JPH03274674A - 燃料電池発電プラントシステム - Google Patents
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- JPH03274674A JPH03274674A JP2073827A JP7382790A JPH03274674A JP H03274674 A JPH03274674 A JP H03274674A JP 2073827 A JP2073827 A JP 2073827A JP 7382790 A JP7382790 A JP 7382790A JP H03274674 A JPH03274674 A JP H03274674A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、特に天然ガスや石炭ガス化ガスを利用した固
体電解質燃料電池発電プラントシステムに関する。
体電解質燃料電池発電プラントシステムに関する。
［従来の技術］
第２図は、従来の天然ガスを用いた固体電解質燃料電池
発電プラントシステムを示す。
発電プラントシステムを示す。
天然ガス１は、燃料ガスブロア２にて加圧し、燃料ガス
を添加され燃料ガス加熱器３で８００℃程度に昇温後、
水蒸気添加ライン４にて水蒸気を添加され燃料ガス改質
器５に送られる。この改質器５では、天然ガス（ＣＨ４
）を炭酸ガス（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）に改質後、固体
電解質燃料電池（以下、５ＯＦＣと呼ぶ）６の燃料極７
側に供給する。一方、空気８は空気ブロア９にて加圧後
、低温空気加熱器ｌＯ１高温空気加熱器１１にて８００
℃程度に加熱し固体電解質燃料電池６の酸素極１２に供
給される。５ＯＦＣでは、直流電力１３が発生する。な
お、図中の１４はアフターバーナーであり、余剰燃料が
燃焼され燃焼ガス１５が発生する。この燃焼ガス１５は
、燃料ガス改質器５、高温空気加熱器１１、燃料ガス加
熱器３、低温空気加熱器ｌＯにて天然ガス１、空気８を
加熱後ボイラ１６にて蒸気１７を発生し、蒸気タービン
１８、交流発電機１９にて交流電力２０を発生後、煙突
２１から大気に放出される。
を添加され燃料ガス加熱器３で８００℃程度に昇温後、
水蒸気添加ライン４にて水蒸気を添加され燃料ガス改質
器５に送られる。この改質器５では、天然ガス（ＣＨ４
）を炭酸ガス（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）に改質後、固体
電解質燃料電池（以下、５ＯＦＣと呼ぶ）６の燃料極７
側に供給する。一方、空気８は空気ブロア９にて加圧後
、低温空気加熱器ｌＯ１高温空気加熱器１１にて８００
℃程度に加熱し固体電解質燃料電池６の酸素極１２に供
給される。５ＯＦＣでは、直流電力１３が発生する。な
お、図中の１４はアフターバーナーであり、余剰燃料が
燃焼され燃焼ガス１５が発生する。この燃焼ガス１５は
、燃料ガス改質器５、高温空気加熱器１１、燃料ガス加
熱器３、低温空気加熱器ｌＯにて天然ガス１、空気８を
加熱後ボイラ１６にて蒸気１７を発生し、蒸気タービン
１８、交流発電機１９にて交流電力２０を発生後、煙突
２１から大気に放出される。
なお、図中の２２はドラム、２３はコンデンサ、２４は
ポンプである。
ポンプである。
［発明が解決しようとする課題］
しかしながら、従来の発電プラントシステムによれば、
下記に述べる問題点を有する。
下記に述べる問題点を有する。
（１）ＳＯＦＣ６内での以下の電池反応のため、５ＯＦ
Ｃの酸素極側（酸素１モル当り）に多量の発熱が生じる
。
Ｃの酸素極側（酸素１モル当り）に多量の発熱が生じる
。
ΔＱ−Ｔ−ΔＳｒ−ΔＢｒ−ΔＧｒ
