JPS6238828B2 - - Google Patents

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JPS6238828B2
JPS6238828B2 JP55112306A JP11230680A JPS6238828B2 JP S6238828 B2 JPS6238828 B2 JP S6238828B2 JP 55112306 A JP55112306 A JP 55112306A JP 11230680 A JP11230680 A JP 11230680A JP S6238828 B2 JPS6238828 B2 JP S6238828B2
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JP
Japan
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gas
fuel cell
combustion
fuel
chamber
Prior art date
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Application number
JP55112306A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS5736784A (en
Inventor
Goro Oguchi
Kazuyoshi Isotani
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Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Original Assignee
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsui Toatsu Chemicals Inc filed Critical Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Priority to JP11230680A priority Critical patent/JPS5736784A/en
Publication of JPS5736784A publication Critical patent/JPS5736784A/en
Publication of JPS6238828B2 publication Critical patent/JPS6238828B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

[産業上の利用分野] 本発明は、炭化水素類を含む原料ガスのスチー
ムリフオーミングによつて生成する水素ガスを燃
料とし、加圧された空気を酸化剤として用いる燃
料電池を利用した燃料電池発電設備の改良に関す
る。更に詳しくは、外熱式リフオーマを用いて総
合熱効率(使用した炭化水素燃料の総発熱量に対
する、発生電力エネルギーの比率をいう。以下、
同じ意味で用いる。)を改善した燃料電池発電設
備に関するものであつて、とくに燃料電池発電設
備における排ガスの有効利用法およびその設備に
関する。 ここに外熱式リフオーマとは原料ガス流以外の
熱源(一般的には高温燃焼ガス)によつてリフオ
ーミング反応の反応熱を外部から熱交換によつて
間接的に与える方式をいう。以下本明細書におい
て単にリフオーマと記載した場合は、特に断わり
のない限り該外熱式リフオーマをいう。 [発明の背景] 燃料電池発電設備は、当技術分野においてはよ
く知られており、一般に、炭化水素類を含む原料
ガスのスチームリフオーミングによつて水素を生
成するリフオーマと、このリフオーマで生成され
た水素を燃料として用いると共に、加圧された空
気を酸化剤として用いる燃料電池と、前記加圧空
気の発生装置とを有しており、そして前記燃料電
池の電解質としては、例えばリン酸水溶液が用い
られる。また原料炭化水素類としては、例えば天
然ガス、ナフサ、石油ガス等が用いられる。そこ
で、本明細書において「炭化水素類」とは、これ
ら炭化水素に限らず、メタノール等を含めた総称
として用いるものとする。 燃料電池発電設備が他の方法による発電設備に
経済的に比肩し得るようにするためには、その総
合熱効率を徹底して高めることが重要であり、こ
のための様々な方法が研究されてきている。燃料
電池が、炭化水素のスチームリフオーミングによ
つて得られる水素ガスを燃料とする場合には、こ
の燃料ガス中に炭酸ガスやメタンのような不活性
なガスが含まれるため、電池内における水素の分
圧を必要な水準に保持するためには電池に供給さ
れた燃料ガスの一部を継続的に電池外へ排出する
ことが必要である。この排出されたガス(以下、
燃料残ガスという。)をスチームリフオーミング
のためのリフオーマ用燃料ガスとして利用するこ
とは、発電設備の総合熱効率を上げる方法とし
て、一般に採用されている。 燃料電池発電設備の総合熱効率は、燃料電池そ
のものの効率、すなわち燃料電池の電気出力の燃
料電池で消費される水素の持つ有効エネルギーに
対する割合に大きく依存している。燃料電池の効
率は電池の運転温度が高い程、また燃料極(水素
極)側の水素ガス分圧が高い程高くなるので、燃
料電池の運転条件は、その構造および装置材料に
許容される範囲で高温かつ高圧に選ばれることに
なる。例えばリン酸水溶液を電解質として用いる
燃料電池においては、その運転条件として、190
℃以上(主として190〜215℃程度)および3.5気
圧以上(主として3.5〜8気圧程度)が使用され
ている。そして、該燃料電池の構造および装置材
料の改良に伴い、この温度および加圧上限は上昇
する傾向にある。 燃料電池の酸化剤として空気を用いる場合に
は、空気中に不活性な窒素ガスが多量に含まれて
いるため、酸素極における酸素ガス分圧を必要な
水準に保持するためには、常に過剰量の加圧空気
を供給し、一部を排出することが必要である。加
圧空気の過剰率を増加させれば、酸素極における
平均酸素ガス分圧は上昇し、電池の効率は改善さ
れるが、反面、空気を電池の運転圧力まで加圧し
供給するための圧縮機の必要動力が増大するた
め、この加圧空気の過剰率には最適値が存在す
る。 燃料電池の酸素極から排出される酸素の希薄と
なつた空気(以下、残空気という。)は燃料電池
で加圧で運転される場合には、かなりの圧力エネ
ルギーを有しており、この圧力エネルギーをガス
タービンによつて回収し、加圧空気供給のための
圧縮機動力の一部とすることは、発電設備の総合
熱効率を改善する方法として従来から知られてい
る。 一方、燃料電池の水素極から排出される燃料残
ガスは、前述の如く、リフオーマの熱源用燃料と
して利用されるが、燃料残ガスの持つ圧力エネル
ギーを回収し、また、リフオーマから排出される
燃焼廃ガスのもつ熱エネルギーの回収効率を改善
するために、リフオーマの燃焼室を燃料電池と同
様に加圧とし、燃焼廃ガスを前述の残空気と共に
ガスタービンに供給することによつて動力回収を
行う方法も既によく知られている。 以上述べた方法によつて燃料電池発電設備の総
合熱効率は大巾に改善されたが、まだ十分である
とはいえない。 [発明の目的] そこで、本発明の目的は、燃料電池発電設備の
総合熱効率をさらに改善することである。 [発明の構成および作用] 上記目的を達成する本発明法は、炭化水素類の
スチームリフオーミングによつて得られた水素を
燃料として用いると共に、加圧空気を酸化剤とし
て用いる燃料電池発電設備において、スチームリ
フオーミングのためのリフオーマの熱源として、
燃料電池の水素極から排出される燃料残ガスを、
前記燃料電池の酸素極から排出される残空気の少
なくとも一部を酸素源として燃焼させることによ
つて生じる燃焼熱を用い、かつ該燃焼熱は隔壁を
介して前記炭化水素類に与えられると共に、該燃
焼熱を伴う燃焼ガスはスチームリフオーミングに
よつて得られた水素含有ガスと混合することなく
別々に排出されることを特徴とする。 なお本発明において加圧空気とは、3.5気圧以
上の加圧空気を指し、その加圧上限は燃料電池等
の構造および装置材料によつて制限される。 また、上記目的を達成する本発明の燃料電池発
電設備は、炭化水素類のスチームリフオーミング
によつて得られた水素を燃料として用いると共
に、該圧空気を酸化剤として用いる燃料電池発電
設備において、この発電設備が炭化水素類および
スチームからなる原料ガスから水素含有ガスを生
成する反応室を有するリフオーマと、空気を圧縮
して加圧された空気を発生する加圧空気発生装置
と、前記リフオーマで生成された水素を導入する
水素極および前記加圧空気発生装置で生成された
空気を導入する酸素極を含む燃料電池とを有して
おり、かつ前記燃料電池の水素極から排出される
燃料残ガスを前記燃料電池の酸素極から排出され
る残空気の少なくとも一部を酸素源として燃焼さ
せる燃焼室が設けられており、前記反応室は該燃
焼室と郭定され且つこの燃焼室における燃焼熱を
スチームリフオーミングのための熱源として用い
る室であり、更に前記燃焼熱を伴う燃焼ガスを排
出する燃焼ガス排出口と、水素含有ガス排出口と
がリフオーマに別々に設けられていることを特徴
する。 本発明によれば、残空気の一部あるいは全部が
リフオーマにおける燃料残ガス燃焼用の酸素源と
して用いられる。これによつて、リフオーマのた
めの燃焼用空気が全て不要になり、この空気の圧
縮のために必要とされた圧縮機の動力が節減され
る。この動力の節減量は、ガスタービンへ供給さ
れるガス量が全体として減少することによる回収
動力の減少量に比べて十分に大きいため、発電設
備の総合熱効率を上昇させることになる。 また近年、大気の汚染を防止するという観点か
ら発電設備に対してもその排出ガス中の汚染物
質、特に窒素酸化物を減少させるべき要請が強ま
つている。燃料電池自体は電気化学的な反応によ
つて発電を行うため窒素酸化物の発生はないが、
リフオーマにおいては燃料残ガスを燃焼させるた
め、ここでかなりの量の窒素酸化物の発生が避け
られなかつた。この点、本発明によれば、リフオ
ーマでの燃焼用酸素源として酸素濃度の低い残空
気を用いるため従来の空気を用いた方法に比べて
その燃焼温度が大巾に下がることになり、これに
よつて窒素酸化物の発生を著しく減少させること
ができる。 なお、燃料電池の排ガス有効利用という観点か
ら特開昭54−82636号公報(特公昭58−56231号公
報参照)に記載の技術が知られている。この公報
に記載の方法は次のようなシステムからなる。 即ち、燃料電池の陽極(水素極)からの排気と
陰極(酸素極)からの排気は、バーナで燃焼さ
れ、バーナ排気の第1の部分は、リフオーマへ供
給され、原料と混合後スチームリフオーミング反
応が行われる。内熱式リフオーマで得られた生成
ガスは陽極へ供給され、陽極の排気は再びバーナ
へ供給され、リサイクルされる。他方バーナ排気
の第2の部分は排気される。 上記公開公報に記載のシステムにおいては、本
願発明とは異なり、内熱式リフオーマを用いてい
る。ここに内熱式リフオーマとは、リフオーミン
グの反応熱を、原料ガス中に酸素含有ガス(一般
には空気あるいは純酸素ガス)を混入し、原料ガ
スの一部を酸化することによつて生じる反応熱に
より、あるいは原料ガス中に高温ガスを混入する
ことにより、原料ガス流自体に内在する熱エネル
ギーから得る方法をいう。該公報記載の発明は、
該内熱式リフオーマの熱源として、燃料電池の燃
料残ガスと残空気との燃焼によつて生じる燃焼ガ
スの原料ガスへの混入および(あるいは)該燃焼
ガスに含まれる残存酸素の原料ガスへの混入を用
いている。該発明によれば、燃料電池の排ガス中
に含まれる水分をリフオーミングのためのスチー
ム源として回収できる等の利点を有するが、酸素
源(この場合は燃料電池の残空気)中に含まれる
不活性ガス(窒素など)が原料ガス中に入り込
み、リフオーマ生成ガスの水素分圧を下げるとと
もに、処理ガス量を増大させるという、内熱式の
リフオーマに特有の欠点を有している。特に酸素
源として酸素濃度の低い燃料電池の残空気を用い
ることはこの欠点をより致命的なものとすること
が明らかである。 本発明によれば、外熱式リフオーマを用いるこ
とによつてかかる欠点を全く有さず、さらに燃料
電池も排ガスの有効利用による効率の高い発電設
備が可能となつた。 本発明の方法によつて燃料電池の残空気をリフ
オーマにおける燃焼用空気として利用する場合に
は、残空気中に含まれる酸素の濃度が低いために
いくつかの困難が生ずる場合がある。 その一つは、燃焼ガスが多量の窒素によつて希
釈されるため、燃焼温度が低下し、このため従来
用いられている輻射伝熱機構を利用した型のリフ
オーマでは十分な伝熱量が得られないことであ
る。また他の一つの困難は、燃焼室における可燃
性ガスおよび酸素の濃度が低いために燃焼が不安
定となり、不完全燃焼および点火の失敗を生じや
すいことである。 しかるに本発明の好ましい実施態様によれば、
燃料ガスおよび燃焼用空気中の可燃性ガスおよび
酸素の濃度が低い場合にも十分な伝熱量を得るこ
とができ、且つ安定した運転が可能なリフオーマ
を有する燃料電池発電設備を提供することができ
る。即ち、該一実施態様では、リフオーマ容器内
に先端を閉じた円筒状の反応管が複数個密に配列
されている。各反応管内部にはさらに円筒状の反
応管内管が挿入されており、この反応管と反応管
内管とによつて郭定される円環状断面を有する反
応室にはスチームリフオーミング触媒が充填され
ている。さらに反応管内管の内側はスチームリフ
オーミングによつて生成した生成ガスを通過させ
る再生室であつて、反応管の開端部より反応室内
に導入された原料ガスは触媒層を通過することに
よつて水素ガスを含む生成ガスとなり、反応管の
閉端部に至る。この生成ガスは反応管の閉端部よ
り反応管内管の内側に郭定された再生室に入り、
反応管の開端部に近い生成ガス出口より排出され
る。反応管内管は、生成ガスの通路を提供すると
同時に、生成ガスから反応室への熱回収装置を兼
ねており、これによつて生成ガスに含まれる顕熱
の大きな部分が回収され、反応室で生ずるスチー
ムリフオーミング反応のための熱として有効に利
用される。本発明においては、生成ガスから反応
室への伝熱効果を十分ならしめるために、反応管
内管の内側に適当な熱伝達率改善のための装置を
含むことができる。 反応管の外側とリフオーマ容器とによつて郭定
される中間は燃焼室であり、この燃焼室には燃料
ガス中に含まれる可燃性ガス(水素、メタン、一
酸化炭素)の酸化反応を促進するための酸化触媒
粒が充填されている。この触媒の具体例として
は、白金、パラジウム等の貴金属およびニツケ
ル、コバルト、鉄、バナジウム、クロム、銅、亜
鉛、マンガン、マグネシウム等の卑金属の酸化物
並びにこれらの混合物等が挙げられる。この触媒
粒は触媒としての働きの他に、輻射・対流・伝熱
