JP2015138573A - 燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減する。
【解決手段】第1燃料ガスを用いて発電することにより排燃料ガスを生成する第1燃料電池2と、排燃料ガスから水分を除去することにより第2燃料ガスを生成する水分回収装置3と、第2燃料ガスを用いて発電する第2燃料電池5と、排燃料ガスから水分が除去される量が変化するように水分回収装置3を制御する制御装置20とを備えている。このような燃料電池複合発電システム1は、排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、第2燃料ガスに水蒸気を添加することなく、第2燃料ガスのS/Cを調整することができる。このため、このような燃料電池複合発電システム1は、第2燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減することにより、低コストで発電することができる。
【選択図】図1
【解決手段】第1燃料ガスを用いて発電することにより排燃料ガスを生成する第1燃料電池2と、排燃料ガスから水分を除去することにより第2燃料ガスを生成する水分回収装置3と、第2燃料ガスを用いて発電する第2燃料電池5と、排燃料ガスから水分が除去される量が変化するように水分回収装置3を制御する制御装置20とを備えている。このような燃料電池複合発電システム1は、排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、第2燃料ガスに水蒸気を添加することなく、第2燃料ガスのS/Cを調整することができる。このため、このような燃料電池複合発電システム1は、第2燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減することにより、低コストで発電することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法に関し、特に、前段の燃料電池から排気される排燃料ガスを後段の燃料電池の発電に利用する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法に関する。
前段の燃料電池から排気される排燃料ガスを後段の燃料電池の発電に利用する燃料電池複合発電システムが知られている(特許文献1、2参照。)。その燃料電池複合発電システムは、前段の燃料電池から排気される排燃料ガスから水分が除去された再生燃料ガスを後段の燃料電池に供給することにより、高効率に発電することができ、かつ発電と同時に二酸化炭素を高効率に回収することができる。
一般に燃料電池発電システムでは、セル内での平衡反応によって燃料ガス中の炭素が析出し、セル内部で固着することが知られている。燃料電池に供給される燃料ガスは、セル内での炭素の析出を避けるために、S/C(スチーム/カーボン比、燃料ガスに含有される炭素と燃料ガスに含有される水蒸気の質量比)が適切になるように、水蒸気が添加されることがある。添加する水蒸気の量が増加すると燃料電池複合発電システムの発電部に供給される熱量が減少するため、熱効率が低下する。より高い熱効率で発電を行うためには、燃料電池に供給される燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減することが望まれている。
本発明の課題は、高効率で発電する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法を提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、外部から供給されるエネルギーを低減する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法を提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、外部から供給されるエネルギーを低減する燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法を提供することにある。
本発明による燃料電池複合発電システムは、第1燃料ガスを用いて発電し、排燃料ガスを生成する第1燃料電池と、前記排燃料ガスから水分を除去することにより第2燃料ガスを生成する水分回収装置と、前記第2燃料ガスを用いて発電する第2燃料電池と、前記排燃料ガスから前記水分が除去される量が変化するように前記水分回収装置を制御する制御装置とを備えている。
このような燃料電池複合発電システムは、排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、第2燃料ガスに水蒸気を添加することなく、第2燃料ガスのS/Cを調整することができる。このため、このような燃料電池複合発電システムは、第2燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減することにより、より高い熱効率で発電することができる。
