JPH0785417B2 - 燃料電池発電プラント - Google Patents
燃料電池発電プラントInfo
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- JPH0785417B2 JPH0785417B2 JP61050475A JP5047586A JPH0785417B2 JP H0785417 B2 JPH0785417 B2 JP H0785417B2 JP 61050475 A JP61050475 A JP 61050475A JP 5047586 A JP5047586 A JP 5047586A JP H0785417 B2 JPH0785417 B2 JP H0785417B2
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- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
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- Sustainable Energy (AREA)
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池発電プラントに係り、特に部分負荷で
も高い発電効率を簡素な系統構成にて達成した燃料電池
発電プラントに関する。
も高い発電効率を簡素な系統構成にて達成した燃料電池
発電プラントに関する。
従来の燃料電池発電プラントでは、特公昭58−56231号
に記載のように、熱回収を目的として、燃料電池アノー
ドの未反応燃料を改質器燃焼部に供給し、定格での発電
効率での向上を図つていた。しかし、部分負荷運転時で
きるだけ高い発電効率を維持する点については、従来部
分負荷での性能解析が行なわれていなかつたため、特別
な配慮はされていなかつた。
に記載のように、熱回収を目的として、燃料電池アノー
ドの未反応燃料を改質器燃焼部に供給し、定格での発電
効率での向上を図つていた。しかし、部分負荷運転時で
きるだけ高い発電効率を維持する点については、従来部
分負荷での性能解析が行なわれていなかつたため、特別
な配慮はされていなかつた。
上記した通り、従来の燃料電池発電プラントは、定格運
転時の発電効率向上のみ着目していたために、膨張ター
ビン、圧縮機を設置し、加圧の発電プラントを構成して
いる。従つて、膨張タービン、圧縮機の運転上の制約、
すなわち、一定回転数の条件で、燃料電池へ一定圧力の
空気を供給する必要があるため、膨張タービン、圧縮機
を通過するガス量をほぼ一定に保つ必要があり、膨張タ
ービンへ補助燃料を供給するので部分負荷での発電効率
が低下する事に問題があつた。
転時の発電効率向上のみ着目していたために、膨張ター
ビン、圧縮機を設置し、加圧の発電プラントを構成して
いる。従つて、膨張タービン、圧縮機の運転上の制約、
すなわち、一定回転数の条件で、燃料電池へ一定圧力の
空気を供給する必要があるため、膨張タービン、圧縮機
を通過するガス量をほぼ一定に保つ必要があり、膨張タ
ービンへ補助燃料を供給するので部分負荷での発電効率
が低下する事に問題があつた。
燃料電池発電プラントは、電力の需要に対応した中間負
荷運用対応の発電システムとしての導入が期待されてお
り、部分負荷での発電効率が低下する事は、負荷運用を
考慮した平均の発電効率が低下するので問題である。
荷運用対応の発電システムとしての導入が期待されてお
り、部分負荷での発電効率が低下する事は、負荷運用を
考慮した平均の発電効率が低下するので問題である。
本発明は、加圧の燃料電池発電プラントの部分負荷での
発電効率を、高く維持できる燃料電池プラントを提供す
ることにある。
発電効率を、高く維持できる燃料電池プラントを提供す
ることにある。
上記目的を達成する本発明の要旨とするところは、改質
器反応部を介して燃料電池へ過剰の燃料を供給し、燃料
電池出口で過剰の未反応燃料を生成させて、該未反応燃
料を燃料として、圧縮機余剰空気を加熱し、膨張タービ
ンへ供給する燃料電池プラントである。
器反応部を介して燃料電池へ過剰の燃料を供給し、燃料
電池出口で過剰の未反応燃料を生成させて、該未反応燃
料を燃料として、圧縮機余剰空気を加熱し、膨張タービ
ンへ供給する燃料電池プラントである。
更に、本発明は改質器燃焼部出口ガス温度が少なくとも
膨張タービン入口ガス温度となるように、改質器反応部
を介して燃料電池へ過剰の燃料を供給し、燃料電池出口
で過剰の未反応燃料を生成させて、該未反応燃料を補助
燃料として改質器燃焼部へ供給し、圧縮機の余剰空気で
燃焼加熱し、該改質器燃焼部出口ガスの少なくとも一部
を燃料電池をバイパスして膨張タービンへ供給する燃料
電池プラントである。
膨張タービン入口ガス温度となるように、改質器反応部
を介して燃料電池へ過剰の燃料を供給し、燃料電池出口
で過剰の未反応燃料を生成させて、該未反応燃料を補助
燃料として改質器燃焼部へ供給し、圧縮機の余剰空気で
燃焼加熱し、該改質器燃焼部出口ガスの少なくとも一部
を燃料電池をバイパスして膨張タービンへ供給する燃料
電池プラントである。
更に、本発明は改質器燃焼部出口ガス温度が少なくとも
膨張タービン入口ガス温度となるように、改質器燃焼部
