JP2008204784A - Fuel cell power generation system, and fuel cell power generation method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make recycle of fuel electrode exhaust gas unnecessary in a fuel cell power generation system having a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell and make water self-sustainable. <P>SOLUTION: Mixture gas of fuel such as natural gas and steam or reformed gas produced by reforming the mixture gas is supplied to a fuel electrode 54 of the solid oxide fuel cell 57, and a steam separator 4 to which fuel electrode exhaust gas 61 exhausted from the fuel electrode 54 is supplied, selectively separating steam in the fuel electrode exhaust gas 61, and mixing the steam with fuel is installed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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 Document 1, for example.

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(C38)、ブタン(C410)を含むものである。 The conventional fuel cell power generation system shown in FIG. 3 is supplied with natural gas 1 as a fuel and uses air 18 as an oxidant. The natural gas 1 generally contains methane (CH 4 ) as a main component and contains propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ) in addition to methane.

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 desulfurizer 2 that adsorbs and removes sulfur in the natural gas 1 and a desulfurized natural gas 29 obtained from the desulfurizer 2. The reformer 3 for performing a steam reforming reaction on the mixed gas 28 of steam and desulfurized natural gas, the solid oxide fuel cell 57, and the air supplied to the solid oxide fuel cell 57 are preheated. An air preheater 80, an air preheater burner 81 provided in the air preheater 80, and a power regulator 86 provided between the fuel cell DC output 88 of the solid oxide fuel cell 57 and the load 87. I have. The output terminal of the output adjustment device 86 is a power transmission terminal AC output 89. Further, the fuel cell power generation system includes an air blower 13 for supplying air 18 to an air preheater 80, a recycle blower 14 for recycling a reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60, which will be described later, a flow control valve 37, 59, 62 and various pipes. The solid oxide fuel cell 57 includes a fuel electrode 54 to which the hydrogen-rich reformed gas 27 obtained from the reformer 3 is supplied, and a solid oxide fuel cell air 58 preheated by an air preheater 80. A supplied oxidant electrode 56 and a solid oxide electrolyte 55 sandwiched between the fuel electrode 54 and the oxidant electrode 56 are provided. The flow control valve 37 is for controlling the supply amount of the natural gas 1 to the desulfurizer 2. The flow control valve 62 is provided in the piping of the air 18 between the air blower 13 and the air preheater 80.

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 oxide fuel cell 57, the fuel electrode exhaust gas 61 is exhausted from the fuel electrode 54, and the oxidant electrode exhaust gas 63 is exhausted from the oxidant electrode 56. The fuel electrode exhaust gas 61 contains water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) as main components, and also contains hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ), and carbon monoxide (CO). A part of the fuel electrode exhaust gas 61 becomes a reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60 through the recycle blower 14 and the flow rate control valve 59, and the reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60 and the desulfurized natural gas 29. Are mixed to become a mixed gas 28 of water vapor and desulfurized natural gas. The remainder of the fuel electrode exhaust gas 61 is supplied to the air preheater burner 81 as an air preheater burner fuel electrode exhaust gas 64 that serves as fuel for the air preheater burner 81. The oxidant electrode exhaust gas 63 is also supplied to the air preheater burner 81, and the air preheater burner exhaust gas 84 is discharged from the air preheater burner 81.

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 natural gas 1 is supplied to a desulfurizer 2. The supply amount of the natural gas 1 is controlled based on a preset relationship between the battery current at the fuel cell DC output 88 and the opening of the flow control valve 37 (that is, the supply amount of the natural gas 1). By controlling the opening degree of the valve 37, a value corresponding to the battery current of the fuel cell DC output 88 is set.

