス中に微量に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換したり未燃分の燃料ガス（水素）を水（水蒸気）に変換したりする。これにより、排ガス中に含まれる酸素量を減らし停止電池ユニットの燃料極に供給される排ガス中の酸素濃度を低下させ、燃料極が酸化するのを防止する。
【００３６】
還元性ガス添加器３３は触媒燃焼器３２で組成調整された排ガスに還元性ガスを添加するものであり、この第２の実施の形態では稼働電池ユニットの燃料処理器１２で改質された水素リッチガスを還元性ガスとして添加するようにしているが、別に設けた水素供給設備から添加するようにしても良い。これにより、停止中電池ユニットの燃料極が酸化するのを防止するようにしている。
【００３７】
ここで、添加する還元性ガス（水素リッチガス）は、燃料極の酸化防止の点からは多い方が好ましいが、安全性を考慮して水素の爆発下限界を超えない程度添加することが望ましい。大気中での水素の爆発下限界は５％程度であり、一方、触媒燃焼器３２で組成調整された排ガスに含まれる酸素量は大気中の酸素量より少ないので、大気中での水素の爆発下限界よりは緩和される。これらの事情を考慮に入れて添加する還元性ガス（水素リッチガス）量を決めることになる。
【００３８】
このように、排ガスに還元性ガスを添加するので、排ガス中に酸素が残存していても燃料極における酸素による酸化反応が抑制され燃料極の酸化を防止できる。なお、還元性ガスは水素に限らず、例えば、一酸化炭素等であっても良い。
【００３９】
図５は、停止指令を受けた固体酸化物形燃料電池プラントの各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの稼働停止状態を示す構成図である。図５では、第３図に示した第１の実施の形態の場合と同様に、電池ユニット１１Ａを稼働電池ユニットして稼働させ、その他の電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅを停止電池ユニットとした場合を示している。
【００４０】
すなわち、電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料供給制御弁１７Ｂ〜１７Ｅおよび空気供給弁２０Ｂ〜２０Ｅを閉じ運転を停止させ、燃料供給制御弁１７Ａおよび空気供給弁２０Ａは開いたままで電池ユニット１１Ａは稼働を継続させる。また、暖気系統２５の排ガス戻し弁２６Ａおよび排ガス供給弁２７Ｂ〜２７Ｅを開くと共に、排ガス供給弁２７Ａおよび排ガス戻し弁２６Ｂ〜２６Ｅを閉じる。さらに、排ガス弁２１Ａは閉じ排ガス弁２１Ｂ〜２１Ｅは開いておき、還元性ガス供給弁３５Ａを開き還元性ガス供給弁３５Ｂ〜３５Ｅを閉じる。
【００４１】
これにより、電池ユニット１１Ａは稼働を継続し、その排ガスは、排ガス戻し弁２６Ａ、暖気系統２５の温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３、排ガス供給弁２７Ｂ〜２７Ｅを通って、停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給される。温度調整器３１により所定温度に調整され、触媒燃焼器３２により排ガス組成調整されて特に残存酸素が低減され、還元性ガス添加器３３で還元性ガスが添加されて、パージガスおよび暖機ガスとして停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給される。
【００４２】
停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給された排ガスは、それぞれ停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料処理器１２Ｂ〜１２Ｅおよび電池セル１３Ｂ〜１３Ｅを暖機し、その排ガスは排ガス弁２１Ｂ〜２１Ｅを通って排ガス系統２２に供給される。従って、停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅは、停止中であっても高温に保持され、起動指令があった場合にも迅速に起動できると共に、停止電池ユニットに対して別系統からパージガスを供給する必要がなくなる。
【００４３】
ここで、暖気系統２５に対して、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３の順序でこれらを配置したが、これは以下の理由による。すなわち、まず、温度調整器３１で排ガスの温度調整をして触媒燃焼器３２の触媒に熱ストレスを与えないようにし、触媒燃焼器３２で排ガス組成を調整してから還元ガス添加器３３で適切な量の還元性ガスを添加することが望ましいからである。しかし、触媒への熱ストレスを考慮しなくて良い場合や還元性ガスの添加量に精度を要求されない場合には、必ずしも、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３の順序に配置する必要はなく、これに限る必要はない。
