JP4578787B2 - Hybrid fuel cell system - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、発電容量が数kWから数百MW級の業務用や自家用発電設備、および電気事業用電源として、常圧型の高温型燃料電池と加圧型の低温型燃料電池をハイブリット化することにより、高い発電効率と幅広い負荷運用性を兼ね備えたハイブリッド型燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池を分類するカテゴリーの一つとして電池の作動温度による区分があり、大きく分けて作動温度が600〜1000℃程度以上である高温型燃料電池(例えば特許文献1)と、作動温度が200℃程度以下の低温型燃料電池とがある。また、電池スタックへ供給する燃料ガスおよび空気を加圧状態で供給するか否かによる区分があり、加圧供給を行う加圧型燃料電池と、特に加圧を行わずに供給する常圧型(低圧型)燃料電池とがある。
【0003】
図7は、高温型燃料電池の代表である固体電解質型燃料電池(SOFC)のシステム構成概要を示すブロック図であり、図7(a)は加圧型SOFCを、図7(b)は常圧型SOFCをそれぞれ示している。図7(a)において、都市ガス等の燃料NGは、脱硫器71でイオウ分を除去して水蒸気を加えられ、続いて予熱器72で加温状態とされ、作動温度が700〜1000℃のSOFC電池スタック70へ導入される。電池スタック70内部で水素、一酸化炭素、二酸化炭素に改質されながら、水素と一酸化炭素の大部分は、その燃料極701で酸素イオンと反応して電気を発生する。一方、電池スタック70の空気極702では、空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、この酸素イオンは電解質703を拡散して燃料極701へ移動する。なお、加圧型の場合、空気極702へは加圧空気を送る必要があるが、この例では後述するタービン741によりコンプレッサー743を動作させ、これを空気極702へ送気する構成とされている。
【0004】
図7(b)に示す常圧型SOFCも、基本構成は加圧型SOFCとほぼ同じである。ただ、空気極702へ加圧された空気を送らないので、電動機760とブロワー761とからなる送気装置76により常圧空気を空気極702へ送る点で相違している。
【0005】
このようなSOFCにおいて、一般に燃料極701での水素の利用率は70〜80%でであって、残りの水素は燃料極排ガスとして排出される。また、空気極702での空気中の酸素利用率は50〜60%で、残りの空気は空気極排空気として排出される。これらの燃料極排ガスや空気極排空気は、電池スタックに内蔵されている燃焼室や外部設置のバーナにおいて燃焼し、電池スタックを高温に維持するために使用され、その後400〜600℃の高温ガスとして排出される。
而して、これら燃料極排ガスや空気極排空気、あるいはこれらの燃焼排ガスの活用が、燃料電池の運用性や経済性を高める上で重要となる。
【0006】
ところで図7(b)に示す常圧型SOFCの場合は、これらの燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスも常圧であり、従ってこれら燃料極排ガス及び空気極排空気、或いは燃焼排ガスも、熱交換器73を介して排熱回収ボイラー75へ送られ、該ボイラーのバーナ燃料や加熱用熱源として使用し、蒸気や高温水を製造する程度の用途に止まる。しかし、ボイラーの加熱用熱源として使用する場合は、電気に対して価値の低い熱の発生しかできない。また、夏季等の熱需要が低い時期には熱利用自体の必要性がなくなり、経済性に乏しいという問題がある。
【0007】
一方、図7(a)に示す加圧型SOFCの場合は、燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスも高圧であり、例えばガスタービン発電機のバーナ燃料や高温・高圧の駆動ガスとして使用することができる。図7(a)はこのような発電装置74を、電池スタック70の後段側に配置した例を示している。
電池スタック70から排出された燃料極排ガスと空気極排空気は、電池スタック70内の燃焼室704のバーナで燃焼して燃焼排ガスとされ、熱交換器73を経由して発電装置74へ供給され、そのガスタービン741を駆動させるエネルギー源として用いられる。なお75は、ガスタービン741の排気エネルギーを回収するための排熱回収ボイラーである。前記ガスタービン741は発電機742を作動させて電気を発生させると共に、コンプレッサー743も作動させて加圧空気を生成し、電池スタック70の空気極702にこの加圧空気を供給する。このように加圧型SOFCにあっては、余剰の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスから電気と空気極702での反応用加圧空気を得ることが可能となり、前記燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを効果的に利用することができる。
【0008】
他の高温型燃料電池の例として、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)が挙げられる。MCFCの場合、燃料電池からの燃料極排ガスと空気極排空気の温度が400〜500℃程度と、若干SOFCのそれ(500〜1000℃)より低くなる。システム構成については、電池動作温度が低いために、燃料極排ガスと空気極排空気を燃焼させて電池スタックの保温をする必要性がないため、電池スタックから燃料極排ガスと空気極排空気とを別々に取り出して利用することが可能である。
【0009】
このように、SOFCやMCFCの電池スタックからの燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスをガスタービンに利用して発電するには加圧型を採用する必要がある。しかしながら、加圧型にするとSOFCやMCFCの燃料電池本体の発電効率も常圧型よりも高くなるものの、電池スタックにおけるシール部の耐圧について厳格性が求められること、及びシステムが複雑となり制御が困難になること等の別観点の課題が発生するので、一概に加圧型が常圧型より優越しているとは言い難い。特に、十数kW程度の業務用や数百kW程度の工場の自家発電用設備は加圧型を採用してもメリットが少ないため、製造コストや技術の難易度を考えると、このクラスでは常圧型が主力となっている。現在、高温型燃料電池としては3〜5kW,数十kW,200kW級が開発され、逐次市場に投入されようとしている。
【0010】
次に、低温型燃料電池としては、りん酸形燃料電池(PAFC)や固体高分子形燃料電池(PEFC)が挙げられる。図8はPAFCのシステム構成を示すブロック図である。都市ガス等の燃料NGは、脱硫器81でイオウ分を除去して水蒸気を加えられ、700〜800℃とされた改質器82内部で改質されながら水素、一酸化炭素、二酸化炭素に分離される。熱交換器83を経て、一酸化炭素は一酸化炭素変成器84で水素と二酸化炭素とに変換され、一酸化炭素濃度は一定値(数%)以下とされる。その後、該混合気体はPAFC電池スタック80へ導入され、導入された水素の大部分は燃料極801で水素イオンになり、この水素イオンは電解質803を通って空気極802に移動する。空気極802には加圧空気が導入され、空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、該酸素イオンと空気極802に移動してきた前記の水素イオンとが反応して電気を発生するものである。
【0011】
一般に、PAFCにおいては、前記燃料極801での水素の利用率は70〜80%で残りは燃料極排ガス801Gとして排出される。また、空気極802での空気中の酸素利用率は50〜60%で、残りは空気極排空気802Gとして排出される。これらの燃料極排ガス801Gと空気極排空気802Gとは、改質器82のバーナ821に導入され、改質器82の加熱用燃料として使用することで、有効活用が図られている。
【0012】
一方PEFCは、電池の作動温度がPAFCは180〜200℃であるのに対して,PEFCは80〜100℃程度と、低温型燃料電池の中でも比較的低温であり、またPEFCの場合は燃料電池セルに入る改質ガス組成中の一酸化炭素濃度を10ppm以下にする必要があるといった相違はあるが、基本的にはPAFCと同じシステム構成である。
【0013】
なお、PAFCやPEFCにも加圧型と常圧型があり、送電端発電効率(HHV)面で比較すると、常圧型が36〜38%であるのに対して、加圧型は41〜42%であるため、電気事業用電源や電気主体の発電設備とする場合は加圧型が好ましいと言える。しかし、加圧型はシステムが複雑となり制御が困難である等の課題があり、製造コストや技術の難易度が高い。従って、十数kW程度の業務用や数百kW程度の工場の自家発電用設備として加圧型を採用してもメリットが少なく、一般的に普及しているのは常圧型である。
【0014】
近年、業務用PEFCとして3〜5kW,30kW,200kW級のものが開発され、逐次市場に投入されようとしている。また、工場用PAFCとしては50kW,100kW,200kW,500kW,さらには1000kW級のものが開発されているのが現状である。
【0015】
【特許文献1】
特開2001−76750号公報
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
需要家の電気や熱負荷需要量は、需要家の業種や規模、昼夜、或いは季節により様々なものになる。その一例として、図9に事務所ビルの一日の電力・熱負荷需要量の変化を季節別に示す。このように、夏季、冬季、中間期等の季節や一日の間でも時間帯によっても負荷は変化しており、数kW〜数百kWの燃料電池を経済的に運用するには、このような負荷変動にうまく追従させて運転し、余剰となる電気や熱の発生を極力少なくさせる必要がある。
【0017】
このような要請があるのに拘わらず、高温型燃料電池はその構造上、負荷変化や起動停止が極めて制限されてしまうという特質がある。すなわち、固体電解質電池(SOFC)の場合、電池の作動温度は700〜1000℃もの高温になることから、その電池スタックはセラミック材等の耐熱材料で構成する必要があるが、もし起動停止を繰り返すと、常温〜1000℃にも及ぶ広範囲の温度変化が生じることとなり、これを繰り返すとセラミック材に割れが発生する恐れがあることから、間欠的に運転と停止を繰り返すといった運用は基本的には行えない。
また、負荷変化についても、負荷を下げると電池温度が下がるために75〜100%程度の負荷変化しか許容できないとされている。
【0018】
これは溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)の場合も事情はほぼ同じで、起動・停止や負荷変化に対する許容は極めて少ない。実際、定期点検等で高温型燃料電池の運転を停止した場合、再起動に数十時間から数日を要しており、総じて高温型燃料電池は、発電効率は高効率であるが臨機応変に起動停止や負荷変動に対応できないと評価される。
【0019】
このため、高温型燃料電池を設置する場合は、需要家の最低負荷相当容量の燃料電池を設置するものとし、年間を通してほぼ一定負荷で運転できるような燃料電池システムの設計を目指すこととなる。しかしながら、現実には、休日や深夜においては電気や熱負荷需要は極めて少なくなるので、前記のように最低負荷に合わせるとなると、設置できる燃料電池容量は極めて小容量機にならざるを得ない。例えば、図9に示した事務所ビルの電力負荷パターンを見ると、昼間の電力負荷は30kW超程度あるにもかかわらず、夜間若しくは休日では5kW程度しかなく、従って5kW程度の高温型燃料電池しか設置できないという不都合がある。
【0020】
これに対して、りん酸型燃料電池(PAFC)や固体高分子型燃料電池(PEFC)のような低温型燃料電池においては、起動停止や負荷変化に対して強い耐力を持っていると言える。PAFCの場合、電池作動温度が200℃程度と低温であるため、起動停止を行ってもさほど大きな熱変化が電池スタックに付加されず、また負荷変化の許容幅は30〜100%と広範であり、例えば週一回程度の起動停止を行う「WSS運用」にも十分対応可能である。また、PEFCの場合は、動作温度が80〜100℃程度とさらに低く、負荷変化の許容幅も30〜100%であり、毎日一回程度の起動停止を行う「DSS運用」にも対応可能である。ただ、低温型燃料電池は一般に発電効率は高温型よりもかなり低いという根本的な問題があり、低温型燃料電池単体では燃料電池システムの経済的な運用は図り難いという問題があった。
【0021】
他方、上述の通り常圧型燃料電池の場合は、燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスはせいぜい各種ボイラーのバーナ燃料として用いる程度の活用しかできないが、加圧型燃料電池にあっては、前記燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスも高圧であり、例えばガスタービン発電機のバーナ燃料として使用しコージェネレーションシステムを構築することも可能である。
【0022】
本発明者はこのような事情に鑑み、高効率の高温型燃料電池と、発電効率は低いが運用性の高い低温型燃料電池とを、並びに比較的簡易にシステムを構成できる常圧型と、燃料極排ガス及び空気極排空気を有効に活用できる加圧型とを、それぞれの特徴を生かして効果的に組み合わせ、発電システム全体として経済的運用することを着想し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、高温型燃料電池と低温型燃料電池とをハイブリッド化すると共に、高温型燃料電池の高温排気ガスのエネルギーと、加圧型燃料電池の高圧排気ガスのエネルギーとを、それぞれ有効に活用した、高効率で運用性の高いハイブリッド型燃料電池システムを提供することを目的としている。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項1記載のハイブリッド型燃料電池システムは、常圧高温型燃料電池、加圧低温型燃料電池、及びタービン発電機を備えるハイブリッド型燃料電池システムであって、前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記加圧低温型燃料電池が具備する改質器の炉内加熱用燃料として用い、さらに前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記タービン発電機のタービン駆動源として用いるべく構成したことを特徴とするものである。
【0024】
また、請求項2記載のハイブリッド型燃料電池システムは、常圧高温型燃料電池、加圧低温型燃料電池、及びタービン発電機を備えるハイブリッド型燃料電池システムであって、前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスを、前記加圧低温型燃料電池が具備する改質器の炉内加熱用熱源として用い、さらに前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記タービン発電機のタービン駆動源として用いるべく構成したことを特徴とするものである。
【0025】
このような構成によれば、第一に運用性に関し、(常圧)高温型燃料電池と(加圧)低温型燃料電池とを組み合わせる構成であるので、前述した高温型燃料電池の欠点である起動停止や負荷変動に対する硬直性の問題を、低温型燃料電池が柔軟に補うことが可能になる。例えば、高温型燃料電池には需要家の最低負荷相当の容量分を担持させ、低温型燃料電池にはピーク負荷から前記最低負荷を引いた容量分を担持させるようにすれば、常時は双方を運転し、休日や深夜には低温型燃料電池の運転を停止するといったシステムの能率的な運用が可能となる。
【0026】
第二にエネルギー回収の効率に関し、本発明によれば、常圧(高温)型燃料電池と加圧(低温)型燃料電池とを組み合わせる構成であるので、
(1)常圧(高温)型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスで改質器を動作させ、加圧低温型燃料電池の燃料極へ供給する改質ガスを生成し、これにより加圧(低温)型燃料電池が発電する。
(2)加圧(低温)型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気を駆動源としてタービン発電機を動作させ発電する。
という利用関係が構築される。つまり、常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスは、それ自身は高温ではあるが常圧なので、例えばターボコンプレッサー発電機等は直ちに駆動できないものの、改質器の加熱熱源として用いることで加圧低温型燃料電池の燃料極用改質ガスを生成し、その排ガスで発電機を駆動するという、因果的な連繋関係が創設され、エネルギーの効率的な回収が行い得るものである。
【0027】
