JP2002252003A - 固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム - Google Patents
固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムInfo
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Abstract
応可能な固体酸化物形燃料電池を含むコンバインドシス
テムおよびその運転方法を提供する。 【解決手段】 固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を
利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼
を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃
料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられて
なり、前記レキュペレータをバイパスするライン、前記
固体酸化物形燃料電池をバイパスするライン、前記産業
プロセスをバイパスするラインまたは前記固体酸化物形
燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなるコン
バインドシステム、およびその運転方法。
Description
利用する産業プロセスとのコンバインドシステムおよび
その運転方法に関し、より詳しくは、固体酸化物形燃料
電池と燃焼を利用する産業プロセスとの排熱を互いに利
用し、総合効率を向上させるコンバインドシステムおよ
びその運転方法に関する。
xide Fuel Cell:以下「SOFC」とも
記載)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアな
どの酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面に
多孔性電極を取り付け、これを隔壁として一方の側に燃
料ガス、他方の側に酸化剤(空気、酸素等)を供給し、
約1000℃で動作する燃料電池である。
達成が可能、燃料ガスとして水素に加え一酸化炭素の
使用が可能、高温で動作、電解質が固体であるため
電解質散逸の問題がない等の特徴を有し、分散型エネル
ギー源として注目されている。
対する社会的要請の高まりにつれ、発電装置や燃焼を利
用する産業プロセス単独での効率向上のみならず、2ま
たはそれ以上を組み合わせたコンバインドシステム(複
合システム)の構築により総合効率を向上させる試みが
注目されており、高い発電効率を有するSOFCについ
てもさらなる総合効率の向上が希求されている。
合、コンバインドシステムの各構成要素の能力バランス
を完全に保った状態で連続操業することは困難な場合が
多く、一の構成要素の運転条件に適合させることで他の
構成要素に悪影響が及ぶ場合があった。
みなされたものであり、SOFCを含み、総合効率の優
れたコンバインドシステムを提供することを目的とす
る。
して好適に対応可能なコンバインドシステムおよびその
運転方法を提供することを目的とする。
排出される排ガスは800〜1000℃と高温であり、
燃焼を利用する産業プロセスの燃焼用空気として利用し
た場合に総合効率の向上を図れる点、および、バイパス
ラインや加熱手段を設けることにより互いの運転条件を
好適に制御可能な点に着目し完成されたものである。
ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされて
なることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利
用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
で前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュ
ペレータが設けられてなることが好ましい。
料電池との間に前記レキュペレータから排出される前記
固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給す
る手段が設けられてなることが好ましい。
キュペレータをバイパスするラインであることが好まし
い。
料電池との間に、前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を
加熱する手段が設けられてなることが好ましい。
産業プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバ
イパスするラインが設けられてなることが好ましい。
レータとの間に、前記燃焼を利用する産業プロセスをバ
イパスするラインが設けられてなることが好ましい。
であることが好ましい。
ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてな
り、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固
体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータ
が設けられてなり、前記レキュペレータと前記固体酸化
物形燃料電池との間に、前記レキュペレータから排出さ
れる前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガス
を供給する手段または前記固体酸化物形燃料電池用酸化
