JP2004199997A - 固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料利用率が高く、さらには発電効率，熱利用率を含めた総合効率を向上させた、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムを提供する。
【解決手段】燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつその燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）３と、その固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置８とを備えた構成とする。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつその燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）３と、その固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置８とを備えた構成とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に水素利用装置を併設した、水素利用システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に、水素を利用した作用を行う水素利用装置を併設したシステムが提案されている。このようなシステムの一般的な特長としては、一つには、ＳＯＦＣと水素利用装置とをそれぞれ単体で使用するよりも、併設することにより使用効率が高くなることが挙げられる。
【０００３】
これは主として、水素利用装置においてＳＯＦＣの排燃料を利用することができるためである。また、水素利用装置を、水素を燃料として発電する燃料電池とした場合は、燃料電池同士の組合せとなるため、クリーンで環境性に優れ、騒音が小さい発電システムとなる。
【０００４】
水素利用装置としては、例えば水素を燃料として発電する燃料電池としてリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ），固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等があり、その他、水素ガスタービン，水素貯蔵装置等が挙げられる。なお、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質型燃料電池と同義である。以下に、ＳＯＦＣに水素利用装置を併設するに当たっての留意点について述べる。
【０００５】
まず、水素利用装置においては、原燃料である天然ガス（メタン主体の炭化水素）を直接使用することはできないため、これを水素利用装置に導入する前に、水素へ変換即ち改質する必要がある。ここで改質とは、例えば天然ガスの主成分であるメタンから、水蒸気によりＨ2（水素），ＣＯ（一酸化炭素）を得る下記反応のことである。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
【０００６】
このとき、ＳＯＦＣにおいてはＨ2，ＣＯ共に燃料にできるが、水素利用装置においては主としてＨ2しか使用することができない。特に、水素を燃料として発電する燃料電池の場合は、これにＣＯが導入されると、白金触媒がＣＯによって被毒され、発電が行えなくなる。従って、水素利用装置へ導入されるＣＯ量を低減させる必要がある。
【０００７】
一方、ＳＯＦＣの排燃料を有効利用することにより燃料利用率を高め、発電効率ひいては総合効率を向上させることが必要である。そこで、この排燃料に含まれる未利用のＣＯ、或いは上述した原燃料の改質により得られたＣＯを、水素に変換つまり変成する必要がある。ここで変成とは、ＣＯを水蒸気によりＣＯ2（二酸化炭素），Ｈ2に変換する下記反応のことである。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【０００８】
その他、燃料循環系統を配置することにより燃料利用率を高め、発電効率ひいては総合効率を向上させることが必要である。また、ＳＯＦＣの動作温度が９００℃程度であるのに対し、例えばＰＥＦＣの動作温度は８０℃程度である。このように、動作温度の差が非常に大きい場合があるので、最適な熱交換器の配置など、熱ロスの少ない熱システムにより、システム構成する必要がある。
【０００９】
上述したようなシステムとしては、例えばハイブリッド燃料電池発電装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。これは、主な構成として、炭化水素系またはアルコール系の原燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質する改質器と、改質器で改質されたガスが供給され水素と一酸化炭素の両方を燃料として発電する第一の燃料電池と、第一の燃料電池の燃料極からの排出ガスが燃料ガスとして供給される固体高分子型燃料電池とを備えたものである。
【００１０】
また、ハイブリッド型燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献２参照）。これは、主な構成として、断熱容器内に配置された固体電解質型燃料電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し、固体電解質型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利用し、且つ、該水蒸気改質器の下流側で断熱容器外に固体高分子型燃料電池を配置することにより、固体電解質型燃料電池による発電とともに固体高分子型燃料電池による発電を行うようにしてなることを特徴とするものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−３０６３６９号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６６９２４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている構成では、外部改質器を必要としており、ＳＯＦＣの直前に外部改質器を配置している（改質器１）。ところが、外部改質器を運転するためには、加熱源が必要であるので、熱ロスが大きくなる。
【００１３】
また、ＳＯＦＣ出口の排燃料を（リターン流路１３により）ＳＯＦＣ入口に循環させることによって、ＰＥＦＣへ導入されるＣＯ量を制御している。ところが、ＣＯのみを選択的に循環させるのは非常に難しいため、その制御は難しい。即ち、ガス中のＣＯ濃度としては、どのように制御しても同じになる。
【００１４】
また、前述のように、ＰＥＦＣへのＣＯ導入量低減を目的としたＳＯＦＣ周りの燃料再循環系統はあるが、燃料利用率向上を目的とした燃料再循環系統はないので、発電効率は低くなる。
【００１５】
また、上記特許文献２に記載されている構成では、同様にして外部改質器を必要としており、ＳＯＦＣの直前に外部改質器を配置している（予備改質器Ａ，改質器Ｂ）。ところが、上述したように、外部改質器を運転するためには、加熱源が必要であるので、熱ロスが大きくなる。
【００１６】
また、ＳＯＦＣ排燃料の一部と原燃料が、改質器及びシフト反応器等（ＣＯ変成器）を経てＰＥＦＣに供給される構成となっている。そして、ＰＥＦＣに供給されない、残りのＳＯＦＣ排燃料は、燃焼させることにより外部改質器の保温に利用されている。このため、発電に対する燃料の有効利用がなされておらず、燃料利用率が低くなるので、発電効率も低くなる。さらに、燃料再循環系統がないので、燃料利用率は向上せず、発電効率は低くなる。
【００１７】
本発明は、このような問題点に鑑み、燃料利用率が高く、さらには発電効率，熱利用率を含めた総合効率を向上させた、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素を水素に変換するＣＯ変成器、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料を該固体酸化物形燃料電池へ再循環する第１の再循環系統、及び前記ＣＯ変成器後段より前記第１の再循環系統へ再循環する第２の再循環系統を持つシステムと、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを有し、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して、他方と混合し燃焼させる燃焼器を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素を水素に変換するＣＯ変成器、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを有し、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して、他方と混合し燃焼させる燃焼器を備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、前記固体酸化物形燃料電池で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする。また、前記ＣＯ変成器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする。また、前記燃焼器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする。また、前記水素利用装置は、水素を燃料として発電する燃料電池或いは水素ガスタービン或いは水素貯蔵装置であることを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記固体酸化物形燃料電池及び前記水素利用装置における所定の各状態量を、フィードフォアード制御に掛かる熱電比率指令により協調させて制御するようにしたことを特徴とする。また、前記所定の各状態量とは、前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側，空気側圧力差、並びに前記水素利用装置における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側，空気側圧力差であることを特徴とする。
