JP7148364B2 - Reactor and fuel cell power generation system - Google Patents
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Description
本発明は反応装置及び燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to reactors and fuel cell power generation systems.
燃料電池発電システムにおいて、炭素化合物燃料を用いる場合には、燃料電池から排出される排ガスに二酸化炭素ガスが含まれている。この排ガスから二酸化炭素ガスを分離することが考えられている(例えば、特許文献1~5参照)。
When carbon compound fuel is used in the fuel cell power generation system, the exhaust gas discharged from the fuel cell contains carbon dioxide gas. Separation of carbon dioxide gas from this exhaust gas has been considered (for example, see
二酸化炭素ガスは、液化して液化二酸化炭素とすることで、輸送や貯留層への圧入固定化、及び商工業利用をしやすくなる。
排ガスには、二酸化炭素ガス以外の気体(不純物)が含まれているため、不純物の少ない液化二酸化炭素を得るには、二酸化炭素ガス以外の気体を除去する必要がある。排ガスの未反応成分と酸素とを反応させることにより高濃度の二酸化炭素ガスを得る装置はあるが、二酸化炭素ガスを得る際の反応を促進することが要望されている。
By liquefying carbon dioxide gas into liquefied carbon dioxide, it becomes easier to transport, fix by injection into reservoirs, and use in commerce and industry.
Since exhaust gas contains gases (impurities) other than carbon dioxide gas, it is necessary to remove gases other than carbon dioxide gas in order to obtain liquefied carbon dioxide with less impurities. Although there are apparatuses for obtaining high-concentration carbon dioxide gas by reacting unreacted components of exhaust gas with oxygen, it is desired to accelerate the reaction when obtaining carbon dioxide gas.
また、二酸化炭素ガスを大気に放出させないために、分離した二酸化炭素ガスから炭素を生成して貯蔵することが知られている。二酸化炭素ガスと水素とを触媒下で反応(還元反応)させて炭素を製造する炭素製造装置が知られている(例えば、特許文献5参照)。還元反応に用いる二酸化炭素ガスを効率よく得る点からも、二酸化炭素ガスを得る際の反応を促進することが要望されている。 It is also known to produce and store carbon from the separated carbon dioxide gas so as not to release the carbon dioxide gas into the atmosphere. BACKGROUND ART There is known a carbon production apparatus that produces carbon by reacting carbon dioxide gas and hydrogen in the presence of a catalyst (reduction reaction) (see, for example, Patent Document 5). Also from the viewpoint of efficiently obtaining carbon dioxide gas used in the reduction reaction, it is desired to accelerate the reaction for obtaining carbon dioxide gas.
二酸化炭素ガスを得る際の反応を促進するため、酸素透過膜を用いて酸素を含むガスから酸素を選択的に分離し、分離された酸素と排ガスの未反応成分とを酸化させて二酸化炭素を生成する場合がある。このとき、酸素透過膜としては、LSCF(La、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)、BSCF(Ba、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)等を含む混合導電性セラミック膜が用いられる。
しかしながら、このような混合導電性セラミック膜を用いた場合、排ガスに含まれる二酸化炭素又は酸素と排ガスの未反応成分との酸化により生成される二酸化炭素がLSCF、BSCF等と反応し、混合導電性セラミック膜上に炭酸塩が生成及び蓄積して酸素透過膜における酸素透過性が著しく低下するおそれがある。
そこで、酸素透過膜を用いる場合に、酸素透過性の低下を抑制して、分離された酸素と排ガスの未反応成分との酸化反応を促進させ、二酸化炭素濃度の高いガスが得られる反応装置が望ましい。
In order to promote the reaction when obtaining carbon dioxide gas, oxygen is selectively separated from the oxygen-containing gas using an oxygen permeable membrane, and the separated oxygen and unreacted components of the exhaust gas are oxidized to produce carbon dioxide. may generate. At this time, as the oxygen permeable film, a mixed conductive ceramic film containing LSCF (a compound consisting of La, Sr, Co, Fe and oxygen), BSCF (a compound consisting of Ba, Sr, Co, Fe and oxygen), etc. is used. be done.
However, when such a mixed conductive ceramic film is used, carbon dioxide generated by oxidation of carbon dioxide or oxygen contained in the exhaust gas and unreacted components of the exhaust gas reacts with LSCF, BSCF, etc., and the mixed conductivity Carbonate may form and accumulate on the ceramic membrane, significantly reducing the oxygen permeability of the oxygen permeable membrane.
Therefore, when using an oxygen permeable membrane, there is a reactor that suppresses the decrease in oxygen permeability, promotes the oxidation reaction between the separated oxygen and unreacted components of the exhaust gas, and obtains a gas with a high carbon dioxide concentration. desirable.
また、酸素透過膜以外の透過膜を用いた反応装置であっても二酸化炭素濃度の高いガスが得られることが望ましい。 Moreover, it is desirable that a gas having a high carbon dioxide concentration can be obtained even in a reactor using a permeable membrane other than an oxygen permeable membrane.
本発明の一形態は、上記に鑑みてなされたものであり、酸素透過膜の酸素透過性に優れ、酸化反応の促進を可能とすることにより、二酸化炭素濃度の高いガスが得られる反応装置、及びその反応装置を備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
また、本発明の他の形態は、水素透過膜を用いることにより、二酸化炭素濃度の高いガスが得られる反応装置、及びその反応装置を備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
One aspect of the present invention has been made in view of the above. and a fuel cell power generation system equipped with the reactor.
Another object of the present invention is to provide a reactor capable of obtaining a gas with a high carbon dioxide concentration by using a hydrogen permeable membrane, and a fuel cell power generation system equipped with the reactor.
<1> 燃料ガスが供給される第1流路と、酸素を含むガスが供給される第2流路と、前記第1流路と前記第2流路とを隔て、前記第2流路に供給される前記ガスに含まれる酸素を前記第1流路側に透過する酸素透過膜と、前記第1流路に設けられ、前記燃料ガスと前記酸素透過膜を透過する酸素との酸化反応を促進する触媒と、を備え、前記酸素透過膜は、酸化ジルコニウム膜を備える反応装置。
上記<1>の構成によれば、酸化ジルコニウム膜を用いることにより、LSCF(La、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)、BSCF(Ba、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)等を含むセラミック膜を用いる場合と比較し、二酸化炭素と膜成分との反応による炭酸塩の生成及び蓄積が抑制され、酸素透過膜における酸素透過性の低下を抑制できる。これにより、反応装置での未反応の燃料ガスと酸素との酸化反応を促進することができる。これにより、二酸化炭素濃度の高いガスを得ることができる。
<1> A first flow path to which a fuel gas is supplied, a second flow path to which a gas containing oxygen is supplied, and a flow path separating the first flow path and the second flow path to the second flow path an oxygen-permeable membrane that permeates oxygen contained in the supplied gas toward the first flow path; and an oxygen-permeable membrane that is provided in the first flow path and promotes an oxidation reaction between the fuel gas and oxygen that permeates the oxygen-permeable membrane. and a catalyst, wherein the oxygen permeable membrane comprises a zirconium oxide membrane.
According to the configuration <1>, by using the zirconium oxide film, LSCF (compound composed of La, Sr, Co, Fe and oxygen), BSCF (compound composed of Ba, Sr, Co, Fe and oxygen), etc. In comparison with the case of using a ceramic membrane containing, the formation and accumulation of carbonate due to the reaction between carbon dioxide and membrane components can be suppressed, and the decrease in oxygen permeability in the oxygen permeable membrane can be suppressed. This can promote the oxidation reaction between unreacted fuel gas and oxygen in the reactor. Thereby, a gas with a high carbon dioxide concentration can be obtained.
<2> 前記酸化ジルコニウム膜は、酸化ジルコニウムに酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化アルミニウム及び酸化イッテルビウムからなる群より選択される少なくとも一種の金属酸化物をドープした膜である<1>に記載の反応装置。
上記<2>の構成によれば、酸化ジルコニウム膜について、高い耐久性と酸素の高い輸送特性を実現できるという効果を奏する。
<2> The zirconium oxide film according to <1>, wherein the zirconium oxide film is a film obtained by doping zirconium oxide with at least one metal oxide selected from the group consisting of scandium oxide, yttrium oxide, cerium oxide, aluminum oxide, and ytterbium oxide. reactor.
According to the configuration <2>, the zirconium oxide film has the effect of realizing high durability and high oxygen transport properties.
<3> 前記酸化ジルコニウム膜における前記金属酸化物に対する前記酸化ジルコニウムのモル比率(酸化ジルコニウム/金属酸化物)は80/20~97/3である<2>に記載の反応装置。
上記<3>の構成によれば、酸化ジルコニウム膜について、前述のモル比率が80/20以上であることにより、酸素の高い輸送特性を実現でき、前述のモル比率が97/3以下であることにより、結晶構造が正方晶又は立方晶となり安定化されるため、高い耐久性を実現できる。
<3> The reactor according to <2>, wherein the molar ratio of the zirconium oxide to the metal oxide in the zirconium oxide film (zirconium oxide/metal oxide) is 80/20 to 97/3.
According to the above configuration <3>, the zirconium oxide film has a high oxygen transport property because the molar ratio is 80/20 or more, and the molar ratio is 97/3 or less. As a result, the crystal structure becomes a tetragonal system or a cubic system and is stabilized, so that high durability can be realized.
<4> 前記酸化ジルコニウム膜は、前記第1流路側の面及び前記第2流路側の面が電気的に短絡している<1>~<3>のいずれか1つに記載の反応装置。
<5> 前記酸化ジルコニウム膜は、前記第1流路側の面及び前記第2流路側の面を貫通するマイクロビア構造を備え、前記マイクロビア構造に電子伝導性を有する材料が埋め込まれ、前記第1流路側の面及び前記第2流路側の面が内部短絡している、又は、前記第1流路側の面及び前記第2流路側の面に集電体をさらに備え、前記第1流路側の面及び前記第2流路側の面が外部短絡している<4>に記載の反応装置。
上記<4>及び<5>の構成によれば、酸化ジルコニウム膜に電子伝導性を持たせ、第2流路側に供給された酸素を酸素イオン(O2-)として第1流路側に透過させることにより酸素透過性を高めることができる。
<4> The reactor according to any one of <1> to <3>, wherein the zirconium oxide film is electrically short-circuited on the first channel side surface and the second channel side surface.
<5> The zirconium oxide film has a micro-via structure penetrating through the surface on the first channel side and the surface on the second channel side. The surface on the side of the first channel and the surface on the side of the second channel are internally short-circuited, or the surface on the side of the first channel and the surface on the side of the second channel further include current collectors, and the surface on the side of the first channel The reaction apparatus according to <4>, in which the surface of and the surface on the side of the second flow path are externally short-circuited.
According to the above configurations <4> and <5>, the zirconium oxide film is provided with electronic conductivity, and oxygen supplied to the second channel side is permeated to the first channel side as oxygen ions (O 2− ). Oxygen permeability can be improved thereby.
<6> 前記触媒は、前記酸素透過膜の前記第1流路側に積層されている、<1>~<5>のいずれか1つに記載の反応装置。
上記<6>の構成によれば、未反応の燃料ガスと酸素透過膜を透過した酸素とを好適に酸化反応させることができる。
<6> The reaction device according to any one of <1> to <5>, wherein the catalyst is laminated on the first channel side of the oxygen permeable membrane.
According to the configuration <6>, the unreacted fuel gas and the oxygen permeated through the oxygen permeable membrane can be favorably oxidized.
<7> 燃料ガスが供給される第1流路と、酸素を含むガスが供給される第2流路と、前記第1流路と前記第2流路とを隔て、前記第1流路に供給される前記ガスに含まれる水素を前記第2流路側に透過する水素透過膜と、前記第2流路に設けられ、前記酸素と前記水素透過膜を透過する水素との酸化反応を促進する触媒と、を備える反応装置。
上記<7>の構成によれば、第1流路に供給されるガスに含まれる水素を水素透過膜により分離することができ、酸素と水素透過膜を透過した水素とが第2流路側にて酸化反応する。これにより、第1流路側にて二酸化炭素濃度の高いガスが得られる。
<7> A first flow path to which a fuel gas is supplied, a second flow path to which a gas containing oxygen is supplied, and a flow path separating the first flow path and the second flow path to the first flow path a hydrogen-permeable membrane for permeating hydrogen contained in the gas to be supplied to the second channel side; A reactor comprising a catalyst.
According to the above configuration <7>, the hydrogen contained in the gas supplied to the first channel can be separated by the hydrogen permeable membrane, and the oxygen and the hydrogen permeated through the hydrogen permeable membrane flow to the second channel side. oxidation reaction. As a result, a gas with a high carbon dioxide concentration is obtained on the first channel side.
