JP2007042437A - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用する固体酸化物形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell system that generates electric power using a solid oxide fuel cell using a solid oxide as an electrolyte and uses exhaust heat obtained at the same time.
上記のような固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物の電解質を挟んで一方側の燃料極に供給された水素と他方側の空気極に供給された酸素との電気化学反応により発電を行うように構成されている。
即ち、上記空気極では、酸素が電子と反応して酸素イオンになり、上記固体酸化物からなる電解質では、その酸素イオンを空気極側から燃料極側へ運び、上記燃料極では、水素が酸素イオンと反応して水蒸気と電子とを生成することにより、空気極と燃料極との間に起電力を発生させて発電を行うように構成されている。
The solid oxide fuel cell as described above generates power by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to one fuel electrode and oxygen supplied to the other air electrode with a solid oxide electrolyte interposed therebetween. It is configured as follows.
That is, in the air electrode, oxygen reacts with electrons to form oxygen ions, and in the electrolyte made of the solid oxide, the oxygen ions are transported from the air electrode side to the fuel electrode side. By reacting with ions to generate water vapor and electrons, an electromotive force is generated between the air electrode and the fuel electrode to generate electric power.
このような固体酸化物形燃料電池は、その作動温度が非常に高温(例えば800℃〜1000℃程度)であることから、発電と同時に高温の熱が排出され、例えば空気極からは高温(例えば380℃程度)の排気が排出される。
そして、固体酸化物形燃料電池を備えた従来の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、このような高温の排熱を有効利用してエネルギ効率を向上することが重要である。
Since such a solid oxide fuel cell has an extremely high operating temperature (for example, about 800 ° C. to 1000 ° C.), high-temperature heat is discharged at the same time as power generation. Exhaust of about 380 ° C. is discharged.
And in the conventional solid oxide fuel cell system provided with the solid oxide fuel cell, it is important to improve energy efficiency by effectively utilizing such high-temperature exhaust heat.
排熱を有効利用するための従来方法としては、排熱により生成された水蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う方法(例えば、特許文献1及び特許文献2を参照。)や、排熱と大気との温度差を利用して熱電変換材料のゼーベック効果により発電を行う方法(例えば、特許文献3を参照。)等が知られており、このような発電電力を、例えば固体酸化物形燃料電池の発電電力に加えて電力消費部に供給して利用することができる。
As a conventional method for effectively using exhaust heat, a method of generating power by driving a steam turbine with steam generated by exhaust heat (see, for example,
尚、上記特許文献2に記載されている蒸気タービンは、薄型の固定ディスク及び回転ディスクの組み合わせを同軸上に多数稠密に重ね合わせるという特徴を有するディスク型半径流タービンであり、高効率と小型化とを同時に実現可能とされている。
The steam turbine described in
一方、上記特許文献3に記載されている熱電変換材料は、例えばBi,Sr,Te,Co及びOを構成元素として含む特性組成の複合酸化物であり、耐熱性に優れ高い熱電変換効率を実現することができるとされている。 On the other hand, the thermoelectric conversion material described in Patent Document 3 is a complex oxide having a characteristic composition containing, for example, Bi, Sr, Te, Co and O as constituent elements, and has excellent heat resistance and high thermoelectric conversion efficiency. It is supposed to be possible.
更に、燃料電池の排熱は、上記のような発電用に利用する以外に、給湯用や暖房用の温水を生成するための熱源や、燃料電池に供給される空気を予熱するための熱源として利用される場合がある。 Further, the exhaust heat of the fuel cell is used as a heat source for generating hot water for hot water supply or heating, or a heat source for preheating air supplied to the fuel cell, in addition to being used for power generation as described above. May be used.
例えば、固体酸化物形燃料電池の高温排熱を有効利用するために、固体酸化物形燃料電池の空気極から排出される排気との熱交換により水を加熱して蒸気タービン駆動用等に利用される水蒸気を生成するように構成された固体酸化物形燃料電池システムにおいて、上記排気温度が低下することにより、有効に利用できる程度の十分な量の水蒸気を生成することができない場合がある。
また、十分な量の水蒸気を生成するために、固体酸化物形燃料電池の排気に燃料を供給して燃焼させ、排気温度を上昇させることが考えられるが、このような排気温度の上昇により、内部に水が供給され水蒸気を生成するための蒸発管の外表面温度が過剰に昇温して熱損傷することが懸念される。
For example, in order to effectively utilize the high-temperature exhaust heat of a solid oxide fuel cell, water is heated by heat exchange with the exhaust discharged from the air electrode of the solid oxide fuel cell and used for driving a steam turbine, etc. In the solid oxide fuel cell system configured to generate the generated water vapor, there is a case where a sufficient amount of water vapor that can be effectively used cannot be generated due to a decrease in the exhaust temperature.
In order to generate a sufficient amount of water vapor, it is conceivable that fuel is supplied to the exhaust of the solid oxide fuel cell and burned to raise the exhaust temperature. There is a concern that the outer surface temperature of the evaporation pipe for generating water vapor by supplying water to the inside excessively increases the temperature and causes thermal damage.
一方、固体酸化物形燃料電池の高温排熱を有効利用するために、その高温排熱と大気との温度差を利用した熱電変換材料による発電を行うように構成された固体酸化物形燃料電池システムでは、熱電変換材料のヒートシンクの熱を大気に放熱することで放熱ロスが発生し、エネルギ効率を十分に向上することができないという問題がある。 On the other hand, in order to effectively utilize the high-temperature exhaust heat of the solid oxide fuel cell, the solid oxide fuel cell is configured to generate power by the thermoelectric conversion material using the temperature difference between the high-temperature exhaust heat and the atmosphere. In the system, there is a problem that heat loss is caused by radiating the heat of the heat sink of the thermoelectric conversion material to the atmosphere, and the energy efficiency cannot be sufficiently improved.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、高温排熱による熱損傷等を抑制しながら、固体酸化物形燃料電池の排熱を合理的に有効利用して、優れたエネルギ効率を実現する技術を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to exhaust heat from a solid oxide fuel cell while suppressing thermal damage due to high temperature exhaust heat in the solid oxide fuel cell system. It is in the point which provides the technology which implement | achieves the outstanding energy efficiency using rationally effectively.