【００２３】
また、前記所定の各状態量として、前記水素利用装置の直前に配置したＣＯ変成器の入口温度、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気を混合して燃焼させる燃焼器の出口温度を加えたことを特徴とする。また、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料が前記ＣＯ変成器及び前記燃焼器へと分岐する分岐部の分配率を操作し、前記熱電比率指令を変えるようにしたことを特徴とする。
【００２４】
また、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料を再循環するエジェクタの駆動ガス流量を、運転モードにより切り換えるようにしたことを特徴とする。
【００２５】
その他、前記水素利用装置はガスタービンであり、前記所定の各状態量とは、前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側，空気側圧力差、並びにタービン入口温度であることを特徴とする。また、前記所定の各状態量として、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気を混合して燃焼させる燃焼器の出口温度を加えたことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明では、ＳＯＦＣに水素利用装置を併設するに当たっての上述した留意点及び従来技術の問題点を解決するため、以下に示すようなシステム構成とする。
【００２７】
１．改質はＳＯＦＣ内部で行い、外部改質器を必要としないシステム
２．水素利用装置へのＣＯ量低減のため、水素利用装置入口側にＣＯ変成器を配置したシステム
３．水素利用装置への燃料は、ＳＯＦＣ排燃料とするシステム
４．燃料の再循環系統を設けるシステム
５．上記１〜４を組み込み、効率的な熱回収機器で構成した熱システム
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。同図は、ＳＯＦＣ燃料再循環にエジェクタ方式を採用した基本システムを示している。同図において、供給された燃料（例えば天然ガス）は、再生熱交換器１で後述する排燃料と熱交換することにより加熱され、エジェクタ２を経てＳＯＦＣ３へ導入される。導入直前の燃料温度は、ＳＯＦＣの動作温度である９００℃程度となっている。
【００２９】
ＳＯＦＣ３においては、燃料は内部改質されるとともに、後述する空気との間で電池反応が行われる。このときの発熱により、ＳＯＦＣ３からの排燃料は１０００℃程度となっている。ＳＯＦＣ３からの排燃料の一部は、負圧によりエジェクタ２に戻り、ＳＯＦＣ３へと再循環される。また、排燃料の残りは燃料冷却器４で空気と熱交換することにより冷却され、更に再生熱交換器１で燃料と熱交換することにより冷却されて、ＣＯ変成器５へ導入される。導入直前の排燃料温度は、ＣＯ変成器の動作温度である３５０℃〜４５０℃程度となっている。
【００３０】
ＣＯ変成器５で変成された排燃料は、凝縮器６で凝縮されて水分が除去された後、ガス再循環ファン（ＧＲＦ）７を経て一部が新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。これは、燃料利用率を向上させるとともに、エジェクタ２駆動用の圧力を確保するために行われる。また、残りの排燃料は水素利用装置８へ導入される。
【００３１】
一方、本システムに供給された空気は、押込ファン（ＦＤＦ）９を経て燃料冷却器４で排燃料と熱交換することにより加熱され、更に高温空気予熱器１０でＳＯＦＣ３からの排空気と熱交換することにより加熱されて、ＳＯＦＣ３へ導入される。ＳＯＦＣ３においては、上述したように燃料との間で電池反応が行われる。そして、ＳＯＦＣ３からの排空気は高温空気予熱器１０で上記供給された空気と熱交換することにより冷却され、煙突１１より大気放出される。
【００３２】
なお、図中、再生熱交換器１の直後より分岐する*1、及び高温空気予熱器１０直後より分岐する*2は、それぞれＳＯＦＣ排燃料及び排空気を取り出す経路であり、後述する熱供給量増加運転システムに用いられる系統である。これは、以下の各実施形態においても同様に設けられている。その他、水素利用装置８をＰＥＦＣとする場合は、内部の飽和含水状態を保つために、別途加湿器が必要となる。
【００３３】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図１で示した、第１の実施形態の構成に加えて、排熱回収機器を組み込み、冷暖房，給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。
【００３４】
具体的には、ＣＯ変成器５における反応による熱を水或いは空気に取り込み、この熱を排熱回収機器１２で回収した後、残った水（水蒸気）或いは空気を煙突１３より大気放出する。また、高温空気予熱器１０と煙突１１との間に排熱回収機器１４を設け、高温空気予熱器１０からの排空気における熱を排熱回収機器１４で回収する。
【００３５】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図１で示した、第１の実施形態の構成に対して、燃料供給位置が異なる構成としている。具体的には、ＳＯＦＣ３からの排燃料の一部がエジェクタ２に戻る直前の位置より燃料を供給する。これにより、エジェクタ２へのガスの吸込流量を増加させることができる。さらに、第１及び第３の実施形態の構成を組み合わせることにより、エジェクタ２ひいてはＳＯＦＣ３へのガスの流量調節が可能となる。
【００３６】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図３で示した、第３の実施形態の構成に加えて、排熱回収機器を組み込み、冷暖房，給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。
【００３７】
具体的には、上記図２で示した、第２の実施形態の構成と同様にして、ＣＯ変成器５における反応による熱を水或いは空気に取り込み、この熱を排熱回収機器１２で回収した後、残った水（水蒸気）或いは空気を煙突１３より大気放出する。また、高温空気予熱器１０と煙突１１との間に排熱回収機器１４を設け、高温空気予熱器１０からの排空気における熱を排熱回収機器１４で回収する。
【００３８】
図５は、本発明の第５の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図１で示した、第１の実施形態の構成に対して、燃料側については再生熱交換器１と燃料冷却器４の位置を入れ替え、空気側についてはＳＯＦＣ３からの排燃料とＳＯＦＣ３への入口空気との間に熱交換器１５を設置している。これにより、システム内での熱利用率（熱交換率）を高め、ＳＯＦＣ３の高温運転を可能として、発電効率を高めている。
【００３９】
また、上記と同様にして排熱回収機器１２，１４を組み込み、冷暖房，給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。このことは、以下の各実施形態においても同様である。その他、熱交換器１５と水素利用装置８との間に凝縮器１９を挿入している。
【００４０】
図６は、本発明の第６の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図５で示した、第５の実施形態の構成に対して、燃料冷却器及び熱交換器を省略し、システムを簡素化し低コストとしている。
【００４１】
図７は、本発明の第７の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。同図は、ＳＯＦＣ燃料再循環に高温再循環ファン方式を採用したシステムを示している。本実施形態では、上記図１で示した、第１の実施形態の構成に対して、エジェクタ２の代わりに、高温に対応したガス再循環ファン１６を設け、燃料を再循環している。
