JP2001283882A - Generating device utilizing fuel cell - Google Patents
Generating device utilizing fuel cellInfo
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガスと酸素含
有ガスが供給されて発電する燃料電池発電部と、その燃
料電池発電部から排出された排燃料ガスを前記燃料電池
発電部から排出された排酸素含有ガスにて燃焼させる燃
焼部と、発電機を駆動する発電機用タービンと、前記燃
料電池発電部に供給する酸素含有ガスを加圧する圧縮機
を駆動する圧縮機用タービンとが設けられ、前記燃焼部
から排出された燃焼排ガスにて、前記発電機用タービン
及び前記圧縮機用タービンが駆動されるように構成され
た燃料電池利用発電装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell power generation section for generating electricity by supplying a fuel gas and an oxygen-containing gas, and an exhaust fuel gas discharged from the fuel cell power generation section being discharged from the fuel cell power generation section. A combustion unit for burning the exhausted oxygen-containing gas, a generator turbine for driving the generator, and a compressor turbine for driving a compressor for pressurizing the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell power generation unit. The present invention also relates to a fuel cell-based power generator configured to drive the generator turbine and the compressor turbine with combustion exhaust gas discharged from the combustion section.
【0002】[0002]
【従来の技術】かかる燃料電池利用発電装置(以下、単
に発電装置と記載する場合がある)は、図4に示すよう
に、燃料電池発電部1に燃料ガスと酸素含有ガス(例え
ば空気)とを供給して、燃料電池発電部1にて発電する
と共に、燃焼部2にて燃料電池発電部1から排出された
排燃料ガスと排酸素含有ガスとを燃焼させることにより
生成された燃焼排ガスにて、発電機用タービン4及び圧
縮機用タービン6を駆動して、発電機用タービン4にて
駆動される発電機3にて発電し、並びに、圧縮機用ター
ビン6にて駆動される圧縮機5にて、燃料電池発電部1
に供給する酸素含有ガスを加圧するものである。燃料電
池発電部1では直流電力が発電されるので、燃料電池発
電部1にて発電された直流電力を交流電力に変換するイ
ンバータ7を設けて、インバータ7からの交流電力、及
び、発電機3にて発電された交流電力を送電路11に合
流させて、電力需要先に供給するように構成する。2. Description of the Related Art As shown in FIG. 4, such a power generation device using a fuel cell (hereinafter sometimes simply referred to as a power generation device) includes a fuel cell power generation section 1 in which fuel gas and oxygen-containing gas (for example, air) are supplied. Is supplied to the fuel cell power generation unit 1, and the combustion unit 2 generates a combustion exhaust gas generated by burning the exhaust fuel gas and the exhaust oxygen-containing gas discharged from the fuel cell power generation unit 1. Then, the generator turbine 4 and the compressor turbine 6 are driven to generate electric power by the generator 3 driven by the generator turbine 4 and the compressor driven by the compressor turbine 6. At 5, the fuel cell power generation unit 1
Pressurizes the oxygen-containing gas to be supplied to the fuel cell. Since the DC power is generated in the fuel cell power generation unit 1, an inverter 7 that converts the DC power generated by the fuel cell power generation unit 1 into AC power is provided, and the AC power from the inverter 7 and the generator 3 are output. The AC power generated in step (1) is merged with the power transmission line 11 and supplied to a power demand destination.
【0003】従来は、図4に示すように、圧縮機用ター
ビン6及び発電機用タービン4を、燃焼部2に対して直
列接続した状態で設けて、バーナ2から排出された燃焼
排ガスを、先ず、圧縮機用タービン6に供給して圧縮機
用タービン6を駆動させ、その圧縮機用タービン6から
排出された燃焼排ガスを発電機用タービン4に供給し
て、発電機用タービン4を駆動させるようにしていた。
そして、燃料電池発電部1及び発電機3夫々の定格出力
を合わせた合計定格出力に対する実際の出力の割合であ
る比出力を調整するに当たっては、発電機3を定格出力
又は定格出力に近い略一定の高出力状態で運転しなが
ら、燃料電池発電部1の出力を調整していた。Conventionally, as shown in FIG. 4, a turbine 6 for a compressor and a turbine 4 for a generator are provided in a state of being connected in series to a combustion section 2 so that combustion exhaust gas discharged from a burner 2 is discharged. First, the compressor turbine 6 is supplied to drive the compressor turbine 6, and the combustion exhaust gas discharged from the compressor turbine 6 is supplied to the generator turbine 4 to drive the generator turbine 4. I was trying to make it.
In adjusting the specific output, which is the ratio of the actual output to the total rated output obtained by combining the rated outputs of the fuel cell power generator 1 and the generator 3, the generator 3 is operated at a rated output or substantially constant near the rated output. The output of the fuel cell power generation unit 1 was adjusted while operating in the high output state.
【0004】尚、図4において、13は、燃料ガスを燃
料電池発電部1に供給する燃料ガス供給路、V1は、燃
料電池発電部1に対する燃料ガス供給量を調節する燃料
ガス供給量調節弁であり、燃料電池発電部1の出力の調
節は、この燃料ガス供給量調節弁V1によって燃料電池
発電部1に対する燃料ガス供給量を調節することにより
行う。制御部8を設けて自動制御する場合は、送電路1
1に電力計Wmを設けて、制御部8により、その電力計
Wmの検出電力に基づいて、燃料ガス供給量調節弁V1
を制御するように構成していた。In FIG. 4, reference numeral 13 denotes a fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell power generation unit 1, and V1 denotes a fuel gas supply amount control valve for adjusting the fuel gas supply amount to the fuel cell power generation unit 1. The output of the fuel cell power generation unit 1 is adjusted by adjusting the amount of fuel gas supplied to the fuel cell power generation unit 1 by the fuel gas supply amount adjustment valve V1. When the control unit 8 is provided to perform automatic control, the power transmission path 1
1 is provided with a power meter Wm, and the control unit 8 controls the fuel gas supply amount adjusting valve V1 based on the detected power of the power meter Wm.
Was configured to be controlled.
【0005】図4において、18は、燃焼部2から排出
される燃焼排ガスを導く燃焼排ガス供給路18であり、
その燃焼排ガス供給路18を圧縮機用タービン6に接続
し、圧縮機用タービン6から排出されたタービン駆動後
の燃焼排ガス(以下、タービン排ガスと称する場合があ
る)を導く中継用タービン排ガス路31を発電機用ター
ビン4に接続することにより、圧縮機用タービン6及び
発電機用タービン4を、燃焼部2に対して直列接続して
いた。[0005] In FIG. 4, reference numeral 18 denotes a flue gas supply passage 18 for guiding flue gas discharged from the combustion section 2.
The combustion exhaust gas supply path 18 is connected to the turbine 6 for the compressor, and the turbine exhaust gas path 31 for relay that guides the combustion exhaust gas (hereinafter, may be referred to as turbine exhaust gas) discharged from the turbine 6 after the turbine is driven. Is connected to the generator turbine 4, whereby the compressor turbine 6 and the generator turbine 4 are connected in series to the combustion unit 2.
