JP2010044960A - Fuel cell power generation system and power generation method of fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the supply amount of an oxidizer to be supplied to a fuel cell for cooling the fuel cell, and reduce the energy of fuel required for preheating of the oxidizer. <P>SOLUTION: This is a fuel cell system which includes a fuel cell 3 to generate power by battery reaction using a natural gas 50 and air 56 supplied from the outside, and cools the fuel cell 3 utilizing the air 56, and includes an air preheater burner 7 which burns a fuel electrode exhaust gas 52 and an oxidizer electrode exhaust gas 59 generated by the battery reaction, and exhausts the air preheater exhaust gas 60 generated by that combustion, a heat exchanger 8 which heat exchanges the air preheater exhaust gas 60 exhausted from the air preheater burner 7 and the air 56 and cools the air preheater exhaust gas 60, and exhausts the air preheater exhaust gas 60 cooled, and a cooling unit 5 which cools the fuel cell 3 by the cooled air preheater exhaust gas 60 exhausted from the heat exchanger 8. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料と酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有する燃料電池発電システムおよび燃料電池発電方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation method having a fuel cell that generates power by a cell reaction using a fuel and an oxidant.

近年、火力発電等の様々な発電方法に比べて発電効率がよく、二酸化炭素排出量を抑えることができて環境への影響も少ない燃料電池を用いた発電システムが注目されてきている。   2. Description of the Related Art In recent years, power generation systems using fuel cells, which have higher power generation efficiency than various power generation methods such as thermal power generation, can suppress carbon dioxide emissions, and have little environmental impact, have attracted attention.

ここで、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムの一例が非特許文献１に開示されている。   Here, an example of a fuel cell power generation system using a solid oxide fuel cell is disclosed in Non-Patent Document 1.

図３は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムの構成の一例を示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell power generation system using a solid oxide fuel cell.

図３に示す燃料電池発電システムは、脱硫器１０１と、改質器１０２と、燃料と酸化剤とを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池である燃料電池１０３と、空気予熱器１０６と、空気予熱器バーナ１０７と、出力調整装置１１０と、エジェクタ１１１と、複数の流量制御弁１１２ａ，１１２ｂと、ブロワ１１３と、負荷１１４と、後述する各種のガスを流すための配管類（不図示）とを備えている。   The fuel cell power generation system shown in FIG. 3 includes a desulfurizer 101, a reformer 102, a fuel cell 103 that is a solid oxide fuel cell that generates power using fuel and an oxidant, an air preheater 106, , An air preheater burner 107, an output adjusting device 110, an ejector 111, a plurality of flow control valves 112a and 112b, a blower 113, a load 114, and piping for flowing various gases described later (not shown) ).

また、燃料電池１０３は、燃料極１０３ａと、電解質１０３ｂと、酸化剤極１０３ｃとを備えている。   The fuel cell 103 includes a fuel electrode 103a, an electrolyte 103b, and an oxidant electrode 103c.

以下に、上記のように構成された燃料電池発電システムにおいて発電を行う場合の動作について図３を参照しながら説明する。   Hereinafter, an operation when power generation is performed in the fuel cell power generation system configured as described above will be described with reference to FIG.

まず、燃料電池１０３の燃料である天然ガス１５０が流量制御弁１１２ａを介して脱硫器１０１に供給される。ここで、天然ガス１５０の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１２０の電池電流と、流量制御弁１１２ａの開度（すなわち、天然ガス１５０の供給量）との関係に基づき、流量制御弁１１２ａの開度を制御することによって燃料電池直流出力１２０の電池電流に見合った量に設定する。   First, natural gas 150, which is the fuel of the fuel cell 103, is supplied to the desulfurizer 101 via the flow control valve 112a. Here, the supply amount of the natural gas 150 is controlled based on the relationship between the preset battery current of the fuel cell DC output 120 and the opening of the flow control valve 112a (that is, the supply amount of the natural gas 150). By controlling the opening degree of the valve 112a, an amount corresponding to the battery current of the fuel cell DC output 120 is set.

脱硫器１０１では、天然ガス１５０中に腐臭剤として添加されているメルカプタン等の硫黄分が吸着除去される。これは、硫黄分が改質器１０２の改質触媒と、燃料電池１０３の燃料極１０３ａの電極触媒とを劣化させる原因になるためである。   In the desulfurizer 101, sulfur content such as mercaptan added as a odorant in the natural gas 150 is removed by adsorption. This is because the sulfur content causes deterioration of the reforming catalyst of the reformer 102 and the electrode catalyst of the fuel electrode 103 a of the fuel cell 103.

天然ガス１５０が脱硫器１０１にて脱硫された脱硫天然ガス１５１は、水蒸気を含むリサイクル用燃料極排出ガス１５３と混合され、水蒸気と脱硫天然ガス１５１とが混合された混合天然ガス１５４として改質器１０２に供給される。リサイクル用燃料極排出ガス１５３は、燃料電池１０３における電池反応によって生成された燃料極排出ガス１５２の一部である。ここで、リサイクル用燃料極排出ガス１５３の供給量は、予め設定された流量制御弁１１２ａの開度（すなわち、天然ガス１５０の供給量）と、エジェクタ１１１の開度（すなわち、リサイクル用燃料極排出ガス１５３の供給量）との関係に基づき、エジェクタ１１１の開度を制御することによって天然ガス１５０の供給量に合わせて予め設定された所定のスチームカーボン比となるように設定する。なお、燃料電池１０３における電池反応については後述する。   The desulfurized natural gas 151 obtained by desulfurizing the natural gas 150 in the desulfurizer 101 is mixed with a recycle fuel electrode exhaust gas 153 containing water vapor, and reformed as a mixed natural gas 154 in which water vapor and desulfurized natural gas 151 are mixed. Is supplied to the vessel 102. The recycle fuel electrode exhaust gas 153 is a part of the fuel electrode exhaust gas 152 generated by the cell reaction in the fuel cell 103. Here, the supply amount of the recycling fuel electrode exhaust gas 153 includes the opening degree of the flow rate control valve 112a (that is, the supply amount of the natural gas 150) and the opening degree of the ejector 111 (that is, the recycling fuel electrode). Based on the relationship with the supply amount of the exhaust gas 153), the opening degree of the ejector 111 is controlled to set a predetermined steam carbon ratio that is preset according to the supply amount of the natural gas 150. The cell reaction in the fuel cell 103 will be described later.

改質器１０２では、改質器１０２に充填されたニッケル系触媒やルテニウム系触媒等の改質触媒の働きにより、天然ガス１５０に含まれる炭化水素から水素を生成するための水蒸気改質反応が行われ、水素リッチなガスである改質ガス１５５がつくられる。天然ガス１５０の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は、以下に示す（１）式で表される。なお、水素リッチなガスとは、多くの水素を含んだガスのことをいう。   In the reformer 102, a steam reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbons contained in the natural gas 150 is performed by the action of a reforming catalyst such as a nickel-based catalyst or a ruthenium-based catalyst filled in the reformer 102. As a result, a reformed gas 155, which is a hydrogen-rich gas, is produced. The steam reforming reaction of methane, which is the main component of natural gas 150, is expressed by the following equation (1). Note that the hydrogen-rich gas refers to a gas containing a lot of hydrogen.

