JP5964082B2

JP5964082B2 - Power generation system and fuel cell cooling method

Info

Publication number: JP5964082B2
Application number: JP2012044680A
Authority: JP
Inventors: 大澤　弘行; 弘行大澤
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: JP2013182733A

Description

本発明は、燃料電池を用いた発電システム及び燃料電池の冷却方法に関するものである。 The present invention relates to a power generation system using a fuel cell and a fuel cell cooling method.

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）は、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。ＳＯＦＣやＭＣＦＣは、作動温度がりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）等に比べて高い高温型燃料電池であり、電池本体に白金（Ｐｔ）触媒を使用していないため、ＣＯ濃度の高いガスを燃料として使用できる。 Solid oxide fuel cells (SOFC) and molten carbonate fuel cells (MCFC) are fuel cells that are operated using natural gas, petroleum, methanol, coal gasification gas, or the like as fuel. SOFC and MCFC are high-temperature fuel cells that have a higher operating temperature than phosphoric acid fuel cells (PAFC), etc., and do not use a platinum (Pt) catalyst in the battery body. Can be used as

また、ＳＯＦＣやＭＣＦＣは、高温で運転するガスタービンの排気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用できる。そのため、ＳＯＦＣ又はＭＣＦＣとガスタービンとを組み合わせることで、複合発電システムを形成できる。 Moreover, SOFC and MCFC can be used as air (oxidant) that supplies exhaust gas from a gas turbine that operates at a high temperature to the air electrode side. Therefore, a combined power generation system can be formed by combining SOFC or MCFC and a gas turbine.

特許文献１には、石炭ガス化ガスを燃料とした燃料電池とガスタービンを組み合わせた発電システムであって、シフト反応器を用いて脱硫装置から排出された中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素を減少させて、水素を増加させる技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses a power generation system in which a fuel cell using coal gasification gas as a fuel and a gas turbine are combined, and carbon monoxide contained in an intermediate fuel gas discharged from a desulfurization apparatus using a shift reactor. Techniques for reducing and increasing hydrogen are disclosed.

特開２０１１−１４１９６８号公報（段落［００２９］及び図１）JP 2011-141968 A (paragraph [0029] and FIG. 1)

燃料電池の燃料極に燃料として供給される石炭ガス化ガス、液体燃料ガス化ガス、又は天然ガス（ＣＨ_４）などＣ_ｎＨ_ｍガスをＨ_２主体へ改質したガス（以下、総称して「ガス化ガス」という。）は、ガス化炉の出口において高温であることから、下の化学式で表されるＣＯシフト反応（水性ガスシフト反応）において高温での平衡組成に近いガスになる。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２ Gas obtained by reforming C _n H _m gas such as coal gasification gas, liquid fuel gasification gas, or natural gas (CH ₄ ) supplied as fuel to the fuel electrode of the fuel cell into H ₂ (hereinafter, generically "Gasified gas") has a high temperature at the outlet of the gasification furnace, and thus becomes a gas close to an equilibrium composition at a high temperature in the CO shift reaction (water gas shift reaction) represented by the following chemical formula.
CO + H ₂ O⇔CO ₂ + H ₂

すなわち、燃料電池に供給される前の燃料は、ＣＯ主体となる。しかし、燃料が燃料電池内部に供給されると、燃料電池内部の温度は、ガス化炉の出口温度よりも低いため、シフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）によって発熱が生じる。また、燃料電池は、発電に伴う反応によっても発熱している。 That is, the fuel before being supplied to the fuel cell is mainly CO. However, when the fuel is supplied to the inside of the fuel cell, the temperature inside the fuel cell is lower than the outlet temperature of the gasifier, so that heat is generated by the shift reaction (CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ ). The fuel cell also generates heat due to a reaction accompanying power generation.

一方、ガス化ガスを燃料とする燃料電池の冷却は、燃料電池から排出される燃料や燃料電池から排出される空気による熱の除去や、燃料電池外部からの放熱によるしかない。 On the other hand, the cooling of a fuel cell using gasified gas as a fuel can only be performed by removing heat from the fuel discharged from the fuel cell or air discharged from the fuel cell, or radiating heat from the outside of the fuel cell.