へ燃料の一部を供給し、圧縮機の余剰空気で燃焼加熱
し、該改質器燃焼部出口ガスの少なくとも一部を燃料電
池をバイパスして膨張タービンへ供給する燃料電池プラ
ントである。
膨張タービン入口ガス温度となるように、改質器燃焼部
へ燃料の一部を供給し、圧縮機の余剰空気で燃焼加熱
し、該改質器燃焼部出口ガスの少なくとも一部を燃料電
池をバイパスして膨張タービンへ供給する燃料電池プラ
ントである。
〔作用〕 本発明の燃料電池プラントによれば、改質器反応部を介
して燃料電池へ過剰の燃料を供給し、燃料電池出口で過
剰の未反応原料を生成させて、該未反応燃料を燃料とし
て、燃料電池の出力の低下にしたがつて過剰となる圧縮
機出口空気を加熱し膨張タービンへ供給するので、補助
燃料を供給して過剰空気を加熱し膨張タービンへ供給し
た場合とほぼ同量の燃料消費量で膨張タービン圧縮機の
運転状態を定格運転状態に維持する事ができる。そし
て、補助燃料を供給する場合に比べて、燃料電池へ過剰
に供給した燃料分だけ燃料電池の燃料ガス濃度を高くで
き、燃料電池の電圧が上昇し、電池の発電効率が上昇す
るので、部分負荷での燃料電池発電プラントの発電効率
を向上することができる。
して燃料電池へ過剰の燃料を供給し、燃料電池出口で過
剰の未反応原料を生成させて、該未反応燃料を燃料とし
て、燃料電池の出力の低下にしたがつて過剰となる圧縮
機出口空気を加熱し膨張タービンへ供給するので、補助
燃料を供給して過剰空気を加熱し膨張タービンへ供給し
た場合とほぼ同量の燃料消費量で膨張タービン圧縮機の
運転状態を定格運転状態に維持する事ができる。そし
て、補助燃料を供給する場合に比べて、燃料電池へ過剰
に供給した燃料分だけ燃料電池の燃料ガス濃度を高くで
き、燃料電池の電圧が上昇し、電池の発電効率が上昇す
るので、部分負荷での燃料電池発電プラントの発電効率
を向上することができる。
更に、本発明によれば改質器燃焼部へ燃料を供給し、改
質器燃焼部出口ガスの少なくとも一部を燃料電池をバイ
パスして膨張タービンへ供給することにより、膨張ター
ビン入口に別に燃焼器を設置しなくても、膨張タービン
へ高温ガスを供給することができる。
質器燃焼部出口ガスの少なくとも一部を燃料電池をバイ
パスして膨張タービンへ供給することにより、膨張ター
ビン入口に別に燃焼器を設置しなくても、膨張タービン
へ高温ガスを供給することができる。
以下、本発明を実施例により詳述する。
実施例1. 第１図は本発明の基本的な実施例を説明するための燃料
電池発電プラントの系統図である。
電池発電プラントの系統図である。
燃料１は、約６〜10kg/cm2に加圧されて改質器４に供給
される。改質器４では天然ガス等の燃料を、改質器反応
部５で、ガスタービン37の排熱回数ボイラ等により生成
される蒸気３と改質反応を起こさせ、水素及び一酸化炭
素を主成分とするガスに改質される。
される。改質器４では天然ガス等の燃料を、改質器反応
部５で、ガスタービン37の排熱回数ボイラ等により生成
される蒸気３と改質反応を起こさせ、水素及び一酸化炭
素を主成分とするガスに改質される。
改質された水素及び一酸化炭素を主成分とする反応ガス
７は、約600℃で燃料電池８のアノード９へ供給され
る。
７は、約600℃で燃料電池８のアノード９へ供給され
る。
燃料電池８は、燃料電池の積層体で構成され、各燃料電
池は、正極と負極とこれらの両極の間に配置された電解
質10と、正極の非電解質側に設けられたガス通路（正極
および正極ガス通路をカソード11と呼ぶ）と負極の非電
解質側に設けられたガス通路（負極及び負極ガス通路を
アノードと呼ぶ）とを含む。
池は、正極と負極とこれらの両極の間に配置された電解
質10と、正極の非電解質側に設けられたガス通路（正極
および正極ガス通路をカソード11と呼ぶ）と負極の非電
解質側に設けられたガス通路（負極及び負極ガス通路を
アノードと呼ぶ）とを含む。
本実施例では、電解質に、炭酸リチウム、炭酸カリウム
などの炭酸塩を用い、それが溶融状態になる温度約550
℃〜700℃で運転する溶融炭酸塩を用いている。
などの炭酸塩を用い、それが溶融状態になる温度約550
℃〜700℃で運転する溶融炭酸塩を用いている。
アノード９へ供給された反応ガス７は、カソード11へ供
給される空気と炭酸ガスの混合ガス30と反応する。カソ
ード11では該混合ガスが電子を受け取つて炭酸イオンに
なり電解質の中に入る。アノード９では、水素と電解質
中の炭酸イオンが反応して炭酸ガスおよび水を生成し、
電子を放出する。この結果、アソードからカソードへ電
子が移動し、電流が発生する。
給される空気と炭酸ガスの混合ガス30と反応する。カソ
ード11では該混合ガスが電子を受け取つて炭酸イオンに
なり電解質の中に入る。アノード９では、水素と電解質
中の炭酸イオンが反応して炭酸ガスおよび水を生成し、
電子を放出する。この結果、アソードからカソードへ電
子が移動し、電流が発生する。
燃料電池８のアノード排ガス12には、反応ガス７中の水
素、一酸化炭素と、電解質10中の炭酸イオンとの反応よ
り生成した炭酸ガス、水および未反応の反応ガスを含ん
でいる。
素、一酸化炭素と、電解質10中の炭酸イオンとの反応よ
り生成した炭酸ガス、水および未反応の反応ガスを含ん
でいる。
燃料電池８のアノード排ガス12は、ガス／ガス熱交換器
13にて熱交換し冷却される。さらに、ガスクーラにて冷
