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JP2010015755A - Fuel cell power generation system and power generation method - Google Patents

Fuel cell power generation system and power generation method Download PDF

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JP2010015755A
JP2010015755A JP2008173243A JP2008173243A JP2010015755A JP 2010015755 A JP2010015755 A JP 2010015755A JP 2008173243 A JP2008173243 A JP 2008173243A JP 2008173243 A JP2008173243 A JP 2008173243A JP 2010015755 A JP2010015755 A JP 2010015755A
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JP
Japan
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oxidant
fuel cell
electrode
fuel
power generation
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Application number
JP2008173243A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Take
武　　哲夫
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

【課題】燃料電池の発電用に外部から吸入する酸化剤の量を低減する。
【解決手段】燃料電池発電システム１は、燃料極１５１へ供給された燃料と酸化剤極１５３へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池１５を用いて発電を行う。酸化剤予熱器１６は、外部から吸入された酸化剤を予熱する。酸化剤供給器１８は、燃料電池１５の酸化剤極１５３から排出された酸化剤の少なくとも一部と、予熱が行われた外部から吸入された酸化剤とを、該酸化剤極１５３へ供給する。
【選択図】図１An amount of oxidant sucked from outside for power generation of a fuel cell is reduced.
A fuel cell power generation system performs power generation using a fuel cell that generates electric power from a fuel supplied to a fuel electrode and an oxidant supplied to an oxidant electrode. The oxidant preheater 16 preheats the oxidant sucked from the outside. The oxidant supplier 18 supplies at least a part of the oxidant discharged from the oxidant electrode 153 of the fuel cell 15 and the oxidant sucked from the outside subjected to preheating to the oxidant electrode 153. .
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池発電システムおよび発電方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation system and a power generation method.

近年、燃料と酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う様々な燃料電池発電システムが考えられている。   In recent years, various fuel cell power generation systems that generate power using a fuel cell that generates electric power from a fuel and an oxidant have been considered.

例えば、図５に示すような構成を有する一般的な燃料電池発電システム３００が考えられている（例えば、非特許文献１参照。）。この燃料電池発電システム３００は、燃料制御弁３１と、脱硫器３２と、エジェクタ３３と、改質器３４と、固体酸化物形の燃料電池３５と、酸化剤予熱器３６と、予熱バーナ３７と、出力調整装置３８と、酸化剤制御弁３９と、酸化剤吸入器３１０とで構成される。   For example, a general fuel cell power generation system 300 having a configuration as shown in FIG. 5 is considered (see, for example, Non-Patent Document 1). The fuel cell power generation system 300 includes a fuel control valve 31, a desulfurizer 32, an ejector 33, a reformer 34, a solid oxide fuel cell 35, an oxidant preheater 36, and a preheating burner 37. The output adjusting device 38, the oxidant control valve 39, and the oxidant inhaler 310.

燃料制御弁３１は、燃料電池３５発電用の燃料ＦＬ（例えば、天然ガス）を外部から吸入し、吸入した燃料ＦＬを脱硫器３２へ送出する。また、燃料制御弁３１は、燃料ＦＬの流量を制御する。なお、燃料電池３５へ供給する燃料ＦＬの量は、あらかじめ設定された燃料電池３５が生成する直流電力Ｐｄと燃料制御弁３１の開度（燃料ＦＬの供給量）との関係に基づいて、燃料制御弁３１の開度を制御することにより直流電力Ｐｄを生成するために好適な値に設定する。   The fuel control valve 31 sucks fuel FL (for example, natural gas) for power generation from the fuel cell 35 from the outside, and sends the sucked fuel FL to the desulfurizer 32. The fuel control valve 31 controls the flow rate of the fuel FL. Note that the amount of fuel FL supplied to the fuel cell 35 is determined based on the relationship between the preset DC power Pd generated by the fuel cell 35 and the opening of the fuel control valve 31 (supply amount of fuel FL). By controlling the opening degree of the control valve 31, it is set to a value suitable for generating the DC power Pd.

脱硫器３２は、燃料ＦＬに腐臭剤として添加されている硫黄分（例えば、メルカプタンなど）を吸着し、燃料ＦＬから硫黄分を除去する。当該除去は、改質器３４の改質触媒、または、燃料電池３５が具備する燃料極３５１の電極触媒が硫黄分により劣化することを防ぐために行われる。   The desulfurizer 32 adsorbs a sulfur component (for example, mercaptan) added as a odorant to the fuel FL, and removes the sulfur component from the fuel FL. The removal is performed in order to prevent the reforming catalyst of the reformer 34 or the electrode catalyst of the fuel electrode 351 included in the fuel cell 35 from being deteriorated by the sulfur content.

エジェクタ３３は、脱硫器３２によって硫黄分が除去された燃料ＦＬを吸引し、吸引した燃料ＦＬを改質器３４へ吐出する。   The ejector 33 sucks the fuel FL from which the sulfur content has been removed by the desulfurizer 32 and discharges the sucked fuel FL to the reformer 34.

なお、エジェクタ３３において、脱硫器３２から吸引された燃料ＦＬは、燃料電池３５の燃料極３５１から排出された燃料ＦＬ（以下、「燃料極排出ガスＥＸ−Ｆ」という）と混合される。燃料極排出ガスＥＸ−Ｆには、燃料電池３５の電池反応によって生成された水蒸気が含まれている。   In the ejector 33, the fuel FL sucked from the desulfurizer 32 is mixed with the fuel FL discharged from the fuel electrode 351 of the fuel cell 35 (hereinafter referred to as “fuel electrode exhaust gas EX-F”). The fuel electrode exhaust gas EX-F contains water vapor generated by the cell reaction of the fuel cell 35.

改質器３４は、当該改質器３４に充填された改質触媒（ニッケル系触媒、ルテニウム系触媒）によって、燃料ＦＬに含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせる。これにより、水素リッチな改質ガスＨＲが生成される。燃料ＦＬの主成分であるメタンの水蒸気改質反応は、以下の（式１）で表わされる。   The reformer 34 causes the steam reforming reaction of hydrocarbons contained in the fuel FL by the reforming catalyst (nickel catalyst, ruthenium catalyst) filled in the reformer 34. Thereby, the hydrogen-rich reformed gas HR is generated. The steam reforming reaction of methane, which is the main component of the fuel FL, is expressed by the following (Equation 1).

（メタンの水蒸気改質反応）   (Methane steam reforming reaction)

Figure 2010015755
Figure 2010015755

上述した（式１）に示したメタン（炭化水素）の水蒸気改質反応は、吸熱反応である。そのため、該水蒸気改質反応により水素を効率的に生成する場合、改質器３４の外部から水蒸気改質反応を維持するための反応熱を供給し、改質器３４の温度を７００℃〜７５０℃に維持する必要がある。このため、発電温度（一般的に、８００℃〜１，０００℃）で電力を生成する燃料電池３５から排出された熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器３４へ供給する。なお、改質器３４と燃料電池３５とは互いに近傍に設置される。   The steam reforming reaction of methane (hydrocarbon) shown in (Equation 1) described above is an endothermic reaction. Therefore, when hydrogen is efficiently generated by the steam reforming reaction, reaction heat for maintaining the steam reforming reaction is supplied from the outside of the reformer 34, and the temperature of the reformer 34 is set to 700 ° C. to 750 ° C. Must be maintained at ℃. For this reason, the heat discharged from the fuel cell 35 that generates electric power at a power generation temperature (generally 800 ° C. to 1,000 ° C.) is used as reaction heat necessary for the steam reforming reaction of hydrocarbons. To supply. The reformer 34 and the fuel cell 35 are installed in the vicinity of each other.

燃料電池３５は、燃料極３５１と、固体酸化物電解質３５２と、酸化剤極３５３（空気極）とで構成される単セルを有する。燃料電池３５は、セパレータ（図示せず）を用いて複数の単セルを積層したセルスタックにより構成してもよい。燃料電池３５をセルスタックで構成することにより、負荷機器４００へ供給する電力が有する電圧値を高くすることが可能である。   The fuel cell 35 has a single cell composed of a fuel electrode 351, a solid oxide electrolyte 352, and an oxidant electrode 353 (air electrode). The fuel cell 35 may be configured by a cell stack in which a plurality of single cells are stacked using a separator (not shown). By configuring the fuel cell 35 with a cell stack, the voltage value of the power supplied to the load device 400 can be increased.

