JPS60160574A - 燃料電池発電用タ−ボコンプレツサシステム - Google Patents

燃料電池発電用タ−ボコンプレツサシステム

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JPS60160574A
JPS60160574A JP59017436A JP1743684A JPS60160574A JP S60160574 A JPS60160574 A JP S60160574A JP 59017436 A JP59017436 A JP 59017436A JP 1743684 A JP1743684 A JP 1743684A JP S60160574 A JPS60160574 A JP S60160574A
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compressor
air
fuel cell
turbine
reformer
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Hisashi Mitani
壽 三谷
Toshiichi Suefuji
末藤 敏一
Yoshiyuki Taguma
良行 田熊
Enjiyu Nishiyama
西山 槐
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Shimadzu Corp
Mitsubishi Electric Corp
Shimazu Seisakusho KK
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Shimadzu Corp
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
    • H01M8/0612Combination 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
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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】 (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3〜6 Kg/ c+stg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°C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、空り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l、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
記排ガス等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
電力需要が大きく変化するとし〜う特徴がみられる。そ
のため、かかるシステムでは、燃料電池および改質器に
供給する空気の量を、例えば、約25%〜100%とい
う広い範囲で変更できるようにしたいという要望がある
。しかしながら、一方では、前記燃料電池に供給する空
気の圧力は、前述した電池の性能面ならびに燃料電池シ
ステムの制御面からの要請で比較的高い416の一定値
に維持したいという要望がある。したがって1通常のタ
ーボコンプレッサを単に燃料電池の空気圧縮用に適用し
ただけでは、その特性に限界があるため、以上のような
要望を満たすことができない。すなわち、かかるシステ
ムに使用されるターボコンプレッサは、タービンのノズ
ルを可変式のものにして、コンプレッサの吐出圧力が常
に略一定の値を示すように制御する必要があるが、コン
プレッサの吐出圧力を一定に保持したまま流量を絞り込
んでゆくと、該コンプレッサがサージングを起こして運
転が不安定化することになり、極端な場合には該コンプ
レッサの破損を招くおそれがある。すなわち、予め設定
された吐出圧力が高い場合には、コンプレッサの運転条
件が、a量の少ない領域において第1図に斜線で示すサ
ージング発生領域Aに簡単に入ってしまうことになり正
常な給気圧縮作用を営ませることが困難になる。そのた
め、単にこれだけのものでは、燃料電池に供給する空気
流量を25%〜100%というような広い範囲で変化さ
せることは困難である。
(ハ)目的 本発明は、このような本情に着目してなされたもので、
吐出圧力を一定の値に維持したうえでコンプレッサへの
供給空気流量を広い範囲に亘って自在に制御するように
してもサージング等の不都合を招くことがなく、したが
って、電力需要が幅広く変化するような条件下で使用さ
れる燃料電池発電システムにも好適に採用し得る燃料電
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、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可変ノズル式のタービンを介設
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バイパス系路を介し
て連通させ、このバイパス系路に、前記燃料電池および
改質器への供給空気量が少ない運転領域で開成する流量
調節弁、または、該流量調節弁と助燃炉とを設けたこと
を特徴とする。
(ホ)実施例 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
実施例1(第2図) 第2図は本燃料電池発電用ターボコンプレッサシステム
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13を有し
たタービン14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15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に接続し経端を大気に開放した排
気系路16の途中に前記タービン14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14