【００４４】
また、暖気系統２５に対して、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３を設けたものを示したが、これらすべてを設ける必要はなく、これらのうちのいずれか一つ、またはいずれか二つを選択して設けるようにしても良い。固体酸化物形燃料電池プラントの電池ユニットの特性に応じて適宜選択して使用する。
【００４５】
第２の実施の形態によれば、請求項１の発明の効果に加え、暖気系統に、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３を設けたので、停止電池ユニットの燃料極の暖機に適した適切な温度および適切なパージガス組成の排ガスを供給できるので、電池ユニットは停止中であっても常に起動に適した温度に保持され起動指令があった場合に迅速に起動できる。また、別系統からパージガスを供給しなくても燃料極の酸化を適正に防止できる。すなわち、暖機のための排ガスはパージガスの役目をするので燃料極の酸化が防止されパージガス供給設備が不要となり、ユーティリティー消費を抑制できるので経済性が向上する。
【００４６】
以上述べた第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、燃料電池プラントとして固体酸化物形燃料電池プラントである場合について説明したが、溶融炭酸塩形燃料電池プラントの場合にも適用できることは言うまでもない。すなわち、電力負荷需要が低下する場合に溶融炭酸塩形燃料電池プラントを構成する複数台の電池ユニットのうち少なくとも１台を稼働電池ユニットとし、残りの電池ユニットを停止させ、稼働電池ユニットからの排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給して停止電池ユニットが冷却するのを防止する。従って、電力負荷需要が低下する場合に溶融炭酸塩形燃料電池プラントを停止する運用が採用できるようになり運用性が向上する。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、燃料電池プラントを構成する電池ユニットの少なくともいずれか１台は常に稼働状態としておき、停止電池ユニットを稼働電池ユニットの排ガスで暖機しているので、燃料電池プラントの頻繁な起動停止にも迅速に対応でき運用性が向上する。また、暖機のための排ガスはパージガスの役目をするので燃料極の酸化が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池プラントの構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における電池ユニットの電池セル周囲の発電動作時の説明図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の燃料電池プラントが停止指令を受けた場合の各々の電池ユニットの稼働停止状態を示す構成図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池プラントの構成図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の燃料電池プラントが停止指令を受けた場合の各々の電池ユニットの稼働停止状態を示す構成図。
【図６】従来の固体酸化物形燃料電池プラントの構成図。
【符号の説明】
１１…電池ユニット、１２…燃料処理器、１３…電池セル、１４…燃料供給設備、１５…燃料供給系統、１６…燃料供給主弁、１７…燃料供給制御弁、１８…酸素供給設備、１９…酸素供給系統、２０…酸素供給弁、２１…排ガス弁、２２…排ガス系統、２３…パージガス供給主弁、２４…パージガス供給設備、２５…暖機系統、２６…排ガス戻し弁、２７…排ガス供給弁、２８…燃料配管、２９…空気配管、３０…排ガス管、３１…温度調整器、３２…触媒燃焼器、３３…還元性ガス添加器、３４…還元性ガス供給系統、３５…還元性ガス供給弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池セルの電解質がイオン導電性セラミックスや溶融炭酸塩で形成された燃料電池プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体酸化物形燃料電池は、電解質としてイオン導電性セラミックスが使用されており、電解質が固体で安定していることから、高温での運転が可能で発電効率も高効率であり、事業用発電プラントとして期待されている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池の電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニアＹＳＺのような酸素イオンを通すイオン導電性セラミックスで形成され、空気極と燃料極との間に配置される（例えば非特許文献１参照）。空気極は、酸素と電子とを反応させ酸素イオンを発生させるものであり、ランタンマンガナイト系酸化物が一般的に用いられている。一方、燃料極は、空気極からの酸素イオンと燃料ガスとを反応させ燃料ガスを電気化学的に酸化させるものであり、金属ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物であるサーメットが使用されている。金属ニッケルを用いているのはメタン等の燃料ガスの水蒸気改質に優れているからである。
