JPH01112671A - 燃料電池発電プラントの運転方法及び燃料電池発電プラント - Google Patents

燃料電池発電プラントの運転方法及び燃料電池発電プラント

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池を用いたコジェネレーションプラン
トの運転方法に係り、特に、低負荷域まで安定な運転が
可能であり、かつ、熟／電気出力を任意に選択すことが
できる運転方法に関するものである。
〔従来の技術〕
従来の燃料電池発電プラントでは、特公昭５８−５６２
３１号に記載のように、燃料電池アノードの未反応燃料
を改質器燃焼部へ供給して熱回収を行うこと等により、
定格での発電効率の向上を図っていた。しかし、部分負
荷時の運転方法、特にコジェネレーションを考慮した部
分負荷時の特性の検討については検討が行なわれなかっ
たため、特別な配置ａはされていなかった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術においては、部分負荷時の運転方法につい
て配置、Ｐがされておらず、定格負荷運転時の発電効率
向上のため、加圧の発電プラントを植成している。そし
て、部分負荷運転時は、補助燃料を供給して膨張タービ
ン、圧縮機を負荷範囲全域でほぼ一定の運転条件に保ち
、プラントの運転圧力を一定に保っている。このため、
燃料制御弁の制御特性および膨張タービン圧縮機の運転
特性の制約により１部分負荷時の運用特性が悪く、特に
最低負荷率が高くなるという問題が有る。また、コジェ
ネレーションプラントにおいては、電力゛需要および熱
需要の両方に対応した負荷運用ができないという問題が
あった。
本発明の目的は、加圧の燃料電池プラントの部分負荷で
の運用性を向上させると同時に、特にコジェネレーショ
ンプラントにおいて、任意の比率で、電気出力と熱出力
とを供給することができる。
負荷運用性に優れた、信頼性の高い高効率な燃料電池発
電プラントの運転方法を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、燃料電池の電気出力の変化に対応して燃料
圧力をルリ御することにより 〔作用〕 燃料電池の電気出力に対応して燃料圧力を制御すること
により、燃料電池へ供給する燃料の重量流量が燃料圧力
に比例して制御されるので、燃料電池の電気出力が制御
できる。燃料流量の制御を燃料圧力及び燃料流量制御弁
により行うことにより、低負荷範囲まで安定な運転を行
うことができる。
本発明を実施する場合、燃料圧力に合わせて、膨張ター
ビンへ供給する熱量を制御し、圧縮機吐出空気圧力を制
御することにより、燃料電池のアノード、カソード間の
差圧を許容値内に押えて燃料圧力を変化させることがで
きる。また、空気供給圧力を低下させる分だけ、昇圧の
ための動力が低減し５部分負荷の効率が向上する。圧縮
機吐出空気圧力を変化させることにより、膨張タービン
。
圧縮機の運転範囲が大きくなり１部分負荷での運用性が
向上する。
燃料電池へ供給する空気と炭酸ガスとの混合ガスの温度
を燃料電池へ供給される燃料を加減して制御することに
より、燃料電池の反応温度を補機運転動力の増加なしに
、一定に保つことができる。
排熱回収熱交換器入口または膨張タービン入口の補助燃
焼装置へ、電気出力の運転制約と独立に燃料を供給する
ことにより、電気／熱出力比を任意に選定できるので、
電力需要と熱需要との両方の需要に対応できる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。
燃料１は、約６〜１０ｋｇ／ｃｍ２に加圧されて改質器
４に供給される。改質器４では、天然ガス等の燃料を、