前記水分回収装置は、前記排燃料ガスを冷却することにより冷却後排燃料ガスを生成する再生熱交換器と、温度調節用媒体を用いて前記冷却後排燃料ガスを温度調節することにより前記温調後排燃料ガスを生成する温度調節用熱交換器と、前記温調後排燃料ガスから前記水分を除去することにより前記水分除去後排燃料ガスを生成する凝縮器と、前記温度調節用媒体を前記温度調節用熱交換器に供給する温調用媒体供給装置とを有している。前再生熱交換器は、さらに、前記排燃料ガスから前記水分除去後排燃料ガスに熱を伝達し、前記水分除去後排燃料ガスを加熱することにより前記第2燃料ガスを生成する。このとき、前記制御装置は、前記温度調節用熱交換器に前記温度調節用媒体が供給される流量が変化するように前記温調用媒体供給装置を制御する。
このような燃料電池複合発電システムは、温度調節用熱交換器に温度調節用媒体が供給される流量を調整することにより前記冷却後排燃料ガスを適切に温度調節することができる。このような燃料電池複合発電システムは、前記冷却後排燃料ガスを温度調節することにより、凝縮器が前記温調後排燃料ガスから水分を除去する量を調整することができ、第2燃料ガスのS/Cを適切に調整することができる。
本発明による燃料電池複合発電システムは、前記温調後排燃料ガスの温度を測定する温度測定装置をさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記温度に基づいて前記温調用媒体供給装置を制御する。
このような燃料電池複合発電システムは、温調後排燃料ガスの温度に基づいて温度調節用熱交換器に温度調節用媒体が供給される流量を調整することにより、第2燃料ガスのS/Cを適切に調整することができる。
本発明による燃料電池複合発電システムは、前記温調後排燃料ガスの圧力を測定する圧力測定装置をさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記圧力に基づいて前記温調用媒体供給装置を制御する。
このような燃料電池複合発電システムは、温調後排燃料ガスの圧力に基づいて温度調節用熱交換器に温度調節用媒体が供給される流量を調整することにより、第2燃料ガスのS/Cを適切に調整することができる。
本発明による燃料電池複合発電システムは、前記第2燃料ガスに水蒸気を添加する水蒸気添加装置をさらに備えている。前記温度調節用熱交換器は、前記温度調節用媒体を加熱することにより前記水蒸気を生成する。
このような燃料電池複合発電システムは、水蒸気を第2燃料ガスに添加することにより、第2燃料ガスのS/Cを適切に調整することができる。このような燃料電池複合発電システムは、さらに、冷却後排燃料ガスの熱を用いて水蒸気を生成することにより、外部から供給されるエネルギーを低減することができ、より高い熱効率で発電することができる。
本発明による燃料電池複合発電システムは、前記第1燃料ガスのガス組成を測定するガス成分分析装置をさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記ガス組成に基づいて前記水分回収装置を制御する。前記制御装置は、前記第1燃料電池の発電量にさらに基づいて前記水分回収装置を制御する。
このような燃料電池複合発電システムは、第1燃料ガスのガス組成および第1燃料ガスの発電量に基づいて水分回収装置を制御することにより、第2燃料ガスのS/Cを適切に調整することができる。
本発明による燃料電池複合発電システムは、前記水分回収装置から排水された排水を加熱することにより水蒸気を生成する加熱装置と、前記第2燃料ガスに前記水蒸気を添加する水蒸気添加装置をさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記水蒸気が前記第2燃料ガスに添加される添加量が変化するように、前記水蒸気添加装置をさらに制御する。
このような燃料電池複合発電システムは、水分回収装置により回収された水分から生成された水蒸気を第2燃料ガスに添加することにより、外部で生成された水蒸気が供給されることなく、第2燃料ガスのS/Cを適切に調整することができる。
前記加熱装置は、前記第1燃料電池または前記第2燃料電池が放出する熱を用いて前記排水を加熱する。
このような燃料電池複合発電システムは、第1燃料電池または第2燃料電池が放出する熱を用いて水蒸気を生成することにより、外部から供給されるエネルギーを低減することができ、より高い熱効率で発電することができる。
前記水分回収装置は、前記第1燃料ガスを前記第2燃料ガスに添加するバイパスラインをさらに有している。このとき、前記制御装置は、前記第1燃料ガスが前記第2燃料ガスに添加される添加量を調整するバイパス流量調節弁を制御する。
このような燃料電池複合発電システムは、第1燃料ガスが第2燃料ガスに添加される添加量を調整することにより、第2燃料ガスのS/Cを適切に調整することができる。
本発明による燃料電池複合発電システムは、前記第2燃料電池から排気される他の排燃料ガスから水分を除去することにより第3燃料ガスを生成する他の水分回収装置と、前記第3燃料ガスを用いて発電する第3燃料電池とをさらに備えている。このとき、前記制御装置は、前記他の排燃料ガスから水分が除去される量が変化するように前記他の水分回収装置をさらに制御する。
このような燃料電池複合発電システムは、燃料電池が3個以上備える場合でも適用することにより、添加される水蒸気の量を低減することにより、より高い熱効率で発電することができる。