上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用する固体酸化物形燃料電池システムであって、その第1特徴構成は、前記固体酸化物形燃料電池から排気通路に排出された排気に燃料を混合して燃焼可能なバーナ部と、前記排気通路に配置された蒸発管内に液体を供給して蒸気消費部に供給される蒸気を発生する蒸気発生部と、前記蒸発管の外表面に熱電変換材料を設け前記排気と前記蒸発管との温度差を利用して発電を行う熱発電部とを備えた点にある。 In order to achieve the above object, a solid oxide fuel cell system according to the present invention generates power by a solid oxide fuel cell using a solid oxide as an electrolyte, and at the same time uses solid heat to obtain the exhaust heat. A physical fuel cell system, the first characteristic configuration of which is disposed in the exhaust passage, and a burner section capable of combusting fuel mixed with the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell into the exhaust passage, and the exhaust passage. A steam generator for supplying liquid into the evaporation pipe and generating steam to be supplied to the steam consuming section; and a thermoelectric conversion material is provided on the outer surface of the evaporator pipe to utilize the temperature difference between the exhaust and the evaporator pipe And a thermoelectric generator that generates electric power.
上記第1特徴構成によれば、固体酸化物形燃料電池から排出される高温の排気が有する熱を、上記蒸気発生部による蒸気発生用及び上記熱発電部による発電用のエネルギ源として有効利用することができ、エネルギ効率の優れた固体酸化物形燃料電池システムを実現することができる。
即ち、上記蒸気発生部により、固体酸化物形燃料電池から排出された比較的高温の排気を利用して液体を加熱し蒸気を発生することができ、その蒸気を熱等として利用可能となる。同時に、上記熱発電部により、固体酸化物形燃料電池から排出された比較的高温の排気と蒸気発生部に供給される比較的低温の液体との温度差を利用して熱電変換材料のゼーベック効果により発電を行うことができ、この発電電力を、例えば固体酸化物形燃料電池の発電電力に加えて電力消費部に供給して利用する、又は、別の用途に利用することができる。
更に、上記熱発電部は、蒸気発生部の蒸発管の外表面に耐熱性に優れた熱電変換材料を設けて構成されているので、比較的高温の排気が蒸気管に直接接触して蒸気管が熱損傷することを抑制することができる。
According to the first characteristic configuration, the heat of the high-temperature exhaust discharged from the solid oxide fuel cell is effectively used as an energy source for generating steam by the steam generation unit and generating power by the thermoelectric generation unit. Thus, a solid oxide fuel cell system with excellent energy efficiency can be realized.
That is, the steam generation unit can generate a vapor by heating the liquid using the relatively high temperature exhaust discharged from the solid oxide fuel cell, and the vapor can be used as heat. At the same time, the Seebeck effect of the thermoelectric conversion material by utilizing the temperature difference between the relatively high temperature exhaust discharged from the solid oxide fuel cell and the relatively low temperature liquid supplied to the steam generator by the thermoelectric generator. For example, in addition to the generated power of the solid oxide fuel cell, the generated power can be supplied to the power consuming unit and used, or can be used for another application.
Furthermore, since the thermoelectric generator is configured by providing a thermoelectric conversion material with excellent heat resistance on the outer surface of the vapor generating section, the steam pipe is brought into direct contact with the relatively high temperature exhaust gas. Can be prevented from being thermally damaged.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第2特徴構成は、前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気を前記排気通路において前記蒸発管よりも下流側の排気との熱交換により加熱する空気予熱部を備えた点にある。 The second characteristic configuration of the solid oxide fuel cell system according to the present invention is that the air supplied to the solid oxide fuel cell is heated in the exhaust passage by heat exchange with the exhaust downstream of the evaporation pipe. It is in the point provided with the air preheating part.
上記第2特徴構成によれば、固体酸化物形燃料電池の空気を、排気通路において蒸発管よりも下流側の排気、即ち上記蒸気発生部による蒸気発生用及び上記熱発電部による発電用に熱回収された後の比較的低温の排気との熱交換により加熱することにより、その排気が有する熱を、固体酸化物形燃料電池に供給される空気の予熱用に利用して、エネルギ効率の一層の向上を実現することができる。 According to the second characteristic configuration, the air of the solid oxide fuel cell is heated in the exhaust passage for the exhaust downstream of the evaporation pipe, that is, for steam generation by the steam generation unit and power generation by the thermoelectric generation unit. Heating by heat exchange with the relatively low temperature exhaust gas after being recovered makes it possible to use the heat of the exhaust gas for preheating air supplied to the solid oxide fuel cell, thereby further improving energy efficiency. Improvement can be realized.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第3特徴構成は、前記蒸気発生部の発生蒸気を消費する蒸気消費部として、前記発生蒸気により蒸気タービンを回転駆動して発電可能な蒸気タービン発電部を備え、更に、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記蒸気タービン発電部の発電電力が供給される電力消費部における電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、
前記蒸気タービン発電部への蒸気供給量を調整して、前記蒸気タービン発電部の発電出力を調整可能な蒸気発電出力調整手段と、
前記電力負荷検出手段の検出結果に基づいて前記蒸気発電出力調整手段を制御する蒸気発電出力制御手段とを備えた点にある。
A third characteristic configuration of the solid oxide fuel cell system according to the present invention is a steam turbine power generation capable of generating power by rotating a steam turbine by the generated steam as a steam consuming section that consumes the generated steam of the steam generating section. Part, and
A power load detecting means for detecting a power load in a power consuming unit to which the generated power of the solid oxide fuel cell and the steam turbine power generating unit is supplied;
Adjusting a steam supply amount to the steam turbine power generation unit, and adjusting a power generation output of the steam turbine power generation unit;
A steam power generation output control means for controlling the steam power generation output adjustment means based on the detection result of the power load detection means.
上記第3特徴構成によれば、上記蒸気発生部で発生した蒸気を蒸気消費部としての上記蒸気タービン発電部に供給して発電を行い、その発電電力を、固体酸化物形燃料電池の発電電力と合わせて又は個別に、電力消費部に供給して有効利用することができる。
更に、上記電力負荷検出手段で検出した電力消費部における電力負荷に基づいて、上記蒸気発電出力調整手段により調整される蒸気タービン発電部への蒸気供給量を制御して、蒸気タービン発電部の発電出力を電力消費部における電力負荷に合った適切なものとすることができる。よって、固体酸化物形燃料電池が電力消費部に供給するべき発電電力を安定させて、固体酸化物形燃料電池の発電出力の変動を抑制することができる。
According to the third characteristic configuration, the steam generated in the steam generation unit is supplied to the steam turbine power generation unit as a steam consumption unit to generate power, and the generated power is generated by the solid oxide fuel cell. In combination with or separately from the power consumption unit, it can be used effectively.
