JP3913008B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体電解質型燃料電池システムに係り、特に燃料電池本体から排出された燃料排ガスの一部を再循環させるシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池(SOFC)を用いたコジェネレーションシステムの構成を図6に示す。SOFC1は、例えば脱硫装置2で脱硫された天然ガスを燃料とし、空気を酸化剤として1000℃程度の高温下での反応により発電を行うものである。SOFC1から排出された高温の排ガスを排熱回収ボイラ3に導入することにより、ここで温水あるいは蒸気が製造され、各種用途に利用される。なお、SOFC1での反応に供される空気は排熱回収ボイラ3で予熱された後にSOFC1に供給される。
このようなコジェネレーションシステムにより発電と共に熱利用を図ることが可能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、SOFC1からの高温の排ガスを排熱回収ボイラ3に一度通すだけでは十分な熱回収を行うことができなかった。システムとしての効率が満足し得るものではなかった。特に、高圧の蒸発器にSOFC1からの排ガスを導入して、例えば10kgf/cm2、175℃程度の吸収冷凍機用蒸気を製造しようとしても、熱回収は満足し得るものではなく、コジェネレーションシステムとしての効率は低いものであった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、効率を向上させることができる固体電解質型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項1に係る固体電解質型燃料電池システムは、燃料電池から排出された排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、燃焼器からの排ガスの熱を利用して水蒸気または温水を製造する第1の熱回収器と、熱回収器から排出された排ガスにより燃料電池への供給空気を予熱する第1の空気予熱器と、燃焼器と熱回収器との間に接続され且つ燃焼器からの排ガスにより第1の空気予熱器で予熱された供給空気をさらに予熱して燃料電池に供給する第2の空気予熱器と、燃料電池の内部に配置され且つ第1の空気予熱器で予熱された供給空気を燃料電池内で加熱した後に第2の空気予熱器に導入する供給空気用熱交換器とを備えたものである。
【0005】
請求項2に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項1のシステムにおいて、第1の空気予熱器から排出された排ガスをドライブガスとして燃料電池から排出された排燃料の一部を燃料電池に再循環させるためのエゼクタをさらに備えたものである。
請求項3に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項1または2のシステムにおいて、燃料電池と燃焼器との間に接続され且つ燃料電池から排出された排燃料または排空気の熱を利用して水蒸気または温水を製造する第2の熱回収器をさらに備えたものである。
【0006】
請求項4に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項1〜3のいずれか一項のシステムにおいて、燃焼器内の温度を下げるために第1の空気予熱器から排出された排ガスが燃焼器に導入されるものである。
請求項5に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項1〜4のいずれか一項のシステムにおいて、燃料電池に供給される燃料と第2の空気予熱器から燃料電池に供給される空気との間で熱交換させる燃料/空気熱交換器をさらに備えたものである。
請求項6に係る固体電解質型燃料電池システムは、請求項2のシステムにおいて、第1の空気予熱器から排出された排ガスに供給燃料が投入され、エゼクタにより再循環される排燃料の熱を利用して供給燃料を予熱する燃料予熱器をさらに備えたものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
図1にこの発明の実施の形態1に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示す。SOFC(固体電解質型燃料電池)11の排燃料及び排空気の排出口に燃焼器12が接続され、燃焼器12の下流側に第2の空気予熱器13、蒸発器14及び第1の空気予熱器15が順次接続されている。第1の空気予熱器15の下流側にはコンプレッサ16が配設され、コンプレッサ16の出口がエゼクタ17を介してSOFC11の燃料投入口に接続されている。エゼクタ17にはSOFC11の排燃料ラインが接続されている。
