(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなる、固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムであって、
前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器と、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器との間に、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインとが設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【請求項２】
前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【請求項３】
前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【請求項４】
前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段が設けられてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【請求項５】
前記低温のガスを供給する手段は、前記レキュペレータをバイパスするラインであることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【請求項６】
前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【請求項７】
前記燃焼を利用する産業プロセスは加熱炉であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【請求項８】
前記燃焼を利用する産業プロセスはラジアントチューブを備えた熱処理炉であること特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【請求項９】
固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなる、固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムであって、
前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられ、かつ、前記燃焼を利用する産業プロセスが還元雰囲気炉であり、該還元雰囲気炉に用いられる還元ガスが、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側パージガスとして共用されてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【請求項１０】
固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、
前記燃焼を利用する産業プロセスの必要とする酸化剤量に応じて、前記固体酸化物形燃料電池の酸化剤流量を調整し、該固体酸化物形燃料電池用酸化剤流量および温度に応じて、固体酸化物形燃料電池の電気出力を調整することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法。
【請求項１１】
固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器との間に前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするガスラインが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスの間に前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、
前記固体酸化物形燃料電池および前記燃焼を利用する産業プロセスの必要とする酸化剤流量に応じて、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインまたは前記固体酸化物形燃料電池バイパスするラインを制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法。
【請求項１２】
固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段または前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、
前記固体酸化物形燃料電池の必要とする酸化剤温度に応じて、前記低温のガスを供給する手段または前記加熱する手段を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法。
【請求項１３】
固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、
コンバインドシステム起動時に、前記固体酸化物形燃料電池を起動させずに前記燃焼を利用する産業プロセスのみを起動させ、前記改質器によって加熱された前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側パージガスおよび前記レキュペレータによって加熱された前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を用いて前記固体酸化物形燃料電池を昇温させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法。
【請求項１４】
固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムであって、