Further, based on the power load in the power consumption section detected by the power load detection means, the steam supply amount to the steam turbine power generation section adjusted by the steam power generation output adjustment means is controlled to generate power from the steam turbine power generation section. The output can be made suitable for the power load in the power consuming unit. Therefore, it is possible to stabilize the generated power that the solid oxide fuel cell should supply to the power consuming unit, and to suppress fluctuations in the power generation output of the solid oxide fuel cell.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第4特徴構成は、湯水を前記排気通路において前記蒸発管よりも下流側の排気との熱交換により加熱する第1熱交換部と、
前記第1熱交換部で加熱された湯水を前記蒸気タービン発電部から排出された蒸気との熱交換により加熱する第2熱交換部とを備えた点にある。
A fourth characteristic configuration of the solid oxide fuel cell system according to the present invention includes a first heat exchange unit that heats hot and cold water by heat exchange with the exhaust downstream of the evaporation pipe in the exhaust passage,
And a second heat exchange unit that heats the hot water heated by the first heat exchange unit by heat exchange with the steam discharged from the steam turbine power generation unit.
上記第4特徴構成によれば、上記第1熱交換部において、給湯用や暖房用等の湯水を、排気通路において蒸発管よりも下流側の排気、即ち上記蒸気発生部による蒸気発生用及び上記熱発電部による発電用に熱回収された後の比較的低温の排気との熱交換により加熱することにより、その排気が有する熱を、給湯用や暖房用等に利用して、エネルギ効率の一層の向上を実現することができる。更に、上記第2熱交換部において、上記第1熱交換部において加熱された湯水を、蒸気タービン発電部から排出された蒸気、即ち蒸気タービン発電部による発電用に熱回収された後の上記第1熱交換部に供給される排気よりも高温の蒸気との熱交換により、更に高温に加熱することができ、その高温の湯水を給湯用や暖房用等に有効利用することができる。 According to the fourth characteristic configuration, in the first heat exchanging section, hot water for hot water supply or heating is used, exhaust in the exhaust passage downstream of the evaporation pipe, that is, steam generation by the steam generation section and the above Heating by heat exchange with a relatively low temperature exhaust after heat recovery for power generation by the thermoelectric generator uses the heat of the exhaust for hot water supply, heating, etc. Improvement can be realized. Further, in the second heat exchanging section, the hot water heated in the first heat exchanging section is recovered from the steam discharged from the steam turbine power generation section, that is, the heat recovered for power generation by the steam turbine power generation section. 1 Heat can be heated to a higher temperature by heat exchange with steam higher than the exhaust gas supplied to the heat exchange section, and the hot water can be effectively used for hot water supply, heating, and the like.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第5特徴構成は、前記蒸気発生部が、前記蒸発管の側方に配置され該蒸発管の下端部と上端部とが接続され内部に液体が供給される気液分離器を有し、該気液分離器内の上方から蒸気を取り出すように構成され、更に、
前記気液分離器内に、前記液体の沸点よりも高い融点を有する潜熱蓄熱材が、前記気液分離器内の液体との間で熱交換可能な状態で、設けられている点にある。
According to a fifth characteristic configuration of the solid oxide fuel cell system according to the present invention, the vapor generating section is disposed on a side of the evaporation pipe, and a lower end portion and an upper end portion of the evaporation pipe are connected to each other so that a liquid is contained therein. A gas-liquid separator to be supplied, and configured to take out steam from above in the gas-liquid separator;
A latent heat storage material having a melting point higher than the boiling point of the liquid is provided in the gas-liquid separator in a state where heat can be exchanged with the liquid in the gas-liquid separator.
上記第5特徴構成によれば、蒸発管内の液体が排気通路を流通する排気との熱交換により加熱されて蒸発するのに伴って、蒸気発生部が有する気液分離器に貯留されている液体を、その気液分離器の側方に配置された蒸発管の下端部からその内部に供給することができる。また、蒸発管内で液体が蒸発して生成された蒸気は、その上端部を介して気液分離器内の上方に排出されるので、その蒸気に含まれる凝縮水を再び気液分離器に貯える形態で分離して、その適切な状態の蒸気を気液分離器内の上方から取り出すことができる。
更に、蒸発管内から気液分離器内に供給される蒸気の温度や量が変動する場合でも、気液分離器内に液体との間で熱交換可能な状態で設けられた潜熱蓄熱材が蒸発管内で蒸発する液体の沸点よりも高い融点付近の温度において潜熱を蓄放熱することにより、気液分離器の上方から取り出される蒸気の温度や量を安定させることができる。
According to the fifth characteristic configuration, as the liquid in the evaporation pipe is heated and evaporated by heat exchange with the exhaust flowing through the exhaust passage, the liquid stored in the gas-liquid separator included in the steam generation unit Can be supplied to the inside from the lower end portion of the evaporation pipe disposed on the side of the gas-liquid separator. Moreover, since the vapor | steam produced | generated when the liquid evaporated in the evaporation pipe is discharged | emitted upwards in a gas-liquid separator via the upper end part, the condensed water contained in the vapor | steam is again stored in a gas-liquid separator. Separating in the form, the vapor in an appropriate state can be taken out from above in the gas-liquid separator.
Furthermore, even when the temperature and amount of steam supplied from the evaporation pipe to the gas-liquid separator fluctuate, the latent heat storage material provided in the gas-liquid separator in a state where heat can be exchanged with the liquid evaporates. By storing and releasing the latent heat at a temperature in the vicinity of the melting point higher than the boiling point of the liquid evaporated in the tube, the temperature and amount of the steam taken out from above the gas-liquid separator can be stabilized.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第6特徴構成は、前記蒸気発生部の発生蒸気が流通する蒸気流路に、前記熱発電部の発電電力により作動し前記発生蒸気を過熱する蒸気ヒータ部を備え、更に、
前記蒸気流路に、前記液体の沸点よりも高温の融点を有する潜熱蓄熱材が、前記蒸気流路の蒸気との間で熱交換可能な状態で、設けられている点にある。
A sixth characteristic configuration of the solid oxide fuel cell system according to the present invention is a steam that is operated by power generated by the thermoelectric generator in a steam passage through which the steam generated by the steam generator circulates and superheats the generated steam. With a heater,
A latent heat storage material having a melting point higher than the boiling point of the liquid is provided in the steam channel in a state in which heat can be exchanged with the steam in the steam channel.
上記第6特徴構成によれば、上記熱発電部の発電電力を上記蒸気ヒータ部の作動電力として供給し、その蒸気ヒータ部により蒸気発生部の発生蒸気を有効利用が可能な高温の過熱蒸気に加熱することができる。
更に、蒸気発生部の発生蒸気の温度や量が変動する場合でも、蒸気流路に蒸気との間で熱交換可能な状態で設けられた潜熱蓄熱材が蒸発管内で蒸発する液体の沸点よりも高い融点付近の温度において潜熱を蓄放熱することにより、蒸気流路を通じて供給される蒸気の温度や量を安定させることができる。
According to the sixth characteristic configuration, the generated power of the thermoelectric generator is supplied as the operating power of the steam heater, and the steam generated by the steam generator is converted into high-temperature superheated steam that can be used effectively. Can be heated.