却され、気水分離器15にて、アノード排ガス12に生成し
た水分を分離する。
13にて熱交換し冷却される。さらに、ガスクーラにて冷
却され、気水分離器15にて、アノード排ガス12に生成し
た水分を分離する。
水分を分離したアノード排ガス17は、圧縮機18にて圧縮
され、ガス／ガス熱交換器13にて熱交換され昇温され、
改質器燃焼部６へ供給される。
され、ガス／ガス熱交換器13にて熱交換され昇温され、
改質器燃焼部６へ供給される。
燃料１を、水蒸気３と反応させて水素および一酸化炭素
に改質する改質反応は吸熱反応であり、外部より熱を与
える必要がある。本実施例では、改質器燃焼部６へ、燃
料電池８のアノード排ガス12を供給し、ガス中に含まれ
る水素、一酸化炭素等の未反応燃料を燃焼させて反応熱
を供給している。
に改質する改質反応は吸熱反応であり、外部より熱を与
える必要がある。本実施例では、改質器燃焼部６へ、燃
料電池８のアノード排ガス12を供給し、ガス中に含まれ
る水素、一酸化炭素等の未反応燃料を燃焼させて反応熱
を供給している。
燃料電池８のカソード11へ供給される空気と炭酸ガスの
混合ガス30は、空気については、空気圧縮機36にて６〜
10kg/cm2に加圧され圧縮空気27として供給される。一方
炭酸ガスについては、改質器燃焼部の排ガス21として供
給される。排ガス21は、燃料となるアノード排ガス20を
昇縮機18で加圧する事、燃焼用空気29を圧縮機36で加圧
する事より６〜10kg/cm2に加圧されている。
混合ガス30は、空気については、空気圧縮機36にて６〜
10kg/cm2に加圧され圧縮空気27として供給される。一方
炭酸ガスについては、改質器燃焼部の排ガス21として供
給される。排ガス21は、燃料となるアノード排ガス20を
昇縮機18で加圧する事、燃焼用空気29を圧縮機36で加圧
する事より６〜10kg/cm2に加圧されている。
燃料電池８は、アノード９の反応圧力，反応温度，反応
ガス中の燃料ガス濃度が高いほど、反応ガス持つ熱量よ
り電気出力として取り出せる割合、発電効率が高いこと
が知られている。
ガス中の燃料ガス濃度が高いほど、反応ガス持つ熱量よ
り電気出力として取り出せる割合、発電効率が高いこと
が知られている。
反応ガス温度については、電解質である溶融炭酸塩が溶
融状態を維持できる温度ということで、約550℃〜700℃
に制限される。
融状態を維持できる温度ということで、約550℃〜700℃
に制限される。
反応ガス圧力については、日本国内では、法規上の制約
より10kg/cm2以上の高圧ガスを取扱う設備の製造に規制
を受けるため10kg/cm2の圧力を選定するのが一般的であ
る。
より10kg/cm2以上の高圧ガスを取扱う設備の製造に規制
を受けるため10kg/cm2の圧力を選定するのが一般的であ
る。
また燃料電池で反応したガスの持つ熱量のうち電気出力
として取り出すことのできない熱量は、分極，電極の接
触抵抗等の抵抗により熱に変換されるため、燃料電池を
冷却する必要がある。
として取り出すことのできない熱量は、分極，電極の接
触抵抗等の抵抗により熱に変換されるため、燃料電池を
冷却する必要がある。
溶融炭酸塩を電解質として用いる燃料電池は、反応温度
が約550℃〜700℃と高いため、水で冷却する場合は、冷
却されるガスと、冷却する水との温度差が大きく、熱応
力等の問題があり、蒸気で冷却する場合は、多数に積層
した燃料電池の冷却部の中での水から蒸気への相変化が
起こり冷却部の構造を複雑にするので好ましくない。
が約550℃〜700℃と高いため、水で冷却する場合は、冷
却されるガスと、冷却する水との温度差が大きく、熱応
力等の問題があり、蒸気で冷却する場合は、多数に積層
した燃料電池の冷却部の中での水から蒸気への相変化が
起こり冷却部の構造を複雑にするので好ましくない。
したがつて燃料電池の冷却は燃料電池８のアノード９お
よびカソード11へ多量のガスを流し冷却するのが一般的
である。本実施例では、燃料電池８のカソード11を通過
するガスにより燃料電池を冷却しており、カソード入口
のガス30とカソード出口のガス31の間に大きな温度差が
生じ熱応力が発生しないよう、カソード出口のガス31を
圧縮機34にて再循環し、カソード入口のガス30の温度を
調節している。
よびカソード11へ多量のガスを流し冷却するのが一般的
である。本実施例では、燃料電池８のカソード11を通過
するガスにより燃料電池を冷却しており、カソード入口
のガス30とカソード出口のガス31の間に大きな温度差が
生じ熱応力が発生しないよう、カソード出口のガス31を
圧縮機34にて再循環し、カソード入口のガス30の温度を
調節している。
高温で作動する燃料電池発電プラントでは、冷却用等の
圧縮機の動力が大きく、ガス圧力を高圧化して、圧縮機
を通過する体積ガス流量を小さくし、圧縮機の動力を小
さくしてプラント全体の発電効率を高くすることが必要
となる。
圧縮機の動力が大きく、ガス圧力を高圧化して、圧縮機
を通過する体積ガス流量を小さくし、圧縮機の動力を小
さくしてプラント全体の発電効率を高くすることが必要
となる。
燃料電池８のアノード９の反応ガスの濃度については、
アノード９での平均の反応ガス濃度が高いほど抵抗が小
さくなり、電気出力として取り出せる割合である発電効
率が向上する。
