JP2001076750A - High temperature fuel cell facility - Google Patents

High temperature fuel cell facility

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JP2001076750A
JP2001076750A JP25605599A JP25605599A JP2001076750A JP 2001076750 A JP2001076750 A JP 2001076750A JP 25605599 A JP25605599 A JP 25605599A JP 25605599 A JP25605599 A JP 25605599A JP 2001076750 A JP2001076750 A JP 2001076750A
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natural gas
fuel cell
air
liquefied natural
power
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Japanese (ja)
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Yoshinori Hisakado
喜徳 久角
Norihisa Kamiya
規寿 神家
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Osaka Gas Co Ltd
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Osaka Gas Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase power generation efficiency of a power generating unit that uses a high temperature fuel cell. SOLUTION: Air supplied to a solid-oxide fuel cell SOFC11 is cooled by an air cooler 15 before being pressurized by an air compressor 13. This reduces the power of the air compressor 13 required for pressurization so as to generate electricity using surplus power of a gas turbine 12, resulting in increasing power generation efficiency of a high temperature power cell facility 10 as a whole. The air cooler 15 cools air by using coolant cooled by cold liquefied natural gas in an LNG carburetor 18. In a coolant heater 16, the coolant absorbs heat of effluent gas output from a regenerator 14. Since coolant can store cold of liquefied natural gas, air that the air compressor 13 inhales can be cooled stably even if the flow of the liquefied natural gas changes. Using a natural gas turbine 19, it is also possible to collect expameion energy of the natural gas vaporized in the LNG vaporizer 18.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、水素や炭素を含む
燃料と、酸素を含む反応気体とを高温で電気化学反応さ
せることによって発電する高温燃料電池設備に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-temperature fuel cell system for generating electricity by causing an electrochemical reaction between a fuel containing hydrogen or carbon and a reaction gas containing oxygen at a high temperature.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、燃料の有する化学エネルギ
を、機械的なエネルギを経ないで直接電気的エネルギに
変換する燃料電池が、エネルギの有効利用を図る上で注
目されている。燃料電池には、種々の形式が考えられて
いるけれども、常温燃料電池と高温燃料電池とが特に注
目されている。常温燃料電池は、室温で動作可能で、高
温になることがないという特徴がある。しかしながら反
応速度を高めて高電流密度を得るために、高価な白金族
の金属触媒を使用しなければならないという問題があ
る。そこで、高温にして化学反応速度を高め、高電流密
度を得ることができる高温燃料電池が注目されている。
高温燃料電池としては、固体電解質型燃料電池(SOF
C)や、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、また低コ
ストな燃料電池として高温ではないが固体高分子電解質
型燃料電池(PEFC)などが検討されている。
2. Description of the Related Art Heretofore, fuel cells, which directly convert chemical energy of fuel into electrical energy without passing through mechanical energy, have been attracting attention for effective use of energy. Although various types of fuel cells are considered, a room-temperature fuel cell and a high-temperature fuel cell are particularly attracting attention. Room-temperature fuel cells are characterized in that they can operate at room temperature and do not become hot. However, there is a problem that an expensive platinum group metal catalyst must be used in order to increase the reaction rate and obtain a high current density. Therefore, a high-temperature fuel cell that can increase the chemical reaction rate by increasing the temperature and obtain a high current density has attracted attention.
As a high temperature fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOF)
C), a molten carbonate fuel cell (MCFC), and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) which is not a high temperature but is not high in temperature as a low cost fuel cell.

【0003】図11は、固体電解質型燃料電池を用いて
発電を行う基本的な構成を示す。固体電解質型燃料電池
であるSOFC1には燃料としてたとえば都市ガス(C
ITY GAS)が供給される。燃料としての都市ガス
を酸化させる反応気体としては、空気が供給される。S
OFC1では、一般的に多量の加圧空気を供給し、10
00℃付近の高温維持して反応を進めている。このた
め、SOFC1からの排気ガスでガスタービン(GT)
2を駆動し、その動力で空気圧縮機(AC)3を作動さ
せて、SOFC1に供給する空気を圧縮している。ガス
タービン2から排出される排気ガスは、まだかなりの高
温であるので、再生器4で空気圧縮機3からSOFC1
に供給する空気と熱交換して、温度を低下させて排出す
る。SOFC1に吸入される空気は、排気ガスと熱交換
してさらに温度が上昇した予熱状態となる。SOFC1
が発生する電力は直流であり、インバータで交流に変換
され出力される。
FIG. 11 shows a basic configuration for generating power using a solid oxide fuel cell. SOFC1, which is a solid oxide fuel cell, has, for example, city gas (C
ITS GAS). Air is supplied as a reaction gas for oxidizing city gas as fuel. S
OFC1 generally supplies a large amount of pressurized air and
The reaction is proceeding while maintaining a high temperature around 00 ° C. For this reason, the exhaust gas from the SOFC 1 uses a gas turbine (GT).
2 is driven, and an air compressor (AC) 3 is operated by the power to compress the air supplied to the SOFC 1. Since the exhaust gas discharged from the gas turbine 2 is still at a considerably high temperature, the regenerator 4 outputs the SOFC 1 from the air compressor 3.
Exchanges heat with the air supplied to the furnace to reduce the temperature and discharge the air. The air sucked into the SOFC 1 exchanges heat with the exhaust gas to enter a preheated state in which the temperature further rises. SOFC1
Is generated as DC, which is converted into AC by an inverter and output.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】一般的に、空気などの
圧縮性流体は、圧縮する前の温度が高温になるほど、圧
縮動力が大きくなる。図11に示すような固体電解質型
の燃料電池発電設備では、一般的に多量の加圧空気を必
要とし、また高圧で運転した方がガスタービン2で回収
する動力が大きくなり、効率が高くなる。しかし高圧に
すれば、空気圧縮機3による圧縮動力が大きくなり、吐
出温度が上がるため、再生熱交換器4で回収できる熱量
が減少する。さらに全体としての発電効率を高めるため
には、再生熱交換器4を出た排気ガスを熱源とする新た
な、たとえば蒸気タービンサイクルを付加する必要があ
る。
Generally, compressive fluid such as air has a larger compressive power as the temperature before compression becomes higher. In a solid oxide fuel cell power generation system as shown in FIG. 11, a large amount of pressurized air is generally required, and when operated at a high pressure, the power to be recovered by the gas turbine 2 increases and the efficiency increases. . However, when the pressure is increased, the compression power of the air compressor 3 increases, and the discharge temperature increases, so that the amount of heat that can be recovered by the regenerative heat exchanger 4 decreases. In order to further improve the power generation efficiency as a whole, it is necessary to add a new, for example, steam turbine cycle using the exhaust gas exiting the regenerative heat exchanger 4 as a heat source.

