[go: up one dir, main page]

JP7588772B1 - Fuel Cell Systems - Google Patents

Fuel Cell Systems Download PDF

Info

Publication number
JP7588772B1
JP7588772B1 JP2024557890A JP2024557890A JP7588772B1 JP 7588772 B1 JP7588772 B1 JP 7588772B1 JP 2024557890 A JP2024557890 A JP 2024557890A JP 2024557890 A JP2024557890 A JP 2024557890A JP 7588772 B1 JP7588772 B1 JP 7588772B1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
separation
fuel cell
branched
carbon dioxide
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.)
Active
Application number
JP2024557890A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
俊雄 篠木
誠 川本
万希子 吉瀬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Application granted granted Critical
Publication of JP7588772B1 publication Critical patent/JP7588772B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本開示に係る燃料電池システムは、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記アノードから排出されたアノードオフガスを、分岐ガスとリサイクルガスとに分岐させる分岐部と、前記分岐ガスから特定のガス成分を分離する複数の分離ユニットを有する分離装置と、前記分岐ガスを昇圧する圧縮機と、前記分離装置に導入される前記分岐ガスの圧力を計測する圧力計と、前記分岐ガスの圧力を調整する圧力調整器と、前記分岐ガスの組成および流量を取得するガス情報取得部と、前記複数の分離ユニットに前記分岐ガスを分配する分配機構と、備える。The fuel cell system of the present disclosure comprises a fuel cell having an anode and a cathode, a branching section that branches anode off-gas discharged from the anode into a branched gas and a recycled gas, a separation device having multiple separation units that separate specific gas components from the branched gas, a compressor that pressurizes the branched gas, a pressure gauge that measures the pressure of the branched gas introduced into the separation device, a pressure regulator that adjusts the pressure of the branched gas, a gas information acquisition section that acquires the composition and flow rate of the branched gas, and a distribution mechanism that distributes the branched gas to the multiple separation units.

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to a fuel cell system.

特許文献1には、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスから、二酸化炭素を分離する技術が開示されている。具体的には、アノードオフガスは分離膜を有する分離部へと導入される。特許文献1における分離膜は、二酸化炭素および水を透過しやすく、他の成分を透過しにくい性質を有している。このため、分離膜を透過したガスの二酸化炭素濃度は、アノードオフガスよりも高くなる。アノードオフガスのうち、分離膜を透過せず残留したガスには、水素等の可燃成分が含まれる。このガスは、再生燃料ガスとして再利用される。 Patent Document 1 discloses a technology for separating carbon dioxide from anode off-gas discharged from the anode of a fuel cell. Specifically, the anode off-gas is introduced into a separation section having a separation membrane. The separation membrane in Patent Document 1 has the property of being easily permeable to carbon dioxide and water, but difficult to permeate other components. For this reason, the carbon dioxide concentration of the gas that permeates the separation membrane is higher than that of the anode off-gas. The remaining part of the anode off-gas that does not permeate the separation membrane contains combustible components such as hydrogen. This gas is reused as regenerated fuel gas.

特開2019-139858号公報JP 2019-139858 A

例えば燃料電池が部分負荷運転となった場合には、定格負荷運転である場合と比較して、分離部に導入されるアノードオフガスの流量が減少する。他の要因によっても、分離部に導入されるアノードオフガスの流量が減少する場合がある。アノードオフガスの流量が減少すると、単位流量あたりのアノードオフガスに対する分離膜の面積が、相対的に増大する。このため、二酸化炭素よりも分離膜を透過しにくい成分、例えば水素の透過量も増大する。その結果、回収されるガスに含まれる二酸化炭素の濃度が低下するという課題が生じる。 For example, when the fuel cell is operating at partial load, the flow rate of the anode off-gas introduced into the separation section decreases compared to when it is operating at rated load. Other factors may also cause the flow rate of the anode off-gas introduced into the separation section to decrease. When the flow rate of the anode off-gas decreases, the area of the separation membrane for the anode off-gas per unit flow rate increases relatively. As a result, the permeation rate of components that are less permeable through the separation membrane than carbon dioxide, such as hydrogen, also increases. As a result, the concentration of carbon dioxide contained in the recovered gas decreases, which is an issue.

本開示は、上記の事情に鑑みて、分離膜に導入されるガスの流量が変化した場合に、分離したガスの二酸化炭素濃度が減少することを抑制可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。In view of the above circumstances, the present disclosure aims to provide a fuel cell system that can suppress a decrease in the carbon dioxide concentration of the separated gas when the flow rate of the gas introduced into the separation membrane changes.

本開示に係る燃料電池システムの一つの態様は、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記アノードから排出されたアノードオフガスを、分岐ガスとリサイクルガスとに分岐させる分岐部と、前記分岐ガスから特定のガス成分を分離する複数の分離ユニットを有する分離装置と、前記分岐ガスを昇圧する圧縮機と、前記分離装置に導入される前記分岐ガスの圧力を計測する圧力計と、前記分岐ガスの圧力を調整する圧力調整器と、前記分岐ガスの組成および流量を取得するガス情報取得部と、前記複数の分離ユニットに前記分岐ガスを分配する分配機構と、備える。One embodiment of a fuel cell system according to the present disclosure comprises a fuel cell having an anode and a cathode, a branching section that branches anode off-gas discharged from the anode into a branched gas and a recycled gas, a separation device having multiple separation units that separate specific gas components from the branched gas, a compressor that pressurizes the branched gas, a pressure gauge that measures the pressure of the branched gas introduced into the separation device, a pressure regulator that adjusts the pressure of the branched gas, a gas information acquisition section that acquires the composition and flow rate of the branched gas, and a distribution mechanism that distributes the branched gas to the multiple separation units.

本開示の燃料電池システムによれば、分離膜に導入されるガスの流量が変化した場合に、分離したガスの二酸化炭素濃度が減少することを抑制可能である。 According to the fuel cell system disclosed herein, it is possible to suppress a decrease in the carbon dioxide concentration of the separated gas when the flow rate of the gas introduced into the separation membrane changes.

実施の形態1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment; 図1に示す燃料電池システムの分離装置の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a separation device of the fuel cell system shown in FIG. 1 . 実施の形態1に係る分離装置の構成の変形例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a modified example of the configuration of the separation device according to the first embodiment. 実施の形態2に係る燃料電池システムの構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a second embodiment. 実施の形態3に係る燃料電池システムの構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a fuel cell system according to a third embodiment. 実施の形態4に係る燃料電池システムの構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the configuration of a fuel cell system according to a fourth embodiment.

以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態について説明する。なお、本開示の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。Hereinafter, an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. Note that the scope of the present disclosure is not limited to the following embodiment, and may be modified as desired within the scope of the technical concept of the present disclosure.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る燃料電池システム100の模式図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、供給経路1と、原料流量計1aと、混合器2と、改質器3と、燃料電池4と、水蒸気発生器7と、凝縮タンク9と、分岐部10と、圧縮機12と、温度調整器13と、制御装置19と、圧力計20と、調整弁21と、温度計22と、ガス分離装置Dと、を備える。
Embodiment 1.
Fig. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system 100 according to embodiment 1. As shown in Fig. 1, the fuel cell system 100 includes a supply path 1, a raw material flow meter 1a, a mixer 2, a reformer 3, a fuel cell 4, a steam generator 7, a condensation tank 9, a branching section 10, a compressor 12, a temperature regulator 13, a control device 19, a pressure gauge 20, a control valve 21, a thermometer 22, and a gas separation device D.

詳細は後述するが、ガス分離装置D(以下、単に分離装置Dと呼ぶ)は、二酸化炭素を含むプロセスガスを、二酸化炭素濃度の高い二酸化炭素リッチガスG11と、二酸化炭素濃度の低い再生燃料ガスG12と、に分離させる機能を有する。本実施の形態におけるプロセスガスは、燃料電池4のアノード4Aから排出されるアノードオフガスである。ただし、アノードオフガスではないプロセスガスに対して、本開示を適用してもよい。つまり、燃料電池システム100は燃料電池4から排出されるプロセスガス以外に適用されてもよい。 Although details will be described later, the gas separation device D (hereinafter simply referred to as separation device D) has the function of separating a process gas containing carbon dioxide into a carbon dioxide-rich gas G11 having a high carbon dioxide concentration and a regenerated fuel gas G12 having a low carbon dioxide concentration. The process gas in this embodiment is the anode off-gas discharged from the anode 4A of the fuel cell 4. However, the present disclosure may also be applied to a process gas other than the anode off-gas. In other words, the fuel cell system 100 may be applied to a process gas other than that discharged from the fuel cell 4.

二酸化炭素を含むプロセスガスのその他の例としては、例えば、工場の排気ガス、発電所の排気ガス、等が挙げられる。また、改質器3等の、炭化水素系燃料から水素を生成する改質反応システムからの排ガスを、プロセスガスとして用いてもよい。本実施の形態において、以下ではプロセスガスの例示として「アノードオフガスG」を挙げて説明する。Other examples of process gases containing carbon dioxide include, for example, factory exhaust gases and power plant exhaust gases. In addition, exhaust gas from a reforming reaction system that produces hydrogen from a hydrocarbon fuel, such as reformer 3, may be used as the process gas. In this embodiment, the following description will be given using "anode off-gas G" as an example of a process gas.

供給経路1は、原料を混合器2に供給する。原料としては、炭化水素などの炭素含有物を採用できる。炭化水素としては、メタンが挙げられる。以下では、原料がメタンである場合について説明するが、原料はメタンに限られない。供給経路1には原料流量計1aが設けられている。原料流量計1aは、混合器2に供給される原料の流量を計測する。原料流量計1aの計測結果は、例えば運転状態取得部18および制御装置19に入力されてもよい。混合器2には原料供給系統2aが接続されている。原料は、混合器2において後述するリサイクルガスG2および水蒸気と混合され、原料供給系統2aを介して改質器3に導入される。 The supply path 1 supplies the raw material to the mixer 2. Carbon-containing materials such as hydrocarbons can be used as the raw material. Examples of hydrocarbons include methane. Below, a case where the raw material is methane will be described, but the raw material is not limited to methane. A raw material flow meter 1a is provided in the supply path 1. The raw material flow meter 1a measures the flow rate of the raw material supplied to the mixer 2. The measurement results of the raw material flow meter 1a may be input to, for example, the operating state acquisition unit 18 and the control device 19. A raw material supply system 2a is connected to the mixer 2. The raw material is mixed with a recycle gas G2 and water vapor described later in the mixer 2, and is introduced into the reformer 3 via the raw material supply system 2a.

改質器3は、水蒸気改質反応または二酸化炭素改質反応によって、改質ガスを生成する。改質ガスには、水素が含まれる。水蒸気改質反応は、例えば、以下に示す式(I)および式(II)に従う。
CH+HO→CO+3H ・・・(I)
CO+HO→CO+H ・・・(II)
二酸化炭素改質反応は、例えば、以下に示す式(III)および式(IV)に従う。
CH+CO→2CO+2H ・・・(III)
2CO+2HO→2CO+2H ・・・(IV)
The reformer 3 generates a reformed gas by a steam reforming reaction or a carbon dioxide reforming reaction. The reformed gas contains hydrogen. The steam reforming reaction follows, for example, the following formulas (I) and (II).
CH4 + H2O →CO+3H2 ... (I)
CO+ H2OCO2 + H2 ...(II)
The carbon dioxide reforming reaction follows, for example, the following equations (III) and (IV).
CH4 + CO2 →2CO+2H2 ... (III)
2CO+ 2H2O2CO2 + 2H2 ...(IV)

改質器3は、水蒸気改質触媒および二酸化炭素改質触媒の少なくとも一方を有することが好ましい。また、改質器3は、水蒸気改質触媒および二酸化炭素改質触媒の両方を有することが、より好ましい。水蒸気改質触媒は、水蒸気改質反応を促進する。二酸化炭素改質触媒は、二酸化炭素改質反応を促進する。水蒸気改質触媒としては、Ni担持アルミナ、Ru担持アルミナなどが挙げられる。二酸化炭素改質触媒としては、Ni担持イットリア、Pt担持イットリア等が挙げられる。It is preferable that the reformer 3 has at least one of a steam reforming catalyst and a carbon dioxide reforming catalyst. It is more preferable that the reformer 3 has both a steam reforming catalyst and a carbon dioxide reforming catalyst. The steam reforming catalyst promotes the steam reforming reaction. The carbon dioxide reforming catalyst promotes the carbon dioxide reforming reaction. Examples of the steam reforming catalyst include Ni-supported alumina and Ru-supported alumina. Examples of the carbon dioxide reforming catalyst include Ni-supported yttria and Pt-supported yttria.

水蒸気改質触媒と二酸化炭素改質触媒は、混合されて、改質器3内に充填されてもよい。水蒸気改質触媒と二酸化炭素改質触媒は、互いに異なる層を形成して、改質器3内に充填されてもよい。水蒸気改質触媒と二酸化炭素改質触媒は、例えば、それぞれの触媒が機能するために適切な温度帯に位置するように、改質器3内に充填されてもよい。The steam reforming catalyst and the carbon dioxide reforming catalyst may be mixed and filled in the reformer 3. The steam reforming catalyst and the carbon dioxide reforming catalyst may form different layers and be filled in the reformer 3. The steam reforming catalyst and the carbon dioxide reforming catalyst may be filled in the reformer 3, for example, so that they are located in appropriate temperature zones for the respective catalysts to function.