＝ ７４．４ ＣＫ Ｊ ／ ’１ ｓｏ
ｎ Ｏ２コ ・・・ ■この発熱は
燃料ガスと空気を２７６℃上昇させる熱量に相当し、５
ＯＦＣ６内に流れ方向に２７６℃の温度差を生じせしめ
る。従って、セラミック製５ＯＦＣ６は温度差による熱
応力のため、破損することが度々である。但し、上記式
中 ΔＱ：電池反応による発熱 ΔＳ：エントロピー変化［Ｋ Ｊ ／ Ｋ ５ｏｉｌ
Ｂ ２コＴ：絶対温度［ｋコ ΔＨｒ：水素燃焼反応熱［Ｋ Ｊ ／ ５ｏｌ） Ｈ２
］ΔＧｒ：ギブスの自由エネルギー変化 ［ＫＪ／冒ｏｆｆＨｚ］ （２）ＳＯＦＣ６では燃料ガス２５から前述したように
多量の熱２６が発生するため、空気８で冷却する必要が
ある半面、ガス改質器５では以下の反応で逆に多量の熱
２７を燃焼ガス１５から燃料ガス２５に加える必要があ
る。
ｎ Ｏ２コ ・・・ ■この発熱は
燃料ガスと空気を２７６℃上昇させる熱量に相当し、５
ＯＦＣ６内に流れ方向に２７６℃の温度差を生じせしめ
る。従って、セラミック製５ＯＦＣ６は温度差による熱
応力のため、破損することが度々である。但し、上記式
中 ΔＱ：電池反応による発熱 ΔＳ：エントロピー変化［Ｋ Ｊ ／ Ｋ ５ｏｉｌ
Ｂ ２コＴ：絶対温度［ｋコ ΔＨｒ：水素燃焼反応熱［Ｋ Ｊ ／ ５ｏｌ） Ｈ２
］ΔＧｒ：ギブスの自由エネルギー変化 ［ＫＪ／冒ｏｆｆＨｚ］ （２）ＳＯＦＣ６では燃料ガス２５から前述したように
多量の熱２６が発生するため、空気８で冷却する必要が
ある半面、ガス改質器５では以下の反応で逆に多量の熱
２７を燃焼ガス１５から燃料ガス２５に加える必要があ
る。
ＣＨ４＋Ｈ２０→ｃｏ、＋４Ｈ２
−６２，７８［Ｋ Ｊ ／膳ｏｕａ ２ ］
・・・■本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
発熱と吸熱とを相殺するとともに、排ガスの再循環を行
う事で固体電解質燃料電池内の温度を均一化して燃料電
池の熱応力による破損を防止できる燃料電池発電プラン
トシステムを提供することを目的とする。
・・・■本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
発熱と吸熱とを相殺するとともに、排ガスの再循環を行
う事で固体電解質燃料電池内の温度を均一化して燃料電
池の熱応力による破損を防止できる燃料電池発電プラン
トシステムを提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］
本発明は、天然ガスや石炭ガス化ガス等を燃料として使
用する固体電解質燃料電池による発電プラントシステム
において、固体電解質燃料電池の燃料極側の排ガスを循
環する排ガス循環システムを有するとともに、固体電解
質燃料電池をガス流れ方向に複数段に分割し、更に分割
した固体電解質燃料電池の燃料ガス人口の夫々に前記排
ガスを導入することを特徴とする燃料電池発電プラント
システムである。
用する固体電解質燃料電池による発電プラントシステム
において、固体電解質燃料電池の燃料極側の排ガスを循
環する排ガス循環システムを有するとともに、固体電解
質燃料電池をガス流れ方向に複数段に分割し、更に分割
した固体電解質燃料電池の燃料ガス人口の夫々に前記排
ガスを導入することを特徴とする燃料電池発電プラント
システムである。
［作用］
本発明においては、燃料極排ガス成分は２Ｈ２０＋Ｃ０
２で表わされる。従って、第１図に示すように排ガス２
８を循環し、燃料ガス２５と混合することによって初段
電池６ａでは、燃料ガス２５と燃料極排ガス２８との混
合ガスは以下の改質作用を受ける。前記０式より ＣＨＡ ＋２／Ｎ Ｈ２０＋１／Ｎ ＣＯ２→１／ＮＣ
Ｏ２＋４／Ｎ Ｈ２＋（１−１／Ｎ ） ＣＨ４＋１／