の入口とをバイパス系路17を介して連通させ、この/
ヘイバス糸路17に流量調節弁18を介設している。こ
の流量調節弁工8は、前記燃料電池lおよび改質機2へ
の供給空気量が少ない運転領域で開成するようになって
おり、例えば、前記給気系路15を流れる空気流量と前
記ターボコンプレッサの回転速度とを人力信号として作
動するアクチュエータ(図示せず)等によって開閉制御
される。
なお、20.21は、前記燃料電池1および前記改質機
2への空気供給量を調節するための流量調節弁である。
このような構成のものであれば、燃料電池l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
14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15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l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、前記タービン14のOf変ノズル13の開度を調節
することによって、前記コンプレッサ12から吐出され
る圧縮空気の圧力を一定に保ったままで、前記燃##電
池lおよび改質器2に供給する空気量を、例えば、約2
5%〜100%の範囲で制御することができ、幅広い電
力需要の変化に対応することが!きる。なお、かかる制
御を行なうに当り、前記コンプレッサ12の運転条件が
第1図に示すサージング発生領域Aに入ってしまう場合
には、流量調節弁18を適度に開成させる。その結果、
コンプレッサ12から吐出される空気の一部がバイパス
系路17を通してタービン側へ導かれる。そのため、該
コンプレッサ12を通過する空気の流星が増大し、該コ
ンプレッサ12の運転条件がサージラインlよりも右側
の正常運転領域Bへ戻されることになり、サージングの
発生が有効に防止される。したがって、このようなもの
であれば、運転の不安定化やコンプレー、すの破損等を
招くことなしに幅広い電力需要の変化にS理なく対応す
ることができるものである。
実施例2(M43図) 前述した実施例1と同様なシステム(同一または相当部
分には同一の記号を付して説明を省略する)において、
前記バイパス系路17の途中に助燃炉22を設けている
。助燃炉22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17を流通する空気に熱エネルギ
を付加するようにしたものである。
このような構成のものであれば、前記実施例1に同様な
作用効果が得られるだけでなく助燃炉22によりタービ
ン14の出力不足を補うことができ、安定した運転を保
証することができるという利点がある。すなわち、電力
需要が急増して改質器等の温度上昇がまにあわずタービ
ン動力が一時的に不足する場合や、ターボコンプレッサ
の特性上、ある運転域で常にタービン動力が不足するよ
うな場合には、前記助燃炉22に燃料を供給してバイパ
ス系路を流れる空気に熱エネルギを付加してその動力不
足を補うことができ、幅広い運転領域に亘って適正な作
動を担保することができる。
なお、バイパス系路の流量調節弁を開閉する手段は前記
のものに限られないのは勿論であり、本発明の趣旨を逸
脱しない範囲で種々変形が可能である。
(へ)効果 本発明は、以上のような構成であるから、吐出圧力を一
定の値に維持したうえでコンプレッサへの供給空気流量
を広い範囲に亘って自在に制御するようにしてもサージ
ング等の不都合を招くことがなく、したがって、電力需
要が幅広く変化するような条件下で使用される燃料電池
発電システムにも好適に採用し得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。
【図面の簡単な説明】
if図はコンプレッサの特性を示す特性説明図、第2図
は本発明の一実施例を示すシステム説明図、第3図は本
発明の他の実施例を示すシステム説明図である。 l・・・燃料電池 2・・―改質器 3ψ・拳ターボコンプレッサ 9・φ・空気極 12・φ・コンプレッサ 13中・・可変ノズル 14−−・タービン 1711・・バイパス系路 18・・・流量調節弁 22争争・助燃炉 代理人 弁理士 赤澤−博 第1図 コンプレッサの流量 第2図 16 第3図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (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じ接続した排気系路に可変ノズル
    式のタービンを介設し、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
    バイパス系路を介して連通させ、このバイパス系路に前
    記燃料電池および改質器への供給空気量が少ない運転領
    域で開成する流量調節弁を設け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. (2)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可変ノズル
    式のタービンを介設し、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人口とを
    バイパス系路を介して連通させ、このバイパス系路に、
    前記燃料電池および改質器への供給空気量が少ない運転
    領域で開成する流量制御弁と、該バイパス系路を流れる
    空気に熱エネルギを刊年する助燃炉とを設けたことを特
    徴とする燃料電池発電用ターボコンプレッサシステム。
JP59017436A 1984-01-30 1984-01-30 燃料電池発電用タ−ボコンプレツサシステム Granted JPS60160574A (ja)

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JPH0317350B2 JPH0317350B2 (ja) 1991-03-07

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