ところで、天然ガスを使用した内部改質方式の発電システムでは、改質反応（ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２）による吸熱反応によって、燃料電池の発電に伴う発熱を冷却することもできる（すなわち、発熱の一部を吸熱し、燃料電池内部の発熱量を低減して、冷却効果を保有することと同様になる）。しかし、ＣＯとＨ_２を主成分とするガス化ガスでは、上記改質反応が生じず、改質反応によって燃料電池を冷却することができないため、冷却不足になる。 By the way, in the internal reforming power generation system using natural gas, the heat generated by the power generation of the fuel cell can be cooled by the endothermic reaction due to the reforming reaction (CH ₄ + 2H ₂ O → CO ₂ + 4H ₂ ). That is, a part of the heat generation is absorbed to reduce the amount of heat generated inside the fuel cell, which is similar to having a cooling effect). However, in the gasification gas mainly composed of CO and H ₂ , the reforming reaction does not occur, and the fuel cell cannot be cooled by the reforming reaction.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガス化ガスを燃料とする燃料電池の冷却促進を図ることが可能な発電システム及び燃料電池の冷却方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a power generation system and a fuel cell cooling method capable of promoting cooling of a fuel cell using gasified gas as fuel. And

上記課題を解決するために、本発明の発電システム及び燃料電池の冷却方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る発電システムは、ガス供給装置から供給された一酸化炭素を含むガスを燃料とする燃料電池を備える発電システムであって、前記ガス供給装置から供給された前記燃料中に含まれる少なくとも一部の一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を生成させるとともに、前記燃料の温度を前記燃料電池の作動温度よりも低下させるＣＯシフト反応器と、前記ＣＯシフト反応器を通過した前記燃料が導入される燃料極を有する燃料電池とを備える。 In order to solve the above problems, the power generation system and the fuel cell cooling method of the present invention employ the following means.
That is, the power generation system according to the present invention is a power generation system including a fuel cell that uses a gas containing carbon monoxide supplied from a gas supply device as a fuel, and is included in the fuel supplied from the gas supply device. A CO shift reactor that generates carbon dioxide and hydrogen from at least a portion of the carbon monoxide and water vapor, and lowers the temperature of the fuel below the operating temperature of the fuel cell, and the CO shift reactor that has passed through the CO shift reactor And a fuel cell having a fuel electrode into which fuel is introduced.

この発明によれば、ガス供給装置が石炭又は液体燃料を熱分解して得られる炭素に酸素を反応させることによって燃料を生成し、ＣＯシフト反応器がガス供給装置から供給された燃料中に含まれる少なくとも一部の一酸化炭素と水蒸気を二酸化炭素と水素に転化（シフト反応）させる。このとき、ＣＯシフト反応器の出口における燃料は、燃料電池の作動温度よりも低い温度に調整される。そして、燃料電池の作動温度よりも温度が低い燃料が燃料電池の燃料極に導入されることによって、燃料に含まれる少なくとも一部の二酸化炭素と水素は、一酸化炭素と水蒸気に逆シフトし、燃料電池内部で吸熱反応が生じる。従って、燃料をＣＯシフト反応器へ通過させた後、燃料を燃料電池に導入することによって、ＣＯシフト反応器を通過させずに燃料を導入する場合に比べて、燃料電池を冷却することができる。 According to the present invention, the gas supply device generates fuel by reacting oxygen with carbon obtained by pyrolyzing coal or liquid fuel, and the CO shift reactor is included in the fuel supplied from the gas supply device. At least a part of carbon monoxide and water vapor are converted into carbon dioxide and hydrogen (shift reaction). At this time, the fuel at the outlet of the CO shift reactor is adjusted to a temperature lower than the operating temperature of the fuel cell. Then, when a fuel having a temperature lower than the operating temperature of the fuel cell is introduced into the fuel electrode of the fuel cell, at least a part of carbon dioxide and hydrogen contained in the fuel is reversely shifted to carbon monoxide and water vapor, An endothermic reaction occurs inside the fuel cell. Therefore, by introducing the fuel into the fuel cell after passing the fuel through the CO shift reactor, the fuel cell can be cooled as compared with the case where the fuel is introduced without passing through the CO shift reactor. .

上記発明において、前記ＣＯシフト反応器の前に設けられ、前記燃料に水蒸気を追加する水蒸気供給部を更に備えてもよい。 In the above invention, a steam supply unit that is provided in front of the CO shift reactor and adds steam to the fuel may be further provided.

この発明によれば、前記ＣＯシフト反応器に供給される燃料に水蒸気が追加されるため、燃料に含まれる一酸化炭素と水蒸気を二酸化炭素と水素へ転化させるシフト反応を促進させることができる。 According to this invention, since water vapor is added to the fuel supplied to the CO shift reactor, it is possible to promote a shift reaction that converts carbon monoxide and water vapor contained in the fuel into carbon dioxide and hydrogen.

この発明によれば、ＣＯシフト反応器で生じる熱が水蒸気を生成し、生成された水蒸気が蒸気供給部によって燃料に追加されるため、ＣＯシフト反応器で生じる熱が有効利用される。 According to the present invention, the heat generated in the CO shift reactor generates steam, and the generated steam is added to the fuel by the steam supply unit, so that the heat generated in the CO shift reactor is effectively used.