【００４２】
ここでは再生熱交換器や燃料冷却器が不用となり、システムが簡素化され低コストとなっている。また、ＳＯＦＣ３からの排燃料を水素利用装置８へ導入する前に、排熱回収機器１７で熱回収を行う構成とし、冷暖房，給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。
【００４３】
但し、再循環される燃料の過熱を抑えるため、ガス再循環ファン１６の直後には、空冷或いは水冷等の温度調節器１８が設けられている。これは、後述する第８，第１１，及び第１２の実施形態においても同様である。或いは、図示しないが、温度調節器１８の代わりに、ＳＯＦＣ３の燃料側入口と空気側入口との間に、熱交換器を入れても良い。これにより、再循環される燃料の熱利用が行えるとともに、ＳＯＦＣ３の燃料側と空気側の入口温度を揃えることができ、また高温空気予熱器１０のサイズを小さくすることができる。
【００４４】
図８は、本発明の第８の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図７で示した、第７の実施形態の構成に対して、排熱回収機器１７の代わりに燃料冷却器４を設け、ＳＯＦＣ３へ導入される空気を排燃料と熱交換することにより加熱する構成としている。これにより、ＳＯＦＣ３の高温運転が可能となり、発電効率が向上する。
【００４５】
図９は、本発明の第９の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図７で示した、第７の実施形態の構成に対して、ＳＯＦＣ燃料再循環に通常の再循環ファン７を採用している。これにより、安価なファンが利用できる。但し、再生熱交換器１及び凝縮器１９が必要となる。
【００４６】
図１０は、本発明の第１０の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図９で示した、第９の実施形態の構成に対して、排熱回収機器１７の代わりに燃料冷却器４を設け、ＳＯＦＣ３へ導入される空気を排燃料と熱交換することにより加熱する構成としている。これにより、ＳＯＦＣ３の高温運転が可能となり、発電効率が向上する。
【００４７】
図１１は、本発明の第１１の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図７で示した、第７の実施形態の構成に加えて、ＣＯ変成器５出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統に戻し、ＳＯＦＣ３側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【００４８】
図１２は、本発明の第１２の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図８で示した、第８の実施形態の構成に加えて、ＣＯ変成器５出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統にリターンさせ、ＳＯＦＣ３側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【００４９】
なお、上記第１１或いは第１２の実施形態において、ＣＯ変成器５出口からのリターン系統を、凝縮器６出口からのリターン系統とすることにより、リターンさせるガスの余分な水分を取り除くことができ、ＳＯＦＣの効率が上がる。また、冷却ができるので温度調節器１８が不用となる。
【００５０】
図１３は、本発明の第１３の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図９で示した、第９の実施形態の構成に加えて、ＣＯ変成器５出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統に戻し、ＳＯＦＣ３側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【００５１】
図１４は、本発明の第１４の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図１０で示した、第１０の実施形態の構成に加えて、ＣＯ変成器５出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統に戻し、ＳＯＦＣ３側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【００５２】
なお、上述した各実施形態においては、ＣＯ変成器５が用いられているが、水素利用装置８として、特に水素の純度を必要としない機器を使用する場合については、このようなＣＯ変成器はなくても良い。また、燃料供給位置や、ＳＯＦＣ排燃料，排空気の分岐位置は、上記各実施形態で示した位置に限定されない。
【００５３】
図１５は、本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに付加される、熱供給量増加運転システムの系統図である。同図に示すように、本例では上記第１〜第１４の実施形態において、*1で示した経路からのＳＯＦＣ排燃料の一部或いは全部、及び*2で示した経路からのＳＯＦＣ排空気の一部或いは全部を混合する。そして、これを燃焼器２０で燃焼させ、得られた高温ガスの排熱を排熱回収機器２１により回収した後、このガスを煙突２２から大気放出する。これにより、冷暖房，給湯等への熱供給量を増加させることができる。
【００５４】
ところで、図１６は、本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに適用可能な、制御システムの系統図である。同図は、ＳＯＦＣ燃料再循環にエジェクタ方式を採用したシステムを制御する場合を例示している。そして、水素利用装置としては、ＳＯＦＣ以外の燃料電池を用いている。さらに、上記熱供給量増加運転システムを付加している。同図において、矢印で示したQinは入熱量、を、Qoutは出熱量を示している。また、#1〜#6は、燃料或いは空気の供給或いは再循環の系統、及びそのガス流量を示している。
【００５５】
本システムでは、主たる制御量として、以下の８つの状態量がある。
▲１▼ＳＯＦＣ燃料側入口温度
▲２▼ＳＯＦＣ空気側入口温度
▲３▼ＳＯＦＣ入口燃料側，空気側圧力差
▲４▼水素利用装置燃料側入口温度
▲５▼水素利用装置空気側入口温度
▲６▼水素利用装置入口燃料側，空気側圧力差
▲７▼燃焼器出口温度
▲８▼ＣＯ変成器入口温度
また、水素利用装置にガスタービンを用いたシステムでは、上記▲４▼，▲５▼，▲６▼，▲８▼に代わり、タービン入口温度が制御量となる。
【００５６】
同図において、#1より供給された燃料は、入熱量Qin1で加熱され、エジェクタ２を経てＳＯＦＣ３へ導入される。ＳＯＦＣ３からの排燃料は、分岐部３１で分岐され、一部は負圧によりエジェクタ２に戻り、ＳＯＦＣ３へと再循環される。また、排燃料の残りは更に分岐部３２で分岐され、一部が出熱量Qout3で冷却されて、ＣＯ変成器５へ導入される。
【００５７】
ＣＯ変成器５で変成された排燃料は、出熱量Qout4で冷却された後、分岐部３４で分岐され、一部は#3からガス再循環ファン７を経て、混合部４１で#1からの新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。また、残りの排燃料は水素利用装置８へ導入される。
【００５８】
一方、#2より供給された空気は、押込ファン９を経て入熱量Qin2で加熱されて、ＳＯＦＣ３へ導入される。ＳＯＦＣ３からの排空気は、出熱量Qout1で冷却され、分岐部３３で分岐される。そして、一部は更に出熱量Qout2で冷却され、更に分岐部３７で分岐されて、一部は#6からガス再循環ファン７を経て、混合部４１で#1からの新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。或いは後述するように煙突から大気放出される。また、分岐部３７で分岐された残りの排燃料は水素利用装置８へ導入される。
【００５９】
加えて、上述した分岐部３２で分岐された残りの排燃料は、*1から燃焼器２０へ導入される。また、上述した分岐部３３で分岐された残りの排空気は、*2から燃焼器２０へ導入される。そして、これらを混合して燃焼器２０で燃焼させ、得られた高温ガスをQout5で冷却即ち排熱回収する。さらに、このガスは分岐部３６で分岐されて、一部は#5からガス再循環ファン７を経て、混合部４１で#1からの新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。また、残りのガスは上記#6からの排空気と混合部４２で混合され、煙突から大気放出される。
【００６０】
その他、水素利用装置８からの排燃料は、分岐部３５で分岐されて、一部は#4からガス再循環ファン７を経て、混合部４１で#1からの新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。
【００６１】