【0006】又、図4中、14は、圧縮機5にて加圧さ
れた空気を燃料電池発電部1に供給する空気供給路、1
5は、燃料電池発電部1から排出された排燃料ガスを導
く排燃料ガス排出路、16は、燃料電池発電部1から排
出された排空気(排酸素含有ガス)を導く排空気路であ
る。又、20は、燃料電池発電部1の出力を低下させて
排燃料ガス量が少なくなって、発電機用タービン4及び
圧縮機用タービン6を駆動するための燃焼排ガスが不足
するときに、燃焼排ガスを増量するために燃焼部2にガ
ス燃料を補給するガス燃料補給路であり、V2は、ガス
燃料の補給量を調節するガス燃料補給量調節弁である。
又、21は、圧縮機5から排出される圧縮空気量が燃料
電池発電部1の発電出力に応じた量よりも多いときに、
その余剰分を燃料電池発電部1を迂回して燃焼部2に供
給すべく、空気供給路14から分岐させた空気バイパス
路であり、V3は、空気バイパス路21による空気バイ
パス量を調節する空気バイパス量調節弁である。又、2
2は、タービン排ガス路19を通流する発電機用タービ
ン4からのタービン排ガスにて空気供給路14を通流す
る空気を加熱する空気予熱用熱交換器、23は、タービ
ン排ガス路19を通流するタービン排ガスにて燃料ガス
供給路13を通流する燃料ガスを加熱する燃料ガス予熱
用熱交換器、12は、タービン排ガス路19を通流する
タービン排ガスにて排熱回収路24を通流する湯水を加
熱して温水又は蒸気を生成する排熱回収用熱交換器であ
る。制御部8は、電力計Wmの検出電力に基づいて、燃
料ガス供給量調節弁V1以外に、調節弁V2,V3も制
御する。In FIG. 4, reference numeral 14 denotes an air supply path for supplying air pressurized by the compressor 5 to the fuel cell power generation unit 1;
Reference numeral 5 denotes an exhaust gas exhaust passage for guiding exhaust fuel gas exhausted from the fuel cell power generation unit 1, and reference numeral 16 denotes an exhaust air passage for guiding exhaust air (exhaust oxygen-containing gas) exhausted from the fuel cell power generation unit 1. . Further, when the output of the fuel cell power generation unit 1 is reduced and the amount of exhaust fuel gas is reduced, the combustion exhaust gas for driving the generator turbine 4 and the compressor turbine 6 becomes insufficient. A gas fuel supply path for supplying gas fuel to the combustion unit 2 to increase the amount of exhaust gas, and V2 is a gas fuel supply amount control valve for adjusting the supply amount of gas fuel.
21 indicates that when the amount of compressed air discharged from the compressor 5 is larger than the amount corresponding to the power generation output of the fuel cell power generation unit 1,
An air bypass path branched from the air supply path 14 to supply the surplus to the combustion section 2 bypassing the fuel cell power generation section 1, and V 3 is air for adjusting the amount of air bypass by the air bypass path 21. This is a bypass amount control valve. 2
Reference numeral 2 denotes an air preheating heat exchanger for heating air flowing through the air supply path 14 with turbine exhaust gas from the generator turbine 4 flowing through the turbine exhaust gas path 19, and reference numeral 23 denotes a turbine exhaust gas path 19. The fuel gas preheating heat exchanger 12 heats the fuel gas flowing through the fuel gas supply passage 13 with the flowing turbine exhaust gas, and passes through the exhaust heat recovery passage 24 with the turbine exhaust gas flowing through the turbine exhaust gas passage 19. This is a heat exchanger for exhaust heat recovery that generates hot water or steam by heating flowing hot and cold water. The control unit 8 controls the control valves V2 and V3 in addition to the fuel gas supply amount control valve V1 based on the detected power of the power meter Wm.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池発
電部及び発電機夫々の発電効率を比べると、燃料電池発
電部の方が高い。従って、比出力を調節する場合に、従
来のように、比出力の調整範囲の全域にわたって、発電
機を略一定の高出力状態で運転しながら燃料電池発電部
の出力を調節することにより、比出力を調節する場合、
比出力が小さくなるほど、発電装置全体の出力に占める
発電機出力の比率(以下、単に発電機出力比率と記載す
る場合がある)が大きくなるので、比出力が小さいとき
には、発電装置全体の発電効率(以下、全体発電効率と
称する場合がある)が低くなり、改善が望まれていた。However, comparing the power generation efficiencies of the fuel cell power generator and the generator, the fuel cell power generator is higher. Therefore, when the specific output is adjusted, the output of the fuel cell power generation unit is adjusted while operating the generator at a substantially constant high output state over the entire range of the specific output adjustment, as in the related art. When adjusting the output,
The smaller the specific output, the larger the ratio of the generator output to the total output of the power generator (hereinafter sometimes simply referred to as the generator output ratio). (Hereinafter, may be referred to as overall power generation efficiency), and improvement has been desired.
【0008】図4に示すように、発電機用タービン4及
び圧縮機用タービン6を駆動するための燃焼排ガスを増
量するために、燃焼部2にガス燃料を補給するガス燃料
補給路20を設けて、燃料電池発電部1の出力が小さく
なって燃焼排ガス量が不足したときに、不足分を補充す
べく、燃焼部2にガス燃料を補給するように構成した場
合は、燃料電池発電部1の出力が小さくなるほど、ガス
燃料補給量が多くなるので、全体発電効率が更に低くな
っていた。As shown in FIG. 4, in order to increase the amount of combustion exhaust gas for driving the generator turbine 4 and the compressor turbine 6, a gas fuel supply passage 20 for supplying gas fuel to the combustion section 2 is provided. When the output of the fuel cell power generation unit 1 becomes small and the amount of combustion exhaust gas becomes insufficient, gas fuel is supplied to the combustion unit 2 in order to replenish the shortage. As the output of the fuel cell decreases, the amount of gas fuel supply increases, so that the overall power generation efficiency is further reduced.
【0009】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、比出力が小さいときでも全体発
電効率を高くし得る燃料電池利用発電装置を提供するこ
とにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell-based power generation device that can increase the overall power generation efficiency even when the specific output is small.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】〔請求項1記載の発明〕
請求項1に記載の特徴構成は、前記発電機用タービン及
び前記圧縮機用タービンが、前記燃焼部に対して並列接
続された状態で設けられ、前記燃焼排ガスが前記発電機
用タービンと前記圧縮機用タービンとに分配供給される
分配比率を調節する燃焼排ガス分配比率調節手段が設け
られていることにある。請求項1に記載の特徴構成によ
れば、比出力が小さいときには、燃焼排ガス分配比率調
節手段によって、発電機用タービンへの燃焼排ガス分配
量が少なくなるように調節して、発電機の出力を小さく
することにより、比出力を小さくする。従って、比出力
が小さいときには、発電機出力比率を従来よりも小さく
しながら、比出力を小さくすることができるので、比出
力が小さいときでも全体発電効率を高くすることができ
るようになった。Means for Solving the Problems [Invention according to claim 1]
The characteristic configuration according to claim 1, wherein the turbine for the generator and the turbine for the compressor are provided in a state of being connected in parallel to the combustion unit, and the combustion exhaust gas is discharged from the turbine for the generator and the compression turbine. The present invention is characterized in that a combustion exhaust gas distribution ratio adjusting means for adjusting a distribution ratio to be distributed and supplied to the engine turbine is provided. According to the characteristic configuration of the first aspect, when the specific output is small, the combustion exhaust gas distribution ratio adjusting means adjusts the distribution of the combustion exhaust gas to the turbine for the generator to be small, and the output of the generator is reduced. By reducing the specific power, the specific output is reduced. Therefore, when the specific output is small, the specific output can be reduced while the generator output ratio is made smaller than before, so that even when the specific output is small, the overall power generation efficiency can be increased.
