JP2008204784A - Fuel cell power generation system, and fuel cell power generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法に関し、特に、改質器及び/または燃料電池の燃料極で燃料を改質して改質ガスを生成させて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation method in which fuel and an oxidant are supplied to generate power in a fuel cell, and in particular, reforming fuel at a reformer and / or a fuel electrode of a fuel cell. The present invention relates to a fuel cell power generation system and a fuel cell power generation method for generating reformed gas and generating power in a fuel cell.
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池発電システムは、発電を行う燃料電池と、燃料電池の動作を補助する各種の補機類とが組み合わされて構成される。燃料電池発電システムに供給される燃料としては、例えば、水素、天然ガス、その他の炭化水素などが使用され、酸化剤としては、例えば、空気や酸素が使用される。 2. Description of the Related Art A fuel cell power generation system that generates power by being supplied with fuel and an oxidant is configured by combining a fuel cell that generates power and various auxiliary devices that assist the operation of the fuel cell. Examples of the fuel supplied to the fuel cell power generation system include hydrogen, natural gas, and other hydrocarbons. Examples of the oxidant include air and oxygen.
以下、燃料電池として固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムを例にして、従来の燃料電池発電システムを説明する。固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、例えば非特許文献1に記載されている。
Hereinafter, a conventional fuel cell power generation system will be described by taking a fuel cell power generation system using a solid oxide fuel cell as a fuel cell as an example. A fuel cell power generation system using a solid oxide fuel cell is described in Non-Patent
図3に示す従来の燃料電池発電システムは、燃料として天然ガス1が供給され、酸化剤として空気18を使用するものである。天然ガス1は、一般に、メタン(CH4)を主成分とし、メタンのほかにプロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)を含むものである。
The conventional fuel cell power generation system shown in FIG. 3 is supplied with
図3に示す燃料電池発電システムは、主な構成要素として、天然ガス1中の硫黄分を吸着除去する脱硫器2と、脱硫器2から得られる脱硫天然ガス29に対して水蒸気が混合された水蒸気と脱硫天然ガスとの混合ガス28に対して水蒸気改質反応を行わせる改質器3と、固体酸化物形燃料電池57と、固体酸化物形燃料電池57に供給される空気を予熱する空気予熱器80と、空気予熱器80に備えられた空気予熱器バーナ81と、固体酸化物形燃料電池57の燃料電池直流出力88と負荷87との間に設けられる出力調整装置86と、を備えている。出力調整装置86の出力端は送電端交流出力89である。さらにこの燃料電池発電システムは、空気18を空気予熱器80に供給する空気ブロア13と、後述する改質器リサイクル用燃料極排出ガス60をリサイクルするためのリサイクルブロワ14と、流量制御弁37,59,62と、各種配管類を備えている。固体酸化物形燃料電池57は、改質器3から得られる水素リッチな改質ガス27が供給される燃料極54と、空気予熱器80で予熱された固体酸化物形燃料電池用空気58が供給される酸化剤極56と、燃料極54と酸化剤極56とによって挟持された固体酸化物電解質55を備えている。流量制御弁37は、脱硫器2に対する天然ガス1の供給量を制御するためのものである。流量制御弁62は、空気ブロア13と空気予熱器80との間の空気18の配管に設けられている。
In the fuel cell power generation system shown in FIG. 3, water vapor is mixed as a main component with a
固体酸化物形燃料電池57の動作に伴って、燃料極54からは燃料極排出ガス61が排出され、酸化剤極56からは酸化剤極排出ガス63が排出されるようになっている。燃料極排出ガス61は、水蒸気(H2O)と二酸化炭素(CO2)を主成分とし、その他に水素(H2)、メタン(CH4)、一酸化炭素(CO)を含んでいる。燃料極排出ガス61の一部は、リサイクルブロワ14及び流量制御弁59を介して、改質器リサイクル用燃料極排出ガス60となり、この改質器リサイクル用燃料極排出ガス60と脱硫天然ガス29とが混合されて水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス28となるようになっている。燃料極排出ガス61の残りは、空気予熱器バーナ81の燃料となる空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス64として、空気予熱器バーナ81に供給されている。空気予熱器バーナ81には、酸化剤極排出ガス63も供給され、空気予熱器バーナ81からは、空気予熱器バーナ排出ガス84が排出される。
With the operation of the solid
以下、図3を用いて、この従来の燃料電池発電システムの動作について説明する。 Hereinafter, the operation of this conventional fuel cell power generation system will be described with reference to FIG.
