JPS62296371A

JPS62296371A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JPS62296371A
Application number: JP61138220A
Authority: JP
Inventors: Michio Watanabe; 通夫渡辺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-06-16
Filing date: 1986-06-16
Publication date: 1987-12-23

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】３、発明の詳細な説明〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、水素−酸素燃料電池等の燃料電池を有する燃
料電池システムに係り、特に、燃料電池等より排気され
る排ガスの有効利用を図った燃料電池システムに関する
。

（従来の技術）一般に、この種の燃料電池システムとしては、まず、燃
料のメタンガス（ＣＩ−１４）と水蒸気（Ｈ２０）とを
化学反応させて水素（Ｈ２）を取り出し、次いで水素（
Ｈ２）と、圧縮空気中の酸素（０２）とを化学反応させ
て、直流電力を発電するものがある。

従来のこの種の燃料電池システムは第３図に示すように
構成され、改質器１．Ｃｏ変成器２、燃料電池３および
水蒸気弁＋ｔ＋ｆｆ器４を有し、メタンガス（ＣＨ４）
よりなる燃料ａと水蒸気すとが混合されてから改質！１
に与えられ、ここで次式の化学反応が行なわれて、燃料
ａを改質する。

ＣＨ＋ＨＯ−３Ｈ２＋Ｃ０次に、この混合気体はＣｏ変成器２に与えられて、ここ
で次式の化学反応が行なわれる。

ＣＯ＋ＨＯ−８８２＋ＧＯ，。

すなわち、燃料ａと水蒸気すとの混合気体は改ｉ器１お
よびＣＯ変成器２において、ＣＨ＋２日２０ →４Ｈ２＋ＣＯ２の化学反応が行なわれ、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（Ｃ
Ｏ２）の混合気体Ｃが燃料電池３の燃料電極３Ａに供給
される。

一方、酸素（０□）を含んだ圧縮空気ｄが燃料電池３の
空気極３Ｂに給気され、燃料電池３で水素（Ｈ２）と酸
素（０２）とが化学反応し、直流電力ｅが発電される。

すなわち、燃料電池３の燃料極３Ａでは次式の化学反応
が行なわれ、Ｈ２→　　　　２　トビ　　＋　２ｅ−また、空気極３
Ｂでは、１／２０　　＋２８”　＋２８”　　−）　　Ｈ２Ｏの
化学反応が行なわれ、電子ｅ−の移動が発生して、直流
電力ｅが発生する。

燃料電池３仝体としての化学反応では、Ｈ＋　１／２０
２　→　Ｈ２０となり、水（Ｈ２０）が生成されて、その際に大量の熱
が発熱して、高温高圧のガスが発生し、燃料電池３内部
が高温となって、高温高圧の排ガスが排出される。

そこで、冷Ｗ水ポンプ５を駆動して冷却水を燃料電池３
内にて循環させ、燃料電池３内を冷却する。

燃料電池３内を冷却する一方で加温された冷却水は一部
が沸騰して水蒸気に気化して、水蒸気分離器４に戻され
、ここで、水蒸気が水分より分離されてから、再び改質
器１に戻される。これの繰り返しにより燃料電池３より
直流電流ｅが連続して発電される。

一方、燃料電池３の燃料極３Ａ側および空気極３Ｂ側の
各排気口３ｃ、３ｄより排出される高温高圧の排ガスは
、その殆どがシステム外に排気され、僅かに一部が改質
器１に戻されて、再び燃焼され、この改Ｍ器１内でのメ
タンガス（ＣＨ４）と水蒸気（Ｈ２０）との化学反応を
行なわぼるための熱源として利用されるに過ぎない。

（発明が解決しようとする問題点）上述したように従来の燃料電池システムでは、改質器１
および燃料電池３で発生した排ガスの殆どをシステム外
に単に排出しているが、この排ガスは高温高圧状態にあ
り、大石のエネルギを保有しているものであり、その排
気はエネルギの浪費でもある。

