JP3453237B2 - 酸素循環式固体電解質型燃料電池発電装置 - Google Patents
酸素循環式固体電解質型燃料電池発電装置Info
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮空気と燃料と
を反応させて発電する固体電解質型燃料電池モジュール
と、同モジュールで未反応の空気と燃料を燃焼してガス
タービンへ供給する燃焼器とを有する固体電解質型燃料
電池発電装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来の固体電解質型燃料電池（Solid Ox
ide Fuel Cell 、以下ＳＯＦＣと略称する）発電装置を
図２に示す。図２において、１０は空気２を圧縮する空
気圧縮機、１１はガスタービン、９はその燃焼器であ
る。６はＳＯＦＣモジュール、１５は同モジュールに供
給される天然ガス、石油ガス、石炭ガス化ガス等の燃料
ガスを示している。 【０００３】図２に示したＳＯＦＣ発電装置において、
燃料ガス１５はＳＯＦＣモジュール６に供給された後、
内部で発電により消費され、残りの燃料排ガス１６は燃
焼器９へ供給される。一方、空気２は空気圧縮機１０に
より加圧された後、ＳＯＦＣモジュール６へ供給され、
発電に用いられた後、排空気１７が燃焼器９へ供給され
る。 【０００４】燃焼器９にて前記した燃料排ガス１６と排
空気１７とが燃焼し、生成した燃焼ガス２０がガスター
ビン１１へ供給され、発電に用いられた後、さらに排ガ
スは排ガスボイラ１４へ供給される。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ＳＯＦＣは燃料と酸素
との反応熱により、高温（９００〜１０００℃）で作動
するため、酸素（又は空気）をある程度、多めに流して
冷却しておかないと温度が上り過ぎてしまう。通常は酸
素源として空気を用いるが、酸素を用いた方が、ＳＯＦ
Ｃの性能はより向上する（約１０％）。 【０００６】しかし、酸素を用いると、空気よりも流量
が少ない分、多くの量の酸素を流す必要がある（空気中
の酸素割合が約２１％なので１／０．２１≒４．８
倍）。また、酸素流量が少ないと、ＳＯＦＣモジュール
内の温度分布が拡大するという問題も生じるので、流量
はなるべく多くしたいが、そうすると空気圧縮機の動力
消費が増え、システムの発電効率は低下してしまう。 【０００７】本発明は、空気中の酸素と燃料とを反応さ
せて発電するＳＯＦＣモジュールを用いたＳＯＦＣ発電
装置において、酸素もしくは酸素富化空気を用いながら
もモジュール内の温度分布を拡大させることのないＳＯ
ＦＣ発電装置を提供することを課題としている。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、空気圧縮機と、同空気圧縮機からの圧縮空
気と燃料とを反応させて発電するＳＯＦＣモジュール
と、同モジュールで未反応の空気と燃料を燃焼してガス
タービンへ供給する燃焼器とを有する固体電解質型燃料
電池発電システムにおいて、前記モジュールへ石炭ガス
化ガス燃料を供給するガス化炉と、前記空気圧縮機出口
の空気ラインに、酸素富化空気を前記ガス化炉へ石炭ガ
ス化用として供給する酸素分離装置を設置し、その酸素
分離装置出口の酸素もしくは酸素富化空気をＳＯＦＣモ
ジュールへ供給するとともに、モジュール出口の未反応
空気ラインに循環ポンプを設置して未反応酸素もしくは
未反応酸素富化空気の一部を前記酸素分離装置後流のモ
ジュール入口側へ循環させるように構成した酸素循環式
ＳＯＦＣ発電装置を提供する。 【０００９】このように構成した本発明のＳＯＦＣ発電
装置において、酸素分離装置で分離された酸素（又は酸
素富化空気）は石炭ガス化用としてガス化炉へ供給され
るとともにＳＯＦＣモジュールへ供給され発電効率を向
上させる。一方、ＳＯＦＣモジュール出口の未反応酸素
を含む排気の一部は循環ポンプでモジュール入口側へ循
環され、入口酸素流量を増大させることにより空気圧縮
機の動力消費を軽減する。 【００１０】これに伴なってＳＯＦＣ電池本体と周囲の
酸素（又は酸素富化空気）との熱伝達を向上させ、温度
分布を低減させ、モジュールの電気出力は増大する。 【００１１】 【発明の実施の形態】以下、本発明によるＳＯＦＣ発電
装置について図１に示した実施の形態に基づいて具体的
に説明する。なお、以下の実施の形態において、図２に
示した従来の装置と同じ構成の部分には説明を簡単にす