改質器３４で生成された水素リッチな改質ガスＨＲは、燃料電池３５が具備する燃料極３５１に供給する。   The hydrogen-rich reformed gas HR generated by the reformer 34 is supplied to the fuel electrode 351 provided in the fuel cell 35.

一方、燃料電池３５の酸化剤極３５３には、酸化剤を含む気体ＡＲ（例えば、空気）が供給される。図５に示した例では、酸化剤吸入器３１０により外部から吸入した気体ＡＲの温度を酸化剤予熱器３６を用いて上昇させ、燃料電池３５の酸化剤極３５３に供給する。なお、酸化剤極３５３へ供給される気体ＡＲの量は、あらかじめ設定した燃料制御弁３１の開度（燃料ＦＬの供給量）と、酸化剤制御弁３９の開度（気体ＡＲの供給量）との関係に基づいて、酸化剤制御弁３９の開度を制御することにより、燃料電池３５において燃料ＦＬと気体ＡＲとが好適に化学反応するように設定する。   On the other hand, a gas AR (for example, air) containing an oxidant is supplied to the oxidant electrode 353 of the fuel cell 35. In the example shown in FIG. 5, the temperature of the gas AR sucked from the outside by the oxidant inhaler 310 is increased using the oxidant preheater 36 and supplied to the oxidant electrode 353 of the fuel cell 35. Note that the amount of the gas AR supplied to the oxidant electrode 353 includes the opening degree of the fuel control valve 31 (the supply amount of the fuel FL) and the opening degree of the oxidant control valve 39 (the supply amount of the gas AR). Based on the relationship, the opening degree of the oxidant control valve 39 is controlled so that the fuel FL and the gas AR in the fuel cell 35 are preferably chemically reacted.

燃料電池３５が具備する酸化剤極３５３では、金属酸化物系の電極触媒により、気体ＡＲに含まれている酸化剤（酸素Ｏ2）が、以下の（式２）に示す酸化剤極反応により電子と反応し、酸化物イオンＯ2-となる。なお、酸化剤極３５３における酸素Ｏ2の利用率は２０％程度である。 In the oxidant electrode 353 provided in the fuel cell 35, the oxidant (oxygen O 2 ) contained in the gas AR is converted by the oxidant electrode reaction shown in the following (formula 2) by the metal oxide electrode catalyst. Reacts with electrons to form oxide ion O 2− . The utilization rate of oxygen O 2 in the oxidizer electrode 353 is about 20%.

（酸化剤極反応）   (Oxidant electrode reaction)

Figure 2010015755
Figure 2010015755

酸化剤極３５３で生成した酸化物イオンＯ2-は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの固体酸化物電解質３５２のなかを移動し、燃料極３５１に到達する。 The oxide ion O 2− generated at the oxidizer electrode 353 moves through the solid oxide electrolyte 352 such as yttria-stabilized zirconia (YSZ), and reaches the fuel electrode 351.

燃料極３５１では、金属系電極触媒により、酸化剤極３５３から燃料極３５１へ移動してきた酸化物イオンＯ2-と、改質ガスＨＲに含まれる水素Ｈ2とが、以下の（式３）に示す反応を起こす。 In the fuel electrode 351, the oxide ions O 2− that have moved from the oxidizer electrode 353 to the fuel electrode 351 by the metal electrode catalyst and hydrogen H 2 contained in the reformed gas HR are expressed by the following (formula 3). Causes the reaction shown in.

また、酸化剤極３５３から燃料極３５１へ移動してきた酸化物イオンＯ2-と、改質ガスＨＲに含まれる一酸化炭素ＣＯとは、以下の（式４）に示す反応を起こす。 Further, the oxide ions O 2− that have moved from the oxidizer electrode 353 to the fuel electrode 351 and the carbon monoxide CO contained in the reformed gas HR cause the reaction shown in the following (formula 4).

（燃料極反応）   (Fuel electrode reaction)

Figure 2010015755
Figure 2010015755

Figure 2010015755
Figure 2010015755

（式３）に示した反応の結果、燃料極３５１において、水蒸気Ｈ2Ｏと電子ｅ-とが生成される。また、（式４）に示した反応の結果、燃料極３５１において、二酸化炭素ＣＯ2と電子ｅ-とが生成される。なお、燃料極３５１にて、上述した（式３）または（式４）の反応に用いる金属系電極触媒は、例えば、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメットなどでよい。 As a result of the reaction shown in (Formula 3), water vapor H 2 O and electrons e − are generated in the fuel electrode 351. Further, as a result of the reaction shown in (Formula 4), carbon dioxide CO 2 and electrons e − are generated in the fuel electrode 351. In addition, the metal electrode catalyst used for the reaction of (Formula 3) or (Formula 4) described above at the fuel electrode 351 may be, for example, nickel-YSZ cermet, ruthenium-YSZ cermet, or the like.

燃料極３５１にて生成された電子ｅ-は、外部回路（図示せず）を移動し、酸化剤極３５３に到達する。その後、当該電子ｅ-は、（式２）に示した酸化剤極反応により、酸素Ｏ2と反応する。この電子ｅ-が外部回路を移動する過程で、上述した（式３）および（式４）により発生した電気エネルギーを、燃料電池３５から出力される直流電力Ｐｄとして取り出すことができる。 Electrons e − generated at the fuel electrode 351 move through an external circuit (not shown) and reach the oxidizer electrode 353. Thereafter, the electron e − reacts with oxygen O 2 by the oxidant electrode reaction shown in (Formula 2). In the process in which the electrons e − move through the external circuit, the electric energy generated by the above (Formula 3) and (Formula 4) can be taken out as the DC power Pd output from the fuel cell 35.

なお、（式２）と（式３）、および、（式２）と（式４）それぞれをまとめると、燃料電池３５の電池反応は、以下の（式５）および（式６）として表すことができる。   In addition, when (Equation 2) and (Equation 3), and (Equation 2) and (Equation 4) are combined, the cell reaction of the fuel cell 35 is expressed as (Equation 5) and (Equation 6) below. Can do.

（電池反応）   (Battery reaction)

Figure 2010015755
Figure 2010015755

Figure 2010015755
Figure 2010015755

ここで、（式５）に示した反応は、水Ｈ2Ｏの電気分解の逆反応、つまり、水素Ｈ2と酸素Ｏ2とから水蒸気を生成する反応である。また、（式６）に示した反応は、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ2とから二酸化炭素ＣＯ2を生成する反応である。 Here, the reaction shown in (Formula 5) is a reverse reaction of the electrolysis of water H 2 O, that is, a reaction of generating water vapor from hydrogen H 2 and oxygen O 2 . The reaction shown in (Formula 6) is a reaction for generating carbon dioxide CO 2 from carbon monoxide CO and oxygen O 2 .

その後、出力調整装置３８は、負荷機器４００が動作可能なよう、燃料電池３５の発電によって得られた直流電力Ｐｄについて電圧値の変換または直流から交流への変換を行う。さらに、出力調整装置３８は、変換した電力を、送電端交流出力（動作用電力Ｐｏ）として負荷機器４００へ供給する。なお、負荷機器４００が直流電力で動作する場合、出力調整装置３８は、直流から交流への変換を行うことなく、負荷機器４００が動作可能な電圧値への変換のみを行い、該電圧値の動作用電力Ｐｏを負荷機器４００へ供給する。   Thereafter, the output adjustment device 38 performs a voltage value conversion or a DC to AC conversion on the DC power Pd obtained by the power generation of the fuel cell 35 so that the load device 400 can operate. Furthermore, the output adjustment device 38 supplies the converted power to the load device 400 as a power transmission end AC output (operation power Po). When the load device 400 operates with DC power, the output adjustment device 38 performs only conversion to a voltage value at which the load device 400 can operate without performing conversion from DC to AC, and the voltage value The operating power Po is supplied to the load device 400.

燃料電池３５の発電温度は、一般的に８００℃〜１，０００℃であり、電池反応によって発生する熱により発電温度に維持されている。このため、燃料電池３５から排出された熱は、改質器３４における炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することが可能である。   The power generation temperature of the fuel cell 35 is generally 800 ° C. to 1,000 ° C., and is maintained at the power generation temperature by heat generated by the cell reaction. For this reason, the heat discharged from the fuel cell 35 can be used as the reaction heat of the hydrocarbon steam reforming reaction in the reformer 34.