改質器反応部５で、膨張タービン３７の排熱回収ボイラ
４１等により生成される然気３と改質反応を起こさせ、
燃料及び−酸化炭素を主成分とするガスに改質させる。
改質させた水素及び−酸化炭素を主成分とする反応ガス
７は約６６０℃で燃料電池８のアノード９へ供給される
。
本実施例で用いた燃料電池８は、燃料電池の積層体によ
り溝成され、各燃料電池は、正極と負（菓とこれらの両
極の間に配置された電解質１０と、正極の非電解質側に
設けられたガス通路（正極及び正極ガス通路をカソード
１１と呼ぶ）と負極の非電解質側に設けられた一ガス通
路（負極及び負極ガス通路とアノード９と呼ぶ）とを含
む。
本実施例では、電解質に炭酸リチウム、炭酸カリウムな
どの炭酸塩を用い、それが溶融状態になる約５５０℃〜
７００°Ｃの温度で運転する溶融炭酸塩を用いている。
アノード９へ供給された反応ガス７は、カソード１１へ
供給される空気と炭酸ガスの混合ガス（酸化剤ガス）３
０と反応する。カソード１１では、上記酸化剤７ガスが
電子を受は取って炭酸イオンになり電解質の中に入る。
アノード９では、水素と電解質中の炭酸イオンが反応し
て、炭酸ガス及び水を生成し電子を放出する。この結果
、アノードからカソードへ電子が移動し電流が発生する
。
燃料電池８アノード排ガス１２には、反応ガス７中の水
素、−酸化炭素と、炭酸イオンとの反応により生成した
炭酸ガス、水を含んでいる。
燃料電池８アノード排ガス１２は、ガス／ガス熱交換器
１３にて熱交換し冷却される。さらにガス冷却器８７に
て冷却され、気水分離器１５にて、アノード排ガス１２
に生成した水を分離する。
水分を分離したアノード排ガス１７は、圧縮機１８にて
圧縮され、改質器燃焼部６へ供給される。
燃料１を水蒸気３と反応させて水素及び−酸化炭素に改
質する水蒸気改質反応は吸熱反応であり。
外部から熱を与える必要がある。本実施例では、改質器
燃焼部６へ、燃料電池８アノード排ガス１２を供給し、
ガス中に含まれる水宏、−酸化炭素等の未反応燃料を燃
焼させて反応熱を供給している。
改質器４の反応は、改質器反応部５へ供給する燃料１と
水蒸気３との比が一定となるよう燃料流量１に比例して
水蒸気３の流量を制御すること、及び反応温度が一定と
なるよう改質器燃焼部６の燃焼温度８４を空気流量調整
弁７３により、空気過剰率を制御することにより行って
いる。
燃料電池８カソード１１へ供給される酸化剤ガス３ｏは
、空気と炭酸ガスとの混合ガスであり、空気は空気圧縮
［３６にて、定格負荷運転時６〜１０ｋｇ／ｃｍ２に加
圧され供給される。一方、炭酸ガスは、改質器燃焼部排
ガス２１として供給される。排ガス２１は、燃料となる
アノード排ガス２０を昇圧圧縮機１８で加圧すること、
及び空気２７を圧縮機３６で加圧することにより、定格
負荷運転時６〜１０ｋｇ／ｃｍ２に加圧されている。
燃料電池８は、反応圧力２反応温度２反応ガス中の燃料
濃度が高いほど反応ガスの持つ熱量から電気出力として
取り出せる割合である発電効率が高いことが知られてい
る。
反応ガス圧力については、燃料電池の発電効率は、圧力
が高いほど高くなるが、日本国内では、法規制上の制約
により１０ｋｇ／ｃｍｚ以下とするのが一般的である。
燃料電池で反応したガスの持つ熱量のうち、電気出力と
して取り出すことのできない熱量は、分極、接触抵抗等
の抵抗により熱に変換されるため、燃料電池を冷却する
必要がある。
燃料電池８の冷却は、燃料電池８アノード９及びカソー
ド１１へ多量のガスを流して冷却している。
燃料電池カソード排ガス３２は、膨張タービン３７によ
って、圧縮機３６を駆動し熱回収を行なっている。
燃料電池発電プラントは、改質器４．燃料電池８、膨張
タービン３７が相互にバランスして、熱回収システムを
