JP7246357B2 - Fuel cell system and power generation system using the same - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及びこれを用いた発電システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a power generation system using the same.

ボイラと蒸気タービンの組合せにより構成される従来の天然ガス焚き発電プラントの発電効率は３５％程度であることが知られている。このような発電プラントは、日本国内で約２０００万ｋＷの発電能力があり、依然として重要な発電設備であるが、一般に、運転開始からかなりの年数が経過している古いプラントである。 It is known that the power generation efficiency of a conventional natural gas-fired power plant configured by combining a boiler and a steam turbine is about 35%. Such power plants have a power generation capacity of about 20,000,000 kW in Japan, and are still important power generation facilities.

また、従来から、微粉炭焚きあるいは石油焚きの火力発電プラントも知られているが、これらのプラントの発電効率は３５～４０％程度であり、老朽化が進んでいるとともに、ＣＯ２排出が多いことが課題となっている。In addition, pulverized coal-fired or oil-fired thermal power plants have been known in the past, but the power generation efficiency of these plants is about 35 to 40%, and they are aging and emit a lot of CO 2 . is the issue.

固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という）とガスタービンとのハイブリッドシステムも知られている。このシステムでは、ＳＯＦＣが高圧となるため、耐熱性と耐圧性のある容器や配管を用いる必要があり、そのことがシステムの大型化とコスト増加の要因となっていた。 Hybrid systems of solid oxide fuel cells (hereinafter "SOFC") and gas turbines are also known. In this system, since the SOFC has a high pressure, it is necessary to use a heat-resistant and pressure-resistant vessel and piping, which has been a factor in increasing the size and cost of the system.

ＳＯＦＣと蒸気発電システムとのハイブリッドシステムも従来から提案されている。従来提案されているシステムでは、ＳＯＦＣからの排気の温度調整をすることなく、中温かつ大量の排気をそのまま蒸気発電システムに導入し駆動している。このため、既設の蒸気発電システムを用いてこのハイブリッドシステムを構築するためには、既設プラントの大幅な設計変更や改修が必要になるという課題があった。 A hybrid system of an SOFC and a steam power generation system has also been conventionally proposed. In the conventionally proposed system, a large amount of medium-temperature exhaust gas from the SOFC is directly introduced into the steam power generation system and driven without adjusting the temperature of the exhaust gas. For this reason, in order to construct this hybrid system using an existing steam power generation system, there was a problem that it was necessary to significantly change the design and repair the existing plant.

また、下記特許文献１に記載されたハイブリッドシステムでは、ＳＯＦＣと蒸気発電システムの燃料を一系統としているため、ＳＯＦＣと蒸気発電システムに異なる燃料を用いることができない。ＳＯＦＣはガス化された燃料（例えば天然ガス、改質ガス、バイオガス等）を燃料として用いる必要があるため、下記特許文献１の技術では、微粉炭や石油を用いた従来の蒸気発電システムと組み合わせることができないという課題があった。 Further, in the hybrid system described in Patent Literature 1 below, the fuel for the SOFC and the steam power generation system are in one system, so different fuels cannot be used for the SOFC and the steam power generation system. Since SOFC needs to use gasified fuel (for example, natural gas, reformed gas, biogas, etc.) as fuel, the technology of Patent Document 1 below is different from conventional steam power generation systems using pulverized coal or petroleum. The problem was that they could not be combined.

特開２００３－３６８７２号公報JP-A-2003-36872

本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的の一つは、ＳＯＦＣと蒸気発電システムとを複合した発電システムとしての発電効率を向上させることができる技術を提供することである。本発明の他の目的は、既存の蒸気発電システムを用いた場合でも、既存システムの設計変更を少なく抑えつつＳＯＦＣを用いた複合発電システムを構築できる技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the circumstances described above. One of the main objects of the present invention is to provide a technique capable of improving the power generation efficiency of a power generation system combining an SOFC and a steam power generation system. Another object of the present invention is to provide a technique that enables construction of a combined power generation system using SOFCs while minimizing design changes of the existing system even when using the existing steam power generation system.

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。 Means for solving the above problems can be described as the following items.

（項目１）
ＳＯＦＣ発電プラントと、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排気される空気を通過させる排気ラインと、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排出される未利用燃料を通過させる未利用燃料ラインとを備えており、
前記排気ラインは、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用と、前記ＳＯＦＣ発電プラント以外の外部用とに分岐されており、
前記未利用燃料ラインは、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用と、前記ＳＯＦＣ発電プラント以外の外部用とに分岐されている
ことを特徴とする燃料電池システム。(Item 1)
An SOFC power plant, an exhaust line for passing air exhausted from the SOFC power plant, and an unused fuel line for passing unused fuel discharged from the SOFC power plant,
The exhaust line is branched for self-preheating of the SOFC power plant and for external use other than the SOFC power plant,
The fuel cell system, wherein the unused fuel line is branched for self-preheating of the SOFC power plant and for external use other than the SOFC power plant.