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 desulfurizer 2 is added as an odorant to the natural gas 1 which causes deterioration of the reforming catalyst of the reformer 3 and also causes deterioration of the electrode catalyst at the fuel electrode 54 of the solid oxide fuel cell 57. Sulfur content such as mercaptans is removed by adsorption. The desulfurized natural gas 29 desulfurized in the desulfurizer 2 is mixed with the reformer recycling fuel electrode exhaust gas 60 containing water vapor generated by the cell reaction in the solid oxide fuel cell 57, and then the water vapor and the desulfurized natural gas are mixed. The mixed gas 28 is supplied to the reformer 3. The supply amount of the reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60 includes the opening degree of the flow control valve 37 (ie, the supply amount of natural gas 1) and the opening degree of the flow control valve 59 (ie, the reformer recycle fuel electrode exhaust gas). 60), by controlling the opening degree of the flow rate control valve 59, a predetermined steam carbon ratio (in accordance with the supply amount of the natural gas 1) ( steam-to-carbon ratio).

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 reformer 3, a steam reforming reaction of hydrocarbons contained in the natural gas 1 is performed by the action of a reforming catalyst such as a nickel-based catalyst or a ruthenium-based catalyst filled therein, and a hydrogen-rich reformed gas 27 is created. The steam reforming reaction of methane, which is the main component of natural gas 1, is expressed by equation (1).

(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 reformer 3. However, the temperature of the reformer 3 must be maintained at 700 to 750 ° C. For this reason, a solid oxide fuel cell 57 (described later) that generates power at 800 to 1000 ° C. is installed in the vicinity of the reformer 3, and exhaust heat from the solid oxide fuel cell 57 is converted to hydrocarbon steam reforming. It is supplied to the reformer 3 as reaction heat necessary for the quality reaction.

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 gas 27 produced by the reformer 3 is supplied to the fuel electrode 54 of the solid oxide fuel cell 57. The hydrogen-rich reformed gas 27 contains unreacted methane, water vapor, and carbon dioxide in addition to carbon monoxide and hydrogen. On the other hand, air is supplied as an oxidant to the oxidant electrode 56 of the solid oxide fuel cell 57. That is, the temperature of the air 18 taken in using the air blower 13 is raised by an air preheater 80 to be described later, and supplied to the oxidant electrode 56 as solid oxide fuel cell air 58. The supply amount of the solid oxide fuel cell air 58 includes the opening degree of the flow control valve 37 (ie, the supply amount of natural gas 1) and the opening degree of the flow control valve 62 (ie, the solid oxide fuel cell air 58). By controlling the opening degree of the flow rate control valve 62 based on a preset relationship with respect to the supply amount), a value corresponding to the supply amount of the natural gas 1 is set.

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 oxide fuel cell 57 will be described. In FIG. 3, the solid oxide fuel cell 57 is depicted as a single cell comprising a fuel electrode 54, a solid oxide electrolyte 55, and an oxidant electrode 56, but the generated voltage of the single cell is as low as 1V or less. In order to extract predetermined electric power, a cell stack is actually constructed by combining a plurality of single cells, and the solid oxide fuel cell 57 is composed of this cell stack.

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 oxidant electrode 56 of the solid oxide fuel cell 57, oxygen in the solid oxide fuel cell air 58 is converted into electrons by the oxidant electrode reaction shown in the equation (2) by the action of the metal oxide electrode catalyst. Reacts with oxide ions (O 2− ).

(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 oxidizer electrode 56 move inside the solid oxide electrolyte 55 made of yttria-stabilized zirconia (YSZ) or the like and reach the fuel electrode 54. In the fuel electrode 54, oxide ions that have moved from the oxidizer electrode 56 to the fuel electrode 54 inside the solid oxide electrolyte 55 by the action of a metal-based electrode catalyst such as nickel-YSZ cermet, ruthenium-YSZ cermet, By the fuel electrode reaction shown in the equations (3) and (4), it reacts with hydrogen and carbon monoxide in the hydrogen-rich reformed gas 27 supplied to the fuel electrode 54 to generate water vapor or carbon dioxide and electrons.

