JPH0261392A - ターボコンプレッサの起動方法および起動装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は燃料電池１電システムのサブシステムを構成す
る空気供給系に係り、特に、この空気供給系に猫えられ
るターボコンプレッサの起動方法および起動装置に関す
る。

（従来の技術） 燃料の化学エネルギーを電極反応で直接電気エネルギー
に変換する燃料電池の発電システムには、そのサブシス
テムとして燃料電池本体に圧縮空気を供給する空気供給
系が設けられている。この空気供給系は燃料電池発電シ
ステム全体の効率を向上させるために、燃料電池本体か
らの排ガスの熱エネルギーを回収し、この回収エネルギ
ーを空気供給系の主空気供給エネル１！−に利用してい
る。

燃料電池発電システムに備えられる空気供給系１は、第
４図に示すように多段式に接続された２台のターボコン
プレッサ２，３を備え、各ターボコンプレッサ２．３に
はタービン４．５と圧縮機６−１７とがそれぞれ対をな
して設けられる。各圧縮機６，７の間には圧縮機の駆動
力を減少させるために中間冷Ｗ器８が設けられる。。

前記空気供給系１は大気９を吸気フィルタサイレンサ１
０を経て低圧ターボコンプレッサ２の低圧圧縮機６に吸
い込み、この低圧圧縮１１１６と高圧ターボコンプレッ
サ３の高圧圧縮ｔｊ１７により多段圧縮し、この圧縮空
気をシステム分離弁１０を経て燃料電池本体１１に供給
して燃料電池本体１１に電極反応を生じさせ、電気エネ
ルギーに変換させる。

一方、燃料電池本体１１からの排ガスは燃料電池発電シ
ステムの運転状態に応じてシステム分離弁１２を経て補
助燃焼器１３に案内してこの補助燃焼器１３で燃焼ガス
と必要に応じて淀合した後、混合ガスを高圧タービン５
および低圧タービン４に送り、両タービン５，４にて排
ガスに含まれる熱エネルギーを回収する。この熱エネル
ギー回収後、混合ガスは排気サイレンサ１４を経て大気
中へ放出される。

また、高圧ターボコンプレッサ３の高圧圧縮機７からの
吐出空気の一部は、補助燃焼器１３の燃焼用空気や空気
圧力調整のためのバイパス用空気として利用される。燃
焼用空気は、燃焼用流量コントロール弁１６により流量
制御され、燃料流最コントロール弁１７により流８制御
される燃料との割合がｌＩＶ′Ｊな空燃比となるように
調整されて、補助燃焼器１３に供給される。補助燃焼に
１３はエネルギー付加装置として機能し、燃料電池本体
１１からの排ガスの熱エネルギーが不足する起動時や部
分負荷運転時にエネルギー付加を行なうようになってい
る。

一方、バイパス用空気は、燃料電池本体１１に供給され
る吐出空気の空気圧力を変化さＵないようにバイパス空
気コントロール弁１８により調節され、燃料電池本体１
１の運転状態が変化して燃料電池本体１１の必要空気流
量が変化しても、燃料電池本体１１へ供給する空気圧力
を変化させないようにしている。バイパス空気コントロ
ール弁１８を通るバイパス用空気は、ウェストライン１
９を通り燃料電池本体１１からの排ガスもどり口側へ供
給される。

燃料電池発電システムは、その起動時に高圧圧縮画７か
らの吐出空気の圧力、流量が充分でないため、システム
分離弁１０．１２を閉じて燃料電池本体１１を空気供給
系１から分離させ、補助燃焼器１３を燃焼させて空気供
給系１を初めに単独で立ち上げてからシステム分離弁１
０．１２を開いて燃料電池本体１１と接続する起動方法
が採用される。この起動時には、空気供給系１に備えら
れた補助燃焼器１３を点火燃焼させてその燃焼ガスによ
り低圧および高圧ターボコンプレッサ２゜３を起動させ
、自立させるようになっている。

（発明が解決しようとする課題） 従来の燃料電池発電システムにおいて、空気供給系１の
低圧および高圧ターボコンプレッサ２゜３を起動・自立
させるためには、まず、補助燃焼器１３を点火して燃焼
させ、高圧タービン５および低圧タービン４に、高圧圧
縮！！！７および低圧圧縮機６をそれぞれ駆動するに充
分な熱エネルギを有する排ガスを供給する必要がある。