燃料電池３５の燃料極３５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆには、燃料極３５１における電池反応によって生成された水蒸気Ｈ2Ｏが含まれている。当該燃料極排出ガスＥＸ−Ｆの一部は、改質器３４にて再利用するために、脱硫器３２により硫黄分が除去された燃料ＦＬと混合される。なお、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆを再利用する目的は、（式１）に示した炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給することである。 The fuel electrode exhaust gas EX-F discharged from the fuel electrode 351 of the fuel cell 35 contains water vapor H 2 O generated by the cell reaction in the fuel electrode 351. A part of the fuel electrode exhaust gas EX-F is mixed with the fuel FL from which the sulfur content has been removed by the desulfurizer 32 in order to be reused in the reformer 34. The purpose of reusing the fuel electrode exhaust gas EX-F is to supply steam necessary for the steam reforming reaction of hydrocarbon shown in (Equation 1).

また、燃料極３５１から排出された高温の燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極３５３から排出された酸化剤（以下、「酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏ」という）とは、予熱バーナ３７に供給される。   The high temperature fuel electrode exhaust gas EX-F discharged from the fuel electrode 351 and the oxidant discharged from the oxidant electrode 353 (hereinafter referred to as “oxidant electrode exhaust gas EX-O”) are a preheating burner. 37.

予熱バーナ３７では、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆに含まれている未反応の燃料ＦＬ、未反応の水素Ｈ2および未反応の一酸化炭素ＣＯが、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏに含まれている未反応の酸素Ｏ2と化学反応（燃焼）を起こす。当該燃焼により、予熱バーナ３７は、酸化剤吸入器３１０から吸入され酸化剤予熱器３６に供給された気体ＡＲの温度を上昇させる。なお、水素Ｈ2および一酸化炭素ＣＯの各燃焼反応を、以下の（式７）および（式８）にそれぞれ示す。 In the preheating burner 37, unreacted fuel FL, unreacted hydrogen H 2 and unreacted carbon monoxide CO contained in the fuel electrode exhaust gas EX-F are contained in the oxidant electrode exhaust gas EX-O. It causes a chemical reaction (combustion) with unreacted oxygen O 2 . By the combustion, the preheating burner 37 raises the temperature of the gas AR sucked from the oxidant inhaler 310 and supplied to the oxidant preheater 36. The combustion reactions of hydrogen H 2 and carbon monoxide CO are shown in the following (formula 7) and (formula 8), respectively.

（水素の燃焼反応）   (Hydrogen combustion reaction)

Figure 2010015755
Figure 2010015755

（一酸化炭素の燃焼反応）   (Combustion reaction of carbon monoxide)

Figure 2010015755
Figure 2010015755

酸化剤予熱器３６の予熱により温度が上昇した気体ＡＲは、酸化剤極３５１へ供給され、燃料電池３５の発電に用いられる。なお、予熱バーナ３７は、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの化学反応（燃焼）によって発生した燃焼ガスＢＲを排出する。
電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編、「燃料電池の技術」、オーム社、第２０３頁〜第２０８頁、２００２年 The gas AR whose temperature has been increased by preheating of the oxidant preheater 36 is supplied to the oxidant electrode 351 and used for power generation of the fuel cell 35. The preheating burner 37 discharges the combustion gas BR generated by the chemical reaction (combustion) between the fuel electrode exhaust gas EX-F and the oxidant electrode exhaust gas EX-O.
The Institute of Electrical Engineers of Japan, Fuel Cell Power Generation Next Generation System Technology Investigation Committee, “Fuel Cell Technology”, Ohm, pages 203-208, 2002

上述した一般的な燃料電池発電システム３００は、電池反応に用いられた気体ＡＲを予熱バーナ３７へ供給し、気体ＡＲの予熱に再利用する。しかしながら、当該燃料電池発電システム３００によれば、燃料電池３５の発電に用いる気体ＡＲを外部から多量に吸入しなければならないという問題点がある。   The general fuel cell power generation system 300 described above supplies the gas AR used for the cell reaction to the preheating burner 37 and reuses it for preheating the gas AR. However, according to the fuel cell power generation system 300, there is a problem in that a large amount of gas AR used for power generation of the fuel cell 35 must be sucked from the outside.

本発明は、上述した課題を解決する燃料電池発電システムおよび発電方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system and a power generation method that solve the above-described problems.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、外部から吸入された酸化剤を予熱する酸化剤予熱器と、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記酸化剤予熱器が予熱した酸化剤とを該酸化剤極へ供給する酸化剤供給器とを有する。   In order to solve the above problems, a fuel cell power generation system of the present invention is a fuel cell that generates power using a fuel cell that generates electric power from a fuel supplied to a fuel electrode and an oxidant supplied to an oxidant electrode. In the power generation system, the oxidant preheater for preheating the oxidant sucked from the outside, at least a part of the oxidant discharged from the oxidant electrode, and the oxidant preheated by the oxidant preheater are oxidized. And an oxidizer feeder for feeding to the electrode.

また、本発明の燃料電池発電システムは、外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う熱交換器を有し、前記酸化剤予熱器は、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、前記酸化剤供給器は、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収し、該回収した酸化剤と前記酸化剤予熱器が予熱した酸化剤とを前記酸化剤極へ供給してもよい。   Further, the fuel cell power generation system of the present invention has a heat exchanger that performs heat exchange between the oxidant sucked from the outside and the oxidant discharged from the oxidant electrode, and the oxidant preheater includes: The oxidant sucked from the outside after the heat exchange is preheated, and the oxidant supplier collects the oxidant discharged from the oxidant electrode after the heat exchange and collects the oxidant. An oxidizing agent and an oxidizing agent preheated by the oxidizing agent preheater may be supplied to the oxidizing agent electrode.

また、本発明の燃料電池発電システムの前記酸化剤予熱器は、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記燃料極から排出された燃料の少なくとも一部とを用いて、前記酸化剤を予熱してもよい。   Further, the oxidant preheater of the fuel cell power generation system of the present invention uses at least a part of the oxidant discharged from the oxidant electrode and at least a part of the fuel discharged from the fuel electrode, The oxidizing agent may be preheated.

また、本発明の燃料電池発電システムでは、前記酸化剤極へ供給される酸化剤は、空気または純酸素でもよい。   In the fuel cell power generation system of the present invention, the oxidant supplied to the oxidant electrode may be air or pure oxygen.

また、本発明の燃料電池発電システムでは、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池でもよい。   In the fuel cell power generation system of the present invention, the fuel cell may be a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell.

また、上記課題を解決するために、本発明の発電方法は、燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおける発電方法であって、外部から吸入された酸化剤を予熱する酸化剤予熱処理と、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記酸化剤予熱処理にて予熱した酸化剤とを該酸化剤極へ供給する酸化剤供給処理とを有する。   In order to solve the above problems, the power generation method of the present invention is a fuel cell that generates power using a fuel cell that generates electric power from a fuel supplied to the fuel electrode and an oxidant supplied to the oxidant electrode. A power generation method in a power generation system, which is preheated by an oxidant preheat treatment for preheating an oxidant sucked from the outside, at least a part of the oxidant discharged from the oxidant electrode, and the oxidant preheat treatment. An oxidizing agent supply process for supplying the oxidizing agent to the oxidizing agent electrode.

また、本発明の発電方法は、外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う処理を行い、前記酸化剤予熱処理では、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、前記酸化剤供給処理では、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収し、該回収した酸化剤と前記酸化剤予熱処理にて予熱した酸化剤とを前記酸化剤極へ供給してもよい。   In the power generation method of the present invention, the heat exchange between the oxidant sucked from the outside and the oxidant discharged from the oxidant electrode is performed. In the oxidant pre-heat treatment, the heat exchange is performed. The oxidant sucked from outside is preheated, and in the oxidant supply process, the oxidant discharged from the oxidant electrode subjected to the heat exchange is recovered, and the recovered oxidant and the oxidant are recovered. The oxidant preheated by the agent preheat treatment may be supplied to the oxidant electrode.

また、本発明の発電方法の前記酸化剤予熱処理では、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記燃料極から排出された燃料の少なくとも一部とを用いて、前記酸化剤を予熱してもよい。   In the oxidant pre-heat treatment of the power generation method of the present invention, the oxidation is performed using at least a part of the oxidant discharged from the oxidant electrode and at least a part of the fuel discharged from the fuel electrode. The agent may be preheated.

本発明によれば、燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、外部から吸入された酸化剤を予熱し、酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、予熱が行われた外部から吸入された酸化剤とを該酸化剤極へ供給する。   According to the present invention, in a fuel cell power generation system that generates power using a fuel cell that generates electric power from a fuel supplied to a fuel electrode and an oxidant supplied to an oxidant electrode, the oxidant sucked from the outside Is preheated, and at least a part of the oxidant discharged from the oxidant electrode and the oxidant sucked from the outside subjected to preheating are supplied to the oxidant electrode.

