JPH01248476A - 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に係り、特に、部分負荷
でも高い発電効率を単純な制御と簡素な系統構成を達成
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、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、部分負荷時の発電効率を考慮して、プラントの
制御を行うことについては、部分負荷時の特性検討が行
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、部分負荷での発電効率向上については
考慮がなされておらず、定格運転時の発電効率の向上の
ために、燃料電池の未反応燃料を改質器燃焼部へ供給し
て熱回収を行っている。

改質器の反応温度は、改質器燃焼部へ供給する補助燃料
により制御されている。従って、改質器反応温度制御の
ため、定格負荷運転時も補助燃料を供給しなければなら
ず、プラント全体としての発電効率向上の制約となって
いた。

また、部分負荷での補助燃料、補助空気流量の制御が複
雑になるという問題があった。

本発明の目的は、燃料電池発電プラントの熱効率の向上
を図り、単純で簡素なプラントの制御装置を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、燃料電池負荷信号、又は、改質器反応温度
信号の高値を選択して、燃料流量を制御することにより
達成される。

〔作用〕

燃料電池負荷信号、または、改質器反応温度信号の高値
を選択して、燃料電池への供給燃料を制御することによ
り、補助燃料を供給することなしに、改質器反応温度を
制御することができる。

改質器反応温度を燃料電池へ供給する燃料で制御するこ
とにより、補助燃焼器を設置して、少なくとも一部を燃
料電池をバイパスして、補助燃料として供給する場合に
比べ燃料電池へ過剰に燃料を供給し、燃料電池アノード
内での水素相当分圧を高くできるので、燃料電池の電圧
が上昇し、燃料電池発電プラントの発電効率が向上する
。

燃料電池発電プラントへ供給する燃料は、改質器、燃料
電池を経て改質器燃焼器へ供給することができるので、
補助燃料系統が不要となり系統構成が簡素化され、制御
装置を単純化することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の第一の実施例を第１図により説明する。

燃料１は、約６〜１０ｋｇ／ｃｄ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約５５０’Ｃ
〜７００℃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３゜と反応する。カ
ソード１１では混合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、７ノードからカソードへ電子が移動して電流が発
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、電解質１０中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、ガス冷却器で冷却
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、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。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の比、および、反応温度が
一定となるよう、燃料流量１に比例して水蒸気３の流量
を制御し、改質器燃焼部６の燃焼温度を空気過剰率を制
御することにより行っている。

燃料電池８のカソード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／ａｔ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を昇圧圧
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／ｄ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である発電効率が高いこ
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
融状態を維持できる温度ということで。

約５５０℃〜７００℃に制限される。

反応ガス圧力については、燃料電池の発電効率は高圧は
ど高くなるのが１日本国内では法規制上の制約より１０
ｋｇ／ａ１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。

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、冷却される水との温度差が大き
く、熱応力等の問題がある。

燃料電池は、燃料電池８のアノード９及びカソード１１
へ多量のガスを流して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いる。燃料電池８の反応温度は
、カソード出口ガス３３の再循環により、カソード入口
ガス温度５２を制御することにより行っている。また、
再循環系統は、カソード入口ガス５２が低温となりすぎ
て、燃料電池８の電解質である溶融炭酸塩が凝固したり
、過大な熱応力が発生するのを防いでいる。

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
通過ガスの体積流量を小さくして、プラント全体の発電
効率を高くすることが必要となる。

燃料電池カソード排ガス３２は、膨張タービン３７で仕
事をし、圧縮機３６を駆動し発電機３８で電気出力を発
生して熱回収される。

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有効な熱回収システ
ムを構成することにより、定格負荷運転時のプラント総
合発電効率約５５％を達成できる。

従来技術では、改質器反応部６に補助燃料を供給して、
改質器の反応温度を制御していた。

第１図に示す本発明の実施例では、定格運転時でも部分
負荷運転時にも、燃料電池の負荷信号６２と、改質器反
応温度信号８４の高値を選択して燃料流量調整弁６５を
制御することにより、全負荷範囲で改質器の反応温度を
制御している。

燃料電池アノード９へは、燃料電池８で発電するために
必要な燃料に比べて、改質器反応温度を維持するのに必
要な燃料分だけ、従来技術に比べて相対的に過剰に供給
されることになり、アノード９の出口でのガス中の未反
応燃料が増加する。

アノード入ロガスフの燃料濃度は同一であるが、燃料を
過剰に供給しているので、アノード出口１２で未反応燃
料が増加し、アノード９での燃料濃度が高くなるので燃
料電池での電圧が上昇し、発電効率は高くなる。

アノード出口１２の未反応燃料は、改質器燃焼部６へ供
給され、改質燃焼部６では改質器反応温度を制御し、燃
焼用空気は空燃比が一定となるよう空気制御弁７３によ
り空気流量が制御される。

残りは、空気バイパス弁７４で、バイパス弁７４の入口
圧力が一定となるように制御することにより、燃焼部６
をバイパスして、燃焼部排ガス冷却器６９へ供給し燃焼
部排ガスを冷却する。

第２図は、本実施例における燃料流量制御弁６５の制御
ロジック図を示す。

本実施例によると、従来は補助燃料を供給することによ
り、改質器反応温度を制御していたものが、燃料電池負
荷信号と改質器反応温度信号との高値を選択して燃料電
池へ供給する燃料流量を制御することにより行なわれる
ので、補助燃料系統が不要となり系統構成が簡素化され
て制御が単純化できる。

本実施例による部分負荷運転時の発電効率の向上値を、
二号五千ｋＷ級以上の発電所をベースに説明する。

従来例では、燃料電池定格負荷時、定格燃料流量の９５
％に相当する燃料が、燃料１として供給される。また、
５％に相当する燃料が補助燃料として供給される。

本実施例では、定格負荷運転量を燃料電池８へ供給する
。燃料電池８では、アノード中の燃料濃度を示す指標で
ある水素相当濃度（−酸化炭素１モルは、水素１モル、
メタン１モルは、水素４モルとして換算）が上昇し、電
圧が上昇し、発電効率は約２％（相対値）向上する。

第３図は本発明の第二の実施例を示す。

燃料電池８の部分負荷運転時の発電効率は、電池を流れ
る電流が減少し電圧が上昇するため、発電効率は向上す
るが、燃料電池発電プラントとしての発電効率は、定格
負荷運転時の総合発電効率向上のため、膨張タービン３
７を用いた熱回収システムとしているので１部分負荷運
転時の総合発電効率が低下する。これは、膨張タービン
３７は、高圧、高温の燃料電池カソード排ガス３２を熱
回収して、圧縮機３６を駆動するとともに、余剰の熱量
で発電機３８を駆動し、電気出力を発生しているために
、発電機は１発生電力の周波数を一定とする必要がある
ので、全負荷帯で一定回転数で運転することが必要とな
り、発電機３８を駆動する膨張タービン３７も一定回転
数で運転することになる、圧縮機３６は、部分負荷運転
時でも燃料電池８が必要とする定格負荷運転時とほぼ同
一の圧力の空気を供給する必要があるが、圧縮機３６の
動力低減のため膨張タービン３７で、圧縮機３６を駆動
しており、圧縮機３６は一定回転数で一定圧力の空気を
供給する必要があるため、圧縮機３６の吐出空気量３１
は、部分負荷運転時にも圧縮機３６の圧力比と流量の関
係よりほぼ定格負荷運転時と同一となる。

膨張タービン３７で発電機３８を駆動しなければ、回転
数を可変として膨張タービン３７．圧縮機３６の負荷を
低減することができるが、発電を行なわない分だけ発電
効率が低下する。また、圧縮機３６を駆動するタービン
と発電機３８を駆動するタービンを回転数制御して、ガ
スタービンの負荷を減少させることも考えられるが、シ
ステム構成が複雑になること、現在実用化されている大
容量ガスタービンと異った型式のガスタービンであるた
め、燃料電池発電プラント用として新規に開発する必要
がある。

このように、膨張タービン３７．圧縮機３６は、燃料電
池発電プラントの部分負荷運転時にも、定格負荷運転と
ほぼ同一の運転を行う必要がある。

従来技術では、膨張タービン３７の入口に補助燃焼器を
設置し、部分負荷運転時に、燃料電池８、及び、改質器
燃焼部６で余剰となる空気と補助燃料で燃焼し、高温ガ
スとして膨張タービン３７に供給することにより膨張タ
ービン３７をほぼ定格運転と同一の運転状態に保ってい
た。

第３図に示す本発明の実施例では、実施例に対して、さ
らに、燃料電池アノード出口ガス２０の一部を、膨張タ
ービン入口補助燃焼器４５ヘバイパスする系統４４を設
置し、燃料電池の負荷信号６２、改質器反応温度８４．
膨張タービン入口ガス温度信号の高値を選択して、燃料
流量調整弁６５を制御することにより、全負荷範囲で改
質器反応温度８４で膨張タービン入口ガス温度が制御で
きる。

圧縮機３６の流量と圧力比の特性より、圧縮機吐出空気
圧力２７は、はぼ一定とすることができる。燃料電池ア
ノード９へは、燃料電池８で発電するために必要な燃料
に比べて、改質器反応温度８４、又は、膨張タービン入
口ガス３２温度を維持するのに必要な燃料分だけ、従来
技術に比べて相対的に過剰に供給されることになり、ア
ノード９の出口でのガス中の未反応燃料が増加する。ア
ノード入ロガスフの燃料濃度は同一であるが、燃料を過
剰に供給しているので、アノード出口１２で未反応燃料
が増加し、アノード９での燃料濃度が高くなるので燃料
電池での電圧が上昇し、発電効率は高くなる。

アノード出口１２の未反応燃料は、改質器燃焼部６へ供
給されるが、改質燃焼部６では、空燃比が一定となるよ
う空気制御弁７３により空気流量が制御される。残りは
、空気バイパス弁７４で、パスパス弁７４人ロ圧カ一定
となるように制御することにより、燃焼部６をバイパス
して、燃焼部排ガス冷却器６９へ供給し燃焼部排ガスを
冷却する。

第４図は、本発明の第三の実施例の制御ロジック図の一
例を示す。

本実施例によると、従来は、膨張タービン３６人口に補
助燃焼器を設置し、補助燃料を供給することにより、膨
張タービン３７の運転状態を定格運転とほぼ同一に保っ
ていたものが、燃料電池負荷信号改質器反応温度信号と
膨張タービン入口ガス温度の負荷信号の高値を選択して
燃料電池へ供給する燃料流量を制御することにより行な
われるので、プラント効率は向上する。向上の割合は、
実施例１とほぼ同様に定格負荷運転時２％（相対値）、
５０％負荷運転時４％（相対値）である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料電池アノードでの燃料ガス濃度が
増加し、電池電圧を上昇させることができ、プラント効
率の向上が図れる。

【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図は第１図の
制御ロジック図、第３図は本発明の他の実施例の系統図
、第４図は第３図の制御ロジック図を示す。 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・・・燃料電池、９・・・燃料電池アノード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料改質装置、燃料電池、前記燃料電池の排ガスで
   駆動する膨張タービン、前記膨張タービンで駆動する空
   気圧縮機を含む燃料電池発電プラントにおいて、 前記燃料電池の負荷信号、又は、前記燃料改質装置の反
   応温度信号の高値を選択して燃料流量制御を行なうこと
   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、 前記膨張タービンの入口に補助燃焼器を設置し、前記燃
   料電池のアノード出口の燃料をバイパスして供給する系
   統を設け、前記燃料電池の負荷信号、又は、前記燃料改
   質装置の反応温度信号又は、前記膨張タービンの入口温
   度信号の高値を選択して、燃料流量を制御することを特
   徴とする燃流電池発電プラント。 ３、特許請求の範囲第２項において、 前記膨張タービンの入口温度信号の替りに、前記膨張タ
   ービンの出口温度信号を用いることを特徴とする燃料電
   池発電プラント。 ４、特許請求の範囲第２項において、 過渡的な負荷変化は補助燃料によつて行ない、負荷の維
   持は前記燃料電池への燃料調整弁で行なうことを特徴と
   する燃料電池発電プラント。