JPS6372072A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

燃料電池発電プラント

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JPS6372072A
JPS6372072A JP61213898A JP21389886A JPS6372072A JP S6372072 A JPS6372072 A JP S6372072A JP 61213898 A JP61213898 A JP 61213898A JP 21389886 A JP21389886 A JP 21389886A JP S6372072 A JPS6372072 A JP S6372072A
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池発電プラントの制御方法に関り、部分
負荷でも高い発電効率を単純な制御方法にて達成するの
に好適な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、燃料電池アノードの未反応燃料
を改質器燃焼部へ供給し、熱回収を行う等により、定格
での発電効率の向上を図っていた。
しかし、部分負荷時の発電効率を考慮して、プラントの
制御を行うことについては、部分負荷時の特性検討が行
なわれていなかったため、特別な配慮はされていなかっ
た。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術は、部分負荷での発電効率向上については
配慮がなされておらず、定格運転時の部分負荷時の発電
効率向上のために、膨張タービン、圧縮機を設置し、加
圧の発電プラントを構成しているので、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、
燃料電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流量、温度をほぼ
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こと2部分
負荷での補助燃料、補助空気流量の制御方法および制御
装置が複雑になるという問題があった。
本発明の目的は、Ikg/−以上の圧力で運転される加
圧の燃料電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。単純で簡素なプラントの制御方法を提供
することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は燃料電池負荷信号または、膨張タービン入口
ガス温度あるいは出口ガス温度信号あるいは膨張タービ
ン負荷信号の高値を選択して、膨張タービンの運転条件
が、全運転負荷帯で一定となるように燃料流量を制御す
る方法及び改質器燃焼部ガス温度が一定となるよう供給
空気量を制御し、余剰の空気を改質器燃焼部t(′、ロ
ガスの冷却空気として供給する制御方法により達成でき
ろ。
〔伴用〕
燃料電池負荷イi号または、膨張タービン人「1ガス@
度あるいは出口ガス温度信号あるいは膨張タービン負荷
信号の高値を選択して、燃料電池への供給燃料を制御す
ることにより、膨張タービン入口に補助燃焼器を設置し
て補助燃料を供給することなしに、全負荷帯で膨張ター
ビンの運転条件を、一定に保つことができるため、圧縮
機は、定格吐出圧力を維持できる。膨張タービンの入口
ガス温度を燃料電池へ供給する燃料で制御することによ
り、補助燃焼器を設置して、少なくとも一部を燃料電池
をバイパスして、補助燃料として供給する場合に比べ燃
料電池へ過剰に燃料を供給し、燃料電池アノード内での
水素相当分圧を高くできるので、燃料電池の電圧が上昇
し、燃料電池発電プラントの発電効率が向上する。
改質器燃焼部ガス温度が一定となるよう改質器燃焼部へ
の供給空気量を制御し、余剰の空気を改質器燃焼部出口
ガスの冷却空気として供給することにより、燃料電池を
経て改質器燃焼部へ供給される未反応燃料の増加に対応
した運転が可能になり、余剰の空気を改質器燃焼部出口
ガスと混合冷却し、燃料電池へ供給することにより、改
質器燃焼部より燃流電池へ供給するガス温度が低下でき
るので、材質、肉厚を軽減できる。
燃料電池発電プラントへ供給する燃料は、改質器、燃料
電池、改質器燃焼部を経て膨張タービンへ供給し、空気
は圧縮機、改質器燃焼部、燃料電池、膨張タービンと燃
料および空気の流量配分の系統および制御装置が不要と
なり、系統構成が簡素化されるので、制御方法を単純化
できる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。
燃料1は、約6〜10kg/dに加圧されて改質器4に
