JP3600798B2 - 固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムおよびその運転方法に関し、より詳しくは、固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとの排熱を互いに利用し、総合効率を向上させるコンバインドシステムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも記載）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面に多孔性電極を取り付け、これを隔壁として一方の側に燃料ガス、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給し、約１０００℃で動作する燃料電池である。
【０００３】
ＳＯＦＣは、▲１▼高出力および高発電効率の達成が可能、▲２▼燃料ガスとして水素に加え一酸化炭素の使用が可能、▲３▼高温で動作、▲４▼電解質が固体であるため電解質散逸の問題がない等の特徴を有し、分散型エネルギー源として注目されている。
【０００４】
近年においては、エネルギーの有効利用に対する社会的要請の高まりにつれ、発電装置や燃焼を利用する産業プロセス単独での効率向上のみならず、２またはそれ以上を組み合わせたコンバインドシステム（複合システム）の構築により総合効率を向上させる試みが注目されており、高い発電効率を有するＳＯＦＣについてもさらなる総合効率の向上が希求されている。
【０００５】
しかしながら、実際に工業的に応用した場合、コンバインドシステムの各構成要素の能力バランスを完全に保った状態で連続操業することは困難な場合が多く、一の構成要素の運転条件に適合させることで他の構成要素に悪影響が及ぶ場合があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事項に鑑みなされたものであり、ＳＯＦＣを含み、総合効率の優れたコンバインドシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
また本発明は、各構成要素の操業条件に対して好適に対応可能なコンバインドシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＳＯＦＣから排出される排ガスは８００〜１０００℃と高温であり、燃焼を利用する産業プロセスの燃焼用空気として利用した場合に総合効率の向上を図れる点、および、バイパスラインや加熱手段を設けることにより互いの運転条件を好適に制御可能な点に着目し完成されたものである。
【０００９】
即ち本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する加熱プロセス用酸化剤とされてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する加熱プロセスとのコンバインドシステムである。
【００１０】
前記燃焼を利用する加熱プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなることが好ましい。
【００１１】
前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段が設けられてなることが好ましい。
【００１２】
前記低温のガスを供給する手段は、前記レキュペレータをバイパスするラインであることが好ましい。
【００１３】
前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなることが好ましい。
【００１４】
前記レキュペレータと前記燃焼を利用する加熱プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなることが好ましい。
【００１５】
前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に、前記燃焼を利用する加熱プロセスをバイパスするラインが設けられてなることが好ましい。
【００１６】
前記燃焼を利用する加熱プロセスは加熱炉であることが好ましい。
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
【００１７】
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する加熱プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する加熱プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段または前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する加熱プロセスとのコンバインドシステムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池の必要とする酸化剤温度に応じて、前記低温のガスを供給する手段または前記加熱する手段を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する加熱プロセスとのコンバインドシステムの運転方法である。
【００１８】
さらに本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池および前記燃焼を利用する産業プロセスの必要とする酸化剤流量に応じて、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインまたは前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインを制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本願発明は、ＳＯＦＣの排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
【００２０】
ＳＯＦＣは高温で動作することを特徴とする燃料電池であり、ＳＯＦＣの排ガスも８００〜１０００℃と非常に高温である。このため、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤としてＳＯＦＣの排ガスを用いたコンバインドシステムを構成した場合、レキュペレータを介さずに燃焼用酸素供給源としてＳＯＦＣの排ガスを直接使用でき、高い総合効率を達成できる。
