JP4342172B2

JP4342172B2 - Co-energy system

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Publication number: JP4342172B2
Application number: JP2002375893A
Authority: JP
Inventors: 稔鈴木
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP2003282118A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン等の炭化水素系燃料ガスを燃料として利用し、高燃料消費効率で電力と燃焼熱とを発生させるエネルギー併給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、化石燃料の総合的な利用効率を高めるために、電力とともに発生する熱をスチーム、温水として活用するコジェネレーションシステムが商業的に行われている。しかし、高効率に電力、熱を使うためには、コジェネレーションシステムの設置場所における電力需要と熱需要（例えばスチーム、温水等の需要）がほぼ合致する必要があり、この電力需要と熱需要とがほぼ合致しない場合、燃料利用効率が悪くなる。このようなことから、気候の温暖な日本においては、熱に対して電力の発生比率の高いシステム、即ち発電効率の高いコジェネレーションシステムが要求される。
【０００３】
発電効率の高いコジェネレーションシステムとしては、希薄燃焼のガスエンジン発電機、リン酸形燃料電池等が商用化されているが、数百ｋＷ級のコジェネレーションシステムの発電効率は最高でも約４０％であり、残りのうち最大４０％相当分が温水などの熱利用に用いられている。また、発電効率の更に高いコジェネレーションシステムとして、固体酸化物形燃料電池等が開発されている。固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオンを伝導する固体電解質の両側に燃料ガス及び空気中の酸素をそれぞれ酸化、還元する機能を有する電極を取り付けたものである。電解質の材料としては、一般的に、イットリアをドープしたジルコニアが用いられており、７００℃から１０００℃の高温で、燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化剤ガス中の酸素を電気化学反応させて発電が行なわれる。
【０００４】
メタン等を燃料として発電を行う場合、一般的に、燃料電池発電反応の前段でメタンを水蒸気で代表される酸素源との改質反応により、水素と一酸化炭素に変換される。吸熱反応であるメタンの水蒸気改質反応を十分な速度で進行させるためには５００℃以上、望ましくは７００℃以上の熱が必要である。そのため、作動温度が５００℃以下の燃料電池では、燃料ガスの燃焼により、水蒸気改質反応を進行させるための熱をまかなう必要があり、このような場合、燃料電池発電反応に直接用いることができる燃料ガスの比率が低くなり、発電効率が十分に高くできない。
【０００５】
一方、この固体酸化物形燃料電池は、燃料電池発電反応の排熱をメタンの水蒸気改質反応に用いることができ、そのために高い発電効率が期待される。図４は、このような排熱利用する形態の代表的な固体酸化物形燃料電池のシステム構成を簡略的に示している。この固体酸化物形燃料電池システムでは、原燃料ガスとして天然ガスが用いられる。原燃料ガスは脱硫装置２にて脱硫され、この脱硫した原燃料ガスと固体酸化物形燃料電池８にて燃料電池発電反応を行った後の反応燃料ガス（又は水蒸気）とが燃料エゼクタ４にて混合される。混合された混合燃料ガス（原燃料ガスと反応燃料ガスとの混合ガス）は、断熱改質反応器６に送給され、この断熱改質反応器６にて混合燃料ガスの一部が改質反応され、改質された後の混合燃料ガスが固体酸化物形燃料電池８の燃料側に供給され、固体酸化物形燃料電池８において、燃料極側に供給された燃料ガスと空気極側に供給された空気（酸素が利用される）との燃料電池発電反応により発電が行われる。そして、原燃料ガスの少なくとも１５〜２０％（燃料利用率が８０〜８５％である場合）に相当する燃料は、固体酸化物形燃料電池８の出口から下流側に流れ、この下流側に設置された燃焼装置１０にて固体酸化物形燃料電池８の空気極側の出口ガスと混合され燃焼される。そして、この燃焼排気は再生器で供給空気と熱交換される。さらに再生器を出た排気は蒸気及び温水としての熱利用に用いられる。
【０００６】
従来のコジェネレーションシステムを用いた場合、数百ｋＷ級で得られる発電効率は約４０％迄であり、燃料の消費効率を高めるためには、電力需要に見合うスチーム、温水等の熱需要が必要である。発電効率を向上させるべく開発中の固体酸化物形燃料電池システムでは、原燃料ガスとして天然ガスを燃料に用いた場合、こうした構成で得られる低位発熱量基準の送電端発電効率は４３〜４８％程度である。この程度の発電効率に留まるのは、以下の理由により燃料利用率の上限が８０〜８５％程度に留まっているためである。即ち、固体酸化物形燃料電池中において燃料ガスは燃料入口部から出口部に行くほど、燃料となる水素の濃度が下がり、反応生成物である水蒸気、二酸化炭素の濃度が上昇し、そのために、出口付近での起電力が低下する。
【０００７】
電池の起電力を決定する理論式であるネルンスト式では、濃度項と温度の積になっている（１）式に示す関係に従い、高温作動の固体酸化物形燃料電池は、低温で作動する燃料電池に比べ、燃料出口付近での起電力低下が大きい。
【０００８】
ネルンスト式は、次の（１）式で示す通りである。
【０００９】
【数式１】

