(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードからなり酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃料電池と、アノードから排出されるアノード排ガスとカソードから排出されるカソード排ガスを燃焼し、その熱で水蒸気を含む燃料ガスを改質しアノードガスとしてアノードに供給する改質器と、この改質器からの燃焼排ガスをカソードに供給する炭酸ガスリサイクルラインと、この炭酸ガスリサイクルラインに空気を供給する空気ラインと、前記カソード排ガスによりタービンを駆動して空気を圧縮し前記空気ラインに供給するタービン圧縮機と、このタービン圧縮機の排ガスにより給水を加熱して蒸気を発生し燃料ガスに混入する排熱回収蒸気発生装置と、を備え、前記タービン圧縮機はタービンおよび圧縮機がそれぞれ直列に接続された多段タービン圧縮機からなり、各タービンには流量制御弁を有するタービンバイパスラインが設けられ、さらに各タービンには回転計が設けられ、前記空気ラインには流量計が設けられており、前記流量計の値が指示流量となるよう前記各流量制御弁を制御するが、いずれかの回転計が設定回転数となったときは前記各流量制御弁の開度を固定して各タービン圧縮機の運転を行なうことを特徴とする多段タービン圧縮機を備えた燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カソードに空気を供給するタービン圧縮機を直列に２段設け供給空気の高圧化を図った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３は都市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、蒸気と混合した燃料ガス（都市ガス）を水素を含むアノードガスに改質する改質器２２と、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２０とを備えており、改質器２２で作られるアノードガスはアノードガスライン２により燃料電池２０に供給され、燃料電池２０の中でその大部分を消費してアノード排ガスとなり、アノード排ガスライン４により燃焼用ガスとして触媒燃焼器２３へ供給される。
【０００４】
触媒燃焼器２３ではアノード排ガス中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）を燃焼して高温の燃焼排ガスを生成し、改質器２２の加熱室に供給しこの燃焼排ガスにより改質室を加熱し、改質室で改質触媒により燃料ガスを改質してアノードガスとする。アノードガスは燃料予熱器２４によって燃料ガスライン１を流れる蒸気と混合した燃料ガスと熱交換し、冷却された後燃料電池２０のアノードに供給される。また加熱室を出た燃焼排ガスは炭酸ガスリサイクルライン３で炭酸ガスリサイクルブロワ３２によりカソードに供給される。燃焼排ガスには多量の炭酸ガスが含まれており、電池反応に必要な炭酸ガスの供給源となる。空気ライン７からの空気が炭酸ガスリサイクルブロワ３２の入口側に供給されカソードの電池反応に必要な酸素を供給する。この燃焼排ガスと空気が混合してカソードガスとなる。
【０００５】
このカソードガスは燃料電池２０内で電池反応して高温のカソード排ガスとなり、一部はカソード排ガスライン５により触媒燃焼器２３へ供給され、残部は排熱利用ライン６で空気を圧縮する圧縮機を駆動するタービン圧縮機２６で動力を回収した後、さらに排熱回収蒸気発生装置３０で熱エネルギを回収して系外に排出される。なお、この排熱回収蒸気発生装置３０で発生した蒸気が蒸気ライン８により燃料ガスライン１に入り、燃料ガスと混合して改質器２２に送られる。
【０００６】
タービン圧縮機２６のタービンには流量制御弁３８を有するタービンバイパスライン１２が設けられており、タービン軸には回転計４０が設けられ、出力指令で指示された回転数となるように流量制御弁でバイパス流量を制御する。タービン圧縮機２６の圧縮機に空気を供給する空気供給ライン９が設けられ、この空気供給ライン９に、電動モータ３５により駆動される空気ブロワ３４を供えた空気供給パイパスライン１０が設けられている。空気ブロワ３４には回転計４２が設けられており、空気ライン７に設けられた流量計４４の計測値が出力指令で指示した空気流量となるように空気ブロワ３４の回転数が制御されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
