JP2004103282A

JP2004103282A - Solid oxide fuel cell power generation system

Info

Publication number: JP2004103282A
Application number: JP2002259936A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Otani; 大谷　雄一; Masaharu Watabe; 渡部　正治; Hitoshi Miyamoto; 宮本　均; Hiroshi Kishizawa; 岸沢　浩
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2004-04-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell power generation system, capable of enhancing system efficiency and reliability of various equipment. <P>SOLUTION: This solid oxide fuel cell power generation system comprises a recirculation fan 17, by which the part of waste fuel exhausted by power-generating operations of a SOFC 10 is recirculated in the SOFC 10 as recirculation fuel, and a regenerative heat exchanger 15 for exchanging heat so as to decrease the temperature of the recirculation fuel, before passing the recirculation fan 17 and to raise the temperature of the recirculation fuel, after passing the recirculation fan 17. The regenerative heat exchanger 15 is composed of a high-temperature regenerative heat exchanger 15A for exchanging heat at a high-temperature region, and a low-temperature regenerative heat exchanger 15B for exchanging heat at a low-temperature region. In addition, the system comprises a condenser 16 for reducing the temperature of the recirculation fuel, before passing the recirculation fan 17 and removing the extra water. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池を用いた発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ）は、例えば脱硫装置で脱硫された天然ガスを燃料とし、空気を酸化剤として、１０００゜Ｃ程度の高温下での反応により発電を行うものである。
このようなＳＯＦＣを用いたコジェネレーションシステムの具体的な構成が開示されている例は少ないが、一般的な特徴としては、図９に示すように、ＳＯＦＣからの排ガス（ＳＯＦＣから排出される排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器から排出される排ガス）を用いてこのＳＯＦＣに供給される空気を予熱している点や、ＳＯＦＣからの排ガスを用いて温水あるいは蒸気を製造している点などが挙げられる（例えば、特許文献１，特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１６２１３５号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３３１２９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＯＦＣからの排ガスを排熱回収ボイラに一度通すだけでは十分な熱回収を行うことができず、そのシステム効率は満足できるものではなかった。さらに、このようなコジェネレーションシステムに用いられる各種機器の信頼性を十分に確保できるものでもなかった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、
▲１▼システム効率の向上
▲２▼各種機器の信頼性の向上
を図ることができる固体電解質型燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、まず、固体電解質型燃料電池を用いた発電システムにおいて、前記固体電解質型燃料電池の発電動作によって排出される排燃料の一部を、再循環燃料として前記固体電解質型燃料電池に再循環させる再循環ファンと、前記再循環ファンを通過する前の前記再循環燃料を降温するとともに前記再循環ファンを通過した後の前記再循環燃料を昇温するように熱交換を行う再生熱交換器とを備えていることを必須としている。
このような本発明によれば、固体電解質型燃料電池から排出された排燃料の一部を再循環燃料として、再循環ファンにより固体電解質型燃料電池に再循環させることから、この再循環燃料に含まれる未燃成分を有効利用できるとともに、固体電解質型燃料電池に供給される燃料及び空気における燃料の流量を嵩上げして流量バランスをとることができるので、システム効率の向上を図ることが可能となる。
また、このような固体電解質型燃料電池から排出される排燃料は１０００゜Ｃ程度と、通常のファンの作動温度範囲よりもかなり高い温度となっているため、再循環燃料を、そのまま再循環ファンに導入することができない。これに対して、本発明では、再生熱交換器を用いて、再循環ファンを通過する前の再循環燃料を、通常のファンの作動温度範囲まで降温させることにより、上記の熱の問題を解決することができている。
【０００７】
ここで、上記の再生熱交換器としては、寸法低減のためにプレートフィンを有する熱交換器を用いることが多いが、このようなプレートフィンは薄肉であるため、固体電解質型燃料電池から排出される高温（１０００゜Ｃ程度）の排燃料の一部をそのまま再生熱交換器に通過させるようにしていると、ＳＵＳ等の汎用メタル材料からなるフィンでは減肉が激しく、この再生熱交換器の熱劣化が生じやすくなるおそれがある。
そこで、本発明における固体電解質型燃料電池発電システムは、以下に示すような構成を採用することとする。
【０００８】
・前記再生熱交換器は、高温領域の熱交換を行う高温再生熱交換器と、低温領域の熱交換を行う低温再生熱交換器とから構成されている。
このような構成とすると、高温領域の熱交換を行う高温再生熱交換器には、高温にも耐え得る高温材料を用いることによって熱劣化のおそれをなくしつつも、低温領域の熱交換を行う低温再生熱交換器には、汎用メタル材料を用いることによって、高価な高温材料を必要な温度範囲のみに適用して、コスト負担を増大させることがない。
【０００９】
・前記再生熱交換器で降温する前の前記再循環燃料を予め降温するように熱交換を行う蒸発器あるいは温水加熱器を備えている。
このような構成とすると、蒸発器あるいは温水加熱器によって、再生熱交換器で降温する前の再循環燃料を予め降温することができるから、汎用メタル材料からなる再生熱交換器を用いても熱劣化のおそれをなくすことができる。
【００１０】
・前記再生熱交換器で昇温する前の前記再循環燃料の一部を、前記再生熱交換器で降温する前の前記再循環燃料に混合するバイパスラインを備えている。
このような構成とすると、再生熱交換器で昇温する前の再循環燃料の一部によって、再生熱交換器で降温する前の再循環燃料を予め降温することができるから、汎用メタル材料からなる再生熱交換器を用いても熱劣化のおそれをなくすことができる。
このとき、固体電解質型燃料電池に供給される燃料の温度を十分に昇温することができないような場合、本発明の固体電解質型燃料電池発電システムは、前記再生熱交換器で昇温した後の前記再循環燃料をさらに昇温するとともに前記固体電解質型燃料電池から排出される排燃料を降温するように熱交換を行う熱交換器を備えているようにすればよい。
【００１１】
なお、固体電解質型燃料電池から排出される排燃料には、多くの水分が含まれていることから、本発明の固体電解質型燃料電池発電システムは、前記再循環ファンを通過する前の前記再循環燃料を降温するとともに余分な水分除去を行う凝縮器を備えていることが好ましい。
【００１２】
また、本発明は、固体電解質型燃料電池を用いた発電システムにおいて、前記固体電解質型燃料電池の発電動作によって排出される排燃料の一部を、再循環燃料として前記固体電解質型燃料電池に再循環させるセラミックからなる高温再循環ファンを備えていることを特徴とするものである。
このような本発明によれば、固体電解質型燃料電池から排出された排燃料の一部を再循環燃料として、再循環ファンにより固体電解質型燃料電池に再循環させることから、この再循環燃料の一部に含まれる未燃成分を有効利用できるとともに、固体電解質型燃料電池に供給される燃料及び空気における燃料の流量を嵩上げして流量バランスをとることができるので、システム効率の向上を図ることが可能となる。
