JPS63254677A

JPS63254677A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPS63254677A
Application number: JP62087063A
Authority: JP
Inventors: Yoshikiyo Iwasaki; 岩崎　芳摩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1987-04-10
Publication date: 1988-10-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は燃料電池と燃料改質装置と空気供給装置とを備
えて構成される燃料電池発電システムに係り、特に反応
ガスを不活性ガスでパージする際における０反応ガスと
不活性ガスとの温度差による燃料電池構成材料およびシ
ステム構成機器材料の熱応力による性能劣化を防止し得
るようにした燃料電池発電システムに開する。

（従来の技術）従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換するものとして燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質層を挟んで燃料極およ
び酸化剤極の一対の電極を配置すると共に、燃料極に水
素ガス等の燃料ガスを供給しまた酸化剤極に空気等の酸
化剤ガスを供給し、このとき起こる電気化学的反応を利
用して上記両電極間から電気エネルギーを取出すように
したものであり、上記燃料ガスと酸化剤ガスが供給され
ている限り高い変換効率で電気エネルギーを取出すこと
ができるものである。

さて、現在考えられている燃料電池としては、ヒドラジ
ンを燃料とする燃料電池、アルカリ水溶液電解質、リン
酸水溶液電解質を電解質とする燃料電池があるが、この
うちリン酸水溶液電解質を電解質とする燃料電池は、改
質ガスを使用できることから一般的な使用が可能であり
、産業用または発電事業用として使用されつつある。そ
してこの種の燃料電池は、その燃料ガスである水素ガス
を多く含んだ改質ガスを得るための燃料改質装置、およ
び酸化剤ガスである圧縮空気を得るための空気供給装置
を備えて燃料電池発電システムを構成していることが多
い。

第３図は、この種の従来の燃料電池発電システムの一例
を示したものである。第３図において、天然ガスまたは
石炭ガス等の化石燃料よりなる原燃料１と、スチーム供
給器２からのスチームが、それぞれ原燃料流量調節弁３
とスチーム流量調部弁４とにより、スチームとカーボン
の混合モル比が３〜５程度となるように制御されて燃料
改質装置５内の改質反応管６に導入される。ここで、原
燃料１とスチームは５００〜６００℃程度まで加熱され
て改質反応を行ない、次に変成器７を経て水素含有率の
高い改質ガスすなわち燃料ガスとなる。この水素含有率
が高くなった燃料ガスは、燃料ガス気水分離器８に送ら
れて改質で余剰になったスチームを除去した後、補助バ
ーナ９へは補助バーナ燃料ガス流山調節弁１０により、
また燃料電池１１の燃料極１１Ａへは燃料ガス流ｍ調節
弁１２により、それぞれ流量が制御されて送られる。

燃料電池１１の燃料極１１Ａへ流入した燃料ガス中の水
素は、燃料電池１１の酸化剤極１１Ｂに流入している酸
化剤ガス中の酸素と触媒反応を行ない、その結果燃料ガ
スの一部が消費されて電気エネルギーと反応反応水とが
得られる。この燃料電池１１内で生成した反応反応水の
一部を含んで燃料極１１Ａを出た燃料排ガスは、上述の
燃料改質装置５の主バーナ１３の燃料ガスとして送られ
るが、その途中においてガス中の水分を回収するため燃
料排ガス気水分離器１６を通過させる。そして、主バー
ナ１３へ送られた燃料排ガスは燃料改質装置５内で燃焼
し、改質反応管６を加熱した後に高温排ガス１７として
排出される。さらに、この高温排ガス１７は燃料電池１
１の酸化剤極１１Ｂから送られる酸化剤排ガスと合流し
た後に混合器１８へ導入され、タービン１９Ａおよびコ
ンプレッサ１９Ｂからなる空気供給装置１９の駆動用エ
ネルギーの一部として使われる。一方、補助バーナ９へ
送られた燃料ガスは補助バーナ９内で燃焼し、その燃焼
ガスが混合器１８を通過して空気供給袋＠１９のタービ
ン１９Ａを駆動する。

一方、タービン１９Ａに連結して駆動されるコンプレッ
サ１９Ｂからの吐出空気は、補助バーナ９、主バーナ１
３へそれぞれ補助バーナ酸化剤ガス流量調節弁２０．主
バーナ酸化剤ガス流量調節弁２１により空燃を調節して
送られると共に、酸化剤ガス流量調節弁２２により燃料
電池１１の酸化剤極１１Ｂへ送られ、余剰分は空気供給
装置１つの駆動用エネルギーの一部として混合器１８へ
送られる。