タービン圧縮機２６はカソード排ガスを利用しており、低コストの空気供給設備である。しかしカソード排ガスを利用という制限から圧縮比は３程度である。システム効率の向上を図るには空気供給系も高圧化が必要であるが、タービン圧縮機１段では現状以上とすることは困難である。このため多段とする必要があるが、各段の圧縮機がサージングを起こさず運転する方法が必要である。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたもので、空気を圧縮するタービン圧縮機を多段とし各圧縮機がサージングを起こさないよう制御する燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、カソードとアノードからなり酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスから発電する燃料電池と、アノードから排出されるアノード排ガスとカソードから排出されるカソード排ガスを燃焼し、その熱で水蒸気を含む燃料ガスを改質しアノードガスとしてアノードに供給する改質器と、この改質器からの燃焼排ガスをカソードに供給する炭酸ガスリサイクルラインと、この炭酸ガスリサイクルラインに空気を供給する空気ラインと、前記カソード排ガスによりタービンを駆動して空気を圧縮し前記空気ラインに供給するタービン圧縮機と、このタービン圧縮機の排ガスにより給水を加熱して蒸気を発生し燃料ガスに混入する排熱回収蒸気発生装置と、を備え、前記タービン圧縮機はタービンおよび圧縮機がそれぞれ直列に接続された多段タービン圧縮機からなり、各タービンには流量制御弁を有するタービンバイパスラインが設けられ、さらに各タービンには回転計が設けられ、前記空気ラインには流量計が設けられており、前記流量計の値が指示流量となるよう前記各流量制御弁を制御するが、いずれかの回転計が設定回転数となったときは前記各流量制御弁の開度を固定して各タービン圧縮機の運転を行なう。
【００１０】
タービン圧縮機のタービンに設けられたバイパスラインの流量制御弁は、空気ラインに設けられた流量計の計測値が出力指令で示された値となるような弁開度に制御される。しかしこれだけでは圧縮機にサージングが発生する恐れがあるので、各タービンの回転数を計測し何れか１つでもサージングを起す恐れのある回転数に対し余裕をもって定めた回転数に達した場合は、その状態で各流量制御弁の弁開度を固定し運転する。これにより圧縮機に発生するサージングを防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施形態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３と同一機能を有するものは同一符号で表す。燃料電池発電装置は、蒸気を含む燃料ガスを水素を含むアノードガスに改質する改質器２２と、アノードガスと酸素および炭酸ガスを含むカソードガスとから発電する燃料電池２０とを備える。燃料電池２０から排出されるアノード排ガスは、アノード排ガスライン４により触媒燃焼器２３に供給され、カソード排ガスの一部と共に燃焼触媒を用いて燃焼する。改質器２２は水蒸気を含む都市ガスを触媒により改質ガスにする改質室と触媒燃焼器２３からの燃焼排ガスにより改質室を加熱する加熱室からなる。カソードには、炭酸ガスを含む燃焼排ガスが炭酸ガスリサイクルライン３により供給され、空気ライン７により酸素を含む空気が供給され、これらが混合してカソードガスとして供給される。
【００１２】
天然ガスを成分とする都市ガスは燃料ガスライン１により供給され、蒸気ライン８からの蒸気と混合し、燃料予熱器２４で予熱されて改質器２２の改質室に入る。改質室より生成されたアノードガスはアノードガスライン２により燃料予熱器２４で燃料ガスを加熱した後、燃料電池２０のアノードに供給される。燃料電池２０のカソードには、炭酸ガスリサイクルライン３からの炭酸ガスと、空気ライン７からの酸素とが混合されてカソードガスとなり、この混合ガスが供給される。燃料電池２０はアノードガスとカソードガスを供給され発電を行う。アノードでの反応により蒸気と未燃焼成分を含むアノード排ガスが排出され、アノード排ガスライン４により触媒燃焼器２３に供給される。カソードでの反応により生成さたカソード排ガスは、一部はカソード排ガスライン５により触媒燃焼器２３に供給され、残部は排熱利用ライン６に供給される。