【０００４】
このような固体酸化物形燃料電池を用いて事業用発電プラントを構成する場合には、複数台の固体酸化物形燃料電池をそれぞれ電池ユニットとして配置して固体酸化物形燃料電池プラントを構成している。図６はそのような固体酸化物形燃料電池プラントの構成図である。図６では５台の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅを配置した場合を示している。
【０００５】
電池ユニットは１１Ａ〜１１Ｅは、それぞれ燃料を改質する燃料処理器１２Ａ〜１２Ｅと、燃料処理器１２Ａ〜１２Ｅで改質された燃料を電気化学的に酸化させ直流電力を発生する電池セル１３Ａ〜１３Ｅとから構成されている。電池セル１３Ａ〜１３Ｅは、燃料極と空気極との間に電解質を挟んで構成され、電解質は固体のイオン導電性セラミックスで形成されている。また、燃料極は金属ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物であるサーメットで形成され、空気極はランタンマンガナイト系酸化物で形成されている。
【０００６】
電池セル１３Ａ〜１３Ｅで発生した直流電力は、図示省略のインバータ装置により交流電力に変換されて電力系統に送電される。このように各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅは、燃料改質をその内部で行え、電解質が固体で構成されるので電解質の蒸発による電池性能の低下がなく、作動温度が８００℃〜１０００℃であり、その排ガス温度が高いという特徴を有する。
【０００７】
電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料極には、燃料供給設備１４から燃料供給系統１５を介して、通常、天然ガスＮＧが供給される。燃料供給系統１５には燃料供給主弁１６および各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料極の入口に燃料供給制御弁１７Ａ〜１７Ｅが設けられている。一方、電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの空気極には、酸素供給設備１８から酸素供給系統１９を介して、通常、圧縮された高温の空気が供給される。空気供給系統１９には各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの空気極の入口に空気供給制御弁２０Ａ〜２０Ｅが設けられている。
【０００８】
また、燃料供給系統１５にはパージガス供給主弁２３を介してパージガス供給設備２４が接続されており、電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの停止時には、燃料極が酸化しないように、停止電池ユニットの燃料極にパージガス（例えば窒素）を供給するようにしている。これは、電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料極は金属ニッケルＮｉで形成されており、この金属ニッケルが酸化して体積が膨張し電解質であるイオン導電性セラミックスや燃料極が破損することを防止するためである。
【０００９】
固体酸化物形燃料電池プラントの運転時には、パージガス供給設備１４のパージガス供給主弁２３は閉じられており、燃料供給設備１４から燃料供給主弁１６および燃料供給制御弁１７Ａ〜１７Ｅを介して各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅに燃料を供給し、また、酸素供給設備１８から酸素供給弁２０Ａ〜２０Ｅを介して各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅに酸素を供給して電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅを稼働させる。電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅでの排ガスは排ガス弁２１Ａ〜２１Ｅを介して排ガス系統に排出される。
【００１０】