請求項3記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項1又は請求項2のシステムにおいて、前記タービン発電機がターボコンプレッサー発電機であり、前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスを、前記ターボコンプレッサー発電機のタービンを駆動させるバーナの燃料として用い、前記加圧低温型燃料電池の空気極排空気を、前記バーナの燃焼用酸化剤として用いることを特徴とするものである。
【0028】
このように構成すれば、前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気を用いて、ターボコンプレッサー発電機を動作させることができ、前記燃料極排ガス及び空気極排空気に基づいた大出力発電を行うことができる。
【0029】
また請求項4記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項3のシステムにおいて、前記ターボコンプレッサー発電機は少なくともタービン、発電機、及び加圧気体を発生するコンプレッサーを備え、これらは一つの駆動軸上に配置されており、且つ、前記コンプレッサーはクラッチを介して前記駆動軸による動力伝達系から離脱自在とされていることを特徴とする。
【0030】
この構成のように、発電機にコンプレッサーを併設しておけば、例えば前記加圧低温型燃料電池の空気極へ送るべき加圧空気を当該コンプレッサーで生成することが可能である。しかし本発明のシステムにあっては、前述の通り加圧低温型燃料電池は負荷に応じて停止させることを想定しているため、停止時においては前記コンプレッサーは動作不要となる。そこでクラッチを用いて動作不要時には該コンプレッサーを駆動系から外せるようにし、動力損失を低減させ得るよう構成したものである。
【0031】
請求項5記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項1のシステムにおいて、排熱回収ボイラーをさらに備え、前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気の一部を、前記排熱回収ボイラーの駆動バーナにバイパス供給して燃料として用いることを特徴とする。
【0032】
また請求項6記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項2のシステムにおいて、排熱回収ボイラーをさらに備え、前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスの一部を、前記排熱回収ボイラーにバイパス供給して、該排熱回収ボイラーの加熱用熱源として用いることを特徴とする。
【0033】
上記請求項5又は請求項6記載の構成によれば、余剰の燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを用い、排熱回収ボイラーにて蒸気、高温水、或いは低温水が製造できるばかりでなく、ハイブリッド化している加圧低温型燃料電池の負荷変化や停止をさせる場合(改質器のパワー変動や停止を行う場合)に、適宜前記燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを迂回させることができ、運用性の高いシステムを構築することができる。
【0034】
請求項7記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項1又は請求項2のシステムにおいて、前記加圧低温型燃料電池が水蒸気分離器を備えており、前記水蒸気分離器は、冷却水を備える容器を含み、前記加圧低温型燃料電池の電池スタック内に敷設された循環配管路に前記冷却水を流通させることで、前記加圧低温型燃料電池の冷却を行うものであって、前記冷却によって前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記タービン発電機のタービン駆動源の一部として用いることを特徴とする。
【0035】
このように水蒸気分離器を具備させれば、生成される蒸気を蒸気吸収式冷凍機暖房装置などに活用できるのは勿論のこと、本発明のシステムにおいてターボコンプレッサー発電機のタービンにこの蒸気を投入するようにすれば、当該発電機の動力源として有効活用できる。加えて、電力需要があるが熱負荷がないような夏季には発電量を増加させ、熱発生量を極力少なくするといった運用が行えるので、このような蒸気系統を設けておけば、季節や時刻により発生する熱需要の変化に柔軟に対応できるシステムを構築することができる。
【0036】
請求項8記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項5のシステムにおいて、前記排熱回収ボイラーの内部に蒸気を発生する蒸気発生器を備えており、前記蒸気発生器が発生する蒸気を、前記タービン発電機のタービン駆動源の一部として用いることを特徴とする。
【0037】
本構成においても、生成される蒸気をタービン発電機の動力源として有効に活用することができる。
【0038】
請求項9記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項1又は請求項2のシステムにおいて、蒸気タービン式発電機を追加して設け、さらに前記加圧低温型燃料電池には水蒸気分離器を具備させ、前記水蒸気分離器は、冷却水を備える容器を含み、前記加圧低温型燃料電池の電池スタック内に敷設された循環配管路に前記冷却水を流通させることで、前記加圧低温型燃料電池の冷却を行うものであって、前記冷却によって前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記蒸気タービン発電機のタービン駆動源として用いることを特徴とする。
【0039】
かかる構成とすれば、追加的に設けた蒸気タービン式発電機を、例えば加圧低温型燃料電池の水蒸気分離器が発生した蒸気のうちの余剰分を用いて運転させる如き運用を行うことができる。すなわち熱負荷需要がさほど無い場合に、余剰の排熱を用いてボトミングサイクルとしての蒸気タービンを作動させることで、排熱を電気として回収するもので、発電効率をさらに向上させたハイブリッド型燃料電池システムとすることができる。
【0040】
請求項10記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項1又は請求項2のシステムにおいて、蒸気タービン式発電機を追加して設けると共に、さらに前記常圧高温型燃料電池の余剰の燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを動作源とし、その内部に蒸気発生器を有する排熱回収ボイラーを設け、前記排熱回収ボイラーの蒸気発生器が発生する蒸気を、前記蒸気タービン発電機のタービン駆動源として用いることを特徴とする。
【0041】
この構成においても、排熱回収ボイラーの余剰蒸気を有効活用して排熱を電気として回収でき、発電効率をさらに向上させたハイブリッド型燃料電池システムを構築することができる。
【0042】
請求項11記載のハイブリッド型燃料電池システムは、請求項1〜請求項10のいずれかに記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、加圧低温型燃料電池が加圧変圧運転を実行可能としたことを特徴とする。
【0043】
加圧低温型燃料電池は加圧変圧運転を行うようにすれば、最低負荷が下がり、部分負荷運転をせざるを得ない場合でも高い発電効率を維持できる。従って、加圧変圧運転を実行可能としておけば、本発明のシステム全体として広い負荷範囲で高効率に運用できるシステムとすることができる。
【0044】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
[第一実施例]
図1は本発明のハイブリッド型燃料電池システムにかかる基本的なシステムの一例として、常圧高温型燃料電池1と加圧低温型燃料電池2とを併設し、これらに加え、ターボコンプレッサー発電機3と排熱回収ボイラー4とをハイブリッド化したシステムに関するものであり、これらの要素を効果的に連係運用をすることにより、従来の加圧高温型燃料電池とターボコンプレッサー発電機の結合方式よりも高い運用性と経済的を持つシステムを提供するものである。
【0045】
図1において、常圧高温型燃料電池1は電池本体部としての電池スタック10、脱硫器11、及び電池スタック10の空気極102へ空気を送るための、電動機130及びブロワー131からなる送気装置13を備えている。まず天然ガスなど(プロパンガス、ナフサ、灯油等でもよい)の燃料源NGから供給された燃料NG1は、脱硫器11で燃料中に含まれる付臭材としてのイオウ分が除去された後、常圧で電池スタック10の燃料極101へ供給される。
【0046】
ここで常圧高温型燃料電池1として、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)を採用した場合で説明すると、電池スタック10の作動温度は約650℃とされ、水蒸気と共に電池スタック10へ送られた燃料NG1は、電池スタック10内部で水素、一酸化炭素、二酸化炭素に改質されながら、水素と一酸化炭素の大部分は、その燃料極101で炭酸イオンと反応して水と二酸化炭素を生成すると共に電気を発生する。一方、電池スタック10の空気極102では、空気中の酸素と二酸化炭素を取り込んでこれを炭酸イオンとし、この炭酸イオンは電解質103を通って燃料極101へ移動し、前記反応源としての炭酸イオンを供給する。
【0047】
前述の通り、MCFCにおいては、一般に燃料極101での水素の利用率は70〜80%程度であって、残りの水素は燃料極排ガス101Gとして排出される。また、空気極102での空気中の酸素利用率は50〜60%程度で、残りの空気は空気極排空気102Gとして排出される。MCFCの場合、燃料極排ガス101Gと空気極排空気102Gは電池スタック10から別々に排出される。この排出された燃料極排ガス101Gと空気極排空気102Gは、再循環ブロワーによりそれぞれ燃料系統や空気系統に返され有効利用される。また、燃料極排ガス101Gの一部は空気系統に送られ、二酸化炭素を空気極102に供給して再利用されている。また、余剰となる燃料極排ガス101Gと空気極排空気102Gについては、ガスタービンの駆動源として使用することもできる。
【0048】
本発明においては、これら燃料極排ガス101G及び空気極排空気102Gを有効活用する。すなわち、前記電池スタック10から排出される燃料極排ガス101Gと空気極排空気102Gとは、それぞれ配管路101M,102Mを経由して、加圧低温型燃料電池2用の改質ガスを生成する改質器22の炉内加熱用バーナ221に燃料として供給されるよう構成されている。
【0049】
これに加えて、該バーナ221の燃焼排ガス22Gをも活用すべく、該燃焼排ガス22Gは熱交換器222を経由して排熱回収ボイラー4へ送られ、熱回収がなされる。排熱回収ボイラー4の内部では、蒸気発生器41、高温水発生器42、及び低温水発生器43にて、それぞれ蒸気、高温水(90℃程度)、低温水(40℃程度)が生成され、冷凍機や暖房、給湯などの用途に供される。一方、熱回収された前記燃焼排ガス22Gは、排熱回収ボイラー4を出た後に水回収器44へ導出され、水回収器44にて燃焼排ガス22G中に含まれている水分を回収して排気筒45から排出されることになる。
【0050】
次に、加圧低温型燃料電池2は、基本構成として脱硫器21、改質器22、熱交換器23,26、一酸化炭素変成器24、気水分離器25、及び電池本体部としての電池スタック20を備えている。かかる構成において、燃料源NGから供給された燃料NG2は、燃料昇圧コンプレッサー2Cで加圧され、脱硫器21へ送られてイオウ分が除去され、水蒸気と共に、前記の通り常圧高温型燃料電池の燃料極排ガス101G及び空気極排空気102Gで作動される改質器22へ、500℃程度に予熱されてから送られる。なお、この改質器22の改質側は加圧反応とし、燃焼炉側は常圧燃焼の構造をとる。
【0051】
改質器22へ導入された脱硫後燃料と水蒸気は、改質温度まで昇温された改質器22内部で加熱・反応され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素に分離されて改質ガスが生成される。続いて、熱交換器23を経て、一酸化炭素は一酸化炭素変成器24で水素と二酸化炭素とに変換され、該改質ガスは、気水分離器25で余分な水分を除去した後に、熱交換器26を経て電池スタック20の燃料極201へ導入される。
【0052】
導入された水素の約80%程度は燃料極201で水素イオンになり、この水素イオンは空気極202に移動する。空気極202には後述するコンプレッサー34から加圧空気が導入され、該空気中の酸素を取り込んでこれをイオン化し、この酸素イオンと空気極202に移動してきた前記の水素イオンとが反応して電気を発生するものである。ここでも、燃料極201及び空気極202で水素や酸素が完全に利用されず、利用されなかった分は余剰の燃料極排ガス201G及び空気極排空気202Gとして電池スタック20から排出される。
【0053】
本発明においては、この燃料極排ガス201G及び空気極排空気202も有効活用する。すなわち、加圧低温型燃料電池2の後段にターボコンプレッサー発電機3を配置し、該発電機を電池スタック20から排出される燃料極排ガス201Gと空気極排空気202Gとを利用して駆動させ、電気を発生させる構成としている。具体的には、ターボコンプレッサー発電機3は発電機30とタービン32を備え、該タービン32はバーナ31の燃焼ガスにて回転されるものであって、前記燃料極排ガス201Gをバーナ燃料として、空気極排空気202Gを燃焼用酸化剤として、両者を該バーナ31において燃焼反応させて、その燃焼ガスによりタービン32を駆動するものである。
【0054】
前記ターボコンプレッサー発電機3は、タービン32及び発電機30と一つの駆動軸上に配置されたコンプレッサー34をさらに備え、該コンプレッサー34は外気を取り入れ、タービン32の回転に伴い駆動されて加圧空気Aを製造する。かかる加圧空気Aは、電池スタック20の空気極202へ送られ、該空気極202の動作源として活用される。なお、タービン32の回転軸とコンプレッサー34の回転軸との間にはクラッチ33が介装されており、加圧空気Aを必要としない場合(加圧低温型燃料電池2の運転を停止している場合)にコンプレッサー34のみを回転軸系から離脱自在とし、動力損失が軽減できるよう構成されている。また、前記タービン32を駆動させた後のバーナ31の燃焼排ガス32Gは、配管路により排熱回収ボイラー4に導かれ熱回収される。
【0055】
ところで、電池スタック20には、セルの冷却のために水蒸気分離器28が付設されている。この水蒸気分離器28はその容器280内に冷却水Wを備え、電池スタック20内に敷設された循環配管路に前記冷却水Wを流通させることで冷却を行う。電池スタック10内の熱を吸熱して蒸気化した冷却水Wは容器280内に戻され容器280の外へ逃がされるのであるが、本実施例では容器280からタービン32へ至る配管路28Mにて、前記蒸気をタービン32へ導き、その駆動源として活用している。
【0056】
これに加えて本実施例では、排熱回収ボイラー4の蒸気発生器(水蒸気発生器)41の蒸気口から配管路41Mを延出させて前記配管路28Mと合流接続し、蒸気発生器41が発生する蒸気を、ターボコンプレッサー発電機3のタービン32へ供給可能としている。これにより蒸気発生器41からの蒸気によりターボコンプレッサー発電機3が駆動され得ることになり、加圧低温型燃料電池2の運転が停止されバーナ31の燃焼ガスや水蒸気分離器からの蒸気の供給がなくとも、発電機3が運転できるものである。このような場合に、前記クラッチ33を操作してコンプレッサー34を駆動軸系から外し、タービン32の回転負荷を軽減することが望ましい。
【0057】
以上のように常圧高温型燃料電池1と加圧低温型燃料電池2とを併置したハイブリッド型燃料電池システムによれば、高効率である(常圧)高温型燃料電池1、起動停止性や負荷変化性に優れる(加圧)低温型燃料電池2の特性をそれぞれ生かし、夜間や休日は常圧高温型燃料電池1のみを運転して加圧低温型燃料電池2は停止し、それ以外は負荷に応じて常圧低温型燃料電池2も併用運転するという如き運用が可能となる。
【0058】
そこで、加圧低温型燃料電池2を停止している間は、改質器22による改質ガスの生成は不要となることから、常圧高温型燃料電池1の燃料極排ガス101Gと空気極排空気102Gとは余剰となる。そこで、電池スタック10と改質器バーナ221とを繋ぐ配管路101M,102Mの途中に制御弁101B,102Bを介在し、排熱回収ボイラー4のバーナ40に至るバイパス配管路101S,102Sを設け、前記の燃料極排ガス101G及び空気極排空気102Gを排熱ボイラー4の駆動用に活用できるよう構成している。
【0059】
ここで、加圧低温型燃料電池2を停止し、改質器22が常温まで冷却されてしまうと、加圧低温型燃料電池2を再起動させる際に改質器22が相当温度に昇温されるまで発電がスタートできず、再起動のために長時間を要することになる。