改質器3の内部の温度は、水蒸気改質反応および二酸化炭素改質反応の少なくとも一方が進行するように設定される。水蒸気改質反応および二酸化炭素改質反応の両方が進行するように、それぞれの反応に適した温度分布が、改質器3内に設定されてもよい。改質器3には、燃焼器3aが熱的に接続されている。燃焼器3aは、燃料を燃焼させることで、改質器3内が適切な温度帯となるように熱を発生させる。燃焼器3aの燃料としては、カソード4Bから排出されたカソードオフガス、分離装置Dから排出された再生燃料ガスG12、等を利用できる。再生燃料ガスG12については後述する。The temperature inside the reformer 3 is set so that at least one of the steam reforming reaction and the carbon dioxide reforming reaction proceeds. A temperature distribution suitable for each reaction may be set inside the reformer 3 so that both the steam reforming reaction and the carbon dioxide reforming reaction proceed. A combustor 3a is thermally connected to the reformer 3. The combustor 3a burns fuel to generate heat so that the inside of the reformer 3 is in an appropriate temperature range. The fuel for the combustor 3a can be the cathode off-gas discharged from the cathode 4B, the regenerated fuel gas G12 discharged from the separation device D, or the like. The regenerated fuel gas G12 will be described later.

空気供給系統5は、空気を燃料電池4に供給する。空気供給系統5から供給される空気は酸素含有ガスである。酸素含有ガスは、酸化剤としての酸素(O)を含む。空気供給系統5には、空気を燃料電池4に向けて流動させるための空気供給ブロワ5aが設けられている。また、空気供給系統5には、熱交換器17が配置されている。熱交換器17は、空気供給系統5内を流動する空気と、燃焼器3aから排出された燃焼オフガスと、の間で熱交換を行う。これにより、燃焼器3aの排熱を利用して、カソード4Bに導入される空気を加熱することができる。 The air supply system 5 supplies air to the fuel cell 4. The air supplied from the air supply system 5 is an oxygen-containing gas. The oxygen-containing gas contains oxygen (O 2 ) as an oxidant. The air supply system 5 is provided with an air supply blower 5a for flowing air toward the fuel cell 4. The air supply system 5 is also provided with a heat exchanger 17. The heat exchanger 17 exchanges heat between the air flowing in the air supply system 5 and the combustion off-gas discharged from the combustor 3a. This makes it possible to heat the air introduced into the cathode 4B by utilizing the exhaust heat from the combustor 3a.

燃料電池4は、アノード4Aおよびカソード4Bを有している。改質器3で得られた改質ガスは、燃料電池4のアノード4Aに供給される。空気供給系統5から供給された空気は、燃料電池4のカソード4Bに供給される。燃料電池4は、水素(H)を含む改質ガスと、空気(酸化剤)との反応により発電を行い、電気エネルギーを発生させる。燃料電池4を含む燃料電池システム100は、発電システムと称することもできる。 The fuel cell 4 has an anode 4A and a cathode 4B. The reformed gas obtained in the reformer 3 is supplied to the anode 4A of the fuel cell 4. Air supplied from an air supply system 5 is supplied to the cathode 4B of the fuel cell 4. The fuel cell 4 generates power by reacting the reformed gas containing hydrogen (H 2 ) with air (oxidant), thereby generating electrical energy. A fuel cell system 100 including the fuel cell 4 can also be referred to as a power generation system.

燃料電池4は、例えば固体酸化物型燃料電池であってもよい。固体酸化物型燃料電池の場合、アノード4Aにおける反応は以下の式(V)に従い、カソード4Bにおける反応は以下の式(VI)に従う。
+O2-→HO+2e ・・・(V)
1/2O+2e→O2- ・・・(VI)
The fuel cell 4 may be, for example, a solid oxide fuel cell. In the case of a solid oxide fuel cell, the reaction at the anode 4A follows formula (V) below, and the reaction at the cathode 4B follows formula (VI) below.
H 2 +O 2- →H 2 O+2e -... (V)
1/2O 2 +2e - →O 2 -...(VI)

燃料電池4のアノード4Aからは、アノードオフガスGが排出される。アノードオフガスGは、例えば、水素(H)、二酸化炭素(CO)、水蒸気(HO)、一酸化炭素(CO)、およびメタン(CH)を含む。アノードオフガス系統6は、アノードオフガスGを燃料電池4のアノード4Aから取り出し、分岐部10に導く。アノードオフガス系統6における、燃料電池4と分岐部10の間の部分には、水蒸気発生器7、熱回収器6a、および凝縮タンク9が配置されている。 Anode off-gas G is discharged from the anode 4A of the fuel cell 4. The anode off-gas G contains, for example, hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O), carbon monoxide (CO), and methane (CH 4 ). The anode off-gas system 6 extracts the anode off-gas G from the anode 4A of the fuel cell 4 and guides it to a branching section 10. In the anode off-gas system 6, a water vapor generator 7, a heat recovery device 6a, and a condensation tank 9 are arranged in a portion between the fuel cell 4 and the branching section 10.

凝縮タンク9は、アノードオフガスGに含まれる水蒸気の一部を凝縮させることができる。凝縮タンク9において得られた水は、ポンプ23aおよび流量制御器23を経由して、水蒸気発生器7に供給される。ポンプ23aは、水を凝縮タンク9から水蒸気発生器7に向けて流動させるための動力を発生させる。流量制御器23は、水蒸気発生器7に供給される水の流量を制御する。流量制御器23の計測結果は、例えば運転状態取得部18および制御装置19に入力されてもよい。The condensation tank 9 can condense a portion of the water vapor contained in the anode off-gas G. The water obtained in the condensation tank 9 is supplied to the water vapor generator 7 via the pump 23a and the flow rate controller 23. The pump 23a generates power to cause the water to flow from the condensation tank 9 toward the water vapor generator 7. The flow rate controller 23 controls the flow rate of the water supplied to the water vapor generator 7. The measurement results of the flow rate controller 23 may be input to, for example, the operating state acquisition unit 18 and the control device 19.

水蒸気発生器7は、凝縮タンク9から供給された水を、アノードオフガスGとの熱交換により加熱する。これにより、水蒸気発生器7は水蒸気を得る。水蒸気発生器7は、補助加熱器7aを有している。補助加熱器7aは、例えばヒータである。アノードオフガスGとの熱交換だけでは、水を蒸発させるための熱量が不足する場合、補助加熱器7aを用いて水を加熱してもよい。水蒸気発生器7で得られた水蒸気は、水蒸気供給系統8から、混合器2へと導入される。The water vapor generator 7 heats the water supplied from the condensation tank 9 through heat exchange with the anode off-gas G. This allows the water vapor generator 7 to obtain water vapor. The water vapor generator 7 has an auxiliary heater 7a. The auxiliary heater 7a is, for example, a heater. If the amount of heat required to evaporate water is insufficient through heat exchange with the anode off-gas G alone, the auxiliary heater 7a may be used to heat the water. The water vapor obtained by the water vapor generator 7 is introduced into the mixer 2 through the water vapor supply system 8.

熱回収器6aは、凝縮タンク9の上流に位置し、アノードオフガスGから熱を回収することができる。これにより、例えば、アノードオフガスGを後述するリサイクルガスブロワ16aの耐熱温度以下に設定できる。凝縮タンク9の下流側には、分岐部10が配置されている。分岐部10において、アノードオフガス系統6は、分岐ガス系統11およびリサイクルガス系統16に分岐する。リサイクルガス系統16は、アノードオフガスGの少なくとも一部を、リサイクルガスG2として混合器2に供給する。The heat recovery device 6a is located upstream of the condensation tank 9 and can recover heat from the anode off-gas G. This allows, for example, the anode off-gas G to be set at or below the heat resistance temperature of the recycle gas blower 16a described below. A branching section 10 is disposed downstream of the condensation tank 9. At the branching section 10, the anode off-gas system 6 branches into a branch gas system 11 and a recycle gas system 16. The recycle gas system 16 supplies at least a portion of the anode off-gas G to the mixer 2 as recycle gas G2.

分岐部10は、分岐ガス系統11およびリサイクルガス系統16への、アノードオフガスGの分配比率を変更することができる。分岐部10は、例えば、分配比率を変更するための制御弁を有してもよい。より具体的に、制御弁は、分岐部10における分岐ガス系統11への流路断面積と、リサイクルガス系統16への流路断面積と、の比率を変更してもよい。また、凝縮タンク9の内部に熱電対を設けて、凝縮温度を計測することにより、ガス中の水蒸気量を知ることができる。また計測結果は、例えば制御装置19に入力されてもよい。ただし、分岐部10において分配比率を変更するための構造は上記に限定されず、適宜変更可能である。The branching section 10 can change the distribution ratio of the anode off-gas G to the branch gas system 11 and the recycle gas system 16. The branching section 10 may have, for example, a control valve for changing the distribution ratio. More specifically, the control valve may change the ratio of the flow path cross-sectional area to the branch gas system 11 in the branching section 10 to the flow path cross-sectional area to the recycle gas system 16. In addition, a thermocouple may be provided inside the condensation tank 9 to measure the condensation temperature, thereby making it possible to know the amount of water vapor in the gas. The measurement result may also be input to, for example, the control device 19. However, the structure for changing the distribution ratio in the branching section 10 is not limited to the above and can be changed as appropriate.

リサイクルガス系統16には、リサイクルガスブロワ16aおよびリサイクルガス流量計16bが設けられている。リサイクルガスブロワ16aは、分岐部10から混合器2に向けて、リサイクルガスG2を流動させる動力を発生させる。リサイクルガス流量計16bは、混合器2に供給されるリサイクルガスG2の流量を計測する。このようにして、リサイクルガス系統16はリサイクルガスG2を原料供給系統2aに循環させる。
また、混合器2はエジェクタであってもよい。この場合、水蒸気を駆動流体に、リサイクルガスG2を吸引することができることから、リサイクルガスブロワ16aが不要になり、補機動力の低減が図れる。
The recycled gas system 16 is provided with a recycled gas blower 16a and a recycled gas flowmeter 16b. The recycled gas blower 16a generates power to flow the recycled gas G2 from the branching portion 10 toward the mixer 2. The recycled gas flowmeter 16b measures the flow rate of the recycled gas G2 supplied to the mixer 2. In this manner, the recycled gas system 16 circulates the recycled gas G2 to the raw material supply system 2a.
Moreover, the mixer 2 may be an ejector. In this case, since the recycled gas G2 can be sucked in using the steam as the driving fluid, the recycled gas blower 16a becomes unnecessary, and the auxiliary power can be reduced.

分岐ガス系統11は、アノードオフガスGの少なくとも一部を、分岐ガスG1として、分離装置Dに供給する。分岐ガス系統11には、ガス情報取得部11a、圧縮機12、および温度調整器13が設けられている。ガス情報取得部11aは、分岐ガスG1の情報を取得する。「分岐ガスG1の情報」は、例えば組成、流量、圧力、温度などである。組成に関する分岐ガスG1の情報には、例えば二酸化炭素の分圧が含まれてもよい。分岐ガスG1は、アノードオフガスGの一部であるため、ガス情報取得部11aはアノードオフガスGに関する情報を取得するとも言える。The branch gas system 11 supplies at least a portion of the anode off-gas G to the separation device D as branch gas G1. The branch gas system 11 is provided with a gas information acquisition unit 11a, a compressor 12, and a temperature regulator 13. The gas information acquisition unit 11a acquires information on the branch gas G1. The "information on the branch gas G1" is, for example, the composition, flow rate, pressure, temperature, etc. The information on the composition of the branch gas G1 may include, for example, the partial pressure of carbon dioxide. Since the branch gas G1 is a part of the anode off-gas G, it can also be said that the gas information acquisition unit 11a acquires information on the anode off-gas G.

ガス情報取得部11aは、取得する情報の種類に応じたセンサ等を有している。例えば組成を取得する場合、ガス情報取得部11aは、近赤外分光センサを有してもよい。例えば流量、圧力、温度などを取得する場合、ガス情報取得部11aは流量計、圧力計、温度計などを有してもよい。ガス情報取得部11aは、上記した複数の種類のセンサを有してもよい。ただし、ガス情報取得部11aは、運転状態取得部18が取得する燃料電池4の運転状態と、原料流量計1aが取得する原料の流量と、凝縮タンク9における凝縮温度と、分岐部10におけるアノードオフガスGの分配比率と、に基づき、分岐ガスG1の組成および流量を計算によって求めてもよい。The gas information acquisition unit 11a has sensors and the like according to the type of information to be acquired. For example, when acquiring a composition, the gas information acquisition unit 11a may have a near-infrared spectroscopic sensor. For example, when acquiring a flow rate, pressure, temperature, etc., the gas information acquisition unit 11a may have a flowmeter, a pressure gauge, a thermometer, etc. The gas information acquisition unit 11a may have multiple types of sensors as described above. However, the gas information acquisition unit 11a may calculate the composition and flow rate of the branch gas G1 based on the operating state of the fuel cell 4 acquired by the operating state acquisition unit 18, the flow rate of the raw material acquired by the raw material flow meter 1a, the condensation temperature in the condensation tank 9, and the distribution ratio of the anode off-gas G in the branch section 10.

