JP4358338B2

JP4358338B2 - Fuel cell combined power plant system

Info

Publication number: JP4358338B2
Application number: JP00250799A
Authority: JP
Inventors: 正敏久留; 汎高塚; 剛花田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2019-01-08
Also published as: JP2000200617A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素・酸素燃焼タービンを有する複合発電プラントシステムとしては、従来より図５に示すランキンサイクル方式および図６に示すトッピング再生サイクル方式のものが知られている。
【０００３】
図５に示すランキンサイクル方式の複合発電プラントシステムにおいて、高温蒸気タービン１は超高温タービン２出口の蒸気を加熱源とする第１熱交換器３で発生した高圧蒸気および高温タービン４出口の蒸気を加熱源とする第２熱交換器５で発生した高圧蒸気により駆動される。前記高温蒸気タービン１出口の蒸気は、第１水素・酸素燃焼器６に導入され、ここで別途供給された水素および酸素と共に燃焼することにより発生する超高温蒸気を利用して前記超高温タービン２を駆動する。前記超高温タービン２出口の蒸気は、前記第１熱交換器３で熱交換された後に第２水素・酸素燃焼器７に導入され、ここで別途供給された水素および酸素と共に燃焼することにより発生する高温蒸気を利用して前記高温タービン４を駆動する。前記高温タービン４出口の蒸気は、前記第２熱交換器５で冷却された後、低温タービン８に供給される。発電機９は、前記各タービン１，２，４，８により発電される。
【０００４】
前記低温タービン８出口の蒸気は、復水器１０に供給され、ここで凝縮されて水になる。この復水のうち、前記第１，第２の水素・酸素燃焼器６，７で発生した水に相当する復水は復水ポンプ１１により系外に排出されて回収され、負荷に応じた量の復水は給水として給水ポンプ１２により圧縮した状態で前記第１，第２の熱交換器３，５に供給される。
【０００５】
一方、図６に示すトッピング再生サイクル方式の複合発電プラントシステムにおいて、高温蒸気タービン２１は高温タービン２２出口の蒸気を加熱源とする第１〜第３の熱交換器２３〜２５を経由して熱交換された高圧蒸気により駆動される。この高温蒸気タービン２１出口の蒸気は、超高温タービン２６に供給される。
【０００６】
前記各熱交換器２３〜２５およびこのうちの第３熱交換器２５と並列的に配置され、後述する高圧圧縮機からの蒸気と熱交換する第４熱交換器２７を経由した前記高温タービン２２出口の蒸気は、低圧圧縮機２８を通して高圧圧縮機２９に供給されて昇圧され、前記第４熱交換器２７を経由して水素・酸素燃焼器３０に導入され、ここで別途供給された水素および酸素と共に燃焼することにより発生する高温蒸気を利用して前記超高温タービン２６、およびこの後段に配置された前記高温タービン２２を駆動する。
【０００７】
前記第２熱交換器２４を経由後の前記高温タービン２２出口の蒸気は、低圧タービン３１に供給される。発電機３２は、前記各タービン２２，２６，３１により発電される。
【０００８】
前記低温タービン３１出口の蒸気は、直接及び第５，第６の熱交換器３３，３４を経由して復水器３５に供給され、ここで凝縮されて水になる。この復水のうち、前記水素・酸素燃焼器３０で発生した水に相当する復水は復水ポンプ３６により系外に排出されて回収される。また、前記復水のうち、負荷に応じた量の復水の一部は第１給水ポンプ３７により前記高圧圧縮機２９に供給される。残りの復水は前記第５、第６の熱交換器３３，３４で熱交換された後、脱気器３８で脱気され、第２給水ポンプ３９により前記第１〜第３の熱交換器２３〜２５で熱交換されて前述したように高温蒸気タービン２１に送られる。なお、前記脱気器３８には前記低温タービン３１の出口蒸気が導入される。
【０００９】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、前述した従来の複合発電プラントシステムは次のような問題があった。
【００１０】
（１）２方式のいずれの複合発電プラントシステムも高級、高価な水素を燃料として使用するため、高い発電効率を達成することが不可欠であるが、１７００℃級の高温タービンを適用してもなお効率が６１％程度と低い。
【００１１】
（２）２方式のいずれの複合発電プラントシステムに用いられる水素燃焼タービンは、高効率にするには高温にする必要があるが、１５００℃以上の高温タービンの開発の目処がたっていないのが実状であり、その開発には膨大な費用と時間を要する。
【００１２】
（３）ランキンサイクル方式の複合発電プラントシステムでは、超高圧（数百ｋｇｆ／ｃｍ²）を必要とし、高圧タービンの実現性が低い。
【００１３】
（４）トッピング再生方式の複合発電プラントシステムは、前述した図3に示すように高温熱交換器を多数必要とし、設備が複雑になると共に、高価格になる。
【００１４】
本発明は、高発電効率で、かつ高信頼性の固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムを提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムは、燃料供給ラインを通して燃料が供給され、かつ酸素供給ラインを通して酸素が供給される固体電解質燃料電池と、前記燃料電池の燃料側排気の保有熱により蒸発器で発生させた蒸気を前記燃料供給ラインに供給するための蒸気ラインと、前記燃料電池の前記蒸発器により冷却された燃料側排気および酸素側排気が供給され、蒸気を発生させるための燃焼器と、前記燃焼器で発生した蒸気により駆動される蒸気タービンとを具備したことを特徴とするものである。
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいて、前記燃料供給ラインおよび前記燃料側排気が通る燃料側排気ラインに跨って介装された燃料加熱用熱交換器を具備したことを許容する。
【００１６】
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいて、前記燃料電池に供給される水素および酸素は、化学等量であることが好ましい。
【００１７】
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいて、さらに前記タービン下流側に復水器を設置することを許容する。
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいて、前記復水器からの復水のうち前記燃料電池の温度調整に必要な量の復水が前記蒸発器を経由して前記燃料供給ラインに供給されることを許容する。
【００１８】
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいて、前記燃料が水素以外の炭素を含むガス燃料である場合、前記燃料供給ラインに改質装置を設置して、この改質装置で改質製造された水素および水蒸気を前記燃料電池に供給し、かつ前記改質装置前後の前記燃料供給ラインに前記蒸気ラインから蒸気を供給することを許容する。
【００１９】
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいて、前記燃料が水素以外の炭素を含むガス燃料である場合、前記燃料電池の内部に改質装置を設置し、前記燃焼器上流側に前記燃料電池の燃料側排気中の炭酸ガスを分離するための炭酸ガス分離装置を設置することを許容する。
【００２０】
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいて、前記燃料が水素以外の炭素を含むガス燃料である場合、前記燃料電池の内部に改質装置を設置し、前記蒸気タービンの下流側に前記燃料電池の燃料側排気中の炭酸ガスを凝縮分離するための炭酸ガス分離装置を設置することを許容する。
【００２１】
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいて、前記酸素供給ラインに蒸気を供給する酸素側蒸気供給手段を設けることを許容する。