Ｅ：起電力、Ｅ０：標準起電力、Ｔ：温度（Ｋ）、Ｒ：気体定数、
Ｆ：ファラディ数
燃料電池では、起電力と発電電圧の差が電池反応の速度、つまり電流密度を決める駆動力となっており、このことから、燃料利用率を高くし燃料電池の出口付近での起電力の低下が大きくなることによって、燃料電池の出力密度が低下する。この出力密度の低下により、同じ出力を得るためには多くのセルが必要となり、これにより、燃料電池システムの経済性が低下することになり、このようなことから、燃料電池の高燃料利用率が許容できなくなる。
【００１０】
以上の課題を要約すると、固体酸化物形燃料電池は、その高温作動という特性により、５００℃以上での吸熱反応である炭化水素の改質反応を電池発電反応の排熱で行えるという利点があり、高い燃料利用率においても燃料ガスの改質を含むプロセスが熱的に成立するため、高発電効率が期待されるが、高燃料利用率での起電力が理論的に低く、所望の電池性能が得られないため、発電効率が低い水準に留まらざるを得ず、期待されるほどの高発電効率が実際には得られていないのが現状である。
【００１１】
こうした課題がある中で、固体酸化物形燃料電池を加圧下で作動し、後段にタービンを設置して発電を行うシステム（「公知の第１システム」という）が知られている。また、溶融炭酸塩形燃料電池とリン酸形燃料電池とを複合させた複合燃料電池システム（「公知の第２システム」という）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。更に、燃料電池と燃料電池の余剰改質ガスの一部を燃料とするガスエンジンとを複合させた複合システム（「公知の第３システム」という）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭６２−２７４５６０号公報
【特許文献２】
特開昭５９−２１７９６０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
公知の第１システムでは、高発電効率を得るシステムとして有効であり、後段にタービンを設置しない場合に比して、８〜１０ポイント程度の大幅な発電効率の向上が見込まれる。しかしながら、こうした構成のシステムでは、燃料電池全体を格納する圧力容器、圧力制御等の付帯機器のコストや重量が増加し、更にはガスタービン側に起因する圧力変動による燃料電池セルの破損を防止すための信頼性を確保する措置が必要になり、このような措置を行うには技術的、経済的な困難性が高い。
【００１４】
また、公知の第２システムでは、高発電効率を得るシステムとして効果があると考えられるが、リン酸形燃料電池と組み合わせているため、システムのコストが高く、今後安価になるという前提が必要であり、既に安価になっている技術との組合せでの高効率化が望まれている。
【００１５】
また、公知の第３システムでは、燃料電池の負荷変化速度を早くするために、余剰改質ガスの一部でガスエンジンを駆動し、余剰改質ガスを貯める方法を開示している。しかしながら、効率的な余剰改質ガスの利用燃料電池の種別やその運転条件などは全く示されておらず、実用性のある技術情報として利用できるものではない。
【００１６】
本発明の目的は、メタン等の炭化水素系ガスを燃料ガスとして用いる固体酸化物形燃料電池から電気とともに燃焼性ガスを取り出し、この燃焼性ガスを加熱炉、ボイラー、エンジン等の燃焼装置の燃料として用いるという高燃料消費効率のエネルギー併給システムを提供することにある。
【００１７】
本発明は、炭化水素を含む原燃料ガスを改質反応させるための改質反応器と、燃料電池発電反応を行う固体酸化物形燃料電池と、燃料を燃焼する燃焼装置と、を備え、
原燃料ガスを、前記固体酸化物形燃料電池で燃料電池発電反応を行った後の反応燃料ガスをリサイクルしたガスと混合し、この混合燃料ガスを前記改質反応器に送給して反応燃料ガスの熱を利用して前記改質反応器にて炭化水素の改質反応を行い、改質した混合燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に送給して前記固体酸化物形燃料電池での燃料電池発電反応に伴う熱を用いて前記固体酸化物形燃料電池で混合燃料ガスの改質を行いつつ、前記固体酸化物形燃料電池で燃料電池発電を行って電力を発生させるとともに、
前記改質反応器の入口から前記固体酸化物形燃料電池の入口までの間にて、反応燃料ガスと原燃料ガスとの混合燃料ガスの一部を取り出し、取り出した混合燃料ガスを燃焼装置に送給し、この混合燃料ガスを単独で又は燃料供給源からの燃料とともにこの燃焼装置で燃焼を行って燃焼熱を発生させ、
更に、前記固体酸化物形燃料電池における原燃料ガスの利用率を６５〜８０％に設定することを特徴とするエネルギー供給システムである。
【００１８】
本発明では、燃料ガスとして炭化水素を含む原燃料ガス、例えば天然ガスを用い、この原燃料ガスを固体酸化物形燃料電池に投入して（例えば、投入熱量を１００とする）、燃料電池発電反応により電力出力、例えば交流電気出力（投入熱量１００に対して例えば４３の熱量に相当する交流電気出力）と熱量を有する燃焼性ガス（この燃焼性ガスが、投入熱量１００に対して例えば３２の熱量を有しているとする）を得る。固体酸化物形燃料電池の燃焼性ガス（反応燃料ガス）は原燃料ガスと混合され、固体酸化物形燃料電池に送給されるこの混合燃料ガスの一部が取り出されて燃焼装置に送給され、例えばこの燃焼性ガスとともに燃料供給源からの燃料がこの燃焼装置で燃焼される。燃焼装置は、例えば加熱炉、ボイラー、エンジン等であり、燃焼性ガスは、燃料供給源からの燃料と予め混合されて燃焼装置で燃焼され、或いは燃料供給源からの燃料と別系統で送給されて燃焼装置で一緒に燃焼される。或いは燃焼性ガス単独で燃焼され、燃焼装置側にて調整することによって、単独で燃焼させることができる。この燃焼装置での燃料減少分を合算すれば固体酸化物形燃料電池の発電効率は実効上６３％〔４３÷（１００−３２）＝０．６３〕と極めて高効率になる。また、燃焼装置は、固体酸化物形燃料電池からの反応燃焼ガスを単独で燃焼して、又はこの反応燃焼ガス及び燃料供給源からの燃料を燃焼して燃焼熱を得る。このように、原燃料ガスを用いて固体酸化物形燃料電池では電力を、また燃焼装置では熱を得ることができ、高燃料消費効率でもって電力（電力エネルギー）及び熱（熱エネルギー）を発生させてエネルギーとして利用することができる。更に、所定の条件で燃料電池発電反応を行うことにより、固体酸化物形燃料電池の出力特性の向上も同時に達成することができ、これによって、固体酸化物形燃料電池に関連してシステムのコスト低減を図ることができる。
【００１９】
即ち、本発明に従えば、天然ガスで代表される炭化水素を含む原燃料ガスが固体酸化物形燃料電池に供給され、この固体酸化物形燃料電池にて燃料電池発電反応による発電が行われるとともに、この燃料電池発電反応により発生する反応燃料ガスがリサイクルして原燃料ガスに混合され、改質反応器及び固体酸化物形燃料電池上にてこの混合燃料ガス中の炭化水素の改質反応が行われる。この改質反応器及び固体酸化物形燃料電池上における改質反応において、固体酸化物形燃料電池での電池発電反応で消費される燃料ガスの例えば１２５％〜１５４％の燃料ガス（燃料利用率の逆数になる）が改質される。そして、固体酸化物形燃料電池で燃料電池反応を行った後の反応燃料ガスが原燃料ガスと混合され、この混合燃料ガスの一部が取り出されて燃焼装置に送給される。取り出された混合燃料ガスは、固体酸化物形燃料電池に供給する原燃料ガスの熱量の約３０％前後の熱量を有しており、この混合燃料ガスが燃焼装置に送られ、この混合燃料ガスを単独で又は燃料供給源からの燃料とともに燃焼装置で所要の通りに燃焼して燃焼熱が得られる。燃料供給源からの燃料は、例えば都市ガス、ＬＰガス、石油、重油等であり、例えば都市ガス、ＬＰガスの場合には混合燃料ガスに予め混合して送給され、例えば石油、重油の場合には別系統で送給され、混合燃料ガスとともに燃料が燃焼装置で燃焼され、このように燃焼することによって、燃焼装置における燃料が安定するとともに、燃焼装置で得られる燃焼熱量を調整することができる。尚、燃焼装置側で調整することによって、混合燃料ガス単独で燃焼させることもできる。従来の固体酸化物形燃料電池システムの熱利用は、固体酸化物形燃料電池の排気との熱交換により、蒸気又は温水の形態による熱取出しであるが、このシステムでは、燃焼装置において燃焼させるために燃焼性ガスとして取り出すことができ、そのため、燃焼装置を加熱炉、ボイラー等に適用することが可能であり、或いは燃焼装置を発電、ヒートポンプ駆動等に用いるエンジンを構成することも可能である。
