JP3986430B2 - Hydrogen utilization system using solid oxide fuel cell - Google Patents

Hydrogen utilization system using solid oxide fuel cell Download PDF

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に水素利用装置を併設した、水素利用システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に、水素を利用した作用を行う水素利用装置を併設したシステムが提案されている。このようなシステムの一般的な特長としては、一つには、SOFCと水素利用装置とをそれぞれ単体で使用するよりも、併設することにより使用効率が高くなることが挙げられる。
【0003】
これは主として、水素利用装置においてSOFCの排燃料を利用することができるためである。また、水素利用装置を、水素を燃料として発電する燃料電池とした場合は、燃料電池同士の組合せとなるため、クリーンで環境性に優れ、騒音が小さい発電システムとなる。
【0004】
水素利用装置としては、例えば水素を燃料として発電する燃料電池としてリン酸形燃料電池(PAFC),固体高分子形燃料電池(PEFC)等があり、その他、水素ガスタービン,水素貯蔵装置等が挙げられる。なお、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質型燃料電池と同義である。以下に、SOFCに水素利用装置を併設するに当たっての留意点について述べる。
【0005】
まず、水素利用装置においては、原燃料である天然ガス(メタン主体の炭化水素)を直接使用することはできないため、これを水素利用装置に導入する前に、水素へ変換即ち改質する必要がある。ここで改質とは、例えば天然ガスの主成分であるメタンから、水蒸気によりH2(水素),CO(一酸化炭素)を得る下記反応のことである。
CH4+H2O→CO+3H2
【0006】
このとき、SOFCにおいてはH2,CO共に燃料にできるが、水素利用装置においては主としてH2しか使用することができない。特に、水素を燃料として発電する燃料電池の場合は、これにCOが導入されると、白金触媒がCOによって被毒され、発電が行えなくなる。従って、水素利用装置へ導入されるCO量を低減させる必要がある。
【0007】
一方、SOFCの排燃料を有効利用することにより燃料利用率を高め、発電効率ひいては総合効率を向上させることが必要である。そこで、この排燃料に含まれる未利用のCO、或いは上述した原燃料の改質により得られたCOを、水素に変換つまり変成する必要がある。ここで変成とは、COを水蒸気によりCO2(二酸化炭素),H2に変換する下記反応のことである。
CO+H2O→CO2+H2
【0008】
その他、燃料循環系統を配置することにより燃料利用率を高め、発電効率ひいては総合効率を向上させることが必要である。また、SOFCの動作温度が900℃程度であるのに対し、例えばPEFCの動作温度は80℃程度である。このように、動作温度の差が非常に大きい場合があるので、最適な熱交換器の配置など、熱ロスの少ない熱システムにより、システム構成する必要がある。
【0009】
上述したようなシステムとしては、例えばハイブリッド燃料電池発電装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。これは、主な構成として、炭化水素系またはアルコール系の原燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質する改質器と、改質器で改質されたガスが供給され水素と一酸化炭素の両方を燃料として発電する第一の燃料電池と、第一の燃料電池の燃料極からの排出ガスが燃料ガスとして供給される固体高分子型燃料電池とを備えたものである。
【0010】
また、ハイブリッド型燃料電池システムが開示されている(例えば、特許文献2参照)。これは、主な構成として、断熱容器内に配置された固体電解質型燃料電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し、固体電解質型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利用し、且つ、該水蒸気改質器の下流側で断熱容器外に固体高分子型燃料電池を配置することにより、固体電解質型燃料電池による発電とともに固体高分子型燃料電池による発電を行うようにしてなることを特徴とするものである。
【0011】
【特許文献1】
特開平8−306369号公報
【特許文献2】
特開2001−266924号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1に記載されている構成では、外部改質器を必要としており、SOFCの直前に外部改質器を配置している(改質器1)。ところが、外部改質器を運転するためには、加熱源が必要であるので、熱ロスが大きくなる。
【0013】
また、SOFC出口の排燃料を(リターン流路13により)SOFC入口に循環させることによって、PEFCへ導入されるCO量を制御している。ところが、COのみを選択的に循環させるのは非常に難しいため、その制御は難しい。即ち、ガス中のCO濃度としては、どのように制御しても同じになる。
【0014】
また、前述のように、PEFCへのCO導入量低減を目的としたSOFC周りの燃料再循環系統はあるが、燃料利用率向上を目的とした燃料再循環系統はないので、発電効率は低くなる。
【0015】
また、上記特許文献2に記載されている構成では、同様にして外部改質器を必要としており、SOFCの直前に外部改質器を配置している(予備改質器A,改質器B)。ところが、上述したように、外部改質器を運転するためには、加熱源が必要であるので、熱ロスが大きくなる。
【0016】
また、SOFC排燃料の一部と原燃料が、改質器及びシフト反応器等(CO変成器)を経てPEFCに供給される構成となっている。そして、PEFCに供給されない、残りのSOFC排燃料は、燃焼させることにより外部改質器の保温に利用されている。このため、発電に対する燃料の有効利用がなされておらず、燃料利用率が低くなるので、発電効率も低くなる。さらに、燃料再循環系統がないので、燃料利用率は向上せず、発電効率は低くなる。
【0017】
本発明は、このような問題点に鑑み、燃料利用率が高く、さらには発電効率,熱利用率を含めた総合効率を向上させた、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムを提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素を水素に変換するCO変成器、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料を該固体酸化物形燃料電池へ再循環する第1の再循環系統、及び前記CO変成器後段より前記第1の再循環系統へ再循環する第2の再循環系統を持つシステムと、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを備えたことを特徴とする。
【0019】
また、燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、該固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを有し、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して、他方と混合し燃焼させる燃焼器を備えたことを特徴とする。
【0020】
また、燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素を水素に変換するCO変成器、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素を利用した作用を行う水素利用装置とを有し、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して、他方と混合し燃焼させる燃焼器を備えたことを特徴とする。
【0021】
また、前記固体酸化物形燃料電池で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする。また、前記CO変成器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする。また、前記燃焼器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする。また、前記水素利用装置は、水素を燃料として発電する燃料電池或いは水素ガスタービン或いは水素貯蔵装置であることを特徴とする。
【0022】
さらに、前記固体酸化物形燃料電池及び前記水素利用装置における所定の各状態量を、フィードフォアード制御に掛かる熱電比率指令により協調させて制御するようにしたことを特徴とする。また、前記所定の各状態量とは、前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側,空気側圧力差、並びに前記水素利用装置における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側,空気側圧力差であることを特徴とする。
【0023】
また、前記所定の各状態量として、前記水素利用装置の直前に配置したCO変成器の入口温度、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気を混合して燃焼させる燃焼器の出口温度を加えたことを特徴とする。また、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料が前記CO変成器及び前記燃焼器へと分岐する分岐部の分配率を操作し、前記熱電比率指令を変えるようにしたことを特徴とする。
【0024】
また、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料を再循環するエジェクタの駆動ガス流量を、運転モードにより切り換えるようにしたことを特徴とする。
【0025】
その他、前記水素利用装置はガスタービンであり、前記所定の各状態量とは、前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側,空気側圧力差、並びにタービン入口温度であることを特徴とする。また、前記所定の各状態量として、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気を混合して燃焼させる燃焼器の出口温度を加えたことを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明では、SOFCに水素利用装置を併設するに当たっての上述した留意点及び従来技術の問題点を解決するため、以下に示すようなシステム構成とする。
【0027】
1.改質はSOFC内部で行い、外部改質器を必要としないシステム
2.水素利用装置へのCO量低減のため、水素利用装置入口側にCO変成器を配置したシステム
3.水素利用装置への燃料は、SOFC排燃料とするシステム
4.燃料の再循環系統を設けるシステム
5.上記1〜4を組み込み、効率的な熱回収機器で構成した熱システム