供給される。改質器4では、天然ガス等の材料を、改質
器反応部5で、膨張タービン37の排熱回収ボイラ等に
より生成される蒸気3と材質反応を起こさせ、燃料を水
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(ヒ炭素を主成分とする反応ガ
ス7は、約600℃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、それが溶隔状態になる約550℃〜
700℃の温度で運転する溶隔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では上記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及び水を生成
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アノード排ガス12には、反応ガス7中の水
素、−酸化炭素と、ffl解質中10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アノード排ガス12は、ガス/ガス熱交13
にて熱交換し冷却される。さらに、ガス冷却器にて冷却
され、気水分離器15にて、アノード排ガス12に生成
した水を分離する。
水分を分離したアノード排ガス17は、圧縮機18にて
圧縮され、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、外部より熱を与
える必要がある0本実施例では、改質器燃焼部6へ、燃
料電池8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。改質器4の反応は、改質器反応部5
へ供給する燃料1と、水蒸気3の比および、反応温度が
一定となるよう、燃料流量1に比例して水蒸気3の流量
を制御し、改質器燃焼部6の燃焼温度を空気過剰率を制
御することにより行っている。
燃料電池8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/ant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を昇圧圧
縮機18で加圧すること、燃焼用空気29を圧縮機73
6で加圧することにより6〜10kg/dに加圧されて
いる。
燃料電池8は、アノード9の反応圧力1反応温度、反応
ガス中の燃料濃度が高いほど、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である発電効率が高いこ
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TJを維持できる温度ということで、約550’T
:〜700℃に制限される。
反応ガス圧力については、燃料電池の発電効率は高圧は
ど高くなるのが、日本国内では法規制上の制約より10
kg/d以下とするのが一般的である。
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、接触抵抗等の
抵抗により熱に変換されろため、燃料電池を冷却する必
要がある。
溶融炭酸塩を電M、質として用いる燃料電池は、反応温
度が約550’C〜700 ’Cと高いため、水で冷却
する場合は、冷却されるとガスと、冷却される水との温
度差が大きく、熱応力等の問題がある。燃料電池の冷却
は、燃料電池8アノード9及びカソード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カソード11を通過するガスにより燃料電池を
冷却している。燃料電池8の反応温度は、カソード出ロ
ガス33の再循環により、カソード入ロガス温度52を
制御することにより行っている。また上記再循環系統は
、カソード入ロガス52が低温どなりすぎて、燃料電池
8の電解質である+1¥h′4!炭酸塩が凝固したり、
過大な熱応力が発生するのを防止している。
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
通過ガスの体積流量を小さくして、プラント全体の発電
効率を高くすることが必要となる。
燃料電池カソード排ガス32は、膨張タービン37にて
仕事をし、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、膨張
タービン37が相互にバランスして有効な熱回収システ
ムを構成することにより、定格負荷運転時のプラント総
合発電効率約60%を達成できる。
燃料電池8の部分負荷運転時の発電効率は、電池を流れ
る電流が減少し電圧が上昇するため、発電効率は向上す
るが、燃料電池発電プラントととしての発電効率は、定
格負荷運転時の総合発電効率向上のため、膨張タービン