圧縮機12は、分離装置Dに供給される分岐ガスG1を昇圧させることができる。圧縮機12は、例えばブロワであってもよい。圧縮機12の出力を調整することで、分離装置D内の分岐ガスG1の圧力を変化させることができる。したがって、圧縮機12は、分離装置D内の分岐ガスG1の圧力を調整する、圧力調整器Cpとして機能することができる。温度調整器13は、分離装置Dに供給される分岐ガスG1の温度を調整することができる。The compressor 12 can boost the pressure of the branched gas G1 supplied to the separation device D. The compressor 12 may be, for example, a blower. By adjusting the output of the compressor 12, the pressure of the branched gas G1 in the separation device D can be changed. Therefore, the compressor 12 can function as a pressure regulator Cp that adjusts the pressure of the branched gas G1 in the separation device D. The temperature regulator 13 can adjust the temperature of the branched gas G1 supplied to the separation device D.

温度調整器13は、図1の例において、ポンプ13aおよび熱交換器13bを有している。熱交換器13bでは、冷媒と分岐ガスG1との間で熱交換が行われる。ポンプ13aは、熱交換器13b内に冷媒が流れるための動力を発生させる。ポンプ13aの出力を変更することで、熱交換器13b内を流動する冷媒の流速等が変化する。したがって、ポンプ13aの出力を調節することで、熱交換器13bにおいて冷媒と分岐ガスG1との間で交換される熱量を調整できる。これにより、温度調整器13は分岐ガスG1の温度を調整できる。ただし、温度調整器13の構成は上記に限定されず、分岐ガスG1の温度を調整できれば、適宜変更可能である。In the example of FIG. 1, the temperature regulator 13 has a pump 13a and a heat exchanger 13b. In the heat exchanger 13b, heat exchange occurs between the refrigerant and the branched gas G1. The pump 13a generates power for the refrigerant to flow in the heat exchanger 13b. By changing the output of the pump 13a, the flow rate of the refrigerant flowing in the heat exchanger 13b changes. Therefore, by adjusting the output of the pump 13a, the amount of heat exchanged between the refrigerant and the branched gas G1 in the heat exchanger 13b can be adjusted. This allows the temperature regulator 13 to adjust the temperature of the branched gas G1. However, the configuration of the temperature regulator 13 is not limited to the above, and can be changed as appropriate as long as it can adjust the temperature of the branched gas G1.

本実施の形態において、分離装置Dは、複数の二酸化炭素分離ユニット14(以下、単に分離ユニット14と呼ぶ。)を有している。
図2に示すように、本実施の態様では、4つの分離ユニット14を有している。4つの分離ユニット14を、それぞれ、第1分離ユニット141、第2分離ユニット142、第3分離ユニット143、第4分離ユニット144と呼ぶ。
複数の分離ユニット14は、並列に配列されている。すなわち、複数の分離ユニット14に、分岐ガスG1がそれぞれ導入された場合には、導入された分岐ガスG1の分離処理が同時に行われる。
各分離ユニット14は、二酸化炭素を選択的に透過させる分離膜Sを有している。また、分離ユニット14は、分離膜Sによって区画された導入室R1および回収室R2を有している。分離膜Sは、例えば高分子によって形成されている。
なお、分離装置Dに含まれる分離ユニット14の数は4つに限定されず、2以上であればよい。
In this embodiment, the separation device D has a plurality of carbon dioxide separation units 14 (hereinafter simply referred to as separation units 14).
2, this embodiment has four separation units 14. The four separation units 14 are referred to as a first separation unit 141, a second separation unit 142, a third separation unit 143, and a fourth separation unit 144, respectively.
The separation units 14 are arranged in parallel. That is, when the branch gas G1 is introduced into each of the separation units 14, the separation process of the introduced branch gas G1 is performed simultaneously.
Each separation unit 14 has a separation membrane S that selectively allows carbon dioxide to permeate. Also, the separation unit 14 has an introduction chamber R1 and a recovery chamber R2 that are partitioned by the separation membrane S. The separation membrane S is formed of, for example, a polymer.
The number of separation units 14 included in the separation device D is not limited to four, but may be two or more.

図2に示すように、分岐部10から分岐ガス系統11を流動した分岐ガスG1は、分配機構DMにより、複数の分離ユニット14に分配される。
分配機構DMは制御装置19により制御される。制御装置19は、圧力計20およびガス情報取得部11aからの情報に基づき分配機構DMを制御し、分岐ガスG1を複数の分離ユニット14に分配させる。
分配機構DMには複数の遮断弁が含まれ、制御装置19は、遮断弁を開閉させることで、分離ユニット14に分岐ガスG1を分配する。
より詳しくは、分配機構DMは、分岐ガスG1を分離ユニット14へ導入するラインにそれぞれ設けられた分配遮断弁Viと、分離ユニット14の導入室R1から気体を導出するラインにそれぞれ設けられた回収遮断弁Voと、と備える。
以下の説明では、第1~第4分離ユニット141、142、143、144へ導入するラインにそれぞれ設けられた分配遮断弁Viを、第1~第4分配遮断弁V1i、V2i、V3i、V4iと呼び、第1~第4分離ユニット141、142、143、144の導入室R1から気体を導出するラインにそれぞれ設けられた回収遮断弁Voを、第1~第4回収遮断弁V1o、V2o、V3o、V4oと呼ぶ。
第1~第4分配遮断弁V1i、V2i、V3i、V4iから各分離ユニット14へ導入される分配ガスGDを、それぞれ第1~第4分配ガスGD1、GD2、GD3、GD4と呼ぶ。
As shown in FIG. 2, a branched gas G1 flowing from a branching portion 10 through a branched gas system 11 is distributed to a plurality of separation units 14 by a distribution mechanism DM.
The distribution mechanism DM is controlled by a control device 19. The control device 19 controls the distribution mechanism DM based on information from a pressure gauge 20 and the gas information acquisition unit 11a, and distributes the branched gas G1 to the plurality of separation units 14.
The distribution mechanism DM includes a plurality of shutoff valves, and the control device 19 distributes the branched gas G1 to the separation units 14 by opening and closing the shutoff valves.
More specifically, the distribution mechanism DM includes a distribution shutoff valve Vi provided in each line that introduces the branched gas G1 into the separation unit 14, and a recovery shutoff valve Vo provided in each line that extracts gas from the inlet chamber R1 of the separation unit 14.
In the following description, the distribution shutoff valves Vi provided respectively on the lines leading to the first to fourth separation units 141, 142, 143, 144 will be referred to as the first to fourth distribution shutoff valves V1i, V2i, V3i, V4i, and the recovery shutoff valves Vo provided respectively on the lines leading to the gas from the introduction chamber R1 of the first to fourth separation units 141, 142, 143, 144 will be referred to as the first to fourth recovery shutoff valves V1o, V2o, V3o, V4o.
The distributed gases GD introduced from the first to fourth distribution shutoff valves V1i, V2i, V3i, and V4i to the separation units 14 are referred to as first to fourth distributed gases GD1, GD2, GD3, and GD4, respectively.

次に、各分離ユニット14における二酸化炭素の分離方法について説明する。
まず、すべての分配遮断弁Viおよびすべての回収遮断弁Voが開けられ、分岐ガスG1が、4つの分配遮断弁Viで均等に分配されている場合における第1分離ユニット141における二酸化炭素の分離方法を説明する。つまり、この場合には分岐ガスG1の1/4の量のガスがそれぞれの分離ユニット14に分配される。
分岐ガスG1は、まず第1分離ユニット141の導入室R1に導入される。導入室R1の内部で、分岐ガスG1は分離膜Sに接する。分岐ガスG1が圧力調整器Cpによって調整された圧力で、分離膜Sに接する。これにより、分岐ガスG1に含まれる二酸化炭素が、分離膜Sを透過し、回収室R2に移動する。分離膜Sの種類および圧力などの条件に応じて、二酸化炭素以外の成分が分離膜Sを透過する場合もある。
Next, a method for separating carbon dioxide in each separation unit 14 will be described.
First, a carbon dioxide separation method in the first separation unit 141 will be described in the case where all distribution shutoff valves Vi and all recovery shutoff valves Vo are opened and the branched gas G1 is evenly distributed by the four distribution shutoff valves Vi. That is, in this case, ¼ of the amount of the branched gas G1 is distributed to each separation unit 14.
The branched gas G1 is first introduced into the introduction chamber R1 of the first separation unit 141. Inside the introduction chamber R1, the branched gas G1 comes into contact with the separation membrane S. The branched gas G1 comes into contact with the separation membrane S at a pressure adjusted by the pressure regulator Cp. As a result, carbon dioxide contained in the branched gas G1 permeates the separation membrane S and moves to the recovery chamber R2. Depending on conditions such as the type and pressure of the separation membrane S, components other than carbon dioxide may permeate the separation membrane S.

第1分離ユニット141において、導入室R1から分離膜Sを透過して回収室R2に移動したガスを、第1二酸化炭素リッチガスGD11と称する。また、分離膜Sを透過せず残留したガスを、第1再生燃料ガスGD12と称する。すなわち第1分離ユニット141は、分離膜Sを用いて、第1分配ガスGD1を第1二酸化炭素リッチガスGD11と第1再生燃料ガスGD12とに分離する。
第2~4分離ユニット142、143、144においても同様に、分離膜Sを用いて、分岐ガスG1を第2~4二酸化炭素リッチガスGD21、GD31、GD41と、第2~4再生燃料ガスGD22、GD32、GD42と、に分離する。
In the first separation unit 141, the gas that permeates the separation membrane S from the inlet chamber R1 and moves to the recovery chamber R2 is referred to as a first carbon dioxide-rich gas GD11. Also, the gas that does not permeate the separation membrane S and remains is referred to as a first regenerated fuel gas GD12. That is, the first separation unit 141 uses the separation membrane S to separate the first distributed gas GD1 into the first carbon dioxide-rich gas GD11 and the first regenerated fuel gas GD12.
Similarly, in the second to fourth separation units 142, 143, and 144, the separation membrane S is used to separate the branched gas G1 into second to fourth carbon dioxide rich gases GD21, GD31, and GD41 and second to fourth regenerated fuel gases GD22, GD32, and GD42.

本明細書では、第1~第4分離ユニット141、142、143、144の導入室R1から分離膜Sを透過して回収室R2に移動したガスを、二酸化炭素リッチガスG11と称する。また、第1~第4分離ユニット141、142、143、144において、分離膜Sを透過せず残留したガスのうち、回収遮断弁Voを通過するガスを、再生燃料ガスG12と称する。すなわち分離ユニット14は、分離膜Sを用いて、分岐ガスG1を二酸化炭素リッチガスG11と再生燃料ガスG12とに分離する。In this specification, the gas that permeates the separation membrane S from the inlet chamber R1 of the first to fourth separation units 141, 142, 143, and 144 and moves to the recovery chamber R2 is referred to as carbon dioxide-rich gas G11. Furthermore, of the gases that remain in the first to fourth separation units 141, 142, 143, and 144 without permeating the separation membrane S, the gas that passes through the recovery shutoff valve Vo is referred to as regenerated fuel gas G12. In other words, the separation unit 14 uses the separation membrane S to separate the branched gas G1 into carbon dioxide-rich gas G11 and regenerated fuel gas G12.

二酸化炭素リッチガスG11は、分離ユニット14によって分離される前の分岐ガスG1と比較して、二酸化炭素の濃度が高い。再生燃料ガスG12は、分離ユニット14によって分離される前の分岐ガスG1と比較して、二酸化炭素の濃度が低い。また、再生燃料ガスG12には、可燃成分である水素、一酸化炭素、メタン等が含まれている。したがって、再生燃料ガスG12は燃料として利用することができる。
図1および図2に示すように、本実施の形態では、再生燃料ガスG12を、改質器3の燃焼器3aにおける燃料として利用する。各分離ユニット141~144の導入室R1には、再生燃料ガス系統14bが接続されている。各分離ユニット141~144から排出される第1~4再生燃料ガスGD12、GD22、GD32、GD42は、導入室R1から回収遮断弁Voを通過し、再生燃料ガス系統14bへと排出される。再生燃料ガス系統14bの下流側には、燃焼器3aが接続されている。この構成により、再生燃料ガスG12は、導入室R1から燃焼器3aに供給され、燃料として再利用される。
The carbon dioxide-rich gas G11 has a higher concentration of carbon dioxide than the branch gas G1 before being separated by the separation unit 14. The regenerated fuel gas G12 has a lower concentration of carbon dioxide than the branch gas G1 before being separated by the separation unit 14. The regenerated fuel gas G12 also contains combustible components such as hydrogen, carbon monoxide, and methane. Therefore, the regenerated fuel gas G12 can be used as a fuel.
As shown in Figures 1 and 2, in this embodiment, the regenerated fuel gas G12 is used as fuel in the combustor 3a of the reformer 3. A regenerated fuel gas system 14b is connected to the introduction chamber R1 of each of the separation units 141 to 144. The first to fourth regenerated fuel gases GD12, GD22, GD32, and GD42 discharged from each of the separation units 141 to 144 pass through the recovery cutoff valve Vo from the introduction chamber R1 and are discharged to the regenerated fuel gas system 14b. The combustor 3a is connected downstream of the regenerated fuel gas system 14b. With this configuration, the regenerated fuel gas G12 is supplied from the introduction chamber R1 to the combustor 3a and reused as fuel.