（項目２）
さらに温度調整装置を備えており、
前記外部用に分岐された前記排気ラインは、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のためにさらに分岐されており、
前記温度調整装置は、前記高温用に分岐された前記排気ラインと、前記外部用に分岐された前記未利用燃料ラインとに接続されており、
かつ、前記温度調整装置は、前記未利用燃料ラインにより送られた未利用燃料を用いて前記排気ラインより送られた前記高温用の空気を加熱する構成となっている
項目１に記載の燃料電池システム。(Item 2)
Furthermore, it is equipped with a temperature control device,
The branched exhaust line for external use is further branched for a plurality of uses including at least high temperature use and low temperature use,
The temperature adjustment device is connected to the branched exhaust line for the high temperature and the unused fuel line branched for the outside,
The fuel cell according to item 1, wherein the temperature control device heats the high-temperature air sent from the exhaust line using unused fuel sent from the unused fuel line. system.

（項目３）
項目２に記載の燃料電池システムと、蒸気発電システムとを備えており、
前記蒸気発電システムは、熱交換器を備えており、
前記温度調整装置により加熱された空気は、前記熱交換器に向けて供給される構成となっている
発電システム。(Item 3)
A fuel cell system according to item 2 and a steam power generation system,
The steam power generation system comprises a heat exchanger,
The power generation system is configured such that the air heated by the temperature control device is supplied toward the heat exchanger.

（項目４）
前記蒸気発電システムは、蒸気生成用の蒸発器を備えており、
前記低温用の空気は、前記蒸発器に向けて供給される構成となっている
項目３に記載の発電システム。(Item 4)
The steam power generation system includes an evaporator for steam generation,
The power generation system according to item 3, wherein the low-temperature air is configured to be supplied toward the evaporator.

（項目５）
前記蒸気発電システムは、前記熱交換器を出た排気により空気を加熱する空気予熱器を備えており、
前記空気予熱器を出た前記排気は、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用に供給される構成となっている
項目３又は４に記載の発電システム。(Item 5)
The steam power generation system includes an air preheater that heats the air with the exhaust gas exiting the heat exchanger,
5. The power generation system according to item 3 or 4, wherein the exhaust gas leaving the air preheater is supplied for self-preheating of the SOFC power plant.

（項目６）
前記蒸発器を出た排気は、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用に供給される構成となっている
項目４に記載の発電システム。(Item 6)
5. The power generation system according to item 4, wherein exhaust gas from the evaporator is supplied for self-preheating of the SOFC power plant.

（項目７）
前記蒸気発電システムは、蒸気タービンを用いて駆動される回転機器を備えており、前記蒸気タービンは、前記蒸発器で発生した余剰蒸気を用いて駆動される構成となっている
項目４又は６に記載の発電システム。(Item 7)
In item 4 or 6, wherein the steam power generation system includes rotating equipment driven using a steam turbine, and the steam turbine is configured to be driven using surplus steam generated in the evaporator. The power generation system described.

（項目８）
ＳＯＦＣ発電プラントからの排気を、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のために分岐するステップと、
前記高温用の前記排気を、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排出される未利用燃料を用いて加熱するステップと、
前記加熱された前記排気を蒸気発電システムの熱交換器に供給するステップと、
前記低温用の前記排気を用いて前記蒸気発電システムの蒸発器を駆動するステップと
を備えることを特徴とする発電方法。(Item 8)
bifurcating the exhaust from the SOFC power plant for multiple uses including at least high temperature and low temperature;
heating the high temperature exhaust with unused fuel discharged from the SOFC power plant;
supplying the heated exhaust to a heat exchanger of a steam power generation system;
and using the low temperature exhaust to drive an evaporator of the steam power generation system.

（項目９）
項目１又は２に記載の燃料電池システムにおける前記外部用の前記排気ラインと、前記外部用の前記未利用燃料ラインとを、既設の蒸気発電システムに接続することにより、複合した発電システムを構築することを特徴とする
発電システムの構築方法。(Item 9)
A combined power generation system is constructed by connecting the external exhaust line and the external unused fuel line in the fuel cell system according to item 1 or 2 to an existing steam power generation system. A method for constructing a power generation system, characterized by:

本発明によれば、ＳＯＦＣと蒸気発電システムとを複合した発電システムとしての発電効率を向上させることが可能になる。また、本発明によれば、既存の蒸気発電システムを用いた場合でも、既存システムの設計変更を少なく抑えつつＳＯＦＣを用いた複合発電システムを構築することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to improve the power generation efficiency as a power generation system which combined SOFC and a steam power generation system. Further, according to the present invention, even when an existing steam power generation system is used, it is possible to construct a combined power generation system using SOFC while minimizing design changes of the existing system.