また、第1の空気予熱器15には、空気を供給するための空気ファン18が接続され、第1の空気予熱器15を出た空気ラインはSOFC11及びシステム全体からのヒートロス回収のためSOFC11内に設けられたインテーク空気熱交換器19及び第2の空気予熱器13を介してSOFC11の空気投入口に接続されている。
なお、蒸発器14はこの発明の第1の熱回収器を形成し、インテーク空気熱交換器19はこの発明の供給空気用熱交換器を形成している。
【0009】
次に、この実施の形態1の動作について説明する。SOFC11に燃料と空気とが供給され、1000℃程度の高温下で反応が進んで発電が行われる。SOFC11から排出された高温の排燃料と排空気は燃焼器12に送られ、ここで未反応の水素が完全燃焼する。燃焼器12から排出された高温の排ガスは第2の空気予熱器13、蒸発器14及び第1の空気予熱器15でそれぞれ熱交換することにより降温された後、この排ガスの一部がコンプレッサ16により圧縮され、外部から投入された燃料と共にドライブガスとしてエゼクタ17に所定の圧力で供給される。これにより、SOFC11から排出された排燃料の一部がエゼクタ17へ吸引され、第1の空気予熱器15を通った排ガス及び外部から投入された燃料と共にSOFC11に投入される。
【0010】
一方、空気ファン18によって外部から送り込まれた空気は第1の空気予熱器15で予熱されてから、SOFC11内のインテーク空気熱交換器19で再度予熱され、さらに第2の空気予熱器13で予熱された後にSOFC11に投入される。
また、蒸発器14には水あるいは温水が供給され、ここで第2の空気予熱器13から排出された高温の排ガスにより加熱されて水蒸気が製造される。この水蒸気は蒸気機関等で各種の用途に使用される。
【0011】
このように、SOFC11から排出された排燃料と排空気を燃焼器12で燃焼させるので、未反応の水素がシステム外に排出されることがなく、システムの安全性が確保される。また、燃焼器12から排出された高温の排ガスを第2の空気予熱器13、蒸発器14及び第1の空気予熱器15でそれぞれ熱交換するように構成したので、排ガスの熱回収を十分に行うことができ、システムの効率が向上する。さらに、SOFC11内のインテーク空気熱交換器19で供給空気を予熱するので、熱損失が低減される。
また、排ガスを利用してエゼクタ17により排燃料の一部を再循環させるので、排燃料中の未反応の水素を再利用して発電効率を向上させることができると共にSOFC11の燃料量が増えることによりSOFC11の出口の燃料温度が高くなることが抑制され、SOFC11及び配管等の耐久性及び信頼性が向上する。
【0012】
実施の形態2.
実施の形態2に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図2に示す。このシステムは、図1に示した実施の形態1のシステムにおいて、SOFC11と燃焼器12との間に第2の熱回収器となるもう一つの蒸発器20を介在させたものである。
この蒸発器20によりSOFC11から排出された高温の排燃料の熱を利用して水蒸気を製造することができると同時に、蒸発器20で熱交換がなされるので燃焼器12に導入される排燃料の温度が低減され、燃焼器12内における燃焼温度が低減される。その結果、燃焼器12や第2の空気予熱器13及び第2の空気予熱器15にSUS等の汎用材料を使用することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
【0013】
なお、蒸発器20をSOFC11からの排燃料のラインではなく、排空気のラインに介在させることもできる。また、第2の熱回収器として蒸発器20の代わりに温水加熱器や空気予熱器を用いてもよい。
図2においては、二つの蒸発器14及び20を直列に接続したが、これに限るものではなく、蒸発器14及び20をそれぞれ独立して使用することもできる。
【0014】
実施の形態3.
実施の形態3に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図3に示す。このシステムは、図1に示した実施の形態1のシステムにおいて、第1の空気予熱器15の下流側の低温の排ガスを燃焼器12内に導入して燃焼器12内における燃焼温度を低減しようとするものである。これにより、燃焼器12や第2の空気予熱器13及び第2の空気予熱器15にSUS等の汎用材料を使用することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
なお、第1の空気予熱器15の下流側の排ガス量が不足する場合には、図2に示されるように、コンプレッサ16の出口側と燃焼器12との間にエゼクタ21を配置し、エゼクタ21に第1の空気予熱器15の下流側を接続することが好ましい。コンプレッサ16により圧縮された排ガスにより、第1の空気予熱器15の下流側の排ガスがエゼクタ21へ吸引され、燃焼器12に投入される。
なお、実施の形態2のシステムにおいて、第1の空気予熱器15の下流側の排ガスを燃焼器12内に導入するように構成してもよい。
【0015】
実施の形態4.
