JP5004156B2 - Power generation equipment - Google Patents
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Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電力を得る溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備に関する。 The present invention relates to a power generation facility including a molten carbonate fuel cell that obtains electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
水素と酸素との電気化学反応により電力を得る溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極(アノード)と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極(カソード)との間に、電解質(炭酸塩)が挟まれて構成されている。そして、天然ガス等の燃料から得られた水素(H2)をアノードに供給すると共に、空気(O2)と二酸化炭素(CO2)をカソードに供給することで、H2とO2の電気化学反応により発電が行われる。MCFCは高温で作動するため高効率で、CO2を回収分離できるため環境への影響が少ない等の特徴を有している。このため、近年は、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目されてきている。 A molten carbonate fuel cell (MCFC) that obtains electric power through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen includes, for example, a nickel porous fuel electrode (anode) and a nickel oxide porous air electrode (cathode). The electrolyte (carbonate) is sandwiched between the two. Then, hydrogen (H 2 ) obtained from a fuel such as natural gas is supplied to the anode, and air (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) are supplied to the cathode, so that the electricity of H 2 and O 2 can be obtained. Electricity is generated by chemical reaction. MCFC has high efficiency because it operates at a high temperature, and has features such as little influence on the environment because CO 2 can be recovered and separated. For this reason, in recent years, it has attracted attention as a power generation system following hydropower, thermal power, and nuclear power.
また、MCFCは高温で作動するため、排気をガスタービンの燃焼器に供給するように構成して、MCFCとガスタービンとを組み合わせた発電設備(複合発電設備)も従来から提案されてきている(例えば、特許文献1参照)。MCFCとガスタービンとを組み合わせた複合発電設備とすることにより、MCFCとガスタービンとで発電を行うことができる。 In addition, since MCFC operates at a high temperature, a power generation facility (combined power generation facility) in which the exhaust gas is supplied to the combustor of the gas turbine and the MCFC and the gas turbine are combined has been proposed ( For example, see Patent Document 1). By using a combined power generation facility that combines an MCFC and a gas turbine, it is possible to generate power with the MCFC and the gas turbine.
水素と酸素との電気化学反応により電力を得るMCFCでは、燃料としての水素を得るために、天然ガス等の燃料ガスを改質手段に送り、改質手段に燃料ガスの2倍から3倍程度の蒸気を投入し、燃料ガスを改質して水素ガスを得ている。小型の発電設備にあっては構成機器の運転温度の制約が存在するが、MCFCでは燃料の改質量に裕度がなく、幅広い負荷領域での運転や、起動時の部分負荷運転を行う場合には効率を犠牲にして運転制約温度を考慮せざるを得ないのが現状である。 In MCFC that obtains electric power by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, in order to obtain hydrogen as fuel, fuel gas such as natural gas is sent to the reforming means, and it is about 2 to 3 times the fuel gas to the reforming means. The fuel gas is reformed and hydrogen gas is obtained. For small power generation facilities, there are restrictions on the operating temperature of the components, but MCFC has no tolerance for the amount of reforming of fuel, and when operating in a wide load range or partial load operation at startup However, at the expense of efficiency, it is necessary to consider the operation restriction temperature.
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、広範囲の負荷領域で燃料電池の温度を適切に維持し、幅広い運転領域での効率化・高性能化を図ることができる発電設備を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and provides a power generation facility capable of appropriately maintaining the temperature of a fuel cell in a wide load range and improving efficiency and performance in a wide range of operation. With the goal.
本発明は、アノード極に水素を含むアノードガスが供給されると共にカソード極に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、アノード極側に備えられる内部改質手段と、アノード極の排気が改質熱源とされる外部改質手段と、燃料をアノード極に供給する燃料供給系と、燃料供給系から分岐して外部改質器に燃料を供給すると共に外部改質器で改質された改質燃料をアノード極に供給する改質燃料供給系と、燃料供給系から分岐する燃料量を調整する調整手段とを備えている。 The present invention provides a molten carbonate fuel cell in which an anode gas containing hydrogen is supplied to the anode electrode and a cathode gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode, and electricity is generated by an electrochemical reaction between the anode gas and the cathode gas; Internal reforming means provided on the anode electrode side, external reforming means in which the exhaust of the anode electrode serves as a heat source for reforming, a fuel supply system for supplying fuel to the anode electrode, a branch from the fuel supply system, and external modification includes a reformed reformed fuel reformed fuel supply system for supplying to the anode electrode in the external reformer is supplied to the fuel quality device, and adjusting means for adjusting the amount of fuel branching from the fuel supply system Yes.
このため、燃料のうち一部は外部改質器を経由してアノード極に供給され、一部は外部改質器をバイパスしてアノード極に直接供給される。溶融炭酸塩形燃料電池の温度調整は、外部改質器への燃料ガス供給量と、外部改質器をバイパスして直接アノード極に供給する量とのバランスにより調整する。つまり、外部改質器を経由する燃料(メタン燃料)はあらかじめ水素と一酸化炭素に改質されメタン濃度が低下する。この改質ガスと外部改質器をバイパスしたメタンを混合してアノード極に供給することで、溶融炭酸塩形燃料電池の外部からの供給燃料中のメタンガス濃度が調整され、溶融炭酸塩形燃料電池の内部での改質量、即ち、溶融炭酸塩形燃料電池内での吸熱量を任意に設定して温度を適切に維持する。 For this reason, a part of the fuel is supplied to the anode electrode via the external reformer, and a part of the fuel is directly supplied to the anode electrode by bypassing the external reformer. The temperature adjustment of the molten carbonate fuel cell is adjusted by the balance between the amount of fuel gas supplied to the external reformer and the amount supplied directly to the anode electrode, bypassing the external reformer. That is, the fuel (methane fuel) passing through the external reformer is reformed in advance to hydrogen and carbon monoxide, and the methane concentration is lowered. The reformed gas and methane bypassing the external reformer are mixed and supplied to the anode electrode, whereby the methane gas concentration in the fuel supplied from the outside of the molten carbonate fuel cell is adjusted, and the molten carbonate fuel The reforming amount inside the battery, that is, the endothermic amount in the molten carbonate fuel cell is arbitrarily set to maintain the temperature appropriately.
このような内部改質と外部改質を併用することは、300MW級の酸素利用の溶融炭酸塩形燃料電池の発電設備に適用される。外部改質と内部改質の流量バランスを調整することにより、発電設備の実現が可能になる。これにより、燃料ガスの流通経路のバランス調整のみにより溶融炭酸塩形燃料電池の温度を調整することができ、また、幅広い運転条件での溶融炭酸塩形燃料電池の温度制御が可能となる。このことは、酸素を利用する溶融炭酸塩形燃料電池以外にも適用することができる。 The combined use of such internal reforming and external reforming is applied to a power generation facility of a 300 MW class oxygen-utilized molten carbonate fuel cell. By adjusting the flow rate balance between external reforming and internal reforming, it is possible to realize a power generation facility. As a result, the temperature of the molten carbonate fuel cell can be adjusted only by adjusting the balance of the flow path of the fuel gas, and the temperature of the molten carbonate fuel cell can be controlled under a wide range of operating conditions. This can be applied to other than the molten carbonate fuel cell using oxygen.
また、カソード極に供給するカソードガスを加圧する加圧手段と、カソード極のカソード排気及び外部改質器で熱回収されたアノード排気を燃焼する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスを膨張して動力を得るタービンとを備えている。 Further, pressurizing means for pressurizing the cathode gas supplied to the cathode electrode, a cathode exhaust of the cathode electrode and a combustor for combusting the anode exhaust heat recovered by the external reformer, and a combustion gas from the combustor are expanded. And a turbine for obtaining power .
このため、カソードガスを加圧してタービンで動力を回収することができる発電設備となる。 For this reason, it becomes power generation equipment which pressurizes cathode gas and can collect power with a turbine.
また、タービンの排気ガスが熱源とされ燃料供給系の燃料を予熱する燃料予熱手段と、タービンの排気ガスが熱源とされ加圧手段で加圧されたカソードガスを予熱するカソード予熱手段とを備えている。 And a fuel preheating means for preheating the fuel in the fuel supply system using the exhaust gas of the turbine as a heat source, and a cathode preheating means for preheating the cathode gas pressurized by the pressurizing means using the exhaust gas of the turbine as a heat source. ing.
