JPH0261099B2 - - Google Patents
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- JPH0261099B2 JPH0261099B2 JP57185380A JP18538082A JPH0261099B2 JP H0261099 B2 JPH0261099 B2 JP H0261099B2 JP 57185380 A JP57185380 A JP 57185380A JP 18538082 A JP18538082 A JP 18538082A JP H0261099 B2 JPH0261099 B2 JP H0261099B2
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- Japan
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- fuel cell
- load
- air volume
- power generation
- fuel
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は原料ガス、例えばメタンを主成分とす
る天然ガスを水蒸気改質、一酸化炭素変成して水
素燃料ガスを得、これを水素−酸素（空気）型燃
料電池に供給して発電を行う、燃料電池発電シス
テムの運転方法に関する。 燃料電池の発電効率を上げるため、近時、燃料
電池の操作圧力は、１〜８Kg／cm2Ｇと加圧の方向
にあり、燃料電池に供給される空気は、発電効率
を向上させる目的で、排熱回収タービンを備えた
圧縮機により昇圧し、熱源としては、発電システ
ムから発生する高温の排ガス、またはスチームが
利用されている。 このような加圧型の燃料電池発電システムにお
いても、需要側の要望により部分負荷での運転は
頻繁に行われるところであり、この場合において
も高効率の運転方法が確立されることが望まれて
来た。 特開昭51−105551号公報には、加圧型燃料電池
発電システムにおける部分負荷運転の方法が開示
されているが、燃料電池のみを高効率で運転する
方法に留まつている。 本発明者等は燃料電池だけでなく、システム全
体の高効率運転方法につき検討したところ、部分
負荷運転時においては、高圧ほど高効率という従
来の認識に反する結果を得て、本発明を完成する
に至つた。即ち、本発明は、 原料ガスを水蒸気改質・変成して水素燃料を生
成する燃料処理装置、前記水素燃料と空気等の酸
化剤の供給を受けて発電を行う燃料電池および前
記燃料電池に供給する空気等の酸化剤を圧縮する
ための排熱回収タービンを備えた圧縮装置とから
なる加圧型燃料電池発電システムにおいて、部分
負荷時に、燃料電池を全負荷時の運転圧力より低
い圧力で且つ酸化剤を圧縮するための排熱回収タ
ービンを備えた圧縮装置の風量負荷に対応する圧
力で運転し、該風量負荷が前記排熱回収タービン
を備えた圧縮装置の定格最小風量に達した場合は
その定格最小風量負荷とそれに対応する圧力で運
転することを特徴とする燃料電池発電システムに
おける運転方法を提供するものである。 以下、図面等に基づき詳細に説明する。 初めに、第１図を参照しながら全負荷運転につ
いて説明する。 第１図は、本発明の運転方法を実施すべき典型
的な発電システムを示すフローシートであり、改
質装置４、燃料電池８、圧縮機２２および排熱回
収タービン４０が主な構成機器である。 改質装置４は夫々公知の水蒸気改質器、高温変
成器および低温変成器より構成されており、ここ
にて、燃料２（天然ガス）と後述する燃料改質用
スチームとの反応により得られた水素を主成分と
するガスはライン６を経て燃料電池８の燃料室１
０に送られる。 燃料電池８は水素−酸素（空気）型の燃料電池
であり、電極１６により、燃料室１０、空気室１
２および電解液室１４にセパレートされ、更に電
池の発熱を制御するための電池冷却器３２により
構成されている。符号１８は直流・交流変換器を
示している。 燃料電池８の空気室１２には、圧縮機２２によ
り空気２０が昇圧されて送られ、前記水素ガスと
の反応により発電が行われる。 反応を終了した水素ガス２６と、空気２４は共
に改質装置４に送られ燃焼させることにより改質
反応の熱源として利用され、前記改質反応が進め
られる。改質反応に必要なスチームは、燃料電池
の発熱を制御する為に用いられる補給水３０が、
電池冷却器３２を経る間に蒸発して得られるスチ
ーム３４の一部が用いられる。残余のスチーム３