【００２１】
燃焼を利用する産業プロセス（以下説明の便宜上「燃焼プロセス」とも記載）は、燃焼を利用するものであれば特に限定されるものではなく、加熱炉、燃焼炉、ボイラ、乾燥炉、熱風炉、化学反応炉など各種の手段を適用することができる。
【００２２】
また、ＳＯＦＣの排ガスは、１５〜１８体積％の酸素と８００〜１０００℃の温度を有している。このため、ＳＯＦＣと燃焼プロセスとをコンバインドさせた場合、高温のＳＯＦＣの排ガスの顕熱を直接利用できるとともに、燃焼プロセスにおいて高温燃焼を実施できるという利点を有する。以下高温燃焼について説明する。
【００２３】
燃焼には一定量の酸素供給が必要であり、通常約１８体積％以上の酸素濃度が必要となる。しかし、８００℃以上では高温燃焼と呼ばれる燃焼状態となり、当該状況下においては、低酸素濃度下でも燃焼が可能であり、伝熱効果が高く、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減にも有効という特徴を有する。
【００２４】
ＳＯＦＣの排ガスは、上述したように８００〜１０００℃、酸素濃度１５〜１８体積％と、高温燃焼に適した条件を備えている。従って、何らガスの改質や熱交換器を用いた加熱を加えずに燃焼プロセス用酸化剤として直接使用した場合であっても上記特徴を有する高温燃焼が可能となる。また、顕熱が大きく、ＳＯＦＣで活用されなかった残存燃料を含んでおり、燃焼プロセス用酸化剤の供給源として非常に有用である。即ち、ＳＯＦＣの排ガスを燃焼プロセス用酸化剤として用いた場合は、コンバインドシステムとして総合効率を向上させることができるだけでなく、高温燃焼により燃焼プロセス自体の効率を向上させることもできる。
【００２５】
コンバインドシステムの総合効率をより高めるためには、燃焼プロセスの排ガスでＳＯＦＣ用酸化剤を過熱するレキュペレータを設けることが好ましい。レキュペレータは、向流熱交換器、並流熱交換器などの各種公知のレキュペレータを単独または組み合わせて用いることができ、特に限定されるものではない。
【００２６】
ＳＯＦＣ、燃焼プロセスおよびレキュペレータからなるコンバインドシステムの一実施形態の模式図を図１に示す。該コンバインドシステムにおけるガスの基本的な流れを以下説明する。
【００２７】
まず、ＳＯＦＣ用酸化剤がレキュペレータ１において加熱され、ＳＯＦＣ２に供給される。作動コストを考慮するとＳＯＦＣ用酸化剤は空気であることが好ましいが、空気に限定されるものではなく、ＳＯＦＣへ供給される酸素濃度が不足する場合には酸素濃度を高めることができる。ＳＯＦＣ用酸化剤の供給方法は特に限定されるものではなく、ブロワ等各種公知技術を用いることができる。ＳＯＦＣ２には、別途ＳＯＦＣ用燃料供給手段３が設けられており、９００〜１０００℃での電池反応により発電が行われる。ＳＯＦＣ用燃料の改質にあたっては、水蒸気が存在する発電反応後の燃料ガスおよびＳＯＦＣ反応熱を利用する内部改質手段や、加熱炉排熱やＳＯＦＣ排熱などの熱源を利用する外部改質手段を設けることができる。
【００２８】
本発明に使用されるＳＯＦＣ２のタイプは特に限定されるものでなく、円筒型ＳＯＦＣ、平面型ＳＯＦＣなど各種ＳＯＦＣを使用することができ、使用用途や、設置環境に応じて適宜選択できる。
【００２９】
ＳＯＦＣから排出された８００〜１０００℃の排ガスは、燃焼プロセス用酸化剤として燃焼プロセス用燃料と共に燃焼プロセス４に供給され、燃焼が行われる。燃焼プロセス用燃料としては、重油、メタン、石炭、プロパン、電熱等を使用でき、燃焼プロセス用燃料供給手段９によって供給できるが、特に限定されるものではない。
【００３０】
燃焼プロセス４は上記したように加熱炉等の各種手段を適用できるが、高温のＳＯＦＣの排ガスを利用した高温燃焼効果を得るためには８００℃以上の高温熱処理を施しうる燃焼プロセスを適用することが好ましい。なお、燃焼温度の上限は特に限定されるものではなく、より高い燃焼温度を所望する場合には燃料供給量を増加させればよい。なお、ＳＯＦＣ２と燃焼プロセス４とは別装置でなくともよく、ＳＯＦＣ２と燃焼プロセス４とを一体化した発電機バーナーなどの装置としてもよい。
【００３１】
燃焼プロセス４から排出される高温の燃焼プロセス排ガスは、レキュペレータ１に搬送され、ＳＯＦＣ用酸化剤を加熱するために利用される。ＳＯＦＣ用酸化剤を加熱するために利用された排ガスに熱エネルギーが残存している場合は、さらにこの熱エネルギーを再利用してもよい。
【００３２】
本発明に係るコンバインドシステムにおいては、レキュペレータから排出されるＳＯＦＣ用酸化剤より低温のガスを供給する手段を設けることが好ましい。このような供給手段を設けた場合、レキュペレータで加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤がＳＯＦＣ２の必要とする酸化剤温度よりも高いときに低温のガスを供給し、ＳＯＦＣ用酸化剤の温度を下げることができる。供給される低温のガスはＳＯＦＣを作動させる上で弊害が生じないものであれば特に限定されるものではなく、空気や酸素などが挙げられる。供給手段は、ブロワ等各種公知手段を設けることができるほか、図１に示すようにレキュペレータをバイパスするライン（バイパスラインＡ）６を設けることができる。バイパスラインを設けた場合は、コンバインドシステムの構成を簡素化できる。
【００３３】
また、レキュペレータ１とＳＯＦＣ２との間に、ＳＯＦＣ用酸化剤の加熱手段５を設けることが好ましい。加熱手段５を設置することにより、ＳＯＦＣ２が必要とする温度にレキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の温度が達しない場合に、加熱手段５を用いてＳＯＦＣ用酸化剤の温度を上げることができる。加熱手段５としては、ＳＯＦＣ用酸化剤中に燃料を供給し燃焼させる手段や、さらに熱交換器を設けて加熱する手段などが挙げられる。燃料を供給し燃焼させる場合には、ＳＯＦＣ２に供給される酸素量が減少することになるが、通常ＳＯＦＣ用酸化剤には過剰量の酸素が含有されており、数十〜数百℃の昇温に酸素を使用しても発電には影響がない。
【００３４】
なお、バイパスラインＡおよび加熱手段５の双方を設けて、レキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤がＳＯＦＣ２に必要な酸化剤温度よりも高い時にも低い時にも対応可能なコンバインドシステムを構築することも勿論可能である。また、バイパスラインＡおよび加熱手段５を設ける代わりに、ＳＯＦＣ用酸化剤の流量調整により温度調節を図ることも可能であるが、この場合は、レキュペレータ出口側のＳＯＦＣ用酸化剤温度によっては対応が困難となるケースがあり、適応範囲が狭いことに留意する必要がある。