また、このような固体電解質型燃料電池から排出される排燃料は１０００゜Ｃ程度と、通常のファンの作動温度範囲よりもかなり高い温度となっているため、再循環燃料を、そのまま再循環ファンに通過させることができない。これに対して、本発明では、高温にも耐え得るセラミックからなる高温再循環ファンを用いたことにより、上記の熱の問題を解決することができている。
なお、再循環ファンを通過する前の再循環燃料の温度が高すぎる場合、本発明の固体電解質型燃料電池発電システムは、前記高温再循環ファンを通過する前の前記再循環燃料を降温するとともに余分な水分除去を行う凝縮器を備えていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、固体電解質型燃料電池を用いた発電システムにおいて、前記固体電解質型燃料電池の発電動作によって排出される排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される排ガスを降温するように熱交換を行う蒸発器あるいは温水加熱器と、前記蒸発器あるいは温水加熱器で降温した後の前記排ガスの一部を前記燃焼器に投入する投入ラインを備えていることを特徴とするものである。
このような本発明によれば、蒸発器あるいは温水加熱器で降温された後の排ガスを燃焼器に投入することにより、この燃焼器から排出される排ガスの温度を低くすることができるので、燃焼器のすぐ下流側に設置される空気予熱器等の信頼性を向上することができる。
【００１４】
また、本発明は、固体電解質型燃料電池を用いた発電システムにおいて、前記固体電解質型燃料電池の発電動作によって排出される排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される排ガスを降温するとともに前記固体電解質型燃料電池に供給する空気を昇温するように熱交換を行う空気予熱器と、前記空気予熱器で昇温する前の前記空気の一部を前記燃焼器に投入する投入ラインを備えていることを特徴とするものである。
このような本発明によれば、空気予熱器で昇温する前の常温の空気を燃焼器に投入することにより、この燃焼器から排出される排ガスの温度を低くすることができるので、燃焼器のすぐ下流側に設置される空気予熱器の信頼性を向上することができる。
【００１５】
また、本発明は、固体電解質型燃料電池を用いた発電システムにおいて、前記固体電解質型燃料電池の発電動作によって排出される排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される排ガスを降温するとともに前記固体電解質型燃料電池に供給する空気を昇温するように熱交換を行う空気予熱器と、前記空気予熱器で降温する前の前記排ガスを予め降温するように熱交換を行う蒸発器あるいは温水加熱器とを備えていることを特徴とするものである。
このような本発明によれば、燃焼器から排出される排ガスを蒸発器あるいは温水加熱器で降温してから空気予熱器に投入することにより、燃焼器のすぐ下流側に設置される空気予熱器の信頼性を向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムを添付した図面を参照しながら説明する。
【００１７】
〔第１実施形態〕
第１実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を図１に示す。ＳＯＦＣ（固体電解質型燃料電池発電システム）１０の下流側には、燃焼器１１、空気予熱器１２、蒸発器あるいは温水加熱器１３が順次接続されており、ＳＯＦＣ１０では、供給される燃料及び空気によって、１０００゜Ｃ程度の高温下で反応が進んで発電が行われ、１０００゜Ｃ程度の排燃料及び排空気が排出される。
【００１８】
ＳＯＦＣ１０の発電動作によって排出される１０００゜Ｃ程度の排燃料及び排空気は、燃焼器１１に送られて、ここで混合されて燃焼させられることになる。燃焼器１１からは１２００゜Ｃ程度の排ガスが排出され、この排ガスは、空気予熱器１２、蒸発器あるいは温水加熱器１３でそれぞれ熱交換することによって降温される。
【００１９】
空気予熱器１２には、押込送風機１４が接続されており、この押込送風機１４によって外部から送り込まれる常温の空気が、空気予熱器１２において燃焼器１１から排出される高温の排ガスと熱交換することにより昇温されて予熱された後、ＳＯＦＣ１０に供給される。
蒸発器あるいは空気予熱器１３には、水あるいは温水が供給されており、この水あるいは温水が、空気予熱器１２から排出される高温の排ガスと熱交換することにより昇温され、水蒸気あるいは温水が製造される。
【００２０】
そして、この固体電解質型燃料電池発電システムには、ＳＯＦＣ１０から排出される１０００゜Ｃ程度の排燃料の一部を、再循環燃料としてＳＯＦＣ１０に再循環して供給するための再循環ラインが設けられている。
再循環ラインは、排燃料の一部を再循環燃料として吸い上げてＳＯＦＣ１０に供給するための再循環ファン１７と、この再循環ラインを通過する再循環燃料の降温及び昇温を行う再生熱交換器１５と、この再循環ラインを通過する再循環燃料の降温及び余分な水分除去を行う凝縮器１６と、新たな燃料が投入される燃料投入口とを有している。
【００２１】
また、再生熱交換器１５は、高温条件にも優れた耐久性を示す例えば高ニッケル高クロム合金鋼などの高温材料からなる高温再生熱交換器１５Ａと、例えばＳＵＳなどの汎用メタル材料からなる低温再生熱交換器１５Ｂとから構成されている。
再循環ファン１７によって吸い上げられる１０００゜Ｃ程度の排燃料の一部（再循環燃料）は、まず、高温再生熱交換器１５Ａによって例えば６００゜Ｃ程度にまで降温され、さらに、低温再生熱交換器１５Ｂによって１００゜Ｃ程度にまで降温された後、凝縮器１６によって４０゜Ｃ程度まで降温されるとともに余分な水分が除去される。
【００２２】
凝縮器１６を通過した再循環燃料には、燃料投入口から新たな燃料が供給されて混合され、この再循環燃料と新たに投入された燃料との混合燃料が、再循環ファン１７を通過してから、低温再生熱交換器１５Ｂによって昇温され、さらに、高温再生熱交換器１５Ａによって昇温された後、ＳＯＦＣ１０に供給される。
【００２３】
つまり、高温再生熱交換器１５Ａは、ＳＯＦＣ１０から排出される再循環燃料（排燃料の一部）を低温再生熱交換器１５Ｂによって降温する前に予め降温するとともに、ＳＯＦＣ１０に供給される再循環燃料及び新たに投入された燃料の混合燃料を低温再生熱交換器１５Ｂによって昇温した後にさらに昇温するように熱交換を行っているのである。
また、低温再生熱交換器１５Ｂは、ＳＯＦＣ１０から排出される再循環燃料（排燃料の一部）を高温再生熱交換器１５Ａによって降温した後にさらに降温するとともに、ＳＯＦＣ１０に供給される再循環燃料及び新たに投入された燃料の混合燃料を高温再生熱交換器１５Ｂによって昇温する前に予め昇温するように熱交換を行っているのである。
【００２４】
このような本第１実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムによれば、ＳＯＦＣ１０から排出される排燃料の一部（再循環燃料）を、新たに供給される燃料と混合してＳＯＦＣ１０に供給していることから、この再循環燃料に含まれる未燃成分の有効利用を図ることができ、かつ、ＳＯＦＣ１０に供給される燃料及び空気のうちの燃料の流量を嵩上げできて、それらの流量バランスをとることができるので、システム効率の向上を図ることが可能となる。
【００２５】
また、再循環ファン１７によって吸い上げられる１０００゜Ｃ程度の再循環燃料は、再循環ファン１７を通過する前に、再生熱交換器１５によって１００゜Ｃ程度まで降温されることから、再生熱交換器１５で降温された後の再循環燃料の温度が通常のファン作動温度範囲となり、上記のように、高温（１０００゜Ｃ程度）の排燃料の一部を吸い上げるために再循環ファン１７を用いたとしても何ら不具合が生じることがない。
【００２６】
さらに、薄肉のプレートフィンを有する再生熱交換器１５（高温再生熱交換器１５Ａ及び低温再生熱交換器１５Ｂ）を用いたとしても、高温領域の熱交換を行う高温再生熱交換器１５Ａには、高温状態にも耐え得る高温材料を用いることで、その熱劣化のおそれを生じさせることがなく、かつ、低温領域の熱交換を行う低温再生熱交換器１５Ｂには、汎用メタル材料を用いることで、高価な高温材料を必要な温度範囲（高温領域）のみに適用してコスト面での不具合が生じることがないという効果を得ることができる。
【００２７】
そして、再循環ファン１７によって吸い上げられる再循環燃料には、水分が多く含まれているが、この再循環燃料に含まれる余分な水分が、凝縮器１６によって除去されるので、ＳＯＦＣ１０の発電性能の向上を図ることができ、システム効率の向上につながる。
【００２８】
〔第２実施形態〕（上述した実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する）
第２実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を図２に示す。本第２実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムは、第１実施形態と同様の構成をなしているものであって（再生熱交換器１５は、高温再生熱交換器１５Ａと低温再生熱交換器１５Ｂとに分かれていない）、再循環ファン１７によって吸い上げられる１０００゜Ｃ程度の排燃料の一部（再循環燃料）を、再生熱交換器１５で降温する前に、予め降温するように熱交換を行う第２の蒸発器あるいは温水加熱器１８を備えているものである。
【００２９】