37を用いた熱回収システノ1としているので、部分負
荷運転時の総合発電効率が低下する。これは、膨張ター
ビン37は、高圧、高温の燃料電池カソード排ガスニう
2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生しているた
めに、発電機は、発生電力の周波数を一定とする必要が
あるので、全負荷帯で一定回転数で運転することが必要
となり、発電機38を駆動する膨張タービン37も一定
回転数で運転することになる。圧縮機36は、部分負荷
運転時でも燃料電池8が必要とする定格負荷Mv4時と
ほぼ同一の圧力の空気を供給する必要があるが、圧縮機
36の動力低減のため膨張タービン37にて、圧縮機3
6を駆動しており、圧縮機36は一定回転数で一定圧力
の空気を供給する必要があるため、圧縮機36の吐出空
気量37は、部分負荷運転時においても圧縮機36の圧
力比と流量の関係よりほぼ定格負荷運転時と同一となる
。上記膨張タービン37で発電機38を駆動しなければ
、回転数を可変として膨張タービン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9動するタ
ービンと発電機38を駆動するタービンを凹・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になること、現在実用化され
ている大容量ガスタービンと異った型式のガスタービン
であるため、燃料電池発電プラント用として新規に開発
する必要がある。
以上より、膨張タービン37、圧縮機36は、燃料電池
発電プラントの部分負荷運転時においても、定格負荷運
転とほぼ同一の運転を行う必要がある。
一方、燃料電池8で部分負荷運転時必要とする空気流量
は、燃料電池8の冷却という点から見ると、電池電圧が
上昇し、電池冷却のために必要な熱量は減少する。第3
図及び第4図に、燃料電池8の部分負荷特性を示す。第
3図は、定格負荷運転時の燃料電池8への入熱を100
とした比率を示す。燃料f6.池8へ供給される熱量8
0は、部分負荷運転時、電池電圧が上昇し、発電効率が
向上するので、負荷の低下に比べて過剰に低下すること
になる。電池の冷却熱量82は、少なく供給された燃料
で、高い発電効率で9!電するため、負荷率に比べて過
剰に減少する。第4図は、各負荷での燃料電池8への入
熱を100として第3図を書き直したものであるが、負
荷の低下にしたがって電池の冷却熱量82は、相対的に
減少することがわかる。燃料電池8の冷却は、アノード
9とカソード11を通過するガスによって行なわれるが
アノードガスによる冷却熱量83は、燃料入熱80に比
例して減少するので、第4図に示すとおり燃料入熱80
に対する比は、一定となる。燃料電池8へ冷却用として
カソード11へ供給する空気は、゛燃料な池8へ供給さ
れる燃料の減少分と、電池電圧の上昇による冷却熱量の
減少分に合わせて供給することが必要となる。
膨張タービン37、圧縮機36はほぼ定格運転条件を維
持する必要有、余剰の空気を、補助燃料を供給昇温し、
膨張タービン37へ供給するため、燃料電池発電プラン
トの発電効率は低下する。
第2図に示す従来技術では、膨張タービン37人口に補
助燃焼器43を設口し、部分負荷運転運転時燃料な池8
及び改質器燃焼部6で余剰となる空気44で補助燃料4
5で燃焼し、高温ガスとして膨張タービン37に供給す
ることにより膨張タービン37をほぼ定格運転と同一の
運転状態に保っている。
第1図に示す本発明の実施例では、定格運転時において
も部分負荷運転時においても、燃料電池の負荷信号62
と、膨張タービン入口ガス温度信号59の高値を選択し
て燃料流量調整弁65゜68を制御することにより、全
負荷範囲で膨張タービン入口ガス32温度が制御できる
ので、圧縮機36の流量と圧力比の特性より、圧縮機吐
出空気圧力27は、はぼ一定となる。燃料電池アノード
9へは、燃料電池8で発電するために必要な燃料に比べ
て、膨張タービン入口ガス32温度を維持するのに必要
な燃料分だけ、従来技術に比べ相対的に過剰に供給され
ることになり、アノード9出口でのガス中の未反応燃料
が増加する。アノード入ロガスフの燃料濃度は同一であ
るが、燃料を過剰に供給しているので、アノード出口1
2で未反応燃料が増加し、アノード9での燃料濃度が高
くなるので燃料電池での電圧が上昇し、発電効率は高く
なる。
アノード出口12未反応燃料は、改質器燃焼iフく6へ
供給されるが、改質燃焼部6では、燃焼温度が一定とな
るよう空気制御弁73により空気流量が制御される。残
りは、空気バイパス弁74で、バイパス弁74人ロ圧カ
一定となるよう制御することにより、燃焼部6をバイパ
スして、燃焼部排ガス冷却器69へ供給し燃焼部排ガス
を冷却する。
改質器燃焼部6への燃料は、部分負荷M転時相対的に過