この排ガスの供給には、補助燃焼器１３にその点火に必
要な燃料や起動用空気を各コントロール弁１７．２０を
通して補助燃焼器を点火・燃焼させ、その燃焼ガスを高
圧タービン５や低圧タービン４に順次案内して各タービ
ン５．４を起動させ、高圧圧縮機７や低圧圧縮機６を駆
動させる。これにより低圧および高圧ターボコンプレッ
サ２，３を起動さ廿るようになっている。

このターボコンプレッサの起動方法を採用すると、空気
供給系１の系外から供給される起動用空気２１自身が補
助燃焼器１３内で燃焼して起１Ｆ７１時に高圧タービン
５や低圧タービン４にエネルギーを付与して高圧および
低圧圧縮機７．６を駆動さ拷る。この駆動により、低圧
および高圧圧縮機６゜７内を空気が新たに流れ始め、高
圧圧縮機７から吐出される空気を補助燃焼器１３に案内
して燃焼させる。この燃焼ガスを高圧タービン５および
低圧タービン４に案内すると、各段のターボコンプレッ
サ２，３においてタービン側と圧縮機側との動力バラン
スが取りにくくなり、燃料電池発電システムの運転が困
難となる。このため、燃料電池発電システムには各段の
タービン４，５をバイパスさＵるウェストライン１９を
設ける必要があった。

第４図に示すように、ウェストライン１９を備えた燃料
電池発電システムにおいては、ターボコンプレッサ２，
３の起動時にウェストライン１９を流れる空気は起動用
空気２１と同等の圧力となるため、ウェストライン１９
を流れる空気流量分だけ起動用空気が無駄になる。これ
は、タービン側にのみ空気を供給してターボコンプレッ
サ２゜３を起動させ、この駆Ｖ」により圧縮様側を駆動
ざ往るエネルギを支えているためである。

一方、起動用空気２１は、ターボコンプレッサ２．３を
起動させるために、ある程度の圧力を持ったものでなけ
ればならないので、起動用空気２１の供給に所定の動力
が必要になる。したがって、起動用空気２１の空気けを
減少させることができなければ、必要なエネルギの節約
を図ることができ、燃料電池発電システムにおける所内
動力を減らすこととなり、燃料電池発電システム全体の
省エネルギ化を図ることになる。

このことから、ターボコンプレッサ２，３の圧縮機６．
７を、別の方法で駆動させ、この圧縮機駆動により（７
られる吐出空気を補助燃焼器１３に案内してこれを点火
・燃焼させ、この燃焼による熱エネルギをタービン５．
４に供給してターボコンプレッサ２，３を起動させれば
、第４図に示す起動用空気２１が不要どなり、無駄を削
減して燃料電池発電システムの省エネルギ化を図ること
ができる。

第５図は、上述した考え方から生まれたターボコンプレ
ッ＋＋２．３の起動方法に関するものである。このター
ボコンプレッサ２，３は、低圧圧縮筬６および高圧圧縮
機７に外部よりそれぞれエネルギが付与されて駆動され
、高圧および低圧ターボコンプレッサ２，３を起動させ
るものである。

その際、ターボコンプレッサ２，３は出力を外部に発生
させないので出力軸を持たない。それゆえ、ターボコン
プレッサ２，３の軸を電動様等で外部から直接駆動させ
て圧縮機６，７を駆動させることが困難である。このた
め、一般には、起動用空気供給装置２４．２５によりタ
ーボコンプレッサの各圧縮機６．７に少量の空気をそれ
ぞれ供給して圧縮機６．７を駆動させている。

第５図に示す圧縮機６．７の駆動方法は、起動用供給装
置２４．２５からの少量の起動用空気で低圧圧縮機６お
よび高圧圧縮機７を駆動させ、この駆動により得られる
低圧および高圧圧縮ｇ！６゜７からの吐出空気により補
助燃焼器１３を点火させ、燃焼させる。この燃焼ガスに
よる熱エネルギーを高圧および低圧タービン５．４に順
次供給し、高圧ターボコンプレッサ３および低圧ターボ
コンプレッサ２を起動させる。

第５図に示されたターボコンプレツナ２．３の起動に使
用される起動用空気は、低圧圧縮機６および高圧圧縮機
７で圧縮される空気と混合され、補助燃焼器１３に案内
されるが、この補助燃焼器１３に案内される空気のうち
起動用空気が占める比率は、１１５程度となり、つ１ス
トライン１９を通る空気量は、第４図に示すものより少
なくなる。