【００３５】
実際のコンバインドシステムの操業に際しては、燃焼プロセス４の必要とする燃焼プロセス用酸化剤流量とＳＯＦＣの排ガス流量とが異なる状態で操業される場合がある。このとき一方の必要とする流量に運転条件を合わせると、他方の機能を充分に活用することができず、総合効率の減少を招来する。また、燃焼プロセス４またはＳＯＦＣ２の運転条件の変化によって、コンバインドシステムとしての最適運転点（最大効率点）が変動するが、安定操業の観点からは双方の運転条件が頻繁に変動することは好ましくなく、特に急激な運転条件の変動はＳＯＦＣ２にダメージを及ぼす恐れがある。
【００３６】
この問題を解決するためには、燃焼プロセス４にＳＯＦＣ２を経ていない酸化剤を供給するために、レキュペレータ１と燃焼プロセス４との間に、ＳＯＦＣをバイパスするライン（バイパスラインＢ）７を設けることが好ましい。これにより、燃焼プロセス用酸化剤流量の不足を補うことができる。
【００３７】
バイパスラインＢのレキュペレータ側端は、熱効率を高める観点からはレキュペレータ１と加熱手段５（加熱手段５が設けられてない場合はＳＯＦＣ２）との間に設けることが好ましいが、コンバインドシステムの設置環境や運転条件によっては、レキュペレータ１に供給される前のＳＯＦＣ用酸化剤を搬送してもよく、加熱手段５によって加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤を搬送してもよい。
【００３８】
また、ＳＯＦＣの排ガスの過剰供給に対応するために、ＳＯＦＣ２とレキュペレータ１との間に、ＳＯＦＣの排ガスの一部が燃焼プロセス４をバイパスするライン（バイパスラインＣ）８を設けることが好ましい。
【００３９】
バイパスラインＣのレキュペレータ側端は、熱効率を高める観点からは燃焼プロセス４とレキュペレータ１との間に設けることが好ましいが、コンバインドシステムの設置環境や運転条件によっては、レキュペレータ１を介さずに排ガスとして排出してもよい。
【００４０】
各バイパスラインには弁を設けてガス流量を制御することが好ましい。これにより、燃焼プロセスとＳＯＦＣとの操業状態の変化に対して総合効率が最大になるようにガス流量を迅速に制御することができる。具体的には、ステンレス、ニッケル合金、セラミック等の耐熱材料からなる開閉率制御の可能なバラフライ弁などをバイパスライン中に設けうる。バイパスラインなどのガス搬送ラインは、これらに限定されるものではないが、耐火ライニングを施したステンレスなどの材料を用いて、各装置を繋ぐ配管にフランジによるボルト接合や溶接接合により接続するとよい。
【００４１】
上記構成を有するコンバインドシステムは、新たに設備を構築する場合であっても優れた総合効率を有するが、既存の燃焼プロセスに組み込む場合には、従来のブロワやレキュペレータを利用することができるため、より少ない設備投資でＳＯＦＣ発電システムを構築できるという利点を有する。またこの場合、組み込まれたＳＯＦＣの見かけの発電効率は８０％以上と極めて優れたものとなり得る。
【００４２】
以下に、バイパスラインＡ、ＢおよびＣの作用、並びに本発明に係るコンバインドシステムの運転方法について説明する。
【００４３】
図２は、燃焼プロセス４の排熱をレキュペレータ１で回収したとき、レキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の全量がＳＯＦＣ２で用いられ、燃焼プロセス４の排熱を最大限利用でき、かつ、ＳＯＦＣの排ガスの全量が燃焼プロセス４に入る状態を示す。この状態を完全バランス状態と定義する。完全バランス状態の場合に総合効率は最も高くなる。
【００４４】
しかし、燃焼プロセス４またはＳＯＦＣ２の処理能力によっては完全バランス状態を保つことが困難な場合があり、例えば、ＳＯＦＣ２が必要とする酸化剤流量より燃焼プロセス４が必要とする酸化剤流量の方が多い場合がある。この場合は、図３に示すようにバイパスラインＢを活用することにより、燃焼プロセス４が必要とする酸化剤流量の不足分を補うことができる。バイパスラインＢは総合効率を高める観点からはレキュペレータ１で加熱された空気を搬送することが好ましい。
【００４５】
一方、ＳＯＦＣ２が必要とする酸化剤流量より燃焼プロセス４が必要とする酸化剤流量の方が少ない場合には、図４に示すようにバイパスラインＣを活用することにより、ＳＯＦＣ２が必要とする酸化剤流量と燃焼プロセス４が必要とする酸化剤流量とのバランスを保つことができる。この場合、ＳＯＦＣの排ガスのうち燃焼プロセス４に搬送されない部分は、バイパスラインＣによってレキュペレータ１に搬送することにより、ＳＯＦＣの排ガスの持つ顕熱を有効に活用でき、総合効率の低下を抑制することができる。
【００４６】
上述したようにバイパスラインＢおよびバイパスラインＣを用いることによって、流量調整が可能であるが、総合効率はバイパスラインを活用しない場合が最大となるので、ある程度の範囲ではバイパスラインを活用せずにＳＯＦＣの運転条件を調整してもよい。
【００４７】
また、レキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の温度が、ＳＯＦＣ２が必要とする温度に達しない場合は、加熱手段５によってＳＯＦＣ用酸化剤を加熱し、ＳＯＦＣ用酸化剤の温度を上げることができる（図５）。逆に、レキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の温度が、ＳＯＦＣ２が必要とする温度より高い場合は、例えばバイパスラインＡを用いることによりＳＯＦＣ用酸化剤の温度を下げることができる（図６）。
【００４８】
本発明に係るコンバインドシステムの運転にあたっては、上述したバイパスラインＡ〜Ｃ、加熱手段等を自由に組み合わせることができる。
【００４９】
また、コンバインドシステムの制御方法としては、レキュペレータのＳＯＦＣ側出口近傍に設けられた温度センサーから得られる情報に基づき、ＳＯＦＣ用酸化剤の温度がＳＯＦＣの必要とする温度になるようバイパスラインＡや加熱手段に指示を与える方法が挙げられる。バイパスラインＢおよびバイパスラインＣの制御方法としては、燃焼プロセスおよびＳＯＦＣに対する操業指令から必要な酸化剤量を算出し、これに基づきバイパスＢおよびＣに設けられた弁に指示を与える方法が挙げられる。