燃料の天然ガス1は、脱硫器2に供給される。天然ガス1の供給量は、燃料電池直流出力88での電池電流と流量制御弁37との開度(すなわち天然ガス1の供給量)とについての予め設定されている関係に基づいて、流量制御弁37の開度を制御することによって、燃料電池直流出力88の電池電流に見合った値に設定される。
The fuel
脱硫器2は、改質器3の改質触媒の劣化原因となり、また固体酸化物形燃料電池57の燃料極54での電極触媒の劣化原因となる、天然ガス1中に付臭剤として添加されているメルカプタン等の硫黄分を吸着除去する。脱硫器2で脱硫された脱硫天然ガス29は、固体酸化物形燃料電池57で電池反応により生成した水蒸気を含む改質器リサイクル用燃料極排出ガス60と混合された後に、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス28として、改質器3に供給される。改質器リサイクル用燃料極排出ガス60の供給量は、流量制御弁37の開度(すなわち天然ガス1の供給量)と流量制御弁59の開度(すなわち改質器リサイクル用燃料極排出ガス60の供給量)とについての予め設定されている関係に基づいて、流量制御弁59の開度を制御することによって、天然ガス1の供給量に合わせて予め設定された所定のスチームカーボン比(steam-to-carbon ratio)となるように設定される。
The
改質器3では、そこに充填されたニッケル系触媒、ルテニウム系触媒等の改質触媒の働きにより、天然ガス1に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス27がつくられる。天然ガス1の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は(1)式で表される。
In the
(メタンの水蒸気改質反応)
CH4+H2O → CO+3H2 (1)
(1)式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は、吸熱反応であるので、効率的に水素を生成させるためには、必要な反応熱を改質器3に対して外部から供給し、改質器3の温度を700〜750℃に維持しなければならない。このため、改質器3の近傍に、800〜1000℃で発電を行う後述する固体酸化物形燃料電池57を設置し、固体酸化物形燃料電池57からの排熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として改質器3に供給する。
(Methane steam reforming reaction)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
The hydrocarbon steam reforming reaction such as the methane steam reforming reaction shown in the equation (1) is an endothermic reaction. Therefore, in order to generate hydrogen efficiently, the necessary reaction heat is supplied to the
改質器3でつくられた水素リッチな改質ガス27は、固体酸化物形燃料電池57の燃料極54に供給される。水素リッチな改質ガス27は、一酸化炭素と水素を含むほかに、未反応のメタン、水蒸気、二酸化炭素を含んでいる。一方、固体酸化物形燃料電池57の酸化剤極56には、酸化剤として空気が供給される。すなわち、空気ブロア13を用いて取り込んだ空気18を後述する空気予熱器80で昇温し、固体酸化物形燃料電池用空気58として酸化剤極56に供給する。固体酸化物形燃料電池用空気58の供給量は、流量制御弁37の開度(すなわち天然ガス1の供給量)と流量制御弁62の開度(すなわち固体酸化物形燃料電池用空気58の供給量)とについての予め設定されている関係に基づいて、流量制御弁62の開度を制御することによって、天然ガス1の供給量に見合った値に設定される。
The hydrogen-rich reformed
次に、固体酸化物形燃料電池57での動作の詳細を説明する。図3では、固体酸化物形燃料電池57は、燃料極54、固体酸化物電解質55及び酸化剤極56からなる単セルとして描かれているが、単セルではその発生電圧が1V以下と低いので、所定の電力を取り出すために、実際には単セルを複数組み合わせてセルスタックを構成し、このセルスタックから固体酸化物形燃料電池57は構成されている。
Next, details of the operation of the solid
固体酸化物形燃料電池57の酸化剤極56では、金属酸化物系電極触媒の働きで、固体酸化物形燃料電池用空気58中の酸素が、(2)式に示す酸化剤極反応により電子と反応し、酸化物イオン(O2-)に変わる。
In the
(酸化剤極反応)
1/2O2+2e- → O2- (2)
酸化剤極56で生成した酸化物イオンは、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等からなる固体酸化物電解質55の内部を移動し、燃料極54に到達する。燃料極54では、ニッケル−YSZサーメット、ルテニウム−YSZサーメット等の金属系電極触媒の働きで、酸化剤極56から固体酸化物電解質55の内部を燃料極54に移動してきた酸化物イオンが、(3)式及び(4)式に示す燃料極反応により、燃料極54に供給された水素リッチな改質ガス27中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
(Oxidant electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e - → O 2- (2)
The oxide ions generated at the
(燃料極反応)
H2+O2- → H2O+2e- (3)
CO+O2- → CO2+2e- (4)
燃料極54で生成した電子は、外部回路を移動し、酸化剤極56に到達する。酸化剤極56に到達した電子は、前述した(2)式に示した酸化剤極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、この固体酸化物形燃料電池57から電気エネルギーを燃料電池直流出力88として取り出すことができる。
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (3)
CO + O 2- → CO 2 + 2e - (4)
Electrons generated at the
(2)式と(3)式、及び(2)式と(4)式をまとめると、固体酸化物形燃料電池57の電池反応は、(5)式に示した水素と酸素から水蒸気ができる水の電気分解の逆反応と、(6)式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成する反応として表すことができる。
Summarizing formulas (2) and (3), and formulas (2) and (4), the cell reaction of the solid
(電池反応)
H2+1/2O2 → H2O (5)
CO+1/2O2 → CO2 (6)
固体酸化物形燃料電池57の発電によって得られた燃料電池直流出力88は、出力調整装置86において、負荷87に合わせて電圧の変換と直流から交流への変換が行なわれた後に、送電端交流出力89として負荷87に供給される。なお、図3の例では、出力調整装置86において直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置86では電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷87に供給するようにしてもよい。
(Battery reaction)
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (5)
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (6)
The fuel cell direct
固体酸化物形燃料電池57の発電温度は、一般的に800〜1000℃であり、電池反応による発熱により、固体酸化物形燃料電池57が発電温度に維持されている。このため、固体酸化物形燃料電池57の排熱を改質器3での炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。実際、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、固体酸化物形燃料電池57での電池反応による発熱量は大きく、発電温度に維持するために必要なレベルを超えているので、固体酸化物形燃料電池57の温度を発電温度に維持するために、大量の固体酸化物形燃料電池用空気58を固体酸化物形燃料電池57の酸化剤極56に供給し、固体酸化物形燃料電池57の冷却を行っている。固体酸化物形燃料電池用空気58に関し、酸化剤極56での酸素利用率は20%程度である。
The power generation temperature of the solid