(燃料極反応)
2+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 fuel electrode 54 travel through an external circuit and reach the oxidant electrode 56. The electrons that have reached the oxidant electrode 56 react with oxygen by the oxidant electrode reaction shown in the above formula (2). In the process in which the electrons move through the external circuit, electric energy can be taken out from the solid oxide fuel cell 57 as the fuel cell DC output 88.

(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 oxide fuel cell 57 generates water vapor from hydrogen and oxygen shown in formula (5). It can be expressed as a reverse reaction of water electrolysis and a reaction in which carbon dioxide is generated from carbon monoxide and oxygen shown in the formula (6).

(電池反応)
2+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 current output 88 obtained by the power generation of the solid oxide fuel cell 57 is subjected to voltage conversion and direct current to alternating current conversion in accordance with the load 87 in the output adjusting device 86, and then to the power transmission end alternating current. The output 89 is supplied to the load 87. In the example of FIG. 3, the output adjustment device 86 performs conversion from direct current to alternating current. However, the output adjustment device 86 performs only voltage conversion and supplies the power transmission end DC output to the load 87. Good.

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 oxide fuel cell 57 is generally 800 to 1000 ° C., and the solid oxide fuel cell 57 is maintained at the power generation temperature by heat generated by the cell reaction. Therefore, the exhaust heat of the solid oxide fuel cell 57 can be used as the reaction heat of the hydrocarbon steam reforming reaction in the reformer 3. In fact, in the conventional solid oxide fuel cell power generation system, the amount of heat generated by the cell reaction in the solid oxide fuel cell 57 is large and exceeds the level necessary for maintaining the power generation temperature. In order to maintain the temperature of the fuel cell 57 at the power generation temperature, a large amount of air 58 for the solid oxide fuel cell 57 is supplied to the oxidant electrode 56 of the solid oxide fuel cell 57 and the solid oxide fuel cell 57 is supplied. The cooling is done. With respect to the air 58 for the solid oxide fuel cell, the oxygen utilization rate at the oxidizer electrode 56 is about 20%.

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 electrode exhaust gas 61 containing water vapor generated by the cell reaction at the fuel electrode 54 supplies steam necessary for the steam reforming reaction of hydrocarbons in the reformer 3, It is recycled as the fuel electrode exhaust gas 60 for reformer recycling and mixed with the desulfurized natural gas 29. At that time, in a small solid oxide fuel cell having a power generation output of 10 kW or less, the supply amount of the fuel electrode exhaust gas 60 for reformer recycling is small, and therefore, from the fuel electrode 54 as shown in FIG. A recycle blower 14 is provided in the recycle path to the reformer 3, and the reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60 is recycled using the recycle blower 14 and mixed with the desulfurized natural gas 29.

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 electrode exhaust gas 64 and the oxidant electrode exhaust gas 63 are supplied to the air preheater burner 81, and the unreacted fuel, unreacted hydrogen, and unreacted fuel in the air preheater burner fuel electrode exhaust gas 64 are supplied. The reactive carbon monoxide is combusted with unreacted oxygen in the oxidant electrode exhaust gas 63. Heat generated by the combustion is exchanged to raise the temperature of the air 18. The combustion reaction of hydrogen and carbon monoxide in the air preheater burner 81 is shown in equations (7) and (8).

(水素の燃焼反応)
2+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 air 18 heated by the air preheater 80 is supplied to the solid oxide fuel cell 57 as solid oxide fuel cell air 58 and used for power generation of the solid oxide fuel cell 57. The air preheater burner 81 discharges the air preheater burner exhaust gas 84 generated by burning the fuel electrode exhaust gas 64 for the air preheater burner and the oxidant electrode exhaust gas 63.