このように、燃料電池から排出された酸化剤を再利用して電力を生成する構成としたため、燃料電池の発電用に外部から吸入する酸化剤の量を低減できる。   As described above, since the power is generated by reusing the oxidant discharged from the fuel cell, the amount of the oxidant sucked from the outside for power generation of the fuel cell can be reduced.

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に従った燃料電池発電システム（発電方法を含む）を説明する。まず、実施形態１の燃料電池発電システム１の全体構成を説明する。 (Embodiment 1)
Hereinafter, a fuel cell power generation system (including a power generation method) according to Embodiment 1 of the present invention will be described. First, the overall configuration of the fuel cell power generation system 1 of Embodiment 1 will be described.

図1に示すように、本燃料電池発電システム１は、燃料電池１５を用いて生成した電力を負荷機器２へ供給する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell power generation system 1 supplies power generated using a fuel cell 15 to a load device 2.

なお、燃料電池発電システム１が、負荷機器２に供給する電力は、負荷機器２が動作可能な「動作用電力Ｐｏ」（直流電力または交流電力）である。   The power supplied from the fuel cell power generation system 1 to the load device 2 is “operation power Po” (DC power or AC power) that allows the load device 2 to operate.

負荷機器２は、動作用電力Ｐｏを用いて所定動作を実行する所定の電気機器である。ここで、負荷機器２は、燃料電池発電システム１から出力された電力に対する出力負荷としての役割を果たす機器であれば、任意の機器でよい。また、以下では、負荷機器２の台数が「１」である場合を例に挙げて説明するが、台数については「２」以上でもよい。   The load device 2 is a predetermined electric device that performs a predetermined operation using the operation power Po. Here, the load device 2 may be any device as long as it serves as an output load for the electric power output from the fuel cell power generation system 1. In the following, a case where the number of load devices 2 is “1” will be described as an example, but the number may be “2” or more.

つぎに、実施形態１の燃料電池発電システム１の構成について詳細に説明する。   Next, the configuration of the fuel cell power generation system 1 of Embodiment 1 will be described in detail.

燃料電池発電システム１は、燃料制御弁１１と、脱硫器１２と、エジェクタ１３と、改質器１４と、燃料電池１５と、酸化剤予熱器１６と、予熱バーナ１７と、酸化剤供給器１８と、出力調整装置１９と、酸化剤吸入器１１０と、酸化剤制御弁１１１と、各種の配管（図示せず）とを有する。   The fuel cell power generation system 1 includes a fuel control valve 11, a desulfurizer 12, an ejector 13, a reformer 14, a fuel cell 15, an oxidant preheater 16, a preheat burner 17, and an oxidant supplier 18. And an output adjusting device 19, an oxidant inhaler 110, an oxidant control valve 111, and various pipes (not shown).

なお、ここでいう配管は、例えば、燃料電池１５の発電に用いられる燃料ＦＬ（例えば、天然ガス）や気体ＡＲ、燃料電池１５から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆや酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏなどを燃料電池発電システム１にて還流させる役割を果たす。   Note that the piping here refers to, for example, fuel FL (for example, natural gas) and gas AR used for power generation of the fuel cell 15, fuel electrode exhaust gas EX-F and oxidant electrode exhaust gas discharged from the fuel cell 15. It serves to recirculate EX-O and the like in the fuel cell power generation system 1.

燃料制御弁１１は、燃料ＦＬを外部から吸入し、吸入した燃料ＦＬを脱硫器１２へ送出する。また、燃料制御弁１１は、燃料ＦＬの流量を制御する。   The fuel control valve 11 sucks the fuel FL from the outside, and sends the sucked fuel FL to the desulfurizer 12. The fuel control valve 11 controls the flow rate of the fuel FL.

脱硫器１２は、燃料ＦＬに腐臭剤として添加されている硫黄分を吸着し、燃料ＦＬに含まれている硫黄分を除去する。   The desulfurizer 12 adsorbs the sulfur component added as a odorant to the fuel FL and removes the sulfur component contained in the fuel FL.

エジェクタ１３は、脱硫器１２によって硫黄分が除去された燃料ＦＬを吸引し、吸引した燃料ＦＬをノズル（図示せず）を通じて改質器１４へ吐出する。   The ejector 13 sucks the fuel FL from which the sulfur content has been removed by the desulfurizer 12 and discharges the sucked fuel FL to the reformer 14 through a nozzle (not shown).

なお、エジェクタ１３において、脱硫器１２から吸引された燃料ＦＬは、燃料電池１５の燃料極１５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと混合される。燃料極排出ガスＥＸ−Ｆは、燃料電池１５の電池反応によって生成された水蒸気を含んでいる。   In the ejector 13, the fuel FL sucked from the desulfurizer 12 is mixed with the fuel electrode exhaust gas EX-F discharged from the fuel electrode 151 of the fuel cell 15. The fuel electrode exhaust gas EX-F contains water vapor generated by the cell reaction of the fuel cell 15.

改質器１４は、（式１）に示したような、エジェクタ１３から吐出された燃料ＦＬに含まれる炭化水素（例えば、メタンＣＨ4）の水蒸気改質反応を行わせる。当該水蒸気改質反応により、改質器１４は、水素リッチな改質ガスＨＲを生成し、該改質ガスＨＲを燃料電池１５の燃料極１５１へ供給する。 The reformer 14 causes a steam reforming reaction of hydrocarbons (for example, methane CH 4 ) contained in the fuel FL discharged from the ejector 13 as shown in (Equation 1). By the steam reforming reaction, the reformer 14 generates a hydrogen-rich reformed gas HR and supplies the reformed gas HR to the fuel electrode 151 of the fuel cell 15.

燃料電池１５は、燃料ＦＬと、酸化剤（例えば、酸素Ｏ2）を含む気体ＡＲ（例えば、空気）との化学反応により直流電力Ｐｄを生成する。なお、燃料電池１５は、複数の単セルを積層したセルスタックで構成してもよい。 The fuel cell 15 generates DC power Pd by a chemical reaction between the fuel FL and a gas AR (for example, air) containing an oxidant (for example, oxygen O 2 ). The fuel cell 15 may be constituted by a cell stack in which a plurality of single cells are stacked.

燃料電池１５は、燃料極１５１と、固体酸化物電解質１５２と、酸化剤極１５３とを有する。   The fuel cell 15 includes a fuel electrode 151, a solid oxide electrolyte 152, and an oxidant electrode 153.

図２に示すように、燃料極１５１は、改質器１４から供給された水素リッチな改質ガスＨＲを用いて電子ｅ-を生成し、当該電子による直流電力Ｐｄを出力調整装置１９へ出力する。 As shown in FIG. 2, the fuel electrode 151 generates electrons e − using the hydrogen-rich reformed gas HR supplied from the reformer 14, and outputs DC power Pd from the electrons to the output regulator 19. To do.

なお、図２に示したように、燃料極１５１では、（式３）に示した反応による水Ｈ2Ｏと、（式４）に示した反応による二酸化炭素ＣＯ2と、改質ガスＨＲに含まれる未反応の水素Ｈ2を含む燃料極排出ガスＥＸ−Ｆとが生成される。燃料極１５１は、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆを予熱バーナ１７へ排出する。 As shown in FIG. 2, in the fuel electrode 151, water H 2 O by the reaction shown in (Formula 3), carbon dioxide CO 2 by the reaction shown in (Formula 4), and reformed gas HR are used. Fuel electrode exhaust gas EX-F containing unreacted hydrogen H 2 contained therein is generated. The fuel electrode 151 discharges the fuel electrode exhaust gas EX-F to the preheating burner 17.

図２に示したように、固体酸化物電解質１５２は、酸化剤極１５３にて生成された酸化物イオンＯ2-を燃料極１５１へ伝導する役割を果たす。なお、固体酸化物電解質１５２は、例えば、酸素イオン伝導性のセラミックスなどでよい。 As shown in FIG. 2, the solid oxide electrolyte 152 plays a role of conducting oxide ions O 2− generated at the oxidant electrode 153 to the fuel electrode 151. The solid oxide electrolyte 152 may be, for example, oxygen ion conductive ceramics.