（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ2 ・・・（１）
この（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、効率的に水素を生成させるためには、改質器１０２の外部から必要な反応熱を供給し、改質器１０２の温度を７００〜７５０℃に維持しなければならない。このため、改質器１０２の近傍に設置されて８００〜１０００℃で発電を行う燃料電池１０３の排熱を炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器１０２に供給する。 (Methane steam reforming reaction)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
Since the hydrocarbon steam reforming reaction such as the methane steam reforming reaction shown in the equation (1) is an endothermic reaction, it is necessary from the outside of the reformer 102 to generate hydrogen efficiently. Heat of reaction must be supplied and the temperature of the reformer 102 must be maintained at 700-750 ° C. For this reason, the exhaust heat of the fuel cell 103 installed near the reformer 102 and generating power at 800 to 1000 ° C. is supplied to the reformer 102 as reaction heat required for the steam reforming reaction of hydrocarbons.

改質器１０２でつくられた水素リッチな改質ガス１５５は、燃料電池１０３の燃料極１０３ａに供給される。   The hydrogen-rich reformed gas 155 produced by the reformer 102 is supplied to the fuel electrode 103 a of the fuel cell 103.

一方、燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃには、酸化剤である空気が供給される。実際には、ブロワ１１３を用いて取り込んだ空気１５６の予熱が空気予熱器１０６で行われ、燃料電池用空気１５７として燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃに供給される。ここで、燃料電池用空気１５７の供給量は、予め設定した流量制御弁１１２ａの開度（すなわち、天然ガス１５０の供給量）と、流量制御弁１１２ｂの開度（すなわち、燃料電池用空気１５７の供給量）との関係に基づき、流量制御弁１１２ｂの開度を制御することによって天然ガス１５０の供給量に見合った値に設定する。なお、図３では、燃料電池１０３は、それぞれ１つの燃料極１０３ａ、電解質１０３ｂ及び酸化剤極１０３ｃからなる燃料電池の１単位である単セルとして描画されている。しかし、単セルの電圧は１Ｖ以下と低いので所定の電力を取り出すために、実際には単セルを複数組み合わせたセルスタックから構成される。   On the other hand, air that is an oxidant is supplied to the oxidant electrode 103 c of the fuel cell 103. Actually, the air 156 taken in using the blower 113 is preheated by the air preheater 106 and supplied to the oxidant electrode 103 c of the fuel cell 103 as the fuel cell air 157. Here, the supply amount of the fuel cell air 157 includes the preset opening degree of the flow control valve 112a (that is, the supply amount of natural gas 150) and the opening degree of the flow control valve 112b (that is, the fuel cell air 157). Is set to a value commensurate with the supply amount of the natural gas 150 by controlling the opening of the flow control valve 112b. In FIG. 3, the fuel cell 103 is depicted as a single cell, which is a unit of a fuel cell that includes one fuel electrode 103a, an electrolyte 103b, and an oxidant electrode 103c. However, since the voltage of a single cell is as low as 1 V or less, in order to extract predetermined power, it is actually composed of a cell stack in which a plurality of single cells are combined.

燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃでは、金属酸化物系電極触媒の働きによって以下の（２）式に示す酸化剤極反応が起こり、燃料電池用空気１５７中の酸素が電子と反応して酸化物イオン（Ｏ2-）に変わる。 In the oxidant electrode 103c of the fuel cell 103, an oxidant electrode reaction represented by the following formula (2) occurs by the action of the metal oxide electrode catalyst, and oxygen in the fuel cell air 157 reacts with electrons to generate oxides. Changes to ions (O 2− ).

（酸化剤極反応）
１／２ Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｏ2- ・・・（２）
酸化剤極１０３ｃで生成した酸化物イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなる電解質１０３ｂの内部を移動し、燃料極１０３ａに到達する。 (Oxidant electrode reaction)
1/2 O 2 + 2e − → O 2− (2)
The oxide ions generated at the oxidant electrode 103c move inside the electrolyte 103b made of yttria-stabilized zirconia (YSZ) or the like and reach the fuel electrode 103a.

燃料極１０３ａでは、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系の電極触媒の働きによって以下の（３）式及び（４）式に示す燃料極反応が起こり、酸化剤極１０３ｃから移動してきた酸化物イオンと、改質器１０２から供給された水素リッチな改質ガス１５５中の水素及び一酸化炭素とから水蒸気または二酸化炭素と電子とが生成される。   In the fuel electrode 103a, a fuel electrode reaction shown in the following formulas (3) and (4) occurs due to the action of a metal electrode catalyst such as nickel-YSZ cermet, ruthenium-YSZ cermet, etc., and the fuel electrode 103a moves from the oxidant electrode 103c. Steam or carbon dioxide and electrons are generated from the oxide ions and hydrogen and carbon monoxide in the hydrogen-rich reformed gas 155 supplied from the reformer 102.

（燃料極反応）
Ｈ2 ＋ Ｏ2- → Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ- ・・・（３）
ＣＯ ＋ Ｏ2- → ＣＯ2 ＋ ２ｅ- ・・・（４）
上記の燃料極反応によって燃料極１０３ａで生成した電子は、外部回路（不図示）を移動し、酸化剤極１０３ｃに到達する。酸化剤極１０３ｃに到達した電子は、上述した（２）式で示した酸化剤極反応により酸素と反応する。 (Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (3)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (4)
Electrons generated at the fuel electrode 103a by the fuel electrode reaction move through an external circuit (not shown) and reach the oxidant electrode 103c. The electrons that have reached the oxidant electrode 103c react with oxygen by the oxidant electrode reaction shown by the above-described equation (2).

このように、電子が燃料極１０３ａから酸化剤極１０３ｃへ移動することにより、燃料電池直流出力１２０として電気エネルギーを得ることができ、発電が行われる。   In this way, when the electrons move from the fuel electrode 103a to the oxidant electrode 103c, electric energy can be obtained as the fuel cell DC output 120, and power generation is performed.

ここで、上述した（２）式及び（３）式、並びに（２）式及び（４）式をまとめると、燃料電池１０３の電池反応は、以下の（５）式に示す水素と酸素とから水蒸気ができる水の電気分解の逆反応と、以下の（６）式に示す一酸化炭素と酸素とから二酸化炭素が生成する反応として表すことができる。   Here, when the above-mentioned formulas (2) and (3), and formulas (2) and (4) are put together, the cell reaction of the fuel cell 103 is based on hydrogen and oxygen shown in the following formula (5). It can be expressed as a reverse reaction of electrolysis of water that can produce water vapor and a reaction in which carbon dioxide is generated from carbon monoxide and oxygen shown in the following formula (6).

（電池反応）
Ｈ2 ＋ １／２ Ｏ2 → Ｈ2Ｏ ・・・（５）
ＣＯ ＋ １／２ Ｏ2 → ＣＯ2 ・・・（６）
燃料電池１０３の発電によって得られた燃料電池直流出力１２０は、負荷１１４に合わせて出力調整装置１１０において、電圧の変換と、直流から交流への変換とが行われた後に、送電端交流出力１２１として負荷１１４に供給される。なお、図３に示す例では、出力調整装置１１０で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１１０で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１１４に供給するようにしてもよい。 (Battery reaction)
H 2 +1/2 O 2 → H 2 O (5)
CO + 1/2 O 2 → CO 2 (6)
The fuel cell direct current output 120 obtained by the power generation of the fuel cell 103 is subjected to voltage conversion and direct current to alternating current conversion in the output adjustment device 110 in accordance with the load 114, and then the power transmission end alternating current output 121. To the load 114. In the example shown in FIG. 3, the output adjustment device 110 performs conversion from direct current to alternating current. However, the output adjustment device 110 performs only voltage conversion and supplies the power transmission end DC output to the load 114. Also good.

以上が、図３に示す燃料電池発電システムにおいて発電を行う場合の動作である。   The above is the operation when generating power in the fuel cell power generation system shown in FIG.

ここで、燃料電池１０３の発電温度は、固体酸化物形燃料電池の場合、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱によって所定の発電温度に維持されている。このため、燃料電池１０３の排熱は、上述したように、改質器１０２における炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。   Here, the power generation temperature of the fuel cell 103 is generally 800 to 1000 ° C. in the case of a solid oxide fuel cell, and is maintained at a predetermined power generation temperature by heat generated by the cell reaction. For this reason, the exhaust heat of the fuel cell 103 can be used as reaction heat of the hydrocarbon steam reforming reaction in the reformer 102 as described above.

図３に示すような燃料電池発電システムでは、燃料電池１０３における電池反応による発熱量が多いため、発電温度を維持するためには、燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃへ燃料電池用空気１５７を大量に供給して燃料電池１０３の冷却を行う必要がある。つまり、酸化剤極１０３ｃにおける酸化剤反応に使用される燃料電池用空気１５７は、燃料電池１０３を冷却する目的も兼ねている。実際には、酸化剤極１０３ｃにおける酸化剤極反応に使用される酸素の利用率は、酸化剤極１０３ｃに供給される酸素の２０％程度であり、燃料電池用空気１５７の多くは燃料電池１０３の冷却用に使用されている。   In the fuel cell power generation system as shown in FIG. 3, the amount of heat generated by the cell reaction in the fuel cell 103 is large. Therefore, in order to maintain the power generation temperature, a large amount of fuel cell air 157 is supplied to the oxidant electrode 103 c of the fuel cell 103. To cool the fuel cell 103. That is, the fuel cell air 157 used for the oxidant reaction in the oxidant electrode 103 c also serves to cool the fuel cell 103. Actually, the utilization rate of oxygen used for the oxidant electrode reaction in the oxidant electrode 103 c is about 20% of the oxygen supplied to the oxidant electrode 103 c, and most of the fuel cell air 157 is contained in the fuel cell 103. Used for cooling.

燃料極１０３ａにおいて電池反応によって生成された燃料極排出ガス１５２の一部は、上述したように、改質器１０２における炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、リサイクル用燃料極排出ガス１５３としてリサイクルされ、脱硫天然ガス１５１と混合される。   As described above, a part of the fuel electrode exhaust gas 152 generated by the cell reaction in the fuel electrode 103a is used as a fuel for recycling in order to supply steam necessary for the steam reforming reaction of hydrocarbons in the reformer 102. It is recycled as polar exhaust gas 153 and mixed with desulfurized natural gas 151.

また、燃料極排出ガス１５２の他の一部は、空気予熱器用燃料極排出ガス１５８として、酸化剤極１０３ｃから排出される酸化剤極排出ガス１５９とともに空気予熱器バーナ１０７に供給される。そして、空気予熱器バーナ１０７において、空気予熱器用燃料極排出ガス１５８中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、酸化剤極排出ガス１５９中の未反応酸素とを燃焼させ、空気予熱器１０６に供給された空気１５６と熱交換させることによって空気１５６の予熱が行われる。以下の（７）式及び（８）式に空気予熱器用燃料極排出ガス１５８中の水素及び一酸化炭素の燃焼反応を示す。   The other part of the fuel electrode exhaust gas 152 is supplied to the air preheater burner 107 together with the oxidant electrode exhaust gas 159 discharged from the oxidant electrode 103c as the air preheater fuel electrode exhaust gas 158. Then, in the air preheater burner 107, unreacted fuel, unreacted hydrogen and unreacted carbon monoxide in the fuel electrode exhaust gas 158 for the air preheater, and unreacted oxygen in the oxidant electrode exhaust gas 159 are burned. The air 156 is preheated by exchanging heat with the air 156 supplied to the air preheater 106. The following equations (7) and (8) show the combustion reaction of hydrogen and carbon monoxide in the fuel electrode exhaust gas 158 for the air preheater.

（水素の燃焼反応）
Ｈ2 ＋ １／２ Ｏ2 → Ｈ2Ｏ ・・・（７）
（一酸化炭素の燃焼反応）
ＣＯ ＋ １／２ Ｏ2 → ＣＯ2 ・・・（８）
空気予熱器１０６において予熱が行われた空気１５６は、燃料電池用空気１５７として燃料電池１０３の酸化剤極１０３ｃへ供給される。 (Hydrogen combustion reaction)
H 2 +1/2 O 2 → H 2 O (7)
(Combustion reaction of carbon monoxide)
CO + 1/2 O 2 → CO 2 (8)
The air 156 preheated in the air preheater 106 is supplied to the oxidant electrode 103 c of the fuel cell 103 as fuel cell air 157.

また、空気予熱器バーナ１０７からは、空気予熱器用燃料極排出ガス１５８と酸化剤極排出ガス１５９とを燃焼させることによって生じた燃焼排出ガスである空気予熱器排出ガス１６０が排出される。
電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編：「燃料電池の技術」，オーム社，ｐｐ．２０３−２０８（２００２） Further, the air preheater burner 107 discharges the air preheater exhaust gas 160 that is a combustion exhaust gas generated by burning the fuel electrode exhaust gas 158 for the air preheater and the oxidant electrode exhaust gas 159.
The Institute of Electrical Engineers, Fuel Cell Power Generation Next Generation System Technology Research Special Edition: “Fuel Cell Technology”, Ohm, pp. 203-208 (2002)

上述したように図３に示した燃料電池発電システムでは、燃料電池１０３を所定の発電温度に維持するために、酸化剤極１０３ｃにおける酸化剤極反応に使用される酸素量に見合った量よりもかなり多い燃料電池用空気１５７を酸化剤極１０３ｃへ供給し、燃料電池１０３の冷却を行っている。   As described above, in the fuel cell power generation system shown in FIG. 3, in order to maintain the fuel cell 103 at a predetermined power generation temperature, the amount is more than the amount commensurate with the amount of oxygen used for the oxidant electrode reaction at the oxidant electrode 103c. A considerably large amount of fuel cell air 157 is supplied to the oxidizer electrode 103 c to cool the fuel cell 103.

この場合、高温の燃料電池１０３に常温の空気をそのまま供給すると燃料電池１０３が破壊する恐れがあるため、空気予熱器１０６において大量の燃料電池用空気１５７の予熱を行うことが必要である。図３に示した燃料電池発電システムにおいては、この予熱のために消費される燃料のエネルギーが大きいため、燃料電池発電システムの発電効率の向上を妨げているという問題点がある。   In this case, if normal temperature air is supplied to the high temperature fuel cell 103 as it is, the fuel cell 103 may be destroyed. Therefore, it is necessary to preheat a large amount of fuel cell air 157 in the air preheater 106. In the fuel cell power generation system shown in FIG. 3, since the energy of the fuel consumed for this preheating is large, there is a problem that the improvement of the power generation efficiency of the fuel cell power generation system is hindered.

また、大量の燃料電池用空気１５７の予熱を行うためには、大型の空気予熱器１０６が必要であり、空気予熱器１０６の設置スペースの増加とシステムコストの上昇とが避けられないという問題点がある。   Moreover, in order to preheat a large amount of fuel cell air 157, a large air preheater 106 is required, and an increase in installation space of the air preheater 106 and an increase in system cost are inevitable. There is.

本発明は、燃料電池の冷却のために燃料電池に供給する酸化剤の供給量を削減し、酸化剤の予熱に必要な燃料のエネルギーを減少させた高発電効率の燃料電池発電システムおよび燃料電池発電方法を提供することを目的とする。   The present invention relates to a fuel cell power generation system and a fuel cell with high power generation efficiency in which the amount of oxidant supplied to the fuel cell for cooling the fuel cell is reduced and the energy of the fuel necessary for preheating the oxidant is reduced. An object is to provide a power generation method.

上記目的を達成するために本発明は、
燃料と外部から供給された酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有し、前記酸化剤を利用して前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システムであって、
前記電池反応によって生じた燃料極排出ガスと酸化剤極排出ガスとを燃焼させ、該燃焼によって生じた燃焼排出ガスを排出する燃焼排出ガス供給手段と、
前記燃焼排出ガス供給手段から排出された燃焼排出ガスと、前記酸化剤とを熱交換することによって前記燃焼排出ガスを冷却し、該冷却された燃焼排出ガスを排出する熱交換手段と、
前記熱交換手段から排出された前記冷却された燃焼排出ガスによって前記燃料電池を冷却する冷却手段とを有する。 In order to achieve the above object, the present invention provides:
A fuel cell power generation system having a fuel cell that generates power by a cell reaction using a fuel and an oxidant supplied from the outside, and cooling the fuel cell using the oxidant,
Combustion exhaust gas supply means for combusting the fuel electrode exhaust gas and the oxidant electrode exhaust gas generated by the battery reaction and discharging the combustion exhaust gas generated by the combustion;
Heat exchange means for cooling the combustion exhaust gas by exchanging heat between the combustion exhaust gas discharged from the combustion exhaust gas supply means and the oxidant, and discharging the cooled combustion exhaust gas;
Cooling means for cooling the fuel cell with the cooled combustion exhaust gas discharged from the heat exchange means.

また、燃料と外部から供給された酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有し、前記酸化剤を利用して前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システムにおける燃料電池発電方法であって、
前記電池反応によって生じた燃料極排出ガスと酸化剤極排出ガスとを燃焼させ、該燃焼によって生じた燃焼排出ガスを排出する処理と、
前記燃焼排出ガスと、前記酸化剤とを熱交換することによって前記燃焼排出ガスを冷却し、該冷却された燃焼排出ガスを排出する処理と、
前記冷却された燃焼排出ガスによって前記燃料電池を冷却する処理とを有する。 A fuel cell power generation method in a fuel cell power generation system having a fuel cell that generates power by a cell reaction using fuel and an oxidant supplied from the outside and cooling the fuel cell using the oxidant. There,
A process of burning the fuel electrode exhaust gas and the oxidant electrode exhaust gas generated by the battery reaction, and discharging the combustion exhaust gas generated by the combustion;
A process of cooling the combustion exhaust gas by exchanging heat between the combustion exhaust gas and the oxidant, and discharging the cooled combustion exhaust gas;
Cooling the fuel cell with the cooled combustion exhaust gas.

本発明は以上説明したように構成されているので、燃料電池発電システムの発電効率を向上させることができる。   Since the present invention is configured as described above, the power generation efficiency of the fuel cell power generation system can be improved.

また、空気予熱器の設置スペースの増加とシステムコストの上昇とを避けることができる。   Further, an increase in installation space for the air preheater and an increase in system cost can be avoided.

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、本発明の燃料電池発電システムの実施の一形態の構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a fuel cell power generation system of the present invention.

本形態の燃料電池発電システムは図１に示すように、脱硫器１と、改質器２と、燃料と酸化剤とを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池である燃料電池３と、温度計測手段である温度計測器４と、冷却手段である冷却器５と、空気予熱器６と、燃焼排出ガス供給手段である空気予熱器バーナ７と、熱交換手段である熱交換器８と、空冷ガス混合手段である混合器９と、出力調整装置１０と、エジェクタ１１と、複数の流量制御弁１２ａ，１２ｂと、空冷用ガス流量制御手段である流量制御弁１２ｃと、複数のブロワ１３ａ，１３ｂと、負荷１４と、後述する各種のガスを流すための配管類（不図示）とを備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell power generation system of this embodiment includes a desulfurizer 1, a reformer 2, a fuel cell 3 that is a solid oxide fuel cell that generates power using fuel and an oxidant, A temperature measuring device 4 as temperature measuring means, a cooler 5 as cooling means, an air preheater 6, an air preheater burner 7 as combustion exhaust gas supply means, and a heat exchanger 8 as heat exchange means , A mixer 9, which is an air cooling gas mixing means, an output adjusting device 10, an ejector 11, a plurality of flow control valves 12a, 12b, a flow control valve 12c, which is an air cooling gas flow control means, and a plurality of blowers 13a. 13b, a load 14, and piping (not shown) for flowing various gases described later.

脱硫器１は、天然ガス５０中に腐臭剤として添加されているメルカプタン等の硫黄分を吸着除去する。   The desulfurizer 1 adsorbs and removes sulfur such as mercaptan added as a odorant in the natural gas 50.

改質器２では、改質器２に充填されたニッケル系触媒、ルテニウム系触媒等の改質触媒の働きにより、天然ガス５０に含まれる炭化水素から水素を生成するための水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス５５がつくられる。   In the reformer 2, a steam reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbons contained in the natural gas 50 is performed by the action of a reforming catalyst such as a nickel-based catalyst or a ruthenium-based catalyst filled in the reformer 2. As a result, a hydrogen-rich reformed gas 55 is produced.

燃料電池３は、燃料極３ａと、電解質３ｂと、酸化剤極３ｃとを備えている。   The fuel cell 3 includes a fuel electrode 3a, an electrolyte 3b, and an oxidant electrode 3c.

燃料極３ａでは、燃料極反応によって水蒸気または二酸化炭素と電子とが生成される。   In the fuel electrode 3a, water vapor or carbon dioxide and electrons are generated by the fuel electrode reaction.

電解質３ｂは、酸化剤極３ｃにおいて酸化剤極反応によって生成された酸化物イオン（Ｏ2-）を燃料極３ａへ通過させる。 The electrolyte 3b allows the oxide ions (O 2− ) generated by the oxidant electrode reaction in the oxidant electrode 3c to pass to the fuel electrode 3a.

酸化剤極３ｃでは、酸化剤極反応によって酸素から酸化物イオンが生成される。   In the oxidant electrode 3c, oxide ions are generated from oxygen by an oxidant electrode reaction.

温度計測器４は、燃料電池３の温度を計測する。   The temperature measuring device 4 measures the temperature of the fuel cell 3.

冷却器５は、燃料電池３の発電温度を所定の温度に維持するために燃料電池３を冷却する。   The cooler 5 cools the fuel cell 3 in order to maintain the power generation temperature of the fuel cell 3 at a predetermined temperature.

空気予熱器６では、熱交換器８において空気予熱器排出ガス６０と熱交換された酸化剤である空気５６の予熱が行われる。そして、予熱が行われた空気５６は、燃料電池用空気５７として酸化剤極３ｃへ供給される。   In the air preheater 6, the air 56, which is an oxidant heat-exchanged with the air preheater exhaust gas 60 in the heat exchanger 8, is preheated. The preheated air 56 is supplied to the oxidant electrode 3 c as fuel cell air 57.

空気予熱器バーナ７では、燃料電池３の電池反応によって燃料極３ａにて生じた燃料極排出ガス５２の一部である空気予熱器用燃料極排出ガス５８と、同様に燃料電池３の電池反応によって酸化剤極３ｃにて生じた酸化剤極排出ガス５９とが燃焼され、燃焼排出ガスである空気予熱器排出ガス６０が生成される。そして、空気予熱器排出ガス６０は熱交換器８へ排出される。   In the air preheater burner 7, an air preheater fuel electrode exhaust gas 58, which is a part of the fuel electrode exhaust gas 52 generated in the fuel electrode 3 a due to the cell reaction of the fuel cell 3, and the cell reaction of the fuel cell 3 similarly. The oxidant electrode exhaust gas 59 generated at the oxidant electrode 3c is combusted to generate an air preheater exhaust gas 60 that is a combustion exhaust gas. Then, the air preheater exhaust gas 60 is exhausted to the heat exchanger 8.

熱交換器８では、空気予熱器排出ガス６０と、燃料電池発電システムの外部からブロワ１３ａを用いて取り込んだ空気５６とが熱交換されることにより、空気５６の昇温と空気予熱器排出ガス６０の冷却とが行われる。   In the heat exchanger 8, the air preheater exhaust gas 60 and the air 56 taken in from the outside of the fuel cell power generation system using the blower 13a are subjected to heat exchange, whereby the temperature of the air 56 is increased and the air preheater exhaust gas is discharged. 60 cooling is performed.

混合器９では、空気５６の一部であり空冷用ガスである冷却用空気６１と、ブロワ１３ｂを介して熱交換器８から供給された冷却された空気予熱器排出ガス６０とが混合される。そして、冷却用空気６１と、混合されることによって所定の温度まで冷却された空気予熱器排出ガス６０とが混合された混合ガスである混合器排出ガス６２が冷却器５にリサイクルされる。   In the mixer 9, the cooling air 61, which is a part of the air 56 and is an air cooling gas, and the cooled air preheater exhaust gas 60 supplied from the heat exchanger 8 through the blower 13b are mixed. . Then, the mixer exhaust gas 62 that is a mixed gas in which the cooling air 61 and the air preheater exhaust gas 60 that has been mixed and cooled to a predetermined temperature are mixed is recycled to the cooler 5.

出力調整装置１０は、燃料電池３の発電によって得られた燃料電池直流出力２０の電圧の変換や直流から交流への変換を行う。   The output adjustment device 10 performs conversion of the voltage of the fuel cell DC output 20 obtained by power generation of the fuel cell 3 and conversion from DC to AC.

エジェクタ１１は、リサイクル用燃料極排出ガス５３の供給量を調整する。   The ejector 11 adjusts the supply amount of the fuel electrode exhaust gas 53 for recycling.

流量制御弁１２ａ〜１２ｃは、燃料電池発電システムの外部から取り込んだガス等の排出量を調整する。   The flow control valves 12a to 12c adjust the discharge amount of gas or the like taken from the outside of the fuel cell power generation system.

ブロワ１３ａ，１３ｂは、空気を取り込んだり、ガスの排出量を調整したりする。   The blowers 13a and 13b take in air and adjust the discharge amount of gas.

負荷１４は、燃料電池３の発電によって得られた電力の供給を受ける。   The load 14 is supplied with electric power obtained by the power generation of the fuel cell 3.

以下に、上記のように構成された燃料電池発電システムの動作について図１を参照しながら説明する。   The operation of the fuel cell power generation system configured as described above will be described below with reference to FIG.

ここでは、図１に示す燃料電池発電システムにおける燃料電池の発電動作の説明は省略し、燃料電池３の冷却を兼ねて燃料電池３へ供給される燃料電池用空気５７の量を削減するために、空気予熱器用燃料極排出ガス５８と酸化剤極排出ガス５９との燃焼で生じた空気予熱器排出ガス６０を冷却して冷却器５へリサイクルすることによって燃料電池３を冷却する動作について詳しく説明する。   Here, the description of the power generation operation of the fuel cell in the fuel cell power generation system shown in FIG. 1 is omitted, and in order to reduce the amount of fuel cell air 57 supplied to the fuel cell 3 while also cooling the fuel cell 3. The operation of cooling the fuel cell 3 by cooling the air preheater exhaust gas 60 generated by the combustion of the air preheater fuel electrode exhaust gas 58 and the oxidant electrode exhaust gas 59 and recycling it to the cooler 5 will be described in detail. To do.

まず、燃料電池３の燃料極３ａにおいて生じた燃料極排出ガス５２の一部である空気予熱器用燃料極排出ガス５８と、燃料電池３の酸化剤極３ｃにおいて生じた酸化剤極排出ガス５９とが空気予熱器バーナ７に供給される。   First, the fuel electrode exhaust gas 58 for the air preheater, which is a part of the fuel electrode exhaust gas 52 generated in the fuel electrode 3a of the fuel cell 3, and the oxidant electrode exhaust gas 59 generated in the oxidant electrode 3c of the fuel cell 3; Is supplied to the air preheater burner 7.

次に、空気予熱器バーナ７において、空気予熱器用燃料極排出ガス５８中の未反応燃料、未反応水素及び未反応一酸化炭素と、酸化剤極排出ガス５９中の未反応酸素とを燃焼させることによって空気予熱器排出ガス６０が生成される。   Next, in the air preheater burner 7, unreacted fuel, unreacted hydrogen and unreacted carbon monoxide in the air electrode heater exhaust gas 58 and unreacted oxygen in the oxidant electrode exhaust gas 59 are burned. As a result, the air preheater exhaust gas 60 is generated.

次に、空気予熱器排出ガス６０と、燃料電池発電システムの外部からブロワ１３ａを用いて取り込んだ空気５６とが熱交換器８に供給され、熱交換器８において熱交換されることにより、空気５６の昇温と空気予熱器排出ガス６０の冷却とが行われる。   Next, the air preheater exhaust gas 60 and the air 56 taken in from the outside of the fuel cell power generation system using the blower 13a are supplied to the heat exchanger 8 and heat exchange is performed in the heat exchanger 8, thereby The temperature is raised 56 and the air preheater exhaust gas 60 is cooled.

次に、熱交換器８において空気５６と熱交換されたことによって冷却された空気予熱器排出ガス６０は、ブロワ１３ｂを用いて混合器９に供給され、空気５６の一部である冷却用空気６１と混合される。なお、熱交換器８を設けずに、空気予熱器排出ガス６０を直接混合器９に供給することによって空気予熱器排出ガス６０の冷却を行ってもよい。また、熱交換器８は、ブロワ１３ｂの前後のいずれに設けてもよいが、ブロワ１３ｂの温度劣化を考慮するとブロワ１３ｂの前に設けるほうが望ましい。また、ブロワ１３ｂの代わりにファンを用いてもよい。その場合には、冷却された空気予熱器排出ガス６０の混合器９への供給量をファンを用いて制御する。また、冷却された空気予熱器排出ガス６０は、すべてを混合器９に供給してもよいし、その一部のみを供給してもよい。   Next, the air preheater exhaust gas 60 cooled by the heat exchange with the air 56 in the heat exchanger 8 is supplied to the mixer 9 using the blower 13 b, and the cooling air that is a part of the air 56. 61 and mixed. The air preheater exhaust gas 60 may be cooled by supplying the air preheater exhaust gas 60 directly to the mixer 9 without providing the heat exchanger 8. The heat exchanger 8 may be provided either before or after the blower 13b, but it is preferable to provide the heat exchanger 8 before the blower 13b in consideration of temperature deterioration of the blower 13b. A fan may be used instead of the blower 13b. In that case, the supply amount of the cooled air preheater exhaust gas 60 to the mixer 9 is controlled using a fan. Further, the cooled air preheater exhaust gas 60 may be supplied to the mixer 9 or only a part thereof.

そして、冷却用空気６１と、混合器９において冷却用空気６１と混合されることによって所定の温度まで冷却された空気予熱器排出ガス６０とが混合された混合器排出ガス６２は、冷却器５にリサイクルされて燃料電池３と熱交換されることにより、燃料電池３の冷却に利用される。   The mixer exhaust gas 62 in which the cooling air 61 and the air preheater exhaust gas 60 that has been cooled to a predetermined temperature by being mixed with the cooling air 61 in the mixer 9 are mixed into the cooler 5. And is used for cooling the fuel cell 3 by heat exchange with the fuel cell 3.

ここで、空気予熱器排出ガス６０の混合器９への供給量は、例えば、予め設定された燃料電池直流出力２０、送電端交流出力２１、電池電流のうちのいずれか１つと空気予熱器排出ガス６０の供給量との関係に基づき、ブロワ１３ｂを用いて制御する。   Here, the supply amount of the air preheater exhaust gas 60 to the mixer 9 is, for example, any one of the preset fuel cell DC output 20, the power transmission end AC output 21, the battery current and the air preheater discharge. Control is performed using the blower 13b based on the relationship with the supply amount of the gas 60.

また、冷却用空気６１の混合器９への供給量は、温度計測器４で計測した燃料電池３の温度に応じ、流量制御弁１２ｃを用いて制御する。例えば、予め設定した燃料電池３の温度と、冷却用空気６１の供給量との関係に基づき、燃料電池３の温度が所定の温度もしくは温度範囲よりも上昇した場合、流量制御弁１２ｃを開けて冷却用空気６１の供給量を増加させることによって燃料電池３の温度を低下させる。逆に、燃料電池３の温度が所定の温度もしくは温度範囲よりも低下した場合、流量制御弁１２ｃを閉めて冷却用空気６１の供給量を減少させることによって燃料電池３の温度を上昇させる。   Further, the supply amount of the cooling air 61 to the mixer 9 is controlled using the flow rate control valve 12 c according to the temperature of the fuel cell 3 measured by the temperature measuring device 4. For example, when the temperature of the fuel cell 3 rises above a predetermined temperature or temperature range based on the relationship between the preset temperature of the fuel cell 3 and the supply amount of the cooling air 61, the flow control valve 12c is opened. The temperature of the fuel cell 3 is lowered by increasing the supply amount of the cooling air 61. On the contrary, when the temperature of the fuel cell 3 falls below a predetermined temperature or temperature range, the temperature of the fuel cell 3 is raised by closing the flow control valve 12c and decreasing the supply amount of the cooling air 61.

このように本形態においては、空気予熱器排出ガス６０の一部もしくは全部を混合器９を経て冷却器５にリサイクルして燃料電池３の冷却に利用することにより、燃料電池３の冷却を兼ねて燃料電池発電システムの外部から燃料電池３へ供給される空気５６の量を削減することができる。その結果、空気５６の予熱を行うために空気予熱器６で消費される燃料のエネルギーが減少し、燃料電池３の発電のために消費できる燃料のエネルギーが増加することになる。これは、燃料電池３の発電効率の向上をもたらす。   As described above, in this embodiment, part or all of the air preheater exhaust gas 60 is recycled to the cooler 5 through the mixer 9 and used for cooling the fuel cell 3, thereby also cooling the fuel cell 3. Thus, the amount of air 56 supplied to the fuel cell 3 from the outside of the fuel cell power generation system can be reduced. As a result, the energy of the fuel consumed by the air preheater 6 for preheating the air 56 decreases, and the energy of the fuel that can be consumed for power generation by the fuel cell 3 increases. This brings about the improvement of the power generation efficiency of the fuel cell 3.

図２は、燃料電池発電システムにおける燃料のエネルギーの消費先を示す図である。   FIG. 2 is a diagram illustrating a fuel energy consumption destination in the fuel cell power generation system.

図２に示すように燃料電池発電システムでは、燃料のエネルギーは、主に発電、燃料の改質及び空気の予熱に消費され、その他は損失として放出されると考えられる。従って、図１に示した燃料電池発電システムでは、空気５６の予熱のための燃料のエネルギーを減少させることができるので、それに伴う損失の低減も可能となり、燃料電池発電システム全体のエネルギーバランスを改善することができる。その結果、発電のために消費できる燃料のエネルギーが増加し、発電効率が向上する。なお、燃料の昇温に必要なエネルギーは、燃料の供給量が空気の供給量と比較してわずかであるため、ここでは無視している。   As shown in FIG. 2, in the fuel cell power generation system, it is considered that the energy of the fuel is mainly consumed for power generation, fuel reforming and air preheating, and the rest is released as a loss. Therefore, in the fuel cell power generation system shown in FIG. 1, the energy of the fuel for preheating the air 56 can be reduced, so that the loss associated therewith can be reduced, and the energy balance of the entire fuel cell power generation system is improved. can do. As a result, the energy of the fuel that can be consumed for power generation increases, and the power generation efficiency is improved. Note that the energy required to raise the temperature of the fuel is neglected here because the amount of fuel supplied is small compared to the amount of air supplied.

また、本形態においては、燃料電池３へ供給する空気５６の供給量を削減でき、空気予熱器６で消費される空気５６の予熱のための燃料のエネルギーが減少するため、空気予熱器６の小型化が可能となる。   In this embodiment, the supply amount of the air 56 supplied to the fuel cell 3 can be reduced, and the energy of the fuel for preheating the air 56 consumed by the air preheater 6 is reduced. Miniaturization is possible.

なお、上述した実施の形態では図１に示すように、燃料極３ａ、電解質３ｂ及び酸化剤極３ｃからなる燃料電池３の単セルあたり１個の冷却器５が設置されているが、本発明はこれに限定されることはない。例えば、冷却器５を燃料電池３の任意の数のセルあたりに１個設けてもよい。   In the above-described embodiment, as shown in FIG. 1, one cooler 5 is installed per unit cell of the fuel cell 3 including the fuel electrode 3a, the electrolyte 3b, and the oxidant electrode 3c. Is not limited to this. For example, one cooler 5 may be provided for any number of cells of the fuel cell 3.

また、上述した実施の形態では図１に示すように、燃料極３ａ、電解質３ｂ及び酸化剤極３ｃからなる燃料電池３の単セルあたり１個の温度計測器４が設置されているが、本発明はこれに限定されることはない。温度計測器４を燃料電池３の任意の数のセルあたりに１個設けてもよい。このとき、冷却用空気６１の供給量を制御する場合、複数の温度計測器４で計測した燃料電池３の温度の平均値を燃料電池３の温度としてもよい。   In the above-described embodiment, as shown in FIG. 1, one temperature measuring device 4 is installed per unit cell of the fuel cell 3 including the fuel electrode 3a, the electrolyte 3b, and the oxidant electrode 3c. The invention is not limited to this. One temperature measuring device 4 may be provided for any number of cells of the fuel cell 3. At this time, when the supply amount of the cooling air 61 is controlled, the average value of the temperatures of the fuel cells 3 measured by the plurality of temperature measuring devices 4 may be used as the temperature of the fuel cells 3.

また、上述した実施の形態では、空気予熱器排出ガス６０を熱交換器８において空気５６と熱交換する場合について説明したが、空気予熱器排出ガス６０を熱交換器８において燃料電池用空気５７と熱交換させることにより、空気予熱器排出ガス６０の冷却と燃料電池用空気５７の昇温とを行ってもよい。このとき、空気予熱器排出ガス６０をすべて混合器９に供給する場合には、ブロワ１３ｂもしくはその代替のファンは設けなくてもよい。   In the above-described embodiment, the case where the air preheater exhaust gas 60 is heat-exchanged with the air 56 in the heat exchanger 8 has been described. However, the air preheater exhaust gas 60 is converted into the fuel cell air 57 in the heat exchanger 8. The air preheater exhaust gas 60 may be cooled and the temperature of the fuel cell air 57 may be increased by performing heat exchange with the fuel cell. At this time, when all the air preheater exhaust gas 60 is supplied to the mixer 9, the blower 13b or an alternative fan may not be provided.

また、上述した実施の形態では、燃料電池３として固体酸化物形燃料電池を用いた場合について説明したが、固体酸化物形燃料電池の代わりに溶融炭酸塩形燃料電池を用いてもよい。   In the above-described embodiment, the case where a solid oxide fuel cell is used as the fuel cell 3 has been described. However, a molten carbonate fuel cell may be used instead of the solid oxide fuel cell.

また、上述した実施の形態では、改質器２において水蒸気改質反応を行う場合について説明したが、改質器２を用いずに燃料の水蒸気改質反応を直接燃料電池３の燃料極３ａで行い、燃料電池３の電池反応に必要な水素と一酸化炭素を生成させてもよい。   In the above-described embodiment, the case where the steam reforming reaction is performed in the reformer 2 has been described. However, the steam reforming reaction of the fuel is directly performed at the fuel electrode 3 a of the fuel cell 3 without using the reformer 2. And hydrogen and carbon monoxide necessary for the cell reaction of the fuel cell 3 may be generated.

また、上述した実施の形態では、酸化剤として空気５６を用いた場合について説明したが、酸化剤として純酸素を用いてもよい。   Moreover, although the case where the air 56 was used as an oxidizing agent was demonstrated in embodiment mentioned above, you may use pure oxygen as an oxidizing agent.