かかる不都合を解消するためには、常圧高温型燃料電池1の燃料極排ガス101Gと空気極排空気102Gが具備するエネルギーを活用し、加圧低温型燃料電池2の停止時において改質器22をホットバンキング状態に保ち、再起動に要する時間を大幅に短縮させるようにすることが望ましい。
【0060】
そこで本実施例においては、余剰の燃料極排ガス101G及び空気極排空気102Gの全てを排熱回収ボイラー4のバーナ40へ供給するのではなく、その一部を加圧低温型燃料電池2の改質器バーナ221に導入して燃焼させ、その燃焼ガスを改質器22の炉内へ導入することで、加圧低温型燃料電池2の停止時において改質器22をホットバンキング状態に維持可能なように構成している。このようなホットバンキング運転を行う場合は、前記制御弁101B,102Bは、加圧低温型燃料電池2の運転時にあっては、バイパス配管路101S,102Sへの流路を「閉」として改質器バーナ221にのみ燃料極排ガス101G及び空気極排空気102Gを供給し、加圧低温型燃料電池2の停止時にあっては、バイパス配管路101S,102Sへの流路を「開」として、改質器バーナ221と排熱回収ボイラー4のバーナ40とへ前記の燃料極排ガス101G及び空気極排空気102Gを分岐供給するよう制御される。
【0061】
勿論、加圧低温型燃料電池2を運転している場合でも、加圧低温型燃料電池2の負荷が小さくてもよい場合や、熱需要が多いときは、前記制御弁101B,102Bを調整して、改質器バーナ221へ供給する燃料極排ガス101G及び空気極排空気102Gの量を少なくすると共に、排熱ボイラー4のバーナ40に送る燃料の量を増やし、蒸気、高温水、低温水の発生量を増加させるようにしても良い。
【0062】
[第二実施例]
図2は、図1で説明したハイブリッド型燃料電池システムの変形実施例を示すブロック図であり、図1のシステムと相違する点は、常圧高温型燃料電池1で発生した燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスを、加圧低温型燃料電池2の改質器22の炉内加熱用熱源として用いるようにシステムを構成した点である。以下、この相違点について主に説明し、図1に示したシステムと同一である点については説明を省略する。
【0063】
本実施例においては、常圧高温型燃料電池1の電池スタック10として、その内部に燃焼室105を具備するものが用いられる。燃焼室105の排気口には、燃焼排ガスを改質器22へ導く配管路105Mが接続されている。さらに、配管路105Mの中間には制御弁105Bが介在されると共に、排熱回収ボイラーに至るバイパス配管路105Sが前記制御弁105Bに接続されており、制御弁105Bの操作により燃焼排ガスの一部が排熱回収ボイラー4へ導かれるよう構成されている。
【0064】
このような構成において、電池スタック10の燃料極101及び空気極102においてそれぞれ発生した燃料極排ガスと空気極排空気は、前記燃焼室105へ導入され、この燃焼室105内で燃焼される。かかる燃焼によって、電池スタック10が高温燃料電池の動作温度付近に保温されることになる。
【0065】
このように燃料極排ガスと空気極排空気とが電池スタック10の燃焼室105で燃焼されるが、かかる燃焼により高温(400〜600℃程度)の燃焼排ガス105Gが生成される。本実施例では、この高温燃焼排ガス105Gを、配管路105Mを通して改質器22へ導き、当該改質器22の炉内加熱用熱源として活用する。すなわち燃焼排ガス105Gが保有する熱によって改質器22が動作されるのであるが、もし燃焼熱が改質器22の動作のために十分でない場合は、改質器バーナ221を作動させて追い炊きするようにしても良い。
【0066】
さらに、前記制御弁105Bを制御することで、前記燃焼排ガス105Gの一部又は全部を、バイパス配管路105Sを通して排熱回収ボイラー4へ導入可能な構成としているので、例えば、制御弁105Bを調整して燃焼排ガス105Gの半分を改質器22の炉内加熱用に、残り半分を排熱回収ボイラー4の加温用に導いて、熱回収を図るようにすることができる。或いは、加圧低温型燃料電池2を停止させているときは、燃焼排ガス105Gを全量バイパス配管路105Sに流して排熱回収ボイラー4の加温用へ導いたり、若しくは燃焼排ガス105Gの一部を、再起動時間を短縮するために改質器22をホットバンキング状態に保つための加熱源として用いるようにしても良い。
【0067】
以上説明したハイブリッド型燃料電池システムの実際上の効果を確認すべく、発電効率や排熱効率等について計算した。ここでは、常圧高温型燃料電池1として固体電解質型燃料電池(SOFC)を、加圧低温型燃料電池2としてりん酸形燃料電池(PAFC)を使用した場合に基づいて計算している。なお、SOFCでは、その燃料極排ガス温度及び空気極排空気温度の双方共に500〜600℃となり、一方PAFCの空気極排空気温度は550℃でSOFCとほぼ同等、燃料極排ガス温度は183℃でSOFCの方が高いが燃料流量の空気量に対する割合は約15%と少なく、温度差の影響は僅かであると考えられる。
【0068】
検討条件として、SOFCの容量を5000kWとし、以下の条件の下、その効率に対する排熱量を下記(1),(2)のように定めた。
[条件]
燃料の発熱量;11000kcal/Nm3
燃料エネルギーの費消配分;発電=50%、排熱=40%、放熱=10%
排ガスを燃焼させたときの燃焼ガス温度;1200℃
燃焼ガスの改質器出口温度;500℃
(1)SOFCシステムの発電効率が50%の場合
燃料流量;5000×860×100/(11000×50)=782Nm3/h
排熱エネルギー;782×11000×0.4=3440Mcal/h
改質器で利用可能なエネルギー量;
3440×(1200−500)/1200×0.9=1806Mcal/h
(2)SOFCシステムの発電効率が45%の場合
燃料流量;5000×860×100/(11000×45)=868Nm3/h
排熱エネルギー;868×11000×0.4=3820Mcal/h
改質器で利用可能なエネルギー量;
3820×(1200−500)/1200×0.9=2005Mcal/h
【0069】
上記の通り、SOFCの燃料極排ガス空気極排空気を利用した場合の排熱量は、発電効率が45%の場合は3820Mcal、発電効率が50%の場合は3440Mcalとなる。
【0070】
一方、加圧りん酸形燃料電池(PAFC)としては、国家プロジェクトで実施された都市エネルギーセンター型5000kW容量のPAFCの例があり、このシステムの設計値を採用した。このPAFCシステムの仕様を図3に示す。
【0071】
図4に記載の通り、改質器バーナには燃料極排ガスとして183℃,2360Nm3/h、空気極排空気として550℃,15000Nm3/h程度の燃料や空気を利用しており、この熱量でPAFCの改質器で必要とする水素ガスを製造している。
当該改質器バーナで必要とする熱負荷は約3600Mcalであり、上記SOFCの排熱エネルギーに相対して0.95(発電効率50%)〜1.06(発電効率45%)の容量になり、これを当てはめるとSOFCが5000kW容量のときのPAFC容量は4750(発電効率50%)kW〜5300kW(発電効率45%)程度となる。これは、最大容量であり、実際は1000〜3000kW程度になると予想されるが、ここではSOFCもPAFCも5000kW 容量として検討する。
【0072】
本発明においては、上記PAFC(加圧低温型燃料電池2)から排出される燃料極排ガス201Gと空気極排空気202Gは、ターボコンプレッサー発電機3の駆動エネルギーとして利用される。5000kW容量の加圧PAFCシステムの場合は、タービン32への入口ガス条件として6kg/cm2,280℃,13210Nm3/hの排ガスを利用して1800kWの発電が可能である。これに対し、本発明のハイブリット型燃料電池システムでは、6kg/cm2,190〜200℃の水素を20%含む燃料極排ガス201Gや空気極排空気202Gを、バーナ31で燃焼させて高温排ガスを製造する。従って、1200〜1300℃程度の高温燃焼ガスをガスタービン32に供給して高効率で運転することが可能である。このエネルギーを利用して、1200℃から500℃までガスタービン32にて発電機30を駆動した場合、ガスタービン32に供給されるエネルギーは2508Mcalであり、ガスタービンの効率を約90%、発電機効率98%として計算すると、次式の通り2572kWの発電が可能となる。
2508Mcal×0.9×0.98/860=2572kW (5000kW改質器の場合)
しかしながら、電池スタック20の空気極202へ反応空気を供給するためのコンプレッサー34が必要となり、5000kW級の6kg/cm2・PAFCには約1300kW相当の動力を要し、このためターボコンプレッサー発電機3としての正味の発電量は約1270kW相当となる。
【0073】
以上を前提にして5000kW級SOFC−PAFCハイブリッドシステムの発電効率について計算すると、
常圧5000kW SOFCシステム:送電端効率50%(HHV)の必要NG量は782Nm3/h、
加圧5000kW PAFCシステム:送電端効率42%(HHV) の必要NG量は862Nm3/h、
となり、従って発電効率は、
[5000 kW(SOFC)+5000 kW(PAFC)+1270 kW(TCG)]×860×100/[(782+862)×11000]=53.6%
となる。一方、従来の常圧5000kW級SOFCシステムで送電端効率45%(HHV)の場合の発電効率は、SOFCの燃料量は869Nm3/h、PAFCの燃料量は862Nm3/hであるから、
[5000 kW(SOFC)+5000 kW(PAFC)+1270 kW(TCG)]×860×100/[(869+862)×11000]=50.9%(1200℃から500℃までガスタービンで利用/効率計算の詳細は図5参照)
であることから、本発明にかかるハイブリッドシステムは、常圧SOFC、又は加圧PAFCの単純システムとほぼ同等の発電効率が得られることがわかる。
【0074】
なお、本実施例では改質器バーナ221の燃焼排ガス22Gやターボコンプレッサー排ガス32Gは排熱回収ボイラー4に送るよう構成している。そして排熱回収ボイラー4で発生する蒸気を、タービン32に導入可能としており、実際に蒸気を導入して発電した場合はさらに発電量が増加する。
【0075】
[第三実施例]
本発明において、加圧低温型燃料電池2で発生する蒸気を活用すべく、前記のターボコンプレッサー発電機3に加えて、ボトミングサイクルとしての蒸気タービン発電システム5を設置して発電するようにすると、発電量をさらに増加することができるので好ましい。図3にこのような蒸気タービン発電システム5を含むハイブリッド型燃料電池システムの構成例を示している。
【0076】
図3において、常圧高温型燃料電池1と加圧低温型燃料電池2とを併設し、これらに加え、ターボコンプレッサー発電機3と排熱回収ボイラー4とをハイブリッド化している点では、前述の図1に示した実施例と同様であるが、本実施例ではこれらに追加して蒸気タービン発電システム5を設置している。該蒸気タービン発電システム5は、蒸気タービン52、発電機50、及び復水器53を備えている。蒸気タービン52へ供給される蒸気としては、電池スタック20の冷却系統を担う水蒸気分離器28が発生する蒸気28Sと、排熱回収ボイラー4の蒸気発生器41が発生する蒸気41Sを利用する。
【0077】
前記蒸気28Sは配管路28Mで、蒸気41Sは配管路41Mで、それぞれ水蒸気分離器28及び蒸気発生器41から導出され、これら配管路28M,41Mが蒸気タービン52へ直結されているメイン配管路5Mへ送られ、これにより蒸気タービン52が回転され、発電機50が駆動されて発電を行う。蒸気タービン52を作動させた後の排出蒸気52Sは、復水器53へ導入される。そこで発生した回収水は、例えば前記蒸気発生器41へ送り、新たな蒸気発生用に用いることができる。
【0078】
このようなハイブリッド型燃料電池システムの発電効率を算出した。
まず、5000kW改質器の必要熱量は前述の通り3440Mcalであるので、1200℃から500℃までタービンで利用するとして、改質器22からの排熱エネルギー量は、有効に利用できる正味の熱量を1/2と仮定すると
3440Mcal/h×1/2×500/1200=716Mcal/h
また、ターボコンプレッサー3からの排熱エネルギー量(500℃)は、1200℃→500℃のエンタルピ変化は2500Mcal/h(5000kW)であるから、
2500Mcal/h×1/2×5/7=892Mcal/h
従って、排熱回収ボイラーでの流入総熱量は、
716Mcal/h+892Mcal/h=1608Mcal/h
となる。この熱量を使用し、蒸気サイクルの発電効率を約30%と仮定すると、発電出力は、
1608000kcal/h×0.3÷860=561kW
であるので、システム全体の発電効率は、
[5000 kW(SOFC)+5000 kW(PAFC)+1270 kW(TCG) +561kW(ST)]×860×100/[(782+862)×11000]=56.3%
となる。この計算では、水蒸気分離器28が発生する蒸気分を加えておらず、この蒸気もボトミングサイクルの蒸気タービン52に導入して発電すると発電量はさらに増加し、加圧SOFCとタービン発電機とのハイブリッドシステムの発電効率である57%とほぼ同レベルを達成できることになる。
【0079】
ところで、図7(a)に示した如き加圧SOFC単体とタービン発電機とを組み合わせたハイブリットシステムは、前述したようにSOFCの性質上、起動停止や負荷変化が困難で年間を通してほぼ一定運転せねばならないという運用上の大きな課題がある。従って、発電効率が高レベルであっても、著しい運用制限が課せられているといえる。この点、本発明のハイブリッドシステムによれば、SOFC(常圧高温型燃料電池1)自体の負荷変化は75〜100%であるものの、PAFC(加圧低温型燃料電池2)については起動停止が可能で、負荷変化幅は30〜100%の範囲で対応可能である。ゆえに、システム全体としては40〜100%の負荷範囲で負荷調整が可能となり、最低負荷が小さくできるために、深夜の燃料電池運用性の向上や設置できるに燃料電池容量が大きくなり、経済的なメリットが生じる。
【0080】
このように高効率であるが負荷変動への対応や起動停止が困難な高温型燃料電池と、効率は若干低いが負荷変化や起動停止を自由に行える低温型燃料電池とを組み合わせることにより、ベース負荷を前者の燃料電池で分担し、ベース負荷よりも高い部分を後者の燃料電池で分担して、システム全体の効率を改善することを可能としているのが本発明の基本構成である。前者の例としては固体電解質形燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)が挙げられ、後者の例としてはりん酸形燃料電池(PAFC)や固体高分子形燃料電池(PEFC)が挙げられる。本発明においては、これらの中から適宜常圧高温型燃料電池1及び加圧低温型燃料電池2を選択してシステムを構築することができる。なお、PEFCを選定する場合、電池に入る燃料ガスを温度は80℃程度、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は10ppm以下にする必要があり、一酸化炭素選択酸化器を設置する必要がある。
【0081】
また発電容量に対する適性としては、PAFCが50kW〜11MWと比較的大型の発電容量に適しているのに対し、PEFCは1kW〜250kWと比較的小容量機に適している。このため、数kW〜250kW級の業務用の場合はSOFC−PEFC−TCG(ターボコンプレッサー発電機)ハイブリッドシステムが適している。なお、PEFCはPAFCよりも発電効率は低いが、将来的にはPAFCよりも低コストで製造できる可能性もあり、発電効率よりもコストを重視するならば、大容量機でもPEFCが採用される可能性がある。
【0082】
本発明においては、加圧低温型燃料電池2が加圧変圧運転を実行可能としておくことが望ましい。ここで加圧変圧運転とは、燃料電池の動作圧力を加圧〜常圧へ切り替え可能として運転することをいう。図6に各負荷率における、加圧形と常圧形のりん酸形燃料電池(PAFC)の発電効率を示す。定格負荷での発電効率が高いのは加圧型であるが、加圧型によると本発明のシステムおいてはターボコンプレッサー発電機5のコンプレッサー34の最低負荷が75%負荷に制約されるため、75%以下の負荷では所内動力が増加して発電効率が大幅に低下する。一方、常圧型では、電池スタックに常圧空気を送る空気ブロワーの負荷は小さくできるために、所内動力の大幅な低下は発生せず、部分負荷での発電効率の低下は僅かである。
【0083】