そこで、本発明は改質器および燃料電池より排出される
排ガスの有効利用を図った燃料電池システムを提供する
ことを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明は改Ｙ３器および燃料電池からの排ガスにより駆
動される排ガスタービンにより、圧縮様と冷却ファンと
を駆動させようとするものであり、次のように構成され
る。

圧縮機にて圧縮された圧縮空気が給気される燃料電池と
、燃料を改質する改質器とを有する燃料電池システムに
おいて、上記燃料電池および改質器より排出される排ガ
スにより駆動される排ガスタービンを有し、この排ガス
タービンを、上記圧縮機と、この圧縮機より吐出される
圧縮空気を冷却する冷却装置の冷却ファンとの駆動源と
した。

（作用）改質器および燃料電池より排気された排ガスは排ガスタ
ービンに導入されて、この排ガスタービンを駆動する。

この排ガスタービンは圧縮機と冷却ファンとを駆動する
。

したがって、圧縮機と冷却ファンの動力費を削減するこ
とができる。

（実施例）以下、本発明の実施例について第１図および第２図を参
照して説明する。なお、図中、第３図と共通する部分に
は同一符号を付して、その重複した説明を省略する。

第１図は本発明の一実施例の全体構成を示しており、上
述した従来例と同様に改質器１、ＣＯ変成器２、燃料電
池３Ｊ５よび水蒸気分離器４を有する。

上記改質器１の排気口１ａに接続され改質器排気管１０
と、燃料電池３の空気極３Ｂ側の排気口３ｄに接続され
た電池排気管１１とは排気集合管１２に結合されている
。

排気集合管１２の一端は排ガスタービン１３に接続され
、この排ガスタービン１３は排気ガスの流れ方向の上流
側から下流側へ向けて高圧排ガスタービン１３Ａと低圧
排ガスタービン１３Ｂとをカスケード接続しており、低
圧排ガスタービン１３Ｂより排ガスを外部に放出するよ
うになっている。

高、低圧排ガスタービン１３Ａ、１３Ｂの各回転軸１４
Ａ、１４ＢはΔ、低圧コンプレッサ１５Ａ、１５Ｂの各
駆動軸１６Ａ、１６Ｂにそれぞれ結合され、高、低圧排
ガスタービン１３Ａ、１３Ｂの回転駆動により高、低圧
圧縮機１５Ａ、１５Ｂをそれぞれ駆動するようになって
いる。

高、低圧コンプレッサ１５Ａ、１５Ｂ相互は圧縮圧縮空
気冷却器１７を介装した連絡管１８を介してカスケード
接続され、低圧コンプレッサ１５Ｂにて吸い込み圧縮し
た空気を高圧コンプレッサ１５Ａでさらに圧縮して、２
段で圧縮する。

ｎ圧コンプレッサ１５Ａの吐出口は給気管１９を介して
燃料電池３の空気極３Ｂに連通されている。

したがって、燃料電池３の空気極３Ｂには高圧縮度の圧
縮空気が給気される。

上記圧縮空気冷却器１７は低圧コンプレッサ１５Ｂから
の圧縮空気を通気させる一次側コイル（図示省略）を冷
却する二次側コイル２０に、冷却水を通水させる冷却装
置２１に組み込まれており、低圧コンプレッサ１５Ｂか
らの圧縮空気を冷却することにより次段の高圧コンプレ
ッサ１５Ａの圧縮効率の向上を図っている。

冷却装置２１は冷Ｗ水を循環さける開ループ配管２２の
途中に、圧縮空気冷却器１７の二次側コイル２０、温度
調節計２３、循環ポンプ２４、冷却水の流れ方向を制御
する三方弁２５および冷却水を貯蔵する冷却水タンク２
６をそれぞれ介装している。