本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいて、前記酸素供給ラインおよび前記酸素側排気が通る酸素側排気ラインに跨って酸素加熱用熱交換器又は排酸素循環機構を具備したことを許容する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムを図１を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図示しない水素燃料タンクからの水素は、燃料供給ライン５１を通して固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）５２に供給される。この固体電解質燃料電池５２は、発電膜５３と、この発電膜５３で区画された燃料室５４および酸素室５５とを備えた構造を有する。前記発電膜５３は、燃料極、固体電解質膜および酸素極により構成され、直交流変換器（インバータ）５６を通して定格交流電圧として系統５７に出力される。
【００２４】
前記燃料電池５２の燃料室５４は、燃料側排気ライン５８を通して燃焼器５９に連結されている。前記燃料供給ライン５１の燃料を加熱するための燃料加熱用熱交換器６０は、前記燃料供給ライン５１および燃料側排気ライン５８に跨って介装されている。蒸発器６１は、前記熱交換器６０下流側の前記燃料側排気ライン５８に介装されている。
【００２５】
酸素（例えば空気）が導入される圧縮機６２は、酸素供給ライン６３を通して前記燃料電池５２の酸素室５５に供給される。前記燃料電池５３の酸素室５５は、酸素側排気ライン６４を通して前記燃焼器５９に連結されている。前記酸素供給ライン６３には、窒素分離器６５が介装されている。前記酸素供給ライン６３の酸素を加熱するための酸素加熱用交換器６６は、前記酸素供給ライン６３および酸素側排気ライン６４に跨って介装されている。
【００２６】
前記燃焼器５９で発生した蒸気は、蒸気タービン６７に供給され、このタービン６７により発電機６８が発電される。前記蒸気タービン６７は、配管６９を通して復水器７０に連結されている。前記配管６９には、給水加熱器７１が介装されている。前記復水器７０は、給水ライン７２を通して前記給水加熱器７１に連結されている。前記復水器７０の復水のうち、前記燃焼器５９で発生した水に相当する復水は回収ライン７３を通して系外に回収され、残りの復水（前記燃料電池の温度調整に必要な量の復水）は前記給水ライン７２に介装された給水ポンプ７４により前記給水加熱器７１に供給される。前記給水加熱器７１から延出され、前記給水ライン７２と連通する蒸気ライン７５は、前記蒸発器６１を経由して前記燃料供給ライン５１に連結される。
【００２７】
次に、前述した図１に示す固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムの動作を説明する。
【００２８】
まず、図示しない水素燃料タンクから水素を燃料供給ライン５１を通して固体電解質燃料電池５２の燃料室５４に供給する。同時に、圧縮機６２で圧縮された空気を酸素供給ライン６３を通して窒素分離器６５に送り、ここで窒素を分離することにより得られた酸素を前記燃料電池５２の酸素室５５に供給する。この時、前記水素および酸素は化学等量になるように前記燃料電池５２に供給する。このような水素および酸素の供給により、前記燃料室５４および酸素室５５の間に配置された発電膜５３により電池反応がなされ、前記発電膜５３に接続されたインバータ５６から交流電圧として系統５７に出力される。
【００２９】
前記燃料電池５２の燃料室５４出口の排気（排燃料；蒸気を含む）は、燃料加熱用熱交換器６０および蒸発器６１が介装された燃料側排気ライン５８を通して燃焼器５９に供給される。このように排燃料が前記燃料加熱用熱交換器６０を通過する過程で前記燃料供給ライン５１を通過する水素は熱交換されて加熱される。また、排燃料は前記燃料加熱用熱交換器６０を通過する過程で燃料供給ライン５１の水素と熱交換されて冷却され、さらに前記蒸発器６１を通過する過程で蒸気ライン７５の低温蒸気と熱交換されて冷却される。このため、前記燃料室５４出口の排燃料に比べて低温化された排燃料を前記燃焼器５９に供給することが可能になる。
【００３０】
一方、前記燃料電池５２の酸素室５５出口の排気（排酸素；蒸気を含む）は、酸素加熱用熱交換器６６が介装された酸素側排気ライン６４を通して燃焼器５９に供給される。このように排酸素が前記酸素加熱用熱交換器６６を通過する過程で前記酸素供給ライン６３を通過する酸素は熱交換されて加熱される。また、排酸素は前記酸素加熱用熱交換器６６を通過する過程で前記酸素供給ライン６３の酸素と熱交換されて冷却される。
【００３１】
前記燃焼器５９での燃焼により発生した蒸気を蒸気タービン６７に供給することにより発電機６８が発電される。
【００３２】
前記蒸気タービン６７の出口蒸気は、給水加熱器７１が介装された配管６９を通過する過程で凝縮され、復水として復水器７０に溜められる。この復水器７０内の復水のうち、前記燃焼器５９で発生した水に相当する復水は回収ライン７３を通して系外に回収され、負荷に応じた量の復水は給水として給水ポンプ７４により圧縮した状態で給水管７２を通して前記給水加熱器７１に供給され、ここで前記タービン６７の出口蒸気と熱交換されて加熱され、低温蒸気を発生する。低温蒸気は、蒸気ライン７５を通して前記蒸発器６１を通過する過程で前述した排燃料と熱交換されて加熱され、さらにこの蒸気は前記燃料供給ライン５１に供給される。
【００３３】
前述したように蒸気ライン７５から蒸気を燃料供給ライン５１に供給すると共に、燃料加熱用熱交換器６０で燃料供給ライン５１を通る水素を加熱して蒸気を含む所定温度に加熱された水素を前記燃料電池５２の燃料室５５に供給し、かつ酸素加熱用熱交換器６９で酸素供給ライン６３を通る酸素を加熱して所定温度に加熱された酸素を前記燃料電池５２の酸素室５５に供給することによって、既に述べた燃料電池５２での電池反応が円滑になされ、前記発電膜５３に接続されたインバータ５６から交流電圧として系統５７に効率よく出力できるとともに、燃料電池５２の出口温度の過度な上昇を防止して燃料電池５２を適切な温度（９００〜１０００℃）に維持することが可能になる。
【００３４】
なお、前記蒸気ライン７５を前記酸素供給ライン６３の前記酸素加熱用熱交換器６６の入口部分に連結して、この酸素供給ライン６３にも水蒸気を供給することによって、前記燃料電池５２の出口温度の過度な上昇をより効果的に防止することが可能になる。
【００３５】
また、燃料側排気ライン５８に燃料供給ライン５１の水素と熱交換する燃料加熱用熱交換器６０および蒸気ライン７５の低温蒸気で熱交換する蒸発器６１をそれぞれ設けて、前記燃料電池５２の燃料室５４の出口排燃料に比べて低温化された排燃料を燃焼器５９に供給し、かつ酸素側排気ライン６８に酸素供給ラインの酸素と熱交換する酸素加熱用交換器６６を設けて、前記燃料電池５２の酸素室５５の出口排酸素に比べて低温化された排酸素を燃焼器５９に供給することにより、この燃焼器５９の燃焼により発生した蒸気を前記燃焼器５９下流側の蒸気タービン６７の許容温度以下に抑えることができる。その結果、発電機６８を効率よく発電することが可能になる。
【００３６】
したがって、図１に示す構成によれば固体電解質燃料電池５２と燃焼器５９の複合化、および前記燃料電池５２の燃料側排気の保有熱で発生させた蒸気の燃料供給ライン５１への供給によって、前記燃料電池５２を適切な温度（９００〜１０００℃）に維持しつつで効率的な発電を行なうことができ、かつ前記燃料電池５２の未利用水素、残存酸素および水蒸気（燃料電池５２での発生分および冷却用）を燃焼器５９に導入してこの後段の蒸気タービン６７の許容温度を超えない温度に蒸気を発生して発電機６８の効率発電を行なうことかできるため、超高効率化を達成した固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムを提供することができる。
【００３７】
次に、燃料として水素以外の炭素を含むガス燃料を用いて発電を行なう固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムの例を図２を参照して詳細に説明する。なお、前述した図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００３８】
