JPH02132772A - 燃料電池発電装置 - 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］ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネル
キーに変換させるエネルギ一部門で用いる燃料電池の発
電装置に関するものである。

［従来の技術］ 現在、開発が進められている燃料電池は、電解貿として
リン酸水溶液を用いたリン酸型燃料電池、電解質として
溶融炭酸塩を用いた溶融炭酸塩型燃料電池、電解質とし
て固体電解質を用いる固体電解質型燃料電池、等が代表
的なものであり、これら各燃料電池の燃利極に供給する
燃料ガスを天然ガス等から得るようにし、又、燃料電池
の酸素極に空気を供給するような系統を設けた発電プラ
ントが構成されている。

今、一例として、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置につい
て示すと、溶融炭酸塩型燃料電池は、溶融炭酸塩を電解
質として多孔質物貿にしみ込ませてなる電解質板（タイ
ル）を、カソード（酸素極）とアノード（燃料極》で両
面から挟み、カソード側に酸化ガスを供給すると共にア
ノード側に燃斜ガスを供給することによりカソード側と
アノード側で反応が行われることによって発電が行われ
るようにしたものを１セルとし、各セルをセパレータを
介し多層に積層してスタックとした構成としてあり、か
かる溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電装置としては、
第４図に一例の概略を示した如き発電プラント系統図が
知られている。すなわち、上記第４図は、溶融炭酸塩型
燃料電池発電装置において、燃料ガスとして天然ガスを
改質したものを用いる場合の発電プラント系統図を示す
もので、燃料電池１のカソ一ド２には酸化ガスを供給す
るため、空気八を空気供給ライン６上の圧縮機４で圧縮
させた後、空気予熱器５で予熱してカソード２に供給す
ると共に、一部を改質器８に分岐ライン７により供給し
、又、カソード２から排出されたガスは、ライン９を経
てタービン１０に導き、更に、上記空気予熱器５を通し
て排出されるようにしてある。一方、燃料電池１のアノ
ード３に供給する燃料ガスとする天然ガスＮＧは、ブロ
ワ１８により加圧されて天然ガス予熱器１１、脱硫器２
３を経て改質器８に導入され、ここで改質ざれて燃料ガ
ス配管１９を経てアノード３に供給ざれるようにし、又
、アノード３から排出されたアノードガスには水分が含
まれているため、このアノードガス中の水分を一旦ガス
と分離した後に、分離した水は蒸気として改質器８人口
側で天然ガスＮＧと混ぜるようにするために、アノード
ガスを、アノード出口ガスライン２０により天然ガス予
熱器１１を通し、凝縮器１２て冷却して凝縮した後、気
液分離器１４にてガスと水とに分離し、ガスＧはブロワ
１３、ガスライン２４を経て改質器８に導いて燃焼用ガ
スとして使用すると共に、水Ｈ２０はボンプ１５で加圧
されて蒸気発生器１６に送られ、ここで加熱されて蒸気
としてライン１７を経て改質器８の入口側で天然ガス導
入管２２に供給され該天然ガス導入管２２内の天然カス
ＮＧと混ぜられるようにしており、改質器８から排出さ
れた炭酸ガスを含む燃焼排ガスは、排ガスライン２１を
通って上記空気供給ライン６を流れる空気とともに燃料
電池１のカソード２に供給されるようにしてある。

上述した如き系統図としてある溶融炭酸塩型燃料電池の
発電プラントにおける改質器８と燃料電池１のアノード
３とを接続する燃料ガス配管１９には、図示してないが
、弁等のほか、プラント構成の仕方、燃料電池の型式に
よっては改質ガス温度を燃料電池１の要求値に合わせる
ための熱交換器が設けられており、又、その他の目的の
ために一酸化炭素変成器、気水分離器等が設けられる場
合もある。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、燃料電池１自体の負荷変化追従能力はきわめ
て高いのに反し、改質器８の負荷変動の追従能力が低い
ため、改質器８がネックとなって発電プラント全体の負
荷変化追従能力が劣る、という問題があり、同様の理由
で、起動時間、特に、冷態からの起動時間が長くかかつ
ている、という問題もある。かかる問題は、上述の溶融
炭酸塩型燃料電池発電プラントのみならず、リン酸型燃
料電池発電プラント、固体電解貿型燃料電池発電プラン
トの場合でも同様でおる。