上記発明において、前記燃料電池の温度を測定する温度測定部と、測定された前記燃料電池の温度に基づいて、前記ＣＯシフト反応器から排出され前記燃料電池に供給される前記燃料の温度を変化させる燃料温度調整手段とを更に備えてもよい。 In the above invention, a temperature measuring unit that measures the temperature of the fuel cell, and a temperature of the fuel that is discharged from the CO shift reactor and supplied to the fuel cell is changed based on the measured temperature of the fuel cell. And a fuel temperature adjusting means.

この発明によれば、燃料電池に供給される燃料の温度が燃料電池の温度によって変化するため、燃料に含まれる一酸化炭素と水蒸気を二酸化炭素と水素へ転化させる量を調整することができる。その結果、発熱及び吸熱反応によって変化する燃料電池内部の温度を調整することができる。 According to this invention, since the temperature of the fuel supplied to the fuel cell varies depending on the temperature of the fuel cell, the amount of carbon monoxide and water vapor contained in the fuel can be adjusted to carbon dioxide and hydrogen. As a result, it is possible to adjust the temperature inside the fuel cell that changes due to exothermic and endothermic reactions.

また、本発明に係る燃料電池の冷却方法は、ガス供給装置から供給された一酸化炭素を含むガスを燃料とする燃料電池の冷却方法であって、ＣＯシフト反応器が、前記ガス供給装置から供給された前記燃料中に含まれる少なくとも一部の一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を生成させるとともに、前記燃料の温度を前記燃料電池の作動温度よりも低下させるステップと、前記燃料電池の燃料極に前記ＣＯシフト反応器を通過した前記燃料を導入するステップとを備える。 The fuel cell cooling method according to the present invention is a fuel cell cooling method using a gas containing carbon monoxide supplied from a gas supply device as a fuel, and a CO shift reactor is supplied from the gas supply device. Generating carbon dioxide and hydrogen from at least a portion of carbon monoxide and water vapor contained in the supplied fuel, and lowering the temperature of the fuel below the operating temperature of the fuel cell; and Introducing the fuel that has passed through the CO shift reactor into a fuel electrode.

本発明によれば、ガス化ガスを燃料とする燃料電池の冷却促進を図ることができる。 According to the present invention, cooling of a fuel cell using gasified gas as fuel can be promoted.

本発明の第１実施形態に係る複合発電システムを示す構成図である。1 is a configuration diagram illustrating a combined power generation system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第２実施形態に係る複合発電システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the combined power generation system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 同実施形態に係る複合発電システムの変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the modification of the combined power generation system which concerns on the same embodiment. 本発明の第１実施形態に係る燃料電池における熱バランスを示すグラフである。It is a graph which shows the heat balance in the fuel cell which concerns on 1st Embodiment of this invention. 従来のガス化ガスを利用した燃料電池における熱バランスを示すグラフである。It is a graph which shows the heat balance in the fuel cell using the conventional gasification gas. 従来の天然ガスを利用した内部改質方式の燃料電池における熱バランスを示すグラフである。It is a graph which shows the heat balance in the fuel cell of the internal reforming system using the conventional natural gas.

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る複合発電システム１について、図１を用いて説明する。
複合発電システム１は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）４と、ガスタービン１０による発電設備を備える。複合発電システム１は、ガス化炉１４から供給される石炭ガス化ガス、液体燃料ガス化ガスなどのＣＯとＨ_２を主成分とするガス化ガスを燃料として発電する。ガスタービン１０は、圧縮機１１と、タービン１２と、圧縮機１１及びタービン１２を結合する軸１３を備え、ガスタービン１０には、タービン１２の回転力によって駆動する発電機（図示せず。）が結合され、発電が行われる。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
Hereinafter, a combined power generation system 1 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The combined power generation system 1 includes an SOFC (solid oxide fuel cell) 4 and a power generation facility using a gas turbine 10. The combined power generation system 1 generates power using gasified gas mainly composed of CO and H ₂ such as coal gasified gas and liquid fuel gasified gas supplied from the gasification furnace 14 as fuel. The gas turbine 10 includes a compressor 11, a turbine 12, and a shaft 13 that couples the compressor 11 and the turbine 12, and the gas turbine 10 includes a generator (not shown) that is driven by the torque of the turbine 12. Are combined to generate electricity.

ＳＯＦＣ４は、燃料極（アノード）６と、空気極（カソード）７と、燃料極６と空気極７の間に配置された電解質部８を備える。ＳＯＦＣ４は、圧力容器５の内部に収容されている。 The SOFC 4 includes a fuel electrode (anode) 6, an air electrode (cathode) 7, and an electrolyte portion 8 disposed between the fuel electrode 6 and the air electrode 7. The SOFC 4 is accommodated inside the pressure vessel 5.