実施の形態4に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図4に示す。このシステムは、図3に示した実施の形態3のシステムにおいて、SOFC11に投入される燃料と空気との間で熱交換させる空気/燃料熱交換器22を設けたものである。このようにすることにより、SOFC11に投入される燃料と空気の温度差が低減され、SOFC11内に使用されているセラミック等の材料の耐久性が向上する。
空気/燃料熱交換器22は、実施の形態1または2のシステムに組み込むこともできる。
【0016】
実施の形態5.
実施の形態5に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を図5に示す。このシステムは、図4に示した実施の形態4のシステムにおいて、エゼクタ17の上流側に燃料予熱器23を配設し、エゼクタ17により再循環される排燃料をこの燃料予熱器23に導入するようにしたものである。これにより、システムの外部から投入された燃料は再循環される排燃料の熱によって予熱され、自己着火温度に達した時点で燃焼する。このため、エゼクタ17での燃料の燃焼を防止することができ、システム運転の安全性が確保される。
この燃料予熱器23は実施の形態4のシステムに限らず、実施の形態1〜3の各システムに適用することもできる。
なお、上記の実施の形態1〜5において、第1の熱回収器として蒸発器14の代わりに温水加熱器を用いることもできる。
【0019】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、SOFCから排出された高温の排燃料が燃焼器で完全燃焼され、燃焼器から排出された排ガスが第1の熱回収器と第1及び第2の空気予熱器でそれぞれ熱回収されると共に第1の空気予熱器で予熱された供給空気を燃料電池内の供給空気用熱交換器で加熱した後に第2の空気予熱器に導入するので、システムの効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図2】 実施の形態2に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図3】 実施の形態3に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図4】 実施の形態4に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図5】 実施の形態5に係る固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図6】 固体電解質型燃料電池を用いたコジェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
11 SOFC、12 燃焼器、13 第2の空気予熱器、14,20 蒸発器、15 第1の空気予熱器、16 コンプレッサ、17,21 エゼクタ、18 空気ファン、19 インテーク空気熱交換器、22 空気/燃料熱交換器、23 燃料予熱器。 [0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell system, and more particularly to a system for recirculating a part of fuel exhaust gas discharged from a fuel cell main body.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows the configuration of a cogeneration system using a solid oxide fuel cell (SOFC). The SOFC 1 uses, for example, natural gas desulfurized by the
Such a cogeneration system makes it possible to use heat together with power generation.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, sufficient heat recovery could not be performed only by passing the high-temperature exhaust gas from the SOFC 1 through the exhaust heat recovery boiler 3 once. The efficiency of the system was not satisfactory. In particular, even if an exhaust gas from SOFC1 is introduced into a high-pressure evaporator to produce, for example, 10 kgf / cm 2 , steam for an absorption refrigerator at about 175 ° C., heat recovery is not satisfactory, and a cogeneration system The efficiency of was low.
The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a solid oxide fuel cell system capable of improving efficiency.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, a solid oxide fuel cell system includes a combustor that mixes and burns exhaust fuel and exhaust air discharged from a fuel cell, and steam that uses heat of exhaust gas from the combustor. Or it connects between the 1st heat recovery device which manufactures warm water, the 1st air preheater which preheats the supply air to a fuel cell with the exhaust gas discharged | emitted from the heat recovery device, and a combustor and a heat recovery device A second air preheater that is further preheated with exhaust gas from the combustor and preheated by the first air preheater to supply the fuel cell to the fuel cell, and the first air disposed inside the fuel cell A supply air heat exchanger is provided that heats the supply air preheated by the preheater in the fuel cell and introduces it into the second air preheater .
[0005]
A solid oxide fuel cell system according to a second aspect is the system according to the first aspect, wherein the exhaust gas discharged from the first air preheater is used as a drive gas and a part of the exhausted fuel discharged from the fuel cell is used as the fuel cell. An ejector for recirculation is further provided.