剰となるが、燃焼温度が一定となるように空気流量を制
御することにより改質器反応部5の反応条件は維持でき
ろ。但し、燃焼部6への燃料が相対向に過剰となるので
、燃焼部排ガス温度が上昇する。本発明では、改質器燃
焼部と一体構造の冷却器69へ燃料電池8への反応ガス
を混合し冷却することにより、改質器出口排ガスの昇温
を防止している。
第2図に示す従来例では、燃料電池8の冷却熱量に合わ
せて、反応で必要とする空気洗煙以上に、燃料電池カソ
ード11への供給空気流量を減少させるので、燃料電池
8の電圧を低下させるが、本発明では、全負荷範囲で、
圧縮機36の吐出空気を全量燃料電池カソード11へ供
給されることになるので、カソードへ供給する反応ガス
中の酸素濃度の減少による電圧低下を防止できる。
本実施例によると、従来は、膨張タービン36人口に補
助燃焼器を設置し、補助燃料を供給することにより、膨
張タービン37の運転状態を定格運転とほぼ同一に保っ
ていたものが、燃料電池負荷信号と膨張タービン入口ガ
ス温度の負荷信号の高値を選択して燃料電池へ供給する
燃料流量を制御することにより行なわれるので、第2図
に示す補助燃焼器71、補助燃料系統45、空気バイパ
ス系統44が不要で、改質器燃焼部6で通常の燃料系統
を使って膨張タービン37、圧縮機36の運転が制御で
きるので、系統構成が簡素化され、制御が単純化できる
本実施例による部分負荷運転時の発電効率の向上値を、
2万5千KW級以上の発電所をベースに説明する。
従来例では、燃料電池50%負荷時、定格燃料流量の4
6%に相当する燃料が、燃料1として供給される。また
、定格の16%に相当する燃料が補助燃料45として供
給される。膨張タービンは、定格負荷運転を行っている
ので、発電プラントの出力は燃料電池46%、膨張ター
ビン8%の計54%となる。一方燃料人熱は定格時の6
2%供給されているので、発電効率は、87%まで低下
する。
本実施例では、同じく50%負荷時定格燃料の60%を
燃料電池8へ供給する。燃料電池8では、アノード9中
の燃料濃度を示す指標である水素相当濃度(−酸化炭素
1− mo Qは、水素111012.メタン1 no
 Qは、水素4moffとして換算)が上昇し、電圧が
上昇するので定格時の44%の熱量で、定格時の50%
の燃料電池電気出方を得ろ。余剰の16%の熱量は、膨
張タービン37へ16%供給されるので膨張タービン3
7は、定格負荷運転を維持でき、プラント効率は、90
%程度までしか低下しない。したがって、50%負荷時
のプラント効率は、約4%相対値向上する。
第5図は、本発明の第2の実施例を示す。この実施例で
は、膨張タービン入口ガス温度32が約700℃と比較
的高温のため、約400℃の膨張タービン出口排ガス3
9の温度を検出し、制御を−行っている点が、第1の実
施例と異なる。膨張タービン39は、はぼ定格運転で運
転されるため、膨張タービン37の入口ガスと出口ガス
の関係は一定であるので、本実施例でも、膨張タービン
入口ガス32温度を制御できる。
第6図は、本発明の第3の実施例を示す。この実施例で
は、燃料電池負荷信号62と膨張タービン負荷信号の高
値を選択して燃料調整奔を制御している。本実施例では
、膨張タービン37、圧縮機36は、大気温度、大気圧
力により、仕事景が異なるため、膨張タービン負荷信号
の、大気温度、大気圧力の変化特性を、マスター制御装
置66に与えておき、設定値を可変とすることが必要と
な机 第7図は、本発明の第4の実施例を示す。この実施例で
は、膨張タービン3フ人ロガス温度を。
燃料電池への供給燃料1の燃料で制御するため、補助燃
焼器71を用いる場合に比べて、配管1機器の体積相当
分の時間遅れがあるが、本実施例では、過渡的な変化に
対しては、補助燃料調整弁72にて対応し、負荷を静定
させながら、補助燃料45と燃料1を切り換えることに
より、負荷変化の過渡応答特性と部分負荷の熱効率の両
方の改善を図っている。
第8図は、本発明によるプラント発電効率と、従来技術
によるプラント発電効率の偏差を、燃料電池負荷率との
関係で示したものである。
本発明によれば、部分負荷運転時、燃料電池へは、過剰
の燃料が供給され、燃料濃度が増加するので、発電効率
は85に示すとおり向上する。一方、燃料流量が増加し
た分だけ、アノード出口ガスの冷却による熱損失が増加
し、発電効率は、87に示すとおり低下する。また、燃
料電池カソードへは、燃料電池での燃料を燃焼し、高温
のガスが供給できるので、カソードjXi環ファンの動
力を低減でき、発電効率は86のとおり増加する。
送電端の発電効率としては、((85)+ (86)−
(87)= (84))となる。尚2SMW級以上゛の
現模を想定した送電端での発電効率の試算例では、燃料
電池50%負荷運転時、電圧上昇によりO3,7%、熱
損失によりC)0.4%、補機動力の低減により00.