図1および図2に示すように、各分離ユニット141~144の回収室R2には、二酸化炭素回収系統14aが接続されている。各分離ユニット141~144から排出される第1~4二酸化炭素リッチガスGD11、GD21、GD31、GD41は、回収室R2から二酸化炭素回収系統14aへと排出される。二酸化炭素回収系統14aには、真空ポンプ15が配置されている。真空ポンプ15は、二酸化炭素回収系統14aを通じて、回収室R2内の二酸化炭素リッチガスG11を吸引する。このようにして回収された二酸化炭素リッチガスG11は、他の用途に再利用されてもよい。なお、真空ポンプ15は設けられていなくてもよい。 As shown in Figures 1 and 2, a carbon dioxide capture system 14a is connected to the recovery chamber R2 of each separation unit 141-144. The first to fourth carbon dioxide rich gases GD11, GD21, GD31, and GD41 discharged from each separation unit 141-144 are discharged from the recovery chamber R2 to the carbon dioxide capture system 14a. A vacuum pump 15 is arranged in the carbon dioxide capture system 14a. The vacuum pump 15 sucks the carbon dioxide rich gas G11 in the recovery chamber R2 through the carbon dioxide capture system 14a. The carbon dioxide rich gas G11 recovered in this manner may be reused for other purposes. It is noted that the vacuum pump 15 does not have to be provided.

圧力計20は、再生燃料ガス系統14bにおける分離ユニット14と調整弁21との間の部分の再生燃料ガスG12の圧力を測定する。圧力計20の測定結果によれば、分離ユニット14に供給される分岐ガスG1の圧力を間接的に知ることができる。なお、分離ユニット14に供給される分岐ガスG1の圧力が直接的または間接的に測定可能であれば、圧力計20の位置は、適宜変更可能である。The pressure gauge 20 measures the pressure of the regenerated fuel gas G12 in the portion between the separation unit 14 and the regulating valve 21 in the regenerated fuel gas system 14b. The measurement result of the pressure gauge 20 makes it possible to indirectly know the pressure of the branched gas G1 supplied to the separation unit 14. Note that, if the pressure of the branched gas G1 supplied to the separation unit 14 can be measured directly or indirectly, the position of the pressure gauge 20 can be changed as appropriate.

温度計22は、分岐ガス系統11における温度調整器13と分離ユニット14との間の部分の分岐ガスG1の温度を測定する。温度計22の位置は、分離ユニット14に供給される分岐ガスG1の温度を測定できれば、適宜変更可能である。The thermometer 22 measures the temperature of the branched gas G1 in the portion between the temperature regulator 13 and the separation unit 14 in the branched gas system 11. The position of the thermometer 22 can be changed as appropriate as long as it can measure the temperature of the branched gas G1 supplied to the separation unit 14.

調整弁21は、再生燃料ガス系統14bに設けられている。調整弁21を開閉することで、導入室R1内の圧力を調整することができる。例えば、調整弁21の開度を上げた場合、導入室R1から燃焼器3aへと再生燃料ガスG12が流れやすくなる。その結果、導入室R1内の圧力は下がる。逆に、調整弁21の開度を下げた場合、導入室R1内の圧力が上がる。したがって、調整弁21は、導入室R1内の分岐ガスG1の圧力を調整する、圧力調整器Cpとして機能することができる。The regulating valve 21 is provided in the regenerated fuel gas system 14b. The pressure in the introduction chamber R1 can be adjusted by opening and closing the regulating valve 21. For example, when the opening of the regulating valve 21 is increased, the regenerated fuel gas G12 flows more easily from the introduction chamber R1 to the combustor 3a. As a result, the pressure in the introduction chamber R1 decreases. Conversely, when the opening of the regulating valve 21 is decreased, the pressure in the introduction chamber R1 increases. Therefore, the regulating valve 21 can function as a pressure regulator Cp that adjusts the pressure of the branched gas G1 in the introduction chamber R1.

図1に示すように、燃料電池システム100は、運転状態取得部18および制御装置19を備えている。運転状態取得部18は、燃料電池4の運転状態を取得する。運転状態とは、例えば、定格出力に対する燃料電池4の出力の状態である。運転状態取得部18は、例えば、燃料電池4の出力を測定するための電流計および電圧計等を有してもよい。運転状態取得部18は、燃料電池4の運転状態を制御装置19に入力する。As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes an operating state acquisition unit 18 and a control device 19. The operating state acquisition unit 18 acquires the operating state of the fuel cell 4. The operating state is, for example, the state of the output of the fuel cell 4 relative to the rated output. The operating state acquisition unit 18 may include, for example, an ammeter and a voltmeter for measuring the output of the fuel cell 4. The operating state acquisition unit 18 inputs the operating state of the fuel cell 4 to the control device 19.

制御装置19には、圧力計20、温度計22、リサイクルガス流量計16b、運転状態取得部18、および後述の動作時間取得部24等から、各種の情報が入力される。制御装置19は、これらの情報に基づき、温度調整器13、圧力調整器Cp、および分配機構DM等と、を制御する。制御装置19は、分岐部10における、分岐ガスG1およびリサイクルガスG2の分配比率を制御してもよい。Various information is input to the control device 19 from the pressure gauge 20, the thermometer 22, the recycled gas flowmeter 16b, the operating state acquisition unit 18, the operating time acquisition unit 24 described below, etc. Based on this information, the control device 19 controls the temperature regulator 13, the pressure regulator Cp, the distribution mechanism DM, etc. The control device 19 may control the distribution ratio of the branch gas G1 and the recycled gas G2 in the branch section 10.

ここで、燃料電池4が部分負荷運転になった場合は、アノードオフガスGの流量が低下する。その結果、分離ユニット14に供給される分岐ガスG1の流量が減少する場合がある。分岐ガスG1の流量が低下すると、分離ユニット14において、分岐ガスG1の単位流量あたりの分離膜Sの面積が増大する。その結果、二酸化炭素よりも透過係数が小さい水素なども、分離膜Sを透過しやすくなり、二酸化炭素リッチガスG11における二酸化炭素濃度が低下する。さらに、再生燃料ガスG12に含まれる水素等の可燃成分が減少し、システム全体での発電効率が低下するという課題も生じる。
そこで、本実施の形態では、分離ユニット14に供給される分岐ガスG1の流量が減少した場合に、流量に応じて複数の分配遮断弁Viのうちの一部の分配遮断弁Viを閉じて、分離ユニット14の使用数の調整を行う。
Here, when the fuel cell 4 is in partial load operation, the flow rate of the anode off-gas G decreases. As a result, the flow rate of the branched gas G1 supplied to the separation unit 14 may decrease. When the flow rate of the branched gas G1 decreases, the area of the separation membrane S per unit flow rate of the branched gas G1 increases in the separation unit 14. As a result, hydrogen and other substances having a smaller permeability coefficient than carbon dioxide also easily permeate the separation membrane S, and the carbon dioxide concentration in the carbon dioxide-rich gas G11 decreases. Furthermore, there is also a problem that the amount of combustible components such as hydrogen contained in the regenerated fuel gas G12 decreases, resulting in a decrease in the power generation efficiency of the entire system.
Therefore, in this embodiment, when the flow rate of the branch gas G1 supplied to the separation unit 14 decreases, some of the multiple distribution shutoff valves Vi are closed according to the flow rate, thereby adjusting the number of separation units 14 in use.

以下、本実施の形態において、制御装置19が、燃料電池4の出力が変動した場合に分離ユニット14の分離性能が低下しないように分離ユニット14の使用数を制御する方法を具体的に説明する。
圧力計20が取得する圧力、およびガス情報取得部11aからの分岐ガスG1の流量の情報に応じて、分岐ガスG1を複数の分離ユニット14のうちのすべてまたは一部の分離ユニット14に分配する。具体的には、制御装置19は、分配機構DMで分配遮断弁Viおよび回収遮断弁Voの開閉状態を制御する。この制御は、さらに、温度計22が取得する温度、リサイクルガス流量計16bが取得するリサイクルガスG2の流量、および運転状態取得部18が取得する燃料電池4の運転状態、等に基づいて行われてもよい。
Hereinafter, a method will be specifically described in this embodiment in which the control device 19 controls the number of separation units 14 in use so that the separation performance of the separation units 14 does not decrease when the output of the fuel cell 4 fluctuates.
The control device 19 distributes the branched gas G1 to all or some of the separation units 14 according to the pressure acquired by the pressure gauge 20 and the information on the flow rate of the branched gas G1 from the gas information acquisition unit 11a. Specifically, the control device 19 controls the open/close states of the distribution cutoff valves Vi and the recovery cutoff valves Vo by the distribution mechanism DM. This control may be further performed based on the temperature acquired by the thermometer 22, the flow rate of the recycled gas G2 acquired by the recycled gas flowmeter 16b, the operating state of the fuel cell 4 acquired by the operating state acquisition unit 18, and the like.

例えば、制御装置19は、分離ユニット14によって得られる二酸化炭素リッチガスG11の、二酸化炭素の濃度あるいは流量を目標値として保持する。これらの目標値を満たすように、制御装置19は、分配機構DMの分配遮断弁Viおよび回収遮断弁Voの開閉状態を制御してもよい。
一例として、まず、分岐ガスG1の流量が第1閾値以上である場合には、複数の分離ユニット14のすべてに分岐ガスG1が導入されるよう、すべての分配遮断弁Viが開状態となっている。分岐ガスG1の流量が第1閾値以上である場合は、例えば燃料電池が定格出力の状態の時の分岐ガスG1の流量を含む。
燃料電池4の出力が下がった場合は、分岐ガスG1の流量が減少する。この減少を補うように、制御装置19は、以下の制御を実行してもよい。
For example, the control device 19 holds as target values the carbon dioxide concentration or flow rate of the carbon dioxide-rich gas G11 obtained by the separation unit 14. The control device 19 may control the open/close states of the distribution shutoff valve Vi and the recovery shutoff valve Vo of the distribution mechanism DM so as to satisfy these target values.
As an example, first, when the flow rate of the branch gas G1 is equal to or higher than a first threshold, all the distribution shutoff valves Vi are in an open state so that the branch gas G1 is introduced into all of the separation units 14. When the flow rate of the branch gas G1 is equal to or higher than the first threshold, it includes, for example, the flow rate of the branch gas G1 when the fuel cell is in a rated output state.
The flow rate of the branched gas G1 decreases when the output of the fuel cell 4 decreases. To compensate for this decrease, the control device 19 may execute the following control.

分岐ガスG1の流量が第1閾値未満となった場合には、複数の分配遮断弁Viのうちの1つの分配遮断弁Viを閉じ、閉じた分配遮断弁Viに接続される1つの分離ユニット14におけるガス分離が行われないようにする。例えば、第1閾値は、二酸化炭素リッチガスG11の二酸化炭素の濃度あるいは流量を目標値に基づき決定され、例えば、定格出力時の分岐ガスG1の流量の3/4の流量であってもよい。When the flow rate of the branch gas G1 falls below the first threshold, one of the multiple distribution shutoff valves Vi is closed to prevent gas separation in one separation unit 14 connected to the closed distribution shutoff valve Vi. For example, the first threshold is determined based on a target value for the carbon dioxide concentration or flow rate of the carbon dioxide-rich gas G11, and may be, for example, 3/4 of the flow rate of the branch gas G1 at rated output.

ガスの流量が第1閾値未満となった場合、例えば、第4分配遮断弁V4iが閉じられ、第1~第3分離ユニット141~143に分岐ガスG1が導入される。よって、第1~第3分離ユニット141~143における単位流量あたりの分岐ガスG1に対する分離膜Sの面積が過度に増大することを防ぐことが可能となる。これにより、二酸化炭素よりも分離膜Sを透過しにくい成分、例えば水素の透過量が増大することを防ぎ、二酸化炭素リッチガスG11に含まれる二酸化炭素の濃度の低下を防ぐことができる。 When the gas flow rate falls below the first threshold, for example, the fourth distribution shutoff valve V4i is closed and the branched gas G1 is introduced into the first to third separation units 141 to 143. This makes it possible to prevent an excessive increase in the area of the separation membrane S for the branched gas G1 per unit flow rate in the first to third separation units 141 to 143. This prevents an increase in the permeation amount of components that are less permeable through the separation membrane S than carbon dioxide, such as hydrogen, and prevents a decrease in the concentration of carbon dioxide contained in the carbon dioxide-rich gas G11.

このように、第1閾値未満となった場合に、複数の分離ユニット14のうち、1つの分離ユニット14を遮断する。さらに分岐ガスG1の流量が減った場合には、分岐ガスG1が導入される分離ユニット14の数を減らす。複数の分離ユニット14のうち、2つの分離ユニット14を遮断する場合の分岐ガスG1の流量の閾値を第2閾値とし、3つの分離ユニット14を遮断する場合の分岐ガスG1の流量の閾値を第3閾値とした場合、これらの閾値は、第1閾値>第2閾値>第3閾値の関係を満たす。
例えば、第2閾値は、定格出力時の分岐ガスG1の2/4の流量であり、第3閾値は定格出力時の分岐ガスG1の1/4の流量であってもよい。なお、第2~第3閾値は、二酸化炭素リッチガスG11の、二酸化炭素の濃度あるいは流量を目標値に基づき、決定されてもよい。
In this way, when the flow rate of the branched gas G1 falls below the first threshold, one of the separation units 14 is shut off. Furthermore, when the flow rate of the branched gas G1 decreases, the number of separation units 14 to which the branched gas G1 is introduced is reduced. When the threshold value of the flow rate of the branched gas G1 when two of the separation units 14 are shut off is set as a second threshold, and the threshold value of the flow rate of the branched gas G1 when three of the separation units 14 are shut off is set as a third threshold, these threshold values satisfy the relationship of first threshold > second threshold > third threshold.
For example, the second threshold value may be 2/4 of the flow rate of the branch gas G1 at the rated output, and the third threshold value may be 1/4 of the flow rate of the branch gas G1 at the rated output. Note that the second and third threshold values may be determined based on a target value of the carbon dioxide concentration or flow rate of the carbon dioxide-rich gas G11.