開ループ配管２２はその途中に、循環する冷却水を冷却
するための冷却器を例えば２箇所２２ａ。

２２ｔ）を設け、各冷ｒＡ器２２ａ、２２ｂには冷却フ
ァン２７ａ、２７ｂをそれぞれ設けて、冷却するように
なっている。

各冷却ファン２７ａ、２７ｂの回転軸２８ａ。

２８ｂは高、低圧コンプレッサー５Δ、１５Ｂの駆動軸
１６Ａ、１６Ｂにそれぞれ結合され、高、低圧コンプレ
ッサー５Ａ、１５Ｂの駆動により、駆動される。

また、温度調節計２３は閘ループ配管２２を流れる冷却
水の温度を検出して、所定温度の冷却水を圧縮機冷却器
１７の二次側コイル２０に通水するように三方弁２５の
ｒ＃閉をａＩＩＪ　ＩＩＩするようになっでいる。

次に、本実施例の作用について述べる。

メタンガス（ＣＨ４）等の燃料ａと水蒸気すとは混合さ
れて、改質器１およびＣＯ変成器２にこの順に順次与え
られ、ＣＯ変成器２より吐出された水素（Ｈ）と二酸化
炭素（０２）とのｕ合気体Ｃが燃料電池３の燃料極３Ａ
に供給される。

一方、燃料電池３の空気Ｎｌ３Ｂには給気管１９を通し
て圧縮空気ｄが給気され、燃料電池３で水！（）−１＞
とＭ索（０２）とが化学反応して、高温高圧の排ガスが
発生し、直流電力ｅが発電される。

そして、燃料電池３の燃料極３Ａ側の排気口３Ｃより排
出される高温高圧の排ガスｆは改質器１に戻され、その
熱源に利用される。

一方、空気極３Ｂ側の排気口３ｄより排出される高温高
圧の排ガスｆの一部も改質器１に戻されるが、その他の
殆どと、改質器１からの排ガスｆの殆どは排気集合管１
２を通して高、低圧排ガスタービン１３Ａ、１３Ｂに送
気され、これら１３Δ、１３Ｂを駆動した後、大気へ排
出される。排ガスｆは低圧に降圧されてから大気へ排出
されるので、騒音を低減することができる。

高、低圧排ガスタービン１３Ａ、１３Ｂの駆動により、
その回転軸１４Ａ、１４Ｂにそれぞれ結合された駆動軸
１６Ａ、１６Ｂを右する高低圧コンプレツナ１５Ａ、１
５Ｂと、この駆動Ｎ１６Ａ。

１６Ｂに結合された回転＠２７ａ、２７ｂを有する２台
の冷部ファン２７ａ、２７ｂとがそれぞれ駆動される。

したがって、低圧］ンプレッサ１５Ｂに吸い込まれ、圧
縮された高温高圧の圧縮空気ｄは冷却装置２１の圧縮空
気冷却器１７にて所要温度に冷却されてから、高圧コン
プレッサ１５Ａ１．：導入され、ここで、さらに効率的
に圧縮され、給気管１９を介して燃料電池３の空気極３
Ｂに給気される。

また、回転している冷却ファン２７ａ、２７ｂは冷却器
２２ａ、２２ｂ内の一次コイルを通水する冷却水を所要
温度に冷却し、この冷却水は圧縮空気冷却器１７の二次
側コイル２０を通水して、その−次側を通気する高温高
圧の圧縮空気を冷却する。

したがって、本実施例によれば、燃料電池３と改質器１
より排気される排ガスにより高、低圧排ガスタービン１
３Ａ、１３Ｂを駆動するので、これら排ガスタービン１
３Ａ、１３Ｂにより駆動される高、低圧コンプレッサ１
５Ａ、１５Ｂと冷却ファン２７ａ、２７ｂの動力費を削
減することができる。