【0028】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。同図は、SOFC燃料再循環にエジェクタ方式を採用した基本システムを示している。同図において、供給された燃料(例えば天然ガス)は、再生熱交換器1で後述する排燃料と熱交換することにより加熱され、エジェクタ2を経てSOFC3へ導入される。導入直前の燃料温度は、SOFCの動作温度である900℃程度となっている。
【0029】
SOFC3においては、燃料は内部改質されるとともに、後述する空気との間で電池反応が行われる。このときの発熱により、SOFC3からの排燃料は1000℃程度となっている。SOFC3からの排燃料の一部は、負圧によりエジェクタ2に戻り、SOFC3へと再循環される。また、排燃料の残りは燃料冷却器4で空気と熱交換することにより冷却され、更に再生熱交換器1で燃料と熱交換することにより冷却されて、CO変成器5へ導入される。導入直前の排燃料温度は、CO変成器の動作温度である350℃〜450℃程度となっている。
【0030】
CO変成器5で変成された排燃料は、凝縮器6で凝縮されて水分が除去された後、ガス再循環ファン(GRF)7を経て一部が新しい燃料と混合され、SOFC3へと再循環される。これは、燃料利用率を向上させるとともに、エジェクタ2駆動用の圧力を確保するために行われる。また、残りの排燃料は水素利用装置8へ導入される。
【0031】
一方、本システムに供給された空気は、押込ファン(FDF)9を経て燃料冷却器4で排燃料と熱交換することにより加熱され、更に高温空気予熱器10でSOFC3からの排空気と熱交換することにより加熱されて、SOFC3へ導入される。SOFC3においては、上述したように燃料との間で電池反応が行われる。そして、SOFC3からの排空気は高温空気予熱器10で上記供給された空気と熱交換することにより冷却され、煙突11より大気放出される。
【0032】
なお、図中、再生熱交換器1の直後より分岐する*1、及び高温空気予熱器10直後より分岐する*2は、それぞれSOFC排燃料及び排空気を取り出す経路であり、後述する熱供給量増加運転システムに用いられる系統である。これは、以下の各実施形態においても同様に設けられている。その他、水素利用装置8をPEFCとする場合は、内部の飽和含水状態を保つために、別途加湿器が必要となる。
【0033】
図2は、本発明の第2の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図1で示した、第1の実施形態の構成に加えて、排熱回収機器を組み込み、冷暖房,給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。
【0034】
具体的には、CO変成器5における反応による熱を水或いは空気に取り込み、この熱を排熱回収機器12で回収した後、残った水(水蒸気)或いは空気を煙突13より大気放出する。また、高温空気予熱器10と煙突11との間に排熱回収機器14を設け、高温空気予熱器10からの排空気における熱を排熱回収機器14で回収する。
【0035】
図3は、本発明の第3の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図1で示した、第1の実施形態の構成に対して、燃料供給位置が異なる構成としている。具体的には、SOFC3からの排燃料の一部がエジェクタ2に戻る直前の位置より燃料を供給する。これにより、エジェクタ2へのガスの吸込流量を増加させることができる。さらに、第1及び第3の実施形態の構成を組み合わせることにより、エジェクタ2ひいてはSOFC3へのガスの流量調節が可能となる。
【0036】
図4は、本発明の第4の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図3で示した、第3の実施形態の構成に加えて、排熱回収機器を組み込み、冷暖房,給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。
【0037】
具体的には、上記図2で示した、第2の実施形態の構成と同様にして、CO変成器5における反応による熱を水或いは空気に取り込み、この熱を排熱回収機器12で回収した後、残った水(水蒸気)或いは空気を煙突13より大気放出する。また、高温空気予熱器10と煙突11との間に排熱回収機器14を設け、高温空気予熱器10からの排空気における熱を排熱回収機器14で回収する。
【0038】
図5は、本発明の第5の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図1で示した、第1の実施形態の構成に対して、燃料側については再生熱交換器1と燃料冷却器4の位置を入れ替え、空気側についてはSOFC3からの排燃料とSOFC3への入口空気との間に熱交換器15を設置している。これにより、システム内での熱利用率(熱交換率)を高め、SOFC3の高温運転を可能として、発電効率を高めている。
【0039】
また、上記と同様にして排熱回収機器12,14を組み込み、冷暖房,給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。このことは、以下の各実施形態においても同様である。その他、熱交換器15と水素利用装置8との間に凝縮器19を挿入している。
【0040】
図6は、本発明の第6の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図5で示した、第5の実施形態の構成に対して、燃料冷却器及び熱交換器を省略し、システムを簡素化し低コストとしている。
【0041】
図7は、本発明の第7の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。同図は、SOFC燃料再循環に高温再循環ファン方式を採用したシステムを示している。本実施形態では、上記図1で示した、第1の実施形態の構成に対して、エジェクタ2の代わりに、高温に対応したガス再循環ファン16を設け、燃料を再循環している。
【0042】
ここでは再生熱交換器や燃料冷却器が不用となり、システムが簡素化され低コストとなっている。また、SOFC3からの排燃料を水素利用装置8へ導入する前に、排熱回収機器17で熱回収を行う構成とし、冷暖房,給湯用等として熱利用を可能としたシステムとしている。
【0043】
但し、再循環される燃料の過熱を抑えるため、ガス再循環ファン16の直後には、空冷或いは水冷等の温度調節器18が設けられている。これは、後述する第8,第11,及び第12の実施形態においても同様である。或いは、図示しないが、温度調節器18の代わりに、SOFC3の燃料側入口と空気側入口との間に、熱交換器を入れても良い。これにより、再循環される燃料の熱利用が行えるとともに、SOFC3の燃料側と空気側の入口温度を揃えることができ、また高温空気予熱器10のサイズを小さくすることができる。
【0044】
図8は、本発明の第8の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図7で示した、第7の実施形態の構成に対して、排熱回収機器17の代わりに燃料冷却器4を設け、SOFC3へ導入される空気を排燃料と熱交換することにより加熱する構成としている。これにより、SOFC3の高温運転が可能となり、発電効率が向上する。
【0045】
図9は、本発明の第9の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図7で示した、第7の実施形態の構成に対して、SOFC燃料再循環に通常の再循環ファン7を採用している。これにより、安価なファンが利用できる。但し、再生熱交換器1及び凝縮器19が必要となる。
【0046】
図10は、本発明の第10の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図9で示した、第9の実施形態の構成に対して、排熱回収機器17の代わりに燃料冷却器4を設け、SOFC3へ導入される空気を排燃料と熱交換することにより加熱する構成としている。これにより、SOFC3の高温運転が可能となり、発電効率が向上する。
【0047】
図11は、本発明の第11の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図7で示した、第7の実施形態の構成に加えて、CO変成器5出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統に戻し、SOFC3側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【0048】
図12は、本発明の第12の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図8で示した、第8の実施形態の構成に加えて、CO変成器5出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統にリターンさせ、SOFC3側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【0049】
なお、上記第11或いは第12の実施形態において、CO変成器5出口からのリターン系統を、凝縮器6出口からのリターン系統とすることにより、リターンさせるガスの余分な水分を取り除くことができ、SOFCの効率が上がる。また、冷却ができるので温度調節器18が不用となる。
【0050】
図13は、本発明の第13の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図9で示した、第9の実施形態の構成に加えて、CO変成器5出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統に戻し、SOFC3側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【0051】
図14は、本発明の第14の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図である。本実施形態では、上記図10で示した、第10の実施形態の構成に加えて、CO変成器5出口における水素リッチなガスを、一部燃料再循環系統に戻し、SOFC3側へ供給する構成としている。これにより、燃料利用率が向上する。
【0052】
なお、上述した各実施形態においては、CO変成器5が用いられているが、水素利用装置8として、特に水素の純度を必要としない機器を使用する場合については、このようなCO変成器はなくても良い。また、燃料供給位置や、SOFC排燃料,排空気の分岐位置は、上記各実施形態で示した位置に限定されない。
【0053】
図15は、本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに付加される、熱供給量増加運転システムの系統図である。同図に示すように、本例では上記第1〜第14の実施形態において、*1で示した経路からのSOFC排燃料の一部或いは全部、及び*2で示した経路からのSOFC排空気の一部或いは全部を混合する。そして、これを燃焼器20で燃焼させ、得られた高温ガスの排熱を排熱回収機器21により回収した後、このガスを煙突22から大気放出する。これにより、冷暖房,給湯等への熱供給量を増加させることができる。
【0054】
ところで、図16は、本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに適用可能な、制御システムの系統図である。同図は、SOFC燃料再循環にエジェクタ方式を採用したシステムを制御する場合を例示している。そして、水素利用装置としては、SOFC以外の燃料電池を用いている。さらに、上記熱供給量増加運転システムを付加している。同図において、矢印で示したQinは入熱量、を、Qoutは出熱量を示している。また、#1〜#6は、燃料或いは空気の供給或いは再循環の系統、及びそのガス流量を示している。
