(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとを有し酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスとから発電する燃料電池と、該燃料電池を格納する格納容器と、燃料電池のアノード排ガスをカソード排ガスの一部で燃焼し、その熱で水蒸気を含む燃料ガスをアノードガスに改質する改質器と、アノード排ガスを前記改質器の燃焼室に供給するアノード排ガス排出ラインと、カソード排ガスの一部を前記燃焼室に供給するカソード排ガス排出ラインと、燃料電池のカソード排ガスの一部をカソードに循環する循環ラインと、改質器の燃焼排ガスを冷却し循環ラインに供給する排ガス供給ラインと、加圧空気を排ガス供給ラインに供給するタービン駆動圧縮機にカソード排ガスの一部を供給するタービン供給ラインと、排ガス供給ラインより排ガスを放出する放出ラインと、前記格納容器にガスを供給する容器供給ラインと、該容器供給ラインに設けられ前記格納容器内と前記カソードとの差圧が前記許容値内となるようにガスの供給を調整する低温用の差圧制御弁と、格納容器内のガスを循環ラインに導く容器放出ラインとを備え、運転緊急停止時に前記タービン駆動圧縮機の回転速度を一定に制御したとすれば、前記格納容器内ガスよりもカソード排ガスの方が先に放出され前記格納容器内ガスとカソード排ガスとの差圧が大きくなり許容値をこえてしまう程度に前記格納容器内のガスの容量が多い溶融炭酸塩型燃料電池発電装置において、
通常運転時に前記アノード排ガス排出ラインと前記カソード排ガス排出ラインの圧損はほぼ等しくなるように構成されており、
前記放出ラインには運転緊急停止時においてアノード排ガスとカソード排ガスとの差圧が許容値を超えないように排ガスの放出を調整する低温用の差圧制御弁が設けられ、
前記タービン供給ラインにはタービンへのカソード排ガスの流量を制御してタービンの回転数を制御する回転数制御弁を備えたバイパスラインが設けられ、該回転数制御弁は、燃料電池発電装置を停止する際タービン駆動圧縮機の回転速度が危険速度にならない範囲で回転数制御弁の弁開度を通常運転時の弁開度より小さくして前記バイパスラインからのカソード排ガスの排出が緩やかになるように制御する制御装置を備えている、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、停止時にアノードとカソード間、及びこれらと格納容器内との間に生じる差圧を許容値以内に抑える燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率で環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にない特徴を有しており、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在鋭意研究が進められている。
【０００３】
図５は天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備の一例を示す図である。同図において、発電設備は、天然ガス８と水蒸気９とを混合した燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０と、酸素を含むカソードガス３と水素を含むアノードガス２とから発電する燃料電池２０とを備えており、改質器１０で作られるアノードガス２は燃料電池２０に供給され、燃料電池２０内でその大部分を消費してアノード排ガス４となり、燃焼用ガスとして改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給される。
【０００４】