以下、本制御システムの制御内容について説明する。図１７は、本制御システムのブロック図である。同図に示すように、ここではＳＯＦＣ排燃料の熱電比率指令をＦＦ（フィードフォアード）制御の先行信号として用いる。ここで、熱電比率とは、ＳＯＦＣと水素利用装置（他の燃料電池）の発電比率と、ＣＯ変成器や燃焼器での発熱も併せた発熱と発電の比率との、両方の概念を含んでいる。
【００６２】
さて、この熱電比率指令を受けてＦＦ制御５１を行うと、上記▲１▼〜▲８▼の制御量における目標値が決まってくる。このとき、▲１▼〜▲８▼の実際の観測量が目標値に一致するようにＦＢ（フィードバック）制御５２を行うために、上記Qin，Qout，#で示された操作量を変化させる。以下に、その具体例を各実施例で示す。
【００６３】
〔実施例１〕
▲１▼のＳＯＦＣ燃料側入口温度は、入熱量Qin1により調整する。Qin1は、電気ヒータ等の外部熱源によるものでも、系統内高温部からの熱回収によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、再生熱交換器或いは高温再循環ファンによっている。本実施例により、ＳＯＦＣ燃料側入口温度制御が可能となる。
【００６４】
〔実施例２〕
▲２▼のＳＯＦＣ空気側入口温度は、入熱量Qin2により調整する。Qin2は、電気ヒータ等の外部熱源によるものでも、系統内高温部からの熱回収によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、主として高温空気予熱器によっている。本実施例により、ＳＯＦＣ空気側入口温度制御が可能となる。
【００６５】
〔実施例３〕
▲３▼のＳＯＦＣ入口燃料側，空気側圧力差は、空気流量#2或いはエジェクタ駆動ガス流量(#3or#4or#5or#6)により調整する。本実施例により、ＳＯＦＣ入口差圧制御が可能となる。
【００６６】
〔実施例４〕
▲４▼の水素利用装置燃料側入口温度は、出熱量Qout4により調整する。Qout4は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、主として凝縮器によっている。本実施例により、水素利用装置燃料側入口温度制御が可能となる。
【００６７】
〔実施例５〕
▲５▼の水素利用装置空気側入口温度は、出熱量Qout2により調整する。Qout2は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。本実施例により、水素利用装置空気側入口温度制御が可能となる。
【００６８】
〔実施例６〕
▲６▼の水素利用装置入口燃料側，空気側圧力差は、空気流量#6により調整する。本実施例により、水素利用装置入口差圧制御が可能となる。
【００６９】
〔実施例７〕
▲７▼の燃焼器出口温度は、出熱量Qout5により調整する。Qout5は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。ちなみに上記図１５に示した実施形態では、排熱回収機器によっている。本実施例により、燃焼器出口温度制御が可能となる。
【００７０】
〔実施例８〕
▲８▼のＣＯ変成器入口温度は、出熱量Qout3により調整する。Qout3は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、再生熱交換器或いは燃料冷却器等によっている。本実施例により、ＣＯ変成器入口温度制御が可能となる。
【００７１】
なお、上記実施例１から実施例８までの制御は、通常は単独で行われるものではなく、適宜組み合わされることにより、ＳＯＦＣと水素利用装置の協調動作が行われる。
【００７２】
〔実施例９〕
分岐部３２の分配率を操作し、熱電比率指令を変える。本実施例により、ユーザーからの要求に応じた熱電比率可変運転が可能となる。
【００７３】
〔実施例１０〕
エジェクタ駆動ガス流量(#3or#4or#5or#6)を、昇温，降温，発電等の運転モードにより切り換える。本実施例により、運転モードに応じた最適（高効率）な駆動ガス組成の選択が可能となる。
【００７４】
〔実施例１１〕
水素利用装置にガスタービンを用いたシステムにおいて、排燃料と排空気による燃焼ガスにより、タービン入口空気温度を調整する。この場合、排燃料と排空気の供給量は、熱電比率を先行信号として用いて変化させる。本実施例により、タービン入口温度制御が可能となる。
【００７５】
なお、特許請求の範囲で言う熱回収機器は、実施形態における各種熱交換器，排熱回収機器等に対応している。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料利用率が高く、さらには発電効率，熱利用率を含めた総合効率を向上させた、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムを提供することができる。また、本システムに適用可能な制御システムにより、制御量に関する制約を遵守した運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図７】本発明の第７の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図８】本発明の第８の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図９】本発明の第９の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１０】本発明の第１０の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１１】本発明の第１１の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１２】本発明の第１２の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１３】本発明の第１３の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１４】本発明の第１４の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１５】本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに付加される、熱供給量増加運転システムの系統図。
【図１６】本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに適用可能な、制御システムの系統図。
【図１７】本制御システムのブロック図。
【符号の説明】
１ 再生熱交換器
２ エジェクタ
３ ＳＯＦＣ
４ 燃料冷却器
５ ＣＯ変成器
６，１９ 凝縮器
７ ガス再循環ファン
８ 水素利用装置
９ 押込ファン
１０ 高温空気予熱器
１１，１３ 煙突
１２，１４ 排熱回収機器
１５ 熱交換器
１６ ガス再循環ファン
１７ 排熱回収機器
１８ 温度調節器
２０ 燃焼器
２１ 排熱回収機器
２２ 煙突
３１〜３７ 分岐部
４１，４２ 混合部
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に水素利用装置を併設した、水素利用システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に、水素を利用した作用を行う水素利用装置を併設したシステムが提案されている。このようなシステムの一般的な特長としては、一つには、ＳＯＦＣと水素利用装置とをそれぞれ単体で使用するよりも、併設することにより使用効率が高くなることが挙げられる。
【０００３】
これは主として、水素利用装置においてＳＯＦＣの排燃料を利用することができるためである。また、水素利用装置を、水素を燃料として発電する燃料電池とした場合は、燃料電池同士の組合せとなるため、クリーンで環境性に優れ、騒音が小さい発電システムとなる。
【０００４】
水素利用装置としては、例えば水素を燃料として発電する燃料電池としてリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ），固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等があり、その他、水素ガスタービン，水素貯蔵装置等が挙げられる。なお、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質型燃料電池と同義である。以下に、ＳＯＦＣに水素利用装置を併設するに当たっての留意点について述べる。
【０００５】
まず、水素利用装置においては、原燃料である天然ガス（メタン主体の炭化水素）を直接使用することはできないため、これを水素利用装置に導入する前に、水素へ変換即ち改質する必要がある。ここで改質とは、例えば天然ガスの主成分であるメタンから、水蒸気によりＨ2（水素），ＣＯ（一酸化炭素）を得る下記反応のことである。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
【０００６】
このとき、ＳＯＦＣにおいてはＨ2，ＣＯ共に燃料にできるが、水素利用装置においては主としてＨ2しか使用することができない。特に、水素を燃料として発電する燃料電池の場合は、これにＣＯが導入されると、白金触媒がＣＯによって被毒され、発電が行えなくなる。従って、水素利用装置へ導入されるＣＯ量を低減させる必要がある。
