JPH0217697B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はシステムからの排ガスエネルギーを
タービンの駆動力に利用し、タービンと同軸上に
設置されたコンプレツサによりシステムが必要と
する空気を供給するターボコンプレツサシステム
の起動方法に関するものである。

〔従来の技術〕

この種のターボコンプレツサシステムはシステ
ムの排ガスエネルギーを無駄に捨てることなく、
システム内で有効にエネルギー回収を図るもので
あるが、その代表的なものとして燃料電池発電シ
ステムがある。以下一例としてこの燃料電池発電
システムについて説明する。

燃料電池発電システムは、従来の汽力発電に比
べ高効率が期待できること、環境保全性が良い等
の利点があり、実用化を目指し近年盛んに開発が
進められている。燃料電池発電システムは、空気
極、燃料極及び電解質層から成る燃料電池本体
と、天然ガス等の炭化水素系燃料を改質して燃料
電池本体に燃料となる水素ガスを供給する改質器
と、燃料電池本体及び改質器に空気を供給するタ
ーボコンプレツサとを備えている。燃料電池本体
の性能は反応ガスの圧力の増大によつて向上する
傾向を示し、このため燃料、空気、各反応ガスの
動作圧力は例えば４〜６Kg／cm²ｇ程度に加圧維持
される。このとき、空気の圧縮には多大の動力を
必要とするが、この動力は改質器からの燃焼排ガ
ス及び燃料電池本体の空気極からの余剰空気を導
入するターボコンプレツサのタービンによりまか
なわれる。即ち、このターボコンブレツサは、シ
ステムの排ガスエネルギーをタービンで回収し、
同軸上のコンプレツサで必要な圧縮空気を供給す
ることによつてシステム内部で動力を回収し、シ
ステム効率の向上を図るものである。

さて、このような燃料電池発電システムにおい
て、システムを起動するには先ずターボコンプレ
ツサを起動させる必要があるが、初期には駆動源
となるシステム排ガスが得られないため何らかの
外部エネルギーを付与してターボコンプレツサを
立ち上げる必要がある。このため、起動用圧縮空
気供給装置を使用するのが一般的であるが、この
具体的な従来の方法として例えば特願昭59−
17434号公報に開示されているものがあり、その
実施例を簡略化して第３図に示す。図において、
１は燃料電池本体、改質器等で構成されるシステ
ム、２はシステム１からの排ガスによつて駆動さ
れシステム１に必要な圧縮空気を供給するタービ
ン２ａとこのタービン２ａと同軸上に配置された
コンプレツサ２ｂとから成るターボコンプレツ
サ、３はこのターボコンプレツサ２のコンプレツ
サ２ｂの入口側に設置された給気配管、４はこの
給気配管３に設置された弁、５は起動用圧縮空気
供給装置、６はこの起動用圧縮空気供給装置５か
らの空気をコンプレツサ２ｂの入口側給気配管３
に導く導入配管、７はこの導入配管６上に設置さ
れた弁、８はコンプレツサ２ｂの出口側に設置さ
れコンプレツサ２ｂからの空気をシステム１に供
給するための空気供給配管、９はシステム１から
の排ガスをタービン２ａへ導くシステム排ガス配
管、１０はタービン２ａからの排ガスを排出する
タービン排ガス配管、１１はシステム排ガス配管
９とタービン排ガス配管１０とをタービン２ａを
バイパスして接続するタービンバイパス配管、１
２はこのタービンバイパス配管１１上に設置した
タービンバイパス弁である。

次いで、上記の様に構成された従来のシステム
において、ターボコンプレツサ２の起動動作を説
明する。システム始動時において、まず弁４を閉
じ、弁７を開いて起動用圧縮空気供給装置５を起
動する。起動用圧縮空気供給装置５から吐出され
る圧縮空気はコンプレツサ２ｂを通過し、空気供
給給配管８を経由してシステム１の中の改質器
（図示せず）に供給される。この状態でシステム
１の改質器に燃料を投入して燃焼をスタートす
る。改質器からの、即ちシステム１からの燃焼排
ガスは、システム排ガス配管９を通つてタービン
２ａに戻つたあとタービン排ガス配管１０を経て
大気に放出される。この間、改質器の温度が上昇
し、これに伴い排ガス温度も上昇し、ある時点か
らターボコンプレツサ２が回転を始める。そし
て、この排ガス温度がターボコンプレツサ２を自
力運転させるのに十分な温度に到達した時点で、
弁４を開き、起動用圧縮空気供給装置５を停止さ
せて弁７を閉じる。これにより、ターボコンプレ
ツサ２はシステム１の排ガスエネルギーを得て自
力運転状態となる。尚、以上の過程において、タ
ービンバイパス弁１２は、ターボコンプレツサ２
の過負荷を調整するためのもので、適時調整を行
つて過負荷を防止する。

