JP3704299B2

JP3704299B2 - Combined system of solid oxide fuel cell and industrial process using combustion and its operation method

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Publication number: JP3704299B2
Application number: JP2001245477A
Authority: JP
Inventors: 洋一石橋; 清巳宿利; 善隆篠原; 秀彦義若
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-08-13
Filing date: 2001-08-13
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2021-08-13
Also published as: JP2003059521A

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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：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】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の出願人は、ＳＯＦＣを含むコンバインドシステムの総合効率向上を目的とし、ＳＯＦＣと燃焼を利用する産業プロセス（以下、便宜上「燃焼プロセス」とも記載）とのコンバインドシステムを従前に開発した（特願２００１−４７２８５号）。該コンバインドシステムは、ＳＯＦＣの排ガスを燃焼プロセス用酸化剤として使用するものであり、ＳＯＦＣの排ガスの熱を有効利用することによって、総合効率の向上を達成するものである。更なる総合効率の向上のため、燃焼プロセスの排ガスでＳＯＦＣ用酸化剤を加熱するレキュペレータを設ける実施形態も開発されている。さらに、ＳＯＦＣと燃焼プロセスとのバランスのとれた操業を可能にするため、レキュペレータ、ＳＯＦＣまたは燃焼プロセスをバイパスするラインを設ける改良形態や、レキュペレータとＳＯＦＣとの間に、ＳＯＦＣ用酸化剤を加熱する手段を設ける改良形態も創作した。
【０００６】
上記のコンバインドシステムは、ＳＯＦＣまたは燃焼プロセス単独での操業と比べて劇的な総合効率の向上をもたらすものであり、このままでも充分実用性に富むものといえる。しかしながら、本発明者らは、さらに有益なコンバインドシステムの開発を目的として鋭意検討することにより、いくつかの改良の余地がある点を見出した。これらについて、以下記載する。
【０００７】
第１点目は、燃焼プロセスの排ガスの有する熱量のさらなる有効利用に関するものである。上述のコンバインドシステムにおいては、燃焼プロセスの排ガスの持つ熱量をＳＯＦＣ用空気の加熱のために回収しているが、燃焼プロセスの排ガスが高温である場合には排熱回収の余地が残されている。即ち、燃焼プロセスの排ガスが高温である場合には、レキュペレータ等を用いて熱量を回収した後も利用可能な熱量を有している場合があり、この排熱を有効利用することが可能である。
【０００８】
第２点目は、ＳＯＦＣ用燃料の改質に関するものである。ＳＯＦＣの燃料として炭化水素系燃料を用いる場合、水蒸気改質反応を用いて、発電燃料であるＣＯおよびＨ₂へと改質する必要がある。この改質反応は７００℃以上で好適に進行し、また、吸熱反応であるため、系に対して熱を連続的に供給する必要がある。熱を連続的に供給する手段としては、ＳＯＦＣ内部に発電排熱やＳＯＦＣの排ガス顕熱を利用した内部改質手段を設けるか、外部から熱を供給する外部改質手段を設ける必要がある。しかしながら、内部改質を行うためには、ＳＯＦＣ内部に改質触媒を配置する必要があり、ＳＯＦＣ構造が複雑化する問題があった。また、外部改質を行うためには、外部改質器用に新たに熱源が必要となるため、エネルギー効率上好ましくない。
【０００９】
第３点目は、ＳＯＦＣの起動のための設備に関するものである。ＳＯＦＣを起動させるためには、約１０００℃といった高温の作動温度までＳＯＦＣを昇温させる必要があり、また、ＳＯＦＣの燃料極の酸化を防止するために窒素や水素を主体とするパージガスを燃料供給系に供給する必要がある。このため、パージガス予熱器やパージガス供給手段といった、ＳＯＦＣの起動のみに使用される設備が必要となり、装置の複雑化・装置コストの増大等の問題を招来していた。
【００１０】
本発明は上記事項に鑑みなされたものであり、「燃焼プロセスの排ガスの有効利用」、「ＳＯＦＣ用燃料改質の効率化」、「ＳＯＦＣモジュールのシンプル化」が可能な、優れた総合効率を有するＳＯＦＣと燃焼を利用する産業プロセスのコンバインドシステムを提供することを目的とする。
【００１１】
また本発明は、運転条件に対して好適に対応可能な前記コンバインドシステムの運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＳＯＦＣの排ガスが燃焼プロセス用酸化剤とされてなるＳＯＦＣと燃焼プロセスとのコンバインドシステムに関して、さらに燃焼プロセスの排ガスを有効利用しうる改質器を備えた構成とすることによって、上記課題が解決可能である点に着目し完成されたものである。また、ＳＯＦＣの排ガスが燃焼プロセス用酸化剤とされてなるＳＯＦＣと燃焼プロセスとのコンバインドシステムに関して、燃焼プロセス用還元ガスをＳＯＦＣパージガスとして共用することによって、ＳＯＦＣモジュールのシンプル化が図れる点に着目し完成されたものである。なお、本願発明の具体的手段は以下の通りである。
【００１３】
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って、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器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。
【００１４】
前記改質器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。
【００１５】
前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器との間に、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が好ましい。
【００１６】
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が好ましい。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
前記燃焼を利用する産業プロセスは加熱炉であることが好ましい。
【００２１】
前記燃焼を利用する産業プロセスはラジアントチューブを備えた熱処理炉であることが好ましい。
【００２２】
前記燃焼を利用する産業プロセスが還元雰囲気炉であり、該還元雰囲気炉に用いられる還元ガスが、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側パージガスとして共用されてなることが好ましい。
【００２３】
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を用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器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、前記燃焼を利用する産業プロセスの必要とする酸化剤量に応じて、前記固体酸化物形燃料電池の酸化剤流量を調整し、該固体酸化物形燃料電池用酸化剤流量および温度に応じて、固体酸化物形燃料電池の電気出力を調整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。
【００２４】
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を用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器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改質器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ガスラインが設けられてなり、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、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインまたは前記固体酸化物形燃料電池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。
【００２５】
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を用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器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。
【００２６】
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を用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器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、コンバインドシステム起動時に、前記固体酸化物形燃料電池を起動させずに前記燃焼を利用する産業プロセスのみを起動させ、前記改質器によって加熱された前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側パージガスおよび前記レキュペレータによって加熱された前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を用いて前記固体酸化物形燃料電池を昇温させ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。
【００２７】
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って、前記燃焼を利用する産業プロセスが還元雰囲気炉であり、該還元雰囲気炉に用いられる還元ガスが、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側パージガスとして共用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。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
図１は、ＳＯＦＣ（１）の排ガス（２）が、燃料（４）と共に燃焼プロセス（３）用酸化剤として燃焼プロセス（３）に導入されてなり、該燃焼プロセス（３）の排ガス（５）がＳＯＦＣの発電用燃料（１２）を加熱および改質する改質器（６）に用いられ、次いで改質器（６）の排ガスがＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を加熱するためにレキュペレータ（９）に供給される、本願発明の一実施形態の模式図である。
【００３０】
コンバインドシステムにおいては、ＳＯＦＣ（１）にＳＯＦＣ用酸化剤（１０）および改質済み燃料（１１）が供給され、発電が行われる。本発明に使用されるＳＯＦＣ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。ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）および改質済み燃料（１１）の供給プロセスについては後述する。
【００３１】
本願のコンバインドシステムにおいては、ＳＯＦＣの稼動に伴い発生する排ガス（２）が、燃焼プロセス用酸化剤として燃焼プロセス（３）に供給される。ＳＯＦＣ（１）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（２）も８００〜１０００℃と非常に高温で、酸素濃度は１５〜１８％である。このため、高温の酸化剤が供給されることが好ましい燃焼プロセス用酸化剤としてＳＯＦＣの排ガス（２）を供給した場合、燃焼用酸素供給源として直接使用でき、総合効率の向上に効果がある。さらに、ＳＯＦＣの排ガス（２）はＳＯＦＣ（１）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（３）において残存燃料の利用を図ることができる。その上、高温燃焼が実現できるという利点を有する。以下高温燃焼および高温燃焼により得られる効果について簡単に説明する。
【００３２】
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℃以上では低酸素濃度下でも燃焼が可能であり、高温燃焼と呼ばれる燃焼状態となりうる。このような高温燃焼下においては、高い伝熱効果が得られ、かつ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減することもできる。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。
【００３３】
即ち、ＳＯＦＣの排ガス（２）を燃焼プロセス用酸化剤として用いた場合は、ＳＯＦＣの排ガス（２）の有する特性を有効に活用して、総合効率向上を図ることができる。
【００３４】
燃焼プロセス（３）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、熱処理炉、焼却炉、ボイラ、乾燥炉、熱風炉、化学反応炉などが挙げられる。また、ＳＯＦＣ（２）と燃焼プロセス（３）とが一体化した発電機バーナーなどの装置形態としてもよく、該形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。燃焼プロセス用燃料供給手段（４）によって燃焼プロセス（３）に供給される燃料としては、重油、メタン、石炭、プロパン、電熱等が挙げられるが、特に限定されるものではない。燃焼プロセス（３）の燃焼温度も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。ただし、上述の高温燃焼を実現するためには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く、加熱炉やラジアントチューブを備えた熱処理炉が好適な例として挙げられる。ラジアントチューブはチューブ内で燃焼を行いチューブ外にある被加熱体を輻射加熱するものであり、各種公知のラジアントチューブを用いることができる。
【００３５】
燃焼プロセス（３）から排出される燃焼プロセスの排ガス（５）は、改質器（６）に搬送され、改質可能燃料混合物（７）の加熱および改質の熱源として利用される。改質器（６）における改質は、改質触媒を用いて炭化水素系ＳＯＦＣ燃料（１２）を水蒸気改質するのが一般的であり、水素および一酸化炭素を主成分として含む改質済み燃料（１１）がＳＯＦＣ（１）に供給される。改質反応について、メタンおよびエタン（天然ガス）を用いた場合について例示すると、下記式（Ｉ）〜（IV）：
【００３６】
【化１】