の組合せ機構によつて燃焼ガスから反応管への伝
熱を促進する役割を果たす。燃料ガスとしての燃
料残ガスおよび燃焼用酸素源としての残空気は、
反応管の閉端部から燃焼室内に供給され、触媒層
を通過して燃焼し、燃焼廃ガスは反応管の開端に
近い側よりリフオーマ外に排出される。反応管を
スチームリフオーミング反応に必要な温度(750
℃以上)にまで加熱するためには、燃焼室内のガ
ス温度は最高1000℃程度になる必要があり、この
条件を満たすためには、燃料残ガスおよび残空気
はリフオーマへ供給されるに先立つて十分予熱さ
れていることが望ましい。 なお、本発明の燃焼室はリフオーマの反応管に
接して設けられることは必ずしも要件ではなく、
例えば反応管の生成ガス出口側の空間、またはリ
フオーマの外部に設けられてもよい。この場合、
反応管に接した空間に、前記燃焼室からの燃焼ガ
スが導かれる。そして、この反応管に接した空間
に、伝熱を促進するためのパツキング材料等が充
填されることは望ましいことである。 [実施例] 以下に添付の図面を参照しながら本発明の特徴
ならびに本発明の好ましい実施例について説明を
行う。 第1図は従来の燃料電池発電設備の実施例にお
けるフロースキームを示す概略図である。第2図
は本発明による燃料電池発電設備の実施例におけ
るフロースキームを示す概略図である。第1図お
よび第2図は従来の発電設備と本発明による発電
設備との差異を説明するための図面であり、した
がつて、説明上不要な機器やフローは省略されて
いる。 第1図に示されている従来の発電設備の実施例
においては、原料用炭化水素類1とリフオーミン
グ用スチーム2は混合されて原料ガス3とされ、
原料予熱器106で予熱された後、リフオーマ1
01へ供給される。リフオーマ101からの水素
を含む生成ガス4は、空気予熱器107および燃
料残ガス予熱器108で冷却された後、シフトコ
ンバータ105へ供給される。シフトコンバータ
105ではシフト反応によつて生成ガス中の一酸
化炭素を水素および炭酸ガスに転化する。転化さ
れた生成ガス6は燃料電池102の水素極111
に供給される。水素極111から排出された燃料
残ガス7は燃料残ガス予熱器108で予熱された
後、リフオーマ101へ燃料として供給される。
一方、空気11は圧縮機104によつて必要な圧
力にまで加圧される。加圧された空気12の一部
13は燃料電池102の酸素極112に供給され
る。加圧された空気の残りの部分15は空気予熱
器107によつて予熱された後、リフオーマ10
1へ燃焼用空気(酸素源)として供給される。燃
料残ガス7に燃焼用空気15によつてリフオーマ
101内で燃焼し、原料ガス3に、スチームリフ
オーミングに必要な熱エネルギーを与えた後、リ
フオーマ廃ガス8として排出される。リフオーマ
廃ガス8は、原料予熱器106で残つた熱エネル
ギーの一部を回収した後、燃料電池102から排
出される残空気14と共にガスタービン103に
供給され、圧力エネルギーおよび熱エネルギーを
動力(駆動源)として回収され、その後、廃ガス
10として放出される。ガスタービン103で回
収された動力は圧縮機104駆動のために用いら
れる。ガスタービン103で回収された動力が圧
縮機104駆動のために必要な動力に見合うため
には、タービンに供給されるガス9の流量および
温度が必要な水準以上に保持されなければならな
いが、これは燃料電池102より排出する燃料残
ガス7の量を増減することによつて調節され得
る。原料炭化水素1の量を一定として燃料残ガス
の量を増加させれば、当然燃料電池102で消費
し得る水素の量が減少し、電気出力が低下する。
したがつて圧縮機104の駆動動力が増加すれ
ば、発電設備全体の総合熱効率が低下するという
関係が存在することとなる。 第2図に示されている本発明による発電設備の
実施例においては、燃料電池102より排出され
る残空気14の大きな部分16が、リフオーマ1
01のための燃焼用空気(酸素源)として用いら
れる。残空気14の残りの部分17はリフオーマ
101をバイパスされて直接ガスタービン103
へ供給される。本実施例においては、圧縮機10
4によつて加圧された空気12はその全てが燃料
電池102へ供給される。 従つて本発明に係る発電設備においては、圧縮
機104で加圧される空気の量は従来の発電設備
に比べて、リフオーマ101の燃焼用空気15の
量に相当するだけ少なく、圧縮機104の駆動の
ための動力も少なくてよい。 [実験例] メタンを原料とする出力30MWの燃料電池発電
設備において、第1図に示されている従来の設備
と第2図に示されている本発明による設備につい
て、実験プラントにより比較したところ、本発明
による設備の法が従来の設備に比べ約0.7%総合
熱効率が高いことが確認された。 [リフオーマ実施例] 第3図は本発明による燃料電池発電設備に用い
られるリフオーマの具体的実施例を示す解図的部
分垂直断面図である。この実施例においては、リ
フオーマ200はリフオーマ容器201内に稠密
に詰込まれた複数個の反応管202を含んでい
る。この各反応管202は垂直に伸びる上端を閉
じた円筒状であり、各反応管202の内部には反
応管内管203が含まれており、反応管202と
反応管内管203の間に反応室204を郭定して
いる。反応室204はスチームリフオーミング触
媒粒205によつて満たされており、この触媒粒
205は反応室204の入口206に配置された
スクリーン221上に支持されている。反応管内
管203はその内側に生成ガスを通過させる再生
室208を郭定しており、この再生室208はそ
の入口209を反応室出口207の近くに、また
出口210を反応室入口206近くの生成ガスマ
ニホールド234内にそれぞれ有している。 炭化水素類1およびスチーム2を含む原料ガス
3は原料ガス入口ノズル231によつてリフオー
マ200内に導入され、原料ガスマニホールド2
32を経て各反応室204に供給される。原料ガ
ス3は反応室204へ入るとただちにスチームリ
フオーミング反応を開始し、反応室出口207に
達するまでに水素、一酸化炭素、二酸化炭素、ス
チームおよび少量の残留メタンを含む生成ガスへ
と転化する。再生室208は生成した生成ガスを
反応室出口210より生成ガスマニホールド23
4へ導く流路であると同時に、比較的高温の生成
ガスからその熱エネルギーを回収し、スチームリ
フオーミング反応のための反応熱を供給する手段
を兼ねている。 本発明の目的を効果的に達するためには生成ガ
スからの熱エネルギーの回収が十分行われること
が必要であり、このためには生成ガスと反応管内
管203との間の熱伝達を十分大きくとれるよう
に設計することが重要である。熱伝達率を改善す
る手段として、再生室208内に適当な装置を含
めることができる。この装置としては、例えば本
実施例におけるように通路断面積をせばめ、ガス
流速を増すためのプラグ211、あるいはガス流
の乱れを増すためのバツフル装置、あるいはパツ
キング材料(例えばアルミナボール)などが利用
できる。 反応管202の外部にはリフオーマ容器201
との間に燃焼室212が郭定されている。燃焼室
212内は酸化触媒粒213によつてほぼ満たさ
れており、この触媒粒213は、反応室204の
入口側に近い燃焼室出口214に配置されたスク
リーン222によつて支持されている。 リフオーマ燃料としての燃料残ガス7は燃料入
口ノズル237からリフオーマ200に供給さ
れ、燃料マニホールド238に設けられた燃料ノ
ズル241によつて燃焼室212へ供給される。
一方、燃料用酸素源としての残空気16は空気入
口ノズル239からリフオーマ200に供給さ
れ、空気マニホールド240に設けられた空気ノ
ズル242によつて燃焼室212へ供給される。 本発明の目的を効果的に達成するためには、燃
焼室212に充填されている触媒粒213は、燃
料残ガス7中に含まれる可燃成分の酸化反応を促
進すると共に、反応管202への伝熱を助ける効
果をもたらすことが重要である。本実施例におい
てはアルミナボールを担持体とした白金触媒が使
用された。 [実験例] 本実施例におけるリフオーマは、反応管202
の長さは1800mm、反応管202の外径は200mm、
反応管内管203の外径は150mmであり、反応管
202は中心間距離250mmの千鳥状に配列され
た。 原料炭化水素類1としてメタンを用い、体積比
で4倍のスチーム2と混合して得られた原料ガス
3は、原料ガス予熱器106によつて約460℃ま
で予熱された後、反応管2021本当り約2.9
Kg/mol/hの割合でリフオーマ101へ供給さ
れた。リフオーマにおいて約90%のメタンが分解
し、約48%の水素と約6%の一酸化炭素を含む生
成ガス4が得られた。生成ガス4はリフオーマ1
01出口において約550℃であり、圧力は約4.5気
圧であつた。生成ガス4は空気予熱器107およ
び燃料残ガス予熱器108によつて、約390℃ま
で冷却された後、シフトコンバータ105へ供給
された。シフトコンバータ105によつて大部分
の一酸化炭素を水素と二酸化炭素に転化された生
成ガス6は過剰の水分を除かれた後、燃料電池1
02の水素極111へ供給された。燃料電池10
2において約86%の水素が発電のために使用され
た。水素極111より排出された燃料残ガス7に
は、可燃分として約30%の水素、約8%のメタ
ン、および1%以下の一酸化炭素が含まれてい
た。燃料残ガス7は燃料残ガス予熱器108によ
つて約520℃まで予熱された後、リフオーマ10
1へ燃料として供給された。一方、酸素源である
空気11は圧縮機104により約3.5気圧まで加
圧され、その全量が燃料電池102の酸素極11
2供給された。酸素極への空気量は、理論必要量
に対して約45%過剰に供給され、残空気14は約
7.5%の酸素を含んでいた。酸素極112より排
出された残空気14の約80%が燃焼用残空気16
(すなわち酸素源)として、約420℃まで予熱され
た後、リフオーマ101へ供給され、残りの約20
%の残空気は残空気バイパス17とされた。リフ
オーマより排出されたリフオーマ廃ガス8は約
520℃であり、圧力は約3.3気圧であつた。リフオ
ーマ廃ガス8は原料ガス予熱器106によつて熱
回収されて約350℃まで冷却された後、残空気バ
イパス17と合流し、タービン103によつて圧
縮機104のための駆動動力を回収された後、排
出された。本実施例の発電設備においてその総合
熱効率は38.4%であつた。 [発明の応用] 以上、本発明をその好ましい実施例において詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内において種々
の修正並びに省略が可能であることは当業者にと
つて明らかであろう。 例えば本発明においては、リフオーマにおける
燃焼に用いられる酸素源が、実質的に100%燃料
電池の酸素極から排出される残空気であること
が、総合熱効率の向上の観点より最も好ましい
が、加圧空気発生装置から生じる加圧空気の一部
を、直接、前記酸素源の一部として用いてもよ
い。 なお、本発明の燃料電池発電設備に用いられる
前述のリフオーマは、吸熱反応装置としてその他
の用途にも使用可能である。 [発明の効果] (1) 残空気の利用方法 燃料電池発電プラントにおいて、燃料電池の
空気極からら排出される使用済みの空気(残空
気)を、燃料電池の燃料である水素ガスを発生
するためのリフオーマにおいて利用する技術は
大別すると2つになる。即ち、1つは本発明で
あり、この方法においては、前記の通り、残空
気は外熱式のリフオーマの燃焼室に導かれ、燃
焼のための酸素源として利用された後、燃焼ガ
スとして(生成水素ガスとは別に)排出され
る。従つて、本方法を外熱式残空気利用法と呼
ぶことができよう。 他の1つは前記特開昭54−82636号において
開示されているものであり、この方法において
は、前記の通り、残空気はバーナーにおいて燃
焼に用いられた後、生成した燃焼ガスの一部分
を内燃式リフオーマの原料ガスに混合すること
により、リフオーミング反応のための熱源ある
いは部分酸化反応のための酸素源として利用す
るとともに、残空気中に含まれる電池生成水に
よつてリフオーミング反応のための水蒸気を合
わせて供給する。従つて、この比較方法を内熱
式残空気利用法と呼ぶことができよう。 (2) 残空気利用法の効果 上記2つの方法における残空気利用の効果
を、残空気を用いない−即ち新空気を用いた場
合と実施例(計算例)によつて比較することに
よつて定量的に明らかにすると次の通りとな
る。 即ち、第4図〜第7図は本発明又は比較例の
各実施例(計算例)データを示すフロースキー
ムであつて、第4図は外熱式で新空気利用法、
第5図は本発明の外熱式残空気利用法、第6図
は内熱式で新空気利用法、第7図は内熱式残空
気利用法を示す。 この第4図〜第7図の燃料電池発電プラント
改質システムの比較結果を下記表1に示す。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a fuel cell that uses hydrogen gas produced by steam reforming of a raw material gas containing hydrocarbons as a fuel and pressurized air as an oxidizing agent. Concerning improvements to battery power generation equipment. More specifically, using an externally heated reformer, the overall thermal efficiency (ratio of generated electric power energy to the total calorific value of the hydrocarbon fuel used; hereinafter,