一方、溶融炭酸塩形燃料電池は電解質として炭酸リチウムや炭酸カリウムなどの混合アルカリ炭酸塩を溶融した溶融炭酸塩が使用され、空気極には酸化ニッケル（リチウムドープ）、燃料極にはニッケル（クロムドープ）が用いられ、高温（例えば６５０℃）での運転が可能で発電効率も高効率である。また、溶融炭酸塩形燃料電池の電池ユニットは、固体酸化物形燃料電池と同様に、それぞれ燃料を改質する燃料処理器と、燃料処理器で改質された燃料を電気化学的に酸化させ直流電力を発生する電池セルとから構成され、複数台の溶融炭酸塩形燃料電池をそれぞれ電池ユニットとして配置して溶融炭酸塩形燃料電池プラントが構成される。
【００１１】
【特許文献１】
社団法人 火力原子力発電技術協会 火力原子力発電 ２００１−１０ Ｎｏ．５４１ Ｖｏｌ．５２ 平成１３年１０月１５日 Ｐ１２８〜Ｐ１２９
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、固体酸化物形燃料電池プラントにおいては、夜間など電力負荷需要が低下する場合には、固体酸化物形燃料電池プラントを停止することが電力系統運用上必要となる場合がある。この場合、固体酸化物形燃料電池プラントは、通常、高温で運転されていることから、一旦停止するとその停止に伴い電池ユニットの温度が低下してしまう。
【００１３】
電池ユニットの温度が低下した状態から起動するには、電解質であるイオン導電性セラミックスに熱ストレスを与えないようにしなければならないので、急激に温度を上昇させることができない。従って、起動時の昇温時間が長くなり、電力需要の増減に迅速に応答できない。また、電池ユニットの停止時には燃料極の酸化防止のためにパージガスの供給が必要となることから、別途、パージガスを供給しなければならない。このように、一旦、電池ユニットを停止すると、その起動に時間がかかるだけでなく、停止電池ユニットの燃料極にパージガスの供給をしなければならないので、そのユーティリティー消費が増えることになり、経済的な運用に支障をきたすことになる。
【００１４】
一方、溶融炭酸塩形燃料電池プラントの場合は、運転時の高温から停止時の常温になると、電解質である溶融炭酸塩の体積が例えば１１％程度も減少し、電解質を支える電解質板が破損する。従って、電力負荷需要が低下する場合に溶融炭酸塩形燃料電池プラントを停止するには、電解質である溶融炭酸塩を高温に保つための熱が必要となり、そのような保温装置を別に設置しなければならない。
【００１５】
本発明の目的は、電力需要の増減に迅速に応答でき経済的な運用ができる燃料電池プラントを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係わる燃料電池プラントは、燃料供給設備から燃料極に供給される燃料を改質して酸素供給設備から空気極に供給される酸素との電気化学反応により直流電力を発生する複数台の電池ユニットと、前記燃料供給設備から複数台の電池ユニットの燃料極に並列的に燃料を供給するための燃料供給系統と、複数台の前記電池ユニットのうちの稼働電池ユニットからの排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給するための暖機系統とを備え、前記稼働電池ユニットからの排ガスに還元性ガスを添加する還元性ガス添加器を前記暖機系統に設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明に係わる燃料電池プラントは、請求項１の発明において、前記稼働電池ユニットからの排ガス中の未燃焼ガスを燃焼させ排ガス中の残存酸素や未燃焼ガスを低減させる触媒燃焼器を前記暖機系統に設けたことを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明に係わる燃料電池プラントは、請求項２の発明において、前記稼働電池ユニットからの排ガスを所定温度に調整する温度調整器を設けたことを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明に係わる燃料電池プラントは、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明において、複数台の前記電池ユニットのうちの少なくともいずれか１台を常に稼働電池ユニットとし、停止電池ユニットがあるときは、その停止電池ユニットの燃料極に前記稼働電池ユニットからの排ガスを暖機系統を介して供給することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池プラントの構成図である。この第１の実施の形態は燃料電池プラントが固体酸化物形燃料電池プラントである場合を示し、図６に示した従来の固体酸化物形燃料電池プラントに対し、複数台の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅのうちの稼働電池ユニットからの排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給するための暖機系統２５を追加して設け、パージガス供給設備２４を必要としない構成としたものである。図６と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２２】