これらの第1~第3閾値に基づき、分岐ガスG1の流量が当該閾値未満となった場合に、閾値に応じた個数の分離ユニット14に接続される分配遮断弁Viを閉じる。また、分岐ガスG1の流量が閾値以上となった場合に、各閾値に応じた個数の分離ユニット14に接続される分配遮断弁Viを開ける。
回収遮断弁Voの開閉状態は、対応する分配遮断弁Viの開閉に合わせて、制御装置19により制御されてもよい。
Based on these first to third thresholds, when the flow rate of the branched gas G1 falls below a corresponding threshold, the distribution shutoff valves Vi connected to the separation units 14, the number of which corresponds to the threshold, are closed. When the flow rate of the branched gas G1 becomes equal to or greater than a threshold, the distribution shutoff valves Vi connected to the separation units 14, the number of which corresponds to each threshold, are opened.
The open/closed state of the recovery cutoff valve Vo may be controlled by the control device 19 in accordance with the opening/closing of the corresponding distribution cutoff valve Vi.

なお、制御装置19は、各分離ユニット14内における分配ガスGDの圧力を変化させるため場合に、以下のような制御を行ってもよい。
圧力調整器Cpとしての調整弁21の開度を上げることで、分離ユニット14から燃焼器3aへと再生燃料ガスG12が流れやすくする。あるいは、圧力調整器Cpとしての圧縮機12の回転数を下げることで、分岐ガス系統11において分岐ガスG1に印加される圧力を低下させる。
その結果、分離ユニット14内の分岐ガスG1の圧力(分配ガスGDの合計の圧力)を変化することができる。
In addition, in order to change the pressure of the distributed gas GD in each separation unit 14, the control device 19 may perform the following control.
By increasing the opening of the regulating valve 21 serving as the pressure regulator Cp, the regenerated fuel gas G12 can easily flow from the separation unit 14 to the combustor 3a. Alternatively, by decreasing the rotation speed of the compressor 12 serving as the pressure regulator Cp, the pressure applied to the branch gas G1 in the branch gas system 11 can be reduced.
As a result, the pressure of the branched gas G1 in the separation unit 14 (the total pressure of the distributed gas GD) can be changed.

このように、制御装置19は、分離ユニット14によって得られる二酸化炭素リッチガスG11の、二酸化炭素の濃度あるいは流量を目標値として分配機構DMおよび圧力調整器Cpを制御する。In this way, the control device 19 controls the distribution mechanism DM and the pressure regulator Cp using the carbon dioxide concentration or flow rate of the carbon dioxide-rich gas G11 obtained by the separation unit 14 as a target value.

<動作時間取得部24による分離ユニット14の動作時間の均一化>
上述の例では、分岐ガスG1の流量が第1閾値以下となった場合に、第4分離ユニット144を遮断する例を説明した。しかしながら、第1閾値以下となった場合に、常に第4分離ユニット144を遮断した場合には、第1~第3分離ユニット141~143の運転時間が第4分離ユニット144の運転時間と比較して長くなる。分離膜Sは規定の使用時間を超えると交換が必要になる場合があり、運転時間の長い第1~第3分離ユニット141~143の分離膜Sのみ交換が必要になる場合がある。
そこで、本実施の形態では、複数の分離ユニット14の動作時間を取得する動作時間取得部24(図2を参照)を備える。分岐ガスG1の流量が閾値を下回る場合に、動作時間取得部24の情報に基づき、遮断される分離ユニット14を切り替えて、各分離ユニット14の運転時間が同等になるように制御する。
なお、動作時間取得部24は制御装置19の内部に設けられていてもよく、動作時間取得部24と制御装置19とが同じハードウェアで実現されていてもよい。
<Uniformity of Operation Times of Separation Units 14 by Operation Time Acquisition Unit 24>
In the above example, the fourth separation unit 144 is shut off when the flow rate of the branched gas G1 becomes equal to or less than the first threshold. However, if the fourth separation unit 144 is always shut off when the flow rate of the branched gas G1 becomes equal to or less than the first threshold, the operation time of the first to third separation units 141 to 143 becomes longer than the operation time of the fourth separation unit 144. The separation membrane S may need to be replaced when it exceeds a specified usage time, and only the separation membrane S of the first to third separation units 141 to 143 that have a long operation time may need to be replaced.
Therefore, in this embodiment, an operation time acquisition unit 24 (see FIG. 2) is provided that acquires operation times of the plurality of separation units 14. When the flow rate of the branched gas G1 falls below a threshold, the separation units 14 to be shut off are switched based on information from the operation time acquisition unit 24, and the operation times of the separation units 14 are controlled to be equal to each other.
The operation time acquisition unit 24 may be provided inside the control device 19, or the operation time acquisition unit 24 and the control device 19 may be realized by the same hardware.

例えば、第4分離ユニット144を遮断して一定時間が経過すると、第4分離ユニット144の分配遮断弁V4iを開けるとともに、積算動作時間が長い分離ユニット14の分配遮断弁Viが閉じられる。以降、一定時間が経過するごとに、遮断されていた分離ユニット14の分配遮断弁Viが開けられるとともに、積算動作時間が長い分離ユニット14の分配遮断弁Viが閉じられる。
遮断される分離ユニット14が複数となる条件の場合も、同様に、動作時間取得部24によって取得された複数の分離ユニット14の動作時間に基づき、分岐ガスG1が導入される分離ユニット14の分配遮断弁Viの開閉状態を切り替えて、各分離ユニット14の運転時間が均等になるように、制御装置19により制御される。
具体的には、制御装置19が、動作時間取得部24によって取得された複数の分離ユニット14の動作時間に基づき、複数の分離ユニット14のそれぞれの動作時間が均一になるように分配機構DMを制御することにより、上述の分配遮断弁Viの開閉の制御がされる。
For example, when a certain time has elapsed since the fourth separation unit 144 was shut off, the distribution shutoff valve V4i of the fourth separation unit 144 is opened, and the distribution shutoff valve Vi of the separation unit 14 with the longest accumulated operating time is closed. Thereafter, every time a certain time elapses, the distribution shutoff valve Vi of the separation unit 14 that was shut off is opened, and the distribution shutoff valve Vi of the separation unit 14 with the longest accumulated operating time is closed.
Similarly, in the case where multiple separation units 14 are shut off, the control device 19 controls the opening and closing of the distribution shutoff valve Vi of the separation unit 14 to which the branched gas G1 is introduced based on the operating times of the multiple separation units 14 acquired by the operating time acquisition unit 24, so that the operating times of each separation unit 14 are equal.
Specifically, the control device 19 controls the distribution mechanism DM based on the operation times of the separation units 14 acquired by the operation time acquisition unit 24 so that the operation times of the separation units 14 are uniform, thereby controlling the opening and closing of the above-mentioned distribution shutoff valve Vi.

<分配遮断弁Viの開閉時の分離ユニットの動作圧力の調整>
分岐ガスG1の流量が第1閾値未満となり、分配遮断弁V4iを閉じた場合、第4分離ユニット144を流れるガスの流量は、例えば分岐ガスG1の1/4の流量から、ゼロへと変化する。分配遮断弁V4iを開状態および閉状態の2パターンで制御した場合には、第4分離ユニット144では、流量の急激な減少が起こる場合がある。また、第4分離ユニット144以外の第1~第3分離ユニット141~143では、流量の急激な増加が起こる場合がある。
以下、このような急激な流量の変化が起こり、分離ユニット14の動作圧力が急激に変化する条件を不連続条件という。不連続条件では、分離ユニット14の分離能力が下がる場合があるため、本実施の形態では、圧力調整器Cpを制御し、分離ユニット14における流量の変化が緩やかになるよう、制御装置19によって分配機構DMの制御を行う。
例えば、第1~第3分離ユニット141~143が動作中に、ガス情報取得部11aで測定された分岐ガスG1の流量が第1閾値を超えたことを制御装置19が検知し、第4分離ユニット144への分岐ガスG1の導入を開始する場合において、制御装置19により、以下の第1例または第2例の制御が行われてもよい。
<Adjustment of the operating pressure of the separation unit when opening and closing the distribution shutoff valve Vi>
When the flow rate of the branch gas G1 falls below the first threshold and the distribution shutoff valve V4i is closed, the flow rate of the gas flowing through the fourth separation unit 144 changes, for example, from ¼ the flow rate of the branch gas G1 to zero. When the distribution shutoff valve V4i is controlled in two patterns, that is, in the open state and the closed state, a sudden decrease in the flow rate may occur in the fourth separation unit 144. Also, a sudden increase in the flow rate may occur in the first to third separation units 141 to 143 other than the fourth separation unit 144.
Hereinafter, the condition where such a sudden change in flow rate occurs and the operating pressure of the separation unit 14 changes suddenly is referred to as a discontinuous condition. Since the separation capacity of the separation unit 14 may decrease under the discontinuous condition, in this embodiment, the pressure regulator Cp is controlled, and the control device 19 controls the distribution mechanism DM so that the change in flow rate in the separation unit 14 becomes gradual.
For example, when the first to third separation units 141 to 143 are operating, and the control device 19 detects that the flow rate of the branched gas G1 measured by the gas information acquisition unit 11a has exceeded a first threshold value, and starts introducing the branched gas G1 into the fourth separation unit 144, the control device 19 may perform the first or second example control below.

第1例において、まず、第4分配遮断弁V4iを開く前に、第1~第3分離ユニット141~143における動作圧力を、圧力調整器Cpを制御し増加させる。その後、第4分配遮断弁V4iの弁の開度を徐々に増加させる。第4分配遮断弁V4iの開度は、一定時間内に0%から100%となるように連続的に増加させてもよいし、数%ずつステップ状に増加させてもよい。第4分配遮断弁V4iの開度が増加し第4分離ユニット144における動作圧力が増加するのに従って、第1~第3分離ユニット141~143へ向かうガスが減るため、第1~第3分離ユニット141~143における動作圧力は一定の圧力まで減少する。4つの分離ユニット14の動作圧力が等しくなった後に、必要に応じて圧力調整器Cpを制御し分岐ガスG1の圧力を減少させてもよい。In the first example, first, before opening the fourth distribution shutoff valve V4i, the operating pressure in the first to third separation units 141 to 143 is increased by controlling the pressure regulator Cp. Then, the opening degree of the fourth distribution shutoff valve V4i is gradually increased. The opening degree of the fourth distribution shutoff valve V4i may be increased continuously from 0% to 100% within a certain time, or may be increased in steps of several percent at a time. As the opening degree of the fourth distribution shutoff valve V4i increases and the operating pressure in the fourth separation unit 144 increases, the amount of gas flowing to the first to third separation units 141 to 143 decreases, so that the operating pressure in the first to third separation units 141 to 143 decreases to a certain pressure. After the operating pressures of the four separation units 14 become equal, the pressure regulator Cp may be controlled as necessary to reduce the pressure of the branch gas G1.

第2例では、第4分配遮断弁V4iを開くと同時に、第1~第3分離ユニット141~143における動作圧力を、圧力調整器Cpを制御し減少させる。その後、第1~第4分離ユニット141~144の動作圧力を一定の圧力まで増加させる。4つの分離ユニット14の動作圧力が等しくなった後に、必要に応じて圧力調整器Cpを制御し分岐ガスG1の圧力を増加させてもよい。 In the second example, the fourth distribution shutoff valve V4i is opened and at the same time the operating pressure in the first to third separation units 141 to 143 is reduced by controlling the pressure regulator Cp. The operating pressure of the first to fourth separation units 141 to 144 is then increased to a constant pressure. After the operating pressures of the four separation units 14 become equal, the pressure regulator Cp may be controlled as necessary to increase the pressure of the branched gas G1.

第1例および第2例では、圧力調整器Cpにより分離ユニット14の動作圧力を制御することで、分離ユニット14における動作圧力の急激な変化による分離能力の低下を抑えつつ、閾値に応じた分岐ガスG1の複数の分離ユニット14への分配を行うことが可能となる。
なお、分配遮断弁Viのうちの一つを閉じる場合においても、第1例又は第2例を踏まえ圧力調整器Cpを制御し、不連続状態となることを防ぐことができる。
In the first and second examples, by controlling the operating pressure of the separation unit 14 using the pressure regulator Cp, it is possible to distribute the branched gas G1 to multiple separation units 14 according to a threshold value while suppressing a decrease in separation capacity due to a sudden change in the operating pressure in the separation unit 14.
Incidentally, even when one of the distribution cutoff valves Vi is closed, the pressure regulator Cp can be controlled based on the first or second example to prevent a discontinuous state.