Used with the same meaning. This invention relates to fuel cell power generation equipment that improves the efficiency of fuel cell power generation equipment. Here, the external heating type reformer refers to a method in which the reaction heat of the reforming reaction is indirectly supplied from the outside through heat exchange using a heat source other than the raw material gas flow (generally high-temperature combustion gas). Hereinafter, in the present specification, when it is simply referred to as a "reformer", unless otherwise specified, it refers to the external heat type refrigerant. [Background of the Invention] Fuel cell power generation equipment is well known in the art, and generally includes a reformer that generates hydrogen by steam reforming of a raw material gas containing hydrocarbons, and a reformer that generates hydrogen by steam reforming of a raw material gas containing hydrocarbons. The fuel cell includes a fuel cell that uses hydrogen as a fuel and pressurized air as an oxidizing agent, and a pressurized air generator, and the electrolyte of the fuel cell is, for example, a phosphoric acid aqueous solution. is used. Further, as the raw material hydrocarbons, for example, natural gas, naphtha, petroleum gas, etc. are used. Therefore, in this specification, the term "hydrocarbons" is used as a general term including not only these hydrocarbons but also methanol and the like. In order to make fuel cell power generation equipment economically comparable to power generation equipment using other methods, it is important to thoroughly increase its overall thermal efficiency, and various methods for this purpose have been studied. There is. When a fuel cell uses hydrogen gas obtained by steam reforming of hydrocarbons as fuel, this fuel gas contains inert gases such as carbon dioxide and methane. In order to maintain the partial pressure of hydrogen at the required level, it is necessary to continuously discharge a portion of the fuel gas supplied to the cell to the outside of the cell. This emitted gas (hereinafter referred to as
This is called residual fuel gas. ) as fuel gas for steam reheating is generally adopted as a method of increasing the overall thermal efficiency of power generation equipment. The overall thermal efficiency of fuel cell power generation equipment largely depends on the efficiency of the fuel cell itself, that is, the ratio of the electrical output of the fuel cell to the effective energy of the hydrogen consumed by the fuel cell. The efficiency of a fuel cell increases as the operating temperature of the cell increases and as the partial pressure of hydrogen gas on the fuel electrode (hydrogen electrode) side increases. Therefore, the operating conditions of a fuel cell should be within the allowable range for its structure and equipment materials. It is selected for its high temperature and high pressure. For example, in a fuel cell that uses an aqueous phosphoric acid solution as an electrolyte, the operating conditions are 190
℃ or higher (mainly about 190 to 215 degrees Celsius) and 3.5 atm or higher (mainly about 3.5 to 8 atm) are used. As fuel cell structures and device materials improve, the upper limits of temperature and pressure tend to rise. When air is used as an oxidant in fuel cells, the air contains a large amount of inert nitrogen gas, so in order to maintain the oxygen gas partial pressure at the oxygen electrode at the required level, excessive It is necessary to supply an amount of pressurized air and to exhaust a portion. If the excess rate of pressurized air is increased, the average oxygen gas partial pressure at the oxygen electrode will increase and the efficiency of the battery will be improved. Since the required power increases, there is an optimum value for this excess rate of pressurized air. Air with diluted oxygen (hereinafter referred to as residual air) discharged from the oxygen electrode of a fuel cell has considerable pressure energy when the fuel cell is operated under pressure, and this pressure Recovering energy by means of a gas turbine to provide part of the compressor power for supplying pressurized air is a known method for improving the overall thermal efficiency of power generation equipment. On the other hand, the residual fuel gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell is used as a fuel for the heat source of the re-former as mentioned above, but the pressure energy of the residual fuel gas is recovered, and the combustion In order to improve the recovery efficiency of the thermal energy contained in the waste gas, the combustion chamber of the refoamer is pressurized in the same way as a fuel cell, and power is recovered by supplying the combustion waste gas to the gas turbine together with the aforementioned residual air. The method for doing this is already well known. Although the overall thermal efficiency of fuel cell power generation equipment has been greatly improved by the methods described above, it is still not sufficient. [Object of the Invention] Therefore, an object of the present invention is to further improve the overall thermal efficiency of fuel cell power generation equipment. [Structure and operation of the invention] The method of the present invention that achieves the above object uses hydrogen obtained by steam reforming of hydrocarbons as a fuel and pressurized air as an oxidizing agent. As a heat source for steam reheating,
The residual fuel gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell is
Using the combustion heat generated by burning at least a portion of the remaining air discharged from the oxygen electrode of the fuel cell as an oxygen source, and the combustion heat is given to the hydrocarbons via a partition, The combustion gas accompanied by combustion heat is characterized in that it is discharged separately without being mixed with the hydrogen-containing gas obtained by steam reforming. Note that in the present invention, pressurized air refers to pressurized air of 3.5 atmospheres or more, and the upper limit of the pressure is limited by the structure of the fuel cell etc. and the material of the device. Further, the fuel cell power generation equipment of the present invention that achieves the above object uses hydrogen obtained by steam reforming of hydrocarbons as a fuel, and uses the compressed air as an oxidizing agent. , the power generation equipment includes a refohmer having a reaction chamber that generates hydrogen-containing gas from a raw material gas consisting of hydrocarbons and steam, a pressurized air generator that compresses air to generate pressurized air, and the refohmer. and a fuel cell including a hydrogen electrode into which the hydrogen generated by the pressurized air generator is introduced, and an oxygen electrode into which the air generated by the pressurized air generator is introduced, and the fuel is discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell. A