このような両者の特徴を生かすためには、燃料電池の動作圧力を定格では加圧、最低負荷では常圧として、その間は圧力をスライドした変圧運転とすればよい。その結果PAFCの発電効率は図6の一点鎖線に示すように、最低負荷から定格負荷の間で高い状態にでき、経済的な運用が可能となる。従って本発明のシステムにおいても、加圧低温型燃料電池2の電池スタック20内の動作圧力を、このような加圧変圧運転が可能なように制御し、発電効率を高めるよう運用することが望ましい。具体的には、燃料極201へ送る燃料NG1を昇圧する燃料昇圧コンプレッサー2C、及び空気極202へ加圧空気Aを送るコンプレッサー34の出力を、負荷に応じて制御すればよい。
【0084】
【発明の効果】
以上説明した通りの本発明のハイブリッド型燃料電池システムによれば、常圧高温型燃料電池はほぼ一定格負荷運転をし、加圧低温型燃料電池とターボコンプレッサー発電機などのタービン発電機とが、負荷変化や起動停止を行うために、システム全体としては40〜100%程度の幅広い負荷変化に対して対応可能となる。このため、高温型燃料電池設置時の欠点である需要家の最低負荷相当の設置容量に縛られずに、より大容量機の設置が可能となり運用性が向上するという効果を奏する。
【0085】
また、加圧低温形燃料電池の改質器の炉内加熱燃料として、常圧高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを使用する構成であり、つまりハイブリッド化した一方の燃料電池の燃料極排ガス・空気極排空気を用いて他方の燃料電池の発電を行う構成であるから、システムの発電効率を向上させることができる。加えて、ガスタービンや蒸気タービンのボトミングサイクルを組み込むことにより、加圧高温型燃料電池単体とガスタービンとを組み合せた従来方式と同等の発電効率が得られると共に、上記のように負荷変化や起動停止に柔軟に対応できる、高効率で運用性の高いハイブリッドシステムを構築することができるという効果もある。
【0086】
さらに、需要負荷が低いときは加圧低温型燃料電池を停止するよう運用すれば、システム全体での最低負荷が切り下げられ、広い負荷領域での運用が可能となって、システムの経済性を向上させることができる。また、熱需要が多く、電気需要が低いときにも加圧低温型燃料電池を停止し、常圧高温型燃料電池が発する排熱を排熱回収ボイラー等で積極的に利用して蒸気や高温水を多く発生する運転モードにすることにより、システム全体の広い負荷領域で熱需要に応じた熱を発生させることが可能となる。これにより、需要家別の電気・熱需要の変化や、季節による熱需要の変化にも柔軟に対応することが可能となるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるハイブリッド型燃料電池システムの第一実施例を示すブロック図である。
【図2】本発明にかかるハイブリッド型燃料電池システムの第二実施例を示すブロック図である。
【図3】本発明にかかるハイブリッド型燃料電池システムの第三実施例を示すブロック図である。
【図4】5000kW加圧型PAFCの仕様を示す表形式の図である。
【図5】図4の仕様に基づいたタービン発電機の出力計算をした表形式の図である。
【図6】常圧型と加圧型のりん酸型燃料電池(PAFC)の発電効率を示すグラフ図である。
【図7】従来の高温型燃料電池の一例を示すブロック図である。
【図8】従来の低温型燃料電池の一例を示すブロック図である。
【図9】需要家の負荷パターンの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 常圧高温型燃料電池
101G 燃料極排ガス
102G 空気極排空気
105G 燃焼排ガス
11,21 脱硫器
2 加圧低温型燃料電池
201G 燃料極排ガス
202G 空気極排空気
22 改質器
221 改質器バーナ
28 水蒸気分離器
3 ターボコンプレッサー発電機(タービン発電機)
31 (タービン回転用)バーナ
32 タービン
33 クラッチ
34 コンプレッサー
4 排熱回収ボイラー
41 蒸気発生器
5 蒸気タービン発電機
51 タービン
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention hybridizes a normal-pressure high-temperature fuel cell and a pressurized low-temperature fuel cell as a power source for business or private power generation facilities having a power generation capacity of several kW to several hundred MW, and an electric power business. The present invention relates to a hybrid fuel cell system having both high power generation efficiency and wide load operability.
[0002]
[Prior art]
As one of the categories for classifying the fuel cell, there is a classification according to the operating temperature of the battery, which is roughly divided into a high-temperature fuel cell (for example, Patent Document 1) having an operating temperature of about 600 to 1000 ° C. and an operating temperature of 200 ° C. There are low-temperature fuel cells of less than about. In addition, there is a division depending on whether fuel gas and air to be supplied to the battery stack are supplied in a pressurized state, a pressurized fuel cell that supplies pressurized gas, and a normal pressure type (low pressure) that supplies without pressing Type) fuel cell.
[0003]
FIG. 7 is a block diagram showing an outline of a system configuration of a solid oxide fuel cell (SOFC), which is a typical high temperature fuel cell. FIG. 7 (a) shows a pressurized SOFC, and FIG. 7 (b) shows a normal pressure type. Each SOFC is shown. In FIG. 7 (a), the fuel NG such as city gas is desulfurized by removing sulfur from the desulfurizer 71 and added with water vapor, and then heated by the preheater 72, and the operating temperature is 700 to 1000 ° C. It is introduced into the SOFC battery stack 70. While being reformed into hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide inside the battery stack 70, most of the hydrogen and carbon monoxide react with oxygen ions at the fuel electrode 701 to generate electricity. On the other hand, the air electrode 702 of the battery stack 70 takes in oxygen in the air and ionizes it, and the oxygen ions diffuse into the electrolyte 703 and move to the fuel electrode 701. In the case of the pressurized type, it is necessary to send pressurized air to the air electrode 702. In this example, the compressor 743 is operated by a turbine 741 described later, and this is sent to the air electrode 702. .
[0004]
The basic configuration of the atmospheric pressure type SOFC shown in FIG. 7B is substantially the same as that of the pressurized type SOFC. However, since the pressurized air is not sent to the air electrode 702, the difference is that normal pressure air is sent to the air electrode 702 by the air supply device 76 including the electric motor 760 and the blower 761.
[0005]
In such an SOFC, the utilization rate of hydrogen at the fuel electrode 701 is generally 70 to 80%, and the remaining hydrogen is discharged as fuel electrode exhaust gas. Further, the oxygen utilization rate in the air at the air electrode 702 is 50 to 60%, and the remaining air is discharged as air electrode exhaust air. These fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air are burned in a combustion chamber incorporated in the battery stack or an externally installed burner, and are used to maintain the battery stack at a high temperature, and then a high temperature gas of 400 to 600 ° C. As discharged.
Thus, utilization of these fuel electrode exhaust gas, air electrode exhaust air, or these combustion exhaust gas is important for improving the operability and economic efficiency of the fuel cell.
[0006]
By the way, in the case of the normal pressure type SOFC shown in FIG. 7B, these fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air, or these combustion exhaust gas are also at normal pressure, and therefore these fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air, or combustion The exhaust gas is also sent to the exhaust heat recovery boiler 75 via the heat exchanger 73, and is used as a burner fuel or heating heat source for the boiler, and is only used for producing steam and high-temperature water. However, when it is used as a heat source for heating a boiler, it can only generate heat that is less valuable than electricity. In addition, there is a problem in that it is not economical because the necessity of heat utilization itself disappears when the heat demand is low such as in summer.
[0007]
On the other hand, in the case of the pressurized SOFC shown in FIG. 7 (a), the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air, or these combustion exhaust gases are also high in pressure, for example, burner fuel of a gas turbine generator or high temperature / high pressure driving gas. Can be used as FIG. 7A shows an example in which such a power generation device 74 is arranged on the rear stage side of the battery stack 70.
The fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air discharged from the battery stack 70 are burned in the burner of the combustion chamber 704 in the battery stack 70 to become combustion exhaust gas, and are supplied to the power generator 74 via the heat exchanger 73. , And used as an energy source for driving the gas turbine 741. Reference numeral 75 denotes an exhaust heat recovery boiler for recovering the exhaust energy of the gas turbine 741. The gas turbine 741 operates the generator 742 to generate electricity, and also operates the compressor 743 to generate compressed air, and supplies the compressed air to the air electrode 702 of the battery stack 70. Thus, in the pressurized SOFC, it becomes possible to obtain the pressurized air for reaction at the electricity and the air electrode 702 from the surplus fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air, or these combustion exhaust gas, and the fuel electrode Exhaust gas and air electrode exhaust air, or these combustion exhaust gas can be used effectively.