８は系外に取り出されて利用される。 改質装置からの燃焼排ガス３６と補助燃料３を
燃焼器２８で燃焼して排熱回収タービン４０の駆
動用動力として使用されこれと同軸の圧縮器２２
を駆動する。 次に、部分負荷の場合については、電池におけ
る電気への変換効率ηCは ηC＝発電量〔KW〕×860／消費水素〔Ｎm3
／Hr〕×水素の燃焼熱〔Kcal／Ｎm3〕 で表わされ、これは発電量を減少させると、電流
密度が疎となることから、向上することが知られ
ている。また、操作圧力が高くなる程、高効率と
なることは上述のとおりであり、これをグラフ化
したものが第２図に示される。実線は定風量定圧
運転で圧力を変化（P1＞P2＞P3）させた場合の
発電負荷とηCとの関係を示す。 圧縮機の特性を表わした図が第３図に示されて
おり、発電負荷の如何に拘らずＡ点（100％）の
定風量定圧運転を行つたケースが第２図のP1の
曲線で示される。即ち、発電負荷の減少に伴い
ηCは上昇するから定風量定圧運転は好ましいと
考えられる。 これを更に、各負荷におけるKW当りの必要原
料天然ガスの熱量（以下、Heat Rate〔Kcal／
KWH〕、略してH.R.という。）に換算したものが
第４図の実線Ｆに示される。 これまでは、圧縮機と排熱回収タービンを含む
圧縮装置が自活、即ち系外から動力を入れないで
タービンの回収動力のみで昇圧可能という前提で
説明してきたが、それには圧縮機の吐出圧に見合
つたタービンの入口温度が維持されることが必要
となる。圧縮機の吐出圧が高くなる程、高温ガス
をタービンに導くことが要求される。 全負荷においても、現状、或る程度の補助燃料
を焚くことにより圧縮装置は自活できる。ところ
が、発電負荷を下げると、改質装置で取扱う熱量
はほぼ発電負荷の割合で減少するにも拘らず、空
気質から出る空気はほとんど変わらないため、改
質装置から得られる熱量は負荷に比例して減少
し、燃焼排ガスの温度が低下する。それ故、自活
の為に多量の補助燃料が必要となる。各負荷にお
ける補助燃料の量（H.R.）が第４図の実線Ａで
示される。 以上、定風量定圧運転について説明してきた
が、圧縮機の風量を減少させると、どの様になる
であろうか。 発電負荷に従い、圧縮機風量を減少させると、
第３図の特性図に示されるようにＡ→Ｂ→Ｃと操
作圧力は低下し、各負荷におけるηCは第２図の破
線で示されるように変化する。この変風量変圧運
転と先の定風量定圧運転のηCを比較すれば定風量
定圧運転の方が優れているように見える。第４図
の破線Ｆが変風量変圧運転におけるH.R.を示し
ているが、実線Ｆとの比較で定風量定圧運転の方
が優れているようにみえる。 次に補助燃料については、変風量変圧運転で
は、発電負荷を減少させても、空気室から出る空
気が減少するので、改質装置から受ける熱量の減
少に拘らず燃焼排ガスの温度はほぼ一定となる。
従つて、補助燃料は減少させることができる。
（第４図の破線Ａ）。 第４図の実線Ｔと破線Ｔは両運転における原料
と補助燃料の各々の合計を示す。変風量変圧運転
は部分負荷において、少ない熱量で発電できるこ
とが分かる。 尚、第４図の実線Ｔと破線Ｔとを発電総合効率
ηT ηT＝発電量〔KW〕×860／システム入口合
計熱量〔Kcal／Hr〕×100 に換算すれば第５図のようになる。 圧縮機の特性については既に述べたが、通常、
広く運転範囲を取れないことが多い。その場合、
定格最少風量でそれ以下の発電負荷においても運
転すれば良い。 図において、破線は50〜100％負荷で変風量運
転、25〜50％は50％に於ける風量を確保して定風
量運転とした。定風量定圧運転の25％運転では非
常に発電端効率が悪くなり、実用性がないが、変
風量変圧運転では25％でも十分実用にたえる発電
効率である。 本発明の部分負荷時における変風量変圧運転
は、より具体的には、圧縮器吐出側ラインに設置
した流量計で計測する流量を負荷に見合つた値と
なる様、タービン入口ラインに設けられた燃焼器
への補助燃料量を加減することにより行われる。 なお、圧縮装置の負荷応答性は電池の負荷変動
速度に比べて遅いので、急激な負荷減少が要求さ
れた場合には、先ず定風量定圧運転で対応し、順
次変風量変圧運転に移行しても良い。 又、急激な負荷増大の場合には、先ず圧縮装置
の負荷を増大負荷に見合つた値とした後、電池負
荷を増大しても良い。 本発明の理解の為、1000KWの発電を目標に設
計すると次のようになる。 100％負荷で、改質用天然ガス8.43Kgmol／hr
補助燃料0.5Kgmol／hrを用いて、110Kgmol／
hr3.5Kg／cm2Ｇの空気を得て1000KWの発電がで