改質器１０ではアノード排ガス４中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）を燃焼室Ｃｏで燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し、改質室Ｒｅで改質触媒により燃料ガス１を改質してアノードガス２とする。アノードガス２は燃料予熱器１１によって燃料ガス１と熱交換し、冷却した後燃料電池２０のアノードＡに供給される。また燃焼室Ｃｏを出た燃焼排ガス５は空気予熱器３２で冷却された後、水分を除去され、空気６と合流してカソードガス３となる。このカソードガス３は燃料電池２０内で一部が反応して高温のカソード排ガス７となり、その一部のカソード排ガス７ａはカソードガス３と混合してカソードＣを循環し、他の一部のカソード排ガス７ｂは改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給され、残部は空気６を圧縮するタービン駆動圧縮機３６で動力を回収した後、さらに図示しない排熱回収蒸気発生装置で熱エネルギを回収して系外に排出される。なお、この蒸気発生装置で発生した水蒸気９が天然ガス８と混合されて燃料ガス１となる。
【０００５】
燃料電池２０は格納容器２２に格納され、加圧状態で運転される。燃料電池の強度上カソードＣとアノードＡ間の差圧、格納容器２２の内圧とカソードＣまたはアノードＡとの差圧は８００〜１０００ｍｍＡｑ以下に制御する必要があり、通常運転時は４００ｍｍＡｑ以下に制御されている。燃料電池発電装置を緊急停止する場合、燃料ガス１の供給を停止するとともに高温ブロワー２３、低温ブロワー３５を停止し内部のガスを排出しながら窒素ガスと置換していく。この場合アノード排ガス４とカソード排ガスの一部７ｂは燃焼室Ｃｏをへて排ガス供給ライン１３に入り、放出ライン１６より放出され、格納容器内ガスは容器放出ライン１８より循環ライン１４に入り、カソード排ガス７ｃとともにタービン供給ライン１９からタービンとこのバイパスライン４０を経て放出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
緊急遮断時のカソードＣとアノードＡ間の差圧、格納容器２２の内圧とカソードＣまたはアノードＡとの差圧を８００〜１０００ｍｍＡｑ以下に制限するため、格納容器内圧とカソードＣとの差圧を制御する高温差圧制御弁５０と、カソードＣとアノードＡとの差圧を制御する高温差圧制御弁５１が設けられている。これらの高温差圧制御弁５０、５１はプラント停止時のみ用いられ、しかも高温仕様のため市販の制御弁に比べかなり高価なものである。このためプラントのコストを引き上げる構成部品の一つとなっていた。
【０００７】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、タービンからのカソード排ガスの排出を制御することにより、格納容器の内圧とカソードＣまたはアノードＡとの差圧を８００〜１０００ｍｍＡｑ以下に制限して高温差圧制御弁を廃止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、アノードとカソードとを有し酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスとから発電する燃料電池と、該燃料電池を格納する格納容器と、燃料電池のアノード排ガスをカソード排ガスの一部で燃焼し、その熱で水蒸気を含む燃料ガスをアノードガスに改質する改質器と、アノード排ガスを前記改質器の燃焼室に供給するアノード排ガス排出ラインと、カソード排ガスの一部を前記燃焼室に供給するカソード排ガス排出ラインと、燃料電池のカソード排ガスの一部をカソードに循環する循環ラインと、改質器の燃焼排ガスを冷却し循環ラインに供給する排ガス供給ラインと、加圧空気を排ガス供給ラインに供給するタービン駆動圧縮機にカソード排ガスの一部を供給するタービン供給ラインと、排ガス供給ラインより排ガスを放出する放出ラインと、前記格納容器にガスを供給する容器供給ラインと、該容器供給ラインに設けられ前記格納容器内と前記カソードとの差圧が前記許容値内となるようにガスの供給を調整する低温用の差圧制御弁と、格納容器内のガスを循環ラインに導く容器放出ラインとを備え、運転緊急停止時に前記タービン駆動圧縮機の回転速度を一定に制御したとすれば、前記格納容器内ガスよりもカソード排ガスの方が先に放出され前記格納容器内ガスとカソード排ガスとの差圧が大きくなり許容値をこえてしまう