燃料極54で電池反応により生成した水蒸気を含む燃料極排出ガス61の一部は、前述したように、改質器3での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、改質器リサイクル用燃料極排出ガス60としてリサイクルし、脱硫天然ガス29と混合される。その際、発電出力が10kW以下であるような小型の固体酸化物形燃料電池では、改質器リサイクル用燃料極排出ガス60の供給量が少ないため、図3に示したように燃料極54から改質器3へのリサイクルの経路内にリサイクルブロワ14を設け、リサイクルブロワ14を用いて改質器リサイクル用燃料極排出ガス60をリサイクルし、脱硫天然ガス29と混合するようにしている。
As described above, a part of the fuel
空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス64と酸化剤極排出ガス63は、空気予熱器バーナ81に供給され、空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス64中の未反応燃料、未反応水素、及び未反応一酸化炭素を酸化剤極排出ガス63中の未反応酸素と燃焼させられる。この燃焼による熱を熱交換させ、空気18を昇温する。空気予熱器バーナ81における水素と一酸化炭素の燃焼反応を(7)式及び(8)式に示す。
The air preheater burner fuel
(水素の燃焼反応)
H2+1/2O2 → H2O (7)
(一酸化炭素の燃焼反応)
CO+1/2O2 → CO2 (8)
空気予熱器80で昇温した空気18は、固体酸化物形燃料電池用空気58として固体酸化物形燃料電池57に供給され、固体酸化物形燃料電池57の発電に用いられる。また、空気予熱器バーナ81からは、空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス64と酸化剤極排出ガス63を燃焼させることによって生じた空気予熱器バーナ排出ガス84が排出される。
(Hydrogen combustion reaction)
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (7)
(Combustion reaction of carbon monoxide)
CO + 1/2 O 2 → CO 2 (8)
The
次に、図3に示した従来の燃料電池発電システムの問題点について述べる。 Next, problems of the conventional fuel cell power generation system shown in FIG. 3 will be described.
図3に示した従来の燃料電池発電システムでは、前述したように、出力が10kW以下であって改質器リサイクル用燃料極排出ガス60の供給量が少ない固体酸化物形燃料電池57の場合には、図3に示したようにリサイクルブロワ14を設け、リサイクルブロワ14を用いて改質器リサイクル用燃料極排出ガス60をリサイクルし脱硫天然ガス29と混合することによって、改質器3に対し、天然ガス1の水蒸気改質に必要な水蒸気を供給する。この場合、改質器リサイクル用燃料極排出ガス60は500℃以上の高温であるため、改質器リサイクル用燃料極排出ガス60のリサイクルのために、高価であって寿命が短くかつ信頼性の低い、高温ガス用のリサイクルブロワ14を設ける必要があり、燃料電池発電システムの信頼性を低下させるとともに、システムコストとメインテナンスコストを上昇させるという問題があった。また、燃料の天然ガス1の供給量にあわせて流量制御弁59の開度を調節することによって改質器リサイクル用燃料極排出ガス60のリサイクル量、すなわち供給量を正確に制御する必要があり、燃料電池発電システムの制御が複雑になるという問題があった。
本発明の目的は、燃料電池の燃料極排出ガスのリサイクルが不要であって、かつ水自立が可能であって、これによりリサイクルブロワの設置や燃料極排出ガスのリサイクル量の制御が必要ない、安価で高信頼な燃料電池発電システム及び燃料電池発電方法を提供することにある。 The object of the present invention is that there is no need to recycle the anode discharge gas of the fuel cell, and water self-sustainment is possible, thereby eliminating the need to install a recycle blower and control the amount of anode electrode exhaust gas recycled. An object of the present invention is to provide an inexpensive and highly reliable fuel cell power generation system and fuel cell power generation method.
本発明の燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システムであって、燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは混合ガスを改質して生成される改質ガスが供給される燃料極と、陰イオンを透過させる電解質とを備える燃料電池と、燃料極から排出される燃料極排出ガスが供給され、燃料極排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して燃料と混合させる水蒸気分離手段と、を有する。 The fuel cell power generation system of the present invention is a fuel cell power generation system in which fuel and an oxidant are supplied to generate power in the fuel cell, and is generated by reforming a mixed gas of fuel and water vapor or a mixed gas A fuel cell having a fuel electrode to which reformed gas is supplied and an electrolyte that permeates anions, and fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode are supplied to selectively separate water vapor in the fuel electrode exhaust gas. And a water vapor separation means for mixing with the fuel.
あるいは本発明の燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電システムであって、燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは混合ガスを改質して生成される改質ガスが供給される燃料極と、陰イオンを透過させる電解質とを備える燃料電池と、燃料極から排出される燃料極排出ガスを酸化剤極から排出される燃料極排出ガス及び/または酸化剤と燃焼させるバーナと、バーナから排出されるバーナ燃焼排出ガスが供給され、バーナ燃焼排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して燃料と混合させる水蒸気分離手段と、を有する。 Alternatively, the fuel cell power generation system of the present invention is a fuel cell power generation system in which fuel and an oxidant are supplied to generate power in the fuel cell, and is generated by reforming a mixed gas of fuel and water vapor or a mixed gas. A fuel cell comprising a fuel electrode supplied with a reformed gas and an electrolyte that permeates anions, a fuel electrode exhaust gas discharged from the oxidizer electrode and / or a fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode and / or Burner for burning with an oxidant, and steam separation means for supplying burner combustion exhaust gas discharged from the burner and selectively separating water vapor in the burner combustion exhaust gas and mixing it with fuel.