【0005】本発明の目的は、多量の加圧空気を必要と
する高温燃料電池を用いる発電設備で、全体的な発電効
率を、単純な機器構成によって上昇させることができる
高温燃料電池設備を提供することである。
An object of the present invention is to provide a high-temperature fuel cell system which uses a high-temperature fuel cell which requires a large amount of pressurized air, and which can increase the overall power generation efficiency with a simple device configuration. It is to be.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、高温燃料電池
で燃料を電気化学的に酸化させて、燃料の有する化学エ
ネルギを直接電気エネルギに変換する高温燃料電池設備
において、酸化用の反応気体を加圧して供給する圧縮機
と、圧縮機に導入する反応気体を冷却する冷却装置と
を、含むことを特徴とする高温燃料電池設備である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a high-temperature fuel cell system for electrochemically oxidizing fuel in a high-temperature fuel cell and directly converting chemical energy of the fuel into electric energy. And a cooling device for cooling a reaction gas introduced into the compressor.

【0007】本発明に従えば、高温燃料電池で燃料を電
気化学的に酸化させるために用いる酸化用の反応気体
を、圧縮機で加圧して供給する前に、冷却装置で冷却す
るので、所定の圧力まで加圧するための圧力機の動力を
減少させ、圧縮機の駆動に要する電力消費を削減して、
総合的な発電効率を高めることができる。
According to the present invention, the oxidizing reaction gas used for electrochemically oxidizing the fuel in the high-temperature fuel cell is cooled by the cooling device before being supplied under pressure by the compressor. To reduce the power of the compressor to pressurize to the pressure of
Overall power generation efficiency can be increased.

【0008】また本発明では、前記冷却装置は、液化天
然ガスと熱交換し、液化天然ガスの有する冷熱を蓄える
ことが可能な冷媒によって、前記反応気体を冷却するこ
とを特徴とする。
In the present invention, the cooling device exchanges heat with liquefied natural gas, and cools the reaction gas with a refrigerant capable of storing cold heat of the liquefied natural gas.

【0009】本発明に従えば、液化天然ガスと冷媒とを
熱交換し、冷媒に液化天然ガスの有する冷熱を蓄えさせ
て、冷媒で圧縮機に吸入される反応気体を冷却すること
ができるので、液化天然ガスが有する冷熱を有効に利用
して高温燃料電池設備の全体的な発電効率を高めること
ができる。液化天然ガスは冷媒と熱交換するので、液化
天然ガスを気化する量が変動しても、冷媒中に蓄えられ
る冷熱によって、圧縮機に吸入される反応気体を安定し
て冷却することができる。
According to the present invention, it is possible to exchange heat between the liquefied natural gas and the refrigerant, store the cold heat of the liquefied natural gas in the refrigerant, and cool the reaction gas sucked into the compressor by the refrigerant. In addition, the overall power generation efficiency of the high-temperature fuel cell equipment can be improved by effectively utilizing the cold energy of the liquefied natural gas. Since the liquefied natural gas exchanges heat with the refrigerant, even if the amount of the liquefied natural gas vaporized fluctuates, the cold gas stored in the refrigerant can stably cool the reaction gas sucked into the compressor.

【0010】また本発明では、前記高温燃料電池から排
出される排気ガスを熱源として、液化天然ガスを高温に
昇温し、膨張させることで動力を回収できるタービンを
備えることを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that a turbine capable of recovering power by raising the temperature of liquefied natural gas to a high temperature and expanding the liquefied natural gas using exhaust gas discharged from the high-temperature fuel cell as a heat source is provided.