【００３７】
で表される。
【００３８】
この燃料改質反応は一般的には７００℃以上で好適に進行する。このため、燃焼プロセスの排ガス（５）は７００℃以上であることが好ましく、具体的にはラジアントチューブを備えた熱処理炉が好ましい。ラジアントチューブからの排ガス温度は１０００℃もの高温になり得るからである。
【００３９】
改質器（６）への燃料の供給は、図１に示すように水蒸気、二酸化炭素を含む発電済み燃料（１３）を発電済み燃料混合手段（１５）において混合し、改質可能燃料混合物（７）として供給することができる。発電済み燃料混合手段（１５）としてはエゼクター、循環ポンプなどが挙げられる。
【００４０】
改質器（６）は、向流熱交換器、並流熱交換器などの各種公知の熱交換器の改質可能燃料混合物（７）通過経路に改質用触媒を充填したものを用いることができ、特に限定されるものではない。改質用触媒も通常使用される改質触媒を用いることができ、Ｎｉ系触媒、Ｐｔ−Ｎｉ系触媒、Ｐｄ−Ｚｎ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒などが挙げられる。
【００４１】
このようにＳＯＦＣ（１）と燃焼プロセス（３）とを組み合わせたコンバインドシステムに、改質器（６）をさらに含ませることによって、上記「解決しようとする課題」において述べた事項を一挙に解決することができる。
【００４２】
即ち、燃焼プロセスの排ガス（５）を改質器（６）に導くことによって、燃焼プロセスの排ガス（５）の有する熱量を有効に活用することができる。特に、燃焼プロセスの排ガス（５）が高温である場合に大きな効果が得られる。
【００４３】
また、改質可能燃料混合物（７）を改質する場合に、従来は、吸熱反応である水蒸気改質反応を進行させるべく、複雑な内部改質手段または外部熱源を必要とすると共に放熱ロス等によりエネルギー効率上好ましくない外部改質手段が必要とされていた。本願においては、ＳＯＦＣの外部に設けられた改質器（６）によって改質可能燃料混合物（７）を改質するが、このときコンバインドシステムを構成する燃焼プロセス（３）の排ガス（５）を活用できるため、改質器（６）に熱を供給する手段を特別に設ける必要がない。従って、ＳＯＦＣ（１）の構成をシンプルなものにでき、かつ、エネルギー効率の向上が図れる。
【００４４】
図２は、発電済み燃料混合手段（１５）を設けず、水蒸気（１４）を炭化水素系ＳＯＦＣ用燃料（１２）と共に供給する態様であり、このような改良形態も本願発明の技術的範囲に含まれるものである。水蒸気（１４）の発生手段としては、レキュペレータ（９）の排ガスを利用するなどの態様が考えられる（図示せず）。
【００４５】
さらに、ＳＯＦＣ（１）の起動時の昇温手段として改質器（６）を有効に活用できる。この作用について図３を参照して説明する。まず、ＳＯＦＣ（１）の燃料極側には燃料極の酸化を防止するため、窒素や水素を主体とするパージガス（２０）を供給し、ＳＯＦＣ（１）の空気極側にはＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を供給する。そして、ＳＯＦＣ（１）を作動させずに、燃焼プロセス（３）のみを作動させ、改質器（６）に高温の燃焼プロセスの排ガス（５）を導入する。パージガス（２０）は改質器（６）において加熱され、加熱されたパージガス（２０）がＳＯＦＣ（１）の燃料極側に搬送される。燃焼プロセス（３）が還元雰囲気炉である場合は、燃焼プロセス（３）の還元ガスをＳＯＦＣの燃料極パージガス（２０）として共用することができ、コンバインドシステムの構成をシンプルにすることができ、設備コストを削減できる。還元雰囲気炉としては浸炭炉や焼入炉などが挙げられ、還元ガスとしては一般には水素を含むガスが、水素以外に含まれうる成分としてはヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスが挙げられる。なお、燃焼プロセス（３）が還元雰囲気炉である場合には、必ずしも改質器（６）を用いて還元ガスを昇温する構成とする必要はなく、他の昇温手段を利用してもよい。この場合であっても、コンバインドシステムの構成をシンプルにすることができ、設備コストを削減する効果が得られる。
【００４６】
燃焼プロセス（３）が還元雰囲気炉でない場合には、窒素や水素を主体とするパージガス供給手段を設ければよく、パージガス供給手段は流量制御可能なボンベ等の一般的な手段を使用すればよい。
【００４７】
レキュペレータ（９）を備えたコンバインドシステムにおいては、改質器の排ガス（８）によりレキュペレータ（９）も加熱され、ＳＯＦＣ酸化剤（１０）が加熱される。そして、高温のパージガス（２０）やＳＯＦＣ酸化剤（１０）の作用によってＳＯＦＣ（１）が作動温度にまで加熱される。ＳＯＦＣ（１）が作動温度に達したら、改質器（６）に供給されるガスをパージガス（２０）から発電燃料（１２）へ徐々に変更し、ＳＯＦＣ（１）における発電を開始する。このように燃焼プロセス（５）および改質器（６）を活用してＳＯＦＣ（１）を加熱できるため、ＳＯＦＣ（１）の加熱・昇温のための特別な装置を設ける必要がなく、装置構成をシンプルにでき、設備コストを削減することができる。また、ＳＯＦＣ（１）起動時に、ＳＯＦＣ用燃料（１２）、改質可能燃料混合物（７）および改質済み燃料（１１）が通過するラインをパージガス（２０）が通過するラインとして併用した場合、より一層の装置構成のシンプル化、設備コストの削減を図ることができる。ラインを併用する場合には弁を用いて通過するガスを制御すればよい。
【００４８】
上述するように、改質器（６）を設けることによって総合効率の向上が図れるが、さらに高い総合効率を得るためにはレキュペレータ（９）を設けることが好ましい。レキュペレータ（９）は、図１に示すように改質器の排ガス（８）を用いて、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を加熱することができるように設けることができる。また、コンバインドシステムの運転上特に問題が生じなければ、改質器（６）とレキュペレータ（９）との位置を逆にし、レキュペレータ（９）を燃焼プロセス（３）と改質器（６）との間に設けてもよい。この場合、燃焼プロセスの排ガス（５）の熱を用いて、レキュペレータ（９）でＳＯＦＣ用酸化剤（１０）が加熱される。そして、レキュペレータ（９）の排ガスの熱を用いて、改質器（６）で改質可能燃料混合物（７）が加熱される。ただし、改質器（６）における改質反応は上述の通り７００℃以上で好適に進行することから、改質反応の制御を考慮すると改質器（６）の排ガス（８）をレキュペレータ（９）に導入する形態がより好ましいといえる。なお、以下の説明は、便宜上図１に示すように改質器の排ガス（８）を用いて、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を加熱するレキュペレータ（９）が設けられてなる態様に関して説明するが、レキュペレータ（９）が燃焼プロセス（３）と改質器（６）との間に設けた態様についても同様に適用できるものである。従って本願において、「燃焼プロセスの排ガスを用いて」には、燃焼プロセスの排ガス（５）を直接改質器（６）に供給する形態の他、レキュペレータ（９）などを介して間接的に燃焼プロセスの排ガス（５）を改質器（６）に供給する形態も概念として含まれるものである。
【００４９】
レキュペレータ（９）は、向流熱交換器、並流熱交換器などの各種公知の熱交換器を用いることができ、特に限定されるものではない。レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤（１０）はＳＯＦＣ（１）に供給され、発電に利用される。ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）としては、空気、酸素ガス、酸素ガスの混入により酸素濃度を調整した高酸素ガスなどを用いることができる。
【００５０】
以下、上述のコンバインドシステムの改良形態およびその運転方法について説明する。
【００５１】
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（３）の必要とする燃焼プロセス用酸化剤流量とＳＯＦＣの排ガス（２）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恐れがある。また、燃焼プロセス（３）またはＳＯＦＣ（１）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い。
【００５２】
この問題を解決するためには、ＳＯＦＣ（１）と改質器（６）との間に、ＳＯＦＣの排ガス（２）の一部が燃焼プロセス（３）をバイパスするライン（バイパスラインＡ：１６）を設けることが好ましい。これにより、ＳＯＦＣの排ガス（２）の過剰供給に対し、燃焼プロセス（３）の安定操業を確保できるとともに、改質器（６）への熱供給およびＳＯＦＣ（１）の発電も継続できる。レキュペレータ（９）を燃焼プロセス（３）と改質器（６）との間に設ける場合には、ＳＯＦＣ（１）とレキュペレータ（９）との間に、ＳＯＦＣの排ガス（２）の一部が燃焼プロセス（３）をバイパスするライン（バイパスラインＡ：１６）を設けることが好ましい。
【００５３】
また、燃焼プロセス（３）にＳＯＦＣ（１）を経ていない酸化剤を供給するために、レキュペレータ（９）と燃焼プロセス（３）との間に、ＳＯＦＣ（１）をバイパスするライン（バイパスラインＢ：１７）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。
【００５４】
本発明のコンバインドシステムにおいては、レキュペレータ（９）から排出されるＳＯＦＣ酸化剤より低温のガスを供給する手段を設けてもよい。このような供給手段を設けた場合、レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤（１０）がＳＯＦＣ（１）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（１０）の温度を下げる事ができる。供給される低温のガスはＳＯＦＣ（１）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、２に示すようにレキュペレータ（９）をバイパスするライン（バイパスラインＣ）１８を設けても良い。
【００５５】
また、レキュペレータ（９）とＳＯＦＣ（１）との間に、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の加熱手段（１９）を設けてもよい。加熱手段（１９）を設置することにより、ＳＯＦＣ（１）が必要とする温度にレキュペレータ（９）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（１９）を用いてＳＯＦＣ用酸化剤温度を上げることができる。加熱手段（１９）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、ＳＯＦＣ（１）に供給される酸素量が減少することになるが、通常ＳＯＦＣ用酸化剤には発電に対して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。
【００５６】
ＳＯＦＣ（１）の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。
【００５７】
以下に、バイパスラインの作用、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。
【００５８】
図４は、改質器（６）の排熱をレキュペレータ（９）で回収したとき、レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の全量がＳＯＦＣ（１）で用いられ、燃焼プロセス（３）の排熱を最大限利用でき、かつ、ＳＯＦＣの排ガス（２）の全量が燃焼プロセス（３）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。
【００５９】
常に完全バランス状態を保つためには、バイパスラインＡ（１６）やバイパスラインＢ（１７）を設けずに、燃焼プロセス（３）が必要とする酸化剤量に合わせてＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の流量を調整し、そのＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の流量および温度に合わせてＳＯＦＣ電気出力を調整する方法もある。この場合、ＳＯＦＣの排ガス（２）が燃焼プロセス（３）の必要とする酸化剤量と同量になるようＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の流量を調整し、レキュペレータ（９）から排出されるＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度に応じて、ＳＯＦＣ（１）が作動可能な温度を維持できる電気出力を決定する。ＳＯＦＣ（１）および燃焼プロセス（３）を一定範囲の作動条件で運転する場合には、バイパスラインＡ（１６）やバイパスラインＢ（１７）を設けずとも高い総合効率を得ることができる。従って、バイパスライン等を設けない場合には、設ける場合と比較して装置コストを抑えることができる。
【００６０】
しかし、ＳＯＦＣ（１）および燃焼プロセス（３）を各々独立の計画で運用する場合には、完全バランス状態を保つことは出来ない。この場合にはバイパスラインＡ（１６）、バイパスラインＢ（１７）、バイパスラインＣ（１８）、加熱手段（１９）を用いて、最高の総合効率が得られるように制御することができる。
【００６１】
例えば、ＳＯＦＣ（１）が必要とする酸化剤流量より燃焼プロセス（３）が必要とする酸化剤流量の方が少ない場合には、図５に示すようにバイパスラインＡ（１６）を活用することにより、ＳＯＦＣ（１）が必要とする酸化剤流量と燃焼プロセス（３）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（２）のうち燃焼プロセス（３）に搬送されない部分は、バイパスラインＡ（１６）によって改質器（６）に搬送され、ＳＯＦＣの排ガス（２）の持つ顕熱が有効に活用される。これにより、コンバインドシステムの総合効率低下を抑制することができる。
【００６２】
一方、ＳＯＦＣ（１）が必要とする酸化剤流量より燃焼プロセス（３）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６に示すようにバイパスラインＢ（１７）を活用することにより、燃焼プロセス（３）が必要とする酸化剤流量の不足分を補うことができる。
【００６３】
また、レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度がＳＯＦＣ（１）が必要とする温度に達しない場合は、加熱手段（１９）によってＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を加熱し、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度を上げることができる（図７）。逆に、レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度が、ＳＯＦＣ（１）が必要とする温度より高い場合は、バイパスラインＣ（１８）を用いることによりＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度を下げることができる（図８）。バイパスラインＣ（１８）の代わりにブロワ等によりレキュペレータ（９）通過後のＳＯＦＣ用酸化剤（１０）よりも低温の空気や酸素を供給してもよい。
【００６４】
なお、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。
【００６５】
また、バイパスラインＡ（１６）およびバイパスラインＢ（１７）の制御方法としては、燃焼プロセス（３）およびＳＯＦＣ（１）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ラインＡ（１６）およびバイパスラインＢ（１７）に設けられた弁に指示を与える方法が挙げられる。バイパスラインＣ（１８）と加熱手段（１９）の制御方法としては、レキュペレータ（９）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（１０）の温度がＳＯＦＣ（１）の必要とする温度になるようバイパスラインＣ（１８）や加熱手段（１９）に指示を与える方法が挙げられる。
【００６６】
【実施例】
燃焼プロセスとして鋼板熱処理炉のラジアントチューブ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、ラジアントチューブ単体でのエネルギーバランスおよびＳＯＦＣ単体でのエネルギーバランスと比較して示す。
【００６７】
＜実施例１：ＳＯＦＣとラジアントチューブとのコンバインドシステム＞
ＳＯＦＣとラジアントチューブコンバインドシステムに必要な燃料を１００とした時のエネルギーバランスを図９に示す。ＳＯＦＣ用燃料としては、都市ガスを用いた。熱効率は、下記式（１）：
【００６８】
【数１】