き、その時の効率は30.5％である。 各部分負荷時について、従来法（定風量、定風
圧）と、本発明による方法（変圧、変風量）につ
いて算出比較する。
る天然ガスを水蒸気改質、一酸化炭素変成して水
素燃料ガスを得、これを水素−酸素（空気）型燃
料電池に供給して発電を行う、燃料電池発電シス
テムの運転方法に関する。 燃料電池の発電効率を上げるため、近時、燃料
電池の操作圧力は、１〜８Kg／cm2Ｇと加圧の方向
にあり、燃料電池に供給される空気は、発電効率
を向上させる目的で、排熱回収タービンを備えた
圧縮機により昇圧し、熱源としては、発電システ
ムから発生する高温の排ガス、またはスチームが
利用されている。 このような加圧型の燃料電池発電システムにお
いても、需要側の要望により部分負荷での運転は
頻繁に行われるところであり、この場合において
も高効率の運転方法が確立されることが望まれて
来た。 特開昭51−105551号公報には、加圧型燃料電池
発電システムにおける部分負荷運転の方法が開示
されているが、燃料電池のみを高効率で運転する
方法に留まつている。 本発明者等は燃料電池だけでなく、システム全
体の高効率運転方法につき検討したところ、部分
負荷運転時においては、高圧ほど高効率という従
来の認識に反する結果を得て、本発明を完成する
に至つた。即ち、本発明は、 原料ガスを水蒸気改質・変成して水素燃料を生
成する燃料処理装置、前記水素燃料と空気等の酸
化剤の供給を受けて発電を行う燃料電池および前
記燃料電池に供給する空気等の酸化剤を圧縮する
ための排熱回収タービンを備えた圧縮装置とから
なる加圧型燃料電池発電システムにおいて、部分
負荷時に、燃料電池を全負荷時の運転圧力より低
い圧力で且つ酸化剤を圧縮するための排熱回収タ
ービンを備えた圧縮装置の風量負荷に対応する圧
力で運転し、該風量負荷が前記排熱回収タービン
を備えた圧縮装置の定格最小風量に達した場合は
その定格最小風量負荷とそれに対応する圧力で運
転することを特徴とする燃料電池発電システムに
おける運転方法を提供するものである。 以下、図面等に基づき詳細に説明する。 初めに、第１図を参照しながら全負荷運転につ
いて説明する。 第１図は、本発明の運転方法を実施すべき典型
的な発電システムを示すフローシートであり、改
質装置４、燃料電池８、圧縮機２２および排熱回
収タービン４０が主な構成機器である。 改質装置４は夫々公知の水蒸気改質器、高温変
成器および低温変成器より構成されており、ここ
にて、燃料２（天然ガス）と後述する燃料改質用
スチームとの反応により得られた水素を主成分と
するガスはライン６を経て燃料電池８の燃料室１
０に送られる。 燃料電池８は水素−酸素（空気）型の燃料電池
であり、電極１６により、燃料室１０、空気室１
２および電解液室１４にセパレートされ、更に電
池の発熱を制御するための電池冷却器３２により
構成されている。符号１８は直流・交流変換器を
示している。 燃料電池８の空気室１２には、圧縮機２２によ
り空気２０が昇圧されて送られ、前記水素ガスと
の反応により発電が行われる。 反応を終了した水素ガス２６と、空気２４は共
に改質装置４に送られ燃焼させることにより改質
反応の熱源として利用され、前記改質反応が進め
られる。改質反応に必要なスチームは、燃料電池
の発熱を制御する為に用いられる補給水３０が、
電池冷却器３２を経る間に蒸発して得られるスチ
ーム３４の一部が用いられる。残余のスチーム３
８は系外に取り出されて利用される。 改質装置からの燃焼排ガス３６と補助燃料３を
燃焼器２８で燃焼して排熱回収タービン４０の駆
動用動力として使用されこれと同軸の圧縮器２２
を駆動する。 次に、部分負荷の場合については、電池におけ
る電気への変換効率ηCは ηC＝発電量〔KW〕×860／消費水素〔Ｎm3
／Hr〕×水素の燃焼熱〔Kcal／Ｎm3〕 で表わされ、これは発電量を減少させると、電流
密度が疎となることから、向上することが知られ
ている。また、操作圧力が高くなる程、高効率と
なることは上述のとおりであり、これをグラフ化
したものが第２図に示される。実線は定風量定圧
運転で圧力を変化（P1＞P2＞P3）させた場合の
発電負荷とηCとの関係を示す。 圧縮機の特性を表わした図が第３図に示されて
おり、発電負荷の如何に拘らずＡ点（100％）の
定風量定圧運転を行つたケースが第２図のP1の
曲線で示される。即ち、発電負荷の減少に伴い
ηCは上昇するから定風量定圧運転は好ましいと
考えられる。 これを更に、各負荷におけるKW当りの必要原
料天然ガスの熱量（以下、Heat Rate〔Kcal／
