JP2009117054A - Power generation method and system using high-temperature fuel cell - Google Patents
Power generation method and system using high-temperature fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009117054A JP2009117054A JP2007285603A JP2007285603A JP2009117054A JP 2009117054 A JP2009117054 A JP 2009117054A JP 2007285603 A JP2007285603 A JP 2007285603A JP 2007285603 A JP2007285603 A JP 2007285603A JP 2009117054 A JP2009117054 A JP 2009117054A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- carbon monoxide
- fuel
- hydrogen
- power generation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 518
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 122
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 91
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 254
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 252
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 claims abstract description 160
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 22
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 266
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 266
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 248
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 227
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 81
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 32
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 16
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 15
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims description 15
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 14
- 238000003795 desorption Methods 0.000 claims description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 7
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 claims description 7
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 claims description 7
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 3
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 28
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 17
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 14
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 7
- -1 potassium carbonate alkali metal salt Chemical class 0.000 description 7
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000006200 vaporizer Substances 0.000 description 5
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 description 4
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 4
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 3
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018007 MmNi Inorganic materials 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 2
- 231100000989 no adverse effect Toxicity 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 241000282465 Canis Species 0.000 description 1
- 208000001408 Carbon monoxide poisoning Diseases 0.000 description 1
- 229910010340 TiFe Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003034 coal gas Substances 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 description 1
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000010815 organic waste Substances 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N oxide(2-) Chemical compound [O-2] AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005120 petroleum cracking Methods 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Substances [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 1
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】高温作動燃料電池全体の燃料利用率を高め、また高温作動燃料電池と高温作動燃料電池以外の燃料電池を含む燃料電池全体の燃料利用率を高めることにより、発電効率の向上を図る。
【解決手段】高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用することにより、高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする高温作動燃料電池による発電方法及び発電システム。
【選択図】図3Power generation efficiency is improved by increasing the fuel utilization rate of the entire high-temperature operating fuel cell and by increasing the fuel utilization rate of the entire fuel cell including fuel cells other than the high-temperature operating fuel cell and the high-temperature operating fuel cell.
After cooling the anode off-gas of a high-temperature operating fuel cell, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to produce the same or another high-temperature operating fuel. A power generation method and a power generation system using a high-temperature operating fuel cell, wherein the power generation efficiency is improved while improving the fuel utilization rate of the entire high-temperature operating fuel cell by being reused as fuel for the battery.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、高温作動燃料電池による発電方法及びシステムに関し、より詳しくは固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池のような高温作動燃料電池において、アノードオフガスを高温作動燃料電池それ自体、あるいは他の燃料電池との組み合わせによって再利用することにより、高温作動燃料電池全体としての燃料利用率、また他の燃料電池を含む燃料電池全体としての燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させる高温作動燃料電池による発電方法及び発電システムに関する。 The present invention relates to a power generation method and system using a high-temperature operating fuel cell, and more specifically, in a high-temperature operating fuel cell such as a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell, the anode off-gas is used as the high-temperature operating fuel cell itself. Alternatively, by reusing it in combination with another fuel cell, the fuel utilization rate of the high-temperature operating fuel cell as a whole and the fuel utilization rate of the fuel cell as a whole including other fuel cells are improved, and the power generation efficiency is improved. The present invention relates to a power generation method and a power generation system using a high-temperature operating fuel cell.
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下適宜“SOFC”と略称する)は、固体電解質として酸化物イオン(O2-)伝導体を用いる点に特徴を有するもので、固体電解質を挟んでアノード(燃料極)とカソード(空気極または酸素極)の両電極を配置して構成される。SOFCは、一般的には、作動温度が800〜1000℃程度と高いが、600〜800℃程度、例えば750℃程度の作動温度のものも開発されつつある。以下、カソードに空気を供給する場合を例に説明するが、酸化剤ガスとして酸素富化空気や酸素を供給する場合も同様である。 A solid oxide fuel cell (hereinafter abbreviated as “SOFC” where appropriate) is characterized in that an oxide ion (O 2− ) conductor is used as a solid electrolyte. In this configuration, both an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode or oxygen electrode) are arranged. The SOFC generally has an operating temperature as high as about 800 to 1000 ° C., but an SOFC having an operating temperature of about 600 to 800 ° C., for example, about 750 ° C. is being developed. Hereinafter, the case where air is supplied to the cathode will be described as an example, but the same applies to the case where oxygen-enriched air or oxygen is supplied as the oxidant gas.
SOFCでは、その運転時に、アノード側に燃料を供給し、カソード側に空気を供給して電気化学反応を起こさせることで電力が取り出される。空気供給管から供給される空気中の酸素はカソードで酸化物イオン(O2-)となり、電解質膜を通ってアノードに至る。ここで燃料供給管から供給される燃料と反応して電子を放出し、電気と反応生成物(H2OやCO2)を生成する。 In the SOFC, during operation, electric power is taken out by supplying fuel to the anode side and supplying air to the cathode side to cause an electrochemical reaction. Oxygen in the air supplied from the air supply pipe becomes oxide ions (O 2− ) at the cathode and reaches the anode through the electrolyte membrane. Here, it reacts with the fuel supplied from the fuel supply pipe and emits electrons to generate electricity and reaction products (H 2 O and CO 2 ).
また、溶融炭酸塩形燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell:以下適宜“MCFC”と略称する)は、電解質として炭酸イオン(CO3 2-)伝導体を用いる点に特徴を有するもので、アルミン酸リチウムなどの多孔質マトリックスに浸漬させた炭酸リチウムや炭酸カリウムアルカリ金属塩の混合溶融塩などの電解質を挟んでアノード(燃料極)とカソード(空気極または酸素極)の両電極を配置して構成される。その作動温度は600〜700℃程度であり、一般的には650℃前後で運転される。 A molten carbonate fuel cell (hereinafter abbreviated as “MCFC” where appropriate) is characterized in that a carbonate ion (CO 3 2− ) conductor is used as an electrolyte. The anode (fuel electrode) and the cathode (air electrode or oxygen electrode) are arranged with an electrolyte such as a mixed molten salt of lithium carbonate or potassium carbonate alkali metal salt immersed in a porous matrix. The The operating temperature is about 600 to 700 ° C., and it is generally operated at around 650 ° C.
MCFCでは、その運転時に、アノード側に燃料を供給し、カソード側に空気を供給して電気化学反応を起こさせることで電力が取り出される。空気供給管から供給される空気中の酸素はカソードで別途供給されるCO2と反応して炭酸イオン(CO3 2-)となり、電解質を通ってアノードに至る。ここで燃料供給管から供給される燃料と反応して電子を放出し、電気と反応生成物(H2OやCO2)を生成する。生成したCO2を分離してカソードに戻す方法が一般に用いられる。 In MCFC, electric power is taken out by supplying fuel to the anode side and supplying air to the cathode side to cause an electrochemical reaction during the operation. Oxygen in the air supplied from the air supply pipe reacts with CO 2 supplied separately at the cathode to become carbonate ions (CO 3 2− ), and passes through the electrolyte to the anode. Here, it reacts with the fuel supplied from the fuel supply pipe and emits electrons to generate electricity and reaction products (H 2 O and CO 2 ). A method of separating the produced CO 2 and returning it to the cathode is generally used.
ところで、SOFC及びMCFCにおいては水素と一酸化炭素が燃料となる。メタンは、それら高温の作動温度において、アノードの構成成分である金属、例えばニッケルの触媒作用による内部改質により水蒸気改質されて水素と一酸化炭素になるので、SOFC及びMCFCのアノードへ導入する燃料としては水素を含む燃料、一酸化炭素を含む燃料、水素及び一酸化炭素を含む燃料、あるいは水素、一酸化炭素及びメタンを含む燃料が使用される。 By the way, in SOFC and MCFC, hydrogen and carbon monoxide are fuels. Methane is steam-reformed to hydrogen and carbon monoxide by internal reforming by the catalytic action of a metal that is a component of the anode, such as nickel, at these high operating temperatures, so that it is introduced into the anode of SOFC and MCFC. As the fuel, a fuel containing hydrogen, a fuel containing carbon monoxide, a fuel containing hydrogen and carbon monoxide, or a fuel containing hydrogen, carbon monoxide and methane is used.
都市ガスなどの炭化水素系燃料、エタノールなどのアルコール燃料、ジメチルエーテルなどのエーテル系液体燃料は予備改質器(プリリフォーマ)での水蒸気改質反応により水素、一酸化炭素、メタンに変えられる。メタンについては、高温作動燃料電池のアノードでのいわゆる内部改質により水素、一酸化炭素に改質されて電気化学反応に供される。 Hydrocarbon fuels such as city gas, alcohol fuels such as ethanol, and ether liquid fuels such as dimethyl ether can be converted into hydrogen, carbon monoxide, and methane by a steam reforming reaction in a pre-reformer. Methane is reformed to hydrogen and carbon monoxide by so-called internal reforming at the anode of a high-temperature operating fuel cell and is subjected to an electrochemical reaction.
なお、メタンをも改質して高温作動燃料電池に供給してもよく、この場合には予備改質器ではなく、改質器と言うことになり、改質器では改質ガスを生成する。本明細書においては、予備改質器または改質器での改質前の燃料を“原燃料”と称し、原燃料を予備改質器で改質して生成した改質ガスを“粗改質ガス”と称している。 Note that methane may also be reformed and supplied to the high-temperature operating fuel cell. In this case, the reformer is not a preliminary reformer but a reformer, and the reformer generates reformed gas. . In this specification, the pre-reformer or the fuel before reforming by the reformer is referred to as “raw fuel”, and the reformed gas generated by reforming the raw fuel by the pre-reformer is “roughly modified”. It is called “quality gas”.
水蒸気改質反応は、吸熱反応であるため、原燃料よりも改質後の一酸化炭素及び水素の燃焼熱が増加することから、排熱を利用することで、いわゆるケミカルヒートポンプの機能が発揮され、その後の電気化学反応による発電電力が増し、結果的に発電効率が向上することに特徴がある。 Since the steam reforming reaction is an endothermic reaction, the heat of combustion of carbon monoxide and hydrogen after reforming is higher than that of the raw fuel, so the function of a so-called chemical heat pump is exhibited by using exhaust heat. The power generated by the subsequent electrochemical reaction is increased, resulting in improved power generation efficiency.
また、高温作動型燃料電池において作動温度が高温であることは、化学反応速度が速くセル内での過電圧すなわち損失が小さくなることからも、低温作動型燃料電池よりも一般的に高い発電効率となる。また、排熱温度が高いことは、タービンなどと組み合わせた複合発電や吸収式冷凍機が利用できるなど、熱が利用できることからも優れた性能が期待される。 In addition, the high operating temperature of a high-temperature operating fuel cell is that the chemical reaction rate is high and the overvoltage, that is, the loss in the cell is small. Become. In addition, the high exhaust heat temperature is expected to have excellent performance from the fact that heat can be used, such as a combined power generation combined with a turbine or an absorption refrigerator.
ところで、SOFCやMCFCにおいては、アノードに供給された燃料は通常70〜85%程度が利用され、残りの30〜15%は未利用のまま、アノードオフガスとして燃料電池外に排出される。その際、未利用の燃料はそのまま燃料電池外に放出するのではなく、熱回収のために燃焼して原燃料や空気の予熱、作動温度維持のための熱自立用熱源、あるいはコージェネレーションシステムなどの後段プロセスでの熱利用などに用いられる。 By the way, in SOFC and MCFC, about 70 to 85% of the fuel supplied to the anode is normally used, and the remaining 30 to 15% is unused and discharged outside the fuel cell as anode off gas. At that time, the unused fuel is not discharged outside the fuel cell as it is, but it is burned for heat recovery to preheat raw fuel and air, a heat source for self-sustaining heat to maintain the operating temperature, or a cogeneration system, etc. It is used for heat utilization in the latter process.
そのように、SOFCやMCFCは通常燃料利用率70〜85%程度で運転されるが、これは、燃料利用率をこれ以上に高めると、SOFCやMCFCの燃料出口に近い箇所で燃料枯れが起こって電池の電位が落ち、発電効率が低下するからである。このため、SOFCやMCFCの課題の一つは燃料利用率が高く設定できないということにある。理論的には燃料利用率95%程度までは十分利用可能であるが、実際には、燃料の若干のリークや電極内部の拡散律速などの問題があり、高々80%程度利用できるのが現状である。 As such, SOFC and MCFC are usually operated at a fuel utilization rate of about 70 to 85%. However, if the fuel utilization rate is further increased, fuel depletion occurs near the SOFC or MCFC fuel outlet. This is because the electric potential of the battery is lowered and the power generation efficiency is lowered. For this reason, one of the problems of SOFC and MCFC is that the fuel utilization rate cannot be set high. Theoretically, it is possible to use up to 95% of the fuel utilization rate, but in reality, there are problems such as slight leakage of fuel and diffusion control inside the electrode, and it is currently possible to use about 80% at most. is there.
このため、アノードオフガスとして排出される残り約20%の燃料はカソードオフガスで燃焼し、原燃料改質用の水蒸気発生や燃料電池に供給する空気の予熱などによる燃料電池の熱自立のため、あるいはコージェネレーションシステムでの熱源に利用されるのみである(特開2001−266924号公報、特開2002−56875号公報)。 For this reason, the remaining 20% of the fuel discharged as the anode off-gas is burned with the cathode off-gas, for the heat self-sustaining of the fuel cell due to the generation of water vapor for reforming the raw fuel or the preheating of the air supplied to the fuel cell, or It is only used as a heat source in a cogeneration system (Japanese Patent Laid-Open Nos. 2001-266924 and 2002-56875).