前述の各燃料電池発電システムにおいては、燃料として炭化水素ガスを使用し、水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を有する水蒸気分離手段を使用することができる。 In each of the fuel cell power generation systems described above, it is possible to use a water vapor separation means that uses a hydrocarbon gas as a fuel and has a porous thin film having pores of a size that allows water vapor to permeate selectively.
あるいは本発明の燃料電池発電システムは、炭化水素ガスと水蒸気とを反応させて一酸化炭素と水素を生成する改質器と、酸素と電子を反応させて酸化物イオンを生成する酸化剤極と、酸化物イオンを通過させる固体酸化物電解質と、改質器からの改質ガスが供給されて水素と酸化物イオンとを反応させて水と電子を生成し、かつ一酸化炭素と酸化物イオンとを反応させて二酸化炭素と電子とを生成する燃料極と、を有する燃料電池と、燃料極から排出されるガスから水蒸気を分離する水蒸気分離器と、を有し、水蒸気分離器で分離された水蒸気が改質器に供給され、水蒸気分離器は、水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を有する。 Alternatively, the fuel cell power generation system of the present invention includes a reformer that reacts hydrocarbon gas and water vapor to generate carbon monoxide and hydrogen, and an oxidant electrode that reacts oxygen and electrons to generate oxide ions. The solid oxide electrolyte that passes the oxide ions and the reformed gas from the reformer are supplied to react hydrogen and oxide ions to produce water and electrons, and carbon monoxide and oxide ions And a fuel electrode that generates carbon dioxide and electrons by reacting with each other, and a water vapor separator that separates water vapor from a gas discharged from the fuel electrode, separated by the water vapor separator Water vapor is supplied to the reformer, and the water vapor separator has a porous thin film having pores having a size that allows water vapor to permeate selectively.
本発明の燃料電池発電方法は、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電方法であって、陰イオンを透過させる電解質を備える燃料電池の燃料極に、燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは混合ガスを改質して生成される改質ガスを供給して発電を行わせる発電工程と、燃料極から排出される燃料極排出ガスから水蒸気を選択的に分離して燃料と混合させる水蒸気分離工程と、を有する。 The fuel cell power generation method of the present invention is a fuel cell power generation method in which fuel and an oxidant are supplied to generate power in the fuel cell, and the fuel and water vapor are provided at the fuel electrode of the fuel cell including an electrolyte that transmits anions. A gas generation process in which a mixed gas or a reformed gas generated by reforming the mixed gas is supplied to generate power, and water vapor is selectively separated from the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode. And a water vapor separation step to be mixed.
あるいは本発明の燃料電池発電方法は、燃料と酸化剤とが供給されて燃料電池で発電を行う燃料電池発電方法であって、陰イオンを透過させる電解質を備える燃料電池の燃料極に、燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは混合ガスを改質して生成される改質ガスを供給して発電を行わせる発電工程と、燃料極から排出される燃料極排出ガスを酸化剤極から排出される燃料極排出ガス及び/または酸化剤と燃焼させる燃焼工程と、燃焼工程からの排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して燃料と混合させる水蒸気分離工程と、を有する。 Alternatively, the fuel cell power generation method of the present invention is a fuel cell power generation method in which fuel and an oxidant are supplied to generate power in the fuel cell, and the fuel electrode of the fuel cell including an electrolyte that allows permeation of anions to the fuel electrode. A power generation process for generating power by supplying a mixed gas of water vapor or a reformed gas generated by reforming the mixed gas, and a fuel discharged from the oxidizer electrode by the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode A combustion step of burning with the polar exhaust gas and / or oxidant, and a water vapor separation step of selectively separating the water vapor in the exhaust gas from the combustion step and mixing with the fuel.
あるいは本発明の燃料電池発電方法は、炭化水素ガスと水蒸気とを反応させて一酸化炭素と水素を生成する改質工程と、酸化物イオンを透過させる電解質を有し、改質器からの改質ガスが供給される燃料電池において、酸素と電子を反応させて酸化物イオンを生成し、改質ガス中の水素と酸化物イオンとを反応させて水と電子を生成し、かつ改質ガス中の一酸化炭素と酸化物イオンとを反応させて二酸化炭素と電子とを生成する工程と、水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を使用して、燃料極から排出されるガスから水蒸気を分離する水蒸気分離工程と、水蒸気分離工程で分離された水蒸気を改質工程に供給する工程と、を有する。 Alternatively, the fuel cell power generation method of the present invention comprises a reforming step for reacting a hydrocarbon gas with water vapor to generate carbon monoxide and hydrogen, and an electrolyte that allows the oxide ions to permeate. In a fuel cell to which a gas is supplied, oxygen and electrons are reacted to generate oxide ions, hydrogen and oxide ions in the reformed gas are reacted to generate water and electrons, and the reformed gas Carbon monoxide and oxide ions react to produce carbon dioxide and electrons, and a porous thin film consisting of pores of a size that allows water vapor to permeate selectively. A water vapor separation step of separating water vapor from the discharged gas, and a step of supplying the water vapor separated in the water vapor separation step to the reforming step.