るため同じ符号を付してある。 【００１２】なお、以下の実施形態は、石炭ガス化／Ｓ
ＯＦＣコンバインド発電装置に本発明を適用したもので
ある。図１において、３はガス化炉、４は脱塵装置、５
は脱硫装置を示す。また、８は酸素分離装置で、空気圧
縮機１０を出た空気を酸素（又は酸素富化空気）と窒素
１３に分離する。 【００１３】７はＳＯＦＣモジュール６へ入る酸素（又
は酸素富化空気）１２とＳＯＦＣモジュール６を出る未
反応酸素１８を導くラインの間につながれた循環ポンプ
を示す。その他の構成は図２に示したものと実質的に同
じである。 【００１４】このように構成された図１のＳＯＦＣ発電
装置において、石炭１はガス化炉３でガス化された後、
脱塵装置４、脱硫装置５を経て、ＳＯＦＣモジュール６
へ燃料として供給される。一方、空気２は空気圧縮機１
０で加圧された後、酸素分離装置８で酸素１２と窒素１
３とに分離され、酸素１２がＳＯＦＣモジュール６へ供
給される。 【００１５】また酸素１２は同時に石炭ガス化用とし
て、ガス化炉３にも供給される（ここで、酸素分離装置
８で酸素を完全に分離せずに、ある割合で窒素を残した
酸素富化空気として供給することも可能）。石炭ガス化
ガス１９はＳＯＦＣモジュール６内で発電に用いられた
後、燃料排ガス１６として排出される。 【００１６】一方、酸素（又は酸素富化空気）１２はＳ
ＯＦＣモジュール６内で発電に用いられた後、未反応酸
素１８として排出され、その一部はＳＯＦＣモジュール
６の出口に設けた酸素循環用のポンプ７によってＳＯＦ
Ｃモジュール６へ循環され、残りは燃焼器９へ供給され
る。燃焼器９では燃料排ガス１６と未反応酸素１８とが
燃焼し、燃焼ガス２０がガスタービン１１へ供給され、
発電に用いられた後、さらに排ガスは排ガスボイラ１４
へ供給される。 【００１７】このように、ＳＯＦＣモジュール６へ供給
される酸素（又は酸素富化空気）１２には循環ポンプ７
によってＳＯＦＣモジュール６を出た未反応酸素１８が
還流されるのでＳＯＦＣモジュール６内を流れる酸素
（又は酸素富化空気）の流量が増えガス流速が増大す
る。 【００１８】このようにして空気圧縮機１０の動力消費
を増やすことなく電池本体と酸素（又は酸素富化空気）
との熱伝達率が向上して温度分布が減少しＳＯＦＣモジ
ュール６の電気出力が増える。 【００１９】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によるＳＯ
ＦＣ発電装置では、空気圧縮機と、同空気圧縮機からの
圧縮空気と燃料とを反応させて発電するＳＯＦＣモジュ
ールと、同モジュールで未反応の空気と燃料を燃焼して
ガスタービンへ供給する燃焼器とを有する固体電解質型
燃料電池発電システムにおいて、前記モジュールへ石炭
ガス化ガス燃料を供給するガス化炉と、酸素富化空気を
前記ガス化炉へ石炭ガス化用として供給する酸素分離装
置を前記空気圧縮機出口の空気ラインに設置し、同分離
装置出口の酸素もしくは酸素富化空気をＳＯＦＣモジュ
ールへ供給するとともに、同モジュール出口の未反応空
気ラインに循環ポンプを設置して未反応酸素もしくは未
反応酸素富化空気の一部を前記酸素分離装置後流のモジ
ュール入口側へ循環させるように構成したもので次の効
果を奏することができる。 【００２０】すなわち、まず、本発明によるＳＯＦＣ発
電装置においては、ＳＯＦＣモジュールへ酸素を供給す
ることにより、モジュールの電気出力が増大する。ま
た、ＳＯＦＣモジュールを出た未反応酸素を循環させる
ことにより、空気圧縮機の動力消費が低減する。 【００２１】また、本発明によるＳＯＦＣ発電装置で
は、ＳＯＦＣモジュールを出た未反応酸素を循環するこ
とによってＳＯＦＣモジュール内の酸素（又は酸素富化
空気）流量が増えることによりモジュール発電室内での
ガス流速が増大する。ＳＯＦＣの発電性能は温度が高い
程向上する。ただし、温度が高くなりすぎると性能劣化
を加速する傾向にあるため、通常はある上限温度を設定
する。つまり、その上限温度に対して、温度分布の幅が
小さいほど、電気出力は増大する。 【００２２】本発明によるＳＯＦＣ発電装置では前記し
たようにＳＯＦＣモジュール発電室内でのガス流速が増
大するのでそれに伴い、ＳＯＦＣ電池本体と周囲の酸素
（又は酸素富化空気）との熱伝達率が向上することによ
って温度分布が低減し、モジュールの電気出力が増大す
る。
を反応させて発電する固体電解質型燃料電池モジュール
と、同モジュールで未反応の空気と燃料を燃焼してガス
タービンへ供給する燃焼器とを有する固体電解質型燃料