また、第２の蒸発器あるいは温水加熱器１８は、空気予熱器１２のすぐ下流側に設けられた蒸発器あるいは温水加熱器１３と接続されている。
第２の蒸発器あるいは温水加熱器１８には、蒸発器あるいは温水加熱器１３で製造された水蒸気あるいは温水が供給されており、この水蒸気あるいは温水が、ＳＯＦＣ１０から排出される高温の排燃料の一部（再循環燃料）と熱交換することにより、さらに昇温され、水蒸気あるいは温水が製造される。なお、第２の蒸発器あるいは温水加熱器１８は、節炭器として用いることもできる。
【００３０】
このような本第２実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムによれば、上述した第１実施形態と同様の構成を採用した部分については同様の効果を得ることができるのに加えて、汎用メタル材料から構成された薄肉のプレートフィンを有する再生熱交換器１５を用いたとしても、再循環燃料を、この再生熱交換器１５で降温する前に、第２の蒸発器あるいは温水加熱器１８で予め降温するようにしていることから、熱劣化のおそれを生じさせることがないという効果を得ることができる。
ここで、このような第２の蒸発器あるいは温水加熱器１８は、管内熱伝達率支配となるために、メタル温度を低い温度で保つことができ、熱劣化のおそれがないので、安価な汎用材料を用いることができて、コスト面での負担が増大することがない。
【００３１】
〔第３実施形態〕（上述した実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する）
第３実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を図３に示す。本第３実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムは、第１実施形態と同様の構成をなしているものであって（再生熱交換器１５は、高温再生熱交換器１５Ａと低温再生熱交換器１５Ｂとに分かれていない）、再循環ファン１７を通過した再循環燃料及び新たに供給された燃料の混合燃料の一部を、再生熱交換器１５で昇温する前に、ＳＯＦＣ１０から排出されて再生熱交換器１５で降温する前の１０００゜Ｃ程度の高温の再循環燃料に混合するようなバイパスラインを備えているものである。
【００３２】
このような本第３実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムによれば、上述した第１実施形態と同様の構成を採用した部分については同様の効果を得ることができるのに加えて、汎用メタル材料から構成された薄肉のプレートフィンを有する再生熱交換器１５を用いたとしても、再循環燃料を、この再生熱交換器１５で降温する前に、再循環ファン１７を通過して再生熱交換器１５で昇温する前の低温の再循環燃料及び新たに供給された燃料の混合燃料の一部を混合して予め降温するようにしていることから、熱劣化のおそれを生じさせることがないという効果を得ることができる。
【００３３】
〔第４実施形態〕（上述した実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する）
第４実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を図４に示す。本第４実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムは、第３実施形態と同様の構成をなしているものであって、再循環ファン１７を通過した再循環燃料及び新たに供給された燃料の混合燃料の一部を、再生熱交換器１５で昇温した後に、さらに昇温するとともにＳＯＦＣ１０から排出される排燃料を降温するように熱交換を行う熱交換器１９を備えているものである。
また、押込送風機１４によって外部から送り込まれ、空気予熱器１２で昇温されて予熱された後の空気を、さらに昇温するとともにＳＯＦＣ１０から排出される排空気を降温するように熱交換を行う第２の空気予熱器２０を備えている。
【００３４】
このような本第４実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムによれば、例えば、上述した第３実施形態のようなバイパスラインを用いたために、ＳＯＦＣ１０に供給される再循環燃料及び新たに供給される燃料の混合燃料を十分に昇温することができないおそれがある場合でも、この混合燃料を、ＳＯＦＣ１０から排出される高温の排燃料と熱交換して十分に昇温することができるので、ＳＯＦＣ１０の発電性能の向上を図ることができ、システム効率の向上につながる。
なお、熱交換器１９及び第２の空気予熱器２０は、ＳＯＦＣ１０から排出される１０００゜Ｃ程度の高温である排燃料と排空気とが直接投入されることになるため、薄肉のプレートフィンを有する熱交換器ではなく、二重管熱交換器などのメタル肉厚を厚くとることができる耐久性の高い熱交換器とされている。
【００３５】
〔第５実施形態〕（上述した実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する）
第５実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を図５に示す。本第５実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムは、ＳＯＦＣ１０から排出される１０００゜Ｃ程度の排燃料の一部を、再循環燃料としてＳＯＦＣ１０に再循環して供給するための再循環ラインが設けられたものである。
再循環ラインは、排燃料の一部を再循環燃料として吸い上げてＳＯＦＣ１０に供給するためのセラミックからなる高温再循環ファン２１と、この再循環ラインと並列に接続されて再循環ラインを通過する再循環燃料の一部に対して降温及び余分な水分除去を行う凝縮器２２と、新たな燃料が投入される燃料投入口とを有している。
【００３６】
高温再循環ファン２１によって吸い上げられる１０００゜Ｃ程度の排燃料の一部（再循環燃料）は、この再循環燃料の一部が凝縮器２２に通過させられて降温されるとともに余分な水分が除去されることにより、温度調整が行われる。
その一部が凝縮器２２を通過して温度調整された再循環燃料には、燃料投入口から新たな燃料が供給されて混合され、この再循環燃料と新たに投入された燃料との混合燃料が、高温のまま、高温再循環ファン２１を通過してから、ＳＯＦＣ１０に供給される。
【００３７】
このような本５実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムによれば、ＳＯＦＣ１０から排出される排燃料の一部（再循環燃料）を、新たに供給される燃料と混合してＳＯＦＣ１０に供給していることから、この再循環燃料に含まれる未燃成分の有効利用を図ることができ、かつ、ＳＯＦＣ１０に供給される燃料及び空気のうちの燃料の流量を嵩上げできて、それらの流量バランスをとることができるので、システム効率の向上を図ることが可能となる。
【００３８】
また、高温再循環ファン２１によって吸い上げられる１０００゜Ｃ程度の再循環燃料は、多少温度調整されるものの依然として高温のまま、高温再循環ファン２１を通過することになるのであるが、この高温再循環ファン２１は、セラミックから構成されて高温でも作動可能であるので、再生熱交換器のような機器が不要となり、ひいては、システム効率を向上させることが可能となる。
【００３９】
〔第６実施形態〕（上述した実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する）
第６実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を図６に示す。本第６実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムは、第１実施形態と同様の構成をなしているものであって（再生熱交換器１５は、高温再生熱交換器１５Ａと低温再生熱交換器１５Ｂとに分かれていない）、燃焼器１１から排出された１２００゜Ｃ程度の排ガスが、空気予熱器１２、蒸発器あるいは温水加熱器１３でそれぞれ熱交換することによって、例えば１１０゜Ｃ程度まで降温された後、この降温された排ガスを、第２の再循環ファン２３を用いて燃焼器１１に投入するための投入ラインを備えているものである。
【００４０】
このような本第６実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムによれば、燃焼器１１から排出された高温の排ガスを、空気予熱器１２、蒸発器あるいは温水加熱器１３で降温した後、第２の再循環ファン２３を用いて、燃焼器１１に投入するようにしていることから、この燃焼器１１から排出される排ガスの温度を低くすることができ、燃焼器１１のすぐ下流側に設置される空気予熱器１２の熱劣化を抑制して信頼性を向上することができる。
【００４１】
〔第７実施形態〕（上述した実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する）
第７実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を図７に示す。本第７実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムは、第１実施形態と同様の構成をなしているものであって（再生熱交換器１５は、高温再生熱交換器１５Ａと低温再生熱交換器１５Ｂとに分かれていない）、空気予熱器１２に接続された押込送風機１４によって外部から送り込まれる常温の空気の一部を、空気予熱器１２で昇温して予熱する前に、燃焼器冷却系空気として燃焼器１１に投入するための投入ラインを備えているものである。
【００４２】