暖気系統２５は、固体酸化物形燃料電池プラントの電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅのいずれかが停止したとき、その停止した停止電池ユニットの燃料極に稼働中の稼働電池ユニットからの排ガスを供給するものである。これにより、停止電池ユニットの燃料処理器１２Ａ〜１２Ｅおよび電池セル１３Ａ〜１３Ｅの温度低下を防止する。
【００２３】
すなわち、暖気系統２５には、各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの排ガスを電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅのうちの少なくともいずれか１台の電池ユニットの燃料極に戻すための排ガス戻し弁２６Ａ〜２６Ｅと、排ガス戻し弁２６Ａ〜２６Ｅで戻された排ガスを電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料極に供給するための排ガス供給弁２７Ａ〜２７Ｅとが設けられている。
【００２４】
図２は、電池ユニット１１の電池セル１３周囲の発電動作時の説明図である。図示省略の燃料処理器１２で改質された燃料（水素リッチガスＨ２）は、燃料配管２８を通り電池セル１３の燃料極に供給され、空気極には空気配管２９を通り酸素Ｏ２が供給される。これにより、電池セル１３において空気極からの酸素イオンＯ２−と燃料極の水素Ｈ２とを反応させて燃料極から水（水蒸気）Ｈ２Ｏが発生する。そして、燃料極の排ガスと空気極の排ガスとが排ガス管３０で合流して電池ユニット１３の排ガスとして排ガス系統２２に供給される。停止発電ユニットに対して、この排ガス管２７の排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給することになる。
【００２５】
図３は、停止指令を受けた固体酸化物形燃料電池プラントの各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの稼働停止状態を示す構成図である。固体酸化物形燃料電池プラントが停止指令を受けた場合には、固体酸化物形燃料電池プラントから電力系統に電力を供給することができないので、通常はすべての電池ユニットを停止させることになるが、本発明では、例えば、電池ユニット１１Ａを稼働状態に保持したまま、その他の電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅを停止させる。
【００２６】
すなわち、電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料供給制御弁１７Ｂ〜１７Ｅおよび空気供給弁２０Ｂ〜２０Ｅを閉じ運転を停止させ、燃料供給制御弁１７Ａおよび空気供給弁２０Ａは開いたままで電池ユニット１１Ａは稼働を継続させる。この場合、暖気系統２５の排ガス戻し弁２６Ａおよび排ガス供給弁２７Ｂ〜２７Ｅを開くと共に、排ガス供給弁２７Ａおよび排ガス戻し弁２６Ｂ〜２６Ｅを閉じる。また、排ガス弁２１Ａは閉じ排ガス弁２１Ｂ〜２１Ｅは開いておく。
【００２７】
これにより、電池ユニット１１Ａは稼働を継続し、その排ガスは、排ガス戻し弁２６Ａ、暖気系統２５、排ガス供給弁２７Ｂ〜２７Ｅを通って、停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給される。停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給された排ガスは、それぞれ停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料処理器１２Ｂ〜１２Ｅおよび電池セル１３Ｂ〜１３Ｅを暖機し、その排ガスは排ガス弁２１Ｂ〜２１Ｅを通って排ガス系統２２に供給される。従って、停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅは、停止中であっても高温に保持され、起動指令があった場合にも迅速に起動できる。
【００２８】
ここで、稼働電池ユニット１１Ａで発電した直流電力は図示省略の電力変換器で交流に変換され固体酸化物形燃料電池プラントの所内負荷に電源を供給する。例えば、稼働電池ユニット１１Ａに燃料や酸素を供給するために必要な動力や所内の照明電力等に使用される。
【００２９】