【００２０】
このシステムでは、また、燃料利用率が６５〜８０％に設定される。これは、上述したように、固体酸化物形燃料電池の電池発電反応の発熱を燃焼性ガスとして取り出し、かつ固体酸化物形燃料電池の熱バランスを得るための条件である。この条件においては、固体酸化物形燃料電池の燃料利用率を従来方法よりも低下させて発電することになる。そのため、固体酸化物形燃料電池のセルの下流部における反応ガス（水素、一酸化炭素）の濃度が高い状態で発電させることになり、これにより、固体酸化物形燃料電池の出力特性が向上する効果が得られる。このことは、同一の燃料電池を用いて、より高い発電電圧、より大きな出力が得られることを意味し、固体酸化物形燃料電池の経済性の向上も同時に達成される。
【００２１】
また、反応燃料ガスはリサイクルされて原燃料に混合され、この混合燃料ガスが改質反応器の入口から固体酸化物形燃料電池の入口との間にて取り出されて燃焼装置に送給される。この燃焼装置には、燃料供給源からの燃料も供給され、反応燃料ガスおよび燃料供給源からの燃料がこの燃焼装置で燃焼され、熱エネルギーが得られる。
【００２４】
また、本発明では、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側における燃料ガスの最高温度が８５０℃以上であることを特徴とする。
本発明に従えば、固体酸化物形燃料電池の燃料極側における燃料ガスの最高温度が８５０℃以上であるので、炭化水素のうち、最も分解温度が高いメタンを改質反応器及び固体酸化物形燃料電池上において、工学的に十分な速度でほぼ完全に改質反応により分解することができる。そして、メタン分解の改質反応がほぼ完全に進むことで、燃焼装置において燃焼させるための燃焼性ガスとしての取り出せる熱量が高まる。
【００２５】
また、本発明では、前記燃焼装置の上流側に凝縮器が配設され、前記反応燃料ガス又は混合燃料ガスが前記凝縮器を通して前記燃焼装置に送給され、前記凝縮器にて前記反応燃料ガス又は前記混合燃料ガスに含まれた水分が除去されることを特徴とする。
【００２６】
本発明に従えば、燃焼装置の上流側に凝縮器が配設されているので、燃焼装置に送られる反応燃料ガス（又は混合燃料ガス）を保温しなくても、燃焼装置に送られる間においてこの反応燃料ガス（又は混合燃料ガス）が結露することがなく、固体酸化物形燃料電池と燃焼装置との距離が離れている場合にもその適用が容易となる。
【００２７】
また、本発明では、前記燃焼装置が、加熱炉若しくはボイラに装備される燃焼器又はエンジンであることを特徴とする。
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池と各種燃焼器又はエンジンとを組み合わせたシステムとして提供することができ、このようなシステムにおいて燃料消費効率を高めることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図２を参照して、本発明に従うエネルギー併給システムの実施形態について説明する。
第１の実施形態
まず、図１を参照して、第１の実施形態のエネルギー併給システムについて説明する。図１は、第一の実施形態のエネルギー併給システムを簡略的に示すシステムブロック図である。
【００３１】
図１において、図示のエネルギー併給システムは、固体酸化物形燃料電池２２、脱硫装置２４、燃料エゼクタ２６、改質反応器２８及び燃焼装置３０を備えている。このエネルギー併給システムでは、原燃料ガスとして、炭化水素系燃料ガス、例えば天然ガスが用いられ、埋設供給管、ガスボンベ如き天然ガス供給源３２から供給される天然ガスが用いられる。
【００３２】
炭化水素系燃料としての原燃料ガス（天然ガス）は、天然ガス供給源３２から脱硫装置２４に送給され、この脱硫装置２４によって、原燃料ガスに含まれている硫黄成分が除去され、硫黄成分が除去された原燃料ガスは燃料エゼクタ２６を通して改質反応器２８に供給される。この改質反応器２８として、例えば断熱改質反応器２８が用いられ、炭化水素の改質が行われる。燃料エゼクタ２６を通して原燃料ガスが流れる際に、燃料エゼクタ２６の吸引作用により固体酸化物形燃料電池２２において燃料電池発電反応が行われた反応燃料ガス２２の一部が引き込まれ、原燃料ガスに反応燃料ガスの一部が混合される。この燃料エゼクタ２６における混合は、混合状態での酸素と炭素の元素比が２．０〜２．２の範囲になるように能力調整され、その能力調整は原燃料ガスの圧力調整で行われる。燃料エゼクタ２６にて混合された混合燃料ガスは改質反応器２８に送給され、この改質反応器でその一部が改質された後、固体酸化物形燃料電池２２の燃料極側に導入され、この固体酸化物形燃料電池２２において電池発電反応と炭化水素の改質反応が同時に行われる。
【００３３】
固体酸化物形燃料電池２２は酸化物イオンを伝導する固体電解質３４を備え、この固体電解質３４の片側の空気極側に後述するようにして空気が供給され、改質された混合燃料ガスが固体電解質３４の他側の燃料極側に送給され、混合燃料ガスと空気中の酸素との燃料電池発電反応により発電が行われ、電力エネルギーが生成される。この固体酸化物形燃料電池２２の燃料極側の出口から排出された反応燃料ガスは、その一部が上述したように燃料エゼクタ２６に送給されてリサイクルされ、その残部が熱交換器３６で固体酸化物形燃料電池２２の空気極側に供給される空気との間で熱交換して冷却され、その後凝縮器３８で凝縮された後に、例えば送給配管３９を通して燃焼装置３０に送給される。このように反応燃料ガスを凝縮器３８を通すことによって、反応燃料ガス中に含まれた水分が除去され、反応燃料ガスの結露が防止される。尚、熱交換器３６の燃料ガス側に、一酸化炭素シフト反応を促進するための触媒を充填するようにしてもよい。
【００３４】
このエネルギー併給システムにおいて、固体酸化物形燃料電池の空気側に供給される空気は、空気ブロア４０によって供給される。この実施形態では、空気ブロア４０から供給された空気は熱交換器３６に送給され、この熱交換器３６において、上述したように燃焼装置３０に送給される反応燃料ガスとの間で熱交換される（反応燃料ガスが冷却されるのに対し、空気が温められる）。そして、このうように熱交換された空気は再生器４２に送給され、この再生器４２において、固体酸化物形燃料電池２２の空気極側から外部に排気される排空気との間で熱交換される（排空気が冷却されるのに対し、空気が温められる）。このように固体酸化物形燃料電池２２に送給される空気は、熱交換器３６及び再生器４２における熱交換により予熱され、この空気極内部に装備された高温熱交換器４４によりさらに熱交換された後に空気極側に導入される。固体酸化物形燃料電池２２の空気極側からの排空気は、再生器４２（空気ブロア４０からの空気との間で熱交換される）を通して大気中に放出される。
【００３５】
このエネルギー併給システムでは、燃料装置３０には燃料供給源４６からの燃料が供給される。燃焼装置４６は、例えば各種加熱炉の燃焼器であり、このような燃焼装置４６に燃料供給源４６からの燃料、例えば都市ガス、ＬＰガス、石油、重油等が供給される。この形態では、燃料供給源４６からの燃料供給は、固体酸化物形燃料電池２２からの反応燃料ガスの送給とは別系統で行われ、燃焼装置３０の燃焼室でこれら反応燃料ガス及び燃料が燃焼され、熱エネルギーが生成される。
【００３６】
燃料の種類によっては、凝縮器３８と燃焼装置３０との間において、固体酸化物形燃料電池２２からの反応燃料ガスと燃料供給源４６からの燃料とを予め混合し、これらを混合したものを燃焼装置３０に送給してその燃焼室で燃焼させるようにしてもよい。或いは、この反応燃料ガスと燃料との混合を熱交換器３６と凝縮器３８との間で行うようにしてもよく、この場合、供給される燃料によって反応燃料ガスが冷却され、これにより、凝縮器３８を省略することが可能となる。また、この形態では、固体酸化物形燃料電池２２に送給される空気の加熱を熱交換器３６及び再生器４２における熱交換により行っているが、これらのいずれか一方における熱交換により行うようにしてもよい。