電池発電装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来の固体電解質型燃料電池（Solid Ox
ide Fuel Cell 、以下ＳＯＦＣと略称する）発電装置を
図２に示す。図２において、１０は空気２を圧縮する空
気圧縮機、１１はガスタービン、９はその燃焼器であ
る。６はＳＯＦＣモジュール、１５は同モジュールに供
給される天然ガス、石油ガス、石炭ガス化ガス等の燃料
ガスを示している。 【０００３】図２に示したＳＯＦＣ発電装置において、
燃料ガス１５はＳＯＦＣモジュール６に供給された後、
内部で発電により消費され、残りの燃料排ガス１６は燃
焼器９へ供給される。一方、空気２は空気圧縮機１０に
より加圧された後、ＳＯＦＣモジュール６へ供給され、
発電に用いられた後、排空気１７が燃焼器９へ供給され
る。 【０００４】燃焼器９にて前記した燃料排ガス１６と排
空気１７とが燃焼し、生成した燃焼ガス２０がガスター
ビン１１へ供給され、発電に用いられた後、さらに排ガ
スは排ガスボイラ１４へ供給される。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ＳＯＦＣは燃料と酸素
との反応熱により、高温（９００〜１０００℃）で作動
するため、酸素（又は空気）をある程度、多めに流して
冷却しておかないと温度が上り過ぎてしまう。通常は酸
素源として空気を用いるが、酸素を用いた方が、ＳＯＦ
Ｃの性能はより向上する（約１０％）。 【０００６】しかし、酸素を用いると、空気よりも流量
が少ない分、多くの量の酸素を流す必要がある（空気中
の酸素割合が約２１％なので１／０．２１≒４．８
倍）。また、酸素流量が少ないと、ＳＯＦＣモジュール
内の温度分布が拡大するという問題も生じるので、流量
はなるべく多くしたいが、そうすると空気圧縮機の動力
消費が増え、システムの発電効率は低下してしまう。 【０００７】本発明は、空気中の酸素と燃料とを反応さ
せて発電するＳＯＦＣモジュールを用いたＳＯＦＣ発電
装置において、酸素もしくは酸素富化空気を用いながら
もモジュール内の温度分布を拡大させることのないＳＯ
ＦＣ発電装置を提供することを課題としている。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、空気圧縮機と、同空気圧縮機からの圧縮空
気と燃料とを反応させて発電するＳＯＦＣモジュール
と、同モジュールで未反応の空気と燃料を燃焼してガス
タービンへ供給する燃焼器とを有する固体電解質型燃料
電池発電システムにおいて、前記モジュールへ石炭ガス
化ガス燃料を供給するガス化炉と、前記空気圧縮機出口
の空気ラインに、酸素富化空気を前記ガス化炉へ石炭ガ
ス化用として供給する酸素分離装置を設置し、その酸素
分離装置出口の酸素もしくは酸素富化空気をＳＯＦＣモ
ジュールへ供給するとともに、モジュール出口の未反応
空気ラインに循環ポンプを設置して未反応酸素もしくは
未反応酸素富化空気の一部を前記酸素分離装置後流のモ
ジュール入口側へ循環させるように構成した酸素循環式
ＳＯＦＣ発電装置を提供する。 【０００９】このように構成した本発明のＳＯＦＣ発電
装置において、酸素分離装置で分離された酸素（又は酸
素富化空気）は石炭ガス化用としてガス化炉へ供給され
るとともにＳＯＦＣモジュールへ供給され発電効率を向
上させる。一方、ＳＯＦＣモジュール出口の未反応酸素
を含む排気の一部は循環ポンプでモジュール入口側へ循
環され、入口酸素流量を増大させることにより空気圧縮
機の動力消費を軽減する。 【００１０】これに伴なってＳＯＦＣ電池本体と周囲の
酸素（又は酸素富化空気）との熱伝達を向上させ、温度
分布を低減させ、モジュールの電気出力は増大する。 【００１１】 【発明の実施の形態】以下、本発明によるＳＯＦＣ発電
装置について図１に示した実施の形態に基づいて具体的
に説明する。なお、以下の実施の形態において、図２に
示した従来の装置と同じ構成の部分には説明を簡単にす
るため同じ符号を付してある。 【００１２】なお、以下の実施形態は、石炭ガス化／Ｓ
ＯＦＣコンバインド発電装置に本発明を適用したもので
ある。図１において、３はガス化炉、４は脱塵装置、５
は脱硫装置を示す。また、８は酸素分離装置で、空気圧
縮機１０を出た空気を酸素（又は酸素富化空気）と窒素
１３に分離する。 【００１３】７はＳＯＦＣモジュール６へ入る酸素（又
は酸素富化空気）１２とＳＯＦＣモジュール６を出る未
反応酸素１８を導くラインの間につながれた循環ポンプ
を示す。その他の構成は図２に示したものと実質的に同
じである。 【００１４】このように構成された図１のＳＯＦＣ発電
装置において、石炭１はガス化炉３でガス化された後、
脱塵装置４、脱硫装置５を経て、ＳＯＦＣモジュール６
へ燃料として供給される。一方、空気２は空気圧縮機１
０で加圧された後、酸素分離装置８で酸素１２と窒素１
３とに分離され、酸素１２がＳＯＦＣモジュール６へ供
給される。 【００１５】また酸素１２は同時に石炭ガス化用とし
て、ガス化炉３にも供給される（ここで、酸素分離装置
８で酸素を完全に分離せずに、ある割合で窒素を残した
酸素富化空気として供給することも可能）。石炭ガス化
ガス１９はＳＯＦＣモジュール６内で発電に用いられた
後、燃料排ガス１６として排出される。 【００１６】一方、酸素（又は酸素富化空気）１２はＳ
ＯＦＣモジュール６内で発電に用いられた後、未反応酸
素１８として排出され、その一部はＳＯＦＣモジュール
６の出口に設けた酸素循環用のポンプ７によってＳＯＦ
Ｃモジュール６へ循環され、残りは燃焼器９へ供給され
る。燃焼器９では燃料排ガス１６と未反応酸素１８とが
燃焼し、燃焼ガス２０がガスタービン１１へ供給され、
発電に用いられた後、さらに排ガスは排ガスボイラ１４
へ供給される。 【００１７】このように、ＳＯＦＣモジュール６へ供給
される酸素（又は酸素富化空気）１２には循環ポンプ７
によってＳＯＦＣモジュール６を出た未反応酸素１８が
還流されるのでＳＯＦＣモジュール６内を流れる酸素
（又は酸素富化空気）の流量が増えガス流速が増大す
る。 【００１８】このようにして空気圧縮機１０の動力消費
を増やすことなく電池本体と酸素（又は酸素富化空気）
との熱伝達率が向上して温度分布が減少しＳＯＦＣモジ
ュール６の電気出力が増える。 【００１９】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によるＳＯ
ＦＣ発電装置では、空気圧縮機と、同空気圧縮機からの
圧縮空気と燃料とを反応させて発電するＳＯＦＣモジュ
ールと、同モジュールで未反応の空気と燃料を燃焼して
ガスタービンへ供給する燃焼器とを有する固体電解質型
燃料電池発電システムにおいて、前記モジュールへ石炭
ガス化ガス燃料を供給するガス化炉と、酸素富化空気を
前記ガス化炉へ石炭ガス化用として供給する酸素分離装
置を前記空気圧縮機出口の空気ラインに設置し、同分離
装置出口の酸素もしくは酸素富化空気をＳＯＦＣモジュ
ールへ供給するとともに、同モジュール出口の未反応空
気ラインに循環ポンプを設置して未反応酸素もしくは未
反応酸素富化空気の一部を前記酸素分離装置後流のモジ
ュール入口側へ循環させるように構成したもので次の効
果を奏することができる。 【００２０】すなわち、まず、本発明によるＳＯＦＣ発
電装置においては、ＳＯＦＣモジュールへ酸素を供給す
ることにより、モジュールの電気出力が増大する。ま
た、ＳＯＦＣモジュールを出た未反応酸素を循環させる
ことにより、空気圧縮機の動力消費が低減する。 【００２１】また、本発明によるＳＯＦＣ発電装置で
は、ＳＯＦＣモジュールを出た未反応酸素を循環するこ
とによってＳＯＦＣモジュール内の酸素（又は酸素富化
空気）流量が増えることによりモジュール発電室内での
ガス流速が増大する。ＳＯＦＣの発電性能は温度が高い
程向上する。ただし、温度が高くなりすぎると性能劣化
を加速する傾向にあるため、通常はある上限温度を設定
する。つまり、その上限温度に対して、温度分布の幅が
小さいほど、電気出力は増大する。 【００２２】本発明によるＳＯＦＣ発電装置では前記し
たようにＳＯＦＣモジュール発電室内でのガス流速が増
大するのでそれに伴い、ＳＯＦＣ電池本体と周囲の酸素
（又は酸素富化空気）との熱伝達率が向上することによ
って温度分布が低減し、モジュールの電気出力が増大す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る石炭ガス化／ＳＯ
ＦＣコンバインド発電装置の構成を示す構成図。 【図２】従来のＳＯＦＣ発電装置の構成を示す構成図。 【符号の説明】 １ 石炭 ２ 空気 ３ ガス化炉 ４ 脱塵装置 ５ 脱硫装置 ６ ＳＯＦＣモジュール ７ 循環ポンプ ８ 酸素分離装置 ９ 燃焼器 １０ 空気圧縮機 １１ ガスタービン １２ 酸素（又は酸素富化空気） １３ 窒素 １４ 排ガスボイラ １５ 燃料ガス（天然ガス又は石油ガス又は石炭ガス化
ガス） １６ 燃料排ガス １７ 排空気 １８ 未反応酸素 １９ 石炭ガス化ガス ２０ 燃焼ガス
ＦＣコンバインド発電装置の構成を示す構成図。 【図２】従来のＳＯＦＣ発電装置の構成を示す構成図。 【符号の説明】 １ 石炭 ２ 空気 ３ ガス化炉 ４ 脱塵装置 ５ 脱硫装置 ６ ＳＯＦＣモジュール ７ 循環ポンプ ８ 酸素分離装置 ９ 燃焼器 １０ 空気圧縮機 １１ ガスタービン １２ 酸素（又は酸素富化空気） １３ 窒素 １４ 排ガスボイラ １５ 燃料ガス（天然ガス又は石油ガス又は石炭ガス化
ガス） １６ 燃料排ガス １７ 排空気 １８ 未反応酸素 １９ 石炭ガス化ガス ２０ 燃焼ガス
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/06
H01M 8/00
H01M 8/04
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 空気圧縮機と、同空気圧縮機からの圧縮
空気と燃料とを反応させて発電する固体電解質型燃料電
池モジュールと、同モジュールで未反応の空気と燃料を
燃焼してガスタービンへ供給する燃焼器とを有する固体
電解質型燃料電池発電システムにおいて、前記モジュー
ルへ石炭ガス化ガス燃料を供給するガス化炉と、酸素富
化空気を前記ガス化炉へ石炭ガス化用として供給する酸
素分離装置を前記空気圧縮機出口の空気ラインに設置
し、同分離装置出口の酸素もしくは酸素富化空気を前記
モジュールへ供給するとともに、同モジュール出口の未
反応空気ラインに循環ポンプを設置して未反応酸素もし
くは未反応酸素富化空気の一部を前記酸素分離装置後流
の前記モジュール入口側へ循環させることを特徴とする
酸素循環式固体電解質型燃料電池発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00075296A JP3453237B2 (ja) | 1996-01-08 | 1996-01-08 | 酸素循環式固体電解質型燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00075296A JP3453237B2 (ja) | 1996-01-08 | 1996-01-08 | 酸素循環式固体電解質型燃料電池発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09190830A JPH09190830A (ja) | 1997-07-22 |
| JP3453237B2 true JP3453237B2 (ja) | 2003-10-06 |
Family
ID=11482437
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00075296A Expired - Lifetime JP3453237B2 (ja) | 1996-01-08 | 1996-01-08 | 酸素循環式固体電解質型燃料電池発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3453237B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11307111A (ja) | 1998-04-15 | 1999-11-05 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 燃料電池用空気供給装置 |
| US6627338B2 (en) | 1999-12-22 | 2003-09-30 | Ballard Power Systems Inc. | Integrated fuel cell and pressure swing adsorption system |
| JP2011141968A (ja) * | 2010-01-05 | 2011-07-21 | Chugoku Electric Power Co Inc:The | 発電システム |
-
1996
- 1996-01-08 JP JP00075296A patent/JP3453237B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09190830A (ja) | 1997-07-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20030617 |
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