このため、系内のエネルギーにより燃料の予熱及びカソードガスの予熱を行うことができる。 For this reason, fuel preheating and cathode gas preheating can be performed by the energy in the system.
上記目的を達成するための請求項1に係る本発明の発電設備は、アノード極に水素を含むアノードガスが供給されると共にカソード極に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、アノード極側に備えられる内部改質手段と、アノード極の排気が改質熱源とされる外部改質手段と、改質用の蒸気を含む蒸気・燃料をアノード極に供給する燃料供給系と、燃料供給系から分岐して外部改質器に蒸気・燃料を供給すると共に外部改質器で改質された改質燃料をアノード極に供給する改質燃料供給系と、燃料供給系から分岐する蒸気・燃料量を調整する調整手段と、カソード排気及び外部改質器で熱回収されたアノード排気を燃焼する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスを熱回収して燃料供給系の蒸気・燃料を予熱する燃料予熱手段と燃料予熱手段で熱回収された燃焼ガスを更に熱回収してカソードガスを予熱するカソードガス予熱手段とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a power generation facility according to a first aspect of the present invention is configured such that an anode gas containing hydrogen is supplied to an anode electrode and a cathode gas containing oxygen is supplied to a cathode electrode. A molten carbonate fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction, an internal reforming means provided on the anode side, an external reforming means in which the exhaust of the anode pole is used as a heat source for reforming, and steam for reforming A fuel supply system that supplies steam and fuel to the anode electrode, and supplies the steam and fuel to the external reformer branched from the fuel supply system and the reformed fuel reformed by the external reformer to the anode electrode A reformed fuel supply system to be supplied, an adjusting means for adjusting the amount of steam / fuel branched from the fuel supply system, a combustor for combusting the cathode exhaust and the anode exhaust recovered by the external reformer, and a combustor Burning Provided with a fuel preheating means for preheating the steam and fuel of the fuel supply system by recovering heat from the fuel and a cathode gas preheating means for preheating the cathode gas by further recovering the combustion gas recovered by the fuel preheating means. It is characterized by.
請求項1に係る本発明では、蒸気・燃料のうち一部は外部改質器を経由してアノード極に供給され、一部は外部改質器をバイパスしてアノード極に直接供給される。溶融炭酸塩形燃料電池の温度調整は、外部改質器への蒸気・燃料ガス供給量と、外部改質器をバイパスして直接アノード極に供給する量とのバランスにより調整する。つまり、外部改質器を経由する蒸気・燃料は水素と一酸化炭素に改質されメタン濃度が低下する。この改質ガスと外部改質器をバイパスした蒸気・燃料を混合してアノード極に供給することで、溶融炭酸塩形燃料電池の外部からの供給蒸気・燃料中のメタンガス濃度が調整され、溶融炭酸塩形燃料電池の内部での改質量、即ち、溶融炭酸塩形燃料電池内での吸熱量を任意に設定して温度を適切に維持する。
In the present invention according to
このような内部改質と外部改質を併用することは、300MW級の酸素利用の溶融炭酸塩形燃料電池の発電設備に適用される。外部改質と内部改質の流量バランスを調整することにより、発電設備の実現が可能になる。これにより、蒸気・燃料ガスの流通経路のバランス調整のみにより溶融炭酸塩形燃料電池の温度を調整することができ、また、幅広い運転条件での溶融炭酸塩形燃料電池の温度制御が可能となる。このことは、酸素を利用する溶融炭酸塩形燃料電池以外にも適用することができる。
そして、系内のエネルギーにより蒸気・燃料の予熱及びカソードガスの予熱を行うことができる。
The combined use of such internal reforming and external reforming is applied to a power generation facility of a 300 MW class oxygen-utilized molten carbonate fuel cell. By adjusting the flow rate balance between external reforming and internal reforming, it is possible to realize a power generation facility. As a result, the temperature of the molten carbonate fuel cell can be adjusted only by adjusting the balance of the flow path of the steam / fuel gas, and the temperature of the molten carbonate fuel cell can be controlled under a wide range of operating conditions. . This can be applied to other than the molten carbonate fuel cell using oxygen.
Then, steam / fuel preheating and cathode gas preheating can be performed by the energy in the system.
そして、請求項2に係る本発明の発電設備は、請求項1に記載の発電設備において、燃焼器からの燃焼ガスの温度を抑制する温度調整手段を備えたことを特徴とする。
The power generating plant of the present invention according to
請求項2に係る本発明では、燃焼器からの燃焼ガスの温度を適正に調整することができる。
In this invention which concerns on
請求項3に係る本発明の発電設備は、請求項2に記載の発電設備において、温度調整手段は、カソード予熱手段で熱回収した燃焼ガスから回収されたCO2ガスを燃焼器に投入するCO2ガス投入系であることを特徴とする。 A power generation facility according to a third aspect of the present invention is the power generation facility according to the second aspect, wherein the temperature adjustment means is a CO 2 gas that is supplied from the combustion gas recovered by the cathode preheating means to the CO 2 gas. it is a 2 gas input system.
請求項3に係る本発明では、系内で回収されたCO2ガスにより燃焼器からの燃焼ガスの温度を適正に調整することができる。
In the present invention according to
請求項4に係る本発明の発電設備は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発電設備において、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードガスとして所定圧力の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて溶融炭酸塩形燃料電池が運転されることを特徴とする。 A power generation facility according to a fourth aspect of the present invention is the power generation facility according to any one of the first to third aspects, wherein pure oxygen at a predetermined pressure is supplied as a cathode gas of the molten carbonate fuel cell, the ratio of hydrogen and oxygen characterized in that the supplied molten carbonate fuel cell in a predetermined stoichiometric ratio is operated.
請求項4に係る本発明では、燃料と当量比の酸素を供給して、水素と酸素の比が所定の量論比率となる量論比運転が行われる溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備とすることができる。
In the present invention according to
請求項5に係る本発明の発電設備は、請求項4に記載の発電設備において、所定圧力の純酸素は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された酸素であることを特徴とする。
The power generation facility according to
請求項5に係る本発明では、加圧状態の酸素を容易に得ることができ、酸素を加圧する設備を備える必要がない溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備とすることができる。
In this invention which concerns on
上記目的を達成するための請求項6に係る本発明の発電設備は、アノード極に水素を含むアノードガスが供給されると共にカソード極に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、アノード極側に備えられる内部改質手段と、アノード極の排気が改質熱源とされる外部改質手段と、燃料をアノード極に供給する燃料供給系と、燃料供給系から分岐して外部改質器に燃料を供給すると共に外部改質器で改質された改質燃料をアノード極に供給する改質燃料供給系と、燃料供給系から分岐する燃料量を調整する調整手段と、カソード極に供給するカソードガスを加圧する圧縮機と、カソード極のカソード排気及び外部改質器で熱回収されたアノード排気を燃焼する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスを膨張して動力を得るタービンと、タービンの排気ガスが熱源とされ燃料供給系の燃料を予熱する燃料予熱手段と、タービンの排気ガスが熱源とされ加圧手段で加圧されたカソードガスを予熱するカソード予熱手段と、燃料予熱手段及びカソード予熱手段で熱回収された排気ガスが更に熱回収されて改質燃料供給系の蒸気を発生させる蒸気発生手段と、蒸気発生手段で熱回収された排気ガスを凝縮してCO2ガスを圧縮機に供給する循環系とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a power generation facility according to a sixth aspect of the present invention is configured such that an anode gas containing hydrogen is supplied to an anode electrode and a cathode gas containing oxygen is supplied to a cathode electrode. Molten carbonate fuel cell that generates electricity by electrochemical reaction, internal reforming means provided on the anode side, external reforming means that the anode exhaust is used as a heat source for reforming, and fuel supplied to the anode pole A fuel supply system, a reformed fuel supply system that branches from the fuel supply system, supplies fuel to the external reformer, and supplies reformed fuel reformed by the external reformer to the anode electrode, and fuel supply An adjusting means for adjusting the amount of fuel branched from the system, a compressor for pressurizing the cathode gas supplied to the cathode electrode, and the cathode exhaust at the cathode electrode and the anode exhaust heat recovered by the external reformer are combusted. A combustor, a turbine for obtaining power by expanding combustion gas from the combustor, fuel preheating means for preheating fuel in the fuel supply system using exhaust gas from the turbine as a heat source, and exhaust gas from the turbine as a heat source. Cathode preheating means for preheating the cathode gas pressurized by the pressure means, and steam generating means for generating the steam of the reformed fuel supply system by further recovering the heat of the exhaust gas recovered by the fuel preheating means and the cathode preheating means If, characterized in that a circulating system for supplying the compressor with CO 2 gas to condense the heat recovery exhaust gas by the steam generating means.
上記目的を達成するための請求項7に係る本発明の発電設備は、アノード極に水素を含むアノードガスが供給されると共にカソード極に酸素を含むカソードガスが供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、アノード極側に備えられる内部改質手段と、アノード極の排気が改質熱源とされる外部改質手段と、改質用の蒸気を含む蒸気・燃料をアノード極に供給する燃料供給系と、燃料供給系から分岐して外部改質器に蒸気・燃料を供給すると共に外部改質器で改質された改質燃料をアノード極に供給する改質燃料供給系と、燃料供給系から分岐する蒸気・燃料量を調整する調整手段と、カソード極に供給するカソードガスを加圧するブロアと、カソード排気及び外部改質器で熱回収されたアノード排気を燃焼する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスを熱回収して燃料供給系の蒸気・燃料を予熱する燃料予熱手段と、燃料予熱手段で熱回収された燃焼ガスを更に熱回収してカソードガスを予熱するカソードガス予熱手段と、カソード予熱手段で熱回収された排気ガスが熱回収されて燃料供給系の蒸気を発生させる蒸気発生手段と、蒸気発生手段で熱回収された排気ガスを凝縮してCO2ガスをブロアに供給する循環系とを備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a power generation facility according to a seventh aspect of the present invention is configured such that an anode gas containing hydrogen is supplied to an anode electrode and a cathode gas containing oxygen is supplied to a cathode electrode. A molten carbonate fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction, an internal reforming means provided on the anode side, an external reforming means in which the exhaust of the anode pole is used as a heat source for reforming, and steam for reforming A fuel supply system that supplies steam and fuel to the anode electrode, and supplies the steam and fuel to the external reformer branched from the fuel supply system and the reformed fuel reformed by the external reformer to the anode electrode Heat is recovered by the reformed fuel supply system to be supplied, adjusting means for adjusting the amount of steam / fuel branched from the fuel supply system, a blower for pressurizing the cathode gas supplied to the cathode electrode, the cathode exhaust and the external reformer. A combustor that burns the anode exhaust, a fuel preheating means that preheats the combustion gas from the combustor to preheat steam and fuel in the fuel supply system, and further recovers the combustion gas recovered by the fuel preheating means. The cathode gas preheating means for preheating the cathode gas, the steam generating means for recovering the exhaust gas heat recovered by the cathode preheating means, and generating the steam of the fuel supply system, and the exhaust gas heat recovered by the steam generating means the CO 2 gas to condense the gas characterized in that a circulating system for supplying the blower.
本発明の発電設備は、広範囲の負荷領域で燃料電池の温度を適切に維持し、幅広い運転領域での効率化・高性能化を図ることができる発電設備とすることができる。 The power generation facility of the present invention can be a power generation facility that can appropriately maintain the temperature of the fuel cell in a wide range of loads and can improve efficiency and performance in a wide range of operation.
本発明の実施形態例の発電設備では、燃料には天然ガスを用い、酸素製造装置には、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて酸素を製造するPSA方式を適用している。溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)スタックには、アノード流路に触媒(内部改質手段)を装着した内部改質形スタックを適用し、外部改質器を併せ持つ構成となっている。また、外部改質器とは別に、燃料を直接MCFCスタックに供給できるよう、改質器のバイパスラインを持っており、燃料バイパスラインを流れる燃料の流量と外部改質器を流れる燃料(蒸気が混合された燃料)の流量を調整することにより、MCFCスタックに供給する燃料ガス組成を調整する。改質率が調整されたガス(アノードガス)はMCFCスタックに供給され、内部改質反応及び発電反応を行い、改質反応量によりMCFCスタック内部の温度を調整する。 In the power generation facility according to the embodiment of the present invention, natural gas is used as the fuel, and the oxygen production apparatus applies a PSA system in which nitrogen gas is concentrated by pressure swing adsorption and removed from the air to produce oxygen. Yes. The molten carbonate fuel cell (MCFC) stack employs an internal reforming stack in which a catalyst (internal reforming means) is attached to the anode flow path, and has an external reformer. In addition to the external reformer, it has a reformer bypass line so that fuel can be supplied directly to the MCFC stack. The flow rate of fuel flowing through the fuel bypass line and the fuel (steam flowing through the external reformer) The fuel gas composition supplied to the MCFC stack is adjusted by adjusting the flow rate of the mixed fuel). The gas (anode gas) whose reforming rate is adjusted is supplied to the MCFC stack, performs internal reforming reaction and power generation reaction, and adjusts the temperature inside the MCFC stack according to the reforming reaction amount.
第1実施形態例を具体的に説明する。 The first embodiment will be specifically described.
図1には本発明の第1実施形態例に係る発電設備の概略系統、図2には高負荷・低負荷運転における温度状況、図3には高負荷・低負荷運転における温度関係、図4〜図6には発電設備の出力に対する各種状態の関係、図7には発電設備の性能を示してある。 1 is a schematic system of a power generation facility according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a temperature condition in high load / low load operation, FIG. 3 is a temperature relationship in high load / low load operation, FIG. FIG. 6 shows the relationship of various states to the output of the power generation facility, and FIG. 7 shows the performance of the power generation facility.
図1に基づいて発電設備の構成を説明する。
図1に示すように、本実施形態例の発電設備1には、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)2が備えられ、MCFC2の出口ガス(排気ガス)が導入されて燃焼が行われる燃焼器3が設けられている。燃焼器3からの燃焼ガスを膨張して駆動するタービン4(例えば、マイクロガスタービン)が備えられ、タービン4には発電機5が同軸上に設けられている。タービン4の駆動により発電機5が作動して発電が行われる。尚、図中の符号で6は燃焼器3の前流側に供えられ逆火を防止するための混合器である。
The configuration of the power generation facility will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the
MCFC2は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極(アノード)7と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極(カソード)8との間に、電解質(炭酸塩)が挟まれて構成されている。そして、天然ガス等の燃料fから得られた水素(H2)をアノード7に供給すると共に、空気(O2)とCO2をカソード8に供給することで、H2とO2の電気化学反応により発電が行われる。
The
タービン4の下流にはタービン4で仕事を終えた排気(排気ガス)の熱回収を行う燃料予熱器9及びカソードガス予熱器10が並列に設けられると共に、燃料予熱器9及びカソードガス予熱器10の下流側には蒸気発生器11が設けられている。蒸気発生器11で発生した蒸気は改質のための蒸気として燃料fに混合される。
Downstream of the
蒸気発生器11で熱回収された排気ガスは凝縮器12で凝縮されて水(H2O)と非凝縮ガス(CO2)に分離される。凝縮器12で分離されたCO2はO2と共に圧縮機13で圧縮され、加圧されたカソードガスとしてカソードガス予熱器10に送られる(循環系統)。カソードガス予熱器10で予熱されたO2とCO2の混合ガス(カソードガス)がMCFC2のカソード8に供給される。また、余分なCO2は別途回収されると共に凝縮されたH2Oは給水ポンプ14により蒸気発生器11に給水される。
The exhaust gas heat-recovered by the
圧縮機13には圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造されたO2が供給され(PSA方式)、例えば、酸素が95%で窒素が5%の組成とされている。
The
尚、PSA方式で供給されるO2が所定の圧力に加圧されていれば、圧縮機13の出口側で圧縮されたCO2に混合することも可能である。この場合、循環系統に備えられる圧縮機13をCO2だけを圧縮するCO2圧縮機とすることが可能になる。CO2だけを圧縮する圧縮機とすることで圧縮流体が特定されるため、翼の設計等が容易な圧縮機とすることができる。また、深冷設備からの常圧の純O2を圧縮機13に供給することも可能である。
If O 2 supplied by the PSA method is pressurized to a predetermined pressure, it can be mixed with CO 2 compressed on the outlet side of the
一方、MCFC2のアノード7には内部改質手段としての触媒15が備えられ、触媒15によりアノードガスが改質されて吸熱反応を生じさせるようになっている。MCFC2のアノード7の排気側には外部改質手段としての外部改質器16が備えられ、アノード7の排気が外部改質器16の改質熱源とされて混合器6に送られる。
On the other hand, the
燃料f(例えば、メタン)は燃料供給系としての供給路21から燃料予熱器9に送られ、燃料予熱器9で予熱されてMCFC2のアノード7に供給される。また、燃料予熱器9の前流側の供給路21には外部改質器16に燃料fを供給する改質燃料供給系としての改質燃料供給路17が分岐して備えられている。改質燃料供給路17には蒸気発生器11からの蒸気が混合され、蒸気が混合された燃料fが外部改質器16で改質されてMCFC2のアノード7に供給される。
The fuel f (for example, methane) is sent to the fuel preheater 9 from a
改質燃料供給路17が分岐する部位の供給路21には、改質燃料供給路17に分岐させる燃料量を調整する調整手段18が設けられている。調整手段18により、MCFC2のアノード7に直接供給する燃料fの量と、蒸気が混合されて外部改質器16で改質される燃料fの量とが調整される。調整手段18により分岐される燃料fの量が調整されることで、触媒15で改質されて吸熱反応する燃料fが調整される。
The
上述した発電設備1では、MCFC2の排気ガスは燃焼器3で未燃分が完全燃焼されてタービン4を駆動し、タービン4の排気ガスの熱が回収され、凝縮器12で凝縮水(H2O)と非凝縮ガス(CO2)に分離される。これらのうち、電池反応及び燃焼で生じたH2Oは系外に排出し、CO2は昇圧してカソードガスとして循環使用する。
In the
このため、燃料fと当量比のO2だけを供給して量論比運転を行うことで,
発電に伴って発生したCO2の全量を回収してカソードガスの酸化剤としてCO2を高濃度で得ることができる閉サイクルのシステムを構築することが可能になり、高次元で高効率化を図ることができる発電設備1とすることができる。また、タービン4の排気熱を用いてアノードガス及びカソードガスを適切に昇温させることができる。
Therefore, by supplying only the equivalent ratio of O 2 to the fuel f and performing stoichiometric operation,
It becomes possible to build a closed cycle system that can collect CO 2 generated by power generation and obtain CO 2 at a high concentration as an oxidant for cathode gas. It can be set as the
そして、調整手段18により、MCFC2のアノード7に直接供給される燃料fの量と、蒸気が混合されて外部改質器16で改質される燃料fの量とが調整され、改質率が調整されたガス(アノードガス)がMCFC2のアノード7に供給され、内部改質反応及び発電反応を行い、改質反応量によりMCFC2の温度が調整される。吸熱反応によりMCFC2の運転温度が所定温度に維持され、温度制御に対する動力を用いることなくMCFC2の運転温度を所定の状態に制御することができる。
The adjusting means 18 adjusts the amount of the fuel f supplied directly to the
タービン4(マイクロガスタービン)の入口温度は金属の耐久温度の観点から約950℃程度以下に保つことが要求される。このため、部分負荷運転時には、燃焼器3の燃焼ガス温度が許容値を超えないような運用設計をする必要がある。上述した発電設備1では、起動時を含む部分負荷運転時には、発電設備1に供給する燃料fの発熱量に対し発電設備1からの放散熱の割合が増大するため、発電設備1内で必要なガスを昇温するための熱量が不足する。熱量不足を補うためには、燃料fの利用率を低下させ、MCFC2の出口での発熱量を十分とする必要がある。一方で、燃料fの利用率が低下すると、アノード7の排ガス中の未燃ガス分が多くなり、燃焼器3の出口(タービン4の入口)での温度が上昇傾向となる。発電設備1内での温度制約に対する対策として、MCFC2ばかりでなく設備全体の温度調整も同時に行うために、アノード7の出口に外部改質器16が配置されている。
The inlet temperature of the turbine 4 (micro gas turbine) is required to be kept at about 950 ° C. or less from the viewpoint of the durability temperature of the metal. For this reason, it is necessary to design the operation so that the combustion gas temperature of the
図2に高負荷時及び低負荷時における温度状況の表図を示し、図3に高負荷時及び低負荷時における発熱の関係概念図を示す。 FIG. 2 shows a table of temperature conditions at high load and low load, and FIG. 3 shows a conceptual diagram of heat generation at high load and low load.
高負荷時には発電設備1の内部での発熱量が大きいため、設備からの放散熱量が相対的に減少する。そのため、発電設備1で必要なガスを昇温するための熱量が十分となり、燃料利用率を高めることによる高効率運転が可能である。一方、低負荷運転時には発電設備1の内部での発熱量に対する相対的な放散熱量が増加する。そのため、運転に必要なガスの昇温のため、燃料利用率を低く設定しMCFC2より下流における熱量を高く保持する必要がある。低負荷運転時には電流密度の低下によりMCFC2での発熱量が少なくなるため、内部改質によるMCFC2の冷却割合が小さくなる結果、外部改質器16への燃料fの供給割合が大きくなる。燃料利用率が低下した分、アノード7の排ガスの発熱量が多くなり、燃焼器3の温度が上昇方向に向かうが、外部改質器16での改質反応量の上昇が、燃焼器3の温度を低下させる方向に作用し、両者相殺される。
When the load is high, the amount of heat generated inside the
このような発電設備1の構成とすることで、高負荷から低負荷の運転状態において、燃焼器3の出口温度を低く保ことが可能となる。即ち、発電設備1の主要機器である、MCFC2、外部改質器16、タービン4が負荷によらず安定した挙動を示すこととなり、幅広い負荷領域で安定したシステムの運転が可能となる。
By adopting such a configuration of the
図1に示した加圧システムの発電設備1では、MCFC2の温度制御に内部改質(触媒15)と外部改質器16による外部改質を組み合わせた構成を適用したことに加え、外部改質器16をアノード7の出口部分に配置している。酸素利用のMCFC2の場合、ガス流量が多く、温度の高い排ガスが熱量を多く保有している。このアノード7の排ガスにより触媒15の吸熱反応を補い、更に、外部改質器16による排ガスの冷却効果を併せることで、広い運転負荷範囲で、燃料利用率が変更された場合でも、燃焼器3の出口温度を一定に保つことが可能である。
In the
発電設備1の発電特性について、更に具体的に検討する。
More specifically, the power generation characteristics of the
タービン4として、例えば、4気圧作動形のマイクロガスタービンを使用した場合を説明する。発電設備1の場合、タービン4により動力回収されるため、タービン4の排気ガスの熱量が少なくなる傾向となる。そのため、燃料予熱器9では、燃料fのみを昇温し、改質用水蒸気は外部改質器16のみで昇温することとしてある。
As the
図4に発電設備1の出力(kW)に対する外部改質器16のバイパス率、即ち、触媒15による内部改質割合、及び燃焼器3の出口温度を示す。また、図5に発電設備1の出力(kW)に対する運転圧力、S/Cの値、MCFC2のガス利用率、及び、外部改質器16の出口メタン濃度を示す。
FIG. 4 shows the bypass ratio of the
外部改質器16のバイパス率は、アノード7の出口温度(スタックの出口温度)が、例えば、670℃となるように内部改質反応分を調整した結果として求めたものである。定格負荷の場合(例えば、電流密度1800mA/m2、システム出力1100kw)には、スタックでの発熱量が大きくなることから内部改質によるスタック冷却が必要であり、燃料fのほとんどが外部改質器16をバイパスしてMCFC2に直接供給されることとなるため、外部改質器16の改質反応によるアノード排ガスの冷却効果はほとんどない。また、外部改質器16に供給する蒸気量は設備のS/C値によって規定されるが、外部改質器16に供給する燃料fの量は内部改質の必要量が大きくなった分減少する。そのため、外部改質器16の入口での蒸気割合は、例えば、98%程度となり、改質反応が進みやすくなるため外部改質器16の出口にメタン分はほとんど残らない。外部改質器16からメタンが供給されない分、内部改質用のメタン供給は専ら供給路21(外部改質器16をバイパスするライン)のみから供給されるので、燃料fのバイパス率は、100%に近くなっている。
The bypass ratio of the
一方で、高負荷領域では、発電設備1の内部からの発熱が大きくなり、相対的に設備からの放散熱量が小さくなるため、発電設備1で必要なガスを昇温するための熱量が十分供給されることとなり、燃料利用率を、例えば、85%と高く設定することができる。これらの効果が複合された結果、タービン4の入口温度は、例えば、910℃程度に保たれている。
On the other hand, in the high load region, heat generation from the inside of the
低負荷時(例えば、電流密度1000mA/m2、システム出力600kw)には、MCFC2での発熱量が小さくなるため、内部改質用に必要な燃料流量の割合を表す外部改質器のバイパス率は、例えば、60%程度と低くなっている。外部改質器16のバイパス率が低下した分、外部改質器16に供給される蒸気に対する燃料fの割合が高くなり、外部改質器16の出口のメタン割合が増える。この外部改質器16の出口での残存メタンと、例えば、60%の外部改質器16のバイパスにより供給されるメタンにより、スタック内部が冷却されている。また、低負荷時には設備からの熱放散割合が高負荷時に比較して、相対的に大きくなることから、燃料利用率は定格運転時に対し低い値(例えば、78%)となっている。燃料利用率が低いことから、MCFC2の出口の未燃ガス成分が定格負荷時より増加しているが、外部改質器16の燃料割合も増えている(外部改質器バイパス率が低下している)ため、燃焼器3の出口温度は上昇していない。図4から判るように、発電設備1の負荷が50%〜100%の範囲で、燃焼器3の出口温度は、例えば、890℃〜910℃までの温度域に入っており、負荷が大きく変更された場合でも燃焼器3の出口温度の変化は小さくなっている。
When the load is low (for example,
図6に部分負荷運転時のおける発電設備の出力(kW)と、MCFC2・ガスタービン(GT)出力、セル電圧および送電端効率の関係を示す。また、図7に定格条件(例えば、電流密度1800mA/m2時)の発電設備1の性能解析結果及び機器性能条件を示す。
FIG. 6 shows the relationship between the output (kW) of the power generation facility during the partial load operation, the MCFC2 / gas turbine (GT) output, the cell voltage, and the power transmission end efficiency. FIG. 7 shows performance analysis results and equipment performance conditions of the
送電端効率は、例えば、電流密度1800mA/m2(例えば、発電設備1の出力1100kW)の定格電流密度条件において、例えば、60%HHVとなっており、1MW級システムとしては、非常に高い熱効率を示している。また、例えば、電流密度1000mA/m2(例えば、発電設備1の出力600kW)の部分負荷運転状態であっても、送電端熱効率は、例えば、52%HHVと高く、約50%の負荷から100%の負荷までの広い負荷範囲で、50%の送電端効率を確保できている。セル電圧については、定格負荷の時に、例えば、909mVであり、50%の負荷時には、例えば、946mVの値を示している。
The power transmission end efficiency is, for example, 60% HHV under a rated current density condition of a current density of 1800 mA / m 2 (for example, an output of the
一方、タービン4の出力に着目すると、定格負荷時には、例えば、106kWであるのに対し、50%の負荷時には、例えば、8kWと極端に低下する。酸素を利用する設備では天然ガスと酸素の量論比でガスを供給し、更に、カソードガスをノーブルガスとするため、炭酸ガスの利用率もほぼ等しい値となる。そのため、負荷が低下した場合にタービン4の流量が減少する。更に、タービン4におけるガス流量の減少に合わせ、タービン4の回転数を低下させる運転となっているため、部分負荷時にはタービン4の圧力、即ち、MCFC2の運転圧力が低下している。これらのタービン4の運転条件変化によりガスタービン出力は部分負荷時に大きく低下している。
発電設備1の性能は、例えば、図7に示した通りである。
On the other hand, paying attention to the output of the
The performance of the
第2実施形態例を具体的に説明する。
小規模の酸素利用の発電設備を想定した場合、常圧作動形の発電設備とすることも導入コストの面から有利である。酸素利用の発電設備の場合、カソードガス流量が少ないことから、スタック内部でのカソードガスの圧力損失も小さいため、常圧システムでもウエットシールリーク等の問題を回避できる。
The second embodiment will be specifically described.
In the case of assuming a small-scale oxygen-based power generation facility, it is advantageous from the viewpoint of introduction cost to use a normal-pressure operation type power generation facility. In the case of a power generation facility using oxygen, since the cathode gas flow rate is small, the pressure loss of the cathode gas inside the stack is also small, so that problems such as wet seal leakage can be avoided even in an atmospheric pressure system.
常圧作動形の発電設備の場合、ガスタービンが設定されていないため、燃料予熱器やカソード予熱器は高温の燃焼ガスにさらされる。そのため、熱交換器の耐熱温度の制限に加え、安価な金属部材の仕様を選定するためには、熱交換器への熱媒体の温度を低下させる必要がある。このため、第1実施形態例の発電設備1と同様に、内部改質形のMCFCのアノード出口に外部改質器を設置した設備を基本構成としている。
In the case of the normal pressure operation type power generation equipment, since the gas turbine is not set, the fuel preheater and the cathode preheater are exposed to high-temperature combustion gas. Therefore, in addition to the limitation of the heat resistant temperature of the heat exchanger, in order to select the specification of an inexpensive metal member, it is necessary to lower the temperature of the heat medium to the heat exchanger. For this reason, as in the
図8には本発明の第2実施形態例に係る発電設備の概略系統、図9には高負荷・低負荷運転における温度状況、図10〜図12には発電設備の出力に対する各種状態の関係、図13には発電設備の性能を示してある。 FIG. 8 is a schematic diagram of a power generation facility according to the second embodiment of the present invention, FIG. 9 is a temperature state in high load / low load operation, and FIGS. 10 to 12 are relationships of various states with respect to the output of the power generation facility. FIG. 13 shows the performance of the power generation facility.
図8に基づいて発電設備の構成を説明する。 The configuration of the power generation facility will be described based on FIG.
図8に示すように、本実施形態例の発電設備31には、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)32が備えられ、MCFC32の出口ガス(排気ガス)が導入されて燃焼が行われる燃焼器33が設けられている。尚、図中の符号で36は燃焼器33の前流側に供えられ逆火を防止するための混合器である。
As shown in FIG. 8, the
MCFC32は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極(アノード)37と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極(カソード)38との間に、電解質(炭酸塩)が挟まれて構成されている。そして、天然ガス等の燃料fから得られた水素(H2)をアノード37に供給すると共に、空気(O2)とCO2をカソード38に供給することで、H2とO2の電気化学反応により発電が行われる。
The MCFC 32 is configured, for example, by sandwiching an electrolyte (carbonate) between a fuel electrode (anode) 37 of a nickel porous body and an air electrode (cathode) 38 of a nickel oxide porous body, for example. . Then, hydrogen (H 2 ) obtained from the fuel f such as natural gas is supplied to the
燃焼器33の下流には燃焼器33の燃焼ガスの熱回収を行う燃料予熱器39が設けられ、燃料予熱器39で熱回収された燃焼ガスはカソードガス予熱器40が設けられている。更に、カソードガス予熱器40の下流側には蒸気発生器41が設けられ、カソードガス予熱器40で熱回収された排気ガスが送られる。蒸気発生器41で発生した蒸気は改質のための蒸気として燃料fに混合される。
Downstream of the combustor 33, a
蒸気発生器41で熱回収された排気ガスは凝縮器42で凝縮されて水(H2O)と非凝縮ガス(CO2)に分離される。凝縮器42で分離されたCO2はCO2ブロア43で圧送され、O2が混合された後常圧のカソードガスとしてカソードガス予熱器40に送られる(循環系統)。カソードガス予熱器40で予熱されたO2とCO2の混合ガス(カソードガス)がMCFC32のカソード38に供給される。また、余分なCO2は別途回収されると共に凝縮されたH2Oは給水ポンプ44により蒸気発生器41に給水される。
The exhaust gas heat recovered by the
CO2ブロア43の後流には抽出ライン45が設けられ、抽出ライン45で抽出されたCO2は混合器36に投入される(CO2ガス投入)。抽出ライン45からCO2が混合器36に投入されることにより、燃焼器33からの燃焼ガスの温度が調整される。即ち、燃焼ガスの温度が燃料予熱器39の機器に影響を与えない温度に調整される(温度調整手段)。
The flow after the CO 2 blower 43 is provided
温度調整手段としてCO2を混合する系統にすることにより、既存の燃焼器を容易に適用することが可能になる。温度調整手段としては、CO2を混合する系統に代えて、断熱構造をなくしたり放熱部材を取り付ける等した燃焼器を適用して燃焼ガスの温度を調整することも可能である。 By using a system in which CO 2 is mixed as the temperature adjusting means, an existing combustor can be easily applied. As the temperature adjusting means, it is possible to adjust the temperature of the combustion gas by applying a combustor in which a heat insulating structure is eliminated or a heat dissipating member is attached instead of the system in which CO 2 is mixed.
抽出ライン45の後流側には、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造されたO2が供給され(PSA方式)、例えば、酸素が95%で窒素が5%の組成とされている。尚、深冷設備からの常圧の純O2をCO2ブロア43の後流に供給することも可能である。
The downstream side of the
一方、MCFC32のアノード37には内部改質手段としての触媒46が備えられ、触媒46によりアノードガスが改質されて吸熱反応を生じさせるようになっている。MCFC32のアノード37の排気側には外部改質手段としての外部改質器47が備えられ、アノード37の排気が外部改質器47の改質熱源とされて混合器36に送られる。
On the other hand, the
燃料f(例えば、メタン)は蒸気発生器41からの蒸気ラインに合流され、改質用の蒸気を含む蒸気・燃料(アノードガス)が燃料供給系としての供給路48から燃料予熱器39に送られ、燃料予熱器39で予熱されてMCFC32のアノード37に供給される。また、燃料予熱器39の前流側の供給路48には外部改質器47にアノードガスを供給する改質燃料供給系としての改質燃料供給路49が分岐して備えられている。
The fuel f (for example, methane) is joined to the steam line from the
改質燃料供給路49が分岐する部位の供給路48には、改質燃料供給路49に分岐させるアノードガス量を調整する調整手段50が設けられている。調整手段50により、MCFC32のアノード37に供給するアノードガスの量と、外部改質器47で改質されるアノードガスの量とが調整される。調整手段50により分岐されるアノードガスの量が調整されることで、触媒46で改質されて吸熱反応するアノードガスが調整される。
The
上述した発電設備31では、MCFC32の排気ガスは燃焼器33で未燃分が完全燃焼されて燃焼ガスがの熱が回収され、凝縮器42で凝縮水(H2O)と非凝縮ガス(CO2)に分離される。これらのうち、電池反応及び燃焼で生じた蒸気発生器41に給水され、CO2はカソードガスとして循環使用される。
In the
このため、燃料fと当量比のO2だけを供給して量論比運転を行うことで発電に伴って発生したCO2の全量を回収してカソードガスの酸化剤としてCO2を高濃度で得ることができる閉サイクルのシステムを構築することが可能になり、高次元で高効率化を図ることができる発電設備31とすることができる。
For this reason, by supplying only O 2 in an equivalent ratio to the fuel f and performing stoichiometric operation, the entire amount of CO 2 generated during power generation is recovered, and CO 2 is used as a cathode gas oxidant at a high concentration. It is possible to construct a closed cycle system that can be obtained, and the
そして、調整手段50により、MCFC32のアノード37に供給されるアノードガスの量と、外部改質器47で改質されるアノードガスの量とが調整され、改質率が調整されたガス(アノードガス)がMCFC32のアノード37に供給され、内部改質反応及び発電反応を行い、改質反応量によりMCFC32の温度が調整される。吸熱反応によりMCFC32の運転温度が所定温度に維持され、温度制御に対する動力を用いることなくMCFC32の運転温度を所定の状態に制御することができる。
Then, the adjusting means 50 adjusts the amount of the anode gas supplied to the
常圧システムの場合、ガスタービンが設定されていないため、燃料予熱器39やカソードガス予熱器40は高温の燃焼ガスにさらされる。そのため、機器の耐熱温度の制限に加え、安価な金属部材の仕様を選定するためには、機器の温度を低下させる必要がある。そのため、第1実施形態例と同様に、内部改質形のMCFC32のアノード37の出口側に外部改質器47を設置した構成としている。
In the case of the normal pressure system, since the gas turbine is not set, the
MCFC32の電流密度を低下させることなく、常圧システムのMCFC32の温度調整を行うため、外部改質器47へのカソードガスの組成と燃料予熱器39へのカソードガスの組成を等しくすることとした。即ち、燃料fに蒸気を混合した後、外部改質器47とMCFC32のアノード37(触媒46)に燃料を供給する。このことにより、外部改質器47でのS/C値が低くなり、改質率が低下することから、外部改質器47からの残存メタン供給量が増えるため、外部改質器47のバイパス率は低下する。常圧システムの場合、ガスタービンでの動力回収がないことから、燃料予熱器39にて蒸気の多く含まれた燃料ガスを昇温することが可能である。
In order to adjust the temperature of the MCFC 32 of the atmospheric system without reducing the current density of the MCFC 32, the composition of the cathode gas to the
更に、発電設備31のからみたS/C値は、外部改質器47でのS/C値と等しくなるため、外部改質器47での炭素析出防止の観点から、S/C値を加圧システムより上昇させることが必要となるが、同様の理由からこれも可能であり、発電設備31ではS/C値を2とさせることができる。
Furthermore, since the S / C value seen from the
一方で、発電設備31では、外部改質器47での改質率が低下することから、アノード37の出口の外部改質器47でのガス冷却能力が低くなり、燃焼器33の出口温度の低減効果が低くなる。この外部改質器47による燃焼器33の出口冷却効果を補う機構として抽出ライン45からCO2を混合する冷却が用いられている。常圧システムの場合、PSA方式の生成ガス圧力のみでもO2ガスを供給することが可能であるため、圧縮機によるO2ガスの圧送は不要となる。そのため、CO2ブロア43を用い、CO2ブロア43の出口側でO2ガスを合流させることが可能である。CO2ブロア43はCO2を単独で供給することが可能であるため、燃焼器33の燃焼ガスの冷却を補うことを目的として、CO2ブロア43の出口ガスの一部をカソード38の排ガスに合流させ、燃焼器33の出口温度を低下させることができる。
On the other hand, in the
尚、CO2により燃焼器33の出口温度を低くするためには、カソード38の入口に供給するCO2の流量を増大させることも考えられるが、この場合、カソードガスのCO2とO2の利用率が異なってくるため、MCFC32の電池電圧を高く維持することができなくなる。そのため、CO2を単独でカソード38の出口ガスに合流させてある。
In order to lower the outlet temperature of the combustor 33 by CO 2 is also conceivable to increase the flow rate of supplied CO 2 to the inlet of the
図9に高負荷時及び低負荷時における温度状況の表を示す。 FIG. 9 shows a table of temperature conditions at high load and low load.
高負荷時には発電設備31の内部での発熱量が大きいため、設備からの放散熱量が相対的に減少する。そのため、発電設備31で必要なガスを昇温するための熱量が十分となり、燃料利用率を高めることによる高効率運転が可能である。一方、低負荷運転時には発電設備31の内部での発熱量に対する相対的な放散熱量が増加する。そのため、運転に必要なガスの昇温のため、燃料利用率を低く設定しMCFC32より下流における熱量を高く保持する必要がある。低負荷運転時には電流密度の低下によりMCFC32での発熱量が少なくなるため、内部改質によるMCFC32の冷却割合が小さくなる結果、外部改質器47へのアノードガスの供給割合が大きくなる。燃料利用率が低下した分、アノード37の排ガスの発熱量が多くなり、燃焼器33の温度が上昇方向に向かうが、外部改質器47での改質反応量の上昇が、燃焼器33の温度を低下させる方向に作用し、両者相殺される。
When the load is high, the amount of heat generated inside the
このような発電設備31の構成とすることで、高負荷から低負荷の運転状態において、燃焼器33の出口温度を低く保ことが可能となる。即ち、発電設備31の主要機器である、MCFC32、外部改質器47が負荷によらず安定した挙動を示すこととなり、幅広い負荷領域で安定したシステムの運転が可能となる。
By adopting such a configuration of the
発電設備31の発電特性について、更に具体的に検討する。
The power generation characteristics of the
図10に発電設備31の出力(kW)に対する外部改質器47のバイパス率、即ち、触媒46による内部改質割合、及び燃焼器33の出口温度を示す。また、図11に発電設備31の出力(kW)に対するS/Cの値、MCFC32のガス利用率、及び、外部改質器47の出口メタン濃度を示す。
FIG. 10 shows the bypass rate of the
図10に示すように、例えば、1800A/m2の定格条件において外部改質器47のバイパス率は、例えば、74%となっている。また、例えば、2150A/m2(例えば、出力が1200kW)の負荷条件で約100%のバイパス率になっていることから、燃料のほぼ全量による改質反応によりMCFC32(スタック)の冷却を行っていることとなる。負荷が低下した場合、スタックからの発熱量が低下するため、外部改質器47側への燃料供給割合が増加する。そのため、外部改質器47による改質反応量の増大によりアノード37の排ガスの温度が低下し燃焼器33の出口温度を下げる効果がある。そのため、部分負荷時には燃焼器33の出口温度が低下している。電流密度が、例えば、1000A/m2(例えば、出力が600kW)の低負荷運転時では、燃焼器33の出口温度は最大出力時(例えば、出力が1200kW)に比較して約100℃低下している。
As shown in FIG. 10, for example, the bypass rate of the
図11に示すように、燃料利用率は、第1実施形態例と同様の理由により、高負荷側で高く(例えば、85%)、低負荷側で低い設定(例えば、>70%)となる。常圧システムの場合、燃料予熱器39と外部改質器47の両方に蒸気を供給していることから、燃料予熱器39でも外部改質器47でもS/C値は一定値であり、外部改質器47の出口に、例えば、14%程度のメタンが残っている。このメタンもスタックの冷却に作用されることができるため、外部改質器47のバイパス率は、電流密度が、例えば、1800A/m2の時、常圧システムでは、例えば、74%となっている。この値が示すように、常圧システムの場合外部改質器47のバイパス率に余裕があるため、電流密度を上昇させても、スタックの冷却が可能である。結果として、例えば、2150A/m2までの電流密度で発電設備31の運転が可能となっている。
As shown in FIG. 11, for the same reason as in the first embodiment, the fuel utilization rate is high on the high load side (for example, 85%) and low on the low load side (for example,> 70%). . In the case of the atmospheric pressure system, since the steam is supplied to both the
図12示すように、熱効率解析は、例えば、1800A/m2の定格点より負荷が高い領域(例えば、〜2150A/m2)まで実施し、その時の性能を本図に示した。電流密度が、例えば、1800A/m2(例えば、出力が1100kW)の熱効率は、例えば、55%HHVであり、低負荷側(例えば、1000A/m2)での熱効率は、例えば、47%HHV、高負荷側(例えば、2150A/m2)での熱効率は、例えば、53%HHVとなっている。 As Figure 12 shows, the thermal efficiency analysis, for example, 1800A / load than the rated point m 2 high region (e.g., ~2150A / m 2) was performed to demonstrated performance at that time in the drawing. The thermal efficiency when the current density is 1800 A / m 2 (for example, output is 1100 kW) is 55% HHV, for example, and the thermal efficiency on the low load side (for example 1000 A / m 2 ) is 47% HHV, for example. The thermal efficiency on the high load side (for example, 2150 A / m 2 ) is, for example, 53% HHV.
発電設備31の性能は、例えば、図13に示した通りである。
The performance of the
常圧のシステムである発電設備31では、低負荷時(例えば、出力が600kW)に外部改質器16での吸熱反応により燃焼器33を冷却する効果があることに加え、CO2による冷却により幅広い負荷領域で燃焼器33の出口温度を低く抑制することが可能となっている。以上のことから、低負荷時の運用性を考慮しても、燃焼器33の出口温度の最高値は、例えば、800℃程度で設計が可能であり、熱交換器の耐熱温度以下に保つことが可能となる。
In the
また、運転可能な出力を、例えば、1200kWにすることができ、セル電圧が低い上に、他の動力回収がないため、常圧システムの特徴、即ち、燃焼器33の出口以降の熱量が大きいこと特徴をうまく利用したシステム構成を行っているため、高い値の最大出力を実現できている。 In addition, the operable output can be, for example, 1200 kW, the cell voltage is low, and there is no other power recovery, so the characteristics of the atmospheric pressure system, that is, the amount of heat after the outlet of the combustor 33 is large. Because the system configuration that makes good use of this feature is performed, the maximum output of a high value can be realized.
上述した第1実施形態例、第2実施形態例の発電設備では、O2とCO2の混合ガスを電池に供給するため、カソードガスの流量が少ないが、MCFCに内部改質手段を備え、供給燃料中のメタンガス濃度を外部で調整する構成とした。これにより、MCFC内部での改質量、即ち、MCFC内での吸熱量を任意に設定できるため、幅広い運転条件でのMCFCの温度制御が可能となった。本発明は、酸素利用の燃料電池設備以外にも適用できる。 In the power generation equipment of the first embodiment example and the second embodiment example described above, since the mixed gas of O 2 and CO 2 is supplied to the battery, the flow rate of the cathode gas is small, but the MCFC includes an internal reforming means, The methane gas concentration in the supplied fuel is adjusted externally. As a result, the reforming amount inside the MCFC, that is, the endothermic amount inside the MCFC, can be arbitrarily set, so that the MCFC temperature can be controlled under a wide range of operating conditions. The present invention can also be applied to devices other than fuel cells using oxygen.
酸素利用のMCFCでは、運転負荷によって燃焼器の出口温度が大きく変化する。また、MCFCでの未反応燃料を燃焼させ、ガスタービン(加圧システムの場合)や熱交換器(常圧システムの場合)で熱回収するが、これらの機器には耐熱温度の制約がある。そこで、アノードの出口にメタン濃度調整用の外部改質器を配置し、MCFC本体に加えて設備全体の温度調整も同時に行えるようにした。 In the MCFC using oxygen, the outlet temperature of the combustor varies greatly depending on the operation load. In addition, unreacted fuel in MCFC is burned and heat recovery is performed by a gas turbine (in the case of a pressurized system) or a heat exchanger (in the case of an atmospheric pressure system), but these devices have restrictions on heat resistant temperature. Therefore, an external reformer for adjusting the methane concentration was arranged at the outlet of the anode so that the temperature of the entire facility could be adjusted at the same time in addition to the MCFC body.
これにより、高負荷時の外部改質割合の低下による燃焼温度上昇要因と、燃料利用率増大による燃焼温度下降要因が相殺できる。一方、低負荷時には設備の熱放散割合の増加を補うための燃料利用率低下による燃焼温度上昇要因と、外部改質割合の増加による燃焼温度下降要因が相殺され、燃焼器の出口温度を大きく変化させずに運転できる。 As a result, the cause of the increase in the combustion temperature due to the decrease in the external reforming ratio at the time of high load and the cause of the decrease in the combustion temperature due to the increase in the fuel utilization rate can be offset. On the other hand, when the load is low, the combustion temperature increase factor due to the decrease in fuel utilization to compensate for the increase in the heat dissipation rate of the equipment and the combustion temperature decrease factor due to the increase in the external reforming rate cancel each other, greatly changing the combustor outlet temperature You can drive without
上記により、例えば、マイクロガスタービンを用いた第1実施形態例の加圧システムの場合、燃焼器3の出口温度を50%〜100%の負荷帯でほぼ一定(例えば、890℃〜910℃)とすることが可能となった。一方、第2実施形態例の常圧システムでも、O2とCO2を個別に昇圧できるためカソードガス供給系にCO2ブロア43を適用できる点と、ガス予熱系に熱量が多く確保でき燃料予熱器にて水蒸気も昇温できる点とを組み合わせることにより、幅広い負荷範囲で燃焼器33の出口温度を低く(例えば、800℃以下)しつつ、加圧システムと同等の出力を達成することができる。
As described above, for example, in the case of the pressurizing system of the first embodiment using a micro gas turbine, the outlet temperature of the
以上により、加圧・常圧いずれの場合でも、例えば、50%〜100%の負荷範囲で、燃焼器温度の制約を守りつつ50%HHV〜60%HHVの熱効率を達成できることが明らかとなった。 From the above, it has been clarified that thermal efficiency of 50% HHV to 60% HHV can be achieved while maintaining the restrictions on the combustor temperature in a load range of 50% to 100%, for example, in both cases of pressurization and normal pressure. .
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電力を得る溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備の産業分野で利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized in the industrial field | area of the power generation equipment provided with the molten carbonate fuel cell which obtains electric power by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.
1、31 発電設備
2、32 溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)
3、33 燃焼器
4 タービン
5 発電機
6、36 混合器
7、37 アノード
8、38 カソード
9、39 燃料予熱器
10、40 カソードガス予熱器
11、41 蒸気発生器
12、42 凝縮器
13 圧縮機
14、44 給水ポンプ
15、46 触媒
16、47 外部改質器
17 改質燃料供給路
18 調整手段
43 CO2ブロア
45 抽出ライン
48 供給路
49 改質燃料供給路
1,31
3, 33
Claims (7)
アノード極側に備えられる内部改質手段と、
アノード極の排気が改質熱源とされる外部改質手段と、
改質用の蒸気を含む蒸気・燃料をアノード極に供給する燃料供給系と、
燃料供給系から分岐して外部改質器に蒸気・燃料を供給すると共に外部改質器で改質された改質燃料をアノード極に供給する改質燃料供給系と、
燃料供給系から分岐する蒸気・燃料量を調整する調整手段と、
カソード排気及び外部改質器で熱回収されたアノード排気を燃焼する燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスを熱回収して燃料供給系の蒸気・燃料を予熱する燃料予熱手段と
燃料予熱手段で熱回収された燃焼ガスを更に熱回収してカソードガスを予熱するカソードガス予熱手段とを備えた
ことを特徴とする発電設備。 A molten carbonate fuel cell in which an anode gas containing hydrogen is supplied to the anode electrode and a cathode gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode, and electricity is generated by an electrochemical reaction between the anode gas and the cathode gas;
Internal reforming means provided on the anode side,
External reforming means in which the anode exhaust is used as a reforming heat source;
A fuel supply system for supplying steam / fuel containing steam for reforming to the anode,
A reformed fuel supply system that branches from the fuel supply system and supplies steam and fuel to the external reformer and supplies reformed fuel reformed by the external reformer to the anode electrode;
Adjusting means for adjusting the amount of steam / fuel branched from the fuel supply system;
A combustor for combusting the cathode exhaust and the anode exhaust heat recovered by the external reformer;
A fuel preheating means for recovering the combustion gas from the combustor and preheating steam and fuel in the fuel supply system;
And a cathode gas preheating means for further recovering the combustion gas recovered by the fuel preheating means and preheating the cathode gas .
燃焼器からの燃焼ガスの温度を抑制する温度調整手段を備えた
ことを特徴とする発電設備。 The power generation facility according to claim 1,
A power generation facility comprising temperature adjusting means for suppressing the temperature of combustion gas from a combustor .
温度調整手段は、カソード予熱手段で熱回収した燃焼ガスから回収されたCO 2 ガスを燃焼器に投入するCO 2 ガス投入系である
ことを特徴とする発電設備。 The power generation facility according to claim 2,
Temperature adjustment means, power generation equipment, which is a CO 2 gas input system for introducing CO 2 gas recovered from the heat recovery and combustion gases in the cathode preheating means to the combustor.
溶融炭酸塩形燃料電池のカソードガスとして所定圧力の純酸素が供給され、水素と酸素の比が所定の量論比率で供給されて溶融炭酸塩形燃料電池が運転される
ことを特徴とする発電設備。 In the power generation facility according to any one of claims 1 to 3,
Power generation characterized in that pure oxygen at a predetermined pressure is supplied as a cathode gas of a molten carbonate fuel cell, and a molten carbonate fuel cell is operated with a ratio of hydrogen and oxygen supplied at a predetermined stoichiometric ratio. Facility.
所定圧力の純酸素は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された酸素である
ことを特徴とする発電設備。 The power generation facility according to claim 4,
Pure oxygen at a predetermined pressure is oxygen produced by concentrating nitrogen gas by pressure swing adsorption and removing it from the air .
アノード極側に備えられる内部改質手段と、
アノード極の排気が改質熱源とされる外部改質手段と、
燃料をアノード極に供給する燃料供給系と、
燃料供給系から分岐して外部改質器に燃料を供給すると共に外部改質器で改質された改質燃料をアノード極に供給する改質燃料供給系と、
燃料供給系から分岐する燃料量を調整する調整手段と、
カソード極に供給するカソードガスを加圧する圧縮機と、
カソード極のカソード排気及び外部改質器で熱回収されたアノード排気を燃焼する燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスを膨張して動力を得るタービンと、
タービンの排気ガスが熱源とされ燃料供給系の燃料を予熱する燃料予熱手段と、
タービンの排気ガスが熱源とされ加圧手段で加圧されたカソードガスを予熱するカソード予熱手段と、
燃料予熱手段及びカソード予熱手段で熱回収された排気ガスが更に熱回収されて改質燃料供給系の蒸気を発生させる蒸気発生手段と、
蒸気発生手段で熱回収された排気ガスを凝縮してCO 2 ガスを圧縮機に供給する循環系とを備えた
ことを特徴とする発電設備。 A molten carbonate fuel cell in which an anode gas containing hydrogen is supplied to the anode electrode and a cathode gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode, and electricity is generated by an electrochemical reaction between the anode gas and the cathode gas;
Internal reforming means provided on the anode side,
External reforming means in which the anode exhaust is used as a reforming heat source;
A fuel supply system for supplying fuel to the anode electrode;
A reformed fuel supply system that branches from the fuel supply system and supplies fuel to the external reformer and supplies reformed fuel reformed by the external reformer to the anode;
Adjusting means for adjusting the amount of fuel branched from the fuel supply system;
A compressor for pressurizing the cathode gas supplied to the cathode electrode;
A combustor for combusting the cathode exhaust of the cathode electrode and the anode exhaust recovered by the external reformer;
A turbine that obtains power by expanding the combustion gas from the combustor;
Fuel preheating means for preheating the fuel in the fuel supply system using the exhaust gas of the turbine as a heat source;
Cathode preheating means for preheating the cathode gas pressurized by the pressurizing means using the exhaust gas of the turbine as a heat source;
Steam generating means for further recovering the exhaust gas heat recovered by the fuel preheating means and the cathode preheating means to generate steam of the reformed fuel supply system;
A power generation facility comprising: a circulation system for condensing the exhaust gas heat recovered by the steam generating means and supplying CO 2 gas to the compressor .
アノード極側に備えられる内部改質手段と、
アノード極の排気が改質熱源とされる外部改質手段と、
改質用の蒸気を含む蒸気・燃料をアノード極に供給する燃料供給系と、
燃料供給系から分岐して外部改質器に蒸気・燃料を供給すると共に外部改質器で改質された改質燃料をアノード極に供給する改質燃料供給系と、
燃料供給系から分岐する蒸気・燃料量を調整する調整手段と、
カソード極に供給するカソードガスを加圧するブロアと、
カソード排気及び外部改質器で熱回収されたアノード排気を燃焼する燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスを熱回収して燃料供給系の蒸気・燃料を予熱する燃料予熱手段と、
燃料予熱手段で熱回収された燃焼ガスを更に熱回収してカソードガスを予熱するカソードガス予熱手段と、
カソード予熱手段で熱回収された排気ガスが熱回収されて燃料供給系の蒸気を発生させる蒸気発生手段と、
蒸気発生手段で熱回収された排気ガスを凝縮してCO 2 ガスをブロアに供給する循環系とを備えた
ことを特徴とする発電設備。 A molten carbonate fuel cell in which an anode gas containing hydrogen is supplied to the anode electrode and a cathode gas containing oxygen is supplied to the cathode electrode, and electricity is generated by an electrochemical reaction between the anode gas and the cathode gas;
Internal reforming means provided on the anode side,
External reforming means in which the anode exhaust is used as a reforming heat source;
A fuel supply system for supplying steam / fuel containing steam for reforming to the anode,
A reformed fuel supply system that branches from the fuel supply system and supplies steam and fuel to the external reformer and supplies reformed fuel reformed by the external reformer to the anode electrode;
Adjusting means for adjusting the amount of steam / fuel branched from the fuel supply system;
A blower for pressurizing the cathode gas supplied to the cathode electrode;
A combustor for combusting the cathode exhaust and the anode exhaust heat recovered by the external reformer;
Fuel preheating means for recovering heat from combustion gas from the combustor to preheat steam and fuel in the fuel supply system;
A cathode gas preheating means for further recovering the combustion gas recovered by the fuel preheating means to preheat the cathode gas;
Steam generating means for recovering heat from the exhaust gas recovered by the cathode preheating means and generating steam for the fuel supply system;
A power generation facility comprising: a circulation system that condenses the exhaust gas heat recovered by the steam generation means and supplies CO 2 gas to the blower .
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