程度に前記格納容器内のガスの容量が多い溶融炭酸塩型燃料電池発電装置において、通常運転時に前記アノード排ガス排出ラインと前記カソード排ガス排出ラインの圧損はほぼ等しくなるように構成されており、前記放出ラインには運転緊急停止時においてアノード排ガスとカソード排ガスとの差圧が許容値を超えないように排ガスの放出を調整する低温用の差圧制御弁が設けられ、前記タービン供給ラインにはタービンへのカソード排ガスの流量を制御してタービンの回転数を制御する回転数制御弁を備えたバイパスラインが設けられ、該回転数制御弁は、燃料電池発電装置を停止する際タービン駆動圧縮機の回転速度が危険速度にならない範囲で回転数制御弁の弁開度を通常運転時の弁開度より小さくして前記バイパスラインからのカソード排ガスの排出が緩やかになるように制御する制御装置を備えている、ことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池発電装置が提供される。
【０００９】
【作用】
緊急遮断等のプラント停止時、アノード排ガス４とカソード排ガスの一部７ｂは燃焼室Ｃｏを経て排ガス供給ライン１３に入り、放出ライン１６より放出され、格納容器内ガスは容器放出ライン１８より循環ライン１４に入り、カソード排ガス７ｃとともにタービン供給ライン１９からタービンとこのバイパスライン４０を経て放出される。格納容器内ガスは容量が多いのでカソード排ガス７ｃの方が先に放出され易く、両者の差圧が大きくなり、許容値を越えるようになる。さらにタービン駆動圧縮機３６はプラント停止による負荷の減少から回転数が上昇するので、回転数制御弁４２はタービンへのカソード排ガス７ｃの流量を減らし回転数を維持するためその開度を大きくする。これによりバイパスライン４０を通りカソード排ガス７ｃが抜け易くなるので、格納容器内ガスとカソード排ガス７ｃとの差圧は大きくなる。そこで回転数制御弁４２の開度を小さくしカソード排ガス７ｃを抵抗の大きいタービンを通して徐々に放出することによりアノード排ガス７ｃと格納容器内ガスとの圧力差が少なくなって両者はタービンから放出されてゆく。この際タービンを流れるカソード排ガス７ｃの量は多くなるのでタービン駆動圧縮機３６の回転数が上昇し、危険速度となる恐れがあるので、危険速度にならない範囲で回転数制御弁４２の弁開度を小さくする。なお、アノード排ガス４とカソード排ガスの一部７ｂは燃焼室Ｃｏでバランスするのでアノードとカソードとの差圧は許容値以内になる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は実施例の燃料電池発電装置の全体構成図である。本図において図２と同一のものは同一符号で表す。燃料電池発電装置は、水蒸気を含む燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０と、アノードガス２と酸素および二酸化炭素を含むカソードガス３とから発電する、格納容器２２内に格納された燃料電池２０とを備え、燃料電池２０から排出されるアノード排ガス４は、アノード排ガス排出ライン１２により改質器１０の燃焼室Ｃｏに供給され、カソード排ガス７の一部７ｂと共に燃焼し、その燃焼排ガス５が排ガス供給ライン１３と循環ライン１４を経て燃料電池２０のカソードＣへ二酸化炭素を含むカソードガス３として供給される。
【００１１】
天然ガス８は燃料ブロワ２５で加圧され、脱硫器２６で脱硫後、燃料遮断弁２７を経て水蒸気９と合流し、燃料ガス１となり、燃料予熱器１１で加熱され改質器１０に供給される。なお燃料遮断弁２７の出側には弁４７が設けられ緊急停止時等のプラント停止時には窒素ガスが供給される。改質器１０は、燃料電池２０を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７ｂを燃焼する燃焼室Ｃｏと、燃焼室Ｃｏからの伝熱により燃料ガス１を改質しアノードガス２を発生する改質室Ｒｅとからなる。燃焼室Ｃｏには十分な燃焼が行われるよう燃焼触媒が充填され、改質器Ｒｅには燃料ガス１を水素を主体とするアノードガス２に改質するための改質触媒が充填されている。
【００１２】