前記燃焼を利用する産業プロセスが還元雰囲気炉であり、該還元雰囲気炉に用いられる還元ガスが、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側パージガスとして共用されてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムに関し、より詳しくは、固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとの排熱を互いに利用し、総合効率を向上させるコンバインドシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも記載）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面に多孔性電極を取り付け、これを隔壁として一方の側に燃料ガス、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給し、約１０００℃で動作する燃料電池である。
【０００３】
ＳＯＦＣは、▲１▼高出力および高発電効率の達成が可能、▲２▼燃料ガスとして水素に加え一酸化炭素の使用が可能、▲３▼高温で動作、▲４▼電解質が固体であるため電解質散逸の問題がない等の特徴を有し、分散型エネルギー源として注目されている。
【０００４】
近年においては、エネルギーの有効利用に対する社会的要請の高まりにつれ、発電装置や燃焼を利用する産業プロセス単独での効率向上のみならず、２またはそれ以上を組み合わせたコンバインドシステム（複合システム）の構築により総合効率を向上させる試みが注目されており、高い発電効率を有するＳＯＦＣについてもさらなる総合効率の向上が希求されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の出願人は、ＳＯＦＣを含むコンバインドシステムの総合効率向上を目的とし、ＳＯＦＣと燃焼を利用する産業プロセス（以下、便宜上「燃焼プロセス」とも記載）とのコンバインドシステムを従前に開発した（特願２００１−４７２８５号）。該コンバインドシステムは、ＳＯＦＣの排ガスを燃焼プロセス用酸化剤として使用するものであり、ＳＯＦＣの排ガスの熱を有効利用することによって、総合効率の向上を達成するものである。更なる総合効率の向上のため、燃焼プロセスの排ガスでＳＯＦＣ用酸化剤を加熱するレキュペレータを設ける実施形態も開発されている。さらに、ＳＯＦＣと燃焼プロセスとのバランスのとれた操業を可能にするため、レキュペレータ、ＳＯＦＣまたは燃焼プロセスをバイパスするラインを設ける改良形態や、レキュペレータとＳＯＦＣとの間に、ＳＯＦＣ用酸化剤を加熱する手段を設ける改良形態も創作した。
【０００６】
上記のコンバインドシステムは、ＳＯＦＣまたは燃焼プロセス単独での操業と比べて劇的な総合効率の向上をもたらすものであり、このままでも充分実用性に富むものといえる。しかしながら、本発明者らは、さらに有益なコンバインドシステムの開発を目的として鋭意検討することにより、いくつかの改良の余地がある点を見出した。これらについて、以下記載する。
【０００７】
第１点目は、燃焼プロセスの排ガスの有する熱量のさらなる有効利用に関するものである。上述のコンバインドシステムにおいては、燃焼プロセスの排ガスの持つ熱量をＳＯＦＣ用空気の加熱のために回収しているが、燃焼プロセスの排ガスが高温である場合には排熱回収の余地が残されている。即ち、燃焼プロセスの排ガスが高温である場合には、レキュペレータ等を用いて熱量を回収した後も利用可能な熱量を有している場合があり、この排熱を有効利用することが可能である。
【０００８】
第２点目は、ＳＯＦＣ用燃料の改質に関するものである。ＳＯＦＣの燃料として炭化水素系燃料を用いる場合、水蒸気改質反応を用いて、発電燃料であるＣＯおよびＨ2へと改質する必要がある。この改質反応は７００℃以上で好適に進行し、また、吸熱反応であるため、系に対して熱を連続的に供給する必要がある。熱を連続的に供給する手段としては、ＳＯＦＣ内部に発電排熱やＳＯＦＣの排ガス顕熱を利用した内部改質手段を設けるか、外部から熱を供給する外部改質手段を設ける必要がある。しかしながら、内部改質を行うためには、ＳＯＦＣ内部に改質触媒を配置する必要があり、ＳＯＦＣ構造が複雑化する問題があった。また、外部改質を行うためには、外部改質器用に新たに熱源が必要となるため、エネルギー効率上好ましくない。
【０００９】
第３点目は、ＳＯＦＣの起動のための設備に関するものである。ＳＯＦＣを起動させるためには、約１０００℃といった高温の作動温度までＳＯＦＣを昇温させる必要があり、また、ＳＯＦＣの燃料極の酸化を防止するために窒素や水素を主体とするパージガスを燃料供給系に供給する必要がある。このため、パージガス予熱器やパージガス供給手段といった、ＳＯＦＣの起動のみに使用される設備が必要となり、装置の複雑化・装置コストの増大等の問題を招来していた。
【００１０】
本発明は上記事項に鑑みなされたものであり、「燃焼プロセスの排ガスの有効利用」、「ＳＯＦＣ用燃料改質の効率化」、「ＳＯＦＣモジュールのシンプル化」が可能な、優れた総合効率を有するＳＯＦＣと燃焼を利用する産業プロセスのコンバインドシステムを提供することを目的とする。
【００１１】
また本発明は、運転条件に対して好適に対応可能な前記コンバインドシステムの運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＳＯＦＣの排ガスが燃焼プロセス用酸化剤とされてなるＳＯＦＣと燃焼プロセスとのコンバインドシステムに関して、さらに燃焼プロセスの排ガスを有効利用しうる改質器を備えた構成とすることによって、上記課題が解決可能である点に着目し完成されたものである。また、ＳＯＦＣの排ガスが燃焼プロセス用酸化剤とされてなるＳＯＦＣと燃焼プロセスとのコンバインドシステムに関して、燃焼プロセス用還元ガスをＳＯＦＣパージガスとして共用することによって、ＳＯＦＣモジュールのシンプル化が図れる点に着目し完成されたものである。なお、本願発明の具体的手段は以下の通りである。