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。
電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会編:「燃料電池の技術」,オーム社,pp.203−208(2002)
In the conventional fuel cell power generation system shown in FIG. 3, as described above, in the case of the solid oxide fuel cell 57 with an output of 10 kW or less and a small supply amount of the reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60. As shown in FIG. 3, the recycle blower 14 is provided, and the recycle blower 14 is used to recycle the reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60 and mix it with the desulfurized natural gas 29. The steam necessary for steam reforming of the natural gas 1 is supplied. In this case, the reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60 is at a high temperature of 500 ° C. or higher. Therefore, the recycle of the reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60 is expensive, has a short life, and is reliable. It is necessary to provide a low-temperature recycle blower 14 for high-temperature gas, which reduces the reliability of the fuel cell power generation system and raises the system cost and the maintenance cost. Further, it is necessary to accurately control the recycle amount, that is, the supply amount, of the reformer recycle fuel electrode exhaust gas 60 by adjusting the opening of the flow control valve 59 according to the supply amount of the natural gas 1 of the fuel. There is a problem that the control of the fuel cell power generation system becomes complicated.
The Institute of Electrical Engineers, Fuel Cell Power Generation Next Generation System Technology Research Special Edition: “Fuel Cell Technology”, Ohm, pp. 203-208 (2002)

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 electrode exhaust gas 61 using a recycle blower. The exhaust gas 61 is supplied to the water vapor separator 4, the water vapor in the fuel electrode exhaust gas 61 is selectively separated by the water vapor separator 4, and the desulfurized natural gas 29 that is also supplied to the water vapor separator 4 A mixed gas 28 of steam and desulfurized natural gas is produced by mixing. The water vapor separator 4 includes a water vapor separation membrane, an ion exchange resin that selectively permeates water vapor, and the like. The fuel electrode exhaust gas 61 from which the water vapor has been separated in the water vapor separator 4 is supplied to the air preheater burner 81 as the water vapor separator exhaust gas 5. The air preheater burner 81 is supplied with air preheater burner air 83 from the air blower 13 via the flow control valve 85. Therefore, the fuel cell power generation system shown in FIG. 1 is a fuel cell that generates power by supplying a desulfurizer 2, a reformer 3 as fuel reforming means, and fuel and an oxidant as main components. A solid oxide fuel cell 57, an air preheater 80, an air preheater burner 81, a water vapor separator 4 which is a water vapor separating means, an output adjusting device 88, flow control valves 37, 62, 85, an air blower 13 and piping. I have.

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 electrode exhaust gas 61 discharged from the fuel electrode 54 of the solid oxide fuel cell 57 contains a large amount of water vapor generated by the cell reaction in the solid oxide fuel cell 57. By separating the water vapor in the fuel electrode exhaust gas 61 and supplying it to the desulfurized natural gas 29 in the reactor 4, the water vapor necessary for the steam reforming reaction of the natural gas 1 in the reformer 3 as the fuel reforming means is obtained. I can cover enough. The fuel electrode exhaust gas 61 from which the water vapor has been separated in the water vapor separator 4 is supplied to the air preheater burner 81 as the water vapor separator exhaust gas 5, and the oxidant electrode exhaust gas 63 supplied to the air preheater burner 81 and It is made to burn with air preheater burner air 83 which is / or an oxidizing agent. When the steam separator exhaust gas 5 is combusted with the air preheater burner air 83 in the air preheater burner 81, the flow rate control valve 85 is used to change the air preheater burner air 83 to the air preheater burner 81. Control the supply amount.

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 electrode exhaust gas 61 together with the water vapor may be mixed with the water vapor through the water vapor separator 4 into the desulfurized natural gas 29. Even if such hydrogen is mixed, the present embodiment is implemented. The operation of the fuel cell power generation system of the embodiment is not affected. In the fuel cell power generation system of this embodiment, steam is supplied from the outside using a small steam generator only at the time of startup. Once the solid oxide fuel cell 57 starts power generation, water vapor is generated by the cell reaction, so that it is not necessary to supply water vapor from the outside.