燃焼室Ｃｏからは燃焼排ガス５が排ガス供給ライン１３を通り、循環ライン１４に入るが、排ガス供給ライン１３内では空気予熱器３２で冷却され、凝縮器３３および気水分離器３４により水分が除去され、低温ブロワ３５により加圧され、空気６と混合し、空気予熱器３２により加熱され、循環ライン１４に入る。低温ブロワ３５の入側には流量制御弁４４を備えた放出ライン１６が接続され、図示しない排ガス処理装置へプラント停止時等に発生する排ガスを放出する。差圧制御弁４４はアノード排ガス４とカソード排ガス７との差圧が許容値を越えないように操作される。
【００１３】
カソード排ガス７の一部７ｃはタービン供給ライン１９を経てタービン駆動圧縮機３６のタービンＴを駆動し、図示しない排熱回収蒸気発生装置へ供給される。タービン駆動圧縮機３６で圧縮された空気６は、低温ブロワ３５の出口で燃焼排ガス５と合流する。タービン駆動圧縮機３６には電動ブロワ３８を有するバックアップライン３７が設けられており、タービン駆動圧縮機３６の容量が不足したときバックアップに使用される。タービン供給ライン１９にはタービンＴをバイパスするバイパスライン４０が設けられ、回転制御弁４２により通常運転時は流量を制御してタービンＴの回転数を一定に保つように制御されている。タービンＴの回転数は回転数計４１により計測されて制御部４３に入力し、制御部４３により回転数制御弁４２を制御する。
【００１４】
燃料電池２０はアノードガス２が通過するアノードＡと、カソードガス３が通過するカソードＣとからなり、アノードガス２中の水素、一酸化炭素と、カソードガス３中の酸素、二酸化炭素とから化学反応によって電気を発生する。
【００１５】
カソード排ガス７の一部７ａは、空気予熱器３２で加熱された燃焼排ガス５および空気６と混合し、カソードガス３となり、循環ライン１４によりカソードＣに供給される。循環ライン１４は高温ブロワ２３によりカソードガス３を循環する。高温ブロワ２３の出側には弁４８が設けられ緊急停止時等のプラント停止時には窒素ガスが供給される。低温ブロワ３５の出側には容器供給ライン１７が設けられ、差圧制御弁４６を介して格納容器２２にガスが供給される。差圧制御弁４６は格納容器内とカソードＣとの差圧が許容値内となるよう供給ガスを調整する。なお差圧制御弁４４、４６は低温用なので高価ではない。また格納容器２２から循環ライン１４のカソードＣ出口側に容器放出ライン１８が設けられ格納容器２２内のガスを排出する。
【００１６】
図２は回転数制御弁４２の制御部４３の構成を示すブロック図である。出力関数器５０は出力指令を出力信号に変換し、加算器５１は出力信号と回転数計４１の回転数とを加算する。比例積分器５２は加算値を比例積分して制御信号を出力する。５３は手動／自動切換器、５４は切換リレーである。設定器５５は回転数計４１からのタービン回転数を入力し、プラント停止指令がくると、タービン駆動圧縮機３６の回転数が危険速度にならないようにしながら弁開度を少なくしてゆく制御指令を切換リレー５４に出力する。切換リレー５４は設定器５５からの信号がくると優先的にこの信号を回転制御弁４２に伝達する。５６は空電変換器で電気信号を回転数制御弁４２を作動する空気圧に変換する。
【００１７】
次に本実施例の動作を説明する。燃料電池発電装置は、通常運転時、アノード排ガス４の通過するアノード排ガス排出ライン１２と、カソード排ガス７の一部７ｂの通過するカソード排ガス排出ラインの圧損はほぼ等しくなるように構成されており、燃焼室Ｃｏで混合して燃焼するためアノードＡとカソードＣとの差圧は４００ｍｍＡｑ以内になっている。また、格納容器内とカソードＣとの差圧は差圧制御弁４６により制御されるので、４００ｍｍＡｑ以内になっている。緊急停止時等の停止時には、燃料遮断弁２７が閉鎖され、燃料ブロワ２５、高温ブロワ２３、低温ブロワ３５は停止する。これとともに運転時閉鎖されている差圧制御弁４４を開とし、カソード排ガス７とアノード排ガス４との差圧を監視しながらガスを放出してゆく。なおこれらの動作とともに弁４７、４８が開となり窒素ガスが注入される。
【００１８】
