JPH065625B2 - 燃料電池発電用ターボコンプレッサシステム - Google Patents

燃料電池発電用ターボコンプレッサシステム

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JPH065625B2
JPH065625B2 JP59017438A JP1743884A JPH065625B2 JP H065625 B2 JPH065625 B2 JP H065625B2 JP 59017438 A JP59017438 A JP 59017438A JP 1743884 A JP1743884 A JP 1743884A JP H065625 B2 JPH065625 B2 JP H065625B2
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turbine
fuel cell
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compressor
air
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壽 三谷
敏一 末藤
良行 田熊
槐 西山
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Mitsubishi Electric Corp
Shimazu Seisakusho KK
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Mitsubishi Electric Corp
Shimazu Seisakusho KK
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 本発明は、燃料電池発電システムに組込んで使用される
ターボコンプレッサシステムに関するものである。
(ロ)従来技術 燃料電池発電システムは、石油、石炭などを燃料とする
汽力発電システムに比べて高い熱効率を得ることが可能
であるうえに、環境保全性が良く、立地上の融通性を有
している。そのため、近時、宇宙開発などの特殊用途の
電源だけでなく、ビル等に設置するための商用電力用電
源としての使途が種々検討されており、その実用化を目
指して開発が活発化している。
燃料電池発電システムは、空気極と水素極との間に電解
質層を介設してなる燃料電池と、天然ガス等の炭化水素
系燃料を改質して前記水素極に燃料となる水素ガスを供
給する改質器と、前記空気極および前記改質器に空気を
供給する空気供給手段とを備えている。そして、前記燃
料電池の性能は、各反応ガスの圧力の増大に伴って向上
する傾向を示す。このため前記各反応ガスの動作圧力
は、例えば3〜6kg/cm2g程度の値に設定される。こ
のとき、空気の圧縮には多大の動力を必要とし、その値
は電池の発生エネルギーの約20%にも達する。一方、
電池の燃料ガスを生成するための改質反応は約800℃
の高温で行なわれ、前記改質器からは高い温度の排ガス
が排出される。したがって、空気を圧縮するための動力
をシステムの排ガスエネルギーに求めることができれ
ば、システムの効率向上に大きな効果がある。
このような事情から近時の燃料電池発電システムでは、
前記空気供給手段としてターボコンプレッサを採用する
例が一般化している。すなわち、ターボコンプレッサ
は、前記燃料電池の空気極および改質器の入口に接続し
た給気系路にコンプレッサを介設するとともに、前記空
気極および改質器の出口に接続した排気系路にタービン
を介設し、このタービンで前記コンプレッサを供給空気
圧が略一定になるように駆動するようにしたもので、前
記排ガスが有しているエネルギーをタービンで回収して
空気を圧縮する仕事に利用しシステム効率の向上を図る
ものである。
ところで、ビル等に個別に設置される比較的小形の燃料
電池発電システムでは、昼休み等の特定の時間帯にその
電力需要が急激に変化するという特徴がみられる。しか
るに、かかる発電システムに組込まれるターボコンプレ
ッサに対しては、前記改質器や前記燃料電池が、通常の
ガスタービンエンジンの燃焼器としての役割を果すこと
になるが、前記改質器等は熱時定数が大きい。そのた
め、該改質器等によって前記タービンに供給するパワー
を制御して前述した電力需要の急変に対処することは困
難である。しかして、このような不都合に対処する手段
として、前記コンプレッサの出口と前記タービンの入口
とを連通させるバイパス系路に助熱炉を介設し、該助熱
炉よって前記タービンへのエネルギ供給量を調節して運
転モードの変化に対応させるようにすることが考えられ
る。ところが、単にこれだけのものでは十分にその目的
を達成することができない。すなわち、以上説明したシ
ステムでは、タービンにコンプレッサ以外の負荷が作用
していないため、タービン入口温度が変化すると該ター
ビンの回転速度がそれに応じて敏感に変動する。そのた
め、運動モードが変化する際の過渡的な領域等で、ター
ビンが過回転を起したり、タービンの回転速度が急速に