この固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムは、改質装置７６が燃料供給ライン５１および燃料排気側ライン５８に跨って介装され、かつ蒸気ライン７５およびこれから分岐した蒸気分岐ライン７７が前記改質装置７６前段および後段の前記燃料供給ライン５１に連結されている。
【００３９】
このような図２に示す構成によれば、燃料供給ライン５１および燃料排気側ライン５８に跨って配置された改質装置７６に水素以外の炭素を含むガス燃料（例えばＣＯ，ＣＨ₄，Ｃ₂Ｈ₆，Ｃ₃Ｈ₈等）を燃料供給ライン５１を通して供給する際、固体電解質燃料電池５２の燃料室５４出口の排燃料を前記改質装置７６に供給して加熱するとともに、蒸気ライン７５から前記改質装置７６前段の前記燃料供給ラインに蒸気を供給することによって、前記改質装置７６でＨ_２，ＣＯ_２に改質され、ＣＯ_２が分離された水素を燃料加熱用熱交換器６０で加熱した後、固体電解質燃料電池５２の燃料室５４に供給できる。この時、蒸気を蒸気分岐ライン７７を通して前記改質装置７６後段の前記燃料供給ライン５１に供給することにより燃料電池５２の出口温度の過度な上昇を防止して燃料電池５２を適切な温度（９００〜１０００℃）に維持することが可能になる。
【００４０】
したがって、図２に示す固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムによれば固体電解質燃料電池５２と燃焼器５９の複合化、燃料供給ライン５１および燃料排気側ライン５８への改質装置７６の配置、および前記燃料電池５２の燃料側排気の保有熱で発生させた蒸気の燃料供給ライン５１への供給によって、水素以外の例えばメタンのような炭素を含むガス燃料を前記燃料電池５２の燃料として利用でき、かつ前記燃料電池５２を適切な温度（９００〜１０００℃）に維持しつつ効率的な発電を行なうことができると共に、前記燃料電池５２の未利用水素、残存酸素および水蒸気（燃料電池５２での発生分、改質用および冷却用）を燃焼器５９に導入してこの後段の蒸気タービン６７の許容温度を超えない温度に蒸気を発生して発電機６８の効率発電を行なうことかできるため、超高効率化を達成することができる。
【００４１】
次に、燃料として水素以外の炭素を含むガス燃料を用いて発電を行なう別の固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムの例を図３を参照して詳細に説明する。なお、前述した図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００４２】
この固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムは、改質装置７６が固体電解質燃料電池５２の燃料室５４に配置されいる。蒸発器６１後段の燃料排気側ライン５８には、炭酸ガス分離装置７８が介装されている。
【００４３】
また、蒸気ライン７５から分岐した蒸気分岐ライン７７は酸素排気側ライン６４に連結されている。蒸気流量を制御する制御弁７９は、前記蒸気分岐ライン７７に介装されている。
【００４４】
さらに、排酸素再循環機構８０は前述した図１の酸素加熱用熱交換器６６の代わりに設けられる。この排酸素再循環機構８０は、燃料電池５２の酸素室５５出口の排酸素（前記蒸気分岐ライン７７から蒸気が既に供給されている）を窒素分離装置６５と燃料電池５２の間の酸素供給ライン６３に供給するための酸素側分岐ライン８１と、この酸素側分岐ライン８１に前記酸素側排気ライン６４側から順次介装された制御弁８２および昇圧ファン８３とから構成されている。なお、前記制御弁８２は前記酸素供給ライン６３を通して前記燃料電池５２に供給される酸素を所定温度に制御するように蒸気を含む排酸素の再循環量を調節する機能を有する。
【００４５】
給水ライン７２には、制御弁８４が介装されている。
【００４６】
次に、燃料として水素以外の炭素を含むガス燃料を用いて発電を行なうさらに別の固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムの例を図４を参照して詳細に説明する。なお、前述した図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００４７】
この固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムは、改質装置７６が固体電解質燃料電池５２の燃料室５４に配置されいる。
【００４８】
前述した図３に示す炭酸ガス分離装置７８に代えて復水器７０に配管８５を通して炭酸ガス排出ポンプ（炭酸ガス分離装置）８６を設けている。
【００４９】
また、蒸気ライン７５から分岐した蒸気分岐ライン７７は酸素排気側ライン６４に連結されている。蒸気流量を制御する制御弁７９は、前記蒸気分岐ライン７７に介装されている。
【００５０】
さらに、排酸素再循環機構８０は前述した図１の酸素加熱用熱交換器の代わりに設けられる。この排酸素再循環機構８０は、燃料電池５２の酸素室５５出口の排酸素（前記蒸気分岐ライン７７から蒸気が既に供給されている）を窒素分離装置６５と燃料電池５２の間の酸素供給ライン６３に供給するための酸素側分岐ライン８１と、この酸素側分岐ライン８１に前記酸素側排気ライン６４側から順次介装された制御弁８２および昇圧ファン８３とから構成されている。なお、前記制御弁８２は前記酸素供給ライン６３を通して前記燃料電池５２に供給される酸素を所定温度に制御するように蒸気を含む排酸素の再循環量を調節する機能を有する。
【００５１】
給水ライン７２には、制御弁８４が介装されている。
【００５２】
このような図３および図４に示す構成によれば、水素以外の炭素を含むガス燃料（例えばＣＯ，ＣＨ₄，Ｃ₂Ｈ₆，Ｃ₃Ｈ₈等）を燃料加熱用熱交換器６０が介装された燃料供給ライン５１を通して固体電解質燃料電池５２の燃焼室５４に供給する際、前記燃料電池５２の燃料室５４に改質装置７６を配置し蒸気ライン７５から前記燃料供給ライン５１に蒸気を供給することによって、前記ガス燃料が前記燃焼室５４内の改質装置７６でＨ_２，ＣＯ_２に改質され、燃料としてのＨ_２が前記燃料室５４に供給される。同時に、排酸素再循環機構８０から蒸気を含む排酸素酸素を酸素供給ライン６３に供給して所定温度に加熱された酸素を前記燃料電池５２の酸素室５５に供給する。このように燃料電池５２の燃料室５４、酸素室５５に水素と酸素をそれぞれ供給することによって、前記燃料電池５２での電池反応が円滑になされ、前記発電膜５３に接続されたインバータ５６から交流電圧として系統５７に効率よく出力できる。
【００５３】
また、前記燃料室５４に配置された改質装置７６の改質反応（吸熱反応）を利用して前記燃料電池５２そのものを冷却するとともに、前記酸素室５５に供給される酸素に排酸素再循環機構８０から蒸気を再循環させることによって、前記燃料電池５２の出口温度の過度な上昇を防止して燃料電池５２を適切な温度（９００〜１０００℃）に維持することが可能になる。
【００５４】
さらに、燃料側排気ライン５８に燃料供給ライン５１の水素と熱交換する燃料加熱用熱交換器６０および蒸気ライン７５の低温蒸気で熱交換する蒸発器６１をそれぞれ設けて、前記燃料電池５２の燃料室５４の出口排燃料に比べて低温化された排燃料を燃焼器５９に供給し、かつ酸素側排気ライン６８に蒸気分岐ライン７７を通して酸素供給ライン６４に蒸気を供給して前記燃料電池５２の酸素室５５の出口排酸素に比べて低温化された排酸素を燃焼器５９に供給することにより、この燃焼器５９の燃焼により発生した蒸気を前記燃焼器５９下流側の蒸気タービン６７の許容温度以下に抑えることができる。その結果、発電機６８を効率よく発電することが可能になる。
【００５５】
なお、図３に示す固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいては前記改質装置７６で水素と共に発生した二酸化炭素は燃料電池５２出口から燃料側排気ライン５８を通して炭酸ガス分離装置７８に送られ、ここで炭酸ガスが系外に排気される。
【００５６】