【００３７】
上述したエネルギー併給システムでは、固体酸化物形燃料電池２２での燃料利用率が６５〜８０％と低く設定されており、このように低く設定することによって、固体酸化物形燃料電池２２の電池発電反応に伴う高温排熱を固体酸化物形燃料電池２２での燃料電池反応に使われない燃料ガスの改質反応に要する熱として与えるとともに、固体酸化物形燃料電池２２の電力出力特性を向上させている。そして、燃料電池反応に使わない燃料ガスについては、燃焼装置３０で燃焼する燃料の一部として利用し、燃料供給源４６からの燃料とともに燃焼させ、このように燃焼することによって、燃焼装置３０に供給する燃料の供給量を少なくすることが可能となる。このように、このシステムでは、固体酸化物形燃料電池２２において電力エネルギーが得られ、燃焼装置３０では熱エネルギーが得られ、高燃料消費効率で電力と熱の２種類のエネルギーを発生させて利用することができ、また固体酸化物形燃料電池２２の燃料利用率を下げることによって、固体酸化物形燃料電池２２に関わるコストを下げることも併せて達成することができる。
【００３８】
この実施形態では、燃料供給源４６からの燃料を燃焼装置３０に送給して反応燃料ガスとともに燃焼させているが、燃料供給源４６からの燃料の送給を停止し（又は燃料供給源４６を省略し）、固体酸化物形燃料電池２２からの反応燃料ガスを単独で燃焼装置３０で燃焼させるようにしてもよく、この場合、必要に応じて燃焼装置３０を調整して用いるようにする。
【００３９】
このエネルギー併給システムでは、固体酸化物形燃料電池２２のセルとして、ランタンマンガネートからなる多孔質空気管上に安定化ジルコニアの薄膜よりなる電解質、及びニッケルジルコニアサーメットよりなる燃料極を順次積層し、一部に帯状のランタンクロマイト緻密薄膜をインターコネクターとして形成したものが用いられる。固体酸化物形燃料電池の温度は８００〜１０００℃程度であり、この固体酸化物形燃料電池２２の電池内部は１００℃程度の温度分布を有しており、固体酸化物形燃料電池２２の中央付近が最も温度が高くなる。このような固体酸化物形燃料電池２２の燃料極側の燃料ガスの最高温度は８５０℃以上であるのが望ましい。
【００４０】
このようなシステムでは、固体酸化物形燃料電池の作動温度の調整は、主に固体酸化物形燃料電池に供給される空気量の増減で行なわれる。従来では、主として空気により固体酸化物形燃料電池を冷却し、固体酸化物形燃料電池の発電反応で用いる酸素量の５〜１０倍の酸素を含む空気を用いていたが、この実施形態では、燃料ガス側での改質反応で発熱を利用する比率が増加するため、固体酸化物形燃料電池の発電反応で用いる酸素量の２〜５倍程度の酸素を含む空気を用いることでよく、これによって、空気ブロアの動力を低減することも可能となる。
【００４１】
第２の実施形態
図２は、本発明に従うエネルギー併給システムの第２の実施形態を簡略的に示している。尚、第２の実施形態において、第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の番号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
図２において、この第２の実施形態では、燃焼装置としてエンジン６２が用いられており、このエンジン６２は、例えば、発電、ヒートポンプ駆動に用いられるガスエンジンから構成され、このガスエンジンに後述する混合燃料ガスが送給されるとともに、燃料供給源４６からの燃料、例えば都市ガス、ＬＰガスが供給される。
【００４３】
また、この第２の実施形態では、固体酸化物形燃料電池２２の出口から導出された反応燃料ガスの全て、即ち固体酸化物形燃料電池２２において燃料電池発電反応した後の燃料ガスの全てが燃料エゼクタ２６に送給されてリサイクルされ、この燃料エゼクタ２６にて天然ガス供給源３２からの原燃料ガス、例えば天然ガスと混合され、かく混合された混合燃料ガス（原燃料ガスと反応燃料ガスとの混合ガス）が改質反応器２８で改質された後に固体酸化物形燃料電池２２の燃料極側に導入される。そして、この形態では、改質反応器２８から固体酸化物形燃料電池２２に送給される混合燃料ガスの一部が、分岐流路６４を通して取り出され、かく取り出された混合燃料ガスが熱交換器３６及び凝縮器３８を通してエンジン６２の燃焼室に供給され、燃料供給源４６からの燃料とともにこの燃焼室で燃焼される。第２の実施形態のその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。
【００４４】
この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、固体酸化物形燃料電池２２にて電力（電力エネルギー）を、またエンジン６２にて熱（熱エネルギー）を発生させて利用することができる。また、固体酸化物形燃料電池２２に送給される混合燃料ガスの一部を燃焼装置３０で燃焼する燃料の一部として利用し、燃料供給源４６からの燃料とともにエンジン６２で燃焼させているので、エンジン６２に供給する燃料の供給量を少なくすることが可能となる。
【００４５】
この第２の実施形態においては、燃料供給源４６からの燃料を燃料装置３０に送給して混合燃料ガスとともに燃焼させているが、エンジン６２の燃焼を調整して混合燃料ガスを単独でエンジン６２で燃焼させるようにしてもよい。
【００４６】
このエンジン６２に発電装置（図示せず）を駆動連結し、エンジン６２によって発電装置を運転するようにしてもよい。このようにして発電装置を運転する場合、固体酸化物形燃料電池２２の起動に要する間、この発電装置による電力をシステムの制御電力、空気ブロア４０の電力などに用いることができる。
【００４７】
また、第２の実施形態では、改質反応器２８から固体酸化物形燃料電池２２に送給される混合燃料ガスの一部を取り出しているが、混合燃料ガスの取り出しは、改質反応器２８の入口から固体酸化物形燃料電池２２の出口までの間の範囲において行うことができ、このような範囲で取り出すことによって、上述したと同様の効果が達成される。また、この形態では、取り出した混合燃料ガスをエンジン６２の燃料として利用しているが、第１の実施形態における燃焼装置の燃料としても利用可能である。
【００４８】
第１及び第２の実施形態では、特に設けていないが、必要に応じて、再生器４２と固体酸化物形燃料電池２２との間に燃焼器を設け、固体酸化物形燃料電池２２の発電出力が定格から大きく下げた場合、固体酸化物形燃料電池の作動温度を維持するために、この燃焼器を燃焼させるようにしてもよい。尚、このような燃焼器は、固体酸化物形燃料電池２２を起動するためにも用いることができる。
【００４９】
また、第１及び第２の実施形態では、改質反応器２８を固体酸化物形燃料電池２２とは独立して設置しているが、このような構成に限定されず、改質反応器２８を固体酸化物形燃料電池２２に隣接して設置するようにしてもよい。この場合、改質反応器２８には固体酸化物形燃料電池２２からの輻射熱、伝熱が与えられ、より効率よく改質反応を行うことができる。
【００５０】
また、第１及び第２の実施形態では、固体酸化物形燃料電池２２で燃料電池発電反応を行った後の反応燃料ガスの一部又は全部をリサイクルしたガスを原燃料ガスの改質反応に用いている。このリサイクルする反応燃料ガスに外部から蒸気を導入することも可能である。但し、新たに水蒸気用の配管を設置するとともに、凝縮器での凝縮水発生量が多くなる。
【００５１】
実施例及び比較例
実施例として、図１に示したエネルギー併給システム、即ち固体酸化物形燃料電池と、燃焼装置としての加熱炉とを組み合わせたシステムを用いた。また、比較例として、図４に示す従来のシステム、即ち固体酸化物形燃料電池からなるシステムを用いた。比較例では、固体酸化物形燃料電池の燃料極出口の反応燃料ガスのうち、改質反応器に供給するガスを除いたガスを、その空気極側出口のガスと混合して燃焼した。実施例１及び比較例において、原燃料ガスとして、表１に示す組成（容量％）の燃料ガスを用いた。
【００５２】
【表１】