構成することにより、定格負荷運転時のプラント総合発
電効率４５〜５０％、総合熱効率８０〜８５％を達成し
ている。
また燃料電池は、薄い燃料電池の積層体で構成されてい
るため、アノード、カソード間の差圧を０．０１〜０　
、１　ｋｇ／ｃｍ２程度に押える必要がある。
従来の加圧燃料電池プラントでは、燃料圧力を一定とし
て、燃料流量調整弁により燃料流量を制御し、膨張ター
ビンへ補助燃料を供給して、膨張タービンをほぼ一定運
転として、部分負荷の運用を行っている。
燃料流量調整弁の調整範囲は約２０〜１００％程度であ
り、膨張タービンの運転特性により、プラント全体の部
分負荷運用が制約される。
本発明では、燃料電池発電プラントへの電力負荷要求償
号６４に対応して燃料圧力を設定し、燃料圧力調整弁６
５を調整することにより燃料電池８へ供給する燃料圧力
を調整する。燃料圧力に対応して、膨張タービン３７へ
供給される熱量を調整することにより圧縮機３６吐出空
気圧力を制御し、燃料電池のアノード、カソード間の差
圧を許容値範囲に押えている。
膨張タービン３７へ供給する熱量は、膨張タービン入口
に熱回収ボイラ８１を設置し、給水８２流量を調整する
ことにより行っている。
燃料電池で発生する電気出力は、電Ｍ質１０中を移動す
るイオンの数に比例する。すなわち、供給される燃料の
重量流量に比例することになる。
燃料の重量流量は、燃料圧力に比例するので、燃料圧力
を制御することにより、電気出力を制御することが可能
である。
圧縮機３６の流量と圧力の特性に対応して、改質反応、
電池反応の反応温度を一定に保つ必要がある。
圧縮機３６の吐出空気流量は、はぼ吐出圧力に比例して
減少するが、膨張タービン、圧縮機の断熱効率の低下に
より、膨張タービン、圧縮機の作動点は、燃料電池の動
作点ら比べて相対的に高負荷領域に移行する。したがっ
て、空気流量は、反応に必要とされる流量に比べて過剰
に供給される。
改質器４の反応は温度に依存するため、改質器燃焼部６
温度を、空気流量調整弁７３により空燃比を制御するこ
とにより行っている。
燃料電池の反応温度については、カソード出ロガス３１
の高温ガスの一部を、カソード再循環圧縮機３４により
再循環することにより行っている。
部分負荷運転時、改質器燃焼部６を、空気が一部バイパ
スするため、カソードへ供給される酸化剤ガス２１温度
が低下し、カソード循環流量が増加し、補機動力が増加
するが、改質器燃焼部６出口に補助燃焼器６９を設置し
、補助燃料調整弁４３で補助燃料４６を供給することに
より、酸化剤ガス温度８５を制御している。
熱出力の需要に対しては、電気出力の需要とは別に、排
熱回収熱交換器４１人口に補助燃焼器４５を設置し補助
燃料を供給することにより対応できる。
補助燃料５５の増加に対する燃焼用空気流量の制御につ
いては、プラントに供給される燃料流量１０１と電気出
力４８、及び熱出力から、所要空気量を算出してバイパ
ス泰気流量調整弁７４を調整する。
上記バイパス空気流量の増加に対応しても、補助燃料４
６を増加し、酸化剤ガス２１温度を設定値に保つことが
できる。
補助燃料４６及び５５の流量に対応して、バイパス空気
の必要流量４６が増加する。燃料電池出力が一定の場合
でも補助燃料の増加にしたがって空気圧力が低下し、こ
の圧力の低下を浦うよう、膨張タービン負荷を増加させ
る。これにより、プラント全体の圧力はバランスする。
燃料電池の電池出力と独立して、燃料電池の運転制限範
囲内において任意に、熱出力を得ることができる。
本実施例では、燃料圧力を制御する手段として燃料制御
弁を用いているが、本発明は燃料圧力を電気出力に対応
して変化させる運転方法に特長があり、燃料圧力を変化
させる手段を規定するものではない。
燃料圧力を変化させる手段としては、燃料圧縮機４９の