本発明の一実施形態に係る発電システムの概略的な構成を示す説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is explanatory drawing which shows schematic structure of the electric power generation system which concerns on one Embodiment of this invention. 図１の発電システムを用いた場合に得られる発電効率の一例を示すグラフであって、横軸は、全体の出力に対するＳＯＦＣ発電プラントの出力比（％）、縦軸は、全体の発電効率（％）である。1 is a graph showing an example of the power generation efficiency obtained when using the power generation system of FIG. 1, the horizontal axis is the output ratio (%) of the SOFC power plant to the total output, %).

以下、本発明の一実施形態に係る発電システムを、添付の図面を参照しながら説明する。 A power generation system according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

（全体的構成）
本実施形態の発電システムは、燃料電池システム１と、蒸気発電システム２とを備えた複合発電システムとなっている（図１参照）。(Overall configuration)
The power generation system of this embodiment is a combined power generation system including a fuel cell system 1 and a steam power generation system 2 (see FIG. 1).

（燃料電池システム）
燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ発電プラント１１と、ＳＯＦＣ発電プラント１１から排気される空気を通過させる排気ライン１２と、ＳＯＦＣ発電プラント１１から排出される未利用燃料を通過させる未利用燃料ライン１３とを備えている。この燃料電池システム１は、さらに温度調整装置１４と熱機関１５とを備えている。ＳＯＦＣ発電プラント１１としては、基本的に従来と同様のものを用いることができるので、これ以上詳しい説明は省略する。(fuel cell system)
The fuel cell system 1 includes an SOFC power plant 11, an exhaust line 12 for passing air exhausted from the SOFC power plant 11, and an unused fuel line 13 for passing unused fuel discharged from the SOFC power plant 11. I have. This fuel cell system 1 further comprises a temperature control device 14 and a heat engine 15 . As the SOFC power plant 11, basically the same as the conventional one can be used, so further detailed description will be omitted.

（排気ライン）
排気ライン１２は、ＳＯＦＣ発電プラント１１以外の外部用のライン１２１と、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用ライン１２２とに分岐されている。(exhaust line)
The exhaust line 12 is branched into a line 121 for external use other than the SOFC power plant 11 and a line 122 for self-preheating of the SOFC power plant 11 .

排気ライン１２における外部用のライン１２１は、高温用のライン１２１１と、低温用のライン１２１２とに、複数の用途に応じてさらに分岐されている。なお、これらの分岐されたラインにおいては、基本的に、分岐した段階での排気温度は同じであり、その後の下流での使用条件などによって排気温度が変わるものである。すなわち、このように分岐されたラインごとの排気温度の調整は、供給先の各要素における導入量や導入条件、ラインの長さや形状など、各種の条件を調整することにより行うことができる。 The external line 121 in the exhaust line 12 is further branched into a high temperature line 1211 and a low temperature line 1212 according to a plurality of uses. In these branched lines, the temperature of the exhaust gas is basically the same at the stage of branching, and the temperature of the exhaust gas changes depending on the conditions of use downstream thereafter. That is, the adjustment of the exhaust gas temperature for each branched line can be performed by adjusting various conditions such as the introduction amount and introduction conditions in each element of the supply destination, the length and shape of the line, and the like.

（未利用燃料ライン）
未利用燃料ライン１３は、ＳＯＦＣ発電プラント１１以外の外部用のライン１３１と、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用のライン１３２との二つに分岐されている。この外部用のライン１３１は、その下流側においてさらに二つのライン１３１１と１３１２とに分岐されている。(unutilized fuel line)
The unused fuel line 13 is branched into two lines, a line 131 for external use other than the SOFC power plant 11 and a line 132 for self-preheating of the SOFC power plant 11 . This external line 131 is further branched into two lines 1311 and 1312 on its downstream side.

（温度調節装置）
温度調整装置１４は、排気ライン１２における高温用のライン１２１１と、未利用燃料ライン１３における外部用のライン１３１１とに接続されている。温度調整装置１４は、排気ライン１２経由でＳＯＦＣ発電プラント１１から送られた高温用の（例えば約８００℃～１０００℃の）排気を、未利用燃料ライン１３により送られた未利用燃料を用いて、例えば約１３００℃に加熱する構成となっている。(Temperature control device)
The temperature control device 14 is connected to a high temperature line 1211 in the exhaust line 12 and an external line 1311 in the unused fuel line 13 . The temperature adjustment device 14 uses the high temperature exhaust (for example, about 800° C. to 1000° C.) sent from the SOFC power plant 11 via the exhaust line 12 with the unused fuel sent via the unused fuel line 13. , for example, is configured to be heated to about 1300°C.