このような本第７実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムによれば、押込送風機１４によって外部から送り込まれる常温の空気の一部を、空気予熱器１２で昇温して予熱する前に、押込送風機１４を用いて、燃焼器１１に投入するようにしていることから、この燃焼器１１から排出される排ガスの温度を低くすることができ、燃焼器１１のすぐ下流側に設置される空気予熱器１２の熱劣化を抑制して信頼性を向上することができる。
【００４３】
〔第８実施形態〕（上述した実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する）
第８実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を図８に示す。本第８実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムは、第１実施形態と同様の構成をなしているものであって（再生熱交換器１５は、高温再生熱交換器１５Ａと低温再生熱交換器１５Ｂとに分かれていない）、燃焼器１１から排出される１２００゜Ｃ程度の排ガスを、空気予熱器１２で降温する前に、予め降温するように熱交換を行う第３の蒸発器あるいは温水加熱器２４を備えているものである。
【００４４】
また、第３の蒸発器あるいは温水加熱器２４は、空気予熱器１２の下流側に設けられた蒸発器あるいは温水加熱器１３と接続されている。
第３の蒸発器あるいは温水加熱器２４には、蒸発器あるいは温水加熱器１３によって製造された水蒸気あるいは温水が供給されており、この水蒸気あるいは温水が、燃焼器１１から排出される高温の排ガスと熱交換することにより、さらに昇温され、水蒸気あるいは温水が製造される。なお、第３の蒸発器あるいは温水加熱器２４は、節炭器として用いることもできる。
【００４５】
このような本第８実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムによれば、燃焼器１１から排出された高温の排ガスを、空気予熱器１２で降温する前に、第３の蒸発器あるいは温水加熱器２４で予め降温するようにしていることから、空気予熱器１２に投入される排ガスの温度を低くすることができ、この空気予熱器１２の熱劣化を抑制して信頼性を向上することができる。
ここで、このような第３の蒸発器あるいは温水加熱器２４は、管内熱伝達率支配となるために、メタル温度を低い温度で保つことができ、熱劣化のおそれがないので、安価な汎用材料を用いることができて、コスト面での負担が増大することがない。
さらに、第３の蒸発器あるいは温水加熱器２４に供給される水蒸気あるいは温水は、蒸発器あるいは温水加熱器１３で予め昇温されていることから、燃焼器１１から排出される排ガスの温度が下がりすぎてしまうことがない。
【００４６】
なお、上述した各実施形態で説明したような構成を適宜複数組み合わせることによって、固体電解質型燃料電池発電システムを構成するようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体電解質型燃料電池発電システムの効率の向上を図ることができる。また、本発明によれば、固体電解質型燃料電池発電システムに用いられている各種機器の信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第４実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第５実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第６実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第７実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第８実施形態による固体電解質型燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図９】固体電解質型燃料電池を用いたコジェネレーションシステムの従来の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０　ＳＯＦＣ（固体電解質型燃料電池）
１１　燃焼器
１２　空気予熱器
１３　蒸発器あるいは温水加熱器
１４　押込送風機
１５　再生熱交換器
１５Ａ　高温再生熱交換器
１５Ｂ　低温再生熱交換器
１６　凝縮器
１７　再循環ファン
１８　第２の蒸発器あるいは温水加熱器
１９　熱交換器
２０　第２の空気予熱器
２１　高温再循環ファン
２２　凝縮器
２３　第２の再循環ファン
２４　第３の蒸発器あるいは温水加熱器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation system using a solid oxide fuel cell.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Solid oxide fuel cells (SOFC) use natural gas desulfurized by a desulfurization device as a fuel, and generate power by a reaction at a high temperature of about 1000 ° C. using air as an oxidant. is there.
Although there are few examples in which a specific configuration of such a cogeneration system using the SOFC is disclosed, as a general feature, as shown in FIG. 9, exhaust gas from the SOFC (emission from the SOFC) is used. (E.g., exhaust gas discharged from a combustor that mixes and burns fuel and exhaust air) to preheat air supplied to the SOFC, and to produce hot water or steam using exhaust gas from the SOFC. (For example, Patent Documents 1 and 2).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-8-162135
[Patent Document 2]
JP-A-11-233129
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, sufficient heat recovery could not be performed only by passing exhaust gas from the SOFC through the exhaust heat recovery boiler once, and the system efficiency was not satisfactory. Furthermore, the reliability of various devices used in such a cogeneration system cannot be sufficiently ensured.
[0005]
The present invention has been made in view of the above problems,
(1) Improving system efficiency
(2) Improving the reliability of various devices
It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell power generation system capable of achieving the following.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems and achieve such an object, the present invention first provides a power generation system using a solid oxide fuel cell, which includes a discharge generated by the power generation operation of the solid oxide fuel cell. A recirculation fan for recirculating a part of the fuel as the recirculated fuel to the solid oxide fuel cell, after cooling the recirculated fuel before passing through the recirculation fan and after passing through the recirculation fan And a regenerative heat exchanger for performing heat exchange so as to raise the temperature of the recirculated fuel.