低下して該タービンが突然停止してしまうという事態を
招き易い。
(ハ)目的 本発明は、このような事情に着目してなされたもので、
電力需要の急変にも適切に対処することができ、安定し
た運転を保証することができる燃料電池発電用ターボコ
ンプレッサシステムを提供することを目的とする。
(ニ)構成 本発明は、かかる目的を達成するために、コンプレッサ
の出口と前記タービンの入口とを連通させるバイパス系
路に流量調整弁と助燃炉を介設するとともに、前記ター
ビンに該タービンの動力の一部を有効利用可能なエネル
ギに変換する負荷装置を接続したことを特徴とする。
(ホ)実施例 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
図面は本燃料電池発電システムの空気供給系統部分を示
すもので、1は燃料電池、2は改質器、3はターボコン
プレッサである。燃料電池1は、図面に模式的に示すよ
うに、多孔性電極4の一面側に水素室5を形成してなる
水素極6と、多孔性電極7の一面側に空気室8を形成し
てなる空気極9との間に電解質11を介設してなるもの
で、前記水素室5に燃料たる水素ガスを逐次供給すると
ともに前記空気室8に圧縮空気を供給することによって
発電を行ない得るようになっている。また、改質器2
は、天然ガス等の炭化水素系燃料を改質して水素ガスを
発生させ、この水素ガスを前記燃料電池1の水素極6に
逐次供給し得るように構成したもので、導入口2aから
燃料と圧縮空気が導入され排出口2bから高温の排ガス
が放出されるようになっている。また、ターボコンプレ
ッサ3は、コンプレッサ12を可変ノズル(図示せず)
を有したタービン13により駆動するようにしたもので
ある。そして、始端を大気に開口させるとともに終端を
前記燃料電池の空気室8の入口8aおよび前記改質器2
の入口2aに接続した給気系路14の途中に前記コンプ
レッサ12を介設するとともに、始端を前記空気室8の
出口8bおよび前記改質器2の出口2bに接続し終端を
大気に開放した排気系路15の途中に前記タービン13
を介設している。また、前記コンプレッサ12の出口と
前記タービン13の入口とをバイパス系路16を介して
連通させ、このバイパス系路16に助燃炉17を介設す
るとともに、前記タービン13に該タービン13の動力
を有効利用可能なエネルギに変換する負荷装置、例え
ば、発電機18を接続している。助燃炉17は、外部か
ら逐次供給される燃料を燃焼させて前記バイパス系路1
6を流通する空気に熱エネルギを供給するようにしたも
ので、その熱供給量は前記発電機18により吸収される
分をも勘案して設定してある。また、前記発電機18は
前記タービン13の動力の一部を電力に変換するように
した通常のもので、その電力使用量を調整することによ
って前記タービン13に作用する負荷力を制御すること
ができるようになっている。なお、この発電機18は、
内転ロータ19aの回転力を磁力により外転ロータ19
bに伝達し得るように構成したマグネットカップリング
19を介して前記タービン13に接続されている。
なお、21、22、23、24は流量調整弁である。
このような構成のものであれば、主として、燃料電池1
の空気極出口の余剰空気および改質器2の排ガスによっ
てタービン13が作動し、コンプレッサ12が駆動され
る。それによって、給気系路14を流通する空気が所要
圧力にまで圧縮され、逐次燃料電池1の空気室8および
改質器2に供給されて発電が行なわれる。そして、この
システムでは、前記コンプレッサ12の出口と前記ター
ビン13の入口とを連通させるバイパス系路16に流量
調整弁23と助燃炉17とを介設して前記タービン13
に必要量の熱エネルギを適宜付加し得るようにするとと
もに、タービン13の動力の一部を発電機18により吸
収するようにしているので、タービン13の動力が不足
側になっても、過剰側になっても、いずれの場合にも迅
速かつ適格に対応することができ、電力需要の急変にも
無理なく対処することができる。すなわち、電力需要が
急増した場合には、前記助燃炉17でのエネルギ供給量
を増加させる。この結果、前記タービン13の回転速度
が上昇してコンプレッサ12の空気圧縮能力が即座に高
くなり、発電量が増加する。逆に、電力需要が減少した
場合には、前記助燃炉17でのエネルギ供給量を減少さ
せる。なお、このようなバイパス系路16を利用したエ
ネルギ供給量制御は、助熱炉17への燃料供給量の調整
のみならず、流量調整弁23による空気量の調整をも組
合わせて行うことができるので、大きな負荷変動に対す
るダイナミックな調整を迅速かつ適格に行うことが可能
となる。これによって、前記タービン13の回転速度が
低下して発電量が速やかに減少する。しかも、このシス
テムでは、前記タービン13に発電機18を接続して負
荷を与えているので、タービン入口温度の変化に対して
該タービン13が過敏な挙動を示すことがなく、安定し
た運転が可能となる。すなわち、タービン3の入口温度
が変化した際や、何らかの外乱によって該入口温度が一
時的に変動した際に、タービン3の回転速度が過度に上
昇したり、回転速度が急激に低下して該タービン3が停