温度調整装置１４により加熱された排気は、熱交換器２１２（後述）に向けて供給される。 The exhaust heated by the temperature adjustment device 14 is supplied toward a heat exchanger 212 (described later).

（熱機関）
熱機関１５は未利用燃料ライン１３１２によって、駆動することができるようになっている。このような熱機関１５の例としてはガスエンジン等がある。(heat engine)
Heat engine 15 is enabled to be driven by unused fuel line 1312 . An example of such a heat engine 15 is a gas engine.

（蒸気発電システム）
蒸気発電システム２は、ボイラ本体２１と、蒸発器２２と、空気予熱器２３と、回転機器２４とを備えている。(Steam power generation system)
The steam power generation system 2 includes a boiler body 21 , an evaporator 22 , an air preheater 23 , and rotating equipment 24 .

（ボイラ本体）
ボイラ本体２１は、火炉（燃焼室）２１１と、熱交換器２１２とを備えている。火炉２１１は、燃料（例えば天然ガス、石炭、石油のいずれか又は組み合わせ）を燃焼させることによって、空気を加熱するための部分である。通常の蒸気発電システムの場合、火炉２１１では、空気を１３００℃付近まで加熱する。(Boiler body)
The boiler main body 21 includes a furnace (combustion chamber) 211 and a heat exchanger 212 . Furnace 211 is a section for heating air by burning fuel (eg, natural gas, coal, oil, or a combination). In the case of a normal steam power generation system, the furnace 211 heats the air to around 1300°C.

熱交換器２１２は、一般には、過熱器を備えており、さらに再熱器や節炭器を備えている場合がある。 Heat exchanger 212 typically includes a superheater and may include a reheater and economizer.

このようなボイラ本体２１としては、従来と同様の構成でよいので、これ以上詳しい説明を省略する。また、本実施形態の発電システムは、既設のボイラ本体２１に対して燃料電池システム１を追加することにより構成されたものである。 Such a boiler main body 21 may have the same structure as the conventional one, so further detailed description will be omitted. Further, the power generation system of this embodiment is configured by adding the fuel cell system 1 to the existing boiler body 21 .

（蒸発器）
蒸発器２２には、ボイラ本体２１を経由することで、予熱された蒸気生成用の水が送られるようになっている。蒸発器２２は、相対的に低温用のライン１２１２を介して送られた排気を利用して蒸気を生成するようになっている。蒸発器２２で生成された蒸気は、ボイラ本体２１の熱交換器２１２に送られて過熱されるようになっている。(Evaporator)
Preheated water for steam generation is sent to the evaporator 22 via the boiler main body 21 . The evaporator 22 is adapted to produce steam using the exhaust air sent through the relatively low temperature line 1212 . The steam generated by the evaporator 22 is sent to the heat exchanger 212 of the boiler main body 21 and superheated.

蒸発器２２を出た（つまり蒸発器２２を通過した）排気の一部は、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用に供給されるようになっている。 A portion of the exhaust leaving the evaporator 22 (that is, having passed through the evaporator 22 ) is provided for self-preheating of the SOFC power plant 11 .

（空気予熱器）
空気予熱器２３は、熱交換器２１２を出た排気により、火炉２１１に導入される常温の空気（つまり低温の空気）を加熱するものである。(Air preheater)
The air preheater 23 heats room-temperature air (that is, low-temperature air) introduced into the furnace 211 by the exhaust gas exiting the heat exchanger 212 .

また、空気予熱器２３を出た排気の一部は、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用に供給されるようになっている。空気予熱器２３を出た排気の残部は、この実施形態では、煙突２３１経由で外部に放出されるようになっている。 Also, part of the exhaust gas leaving the air preheater 23 is supplied for self-preheating of the SOFC power plant 11 . The rest of the exhaust leaving the air preheater 23 is, in this embodiment, discharged outside via a chimney 231 .

（回転機器）
回転機器２４は、蒸気タービン２４１を用いて駆動されるものである。蒸気タービン２４１は、蒸発器２２で発生した余剰蒸気を用いて駆動されるようになっている。(Rotating equipment)
The rotating equipment 24 is driven using a steam turbine 241 . The steam turbine 241 is driven using surplus steam generated by the evaporator 22 .

（本実施形態の動作）
つぎに、前記した構成を持つ発電システムの動作について説明する。(Operation of this embodiment)
Next, the operation of the power generation system having the configuration described above will be described.

まず、燃料電池システム１のＳＯＦＣ発電プラント１１に空気と燃料（本例では天然ガス）を供給して、ＳＯＦＣ発電プラント１１を稼働させる。これによりＳＯＦＣ発電プラント１１での発電を行うことができる。 First, air and fuel (natural gas in this example) are supplied to the SOFC power plant 11 of the fuel cell system 1 to operate the SOFC power plant 11 . As a result, power can be generated in the SOFC power plant 11 .