図２に示したように、酸化剤極１５３は、酸化剤予熱器１６から供給された酸化剤を含む気体ＡＲを用いて、（式２）に示した酸化物イオンＯ2-生成用の反応を行わせる。 As shown in FIG. 2, the oxidant electrode 153 uses the gas AR containing the oxidant supplied from the oxidant preheater 16 to perform the reaction for generating the oxide ion O 2− shown in (Formula 2). To do.

また、図２に示したように、酸化剤極１５３は、直流電力Ｐｄの生成に用いられた気体ＡＲを、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとして、酸化剤供給器１８と予熱バーナ１７とへ排出する。該酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、未反応の酸化剤（Ｏ2）を含んでいる。 Further, as shown in FIG. 2, the oxidant electrode 153 uses the gas AR used for generating the DC power Pd as the oxidant electrode exhaust gas EX-O to the oxidant supplier 18 and the preheating burner 17. Discharge. The oxidant electrode exhaust gas EX-O contains an unreacted oxidant (O 2 ).

図１に示した酸化剤予熱器１６は、例えば、予熱器で構成される。酸化剤予熱器１６には、酸化剤吸入器１１０が外部から吸入した気体ＡＲが供給される。   The oxidant preheater 16 shown in FIG. 1 is constituted by a preheater, for example. The oxidant preheater 16 is supplied with the gas AR sucked from the outside by the oxidant inhaler 110.

予熱バーナ１７は、例えば、バーナで構成される。予熱バーナ１７は、燃料極１５１からの燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３からの酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの化学反応（燃焼）により発生した熱を用いて、酸化剤吸入器１１０が外部から吸入した気体ＡＲを予熱する。   The preheating burner 17 is composed of, for example, a burner. The preheating burner 17 uses the heat generated by the chemical reaction (combustion) between the fuel electrode exhaust gas EX-F from the fuel electrode 151 and the oxidant electrode exhaust gas EX-O from the oxidant electrode 153, The inhaler 110 preheats the gas AR sucked from the outside.

酸化剤供給器１８は、例えば、エジェクタで構成される。酸化剤供給器１８は、「酸化剤供給処理」により、予熱バーナ１７が予熱した気体ＡＲとともに、酸化剤極１５３から一旦排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの少なくとも一部を、当該酸化剤極１５３へ供給する。   The oxidant supply unit 18 is constituted by an ejector, for example. The oxidant supply unit 18 oxidizes at least part of the oxidant electrode exhaust gas EX-O once discharged from the oxidant electrode 153 together with the gas AR preheated by the preheating burner 17 by the “oxidant supply process”. Supply to the electrode 153.

つまり、燃料電池１５は、直流電力Ｐｄの生成に一旦用いられた酸化剤を再利用して、直流電力Ｐｄを生成する。   That is, the fuel cell 15 reuses the oxidant once used to generate the DC power Pd to generate the DC power Pd.

出力調整装置１９は、燃料電池１５が生成した直流電力Ｐｄを動作用電力Ｐｏに変換し、該動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ出力する。なお、負荷機器２が交流電力で動作する場合、出力調整装置１９は、インバータを備えるものでもよい。該インバータを用いて、出力調整装置１９は、燃料電池１５が生成した直流電力Ｐｄを、負荷機器２動作用の交流電力へ変換する。   The output adjusting device 19 converts the DC power Pd generated by the fuel cell 15 into the operating power Po, and outputs the operating power Po to the load device 2. In addition, when the load apparatus 2 operates with AC power, the output adjustment device 19 may include an inverter. Using the inverter, the output adjustment device 19 converts the DC power Pd generated by the fuel cell 15 into AC power for operating the load device 2.

酸化剤吸入器１１０は、例えば、ブロワまたはファンで構成される。酸化剤吸入器１１０は、酸化剤を含む気体ＡＲを外部から吸入し、該吸入した気体ＡＲを酸化剤制御弁１１１へ送出する。   The oxidant inhaler 110 is configured by, for example, a blower or a fan. The oxidant inhaler 110 sucks the gas AR containing the oxidant from the outside, and sends the sucked gas AR to the oxidant control valve 111.

酸化剤制御弁１１１は、酸化剤吸入器１１０から送出された気体ＡＲの流量を制御する。   The oxidant control valve 111 controls the flow rate of the gas AR sent from the oxidant inhaler 110.

つぎに、上記構成を有する実施形態１の燃料電池発電システム１が、燃料電池１５により発生した直流電力Ｐｄに基づいて、動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ供給する動作を説明する。   Next, an operation in which the fuel cell power generation system 1 according to Embodiment 1 having the above configuration supplies the operation power Po to the load device 2 based on the DC power Pd generated by the fuel cell 15 will be described.

燃料電池発電システム１が具備する燃料制御弁１１は、燃料ＦＬを外部から吸入して、該燃料ＦＬを脱硫器１２へ送出する。   The fuel control valve 11 provided in the fuel cell power generation system 1 sucks the fuel FL from the outside and sends the fuel FL to the desulfurizer 12.

脱硫器１２は、燃料制御弁１１から送出されてきた燃料ＦＬに含まれている硫黄分を除去する。その後、燃料ＦＬをエジェクタ１３へ送出する。   The desulfurizer 12 removes the sulfur content contained in the fuel FL sent from the fuel control valve 11. Thereafter, the fuel FL is sent to the ejector 13.

エジェクタ１３は、脱硫器１２からの燃料ＦＬを吸入し、ノズル（図示せず）を通じて該燃料ＦＬを改質器１４へ吐出する。なお、エジェクタ１３では、脱硫器１２からの燃料ＦＬと、燃料極１５１からの燃料極排出ガスＥＸ−Ｆとが混合される。   The ejector 13 sucks the fuel FL from the desulfurizer 12 and discharges the fuel FL to the reformer 14 through a nozzle (not shown). In the ejector 13, the fuel FL from the desulfurizer 12 and the fuel electrode exhaust gas EX-F from the fuel electrode 151 are mixed.

改質器１４は、水蒸気改質用の触媒（例えば、ニッケル系触媒やルテニウム系触媒など）を用いて、エジェクタ１３からの燃料ＦＬから水素リッチな改質ガスＨＲを生成する。その後、改質器１４は、該改質ガスＨＲを燃料電池１５が具備する燃料極１５１へ供給する。   The reformer 14 generates a hydrogen-rich reformed gas HR from the fuel FL from the ejector 13 using a steam reforming catalyst (for example, a nickel catalyst or a ruthenium catalyst). Thereafter, the reformer 14 supplies the reformed gas HR to the fuel electrode 151 provided in the fuel cell 15.

一方、酸化剤吸入器１１０は、酸化剤を含む気体ＡＲを外部から吸入し、該気体ＡＲを酸化剤供給器１８へ送出する。なお、酸化剤制御弁１１１は、酸化剤吸入器１１０から酸化剤供給器１８へ送出される気体ＡＲの流量を制御する。   On the other hand, the oxidant inhaler 110 sucks the gas AR containing the oxidant from the outside, and sends the gas AR to the oxidant supplier 18. The oxidant control valve 111 controls the flow rate of the gas AR sent from the oxidant inhaler 110 to the oxidant supplier 18.

酸化剤供給器１８は、酸化剤吸入器１１０が外部から吸入した気体ＡＲを燃料電池１５の酸化剤極１５３へ供給する。また、燃料電池１５における直流電力Ｐｄの生成により酸化剤極１５３から酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏが排出されてきた場合、酸化剤供給器１８は、当該酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを酸化剤極１５３へ再度供給する。   The oxidant supplier 18 supplies the gas AR sucked from the outside by the oxidant inhaler 110 to the oxidant electrode 153 of the fuel cell 15. When the oxidant electrode exhaust gas EX-O is discharged from the oxidant electrode 153 due to the generation of the DC power Pd in the fuel cell 15, the oxidant supplier 18 oxidizes the oxidant electrode exhaust gas EX-O. Supply again to the electrode 153.

燃料電池１５においては、改質器１４から燃料極１５１へ供給された改質ガスＨＲ、ならびに、酸化剤供給器１８から酸化剤極１５３へ供給された気体ＡＲおよび酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏにより、図２に示した反応が行われる。当該反応により直流電力Ｐｄが生成され、該直流電力Ｐｄが出力調整装置１９へ出力される。   In the fuel cell 15, the reformed gas HR supplied from the reformer 14 to the fuel electrode 151, the gas AR supplied from the oxidizer supplier 18 to the oxidizer electrode 153, and the oxidizer electrode exhaust gas EX-O. Thus, the reaction shown in FIG. 2 is performed. DC power Pd is generated by the reaction, and the DC power Pd is output to the output adjustment device 19.

