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JP3344439B2 - Combustion device and combustion method for turbine compressor - Google Patents

Combustion device and combustion method for turbine compressor

Info

Publication number
JP3344439B2
JP3344439B2 JP00104894A JP104894A JP3344439B2 JP 3344439 B2 JP3344439 B2 JP 3344439B2 JP 00104894 A JP00104894 A JP 00104894A JP 104894 A JP104894 A JP 104894A JP 3344439 B2 JP3344439 B2 JP 3344439B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
combustion
exhaust gas
temperature
turbine
Prior art date
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Application number
JP00104894A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH07208200A (en
Inventor
美裕 四十物
Original Assignee
石川島播磨重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 石川島播磨重工業株式会社 filed Critical 石川島播磨重工業株式会社
Priority to JP00104894A priority Critical patent/JP3344439B2/en
Publication of JPH07208200A publication Critical patent/JPH07208200A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池
発電設備におけるタービンコンプレッサ用燃焼装置とそ
の燃焼方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a combustion apparatus for a turbine compressor in a molten carbonate fuel cell power generation system and a combustion method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
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、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に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では、図5に示すように燃料ガ
ス1と水蒸気2との混合ガス3を水素を含むアノードガ
ス4に改質する改質器10と、アノードガス4と酸素を
含むカソードガス5とから発電する燃料電池20とを備
えており、改質器10で作られたアノードガス4は燃料
電池20に供給され、燃料電池内でその大部分(例えば
80%)を消費してアノード排ガス6となり、その水分
を気水分離器12で分離した後、燃焼用ガス7として改
質器10の燃焼器に供給される。改質器10では燃焼用
ガス7中の可燃成分(水素、一酸化炭素、メタン等)を
燃焼器で燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、この高温の
燃焼ガスにより改質管を加熱し改質管内を流れる混合ガ
ス3を改質する。改質器を出た燃焼排ガス8にはコンプ
レッサ24で加圧された空気11が合流してカソードガ
ス5となり、このカソードガス5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9となり、その一
部がリサイクルされ、残りはタービンコンプレッサ22
(動力回収装置)のタービン23で動力を回収し、ボイ
ラ25で熱を回収して、系外に排出される。なお、図5
で、13はアノード排ガスブロア、14はカソード循環
ブロアである。
2. Description of the Related Art Molten carbonate fuel cells have features that are not found in conventional power generation devices, such as high efficiency and little impact on the environment, and have attracted attention as power generation systems following hydro, thermal and nuclear power. Are being researched and developed in various countries around the world. In particular, in a power generation facility using a molten carbonate fuel cell using natural gas as a fuel, as shown in FIG. 5, reforming in which a mixed gas 3 of fuel gas 1 and steam 2 is reformed to an anode gas 4 containing hydrogen. The fuel cell 20 includes a reformer 10 and a fuel cell 20 that generates electricity from the anode gas 4 and the cathode gas 5 containing oxygen. The anode gas 4 produced by the reformer 10 is supplied to the fuel cell 20 and is generated in the fuel cell. Most (80%, for example) of the exhaust gas is consumed to become the anode exhaust gas 6, and the moisture is separated by the steam separator 12, and then supplied to the combustor of the reformer 10 as the combustion gas 7. In the reformer 10, combustible components (hydrogen, carbon monoxide, methane, etc.) in the combustion gas 7 are combusted by a combustor to generate a high-temperature combustion gas, and the high-temperature combustion gas heats a reforming tube. The mixed gas 3 flowing in the reforming pipe is reformed. The air 11 pressurized by the compressor 24 merges with the combustion exhaust gas 8 exiting the reformer to become the cathode gas 5, and the cathode gas 5 partially reacts in the fuel cell 20 and has a high temperature. 9 and a part thereof is recycled, and the rest is
The power is recovered by the turbine 23 (power recovery device), the heat is recovered by the boiler 25, and the heat is discharged out of the system. FIG.
Reference numeral 13 denotes an anode exhaust gas blower, and 14 denotes a cathode circulation blower.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上述した燃料電池発電
設備において、部分負荷時には設備内の循環ガス量を定
格の約30%程度まで減少させる必要がある。しかし、
タービンコンプレッサ22のコンプレッサ24は、その
特性上、定格流量の80%程度以下になるとサージング
を起こし安定して使用できなくなるため、従来の発電設
備では、図5に示すように、タービンコンプレッサのタ
ービン23の入口ラインに燃焼器26と空気バイパスラ
イン27を設け、部分負荷時にカソード排ガス9の流量
が少なくなると、空気バイパスライン27を介してコン
プレッサ24で圧縮した空気11の一部をカソード排ガ
ス9に合流させ、かつ燃焼器26で燃料ガス1を燃焼さ
せて、タービン23に流入するガスの流量と温度を高
め、コンプレッサ24のサージングを防ぐようにしてい
た。
In the above-described fuel cell power generation equipment, it is necessary to reduce the amount of circulating gas in the equipment to about 30% of the rated value at the time of partial load. But,
Due to the characteristics of the compressor 24 of the turbine compressor 22, when the flow rate is about 80% or less of the rated flow rate, the compressor 24 surcharges and cannot be used stably. Therefore, in the conventional power generation equipment, as shown in FIG. A combustor 26 and an air bypass line 27 are provided at the inlet line of the air conditioner. When the flow rate of the cathode exhaust gas 9 decreases at a partial load, a part of the air 11 compressed by the compressor 24 via the air bypass line 27 joins the cathode exhaust gas 9. Then, the fuel gas 1 is burned in the combustor 26 to increase the flow rate and temperature of the gas flowing into the turbine 23, thereby preventing the compressor 24 from surging.