Ｎ ＣＯ□−４／Ｎ ｘ６２．７に こで、Ｎは電池の分割個数である。
２で表わされる。従って、第１図に示すように排ガス２
８を循環し、燃料ガス２５と混合することによって初段
電池６ａでは、燃料ガス２５と燃料極排ガス２８との混
合ガスは以下の改質作用を受ける。前記０式より ＣＨＡ ＋２／Ｎ Ｈ２０＋１／Ｎ ＣＯ２→１／ＮＣ
Ｏ２＋４／Ｎ Ｈ２＋（１−１／Ｎ ） ＣＨ４＋１／
Ｎ ＣＯ□−４／Ｎ ｘ６２．７に こで、Ｎは電池の分割個数である。
また、■式より
ΔＱｒ″−４／Ｎ Ｘ７２．８６ ［ＫＪ］となる。
つまり、各々の電池での改質用吸熱量と電池反応による
発熱量は単一電池の時の１／Ｎとなり、さらに電池毎に
熱の相殺が生じる。また、排ガス循環を実施しているた
め、燃料極を流れる燃料ガス量は元の流量に燃料極排ガ
スが加わる。
発熱量は単一電池の時の１／Ｎとなり、さらに電池毎に
熱の相殺が生じる。また、排ガス循環を実施しているた
め、燃料極を流れる燃料ガス量は元の流量に燃料極排ガ
スが加わる。
従って、第２図で生じた固体電解質燃料電池の流れ方向
温度差ΔＴ ［”Ｃコ Δ Ｔ −２７６［℃コ × ４７Ｎ −（７
４，４−６２，７８）／７４．４Ｘ１．／（１＋ α） に減少する。ここで、αは燃料ガスに対する排ガス循環
量の重量流量比に関係する値であり、初段電池では ａ−（ＣＯ２＋２）＋２０）／（００２＋４Ｈ２０）−
１／Ｎであり、Ｎ−３とすれば α−（ＣＯ２＋ ２Ｈ２０）／（ＣＯ２＋ ４］（２０
）・ｌ／３−７２７７８ ・１／３ 一０．３２ ΔＴ −２７８Ｘ ４／３ ・（７４，４−８２，７８
）／７４．４ｘ １ ／ （１＋０．３２） −４４℃ となる。従って、本発明による第１図のシステムでは従
来のシステムに比較して熱応力は４４／２７Ｂ−１／６
に減少する。
温度差ΔＴ ［”Ｃコ Δ Ｔ −２７６［℃コ × ４７Ｎ −（７
４，４−６２，７８）／７４．４Ｘ１．／（１＋ α） に減少する。ここで、αは燃料ガスに対する排ガス循環
量の重量流量比に関係する値であり、初段電池では ａ−（ＣＯ２＋２）＋２０）／（００２＋４Ｈ２０）−
１／Ｎであり、Ｎ−３とすれば α−（ＣＯ２＋ ２Ｈ２０）／（ＣＯ２＋ ４］（２０
）・ｌ／３−７２７７８ ・１／３ 一０．３２ ΔＴ −２７８Ｘ ４／３ ・（７４，４−８２，７８
）／７４．４ｘ １ ／ （１＋０．３２） −４４℃ となる。従って、本発明による第１図のシステムでは従
来のシステムに比較して熱応力は４４／２７Ｂ−１／６
に減少する。
［実施例］
以下、本発明の一実施例について第１図を参照して説明
する。なお、第２図と同部材は同符号を付して説明を省
略する。
する。なお、第２図と同部材は同符号を付して説明を省
略する。
本実施例では固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）が流れ方
向に例えば３個に分割され、６ａは初段５ＯＦＣ，８ｂ
は第２段５ＯＦＣ，６ｃは第３段５ＯＦＣを示し、各々
の燃料ガス２５の入口にアフターバーナ１４の入口空燃
料極７の燃料極排ガス２８を投入する。また、２９は排
ガス循環フロア、３０〜３３は夫々弁を示す。
向に例えば３個に分割され、６ａは初段５ＯＦＣ，８ｂ
は第２段５ＯＦＣ，６ｃは第３段５ＯＦＣを示し、各々
の燃料ガス２５の入口にアフターバーナ１４の入口空燃
料極７の燃料極排ガス２８を投入する。また、２９は排
ガス循環フロア、３０〜３３は夫々弁を示す。
天然ガス１は燃料ブロア２によって加圧され、天然ガス
加熱器３で８００℃程度に昇温され、初段Ｓ ＯＦ Ｃ
６ａの燃料極７側に供給する。一方、空気８は空気ブロ
ア９にて加圧後、低温空気加熱器１０゜高温空気加熱器
１１にて８００℃程度に加熱し固体電解質燃料電池６ａ
〜６ｃの燃料極側に供給する。一方、空気８は空気ブロ
