JPS60160580A - 燃料電池発電システムの起動方式 - Google Patents

燃料電池発電システムの起動方式

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JPS60160580A
JPS60160580A JP59017437A JP1743784A JPS60160580A JP S60160580 A JPS60160580 A JP S60160580A JP 59017437 A JP59017437 A JP 59017437A JP 1743784 A JP1743784 A JP 1743784A JP S60160580 A JPS60160580 A JP S60160580A
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JP
Japan
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compressor
air
compressed air
fuel cell
turbine
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JP59017437A
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English (en)
Inventor
Hisashi Mitani
壽 三谷
Toshiichi Suefuji
末藤 敏一
Yoshiyuki Taguma
良行 田熊
Enjiyu Nishiyama
西山 槐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shimadzu Corp
Mitsubishi Electric Corp
Shimazu Seisakusho KK
Original Assignee
Shimadzu Corp
Mitsubishi Electric Corp
Shimazu Seisakusho KK
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Publication date
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Publication of JPS60160580A publication Critical patent/JPS60160580A/ja
Pending legal-status Critical Current

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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
    • 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

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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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  • Sustainable Energy (AREA)
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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、ターボコンプレッサを備えた燃料電池発電シ
ステムの起動方式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
積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
する傾向を示すにのため前記各反応ガスの動作圧力は、
例えば3〜6Kg/cmg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
ガスエネルギーにめることができれば、システムの効率
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
、燃料電池の空気極出口の余剰空気および改質器の排ガ
スにより駆動されるタービンと、このタービンに直結さ
れ該タービンに付勢されて前記燃料電池および前記改質
器に必要な圧縮空気を供給するコンプレッサとを具備し
てなるもので、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、このような燃料電池システムを始動させるた
めには、該システムに何らかの外部エネルギーを与えて
前記ターボコンプレッサを起動させてやる必要がある。
ターボコンプレッサの起動にはセル−モータを用いるも
のが一般化しているが、かかる方式はターボコンプレッ
サ以外の始動用駆動源が必要であり、しかも該駆動源は
通常きわめて大きな回転速度を必要とする。そのため、
各種の保護回路が必要となり、僅かな誤動作でも大きな
不具合に到る欠陥を有しているとともに、システム全体
が複雑かつ大がかりなものになるという問題がある。
なお、航空機搭載用の補助ユニツ) (API)や空調
システム(E CS)等に使用されるターボコンプレッ
サにおいては、ジェットエンジンのコンプレッサから吐
出される圧縮空気の一部をタービンの入口に吹込んで始
動を行なうようにした始動方式も実用化されている。し
かしながら、かかる始動方式を燃料電池システムのター
ボコンプレッサに応用すると不都合が生じる。すなわち
、燃料電池発電システムでは、前述したように、発電能
力を向上させるために供給空気の高圧化が図られており
、ターボコンプレッサのコンプレッサ側の圧縮比はかな
り高い値に設定される。そのため、始動時におけるコン
プレッサ側の流量不足により、該コンプレッサがサージ
ングを起し易いという問題がある。
また、他の起動方式として、まず、前記改質器に空気と
燃料を別途供給して該改質器を立ち上らせ、それによっ
て該改質器から放出される排ガスのエネルギを利用して
タービンを自刃運転にまで導いてシステムを定常運転に
移行させるようにすることも考えられる。しかしながら
、改質器は一般に反応温度が高くかつ熱時定数が大きい
ため、その昇温に長い時間を要する。そのため、前記改
質器に前記ターボコンプレッサ以外の外部装置から起動
用の圧縮空気を長時間供給し続ける必要が生じる。した
がって、かかる方式は、システム始動に要する全消費エ
ネルギが大きいという欠点を有している。
(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、
複雑かつ大がかりな始動装置を要することがなく最小の
エネルギで簡単かつ確実に始動を行なうことが可能であ
り、しかも、始動時に発生しやすいコンプレッサ部での
サージングを特別な制御なしに有効に防止することがで
きる燃料電池発電システムの起動方式を提供することを
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、燃料電池発電
システムのターボコンプレッサにおけるコンプレッサ入
口側に起動用の圧縮空気供給装置を設けておき、システ
ム起動時に、まず、前記圧縮空気供給装置から吐出され
る圧縮空気を前記コンプレッサを通過させて助燃炉に導
入し、該助燃炉で熱エネルギを付与した空気によって前
記タービンを起動させて自刃運転にまで導き、この状態
で前記コンプレッサの出口空気の一部を改質器に供給し
て該改質器を立ち上らせるように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、l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中に前記タービン13を介設
している。そして、前記給気系路14の前記コンプレッ
サ12よりも始端側に給気弁16を設けるとともに、該
給気系路14の終端側分岐部14a、14bにそれぞれ
弁17.1Bを介設している。また、前記コンプレッサ
12の入口側、すなわち、前記給気系路14の前記給気
弁16と前記コンプレッサ12との間に位置する部位に
圧縮空気供給装置工9を設けている。圧縮空気供給装置
19は、圧縮空気を吐出する高圧タンク21を備えてお
り、この高圧タンク21を弁22を介し、 て前記給気
系路14に接続している。なお、前記タービン13に対
しては、過負荷を防止するための弁23が並列に設けで
ある。また、前記給気系路14と前記排気系路15との
間に、前記コンプレッサ12の出口空気の一部をタービ
ン13の入口側にバイパスするバイパス系路24を設け
、このバイパス系路241に助燃炉25を設けて(する
。助燃炉25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24を流通する空気に熱エネルギ
を付与するようにしたものである。なお、27は弁であ
る。
次いで、この実施例の作動を説明する。始動に際シテは
弁16.17.18を閉じるとともに、弁22.27を
開成させ圧縮空気供給装置19の高圧タンク21から圧
縮空気を吐出させる。それによって、前記高圧タンク2
1から前記給気系路14に放出される圧縮空気がコンプ
レッサ12の入口に供給されるとともに、このコンプレ
ッサ12を通過した圧縮空気が助燃炉25に導かれる。
この状態で前記助燃炉25に燃料を供給しバイパス系路
24を流れる空気を加熱する。それによって、タービン
13に供給される圧縮空気の温度が次第に上昇すること
になり、ターボコンプレッサ3が運転を開始する。そし
て、その温度が所要の値に達した時点で弁16を開くと
ともに弁22を閉じて大気をコンプレッサ12で吸引さ
せ自刃運転に移る。この状態から前記助燃炉25の燃焼
エネルギを増加させて前記ターボコンプレッサ3を増速
し、前記コンプレッサ12かもの空気吐出量を増やすと
ともに弁18を開いて圧縮空気の一部を改質器2に供給
する。これによって前記改質器2の運転が開始されその
温度が徐々に立ち上っていく。そして、この改質器2の
温度が所定の温度に達して該改質器2が定常状態になっ
た時点で弁17を開成させ定常的な発電運転に移行する
。すなわち、この状態では、コンプレッサ12で圧縮し
た空気の一部が燃料電池lの反応に、残りが改質器2の
燃焼用に使用される。また、前記燃料電池1を出た余剰
空気と前記改質器2の燃焼排ガスがタービン13に供給
されて該タービン13を駆動し続けることになる。なお
、前記タービン13に供給するパワーが不足する運転域
では前記助燃炉25により熱エネルギを補充する。。と
ころで、この実施例における定常運転では、前記タービ
ン13の可変ノズルの開度等を適宜制御して、前記燃料
電池lの空気室8に常に一定圧、例えば5気圧程度の圧
縮空気を供給するようになっている。
なお、圧縮空気供給装置は、前記のような高圧タンクを
用いたものに限らず、例えば、ブロアや小形のコンプレ
ッサ等を用いたものであってもよい。
(へ)効果 本発明は、以上のような構成であるから1次のような効
果が得られる。
まず、モータや変速機等の高速回転機械あるいは各種の
保護装置を用いることなしに始動を行なうことができる
ので、システムの簡略化を図ることができる。
また、始動用の圧縮空気を助燃炉により加熱してタービ
ンに供給するようにしているので、改質器の暖機に長時
間を要することになっても、ターボコンプレッサを短時
間で自刃運転にまで立上げることができる。そのため、
容量の小さな圧縮空気供給装置を用いてシステムを確実
に起動させることができる。
さらに、タービンの入口側へ直接始動ガスを供給する代
わりに、コンプレッサの入口側へ始動ガスを供給するよ
うにしているので、始動運転モードにおいても、コンプ
レッサの流量を十分に確保することができる。そのため
、始動時に発生し易いサージングを有効に防止すること
ができ、安定した始動性を確保することができる。
【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 21・[有]改質器 3・・・ターボコンプレッサ 8・・・空気室 9・・赤空気極 12φ・・コンプレッサ 13・・・タービン 19・・幸圧縮空気供給装置 24・・・バイパス系路 25串・・助燃炉 代理人 弁理士 赤澤−博

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 燃料電池と、炭化水素系燃料を改質して前記燃料電池に
    水素ガスを供給するための改質器と、この改質器の排ガ
    スまたは、前記燃料電池の空気極出口の余剰空気および
    改質器の排ガスの両方により駆動されるタービンを用い
    てコンプレッサを作しッサと、前記コンプレッサの出口
    空気の一部をタービンの入口側にバイパスする系路上に
    設けた助燃炉とを具備してなる燃料電池発電システムに
    おいて、前記コンプレッサの入口側に起動用の圧縮空気
    供給装置を設けておき、システム起動時に、まず、前記
    圧縮空気供給装置から吐出される圧縮空気を前記コンプ
    レッサを通過させて前記助燃炉に導入し、該助燃炉で熱
    エネルギを付与した空気によって前記タービンを起動さ
    せて自刃運転にまで導き、この状態で前記コンプレッサ
    の出口空気の一部を改質器に供給して該改質器を立ち上
    らせるようにしたことを特徴とする燃料電池発電システ
    ムの起動方式。
JP59017437A 1984-01-30 1984-01-30 燃料電池発電システムの起動方式 Pending JPS60160580A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4820594A (en) * 1986-02-07 1989-04-11 Hitachi, Ltd. Method of starting fuel cell power generation system
US6007930A (en) * 1998-05-06 1999-12-28 Ford Global Technologies, Inc. Method for initiating a fuel cell

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS51105551A (ja) * 1975-02-12 1976-09-18 United Technologies Corp

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