剤を加熱する手段が設けられてなる固体酸化物形燃料電
池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシス
テムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池の必要とする
酸化剤温度に応じて、前記低温のガスを供給する手段ま
たは前記加熱する手段を制御することを特徴とする固体
酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコ
ンバインドシステムの運転方法である。
排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされて
なり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記
固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレー
タが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を
利用する産業プロセスとの間に前記固体酸化物形燃料電
池をバイパスするラインが設けられてなり、前記固体酸
化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に前記燃焼
を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けら
れてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プ
ロセスとのコンバインドシステムにおいて、前記固体酸
化物形燃料電池および前記燃焼を利用する産業プロセス
の必要とする酸化剤流量に応じて、前記固体酸化物形燃
料電池をバイパスするラインまたは前記燃焼を利用する
産業プロセスをバイパスするラインを制御することを特
徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プ
ロセスとのコンバインドシステムの運転方法である。
が、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用す
る産業プロセスとのコンバインドシステムである。
る燃料電池であり、SOFCの排ガスも800〜100
0℃と非常に高温である。このため、燃焼を利用する産
業プロセス用酸化剤としてSOFCの排ガスを用いたコ
ンバインドシステムを構成した場合、レキュペレータを
介さずに燃焼用酸素供給源としてSOFCの排ガスを直
接使用でき、高い総合効率を達成できる。
便宜上「燃焼プロセス」とも記載)は、燃焼を利用する
ものであれば特に限定されるものではなく、加熱炉、燃
焼炉、ボイラ、乾燥炉、熱風炉、化学反応炉など各種の
手段を適用することができる。
積%の酸素と800〜1000℃の温度を有している。
このため、SOFCと燃焼プロセスとをコンバインドさ
せた場合、高温のSOFCの排ガスの顕熱を直接利用で
きるとともに、燃焼プロセスにおいて高温燃焼を実施で
きるという利点を有する。以下高温燃焼について説明す
る。
通常約18体積%以上の酸素濃度が必要となる。しか
し、800℃以上では高温燃焼と呼ばれる燃焼状態とな
り、当該状況下においては、低酸素濃度下でも燃焼が可
能であり、伝熱効果が高く、窒素酸化物(NOx)の低
減にも有効という特徴を有する。
0〜1000℃、酸素濃度15〜18体積%と、高温燃
焼に適した条件を備えている。従って、何らガスの改質
や熱交換器を用いた加熱を加えずに燃焼プロセス用酸化
剤として直接使用した場合であっても上記特徴を有する
高温燃焼が可能となる。また、顕熱が大きく、SOFC
で活用されなかった残存燃料を含んでおり、燃焼プロセ
ス用酸化剤の供給源として非常に有用である。即ち、S
OFCの排ガスを燃焼プロセス用酸化剤として用いた場
合は、コンバインドシステムとして総合効率を向上させ
ることができるだけでなく、高温燃焼により燃焼プロセ
ス自体の効率を向上させることもできる。
めるためには、燃焼プロセスの排ガスでSOFC用酸化
剤を過熱するレキュペレータを設けることが好ましい。
レキュペレータは、向流熱交換器、並流熱交換器などの
各種公知のレキュペレータを単独または組み合わせて用
いることができ、特に限定されるものではない。
ータからなるコンバインドシステムの一実施形態の模式
図を図1に示す。該コンバインドシステムにおけるガス
の基本的な流れを以下説明する。
1において加熱され、SOFC2に供給される。作動コ
ストを考慮するとSOFC用酸化剤は空気であることが
好ましいが、空気に限定されるものではなく、SOFC
へ供給される酸素濃度が不足する場合には酸素濃度を高
めることができる。SOFC用酸化剤の供給方法は特に
限定されるものではなく、ブロワ等各種公知技術を用い
ることができる。SOFC2には、別途SOFC用燃料
供給手段3が設けられており、900〜1000℃での
電池反応により発電が行われる。SOFC用燃料の改質
にあたっては、水蒸気が存在する発電反応後の燃料ガス
およびSOFC反応熱を利用する内部改質手段や、加熱
炉排熱やSOFC排熱などの熱源を利用する外部改質手
段を設けることができる。
特に限定されるものでなく、円筒型SOFC、平面型S
OFCなど各種SOFCを使用することができ、使用用
途や、設置環境に応じて適宜選択できる。
℃の排ガスは、燃焼プロセス用酸化剤として燃焼プロセ
ス用燃料と共に燃焼プロセス4に供給され、燃焼が行わ
れる。燃焼プロセス用燃料としては、重油、メタン、石
炭、プロパン、電熱等を使用でき、燃焼プロセス用燃料