[0008]
Another example of the high-temperature fuel cell is a molten carbonate fuel cell (MCFC). In the case of MCFC, the temperature of the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air from the fuel cell is about 400 to 500 ° C., slightly lower than that of SOFC (500 to 1000 ° C.). Regarding the system configuration, since the battery operating temperature is low, there is no need to keep the battery stack warm by burning the fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air, so the fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air are removed from the battery stack. It can be taken out and used separately.
[0009]
As described above, it is necessary to employ a pressurized type in order to generate power by using the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air from the SOFC or MCFC battery stack, or these combustion exhaust gases in the gas turbine. However, when the pressure type is used, the power generation efficiency of the SOFC and MCFC fuel cell main body is higher than that of the normal pressure type, but the pressure resistance of the seal part in the battery stack is required to be strict, and the system becomes complicated and difficult to control. Since problems from other viewpoints such as this occur, it is generally difficult to say that the pressure type is superior to the normal pressure type. In particular, since there are few merits in adopting the pressurization type for business use of about tens of kW or in-house power generation of about several hundred kW, considering the manufacturing cost and technical difficulty, this class is normal pressure type. Is the main force. Currently, 3 to 5 kW, several tens of kW, and 200 kW classes are developed as high-temperature fuel cells, and are gradually being introduced to the market.
[0010]
Next, examples of the low temperature fuel cell include a phosphoric acid fuel cell (PAFC) and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). FIG. 8 is a block diagram showing the system configuration of PAFC. The fuel NG such as city gas is separated into hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide while being reformed inside the reformer 82 which has been subjected to removal of sulfur by the desulfurizer 81 and steam is added to 700 to 800 ° C. Is done. Through the heat exchanger 83, the carbon monoxide is converted into hydrogen and carbon dioxide by the carbon monoxide converter 84, and the carbon monoxide concentration is set to a certain value (several%) or less. Thereafter, the mixed gas is introduced into the PAFC battery stack 80, and most of the introduced hydrogen becomes hydrogen ions at the fuel electrode 801, and the hydrogen ions move to the air electrode 802 through the electrolyte 803. Pressurized air is introduced into the air electrode 802, oxygen in the air is taken in and ionized, and the oxygen ions and the hydrogen ions that have moved to the air electrode 802 react to generate electricity. is there.
[0011]
In general, in the PAFC, the utilization rate of hydrogen at the fuel electrode 801 is 70 to 80%, and the remainder is discharged as fuel electrode exhaust gas 801G. Further, the oxygen utilization rate in the air at the air electrode 802 is 50 to 60%, and the remainder is discharged as air electrode exhaust air 802G. The fuel electrode exhaust gas 801 </ b> G and the air electrode exhaust air 802 </ b> G are introduced into the burner 821 of the reformer 82 and are used effectively as fuel for heating the reformer 82.
[0012]
On the other hand, PEFC has a battery operating temperature of 180 to 200 ° C., whereas PEFC is about 80 to 100 ° C., which is a relatively low temperature among low temperature fuel cells. Although there is a difference that the carbon monoxide concentration in the reformed gas composition entering the cell needs to be 10 ppm or less, it is basically the same system configuration as PAFC.
[0013]
The PAFC and PEFC also have a pressure type and a normal pressure type. When compared with the power transmission end power generation efficiency (HHV), the normal pressure type is 36 to 38%, whereas the pressure type is 41 to 42%. Therefore, it can be said that the pressurization type is preferable when the power source is used for the electric power business or the electric power generation equipment. However, the pressurization type has problems such as complicated system and difficult control, and the manufacturing cost and technical difficulty are high. Therefore, there is little merit even if the pressurization type is adopted as a facility for private power generation in a factory of about several tens of kW or a factory of about several hundred kW, and the normal pressure type is generally popular.
[0014]
In recent years, 3 to 5 kW, 30 kW, and 200 kW grades of PEFC for business use have been developed and are gradually being introduced to the market. Further, as factory PAFCs, 50 kW, 100 kW, 200 kW, 500 kW, and further 1000 kW class are being developed.
[0015]
[Patent Document 1]
JP 2001-76750 A
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The electricity and heat load demands of consumers vary depending on the industry, scale, day and night, or season of the consumer. As an example, FIG. 9 shows changes in the daily power / heat load demand of an office building for each season. In this way, the load changes depending on the season such as summer, winter, and intermediate period, and even during the day or even in the time zone. To operate a fuel cell of several kW to several hundred kW economically, Therefore, it is necessary to drive the system so as to follow the fluctuation of the load well and to reduce the generation of excess electricity and heat as much as possible.
[0017]
Despite such demands, the high-temperature fuel cell has a characteristic that its load change and start / stop are extremely limited due to its structure. That is, in the case of a solid electrolyte battery (SOFC), since the operating temperature of the battery is as high as 700 to 1000 ° C., the battery stack needs to be made of a heat-resistant material such as a ceramic material. Since a wide range of temperature changes ranging from room temperature to 1000 ° C will occur, and if this is repeated, cracks may occur in the ceramic material. I can't.
In addition, regarding the load change, it is said that only a load change of about 75 to 100% is allowed because the battery temperature is lowered when the load is lowered.
[0018]
The situation is almost the same in the case of a molten carbonate fuel cell (MCFC), and the tolerance for start / stop and load change is extremely small. In fact, when the operation of a high-temperature fuel cell is stopped due to periodic inspections, etc., it takes several tens of hours to several days to restart. Overall, the high-temperature fuel cell has high power generation efficiency but is flexible. It is evaluated that it cannot respond to start / stop and load fluctuation.
[0019]
For this reason, when installing a high-temperature fuel cell, a fuel cell having a capacity equivalent to the minimum load of the consumer is installed, and the design of a fuel cell system that can be operated at a substantially constant load throughout the year is aimed at. However, in reality, the demand for electricity and heat load is very small during holidays and late at night, so if the minimum load is matched as described above, the capacity of the fuel cell that can be installed must be a very small capacity machine. For example, in the power load pattern of an office building shown in FIG. 9, although there is a power load of about 30 kW in the daytime, it is only about 5 kW at night or on holidays, so only a high temperature fuel cell of about 5 kW is available. There is an inconvenience that it cannot be installed.
[0020]
In contrast, low-temperature fuel cells such as phosphoric acid fuel cells (PAFCs) and polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) can be said to have a strong resistance to starting and stopping and load changes. In the case of PAFC, since the battery operating temperature is as low as about 200 ° C., a large heat change is not added to the battery stack even when starting and stopping, and the allowable range of load change is as wide as 30 to 100%. For example, “WSS operation” in which activation and suspension are performed about once a week can be sufficiently handled. In the case of PEFC, the operating temperature is even lower, about 80 to 100 ° C, and the allowable range of load change is 30 to 100%. It can be used for "DSS operation" that starts and stops once a day. is there. However, low-temperature fuel cells generally have a fundamental problem that power generation efficiency is considerably lower than that of high-temperature fuel cells, and there is a problem that it is difficult to economically operate a fuel cell system with a low-temperature fuel cell alone.
[0021]
On the other hand, as described above, in the case of an atmospheric pressure type fuel cell, the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air, or these combustion exhaust gases can be used only to the extent that they can be used as burner fuels for various boilers. The fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air, or the combustion exhaust gas thereof are also at a high pressure, and it is possible to construct a cogeneration system using, for example, a burner fuel for a gas turbine generator.
[0022]
In view of such circumstances, the inventor of the present invention has a high-efficiency high-temperature fuel cell, a low-temperature fuel cell with low power generation efficiency but high operability, a normal pressure type that can constitute a system relatively easily, and a fuel The present invention has been completed by conceiving that the pressurized type capable of effectively utilizing the polar exhaust gas and the polar exhaust air is effectively combined by making use of the respective characteristics and economically operated as the entire power generation system. That is, the present invention hybridizes a high-temperature fuel cell and a low-temperature fuel cell, and effectively uses the energy of the high-temperature exhaust gas of the high-temperature fuel cell and the energy of the high-pressure exhaust gas of the pressurized fuel cell. An object of the present invention is to provide a hybrid fuel cell system with high efficiency and high operability.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a hybrid fuel cell system according to claim 1 of the present invention is a hybrid fuel cell system including an atmospheric pressure high temperature fuel cell, a pressurized low temperature fuel cell, and a turbine generator. Then, the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air of the normal pressure high temperature fuel cell are used as fuel for heating in the furnace of the reformer provided in the pressurized low temperature fuel cell, and the pressurized low temperature fuel The fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air of the battery are configured to be used as a turbine drive source of the turbine generator.
[0024]
The hybrid fuel cell system according to claim 2 is a hybrid fuel cell system comprising an atmospheric pressure high temperature fuel cell, a pressurized low temperature fuel cell, and a turbine generator, wherein the atmospheric pressure high temperature fuel cell. The combustion exhaust gas produced by burning the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air is used as a heat source for in-furnace heating of the reformer provided in the pressurized low temperature fuel cell, and the pressurized low temperature fuel The fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air of the battery are configured to be used as a turbine drive source of the turbine generator.
[0025]
According to such a configuration, first, regarding operability, the (normal pressure) high-temperature fuel cell and the (pressurized) low-temperature fuel cell are combined, which is a drawback of the above-described high-temperature fuel cell. The low temperature fuel cell can flexibly compensate for the problem of rigidity against start-stop and load fluctuation. For example, if a high temperature fuel cell is loaded with a capacity corresponding to the minimum load of a consumer, and a low temperature fuel cell is loaded with a capacity obtained by subtracting the minimum load from the peak load, both of them are always used. The system can be operated efficiently, such as driving and stopping the operation of the low-temperature fuel cell on holidays or late at night.
[0026]
Secondly, regarding the efficiency of energy recovery, according to the present invention, since it is a configuration combining a normal pressure (high temperature) type fuel cell and a pressurized (low temperature) type fuel cell,
(1) The reformed gas supplied to the fuel electrode of the pressurized low-temperature fuel cell by operating the reformer with the fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air of the normal pressure (high temperature) type fuel cell or these combustion exhaust gas Is generated, and a pressurized (low temperature) fuel cell generates electricity.
(2) The turbine generator is operated using the fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air of the pressurized (low temperature) type fuel cell as driving sources to generate electricity.
The usage relationship is established. In other words, the fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air of the normal pressure high-temperature fuel cell, or these combustion exhaust gases themselves are at high temperature but are at normal pressure. For example, a turbo compressor generator cannot be driven immediately, but reforming By using it as a heating heat source for the generator, a reformed gas for the fuel electrode of a pressurized low-temperature fuel cell is generated and the generator is driven by the exhaust gas. Is something that can be done.
[0027]
The hybrid fuel cell system according to claim 3 is the system according to claim 1 or 2, wherein the turbine generator is a turbo compressor generator, and the fuel electrode exhaust gas of the pressurized low-temperature fuel cell is supplied to the turbo generator. It is used as fuel for a burner for driving a turbine of a compressor generator, and the air cathode exhaust air of the pressurized low-temperature fuel cell is used as an oxidant for combustion of the burner.
[0028]
With this configuration, the turbo compressor generator can be operated using the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air of the pressurized low-temperature fuel cell, and is based on the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air. Large power generation is possible.
[0029]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the hybrid fuel cell system according to the third aspect, wherein the turbo compressor generator includes at least a turbine, a generator, and a compressor for generating a pressurized gas, which are on one drive shaft. And the compressor is detachable from a power transmission system by the drive shaft via a clutch.
[0030]
If a compressor is provided in the generator as in this configuration, for example, compressed air to be sent to the air electrode of the pressurized low-temperature fuel cell can be generated by the compressor. However, in the system of the present invention, it is assumed that the pressurized low-temperature fuel cell is stopped according to the load as described above, so that the compressor does not need to be operated when stopped. In view of this, the clutch is configured to be able to be removed from the drive system when operation is unnecessary, thereby reducing power loss.
[0031]
The hybrid fuel cell system according to claim 5 is the system according to claim 1, further comprising an exhaust heat recovery boiler, wherein a part of the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air of the atmospheric pressure high temperature fuel cell is exhausted. It is characterized by being used as fuel by bypass supply to the drive burner of the heat recovery boiler.
[0032]
The hybrid fuel cell system according to claim 6 is the system according to claim 2, further comprising an exhaust heat recovery boiler, and is generated by burning the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air of the normal pressure high temperature fuel cell. A part of the exhausted combustion exhaust gas is bypass-supplied to the exhaust heat recovery boiler and used as a heat source for heating the exhaust heat recovery boiler.
[0033]
According to the configuration of claim 5 or 6, surplus fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air, or combustion exhaust gas thereof is used to produce steam, high temperature water, or low temperature water in an exhaust heat recovery boiler. In addition to the above, when the load of the pressurized low-temperature fuel cell being hybridized is changed or stopped (when the power of the reformer is changed or stopped), the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air, or These combustion exhaust gases can be bypassed, and a system with high operability can be constructed.
[0034]
  The hybrid fuel cell system according to claim 7 is the system according to claim 1 or 2, wherein the pressurized low-temperature fuel cell includes a water vapor separator.The steam separator includes a container having cooling water, and the cooling water is circulated through a circulation pipe line laid in a battery stack of the pressurized low-temperature fuel cell. Cooling, and by the coolingThe steam generated by the steam separator is used as a part of a turbine drive source of the turbine generator.