【0011】本発明に従えば、冷媒と熱交換する液化天
然ガスは、高温燃料電池から排出される高温の排気ガス
で高温に昇温され、液化天然ガスを膨張させて、タービ
ンで有効に動力を回収することができる。
According to the present invention, the liquefied natural gas that exchanges heat with the refrigerant is heated to a high temperature by the high-temperature exhaust gas discharged from the high-temperature fuel cell, expands the liquefied natural gas, and effectively powers the turbine. Can be recovered.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施の一形態と
しての高温燃料電池設備10の概略的な構成を示す。固
体電解質型燃料電池であるSOFC11からは約950
℃程度の高温の反応ガスが排気ガスとして排出され、ガ
スタービン12を駆動する。ガスタービン12の出力軸
は空気圧縮機13の回転軸に連結されており、ガスター
ビン12の回転駆動によって空気圧縮機13がSOFC
11に吸入される反応気体である空気を加圧する。反応
気体は、酸素を含む気体であればよい。空気圧縮機13
で加圧された空気は、再生器14でガスタービン12か
らの排気ガスと熱交換して加熱されてから、SOFC1
1に供給される。SOFC11内では、都市ガスなど、
炭素や水素を含む燃料が電気化学的に酸化され、直流電
力が発生する。SOFC11、ガスタービン12、空気
圧縮機13および再生器14を含む構成は、図11に示
す従来の固体電解質型燃料電池と基本的に同等である。
SOFC11からの直流出力電力は、インバータで直流
から交流に変換される。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a high-temperature fuel cell system 10 as one embodiment of the present invention. About 950 from SOFC11 which is a solid oxide fuel cell
A high-temperature reaction gas of about ° C. is discharged as exhaust gas, and drives the gas turbine 12. The output shaft of the gas turbine 12 is connected to the rotation shaft of the air compressor 13.
Air, which is a reaction gas sucked into 11, is pressurized. The reaction gas may be any gas containing oxygen. Air compressor 13
The air pressurized by the SOFC 1 is heated by exchanging heat with the exhaust gas from the gas turbine 12 by the regenerator 14 and then heated.
1 is supplied. In SOFC11, city gas etc.
Fuels containing carbon and hydrogen are electrochemically oxidized to generate DC power. The configuration including the SOFC 11, the gas turbine 12, the air compressor 13, and the regenerator 14 is basically the same as the conventional solid oxide fuel cell shown in FIG.
DC output power from the SOFC 11 is converted from DC to AC by an inverter.

【0013】本実施形態の高温燃料電池設備10では、
空気圧縮機13に吸入される空気を空気冷却器15で冷
却する。冷却のための冷熱は、液化天然ガス(以下、
「LNG」と略称することもある)から供給する。空気
冷却器15には、LNGと熱交換して、たとえば−14
0℃に冷却された冷媒が供給され、空気と熱交換して空
気をたとえば−130℃に冷却する。この空気は、空気
圧縮機13で加圧される際に、温度も上昇し、さらに再
生器14で排気ガスと熱交換することによって、たとえ
ば約490℃に予熱されてSOFC11に供給される。
In the high-temperature fuel cell system 10 of the present embodiment,
The air taken into the air compressor 13 is cooled by the air cooler 15. Cooling heat for cooling is liquefied natural gas (hereinafter, referred to as liquefied natural gas).
"LNG"). The air cooler 15 exchanges heat with LNG, for example, −14.
A refrigerant cooled to 0 ° C. is supplied, and exchanges heat with air to cool the air to, for example, −130 ° C. When this air is pressurized by the air compressor 13, the temperature also rises, and is further heat-exchanged with the exhaust gas by the regenerator 14 to be preheated to, for example, about 490 ° C. and supplied to the SOFC 11.

【0014】空気冷却器15で空気と熱交換した冷媒
は、冷媒加熱器16で再生器14から排出されるたとえ
ば約90℃の排気ガスと熱交換し、冷媒はたとえば約8
0℃に加熱される。冷媒加熱器16で加熱された冷媒
は、冷媒循環ポンプ17で加圧され、LNG気化器18
でLNGと熱交換して冷却される。LNG気化器18で
液化天然ガスはたとえば約65℃まで昇温され、約7M
Paの圧力で気化される。天然ガスの送出圧力が約3M
Paであるとすると、さらにこの差圧分だけ天然ガスタ
ービン19で天然ガスを膨張させ、動力を回収する。な
お、LNGは、LNGポンプ20によって加圧されて、
LNG気化器18に供給される。
The refrigerant that has exchanged heat with the air in the air cooler 15 exchanges heat with the exhaust gas of, for example, about 90 ° C. discharged from the regenerator 14 in the refrigerant heater 16.
Heat to 0 ° C. The refrigerant heated by the refrigerant heater 16 is pressurized by the refrigerant circulating pump 17 and is cooled by the LNG vaporizer 18.
And heat exchange with LNG to be cooled. The LNG vaporizer 18 raises the temperature of the liquefied natural gas to, for example, about 65 ° C.
It is vaporized at a pressure of Pa. Delivery pressure of natural gas is about 3M
Assuming that the pressure is Pa, the natural gas is further expanded by the natural gas turbine 19 by the amount of the differential pressure to recover the power. LNG is pressurized by the LNG pump 20,
It is supplied to the LNG vaporizer 18.