【００５０】
【実施例】
燃焼プロセスとして加熱炉を用いた場合のコンバインドシステムのエネルギーバランスを、ＳＯＦＣ単体でのエネルギーバランスおよび加熱炉単体でのエネルギーバランスと比較して示す。
【００５１】
＜実施例：ＳＯＦＣと加熱炉とのコンバインドシステム＞
鋼片加熱熱量を１００とした時のＳＯＦＣと加熱炉とのコンバインドシステムのエネルギーバランスを図７に示す。熱効率は、下記式（１）：
【００５２】
【数１】
【００５３】
により求めることができ、加熱炉についての熱効率は７８％であり、ＳＯＦＣについての熱効率は５０％であった。また、コンバインドシステム全体の熱効率は７０％であった。
【００５４】
＜比較例１：加熱炉単体＞
鋼片加熱熱量を１００とした時の加熱炉単体でのエネルギーバランスを図８に示す。上記式（１）に従って熱効率を求めたところ、加熱炉の熱効率は６８％であった。
【００５５】
＜比較例２：ＳＯＦＣ単体＞
実施例１におけるＳＯＦＣ発電量２４を基準としたときの、ＳＯＦＣのエネルギーバランスを図９に示す。上記式（１）に従って熱効率を求めたところ、ＳＯＦＣの熱効率は５０％であった。
【００５６】
実施例および比較例より、実施例の本発明に係るコンバインドシステムの効率は非常に優れていることが示された。特に、既存の加熱炉にＳＯＦＣを組み込む場合の指標となる、下記式（２）：
【００５７】
【数２】
【００５８】
（式中、ａは燃焼プロセスをコンバインドシステムに変更した場合に得られる電気出力であり、ｂは燃焼プロセスをコンバインドシステムに変更した場合の燃料増加分である）
で表されるＳＯＦＣの見かけの発電効率は８３％と極めて優れた数値を示した。
【００５９】
【発明の効果】
本発明のコンバインドシステムにおいては、ＳＯＦＣの排ガスを直接燃焼プロセス用酸化剤として用いているためＳＯＦＣの排ガスの顕熱を有効に利用でき、また、ＳＯＦＣの排ガス中に残存するＳＯＦＣでの未使用燃料を利用できるため、コンバインドシステムの総合効率を向上させることができる。特に、既存の燃焼プロセスに組み込む場合には、従来のブロワ、レキュペレータなどの設備を兼用できるため、少ない設備投資で総合効率の高いＳＯＦＣ発電プラントの建設が可能であり、このときのＳＯＦＣの見かけの発電効率は８０％以上と極めて優れたものとなる。
【００６０】
また、ＳＯＦＣの排ガスは８００〜１０００℃と高温であるため、燃焼プロセスにおける燃焼状態を高温燃焼とすることができ、▲１▼均一な炉加熱、▲２▼生成するＮＯｘの低減、▲３▼燃焼に必要な燃料の削減、といった効果が得られる。
【００６１】
さらに、バイパスラインや加熱手段を設けることにより、ＳＯＦＣ用酸化剤および燃焼プロセス用酸化剤の温度、流量、酸素濃度を柔軟に調整でき、ＳＯＦＣや燃焼プロセスの操業条件が変化する場合であっても安定操業を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＯＦＣ、燃焼プロセスおよびレキュペレータからなるコンバインドシステムの一実施形態の模式図である。
【図２】完全バランス状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図３】バイパスラインＢを使用した状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図４】バイパスラインＣを使用した状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図５】加熱手段を用いてＳＯＦＣ用空気を加熱している状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図６】バイパスラインＡを使用した状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図７】本発明に係る、ＳＯＦＣと加熱炉とを複合させた場合のエネルギーバランスを示す図である。
【図８】加熱炉単体でのエネルギーバランスを示す図である。
【図９】ＳＯＦＣ単体でのエネルギーバランスを示す図である。
【符号の説明】
１ レキュペレータ
２ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
３ ＳＯＦＣ用燃料供給手段
４ 燃焼プロセス
５ 加熱手段
６ バイパスラインＡ
７ バイパスラインＢ
８ バイパスラインＣ
９ 燃焼プロセス用燃料供給手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムおよびその運転方法に関し、より詳しくは、固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとの排熱を互いに利用し、総合効率を向上させるコンバインドシステムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも記載）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面に多孔性電極を取り付け、これを隔壁として一方の側に燃料ガス、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給し、約１０００℃で動作する燃料電池である。
【０００３】
ＳＯＦＣは、▲１▼高出力および高発電効率の達成が可能、▲２▼燃料ガスとして水素に加え一酸化炭素の使用が可能、▲３▼高温で動作、▲４▼電解質が固体であるため電解質散逸の問題がない等の特徴を有し、分散型エネルギー源として注目されている。
【０００４】
近年においては、エネルギーの有効利用に対する社会的要請の高まりにつれ、発電装置や燃焼を利用する産業プロセス単独での効率向上のみならず、２またはそれ以上を組み合わせたコンバインドシステム（複合システム）の構築により総合効率を向上させる試みが注目されており、高い発電効率を有するＳＯＦＣについてもさらなる総合効率の向上が希求されている。
【０００５】
しかしながら、実際に工業的に応用した場合、コンバインドシステムの各構成要素の能力バランスを完全に保った状態で連続操業することは困難な場合が多く、一の構成要素の運転条件に適合させることで他の構成要素に悪影響が及ぶ場合があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事項に鑑みなされたものであり、ＳＯＦＣを含み、総合効率の優れたコンバインドシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