出力調整装置１９は、燃料電池１５から出力されてきた直流電力Ｐｄを動作用電力Ｐｏへ変換し、該動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ出力する。負荷機器２は、出力調整装置１９からの動作用電力Ｐｏを入力し、所定の動作を実行する。以上で、燃料電池発電システム１が、燃料電池１５により生成した電力を負荷機器２へ供給する一連の動作が終了する。   The output adjustment device 19 converts the DC power Pd output from the fuel cell 15 into operation power Po, and outputs the operation power Po to the load device 2. The load device 2 receives the operation power Po from the output adjustment device 19 and executes a predetermined operation. Thus, a series of operations in which the fuel cell power generation system 1 supplies the power generated by the fuel cell 15 to the load device 2 is completed.

以上説明したように、本発明の実施形態１によれば、酸化剤供給器１８は、予熱バーナ１７が予熱した気体ＡＲとともに、酸化剤極１５３から一旦排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの少なくとも一部を酸化剤極１５３へ供給する。   As described above, according to the first embodiment of the present invention, the oxidant supply unit 18 includes the oxidant electrode exhaust gas EX-O once discharged from the oxidant electrode 153 together with the gas AR preheated by the preheating burner 17. At least a part of the oxidant is supplied to the oxidizer electrode 153.

つまり、燃料電池１５では、直流電力Ｐｄの生成に一旦用いられた酸化剤を再利用して、直流電力Ｐｄを生成する。これにより、燃料電池１５の発電を行うために外部から新たに吸入する気体ＡＲ（ひいては、酸化剤）の量を低減できる。   That is, in the fuel cell 15, the oxidant once used for generating the DC power Pd is reused to generate the DC power Pd. As a result, the amount of gas AR (and hence oxidant) newly sucked from the outside in order to generate power from the fuel cell 15 can be reduced.

なお、図３に示すように、燃料ＦＬの化学反応（燃焼）によって発生するエネルギーは、直流電力Ｐｄの発電と、燃料ＦＬの改質と、気体ＡＲ（空気）の予熱と、損失とに分配される。   As shown in FIG. 3, the energy generated by the chemical reaction (combustion) of the fuel FL is distributed to power generation of the DC power Pd, reforming of the fuel FL, preheating of the gas AR (air), and loss. Is done.

本発明の燃料電池発電システム１によれば、図３に示した各エネルギーのうち、気体ＡＲ（空気）の予熱に用いるエネルギーを低減することができる。そのため、燃料電池発電システム１の発電効率を向上させることができる。
（実施形態２）
つぎに、実施形態２の燃料電池発電システム１Ａについて説明する。 According to the fuel cell power generation system 1 of the present invention, the energy used for preheating the gas AR (air) among the energies shown in FIG. 3 can be reduced. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell power generation system 1 can be improved.
(Embodiment 2)
Next, a fuel cell power generation system 1A of Embodiment 2 will be described.

図４に示すように、実施形態２の燃料電池発電システム１Ａの全体構成は、図１に示した燃料電池発電システム１の構成と基本的に同一である。   As shown in FIG. 4, the overall configuration of the fuel cell power generation system 1A of Embodiment 2 is basically the same as the configuration of the fuel cell power generation system 1 shown in FIG.

ただし、実施形態２の燃料電池発電システム１Ａは、図１に示した燃料電池発電システム１の構成に加えて、熱交換器１１２を有する。   However, the fuel cell power generation system 1A of Embodiment 2 includes a heat exchanger 112 in addition to the configuration of the fuel cell power generation system 1 shown in FIG.

熱交換器１１２は、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、酸化剤吸入器１１０により外部から吸入された気体ＡＲとがそれぞれ有する熱量を互いに交換させる。   The heat exchanger 112 exchanges heat amounts of the oxidant electrode exhaust gas EX-O discharged from the oxidant electrode 153 and the gas AR sucked from the outside by the oxidant inhaler 110 with each other.

この例では、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏが有する熱量を、外部から吸入された気体ＡＲに与える。そのため、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは冷却されてその温度が低下する。一方、外部から吸入された気体ＡＲは暖められてその温度が上昇する。   In this example, the heat amount of the oxidant electrode exhaust gas EX-O is given to the gas AR sucked from the outside. Therefore, the oxidant electrode exhaust gas EX-O is cooled and its temperature is lowered. On the other hand, the gas AR sucked from the outside is heated and its temperature rises.

なお、酸化剤予熱器１６には、熱交換器１１２における熱交換により温度が上昇した気体ＡＲが供給される。予熱バーナ１７は、燃料極１５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとを化学反応（燃焼）させる。そして、予熱バーナ１７は、当該化学反応によって生成された熱量を用いて、熱交換器１１２にて温度が上昇した気体ＡＲをさらに予熱する。   The oxidant preheater 16 is supplied with a gas AR whose temperature has increased due to heat exchange in the heat exchanger 112. The preheating burner 17 chemically reacts (combusts) the fuel electrode exhaust gas EX-F discharged from the fuel electrode 151 and the oxidant electrode exhaust gas EX-O discharged from the oxidant electrode 153. Then, the preheating burner 17 further preheats the gas AR whose temperature has risen in the heat exchanger 112 using the amount of heat generated by the chemical reaction.

また、熱交換器１１２における熱交換により温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、酸化剤供給器１８へ送出される。   Further, the oxidant electrode exhaust gas EX-O whose temperature has decreased due to heat exchange in the heat exchanger 112 is sent to the oxidant supplier 18.

実施形態２の酸化剤供給器１８は、例えば、ブロワまたはファンで構成される。酸化剤供給器１８は、熱交換器１１２にて温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを吸入側から吸入することにより酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏを回収する。   The oxidizing agent supplier 18 according to the second embodiment is configured by, for example, a blower or a fan. The oxidant supply unit 18 collects the oxidant electrode exhaust gas EX-O by sucking the oxidant electrode exhaust gas EX-O whose temperature has decreased in the heat exchanger 112 from the suction side.

また、酸化剤供給器１８は、回収した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと酸化剤予熱器１６が予熱した気体ＡＲとを混合させ、該酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと気体ＡＲとを酸化剤極１５３へ送出する。なお、酸化剤供給器１８は、その回転数を制御することにより、酸化剤極１５３へ送出する酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの量を制御することが可能である。   The oxidant supplier 18 mixes the recovered oxidant electrode exhaust gas EX-O and the gas AR preheated by the oxidant preheater 16 to oxidize the oxidant electrode exhaust gas EX-O and the gas AR. It is delivered to the agent electrode 153. The oxidant supplier 18 can control the amount of the oxidant electrode exhaust gas EX-O to be sent to the oxidant electrode 153 by controlling the number of rotations thereof.

なお、熱交換器１１２は、酸化剤供給器１８の吸入側または排出側のいずれに設けてもよいが、酸化剤供給器１８の温度劣化を考慮して、酸化剤供給器１８の吸入側に設けることがより望ましい。   The heat exchanger 112 may be provided on either the suction side or the discharge side of the oxidant supply unit 18, but considering the temperature deterioration of the oxidant supply unit 18, the heat exchanger 112 is provided on the suction side of the oxidant supply unit 18. It is more desirable to provide it.

つぎに、上記構成を有する実施形態２の燃料電池発電システム１Ａが、燃料電池１５が生成した電力を負荷機器２へ供給する動作を説明する。   Next, an operation in which the fuel cell power generation system 1A of the second embodiment having the above-described configuration supplies the power generated by the fuel cell 15 to the load device 2 will be described.

燃料電池１５の燃料極１５１へ燃料ＦＬを供給する際の、実施形態２の燃料制御弁１１、脱硫器１２、エジェクタ１３および改質器１４の動作は、実施形態１で説明した動作と同じである。   The operations of the fuel control valve 11, the desulfurizer 12, the ejector 13, and the reformer 14 of the second embodiment when supplying the fuel FL to the fuel electrode 151 of the fuel cell 15 are the same as those described in the first embodiment. is there.

一方、実施形態２の酸化剤吸入器１１０は、酸化剤を含む気体ＡＲを外部から吸入して、該気体ＡＲを熱交換器１１２へ送出する。なお、酸化剤制御弁１１１は、酸化剤吸入器１１０から熱交換器１１２へ送出される気体ＡＲの流量を制御する。   On the other hand, the oxidant inhaler 110 according to the second embodiment sucks the gas AR containing the oxidant from the outside and sends the gas AR to the heat exchanger 112. The oxidant control valve 111 controls the flow rate of the gas AR sent from the oxidant inhaler 110 to the heat exchanger 112.