この様にしてターボコンプレツサ２の起動が完
了し、このあとシステム１の要求に応じてターボ
コンプレツサ２より必要な風量、風圧の圧縮空気
が供給される。

さてこの様な従来技術の特徴の１つとして、起
動用圧縮空気供給装置５からの始動空気をコンプ
レツサ２ｂの入口側へ供給するようにしているの
で、始動運転モードにおいてもコンプレツサ２ｂ
の流量を十分に確保することができ、そのため始
動時に発生し易いサージングを防止することがで
きる点が挙げられる。さらにもう１つの特徴は、
システム１の排ガスエネルギーを有効に利用して
ターボコンプレツサ２を立ち上げる方式としてい
るので、ターボコンプレツサ起動のために他の余
分なエネルギーを必要としない点である。即ち燃
料電池発電システムにおいては、改質器まわりの
昇温に数時間の時間を要するが、これを起動用圧
縮空気供給装置５からの空気を用いて行わせ、昇
温後に排ガスエネルギーを利用してターボコンプ
レツサ２の立上げ、昇圧を行わせようとするもの
で、ターボコンプレツサ２の起動に要するエネル
ギーを小さく抑えることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるにこのような従来構成のものは、起動用
圧縮空気装置５からの始動空気が、コンプレツサ
〜シスチム〜タービンをシリースに通過するた
め、この圧力損失がきわめて大きく、したがつて
システム始動時において昇温に必要な空気を供給
するために起動用圧縮空気供給装置５の容量を相
当に大きくしなければならないという問題点があ
つた。即ち、システムの昇温過程ではまだターボ
コンプレツサ２は起動していないため、コンプレ
ツサ２ｂ、タービン２ａの通気抵抗は大きく、こ
の分起動用圧縮空気供給装置５の吐出圧力を高く
する必要があつた。またシステムの昇温後、ター
ボコンプレツサ２を停止状態から起動させるに
は、適当なタービン２ａの入口ガス圧力条件（例
えば0.5Kg／cm²Ｇ程度）を必要とするが、この従
来構成では、コンプレツサ及びシステムの通過時
の圧力損失が大きく、このためにも起動用圧縮空
気供給装置５の吐出圧力を高くする必要があつ
た。

この発明は上記のような問題点を解消するため
になされたもので、小さい容量の起動用圧縮空気
供給装置で容易に且つ安定してターボコンプレツ
サを立ち上げることができるターボコンプレツサ
システムを提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るターボコンプレツサシステム
は、コンプレツサの入口側配管と出口側配管との
間を弁を介して接続するコンプレツサバイパス配
管、タービンの入口側配管と出口側配管との間を
弁を介して接続するタービンバイパス配管、及び
システムの入口側配管と出口側配管との間を弁を
介して接続する起動用バイパス配管を設置し、シ
ステム起動時に起動用圧縮空気供給装置からの空
気をこのコンプレツサバイパス配管を通過させて
システムに供給し、またシステムからの排ガスを
このタービンバイパス配管を通過させてシステム
の昇温を行うようにしたことを特徴とする。また
システムの昇温後は起動用圧縮空気供給装置から
の空気をコンプレツサバイパス配管に導いたあ
と、一部の空気を起動用バイパス配管に導いた状
態でタービンバイパス回路の開閉弁を閉じてター
ボコンプレツサを立上げるようにした。