combustion chamber is provided in which residual gas is combusted using at least a portion of the residual air discharged from the oxygen electrode of the fuel cell as an oxygen source, and the reaction chamber is defined as the combustion chamber, and the combustion chamber in the combustion chamber is The chamber uses heat as a heat source for steam reforming, and further includes a combustion gas exhaust port for discharging combustion gas accompanied by combustion heat, and a hydrogen-containing gas discharge port, which are separately provided in the reformer. Characterize. According to the present invention, part or all of the residual air is used as an oxygen source for combustion of residual fuel gas in the refoamer. This eliminates the need for any combustion air for the refomamer and saves the compressor power required to compress this air. This amount of power saved is sufficiently larger than the amount of reduction in recovered power due to the overall reduction in the amount of gas supplied to the gas turbine, so it increases the overall thermal efficiency of the power generation equipment. Furthermore, in recent years, from the viewpoint of preventing air pollution, there has been an increasing demand for power generation equipment to reduce pollutants, particularly nitrogen oxides, in its exhaust gas. Fuel cells themselves generate electricity through electrochemical reactions, so they do not generate nitrogen oxides.
Since fuel residual gas is combusted in the refoamer, it is inevitable that a considerable amount of nitrogen oxides will be generated. In this regard, according to the present invention, since residual air with a low oxygen concentration is used as the oxygen source for combustion in the re-former, the combustion temperature is significantly lowered compared to the conventional method using air. Therefore, the generation of nitrogen oxides can be significantly reduced. Incidentally, from the viewpoint of effectively utilizing exhaust gas from fuel cells, a technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-82636 (see Japanese Patent Publication No. 58-56231) is known. The method described in this publication consists of the following system. That is, the exhaust from the anode (hydrogen electrode) and the cathode (oxygen electrode) of the fuel cell are combusted in a burner, and the first part of the burner exhaust is supplied to a reheater, mixed with raw materials, and then steam reheated. A ming reaction takes place. The generated gas obtained by the internal heating type reformer is supplied to the anode, and the exhaust gas from the anode is supplied to the burner again and recycled. The second part of the burner exhaust, on the other hand, is exhausted. The system described in the above-mentioned publication uses an internal heating type re-former, unlike the present invention. Here, an internal heating type reformer is used to convert the reaction heat of reforming into the reaction heat generated by mixing oxygen-containing gas (generally air or pure oxygen gas) into the raw material gas and oxidizing a part of the raw material gas. This refers to a method of obtaining heat energy from the inherent thermal energy in the raw material gas flow itself, by mixing high-temperature gas into the raw material gas. The invention described in the publication is
As a heat source for the internal heating type reformer, combustion gas generated by combustion of residual fuel gas and residual air in the fuel cell is mixed into the raw material gas, and/or residual oxygen contained in the combustion gas is mixed into the raw material gas. It uses contamination. According to the invention, the moisture contained in the exhaust gas of the fuel cell can be recovered as a steam source for reforming, but the inert moisture contained in the oxygen source (in this case, the residual air of the fuel cell) can be recovered. Internal heating type reformers have a drawback in that gases (nitrogen, etc.) enter the raw material gas, lowering the hydrogen partial pressure of the reformer-generated gas and increasing the amount of gas to be processed. In particular, it is clear that using the remaining air of the fuel cell, which has a low oxygen concentration, as the oxygen source makes this drawback even more fatal. According to the present invention, by using an external heat type reformer, there is no such drawback at all, and furthermore, a highly efficient power generation facility has become possible due to the effective use of exhaust gas in the fuel cell. When using the residual air of a fuel cell as combustion air in a reflomer according to the method of the present invention, several difficulties may arise due to the low concentration of oxygen contained in the residual air. One of these is that the combustion gas is diluted with a large amount of nitrogen, which lowers the combustion temperature, making it difficult to obtain a sufficient amount of heat transfer with the conventional refoamer that uses a radiation heat transfer mechanism. There is no such thing. Another difficulty is that the low concentration of combustible gases and oxygen in the combustion chamber makes combustion unstable and prone to incomplete combustion and ignition failure. However, according to a preferred embodiment of the invention:
It is possible to provide a fuel cell power generation facility having a re-former that can obtain a sufficient amount of heat transfer even when the concentration of combustible gas and oxygen in the fuel gas and combustion air is low, and can operate stably. . That is, in this embodiment, a plurality of cylindrical reaction tubes with closed ends are arranged in a dense arrangement within the re-former container. A cylindrical reaction tube inner tube is further inserted inside each reaction tube, and a reaction chamber having an annular cross section defined by this reaction tube and the reaction tube inner tube is filled with a steam reforming catalyst. has been done. Furthermore, the inner side of the reaction tube is a regeneration chamber through which the product gas generated by steam reforming passes, and the raw material gas introduced into the reaction chamber from the open end of the reaction tube passes through the catalyst layer. The resulting gas becomes a generated gas containing hydrogen gas and reaches the closed end of the reaction tube. This generated gas enters the regeneration chamber defined inside the reaction tube from the closed end of the reaction tube.