【０００７】
一方、ＳＯＦＣの排燃料を有効利用することにより燃料利用率を高め、発電効率ひいては総合効率を向上させることが必要である。そこで、この排燃料に含まれる未利用のＣＯ、或いは上述した原燃料の改質により得られたＣＯを、水素に変換つまり変成する必要がある。ここで変成とは、ＣＯを水蒸気によりＣＯ2（二酸化炭素），Ｈ2に変換する下記反応のことである。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【０００８】
その他、燃料循環系統を配置することにより燃料利用率を高め、発電効率ひいては総合効率を向上させることが必要である。また、ＳＯＦＣの動作温度が９００℃程度であるのに対し、例えばＰＥＦＣの動作温度は８０℃程度である。このように、動作温度の差が非常に大きい場合があるので、最適な熱交換器の配置など、熱ロスの少ない熱システムにより、システム構成する必要がある。
【０００９】
上述したようなシステムとしては、例えばハイブリッド燃料電池発電装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。これは、主な構成として、炭化水素系またはアルコール系の原燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質する改質器と、改質器で改質されたガスが供給され水素と一酸化炭素の両方を燃料として発電する第一の燃料電池と、第一の燃料電池の燃料極からの排出ガスが燃料ガスとして供給される固体高分子型燃料電池とを備えたものである。
【００１０】
また、ハイブリッド型燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献２参照）。これは、主な構成として、断熱容器内に配置された固体電解質型燃料電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し、固体電解質型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利用し、且つ、該水蒸気改質器の下流側で断熱容器外に固体高分子型燃料電池を配置することにより、固体電解質型燃料電池による発電とともに固体高分子型燃料電池による発電を行うようにしてなることを特徴とするものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−３０６３６９号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６６９２４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている構成では、外部改質器を必要としており、ＳＯＦＣの直前に外部改質器を配置している（改質器１）。ところが、外部改質器を運転するためには、加熱源が必要であるので、熱ロスが大きくなる。
【００１３】
また、ＳＯＦＣ出口の排燃料を（リターン流路１３により）ＳＯＦＣ入口に循環させることによって、ＰＥＦＣへ導入されるＣＯ量を制御している。ところが、ＣＯのみを選択的に循環させるのは非常に難しいため、その制御は難しい。即ち、ガス中のＣＯ濃度としては、どのように制御しても同じになる。
【００１４】
また、前述のように、ＰＥＦＣへのＣＯ導入量低減を目的としたＳＯＦＣ周りの燃料再循環系統はあるが、燃料利用率向上を目的とした燃料再循環系統はないので、発電効率は低くなる。
【００１５】
また、上記特許文献２に記載されている構成では、同様にして外部改質器を必要としており、ＳＯＦＣの直前に外部改質器を配置している（予備改質器Ａ，改質器Ｂ）。ところが、上述したように、外部改質器を運転するためには、加熱源が必要であるので、熱ロスが大きくなる。
【００１６】
また、ＳＯＦＣ排燃料の一部と原燃料が、改質器及びシフト反応器等（ＣＯ変成器）を経てＰＥＦＣに供給される構成となっている。そして、ＰＥＦＣに供給されない、残りのＳＯＦＣ排燃料は、燃焼させることにより外部改質器の保温に利用されている。このため、発電に対する燃料の有効利用がなされておらず、燃料利用率が低くなるので、発電効率も低くなる。さらに、燃料再循環系統がないので、燃料利用率は向上せず、発電効率は低くなる。
【００１７】
本発明は、このような問題点に鑑み、燃料利用率が高く、さらには発電効率，熱利用率を含めた総合効率を向上させた、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素を水素に変換するＣＯ変成器、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料を該固体酸化物形燃料電池へ再循環する第１の再循環系統、及び前記ＣＯ変成器後段より前記第１の再循環系統へ再循環する第２の再循環系統を持つシステムと、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを有し、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して、他方と混合し燃焼させる燃焼器を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素を水素に変換するＣＯ変成器、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを有し、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して、他方と混合し燃焼させる燃焼器を備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、前記固体酸化物形燃料電池で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする。また、前記ＣＯ変成器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする。また、前記燃焼器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする。また、前記水素利用装置は、水素を燃料として発電する燃料電池或いは水素ガスタービン或いは水素貯蔵装置であることを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記固体酸化物形燃料電池及び前記水素利用装置における所定の各状態量を、フィードフォアード制御に掛かる熱電比率指令により協調させて制御するようにしたことを特徴とする。また、前記所定の各状態量とは、前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側，空気側圧力差、並びに前記水素利用装置における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側，空気側圧力差であることを特徴とする。
【００２３】
また、前記所定の各状態量として、前記水素利用装置の直前に配置したＣＯ変成器の入口温度、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気を混合して燃焼させる燃焼器の出口温度を加えたことを特徴とする。また、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料が前記ＣＯ変成器及び前記燃焼器へと分岐する分岐部の分配率を操作し、前記熱電比率指令を変えるようにしたことを特徴とする。
【００２４】
また、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料を再循環するエジェクタの駆動ガス流量を、運転モードにより切り換えるようにしたことを特徴とする。
【００２５】
その他、前記水素利用装置はガスタービンであり、前記所定の各状態量とは、前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側，空気側圧力差、並びにタービン入口温度であることを特徴とする。また、前記所定の各状態量として、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気を混合して燃焼させる燃焼器の出口温度を加えたことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明では、ＳＯＦＣに水素利用装置を併設するに当たっての上述した留意点及び従来技術の問題点を解決するため、以下に示すようなシステム構成とする。
【００２７】
１．改質はＳＯＦＣ内部で行い、外部改質器を必要としないシステム
２．水素利用装置へのＣＯ量低減のため、水素利用装置入口側にＣＯ変成器を配置したシステム
３．水素利用装置への燃料は、ＳＯＦＣ排燃料とするシステム
４．燃料の再循環系統を設けるシステム
５．上記１〜４を組み込み、効率的な熱回収機器で構成した熱システム