アノード９での平均の反応ガス濃度が高いほど抵抗が小
さくなり、電気出力として取り出せる割合である発電効
率が向上する。
燃料電池８のカソード排ガス32は、ガスタービン37にて
仕事をし、空気圧縮機36を駆動するとともに発電機38に
て電気出力を発生し熱回収している。
仕事をし、空気圧縮機36を駆動するとともに発電機38に
て電気出力を発生し熱回収している。
燃料電池発電プラントは、改質器４、燃料電池８、ガス
タービン37が相互にバランスして有効な熱回収システム
を構成する事により、定格運転時のプラント総合発電効
率約60％を達成できる。
タービン37が相互にバランスして有効な熱回収システム
を構成する事により、定格運転時のプラント総合発電効
率約60％を達成できる。
しかし、燃料電池発電プラントは、導入時の電力需給を
考えた場合、電力需要に対応した負荷運用を行うことが
予想される。
考えた場合、電力需要に対応した負荷運用を行うことが
予想される。
また燃料電池本体の発電効率は、全負荷帯ほぼ一定であ
ることが知られているが、燃料電池発電プラントとして
の総合発電効率向上のために、ガスタービン37を用いた
熱回収システムを用いているために、部分負荷での発電
効率は低下する。これは、ガスタービン37は、高温高圧
のカソード排ガスを熱回収して、圧縮機36を駆動すると
ともに、余剰の熱量で発電機38を駆動し電気出力発して
いるため、更に発電機は、一定回転数で駆動する必要が
あるためガスタービン37は、部分負荷でも一定回転数で
発電プラントが必要とする圧力の空気を供給する必要が
あり、定格とほぼ同一の運転状態を保つ必要がある。ガ
スタービン37で発電機を駆動しなければ、回転数を可変
としてガスタービン37、圧縮機36の負荷を低減すること
ができるが、発電を行なわない分だけ、発電効率が低下
する。また、圧縮機36を駆動するタービンと発電機38を
駆動するタービンを別置に設置して圧縮機を駆動するタ
ービンを回転数制御してガスタービンの負荷を減少させ
ることも考えられるが、システム構成が複雑となること
と、現在実用化されているガスタービンと異なつた型式
のガスタービンであるため、燃料電池用として新規に開
発する必要がある。
ることが知られているが、燃料電池発電プラントとして
の総合発電効率向上のために、ガスタービン37を用いた
熱回収システムを用いているために、部分負荷での発電
効率は低下する。これは、ガスタービン37は、高温高圧
のカソード排ガスを熱回収して、圧縮機36を駆動すると
ともに、余剰の熱量で発電機38を駆動し電気出力発して
いるため、更に発電機は、一定回転数で駆動する必要が
あるためガスタービン37は、部分負荷でも一定回転数で
発電プラントが必要とする圧力の空気を供給する必要が
あり、定格とほぼ同一の運転状態を保つ必要がある。ガ
スタービン37で発電機を駆動しなければ、回転数を可変
としてガスタービン37、圧縮機36の負荷を低減すること
ができるが、発電を行なわない分だけ、発電効率が低下
する。また、圧縮機36を駆動するタービンと発電機38を
駆動するタービンを別置に設置して圧縮機を駆動するタ
ービンを回転数制御してガスタービンの負荷を減少させ
ることも考えられるが、システム構成が複雑となること
と、現在実用化されているガスタービンと異なつた型式
のガスタービンであるため、燃料電池用として新規に開
発する必要がある。
以上より、ガスタービン37、圧縮機36は、定格運転を維
持するために、補助燃料をガスタービンへ供給する必要
があり、燃料電池発電プラントの発電効率は低下する。
持するために、補助燃料をガスタービンへ供給する必要
があり、燃料電池発電プラントの発電効率は低下する。
このために第２図に示す従来技術では、ガスタービン37
入口に補助燃焼器43を設置し、部分負荷運転時燃料電池
８および改質器燃焼室６で余剰となる空気44で補助燃料
45を燃焼し、高温ガスとしてガスタービン37に供給する
ことによりガスタービン37を定格運転に保つている。
入口に補助燃焼器43を設置し、部分負荷運転時燃料電池
８および改質器燃焼室６で余剰となる空気44で補助燃料
45を燃焼し、高温ガスとしてガスタービン37に供給する
ことによりガスタービン37を定格運転に保つている。
第１図に示す本発明の実施例では、部分負荷運転時第２
図に示した補助燃焼器43へ供給していた補助燃料45と、
燃料電池で必要とする燃料とを合わせて、燃料１とし
て、改質器反応部５をへて燃料電池アノード９へ供給す
る。燃料電池アノード９へは、発電に使用される燃料以
上に燃料が供給される事になり、アノード９の出口での
ガス中の未反応燃料が増加する。アノード９入口部のガ
スの燃料濃度は同一であるが、反応する燃料が少ない分
だけアノード出口で未反応燃料が増加し、その分だけア
ノード９で燃料濃度を従来例に比べて高くなるので、電
池の電圧が上昇し、発電効率は高くなる。
図に示した補助燃焼器43へ供給していた補助燃料45と、
燃料電池で必要とする燃料とを合わせて、燃料１とし
て、改質器反応部５をへて燃料電池アノード９へ供給す
る。燃料電池アノード９へは、発電に使用される燃料以
上に燃料が供給される事になり、アノード９の出口での
ガス中の未反応燃料が増加する。アノード９入口部のガ
スの燃料濃度は同一であるが、反応する燃料が少ない分
