JPH01248474A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

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〕 本発明は燃料電池発電プラントの部分負荷での運転装置
に係り、特に、部分負荷でも高い発電効率を簡素な系統
構成にて達成するのに好適な燃料電池発電プラントに関
する。

〔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号公報に記載のように、燃料電池アノードの未反応
燃料を改質器燃焼部に供給し、熱回収を行う等により、
定格での発電効率の向上を図っていた。しかし、部分負
荷運転時にできるだけ高い発電効率を維持する点につい
ては、従来部分負荷での性能解析が十分に行なわれてい
なかったため、特別な考慮はされていなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、部分負荷時の発電効率向上については
十分な考慮がなされておらず、定格負荷運転時の発電効
率向上のため、燃料電池アノード出口ガスは、改質器燃
焼部へ再循環し、熱回収を行っており、電池の冷却は、
カソードを流れる酸化剤ガスの循環により行っているた
め、部分負荷運転時、循環圧縮機の動力が減少せず、部
分負荷での発電効率の低下が大きいという問題があった
。

燃料電池発電プラントは、電力の需要に対応した中間負
荷運用対応の発電システムとしての導入が期待されてお
り、部分負荷での発電効率が低下する事は、負荷運用を
考慮した平均の発電効率が低下するので問題である。

モータの回転数制御を行うものには、周波数変換装置が
あるが、交流→直流→交流の変更が必要で、変換の際の
損失が大きく、コストが高いという問題があった。

本発明は、加圧の燃料電池発電プラントの部分負荷での
発電効率を、高く維持できるプラントの運転装置を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、直交変換用主インバータとは別に。

補機用インバータを設置して、アノード、又は、カソー
ドの循環圧縮機のモータを回転数制御することにより達
成できる。

直流電流の電流は補機インバータより制御し、電圧は、
改質器反応温度、又は、水蒸気／炭素比、又は、燃料電
池運転圧力、又は、燃料利用率を制御し、所要の電流を
所要の電圧で供給する。

〔作用〕

補機用インバータを用いて、周波数制御を行うことによ
り、電流の変換過程が、直流→交流（主インバータ）、
交流→直流（電圧制御装置）、直流→交流（周波数制御
装置）から、直流→交流（周波数変換装置）へ簡素化で
きるので、変換の損失が減少し、補機運転動力を低減す
ることができ、機器構成を簡素化することができる。

また、直流電圧は、改質器反応温度、又は、水蒸気炭素
比、又は、燃料電池運転圧力、又は、燃料利用率を調整
することにより、制御できるので、従来の周波数制御装
置を用いて、直流電流を直接入力として、周波数制御を
行うことができる。

〔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／ｃｎ？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、反
応部５で、ガスタービン３７の排熱回収ボイラ等により
生成される蒸気３と改質反応を起こさせ、燃料を水素及
び−酸化炭素を主成分とするガスに改質する。

改質された水素及び−酸化炭素を主成分とする反応ガス
７は、約６００℃で燃料電池８のアノード９へ供給され
る。

燃料電池８は、燃料電池の積層体で構成され、各燃料電
池は、正極と負極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
極およ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ガス通路（負極及び負極ガス通
路をアノードと呼ぶ）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温度約５５
０℃〜７００℃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３ｏと反応する。

カソード１１では混合ガス３゜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および水を
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のアノード排ガス１２には、反応ガス７中の
水素、−酸化炭素と、電解質中１０の炭酸イオンとの反
応により生成した炭酸ガス、水および未反応の反応ガス
を含んでいる。

燃料電池８のアノード排ガス１２は、ガス／ガス熱交１
３で熱交換して冷却される。さらに、ガスクーラで冷却
され、気水分離器１５で、アノード排ガス１２に生成し
た水分を分離する。

水分を分離したアノード排ガス１７は、圧縮機１８で圧
縮され、ガス／ガス熱交１３で熱交換され昇温され、改
質器燃焼部６へ供給される。

燃料１を、水蒸気３と反応させて水素および一酸化炭素
に改質する改質反応は吸熱反応であり、外部より熱を与
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
る水素、−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。

燃料電池８カソード１１へ供給される空気と炭酸ガスの
混合ガス３０は、空気については、空気圧縮機３６で６
〜１０ｋｇ／ａｎ？に加圧され圧縮空気２７として供給
される。一方、炭酸ガスについては、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を圧縮機
１８で加圧すること、燃焼用空気２９を圧縮機３６で加
圧することにより６〜１０ｋｇ／ａ＋？に加圧されてい
る。

燃料電池８は、アノード９の反応圧力２反応温度２反応
ガス中の燃料ガス濃度が高いほど、反応ガスの持つ熱量
より電気出力として取り出せる割合、発電効率が高いこ
とが知られている。

反応ガス温度については、電解質である溶融炭酸塩が溶
融状態を持続できる温度ということで、約５５０℃〜７
００℃に制限される。

反応ガス圧力については１日本国内では、法規上の制約
より１０ｋｇ／ａＪ以上の高圧ガスを取扱う設備の製造
に規制を受けるため、１０ｋｇ／ｉ未満の圧力を選定す
るので一般的である。

また、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、電極
の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。

溶融炭酸塩を電解質として用いる燃料電池は、反応温度
が約５５０℃〜７００℃と高いため、水で冷却する場合
は、冷却されるガスと、冷却する水との温度差が大きく
、熱応力等の問題があり、蒸気で冷却する場合は、多数
に積層した燃料電池の冷却部の中での水から蒸気への相
変化が起こり冷却部の構造を複雑にするので好ましくな
い。

従って、燃料電池の冷却は燃料電池８アノード９、およ
び、カソード１１へ多量のガスを流し冷却するのが一般
的である。本実施例では、燃料電池８のカソード１１を
通過するガスにより燃料電池を冷却しており、カソード
入口ガス５２とカソード出口ガス３１の間に大きな温度
差が生じ、熱応力が発生しないよう、カソード出口ガス
３１を圧縮機３４で再Ｆａ環し、カソード入口ガス５２
の温度を調節している。

高温で作動する燃料電池発電プラントでは、冷却用等の
圧縮機の動力が大きく、ガス圧力を高圧化して、圧縮機
を通過する体積ガス流量を小さくして圧縮機の動力を小
さくしてプラント全体の発電効率を高くすることが必要
となる。

燃料電池８のアノード９での平均の反応ガス濃度が高い
ほど抵抗が小さくなり、電気出力として取り出せる割合
である発電効率が向上する。

燃料電池８のカソード排ガス３２は、ガスタービン３７
で仕事をし、空気圧縮機３６を駆動し、発電機３８で電
気出力を発生し熱回収している。

燃料電池発電プラントは、改質器４．Ｉｊ料電池８、ガ
スタービン３７が相互にバランスして有効な熱回収シス
テムを構成する事により、定格運転時のプラント総合発
電効率約５５％を達成できる。

しかし、燃料電池発電プラントは、導入時の電力需給を
考えた場合、電力需要に対応した負荷運用を行うことが
予想される。

燃料電池発電プラントは、前述のとおり、プラン）・効
率向上のための、循環圧縮機が必要で、補機の運転動力
は、発電効率の約４％となる。

部分負荷運転時、アノード循環圧縮機１８、カソード循
環圧縮機３４は、従来は、駆動用電動機５７及び６０の
回転数を一定として、圧縮機の出口、又は、入口に調節
弁を設置し、絞りにより流量調整を行う場合と、周波数
変換装置を設置し、電動機の回転数制御を行う場合があ
った。

本実施例では、第２図に示すとおり、補機用インバータ
９ｏを設置し、周波数制御を行っている。

補機用インバータ９０への入力電圧は、第１図に示すと
おり、燃料流量制御弁６５を制御し、燃料の利用率を制
御することにより、循環圧縮機１８゜及び３４の駆動用
電動機５７、及び、６０の回転数制御を行っている。

従来の回転数制御装置は、第３図に示すとおり、主イン
バータ４８により交流に変換、電圧制御装置９１により
交流から直流に変換１周波数制御装置９２により電動機
の回転数制御を行っていたため、主インバータ４８への
直流出力に対する電動機入力の比は９０％であり、その
分だけ補機動力は大きく、また１回転数制御装置の設備
費が嵩んだ。

燃料電池は、負荷により、電池の抵抗が変化し電圧が変
動するため、直接周波数変換装置を設置する場合は、負
荷が小さく抵抗が少ないため電圧の高い部分負荷の電圧
に合わせて、電動機を大きくする必要があり、電動機の
容量が大きくなるという問題があった。

第２図に示す本発明の電気系統では、燃料流量と主イン
バータ４８、及び、補機インバータ９゜への入力電流比
によって決まる燃料利用率を制御することにより、各イ
ンバータへの直流電圧の制御を行っているので、補機イ
ンバータ９０は、−定電圧で周波数を制御する機能を持
つだけで、従来技術と同様に電動機の回転数制御を行う
ことができる。

燃料電池は、前述のとおり、電気抵抗が少ないほど、燃
料電池アノード９中の水素濃度が高いほど、燃料電池の
反応温度が高いほど、電池電圧が高くなるという特性が
ある。

部分負荷運転時、電池の内部抵抗が減少し電池電圧が高
くなるが、燃料電池８へ供給する燃料と燃料電池で消費
する燃料の比である燃料利用率を制御することにより、
定格負荷運転時に比べ燃料電池アノード９の水素濃度を
減少させ、電圧を低下させることができるので一定に保
つことができる。

部分負荷運転時、プラント負荷要求信号に対応してイン
バータ４８の出力要求が変化する。燃料流量制御弁６５
は、燃料電池電圧が一定となるように燃料流量を追従さ
せる。本実施例では、燃料電池の電圧は燃料電池負荷を
算出するために計測される燃料電池出力電圧と、出力電
流の中の出力電圧により計測されている。

本発明によれば、燃料電池直流出力端に主インバータ４
８とは別に補機用インバータ９０を設置し、周波数制御
を行なうことにより、駆動用電動機の定格、及び、部分
負荷での動力を簡易な機器構成で低減することができる
。

従来における交流電源を用いた周波数制御装置に比へ、
定格負荷運転時、約５％の動力削減ができる。燃料電池
発電プラントの循環圧縮機動力の発電端出力に対する比
は、定格負荷時、約３．５％であるので発電効率として
は０．２％（相対値）向上する。

また、循環圧縮機の入口弁による制御を行なう従来技術
に比べて、５０％負荷運転時、約３０％の動力削減がで
き、発電効率の向上値は約３％（相対値）となる。

本発明の第二の実施例を第４図に示す。

本発明では、燃料電池電圧制御を改質器反応温度８４で
行なっている点が異なる。

本実施例では、改質器反応温度８４を部分負荷運転時に
低下させることにより、燃料１が水素及び−酸化炭素に
転化する割合が低下するので水素濃度が低下し、燃料電
池の電圧を押えることができる。

本発明の第三の実施例を第５図に示す。

本発明では、燃料電池電圧制御を改質器へ供給する蒸気
流量で行なっている点が異なる。

本実施例では、改質器供給の改質用蒸気流量を減少させ
ることにより、水蒸気／炭素比が下り水素濃度が低下す
る。すると、燃料電池の電圧を押えることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、補機駆動用電動機の定格及び部分負荷
での動力を低減することができ、プラン！・の効率向上
並びに系統の簡素化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図及び第３図
は第１図の電気系統図、第４図は本発明の第二の実施例
の系統図、第５図は本発明の第三の実施例の系統図であ
る。 １・・・燃料、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・・・燃料ガス、９・・・燃料電池アノード、
１０・・・電解質、１１・・・燃料電池カソード、１２
・・・アノード出口ガス、１８・・・圧縮機、２０・・
・アノード出口ガス、２１・・・改質器燃焼部出口ガス
、２２・・・改質器燃焼部出口ガスバイパス系統、２６
・・・空気、２７・・・圧縮空気、３０・・・カソード
入口ガス、３１・・・カソード出口ガス、３２・・・カ
ソード出口ガス、３５・・・ガスタービン入口ガス、３
６・・・圧縮機、３７・・・ガスタービン、３８・・・
発ｆｆ１ｌ、３９・・・ガスタービン排ガス、４１・・
・排熱回収ボイラ、４８・・・主インバータ、５７・・
・アノード循環圧縮機電動機、６ｏ・・・カソード循環
圧縮機電動機、６５・・・燃料流量制御弁、６６・・・
制御装置、７６・・・改質器温度信号、７８・・・弁開
度信号、８４・・・改質器反応温度計、９５・・・蒸気
流量制御弁、９６・・・弁開度信号。 第　２　口 第　３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料改質装置、燃料電池と交流電力供給用として前
   記燃料電池の直流電流を交流電流に変換する主インバー
   タ、圧縮機を含む燃料電池発電プラントにおいて、 補機駆動用インバータを設置し、周波数制御を行なつて
   前記圧縮機の駆動用電動機の回転数制御を行なうことを
   特徴とする燃料電池発電プラント。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記主インバータ及び前記補機駆動用インバータへの入
   力電圧は、前記燃料電池の運転条件を制御することによ
   り行なうことを特徴とする燃料電池発電プラント。 ３、特許請求の範囲第１項または第２図において、前記
   燃料電池の運転条件の制御は、前記燃料電池へ供給する
   燃料の流量または、前記燃料電池の反応温度、前記燃料
   電池の反応圧力、前記燃料改質装置の反応温度、前記燃
   料改質装置の蒸気／燃料比により制御することを特徴と
   する燃料電池発電プラント。