本発明によれば、燃料改質手段である改質器または燃料極への燃料極排出ガスのリサイクルが不要であり、燃料極排出ガスのリサイクルのために高価で寿命が短く信頼性の低い高温ガス用リサイクルブロワを設ける必要がないので、安価で高信頼な燃料電池発電システムが実現できる。また、本発明によれば、水自立が可能、すなわち発電開始後は外部からの水補給なしでの発電継続が可能となるとともに、改質器または燃料極への燃料極排出ガスのリサイクルを行わないことから、リサイクル量すなわち供給量の制御を行う必要がないので、燃料電池発電システムの制御を簡略化することができる。 According to the present invention, it is unnecessary to recycle the fuel electrode exhaust gas to the reformer or the fuel electrode, which is a fuel reforming means, and it is expensive, has a short life, and has low reliability for recycling the fuel electrode exhaust gas. Since it is not necessary to provide a gas recycle blower, an inexpensive and highly reliable fuel cell power generation system can be realized. Further, according to the present invention, water self-sustainability is possible, that is, after power generation starts, power generation can be continued without external water supply, and fuel electrode exhaust gas is recycled to the reformer or the fuel electrode. Since there is no need to control the recycle amount, that is, the supply amount, the control of the fuel cell power generation system can be simplified.
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態の燃料電池発電システムの構成を示している。なお、図1において、図3におけるものと同じ構成要素には同じ参照符号が付与されており、重複する説明は省略する。 FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell power generation system according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the same reference numerals are given to the same components as those in FIG. 3, and duplicate descriptions are omitted.
図1に示した燃料電池発電システムは、図3に示した燃料電池発電システムにおいて、リサイクルブロワを用いて燃料極排出ガス61の一部をリサイクルする代わりに、水蒸気分離器4を設けて燃料極排出ガス61を水蒸気分離器4に供給し、燃料極排出ガス61中の水蒸気を水蒸気分離器4で選択的に分離させ、この分離した水蒸気を同じく水蒸気分離器4に供給した脱硫天然ガス29と混合して水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス28を生成させるようにしたものである。水蒸気分離器4は、水蒸気分離膜、水蒸気を選択的に透過させるイオン交換樹脂などを備えている。水蒸気分離器4において水蒸気が分離された燃料極排出ガス61は、水蒸気分離器排出ガス5として、空気予熱器バーナ81に供給される。また、空気予熱器バーナ81には、空気ブロア13から流量制御弁85を介して空気予熱器バーナ用空気83が供給されている。したがって、図1に示した燃料電池発電システムは、主な構成要素として、脱硫器2、燃料改質手段である改質器3、燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池である固体酸化物形燃料電池57、空気予熱器80、空気予熱器バーナ81、水蒸気分離手段である水蒸気分離器4、出力調整装置88、流量制御弁37,62,85、空気ブロア13及び配管類を備えている。
The fuel cell power generation system shown in FIG. 1 is different from the fuel cell power generation system shown in FIG. 3 in that a steam separator 4 is provided instead of recycling a part of the fuel
次に、この燃料電池発電システムの動作を説明する。 Next, the operation of this fuel cell power generation system will be described.
固体酸化物形燃料電池57の燃料極54から排出される燃料極排出ガス61中には、固体酸化物形燃料電池57での電池反応により生成した水蒸気が大量に含まれているため、水蒸気分離器4において燃料極排出ガス61中の水蒸気を分離して脱硫天然ガス29に供給することにより、燃料改質手段である改質器3での天然ガス1の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を十分にまかなうことができる。水蒸気分離器4において水蒸気が分離された燃料極排出ガス61は、水蒸気分離器排出ガス5として空気予熱器バーナ81に供給され、同じく空気予熱器バーナ81に供給された酸化剤極排出ガス63及び/または酸化剤である空気予熱器バーナ用空気83とともに燃焼させられる。空気予熱器バーナ81において水蒸気分離器排出ガス5を空気予熱器バーナ用空気83と燃焼させる場合には、流量制御弁85を用いて、空気予熱器バーナ81への空気予熱器バーナ用空気83の供給量を制御する。
The fuel
なお、燃料極排出ガス61中に水蒸気とともに含まれる水素が水蒸気とともに水蒸気分離器4を経て脱硫天然ガス29に混入する可能性があるが、そのような水素の混入があったとしても、本実施形態の燃料電池発電システムの動作に影響を与えることはない。また、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、起動時にのみ、小型の水蒸気発生器を用いて水蒸気を外部から供給する。ひとたび固体電解質形燃料電池57が発電を開始すると、電池反応によって水蒸気が生成するので、外部からの水蒸気の供給は不要となる。
Note that hydrogen contained in the fuel
図1には示されていないが、水蒸気分離器4での燃料極排出ガス61中の水蒸気の分離を促進するために、圧縮機等の加圧手段を用いて燃料極排出ガス61を昇圧した後に水蒸気分離器4に供給してもよい。
Although not shown in FIG. 1, in order to promote the separation of water vapor in the fuel
図2は、本発明の第2の実施形態の燃料電池発電システムを示している。なお、図2において、図3におけるものと同じ構成要素には同じ参照符号が付与されており、重複する説明は省略する。 FIG. 2 shows a fuel cell power generation system according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 2, the same reference numerals are given to the same components as those in FIG. 3, and duplicate descriptions are omitted.