だけアノード出口で未反応燃料が増加し、その分だけア
ノード９で燃料濃度を従来例に比べて高くなるので、電
池の電圧が上昇し、発電効率は高くなる。
アノード出口の未反応燃料は、定格運転時と同様に全量
を改質器燃焼部６へ供給される。燃料電池８で必要とす
る空気流量28が燃料電池へ供給され、残りは改質器燃焼
部６へ供されて、改質器燃焼部６で未反応燃料20と反応
し高温の燃焼ガス21として排出される。燃焼ガス21は、
一部を燃料電池８をバイパスする系統22を通つてガスタ
ービン37へ供給される。
を改質器燃焼部６へ供給される。燃料電池８で必要とす
る空気流量28が燃料電池へ供給され、残りは改質器燃焼
部６へ供されて、改質器燃焼部６で未反応燃料20と反応
し高温の燃焼ガス21として排出される。燃焼ガス21は、
一部を燃料電池８をバイパスする系統22を通つてガスタ
ービン37へ供給される。
改質器燃焼部出口のガス温度は、燃料流量１と、燃料電
池直交変換器48の負荷により燃料流量目標値を決める
が、改質器燃焼部出口のガス温度がガスタービン入口部
の温度以上となるよう燃料流量１を補正して増加させて
やることにより行なうが、本実施例では、空気のバイパ
ス系統40を設けて微少な温度制御を行なつている。
池直交変換器48の負荷により燃料流量目標値を決める
が、改質器燃焼部出口のガス温度がガスタービン入口部
の温度以上となるよう燃料流量１を補正して増加させて
やることにより行なうが、本実施例では、空気のバイパ
ス系統40を設けて微少な温度制御を行なつている。
本実施例では、従来例で設置していた補助燃焼器の機能
を改質器燃焼部が持つ事になる。
を改質器燃焼部が持つ事になる。
本実施例による効果を10万KW級の発電所をベースして説
明する。
明する。
従来例では、50％負荷時、定格燃料流量の47％に相当す
る燃料が、燃焼１として供給される。また定格燃料流量
の15％に相当する燃料が補助燃料45として供給される。
燃料電池の出力は50％となり、ガスタービンは定格運転
を行なつているからプラントとしては、54％（燃料電池
46％、ガスタービン８％）ととなりプラントの発電効率
は定格時の87％まで低下する。
る燃料が、燃焼１として供給される。また定格燃料流量
の15％に相当する燃料が補助燃料45として供給される。
燃料電池の出力は50％となり、ガスタービンは定格運転
を行なつているからプラントとしては、54％（燃料電池
46％、ガスタービン８％）ととなりプラントの発電効率
は定格時の87％まで低下する。
第１図に示す本発明の燃料電池発電プラントによると、
定格燃料と同量の定格の62％の燃料を燃料電池に供給
し、補助燃料として供給した熱量に等しい熱量を燃料電
池排ガスとして余分に改質器燃焼部へ供給し、圧縮機で
発生する余剰空気を加熱し、タービンを定格運転とした
場合、燃料電池で有効に使用する燃料の割合を示す燃料
利用率が約80％から60％まで低下させることができ、こ
の結果、アノード９の燃料ガス濃度が増加し、燃料電池
８の電圧が約2.1％上昇する。プラント全体に占める燃
料電池の出力比は50％であるからプラント発電効率は、
1.8％上昇することになる。定格負荷で12時間、50％負
荷で12時間の負荷率75％の加重平均発電効率では、従来
例に比べて本実施例では0.5％上昇する。
定格燃料と同量の定格の62％の燃料を燃料電池に供給
し、補助燃料として供給した熱量に等しい熱量を燃料電
池排ガスとして余分に改質器燃焼部へ供給し、圧縮機で
発生する余剰空気を加熱し、タービンを定格運転とした
場合、燃料電池で有効に使用する燃料の割合を示す燃料
利用率が約80％から60％まで低下させることができ、こ
の結果、アノード９の燃料ガス濃度が増加し、燃料電池
８の電圧が約2.1％上昇する。プラント全体に占める燃
料電池の出力比は50％であるからプラント発電効率は、
1.8％上昇することになる。定格負荷で12時間、50％負
荷で12時間の負荷率75％の加重平均発電効率では、従来
例に比べて本実施例では0.5％上昇する。
また従来例では、プラント部分負荷でもガスタービンを
定格運転とするため、補助燃焼器43、補助燃料系統45、
空気バイパス系統44が必要となるが、本実施例では、空
気バイパス系統、補助燃料系統は不要で、改質器燃焼部
６で通常の燃料系統を使つてガスタービンの補助燃料を
供給することができるので系統構成が簡素化される。
定格運転とするため、補助燃焼器43、補助燃料系統45、
空気バイパス系統44が必要となるが、本実施例では、空
気バイパス系統、補助燃料系統は不要で、改質器燃焼部
６で通常の燃料系統を使つてガスタービンの補助燃料を
供給することができるので系統構成が簡素化される。
実施例2. 第３図に本発明の他の実施例を示す。第１図に示した実
施例とほぼ系統構成は同様であるが、本実施例では燃料
供給系統の途中に分岐部46を設け、改質器燃焼部に燃料
の一部を供給するように構成したことに特徴がある。
施例とほぼ系統構成は同様であるが、本実施例では燃料
供給系統の途中に分岐部46を設け、改質器燃焼部に燃料
の一部を供給するように構成したことに特徴がある。
本実施例では、補助燃焼器等の部分負荷運転のための系
統構成を簡素化できるという効果がある。
統構成を簡素化できるという効果がある。
実施例3. 第４図に本発明の他の実施例を示す。第１図に示した実