The generated gas is discharged from the outlet near the open end of the reaction tube. The reaction tube inner tube provides a path for the produced gas and at the same time serves as a heat recovery device from the produced gas to the reaction chamber, thereby recovering a large portion of the sensible heat contained in the produced gas and discharging it in the reaction chamber. The resulting steam is effectively utilized as heat for the rehoming reaction. In the present invention, in order to ensure a sufficient heat transfer effect from the produced gas to the reaction chamber, an appropriate device for improving the heat transfer coefficient can be included inside the reaction tube inner tube. A combustion chamber is located between the outside of the reaction tube and the rifoma container, and this combustion chamber contains a gas that promotes the oxidation reaction of combustible gases (hydrogen, methane, carbon monoxide) contained in the fuel gas. It is filled with oxidation catalyst particles for Specific examples of this catalyst include oxides of noble metals such as platinum and palladium, base metals such as nickel, cobalt, iron, vanadium, chromium, copper, zinc, manganese, and magnesium, and mixtures thereof. In addition to acting as a catalyst, the catalyst particles also play a role in promoting heat transfer from the combustion gas to the reaction tube through a combined mechanism of radiation, convection, and heat transfer. The residual fuel gas as a fuel gas and the residual air as a source of oxygen for combustion are
The combustion waste gas is supplied into the combustion chamber from the closed end of the reaction tube, passes through the catalyst layer and is combusted, and the combustion waste gas is discharged from the side closer to the open end of the reaction tube to the outside of the reformer. Heat the reaction tube to the temperature required for the steam reheating reaction (750
℃ or higher), the gas temperature inside the combustion chamber must reach a maximum of about 1000℃, and in order to meet this condition, the residual fuel gas and residual air must be It is desirable that it is sufficiently preheated. Note that it is not necessarily a requirement that the combustion chamber of the present invention be provided in contact with the reaction tube of the rifoma.
For example, it may be provided in a space on the generated gas outlet side of the reaction tube or outside the reformer. in this case,
Combustion gas from the combustion chamber is introduced into a space in contact with the reaction tube. It is desirable that the space in contact with the reaction tube be filled with a packing material or the like for promoting heat transfer. [Examples] Features of the present invention and preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a flow scheme in an embodiment of a conventional fuel cell power generation facility. FIG. 2 is a schematic diagram showing a flow scheme in an embodiment of the fuel cell power generation equipment according to the present invention. FIG. 1 and FIG. 2 are drawings for explaining the difference between the conventional power generation equipment and the power generation equipment according to the present invention, and therefore unnecessary equipment and flows for explanation are omitted. In the embodiment of the conventional power generation equipment shown in FIG. 1, raw material hydrocarbons 1 and reforming steam 2 are mixed to form raw material gas 3,
After being preheated by the raw material preheater 106, the reheater 1
01. The generated gas 4 containing hydrogen from the reformer 101 is cooled by an air preheater 107 and a fuel residual gas preheater 108, and then supplied to a shift converter 105. The shift converter 105 converts carbon monoxide in the generated gas into hydrogen and carbon dioxide gas by a shift reaction. The converted product gas 6 is transferred to the hydrogen electrode 111 of the fuel cell 102.
is supplied to The residual fuel gas 7 discharged from the hydrogen electrode 111 is preheated by the residual fuel gas preheater 108, and then supplied to the reheater 101 as fuel.
On the other hand, the air 11 is pressurized to a required pressure by the compressor 104. A portion 13 of the pressurized air 12 is supplied to the oxygen electrode 112 of the fuel cell 102 . The remaining portion 15 of the pressurized air is preheated by the air preheater 107 and then transferred to the reheater 10.
1 as combustion air (oxygen source). The residual fuel gas 7 is combusted in the reformer 101 by the combustion air 15, and after giving the raw material gas 3 the thermal energy necessary for steam reforming, it is discharged as reformer waste gas 8. After recovering a portion of the remaining thermal energy in the raw material preheater 106, the reheater waste gas 8 is supplied to the gas turbine 103 together with the remaining air 14 discharged from the fuel cell 102, and the pressure energy and thermal energy are used for power (driving). source) and then released as waste gas 10. The power recovered by the gas turbine 103 is used to drive the compressor 104. In order for the power recovered by the gas turbine 103 to match the power required to drive the compressor 104, the flow rate and temperature of the gas 9 supplied to the turbine must be maintained at a required level or higher. can be adjusted by increasing or decreasing the amount of residual fuel gas 7 discharged from the fuel cell 102. If the amount of fuel residual gas is increased while keeping the amount of raw material hydrocarbon 1 constant, the amount of hydrogen that can be consumed by the fuel cell 102 will naturally decrease, and the electrical output will decrease.
Therefore, if the driving power of the compressor 104 increases, there is a relationship in which the overall thermal efficiency of the entire power generation facility decreases. In the embodiment of the power generation installation according to the invention shown in FIG.
Used as combustion air (oxygen source) for 01. The remaining portion 17 of the residual air 14 is bypassed through the re-former 101 and directly supplied to the gas turbine 103.
supplied to In this embodiment, the compressor 10
All of the air 12 pressurized by 4 is supplied to the fuel cell 102 . Therefore, in the power generation equipment according to the present invention, the amount of air pressurized by the compressor 104 is smaller than that of conventional power generation equipment by an amount equivalent to the amount of combustion air 15 in the refoamer 101, and It also requires less power for driving. [Experimental example] In a fuel cell power generation facility with an output of 30 MW that uses methane as a raw material, a comparison was made using an experimental plant between the conventional facility shown in Figure 1 and the facility according to the present invention shown in Figure 2. It was confirmed that the method of the equipment according to the present invention has a higher overall thermal efficiency by about 0.7% than the conventional equipment. [Refohmer Embodiment] FIG. 3 is an illustrative partial vertical cross-sectional view showing a specific example of the refohmer used in the fuel cell power generation equipment according to the present invention. In this embodiment, the refohmer 200 includes a plurality of reaction tubes 202 that are densely packed within a refohmer container 201 . Each of the reaction tubes 202 has a cylindrical shape that extends vertically and has a closed upper end. Each reaction tube 202 includes a reaction tube inner tube 203, and a reaction chamber 204 is formed between the reaction tube 202 and the reaction tube inner tube 203. is defined. The reaction chamber 204 is filled with steam reforming catalyst particles 205 supported on a screen 221 located at the inlet 206 of the reaction chamber 204 . The reaction tube inner tube 203 defines therein a regeneration chamber 208 through which the product gas passes, and this regeneration chamber 208 has an inlet 209 near the reaction chamber outlet 207 and an outlet 210 near the reaction chamber inlet 206. They are respectively included in the generated gas manifold 234. A raw material gas 3 containing hydrocarbons 1 and steam 2 is introduced into the reformer 200 by a raw gas inlet nozzle 231, and is introduced into the raw material gas manifold 2.
32 and is supplied to each reaction chamber 204. When the raw material gas 3 enters the reaction chamber 204, it immediately starts a steam reforming reaction, and by the time it reaches the reaction chamber outlet 207, it is converted into a product gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, steam, and a small amount of residual methane. do. The regeneration chamber 208 transfers the generated gas from the reaction chamber outlet 210 to the generated gas manifold 23.
At the same time, it serves as a means for recovering thermal energy from relatively high temperature generated gas and supplying reaction heat for the steam reforming reaction. In order to effectively achieve the purpose of the present invention, it is necessary to sufficiently recover thermal energy from the produced gas, and for this purpose, the heat transfer between the produced gas and the reaction tube inner tube 203 is sufficiently increased. It is important to design it so that it can be removed. Suitable devices may be included within the regeneration chamber 208 as a means to improve the heat transfer coefficient. As this device, for example, as in this embodiment, a plug 211 for narrowing the passage cross-sectional area and increasing the gas flow velocity, a buffling device for increasing the turbulence of the gas flow, or a packing material (for example, alumina balls) can be used. can. A rifoma container 201 is placed outside the reaction tube 202.