【００６９】
により定義した。ラジアントチューブについての熱効率は８６％であり、ＳＯＦＣについての熱効率は４７％であった。また、コンバインドシステム全体の熱効率は７９％であった。
【００７０】
＜比較例１：ラジアントチューブ単体＞
ラジアントチューブでの出熱を７０とした場合のラジアントチューブ単体でのエネルギーバランスを図１０に示す。比較のためレキュペレータの熱回収効率をコンバインドシステムと同じにしている。上記式（１）に従って熱効率を求めたところ、ラジアントチューブの熱効率は７５％であった。
【００７１】
＜比較例２：ＳＯＦＣ単体＞
ＳＯＦＣ発電量を９とした場合のＳＯＦＣ単体でのエネルギーバランスを図１１に示す。比較のためＳＯＦＣ用燃料に都市ガスを用い、ＳＯＦＣの排ガスの熱エネルギーで燃料改質を行う場合についてエネルギーバランスを算出した。上記式（１）に従って熱効率を求めたところ、ＳＯＦＣの熱効率は４７％であった。
【００７２】
実施例および比較例に示されるように、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。
【００７３】
【発明の効果】
本願のコンバインドシステムにおいては、ＳＯＦＣの供給に伴い発生する排ガスが、燃焼プロセス用酸化剤として燃焼プロセスに供給される。このとき、ＳＯＦＣの排ガスが８００〜１０００℃と非常に高温で、酸素濃度は１５〜１８％である特性を活用して、総合効率の向上、設備コストの削減、装置のシンプル化といった効果を得ることができる。
【００７４】
上記効果に加えて、改質器を燃焼プロセスの排ガスの有する熱量を利用しうる改質器を設けることによって総合効率の向上が図れる。また、改質器により改質された改質済み燃料が固体酸化物形燃料電池の発電用燃料として使用できるため、ＳＯＦＣ本体内部に改質器を備える必要がなくなり、ＳＯＦＣの構造をシンプルにできる。さらに、ＳＯＦＣの起動時の昇温手段として改質器を有効に活用できる。
【００７５】
本願発明に係るコンバインドシステムの操業に関しては、燃焼プロセスが必要とする酸化剤流量に合わせて、ＳＯＦＣの酸化剤流量および電気出力を調整することにより高効率な操業を達成できる。また、バイパスラインや加熱手段をコンバインドシステムに設けることにより、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。さらにコンバインドシステム起動時に、燃焼プロセスのみを始めに起動させることで、改質器（レキュペレータを備える場合にはレキュペレータも）が加熱され、ＳＯＦＣを作動温度にまで昇温させることができるため、ＳＯＦＣ起動用の専用加熱装置が不要となり、装置のシンプル化、設備コストの削減が図れる。
【００７６】
また、燃焼プロセスが還元雰囲気炉である場合、還元雰囲気炉の還元ガスをＳＯＦＣ起動時に使用する燃料極側パージガスとして共用し、ＳＯＦＣ起動用の専用パージガス供給手段を設置する必要がなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＯＦＣ、燃焼プロセス、改質器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】図１と同様なコンバインドシステムであり、燃料改質に必要な水蒸気を異なる方式で供給する場合のコンバインドシステムの一実施形態の模式図である。
【図３】コンバインドシステム起動時の状態を示す図である。
【図４】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５】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６】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７】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８】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９】本発明に係る、ＳＯＦＣとラジアントチューブ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１０】ラジアントチューブ単体でのエネルギーバランスを示す図である。
【図１１】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固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ＳＯＦＣの排ガス
３燃焼を利用する産業プロセス（燃焼プロセス）
４燃焼プロセス用燃料供給手段
５燃焼プロセスの排ガス
６改質器
７改質可能燃料混合物
８改質器の排ガス
９レキュペレータ
１０ＳＯＦＣ用酸化剤
１１改質済み燃料
１２炭化水素系ＳＯＦＣ用燃料
１３発電済み燃料
１４水蒸気
１５発電済み燃料混合手段
１６バイパスラインＡ
１７バイパスラインＢ
１８バイパスラインＣ
１９加熱手段
２０パージガス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a combined system of a fuel cell and an industrial process using combustion, and more specifically, uses exhaust heat of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion to improve overall efficiency. Related to combined systems.
[0002]
[Prior art]
A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte such as yttria-stabilized zirconia as an electrolyte, and has porous electrodes attached to both sides thereof. This is a fuel cell that operates at about 1000 ° C. as a partition wall by supplying fuel gas on one side and oxidant (air, oxygen, etc.) on the other side.
[0003]
SOFC can achieve (1) high output and high power generation efficiency, (2) carbon monoxide can be used in addition to hydrogen as fuel gas, (3) operates at high temperature, and (4) the electrolyte is solid It has features such as no problem of electrolyte dissipation, and has attracted attention as a distributed energy source.
[0004]
In recent years, as social demands for effective use of energy have increased, not only the efficiency of industrial processes that use power generators and combustion alone, but also the construction of combined systems that combine two or more Attempts to improve the overall efficiency have attracted attention, and there is a demand for further improvement in the overall efficiency of SOFCs having high power generation efficiency.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The applicant of the present invention has previously developed a combined system of SOFC and an industrial process using combustion (hereinafter also referred to as “combustion process” for the sake of convenience) for the purpose of improving the overall efficiency of the combined system including SOFC. Application No. 2001-47285). The combined system uses SOFC exhaust gas as an oxidizing agent for the combustion process, and achieves an improvement in overall efficiency by effectively using the heat of the SOFC exhaust gas. In order to further improve the overall efficiency, an embodiment in which a recuperator for heating the oxidizer for SOFC with the exhaust gas of the combustion process has been developed. Further, in order to enable a balanced operation between the SOFC and the combustion process, an improved form in which a line bypassing the recuperator, the SOFC or the combustion process is provided, or the SOFC oxidant is heated between the recuperator and the SOFC. An improved form of providing means was also created.
[0006]
The above combined system brings about a dramatic improvement in overall efficiency as compared with the operation of the SOFC or combustion process alone, and it can be said that it is sufficiently practical. However, the present inventors have found that there is room for some improvement by conducting intensive studies for the purpose of developing a more useful combined system. These are described below.
[0007]
The first point relates to further effective use of the heat quantity of the exhaust gas of the combustion process. In the above combined system, the amount of heat of the exhaust gas from the combustion process is recovered for heating the SOFC air, but there is room for exhaust heat recovery when the exhaust gas from the combustion process is hot. . That is, when the exhaust gas of the combustion process is at a high temperature, it may have a usable amount of heat even after recovering the amount of heat using a recuperator or the like, and this waste heat can be used effectively. .
[0008]
The second point relates to reforming of SOFC fuel. When using hydrocarbon-based fuel as the fuel for SOFC, the steam reforming reaction is used to generate CO and H as power generation fuels. ₂ It is necessary to improve it. This reforming reaction suitably proceeds at 700 ° C. or higher, and is an endothermic reaction, so it is necessary to continuously supply heat to the system. As a means for continuously supplying heat, it is necessary to provide an internal reforming means that uses power generation exhaust heat or SOFC exhaust gas sensible heat inside the SOFC, or an external reforming means that supplies heat from the outside. However, in order to perform internal reforming, it is necessary to dispose a reforming catalyst inside the SOFC, which causes a problem that the SOFC structure becomes complicated. Moreover, in order to perform external reforming, a new heat source is required for the external reformer, which is not preferable in terms of energy efficiency.
[0009]
The third point relates to equipment for starting up the SOFC. In order to start up the SOFC, it is necessary to raise the temperature of the SOFC to a high operating temperature of about 1000 ° C., and to supply a purge gas mainly composed of nitrogen and hydrogen to prevent oxidation of the SOFC anode. It is necessary to supply the system. For this reason, facilities used only for starting up the SOFC, such as a purge gas preheater and a purge gas supply means, are required, which causes problems such as complication of the apparatus and increase in apparatus cost.
[0010]
The present invention has been made in view of the above matters, and has excellent overall efficiency capable of “effective use of exhaust gas from combustion process”, “efficiency of fuel reforming for SOFC”, and “simplification of SOFC module”. An object of the present invention is to provide an industrial process combined system using SOFC and combustion.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a method for operating the combined system that can suitably cope with operating conditions.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a combined system of an SOFC and a combustion process in which the exhaust gas of SOFC is used as an oxidant for the combustion process, and further includes a reformer that can effectively use the exhaust gas of the combustion process. It was completed by paying attention to the point that the problem can be solved. In addition, regarding the combined system of SOFC and combustion process, where SOFC exhaust gas is used as an oxidant for the combustion process, we focus on the fact that the SOFC module can be simplified by sharing the combustion process reducing gas as the SOFC purge gas. It has been completed. The specific means of the present invention are as follows.
[0013]
The present invention relates to a combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion, in which the exhaust gas of the solid oxide fuel cell is used as an oxidant for industrial process using combustion. Utilizing a solid oxide fuel cell and combustion, comprising a reformer for heating and reforming the power generation fuel of the solid oxide fuel cell using the exhaust gas of an industrial process using It is a combined system with industrial processes.
[0014]
It is preferable that a recuperator for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell with the exhaust gas of the reformer is provided.
[0015]
It is preferable that a line for bypassing the industrial process using the combustion is provided between the solid oxide fuel cell and the reformer.
[0016]
It is preferable that a line for bypassing the solid oxide fuel cell is provided between the recuperator and the industrial process using the combustion.
[0017]
Preferably, means for supplying a gas at a lower temperature than the oxidant for the solid oxide fuel cell discharged from the recuperator is provided between the recuperator and the solid oxide fuel cell.
[0018]
The means for supplying the low-temperature gas is preferably a line that bypasses the recuperator.
[0019]
It is preferable that a means for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell is provided between the recuperator and the solid oxide fuel cell.
[0020]
The industrial process using the combustion is preferably a heating furnace.