図2に示した燃料電池発電システムは、図3に示した燃料電池発電システムにおいて、リサイクルブロワを用いて燃料極排出ガス61の一部をリサイクルする代わりに、水蒸気分離器4を設け、燃料極排出ガス61と酸化剤極排出ガス63及び/または酸化剤である空気予熱器バーナ用空気83とを空気予熱器バーナ81で燃焼させることによって生成させた空気予熱器バーナ燃焼排出ガス84を水蒸気分離器4に供給し、空気予熱器バーナ燃焼排出ガス84中の水蒸気を水蒸気分離器4で選択的に分離させ、この分離した水蒸気を同じく水蒸気分離器4に供給した脱硫天然ガス29と混合して水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス28を生成させるようにしたものである。第1の実施形態の場合と同様に、水蒸気分離器4は、水蒸気分離膜、水蒸気を選択的に透過させるイオン交換樹脂などを備え、また、空気予熱器バーナ用空気83は、空気ブロア13から流量制御弁85を介して空気予熱器バーナ81に供給される。水蒸気分離器4において水蒸気が分離された空気予熱器バーナ燃焼排出ガス84は、水蒸気分離器排出ガス5として水蒸気分離器4から排出される。したがって、図2に示した燃料電池発電システムは、主な構成要素として、脱硫器2、燃料改質手段である改質器3、燃料と酸化剤が供給されて発電を行う燃料電池である固体酸化物形燃料電池57、空気予熱器80、空気予熱器バーナ81、水蒸気分離手段である水蒸気分離器4、出力調整装置88、流量制御弁37,62,85、空気ブロワ13及び配管類を備えている。
The fuel cell power generation system shown in FIG. 2 is different from the fuel cell power generation system shown in FIG. 3 in that a steam separator 4 is provided in place of recycling a part of the fuel
次に、この燃料電池発電システムの動作を説明する。 Next, the operation of this fuel cell power generation system will be described.
空気予熱器バーナ燃焼排出ガス84中には、固体酸化物形燃料電池57での電池反応及び空気予熱器80での燃焼反応により生成した水蒸気が多量に含まれているため、水蒸気分離器4において空気予熱器バーナ燃焼排出ガス84中の水蒸気を分離して脱硫天然ガス29に供給することにより、燃料改質手段である改質器3での天然ガス1の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を十分にまかなうことができる。空気予熱器バーナ81において空気予熱器バーナ燃焼排出ガス84を空気予熱器バーナ用空気83と燃焼させる場合には、流量制御弁85を用いて、空気予熱器バーナ81への空気予熱器バーナ用空気83の供給量を制御する。
The air preheater burner
なお、図2には示されていないが、水蒸気分離器4での空気予熱器バーナ燃焼排出ガス84中の水蒸気の分離を促進するために、圧縮機等の加圧手段を用いて空気予熱器燃焼排出ガス84を昇圧した後に水蒸気分離器4に供給してもよい。
Although not shown in FIG. 2, in order to promote the separation of water vapor in the air preheater burner
次に、本発明における水蒸気分離手段である水蒸気分離器4において分離した水蒸気と脱硫天然ガス29の混合について説明する。
Next, the mixing of water vapor and desulfurized
水蒸気と脱硫天然ガス29との混合比率は、一般に、スチームカーボン比で表される。スチームカーボン比は、当業者にはよく知られているように、水蒸気分子と、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素からなる天然ガスに含まれる炭素原子とのモル比である。ここで、スチームカーボン比が低いと、改質器内などで炭素が析出するおそれが生じる。また、好適なスチームカーボン比は使用する触媒にも左右され、炭素が析出しにくいルテニウム系触媒を用いると、炭素が析出しやすいニッケル系触媒を用いる場合と比較して、スチームカーボン比を小さくすることができる。しかし、スチームカーボン比が理論量の2よりも大きくなければ、改質によって水素を効率よく生成できないことを以下に説明する。
The mixing ratio of water vapor and desulfurized
炭化水素ガスがメタンであるとして、下記のメタンの水蒸気改質反応と一酸化炭素シフト反応とによる水素生成過程を考える。 Assuming that the hydrocarbon gas is methane, let us consider the hydrogen generation process by the following steam reforming reaction of methane and carbon monoxide shift reaction.