According to the present invention, a part of the exhaust fuel discharged from the solid oxide fuel cell is recirculated to the solid oxide fuel cell by the recirculation fan as the recirculated fuel. The unburned components contained can be effectively used, and the flow rates of the fuel and the air supplied to the solid oxide fuel cell can be raised to balance the flow rates, so that the system efficiency can be improved. Become.
Further, the exhaust fuel discharged from such a solid oxide fuel cell has a temperature of about 1000 ° C., which is considerably higher than the operating temperature range of a normal fan. Can not be introduced. On the other hand, in the present invention, the above-mentioned heat problem is solved by lowering the temperature of the recirculated fuel before passing through the recirculating fan to the normal operating temperature range of the fan using the regenerative heat exchanger. Can be.
[0007]
Here, as the above-mentioned regenerative heat exchanger, a heat exchanger having plate fins is often used in order to reduce dimensions, but since such plate fins are thin, they are discharged from a solid oxide fuel cell. If a part of the high temperature (about 1000 ° C.) exhaust fuel is allowed to pass through the regenerative heat exchanger as it is, the fins made of general-purpose metal materials such as SUS will lose much of the wall thickness. There is a possibility that thermal deterioration is likely to occur.
Therefore, the solid oxide fuel cell power generation system according to the present invention employs the following configuration.
[0008]
The regenerative heat exchanger includes a high-temperature regenerative heat exchanger that performs heat exchange in a high-temperature region and a low-temperature regenerative heat exchanger that performs heat exchange in a low-temperature region.
With such a configuration, a high-temperature regenerative heat exchanger that performs heat exchange in a high-temperature region uses a high-temperature material that can withstand high temperatures, thereby eliminating the risk of thermal degradation, and also using a low-temperature material that performs heat exchange in a low-temperature region. By using a general-purpose metal material for the regenerative heat exchanger, an expensive high-temperature material is applied only in a necessary temperature range, and the cost burden does not increase.
[0009]
An evaporator or a hot water heater for performing heat exchange so as to lower the temperature of the recirculated fuel before it is cooled by the regenerative heat exchanger.
With such a configuration, the temperature of the recirculated fuel before being cooled by the regenerative heat exchanger can be previously lowered by the evaporator or the hot water heater. The possibility of deterioration can be eliminated.
[0010]
A bypass line is provided for mixing a part of the recirculated fuel before being heated in the regenerative heat exchanger with the recirculated fuel before being cooled in the regenerative heat exchanger.
With such a configuration, the temperature of the recirculated fuel before the temperature is reduced in the regenerative heat exchanger can be previously reduced by a part of the recirculated fuel before the temperature is increased in the regenerative heat exchanger. Even if a regenerative heat exchanger is used, the risk of thermal degradation can be eliminated.
At this time, if the temperature of the fuel supplied to the solid oxide fuel cell cannot be sufficiently increased, the solid oxide fuel cell power generation system according to the present invention uses the regenerated heat exchanger after heating. A heat exchanger for performing heat exchange so as to further raise the temperature of the recirculated fuel and to lower the temperature of the exhaust fuel discharged from the solid oxide fuel cell may be provided.
[0011]
In addition, since the exhaust fuel discharged from the solid oxide fuel cell contains a large amount of water, the solid oxide fuel cell power generation system of the present invention requires the regenerated fuel before passing through the recirculation fan. It is preferable to provide a condenser for lowering the temperature of the circulating fuel and removing excess water.
[0012]
Further, the present invention provides a power generation system using a solid oxide fuel cell, wherein a part of the exhaust fuel discharged by the power generation operation of the solid oxide fuel cell is recycled to the solid oxide fuel cell as recirculated fuel. A high-temperature recirculation fan made of ceramic to be circulated is provided.
According to the present invention, a part of the exhaust fuel discharged from the solid oxide fuel cell is recirculated to the solid oxide fuel cell by the recirculation fan as the recirculated fuel. The system efficiency can be improved because the unburned components contained can be effectively used, and the flow rates of the fuel and the air supplied to the solid oxide fuel cell can be raised to balance the flow rate. Becomes possible.
Further, the exhaust fuel discharged from such a solid oxide fuel cell has a temperature of about 1000 ° C., which is considerably higher than the operating temperature range of a normal fan. Can not be passed through. On the other hand, in the present invention, the above-mentioned heat problem can be solved by using a high-temperature recirculation fan made of ceramics that can withstand high temperatures.
If the temperature of the recirculated fuel before passing through the recirculation fan is too high, the solid oxide fuel cell power generation system of the present invention lowers the temperature of the recirculated fuel before passing through the high-temperature recirculation fan. It is preferable to provide a condenser for removing excess water.
[0013]
Further, the present invention provides a power generation system using a solid oxide fuel cell, a combustor for mixing and burning exhaust fuel and exhaust air discharged by a power generation operation of the solid oxide fuel cell, and the combustor. An evaporator or a hot water heater that performs heat exchange so as to lower the temperature of the exhaust gas discharged from, and an input line that inputs a part of the exhaust gas after the temperature is reduced by the evaporator or the hot water heater into the combustor. It is characterized by having.
According to the present invention, the temperature of the exhaust gas discharged from the combustor can be reduced by charging the exhaust gas after the temperature is reduced by the evaporator or the hot water heater into the combustor. The reliability of the air preheater installed immediately downstream of the vessel can be improved.
[0014]
Further, the present invention provides a power generation system using a solid oxide fuel cell, a combustor for mixing and burning exhaust fuel and exhaust air discharged by a power generation operation of the solid oxide fuel cell, and the combustor. An air preheater that performs heat exchange so as to lower the temperature of exhaust gas discharged from and heat the air supplied to the solid oxide fuel cell, and a part of the air before the temperature is increased by the air preheater. It is characterized by having a charging line for charging the combustor.
According to the present invention, the temperature of the exhaust gas discharged from the combustor can be reduced by introducing normal-temperature air into the combustor before the temperature is increased by the air preheater. The reliability of the air preheater installed immediately downstream of the air heater can be improved.
[0015]
Further, the present invention provides a power generation system using a solid oxide fuel cell, a combustor for mixing and burning exhaust fuel and exhaust air discharged by a power generation operation of the solid oxide fuel cell, and the combustor. An air preheater that performs heat exchange so as to raise the temperature of the air supplied to the solid oxide fuel cell while lowering the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell, and that the exhaust gas before being cooled by the air preheater is previously cooled. And an evaporator or a hot water heater for performing heat exchange.
According to the present invention, the temperature of the exhaust gas discharged from the combustor is reduced by the evaporator or the hot water heater and then the air is supplied to the air preheater, whereby the air preheater installed immediately downstream of the combustor is provided. Reliability can be improved.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a solid oxide fuel cell power generation system according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0017]
[First Embodiment]
FIG. 1 shows the configuration of the solid oxide fuel cell power generation system according to the first embodiment. A combustor 11, an air preheater 12, an evaporator or a hot water heater 13 are sequentially connected to the downstream side of the SOFC (Solid Oxide Fuel Cell Power Generation System) 10. In the SOFC 10, the supplied fuel and air The reaction proceeds at a high temperature of about 1000 ° C. to generate power, and exhaust fuel and exhaust air of about 1000 ° C. are discharged.