[0021]
The industrial process using combustion is preferably a heat treatment furnace equipped with a radiant tube.
[0022]
It is preferable that the industrial process using the combustion is a reducing atmosphere furnace, and a reducing gas used in the reducing atmosphere furnace is shared as a fuel electrode side purge gas of the solid oxide fuel cell.
[0023]
Further, the present invention provides a solid oxide fuel cell for generating power using the exhaust gas of an industrial process using combustion, wherein the exhaust gas of the solid oxide fuel cell uses combustion. Solid oxide fuel cell and combustion comprising a reformer for heating and reforming fuel, and a recuperator for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell with the exhaust gas of the reformer In a combined system with an industrial process that uses a solid oxide fuel cell, the oxidant flow rate of the solid oxide fuel cell is adjusted according to the amount of oxidant that the industrial process that uses combustion requires. A combination of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion, characterized in that the electric output of the solid oxide fuel cell is adjusted according to the flow rate and temperature of the oxidant for the battery. It is a method of operating a command system.
[0024]
Further, the present invention provides a solid oxide fuel cell for generating power using the exhaust gas of an industrial process using combustion, wherein the exhaust gas of the solid oxide fuel cell uses combustion. A reformer for heating and reforming the fuel is provided, and a recuperator for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell with the exhaust gas of the reformer is provided, and the solid oxide fuel cell is provided. And a gas line that bypasses the industrial process that uses the combustion, and bypasses the solid oxide fuel cell between the recuperator and the industrial process that uses the combustion. In a combined system of a solid oxide fuel cell provided with a line and an industrial process using combustion, the solid oxide fuel cell and the combustion A solid oxide fuel characterized by controlling a line that bypasses the industrial process that uses the combustion or a line that bypasses the solid oxide fuel cell according to an oxidant flow rate required by the industrial process to be used A method for operating a combined system of a battery and an industrial process using combustion.
[0025]
Further, the present invention provides a solid oxide fuel cell for generating power using the exhaust gas of an industrial process using combustion, wherein the exhaust gas of the solid oxide fuel cell uses combustion. A reformer that heats and reforms the fuel; and a recuperator that heats the oxidant for the solid oxide fuel cell with exhaust gas from the reformer, the recuperator and the solid oxide A means for supplying a gas at a lower temperature than the oxidant for the solid oxide fuel cell discharged from the recuperator or a means for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell is provided between the fuel cell and the oxidant. In a combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process that uses combustion, depending on the oxidant temperature required by the solid oxide fuel cell, A method of operating a combined system of industrial processes that utilize combustion with solid oxide fuel cell and controls the means or means for said heating supplying cold gas.
[0026]
Further, the present invention provides a solid oxide fuel cell for generating power using the exhaust gas of an industrial process using combustion, wherein the exhaust gas of the solid oxide fuel cell uses combustion. Solid oxide fuel cell and combustion comprising a reformer for heating and reforming fuel, and a recuperator for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell with the exhaust gas of the reformer In the combined system with the industrial process using the solid-state fuel, when the combined system is started, only the industrial process using the combustion is started without starting the solid oxide fuel cell, and the solid heated by the reformer The solid oxide fuel cell oxidant heated by the fuel electrode side purge gas of the oxide fuel cell and the recuperator is used for the solid oxide fuel cell. A method of operating a combined system of industrial processes that utilize combustion with solid oxide fuel cells, characterized by raising the temperature of the oxide fuel cell.
[0027]
Furthermore, the present invention is a combined system of a solid oxide fuel cell in which the exhaust gas of the solid oxide fuel cell is used as an oxidant for an industrial process that uses combustion, and an industrial process that uses combustion, A solid oxide fuel characterized in that the reducing gas used in the reducing atmosphere furnace is used as a fuel electrode side purge gas of the solid oxide fuel cell. It is a combined system of batteries and industrial processes using combustion.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
FIG. 1 shows that the exhaust gas (2) of SOFC (1) is introduced into the combustion process (3) as an oxidant for the combustion process (3) together with the fuel (4), and the exhaust gas (5) of the combustion process (3) ) Is used in the reformer (6) for heating and reforming the fuel for power generation (12) of the SOFC, and the exhaust gas from the reformer (6) is then used to heat the oxidizer (10) for the SOFC. It is a schematic diagram of one Embodiment of this invention supplied to 9).
[0030]
In the combined system, the SOFC (1) is supplied with the SOFC oxidant (10) and the reformed fuel (11) to generate power. The type of SOFC used in the present invention is not particularly limited, and various SOFCs such as a cylindrical SOFC and a planar SOFC can be used, and can be appropriately selected according to the usage and installation environment. The process for supplying the SOFC oxidant (10) and the reformed fuel (11) will be described later.
[0031]
In the combined system of the present application, the exhaust gas (2) generated with the operation of the SOFC is supplied to the combustion process (3) as an oxidant for the combustion process. The SOFC (1) is a fuel cell characterized by operating at a high temperature. The exhaust gas (2) of the SOFC is also at a very high temperature of 800 to 1000 ° C. and the oxygen concentration is 15 to 18%. For this reason, when the exhaust gas (2) of SOFC is supplied as an oxidant for a combustion process that is preferably supplied with a high-temperature oxidant, it can be directly used as a combustion oxygen supply source, which is effective in improving the overall efficiency. Furthermore, the exhaust gas (2) of SOFC contains residual fuel that has not been used in SOFC (1), and the residual fuel can be used in the combustion process (3). In addition, there is an advantage that high-temperature combustion can be realized. The effects obtained by high temperature combustion and high temperature combustion will be briefly described below.
[0032]
Combustion requires a certain amount of oxygen supply, and usually requires an oxygen concentration of about 18% by volume or more. However, at 800 ° C. or higher, combustion is possible even at a low oxygen concentration, and a combustion state called high-temperature combustion can occur. Under such high temperature combustion, a high heat transfer effect can be obtained, and generation of nitrogen oxides (NOx) can be reduced. As described above, the SOFC exhaust gas has conditions suitable for high-temperature combustion, such as 800 to 1000 ° C. and oxygen concentration of 15 to 18% by volume. Therefore, even when directly used as an oxidizing agent for a combustion process without any gas reforming or heating using a heat exchanger, high-temperature combustion having the above characteristics becomes possible.
[0033]
That is, when the SOFC exhaust gas (2) is used as an oxidizing agent for the combustion process, the characteristics of the SOFC exhaust gas (2) can be effectively used to improve the overall efficiency.
[0034]
The combustion process (3) is not particularly limited as long as it uses combustion, and examples thereof include a heating furnace, a heat treatment furnace, an incinerator, a boiler, a drying furnace, a hot air furnace, and a chemical reaction furnace. Moreover, it is good also as apparatus forms, such as a generator burner which SOFC (2) and combustion process (3) integrated, and this form is also contained in the technical scope of this invention. Examples of the fuel supplied to the combustion process (3) by the combustion process fuel supply means (4) include heavy oil, methane, coal, propane, and electric heat, but are not particularly limited. The combustion temperature of the combustion process (3) is not particularly limited, and when a higher combustion temperature is desired, the fuel supply amount may be increased. However, in order to realize the above-described high-temperature combustion, it is preferable to apply a combustion process capable of performing a high-temperature heat treatment at 800 ° C. or higher, and a heat treatment furnace equipped with a heating furnace or a radiant tube is a suitable example. The radiant tube burns in the tube and radiates and heats an object to be heated outside the tube, and various known radiant tubes can be used.
[0035]
The exhaust gas (5) of the combustion process discharged from the combustion process (3) is transferred to the reformer (6) and used as a heat source for heating the reformable fuel mixture (7) and reforming. The reforming in the reformer (6) is generally performed by steam reforming the hydrocarbon-based SOFC fuel (12) using a reforming catalyst, and has been reformed containing hydrogen and carbon monoxide as main components. Fuel (11) is supplied to the SOFC (1). Regarding the reforming reaction, the case where methane and ethane (natural gas) are used is exemplified. The following formulas (I) to (IV):
[0036]
[Chemical 1]