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 electrode exhaust gas 61 in the water vapor separator 4, the fuel electrode exhaust gas 61 is pressurized using pressurizing means such as a compressor. You may supply to the water vapor separator 4 later.

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 electrode exhaust gas 61 using a recycle blower. Steam separation is performed on the air preheater burner combustion exhaust gas 84 generated by burning the exhaust gas 61, the oxidant electrode exhaust gas 63 and / or the air preheater burner air 83 which is an oxidant in the air preheater burner 81. The water vapor in the air preheater burner combustion exhaust gas 84 is selectively separated by the water vapor separator 4, and the separated water vapor is mixed with the desulfurized natural gas 29 supplied to the water vapor separator 4. A mixed gas 28 of steam and desulfurized natural gas is generated. As in the case of the first embodiment, the water vapor separator 4 includes a water vapor separation membrane, an ion exchange resin that selectively permeates water vapor, and the air preheater burner air 83 is supplied from the air blower 13. It is supplied to the air preheater burner 81 via the flow rate control valve 85. The air preheater burner combustion exhaust gas 84 from which the water vapor has been separated in the water vapor separator 4 is discharged from the water vapor separator 4 as the water vapor separator exhaust gas 5. Therefore, the fuel cell power generation system shown in FIG. 2 includes a desulfurizer 2, a reformer 3 that is a fuel reforming unit, and a fuel cell that generates power by supplying fuel and an oxidant as main components. An oxide fuel cell 57, an air preheater 80, an air preheater burner 81, a water vapor separator 4 as a water vapor separation means, an output adjusting device 88, flow rate control valves 37, 62, 85, an air blower 13 and piping are provided. ing.

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 combustion exhaust gas 84 contains a large amount of water vapor generated by the cell reaction in the solid oxide fuel cell 57 and the combustion reaction in the air preheater 80. By separating the steam in the air preheater burner combustion exhaust gas 84 and supplying it to the desulfurized natural gas 29, the steam necessary for the steam reforming reaction of the natural gas 1 in the reformer 3 as fuel reforming means is obtained. I can cover enough. When the air preheater burner combustion exhaust gas 84 is combusted with the air preheater burner air 83 in the air preheater burner 81, the air preheater burner air to the air preheater burner 81 is used by using the flow control valve 85. The supply amount of 83 is controlled.

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 combustion exhaust gas 84 in the water vapor separator 4, an air preheater is used using a pressurizing means such as a compressor. The pressure of the combustion exhaust gas 84 may be increased and then supplied to the steam separator 4.

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 natural gas 29 separated in the water vapor separator 4 which is the water vapor separation means in the present invention will be described.

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 natural gas 29 is generally represented by a steam carbon ratio. As is well known to those skilled in the art, the steam carbon ratio is a molar ratio between water vapor molecules and carbon atoms contained in a natural gas composed of hydrocarbons such as methane, ethane, propane, and butane. Here, when the steam carbon ratio is low, there is a risk that carbon is deposited in the reformer or the like. In addition, the preferred steam carbon ratio depends on the catalyst used, and when using a ruthenium-based catalyst in which carbon is difficult to precipitate, the steam carbon ratio is reduced compared to the case of using a nickel-based catalyst in which carbon is likely to precipitate. be able to. However, it will be described below that hydrogen cannot be efficiently generated by reforming unless the steam carbon ratio is larger than the theoretical amount of 2.

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 natural gas 29 so that the steam carbon ratio is 2 or more. Furthermore, considering that the steam carbon ratio depends on the composition of natural gas, the concentration distribution of water vapor, and the like, in each of the above embodiments, the steam carbon ratio is preferably 2.5 to 3.5. Such a mixing ratio can be adjusted by increasing or decreasing the area of the water vapor separation membrane in the water vapor separator 4.