回転数を制御して燃料流量及び燃料圧力を調整すること
も可能である。特に燃料電池発電プラントにおいては、
燃料電池から直流電気出力を取り出して、直流電動機に
よる回転数制御を行なうことも可能である。
また、多段の往復動の圧縮機を用い、負荷の範囲に応じ
て段数を調整し、大きな負荷変化には段数の切替えによ
り１段数の切替えでは調整できない圧力微調整を圧力調
整弁６５により行うことも可能である。
第２図〜第１１図に、第１図に示す本発明の上記運転方
法を実施するために溝成した装置の制御表Ｖ１．６６の
制御ブロック図の例を示す。
第２図は乃至第８図は、燃料圧力制御と燃料制御弁によ
り行なう本発明の実施例１を示し、第９図は、圧縮機４
９の回転数により行う本発明の実施例２の制御ブロック
図を示す。実施例２における第９図は実施例１における
第２図に対応する図である。
第３図乃至第８図は実施例１と実施例２とに共用される
。
熱出力の制御方法については、第７図に示す弁４４は、
排熱回収ボイラ４１（第１図参照）入口補助燃焼器４５
の燃料流量を制御し第８図の弁７４は熱出力に対応して
バイパス空気量４６を制御し、酸化剤ガス温度８５を、
補助燃料４３にて制御する。熱出力は主として排熱回収
ボイラ４１の負荷調整により行なう。
第１０図及び第１１図は実施例３を示す。前掲の第３図
乃至第６図は本実施例３に共用される。−この実施例３
は、熱出力の制御を主として熱回収ボイラ８１の負荷調
整によって行う。即ち、本実施例３は、熱出力の変化に
対応して、補助燃料４３を供給するものであり、酸化剤
ガス温度８５の制御は、バイパス空気量４６を制御して
行うことが実施例３の特長である。
上述の実施例１〜実施例３は、燃料電池の出方信号６２
に対応して燃料圧力を変化させることにより、大きな負
荷変化には燃料圧力で、小さな負荷の調整は燃料流量調
整弁を行うことができるので、負荷運用範囲が大きくな
る。従来は、約２０〜１００％負荷程度であったものが
、約５〜１００％程度に拡大する。
燃料供給圧力に対応して、圧縮機吐出空気圧力を減少で
きるので、空気昇圧のための補助燃料が減少でき５部分
負荷運転時の発電効率が上昇する。
燃料圧力の低下にしたがって、例えば５０％負荷運転時
には約３〜４％電池効率が低下するのが、従来例では、
燃料の約１０〜１５％に相当する補助燃料を供給してい
たものをほぼ０にできるので、結局６〜１０％程度発電
効率が向上する。
燃料電池の電気出力に独立して、熱出力を得ることがで
きるので、電力、熱のそれぞれの需要に対応して運転が
可能で、利用率が向上するため、償却年数が減少し、経
済性が向上する。
本実施例では、熱／電気出力比を約０．６〜６程度の範
囲で任意に選定することが可能となる。
第１２図は、本発明の実施例４を示す。前述した実施例
１では圧縮機吐出空気２７圧力を直接計測して制御を行
っていたが、本第１２図の実施例４では、膨張タービン
への入熱を求めることにより、圧縮機吐出圧力を推定し
ている。即ち、本第１２図の実施例では、膨張タービン
出入口ガス温度、圧縮機吐出空気流量により上記入熱量
を算出している。
第１３図は、補助燃焼装置４５を膨張タービン３７人口
に設置した実施例Ｓを示す。
本実施例によれば、膨張タービン３７人口に補助燃焼装
置を設けたことにより、負荷変化に対応して、膨張ター
ビンの負荷を実施例１，４に比べて速やかに変化させる
ことができるという利点がある。
第１４図は１本発明の実施例６を示す。
実施例１〜３においてはアノード出口ガス２０を改質器
燃焼部６に供給していたが、本実施例６（第１４図）に
おいては、該アノード出口ガス２０を補助燃焼装置６９
に供給できるように配管しである。
本実施例６によれば、部分負荷運転時、燃料電池には、