一方、圧縮機６，７の起動のために用いられる起動用空
気の圧力は第４図に示される起動用空気と異ならないの
で、その１ｆｆｉ減少分だけ所内動力が減少し、燃ｎ電
池発電システム全体の省エネルギー化ｉｆｉよび付帯Ｋ
Ｑ　ｆｉのコンパクト化を図ることができる。

（発明が解決しようとする課題） 従来の燃料電池発電システムに用いられる空気供給系に
おいて、ターボコンプレッサの起動時に、各ターボコン
プレッサ２，３の圧縮機６，７にそれぞれ起動用空気を
供給して各圧縮ｖ１６．７を各々回転駆動させるように
なっているため、起動用空気の空気量減少に限界があり
、システム全体の省エネルギ化やコンパクト化を図る上
で問題があった。

本発明は上述した事情を青線してなされたもので、ター
ボコンプレッサ起動用空気量を大幅に削減して、燃料電
池発電システム等のシステム全体の省エネルギー化およ
びコンパクト化を図ることができるターボコンプレッサ
の起動方法およびその起動装置に関する。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明に係るターボコンプレッサの起動方法は、上述し
た課題を解決するために、空気供給系に複数台のターボ
コンプレッサを多段式に備え、空気を多段階圧縮する前
記各ターボコンプレッサのうち、最も高圧側のターボコ
ンプレッサに起動用空気を供給し、前記ターボコンプレ
ッサを起動さける方法にある。

また、本発明のターボコンプレッサの起動装置は、上述
した課題を解決するために、複数台のターボコンプレッ
サを多段式に連結して空気供給系を形成し、上記空気供
給系の最も高圧側のターボコンプレッサに起動用空気を
供給する起動用空気供給￥ｉｔ’ｌｌを設けたものであ
る。

（作用） このターボコンプレッサの起動方法お」；び起動装置は
、複数台のターボコンブレラυを空気供給系に多段式に
接続し、各ターボコンプレッサのうら最高圧側のターボ
コンプレッサに起動用空気を供給してターボコンプレッ
サを起動させるようにしたもので、起動用空気の空気量
を大幅に減少させて燃料電池発電システム等のシステム
全体の省エネルギ化およびコンパクト化を図るようにし
たものである。

（実施例） 以下、本発明の一実滴例について添付図面を参照して説
明する。

第１図は本発明を適用した燃料電池発電ブラン１−を示
す系統図であり、この燃料電池発電プラント３０にはサ
ブシステムの１つとして空気供給系３１が備えられてい
る。空気供給系３１にはＮ数台、図示例では高圧および
低圧２台のターボコンプレッサ３２，３３が多段式に組
み込まれている。

各ターボコンプレッサ３２．３３にはタービン３４．３
５および圧縮１３６．３７がそれぞれ対をなして設けら
れ、タービンの起動により圧縮様３６．３７が駆動され
るようになっている。

低圧ターボコンプレッサ３２の低圧圧縮機３６には吸気
フィルタサイレンサ３８を経て大気３９が供給され、こ
の低圧圧縮機３６で一段圧縮を受けた後、圧縮空気は中
間冷却器４０で冷却水４１と熱交換されて冷却され、高
圧ターボコンプレッサ３３の高圧圧縮Ｆ３３７に案内さ
れる。高圧圧縮機３７にて圧縮された吐出空気はシステ
ム分離弁４３を経て燃料電池本体４４に供給される。燃
料電池本体４４では燃料の化学エネルギーを電極反応で
電気エネルギーに直接変換しており、燃料電池本体４４
からの排ガスはシステム分離弁４５を経て補助燃焼器４
６に案内され、この補助燃焼器４６から高圧ターボコン
プレッサ３３の高圧タービン３５に送られ、その熱エネ
ルギーにより高圧タービン３５を駆動させる。この高圧
タービン３５を駆動した排ガスは続いて低圧タービン３
４に送られ、ここで低圧タービン３４を駆動させる。