<分離ユニット14の直列配置>
分離装置Dにおいて、1つの分離ユニット14から導出されるガスを他の分離ユニット14に導入する機構が設けられており、これにより、複数の分離ユニット14が直列に設けられる。本実施の形態では、導入室R1から導出されるガスを他の分離ユニット14に導入する逆止弁NVが設けられている。これにより、分岐ガスG1の一部では、複数の分離ユニット14により、順次、ガス分離処理が行われる。このように、図2に示す例では、複数の分離ユニット14が並列に設けられていることに加え、複数の分離ユニット14が直列に設けられている。
図2に示すように、1つの分離ユニット14の導入室R1から、他の分離ユニット14の導入室R1へ向かう分配ガスGDのラインに向かって接続された逆止弁NVが設けられている。よって、逆止弁NVから、導入室R1内のガスが他の分離ユニット14の導入室R1へ導入される。
<Series Arrangement of Separation Units 14>
In the separation device D, a mechanism is provided for introducing gas discharged from one separation unit 14 into another separation unit 14, and thus, a plurality of separation units 14 are provided in series. In this embodiment, a check valve NV is provided for introducing gas discharged from the introduction chamber R1 into another separation unit 14. As a result, gas separation processing is sequentially performed on a portion of the branched gas G1 by the plurality of separation units 14. Thus, in the example shown in FIG. 2, in addition to the plurality of separation units 14 being provided in parallel, the plurality of separation units 14 are also provided in series.
2, a check valve NV is provided that is connected from the inlet chamber R1 of one separation unit 14 to the line of the distributed gas GD leading to the inlet chamber R1 of the other separation unit 14. Thus, the gas in the inlet chamber R1 is introduced into the inlet chamber R1 of the other separation unit 14 through the check valve NV.

より具体的には、図2に示す例では、第1分離ユニット141の導入室R1から、第2分離ユニット142に導入される分配ガスGD2のラインへと接続される第1逆止弁NV1と、第2分離ユニット142の導入室R1から、第3分離ユニット143に導入される分配ガスGD3のラインへと接続される第2逆止弁NV2と、第3分離ユニット143の導入室R1から、第4分離ユニット144に導入される分配ガスGD4のラインへと接続される第3逆止弁NV3と、が備えられている。More specifically, in the example shown in FIG. 2, there are provided a first check valve NV1 connected from the inlet chamber R1 of the first separation unit 141 to the line of the distribution gas GD2 introduced into the second separation unit 142, a second check valve NV2 connected from the inlet chamber R1 of the second separation unit 142 to the line of the distribution gas GD3 introduced into the third separation unit 143, and a third check valve NV3 connected from the inlet chamber R1 of the third separation unit 143 to the line of the distribution gas GD4 introduced into the fourth separation unit 144.

例えば、第1分配遮断弁V1iを開とし、第2~第4分配遮断弁V2i、V3i、V4iを閉じ、第1~第3回収遮断弁V1o、V2o、V3oを閉じ、第4回収遮断弁V4oを開けた場合を説明する。第1分離ユニット141の第1逆止弁NV1から導出された第1再生燃料ガスGD12の一部は、第2~第4分離ユニット142~144でさらにガス分離され、第4回収遮断弁V4oまたは二酸化炭素リッチガスG11の導入ラインへ向けて排出される。For example, a case will be described in which the first distribution shutoff valve V1i is open, the second to fourth distribution shutoff valves V2i, V3i, and V4i are closed, the first to third recovery shutoff valves V1o, V2o, and V3o are closed, and the fourth recovery shutoff valve V4o is open. A portion of the first regenerated fuel gas GD12 discharged from the first check valve NV1 of the first separation unit 141 is further gas-separated in the second to fourth separation units 142 to 144 and discharged toward the fourth recovery shutoff valve V4o or the inlet line for the carbon dioxide-rich gas G11.

このように、複数の分離ユニット14が直列に配置された場合、第1~第3再生燃料ガスGD12~GD32の一部は、再び分離膜Sによるガス分離処理がされる。よって、分離装置Dから排出される二酸化炭素リッチガスG11に含まれる二酸化炭素濃度をより高くし、かつ、再生燃料ガスG12に含まれる水素等の濃度をより高くすることが可能となる。 In this way, when multiple separation units 14 are arranged in series, a portion of the first to third regenerated fuel gases GD12 to GD32 are again subjected to gas separation processing using the separation membrane S. This makes it possible to further increase the carbon dioxide concentration contained in the carbon dioxide-rich gas G11 discharged from the separation device D, and to further increase the concentration of hydrogen and other elements contained in the regenerated fuel gas G12.

なお、逆止弁NVを設けることは必須ではなく、図3に示すように、逆止弁NVを省略し、複数の分離ユニット14が、直列に接続されておらず、並列にのみ配置されていてもよい。また、複数の分離ユニット14のうち、少なくとも2以上の分離ユニット14が逆止弁NVで接続されていてもよい。It should be noted that it is not essential to provide a check valve NV, and as shown in Figure 3, the check valve NV may be omitted and the multiple separation units 14 may be arranged only in parallel, not connected in series. Also, of the multiple separation units 14, at least two or more separation units 14 may be connected by a check valve NV.

本実施の形態における分離装置Dは、プロセスガス(アノードオフガスG)を、二酸化炭素リッチガスG11と再生燃料ガスG12とに分離する。しかしながら、分離装置Dによる分離の対象となるプロセスガスには、水素などの可燃成分が含まれていなくてもよい。したがって、プロセスガスから二酸化炭素リッチガスG11が分離された後の残留ガスに、可燃成分が含まれていなくてもよい。言い換えると、分離装置Dは、プロセスガスを、二酸化炭素濃度が高められた二酸化炭素リッチガスG11と、二酸化炭素濃度が低減され水素濃度が増加した再生燃料ガスG12と、に分離してもよい。The separation device D in this embodiment separates the process gas (anode off-gas G) into carbon dioxide-rich gas G11 and regenerated fuel gas G12. However, the process gas to be separated by the separation device D may not contain flammable components such as hydrogen. Therefore, the residual gas after the carbon dioxide-rich gas G11 is separated from the process gas may not contain flammable components. In other words, the separation device D may separate the process gas into carbon dioxide-rich gas G11 with an increased carbon dioxide concentration and regenerated fuel gas G12 with a reduced carbon dioxide concentration and an increased hydrogen concentration.

以上説明したように、本開示の燃料電池システム100は、アノード4Aおよびカソード4Bを有する燃料電池4と、アノード4Aから排出されたアノードオフガスGを、分岐ガスG1とリサイクルガスG2とに分岐させる分岐部10と、分岐ガスG1から特定のガス成分を分離する複数の分離ユニット14を有する分離装置Dと、分岐ガスG1を昇圧する圧縮機12と、分離装置Dに導入される分岐ガスG1の圧力を計測する圧力計20と、分岐ガスG1の圧力を調整する圧力調整器Cpと、分岐ガスG1の組成および流量を取得するガス情報取得部11aと、複数の分離ユニット14にG1分岐ガスを分配する分配機構DMと、備える。As described above, the fuel cell system 100 disclosed herein comprises a fuel cell 4 having an anode 4A and a cathode 4B, a branching section 10 that branches the anode off-gas G discharged from the anode 4A into a branched gas G1 and a recycled gas G2, a separation device D having a plurality of separation units 14 that separate specific gas components from the branched gas G1, a compressor 12 that pressurizes the branched gas G1, a pressure gauge 20 that measures the pressure of the branched gas G1 introduced into the separation device D, a pressure regulator Cp that adjusts the pressure of the branched gas G1, a gas information acquisition section 11a that acquires the composition and flow rate of the branched gas G1, and a distribution mechanism DM that distributes the G1 branched gas to the plurality of separation units 14.

このような構成の燃料電池システム100によれば、分離装置Dに供給されるプロセスガスの流量が変化した場合、二酸化炭素リッチガスG11の二酸化炭素濃度が低下しないように、分配機構DMによって各分離ユニット14に分配されるプロセスガスの流量を調整することが可能である。よって、分離ユニット14におけるガス分離処理の動作圧力を調整することが可能である。
流量および圧力による制御は時定数が小さく、すなわち、流量および圧力による制御は応答速度が大きい。よって、本実施の形態のような分岐ガスG1を複数の分離ユニット14に分けてガス分離処理を行う制御により、好適に二酸化炭素の濃度あるいは回収量を目標値に近づけることが可能となる。
According to the fuel cell system 100 having such a configuration, when the flow rate of the process gas supplied to the separation device D changes, it is possible to adjust the flow rate of the process gas distributed to each separation unit 14 by the distribution mechanism DM so that the carbon dioxide concentration of the carbon dioxide-rich gas G11 does not decrease. Therefore, it is possible to adjust the operating pressure of the gas separation process in the separation unit 14.
The control based on the flow rate and pressure has a small time constant, i.e., the control based on the flow rate and pressure has a high response speed. Therefore, by controlling the branch gas G1 to be divided into a plurality of separation units 14 and performing the gas separation process as in the present embodiment, it is possible to suitably bring the concentration or recovery amount of carbon dioxide close to a target value.

また、分配機構DMを制御する制御装置19をさらに備え、制御装置19は、圧力計20およびガス情報取得部11aからの情報に基づき分配機構DMを制御し、分岐ガスG1を複数の分離ユニット14に分配させる。
これにより、分岐ガスG1を複数の分離ユニット14に分配して導入することができるため、各分離ユニット14において適切な分岐ガスG1の流量および圧力でのガス分離処理が可能となる。
The system further includes a control device 19 for controlling the distribution mechanism DM. The control device 19 controls the distribution mechanism DM based on information from a pressure gauge 20 and the gas information acquisition unit 11a, and distributes the branched gas G1 to a plurality of separation units 14.
This allows the branched gas G1 to be distributed and introduced into the plurality of separation units 14, making it possible to perform gas separation processing at an appropriate flow rate and pressure of the branched gas G1 in each separation unit 14.

また、複数の分離ユニット14は、並列配置され、分配機構DMには分配遮断弁Viが含まれ、制御装置19は、分配遮断弁Viを開閉させることで、分離ユニット14に分岐ガスG1を分配する。
複数の分離ユニット14が並列に配置されているため、複数の分離ユニット14において同時にガス分離処理を行うことが可能となる。また、分岐ガスG1の流量に応じて、分配遮断弁Viの開閉を行うことで、各分離ユニット14において適切な分岐ガスG1の流量および圧力でのガス分離処理が可能となる。
Further, the separation units 14 are arranged in parallel, the distribution mechanism DM includes a distribution shutoff valve Vi, and the control device 19 distributes the branched gas G1 to the separation units 14 by opening and closing the distribution shutoff valve Vi.
Since the plurality of separation units 14 are arranged in parallel, it is possible to simultaneously perform gas separation processing in the plurality of separation units 14. In addition, by opening and closing the distribution shutoff valve Vi according to the flow rate of the branch gas G1, it is possible to perform gas separation processing at an appropriate flow rate and pressure of the branch gas G1 in each separation unit 14.

また、分離ユニット14に含まれる少なくとも2つの分離ユニット14は直列配置される。
これにより、分岐ガスG1の一部を、複数回、分離膜Sにより処理することが可能となるため、二酸化炭素リッチガスG11および再生燃料ガスG12における、回収目標とするガスの濃度をより高くすることができる。
Furthermore, at least two separation units 14 included in the separation unit 14 are arranged in series.
This makes it possible to process a portion of the branched gas G1 multiple times using the separation membrane S, thereby making it possible to increase the concentration of the gas to be recovered in the carbon dioxide-rich gas G11 and the regenerated fuel gas G12.

また、分配機構DMは、ガス情報取得部11aによって取得された分岐ガスG1の流量が閾値以上である場合は複数の分離ユニット14のすべてに分岐ガスG1を分配し、ガス情報取得部11aによって取得された分岐ガスG1の流量が閾値を下回る場合は、複数の分離ユニット14の一部に分岐ガスG1を分配する。
これにより、閾値により分岐ガスG1を導入する分離ユニット14の数を調整するができる。よって、分離ユニット14における単位流量あたりの分岐ガスG1に対する分離膜Sの面積が過度に増大することを防ぐことが可能となる。これにより、二酸化炭素よりも分離膜Sを透過しにくい成分、例えば水素の透過量が増大することを防ぎ、二酸化炭素リッチガスG11に含まれる二酸化炭素の濃度の低下を防ぐことができる。
In addition, the distribution mechanism DM distributes the branched gas G1 to all of the multiple separation units 14 when the flow rate of the branched gas G1 acquired by the gas information acquisition unit 11a is equal to or greater than a threshold value, and distributes the branched gas G1 to some of the multiple separation units 14 when the flow rate of the branched gas G1 acquired by the gas information acquisition unit 11a is below the threshold value.
This allows the number of separation units 14 into which the branch gas G1 is introduced to be adjusted based on the threshold value. This makes it possible to prevent an excessive increase in the area of the separation membrane S for the branch gas G1 per unit flow rate in the separation unit 14. This prevents an increase in the permeation amount of a component that is less likely to permeate the separation membrane S than carbon dioxide, such as hydrogen, and prevents a decrease in the concentration of carbon dioxide contained in the carbon dioxide-rich gas G11.

また、複数の分離ユニット14の動作時間を取得する動作時間取得部24をさらに備え、分配機構DMを制御する制御装置19は、動作時間取得部24によって取得された複数の分離ユニット14の動作時間に基づき、複数の分離ユニット14の動作時間が均一になるように分配機構DMを制御する。
これにより、複数の分離ユニット14にそれぞれ含まれる分離膜Sの使用時間を同等にすることができる。よって、分離膜Sの積算使用時間に基づく分離膜Sの交換またはメンテナンスのタイミングを同じ時期にすることができる。
The control device 19 further includes an operation time acquisition unit 24 that acquires the operation times of the multiple separation units 14, and controls the distribution mechanism DM based on the operation times of the multiple separation units 14 acquired by the operation time acquisition unit 24, so that the operation times of the multiple separation units 14 are uniform.
This allows the usage times of the separation membranes S included in each of the multiple separation units 14 to be equal. Therefore, the timing for replacement or maintenance of the separation membranes S based on the accumulated usage times of the separation membranes S can be set to the same period.

また、圧力調整器Cpを制御して分岐ガスG1の圧力を変更することで、分配遮断弁Viの開閉状態が変更される際の分離ユニット14の動作圧力を調整する。
これにより、分配遮断弁Viの開閉時に、分離ユニット14の動作圧力が急激に変化することを防ぐことができる。これにより、分離ユニット14の急激な動作圧力の変化によるガス分離能力の低下を防ぐことができる。
Moreover, by controlling the pressure regulator Cp to change the pressure of the branch gas G1, the operating pressure of the separation unit 14 is adjusted when the open/closed state of the distribution cutoff valve Vi is changed.
This makes it possible to prevent the operating pressure of the separation unit 14 from changing suddenly when the distribution shutoff valve Vi is opened or closed, thereby making it possible to prevent a decrease in the gas separation capacity of the separation unit 14 due to a sudden change in the operating pressure.

また、分離装置Dから排出される二酸化炭素リッチガスG11を吸引する真空ポンプを有する。
この構成によれば、導入室R1と回収室R2の圧力比を大きくすることでき、分離膜Sの性能を高めることができる。さらに、回収室R2に二酸化炭素リッチガスG11が滞留することを抑制できる。したがって、回収室R2の二酸化炭素濃度が高いために分離膜Sにおいて二酸化炭素の透過が停滞する現象を抑制できる。
It also has a vacuum pump that sucks in the carbon dioxide rich gas G11 discharged from the separation device D.
According to this configuration, the pressure ratio between the introduction chamber R1 and the recovery chamber R2 can be increased, and the performance of the separation membrane S can be improved. Furthermore, the carbon dioxide rich gas G11 can be prevented from stagnation in the recovery chamber R2. Therefore, the phenomenon in which the permeation of carbon dioxide in the separation membrane S stagnates due to the high carbon dioxide concentration in the recovery chamber R2 can be prevented.

実施の形態2.
次に、図4を用いて、実施の形態2に係る燃料電池システム100Aについて説明する。燃料電池システム100Aは、基本的な構成は実施の形態1の燃料電池システム100と同様であるため、異なる点を中心に説明する。
Embodiment 2.
Next, a fuel cell system 100A according to a second embodiment will be described with reference to Fig. 4. The basic configuration of the fuel cell system 100A is similar to that of the fuel cell system 100 according to the first embodiment, so the following description will focus on the differences.

図4に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム100Aは、燃焼器3aに設けた温度検出機構30をさらに有する。温度検出機構30は、燃焼器3aの温度を測定する。温度検出機構30の温度情報は、制御装置19に入力される。As shown in FIG. 4, the fuel cell system 100A according to this embodiment further includes a temperature detection mechanism 30 provided in the combustor 3a. The temperature detection mechanism 30 measures the temperature of the combustor 3a. Temperature information from the temperature detection mechanism 30 is input to the control device 19.

燃焼器3aは、燃料を燃焼させることで、改質器3内が適切な温度帯となるように熱を発生させる。上述のように、燃焼器3aの燃料としては、分離装置Dから排出された再生燃料ガスG12を利用されている。
本実施の形態では、温度検出機構30によって燃焼器3aの燃焼温度を測定し、温度検出機構30からの温度情報により、制御装置19は分離装置Dにおけるガス分離量(再生燃料ガスG12の量)を推定する。そして、推定したガス分離量に応じて、分離装置Dにおけるガス分離量の制御を実施する。分離装置Dにおけるガス分離量は、分配機構DMまたは圧力調整器21によって制御される。
例えば、燃焼温度が目標値よりも低い場合には、再生燃料ガスG12の量が増えるよう制御装置19により分配機構DMまたは圧力調整器21を制御し、分離装置Dにおけるガス分離量を増やしてもよい。燃焼温度が目標値よりも高い場合には、再生燃料ガスG12の量が減るよう制御装置19により分配機構DMまたは圧力調整器21を制御し、分離装置Dにおけるガス分離量を減らしてもよい。
The combustor 3a burns fuel to generate heat so as to maintain an appropriate temperature range inside the reformer 3. As described above, the regenerated fuel gas G12 discharged from the separation device D is used as the fuel for the combustor 3a.
In this embodiment, the combustion temperature of the combustor 3a is measured by the temperature detection mechanism 30, and the control device 19 estimates the amount of gas separated in the separation device D (the amount of regenerated fuel gas G12) based on the temperature information from the temperature detection mechanism 30. Then, the amount of gas separated in the separation device D is controlled according to the estimated amount of gas separated. The amount of gas separated in the separation device D is controlled by the distribution mechanism DM or the pressure regulator 21.
For example, when the combustion temperature is lower than the target value, the control device 19 may control the distribution mechanism DM or the pressure regulator 21 so as to increase the amount of regenerated fuel gas G12, thereby increasing the amount of gas separated in the separation device D. When the combustion temperature is higher than the target value, the control device 19 may control the distribution mechanism DM or the pressure regulator 21 so as to decrease the amount of regenerated fuel gas G12, thereby decreasing the amount of gas separated in the separation device D.

本実施の態様における燃料電池システム100Aでは、炭化水素系燃料から水素を生成する改質器3と、前記改質器と熱的に接続された燃焼器3aと、を有し,分離装置Dから排出される、分岐ガスG1と比較して水素濃度が高い再生燃料ガスG12を燃焼器3aに供給する。燃焼器3aに設けた温度検出機構30からの情報に基づいて,分配機構DMもしくは圧力調整器21を制御する。
この構成によれば、プロセスガスよりも二酸化炭素の濃度が低く、かつ、水素の濃度が高い再生燃料ガスG12を、燃焼器3aの燃料として効率よく再利用できる。したがって、システム全体の発電効率を、より高めることができる。
The fuel cell system 100A in this embodiment has a reformer 3 that produces hydrogen from a hydrocarbon fuel, and a combustor 3a that is thermally connected to the reformer, and supplies the regenerated fuel gas G12, which has a higher hydrogen concentration than the branched gas G1 and is discharged from a separation device D, to the combustor 3a. The distribution mechanism DM or the pressure regulator 21 is controlled based on information from a temperature detection mechanism 30 provided in the combustor 3a.
According to this configuration, the regenerated fuel gas G12, which has a lower carbon dioxide concentration and a higher hydrogen concentration than the process gas, can be efficiently reused as fuel for the combustor 3a, thereby further improving the power generation efficiency of the entire system.

実施の形態3.
次に、図5を用いて、実施の形態3に係る燃料電池システム100Bについて説明する。燃料電池システム100Bは、基本的な構成は実施の形態1の燃料電池システム100と同様であるため、異なる点を中心に説明する。
Embodiment 3.
Next, a fuel cell system 100B according to a third embodiment will be described with reference to Fig. 5. The basic configuration of the fuel cell system 100B is similar to that of the fuel cell system 100 according to the first embodiment, and therefore differences will be mainly described.

図5に示すように、燃料電池システム100Bは、二酸化炭素から合成燃料を生成する燃料合成反応機構40をさらに備える。
分離装置Dによって分岐ガスG1から分離され、二酸化炭素回収系統14aに導入された二酸化炭素リッチガスG11が、外部から供給された水素ガスとともに、燃料合成反応機構40に供給される。外部から供給される水素ガスは、別途水電解から生成された水素、またはその他の生成方法により貯蔵・輸送された水素等である。
二酸化炭素リッチガスG11の炭素と水素とが反応し、炭化水素系燃料である合成燃料(例えばメタン)が生成される。
As shown in FIG. 5, the fuel cell system 100B further includes a fuel synthesis reaction mechanism 40 that produces synthetic fuel from carbon dioxide.
The carbon dioxide-rich gas G11 separated from the branch gas G1 by the separation device D and introduced into the carbon dioxide capture system 14a is supplied to the fuel synthesis reaction mechanism 40 together with hydrogen gas supplied from the outside. The hydrogen gas supplied from the outside is hydrogen generated separately by water electrolysis, or hydrogen stored and transported by other generation methods, etc.
The carbon and hydrogen in the carbon dioxide rich gas G11 react to produce a synthetic fuel (for example, methane), which is a hydrocarbon fuel.

本実施の態様における燃料電池システム100Bでは、二酸化炭素から合成燃料を生成する燃料合成反応機構40と、分離装置Dによって分岐ガスG1から分離された二酸化炭素リッチガスG11を燃料合成反応機構40に供給する二酸化炭素回収系統14aと、をさらに備える。
これによれば、分離装置Dから排出された二酸化炭素リッチガスG11を利用して合成燃料が合成できる。
The fuel cell system 100B in this embodiment further includes a fuel synthesis reaction mechanism 40 that produces synthetic fuel from carbon dioxide, and a carbon dioxide recovery system 14a that supplies the carbon dioxide-rich gas G11 separated from the branch gas G1 by the separation device D to the fuel synthesis reaction mechanism 40.
According to this, the carbon dioxide rich gas G11 discharged from the separation device D can be used to synthesize a synthetic fuel.

実施の形態4.
次に、図6を用いて、実施の形態3に係る燃料電池システム100Cについて説明する。燃料電池システム100Cは、基本的な構成は実施の形態3の燃料電池システム100Bと同様であるため、異なる点を中心に説明する。
Embodiment 4.
Next, a fuel cell system 100C according to a third embodiment will be described with reference to Fig. 6. The basic configuration of the fuel cell system 100C is similar to that of the fuel cell system 100B according to the third embodiment, and therefore differences will be mainly described.

図6に示すように、燃料電池システム100Cは、二酸化炭素回収系統14aと燃料合成反応機構40との間に、共電解セル50をさらに備える。
共電解セル50には、分離装置Dによって分岐ガスG1から分離され、二酸化炭素回収系統14aに導入された二酸化炭素リッチガスG11が導入される。
共電解セル50では、二酸化炭素リッチガスG11から水素および一酸化炭素を含む合成ガスを生成する。当該合成ガスは燃料合成反応機構40へ導入され、水素および一酸化炭素を含む合成ガスから、合成燃料(例えばメタンや高次炭化水素)が生成される。
As shown in FIG. 6, the fuel cell system 100C further includes a co-electrolysis cell 50 between the carbon dioxide capture system 14a and the fuel synthesis reaction mechanism 40.
The carbon dioxide-rich gas G11 that has been separated from the branched gas G1 by the separation device D and introduced into the carbon dioxide recovery system 14a is introduced into the co-electrolysis cell 50.
In the co-electrolysis cell 50, a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide is produced from the carbon dioxide-rich gas G11. The synthesis gas is introduced into the fuel synthesis reaction mechanism 40, and a synthetic fuel (e.g., methane or higher hydrocarbons) is produced from the synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide.

本実施の態様によれば、二酸化炭素回収系統14aと、燃料合成反応機構40との間に、水素および一酸化炭素を含む合成ガスを生成する共電解セル50を、さらに備える。
これにより、燃料合成反応機構40において、実施の形態3で外部から供給される水素に代わって、共電解セル50において生成された水素を用いることができる。
According to this embodiment, a co-electrolysis cell 50 for producing synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide is further provided between the carbon dioxide capture system 14a and the fuel synthesis reaction mechanism 40.
This allows the fuel synthesis reaction mechanism 40 to use hydrogen produced in the co-electrolysis cell 50 instead of the hydrogen supplied from the outside in the third embodiment.

原料として使用した炭素成分を、合成燃料にすることで、カーボンリサイクルが実現できる。 Carbon recycling can be achieved by turning the carbon components used as raw materials into synthetic fuel.

なお、本開示の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。The technical scope of this disclosure is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of this disclosure.

例えば、分岐部10と、分離装置Dに供給される前記分岐ガスG1を昇圧させる圧縮機12と、の間に一酸化炭素を二酸化炭素に変成するシフト反応部61と,シフト反応部の熱と水蒸気との間での熱交換を行うシフト反応熱交換部62とを設けてもよい。熱交換に利用する水蒸気は、改質器3に供給される水蒸気を利用してもよい。
シフト反応部61およびシフト反応熱交換部62では、シフト反応により分岐ガスG1の各ガスの濃度変化が起こる。このため、シフト反応部61およびシフト反応熱交換部62は、ガス情報取得部11aよりも上流に配置されることが好ましい。さらに、シフト反応部61では、水蒸気分圧が高い方が、二酸化炭素が生成する方向に反応が進むことから、水蒸気発生器7と凝縮タンク9の間の適切な温度領域に設けることがより好ましい。
シフト反応により、分離装置Dに導入される前の分岐ガスG1において、一酸化炭素の濃度を下げ、二酸化炭素および水素の濃度を上げることが可能となる。よって、分離装置Dから導出される二酸化炭素リッチガスG11および再生燃料ガスG12において、二酸化炭素または水素の濃度をより高めることが可能となる。
For example, a shift reaction section 61 for converting carbon monoxide into carbon dioxide and a shift reaction heat exchange section 62 for exchanging heat between the heat of the shift reaction section and steam may be provided between the branching section 10 and the compressor 12 for pressurizing the branched gas G1 supplied to the separation device D. The steam used for the heat exchange may be the steam supplied to the reformer 3.
In the shift reaction section 61 and the shift reaction heat exchange section 62, the concentration of each gas in the branched gas G1 changes due to the shift reaction. For this reason, it is preferable that the shift reaction section 61 and the shift reaction heat exchange section 62 are disposed upstream of the gas information acquisition section 11a. Furthermore, in the shift reaction section 61, the higher the partial pressure of water vapor is, the more the reaction proceeds in the direction of generating carbon dioxide, so it is more preferable to provide the shift reaction section 61 in an appropriate temperature region between the water vapor generator 7 and the condensation tank 9.
The shift reaction makes it possible to reduce the carbon monoxide concentration and increase the carbon dioxide and hydrogen concentrations in the branched gas G1 before it is introduced into the separation device D. This makes it possible to further increase the carbon dioxide or hydrogen concentrations in the carbon dioxide-rich gas G11 and the regenerated fuel gas G12 discharged from the separation device D.

また、実施の形態1では、圧縮機12および調整弁21が、圧力調整器Cpとして機能した。しかしながら、圧力調整器Cpの機能は、圧縮機12および調整弁21のどちらか一方によってのみ実現されてもよい。また、燃料電池システム100は、分岐部10を備えず、アノードオフガスGの全量をそのまま分離装置Dに供給してもよい。In addition, in the first embodiment, the compressor 12 and the regulating valve 21 function as the pressure regulator Cp. However, the function of the pressure regulator Cp may be realized by only one of the compressor 12 and the regulating valve 21. In addition, the fuel cell system 100 may not include the branching section 10, and the entire amount of the anode off-gas G may be supplied directly to the separation device D.

また、前記実施の形態では、制御装置19が、温度調整器13および圧力調整器Cp等を制御した。制御装置19の機能は、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサが、プログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。これらの機能のうち一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、またはFPGA(Field-Programmable Gate Array)等のハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアが協働することで実現されてもよい。また、制御装置19の機能は、1つのハードウェアによって実現されてもよい。あるいは、温度調整器13を制御するハードウェアと、圧力調整器Cpを制御するハードウェアとが異なっていてもよい。In the above embodiment, the control device 19 controls the temperature regulator 13 and the pressure regulator Cp. The functions of the control device 19 are realized by a processor such as a CPU (Central Processing Unit) executing a program stored in a program memory. Some or all of these functions may be realized by hardware such as an LSI (Large Scale Integration), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or may be realized by software and hardware working together. The functions of the control device 19 may also be realized by a single piece of hardware. Alternatively, the hardware that controls the temperature regulator 13 and the hardware that controls the pressure regulator Cp may be different.

その他、上記した実施の形態あるいは変形例を、適宜組み合わせてもよい。 In addition, the above-mentioned embodiments or variations may be combined as appropriate.

3…改質器 3a…燃焼器 4…燃料電池 4A…アノード 4B…カソード 10…分岐部 11…分岐ガス系統 11a…ガス情報取得部 13…温度調整器 14…分離ユニット 14a…二酸化炭素回収系統 15…真空ポンプ 18…運転状態取得部 19…制御装置 22…温度計 24…動作時間取得部 30…温度検出機構 40…燃料合成反応機構 50…共電解セル 61…シフト反応部 62…シフト反応熱交換部 100、100A、100B、100C…燃料電池システム Cp…圧力調整器 D…分離装置 DM…分配機構 G…アノードオフガス(プロセスガス) G1…分岐ガス G2…リサイクルガス G11…二酸化炭素リッチガス G12…再生燃料ガス(残留ガス) Vi…分配遮断弁 NV…逆止弁 3...Reformer 3a...Combustor 4...Fuel cell 4A...Anode 4B...Cathode 10...Branch section 11...Branch gas system 11a...Gas information acquisition section 13...Temperature regulator 14...Separation unit 14a...Carbon dioxide recovery system 15...Vacuum pump 18...Operation state acquisition section 19...Control device 22...Thermometer 24...Operation time acquisition section 30...Temperature detection mechanism 40...Fuel synthesis reaction mechanism 50...Co-electrolysis cell 61...Shift reaction section 62...Shift reaction heat exchange section 100, 100A, 100B, 100C...Fuel cell system Cp...Pressure regulator D...Separation device DM...Distribution mechanism G...Anode off-gas (process gas) G1...Branch gas G2...Recycled gas G11...Carbon dioxide-rich gas G12...Regenerated fuel gas (residual gas) Vi...Distribution shutoff valve NV...Check valve

Claims (12)

アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスを、分岐ガスとリサイクルガスとに分岐させる分岐部と、
前記分岐ガスから特定のガス成分を分離する複数の分離ユニットを有する分離装置と、
前記分岐ガスを昇圧する圧縮機と、
前記分離装置に導入される前記分岐ガスの圧力を計測する圧力計と、
前記分岐ガスの圧力を調整する圧力調整器と、
前記分岐ガスの組成および流量を取得するガス情報取得部と、
前記複数の分離ユニットに前記分岐ガスを分配する分配機構と、備える、燃料電池システム。
a fuel cell having an anode and a cathode;
a branching section that branches an anode off-gas discharged from the anode into a branched gas and a recycled gas;
a separation device having a plurality of separation units for separating specific gas components from the branched gas;
A compressor that pressurizes the branched gas;
a pressure gauge that measures the pressure of the branched gas introduced into the separation device;
a pressure regulator for adjusting the pressure of the branched gas;
a gas information acquiring unit for acquiring a composition and a flow rate of the branched gas;
a distribution mechanism that distributes the branched gas to the plurality of separation units.
前記分配機構を制御する制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記圧力計および前記ガス情報取得部からの情報に基づき前記分配機構を制御し、前記分岐ガスを前記複数の分離ユニットに分配させる、請求項1に記載の燃料電池システム。
A control device for controlling the distribution mechanism is further provided.
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device controls the distribution mechanism based on information from the pressure gauge and the gas information acquisition section to distribute the branched gas to the plurality of separation units.
前記複数の分離ユニットは、並列配置され,
前記分配機構には分配遮断弁が含まれ、
前記制御装置は、前記分配遮断弁を開閉させることで、前記分離ユニットに前記分岐ガスを分配する、請求項2に記載の燃料電池システム。
The plurality of separation units are arranged in parallel,
the distribution mechanism includes a distribution shutoff valve;
The fuel cell system according to claim 2 , wherein the control device distributes the branched gas to the separation unit by opening and closing the distribution cutoff valve.
前記分離ユニットに含まれる少なくとも2つの分離ユニットは直列配置される、請求項3に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3, wherein at least two of the separation units included in the separation unit are arranged in series. 前記分配機構は、
前記ガス情報取得部によって取得された前記分岐ガスの流量が閾値以上である場合は前記複数の分離ユニットのすべてに前記分岐ガスを分配し、
前記ガス情報取得部によって取得された前記分岐ガスの流量が閾値を下回る場合は、前記複数の分離ユニットの一部に前記分岐ガスを分配する、請求項1から4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The distribution mechanism includes:
When the flow rate of the branched gas acquired by the gas information acquisition unit is equal to or greater than a threshold value, the branched gas is distributed to all of the plurality of separation units;
5 . The fuel cell system according to claim 1 , wherein when a flow rate of the branched gas acquired by the gas information acquisition unit is below a threshold, the branched gas is distributed to some of the separation units.
前記複数の分離ユニットの動作時間を取得する動作時間取得部をさらに備え、
前記分配機構を制御する制御装置は、前記動作時間取得部によって取得された前記複数の分離ユニットの動作時間に基づき、前記複数の分離ユニットの動作時間が均一になるように前記分配機構を制御する、請求項1からのいずれか1項に記載の燃料電池システム。
An operation time acquisition unit that acquires operation times of the plurality of separation units,
5. A fuel cell system according to claim 1, wherein a control device controlling the distribution mechanism controls the distribution mechanism so that the operation times of the separation units are uniform based on the operation times of the separation units acquired by the operation time acquisition unit .
前記圧力調整器を制御して前記分岐ガスの圧力を変更することで、前記分配遮断弁の開閉状態が変更される際の前記分離ユニットの動作圧力を調整する、請求項3に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system of claim 3, wherein the pressure regulator is controlled to change the pressure of the branched gas, thereby adjusting the operating pressure of the separation unit when the open/closed state of the distribution shutoff valve is changed. 炭化水素系燃料から水素を生成する改質器と、
前記改質器と熱的に接続された燃焼器と、を有し,
前記分離装置から排出される前記分岐ガスと比較して水素濃度が高い再生燃料ガスを前記燃焼器に供給し,前記燃焼器に設けた温度検出機構からの情報に基づいて,前記分配機構もしくは前記圧力調整器を制御する、請求項1から4、および7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
a reformer for producing hydrogen from a hydrocarbon fuel;
a combustor thermally connected to the reformer,
8. A fuel cell system according to claim 1, wherein a regenerated fuel gas having a higher hydrogen concentration than the branched gas discharged from the separation device is supplied to the combustor, and the distribution mechanism or the pressure regulator is controlled based on information from a temperature detection mechanism provided in the combustor.
二酸化炭素から合成燃料を生成する燃料合成反応機構と,
前記分離装置によって前記分岐ガスから分離された二酸化炭素リッチガスを前記燃料合成反応機構に供給する二酸化炭素回収系統と、をさらに備える、請求項1から4、および7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
A fuel synthesis reaction mechanism for producing synthetic fuel from carbon dioxide;
8. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a carbon dioxide recovery system that supplies the carbon dioxide rich gas separated from the branch gas by the separation device to the fuel synthesis reaction mechanism.
前記二酸化炭素回収系統と、前記燃料合成反応機構との間に、水素および一酸化炭素を含む合成ガスを生成する共電解セルを、さらに備える、請求項9に記載の、燃料電池システム。 The fuel cell system of claim 9, further comprising a co-electrolysis cell between the carbon dioxide capture system and the fuel synthesis reaction mechanism, the co-electrolysis cell producing synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide. 前記分岐部と、前記分離装置に供給される前記分岐ガスを昇圧させる圧縮機と、の間に一酸化炭素を二酸化炭素に変成するシフト反応部と,前記シフト反応部の熱と水蒸気との間での熱交換を行うシフト反応熱交換部とを備え、
前記熱交換に利用する前記水蒸気は、炭化水素系燃料から水素を生成する改質器に供給される水蒸気である、請求項1から4、および7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
A shift reaction section for converting carbon monoxide into carbon dioxide is provided between the branching section and a compressor for pressurizing the branched gas supplied to the separation device, and a shift reaction heat exchange section for performing heat exchange between the heat of the shift reaction section and steam is provided,
8. The fuel cell system according to claim 1, wherein the water vapor used in the heat exchange is water vapor supplied to a reformer that produces hydrogen from a hydrocarbon fuel.
前記分離装置から排出される二酸化炭素リッチガスを吸引する真空ポンプを有する、請求項1から4、および7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 8. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a vacuum pump that sucks in the carbon dioxide rich gas discharged from the separation device.
JP2024557890A 2024-05-24 2024-05-24 Fuel Cell Systems Active JP7588772B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2024019152 2024-05-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP7588772B1 true JP7588772B1 (en) 2024-11-22

Family

ID=93521929

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2024557890A Active JP7588772B1 (en) 2024-05-24 2024-05-24 Fuel Cell Systems

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7588772B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019139858A (en) 2018-02-06 2019-08-22 東京瓦斯株式会社 Carbon dioxide production system
US20200254383A1 (en) 2019-02-12 2020-08-13 Haffmans B.V. System and method for separating a gas mixture
WO2024089867A1 (en) 2022-10-28 2024-05-02 三菱電機株式会社 Fuel cell system and method for controlling fuel cell system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019139858A (en) 2018-02-06 2019-08-22 東京瓦斯株式会社 Carbon dioxide production system
US20200254383A1 (en) 2019-02-12 2020-08-13 Haffmans B.V. System and method for separating a gas mixture
WO2024089867A1 (en) 2022-10-28 2024-05-02 三菱電機株式会社 Fuel cell system and method for controlling fuel cell system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Development of a highly efficient solid oxide fuel cell system
JP2003081603A (en) Hydrogen production apparatus and power generation system using the same
JP2014239056A (en) Fuel cell system
KR102321201B1 (en) System and method for controlling flow rate ratio
US6752968B2 (en) Reformer controlling apparatus
CN115551806A (en) Method for controlling pressure in a circuit for the production of ammonia or methanol
CN110137542A (en) Method for converting fuel cell system between operating modes
JP6881008B2 (en) SOFC system control program, SOEC system control program, and reversible SOC system control program, and SOFC system, SOCC system, and reversible SOC system.
JP7116651B2 (en) Solid oxide fuel cell system
WO2005104283A1 (en) Fuel cell system
JP7588772B1 (en) Fuel Cell Systems
JP6821356B2 (en) Fuel cell system and its control method, and power generation system and its control method
WO2005018035A1 (en) Fuel cell power generation system, method of detecting deterioration degree of reformer for the system, and fuel cell power generation method
JP2005209547A (en) Fuel cell power generator and operating method for fuel cell power generator
JP2006169068A (en) Hydrogen generator and fuel cell system using the same
JP7595824B1 (en) Gas Separation Systems
CN110137541A (en) Method for converting fuel cell system between operating modes
JP7066797B2 (en) Fuel cell system and its control method, and power generation system and its control method
JP4612322B2 (en) Fuel gas production system and operation method thereof
JP4945878B2 (en) Hydrogen generator
CN110137540B (en) Method for switching a fuel cell system between operating modes
JP5032025B2 (en) Liquid fuel solid polymer battery system and method for stopping the same
CN110137545A (en) Method for converting fuel cell system between operating modes
JP2004152539A (en) Solid oxide fuel cell system
JP2008098036A (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240930

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240930

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20240930

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20241015

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20241112

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7588772

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150