また本発明は、各構成要素の操業条件に対して好適に対応可能なコンバインドシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＳＯＦＣから排出される排ガスは８００〜１０００℃と高温であり、燃焼を利用する産業プロセスの燃焼用空気として利用した場合に総合効率の向上を図れる点、および、バイパスラインや加熱手段を設けることにより互いの運転条件を好適に制御可能な点に着目し完成されたものである。
【０００９】
即ち本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する加熱プロセス用酸化剤とされてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する加熱プロセスとのコンバインドシステムである。
【００１０】
前記燃焼を利用する加熱プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなることが好ましい。
【００１１】
前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段が設けられてなることが好ましい。
【００１２】
前記低温のガスを供給する手段は、前記レキュペレータをバイパスするラインであることが好ましい。
【００１３】
前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなることが好ましい。
【００１４】
前記レキュペレータと前記燃焼を利用する加熱プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなることが好ましい。
【００１５】
前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に、前記燃焼を利用する加熱プロセスをバイパスするラインが設けられてなることが好ましい。
【００１６】
前記燃焼を利用する加熱プロセスは加熱炉であることが好ましい。
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
【００１７】
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する加熱プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する加熱プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段または前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する加熱プロセスとのコンバインドシステムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池の必要とする酸化剤温度に応じて、前記低温のガスを供給する手段または前記加熱する手段を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する加熱プロセスとのコンバインドシステムの運転方法である。
【００１８】
さらに本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池および前記燃焼を利用する産業プロセスの必要とする酸化剤流量に応じて、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインまたは前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインを制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本願発明は、ＳＯＦＣの排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
【００２０】
ＳＯＦＣは高温で動作することを特徴とする燃料電池であり、ＳＯＦＣの排ガスも８００〜１０００℃と非常に高温である。このため、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤としてＳＯＦＣの排ガスを用いたコンバインドシステムを構成した場合、レキュペレータを介さずに燃焼用酸素供給源としてＳＯＦＣの排ガスを直接使用でき、高い総合効率を達成できる。
【００２１】
燃焼を利用する産業プロセス（以下説明の便宜上「燃焼プロセス」とも記載）は、燃焼を利用するものであれば特に限定されるものではなく、加熱炉、燃焼炉、ボイラ、乾燥炉、熱風炉、化学反応炉など各種の手段を適用することができる。
【００２２】
また、ＳＯＦＣの排ガスは、１５〜１８体積％の酸素と８００〜１０００℃の温度を有している。このため、ＳＯＦＣと燃焼プロセスとをコンバインドさせた場合、高温のＳＯＦＣの排ガスの顕熱を直接利用できるとともに、燃焼プロセスにおいて高温燃焼を実施できるという利点を有する。以下高温燃焼について説明する。
【００２３】
燃焼には一定量の酸素供給が必要であり、通常約１８体積％以上の酸素濃度が必要となる。しかし、８００℃以上では高温燃焼と呼ばれる燃焼状態となり、当該状況下においては、低酸素濃度下でも燃焼が可能であり、伝熱効果が高く、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減にも有効という特徴を有する。
【００２４】
ＳＯＦＣの排ガスは、上述したように８００〜１０００℃、酸素濃度１５〜１８体積％と、高温燃焼に適した条件を備えている。従って、何らガスの改質や熱交換器を用いた加熱を加えずに燃焼プロセス用酸化剤として直接使用した場合であっても上記特徴を有する高温燃焼が可能となる。また、顕熱が大きく、ＳＯＦＣで活用されなかった残存燃料を含んでおり、燃焼プロセス用酸化剤の供給源として非常に有用である。即ち、ＳＯＦＣの排ガスを燃焼プロセス用酸化剤として用いた場合は、コンバインドシステムとして総合効率を向上させることができるだけでなく、高温燃焼により燃焼プロセス自体の効率を向上させることもできる。
【００２５】
コンバインドシステムの総合効率をより高めるためには、燃焼プロセスの排ガスでＳＯＦＣ用酸化剤を過熱するレキュペレータを設けることが好ましい。レキュペレータは、向流熱交換器、並流熱交換器などの各種公知のレキュペレータを単独または組み合わせて用いることができ、特に限定されるものではない。