この低圧タービン３４の駆動により排ガスは彫版して排
気リイレンサ４７から人気３９中に放出される。

一方、高圧ターボコンブレラ！す３３の高圧圧縮機３７
の吐出側には、補助燃焼用ライン５０とバイパスライン
５１とがそれぞれ分岐される。補助燃焼用ライン５０は
、燃焼用空気コントロール弁５２を介して補助燃焼器４
６に接続され、上記］ントロール弁５２にて補助燃焼器
４６に供給される燃焼用空気量を調部している。この補
助燃焼器４６には燃料供給ライン５３を経て燃料源５４
から燃料が供給される。燃料供給ライン５３には燃料流
量コントロール弁５５が設けられて燃料流量をコントロ
ールしており、燃焼用空気コントロール弁５２からの燃
焼用空気とともに空燃比が適性に保たれる。

また、バイパスライン５１にはバイパス空気コン１〜ロ
ール弁５６が設けられ、このコントロール弁５６にてバ
イパス空気量を調節している。バイパスライン５６は、
燃料電池本体４４の運転状態が変化して必要とする空気
流量が変化しても、燃Ｆｌ電池本体へ供給する空気圧力
を変化させないようにバイパス空気量をそのコントロー
ル弁５６で調節している。バイパスライン５１はウェス
トライン５７に接続されており、このウェストライン５
７はターボコンプレッサ３２．３３をバイパスして排気
サイレンサ４７に接続される。符号５８はウェストライ
ン弁である。

ところで、多段式に連結された各ターボコンプレッサ３
２，３３のうち最も高圧側のターボコンプレッサ３３の
高圧圧縮機３７には、起動用空気供給装置６０が設けら
れている。起動用空気供給装置６０は起動用空気６１を
圧送する起動用空気供給ライン６２を備え、この空気供
給うイン６２に起動用空気コントロール弁６３が備えら
れ、起動用空気量がコントロールされる。起動用空気供
給ライン６２は第２図に示す高圧側圧縮別３７の起動用
空気人口６４に接続される。

高圧側ターボコンプレッサ３３の圧縮機３７は、圧縮機
ケーシング６５内に圧縮機インペラ６６を回転自在に収
容している。圧縮機インペラ６６は連通軸６７の一側に
接続され、その他側に高圧タービン３５のタービンｗ車
６８が設けられる。タービン質重６８は圧縮機ケーシン
グ６５と一体あるいは一体的に設けられたタービンケー
シング６９内に収容される。

前記圧縮機ケーシング６５にはスタートリングノズル７
０が設けられ、このスタートリングノズル７０は大気中
から供給される空気吸込ロア１を中央部に画成する一方
、この空気吸込ロア１の周りに起動用空気供給チャンバ
７２がトーラス状に形成される。この供給チャンバ７２
には起動用空気人口６４が臨む一方、その出ロア３は第
３図に示すように周方向に沿って複数個形成され、この
起動用空気比ロア４から圧縮機インペラ６６に起動用空
気６１を吹き込むようになっている。

使方、高圧圧縮機３３の空気吸込ロア１から吸い込まれ
た大気は、圧縮機インペラ６６の回転により圧縮され、
デイフユーザ７５を経て空気吐出ロアロから吐出される
。

なお、第２図において、符号７７は高圧タービン３５の
ガス入口であり、このガス人ロア７より高圧ターボコン
プレッサ３３の高圧タービン３５に案内されたガスは、
タービンノズル７８がタービン翼重６８に案内され、こ
のタービンＷ車６８を回転駆動さける。タービンｗ車６
８を駆動させたガスは続いてガス出ロア９より排出され
るようになっている。上記タービンＭ重６８の回転によ
り連通＠６７を介して圧縮機インペラ６６が回動せしめ
られる。

燃料電池発電システム３０の全体の作用は従来例とほぼ
同一であり、異ならないので説明を省略する。

次に、ターボコンプレッサの起動について説明する。

電気供給系３１に備えられるターボコンプレッサ３２．
３３を起動させる場合には、起動用空気供給装置６０を
作動させである程度の圧力を有する起動用空気を高圧タ
ーボコンプレッサ３３の高圧圧縮機３７に供給する。具
体的には、高圧圧縮機３７の起動用空気人口６４からス
タートノズルリング７０内の起動用空気供給チャンバ７
２に案内し、複数の起動用空気比ロア４から圧縮機イン
ペラ６６に向けて噴出させる。

起動用空気比ロア４はノズル構造に形成され、周方向に
傾斜して設けられている。このため、起動用空気は第３
図の矢印Ａで示す方向に、圧縮機インペラ６６を回転さ
せる運動エネルギーを持った速度で吹き出され、圧縮機
インペラ６６を回転させる。