【0011】〔請求項2記載の発明〕請求項2に記載の
特徴構成は、前記燃料電池発電部に対する燃料ガス供給
量を調節する燃料ガス供給量調節手段が設けられ、前記
燃焼排ガス分配比率調節手段により、前記燃料電池発電
部及び前記発電機夫々の定格出力を合わせた合計定格出
力に対する実際の出力の割合である比出力が、設定値以
上のときは、前記燃焼排ガスが前記発電機用タービン及
び前記圧縮機用タービンの両方に分配供給され、且つ、
前記比出力が前記設定値よりも小さいときは、前記発電
機用タービンに対する前記燃焼排ガスの供給が停止され
るように構成され、前記比出力が前記設定値よりも小さ
いときは、前記燃料ガス供給量調節手段により、前記比
出力に応じて前記燃料電池発電部の出力を調節すべく、
前記燃料ガス供給量が調節されるように構成されている
ことにある。請求項2に記載の特徴構成によれば、比出
力が設定値よりも小さいときは、燃焼排ガス分配比率調
節手段によって、発電機用タービンに対する前記燃焼排
ガスの供給が停止されて、発電機の運転を停止した状態
で、燃料ガス供給量調節手段により、比出力に応じて燃
料電池発電部の出力を調節すべく、燃料ガス供給量が調
節される。According to a second aspect of the present invention, a fuel gas supply amount adjusting means for adjusting a fuel gas supply amount to the fuel cell power generation unit is provided, and the combustion exhaust gas distribution ratio adjustment is performed. By the means, when the specific output, which is the ratio of the actual output to the total rated output obtained by combining the rated outputs of the fuel cell power generation unit and the generator, is equal to or larger than a set value, the combustion exhaust gas is discharged from the generator turbine. And distributed to both the compressor turbine, and
When the specific output is smaller than the set value, the supply of the combustion exhaust gas to the generator turbine is stopped, and when the specific output is smaller than the set value, the fuel gas supply is stopped. By an amount adjusting means, in order to adjust the output of the fuel cell power generation unit according to the specific output,
The fuel gas supply amount is adjusted. According to the characteristic configuration of the second aspect, when the specific output is smaller than the set value, the supply of the combustion exhaust gas to the generator turbine is stopped by the combustion exhaust gas distribution ratio adjusting means, and the operation of the generator Is stopped, the fuel gas supply amount is adjusted by the fuel gas supply amount adjusting means so as to adjust the output of the fuel cell power generation unit according to the specific output.
【0012】つまり、かかる燃料電池利用発電装置は、
本来は、燃料電池発電部の排ガスを有効利用して発電機
を駆動して発電機でも発電することによって、全体発電
効率の高い発電が行えるものであり、しかも、発電機は
定格出力又は定格出力に近い高出力状態で運転すると、
高い発電効率が得られるので、比出力が大きいときは、
燃料電池発電部を高出力で運転しながら発電機の出力を
調節することにより比出力を調節する運転形態よりも、
燃料電池発電部からの排ガスを有効利用して発電機を前
記高出力状態で運転しながら燃料電池発電部の出力を調
節することにより比出力を調節する運転形態の方が、全
体発電効率を大きくすることができる。又、発電機は、
出力が定格出力よりも小さい部分負荷状態で運転する
と、発電効率が一層低くなる傾向にある。従って、比出
力が小さいときに、燃焼排ガス分配比率調節手段によっ
て発電機用タービンへの燃焼排ガス分配量が少なくなる
ように調節して発電機の出力を小さくする運転形態を採
用するにしても、発電機用タービンへの燃焼排ガスの供
給を停止して発電機を停止させて、燃料電池発電部のみ
を運転する形態とすると、一層、全体発電効率を向上す
ることができる。That is, such a fuel cell power generation device is
Originally, high efficiency of power generation can be achieved by using the exhaust gas from the fuel cell power generation unit to drive the generator and generate power with the generator, and the generator has a rated output or rated output. Driving at a high output condition close to
Since high power generation efficiency can be obtained, when the specific output is large,
Rather than an operation mode in which the specific output is adjusted by adjusting the output of the generator while operating the fuel cell power generation unit at a high output,
The operation mode in which the specific output is adjusted by adjusting the output of the fuel cell power generation unit while operating the generator in the high output state while effectively using the exhaust gas from the fuel cell power generation unit increases the overall power generation efficiency. can do. Also, the generator is
When operated in a partial load state where the output is smaller than the rated output, the power generation efficiency tends to be further reduced. Therefore, when the specific output is small, even if an operation mode in which the output of the generator is reduced by adjusting the distribution of the combustion exhaust gas to the turbine for the generator by the combustion exhaust gas distribution ratio adjusting means so as to be small, When the supply of the combustion exhaust gas to the generator turbine is stopped and the generator is stopped to operate only the fuel cell power generation unit, the overall power generation efficiency can be further improved.
【0013】そこで、発電機を前記高出力状態で運転し
ながら燃料電池発電部の出力を調節することにより比出
力を調節する運転形態と、発電機は停止させて燃料電池
発電部の出力を調節することにより比出力を調節する運
転形態との両者で、比出力を小さくしながら全体発電効
率を比較して、後者の運転形態の方が前者の運転形態よ
りも全体発電効率が高くなる比出力を求めて、その比出
力を、前記設定値として設定する。そして、比出力が前
記設定値以上のときは、発電機を前記高出力状態で運転
しながら燃料電池発電部の出力を調節することにより比
出力を調節する運転形態にて運転し、比出力が前記設定
値よりも小さいときには、発電機は停止させて燃料電池
発電部の出力を調節することにより比出力を調節する運
転形態にて運転するのである。従って、広い比出力の範
囲で、全体発電効率を高くすることができるようになっ
た。[0013] Therefore, an operation mode in which the specific output is adjusted by adjusting the output of the fuel cell power generation unit while the generator is operated in the high output state, and the output of the fuel cell power generation unit is adjusted by stopping the generator. By comparing the overall power generation efficiency while reducing the specific output both in the operation mode in which the specific output is adjusted by performing the specific operation, the specific power is higher in the latter operation mode than in the former operation mode. And the specific output is set as the set value. When the specific output is equal to or higher than the set value, the generator is operated in the high output state while operating in an operation mode in which the specific output is adjusted by adjusting the output of the fuel cell power generation unit. When the value is smaller than the set value, the generator is stopped and operated in an operation mode in which the specific output is adjusted by adjusting the output of the fuel cell power generation unit. Therefore, the entire power generation efficiency can be increased in a wide range of the specific output.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態を説明する。図1に示すように、燃料電池利
用発電装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとしての空気が
供給されて発電する燃料電池発電部1と、その燃料電池
発電部1から排出された排燃料ガスを燃料電池発電部1
から排出された排空気(排酸素含有ガスに相当する)に
て燃焼させる燃焼部としてのバーナ2と、発電機3を駆
動する発電機用タービン4と、燃料電池発電部1に供給
する空気を加圧する圧縮機5を駆動する圧縮機用タービ
ン6と、燃料電池発電部1にて発電された直流電力を交
流電力に変換するインバータ7と、燃料電池利用発電装
置の各種制御を司る制御部8とを設け、バーナ2から排
出された燃焼排ガスにて、発電機用タービン4及び圧縮
機用タービン6が駆動されるように構成してある。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the fuel cell power generation device includes a fuel cell power generation unit 1 that is supplied with fuel gas and air as an oxygen-containing gas to generate power, and an exhaust fuel gas discharged from the fuel cell power generation unit 1. Fuel cell power generation unit 1
Burner 2 as a combustion unit that burns with exhaust air (equivalent to exhaust oxygen-containing gas) discharged from the turbine, a generator turbine 4 that drives a generator 3, and air supplied to a fuel cell power generator 1. A compressor turbine 6 that drives a compressor 5 to be pressurized, an inverter 7 that converts DC power generated by the fuel cell power generation unit 1 into AC power, and a control unit 8 that performs various controls of a fuel cell power generation device. And the combustion exhaust gas discharged from the burner 2 drives the generator turbine 4 and the compressor turbine 6.
【0015】そして、インバータ7の出力路9と発電機
3の出力路10を送電路11に対して接続して、燃料電
池発電部1にて発電された直流電力がインバータ7にて
変換された交流電力、及び、発電機3にて発電された交
流電力とを送電路11に合流させて、その送電路11を
通じて電力需要先に供給するように構成してある。又、
発電機用タービン4及び圧縮機用タービン6を駆動した
後の燃焼排ガスから供給水に排熱を回収して、温水又は
蒸気を生成する排熱回収用熱交換器12を設けてある。
つまり、実施形態の燃料電池利用発電装置は、電力及び
熱を併給できるように構成してある。Then, the output path 9 of the inverter 7 and the output path 10 of the generator 3 are connected to the power transmission path 11, and the DC power generated by the fuel cell power generation unit 1 is converted by the inverter 7. The AC power and the AC power generated by the generator 3 are combined into the power transmission line 11 and supplied to the power demand destination through the power transmission line 11. or,
An exhaust heat recovery heat exchanger 12 is provided that recovers exhaust heat from the combustion exhaust gas after driving the generator turbine 4 and the compressor turbine 6 into the supply water to generate hot water or steam.
That is, the fuel cell power generation device of the embodiment is configured to be able to supply both power and heat.
【0016】燃料電池発電部1は、電解質層にYSZ
(Y2 O3 安定化ZrO2 )等の固体電解質を用いた固
体電解質型にて構成してある。固体電解質型の燃料電池
発電部1は公知であるので、詳細な説明及び図示は省略
するが、電解質層の一方の面に酸素極を備え且つ他方の
面に燃料極を備えるように円筒状や平板状に形成したセ
ルの複数を、各セルの酸素極に空気が供給可能で、各セ
ルの燃料極に燃料ガスが供給可能なように並置して構成
してある。The fuel cell power generation unit 1 includes a YSZ
It is configured as a solid electrolyte type using a solid electrolyte such as (Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ). Since the solid electrolyte type fuel cell power generation unit 1 is publicly known, detailed description and illustration thereof are omitted, but a cylindrical shape or the like having an oxygen electrode on one surface of the electrolyte layer and a fuel electrode on the other surface is provided. A plurality of flat cells are juxtaposed so that air can be supplied to the oxygen electrode of each cell and fuel gas can be supplied to the fuel electrode of each cell.
【0017】そして、燃料ガス供給用の燃料ガス供給路
13と、圧縮機5にて加圧された空気供給用の空気供給
路14とを、燃料電池発電部1に接続して、各セルに反
応用の燃料ガス及び空気を供給するように構成してあ
る。又、セルでの発電反応に寄与した後、セルから排出
される排燃料ガスを導く排燃料ガス排出路15と、セル
での発電反応に寄与した後、セルから排出される排空気
を導く排空気路16とを燃料電池発電部1に接続してあ
る。つまり、燃料ガス供給路13から供給された燃料ガ
スが各セルの燃料極側を流れて、発電反応に寄与した
後、排燃料ガスとして各セルから排出されて、排燃料ガ
ス排出路15にて導かれ、並びに、空気供給路14から
供給された空気が各セルの酸素極側を流れて、発電反応
に寄与した後、排空気として各セルから排出されて、排
空気路16にて導かれるようになっている。Then, the fuel gas supply path 13 for supplying the fuel gas and the air supply path 14 for supplying the air pressurized by the compressor 5 are connected to the fuel cell power generation unit 1 to connect each cell. It is configured to supply fuel gas and air for reaction. Further, an exhaust fuel gas discharge passage 15 for leading the exhaust fuel gas discharged from the cell after contributing to the power generation reaction in the cell, and an exhaust gas for guiding the exhaust air discharged from the cell after contributing to the power generation reaction in the cell. The air passage 16 is connected to the fuel cell power generation unit 1. That is, the fuel gas supplied from the fuel gas supply passage 13 flows on the fuel electrode side of each cell and contributes to the power generation reaction, and then is discharged from each cell as exhaust fuel gas. The air supplied from the air supply passage 14 flows on the oxygen electrode side of each cell, contributes to the power generation reaction, and is discharged from each cell as exhaust air, and is guided in the exhaust air passage 16. It has become.
【0018】尚、燃料電池発電部1は、圧力容器に収納
されていて、酸素極側に供給する空気の圧力に合わせ
て、燃料極側に供給する燃料ガスの圧力を調節すること
により、セラミックで構成されている固体電解質層にか
かる差圧を制御している。The fuel cell power generation section 1 is housed in a pressure vessel, and adjusts the pressure of the fuel gas supplied to the fuel electrode side in accordance with the pressure of the air supplied to the oxygen electrode side. The differential pressure applied to the solid electrolyte layer composed of
【0019】燃料ガス供給路13には、燃料電池発電部
1の出力を調節すべく、燃料電池発電部1に対する燃料
ガス供給量を調節する燃料ガス供給量調節弁V1を設け
てある。The fuel gas supply path 13 is provided with a fuel gas supply control valve V1 for controlling the fuel gas supply to the fuel cell power generator 1 in order to adjust the output of the fuel cell power generator 1.
【0020】ところで、固体電解質型の燃料電池発電部
1は、作動温度が800〜1000°Cと高温であるの
で、セル内部にて、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気を
用いて水素及び一酸化炭素を含有する水素リッチな改質
ガスに改質処理する、所謂、内部改質が可能である。そ
こで、燃料ガス供給路13により、都市ガス等の炭化水
素系の原燃料ガスを燃料ガスとして供給するようにして
ある。又、排燃料ガス排出路15から分岐させた分岐路
17を燃料ガス供給路13に接続して、燃料電池発電部
1から排出された排燃料ガスの一部を、燃料電池発電部
1に供給される原燃料ガスに混合させることにより、発
電反応により発生して排燃料ガスに含まれる水蒸気を、
改質処理用として燃料ガスに混合させるようにしてあ
る。尚、燃料電池発電部1には、セルに供給する前に、
原燃料ガスの一部を改質ガスに改質処理する予備改質器
(図示省略)を設けてあり、この予備改質器で改質され
た改質ガスを含む原燃料ガスがセルに供給されて、セル
内で更に原燃料ガスが改質ガスに内部改質され、改質ガ
スに含まれる水素及び一酸化炭素が発電反応するのであ
る。Since the operating temperature of the solid electrolyte type fuel cell power generation unit 1 is as high as 800 to 1000 ° C., the hydrocarbon-based raw fuel gas is converted into hydrogen and water using water vapor inside the cell. It is possible to perform a so-called internal reforming in which a reforming process is performed on a hydrogen-rich reformed gas containing carbon oxide. In view of this, the fuel gas supply path 13 supplies a hydrocarbon-based raw fuel gas such as city gas as fuel gas. Further, a branch path 17 branched from the exhaust fuel gas discharge path 15 is connected to the fuel gas supply path 13 to supply a part of the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell power generation section 1 to the fuel cell power generation section 1. By mixing with the raw fuel gas, the water vapor generated by the power generation reaction and contained in the exhaust fuel gas,
The fuel gas is mixed with the fuel gas for reforming. Note that the fuel cell power generation unit 1 has a
A preliminary reformer (not shown) for reforming a part of the raw fuel gas into a reformed gas is provided, and the raw fuel gas containing the reformed gas reformed by the preliminary reformer is supplied to the cell. Then, the raw fuel gas is further internally reformed into a reformed gas in the cell, and hydrogen and carbon monoxide contained in the reformed gas undergo a power generation reaction.
【0021】ちなみに、燃料極においては、原燃料ガス
が改質された改質ガス中の水素及び一酸化炭素と、固体
電解質層を酸素極から通過してきた酸素イオンとによ
り、下記の反応式1にて発電反応する。又、原燃料ガス
が例えばメタンガスの場合は、原燃料ガスは、排燃料ガ
スに含まれている水分及び二酸化炭素、並びに、下記の
反応式1の如き発電反応にて生成した水分と二酸化炭素
により、下記の反応式2にて改質反応して、水素及び一
酸化炭素を含む改質ガスが生成される。Incidentally, at the fuel electrode, the following reaction formula 1 is obtained by the hydrogen and carbon monoxide in the reformed gas obtained by reforming the raw fuel gas and the oxygen ions passing through the solid electrolyte layer from the oxygen electrode. Power generation reaction at. When the raw fuel gas is, for example, methane gas, the raw fuel gas is composed of water and carbon dioxide contained in the exhaust fuel gas, and water and carbon dioxide generated by the power generation reaction represented by the following reaction formula 1. A reforming reaction is performed according to the following reaction formula 2, and a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide is generated.
【0022】[0022]
【化1】〔反応式1〕H2 +O2-→H2 O+2e- 、C
O+O2-→CO2 +2e- 〔反応式2〕CH4 +H2 O→3H2 +CO、CH4 +
CO2 →2H2 +2CO[Reaction formula 1] H 2 + O 2- → H 2 O + 2e − , C
O + O 2− → CO 2 + 2e − [Reaction formula 2] CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO, CH 4 +
CO 2 → 2H 2 + 2CO
【0023】排燃料ガス排出路15及び排空気路16を
バーナ2に接続して、バーナ2にて、排燃料ガスを排空
気にて燃焼させる。The exhaust gas exhaust passage 15 and the exhaust air passage 16 are connected to the burner 2, and the burner 2 burns the exhaust fuel gas with the exhaust air.
【0024】本発明では、バーナ2から排出された燃焼
排ガスを導く燃焼排ガス供給路18を、発電機用タービ
ン向け路18gと圧縮機用タービン向け路18cとに分
岐し、発電機用タービン向け路18gを発電機用タービ
ン4に接続し、並びに、圧縮機用タービン向け路18c
を圧縮機用タービン6に接続して、換言すれば、発電機
用タービン4及び圧縮機用タービン6をバーナ2に対し
て並列接続して、バーナ2から排出された燃焼排ガス
を、発電機用タービン4及び圧縮機用タービン6に分配
供給するように構成してある。燃焼排ガスを発電機用タ
ービン4と圧縮機用タービン6とに分配供給する分配比
率を調節する燃焼排ガス分配比率調節手段として、排ガ
ス用開閉弁V4を発電機用タービン向け路18gに設け
てあり、その排ガス用開閉弁V4の開閉操作により、発
電機用タービン4に対する燃焼排ガスの供給を断続する
ことにより、前記分配比率を調節するように構成してあ
る。In the present invention, the flue gas supply passage 18 for guiding the flue gas discharged from the burner 2 is branched into a generator turbine passage 18g and a compressor turbine passage 18c, and the generator turbine passage 18c. 18g to the generator turbine 4 and a compressor turbine path 18c.
Is connected to the turbine 6 for the compressor, in other words, the turbine 4 for the generator and the turbine 6 for the compressor are connected in parallel to the burner 2, and the combustion exhaust gas discharged from the burner 2 is used for the generator. It is configured to distribute and supply to the turbine 4 and the compressor turbine 6. As a flue gas distribution ratio adjusting means for adjusting a distribution ratio for distributing and supplying the flue gas to the generator turbine 4 and the compressor turbine 6, an exhaust gas on-off valve V4 is provided in the generator turbine path 18g, The distribution ratio is adjusted by intermittently supplying the combustion exhaust gas to the generator turbine 4 by opening and closing the exhaust gas on-off valve V4.
【0025】発電機用タービン4から排出された排ガス
を導く発電機用タービン側排ガス路19g、及び、圧縮
機用タービン6から排出された排ガスを導く圧縮機用タ
ービン側排ガス路19cをタービン排ガス路19に接続
して、発電機用タービン4及び圧縮機用タービン6夫々
からのタービン排ガスを、タービン排ガス路19に合流
させて排出するようにしてある。A turbine exhaust gas path 19g for guiding the exhaust gas discharged from the generator turbine 4 and a compressor exhaust gas path 19c for guiding the exhaust gas discharged from the compressor turbine 6 are connected to a turbine exhaust gas path. The turbine exhaust gas from each of the generator turbine 4 and the compressor turbine 6 is connected to the turbine exhaust gas passage 19 and discharged.
【0026】燃料電池発電部1の出力を低下させて、排
燃料ガス量が少なくなって、発電機用タービン4や圧縮
機用タービン6を駆動するための燃焼排ガスが不足する
ときがあるが、そのときの燃焼排ガス補充用として、バ
ーナ2に都市ガス等のガス燃料を補給するガス燃料補給
路20をバーナ2に接続すると共に、そのガス燃料補給
路20には、ガス燃料の補給量を調節するガス燃料補給
量調節弁V2を設けてある。There is a case where the output of the fuel cell power generation unit 1 is reduced to reduce the amount of exhaust fuel gas, resulting in a shortage of combustion exhaust gas for driving the turbine 4 for the generator and the turbine 6 for the compressor. A gas fuel supply path 20 for supplying gas fuel such as city gas to the burner 2 is connected to the burner 2 for replenishing the combustion exhaust gas at that time, and the amount of gas fuel supplied to the gas fuel supply path 20 is adjusted. A gas fuel supply amount control valve V2 is provided.
【0027】圧縮機5から排出される圧縮空気量が、燃
料電池発電部1の出力に応じた量よりも多いときに、出
力に応じた量より多い余剰分を燃料電池発電部1を迂回
してバーナ2に供給すべく、空気供給路14から分岐さ
せた空気バイパス路21をバーナ2に接続すると共に、
その空気バイパス路21に、空気バイパス量を調節する
空気バイパス量調節弁V3を設けてある。When the amount of compressed air discharged from the compressor 5 is larger than the amount corresponding to the output of the fuel cell power generation unit 1, a surplus larger than the amount corresponding to the output bypasses the fuel cell power generation unit 1. In order to supply the air to the burner 2, an air bypass passage 21 branched from the air supply passage 14 is connected to the burner 2,
The air bypass passage 21 is provided with an air bypass amount adjusting valve V3 for adjusting the air bypass amount.
【0028】タービン排ガス路19を通流するタービン
排ガスと空気供給路14を通流する空気とを熱交換させ
て、空気供給路14を通流する空気を加熱する空気予熱
用熱交換器22、タービン排ガス路19を通流するター
ビン排ガスと燃料ガス供給路13を通流する燃料ガスと
を熱交換させて、燃料ガス供給路13を通流する燃料ガ
スを加熱する燃料ガス予熱用熱交換器23、タービン排
ガス路19を通流するタービン排ガスと排熱回収路24
を通流する湯水とを熱交換させて、排熱回収路24を通
流する湯水を加熱して温水又は蒸気を生成する上述の排
熱回収用熱交換器12を、記載順に、タービン排ガス路
19の上流側から下流側に向けて並ぶように設けてあ
る。The heat exchange between the turbine exhaust gas flowing through the turbine exhaust gas passage 19 and the air flowing through the air supply passage 14 to heat the air flowing through the air supply passage 14, A heat exchanger for preheating fuel gas, which heat-exchanges the turbine exhaust gas flowing through the turbine exhaust gas passage 19 and the fuel gas flowing through the fuel gas supply passage 13 to heat the fuel gas flowing through the fuel gas supply passage 13. 23, turbine exhaust gas flowing through turbine exhaust gas passage 19 and exhaust heat recovery passage 24
The heat exchange between the heat exchanger and the hot water flowing through the exhaust heat recovery passage 24 is performed to heat the hot water flowing through the exhaust heat recovery passage 24 to generate hot water or steam. 19 are arranged so as to line up from the upstream side to the downstream side.
【0029】送電路11には、燃料電池発電装置から出
力される電力を計測する電力計Wmを設けてある。The power transmission line 11 is provided with a power meter Wm for measuring the power output from the fuel cell power generator.
【0030】制御部8は、電力計8の検出電力に基づい
て、燃料ガス供給量調節弁V1、ガス燃料補給量調節弁
V2、空気バイパス量調節弁V3及び排ガス用開閉弁V
4夫々を制御するように構成してある。以下、制御部8
の制御動作について説明する。制御部8は、燃料電池発
電部1及び発電機3夫々の定格出力を合わせた合計定格
出力に対する実際の出力の割合である比出力Rが、設定
値Rs以上のときは、排ガス用開閉弁V4を開弁状態に
維持すると共に、比出力Rに応じて燃料電池発電部1の
出力を調節すべく燃料ガス供給量を調節するように、燃
料ガス供給量調節弁V1を制御し、且つ、比出力Rが設
定値Rsよりも小さいときは、排ガス用開閉弁V4を閉
弁状態に維持すると共に、比出力Rに応じて燃料電池発
電部1の出力を調節すべく燃料ガス供給量を調節するよ
うに、燃料ガス供給量調節弁V1を制御する。The control unit 8 controls the fuel gas supply amount control valve V1, the gas fuel supply amount control valve V2, the air bypass amount control valve V3, and the exhaust gas on-off valve V3 based on the power detected by the wattmeter 8.
It is configured to control each of the four. Hereinafter, the control unit 8
Will be described. When the specific output R, which is the ratio of the actual output to the total rated output obtained by combining the rated outputs of the fuel cell power generation unit 1 and the generator 3, is equal to or greater than the set value Rs, the control unit 8 controls the exhaust gas on-off valve V Is controlled to control the fuel gas supply amount adjusting valve V1 so as to adjust the fuel gas supply amount so as to adjust the output of the fuel cell power generation unit 1 according to the specific output R, When the output R is smaller than the set value Rs, the exhaust gas on-off valve V4 is kept closed and the fuel gas supply amount is adjusted to adjust the output of the fuel cell power generation unit 1 according to the specific output R. Thus, the fuel gas supply amount control valve V1 is controlled.
【0031】つまり、比出力Rが設定値Rs以上のとき
は、燃焼排ガスを発電機用タービン4及び圧縮機用ター
ビン6の両方に分配供給して、発電機3を定格出力にて
運転しながら燃料電池発電部1の出力を調節することに
より比出力Rを調節する運転形態の燃料電池/発電機並
行運転が実行され、比出力Rが設定値Rsよりも小さい
ときは、発電機用タービン4に対する燃焼排ガスの供給
を停止して、発電機3を停止した状態で燃料電池発電部
1の出力を調節することにより比出力Rを調節する運転
形態の燃料電池単独運転が実行される。That is, when the specific output R is equal to or higher than the set value Rs, the combustion exhaust gas is distributed and supplied to both the generator turbine 4 and the compressor turbine 6 and the generator 3 is operated at the rated output. The fuel cell / generator parallel operation is performed in an operation mode in which the specific output R is adjusted by adjusting the output of the fuel cell power generation unit 1. When the specific output R is smaller than the set value Rs, the generator turbine 4 In this state, the supply of the combustion exhaust gas to the fuel cell is stopped and the output of the fuel cell power generation unit 1 is adjusted in a state where the generator 3 is stopped.
【0032】図2及び図3は、上述のように構成した燃
料電池利用発電装置において、比出力Rを変更しなが
ら、燃料電池/発電機並行運転及び燃料電池単独運転の
夫々を実行して、夫々の運転において、比出力Rと全体
発電効率との関係を調べたものである。尚、燃料電池発
電部1は、燃料利用率を80%に設定して運転した。燃
料電池発電部1の定格出力は800kWであり、発電機
3の定格出力は224kWであり、補機により発電装置
内部で消費される補機電力は30kWであるので、燃料
電池発電部1及び発電機3夫々の定格出力を合わせた合
計定格出力は、燃料電池発電部1の定格出力800kW
と発電機3の定格出力224kWを加えたものから補機
電力30kWを減じた994kWとする。図2におい
て、全電気出力は、送電路11にて出力される電力であ
り、電力計Wmにて計測されるものであり、発電装置か
らの実際の出力に相当する。従って、比出力Rは、全電
気出力を合計定格出力994kWにて除した値にて示さ
れる。全体発電効率は、全電気出力を全供給熱量(低位
発熱基準)にて割った値であり、全供給熱量は、燃料ガ
ス供給量調節弁V1にて調節されて供給される燃料ガス
の熱量、及び、ガス燃料補給量調節弁V2にて調節され
て供給されるガス燃料の熱量を加えたものである。FIGS. 2 and 3 show that in the fuel cell power generator constructed as described above, the fuel cell / generator parallel operation and the fuel cell independent operation are executed while changing the specific output R. In each operation, the relationship between the specific output R and the overall power generation efficiency was examined. The fuel cell power generation unit 1 was operated with the fuel utilization set at 80%. The rated output of the fuel cell generator 1 is 800 kW, the rated output of the generator 3 is 224 kW, and the auxiliary power consumed inside the power generator by the auxiliary is 30 kW. The total rated output including the rated output of each of the units 3 is the rated output of the fuel cell power generation unit 1 of 800 kW.
It is 994 kW obtained by subtracting the auxiliary power 30 kW from the sum of the rated output 224 kW of the generator 3. In FIG. 2, the total electric output is electric power output from the power transmission line 11 and is measured by the power meter Wm, and corresponds to an actual output from the power generation device. Therefore, the specific output R is indicated by a value obtained by dividing the total electric output by the total rated output of 994 kW. The total power generation efficiency is a value obtained by dividing the total electric output by the total supply heat amount (lower heat generation standard), and the total supply heat amount is determined by the fuel gas supply amount control valve V1 and the heat amount of the fuel gas supplied. Further, the calorific value of the gas fuel supplied and adjusted by the gas fuel supply amount adjusting valve V2 is added.
【0033】図3は、燃料電池/発電機並行運転及び燃
料電池単独運転夫々における比出力と全体発電効率との
関係をグラフ化したものである。図3において、燃料電
池/発電機並行運転における前記関係を示す線と、燃料
電池単独運転における前記関係を示す線の交点に対応す
る比出力Rs( 例えば,0.55) とすると、比出力R
がRsより大きいときは、燃料電池/発電機並行運転の
方が全体発電効率が高く、比出力RがRsより小さいと
きは、燃料電池単独運転の方が全体発電効率が高い。そ
こで、燃料電池/発電機並行運転における前記関係を示
す線と、燃料電池単独運転における前記関係を示す線の
交点に対応する比出力Rsを前記設定値に設定するので
ある。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the specific output and the overall power generation efficiency in each of the fuel cell / generator parallel operation and the fuel cell independent operation. In FIG. 3, assuming that a specific output Rs (for example, 0.55) corresponding to the intersection of the line indicating the relationship in the fuel cell / generator parallel operation and the line indicating the relationship in the fuel cell alone operation, the specific output R
Is larger than Rs, the fuel cell / generator parallel operation has higher overall power generation efficiency, and when the specific output R is smaller than Rs, the fuel cell alone operation has higher overall power generation efficiency. Therefore, the specific output Rs corresponding to the intersection of the line indicating the relationship in the fuel cell / generator parallel operation and the line indicating the relationship in the fuel cell independent operation is set to the set value.
【0034】つまり、本発明による燃料電池利用発電装
置では、比出力Rが設定値Rs以上のときは、全体発電
効率が燃料電池単独運転よりも高くなる燃料電池/発電
機並行運転を選択し、比出力Rが設定値Rsよりも小さ
いときは、全体発電効率が燃料電池/発電機並行運転よ
りも高くなる燃料電池単独運転を選択する。これに対し
て、従来の燃料電池利用発電装置では、比出力Rの調節
範囲の全域にわたって、燃料電池/発電機並行運転を行
う。従って、比出力Rが設定値Rsよりも小さいとき
は、本発明による燃料電池利用発電装置によれば、従来
よりも全体発電効率が高くなる状態で運転することがで
きる。That is, when the specific output R is equal to or higher than the set value Rs, the fuel cell / generator using the fuel cell according to the present invention selects the fuel cell / generator parallel operation in which the overall power generation efficiency is higher than the fuel cell single operation. When the specific output R is smaller than the set value Rs, the fuel cell single operation in which the overall power generation efficiency is higher than the fuel cell / generator parallel operation is selected. On the other hand, in the conventional fuel cell power generation device, the fuel cell / generator parallel operation is performed over the entire adjustment range of the specific output R. Therefore, when the specific output R is smaller than the set value Rs, the fuel cell power generation device according to the present invention can be operated in a state in which the overall power generation efficiency is higher than in the related art.