施例とほぼ系統構成は同様であるが、本実施例では改質
器反応部出口部に分岐部50を設け、改質した燃料の一部
に改質器燃焼部に供給するように構成したことに特徴が
ある。
施例とほぼ系統構成は同様であるが、本実施例では改質
器反応部出口部に分岐部50を設け、改質した燃料の一部
に改質器燃焼部に供給するように構成したことに特徴が
ある。
本実施例では、実施例２と同様、補助燃料器等の部分負
荷運転のための系統構成を簡素化できる効果がある。
荷運転のための系統構成を簡素化できる効果がある。
実施例4. 第５図に本発明の他の実施例を示す。ガスタービン37入
口に補助燃焼器43を設けていることは従来例（第２図）
と同一であるが、補助燃料としてアノード出口部のガス
20の一部を分岐部52に設けて分岐している点に特徴があ
る。
口に補助燃焼器43を設けていることは従来例（第２図）
と同一であるが、補助燃料としてアノード出口部のガス
20の一部を分岐部52に設けて分岐している点に特徴があ
る。
本実施例によると、実施例１にまつたく同様の部分負荷
での発電効率の向上を図ることができる。
での発電効率の向上を図ることができる。
本発明によれば、燃料電池発電プラントの部分負荷運転
時に、ガスタービンの補助燃料を燃料電池アノードを経
由して供給することができるので、燃料電池アノードで
の燃料ガス濃度が増加し、電池電圧を上昇させることが
できるので、部分負荷時のプラント効率を向上させる効
果がある。
時に、ガスタービンの補助燃料を燃料電池アノードを経
由して供給することができるので、燃料電池アノードで
の燃料ガス濃度が増加し、電池電圧を上昇させることが
できるので、部分負荷時のプラント効率を向上させる効
果がある。
従来は、第６図に従来の燃料電池発電プラントの部分負
荷特性を示すように、プラントが部分負荷運転時でも、
圧縮空気を一定の圧力で、一定回転数で供給する必要が
あるためガスタービン出力63は、補助燃料61を供給され
て一定運転を行なつており、補助燃料61の増加につれて
発電プラントのプラント効率64は低下していた。
荷特性を示すように、プラントが部分負荷運転時でも、
圧縮空気を一定の圧力で、一定回転数で供給する必要が
あるためガスタービン出力63は、補助燃料61を供給され
て一定運転を行なつており、補助燃料61の増加につれて
発電プラントのプラント効率64は低下していた。
しかるに、本発明によれば、補助燃料61として直接ガス
タービン入口の補助燃焼器へ供給し、圧縮機を一定運転
としているため、部分負荷で過剰となる空気を加熱し、
ガスタービンへ供給、ガスタービンを定格運転としてい
たものを、燃料63として改質器反応部を経由して燃料電
池へ全量供給し、燃料電池では、補助燃料15に相当する
熱量を余分に未消費のまま補助燃料として供給すること
により、燃料電池の供給される燃料に対する消費される
燃料の割合である燃料利用率を低く押えた運転が可能と
なる。
タービン入口の補助燃焼器へ供給し、圧縮機を一定運転
としているため、部分負荷で過剰となる空気を加熱し、
ガスタービンへ供給、ガスタービンを定格運転としてい
たものを、燃料63として改質器反応部を経由して燃料電
池へ全量供給し、燃料電池では、補助燃料15に相当する
熱量を余分に未消費のまま補助燃料として供給すること
により、燃料電池の供給される燃料に対する消費される
燃料の割合である燃料利用率を低く押えた運転が可能と
なる。
燃料利用率が低くなることは、燃料電池アノードでの燃
料濃度を高くすることができるので、第７図に示すよう
に電池電圧65は、部分負荷運転時上昇させることができ
る。
料濃度を高くすることができるので、第７図に示すよう
に電池電圧65は、部分負荷運転時上昇させることができ
る。
一方従来例においても、本発明においてもプラントに供
給される燃料入熱は、同量であるから、燃料電池の電圧
上昇分だけ、プラント効率66を向上させることができ
る。向上値は、75％負荷では1.2％、50％負荷では18％
ととなる。
給される燃料入熱は、同量であるから、燃料電池の電圧
上昇分だけ、プラント効率66を向上させることができ
る。向上値は、75％負荷では1.2％、50％負荷では18％
ととなる。
また、従来例では、ガスタービン入口へ補助燃焼器を設
置していたが、改質器燃焼部を燃焼器として用い、排ガ
スの一部を燃料電池をバイパスして、ガスタービンへ供
給することにより補助燃焼空気バイパス系統等の補助燃
焼器廻りの系統を簡略化できる。
置していたが、改質器燃焼部を燃焼器として用い、排ガ
スの一部を燃料電池をバイパスして、ガスタービンへ供
給することにより補助燃焼空気バイパス系統等の補助燃
焼器廻りの系統を簡略化できる。
第１図は本発明の実施例１の説明図で、燃料電池発電プ
ラントの系統図を示す。第２図は従来のプラント系統図
を示す。第３図は本発明の実施例２の、第４図は実施例
３の、第５図は実施例４のそれぞれのプラント系統図を
示す。第６図は燃料電池発電プラントの部分負荷特性図
を示す。第７図は本発明の部分負荷特性図を示す。 １……燃料、３……蒸気、４……改質器、４……改質器
燃焼部、６……改質器反応部、７……改質ガス、８……
燃料電池、９……燃料電池アノード、10……電解質、11
……燃料電池カソード、12……アノード出口ガス、18…
…圧縮機、20……アノード出口ガス、21……改質器燃焼
