JPS62208562A - 燃料電池発電プラント - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料’ｔＭ、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。

〔従来の技術〕

従来の燃料電池発電プラントでは、特公昭５８−５６２
３１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っていた。

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
れていなかったため、特別な配慮は書れていなかった。

〔発明が屏決しようとする問題点〕

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、に
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。従って、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ｆ［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１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った
。

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２部分負荷での発成効率が低下する事は、負荷運用を
考慮した平均の発成効率が低下するので問題である。

本発明は、７ＪＯ正の燃料を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ラ提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

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。

更に１本発明は改質器燃焼部出ロガス＠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ｔａ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！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
剰の未反応燃料を生成させて、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って過剰となる圧縮
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１１１池の電圧が上昇し。

ｖＬ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２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１膨張タ一
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。

〔実施例〕

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だめの燃料
電池発電プラントの系統図である。

燃料１は、約６〜１０ｋｇ／ｃＩｌ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の排熱回収ボイラ等
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−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−酸化炭素を主成分とする反応ガス
７は、約６００Ｃ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。

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、それが浴融状態になる温度約５５
０Ｃ〜７００Ｃ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は取って炭酸イ
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、アノードからカソー
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１反応ガス７中の
水素、−酸化炭素と、電解質１０中の炭酸イオンとの反
応に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ｙ４１
又換器１３にて熱交換し冷却され乙。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１７ｉｄ、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。

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ｐ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、−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／ｆｆｌ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３Ｇで加圧する事より６〜１０ｋｇ
／ｃＩｉに加圧されている。

燃料電池８は、アノード９の反応圧力２反応温度１反応
ガス中の燃料ガス濃度が高いほど１反応ガスの持つ熱量
より電気出力として取り出せる割合１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５５０Ｃ〜７００Ｃに制限される。

反応ガス圧力については１日本国内では、法規上の制約
より１０ｋｇ／ｆｆ１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／ｆｆｌの圧力ｆ：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、・１ｕ極の接触抵抗等の抵抗により熱に変換さ省
−人奇め、・秋料プ局を７会翻すＸ＋久導禍５あ入−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５５０Ｃ〜７００Ｃ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シ冷却部の構造を複雑にするので好
ましくない。

したがっ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。

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動車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。

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。

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。

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、’を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、全負荷帯はぼ一定であ
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１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を駆動し電気出力を発しているため
、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々つた型式のガ
スタービンであｌるため、燃料電池用として新規に開発
する必要がある。

以上よシ、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。

このために第２図に示す従来技術では、ガスタービン３
７人口に補助燃焼器４３を設置し１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Ｋよυガスタービン３７を定格運転に保
っている。

第１図に示す本発明の実施例では１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１発成に使用される燃料
以上に燃料が供給される事になシ、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人口部の
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での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１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８ｔ−バイパスする系統２２を
通ってガスタービン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１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ってい
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。

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。

従来例では、５０％負荷時、定格燃料流量の４７優に相
当する燃料が、燃料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
は定格運転を行なっているからプラントとしては、５４
ｔｓ（燃料電池４６チ、ガスタービン８チ）ととなりプ
ラントの発電効率は定格時の８７チまで低下する。

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６０１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Ｚｌｃｓ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
チ上昇する。

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４
５．空気バイパス系統４４が必要となるが１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っ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１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。

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１本実施例では改質
器反応部用口部に分岐部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
人口に補助燃焼器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く
特徴がある。

本実施例によると、実施例１とまっ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。

〔発明の効果〕

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１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っておシ、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１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１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１部分負荷運転時上昇書せることがで
きる。

一方従来例においても１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。

燃料電池の電圧上外分だけ、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チととなる。

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。

【図面の簡単な説明】

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、５・・
・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・・
・カソード出ロガス、３２・・・カソード出ロガス、３
５・・・ガスタービン入口ガス、３６・・・圧縮機、３
７・・・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、４
３・・・補助燃焼器、４４・・・空気バイパス系統、４
５・・・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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料改質器と、燃料電池と、燃料電池の排ガスで駆
   動するガスタービンと、ガスタービンで駆動する空気圧
   縮機からなる燃料電池発電プラントにおいて、過剰の燃
   料ガスを供給し、燃料電池排ガス中の未反応燃料を燃焼
   部で燃焼させ、生成した高温排ガスを上記ガスタービン
   に供給することを特徴とする燃料電池発電プラント。 ２、燃焼部は燃料改質器の燃焼部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プラント。 ３、燃焼部はガスタービンの補助燃焼器であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電プラ
   ント。 ４、燃料の一部を直接燃焼部に供給して燃焼させ、燃焼
   部出口の排ガス温度をガスタービン入口部のガス温度以
   上に設定することを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項又は第３項記載の燃料電池発電プラント。 ５、改質器の燃焼部からの排ガスの一部がガスタービン
   に、残部は燃料電池に供給されるように構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項又は第４項
   記載の燃料電池発電プラント。