[0037]
It is represented by
[0038]
This fuel reforming reaction generally proceeds suitably at 700 ° C. or higher. For this reason, it is preferable that the exhaust gas (5) of a combustion process is 700 degreeC or more, and specifically, the heat processing furnace provided with the radiant tube is preferable. This is because the exhaust gas temperature from the radiant tube can be as high as 1000 ° C.
[0039]
As shown in FIG. 1, the fuel is supplied to the reformer (6) by mixing the power-generated fuel (13) containing water vapor and carbon dioxide in the power-generated fuel mixing means (15), and mixing the reformable fuel mixture ( 7). Examples of the generated fuel mixing means (15) include an ejector and a circulation pump.
[0040]
As the reformer (6), a reforming fuel mixture (7) in which various known heat exchangers such as a countercurrent heat exchanger and a cocurrent heat exchanger are used, and a passage in which a reforming catalyst is filled are used. There is no particular limitation. As the reforming catalyst, a commonly used reforming catalyst can be used, and examples thereof include a Ni-based catalyst, a Pt—Ni-based catalyst, a Pd—Zn-based catalyst, and a Cu—Zn-based catalyst.
[0041]
In this way, by adding the reformer (6) to the combined system that combines the SOFC (1) and the combustion process (3), the above-mentioned problems to be solved can be solved at once. can do.
[0042]
That is, by introducing the combustion process exhaust gas (5) to the reformer (6), the amount of heat of the combustion process exhaust gas (5) can be effectively utilized. In particular, a great effect is obtained when the exhaust gas (5) of the combustion process is at a high temperature.
[0043]
Further, when reforming the reformable fuel mixture (7), conventionally, a complicated internal reforming means or an external heat source is required in order to advance a steam reforming reaction which is an endothermic reaction, and a heat radiation loss, etc. Therefore, there is a need for external reforming means that are undesirable in terms of energy efficiency. In the present application, the reformable fuel mixture (7) is reformed by the reformer (6) provided outside the SOFC. At this time, the exhaust gas (5) of the combustion process (3) constituting the combined system is reformed. Since it can be utilized, it is not necessary to provide a means for supplying heat to the reformer (6). Therefore, the configuration of SOFC (1) can be simplified and the energy efficiency can be improved.
[0044]
FIG. 2 shows a mode in which the generated fuel mixing means (15) is not provided and the steam (14) is supplied together with the hydrocarbon-based SOFC fuel (12). Such an improved form is also within the technical scope of the present invention. It is included. As a means for generating the water vapor (14), a mode in which the exhaust gas from the recuperator (9) is used can be considered (not shown).
[0045]
Furthermore, the reformer (6) can be effectively utilized as a temperature raising means when the SOFC (1) is started. This operation will be described with reference to FIG. First, a purge gas (20) mainly composed of nitrogen or hydrogen is supplied to the fuel electrode side of the SOFC (1) to prevent oxidation of the fuel electrode, and the SOFC oxidant is supplied to the air electrode side of the SOFC (1). (10) is supplied. Then, only the combustion process (3) is operated without operating the SOFC (1), and the high-temperature combustion process exhaust gas (5) is introduced into the reformer (6). The purge gas (20) is heated in the reformer (6), and the heated purge gas (20) is conveyed to the fuel electrode side of the SOFC (1). When the combustion process (3) is a reducing atmosphere furnace, the reducing gas of the combustion process (3) can be shared as the fuel electrode purge gas (20) of the SOFC, and the configuration of the combined system can be simplified. Equipment costs can be reduced. Examples of the reducing atmosphere furnace include a carburizing furnace and a quenching furnace. As a reducing gas, a gas containing hydrogen is generally used, and as a component other than hydrogen, an inert gas such as helium, argon, or nitrogen can be used. . When the combustion process (3) is a reducing atmosphere furnace, it is not always necessary to use a reformer (6) to raise the temperature of the reducing gas, and other heating means can be used. Good. Even in this case, the configuration of the combined system can be simplified, and the effect of reducing the equipment cost can be obtained.
[0046]
When the combustion process (3) is not a reducing atmosphere furnace, a purge gas supply means mainly composed of nitrogen or hydrogen may be provided, and the purge gas supply means may be a general means such as a cylinder whose flow rate can be controlled. .
[0047]
In the combined system provided with the recuperator (9), the recuperator (9) is also heated by the exhaust gas (8) of the reformer, and the SOFC oxidant (10) is heated. The SOFC (1) is heated to the operating temperature by the action of the high temperature purge gas (20) and the SOFC oxidant (10). When the SOFC (1) reaches the operating temperature, the gas supplied to the reformer (6) is gradually changed from the purge gas (20) to the power generation fuel (12), and power generation in the SOFC (1) is started. Since the SOFC (1) can be heated using the combustion process (5) and the reformer (6) in this way, there is no need to provide a special device for heating and raising the temperature of the SOFC (1). The configuration can be simplified and the equipment cost can be reduced. Further, when the SOFC (1) is started, a line through which the SOFC fuel (12), the reformable fuel mixture (7) and the reformed fuel (11) pass is used as a line through which the purge gas (20) passes. It is possible to further simplify the apparatus configuration and reduce the equipment cost. When the line is used in combination, the passing gas may be controlled using a valve.
[0048]
As described above, the overall efficiency can be improved by providing the reformer (6). However, in order to obtain a higher overall efficiency, it is preferable to provide the recuperator (9). The recuperator (9) can be provided so that the SOFC oxidizing agent (10) can be heated using the exhaust gas (8) of the reformer as shown in FIG. If there is no particular problem in the operation of the combined system, the positions of the reformer (6) and the recuperator (9) are reversed, and the recuperator (9) is replaced with the combustion process (3) and the reformer (6). You may provide between. In this case, the SOFC oxidant (10) is heated by the recuperator (9) using the heat of the exhaust gas (5) of the combustion process. Then, the reformable fuel mixture (7) is heated by the reformer (6) using the heat of the exhaust gas of the recuperator (9). However, since the reforming reaction in the reformer (6) preferably proceeds at 700 ° C. or higher as described above, the exhaust gas (8) of the reformer (6) is removed from the recuperator (9) in consideration of the control of the reforming reaction. ) Is more preferable. In addition, although the following description demonstrates the aspect provided with the recuperator (9) which heats the oxidizing agent (10) for SOFC using the waste gas (8) of a reformer as shown in FIG. 1 for convenience. The embodiment in which the recuperator (9) is provided between the combustion process (3) and the reformer (6) can be similarly applied. Therefore, in the present application, “using the exhaust gas of the combustion process” means that the exhaust gas (5) of the combustion process is directly supplied to the reformer (6), and indirectly burned through the recuperator (9) and the like. The concept of supplying the exhaust gas (5) of the process to the reformer (6) is also included as a concept.
[0049]
As the recuperator (9), various known heat exchangers such as a countercurrent heat exchanger and a cocurrent heat exchanger can be used, and the recuperator (9) is not particularly limited. The SOFC oxidant (10) heated by the recuperator (9) is supplied to the SOFC (1) and used for power generation. As the oxidizing agent (10) for SOFC, air, oxygen gas, high oxygen gas whose oxygen concentration is adjusted by mixing oxygen gas, and the like can be used.
[0050]
Hereinafter, an improved form of the above combined system and an operation method thereof will be described.
[0051]
When the actual combined system is operated, the combustion process oxidizer flow rate required for the combustion process (3) and the SOFC exhaust gas (2) flow rate may be operated differently. At this time, if the operating condition is matched with the required flow rate of one side, the other function cannot be fully utilized, and there is a possibility that the overall efficiency is reduced. In addition, the optimal operating point (maximum efficiency point) of the combined system varies due to changes in the operating conditions of the combustion process (3) or SOFC (1), but both operating conditions frequently vary from the viewpoint of stable operation. It is not preferable to do.