また、本発明は、上述した実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の燃料電池発電システムの実施の一形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Embodiment of the fuel cell power generation system of this invention. 燃料電池発電システムにおける燃料のエネルギーの消費先を示す図である。It is a figure which shows the consumption place of the energy of the fuel in a fuel cell power generation system. 固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the fuel cell power generation system using a solid oxide fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

１，１０１ 脱硫器
２，１０２ 改質器
３，１０３ 燃料電池
４ 温度計測器
５ 冷却器
６，１０６ 空気予熱器
７，１０７ 空気予熱器バーナ
８ 熱交換器
９ 混合器
１０，１１０ 出力調整装置
１１，１１１ エジェクタ
１２ａ〜１２ｃ，１１２ａ，１１２ｂ 流量制御弁
１３ａ，１３ｂ，１１３ ブロワ
１４，１１４ 負荷
２０，１２０ 燃料電池直流出力
２１，１２１ 送電端交流出力
５０，１５０ 天然ガス
５１，１５１ 脱硫天然ガス
５２，１５２ 燃料極排出ガス
５３，１５３ リサイクル用燃料極排出ガス
５４，１５４ 混合天然ガス
５５，１５５ 改質ガス
５６，１５６ 空気
５７，１５７ 燃料電池用空気
５８，１５８ 空気予熱器用燃料極排出ガス
５９，１５９ 酸化剤極排出ガス
６０，１６０ 空気予熱器排出ガス
６１ 冷却用空気
６２ 混合器排出ガス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Desulfurizer 2,102 Reformer 3,103 Fuel cell 4 Temperature measuring device 5 Cooler 6,106 Air preheater 7,107 Air preheater burner 8 Heat exchanger 9 Mixer 10,110 Output adjustment device 11 , 111 Ejectors 12a to 12c, 112a, 112b Flow rate control valves 13a, 13b, 113 Blowers 14, 114 Loads 20, 120 Fuel cell DC output 21, 121 Transmission end AC output 50, 150 Natural gas 51, 151 Desulfurized natural gas 52, 152 Fuel electrode exhaust gas 53,153 Recycled fuel electrode exhaust gas 54,154 Mixed natural gas 55,155 Reformed gas 56,156 Air 57,157 Fuel cell air 58,158 Fuel electrode exhaust gas 59,159 for air preheater Oxidant electrode exhaust gas 60,160 Air preheater exhaust gas 61 Cooling air 6 Mixer exhaust gas

Claims (10)

燃料と外部から供給された酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有し、前記酸化剤を利用して前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システムであって、
前記電池反応によって生じた燃料極排出ガスと酸化剤極排出ガスとを燃焼させ、該燃焼によって生じた燃焼排出ガスを排出する燃焼排出ガス供給手段と、
前記燃焼排出ガス供給手段から排出された燃焼排出ガスと、前記酸化剤とを熱交換することによって前記燃焼排出ガスを冷却し、該冷却された燃焼排出ガスを排出する熱交換手段と、
前記熱交換手段から排出された前記冷却された燃焼排出ガスによって前記燃料電池を冷却する冷却手段とを有する燃料電池発電システム。 A fuel cell power generation system having a fuel cell that generates power by a cell reaction using a fuel and an oxidant supplied from the outside, and cooling the fuel cell using the oxidant,
Combustion exhaust gas supply means for combusting the fuel electrode exhaust gas and the oxidant electrode exhaust gas generated by the battery reaction and discharging the combustion exhaust gas generated by the combustion;
Heat exchange means for cooling the combustion exhaust gas by exchanging heat between the combustion exhaust gas discharged from the combustion exhaust gas supply means and the oxidant, and discharging the cooled combustion exhaust gas;
And a cooling means for cooling the fuel cell with the cooled combustion exhaust gas discharged from the heat exchange means. 請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記冷却された燃焼排出ガスと、前記酸化剤の一部である空冷用ガスとを混合し、該混合されたガスを所定の温度にした混合ガスを前記冷却手段へ排出する空冷ガス混合手段を有し、
前記冷却手段は、前記空冷ガス混合手段から排出された混合ガスによって前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to claim 1,
An air-cooled gas mixing means for mixing the cooled combustion exhaust gas with an air-cooling gas which is a part of the oxidant, and discharging the mixed gas having a predetermined temperature to the cooling means. Have
The cooling means is a fuel cell power generation system that cools the fuel cell with the mixed gas discharged from the air-cooled gas mixing means. 請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段で計測した前記燃料電池の温度に応じて前記空冷ガス混合手段へ供給する前記空冷用ガスの流量を制御する空冷用ガス流量制御手段とを有する燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to claim 2,
Temperature measuring means for measuring the temperature of the fuel cell;
A fuel cell power generation system comprising air cooling gas flow rate control means for controlling the flow rate of the air cooling gas supplied to the air cooling gas mixing means in accordance with the temperature of the fuel cell measured by the temperature measuring means. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell is a fuel cell power generation system which is a solid oxide fuel cell. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池である燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell is a fuel cell power generation system which is a molten carbonate fuel cell. 燃料と外部から供給された酸化剤とを用いた電池反応によって発電を行う燃料電池を有し、前記酸化剤を利用して前記燃料電池を冷却する燃料電池発電システムにおける燃料電池発電方法であって、
前記電池反応によって生じた燃料極排出ガスと酸化剤極排出ガスとを燃焼させ、該燃焼によって生じた燃焼排出ガスを排出する処理と、
前記燃焼排出ガスと、前記酸化剤とを熱交換することによって前記燃焼排出ガスを冷却し、該冷却された燃焼排出ガスを排出する処理と、
前記冷却された燃焼排出ガスによって前記燃料電池を冷却する処理とを有する燃料電池発電方法。 A fuel cell power generation method in a fuel cell power generation system having a fuel cell that generates power by a cell reaction using fuel and an oxidant supplied from outside, and cooling the fuel cell using the oxidant. ,
A process of burning the fuel electrode exhaust gas and the oxidant electrode exhaust gas generated by the battery reaction, and discharging the combustion exhaust gas generated by the combustion;
A process of cooling the combustion exhaust gas by exchanging heat between the combustion exhaust gas and the oxidant, and discharging the cooled combustion exhaust gas;
And a process for cooling the fuel cell with the cooled combustion exhaust gas. 請求項６に記載の燃料電池発電方法において、
前記冷却された燃焼排出ガスと、前記酸化剤の一部である空冷用ガスとを混合し、該混合されたガスを所定の温度にした混合ガスを排出する処理と、
前記混合ガスによって前記燃料電池を冷却する処理とを有する燃料電池発電方法。 The fuel cell power generation method according to claim 6,
A process of mixing the cooled combustion exhaust gas and an air-cooling gas which is a part of the oxidant, and discharging the mixed gas at a predetermined temperature;
And a process for cooling the fuel cell with the mixed gas. 請求項７に記載の燃料電池発電方法において、
前記燃料電池の温度を計測する処理と、
前記燃料電池の温度に応じて前記空冷用ガスの流量を制御する処理とを有する燃料電池発電方法。 The fuel cell power generation method according to claim 7,
A process of measuring the temperature of the fuel cell;
And a process for controlling a flow rate of the air cooling gas in accordance with the temperature of the fuel cell. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池発電方法において、
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である燃料電池発電方法。 The fuel cell power generation method according to any one of claims 6 to 8,
The fuel cell is a fuel cell power generation method, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池発電方法において、
前記燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池である燃料電池発電方法。 The fuel cell power generation method according to any one of claims 6 to 8,
The fuel cell is a molten carbonate fuel cell.
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