Furthermore, even when the temperature and amount of the steam generated in the steam generating section fluctuate, the latent heat storage material provided in the steam channel in a state where heat can be exchanged with the steam is more than the boiling point of the liquid that evaporates in the evaporation pipe. By storing and releasing the latent heat at a temperature near the high melting point, the temperature and amount of the steam supplied through the steam flow path can be stabilized.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの第7特徴構成は、水道水を精製して純水を生成する純水生成部と、前記純水を加熱して生成された水蒸気により燃料を水蒸気改質して前記固体酸化物形燃料電池に供給される水素を生成する改質部とを備え、
前記蒸気発生部が、前記純水生成部から供給された純水を前記液体として前記蒸発管に供給して水蒸気を発生するように構成されている点にある。
A seventh characteristic configuration of the solid oxide fuel cell system according to the present invention includes a pure water generating unit that purifies tap water to generate pure water, and steams the fuel by steam generated by heating the pure water. A reforming section for reforming and generating hydrogen to be supplied to the solid oxide fuel cell,
The steam generation unit is configured to generate water vapor by supplying the pure water supplied from the pure water generation unit as the liquid to the evaporation pipe.
上記第7特徴構成によれば、蒸気発生部が水蒸気を発生するので、その発生水蒸気を、例えば、調理対象物が収容される庫内に水蒸気を供給して該調理対象物の調理を行う調理機器、水蒸気を噴射して掃除を行う可搬式の掃除機器、室内に水蒸気を供給して該室内の加湿を行う加湿機器、食器が収容される食器収容部に水蒸気を噴射して該食器の洗浄を行う食器洗浄機器、水に水蒸気を混合して温水を生成する温水生成器、及び、調理物に水蒸気を吹きかけて該調理物を温める調理物加熱器等の蒸気消費部に供給して有効利用することができる。
更に、蒸気発生部の蒸発管には、新たに純水生成用の装置を設置することなく、改質部における燃料の水蒸気改質用に純水生成部で生成された純水を供給して、蒸発管内にスケール等の不純物が蓄積することによる液体の流通不良や伝熱不良等の問題を防止することができる。
According to the seventh characteristic configuration, since the steam generating unit generates steam, the steam that is generated is supplied to, for example, a chamber in which the object to be cooked is stored to cook the object to be cooked. Equipment, portable cleaning equipment for cleaning by jetting water vapor, humidifying equipment for supplying water vapor to the room to humidify the room, washing the tableware by jetting water vapor to the tableware storage part in which the tableware is stored Efficient use by supplying to steam consumption parts such as dishwashing equipment that performs cooking, hot water generator that mixes water with water vapor to produce hot water, and a cooking heater that sprays water vapor on food to heat the food can do.
Further, the pure water generated in the pure water generation unit is supplied to the steam generation unit for steam reforming of fuel in the reforming unit without installing a new device for generating pure water. In addition, problems such as poor liquid flow and poor heat transfer due to accumulation of impurities such as scale in the evaporation tube can be prevented.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの実施の形態について、図1に基づいて説明する。
固体酸化物形燃料電池システム(以下、「本発明システム」と呼ぶ。)100は、固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」と呼ぶ。)1により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用するものである。
そして、本発明システム100は、詳細構成については後述するが、SOFC1から排気通路5に排出された排気Eに燃料Gを混合して燃焼可能なバーナ部6と、排気通路5に配置された蒸発管11内に水W(液体の一例)を供給して蒸気消費部Xに供給される水蒸気S(蒸気の一例)を発生する蒸気発生部10と、蒸発管11の外表面に熱電変換材料21を設け排気Eと蒸発管11との温度差を利用して発電を行う熱発電部20とを備えることで、高温排熱による蒸発管11の熱損傷等を抑制しながら、同時に得られる排熱を、合理的に有効利用して、優れたエネルギ効率を実現するように構成されている。
An embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG.
A solid oxide fuel cell system (hereinafter referred to as “the system of the present invention”) 100 generates power using a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) 1 using a solid oxide as an electrolyte. In addition, the exhaust heat obtained at the same time is used.
The
SOFC1は、公知のものと同様の構成のものが利用できるため図示は省略するが、イオン導電性を有するイットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、セリア系酸化物等の固体酸化物を電解質として用いた燃料電池であり、その電解質の両側には、多孔質の空気極と燃料極とが設けられている。
The
そして、このようなSOFC1では、下記の[化1]に示すように、空気極において供給された酸素が電子と反応して酸素イオンになり、その酸素イオンが電解質を通じて燃料極に運ばれ、燃料極において供給された水素が電解質を通じて運ばれた酸素イオンと反応して水蒸気と電子とを生成することにより、空気極と燃料極との間に起電力を発生させて発電を行うように構成されている。尚、このSOFC1で発電された直流電力は、例えば、DC/ACインバータ81により交流電力に変換された後に、電気機器などの電力消費部80に供給され消費される。