[0035]
If the steam separator is provided in this way, the generated steam can be used for a steam absorption type refrigerator heating device and the like, as well as the steam of the turbo compressor generator in the system of the present invention. By doing so, it can be effectively used as a power source for the generator. In addition, in summer when there is power demand but there is no heat load, the power generation can be increased and the heat generation can be reduced as much as possible. It is possible to construct a system that can flexibly respond to changes in the heat demand generated by the system.
[0036]
  The hybrid fuel cell system according to claim 8, wherein the exhaust heat recovery boiler is the system according to claim 5.Steam generator that generates steam insideComprisingSteam generatorThe steam generated by is used as a part of a turbine drive source of the turbine generator.
[0037]
Also in this configuration, the generated steam can be effectively used as a power source for the turbine generator.
[0038]
  The hybrid fuel cell system according to claim 9 is the system according to claim 1 or 2, wherein a steam turbine generator is additionally provided, and the pressurized low-temperature fuel cell is further provided with a steam separator. ,The steam separator includes a container having cooling water, and the cooling water is circulated through a circulation pipe line laid in a battery stack of the pressurized low-temperature fuel cell. Cooling, and by the coolingThe steam generated by the steam separator is used as a turbine drive source of the steam turbine generator.
[0039]
With such a configuration, it is possible to perform an operation such that the additionally provided steam turbine generator is operated using, for example, an excess of the steam generated by the steam separator of the pressurized low-temperature fuel cell. . In other words, when there is not much heat load demand, surplus exhaust heat is used to operate a steam turbine as a bottoming cycle to recover exhaust heat as electricity, and a hybrid fuel cell with further improved power generation efficiency It can be a system.
[0040]
  A hybrid fuel cell system according to claim 10 is the system according to claim 1 or 2, wherein an additional steam turbine generator is further provided.The surplus fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air of the normal pressure high temperature type fuel cell or the combustion exhaust gas thereof is used as an operation source, and a steam generator is provided inside the exhaust gas.An exhaust heat recovery boiler having the exhaust heat recovery boiler is provided.Steam generatorThe steam generated is used as a turbine drive source of the steam turbine generator.
[0041]
Also in this configuration, it is possible to construct a hybrid fuel cell system that can effectively utilize the surplus steam of the exhaust heat recovery boiler to recover exhaust heat as electricity and further improve power generation efficiency.
[0042]
The hybrid fuel cell system according to claim 11 is the hybrid fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, wherein the pressurized low-temperature fuel cell is capable of performing a pressure-transforming operation. Features.
[0043]
If the pressurized low-temperature fuel cell is subjected to pressure transformer operation, the minimum load decreases, and high power generation efficiency can be maintained even when partial load operation is unavoidable. Therefore, if the pressure-transforming operation can be performed, the system of the present invention as a whole can be a system that can be operated efficiently over a wide load range.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First embodiment]
FIG. 1 shows, as an example of a basic system according to the hybrid type fuel cell system of the present invention, an atmospheric pressure high temperature type fuel cell 1 and a pressurized low temperature type fuel cell 2 which are provided together with a turbo compressor generator 3. And a system that hybridizes the exhaust heat recovery boiler 4, and by effectively linking these elements, it is higher than the conventional combined system of pressurized high-temperature fuel cell and turbo compressor generator It provides a system with operability and economy.
[0045]
In FIG. 1, an atmospheric pressure high-temperature fuel cell 1 is an air supply device including an electric motor 130 and a blower 131 for sending air to a battery stack 10 as a battery main body, a desulfurizer 11, and an air electrode 102 of the battery stack 10. 13 is provided. First, the fuel NG1 supplied from the fuel source NG such as natural gas (which may be propane gas, naphtha, kerosene, etc.) is normally removed after the sulfur as an odorant contained in the fuel is removed by the desulfurizer 11. The pressure is supplied to the fuel electrode 101 of the battery stack 10.
[0046]
Here, for example, when a molten carbonate fuel cell (MCFC) is adopted as the atmospheric high-temperature fuel cell 1, the operating temperature of the battery stack 10 is about 650 ° C., and is sent to the battery stack 10 together with water vapor. While the fuel NG1 is reformed inside the battery stack 10 to hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide, most of the hydrogen and carbon monoxide react with carbonate ions at the fuel electrode 101 to produce water and carbon dioxide. Generate electricity and generate electricity. On the other hand, in the air electrode 102 of the battery stack 10, oxygen and carbon dioxide in the air are taken into carbonate ions, and these carbonate ions move to the fuel electrode 101 through the electrolyte 103, and carbonate ions as the reaction source. Supply.
[0047]
As described above, in the MCFC, the utilization rate of hydrogen in the fuel electrode 101 is generally about 70 to 80%, and the remaining hydrogen is discharged as the fuel electrode exhaust gas 101G. The oxygen utilization rate in the air at the air electrode 102 is about 50 to 60%, and the remaining air is discharged as air electrode exhaust air 102G. In the case of MCFC, the fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G are discharged separately from the battery stack 10. The discharged fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G are returned to the fuel system and the air system by the recirculation blower for effective use. A part of the fuel electrode exhaust gas 101G is sent to the air system, and carbon dioxide is supplied to the air electrode 102 for reuse. The surplus fuel electrode exhaust gas 101G and air electrode exhaust air 102G can also be used as a drive source for the gas turbine.
[0048]
In the present invention, the fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G are effectively used. That is, the fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G discharged from the battery stack 10 are modified to generate reformed gas for the pressurized low-temperature fuel cell 2 via the pipe lines 101M and 102M, respectively. It is configured to be supplied as fuel to the in-furnace heating burner 221 of the quality device 22.
[0049]
In addition, in order to utilize the combustion exhaust gas 22G of the burner 221, the combustion exhaust gas 22G is sent to the exhaust heat recovery boiler 4 via the heat exchanger 222, and heat recovery is performed. Inside the exhaust heat recovery boiler 4, steam, high-temperature water (about 90 ° C.), and low-temperature water (about 40 ° C.) are generated by the steam generator 41, the high-temperature water generator 42, and the low-temperature water generator 43, respectively. Used in applications such as refrigerators, heating and hot water supply. On the other hand, the combustion exhaust gas 22G recovered by heat is led out to the water recovery unit 44 after leaving the exhaust heat recovery boiler 4, and the water recovery unit 44 recovers and discharges moisture contained in the combustion exhaust gas 22G. It is discharged from the cylinder 45.
[0050]
Next, the pressurized low-temperature fuel cell 2 includes a desulfurizer 21, a reformer 22, heat exchangers 23 and 26, a carbon monoxide converter 24, a steam separator 25, and a battery main body as a basic configuration. A battery stack 20 is provided. In such a configuration, the fuel NG2 supplied from the fuel source NG is pressurized by the fuel pressurizing compressor 2C, sent to the desulfurizer 21, and the sulfur content is removed. It is sent after being preheated to about 500 ° C. to the reformer 22 operated by the fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G. The reforming side of the reformer 22 has a pressure reaction, and the combustion furnace side has a structure of normal pressure combustion.
[0051]
The desulfurized fuel and water vapor introduced into the reformer 22 are heated and reacted inside the reformer 22 heated to the reforming temperature, and separated into hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide to produce reformed gas. Generated. Subsequently, through the heat exchanger 23, carbon monoxide is converted into hydrogen and carbon dioxide by the carbon monoxide converter 24, and the reformed gas is subjected to removal of excess moisture by the steam separator 25. It is introduced into the fuel electrode 201 of the battery stack 20 through the heat exchanger 26.
[0052]
About 80% of the introduced hydrogen becomes hydrogen ions at the fuel electrode 201, and the hydrogen ions move to the air electrode 202. Pressurized air is introduced into the air electrode 202 from a compressor 34 described later, oxygen in the air is taken in and ionized, and the oxygen ions react with the hydrogen ions that have moved to the air electrode 202. It generates electricity. Here again, hydrogen and oxygen are not completely used at the fuel electrode 201 and the air electrode 202, and the unused amount is discharged from the battery stack 20 as excess fuel electrode exhaust gas 201G and air electrode exhaust air 202G.
[0053]
In the present invention, the fuel electrode exhaust gas 201G and the air electrode exhaust air 202 are also effectively used. That is, the turbo compressor generator 3 is disposed at the subsequent stage of the pressurized low-temperature fuel cell 2, and the generator is driven using the fuel electrode exhaust gas 201G and the air electrode exhaust air 202G discharged from the battery stack 20, It is configured to generate electricity. Specifically, the turbo compressor generator 3 includes a generator 30 and a turbine 32, and the turbine 32 is rotated by the combustion gas of the burner 31, and the fuel electrode exhaust gas 201G is used as the burner fuel to produce air. The polar exhaust air 202G is used as a combustion oxidant, and both are subjected to a combustion reaction in the burner 31, and the turbine 32 is driven by the combustion gas.
[0054]
The turbo compressor generator 3 further includes a turbine 32 and a generator 30 and a compressor 34 disposed on one drive shaft. The compressor 34 takes in outside air and is driven by the rotation of the turbine 32 to be compressed air. A is manufactured. The pressurized air A is sent to the air electrode 202 of the battery stack 20 and used as an operation source of the air electrode 202. A clutch 33 is interposed between the rotating shaft of the turbine 32 and the rotating shaft of the compressor 34, and when the pressurized air A is not required (the operation of the pressurized low-temperature fuel cell 2 is stopped). In this case, only the compressor 34 can be detached from the rotating shaft system so that power loss can be reduced. Further, the combustion exhaust gas 32G of the burner 31 after the turbine 32 is driven is guided to the exhaust heat recovery boiler 4 through the piping and is recovered.
[0055]
Incidentally, the battery stack 20 is provided with a water vapor separator 28 for cooling the cells. The water vapor separator 28 is provided with cooling water W in the container 280 and cools the water by separating the cooling water W through a circulation pipe line laid in the battery stack 20. The cooling water W that has vaporized by absorbing the heat in the battery stack 10 is returned into the container 280 and escaped from the container 280, but in this embodiment, in the pipe line 28 </ b> M from the container 280 to the turbine 32. The steam is guided to the turbine 32 and used as a driving source.
[0056]
In addition to this, in this embodiment, the pipe 41M is extended from the steam port of the steam generator (steam generator) 41 of the exhaust heat recovery boiler 4 and joined to the pipe 28M. The generated steam can be supplied to the turbine 32 of the turbo compressor generator 3. As a result, the turbo compressor generator 3 can be driven by the steam from the steam generator 41, the operation of the pressurized low-temperature fuel cell 2 is stopped, and the combustion gas of the burner 31 and the supply of steam from the steam separator are stopped. Even if not, the generator 3 can be operated. In such a case, it is desirable to reduce the rotational load of the turbine 32 by operating the clutch 33 to remove the compressor 34 from the drive shaft system.
[0057]
As described above, according to the hybrid fuel cell system in which the normal pressure high temperature fuel cell 1 and the pressurized low temperature fuel cell 2 are juxtaposed, the high efficiency (normal pressure) high temperature fuel cell 1, start / stop performance, Utilizing the characteristics of the low-pressure fuel cell 2 with excellent load changeability (pressurization), and operating only the normal-pressure high-temperature fuel cell 1 at night and on holidays, the pressurized low-temperature fuel cell 2 is stopped. The operation such that the normal-pressure low-temperature fuel cell 2 is also operated in accordance with the load is possible.
[0058]
Therefore, while the pressurized low-temperature fuel cell 2 is stopped, generation of reformed gas by the reformer 22 is not necessary, so the fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust gas of the normal pressure high-temperature fuel cell 1 are eliminated. The air 102G becomes surplus. Therefore, bypass piping passages 101S and 102S are provided in the middle of the piping passages 101M and 102M connecting the battery stack 10 and the reformer burner 221 to the burner 40 of the exhaust heat recovery boiler 4, The fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G are configured to be used for driving the exhaust heat boiler 4.
[0059]
Here, when the pressurized low temperature fuel cell 2 is stopped and the reformer 22 is cooled to room temperature, the reformer 22 is heated to an equivalent temperature when the pressurized low temperature fuel cell 2 is restarted. Power generation cannot be started until it is done, and it takes a long time to restart.
In order to eliminate such inconvenience, the energy of the fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G of the normal pressure high temperature fuel cell 1 is utilized, and the reformer 22 is stopped when the pressurized low temperature fuel cell 2 is stopped. It is desirable to keep the device in a hot banking state so that the time required for restarting is greatly reduced.
[0060]
Therefore, in the present embodiment, not all of the surplus fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G are supplied to the burner 40 of the exhaust heat recovery boiler 4, but a part thereof is modified in the pressurized low temperature fuel cell 2. The reformer 22 can be maintained in a hot banking state when the pressurized low temperature fuel cell 2 is stopped by introducing the combustion gas into the mass burner 221 and burning it, and introducing the combustion gas into the furnace of the reformer 22. It is configured as follows. When such a hot banking operation is performed, the control valves 101B and 102B are reformed by setting the flow path to the bypass piping lines 101S and 102S to “closed” when the pressurized low temperature fuel cell 2 is operating. The fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G are supplied only to the burner 221. When the pressurized low-temperature fuel cell 2 is stopped, the flow paths to the bypass piping lines 101S and 102S are changed to “open”. The fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G are controlled to be branched and supplied to the mass burner 221 and the burner 40 of the exhaust heat recovery boiler 4.