〔作用〕

この発明におけるターボコンプレツサシステム
は、システム起動時の昇温過程で、起動用圧縮空
気供給装置からの圧縮空気及びシステムからの排
ガスがそれぞれコンプレツサ、タービンをバイパ
スするので、経路の圧力損失は殆どシステムの通
過分のみとなり、起動用圧縮空気供給装置の容量
を小さくできるとともに、起動時に要する消費エ
ネルギーが軽減する。またターボコンプレツサ起
動時は起動用圧縮空気供給装置からの圧縮空気
を、コンプレツサをバイパスし、一部はシステム
をバイパスしてタービンに投入させるため、十分
なタービン入口圧力を維持することができ、容易
にターボコンプレツサが立ち上がる。

〔発明の実施例〕

以下この発明の一実施例を第１図に基いて説明
する。図において、１〜１０は、第３図に示す従
来の構成と同じものである。１３はコンプレツサ
２ｂの入口側の給気配管３とコンプレツサ２ｂの
出口側の空気供給配管８との間を接続するコンプ
レツサバイパス配管、１４はこのコンプレツサバ
イパス配管１３上に設置した開閉弁、１５はター
ビン２ａの上流側のシステム排ガス配管９とター
ビン２ａの下流側のタービン排ガス配管１０との
間を接続するタービンバイパス配管、１６はこの
タービンバイパス配管１５上に設置した開閉弁で
あり、これらのバイパス配管１３，１５及び開閉
弁１４，１６はいずれも、システム起動時の供給
空気またはシステム排ガスの通気に対し圧力損失
が十分小さくなるように口径が選定されたもので
ある。１７はタービン動力の不足を補うための補
助燃焼器、１８は空気供給配管８から分岐して補
助燃焼器１７へ燃焼用空気を供給するための空気
供給配管、１９はこの空気供給配管１８上に設置
された調節弁、２０は空気供給配管８とシステム
排ガス配管９との間を接続しシステムをバイパス
する起動用バイパス配管、２１は起動用バイパス
配管２０に設置された弁である。なお、この実施
例では、必要なコンプレツサ負荷に対しタービン
動力が不足する例を挙げており、このためにシス
テム排ガス配管９の途上に補助燃焼器１７を配置
している。第３図の従来例では補助燃焼器１７は
設置されていないが、一般にはタービン動力が不
足するため補助燃焼器１７を必要とする。但しこ
の様なシステムに補助燃焼器１７を設置すること
自体は従来技術によるもので、例えばその一例が
特願昭59−202804号公報に示されているとおりで
ある。