A combustion chamber 212 is defined between the two. The inside of the combustion chamber 212 is almost filled with oxidation catalyst particles 213, and the catalyst particles 213 are supported by a screen 222 arranged at the combustion chamber outlet 214 near the inlet side of the reaction chamber 204. The fuel residual gas 7 as the re-boomer fuel is supplied to the re-boomer 200 from the fuel inlet nozzle 237 and then to the combustion chamber 212 by the fuel nozzle 241 provided in the fuel manifold 238 .
On the other hand, the remaining air 16 as a source of oxygen for fuel is supplied to the reformer 200 from an air inlet nozzle 239 and then to the combustion chamber 212 by an air nozzle 242 provided in an air manifold 240. In order to effectively achieve the object of the present invention, the catalyst particles 213 filled in the combustion chamber 212 promote the oxidation reaction of the combustible components contained in the residual fuel gas 7, and also It is important to provide an effect that aids heat transfer. In this example, a platinum catalyst using alumina balls as a carrier was used. [Experiment example] The re-former in this example is a reaction tube 202.
The length of the reaction tube 202 is 1800 mm, the outer diameter of the reaction tube 202 is 200 mm,
The outer diameter of the reaction tube inner tube 203 was 150 mm, and the reaction tubes 202 were arranged in a staggered manner with a center-to-center distance of 250 mm. The raw material gas 3 obtained by using methane as the raw material hydrocarbons 1 and mixing it with steam 2 whose volume ratio is 4 times is preheated to about 460°C by the raw material gas preheater 106, and then passed through the reaction tube 2021. True accuracy approx. 2.9
It was supplied to the rifoma 101 at a rate of Kg/mol/h. Approximately 90% of the methane was decomposed in the rifoma, yielding product gas 4 containing approximately 48% hydrogen and approximately 6% carbon monoxide. Generated gas 4 is reformer 1
At the 01 outlet, the temperature was about 550°C and the pressure was about 4.5 atmospheres. The generated gas 4 was cooled to about 390° C. by the air preheater 107 and the fuel residual gas preheater 108, and then supplied to the shift converter 105. The generated gas 6, in which most of the carbon monoxide is converted into hydrogen and carbon dioxide by the shift converter 105, is transferred to the fuel cell 1 after excess water is removed.
02 was supplied to the hydrogen electrode 111. fuel cell 10
In 2, about 86% of the hydrogen was used for power generation. The residual fuel gas 7 discharged from the hydrogen electrode 111 contained about 30% hydrogen, about 8% methane, and less than 1% carbon monoxide as combustible components. After the residual fuel gas 7 is preheated to approximately 520°C by the residual fuel gas preheater 108, the residual fuel gas 7 is heated to approximately 520°C.
1 was supplied as fuel. On the other hand, the air 11 that is the oxygen source is pressurized to about 3.5 atmospheres by the compressor 104, and the entire amount is transferred to the oxygen electrode 11 of the fuel cell 102.
2 supplied. The amount of air supplied to the oxygen electrode is approximately 45% in excess of the theoretically required amount, and the remaining air 14 is approximately
It contained 7.5% oxygen. Approximately 80% of the residual air 14 discharged from the oxygen electrode 112 is the residual air 16 for combustion.
After being preheated to approximately 420°C, the remaining approximately 20
% residual air was taken as residual air bypass 17. The refoamer waste gas 8 discharged from the refoamer is approx.
The temperature was 520°C and the pressure was about 3.3 atmospheres. After the heat of the reformer waste gas 8 is recovered by the raw material gas preheater 106 and cooled to approximately 350° C., it joins the residual air bypass 17, and the driving power for the compressor 104 is recovered by the turbine 103. After that, it was ejected. The overall thermal efficiency of the power generation equipment of this example was 38.4%. [Application of the Invention] Although the present invention has been described in detail with reference to its preferred embodiments, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and omissions can be made within the scope of the present invention. This will be clear to those skilled in the art. For example, in the present invention, it is most preferable from the viewpoint of improving overall thermal efficiency that the oxygen source used for combustion in the rifomar is essentially 100% residual air exhausted from the oxygen electrode of the fuel cell. A portion of the pressurized air originating from the air generator may be used directly as part of the oxygen source. Note that the above-mentioned refurmer used in the fuel cell power generation equipment of the present invention can also be used for other purposes as an endothermic reaction device. [Effects of the invention] (1) How to use residual air In a fuel cell power generation plant, used air (residual air) discharged from the air electrode of a fuel cell is used to generate hydrogen gas, which is the fuel for the fuel cell. There are two broad categories of techniques used in re-o-o-ma. One is the present invention, and in this method, as described above, residual air is introduced into the combustion chamber of an externally heated refoamer and used as an oxygen source for combustion, and then is converted into combustion gas ( (separately from the generated hydrogen gas). Therefore, this method can be called an externally heated residual air utilization method. The other method is disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-82636. In this method, as mentioned above, after the residual air is used for combustion in the burner, a part of the generated combustion gas is By mixing it with the raw material gas of the internal combustion reformer, it can be used as a heat source for the reforming reaction or an oxygen source for the partial oxidation reaction, and the water produced by the battery contained in the remaining air can be used to generate water vapor for the reforming reaction. will be supplied together. Therefore, this comparison method can be called an internal heating residual air utilization method. (2) Effects of residual air utilization method The effects of residual air utilization in the above two methods are compared by using a case where residual air is not used, that is, fresh air is used, and an example (calculation example). The quantitative results are as follows. That is, Fig. 4 to Fig. 7 are flow schemes showing data of each example (calculation example) of the present invention or a comparative example, and Fig. 4 shows an external heating method using fresh air;
Fig. 5 shows an external heating type residual air utilization method of the present invention, Fig. 6 shows an internal heating type residual air utilization method, and Fig. 7 shows an internal heating type residual air utilization method. The comparison results of the fuel cell power generation plant reforming systems shown in FIGS. 4 to 7 are shown in Table 1 below.

【表】 この表1に示されているように、外熱式と内
熱式との2つの方法はその効果において著しく
相違している。即ち、本発明に係る外熱式残空
気利用法においては残空気の利用によつて、プ
ラントの熱効率が新空気を用いた場合よりも約
1.5%向上している。これに対し、比較の内熱
式残空気利用法では逆に効率が低下している。
これは本発明においては残空気の利用によつて
空気の使用量、すなわち空気圧縮機の所要動力
が節減されることにより、プラント熱効率の向
上が得られるのに対し、比較の技術において
は、空気の使用量は削減されるものの水素ガス
中に残空気中の窒素が大量に混入することによ
つて燃料電池の燃料極における水素濃度が下が
り電池における変換効率(セル電圧)を低下さ
せてしまうことによるものと考えられる。 また、比較の内熱式残空気利用法においては
大量の窒素が燃料極の排出ガスを通して系内を
循環するため、生成水素ガスラインの流量を大
巾に(実施例では約3倍)増加させることにな
り、これは装置の大型化を招くことになる。一
方、本発明に係る外熱式残空気利用法において
はこの様な欠点がない。 なお、比較の内熱式残空気利用法では電池の
生成水がリフオーマにおいて利用されるため、
リフオーマにおける水蒸気の消費量が大巾に削
減され得る(実施例では全く必要としない)の
に対し、本発明の外熱式残空気利用法において
は水蒸気削減の効果はない。 以上の様に2つの方法はいずれも残空気を利
用するものの、その効果については全く異るも
のと言うことができる。 (3) 発電プラント熱効率改善の意味 本発明に係る外熱式残空気利用法の最大の効
果としてプラント熱効率の向上が挙げられる。 発電プラントにおいては熱効率の向上は最も
重要な課題であり、このための努力が長年積み
重ねられて来ている。この結果1950年代頭初に
おいて30%前後であつた火力発電所の効率は
1980年には41%程度にまで向上した(火力・原
子力発電技術協会、昭和55年10月15日発行、
「火力発電必携」第3版318頁参照)。しかしな
がら現在においても効率向上の重溶性は低下す
るどころか、むしろ石油危機以来のエネルギー
コストの上昇もあつて、ますます高まつてい
る。例えば発電用タービンにおけるメーカーの
効率上昇のための種々の開発内容を参考までに
見ると、タービン効率の向上のための努力がた
とえ0.1%の向上であつてもおろそかにされて
いない(タービン効率0.1%の上昇はプラント
熱効率の約0.04%の向上をもたらすにすぎな
い)のであつて、このことからも、本発明に係
る外熱式残空気利用法における効率の向上(実
施例ではプラント熱効率として約1.5%)がい
かに大きな意味を持つかが明らかであろう。 なお、非加圧式システムで残空気をリフオー
マに導入する技術が特公昭46−1382号によつて
知られているが、この技術は残空気中の水の回
収とリフオーマ燃焼排ガス中の水の回収を同時
に行うことを目的としたものであり、総合熱効
率については何んら、効果をもたらすものでは
ない。
[Table] As shown in Table 1, the two methods, the external heating method and the internal heating method, are significantly different in their effects. That is, in the external heating residual air utilization method according to the present invention, by utilizing residual air, the thermal efficiency of the plant is approximately higher than when fresh air is used.