<8> 前記触媒は、前記水素透過膜の前記第2流路側に積層されている、<7>に記載の反応装置。
上記<8>の構成によれば、酸素と水素透過膜を透過した水素とを好適に酸化反応させることができる。
<8> The reaction device according to <7>, wherein the catalyst is laminated on the second flow channel side of the hydrogen permeable membrane.
According to the configuration <8>, oxygen and hydrogen permeating through the hydrogen-permeable membrane can be favorably oxidized.
<9> <1>~<6>のいずれか1つに記載の反応装置と、燃料極、空気極及び前記燃料極と前記空気極との間に配置された電解質層を備え、前記燃料極へ供給される前記燃料ガスと、前記空気極へ供給される、酸素を含む酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から未反応の前記燃料ガスを含む燃料極オフガスが排出され、前記空気極から酸素を含む空気極オフガスが排出される燃料電池と、を備え、前記第1流路に前記燃料極オフガスが供給され、前記第2流路に前記空気極オフガスが供給され、前記反応装置の前記第1流路にて、未反応の前記燃料ガスと前記酸素透過膜を透過する酸素とが酸化反応して二酸化炭素が生成される燃料電池発電システム。
上記<9>の構成によれば、反応装置の第1流路に燃料極オフガスが供給され、反応装置の第2流路に空気極オフガスが供給される。そして、反応装置内にて空気極オフガスに含まれる酸素が酸素透過膜を透過して第1流路側に供給され、燃料極オフガスに含まれる未反応の燃料ガスとの酸化反応に供される。このとき、上記<1>の構成と同様、酸素透過膜における酸素透過性の低下を抑制でき、反応装置での未反応の燃料ガスと酸素との酸化反応を促進することができ、二酸化炭素濃度の高いガスを得ることができる。
<9> The reaction apparatus according to any one of <1> to <6>, a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode, wherein the fuel electrode The fuel gas supplied to the air electrode and the oxidant gas containing oxygen supplied to the air electrode generate power, and the fuel electrode off-gas containing the unreacted fuel gas is discharged from the fuel electrode, and the air a fuel cell in which an air electrode off-gas containing oxygen is discharged from an electrode, the fuel electrode off-gas is supplied to the first flow path, the air electrode off-gas is supplied to the second flow path, and the
According to the above configuration <9>, the fuel electrode off-gas is supplied to the first channel of the reactor, and the air electrode off-gas is supplied to the second channel of the reactor. Oxygen contained in the air electrode off-gas passes through the oxygen permeable membrane in the reactor and is supplied to the first channel side, where it undergoes an oxidation reaction with unreacted fuel gas contained in the fuel electrode off-gas. At this time, as in the configuration <1> above, a decrease in the oxygen permeability of the oxygen permeable membrane can be suppressed, the oxidation reaction between unreacted fuel gas and oxygen in the reactor can be promoted, and the carbon dioxide concentration can be reduced. high gas can be obtained.
<10> <7>又は<8>に記載の反応装置と、燃料極、空気極及び前記燃料極と前記空気極との間に配置された電解質層を備え、前記燃料極へ供給される前記燃料ガスと、前記空気極へ供給される、酸素を含む酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から未反応の前記燃料ガスを含む燃料極オフガスが排出され、前記空気極から酸素を含む空気極オフガスが排出される燃料電池と、を備え、前記第1流路に前記燃料極オフガスが供給され、前記第2流路に前記空気極オフガスが供給され、前記反応装置の前記第2流路にて、前記酸素と前記水素透過膜を透過する水素とが酸化反応して水が生成され、前記燃料極オフガスから未反応の水素が分離される燃料電池発電システム。
上記<10>の構成によれば、反応装置の第1流路に燃料極オフガスが供給され、反応装置の第2流路に空気極オフガスが供給される。そして、反応装置内にて燃料極オフガスに含まれる水素が水素透過膜を透過して第2流路側に供給され、空気極オフガスに含まれる酸素との酸化反応に供される。このとき、上記<7>の構成と同様、二酸化炭素濃度の高いガスを得ることができる。
更に、燃料極オフガス中に一酸化炭素も含まれている場合、水素が選択的に分離されることで化学平衡が変化し、燃料極オフガス中の水蒸気と一酸化炭素がシフト反応を起こして二酸化炭素と水素に変化する。そのため、燃料極オフガス中の水素が第2流路側に分離されることにより、効率よく二酸化炭素濃度のより高いガスを得ることができる。
<10> The reaction device according to <7> or <8>, a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode, wherein the Electricity is generated by the fuel gas and the oxidant gas containing oxygen supplied to the air electrode, and the fuel electrode off-gas containing the unreacted fuel gas is discharged from the fuel electrode and contains oxygen from the air electrode. a fuel cell from which air electrode off-gas is discharged, wherein the fuel electrode off-gas is supplied to the first flow path, the air electrode off-gas is supplied to the second flow path, and the second flow of the reactor A fuel cell power generation system in which the oxygen and the hydrogen permeating the hydrogen permeable membrane are oxidized in the passage to produce water, and unreacted hydrogen is separated from the fuel electrode off-gas.
According to the above configuration <10>, the fuel electrode off-gas is supplied to the first channel of the reactor, and the air electrode off-gas is supplied to the second channel of the reactor. Then, in the reactor, hydrogen contained in the fuel electrode off-gas passes through the hydrogen permeable membrane and is supplied to the second channel side, where it undergoes an oxidation reaction with oxygen contained in the air electrode off-gas. At this time, similarly to the configuration <7>, a gas with a high carbon dioxide concentration can be obtained.
Furthermore, when carbon monoxide is also contained in the fuel electrode off-gas, the chemical equilibrium changes due to the selective separation of hydrogen, and water vapor and carbon monoxide in the fuel electrode off-gas undergo a shift reaction to produce carbon monoxide. Converts to carbon and hydrogen. Therefore, the hydrogen in the fuel electrode off-gas is separated to the second channel side, so that a gas with a higher carbon dioxide concentration can be efficiently obtained.
<11> 前記燃料電池を複数備え、複数の前記燃料電池における燃料極は直列に配置されており、より上流側の燃料極から排出された前記燃料極オフガスは、より下流側の燃料極に供給され、最も下流側の燃料極から排出された前記燃料極オフガスが前記第1流路に供給され、複数の前記燃料電池における空気極の少なくともいずれか1つから排出された前記空気極オフガスが前記第2流路に供給される<9>又は<10>に記載の燃料電池発電システム。
上記<11>の構成によれば、複数の燃料電池を備え、より上流側の燃料極から排出された燃料極オフガスがより下流の燃料極に供給されて再利用されることにより、燃料電池発電システムの発電効率を向上させることができる。
<11> A plurality of the fuel cells are provided, and the fuel electrodes in the plurality of fuel cells are arranged in series, and the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode on the upstream side is supplied to the fuel electrode on the downstream side. and the fuel electrode off-gas discharged from the most downstream fuel electrode is supplied to the first flow path, and the air electrode off-gas discharged from at least one of the air electrodes in the plurality of fuel cells is supplied to the The fuel cell power generation system according to <9> or <10>, which is supplied to the second channel.
According to the configuration <11>, a plurality of fuel cells are provided, and the fuel electrode off-gas discharged from the more upstream fuel electrode is supplied to the more downstream fuel electrode and reused, thereby fuel cell power generation The power generation efficiency of the system can be improved.
<12> 前記反応装置の前記第1流路から排出されたガスから水蒸気を分離する水蒸気分離部をさらに備える<9>~<11>のいずれか1つに記載の燃料電池発電システム。
上記<12>の構成によれば、第1流路から排出されたガスは、水蒸気及び二酸化炭素を主成分として含むため、このガスから水蒸気を分離することにより、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
<12> The fuel cell power generation system according to any one of <9> to <11>, further comprising a steam separation unit that separates steam from the gas discharged from the first channel of the reaction device.
According to the configuration <12> above, since the gas discharged from the first flow path contains water vapor and carbon dioxide as main components, by separating the water vapor from this gas, high-concentration carbon dioxide is recovered. be able to.
<13> 再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置での発電により生じた電力を用いて水を電気分解する水電解装置と、前記水電解装置にて生成された水素と、前記反応装置の前記第1流路から排出されたガスに含まれる二酸化炭素との還元反応により炭素を生成する炭素生成部と、をさらに備える<9>~<12>のいずれか1つに記載の燃料電池発電システム。
上記<13>の構成によれば、回収された高濃度の二酸化炭素と、再生可能エネルギーに由来する水素(CO2フリー水素)との還元反応により炭素を生成することができる。
<13> A power generation device that generates power using renewable energy, a water electrolysis device that electrolyzes water using the power generated by the power generation device, and hydrogen generated by the water electrolysis device. and a carbon generator that generates carbon by a reduction reaction with carbon dioxide contained in the gas discharged from the first flow path of the reaction device. The fuel cell power system described.
According to the above configuration <13>, carbon can be produced by a reduction reaction between the recovered high-concentration carbon dioxide and hydrogen derived from renewable energy (CO 2 -free hydrogen).
<14> 前記反応装置の前記第1流路から排出されたガスに含まれる二酸化炭素を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部にて圧縮された二酸化炭素を液化する液化装置と、をさらに備える<9>~<13>のいずれか1つに記載の燃料電池発電システム。
上記<14>の構成によれば、回収された高濃度の二酸化炭素から液化二酸化炭素を効率的に得ることができる。
<14> Further comprising: a compression section that compresses carbon dioxide contained in the gas discharged from the first flow path of the reaction device; and a liquefying device that liquefies the carbon dioxide compressed in the compression section. The fuel cell power generation system according to any one of 9> to <13>.
According to the above configuration <14>, liquefied carbon dioxide can be efficiently obtained from the recovered high-concentration carbon dioxide.
本発明の一形態によれば、酸素透過膜の酸素透過性に優れ、酸化反応の促進を可能とすることにより、二酸化炭素濃度の高いガスが得られる反応装置、及びその反応装置を備えた燃料電池発電システムを提供することができる。
また、本発明の他の形態は、水素透過膜を用いることにより、二酸化炭素濃度の高いガスが得られる反応装置、及びその反応装置を備えた燃料電池発電システムを提供することができる。
According to one aspect of the present invention, a reactor capable of obtaining a gas with a high carbon dioxide concentration by having an oxygen permeable membrane with excellent oxygen permeability and enabling promotion of an oxidation reaction, and a fuel equipped with the reactor A battery power generation system can be provided.
Further, another aspect of the present invention can provide a reactor capable of obtaining a gas with a high carbon dioxide concentration by using a hydrogen permeable membrane, and a fuel cell power generation system including the reactor.
本開示において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。
In the present disclosure, a numerical range represented using "to" means a range including the numerical values described before and after "to" as lower and upper limits.
In the numerical ranges described step by step in the present disclosure, the upper limit or lower limit of one numerical range may be replaced with the upper or lower limit of another numerical range described step by step. .