【００１３】
本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなる、固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムであって、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
【００１４】
前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなることが好ましい。
【００１５】
前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器との間に、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインが設けられてなることが好ましい。
【００１６】
前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスとの間に前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなることが好ましい。
【００１７】
前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段が設けられてなることが好ましい。
【００１８】
前記低温のガスを供給する手段は、前記レキュペレータをバイパスするラインであることが好ましい。
【００１９】
前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなることが好ましい。
【００２０】
前記燃焼を利用する産業プロセスは加熱炉であることが好ましい。
【００２１】
前記燃焼を利用する産業プロセスはラジアントチューブを備えた熱処理炉であることが好ましい。
【００２２】
前記燃焼を利用する産業プロセスが還元雰囲気炉であり、該還元雰囲気炉に用いられる還元ガスが、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側パージガスとして共用されてなることが好ましい。
【００２３】
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、前記燃焼を利用する産業プロセスの必要とする酸化剤量に応じて、前記固体酸化物形燃料電池の酸化剤流量を調整し、該固体酸化物形燃料電池用酸化剤流量および温度に応じて、固体酸化物形燃料電池の電気出力を調整することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法である。
【００２４】
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記固体酸化物形燃料電池と前記改質器との間に前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするガスラインが設けられてなり、前記レキュペレータと前記燃焼を利用する産業プロセスの間に前記固体酸化物形燃料電池をバイパスするラインが設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池および前記燃焼を利用する産業プロセスの必要とする酸化剤流量に応じて、前記燃焼を利用する産業プロセスをバイパスするラインまたは前記固体酸化物形燃料電池バイパスするラインを制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法である。
【００２５】
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなり、前記レキュペレータと前記固体酸化物形燃料電池との間に、前記レキュペレータから排出される前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤より低温のガスを供給する手段または前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱する手段が設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池の必要とする酸化剤温度に応じて、前記低温のガスを供給する手段または前記加熱する手段を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法である。
【００２６】
また本発明は、固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなり、前記燃焼を利用する産業プロセスの排ガスを用いて前記固体酸化物形燃料電池の発電用燃料を加熱および改質する改質器が設けられてなり、前記改質器の排ガスで前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を加熱するレキュペレータが設けられてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムにおいて、コンバインドシステム起動時に、前記固体酸化物形燃料電池を起動させずに前記燃焼を利用する産業プロセスのみを起動させ、前記改質器によって加熱された前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側パージガスおよび前記レキュペレータによって加熱された前記固体酸化物形燃料電池用酸化剤を用いて前記固体酸化物形燃料電池を昇温させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムの運転方法である。