This is an increase of 1.5%. On the other hand, the efficiency of the comparative internal heating residual air utilization method is on the contrary.
This is because in the present invention, the amount of air used, that is, the required power of the air compressor, is reduced by utilizing the remaining air, thereby improving the plant thermal efficiency, whereas in the comparative technology, the Although the amount of hydrogen used is reduced, a large amount of nitrogen from the remaining air mixes into the hydrogen gas, which lowers the hydrogen concentration at the fuel electrode of the fuel cell and reduces the conversion efficiency (cell voltage) in the battery. This is thought to be due to In addition, in the comparative internal heating residual air utilization method, a large amount of nitrogen circulates within the system through the exhaust gas of the fuel electrode, so the flow rate of the generated hydrogen gas line is significantly increased (approximately three times in the example). This results in an increase in the size of the device. On the other hand, the external heating residual air utilization method according to the present invention does not have such drawbacks. In addition, in the comparative internal heating residual air utilization method, the water produced by the battery is used in the re-heater.
While the amount of water vapor consumed in a re-former can be greatly reduced (it is not required at all in the embodiment), there is no effect of reducing water vapor in the externally heated residual air utilization method of the present invention. As mentioned above, although both methods utilize residual air, their effects can be said to be completely different. (3) Meaning of Improving Power Plant Thermal Efficiency The greatest effect of the external heating residual air utilization method according to the present invention is improvement in plant thermal efficiency. Improving thermal efficiency is the most important issue in power plants, and efforts toward this goal have been accumulated for many years. As a result, the efficiency of thermal power plants, which was around 30% at the beginning of the 1950s, has decreased.
In 1980, it had improved to about 41% (Thermal and Nuclear Power Generation Technology Association, published October 15, 1980,
(Refer to “Thermal Power Generation Essentials,” 3rd edition, page 318). However, even today, the heavy solubility of efficiency improvement is not decreasing, but is actually increasing due to the rise in energy costs since the oil crisis. For example, if we look at the various developments made by manufacturers to increase the efficiency of power generation turbines for reference, we find that they are not neglecting their efforts to improve turbine efficiency, even if it is an improvement of 0.1% (turbine efficiency 0.1%). % increases in plant thermal efficiency by only about 0.04%), and from this, the efficiency improvement in the external heating residual air utilization method according to the present invention (in the example, the plant thermal efficiency increases by about 0.04%). 1.5%) is of great significance. Note that a technology for introducing residual air into the re-former using a non-pressurized system is known from Japanese Patent Publication No. 1382/1982, but this technology is used to recover water in the residual air and in the re-former combustion exhaust gas. The purpose is to perform these functions at the same time, and it does not have any effect on overall thermal efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の燃料電池発電設備の実施例にお
けるフロースキームを示す外略図、第2図は本発
明による燃料電池発電設備の実施例におけるフロ
ースキームを示す外略図、第3図は本発明による
燃料電池発電設備に用いられるリフオーマの実施
例を示す解図的部分垂直断面図、第4図〜第7図
は本発明又は比較例の各実施例(計算例)データ
を示すフロースキームであつて、第4図は外熱式
で新空気利用法、第5図は本発明の外熱式残空気
利用法、第6図は内熱式で新空気利用法、第7図
は内熱式残空気利用法を示す。 1……原料炭化水素類、2……スチーム、3…
…原料ガス、4……生成ガス、5……生成ガス、
6……転化された生成ガス、7……燃料残ガス、
8……リフオーマ廃ガス、9……タービン供給ガ
ス、10……廃ガス、11……空気、12……加
圧空気、13……燃焼電池用空気、14……残空
気、15……燃焼用空気、16……燃焼用残空
気、17……残空気バイパス、101……リフオ
ーマ、102……燃料電池、103……タービ
ン、104……圧縮機、105……シフトコンバ
ータ、106……原料ガス予熱器、107……空
気予熱器、108……燃料残ガス予熱器、111
……水素極、112……酸素極、200……リフ
オーマ、201……リフオーマ容器、202……
反応管、203……反応管内管、204……反応
室、205……リフオーミング触媒粒、206…
…反応室入口、207……反応室出口、208…
…再生室、209……再生室入口、210……再
生室出口、211……プラグ、212……燃焼
室、213……酸化触媒粒、214……燃焼室出
口、221……スクリーン、222……スクリ
ー、231……原料ガス入口ノズル、232……
原料ガスマニホールド、233……生成ガス出口
ノズル、234……生成ガスマニホールド、23
5……燃料ガス出口ノズル、236……燃焼ガス
マニホールド、237……燃料ガス入口ノズル、
238……燃料ガスマニホールド、239……空
気入口ノズル、240……空気マニホールド、2
41……燃料ノズル、242……空気ノズル。
FIG. 1 is an outline diagram showing a flow scheme in an embodiment of a conventional fuel cell power generation equipment, FIG. 2 is an outline diagram showing a flow scheme in an embodiment of a fuel cell power generation equipment according to the present invention, and FIG. 3 is an outline diagram showing a flow scheme in an embodiment of a fuel cell power generation equipment according to the present invention. Illustrative partial vertical cross-sectional views showing examples of a re-former used in fuel cell power generation equipment, and FIGS. 4 to 7 are flow schemes showing data of each example (calculation example) of the present invention or a comparative example. , Figure 4 shows how to use fresh air with an external heating type, Figure 5 shows how to use residual air with an external heating type of the present invention, Figure 6 shows how to use new air with an internal heating type, and Figure 7 shows how to use residual air with an internal heating type. Showing how to use air. 1... Raw material hydrocarbons, 2... Steam, 3...
... Raw material gas, 4... Produced gas, 5... Produced gas,
6... Converted product gas, 7... Fuel residual gas,
8... Reformer waste gas, 9... Turbine supply gas, 10... Waste gas, 11... Air, 12... Pressurized air, 13... Air for combustion battery, 14... Residual air, 15... Combustion Air for use, 16... Residual air for combustion, 17... Residual air bypass, 101... Refomar, 102... Fuel cell, 103... Turbine, 104... Compressor, 105... Shift converter, 106... Raw material Gas preheater, 107... Air preheater, 108... Fuel residual gas preheater, 111
...Hydrogen electrode, 112...Oxygen electrode, 200...Reformer, 201...Reformer container, 202...
Reaction tube, 203...Reaction tube inner tube, 204...Reaction chamber, 205...Reforming catalyst particles, 206...
...Reaction chamber inlet, 207...Reaction chamber outlet, 208...
... Regeneration chamber, 209 ... Regeneration chamber inlet, 210 ... Regeneration chamber outlet, 211 ... Plug, 212 ... Combustion chamber, 213 ... Oxidation catalyst particles, 214 ... Combustion chamber outlet, 221 ... Screen, 222 ... ... Scree, 231 ... Raw material gas inlet nozzle, 232 ...