以上の説明では、固体酸化物形燃料電池プラントが停止指令を受け、電力系統に電力を供給しない場合について説明したが、電力系統に供給する電力を減少させた部分負荷運転を行う場合にも適用できることは言うまでもない。例えば、２台の電池ユニット１１Ａ、１１Ｂを稼働状態として３台の電池ユニット１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅを停止する場合には、稼働電池ユニット１１Ａ、１１Ｂの排ガスを停止電池ユニット１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅの燃料極に供給する。稼働電池ユニット１１Ａ、１１Ｂの排ガスが余剰になる場合には、稼働電池ユニット１１Ａ、１１Ｂの排ガス弁２１Ａ、２１Ｂを開き、排ガス系統２２に排ガスを排出することになる。
【００３０】
また、停止指令を受けたときや部分負荷運転の際に稼働を継続する電池ユニットは、順番に選択するようにしても良いし、各々の電池ユニットの運転時間を考慮し運転時間が平均化するように選択してもよい。これにより、電池ユニットの全体としての長寿命化が図れる。
【００３１】
第１の実施の形態によれば、固体酸化物形燃料電池プラントが停止状態にあるときあるいは部分負荷運転になったときに、少なくとも１台の電池ユニット１３は稼働させ、稼働電池ユニットからの排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給し暖機しているので、停止電池ユニットの電池セルの温度が低下することがなく、起動指令があったときに即座に起動できる。例えば、停止し電池セルの温度が常温まで下がっている状態から定格出力を得るまでに２４時間程度かかっていたものが１時間程度で定格出力を得ることができる。また、停止電池ユニットを起動する際の熱供給源が不要となり、熱ストレスが少なくなるので寿命が延びる。さらに、稼働電池ユニットからの排ガスには未燃焼分の還元性ガス（水素ガス）が微量ながら含まれているので、停止電池ユニットに供給される排ガスがパージガスの役目をするのでパージガス供給設備が不要となる。
【００３２】
次に本発明の第２の実施の形態を説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池プラントの構成図である。この第２の実施の形態は、燃料電池プラントが固体酸化物形燃料電池プラントである場合を示し、図１に示した第１の実施の形態に対し、暖気系統２５に、稼働電池ユニットからの排ガスを所定温度に調整するための温度調整器３１、稼働電池ユニットからの排ガス中の未燃焼ガスを燃焼させ排ガス中の残存酸素や未燃焼ガスを低減させる触媒燃焼器３２、排ガスに還元性ガスを添加する還元性ガス添加器３３を追加して設け、また、還元性ガス添加器３３に還元性ガス（水素リッチガス）を供給する還元性ガス供給系統３４および還元性ガス供給弁３５Ａ〜３５Ｅを追加して設けたものである。
図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３３】
暖気系統２５には、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３が直列的に接続され、また、電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの燃料処理器１２Ａ〜１２Ｅからの還元性ガス（水素リッチガス）は、還元性ガス供給系統３４の還元性ガス供給弁３５Ａ〜３５Ｅを介して還元性ガス添加器３３に供給されるように構成されている。
【００３４】
温度調整器３１は稼働電池ユニットからの排ガスを排ガス戻し弁２６Ａ〜２６Ｅを通して受け入れ、所定の温度に調節して触媒燃焼器３２に供給する。通常、稼働電池ユニットの運転温度は８００℃〜１０００℃であり、停止電池ユニットを暖機するために必要な温度は５００℃〜８００℃程度であるので、所定温度としてはこの範囲のいずれかの温度に設定する。所定温度を設定するのは、停止電池ユニットに供給する排ガス温度のばらつきをなくすと共に、温度調整器３１の後段の触媒燃焼器３２の触媒に悪影響を与えないようにするためである。なお、停止電池ユニットの暖機温度が５００℃程度であれば、電池セルに熱ストレスを与えることなく起動を開始し運転温度８００℃〜１０００℃まで上昇できる。
【００３５】
触媒燃焼器３２は温度調整器３１で温度調整された排ガスを受け入れ、排ガス中の残存酸素や未燃分の燃料ガスを還元性ガスに変換するものであり、触媒により排ガス組成を調整する。例えば、排ガス中に微量に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換したり未燃分の燃料ガス（水素）を水（水蒸気）に変換したりする。これにより、排ガス中に含まれる酸素量を減らし停止電池ユニットの燃料極に供給される排ガス中の酸素濃度を低下させ、燃料極が酸化するのを防止する。
【００３６】
