JP5964082B2

JP5964082B2 - 発電システム及び燃料電池の冷却方法

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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。

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。

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。

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。

特開２０１１−１４１９６８号公報（段落［００２９］及び図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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

上記発明において、前記水蒸気供給部で追加される水蒸気は、前記ＣＯシフト反応器で回収された熱によって生成されてもよい。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。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。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。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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

Claims

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、
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、
を備える発電システム。
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る請求項１に記載の発電システム。
前記水蒸気供給部で追加される水蒸気は、前記ＣＯシフト反応器で回収された熱によって生成される請求項２に記載の発電システム。
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、
前記燃料電池の温度を測定するステップと、
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ステップと、
を備える燃料電池の冷却方法。