一方、図４に示す固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムにおいては前記改質装置７６で水素と共に発生した二酸化炭素は、燃料電池５２出口から燃料側排気ライン５８、燃焼器５９，給水加熱器７１を通して復水器７０に送られ、この復水器７０から配管を通して炭酸ガス排出ポンプ８６により系外に排気される。
【００５７】
したがって、図３または図４に示す固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムによれば固体電解質燃料電池５２と燃焼器５９の複合化、前記燃料電池５２の燃料室５４への改質装置７６の配置、および前記燃料電池５２の燃料側排気の保有熱で発生させた蒸気の燃料供給ライン５１への供給によって、水素以外の例えばメタンのような炭素を含むガス燃料を前記燃料電池５２の燃料として利用でき、かつ前記燃料電池５２を適切な温度（９００〜１０００℃）に維持しつつ効率的な発電を行なうことができると共に、前記燃料電池５２の未利用水素、残存酸素および水蒸気（燃料電池５２での発生分、改質用および冷却用）を燃焼器５９に導入してこの後段の蒸気タービン６７の許容温度を超えない温度に蒸気を発生して発電機６８の効率発電を行なうことかできるため、超高効率化を達成することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、固体電解質燃料電池とその排気燃焼による発生蒸気により駆動する蒸気タービンとの複合化、および前記燃料電池の燃料側排気の保有熱で発生させた蒸気を燃料供給ラインに供給することによって、効率的な発電を行なうことが可能で、プラント総合熱効率を向上でき、さらに燃料電池の過度な温度上昇の防止および蒸気タービンの許容温度以上の加熱防止により信頼性が向上された固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムを提供できる。
【００５９】
また、燃料供給ラインに改質装置を配置し、前記燃料電池の燃料側排気の保有熱で発生させた蒸気を前記改質装置に供給することにより水素以外の炭素を含むガス燃料から改質された水素を前記燃料電池の燃料として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムを示す概略図。
【図２】本発明に係わる他の固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムを示す概略図。
【図３】本発明に係わるさらに他の固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムを示す概略図。
【図４】本発明に係わるさらに他の固体電解質燃料電池複合発電プラントシステムを示す概略図。
【図５】従来のランキンサイクル方式の複合発電プラントシステムを示す概略図。
【図６】トッピング再生サイクル方式の複合発電プラントシステムを示す概略図。
【符号の説明】
５１…燃料供給ライン、
５２…固体電解質燃料電池、
５８…燃料側排気側ライン、
５９…燃焼器、
６０…燃料加熱用熱交換器、
６１…蒸発器、
６３…酸素供給ライン、
６４…酸素側排気側ライン、
６６…酸素加熱用熱交換器、
６７…蒸気タービン、
６８…発電機、
７０…復水器、
７１…給水加熱器、
７５…蒸気ライン、
７６…改質装置、
７７…蒸気分岐ライン、
７８…炭酸ガス分離装置、
８０…排酸素再循環機構、
８６…炭酸ガス排出ポンプ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell combined power plant system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a combined power plant system having a hydrogen / oxygen combustion turbine, a Rankine cycle system shown in FIG. 5 and a topping regeneration cycle system shown in FIG. 6 are known.
[0003]
In the Rankine cycle combined power plant system shown in FIG. 5, the high-temperature steam turbine 1 uses the high-pressure steam generated in the first heat exchanger 3 using the steam at the outlet of the ultra-high temperature turbine 2 as the heating source and the steam at the outlet of the high-temperature turbine 4. It is driven by high-pressure steam generated in the second heat exchanger 5 as a heating source. The steam at the outlet of the high-temperature steam turbine 1 is introduced into the first hydrogen / oxygen combustor 6, and the ultra-high-temperature turbine 2 is utilized by using ultra-high-temperature steam generated by burning together with hydrogen and oxygen supplied separately here. Drive. The steam at the outlet of the ultra-high temperature turbine 2 is generated by the heat exchange in the first heat exchanger 3 and then introduced into the second hydrogen / oxygen combustor 7 where it is burned together with the separately supplied hydrogen and oxygen. The high temperature turbine 4 is driven using high temperature steam. The steam at the outlet of the high temperature turbine 4 is cooled by the second heat exchanger 5 and then supplied to the low temperature turbine 8. The generator 9 is generated by the turbines 1, 2, 4, and 8.
[0004]
The steam at the outlet of the low-temperature turbine 8 is supplied to the condenser 10 where it is condensed into water. Of this condensate, the condensate corresponding to the water generated in the first and second hydrogen / oxygen combustors 6 and 7 is discharged out of the system by the condensate pump 11 and recovered, and the amount corresponding to the load. The condensate is supplied to the first and second heat exchangers 3 and 5 while being compressed by the feed water pump 12 as feed water.