止してしまうというような不都合を有効に防止すること
ができる。しかも、この発電機18により吸収した動力
は、電力に変換されるので、無駄に捨てられることはな
く、有効に利用され得る。
なお、前記実施例では、負荷装置が発電機である場合に
ついて説明したが、本発明はこのようなものに限定され
ないのは勿論である。しかしながら、前記のように電力
に変換すれば利用価値が高く、また、タービンに作用さ
せる負荷力の調整も幅広く迅速に行なえるという利点が
ある。
また、前記実施例では、負荷装置とタービンとの間にマ
グネットカップリングを介設した場合について説明した
が、負荷装置とタービンとを直結にしたものも本発明に
含まれるのは勿論である。
(ヘ)効果 本発明は、以上のような構成であるから、電力需要の急
変にも適切に対処することができ、安定した運転を保証
することができる燃料電池発電用ターボコンプレッサシ
ステムを提供できるものである。すなわち、本発明は、
タービンにエネルギを補給するための助燃炉と、ターボ
ンの動力の一部を吸収するための負荷装置の両方を備え
ているため、タービンの動力が不足側になっても、過剰
側になっても適切に対応することができ、電力需要の変
動に対しても、タービンおよびコンプレッサの安定した
運転が可能になる。しかも、本発明では、タービンに対
するエネルギ供給量制御を、助燃炉の燃焼調整のみなら
ず、流量調整弁による空気量調整をも組合わせて行うこ
とができるようにしているので、大きな負荷変動に対す
るダイナミックな調整を迅速かつ適格に行うことができ
るという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の一実施例を示すシステム説明図である。 1・・・燃料電池 2・・・改質器 3・・・ターボコンプレッサ 9・・・空気極 12・・・コンプレッサ 13・・・タービン 16・・・バイパス系路 17・・・助燃炉 18・・・負荷装置(発電機) 23・・・流量調整弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 末藤 敏一 京都府京都市中京区西ノ京桑原町1番地 株式会社島津製作所三条工場内 (72)発明者 田熊 良行 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町1丁目1番2 号 三菱電機株式会社神戸製作所内 (72)発明者 西山 槐 兵庫県尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三 菱電機株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭51−105551(JP,A) 特開 昭58−7772(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料電池の空気極および改質器の入口に接
    続した給気系路にコンプレッサを介設するとともに、前
    記空気極および改質器の出口に接続した排気系路にター
    ビンを介設し、このタービンで前記コンプレッサを供給
    空気圧が略一定になるように駆動するようにした燃料電
    池発電用のターボコンプレッサシステムにおいて、前記
    コンプレッサの出口と前記タービンの入口とを連通させ
    るバイパス系路に流量調整弁と助燃炉とを介設するとと
    もに、前記タービンに該タービンの動力の一部を有効利
    用可能なエネルギに変換する負荷装置を接続したことを
    特徴とする燃料電池発電用ターボコンプレッサシステ
    ム。
  2. 【請求項2】負荷装置が発電機であることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の燃料電池発電用ターボコン
    プレッサシステム。
JP59017438A 1984-01-30 1984-01-30 燃料電池発電用ターボコンプレッサシステム Expired - Lifetime JPH065625B2 (ja)

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JPS60160575A JPS60160575A (ja) 1985-08-22
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005135835A (ja) * 2003-10-31 2005-05-26 Toyota Motor Corp 燃料電池とガスタービンの複合発電システム

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JP4664585B2 (ja) * 2003-10-31 2011-04-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池とガスタービンの複合発電システム

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