余剰の燃料が供給されることになり、燃料電池アノード
中での水素濃度が需くなるため、実施例１に比べて部分
負荷運転時の発電効率が向上する。向上値は実施例１に
比べて３〜４％程度である。
第１５図は本発明に係る熱量電池発電プラントの１実施
例における部分負荷特性を示す。電気出力を９４で示す
。熱出力は９５〜９６に示す範囲で可変することができ
るため、熱／電気出力比は９７〜９８まで可変とするこ
とができ、プラントの利用率を向上させることができる
ので、経済性が向上する。
〔発明の効果〕
本発明によれば、燃料電池の電気出力に対応して、燃料
圧力を変化させることにより、燃料圧力を一定とする運
転に比べ、負荷変動範囲を約４〜５％〜１００％と従来
の約２０〜１００％に比べて大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例における全体的系統図である。 第２図乃至第１１図は本発明の実施例における制御系の
説明図である。 第１２図乃至第１４図は前記と異なる実施例における系
統図である。 第１５図は本発明の詳細な説明するための図表である。 １・・・燃料、２，３・・・蒸気、４・・・改質器、５
・・・改質器反応部、６・・・改質器燃焼部、７・・・
改質ガス、８・・・燃料電池、９・・・燃料電池アノー
ド、１１・・・燃料電池カソード、１２・・・アノード
出口ガス、２１・・・改質器燃焼部排ガス、２６・・・
空気、３２・・・燃料電池カソード排ガス、３６・・・
圧縮機、３７・・・膨張タービン、４５・・・補助燃焼
装置、５４・・・電池温度調整弁、６２・・・燃料電池
負荷信号、６５・・・燃料圧力調整弁、６８・・・燃料
流量調整弁、６９・・・補助燃焼装置、７４・・・バイ
パス空気流量調整弁、８１・・・熱回収ボイラ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、燃料電池を用いて、電気的出力および熱的出力を供
    給するコジェネレーション式発電プラントを運転する方
    法において、電気的出力の変化に対応せしめて、燃料圧
    力を制御することを特徴とする、燃料電池発電プラント
    の運転方法。 ２、前記の燃料圧力の制御は、空気圧力の制御と併せて
    行うことを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の
    燃料電池発電プラントの運転方法。 ３、前記空気圧力の制御は、空気圧縮機駆動用の膨張タ
    ービンの入熱量を調節して行うものであることを特徴と
    する、特許請求の範囲第２項に記載の燃料電池発電プラ
    ントの運転方法。 ４、前記膨張タービン入熱量の調節は、該膨張タービン
    入口に設置された熱回収ボイラの給水流量を調節して行
    うことを特徴とする、特許請求の範囲第３項に記載の燃
    料電池発電プラントの運転方法。 ５、前記燃料圧力の制御は、改質器の反応温度制御と併
    せて行うことを特徴とし、かつ、上記反応温度の制御は
    、該改質器の燃焼部へ供給する空気流量と燃料流量とを
    調節することによつて行うことを特徴とする、特許請求
    の範囲第１項乃至第３項の内の何れか一つに記載した燃
    料電池発電プラントの運転方法。 ６、前記の反応温度の制御は、燃料電池に供給する酸化
    剤ガス温度の制御と併せて行い、かつ、上記酸化剤ガス
    温度の制御は補助燃料の供給量を加減して行うことを特
    徴とする、特許請求の範囲第５項に記載の燃料電池発電
    プラントの運転方法。
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