[0018]
Exhaust fuel and exhaust air at about 1000 ° C. discharged by the power generation operation of the SOFC 10 are sent to the combustor 11, where they are mixed and burned. Exhaust gas of about 1200 ° C. is discharged from the combustor 11, and the temperature of the exhaust gas is lowered by exchanging heat with an air preheater 12, an evaporator or a hot water heater 13.
[0019]
A forced blower 14 is connected to the air preheater 12, and normal-temperature air sent from the outside by the forced blower 14 exchanges heat with high-temperature exhaust gas discharged from the combustor 11 in the air preheater 12. After the temperature is raised and preheated, the SOFC 10 is supplied to the SOFC 10.
Water or hot water is supplied to the evaporator or the air preheater 13, and the water or the hot water is heated by exchanging heat with high-temperature exhaust gas discharged from the air preheater 12, so that steam or hot water is generated. Manufactured.
[0020]
The solid oxide fuel cell power generation system is provided with a recirculation line for recirculating and supplying a part of the exhaust fuel of about 1000 ° C. discharged from the SOFC 10 to the SOFC 10 as recirculated fuel. ing.
The recirculation line includes a recirculation fan 17 for sucking a part of the exhaust fuel as the recirculated fuel and supplying the recirculated fuel to the SOFC 10, and a regenerative heat exchanger for lowering and raising the temperature of the recirculated fuel passing through the recirculation line. 15, a condenser 16 for lowering the temperature of the recirculated fuel passing through the recirculation line and removing excess water, and a fuel inlet for introducing new fuel.
[0021]
In addition, the regenerative heat exchanger 15 has a high-temperature regenerative heat exchanger 15A made of a high-temperature material such as a high-nickel high-chromium alloy steel exhibiting excellent durability even under high-temperature conditions, and a low-temperature regenerative heat exchanger 15 made of a general-purpose metal material such as SUS. And a regenerative heat exchanger 15B.
A part (recirculated fuel) of the exhaust fuel of about 1000 ° C. sucked up by the recirculation fan 17 is first cooled to, for example, about 600 ° C. by the high-temperature regenerative heat exchanger 15A, and further cooled to a low-temperature regenerative heat exchanger. After the temperature is lowered to about 100 ° C. by 15B, the temperature is lowered to about 40 ° C. by the condenser 16 and excess water is removed.
[0022]
New fuel is supplied to the recirculated fuel that has passed through the condenser 16 and mixed from the fuel inlet, and the mixed fuel of the recirculated fuel and the newly input fuel passes through the recirculation fan 17. Thereafter, the temperature is increased by the low-temperature regenerative heat exchanger 15B, and further increased by the high-temperature regenerative heat exchanger 15A, and then supplied to the SOFC 10.
[0023]
That is, the high-temperature regenerative heat exchanger 15A lowers the temperature of the recirculated fuel (a part of the exhaust fuel) discharged from the SOFC 10 before lowering the temperature by the low-temperature regenerative heat exchanger 15B, and recirculates the recirculated fuel supplied to the SOFC 10. After the temperature of the newly added fuel mixture is increased by the low-temperature regenerative heat exchanger 15B, the heat exchange is performed so as to further increase the temperature.
Further, the low-temperature regenerative heat exchanger 15B further lowers the temperature of the recirculated fuel (a part of the exhaust fuel) discharged from the SOFC 10 by the high-temperature regenerative heat exchanger 15A and further reduces the recirculated fuel and the recirculated fuel supplied to the SOFC 10. The heat exchange is performed so that the temperature of the newly-mixed fuel is raised in advance before the temperature is raised by the high-temperature regenerative heat exchanger 15B.
[0024]
According to the solid oxide fuel cell power generation system according to the first embodiment, a part of the exhaust fuel (recirculated fuel) discharged from the SOFC 10 is mixed with the newly supplied fuel and supplied to the SOFC 10. As a result, the unburned components contained in the recirculated fuel can be effectively used, and the flow rates of the fuel and the air supplied to the SOFC 10 can be raised to balance the flow rates of the fuel and air. Therefore, it is possible to improve system efficiency.
[0025]
Further, the recirculated fuel of about 1000 ° C. sucked up by the recirculation fan 17 is cooled down to about 100 ° C. by the regenerative heat exchanger 15 before passing through the recirculation fan 17. The temperature of the recirculated fuel after the temperature is lowered at 15 becomes the normal fan operating temperature range. As described above, the recirculation fan 17 is used to suck up a part of the high temperature (about 1000 ° C.) exhaust fuel. However, no problem occurs.
[0026]
Further, even if the regenerative heat exchanger 15 having the thin plate fins (the high-temperature regenerative heat exchanger 15A and the low-temperature regenerative heat exchanger 15B) is used, the high-temperature regenerative heat exchanger 15A that performs heat exchange in the high-temperature region includes: By using a high-temperature material that can withstand high-temperature conditions, a general-purpose metal material is used for the low-temperature regenerative heat exchanger 15B that does not cause the risk of thermal deterioration and that performs heat exchange in a low-temperature region. By applying an expensive high-temperature material only in a necessary temperature range (high-temperature region), it is possible to obtain an effect that no problem occurs in terms of cost.
[0027]
The recirculated fuel sucked up by the recirculation fan 17 contains a large amount of moisture. However, since the excess moisture contained in the recirculated fuel is removed by the condenser 16, the power generation performance of the SOFC 10 is reduced. Can be improved, leading to an improvement in system efficiency.
[0028]
[Second Embodiment] (The same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.)
FIG. 2 shows a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to the second embodiment. The solid oxide fuel cell power generation system according to the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment (the regenerative heat exchanger 15 includes a high-temperature regenerative heat exchanger 15A and a low-temperature regenerative heat exchanger). A part of the exhaust fuel (recirculated fuel) of about 1000 ° C. sucked up by the recirculation fan 17 (recirculated fuel) is cooled by the regenerative heat exchanger 15 so as to be cooled beforehand. It has a second evaporator or hot water heater 18 for replacement.
[0029]
The second evaporator or hot water heater 18 is connected to an evaporator or hot water heater 13 provided immediately downstream of the air preheater 12.
Steam or hot water produced by the evaporator or hot water heater 13 is supplied to the second evaporator or hot water heater 18, and the steam or hot water is used as one of high-temperature exhaust fuel discharged from the SOFC 10. The temperature is further increased by exchanging heat with the part (recirculated fuel) to produce steam or hot water. The second evaporator or the hot water heater 18 can be used as a economizer.
[0030]
According to such a solid oxide fuel cell power generation system according to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained in addition to the same effects as those of the first embodiment. Even if the regenerative heat exchanger 15 having thin plate fins made of a metal material is used, the recirculated fuel is cooled by the second evaporator or hot water heater 18 before being cooled by the regenerative heat exchanger 15. In this case, since the temperature is lowered in advance, an effect of not causing the possibility of thermal deterioration can be obtained.
Here, since the second evaporator or the hot water heater 18 is dominated by the heat transfer coefficient in the pipe, the metal temperature can be kept at a low temperature, and there is no risk of thermal deterioration. Since a material can be used, the burden on cost does not increase.