【0055】
本システムでは、主たる制御量として、以下の8つの状態量がある。
▲1▼SOFC燃料側入口温度
▲2▼SOFC空気側入口温度
▲3▼SOFC入口燃料側,空気側圧力差
▲4▼水素利用装置燃料側入口温度
▲5▼水素利用装置空気側入口温度
▲6▼水素利用装置入口燃料側,空気側圧力差
▲7▼燃焼器出口温度
▲8▼CO変成器入口温度
また、水素利用装置にガスタービンを用いたシステムでは、上記▲4▼,▲5▼,▲6▼,▲8▼に代わり、タービン入口温度が制御量となる。
【0056】
同図において、#1より供給された燃料は、入熱量Qin1で加熱され、エジェクタ2を経てSOFC3へ導入される。SOFC3からの排燃料は、分岐部31で分岐され、一部は負圧によりエジェクタ2に戻り、SOFC3へと再循環される。また、排燃料の残りは更に分岐部32で分岐され、一部が出熱量Qout3で冷却されて、CO変成器5へ導入される。
【0057】
CO変成器5で変成された排燃料は、出熱量Qout4で冷却された後、分岐部34で分岐され、一部は#3からガス再循環ファン7を経て、混合部41で#1からの新しい燃料と混合され、SOFC3へと再循環される。また、残りの排燃料は水素利用装置8へ導入される。
【0058】
一方、#2より供給された空気は、押込ファン9を経て入熱量Qin2で加熱されて、SOFC3へ導入される。SOFC3からの排空気は、出熱量Qout1で冷却され、分岐部33で分岐される。そして、一部は更に出熱量Qout2で冷却され、更に分岐部37で分岐されて、一部は#6からガス再循環ファン7を経て、混合部41で#1からの新しい燃料と混合され、SOFC3へと再循環される。或いは後述するように煙突から大気放出される。また、分岐部37で分岐された残りの排燃料は水素利用装置8へ導入される。
【0059】
加えて、上述した分岐部32で分岐された残りの排燃料は、*1から燃焼器20へ導入される。また、上述した分岐部33で分岐された残りの排空気は、*2から燃焼器20へ導入される。そして、これらを混合して燃焼器20で燃焼させ、得られた高温ガスをQout5で冷却即ち排熱回収する。さらに、このガスは分岐部36で分岐されて、一部は#5からガス再循環ファン7を経て、混合部41で#1からの新しい燃料と混合され、SOFC3へと再循環される。また、残りのガスは上記#6からの排空気と混合部42で混合され、煙突から大気放出される。
【0060】
その他、水素利用装置8からの排燃料は、分岐部35で分岐されて、一部は#4からガス再循環ファン7を経て、混合部41で#1からの新しい燃料と混合され、SOFC3へと再循環される。
【0061】
以下、本制御システムの制御内容について説明する。図17は、本制御システムのブロック図である。同図に示すように、ここではSOFC排燃料の熱電比率指令をFF(フィードフォアード)制御の先行信号として用いる。ここで、熱電比率とは、SOFCと水素利用装置(他の燃料電池)の発電比率と、CO変成器や燃焼器での発熱も併せた発熱と発電の比率との、両方の概念を含んでいる。
【0062】
さて、この熱電比率指令を受けてFF制御51を行うと、上記▲1▼〜▲8▼の制御量における目標値が決まってくる。このとき、▲1▼〜▲8▼の実際の観測量が目標値に一致するようにFB(フィードバック)制御52を行うために、上記Qin,Qout,#で示された操作量を変化させる。以下に、その具体例を各実施例で示す。
【0063】
〔実施例1〕
▲1▼のSOFC燃料側入口温度は、入熱量Qin1により調整する。Qin1は、電気ヒータ等の外部熱源によるものでも、系統内高温部からの熱回収によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、再生熱交換器或いは高温再循環ファンによっている。本実施例により、SOFC燃料側入口温度制御が可能となる。
【0064】
〔実施例2〕
▲2▼のSOFC空気側入口温度は、入熱量Qin2により調整する。Qin2は、電気ヒータ等の外部熱源によるものでも、系統内高温部からの熱回収によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、主として高温空気予熱器によっている。本実施例により、SOFC空気側入口温度制御が可能となる。
【0065】
〔実施例3〕
▲3▼のSOFC入口燃料側,空気側圧力差は、空気流量#2或いはエジェクタ駆動ガス流量(#3or#4or#5or#6)により調整する。本実施例により、SOFC入口差圧制御が可能となる。
【0066】
〔実施例4〕
▲4▼の水素利用装置燃料側入口温度は、出熱量Qout4により調整する。Qout4は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、主として凝縮器によっている。本実施例により、水素利用装置燃料側入口温度制御が可能となる。
【0067】
〔実施例5〕
▲5▼の水素利用装置空気側入口温度は、出熱量Qout2により調整する。Qout2は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。本実施例により、水素利用装置空気側入口温度制御が可能となる。
【0068】
〔実施例6〕
▲6▼の水素利用装置入口燃料側,空気側圧力差は、空気流量#6により調整する。本実施例により、水素利用装置入口差圧制御が可能となる。
【0069】
〔実施例7〕
▲7▼の燃焼器出口温度は、出熱量Qout5により調整する。Qout5は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。ちなみに上記図15に示した実施形態では、排熱回収機器によっている。本実施例により、燃焼器出口温度制御が可能となる。
【0070】
〔実施例8〕
▲8▼のCO変成器入口温度は、出熱量Qout3により調整する。Qout3は、外部のクーラーやボイラーによるものでも、系統内低温部への熱放出によるものでも良い。ちなみに上記各実施形態では、再生熱交換器或いは燃料冷却器等によっている。本実施例により、CO変成器入口温度制御が可能となる。
【0071】
なお、上記実施例1から実施例8までの制御は、通常は単独で行われるものではなく、適宜組み合わされることにより、SOFCと水素利用装置の協調動作が行われる。
【0072】
〔実施例9〕
分岐部32の分配率を操作し、熱電比率を変える。本実施例により、ユーザーからの要求に応じた熱電比率可変運転が可能となる。
【0073】
〔実施例10〕
エジェクタ駆動ガス流量(#3or#4or#5or#6)を、昇温,降温,発電等の運転モードにより切り換える。本実施例により、運転モードに応じた最適(高効率)な駆動ガス組成の選択が可能となる。
【0074】
〔実施例11〕
水素利用装置にガスタービンを用いたシステムにおいて、排燃料と排空気による燃焼ガスにより、タービン入口空気温度を調整する。この場合、排燃料と排空気の供給量は、熱電比率指令を先行信号として用いて変化させる。本実施例により、タービン入口温度制御が可能となる。
【0075】
なお、特許請求の範囲で言う熱回収機器は、実施形態における各種熱交換器,排熱回収機器等に対応している。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料利用率が高く、さらには発電効率,熱利用率を含めた総合効率を向上させた、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムを提供することができる。また、本システムに適用可能な制御システムにより、制御量に関する制約を遵守した運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図3】本発明の第3の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図4】本発明の第4の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図5】本発明の第5の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図6】本発明の第6の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図7】本発明の第7の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図8】本発明の第8の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図9】本発明の第9の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図10】本発明の第10の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図11】本発明の第11の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図12】本発明の第12の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図13】本発明の第13の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図14】本発明の第14の実施形態に係る、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムの系統図。
【図15】本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに付加される、熱供給量増加運転システムの系統図。
【図16】本発明の固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムに適用可能な、制御システムの系統図。
【図17】本制御システムのブロック図。
【符号の説明】
1 再生熱交換器
2 エジェクタ
3 SOFC
4 燃料冷却器
5 CO変成器
6,19 凝縮器
7 ガス再循環ファン
8 水素利用装置
9 押込ファン
10 高温空気予熱器
11,13 煙突
12,14 排熱回収機器
15 熱交換器
16 ガス再循環ファン
17 排熱回収機器
18 温度調節器
20 燃焼器
21 排熱回収機器
22 煙突
31〜37 分岐部
41,42 混合部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen utilization system in which a hydrogen utilization device is provided in addition to a solid oxide fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a system has been proposed in which a solid oxide fuel cell (SOFC) is provided with a hydrogen utilization device that performs an action utilizing hydrogen. One of the general features of such a system is that the use efficiency is increased by providing the SOFC and the hydrogen utilization device separately from each other.