本発明による燃料電池複合発電方法は、燃料電池複合発電システムを用いて実行される。燃料電池複合発電システムは、第1燃料ガスを用いて発電し、排燃料ガスを生成する第1燃料電池と、前記排燃料ガスから水分を除去することにより第2燃料ガスを生成する水分回収装置と、前記第2燃料ガスを用いて発電する第2燃料電池とを備えている。本発明による燃料電池複合発電方法は、前記燃料電池複合発電システムを準備すること、前記排燃料ガスから前記水分が除去される量が変化するように前記水分回収装置を制御することとを備えている。
このような燃料電池複合発電方法によれば、燃料電池複合発電システムは、排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、第2燃料ガスに水蒸気を添加することなく、第2燃料ガスのS/Cを調整することができる。このため、このような燃料電池複合発電方法は、第2燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減することにより、より高い熱効率で発電することができる。
本発明による燃料電池複合発電システムおよび燃料電池複合発電方法は、前段の燃料電池から排気される排燃料ガスから水分が除去される量が調整されることにより、後段の燃料電池に供給される燃料ガスに添加される水蒸気の量を低減してS/Cを調整することができ、より高い熱効率で発電することができる。
図面を参照して、燃料電池複合発電システムの第1実施形態が以下に記載される。その燃料電池複合発電システム1は、図1に示されているように、第1燃料電池2と第1水分回収装置3と第2燃料電池5と第2水分回収装置6と第3燃料電池7とを備えている。第1燃料電池2は、固体電解質型燃料電池のセルを備えている。第1燃料電池2は、外部から燃料電池複合発電システム1に供給される酸化剤ガスと第1燃料ガスとを用いて発電し、第1排燃料ガスと排酸化剤ガスとを排気する。第1水分回収装置3は、第1燃料電池2から排気された第1排燃料ガスから水分を除去することにより第2燃料ガスを生成する。
第2燃料電池5は、固体電解質型燃料電池のセルを備えている。第2燃料電池5は、外部から燃料電池複合発電システム1に供給される酸化剤ガスと第1水分回収装置3により生成された第2燃料ガスとを用いて発電し、第2排燃料ガスと排酸化剤ガスとを排気する。第2水分回収装置6は、第2燃料電池5から排気された第2排燃料ガスから水分を除去することにより第3燃料ガスを生成する。
第3燃料電池7は、固体電解質型燃料電池のセルを備えている。第3燃料電池7は、外部から燃料電池複合発電システム1に供給される酸化剤ガスと第2水分回収装置6により生成された第3燃料ガスとを用いて発電し、第3排燃料ガスと排酸化剤ガスとを排気する。
燃料電池複合発電システム1は、さらに、排熱回収ボイラ10と凝縮器11と二酸化炭素回収装置12とを備えている。排熱回収ボイラ10は、第3燃料電池7から排気された第3排燃料ガスの熱を、外部から供給される媒体に伝熱する。排熱回収ボイラ10は、第3燃料電池7から排気された第3排燃料ガスを冷却することにより冷排燃料ガスを生成する。凝縮器11は、排熱回収ボイラ10により生成された冷排燃料ガスを冷却することにより凝縮させる。凝縮器11は、冷排燃料ガスから水分を除去することにより乾燥排燃料ガスを生成し、冷排燃料ガスから除去された水分を貯留し排水する。二酸化炭素回収装置12は、凝縮器11により生成された乾燥排燃料ガスから二酸化炭素を回収する。
第1水分回収装置3は、再生熱交換器14と温調用熱交換器15と凝縮器16とを備えている。再生熱交換器14は、第1燃料電池2から排気された第1排燃料ガスの熱を凝縮器16により生成された水分除去後排燃料ガスに伝熱する。再生熱交換器14は、第1燃料電池2から排気された第1排燃料ガスを冷却することにより冷却後排燃料ガスを生成する。再生熱交換器14は、さらに、凝縮器16により生成された水分除去後排燃料ガスを加熱することにより、第2燃料ガスを生成する。
温調用熱交換器15は、再生熱交換器14により生成された冷却後排燃料ガスの熱を温調用媒体に伝熱することにより、冷却後排燃料ガスを冷却する。温調用熱交換器15は、再生熱交換器14により生成された冷却後排燃料ガスを冷却することにより温調後排燃料ガスを生成する。凝縮器16は、温調用熱交換器15により生成された温調後排燃料ガスを冷却することにより凝縮させ、温調後排燃料ガスから水分を除去する。凝縮器16は、温調後排燃料ガスから水分を除去することにより水分除去後排燃料ガスを生成し、温調後排燃料ガスから除去された水分を貯留し排水する。
第2水分回収装置は、再生熱交換器17と温調用熱交換器18と凝縮器19とを備えている。再生熱交換器17は、第2燃料電池5から排気された第2排燃料ガスの熱を凝縮器19により生成された水分除去後排燃料ガスに伝熱する。再生熱交換器17は、第2燃料電池5から排気された第2排燃料ガスを冷却することにより冷却後排燃料ガスを生成する。再生熱交換器17は、さらに、凝縮器19により生成された水分除去後排燃料ガスを加熱することにより、第3燃料ガスを生成する。
温調用熱交換器18は、再生熱交換器17により生成された冷却後排燃料ガスの熱を温調用媒体に伝熱することにより、冷却後排燃料ガスを冷却する。温調用熱交換器18は、再生熱交換器17により生成された冷却後排燃料ガスを冷却することにより温調後排燃料ガスを生成する。凝縮器19は、温調用熱交換器18により生成された温調後排燃料ガスを冷却することにより凝縮させ、温調後排燃料ガスから水分を除去する。凝縮器19は、温調後排燃料ガスから水分を除去することにより水分除去後排燃料ガスを生成し、温調後排燃料ガスから除去された水分を貯留し排水する。
燃料電池複合発電システム1は、さらに、制御装置20とガス成分分析装置21と第1水蒸気添加装置22と第2水蒸気添加装置23と第3水蒸気添加装置24とを備えている。ガス成分分析装置21は、燃料電池複合発電システム1に供給される第1燃料ガスの成分を測定し、測定結果を制御装置20に送信する。第1水蒸気添加装置22は、制御装置20に制御されることにより、所定の量の第1燃料ガスに水蒸気を添加する。第2水蒸気添加装置23は、制御装置20に制御されることにより、所定の量の第2燃料ガスに水蒸気を添加する。第3水蒸気添加装置24は、制御装置20に制御されることにより、所定の量の第3燃料ガスに水蒸気を添加する。
第1水分回収装置3は、さらに、温度測定器31と圧力測定器32と温調用媒体供給装置33とを備えている。温度測定器31は、凝縮器16のガス側温度(再生熱交換器14により生成された冷却後排燃料ガスの温度)を測定し、そのガス側温度を制御装置20に送信する。圧力測定器32は、凝縮器16のガス側圧力(再生熱交換器14により生成された冷却後排燃料ガスの圧力)を測定し、そのガス側圧力を制御装置20に送信する。温調用媒体供給装置33は、流路と弁とを備えている。その流路は、温調用媒体を温調用熱交換器15に供給する。その弁は、制御装置20に制御されることにより、流路を開閉する。すなわち、温調用媒体供給装置33は、制御装置20に制御されることにより、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器15に供給する。
第2水分回収装置6は、温度測定器34と圧力測定器35と温調用媒体供給装置36とを備えている。温度測定器34は、凝縮器19のガス側温度(再生熱交換器17により生成された冷却後排燃料ガスの温度)を測定し、そのガス側温度を制御装置20に送信する。圧力測定器35は、凝縮器19のガス側圧力(再生熱交換器17により生成された冷却後排燃料ガスの圧力)を測定し、そのガス側圧力を制御装置20に送信する。温調用媒体供給装置36は、流路と弁とを備えている。その流路は、温調用媒体を温調用熱交換器18に供給する。その弁は、制御装置20に制御されることにより、流路を開閉する。すなわち、温調用媒体供給装置36は、制御装置20に制御されることにより、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器15に供給する。
制御装置20は、燃料電池複合発電システム1に供給される第1燃料ガスの成分の測定結果をガス成分分析装置21から収集する。制御装置20は、凝縮器16のガス側温度を温度測定器31から収集する。制御装置20は、凝縮器16のガス側圧力を圧力測定器32から収集する。制御装置20は、凝縮器19のガス側温度を温度測定器34から収集する。制御装置20は、凝縮器19のガス側圧力を圧力測定器35から収集する。制御装置20は、さらに、その収集された情報に基づいて第1水蒸気添加装置22と第2水蒸気添加装置23と第3水蒸気添加装置24と温調用媒体供給装置33と温調用媒体供給装置36とを制御する。
燃料電池複合発電方法の実施の形態は、制御装置20により実行される。制御装置20は、ガス成分分析装置21により測定された測定結果に基づいて第1水蒸気添加装置22を制御することにより、第1燃料電池2の供給される第1燃料ガスのS/Cが目標S/Cに等しくなるように、第1燃料電池2の供給される第1燃料ガスに所定流量の水蒸気を添加する。燃料ガスのS/Cは、燃料ガスに含有される水H2Oの物質量を燃料ガスに含有される炭素の物質量で除算した商を示している。
制御装置20は、さらに、ガス成分分析装置21により測定された測定結果と第1燃料電池2の発電量とに基づいて、第1燃料電池2により排気される第1排燃料ガスのS/Cを算出する。制御装置20は、その算出された第1排燃料ガスのS/Cと温度測定器31により測定されたガス側温度と圧力測定器32により測定されたガス側圧力とに基づいて温調用媒体供給装置33を制御することにより、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスのS/Cが目標S/Cに等しくなるように、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器15に供給する。
制御装置20は、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器15に供給した場合でも、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスのS/Cが目標S/Cに満たないときに、第2水蒸気添加装置23を制御することにより、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスのS/Cが目標S/Cに等しくなるように、第2燃料電池5の供給される第2燃料ガスに所定流量の水蒸気を添加する。
制御装置20は、さらに、その算出された第1排燃料ガスのS/Cと温度測定器31により測定されたガス側温度と圧力測定器32により測定されたガス側圧力と温調用媒体供給装置33により供給される温調用媒体の流量と第2水蒸気添加装置23により添加される水蒸気の流量とに基づいて、第2燃料電池5の発電量に供給される第2燃料ガスのS/Cを算出する。制御装置20は、その算出された第2燃料ガスのS/Cと第2燃料電池5の発電量とに基づいて第2燃料電池5により排気される第2排燃料ガスのS/Cを算出する。制御装置20は、その算出された第2排燃料ガスのS/Cと温度測定器34により測定されたガス側温度と圧力測定器35により測定されたガス側圧力とに基づいて温調用媒体供給装置36を制御することにより、第3燃料電池7に供給される第3燃料ガスのS/Cが目標S/Cに等しくなるように、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器18に供給する。
制御装置20は、所定の流量の温調用媒体を温調用熱交換器18に供給した場合でも、第3燃料電池7に供給される第3燃料ガスのS/Cが目標S/Cに満たないときに、第3水蒸気添加装置24を制御することにより、第3燃料電池7に供給される第3燃料ガスのS/Cが目標S/Cに等しくなるように、第3燃料電池7の供給される第3燃料ガスに所定流量の水蒸気を添加する。
図2は、温調用媒体供給装置33が冷媒である温調用媒体を温調用熱交換器15に供給する流路の弁の開度の変化を示している。制御装置20は、時刻t0以降に第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスのS/Cが減少すると算出したときに、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスのS/Cが上昇するように、温調用媒体供給装置33を制御する。その開度変化41は、時刻t0より後の時刻t1からその弁が徐々に閉鎖することを示している。
図2は、さらに、凝縮器16のガス側温度の変化を示している。そのガス側温度変化42は、時刻t1より後の時刻t2以降に凝縮器16のガス側温度が低下することを示している。開度変化41とガス側温度変化42とは、温調用媒体供給装置33が冷媒である温調用媒体を温調用熱交換器15に供給する流量が減少すると、凝縮器16のガス側温度が低下することを示している。
図2は、さらに、凝縮器16が排水する排水量の変化を示している。その排水量変化43は、時刻t2より後の時刻t3以降に凝縮器16が排水する排水量が減少することを示している。ガス側温度変化42と排水量変化43とは、凝縮器16のガス側温度が低下すると凝縮器16が排水する排水量が減少することを示している。
図2は、さらに、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガス(すなわち、第1水分回収装置3により生成される第2燃料ガス)のS/Cの変化を示している。そのS/C変化44は、時刻t4以降に第2燃料ガスのS/Cが上昇することを示している。排水量変化43とS/C変化44とは、凝縮器16が排水する排水量が減少することにより第2燃料ガスのS/Cが上昇することを示している。
開度変化41とガス側温度変化42と排水量変化43とS/C変化44とは、温調用媒体供給装置33を制御することにより第2燃料ガスのS/Cを調整できることを示している。これは、温調用媒体を加熱媒体とした場合も同様である。
燃料電池複合発電システム1は、第1水分回収装置3により第1排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、水蒸気を添加することなく、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスのS/Cを低コストで適切に調整することができる。その結果、燃料電池複合発電システム1は、第2燃料電池5のセル内で炭素が析出しないように、第2燃料電池5に高い熱効率で適切に発電させることができる。
燃料電池複合発電システム1は、第2水蒸気添加装置23を備えることにより、第1水分回収装置3により第1排燃料ガスから水分が除去される程度が調整された場合でも、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスのS/Cが目標S/Cに満たないときに、第2燃料ガスに水蒸気を添加することができ、第2燃料電池5に適切に発電させることができる。
燃料電池複合発電システム1は、さらに、第2水分回収装置6により第2排燃料ガスから水分が除去される程度が調整されることにより、水蒸気を添加することなく、第3燃料電池7に供給される第3燃料ガスのS/Cを高い熱効率で適切に調整することができる。その結果、燃料電池複合発電システム1は、第3燃料電池7のセル内で炭素が析出しないように、第3燃料電池7に高い熱効率で適切に発電させることができる。
燃料電池複合発電システム1は、第3水蒸気添加装置24を備えることにより、第2水分回収装置6により第2排燃料ガスから水分が除去される程度が調整された場合でも、第3燃料電池7に供給される第3燃料ガスのS/Cが目標S/Cに満たないときに、第3燃料ガスに水蒸気を添加することができ、第3燃料電池7に適切に発電させることができる。
図3は、燃料電池複合発電システムの第2実施形態を示している。その燃料電池複合発電システム50は、第1実施形態における燃料電池複合発電システム1に、排水供給装置51と第1熱交換器52と第2熱交換器53と第3熱交換器54とが追加されている。排水供給装置51は、凝縮器11から排水される排水と凝縮器16から排水される排水と凝縮器19から排水される排水とを、温調用媒体供給装置33と温調用媒体供給装置36と第1熱交換器52と第2熱交換器53と第3熱交換器54とに供給する。
このとき、温調用媒体供給装置33は、排水供給装置51から供給された排水を所定の流量だけ温調用熱交換器15に供給する。温調用熱交換器15は、再生熱交換器14により生成された冷却後排燃料ガスの熱を温調用媒体供給装置33から供給された排水に伝熱することにより、冷却後排燃料ガスを冷却する。温調用熱交換器15は、さらに、温調用媒体供給装置33から供給された排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。
温調用媒体供給装置36は、排水供給装置51から供給された排水を所定の流量だけ温調用熱交換器18に供給する。温調用熱交換器18は、再生熱交換器17により生成された冷却後排燃料ガスの熱を温調用媒体供給装置36から供給された排水に伝熱することにより、冷却後排燃料ガスを冷却する。温調用熱交換器18は、さらに、温調用媒体供給装置36から供給された排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。
第1熱交換器52は、第1燃料電池2により生成された熱を排水供給装置51から供給された排水に伝熱することにより、その排水を加熱する。第1熱交換器52は、その排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。
第2熱交換器53は、第2燃料電池5により生成された熱を排水供給装置51から供給された排水に伝熱することにより、その排水を加熱する。第2熱交換器53は、その排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。
第3熱交換器54は、第3燃料電池7により生成された熱を排水供給装置51から供給された排水に伝熱することにより、その排水を加熱する。第3熱交換器54は、その排水を加熱することにより、水蒸気を生成する。
温調用熱交換器15と温調用熱交換器18と第1熱交換器52と第2熱交換器53と第3熱交換器54とにより生成された水蒸気は、第1水蒸気添加装置22と第2水蒸気添加装置23と第3水蒸気添加装置24とに供給される。第1水蒸気添加装置22は、その供給された水蒸気のうちの所定の量の水蒸気を第1燃料ガスに添加する。第2水蒸気添加装置23は、その供給された水蒸気のうちの所定の量の水蒸気を第2燃料ガスに添加する。第2水蒸気添加装置24は、その供給された水蒸気のうちの所定の量の水蒸気を第2燃料ガスに添加する。
燃料電池複合発電システム50は、第1実施形態における燃料電池複合発電システム1と同様にして、制御装置20が第1水分回収装置3と第2水分回収装置6との能力を調整することにより、第2燃料ガスのS/Cと第3燃料ガスのS/Cとを高い熱効率で適切に調整することができ、第2燃料電池5と第3燃料電池7を用いて、高い熱効率で適切に発電させることができる。
燃料電池複合発電システム50は、第1水蒸気添加装置22と第2水蒸気添加装置23と第3水蒸気添加装置24とにより燃料ガスに添加される水蒸気を、燃料電池複合発電システム50内で生成される熱を用いて、燃料電池複合発電システム50内で排水される排水から生成することができる。燃料電池複合発電システム50は、燃料ガスに添加される水蒸気を燃料電池複合発電システム50内で生成される排水と熱とを用いて生成することにより、第1実施形態における燃料電池複合発電システム1に比較して、第2燃料ガスのS/Cと第3燃料ガスのS/Cとをより高い熱効率で調整することができる。
図4は、燃料電池複合発電システムの第3実施形態を示している。その燃料電池複合発電システム60は、第1実施形態における燃料電池複合発電システム1の第1水分回収装置3が他の第1水分回収装置61に置換され、第2水分回収装置6が他の第2水分回収装置62に置換されている。
第1水分回収装置61は、第1実施形態における第1水分回収装置3に、バイパス流路63とバイパス側流調弁64と熱交換器側流調弁65とが追加されている。バイパス流路63は、第1燃料電池2から排気される第1排燃料ガスを再生熱交換器14に供給する流路を、再生熱交換器14により生成される第2燃料ガスを第2燃料電池5に供給する流路に接続している。バイパス側流調弁64は、バイパス流路63の途中に設けられている。バイパス側流調弁64は、制御装置20に制御されることにより、バイパス流路63を開閉する。熱交換器側流調弁65は、第1燃料電池2から排気される第1排燃料ガスを再生熱交換器14に供給する流路のうちのバイパス流路63との分岐点より再生熱交換器14の側に設けられている。熱交換器側流調弁65は、制御装置20に制御されることにより、第1燃料電池2から排気される第1排燃料ガスを再生熱交換器14に供給する流路を開閉する。
第2水分回収装置62は、第1実施形態における第2水分回収装置6に、バイパス流路66とバイパス側流調弁67と熱交換器側流調弁68とが追加されている。バイパス流路66は、第2燃料電池5から排気される第2排燃料ガスを再生熱交換器17に供給する流路を、再生熱交換器17により生成される第3燃料ガスを第3燃料電池7に供給する流路に接続している。バイパス側流調弁67は、バイパス流路66の途中に設けられている。バイパス側流調弁67は、制御装置20に制御されることにより、バイパス流路66を開閉する。熱交換器側流調弁68は、第2燃料電池5から排気される第2排燃料ガスを再生熱交換器17に供給する流路のうちのバイパス流路66との分岐点より再生熱交換器17の側に設けられている。熱交換器側流調弁68は、制御装置20に制御されることにより、第2燃料電池5から排気される第2排燃料ガスを再生熱交換器17に供給する流路を開閉する。
このとき、制御装置20は、バイパス側流調弁64と熱交換器側流調弁65とを制御することにより、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスのS/Cが目標S/Cに等しくなるように、第1燃料電池2から排気される第1排燃料ガスのうちの所定の流量の第1排燃料ガスを第2燃料電池5に供給する。このとき、制御装置20は、バイパス側流調弁67と熱交換器側流調弁68とを制御することにより、第3燃料電池7に供給される第3燃料ガスのS/Cが目標S/Cに等しくなるように、第2燃料電池5から排気される第2排燃料ガスのうちの所定の流量の第2排燃料ガスを第3燃料電池7に供給する。
燃料電池複合発電システム60は、第1実施形態における燃料電池複合発電システム1と同様にして、制御装置20が第1水分回収装置61と第2水分回収装置62との能力を調整することにより、第2燃料ガスのS/Cと第3燃料ガスのS/Cとを高い熱効率で適切に調整することができ、第2燃料電池5と第3燃料電池7を用いて、高い熱効率で適切に発電させることができる。
燃料電池複合発電システム60は、第1水分回収装置61のバイパス流路63を介して、第1燃料電池2から排気された第1排燃料ガスを、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスに添加することができる。第2燃料ガスは、第1排燃料ガスが添加されることにより、S/Cが上昇する。燃料電池複合発電システム60は、制御装置20がバイパス側流調弁64と熱交換器側流調弁65とを制御することにより、第2燃料電池5に供給される第2燃料ガスのS/Cを調整することができ、第2燃料電池5に適切に発電させることができる。
燃料電池複合発電システム60は、第1水分回収装置61と同様にして、第2水分回収装置62に関しても、制御装置20がバイパス側流調弁67と熱交換器側流調弁68とを制御することにより、バイパス流路66を介して第2排燃料ガスを第3燃料ガスに添加し、第3燃料ガスのS/Cを調整することができ、第3燃料電池7に適切に発電させることができる。
なお、第1水分回収装置61は、温調用熱交換器15を省略することができる。このとき、凝縮器16は、再生熱交換器14により生成された冷却後排燃料ガスを凝縮させる。燃料電池複合発電システム60は、温調用熱交換器15が省略された場合でも、バイパス流路63を介して第2排燃料ガスを第3燃料ガスに添加することにより、第3燃料ガスのS/Cを調整することができ、第3燃料電池7に適切に発電させることができる。第2水分回収装置62も、第1水分回収装置61と同様にして、温調用熱交換器18を省略することができる。燃料電池複合発電システム60は、温調用熱交換器15または温調用熱交換器18を省略することにより、第1実施形態における燃料電池複合発電システム1に比較して、より低コストで作製することができる。
なお、燃料電池複合発電システム1、50、60は、第2水分回収装置6、62と第3燃料電池7とが省略されることもできる。また、燃料電池複合発電システム1、50、60は、他の水分回収装置と燃料電池とが追加されることもできる。このとき、その燃料電池複合発電システムは、その追加された水分回収装置を同様に制御することにより、その追加された燃料電池に適切に発電させることができる。
1 :燃料電池複合発電システム
2 :第1燃料電池
3 :第1水分回収装置
5 :第2燃料電池
6 :第2水分回収装置
7 :第3燃料電池
10:排熱回収ボイラ
11:凝縮器
12:二酸化炭素回収装置
14:再生熱交換器
15:温調用熱交換器
16:凝縮器
17:再生熱交換器
18:温調用熱交換器
19:凝縮器
20:制御装置
21:ガス成分分析装置
22:第1水蒸気添加装置
23:第2水蒸気添加装置
24:水蒸気添加装置
31:温度測定器
32:圧力測定器
33:温調用媒体供給装置
34:温度測定器
35:圧力測定器
36:温調用媒体供給装置
50:燃料電池複合発電システム
51:排水供給装置
52:第1熱交換器
53:第2熱交換器
54:第3熱交換器
60:燃料電池複合発電システム
61:第1水分回収装置
62:第2水分回収装置
63:バイパス流路
64:バイパス側流調弁
65:熱交換器側流調弁
66:バイパス流路
67:バイパス側流調弁
68:熱交換器側流調弁
2 :第1燃料電池
3 :第1水分回収装置
5 :第2燃料電池
6 :第2水分回収装置
7 :第3燃料電池
10:排熱回収ボイラ
11:凝縮器
12:二酸化炭素回収装置
14:再生熱交換器
15:温調用熱交換器
16:凝縮器
17:再生熱交換器
18:温調用熱交換器
19:凝縮器
20:制御装置
21:ガス成分分析装置
22:第1水蒸気添加装置
23:第2水蒸気添加装置
24:水蒸気添加装置
31:温度測定器
32:圧力測定器
33:温調用媒体供給装置
34:温度測定器
35:圧力測定器
36:温調用媒体供給装置
50:燃料電池複合発電システム
51:排水供給装置
52:第1熱交換器
53:第2熱交換器
54:第3熱交換器
60:燃料電池複合発電システム
61:第1水分回収装置
62:第2水分回収装置
63:バイパス流路
64:バイパス側流調弁
65:熱交換器側流調弁
66:バイパス流路
67:バイパス側流調弁
68:熱交換器側流調弁
Claims (12)
- 第1燃料ガスを用いて発電し、排燃料ガスを生成する第1燃料電池と、
前記排燃料ガスから水分を除去することにより第2燃料ガスを生成する水分回収装置と、
前記第2燃料ガスを用いて発電する第2燃料電池と、
前記排燃料ガスから前記水分が除去される量が変化するように前記水分回収装置を制御する制御装置とを備える燃料電池複合発電システム。 - 前記水分回収装置は、
前記排燃料ガスを冷却することにより冷却後排燃料ガスを生成する再生熱交換器と、
温度調節用媒体を用いて前記冷却後排燃料ガスを温度調節することにより前記温調後排燃料ガスを生成する温度調節用熱交換器と、
前記温調後排燃料ガスから前記水分を除去することにより前記水分除去後排燃料ガスを生成する凝縮器と、
前記温度調節用媒体を前記温度調節用熱交換器に供給する温調用媒体供給装置とを有し、
前再生熱交換器は、さらに、前記排燃料ガスから前記水分除去後排燃料ガスに熱を伝達し、前記水分除去後排燃料ガスを加熱することにより前記第2燃料ガスを生成し、
前記制御装置は、前記温度調節用熱交換器に前記温度調節用媒体が供給される流量が変化するように前記温調用媒体供給装置を制御する請求項1に記載される燃料電池複合発電システム。 - 前記温調後排燃料ガスの温度を測定する温度測定装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記温度に基づいて前記温調用媒体供給装置を制御する請求項2に記載される燃料電池複合発電システム。 - 前記温調後排燃料ガスの圧力を測定する圧力測定装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記圧力に基づいて前記温調用媒体供給装置を制御する請求項2〜請求項3のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。 - 前記第2燃料ガスに水蒸気を添加する水蒸気添加装置をさらに備え、
前記温度調節用熱交換器は、前記温度調節用媒体を加熱することにより前記水蒸気を生成する請求項2〜請求項4のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。 - 前記第1燃料ガスのガス組成を測定するガス成分分析装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記ガス組成に基づいて前記水分回収装置を制御する請求項1〜請求項5のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。 - 前記制御装置は、前記第1燃料電池の発電量にさらに基づいて前記水分回収装置を制御する請求項1〜請求項6のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。
- 前記水分回収装置から排水された排水を加熱することにより水蒸気を生成する加熱装置と、
前記第2燃料ガスに前記水蒸気を添加する水蒸気添加装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記水蒸気が前記第2燃料ガスに添加される添加量が変化するように、前記水蒸気添加装置をさらに制御する請求項1〜請求項4のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。 - 前記加熱装置は、前記第1燃料電池または前記第2燃料電池が放出する熱を用いて前記排水を加熱する請求項8に記載される燃料電池複合発電システム。
- 前記水分回収装置は、前記第1燃料ガスを前記第2燃料ガスにバイパスするバイパスラインをさらに有し、
前記制御装置は、前記第1燃料ガスが前記第2燃料ガスにバイパスされる量を調整するバイパス流量調節弁を制御する請求項1〜請求項9のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。 - 前記第2燃料電池から排気される他の排燃料ガスから水分を除去することにより第3燃料ガスを生成する他の水分回収装置と、
前記第3燃料ガスを用いて発電する第3燃料電池とをさらに備え、
前記制御装置は、前記他の排燃料ガスから水分が除去される量が変化するように前記他の水分回収装置をさらに制御する請求項1〜請求項10のうちのいずれか一項に記載される燃料電池複合発電システム。 - 第1燃料ガスを用いて発電し、排燃料ガスを生成する第1燃料電池と、
前記排燃料ガスから水分を除去することにより第2燃料ガスを生成する水分回収装置と、
前記第2燃料ガスを用いて発電する第2燃料電池とを備える燃料電池複合発電システムを用いて実行される燃料電池複合発電方法であり、
前記燃料電池複合発電システムを準備すること、
前記排燃料ガスから前記水分が除去される量が変化するように前記水分回収装置を制御することとを備える燃料電池複合発電方法。
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-
2014
- 2014-01-20 JP JP2014007651A patent/JP2015138573A/ja active Pending
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