そこで、本発明は、負荷変化時又は次回起動時における
負荷追従性能を高くし且つ起動時間も短かくできるよう
にした燃料電池発電装置を提供しようとするものである
。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、燃料電池のアノ
ード側に燃料ガスを供給し、又、燃料電池のカソード側
に酸化ガスを供給して発電を行わせるようにしてある燃
料電池発電装置において、燃料を燃料ガスに改質ずる改
買器と、燃料電池のアノードとを結ぶ燃料ガス配管の途
中に、燃料ガスの一部を取り出す導管と、該導管で取り
出された燃料ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮されたガス
を貯蔵するタンクと、タンクに貯蔵された燃料ガスを再
び燃料ガス配管に戻すだめの導管と、該戻し導管に設け
た調整弁と、からなる燃利ガス補給設備を設けてなる構
成とする。

［作　　用］ 定常運転時、あるいは、通常停止過程において燃料ガス
の一部を、燃料ガス配管より取り出し圧縮してタンクへ
貯蔵しておき、必要時に必要な量の燃料ガスをタンクか
ら燃料電池の方へ補給できるようにしてあくと、燃料電
池の負荷変化時にタンクに貯蔵した燃料ガスを燃料ガス
配管に戻して燃料電池に補助的に供給できるので、改質
器の負荷追従性の低さに関係なく負荷追従性を高くでき
、発電プラント全体の負荷変化追従能力が高められる。

又、起動時もタンクに貯蔵した燃料ガスを燃料電池に供
給できるので、起動時間も短かくすることができる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すもので、説明上、第４
図に示した溶融炭酸塩型燃料電池発電装置に適用した場
合を示す。

第４図について説明したと同様に、天然ガス導入管２２
を経て導入される燃料としての天然ガスと蒸気ライン１
７からの蒸気とを混合して改質器８に導入し、改質器８
に導入された天然ガスと蒸気の混合ガスを、上記改質器
８に燃焼用ガスとしてガスライン２４より導入されるガ
スと分岐ライン７より導入される空気との燃焼熱により
改質器８中の伝熱部で加熱して、Ｈ２を多く含む燃料ガ
スに改賀するようにし、上記改質器８で改質された燃料
ガスを燃料ガス配管１９より燃料電池１のアノード３に
供給するようにし、一方、空気Ａと改質器８から排出さ
れた炭酸カスを含む燃焼排ガスとを混合して燃料電池１
の力ソード２に供給ずるようにして、燃料電池１で発電
するようにした構成において、上記燃料ガス配管１９の
途中に、燃利ガスの一部を取り出して圧縮して貯蔵し且
つ必要に応じて燃料電池１に供給できるようにする燃利
ガス補給設備２５を設ける。

上記燃料ガスの一部を貯蔵し供給できる設備２５として
は、上記改質器８と燃料電池１のアノ一ド３とを連結す
る燃料ガス配管１９の途中に接続して燃料ガスの一部を
分岐して取り出せるようにした導管２６と、該導管２６
により取り出された燃料ガスを圧縮するため導管２６の
途中に設けた圧縮機２７と、該圧縮機２７で圧縮された
燃料ガスを貯蔵するタンク２８と、タンク２８に貯蔵し
た燃料カスを再び燃料ガス配管１９に戻す戻し導管２９
と、該戻し導管２９の途中に設けた流量調整用の調整弁
３０とからなる構成とする。３１は逆止弁である。なお
、第４図と同一のものには同一符号が付しておる。