供給手段9によって供給できるが、特に限定されるもの
ではない。
の各種手段を適用できるが、高温のSOFCの排ガスを
利用した高温燃焼効果を得るためには800℃以上の高
温熱処理を施しうる燃焼プロセスを適用することが好ま
しい。なお、燃焼温度の上限は特に限定されるものでは
なく、より高い燃焼温度を所望する場合には燃料供給量
を増加させればよい。なお、SOFC2と燃焼プロセス
4とは別装置でなくともよく、SOFC2と燃焼プロセ
ス4とを一体化した発電機バーナーなどの装置としても
よい。
プロセス排ガスは、レキュペレータ1に搬送され、SO
FC用酸化剤を加熱するために利用される。SOFC用
酸化剤を加熱するために利用された排ガスに熱エネルギ
ーが残存している場合は、さらにこの熱エネルギーを再
利用してもよい。
ては、レキュペレータから排出されるSOFC用酸化剤
より低温のガスを供給する手段を設けることが好まし
い。このような供給手段を設けた場合、レキュペレータ
で加熱されたSOFC用酸化剤がSOFC2の必要とす
る酸化剤温度よりも高いときに低温のガスを供給し、S
OFC用酸化剤の温度を下げることができる。供給され
る低温のガスはSOFCを作動させる上で弊害が生じな
いものであれば特に限定されるものではなく、空気や酸
素などが挙げられる。供給手段は、ブロワ等各種公知手
段を設けることができるほか、図1に示すようにレキュ
ペレータをバイパスするライン(バイパスラインA)6
を設けることができる。バイパスラインを設けた場合
は、コンバインドシステムの構成を簡素化できる。
間に、SOFC用酸化剤の加熱手段5を設けることが好
ましい。加熱手段5を設置することにより、SOFC2
が必要とする温度にレキュペレータ1で加熱されたSO
FC用酸化剤の温度が達しない場合に、加熱手段5を用
いてSOFC用酸化剤の温度を上げることができる。加
熱手段5としては、SOFC用酸化剤中に燃料を供給し
燃焼させる手段や、さらに熱交換器を設けて加熱する手
段などが挙げられる。燃料を供給し燃焼させる場合に
は、SOFC2に供給される酸素量が減少することにな
るが、通常SOFC用酸化剤には過剰量の酸素が含有さ
れており、数十〜数百℃の昇温に酸素を使用しても発電
には影響がない。
の双方を設けて、レキュペレータ1で加熱されたSOF
C用酸化剤がSOFC2に必要な酸化剤温度よりも高い
時にも低い時にも対応可能なコンバインドシステムを構
築することも勿論可能である。また、バイパスラインA
および加熱手段5を設ける代わりに、SOFC用酸化剤
の流量調整により温度調節を図ることも可能であるが、
この場合は、レキュペレータ出口側のSOFC用酸化剤
温度によっては対応が困難となるケースがあり、適応範
囲が狭いことに留意する必要がある。
ては、燃焼プロセス4の必要とする燃焼プロセス用酸化
剤流量とSOFCの排ガス流量とが異なる状態で操業さ
れる場合がある。このとき一方の必要とする流量に運転
条件を合わせると、他方の機能を充分に活用することが
できず、総合効率の減少を招来する。また、燃焼プロセ
ス4またはSOFC2の運転条件の変化によって、コン
バインドシステムとしての最適運転点(最大効率点)が
変動するが、安定操業の観点からは双方の運転条件が頻
繁に変動することは好ましくなく、特に急激な運転条件
の変動はSOFC2にダメージを及ぼす恐れがある。
ス4にSOFC2を経ていない酸化剤を供給するため
に、レキュペレータ1と燃焼プロセス4との間に、SO
FCをバイパスするライン(バイパスラインB)7を設
けることが好ましい。これにより、燃焼プロセス用酸化
剤流量の不足を補うことができる。
は、熱効率を高める観点からはレキュペレータ1と加熱
手段5(加熱手段5が設けられてない場合はSOFC
2)との間に設けることが好ましいが、コンバインドシ
ステムの設置環境や運転条件によっては、レキュペレー
タ1に供給される前のSOFC用酸化剤を搬送してもよ
く、加熱手段5によって加熱されたSOFC用酸化剤を
搬送してもよい。
するために、SOFC2とレキュペレータ1との間に、
SOFCの排ガスの一部が燃焼プロセス4をバイパスす
るライン(バイパスラインC)8を設けることが好まし
い。
は、熱効率を高める観点からは燃焼プロセス4とレキュ
ペレータ1との間に設けることが好ましいが、コンバイ
ンドシステムの設置環境や運転条件によっては、レキュ
ペレータ1を介さずに排ガスとして排出してもよい。
を制御することが好ましい。これにより、燃焼プロセス
とSOFCとの操業状態の変化に対して総合効率が最大
になるようにガス流量を迅速に制御することができる。
具体的には、ステンレス、ニッケル合金、セラミック等
の耐熱材料からなる開閉率制御の可能なバラフライ弁な
どをバイパスライン中に設けうる。バイパスラインなど
のガス搬送ラインは、これらに限定されるものではない
が、耐火ライニングを施したステンレスなどの材料を用
いて、各装置を繋ぐ配管にフランジによるボルト接合や
溶接接合により接続するとよい。
は、新たに設備を構築する場合であっても優れた総合効
率を有するが、既存の燃焼プロセスに組み込む場合に
は、従来のブロワやレキュペレータを利用することがで
きるため、より少ない設備投資でSOFC発電システム
を構築できるという利点を有する。またこの場合、組み
込まれたSOFCの見かけの発電効率は80%以上と極
めて優れたものとなり得る。
作用、並びに本発明に係るコンバインドシステムの運転
方法について説明する。
レータ1で回収したとき、レキュペレータ1で加熱され
たSOFC用酸化剤の全量がSOFC2で用いられ、燃
焼プロセス4の排熱を最大限利用でき、かつ、SOFC