[第1実施形態]
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
図1には、本発明の第1実施形態に係る燃料電池発電システム10Aが示されている。燃料電池発電システム10Aは、主要な構成として、第1燃料電池セルスタック12、第2燃料電池セルスタック14、反応装置としての酸素透過膜付酸化反応器20、凝縮器(水蒸気分離部)26、第2熱交換器32、排熱投入型吸収式冷凍機36、水タンク27、二酸化炭素ガス液化部66、タンク84等を備え、これらがオンサイトで設けられている。また、燃料電池発電システム10Aは、図示しない制御部を備えている。
[First embodiment]
An example of an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a fuel cell
図1に示すように、第1燃料電池セルスタック12は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池(PCFC:Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell)であり、電解質層12Cと、当該電解質層12Cの表裏面にそれぞれ積層された第1燃料極(燃料極)12A、及び第1空気極(空気極)12Bと、を有している。
As shown in FIG. 1, the first
なお、第2燃料電池セルスタック14についての基本構成は、第1燃料電池セルスタック12と同様であり、第1燃料極12Aに対応する第2燃料極14A、第1空気極12Bに対応する第2空気極14B、及び電解質層12Cに対応する電解質層14Cを有している。
The basic configuration of the second
第1燃料電池セルスタック12の第1燃料極12Aには、改質ガス管P1-2の一端が接続されており、燃料ガス管P1-1の他端は後述する改質器54に接続されている。改質器54からは、燃料ガスが第1燃料極12Aへ送出される。なお、本実施形態では、燃料ガスとしてメタンを用いるが、改質により水素を生成可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、LPガス(液化石油ガス)、バイオガス、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数4以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、LPガス等のガスであってもよい。燃料ガスに不純物が含まれる場合、脱硫器等が必要になるが、図1では省略されている。
One end of the reformed gas pipe P1-2 is connected to the
改質ガス管P1-2には、水蒸気管P2が合流接続されており、不図示の水蒸気源から、起動時や停止時などに、適宜水蒸気が送り込まれる。メタン及び水蒸気は燃料ガス管P1で合流され、第1燃料極12Aへ供給される。なお、水蒸気管P2からの水蒸気は、燃料電池発電システム10Aの起動や停止工程において、必要時に補充的に供給される。
A water vapor pipe P2 is connected to the reformed gas pipe P1-2, and water vapor is appropriately supplied from a water vapor source (not shown) at the time of starting or stopping. Methane and water vapor are combined in the fuel gas pipe P1 and supplied to the
第1燃料極12Aでは、下記(1)式に示すように、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、下記(2)式に示すように、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。
At the
CH4+H2O→3H2+CO …(1)
CO+H2O→CO2+H2 …(2)
CH 4 +H 2 O→3H 2 +CO (1)
CO+ H2O → CO2 +H2 ( 2 )
そして、第1燃料極12Aにおいて、下記(3)式に示すように、水素が水素イオンと電子とに分離される。
Then, in the
(燃料極反応)
H2→2H++2e-…(3)
(Anode reaction)
H 2 →2H + +2e − (3)
水素イオンは、電解質層12Cを通って第1空気極12Bへ移動する。電子は、外部回路(不図示)を通って第1空気極12Bへ移動する。これにより、第1燃料電池セルスタック12において発電される。発電時に、第1燃料電池セルスタック12は、発熱する。
The hydrogen ions move through the
第1燃料電池セルスタック12の第1空気極12Bには、酸化剤ガス管P5から酸化剤ガス(空気)が供給される。酸化剤ガス管P5へは、酸化剤ガスブロワB2により空気が導入されている。酸化剤ガス管P5には、第2熱交換器32が設けられており、酸化剤ガス管P5を流れる空気が、後述する空気極オフガス管P6を流れる空気極オフガスと熱交換により加熱される。加熱された空気は、第1空気極12Bへ供給される。
An oxidant gas (air) is supplied to the
第1空気極12Bでは、下記(4)式に示すように、電解質層12Cを通って第1燃料極12Aから移動してきた水素イオン、外部回路を通って第1燃料極12Aから移動した電子が、酸化剤ガス中の酸素と反応して水蒸気が生成される。
In the
(空気極反応)
2H++2e-+1/2O2 →H2O …(4)
(air electrode reaction)
2H + +2e − +1/2O 2 →H 2 O (4)
また、第1空気極12Bには、空気極オフガス管P6が接続されている。第1空気極12Bから空気極オフガス管P6へ空気極オフガスが排出される。なお、酸化剤ガス管P5及び空気極オフガス管P6は、第2空気極14Bとも同様に接続されており、第1空気極12B及び第2空気極14Bは、並列に接続されている。
An air electrode offgas pipe P6 is connected to the
第1燃料電池セルスタック12の第1燃料極12Aには第1燃料極オフガス管P7の一端が接続されており、第1燃料極オフガス管P7の他端は第2燃料電池セルスタック14の第2燃料極14Aに接続されている。第1燃料極12Aから第1燃料極オフガス管P7へ第1燃料極オフガスが送出される。燃料極オフガスには、未改質の燃料ガス成分、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
One end of the first fuel electrode off-gas pipe P7 is connected to the
第2燃料電池セルスタック14の第2燃料極14Aには、第2燃料極オフガス管P7-2の一端が接続されており、第2燃料極14Aから、第2燃料極オフガスが送出される。第2燃料極オフガス管P7-2の他端は、酸素透過膜付酸化反応器20と接続されている。
One end of a second fuel electrode off-gas pipe P7-2 is connected to the
第2燃料電池セルスタック14では、第1燃料電池セルスタック12と同様の発電反応が行われ、第2空気極14Bから空気極オフガス管P6へ空気極オフガスが送出される。第2空気極14Bと接続された空気極オフガス管P6は、第1空気極12Bと接続された空気極オフガス管P6との合流部よりも上流側で分岐されており、分岐空気極オフガス管P6-2が形成されている。分岐空気極オフガス管P6-2には、流量調整可能な流量調整バルブ42が設けられている。流量調整バルブ42は、制御部と接続されている。流量調整バルブ42は、制御部により制御され、分岐空気極オフガス管P6-2へ分岐する空気極オフガス流量が調整される。分岐空気極オフガス管P6-2の下流端は、酸素透過膜付酸化反応器20と接続されている。
In the second
(酸素透過膜付酸化反応器)
図2に示すように、酸素透過膜付酸化反応器20は、外筒20Aと、外筒20Aの内側に配置された円筒形状の酸素透過膜23と、外筒20A及び円筒形状の酸素透過膜23の筒軸方向端側の開口部分を閉塞する閉塞部材20Bとを有して構成された内部が密閉された多重円筒状とされている。
(Oxidation reactor with oxygen permeable membrane)
As shown in FIG. 2, the
外筒20Aと酸素透過膜23との間は環状の酸化反応部22とされ、円筒形状の酸素透過膜23の内周側は酸素分離部24とされており、酸化反応部22と酸素分離部24とは酸素透過膜23で隔離されている。
An annular
酸化反応部22は、内部に螺旋形状とされた外側螺旋通路形成部材28が設けられ、外筒20Aの筒軸方向に向けて螺旋状とされた酸化反応空間22Aが形成されている。
外側螺旋通路形成部材28は、一例として、帯状部材を螺旋状に形成したものであり、内周縁が酸素透過膜23の外周面に固定され、外周縁が外筒20Aの内周面に固定されている。
The
The outer spiral
酸素分離部24は、内部に螺旋形状とされた内側螺旋通路形成部材29が設けられ、外筒20Aの筒軸方向に向けて螺旋状とされた空気流路24Aが形成されている。
内側螺旋通路形成部材29は、一例として、帯状部材を螺旋状に形成したものであり、外周縁が酸素透過膜23の内周面に固定されている。なお、内側螺旋通路形成部材29は、内周縁を軸芯部分に設けた図示しない軸の外周面に固定した螺旋階段形状としてもよい。
The
The inner spiral
図2及び図3に示すように、本実施形態の酸素透過膜23は、多孔質のセラミック膜23Aと、セラミック膜23Aの空気流路24A側に設けられる酸化ジルコニウム膜23Bと、セラミック膜23Aの酸化反応空間22A側に設けられる多孔質の反応触媒膜23Cと、とを含んで構成され、酸素分離部24から酸化反応部22へ、酸化ジルコニウム膜23B、セラミック膜23A、反応触媒膜23Cの順で積層されている。なお、セラミック膜23Aと酸化ジルコニウム膜23Bとで高温酸素透過膜が構成されている。また、セラミック膜23Aは、酸化ジルコニウム膜23Bの支持体として機能しており、セラミック膜23Aに代えて多孔質の支持体を設けてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the oxygen
多孔質のセラミック膜23Aとしては、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア等を含む多孔質の膜が挙げられる。安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア部分安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア部分安定化ジルコニア(ScSZ)等が挙げられる。安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア等は、ニッケル、コバルト、ルテニウム等がドープされたものであってもよく、例えば、Ni-YSZ等であってもよい。
Examples of the porous
酸化ジルコニウム膜23Bとしては、酸化ジルコニウムを含む膜であり、酸化ジルコニウムを含む緻密膜であってもよい。酸化ジルコニウム膜23Bは、LSCF(La、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)、BSCF(Ba、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)等を含むセラミック膜と比較し、二酸化炭素と膜成分との反応による炭酸塩の生成及び蓄積が抑制され、酸素透過膜23における酸素透過性の低下を抑制できる。これにより、酸化反応空間22A側にて二酸化炭素濃度の高いガスを得ることができる。
The
酸化ジルコニウム膜23Bは、高い耐久性と酸素の高い輸送特性を実現できる点から、酸化ジルコニウム(ZrO2)に酸化スカンジウム(Sc2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)及び酸化イッテルビウム(Yb2O3)からなる群より選択される少なくとも一種の金属酸化物をドープした膜であることが好ましい。
The
酸化ジルコニウム膜23Bにおける前述の金属酸化物に対する酸化ジルコニウムのモル比率(酸化ジルコニウム/金属酸化物)は、80/20~97/3であることが好ましく、85/15~95/5であることがより好ましい。前述のモル比率が80/20以上であることにより、酸素の高い輸送特性を実現できる。前述のモル比率が97/3以下であることにより、結晶構造が正方晶又は立方晶となり安定化されるため、高い耐久性を実現できる。一例として、酸化ジルコニウム膜23Bは、酸化ジルコニウム/金属酸化物(モル比率)が92/8である金属酸化物ドープ酸化ジルコニウムからなるものであってもよく、好ましくはZrO2/Sc2O、Y2O3、CeO2、Al2O3又はYb2O3(モル比率)=92/8であるSc2O3ドープZrO2、Y2O3ドープZrO2、CeO2ドープZrO2、Al2O3ドープZrO2又はYb2O3ドープZrO2からなるものであってもよい。
The molar ratio of zirconium oxide to the metal oxide (zirconium oxide/metal oxide) in the
酸化ジルコニウム膜23Bに電子伝導性を持たせ、空気流路24A側に供給された酸素を酸素イオン(O2-)として酸化反応空間22A側に透過させることにより酸素透過性を高める点から、酸化ジルコニウム膜23Bは、酸化反応空間22A側及び空気流路24A側の面の面が電気的に短絡していることが好ましい。
The
例えば、酸化ジルコニウム膜23Bが酸化反応空間22A側及び空気流路24A側の面の面を貫通するマイクロビア構造を備え、このマイクロビア構造に電子伝導性を有する材料が埋め込まれていることにより、酸化反応空間22A側及び空気流路24A側の面の面が内部短絡していてもよい。マイクロビア構造としては、例えば、微小円筒孔構造であってもよい。
For example, the
マイクロビア構造に埋め込まれる材料としては、金属酸化物、金属をドープした金属酸化物、金属、これらの組み合わせ等が挙げられる。より具体的には、SrFeO3-δ等の金属酸化物、Sr、Ca、Mg等をドープしたLaCrO3-δ、Sr、Co等をドープしたLaFeO3-δ、Sr、Co等をドープしたBaFeO3-δ等の金属をドープした金属酸化物、Pd、Pd-Ag合金、Ni、Co等の金属、これらの2種以上の組み合わせなどが挙げられる。また、これらを2種以上組み合わせる場合、マイクロビア構造における酸化反応空間22A側及び空気流路24A側に異なる材料をそれぞれ埋め込んでもよく、例えば、酸化反応空間22A側に金属を埋め込んでもよく、空気流路24A側に金属酸化物、金属をドープした金属酸化物等を埋め込んでもよい。
Materials embedded in the microvia structure include metal oxides, metal doped metal oxides, metals, combinations thereof, and the like. More specifically, metal oxides such as SrFeO 3-δ , LaCrO 3-δ doped with Sr, Ca, Mg, etc., LaFeO 3-δ doped with Sr, Co, etc., BaFeO doped with Sr, Co, etc. Metal oxides doped with metals such as 3-δ , Pd, Pd—Ag alloys, metals such as Ni and Co, combinations of two or more of these, and the like. When two or more of these are combined, different materials may be embedded in the