【００２６】
ＳＯＦＣ、燃焼プロセスおよびレキュペレータからなるコンバインドシステムの一実施形態の模式図を図１に示す。該コンバインドシステムにおけるガスの基本的な流れを以下説明する。
【００２７】
まず、ＳＯＦＣ用酸化剤がレキュペレータ１において加熱され、ＳＯＦＣ２に供給される。作動コストを考慮するとＳＯＦＣ用酸化剤は空気であることが好ましいが、空気に限定されるものではなく、ＳＯＦＣへ供給される酸素濃度が不足する場合には酸素濃度を高めることができる。ＳＯＦＣ用酸化剤の供給方法は特に限定されるものではなく、ブロワ等各種公知技術を用いることができる。ＳＯＦＣ２には、別途ＳＯＦＣ用燃料供給手段３が設けられており、９００〜１０００℃での電池反応により発電が行われる。ＳＯＦＣ用燃料の改質にあたっては、水蒸気が存在する発電反応後の燃料ガスおよびＳＯＦＣ反応熱を利用する内部改質手段や、加熱炉排熱やＳＯＦＣ排熱などの熱源を利用する外部改質手段を設けることができる。
【００２８】
本発明に使用されるＳＯＦＣ２のタイプは特に限定されるものでなく、円筒型ＳＯＦＣ、平面型ＳＯＦＣなど各種ＳＯＦＣを使用することができ、使用用途や、設置環境に応じて適宜選択できる。
【００２９】
ＳＯＦＣから排出された８００〜１０００℃の排ガスは、燃焼プロセス用酸化剤として燃焼プロセス用燃料と共に燃焼プロセス４に供給され、燃焼が行われる。燃焼プロセス用燃料としては、重油、メタン、石炭、プロパン、電熱等を使用でき、燃焼プロセス用燃料供給手段９によって供給できるが、特に限定されるものではない。
【００３０】
燃焼プロセス４は上記したように加熱炉等の各種手段を適用できるが、高温のＳＯＦＣの排ガスを利用した高温燃焼効果を得るためには８００℃以上の高温熱処理を施しうる燃焼プロセスを適用することが好ましい。なお、燃焼温度の上限は特に限定されるものではなく、より高い燃焼温度を所望する場合には燃料供給量を増加させればよい。なお、ＳＯＦＣ２と燃焼プロセス４とは別装置でなくともよく、ＳＯＦＣ２と燃焼プロセス４とを一体化した発電機バーナーなどの装置としてもよい。
【００３１】
燃焼プロセス４から排出される高温の燃焼プロセス排ガスは、レキュペレータ１に搬送され、ＳＯＦＣ用酸化剤を加熱するために利用される。ＳＯＦＣ用酸化剤を加熱するために利用された排ガスに熱エネルギーが残存している場合は、さらにこの熱エネルギーを再利用してもよい。
【００３２】
本発明に係るコンバインドシステムにおいては、レキュペレータから排出されるＳＯＦＣ用酸化剤より低温のガスを供給する手段を設けることが好ましい。このような供給手段を設けた場合、レキュペレータで加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤がＳＯＦＣ２の必要とする酸化剤温度よりも高いときに低温のガスを供給し、ＳＯＦＣ用酸化剤の温度を下げることができる。供給される低温のガスはＳＯＦＣを作動させる上で弊害が生じないものであれば特に限定されるものではなく、空気や酸素などが挙げられる。供給手段は、ブロワ等各種公知手段を設けることができるほか、図１に示すようにレキュペレータをバイパスするライン（バイパスラインＡ）６を設けることができる。バイパスラインを設けた場合は、コンバインドシステムの構成を簡素化できる。
【００３３】
また、レキュペレータ１とＳＯＦＣ２との間に、ＳＯＦＣ用酸化剤の加熱手段５を設けることが好ましい。加熱手段５を設置することにより、ＳＯＦＣ２が必要とする温度にレキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の温度が達しない場合に、加熱手段５を用いてＳＯＦＣ用酸化剤の温度を上げることができる。加熱手段５としては、ＳＯＦＣ用酸化剤中に燃料を供給し燃焼させる手段や、さらに熱交換器を設けて加熱する手段などが挙げられる。燃料を供給し燃焼させる場合には、ＳＯＦＣ２に供給される酸素量が減少することになるが、通常ＳＯＦＣ用酸化剤には過剰量の酸素が含有されており、数十〜数百℃の昇温に酸素を使用しても発電には影響がない。
【００３４】
なお、バイパスラインＡおよび加熱手段５の双方を設けて、レキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤がＳＯＦＣ２に必要な酸化剤温度よりも高い時にも低い時にも対応可能なコンバインドシステムを構築することも勿論可能である。また、バイパスラインＡおよび加熱手段５を設ける代わりに、ＳＯＦＣ用酸化剤の流量調整により温度調節を図ることも可能であるが、この場合は、レキュペレータ出口側のＳＯＦＣ用酸化剤温度によっては対応が困難となるケースがあり、適応範囲が狭いことに留意する必要がある。
【００３５】
実際のコンバインドシステムの操業に際しては、燃焼プロセス４の必要とする燃焼プロセス用酸化剤流量とＳＯＦＣの排ガス流量とが異なる状態で操業される場合がある。このとき一方の必要とする流量に運転条件を合わせると、他方の機能を充分に活用することができず、総合効率の減少を招来する。また、燃焼プロセス４またはＳＯＦＣ２の運転条件の変化によって、コンバインドシステムとしての最適運転点（最大効率点）が変動するが、安定操業の観点からは双方の運転条件が頻繁に変動することは好ましくなく、特に急激な運転条件の変動はＳＯＦＣ２にダメージを及ぼす恐れがある。
【００３６】
この問題を解決するためには、燃焼プロセス４にＳＯＦＣ２を経ていない酸化剤を供給するために、レキュペレータ１と燃焼プロセス４との間に、ＳＯＦＣをバイパスするライン（バイパスラインＢ）７を設けることが好ましい。これにより、燃焼プロセス用酸化剤流量の不足を補うことができる。
【００３７】
バイパスラインＢのレキュペレータ側端は、熱効率を高める観点からはレキュペレータ１と加熱手段５（加熱手段５が設けられてない場合はＳＯＦＣ２）との間に設けることが好ましいが、コンバインドシステムの設置環境や運転条件によっては、レキュペレータ１に供給される前のＳＯＦＣ用酸化剤を搬送してもよく、加熱手段５によって加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤を搬送してもよい。
【００３８】
また、ＳＯＦＣの排ガスの過剰供給に対応するために、ＳＯＦＣ２とレキュペレータ１との間に、ＳＯＦＣの排ガスの一部が燃焼プロセス４をバイパスするライン（バイパスラインＣ）８を設けることが好ましい。
【００３９】