KWH〕、略してH.R.という。）に換算したものが
第４図の実線Ｆに示される。 これまでは、圧縮機と排熱回収タービンを含む
圧縮装置が自活、即ち系外から動力を入れないで
タービンの回収動力のみで昇圧可能という前提で
説明してきたが、それには圧縮機の吐出圧に見合
つたタービンの入口温度が維持されることが必要
となる。圧縮機の吐出圧が高くなる程、高温ガス
をタービンに導くことが要求される。 全負荷においても、現状、或る程度の補助燃料
を焚くことにより圧縮装置は自活できる。ところ
が、発電負荷を下げると、改質装置で取扱う熱量
はほぼ発電負荷の割合で減少するにも拘らず、空
気質から出る空気はほとんど変わらないため、改
質装置から得られる熱量は負荷に比例して減少
し、燃焼排ガスの温度が低下する。それ故、自活
の為に多量の補助燃料が必要となる。各負荷にお
ける補助燃料の量（H.R.）が第４図の実線Ａで
示される。 以上、定風量定圧運転について説明してきた
が、圧縮機の風量を減少させると、どの様になる
であろうか。 発電負荷に従い、圧縮機風量を減少させると、
第３図の特性図に示されるようにＡ→Ｂ→Ｃと操
作圧力は低下し、各負荷におけるηCは第２図の破
線で示されるように変化する。この変風量変圧運
転と先の定風量定圧運転のηCを比較すれば定風量
定圧運転の方が優れているように見える。第４図
の破線Ｆが変風量変圧運転におけるH.R.を示し
ているが、実線Ｆとの比較で定風量定圧運転の方
が優れているようにみえる。 次に補助燃料については、変風量変圧運転で
は、発電負荷を減少させても、空気室から出る空
気が減少するので、改質装置から受ける熱量の減
少に拘らず燃焼排ガスの温度はほぼ一定となる。
従つて、補助燃料は減少させることができる。
（第４図の破線Ａ）。 第４図の実線Ｔと破線Ｔは両運転における原料
と補助燃料の各々の合計を示す。変風量変圧運転
は部分負荷において、少ない熱量で発電できるこ
とが分かる。 尚、第４図の実線Ｔと破線Ｔとを発電総合効率
ηT ηT＝発電量〔KW〕×860／システム入口合
計熱量〔Kcal／Hr〕×100 に換算すれば第５図のようになる。 圧縮機の特性については既に述べたが、通常、
広く運転範囲を取れないことが多い。その場合、
定格最少風量でそれ以下の発電負荷においても運
転すれば良い。 図において、破線は50〜100％負荷で変風量運
転、25〜50％は50％に於ける風量を確保して定風
量運転とした。定風量定圧運転の25％運転では非
常に発電端効率が悪くなり、実用性がないが、変
風量変圧運転では25％でも十分実用にたえる発電
効率である。 本発明の部分負荷時における変風量変圧運転
は、より具体的には、圧縮器吐出側ラインに設置
した流量計で計測する流量を負荷に見合つた値と
なる様、タービン入口ラインに設けられた燃焼器
への補助燃料量を加減することにより行われる。 なお、圧縮装置の負荷応答性は電池の負荷変動
速度に比べて遅いので、急激な負荷減少が要求さ
れた場合には、先ず定風量定圧運転で対応し、順
次変風量変圧運転に移行しても良い。 又、急激な負荷増大の場合には、先ず圧縮装置
の負荷を増大負荷に見合つた値とした後、電池負
荷を増大しても良い。 本発明の理解の為、1000KWの発電を目標に設
計すると次のようになる。 100％負荷で、改質用天然ガス8.43Kgmol／hr
補助燃料0.5Kgmol／hrを用いて、110Kgmol／
hr3.5Kg／cm2Ｇの空気を得て1000KWの発電がで
き、その時の効率は30.5％である。 各部分負荷時について、従来法（定風量、定風
圧）と、本発明による方法（変圧、変風量）につ
いて算出比較する。
【表】
空気の圧縮機を変圧、変風量で運転するという
事は燃料電池自身をその変化した圧力条件で運転
する事である。 以上の説明からも明らかなように、本発明によ
れば、部分負荷時の発電総合効率を向上させるこ
とができ、この効率は圧縮装置の効率が低い程、
その差は顕著である。
事は燃料電池自身をその変化した圧力条件で運転
する事である。 以上の説明からも明らかなように、本発明によ
れば、部分負荷時の発電総合効率を向上させるこ
とができ、この効率は圧縮装置の効率が低い程、
その差は顕著である。
第１図は本発明の運転方法を実施すべき典型的
な発電システムを示すフローシート、第２図は発
電負荷に対する燃料電池の電気への変換効率、第
３図は圧縮機の特性図、第４図は発電負荷に対す
るHeat Rate、第５図は発電負荷に対する発電
総合効率を夫々示す図である。
な発電システムを示すフローシート、第２図は発