In such SOFC1, as shown in [Chemical Formula 1] below, oxygen supplied at the air electrode reacts with electrons to become oxygen ions, and the oxygen ions are carried to the fuel electrode through the electrolyte, and the fuel The hydrogen supplied at the electrode reacts with oxygen ions carried through the electrolyte to generate water vapor and electrons, thereby generating an electromotive force between the air electrode and the fuel electrode to generate power. ing. Note that the DC power generated by the
[化1]
(空気極) O2+4e−→2O2−
(燃料極) 2H2+402−→2H2O+4e−
[Chemical 1]
(Air electrode) O 2 + 4e − → 2O 2−
(Fuel electrode) 2H 2 +40 2− → 2H 2 O + 4e −
また、上記空気極には、ファン32により酸素を含有する空気Aが供給され、一方、上記燃料極には、改質部2において都市ガス等の燃料Gを水蒸気改質して得られた水素を含有する水素富化ガスが供給される。
また、上記改質部2で利用される水蒸気は、純水生成部3において水道から供給された水Wを精製して純水を生成し、その純水を改質部2内で加熱されて得られる。
Also, air A containing oxygen is supplied to the air electrode by a
Further, the steam used in the reforming
また、SOFC1は、その作動温度が非常に高温(例えば800℃〜1000℃程度)であることから、燃料極からは高温の水蒸気が排出され、一方、空気極からは酸素が消費された後の高温の空気である排気Eが排出されるというように、発電と同時に高温の熱が排出される。
このようにしてSOFC1から排気通路5に排出される排気Eは、380℃程度と比較的高温であり、更に、未反応酸素が例えば10vol%程度残存する状態となっている。
Further, since the operating temperature of
Thus, the exhaust E discharged from the
バーナ部6は、SOFC1から排気通路5に排出された排気Eに燃料Gを混合して燃焼可能に構成されている。即ち、このバーナ部6は、排気通路5の入り口部において、SOFC1から排出された排気Eに、調整弁7による流量調整を伴って燃料Gを噴出させる形態で混合して、燃料Gをその排気Eに残存する酸素を利用して燃焼させるように構成されている。
The
また、このようなSOFC1から排出される排気Eの酸素濃度は、燃料Gを燃焼させるには十分であるが、大気の酸素濃度が約21vol%程度であるのに対して、約10vol%程度と若干低くなっている。よって、バーナ部6では、低酸素の排気を利用して燃料Gを燃焼させることから、緩慢燃焼による低NOx化が実現されている。
また、バーナ部6において、このようなSOFC1から排出された高温の排気Eを利用して燃料Gを燃焼させると、排気通路5を流通する排気Eは800℃以上と非常に高温になる。
Further, the oxygen concentration of the exhaust E discharged from the
Further, when the fuel G is combusted using the high-temperature exhaust E discharged from the
蒸気発生部10は、排気通路5に配置された蒸発管11内に水Wを供給して加熱し水蒸気Sを発生するように構成されている。即ち、この蒸気発生部10は、排気Eが流通する排気通路5において下方側から上方側に渡って蛇行配置された高熱伝導性の銅管等からなる蒸発管11と、その蒸発管11の側方に配置され蒸発管11の下端部と上端部とが接続され内部に水が供給される気液分離器12とを備える。
そして、気液分離器12内の下方から蒸発管11の下端部を通じて蒸発管11内に水Wが供給され、その水Wが排気通路5において蒸発管11を介して排気Eにより加熱されることで蒸発し、蒸発管11内で生成された水蒸気Sが蒸発管11の上端部から気液分離器12内の上方に流出し、その気液分離器12内の上方から水蒸気Sが蒸気流路15を通じて後述する蒸気消費部Xに供給されるように構成されている。
この気液分離器12では、蒸発管11の上端部から気液分離器12の上方に流出した水蒸気Sが凝縮した場合でも、その凝縮水が再度気液分離器12内に貯留され蒸発管11の下端部から蒸発管11内に供給されることになる。
The
Then, water W is supplied into the
In the gas-
更に、この気液分離器12内には、水Wの沸点よりも高い融点を有する潜熱蓄熱材13が、内壁面に沿って設けられた収容部に充填され気液分離器12内の水Wとの間で熱交換可能な状態で、設けられている。よって、蒸発管11内から気液分離器12内に供給される水蒸気Sの温度や量が変動する場合でも、気液分離器12内に設けられた潜熱蓄熱材13が蒸発管内で蒸発する水Wの沸点よりも高い融点付近の温度において潜熱を蓄放熱することにより、気液分離器12内の上方から取り出される水蒸気Sの温度や量を安定させることができる。
また、潜熱蓄熱材13としては、120℃〜190℃程度の融点を有するMgCl2や糖類等の公知の潜熱蓄熱材を適宜利用することができる。
Further, in this gas-
As the latent
更に、蒸気発生部10では、蒸発管11内におけるスケールの生成等を防止するために、上述した純水生成部3で生成された純水が供給ポンプ46により気液分離器12内に水Wとして供給されるように構成されている。
また、気液分離器12内には、水位を検出する水位センサ14が設けられており、コンピュータ等からなる制御装置70は、その水位センサ14で検出された水位に基づいて、供給ポンプ46による気液分離器12内への水Wの供給量を制御することにより、気液分離器12内の水位を適切な範囲内に維持するように構成されている。
Further, in the
Further, a
気液分離器12内の上方には、その気液分離器12内の水蒸気Sの圧力を検出する圧力センサ8が設けられている。そして、制御装置70は、圧力センサ8で検出された水蒸気Sの圧力に基づいて、調整弁7によりバーナ部6への燃料Gの供給量、即ちバーナ部6における燃料Gの燃焼量を制御して、水蒸気Sの圧力を適切な範囲内に維持するように構成されており、よって、蒸気発生部10からは安定して水蒸気Sが発生されることになる。
A
熱発電部20は、ゼーベック効果を利用したものであって、上記蒸気発生部10の蒸発管11の外表面に熱電変換材料21を設け、排気通路5を流通する高温の排気Eと水Wにより冷却されている低温の蒸発管11との温度差を利用して発電を行うように構成されている。かかる熱電変換材料21としては、耐熱性に優れ高い熱電変換効率を有する公知の複合酸化物が利用でき、例えばBi,Sr,Te,Co及びOを構成元素として含む特性組成の複合酸化物を利用することができる。特に、本発システム100では、バーナ部6で燃料Gを燃焼させたときに排気通路5を流通する排気Eが800℃以上と非常に高温であるため、このような温度でも作動可能な耐熱性を有するような特定組成及び特定構造を有する複合酸化物からなる熱電変換材料21を用いることが望ましい。
また、この蒸発管11の外表面に、このような耐熱性を有する熱電変換材料21が被覆されているので、排気通路5を流通する排気Eの温度が非常に高温となった場合でも、この蒸発管11の熱損傷が防止される。
The
Moreover, since the
上記排気通路5において蒸発管11の下流側には、ファン32から供給された空気Aが内部を流通する伝熱管31を、排気通路5において蛇行配置して構成され、SOFC1に供給される空気Aを排気Eとの熱交換により加熱する空気予熱部30が設けられている。
そして、この空気予熱部30により、SOFC1に供給される空気Aが、蒸気発生部10による蒸気発生用及び熱発電部21による発電用に熱回収された後の160℃程度の排気Eとの熱交換により加熱されるので、その排気Eが有する熱がSOFC1に供給される空気Aの予熱用に利用され、エネルギ効率の一層の向上が実現されている。
In the
The
蒸気発生部10が発生した水蒸気Sが流通する蒸気流路15には、熱発電部20の発電電力により作動し水蒸気Sを過熱する蒸気ヒータ部40が設けられている。具体的に、この蒸気ヒータ部40は、蒸気流路15を構成する配管に巻きつけられたリボンヒータで構成されている。