[0052]
In order to solve this problem, a line (bypass line A: 16) between the SOFC (1) and the reformer (6) in which part of the SOFC exhaust gas (2) bypasses the combustion process (3). ) Is preferably provided. Thus, stable operation of the combustion process (3) can be secured against excessive supply of SOFC exhaust gas (2), and heat supply to the reformer (6) and power generation of the SOFC (1) can be continued. When the recuperator (9) is provided between the combustion process (3) and the reformer (6), a part of the SOFC exhaust gas (2) is interposed between the SOFC (1) and the recuperator (9). It is preferable to provide a line (bypass line A: 16) for bypassing the combustion process (3).
[0053]
Further, a line (bypass line B) for bypassing the SOFC (1) between the recuperator (9) and the combustion process (3) in order to supply the combustion process (3) with an oxidant that has not passed through the SOFC (1). : 17) is preferably provided. Thereby, the shortage of the oxidant flow rate for the combustion process can be compensated.
[0054]
In the combined system of the present invention, means for supplying a gas at a temperature lower than that of the SOFC oxidant discharged from the recuperator (9) may be provided. When such a supply means is provided, a low-temperature gas is supplied when the oxidizing agent (10) for SOFC heated by the recuperator (9) is higher than the oxidizing agent temperature required by SOFC (1), and SOFC The temperature of the oxidizing agent (10) can be lowered. The supplied low-temperature gas is not particularly limited as long as it does not cause any trouble in operating the SOFC (1), and examples thereof include air and oxygen. The supply means may be provided with various known means such as a blower, and may be provided with a line (bypass line C) 18 for bypassing the recuperator (9) as shown in FIGS.
[0055]
A heating means (19) for the SOFC oxidizing agent (10) may be provided between the recuperator (9) and the SOFC (1). By installing the heating means (19), when the temperature of the oxidizer for SOFC heated by the recuperator (9) does not reach the temperature required by the SOFC (1), the SOFC using the heating means (19) is used. The oxidizer temperature can be increased. Examples of the heating means (19) include a means for supplying and burning fuel in the oxidizer for SOFC and a means for heating by providing a heat exchanger. When fuel is supplied and burned, the amount of oxygen supplied to the SOFC (1) will decrease, but the oxidizer for SOFC usually contains an excessive amount of oxygen relative to power generation. Even if oxygen is used to raise the temperature from 10 to several hundred degrees Celsius, power generation is not affected.
[0056]
It is preferable to provide a valve in each bypass line of the SOFC (1) to control the gas flow rate. Thereby, the gas flow rate can be quickly controlled so that the total efficiency is maximized with respect to the change in the operating state between the combustion process and the SOFC. Specifically, a rose fly valve, etc., which is made of a heat-resistant material such as stainless steel, nickel alloy, ceramic, etc. and capable of controlling the opening / closing rate can be provided in the bypass line. The gas conveyance line such as a bypass line is not limited to these, but a material such as stainless steel with a fireproof lining may be used to connect the pipes connecting the respective apparatuses by bolt bonding or welding bonding using flanges.
[0057]
Below, the effect | action of a bypass line and the operating method of the combined system which concerns on this invention are demonstrated.
[0058]
FIG. 4 shows that when the exhaust heat of the reformer (6) is recovered by the recuperator (9), the total amount of the oxidizing agent for SOFC heated by the recuperator (9) is used in the SOFC (1), and the combustion process (3 ) And the exhaust gas (2) of SOFC can enter the combustion process (3). This state is defined as a perfect balance state. The overall efficiency is highest when in perfect balance.
[0059]
In order to always maintain a perfect balance state, the bypass line A (16) and the bypass line B (17) are not provided, but the SOFC oxidizing agent (10) according to the amount of oxidizing agent required by the combustion process (3). There is also a method of adjusting the SOFC electric output in accordance with the flow rate and temperature of the SOFC oxidant (10). In this case, the SOFC exhaust gas (2) is adjusted to the same amount as that required for the combustion process (3), and the flow rate of the SOFC oxidant (10) is adjusted, and the SOFC discharged from the recuperator (9). Depending on the temperature of the oxidizing agent (10), the electrical output capable of maintaining the temperature at which the SOFC (1) can operate is determined. When the SOFC (1) and the combustion process (3) are operated under a certain range of operating conditions, high overall efficiency can be obtained without providing the bypass line A (16) and the bypass line B (17). Therefore, when the bypass line or the like is not provided, the apparatus cost can be suppressed as compared with the case where the bypass line is provided.
[0060]
However, when the SOFC (1) and the combustion process (3) are operated in independent plans, it is not possible to maintain a perfect balance. In this case, the bypass line A (16), the bypass line B (17), the bypass line C (18), and the heating means (19) can be used to control so as to obtain the highest overall efficiency.
[0061]
For example, if the oxidant flow rate required by the combustion process (3) is less than the oxidant flow rate required by the SOFC (1), use the bypass line A (16) as shown in FIG. Thus, the balance between the oxidant flow rate required by the SOFC (1) and the oxidant flow rate required by the combustion process (3) can be maintained. In this case, the portion of the SOFC exhaust gas (2) that is not transferred to the combustion process (3) is transferred to the reformer (6) by the bypass line A (16), and the sensible heat of the SOFC exhaust gas (2) is increased. Effective use. Thereby, the total efficiency fall of a combined system can be controlled.
[0062]
On the other hand, the oxidant flow rate required by the combustion process (3) may be greater than the oxidant flow rate required by the SOFC (1). In this case, as shown in FIG. 6, by utilizing the bypass line B (17), the shortage of the oxidant flow rate required for the combustion process (3) can be compensated.
[0063]
When the temperature of the SOFC oxidant (10) heated by the recuperator (9) does not reach the temperature required by the SOFC (1), the SOFC oxidant (10) is heated by the heating means (19). Then, the temperature of the oxidizing agent (10) for SOFC can be raised (FIG. 7). Conversely, when the temperature of the SOFC oxidant (10) heated by the recuperator (9) is higher than the temperature required by the SOFC (1), the SOFC oxidant is obtained by using the bypass line C (18). The temperature of (10) can be lowered (FIG. 8). Instead of the bypass line C (18), air or oxygen having a temperature lower than that of the SOFC oxidizing agent (10) after passing through the recuperator (9) may be supplied by a blower or the like.
[0064]
In the operation of the combined system according to the present invention, the above-described bypass lines A to C, heating means and the like can be freely combined.
[0065]
Further, as a control method of the bypass line A (16) and the bypass line B (17), a necessary oxidant amount is calculated from the operation command for the combustion process (3) and the SOFC (1), and based on this, the bypass line A is calculated. (16) and a method of giving an instruction to a valve provided in the bypass line B (17). As a control method of the bypass line C (18) and the heating means (19), the temperature of the oxidizer (10) for SOFC is determined based on information obtained from a temperature sensor provided near the SOFC side outlet of the recuperator (9). There is a method of giving an instruction to the bypass line C (18) or the heating means (19) so that the temperature required by the SOFC (1) is obtained.
[0066]
【Example】
The energy balance of the combined system when the radiant tube of the steel plate heat treatment furnace is used as the combustion process is shown in comparison with the energy balance of the radiant tube alone and the energy balance of the SOFC alone.
[0067]
<Example 1: Combined system of SOFC and radiant tube>
Fig. 9 shows the energy balance when the fuel required for the SOFC and radiant tube combined system is 100. City gas was used as the fuel for SOFC. Thermal efficiency is expressed by the following formula (1):
[0068]
[Expression 1]