タービン駆動圧縮機３６では通常運転時は回転数を一定とするように制御されている。停止すると負荷が少なくなり回転数が上昇すること、および高温ブロワ２３、低温ブロワ３５は電源を遮断しても慣性により回転しており、さらに窒素ガスの注入などによりタービンＴに入ってくる流量は増える。このため、回転数制御弁４２の開度を大きくしてバイパスライン４０に流す流量を多くする。しかしこのようにすると、カソード排ガス７ｃがバイパスライン４０を通り急速に排出され、格納容器内圧とカソードＣとの差圧が許容値の８００〜１０００ｍｍＡｑを越えるので、制御方式を通常運転時の回転数一定制御より回転制御弁４２の開度を小さくしてカソード排ガス７ｃの排出を緩やかにして差圧を少なくするようにする。しかし、バイパスライン４０への流量を零に近づけるとタービンＴに流れる量が増加しタービン駆動圧縮機３６の回転数が危険速度になる恐れがあるので、この危険速度とならない範囲で回転数制御弁４２を閉鎖に近づける。
【００１９】
図３は緊急停止時の格納容器内圧力、カソードＣ圧力、アノードＡ圧力の変化と各圧力の差を示す。Ｖｐは格納容器内圧、Ｃｐはカソード圧力、Ａｐはアノード圧力を示す。破線で示すＣｐ１はタービンＴの回転速度を緊急停止後も一定に制御したときを示し、実線で示すカソード圧力Ｃｐは回転制御弁４２をタービン駆動圧縮機３６の回転速度が危険速度にならない範囲で閉鎖した状態を示す。このように制御すると格納容器内圧とカソードＣとの差圧のみならずカソードＣとアノードＡとの差圧も少なくなる。
【００２０】
図４は回転数制御弁４２の開度とタービン駆動圧縮機３６の回転数との関係を示す。横軸は弁４２の開度をパーセントで示し、縦軸はタービン駆動圧縮機３６の回転数を示す。全閉に近い弁開度ｈ０で危険速度に達するので、これより所定の余裕をみた弁開度ｈ１を許容弁開度とし、ｈ１と１００％の間で弁開度を制御する。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明はプラント停止時に、タービン供給ラインより放出されるカソード排ガスの流量を緩やかにすることにより格納容器内ガスとカソードとの差圧を許容値内に押さえることができる。これにより従来用いていた高価な高温差圧弁を使用する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の燃料電池発電装置の全体図である。
【図２】制御部の詳細構成を示すブロック図である。
【図３】プラント緊急停止時の格納容器内圧力、カソードおよびアノードの圧力に示す図である。
【図４】回転数制御弁の弁開度とタービン圧縮機の危険速度の関係を示す図である。
【図５】従来の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１  燃料ガス
２  アノードガス
３  カソードガス
４  アノード排ガス
５  燃焼排ガス
６  空気
７  ７ａ，７ｂ，７ｃ  カソード排ガス
８  天然ガス
９  水蒸気
１０  改質器
１１  燃料予熱器
１２  アノード排ガス排出ライン
１３  排ガス供給ライン
１４  循環ライン
１６  放出ライン
１７  容器供給ライン
１８  容器放出ライン
１９  タービン供給ライン
２０  燃料電池
２２  格納容器
２３  高温ブロワ
２５  燃料ブロワ
２６  脱硫器
２７  燃料遮断弁
３２  空気予熱器
３３  凝縮器
３４  気水分離器
３５  低温ブロワ
３６  タービン駆動圧縮機
３７  バックアップライン
３８  電動ブロワ
４０  バイパスライン
４１  回転数計
４２  回転数制御弁
４３  制御部
４４、４６  差圧制御弁
４７、４８  弁
５０  出力関数器
５１  加算器
５２  比例積分器
５３  手動／自動切換器
５４  切換リレー
５５  設定器
５６  空電変換器
Ａ  アノード
Ｃ  カソード
Ｃｏ  燃焼室
Ｒｅ  改質室
【図１】
0003570570.tif 000002
【図２】
0003570570.tif 000003
【図３】
0003570570.tif 000004
【図４】
0003570570.tif 000005
【図５】
0003570570.tif 000006