あるいは、図5に示すように、酸化ジルコニウム膜23Bは、酸化反応空間22A側及び空気流路24A側の面の面に集電体(図示せず)を備え、空気流路24A側の面と酸化反応空間22A側の面とを導線25等で外部短絡させたものであってもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 5, the
反応触媒膜23Cは、未反応の燃料ガスと酸素との酸化反応を促進する触媒であれば特に限定されず、例えば、ニッケル、ルテニウム等の材料からなる膜状に形成された多孔体であってもよい。また、反応触媒膜23Cを配置する代わりに、酸化反応空間22Aの少なくとも一部に前述の酸化反応の触媒が配置又は充填されていてもよい。
The
酸素透過膜23の厚さは、特に限定されず、酸素透過性及び機械的強度の点から、10μm~3000μmの範囲が好ましく、10μm~500μmの範囲がより好ましく、15μm~150μmの範囲がさらに好ましい。
The thickness of the oxygen
酸化ジルコニウム膜23Bの厚さは、酸素透過性を好適に確保する点から、100nm~100μmの範囲が好ましく、100nm~50μmの範囲がより好ましい。
また、セラミック膜23Aの厚さ(酸化ジルコニウム膜23Bの厚さよりも大きいことが好ましい)は、10μm~500μmの範囲が好ましく、30μm~300μmの範囲がより好ましい。
The thickness of the
Also, the thickness of the
図1、及び図2に示すように、酸化反応空間22Aの入口には、第2燃料極オフガス管P7-2の他端が接続され、空気流路24Aの入口には、分岐空気極オフガス管P6-2の下流端が接続されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the other end of the second anode offgas pipe P7-2 is connected to the inlet of the
第2空気極オフガスは、空気流路24Aに供給され、第2空気極オフガスに含まれている酸素が酸素透過膜23を透過して酸化反応空間22Aへ移動する。酸化反応空間22Aへ移動しない第2空気極オフガスは、空気流路24Aの出口側に接続された排気管P12から外部へ排気される。
The second cathode off-gas is supplied to the
第2燃料極オフガスは、酸化反応空間22Aに供給され、酸素分離部24から酸素透過膜23を透過して移動した酸素と混合される。これにより、第2燃料極オフガス中の未反応の燃料ガス成分(未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等)と酸素とで酸化反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。酸化反応空間22Aの出口側には、完全酸化ガス管P8-1が接続されており、酸化反応空間22Aから完全酸化ガスが送出される。
The second fuel electrode off-gas is supplied to the
図1に示すように、完全酸化ガス管P8-1は、後述する改質器54の内側流路55Bに接続されている。
As shown in FIG. 1, the complete oxidation gas pipe P8-1 is connected to an
(改質器)
本実施形態の改質器54は、多重円筒状とされており、径方向外側に配置された環状の気化流路55A、気化流路55Aの径方向内側に隣接して配置された内側流路55Bとを有している。なお、気化流路55Aと内側流路55Bとは、隔壁57で隔てられている。
(reformer)
The
気化流路55Aは、上側の環状空間に改質触媒58が充填されており、下側が、円筒形状の筒軸方向に向けて螺旋状に形成された螺旋流路55A-2とされている。
気化流路55Aの下端(流路上流側)には、燃料ガス管P1-1の一端と、水供給管P2-2の一端が接続されている。
燃料ガス管P1-1の他端には、燃料供給ブロワB1が接続されており、燃料ガス源のメタンが燃料供給ブロワB1によって改質器54の気化流路55Aへ供給される。
水供給管P2-2の他端は、水タンク27と接続されている。水供給管P2-2には、イオン交換樹脂56及びポンプ27Bが設けられている。ポンプ27Bを駆動させることにより、水タンク27に貯留された水がイオン交換樹脂56を経て改質器54へ供給される。
The
One end of the fuel gas pipe P1-1 and one end of the water supply pipe P2-2 are connected to the lower end (upstream side of the flow channel) of the
A fuel supply blower B1 is connected to the other end of the fuel gas pipe P1-1, and methane from the fuel gas source is supplied to the
The other end of the water supply pipe P2-2 is connected to the
気化流路55Aの上端(流路下流側)には、改質ガス管P1-2の一端が接続されている。改質ガス管P1-2の他端は、第1燃料電池セルスタック12の第1燃料極12Aと接続されている。
One end of a reformed gas pipe P1-2 is connected to the upper end (downstream side of the flow path) of the
内側流路55Bの上端(流路上流側)には、完全酸化ガス管P8-1の一端が接続されており、完全酸化ガス管P8-1の他端は、酸素透過膜付酸化反応器20の酸化反応空間22Aに接続されている。内側流路55Bには、酸化反応空間22Aから送出された高温の完全酸化ガスが完全酸化ガス管P8-1を介して供給される。
One end of the complete oxidizing gas pipe P8-1 is connected to the upper end of the
内側流路55Bの下端(流路下流側)には、完全酸化ガス管P8-2の一端が接続されており、完全酸化ガス管P8-2の他端は後述する凝縮器26に接続されている。内側流路55Bから排出された完全酸化ガスは、完全酸化ガス管P8-2を介して後述する凝縮器26に送出される。
One end of the complete oxidation gas pipe P8-2 is connected to the lower end (downstream side of the flow channel) of the
内側流路55Bには、高温の完全酸化ガスが通過するので、気化流路55Aと内側流路55Bとを隔てる隔壁57は、完全酸化ガスによって加熱される。このため、内側流路55Bに隣接する気化流路55Aにおいて、改質触媒58、燃料ガス、及び水が完全酸化ガスの熱で加熱され、燃料ガスが水蒸気改質され、水蒸気改質された燃料ガスが改質ガス管P1-2を介して第1燃料電池セルスタック12の第1燃料極12Aに送出されるとともに、高温の完全酸化ガスの温度を低下させ、完全酸化ガス中に含まれる水蒸気の一部を凝縮分離させることができる。
Since the high-temperature complete oxidation gas passes through the
(凝縮器)
凝縮器26には、冷却水循環流路26Aが配管されており、後述する排熱投入型吸収式冷凍機36からの冷却水がポンプ26Pの駆動により循環供給され、改質器54から送出された完全酸化ガスがさらに冷却される。これにより、完全酸化ガス中の水蒸気を凝縮させて、完全酸化ガスに含まれる水蒸気の大半を分離除去する。凝縮した水は水配管P9を介して水タンク27へ送出される。
(Condenser)
A cooling water
凝縮器26で水(液相)が除去された完全酸化ガスは、二酸化炭素濃度の高いガスとなっており、当該ガスを二酸化炭素リッチガスと称する。二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素ガス管P10へ送出される。二酸化炭素ガス管P10には、組成検出部44が設けられている。組成検出部44では、凝縮器26から送出された二酸化炭素リッチガスの組成が検出される。具体的には、メタン、一酸化炭素、水素などの燃料ガスの濃度、二酸化炭素、酸素のうち、何れか一つ以上の濃度が検出される。組成検出部44は、制御部と接続されており、検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報が制御部へ送信される。なお、制御部は、二酸化炭素ガスの濃度を最大化し、二酸化炭素以外の成分を最小化するように種々の制御を行う。
The completely oxidized gas from which the water (liquid phase) has been removed by the
なお、二酸化炭素ガス管P10の下流側には、後述する二酸化炭素ガス液化部66が設けられている。
A carbon dioxide
第1空気極12B及び第2空気極14Bからの空気極オフガス管P6が合流された合流部よりも下流側には、第2熱交換器32が設けられている。第2熱交換器32では、空気極オフガス管P6を流れる空気極オフガスと酸化剤ガス管P5を流れる酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、酸化剤ガスが加熱され、空気極オフガスが冷却される。空気極オフガスは、第2熱交換器32を経て、排熱投入型吸収式冷凍機36へ供給される。
A
(排熱投入型吸収式冷凍機)
排熱投入型吸収式冷凍機36は、排熱を用いて冷熱を生成するヒートポンプであり、一例として蒸気/排熱投入型吸収式冷凍機を用いることができる。蒸気/排熱投入型吸収式冷凍機では、空気極オフガスの熱により、水蒸気を吸収した吸収液(例えば、臭化リチウム水溶液、アンモニア水溶液等)を加熱することにより吸収液から水を分離させて再生する。吸収液を加熱して冷却された空気極オフガスは、水蒸気が凝縮され、凝縮水は水配管P36-2により水タンク27へ供給される。水蒸気が凝縮除去された後の空気極オフガスは、排気管P36-1に送出され、排熱投入型吸収式冷凍機36の外部に排気される。
(exhaust heat input type absorption chiller)
The exhaust heat input
なお、排熱投入型吸収式冷凍機36の内部には、吸収液を循環させるポンプ、及び吸収液から分離した水を循環させるポンプ(何れも図示せず)が設けられている。これらのポンプは、直流モータで駆動され、直流モータは、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14で発電された直流電力によって駆動することができる。なお、これらのポンプは、交流モータで駆動される形態であってもよいが、エネルギー損失が少なく、効率的である点から、直流モータで駆動される形態が好ましい。
A pump for circulating the absorbing liquid and a pump for circulating water separated from the absorbing liquid (both not shown) are provided inside the exhaust heat input
加熱により再生された吸収液は、水蒸気を吸収することにより水の蒸発を促進し、冷熱の生成に寄与する。排熱投入型吸収式冷凍機36は、放熱回路37を介して冷却塔38と接続されている。放熱回路37には、ポンプ37Pが設置されており、ポンプ37Pにより放熱回路37に冷却水が供給される。排熱投入型吸収式冷凍機36で吸収液が水蒸気を吸収するときに生じる吸収熱は、放熱回路37を流れる冷却水を介して冷却塔38から大気へ放出される。
The absorbent regenerated by heating promotes the evaporation of water by absorbing water vapor and contributes to the generation of cold energy. The exhaust heat input
排熱投入型吸収式冷凍機36で生成された冷熱は、冷却水循環流路26Aを流れる冷却水を介して凝縮器26へ送られ、凝縮器26で完全酸化ガスが冷却され、さらに完全酸化ガス中の水蒸気が凝縮除去される。
The cold heat generated by the exhaust heat input
水タンク27は、冷却水循環流路26A、放熱回路37、及び、排熱投入型吸収式冷凍機36の熱媒としての水が流れる熱媒流路(不図示)と接続されている。冷却水循環流路26A、放熱回路37、及び、熱媒流路では、水が不足した場合に、水タンク27から、以下に説明する補充系統67を介して適宜水が補充される。
なお、排熱投入型吸収式冷凍機36は、一例として、-5℃~12℃の冷却水を生成する能力を有している。
The
Note that the exhaust heat input
(補充系統)
水タンク27には、配管P11、ポンプ27A等を含んで構成される補充系統67が接続されている。水タンク27には、配管P11の一端が接続されており、配管P11の他端は、3分岐されて、冷却塔38、冷却水循環流路26A、及び後述する液化用冷却水循環路70Aと接続されている。なお、ポンプ27Aは、分岐前の配管P11に設けられており、3分岐された各々の配管には、電磁弁(図示省略)が取り付けられている。なお、ポンプ27A、及び電磁弁は、後述する制御部で制御される。
(replenishment system)
The
なお、冷却塔38、冷却水循環流路26A、及び液化用冷却水循環路70Aには、各々冷却水を貯留するバッファタンク(図示せず)を備えており、バッファタンクには、冷却水の貯留量を検出する液面センサ(図示せず)が設けられている。この液面センサは、後述する制御部に接続されており、液面レベル(冷却水の貯留量)の検出データが制御部に出力される。これにより、制御部は、冷却塔38、冷却水循環流路26A、及び液化用冷却水循環路70Aの各々の冷却水の貯留量を把握することができる。
The
(二酸化炭素ガス液化部)
二酸化炭素ガス管P10へ送出された二酸化炭素リッチガスは、圧縮機(圧縮部)68、及び冷却装置(液化装置)70等を含んで構成された二酸化炭素ガス液化部66へ送られる。
二酸化炭素ガス液化部66へ送られた二酸化炭素リッチガスは、最初に圧縮機68で圧縮される。なお、圧縮機68は、図示しない直流モータで駆動され、二酸化炭素ガスを4MPa以上に圧縮可能とされている。また、圧縮機68の直流モータは、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14で得られた電力で駆動されるが、例えば、システムの起動時においては、外部の商用電源を用いて駆動したり、図示しない再生可能エネルギー発電で得られた電力(余剰電力)で駆動することもできる。再生可能エネルギー発電として、一例として、太陽光発電、太陽熱発電、水力発電、風力発電、地熱発電、波力発電、温度差発電、バイオマス発電等を挙げることができるが、他のものであってもよい。圧縮機68は、直流モータで駆動される形態に限定されず、交流モータで駆動される形態であってもよい。
(Carbon dioxide gas liquefaction part)
The carbon dioxide-rich gas delivered to the carbon dioxide gas pipe P10 is sent to a carbon dioxide
The carbon dioxide-rich gas sent to the carbon dioxide
圧縮機68の直流モータは、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14で得られた直流電力を用いて直接的に駆動可能であるので、例えば、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14で得られた直流電力を交流電力に変換し、交流電力で交流モータを駆動する場合に比較して、エネルギー損失が少なく、効率的である。なお、圧縮機68の直流モータは、制御部で制御される。
Since the DC motor of the
圧縮機68で圧縮された二酸化炭素ガスは、配管P14を介して冷却装置70へ送られる。配管P14には、温度センサ74と圧力センサ76が設けられており、温度センサ74で計測された二酸化炭素ガスの温度データ、及び圧力センサ76で計測された二酸化炭素ガスの圧力データは、各々制御部に送られる。
The carbon dioxide gas compressed by the
冷却装置70には、液化用冷却水循環路70Aが配管されており、液化用冷却水循環路70Aには、制御部で制御される循環ポンプ78が取り付けられている。液化用冷却水循環路70Aは排熱投入型吸収式冷凍機36からの冷却水が循環供給され、圧縮機68から供給された圧縮された二酸化炭素リッチガスを冷却して液化二酸化炭素を生成する。
A liquefaction cooling
液化用冷却水循環路70Aには、冷却装置70に流入する冷却水の温度を検出する温度センサ80が設けられている。温度センサ80で計測された冷却水の温度データは、制御部に送られる。なお、液化用冷却水循環路70Aに、冷却水の流量を計測する流量センサ(図示せず)を設けても良い。
A
冷却装置70で生成された液化二酸化炭素は、配管P15、ポンプ82を介してタンク84に送られて貯留される。
The liquefied carbon dioxide produced by the cooling
燃料電池発電システム10Aには全体を制御する図示しない制御部が設けられている。ものであり、CPU、ROM、RAM、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する流量調整処理、冷却水温度調整処理、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。制御部は、流量調整バルブ42、組成検出部44、排熱投入型吸収式冷凍機36等と接続されている。流量調整バルブ42、組成検出部44、排熱投入型吸収式冷凍機36等は、制御部により制御される。なお、制御部は、上記以外の他の機器とも接続されている。
The fuel cell
燃料電池発電システム10Aにおいて、ポンプ、ブロワ、その他の補機は、燃料電池発電システム10Aで発電された電力により駆動される。燃料電池発電システム10Aで発電された電力を直流のままで交流に変換することなく効率よく利用するために、補機は直流電流により駆動するものであることが好ましい。
In the fuel cell
(作用、効果)
次に、本実施形態の燃料電池発電システム10Aの動作について説明する。
(action, effect)
Next, the operation of the fuel cell
燃料電池発電システム10Aにおいては、燃料供給ブロワB1により、燃料ガス源から燃料ガス(メタン)が燃料ガス管P1-1を介して改質器54へ送出され、改質器54で燃料ガスの改質が行われる。
改質された燃料ガスは、燃料ガス管P1-2を介して第1燃料電池セルスタック12の第1燃料極12Aへ供給される。
水蒸気管P2からは、水蒸気改質用の水蒸気が燃料ガス管P1-2を介して第1燃料極12Aへ供給される。
In the fuel cell
The reformed fuel gas is supplied to the
Steam for steam reforming is supplied from the steam pipe P2 to the
第1燃料電池セルスタック12の第1燃料極12Aでは、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。
At the
第1燃料電池セルスタック12の第1空気極12Bには、空気が酸化剤ガス管P5を経て供給される。第1燃料電池セルスタック12では、第1燃料極12A及び第1空気極12Bにおいて水素イオンが移動すると共に前述の反応が生じ、発電が行われる。第1燃料電池セルスタック12の第1燃料極12Aからは、第1燃料極オフガス管P7へ第1燃料極オフガスが送出される。また、第1空気極12Bからは、空気極オフガス管P6へ空気極オフガスが送出される。
Air is supplied to the
第1燃料極12Aから送出された第1燃料極オフガスは、第1燃料極オフガス管P7に導かれ、第2燃料電池セルスタック14の第2燃料極14Aへ供給される。第2燃料電池セルスタック14の第2空気極14Bには、空気が酸化剤ガス管P5を経て供給される。
第2燃料電池セルスタック14でも第1燃料電池セルスタック12と同様に発電が行われる。第2燃料電池セルスタック14の第2燃料極14Aからは、第2燃料極オフガス管P7-2へ第2燃料極オフガスが送出される。また、第2空気極14Bからは、空気極オフガス管P6へ空気極オフガスが送出される。
The first fuel electrode off-gas sent out from the
Electric power is generated in the second
空気極オフガスは、第2熱交換器32を経て排熱投入型吸収式冷凍機36へ供給される。第2熱交換器32では、空気極オフガスと酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、空気極オフガスによって酸化剤ガスが加熱される。排熱投入型吸収式冷凍機36では、前述のように、空気極オフガスの熱を利用して冷熱が生成される。
The cathode off-gas is supplied to the exhaust heat input
第2燃料極オフガスは、酸素透過膜付酸化反応器20の酸化反応部22へ供給され、酸化反応空間22Aを流れる。
The second fuel electrode off-gas is supplied to the
分岐空気極オフガス管P6-2へ分岐された空気極オフガスは、酸素透過膜付酸化反応器20の酸素分離部24へ供給される。酸素分離部24へ供給された空気極オフガスは、空気流路24Aを流れる。空気流路24Aにおいて、空気極オフガスに含まれる酸素は、酸素透過膜23を透過して酸化反応空間22A側へ移動する。酸化反応部22の酸化反応空間22Aでは、第2燃料極オフガス中の未反応の燃料ガス(メタン、水素、一酸化炭素等)と酸素の酸化反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。
The cathode offgas branched to the branched cathode offgas pipe P6-2 is supplied to the
酸素透過膜付酸化反応器20にて、酸素透過膜23が酸化ジルコニウム膜23Bを含むことにより、LSCF(La、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)、BSCF(Ba、Sr、Co、Fe及び酸素からなる化合物)等を含むセラミック膜を用いる場合と比較し、二酸化炭素と膜成分との反応による炭酸塩の生成及び蓄積が抑制され、酸素透過膜23における酸素透過性の低下を抑制できる。これにより、酸素透過膜付酸化反応器20の酸化反応部22での未反応の燃料ガスと酸素との酸化反応を促進することができる。
In the
酸素透過膜付酸化反応器20の酸化反応部22においては、反応触媒膜23Cが、酸素透過膜23を透過した酸素と燃料ガスの未反応の燃料ガスとの酸化反応を促進させて二酸化炭素ガスを生成する。さらに、酸化反応空間22Aは螺旋状に形成されて流路長が長くなっているので、酸化反応させる時間を長く取ることが出来、空気流路24Aから酸化反応空間22A側へ、十分な量の酸素を移動させて酸化反応を十分、且つ効率的に行なうことができる。これにより、二酸化炭素ガスの濃度を高めた完全酸化ガスを酸化反応部22から排出することができる。
In the
二酸化炭素及び水蒸気を含む完全酸化ガスは、酸化反応空間22Aから完全酸化ガス管P8-1へ送出される。完全酸化ガス管P8-1へ送出された完全酸化ガスは、改質器54の内側流路55Bを経て凝縮器26へ供給される。
A fully oxidizing gas containing carbon dioxide and water vapor is delivered from the
改質器54では、気化流路55Aにおいて、燃料ガスと水蒸気の混合ガス、及び改質触媒58が、完全酸化ガスとの熱交換により加熱され、水蒸気改質反応により、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。未反応の燃料ガス(メタン)、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含んだ改質ガスは、改質ガス管P1-2を通って第1燃料極12Aへ供給される。
In the
気化流路55Aは、下側が、円筒形状の筒軸方向に向けて螺旋状に形成された長い螺旋流路55A-2とされているため、燃料ガスと共に供給された水が長い螺旋流路55A-2を時間をかけて通過する間に十分に加熱されて水蒸気となる。そして、加熱された燃料ガスと水蒸気は、螺旋流路55A-2を流れた後、完全酸化ガスの熱で加熱された改質触媒58を通過するので、効率的、かつ確実に改質反応が生じる。一方、高温の完全酸化ガスは熱が有効に活用される過程で温度が低下し、完全酸化ガスに含まれる水蒸気の一部を凝縮回収できるか、又はわずかな冷熱供給で完全酸化ガスに含まれる大半の水蒸気を簡易に凝縮分離できるように低温化される。
Since the lower side of the
凝縮器26へ供給された完全酸化ガスは、冷却水循環流路26Aを介して循環供給される排熱投入型吸収式冷凍機36からの冷却水により冷却され、完全酸化ガス内の水蒸気が凝縮される。凝縮された水は水配管P9を介して水タンク27へ送出され、水タンク27に貯留される。
The fully oxidized gas supplied to the
凝縮器26で水蒸気が除去された完全酸化ガスは、二酸化炭素濃度の高い二酸化炭素リッチガスとなり、二酸化炭素ガス管P10を介して組成検出部44に送られる。組成検出部44では、二酸化炭素リッチガスの組成が検出され、検出された情報が制御部へ送信される。
The completely oxidized gas from which water vapor has been removed by the
制御部は、組成検出部44から送信された組成情報に基づいて、流量調整バルブ42を制御して分岐空気極オフガス管P6-2へ分岐する空気極オフガス量を調整すると共に、排熱投入型吸収式冷凍機36で冷却水循環流路26A等へ送る冷却水の温度を制御する。
Based on the composition information transmitted from the
流量調整処理では、組成検出部44で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、燃料ガスの濃度が閾値G1以内かどうかを判断する。ここで、閾値G1は、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり0.1体積%~5体積%程度を設定することができ、0.1体積%~1体積%の範囲であることがより好ましい。燃料ガスの濃度が閾値G1よりも高い場合には、流量調整バルブ42を制御して、分岐空気極オフガス管P6-2へ分岐する空気極オフガスの流量を増加させる。これにより、酸素透過膜23を透過して酸化反応空間22Aへ移動する酸素の量が増加し、酸化反応空間22Aで酸化反応させることにより、二酸化炭素リッチガスに含まれる未反応の燃料ガスを減少させることができる。
In the flow rate adjustment process, it is determined whether or not the concentration of the fuel gas is within the threshold value G1 in the composition information of the carbon dioxide rich gas detected by the
二酸化炭素ガス管P10へ送出された二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素ガス液化部66の圧縮機68へ送られて圧縮され、圧縮された二酸化炭素リッチガスは、冷却装置70へ送られる。冷却装置70は、排熱投入型吸収式冷凍機36からの冷却水で圧縮された二酸化炭素リッチガスを冷却して液化二酸化炭素を生成する。
The carbon dioxide-rich gas sent to the carbon dioxide gas pipe P10 is sent to the
排熱投入型吸収式冷凍機36は、空気極オフガスの排熱を用いて冷熱を生成しているため、モータでコンプレッサーを駆動して冷媒の圧縮、膨張を行なうタイプの冷凍機(例えば、ターボ冷凍機等)で冷熱を生成する場合に比較して、少ない電力で効率的に冷熱(水を冷却して冷却水とするために用いる)を生成することができる。
Since the exhaust heat input
図4に示す炭酸ガスの状態図から、一例として、4MPa以上に圧縮した二酸化炭素ガスは、二酸化炭素ガスの臨界温度(31.1℃)よりも低い温度に冷却すれば、液化する。
本実施形態の二酸化炭素ガス液化部66では、一例として二酸化炭素ガスを圧縮機68で4MPaに圧縮し、その後、冷却装置70において、圧縮された二酸化炭素ガスを-5℃~12℃の冷却水で冷却することで液化二酸化炭素を得ている。なお、二酸化炭素ガスの圧力、及び冷却温度は、上記値に限定されることはなく、適宜変更可能である。
From the phase diagram of carbon dioxide gas shown in FIG. 4, as an example, carbon dioxide gas compressed to 4 MPa or more is liquefied when cooled to a temperature lower than the critical temperature (31.1° C.) of carbon dioxide gas.
In the carbon dioxide
(液化の制御)
なお、圧縮機68を通過した高圧の二酸化炭素ガスの温度(温度センサ74で計測)、及び圧力(圧力センサ76で計測)、または液化せずに残留する二酸化炭素ガス量のうち、何れか一つ以上の測定結果に応じて、制御部は、冷却装置70へ供給する冷却水の温度(温度センサ80で計測)、流量(流量センサ(図示せず)で計測)など、排熱投入型吸収式冷凍機36の運転と、循環ポンプ78の運転を制御し、二酸化炭素ガスを効率的に液化二酸化炭素とする。
(control of liquefaction)
Any one of the temperature (measured by the temperature sensor 74) and pressure (measured by the pressure sensor 76) of the high-pressure carbon dioxide gas that has passed through the
即ち、本実施形態では、回収した二酸化炭素ガスの温度、圧力、または液化時の残留二酸化炭素ガス量に応じて、二酸化炭素ガスの液化量を最大化するための冷熱量を制御部で算出し、これに応じた冷却水の温度を低温化させるか、循環する冷却水の流量を増やすか、これらの両方を併用することができる。 That is, in the present embodiment, the control unit calculates the amount of cold heat for maximizing the amount of liquefaction of carbon dioxide gas according to the temperature and pressure of the collected carbon dioxide gas, or the amount of carbon dioxide gas remaining at the time of liquefaction. , the temperature of the cooling water can be lowered accordingly, the flow rate of the circulating cooling water can be increased, or both of these can be used in combination.
