JP2003282118A - エネルギー併給システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭化水素系燃料ガスを燃料ガスとして用い、
高燃料消費効率で電力及び熱を発生させることができる
エネルギー併給システムを提供すること。 【解決手段】 改質反応器２８、固体酸化物形燃料電池
２２及び燃焼装置３０を備えたエネルギー併給システ
ム。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をリサイクルして原燃料ガ
スに混合し、改質反応器２８及び固体酸化物形燃料電池
において炭化水素の改質反応を行いつつ、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。ま
た、残りの反応燃料ガスを燃焼装置３０に送給し、この
反応燃料ガスを単独で又は燃料供給源４６からの燃料と
ともにこの燃焼装置３０で燃焼を行って燃焼熱を発生さ
せる。このとき、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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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８
０〜８５％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】

【課題を解決するための手段】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
燃料ガスの一部をリサイクルしたガスと混合し、前記改
質反応器及び前記固体酸化物形燃料電池の双方において
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
熱を用いて炭化水素の改質反応を行いつつ、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、前記リサイクルに用いた残りの反応燃料ガ
スを取り出し、この反応燃料ガスを燃焼装置に送給し、
この反応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
ルギー併給システムである。

【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４
３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は下流側の燃焼装置に送給さ
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の一部がリサイクル
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１２
５％〜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のうち、上記リサイクルに
用いた残りの反応燃料ガスが取り出されて燃焼装置に送
給される。取り出された反応燃料ガスは、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、この反応燃料ガスが燃焼装置に送ら
れ、この反応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、Ｌ
Ｐガス、石油、重油等であり、例えば都市ガス、ＬＰガ
スの場合には反応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、反応燃料
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、反
応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６
５〜８０％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、反応燃料ガスの残り（リサイクルの
ために改質反応器に送給した残りの反応燃料ガス）は、
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。

【００２２】また、本発明では、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、前記改質反応器及び前
記固体酸化物形燃料電池の双方において前記固体酸化物
形燃料電池での燃料電池発電反応に伴う熱を用いて炭化
水素の改質反応を行いつつ、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出
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併給システムである。

【００２３】本発明に従えば、上述したと同様にして、
高燃料消費効率で固体酸化物形燃料電池で電力（電力エ
ネルギー）を、また燃焼装置では熱（熱エネルギー）を
得ることができる。通常の燃料電池システムを用いたコ
ージェネレーションシステムでは、電力と蒸気（又は温
水）としての熱を併給する形態であるが、このエネルギ
ー併給システムでは、燃料ガスとして取り出しているた
めに、加熱炉のような高温用途やガスエンジンのような
内燃機関で利用することができ、この点において、燃料
電池を用いた従来のコージェネレーションシステムと大
きく相違する。また、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の全てがリサイクル
して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、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燃
焼され、このように混合燃料ガスを取り出して燃焼させ
るようにしても、燃焼装置を加熱炉、ボイラー、ガスタ
ービン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。この混合燃料ガスの取出しは、改
質反応器の入口から固体酸化物形燃料電池の出口までの
間において行うことができる。

【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、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。

【００２８】更に、本発明では、前記燃焼装置がエンジ
ンであり、前記エンジンに発電装置が駆動連結されてお
り、前記エンジンにより前記発電装置を運転することに
よって、前記固体酸化物形燃料電池を起動させるための
電力が供給されることを特徴とする。

【００２９】本発明に従えば、燃料装置がエンジンであ
り、このエンジンに発電装置が駆動連結されている。固
体酸化物形燃料電池は、通常、起動に数時間を要し、そ
の間、制御電力、ブロア電力、場合によって起動用ヒー
タ電力を必要とする。エンジンにより発電装置を運転し
て電力を供給することによって、系統電力の供給能力の
乏しい建造物（例えば、工場、商業用ビル、病院、ホテ
ルなど）への固体酸化物形燃料電池の設置が容易とな
る。このエンジンは固体酸化物形燃料電池の定常時にも
運転され、燃料消費効率の高い発電システムとして用い
られ、起動時及び定常時においてエンジンを活用できる
効率的なシステムとして提供することができる。

【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２
２において燃料電池発電反応が行われた反応燃料ガス２
２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４
０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３
０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３
０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２
８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２
２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】

【発明の効果】本発明の請求項１及び請求項２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。

【００６４】更に、本発明の請求項６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の起動時にエ
ンジンによって発電装置が運転され、この発電装置から
の電力を利用することによって、固体酸化物形燃料電池
の設置が容易となる。

【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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｊ 8/12 8/12 Ｆターム(参考） 3K068 AA01 AA11 AA13 AB04 AB12 AB28 AB36 BA03 BB01 EA01 4G140 EA03 EA06 EA07 EB01 EB13 EB14 EB42 EB43 EB44 EB45 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09 BA16 BA19

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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の一部をリサイクルし
   たガスと混合し、前記改質反応器及び前記固体酸化物形
   燃料電池の双方におい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炭化水素の改質反応
   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、 前記リサイクルに用いた残りの反応燃料ガスを取り出
   し、この反応燃料ガスを燃焼装置に送給し、この反応燃
   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
   ルギー併給システム。
2. 【請求項２】 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、前記改質反応器及び前記固体酸化物形燃料電
   池の双方におい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炭化水素の改質反応を行い
   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
   出口までの間にて、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
   ルギー併給システム。
3. 【請求項３】 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
   特徴とする請求項１又は２記載のエネルギー併給システ
   ム。
4. 【請求項４】 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請求項１〜３のいずれかに記載
   のエネルギー併給システム。
5. 【請求項５】 前記燃焼装置が、加熱炉、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請求
   項１〜４のいずれかに記載のエネルギー併給システム。
6. 【請求項６】 前記燃焼装置がエンジンであり、前記エ
   ンジンに発電装置が駆動連結されており、前記エンジン
   により前記発電装置を運転することによって、前記固体
   酸化物形燃料電池を起動させるための電力が供給される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエネ
   ルギー併給システム。