よって、熱発電部20の発電電力が、蒸気ヒータ部40の作動電力として供給され、その蒸気ヒータ部40により水蒸気Sが加熱されて、有効利用が可能な高温の過熱水蒸気Sが蒸気消費部Xに供給されることになる。
また、この蒸気ヒータ部40には、熱発電部20の発電電力に加えて、SOFC1の発電電力のうち電力消費部80で消費されなかった余剰電力を、作動電力として供給して、過熱水蒸気Sの一層高温に過熱するように構成しても構わない。
The
Therefore, the generated electric power of the
In addition to the power generated by the
更に、蒸気流路15には、水Wの沸点よりも高温の融点を有する潜熱蓄熱材16が、例えば蒸気流路15を構成する配管の外部を覆い蒸気流路15を流通する水蒸気Sとの間で熱交換可能な状態で、設けられている。よって、気液分離器12から蒸気流路15に流出した水蒸気Sの温度や量が変動する場合でも、蒸気流路15に設けられた潜熱蓄熱材16が水Wの沸点よりも高い融点付近の温度において潜熱を蓄放熱することにより、蒸気流路15を通じて蒸気消費部Xに供給される水蒸気Sの温度や量を安定させることができる。
また、潜熱蓄熱材16としては、120℃〜190℃程度の融点を有するMgCl2や糖類等の公知の潜熱蓄熱材を適宜利用することができる。
Further, the latent
As the latent
次に、上述した蒸気発生部10で発生した水蒸気Sを消費する蒸気消費部Xについて説明を加える。
上記蒸気消費部Xとしては、水蒸気Sにより発電機52に連結された蒸気タービン51を回転駆動して発電可能な蒸気タービン発電部50が設けられている。
即ち、蒸気発生部10で発生した水蒸気Sを蒸気消費部Xとしての蒸気タービン発電部50に供給して発電を行うように構成さている。そして、この蒸気タービン発電部50の発電電力は、電力消費部80とは別の電力消費部に供給しても構わないが、本発明システム100では、SOFC1の発電電力と合わせて電力消費部80に供給されている。
よって、電力消費部80における電力負荷が大きい時間帯でも、SOFC1の発電出力の変動が抑制される。
Next, description is added about the steam consumption part X which consumes the water vapor | steam S which generate | occur | produced in the
As the steam consumption section X, a steam turbine
That is, the steam S generated by the
Therefore, fluctuations in the power generation output of the
更に、電力消費部80における電力負荷を検出する電力負荷計82(電力負荷検出手段の一例)と、蒸気タービン発電部50への蒸気供給量を調整して、蒸気タービン発電部50の発電出力を調整可能な調整弁53(蒸気発電出力調整手段の一例)とが設けられており、制御装置70が、電力負荷計82の検出結果に基づいて調整弁53を制御する蒸気発電出力制御手段として機能するように構成されている。
よって、蒸気タービン発電部50の発電出力が電力消費部80における電力負荷に合った適切なものとなる。即ち、例えば電力消費部80の電力負荷が変動した場合でも、その変動にあわせて蒸気タービン発電部50の発電出力を変動させることで、SOFC1が電力消費部80に供給するべき発電電力が安定し、結果、SOFC1の発電出力の変動が抑制される。
Furthermore, the power load meter 82 (an example of the power load detection means) for detecting the power load in the
Therefore, the power generation output of the steam turbine
一般的な家庭においては、18:00〜24:00の時間帯に比較的大きな熱及び電力需要が発生する。そこで、この時間帯にバーナ部6により燃料Gを燃焼させて、熱発電部20及び蒸気タービン発電部50において約0.3kWの電力を発電し、水蒸気S及び温水HWを生成して約2.8kWの熱回収を行い、大きな熱及び電力需要を賄うことができ、例えば、大きな熱需要に備えて温水HWを貯留しておく貯湯タンク70の容量を小さくし、貯湯タンク70における放熱ロスを低減することができる。
In a general home, a relatively large heat and power demand is generated in the time zone from 18:00 to 24:00. In view of this, the fuel G is burned by the
蒸気タービン発電部50以外の蒸気消費部Xとしては、詳細については説明を省略するが、例えば、調理対象物が収容される庫内に水蒸気Sを供給して該調理対象物の調理を行う調理機器、水蒸気Sを噴射して掃除を行う可搬式の掃除機器、室内に水蒸気Sを供給して該室内の加湿を行う加湿機器、食器が収容される食器収容部に水蒸気Sを噴射して該食器の洗浄を行う食器洗浄機器、水に水蒸気Sを混合して温水を生成する温水生成器、及び、調理物に水蒸気Sを吹きかけて該調理物を温める調理物加熱器等のあらゆる形態の蒸気利用機器66を採用することができる。
The steam consumption unit X other than the steam turbine
例えば、上記蒸気利用機器66の加湿機器の例としては、浴室に水蒸気Sを噴射して浴室を水蒸気サウナとする水蒸気サウナノズル67などを挙げることができる。
また、この水蒸気サウナノズル67には、水蒸気Sを調整弁68による流量調整を伴って供給すると共に、後述する貯湯タンク70に貯留されている温水HWを調整弁69による流量調整を伴って供給して、水蒸気Sと温水HWとが混合されて適切な温度となったミストを噴霧するように構成することができる。
For example, examples of the humidifying device of the
In addition, the
次に、本発明システム100において、浴槽64や給湯部65への給湯用や暖房機器やデシカント式除湿機器などの空調機器62など熱源である熱媒水の加熱用に利用される温水HWの生成方法について説明を加える。
Next, in the
上記排気通路5において蒸発管11の下流側、更には空気予熱部30よりも下流側には、水Wが内部を流通する伝熱管36を、排気通路5において蛇行配置して構成され、その水Wを排気Eとの熱交換により加熱する第1熱交換部35が設けられている。そして、この第1熱交換部35により水Wを加熱することにより、40℃程度の温水を得ることができる。
In the
更に、第1熱交換部35で加熱された水Wを蒸気タービン発電部50から排出された水蒸気Sとの熱交換により加熱する第2熱交換部55が設けられている。
かかる第2熱交換部55は、蒸気タービン発電部50から排出された水蒸気Sを、復水器57内において、上記第1熱交換部35から供給された水Wが内部を流通する伝熱管56により冷却して凝縮させることで、水蒸気Sの顕熱及び潜熱により水Wを例えば90℃程度の高温に加熱するように構成されている。
Furthermore, the 2nd
The second
また、上記復水器57内には、上記第2熱交換部55の伝熱管53に沿って別の伝熱管58が配置されており、この伝熱管58内には、循環ポンプ61により空調機器62との間で循環回路60を循環する熱媒水が流通する。
即ち、上記伝熱管58内を流通して加熱された熱媒水が空調機器62に供給され、一方、空調機器62で放熱した後の熱媒水が再度伝熱管58に戻されることにより、空調機器62に熱源を供給して、暖房や除湿などの運転を行わせることができる。
In the
That is, the heat transfer water heated through circulation in the
また、空調機器62を、デシカント式除湿機器として構成し、熱媒水により供給される熱を利用して除湿を行うことで、電力を利用して除湿を行う場合と比較して、電力需要を低減すると共に熱需要を増加させて、電力と熱との消費割合の均等化を図ることができる。 In addition, the air conditioner 62 is configured as a desiccant-type dehumidifying device, and dehumidification is performed using the heat supplied by the heat transfer water, thereby reducing power demand compared to the case where dehumidification is performed using electric power. While reducing the heat demand, it is possible to equalize the consumption ratio of electric power and heat.