6%で、送電端では、3.9% (相対値)発電効率が
向上する。
また、本発明と従来技術での補助燃料系統を組み合わせ
たシステiS構成により、負荷応答特性が改善できる。
第9図に、各システムの負荷変化特性を示す。
燃料電池発電プラントでは、燃料電池、直交交換器の電
気設備は、瞬時に応答するので改質器の応答特性と燃料
電池への燃料供給の時間遅れが、負荷変化時の制約要因
となる。例えば、50%から100%負荷まで負荷変化
をさせた場合、従来例では89のような負荷変化特性を
示す。改W ’IAと燃料電池アノード間体M相当の時
間遅れで遅れ、その後改質器の負荷特性に合わせて燃料
流量が増加し、負荷が上昇する。本発明では、燃料′な
池で必要とする燃料に対して過剰に燃料があるので、過
剰燃1ニドを利用して急激に負荷を上昇させろことがで
きる。しかし、膨張タービンの負荷は、燃料′耐地を経
由してしか上昇できないため、従来例に比べても余分に
時間遅れが生ずる。(90に示す。)本発明と従来例の
組み合わせにより、膨張タービンは、補助燃料供給で、
負荷上昇できるので、負荷変化特性は91のように改善
される。
〔発明の効果〕
本発明によれば、燃料電池負荷信号または、膨張タービ
ン入口ガス温度信号、あるいは膨張タービン出口ガス温
度信号、あるいは膨張タービン負荷43号の高値を選択
して燃料流量を制御し、膨張タービンの運転条件を一定
に保つことができるので、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、部分負荷時のプラント効5M向上が図れる。また、
補助燃料系統、補助空気系統のバイパス系統が削除でき
るので、系a構成が簡素化できる。さらに、プラントの
制御が、燃料電池への燃料流量制御と、改質器燃焼部の
反応温度制御により行うことができるので運転制御が単
純となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例、第5図は第2の実施例
、第6図は第3の実施例、第7図は第4の実施例の系統
図を、又第2図は従来の系統図を。 更に又第3図及び第4図は、燃料電池発電プラントの部
分負荷特性、第8図及び第9図は、本発明の効果をそれ
ぞれ示すものである。 1・・・燃料、3・・・蒸気、4・・・改質器、5・・
・改質器反応部、6・・・改質器燃焼部、7・・・改質
ガス、8・・・燃料電池、9・・・燃料電池アノード、
11・・・燃料電池カソード、12・・・アノード出口
ガス、20・・・アノード出口ガス、21・・・改質器
燃焼部出口ガス、26・・・空気、32・・・膨張ター
ビン入口ガス、36・・・圧縮機、37・・・膨張ター
ビン、38・・・発電機、39・・・膨張タービン排ガ
ス、54・・・電池温度調整弁、56・・・膨張タービ
ン入口温度計、59・・・膨張タービン人口温度信号、
61・・・膨張タービン負荷信号、62・・・燃料電池
負荷信号、65・・・燃料調整弁、68・・・燃料調整
弁、73・・・燃焼温度7Au弁。 74・・・バイパス空気流量制御弁。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、燃料改質装置、燃料電池、燃料電池の排ガスで駆動
    する膨張タービン、膨張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、燃料電池負荷
    信号と、膨張タービン入口温度信号の高値を選択して燃
    料流量制御を行うことを特徴とする燃料電池発電プラン
    トの制御方法。 2、特許請求の範囲第1項において、膨張タービン入口
    温度信号のかわりに、膨張タービン出口温度信号を用い
    ることを特徴とする燃料電池発電プラントの制御方法。 3、特許請求の範囲第1項において、膨張タービン入口
    温度信号のかわりに、ガスタービン負荷信号を用いるこ
    とを特徴とする燃料電池発電プラントの制御方法。 4、特許請求の範囲第1項、第2項又は第3項において
    、燃料電池で余剰となる燃料は、改質器反応温度が一定
    となるように改質器燃焼部への供給空気流量を制御する
    ことを特徴とする燃料電池発電プラントの制御方法。 5、特許請求の範囲第4項において、余剰空気を改質器
    燃焼部出口ガスの冷却用として供給することを特徴とす
    る燃料電池発電プラントの制御方法。 6、特許請求の範囲第1項、第2項、第3項又は第4項
    において、膨張タービン入口に補助燃焼器を設置し、過
    渡的な負荷変化は、補助燃料によつて行い、負荷の維持
    は、燃料電池への燃料調整弁で行うことを特徴とする燃
    料電池発電プラントの制御方法。
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