次いで第１図の実施例の動作について説明す
る。システム始動時に、まず弁４，１９，２１を
閉じ、弁７，１４，１６を開いた状態で起動用圧
縮空気供給装置５を起動する。起動用圧縮空気供
給装置５からの圧縮空気はコンプレツサ２ｂとコ
ンプレツサバイパス配管１３の両方を通過する
が、コンプレツサ２ｂの側の通風抵抗がきわめて
大きいため大半の圧縮空気がコンプレツサバイパ
ス配管１３の方を通つて空気供給配管８に至りシ
ステム１に投入される。この状態でシステム１の
改質器（図示せず）に燃料を投入して燃焼をスタ
ートする。この燃焼排ガスはシステム排ガスとし
て、システム排ガス配管９を通り、タービン２ａ
とタービンバイパス配管１５を並列に流れ、ター
ビン排ガス配管１０を経て大気に放出される。こ
のときもタービン２ａの通風抵抗が大きいため大
半の排ガスがタービンバイパス配管１５の方を通
過する。このような空気及び排ガスの通風経路を
構成してシステム１の昇温が行われる。この構成
では起動用圧縮空気供給装置５の吐出側から排ガ
ス放出に至る間の系統の圧力損失が殆どシステム
１内の圧力損失で占められるのみとなり、従来の
方式に比べ著しく系統の圧力損失を低減できる。
したがつて、この構成では、殆どシステム１内の
圧力損失に見合う分の吐出圧力をもつ起動用圧縮
空気供給装置５を用意すれば良く、設備容量の低
減、さらには起動時の消費エネルギーの低減の効
果が得られる。さて、システム１の温度が上昇
し、排ガス温度もある程度上昇してくれば次にタ
ーボコンプレツサ２の起動動作に移る。ターボコ
ンプレツサ起動のタイミングは、第３図の従来例
ではシステム排ガス温度がターボコンプレツサ起
動の条件を満たす時点であつたが、第１図の例で
は補助燃焼器１７を設置しているため、システム
排ガスのもつエネルギーがターボコンプレツサ２
の起動及び自力運転に十分でなくても随時ターボ
コンプレツサ２の起動をかけることができる。ま
ず起動用バイパス配管２０の弁２１を開き、シス
テム１に投入される空気の一部を起動用バイパス
配管２０に導く。これにより起動用圧縮空気供給
装置５からの空気はコンプレツサ２ｂをバイパス
し、また一部がシステム１をバイパスするので、
タービン２ａに至るまでの圧力損失を低減するこ
とができる。そこでタービンバイパス配管１５の
開閉弁１６を閉にする。これによりシステム排ガ
スの全量がタービン２ａを通過しようとするが、
タービン２ａの通風抵抗が大きく通過量が制限さ
れるため、システム１内のバツフア容積効果によ
り、系内圧力が徐々に上昇する。こうして、ター
ボコンプレツサ２の起動に必要なタービン入口圧
力条件が成立すればターボコンプレツサ２が起動
を殆める。このとき、ターボコンプレツサ２を起
動させるのに、タービン入口温度が不足していれ
ば、起動に先立ち、補助燃焼器１７の燃焼をスタ
ートさせれば良い。補助燃焼器１７の燃焼は、空
気供給配管１８の調節弁１９を開き、同時に燃料
を投入して行う。このような方式では、コンプレ
ツサ２ｂをバイパスしさらに一部の空気をシステ
ム１をバイパスさせて立上げを行うので、起動用
圧縮空気供給装置５からタービン２ａに至るまで
の圧力損失を大幅に低減でき、従来の方式に比し
起動用圧縮空気供給装置５の容量を低減すること
ができる。一旦ターボコンプレツサ２が起動すれ
ば、コンプレツサ２ｂは回転によつて送風の仕事
を始めようとするので、起動用圧縮空気供給装置
５からの空気はコンプレツサ２ｂを通過するよう
になる。コンプレツサ２ｂが送風の仕事を開始す
る時点でコンプレツサバイパス配管１３の開閉弁
１４を閉にすれば昇圧の態勢が整う。コンプレツ
サ２ｂが送風の仕事を開始するか否かのタイミン
グは、ターボコンプレツサ２の回転数で判断して
も良いし、或はコンプレツサ２ｂの吸込圧力と吐
出圧力の差で判断することもできる。このあと、
補助燃焼器１７の燃焼が行われていなければ燃焼
を開始する。補助燃焼器１７の燃焼によつてター
ビン２ａへの入口ガス温度が上昇し、これに伴つ
てタービン動力が増加し、ターボコンプレツサ２
の回転数が上昇してコンプレツサ２ｂの風量と吐
出圧力が増加する。この間起動用圧縮空気供給装
置５からの圧縮空気は継続してコンプレツサ２ｂ
の吸込側に押し込まれるので、コンプレツサ２ｂ
は比較的小さい圧縮比で十分な風量が確保され、
安定した起動・昇圧動作が行われる。起動用バイ
パス配管２０の弁２１はこの間の適当な時期に閉
じれば良い。この後ターボコンプレツサ２の自力
運転に必要なタービン入口ガス条件に到達した時
点で、弁４を開き起動用圧縮空気供給装置５を停
止させ、弁７を閉じてターボコンプレツサ２の自
力運転状態を実現する。起動用圧縮空気供給装置
５を停止させる時期は、起動用圧縮空気供給装置
５の吐出圧力、即ちコンプレツサ２ｂの吸込圧力
が０Kg／cm²Ｇ（大気圧）付近まで下がつた時点と
しても良い。これでターボコンプレツサ２の起動
が完了し、このあとはシステム１の要求に応じて
ターボコンプレツサ２より必要な風量、風圧の圧
縮空気が供給される。

なお上記実施例では、コンプレツサバイパス配
管１３上に開閉弁１４を設置した例を述べたが、
この開閉弁の代りに逆止弁を用いても良く同じ効
果を奏する。逆止弁を使用した実施例を第２図に
示す。図において２２は逆止弁を示し、この場合
逆止弁２２はコンプレツサ２ｂの出口側の空気供
給配管８からコンプレツサ２ｂの入口側の給気配
管３への逆流を防止する方向に取付ける。この逆
止弁２２を用いたシステムでは、コンプレツサ２
ｂが送風の仕事を開始する時点、即ちコンプレツ
サ２ｂの吐出圧力が吸込圧力を上回る時点で自動
的に逆止弁２２が閉になるので、第１図の実施例
で必要としたこの時点での開閉弁の閉操作が不要
となる。