[0061]
Of course, even when the pressurized low-temperature fuel cell 2 is operating, when the load on the pressurized low-temperature fuel cell 2 may be small, or when there is a large heat demand, the control valves 101B and 102B are adjusted. Thus, the amount of the fuel electrode exhaust gas 101G and the air electrode exhaust air 102G supplied to the reformer burner 221 is reduced, and the amount of fuel sent to the burner 40 of the exhaust heat boiler 4 is increased so that steam, high temperature water, and low temperature water are supplied. The generation amount may be increased.
[0062]
[Second Example]
FIG. 2 is a block diagram showing a modified embodiment of the hybrid fuel cell system described in FIG. 1. The difference from the system of FIG. 1 is that the fuel electrode exhaust gas and air generated in the atmospheric high-temperature fuel cell 1 The system is configured such that combustion exhaust gas generated by burning polar exhaust air is used as a heat source for heating in the furnace of the reformer 22 of the pressurized low-temperature fuel cell 2. Hereinafter, this difference will be mainly described, and the description of the same points as the system shown in FIG. 1 will be omitted.
[0063]
In the present embodiment, the battery stack 10 of the atmospheric pressure high-temperature fuel cell 1 having a combustion chamber 105 therein is used. A piping path 105 </ b> M that guides the combustion exhaust gas to the reformer 22 is connected to the exhaust port of the combustion chamber 105. Further, a control valve 105B is interposed in the middle of the pipe line 105M, and a bypass pipe line 105S leading to the exhaust heat recovery boiler is connected to the control valve 105B. Is guided to the exhaust heat recovery boiler 4.
[0064]
In such a configuration, the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air respectively generated in the fuel electrode 101 and the air electrode 102 of the battery stack 10 are introduced into the combustion chamber 105 and burned in the combustion chamber 105. By such combustion, the battery stack 10 is kept warm near the operating temperature of the high-temperature fuel cell.
[0065]
As described above, the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air are burned in the combustion chamber 105 of the battery stack 10, and the combustion exhaust gas 105 </ b> G having a high temperature (about 400 to 600 ° C.) is generated by the combustion. In the present embodiment, this high-temperature combustion exhaust gas 105G is guided to the reformer 22 through the pipe line 105M and used as a heat source for heating the reformer 22 in the furnace. That is, the reformer 22 is operated by the heat held by the combustion exhaust gas 105G, but if the combustion heat is not sufficient for the operation of the reformer 22, the reformer burner 221 is operated to make additional cooking. You may make it do.
[0066]
Further, by controlling the control valve 105B, a part or all of the combustion exhaust gas 105G can be introduced into the exhaust heat recovery boiler 4 through the bypass pipe line 105S. For example, the control valve 105B is adjusted. Thus, half of the combustion exhaust gas 105G can be led for heating in the furnace of the reformer 22, and the other half can be led for heating the exhaust heat recovery boiler 4, so that heat recovery can be achieved. Alternatively, when the pressurized low-temperature fuel cell 2 is stopped, the entire amount of the combustion exhaust gas 105G is passed through the bypass pipe line 105S to guide the heating of the exhaust heat recovery boiler 4, or a part of the combustion exhaust gas 105G is used. In order to shorten the restart time, the reformer 22 may be used as a heating source for maintaining the hot banking state.
[0067]
In order to confirm the practical effects of the hybrid fuel cell system described above, the power generation efficiency and the exhaust heat efficiency were calculated. Here, the calculation is based on the case where a solid oxide fuel cell (SOFC) is used as the normal pressure high temperature fuel cell 1 and a phosphoric acid fuel cell (PAFC) is used as the pressurized low temperature fuel cell 2. In the SOFC, both the fuel electrode exhaust gas temperature and the air electrode exhaust air temperature are 500 to 600 ° C., while the PAFC air electrode exhaust air temperature is 550 ° C., which is almost equivalent to the SOFC, and the fuel electrode exhaust gas temperature is 183 ° C. Although the SOFC is higher, the ratio of the fuel flow rate to the air volume is as small as about 15%, and the influence of the temperature difference is considered to be slight.
[0068]
As examination conditions, the capacity of SOFC was set to 5000 kW, and the amount of exhaust heat with respect to the efficiency was determined as follows (1) and (2) under the following conditions.
[conditions]
Fuel calorific value: 11000kcal / NmThree
Expenditure allocation of fuel energy; power generation = 50%, exhaust heat = 40%, heat dissipation = 10%
Combustion gas temperature when exhaust gas is burned; 1200 ° C
Combustor gas reformer outlet temperature: 500 ° C
(1) When the power generation efficiency of the SOFC system is 50%
Fuel flow rate: 5000 x 860 x 100 / (11000 x 50) = 782 NmThree/ h
Waste heat energy: 782 x 11000 x 0.4 = 3440 Mcal / h
Amount of energy available in the reformer;
3440 × (1200−500) /1200×0.9=1806Mcal/h
(2) When the power generation efficiency of the SOFC system is 45%
Fuel flow rate: 5000 x 860 x 100 / (11000 x 45) = 868 NmThree/ h
Waste heat energy: 868 x 11000 x 0.4 = 3820 Mcal / h
Amount of energy available in the reformer;
3820 × (1200−500) /1200×0.9=2005Mcal/h
[0069]
As described above, the amount of exhaust heat when using SOFC fuel electrode exhaust gas air electrode exhaust air is 3820 Mcal when the power generation efficiency is 45%, and 3440 Mcal when the power generation efficiency is 50%.
[0070]
On the other hand, as a pressurized phosphoric acid fuel cell (PAFC), there is an example of an urban energy center type 5000 kW PAFC implemented in a national project, and the design value of this system was adopted. The specifications of this PAFC system are shown in FIG.
[0071]
As shown in FIG. 4, the reformer burner has 183 ° C. and 2360 Nm as the fuel electrode exhaust gas.Three/ h, 550 ° C, 15000 Nm as exhaust airThreeFuel / air of about / h is used, and the hydrogen gas required by the PAFC reformer is produced with this amount of heat.
The heat load required for the reformer burner is about 3600 Mcal, and the capacity is from 0.95 (power generation efficiency 50%) to 1.06 (power generation efficiency 45%) relative to the exhaust heat energy of the SOFC. When this is applied, the PAFC capacity when the SOFC is 5000 kW capacity is about 4750 (power generation efficiency 50%) kW to 5300 kW (power generation efficiency 45%). This is the maximum capacity and is actually expected to be about 1000 to 3000 kW, but here, SOFC and PAFC are considered as capacity of 5000 kW.
[0072]
In the present invention, the fuel electrode exhaust gas 201 </ b> G and the air electrode exhaust air 202 </ b> G discharged from the PAFC (pressurized low temperature fuel cell 2) are used as driving energy for the turbo compressor generator 3. In the case of a pressurized PAFC system with a capacity of 5000 kW, the inlet gas condition to the turbine 32 is 6 kg / cm.2, 280 ° C, 13210 NmThreePower generation of 1800 kW is possible using exhaust gas of / h. In contrast, in the hybrid fuel cell system of the present invention, 6 kg / cm.2The fuel electrode exhaust gas 201G and the air electrode exhaust air 202G containing 20% hydrogen at 190 to 200 ° C. are burned by the burner 31 to produce high temperature exhaust gas. Therefore, it is possible to operate with high efficiency by supplying high-temperature combustion gas of about 1200 to 1300 ° C. to the gas turbine 32. When the generator 30 is driven by the gas turbine 32 from 1200 ° C. to 500 ° C. using this energy, the energy supplied to the gas turbine 32 is 2508 Mcal, the efficiency of the gas turbine is about 90%, and the generator When calculated with an efficiency of 98%, it is possible to generate 2572 kW as shown in the following equation.
2508Mcal × 0.9 × 0.98 / 860 = 2572kW (in case of 5000kW reformer)
However, the compressor 34 for supplying the reaction air to the air electrode 202 of the battery stack 20 is required, and a 5000 kW class 6 kg / cm2PAFC requires about 1300 kW of power, so the net amount of power generated by the turbo compressor generator 3 is about 1270 kW.
[0073]
Based on the above assumptions and calculating the power generation efficiency of the 5000 kW class SOFC-PAFC hybrid system,
Normal pressure 5000kW SOFC system: NG required for transmission end efficiency 50% (HHV) is 782NmThree/ h,
Pressurized 5000kW PAFC system: NG required amount of 862Nm for transmission end efficiency 42% (HHV)Three/ h,
Therefore, the power generation efficiency is
[5000 kW (SOFC) + 5000 kW (PAFC) + 1270 kW (TCG)] x 860 x 100 / [(782 + 862) x 11000] = 53.6%
It becomes. On the other hand, in the case of a conventional atmospheric pressure 5000 kW class SOFC system with a transmission end efficiency of 45% (HHV), the fuel efficiency of SOFC is 869 NmThree/ h, PAFC fuel amount is 862 NmThree/ h, so
[5000 kW (SOFC) + 5000 kW (PAFC) + 1270 kW (TCG)] x 860 x 100 / [(869 + 862) x 11000] = 50.9% (Details of utilization / efficiency calculation with gas turbine from 1200 ° C to 500 ° C) (See Figure 5)
Therefore, it can be seen that the hybrid system according to the present invention can obtain almost the same power generation efficiency as that of a simple system of atmospheric pressure SOFC or pressurized PAFC.
[0074]
In this embodiment, the combustion exhaust gas 22G and the turbo compressor exhaust gas 32G of the reformer burner 221 are configured to be sent to the exhaust heat recovery boiler 4. The steam generated in the exhaust heat recovery boiler 4 can be introduced into the turbine 32. When the steam is actually introduced to generate power, the power generation amount further increases.
[0075]
[Third embodiment]
In the present invention, in order to utilize steam generated in the pressurized low-temperature fuel cell 2, in addition to the turbo compressor generator 3, a steam turbine power generation system 5 as a bottoming cycle is installed to generate power. This is preferable because the power generation amount can be further increased. FIG. 3 shows a configuration example of a hybrid fuel cell system including such a steam turbine power generation system 5.
[0076]
In FIG. 3, the normal pressure high temperature type fuel cell 1 and the pressurized low temperature type fuel cell 2 are provided side by side, and in addition to these, the turbo compressor generator 3 and the exhaust heat recovery boiler 4 are hybridized. Although it is the same as that of the Example shown in FIG. 1, in this Example, the steam turbine power generation system 5 is installed in addition to these. The steam turbine power generation system 5 includes a steam turbine 52, a generator 50, and a condenser 53. As the steam supplied to the steam turbine 52, steam 28S generated by the steam separator 28 that bears the cooling system of the battery stack 20 and steam 41S generated by the steam generator 41 of the exhaust heat recovery boiler 4 are used.
[0077]
The steam 28S is a pipeline 28M, and the steam 41S is a pipeline 41M, which is led out from the steam separator 28 and the steam generator 41, respectively, and these pipelines 28M and 41M are directly connected to the steam turbine 52. The steam turbine 52 is rotated by this, and the generator 50 is driven to generate power. The discharged steam 52S after operating the steam turbine 52 is introduced into the condenser 53. The recovered water generated there can be sent to, for example, the steam generator 41 and used for generating new steam.
[0078]
The power generation efficiency of such a hybrid fuel cell system was calculated.
First, since the required amount of heat of the 5000 kW reformer is 3440 Mcal as described above, the amount of exhaust heat energy from the reformer 22 is the net amount of heat that can be used effectively, assuming that it is used in a turbine from 1200 ° C. to 500 ° C. Assuming 1/2
3440Mcal / h × 1/2 × 500/1200 = 716Mcal / h
Also, the amount of waste heat energy (500 ° C) from the turbo compressor 3 is 2500 Mcal / h (5000 kW) because the change in enthalpy from 1200 ° C to 500 ° C is
2500Mcal / h × 1/2 × 5/7 = 892Mcal / h
Therefore, the total inflow heat in the exhaust heat recovery boiler is
716 Mcal / h + 892 Mcal / h = 1608 Mcal / h
It becomes. Using this amount of heat and assuming that the power generation efficiency of the steam cycle is about 30%, the power generation output is
1608000kcal / h × 0.3 ÷ 860 = 561kW
Therefore, the power generation efficiency of the entire system is
[5000 kW (SOFC) + 5000 kW (PAFC) + 1270 kW (TCG) + 561 kW (ST)] x 860 x 100 / [(782 + 862) x 11000] = 56.3%
It becomes. In this calculation, the steam component generated by the steam separator 28 is not added, and when this steam is also introduced into the steam turbine 52 of the bottoming cycle to generate power, the power generation amount further increases, and the pressurized SOFC and the turbine generator The power generation efficiency of the hybrid system can be almost the same as 57%.
[0079]
By the way, the hybrid system in which the pressurized SOFC alone and the turbine generator as shown in FIG. 7A are combined with the turbine generator, as described above, is difficult to start and stop or change in load due to the nature of SOFC. There is a major operational problem that must be met. Therefore, even if the power generation efficiency is high, it can be said that there are significant operational restrictions. In this regard, according to the hybrid system of the present invention, the load change of the SOFC (normal pressure high temperature fuel cell 1) itself is 75 to 100%, but the PAFC (pressurized low temperature fuel cell 2) is not started or stopped. It is possible, and the load change width can correspond in the range of 30 to 100%. Therefore, the load can be adjusted in the load range of 40 to 100% for the entire system, and the minimum load can be reduced. Therefore, the fuel cell capacity is increased to improve the operability and installation of the fuel cell at midnight. Benefits arise.