本発明の燃料電池発電装置の実施に際しては、改質器８
で改質された燃料ガスを燃料電池１のアノード３に供給
しているときに、燃料ガスの一部をタンク２８に貯蔵し
ておくようにする。このとき、定常運転時に燃料ガスの
一部をタンク２８に貯蔵する場合は、燃料電池１で発電
のために必要とする燃料ガスの流量よりも多く燃料ガス
が得られるように天然ガスＮＧを一時的に多く改質して
燃料ガスの一部を導管２６より取り出し、圧縮機２７で
圧縮してタンク２８に貯蔵しておくようにする。又、燃
料電池の停止過程に入るときに燃利ガスをタンク２８に
貯蔵するとぎは、停止過程では改質器８出口の燃料ガス
流量が余剰になるので、余剰の燃料ガスを圧縮機２１で
昇圧してタンク２８に貯蔵しておくようにする。

今、負荷変化（」ニ臂）が生じて、燃料ガス配管１９を
流れる燃料ガス流量では燃料電池１で必要とするガス流
量として不足する事態が生じたときは、改質器８の負荷
変化追従性が低くて改質器出口の燃料ガス流量を直ちに
増大させることができないので、タンク２８に貯蔵して
おいた燃料ガスの必要量を調整弁３０の調整で戻し導管
２９を通して燃料ガス配管１９に戻した後、燃料電池１
のアノード３に補給させる。この際、運転中の負荷上昇
変化で燃料電池１で必要とする燃料ガス流量を確保しよ
うとする場合に、改質器８の出口ガス流量を増大させよ
うとしても改質器８の負荷変化追従性の低さから第２図
に破線で示す如き曲線■となるが、タンク２８に貯蔵し
た燃料ガスを燃料電池１のアノード３に補給させること
により第２図に実線で示す曲線■の如く燃料電池での必
要ガス流量を直ちに確保させることができる。換言する
と、負荷上昇変化時に要求される発電電力量に対する燃
料電池１のアノード３での必要ガス流最に対して、改質
器８からの燃料ガス流量が少ない場合に、第２図で斜線
を付して示した部分の面積に相当するガス流量をタンク
２８から放出させることにより、燃料電池１が必要とす
る燃料ガス流量を直ちに確保できる。これにより発電プ
ラント全体の負荷追従性を高くすることができる。なお
、上記燃料電池１のアノード３に必要な燃料ガス流最の
不足は、たとえば、燃料ガス配管１９の圧力低下、ある
いは改質器８出口の燃料ガス流量と燃料電池負荷指令に
応ずるために必要な燃料ガスの流量との差によって検知
するようにする。

又、発電プラントの起動時は、燃料電池１のアノード３
に所要の燃料ガス流量が必要となるが、この場合に改質
器８で燃料を改質し燃料電池１が必要とする燃利カス流
量を確保するためには、改質器８の追従性の低さから第
３図に破線で示す曲線■の如く燃料電池が必要とするガ
ス流但に達するまでに多くの時間を必要とする。

これに対し、タンク２８に貯蔵した燃料ガスの必要量、
すなわち、第３図に斜線を付して示した部分の而積Ｘに
相当するガス流足を調整弁３０を通して燃料電池１のア
ノード３に補給することにより、第３図に実線で示す曲
線Ｉｖの如く短時間に必要ガス流量に達して直ちに起動
させることが可能となる。

燃料電池１を運転中にその運転を停止させると、燃料電
池１のアノード３で必要とされる燃料ガス流量は、第３
図の右側に実線で示す曲線■の如く短時間に零とざれる
のに比して、改質器８の出口での燃料ガス流量は、第３
図の右側に破線で示す曲線Ｖｌの如く低速で減少させら
れるため、改質器出口の燃料ガス流量は、第３図に斜線
を付して示した部分の而積Ｙに相当する量が余剰になる
傾向となる。このような場合に上記而積Ｙに相当するガ
ス母を燃料ガス配管１９から取り出してタンク２８に貯
蔵させておくことにより、前記した如き負萄上昇変化時
や起動時にタンク２８から補給できるばかりでなく、燃
料カス配管１９の圧力上昇を押えることができる。