また、低圧コンプレッサ１５Ｂからの圧縮空気を圧縮空
気冷却器１７で冷却するので、高圧コンプレッサ１５Ａ
の圧縮効率を高めることができる。

第２図は本発明の他の実施例の全体構成を示しており、
本実施例は上記実施例において、冷却装置２１の冷却器
２２ａ、２２ｂおよび冷却ファン２７ａ、２７ｂを省略
する一方、ループ配管２２の例えば３箇所に冷却器３０
ａ、３０ｂ、３０Ｃを介装し、これら冷却器３０ａ、３
０ｂ、３０ｃにそれぞれ付設した冷却ファン３１ａ、３
１ｂ。

３１ｃを、冷却ファン駆動用排ガスタービン３２、余剰
排ガスタービン３３、冷却ファン駆動用モータ３４によ
りそれぞれ駆動するようにした。

すなわち、低圧タービン１３Ｂの上流側にさらに、冷却
ファン駆動用排ガスタービン３２を直列に接続し、この
排ガスタービン３２の回転軸に冷却ファン３１ａを結合
して、この冷却ファン３１ａを連動させるようになって
いる。

また、排気集合管１２の途中に排気連絡管３５を介して
余剰排ガスタービン３３を連通させ、この排気連絡管３
５に介装した排気弁３６の開度２ｉ＋制御により排ガス
の流量を制御して、余剰排ガスタービン３３の運転を制
御するようになっている。

排気弁３６は燃料電池３の負荷低減により余剰排ガスが
生じるときに開弁されて、余剰排ガスを余剰排ガスター
ビン３３に導入し、これ３３を駆動し、燃料電池３の定
格負荷運転時には余剰排ガスが生じないので閉弁する。

さらに、他の冷部ファン３１Ｃを冷却ファン駆動用モー
タ３４の出力軸に結合しており、余剰排ガスタービン３
３に連動する冷却ファン３１ｂをバックアップするよう
になっている。

したがって、本実施例によれば、燃料電池３の負荷低減
により、余剰排ガスが発生した場合には、これを圧縮空
気の冷却に有効に利用することができる。

なお、上記各実施例では冷却装置２１に冷却水を循環さ
せる場合について訳明したが、本発明はこれに限定され
るものではなく、水以外の冷却材でもよく、あるいは二
次冷却系を省略して圧縮空気ｄを冷ｆＪＩファンで直接
冷８１するように構成してもよい。

また、本発明はガスタービン１３、圧縮機１５Ａ、１５
Ｂ、冷却ファン２７ａ、２７ｂ、３１ａ等の台数には限
定されず、各１台でも、もしくは各３台以上であっても
よく、冷却ファン駆動用排ガスタービン３２および余剰
排ガスタービン３３の配置についても上記実施例に限定
されるものではなく、適宜変更することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、燃料電池および改質器よ
り排気される排ガスにより駆動される排ガスタービンを
有し、この排ガスタービンにより圧縮機と、圧縮空気を
冷却する冷却装置の冷態１ファンとを駆動するようにし
たので、圧縮機と冷却ファンの動力費を削減することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料電池システムの一実施例の全
体構成を示すブロック図、第２図は本発明の他の実施例
の全体構成を示すブロック図、第３図は従来の燃料電池
システムの全体構成を示すブロック図である。１・・・改質器、３・・・燃料電池、１３・・・排ガス
タービン、１５Ａ、１５Ｂ・・・圧縮機、２７ａ、２７
ｂ、３１　ａ、３１　ｂ、３１　ｃ−・・冷却１７’、
／。出願人代理人　　　波　多　野　　　久↓ 第３図

Claims

【特許請求の範囲】

圧縮機にて圧縮された圧縮空気が給気される燃料電池と
、燃料を改質する改質器とを有する燃料電池システムに
おいて、上記燃料電池および改質器より排出される排ガ
スにより駆動される排ガスタービンを有し、この排ガス
タービンを、上記圧縮機と、この圧縮機より吐出される
圧縮空気を冷却する冷却装置の冷却ファンとの駆動源と
したことを特徴とする燃料電池システム。