JPS6255421A - タ−ボコンプレツサシステム - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明はシステムからの排ガスエネルギーをタービン
の駆動力に利用し、タービンと同軸上に設置されたコン
プレッサによりシステムが必要とする空気を供給するタ
ーボコンプレッサシステムの起動方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

この種のターボコンプレッサシステムはシステムの排ガ
スエネルギーを無駄に捨てることなく、システム内で有
効鉦こエネルギー回収を図るものであるが、その代表的
なものとして燃料電池発電システムがある。以下−例と
してこの燃料電池発電システムについて説明する。

燃料ｖＩＬ池発電システムは、従来の汽力発電に比べ高
効率が期待できること、環境保全性が良い等の利点があ
り、実用化を目指し近年盛んに開発が進められている。

燃料電池発電システムは、空気他、燃料極及び電解質ノ
ーから成る燃料電池本体と、天然ガス等の炭化水素系燃
料を改質して燃料電池本体に燃料となる水素ガスを供給
する改質器と、燃料電池本体及び改質器に空気を供給す
るターボコンプレッサを備えている。燃料電池本体の性
能は反応ガスの圧力の増大によって向上する傾向を示し
、このため燃料、空気、各反応ガスの動作圧力は例・え
ば４〜６／ｃｇ／ｃ１１ｙ程度に加圧維持される。

このとき、空気の圧縮には多大の動力を必要とするが、
この動力は改質器からの燃焼排ガス及び燃料電池本体の
空気極からの余剰空気を導入するターボコンプレッサの
タービンによりまかなわれる。

即ち、このターボコンプレッサは、システムの排ガスエ
ネルギーをタービンで回収し、同軸上のコンプレッサで
必要な圧縮空気を供給することによってシステム内部で
動力を回収し、システム効率の向上を図るものである。

さて、このような燃料電池発電システム：こおいて、シ
ステムを起動するには先ずターボコンプレッサを起動さ
せる必要があるが、初期には駆動源となるシステム排ガ
スが得られないため何らかの外部エネルギーを付与して
ターボコンプレッサを立ち上げる必要がある。このため
、起動用圧縮空気供給装置を使用するのが一般的である
が、この具体的な従来の方法として、例えば特願昭５９
−１７４８４号公報に開示されているものがあり、その
実施例を簡略化して第８図に示す。図において、（υは
燃料電池本体、改質器等で構成されるシステム、（２〕
はシステム１１）からの排ガスによって駆動されシステ
ム（υ１こ必要な圧縮空気を供給するタービン（２ａ）
とこのタービン（２ａ）と同軸上に配置されたコンプレ
ッサ（２ｂ）とから成るターボコンプレッサ、（３）は
このターボコンプレッサ（２）のコンプレッサ（２ｂ）
の入口側に配置された給気配管、（４）はこの給気配管
（３）に設置された升、（５）は起動用圧縮空気供給装
置、（６月よこの起動用圧縮空気供給袋＠（６）からの
空気をコンプレッサ（２ｂ）の入口側給気配管（３＋に
導く導入配管、（７）はこの導入配管（６）上に設置さ
れた弁、（８）はコンプレッサ（２ｂ）の出口側に設置
されコンプレッサ（２ｂ）からの空気をシステムＬｌ）
に供給するための空気供給配管、（９）はシステム（υ
からの併ガスをタービン（２ａ）へ辱くシステム排ガス
配管、四はタービン（２ａ）からの排ガスを排出するタ
ービン排ガスａｅ’ｆｆ、０はシステム排ガス配管（９
）とタービン排ガス配’１ｕＱとをタービン（２ａ）を
バイパスして接続するタービンバイパス配管、（６）は
このタービンバイパス配管（ロ）上に設置したタービン
バイパス弁である。

次いで、上記の様に構成された従来のシステムにおいて
、ターボコンプレッサ（２）の起動動作を説明する。シ
ステム始動時において、まず弁（４）を閉じ、弁（７）
を翻いて起動用圧縮空気供給袋＠ｔ５）を起動する。起
動用圧縮空気供給装置（５）から吐出される圧縮空気は
コンプレッサ（２ｂ〕を通過し、空気供給配管（８）を
柱由してシステム（υの中の改質器（図示せず）に供給
される。この状態でシステム（１）の改質器に燃料を投
入して燃焼をスタートする。改質器からの、即ちシステ
ムＩＩＪからの燃焼排ガスは、システム排ガス配管（９
）を通ってタービン（２ａ）　ｌこ戻ったあとタービン
排ガス配食すｑを触で大気に放出されゐ。この間、改質
器の温度が上昇し、これ１こ伴い排ガスも上昇し、ある
時点からターボコンプレッサ（２）が−転を始める。そ
して、この排ガス温間がターボコンプレッサ（２）を自
刃運転させるのに十分な温度に到達した時点で、弁（４
）を囲き、起動用圧ｗ１突気供給装置（６）を停止させ
て弁（７）を圀じる。

これにより、ターボコンプレッサ（２）はシステム（１
）の排ガスエネルギーを得て自刃運転状態となる。

尚、以上の過程において、タービンバイパス″ＪＰ（６
）は、ターボコンプレッサ（２ンの過負荷を調整するた
めのもので、適時調整を打って過負荷を防止する。

この様にしてターボコンプレッサ（２〕の起動が完了し
、このあとシステム（１）の要求１こ応じてターボコン
プレッサ（２）より必要な風短、風圧の圧縮金気が供給
される。

さてこの様な従来技術の特徴の１つとして、起動用圧縮
空気供給装！！　ｔ５）からの始動空気をコンプレッサ
（２ｂ）の入口側へ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（２ｂ）の流風を十
分１こ確保することができ、そのため始動時に発生し易
いサージングを防止することができる点が挙げられる。

さらにもう１つの特徴は、システム（υの排ガスエネル
ギーを有効に利用してターボコンプレッサ（２〕を立ち
上げる方式としているので、ターボコンプレッサ起動の
ためＥこ他の余分なエネルギーを必要としない点である
。即ち、燃料ｉ１Ｅ池晃亀システムにおいては、改質器
まわりの昇温に数時間の時間を要するが、これを起動用
圧縮空気供給装置ａ（６）からの空気を用いて行わせ、
昇圓’＆に排ガスエネルギーを利用してターボコンプレ
ッサ（２）の立上げ、昇圧を行わせようとするもので、
ターボコンプレッサ（２）の起動に要するエネルギーを
小さく抑えることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるにこのような従来構成のものは、起動用圧輪空気
供ｗ　＊　ｗ　（ｂ＞からの始動空気が、コンプレッサ
〜レスラム〜タービンをシリースに通過するため、この
圧力慣失がきわめて大きく、シたがってシステム始動時
において昇温に必要な空′Ａを供給するために起動用圧
紬空気供給装−（５〕の′６嵐を相当に太きくしなけれ
ばならないという問題点があった。卵ち、システムの昇
温過程ではまだターボコンプレッサ（２月よ起動してい
ないため、コンプレッサ（２Ｄ）、タービン（２ａ）の
通気抵抗は大きく、この分起動用圧縮空気供給装置（５
）の吐出圧力を高くする必要があった。またシステムの
昇温後、ターボコンプレッサ（２）を停止状態から起動
させるξこは、適当なタービン（２ａ）の入口ガス圧力
条件（例えば０．５にｇ／　ｔｘ　＜；程度）を必要と
するが、この従来構成では、コンプレッサ通過時の圧力
損失が大きく、このためにも起動用圧縮空気供給装置（
６）の吐出圧力を妬くする必要があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、小さい容置の起動用圧縮空気供給装置で容易
に且つ安定してターボコンプレッサを立ち上げることが
できるターボコンプレッサシステムを提供するものであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

このｂ明にｂ＝ターボコンプレッサシステムは、コンプ
レッサの人口側配管との間を弁を介して接続するコンプ
レッサバイパス配管、タービンの入口側配管と出口側配
管との間を弁を介して接続するタービンバイパス配管を
設置し、システム起動時に起動用圧縮空気供給装置から
の空気をこのコンプレッサバイパス配管を通過させてシ
ステムに供給し、またシステムからの併ガスをこのター
ビンバイパス配管を通過させてシステムの昇温を行うよ
うｉこしたことを特徴とする。またシステムの昇７Ｍ後
は起動用圧縮空気供給装置からの空気をコンプレッサバ
イパス配管に導いた状態で、タービンバイパス回路の開
閉弁を閉じてターボコンプレッサを立上げるようにした
。

〔作用〕

この発明におけるターボコンプレッサシステムは、シス
テム起ａｔ！１時の昇温過程で、起動用圧縮空気供給装
置からの圧顧空気及びシステムからの排ガスがそれぞれ
コンプレッサ、タービンをバイパスするので、経路の圧
力損失は殆どシステムの通過分のみとなり、起動用圧縮
空気供給装置の容重を小さくできるとともに、起動時に
要する消貿エネルギーが一敵する。またターボコンプレ
ッサ起動時は起動用圧輸空気供給装−からの圧動空気を
、コンプレッサをバイパスしてタービンに投入させるた
め、十分なタービン入口圧力を維持することができ、容
易にターボコンプレッサが立ち上がる。

〔発明の実地例〕

以）この発明の一実施例を第１図に基いて説明する。図
において、（υ〜１．１０は第８図に示す従来の構成と
同じものである。叫はコンプレッサ（２ｂ）の入口側の
給気配管（３）とコンプレッサ（２ｂ）の出口側の空気
供給配管（８〕との間を接続するコンプレッサバイハス
配管、圓はこのコンプレッサバイパス配室μｓ上に設置
した開閉弁、μｓはタービン（２ａ）の上流側のシステ
ム排ガス配管（９）とタービン（２ａ）の下流側のター
ビン排ガス配管四との間を接続するタービンバイパス配
管、曲はこのタービンバイパス日ｔｉ　ｉｆ　ｕＱ上蚤
こ設置した開閉弁であり、これらのバイパス配′＃榊、
■及び開閉弁ｕ４１　、　ｕｔ９はいずれも、システム
起動時の供給空気またはシステム排ガスの通気に対し圧
力損失が十分小さくなるよう壷こ口径が選定されたもの
である。αηはタービン動力の不足を補うだめの補助燃
焼路、（ト）は空気供給配室（８）から分岐して補助燃
焼路αηへ燃焼用望気を供給するための空気供給配管、
四はこの空気供冶配管□□□上に設置された調節弁であ
る。なお、この実施例では、必要なコンプレッサ貝荷に
対しタービン動力が不足する例を挙げており、このため
にシステム排ガス配管（９）の途上に福助燃焼膳劫を配
置している。第３図の従来例では補助燃焼語りは設置さ
れていないが、一般にはタービン動力が不足するため補
助燃焼語αηを必要とする。但しこの様なシステムｆこ
補助燃焼器９ηを設置すること自体は従来技術によるも
ので、伝えばその一例が特願昭５９−２０２８０４号公
報に示されているとおりである。

次いで第１図の実施例の動作について説明する。

システム始動時に、まず弁ｔ４Ｊ　、　四に閉じ、弁α
η。

ｕ４．０句を囲いた状態で起動用圧縮空気供給装置（５
）を起動する。起動用圧縮空気供給装置（６）からの圧
縮空気はコンプレッサ（２ｂ）とコンプレッサバイパス
配’１ＣＬ１の両方を通過するが、コンプレッサ（２ｂ
）の側の通風抵抗がきわめて大きいため大半の圧縮空気
がコンプレッサバイパス配’に−の方を通って空気供給
配管（８目ζ至りシステムＩＩＪに投入される。

この状態でシステム（１）の改質器（図示せず）に燃料
を投入して燃焼をスタートする。この燃焼排ガスはシス
テム排ガスとして、システム排ガス配管（９）を通り、
タービン（２ａ）とタービンバイパス配管四を並列に流
れ、タービン耕ガス配！四を経て大気に放出される。こ
のときもタービン（２ａ）の通風抵抗が大きいため大半
の排ガスがタービンバイパス配管（至）の方を通過する
。このような空気及び排ガスの通風経略を構成してシス
テム（υの昇温が行われる。この構成では起動用圧縮空
気供給装置（５）の吐出側から排ガス放出に至る間の系
統の圧力損失が殆どシステ（υ内の圧力損失で占められ
るのみとなり、従来の方式に比べ着しく系統の圧力損失
を低峨できる。したがって、この構成では、鏑どシステ
ム（１）内の圧力損失に見合う分の吐出圧力をもつ起動
用圧縮空気供給装置（５）を用意すれば良く、設備容置
の低減、さらには起動時の消費エネルギーの低μの効果
が得られる。さて、システム（υの温度が上昇し、排ガ
ス温度もある程度上昇してくれば次（こターボコンプレ
ッサ（２）の起！ｋｌＩｋｊＪ作に移る。

ターボコンプレッサ起動のタイミングは、第８図の従来
例では、システム排ガスｆ！度がターボコンプレッサ起
動の条件を満たす時点であったが、第１図の例では補助
燃焼器αηを設置しているため、システム排ガスのもつ
エネルギーがターボコンプレッサ（２）の起動及び自刃
運転に十分でなくても随時ターボコンプレッサ（２）の
起動をかけることができる。まずタービンバイパス配管
（４）の開閉弁α０を閉にする。これによりシステム排
ガスの全量がタービン（２ａ）を通過しようとするが、
タービン（２ａ）の通風抵抗が大きく通過量が制限され
るため、システム（ＩＪ内のバッファ容積効果により、
系内圧力が徐々に上昇する。こうして、ターボコンプレ
ッサ（２）の起動に必要なタービン入口圧力条件が成立
すればターボコンプレッサ（２）が起動を始める。この
とき、ターボコンプレッサ（２）を起動させるのに、タ
ービン入口湿度が不足していれば、起動に先立ち、補助
燃焼器ｑηの燃焼をスタートさせれば艮い。

補助燃焼器ａηの燃焼は、空気供給配管（７）の調節弁
Ｑ１を開き、同時に燃料を投入して打う。このような方
式では、コンプレッサ（２ｂ）をバイパスして立上げを
行うので、従来の方式に比し起動用圧縮空気供給装置ｉ
ｌｔ　ｔ５）の容量史低減することができる８、一旦タ
ーボーコンプレツサ（２）が起動用圧縮空気供給装置（
５）からの空気はコンプレッサ（２ｂ）が送風の仕事を
Ｎ始する時点でコンプレッサバイパス配管μｓの囲閉弁
四を閉にすれば昇圧の態勢が整う。コンプレッサ（２ｂ
）が送風の仕事を開始するか否かのタイミングは、ター
ボコンプレッサ（２）の回転数で判断しても良いし、或
はコンプレッサ（２ｂ）の吸込圧力と吐出圧力の差で判
断することもできる。このあと、補助燃焼器αηの燃焼
が行われていなければ燃焼を開始する。補助燃ｓ　ｂ　
８７）の燃焼によってタービン（２ａ）への入ロガス一
度が上昇し、これに伴ってタービン動力が増加し、ター
ボコンプレッサ（２）の回転奴が上昇してコンプレッサ
（２ｂ）の威風と吐出圧力が増加する。この間起動用圧
酪空気供給装ｈｔ　Ｉ＋Ｊからの圧縮空気は継続してコ
ンプレッサ（２ｂ）の吸込側に押し込まれるので、コン
プレッサ（２ｂ）は比較的小さい圧縮比で十分な風量が
確保され、安定した起動・昇圧動作が行われる。この後
、ターボコンプレッサ（２）の自刃運転に必要なタービ
ン入口ガス条件に到達した時点で、弁（４）を開き起動
用圧縮空気供給装置（５）を停止させ、弁（７ンを閉じ
てターボコンプレッサ（２）の自刃運転状態を実現する
。

起動用圧縮空気供給装置（６）を停止させる時期は、起
動用圧紬空気供給装＠（５）の吐出圧力、即ちコンプレ
ッサ（２ｂ）の吸込圧力がＯｋｇ／ｃｔｒＧ（大気圧）
付近まで下がった時点としても良い。これでターボコン
プレッサ（２）の起動が完了し、このあとはシステム（
１）の要求に応じてターボコンプレッサｔ２Ｊより必要
な風量、風圧の圧縮空気が供給される。

なお上記実施例では、コンプレッサバイパス配實叫上又
囲閉升曽を設置した例を述べたが、この開閉弁の代りに
逆止弁を用いても良く同じ効果を突する。逆止弁を便用
した実施例を第２図に示す。

図において四は逆止弁を示し、この場合逆止弁（４）は
コンプレッサ（２ｂ）の出口側の空気供給配管（８）か
らコンプレッサ（２ｂ）の入口側の給気配管（３）への
逆流を防止する方向に取付ける。この逆止弁四を用いた
システムでは、コンプレッサ（２ｂ）が送風の壮挙を開
始する時点、即ちコンプレッサ（２ｂ）の吐出圧力が吸
込圧力を上回る時転で自動的に逆止弁（７）が閉になる
ので、第１図の実地例で必要としたこの時点での開閉弁
の閉操作が不要となる。

また、コンプレッサ（２ｂ）の入口側の給気配室（３ン
上の弁（４）を逆止弁に置き換えても良く、さらに導入
配管（６）上の弁（７）は省略しても良く、それぞれ第
１図、第２図に示す実施例と同様の効果を災する。

また第１図、第２図の実施例では、システム排ガス配管
（９）の途上に補助燃焼器ｑηを設置した例を述べたが
、ターボコンプレッサ（２）を起動、自刃運転させるの
にシステム（υの排ガスのエネルギーのみで十分な場合
は、他ｇｇＡ腕器叩を省略しても良い。

また、上記実施例では、システム（１）の昇温後にター
ボコンプレッサ（２）を起動させる例を示したが、補助
燃焼器α力を設置したものでは、システム（υの！４−
温を待たすｆζｂｑターボコンプレッサ（２Ｊを起動さ
せることがで層る。但しシステム（１）の昇温後にその
排ガスエネルギーを利用してターボコンプレッサ（２）
を立上げる万が、補助燃焼器（ロ）の容量を低減できる
点、及びエネルギー消費鼠を低線できる点で望ましい。

ところで、上記実施例では燃料電池発電システムを対象
とした場合についが述べたが、その他化学プラント等の
システムを対象とできることは言うまでもなく、要する
にターボコンプレッサを利用するシステムにこの発明を
適用することができ、上記実施例と同様の効果を奏する
。

〔発明の効果〕

衣＼ 以上のように、この発明によれば、コンプレッサの入口
側配管と出口側配管を弁を介して接続するコンプレッサ
バイパス配管、及びタービンの入口側配管と出口側配管
とを弁を介して接続するタービンバイパス配室を設置し
たことにより、比較的′６鼠の小さい起動用圧縮空気供
給装置を使用して、システムの昇温１ζ必要な空気を供
給することができ、また容易に且つ安定してターボコン
プレッサを起動させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるターボコンプレッサ
システムの起動方法を示す系統図、第２図はこの発明の
他の実施例によるターボコンプレッサシステムの起動方
法を示す系統図、第８図は従来のターボコンプレッサシ
ステムの起動方法を示す系統図である。 図において、１υはシステム、（２）はターボコンプレ
ッサ、　　（２ａ）はタービン、（２ｂ）はコンプレッ
サ、（３）は給気配管、（５）は起動用圧縮空気供給装
置、（８）は空気供給配管、（９）はシステム排ガス配
管、Ｑはコンプレッサバイパス配管、慎◆は開閉弁、（
イ）はタービンバイパス配管、Ｑすは開閉弁、（７）は
逆止弁である。 尚、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）システムからの排ガスにより駆動されるタービン
   とこのタービンと同軸上に直結され上記システムに必要
   な圧縮空気を供給するコンプレッサとから構成されるタ
   ーボコンプレッサと、上記コンプレッサの入口側配管に
   設置された起動用圧縮空気供給装置とを備えたターボコ
   ンプレッサシステムにおいて、上記コンプレッサの入口
   側配管と出口側配管との間を弁を介して接続するコンプ
   レッサバイパス配管、及び上記タービンの入口側配管と
   出口側配管との間を弁を介して接続するタービンバイパ
   ス配管を設置し、上記システムの起動時に、上記起動用
   圧縮空気供給装置からの空気を上記コンプレッサバイパ
   ス配管に導くとともに上記システムからの排ガスを上記
   タービンバイパス配管に導くようにし、さらに上記ター
   ボコンプレッサの起動時に、上記起動用圧縮空気供給装
   置からの空気を上記コンプレッサバイパス配管に導いた
   状態で上記タービンバイパス配管の弁を閉じ、上記ター
   ボコンプレッサの起動後に上記コンプレッサバイパス配
   管の弁を閉じるようにしたことを特徴とするターボコン
   プレッサシステム。
2. （２）コンプレッサバイパス配管上に介する弁は、逆止
   弁であることを特徴とする特許請求範囲第１項記載のタ
   ーボコンプレッサシステム。