電負荷に対する燃料電池の電気への変換効率、第
３図は圧縮機の特性図、第４図は発電負荷に対す
るHeat Rate、第５図は発電負荷に対する発電
総合効率を夫々示す図である。
Claims (1)
- １ 原料ガスを水蒸気改質・変成して水素燃料を
生成する燃料処理装置、前記水素燃料と空気等の
酸化剤の供給を受けて発電を行う燃料電池および
前記燃料電池に供給する空気等の酸化剤を圧縮す
るための排熱回収タービンを備えた圧縮装置とか
らなる加圧型燃料電池発電システムにおいて、部
分負荷時に、燃料電池を全負荷時の運転圧力より
低い圧力で且つ酸化剤を圧縮するための排熱回収
タービンを備えた圧縮装置の風量負荷に対応する
圧力で運転し、該風量負荷が前記排熱回収タービ
ンを備えた圧縮装置の定格最小風量に達した場合
はその定格最小風量負荷とそれに対応する圧力で
運転することを特徴とする燃料電池発電システム
における運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57185380A JPS5975571A (ja) | 1982-10-23 | 1982-10-23 | 燃料電池発電システムにおける運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57185380A JPS5975571A (ja) | 1982-10-23 | 1982-10-23 | 燃料電池発電システムにおける運転方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5975571A JPS5975571A (ja) | 1984-04-28 |
| JPH0261099B2 true JPH0261099B2 (ja) | 1990-12-19 |
Family
ID=16169788
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57185380A Granted JPS5975571A (ja) | 1982-10-23 | 1982-10-23 | 燃料電池発電システムにおける運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5975571A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2810367B2 (ja) * | 1987-10-26 | 1998-10-15 | 株式会社日立製作所 | 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 |
| JP4629950B2 (ja) * | 2002-08-05 | 2011-02-09 | 財団法人電力中央研究所 | 溶融炭酸塩形燃料電池発電システム及びこの発電システムにおける発電方法 |
| DE102010010271A1 (de) | 2010-03-05 | 2011-09-08 | Daimler Ag | Vorrichtung zur Bereitstellung eines heißen Abgasstroms |
| DE102010010272A1 (de) | 2010-03-05 | 2011-09-08 | Daimler Ag | Vorrichtung zur Bereitstellung von heißen Abgasen |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58166671A (ja) * | 1982-03-27 | 1983-10-01 | Kansai Electric Power Co Inc:The | 燃料電池発電システムの圧力制御方法 |
-
1982
- 1982-10-23 JP JP57185380A patent/JPS5975571A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58166671A (ja) * | 1982-03-27 | 1983-10-01 | Kansai Electric Power Co Inc:The | 燃料電池発電システムの圧力制御方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5975571A (ja) | 1984-04-28 |
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