【0015】本実施形態では、空気を液化天然ガスで直
接冷却しないで、冷媒を循環させて冷熱を蓄積し、かつ
空気に供給するようにしている。冷媒として、たとえば
メタノール55%と、エタノール45%との組成を有す
る混合アルコールなどを用いると、−140℃程度に冷
却して、冷熱を蓄積しておくことができる。冷熱を蓄積
することによって、液化天然ガスの使用量の変動にかか
わらず、冷媒によって安定的に冷却を行うことが可能に
なる。液化天然ガスを、たとえば都市ガスの原料として
利用する天然ガスの供給基地では、都市ガスの需要量の
時間的な変動に伴って、液化天然ガスの使用量も変動す
る。冷熱を一旦冷媒に移行させて蓄積すれば、液化天然
ガスの有する冷熱を安定して有効に利用することができ
る。従来、液化天然ガスを気化する天然ガスの供給基地
では、液化天然ガスの使用量が変動するので有効に利用
することができず、一般的に廃棄されていた液化天然ガ
スの冷熱を、本実施形態の高温燃料電池設備では、発電
効率向上のための冷熱エネルギとして安定して有効利用
することができる。
In the present embodiment, the air is not directly cooled by the liquefied natural gas, but the refrigerant is circulated to accumulate cold heat and to supply the air. If, for example, a mixed alcohol having a composition of 55% of methanol and 45% of ethanol is used as the refrigerant, it can be cooled to about −140 ° C. to accumulate cold heat. By accumulating cold heat, it becomes possible to stably cool with a refrigerant regardless of fluctuations in the amount of liquefied natural gas used. At a natural gas supply base that uses liquefied natural gas as a raw material for city gas, for example, the amount of liquefied natural gas used also fluctuates as the demand for city gas fluctuates over time. Once the cold energy is transferred to the refrigerant and accumulated, the cold energy of the liquefied natural gas can be used stably and effectively. Conventionally, natural gas supply terminals that vaporize liquefied natural gas cannot be used effectively due to fluctuations in the amount of liquefied natural gas used. In the high-temperature fuel cell equipment of the embodiment, it can be stably and effectively used as cold energy for improving power generation efficiency.

【0016】従来の天然ガスの供給基地では、液化天然
ガスを気化させる熱源を得るために、海水などと熱交換
する大きな設備を設ける必要がある。本実施形態の高温
燃料電池設備10を設ければ、液化天然ガスから冷熱を
供給することによって、液化天然ガス自身も加熱されて
温度が上昇するので、気化に要する外部からの熱が不要
となる。さらに、図1に示すように液化天然ガスと冷媒
との熱交換器をLNG気化器18として加熱および気化
に使用すれば、直接気化された天然ガスを得ることがで
き、さらに気化された天然ガスで膨張タービンである天
然ガスタービン19を駆動することも可能となる。これ
によって、天然ガスの膨張エネルギも動力として有効に
回収することができ、SOFC11の本体、SOFC1
1からの排気ガスの動力を回収するガスタービン12、
および天然ガスタービン19で合計して電力および動力
を取出すことができ、総合的な発電効率を高めることが
できる。
In a conventional natural gas supply terminal, it is necessary to provide a large facility for exchanging heat with seawater or the like in order to obtain a heat source for vaporizing liquefied natural gas. If the high-temperature fuel cell equipment 10 of the present embodiment is provided, by supplying cold heat from liquefied natural gas, the liquefied natural gas itself is also heated and its temperature rises, so that external heat required for vaporization is unnecessary. . Further, as shown in FIG. 1, if a heat exchanger between the liquefied natural gas and the refrigerant is used for heating and vaporizing as the LNG vaporizer 18, it is possible to directly vaporize the natural gas and further vaporize the natural gas. It is also possible to drive the natural gas turbine 19 which is an expansion turbine. As a result, the expansion energy of natural gas can be effectively recovered as power, and the main body of the SOFC 11 and the SOFC 1
A gas turbine 12 for recovering the power of the exhaust gas from 1
And the natural gas turbine 19 can collect electric power and motive power in total, thereby increasing the overall power generation efficiency.

【0017】図2は、図1の高温燃料電池設備10を、
システムとしての動作をシュミレーションするためのプ
ログラムに合わせて書換えた状態を示す。ただし、SO
FC11からの排気ガス中から空気圧縮機13で必要な
動力を取出した余剰の動力で発電を行うため、パワータ
ービン21を追加している。また、冷媒循環経路には、
冷媒タンク22を設けている。図1に示すLNGポンプ
20は、LNGの貯槽からLNGを取出すためにはいず
れにしても必要となる構成要素であるので、LNGはL
NGポンプ20で加圧された状態で供給されるものと
し、シュミレーションの対象からは除外している。
FIG. 2 shows a high-temperature fuel cell system 10 shown in FIG.
This shows a state rewritten according to a program for simulating the operation of the system. However, SO
A power turbine 21 is added in order to generate electric power by using surplus power obtained by extracting necessary power from the exhaust gas from the FC 11 by the air compressor 13. Also, in the refrigerant circulation path,
A refrigerant tank 22 is provided. The LNG pump 20 shown in FIG. 1 is a component that is required in any case to take out LNG from the LNG storage tank.
It is supplied in the state of being pressurized by the NG pump 20, and is excluded from the target of the simulation.