[0003]
This is mainly because the exhaust fuel of SOFC can be used in the hydrogen utilization device. Further, when the hydrogen utilization device is a fuel cell that generates power using hydrogen as a fuel, the fuel cell is a combination of fuel cells, so that the power generation system is clean, environmentally friendly, and has low noise.
[0004]
Examples of hydrogen utilization devices include phosphoric acid fuel cells (PAFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEFC) as fuel cells that generate electricity using hydrogen as fuel, and other examples include hydrogen gas turbines and hydrogen storage devices. It is done. A solid oxide fuel cell is synonymous with a solid oxide fuel cell. The following are points to note when installing a hydrogen utilization device in SOFC.
[0005]
First, in a hydrogen utilization device, natural gas (a hydrocarbon mainly composed of methane), which is a raw fuel, cannot be used directly. Therefore, it is necessary to convert or reform it into hydrogen before introducing it into the hydrogen utilization device. is there. Here, reforming means, for example, from methane, which is a main component of natural gas, to H by steam.2It is the following reaction to obtain (hydrogen) and CO (carbon monoxide).
CHFour+ H2O → CO + 3H2
[0006]
At this time, H in SOFC2, CO can be used as fuel.2Can only be used. In particular, in the case of a fuel cell that generates power using hydrogen as a fuel, if CO is introduced into the fuel cell, the platinum catalyst is poisoned by the CO and cannot generate power. Therefore, it is necessary to reduce the amount of CO introduced into the hydrogen utilization device.
[0007]
On the other hand, it is necessary to increase the fuel utilization rate by effectively using the SOFC waste fuel, and to improve the power generation efficiency and the overall efficiency. Therefore, it is necessary to convert unused CO contained in the exhaust fuel or CO obtained by reforming the raw fuel described above into hydrogen, that is, to transform it. Here, transformation means that CO is converted into CO by steam.2(Carbon dioxide), H2It is the following reaction to convert to.
CO + H2O → CO2+ H2
[0008]
In addition, it is necessary to increase the fuel utilization rate by arranging the fuel circulation system, and to improve the power generation efficiency and the overall efficiency. Further, the operating temperature of SOFC is about 900 ° C., whereas the operating temperature of PEFC is about 80 ° C., for example. Thus, since the difference in operating temperature may be very large, it is necessary to configure the system with a heat system with little heat loss, such as an optimal heat exchanger arrangement.
[0009]
As a system as described above, for example, a hybrid fuel cell power generator is disclosed (see, for example, Patent Document 1). This is mainly composed of a reformer that reforms a hydrocarbon-based or alcohol-based raw fuel into a gas containing hydrogen and carbon monoxide, and a gas reformed by the reformer and supplied with the reformer. A first fuel cell that generates power using both carbon oxides as fuel and a polymer electrolyte fuel cell to which exhaust gas from the fuel electrode of the first fuel cell is supplied as fuel gas are provided.
[0010]
Also, a hybrid fuel cell system is disclosed (see, for example, Patent Document 2). This is because, as a main configuration, a steam reformer that generates a reformed gas mainly composed of hydrogen from hydrocarbon gas is disposed in the vicinity of the solid oxide fuel cell disposed in the heat insulating container, and the solid electrolyte type A solid oxide fuel cell is obtained by utilizing the residual heat generated in the fuel cell for heating the steam reformer and disposing the polymer electrolyte fuel cell outside the heat insulating container on the downstream side of the steam reformer. It is characterized in that power generation by a polymer electrolyte fuel cell is performed in addition to power generation by.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-8-306369
[Patent Document 2]
JP 2001-266924 A
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the configuration described in Patent Document 1 requires an external reformer, and an external reformer is disposed immediately before the SOFC (reformer 1). However, in order to operate the external reformer, a heat source is required, so that heat loss increases.
[0013]
Further, the amount of CO introduced into the PEFC is controlled by circulating the exhaust fuel at the SOFC outlet (by the return flow path 13) to the SOFC inlet. However, since it is very difficult to selectively circulate only CO, its control is difficult. That is, the CO concentration in the gas becomes the same no matter how it is controlled.
[0014]
In addition, as described above, there is a fuel recirculation system around the SOFC for the purpose of reducing the amount of CO introduced into the PEFC, but since there is no fuel recirculation system for the purpose of improving the fuel utilization rate, the power generation efficiency is lowered. .
[0015]
In the configuration described in Patent Document 2, an external reformer is similarly required, and an external reformer is disposed immediately before the SOFC (preliminary reformer A, reformer B). ). However, as described above, in order to operate the external reformer, a heat source is required, so that heat loss increases.
[0016]
In addition, part of the SOFC exhaust fuel and raw fuel are supplied to the PEFC via a reformer, a shift reactor, and the like (CO converter). The remaining SOFC exhaust fuel that is not supplied to the PEFC is used to keep the external reformer warm by burning it. For this reason, the fuel is not effectively used for power generation, and the fuel utilization rate is low, so the power generation efficiency is also low. Furthermore, since there is no fuel recirculation system, the fuel utilization rate is not improved and the power generation efficiency is lowered.
[0017]
In view of such problems, the present invention provides a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell that has a high fuel utilization rate and further improves the overall efficiency including power generation efficiency and heat utilization rate. The purpose is to do.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, a solid oxide fuel cell that generates power using the fuel while reforming the fuel into a gas containing hydrogen and carbon monoxide;
A CO converter that converts carbon monoxide contained in the exhaust fuel from the solid oxide fuel cell into hydrogen, and the exhaust fuel from the solid oxide fuel cell is recycled to the solid oxide fuel cell. A system having a first recirculation system and a second recirculation system that recirculates from the latter stage of the CO transformer to the first recirculation system;
And a hydrogen utilization device that performs an action utilizing hydrogen contained in the exhaust fuel from the solid oxide fuel cell.
[0019]
In addition, a solid oxide fuel cell that generates power using the fuel while reforming the fuel into a gas containing hydrogen and carbon monoxide, and an action utilizing hydrogen contained in the exhaust fuel from the solid oxide fuel cell A hydrogen utilization device for performing
At least one of the exhaust fuel and the exhaust air from the solid oxide fuel cell is provided with a combustor that is partially branched and mixed with the other to burn.
[0020]
Further, a solid oxide fuel cell that generates power using the fuel while reforming the fuel into a gas containing hydrogen and carbon monoxide, and carbon monoxide contained in the exhaust fuel from the solid oxide fuel cell is converted to hydrogen. A CO converter that converts to hydrogen, and a hydrogen utilization device that operates using hydrogen contained in the exhaust fuel from the solid oxide fuel cell,
At least one of the exhaust fuel and the exhaust air from the solid oxide fuel cell is provided with a combustor that is partially branched and mixed with the other to burn.
[0021]
Further, the present invention is characterized in that a heat recovery device for recovering exhaust heat generated in the solid oxide fuel cell is provided. Further, the present invention is characterized in that a heat recovery device for recovering exhaust heat generated in the CO transformer is provided. In addition, a heat recovery device that recovers exhaust heat generated in the combustor is provided. The hydrogen utilization device may be a fuel cell, a hydrogen gas turbine, or a hydrogen storage device that generates electricity using hydrogen as a fuel.
[0022]
Further, the predetermined state quantities in the solid oxide fuel cell and the hydrogen utilization device are controlled in cooperation with a thermoelectric ratio command for feedforward control. The predetermined state quantities are the fuel side inlet temperature, the air side inlet temperature, the inlet fuel side, the air side pressure difference in the solid oxide fuel cell, and the fuel side inlet temperature in the hydrogen utilization device. And the air side inlet temperature, and the inlet fuel side and air side pressure difference.