このとき、ＳＯＦＣ発電プラント１１の排気ライン１２には、通常、８００℃～１０００℃程度の排気が送られる。また、未利用燃料ライン１３には、未利用燃料が送られる。なお、ＳＯＦＣ発電プラントでは、一般に、１００％の燃料利用率を得ることはできず、未利用燃料が発生する。 At this time, the exhaust gas of about 800° C. to 1000° C. is normally sent to the exhaust line 12 of the SOFC power plant 11 . Also, unused fuel is sent to the unused fuel line 13 . Note that in SOFC power plants, generally, 100% fuel utilization cannot be obtained, and unused fuel is generated.

ＳＯＦＣ発電プラント１１からの未利用燃料は、例えばガスエンジン等の熱機関１５を駆動させる。 Unused fuel from the SOFC power plant 11 drives a heat engine 15, such as a gas engine.

ＳＯＦＣ発電プラント１１からの排気のうち高温用のライン１２１１と、未利用燃料１３１１とは、温度調整装置１４に送られる。温度調整装置１４では、未利用燃料を用いて、排気の温度を上昇させる。好ましくは、ボイラ本体２１の火炉２１１の内部におけるガスと同程度（例えば１３００℃）に上昇させる。ついで、温度上昇させられた排気は、熱交換器２１２に供給される。 A high-temperature line 1211 and unused fuel 1311 in the exhaust from the SOFC power plant 11 are sent to the temperature adjustment device 14 . The temperature adjustment device 14 uses the unused fuel to raise the temperature of the exhaust gas. Preferably, the temperature is raised to the same level as the gas inside the furnace 211 of the boiler body 21 (for example, 1300°C). The temperature-raised exhaust is then supplied to heat exchanger 212 .

排気のうち低温用のライン１２１２は、蒸発器２２に送られる。蒸発器２２では、ボイラ本体２１経由で送られた水を加熱して水蒸気を生成することができる。また、蒸発器２２で作られた蒸気の一部は、回転機器２４の蒸気タービン２４１に送られ、この回転機器２４を動作させることができる。さらに、本例では、蒸発器２２を出た排気を、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用に供給することにより、システム全体としての発電効率を向上させることができるという利点もある。 A low temperature line 1212 of the exhaust is sent to the evaporator 22 . The evaporator 22 can heat the water sent via the boiler main body 21 to generate steam. Also, part of the steam produced by the evaporator 22 can be sent to the steam turbine 241 of the rotating equipment 24 to operate the rotating equipment 24 . Furthermore, in this example, by supplying the exhaust gas from the evaporator 22 for self-preheating of the SOFC power plant 11, there is also the advantage that the power generation efficiency of the entire system can be improved.

ボイラ本体２１の熱交換器２１２に到達した排気は、熱交換器２１２において、過熱水蒸気の生成や水の加熱など、必要な動作を行うことができる。ここで、本実施形態では、ボイラ本体２１に供給される排気を、温度調整装置１４により予め加熱しているので、既設のボイラ本体２１を用いた場合においても、従来と同様に動作させることができる。つまり、この実施形態によれば、ボイラ本体２１を新設することなく、燃料電池システムと組み合わせることができるという利点がある。 The exhaust gas that has reached the heat exchanger 212 of the boiler main body 21 can perform necessary operations in the heat exchanger 212, such as generating superheated steam and heating water. Here, in this embodiment, since the exhaust gas supplied to the boiler main body 21 is preheated by the temperature control device 14, even when the existing boiler main body 21 is used, it can be operated in the same manner as conventionally. can. That is, according to this embodiment, there is an advantage that it can be combined with a fuel cell system without newly installing the boiler main body 21 .

一般的に、ＳＯＦＣ発電プラントから発生する排気は大量である。さらに、この排気の温度は、ボイラ本体２１の火炉２１１における空気温度より低い８００℃から１０００℃程度である。このため、ＳＯＦＣ発電プラント１１からの排気を直接にボイラ本体２１に供給すると、既設のボイラ本体２１の利用を前提とした場合、ボイラ本体２１の動作に悪影響を生じるおそれがある。これに対して、本実施形態では、排気を用途に応じて複数に分岐した上で、所定温度に加熱された高温の排気をボイラ本体２１に供給しているので、既設のボイラ本体２１の利用が容易になるという利点がある。 Generally, the emissions generated from SOFC power plants are large. Furthermore, the temperature of this exhaust is about 800° C. to 1000° C. lower than the air temperature in the furnace 211 of the boiler body 21 . Therefore, if the exhaust gas from the SOFC power plant 11 is directly supplied to the boiler main body 21, the operation of the boiler main body 21 may be adversely affected if the existing boiler main body 21 is used. On the other hand, in the present embodiment, after the exhaust is branched into a plurality of parts depending on the application, high-temperature exhaust heated to a predetermined temperature is supplied to the boiler main body 21, so the existing boiler main body 21 can be used. has the advantage of facilitating