【0018】図3は、図2の構成でシュミレーションを
行った結果の一例を示す。図3(a)は、図2に示す各
部での、物質の流れに伴う動作条件を示す。c1および
c2は、LNGについて、f1は燃料としての都市ガス
について、r0〜r3およびr6,r7は冷媒につい
て、a1〜a5は空気について、g1〜g5はSOFC
11の排気ガスについてそれぞれ示す。また図3(b)
は、図2の各部でのエネルギを示す。w−acは空気圧
縮機13の所要動力を示し、TURBINE POWE
Rはパワータービン21の出力を示し、w−rp2は冷
媒循環ポンプ17の所要動力を示し、SOFC POW
ER(DC)はSOFC11の直流出力電力を示し、S
OFC EFF(DC%HHV)はSOFC11自体の
発電効率を示し、WASTE HEATは排気ガスとと
もに失われる熱損失を示し、NETPOWER(AC)
は全体としての交流出力電力を示し、NET POWE
REFF.(AC%HHV)は全体としての電力効率を
示し、HEAT LEAKは冷媒タンク22から漏洩す
る熱を示し、LNG POWERは天然ガスタービン1
9から得られる出力を示す。なお、SOFC11から得
られる直流出力は、効率94%のインバータで交流に変
換して出力し、NET POWER(AC)には、この
変換された出力と、ガスタービン12および天然ガスタ
ービン19の出力とを合計している。
FIG. 3 shows an example of a result obtained by performing a simulation with the configuration of FIG. FIG. 3A shows operating conditions associated with the flow of a substance in each unit shown in FIG. c1 and c2 are for LNG, f1 is for city gas as fuel, r0 to r3 and r6 and r7 are for refrigerant, a1 to a5 are for air, and g1 to g5 are SOFC
Eleven exhaust gases are shown. FIG. 3 (b)
Indicates the energy at each part in FIG. w-ac indicates the required power of the air compressor 13 and is TURBINE POWER.
R indicates the output of the power turbine 21, w-rp2 indicates the required power of the refrigerant circulation pump 17, and SOFC POW
ER (DC) indicates the DC output power of the SOFC 11, and S
OFC EFF (DC% HHV) indicates the power generation efficiency of the SOFC 11 itself, WASTE HEAT indicates heat loss lost with exhaust gas, and NETPOWER (AC)
Indicates the overall AC output power, and NET POWER
REFF. (AC% HHV) indicates the overall power efficiency, HEAT LEAK indicates the heat leaking from the refrigerant tank 22, and LNG POWER indicates the natural gas turbine 1
9 shows the output obtained from 9. The DC output obtained from the SOFC 11 is converted into AC by an inverter having an efficiency of 94% and output. The converted output and the outputs of the gas turbine 12 and the natural gas turbine 19 are output to NET POWER (AC). Are summed up.

【0019】図4は、図2に示すような構成で、動作条
件を変えてさらに効率化を図る場合のシュミレーション
結果を示す。図3に示す条件では、a2の状態で、空気
冷却器15で空気を−111.4℃まで冷却している。
図4では、a2の状態で、空気を−136.1℃まで冷
却する。図5は、図5の動作で得られる結果を示す。注
目すべきは、パワータービン21の出力が933.7ま
で上昇していることである。本実施形態のような高温燃
料電池設備10は、LNG冷熱を用いた給気冷却SOF
Cコンバインドサイクルとして考えることもできる。L
NG冷熱利用システムの効率は、エクセルギを用いて評
価する必要がある。
FIG. 4 shows a simulation result in the case of further improving the efficiency by changing the operating conditions in the configuration as shown in FIG. Under the conditions shown in FIG. 3, in the state of a2, the air is cooled to −111.4 ° C. by the air cooler 15.
In FIG. 4, the air is cooled to −136.1 ° C. in the state of a2. FIG. 5 shows the result obtained by the operation of FIG. It should be noted that the output of the power turbine 21 has increased to 933.7. The high-temperature fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a supply-air cooling SOF using LNG cold heat.
It can be considered as a C combined cycle. L
The efficiency of the NG cold energy utilization system needs to be evaluated using exergy.

【0020】図6は、本実施形態についてのエクセルギ
評価の結果を示す。評価温度は15℃とする。SOFC
11に供給する燃料の化学エクセルギを100とし、各
機器で生じるエクセルギ損失や排ガス損失ならびに回収
することができる出力を数値で示す。給気冷却によって
4.5の冷熱エクセルギが液化天然ガスが有するLNG
冷熱エクセルギから、SOFC11に供給される空気に
与えられる。一方、ガスタービン12の排気ガスから、
0.5の温熱エクセルギが高圧の天然ガスに与えられ
る。SOFC11からの直流出力とガスタービン12の
軸端出力の合計効率は、燃料の化学エクセルギに対して
81%となる。SOFC11の交流出力とガスタービン
12の発電端出力の合計効率は、高位発熱量基準で71
%となる。
FIG. 6 shows the results of the exergy evaluation for the present embodiment. The evaluation temperature is 15 ° C. SOFC
Assuming that the chemical exergy of the fuel supplied to 11 is 100, the exergy loss and exhaust gas loss occurring in each device and the output that can be recovered are shown by numerical values. LNG of liquefied natural gas is 4.5 cryogenic exergy by charge air cooling
The air supplied to the SOFC 11 is supplied from the cold exergy. On the other hand, from the exhaust gas of the gas turbine 12,
A hot exergy of 0.5 is provided to the high pressure natural gas. The total efficiency of the DC output from the SOFC 11 and the shaft end output of the gas turbine 12 is 81% based on the chemical exergy of the fuel. The total efficiency of the AC output of the SOFC 11 and the output of the power generation end of the gas turbine 12 is 71 based on the higher heating value.
%.