ア９にて加圧後、低温空気加熱器ｌＯ１高温空気加熱器
１１にて８００℃程度に加熱され、初段Ｓ ＯＦ Ｃ８
ａの酸素極１２に供給される。ここでは、燃料極排ガス
２８と燃料ガス２５と混合することによって、以下の改
質作用が行われる。
加熱器３で８００℃程度に昇温され、初段Ｓ ＯＦ Ｃ
６ａの燃料極７側に供給する。一方、空気８は空気ブロ
ア９にて加圧後、低温空気加熱器１０゜高温空気加熱器
１１にて８００℃程度に加熱し固体電解質燃料電池６ａ
〜６ｃの燃料極側に供給する。一方、空気８は空気ブロ
ア９にて加圧後、低温空気加熱器ｌＯ１高温空気加熱器
１１にて８００℃程度に加熱され、初段Ｓ ＯＦ Ｃ８
ａの酸素極１２に供給される。ここでは、燃料極排ガス
２８と燃料ガス２５と混合することによって、以下の改
質作用が行われる。
ＣＨ４＋２／Ｎ Ｈ２０＋１／Ｎ Ｃｏ２ ＝ｌ／Ｎ
Ｃ０２＋４７Ｎ Ｈ２＋ （１−１７Ｎ ） ＣＨ４＋
１／Ｎ Ｃｏ２−４／Ｎ Ｘ［ｉ２．７６ （吸熱）
ΔＱ ｒ’ ＝４／Ｎ ｘ７２．ｇｅ ［ＫＪコ （
発熱）となる。なお、Ｎは５ＯＦＣの分割個数を示す。
Ｃ０２＋４７Ｎ Ｈ２＋ （１−１７Ｎ ） ＣＨ４＋
１／Ｎ Ｃｏ２−４／Ｎ Ｘ［ｉ２．７６ （吸熱）
ΔＱ ｒ’ ＝４／Ｎ ｘ７２．ｇｅ ［ＫＪコ （
発熱）となる。なお、Ｎは５ＯＦＣの分割個数を示す。
この作用が１８２段、第３段の電池にも起こる。
以上のように、各々の５ＯＦＣでの改質用吸熱量２７と
、電池反応による発熱量２６は単一電池の時の１／Ｎと
なり、更に個々の分割された電池毎に発熱、吸熱の相殺
が生じる。また、燃料極側排ガス２８を循環しているた
め、燃料極７を流れる燃料ガス２５は元の流量に燃料極
排ガス２８が加わる。従って、初段５ＯＦＣ６の流れ方
向温度ΔＴ ［’Ｃ］−４４［’Ｃ］ （α−ｏ、３
２）となり、従来のシステムに比して熱応力は４４／２
７Ｂ−１／ ６減少する。
、電池反応による発熱量２６は単一電池の時の１／Ｎと
なり、更に個々の分割された電池毎に発熱、吸熱の相殺
が生じる。また、燃料極側排ガス２８を循環しているた
め、燃料極７を流れる燃料ガス２５は元の流量に燃料極
排ガス２８が加わる。従って、初段５ＯＦＣ６の流れ方
向温度ΔＴ ［’Ｃ］−４４［’Ｃ］ （α−ｏ、３
２）となり、従来のシステムに比して熱応力は４４／２
７Ｂ−１／ ６減少する。
後段の各段の５ＯＦＣの温度差は、初段より更に減少し
、第２段では ａ ＝ （７２Ｘ ２／３ ）／ ７８−０．８３
、 ΔＴ−３８［”Ｃコ第３段では α−（７２Ｘ３／３ ） ／７８−（１，９５、Δ−８
０Ｅ”Ｃ］となる。
、第２段では ａ ＝ （７２Ｘ ２／３ ）／ ７８−０．８３
、 ΔＴ−３８［”Ｃコ第３段では α−（７２Ｘ３／３ ） ／７８−（１，９５、Δ−８
０Ｅ”Ｃ］となる。
従って、本発明によれば、従来のシステムに比べ、５Ｏ
ＦＣの熱応力は１／６以下に減少し、ＯＦＣの熱応力を
避けることができる。
ＦＣの熱応力は１／６以下に減少し、ＯＦＣの熱応力を
避けることができる。
なお、上記実施例では、５ＯＦＣが流れ方向に例えば３
個に分割されている場合について述べたが、これに限定
されるものではない。
個に分割されている場合について述べたが、これに限定
されるものではない。
［発明の効果］
以上詳述した如く本発明によれば、酸素極側に生ずる電
池反応に基づく発熱と改質反応に基づく吸熱を小刻みに
同時に進行させることにより、５ＯＦＣ内の温度分布（
温度差）を小さくでき、温度差にもとづいて生じる熱応
力を従来の５ＯＦＣのそれの数分の１とし、熱応力によ
る破損を防止でき、石炭ガス化ガス利用のプラント等に
利用可能な燃料電池発電プラントシステムを提供できる
。
池反応に基づく発熱と改質反応に基づく吸熱を小刻みに