ＳＯＦＣ４には、燃料供給管３１と、空気供給管３２と、燃料排出管３３と、空気排出管３４が接続されている。
燃料供給管３１は、ＣＯシフト反応器１７と燃料極６とを結び、ＣＯシフト反応器１７から燃料極６へ燃料を供給する。
空気供給管３２は、ガスタービン１０の圧縮機１１と空気極７とを結び、ガスタービン１０の圧縮機１１から空気極７へ圧縮された空気を供給する。 A fuel supply pipe 31, an air supply pipe 32, a fuel discharge pipe 33, and an air discharge pipe 34 are connected to the SOFC 4.
The fuel supply pipe 31 connects the CO shift reactor 17 and the fuel electrode 6, and supplies fuel from the CO shift reactor 17 to the fuel electrode 6.
The air supply pipe 32 connects the compressor 11 of the gas turbine 10 and the air electrode 7, and supplies compressed air from the compressor 11 of the gas turbine 10 to the air electrode 7.

また、燃料排出管３３は、燃料極６とガスタービン１０の燃焼器９とを結び、燃料が発電に用いられて生じる排ガス、及び発電に用いられなかった燃料を燃料極６から排出し、ガスタービン１０の燃焼器９に供給する。燃料排出管３３には、燃料再循環管３５が接続されている。燃料再循環管３５は、燃料排出管３３と燃料供給管３１とを結び、ブロア３９（又はファン）が設けられる。燃料再循環管３５は、燃料排出管３３を流れる排ガス及び燃料を燃料供給管３１へ供給する。 The fuel discharge pipe 33 connects the fuel electrode 6 and the combustor 9 of the gas turbine 10, and exhausts exhaust gas generated when the fuel is used for power generation and fuel that is not used for power generation from the fuel electrode 6. It is supplied to the combustor 9 of the turbine 10. A fuel recirculation pipe 35 is connected to the fuel discharge pipe 33. The fuel recirculation pipe 35 connects the fuel discharge pipe 33 and the fuel supply pipe 31 and is provided with a blower 39 (or a fan). The fuel recirculation pipe 35 supplies the exhaust gas and fuel flowing through the fuel discharge pipe 33 to the fuel supply pipe 31.

空気排出管３４は、空気極７とガスタービン１０の燃焼器９とを結び、発電に用いられた後の空気を空気極７から排出し、ガスタービン１０の燃焼器９に供給する。
なお、ＳＯＦＣ４は、公知の構成を採用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。 The air discharge pipe 34 connects the air electrode 7 and the combustor 9 of the gas turbine 10, discharges air used for power generation from the air electrode 7, and supplies the air to the combustor 9 of the gas turbine 10.
The SOFC 4 can adopt a known configuration, and detailed description thereof is omitted in this specification.

複合発電システム１には、ガス化炉１４、ガス精製装置１６、ＣＯシフト反応器１７及び排熱回収ボイラ１９が更に設けられる。 The combined power generation system 1 is further provided with a gasification furnace 14, a gas purification device 16, a CO shift reactor 17, and an exhaust heat recovery boiler 19.

ガス化炉１４は、石炭、重質油などの燃料と、配管３６を介してガスタービン１０の圧縮機１１で圧縮された空気とが供給され、ガス化ガスを生成する。ガス化炉１４で生成されたガス化ガスは、配管１５を介してガス精製装置１６へ供給され、ガス精製装置１６においてガス化ガスに含まれる硫黄化合物が除去される。硫黄化合物が除去されたガス化ガスは、配管３７、ＣＯシフト反応器１７及び燃料供給管３１を通過して、ＳＯＦＣ４の燃料極６へ供給される。なお、本発明のガス化ガスを供給するガス供給装置は、ガス化炉１４に限らず、石炭又は重油や軽油などの炭素と水素を含む固体燃料又は液体燃料、さらには、ＣＨ_４やＣ_３Ｈ_８などの炭化水素系ガスを燃料として、反応器を介して、Ｈ_２，ＣＯ，ＣＯ_２などのガスを供給できるガス供給装置や、化学プロセスや製鉄プロセスのオフガス等のＨ_２，ＣＯ，ＣＯ_２を含有するガスを供給する設備でもよい。 The gasification furnace 14 is supplied with fuel such as coal and heavy oil and air compressed by the compressor 11 of the gas turbine 10 through the pipe 36 to generate gasified gas. The gasification gas generated in the gasification furnace 14 is supplied to the gas purification device 16 via the pipe 15, and the sulfur compound contained in the gasification gas is removed in the gas purification device 16. The gasified gas from which the sulfur compound has been removed passes through the pipe 37, the CO shift reactor 17, and the fuel supply pipe 31, and is supplied to the fuel electrode 6 of the SOFC 4. The gas supply device for supplying the gasification gas of the present invention is not limited to the gasifier 14, a solid or liquid fuel containing carbon and hydrogen such as coal or heavy oil and light oil, furthermore, CH ₄ and C ₃ A gas supply device that can supply a gas such as H ₂ , CO, and CO ₂ through a reactor using a hydrocarbon gas such as H ₈ as a fuel, and H ₂ , CO, A facility for supplying a gas containing CO ₂ may also be used.