部出口ガス、22……改質器燃焼部出口ガスバイパス系
統、26……空気、27……圧縮空気、30……カソード入口
ガス、31……カソード出口ガス、32……カソード出口ガ
ス、35……ガスタービン入口ガス、36……圧縮機、37…
…ガスタービン、38……発電機、39……ガスタービン排
ガス、40……空気バイパス系統、43……補助燃焼器、44
……空気バイパス系統、45……補助燃料、49……改質ガ
スバイパス系統、51……アノード出口ガスバイパス系
統、60……燃料流量比、61……補助燃料比、62……プラ
ント出力比、63……ガスタービン出力比、64……プラン
ト効率比。
ラントの系統図を示す。第２図は従来のプラント系統図
を示す。第３図は本発明の実施例２の、第４図は実施例
３の、第５図は実施例４のそれぞれのプラント系統図を
示す。第６図は燃料電池発電プラントの部分負荷特性図
を示す。第７図は本発明の部分負荷特性図を示す。 １……燃料、３……蒸気、４……改質器、４……改質器
燃焼部、６……改質器反応部、７……改質ガス、８……
燃料電池、９……燃料電池アノード、10……電解質、11
……燃料電池カソード、12……アノード出口ガス、18…
…圧縮機、20……アノード出口ガス、21……改質器燃焼
部出口ガス、22……改質器燃焼部出口ガスバイパス系
統、26……空気、27……圧縮空気、30……カソード入口
ガス、31……カソード出口ガス、32……カソード出口ガ
ス、35……ガスタービン入口ガス、36……圧縮機、37…
…ガスタービン、38……発電機、39……ガスタービン排
ガス、40……空気バイパス系統、43……補助燃焼器、44
……空気バイパス系統、45……補助燃料、49……改質ガ
スバイパス系統、51……アノード出口ガスバイパス系
統、60……燃料流量比、61……補助燃料比、62……プラ
ント出力比、63……ガスタービン出力比、64……プラン
ト効率比。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横須賀 建志 東京都千代田区神田駿河台４丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 服部 洋市 茨城県日立市幸町３丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 杉田 成久 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−34863（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−104541（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−195880（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】反応部及び燃焼部を有する改質器と、アノ
ードと電解質とカソードを有する燃料電池と、前記改質
器の反応部に燃料を供給する経路と、該反応部から排気
されるガスを前記燃料電池のアノードに供給する経路
と、該アノードから排気されるガス中の水分を除去した
後のガスを前記アノードからの排気ガスと熱交換して昇
温してから前記改質器の燃焼部に供給する経路と、発電
機を駆動するガスタービンと、該ガスタービンにより駆
動される空気圧縮機と、該空気圧縮機からの圧縮空気と
前記改質器の燃焼部からの排ガスとを前記燃料電池のカ
ソードに供給する経路と、前記空気圧縮機からの圧縮空
気の一部を前記改質器の燃焼部に供給する経路と、前記
燃料電池のカソードから排気されるガスを前記ガスター
ビンに供給して該ガスタービンを駆動する経路と、過剰
な燃料が前記改質器の反応部に供給されたとき該改質器
の燃焼部から排気されるガスの一部をバイパスし前記ガ
スタービンに供給するバイパス経路とを設けたことを特
徴とする燃料電池発電プラント。 - 【請求項２】反応部及び燃焼部を有する改質器と、アノ
ードと電解質とカソードを有する燃料電池と、前記改質
器の反応部に燃料を供給する経路と、該反応部から排気
されるガスを前記燃料電池のアノードに供給する経路
と、該アノードから排気されるガス中の水分を除去した
後のガスを前記アノードからの排気ガスと熱交換して昇
温してから前記改質器の燃焼部に供給する経路と、発電
機を駆動するガスタービンと、該ガスタービンにより駆
動される空気圧縮機と、該空気圧縮機からの圧縮空気と
前記改質器の燃焼部からの排ガスとを前記燃料電池のカ
ソードに供給する経路と、前記空気圧縮機からの圧縮空
気の一部を前記改質器の燃焼部に供給する経路と、前記
燃料電池のカソードから排気されるガスを前記ガスター
ビンに供給して該ガスタービンを駆動する経路と、過剰
な燃料が前記改質器の反応部に供給されたとき該改質器
の燃焼部から排気されるガスの一部をバイパスし前記ガ
スタービンに供給するバイパス経路と、前記過剰な燃料
の一部を前記改質器の燃焼部に供給し該燃焼部からの排
気ガスの温度を前記ガスタービン入口ガス温度にする経
路とを設けたことを特徴とする燃料電池発電プラント。 - 【請求項３】反応部及び燃焼部を有する改質器と、アノ
ードと電解質とカソードを有する燃料電池と、前記改質
器の反応部に燃料を供給する経路と、該反応部から排気