燃料電池１１の酸化剤極１１Ｂへ流入した酸化剤ガスの
一部は、燃料電池１１の燃料極１１Ａに流入している燃
料ガス中の水素と反応して消費された後、酸化剤極１１
Ｂ内で生成した水分を含んで排出される。この排出され
た酸化剤排ガスは、上述の燃料排ガスと同様に酸化剤排
ガス気水分離器２３により酸化剤排ガス中のスチーム分
を一部復水した後に、燃料改質装＠５からの高温排ガス
１７と合流する。

このように、燃料型）Ｉ！！１１では燃料極１１Ａ内の
水素と酸化剤極１１Ｂ内の酸素との触媒反応により、酸
化剤極１１Ｂが正極、燃料極１１Ａが負極となるように
電気エネルギーを発生し、この電気エネルギーが電気負
荷２４により吸収されることになる。

一方、原燃料の供給ライン、燃料電池１１の燃料１ｉ１
１Ａへの燃料ガスの供給ライン、酸化剤極１１Ｂへの酸
化剤ガスの供給ラインには、昇圧および残存ガスのパー
ジのために、不活性ガス供給装置２８よりそれぞれ原燃
料パージ弁２５．燃料ガスパージ弁２６．酸化剤ガスパ
ージ弁２７を介して、例えば窒素ガス等の不活性ガスが
供給され、燃料電池発電システムが停止または停止操作
状態あるいは発電待機状態で、燃料ガスと酸化剤ガスと
の混合が生じないように不活性ガスで置換している。

ところで、このような燃料電池発電システムにおいて、
燃料電池１１が安定して良期間運転を行なうためには、
燃料電池１１に供給するガスまたは冷却水は、その温度
変化をできるだけ小さくして燃料電池１１構成材料の熱
応力を小さくすることが望ましく、発電待機状態である
燃料電池１１の昇温は、１時間当り４０〜５０℃となる
ように燃料電池１１の冷却水温度を調節している。一方
、発電状態から発電待機状態〈燃料極１１Ａに燃料ガス
を供給し、酸化剤極１１Ｂには不活性ガスを供給してい
る状態）へ移行する場合、または上述の夫々の状態から
停止操作状態へ移行する場合には、次のような手順で残
存ガスのパージを行なっている。

（ａ）発電状態から発電待機状態への移行酸化剤ガス流
量調節弁２２を全閉し、その直後に酸化剤ガスパージ弁
２７を開いて不活性ガス供給装置２８から不活性ガスを
供給する。

（ｂ）発電待機状態から停止操作状態への移行燃料ガス
流量調節弁１２を全閉し、その直後に燃料ガスパージ２
６を開いて不活性ガス供給装置２８から不活性ガスを供
給する（酸化剤極１１８は不活性ガスに切替わっている
ためその状態を継続する）。

（Ｃ）発電状態から停止操作状態への移行上述の（ａ＞
および（ｂ）の操作の他に、原燃料流聞調節弁３および
スチーム流量調節弁４を全閉し、その直後に原燃料パー
ジ弁２５を開いて不活性ガス供給袋＠２８から不活性ガ
スを供給する。

このような手順により、不活性ガスを用いて残存ガスを
パージするようにしている。

しかしながら、燃料電池１１の動作湿度に比べて酸化剤
ガスおよび燃料ガスの供給ガス温度は、コンプレッサ１
．９Ｂの圧縮熱や燃料改質装置５のバーナ燃焼熱等のプ
ロセスの過程で加熱調部されてほぼ同じになるように調
節されるが、不活性ガス供給装置２８から供給される不
活性ガスは例えば窒素ガスの場合、液体窒素を蒸発器に
より気化させて使用しているためガス濃度は常温であり
、パージ前後でのガス温度差が大きい。特に、負荷運転
状態から発電待機状態へ移行する場合、燃料極１Ａには
２００’Ｃ程度の燃料ガスが流れ、使方の酸化剤極１１
Ｂには常温の不活性ガスが流れるという現象が生ずる。

このようなことから、システムの発電・停止を繰返す程
燃料電池１１には急激な供給ガスの温度差が生じ、熱応
力による燃料電池１１構成材料の劣化が増長して、電池
寿命が低下する恐れがあるという問題がある。また、上
述した燃料電池の問題と同様に、不活性ガスが通過する
燃料改質装置５．変成器７．気水分離器１６．２３等の
システム成灘器の材料についても、同様に急激な温度差
が生じて熱応力による性能劣化が生ずる。