熱交換器１１２では、酸化剤吸入器１１０から送出されてきた気体ＡＲと、燃料電池１５の酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの熱交換が行われる。   In the heat exchanger 112, heat exchange between the gas AR sent from the oxidant inhaler 110 and the oxidant electrode exhaust gas EX-O discharged from the oxidant electrode 153 of the fuel cell 15 is performed.

当該熱交換により、酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの温度は低下する一方、酸化剤吸入器１１０からの気体ＡＲの温度は上昇する。なお、熱交換が行われた気体ＡＲの温度は、熱交換器１１２の規模や気体ＡＲの流速などに応じて変化するが、例えば、２００℃程度となるように設計してもよい。   By the heat exchange, the temperature of the oxidant electrode exhaust gas EX-O decreases, while the temperature of the gas AR from the oxidant inhaler 110 increases. In addition, although the temperature of gas AR in which heat exchange was performed changes according to the scale of the heat exchanger 112, the flow velocity of gas AR, etc., you may design so that it may be about 200 degreeC, for example.

熱交換器１１２にて温度が上昇した気体ＡＲは、酸化剤予熱器１６へ供給される。このため、酸化剤予熱器１６が、気体ＡＲを発電温度に予熱する際のエネルギー消費を抑制することができる。   The gas AR whose temperature has increased in the heat exchanger 112 is supplied to the oxidant preheater 16. For this reason, the oxidant preheater 16 can suppress energy consumption when the gas AR is preheated to the power generation temperature.

さらに、予熱バーナ１７は、燃料極１５１から排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとを化学反応（燃焼）させる。予熱バーナ１７は、当該化学反応によって生成された熱量を用いて、熱交換器１１２にて温度が上昇した気体ＡＲを予熱する。なお、予熱バーナ１７は、燃焼により生成された燃焼ガスＢＲを外部へ排出する。   Further, the preheating burner 17 chemically reacts (combusts) the fuel electrode exhaust gas EX-F discharged from the fuel electrode 151 and the oxidant electrode exhaust gas EX-O discharged from the oxidant electrode 153. The preheating burner 17 preheats the gas AR whose temperature has increased in the heat exchanger 112 using the amount of heat generated by the chemical reaction. The preheating burner 17 discharges the combustion gas BR generated by the combustion to the outside.

一方、熱交換器１１２にて温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏは、酸化剤供給器１８によって回収される。   On the other hand, the oxidant electrode exhaust gas EX-O whose temperature has decreased in the heat exchanger 112 is recovered by the oxidant supplier 18.

酸化剤供給器１８は、回収した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、予熱バーナ１７により予熱された気体ＡＲとを混合させる。その後、酸化剤供給器１８は、混合された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと気体ＡＲとを、燃料電池１５の酸化剤極１５３へ供給する。   The oxidant supply unit 18 mixes the recovered oxidant electrode exhaust gas EX-O and the gas AR preheated by the preheating burner 17. Thereafter, the oxidant supplier 18 supplies the mixed oxidant electrode exhaust gas EX-O and the gas AR to the oxidant electrode 153 of the fuel cell 15.

なお、燃料電池１５にて電池反応が行われた場合、該電池反応により大きな熱量が発生する。さらに、燃料電池１５の発電温度は８００℃〜１，０００℃である。このため、酸化剤極１５３への供給に先立って、熱交換により温度が低下した酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、燃料電池１５の破損を回避するために酸化剤予熱器１６により予熱した気体ＡＲとを酸化剤供給器１８にて混合し、予熱された気体ＡＲの温度を低下させておくことは好適である。なお、酸化剤供給器１８にて混合された気体ＡＲおよび酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの温度は、酸化剤供給器１８の回転数などに応じて変化するが、例えば、６００℃程度となるように設計してもよい。   In addition, when a battery reaction is performed in the fuel cell 15, a large amount of heat is generated by the battery reaction. Furthermore, the power generation temperature of the fuel cell 15 is 800 ° C. to 1,000 ° C. For this reason, prior to supply to the oxidant electrode 153, the oxidant electrode exhaust gas EX-O whose temperature has decreased due to heat exchange and the gas preheated by the oxidant preheater 16 in order to avoid damage to the fuel cell 15 It is preferable to mix the AR with the oxidant supplier 18 and to reduce the temperature of the preheated gas AR. The temperature of the gas AR and the oxidant electrode exhaust gas EX-O mixed in the oxidant supplier 18 varies depending on the number of revolutions of the oxidant supplier 18 and is about 600 ° C., for example. You may design as follows.

燃料電池１５においては、改質器１４から燃料極１５１へ供給された改質ガスＨＲ、ならびに、酸化剤予熱器１６から酸化剤極１５３へ供給された気体ＡＲおよび酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏにより、図２に示した反応が行われる。これにより、直流電力Ｐｄが生成され、該直流電力Ｐｄが出力調整装置１９へ出力される。   In the fuel cell 15, the reformed gas HR supplied from the reformer 14 to the fuel electrode 151, the gas AR supplied from the oxidant preheater 16 to the oxidant electrode 153, and the oxidant electrode exhaust gas EX-O. Thus, the reaction shown in FIG. 2 is performed. As a result, DC power Pd is generated, and the DC power Pd is output to the output adjustment device 19.

出力調整装置１９は、直流電力Ｐｄを動作用電力Ｐｏへ変換し、該動作用電力Ｐｏを負荷機器２へ出力する。負荷機器２は、該動作用電力Ｐｏを入力し、所定の動作を実行する。以上で、実施形態２の燃料電池発電システム１Ａが、燃料電池１５により生成した電力を負荷機器２へ供給する一連の動作が終了する。   The output adjustment device 19 converts the DC power Pd into the operating power Po and outputs the operating power Po to the load device 2. The load device 2 inputs the operation power Po and executes a predetermined operation. Thus, the series of operations in which the fuel cell power generation system 1A of Embodiment 2 supplies the power generated by the fuel cell 15 to the load device 2 is completed.

以上説明したように、実施形態２によれば、熱交換器１１２は、酸化剤極１５３から排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏと、酸化剤吸入器１１０により外部から吸入された気体ＡＲとの熱交換を行わせる。そして、熱交換器１１２は、熱交換により温度が上昇した気体ＡＲを酸化剤予熱器１６へ供給する。このため、酸化剤予熱器１６が、気体ＡＲを発電温度に予熱する際のエネルギー消費を抑制することができる。   As described above, according to the second embodiment, the heat exchanger 112 includes the oxidant electrode exhaust gas EX-O discharged from the oxidant electrode 153 and the gas AR sucked from the outside by the oxidant inhaler 110. Heat exchange with the Then, the heat exchanger 112 supplies the gas AR whose temperature has been increased by heat exchange to the oxidant preheater 16. For this reason, the oxidant preheater 16 can suppress energy consumption when the gas AR is preheated to the power generation temperature.

つまり、燃料電池発電システム１Ａによれば、図３に示した各エネルギーのうち、気体ＡＲの予熱に用いるエネルギーを低減することができる。そのため、気体ＡＲの予熱に伴って発生する損失も低減させることが可能となり、燃料電池発電システム１Ａの発電効率を向上させることができる。なお、燃料ＦＬの温度上昇に必要なエネルギーについては、燃料ＦＬの供給量が気体ＡＲの供給量に比べて非常に少ないため、発電効率に及ぼす影響を無視することが可能である。   That is, according to the fuel cell power generation system 1A, the energy used for preheating the gas AR can be reduced among the energies shown in FIG. Therefore, it is possible to reduce the loss that occurs with the preheating of the gas AR, and the power generation efficiency of the fuel cell power generation system 1A can be improved. Note that the energy required for increasing the temperature of the fuel FL is much smaller than the supply amount of the gas AR, so the influence on the power generation efficiency can be ignored.

さらに、実施形態２によれば、予熱バーナ１７は、燃料極１５１から一旦排出された燃料極排出ガスＥＸ−Ｆと、酸化剤極１５３から一旦排出された酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏとの化学反応によって生成された熱量を用いて、熱交換器１１２にて温度が上昇した気体ＡＲを予熱する。   Furthermore, according to the second embodiment, the preheating burner 17 includes the fuel electrode exhaust gas EX-F once discharged from the fuel electrode 151 and the oxidant electrode exhaust gas EX-O once discharged from the oxidant electrode 153. The gas AR whose temperature has risen in the heat exchanger 112 is preheated using the amount of heat generated by the chemical reaction.