[0069]
Defined by Thermal efficiency for radiant tubes is 86 The thermal efficiency for SOFC was 47%. Moreover, the thermal efficiency of the whole combined system was 79%.
[0070]
<Comparative Example 1: Radiant tube alone>
FIG. 10 shows the energy balance of the radiant tube alone when the heat output from the radiant tube is 70. For comparison, the heat recovery efficiency of the recuperator is the same as that of the combined system. When the thermal efficiency was determined according to the above formula (1), the thermal efficiency of the radiant tube was 75%.
[0071]
<Comparative Example 2: SOFC alone>
FIG. 11 shows the energy balance of the SOFC alone when the SOFC power generation amount is 9. For comparison, an energy balance was calculated for the case where city gas was used as the SOFC fuel and the fuel reforming was performed using the thermal energy of the SOFC exhaust gas. When the thermal efficiency was determined according to the above formula (1), the thermal efficiency of SOFC was 47%.
[0072]
As shown in the examples and comparative examples, it was shown that the efficiency of the combined system according to the present invention in the examples is very excellent.
[0073]
【The invention's effect】
In the combined system of the present application, exhaust gas generated with the supply of SOFC is supplied to the combustion process as an oxidant for the combustion process. At this time, the SOFC exhaust gas is very high at 800 to 1000 ° C. and the oxygen concentration is 15 to 18%, and the effects of improving the overall efficiency, reducing the equipment cost, and simplifying the apparatus are obtained. be able to.
[0074]
In addition to the above effects, the overall efficiency can be improved by providing a reformer that can use the heat quantity of the exhaust gas of the combustion process. In addition, since the reformed fuel reformed by the reformer can be used as a power generation fuel for the solid oxide fuel cell, it is not necessary to provide a reformer inside the SOFC body, and the structure of the SOFC can be simplified. . Furthermore, the reformer can be effectively used as a temperature raising means at the time of starting the SOFC.
[0075]
With regard to the operation of the combined system according to the present invention, highly efficient operation can be achieved by adjusting the oxidant flow rate and electric output of the SOFC in accordance with the oxidant flow rate required for the combustion process. Also, by providing a bypass line and heating means in the combined system, the temperature, flow rate, and oxygen concentration of the SOFC oxidizer and combustion process oxidizer can be adjusted flexibly, and the operating conditions of the SOFC and combustion process change. Even if there is, stable operation can be achieved. Furthermore, when the combined system is started, only the combustion process is started first, so that the reformer (and the recuperator, if equipped with a recuperator) is heated and the SOFC can be raised to the operating temperature, so the SOFC is started. This eliminates the need for a dedicated heating device, simplifying the device and reducing equipment costs.
[0076]
Further, when the combustion process is a reducing atmosphere furnace, the reducing gas of the reducing atmosphere furnace can be shared as the fuel electrode side purge gas used when starting the SOFC, and it is not necessary to install a dedicated purge gas supply means for starting the SOFC.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of a combined system comprising an SOFC, a combustion process, a reformer, and a recuperator.
FIG. 2 is a schematic view of an embodiment of a combined system similar to FIG. 1 in the case of supplying steam necessary for fuel reforming in a different manner.
FIG. 3 is a diagram illustrating a state when a combined system is activated.
FIG. 4 is a diagram showing a combined system in a perfectly balanced state.
FIG. 5 is a diagram showing a combined system in a state where a bypass line A is used.
6 is a diagram showing a combined system in a state where a bypass line B is used. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a combined system in a state where SOFC air is heated using a heating means.
FIG. 8 is a diagram showing a combined system in a state where a bypass line C is used.
FIG. 9 is a diagram showing energy balance when SOFC and a radiant tube are combined according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing an energy balance of a radiant tube alone.
FIG. 11 is a diagram showing an energy balance of a single SOFC.
[Explanation of symbols]
1 Solid oxide fuel cell (SOFC)
2 SOFC exhaust gas
3 Industrial process using combustion (combustion process)
4. Fuel supply means for combustion process
5 Combustion process exhaust gas
6 Reformer
7 Reformable fuel mixture
8 Exhaust gas from the reformer
9 Recuperator
10 SOFC oxidizing agent
11 Reformed fuel
12 Fuel for hydrocarbon-based SOFC
13 Generated fuel
14 Water vapor
15 Generated fuel mixing means
16 Bypass line A
17 Bypass line B
18 Bypass line C
19 Heating means
20 Purge gas