ＣＯシフト反応器１７は、燃料供給管３７を流れるガス化ガスを冷却して、シフト反応させる。すなわち、ガス化炉１４及びガス精製装置１６から供給されるガス化ガスは高温であるため、下の化学式で表されるＣＯシフト反応（水性ガスシフト反応）において高温での平衡組成に近く、ＣＯ主体である。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２ The CO shift reactor 17 cools the gasified gas flowing through the fuel supply pipe 37 to cause a shift reaction. That is, since the gasification gas supplied from the gasification furnace 14 and the gas purification device 16 is at a high temperature, the CO shift reaction (water gas shift reaction) represented by the following chemical formula is close to the equilibrium composition at a high temperature, and the CO main component It is.
CO + H ₂ O⇔CO ₂ + H ₂

そこで、ＣＯシフト反応器１７で熱交換を行い、ガス化ガスの温度を低下させる。この際、ガス化ガスは、シフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）によって発熱するが、ＣＯシフト反応器１７に供給される熱媒体（例えば水）がガス化ガスと熱交換し、温度上昇して水蒸気及び／又は温水となる。ＣＯシフト反応器１７は、ＣＯシフト反応器１７から供給されるガス化ガスがＳＯＦＣ４の作動温度よりも低下するように調整される。その結果、ＣＯシフト反応器１７から供給されるガス化ガスは、ＳＯＦＣ４の作動温度よりも低温の状態で、ＳＯＦＣ４の燃料極６に供給される。 Therefore, heat exchange is performed in the CO shift reactor 17 to lower the temperature of the gasification gas. At this time, the gasification gas generates heat by the shift reaction (CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ ), but the heat medium (for example, water) supplied to the CO shift reactor 17 exchanges heat with the gasification gas, and the temperature It rises to steam and / or hot water. The CO shift reactor 17 is adjusted so that the gasification gas supplied from the CO shift reactor 17 is lower than the operating temperature of the SOFC 4. As a result, the gasification gas supplied from the CO shift reactor 17 is supplied to the fuel electrode 6 of the SOFC 4 in a state lower than the operating temperature of the SOFC 4.

ＣＯシフト反応器１７は、例えば２段〜３段といった複数段の反応器からなり、徐々にガス化ガスの温度を低下させる。ガス化炉１４の出口におけるガス温度は、例えば1200℃〜1400℃であり、ＣＯシフト反応器１７の出口におけるガス温度は、例えば200℃〜250℃である。一方、ＳＯＦＣ４の作動温度は、600℃〜1000℃である。 The CO shift reactor 17 is composed of, for example, a plurality of stages of reactors such as two to three stages, and gradually reduces the temperature of the gasification gas. The gas temperature at the outlet of the gasification furnace 14 is, for example, 1200 ° C. to 1400 ° C., and the gas temperature at the outlet of the CO shift reactor 17 is, for example, 200 ° C. to 250 ° C. On the other hand, the operating temperature of SOFC4 is 600 degreeC-1000 degreeC.

ＣＯシフト反応器１７には、触媒が設けられ、一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に転化する。触媒は、比較的高温で活性を示す鉄−クロム系触媒と、比較的低温で活性を示す銅−亜鉛系触媒がある。触媒は、温度域に応じて種類を変えて、シフト反応器の各段に配置される。また、触媒として貴金属系触媒が使用される場合もある。 The CO shift reactor 17 is provided with a catalyst to convert carbon monoxide and water vapor into hydrogen and carbon dioxide. The catalyst includes an iron-chromium-based catalyst that shows activity at a relatively high temperature and a copper-zinc-based catalyst that shows activity at a relatively low temperature. The catalyst is arranged in each stage of the shift reactor by changing the type depending on the temperature range. Further, a noble metal catalyst may be used as the catalyst.