(メタンの水蒸気改質反応)
CH4+H2O → CO+3H2
(一酸化炭素のシフト反応)
CO+H2O → CO2+H2
このように、メタンから水素を生成するのに必要な理論量の水蒸気を供給しようとする場合、1モルのメタン(炭素原子)と2モルの水(すなわち水蒸気)を要するので、スチームカーボン比を2以上としなければならないことが分かる。前記の第1及び第2の実施形態では、スチームカーボン比が2以上となるように、水蒸気と脱硫天然ガス29とを混合することが必要となる。さらに、スチームカーボン比は天然ガスの組成や水蒸気の濃度分布等に依存することを考慮すると、前記の各実施形態においては、スチームカーボン比を2.5〜3.5とすることが好ましい。このような混合比の調整は、水蒸気分離器4における水蒸気分離膜の面積を増減することなどによって可能である。
(Methane steam reforming reaction)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
(Carbon monoxide shift reaction)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Thus, when supplying the theoretical amount of water vapor necessary for generating hydrogen from methane, 1 mol of methane (carbon atoms) and 2 mol of water (ie, water vapor) are required. It can be seen that it must be 2 or more. In the first and second embodiments, it is necessary to mix the water vapor and the desulfurized
次に、本発明における水蒸気分離手段である水蒸気分離器4について説明する。前述の第1及び第2の実施形態の燃料電池発電システムでは、水蒸気分離膜を有する水蒸気分離器4を好ましく使用できるが、水蒸気分離膜としては、燃料極排出ガス61あるいは空気予熱器燃焼排出ガス84の温度が200℃以上と比較的高温度であることから、これらの温度に耐え得るセラミック系の材質のものであることが好ましい。特に、アルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)、あるいはジルコニア(ZrO2)は、耐食性や化学的安定性が高いので、水蒸気分離膜の素材として適している。また、これらのセラミックスを複合して用いることも可能である。水蒸気分離膜は、前記のセラミックスを微細な細孔を有する多孔質の薄膜にすることによって得られる。水蒸気分離膜の水蒸気分離機構については特に限定するものではないが、水蒸気が凝縮性であることから、細孔内での表面拡散、あるいは毛管凝縮機構が支配的になると考えられる。したがって、この分離機構を有効に作用させるために、水蒸気分離膜の平均細孔径は、10nm以下にすることが好ましく、さらに好ましくは5nm以下である。このような水蒸気分離膜を得る方法としては、前述した種類のセラミックスのゾルを多孔質支持体表面に塗布する方法が簡便で、かつ良好な多孔質薄膜を得る上で好ましい。また、この他にCVD、PVD、あるいはスパッタリングなどの方法を用いても、良好な水蒸気分離膜を得ることができる。
Next, the water vapor separator 4 which is the water vapor separation means in the present invention will be described. In the fuel cell power generation systems of the first and second embodiments described above, the water vapor separator 4 having a water vapor separation membrane can be preferably used. As the water vapor separation membrane, the fuel
このような水蒸気分離器4では、燃料極排出ガス61あるいは空気予熱器燃焼排出ガス84が流れる流路と、脱硫天然ガス29が流れる流路とが水蒸気分離膜をはさんで配置しており、燃料極排出ガス61あるいは空気予熱器燃焼排出ガス84に含まれる水蒸気が水蒸気分離膜内を脱硫天然ガス29の流路側に移動し、その結果、脱硫天然ガス29に水蒸気が含まれることとなる。
In such a water vapor separator 4, the flow path through which the fuel
また、本発明においては、水蒸気分離手段である水蒸気分離器4において、水蒸気透過性のイオン交換樹脂を用いることができる。そのようなイオン交換樹脂としては、例えば、ポリエステルポリエーテル無孔性樹脂等の樹脂を用いることができる。 In the present invention, a water vapor permeable ion exchange resin can be used in the water vapor separator 4 which is a water vapor separation means. As such an ion exchange resin, for example, a resin such as a polyester polyether nonporous resin can be used.
なお、図1及び図2にそれぞれ示した第1及び第2の実施形態の燃料電池発電システムでは、燃料である天然ガス1の改質を改質器3で行い、固体酸化物形燃料電池57の電池反応に必要な水素と一酸化炭素を生成させ、水素リッチな改質ガス27を固体酸化物形燃料電池57の燃料極54に供給して固体酸化物形燃料電池57での発電を行っているが、改質器3を用いずに燃料である天然ガス1の改質を直接固体酸化物形燃料電池57の燃料極54で行い、固体酸化物形燃料電池57の電池反応に必要な水素と一酸化炭素を生成させ、固体酸化物形燃料電池57の発電を行ってもよい。その場合には、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス28は、固体酸化物形燃料電池57の燃料極54に直接供給される。また、これらの実施形態の燃料電池発電システムでは、燃料電池として固体酸化物形燃料電池57を用いているが、固体酸化物形燃料電池57の代わり溶融炭酸塩形燃料電池を用いてもよい。
In the fuel cell power generation systems of the first and second embodiments shown in FIGS. 1 and 2, respectively, the
本発明は、前述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることはもちろんである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are of course added without departing from the spirit of the present invention.
1 天然ガス
2 脱硫器
3 改質器
4 水蒸気分離器
5 水蒸気分離器排出ガス
13 空気ブロア
14 リサイクルブロワ
18 空気
27 水素リッチな改質ガス
28 水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス
29 脱硫天然ガス
37,59,62,85 流量制御弁
54 燃料極
55 固体酸化物電解質
56 酸化剤極
57 固体酸化物形燃料電池
58 固体酸化物形燃料電池用空気
60 改質器リサイクル用燃料極排出ガス
61 燃料極排出ガス
63 酸化剤極排出ガス
64 空気予熱器バーナ用燃料極排出ガス
80 空気予熱器
81 空気予熱器バーナ
83 空気予熱器バーナ用空気
84 空気予熱器バーナ燃焼排出ガス
86 出力調整装置
87 負荷
88 燃料電池直流出力
89 送電端交流出力
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは前記混合ガスを改質して生成される改質ガスが供給される燃料極と、陰イオンを透過させる電解質とを備える燃料電池と、
前記燃料極から排出される燃料極排出ガスが供給され、前記燃料極排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して前記燃料と混合させる水蒸気分離手段と、
を有する、燃料電池発電システム。 A fuel cell power generation system in which fuel and an oxidant are supplied to generate power in a fuel cell,
A fuel cell comprising a fuel electrode supplied with a mixed gas of the fuel and water vapor, or a reformed gas generated by reforming the mixed gas, and an electrolyte that transmits anions;
A water vapor separation means for supplying a fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode, selectively separating water vapor in the fuel electrode exhaust gas and mixing it with the fuel;
A fuel cell power generation system.
前記燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは前記混合ガスを改質して生成される改質ガスが供給される燃料極と、陰イオンを透過させる電解質とを備える燃料電池と、
前記燃料極から排出される燃料極排出ガスを前記酸化剤極から排出される燃料極排出ガス及び/または前記酸化剤と燃焼させるバーナと、
前記バーナから排出されるバーナ燃焼排出ガスが供給され、前記バーナ燃焼排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して前記燃料と混合させる水蒸気分離手段と、
を有する、燃料電池発電システム。 A fuel cell power generation system in which fuel and an oxidant are supplied to generate power in a fuel cell,
A fuel cell comprising a fuel electrode supplied with a mixed gas of the fuel and water vapor, or a reformed gas generated by reforming the mixed gas, and an electrolyte that transmits anions;
A burner that combusts fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode with fuel electrode exhaust gas discharged from the oxidant electrode and / or the oxidant;
A steam separation means for supplying burner combustion exhaust gas discharged from the burner, selectively separating water vapor in the burner combustion exhaust gas and mixing it with the fuel;
A fuel cell power generation system.
酸素と電子を反応させて酸化物イオンを生成する酸化剤極と、前記酸化物イオンを通過させる固体酸化物電解質と、前記改質器からの改質ガスが供給されて前記水素と前記酸化物イオンとを反応させて水と電子を生成し、かつ前記一酸化炭素と前記酸化物イオンとを反応させて二酸化炭素と電子とを生成する燃料極と、を有する燃料電池と、
前記燃料極から排出されるガスから水蒸気を分離する水蒸気分離器と、
を有し、前記水蒸気分離器で分離された水蒸気が前記改質器に供給され、前記水蒸気分離器は、水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を有する、燃料電池発電システム。 A reformer that reacts hydrocarbon gas with water vapor to produce carbon monoxide and hydrogen;
An oxidant electrode that generates oxide ions by reacting oxygen and electrons, a solid oxide electrolyte that passes the oxide ions, and a reformed gas from the reformer are supplied to supply the hydrogen and the oxide. A fuel cell comprising: a fuel electrode that reacts with ions to produce water and electrons, and reacts the carbon monoxide and the oxide ions to produce carbon dioxide and electrons;
A water vapor separator that separates water vapor from the gas discharged from the fuel electrode;
And the water vapor separated by the water vapor separator is supplied to the reformer, and the water vapor separator has a porous thin film having pores of a size that selectively allows water vapor to permeate. Power generation system.
陰イオンを透過させる電解質を備える前記燃料電池の燃料極に、前記燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは前記混合ガスを改質して生成される改質ガスを供給して発電を行わせる発電工程と、
前記燃料極から排出される燃料極排出ガスから水蒸気を選択的に分離して前記燃料と混合させる水蒸気分離工程と、
を有する、燃料電池発電方法。 A fuel cell power generation method in which fuel and an oxidant are supplied to generate power in a fuel cell,
A power generation step of generating power by supplying a fuel gas of the fuel cell having an electrolyte that transmits anions to the fuel electrode and a reformed gas generated by reforming the mixed gas or the mixed gas; ,
A water vapor separation step of selectively separating water vapor from the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode and mixing it with the fuel;
A fuel cell power generation method.
陰イオンを透過させる電解質を備える前記燃料電池の燃料極に、前記燃料と水蒸気の混合ガス、もしくは前記混合ガスを改質して生成される改質ガスを供給して発電を行わせる発電工程と、
前記燃料極から排出される燃料極排出ガスを前記酸化剤極から排出される燃料極排出ガス及び/または前記酸化剤と燃焼させる燃焼工程と、
前記燃焼工程からの排出ガス中の水蒸気を選択的に分離して前記燃料と混合させる水蒸気分離工程と、
を有する、燃料電池発電方法。 A fuel cell power generation method in which fuel and an oxidant are supplied to generate power in a fuel cell,
A power generation step of generating power by supplying a fuel gas of the fuel cell having an electrolyte that transmits anions to the fuel electrode and a reformed gas generated by reforming the mixed gas or the mixed gas; ,
A combustion step of burning the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode with the fuel electrode exhaust gas discharged from the oxidant electrode and / or the oxidant;
A water vapor separation step of selectively separating water vapor in the exhaust gas from the combustion step and mixing it with the fuel;
A fuel cell power generation method.
酸化物イオンを透過させる電解質を有し、前記改質器からの改質ガスが供給される燃料電池において、酸素と電子を反応させて酸化物イオンを生成し、前記改質ガス中の水素と前記酸化物イオンとを反応させて水と電子を生成し、かつ前記改質ガス中の前記一酸化炭素と前記酸化物イオンとを反応させて二酸化炭素と電子とを生成する工程と、
水蒸気を選択的に透過させる大きさの孔からなる多孔質の薄膜を使用して、前記燃料極から排出されるガスから水蒸気を分離する水蒸気分離工程と、
前記水蒸気分離工程で分離された水蒸気を前記改質工程に供給する工程と、
を有する、燃料電池発電方法。 A reforming process in which hydrocarbon gas and water vapor are reacted to generate carbon monoxide and hydrogen;
In a fuel cell having an electrolyte that allows oxide ions to pass therethrough and supplied with reformed gas from the reformer, oxygen and electrons are reacted to generate oxide ions, and hydrogen in the reformed gas and Reacting the oxide ions to produce water and electrons, and reacting the carbon monoxide and the oxide ions in the reformed gas to produce carbon dioxide and electrons;
A water vapor separation step for separating water vapor from the gas discharged from the fuel electrode, using a porous thin film having pores of a size that allows water vapor to selectively permeate;
Supplying the steam separated in the steam separation step to the reforming step;
A fuel cell power generation method.
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