【0021】現在先端的な火力発電所で用いられている
高効率コンバインドサイクル(ACC)では、タービン
入口反応ガス温度1500℃で発電端効率は52%であ
る。ACCでは、燃焼およびボイラの伝熱に伴うエクセ
ルギ損失が25%および6.2%となっている。これに
対して、本実施形態では、燃焼に相当するエクセルギ損
失は15.2%であり、伝熱に相当するエクセルギ損失
は再生器14からの損失である2.2%となり、大幅に
削減される。
In a high-efficiency combined cycle (ACC) currently used in advanced thermal power plants, the power generation end efficiency is 52% at a turbine inlet reaction gas temperature of 1500 ° C. In ACC, the exergy losses associated with combustion and boiler heat transfer are 25% and 6.2%. On the other hand, in the present embodiment, the exergy loss corresponding to combustion is 15.2%, and the exergy loss corresponding to heat transfer is 2.2%, which is a loss from the regenerator 14, which is greatly reduced. You.

【0022】図7は、図11に示す従来のSOFC1を
用いる高温燃料電池設備に対してシュミレーションを行
うために変形した構成を示す。図8は、図7の構成に対
応する物質の流れに沿った状態を(a)に、エネルギの
流れに沿った状態を(b)にそれぞれ示す。図7で図1
1に対応する部分には同一の参照符を付し、さらに図2
と同様にパワータービン21を追加している。このよう
な従来のSOFC1を用いる従来方式と、本実施形態の
LNG給気冷却方式のSOFCコンバインドサイクルの
出力とを比較する。従来方式でも、SOFC1の出力は
変わらないけれども、燃料の化学エクセルギに対する合
計効率は68.5%となる。本実施形態のように給気冷
却を行うと、ガスタービン12の出力が85%も向上す
る。この出力向上の最大の理由は、再生器14における
伝熱に伴うエクセルギ損失を抑えて、排熱回収を高める
ことによる。すなわち、再生器14出口の排ガスの熱エ
クセルギは、給気冷却方式では1.4と極めて小さいけ
れども、従来方式では11.1と大きな値となってしま
う。
FIG. 7 shows a modified configuration for performing a simulation on the high-temperature fuel cell equipment using the conventional SOFC 1 shown in FIG. 8A shows a state along the flow of the substance corresponding to the configuration of FIG. 7, and FIG. 8B shows a state along the flow of energy. FIG. 1 and FIG.
1 are denoted by the same reference numerals, and FIG.
The power turbine 21 is added in the same manner as described above. The output of the conventional SOFC 1 using the SOFC 1 and the output of the SOFC combined cycle of the LNG supply / cooling system of the present embodiment will be compared. Although the output of the SOFC 1 does not change even in the conventional method, the total efficiency of the fuel for chemical exergy is 68.5%. When air supply cooling is performed as in the present embodiment, the output of the gas turbine 12 is improved by as much as 85%. The greatest reason for this output improvement is that exergy loss due to heat transfer in the regenerator 14 is suppressed and exhaust heat recovery is enhanced. That is, the thermal exergy of the exhaust gas at the outlet of the regenerator 14 is extremely small at 1.4 in the supply air cooling system, but is as large as 11.1 in the conventional system.

【0023】本実施形態のSOFCコンバインドサイク
ルによる発電は、分散電源として注目される。現在液化
天然ガスのサテライト基地は、我国に24カ所あり、そ
の冷熱は全く利用されていない。本実施形態の発電シス
テムを実用化すれば、大規模な液化天然ガス基地は勿
論、小規模なサテライト基地においても、液化天然ガス
の冷熱利用が促進されるものと期待される。
The power generation by the SOFC combined cycle of this embodiment is noted as a distributed power source. At present, there are 24 liquefied natural gas satellite stations in Japan, and the cold energy is not used at all. If the power generation system of the present embodiment is put into practical use, it is expected that the utilization of cold energy of liquefied natural gas will be promoted not only in large-scale liquefied natural gas bases but also in small-scale satellite bases.

【0024】図9は、本発明の実施の他の形態の高温燃
料電池設備30についてのシュミレーション用の構成を
示す。図9の実施形態のシュミレーション結果は、図1
0(a)として物質の流れに沿った状態を示し、図10
(b)としてエネルギの流れに沿った状態を示す。本実
施形態では、天然ガスの膨張エネルギを回収する図3に
示すような天然ガスタービン19は用いない。天然ガス
の膨張エネルギを回収しなくても、液化天然ガスの冷熱
エネルギを回収して、総合的な発電効率を、従来方式よ
りも10%程度向上させることができる。
FIG. 9 shows a configuration for simulation of a high-temperature fuel cell system 30 according to another embodiment of the present invention. The simulation result of the embodiment of FIG. 9 is shown in FIG.
FIG. 10 shows a state along the flow of the substance as 0 (a).
(B) shows a state along the flow of energy. In the present embodiment, a natural gas turbine 19 for recovering expansion energy of natural gas as shown in FIG. 3 is not used. Even if the expansion energy of the natural gas is not recovered, the cooling energy of the liquefied natural gas is recovered, and the overall power generation efficiency can be improved by about 10% as compared with the conventional method.