なお、本発明は上記実施例のみに限定されるものではな
く、たとえば、説明上、溶融炭酸塩型燃料電池の発電装
置の場合について示し且つ燃料として天然ガスの場合を
示したが、リン酸型、固体電解質型の各燃料電池発電装
置にも同様に適用できること、天然ガスに代えて石炭を
ガス化して燃料電池のアノードへの燃料ガスとして使用
する発電プラントの場合には、石炭をガス化した後、ガ
スを精製して燃料電池のアノードに供給するラインに、
第１図に示してあると同様な設備２５を併設すれば同様
な効果が得られること、その他本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変更を加え得ること、等は勿論である。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明の燃料電池発電装置によれば、改
質器で改質された燃料ガスを燃料電池のアノードに供給
する燃料ガス配管に、燃わ１ガスを取り出づ導管と、取
り出された燃利ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮された燃
利ガスを貯蔵するタンクと、タンクに貯蔵した燃斜ガス
を燃料ガス配管に戻す導管、等からなる設備を装備させ
た構成としてあるので、次の如き優れた効果を奏し得る
。

（１）負荷上昇変化時に要求ざれる発電電力量に対する
燃料電池アノードへの燃料ガス流量に対し改質器出口ガ
ス流量が少ない場合に、タンクに貯蔵した燃料ガスを放
出することにより燃料電池が必要とする燃料ガス流量を
確保できて、従来に比して大きな負荷上昇率を確保でき
る。

（１１）起動時もタンクに貯蔵した燃料ガスを燃料電池
の７ノードに供給することかでぎて起動時間を短かくす
ることができる。

（ｉｉｉ＞　　通常停止時においては、改質器出口の燃
料ガス流量は余剰になる傾向になるが、この余剰になる
燃料ガス流量をタンクに貯蔵しておくことができて、上
記（ｉＸｉｉ）の如き負荷上昇変化時、起動時に使用で
きるばかりでなく、改質器出口側の燃料ガス配管の圧力
上昇を押えることができて、この燃料ガス配管に設置さ
れる安全弁あるいは逃し弁の作動を防ぐことができ、該
安全弁、逃し弁が作動したときに価値のめる燃料ガスを
無駄に放出することになるという点を防止できる。

（ハ）負荷変化時おるいは起動停止時において無理に改
質器から改質ガスを燃料電池の方へ取り出すと、改質器
内部の伝熱部が局所的に過熱したり、大きな温度変化に
よる熱応力によって損傷するおそれがあるほか、十分改
質されないガスが燃料電池に流れるおそれがあるが、こ
のようなとき上記（ｉＸｉＤの如くタンクから燃料ガス
を放出するので、かかるおそれがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す発電プラン１〜系統の
部分図、第２図は負荷変化時の燃利ガス流量と時間との
関係を示す図、第３図は起動時と停止時の燃料ガス流量
と時間との関係を示づ図、第４図は溶融炭酸塩型燃１ｌ
電池発電装置で天然ガスを燃利とする場合の系統図でお
る。 １・・・燃料電池、２・・・カソード、３・・・アノー
ド、６・・・空気供給ライン、８・・・改質器、１９・
・・燃斜ガス配管、２５・・・燃料ガス補給設備、２６
・・・導管、２７・・・圧縮機、２８・・・タンク、２
９・・・戻し導管、３０・・・調整弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給し、又、
   燃料電池のカソード側に酸化ガスを供給して発電を行わ
   せるようにしてある燃料電池発電装置において、燃料を
   燃料ガスに改質する改質器と、燃料電池のアノードとを
   結ぶ燃料ガス配管の途中に、改質器を出た燃料ガスの一
   部をライン外に取り出す導管と、取り出された燃料ガス
   を圧縮する圧縮機と、圧縮された燃料ガスを貯蔵するタ
   ンクと、該タンクに貯蔵された燃料ガスを上記燃料ガス
   配管に戻す導管と、該燃料ガス配管へ戻す流量を調整す
   る弁と、からなる燃料ガス補給設備を装備してなること
   を特徴とする燃料電池発電装置。