さらに、本実施形態では、高温用の排気ガスと低温用の排気ガスとを分岐し、加熱した高温の排気ガスをボイラ本体２１に送っているので、発電システム全体の効率を向上させることができる。すなわち、仮に、中温の（つまり分岐されない）排気ガスをそのまま、あるいは高温と低温に分けずに加熱してボイラ本体２１に送る構成とした場合には、システム全体としての効率は低下する。本実施形態では、分岐された高温の排気ガスをボイラ本体２１に送ることにより、高い効率を得ることができる。この点を、下記の実施例により、さらに詳しく説明する。 Furthermore, in this embodiment, the high-temperature exhaust gas and the low-temperature exhaust gas are branched, and the heated high-temperature exhaust gas is sent to the boiler main body 21, so the efficiency of the entire power generation system can be improved. . That is, if the intermediate temperature (that is, not branched) exhaust gas is sent to the boiler main body 21 as it is or after being heated without being divided into high temperature and low temperature, the efficiency of the system as a whole will decrease. In this embodiment, high efficiency can be obtained by sending the branched high-temperature exhaust gas to the boiler main body 21 . This point will be explained in more detail by the following examples.

本実施形態では、未利用燃料自体を火炉２１１に供給するものではないので、火炉２１１における燃料としては、各種のもの（例えば微粉炭や石油や天然ガスなど）を使用することができるという利点もある。 In this embodiment, since the unused fuel itself is not supplied to the furnace 211, various fuels (for example, pulverized coal, petroleum, natural gas, etc.) can be used as the fuel in the furnace 211. be.

さらに、本実施形態では、ＳＯＦＣ発電プラント１１として、常圧で動作する通常のＳＯＦＣを用いることができるので、ＳＯＦＣ発電プラント１１の構築や維持に要するコストを抑制することができるという利点もある。 Furthermore, in this embodiment, since a normal SOFC that operates at normal pressure can be used as the SOFC power plant 11, there is also the advantage that the costs required for construction and maintenance of the SOFC power plant 11 can be suppressed.

（実施例）
下記の条件を用いて、シミュレーションにより、本実施形態のシステムにおける発電効率を計算した。なお、下記において、「天然ガス焚き火力プラント」は、本実施形態のボイラ本体に対応し、「ＳＯＦＣ発電モジュール」は、本実施形態のＳＯＦＣ発電プラントに対応する。特記しない他の条件については、一般的な燃料電池システムあるいは蒸気発電システムと同様である。なお、下記の例では、熱交換器システム２１２として、節炭器は使用するが再熱器は使用しないものとなっている。(Example)
The power generation efficiency in the system of this embodiment was calculated by simulation using the following conditions. In the following, "natural gas-fired thermal power plant" corresponds to the boiler main body of this embodiment, and "SOFC power generation module" corresponds to the SOFC power plant of this embodiment. Other conditions not specified are the same as those of a general fuel cell system or steam power generation system. In the example below, the heat exchanger system 212 uses an economizer but does not use a reheater.

（シミュレーション条件） (Simulation conditions)

Figure 0007246357000001
Figure 0007246357000001

Figure 0007246357000002
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Figure 0007246357000003
Figure 0007246357000003

結果を図２に実線（ＳＯＢＴ）で示す。参考のため、ＳＯＦＣ発電プラント１１単体での発電効率を、破線（ＳＯＦＣ）で示している。ＳＯＦＣ発電プラント自体の発電効率は通常６０％程度であることが知られている。また、この例では、蒸気発電システム２単体（つまりＳＯＦＣ出力比＝０％）での発電効率は約３５％である。 The results are shown in FIG. 2 by a solid line (SOBT). For reference, the power generation efficiency of the SOFC power plant 11 alone is indicated by a dashed line (SOFC). It is known that the power generation efficiency of the SOFC power plant itself is usually about 60%. Also, in this example, the power generation efficiency of the steam power generation system 2 alone (that is, the SOFC output ratio=0%) is approximately 35%.

図２から分かるように、ＳＯＦＣ発電プラント１１の出力比を高くすることにより、発電システム全体の発電効率を向上させることができる。ＳＯＦＣ発電プラント１１の出力比を６０％程度にすると、発電システム全体の発電効率は、ＳＯＦＣ発電プラント１１単体での発電効率と同等程度まで向上する。 As can be seen from FIG. 2, by increasing the output ratio of the SOFC power plant 11, the power generation efficiency of the power generation system as a whole can be improved. When the output ratio of the SOFC power plant 11 is set to about 60%, the power generation efficiency of the power generation system as a whole improves to the same extent as the power generation efficiency of the SOFC power plant 11 alone.

さらにＳＯＦＣ発電プラント１１の出力比を上げると、発電システム全体の発電効率は、ＳＯＦＣ発電プラント１１単体での発電効率を越え、約７０％程度にまで達する。このことから、本実施形態の発電システムによれば、システム全体として高い効率を得られることがわかる。 When the output ratio of the SOFC power plant 11 is further increased, the power generation efficiency of the entire power generation system exceeds the power generation efficiency of the SOFC power plant 11 alone and reaches approximately 70%. From this, according to the power generation system of this embodiment, it can be seen that high efficiency can be obtained as a whole system.

ＳＯＦＣ発電プラント１１の出力比が１００％近くになると、ＳＯＦＣ発電プラント１１自体の発電効率に近づく。 When the output ratio of the SOFC power plant 11 approaches 100%, the power generation efficiency of the SOFC power plant 11 itself approaches.

以上から明らかなように、本実施形態によれば、既存の蒸気発電システムの効率を大きく向上させることができ、したがって、社会的に高い波及効果を与えることができる。 As is clear from the above, according to the present embodiment, the efficiency of the existing steam power generation system can be significantly improved, and therefore, a high ripple effect can be given to society.

本実施形態における発電方法は、以下のように記述できる。 The power generation method in this embodiment can be described as follows.

ＳＯＦＣ発電プラント１１を出た排気を、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のために分岐するステップと、高温用の排気を、ＳＯＦＣ発電プラント１１から排出される未利用燃料を用いて加熱するステップと、加熱された空気を蒸気発電システム２の熱交換器２１２に供給するステップと、低温用の排気を用いて蒸気発電システム２の蒸発器２２を駆動するステップとを備える発電方法。 bifurcating the exhaust leaving the SOFC power plant 11 for multiple uses including at least high temperature and low temperature; A method of generating electricity comprising: heating; supplying heated air to a heat exchanger 212 of a steam power generation system 2; and using low temperature exhaust to drive an evaporator 22 of the steam power generation system 2.

本実施形態における発電システムの構築法は、以下のように記述できる。 The construction method of the power generation system in this embodiment can be described as follows.

燃料電池システム１における外部用の排気ライン１２１と、外部用の未利用燃料ライン１３１とを、既設の蒸気発電システム２に接続することにより、複合した発電システムを構築する、発電システムの構築方法。 A power generation system construction method for constructing a combined power generation system by connecting an external exhaust line 121 and an external unused fuel line 131 in a fuel cell system 1 to an existing steam power generation system 2 .

なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。 In addition, the contents of the present invention are not limited to the above embodiments. The present invention allows various changes to be made to the specific configuration within the scope of the claims.

１ 燃料電池システム
１１ ＳＯＦＣ発電プラント
１２ 排気ライン
１２１ 外部用の排気ライン
１２１１ 高温用ライン
１２１２ 低温用ライン
１２２ 自己予熱用の排気ライン
１３ 未利用燃料ライン
１３１ 外部用の未利用燃料ライン
１３１１ 温度調整装置用の未利用燃料ライン
１３１２ 熱機関用の未利用燃料ライン
１３２ 自己予熱用の未利用燃料ライン
１４ 温度調整装置
１５ 熱機関
２ 蒸気発電システム
２１ ボイラ本体
２１１ 火炉（燃焼室）
２１２ 熱交換器
２２ 蒸発器
２３ 空気予熱器
２３１ 煙突
２４ 回転機器
２４１ 蒸気タービン1 fuel cell system 11 SOFC power plant 12 exhaust line 121 external exhaust line 1211 high temperature line 1212 low temperature line 122 self preheating exhaust line 13 unused fuel line 131 external unused fuel line 1311 temperature control device 1312 Unused fuel line for heat engine 132 Unused fuel line for self-preheating 14 Temperature control device 15 Heat engine 2 Steam power generation system 21 Boiler body 211 Furnace (combustion chamber)
212 Heat Exchanger 22 Evaporator 23 Air Preheater 231 Chimney 24 Rotating Equipment 241 Steam Turbine

Claims (8)