なお、冷却装置70の内部においては、液化二酸化炭素が下方に溜まり、液化二酸化炭素の上方に液化していない二酸化炭素ガスが残存するため、冷却装置70の内部に溜まった液化二酸化炭素の液面レベルを測定することで、冷却装置70の内部で液化せずに残留する二酸化炭素ガスの量を間接的に計測することができる(なお、冷却装置70の内部空間容積は既知)。
In addition, inside the cooling
このようにして二酸化炭素ガス液化部66で生成された液化二酸化炭素は、配管P15、ポンプ82を介してタンク84に送られて貯留される。なお、タンク84に貯留された液化二酸化炭素は、従来通り、商工業用等として利用することもできる。
The liquefied carbon dioxide generated in the carbon dioxide
本実施形態の燃料電池発電システム10Aは、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14からタンク84までが連続的に繋がってオンサイトで設けられているので、発電中は、連続的に液化二酸化炭素を効率的に製造し、タンク84に貯留することができる。なお、タンク84に貯留した液化二酸化炭素は、ローリー86等で輸送してもよく、パイプライン等で輸送してもよい。
In the fuel cell
本実施形態の燃料電池発電システム10Aでは、第2燃料電池セルスタック14の第2燃料極14Aから送出された第2燃料極オフガスが酸化反応部22で酸化されるので、第2燃料電池セルスタック14での発電に供される前の第1燃料極オフガスを酸化する場合と比較して、第2燃料電池セルスタック14の発電に供される未反応の燃料ガス量が多くなる。したがって、第2燃料電池セルスタック14での発電効率を高めることができる。
In the fuel cell
また、酸化反応部22では、第2燃料極オフガスに含まれている未反応の燃料ガスと酸素との酸化反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第2燃料極オフガスから燃料ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。また、酸化反応部22へは、空気極オフガス中の酸素のみが供給されまた、第2燃料極オフガスには、第1燃料極オフガスと比較して含まれる未反応の燃料ガス量が少なく、二酸化炭素の含有率が高い。したがって、酸化反応部22で未反応の燃料ガスを酸化させる量と、当該未反応の燃料ガスを酸化させるために必要となる酸素の量を少なくすることができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池発電システム10Aでは、空気極オフガス管P6から分岐された分岐空気極オフガス管P6-2を有しているので、組成検出部44で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報に基づいて、分岐空気極オフガス管P6-2へ分岐させる空気極オフガス流量を容易に調整することができる。これにより、完全酸化ガスに含まれる未反応の燃料ガス及び過剰酸素の量が所定の閾値よりも低くなるように、酸化反応部22の酸化反応空間22Aへ流入する酸素量を調整することができる。
Further, since the fuel cell
さらに、本実施形態の燃料電池発電システム10Aでは、組成検出部44で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報に基づいて、凝縮器26で凝縮させる水の量を調整することにより、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。
Furthermore, in the fuel cell
また、本実施形態の燃料電池発電システム10Aでは、燃料電池セルスタックに水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池を用いているので、第1燃料極12Aで水蒸気が生成されない。したがって、第1燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量が少なくなるため、第2燃料電池での発電効率を向上させることができる。また、第2燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量も少なくなるため、第2燃料極オフガスから除去する水蒸気の量を少なくすることができる。
Further, in the fuel cell
また、本実施形態の燃料電池発電システム10Aでは、酸化反応部22を酸素分離部24の酸素透過膜23と隣接配置することにより、酸化反応部22と酸素分離部24が一体形成されたコンパクトな酸素透過膜付酸化反応器20を構成することができる。
In addition, in the fuel cell
また、本実施形態の燃料電池発電システム10Aでは、空気極オフガスの熱を排熱投入型吸収式冷凍機36での冷熱生成に用いるので、第1燃料電池セルスタック12、第2燃料電池セルスタック14からの排熱を有効利用することができる。また、空気極オフガスには、水蒸気が多く含まれているので、排熱投入型吸収式冷凍機36において当該水蒸気が熱交換時に凝縮することにより、凝縮熱も有効に用いることができる。
In addition, in the fuel cell
また、本実施形態の燃料電池発電システム10Aでは、制御部が、冷却塔38、冷却水循環流路26A、及び液化用冷却水循環路70Aの各バッファタンクの冷却水の貯留量を液面センサからの検出データに基づき把握しており、冷却水の貯留量が予め設定した下限値よりも不足している判断したときに、電磁弁、及びポンプ27Aを制御し、冷却水に用いる水を水タンク27から補充することができる。このように、冷却水が不足した場合、外部の上水道等から水を供給する必要が無くなり、水の外部依存量を削減できる。
In addition, in the fuel cell
なお、本実施形態では、完全酸化ガス内の水蒸気を凝縮器26で凝縮させて除去することにより、完全酸化ガスから二酸化炭素を分離したが、その他の手段、例えば、二酸化炭素分離膜で二酸化炭素を分離してもよいし、吸着剤を用いて圧力を変化させることによりガスを分離・製造する、所謂PSA(Pressure Swing Adsorption:圧力変動吸着)装置により二酸化炭素を分離してもよい。
In the present embodiment, carbon dioxide is separated from the fully oxidized gas by condensing and removing the water vapor in the fully oxidized gas with the
また、本実施形態の酸素透過膜付酸化反応器20では、外側が酸化反応部22とされ、内側が酸素分離部24とされていたが、外側を酸素分離部24とし、内側を酸化反応部22としてもよい。外側を酸素分離部24とし、内側を酸化反応部22とする場合、外側の酸素分離部24から内側の酸化反応部22へ、酸化ジルコニウム膜23B、セラミック膜23A、反応触媒膜23Cの順で積層されている。
In addition, in the
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the invention will be described. In this embodiment, the same reference numerals are assigned to the same parts as in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.
図6には、本発明の第2実施形態に係る燃料電池発電システム10Bが示されている。燃料電池発電システム10Bは、二酸化炭素ガスから炭素を生成するシステムである。二酸化炭素ガス管P10の下流側には、第1実施形態の燃料電池発電システム10Bの二酸化炭素ガス液化部66の代わりに炭素製造部166が設けられている。
FIG. 6 shows a fuel cell
本実施形態では、第1燃料電池セルスタック12の第1燃料極12Aには、燃料ガス管P1の一端が接続されており、燃料ガス管P1の他端は図示しない燃料ガス源に接続されている。
また、本実施形態では、第2燃料極オフガス管P7-2から、循環ガス管P3が分岐されており、循環ガス管P3は、燃料ガス管P1と接続されている。なお、循環ガス管P3には、循環ガスブロワB3が設けられている。
In this embodiment, one end of the fuel gas pipe P1 is connected to the
Further, in the present embodiment, the circulating gas pipe P3 is branched from the second anode offgas pipe P7-2, and the circulating gas pipe P3 is connected to the fuel gas pipe P1. A circulation gas blower B3 is provided in the circulation gas pipe P3.
燃料ガス管P1の中間部には、第1熱交換器30が設けられている。酸素透過膜付酸化反応器20の酸化反応空間22Aの出口側には、完全酸化ガスを送出する完全酸化ガス管P8が接続されており、完全酸化ガス管P8は、第1熱交換器30を経由し、他端が凝縮器26に接続されている。第1熱交換器30では、燃料ガスと完全酸化ガスとの熱交換により、燃料ガスが加熱される一方、高温の完全酸化ガスは冷却され、完全酸化ガス中に含まれる水蒸気の一部を凝縮分離できるか、又はわずかな冷熱供給で大半の水蒸気を凝縮分離できるよう、低温化される。
A
第1熱交換器30を経由した完全酸化ガスは凝縮器26に送出され、凝縮器26で水蒸気が除去された完全酸化ガスは、二酸化炭素濃度の高い二酸化炭素リッチガスとなり、二酸化炭素用ブロワB4により二酸化炭素ガス管P10へ送出され、組成検出部44に送られる。組成検出部44では、二酸化炭素リッチガスの組成が検出され、検出された情報が制御部へ送信される。
The completely oxidized gas that has passed through the
制御部は、組成検出部44から送信された組成情報に基づいて、流量調整バルブ42を制御して分岐空気極オフガス管P6-2へ分岐する空気極オフガス量を調整すると共に、排熱投入型吸収式冷凍機36で冷却水循環流路26Aへ送る冷却水の温度を制御する。具体的には、制御部では、流量調整処理、冷却水温度調整処理が実行される。
二酸化炭素ガス管P10へ送出された二酸化炭素ガスは、炭素製造部166へ送出される。
Based on the composition information transmitted from the
The carbon dioxide gas sent to the carbon dioxide gas pipe P10 is sent to the
(炭素製造部の構成)
炭素製造部166は、水電解装置170、配管P114、水素ブロワ172、配管P115、酸素ブロワ174、酸素タンク176、粉末炭素生成器(炭素生成部)178等を含んで構成されている。
(Structure of carbon production department)
The
水電解装置170には、配管P116、ポンプ180、及び水浄化装置182を経た水タンク27の水が供給される。水浄化装置182は、水タンク27からの水を浄化(異物除去、pH調整等)する。水電解装置170は、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14で得られた電力を用いて浄化した水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを生成することができる。なお、水電解装置170は、図示しない再生可能エネルギー発電で得られた電力(いわゆる「クリーンエネルギー」)を用いて水を電気分解することもできる。再生可能エネルギー発電として、一例として、太陽光発電、太陽熱発電、水力発電、風力発電、地熱発電、波力発電、温度差発電、バイオマス発電等を挙げることができるが、他のものであってもよい。即ち、大気中の二酸化炭素を削減、あるいは大気への二酸化炭素の放出を抑制するという見地から、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14で得られた直流電力や、再生可能エネルギー発電で得られた電力を用いることが好ましい。
Water in the
水電解装置170は、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14で得られた直流電力や、再生可能エネルギー発電で得られた電力を用いて水を電気分解するので、例えば、二酸化炭素ガスを放出する発電装置の交流電力を直流電力に変換して電気分解に用いる場合に比較して、効率的に水を電気分解することができる。なお、水電解装置170は、制御部で制御される。
The
水電解装置170で生成された水素ガスは、配管P114、水素ブロワ172を介して粉末炭素生成器178へ送られ、酸素ガスは配管P115、酸素ブロワ174を介して酸素タンク176へ送られ、酸素タンク176に貯留される。なお、水素ブロワ172、及び酸素ブロワ174は、制御部で制御される。
Hydrogen gas generated by the
(粉末炭素生成器の構成)
粉末炭素生成器178は、外筒171と、外筒171の内側に配置された円筒形状の隔壁173と、外筒171及び円筒形状の隔壁173の筒軸方向端側の開口部分を閉塞する閉塞部材175とで構成された内部が密閉された多重円筒状とされている。
(Configuration of powder carbon generator)
The
外筒171と隔壁173との間はガス流路178Aとされ、円筒形状の隔壁179の内周側は炭素固定化部178Bとされており、ガス流路178Aと炭素固定化部178Bとは隔壁173で隔離されている。
A
ガス流路178Aは、内部に螺旋形状とされた螺旋通路形成部材177が配置されており、粉末炭素生成器178の筒軸方向に向けて螺旋状に形成されている。
The
炭素固定化部178Bでは、凝縮器26から送られた二酸化炭素ガスと、水電解装置170から送られた水素ガスとが供給される。炭素固定化部178Bで二酸化炭素ガスと水素ガスとに対し還元触媒を用いて下記(5)式のような還元反応を生じさせるようになっている。
CO2+2H2→C+2H2O …(5)
Carbon dioxide gas sent from the
CO2 + 2H2- >C + 2H2O (5)
上記還元反応で生じるCは、粉末炭素であり、炭素固定化部178Bの下部から排出することができる。また、上記還元反応で生じるH2Oは、具体的には水蒸気であり、該水蒸気は、配管P117を介して凝縮器26へ送られる。
The C produced by the reduction reaction is powdered carbon and can be discharged from the lower portion of the
本実施形態の制御部のメモリには、後述する流量調整処理、冷却水温度調整処理や、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。制御部は、流量調整バルブ42、組成検出部44、排熱投入型吸収式冷凍機36等と接続されている。流量調整バルブ42、組成検出部44、排熱投入型吸収式冷凍機36等は、制御部により制御される。
The memory of the control unit of the present embodiment stores data, procedures, and the like necessary for flow rate adjustment processing, cooling water temperature adjustment processing, and processing during normal operation, which will be described later. The control unit is connected to the
燃料電池発電システム10Bにおいて、ポンプ、ブロワ、その他の補機は、燃料電池発電システム10Bで発電された電力により駆動される。燃料電池発電システム10Bで発電された電力を直流のままで交流に変換することなく効率よく利用するために、補機は直流電流により駆動するものであることが好ましい。
In the fuel cell
(作用、効果)
次に、本実施形態の燃料電池発電システム10Bの動作について説明する。
(action, effect)
Next, the operation of the fuel cell
水電解装置170は、水浄化装置182から送られた水を電気分解し、水素ガスと酸素ガスとを生成する。二酸化炭素ガス管P10へ送出された二酸化炭素リッチガスは、粉末炭素生成器178へ送られる。
炭素固定化部178Bでは、凝縮器26から送られた二酸化炭素ガスと、水電解装置170から送られた水素ガスとが供給されて前述した(5)式のような還元反応を生じさせる。
The
In the
上記反応を開始させるには、雰囲気温度を高温にする必要があるが、該反応により熱が生じるので、一旦反応が開始された後には、外部より熱を加える必要はない。 In order to initiate the above reaction, it is necessary to raise the ambient temperature to a high temperature. However, since heat is generated by the reaction, it is not necessary to apply heat from the outside once the reaction has started.
粉末炭素生成器178を起動する際には、最初に、ガス流路178Aに水素ガスと酸素ガスとを供給して着火する。水素ガスと酸素ガスとの燃焼反応によって生成された燃焼炎、及び高熱の排ガス(水蒸気)は、ガス流路178Aを通過する際に、燃焼炎、及び排ガスの熱が隔壁173を介して炭素固定化部178Bへ伝達される。なお、ガス流路178Aの端部からは、排ガス(水蒸気)が排出される。
When starting the
本実施形態のガス流路178Aは、粉末炭素生成器178の筒軸方向に向けて螺旋状に形成され、流路長が長くなっているため、上記燃焼炎、及び排ガスの熱を、時間をかけて炭素固定化部178Bへ十分に付与することができる。これにより、上記(5)式のような還元反応を確実に生じさせることができる。
The
着火後、上記(5)式の反応による熱が生じれば、ガス流路178Aへの酸素ガスと水素ガスの供給は停止する。
高熱となった炭素固定化部178Bでは、二酸化炭素ガスと水素ガスとを連続して供給することで、粉末炭素((5)式の「C」)を連続して生成することができる。生成された粉末炭素は、炭素固定化部178Bの下方から取り出すことができる。また、二酸化炭素ガスと水素ガスとが反応して生成された水蒸気((5)式のH2O)は、炭素固定化部178Bの下方から排出される。なお、炭素固定化部178Bから排出された水蒸気は、配管P117を介して凝縮器26へ送られ、凝縮器26で冷却されて水となる。
After ignition, if heat is generated by the reaction of the above formula (5), the supply of oxygen gas and hydrogen gas to the
Carbon dioxide gas and hydrogen gas are continuously supplied to the
本実施形態の燃料電池発電システム10Bは、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14から炭素製造部166までが連続的に繋がってオンサイトで設けられているので、発電中は、連続的に粉末炭素を効率的に製造することができる。
粉末炭素は、着火して燃焼しないかぎり、大気中に二酸化炭素ガスとなって放出されることは無く、二酸化炭素ガスの大気への放出を抑制することができる。
また、粉末炭素は貯留サイトへの輸送も容易であり、着火源と酸素が揃う条件下に置かなければ、地下に埋め立て処分したり、地上に野積みするだけでも、長期安定的な炭素固定化が可能となる。なお、製造された粉末炭素は、カーボンブラック等として商工業利用することもできる。
In the fuel cell
Powdered carbon is not released into the atmosphere as carbon dioxide gas unless it is ignited and burned, and can suppress the release of carbon dioxide gas into the atmosphere.
In addition, powdered carbon can be easily transported to a storage site, and if it is not placed under conditions where an ignition source and oxygen are available, it can be stably fixed for a long period of time even if it is simply dumped on the ground or landfilled underground. becomes possible. The produced powdery carbon can also be used commercially and industrially as carbon black or the like.
本実施形態の燃料電池発電システム10Bでは、二酸化炭素ガスから粉末炭素を生成したが、粉末炭素をグラファイト、カーボンナノチューブまたはダイヤモンド等にする炭素製品製造装置184をさらに付加してもよい。炭素製品製造装置184では、例えば、回収した粉末炭素を、燃料電池発電システム10Bで発電された電力、または再生可能エネルギーによる電力等を活用して高温(電気ヒータ昇温)、高圧(電動高圧プレス)環境下におくことで、公知の技術により合成ダイヤモンドの粉末を得ることができる。また、例えば、回収した粉末炭素を、燃料電池発電システム10Bで発電された電力、または再生可能エネルギーによる電力等を活用して、アーク放電法、レーザーアブレーション法、CVD法等、公知の技術によりカーボンナノチューブを得ることができる。さらに、回収した粉末炭素を、燃料電池発電システム10Bで発電された電力、または再生可能エネルギーによる電力等を活用して、公知の技術により、グラファイトを得ることができる。
炭素粉末をグラファイトやカーボンナノチューブまたはダイヤモンド粉末とすることで、着火源や酸素があっても容易に燃焼することはなく、地上に野積みしても、安全かつ長期安定的に炭素を固定することが可能となり、貯留場所の制限もなくなり、輸送や圧入のエネルギーロスやコストを低減できる。なお、グラファイトは鉛筆の芯や自動車用のブレーキパッド等に、カーボンナノチューブは半導体や構造材料として、合成ダイヤモンド粉末は、工事、工作機械のダイヤモンドカッターの刃材等に、それぞれ商工業利用することもできる。
なお、この炭素製品製造装置184も炭素製造部166の一部であり、燃料電池発電システム10Bにオンサイトで設けられている。また、粉末炭素を利用して製造する物も、上記の炭素製品に限らず、カーボンナノホーンやフラーレンといった炭素材料を、公知の技術により製造して商工業利用しても良い。
In the fuel cell
By using graphite, carbon nanotubes, or diamond powder as the carbon powder, it does not burn easily even if there is an ignition source or oxygen, and even if it is piled up on the ground, it can safely and stably fix carbon for a long time. As a result, there are no restrictions on storage locations, and energy loss and costs associated with transportation and injection can be reduced. Graphite can be used in pencil leads and brake pads for automobiles, carbon nanotubes can be used as semiconductors and structural materials, and synthetic diamond powder can be used in construction and as diamond cutter blades for machine tools. can.
Note that this carbon
本実施形態の粉末炭素生成器178では、外側がガス流路178Aとされ、内側が炭素固定化部178Bとされていたが、内側を螺旋状の流路とした炭素固定化部178Bとし、外側を炭素固定化部178Bとしてもよい。
In the
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、第1、第2実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment of the invention will be described. In this embodiment, the same reference numerals are assigned to the same parts as in the first and second embodiments, and detailed description thereof will be omitted.
本実施形態の燃料電池発電システム10Cでは、第1燃料極オフガス管P7の経路に、第3熱交換器34及び凝縮器35が設けられている点が第1実施形態と主に異なっている。
The fuel cell
図7に示すように、第1燃料極オフガス管P7は、第1燃料極12Aから延出され、第3熱交換器34を経て凝縮器35と接続されている。第1燃料極12Aから凝縮器35までの第1燃料極オフガス管P7を符号P7Aで示す。第1燃料極オフガス管P7Aは、凝縮器35の気体側出口から延出され、第3熱交換器34を経て第2燃料極14Aと接続されている。凝縮器35から第2燃料極14Aまでの第1燃料極オフガス管P7を符号P7Bで示す。凝縮器35の液体側出口には、水配管P9-2の一端が接続されている。水配管P9-2の他端は水タンク27に接続されている。凝縮器35には、冷却水循環流路35Aが配管されており、排熱投入型吸収式冷凍機36からの冷却水がポンプ35Pの駆動により循環供給されている。これにより、第1燃料極オフガスが冷却され、第1燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮する。凝縮した水は水配管P9-2を介して水タンク27へ送出される。
As shown in FIG. 7, the first fuel electrode off-gas pipe P7 extends from the
(作用、効果)
次に、本実施形態の燃料電池発電システム10Cの動作について説明する。
(action, effect)
Next, the operation of the fuel cell
本実施形態においても、第1実施形態の燃料電池発電システム10Aと同様に、第1燃料電池セルスタック12での発電が行われる。第1燃料極12Aから第1燃料極オフガス管P7-1へ送出された第1燃料極オフガスは、第3熱交換器34で後述する再生燃料ガスと熱交換により冷却され、凝縮器35へ供給される。凝縮器35では、冷却水循環流路35Aを循環する冷却水により、第1燃料極オフガスが更に冷却され、第1燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮する。ここで、冷却水循環流路35Aを循環する冷却水の温度は、再生燃料ガス中に残る水蒸気量が第2燃料電池セルスタック14での発電効率を向上させる程度に第1燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮するように設定されている。凝縮した水は水配管P9-2を介して水タンク27へ送出される。
Also in this embodiment, power generation is performed in the first
凝縮水が分離された第1燃料極オフガスは、再生燃料ガスとして第1燃料極オフガス管P7Bへ送出され、第3熱交換器34で水が分離される前の第1燃料極オフガスとの熱交換により加熱され、第2燃料極14Aへ供給される。第2燃料電池セルスタック14では、第1実施形態の燃料電池発電システム10Aと同様に発電が行われる。
The first fuel electrode off-gas from which the condensed water has been separated is sent to the first fuel electrode off-gas pipe P7B as regenerated fuel gas, and the heat from the first fuel electrode off-gas before water is separated by the
本実施形態では、第1燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第2燃料極14Aへ供給するので、第2燃料電池セルスタック14における発電効率を向上させることができる。
In the present embodiment, since the regenerated fuel gas generated by separating a part of water vapor from the first fuel electrode off-gas is supplied to the
また、本実施形態においても、酸素透過膜付酸化反応器20の酸化反応部22において、第2燃料極オフガスに含まれている未反応の燃料ガスと酸素との酸化反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第2燃料極オフガスから燃料ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
Also in the present embodiment, in the
[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態では、第1~第3実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
[Fourth embodiment]
Next, a fourth embodiment of the invention will be described. In this embodiment, parts similar to those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図8に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム10Dでは、第1燃料電池セルスタック62及び第2燃料電池セルスタック64は、第1実施形態の水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池に代えて固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)を用いている。したがって、第1燃料極62A(燃料極)、及び第1空気極62B(空気極)では、以下のように反応が生じる。なお、第2燃料極64A、及び第2空気極64Bでも同様である。
As shown in FIG. 8, in the fuel cell
第1空気極62Bでは、下記(6)式に示すように、酸化剤ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層62Cを通って第1燃料電池セルスタック62の第1燃料極62Aに到達する。
At the
(空気極反応)
1/2O2+2e-→O2- …(6)
(air electrode reaction)
1/2O 2 +2e − →O 2− (6)
一方、第1燃料電池セルスタック62の第1燃料極62Aでは、下記(7)式及び(8)式に示すように、電解質層62Cを通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気及び二酸化炭素と電子が生成される。第1燃料極62Aで生成された電子が第1燃料極62Aから外部回路を通って第1空気極62Bに移動することで、発電される。
On the other hand, in the
(燃料極反応)
H2+O2-→H2O+2e- …(7)
CO+O2-→CO2+2e- …(8)
(Anode reaction)
H 2 +O 2− →H 2 O+2e − (7)
CO+O 2− →CO 2 +2e − (8)
固体酸化物形燃料電池では、第1燃料極62A、第2燃料極64Aで水蒸気が生成されることから、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池と比較して、第1燃料極オフガス、第2燃料極オフガスに含まれる水蒸気量が多い。一方、第1空気極62B、第2空気極64Bでは、水蒸気が生成されない。排熱投入型吸収式冷凍機36へ供給された空気極オフガスは、熱交換後に排気管P36-1から排気される。
In the solid oxide fuel cell, water vapor is generated at the
本実施形態の燃料電池発電システム10Dでは、その他の構成については、第3実施形態と同様であり、第1燃料極オフガス管P7の経路に、第3熱交換器34及び凝縮器35が設けられている。ここで、第1燃料極オフガス、第2燃料極オフガスに含まれる水蒸気量は、燃料電池発電システム10Cと比較して多いため、凝縮器35での凝縮により除去する水蒸気量が多くなるように、冷却水循環流路35Aを循環する冷却水の温度が設定されている。凝縮した水は水配管P9-2を介して水タンク27へ送出される。
Other configurations of the fuel cell
本実施形態では、第1燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第2燃料極14Aへ供給するので、第2燃料電池セルスタック64における発電効率を向上させることができる。
In the present embodiment, since the regenerated fuel gas generated by separating a part of water vapor from the first fuel electrode off-gas is supplied to the
また、本実施形態においても、酸素透過膜付酸化反応器20の酸化反応部22において、第2燃料極オフガスに含まれている未反応の燃料ガスと酸素との酸化反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第2燃料極オフガスから燃料ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
Also in the present embodiment, in the
[第5実施形態]
次に、本発明の第5実施形態について説明する。第5実施形態の燃料電池発電システムは、前述の第1実施形態~第4実施形態にて使用する酸素透過膜の代わりに第1流路に供給される燃料極オフガスに含まれる水素を第2流路側に透過する水素透過膜を用い、かつ、酸素透過膜の第1流路側に積層されている触媒を、水素透過膜の第2流路側に積層され、かつ酸素と水素透過膜を透過する水素との酸化反応を促進する触媒に変更したものである。本実施形態の燃料電池発電システムでは、酸素と水素透過膜を透過した水素とが第2流路側にて酸化反応し、第1流路側にて二酸化炭素濃度の高いガスが得られる。
[Fifth embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In the fuel cell power generation system of the fifth embodiment, instead of the oxygen permeable membrane used in the first to fourth embodiments, hydrogen contained in the fuel electrode off-gas supplied to the first flow path is used as the second Using a hydrogen permeable membrane permeable to the channel side, and a catalyst layered on the first channel side of the oxygen permeable membrane, layered on the second channel side of the hydrogen permeable membrane, and permeating the oxygen and hydrogen permeable membranes It was changed to a catalyst that accelerates the oxidation reaction with hydrogen. In the fuel cell power generation system of this embodiment, oxygen and hydrogen permeated through the hydrogen permeable membrane undergo an oxidation reaction on the second channel side, and a gas with a high carbon dioxide concentration is obtained on the first channel side.