つまり、燃料極排出ガスＥＸ−Ｆおよび酸化剤極排出ガスＥＸ−Ｏの再利用により、燃料電池発電システム１Ａの発電効率をより一層向上させることができる。また、気体ＡＲの温度を上昇させるためのエネルギーを抑制できることにより、酸化剤予熱器１６の小型化も可能となる。   That is, the power generation efficiency of the fuel cell power generation system 1A can be further improved by reusing the fuel electrode exhaust gas EX-F and the oxidant electrode exhaust gas EX-O. In addition, since the energy for raising the temperature of the gas AR can be suppressed, the oxidant preheater 16 can be downsized.

なお、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。   Various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

燃料電池１５は、固体酸化物形の燃料電池に限らず、例えば、溶融炭酸塩形の燃料電池で構成してもよい。溶融炭酸塩形の燃料電池を用いて燃料電池１５を構成する場合、固体酸化物電解質１５２に代えて、溶融した炭酸塩（炭酸リチウム、炭酸カリウムなど）を電解質として用いればよい。   The fuel cell 15 is not limited to a solid oxide fuel cell, and may be a molten carbonate fuel cell, for example. When the fuel cell 15 is configured using a molten carbonate fuel cell, a molten carbonate (such as lithium carbonate or potassium carbonate) may be used as the electrolyte instead of the solid oxide electrolyte 152.

燃料ＦＬの水蒸気改質反応は、改質器１４を用いて行うに限られない。例えば、燃料電池１５の燃料極１５１にて、燃料ＦＬの水蒸気改質反応を直接行わせ、燃料電池１５の電池反応に必要な水素と一酸化炭素ＣＯとを燃料極１５１にて生成するようにしてもよい。   The steam reforming reaction of the fuel FL is not limited to being performed using the reformer 14. For example, the steam reforming reaction of the fuel FL is directly performed at the fuel electrode 151 of the fuel cell 15, and hydrogen and carbon monoxide CO necessary for the cell reaction of the fuel cell 15 are generated at the fuel electrode 151. May be.

酸化剤吸入器１１０が外部から取り込む気体ＡＲは、空気に限らず、純酸素でもよい。   The gas AR taken in from the outside by the oxidant inhaler 110 is not limited to air but may be pure oxygen.

以上、実施形態１および２を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態１および２に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が理解し得る各種の変形が可能である。   As mentioned above, although this invention was demonstrated with reference to Embodiment 1 and 2, this invention is not limited to Embodiment 1 and 2 mentioned above. Various modifications that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention without departing from the gist of the present invention.

本発明の実施形態１に従った燃料電池発電システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell power generation system according to Embodiment 1 of this invention. 図１に示した燃料電池の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell shown in FIG. 燃料電池にて発電を行う際の、燃料の化学反応により発生したエネルギーの分配を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows distribution of the energy produced | generated by the chemical reaction of the fuel at the time of generating electric power with a fuel cell. 本発明の実施形態２に従った燃料電池発電システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell power generation system according to Embodiment 2 of this invention. 一般的な燃料電池発電システムの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a general fuel cell power generation system.

符号の説明Explanation of symbols

１、１Ａ 燃料電池発電システム
２ 負荷機器
１１ 燃料制御弁
１２ 脱硫器
１３ エジェクタ
１４ 改質器
１５ 燃料電池
１５１ 燃料極
１５２ 固体酸化物電解質
１５３ 酸化剤極
１６ 酸化剤予熱器
１７ 予熱バーナ
１８ 酸化剤供給器
１９ 出力調整装置
１１０ 酸化剤吸入器
１１１ 酸化剤制御弁
１１２ 熱交換器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A Fuel cell power generation system 2 Load apparatus 11 Fuel control valve 12 Desulfurizer 13 Ejector 14 Reformer 15 Fuel cell 151 Fuel electrode 152 Solid oxide electrolyte 153 Oxidant electrode 16 Oxidant preheater 17 Preheating burner 18 Oxidant supply 19 Output regulator 110 Oxidant inhaler 111 Oxidant control valve 112 Heat exchanger

Claims (8)

燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
外部から吸入された酸化剤を予熱する酸化剤予熱器と、
前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記酸化剤予熱器が予熱した酸化剤とを該酸化剤極へ供給する酸化剤供給器とを有することを特徴とする燃料電池発電システム。 In a fuel cell power generation system that generates power using a fuel cell that generates electric power from a fuel supplied to a fuel electrode and an oxidant supplied to an oxidant electrode,
An oxidant preheater for preheating oxidant sucked from the outside;
A fuel cell power generation comprising: an oxidant supply unit that supplies at least a part of the oxidant discharged from the oxidant electrode and the oxidant preheated by the oxidant preheater to the oxidant electrode. system. 請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う熱交換器を有し、
前記酸化剤予熱器は、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、
前記酸化剤供給器は、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収し、該回収した酸化剤と前記酸化剤予熱器が予熱した酸化剤とを前記酸化剤極へ供給することを特徴とする燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to claim 1,
A heat exchanger for exchanging heat between the oxidant sucked from the outside and the oxidant discharged from the oxidant electrode;
The oxidant preheater preheats the oxidant sucked from the outside where the heat exchange has been performed,
The oxidant supplier collects the oxidant discharged from the oxidant electrode subjected to the heat exchange, and the collected oxidant and the oxidant preheated by the oxidant preheater are combined with the oxidant electrode. A fuel cell power generation system characterized by being supplied to 請求項１または２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化剤予熱器は、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記燃料極から排出された燃料の少なくとも一部とを用いて、前記酸化剤を予熱することを特徴とする燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to claim 1 or 2,
The oxidant preheater preheats the oxidant using at least a part of the oxidant discharged from the oxidant electrode and at least a part of the fuel discharged from the fuel electrode. Fuel cell power generation system. 請求項１乃至３のいずれか1項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化剤極へ供給される酸化剤は、空気または純酸素であることを特徴とする燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell power generation system, wherein the oxidant supplied to the oxidant electrode is air or pure oxygen. 請求項１乃至４のいずれか1項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池であることを特徴とする燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 4,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell. 燃料極へ供給された燃料と酸化剤極へ供給された酸化剤とから電力を生成する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムにおける発電方法であって、
外部から吸入された酸化剤を予熱する酸化剤予熱処理と、
前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記酸化剤予熱処理にて予熱した酸化剤とを該酸化剤極へ供給する酸化剤供給処理とを有する発電方法。 A power generation method in a fuel cell power generation system that generates power using a fuel cell that generates electric power from a fuel supplied to a fuel electrode and an oxidant supplied to an oxidant electrode,
An oxidant pre-heat treatment for pre-heating the oxidant sucked from the outside;
A power generation method comprising: an oxidant supply process for supplying at least a part of an oxidant discharged from the oxidant electrode and an oxidant preheated by the oxidant preheat treatment to the oxidant electrode. 請求項６に記載の発電方法において、
外部から吸入された酸化剤と、前記酸化剤極から排出された酸化剤との熱交換を行う処理を行い、
前記酸化剤予熱処理では、前記熱交換が行われた前記外部から吸入された酸化剤を予熱し、
前記酸化剤供給処理では、前記熱交換が行われた前記酸化剤極から排出された酸化剤を回収し、該回収した酸化剤と前記酸化剤予熱処理にて予熱した酸化剤とを前記酸化剤極へ供給することを特徴とする発電方法。 The power generation method according to claim 6,
Performing a heat exchange between the oxidant sucked from the outside and the oxidant discharged from the oxidant electrode,
In the oxidant pre-heat treatment, the oxidant sucked from the outside where the heat exchange has been performed is pre-heated,
In the oxidant supply process, the oxidant discharged from the oxidant electrode subjected to the heat exchange is recovered, and the recovered oxidant and the oxidant preheated in the oxidant pre-heat treatment are used as the oxidant. A power generation method characterized by being supplied to a pole. 請求項６または７に記載の発電方法において、
前記酸化剤予熱処理では、前記酸化剤極から排出された酸化剤の少なくとも一部と、前記燃料極から排出された燃料の少なくとも一部とを用いて、前記酸化剤を予熱することを特徴とする発電方法。 The power generation method according to claim 6 or 7,
In the oxidant pre-heat treatment, the oxidant is preheated using at least a part of the oxidant discharged from the oxidant electrode and at least a part of the fuel discharged from the fuel electrode. Power generation method.
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