[0023]
Further, as the predetermined state quantities, a combustor that mixes and burns an inlet temperature of a CO converter disposed immediately before the hydrogen utilization device and exhaust fuel and exhaust air from the solid oxide fuel cell. The outlet temperature is added. Further, the thermoelectric ratio command is changed by manipulating a distribution ratio of a branch portion where the exhaust fuel from the solid oxide fuel cell branches to the CO converter and the combustor.
[0024]
In addition, the drive gas flow rate of the ejector for recirculating the exhaust fuel from the solid oxide fuel cell is switched depending on the operation mode.
[0025]
In addition, the hydrogen utilization device is a gas turbine, and the predetermined state quantities include a fuel side inlet temperature and an air side inlet temperature, and an inlet fuel side and air side pressure difference in the solid oxide fuel cell, And the turbine inlet temperature. In addition, as the predetermined state quantities, an outlet temperature of a combustor for mixing and burning exhaust fuel and exhaust air from the solid oxide fuel cell is added.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. In the present invention, in order to solve the above-mentioned considerations and problems of the prior art when the hydrogen utilization device is provided in the SOFC, the following system configuration is adopted.
[0027]
1. Reforming is performed inside the SOFC and does not require an external reformer
2. A system in which a CO transformer is arranged on the inlet side of the hydrogen utilization device to reduce the amount of CO to the hydrogen utilization device
3. A system that uses SOFC exhaust fuel as the fuel for hydrogen utilization equipment
4). System for providing a fuel recirculation system
5. A heat system incorporating the above 1 to 4 and composed of efficient heat recovery equipment
[0028]
FIG. 1 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention. This figure shows a basic system that employs an ejector system for SOFC fuel recirculation. In the figure, the supplied fuel (for example, natural gas) is heated by exchanging heat with exhaust fuel, which will be described later, in the regenerative heat exchanger 1 and introduced into the SOFC 3 through the ejector 2. The fuel temperature immediately before introduction is about 900 ° C., which is the operating temperature of SOFC.
[0029]
In the SOFC 3, the fuel is internally reformed and a cell reaction is performed with air described later. Due to the heat generated at this time, the exhausted fuel from the SOFC 3 is about 1000 ° C. Part of the exhausted fuel from the SOFC 3 returns to the ejector 2 due to negative pressure and is recirculated to the SOFC 3. The remainder of the exhausted fuel is cooled by exchanging heat with air in the fuel cooler 4, and further cooled by exchanging heat with fuel in the regenerative heat exchanger 1, and introduced into the CO converter 5. The exhaust fuel temperature immediately before introduction is about 350 ° C. to 450 ° C., which is the operating temperature of the CO transformer.
[0030]
The exhaust fuel transformed by the CO transformer 5 is condensed by the condenser 6 to remove moisture, and then partly mixed with new fuel via a gas recirculation fan (GRF) 7 and recirculated to the SOFC 3. Is done. This is performed in order to improve the fuel utilization rate and to secure the pressure for driving the ejector 2. The remaining exhaust fuel is introduced into the hydrogen utilization device 8.
[0031]
On the other hand, the air supplied to this system is heated by exchanging heat with the exhaust fuel in the fuel cooler 4 via the pushing fan (FDF) 9, and further exchanging heat with the exhaust air from the SOFC 3 in the high-temperature air preheater 10. Then, it is heated and introduced into SOFC3. In SOFC3, a cell reaction is performed with fuel as described above. The exhausted air from the SOFC 3 is cooled by exchanging heat with the supplied air in the high-temperature air preheater 10 and is discharged from the chimney 11 to the atmosphere.
[0032]
In the figure, * 1 branching immediately after the regenerative heat exchanger 1 and * 2 branching immediately after the high-temperature air preheater 10 are paths for taking out SOFC exhaust fuel and exhaust air, respectively. It is a system used for an increase operation system. This is similarly provided in the following embodiments. In addition, when the hydrogen utilization device 8 is a PEFC, a separate humidifier is required to maintain an internal saturated water-containing state.
[0033]
FIG. 2 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, an exhaust heat recovery device is incorporated so that heat can be used for air conditioning and hot water supply.
[0034]
Specifically, heat from the reaction in the CO transformer 5 is taken into water or air, and this heat is recovered by the exhaust heat recovery device 12, and then the remaining water (water vapor) or air is discharged from the chimney 13 to the atmosphere. Further, an exhaust heat recovery device 14 is provided between the high temperature air preheater 10 and the chimney 11, and the heat in the exhaust air from the high temperature air preheater 10 is recovered by the exhaust heat recovery device 14.
[0035]
FIG. 3 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the fuel supply position is different from that of the first embodiment shown in FIG. Specifically, the fuel is supplied from a position immediately before a part of the exhaust fuel from the SOFC 3 returns to the ejector 2. Thereby, the suction flow rate of the gas to the ejector 2 can be increased. Further, by combining the configurations of the first and third embodiments, it is possible to adjust the gas flow rate to the ejector 2 and thus to the SOFC 3.
[0036]
FIG. 4 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, in addition to the configuration of the third embodiment shown in FIG. 3, an exhaust heat recovery device is incorporated so that heat can be used for air conditioning and hot water supply.
[0037]
Specifically, in the same manner as the configuration of the second embodiment shown in FIG. 2 above, heat from the reaction in the CO transformer 5 is taken into water or air, and this heat is recovered by the exhaust heat recovery device 12. Thereafter, the remaining water (water vapor) or air is discharged from the chimney 13 to the atmosphere. Further, an exhaust heat recovery device 14 is provided between the high temperature air preheater 10 and the chimney 11, and the heat in the exhaust air from the high temperature air preheater 10 is recovered by the exhaust heat recovery device 14.
[0038]
FIG. 5 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the positions of the regenerative heat exchanger 1 and the fuel cooler 4 are exchanged on the fuel side and the exhaust from the SOFC 3 is exchanged on the air side with respect to the configuration of the first embodiment shown in FIG. A heat exchanger 15 is installed between the fuel and the inlet air to the SOFC 3. As a result, the heat utilization rate (heat exchange rate) in the system is increased, the SOFC 3 can be operated at a high temperature, and the power generation efficiency is increased.
[0039]
Further, in the same manner as described above, the exhaust heat recovery devices 12 and 14 are incorporated so that heat can be used for air conditioning and hot water supply. The same applies to the following embodiments. In addition, a condenser 19 is inserted between the heat exchanger 15 and the hydrogen utilization device 8.
[0040]
FIG. 6 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the fuel cooler and the heat exchanger are omitted from the configuration of the fifth embodiment shown in FIG. 5 above, and the system is simplified and the cost is reduced.
[0041]
FIG. 7 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a seventh embodiment of the present invention. This figure shows a system that employs a high-temperature recirculation fan system for SOFC fuel recirculation. In the present embodiment, a gas recirculation fan 16 corresponding to a high temperature is provided instead of the ejector 2 to recirculate the fuel with respect to the configuration of the first embodiment shown in FIG.
[0042]
Here, the regenerative heat exchanger and the fuel cooler are unnecessary, and the system is simplified and the cost is reduced. Further, before the exhaust fuel from the SOFC 3 is introduced into the hydrogen utilization device 8, the heat recovery is performed by the exhaust heat recovery device 17 so that the heat can be used for air conditioning and hot water supply.
[0043]
However, in order to suppress overheating of the recirculated fuel, a temperature regulator 18 such as air cooling or water cooling is provided immediately after the gas recirculation fan 16. The same applies to the eighth, eleventh, and twelfth embodiments described later. Alternatively, although not shown, a heat exchanger may be inserted between the fuel side inlet and the air side inlet of the SOFC 3 instead of the temperature regulator 18. As a result, the heat of the recirculated fuel can be used, the fuel-side and air-side inlet temperatures of the SOFC 3 can be made uniform, and the size of the high-temperature air preheater 10 can be reduced.
[0044]
FIG. 8 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to an eighth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a fuel cooler 4 is provided in place of the exhaust heat recovery device 17 with respect to the configuration of the seventh embodiment shown in FIG. 7, and the air introduced into the SOFC 3 is heat exchanged with the exhaust fuel. It is set as the structure heated by doing. As a result, the SOFC 3 can be operated at a high temperature, and the power generation efficiency is improved.
[0045]
FIG. 9 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a ninth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a normal recirculation fan 7 is employed for SOFC fuel recirculation as compared with the configuration of the seventh embodiment shown in FIG. Thereby, an inexpensive fan can be used. However, the regenerative heat exchanger 1 and the condenser 19 are required.
[0046]
FIG. 10 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a tenth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a fuel cooler 4 is provided in place of the exhaust heat recovery device 17 with respect to the configuration of the ninth embodiment shown in FIG. 9, and the air introduced into the SOFC 3 is exchanged with the exhaust fuel for heat exchange. It is set as the structure heated by doing. As a result, the SOFC 3 can be operated at a high temperature, and the power generation efficiency is improved.
[0047]
FIG. 11 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to an eleventh embodiment of the present invention. In the present embodiment, in addition to the configuration of the seventh embodiment shown in FIG. 7 above, a configuration in which the hydrogen-rich gas at the CO transformer 5 outlet is partially returned to the fuel recirculation system and supplied to the SOFC 3 side. It is said. Thereby, a fuel utilization rate improves.
[0048]
FIG. 12 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a twelfth embodiment of the present invention. In this embodiment, in addition to the configuration of the eighth embodiment shown in FIG. 8 above, the hydrogen-rich gas at the CO converter 5 outlet is partially returned to the fuel recirculation system and supplied to the SOFC 3 side. It is configured. Thereby, a fuel utilization rate improves.
[0049]
In the eleventh or twelfth embodiment, by setting the return system from the CO transformer 5 outlet to the return system from the condenser 6 outlet, it is possible to remove excess moisture from the gas to be returned, Increases SOFC efficiency. Further, since the cooling can be performed, the temperature controller 18 becomes unnecessary.
[0050]
FIG. 13 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a thirteenth embodiment of the present invention. In the present embodiment, in addition to the configuration of the ninth embodiment shown in FIG. 9 described above, a configuration in which hydrogen-rich gas at the CO transformer 5 outlet is partially returned to the fuel recirculation system and supplied to the SOFC 3 side. It is said. Thereby, a fuel utilization rate improves.
[0051]
FIG. 14 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a fourteenth embodiment of the present invention. In this embodiment, in addition to the configuration of the tenth embodiment shown in FIG. 10 above, a configuration in which hydrogen-rich gas at the CO converter 5 outlet is partially returned to the fuel recirculation system and supplied to the SOFC 3 side. It is said. Thereby, a fuel utilization rate improves.
[0052]
In each of the above-described embodiments, the CO transformer 5 is used. However, when a device that does not require the purity of hydrogen is used as the hydrogen utilization device 8, such a CO transformer is preferably used. It is not necessary. Further, the fuel supply position and the branch position of the SOFC exhaust fuel and exhaust air are not limited to the positions shown in the above embodiments.
[0053]
FIG. 15 is a system diagram of a heat supply increase operation system added to the hydrogen utilization system using the solid oxide fuel cell of the present invention. As shown in the figure, in this example, in the first to fourteenth embodiments, part or all of the SOFC exhaust fuel from the path indicated by * 1, and the SOFC exhaust air from the path indicated by * 2. Mix part or all of And after burning this with the combustor 20 and collect | recovering the exhaust heat of the obtained high temperature gas with the exhaust heat recovery apparatus 21, this gas is discharge | released from the chimney 22 to air | atmosphere. Thereby, the heat supply amount to air conditioning, hot water supply, etc. can be increased.
[0054]
FIG. 16 is a system diagram of a control system applicable to a hydrogen utilization system using the solid oxide fuel cell of the present invention. This figure illustrates the case of controlling a system that employs an ejector system for SOFC fuel recirculation. And as a hydrogen utilization apparatus, fuel cells other than SOFC are used. Furthermore, the heat supply amount increasing operation system is added. In the figure, Qin indicated by an arrow indicates heat input, and Qout indicates heat output. In addition, # 1 to # 6 indicate a fuel or air supply or recirculation system and a gas flow rate thereof.
[0055]
In this system, there are the following eight state quantities as main control quantities.
(1) SOFC fuel side inlet temperature
(2) SOFC air side inlet temperature
(3) Pressure difference between SOFC inlet fuel side and air side
▲ 4 ▼ Hydrogen side equipment fuel side inlet temperature
(5) Hydrogen side air inlet temperature
▲ 6 ▼ Hydrogen side inlet fuel side, air side pressure difference
(7) Combustor outlet temperature
▲ 8 ▼ CO transformer inlet temperature
Further, in a system using a gas turbine as a hydrogen utilization device, the turbine inlet temperature becomes a controlled variable instead of the above (4), (5), (6), and (8).
[0056]
In the figure, the fuel supplied from # 1 is heated by the heat input amount Qin1, and is introduced into the SOFC 3 through the ejector 2. Exhaust fuel from the SOFC 3 is branched at the branch portion 31, and a part thereof returns to the ejector 2 due to negative pressure and is recirculated to the SOFC 3. Further, the remainder of the exhausted fuel is further branched at the branching portion 32, and a part thereof is cooled by the heat output amount Qout 3 and introduced into the CO converter 5.
[0057]
The exhaust fuel transformed by the CO transformer 5 is cooled by the heat output Qout4 and then branched by the branching part 34, and partly from # 3 through the gas recirculation fan 7 and from the # 1 by the mixing part 41 It is mixed with fresh fuel and recycled to SOFC3. The remaining exhaust fuel is introduced into the hydrogen utilization device 8.
[0058]
On the other hand, the air supplied from # 2 is heated by the heat input amount Qin2 through the pushing fan 9 and introduced into the SOFC 3. Exhaust air from the SOFC 3 is cooled by the heat output amount Qout1 and branched at the branching portion 33. Then, a part is further cooled by the amount of heat output Qout2, and further branched by the branching part 37. A part is mixed with fresh fuel from # 1 by the mixing part 41 from the gas recirculation fan 7 from # 6, Recirculated to SOFC3. Alternatively, it is released into the atmosphere from the chimney as will be described later. Further, the remaining exhaust fuel branched at the branching portion 37 is introduced into the hydrogen utilization device 8.
[0059]
In addition, the remaining exhausted fuel branched at the branching portion 32 described above is introduced into the combustor 20 from * 1. Further, the remaining exhausted air branched at the branching portion 33 described above is introduced into the combustor 20 from * 2. These are mixed and burned in the combustor 20, and the obtained high temperature gas is cooled by Qout5, that is, exhaust heat is recovered. Further, this gas is branched at the branching portion 36, and a part thereof is mixed with fresh fuel from # 1 from the # 5 through the gas recirculation fan 7 and recirculated to the SOFC 3. Further, the remaining gas is mixed with the exhausted air from # 6 in the mixing unit 42 and released into the atmosphere from the chimney.
[0060]
In addition, the exhausted fuel from the hydrogen utilization device 8 is branched at the branching portion 35, and a part thereof is mixed with new fuel from # 1 at the mixing portion 41 via the gas recirculation fan 7 from # 4 to the SOFC 3. And recirculated.
[0061]
Hereinafter, the control content of this control system is demonstrated. FIG. 17 is a block diagram of the present control system. As shown in the figure, here, the thermoelectric ratio command of the SOFC exhaust fuel is used as a preceding signal of FF (feed forward) control. Here, the thermoelectric ratio includes the concepts of both the power generation ratio of the SOFC and the hydrogen utilization device (other fuel cells) and the ratio of heat generation and power generation including heat generation in the CO converter and the combustor. Yes.
[0062]
When the FF control 51 is performed in response to the thermoelectric ratio command, the target values for the control amounts (1) to (8) are determined. At this time, in order to perform the FB (feedback) control 52 so that the actual observed amount of (1) to (8) matches the target value, the manipulated variables indicated by Qin, Qout, and # are changed. Specific examples thereof are shown in the following examples.
[0063]
[Example 1]
The SOFC fuel side inlet temperature of (1) is adjusted by the heat input amount Qin1. Qin1 may be from an external heat source such as an electric heater or from heat recovery from a high temperature part in the system. Incidentally, in each of the above embodiments, a regenerative heat exchanger or a high-temperature recirculation fan is used. According to this embodiment, the SOFC fuel side inlet temperature control can be performed.
[0064]
[Example 2]
The SOFC air side inlet temperature of (2) is adjusted by the heat input amount Qin2. Qin2 may be from an external heat source such as an electric heater or from heat recovery from a high temperature part in the system. Incidentally, in each said embodiment, it mainly uses the high temperature air preheater. According to this embodiment, SOFC air side inlet temperature control can be performed.
[0065]
Example 3
The pressure difference between the SOFC inlet fuel side and the air side in (3) is adjusted by the air flow rate # 2 or the ejector drive gas flow rate (# 3or # 4or # 5or # 6). This embodiment enables SOFC inlet differential pressure control.
[0066]
Example 4
The hydrogen utilization device fuel side inlet temperature of (4) is adjusted by the amount of heat output Qout4. Qout4 may be an external cooler or boiler, or may be a heat release to the low temperature part of the system. Incidentally, in each said embodiment, it is mainly based on the condenser. According to this embodiment, the fuel side inlet temperature control of the hydrogen utilization device can be performed.
[0067]
Example 5
The hydrogen utilization device air side inlet temperature of (5) is adjusted by the heat output amount Qout2. Qout2 may be an external cooler or boiler, or may be a heat release to the low temperature part of the system. According to the present embodiment, the hydrogen utilization device air side inlet temperature control can be performed.
[0068]
Example 6
The difference in pressure between the hydrogen side inlet fuel side and air side of (6) is adjusted by the air flow rate # 6. According to this embodiment, the hydrogen utilization device inlet differential pressure control can be performed.
[0069]
Example 7
The combustor outlet temperature of (7) is adjusted by the heat output Qout5. Qout5 may be an external cooler or boiler, or may be a heat release to the low temperature part of the system. Incidentally, in the embodiment shown in FIG. 15, the exhaust heat recovery device is used. According to the present embodiment, the combustor outlet temperature can be controlled.
[0070]
Example 8
The CO transformer inlet temperature of (8) is adjusted by the heat output Qout3. Qout3 may be an external cooler or boiler, or may be a heat release to the low temperature part of the system. Incidentally, in each of the above embodiments, a regenerative heat exchanger or a fuel cooler is used. This embodiment makes it possible to control the CO transformer inlet temperature.
[0071]
Note that the control from the first embodiment to the eighth embodiment is not normally performed independently, but the SOFC and the hydrogen utilization device are coordinated by appropriately combining them.
[0072]
Example 9
  Manipulate the distribution ratio of the branching section 32,Thermoelectric ratiochange. According to the present embodiment, the thermoelectric ratio variable operation according to the request from the user becomes possible.
[0073]
Example 10
The ejector drive gas flow rate (# 3or # 4or # 5or # 6) is switched according to the operation mode such as temperature increase, temperature decrease, or power generation. According to the present embodiment, it is possible to select an optimum (highly efficient) driving gas composition according to the operation mode.
[0074]
Example 11
  In a system using a gas turbine as a hydrogen utilization device, the turbine inlet air temperature is adjusted by combustion gas from exhaust fuel and exhaust air. In this case, the supply amount of exhaust fuel and exhaust air is the thermoelectric ratio.CommandAs a preceding signal. According to this embodiment, the turbine inlet temperature can be controlled.
[0075]
Note that the heat recovery device referred to in the claims corresponds to various heat exchangers, exhaust heat recovery devices, and the like in the embodiments.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is provided a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell that has a high fuel utilization rate and further improves the overall efficiency including power generation efficiency and heat utilization rate. can do. In addition, a control system applicable to the present system enables an operation that complies with the restrictions on the control amount.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a system diagram of a hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to a fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a system diagram of a heat supply increase operation system added to a hydrogen utilization system using the solid oxide fuel cell of the present invention.
FIG. 16 is a system diagram of a control system applicable to a hydrogen utilization system using the solid oxide fuel cell of the present invention.
FIG. 17 is a block diagram of the present control system.
[Explanation of symbols]
1 Regenerative heat exchanger
2 Ejector
3 SOFC
4 Fuel cooler
5 CO transformer
6,19 Condenser
7 Gas recirculation fan
8 Hydrogen utilization equipment
9 Pushing fan
10 Hot air preheater
11, 13 Chimney
12, 14 Waste heat recovery equipment
15 Heat exchanger
16 Gas recirculation fan
17 Waste heat recovery equipment
18 Temperature controller
20 Combustor
21 Waste heat recovery equipment
22 Chimney
31-37 Branch
41, 42 mixing section

Claims (16)

燃料を水素と一酸化炭素を含むガスに改質しつつ該燃料により発電を行う固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素を水と反応させて水素を排出するCO変成器、及び前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料を該固体酸化物形燃料電池へ再循環する第1の再循環系統、及び前記CO変成器より排出されるガスを前記固体酸化物形燃料電池へ再循環する第2の再循環系統を持つシステムと、
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる水素と、前記CO変成器から排出される水素と、を利用した作用を行う水素利用装置とを備えたことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
A solid oxide fuel cell that generates power using the fuel while reforming the fuel into a gas containing hydrogen and carbon monoxide;
A CO converter that discharges hydrogen by reacting carbon monoxide contained in the exhausted fuel from the solid oxide fuel cell with water , and the exhausted fuel from the solid oxide fuel cell as the solid oxide fuel A system having a first recirculation system that recirculates to the battery, and a second recirculation system that recirculates gas discharged from the CO converter to the solid oxide fuel cell ;
And hydrogen contained in the exhaust fuel from said solid oxide fuel cell, characterized by comprising a hydrogen utilization device that performs an action using hydrogen, the discharged from the CO transformer, the solid oxide Hydrogen utilization system using physical fuel cells.
前記CO変成器と前記第2の再循環系統との間に設けられ、当該第2の再循環系統を流れるガスの圧力を大きくする再循環ファンと、  A recirculation fan provided between the CO transformer and the second recirculation system to increase the pressure of the gas flowing through the second recirculation system;
前記第2の再循環系統と前記第1の再循環系統とを接続するエジェクタと、を備え、  An ejector for connecting the second recirculation system and the first recirculation system,
前記第2の再循環系統を流れるガスにより前記エジェクタに発生する負圧によって前記第1の再循環系統を流れる排燃料が当該エジェクタに流れこみ、前記第1の再循環系統を流れる排燃料と前記第2の再循環系統を流れるガスとが前記エジェクタを介して合流するとともに前記固体酸化物燃料電池に供給されることを特徴とする請求項1に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。  The exhaust fuel flowing through the first recirculation system flows into the ejector due to the negative pressure generated in the ejector by the gas flowing through the second recirculation system, and the exhaust fuel flowing through the first recirculation system and the 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the gas flowing through the second recirculation system merges through the ejector and is supplied to the solid oxide fuel cell. Hydrogen utilization system.
前記CO変成器より排出されるガスと、前記水素利用装置から排出されるガスと、前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して他方と混合し燃焼させる燃焼器から排出されるガスと、前記固体酸化物形燃料電池から排出される排空気と、の少なくとも一つが前記第2の再循環系統を流れ前記エジェクタに流れこむとともに、  At least one of the gas discharged from the CO converter, the gas discharged from the hydrogen utilization device, and the exhaust fuel and exhaust air from the solid oxide fuel cell is partially branched and mixed with the other. At least one of a gas discharged from a combustor to be burned and exhaust air discharged from the solid oxide fuel cell flows through the second recirculation system and flows into the ejector;
前記第2の再循環系統を流れるガスの流量が切り換えられることによって、前記固体酸化物形燃料電池に供給されるガスの流量が切り換えられることを特徴とする請求項2に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。  The solid oxide according to claim 2, wherein the flow rate of the gas supplied to the solid oxide fuel cell is switched by switching the flow rate of the gas flowing through the second recirculation system. Using hydrogen fuel cell.