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。同図は、ＳＯＦＣ燃料再循環にエジェクタ方式を採用した基本システムを示している。同図において、供給された燃料（例えば天然ガス）は、再生熱交換器１で後述する排燃料と熱交換することにより加熱され、エジェクタ２を経てＳＯＦＣ３へ導入される。導入直前の燃料温度は、ＳＯＦＣの動作温度である９００℃程度となっている。
【００２９】
ＳＯＦＣ３においては、燃料は内部改質されるとともに、後述する空気との間で電池反応が行われる。このときの発熱により、ＳＯＦＣ３からの排燃料は１０００℃程度となっている。ＳＯＦＣ３からの排燃料の一部は、負圧によりエジェクタ２に戻り、ＳＯＦＣ３へと再循環される。また、排燃料の残りは燃料冷却器４で空気と熱交換することにより冷却され、更に再生熱交換器１で燃料と熱交換することにより冷却されて、ＣＯ変成器５へ導入される。導入直前の排燃料温度は、ＣＯ変成器の動作温度である３５０℃〜４５０℃程度となっている。
【００３０】
ＣＯ変成器５で変成された排燃料は、凝縮器６で凝縮されて水分が除去された後、ガス再循環ファン（ＧＲＦ）７を経て一部が新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。これは、燃料利用率を向上させるとともに、エジェクタ２駆動用の圧力を確保するために行われる。また、残りの排燃料は水素利用装置８へ導入される。
【００３１】
一方、本システムに供給された空気は、押込ファン（ＦＤＦ）９を経て燃料冷却器４で排燃料と熱交換することにより加熱され、更に高温空気予熱器１０でＳＯＦＣ３からの排空気と熱交換することにより加熱されて、ＳＯＦＣ３へ導入される。ＳＯＦＣ３においては、上述したように燃料との間で電池反応が行われる。そして、ＳＯＦＣ３からの排空気は高温空気予熱器１０で上記供給された空気と熱交換することにより冷却され、煙突１１より大気放出される。
【００３２】
なお、図中、再生熱交換器１の直後より分岐する*1、及び高温空気予熱器１０直後より分岐する*2は、それぞれＳＯＦＣ排燃料及び排空気を取り出す経路であり、後述する熱供給量増加運転システムに用いられる系統である。これは、以下の各実施形態においても同様に設けられている。その他、水素利用装置８をＰＥＦＣとする場合は、内部の飽和含水状態を保つために、別途加湿器が必要となる。
【００３３】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図１で示した、第１の実施形態の構成に加えて、排熱回収機器を組み込み、冷暖房，給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。
【００３４】
具体的には、ＣＯ変成器５における反応による熱を水或いは空気に取り込み、この熱を排熱回収機器１２で回収した後、残った水（水蒸気）或いは空気を煙突１３より大気放出する。また、高温空気予熱器１０と煙突１１との間に排熱回収機器１４を設け、高温空気予熱器１０からの排空気における熱を排熱回収機器１４で回収する。
【００３５】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図１で示した、第１の実施形態の構成に対して、燃料供給位置が異なる構成としている。具体的には、ＳＯＦＣ３からの排燃料の一部がエジェクタ２に戻る直前の位置より燃料を供給する。これにより、エジェクタ２へのガスの吸込流量を増加させることができる。さらに、第１及び第３の実施形態の構成を組み合わせることにより、エジェクタ２ひいてはＳＯＦＣ３へのガスの流量調節が可能となる。
【００３６】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図３で示した、第３の実施形態の構成に加えて、排熱回収機器を組み込み、冷暖房，給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。
【００３７】
具体的には、上記図２で示した、第２の実施形態の構成と同様にして、ＣＯ変成器５における反応による熱を水或いは空気に取り込み、この熱を排熱回収機器１２で回収した後、残った水（水蒸気）或いは空気を煙突１３より大気放出する。また、高温空気予熱器１０と煙突１１との間に排熱回収機器１４を設け、高温空気予熱器１０からの排空気における熱を排熱回収機器１４で回収する。
【００３８】
図５は、本発明の第５の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図１で示した、第１の実施形態の構成に対して、燃料側については再生熱交換器１と燃料冷却器４の位置を入れ替え、空気側についてはＳＯＦＣ３からの排燃料とＳＯＦＣ３への入口空気との間に熱交換器１５を設置している。これにより、システム内での熱利用率（熱交換率）を高め、ＳＯＦＣ３の高温運転を可能として、発電効率を高めている。
【００３９】
また、上記と同様にして排熱回収機器１２，１４を組み込み、冷暖房，給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。このことは、以下の各実施形態においても同様である。その他、熱交換器１５と水素利用装置８との間に凝縮器１９を挿入している。
【００４０】
図６は、本発明の第６の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図５で示した、第５の実施形態の構成に対して、燃料冷却器及び熱交換器を省略し、システムを簡素化し低コストとしている。
【００４１】
図７は、本発明の第７の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。同図は、ＳＯＦＣ燃料再循環に高温再循環ファン方式を採用したシステムを示している。本実施形態では、上記図１で示した、第１の実施形態の構成に対して、エジェクタ２の代わりに、高温に対応したガス再循環ファン１６を設け、燃料を再循環している。
【００４２】
ここでは再生熱交換器や燃料冷却器が不用となり、システムが簡素化され低コストとなっている。また、ＳＯＦＣ３からの排燃料を水素利用装置８へ導入する前に、排熱回収機器１７で熱回収を行う構成とし、冷暖房，給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。
【００４３】
但し、再循環される燃料の過熱を抑えるため、ガス再循環ファン１６の直後には、空冷或いは水冷等の温度調節器１８が設けられている。これは、後述する第８，第１１，及び第１２の実施形態においても同様である。或いは、図示しないが、温度調節器１８の代わりに、ＳＯＦＣ３の燃料側入口と空気側入口との間に、熱交換器を入れても良い。これにより、再循環される燃料の熱利用が行えるとともに、ＳＯＦＣ３の燃料側と空気側の入口温度を揃えることができ、また高温空気予熱器１０のサイズを小さくすることができる。
【００４４】
図８は、本発明の第８の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図７で示した、第７の実施形態の構成に対して、排熱回収機器１７の代わりに燃料冷却器４を設け、ＳＯＦＣ３へ導入される空気を排燃料と熱交換することにより加熱する構成としている。これにより、ＳＯＦＣ３の高温運転が可能となり、発電効率が向上する。
【００４５】
図９は、本発明の第９の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図７で示した、第７の実施形態の構成に対して、ＳＯＦＣ燃料再循環に通常の再循環ファン７を採用している。これにより、安価なファンが利用できる。但し、再生熱交換器１及び凝縮器１９が必要となる。
【００４６】
図１０は、本発明の第１０の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図９で示した、第９の実施形態の構成に対して、排熱回収機器１７の代わりに燃料冷却器４を設け、ＳＯＦＣ３へ導入される空気を排燃料と熱交換することにより加熱する構成としている。これにより、ＳＯＦＣ３の高温運転が可能となり、発電効率が向上する。
【００４７】
図１１は、本発明の第１１の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図７で示した、第７の実施形態の構成に加えて、ＣＯ変成器５出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統に戻し、ＳＯＦＣ３側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【００４８】
図１２は、本発明の第１２の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図８で示した、第８の実施形態の構成に加えて、ＣＯ変成器５出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統にリターンさせ、ＳＯＦＣ３側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【００４９】
なお、上記第１１或いは第１２の実施形態において、ＣＯ変成器５出口からのリターン系統を、凝縮器６出口からのリターン系統とすることにより、リターンさせるガスの余分な水分を取り除くことができ、ＳＯＦＣの効率が上がる。また、冷却ができるので温度調節器１８が不用となる。