Raw material gas manifold, 233... Produced gas outlet nozzle, 234... Produced gas manifold, 23
5... Fuel gas outlet nozzle, 236... Combustion gas manifold, 237... Fuel gas inlet nozzle,
238... Fuel gas manifold, 239... Air inlet nozzle, 240... Air manifold, 2
41...Fuel nozzle, 242...Air nozzle.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 炭化水素類のスチームリフオーミングによつ
て得られた水素を燃料として用いると共に、加圧
空気を酸化剤として用いる燃料電池発電設備にお
いて、スチームリフオーミングのためのリフオー
マの熱源として、燃料電池の水素極から排出され
る燃料残ガスを、前記燃料電池の酸素極から排出
される残空気の少なくとも一部を酸素源として燃
焼させることによつて生じる燃焼熱を用い、かつ
該燃焼熱は隔壁を介して前記炭化水素類に与えら
れると共に、該燃焼熱を伴う燃焼ガスはスチーム
リフオーミングによつて得られた水素含有ガスと
混合することなく別々に排出されることを特徴と
する、燃料電池発電設備における排ガスの有効利
用法。 2 燃料電池の酸素極から排出される残空気であ
つて、リフオーマの燃焼室における酸素源として
利用された残りの残空気部分が、燃料電池の酸素
極に酸化剤として供給する加圧空気の圧縮加圧用
のエネルギーとして用いられることを特徴する、
特許請求の範囲第1項記載の燃料電池発電設備に
おける排ガスの有効利用法。 3 リフオーマにおける燃焼に用いられる酸素源
の全てが、燃料電池の酸素極から排出される残空
気であることを特徴する特許請求の範囲第1項ま
たは第2項記載の燃料電池発電設備における排ガ
スの有効利用法。 4 炭化水素類のスチームリフオーミングによつ
て得られた水素を燃料として用いると共に、加圧
空気を酸化剤として用いる燃料電池発電設備にお
いて、この発電設備が炭化水素類およびスチーム
からなる原料ガスから水素含有ガスを生成する反
応室を有するリフオーマと、空気を圧縮して加圧
された空気を発生する加圧空気発生装置と、前記
リフオーマで生成された水素を導入する水素極お
よび前記加圧空気発生装置で生成された空気を導
入する酸素極を含む燃料電池とを有しており、か
つ前記燃料電池の水素極から排出される燃料残ガ
スを前記燃料電池の酸素極から排出される残空気
の少なくとも一部を酸素源として燃焼させる燃焼
室が設けられており、前記反応室は該燃焼室と郭
定され且つこの燃焼室における燃焼熱をスチーム
リフオーミングのための熱源として用いる室であ
り、更に前記燃焼熱を伴う燃焼ガスを排出する燃
焼ガス排出口と、水素含有ガス排出口とがリフオ
ーマに別々に設けられていることを特徴する、排
ガスの有効利用が可能な燃料電池発電設備。 5 燃焼室は酸素反応を促進するための触媒を含
むことを特徴する、特許請求の範囲第4項記載の
燃料電池発電設備。 6 リフオーマがスチームリフオーミング触媒に
よつて満たされ且つ炭化水素類およびスチームか
らなる原料ガスから水素を含む生成ガスを生成す
る反応室と、この反応室で生成した生成ガスを有
する顕熱を前記反応室へ伝熱すべく前記反応室か
ら導出された生成ガスを前記反応室の内側に接し
て且つ前記反応室のガスの流れとは逆の方向へ導
出する再生室と、前記反応室の外側に接する空間
を含む燃焼室であつて、前記反応室のガスの流れ
とは逆の流れ方向へ導出する燃焼ガスの熱を反応
室へ伝達する燃焼室とを有しており、この燃焼室
が前記反応室の生成ガス導出側に位置する燃焼室
部分に、燃料電池の水素極から排出される燃料残
ガスを導入する燃料導入口と、前記燃料電池の酸
素極から排出される残空気の少なくとも一部を導
入する酸素源導入口とを有していることを特徴す
る特許請求の範囲第4項または第5項記載の燃料
電池発電設備。 7 リフオーマが垂直に伸びる上端を閉じた円筒
状の反応管を含み、この反応管は上下端の開放さ
れた円筒状の反応管内管を含んでおり、前記反応
管と反応管内管とによつて郭定される円環状の断
面を有する空間は反応室であつて、この反応室は
スチームリフオーミング触媒粒子によつて満たさ
れ、且つ下端側に原料ガスの入口を及び上端側に
生成ガスの出口を含んでおり、前記反応管内管は
その内側に生成ガスの全てを通過させる再生室を
郭定しており、この再生室は、上端側に前記反応
室の生成ガス出口から導出する生成ガスを導入す
る入口を及び下端側に生成ガスの出口を有してお
り、また前記反応管はリフオーマ容器の中に複数
個緻密に配列されており、前記リフオーマ容器と
各反応管との間に郭定された空間は燃焼室であつ
て、この燃焼室はその上端部分に、燃料電池の水
素極から排出される燃料残ガスを導入する燃料導
入口と、前記燃料電池の酸素極から排出される残
空気の少なくとも一部を導入する酸素源導入口と
を有し、且つこの燃焼室はその下端側に燃焼ガス
の出口を有し、しかもこの燃焼室は酸化反応を促
進するための触媒を含んでおり、前記反応室にお
いて生じるスチームリフオーミング反応に要する
熱を、前記酸化反応用触媒を含む燃焼室および生
成ガスの通路である再生室を通じて各々供給する
ことを特徴する、特許請求の範囲第4項記載の燃
料電池発電設備。 8 燃料電池の酸素極から排出される残空気が、
リフオーマの燃焼室における酸素源および加圧空
気発生装置の駆動源として用いられる構成を有す
ることを特徴する、特許請求の範囲第4項、第5
項、第6項または第7項記載の燃料電池発電設
備。 9 リフオーマにおける燃焼に用いられる酸素源
の全てが、燃料電池の酸素極から排出される残空
気であることを特徴する特許請求の範囲第4項、
第5項、第6項、第7項または第8項記載の燃料
電池発電設備。
[Claims] 1. A reformer for steam reforming in a fuel cell power generation facility that uses hydrogen obtained by steam reforming of hydrocarbons as a fuel and pressurized air as an oxidizing agent. As a heat source, combustion heat generated by burning residual fuel gas discharged from a hydrogen electrode of a fuel cell and at least a portion of residual air discharged from an oxygen electrode of the fuel cell is used as an oxygen source, The combustion heat is given to the hydrocarbons through the partition wall, and the combustion gas accompanied by the combustion heat is discharged separately without being mixed with the hydrogen-containing gas obtained by steam reforming. A method for effectively utilizing exhaust gas in fuel cell power generation equipment, characterized by: 2. Compression of pressurized air, which is the residual air discharged from the oxygen electrode of the fuel cell and is used as an oxygen source in the combustion chamber of the rifomar, is supplied as an oxidizing agent to the oxygen electrode of the fuel cell. Characterized by being used as energy for pressurization,
A method for effectively utilizing exhaust gas in a fuel cell power generation facility according to claim 1. 3. The exhaust gas in the fuel cell power generation equipment according to claim 1 or 2, characterized in that all of the oxygen source used for combustion in the re-former is residual air discharged from the oxygen electrode of the fuel cell. Effective usage. 4 In fuel cell power generation equipment that uses hydrogen obtained by steam reforming of hydrocarbons as a fuel and pressurized air as an oxidizer, this power generation equipment converts raw material gas consisting of hydrocarbons and steam into A refoamer having a reaction chamber that generates a hydrogen-containing gas, a pressurized air generator that compresses air and generates pressurized air, a hydrogen electrode that introduces hydrogen generated in the refoamer, and the pressurized air. and a fuel cell including an oxygen electrode into which air generated by the generator is introduced, and the remaining fuel gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell is collected from the residual air discharged from the oxygen electrode of the fuel cell. A combustion chamber is provided in which at least a portion of the steam is burned as an oxygen source, and the reaction chamber is a chamber that is defined from the combustion chamber and uses combustion heat in the combustion chamber as a heat source for steam reforming. Further, a fuel cell power generation facility capable of effectively utilizing exhaust gas, characterized in that a combustion gas outlet for discharging combustion gas accompanied by combustion heat and a hydrogen-containing gas outlet are separately provided in the refoamer. 5. The fuel cell power generation equipment according to claim 4, wherein the combustion chamber includes a catalyst for promoting the oxygen reaction. 6. A reaction chamber in which the reformer is filled with a steam reforming catalyst and generates a product gas containing hydrogen from a raw material gas consisting of hydrocarbons and steam, and a sensible heat containing the product gas generated in this reaction chamber. a regeneration chamber that is in contact with the inside of the reaction chamber and leads out the generated gas led out from the reaction chamber in a direction opposite to the flow of gas in the reaction chamber for heat transfer to the reaction chamber; and an outside of the reaction chamber. a combustion chamber including a space in contact with the reaction chamber, the combustion chamber transmitting heat of the combustion gas led out in the flow direction opposite to the flow direction of the gas in the reaction chamber to the reaction chamber; A fuel inlet for introducing residual fuel gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell into a combustion chamber portion located on the generated gas outlet side of the reaction chamber; and at least a fuel inlet for introducing residual fuel gas discharged from the oxygen electrode of the fuel cell. 6. The fuel cell power generation equipment according to claim 4, further comprising an oxygen source inlet for introducing a portion of the oxygen source. 7. The refoma includes a cylindrical reaction tube that extends vertically and has a closed upper end, and this reaction tube includes a cylindrical reaction tube inner tube with open upper and lower ends, and the reaction tube and the reaction tube inner tube The defined space having an annular cross section is a reaction chamber, and this reaction chamber is filled with steam reforming catalyst particles, and has a raw material gas inlet at the lower end and a product gas inlet at the upper end. The reaction tube inner tube defines a regeneration chamber inside thereof through which all of the generated gas passes, and this regeneration chamber has an upper end that contains the generated gas led out from the generated gas outlet of the reaction chamber. It has an inlet for introducing the gas and an outlet for the generated gas on the lower end side, and a plurality of the reaction tubes are densely arranged in the re-former container, and a wall is provided between the re-former container and each reaction tube. The defined space is a combustion chamber, and this combustion chamber has at its upper end a fuel inlet for introducing fuel residual gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell, and a fuel inlet for introducing fuel residual gas discharged from the oxygen electrode of the fuel cell. and an oxygen source inlet for introducing at least a portion of the remaining air, and the combustion chamber has a combustion gas outlet at the lower end thereof, and the combustion chamber does not include a catalyst for promoting the oxidation reaction. and the heat required for the steam reforming reaction occurring in the reaction chamber is supplied through a combustion chamber containing the oxidation reaction catalyst and a regeneration chamber which is a passage for generated gas, respectively. The fuel cell power generation equipment described in item 4. 8 The remaining air exhausted from the oxygen electrode of the fuel cell is
Claims 4 and 5 are characterized in that they are configured to be used as an oxygen source in a combustion chamber of a rifomar and as a drive source for a pressurized air generator.
6. The fuel cell power generation equipment according to item 6 or 7. 9. Claim 4, characterized in that all of the oxygen source used for combustion in the re-former is residual air discharged from the oxygen electrode of the fuel cell,
The fuel cell power generation equipment according to item 5, 6, 7, or 8.
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