また、復水器57において水蒸気Sは凝縮して水Wとなり、その水Wは、純水生成部3から気液分離器12に供給される水Wに加えられ再利用される。
Further, the water vapor S is condensed in the
上記第2熱交換部55で90℃程度に加熱された温水HWは、一端貯湯タンク70に貯留可能な形態で、浴槽64や給湯部65に供給可能に構成されている。
The hot water HW heated to about 90 ° C. by the second
また、この貯湯タンク70は、上下方向において略等温の湯水を貯留する完全混合型や、上下方向において上部に高温の湯水を貯留し下部に低温の湯水を貯留するというように、湯水を、温度成層を形成する形態で貯留する温度成層型に構成されている。
また、貯湯タンク70を温度成層型に構成する場合には、図示は省略するが、貯湯タンク70の最下部に水道から低温の水Wが供給することで、貯湯タンク70に常に水道圧を付加し、更に、その貯湯タンク70の最下部にある低温の水をSOFC1の冷却水との熱交換により適切な温度以上に加熱した後に、貯湯タンク70の最上部に戻すことで、貯湯タンク70は、湯水を、温度成層を形成する形態で貯留することができる。
The hot
Further, when the hot
〔実施例〕
次に、本発明システム100の実施例について説明する。
例えば、SOFC1の定格発電出力を1kWとした場合においては、SOFC1から排出される排気Eの温度は380℃程度となり、更に、SOFC1に供給される燃料Gとほぼ同量の燃料Gをバーナ部6で燃焼させれば、蒸気発生部10において、流量が約4kg/h、圧力が約0.7MPa、温度が焼く180℃の水蒸気Sを発生できる。また、同時に、熱発電部20においては、約2.67kWの投入熱に対して約0.03kWの電力回収が見込める。更に、蒸気タービン発電部50においては、断熱効率を80%復水温度を85℃とすれば、約0.3kWの電力回収が見込める。
そして、SOFC1及びバーナ部6への燃料Gとしての都市ガスの供給量が夫々0.197Nm3/hと0.2Nm3/hである場合、バーナ部6の投入熱量は高位発熱量で2.5kWであり、一方、水蒸気Sや温水HWの生成による回収熱量の増加分は2.09kWであるので、本発明システム100において、排気Eをバーナ部6により再加熱(リパワリング)することによるエネルギ効率は、(0.3+0.03)/(2.50−2.09)×100=80.5%となる。
また、空気予熱部30による回収熱量は、バーナ部6における燃料Gの燃焼の有無に拘わらず、約0.2kW程度となる。
〔Example〕
Next, an embodiment of the
For example, when the rated power output of the
When the supply amounts of city gas as the fuel G to the
The amount of heat recovered by the
〔別実施形態〕
(1)上記実施の形態では、1つの家庭等の箇所に電力及び熱を供給する形態として構成した本発明システム100について説明したが、図2に示すように、本発明システムを、集合住宅等に設けられた複数の住居90の夫々に電力及び熱を分配供給する形態とすることもできる。
具体的には、図2に示す本発明システム200では、SOFC1、熱発電部20及び蒸気タービン発電部50で発電された電力、第2熱交換部55で生成された温水HW、及び、蒸気発生部10で発生した水蒸気Sが、各住居90に個別に設置された電力消費部80、貯湯タンク70、及び、蒸気消費部Xに分配供給される。
[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, the
Specifically, in the
また、第2熱交換部55で90℃程度に加熱された温水HWは、循環ポンプ83を動力源として、第2熱交換部55の下流側から各住居90側を廻って第1熱交換部55の上流側に至る温水循環路84を常時循環するように構成されている。そして、各住居90において消費した分の温水HWが、その温水循環路84から貯湯タンク70に供給されことになる。
Further, the hot water HW heated to about 90 ° C. by the second
(2)上記実施の形態では、蒸気発生部10において蒸気としての水蒸気Sを生成するために液体としての水Wを加熱するように構成したが、別に、蒸気発生部10において、水W以外の液体を加熱して、その液体の蒸気を例えば蒸気タービン発電部50の駆動源等として発生するように構成しても構わない。
(2) In the above embodiment, the
(3)上記実施の形態では、蒸気発生部10を、気液分離器12内の上方から水蒸気Sを取り出すように構成したが、別に、このような気液分離器12を省略し、蒸気管11から直接水蒸気Sを取り出すように構成しても構わない。
更に、上記実施の形態では、蒸気発生部10を気液分離器12内の上方から水蒸気Sを取り出すように構成した場合において、その気液分離器12内に潜熱蓄熱材13を設けたが、別に、このような潜熱蓄熱材13を別の蓄熱材に変更したり省略しても構わない。
(3) In the above embodiment, the
Furthermore, in the above embodiment, when the
(4)上記実施の形態では、排気通路5において蒸発管11の下流側に、SOFC1に供給される空気Aを排気Eとの熱交換により加熱する空気予熱部30を設けたが、別に、このような空気予熱部30を省略し、例えば別の形態で、蒸気管11の下流側に排出される排気Eの熱を回収するように構成しても構わない。
(4) In the above embodiment, the
(5)上記実施の形態では、蒸気発生部10の発生水蒸気Sを消費する蒸気消費部Xとして、蒸気タービン発電部50を設けたが、別に、このような蒸気タービン発電部50を省略しても構わない。
更に、上記実施の形態では、蒸気タービン発電部50を備える場合において、上記のような電力負荷計82の検出結果に基づいて調整弁53を制御して蒸気タービン発電部50の発電出力が電力消費部80における電力負荷に合った適切なものとするための構成を採用したが、別に、このような構成を省略し、例えば蒸気発電部50の発電出力を電力負荷に関係なく一定に維持したり、蒸気発生部10からの水蒸気Sの供給量に追従して任意に変動させても構わない。
(5) In the above embodiment, the steam turbine
Furthermore, in the above-described embodiment, when the steam turbine
(6)上記実施の形態では、蒸気流路15に熱発電部20の発電電力により作動し発生水蒸気Sを過熱する蒸気ヒータ部40を備えたが、別に、このような蒸気ヒータ部40を省略しても構わない。
また、上記実施の形態では、蒸気流路15に蒸気ヒータ部40を備えた場合において、更に、その蒸気流路15に潜熱蓄熱材16を設け、蒸気流路15を通じて蒸気消費部Xに供給される水蒸気Sの温度や量を安定させるように構成したが、別に、この潜熱蓄熱材16を、別の蓄熱材に変更したり省略しても構わない。
(6) In the above embodiment, the
Moreover, in the said embodiment, when the
(7)上記実施の形態では、第1熱交換部35において、上記排気通路5の蒸発管11の下流側に排出された排気Eとの熱交換により水Wを加熱し、第2熱交換部55において、蒸気タービン発電部50から排出された水蒸気Sとの熱交換により第1熱交換部35で加熱された水Wを加熱して、高温の温水HWを生成するように構成したが、別に、これら上記第1熱交換部35及び第2熱交換部55の一方を省略して他方のみで水Wを加熱するように構成したり、水Wを加熱する必要がない場合などにおいてこれら第1熱交換部35及び第2熱交換部55の両方を省略しても構わない。
(7) In the above embodiment, the first
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物を電解質として用いた固体酸化物形燃料電池により発電を行うと共に、同時に得られる排熱を利用する固体酸化物形燃料電池システムであって、高温排熱による熱損傷等を抑制しながら、固体酸化物形燃料電池の排熱を合理的に有効利用して、優れたエネルギ効率を実現することができる固体酸化物形燃料電池システムとして有効に利用可能である。 The solid oxide fuel cell system according to the present invention is a solid oxide fuel cell system that generates electric power by a solid oxide fuel cell using a solid oxide as an electrolyte and simultaneously uses exhaust heat obtained. As a solid oxide fuel cell system that achieves excellent energy efficiency by rationally and effectively using the exhaust heat of solid oxide fuel cells while suppressing thermal damage caused by high-temperature exhaust heat It can be used effectively.