実施例及び比較例において、原燃料ガスは、燃料電池発電反応を行った後の燃料ガスと混合し、この混合状態での酸素と炭素の元素比が２．０〜２．２の範囲となるようにリサイクルするガス比率を制御した。また、固体酸化物形燃料電池の燃料極側出口のガス温度は約９１０℃で、固体酸化物形燃料電池内の燃料ガスの最高温度は約１０００℃であった。尚、固体酸化物形燃料電池の作動圧力は大気圧であった。各部の圧力損失のため、空気ブロアから供給する大気圧よりも若干高い圧力になるが、高くても大気圧プラス０．１０気圧以内であった。
【００５３】
実施例及び比較例の各々のシステムにおいて、表２で示す条件で発電を行った。実施例及び比較例のシステムにおける発電の結果は、表３に示す通りであった。尚、実施例及び比較例では、同じ仕様の固体酸化物形燃料電池を同じ数量用いて行った。表３における発電出力は、変換効率９３％の直流・交流変換装置で変換した後、空気ブロアを含む補機による電力消費を差し引いたものである。
【００５４】
【表２】

【００５５】
【表３】

表３に示すように、実施例（固体酸化物形燃料電池と加熱炉を組み合わせたシステム）においては、システム全体での発電のための燃料消費増を基準とすると実効上の発電効率は６３．６％であり、一方、比較例（固体酸化物形燃料電池の単独システム）においては、システム全体での発電のための燃料消費増を基準とすると実効上の発電効率は４５．３％であり、実施例のシステムでは、比較例に比して高い効率で発電が行えることが判明した。
【００５６】
次に、実施例のシステム（固体酸化物形燃料電池と加熱炉を組み合わせたシステム）を用い、固体酸化物形燃料電池の燃料利用率を変化させた際の効果（即ち、実効上の発電効率）を調べた。尚、燃料利用率を変化させても、固体酸化物形燃料電池の出力密度が０．２Ｗ／ｃｍ^２で一定になるように原燃料流量と発電出力を調整し、また、空気利用率は２８％となるようにした。
【００５７】
この実施例にける燃料利用率を変化させたときの結果は、図３に示す通りであった。図３において、横軸は固体酸化物形燃料電池の燃料利用率であり、縦軸は上記表３の項目▲５▼に示した値、即ち実効上の発電効率であり、この値Ｐは、
Ｐ＝（発電出力÷システム全体での発電のための燃料消費増）
である。
【００５８】
燃料利用率が６０％及び６５％であるときには、固体酸化物形燃料電池の作動温度が維持できなかった。そこで、再生器４２と固体酸化物形燃料電池２２との間に設けた燃焼器に、固体酸化物形燃料電池の作動温度を維持するために、別途原燃料ガスを投入して燃焼させた。尚、固体酸化物形燃料電池の操作条件としての燃料利用率には、再生器４２と固体酸化物形燃料電池２２との間に設けた燃焼器に供給した燃料を含めていないが、発電のための燃料消費増には含めている。
【００５９】
図３から明らかなように、固体酸化物形燃料電池の燃料利用率が７０％であるときに、そのシステムの実効上の発電効率Ｐが６６％程度となり、この実施例のシステムにおいて最も効率的に発電できることが判った。燃料利用率が６５％以下になると、反応燃料ガスが固体酸化物形燃料電池外に持ち出す熱量が大きくなり過ぎ、固体酸化物形燃料電池の作動温度の維持に別途燃料が必要で効率が低下し、一方、燃料利用率が８０％を超えると、反応燃料ガスの熱量そのものが小さくなり、このシステムによる効果が充分にあらわれないことがわかる。以上のことから、実施例のシステムにおいては、固体酸化物形燃料電池の燃料利用率が６５〜８０％の範囲であるときに、固体酸化物形燃料電池の発電効率が高くなることが確認できた。
【００６０】
本発明の請求項１のエネルギー併給システムによれば、原燃料ガスを用いて固体酸化物形燃料電池では電力を、また燃焼装置では熱を得ることができ、高燃料消費効率でもって電力エネルギー及び熱エネルギーを発生させてエネルギーとして利用することができる。
【００６１】
また、本発明の請求項３のエネルギー併給システムによれば、分解温度が高いメタン等を改質反応器及び固体酸化物形燃料電池上においてほぼ完全に改質反応させることができる。
【００６２】
また、本発明の請求項４のエネルギー併給システムによれば、反応燃料ガス又は混合燃料ガスに含まれた水分を除去することができ、この燃料ガスの結露を防止することができる。
【００６３】
また、本発明の請求項５のエネルギー併給システムによれば、固体酸化物形燃料電池と各種燃焼器又はエンジンとを組み合わせたシステムとして提供することができ、このようなシステムにおいて燃料消費効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従うエネルギー併給システムの第１の実施形態を簡略的に示すシステムブロック図である。
【図２】本発明に従うエネルギー併給システムの第２の実施形態を簡略的に示すシステムブロック図である。
【図３】実施例のシステムにおいて、燃料利用率を変化させたときの効果を示す図である。
【図４】従来の固体酸化物形燃料電池システムを簡略的に示すシステムブロック図である。
【符号の説明】
２２固体酸化物形燃料電池
２４脱硫装置
２８改質反応器
３０燃焼装置
３２天然ガス供給源
３４固体電解質
３６熱交換器
３８凝縮器
４６燃料供給源
６２エンジン
６４分岐流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an energy co-feed system that uses hydrocarbon fuel gas such as methane as fuel and generates electric power and combustion heat with high fuel consumption efficiency.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to increase the overall utilization efficiency of fossil fuels, cogeneration systems that use heat generated with electric power as steam and hot water have been commercially available. However, in order to use electric power and heat with high efficiency, it is necessary that the electric power demand and heat demand (for example, demand for steam, hot water, etc.) at the location where the cogeneration system is installed almost match. If these values do not substantially match, fuel utilization efficiency will deteriorate. For this reason, in Japan, where the climate is warm, a system with a high generation ratio of electric power to heat, that is, a cogeneration system with high power generation efficiency is required.
[0003]
Low-combustion gas engine generators, phosphoric acid fuel cells, etc. are commercialized as cogeneration systems with high power generation efficiency, but the power generation efficiency of several hundred kW class cogeneration systems is about 40% at the maximum. There is a maximum of 40% of the remaining amount used for heat such as hot water. In addition, solid oxide fuel cells and the like have been developed as cogeneration systems with higher power generation efficiency. In the solid oxide fuel cell, electrodes having a function of oxidizing and reducing fuel gas and oxygen in the air are attached to both sides of a solid electrolyte that conducts oxide ions. As the electrolyte material, zirconia doped with yttria is generally used, and hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons in fuel gas, and oxygen in oxidant gas are used at a high temperature of 700 to 1000 ° C. Electric power is generated by an electrochemical reaction.
[0004]
When power generation is performed using methane or the like as fuel, generally, methane is converted into hydrogen and carbon monoxide by a reforming reaction with an oxygen source typified by water vapor in the previous stage of the fuel cell power generation reaction. In order for the steam reforming reaction of methane, which is an endothermic reaction, to proceed at a sufficient rate, heat of 500 ° C. or higher, desirably 700 ° C. or higher is required. Therefore, in a fuel cell having an operating temperature of 500 ° C. or less, it is necessary to provide heat for advancing the steam reforming reaction by combustion of the fuel gas. In such a case, the fuel cell can be directly used for the fuel cell power generation reaction. The ratio of fuel gas is low, and the power generation efficiency cannot be sufficiently high.
[0005]
On the other hand, in this solid oxide fuel cell, the exhaust heat of the fuel cell power generation reaction can be used for the steam reforming reaction of methane, and therefore high power generation efficiency is expected. FIG. 4 schematically shows a system configuration of a typical solid oxide fuel cell having such a configuration using exhaust heat. In this solid oxide fuel cell system, natural gas is used as the raw fuel gas. The raw fuel gas is desulfurized by the desulfurizer 2, and the desulfurized raw fuel gas and the reaction fuel gas (or water vapor) after the fuel cell power generation reaction is performed in the solid oxide fuel cell 8 are supplied to the fuel ejector 4. And mixed. The mixed fuel gas (mixed gas of raw fuel gas and reaction fuel gas) is supplied to the adiabatic reforming reactor 6, and a part of the mixed fuel gas is reformed in the adiabatic reforming reactor 6. The reacted and reformed mixed fuel gas is supplied to the fuel side of the solid oxide fuel cell 8. In the solid oxide fuel cell 8, the fuel gas supplied to the fuel electrode side and the air electrode side are supplied. Power generation is performed by a fuel cell power generation reaction with the supplied air (oxygen is used). The fuel corresponding to at least 15 to 20% of the raw fuel gas (when the fuel utilization rate is 80 to 85%) flows downstream from the outlet of the solid oxide fuel cell 8 and is installed on the downstream side. The combustor 10 is mixed with the outlet gas on the air electrode side of the solid oxide fuel cell 8 and burned. And this combustion exhaust gas is heat-exchanged with supply air with a regenerator. Further, the exhaust from the regenerator is used for heat utilization as steam and hot water.
[0006]
When a conventional cogeneration system is used, the power generation efficiency obtained at several hundred kW class is up to about 40%, and in order to increase the fuel consumption efficiency, heat demand such as steam and hot water is required to meet the power demand. It is. In the solid oxide fuel cell system under development to improve the power generation efficiency, when natural gas is used as the raw fuel gas, the power generation efficiency at the transmission end based on the lower heating value standard obtained with such a configuration is 43 to 48%. Degree. The reason why the power generation efficiency remains at this level is that the upper limit of the fuel utilization rate remains at about 80 to 85% for the following reason. That is, in the solid oxide fuel cell, as the fuel gas goes from the fuel inlet to the outlet, the concentration of hydrogen serving as fuel decreases, and the concentration of water vapor and carbon dioxide, which are reaction products, increases. The electromotive force near the exit decreases.
[0007]
In the Nernst equation, which is a theoretical equation for determining the electromotive force of a battery, a solid oxide fuel cell that operates at high temperature is a fuel that operates at a low temperature in accordance with the relationship shown in equation (1), which is the product of the concentration term and temperature. Compared to batteries, the electromotive force drop near the fuel outlet is large.
[0008]
The Nernst equation is as shown by the following equation (1).
[0009]
[Formula 1]