[0005]
On the other hand, in the combined power plant system of the topping regeneration cycle system shown in FIG. 6, the high temperature steam turbine 21 heats via the first to third heat exchangers 23 to 25 using the steam at the outlet of the high temperature turbine 22 as a heating source. It is driven by the exchanged high pressure steam. The steam at the outlet of the high temperature steam turbine 21 is supplied to the ultra high temperature turbine 26.
[0006]
The high-temperature turbine 22 that passes through the fourth heat exchanger 27 that is arranged in parallel with the heat exchangers 23 to 25 and the third heat exchanger 25 among them and exchanges heat with steam from a high-pressure compressor described later. The steam at the outlet is supplied to the high-pressure compressor 29 through the low-pressure compressor 28 to be increased in pressure, introduced into the hydrogen / oxygen combustor 30 via the fourth heat exchanger 27, and the separately supplied hydrogen and The super-high temperature turbine 26 and the high-temperature turbine 22 disposed in the subsequent stage are driven using high-temperature steam generated by combustion with oxygen.
[0007]
The steam at the outlet of the high-temperature turbine 22 after passing through the second heat exchanger 24 is supplied to the low-pressure turbine 31. The generator 32 is generated by the turbines 22, 26 and 31.
[0008]
The steam at the outlet of the low-temperature turbine 31 is supplied to the condenser 35 directly and via the fifth and sixth heat exchangers 33 and 34, where it is condensed into water. Of this condensate, the condensate corresponding to the water generated in the hydrogen / oxygen combustor 30 is discharged out of the system by the condensate pump 36 and collected. A part of the condensate in an amount corresponding to the load is supplied to the high-pressure compressor 29 by the first feed water pump 37. The remaining condensate is heat-exchanged by the fifth and sixth heat exchangers 33 and 34, then deaerated by the deaerator 38, and the first to third heat exchangers by the second feed water pump 39. Heat is exchanged at 23 to 25 and sent to the high-temperature steam turbine 21 as described above. Note that the outlet steam of the low-temperature turbine 31 is introduced into the deaerator 38.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional combined power plant system described above has the following problems.
[0010]
(1) Since both of the two types of combined power plant systems use high-grade and expensive hydrogen as fuel, it is indispensable to achieve high power generation efficiency. Efficiency is as low as about 61%.
[0011]
(2) The hydrogen combustion turbine used in any of the two types of combined power plant systems needs to have a high temperature to achieve high efficiency, but there is no prospect of developing a high-temperature turbine at 1500 ° C. or higher. The development takes a lot of money and time.
[0012]
(3) In the Rankine cycle combined power plant system, an ultra-high pressure (several hundred kgf / cm ² ) is required, and the feasibility of a high-pressure turbine is low.
[0013]
(4) The topping regeneration type combined power plant system requires a large number of high-temperature heat exchangers as shown in FIG. 3 described above, resulting in complicated facilities and high price.
[0014]
The present invention is intended to provide a solid electrolyte fuel cell combined power plant system with high power generation efficiency and high reliability.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
Solid electrolyte fuel cell combined power generation plant system according to the present invention, fuel is supplied through the fuel supply line, and a solid electrolyte fuel cell oxygen through an oxygen supply line is supplied by the fuel side exhaust potential heat of the fuel cell and steam line for supplying steam generated by the evaporator to the fuel supply line, the fuel the evaporator fuel side exhaust cooled by and oxygen-side exhaust of the battery is supplied, for generating a gas steam and the combustor, is characterized in that it has and a steam turbine driven by steam generated in the combustor.
In the solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention, a fuel heating heat exchanger interposed between the fuel supply line and the fuel side exhaust line through which the fuel side exhaust passes is allowed.
[0016]
In the solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention, it is preferable that hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell have chemical equivalent amounts.
[0017]
In the solid electrolyte fuel cell combined power generation plant system according to the present invention, it allows to further install a condenser on the turbine downstream.
In the solid electrolyte fuel cell combined power plant system according to the present invention, the amount of condensate required for temperature adjustment of the fuel cell out of the condensate from the condenser passes through the evaporator to the fuel supply line. Allow to be supplied.
[0018]
In the solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention, when the fuel is a gas fuel containing carbon other than hydrogen, a reformer is installed in the fuel supply line, and the reformer is manufactured by the reformer. The supplied hydrogen and steam are supplied to the fuel cell, and steam is allowed to be supplied from the steam line to the fuel supply line before and after the reformer.
[0019]
In the solid electrolyte fuel cell combined power plant system according to the present invention, when the fuel is a gas fuel containing carbon other than hydrogen, a reformer is installed inside the fuel cell, and the fuel is disposed upstream of the combustor. It is allowed to install a carbon dioxide separator for separating carbon dioxide in the fuel-side exhaust of the battery.
[0020]
In the solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention, when the fuel is a gas fuel containing carbon other than hydrogen, a reformer is installed inside the fuel cell, and the downstream side of the steam turbine permits to install the carbon dioxide gas separation unit for condensing separating the carbon dioxide gas in the fuel side exhaust of the fuel cell.
[0021]
In the solid electrolyte fuel cell combined power generation plant system according to the present invention allows the provision of the oxygen-side steam supply means for supplying steam before Symbol oxygen supply line.
In the solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention, an oxygen heating heat exchanger or an exhaust oxygen circulation mechanism is provided across the oxygen supply line and the oxygen side exhaust line through which the oxygen side exhaust passes. .
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0023]
Hydrogen from a hydrogen fuel tank (not shown) is supplied to a solid electrolyte fuel cell (SOFC) 52 through a fuel supply line 51. The solid electrolyte fuel cell 52 has a structure including a power generation membrane 53 and a fuel chamber 54 and an oxygen chamber 55 partitioned by the power generation membrane 53. The power generation membrane 53 is composed of a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode, and is output to the system 57 as a rated AC voltage through a cross flow converter (inverter) 56.
[0024]
The fuel chamber 5 4 of the fuel cell 52 is connected to the combustor 59 through the fuel side exhaust line 58. A fuel heating heat exchanger 60 for heating the fuel in the fuel supply line 51 is interposed across the fuel supply line 51 and the fuel side exhaust line 58. The evaporator 61 is interposed in the fuel side exhaust line 58 on the downstream side of the heat exchanger 60.
[0025]
The compressor 62 into which oxygen (for example, air) is introduced is supplied to the oxygen chamber 55 of the fuel cell 52 through the oxygen supply line 63. The oxygen chamber 55 of the fuel cell 53 is connected to the combustor 59 through an oxygen side exhaust line 64. A nitrogen separator 65 is interposed in the oxygen supply line 63. An oxygen heating exchanger 66 for heating oxygen in the oxygen supply line 63 is interposed across the oxygen supply line 63 and the oxygen side exhaust line 64.