1:SOFC(固体酸化物形燃料電池)
2:改質部
3:純水生成部
5:排気通路
6:バーナ部
10:蒸気発生部
12:気液分離器
15:蒸気流路
13,16:潜熱蓄熱材
20:熱発電部
21:熱電変換材料
30:空気予熱部
35:第1熱交換部
40:蒸気ヒータ部
50:蒸気タービン発電部
55:第2熱交換部
62:空調機器
70:制御装置(蒸気発電出力制御手段)
80:電力消費部
100,200:本発明システム(固体酸化物形燃料電池システム)
HW:温水
X:蒸気消費部
W:水(液体)
S:水蒸気(蒸気)
G:燃料
E:排気
1: SOFC (solid oxide fuel cell)
2: reforming unit 3: pure water generating unit 5: exhaust passage 6: burner unit 10: steam generating unit 12: gas-liquid separator 15: steam flow
80:
HW: Hot water X: Steam consumption part W: Water (liquid)
S: Water vapor (steam)
G: Fuel E: Exhaust
Claims (7)
前記固体酸化物形燃料電池から排気通路に排出された排気に燃料を混合して燃焼可能なバーナ部と、前記排気通路に配置された蒸発管内に液体を供給して蒸気消費部に供給される蒸気を発生する蒸気発生部と、前記蒸発管の外表面に熱電変換材料を設け前記排気と前記蒸発管との温度差を利用して発電を行う熱発電部とを備えた固体酸化物形燃料電池システム。 A solid oxide fuel cell system that generates power using a solid oxide fuel cell that uses a solid oxide as an electrolyte, and that uses exhaust heat obtained at the same time,
A burner unit capable of mixing and combusting fuel with the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell into the exhaust passage, and a liquid is supplied to an evaporation pipe disposed in the exhaust passage and supplied to the vapor consuming unit. A solid oxide fuel comprising: a steam generating section that generates steam; and a thermoelectric generation section that provides a thermoelectric conversion material on the outer surface of the evaporation pipe and generates power using a temperature difference between the exhaust and the evaporation pipe Battery system.
前記固体酸化物形燃料電池及び前記蒸気タービン発電部の発電電力が供給される電力消費部における電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、
前記蒸気タービン発電部への蒸気供給量を調整して、前記蒸気タービン発電部の発電出力を調整可能な蒸気発電出力調整手段と、
前記電力負荷検出手段の検出結果に基づいて前記蒸気発電出力調整手段を制御する蒸気発電出力制御手段とを備えた請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 As a steam consumption unit that consumes the generated steam of the steam generation unit, a steam turbine power generation unit capable of generating electric power by rotationally driving a steam turbine with the generated steam,
A power load detecting means for detecting a power load in a power consuming unit to which the generated power of the solid oxide fuel cell and the steam turbine power generating unit is supplied;
Adjusting a steam supply amount to the steam turbine power generation unit, and adjusting a power generation output of the steam turbine power generation unit;
The solid oxide fuel cell system according to claim 1, further comprising: a steam power generation output control unit that controls the steam power generation output adjustment unit based on a detection result of the power load detection unit.
前記第1熱交換部で加熱された湯水を前記蒸気タービン発電部から排出された蒸気との熱交換により加熱する第2熱交換部とを備えた請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 A first heat exchange section for heating hot water by heat exchange with the exhaust downstream of the evaporation pipe in the exhaust passage;
4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, further comprising: a second heat exchange unit that heats hot water heated by the first heat exchange unit by heat exchange with steam discharged from the steam turbine power generation unit. 5. system.
前記気液分離器内に、前記液体の沸点よりも高い融点を有する潜熱蓄熱材が、前記気液分離器内の液体との間で熱交換可能な状態で、設けられている請求項1〜4の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 The vapor generating unit has a gas-liquid separator that is disposed on a side of the evaporation pipe and is connected to a lower end and an upper end of the evaporation pipe to supply liquid therein, Configured to extract steam from above, and
The latent heat storage material having a melting point higher than the boiling point of the liquid is provided in the gas-liquid separator in a state in which heat can be exchanged with the liquid in the gas-liquid separator. 5. The solid oxide fuel cell system according to any one of 4 above.
前記蒸気流路に、前記液体の沸点よりも高温の融点を有する潜熱蓄熱材が、前記蒸気流路の蒸気との間で熱交換可能な状態で、設けられている請求項1〜5の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 A steam passage through which the generated steam of the steam generating section circulates is provided with a steam heater section that operates by the generated power of the thermoelectric generator section and superheats the generated steam;
The latent heat storage material having a melting point higher than the boiling point of the liquid is provided in the steam channel in a state in which heat can be exchanged with the steam in the steam channel. A solid oxide fuel cell system according to claim 1.
前記蒸気発生部が、前記純水生成部から供給された純水を前記液体として前記蒸発管に供給して水蒸気を発生するように構成されている請求項1〜6の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 Purifying pure water to produce pure water by purifying tap water, and steam reforming fuel with steam generated by heating the pure water to generate hydrogen to be supplied to the solid oxide fuel cell And a reforming section that
The steam generation unit is configured to generate water vapor by supplying the pure water supplied from the pure water generation unit as the liquid to the evaporation pipe. Solid oxide fuel cell system.
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