【0025】以上説明した各実施形態では、液化天然ガ
スの有する冷熱を有効に利用して、高温燃料電池設備1
0,30で効率的な発電を行うことができる。1998
年度の我国の液化天然ガスの受け入れ量は、約4800
万トンに達し、そのうち約3300万トンが発電用燃料
として用いられている。液化天然ガスの冷熱を利用する
LNG冷熱発電は1979年から実用機が建設され、現
在14基が12の電力およびガス会社のLNG受け入れ
基地で稼働している。これらの設備では、海水を熱源と
して、年間約850万トンの液化天然ガスが利用され、
その発電出力合計は、約73000kWである。
In each of the embodiments described above, the high temperature fuel cell equipment 1 is effectively used by effectively utilizing the cold heat of the liquefied natural gas.
At 0, 30, efficient power generation can be performed. 1998
The amount of liquefied natural gas received in Japan in the fiscal year is about 4800
10,000 tons, of which about 33 million tons are used as fuel for power generation. LNG cryogenic power generation using liquefied natural gas cryogenic power has been constructed in 1979, and 14 units are currently operating at 12 power and gas company LNG receiving terminals. These facilities use about 8.5 million tons of liquefied natural gas annually using seawater as a heat source.
The total power generation output is about 73000 kW.

【0026】しかしながら、LNG冷熱発電は、199
0年代に入るとエネルギ価格の安定と建設費の上昇など
の経済的理由から建設されなくなっている。特に高効率
コンバイドサイクル(ACC)の採用によって、液化天
然ガスの気化圧力が上がり、回収することができる出力
が低下したことも大きな要因となっている。本発明を適
用すれば、高温で作動する燃料電池とガスタービンとを
組合わせて、次世代の高効率発電システムを実現するこ
とができる。
However, LNG cryogenic power generation is
In the 0s, construction has been stopped for economic reasons such as stable energy prices and rising construction costs. In particular, the adoption of a high-efficiency combined cycle (ACC) raises the vaporization pressure of liquefied natural gas and lowers the output that can be recovered, which is also a major factor. By applying the present invention, a next-generation high-efficiency power generation system can be realized by combining a fuel cell operating at a high temperature and a gas turbine.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、高温燃料
電池に供給する空気などの酸素を含有する反応気体を圧
縮機入口側で冷却装置で冷却するので、所定の圧力まで
加圧するのに要する圧縮機の動力が減少し、圧縮機から
の反応気体の吐出温度が低下し、高温燃料電池に供給す
る反応気体の予熱などのために、高温燃料電池からの排
気ガスの有する熱量を有効に回収することができ、蒸気
タービンサイクルなどを用いない単純な構成でも、全体
的な発電効率を高めることができる。
As described above, according to the present invention, a reaction gas containing oxygen, such as air supplied to a high-temperature fuel cell, is cooled by a cooling device at the compressor inlet side. The power of the exhaust gas from the high-temperature fuel cell is effective for preheating the reaction gas supplied to the high-temperature fuel cell, etc. And even with a simple configuration that does not use a steam turbine cycle or the like, the overall power generation efficiency can be increased.

【0028】また本発明によれば、液化天然ガスの有す
る冷熱を利用して高温燃料電池設備の総合的な発電効率
を高めることができる。液化天然ガスの方は高温燃料電
池設備に冷熱を供給することによって、加熱されて温度
が上昇する。温度の上昇した液化天然ガスは、気化に要
する熱が少なくなり、天然ガスとして利用する際に必要
な気化器の小形化が可能になる。また、圧縮機に吸入さ
れる反応気体の冷却は、液化天然ガスと熱交換した冷媒
によって行うので、液化天然ガスからの冷熱を冷媒中に
蓄えておくことができ、液化天然ガスの流量が変動して
も、安定して反応気体の冷却を行うことができる。
Further, according to the present invention, the overall power generation efficiency of the high-temperature fuel cell equipment can be enhanced by utilizing the cold heat of the liquefied natural gas. Liquefied natural gas is heated and its temperature rises by supplying cold heat to the high-temperature fuel cell equipment. The liquefied natural gas whose temperature has risen requires less heat for vaporization, and the vaporizer required for use as natural gas can be downsized. In addition, since the reaction gas sucked into the compressor is cooled by the refrigerant that has exchanged heat with the liquefied natural gas, the cooling heat from the liquefied natural gas can be stored in the refrigerant, and the flow rate of the liquefied natural gas fluctuates. Even in this case, the reaction gas can be stably cooled.

【0029】また本発明によれば、液化天然ガスからの
冷熱を冷媒と熱交換して、液化天然ガスの加熱および気
化を行う際に、気化した天然ガスで膨張タービンを駆動
させ、天然ガスの膨張エネルギも動力として回収し、天
然ガスの有するエネルギを高温燃料電池設備の発電出力
として有効に利用し、全体的な発電効率を高めることが
できる。
Further, according to the present invention, when exchanging cold heat from liquefied natural gas with a refrigerant to heat and vaporize the liquefied natural gas, the expansion turbine is driven by the vaporized natural gas to convert the natural gas. The expansion energy is also recovered as power, and the energy of the natural gas is effectively used as the power generation output of the high-temperature fuel cell equipment, so that the overall power generation efficiency can be improved.

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

【図1】本発明の実施の一形態の高温燃料電池設備10
の概略的な構成を示すプロセスフロー図である。
FIG. 1 shows a high-temperature fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process flow chart showing a schematic configuration of the first embodiment.