ＳＯＦＣ発電プラントと、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排気される空気を通過させる排気ラインと、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排出される未利用燃料を通過させる未利用燃料ラインとを備えており、
前記排気ラインは、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用と、前記ＳＯＦＣ発電プラント以外の外部用とに分岐されており、
前記未利用燃料ラインは、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用と、前記ＳＯＦＣ発電プラント以外の外部用とに分岐されており、
さらに温度調整装置を備えており、
前記外部用に分岐された前記排気ラインは、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のためにさらに分岐されており、
前記温度調整装置は、前記高温用に分岐された前記排気ラインと、前記外部用に分岐された前記未利用燃料ラインとに接続されており、
かつ、前記温度調整装置は、前記未利用燃料ラインにより送られた未利用燃料を用いて前記排気ラインより送られた前記高温用の空気を加熱する構成となっている
ことを特徴とする燃料電池システム。 An SOFC power plant, an exhaust line for passing air exhausted from the SOFC power plant, and an unused fuel line for passing unused fuel discharged from the SOFC power plant,
The exhaust line is branched for self-preheating of the SOFC power plant and for external use other than the SOFC power plant,
The unused fuel line is branched for self-preheating of the SOFC power plant and for external use other than the SOFC power plant ,
Furthermore, it is equipped with a temperature control device,
The branched exhaust line for external use is further branched for a plurality of uses including at least high temperature use and low temperature use,
The temperature adjustment device is connected to the branched exhaust line for the high temperature and the unused fuel line branched for the outside,
Further, the temperature control device is configured to heat the high-temperature air sent from the exhaust line using the unused fuel sent from the unused fuel line. system. 請求項１に記載の燃料電池システムと、蒸気発電システムとを備えており、
前記蒸気発電システムは、熱交換器を備えており、
前記温度調整装置により加熱された空気は、前記熱交換器に向けて供給される構成となっている
発電システム。 A fuel cell system according to claim 1 and a steam power generation system,
The steam power generation system comprises a heat exchanger,
The power generation system is configured such that the air heated by the temperature control device is supplied toward the heat exchanger. 前記蒸気発電システムは、蒸気生成用の蒸発器を備えており、
前記低温用の空気は、前記蒸発器に向けて供給される構成となっている
請求項２に記載の発電システム。 The steam power generation system includes an evaporator for steam generation,
The power generation system according to claim 2 , wherein the low-temperature air is configured to be supplied toward the evaporator. 前記蒸気発電システムは、前記熱交換器を出た排気により空気を加熱する空気予熱器を備えており、
前記空気予熱器を出た前記排気は、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用に供給される構成となっている
請求項２又は３に記載の発電システム。 The steam power generation system includes an air preheater that heats the air with the exhaust gas exiting the heat exchanger,
4. The power generation system according to claim 2 , wherein the exhaust gas leaving the air preheater is supplied for self-preheating of the SOFC power plant. 前記蒸発器を出た排気は、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用に供給される構成となっている
請求項３に記載の発電システム。 4. The power generation system according to claim 3 , wherein the exhaust gas from the evaporator is supplied for self-preheating of the SOFC power plant. 前記蒸気発電システムは、蒸気タービンを用いて駆動される回転機器を備えており、前記蒸気タービンは、前記蒸発器で発生した余剰蒸気を用いて駆動される構成となっている
請求項３又は５に記載の発電システム。 6. The steam power generation system includes rotating equipment driven by a steam turbine, and the steam turbine is driven by surplus steam generated by the evaporator . The power generation system described in . ＳＯＦＣ発電プラントからの排気を、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のために分岐するステップと、
前記高温用の前記排気を、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排出される未利用燃料を用いて加熱するステップと、
前記加熱された前記排気を蒸気発電システムの熱交換器に供給するステップと、
前記低温用の前記排気を用いて前記蒸気発電システムの蒸発器を駆動するステップと
を備えることを特徴とする発電方法。 bifurcating the exhaust from the SOFC power plant for multiple uses including at least high temperature and low temperature;
heating the high temperature exhaust with unused fuel discharged from the SOFC power plant;
supplying the heated exhaust to a heat exchanger of a steam power generation system;
and using the low temperature exhaust to drive an evaporator of the steam power generation system. 請求項１に記載の燃料電池システムにおける前記外部用の前記排気ラインと、前記外部用の前記未利用燃料ラインとを、既設の蒸気発電システムに接続することにより、複合した発電システムを構築することを特徴とする
発電システムの構築方法。 A combined power generation system is constructed by connecting the external exhaust line and the external unused fuel line in the fuel cell system according to claim 1 to an existing steam power generation system. A method for constructing a power generation system.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001052727A (en) 1999-08-04 2001-02-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Power generating system by fuel cell
JP2003036872A (en) 2001-07-19 2003-02-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Hybrid power system
JP2011141968A (en) 2010-01-05 2011-07-21 Chugoku Electric Power Co Inc:The Power generation system
JP2014137978A (en) 2013-01-18 2014-07-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Hybrid power generating device and hybrid power generating method using fuel cell

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4319411A1 (en) * 1993-06-14 1994-12-15 Siemens Ag High temperature fuel cell plant

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001052727A (en) 1999-08-04 2001-02-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Power generating system by fuel cell
JP2003036872A (en) 2001-07-19 2003-02-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Hybrid power system
JP2011141968A (en) 2010-01-05 2011-07-21 Chugoku Electric Power Co Inc:The Power generation system
JP2014137978A (en) 2013-01-18 2014-07-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Hybrid power generating device and hybrid power generating method using fuel cell

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