Claims

A combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion, in which the exhaust gas of the solid oxide fuel cell is used as an oxidant for industrial process using combustion,
A reformer that heats and reforms the power generation fuel of the solid oxide fuel cell using the exhaust gas of an industrial process that uses the combustion, and between the solid oxide fuel cell and the reformer A combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion, wherein a line for bypassing the industrial process using combustion is provided.

2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising a recuperator for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell with exhaust gas from the reformer. And combined system.

The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2 , wherein a line for bypassing the solid oxide fuel cell is provided between the recuperator and the industrial process using the combustion. Combined system with industrial processes using combustion.

A means for supplying a gas at a lower temperature than the oxidizer for the solid oxide fuel cell discharged from the recuperator is provided between the recuperator and the solid oxide fuel cell. A combined system of the solid oxide fuel cell according to any one of 1 to 3 and an industrial process using combustion.

The combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion according to claim 4 , wherein the means for supplying the low-temperature gas is a line that bypasses the recuperator.

The means for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell is provided between the recuperator and the solid oxide fuel cell, according to any one of claims 1 to 5. A combined system of the described solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion.

The combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion according to any one of claims 1 to 6 , wherein the industrial process using combustion is a heating furnace.

The combined industrial process using a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6 , wherein the industrial process using combustion is a heat treatment furnace provided with a radiant tube. system.

A combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion, in which the exhaust gas of the solid oxide fuel cell is used as an oxidant for industrial process using combustion,
A reformer for heating and reforming the power generation fuel of the solid oxide fuel cell using the exhaust gas of the industrial process using the combustion is provided, and the industrial process using the combustion is a reducing atmosphere furnace There, industrial processes reducing gas used in the reducing atmosphere furnace, utilizing the combustion and solid bodies oxide fuel cell you characterized by comprising been commonly used as a fuel electrode side purge gas of the solid oxide fuel cell And combined system.

The exhaust gas of the solid oxide fuel cell is used as an oxidant for an industrial process using combustion, and the fuel for power generation of the solid oxide fuel cell is heated and modified using the exhaust gas of the industrial process using combustion. A solid oxide fuel cell comprising a recuperator for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell with exhaust gas from the reformer and an industrial process using combustion In the combined system with
The oxidant flow rate of the solid oxide fuel cell is adjusted according to the amount of oxidant required by the industrial process using the combustion, and according to the oxidant flow rate and temperature for the solid oxide fuel cell, A method for operating a combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion, wherein the electric output of the solid oxide fuel cell is adjusted.

The exhaust gas of the solid oxide fuel cell is used as an oxidant for an industrial process using combustion, and the fuel for power generation of the solid oxide fuel cell is heated and modified using the exhaust gas of the industrial process using combustion. And a recuperator for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell with the exhaust gas of the reformer, and the solid oxide fuel cell and the reformer. A gas line that bypasses the industrial process that uses the combustion is provided, and a line that bypasses the solid oxide fuel cell is provided between the recuperator and the industrial process that uses the combustion. In a combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion,
The line that bypasses the industrial process that uses the combustion or the line that bypasses the solid oxide fuel cell is controlled according to the oxidant flow rate required by the solid oxide fuel cell and the industrial process that uses the combustion. A method for operating a combined system of a solid oxide fuel cell and an industrial process using combustion.

The exhaust gas of the solid oxide fuel cell is used as an oxidant for an industrial process using combustion, and the fuel for power generation of the solid oxide fuel cell is heated and modified using the exhaust gas of the industrial process using combustion. And a recuperator for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell with the exhaust gas of the reformer, and the recuperator and the solid oxide fuel cell A solid oxide comprising means for supplying a gas at a lower temperature than the oxidant for the solid oxide fuel cell discharged from the recuperator or a means for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell. In combined system of fuel cell and industrial process using combustion,
Using the solid oxide fuel cell and combustion, the means for supplying the low temperature gas or the means for heating is controlled according to the oxidant temperature required for the solid oxide fuel cell Operation method of combined system with industrial process.

The exhaust gas of the solid oxide fuel cell is used as an oxidant for an industrial process using combustion, and the fuel for power generation of the solid oxide fuel cell is heated and modified using the exhaust gas of the industrial process using combustion. A solid oxide fuel cell comprising a recuperator for heating the oxidant for the solid oxide fuel cell with exhaust gas from the reformer and an industrial process using combustion In the combined system with
When starting the combined system, only the industrial process using the combustion is started without starting the solid oxide fuel cell, and the purge gas on the anode side of the solid oxide fuel cell heated by the reformer and A solid oxide fuel cell characterized by heating the solid oxide fuel cell using the solid oxide fuel cell oxidant heated by the recuperator, and an industrial process using combustion. Operation method of combined system.

A combined system of a solid oxide fuel cell in which the exhaust gas of a solid oxide fuel cell is used as an oxidant for an industrial process that uses combustion, and an industrial process that uses combustion,
The industrial process using the combustion is a reducing atmosphere furnace, and a reducing gas used in the reducing atmosphere furnace is commonly used as a fuel electrode side purge gas of the solid oxide fuel cell. Combined system of fuel cell and industrial process using combustion.