バイパスラインＣのレキュペレータ側端は、熱効率を高める観点からは燃焼プロセス４とレキュペレータ１との間に設けることが好ましいが、コンバインドシステムの設置環境や運転条件によっては、レキュペレータ１を介さずに排ガスとして排出してもよい。
【００４０】
各バイパスラインには弁を設けてガス流量を制御することが好ましい。これにより、燃焼プロセスとＳＯＦＣとの操業状態の変化に対して総合効率が最大になるようにガス流量を迅速に制御することができる。具体的には、ステンレス、ニッケル合金、セラミック等の耐熱材料からなる開閉率制御の可能なバラフライ弁などをバイパスライン中に設けうる。バイパスラインなどのガス搬送ラインは、これらに限定されるものではないが、耐火ライニングを施したステンレスなどの材料を用いて、各装置を繋ぐ配管にフランジによるボルト接合や溶接接合により接続するとよい。
【００４１】
上記構成を有するコンバインドシステムは、新たに設備を構築する場合であっても優れた総合効率を有するが、既存の燃焼プロセスに組み込む場合には、従来のブロワやレキュペレータを利用することができるため、より少ない設備投資でＳＯＦＣ発電システムを構築できるという利点を有する。またこの場合、組み込まれたＳＯＦＣの見かけの発電効率は８０％以上と極めて優れたものとなり得る。
【００４２】
以下に、バイパスラインＡ、ＢおよびＣの作用、並びに本発明に係るコンバインドシステムの運転方法について説明する。
【００４３】
図２は、燃焼プロセス４の排熱をレキュペレータ１で回収したとき、レキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の全量がＳＯＦＣ２で用いられ、燃焼プロセス４の排熱を最大限利用でき、かつ、ＳＯＦＣの排ガスの全量が燃焼プロセス４に入る状態を示す。この状態を完全バランス状態と定義する。完全バランス状態の場合に総合効率は最も高くなる。
【００４４】
しかし、燃焼プロセス４またはＳＯＦＣ２の処理能力によっては完全バランス状態を保つことが困難な場合があり、例えば、ＳＯＦＣ２が必要とする酸化剤流量より燃焼プロセス４が必要とする酸化剤流量の方が多い場合がある。この場合は、図３に示すようにバイパスラインＢを活用することにより、燃焼プロセス４が必要とする酸化剤流量の不足分を補うことができる。バイパスラインＢは総合効率を高める観点からはレキュペレータ１で加熱された空気を搬送することが好ましい。
【００４５】
一方、ＳＯＦＣ２が必要とする酸化剤流量より燃焼プロセス４が必要とする酸化剤流量の方が少ない場合には、図４に示すようにバイパスラインＣを活用することにより、ＳＯＦＣ２が必要とする酸化剤流量と燃焼プロセス４が必要とする酸化剤流量とのバランスを保つことができる。この場合、ＳＯＦＣの排ガスのうち燃焼プロセス４に搬送されない部分は、バイパスラインＣによってレキュペレータ１に搬送することにより、ＳＯＦＣの排ガスの持つ顕熱を有効に活用でき、総合効率の低下を抑制することができる。
【００４６】
上述したようにバイパスラインＢおよびバイパスラインＣを用いることによって、流量調整が可能であるが、総合効率はバイパスラインを活用しない場合が最大となるので、ある程度の範囲ではバイパスラインを活用せずにＳＯＦＣの運転条件を調整してもよい。
【００４７】
また、レキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の温度が、ＳＯＦＣ２が必要とする温度に達しない場合は、加熱手段５によってＳＯＦＣ用酸化剤を加熱し、ＳＯＦＣ用酸化剤の温度を上げることができる（図５）。逆に、レキュペレータ１で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の温度が、ＳＯＦＣ２が必要とする温度より高い場合は、例えばバイパスラインＡを用いることによりＳＯＦＣ用酸化剤の温度を下げることができる（図６）。
【００４８】
本発明に係るコンバインドシステムの運転にあたっては、上述したバイパスラインＡ〜Ｃ、加熱手段等を自由に組み合わせることができる。
【００４９】
また、コンバインドシステムの制御方法としては、レキュペレータのＳＯＦＣ側出口近傍に設けられた温度センサーから得られる情報に基づき、ＳＯＦＣ用酸化剤の温度がＳＯＦＣの必要とする温度になるようバイパスラインＡや加熱手段に指示を与える方法が挙げられる。バイパスラインＢおよびバイパスラインＣの制御方法としては、燃焼プロセスおよびＳＯＦＣに対する操業指令から必要な酸化剤量を算出し、これに基づきバイパスＢおよびＣに設けられた弁に指示を与える方法が挙げられる。
【００５０】
【実施例】
燃焼プロセスとして加熱炉を用いた場合のコンバインドシステムのエネルギーバランスを、ＳＯＦＣ単体でのエネルギーバランスおよび加熱炉単体でのエネルギーバランスと比較して示す。
【００５１】
＜実施例：ＳＯＦＣと加熱炉とのコンバインドシステム＞
鋼片加熱熱量を１００とした時のＳＯＦＣと加熱炉とのコンバインドシステムのエネルギーバランスを図７に示す。熱効率は、下記式（１）：
【００５２】
【数１】
により求めることができ、加熱炉についての熱効率は７８％であり、ＳＯＦＣについての熱効率は５０％であった。また、コンバインドシステム全体の熱効率は７０％であった。
【００５４】
＜比較例１：加熱炉単体＞
鋼片加熱熱量を１００とした時の加熱炉単体でのエネルギーバランスを図８に示す。上記式（１）に従って熱効率を求めたところ、加熱炉の熱効率は６８％であった。
【００５５】
＜比較例２：ＳＯＦＣ単体＞
実施例１におけるＳＯＦＣ発電量２４を基準としたときの、ＳＯＦＣのエネルギーバランスを図９に示す。上記式（１）に従って熱効率を求めたところ、ＳＯＦＣの熱効率は５０％であった。
【００５６】
実施例および比較例より、実施例の本発明に係るコンバインドシステムの効率は非常に優れていることが示された。特に、既存の加熱炉にＳＯＦＣを組み込む場合の指標となる、下記式（２）：
【００５７】
【数２】
（式中、ａは燃焼プロセスをコンバインドシステムに変更した場合に得られる電気出力であり、ｂは燃焼プロセスをコンバインドシステムに変更した場合の燃料増加分である）
で表されるＳＯＦＣの見かけの発電効率は８３％と極めて優れた数値を示した。
【００５９】
【発明の効果】