（発明が解決しようとする問題点）従来の燃料電池発電システムでは以上のような問題があ
り、何らかの方法でこれを解決することが望ましいが、
例えば電気ヒータ等の加熱装置を設けて加熱するには、
大容量の加熱器が必要でありまた温度調節用の装置が必
要であり、システム効率の低下およびシステム構成の複
雑化を来たすことになる。

本発明は上述のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は反応ガスを不活性ガスでパージする際
における１反応ガスと不活性ガスとの温度差による燃料
電池構成材料およびシステム構成機器材料の熱応力を小
さくし寿命低下および性能劣化を防止することが可能な
燃料電池発電システムを提供することにある。

［発明の構成コ（問題点を解決するための手段）上記の目的を達成するために本発明では、燃料改質装置
と、空気供給装置と、燃料電池と、燃料改質装置、燃料
電池の燃料極および酸化剤極へ不活性ガスを供給する不
活性ガス供給装置とを備えて構成される前述した燃料電
池発電システムにおいて、不活性ガス供給装置から各供
給ラインへ不活性ガスを供給する各々のラインの共通ラ
イン上に、当該ラインを流通する不活性ガスの温度を調
節する温度調節手段を設け、さらに燃料改質装置への原
燃料の供給ラインへ不活性ガスを供給するライン上に、
システムの停止操作状態時に開する原燃料パージ弁を、
燃料極への燃料ガスの供給ラインへ不活性ガスを供給す
るライン上に、システムの停止操作状態時に開する燃料
ガスパージ弁を、酸化剤極への酸化剤ガスの供給ライン
へ不活性ガスを供給するライン上に、システムの停止操
作状態時および発電待機状態時に夫々開する酸化剤ガス
パージ弁を夫々設けるようにしたことを特徴とする。

（作用）上述の燃料電池発電システムにおいては、温度調節の媒
体である不活性ガスが温度調節手段で温度調節される。

そして、システムの発電待機状態時には酸化剤ガスバー
ジ弁が開することにより、温度調節された不活性ガスが
酸化剤ガス供給ラインを通して燃料電池の酸化剤極に供
給され、またシステムの停止操作状態時には原燃料パー
ジ弁。

燃料ガスパージ弁、酸化剤ガスバージ弁が夫々開するこ
とにより、湿度調節された不活性ガスが原燃料の供給ラ
インを通して燃料改質装置に、燃料ガス供給ラインを通
して燃料電池の燃料極に、酸化剤ガス供給ラインを通し
て燃料電池の酸化剤極に夫々供給される。従って、発電
状態から発電待機状態あるいは停止状態に至る残存ガス
のパージ用の不活性ガスは、システム内の高温ガスで予
め温度調節して燃料電池および燃料改質装置へ供給され
ることになり、反応ガスを不活性ガスでパージする際に
おける９反応ガスと不活性ガスとの温度差を小さくでき
ることになる。

（実施例）以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明による燃料電池発電システムの構成例
をブロック的に示すものであり、第３図と同一部分には
同一符号を付して示してその説明を省略し、ここでは異
なる部分についてのみ述べる。

すなわち第１図は、前述した第３図の燃料電池発電シス
テムにおいて、不活性ガス供給装置２８から各供給ライ
ンへ不活性ガスを供給する各々のラインの共通ライン上
に、この共通ラインを流通する不活性ガスの温度を調節
する温度調節手段として９例えば熱交換器２つを設ける
ようにしたものである。ここで熱交換器２９は、システ
ム内９高温ガスとして例えば、空気供給袋ｆｉＷ１９の
タービン１９Ａからの燃焼排ガスをその一次側に導入し
、かつ不活性ガスをその二次側に導入するようにしてい
る。また、燃料改質ｖｌ＠５への原燃料の供給ラインへ
不活性ガスを供給するライン上に設けられた原燃料パー
ジ弁２５は、システムの停止操作状態時に開するもので
あり、燃料極への燃料ガスの供給ラインへ不活性ガスを
供給するライン上に設けられた燃料ガスパージ弁２６は
、システムの停止操作状態時に開するものであり、さら
に酸化剤極への酸化剤ガスの供給ラインへ不活性ガスを
供給するライン上に設けられた酸化剤ガスパージ弁２７
は、システムの停止操作状態時および発電待機状態時に
夫々開するものである。

次に、かかる如く構成した燃料電池発電システムにおけ
る、燃料改質装置の昇温作用について述べる。

いま、不活性ガス供給装置２８から供給される不活性ガ
スは、熱交換器２９の二次側の入口にほぼ常温で導入さ
れる。一方、補助バーナ９の燃焼ガスおよび混合器１８
に流入するガスは、空気供給装置１つのタービン１９Ａ
を駆動してもまだ４００〜５００℃の高温状態にあり、
この高温の燃焼排ガスは熱交換器２９の一次側に導入さ
れる。

これにより熱交換器２つでは、低温の不活性ガスと高温
の燃焼排ガスとが熱交換を行ない、不活性ガスはその温
度が高くなって、また燃焼排ガスはその温度が下がって
熱交換器２９の各出口より排出される。

そして、この熱交換器２９より排出された不活性ガスは
、システムの発電待機状態時に酸化剤ガスパージ弁２７
が開することにより、酸化剤ガスの供給ラインを通して
燃料電池１１の酸化剤極１１Ｂ内に供給される。また、
システムの停止操作状態時には空気処理装＠１９は停止
するが、不活性ガスは燃焼排ガスの余熱で上述と同様に
熱交換が行なわれる。そして、この時には原燃料パージ
弁２５．燃料ガスパージ弁２６．酸化剤ガスパージ弁２
７が夫々開することにより、不活性ガスが原燃料の供給
ラインを通して燃料改質装置５に。

燃料ガスの供給ラインおよび酸化剤ガスの供給ラインを
通して燃料電池１１の燃料極１１Ａおよび酸化剤極１１
Ｂに夫々供給される。さらに、熱交換器２９より排出さ
れた燃焼排ガスは大気中に放出される。

上述したように、本実施例の燃料電池発電システムは、
不活性ガス供給装置２８から各供給ラインへ不活性ガス
を供給する各々のラインの共通ライン上に、当該共通ラ
インを流通する不活性ガスの温度を調節する温度調節手
段としての熱交換器２９を設け、さらに燃料改質装置５
への原燃料１の供給ラインへ不活性ガスを供給するライ
ン上に。

システムの停止操作状態時に開する原燃料パージ弁２５
を、燃料電池１１の燃料極１１Ａへの燃料ガスの供給ラ
インへ不活性ガスを供給するライン上に、システムの停
止操作状態時に開する燃料ガスパージ弁２６を、同じく
酸化剤極１１Ｂへの酸化剤ガスの供給ラインへ不活性ガ
スを供給するライン上に、システムの停止操作状態時お
よび発電待機状態時に夫々開する酸化剤ガスパージ弁２
７を夫々設けるようにしたものである。

従って、燃料電池発電システムの発電待機状態で（よ、
空気供給装置１９のタービン１９Ａからの高温燃焼排ガ
スで不活性ガスを２００’Ｃ程度まで加熱できるため、
システムの発電待機状態から発電状態または発電状態か
ら発電待機状態へ移行する際に、反応ガスである酸化剤
ガスの温度と不活性ガスの温度との温度差が小さくなる
。これにより、燃料電池１１構成材料および燃料改質装
置５等のシステム構成機器材料に与える熱応力が小さく
なり、前述した寿命低下および性能劣化を防止すること
が可能となる。また、燃料電池発電システムの停止操作
状態では、空気供給装置１９のタービン１９Ａからの高
温燃焼排ガスの温度低下と共に不活性ガスの温度も徐々
に低下するため、緩やかな降温を行なうことができる。

これにより、上）ホと同様の効果を得ることが可能とな
る。さらに、燃料改質装置５および燃料電池１１の温度
調節媒体である不活性ガスを、従来では大気中に多量に
無駄に放出されていたタービン１９Ａからの高温燃焼排
ガスで予熱するようにしていることから、システム全体
の熱効率をも向上させることが可能である。

次に、本発明の他の実施例について図面を参照して説明
する。

第２図は、本発明による燃料電池発電システムのその他
の構成例をブロック的に示すものであり、第１図と同一
部分には同一符号を付して示してその説明を省略し、こ
こでは異なる部分についてのみ述べる。

すなわち第２図は、前述した第１図における熱交換器２
９の一次側の高温ガスとして、空気供給装置１９のター
ビン１９Ａからの燃焼排ガスに代えて、燃料改質装置５
からの燃焼排ガス（３００〜４００℃の高温）を導入し
、熱交換後の燃焼排ガスを混合器１８へ導入するように
構成したものである。本実施例においても、燃料改質装
置５からの燃焼排ガスによって不活性ガスが前述と同様
に加熱され、上述の実施例と同様の作用効果が得られる
ものである。

尚、本発明は上述した各実施例に限定されるものではな
く、その要旨を変更しない範囲で種々に変形して実施す
ることができるものである。

例えば、上述の各実施例では不活性ガスを昇温する温度
調節手段として熱交換器を用いたが、これ以外の温度調
節手段を用いてもよいことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、残存ガスをパージ
するための不活性ガスの温度が、システムの発電待機状
態では反応ガスの温度とほぼ同じ温度に、またシステム
の停止操作状態では徐々に温度が低下するように、シス
テムの状態に応じて適切に調節されるので、反応ガスを
不活性ガスでパージする際における１反応ガスと不活性
ガスとの温度差による燃料電池構成材料およびシステム
構成機器材料の熱応力を小さくし寿命低下および性能劣
化を防止することが可能な燃料電池発電システムが提供
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池発電システムの一実施例
を示すブロック図、第２図は本発明による燃料電池発電
システムの他の実施例を示すブロック図、第３図は従来
の燃料電池発電システムの一例を示すブロック図である
。１・・・原燃料、２・・・スチーム供給器、３・・・原
燃料流量調節弁、４・・・スチーム流量調節弁、５・・
・燃料改質装置、６・・・改質反応管、７・・・変成器
、８・・・燃料ガス気水分離器、９・・・補助バーナ、
１０・・・補助バーナ燃料ガス流層調節弁、１１・・・
燃料電池、１１Ａ・・・燃料極、１１Ｂ・・・酸化剤極
、１２・・・燃料ガス流量調節弁、１３・・・主バーナ
、１６・・・燃料排ガス気水分離器、１７・・・高温排
ガス、１８・・・混合器、１９・・・空気供給装置、１
９Ａ・・・タービン、１９Ｂ・・・コンプレッサ、２０
・・・補助バーナ酸化剤ガス流量調節弁、２１・・・主
バーナ酸化剤ガス流量調節弁、２２・・・酸化剤ガス流
量調節弁、２３・・・酸化剤排ガス気水分離器、２４・
・・電気負荷、２５・・・原燃料パージ弁、２６・・・
燃料ガスパージ弁、２７・・・酸化剤ガスパージ弁、２
８・・・不活性ガス供給装置、２つ・・・熱交換器。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）内部に改質反応触媒層が設けられた改質反応管の
内側に原燃料およびスチームの混合ガスを導入すると共
に、前記改質管の外側に燃焼用燃料および燃焼用空気を
燃焼室で燃焼して得られた高温燃焼ガスを流通させるこ
とにより改質ガスを生成する燃料改質装置と、タービン
およびコンプレッサからなり、大気中の空気を圧縮して
圧縮空気を得る空気供給装置と、前記燃料改質装置から
の改質ガスを燃料ガスとして燃料極に導入すると共に空
気供給装置からの圧縮空気を酸化剤ガスとして酸化剤極
に導入し、このとき起こる電気化学的反応により両電極
間から電気エネルギーを取出す燃料電池と、前記燃料改
質装置への原燃料の供給ライン、燃料極への燃料ガスの
供給ライン、酸化剤極への酸化剤ガスの供給ラインへ夫
々異なったラインを介して不活性ガスを供給する不活性
ガス供給装置とを備えて構成され、かつ前記燃料電池の
燃料極から排出される排ガスを前記燃料改質装置の燃焼
用空気として導入すると共に、酸化剤極から排出される
排ガスを前記空気供給装置の駆動用エネルギーの一部と
して導入するようにした燃料電池発電システムにおいて
、前記不活性ガス供給装置から各供給ラインへ不活性ガ
スを供給する各々のラインの共通ライン上に設けられ、
当該ラインを流通する不活性ガスの温度を調節する温度
調節手段と、前記燃料改質装置への原燃料の供給ライン
へ不活性ガスを供給するライン上に設けられ、システム
の停止操作状態時に開する原燃料パージ弁と、前記燃料
極への燃料ガスの供給ラインへ不活性ガスを供給するラ
イン上に設けられ、システムの停止操作状態時に開する
燃料ガスバージ弁と、前記酸化剤極への酸化剤ガスの供
給ラインへ不活性ガスを供給するライン上に設けられ、
システムの停止操作状態時および発電待機状態時に夫々
開する酸化剤ガスパージ弁とを備えて成ることを特徴と
する燃料電池発電システム。
（２）温度調節手段としては熱交換器を用いることを特
徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電池発電
システム。
（３）熱交換器としては、空気供給装置のタービンから
の燃焼排ガスを一次側に導入し、不活性ガスを二次側に
導入することを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記
載の燃料電池発電システム。
（４）熱交換器としては、燃料改質装置からの燃焼排ガ
スを一次側に導入し、不活性ガスを二次側に導入するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載の燃料電
池発電システム。