同時に進行させることにより、５ＯＦＣ内の温度分布（
温度差）を小さくでき、温度差にもとづいて生じる熱応
力を従来の５ＯＦＣのそれの数分の１とし、熱応力によ
る破損を防止でき、石炭ガス化ガス利用のプラント等に
利用可能な燃料電池発電プラントシステムを提供できる
。
第１図は本発明の一実施例に係る燃料電池発電プラント
システムの説明図、第２図は従来の燃料電池発電プラン
トシステムの説明図である。 １・・・天然ガス、２・・・天然がスブロア、３・・・
燃料ガス加熱器、４・・・水蒸気添加ライン、５・・・
燃料ガス改質器、６，６ａ〜６ｃ・・・固体電解質燃料
電池、７・・°燃料極、９・・・空気フロア、１０・・
・低温空気加熱器、１１・・・高温空気加熱器、１２・
・・酸素極、１４・・・アフターバーナ、１Ｂ・・・ボ
イラ、１８・・・蒸気タービン、１９・・・交流発電機
、２２・・・ドラム、２３・・・コンデンサ、２８・・
・燃料極排ガス、２９・・・排ガス循環ブロア、３０〜
３３・・・弁。
システムの説明図、第２図は従来の燃料電池発電プラン
トシステムの説明図である。 １・・・天然ガス、２・・・天然がスブロア、３・・・
燃料ガス加熱器、４・・・水蒸気添加ライン、５・・・
燃料ガス改質器、６，６ａ〜６ｃ・・・固体電解質燃料
電池、７・・°燃料極、９・・・空気フロア、１０・・
・低温空気加熱器、１１・・・高温空気加熱器、１２・
・・酸素極、１４・・・アフターバーナ、１Ｂ・・・ボ
イラ、１８・・・蒸気タービン、１９・・・交流発電機
、２２・・・ドラム、２３・・・コンデンサ、２８・・
・燃料極排ガス、２９・・・排ガス循環ブロア、３０〜
３３・・・弁。
Claims (1)
- 天然ガスや石炭ガス化ガス等を燃料として使用する固体
電解質燃料電池による発電プラントシステムにおいて、
固体電解質燃料電池の燃料極側の排ガスを循環する排ガ
ス循環システムを有するとともに、固体電解質燃料電池
をガス流れ方向に複数段に分割し、更に分割した固体電
解質燃料電池の燃料ガス入口の夫々に前記排ガスを導入
することを特徴とする燃料電池発電プラントシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2073827A JPH03274674A (ja) | 1990-03-23 | 1990-03-23 | 燃料電池発電プラントシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2073827A JPH03274674A (ja) | 1990-03-23 | 1990-03-23 | 燃料電池発電プラントシステム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03274674A true JPH03274674A (ja) | 1991-12-05 |
Family
ID=13529371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2073827A Pending JPH03274674A (ja) | 1990-03-23 | 1990-03-23 | 燃料電池発電プラントシステム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03274674A (ja) |
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-
1990
- 1990-03-23 JP JP2073827A patent/JPH03274674A/ja active Pending
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