【００２７】
さらに、本発明は固体酸化物形燃料電池の排ガスが燃焼を利用する産業プロセス用酸化剤とされてなる固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムであって、前記燃焼を利用する産業プロセスが還元雰囲気炉であり、該還元雰囲気炉に用いられる還元ガスが、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極側パージガスとして共用されてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステムである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
図１は、ＳＯＦＣ（１）の排ガス（２）が、燃料（４）と共に燃焼プロセス（３）用酸化剤として燃焼プロセス（３）に導入されてなり、該燃焼プロセス（３）の排ガス（５）がＳＯＦＣの発電用燃料（１２）を加熱および改質する改質器（６）に用いられ、次いで改質器（６）の排ガスがＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を加熱するためにレキュペレータ（９）に供給される、本願発明の一実施形態の模式図である。
【００３０】
コンバインドシステムにおいては、ＳＯＦＣ（１）にＳＯＦＣ用酸化剤（１０）および改質済み燃料（１１）が供給され、発電が行われる。本発明に使用されるＳＯＦＣのタイプは特に限定されるものでなく、円筒型ＳＯＦＣ、平面型ＳＯＦＣなど各種ＳＯＦＣを使用することができ、使用用途や、設置環境に応じて適宜選択できる。ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）および改質済み燃料（１１）の供給プロセスについては後述する。
【００３１】
本願のコンバインドシステムにおいては、ＳＯＦＣの稼動に伴い発生する排ガス（２）が、燃焼プロセス用酸化剤として燃焼プロセス（３）に供給される。ＳＯＦＣ（１）は高温で動作することを特徴とする燃料電池であり、ＳＯＦＣの排ガス（２）も８００〜１０００℃と非常に高温で、酸素濃度は１５〜１８％である。このため、高温の酸化剤が供給されることが好ましい燃焼プロセス用酸化剤としてＳＯＦＣの排ガス（２）を供給した場合、燃焼用酸素供給源として直接使用でき、総合効率の向上に効果がある。さらに、ＳＯＦＣの排ガス（２）はＳＯＦＣ（１）で活用されなかった残存燃料を含んでおり、燃焼プロセス（３）において残存燃料の利用を図ることができる。その上、高温燃焼が実現できるという利点を有する。以下高温燃焼および高温燃焼により得られる効果について簡単に説明する。
【００３２】
燃焼には一定量の酸素供給が必要であり、通常約１８体積％以上の酸素濃度が必要となる。しかし、８００℃以上では低酸素濃度下でも燃焼が可能であり、高温燃焼と呼ばれる燃焼状態となりうる。このような高温燃焼下においては、高い伝熱効果が得られ、かつ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減することもできる。ＳＯＦＣの排ガスは、上述したように８００〜１０００℃、酸素濃度１５〜１８体積％と、高温燃焼に適した条件を備えている。従って、何らガスの改質や熱交換器を用いた加熱を加えずに燃焼プロセス用酸化剤として直接使用した場合であっても上記特徴を有する高温燃焼が可能となる。
【００３３】
即ち、ＳＯＦＣの排ガス（２）を燃焼プロセス用酸化剤として用いた場合は、ＳＯＦＣの排ガス（２）の有する特性を有効に活用して、総合効率向上を図ることができる。
【００３４】
燃焼プロセス（３）は、燃焼を利用するものであれば特に限定されるものではなく、加熱炉、熱処理炉、焼却炉、ボイラ、乾燥炉、熱風炉、化学反応炉などが挙げられる。また、ＳＯＦＣ（２）と燃焼プロセス（３）とが一体化した発電機バーナーなどの装置形態としてもよく、該形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。燃焼プロセス用燃料供給手段（４）によって燃焼プロセス（３）に供給される燃料としては、重油、メタン、石炭、プロパン、電熱等が挙げられるが、特に限定されるものではない。燃焼プロセス（３）の燃焼温度も特に限定されるものではなく、より高い燃焼温度を所望する場合には燃料供給量を増加させればよい。ただし、上述の高温燃焼を実現するためには８００℃以上の高温熱処理を施しうる燃焼プロセスを適用することが好ましく、加熱炉やラジアントチューブを備えた熱処理炉が好適な例として挙げられる。ラジアントチューブはチューブ内で燃焼を行いチューブ外にある被加熱体を輻射加熱するものであり、各種公知のラジアントチューブを用いることができる。
【００３５】
燃焼プロセス（３）から排出される燃焼プロセスの排ガス（５）は、改質器（６）に搬送され、改質可能燃料混合物（７）の加熱および改質の熱源として利用される。改質器（６）における改質は、改質触媒を用いて炭化水素系ＳＯＦＣ燃料（１２）を水蒸気改質するのが一般的であり、水素および一酸化炭素を主成分として含む改質済み燃料（１１）がＳＯＦＣ（１）に供給される。改質反応について、メタンおよびエタン（天然ガス）を用いた場合について例示すると、下記式（Ｉ）〜（IV）：
【００３６】
【化１】
0003704299.tif 000002
【００３７】
で表される。
【００３８】
この燃料改質反応は一般的には７００℃以上で好適に進行する。このため、燃焼プロセスの排ガス（５）は７００℃以上であることが好ましく、具体的にはラジアントチューブを備えた熱処理炉が好ましい。ラジアントチューブからの排ガス温度は１０００℃もの高温になり得るからである。
【００３９】
改質器（６）への燃料の供給は、図１に示すように水蒸気、二酸化炭素を含む発電済み燃料（１３）を発電済み燃料混合手段（１５）において混合し、改質可能燃料混合物（７）として供給することができる。発電済み燃料混合手段（１５）としてはエゼクター、循環ポンプなどが挙げられる。
【００４０】
改質器（６）は、向流熱交換器、並流熱交換器などの各種公知の熱交換器の改質可能燃料混合物（７）通過経路に改質用触媒を充填したものを用いることができ、特に限定されるものではない。改質用触媒も通常使用される改質触媒を用いることができ、Ｎｉ系触媒、Ｐｔ−Ｎｉ系触媒、Ｐｄ−Ｚｎ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒などが挙げられる。
【００４１】
このようにＳＯＦＣ（１）と燃焼プロセス（３）とを組み合わせたコンバインドシステムに、改質器（６）をさらに含ませることによって、上記「解決しようとする課題」において述べた事項を一挙に解決することができる。
【００４２】
即ち、燃焼プロセスの排ガス（５）を改質器（６）に導くことによって、燃焼プロセスの排ガス（５）の有する熱量を有効に活用することができる。特に、燃焼プロセスの排ガス（５）が高温である場合に大きな効果が得られる。
【００４３】
また、改質可能燃料混合物（７）を改質する場合に、従来は、吸熱反応である水蒸気改質反応を進行させるべく、複雑な内部改質手段または外部熱源を必要とすると共に放熱ロス等によりエネルギー効率上好ましくない外部改質手段が必要とされていた。本願においては、ＳＯＦＣの外部に設けられた改質器（６）によって改質可能燃料混合物（７）を改質するが、このときコンバインドシステムを構成する燃焼プロセス（３）の排ガス（５）を活用できるため、改質器（６）に熱を供給する手段を特別に設ける必要がない。従って、ＳＯＦＣ（１）の構成をシンプルなものにでき、かつ、エネルギー効率の向上が図れる。
【００４４】
図２は、発電済み燃料混合手段（１５）を設けず、水蒸気（１４）を炭化水素系ＳＯＦＣ用燃料（１２）と共に供給する態様であり、このような改良形態も本願発明の技術的範囲に含まれるものである。水蒸気（１４）の発生手段としては、レキュペレータ（９）の排ガスを利用するなどの態様が考えられる（図示せず）。
【００４５】
さらに、ＳＯＦＣ（１）の起動時の昇温手段として改質器（６）を有効に活用できる。この作用について図３を参照して説明する。まず、ＳＯＦＣ（１）の燃料極側には燃料極の酸化を防止するため、窒素や水素を主体とするパージガス（２０）を供給し、ＳＯＦＣ（１）の空気極側にはＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を供給する。そして、ＳＯＦＣ（１）を作動させずに、燃焼プロセス（３）のみを作動させ、改質器（６）に高温の燃焼プロセスの排ガス（５）を導入する。パージガス（２０）は改質器（６）において加熱され、加熱されたパージガス（２０）がＳＯＦＣ（１）の燃料極側に搬送される。燃焼プロセス（３）が還元雰囲気炉である場合は、燃焼プロセス（３）の還元ガスをＳＯＦＣの燃料極パージガス（２０）として共用することができ、コンバインドシステムの構成をシンプルにすることができ、設備コストを削減できる。還元雰囲気炉としては浸炭炉や焼入炉などが挙げられ、還元ガスとしては一般には水素を含むガスが、水素以外に含まれうる成分としてはヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスが挙げられる。なお、燃焼プロセス（３）が還元雰囲気炉である場合には、必ずしも改質器（６）を用いて還元ガスを昇温する構成とする必要はなく、他の昇温手段を利用してもよい。この場合であっても、コンバインドシステムの構成をシンプルにすることができ、設備コストを削減する効果が得られる。
【００４６】
燃焼プロセス（３）が還元雰囲気炉でない場合には、窒素や水素を主体とするパージガス供給手段を設ければよく、パージガス供給手段は流量制御可能なボンベ等の一般的な手段を使用すればよい。
【００４７】
レキュペレータ（９）を備えたコンバインドシステムにおいては、改質器の排ガス（８）によりレキュペレータ（９）も加熱され、ＳＯＦＣ酸化剤（１０）が加熱される。そして、高温のパージガス（２０）やＳＯＦＣ酸化剤（１０）の作用によってＳＯＦＣ（１）が作動温度にまで加熱される。ＳＯＦＣ（１）が作動温度に達したら、改質器（６）に供給されるガスをパージガス（２０）から発電燃料（１２）へ徐々に変更し、ＳＯＦＣ（１）における発電を開始する。このように燃焼プロセス（５）および改質器（６）を活用してＳＯＦＣ（１）を加熱できるため、ＳＯＦＣ（１）の加熱・昇温のための特別な装置を設ける必要がなく、装置構成をシンプルにでき、設備コストを削減することができる。また、ＳＯＦＣ（１）起動時に、ＳＯＦＣ用燃料（１２）、改質可能燃料混合物（７）および改質済み燃料（１１）が通過するラインをパージガス（２０）が通過するラインとして併用した場合、より一層の装置構成のシンプル化、設備コストの削減を図ることができる。ラインを併用する場合には弁を用いて通過するガスを制御すればよい。
【００４８】
上述するように、改質器（６）を設けることによって総合効率の向上が図れるが、さらに高い総合効率を得るためにはレキュペレータ（９）を設けることが好ましい。レキュペレータ（９）は、図１に示すように改質器の排ガス（８）を用いて、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を加熱することができるように設けることができる。また、コンバインドシステムの運転上特に問題が生じなければ、改質器（６）とレキュペレータ（９）との位置を逆にし、レキュペレータ（９）を燃焼プロセス（３）と改質器（６）との間に設けてもよい。この場合、燃焼プロセスの排ガス（５）の熱を用いて、レキュペレータ（９）でＳＯＦＣ用酸化剤（１０）が加熱される。そして、レキュペレータ（９）の排ガスの熱を用いて、改質器（６）で改質可能燃料混合物（７）が加熱される。ただし、改質器（６）における改質反応は上述の通り７００℃以上で好適に進行することから、改質反応の制御を考慮すると改質器（６）の排ガス（８）をレキュペレータ（９）に導入する形態がより好ましいといえる。なお、以下の説明は、便宜上図１に示すように改質器の排ガス（８）を用いて、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を加熱するレキュペレータ（９）が設けられてなる態様に関して説明するが、レキュペレータ（９）が燃焼プロセス（３）と改質器（６）との間に設けた態様についても同様に適用できるものである。従って本願において、「燃焼プロセスの排ガスを用いて」には、燃焼プロセスの排ガス（５）を直接改質器（６）に供給する形態の他、レキュペレータ（９）などを介して間接的に燃焼プロセスの排ガス（５）を改質器（６）に供給する形態も概念として含まれるものである。
【００４９】
レキュペレータ（９）は、向流熱交換器、並流熱交換器などの各種公知の熱交換器を用いることができ、特に限定されるものではない。レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤（１０）はＳＯＦＣ（１）に供給され、発電に利用される。ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）としては、空気、酸素ガス、酸素ガスの混入により酸素濃度を調整した高酸素ガスなどを用いることができる。
【００５０】
以下、上述のコンバインドシステムの改良形態およびその運転方法について説明する。
【００５１】
実際のコンバインドシステムの操業に際しては、燃焼プロセス（３）の必要とする燃焼プロセス用酸化剤流量とＳＯＦＣの排ガス（２）流量とが異なる状態で操業される場合がある。このとき一方の必要とする流量に運転条件を合わせると、他方の機能を充分に活用することができず、総合効率の減少を招来する恐れがある。また、燃焼プロセス（３）またはＳＯＦＣ（１）の運転条件の変化によって、コンバインドシステムとしての最適運転点（最大効率点）が変動するが、安定操業の観点からは双方の運転条件が頻繁に変動することは好ましくない。
【００５２】
この問題を解決するためには、ＳＯＦＣ（１）と改質器（６）との間に、ＳＯＦＣの排ガス（２）の一部が燃焼プロセス（３）をバイパスするライン（バイパスラインＡ：１６）を設けることが好ましい。これにより、ＳＯＦＣの排ガス（２）の過剰供給に対し、燃焼プロセス（３）の安定操業を確保できるとともに、改質器（６）への熱供給およびＳＯＦＣ（１）の発電も継続できる。レキュペレータ（９）を燃焼プロセス（３）と改質器（６）との間に設ける場合には、ＳＯＦＣ（１）とレキュペレータ（９）との間に、ＳＯＦＣの排ガス（２）の一部が燃焼プロセス（３）をバイパスするライン（バイパスラインＡ：１６）を設けることが好ましい。
【００５３】
また、燃焼プロセス（３）にＳＯＦＣ（１）を経ていない酸化剤を供給するために、レキュペレータ（９）と燃焼プロセス（３）との間に、ＳＯＦＣ（１）をバイパスするライン（バイパスラインＢ：１７）を設けることが好ましい。これにより、燃焼プロセス用酸化剤流量の不足を補うことができる。
【００５４】
本発明のコンバインドシステムにおいては、レキュペレータ（９）から排出されるＳＯＦＣ酸化剤より低温のガスを供給する手段を設けてもよい。このような供給手段を設けた場合、レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤（１０）がＳＯＦＣ（１）の必要とする酸化剤温度よりも高いときに低温のガスを供給し、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度を下げる事ができる。供給される低温のガスはＳＯＦＣ（１）を作動させる上で弊害が生じないものであれば特に限定されるものではなく、空気や酸素などが挙げられる。供給手段は、ブロワ等各種公知手段を設けることができるほか、図１、２に示すようにレキュペレータ（９）をバイパスするライン（バイパスラインＣ）１８を設けても良い。
【００５５】
また、レキュペレータ（９）とＳＯＦＣ（１）との間に、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の加熱手段（１９）を設けてもよい。加熱手段（１９）を設置することにより、ＳＯＦＣ（１）が必要とする温度にレキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の温度が達しない場合に、加熱手段（１９）を用いてＳＯＦＣ用酸化剤温度を上げることができる。加熱手段（１９）としては、ＳＯＦＣ用酸化剤中に燃料を供給し燃焼させる手段や、さらに熱交換器を設けて加熱する手段などが挙げられる。燃料を供給し燃焼させる場合には、ＳＯＦＣ（１）に供給される酸素量が減少することになるが、通常ＳＯＦＣ用酸化剤には発電に対して過剰量の酸素が含有されており、数十〜数百℃の昇温に酸素を使用しても発電には影響がない。
【００５６】
ＳＯＦＣ（１）の各バイパスラインには弁を設けてガス流量を制御することが好ましい。これにより、燃焼プロセスとＳＯＦＣとの操業状態の変化に対して総合効率が最大になるようにガス流量を迅速に制御することができる。具体的には、ステンレス、ニッケル合金、セラミック等の耐熱材料からなる開閉率制御の可能なバラフライ弁などをバイパスライン中に設けうる。バイパスラインなどのガス搬送ラインは、これらに限定されるものではないが、耐火ライニングを施したステンレスなどの材料を用いて、各装置を繋ぐ配管にフランジによるボルト接合や溶接接合により接続するとよい。
【００５７】
以下に、バイパスラインの作用、並びに本発明に係るコンバインドシステムの運転方法について説明する。
【００５８】
図４は、改質器（６）の排熱をレキュペレータ（９）で回収したとき、レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤の全量がＳＯＦＣ（１）で用いられ、燃焼プロセス（３）の排熱を最大限利用でき、かつ、ＳＯＦＣの排ガス（２）の全量が燃焼プロセス（３）に入る状態を示す。この状態を完全バランス状態と定義する。完全バランス状態の場合に総合効率は最も高くなる。
【００５９】
常に完全バランス状態を保つためには、バイパスラインＡ（１６）やバイパスラインＢ（１７）を設けずに、燃焼プロセス（３）が必要とする酸化剤量に合わせてＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の流量を調整し、そのＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の流量および温度に合わせてＳＯＦＣ電気出力を調整する方法もある。この場合、ＳＯＦＣの排ガス（２）が燃焼プロセス（３）の必要とする酸化剤量と同量になるようＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の流量を調整し、レキュペレータ（９）から排出されるＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度に応じて、ＳＯＦＣ（１）が作動可能な温度を維持できる電気出力を決定する。ＳＯＦＣ（１）および燃焼プロセス（３）を一定範囲の作動条件で運転する場合には、バイパスラインＡ（１６）やバイパスラインＢ（１７）を設けずとも高い総合効率を得ることができる。従って、バイパスライン等を設けない場合には、設ける場合と比較して装置コストを抑えることができる。
【００６０】
しかし、ＳＯＦＣ（１）および燃焼プロセス（３）を各々独立の計画で運用する場合には、完全バランス状態を保つことは出来ない。この場合にはバイパスラインＡ（１６）、バイパスラインＢ（１７）、バイパスラインＣ（１８）、加熱手段（１９）を用いて、最高の総合効率が得られるように制御することができる。
【００６１】
例えば、ＳＯＦＣ（１）が必要とする酸化剤流量より燃焼プロセス（３）が必要とする酸化剤流量の方が少ない場合には、図５に示すようにバイパスラインＡ（１６）を活用することにより、ＳＯＦＣ（１）が必要とする酸化剤流量と燃焼プロセス（３）が必要とする酸化剤流量とのバランスを保つことができる。この場合、ＳＯＦＣの排ガス（２）のうち燃焼プロセス（３）に搬送されない部分は、バイパスラインＡ（１６）によって改質器（６）に搬送され、ＳＯＦＣの排ガス（２）の持つ顕熱が有効に活用される。これにより、コンバインドシステムの総合効率低下を抑制することができる。
【００６２】
一方、ＳＯＦＣ（１）が必要とする酸化剤流量より燃焼プロセス（３）が必要とする酸化剤流量の方が多い場合がある。この場合は、図６に示すようにバイパスラインＢ（１７）を活用することにより、燃焼プロセス（３）が必要とする酸化剤流量の不足分を補うことができる。
【００６３】
また、レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度がＳＯＦＣ（１）が必要とする温度に達しない場合は、加熱手段（１９）によってＳＯＦＣ用酸化剤（１０）を加熱し、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度を上げることができる（図７）。逆に、レキュペレータ（９）で加熱されたＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度が、ＳＯＦＣ（１）が必要とする温度より高い場合は、バイパスラインＣ（１８）を用いることによりＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度を下げることができる（図８）。バイパスラインＣ（１８）の代わりにブロワ等によりレキュペレータ（９）通過後のＳＯＦＣ用酸化剤（１０）よりも低温の空気や酸素を供給してもよい。
【００６４】
なお、本発明に係るコンバインドシステムの運転にあたっては、上述したバイパスラインＡ〜Ｃ、加熱手段等を自由に組み合わせることができる。
【００６５】
また、バイパスラインＡ（１６）およびバイパスラインＢ（１７）の制御方法としては、燃焼プロセス（３）およびＳＯＦＣ（１）に対する操業指令から必要な酸化剤量を算出し、これに基づきバイパスラインＡ（１６）およびバイパスラインＢ（１７）に設けられた弁に指示を与える方法が挙げられる。バイパスラインＣ（１８）と加熱手段（１９）の制御方法としては、レキュペレータ（９）のＳＯＦＣ側出口近傍に設けられた温度センサーから得られる情報に基づき、ＳＯＦＣ用酸化剤（１０）の温度がＳＯＦＣ（１）の必要とする温度になるようバイパスラインＣ（１８）や加熱手段（１９）に指示を与える方法が挙げられる。
【００６６】
【実施例】
燃焼プロセスとして鋼板熱処理炉のラジアントチューブを用いた場合のコンバインドシステムのエネルギーバランスを、ラジアントチューブ単体でのエネルギーバランスおよびＳＯＦＣ単体でのエネルギーバランスと比較して示す。
【００６７】
＜実施例１：ＳＯＦＣとラジアントチューブとのコンバインドシステム＞
ＳＯＦＣとラジアントチューブコンバインドシステムに必要な燃料を１００とした時のエネルギーバランスを図９に示す。ＳＯＦＣ用燃料としては、都市ガスを用いた。熱効率は、下記式（１）：
【００６８】
【数１】
0003704299.tif 000003
【００６９】
により定義した。ラジアントチューブについての熱効率は８６％であり、ＳＯＦＣについての熱効率は４７％であった。また、コンバインドシステム全体の熱効率は７９％であった。
【００７０】
＜比較例１：ラジアントチューブ単体＞
ラジアントチューブでの出熱を７０とした場合のラジアントチューブ単体でのエネルギーバランスを図１０に示す。比較のためレキュペレータの熱回収効率をコンバインドシステムと同じにしている。上記式（１）に従って熱効率を求めたところ、ラジアントチューブの熱効率は７５％であった。
【００７１】
＜比較例２：ＳＯＦＣ単体＞
ＳＯＦＣ発電量を９とした場合のＳＯＦＣ単体でのエネルギーバランスを図１１に示す。比較のためＳＯＦＣ用燃料に都市ガスを用い、ＳＯＦＣの排ガスの熱エネルギーで燃料改質を行う場合についてエネルギーバランスを算出した。上記式（１）に従って熱効率を求めたところ、ＳＯＦＣの熱効率は４７％であった。
【００７２】
実施例および比較例に示されるように、実施例の本発明に係るコンバインドシステムの効率は非常に優れていることが示された。
【００７３】
【発明の効果】
本願のコンバインドシステムにおいては、ＳＯＦＣの供給に伴い発生する排ガスが、燃焼プロセス用酸化剤として燃焼プロセスに供給される。このとき、ＳＯＦＣの排ガスが８００〜１０００℃と非常に高温で、酸素濃度は１５〜１８％である特性を活用して、総合効率の向上、設備コストの削減、装置のシンプル化といった効果を得ることができる。
【００７４】
上記効果に加えて、改質器を燃焼プロセスの排ガスの有する熱量を利用しうる改質器を設けることによって総合効率の向上が図れる。また、改質器により改質された改質済み燃料が固体酸化物形燃料電池の発電用燃料として使用できるため、ＳＯＦＣ本体内部に改質器を備える必要がなくなり、ＳＯＦＣの構造をシンプルにできる。さらに、ＳＯＦＣの起動時の昇温手段として改質器を有効に活用できる。
【００７５】
本願発明に係るコンバインドシステムの操業に関しては、燃焼プロセスが必要とする酸化剤流量に合わせて、ＳＯＦＣの酸化剤流量および電気出力を調整することにより高効率な操業を達成できる。また、バイパスラインや加熱手段をコンバインドシステムに設けることにより、ＳＯＦＣ用酸化剤および燃焼プロセス用酸化剤の温度、流量、酸素濃度を柔軟に調整でき、ＳＯＦＣや燃焼プロセスの操業条件が変化する場合であっても安定操業を達成できる。さらにコンバインドシステム起動時に、燃焼プロセスのみを始めに起動させることで、改質器（レキュペレータを備える場合にはレキュペレータも）が加熱され、ＳＯＦＣを作動温度にまで昇温させることができるため、ＳＯＦＣ起動用の専用加熱装置が不要となり、装置のシンプル化、設備コストの削減が図れる。
【００７６】
また、燃焼プロセスが還元雰囲気炉である場合、還元雰囲気炉の還元ガスをＳＯＦＣ起動時に使用する燃料極側パージガスとして共用し、ＳＯＦＣ起動用の専用パージガス供給手段を設置する必要がなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＳＯＦＣ、燃焼プロセス、改質器およびレキュペレータからなるコンバインドシステムの一実施形態の模式図である。
【図２】  図１と同様なコンバインドシステムであり、燃料改質に必要な水蒸気を異なる方式で供給する場合のコンバインドシステムの一実施形態の模式図である。
【図３】  コンバインドシステム起動時の状態を示す図である。
【図４】  完全バランス状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図５】  バイパスラインＡを使用した状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図６】  バイパスラインＢを使用した状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図７】  加熱手段を用いてＳＯＦＣ用空気を加熱している状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図８】  バイパスラインＣを使用した状態にあるコンバインドシステムを示す図である。
【図９】  本発明に係る、ＳＯＦＣとラジアントチューブとを複合させた場合のエネルギーバランスを示す図である。
【図１０】  ラジアントチューブ単体でのエネルギーバランスを示す図である。
【図１１】  ＳＯＦＣ単体でのエネルギーバランスを示す図である。
【符号の説明】
１  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
２  ＳＯＦＣの排ガス
３  燃焼を利用する産業プロセス（燃焼プロセス）
４  燃焼プロセス用燃料供給手段
５  燃焼プロセスの排ガス
６  改質器
７  改質可能燃料混合物
８  改質器の排ガス
９  レキュペレータ
１０  ＳＯＦＣ用酸化剤
１１  改質済み燃料
１２  炭化水素系ＳＯＦＣ用燃料
１３  発電済み燃料
１４  水蒸気
１５  発電済み燃料混合手段
１６  バイパスラインＡ
１７  バイパスラインＢ
１８  バイパスラインＣ
１９  加熱手段
２０  パージガス
【図１】
0003704299.tif 000004
【図２】
0003704299.tif 000005
【図３】
0003704299.tif 000006
【図４】
0003704299.tif 000007
【図５】
0003704299.tif 000008
【図６】
0003704299.tif 000009
【図７】
0003704299.tif 000010
【図８】
0003704299.tif 000011
【図９】
0003704299.tif 000012
【図１０】
0003704299.tif 000013
【図１１】
0003704299.tif 000014