還元性ガス添加器３３は触媒燃焼器３２で組成調整された排ガスに還元性ガスを添加するものであり、この第２の実施の形態では稼働電池ユニットの燃料処理器１２で改質された水素リッチガスを還元性ガスとして添加するようにしているが、別に設けた水素供給設備から添加するようにしても良い。これにより、停止中電池ユニットの燃料極が酸化するのを防止するようにしている。
【００３７】
ここで、添加する還元性ガス（水素リッチガス）は、燃料極の酸化防止の点からは多い方が好ましいが、安全性を考慮して水素の爆発下限界を超えない程度添加することが望ましい。大気中での水素の爆発下限界は５％程度であり、一方、触媒燃焼器３２で組成調整された排ガスに含まれる酸素量は大気中の酸素量より少ないので、大気中での水素の爆発下限界よりは緩和される。これらの事情を考慮に入れて添加する還元性ガス（水素リッチガス）量を決めることになる。
【００３８】
このように、排ガスに還元性ガスを添加するので、排ガス中に酸素が残存していても燃料極における酸素による酸化反応が抑制され燃料極の酸化を防止できる。なお、還元性ガスは水素に限らず、例えば、一酸化炭素等であっても良い。
【００３９】
図５は、停止指令を受けた固体酸化物形燃料電池プラントの各々の電池ユニット１１Ａ〜１１Ｅの稼働停止状態を示す構成図である。図５では、第３図に示した第１の実施の形態の場合と同様に、電池ユニット１１Ａを稼働電池ユニットして稼働させ、その他の電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅを停止電池ユニットとした場合を示している。
【００４０】
すなわち、電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料供給制御弁１７Ｂ〜１７Ｅおよび空気供給弁２０Ｂ〜２０Ｅを閉じ運転を停止させ、燃料供給制御弁１７Ａおよび空気供給弁２０Ａは開いたままで電池ユニット１１Ａは稼働を継続させる。また、暖気系統２５の排ガス戻し弁２６Ａおよび排ガス供給弁２７Ｂ〜２７Ｅを開くと共に、排ガス供給弁２７Ａおよび排ガス戻し弁２６Ｂ〜２６Ｅを閉じる。さらに、排ガス弁２１Ａは閉じ排ガス弁２１Ｂ〜２１Ｅは開いておき、還元性ガス供給弁３５Ａを開き還元性ガス供給弁３５Ｂ〜３５Ｅを閉じる。
【００４１】
これにより、電池ユニット１１Ａは稼働を継続し、その排ガスは、排ガス戻し弁２６Ａ、暖気系統２５の温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３、排ガス供給弁２７Ｂ〜２７Ｅを通って、停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給される。温度調整器３１により所定温度に調整され、触媒燃焼器３２により排ガス組成調整されて特に残存酸素が低減され、還元性ガス添加器３３で還元性ガスが添加されて、パージガスおよび暖機ガスとして停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給される。
【００４２】
停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料極に供給された排ガスは、それぞれ停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅの燃料処理器１２Ｂ〜１２Ｅおよび電池セル１３Ｂ〜１３Ｅを暖機し、その排ガスは排ガス弁２１Ｂ〜２１Ｅを通って排ガス系統２２に供給される。従って、停止電池ユニット１１Ｂ〜１１Ｅは、停止中であっても高温に保持され、起動指令があった場合にも迅速に起動できると共に、停止電池ユニットに対して別系統からパージガスを供給する必要がなくなる。
【００４３】
ここで、暖気系統２５に対して、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３の順序でこれらを配置したが、これは以下の理由による。すなわち、まず、温度調整器３１で排ガスの温度調整をして触媒燃焼器３２の触媒に熱ストレスを与えないようにし、触媒燃焼器３２で排ガス組成を調整してから還元ガス添加器３３で適切な量の還元性ガスを添加することが望ましいからである。しかし、触媒への熱ストレスを考慮しなくて良い場合や還元性ガスの添加量に精度を要求されない場合には、必ずしも、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３の順序に配置する必要はなく、これに限る必要はない。
【００４４】
また、暖気系統２５に対して、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３を設けたものを示したが、これらすべてを設ける必要はなく、これらのうちのいずれか一つ、またはいずれか二つを選択して設けるようにしても良い。固体酸化物形燃料電池プラントの電池ユニットの特性に応じて適宜選択して使用する。
【００４５】