また、コンプレツサ２ｂの入口側の給気配管３
上の弁４を逆上弁に置き換えても良く、さらに導
入配管６上の弁７は省略しても良く、それぞれ第
１図、第２図に示す実施例と同様の効果を奏す
る。

また第１図、第２図の実施例では、システム排
ガス配管９の途上に補助燃焼器１７を設置した例
を述べたが、ターボコンプレツサ２を起動、自力
運転させるのにシステム１の排ガスのエネルギー
のみで十分な場合は、補助燃焼器１７を省略して
も良い。

また、上記実施例では、システム１の昇温後に
ターボコンプレツサ２を起動させる例を示した
が、補助燃焼器１７を設置したものでは、システ
ム１の昇温を待たずに随時ターボコンプレツサ２
を起動させることができる。但しシステム１の昇
温後にその排ガスエネルギーを利用してターボコ
ンプレツサ２を立上げる方が、補助燃焼器１７の
容量を低減できる点、及びエネルギー消費量を低
減できる点で望ましい。

ところで、上記実施例では燃料電池発電システ
ムを対象とした場合について述べたが、その他化
学プラント等のシステムを対象とできることは言
うまでもなく、要するにターボコンプレツサを利
用するシステムにこの発明を適用することがで
き、上記実施例と同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、コンプレツ
サの入口側配管と出口側配管とを弁を介して接続
するコンプレツサバイパス配管、タービンの入口
側配管と出口側配管とを弁を介して接続するター
ビンバイパス配管、及びシステムの入口側配管と
出口側配管との間を弁を介して接続する起動用バ
イパス配管を設置したことにより、比較的容量の
小さい起動用圧縮空気供給装置を使用して、シス
テムの昇温に必要な空気を供給することができ、
また容易に且つ安定してターボコンプレツサを起
動させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるターボコン
プレツサシステムの起動方法を示す系統図、第２
図はこの発明の他の実施例によるターボコンプレ
ツサシステムの起動方法を示す系統図、第３図は
従来のターボコンプレツサシステムの起動方法を
示す系統図である。 図において、１はシステム、２はターボコンプ
レツサ、２ａはタービン、２ｂはコンプレツサ、
３は給気配管、５は起動用圧縮空気供給装置、８
は空気供給配管、９はシステム排ガス配管、１３
はコンプレツサバイパス配管、１４は開閉弁、１
５はタービンバイパス配管、１６は開閉弁、２０
は起動用バイパス配管、２１は弁、２２は逆止弁
である。尚、図中同一符号は同一、又は相当部分
を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ システムからの排ガスにより駆動されるター
   ビンとこのタービンと同軸上に直結され上記シス
   テムに必要な圧縮空気を供給するコンプレツサと
   から構成されるターボコンプレツサと、上記コン
   プレツサの入口側配管に設置された起動用圧縮空
   気供給装置とを備えたターボコンプレツサシステ
   ムにおいて、上記コンプレツサの入口側配管と出
   口側配管との間を弁を介して接続するコンプレツ
   サバイパス配管、上記タービンの入口側配管と出
   口側配管との間を弁を介して接続するタービンバ
   イパス配管、及び上記システムの入口側配管と出
   口側配管との間を弁を介して接続する起動用バイ
   パス配管を設置し、上記システムの起動時に、上
   記起動用圧縮空気供給装置からの空気を上記コン
   プレツサバイパス配管に導くとともに上記システ
   ムからの排ガスを上記タービンバイパス配管に導
   くようにし、さらに上記ターボコンプレツサの起
   動時に、上記起動用圧縮空気供給装置からの空気
   を上記コンプレツサバイパス配管に導いたあと、
   一部の空気を上記起動用バイパス配管に導いた状
   態で上記タービンバイパス配管の弁を閉じ、上記
   ターボコンプレツサの起動後に上記コンプレツサ
   バイパス配管の弁を閉じるようにしたことを特徴
   とするターボコンプレツサシステム。 ２ コンプレツサバイパス配管上に介する弁は、
   逆止弁であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のターボコンプレツサシステム。