A solid oxide fuel cell system according to a third aspect is the system according to the first or second aspect , wherein the heat of exhaust fuel or exhaust air connected between the fuel cell and the combustor and exhausted from the fuel cell is used. And a second heat recovery device for producing steam or warm water.
[0006]
The solid oxide fuel cell system according to
The solid oxide fuel cell system according to
The solid oxide fuel cell system according to
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows the configuration of a solid oxide fuel cell system according to
In addition, an
The
[0009]
Next, the operation of the first embodiment will be described. Fuel and air are supplied to the SOFC 11, and the reaction proceeds at a high temperature of about 1000 ° C. to generate power. The high-temperature exhaust fuel and exhaust air discharged from the SOFC 11 are sent to the
[0010]
On the other hand, the air sent from the outside by the
Further, water or hot water is supplied to the
[0011]
Thus, since the exhaust fuel and exhaust air discharged from the SOFC 11 are burned by the
Further, since a part of the exhausted fuel is recirculated by the
[0012]
The configuration of the solid oxide fuel cell system according to
Steam can be produced using the heat of the high-temperature exhaust fuel discharged from the SOFC 11 by the
[0013]
The
In FIG. 2, the two
[0014]
Embodiment 3 FIG.
The configuration of the solid oxide fuel cell system according to Embodiment 3 is shown in FIG. In this system, the low temperature exhaust gas downstream of the
When the amount of exhaust gas on the downstream side of the
In the system according to the second embodiment, the exhaust gas on the downstream side of the
[0015]
The configuration of the solid oxide fuel cell system according to
The air /
[0016]
The configuration of the solid oxide fuel cell system according to
This
In the first to fifth embodiments, a hot water heater may be used as the first heat recovery device instead of the
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the high-temperature exhaust fuel discharged from the SOFC is completely combusted in the combustor, and the exhaust gas discharged from the combustor is converted into the first heat recovery device and the first and second exhaustors. Each of the air preheaters recovers heat, and the supply air preheated by the first air preheater is heated by the supply air heat exchanger in the fuel cell and then introduced into the second air preheater. Efficiency can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell system according to
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell system according to a third embodiment.
4 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell system according to
5 is a block diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell system according to
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a cogeneration system using a solid oxide fuel cell .
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 SOFC, 12 Combustor, 13 2nd air preheater, 14,20 Evaporator, 15 1st air preheater, 16 Compressor, 17, 21 Ejector, 18 Air fan, 19 Intake air heat exchanger, 22 Air / Fuel heat exchanger, 23 Fuel preheater .
Claims (6)
燃料電池から排出された排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器からの排ガスの熱を利用して水蒸気または温水を製造する第1の熱回収器と、
前記熱回収器から排出された排ガスにより燃料電池への供給空気を予熱する第1の空気予熱器と、
前記燃焼器と前記熱回収器との間に接続され且つ前記燃焼器からの排ガスにより前記第1の空気予熱器で予熱された供給空気をさらに予熱して燃料電池に供給する第2の空気予熱器と、
前記燃料電池の内部に配置され且つ前記第1の空気予熱器で予熱された供給空気を前記燃料電池内で加熱した後に前記第2の空気予熱器に導入する供給空気用熱交換器と
を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。In a system that recovers heat from exhaust gas discharged from a solid oxide fuel cell,
A combustor for mixing and burning exhaust fuel and exhaust air discharged from a fuel cell;
A first heat recovery device for producing steam or hot water using heat of exhaust gas from the combustor;
A first air preheater that preheats the supply air to the fuel cell with the exhaust gas discharged from the heat recovery device;
Second air preheating connected between the combustor and the heat recovery unit and preheated by the exhaust gas from the combustor and preheated by the first air preheater and supplied to the fuel cell and the vessel,
A supply air heat exchanger disposed inside the fuel cell and heated in the fuel cell after the supply air preheated by the first air preheater is introduced into the second air preheater. A solid oxide fuel cell system characterized by the above.
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