本発明のコンバインドシステムにおいては、ＳＯＦＣの排ガスを直接燃焼プロセス用酸化剤として用いているためＳＯＦＣの排ガスの顕熱を有効に利用でき、また、ＳＯＦＣの排ガス中に残存するＳＯＦＣでの未使用燃料を利用できるため、コンバインドシステムの総合効率を向上させることができる。特に、既存の燃焼プロセスに組み込む場合には、従来のブロワ、レキュペレータなどの設備を兼用できるため、少ない設備投資で総合効率の高いＳＯＦＣ発電プラントの建設が可能であり、このときのＳＯＦＣの見かけの発電効率は８０％以上と極めて優れたものとなる。
【００６０】
また、ＳＯＦＣの排ガスは８００〜１０００℃と高温であるため、燃焼プロセスにおける燃焼状態を高温燃焼とすることができ、▲１▼均一な炉加熱、▲２▼生成するＮＯｘの低減、▲３▼燃焼に必要な燃料の削減、といった効果が得られる。
【００６１】
さらに、バイパスラインや加熱手段を設けることにより、ＳＯＦＣ用酸化剤および燃焼プロセス用酸化剤の温度、流量、酸素濃度を柔軟に調整でき、ＳＯＦＣや燃焼プロセスの操業条件が変化する場合であっても安定操業を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＯＦＣ、燃焼プロセスおよびレキュペレータからなるコンバインドシステムの一実施形態の模式図である。
【図２】完全バランス状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図３】バイパスラインＢを使用した状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図４】バイパスラインＣを使用した状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図５】加熱手段を用いてＳＯＦＣ用空気を加熱している状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図６】バイパスラインＡを使用した状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図７】本発明に係る、ＳＯＦＣと加熱炉とを複合させた場合のエネルギーバランスを示す図である。
【図８】加熱炉単体でのエネルギーバランスを示す図である。
【図９】ＳＯＦＣ単体でのエネルギーバランスを示す図である。
【符号の説明】
１ レキュペレータ
２ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
３ ＳＯＦＣ用燃料供給手段
４ 燃焼プロセス
５ 加熱手段
６ バイパスラインＡ
７ バイパスラインＢ
８ バイパスラインＣ
９ 燃焼プロセス用燃料供給手段
Claims (13)
- 固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する加熱プロセス用酸化剤とされてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する加熱プロセスとのコンバインドシステム。
- 前記燃焼を利用する加熱プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなることを特徴とする請求項１に記載のコンバインドシステム。
- 前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段が設けられてなることを特徴とする請求項２に記載のコンバインドシステム。
- 前記低温のガスを供給する手段は、前記レキュペレータをバイパスするラインであることを特徴とする請求項３に記載のコンバインドシステム。
- 前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のコンバインドシステム。
- 前記レキュペレータと前記燃焼を利用する加熱プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のコンバインドシステム。
- 前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に、前記燃焼を利用する加熱プロセスをバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のコンバインドシステム。
- 前記燃焼を利用する加熱プロセスは加熱炉であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のコンバインドシステム。
- 固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
- 固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
- 固体酸化物形燃料電池の排ガスが、燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
- 固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する加熱プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する加熱プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段または前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する加熱プロセスとのコンバインドシステムにおいて、
前記固体酸化物形燃料電池の必要とする酸化剤温度に応じて、前記低温のガスを供給する手段または前記加熱する手段を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する加熱プロセスとのコンバインドシステムの運転方法。 - 固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記レキュペレータとの間に前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、
前記固体酸化物形燃料電池および前記燃焼を利用する産業プロセスの必要とする酸化剤流量に応じて、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインまたは前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインを制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法。
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