されるガスを前記燃料電池のアノードに供給する経路
と、該アノードから排気されるガス中の水分を除去した
後のガスを前記アノードからの排気ガスと熱交換して昇
温してから前記改質器の燃焼部に供給する経路と、発電
機を駆動するガスタービンと、該ガスタービンにより駆
動される空気圧縮機と、該空気圧縮機からの圧縮空気と
前記改質器の燃焼部からの排ガスとを前記燃料電池のカ
ソードに供給する経路と、前記空気圧縮機からの圧縮空
気の一部を前記改質器の燃焼部に供給する経路と、前記
燃料電池のカソードから排気されるガスを前記ガスター
ビンに供給して該ガスタービンを駆動する経路と、過剰
な燃料が前記改質器の反応部に供給されたとき該改質器
の燃焼部から排気されるガスの一部をバイパスし前記ガ
スタービンに供給するバイパス経路と、前記過剰な燃料
が前記改質器の反応部に供給されたときに前記改質器の
反応部から排気されるガスの一部を該改質器の燃焼部に
分岐する経路とを設けたことを特徴とする燃料電池発電
プラント。 - 【請求項４】反応部及び燃焼部を有する改質器と、アノ
ードと電解質とカソードを有する燃料電池と、前記改質
器の反応部に燃料を供給する経路と、該反応部から排気
されるガスを前記燃料電池のアノードに供給する経路
と、該アノードから排気されるガス中の水分を除去した
後のガスを前記アノードからの排気ガスと熱交換して昇
温してから前記改質器の燃焼部に供給する経路と、発電
機を駆動するガスタービンと、該ガスタービンにより駆
動される空気圧縮機と、該空気圧縮機からの圧縮空気と
前記改質機の燃焼部からの排ガスとを前記燃料電池のカ
ソードに供給する経路と、前記空気圧縮機からの圧縮空
気の一部を前記改質器の燃焼部に供給する経路と、前記
燃料電池のカソードから排気されるガスを前記空気圧縮
機からの圧縮空気の一部で燃焼し前記ガスタービンに供
給して該ガスタービンを駆動する補助燃焼器と、過剰な
燃料が前記改質器の反応部に供給されたとき前記熱交換
した後の前記アノードからの排気ガスの一部を前記補助
燃焼器に供給する経路とを設けたことを特徴とする燃料
電池発電プラント。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61050475A JPH0785417B2 (ja) | 1986-03-10 | 1986-03-10 | 燃料電池発電プラント |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61050475A JPH0785417B2 (ja) | 1986-03-10 | 1986-03-10 | 燃料電池発電プラント |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62208562A JPS62208562A (ja) | 1987-09-12 |
| JPH0785417B2 true JPH0785417B2 (ja) | 1995-09-13 |
Family
ID=12859921
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61050475A Expired - Fee Related JPH0785417B2 (ja) | 1986-03-10 | 1986-03-10 | 燃料電池発電プラント |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0785417B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0810602B2 (ja) * | 1986-10-13 | 1996-01-31 | 株式会社日立製作所 | 燃料電池発電システム |
| JP4578787B2 (ja) * | 2003-07-25 | 2010-11-10 | 関西電力株式会社 | ハイブリッド型燃料電池システム |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3973993A (en) * | 1975-02-12 | 1976-08-10 | United Technologies Corporation | Pressurized fuel cell power plant with steam flow through the cells |
| JPS60195880A (ja) * | 1984-03-19 | 1985-10-04 | Hitachi Ltd | 固体電解質燃料電池発電システム |
| JPS6134863A (ja) * | 1984-07-26 | 1986-02-19 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池発電システム |
-
1986
- 1986-03-10 JP JP61050475A patent/JPH0785417B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62208562A (ja) | 1987-09-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |