JPS61153956A - 燃料電池発電システム - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は燃料電池の酸化剤極から排出される空気をｔ！
焼器燃焼用空気として使用する燃料改質器を備えた燃料
電池発電システムの改良に関する。

［発明の技術的背景］ 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換するものとして燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質層を挾んで燃料極およ
び酸化剤極の一対の電極を配置すると共に、燃料極の背
面に水素等の燃料を接触させ、また酸化剤極の背面に空
気等の酸化剤を接触させ、このとき起こる電気化学的反
応を利用して上記一対の電極間から電気エネルギーを取
り出すようにしたものであり、上記燃料と酸化剤が供給
されている限り高い変換効率で電気エネルギーを取出す
ことができるものである。

さてこの燃料電池は、燃料電池で発電に使用した後に排
出される空気を燃ｍ器燃焼用空気として使用する燃料改
質器を備えて燃料電池発電システムを構成していること
が多い。第２図は、この種の燃料電池発電システムの一
例をブロック的に示したものである。図において、ター
ビン１およびこれと同軸に結合され大気中の空気を吸入
して圧縮し圧縮空気を得る圧縮機２がら空気処理装置が
構成されている。また、３は燃料を燃料極３１に導入す
ると共に、上記空気処理装置で得られた圧縮空気を圧縮
空気ライン４を介し酸化剤として酸化剤極３２に導入し
、これらを電気化学的に反応させて発電を行なう燃料電
池である。さらに、５は天然ガス（ＮＧ）を上記圧縮機
２がら空気流量調節弁６を介して導入される圧縮空気の
一部と共に燃焼させるための燃焼室５１、およびこの燃
焼室５１からの燃焼排ガスと、上記酸化剤極３２からの
空気２１ｊｌｌｌｌｉ弁７を介して導入される排空気と
、後述する燃料改質器８からの燃焼排気ガスと、上記圧
縮機２がら空気流量調節弁９を介して導入される圧縮空
気とを混合する混合室５２から成る補助燃焼器であり、
この混合室５２で混合した燃焼排ガスを上記空気処理装
置のタービン１へその駆動源として排出するようにして
いる。

一方、１０は上記圧縮空気ライン４上の酸化剤極３２人
口側に設けられた空気流量調節弁、また１１は空気を加
圧する空気処理装置起動用の圧縮機で、この圧縮空気を
空気貯蔵タンク１２より空気供給弁１３を介して上記圧
縮空気ライン４へ供給するようにしている。なお、ここ
で圧縮１１１１、空気貯蔵タンク１２から補助空気源を
構成している。さらに燃料改質器８は、内部に改質反応
触媒層が設けられた改質管８１の内側に原料ガスとして
の天然ガス（ＮＧ）および水蒸気の混合ガスを導入する
と共に、改質管の外側に燃焼ガスとして上記燃料極３１
からの排燃料を、および燃焼用空気として上記酸化剤極
３２からの排空気と空気流量調節弁１４を介して上記圧
縮機２から導入される圧縮空気を夫々燃焼器８２により
燃焼して得られた高温加熱ガスを通過させることにより
上記混合ガスを改質ガスに改質し、かつこの改質に使用
した後の燃焼排ガスを上記補助燃焼器５の混合室５２へ
排出するものである。

かかる燃料電池発電システムにおいて、燃料電池３の酸
化剤極３２への空気は、タービン１と同軸に結合されて
いる圧縮機２により空気流Ｉｉ１節弁１０を介して供給
されている。そして、燃料電池３で発電に使用した後の
酸化剤極３２からの排空気は、燃料改質器８からの燃焼
器８２にその燃焼用空気として導入されている。第３図
および第４図に示すように、低負荷域では燃料改質器８
の燃焼器８２での燃焼最低空気流量を確保するために、
空気流量調節弁１４を通して電池バイパス空気流１１４
ａを補充し、また高負荷域では燃料電池３からの排空気
にて十分燃焼器８２の燃焼用空気量が確保できるため、
空気１％ＥＩ調節弁７を通して燃料改質器８の燃焼器バ
イパス流量７ａをバイパスするように、それぞれの調節
弁に対して制御設定目標が与えられる。

［背景技術の問題点］ ところで、いま例えば燃料電池発電システムの連続最低
負荷（例えば２５％）から目標負荷（例えば１００％）
まで負荷急増を行なう場合、空気流量ｍｍ弁１０は連続
的に開方向に制御されるが低流量域から空気流１１０ａ
を増加するので、負荷指令値の増加と共に反応酸素消費
量も急増して過渡的に稀薄空気状態となる。一方、空気
流量調節弁１４の設定空気流１１１４ａは中間負荷（た
とえば５０％）で零となるようにスケジュールされてい
ること、並びに第４図の破線にて示すような燃料改質器
１０への燃焼器８２へ導入される電池排空気の排空気ラ
イン上の配管および容器等の容量要素による流動遅れが
加味されて酸欠状態となり、燃料改質器８の燃焼器８２
が失火してしまいシステムトリップとなる。

このため、通常であれば設計点定格容量を満足する大き
さの空気処理装置容量を選択するところを、上記のよう
な過渡的な空気流量不足を考慮して空気処理装置の容量
を大きく選定するようにした場合には、空気流量調節弁
１４の閉止スケジュールの変更等の対策をこうしること
によってかかる不具合を解決することが可能ではあるが
、その反面定常時のシステム効率の低下、およびシステ
ム価格の上昇という問題が生じ、燃料電池発電システム
のコストパフォーマンス低下につながることになる。

［発明の目的］ 本発明は上記のような問題を解消するために成されたも
ので、その目的は空気処理装置の容量を設計点定格容量
よりも大きく選定することによるシステム効率の低下お
よび価格の上昇を生ずることなく、燃料電池負荷急増時
の過渡的な空気供給流ｍ不足による燃料改質器の燃焼器
の失火を確実に防止することが可能な燃料電池発電シス
テムを提供することにある。

［発明のＮ要Ｊ 上記目的を達成するために本発明では、前述した燃料電
池発電システムにおいて、空気処理装置の起動用圧縮機
や計装空気用圧縮機、或いは工場空気用圧縮機等の既存
の補助空気源から、燃料改質器の燃焼器の燃焼用空気ラ
インへ空気を供給する配管を設け、かっこの配管上にそ
の供給空気流量を調節する空気流層調節弁を設け、負荷
指令値の増加率が所定値を越えたことを条件に、上記空
気流量調節弁を開方向に調節することにより、空気処理
装置の容量を設計点定格容量よりも大きくすることなく
、電池負荷急増時に必要量の上記燃焼用空気流量を確保
して燃焼器の失火を防止するようにしたことを特徴とす
る。

［発明の実施例］ 以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する第
１図は、本発明による燃料電池発電システムの構成例を
ブロック図にて示したもので、第２図と同一部分には同
一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点に
ついてのみ述べる。

つまり、第１図は前記第２図における補助空気源である
空気処理装置起動用の圧縮機１１の空気貯蔵タンク１２
の出口側と、前記燃料改質器８の燃焼用空気ラインの燃
焼器８２の入口側とを結ぶ配管１５を設け、かつこの配
管１５上にその供給空気流量を調節する空気流量調節弁
１６を設けて構成するようにしたものである。ここで、
負荷指令値の増加率が所定値を越えたことを条件に、上
記空気流量ｌ１節弁を開方向にｌｌ！ＩＪするようにし
ている。

かかる如く構成した燃料電池発電システムにおいて、ま
ず空気処理装置の起動時には空気処理装置起動用圧縮機
１１にて加圧された空気を、空気貯蔵タンク１２がら空
気供給弁１３、空気処理流量調節弁９および混合室５２
を通してタービン１人口に供給し、空気処理装置を空気
運転する、その後、空気処理装置１の回転数が補助燃焼
器５の着火可能な回転数までに上昇したならば、空気流
量調節弁６を開し補助燃焼器５で燃料を燃焼させて空処
理装置を運転するとともに、空気供給弁１３を閉する。

また、空気処理装置の圧縮機からの吐出空気は空気１ｉ
！Ｉ調節弁１０を通して燃料電池３の酸化剤極３２へ供
給され、その排空気は燃料改質器８の燃焼器８２への燃
焼用空気として利用される。

さて前述したように、電池低負荷時においては燃料改質
器８の燃焼器８２への燃焼用空気を確保できるように空
気流層調節弁１４にて空気を供給し、また高負荷時にお
いては燃料電池３からの排空気にて燃料改質器８の燃焼
器８２への燃焼用空気を充分供給できるため、空気流量
調節弁１４が閉じて代りに空気流量調節弁７が開する。

ここで、従来問題となっていた低負荷状態から高負荷状
態への電池負荷急増時の中間負荷での過渡状態において
は、負荷指令値の増加率がある設定値を越えたことをキ
ック指令として空気流量調節弁１６を開き始めることに
より、空気処理装置の起動完了後にも起動用の圧縮１１
１にて加圧された空気貯蔵タンク１２から燃料改質器８
の燃焼用空気ラインへ燃焼器８２での燃焼に充分な空気
量が供給されることとなる。