[0031]
[Third Embodiment] (The same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.)
FIG. 3 shows the configuration of the solid oxide fuel cell power generation system according to the third embodiment. The solid oxide fuel cell power generation system according to the third embodiment has the same configuration as that of the first embodiment (the regenerative heat exchanger 15 includes a high-temperature regenerative heat exchanger 15A and a low-temperature regenerative heat exchanger). A part of the mixed fuel of the recirculated fuel that has passed through the recirculation fan 17 and the newly supplied fuel is discharged from the SOFC 10 before the temperature is increased in the regenerative heat exchanger 15. And a bypass line for mixing with the recirculated fuel having a high temperature of about 1000 ° C. before the temperature is lowered in the regenerative heat exchanger 15.
[0032]
According to such a solid oxide fuel cell power generation system according to the third embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained, and Even if the regenerative heat exchanger 15 having thin plate fins made of a metal material is used, the recirculated fuel passes through the recirculating fan 17 and passes through the regenerative heat Since the low-temperature recirculated fuel before the temperature rise in the exchanger 15 and a part of the fuel mixture of the newly supplied fuel are mixed and the temperature is lowered in advance, the risk of thermal deterioration may occur. No effect can be obtained.
[0033]
[Fourth Embodiment] (The same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.)
FIG. 4 shows a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to the fourth embodiment. The solid oxide fuel cell power generation system according to the fourth embodiment has a configuration similar to that of the third embodiment, and includes a recirculated fuel that has passed through the recirculation fan 17 and a newly supplied fuel. After the temperature of a part of the mixed fuel is increased by the regenerative heat exchanger 15, the heat exchanger 19 is further provided to further increase the temperature and exchange heat so as to lower the temperature of the exhaust fuel discharged from the SOFC 10. .
Further, the air after being blown in from outside by the push-in blower 14 and heated by the air preheater 12 and preheated is further heat-exchanged and heat exchange is performed so as to lower the temperature of exhaust air discharged from the SOFC 10. Two air preheaters 20 are provided.
[0034]
According to the solid oxide fuel cell power generation system according to the fourth embodiment, for example, since the bypass line as in the third embodiment is used, the recirculated fuel supplied to the SOFC 10 and the newly supplied fuel are supplied. Even when there is a possibility that the temperature of the mixed fuel of the fuel to be discharged cannot be sufficiently increased, the temperature of the mixed fuel can be sufficiently increased by exchanging heat with the high-temperature exhaust fuel discharged from the SOFC 10, The power generation performance of the SOFC 10 can be improved, which leads to an improvement in system efficiency.
Since the heat exchanger 19 and the second air preheater 20 are directly charged with the exhaust fuel and the exhaust air at a high temperature of about 1000 ° C. discharged from the SOFC 10, thin plate fins are used. The heat exchanger is not a heat exchanger but a highly durable heat exchanger such as a double-pipe heat exchanger that can have a large metal thickness.
[0035]
[Fifth Embodiment] (The same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.)
FIG. 5 shows a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to the fifth embodiment. In the solid oxide fuel cell power generation system according to the fifth embodiment, a recirculation line for recirculating and supplying a part of the exhaust fuel at about 1000 ° C. discharged from the SOFC 10 to the SOFC 10 as recirculated fuel is provided. It is provided.
The recirculation line includes a high-temperature recirculation fan 21 made of ceramic for sucking a part of the exhaust fuel as the recirculated fuel and supplying the recirculated fuel to the SOFC 10, and a recirculation line connected in parallel with the recirculation line and passing through the recirculation line. It has a condenser 22 for lowering the temperature and removing excess water from a part of the circulating fuel, and a fuel input port into which new fuel is input.
[0036]
A part (recirculated fuel) of the exhaust fuel at about 1000 ° C. sucked up by the high-temperature recirculating fan 21 is partially cooled by passing the part of the recirculated fuel through the condenser 22 to remove excess water. As a result, the temperature is adjusted.
A part of the recirculated fuel whose temperature has been adjusted by passing through the condenser 22 is supplied with new fuel from the fuel inlet and mixed therewith, and a mixed fuel of the recirculated fuel and the newly charged fuel is mixed. Is supplied to the SOFC 10 after passing through the high-temperature recirculation fan 21 at a high temperature.
[0037]
According to the solid oxide fuel cell power generation system according to the fifth embodiment, a part of the exhaust fuel (recirculated fuel) discharged from the SOFC 10 is mixed with the newly supplied fuel and supplied to the SOFC 10. Therefore, the unburned components contained in the recirculated fuel can be effectively used, and the flow rates of the fuel and the air supplied to the SOFC 10 can be raised, and the flow rate balance between them can be improved. Therefore, system efficiency can be improved.
[0038]
Further, the recirculated fuel of about 1000 ° C. sucked up by the high-temperature recirculation fan 21 passes through the high-temperature recirculation fan 21 while the temperature is adjusted to a certain degree, but still at a high temperature. Since the fan 21 is made of ceramic and can be operated at a high temperature, equipment such as a regenerative heat exchanger is not required, and the system efficiency can be improved.
[0039]
[Sixth Embodiment] (The same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.)
FIG. 6 shows the configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to the sixth embodiment. The solid oxide fuel cell power generation system according to the sixth embodiment has the same configuration as that of the first embodiment (the regenerative heat exchanger 15 includes a high-temperature regenerative heat exchanger 15A and a low-temperature regenerative heat exchanger). Exhaust gas of about 1200 ° C discharged from the combustor 11 is heat-exchanged by the air preheater 12, the evaporator or the hot water heater 13 to about 110 ° C, for example. After the temperature has been lowered, an exhaust line for introducing the cooled exhaust gas into the combustor 11 using the second recirculation fan 23 is provided.
[0040]
According to the solid oxide fuel cell power generation system according to the sixth embodiment, the temperature of the high-temperature exhaust gas discharged from the combustor 11 is reduced by the air preheater 12, the evaporator, or the hot water heater 13, and then, Since the recirculation fan 23 is used to charge the exhaust gas into the combustor 11, the temperature of the exhaust gas discharged from the combustor 11 can be lowered, and the exhaust gas is installed immediately downstream of the combustor 11. Thus, thermal degradation of the air preheater 12 can be suppressed, and reliability can be improved.
[0041]
[Seventh embodiment] (The same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.)
FIG. 7 shows a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to the seventh embodiment. The solid oxide fuel cell power generation system according to the seventh embodiment has the same configuration as that of the first embodiment (the regenerative heat exchanger 15 includes a high-temperature regenerative heat exchanger 15A and a low-temperature regenerative heat exchanger 15A). Before the air preheater 12 raises the temperature of a part of the normal-temperature air sent from the outside by the push blower 14 connected to the air preheater 12 and preheats the combustor, It is provided with a charging line for charging the combustor 11 as system air.
[0042]
According to the solid oxide fuel cell power generation system according to the seventh embodiment, a part of the normal-temperature air sent from the outside by the push-in blower 14 is heated by the air preheater 12 and preheated. Since the air is introduced into the combustor 11 by using the push-in blower 14, the temperature of the exhaust gas discharged from the combustor 11 can be reduced, and the air installed immediately downstream of the combustor 11 can be used. It is possible to improve the reliability by suppressing the thermal deterioration of the preheater 12.