【図2】図1の高温燃料電池設備10をシュミレーショ
ンのために変形した構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration in which the high-temperature fuel cell equipment 10 of FIG. 1 is modified for simulation.

【図3】図2の構成に対して1つのシュミレーション結
果を示す図表である。
FIG. 3 is a table showing one simulation result for the configuration of FIG. 2;

【図4】図2の構成に対する他のシュミレーション結果
を示す図表である。
FIG. 4 is a table showing another simulation result for the configuration of FIG. 2;

【図5】図4のシュミレーションに基づくエクセルギの
評価結果を示す図表である。
5 is a table showing evaluation results of exergy based on the simulation of FIG. 4.

【図6】図5の評価結果を表す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an evaluation result of FIG. 5;

【図7】図11に示す従来の高温燃料電池のシステムを
シュミレーションのために変形した構成を示す図であ
る。
7 is a diagram showing a configuration in which the conventional high temperature fuel cell system shown in FIG. 11 is modified for simulation.

【図8】図7の構成のシュミレーション結果を示す図表
である。
FIG. 8 is a table showing a simulation result of the configuration of FIG. 7;

【図9】本発明の実施の他の形態の高温燃料電池設備3
0についてのシュミレーションのための構成を示す図で
ある。
FIG. 9 is a high-temperature fuel cell system 3 according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration for simulation of 0.

【図10】図9の実施形態のシュミレーション結果を示
す図表である。
FIG. 10 is a table showing simulation results of the embodiment in FIG. 9;

【図11】従来の高温燃料電池のプロセスフローを示す
ブロック図である。
FIG. 11 is a block diagram showing a process flow of a conventional high-temperature fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,30 高温燃料電池設備 11 SOFC 12 ガスタービン 13 空気圧縮機 14 再生器 15 空気冷却器 16 冷媒加熱器 17 冷媒循環ポンプ 18 LNG気化器 19 天然ガスタービン 21 パワータービン 10, 30 High-temperature fuel cell equipment 11 SOFC 12 Gas turbine 13 Air compressor 14 Regenerator 15 Air cooler 16 Refrigerant heater 17 Refrigerant circulation pump 18 LNG vaporizer 19 Natural gas turbine 21 Power turbine

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高温燃料電池で燃料を電気化学的に酸化
させて、燃料の有する化学エネルギを直接電気エネルギ
に変換する高温燃料電池設備において、 酸化用の反応気体を加圧して供給する圧縮機と、 圧縮機に導入する反応気体を冷却する冷却装置とを、含
むことを特徴とする高温燃料電池設備。
1. A high-temperature fuel cell system for electrochemically oxidizing fuel in a high-temperature fuel cell and directly converting chemical energy of the fuel into electric energy, and a compressor for supplying a reaction gas for oxidation under pressure. And a cooling device for cooling a reaction gas introduced into the compressor.
【請求項2】 前記冷却装置は、液化天然ガスと熱交換
し、液化天然ガスの有する冷熱を蓄えることが可能な冷
媒によって、前記反応気体を冷却することを特徴とする
請求項1記載の高温燃料電池設備。
2. The high-temperature high-temperature apparatus according to claim 1, wherein the cooling device exchanges heat with the liquefied natural gas and cools the reaction gas by a refrigerant capable of storing cold heat of the liquefied natural gas. Fuel cell equipment.
【請求項3】 前記高温燃料電池から排出される排気ガ
スを熱源として、液化天然ガスを高温に昇温し、膨張さ
せることで動力を回収できるタービンを備えることを特
徴とする請求項1または2記載の高温燃料電池設備。
3. A turbine capable of recovering power by raising and expanding liquefied natural gas to a high temperature using exhaust gas discharged from the high-temperature fuel cell as a heat source. High temperature fuel cell equipment as described.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003002601A (en) * 2001-06-15 2003-01-08 Air Liquide Japan Ltd Method and apparatus for manufacturing hydrogen gas
JP2005158530A (en) * 2003-11-26 2005-06-16 Kyocera Corp Fuel cell assembly
CN101865120A (en) * 2010-06-03 2010-10-20 广州市盈夏制冷技术有限公司 Air compressor set capable of freezing and drying air inflow
CN105556069A (en) * 2013-07-19 2016-05-04 Itm动力(研究)有限公司 Pressure reduction system
KR102354406B1 (en) * 2020-11-06 2022-01-24 한국생산기술연구원 Waste heat recycling complex power generation system

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003002601A (en) * 2001-06-15 2003-01-08 Air Liquide Japan Ltd Method and apparatus for manufacturing hydrogen gas
JP4619575B2 (en) * 2001-06-15 2011-01-26 日本エア・リキード株式会社 Hydrogen gas production method and hydrogen gas production facility
JP2005158530A (en) * 2003-11-26 2005-06-16 Kyocera Corp Fuel cell assembly
CN101865120A (en) * 2010-06-03 2010-10-20 广州市盈夏制冷技术有限公司 Air compressor set capable of freezing and drying air inflow
CN101865120B (en) * 2010-06-03 2012-06-20 广州市盈夏制冷技术有限公司 Air compressor set capable of freezing and drying air inflow
CN105556069A (en) * 2013-07-19 2016-05-04 Itm动力(研究)有限公司 Pressure reduction system
KR102354406B1 (en) * 2020-11-06 2022-01-24 한국생산기술연구원 Waste heat recycling complex power generation system

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