上述したように本実施例構成の燃料電池発電システムに
よれば、システムの補助空気源から燃料改質器８の燃焼
器燃焼用空気ラインへ空気を供給する配管１５と、この
配管１５上に供給空気流量を調節する空気ｌｉ！調節弁
１６を設ける構成としたことにより、下記の効果が得ら
れる。

（ａ　）　　電池負荷急増時における排空気燃焼方式の
欠点である、燃料電池３での反応酸素量増大に起因する
電池排空気の酸素濃度の低下、および電池排空気ライン
の配管・容器等の容量要素に起因する空気の流動遅れに
よる燃料改質器８の燃焼器８２への燃焼用空気不足をな
くして、燃焼器８２の失火を確実に防止することができ
る。

（ｂ）　　電池負荷急増時の過渡的な空気流量不足を起
さないようにするために、既存の設備を利用しているこ
とから、空気処理装置の容量を設計点定格吐出空気流量
を満足する容量よりも大きく設定する必要がなくなるの
で、定格運転時等の通常運転時におけるシステム効率の
低下および価格の上昇をなくすことができ゛る。

尚、上記実施例においては、電池負荷急増時に燃料改質
器８の燃焼器８２への加給空気源として、システム専用
の空気処理装置起動用の圧縮機１１を用いた実施例につ
いて説明したが、これに代えて計装空気用圧縮機を補助
空気源として使用することも可能であるし、或いは工場
空気等の空気源が存在する場合であればこれを補助空気
源とじて使用することも可能であり、上記実施例と同様
の効果が得られるものである。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々に
変形して実施することができるものである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、補助空気源から燃
料改質器の燃焼器の燃焼用空気ラインへ空気を供給する
配管を設け、かつこの配管上にその供給空気流量を調節
する空気流１１１節弁を設け、負荷指令値の増加率が所
定値を越えたことを条件に、上記空気流量調節弁を開方
向に調節する構成としたので、空気処理装置の容量を設
計点定格容量よりも大きく選定することによるシステム
効率の低下および価格の上昇を生ずることなく、燃料電
池負荷が急激に増加した時の過渡的な空気供給流量不足
による燃料改質器の燃焼器の失火を確実に防止すること
が可能な橿めて信頼性の高い燃料電池発電システムが提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
従来の燃料電池発電システムを示すブロック図、第３図
および第４図は従来の問題点を説明するための図である
。 １・・・タービン、２・・・圧縮機、３・・・燃料電池
、３１・・・燃料極、３２・・・酸化剤極、４・・・圧
縮空気ライン、５・・・燃焼器、５１・・・燃焼室、５
２・・・混合至、８・・・燃料改質器、８１・・・改質
管、８２・・・燃焼器、６．７，９，１０，１４．１６
・・・空気流量調節弁、１３・・・空気供給弁。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）タービンおよびこのタービンと同軸に結合され空
   気を吸入して圧縮し圧縮空気を得る圧縮機からなる空気
   処理装置と、内部に改質反応触媒層が設けられた改質管
   の内側に原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを導入すると
   共に、前記改質管の外側に燃焼用ガスおよび燃焼用空気
   を燃焼器により燃焼して得られた高温加熱ガスを通過さ
   せることにより前記混合ガスを改質ガスに改質し、かつ
   この改質に使用した後の燃焼排ガスを前記空気処理装置
   へその駆動源として排出する燃料改質器と、この燃料改
   質器で得られ改質ガスを燃料として燃料極に導入すると
   共に前記空気処理装置で得られた圧縮空気を圧縮空気ラ
   インを介し酸化剤として酸化剤極に導入し、これらを電
   気化学的に反応させて発電を行ない、かつこの発電に使
   用した後の燃料および酸化剤を前記燃料改質器への燃焼
   用ガスおよび燃焼用空気として夫々排出する燃料電池と
   、前記圧縮空気ラインへ空気を供給する補助空気源と、
   この補助空気源による空気供給点と前記酸化剤極入口と
   の間の圧縮空気ライン上に設けられ、かつ前記燃焼電池
   の負荷指令値に応じてその弁開度が制御される第１の空
   気流量調節弁と、前記燃料改質器への燃焼用空気ライン
   と前記圧縮空気ラインとを結ぶライン上に設けられ、か
   つ電池低負荷領域において開制御される第２の空気流量
   調節弁と、前記補助空気源の空気ラインと前記燃焼用空
   気ラインとを結ぶラインに設けられ、かつ前記燃料電池
   の負荷指令値の増加率が所定値を越えると開制御される
   第３の空気流量調節弁とを具備して成ることを特徴とす
   る燃料電池発電システム。
2. （２）補助空気源としては、空気処理装置起動用の圧縮
   機、または計装空気用圧縮機、若しくは工場空気を使用
   するようにした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システム。