[0043]
[Eighth Embodiment] (The same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.)
FIG. 8 shows a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to the eighth embodiment. The solid oxide fuel cell power generation system according to the eighth embodiment has the same configuration as that of the first embodiment (the regenerative heat exchanger 15 includes a high-temperature regenerative heat exchanger 15A and a low-temperature regenerative heat exchanger 15A). A third evaporator or hot water that heat-exchanges exhaust gas of about 1200 ° C. discharged from the combustor 11 before the air preheater 12 lowers the temperature of the exhaust gas. A heater 24 is provided.
[0044]
The third evaporator or hot water heater 24 is connected to an evaporator or hot water heater 13 provided downstream of the air preheater 12.
Steam or hot water produced by the evaporator or hot water heater 13 is supplied to the third evaporator or hot water heater 24, and the steam or hot water is mixed with high-temperature exhaust gas discharged from the combustor 11. By performing heat exchange, the temperature is further increased to produce steam or hot water. In addition, the third evaporator or the hot water heater 24 can be used as a economizer.
[0045]
According to the solid oxide fuel cell power generation system according to the eighth embodiment, before the high-temperature exhaust gas discharged from the combustor 11 is cooled by the air preheater 12, the third evaporator or hot water heating is performed. Since the temperature is previously reduced by the heater 24, the temperature of the exhaust gas supplied to the air preheater 12 can be lowered, and the thermal deterioration of the air preheater 12 can be suppressed to improve reliability. it can.
Here, since the third evaporator or the hot water heater 24 is dominated by the heat transfer coefficient in the pipe, the metal temperature can be kept at a low temperature, and there is no risk of thermal deterioration. Since a material can be used, the burden on cost does not increase.
Further, since the temperature of the steam or hot water supplied to the third evaporator or the hot water heater 24 is previously raised by the evaporator or the hot water heater 13, the temperature of the exhaust gas discharged from the combustor 11 decreases. It won't be too much.
[0046]
Note that the solid oxide fuel cell power generation system may be configured by appropriately combining a plurality of the configurations described in the above embodiments.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the efficiency of a solid oxide fuel cell power generation system can be improved. Further, according to the present invention, it is possible to improve the reliability of various devices used in the solid oxide fuel cell power generation system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to Embodiment 7 of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell power generation system according to Embodiment 8 of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram showing a conventional configuration of a cogeneration system using a solid oxide fuel cell.
[Explanation of symbols]
10 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
11 Combustor
12 Air preheater
13 Evaporator or hot water heater
14 push blower
15 Regeneration heat exchanger
15A high temperature regenerative heat exchanger
15B Low temperature regenerative heat exchanger
16 Condenser
17 Recirculation fan
18 Second evaporator or hot water heater
19 heat exchanger
20 Second air preheater
21 High temperature recirculation fan
22 Condenser
23 Second recirculation fan
24 Third evaporator or hot water heater

Claims

In a power generation system using a solid oxide fuel cell,
A recirculation fan that recirculates part of the exhaust fuel discharged by the power generation operation of the solid oxide fuel cell to the solid oxide fuel cell as recirculated fuel;
A regenerative heat exchanger that performs heat exchange so as to lower the temperature of the recirculated fuel before passing through the recirculation fan and increase the temperature of the recirculated fuel after passing through the recirculation fan;
Wherein the regenerative heat exchanger comprises a high-temperature regenerative heat exchanger for performing heat exchange in a high-temperature region, and a low-temperature regenerative heat exchanger for performing heat exchange in a low-temperature region. system.

In a power generation system using a solid oxide fuel cell,
A recirculation fan that recirculates part of the exhaust fuel discharged by the power generation operation of the solid oxide fuel cell to the solid oxide fuel cell as recirculated fuel;
A regenerative heat exchanger that performs heat exchange so as to lower the temperature of the recirculated fuel before passing through the recirculation fan and increase the temperature of the recirculated fuel after passing through the recirculation fan.
A solid oxide fuel cell power generation system, comprising: an evaporator or a hot water heater for performing heat exchange so that the temperature of the recirculated fuel before being cooled by the regenerative heat exchanger is lowered in advance.

In a power generation system using a solid oxide fuel cell,
A recirculation fan that recirculates part of the exhaust fuel discharged by the power generation operation of the solid oxide fuel cell to the solid oxide fuel cell as recirculated fuel;
A regenerative heat exchanger that performs heat exchange so as to lower the temperature of the recirculated fuel before passing through the recirculation fan and increase the temperature of the recirculated fuel after passing through the recirculation fan.
A solid line comprising a bypass line for mixing a part of the recirculated fuel before the temperature is raised in the regenerative heat exchanger with the recirculated fuel before the temperature is lowered in the regenerative heat exchanger. Electrolyte fuel cell power generation system.

A power generation system using the solid oxide fuel cell according to claim 3,
A heat exchanger for performing heat exchange so as to further raise the temperature of the recirculated fuel after being heated in the regenerative heat exchanger and to lower the temperature of exhaust fuel discharged from the solid oxide fuel cell. A solid oxide fuel cell power generation system comprising:

The solid oxide fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 4,
A solid oxide fuel cell power generation system, comprising: a condenser for lowering the temperature of the recirculated fuel before passing through the recirculation fan and removing excess water.

In a power generation system using a solid oxide fuel cell,
The solid electrolyte fuel cell includes a high-temperature recirculation fan made of ceramic that recirculates a part of the exhaust fuel discharged by the power generation operation to the solid oxide fuel cell as recirculated fuel. Solid oxide fuel cell power generation system.

The solid oxide fuel cell power generation system according to claim 6,
A solid oxide fuel cell power generation system, comprising: a condenser for lowering the temperature of the recirculated fuel before passing through the high-temperature recirculation fan and removing excess water.

In a power generation system using a solid oxide fuel cell,
A combustor for mixing and burning exhaust fuel and exhaust air discharged by the power generation operation of the solid oxide fuel cell,
An evaporator or a hot water heater that performs heat exchange so as to lower the temperature of exhaust gas discharged from the combustor,
A solid oxide fuel cell power generation system, comprising: an input line for inputting a part of the exhaust gas after being cooled by the evaporator or the hot water heater into the combustor.

In a power generation system using a solid oxide fuel cell,
A combustor for mixing and burning exhaust fuel and exhaust air discharged by the power generation operation of the solid oxide fuel cell,
An air preheater that performs heat exchange so as to lower the temperature of exhaust gas discharged from the combustor and increase the temperature of air supplied to the solid oxide fuel cell,
A solid oxide fuel cell power generation system, comprising: a charging line for charging a part of the air before being heated by the air preheater into the combustor.

In a power generation system using a solid oxide fuel cell,
A combustor for mixing and burning exhaust fuel and exhaust air discharged by the power generation operation of the solid oxide fuel cell,
An air preheater that performs heat exchange so as to lower the temperature of exhaust gas discharged from the combustor and increase the temperature of air supplied to the solid oxide fuel cell,
A solid oxide fuel cell power generation system, comprising: an evaporator or a hot water heater that performs heat exchange so that the exhaust gas before cooling by the air preheater is cooled in advance.