【００１３】
触媒燃焼器２３には燃料電池２０のアノード排ガスとカソード排ガスが供給される。燃料電池の燃料利用率は８０％程度なので、アノード排ガスには２０％程度の燃料成分が含まれている。カソード排ガスには燃焼に必要な酸素が含まれている。改質器２２の加熱室からの燃焼排ガスには炭酸ガスが含まれ、これはカソードでの電池反応に必要なので、炭酸ガスリサイクルライン３によりカソードへ供給される。
【００１４】
炭酸ガスリサイクルライン３には炭酸ガスリサイクルブロワ３２が設けられ、この炭酸ガスリサイクルブロワ３２の入側には空気ライン７が接続されており、これらのライン３，７からのガスをカソードに送り込んでいる。カソード排ガスの一部は排熱利用ライン６へ供給され、第１タービン圧縮機２６と第２タービン圧縮機２８のタービンを駆動した後、排熱回収蒸気発生装置３０へ供給される。排熱回収蒸気発生装置３０では給水をタービン圧縮機２６，２８のタービンを駆動した排ガスにより蒸気とし、蒸気ライン８により燃料ガスライン１に供給する。排熱回収蒸気発生装置３０の排ガスは大気に放出される。
【００１５】
空気供給ライン９が第２タービン圧縮機２８の圧縮機２８ｂへ接続され、この圧縮機２８ｂは第１タービン圧縮機２６の圧縮機２６ｂと直列に接続され、この圧縮機２６ｂは逆止弁３７を介して空気ライン７に接続されている。空気供給ライン９には空気供給バイパスライン１０が設けられ、圧縮機２８ｂ，２６ｂをバイパスして逆止弁３７の出側に接続されている。空気供給バイパスライン１０には逆止弁３６と空気ブロワ３４が直列に設けられ、逆止弁３６の出側と両圧縮機２６ｂ，２８ｂを結ぶラインとがタイライン１１により結ばれている。空気ブロワ３４は電動モータ３５により駆動される。
【００１６】
第１タービン圧縮機２６のタービン２６ａと第２タービン圧縮機２８のタービン２８ａとは直列に接続されている。タービン２６ａの入側よりタービン２８ａの出側までタービンバイパスライン１３が設けられ、このライン１３には流量制御弁３８，３９が直列に設けられ、両弁３８，３９の間と両タービン２６ａ，２８ａ間はタイライン１４で結ばれている。両タービン圧縮機２６，２８の回転軸には回転計４０，４１が設けられ、電動モータ３５の回転軸にも回転計４２が設けられている。また空気ライン７には流量計４４が設けられている。
【００１７】
各圧縮機２８ｂ，２６ｂの圧縮比は２．８程度であり両者を直列に接続することにより７．８程度の圧縮比が得られる。空気ブロワ３４は燃料電池２０始動時でカソード排ガスの発生が少くタービン２６ａ，２８ａに十分供給されない期間やバックアップ用に使用される。
【００１８】
次にタービン圧縮機２６，２８の運転方法について説明する。所定の空気流量となるよう出力指令が出される。流量計４４の計測値がこの指令値になるように流量制御弁３８，３９が制御される。各タービン２６ａ，２８ａの回転数は回転計４０，４１で計測されており、いずれかの回転数が設定値に達すると高信号選択器４６，４７により両タービン２６ａ，２８ａの回転数をそのまま保持するように流量制御弁３８，３９の弁開度が固定される。この設定値とは圧縮機２６ｂ，２８ｂがサージングを発生する回転数に対して一定の余裕をもった値である。これによりサージング領域外で安定に運転することができる。空気ブロワ３４の運転方法は、所定の空気流量となるよう出力指令が出され、流量計４４の計測値がこの指令値になるよう電動モータ３５の回転数が制御される。
【００１９】
次に第２実施形態を説明する。第１実施形態ではタービン圧縮機が２段であったが、本実施形態では３段であり、これ以外は第１実施形態と同じである。図２は第２実施形態の構成を示す。図２において、空気供給ライン９が第３タービン圧縮機２９の圧縮機２９ｂへ接続され、この圧縮機２９ｂは第２タービン圧縮機２８の圧縮機２８ｂへ接続され、この圧縮機２８ｂは第１タービン圧縮機２６の圧縮機２６ｂへ接続され、この圧縮機２６ｂは逆止弁３７を介して空気ライン７に接続されている。空気供給ライン９には空気供給バイパスライン１０が設けられ、圧縮機２９ｂ，２８ｂ，２６ｂをバイパスして逆止弁３７の出側に接続されている。空気供給バイパスライン１０には逆止弁３６と空気ブロワ３４が直列に設けられ、逆止弁３６の出側と両圧縮機２６ｂ，２８ｂを結ぶラインとがタイライン１１により結ばれている。空気ブロワ３４は電動モータ３５により駆動される。
【００２０】
第１タービン圧縮機２６のタービン２６ａと第２タービン圧縮機２８のタービン２８ａと第３タービン圧縮機２９のタービン２９ａとは直列に接続されている。タービン２６ａの入側よりタービン２９ａの出側までタービンバイパスライン１３が設けられ、このライン１３には流量制御弁３８，３９，３９ａが直列に設けられ、両流量制御弁３８，３９の間と両タービン２６ａ，２８ｂ間はタイライン１４で結ばれ、両流量制御弁３９，３９ａの間と両タービン２８ａ，２９ａ間はタイライン１５で結ばれている。各タービン圧縮機２６，２８，２９の回転軸には回転計４０，４１，４１ａが設けられ、電動モータ３５の回転軸にも回転計４２が設けられている。また空気ライン７には流量計４４が設けられている。
【００２１】
各圧縮機２９ｂ，２８ｂ，２６ｂの圧縮比は２．８程度であり３者を直列に接続することにより２２．０程度の圧縮比が得られる。空気ブロワ３４は燃料電池２０始動時でカソード排ガスの発生が少く各タービン２６ａ，２８ａ，２９ａに十分供給されない期間やバックアップ用に使用される。
【００２２】
次にタービン圧縮機２６，２８，２９の運転方法について説明する。所定の空気流量となるよう出力指令が出される。流量計４４の計測値がこの指令値になるように流量制御弁３８，３９，３９ａが制御される。各タービン２６ａ，２８ａ，３９ａの回転数は回転計４０，４１，４１ａで計測されており、いずれかの回転数が設定値に達すると高信号選択器４６，４７により各タービン２６ａ，２８ａ，２９ａの回転数をそのまま保持するように流量制御弁３８，３９，３９ａの弁開度が固定される。この設定値とは圧縮機２６ｂ，２８ｂ，２９ｂがサージングを発生する回転数に対して一定の余裕をもった値である。これによりサージング領域外で安定に運転することができる。空気ブロワ３４の運転方法は、所定の空気流量となるよう出力指令が出され、流量計４４の計測値がこの指令値になるよう電動モータ３５の回転数が制御される。
【００２３】
上記実施形態ではタービン圧縮機が２段と３段の場合を説明したが、４段以上の場合も同様にして行うことができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、カソード排ガスで駆動されるタービン圧縮機を直列に多段接続することにより、高圧空気をプラントに供給できプラント効率を向上することができる。このタービン圧縮機の運転を空気流量と回転数で制御することによりサージング領域外で安定した運転を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態の燃料電池発電装置の全体構成図である。
【図３】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  燃料ガスライン
２  アノードガスライン
３  炭酸ガスリサイクルライン
４  アノード排ガスライン
５  カソード排ガスライン
６  排熱利用ライン
７  空気ライン
８  蒸気ライン
９  空気供給ライン
１０  空気供給バイパスライン
１１，１４，１５  タイライン
１３  タービンバイパスライン
２０  燃料電池
２２  改質器
２３  触媒燃焼器
２４  燃料予熱器
２６  第１タービン圧縮機
２８  第２タービン圧縮機
２９  第３タービン圧縮機
２６ａ，２８ａ，２９ａ  タービン
２６ｂ，２８ｂ，２９ｂ  圧縮機
３０  排熱回収蒸気発生装置
３２  炭酸ガスリサイクルブロワ
３４  空気ブロワ
３５  電動モータ
３６，３７  逆止弁
３８，３９，３９ａ  流量制御弁
４０，４１，４１ａ，４２  回転計
４４  流量計
４６，４７  高信号選択器
【図１】
0003804204.tif 000002
【図２】
0003804204.tif 000003
【図３】
0003804204.tif 000004