【００５０】
図１３は、本発明の第１３の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図９で示した、第９の実施形態の構成に加えて、ＣＯ変成器５出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統に戻し、ＳＯＦＣ３側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【００５１】
図１４は、本発明の第１４の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図１０で示した、第１０の実施形態の構成に加えて、ＣＯ変成器５出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統に戻し、ＳＯＦＣ３側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【００５２】
なお、上述した各実施形態においては、ＣＯ変成器５が用いられているが、水素利用装置８として、特に水素の純度を必要としない機器を使用する場合については、このようなＣＯ変成器はなくても良い。また、燃料供給位置や、ＳＯＦＣ排燃料，排空気の分岐位置は、上記各実施形態で示した位置に限定されない。
【００５３】
図１５は、本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに付加される、熱供給量増加運転システムの系統図である。同図に示すように、本例では上記第１〜第１４の実施形態において、*1で示した経路からのＳＯＦＣ排燃料の一部或いは全部、及び*2で示した経路からのＳＯＦＣ排空気の一部或いは全部を混合する。そして、これを燃焼器２０で燃焼させ、得られた高温ガスの排熱を排熱回収機器２１により回収した後、このガスを煙突２２から大気放出する。これにより、冷暖房，給湯等への熱供給量を増加させることができる。
【００５４】
ところで、図１６は、本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに適用可能な、制御システムの系統図である。同図は、ＳＯＦＣ燃料再循環にエジェクタ方式を採用したシステムを制御する場合を例示している。そして、水素利用装置としては、ＳＯＦＣ以外の燃料電池を用いている。さらに、上記熱供給量増加運転システムを付加している。同図において、矢印で示したQinは入熱量、を、Qoutは出熱量を示している。また、#1〜#6は、燃料或いは空気の供給或いは再循環の系統、及びそのガス流量を示している。
【００５５】
本システムでは、主たる制御量として、以下の８つの状態量がある。
▲１▼ＳＯＦＣ燃料側入口温度
▲２▼ＳＯＦＣ空気側入口温度
▲３▼ＳＯＦＣ入口燃料側，空気側圧力差
▲４▼水素利用装置燃料側入口温度
▲５▼水素利用装置空気側入口温度
▲６▼水素利用装置入口燃料側，空気側圧力差
▲７▼燃焼器出口温度
▲８▼ＣＯ変成器入口温度
また、水素利用装置にガスタービンを用いたシステムでは、上記▲４▼，▲５▼，▲６▼，▲８▼に代わり、タービン入口温度が制御量となる。
【００５６】
同図において、#1より供給された燃料は、入熱量Qin1で加熱され、エジェクタ２を経てＳＯＦＣ３へ導入される。ＳＯＦＣ３からの排燃料は、分岐部３１で分岐され、一部は負圧によりエジェクタ２に戻り、ＳＯＦＣ３へと再循環される。また、排燃料の残りは更に分岐部３２で分岐され、一部が出熱量Qout3で冷却されて、ＣＯ変成器５へ導入される。
【００５７】
ＣＯ変成器５で変成された排燃料は、出熱量Qout4で冷却された後、分岐部３４で分岐され、一部は#3からガス再循環ファン７を経て、混合部４１で#1からの新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。また、残りの排燃料は水素利用装置８へ導入される。
【００５８】
一方、#2より供給された空気は、押込ファン９を経て入熱量Qin2で加熱されて、ＳＯＦＣ３へ導入される。ＳＯＦＣ３からの排空気は、出熱量Qout1で冷却され、分岐部３３で分岐される。そして、一部は更に出熱量Qout2で冷却され、更に分岐部３７で分岐されて、一部は#6からガス再循環ファン７を経て、混合部４１で#1からの新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。或いは後述するように煙突から大気放出される。また、分岐部３７で分岐された残りの排燃料は水素利用装置８へ導入される。
【００５９】
加えて、上述した分岐部３２で分岐された残りの排燃料は、*1から燃焼器２０へ導入される。また、上述した分岐部３３で分岐された残りの排空気は、*2から燃焼器２０へ導入される。そして、これらを混合して燃焼器２０で燃焼させ、得られた高温ガスをQout5で冷却即ち排熱回収する。さらに、このガスは分岐部３６で分岐されて、一部は#5からガス再循環ファン７を経て、混合部４１で#1からの新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。また、残りのガスは上記#6からの排空気と混合部４２で混合され、煙突から大気放出される。
【００６０】
その他、水素利用装置８からの排燃料は、分岐部３５で分岐されて、一部は#4からガス再循環ファン７を経て、混合部４１で#1からの新しい燃料と混合され、ＳＯＦＣ３へと再循環される。
【００６１】
以下、本制御システムの制御内容について説明する。図１７は、本制御システムのブロック図である。同図に示すように、ここではＳＯＦＣ排燃料の熱電比率指令をＦＦ（フィードフォアード）制御の先行信号として用いる。ここで、熱電比率とは、ＳＯＦＣと水素利用装置（他の燃料電池）の発電比率と、ＣＯ変成器や燃焼器での発熱も併せた発熱と発電の比率との、両方の概念を含んでいる。
【００６２】
さて、この熱電比率指令を受けてＦＦ制御５１を行うと、上記▲１▼〜▲８▼の制御量における目標値が決まってくる。このとき、▲１▼〜▲８▼の実際の観測量が目標値に一致するようにＦＢ（フィードバック）制御５２を行うために、上記Qin，Qout，#で示された操作量を変化させる。以下に、その具体例を各実施例で示す。
【００６３】
〔実施例１〕
▲１▼のＳＯＦＣ燃料側入口温度は、入熱量Qin1により調整する。Qin1は、電気ヒータ等の外部熱源によるものでも、系統内高温部からの熱回収によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、再生熱交換器或いは高温再循環ファンによっている。本実施例により、ＳＯＦＣ燃料側入口温度制御が可能となる。
【００６４】
〔実施例２〕
▲２▼のＳＯＦＣ空気側入口温度は、入熱量Qin2により調整する。Qin2は、電気ヒータ等の外部熱源によるものでも、系統内高温部からの熱回収によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、主として高温空気予熱器によっている。本実施例により、ＳＯＦＣ空気側入口温度制御が可能となる。
【００６５】
〔実施例３〕
▲３▼のＳＯＦＣ入口燃料側，空気側圧力差は、空気流量#2或いはエジェクタ駆動ガス流量(#3or#4or#5or#6)により調整する。本実施例により、ＳＯＦＣ入口差圧制御が可能となる。
【００６６】
〔実施例４〕
▲４▼の水素利用装置燃料側入口温度は、出熱量Qout4により調整する。Qout4は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、主として凝縮器によっている。本実施例により、水素利用装置燃料側入口温度制御が可能となる。
【００６７】
〔実施例５〕
▲５▼の水素利用装置空気側入口温度は、出熱量Qout2により調整する。Qout2は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。本実施例により、水素利用装置空気側入口温度制御が可能となる。
【００６８】
〔実施例６〕
▲６▼の水素利用装置入口燃料側，空気側圧力差は、空気流量#6により調整する。本実施例により、水素利用装置入口差圧制御が可能となる。
【００６９】
〔実施例７〕
▲７▼の燃焼器出口温度は、出熱量Qout5により調整する。Qout5は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。ちなみに上記図１５に示した実施形態では、排熱回収機器によっている。本実施例により、燃焼器出口温度制御が可能となる。
【００７０】
〔実施例８〕
▲８▼のＣＯ変成器入口温度は、出熱量Qout3により調整する。Qout3は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、再生熱交換器或いは燃料冷却器等によっている。本実施例により、ＣＯ変成器入口温度制御が可能となる。
【００７１】
なお、上記実施例１から実施例８までの制御は、通常は単独で行われるものではなく、適宜組み合わされることにより、ＳＯＦＣと水素利用装置の協調動作が行われる。
【００７２】
〔実施例９〕