[0080]
By combining a high-temperature fuel cell that is highly efficient but difficult to respond to load fluctuations and difficult to start and stop, and a low-temperature fuel cell that is slightly less efficient but that can freely change load and start and stop, The basic configuration of the present invention makes it possible to share the load with the former fuel cell and share the portion higher than the base load with the latter fuel cell to improve the efficiency of the entire system. Examples of the former include solid oxide fuel cells (SOFC) and molten carbonate fuel cells (MCFC). Examples of the latter include phosphoric acid fuel cells (PAFC) and polymer electrolyte fuel cells (PEFC). Is mentioned. In the present invention, a system can be constructed by appropriately selecting a normal pressure high temperature fuel cell 1 and a pressurized low temperature fuel cell 2 from these. When PEFC is selected, the temperature of the fuel gas entering the battery needs to be about 80 ° C., the concentration of carbon monoxide in the fuel gas must be 10 ppm or less, and a carbon monoxide selective oxidizer needs to be installed.
[0081]
As for the suitability for the power generation capacity, PAFC is suitable for a relatively large power generation capacity of 50 kW to 11 MW, whereas PEFC is suitable for a relatively small capacity machine of 1 kW to 250 kW. For this reason, the SOFC-PEFC-TCG (turbo compressor / generator) hybrid system is suitable for business use of several kW to 250 kW. Although PEFC has lower power generation efficiency than PAFC, there is a possibility that it can be manufactured at a lower cost than PAFC in the future, and PEFC is adopted even in large capacity machines if cost is more important than power generation efficiency. there is a possibility.
[0082]
In the present invention, it is desirable that the pressurized low-temperature fuel cell 2 be capable of performing the pressure transformation operation. Here, the pressure-transforming operation means that the operation pressure of the fuel cell can be switched from pressurization to normal pressure. FIG. 6 shows the power generation efficiency of a pressurized and normal pressure phosphoric acid fuel cell (PAFC) at each load factor. The power generation efficiency at the rated load is high for the pressurization type, but according to the pressurization type, the minimum load of the compressor 34 of the turbo compressor generator 5 is limited to 75% load in the system of the present invention. With the following loads, the in-house power increases and the power generation efficiency decreases significantly. On the other hand, in the normal pressure type, since the load of the air blower that sends the normal pressure air to the battery stack can be reduced, the in-house power does not significantly decrease, and the power generation efficiency at the partial load is small.
[0083]
In order to take advantage of both of these characteristics, the operating pressure of the fuel cell may be increased at the rated pressure and normal pressure at the lowest load, and the operation may be performed by sliding the pressure during that time. As a result, the power generation efficiency of the PAFC can be made high between the lowest load and the rated load as shown by the one-dot chain line in FIG. 6, and economical operation is possible. Therefore, also in the system of the present invention, it is desirable that the operating pressure in the cell stack 20 of the pressurized low-temperature fuel cell 2 is controlled so as to be able to perform such a pressure-transforming operation so as to increase the power generation efficiency. . Specifically, the outputs of the fuel boosting compressor 2C that boosts the fuel NG1 sent to the fuel electrode 201 and the compressor 34 that sends the pressurized air A to the air electrode 202 may be controlled according to the load.
[0084]
【The invention's effect】
According to the hybrid fuel cell system of the present invention as described above, the normal pressure high temperature fuel cell operates at almost one rated load, and the pressurized low temperature fuel cell and the turbine generator such as a turbo compressor generator are connected. In order to perform load change and start / stop, the entire system can cope with a wide load change of about 40 to 100%. For this reason, it is possible to install a large capacity machine without being restricted by the installation capacity corresponding to the minimum load of the customer, which is a drawback when installing the high temperature fuel cell, and the operability is improved.
[0085]
Also, the fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air of the normal pressure high temperature type fuel cell, or the combustion exhaust gas thereof is used as the in-furnace heating fuel of the reformer of the pressurized low temperature fuel cell, that is, hybridized. Since the fuel electrode exhaust gas / air electrode exhaust air of one fuel cell is used to generate power of the other fuel cell, the power generation efficiency of the system can be improved. In addition, by incorporating a bottoming cycle of a gas turbine or a steam turbine, power generation efficiency equivalent to that of the conventional method combining a pressurized high-temperature fuel cell unit and a gas turbine can be obtained, and load change and start-up as described above can be achieved. There is also an effect that it is possible to construct a highly efficient and highly operable hybrid system that can flexibly cope with a stop.
[0086]
In addition, when the demanded load is low, operating the pressurized low-temperature fuel cell to shut it down cuts the minimum load on the entire system, enabling operation in a wide load range, and improving the economics of the system. Can be made. Also, when the demand for heat is high and the demand for electricity is low, the pressurized low-temperature fuel cell is stopped, and the exhaust heat generated by the normal-pressure high-temperature fuel cell is actively used by a waste heat recovery boiler, etc. By setting the operation mode to generate a lot of water, it is possible to generate heat according to the heat demand in a wide load region of the entire system. As a result, there is an advantage that it is possible to flexibly cope with a change in demand for electricity and heat for each consumer and a change in heat demand according to the season.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a hybrid fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the hybrid fuel cell system according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a third embodiment of a hybrid fuel cell system according to the present invention.
FIG. 4 is a tabular diagram showing specifications of a 5000 kW pressurized PAFC.
FIG. 5 is a diagram of a tabular form in which the output of the turbine generator is calculated based on the specification of FIG.
FIG. 6 is a graph showing the power generation efficiency of normal-pressure and pressurized-type phosphoric acid fuel cells (PAFC).
FIG. 7 is a block diagram showing an example of a conventional high-temperature fuel cell.
FIG. 8 is a block diagram showing an example of a conventional low-temperature fuel cell.
FIG. 9 is a block diagram showing an example of a customer load pattern.
[Explanation of symbols]
1 Normal pressure high temperature fuel cell
101G Fuel electrode exhaust gas
102G air electrode exhaust air
105G combustion exhaust gas
11, 21 Desulfurizer
2 Pressurized low temperature fuel cell
201G Fuel electrode exhaust gas
202G Air electrode exhaust air
22 Reformer
221 reformer burner
28 Steam separator
3 Turbo compressor generator (turbine generator)
31 (for turbine rotation) burner
32 Turbine
33 Clutch
34 Compressor
4 Waste heat recovery boiler
41 Steam generator
5 Steam turbine generator
51 turbine

Claims (11)

常圧高温型燃料電池、加圧低温型燃料電池、及びタービン発電機を備えるハイブリッド型燃料電池システムであって、
前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記加圧低温型燃料電池が具備する改質器の炉内加熱用燃料として用い、さらに前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記タービン発電機のタービン駆動源として用いるべく構成したことを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
A hybrid fuel cell system comprising an atmospheric high temperature fuel cell, a pressurized low temperature fuel cell, and a turbine generator,
The fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air of the normal pressure high temperature fuel cell are used as fuel for heating in the furnace of the reformer provided in the pressurized low temperature fuel cell, and the pressurized low temperature fuel cell A hybrid fuel cell system configured to use fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air as a turbine drive source of the turbine generator.
常圧高温型燃料電池、加圧低温型燃料電池、及びタービン発電機を備えるハイブリッド型燃料電池システムであって、
前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスを、前記加圧低温型燃料電池が具備する改質器の炉内加熱用熱源として用い、さらに前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを、前記タービン発電機のタービン駆動源として用いるべく構成したことを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
A hybrid fuel cell system comprising an atmospheric high temperature fuel cell, a pressurized low temperature fuel cell, and a turbine generator,
Combustion exhaust gas produced by burning the fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air of the normal pressure high temperature fuel cell is used as a heat source for heating in the furnace of the reformer provided in the pressurized low temperature fuel cell, Further, the hybrid fuel cell system is configured to use the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air of the pressurized low-temperature fuel cell as a turbine drive source of the turbine generator.
前記タービン発電機がターボコンプレッサー発電機であり、
前記加圧低温型燃料電池の燃料極排ガスを、前記ターボコンプレッサー発電機のタービンを駆動させるバーナの燃料として用い、
前記加圧低温型燃料電池の空気極排空気を、前記バーナの燃焼用酸化剤として用いることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のハイブリッド型燃料電池システム。
The turbine generator is a turbo compressor generator;
The fuel electrode exhaust gas of the pressurized low-temperature fuel cell is used as fuel for a burner that drives the turbine of the turbo compressor generator,
3. The hybrid fuel cell system according to claim 1, wherein the air electrode exhaust air of the pressurized low-temperature fuel cell is used as an oxidant for combustion of the burner.
前記ターボコンプレッサー発電機は少なくともタービン、発電機、及び加圧気体を発生するコンプレッサーを備え、これらは一つの駆動軸上に配置されており、且つ、前記コンプレッサーはクラッチを介して前記駆動軸による動力伝達系から離脱自在とされていることを特徴とする請求項3記載のハイブリッド型燃料電池システム。  The turbo compressor generator includes at least a turbine, a generator, and a compressor that generates pressurized gas, which are disposed on one drive shaft, and the compressor is powered by the drive shaft via a clutch. 4. The hybrid fuel cell system according to claim 3, wherein the hybrid fuel cell system is detachable from the transmission system. 請求項1記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、排熱回収ボイラーをさらに備え、
前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガス及び空気極排空気の一部を、前記排熱回収ボイラーの駆動バーナにバイパス供給して燃料として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
The hybrid fuel cell system according to claim 1, further comprising an exhaust heat recovery boiler,
A hybrid fuel cell system, wherein a portion of the fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air of the normal pressure high-temperature fuel cell is supplied to the drive burner of the exhaust heat recovery boiler as a bypass and used as fuel.
請求項2記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、排熱回収ボイラーをさらに備え、
前記常圧高温型燃料電池の燃料極排ガスと空気極排空気とを燃焼して生成させた燃焼排ガスの一部を、前記排熱回収ボイラーにバイパス供給して、該排熱回収ボイラーの加熱用熱源として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
The hybrid fuel cell system according to claim 2, further comprising an exhaust heat recovery boiler,
A part of the combustion exhaust gas generated by burning the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust air of the normal pressure high-temperature fuel cell is bypass-supplied to the exhaust heat recovery boiler for heating the exhaust heat recovery boiler. A hybrid fuel cell system characterized by being used as a heat source.
請求項1又は請求項2記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記加圧低温型燃料電池が水蒸気分離器を備えており、
前記水蒸気分離器は、冷却水を備える容器を含み、前記加圧低温型燃料電池の電池スタック内に敷設された循環配管路に前記冷却水を流通させることで、前記加圧低温型燃料電池の冷却を行うものであって、
前記冷却によって前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記タービン発電機のタービン駆動源の一部として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
The hybrid fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the pressurized low-temperature fuel cell includes a water vapor separator,
The steam separator includes a container having cooling water, and the cooling water is circulated through a circulation pipe line laid in a battery stack of the pressurized low-temperature fuel cell. Cooling,
A hybrid fuel cell system, wherein steam generated by the steam separator by the cooling is used as a part of a turbine drive source of the turbine generator.
請求項5記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、前記排熱回収ボイラーの内部に蒸気を発生する蒸気発生器を備えており、
前記蒸気発生器が発生する蒸気を、前記タービン発電機のタービン駆動源の一部として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
The hybrid fuel cell system according to claim 5, further comprising a steam generator for generating steam inside the exhaust heat recovery boiler,
The hybrid fuel cell system, wherein steam generated by the steam generator is used as a part of a turbine drive source of the turbine generator.
請求項1又は請求項2記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、蒸気タービン式発電機を追加して設け、さらに前記加圧低温型燃料電池には水蒸気分離器を具備させ、
前記水蒸気分離器は、冷却水を備える容器を含み、前記加圧低温型燃料電池の電池スタック内に敷設された循環配管路に前記冷却水を流通させることで、前記加圧低温型燃料電池の冷却を行うものであって、
前記冷却によって前記水蒸気分離器が発生する蒸気を、前記蒸気タービン発電機のタービン駆動源として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
The hybrid fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein a steam turbine generator is additionally provided, and the pressurized low-temperature fuel cell is further provided with a steam separator,
The steam separator includes a container having cooling water, and the cooling water is circulated through a circulation pipe line laid in a battery stack of the pressurized low-temperature fuel cell. Cooling,
The hybrid fuel cell system, wherein steam generated by the steam separator by the cooling is used as a turbine drive source of the steam turbine generator.
請求項1又は請求項2記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、蒸気タービン式発電機を追加して設けると共に、さらに前記常圧高温型燃料電池の余剰の燃料極排ガス及び空気極排空気、或いはこれらの燃焼排ガスを動作源とし、その内部に蒸気発生器を有する排熱回収ボイラーを設け、
前記排熱回収ボイラーの蒸気発生器が発生する蒸気を、前記蒸気タービン発電機のタービン駆動源として用いることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。
3. The hybrid fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein a steam turbine generator is additionally provided, and excess fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust air of the normal pressure high temperature fuel cell, or these An exhaust heat recovery boiler with a steam generator inside is provided as an operating source .
A hybrid fuel cell system, wherein steam generated by a steam generator of the exhaust heat recovery boiler is used as a turbine drive source of the steam turbine generator.
請求項1〜請求項10いずれかに記載のハイブリッド型燃料電池システムにおいて、加圧低温型燃料電池が加圧変圧運転を実行可能に構成したことを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム。  11. The hybrid fuel cell system according to claim 1, wherein the pressurized low-temperature fuel cell is configured to be capable of performing a pressure-transforming operation.
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