前記第2の再循環系統を流れるガスと、前記固体酸化物形燃料電池から排出される排燃料と、の熱交換を行う熱交換器を備え、A heat exchanger for exchanging heat between the gas flowing through the second recirculation system and the exhaust fuel discharged from the solid oxide fuel cell;
前記固体酸化物形燃料電池に供給される燃料が、前記第2の再循環系統の前記熱交換器の前段から供給されることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。  4. The solid oxidation according to claim 2, wherein the fuel supplied to the solid oxide fuel cell is supplied from a front stage of the heat exchanger of the second recirculation system. 5. Hydrogen utilization system using physical fuel cells.
前記固体酸化物形燃料電池に供給される燃料が、前記第1の再循環系統の前記エジェクタの前段から供給されることを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれかに記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。5. The solid according to claim 2, wherein the fuel supplied to the solid oxide fuel cell is supplied from a front stage of the ejector of the first recirculation system. Hydrogen utilization system using an oxide fuel cell. 前記固体酸化物形燃料電池で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。The hydrogen using the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, further comprising a heat recovery device that recovers exhaust heat generated in the solid oxide fuel cell. Usage system. 前記CO変成器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。The hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, further comprising a heat recovery device that recovers exhaust heat generated in the CO converter. 前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料及び排空気の少なくとも一方は一部を分岐して、他方と混合し燃焼させる燃焼器を備えたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。 Wherein at least one of the exhaust fuel and exhaust air from the solid oxide fuel cell is branched part, any of claims 1 to 7, characterized in that it comprises a combustor for mixing with the other combustion A hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to claim 1. 前記燃焼器で生じた排熱を回収する熱回収機器を備えたことを特徴とする請求項8に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。The hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to claim 8, further comprising a heat recovery device that recovers exhaust heat generated in the combustor. 前記水素利用装置は、水素を燃料として発電する燃料電池或いは水素ガスタービン或いは水素貯蔵装置であることを特徴とする請求項1〜請求項のいずれかに記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 9 , wherein the hydrogen utilization device is a fuel cell, a hydrogen gas turbine, or a hydrogen storage device that generates electricity using hydrogen as fuel. The hydrogen utilization system used. 前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側,空気側圧力差、並びに発電を行う前記水素利用装置における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側,空気側圧力差、の状態量のそれぞれを協調させて制御するためにフィードフォアード制御を行い、
前記水素利用システムの発熱量と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記水素利用装置の発電量と、の比率である熱電比率を所望の値にするための指令である熱電比率指令を前記フィードフォアード制御の先行信号として用いて、前記状態量のそれぞれの制御量における目標値を決定して制御を行うことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれかに記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
Fuel side inlet temperature and air side inlet temperature in the solid oxide fuel cell, inlet fuel side, air side pressure difference, and fuel side inlet temperature and air side inlet temperature in the hydrogen utilization device for generating power , and Feedforward control is performed to control the state quantities of the inlet fuel side and the air side pressure difference in coordination with each other.
A thermoelectric ratio command, which is a command for setting a thermoelectric ratio, which is a ratio of a calorific value of the hydrogen utilization system and a power generation amount of the solid oxide fuel cell and the hydrogen utilization device, to a desired value is the feedforward. The solid oxide fuel according to any one of claims 1 to 10, wherein control is performed by determining a target value for each control amount of the state amount as a control preceding signal. Hydrogen utilization system using batteries.
前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側,空気側圧力差、並びに発電を行う前記水素利用装置における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側,空気側圧力差、前記CO変成器の入口温度、及び前記燃焼器の出口温度、の状態量のそれぞれを協調させて制御するためにフィードフォアード制御を行い、
前記水素利用システムの発熱量と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記水素利用装置の発電量と、の比率である熱電比率を所望の値にするための指令である熱電比率指令を前記フィードフォアード制御の先行信号として用いて、前記状態量のそれぞれの制御量におけるそれぞれの目標値を決定して制御を行うことを特徴とする請求項8または請求項9に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
Fuel side inlet temperature and air side inlet temperature in the solid oxide fuel cell, inlet fuel side, air side pressure difference, and fuel side inlet temperature and air side inlet temperature in the hydrogen utilization device for generating power, and inlet fuel side, air side pressure difference, performs the CO transformer inlet temperature, and the combustor outlet temperature, the state quantity of the feed-forward control in order to control that coordinates each,
A thermoelectric ratio command, which is a command for setting a thermoelectric ratio, which is a ratio of a calorific value of the hydrogen utilization system and a power generation amount of the solid oxide fuel cell and the hydrogen utilization device, to a desired value is the feedforward. 10. The solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein the control is performed by determining each target value in each control amount of the state quantity using the control preceding signal. 10. Hydrogen using system.
前記固体酸化物形燃料電池からの排燃料が前記CO変成器及び前記燃焼器へと分岐する分岐部の分配率を操作し、前記熱電比率を変えるようにしたことを特徴とする請求項12に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。Wherein the exhaust fuel from the solid oxide fuel cell by operating the distribution ratio of the branching portion that branches to the CO transformer and the combustor, to claim 12, characterized in that it has to change the thermoelectric ratio The hydrogen utilization system using the solid oxide fuel cell as described. 前記水素利用装置が、水素を燃料として発電する燃料電池或いは水素ガスタービンであることを特徴とする請求項12または請求項13に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。  The hydrogen utilization system using a solid oxide fuel cell according to claim 12 or 13, wherein the hydrogen utilization device is a fuel cell or a hydrogen gas turbine that generates electricity using hydrogen as fuel. 前記水素利用装置が水素ガスタービンであるとともに、
前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側, 空気側圧力差、並びにタービンの入口温度、の状態量のそれぞれを協調させて制御するためにフィードフォアード制御を行い、
前記水素利用システムの発熱量と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記水素利用装置の発電量と、の比率である熱電比率を所望の値にするための指令である熱電比率指令を前記フィードフォアード制御の先行信号として用いて、前記状態量のそれぞれの制御量におけるそれぞれの目標値を決定して制御を行うことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれかに記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
The hydrogen utilization device is a hydrogen gas turbine ;
In order to coordinately control the state quantities of the fuel side inlet temperature, the air side inlet temperature, the inlet fuel side, the air side pressure difference, and the turbine inlet temperature in the solid oxide fuel cell , a feedforward is performed. Control
A thermoelectric ratio command, which is a command for setting a thermoelectric ratio, which is a ratio of a calorific value of the hydrogen utilization system and a power generation amount of the solid oxide fuel cell and the hydrogen utilization device, to a desired value is the feedforward. The solid oxide according to any one of claims 1 to 9, wherein the control is performed by determining each target value in each control amount of the state quantity as a control preceding signal . Using hydrogen fuel cell.
前記水素利用装置が水素ガスタービンであるとともに、
前記固体酸化物形燃料電池における燃料側入口温度、及び空気側入口温度、及び入口燃料側,空気側圧力差、タービン入口温度、並びに前記燃焼器の出口温度、の状態量のそれ ぞれを協調させて制御するためにフィードフォアード制御を行い、
前記水素利用システムの発熱量と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記水素利用装置の発電量と、の比率である熱電比率を所望の値にするための指令である熱電比率指令を前記フィードフォアード制御の先行信号として用いて、前記状態量のそれぞれの制御量における目標値を決定して制御することを特徴とする請求項8または請求項9に記載の、固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム。
The hydrogen utilization device is a hydrogen gas turbine;
Fuel-side inlet temperature of the solid oxide fuel cell, and air-side inlet temperature, and the inlet fuel side, air side pressure difference, cooperative turbine inlet temperature, and the combustor outlet temperature, the, respectively that of the amount of state Feed forward control to control
A thermoelectric ratio command, which is a command for setting a thermoelectric ratio, which is a ratio of a calorific value of the hydrogen utilization system and a power generation amount of the solid oxide fuel cell and the hydrogen utilization device, to a desired value is the feedforward. 10. The solid oxide fuel cell according to claim 8 , wherein a target value in each control amount of the state quantity is determined and controlled as a control preceding signal . 10. Hydrogen utilization system.
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