第２の実施の形態によれば、請求項１の発明の効果に加え、暖気系統に、温度調整器３１、触媒燃焼器３２、還元性ガス添加器３３を設けたので、停止電池ユニットの燃料極の暖機に適した適切な温度および適切なパージガス組成の排ガスを供給できるので、電池ユニットは停止中であっても常に起動に適した温度に保持され起動指令があった場合に迅速に起動できる。また、別系統からパージガスを供給しなくても燃料極の酸化を適正に防止できる。すなわち、暖機のための排ガスはパージガスの役目をするので燃料極の酸化が防止されパージガス供給設備が不要となり、ユーティリティー消費を抑制できるので経済性が向上する。
【００４６】
以上述べた第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、燃料電池プラントとして固体酸化物形燃料電池プラントである場合について説明したが、溶融炭酸塩形燃料電池プラントの場合にも適用できることは言うまでもない。すなわち、電力負荷需要が低下する場合に溶融炭酸塩形燃料電池プラントを構成する複数台の電池ユニットのうち少なくとも１台を稼働電池ユニットとし、残りの電池ユニットを停止させ、稼働電池ユニットからの排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給して停止電池ユニットが冷却するのを防止する。従って、電力負荷需要が低下する場合に溶融炭酸塩形燃料電池プラントを停止する運用が採用できるようになり運用性が向上する。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、燃料電池プラントを構成する電池ユニットの少なくともいずれか１台は常に稼働状態としておき、停止電池ユニットを稼働電池ユニットの排ガスで暖機しているので、燃料電池プラントの頻繁な起動停止にも迅速に対応でき運用性が向上する。また、暖機のための排ガスはパージガスの役目をするので燃料極の酸化が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池プラントの構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における電池ユニットの電池セル周囲の発電動作時の説明図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の燃料電池プラントが停止指令を受けた場合の各々の電池ユニットの稼働停止状態を示す構成図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池プラントの構成図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の燃料電池プラントが停止指令を受けた場合の各々の電池ユニットの稼働停止状態を示す構成図。
【図６】従来の固体酸化物形燃料電池プラントの構成図。
【符号の説明】
１１…電池ユニット、１２…燃料処理器、１３…電池セル、１４…燃料供給設備、１５…燃料供給系統、１６…燃料供給主弁、１７…燃料供給制御弁、１８…酸素供給設備、１９…酸素供給系統、２０…酸素供給弁、２１…排ガス弁、２２…排ガス系統、２３…パージガス供給主弁、２４…パージガス供給設備、２５…暖機系統、２６…排ガス戻し弁、２７…排ガス供給弁、２８…燃料配管、２９…空気配管、３０…排ガス管、３１…温度調整器、３２…触媒燃焼器、３３…還元性ガス添加器、３４…還元性ガス供給系統、３５…還元性ガス供給弁
Claims (4)
- 燃料供給設備から燃料極に供給される燃料を改質して酸素供給設備から空気極に供給される酸素との電気化学反応により直流電力を発生する複数台の電池ユニットと、前記燃料供給設備から複数台の電池ユニットの燃料極に並列的に燃料を供給するための燃料供給系統と、複数台の前記電池ユニットのうちの稼働電池ユニットからの排ガスを停止電池ユニットの燃料極に供給するための暖機系統とを備え、前記稼働電池ユニットからの排ガスに還元性ガスを添加する還元性ガス添加器を前記暖機系統に設けたことを特徴とする燃料電池プラント。
- 前記稼働電池ユニットからの排ガス中の未燃焼ガスを燃焼させ排ガス中の残存酸素や未燃焼ガスを低減させる触媒燃焼器を前記暖機系統に設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池プラント。
- 前記稼働電池ユニットからの排ガスを所定温度に調整する温度調整器を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池プラント。
- 複数台の前記電池ユニットのうちの少なくともいずれか１台を常に稼働電池ユニットとし、停止電池ユニットがあるときは、その停止電池ユニットの燃料極に前記稼働電池ユニットからの排ガスを暖機系統を介して供給することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料電池プラント。
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