更に、燃料極オフガス中に一酸化炭素も含まれている場合、水素が選択的に分離されることで化学平衡が変化し、燃料極オフガス中の水蒸気と一酸化炭素がシフト反応を起こして二酸化炭素と水素に変化する。そのため、燃料極オフガス中の水素が第2流路側に分離されることにより、効率よく二酸化炭素濃度のより高いガスを得ることができる。 Furthermore, when carbon monoxide is also contained in the fuel electrode off-gas, the chemical equilibrium changes due to the selective separation of hydrogen, and water vapor and carbon monoxide in the fuel electrode off-gas undergo a shift reaction to produce carbon monoxide. Converts to carbon and hydrogen. Therefore, the hydrogen in the fuel electrode off-gas is separated to the second channel side, so that a gas with a higher carbon dioxide concentration can be efficiently obtained.
本実施形態では、酸素と水素透過膜を透過する水素とが酸化反応して生成された水(水蒸気)は、第2流路の出口側に接続された排気管から外部へ排気される。 In this embodiment, water (water vapor) generated by the oxidation reaction between oxygen and hydrogen permeating the hydrogen-permeable membrane is exhausted to the outside through an exhaust pipe connected to the outlet side of the second flow path.
本実施形態の燃料電池発電システムは、前述の第1実施形態~第4実施形態と同様に反応装置の第1流路から排出されたガスから水蒸気を分離する水蒸気分離部をさらに備えていてもよく、この水蒸気分離部を備えていなくてもよい。例えば、2つの燃料電池として水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池を用いた場合、燃料極オフガス中に一酸化炭素が含まれている場合等では、反応装置の第1流路から排出されたガス中に含まれる水蒸気の濃度は低く、水蒸気分離部を備えずとも二酸化炭素濃度のより高いガスを得ることができる。 The fuel cell power generation system of this embodiment may further include a water vapor separation section that separates water vapor from the gas discharged from the first flow path of the reaction device in the same manner as in the first to fourth embodiments described above. Alternatively, the water vapor separation section may not be provided. For example, when hydrogen ion conducting solid oxide fuel cells are used as the two fuel cells, if carbon monoxide is contained in the fuel electrode off-gas, etc., The concentration of water vapor contained in the gas is low, and a gas with a higher carbon dioxide concentration can be obtained without providing a water vapor separation section.
本実施形態にて用いる水素透過膜としては、水素透過性を有する膜であれば特に限定されず、例えば、パラジウム合金膜が挙げられる。 The hydrogen-permeable membrane used in the present embodiment is not particularly limited as long as it has hydrogen permeability, and examples thereof include a palladium alloy membrane.
[その他の実施形態]
以上、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
[Other embodiments]
Although one embodiment of the fuel cell power generation system of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above, and can be implemented in various modifications without departing from the spirit of the present invention. It goes without saying that
本発明にて、燃料電池として、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC)を用いることもできる。 Other fuel cells such as molten carbonate fuel cells (MCFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), and polymer electrolyte fuel cells (PEFC) can also be used in the present invention.
本発明の燃料電池発電システムにおける燃料電池は、空気極、電解質及び燃料極を備える燃料電池セルであってもよく、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。 The fuel cell in the fuel cell power generation system of the present invention may be a fuel cell comprising an air electrode, an electrolyte and a fuel electrode, or may be a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked.
例えば、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池を2つ備える構成に限定されず、燃料電池を1つ又は燃料電池を3つ以上備える構成であってもよい。本発明の燃料電池発電システムが、燃料電池を複数備える場合、複数の燃料電池における燃料極は直列に配置されており、より上流側の燃料極から排出された燃料極オフガスは、より下流側の燃料極に供給され、最も下流側の燃料極から排出された燃料極オフガスが第1流路に供給され、複数の燃料電池における空気極の少なくともいずれか1つから排出された空気極オフガスが第2流路に供給される構成であってもよい。 For example, the fuel cell power generation system of the present invention is not limited to having two fuel cells, and may have one fuel cell or three or more fuel cells. When the fuel cell power generation system of the present invention includes a plurality of fuel cells, the fuel electrodes in the plurality of fuel cells are arranged in series, and the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode on the upstream side is discharged from the fuel electrode on the downstream side. The fuel electrode off-gas supplied to the fuel electrode and discharged from the most downstream fuel electrode is supplied to the first flow path, and the air electrode off-gas discharged from at least one of the air electrodes in the plurality of fuel cells is supplied to the first flow path. It may be configured to be supplied to two channels.
また、第1流路から送出されるガスは、未反応の燃料ガスが全て酸化されたガスに限定されず、一部の未反応の燃料ガスが含まれたガスであってもよい。 Further, the gas sent out from the first flow path is not limited to the gas in which all the unreacted fuel gas is oxidized, and may be a gas containing a part of the unreacted fuel gas.
10A、10B、10C、10D 燃料電池発電システム
12、62 第1燃料電池セルスタック(燃料電池)
12A、62A 第1燃料極(燃料極)
12B、62B 第1空気極(空気極)
14、64 第2燃料電池セルスタック(燃料電池)
14A、64A 第2燃料極(燃料極)
14B、64B 第2空気極(空気極)
20 酸素透過膜付酸化反応器(反応装置)
22A 酸化反応空間(第1流路)
23 酸素透過膜
23C 反応触媒膜(触媒)
24A 空気流路(第2流路)
26 凝縮器(水蒸気分離部)
68 圧縮機(圧縮部)
70 冷却装置(液化装置)
170 水電解装置
178 粉末炭素生成器(炭素生成部)
10A, 10B, 10C, 10D Fuel cell
12A, 62A first fuel electrode (fuel electrode)
12B, 62B first air electrode (air electrode)
14, 64 second fuel cell stack (fuel cell)
14A, 64A Second fuel electrode (fuel electrode)
14B, 64B Second air electrode (air electrode)
20 Oxidation reactor with oxygen permeable membrane (reactor)
22A oxidation reaction space (first channel)
23 Oxygen
24A air flow path (second flow path)
26 Condenser (water vapor separation section)
68 compressor (compression part)
70 cooling device (liquefying device)
170
Claims (11)
酸素を含むガスが供給される第2流路と、
前記第1流路と前記第2流路とを隔て、前記第2流路に供給される前記ガスに含まれる酸素を前記第1流路側に透過する酸素透過膜と、
前記第1流路に設けられ、前記燃料ガスと前記酸素透過膜を透過する酸素との酸化反応を促進する触媒と、
を備え、
前記酸素透過膜は、酸化ジルコニウム膜を備え、
外筒の内側に円筒形状の前記酸素透過膜が配置され、
前記外筒と前記酸素透過膜との間に環状の前記第1流路又は環状の前記第2流路が位置し、前記酸素透過膜の内周側に前記第2流路又は前記第1流路が位置し、
前記外筒と前記酸素透過膜との間に環状の前記第1流路が位置し、かつ前記酸素透過膜の内周側に前記第2流路が位置する場合、前記第1流路は、筒軸方向に向けて帯状の外側螺旋通路形成部材が螺旋状に形成され、かつ前記第2流路は、筒軸方向に向けて帯状の内側螺旋通路形成部材が螺旋状に形成されてなり、
前記外筒と前記酸素透過膜との間に環状の前記第2流路が位置し、かつ前記酸素透過膜の内周側に前記第1流路が位置する場合、前記第2流路は、筒軸方向に向けて帯状の外側螺旋通路形成部材が螺旋状に形成されてなり、かつ前記第1流路は、筒軸方向に向けて帯状の内側螺旋通路形成部材が螺旋状に形成されてなる反応装置。 a first flow path to which fuel gas is supplied;
a second flow path to which a gas containing oxygen is supplied;
an oxygen permeable membrane that separates the first channel and the second channel and allows oxygen contained in the gas supplied to the second channel to permeate to the first channel side;
a catalyst that is provided in the first flow path and promotes an oxidation reaction between the fuel gas and oxygen that permeates the oxygen permeable membrane;
with
The oxygen permeable film comprises a zirconium oxide film ,
The cylindrical oxygen permeable membrane is arranged inside the outer cylinder,
The annular first flow path or the annular second flow path is positioned between the outer cylinder and the oxygen permeable membrane, and the second flow path or the first flow path is located on the inner peripheral side of the oxygen permeable membrane. the road is located
When the annular first channel is positioned between the outer cylinder and the oxygen permeable membrane, and the second channel is positioned on the inner peripheral side of the oxygen permeable membrane, the first channel is A belt-shaped outer spiral passage forming member is spirally formed in the cylinder axial direction, and the second flow path is formed by spirally forming a belt-shaped inner spiral passage forming member in the cylinder axial direction,
When the annular second flow path is positioned between the outer cylinder and the oxygen permeable membrane, and the first flow path is positioned on the inner peripheral side of the oxygen permeable membrane, the second flow path is A band-shaped outer spiral passage forming member is spirally formed in the cylinder axial direction, and the first flow path is formed by a band-shaped inner spiral passage forming member spirally formed in the cylinder axial direction. Reactor .
燃料極、空気極及び前記燃料極と前記空気極との間に配置された電解質層を備え、前記燃料極へ供給される前記燃料ガスと、前記空気極へ供給される、酸素を含む酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から未反応の前記燃料ガスを含む燃料極オフガスが排出され、前記空気極から酸素を含む空気極オフガスが排出される燃料電池と、
を備え、
前記第1流路に前記燃料極オフガスが供給され、前記第2流路に前記空気極オフガスが供給され、
前記反応装置の前記第1流路にて、未反応の前記燃料ガスと前記酸素透過膜を透過する酸素とが酸化反応して二酸化炭素が生成される燃料電池発電システム。 The reactor according to any one of claims 1 to 6,
A fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode, wherein the fuel gas is supplied to the fuel electrode, and the oxidant containing oxygen is supplied to the air electrode. a fuel cell that generates electricity with a gas, discharges a fuel electrode off-gas containing the unreacted fuel gas from the fuel electrode, and discharges an air electrode off-gas containing oxygen from the air electrode;
with
The fuel electrode off-gas is supplied to the first flow path, the air electrode off-gas is supplied to the second flow path,
A fuel cell power generation system in which carbon dioxide is produced by an oxidation reaction between the unreacted fuel gas and oxygen permeating through the oxygen-permeable membrane in the first flow path of the reactor.
複数の前記燃料電池における燃料極は直列に配置されており、より上流側の燃料極から排出された前記燃料極オフガスは、より下流側の燃料極に供給され、
最も下流側の燃料極から排出された前記燃料極オフガスが前記第1流路に供給され、複数の前記燃料電池における空気極の少なくともいずれか1つから排出された前記空気極オフガスが前記第2流路に供給される請求項7に記載の燃料電池発電システム。 comprising a plurality of the fuel cells,
The fuel electrodes in the plurality of fuel cells are arranged in series, and the fuel electrode off-gas discharged from the more upstream fuel electrode is supplied to the more downstream fuel electrode,
The fuel electrode off-gas discharged from the most downstream fuel electrode is supplied to the first flow path, and the air electrode off-gas discharged from at least one of the air electrodes in the plurality of fuel cells is supplied to the second flow path. 8. The fuel cell power generation system according to claim 7, wherein the fuel is supplied to the channel.
前記発電装置での発電により生じた電力を用いて水を電気分解する水電解装置と、
前記水電解装置にて生成された水素と、前記反応装置の前記第1流路から排出されたガスに含まれる二酸化炭素との還元反応により炭素を生成する炭素生成部と、
をさらに備える請求項7~請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 a power generator that generates power using renewable energy;
a water electrolysis device that electrolyzes water using power generated by the power generation device;
a carbon generation unit that generates carbon through a reduction reaction between hydrogen generated in the water electrolysis device and carbon dioxide contained in the gas discharged from the first flow path of the reaction device;
10. The fuel cell power generation system according to any one of claims 7 to 9 , further comprising:
前記圧縮部にて圧縮された二酸化炭素を液化する液化装置と、
をさらに備える請求項7~請求項10のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 a compression unit that compresses carbon dioxide contained in the gas discharged from the first flow path of the reactor;
a liquefying device for liquefying the carbon dioxide compressed by the compression unit;
The fuel cell power generation system according to any one of claims 7 to 10 , further comprising:
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