ガス精製装置１６からＣＯシフト反応器１７までの燃料供給管３７には、水蒸気供給部３８が設けられる。燃料供給管３７を流れるガス化ガス中の水蒸気が、シフト反応に必要な量に満たない場合には、水蒸気などをガス化ガスに噴霧することで、必要な水蒸気を補充できる。水蒸気供給部３８に供給される水蒸気は、例えばＣＯシフト反応器１７で熱交換して生じた水蒸気が用いられる。 The fuel supply pipe 37 from the gas purification device 16 to the CO shift reactor 17 is provided with a water vapor supply unit 38. When the water vapor in the gasification gas flowing through the fuel supply pipe 37 is less than the amount necessary for the shift reaction, the necessary water vapor can be replenished by spraying water vapor or the like onto the gasification gas. As the steam supplied to the steam supply unit 38, for example, steam generated by heat exchange in the CO shift reactor 17 is used.

次に、本実施形態に係る複合発電システム１におけるＳＯＦＣ４の冷却方法について説明する。
ガス化炉１４で生成されるガス化ガスは、高温であり、ガス化炉１４の出口におけるガス化ガス温度は、例えば1200℃〜1400℃である。そして、この高温のガス化ガスがＣＯシフト反応器１７に導入される。 Next, a method for cooling the SOFC 4 in the combined power generation system 1 according to the present embodiment will be described.
The gasification gas produced | generated in the gasification furnace 14 is high temperature, and the gasification gas temperature in the exit of the gasification furnace 14 is 1200 to 1400 degreeC, for example. This high temperature gasification gas is then introduced into the CO shift reactor 17.

ＣＯシフト反応器１７では、シフト反応による発熱反応が生じて、ガス化ガスの冷却が行われる。ＣＯシフト反応器１７の出口におけるガス化ガス温度は、例えば200℃〜250℃である。そして、この低温となったガス化ガスがＳＯＦＣ４の燃料極６に導入される。ＳＯＦＣ４の作動温度は、600℃〜1000℃であり、ＳＯＦＣ４の燃料極６に導入されるガス化ガスよりも高温である。したがって、燃料極６内部では、逆シフト反応（ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ）による吸熱反応が生じる。その結果、ガス化ガスは、ＳＯＦＣ４内部の冷却に寄与し、ＳＯＦＣ４の高熱化への影響を小さくすることができる。 In the CO shift reactor 17, an exothermic reaction due to the shift reaction occurs, and the gasification gas is cooled. The gasification gas temperature at the outlet of the CO shift reactor 17 is, for example, 200 ° C to 250 ° C. The gasified gas having a low temperature is introduced into the fuel electrode 6 of the SOFC 4. The operating temperature of the SOFC 4 is 600 ° C. to 1000 ° C., which is higher than the gasification gas introduced into the fuel electrode 6 of the SOFC 4. Therefore, an endothermic reaction due to a reverse shift reaction (CO ₂ + H ₂ → CO + H ₂ O) occurs in the fuel electrode 6. As a result, the gasification gas contributes to cooling of the SOFC 4 and can reduce the influence on the high temperature of the SOFC 4.

図４を用いて、ＳＯＦＣ４における熱バランスについて説明する。
ＳＯＦＣ４は、発電に伴う反応によって発熱している。一方、ガス化ガスを燃料とする燃料電池の冷却は、燃料電池から排出される燃料や酸化剤ガス（空気）による熱の除去や、燃料電池外部からの放熱によって行う。また、本実施形態によれば、ＣＯシフト反応器１７が設けられることによって、ＳＯＦＣ４に導入されるガス化ガスの温度がＳＯＦＣ４の作動温度よりも低くなっているため、ＳＯＦＣ４内部ではシフト反応が吸熱反応になる。 The heat balance in the SOFC 4 will be described with reference to FIG.
The SOFC 4 generates heat due to a reaction accompanying power generation. On the other hand, cooling of a fuel cell using gasified gas as fuel is performed by removing heat from the fuel or oxidant gas (air) discharged from the fuel cell or by releasing heat from the outside of the fuel cell. Further, according to the present embodiment, since the temperature of the gasification gas introduced into the SOFC 4 is lower than the operating temperature of the SOFC 4 by providing the CO shift reactor 17, the shift reaction is endothermic inside the SOFC 4. Become a reaction.

したがって、シフト反応器が設けられていない従来の構成では、燃料電池の冷却は、図５に示すように、燃料や酸化剤ガス（空気）による熱の除去や、燃料電池外部からの放熱によるしかなかったが、本実施形態では、図４に示すように、シフト反応による吸熱反応が燃料電池の冷却に寄与し、ＳＯＦＣ４の高熱化への影響を小さくできることがわかる。 Therefore, in the conventional configuration in which the shift reactor is not provided, the fuel cell can be cooled only by removing heat from the fuel or oxidant gas (air) or by releasing heat from the outside of the fuel cell, as shown in FIG. However, in this embodiment, as shown in FIG. 4, it can be seen that the endothermic reaction due to the shift reaction contributes to the cooling of the fuel cell, and the influence on the increase in the temperature of the SOFC 4 can be reduced.