【0035】燃料電池/発電機並行運転においては、発
電機3を定格出力にて運転しながら、燃料電池発電部1
の出力を調節することにより比出力Rを調節するので、
発電機3を定格出力にて駆動することができると共に、
圧縮機5を、燃料電池発電部1における固体電解質層に
かかる差圧を適正に制御できる圧力状態で空気を供給す
ることができるに足りる量の燃焼排ガスが、バーナ2に
て生成される必要がある。尚、以下の説明においては、
圧縮機5を、燃料電池発電部1における固体電解質層に
かかる差圧を適正に制御できる圧力で空気を供給するよ
うに駆動する状態を、燃料電池差圧対応駆動と称する場
合がある。従って、燃料電池/発電機並行運転におい
て、比出力Rに応じて燃料電池発電部1の出力を小さく
することによって、燃料電池発電部1からの排燃料ガス
量が少なくなって、発電機3を定格出力にて駆動すると
共に、圧縮機5を前記燃料電池差圧対応駆動するために
必要な燃焼排ガス量がバーナ2にて生成されない場合に
は、制御部8によって、必要燃焼排ガス量が生成できる
ように、ガス燃料補給量調節弁V2を制御して、バーナ
2にガス燃料を補給する。In the fuel cell / generator parallel operation, the fuel cell power generation unit 1 is operated while the generator 3 is operated at the rated output.
Since the specific output R is adjusted by adjusting the output of
The generator 3 can be driven at the rated output,
It is necessary for the burner 2 to generate a sufficient amount of combustion exhaust gas to supply air to the compressor 5 at a pressure capable of appropriately controlling the differential pressure applied to the solid electrolyte layer in the fuel cell power generation unit 1. is there. In the following description,
A state in which the compressor 5 is driven to supply air at a pressure that can appropriately control the differential pressure applied to the solid electrolyte layer in the fuel cell power generation unit 1 may be referred to as a fuel cell differential pressure corresponding drive. Therefore, in the fuel cell / generator parallel operation, by reducing the output of the fuel cell generator 1 in accordance with the specific output R, the amount of fuel gas exhausted from the fuel cell generator 1 is reduced, and the generator 3 is If the burner 2 does not generate the required amount of combustion exhaust gas to drive the compressor 5 at the rated output and drive the compressor 5 corresponding to the fuel cell differential pressure, the control unit 8 can generate the required amount of combustion exhaust gas. Thus, the gas fuel supply amount control valve V2 is controlled to supply the gas fuel to the burner 2.
【0036】又、燃料電池単独運転においては、発電機
3を停止した状態で、燃料電池発電部1の出力を調節す
ることにより比出力Rを調節する。従って、燃料電池単
独運転において、比出力Rに応じて燃料電池発電部1の
出力を小さくすることによって、燃料電池発電部1から
の排燃料ガス量が少なくなって、圧縮機5を燃料電池差
圧対応駆動するために必要な燃焼排ガス量がバーナ2に
て生成されない場合には、制御部8によって、必要燃焼
排ガス量が生成できるように、ガス燃料補給量調節弁V
2を制御して、バーナ2にガス燃料を補給する。In the fuel cell single operation, the specific output R is adjusted by adjusting the output of the fuel cell power generation unit 1 with the generator 3 stopped. Therefore, in the fuel cell independent operation, by reducing the output of the fuel cell power generation unit 1 in accordance with the specific output R, the amount of fuel gas exhausted from the fuel cell power generation unit 1 decreases, and the compressor 5 When the burner 2 does not generate the required amount of combustion exhaust gas for the pressure-dependent driving, the control unit 8 controls the gas fuel supply amount control valve V so that the required amount of combustion exhaust gas can be generated.
2 is controlled to supply gas fuel to the burner 2.
【0037】尚、燃料電池/発電機並行運転及び燃料電
池単独運転夫々におけるガス燃料補給量は、予め、比出
力に対応させて設定して、制御部8に記憶させてある。The gas fuel supply amount in each of the fuel cell / generator parallel operation and the fuel cell independent operation is set in advance in correspondence with the specific output and stored in the control unit 8.
【0038】燃料電池/発電機並行運転において高い比
出力で運転しているときや、燃料電池/発電機並行運転
から燃料電池単独運転に切り換えたときには、圧縮機5
から排出される空気量が、燃料電池発電部1で必要とさ
れる空気量よりも多くなる場合が有るが、そのような場
合は、余剰空気をバーナ2に供給すべく、制御手段8に
より、空気バイパス量調節弁V3を制御する。余剰空気
量は、予め、比出力に対応させて設定して、制御部8に
記憶させてある。When operating at a high specific output in the fuel cell / generator parallel operation or when switching from the fuel cell / generator parallel operation to the fuel cell independent operation, the compressor 5
The amount of air discharged from the fuel cell power generation unit 1 may be larger than the amount of air required in the fuel cell power generation unit 1. In such a case, the control unit 8 controls the excess air to be supplied to the burner 2 by the control unit 8. The air bypass amount control valve V3 is controlled. The surplus air amount is set in advance in correspondence with the specific output and stored in the control unit 8.
【0039】上述のように、燃料電池発電部1を、発電
反応が800〜1000°C程度と高温の固体電解質型
燃料電池にて構成することにより、燃料電池発電部1か
ら排出される排燃料ガス及び排空気は、発電反応温度と
同等の高温であるので、発電機用タービン4を高温の燃
焼排ガスにて駆動することが可能となって、発電機3に
おいては、高発電効率且つ高出力の発電を行わせること
ができる。従って、高出力で、しかも、比出力が小さい
ときでも全体発電効率を高くし得る燃料電池発電装置を
提供することができるようになった。As described above, the fuel cell power generation unit 1 is constituted by a solid electrolyte fuel cell whose power generation reaction is as high as about 800 to 1000 ° C., so that the fuel discharged from the fuel cell power generation unit 1 is discharged. Since the gas and the exhaust air have a high temperature equivalent to the power generation reaction temperature, the generator turbine 4 can be driven by the high temperature combustion exhaust gas, and the power generator 3 has high power generation efficiency and high output. Power generation can be performed. Therefore, it has become possible to provide a fuel cell power generation device that has a high output and can increase the overall power generation efficiency even when the specific output is small.
【0040】〔別実施形態〕次に別実施形態を説明す
る。 (イ) 上記の実施形態においては、燃焼排ガス分配比
率調節手段として、排ガス用開閉弁V4を発電機用ター
ビン向け路18gに設けて、その排ガス用開閉弁V4の
開閉操作により、発電機用タービン4に対する燃焼排ガ
スの供給を断続することにより、前記分配比率を調節す
るように構成する場合について例示した。これに代え
て、燃焼排ガス分配比率調節手段として、発電機用ター
ビン向け路18g及び圧縮機用タービン向け路18cの
いずれか一方、又は、両方に比例弁を設けて、この比例
弁により、発電機用タービン4に対する燃焼排ガスの供
給量を段階的又は連続的に調節することにより、前記分
配比率を調節するように構成してもよい。この場合は、
比出力Rが小さいときには、燃料電池発電部1の出力は
一定に維持した状態で、発電機3の出力を調節すること
により、比出力Rを調節したり、あるいは、燃料電池発
電部1及び発電機3夫々の出力を調節することにより、
比出力Rを調節する。この場合も、従来よりも発電機出
力比率を小さくすることができるので、全体発電効率を
高くすることができる。[Another Embodiment] Next, another embodiment will be described. (A) In the above embodiment, the exhaust gas on-off valve V4 is provided on the generator turbine path 18g as the flue gas distribution ratio adjusting means, and the exhaust gas on-off valve V4 is opened and closed to operate the generator turbine. The case where the distribution ratio is adjusted by intermittently supplying the combustion exhaust gas to No. 4 has been exemplified. Instead, a proportional valve is provided as one or both of the generator turbine path 18g and the compressor turbine path 18c as a combustion exhaust gas distribution ratio adjusting means, and the generator valve is provided by the proportional valve. The distribution ratio may be adjusted by adjusting the supply amount of the combustion exhaust gas to the utility turbine 4 stepwise or continuously. in this case,
When the specific output R is small, the output of the generator 3 is adjusted while the output of the fuel cell power generator 1 is kept constant, so that the specific output R can be adjusted or the fuel cell power generator 1 and the power generator can be controlled. By adjusting the output of each machine 3,
Adjust the specific output R. Also in this case, the generator output ratio can be made smaller than in the past, so that the overall power generation efficiency can be increased.
【0041】(ロ) 燃料ガス供給路13を通じて燃料
電池発電部1に供給する燃料ガスとしては、上記の実施
形態において例示した炭化水素系の原燃料ガスに限定さ
れるものではない。例えば、予め、炭化水素系の原燃料
(ガソリン、メタノール、エタノール等の液体原燃料
や、メタン、プロパン等の気体原燃料)を水蒸気で改質
処理した水素リッチな改質ガスや、そのような改質ガス
と炭化水素系の原燃料ガスとの混合ガスでもよい。ある
いは、純水素ガスでもよい。(B) The fuel gas supplied to the fuel cell power generation section 1 through the fuel gas supply path 13 is not limited to the hydrocarbon-based raw fuel gas exemplified in the above embodiment. For example, a hydrogen-rich reformed gas obtained by previously reforming a hydrocarbon-based raw fuel (a liquid raw fuel such as gasoline, methanol, and ethanol, or a gaseous raw fuel such as methane and propane) with steam is used. A mixed gas of a reformed gas and a hydrocarbon-based raw fuel gas may be used. Alternatively, pure hydrogen gas may be used.
【0042】(ハ) 燃料電池発電部1の型式として
は、上記の実施形態において例示した如き、固体電解質
型に限定されるものではなく、電解質として溶融炭酸塩
を用いた溶融炭酸塩型、電解質としてリン酸を用いたリ
ン酸型、電解質として固体高分子を用いた固体高分子型
でも良い。但し、発電機3において高発電効率且つ高出
力の発電を行わせて、高出力を得るには、本発明を、発
電反応温度が高温の固体電解質型や溶融炭酸塩型燃料電
池に適用するのが好ましい。(C) The type of the fuel cell power generation section 1 is not limited to the solid electrolyte type as exemplified in the above embodiment, but is a molten carbonate type using a molten carbonate as an electrolyte, and an electrolyte. May be a phosphoric acid type using phosphoric acid, and a solid polymer type using a solid polymer as an electrolyte. However, in order to cause the generator 3 to generate power with high power generation efficiency and high output to obtain high output, the present invention is applied to a solid electrolyte type or a molten carbonate type fuel cell having a high power generation reaction temperature. Is preferred.
【図1】実施形態にかかる燃料電池利用発電装置の系統
図FIG. 1 is a system diagram of a power generation device using a fuel cell according to an embodiment.
【図2】燃料電池/発電機並行運転及び燃料電池単独運
転夫々における比出力と全体発電効率との関係を示す図FIG. 2 is a diagram showing the relationship between specific output and overall power generation efficiency in each of fuel cell / generator parallel operation and fuel cell independent operation.
【図3】燃料電池/発電機並行運転及び燃料電池単独運
転夫々における比出力と全体発電効率との関係を示す図FIG. 3 is a diagram showing the relationship between specific output and overall power generation efficiency in each of fuel cell / generator parallel operation and fuel cell independent operation.
【図4】従来の燃料電池利用発電装置の系統図FIG. 4 is a system diagram of a conventional fuel cell power generation device.
1 燃料電池発電部 2 燃焼部 3 発電機 4 発電機用タービン 5 圧縮機 6 圧縮機用タービン V1 燃料ガス供給量調節手段 V4 燃焼排ガス分配比率調節手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell power generation part 2 Combustion part 3 Generator 4 Turbine for generator 5 Compressor 6 Turbine for compressor V1 Fuel gas supply amount adjusting means V4 Combustion exhaust gas distribution ratio adjusting means
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横山 久男 大阪府大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪瓦斯株式会社内 Fターム(参考) 5H027 AA06 BC11 DD01 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Hisao Yokoyama 4-1-2, Hirano-cho, Chuo-ku, Osaka-shi, Osaka F-term in Osaka Gas Co., Ltd. 5H027 AA06 BC11 DD01
Claims (2)
電する燃料電池発電部と、その燃料電池発電部から排出
された排燃料ガスを前記燃料電池発電部から排出された
排酸素含有ガスにて燃焼させる燃焼部と、発電機を駆動
する発電機用タービンと、前記燃料電池発電部に供給す
る酸素含有ガスを加圧する圧縮機を駆動する圧縮機用タ
ービンとが設けられ、 前記燃焼部から排出された燃焼排ガスにて、前記発電機
用タービン及び前記圧縮機用タービンが駆動されるよう
に構成された燃料電池利用発電装置であって、 前記発電機用タービン及び前記圧縮機用タービンが、前
記燃焼部に対して並列接続された状態で設けられ、 前記燃焼排ガスが前記発電機用タービンと前記圧縮機用
タービンとに分配供給される分配比率を調節する燃焼排
ガス分配比率調節手段が設けられている燃料電池利用発
電装置。1. A fuel cell power generation section that is supplied with a fuel gas and an oxygen-containing gas to generate electric power, and converts exhaust fuel gas discharged from the fuel cell power generation section into exhaust oxygen-containing gas discharged from the fuel cell power generation section. A combustion unit that drives the generator, a turbine for a generator that drives a generator, and a turbine for a compressor that drives a compressor that pressurizes the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell power generation unit. A fuel cell-based power generator configured to drive the generator turbine and the compressor turbine with the discharged combustion exhaust gas, wherein the generator turbine and the compressor turbine include: A combustion exhaust gas distribution that is provided in parallel with the combustion unit and that adjusts a distribution ratio at which the combustion exhaust gas is distributed and supplied to the generator turbine and the compressor turbine; A fuel cell-based power generation device provided with a ratio adjusting means.
給量を調節する燃料ガス供給量調節手段が設けられ、 前記燃焼排ガス分配比率調節手段により、前記燃料電池
発電部及び前記発電機夫々の定格出力を合わせた合計定
格出力に対する実際の出力の割合である比出力が、設定
値以上のときは、前記燃焼排ガスが前記発電機用タービ
ン及び前記圧縮機用タービンの両方に分配供給され、且
つ、前記比出力が前記設定値よりも小さいときは、前記
発電機用タービンに対する前記燃焼排ガスの供給が停止
されるように構成され、 前記比出力が前記設定値よりも小さいときは、前記燃料
ガス供給量調節手段により、前記比出力に応じて前記燃
料電池発電部の出力を調節すべく、前記燃料ガス供給量
が調節されるように構成されている請求項1記載の燃料
電池利用発電装置。2. A fuel gas supply amount adjusting means for adjusting an amount of fuel gas supplied to the fuel cell power generation unit, and a rated output of each of the fuel cell power generation unit and the generator by the combustion exhaust gas distribution ratio adjusting means. When the specific output, which is the ratio of the actual output to the total rated output, is equal to or greater than a set value, the combustion exhaust gas is distributed and supplied to both the turbine for the generator and the turbine for the compressor, and When the specific output is smaller than the set value, the supply of the combustion exhaust gas to the generator turbine is stopped. When the specific output is smaller than the set value, the fuel gas supply amount is reduced. 2. The fuel gas supply amount according to claim 1, wherein the adjusting means adjusts the fuel gas supply amount so as to adjust the output of the fuel cell power generation unit in accordance with the specific output. Charge the battery using power generation equipment.
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