[0026]
The steam generated in the combustor 59 is supplied to a steam turbine 67, and a generator 68 is generated by the turbine 67. The steam turbine 67 is connected to a condenser 70 through a pipe 69. A water heater 71 is interposed in the pipe 69. The condenser 70 is connected to the feed water heater 71 through a feed water line 72. Of the condensate in the condenser 70, the condensate corresponding to the water generated in the combustor 59 is recovered outside the system through a recovery line 73, and the remaining condensate (the amount necessary for adjusting the temperature of the fuel cell). ) Is supplied to the feed water heater 71 by a feed water pump 74 interposed in the feed water line 72. A steam line 75 extending from the feed water heater 71 and communicating with the feed water line 72 is connected to the fuel supply line 51 via the evaporator 61.
[0027]
Next, the operation of the solid electrolyte fuel cell combined power plant system shown in FIG. 1 will be described.
[0028]
First, hydrogen is supplied from a hydrogen fuel tank (not shown) to the fuel chamber 54 of the solid electrolyte fuel cell 52 through the fuel supply line 51. At the same time, the air compressed by the compressor 62 is sent to the nitrogen separator 65 through the oxygen supply line 63, where oxygen obtained by separating nitrogen is supplied to the oxygen chamber 55 of the fuel cell 52. At this time, the hydrogen and oxygen are supplied to the fuel cell 52 so as to have chemical equivalent amounts. By such supply of hydrogen and oxygen, a battery reaction is caused by the power generation film 53 disposed between the fuel chamber 54 and the oxygen chamber 55, and an AC voltage is supplied from the inverter 56 connected to the power generation film 53 to the system 57. Is output.
[0029]
Exhaust of the fuel chamber 54 outlet of the fuel cell 52 (exhaust fuel; including steam), the fuel heating heat exchanger 60 and the evaporator 61 is supplied to the combustor 59 through the fuel side exhaust line 58 which is interposed . Thus, in the process in which the exhaust fuel passes through the fuel heating heat exchanger 60, the hydrogen passing through the fuel supply line 51 is heat-exchanged and heated. In addition, the exhaust fuel is cooled by exchanging heat with hydrogen in the fuel supply line 51 in the process of passing through the fuel heating heat exchanger 60, and further in the process of passing through the evaporator 61, the low temperature steam and heat in the steam line 75 are cooled. Replaced and cooled. For this reason, it becomes possible to supply the combustor 59 with the exhausted fuel whose temperature is lower than that of the exhausted fuel at the outlet of the fuel chamber 54.
[0030]
On the other hand, oxygen chamber 55 exhaust outlet of the fuel cell 52 (exhaust oxygen; including steam), the oxygen heating heat exchanger 66 is supplied to the combustor 59 through an oxygen side exhaust line 64 interposed. As described above, in the process in which the exhaust oxygen passes through the oxygen heating heat exchanger 66, the oxygen passing through the oxygen supply line 63 is heat-exchanged and heated. The exhausted oxygen is cooled by exchanging heat with oxygen in the oxygen supply line 63 in the process of passing through the oxygen heating heat exchanger 66.
[0031]
By supplying steam generated by combustion in the combustor 59 to the steam turbine 67, the generator 68 is generated.
[0032]
The outlet steam of the steam turbine 67 is condensed in the process of passing through the pipe 69 in which the feed water heater 71 is interposed, and is stored in the condenser 70 as condensate. Of the condensate in the condenser 70, the condensate corresponding to the water generated in the combustor 59 is recovered outside the system through the recovery line 73, and the amount of condensate corresponding to the load is supplied as water supply pump 74. Is supplied to the feed water heater 71 through the feed water pipe 72 in a compressed state by the above, where heat is exchanged with the outlet steam of the turbine 67 to generate low temperature steam. The low-temperature steam is heated by exchanging heat with the above-described exhaust fuel in the process of passing through the evaporator 61 through the steam line 75, and this steam is further supplied to the fuel supply line 51.
[0033]
As described above, the steam is supplied from the steam line 75 to the fuel supply line 51, and the hydrogen heated through the fuel supply line 51 by the fuel heating heat exchanger 60 is heated to a predetermined temperature including the steam. The oxygen supplied to the fuel chamber 55 of the fuel cell 52 and heated through the oxygen supply line 63 by the oxygen heating heat exchanger 69 and heated to a predetermined temperature is supplied to the oxygen chamber 55 of the fuel cell 52. As a result, the cell reaction in the fuel cell 52 already described is smoothly performed, and the inverter 56 connected to the power generation membrane 53 can efficiently output an AC voltage to the system 57, and the outlet temperature of the fuel cell 52 is excessive. It is possible to prevent the rise and maintain the fuel cell 52 at an appropriate temperature (900 to 1000 ° C.).
[0034]
The steam line 75 is connected to the inlet portion of the oxygen heating heat exchanger 66 of the oxygen supply line 63, and steam is also supplied to the oxygen supply line 63, whereby the outlet temperature of the fuel cell 52 is increased. It is possible to more effectively prevent an excessive increase in the amount of water.
[0035]
Further, a fuel heating heat exchanger 60 for exchanging heat with hydrogen in the fuel supply line 51 and an evaporator 61 for exchanging heat with low-temperature steam in the steam line 75 are provided in the fuel side exhaust line 58, respectively. An oxygen heating exchanger 66 is provided for supplying exhausted fuel, which has a temperature lower than that of the outlet exhausted fuel from the chamber 54, to the combustor 59, and exchanging heat with oxygen in the oxygen supply line in the oxygen-side exhaust line 68. By supplying exhaust oxygen having a temperature lower than that of the outlet exhaust oxygen of the oxygen chamber 55 of the fuel cell 52 to the combustor 59, steam generated by the combustion of the combustor 59 is converted into a steam turbine downstream of the combustor 59. The temperature can be suppressed to 67 or less. As a result, the generator 68 can be efficiently generated.
[0036]
Therefore, according to the configuration shown in FIG. 1, by combining the solid electrolyte fuel cell 52 and the combustor 59 and supplying the vapor generated by the retained heat of the fuel-side exhaust of the fuel cell 52 to the fuel supply line 51, Efficient power generation can be performed while maintaining the fuel cell 52 at an appropriate temperature (900 to 1000 ° C.), and unused hydrogen, residual oxygen and water vapor (generated in the fuel cell 52). Can be generated in the combustor 59 to generate steam at a temperature that does not exceed the allowable temperature of the steam turbine 67 in the subsequent stage to perform efficient power generation of the generator 68. The achieved solid electrolyte fuel cell combined power plant system can be provided.
[0037]
Next, an example of a solid electrolyte fuel cell combined power plant system that generates power using a gas fuel containing carbon other than hydrogen as a fuel will be described in detail with reference to FIG. In addition, the same member as FIG. 1 mentioned above attaches | subjects the same code | symbol, and abbreviate | omits description.