【0004】しかし、かかるタービンコンプレッサの運
転手段では、燃焼器26の安定燃焼範囲が狭く、火炎
が吹き消えやすい問題点があった。すなわち、日本機械
学会論文集(B編)52巻473号(昭61−1)の文
献「燃焼触媒における低濃度メタンの燃焼条件の検討」
(永沼義男ら)に開示された図3から明らかなように、
従来の燃焼器26における火炎燃焼ではメタン濃度が約
5%以下になるとわずかの流速でも吹き消え(Blow Off)
が生じるため、空気バイパスライン27を介してカソ
ード排ガス9に合流させる空気11(合流空気)の多少
にかかわらずカソード排ガス9と合流空気の総和の5%
に相当する燃料ガスを常に必要とし、このため、常に余
分の燃料ガスを消費し、発電設備全体の効率を低下させ
てしまう問題点があった。また、合流空気の多少にか
かわらず常に5%に相当する燃料ガスを燃焼させるた
め、合流空気が少ない場合にはタービン23に流入する
ガスが過熱される問題点があった。
[0004] However, such a turbine compressor operating means has a problem that the stable combustion range of the combustor 26 is narrow and the flame easily blows out. That is, the document of the Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (B), Vol.
As is clear from FIG. 3 disclosed by (Yoshio Naganuma and others),
In the flame combustion in the conventional combustor 26, when the methane concentration becomes about 5% or less, even a small flow rate blows out (Blow Off).
Therefore, 5% of the total of the cathode exhaust gas 9 and the combined air regardless of the amount of the air 11 (combined air) to be combined with the cathode exhaust gas 9 via the air bypass line 27.
Therefore, there is a problem that the fuel gas corresponding to the above is always required, and therefore the excess fuel gas is always consumed, and the efficiency of the entire power generation equipment is reduced. In addition, since fuel gas equivalent to 5% is always burned regardless of the amount of the combined air, there is a problem that when the combined air is small, the gas flowing into the turbine 23 is overheated.

【0005】更に、図3に示されるように、触媒燃焼
を用いて比較的薄いメタン濃度で燃焼させることもでき
るが、この場合でも約1m/s程度の流速で2〜3%に
相当する燃料ガスを必要とし、同様に発電設備全体の効
率を低下させる問題点があり、かつ触媒燃焼の場合
に、合流空気が少なくガス温度が高くなりすぎると触媒
を短時間に劣化させてしまう問題点があった。
[0005] Further, as shown in FIG. 3, combustion can be performed at a relatively low methane concentration by using catalytic combustion. However, even in this case, a fuel equivalent to 2-3% at a flow rate of about 1 m / s is used. Gas is required, and similarly, there is a problem that the efficiency of the entire power generation equipment is reduced, and in the case of catalytic combustion, if the combined air is small and the gas temperature becomes too high, the catalyst is deteriorated in a short time. there were.

【0006】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、最小限の燃料ガスで安定燃焼を維持することがで
き、タービンに流入するガス温度を最適なレベルまで高
めることができ、これにより、コンプレッサのサージン
グを防止して燃料電池発電設備を低い部分負荷(例えば
定格の約30%程度)で運転することができる、タービ
ンコンプレッサ用燃焼装置と燃焼方法を提供することに
ある。
The present invention has been made to solve the various problems described above. That is, an object of the present invention is to maintain stable combustion with a minimum amount of fuel gas, to increase the temperature of gas flowing into a turbine to an optimum level, and thereby prevent surging of a compressor and reduce fuel An object of the present invention is to provide a combustion device and a combustion method for a turbine compressor that can operate a battery power generation facility at a low partial load (for example, about 30% of the rating).

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃料電
池のカソード排ガスで駆動するタービンと、該タービン
で駆動され空気を圧縮するコンプレッサとを備えたター
ビンコンプレッサ用の燃焼装置であって、カソード排ガ
スが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮した空気の一
部を燃料ガスと混合する燃料混合ラインと、混合された
ガスを高温のカソード排ガスで間接加熱する熱交換器
と、加熱された混合ガスを燃焼させる燃焼器と、燃焼後
の排ガスを熱交換器を通過したカソード排ガスと混合し
てタービンに供給するガス供給ラインと、を備え、これ
により、タービンに供給するガスの流量と温度を高めコ
ンプレッサのサージングを防止することを特徴とするタ
ービンコンプレッサ用燃焼装置が提供される。
According to the present invention, there is provided a combustion device for a turbine compressor, comprising: a turbine driven by cathode exhaust gas of a fuel cell; and a compressor driven by the turbine to compress air. A fuel mixing line that mixes a part of the air compressed by the compressor with fuel gas when the cathode exhaust gas has a low flow rate, a heat exchanger that indirectly heats the mixed gas with hot cathode exhaust gas, and a heated mixing A combustor for burning the gas, and a gas supply line for mixing the exhaust gas after combustion with the cathode exhaust gas passed through the heat exchanger and supplying the mixed gas to the turbine, whereby the flow rate and the temperature of the gas supplied to the turbine are controlled. A combustion device for a turbine compressor is provided, wherein surging of a high compressor is prevented.

【0008】本発明の好ましい実施例によれば、前記燃
焼器は、内部に燃焼触媒を備えた触媒燃焼器である。ま
た、ガス流量調節弁を有し、前記熱交換器をバイパスし
てカソード排ガスを流すガスバイパスラインと、熱交換
器で加熱された混合ガスの温度を検出して前記ガス流量
調節弁を制御する加熱ガス温度調節器とを更に備え、該
加熱ガス温度調節器により、前記加熱された混合ガスが
触媒燃焼の開始に適した温度になるようにガス流量調節
弁を制御する。前記触媒燃焼の開始に適した温度は、約
350℃〜約450℃である、ことが好ましい。更に、
空気流量調節弁を有し、前記熱交換器と燃焼器をバイパ
スして空気を燃焼後の排ガスに供給する空気バイパスラ
インと、燃焼後の排ガス温度を検出して前記空気流量調
節弁を制御する排ガス温度調節器とを更に備え、該排ガ
ス温度調節器により、前記排ガス温度が触媒燃焼に適し
た温度になるように空気流量調節弁を制御する。前記触
媒燃焼に適した温度は、約750℃〜約1000℃であ
る、ことが好ましい。
According to a preferred embodiment of the present invention, the combustor is a catalytic combustor having a combustion catalyst therein. In addition, a gas flow control valve is provided, the gas bypass line for bypassing the heat exchanger to flow the cathode exhaust gas, and the temperature of the mixed gas heated by the heat exchanger is detected to control the gas flow control valve. A heating gas temperature controller for controlling the gas flow control valve so that the heated mixed gas has a temperature suitable for starting catalytic combustion. Preferably, a suitable temperature for initiating the catalytic combustion is from about 350C to about 450C. Furthermore,
An air bypass line that has an air flow control valve and supplies air to the exhaust gas after combustion by bypassing the heat exchanger and the combustor; and detects the temperature of the exhaust gas after combustion to control the air flow control valve. The exhaust gas temperature controller further controls the air flow control valve so that the exhaust gas temperature becomes a temperature suitable for catalytic combustion. Preferably, a suitable temperature for the catalytic combustion is from about 750C to about 1000C.

【0009】また、本発明によれば、燃料電池のカソー
ド排ガスで駆動するタービンと、該タービンで駆動され
空気を圧縮するコンプレッサとを備えたタービンコンプ
レッサ用の燃焼方法であって、カソード排ガスが低流量
の場合に、コンプレッサで圧縮した空気の一部を燃料ガ
スと混合し、該混合ガスを高温のカソード排ガスで間接
加熱し、該加熱混合ガスを触媒燃焼させ、該燃焼排ガス
を間接加熱後のカソード排ガスに混合してタービンに供
給する、ことにより、タービンに供給するガスの流量と
温度を高めコンプレッサのサージングを防止することを
特徴とするタービンコンプレッサ用燃焼方法が提供され
る。
Further, according to the present invention, there is provided a combustion method for a turbine compressor comprising a turbine driven by cathode exhaust gas of a fuel cell, and a compressor driven by the turbine to compress air, wherein the cathode exhaust gas is low. In the case of the flow rate, a part of the air compressed by the compressor is mixed with the fuel gas, the mixed gas is indirectly heated with a high-temperature cathode exhaust gas, the heated mixed gas is subjected to catalytic combustion, and the combustion exhaust gas is subjected to indirect heating. There is provided a combustion method for a turbine compressor, wherein the method is mixed with cathode exhaust gas and supplied to a turbine to increase the flow rate and temperature of gas supplied to the turbine to prevent surging of the compressor.

【0010】[0010]

【作用】上記本発明の装置及び方法によれば、カソード
排ガスが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮した空気
の一部をカソード排ガスと混合してタービンに供給する
ので、タービンに供給されるガス量を増大させることが
できる。また、燃料混合ラインにより燃料ガスは必要な
空気とのみ混合するので、カソード排ガスで燃料ガスが
希釈されることがなく、タービンに供給するガスの加熱
に必要な最小限の燃料ガスを燃焼器で安定燃焼させるこ
とができる。更に、空気と混合された燃料ガスを熱交換
器によりカソード排ガスで間接加熱するので、燃焼器で
の燃焼に適した温度に燃料ガスを予熱することができ
る。
According to the apparatus and method of the present invention, when the cathode exhaust gas has a low flow rate, a part of the air compressed by the compressor is mixed with the cathode exhaust gas and supplied to the turbine. The amount can be increased. In addition, since the fuel gas is mixed only with the necessary air by the fuel mixing line, the fuel gas is not diluted by the cathode exhaust gas, and the minimum fuel gas necessary for heating the gas supplied to the turbine is supplied to the combustor. Stable combustion is possible. Further, since the fuel gas mixed with air is indirectly heated by the heat exchanger with the cathode exhaust gas, the fuel gas can be preheated to a temperature suitable for combustion in the combustor.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付してその説明の重複を省略する。図1
は、本発明によるタービンコンプレッサ用燃焼装置を備
えた図5と同様の発電設備の全体構成図であり、図2
は、タービンコンプレッサ用燃焼装置の全体構成図であ
る。図1において、タービンコンプレッサ用燃焼装置3
0以外の構成は、図5の従来の発電設備と同様である。
図1及び図2において、本発明のタービンコンプレッサ
用燃焼装置30は、燃料電池20のカソード排ガス9で
駆動するタービン23と、タービン23で駆動され空気
11を圧縮するコンプレッサ24とを備えたタービンコ
ンプレッサ22用の燃焼装置である。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each of the drawings, common portions are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. FIG.
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a power generation facility similar to FIG. 5 provided with a combustion device for a turbine compressor according to the present invention;
1 is an overall configuration diagram of a combustion device for a turbine compressor. In FIG. 1, a combustion device 3 for a turbine compressor
Configurations other than 0 are the same as those of the conventional power generation equipment of FIG.
1 and 2, a turbine compressor combustion device 30 of the present invention includes a turbine 23 driven by a cathode exhaust gas 9 of a fuel cell 20 and a compressor 24 driven by the turbine 23 to compress the air 11. 22 is a combustion device.

【0012】図2において、本発明のタービンコンプレ
ッサ用燃焼装置30は、カソード排ガス9が低流量の場
合に、コンプレッサ24で圧縮した空気11の一部を燃
料ガス1と混合する燃料混合ライン31と、混合された
ガスを高温のカソード排ガス9で間接加熱する熱交換器
32と、加熱された混合ガスを燃焼させる燃焼器33
と、燃焼後の排ガスを熱交換器32を通過したカソード
排ガス9と混合してタービン23に供給するガス供給ラ
イン34と、を備えている。燃料混合ライン31には、
導入する空気11の流量を調節するための空気流量調節
弁31aと、燃料ガスの流量を調節するための燃料流量
調節弁31bとが設けられ、部分負荷に対応した空気と
燃料ガスを供給するように制御される。
In FIG. 2, a combustion device 30 for a turbine compressor according to the present invention includes a fuel mixing line 31 for mixing a part of the air 11 compressed by the compressor 24 with the fuel gas 1 when the cathode exhaust gas 9 has a low flow rate. A heat exchanger 32 for indirectly heating the mixed gas with the high-temperature cathode exhaust gas 9 and a combustor 33 for burning the heated mixed gas
And a gas supply line 34 for mixing the exhaust gas after combustion with the cathode exhaust gas 9 passed through the heat exchanger 32 and supplying the mixed gas to the turbine 23. In the fuel mixing line 31,
An air flow control valve 31a for adjusting the flow rate of the introduced air 11 and a fuel flow control valve 31b for adjusting the flow rate of the fuel gas are provided so as to supply air and fuel gas corresponding to the partial load. Is controlled.

【0013】かかる構成により、カソード排ガス9が低
流量の場合に、コンプレッサ24で圧縮した空気の一部
をカソード排ガス9と混合してタービン23に供給する
ので、タービン23に供給されるガス量を増大すること
ができる。また、燃料混合ライン31により燃料ガス1
はカソード排ガスに混合される空気とのみ混合するの
で、カソード排ガスで燃料ガスが希釈されることがな
く、タービン23に供給するガスの加熱に必要な最小限
の燃料ガスを燃焼器33で安定燃焼させることができ
る。更に、空気と混合された燃料ガス1(200〜30
0℃)を熱交換器32により高温(例えば500〜70
0℃)のカソード排ガス9で間接加熱するので、燃焼器
33での燃焼に適した温度に燃料ガス1を予熱すること
ができる。従って、この構成によりタービン23に供給
するガスの流量と温度を高めコンプレッサ24のサージ
ングを防止することができる。
With this configuration, when the cathode exhaust gas 9 has a low flow rate, a part of the air compressed by the compressor 24 is mixed with the cathode exhaust gas 9 and supplied to the turbine 23, so that the amount of gas supplied to the turbine 23 is reduced. Can increase. Further, the fuel gas 1
Is mixed only with the air mixed with the cathode exhaust gas, the fuel gas is not diluted by the cathode exhaust gas, and the minimum fuel gas necessary for heating the gas supplied to the turbine 23 is stably burned in the combustor 33. Can be done. Further, the fuel gas 1 (200 to 30) mixed with air
0 ° C.) by the heat exchanger 32 to a high temperature (for example, 500-70).
Since the indirect heating is performed by the cathode exhaust gas 9 (0 ° C.), the fuel gas 1 can be preheated to a temperature suitable for combustion in the combustor 33. Therefore, with this configuration, it is possible to increase the flow rate and temperature of the gas supplied to the turbine 23 and prevent surging of the compressor 24.

【0014】本発明の燃焼器33は、内部に燃焼触媒を
備えた触媒燃焼器であるのが好ましい。燃焼触媒として
は、ニッケルを主成分とする通常の燃焼触媒を使用す
る。触媒の形状は、ハニカム状のものを充填して使用す
るのがよい。また、燃焼器33の寸法は、最大流量が流
れるときに内部のガス流速が触媒燃焼に適した速度(例
えば約1m/s程度)となるようにするのがよい。かか
る構成により、図3に示したように、2〜3%程度の比
較的低いメタン濃度でガス流速1m/s以上の比較的広
い範囲で安定燃焼をさせることができる。また、この燃
焼器33にはカソード排ガス9が全く流入しないので、
ガスの全流量が少なく、燃料濃度が薄くならないので消
費する燃料ガスを大幅に低減することができる。
The combustor 33 of the present invention is preferably a catalytic combustor having a combustion catalyst therein. As the combustion catalyst, a normal combustion catalyst containing nickel as a main component is used. As the shape of the catalyst, it is preferable to use a honeycomb-shaped catalyst filled therein. Further, the dimensions of the combustor 33 are preferably such that when the maximum flow rate flows, the internal gas flow velocity becomes a velocity suitable for catalytic combustion (for example, about 1 m / s). With this configuration, as shown in FIG. 3, stable combustion can be performed in a relatively low range of about 2 to 3% methane concentration and in a relatively wide range with a gas flow rate of 1 m / s or more. Also, since the cathode exhaust gas 9 does not flow into the combustor 33 at all,
Since the total flow rate of the gas is small and the fuel concentration does not decrease, the fuel gas consumed can be significantly reduced.

【0015】図4は、前述の文献「燃焼触媒における低
濃度メタンの燃焼条件の検討」より抜粋した燃料ガスの
予熱温度と触媒温度との関係図である。この図から明ら
かなように、触媒燃焼の開始に適した予熱温度は、約3
50℃〜約450℃であり、340℃以下の予熱温度で
は安定した燃焼ができないおそれがある。本発明の燃焼
装置30は、図2に示すように、熱交換器32をバイパ
スしてカソード排ガス9を流すガスバイパスライン35
と、加熱ガス温度調節器36とを更に備え、ガスバイパ
スライン35にはガス流量調節弁35aが設けられ、加
熱ガス温度調節器36により、熱交換器32で加熱され
た混合ガスの温度を検出して混合ガスが触媒燃焼の開始
に適した温度(すなわち、約350℃〜約450℃)に
なるようにガス流量調節弁35aを制御するようになっ
ている。かかる構成により、触媒燃焼器に流入する燃料
ガスの予熱温度を最適化し、安定した触媒燃焼を維持す
ることができる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the preheating temperature of the fuel gas and the catalyst temperature extracted from the above-mentioned document "Study on the combustion conditions of low-concentration methane in the combustion catalyst". As is apparent from this figure, the preheating temperature suitable for starting catalytic combustion is about 3
It is 50 ° C to about 450 ° C, and there is a possibility that stable combustion cannot be performed at a preheating temperature of 340 ° C or less. As shown in FIG. 2, the combustion device 30 of the present invention includes a gas bypass line 35 for flowing the cathode exhaust gas 9 while bypassing the heat exchanger 32.
And a heating gas temperature controller 36, and a gas flow control valve 35 a is provided in the gas bypass line 35, and the temperature of the mixed gas heated by the heat exchanger 32 is detected by the heating gas temperature controller 36. Then, the gas flow control valve 35a is controlled so that the mixed gas has a temperature suitable for starting the catalytic combustion (that is, about 350 ° C. to about 450 ° C.). With this configuration, the preheating temperature of the fuel gas flowing into the catalytic combustor can be optimized, and stable catalytic combustion can be maintained.

【0016】また、触媒燃焼に適した温度は、約750
℃〜約1000℃であり、低すぎると不完全燃焼が生
じ、高すぎると触媒が早期に劣化するおそれがある。本
発明の燃焼装置30は、図2に示すように、熱交換器3
2と燃焼器33をバイパスして空気を燃焼後の排ガスに
供給する空気バイパスライン37と、排ガス温度調節器
38とを更に備え、空気バイパスライン37には空気流
量調節弁37aが設けられ、排ガス温度調節器38によ
り燃焼後の排ガス温度を検出して排ガス温度が触媒燃焼
に適した温度(すなわち、約750℃〜約1000℃)
になるように空気流量調節弁37aを制御するようにな
っている。かかる構成により、燃焼触媒における燃焼温
度を最適化し、燃料の完全燃焼と燃焼触媒の劣化防止を
同時に行うことができる。
The temperature suitable for catalytic combustion is about 750.
If the temperature is too low, incomplete combustion occurs, and if it is too high, the catalyst may be deteriorated early. As shown in FIG. 2, the combustion device 30 of the present invention includes a heat exchanger 3
2, an air bypass line 37 that bypasses the combustor 33 and supplies air to the exhaust gas after combustion, and an exhaust gas temperature controller 38. The air bypass line 37 is provided with an air flow control valve 37a. The temperature of the exhaust gas after combustion is detected by the temperature controller 38 and the temperature of the exhaust gas is adjusted to a temperature suitable for catalytic combustion (that is, about 750 ° C. to about 1000 ° C.).
The air flow control valve 37a is controlled so that With this configuration, the combustion temperature of the combustion catalyst can be optimized, and complete combustion of the fuel and prevention of deterioration of the combustion catalyst can be performed simultaneously.

【0017】本発明の方法によれば、上述した装置によ
り燃料ガスを次のように燃焼させ、タービンコンプレッ
サに導入する。すなわち、カソード排ガス9が低流量の
場合に、コンプレッサ24で圧縮した空気の一部を燃料
ガス1と混合し、この混合ガスを高温のカソード排ガス
9で間接加熱し、この加熱混合ガスを触媒燃焼器33で
触媒燃焼させ、燃焼排ガスを間接加熱後のカソード排ガ
スに混合してタービン23に供給する。これにより、タ
ービン23に供給するガスの流量と温度を高めコンプレ
ッサのサージングを防止することができる。
According to the method of the present invention, fuel gas is combusted by the above-described apparatus as follows and introduced into the turbine compressor. That is, when the cathode exhaust gas 9 has a low flow rate, a part of the air compressed by the compressor 24 is mixed with the fuel gas 1, the mixed gas is indirectly heated by the high-temperature cathode exhaust gas 9, and the heated mixed gas is subjected to catalytic combustion. Catalytic combustion is performed in the device 33, and the combustion exhaust gas is mixed with the cathode exhaust gas after the indirect heating and supplied to the turbine 23. This makes it possible to increase the flow rate and temperature of the gas supplied to the turbine 23 and prevent surging of the compressor.

【0018】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更でき
ることは勿論である。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified without departing from the gist of the present invention.

【0019】[0019]

【発明の効果】上述したように、本発明の装置及び方法
によれば、カソード排ガスが低流量の場合に、コンプレ
ッサで圧縮した空気の一部をカソード排ガスと混合して
タービンに供給するので、タービンに供給されるガス量
を増大させることができる。また、燃料混合ラインによ
り燃料ガスはカソード排ガスに混合される空気とのみ混
合するので、カソード排ガスで燃料ガスが希釈されるこ
とがなく、タービンに供給するガスの加熱に必要な最小
限の燃料ガスを燃焼器で安定燃焼させることができる。
更に、空気と混合された燃料ガスを熱交換器により高温
のカソード排ガスで間接加熱するので、燃焼器での燃焼
に適した温度に燃料ガスを予熱することができる。
As described above, according to the apparatus and method of the present invention, when the cathode exhaust gas has a low flow rate, a part of the air compressed by the compressor is mixed with the cathode exhaust gas and supplied to the turbine. The amount of gas supplied to the turbine can be increased. Further, since the fuel gas is mixed only with the air mixed with the cathode exhaust gas by the fuel mixing line, the fuel gas is not diluted by the cathode exhaust gas, and the minimum fuel gas necessary for heating the gas supplied to the turbine is prevented. Can be stably burned in a combustor.
Further, since the fuel gas mixed with the air is indirectly heated by the heat exchanger with the high-temperature cathode exhaust gas, the fuel gas can be preheated to a temperature suitable for combustion in the combustor.

【0020】従って、本発明のタービンコンプレッサ用
燃焼装置と燃焼方法は、最小限の燃料ガスで安定燃焼を
維持することができ、タービンに流入するガス温度を最
適なレベルまで高めることができ、これにより、コンプ
レッサのサージングを防止して燃料電池発電設備を低い
部分負荷で運転することができる、優れた効果を有す
る。
Accordingly, the combustion apparatus and combustion method for a turbine compressor of the present invention can maintain stable combustion with a minimum amount of fuel gas, and can increase the temperature of gas flowing into the turbine to an optimum level. Accordingly, it is possible to prevent the surging of the compressor and to operate the fuel cell power generation equipment at a low partial load.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による燃焼装置を備えた発電設備の全体
構成図である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a power generation facility provided with a combustion device according to the present invention.

【図2】本発明による燃焼装置の全体構成図である。FIG. 2 is an overall configuration diagram of a combustion device according to the present invention.

【図3】安定燃焼の範囲を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a range of stable combustion.

【図4】燃料ガスの予熱温度と触媒温度との関係図であ
る。
FIG. 4 is a relationship diagram between a preheating temperature of a fuel gas and a catalyst temperature.

【図5】従来の発電設備の全体構成図である。FIG. 5 is an overall configuration diagram of a conventional power generation facility.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料ガス 2 水蒸気 3 混合ガス 4 アノードガス 5 カソードガス 6 アノード排ガス 7 燃焼用ガス 8 燃焼排ガス 9 カソード排ガス 10 改質器 11 空気 13 アノード排ガスブロア 14 カソード循環ブロア 20 燃料電池 22 動力回収装置 23 タービン 24 コンプレッサ 25 ボイラ 30 タービンコンプレッサ用燃焼装置 31 燃料混合ライン 31a 空気流量調節弁 31b 燃料流量調節弁 32 熱交換器 33 燃焼器 34 ガス供給ライン 35 ガスバイパスライン 35a ガス流量調節弁 36 加熱ガス温度調節器 37 空気バイパスライン 37a 空気流量調節弁 38 排ガス温度調節器 A アノード側 C カソード側 Reference Signs List 1 fuel gas 2 steam 3 mixed gas 4 anode gas 5 cathode gas 6 anode exhaust gas 7 combustion gas 8 combustion exhaust gas 9 cathode exhaust gas 10 reformer 11 air 13 anode exhaust gas blower 14 cathode circulation blower 20 fuel cell 22 power recovery device 23 turbine Reference Signs List 24 Compressor 25 Boiler 30 Combustion device for turbine compressor 31 Fuel mixing line 31a Air flow control valve 31b Fuel flow control valve 32 Heat exchanger 33 Combustor 34 Gas supply line 35 Gas bypass line 35a Gas flow control valve 36 Heated gas temperature controller 37 Air bypass line 37a Air flow control valve 38 Exhaust gas temperature controller A Anode side C Cathode side

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−144455(JP,A) 特開 平5−144456(JP,A) 特開 昭62−80968(JP,A) 特開 平5−266906(JP,A) 特開 昭58−166671(JP,A) 特開 昭60−160575(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02C 3/22 F02C 6/00 H01M 8/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-5-144455 (JP, A) JP-A-5-144456 (JP, A) JP-A-62-80968 (JP, A) JP-A-5-144968 266906 (JP, A) JP-A-58-166661 (JP, A) JP-A-60-160575 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) F02C 3/22 F02C 6 / 00 H01M 8/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 燃料電池のカソード排ガスで駆動するタ
ービンと、該タービンで駆動され空気を圧縮するコンプ
レッサとを備えたタービンコンプレッサ用の燃焼装置で
あって、 カソード排ガスが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮
した空気の一部を燃料ガスと混合する燃料混合ライン
と、混合されたガスを高温のカソード排ガスで間接加熱
する熱交換器と、加熱された混合ガスを燃焼させる燃焼
器と、燃焼後の排ガスを熱交換器を通過したカソード排
ガスと混合してタービンに供給するガス供給ラインと、
を備え、これにより、タービンに供給するガスの流量と
温度を高めコンプレッサのサージングを防止することを
特徴とするタービンコンプレッサ用燃焼装置。
1. A combustion device for a turbine compressor, comprising: a turbine driven by cathode exhaust gas of a fuel cell; and a compressor driven by the turbine to compress air. A fuel mixing line for mixing a part of the air compressed by the fuel gas, a heat exchanger for indirectly heating the mixed gas with a high-temperature cathode exhaust gas, a combustor for burning the heated mixed gas, A gas supply line that mixes the exhaust gas with the cathode exhaust gas that has passed through the heat exchanger and supplies the mixed gas to the turbine;
A combustion device for a turbine compressor, which increases the flow rate and temperature of gas supplied to the turbine to prevent surging of the compressor.
【請求項2】 前記燃焼器は、内部に燃焼触媒を備えた
触媒燃焼器である、ことを特徴とする請求項1に記載の
燃焼装置。
2. The combustion device according to claim 1, wherein the combustor is a catalytic combustor having a combustion catalyst therein.
【請求項3】 ガス流量調節弁を有し、前記熱交換器を
バイパスしてカソード排ガスを流すガスバイパスライン
と、熱交換器で加熱された混合ガスの温度を検出して前
記ガス流量調節弁を制御する加熱ガス温度調節器とを更
に備え、該加熱ガス温度調節器により、前記加熱された
混合ガスが触媒燃焼の開始に適した温度になるようにガ
ス流量調節弁を制御する、ことを特徴とする請求項2に
記載の燃焼装置。
3. A gas flow control valve having a gas flow control valve, bypassing the heat exchanger and flowing cathode exhaust gas, and detecting the temperature of the mixed gas heated by the heat exchanger. A heated gas temperature controller for controlling the gas flow rate control valve so that the heated mixed gas has a temperature suitable for starting the catalytic combustion by the heated gas temperature controller. The combustion device according to claim 2, characterized in that:
【請求項4】 前記触媒燃焼の開始に適した温度は、約
350℃〜約450℃である、ことを特徴とする請求項
3に記載の燃焼装置。
4. The combustion device of claim 3, wherein a suitable temperature for initiating catalytic combustion is from about 350 ° C to about 450 ° C.
【請求項5】 空気流量調節弁を有し、前記熱交換器と
燃焼器をバイパスして空気を燃焼後の排ガスに供給する
空気バイパスラインと、燃焼後の排ガス温度を検出して
前記空気流量調節弁を制御する排ガス温度調節器とを更
に備え、該排ガス温度調節器により、前記排ガス温度が
触媒燃焼に適した温度になるように空気流量調節弁を制
御する、ことを特徴とする請求項2に記載の燃焼装置。
5. An air bypass line having an air flow control valve for supplying air to the exhaust gas after combustion by bypassing the heat exchanger and the combustor, and detecting the temperature of the exhaust gas after combustion to detect the air flow rate. An exhaust gas temperature controller for controlling a control valve, wherein the exhaust gas temperature controller controls the air flow rate control valve so that the exhaust gas temperature becomes a temperature suitable for catalytic combustion. 3. The combustion device according to 2.
【請求項6】 前記触媒燃焼に適した温度は、約750
℃〜約1000℃である、ことを特徴とする請求項5に
記載の燃焼装置。
6. The temperature suitable for catalytic combustion is about 750.
The combustion device according to claim 5, wherein the temperature is between about 1000C and about 1000C.
【請求項7】 燃料電池のカソード排ガスで駆動するタ
ービンと、該タービンで駆動され空気を圧縮するコンプ
レッサとを備えたタービンコンプレッサ用の燃焼方法で
あって、 カソード排ガスが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮
した空気の一部を燃料ガスと混合し、該混合ガスを高温
のカソード排ガスで間接加熱し、該加熱混合ガスを触媒
燃焼させ、該燃焼排ガスを間接加熱後のカソード排ガス
に混合してタービンに供給する、ことにより、タービン
に供給するガスの流量と温度を高めコンプレッサのサー
ジングを防止することを特徴とするタービンコンプレッ
サ用燃焼方法。
7. A combustion method for a turbine compressor, comprising: a turbine driven by cathode exhaust gas of a fuel cell; and a compressor driven by the turbine and compressing air, wherein the compressor has a low exhaust gas flow rate. A part of the compressed air is mixed with a fuel gas, the mixed gas is indirectly heated with a high temperature cathode exhaust gas, the heated mixed gas is catalytically burned, and the combustion exhaust gas is mixed with the cathode exhaust gas after the indirect heating. A combustion method for a turbine compressor, comprising: increasing a flow rate and a temperature of a gas supplied to a turbine to prevent surging of the compressor by supplying the gas to the turbine.
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