分岐部３２の分配率を操作し、熱電比率指令を変える。本実施例により、ユーザーからの要求に応じた熱電比率可変運転が可能となる。
【００７３】
〔実施例１０〕
エジェクタ駆動ガス流量(#3or#4or#5or#6)を、昇温，降温，発電等の運転モードにより切り換える。本実施例により、運転モードに応じた最適（高効率）な駆動ガス組成の選択が可能となる。
【００７４】
〔実施例１１〕
水素利用装置にガスタービンを用いたシステムにおいて、排燃料と排空気による燃焼ガスにより、タービン入口空気温度を調整する。この場合、排燃料と排空気の供給量は、熱電比率を先行信号として用いて変化させる。本実施例により、タービン入口温度制御が可能となる。
【００７５】
なお、特許請求の範囲で言う熱回収機器は、実施形態における各種熱交換器，排熱回収機器等に対応している。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料利用率が高く、さらには発電効率，熱利用率を含めた総合効率を向上させた、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムを提供することができる。また、本システムに適用可能な制御システムにより、制御量に関する制約を遵守した運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図７】本発明の第７の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図８】本発明の第８の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図９】本発明の第９の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１０】本発明の第１０の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１１】本発明の第１１の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１２】本発明の第１２の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１３】本発明の第１３の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１４】本発明の第１４の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図１５】本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに付加される、熱供給量増加運転システムの系統図。
【図１６】本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに適用可能な、制御システムの系統図。
【図１７】本制御システムのブロック図。
【符号の説明】
１ 再生熱交換器
２ エジェクタ
３ ＳＯＦＣ
４ 燃料冷却器
５ ＣＯ変成器
６，１９ 凝縮器
７ ガス再循環ファン
８ 水素利用装置
９ 押込ファン
１０ 高温空気予熱器
１１，１３ 煙突
１２，１４ 排熱回収機器
１５ 熱交換器
１６ ガス再循環ファン
１７ 排熱回収機器
１８ 温度調節器
２０ 燃焼器
２１ 排熱回収機器
２２ 煙突
３１〜３７ 分岐部
４１，４２ 混合部
Claims (18)
- 燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素を水素に変換するＣＯ変成器、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料を該固体酸化物形燃料電池へ再循環する第１の再循環系統、及び前記ＣＯ変成器後段より前記第１の再循環系統へ再循環する第２の再循環系統を持つシステムと、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを備えたことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。 - 前記固体酸化物形燃料電池で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記ＣＯ変成器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを有し、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して、他方と混合し燃焼させる燃焼器を備えたことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。 - 前記固体酸化物形燃料電池で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項４に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記燃焼器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素を水素に変換するＣＯ変成器、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを有し、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して、他方と混合し燃焼させる燃焼器を備えたことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。 - 前記固体酸化物形燃料電池で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項７に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記ＣＯ変成器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記燃焼器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれかに記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記水素利用装置は、水素を燃料として発電する燃料電池或いは水素ガスタービン或いは水素貯蔵装置であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記固体酸化物形燃料電池及び前記水素利用装置における所定の各状態量を、フィードフォアード制御に掛かる熱電比率指令により協調させて制御するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項４又は請求項７に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記所定の各状態量とは、前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側，空気側圧力差、並びに前記水素利用装置における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側，空気側圧力差であることを特徴とする請求項１２に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記所定の各状態量として、前記水素利用装置の直前に配置したＣＯ変成器の入口温度、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気を混合して燃焼させる燃焼器の出口温度を加えたことを特徴とする請求項１３に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料が前記ＣＯ変成器及び前記燃焼器へと分岐する分岐部の分配率を操作し、前記熱電比率指令を変えるようにしたことを特徴とする請求項１４に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料を再循環するエジェクタの駆動ガス流量を、運転モードにより切り換えるようにしたことを特徴とする請求項１２に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記水素利用装置はガスタービンであり、前記所定の各状態量とは、前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側，空気側圧力差、並びにタービン入口温度であることを特徴とする請求項１２に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
- 前記所定の各状態量として、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気を混合して燃焼させる燃焼器の出口温度を加えたことを特徴とする請求項１７に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
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