[0038]
In this solid oxide fuel cell combined power plant system, a reformer 76 is interposed across the fuel supply line 51 and the fuel exhaust side line 58, and a steam line 75 and a steam branch line 77 branched therefrom are used as the reformer. 76 is connected to the fuel supply line 51 at the front stage and the rear stage.
[0039]
According to such a configuration shown in FIG. 2, a gas fuel containing carbon other than hydrogen (for example, CO, CH ₄ , C ₂₎ in the reformer 76 disposed across the fuel supply line 51 and the fuel exhaust side line 58. H ₆ , C ₃ H _8, etc.) are supplied through the fuel supply line 51, the exhaust fuel at the outlet of the fuel chamber 54 of the solid electrolyte fuel cell 52 is supplied to the reforming device 76 and heated, and from the steam line 75. By supplying steam to the fuel supply line upstream of the reformer 76, the reformer 76 reforms the H ₂ and CO ₂ and separates the CO ₂ into the fuel heating heat exchanger 60. Can be supplied to the fuel chamber 54 of the solid electrolyte fuel cell 52. At this time, the steam is supplied to the fuel supply line 51 subsequent to the reformer 76 through the steam branch line 77 to prevent an excessive increase in the outlet temperature of the fuel cell 52 and to keep the fuel cell 52 at an appropriate temperature (900). ˜1000 ° C.).
[0040]
Therefore, according to the solid oxide fuel cell combined power plant system shown in FIG. 2, the solid electrolyte fuel cell 52 and the combustor 59 are combined, the reformer 76 is disposed in the fuel supply line 51 and the fuel exhaust side line 58, and Gas fuel containing carbon other than hydrogen, such as methane, for example, can be used as fuel for the fuel cell 52 by supplying steam generated by the retained heat of the fuel-side exhaust of the fuel cell 52 to the fuel supply line 51. In addition, efficient power generation can be performed while maintaining the fuel cell 52 at an appropriate temperature (900 to 1000 ° C.), and unused hydrogen, residual oxygen, and water vapor (generated in the fuel cell 52). , Reforming and cooling) are introduced into the combustor 59 to generate steam at a temperature not exceeding the allowable temperature of the subsequent steam turbine 67 to generate the generator 6 Since it either to perform efficient power generation can be achieved ultra high efficiency.
[0041]
Next, an example of another solid electrolyte fuel cell combined power plant system that generates power using gas fuel containing carbon other than hydrogen as fuel will be described in detail with reference to FIG. In addition, the same member as FIG. 1 mentioned above attaches | subjects the same code | symbol, and abbreviate | omits description.
[0042]
In this solid electrolyte fuel cell combined power plant system, the reformer 76 is disposed in the fuel chamber 54 of the solid electrolyte fuel cell 52. A carbon dioxide separation device 78 is interposed in the fuel exhaust side line 58 at the rear stage of the evaporator 61.
[0043]
A steam branch line 77 branched from the steam line 75 is connected to the oxygen exhaust side line 64. A control valve 79 for controlling the steam flow rate is interposed in the steam branch line 77.
[0044]
Further, the exhaust oxygen recirculation mechanism 80 is provided in place of the oxygen heating heat exchanger 66 of FIG. The exhaust oxygen recirculation mechanism 80, the oxygen supply during discharge oxygen of the oxygen chamber 55 outlet of the fuel cell 52 (the steam from the steam branch line 7 7 has already been supplied) of the nitrogen separation unit 65 and the fuel cell 52 An oxygen side branch line 81 for supplying to the line 63, and a control valve 82 and a booster fan 83 that are sequentially inserted in the oxygen side branch line 81 from the oxygen side exhaust line 64 side. The control valve 82 has a function of adjusting a recirculation amount of exhaust oxygen including steam so as to control oxygen supplied to the fuel cell 52 through the oxygen supply line 63 to a predetermined temperature.
[0045]
A control valve 84 is interposed in the water supply line 72.
[0046]
Next, another example of a solid electrolyte fuel cell combined power plant system that generates power using a gas fuel containing carbon other than hydrogen as a fuel will be described in detail with reference to FIG. In addition, the same member as FIG. 1 mentioned above attaches | subjects the same code | symbol, and abbreviate | omits description.
[0047]
In this solid electrolyte fuel cell combined power plant system, the reformer 76 is disposed in the fuel chamber 54 of the solid electrolyte fuel cell 52.
[0048]
A carbon dioxide discharge pump (carbon dioxide separator) 86 is provided through the pipe 85 in the condenser 70 instead of the carbon dioxide separator 78 shown in FIG.
[0049]
A steam branch line 77 branched from the steam line 75 is connected to the oxygen exhaust side line 64. A control valve 79 for controlling the steam flow rate is interposed in the steam branch line 77.
[0050]
Further, the exhaust oxygen recirculation mechanism 80 is provided in place of the above-described oxygen heating heat exchanger of FIG. The exhaust oxygen recirculation mechanism 80, the oxygen supply during discharge oxygen of the oxygen chamber 55 outlet of the fuel cell 52 (the steam from the steam branch line 7 7 has already been supplied) of the nitrogen separation unit 65 and the fuel cell 52 An oxygen side branch line 81 for supplying to the line 63, and a control valve 82 and a booster fan 83 that are sequentially inserted in the oxygen side branch line 81 from the oxygen side exhaust line 64 side. The control valve 82 has a function of adjusting a recirculation amount of exhaust oxygen including steam so as to control oxygen supplied to the fuel cell 52 through the oxygen supply line 63 to a predetermined temperature.
[0051]
A control valve 84 is interposed in the water supply line 72.
[0052]
According to the configuration shown in FIGS. 3 and 4, the fuel heating heat exchanger 60 converts gas fuel containing carbon other than hydrogen (for example, CO, CH ₄ , C ₂ H ₆ , C ₃ H _8, etc.). When supplying the combustion chamber 54 of the solid electrolyte fuel cell 52 through the interposed fuel supply line 51, a reformer 76 is disposed in the fuel chamber 54 of the fuel cell 52, and steam is supplied from the steam line 75 to the fuel supply line 51. by supplying the gas fuel is reformed to H _2, CO ₂ in the reforming apparatus 76 in the combustion chamber 54, H ₂ as a fuel is supplied to the fuel chamber 54. At the same time, the exhaust oxygen recirculation mechanism 80 supplies exhaust oxygen oxygen including steam to the oxygen supply line 63, and supplies oxygen heated to a predetermined temperature to the oxygen chamber 55 of the fuel cell 52. In this way, by supplying hydrogen and oxygen to the fuel chamber 54 and the oxygen chamber 55 of the fuel cell 52, the cell reaction in the fuel cell 52 is facilitated, and the inverter 56 connected to the power generation film 53 exchanges AC. The voltage can be efficiently output to the system 57.
[0053]
In addition, the fuel cell 52 itself is cooled using a reforming reaction (endothermic reaction) of a reforming device 76 disposed in the fuel chamber 54, and exhaust oxygen recirculation is performed on oxygen supplied to the oxygen chamber 55. By recirculating the steam from the mechanism 80, it is possible to prevent an excessive increase in the outlet temperature of the fuel cell 52 and maintain the fuel cell 52 at an appropriate temperature (900 to 1000 ° C.).
[0054]
Further, a fuel heating heat exchanger 60 for exchanging heat with hydrogen in the fuel supply line 51 and an evaporator 61 for exchanging heat with low-temperature steam in the steam line 75 are provided in the fuel side exhaust line 58, respectively. The exhaust fuel, which has been cooled in comparison with the exit fuel at the outlet of the chamber 54, is supplied to the combustor 59, and steam is supplied to the oxygen supply line 64 through the steam branch line 77 to the oxygen side exhaust line 68, and the fuel cell 52. By supplying to the combustor 59 exhaust gas having a temperature lower than that at the outlet of the oxygen chamber 55, the steam generated by the combustion of the combustor 59 is allowed to travel to the steam turbine 67 downstream of the combustor 59. The following can be suppressed. As a result, the generator 68 can be efficiently generated.
[0055]
In the solid oxide fuel cell combined power plant system shown in FIG. 3, carbon dioxide generated together with hydrogen in the reformer 76 is sent from the outlet of the fuel cell 52 to the carbon dioxide separator 78 through the fuel-side exhaust line 58. The carbon dioxide is exhausted outside the system.
[0056]
On the other hand, in the solid oxide fuel cell combined power plant system shown in FIG. 4, carbon dioxide generated together with hydrogen in the reformer 76 passes from the fuel cell 52 outlet through the fuel side exhaust line 58, the combustor 59, and the feed water heater 71. It is sent to the condenser 70, and exhausted out of the system by a carbon dioxide discharge pump 86 through the pipe from the condenser 70.
[0057]
Therefore, according to the solid oxide fuel cell combined power plant system shown in FIG. 3 or FIG. 4, the solid electrolyte fuel cell 52 and the combustor 59 are combined, and the reformer 76 is disposed in the fuel chamber 54 of the fuel cell 52. Further, gas fuel containing carbon such as methane other than hydrogen can be used as fuel for the fuel cell 52 by supplying steam generated by the retained heat of the fuel-side exhaust of the fuel cell 52 to the fuel supply line 51. In addition, efficient power generation can be performed while maintaining the fuel cell 52 at an appropriate temperature (900 to 1000 ° C.), and unused hydrogen, residual oxygen, and water vapor in the fuel cell 52 (in the fuel cell 52) (The generated amount, for reforming and for cooling) are introduced into the combustor 59, and steam is generated at a temperature not exceeding the allowable temperature of the steam turbine 67 at the subsequent stage to thereby improve the efficiency of the generator 68. Since it either to perform power generation, it is possible to achieve ultra-high efficiency.
[0058]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the solid electrolyte fuel cell and the steam turbine driven by the steam generated by the exhaust combustion thereof are combined, and the steam generated by the retained heat of the fuel side exhaust of the fuel cell is generated. By supplying to the fuel supply line, efficient power generation can be performed, the overall thermal efficiency of the plant can be improved, and reliability is prevented by preventing excessive temperature rise of the fuel cell and heating above the allowable temperature of the steam turbine. It is possible to provide a solid electrolyte fuel cell combined power plant system with improved performance.
[0059]
Further, a reformer is disposed in the fuel supply line, and steam generated by the retained heat of the fuel-side exhaust of the fuel cell is supplied to the reformer to be reformed from a gaseous fuel containing carbon other than hydrogen. Hydrogen can be used as fuel for the fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing another solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing still another solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing still another solid oxide fuel cell combined power plant system according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a conventional Rankine cycle combined power plant system.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a combined power plant system of a topping regeneration cycle system.
[Explanation of symbols]
51 ... Fuel supply line,
52 ... Solid electrolyte fuel cell,
58 ... Fuel side exhaust side line,
59 ... combustor,
60 ... a heat exchanger for heating the fuel,
61 ... Evaporator,
63 ... oxygen supply line,
64 ... Oxygen side exhaust side line,
66 ... heat exchanger for heating oxygen,
67 ... Steam turbine,
68 ... Generator,
70 ... condenser,
71 ... Water heater
75 ... Steam line,
76 ... reformer,
77 ... Steam branch line,
78 ... carbon dioxide separator,
80: Exhaust oxygen recirculation mechanism,
86 ... Carbon dioxide discharge pump.

Claims

A solid electrolyte fuel cell that is supplied with fuel through a fuel supply line and supplied with oxygen through an oxygen supply line;
And steam line for supplying steam generated in the evaporator by the fuel side exhaust potential heat of the fuel cell to the fuel supply line,
A combustor for the fuel the fuel side exhaust cooled by the evaporator and the oxygen-side exhaust of the battery is supplied to generate a gas vapor,
Fuel cell combined power generation plant system, characterized in that it has and a steam turbine driven by steam generated in the combustor.

The fuel cell combined power plant system according to claim 1, further comprising a fuel heating heat exchanger interposed across the fuel supply line and a fuel side exhaust line through which the fuel side exhaust passes.

The hydrogen and oxygen supplied to the fuel cell is a stoichiometric, claim 1 or 2 fuel cell combined power plant system according to characterized in that established the condenser to the turbine downstream.

4. The fuel according to claim 3, wherein an amount of condensate required for temperature adjustment of the fuel cell among the condensate from the condenser is supplied to the fuel supply line via the evaporator. Combined battery power plant system.

When the fuel is a gas fuel containing carbon other than hydrogen, a reformer is installed in the fuel supply line, and hydrogen and steam reformed and produced by the reformer are supplied to the fuel cell; and The fuel cell combined power plant system according to any one of claims 1 to 4 , wherein steam is supplied from the steam line to the fuel supply line before and after the reformer.

When the fuel is a gas fuel containing carbon other than hydrogen, a reformer is installed inside the fuel cell to separate carbon dioxide in the fuel side exhaust of the fuel cell upstream of the combustor. fuel cell combined power plant system according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it has established a carbon dioxide separation apparatus.

If the fuel is a gaseous fuel containing carbon other than hydrogen, said reformer is installed in the fuel cell, condensed and separated the carbonated gas in the fuel side exhaust of the fuel cell on the downstream side of the steam turbine A fuel cell combined power plant system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a carbon dioxide gas separation device for performing the operation.

It said vapor line, a fuel cell combined power plant system according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a oxygen-side steam supply means for supplying steam to the oxygen supply line.

9. The fuel cell according to claim 1, further comprising an oxygen heating heat exchanger or an exhaust oxygen circulation mechanism across the oxygen supply line and the oxygen exhaust line through which the oxygen exhaust passes. Combined power plant system.