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(Al23)、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 electrode exhaust gas 61 or the air preheater combustion exhaust gas is used. Since the temperature of 84 is a relatively high temperature of 200 ° C. or higher, it is preferably made of a ceramic material that can withstand these temperatures. In particular, alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), or zirconia (ZrO 2 ) is suitable as a material for the water vapor separation membrane because of its high corrosion resistance and chemical stability. It is also possible to use these ceramics in combination. The water vapor separation membrane can be obtained by making the ceramics into a porous thin film having fine pores. Although the water vapor separation mechanism of the water vapor separation membrane is not particularly limited, it is considered that the surface diffusion in the pores or the capillary condensation mechanism is dominant because the water vapor is condensable. Therefore, in order to make this separation mechanism work effectively, the average pore diameter of the water vapor separation membrane is preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less. As a method for obtaining such a water vapor separation membrane, a method of applying a ceramic sol of the type described above to the surface of the porous support is simple and preferable for obtaining a good porous thin film. In addition, a good water vapor separation membrane can also be obtained by using a method such as CVD, PVD, or sputtering.

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 electrode exhaust gas 61 or the air preheater combustion exhaust gas 84 flows and the flow path through which the desulfurized natural gas 29 flows are disposed across the water vapor separation membrane, The water vapor contained in the fuel electrode exhaust gas 61 or the air preheater combustion exhaust gas 84 moves to the flow path side of the desulfurized natural gas 29 in the water vapor separation membrane, and as a result, the desulfurized natural gas 29 contains water vapor.

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 reformer 3 reforms the natural gas 1 as the fuel, and the solid oxide fuel cell 57 is obtained. Hydrogen and carbon monoxide necessary for the cell reaction of the present are generated, and the hydrogen-rich reformed gas 27 is supplied to the fuel electrode 54 of the solid oxide fuel cell 57 to generate power in the solid oxide fuel cell 57. However, the reforming of the natural gas 1 as the fuel is performed directly at the fuel electrode 54 of the solid oxide fuel cell 57 without using the reformer 3, and is necessary for the cell reaction of the solid oxide fuel cell 57. Hydrogen and carbon monoxide may be generated and the solid oxide fuel cell 57 may generate power. In that case, the mixed gas 28 of water vapor and desulfurized natural gas is directly supplied to the fuel electrode 54 of the solid oxide fuel cell 57. Further, in the fuel cell power generation system of these embodiments, the solid oxide fuel cell 57 is used as the fuel cell, but a molten carbonate fuel cell may be used instead of the solid oxide fuel cell 57.

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.

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す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell power generation system of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell power generation system of the 2nd Embodiment of this invention. 従来の燃料電池発電システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional fuel cell power generation system.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Natural gas 2 Desulfurizer 3 Reformer 4 Steam separator 5 Steam separator exhaust gas 13 Air blower 14 Recycle blower 18 Air 27 Hydrogen rich reformed gas 28 Mixed gas of steam and desulfurized natural gas 29 Desulfurized natural gas 37, 59, 62, 85 Flow control valve 54 Fuel electrode 55 Solid oxide electrolyte 56 Oxidant electrode 57 Solid oxide fuel cell 58 Air for solid oxide fuel cell 60 Fuel electrode exhaust gas for reformer recycling 61 Fuel electrode discharge Gas 63 Oxidant electrode exhaust gas 64 Fuel electrode exhaust gas for air preheater burner 80 Air preheater 81 Air preheater burner 83 Air preheater burner air 84 Air preheater burner combustion exhaust gas 86 Output regulator 87 Load 88 Fuel cell DC output 89 Transmission end AC output

Claims (7)

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、
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.
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、
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.
請求項1または2に記載の燃料電池発電システムであって、前記燃料は炭化水素ガスからなり、前記水蒸気分離手段は、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。   3. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the fuel is made of a hydrocarbon gas, and the water vapor separation means has a porous thin film made of pores having a size to selectively permeate water vapor. , Fuel cell power generation system. 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、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.
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.
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.
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、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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