この圧縮機インペラ６６の回転により空気吸込ロア１よ
り空気を吸い込み、吸込まれた空気は起動用空気６１と
混合して空気吐出ロアロより吐出される。

＾圧圧縮１１３７の起ｅ時には、低圧圧縮機３６は停止
しているが、高圧圧縮機３７の圧縮機インペラ６６の回
転により、高圧および低圧圧縮機３７．３６間が大気圧
より低い負圧となり、この負圧により大気は、吸気フィ
ルタサイレン号３８および低圧圧縮機３６を通って高圧
圧縮ｍ３７に案内される。

上記高圧および低圧圧縮１３７，３６間に生じる負圧や
低圧圧縮機３６を通過する大気流量により、低圧圧縮機
３６を駆動する充分なエネルギが発生して、低圧圧縮機
３６は回転を始める。

この結果、高圧圧縮様３７と低圧圧縮機３６との間の負
圧が解消され、低圧圧縮機３６を通る大気３９の流かは
増加し、補助燃焼器４６を着火させるに充分な空気流Ｂ
を得ることができる。

このとき、高圧圧縮機３７を起動させる起動用空気ｍは
、第５図の高圧圧縮機が必要とする起動用空気量と同等
であり、圧力も同等であるため、起動用空気量は、各段
のターボコンプレッサの圧縮機を個別に駆動させる第５
図の起動用空気量の半分以下となり、燃料電池発電シス
テム３０の起ｆｌＪＦ）？の所内動力も半分以下となり
、その分だけシステム３０の省エネルギ化、起動用圧縮
空気′Ｉｇ設猫設備付帯設備のコンバク１〜化を図るこ
とができる。

なお本発明の一実施例では、２台のターボコンプレッサ
を多段式に接続した例を示したが、燃料電池本体の出力
によって必要とする空気量や圧力が異なるため、ターボ
コンプレッサは３台以上設けてもよく、多数台のターボ
コンプレッサを多段式に接続した場合には、最も高圧側
のターボコンプレッサの圧縮機に起動用空気を供給する
だけでよい。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明においては、空気供給系に複
数台のターボコンプレッサを多段式に連結し、最も高圧
側のターボコンプレッサに起動用空気を供給してターボ
コンプレッサを起動さぜるようにしたから、起動用空気
量を従来のターボコンプレッサの起動に較べ半分以下に
することができ、この起動用空気量の減少に伴って起動
用空気供給装置等の簡素化、コンバク１〜化を図ること
ができるので、燃料電池発電システム等のシステム全体
の省エネルギー化、コンパクト化を有効的に図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は空気供給系に備えられる本発明のターボコンプ
レッサの起動装置の一実施例を示す系統図、第２図は上
記ターボコンプレッサの起動装置を示すターボコンプレ
ッサの断面図、第３図は第２図に示されたターボコンプ
レッサのスタートノズルリングをタービン翼車側から見
た図、第４図むよび第５図は従来の空気供給系に備えら
れるターボコンプレッサの起動装置をそれぞれ示す図で
ある。 ３０・・・燃料電池発電システム、３１・・・空気供給
系、３２・・・低圧ターボコンプレッサ、３３川高圧タ
ーボコンプレツサ、３４・・・低圧タービン、３５・・
・高圧タービン、３６・・・低圧圧縮機、３７・・・高
圧圧縮機、３８・・・吸気フィルタサイレンサ、４０・
・・中間冷却器、４３．４５・・・システム分離弁、４
４・・・燃料電池本体、４６・・・補助燃焼器、５ｏ・
・・補助燃焼用ライン、５１・・・バイパスライン、５
７・・・ウェストライン、６０・・・起動用空気供給装
置、６２・・・起動用空気供給ライン、６６・・・圧縮
機インペラ、６８・・・タービン翼車、７２・・・起動
用空気供給チャンバ、７４・・・空気吐出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、空気供給系に複数台のターボコンプレッサを多段式
   に備え、空気を多段階圧縮する前記各ターボコンプレッ
   サのうち、最も高圧側のターボコンプレッサに起動用空
   気を供給し、前記ターボコンプレッサを起動させること
   を特徴とするターボコンプレッサの起動方法。 ２、複数台のターボコンプレッサを多段式に連結して空
   気供給系を形成し、上記空気供給系の最も高圧側のター
   ボコンプレッサに起動用空気を供給する起動用空気供給
   装置を設けたことを特徴とするターボコンプレッサの起
   動装置。