また、特開2004−6281号公報には、特開2002−56875号公報のように発電に伴い発生する排熱を利用して温水を生成する技術では、電力だけを使用して温水を使用しない場合や温水だけを使用して電力を使用しない場合も多く、電力及び温水が無駄なく使用されることは少ないとし、発電の過程で生成される排水素を温水生成に利用したり、電力生成に利用することが可能なエネルギー生成装置が提案されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-6281 discloses a technique for generating hot water by using exhaust heat generated by power generation as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-56875, which uses only electric power and does not use hot water. In some cases, only hot water is used and electric power is not used.Electricity and hot water are rarely used without waste, and waste hydrogen generated in the process of power generation is used for hot water generation or for electric power generation. An energy generator that can be used has been proposed.
特開2006−31989号公報には、SOFCのアノードオフガスから、(a)水蒸気を除去するか、(b)水蒸気及び二酸化炭素を除去するか、あるいは(c)水蒸気、二酸化炭素及び一酸化炭素を除去してアノードオフガスを再生する方法が提案されている。この技術では再生アノードオフガス中の未利用の水素を燃料電池の燃料として再利用することによりSOFCにおける燃料利用率を高め、発電効率を向上させている。 JP-A-2006-31989 discloses (a) removing water vapor, (b) removing water vapor and carbon dioxide, or (c) removing water vapor, carbon dioxide and carbon monoxide from the SOFC anode off-gas. A method of removing the anode off gas by removing it has been proposed. In this technology, unused hydrogen in the regenerated anode off-gas is reused as fuel for the fuel cell, thereby increasing the fuel utilization rate in the SOFC and improving the power generation efficiency.
特開2002−334714号公報には、SOFCのアノードオフガスをCO変成器に通して、アノードオフガス中の一酸化炭素を水素にできるだけ転換した後にCO2吸着剤あるいはCO2吸収剤により二酸化炭素を除去して高純度水素を製造する方法、その製造高純度水素を利用する燃料電池システムが提案されている。 In JP 2002-334714 A, an anode off gas of SOFC is passed through a CO converter to convert carbon monoxide in the anode off gas to hydrogen as much as possible, and then carbon dioxide is removed by a CO 2 adsorbent or a CO 2 absorbent. Thus, a method for producing high purity hydrogen and a fuel cell system using the produced high purity hydrogen have been proposed.
特開2004−71312号公報には、断熱容器内に、SOFCスタック、オフガス燃焼部及び蓄熱材層を配置し、蓄熱材層に空気導入管及び導出管を配置するとともに、その流路に対してバイパス流路を設け、且つ、スタックからの燃料極オフガス導管を、順次、CO変成器及び水素吸蔵体容器に連結してなり、全負荷運転時には、余剰熱を蓄熱材層に蓄熱するとともに、空気をバイパス流路にバイパスさせてスタックに供給し、且つ、燃料極オフガスをCO変成器を経て水素吸蔵体容器に通して水素を貯蔵し、部分負荷運転時には、空気を蓄熱材に通して全負荷運転時に蓄熱した熱を回収してスタックに戻すとともに、水素吸蔵体容器中の水素を燃料として発電するようにしてなる熱自立型SOFCシステムが提案されている。 In JP-A-2004-71312, an SOFC stack, an off-gas combustion unit, and a heat storage material layer are arranged in a heat insulating container, an air introduction pipe and a lead-out pipe are arranged in the heat storage material layer, and the flow path is A bypass passage is provided, and the fuel electrode off-gas conduit from the stack is sequentially connected to the CO converter and the hydrogen storage container, and during full load operation, excess heat is stored in the heat storage material layer and air Is bypassed to the bypass flow path and supplied to the stack, and the fuel electrode off-gas is passed through the CO transformer and passed through the hydrogen storage container to store hydrogen, and during partial load operation, air is passed through the heat storage material to full load. A heat self-supporting SOFC system has been proposed in which the heat stored during operation is recovered and returned to the stack, and power is generated using hydrogen in the hydrogen storage container as fuel.
さらに、特開2006−342014号公報には、一酸化炭素、水素及び二酸化炭素を含む改質ガスから、シリカ、アルミナその他の担体にハロゲン化銅を担持させた一酸化炭素吸着剤と接触させて一酸化炭素を吸着除去したのち、水素吸蔵体に水素を吸蔵させ、吸蔵水素を吸蔵体から放出させて、高純度水素を得る手法が提案されている。 Further, JP-A-2006-342014 discloses that a reformed gas containing carbon monoxide, hydrogen and carbon dioxide is brought into contact with a carbon monoxide adsorbent in which copper halide is supported on silica, alumina or other carrier. There has been proposed a method for obtaining high-purity hydrogen by adsorbing and removing carbon monoxide and then storing the hydrogen in the hydrogen storage body and releasing the stored hydrogen from the storage body.
しかし、それらの技術は、(a)高温作動燃料電池の運転時に排出されるアノードオフガスの燃焼により発生した熱を、原燃料改質用の水蒸気発生や燃料電池に供給する空気の予熱、あるいはコージェネレーションシステムなどの熱源に利用するか、(b)アノードオフガスを分岐して予備改質器にリサイクルして再利用するか、(c)アノードオフガス中の一酸化炭素については、CO変成器により水素に変えて再利用するものであり、アノードオフガス中の一酸化炭素そのものを回収して再利用するものではない。 However, these technologies are: (a) heat generated by combustion of anode off-gas discharged during operation of a high-temperature operating fuel cell is used to generate steam for raw fuel reforming, preheat air supplied to the fuel cell, or (B) branch off the anode offgas and recycle it to the pre-reformer for reuse, or (c) carbon monoxide in the anode offgas by a CO converter. The carbon monoxide itself in the anode off-gas is not recovered and reused.
本発明は、アノードオフガス中の一酸化炭素そのものを回収して再利用することに着目し、高温作動燃料電池の運転時に排出されるアノードオフガス中の一酸化炭素そのものを高温作動燃料電池の燃料として有効に再利用して高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善し、また、高温作動燃料電池と高温作動燃料電池以外の燃料電池を含む燃料電池全体との燃料利用率を改善しつつ発電効率の向上を図る高温作動燃料電池による発電方法及び発電システムを提供することを目的とするものである。 The present invention pays attention to the recovery and reuse of carbon monoxide itself in the anode off gas, and the carbon monoxide itself in the anode off gas discharged during the operation of the high temperature operation fuel cell is used as the fuel for the high temperature operation fuel cell. Effectively reuse to improve the fuel utilization rate of the entire high-temperature operating fuel cell, and improve the fuel utilization rate of the entire fuel cell including high-temperature operating fuel cells and fuel cells other than high-temperature operating fuel cells It is an object of the present invention to provide a power generation method and a power generation system using a high-temperature operating fuel cell for improving the power consumption.
本発明(1)は、一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電方法である。そして、(a)高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用することにより、(b)高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (1) is a power generation method using a high temperature operation fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuel. (A) After cooling the anode off-gas of the high-temperature operation fuel cell, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to perform the same or different high-temperature operation. By reusing it as fuel for the fuel cell, (b) the power generation efficiency is improved while improving the fuel utilization rate of the entire high-temperature operating fuel cell.
本発明(11)は、本発明(1)の発電方法に対応する一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電システムである。そして、(a)高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するようにしてなることにより、(b)高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (11) is a power generation system using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuels corresponding to the power generation method of the present invention (1). (A) After cooling the anode off-gas of the high-temperature operation fuel cell, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to perform the same or different high-temperature operation. By being reused as the fuel of the fuel cell, (b) the power generation efficiency is improved while improving the fuel utilization rate of the entire high-temperature operating fuel cell.
本発明(2)は、一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電方法である。そして、(a)高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用し、(b)前記CO吸着剤により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガスであるところの、不純物として二酸化炭素及び水を含有する水素を、高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用することにより、(c)燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (2) is a power generation method using a high temperature operation fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuel. (A) After cooling the anode off-gas of the high-temperature operation fuel cell, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to perform the same or different high-temperature operation. Hydrogen containing carbon dioxide and water as impurities, which is an anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by adsorption and recovery of carbon monoxide by the CO adsorbent. Is used as a fuel for a fuel cell different from the high-temperature operating fuel cell, and (c) the power generation efficiency is improved while improving the fuel utilization rate of the entire fuel cell.
本発明(12)は、本発明(2)の発電方法に対応する一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電システムである。そして、(a)高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するようにし、(b)前記CO吸着剤により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガスであるところの、不純物として二酸化炭素及び水を含有する水素を、高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用するようにしてなることにより、(c)燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (12) is a power generation system using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuels corresponding to the power generation method of the present invention (2). (A) After cooling the anode off-gas of the high-temperature operation fuel cell, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to perform the same or different high-temperature operation. It is reused as fuel for fuel cells, and (b) contains carbon dioxide and water as impurities, which is an anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by adsorption and recovery of carbon monoxide by the CO adsorbent. By using hydrogen to be used as a fuel for a fuel cell different from the high-temperature operating fuel cell, (c) the power generation efficiency is improved while improving the fuel utilization rate of the entire fuel cell. .
本発明(3)は、一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電方法である。そして、(a)高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用し、(b)前記CO吸着剤容器により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガスを水素吸蔵体容器に導入して水素を吸着回収し、その吸着水素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するか、高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用することにより、(c)燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (3) is a power generation method using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuel. (A) After cooling the anode off-gas of the high-temperature operation fuel cell, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to perform the same or different high-temperature operation. (B) Adsorbing and recovering carbon monoxide by the CO adsorbent container, and introducing the anode off-gas from which carbon monoxide has been removed into the hydrogen storage container to absorb and recover hydrogen. (C) the entire fuel cell by desorbing and regenerating the adsorbed hydrogen and reusing it as the fuel of the same or different high-temperature operating fuel cell, or as the fuel of a fuel cell different from the high-temperature operating fuel cell. It is characterized by improving the power generation efficiency while improving the fuel utilization rate.
本発明(13)は、本発明(3)の発電方法に対応する一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電システムである。そして、(a)高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するようにし、(b)前記CO吸着剤容器により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガスを、水素吸蔵体容器に導入して水素を吸着回収し、その吸着水素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するか、高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用するようにしてなることにより、(c)燃料電池全体での燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (13) is a power generation system using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuels corresponding to the power generation method of the present invention (3). (A) After cooling the anode off-gas of the high-temperature operation fuel cell, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to perform the same or different high-temperature operation. (B) The anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by adsorbing and recovering carbon monoxide by the CO adsorbent container is introduced into the hydrogen storage container and hydrogen is removed. By adsorbing and recovering, desorbing and regenerating the adsorbed hydrogen and reusing it as fuel for the same or different high temperature fuel cell, or by using it as fuel for a fuel cell different from the high temperature fuel cell (C) It is characterized in that the power generation efficiency is improved while improving the fuel utilization rate in the whole fuel cell.
本発明(4)は、一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電方法である。そして、(a)高温作動燃料電池の後段にCO変成器を配置してアノードオフガス中の一酸化炭素を水素に変えることにより、アノードオフガス中の一酸化炭素濃度を低減するとともに水素濃度を相対的に高め、(b)前記CO変成器を経たアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用することにより、(c)高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (4) is a power generation method using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuel. (A) A CO converter is disposed after the high-temperature operating fuel cell to change carbon monoxide in the anode off-gas to hydrogen, thereby reducing the carbon monoxide concentration in the anode off-gas and relative hydrogen concentration. (B) After cooling the anode off-gas that has passed through the CO converter, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to be the same or different. By reusing the fuel as a fuel for a high-temperature operating fuel cell, (c) the power generation efficiency is improved while improving the fuel utilization rate of the entire high-temperature operating fuel cell.
本発明(14)は、本発明(4)の発電方法に対応する一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電システムである。そして、(a)高温作動燃料電池の後段にCO変成器を配置してアノードオフガス中の一酸化炭素を水素に変えることにより、アノードオフガス中の一酸化炭素濃度を低減するとともに水素濃度を相対的に高め、(b)前記CO変成器を経たアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するようにしてなることにより、(c)高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (14) is a power generation system using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuels corresponding to the power generation method of the present invention (4). (A) A CO converter is disposed after the high-temperature operating fuel cell to change carbon monoxide in the anode off-gas to hydrogen, thereby reducing the carbon monoxide concentration in the anode off-gas and relative hydrogen concentration. (B) After cooling the anode off-gas that has passed through the CO converter, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to be the same or different. By reusing the fuel as a fuel for the high-temperature operating fuel cell, (c) the power generation efficiency is improved while improving the fuel utilization rate of the entire high-temperature operating fuel cell.
本発明(5)は、一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電方法である。そして、(a)高温作動燃料電池の後段にCO変成器を配置してアノードオフガス中の一酸化炭素を水素に変えることにより、アノードオフガス中の一酸化炭素濃度を低減するとともに水素濃度を相対的に高め、(b)前記CO変成器を経たアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用し、(c)前記CO吸着剤により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガス中の水素を高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用することにより、(d)燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (5) is a power generation method using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuel. (A) A CO converter is disposed after the high-temperature operating fuel cell to change carbon monoxide in the anode off-gas to hydrogen, thereby reducing the carbon monoxide concentration in the anode off-gas and relative hydrogen concentration. (B) After cooling the anode off-gas that has passed through the CO converter, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to be the same or different. Recycled as fuel for high-temperature operating fuel cells, (c) Hydrogen in the anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by adsorbing and recovering carbon monoxide by the CO adsorbent is a fuel different from high-temperature operating fuel cells By using it as a fuel for the battery, (d) it is characterized in that the power generation efficiency is improved while improving the fuel utilization rate of the entire fuel cell.