本実施形態は、特に、天然ガスを使用した内部改質方式の発電システムではなく、ＣＯとＨ_２を主成分とするガス化ガスを使用した発電システムにおいて有効である。すなわち、天然ガスを使用した内部改質方式の発電システムでは、図６に示すように、改質反応（ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２）による吸熱反応によって、燃料電池の発電に伴う発熱を冷却することもできる。 This embodiment is particularly effective in a power generation system using gasified gas mainly composed of CO and H ₂ , not an internal reforming power generation system using natural gas. That is, in the internal reforming type power generation system using natural gas, as shown in FIG. 6, the heat generated by the power generation of the fuel cell by the endothermic reaction due to the reforming reaction (CH ₄ + 2H ₂ O → CO ₂ + 4H ₂ ). Can also be cooled.

しかし、ＣＯとＨ_２を主成分とするガス化ガスでは、上記改質反応が生じず、改質反応によって燃料電池を冷却することができない。そこで、本実施形態では、改質反応による吸熱の分の熱量を何らかの方法で冷却する必要が生じるところ、本実施形態では、燃料電池内部の逆シフト反応による吸熱によって、冷却を補うことができる。 However, the gasification gas containing CO and H ₂ as main components does not cause the above reforming reaction, and the fuel cell cannot be cooled by the reforming reaction. Therefore, in this embodiment, it is necessary to cool the amount of heat absorbed by the reforming reaction by some method. In this embodiment, cooling can be supplemented by heat absorption by the reverse shift reaction inside the fuel cell.

その結果、燃料電池の冷却のため、複雑な構造を有する外部冷却機構を不要とする、又は小規模化することができる。または、燃料電池の発電に伴う発熱量を抑えて燃料電池の冷却促進を図る場合でも、ＣＯシフト反応器１７が設けられない場合に比べて、発電出力の低減幅を小さくすることができる。そのため、発電効率の低下を抑制できる。 As a result, an external cooling mechanism having a complicated structure is not required or can be reduced in size for cooling the fuel cell. Alternatively, even when the amount of heat generated by the power generation of the fuel cell is suppressed to promote the cooling of the fuel cell, the reduction range of the power generation output can be reduced as compared with the case where the CO shift reactor 17 is not provided. Therefore, a decrease in power generation efficiency can be suppressed.

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る複合発電システム２について、図２を用いて説明する。
本実施形態では、ＣＯシフト反応器１７に対してパイバス路４０を設ける。そして、ＣＯシフト反応器１７の上流側と、パイバス路４０それぞれには、制御弁２０，２１が設けられる。また、ＳＯＦＣ４には、図示しない温度測定部が設けられる。制御弁２０，２１及び温度測定部が、本発明の燃料調整手段を構成する。 [Second Embodiment]
Next, a combined power generation system 2 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, a Pibus path 40 is provided for the CO shift reactor 17. Control valves 20 and 21 are provided on the upstream side of the CO shift reactor 17 and the Pibus passage 40, respectively. The SOFC 4 is provided with a temperature measurement unit (not shown). The control valves 20 and 21 and the temperature measuring unit constitute the fuel adjusting means of the present invention.

本実施形態によれば、ＣＯシフト反応器１７を介さずに、パイバス路４０を介して高温のガス化ガスをＳＯＦＣ４に供給することによって、燃料供給管３１を流れるガス化ガスの温度を変化させることができる。その結果、ＳＯＦＣ４に導入されるガス化ガスの温度に応じて、ＳＯＦＣ４内部での吸熱反応と発熱反応を調整することができる。すなわち、ＳＯＦＣ４に設けられた温度測定部の温度に基づいて、パイバス路４０を流れるガス化ガスの流量を調整することによって、ＳＯＦＣ４の温度を変化させることができる。 According to the present embodiment, the temperature of the gasification gas flowing through the fuel supply pipe 31 is changed by supplying the high-temperature gasification gas to the SOFC 4 via the bypass path 40 without passing through the CO shift reactor 17. be able to. As a result, the endothermic reaction and the exothermic reaction inside the SOFC 4 can be adjusted according to the temperature of the gasification gas introduced into the SOFC 4. That is, the temperature of the SOFC 4 can be changed by adjusting the flow rate of the gasification gas flowing through the Pibus passage 40 based on the temperature of the temperature measuring unit provided in the SOFC 4.

例えば、ＳＯＦＣ４の出力を制限する場合など、ＳＯＦＣ４の温度が低下傾向にある場合は、パイバス路４０を流れるガス化ガスの流量を増加させて、ＳＯＦＣ４の温度を上昇させ、適切な温度に維持するように調整できる。 For example, when the temperature of the SOFC 4 tends to decrease, such as when the output of the SOFC 4 is limited, the flow rate of the gasification gas flowing through the Pibus passage 40 is increased to increase the temperature of the SOFC 4 and maintain the temperature appropriately. Can be adjusted as follows.

なお、本実施形態は、図３の複合発電システム３に示すように、制御弁２２を設けて、ＣＯシフト反応器１７に供給する熱媒体の流量を調整することによって、燃料供給管３１を流れるガス化ガスの温度を変化させてもよい。本変形例では、制御弁２２が燃料調整手段を構成する。 In the present embodiment, as shown in the combined power generation system 3 in FIG. 3, the control valve 22 is provided, and the flow rate of the heat medium supplied to the CO shift reactor 17 is adjusted to flow through the fuel supply pipe 31. The temperature of the gasification gas may be changed. In the present modification, the control valve 22 constitutes a fuel adjustment unit.

本変形例の場合でも、ＳＯＦＣ４に導入されるガス化ガスの温度に応じて、ＳＯＦＣ４内部での吸熱反応と発熱反応を調整することができる。すなわち、ＳＯＦＣ４に設けられた温度測定部の温度に基づいて、ＣＯシフト反応器１７に供給する熱媒体の流量を調整することによって、ＣＯシフト反応器１７の出口におけるガス温度が変化するため、ＳＯＦＣ４の温度を変化させることができる。これにより、複合発電システム３は、図２で示した複合発電システム２と同様の効果を得ることができる。 Even in this modification, the endothermic reaction and the exothermic reaction inside the SOFC 4 can be adjusted according to the temperature of the gasification gas introduced into the SOFC 4. That is, the gas temperature at the outlet of the CO shift reactor 17 is changed by adjusting the flow rate of the heat medium supplied to the CO shift reactor 17 based on the temperature of the temperature measuring unit provided in the SOFC 4. The temperature of can be changed. Thereby, the combined power generation system 3 can obtain the same effect as the combined power generation system 2 shown in FIG.

なお、上記第１及び第２の実施形態では、高温型燃料電池としてＳＯＦＣ４を用いる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されず、例えばＭＣＦＣでもよい。 In the first and second embodiments, the case where the SOFC 4 is used as the high-temperature fuel cell has been described. However, the present invention is not limited to this example, and may be, for example, an MCFC.

１，２，３複合発電システム（発電システム）
４ＳＯＦＣ（燃料電池）
６燃料極
７空気極
１４ガス化炉（ガス供給装置）
１７ＣＯシフト反応器
２０，２１，２２制御弁（燃料調整手段）
３８水蒸気供給部
４０バイパス路（燃料調整手段） 1,2,3 Combined power generation system (power generation system)
4 SOFC (fuel cell)
6 Fuel electrode 7 Air electrode 14 Gasification furnace (gas supply device)
17 CO shift reactor 20, 21, 22 Control valve (fuel adjustment means)
38 Water Vapor Supply Unit 40 Bypass Path (Fuel Adjustment Unit)

Claims

A power generation system including a fuel cell using as a fuel a gas containing carbon monoxide supplied from a gas supply device,
CO shift that generates carbon dioxide and hydrogen from at least a portion of carbon monoxide and water vapor contained in the fuel supplied from the gas supply device, and lowers the temperature of the fuel below the operating temperature of the fuel cell A reactor,
A fuel cell having a fuel electrode into which the fuel that has passed through the CO shift reactor is introduced;
A temperature measuring unit for measuring the temperature of the fuel cell;
Fuel temperature adjusting means for changing the temperature of the fuel discharged from the CO shift reactor and supplied to the fuel cell based on the measured temperature of the fuel cell;
A power generation system comprising:

The power generation system according to claim 1, further comprising a water vapor supply unit that is provided in front of the CO shift reactor and adds water vapor to the fuel.

The power generation system according to claim 2, wherein the steam added by the steam supply unit is generated by heat recovered by the CO shift reactor.

A method for cooling a fuel cell using as a fuel a gas containing carbon monoxide supplied from a gas supply device,
A CO shift reactor generates carbon dioxide and hydrogen from at least a portion of carbon monoxide and water vapor contained in the fuel supplied from the gas supply device, and the temperature of the fuel is changed to an operating temperature of the fuel cell. Step to lower than,
Introducing the fuel that has passed through the CO shift reactor into the fuel electrode of the fuel cell;
Measuring the temperature of the fuel cell;
Changing the temperature of the fuel discharged from the CO shift reactor and supplied to the fuel cell based on the measured temperature of the fuel cell;
A method for cooling a fuel cell comprising: