JPS60212969A - 燃料電池発電所 - Google Patents

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】 本発明は燃料電池発電所に係わる。

燃料電池発電所は、燃料電池のカソード側にプロセス・
フィードとして酸素含有ガス（通常は空気）を供給する
（前記カソード側において酸素の一部が消費される）だ
けでなく燃料電池を冷却するためのガス流動回路を必要
とする。

この流動回路中の圧力は、外気から空気を吸引してこれ
を流動回路中の圧力、多くの場合数気圧にまで圧縮する
コンプレッサによって維持される。定常状態の動作条件
下で、酸素を奪われた空気は燃料電池に統〈回路からコ
ンプレッサ装気速度で排出される。

回路圧は数気圧であり、回路中の圧力降下は約１気圧に
過ぎないが、回路中の質量流量は回路に装気するコンプ
レッサの質量流量よりも１桁以上大きいのが普通である
０回路部度は華氏で数百度である。

毎時１００万ポンド（質量）以上の流量で差圧が】ｐｓ
ｉａとなるように空気を循環させるファンは大気圧で使
用するものが市販されており、容易に入手できるが、数
気圧、華氏数百度という高圧、高温の環境で使用でき、
電動機または蒸気タービンで駆動される同様のファンは
特殊な筐体またはケーシングを必要とし、複雑であり、
設計し難い、５！Ｅ閉回転軸を介して動作する外部蒸気
モータまたは電動機もしくは特殊な態様で冷却される内
部電動機と共にファンのための高圧筐体またはケーシン
グが必要である。動作系への気体または液体そして電力
を運ぶための貫通部を設ける必要があるため、筐体また
はケーシングが複雑かつ高価なものとなり、故障の原因
ともなり易い。

ガス冷却型燐酸燃料電池（ＰＡＦＣ）発電所の流動回路
は冷却と、燃料電池カソード側へのプロセス・フィード
を行なうために空気を循環させ、前記カソード側におい
て空気の一部が消費される。この消費分を補うため１周
囲空気を１４．８　ｐｓｉａから５０ｐｓｉａに圧縮す
るコンプレッサが毎時８４．３２０ポンド（質量）の流
量で前記回路に給気する。循環ループ内での空気の流量
ははるかに高く、毎時１，０３９，０００ボンド（質量
）である、ファンまたはサーキュレータはこの循環空気
を差圧が約１．０　ｐｓｉａとなるように駆動しなけれ
ばならない、この１．０　ｐｓｉａという差圧は燃料電
池、循環空気から熱エネルギーを奪う熱交換器、及びこ
れらと連携の通気管や取付具によって生ずる。

空気回路内の平均圧力及び平均温度はそれぞれ５０　ｐ
ｓｉａ、２７１’Ｆテある０個々ノ発電所の設計に応じ
てやや変動を伴うが上記の数値が公称値である。ファン
の筐体またはケーシングが低圧筐体またはケーシングだ
けでよければ、毎時１，０３９，０００ボンド（質量）
の流量で差圧が１．０　ｐｓｉａとなるように空気を循
環させるようなファンは異例ではない、しかし燐酸燃料
電池循環ファンは５０ｐａｉａの内部作動圧に適応でき
る筐体またはケーシングを必要とし、これは市販のファ
ン及び送風機に見られる従来の設計及び構成とは異なる
ものである。従って、燐酸燃料電池発電所は現在市販さ
れていないような構成のファンを特徴とする 特殊な高圧ファンケーシングを使用し、密閉回転軸を介
して電動機または蒸気タービンにより駆動する場合、回
転軸のシール及び軸受が遊転中の燐酸燃料電池発電所に
おいて故障の原因となり易い、ファン及び電動機が循環
空気ダクト内に完全に収納されるように構成すれば回転
軸の軸受及びシールは不要となるが、２７１　°Ｆの周
囲空気条件下での動作が要求される特殊な電動機が必要
となり、電動機を液冷またはガス冷する必要が出てくる
かも知れない、電動機のための配線もまた複雑さ、コス
トを増大する要因となり、故障の原因になると考えられ
る。さらにまた、おそらくは独自の冷却系を必要とする
高温動作用の特殊閉鎖形電動機はコストの高いものにな
ると考えられる。

米国特許明細書第３，４７３，８８３号は、流動系の外
部に設けた電動機で駆動される定容エアポンプによって
酸素含有プロセスガスを循環させる燃料電池を開示して
いる。

米国特許明細書第３，５７８，８７７号は、電動機駆動
ファンによって酸素含有プロセスガスを循環させる燃料
電池を開示している。電動機・ファン東合体は流動回路
内に配置されるから回路圧に耐えるケーシングを必要と
し、電動機は流動系温度で動作できるものでなければな
らない。

そこで本発明は、電力及び熱を発生させるための燃料電
池集合体と、比較的低圧の酸素含有ガスから燃料電池発
電所に比較的高圧の酸素含有ガスを供給するためのコン
プレッサ手段と、燃料電池発電所から前記比較的高圧の
ガスを排出するための手段と、前記比較的高圧のガスの
流れを燃料電池集合体に導入しかつ前記燃料電池集合体
から導出するための導管手段と、燃料電池集合体から発
生した熱を除くための冷却手段と、導管手段内の比較的
高圧のガスを所定の方向及び速度で移動させるための循
環手段とから成り、ガス駆動式モータによって駆動され
る前記循環手段が前記燃料電池発電所内の圧力差または
前記燃料電池発電所と大気圧との間のガス圧力差から動
力を得ることを特徴とする燃料電池発電所を提案する。

酩素含有ガスを燃料電池のカソード側にむかってかつ燃
料電池回路内で移動させる循環手段は電動または蒸気駆
動手段を必要とせず、システム内の、またはシステムと
外気との間の圧力差を利用してタービンを駆動し、この
タービンが循環用ファンを駆動する。駆動系全体が内部
に配置され、特に貫通部の配設または冷却の処置を講す
る必要はない、循環空気の一部がエアモータに供給され
ファンを駆動する。このエアモータは必要に応じて発電
所内で他の目的に利用することのできる油気を調整する
弁によって制御される。空気流はコンプレッサ入口に再
循環させて燃料電池発電所の他の部分で使用するか、あ
るいは発電所の冷却塔空気側から外気中に放出すること
ができる。エアモータを燃料電池の循環空気ダクト内に
配置すれば、円形断面ダクト内に簡単なプロペラ形ファ
ンを組込むことにより１．０　ｐｓｉａの差圧と毎時１
００万ボンド（賀ｆｉｔ）以上の流量を達成し、機械的
、幾何学的に簡単なファン、筐体、及び羽根車の構成を
実現することができる。

本発明の内容を更に明解にするため、以下添付図面を参
照しながら本発明の好ましい実施例を説明する。

第１図には燃料電池から直接ｎｃ主電流発生させると共
に、発生する高温排気ガスから蒸気を生成させる燐酸燃
料電池システムを示した。このシステムに本発明の装置
が組込まれる。

例えば空気のような酸素含有ガスが循環ダクト１０を通
って燐酸燃料電池層１２に流入し、ここで（図示しない
）触媒の存在下で水素燃料と反応することによりＤＣ電
流及び高温排気ガス、例えばＣＯ２及びＨｌＯを生成す
る。この排気ガスは循環ダクト１０に沿って蒸気ドラム
１４に流入し、ここで排気ガスから熱が奪われ、（図示
しない）水から蒸気が発生する。

冷却された排気ガスの一部が排気口１８を通ってシステ
ムから放出され、残りのガスはそのまま循環ダク）１０
に沿って流動し、コンプレッサ１８の出口から来る新鮮
な空気と混合される。この排気ガス／空気混合物の一部
は循環ダクトからエアモータ２０を通ってコンプレッサ
１８の入口へ抜けるが、ファン２４を駆動するエアモー
タのタービン２２にエネルギーが与えられるから、エア
モータを通過することで圧力は散気圧から１気圧以下に
低下する。ファンはダクトｌＯ内にガスを循環させる手
段として働く、エアモータ２０を通過するガス量を制御
して循環ダクトを循環する流量を制御するために弁２６
を利用する。

第２図に示す他の実施例では、タービン２２を駆動し、
弁２６によって制御されるエアモータ２０の通過ガスは
大気中に排出される。このように構成すれば排気口１Ｂ
を設ける必要がなく、散気圧のシステム圧と標準気圧と
の気圧差を利用する。

第３図に示すさらに他の実施例では、コンプレッサ１８
からの圧搾空気はその一部が弁２８を通ってエアモータ
に、さらにシステムに流入してシステムガスと混合する
。コンプレッサ１８によって発生させられる出力ヘッド
とシステム圧との圧力差を利用することによりタービン
２２を回転させて、システムガスを循環させるためのフ
ァン２４を回転させる。コンプレッサからの圧搾ガスの
残り部分は第２の弁２８を通ってシステムガス中に流入
する。このシステムでは排気口ＩＢを別設する必要があ
るコンプレッサは燐酸燃料電池発電所の標準的な構成成
分である。しかしシステムに駆動手段としてのエアモー
タが加わると、エアモータ抽気流を補うためにコンプレ
ッサのサイズ及び容量をやや増大させねばならない０以
上に述べた実施例のうちの２つにおける燐酸燃料電池発
電所の関連部分の熱力学状態点データ及び回転群の軸馬
力をエアモータが存在する場合と存在しない場合につい
て表に示した。比較の便宜上エアモータ効率を７（Ｈと
想定した。

エアモータが存在しない場合の馬力データから明らかな
ように、エキスパンダ及び蒸気タービンはコンプレッサ
、サーキュレータ及び燃焼エアファンが消費する以−ト
の出力を提供することができる。エキスパンダ、蒸気タ
ービン、及びコンプレッサは燃料電池発電所の（図示し
ない）回転群に組込まれる。従って、発電所が定格状態
ならば、蒸気のＨが蒸気タービンを迂回する。

第２図に示す実施例の熱力学状態点及び軸馬力を表１に
示した。このエアモータ実施例の場合エアモータにおけ
る抽気流量及び差圧を、コンプレッサの消費馬力がエキ
スパンダ及び蒸気タービンの出力と等しくなるように調
整した。この実施例においてエアモータを使用する場合
、発電所の定格出力状態で蒸気は蒸気タービンを迂回し
ない。

第３図の実施例ではコンプレッサ空気流の一部または全
部がエアモータを通過し、循環空気ダクトに流入する。

第２図の実施例は本発明を利用しないシステムに必要な
コンプレッサよりも流量の大きいコンプレッサを必要と
するが、第３図の実施例ではコンプレッサからの流量は
同じでよいが圧力はもっと高くなければならない、第３
図の実施例に対しては２通りの動作態様が考えられる。

即ち、コンプレッサ出力ｊ力の一部をエアモータに供給
するか全部をエアモータに供給するかである。

一部がエアモータを通過する場合には弁２８を開放、弁
２Ｂを一部閉じ、必要なコンプレフサ出力は９２ｐｓｉ
ａである、回転群の加速に利用できる余剰馬力は得られ
ない、全部がエアモータを通過する場合、弁２８を閉じ
てコンプレッサ出力を全部エアモータに流入させる。こ
の動作態様ではコンプレフサ出力が７２ｐｓｉａに低下
し、コンプレッサ必要人力が低下するから、回転群加速
に利用できるかなりの余剰軸馬力が得られる。第３図の
実施例に関する状態点及び軸馬力を表２に示した。

波路、動作態様、及びコンプレッサのサイズ及び出力条
件に関する上記３つのエアモータ実施例のそれぞれの特
徴を利用すれば燃料電池モジュールの寿命初期及び寿命
末期における発電所運転条件を満たすことができる。

エアモータから外部に排出される油気を利用することに
より発電所の燃料処理装置に（図示しない）燃焼用空気
を供給したり、冷却塔の（図示しない）空気側から空気
を排出したり、この空気を再びコンプレッサ入口に供給
することができる。

制御性を高めたり、蒸気タービンのバイパス流に対して
コンプレッサ出力条件を平衡させたり、他の目的、例え
ば弁作動用の供給源を提供したりするためにエアモータ
の抽気流清を調整して排気圧を適当に変化させることも
可能である。

以　下　余　白

【図面の簡単な説明】

第１図は、燃料電池発電所の一部を略示する構成図。 第２図は、燃料電池発電所の第２の実施例の一部を略示
する拡大構成図。 第３図は、燃料電池発電所の第３の実施例の一部を略示
する第２図と同様の図である。 １０・・・・循環ダクト １２・・・・燃料電池層 １４・・・・蒸気ドラム １６・・・・排気口 １８Ｉ・・・コンプレッサ ２０・・・・エアモータ ２２・・・・タービン ２４φ−Φ・ファン ２６．２８・・・・弁

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ｉｌｉ力及び熱を発生させるための燃料電池集合体
   と、比較的低圧の酸素含有ガスから燃料電池発電所に比
   較的高圧の酸素含有ガスを供給するためのコンプレッサ
   手段と、燃料電池発電所から前記比較的高圧のガスを排
   出するための手段と、前記比較的高圧のガスの流れを燃
   料電池集合体に導入しかつ前記燃料電池集合体から導出
   するための導管手段と、燃料電池集合体から発生した熱
   を除くための冷却手段と、導管手段内の比較的高圧のガ
   スを所定の方向及び速度で移動させるための循環手段と
   から成り、ガス駆動式モータによって駆動される前記循
   環手段が前記燃料電池発電所内の圧力差または前記燃料
   電池発電所と大気圧との間のガス圧力から動力を得るこ
   とを特徴とする燃料電池発電所、　３ ２、燃料電池集合体が燐酸型であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の発電所。 ３、冷却手段がＮ気発生手段から成ることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項に記載の発電所。 ４、　ガス駆動モータがコンプレッサ出力圧と導管手段
   内の比較的高いガス圧との間の圧力差から動力を得るこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項または第
   ３項に記載の発電所。 ５、　ガス駆動モータが導管手段内の比較的高いガス圧
   と大気圧との間の圧力差から動力を得ることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項、第２項または第３項に記載の
   発電所。 ８、　ガス駆動モータが導管手段内の比較的高いガス圧
   と圧縮吸入圧との間の圧力差から動力を得ることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項、第２項または第３項に記
   載の発電所。