E: electromotive force, E0: standard electromotive force, T: temperature (K), R: gas constant,
F: Faraday number
In a fuel cell, the difference between the electromotive force and the generated voltage is the driving force that determines the cell reaction speed, that is, the current density, which increases the fuel utilization rate and reduces the electromotive force near the outlet of the fuel cell. As the value increases, the output density of the fuel cell decreases. Due to this decrease in power density, many cells are required to obtain the same output, which reduces the economics of the fuel cell system. For this reason, the fuel cell has a high fuel utilization rate. Becomes unacceptable.
[0010]
In summary, the solid oxide fuel cell has the advantage of being able to perform a hydrocarbon reforming reaction, which is an endothermic reaction at 500 ° C. or higher, by exhaust heat from the battery power generation reaction due to its high temperature operation characteristic. High power generation efficiency is expected because the process including fuel gas reforming is thermally established even at high fuel utilization, but the electromotive force at high fuel utilization is theoretically low, and desired cell performance Therefore, the power generation efficiency has to remain at a low level, and the high power generation efficiency as expected is not actually obtained.
[0011]
In such a problem, a system that operates a solid oxide fuel cell under pressure and installs a turbine in the subsequent stage to generate electric power (referred to as a “known first system”) is known. Further, a composite fuel cell system (referred to as “second known system”) in which a molten carbonate fuel cell and a phosphoric acid fuel cell are combined has been proposed (for example, see Patent Document 1). Furthermore, a composite system (referred to as “known third system”) in which a fuel cell and a gas engine that uses a part of the surplus reformed gas of the fuel cell as a fuel has been proposed (for example, see Patent Document 2). ).
[0012]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 62-274560
[Patent Document 2]
JP 59-217960 A
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The known first system is effective as a system for obtaining high power generation efficiency, and a significant improvement in power generation efficiency of about 8 to 10 points is expected as compared with a case where a turbine is not installed in the subsequent stage. However, in such a system, the cost and weight of the pressure vessel for storing the entire fuel cell and the auxiliary equipment such as pressure control are increased, and further, the fuel cell is prevented from being damaged due to the pressure fluctuation caused by the gas turbine side. Therefore, it is necessary to take measures to ensure the reliability, and technical and economic difficulties are high to carry out such measures.
[0014]
Further, the known second system is considered to be effective as a system for obtaining high power generation efficiency, but since it is combined with a phosphoric acid fuel cell, it is necessary to assume that the cost of the system is high and that it will become cheap in the future. There is a demand for higher efficiency in combination with technology that has already become inexpensive.
[0015]
In addition, the known third system discloses a method of storing surplus reformed gas by driving the gas engine with a part of surplus reformed gas in order to increase the load change speed of the fuel cell. However, the type of fuel cell that efficiently uses surplus reformed gas and its operating conditions are not shown at all, and cannot be used as practical technical information.
[0016]
An object of the present invention is to take out a combustible gas together with electricity from a solid oxide fuel cell using a hydrocarbon-based gas such as methane as a fuel gas, and use this combustible gas as a fuel for a combustion apparatus such as a heating furnace, boiler, engine, etc. It is to provide an energy co-supply system with high fuel consumption efficiency.
[0017]
  The present invention comprises a reforming reactor for reforming a raw fuel gas containing hydrocarbons, a solid oxide fuel cell that performs a fuel cell power generation reaction, and a combustion device that burns fuel,
  A raw fuel gas is mixed with a gas obtained by recycling a reaction fuel gas after performing a fuel cell power generation reaction in the solid oxide fuel cell,The mixed fuel gas is supplied to the reforming reactor, and the reforming reaction of hydrocarbon is performed in the reforming reactor using the heat of the reacting fuel gas, and the reformed mixed fuel gas is converted into the solid oxidation gas. While reforming the mixed fuel gas in the solid oxide fuel cell using heat generated by the fuel cell power generation reaction in the solid oxide fuel cell after being supplied to the physical fuel cell,While performing fuel cell power generation with the solid oxide fuel cell to generate power,
  A part of the mixed fuel gas of the reaction fuel gas and the raw fuel gas is taken out between the inlet of the reforming reactor and the inlet of the solid oxide fuel cell, and the taken out mixed fuel gas is put into the combustion device. To feed this mixed fuel gasCombustion in this combustion device alone or with fuel from a fuel supply source to generate combustion heat;
  Furthermore, the energy supply system is characterized in that the utilization rate of the raw fuel gas in the solid oxide fuel cell is set to 65 to 80%.
[0018]
  In the present invention, a raw fuel gas containing hydrocarbons as a fuel gas, for example, natural gas is used, and this raw fuel gas is input to a solid oxide fuel cell (for example, the input heat amount is set to 100) to generate fuel cell power generation. A combustible gas having an electric power output, for example, an AC electric output (AC electric output corresponding to, for example, 43 heat amounts with respect to the input heat amount 100) and a heat amount (this combustible gas is, for example, 32 Suppose you have a calorie). Combustible gas for solid oxide fuel cells(Reactive fuel gas) is mixed with the raw fuel gas, and a part of this mixed fuel gas fed to the solid oxide fuel cell is taken out.For example, fuel from a fuel supply source is combusted in the combustion apparatus together with the combustible gas. The combustion apparatus is, for example, a heating furnace, a boiler, an engine, etc., and the combustible gas is premixed with the fuel from the fuel supply source and burned by the combustion apparatus, or is sent separately from the fuel from the fuel supply source. And burned together in a combustion device. Or it can be made to burn independently by combusting by combustible gas alone and adjusting on the combustion device side. If the fuel reduction in this combustion device is added together, the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell is effectively 63% [43 ÷ (100−32) = 0.63]. The combustion apparatus burns the reaction combustion gas from the solid oxide fuel cell alone or burns the reaction combustion gas and fuel from the fuel supply source to obtain combustion heat. In this way, raw fuel gas can be used to obtain electric power in solid oxide fuel cells and heat from a combustion device, generating electric power (electric energy) and heat (thermal energy) with high fuel consumption efficiency. Can be used as energy. Further, by performing the fuel cell power generation reaction under predetermined conditions, the output characteristics of the solid oxide fuel cell can also be improved at the same time, thereby reducing the system cost associated with the solid oxide fuel cell. Reduction can be achieved.
[0019]
  That is, according to the present invention, a raw fuel gas containing hydrocarbons typified by natural gas is supplied to a solid oxide fuel cell, and power is generated by a fuel cell power generation reaction in the solid oxide fuel cell. Along with this fuel cell power generation reactionReactive fuel gasThe mixture is recycled and mixed with the raw fuel gas, and the reforming reaction of hydrocarbons in the mixed fuel gas is performed on the reforming reactor and the solid oxide fuel cell. In the reforming reaction on the reforming reactor and the solid oxide fuel cell, for example, 125% to 154% of the fuel gas consumed in the cell power generation reaction in the solid oxide fuel cell (fuel utilization rate) The reciprocal of is improved. And after conducting a fuel cell reaction in a solid oxide fuel cellReaction fuel gas is mixed with raw fuel gas, and a part of this mixed fuel gasIs taken out and fed to the combustion device. Taken outMixed fuel gasHas a calorific value of about 30% of the calorific value of the raw fuel gas supplied to the solid oxide fuel cell.Mixed fuel gasIs sent to the combustorMixed fuel gasThe combustion heat is obtained by burning the fuel alone or together with the fuel from the fuel supply source in the combustion device as required. The fuel from the fuel supply source is, for example, city gas, LP gas, petroleum, heavy oil, etc. In the case of city gas, LP gas, for example,Mixed fuel gasFor example, in the case of oil or heavy oil, it is sent in a separate system,Mixed fuel gasAt the same time, the fuel is combusted by the combustion device, and by burning in this way, the fuel in the combustion device is stabilized and the amount of combustion heat obtained by the combustion device can be adjusted. By adjusting on the combustion device side,Mixed fuel gasIt can also be burned alone. The heat utilization of the conventional solid oxide fuel cell system is heat extraction in the form of steam or hot water by exchanging heat with the exhaust of the solid oxide fuel cell. Therefore, the combustion device can be applied to a heating furnace, a boiler, or the like, or an engine that uses the combustion device for power generation, heat pump drive, or the like can be configured.
[0020]
In this system, the fuel utilization rate is set to 65 to 80%. As described above, this is a condition for taking out the heat generated by the cell power generation reaction of the solid oxide fuel cell as a combustible gas and obtaining the heat balance of the solid oxide fuel cell. Under these conditions, power is generated by lowering the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell as compared with the conventional method. Therefore, power generation is performed in a state where the concentration of the reaction gas (hydrogen, carbon monoxide) in the downstream portion of the cell of the solid oxide fuel cell is high, thereby improving the output characteristics of the solid oxide fuel cell. An effect is obtained. This means that a higher power generation voltage and a larger output can be obtained using the same fuel cell, and the economic efficiency of the solid oxide fuel cell can be achieved at the same time.
[0021]
  Also,Reacted fuel gas is recycled and mixed with the raw fuel, and this mixed fuel gas passes between the inlet of the reforming reactor and the inlet of the solid oxide fuel cell.It is taken out and fed to the combustion device. The combustion apparatus is also supplied with fuel from a fuel supply source, and the reaction fuel gas and fuel from the fuel supply source are combusted in the combustion apparatus to obtain thermal energy.
[0024]
In the present invention, the maximum temperature of the fuel gas on the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell is 850 ° C. or more.
According to the present invention, since the maximum temperature of the fuel gas on the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell is 850 ° C. or higher, methane having the highest decomposition temperature is selected from the hydrocarbons as the reforming reactor and the solid oxide. On the fuel cell, it can be almost completely decomposed by a reforming reaction at an engineeringly sufficient rate. And since the reforming reaction of methane decomposition proceeds almost completely, the amount of heat that can be taken out as a combustible gas for combustion in the combustion apparatus increases.
[0025]
In the present invention, a condenser is disposed on the upstream side of the combustion device, and the reaction fuel gas or the mixed fuel gas is supplied to the combustion device through the condenser, and the reaction fuel gas is supplied by the condenser. Alternatively, moisture contained in the mixed fuel gas is removed.
[0026]
According to the present invention, since the condenser is disposed on the upstream side of the combustion device, the reaction fuel gas (or mixed fuel gas) sent to the combustion device can be sent to the combustion device without being kept warm. This reaction fuel gas (or mixed fuel gas) does not condense, and its application is facilitated even when the distance between the solid oxide fuel cell and the combustion device is long.
[0027]
  Further, in the present invention, the combustion device is a heating furnace.OrIt is a combustor or an engine equipped in a boiler.
  ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can provide as a system which combined the solid oxide fuel cell and various combustors or engines, and fuel consumption efficiency can be improved in such a system.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, with reference to FIG.1 and FIG.2, embodiment of the energy simultaneous supply system according to this invention is described.
First embodiment
First, with reference to FIG. 1, the energy combined supply system of 1st Embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a system block diagram schematically showing the co-energy system of the first embodiment.
[0031]
In FIG. 1, the illustrated energy supply system includes a solid oxide fuel cell 22, a desulfurization device 24, a fuel ejector 26, a reforming reactor 28, and a combustion device 30. In this energy co-supply system, a hydrocarbon fuel gas such as natural gas is used as the raw fuel gas, and natural gas supplied from a natural gas supply source 32 such as an embedded supply pipe or a gas cylinder is used.
[0032]
The raw fuel gas (natural gas) as the hydrocarbon-based fuel is supplied from the natural gas supply source 32 to the desulfurization device 24, and the sulfur component contained in the raw fuel gas is removed by the desulfurization device 24. The raw fuel gas from which the components have been removed is supplied to the reforming reactor 28 through the fuel ejector 26. As this reforming reactor 28, for example, an adiabatic reforming reactor 28 is used, and reforming of hydrocarbon is performed. When the raw fuel gas flows through the fuel ejector 26, a part of the reaction fuel gas 22 in which the fuel cell power generation reaction has been performed in the solid oxide fuel cell 22 is drawn by the suction action of the fuel ejector 26, and is supplied to the raw fuel gas. A part of the reaction fuel gas is mixed. The mixing in the fuel ejector 26 is adjusted in capacity so that the element ratio of oxygen to carbon in the mixed state is in the range of 2.0 to 2.2, and the capacity adjustment is performed by adjusting the pressure of the raw fuel gas. The mixed fuel gas mixed in the fuel ejector 26 is fed to the reforming reactor 28, and a part thereof is reformed by this reforming reactor, and then is fed to the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell 22. In the solid oxide fuel cell 22, the battery power generation reaction and the hydrocarbon reforming reaction are simultaneously performed.
[0033]
The solid oxide fuel cell 22 includes a solid electrolyte 34 that conducts oxide ions, air is supplied to the air electrode side of one side of the solid electrolyte 34 as described later, and the reformed mixed fuel gas is solid. The fuel is fed to the fuel electrode side on the other side of the electrolyte 34, and power is generated by a fuel cell power generation reaction between the mixed fuel gas and oxygen in the air, and electric power energy is generated. A part of the reaction fuel gas discharged from the outlet on the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell 22 is sent to the fuel ejector 26 and recycled as described above, and the remainder is recycled by the heat exchanger 36. The solid oxide fuel cell 22 is cooled by exchanging heat with the air supplied to the air electrode side of the solid oxide fuel cell 22, and then condensed by the condenser 38, and then supplied to the combustion device 30 through the supply pipe 39, for example. The By passing the reaction fuel gas through the condenser 38 in this way, moisture contained in the reaction fuel gas is removed, and condensation of the reaction fuel gas is prevented. Note that a catalyst for promoting the carbon monoxide shift reaction may be filled on the fuel gas side of the heat exchanger 36.
[0034]
In this combined energy supply system, the air supplied to the air side of the solid oxide fuel cell is supplied by the air blower 40. In this embodiment, the air supplied from the air blower 40 is supplied to the heat exchanger 36, and in this heat exchanger 36, heat is exchanged with the reaction fuel gas supplied to the combustion device 30 as described above. It is exchanged (reacted fuel gas is cooled while air is warmed). The air thus heat-exchanged is supplied to the regenerator 42 where heat is exchanged with the exhaust air exhausted from the air electrode side of the solid oxide fuel cell 22 to the outside. It is exchanged (exhaust air is cooled while air is warmed). Thus, the air supplied to the solid oxide fuel cell 22 is preheated by heat exchange in the heat exchanger 36 and the regenerator 42, and further heat exchange is performed by the high temperature heat exchanger 44 installed in the air electrode. Is introduced to the air electrode side. Exhaust air from the air electrode side of the solid oxide fuel cell 22 is released into the atmosphere through a regenerator 42 (heat exchanged with air from the air blower 40).
[0035]
In this combined energy supply system, the fuel from the fuel supply source 46 is supplied to the fuel device 30. The combustion device 46 is, for example, a combustor of various heating furnaces, and fuel from the fuel supply source 46 such as city gas, LP gas, petroleum, heavy oil, or the like is supplied to the combustion device 46. In this embodiment, the fuel supply from the fuel supply source 46 is performed in a separate system from the supply of the reaction fuel gas from the solid oxide fuel cell 22, and these reaction fuel gas and fuel are supplied in the combustion chamber of the combustion apparatus 30. Is burned and heat energy is generated.
[0036]
Depending on the type of fuel, between the condenser 38 and the combustion device 30, the reaction fuel gas from the solid oxide fuel cell 22 and the fuel from the fuel supply source 46 are mixed in advance, and these are mixed. You may make it burn to the combustion apparatus 30 and to burn in the combustion chamber. Alternatively, the reaction fuel gas and the fuel may be mixed between the heat exchanger 36 and the condenser 38. In this case, the reaction fuel gas is cooled by the supplied fuel, thereby condensing. The device 38 can be omitted. Further, in this embodiment, the air supplied to the solid oxide fuel cell 22 is heated by heat exchange in the heat exchanger 36 and the regenerator 42. However, it is performed by heat exchange in either one of these. It may be.
[0037]
In the energy co-supply system described above, the fuel utilization rate in the solid oxide fuel cell 22 is set as low as 65 to 80%. By setting the fuel utilization rate in this way, the battery power generation of the solid oxide fuel cell 22 is performed. The high-temperature exhaust heat accompanying the reaction is given as the heat required for the reforming reaction of the fuel gas that is not used for the fuel cell reaction in the solid oxide fuel cell 22, and the power output characteristics of the solid oxide fuel cell 22 are improved. ing. The fuel gas that is not used for the fuel cell reaction is used as part of the fuel burned in the combustion device 30 and burned together with the fuel from the fuel supply source 46. By burning in this way, the combustion device 30 It is possible to reduce the amount of fuel to be supplied. As described above, in this system, electric power energy is obtained in the solid oxide fuel cell 22, and thermal energy is obtained in the combustion device 30, and two kinds of energy of electric power and heat are generated and used with high fuel consumption efficiency. In addition, by reducing the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell 22, it is possible to achieve a reduction in the cost associated with the solid oxide fuel cell 22.
[0038]
In this embodiment, the fuel from the fuel supply source 46 is supplied to the combustion device 30 and burned together with the reaction fuel gas. However, the fuel supply from the fuel supply source 46 is stopped (or the fuel supply source 46). The reaction fuel gas from the solid oxide fuel cell 22 may be burned by the combustion device 30 alone, and in this case, the combustion device 30 is adjusted and used as necessary. .
[0039]
In this combined energy supply system, as a cell of the solid oxide fuel cell 22, an electrolyte made of a stabilized zirconia thin film and a fuel electrode made of nickel zirconia cermet are sequentially laminated on a porous air tube made of lanthanum manganate, In some cases, a thin lanthanum chromite thin film formed as an interconnector is used. The temperature of the solid oxide fuel cell is about 800 to 1000 ° C., and the inside of the solid oxide fuel cell 22 has a temperature distribution of about 100 ° C. The temperature is highest in the vicinity. The maximum temperature of the fuel gas on the fuel electrode side of such a solid oxide fuel cell 22 is desirably 850 ° C. or higher.
[0040]
In such a system, the operation temperature of the solid oxide fuel cell is adjusted mainly by increasing or decreasing the amount of air supplied to the solid oxide fuel cell. Conventionally, the solid oxide fuel cell is mainly cooled by air, and air containing 5 to 10 times the amount of oxygen used in the power generation reaction of the solid oxide fuel cell has been used, but in this embodiment, Since the ratio of using heat generation in the reforming reaction on the fuel gas side increases, it is sufficient to use air containing about 2 to 5 times the amount of oxygen used in the power generation reaction of the solid oxide fuel cell. Thus, the power of the air blower can be reduced.
[0041]
Second embodiment
FIG. 2 schematically illustrates a second embodiment of a co-energy system according to the present invention. Note that in the second embodiment, substantially the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0042]
In FIG. 2, in the second embodiment, an engine 62 is used as a combustion device. The engine 62 is composed of, for example, a gas engine used for power generation and heat pump drive, and the gas engine is mixed later. While the fuel gas is supplied, fuel such as city gas and LP gas from the fuel supply source 46 is supplied.
[0043]
In the second embodiment, all of the reaction fuel gas derived from the outlet of the solid oxide fuel cell 22, that is, all of the fuel gas after the fuel cell power generation reaction in the solid oxide fuel cell 22 is performed. The fuel ejector 26 is fed and recycled, and the fuel ejector 26 is mixed with the raw fuel gas from the natural gas supply source 32, for example, natural gas, and thus mixed fuel gas (the raw fuel gas and the reactive fuel gas). Gas) is reformed in the reforming reactor 28 and then introduced into the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell 22. In this embodiment, a part of the mixed fuel gas fed from the reforming reactor 28 to the solid oxide fuel cell 22 is taken out through the branch channel 64, and the taken out mixed fuel gas is subjected to heat exchange. The fuel is supplied to the combustion chamber of the engine 62 through the condenser 36 and the condenser 38, and is combusted in the combustion chamber together with the fuel from the fuel supply source 46. Other configurations of the second embodiment are substantially the same as those of the first embodiment described above.
[0044]
Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the solid oxide fuel cell 22 generates electric power (electric power energy) and the engine 62 generates heat (thermal energy) for use. be able to. Further, a part of the mixed fuel gas supplied to the solid oxide fuel cell 22 is used as a part of the fuel combusted by the combustion device 30 and is combusted by the engine 62 together with the fuel from the fuel supply source 46. Therefore, the amount of fuel supplied to the engine 62 can be reduced.
[0045]
In the second embodiment, the fuel from the fuel supply source 46 is supplied to the fuel device 30 and burned together with the mixed fuel gas. However, the combustion of the engine 62 is adjusted and the mixed fuel gas is used alone as the engine. You may make it burn by 62.
[0046]
A power generation device (not shown) may be drivingly connected to the engine 62 and the power generation device may be operated by the engine 62. When the power generator is operated in this way, the power generated by the power generator can be used for system control power, air blower 40 power, and the like while the solid oxide fuel cell 22 is required to start.
[0047]
Further, in the second embodiment, a part of the mixed fuel gas fed from the reforming reactor 28 to the solid oxide fuel cell 22 is taken out. It can be performed in a range between the 28 inlets and the solid oxide fuel cell 22 outlets, and by taking out in such a range, the same effect as described above is achieved. In this embodiment, the extracted mixed fuel gas is used as fuel for the engine 62, but it can also be used as fuel for the combustion apparatus in the first embodiment.
[0048]
Although not provided in the first and second embodiments, if necessary, a combustor is provided between the regenerator 42 and the solid oxide fuel cell 22 to generate power from the solid oxide fuel cell 22. When the output is greatly reduced from the rating, this combustor may be burned in order to maintain the operating temperature of the solid oxide fuel cell. Such a combustor can also be used to start the solid oxide fuel cell 22.
[0049]
In the first and second embodiments, the reforming reactor 28 is installed independently of the solid oxide fuel cell 22. However, the reforming reactor 28 is not limited to such a configuration. May be installed adjacent to the solid oxide fuel cell 22. In this case, the reforming reactor 28 is provided with radiant heat and heat transfer from the solid oxide fuel cell 22 so that the reforming reaction can be performed more efficiently.
[0050]
In the first and second embodiments, a gas obtained by recycling a part or all of the reaction fuel gas after the fuel cell power generation reaction is performed in the solid oxide fuel cell 22 is used as a reforming reaction of the raw fuel gas. Used. It is also possible to introduce steam into the reaction fuel gas to be recycled from the outside. However, a new pipe for water vapor is installed and the amount of condensed water generated in the condenser increases.
[0051]
Examples and Comparative Examples
As an embodiment, the combined energy supply system shown in FIG. 1, that is, a system in which a solid oxide fuel cell and a heating furnace as a combustion apparatus are combined is used. As a comparative example, the conventional system shown in FIG. 4, that is, a system comprising a solid oxide fuel cell was used. In the comparative example, among the reaction fuel gas at the fuel electrode outlet of the solid oxide fuel cell, the gas excluding the gas supplied to the reforming reactor was mixed with the gas at the air electrode side outlet and burned. In Example 1 and Comparative Example, a fuel gas having the composition (volume%) shown in Table 1 was used as the raw fuel gas.
[0052]
[Table 1]

In Examples and Comparative Examples, the raw fuel gas is mixed with the fuel gas after the fuel cell power generation reaction is performed, and the element ratio of oxygen to carbon in this mixed state is in the range of 2.0 to 2.2. The gas ratio to recycle was controlled as follows. The gas temperature at the fuel electrode side outlet of the solid oxide fuel cell was about 910 ° C., and the maximum temperature of the fuel gas in the solid oxide fuel cell was about 1000 ° C. The operating pressure of the solid oxide fuel cell was atmospheric pressure. Due to the pressure loss in each part, the pressure is slightly higher than the atmospheric pressure supplied from the air blower, but it was within atmospheric pressure plus 0.10 atm at the highest.
[0053]
In each system of the examples and comparative examples, power generation was performed under the conditions shown in Table 2. The results of power generation in the systems of Examples and Comparative Examples are as shown in Table 3. In the examples and comparative examples, the same number of solid oxide fuel cells having the same specifications were used. The power generation output in Table 3 is obtained by subtracting power consumption by an auxiliary machine including an air blower after conversion by a DC / AC converter having a conversion efficiency of 93%.
[0054]
[Table 2]

[0055]
[Table 3]

As shown in Table 3, in the example (a system in which a solid oxide fuel cell and a heating furnace are combined), the effective power generation efficiency is 63. On the other hand, in the comparative example (solid oxide fuel cell single system), the effective power generation efficiency is 45.3% based on the increase in fuel consumption for power generation in the entire system. It has been found that the system of the example can generate power with higher efficiency than the comparative example.
[0056]
Next, the effect of changing the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell using the system of the embodiment (a system combining a solid oxide fuel cell and a heating furnace) (that is, effective power generation efficiency) ). Even if the fuel utilization is changed, the output density of the solid oxide fuel cell is 0.2 W / cm.²The raw fuel flow rate and the power generation output were adjusted so that the air utilization rate was constant, and the air utilization rate was 28%.
[0057]
The result when the fuel utilization rate in this example was changed was as shown in FIG. In FIG. 3, the horizontal axis represents the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell, and the vertical axis represents the value shown in the item (5) in Table 3 above, that is, the effective power generation efficiency.
P = (power generation output ÷ increase in fuel consumption for power generation in the entire system)
It is.
[0058]
When the fuel utilization was 60% and 65%, the operating temperature of the solid oxide fuel cell could not be maintained. Therefore, in order to maintain the operating temperature of the solid oxide fuel cell, the raw fuel gas was separately charged into the combustor provided between the regenerator 42 and the solid oxide fuel cell 22 and combusted. The fuel utilization rate as the operating condition of the solid oxide fuel cell does not include the fuel supplied to the combustor provided between the regenerator 42 and the solid oxide fuel cell 22, Because of the increase in fuel consumption.
[0059]
As apparent from FIG. 3, when the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell is 70%, the effective power generation efficiency P of the system is about 66%, which is the most efficient in the system of this embodiment. It was found that it can generate electricity. When the fuel utilization rate is 65% or less, the amount of heat that the reactive fuel gas brings out of the solid oxide fuel cell becomes too large, and additional fuel is required to maintain the operating temperature of the solid oxide fuel cell, which reduces efficiency. On the other hand, it can be seen that when the fuel utilization rate exceeds 80%, the amount of heat of the reaction fuel gas itself becomes small, and the effect of this system is not sufficiently exhibited. From the above, in the system of the example, it can be confirmed that the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell is increased when the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell is in the range of 65 to 80%. It was.
[0060]
Of the present inventionClaim 1According to the energy co-supply system, the raw fuel gas can be used to obtain electric power in the solid oxide fuel cell and heat in the combustion device, and can generate electric power energy and thermal energy with high fuel consumption efficiency. It can be used as energy.
[0061]
According to the energy co-feed system of claim 3 of the present invention, methane or the like having a high decomposition temperature can be almost completely reformed on the reforming reactor and the solid oxide fuel cell.
[0062]
Moreover, according to the energy co-feed system of claim 4 of the present invention, moisture contained in the reaction fuel gas or the mixed fuel gas can be removed, and condensation of the fuel gas can be prevented.
[0063]
According to the energy co-supply system of claim 5 of the present invention, it can be provided as a system combining a solid oxide fuel cell and various combustors or engines, and in such a system, fuel consumption efficiency is increased. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system block diagram schematically showing a first embodiment of a co-energy system according to the present invention.
FIG. 2 is a system block diagram schematically showing a second embodiment of a co-energy system according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an effect when the fuel utilization rate is changed in the system of the embodiment.
FIG. 4 is a system block diagram schematically showing a conventional solid oxide fuel cell system.
[Explanation of symbols]
22 Solid oxide fuel cell
24 Desulfurization equipment
28 Reforming reactor
30 Combustion device
32 Natural gas supply sources
34 Solid electrolyte
36 heat exchanger
38 Condenser
46 Fuel supply source
62 engine
64 branch flow path

Claims

A reforming reactor for reforming a raw fuel gas containing hydrocarbons, a solid oxide fuel cell that performs a fuel cell power generation reaction, and a combustion device that burns fuel,
The raw fuel gas is mixed with a gas obtained by recycling the reaction fuel gas after the fuel cell power generation reaction is performed in the solid oxide fuel cell, and the mixed fuel gas is supplied to the reforming reactor to be reacted fuel. Using the heat of the gas, the reforming reaction of hydrocarbon is performed in the reforming reactor, the reformed mixed fuel gas is supplied to the solid oxide fuel cell, and the solid oxide fuel cell While reforming the mixed fuel gas in the solid oxide fuel cell using the heat associated with the fuel cell power generation reaction of the fuel cell, generating power by performing fuel cell power generation in the solid oxide fuel cell,
A part of the mixed fuel gas of the reaction fuel gas and the raw fuel gas is taken out between the inlet of the reforming reactor and the inlet of the solid oxide fuel cell, and the taken out mixed fuel gas is put into a combustion device. And then, this mixed fuel gas is burned in this combustion device alone or together with fuel from a fuel supply source to generate combustion heat,
Furthermore, the utilization ratio of the raw fuel gas in the solid oxide fuel cell is set to 65 to 80%.

The combined energy supply system according to claim 1, wherein the maximum temperature of the fuel gas on the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell is 850 ° C or higher.

A condenser is disposed upstream of the combustion device, and the reaction fuel gas or mixed fuel gas is supplied to the combustion device through the condenser, and the reaction fuel gas or the mixed fuel gas is supplied to the combustion device by the condenser. The combined water supply system according to claim 1 or 2, wherein contained moisture is removed.

The cogeneration system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the combustion device is a combustor or an engine equipped in a heating furnace or a boiler.