の排ガスの全量が燃焼プロセス4に入る状態を示す。こ
の状態を完全バランス状態と定義する。完全バランス状
態の場合に総合効率は最も高くなる。
の処理能力によっては完全バランス状態を保つことが困
難な場合があり、例えば、SOFC2が必要とする酸化
剤流量より燃焼プロセス4が必要とする酸化剤流量の方
が多い場合がある。この場合は、図3に示すようにバイ
パスラインBを活用することにより、燃焼プロセス4が
必要とする酸化剤流量の不足分を補うことができる。バ
イパスラインBは総合効率を高める観点からはレキュペ
レータ1で加熱された空気を搬送することが好ましい。
より燃焼プロセス4が必要とする酸化剤流量の方が少な
い場合には、図4に示すようにバイパスラインCを活用
することにより、SOFC2が必要とする酸化剤流量と
燃焼プロセス4が必要とする酸化剤流量とのバランスを
保つことができる。この場合、SOFCの排ガスのうち
燃焼プロセス4に搬送されない部分は、バイパスライン
Cによってレキュペレータ1に搬送することにより、S
OFCの排ガスの持つ顕熱を有効に活用でき、総合効率
の低下を抑制することができる。
イパスラインCを用いることによって、流量調整が可能
であるが、総合効率はバイパスラインを活用しない場合
が最大となるので、ある程度の範囲ではバイパスライン
を活用せずにSOFCの運転条件を調整してもよい。
FC用酸化剤の温度が、SOFC2が必要とする温度に
達しない場合は、加熱手段5によってSOFC用酸化剤
を加熱し、SOFC用酸化剤の温度を上げることができ
る(図5)。逆に、レキュペレータ1で加熱されたSO
FC用酸化剤の温度が、SOFC2が必要とする温度よ
り高い場合は、例えばバイパスラインAを用いることに
よりSOFC用酸化剤の温度を下げることができる(図
6)。
にあたっては、上述したバイパスラインA〜C、加熱手
段等を自由に組み合わせることができる。
しては、レキュペレータのSOFC側出口近傍に設けら
れた温度センサーから得られる情報に基づき、SOFC
用酸化剤の温度がSOFCの必要とする温度になるよう
バイパスラインAや加熱手段に指示を与える方法が挙げ
られる。バイパスラインBおよびバイパスラインCの制
御方法としては、燃焼プロセスおよびSOFCに対する
操業指令から必要な酸化剤量を算出し、これに基づきバ
イパスBおよびCに設けられた弁に指示を与える方法が
挙げられる。
ンバインドシステムのエネルギーバランスを、SOFC
単体でのエネルギーバランスおよび加熱炉単体でのエネ
ルギーバランスと比較して示す。
ンドシステム>鋼片加熱熱量を100とした時のSOF
Cと加熱炉とのコンバインドシステムのエネルギーバラ
ンスを図7に示す。熱効率は、下記式(1):
の熱効率は68%であり、SOFCについての熱効率は
50%であった。また、コンバインドシステム全体の熱
効率は70%であった。
100とした時の加熱炉単体でのエネルギーバランスを
図8に示す。上記式(1)に従って熱効率を求めたとこ
ろ、加熱炉の熱効率は68%であった。
けるSOFC発電量24を基準としたときの、SOFC
のエネルギーバランスを図9に示す。上記式(1)に従
って熱効率を求めたところ、SOFCの熱効率は50%
であった。
に係るコンバインドシステムの効率は非常に優れている
ことが示された。特に、既存の加熱炉にSOFCを組み
込む場合の指標となる、下記式(2):
システムに変更した場合に得られる電気出力であり、b
は燃焼プロセスをコンバインドシステムに変更した場合
の燃料増加分である)で表されるSOFCの見かけの発
電効率は83%と極めて優れた数値を示した。
は、SOFCの排ガスを直接燃焼プロセス用酸化剤とし
て用いているためSOFCの排ガスの顕熱を有効に利用
でき、また、SOFCの排ガス中に残存するSOFCで
の未使用燃料を利用できるため、コンバインドシステム
の総合効率を向上させることができる。特に、既存の燃
焼プロセスに組み込む場合には、従来のブロワ、レキュ
ペレータなどの設備を兼用できるため、少ない設備投資
で総合効率の高いSOFC発電プラントの建設が可能で
あり、このときのSOFCの見かけの発電効率は80%
以上と極めて優れたものとなる。
0℃と高温であるため、燃焼プロセスにおける燃焼状態
を高温燃焼とすることができ、均一な炉加熱、生成
するNOxの低減、燃焼に必要な燃料の削減、といっ
た効果が得られる。
ることにより、SOFC用酸化剤および燃焼プロセス用
酸化剤の温度、流量、酸素濃度を柔軟に調整でき、SO
FCや燃焼プロセスの操業条件が変化する場合であって
も安定操業を達成できる。
タからなるコンバインドシステムの一実施形態の模式図
である。
ムを示す図である。
バインドシステムを示す図である。
バインドシステムを示す図である。
いる状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
バインドシステムを示す図である。
せた場合のエネルギーバランスを示す図である。
である。
図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼
を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなることを特
徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プ
ロセスとのコンバインドシステム。 - 【請求項2】 前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガ
スで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキ
ュペレータが設けられてなることを特徴とする請求項1
に記載のコンバインドシステム。 - 【請求項3】 前記レキュペレータと前記固体酸化物形
燃料電池との間に前記レキュペレータから排出される前
記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給
する手段が設けられてなることを特徴とする請求項2に
記載のコンバインドシステム。 - 【請求項4】 前記低温のガスを供給する手段は、前記
レキュペレータをバイパスするラインであることを特徴
とする請求項3に記載のコンバインドシステム。 - 【請求項5】 前記レキュペレータと前記固体酸化物形
燃料電池との間に、前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤
を加熱する手段が設けられてなることを特徴とする請求
項2〜4のいずれか1項に記載のコンバインドシステ
ム。 - 【請求項6】 前記レキュペレータと前記燃焼を利用す
る産業プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池を
バイパスするラインが設けられてなることを特徴とする
請求項2〜5のいずれか1項に記載のコンバインドシス
テム。 - 【請求項7】 前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュ
ペレータとの間に、前記燃焼を利用する産業プロセスを
バイパスするラインが設けられてなることを特徴とする
請求項2〜6のいずれか1項に記載のコンバインドシス
テム。 - 【請求項8】 前記燃焼を利用する産業プロセスは加熱
炉であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項
に記載のコンバインドシステム。 - 【請求項9】 固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を
利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼
を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃
料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられて
なり、前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池
との間に、前記レキュペレータから排出される前記固体
酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手
段または前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する
手段が設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利
用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおい
て、 前記固体酸化物形燃料電池の必要とする酸化剤温度に応
じて、前記低温のガスを供給する手段または前記加熱す
る手段を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電
池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシス
テムの運転方法。 - 【請求項10】 固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼
を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃
焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形
燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられ
てなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業
プロセスとの間に前記固体酸化物形燃料電池をバイパス
するラインが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電
池と前記レキュペレータとの間に前記燃焼を利用する産
業プロセスをバイパスするラインが設けられてなる固体
酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコ
ンバインドシステムにおいて、 前記固体酸化物形燃料電池および前記燃焼を利用する産
業プロセスの必要とする酸化剤流量に応じて、前記固体
酸化物形燃料電池をバイパスするラインまたは前記燃焼
を利用する産業プロセスをバイパスするラインを制御す
ることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用
する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方
法。
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- 2001-02-22 JP JP2001047285A patent/JP3600798B2/ja not_active Expired - Fee Related
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