本発明(15)は、本発明(5)の発電方法に対応する一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電システムである。そして、(a)高温作動燃料電池の後段にCO変成器を配置してアノードオフガス中の一酸化炭素を水素に変えることにより、アノードオフガス中の一酸化炭素濃度を低減するとともに水素濃度を相対的に高め、(b)前記CO変成器を経たアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するようにし、(c)前記CO吸着剤により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガス中の水素を高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用するようにしてなることにより、(d)燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (15) is a power generation system using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuels corresponding to the power generation method of the present invention (5). (A) A CO converter is disposed after the high-temperature operating fuel cell to change carbon monoxide in the anode off-gas to hydrogen, thereby reducing the carbon monoxide concentration in the anode off-gas and relative hydrogen concentration. (B) After cooling the anode off-gas that has passed through the CO converter, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to be the same or different. (C) The hydrogen in the anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by adsorbing and recovering carbon monoxide by the CO adsorbent is separated from the high-temperature operating fuel cell. (D) It is characterized by improving the power generation efficiency while improving the fuel utilization rate of the whole fuel cell.
本発明(6)は、一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電方法である。そして、(a)高温作動燃料電池の後段にCO変成器を配置してアノードオフガス中の一酸化炭素を水素に変えることにより、アノードオフガス中の一酸化炭素濃度を低減するとともに水素濃度を相対的に高め、(b)前記CO変成器を経たアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用し、(c)前記CO吸着剤容器により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガスを、水素吸蔵体容器に導入して水素を吸着回収し、その吸着水素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するか、高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用することにより、(d)燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (6) is a power generation method using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuel. (A) A CO converter is disposed after the high-temperature operating fuel cell to change carbon monoxide in the anode off-gas to hydrogen, thereby reducing the carbon monoxide concentration in the anode off-gas and relative hydrogen concentration. (B) After cooling the anode off-gas that has passed through the CO converter, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to be the same or different. (C) The anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by adsorbing and recovering carbon monoxide by the CO adsorbent container is introduced into a hydrogen storage container container to recycle hydrogen. Adsorbed and recovered, and the adsorbed hydrogen is desorbed and regenerated and reused as fuel for the same or different high temperature fuel cell, or used as fuel for a fuel cell different from the high temperature fuel cell. , Characterized in that to improve the power generation efficiency while improving fuel utilization rate of the entire (d) fuel cells.
本発明(16)は、本発明(6)の発電方法に対応する一酸化炭素及び水素を燃料とする高温作動燃料電池による発電システムである。そして、(a)高温作動燃料電池の後段にCO変成器を配置してアノードオフガス中の一酸化炭素を水素に変えることにより、アノードオフガス中の一酸化炭素濃度を低減するとともに水素濃度を相対的に高め、(b)前記CO変成器を経たアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するようにし、(c)前記CO吸着剤容器により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガスを、水素吸蔵体容器に導入して水素を吸着回収し、その吸着水素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するか、高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用するようにしてなることにより、(d)燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする。 The present invention (16) is a power generation system using a high-temperature operating fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuel corresponding to the power generation method of the present invention (6). (A) A CO converter is disposed after the high-temperature operating fuel cell to change carbon monoxide in the anode off-gas to hydrogen, thereby reducing the carbon monoxide concentration in the anode off-gas and relative hydrogen concentration. (B) After cooling the anode off-gas that has passed through the CO converter, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to be the same or different. (C) An anode off gas from which carbon monoxide has been removed by adsorbing and recovering carbon monoxide by the CO adsorbent container is introduced into the hydrogen storage container. Hydrogen is adsorbed and recovered, and the adsorbed hydrogen is desorbed and regenerated and reused as fuel for the same or different high-temperature fuel cell, or used as fuel for a fuel cell different from the high-temperature fuel cell By formed by way, characterized in that to improve the power generation efficiency while improving fuel utilization rate of the entire (d) fuel cells.
本発明によれば、SOFC、MCFCなどの高温作動燃料電池のアノードオフガス中の一酸化炭素を吸着回収し、これを同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用することにより、高温作動燃料電池全体としての燃料利用率を改善し、発電効率を向上させることができる。例えば、SOFCのアノードオフガスを利用する場合、当該SOFCの燃料として再利用するか、別の高温作動燃料電池であるMCFCの燃料として再利用することにより、高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善し、発電効率を向上させることができる。 According to the present invention, carbon monoxide in the anode off-gas of high-temperature operating fuel cells such as SOFC and MCFC is adsorbed and recovered and reused as fuel for the same or another high-temperature operating fuel cell. The fuel utilization rate of the fuel cell as a whole can be improved, and the power generation efficiency can be improved. For example, when using SOFC anode off-gas, it can be reused as fuel for the SOFC, or it can be reused as fuel for MCFC, which is another high-temperature operation fuel cell. Thus, the power generation efficiency can be improved.
本発明によれば、高温作動燃料電池のアノードオフガス処理を適用することによって、高温作動燃料電池及び水素精製方法の両者の特徴から互いに補完し、両者のニーズを満たすことができる。すなわち、高温排熱を有効に活用し、高温作動燃料電池のアノードオフガスを、一酸化炭素、水素及び二酸化炭素に各々高濃度に分離回収することで、燃料電池の燃料利用率を高め発電効率を向上させることができる。 According to the present invention, by applying the anode off-gas treatment of a high-temperature operating fuel cell, the features of both the high-temperature operating fuel cell and the hydrogen purification method can be complemented to satisfy both needs. In other words, by effectively utilizing high-temperature exhaust heat, the anode off-gas of high-temperature operating fuel cells is separated and recovered in high concentrations of carbon monoxide, hydrogen, and carbon dioxide, respectively, thereby increasing the fuel utilization rate of the fuel cell and improving power generation efficiency. Can be improved.
本発明によれば、高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、一酸化炭素を吸着回収するとともに、一酸化炭素除去後のアノードオフガスから水素を回収し、一酸化炭素は高温作動燃料電池の燃料として再利用し、水素は高温作動燃料電池の燃料として利用するか、または高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用することにより、高温作動燃料電池全体の燃料利用率、または他の燃料電池を含む燃料電池全体の燃料利用率を高めて発電電力を増加させ、発電効率を向上させることができる。 According to the present invention, after the anode off-gas of the high-temperature operating fuel cell is cooled, carbon monoxide is adsorbed and recovered, and hydrogen is recovered from the anode off-gas after the removal of carbon monoxide. Recycle as fuel and use hydrogen as fuel for high temperature operation fuel cell, or use as fuel for fuel cell different from high temperature operation fuel cell, or the fuel utilization rate of the whole high temperature operation fuel cell, or other The fuel utilization rate of the entire fuel cell including the fuel cell can be increased, the generated power can be increased, and the power generation efficiency can be improved.
SOFCは、円筒方式、平板方式、一体積層方式などのセル構造やセルグループの配置構造などの如何によりSOFCスタック、SOFCモジュールあるいはSOFCバンドルなどと呼ばれるが、本明細書中それらを含めて適宜“SOFCユニット”と称している。MCFCについても同様であり、同じく“MCFCユニット”と称している。 The SOFC is called a SOFC stack, SOFC module, or SOFC bundle depending on the cell structure such as a cylindrical method, a flat plate method, and an integral lamination method, or an arrangement structure of cell groups. It is called “unit”. The same applies to the MCFC, which is also referred to as “MCFC unit”.
本明細書において、SOFCシステムとは、SOFCユニット、予備改質器や熱交換器等の補機類、関連する配管系などを含む意味である。MCFCについても同様であり、MCFCシステムとはMCFCユニット、予備改質器や熱交換器等の補機類、関連する配管系を含む意味である。 In the present specification, the SOFC system is meant to include SOFC units, auxiliary equipment such as a pre-reformer and a heat exchanger, related piping systems, and the like. The same applies to the MCFC. The MCFC system includes MCFC units, auxiliary equipment such as a pre-reformer and a heat exchanger, and related piping systems.
以下においては、主として高温作動燃料電池ユニットとしてSOFCユニットを配置した例を示して説明しているが、高温作動燃料電池ユニットとしてMCFCユニットを配置した場合も同様である。また、以下においては、都市ガスを原燃料とする場合を例にしているが、他の燃料を原燃料とする場合も同様であり、硫黄化合物を実質上含まない原燃料の場合は脱硫器は不要である。 In the following description, an example in which an SOFC unit is arranged as a high-temperature operating fuel cell unit will be mainly described. However, the same applies to a case where an MCFC unit is arranged as a high-temperature operating fuel cell unit. In the following, the case where city gas is used as the raw fuel is taken as an example, but the same applies to the case where other fuel is used as the raw fuel. In the case of a raw fuel which does not substantially contain a sulfur compound, the desulfurizer is It is unnecessary.
図1は、本発明の前提となる技術の一例として、SOFCユニットからのアノードオフガスを燃料及び空気の予熱に利用するのに加え、コージェネレーションシステムなどにおける給湯システムに利用する高温作動燃料電池システムを説明する図である。 FIG. 1 shows a high-temperature operating fuel cell system used for a hot water supply system in a cogeneration system or the like, in addition to using the anode off-gas from the SOFC unit for preheating fuel and air, as an example of the technology underlying the present invention. It is a figure explaining.
予備改質器においては、水蒸気改質法により原燃料を改質して水素、一酸化炭素、メタンを含む粗改質ガスを生成する。図1のとおり、予備改質器で生成した粗改質ガスを熱交換器2で加熱してSOFCユニットのアノードつまりSOFCユニットにおける各セルのアノードに供給する。
In the pre-reformer, the raw fuel is reformed by a steam reforming method to generate a crude reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, and methane. As shown in FIG. 1, the crude reformed gas generated in the pre-reformer is heated by the
原燃料は、昇圧機、脱硫器を経て予備改質器に供給される。ここでSOFCにおいては、水素及び一酸化炭素のほか、メタンも燃料になるが、SOFCユニットに供給する燃料にメタン以外のエタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数2(C2)以上の炭化水素が含まれていると、SOFCユニットへの配管やアノードに炭素を生成し、これが電気化学反応を阻害して電池性能を劣化させてしまう。このため、予備改質器では、原燃料を予備改質して水素、一酸化炭素及びメタンを含む粗改質ガスに変えられる。なお、メタンをも改質してSOFCユニットに供給してもよく、この場合には改質器を配置する。 The raw fuel is supplied to the pre-reformer through a booster and a desulfurizer. Here, in SOFC, in addition to hydrogen and carbon monoxide, methane is also used as a fuel. However, ethane other than methane, ethylene, propane, butane and other hydrocarbons having 2 or more carbon atoms such as ethane, ethylene, propane, butane, etc. If it is contained, carbon is generated in the piping to the SOFC unit and the anode, which inhibits the electrochemical reaction and degrades the battery performance. For this reason, in the pre-reformer, the raw fuel is pre-reformed and changed to a crude reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide and methane. Note that methane may also be reformed and supplied to the SOFC unit. In this case, a reformer is provided.
粗改質ガスは、熱交換器2で予熱された後、SOFCユニットのアノードに供給される。一方、空気は、ブロワー(=送風機)を経て、熱交換器1で予熱された後、SOFCユニットのカソードに供給される。
The crude reformed gas is preheated by the
SOFCユニットのアノードに供給された粗改質ガスは、SOFCユニットのカソードからの酸素との電気化学反応により発電する。その際、粗改質ガス中のメタンはSOFCユニットのアノードでの内部改質により水素及び一酸化炭素に改質されて電気化学反応に寄与する。SOFCユニットで得られた電力は、必要に応じて電圧を調整し、インバータを通して交流電流に変換される。 The crude reformed gas supplied to the anode of the SOFC unit generates power by an electrochemical reaction with oxygen from the cathode of the SOFC unit. At that time, methane in the crude reformed gas is reformed to hydrogen and carbon monoxide by internal reforming at the anode of the SOFC unit and contributes to the electrochemical reaction. The electric power obtained by the SOFC unit is converted into an alternating current through an inverter by adjusting the voltage as necessary.
SOFCユニットからのアノードオフガスは燃焼器(図1中“オフガス燃焼器”)でカソードオフガスと混合して燃焼する。燃焼排ガスは、順次、熱交換器1、熱交換器2に通され、それぞれ空気、粗改質ガスの予熱に利用された後、さらに熱交換器3に通される。ここで給湯システムでの水の加熱に利用された後、排気として放出される。
The anode off-gas from the SOFC unit is mixed with the cathode off-gas in the combustor (“off-gas combustor” in FIG. 1) and burned. The combustion exhaust gas is sequentially passed through the
ところが、熱交換器1、熱交換器2での空気、粗改質ガスの加熱には限度がある。すなわち、空気、粗改質ガスの予熱には燃焼排ガスの全熱量は必要でない。加えて、給湯システムにおける必要温水量にも限度があるので、必要量以上の温水を得ても無駄になってしまう。このように、SOFCシステムの効率にはSOFCユニットそれ自体での燃料利用率が大きく影響し、SOFCユニットそれ自体での燃料利用率の限界がSOFCシステムの効率を引き下げている。
However, there is a limit to the heating of air and crude reformed gas in the
そこで、SOFCやMCFC、すなわち高温作動燃料電池から排出されるアノードオフガスに着目すると、アノードオフガスには高温作動燃料電池で未利用の一酸化炭素や水素が含まれている。本発明においては、アノードオフガスに含まれる一酸化炭素を濃縮回収して高温作動燃料電池それ自体の燃料として再利用して発電し、また、アノードオフガスに含まれる水素についても高温作動燃料電池それ自体の燃料として再利用するか、他の燃料電池すなわち高温作動燃料電池以外の燃料電池の燃料として再利用して発電する。 Therefore, paying attention to the SOFC and MCFC, that is, the anode offgas discharged from the high temperature operation fuel cell, the anode offgas contains carbon monoxide and hydrogen that are not used in the high temperature operation fuel cell. In the present invention, carbon monoxide contained in the anode off-gas is concentrated and recovered and reused as fuel for the high-temperature operating fuel cell itself, and power is also generated for the hydrogen contained in the anode off-gas. Or is reused as fuel for fuel cells other than other fuel cells, that is, high-temperature operation fuel cells.
上記アノードオフガスに含まれる一酸化炭素を濃縮回収して高温作動燃料電池それ自体の燃料として再利用する態様としては、例えば、SOFCのアノードオフガスを利用する場合、当該SOFCの燃料として再利用するか、別の高温作動燃料電池であるMCFCの燃料として再利用し、MCFCのアノードオフガスを利用する場合、当該MCFCの燃料として再利用するか、別の高温作動燃料電池であるSOFCの燃料として再利用しすることにより、高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善し、発電効率を向上させることができる。 As an aspect of concentrating and recovering the carbon monoxide contained in the anode off gas and reusing it as the fuel for the high temperature operation fuel cell itself, for example, when using the SOFC anode off gas, is it reused as the SOFC fuel? When reusing as MCFC fuel for another high temperature operation fuel cell and using MCFC anode off gas, reuse as MCFC fuel or reuse as SOFC fuel for another high temperature operation fuel cell By doing so, the fuel utilization rate of the whole high temperature operation fuel cell can be improved, and the power generation efficiency can be improved.
これにより、高温作動燃料電池の燃料利用率を高め、また高温作動燃料電池と併せて他の燃料電池を使用する態様では、両燃料電池を合わせた燃料電池の燃料利用率を高めて、燃料を可及的に電力に変えるものである。また、これにより、コージェネレーションシステムなどでの給湯システムを併用する態様でも、必要温水量を超えた過剰の温水を生成することをなくするか、少なくすることができる。 As a result, the fuel utilization rate of the high-temperature operating fuel cell is increased, and in a mode in which another fuel cell is used in combination with the high-temperature operating fuel cell, the fuel utilization rate of the fuel cell including both fuel cells is increased to increase the fuel consumption. It will change to electric power as much as possible. Thereby, it is possible to eliminate or reduce the excessive amount of hot water exceeding the required amount of hot water even in a mode in which a hot water supply system such as a cogeneration system is used in combination.
図2は、本発明においてその前提となる事実、作用効果を説明する図で、SOFCセルにおける燃料利用率とセル電圧との関係を示している。図2のとおり、SOFCセルでの燃料利用率を高めると、漸次セル電圧が低下する。そして、燃料利用率が90%程度を超えると急激にセル電圧の低下が起こる。また、燃料枯れすなわち濃度過電圧や、燃料の若干のリークなどにより、実際には燃料利用率80〜85%程度が限度となる。 FIG. 2 is a diagram for explaining the facts and effects that are the premise of the present invention, and shows the relationship between the fuel utilization rate and the cell voltage in the SOFC cell. As shown in FIG. 2, when the fuel utilization rate in the SOFC cell is increased, the cell voltage gradually decreases. When the fuel utilization rate exceeds about 90%, the cell voltage rapidly decreases. In addition, the fuel utilization rate is actually limited to about 80 to 85% due to fuel depletion, that is, concentration overvoltage and slight fuel leakage.
ここで、その燃料利用率Ufを80%とし、電池の効率ηcellを70%、インバータ効率ηinvを90%、補機効率ηauxを90%とすると、最終的な発電効率ηは、η=Uf×ηcell×ηinv×ηaux=0.8×0.7×0.9×0.9≒0.45、すなわち45%程度となる。 If the fuel utilization rate U f is 80%, the battery efficiency η cell is 70%, the inverter efficiency η inv is 90%, and the auxiliary machine efficiency η aux is 90%, the final power generation efficiency η is η = U f × η cell × η inv × η aux = 0.8 × 0.7 × 0.9 × 0.9≈0.45, that is, about 45%.
そして、残った20%のアノードオフガスを再生し、100%の水素燃料としてSOFCもしくはPEFCで利用すると、残った20%での発電効率はη=Uf×ηcell×ηinv×ηaux=0.2×0.7×0.9×0.9≒0.11、すなわち11%程度が付加されることになり、総合発電効率は56%に増加させることが可能となる。なお、ここでは一酸化炭素を含めて100%の水素燃料に変換した場合を前提に説明しているが、アノードオフガス中の一酸化炭素をそのまま回収、利用する場合についても同様である。 When the remaining 20% of the anode off-gas is regenerated and used as a 100% hydrogen fuel in SOFC or PEFC, the power generation efficiency at the remaining 20% is η = U f × η cell × η inv × η aux = 0 .2 × 0.7 × 0.9 × 0.9≈0.11, that is, about 11% is added, and the total power generation efficiency can be increased to 56%. Here, the description is made on the assumption that carbon monoxide is converted to 100% hydrogen fuel, but the same applies to the case where carbon monoxide in the anode off-gas is recovered and used as it is.
本発明においては、このような事実を前提、利用して、高温作動燃料電池からのアノードオフガス中の一酸化炭素、あるいは一酸化炭素及び水素を回収、再生し、その再生ガスを同一又は別の高温作動燃料電池、あるいは固体高分子形燃料電池(PEFC)等の他の燃料電池と組み合わせて再利用することにより、SOFCシステム全体としての燃料利用率を改善し、発電効率を向上させるものである。 In the present invention, on the premise of such a fact, carbon monoxide or carbon monoxide and hydrogen in the anode off-gas from the high temperature operating fuel cell is recovered and regenerated, and the regenerated gas is the same or different. By reusing it in combination with other fuel cells such as high-temperature operating fuel cells or polymer electrolyte fuel cells (PEFC), the fuel utilization rate of the SOFC system as a whole is improved and power generation efficiency is improved. .
なお、高温作動燃料電池と組み合わせる他の燃料電池としてはPEFCのほか、りん酸型燃料電池(PAFC)なども利用可能であるが、この場合にも、SOFC又はMCFCをメインとすることが前提である。 In addition to the PEFC, a phosphoric acid fuel cell (PAFC) can be used as another fuel cell to be combined with the high-temperature operating fuel cell. In this case as well, it is assumed that the main fuel cell is SOFC or MCFC. is there.
ここで、上記アノードオフガスの再生ガスを同一又は別の高温作動燃料電池で再利用する態様としては、(a)アノードオフガスがSOFCからのアノードオフガスの場合、その再生ガスを当該SOFCの燃料として利用してもよく、当該SOFCとは別の高温作動燃料電池すなわちMCFCの燃料として利用してもよく、また、(b)アノードオフガスがMCFCからのアノードオフガスの場合、その再生ガスを当該MCFCの燃料として利用してもよく、当該MCFCとは別の高温作動燃料電池すなわちSOFCの燃料として利用してもよい。 Here, as a mode of reusing the regenerated gas of the anode off gas in the same or another high-temperature operating fuel cell, (a) when the anode off gas is an anode off gas from SOFC, the regenerated gas is used as fuel for the SOFC. Alternatively, the fuel cell may be used as a fuel for a high temperature operation fuel cell, that is, an MCFC different from the SOFC. (B) When the anode off gas is an anode off gas from the MCFC, the regeneration gas is used as the fuel for the MCFC. Or may be used as a fuel for a high-temperature operating fuel cell different from the MCFC, that is, SOFC.
〈本発明(1)〜(2)、(11)〜(12)の態様〉
本発明(1)は、高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用することにより、高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させる高温作動燃料電池による発電方法であり、本発明(11)は当該発電方法を実施するためのシステムである。
<Aspects of the present invention (1) to (2), (11) to (12)>
In the present invention (1), after the anode off-gas of the high-temperature operating fuel cell is cooled, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to be the same or different. A power generation method using a high temperature operation fuel cell that improves the power generation efficiency while improving the fuel utilization rate of the entire high temperature operation fuel cell by reusing it as a fuel for the high temperature operation fuel cell. The present invention (11) relates to the power generation method. It is a system for carrying out.
本発明(2)は、本発明(1)で備える構成に加え、CO吸着剤により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガスであるところの、不純物として二酸化炭素及び水を含有する水素を、高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用することを要件とする発電方法であり、本発明、(12)は当該発電方法を実施するためのシステムである。 In the present invention (2), in addition to the structure provided in the present invention (1), carbon monoxide is removed as an impurity by removing carbon monoxide by adsorption and recovery of carbon monoxide with a CO adsorbent. This is a power generation method that requires the use of hydrogen containing water as fuel for a fuel cell separate from the high-temperature operating fuel cell, and the present invention, (12), is a system for implementing the power generation method. .
図3は本発明(1)〜(2)、(11)〜(12)を説明する図である。図3のとおり、順次、SOFCユニット、アノードオフガス冷却器、CO吸着剤容器が配置される。このうちCO吸着剤容器はA、Bの2個が配置され、切替え弁a、bにより切り替えられる。図3(a)は、CO吸着剤容器Aで一酸化炭素の吸着を行い、CO吸着剤容器Bで一酸化炭素の脱着を行う過程を示し、図3(b)は、CO吸着剤容器Bで一酸化炭素の吸着を行い、CO吸着剤容器Aで一酸化炭素の脱着を行う過程を示している。なお、図3中、SOFCユニットの前段には粗改質ガス生成用の予備改質器が配置されるが、図示は省略している。 FIG. 3 is a diagram for explaining the present inventions (1) to (2) and (11) to (12). As shown in FIG. 3, an SOFC unit, an anode offgas cooler, and a CO adsorbent container are sequentially arranged. Of these, two CO adsorbent containers, A and B, are arranged and are switched by switching valves a and b. FIG. 3A shows a process in which carbon monoxide is adsorbed in the CO adsorbent container A and carbon monoxide is desorbed in the CO adsorbent container B. FIG. 3B shows the CO adsorbent container B. Shows the process of adsorbing carbon monoxide and desorbing carbon monoxide in the CO adsorbent container A. In FIG. 3, a pre-reformer for generating the crude reformed gas is disposed in the previous stage of the SOFC unit, but the illustration is omitted.
SOFCユニットの作動時において、SOFCユニットから排出されるアノードオフガスを冷却した後、CO吸着剤容器Aに導入する。CO吸着剤としては、シリカ、アルミナ、活性炭、グラファイト、スチレン系樹脂等の担体にハロゲン化銅(I)またはハロゲン化銅(II)を担持させたCO吸着剤などが用いられる。以下では当該ハロゲン化銅系CO吸着剤を例にするが、他のCO吸着剤の場合も同様である。なお、当該ハロゲン化銅系CO吸着剤それ自体、前掲特開2006−342014号公報に記載のとおり公知のものであるが、本発明においてはそのようなCO吸着剤を利用するものである。 During the operation of the SOFC unit, the anode off-gas discharged from the SOFC unit is cooled and then introduced into the CO adsorbent container A. As the CO adsorbent, a CO adsorbent in which copper (I) halide or copper (II) halide is supported on a carrier such as silica, alumina, activated carbon, graphite, or styrene resin is used. In the following, the copper halide CO adsorbent is taken as an example, but the same applies to other CO adsorbents. In addition, although the said copper halide type CO adsorbent itself is a well-known thing as described in above-mentioned Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-342014, in this invention, such CO adsorbent is utilized.
ハロゲン化銅系CO吸着剤による一酸化炭素の吸着は80℃以下、好ましくは60℃以下で行われるので、アノードオフガス冷却器による冷却は冷却媒体によりそれらの温度以下に冷却する。吸着した一酸化炭素の脱着は、キャリアガスつまりパージガスを通すことにより行うが、脱着温度は、吸着時より高い温度250℃以下、好ましくは80〜150℃であるので、加熱媒体によりCO吸着剤をその温度に加熱する。 Since the adsorption of carbon monoxide by the copper halide-based CO adsorbent is carried out at 80 ° C. or less, preferably 60 ° C. or less, the cooling by the anode off-gas cooler is cooled to those temperatures or less by the cooling medium. The adsorbed carbon monoxide is desorbed by passing a carrier gas, that is, a purge gas. Since the desorption temperature is 250 ° C. or lower, preferably 80 to 150 ° C., higher than that during adsorption, the CO adsorbent is removed by a heating medium. Heat to that temperature.
脱着用の加熱媒体としては、SOFCシステムを構成する各種機器、例えばSOFCユニットの排熱、アノードオフガス冷却器の排熱、他の燃料電池すなわち高温作動燃料電池であるPEFCの排熱、あるいはSOFCシステムから排出されるアノードオフガス、カソードオフガス、両オフガスの燃焼排ガス、またガスタービンによる発電機その他の発電手段からの排熱などを利用することができる。また、後述本発明(4)〜(6)、(14)〜(16)のようにCO変成器を配置する場合には、そのCO変成器の排熱を利用することもできる。一例として、後述図6に示す態様で言えば、熱交換器3から排出される燃焼排ガスを使用すれば、そのSOFCシステム全体としての熱バランスを実質上崩すことなく、燃焼排ガスの熱を利用できる。 As a heating medium for detachment, various devices constituting the SOFC system, for example, exhaust heat of the SOFC unit, exhaust heat of the anode off-gas cooler, exhaust heat of PEFC which is another fuel cell, that is, a high temperature operation fuel cell, or SOFC system It is possible to use anode off-gas, cathode off-gas, combustion off-gas of both off-gases discharged from the exhaust gas, exhaust heat from a generator or other power generation means by a gas turbine, and the like. Moreover, when arrange | positioning a CO converter like this invention (4)-(6), (14)-(16) mentioned later, the waste heat of the CO converter can also be utilized. As an example, in the embodiment shown in FIG. 6 described later, if the combustion exhaust gas discharged from the heat exchanger 3 is used, the heat of the combustion exhaust gas can be utilized without substantially losing the heat balance of the SOFC system as a whole. .
CO吸着剤容器Aにおいては、アノードオフガス中の一酸化炭素のみを選択的に吸着し、ここで一酸化炭素が濃縮される。CO吸着剤は化学吸着作用によって多成分混合ガスから一酸化炭素のみを選択的に吸着するため、一酸化炭素を微量でも回収でき、吸着と脱着とのサイクル間で圧力差がなくても実用的な吸脱着処理容量を確保することができる。もちろん、吸着と脱着とのサイクルに圧力差を利用してもよい。 In the CO adsorbent container A, only carbon monoxide in the anode off gas is selectively adsorbed, and the carbon monoxide is concentrated here. Since CO adsorbent selectively adsorbs only carbon monoxide from multi-component gas mixture by chemical adsorption, it can recover even a small amount of carbon monoxide and is practical even if there is no pressure difference between adsorption and desorption cycles. It is possible to ensure a sufficient capacity for adsorption / desorption treatment. Of course, a pressure difference may be used for the cycle of adsorption and desorption.
CO吸着剤による一酸化炭素の吸着では、吸着容量限界まではCO吸着剤に吸着されないで、通過するガスにはほとんど一酸化炭素が含まれないことから、それを大気放出したとしても生体にとって有毒な一酸化炭素が系外に放出されることはない。また、後述するように、その後段に一酸化炭素被毒によって吸蔵性能が劣化しやすい水素吸蔵合金を用いた水素回収過程を接続しても悪影響はない。 In the adsorption of carbon monoxide by the CO adsorbent, it is not adsorbed by the CO adsorbent until the adsorption capacity limit, and the gas passing through contains almost no carbon monoxide, so even if it is released to the atmosphere, it is toxic to the living body. Carbon monoxide is not released out of the system. Further, as will be described later, there is no adverse effect even if a hydrogen recovery process using a hydrogen storage alloy whose storage performance is likely to deteriorate due to carbon monoxide poisoning is connected to the subsequent stage.
CO吸着剤容器Aを経たアノードオフガスには、不純物としての二酸化炭素及び水のほか、水素が含まれているので、そのアノードオフガスは高温作動燃料電池とは別の燃料電池、例えばPEFCの燃料に利用する。これは本発明(2)、(12)の構成に相当しいてる。PEFCではその燃料に一酸化炭素が含まれていると電池性能が著しく劣化するのでその濃度を10ppm以下にまで低下させておく必要があるが、一酸化炭素はCO吸着剤容器Aにより微量まで除去されて実質上含まれていないので、PEFCセルへの悪影響はない。 Since the anode off-gas that has passed through the CO adsorbent container A contains hydrogen as well as carbon dioxide and water as impurities, the anode off-gas is used as a fuel cell other than the high-temperature operating fuel cell, for example, fuel of PEFC. Use. This corresponds to the configuration of the present invention (2), (12). In PEFC, if carbon monoxide is contained in the fuel, the cell performance will be significantly deteriorated, so it is necessary to reduce the concentration to 10 ppm or less. However, carbon monoxide is removed to a very small amount by the CO adsorbent container A. And is not substantially contained, so there is no adverse effect on the PEFC cell.
CO吸着剤容器Aを経たアノードオフガスは、その一部を分岐してCO吸着剤容器Bに導入し、CO吸着剤容器Bにおいて、その前段である一酸化炭素吸着過程で吸着濃縮した一酸化炭素のパージガスとして利用する。図3(a)のとおり、分岐アノードオフガスをCO吸着剤容器Bに導入し、一酸化炭素を脱着、回収してSOFCユニットへ導入している粗改質ガスに混入し、SOFCユニットでの発電に利用する。 A part of the anode off-gas that has passed through the CO adsorbent container A is branched and introduced into the CO adsorbent container B. In the CO adsorbent container B, carbon monoxide is adsorbed and concentrated in the carbon monoxide adsorption process that is the preceding stage. Used as a purge gas. As shown in FIG. 3 (a), the branched anode off-gas is introduced into the CO adsorbent vessel B, and carbon monoxide is desorbed, recovered and mixed into the crude reformed gas introduced into the SOFC unit, and power generation in the SOFC unit. To use.
CO吸着剤容器Aによる一酸化炭素の吸着が進み、一酸化炭素について吸着飽和状態、つまり破過点となる直前にCO吸着剤容器Aへのアノードオフガスの導入を止め、切替え弁a、bを操作することにより、SOFCユニットからのアノードオフガスの流れを当該CO吸着剤容器Aに併置したCO吸着剤容器Bへ導入するように切り替える。この切り替え後の状態、操作を図3(b)に示している。 Adsorption of carbon monoxide by the CO adsorbent container A proceeds, the introduction of the anode off-gas to the CO adsorbent container A is stopped immediately before the carbon monoxide is in an adsorption saturated state, that is, the breakthrough point, and the switching valves a and b are turned on. By operating, the flow of the anode off gas from the SOFC unit is switched so as to be introduced into the CO adsorbent container B juxtaposed with the CO adsorbent container A. The state and operation after this switching are shown in FIG.
切り替え後における、CO吸着剤容器Bでの一酸化炭素の吸着過程は、以上のCO吸着剤容器Aでの吸着過程と同様であり、CO吸着剤容器Aでの一酸化炭素のパージ過程は、以上のCO吸着剤容器Bでのパージ過程と同様である。CO吸着剤容器Bを経たアノードオフガスは、一部分岐してCO吸着剤容器Aの一酸化炭素のパージガスとして使用し、残りのアノードオフガスは、本態様例ではPEFCの燃料に利用する。 The carbon monoxide adsorption process in the CO adsorbent container B after switching is the same as the adsorption process in the CO adsorbent container A described above, and the carbon monoxide purge process in the CO adsorbent container A is as follows. This is the same as the purge process in the CO adsorbent container B described above. The anode off-gas that has passed through the CO adsorbent vessel B is partially branched and used as a carbon monoxide purge gas for the CO adsorbent vessel A, and the remaining anode off-gas is used as fuel for PEFC in this embodiment.
本態様例においては、一酸化炭素を吸着、回収する装置、過程として2塔のCO吸着剤容器を交互に切り替えて用いる例を示したが、3塔以上を順次切り替えて用いてもよい。3塔以上を順次切り替えて用いると再生時の昇温プロセスが時間的に有利になる。この点、以下で述べる態様例についても同じである。 In the present embodiment, an example in which carbon monoxide is adsorbed and recovered, and an example in which two towers of CO adsorbent containers are alternately switched as a process has been shown. However, three or more towers may be sequentially switched and used. When three or more towers are sequentially switched and used, the temperature raising process during regeneration becomes advantageous in terms of time. In this respect, the same applies to the exemplary embodiments described below.
〈本発明(3)、(13)の態様〉
本発明(3)は、高温作動燃料電池のアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用し、CO吸着剤容器により一酸化炭素を吸着回収ことで一酸化炭素が除去されたアノードオフガスを、水素吸蔵体容器に導入して水素を吸着回収し、その吸着水素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するか、高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用することにより、燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させる高温作動燃料電池による発電方法であり、本発明(13)は当該発電方法を実施するためのシステムである。
<Aspects of the present invention (3), (13)>
In the present invention (3), after the anode off-gas of the high-temperature operating fuel cell is cooled, it is introduced into a CO adsorbent container to adsorb and recover the carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated. The anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by adsorbing and recovering carbon monoxide by the CO adsorbent container is introduced into the hydrogen storage container, and hydrogen is adsorbed and recovered. By desorbing and regenerating the adsorbed hydrogen and reusing it as fuel for the same or different high temperature operating fuel cell, or by using it as fuel for a fuel cell different from the high temperature operating fuel cell, the fuel utilization rate of the entire fuel cell can be reduced. This is a power generation method using a high-temperature operating fuel cell that improves power generation efficiency while improving, and the present invention (13) is a system for carrying out the power generation method.
図4〜6は本発明(3)、(13)を説明する図である。図4は一酸化炭素が除去されたアノードオフガスを水素吸蔵体容器に導入して水素を吸着回収し、その吸着水素を脱着再生して高温作動燃料電池の燃料として再利用する態様例であり、図5は一酸化炭素が除去されたアノードオフガスを水素吸蔵体容器に導入して水素を吸着回収し、その吸着水素を脱着再生して高温作動燃料電池の燃料として再利用する態様例であり、図6は実機レベルあるいは実機レベルに近いSOFCシステム及びその熱交換構成にCO吸着剤容器、水素吸蔵体容器をセットした態様例である。 4-6 is a figure explaining this invention (3) and (13). FIG. 4 is an embodiment in which the anode off-gas from which carbon monoxide has been removed is introduced into a hydrogen storage container, and hydrogen is adsorbed and recovered, and the adsorbed hydrogen is desorbed and regenerated and reused as fuel for a high-temperature operating fuel cell. FIG. 5 is an embodiment in which the anode off-gas from which carbon monoxide has been removed is introduced into a hydrogen storage container, and hydrogen is adsorbed and recovered, and the adsorbed hydrogen is desorbed and regenerated and reused as fuel for a high-temperature operating fuel cell. FIG. 6 shows an embodiment in which a CO adsorbent container and a hydrogen storage container are set in an SOFC system close to the actual machine level or its heat exchange configuration.
図4のとおり、順次、SOFCユニット、アノードオフガス冷却器、CO吸着剤容器、水素吸蔵体容器が配置される。このうちCO吸着剤容器はA、Bの2個、水素吸蔵体容器はC、Dの2個が配置されている。水素吸蔵体容器CはCO吸着剤容器Aに接続されて“CO吸着剤容器A−水素吸蔵体容器C”の単位を構成し、水素吸蔵体容器DはCO吸着剤容器Bに接続されて“CO吸着剤容器B−水素吸蔵体容器D”の単位を構成し、これら2つの単位は切替え弁a、bにより切り替えられる。 As shown in FIG. 4, an SOFC unit, an anode off-gas cooler, a CO adsorbent container, and a hydrogen storage container are sequentially arranged. Of these, two CO adsorbent containers, A and B, and two hydrogen storage containers C and D are arranged. The hydrogen storage container C is connected to the CO adsorbent container A to constitute a unit of “CO adsorbent container A-hydrogen storage container C”, and the hydrogen storage container D is connected to the CO adsorbent container B. A unit of CO adsorbent container B-hydrogen storage container D ″ is configured, and these two units are switched by switching valves a and b.
図4(a)は、CO吸着剤容器Aで一酸化炭素の吸着を行い、これに続く水素吸蔵体容器Cで水素の吸着を行い、また、水素吸蔵体容器Dで水素の脱着を行い、CO吸着剤容器Bで一酸化炭素の脱着を行う過程を示し、図4(b)は、CO吸着剤容器Bで一酸化炭素の吸着を行い、これに続く水素吸蔵体容器Dで水素の吸着を行い、また、水素吸蔵体容器Cで水素の脱着を行い、CO吸着剤容器Aで一酸化炭素の脱着を行う過程を示している。 FIG. 4 (a) shows the adsorption of carbon monoxide in the CO adsorbent container A, the subsequent adsorption of hydrogen in the hydrogen storage container C, and the desorption of hydrogen in the hydrogen storage container D. FIG. 4 (b) shows the process of desorbing carbon monoxide in the CO adsorbent container B. FIG. 4 (b) shows the adsorption of carbon monoxide in the CO adsorbent container B and the subsequent hydrogen adsorption in the hydrogen storage container D. In addition, a process of desorbing hydrogen in the hydrogen storage container C and desorbing carbon monoxide in the CO adsorbent container A is shown.
SOFCユニットの作動時において、SOFCユニットから排出されるアノードオフガスを冷却器で冷却した後、CO吸着剤容器Aに導入する。CO吸着剤容器Aにおいては、アノードオフガス中の一酸化炭素のみを選択的に吸着し、ここで一酸化炭素が濃縮される。CO吸着剤容器Aを経たアノードオフガスには、不純物としての二酸化炭素及び水のほか、水素が含まれているので、そのアノードオフガスを水素吸蔵体容器Cに導入する。水素吸蔵体容器Cにおいては、アノードオフガス中の水素のみを吸着、吸蔵し、ここで水素が濃縮、回収される。 During the operation of the SOFC unit, the anode off gas discharged from the SOFC unit is cooled by a cooler and then introduced into the CO adsorbent container A. In the CO adsorbent container A, only carbon monoxide in the anode off gas is selectively adsorbed, and the carbon monoxide is concentrated here. Since the anode off-gas that has passed through the CO adsorbent vessel A contains hydrogen as well as carbon dioxide and water as impurities, the anode off-gas is introduced into the hydrogen storage vessel C. In the hydrogen storage container C, only hydrogen in the anode off-gas is adsorbed and stored, and the hydrogen is concentrated and recovered here.
水素吸蔵体としては、水素含有ガスから水素を選択的に吸着し、水素以外のガスは吸着しないか、実質上吸着しない材料であれば特に限定はないが、その例としては、例えば水素吸蔵合金、ケミカルハイドライド、カーボンナノチューブなどが挙げられる。これらのいずれか2種以上を用いてもよい。これらによってアノードオフガス中の水素を選択的に吸着し、吸着した水素は加熱することにより放出される。 The hydrogen storage material is not particularly limited as long as it is a material that selectively adsorbs hydrogen from a hydrogen-containing gas and does not adsorb gas other than hydrogen or does not substantially adsorb, but examples thereof include, for example, a hydrogen storage alloy. , Chemical hydride, and carbon nanotube. Any two or more of these may be used. Thus, hydrogen in the anode off gas is selectively adsorbed, and the adsorbed hydrogen is released by heating.
水素吸蔵合金としては、例えばTiFe0.9Mn0.1、Mg2Ni、CaNiS、LaNi5、LaNi4.7Al0.3、MmNi4.5Al0.5(Mm=ミッシュメタル)、MmNi4.15Fe0.85(Mm=ミッシュメタル)、その他各種あるが、これらに限定されない。水素吸蔵合金にはその表面をフッ素またはフッ素含有化合物によりフッ化処理した水素吸蔵合金も開発されているが(特開平8−183601号公報、特開2000−328160号公報、特開2001−110438号公報、等)、本発明においてはそれらの何れも使用することができる。 Examples of the hydrogen storage alloy include TiFe 0.9 Mn 0.1 , Mg 2 Ni, CaNiS, LaNi 5 , LaNi 4.7 Al 0.3 , MmNi 4.5 Al 0.5 (Mm = Mish metal), MmNi 4.15 Fe 0.85 (Mm = Mish metal), and other various types. Although there is, it is not limited to these. As hydrogen storage alloys, hydrogen storage alloys whose surfaces are fluorinated with fluorine or a fluorine-containing compound have been developed (Japanese Patent Laid-Open Nos. 8-183601, 2000-328160, and 2001-110438). In the present invention, any of them can be used.
CO吸着剤に吸着された一酸化炭素、水素吸蔵体に吸着された水素は、加熱により脱着し、SOFCユニットに供給している粗改質ガスに混入してSOFCユニットの燃料として利用する。加熱媒体としては、SOFCシステムを構成する各種機器、例えばSOFCユニットの排熱、アノードオフガス冷却器の排熱、他の燃料電池すなわち高温作動燃料電池以外の燃料電池であるPEFCの排熱、あるいはSOFCシステムから排出される排ガスなどを利用することができる。 The carbon monoxide adsorbed by the CO adsorbent and the hydrogen adsorbed by the hydrogen occlusion body are desorbed by heating, mixed in the roughly reformed gas supplied to the SOFC unit, and used as fuel for the SOFC unit. As the heating medium, various devices constituting the SOFC system, such as exhaust heat of the SOFC unit, exhaust heat of the anode off-gas cooler, exhaust heat of PEFC which is a fuel cell other than a high-temperature operating fuel cell, or SOFC Exhaust gas discharged from the system can be used.
図4(a)で言えば、水素吸蔵体容器D、CO吸着剤容器Bがそれぞれ水素、一酸化炭素の脱着過程にあるが、水素吸蔵体容器Dから脱着された水素をCO吸着剤容器Bに導入してCO吸着剤容器Bからの一酸化炭素の脱着用のキャリアガスとして利用し、SOFCユニットに供給している粗改質ガスに混入してSOFCユニットの燃料として利用する。 In FIG. 4A, the hydrogen storage container D and the CO adsorbent container B are in the process of desorbing hydrogen and carbon monoxide, respectively, but the hydrogen desorbed from the hydrogen storage container D is converted into the CO adsorbent container B. And used as a carrier gas for desorbing carbon monoxide from the CO adsorbent container B, and mixed with the roughly reformed gas supplied to the SOFC unit and used as fuel for the SOFC unit.
CO吸着剤容器Aによる一酸化炭素の吸着が進み、一酸化炭素について吸着飽和状態、つまり破過点となる直前にCO吸着剤容器Aへのアノードオフガスの導入を止め、切替え弁a、bを操作することにより、アノードオフガスの流れを当該CO吸着剤容器Aに併置したCO吸着剤容器Bへ導入するように切り替えるが、CO吸着剤容器Bに続く水素吸蔵体容器Dも同時に切り替えられる。この切り替え後の操作を図4(b)に示している。 Adsorption of carbon monoxide by the CO adsorbent container A proceeds, the introduction of the anode off-gas to the CO adsorbent container A is stopped immediately before the carbon monoxide is in an adsorption saturated state, that is, the breakthrough point, and the switching valves a and b are turned on. By operating, the flow of the anode off gas is switched so as to be introduced into the CO adsorbent container B juxtaposed to the CO adsorbent container A, but the hydrogen storage container D following the CO adsorbent container B is also switched at the same time. The operation after this switching is shown in FIG.
切り替え後における、CO吸着剤容器Bでの一酸化炭素の吸着過程、水素吸蔵体容器Dでの水素吸着過程は、前述CO吸着剤容器A、水素吸蔵体容器Cでの過程と同様である。水素吸蔵体容器Cでの水素脱着過程、CO吸着剤容器Aでの一酸化炭素のパージ過程は、前述水素吸蔵体容器D、CO吸着剤容器Bでの過程と同様である。 The carbon monoxide adsorption process in the CO adsorbent container B and the hydrogen adsorption process in the hydrogen storage container D after the switching are the same as the processes in the CO adsorbent container A and the hydrogen storage container C described above. The hydrogen desorption process in the hydrogen storage container C and the carbon monoxide purge process in the CO adsorbent container A are the same as the processes in the hydrogen storage container D and the CO adsorbent container B described above.
水素吸蔵体容器C、CO吸着剤容器Aがそれぞれ水素、一酸化炭素の脱着過程にあるが、水素吸蔵体容器Cから脱着された水素をCO吸着剤容器Aに導入してCO吸着剤容器Bからの一酸化炭素の脱着用のキャリアガスとして利用した後、SOFCユニットに供給している粗改質ガスに混入してSOFCユニットの燃料として利用する。 The hydrogen storage container C and the CO adsorbent container A are in the process of desorbing hydrogen and carbon monoxide, respectively. The hydrogen adsorbed from the hydrogen storage container C is introduced into the CO adsorbent container A and the CO adsorbent container B After being used as a carrier gas for desorbing carbon monoxide from the fuel, it is mixed with the crude reformed gas supplied to the SOFC unit and used as fuel for the SOFC unit.
このように、CO吸着剤容器、水素吸蔵体容器を用いる態様において、水素吸蔵体容器からの再生水素をCO吸着剤容器における吸着一酸化炭素を脱着するためのパージガスとして利用し、これにより一酸化炭素と水素の混合ガスを生成して粗改質ガスに混入することにより、SOFCユニットのアノードに供給するガス中、燃料成分として有効な一酸化炭素及び水素を高濃度に維持することができる。 As described above, in the embodiment using the CO adsorbent container and the hydrogen storage container, the regenerated hydrogen from the hydrogen storage container is used as a purge gas for desorbing the adsorbed carbon monoxide in the CO adsorbent container. By generating a mixed gas of carbon and hydrogen and mixing it in the crude reformed gas, carbon monoxide and hydrogen effective as fuel components can be maintained at a high concentration in the gas supplied to the anode of the SOFC unit.
また、アノードオフガス中の一酸化炭素、水素をともに、SOFCユニットの燃料として再利用することになり、これによりSOFCユニットでの燃料利用率を改善することができる。また、CO吸着剤に吸着された一酸化炭素を脱着するのに必要なパージガスに水素吸蔵体から脱着した水素を利用するので適切なプロセスとなる。なお、水素吸蔵体容器を経たアノードオフガスの成分は二酸化炭素及び水分であるので系外に排出される。この点、後述図5(a)〜(b)、図6の態様でも同様である。 Further, both carbon monoxide and hydrogen in the anode off-gas are reused as fuel for the SOFC unit, thereby improving the fuel utilization rate in the SOFC unit. Further, since the hydrogen desorbed from the hydrogen storage material is used as the purge gas necessary for desorbing the carbon monoxide adsorbed by the CO adsorbent, the process becomes an appropriate process. The components of the anode off-gas that have passed through the hydrogen storage container are carbon dioxide and moisture, and are discharged out of the system. This also applies to the embodiments shown in FIGS. 5A to 5B and FIG.
図5はCO吸着剤容器により一酸化炭素が除去されたアノードオフガスを水素吸蔵体容器に導入して水素を吸着回収し、その吸着水素を脱着再生して高温作動燃料電池の燃料として再利用する態様例である。図4との関係で言えば、図4の態様例では水素吸蔵体容器から脱着された水素をCO吸着剤容器のキャリアガスとして利用するが、図5の態様例では、水素吸蔵体容器から脱着された水素を、PEFC用の燃料として利用するとともに、CO吸着剤容器のキャリアガスとしても利用するものである。 FIG. 5 shows an anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by a CO adsorbent container, which is introduced into a hydrogen storage container to adsorb and recover hydrogen, and the adsorbed hydrogen is desorbed and regenerated and reused as fuel for a high-temperature operating fuel cell. It is an example of an aspect. In relation to FIG. 4, in the embodiment of FIG. 4, hydrogen desorbed from the hydrogen storage container is used as the carrier gas of the CO adsorbent container. In the embodiment of FIG. 5, desorption from the hydrogen storage container is performed. The hydrogen thus used is used not only as a fuel for PEFC but also as a carrier gas for a CO adsorbent container.
この態様では、CO吸着剤容器のキャリアガスとして利用する水素は、PEFC用の燃料として利用する分だけ減ることになるが、水素吸蔵体容器からの再生水素をCO吸着剤容器に吸着された一酸化炭素を脱着するためのパージガスとして利用することに変わりはなく、これにより一酸化炭素と水素の混合ガスを生成して粗改質ガスに混入することになるので、SOFCユニットのアノードに供給するガス中、燃料成分として有効な一酸化炭素及び水素を高濃度に維持することができる。 In this embodiment, the hydrogen used as the carrier gas for the CO adsorbent container is reduced by the amount used as the fuel for the PEFC, but the regenerated hydrogen from the hydrogen storage container is absorbed into the CO adsorbent container. Since it is used as a purge gas for desorbing carbon oxide, a mixed gas of carbon monoxide and hydrogen is generated and mixed into the crude reformed gas, and is supplied to the anode of the SOFC unit. In the gas, carbon monoxide and hydrogen effective as fuel components can be maintained at a high concentration.
図5(a)において、CO吸着剤容器Aによる一酸化炭素の吸着が進み、一酸化炭素について吸着飽和状態、つまり破過点となる直前にCO吸着剤容器Aへのアノードオフガスの導入を止め、切替え弁a、bを操作する。これにより、アノードオフガスの流れを当該CO吸着剤容器Aに併置したCO吸着剤容器Bへ導入するように切り替えるが、CO吸着剤容器Bに続く水素吸蔵体容器Dも同時に切り替えられる。この切り替え後の状態、操作を図5(b)に示している。 In FIG. 5 (a), the adsorption of carbon monoxide by the CO adsorbent container A proceeds, and the introduction of the anode off-gas to the CO adsorbent container A is stopped immediately before the carbon monoxide is in an adsorption saturated state, that is, the breakthrough point. The switching valves a and b are operated. Thereby, the flow of the anode off gas is switched to be introduced into the CO adsorbent container B juxtaposed to the CO adsorbent container A, but the hydrogen storage container D following the CO adsorbent container B is also switched at the same time. The state and operation after this switching are shown in FIG.
切り替え後における、CO吸着剤容器Bでの一酸化炭素の吸着過程、水素吸蔵体容器Dでの水素吸着過程は、前述CO吸着剤容器A、水素吸蔵体容器Cでの過程と同様である。水素吸蔵体容器Cでの水素脱着過程、CO吸着剤容器Aでの一酸化炭素のパージ過程、分岐しない分の水素をPEFC用の燃料として利用する過程は、前述水素吸蔵体容器D、CO吸着剤容器Bでの過程と同様である。 The carbon monoxide adsorption process in the CO adsorbent container B and the hydrogen adsorption process in the hydrogen storage container D after the switching are the same as the processes in the CO adsorbent container A and the hydrogen storage container C described above. The hydrogen desorption process in the hydrogen storage container C, the carbon monoxide purge process in the CO adsorbent container A, and the process of using unbranched hydrogen as a fuel for PEFC are the same as the hydrogen storage container D, CO adsorption described above. This is the same as the process in the agent container B.
すなわち、水素吸蔵体容器C、CO吸着剤容器Aがそれぞれ水素、一酸化炭素の脱着過程にあるが、水素吸蔵体容器Cから脱着された水素を分岐してCO吸着剤容器Aに導入してCO吸着剤容器Bからの一酸化炭素の脱着用のキャリアガスとして利用し、SOFCユニットに供給している粗改質ガスに混入してSOFCユニットの燃料として利用する。水素吸蔵体容器Cからの水素のうちキャリアガスとして分岐しない分の水素はPEFC用の燃料として利用する。 That is, the hydrogen storage container C and the CO adsorbent container A are in the process of desorbing hydrogen and carbon monoxide, respectively, but the hydrogen desorbed from the hydrogen storage container C is branched and introduced into the CO adsorbent container A. It is used as a carrier gas for desorbing carbon monoxide from the CO adsorbent container B, and is mixed with the roughly reformed gas supplied to the SOFC unit and used as fuel for the SOFC unit. Of the hydrogen from the hydrogen storage container C, hydrogen that does not branch as a carrier gas is used as fuel for PEFC.
図6は、SOFCシステム及びその熱交換構成に本発明に係るCO吸着剤容器、水素吸蔵体容器をセットした態様例を示す図である。図6中、100kW級のSOFCユニットをセットした場合の各箇所におけるおおよその温度を示している。なお、図6のとおり、熱交換器2、予備改質器、熱交換器1を経た燃焼排ガスは400℃程度となるが、これは熱交換器2を経た燃焼排ガスの保有熱による予備改質器、熱交換器1での熱交換量をそのような温度となるように制御することによるものである。
FIG. 6 is a view showing an example in which a CO adsorbent container and a hydrogen storage container according to the present invention are set in the SOFC system and its heat exchange configuration. In FIG. 6, the approximate temperature at each location when a 100 kW class SOFC unit is set is shown. As shown in FIG. 6, the combustion exhaust gas that has passed through the
図6において、脱硫済みの原燃料は、熱交換器1を経て予備改質器に導入され、別途設けられた水蒸気発生器(気化器、熱交換器5)からの水蒸気を供給して粗改質ガスを生成し、熱交換器2に導入される。粗改質ガスは、熱交換器2においてオフガス燃焼器からの燃焼ガスにより加熱され、SOFCユニットのアノードつまりSOFCユニットを構成する各セルのアノードに供給される。
In FIG. 6, desulfurized raw fuel is introduced into a pre-reformer through a
一方、SOFCユニットにはブロワーを介して空気を供給する。ブロワーを経た空気は、順次熱交換器3、4で予熱され、SOFCユニットのカソードつまりSOFCユニットを構成する各セルのカソードに供給される。SOFCユニットから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスをオフガス燃焼器で燃焼する。そして、その燃焼排ガスを熱交換器4、2を経て予備改質器に通すことにより予備改質用の熱源として利用し、さらに熱交換器1、3に通して原燃料、空気を予熱する。
On the other hand, air is supplied to the SOFC unit through a blower. The air that has passed through the blower is sequentially preheated by the heat exchangers 3 and 4 and supplied to the cathode of the SOFC unit, that is, the cathode of each cell constituting the SOFC unit. The anode off-gas and cathode off-gas discharged from the SOFC unit are burned in an off-gas combustor. Then, the combustion exhaust gas is used as a heat source for preliminary reforming by passing it through the
それらの機器のうち、SOFCユニット、オフガス燃焼器、熱交換器2、4、それらの配管系によりSOFCシステムを構成しており、それらの機器は通常断熱容器中に配置される。また、熱交換器1、3、予備改質器、気化器、熱交換器5、それらの配管系により予備改質システムを構成している。予備改質システムの温度は、SOFCシステムの温度よりも低いが、なお高温であるので、それらの機器は必要に応じて断熱容器中に配置される。ここで「断熱容器中」とはそれらの機器を断熱材で被う場合を含む意味である。
Among these devices, the SOFC unit, the off-gas combustor, the
本態様例においては、SOFCユニットから排出されるアノードオフガスを分岐してSOFCシステム外に取り出し、CO吸着剤容器A、Bにより一酸化炭素を吸着回収するか、あるいはCO吸着剤容器A、B、水素吸蔵体容器C、Dにより一酸化炭素及び水素を吸着回収して予備改質器を経た粗改質ガスに混入する。なお、予備改質器を経た粗改質ガスに混入するに代えて、予備改質器へ供給する原燃料に混合するようにしてもよく、図6にはこの場合を示している。 In this embodiment, the anode off gas discharged from the SOFC unit is branched and taken out of the SOFC system, and carbon monoxide is adsorbed and recovered by the CO adsorbent containers A and B, or the CO adsorbent containers A and B, Carbon monoxide and hydrogen are adsorbed and recovered by the hydrogen storage containers C and D and mixed into the crude reformed gas that has passed through the preliminary reformer. Instead of being mixed with the crude reformed gas that has passed through the pre-reformer, it may be mixed with the raw fuel supplied to the pre-reformer. FIG. 6 shows this case.
図6中Zとして示す枠内のCO吸着剤容器A、B、水素吸蔵体容器C、Dを含む部分であり、これを前述図4で言えば、図4(a)中同じくZで示す枠内のCO吸着剤容器A、B、水素吸蔵体容器C、Dを含む部分に相当し、前述図5で言えば、図5(a)中同じくZで示す枠内のCO吸着剤容器A、B、水素吸蔵体容器C、Dを含む部分に相当している。SOFCユニットの作動時における操作、過程については前述図4(a)〜(b)を基に説明したのと同様である。 6 is a portion including the CO adsorbent containers A and B and the hydrogen storage containers C and D in the frame indicated by Z in FIG. 6, and this is the same as the frame indicated by Z in FIG. It corresponds to a part including the CO adsorbent containers A and B, and the hydrogen storage container containers C and D, and in FIG. 5 described above, the CO adsorbent container A in the frame indicated by Z in FIG. B, corresponding to a portion including the hydrogen storage container C, D. The operation and process during the operation of the SOFC unit are the same as those described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (b).
また、水素吸蔵体容器から脱着した水素をCO吸着剤容器からの一酸化炭素脱着用キャリアガスとして利用し、且つ、PEFC用の燃料として利用する場合には、図6中1点鎖線で示すようにPEFCを配置する。この場合は図5に示す態様に相当し、SOFCユニットの作動時における操作、過程については図5(a)〜(b)を基に説明したのと同様である。 Further, when hydrogen desorbed from the hydrogen storage container is used as a carrier gas for desorbing carbon monoxide from the CO adsorbent container and used as a fuel for PEFC, it is indicated by a one-dot chain line in FIG. The PEFC is placed in This case corresponds to the embodiment shown in FIG. 5, and the operation and process during the operation of the SOFC unit are the same as described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (b).
なお、図4〜5では、SOFCユニットに続き“アノードオフガス冷却器”を配置しているが、これを図6で言えば、図6の下部中央に示す“熱交換器5”と“気化器”が当該冷却器に相当している。図6において、熱交換器5を経たアノードオフガスは、気化器では水との向流熱交換により80℃以下に低下するので、図4〜5中“冷却器”の箇所に示す冷却媒体が図6における気化器を経た80℃以下に低下したアノードオフガスとなる。
4 to 5, the “anode off-gas cooler” is arranged after the SOFC unit. In FIG. 6, “
以上のように、CO吸着剤と水素吸蔵体を併用して、CO吸着剤による一酸化炭素回収に続き、水素吸蔵体による水素の回収を行うことにより、一酸化炭素と水素の高い回収率が達成される。また、CO吸着剤からの一酸化炭素の脱着にはパージガスが必要なことから、パージガスとして水素が有効利用される。再生される一酸化炭素、水素の濃度は総量でほぼ100%に近いので、SOFC、MCFCの燃料としてそのまま利用することができる。 As described above, by using a CO adsorbent and a hydrogen occluding material in combination, followed by carbon monoxide recovery using a CO adsorbent, and then recovering hydrogen using a hydrogen occluding material, a high carbon monoxide and hydrogen recovery rate can be obtained. Achieved. Moreover, since purge gas is required for desorption of carbon monoxide from the CO adsorbent, hydrogen is effectively used as the purge gas. Since the concentration of the regenerated carbon monoxide and hydrogen is almost 100% in total, it can be used as a fuel for SOFC and MCFC.
本態様例では、水素回収工程として2個の水素吸蔵体容器を交互に切り替えて用いる例を示したが、3個以上を配置し順次切り替えるようにしてもよい。また、単一の水素吸蔵体容器とバッファタンクを組み合わせ、バッファタンクから後段の燃料電池等に連続的に高純度水素を供給しつつ、単一の水素吸蔵材料容器中の水素吸蔵材料により水素の吸蔵と放出を繰り返しながら、放出時のみバッファタンクに水素を溜めるようにしてもよい。この点、水素吸蔵体容器を使用する他の態様例についても同じである。 In the present embodiment, an example in which two hydrogen storage containers are alternately switched and used as the hydrogen recovery step is shown, but three or more may be arranged and sequentially switched. In addition, a single hydrogen storage container and a buffer tank are combined, and high-purity hydrogen is continuously supplied from the buffer tank to the subsequent fuel cell or the like, while hydrogen is stored by the hydrogen storage material in the single hydrogen storage material container. Hydrogen may be stored in the buffer tank only at the time of discharge while repeating occlusion and release. In this respect, the same applies to other embodiments using the hydrogen storage container.
〈本発明(4)〜(6)、(14)〜(16)の態様〉
本発明(4)は、高温作動燃料電池の後段にCO変成器を配置してアノードオフガス中の一酸化炭素を水素に変えることにより、アノードオフガス中の一酸化炭素濃度を低減するとともに水素濃度を相対的に高め、CO変成器を経たアノードオフガスを冷却した後に、CO吸着剤容器に導入して一酸化炭素を吸着回収し、その吸着一酸化炭素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用することにより、高温作動燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させる高温作動燃料電池による発電方法であり、本発明(14)は当該発電方法を実施するためのシステムである。
<Aspects of the present invention (4) to (6), (14) to (16)>
In the present invention (4), a CO converter is disposed at the rear stage of the high-temperature operating fuel cell to change the carbon monoxide in the anode offgas to hydrogen, thereby reducing the carbon monoxide concentration in the anode offgas and reducing the hydrogen concentration. After cooling the anode off-gas that has passed through a CO converter and cooling it relatively, it is introduced into a CO adsorbent vessel to adsorb and recover carbon monoxide, and the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to operate at the same or different high temperature. A power generation method using a high-temperature operating fuel cell that improves power generation efficiency while improving the fuel utilization rate of the entire high-temperature operating fuel cell by being reused as fuel for a fuel cell, and the present invention (14) implements the power generation method. It is a system to do.
本発明(5)は、本発明(4)の構成に加えて、前記CO吸着剤により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガス中の水素を高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用することにより、燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させる高温作動燃料電池による発電方法であり、本発明(15)は当該発電方法を実施するためのシステムである。 According to the present invention (5), in addition to the configuration of the present invention (4), hydrogen in the anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by adsorbing and recovering carbon monoxide by the CO adsorbent is used as a high-temperature operating fuel cell. Is a power generation method using a high-temperature operation fuel cell that improves the power generation efficiency while improving the fuel utilization rate of the entire fuel cell by using as a fuel of another fuel cell, and the present invention (15) implements the power generation method It is a system to do.
本発明(6)は、本発明(4)〜(5)の構成に加えて、前記CO吸着剤容器により一酸化炭素を吸着回収することで一酸化炭素が除去されたアノードオフガスを水素吸蔵体容器に導入して水素を吸着回収し、その吸着水素を脱着再生して同一の又は別の高温作動燃料電池の燃料として再利用するか、高温作動燃料電池とは別の燃料電池の燃料として利用することにより、燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させる高温作動燃料電池による発電方法であり、本発明(16)は当該発電方法を実施するためのシステムである。 According to the present invention (6), in addition to the configurations of the present inventions (4) to (5), the anode off-gas from which carbon monoxide has been removed by adsorbing and recovering carbon monoxide by the CO adsorbent container is used as a hydrogen occlusion body. It is introduced into a container and adsorbed and recovered, and the adsorbed hydrogen is desorbed and regenerated and reused as fuel for the same or different high-temperature operating fuel cell, or used as fuel for a fuel cell different from the high-temperature operating fuel cell Thus, this is a power generation method using a high-temperature operating fuel cell that improves the power generation efficiency while improving the fuel utilization rate of the entire fuel cell, and the present invention (16) is a system for implementing the power generation method.
図7〜8は、本発明(4)〜(6)、(14)〜(16)を説明する図で、SOFCユニットのアノードオフガス中の一酸化炭素濃度が比較的高い場合に、SOFCユニットとアノードオフガス冷却器との間にCO変成器を配置する態様例を示す図である。前述図4〜5に示す構成に対しては、アノードオフガス冷却器の直前にCO変成器を配置している点で異なり、他の構成、操作は前述図4〜5に示す構成、操作と同様である。 FIGS. 7 to 8 are diagrams for explaining the present inventions (4) to (6) and (14) to (16). When the concentration of carbon monoxide in the anode off gas of the SOFC unit is relatively high, It is a figure which shows the example of an aspect which arrange | positions a CO converter between an anode offgas cooler. The configuration shown in FIGS. 4 to 5 differs from the configuration shown in FIGS. 4 to 5 in that a CO converter is disposed immediately before the anode off-gas cooler, and other configurations and operations are the same as those shown in FIGS. It is.
CO変成器においては、一酸化炭素濃度を通常1%(容量%)まで低減させることができる。このため、その後段に配置するCO吸着剤容器でのCO吸着剤の量を減らすことができる。また、CO変成器においては、ここで低減させた一酸化炭素の分だけ水(水蒸気)との反応で水素に変換されるため(CO+H2O→CO2+H2)、相対的に水素量を増加させ、図7のようにPEFCを併置する場合にはその分PEFCへ供給する燃料水素量を増加させることができる。 In the CO transformer, the carbon monoxide concentration can be reduced to usually 1% (volume%). For this reason, the amount of CO adsorbent in the CO adsorbent container disposed in the subsequent stage can be reduced. In the CO converter, since the carbon monoxide reduced here is converted into hydrogen by reaction with water (water vapor) (CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ), the amount of hydrogen is relatively reduced. When the PEFC is juxtaposed as shown in FIG. 7, the amount of fuel hydrogen supplied to the PEFC can be increased accordingly.
図8は、実機レベルあるいは実機レベルに近い100kW級のSOFCユニットをセットしたSOFCシステム及びその熱交換構成に本発明に係るCO変成器、CO吸着剤容器、水素吸蔵体容器をセットした態様例を示す図である。図8は、前述図6に示す構成に対しては、図8中※印で示す[CO変成器]を配置している点で異なる。他の構成は図6に示す構成と同じで、その操作等についても前述図6の態様例と同様である。 FIG. 8 shows an embodiment in which the CO converter, the CO adsorbent container, and the hydrogen storage container according to the present invention are set in the SOFC system in which the SOFC unit of 100 kW class close to the actual machine level or the actual machine level is set and its heat exchange configuration FIG. 8 differs from the configuration shown in FIG. 6 in that a [CO transformer] indicated by * in FIG. 8 is arranged. The other configuration is the same as the configuration shown in FIG. 6, and the operation and the like are the same as those in the above-described embodiment of FIG.
CO変成器でのCO変成温度は、使用する変成触媒の種類にもよるが、おおよそ180〜300℃程度であるので、その加熱源として、例えば(a)熱交換器1を経た燃焼排ガスを分岐して使用する、(b)SOFCユニットから排出され、熱交換器5で300℃程度以下に冷却したアノードオフガスを分岐して使用する、など適宜の熱源を利用することができる。
The CO conversion temperature in the CO converter varies depending on the type of the conversion catalyst used, but is approximately 180 to 300 ° C. Therefore, for example, (a) the combustion exhaust gas that has passed through the
〈MCFCを使用する場合独特の態様〉
高温作動燃料電池としてMCFCを使用する場合においては、二酸化炭素(CO2)をCO吸着剤容器からの一酸化炭素のパージガスとしてリサイクルして利用することができる。図9に示すように、水素吸蔵体容器から排出される二酸化炭素をパージガスとしてCO吸着剤容器に供給し、吸着一酸化炭素を脱着して粗改質ガスに混入し、MCFCの燃料として再利用する。これにより発電効率をさらに向上させることができる。なお、図9はこの態様を単純化して説明するためのものである。
<Unique aspect when using MCFC>
When MCFC is used as a high-temperature operating fuel cell, carbon dioxide (CO 2 ) can be recycled and used as a carbon monoxide purge gas from a CO adsorbent container. As shown in FIG. 9, carbon dioxide discharged from the hydrogen storage container is supplied to the CO adsorbent container as a purge gas, adsorbed carbon monoxide is desorbed and mixed into the crude reformed gas, and reused as MCFC fuel. To do. Thereby, the power generation efficiency can be further improved. FIG. 9 is for simplifying and explaining this aspect.
〈本発明における変形態様〉
本発明においては、以上の態様のほか、各種変形態様が可能である。
<Deformation in the present invention>
In the present invention, in addition to the above embodiments, various modifications can be made.
〈変形態様1〉
以上では、CO吸着剤の吸着/再生及び水素吸蔵体からの水素吸蔵/水素放出の切り替え操作を主として温度の昇降つまり温度スイングにより行う態様を例に説明したが、これらの切り替えを圧力の昇降つまり圧力スイングのみにより行ってもよく、温度スイングと圧力スイングの両者を適宜組み合わせて行うこともできる。
<
In the above description, an example in which the switching operation of adsorption / regeneration of the CO adsorbent and hydrogen storage / hydrogen release from the hydrogen storage body is mainly performed by the temperature increase / decrease, that is, the temperature swing has been described as an example. It may be performed only by the pressure swing, or may be performed by appropriately combining both the temperature swing and the pressure swing.
〈変形態様2〉
以上では、CO吸着剤の再生及び水素吸蔵体からの水素放出を温度スイングで行う場合の熱源として、高温作動燃料電池からの排熱を用いる態様を例に説明したが、予備改質器での燃焼排ガスの顕熱、CO吸着剤容器における一酸化炭素回収時に発生する熱、水素吸蔵体容器における水素回収時に発生する熱、またはこれらのいずれか2種以上を利用して行うこともできる。また、CO吸着剤の再生時の熱源として水素吸蔵体容器で発生する熱を用いてもよく、水素吸蔵体からの水素放出用の熱源としてCO吸着剤容器からの一酸化炭素回収時に発生する熱を用いることもできる。
<
In the above description, an example in which exhaust heat from a high-temperature operating fuel cell is used as a heat source when CO adsorbent regeneration and hydrogen release from a hydrogen storage body are performed by temperature swing has been described. It can also be carried out using sensible heat of combustion exhaust gas, heat generated during carbon monoxide recovery in a CO adsorbent container, heat generated during hydrogen recovery in a hydrogen storage container, or any two or more of these. The heat generated in the hydrogen storage container may be used as a heat source during regeneration of the CO adsorbent, and the heat generated during the recovery of carbon monoxide from the CO adsorbent container as a heat source for releasing hydrogen from the hydrogen storage body. Can also be used.
そのうち、上記予備改質器での燃焼排ガスの顕熱の利用例について言えば、予備改質器は概略、バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部と改質触媒を配置した改質部とで構成され、燃焼部で燃料を空気により燃焼して発生した燃焼熱を改質部に供給することにより原燃料が水蒸気と反応して粗改質ガスを生成するが、ここでの利用済み燃焼排ガスをCO吸着剤の再生及び水素吸蔵体からの水素放出を温度スイングで行う場合の熱源として利用するものである。 Of these, the pre-reformer is roughly composed of a combustion section in which a burner or a combustion catalyst is arranged and a reforming section in which a reforming catalyst is arranged. The raw fuel reacts with water vapor to produce a crude reformed gas by supplying combustion heat generated by burning fuel with air in the combustion section to the reforming section. This is used as a heat source when the regeneration of the CO adsorbent and the release of hydrogen from the hydrogen occlusion body are performed by a temperature swing.
〈変形態様3〉
また、CO吸着剤からの吸着一酸化炭素の脱着、回収時、すなわちその再生時及び水素吸蔵体からの水素脱着時に減圧器を用いて常圧まで減圧してもよく、さらにその効率を向上させるために真空ポンプ等を用いて負圧まで減圧してもよい。
<Deformation mode 3>
In addition, when desorbing and recovering adsorbed carbon monoxide from the CO adsorbent, that is, when regenerating it and when desorbing hydrogen from the hydrogen storage body, the pressure may be reduced to normal pressure using a decompressor, and the efficiency is further improved. Therefore, the pressure may be reduced to a negative pressure using a vacuum pump or the like.
以上、主として都市ガスを例に説明したが、原燃料としては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素系気体燃料、これらの二種以上の混合ガス、天然ガス、石油ガス、石炭ガス、発生炉ガス、水性ガス、高炉ガス、石油分解ガスなどの気体燃料、ガソリン、軽油、灯油、ディーゼル油などの炭化水素系液体燃料、ジメチルエーテルなどのエーテル系液体燃料、メタノールやエタノールなどのアルコール系液体燃料、各種有機性廃棄物のメタン発酵や木材チップなどのガス化により得られるバイオマス燃料のほか、それら気体燃料、液体燃料の二種以上の混合燃料、すなわち二種以上の気体燃料の混合燃料、ガソリンとエタノールの混合物などの二種以上の液体燃料の混合燃料、少なくとも一種の気体燃料と少なくとも一種の液体燃料の混合燃料なども用いられる。 As described above, city gas has been mainly described as an example, but as raw fuel, hydrocarbon gas fuel such as methane, ethane, ethylene, propane, butane, mixed gas of these two or more, natural gas, petroleum gas, coal Gas fuels such as generator gas, water gas, blast furnace gas, petroleum cracking gas, hydrocarbon liquid fuel such as gasoline, light oil, kerosene, diesel oil, ether liquid fuel such as dimethyl ether, alcohol such as methanol and ethanol Liquid fuels, biomass fuels obtained by gasification of various organic wastes such as methane fermentation and wood chips, etc., as well as mixed fuels of these gaseous fuels and liquid fuels, that is, mixing of two or more gaseous fuels Fuel, a mixture of two or more liquid fuels such as a mixture of gasoline and ethanol, at least one gaseous fuel and at least one A mixed fuel of a liquid fuel may also be used.
また、SOFCには平板積層型、円筒型、その他各種形式があるが、本発明はそれらいずれの形式のSOFCにも適用できるものである。 The SOFC includes a flat plate type, a cylindrical type, and other various types. The present invention can be applied to any type of SOFC.
1〜3 熱交換器
1-3 heat exchanger
Claims (16)
(c)燃料電池全体の燃料利用率を改善しつつ発電効率を向上させることを特徴とする高温作動燃料電池による発電方法。 A power generation method using a high temperature operation fuel cell using carbon monoxide and hydrogen as fuel, (a) after cooling the anode off-gas of the high temperature operation fuel cell, introducing it into a CO adsorbent container to adsorb and recover carbon monoxide. The adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated and reused as fuel for the same or another high-temperature operating fuel cell. (B) Carbon monoxide is removed by adsorption and recovery of carbon monoxide by the CO adsorbent. By using hydrogen containing carbon dioxide and water as impurities, which is an anode off-gas, as a fuel for a fuel cell different from a high-temperature operating fuel cell,
(C) A power generation method using a high-temperature-operated fuel cell, which improves power generation efficiency while improving the fuel utilization rate of the entire fuel cell.
A power generation system using a high-temperature operating fuel cell fueled with carbon monoxide and hydrogen, (a) by disposing a CO converter at the subsequent stage of the high-temperature operating fuel cell to convert carbon monoxide in the anode offgas to hydrogen The carbon monoxide concentration in the anode off-gas is reduced and the hydrogen concentration is relatively increased. (B) After the anode off-gas passing through the CO converter is cooled, the carbon monoxide is introduced into the CO adsorbent vessel to adsorb carbon monoxide. And the adsorbed carbon monoxide is desorbed and regenerated to be reused as fuel for the same or another high-temperature operating fuel cell, and (c) carbon monoxide is adsorbed and recovered by the CO adsorbent container. The anode off-gas from which carbon oxide has been removed is introduced into a hydrogen storage container, and hydrogen is adsorbed and recovered, and the adsorbed hydrogen is desorbed and regenerated as fuel for the same or another high-temperature operating fuel cell. (D) By improving the fuel utilization rate of the entire fuel cell, the power generation efficiency is improved by using the fuel cell or by using it as a fuel of a fuel cell different from the high-temperature operating fuel cell. A power generation system using high-temperature fuel cells.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007285603A JP2009117054A (en) | 2007-11-01 | 2007-11-01 | Power generation method and system using high-temperature fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007285603A JP2009117054A (en) | 2007-11-01 | 2007-11-01 | Power generation method and system using high-temperature fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009117054A true JP2009117054A (en) | 2009-05-28 |
Family
ID=40783998
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007285603A Pending JP2009117054A (en) | 2007-11-01 | 2007-11-01 | Power generation method and system using high-temperature fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009117054A (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011113934A (en) * | 2009-11-30 | 2011-06-09 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Fuel cell system |
JP2014216271A (en) * | 2013-04-26 | 2014-11-17 | 三菱重工業株式会社 | Power generation system and starting method of the same |
JP2015099803A (en) * | 2009-06-30 | 2015-05-28 | フラウンホーファー・ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デア・アンゲヴァンテン・フォルシュング・エー・ファウ | High temperature fuel cell system |
JP2016035938A (en) * | 2015-12-17 | 2016-03-17 | 大阪瓦斯株式会社 | Solid oxide fuel battery system |
JP2016115479A (en) * | 2014-12-12 | 2016-06-23 | 東京瓦斯株式会社 | Fuel battery system |
CN107749487A (en) * | 2017-10-21 | 2018-03-02 | 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶重工集团公司第七二研究所) | Tail gas for hydrogen fuel cell disappears hydrogen system |
CN108428919A (en) * | 2018-04-13 | 2018-08-21 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | A kind of hybrid power system and method based on Direct Carbon Fuel Cells |
CN109707992A (en) * | 2019-01-12 | 2019-05-03 | 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶重工集团公司第七一二研究所) | A kind of multi-functional charging hydrogenation stations |
JP2020145769A (en) * | 2019-03-04 | 2020-09-10 | 東京瓦斯株式会社 | Heat pump system |
JP2024526397A (en) * | 2022-06-03 | 2024-07-18 | エフシーアイ カンパニー,リミテッド | SOE-SOFC-CCS hybrid system |
-
2007
- 2007-11-01 JP JP2007285603A patent/JP2009117054A/en active Pending
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015099803A (en) * | 2009-06-30 | 2015-05-28 | フラウンホーファー・ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デア・アンゲヴァンテン・フォルシュング・エー・ファウ | High temperature fuel cell system |
JP2011113934A (en) * | 2009-11-30 | 2011-06-09 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Fuel cell system |
JP2014216271A (en) * | 2013-04-26 | 2014-11-17 | 三菱重工業株式会社 | Power generation system and starting method of the same |
JP2016115479A (en) * | 2014-12-12 | 2016-06-23 | 東京瓦斯株式会社 | Fuel battery system |
JP2016035938A (en) * | 2015-12-17 | 2016-03-17 | 大阪瓦斯株式会社 | Solid oxide fuel battery system |
CN107749487A (en) * | 2017-10-21 | 2018-03-02 | 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶重工集团公司第七二研究所) | Tail gas for hydrogen fuel cell disappears hydrogen system |
CN108428919A (en) * | 2018-04-13 | 2018-08-21 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | A kind of hybrid power system and method based on Direct Carbon Fuel Cells |
CN108428919B (en) * | 2018-04-13 | 2023-07-07 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | A hybrid power generation system and method based on direct carbon fuel cells |
CN109707992A (en) * | 2019-01-12 | 2019-05-03 | 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶重工集团公司第七一二研究所) | A kind of multi-functional charging hydrogenation stations |
CN109707992B (en) * | 2019-01-12 | 2023-11-03 | 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶重工集团公司第七一二研究所) | Multifunctional charging hydrogenation station |
JP2020145769A (en) * | 2019-03-04 | 2020-09-10 | 東京瓦斯株式会社 | Heat pump system |
JP7181127B2 (en) | 2019-03-04 | 2022-11-30 | 東京瓦斯株式会社 | heat pump system |
JP2024526397A (en) * | 2022-06-03 | 2024-07-18 | エフシーアイ カンパニー,リミテッド | SOE-SOFC-CCS hybrid system |
JP7694998B2 (en) | 2022-06-03 | 2025-06-18 | エフシーアイ カンパニー,リミテッド | SOE-SOFC-CCS hybrid system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2009117054A (en) | Power generation method and system using high-temperature fuel cell | |
US6821663B2 (en) | Solid oxide regenerative fuel cell | |
JP2006031989A (en) | Power generation method and system using solid oxide fuel cell | |
JP5801141B2 (en) | Carbon dioxide recovery fuel cell system | |
JP2008108619A (en) | Fuel cell power generation system and its carbon dioxide recovery method | |
JP2002334714A (en) | Hydrogen production system incorporating a fuel cell | |
JP3942983B2 (en) | Thermal self-supporting solid oxide fuel cell system | |
JPH0757756A (en) | Fuel cell power generation system | |
JP2006342014A (en) | Method for producing high purity hydrogen | |
JP2765950B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JP2003272691A (en) | Fuel cell generating device and operating method of fuel cell generating device | |
JP5098073B2 (en) | Energy station | |
JP3671040B2 (en) | Hydrogen-based infrastructure system | |
JP2002313402A (en) | How to improve power generation efficiency of fuel cells | |
JP5357465B2 (en) | High purity hydrogen production method | |
JPH11176462A (en) | Peak cut type fuel cell system | |
JP2003095612A (en) | Hydrogen producing plant | |
JPH11339820A (en) | Hybrid fuel cell system | |
JPH06275291A (en) | Molten carbonate fuel cell system | |
KR20230006127A (en) | Ammonia based solid oxide fuel cells hybrid hydrogen manufacturing system | |
JP4259674B2 (en) | Fuel cell power generator | |
JP6847900B2 (en) | Carbon dioxide capture fuel cell power generation system | |
JP2008108621A (en) | Fuel cell power generation system and its carbon dioxide recovery method | |
JP2008108620A (en) | Fuel cell power generation system and its carbon dioxide recovery method | |
KR102453314B1 (en) | Fuel cell generation system |