JP2016115496A - Circulation fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the efficiency of a system while simplifying the configuration, by utilizing the waste heat of fuel cell more than conventional.SOLUTION: A circulation fuel cell system 10 has a fuel processing device 14 for producing fuel gas containing hydrogen by performing steam modification of material gas, a fuel cell 11 for generating power by using fuel gas supplied from the fuel processing device 14, a steam separation membrane 16 for removing steam in the state of gas, from the off-gas discharged from the fuel cell 11 and containing fuel gas not reacting therein, and a regeneration fuel gas path 54 for supplying the regeneration fuel gas, produced by removing steam from the off-gas, to the fuel cell 11. The fuel processing device 14 modifies the material gas by using the steam removed by the steam separation membrane 16, and produces fuel gas.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、循環式燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a circulating fuel cell system.

高温作動形燃料電池の燃料リサイクル技術として、アノード排気のリサイクルを行う燃料電池システムが開示されている(特許文献1参照)。また、多段スタック又は単一スタックにおいて、アノードオフガス中の水蒸気や二酸化炭素を除去する方法が開示されている(特許文献2参照)。   As a fuel recycling technique for a high-temperature operation type fuel cell, a fuel cell system for recycling anode exhaust has been disclosed (see Patent Document 1). Moreover, a method for removing water vapor and carbon dioxide in the anode off-gas in a multi-stage stack or a single stack is disclosed (see Patent Document 2).

特許第5542332号公報Japanese Patent No. 5542332 特開2006−31989号公報JP 2006-31989

固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池といった高温作動形燃料電池システムの高効率化に向けて、燃料利用率を向上させる手法として、燃料電池スタックの燃料循環が提案されている。   In order to improve the efficiency of high-temperature operating fuel cell systems such as solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells, fuel circulation of fuel cell stacks has been proposed as a technique for improving the fuel utilization rate.

このアノードオフガス中から水蒸気や二酸化炭素を取り除き、反応に寄与する燃料ガス(水素や一酸化炭素)の濃度を高めた再生燃料ガスを得ることができれば、この再生燃料ガスを用いて、再度発電することが可能である。   If water and carbon dioxide are removed from the anode off-gas, and a regenerated fuel gas with a high concentration of fuel gas (hydrogen or carbon monoxide) contributing to the reaction can be obtained, power is generated again using this regenerated fuel gas. It is possible.

上記した特許文献1に係る従来例では、水蒸気や二酸化炭素の除去に、分圧スイング吸着ユニット、温度スイング吸着ユニット、電気化学的ポンプが提案されている。しかしながら、吸着ユニットを用いる場合、圧力スイング又は温度スイングが必要で、システム構成及びシステムシーケンスが複雑になる。   In the conventional example according to Patent Document 1 described above, a partial pressure swing adsorption unit, a temperature swing adsorption unit, and an electrochemical pump are proposed for removing water vapor and carbon dioxide. However, when the adsorption unit is used, a pressure swing or a temperature swing is required, and the system configuration and the system sequence are complicated.

電気化学的ポンプを用いる場合は、圧力スイング又は温度スイングを行う必要はないが、燃料オフガスを200℃以下に低下させる必要がある。また、電気化学的ポンプは、電極触媒に白金をも用いるため、一般的に設備が高価となる。   When using an electrochemical pump, it is not necessary to perform a pressure swing or a temperature swing, but it is necessary to lower the fuel off-gas to 200 ° C. or lower. In addition, since the electrochemical pump also uses platinum as an electrode catalyst, the facilities are generally expensive.

上記した特許文献2に係る従来例では、アノードオフガスから水蒸気を除去する方法が、該アノードオフガスを例えば100℃以下の常温近くまで冷却する凝縮であるため、アノードオフガスから水蒸気を除去し再生燃料ガスとして利用するためには、該再生燃料ガスを燃料電池スタックの発電温度まで再び加熱する必要がある。   In the conventional example according to Patent Document 2 described above, the method of removing water vapor from the anode off gas is condensation that cools the anode off gas to near room temperature, for example, 100 ° C. or less. In order to use it, it is necessary to reheat the regenerated fuel gas to the power generation temperature of the fuel cell stack.

即ち、比較的簡易な構成及びシーケンス、あるいは安価な設備でアノードオフガスから水蒸気を除去するためには該アノードオフガスを一旦冷却する必要があり、その温度域から発電温度まで再度加熱するための熱エネルギーが必要であった。また、凝縮水を回収し、原料ガスの改質用の水として利用する場合には、この水を再度使用温度まで加熱する熱エネルギーに加えて、この水を気化させるための熱エネルギーが必要であった。これらの熱エネルギー源として、燃料電池の排熱等が利用されていた。   That is, in order to remove water vapor from the anode offgas with a relatively simple configuration and sequence, or inexpensive equipment, it is necessary to cool the anode offgas once, and heat energy for reheating from the temperature range to the power generation temperature. Was necessary. In addition, when condensate is recovered and used as water for reforming the raw material gas, in addition to the heat energy for heating this water to the use temperature again, heat energy for vaporizing this water is required. there were. As the heat energy source, exhaust heat of a fuel cell has been used.

本発明は、上記事実を考慮して、燃料電池の排熱を従来よりも有効利用できるようにして、構成を簡素化しつつシステムの効率を高めることを目的とする。   In view of the above-described facts, the present invention aims to increase the efficiency of the system while simplifying the configuration so that the exhaust heat of the fuel cell can be used more effectively than before.

請求項1に係る循環式燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出され前記燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを前記燃料電池に供給する再生燃料ガス経路とを有し、前記燃料処理装置は、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を用いて前記原料ガスを改質し、前記燃料ガスを生成する。   The circulating fuel cell system according to claim 1 performs power generation using a fuel processing device that generates a fuel gas containing hydrogen by steam reforming a raw material gas, and the fuel gas supplied from the fuel processing device. A fuel cell, a water vapor separation membrane for removing water vapor in a gaseous state from an off gas containing the fuel gas that has been discharged from the fuel cell and unreacted in the fuel cell, and a regenerated fuel gas from which the water vapor has been removed from the off gas A regenerated fuel gas path for supplying the fuel cell, and the fuel processing device reforms the raw material gas using the water vapor removed by the water vapor separation membrane to generate the fuel gas.

この循環式燃料電池システムでは、燃料処理装置において、水蒸気改質により、原料ガスから水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料電池に供給される。燃料電池では、燃料ガスを用いて発電が行われる。燃料電池から排出されるオフガスは、未反応の燃料ガス及び水蒸気等を含んでいる。この水蒸気は、水蒸気分離膜により、気体の状態でオフガスから除去される。これにより、水素濃度が高められた再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、再生燃料ガス経路を通じて燃料電池に供給される。燃料電池では、燃料処理装置から供給される燃料ガスと、再生燃料ガスとを用いて発電が行われる。   In this circulating fuel cell system, a fuel gas containing hydrogen is generated from a raw material gas by steam reforming in a fuel processing device. This fuel gas is supplied to the fuel cell. In a fuel cell, power generation is performed using fuel gas. The off-gas discharged from the fuel cell contains unreacted fuel gas, water vapor, and the like. The water vapor is removed from the off-gas in a gaseous state by the water vapor separation membrane. Thereby, the regenerated fuel gas with increased hydrogen concentration is generated. The regenerated fuel gas is supplied to the fuel cell through the regenerated fuel gas path. In the fuel cell, power generation is performed using the fuel gas supplied from the fuel processing apparatus and the regenerated fuel gas.

また、この循環式燃料電池システムでは、オフガス中の水蒸気が、水蒸気分離膜により、気体の状態で該オフガスから除去されるので、水の凝縮に必要な温度までオフガスを冷却する必要がない。従って、再生燃料ガスを燃料電池に適した発電温度まで加熱する際の加熱幅が小さくなる。従って、再生燃料ガスを加熱するための熱交換器等を簡素化でき、追加の加熱装置を不要とすることができる。また、従来再生燃料ガスの加熱に使用されていた熱エネルギーを、給湯や、熱処理装置での改質反応(吸熱反応)等に有効利用できるようになる。   Further, in this circulating fuel cell system, the water vapor in the off gas is removed from the off gas in a gaseous state by the water vapor separation membrane, so it is not necessary to cool the off gas to a temperature necessary for water condensation. Therefore, the heating width when heating the regenerated fuel gas to the power generation temperature suitable for the fuel cell is reduced. Therefore, a heat exchanger or the like for heating the regenerated fuel gas can be simplified, and an additional heating device can be eliminated. In addition, the heat energy conventionally used for heating the regenerated fuel gas can be effectively used for hot water supply, a reforming reaction (endothermic reaction) in a heat treatment apparatus, or the like.

更に、この循環式燃料電池システムでは、燃料処理装置が、水蒸気分離膜で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質し、燃料ガスを生成するので、システムの水自立化を図ることができる。   Further, in this circulating fuel cell system, the fuel processing device reforms the raw material gas using the water vapor removed by the water vapor separation membrane to generate the fuel gas, so that the system can be water self-supporting. .

請求項2の発明は、請求項1に記載の循環式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気が、気体のまま前記燃料処理装置での改質反応に用いられる。   According to a second aspect of the present invention, in the circulating fuel cell system according to the first aspect, the water vapor removed by the water vapor separation membrane is used in a reforming reaction in the fuel processing apparatus as a gas.

この循環式燃料電池システムでは、オフガスから除去された水蒸気が気体のまま燃料処理装置での改質反応に用いられる。従って、水蒸気を凝縮させた水を貯えるための水タンクや、該水を燃料処理装置に向けて送り出すためのポンプが不要となる。   In this circulating fuel cell system, the water vapor removed from the off-gas is used as a gas for the reforming reaction in the fuel processing apparatus. Therefore, a water tank for storing water condensed with water vapor and a pump for sending the water toward the fuel processing device are not required.

請求項3の発明は、請求項2に記載の循環式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気は、ブロワを用いて、前記燃料処理装置に供給又は前記原料ガスに混入される。   According to a third aspect of the present invention, in the circulating fuel cell system according to the second aspect, the water vapor removed by the water vapor separation membrane is supplied to the fuel processing apparatus or mixed into the raw material gas using a blower. The

この循環式燃料電池システムでは、オフガスから除去された水蒸気が気体のままブロワにより送られ、燃料処理装置に供給又は原料ガスに混入されて、燃料処理装置での改質反応に用いられる。   In this circulating fuel cell system, the water vapor removed from the off-gas is sent as a gas by a blower, supplied to the fuel processing device or mixed into the raw material gas, and used for the reforming reaction in the fuel processing device.

請求項4の発明は、請求項2に記載の循環式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜の透過側に前記原料ガスを流し、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を前記原料ガスに混入して、前記燃料処理装置に供給する。   According to a fourth aspect of the present invention, in the circulating fuel cell system according to the second aspect, the raw material gas is allowed to flow on the permeation side of the water vapor separation membrane, and the water vapor removed by the water vapor separation membrane is mixed into the raw material gas. Then, the fuel is supplied to the fuel processor.

この循環式燃料電池システムでは、水蒸気分離膜で除去された水蒸気が、該水蒸気分離膜の透過側に流される原料ガスに直接混入されて、燃料処理装置での改質反応に用いられる。   In this circulating fuel cell system, the water vapor removed by the water vapor separation membrane is directly mixed into the raw material gas flowing on the permeate side of the water vapor separation membrane and used for the reforming reaction in the fuel processing apparatus.

請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の循環式燃料電池システムにおいて、前記再生燃料ガス、前記原料ガス、空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも1つと前記オフガスとの間で熱交換を行い、前記オフガスを冷却すると共に前記再生燃料ガス、前記原料ガス、前記空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した前記水の少なくとも1つを加熱する熱交換器を有する。   According to a fifth aspect of the present invention, in the circulating fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects, the regenerated fuel gas, the raw material gas, air, the water vapor, and the water vapor are condensed. Heat exchange between at least one of the produced water and the off gas, cooling the off gas and at least one of the regenerated fuel gas, the raw material gas, the air, the water vapor, and the water condensed with the water vapor. It has a heat exchanger that heats.

この循環式燃料電池システムでは、再生燃料ガス、原料ガス、空気、水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも1つとオフガスとの間で、熱交換器による熱交換が行われる。この熱交換器は、水蒸気分離膜に至る前のオフガスを該水蒸気分離膜に適した温度に向けて冷却する。   In this circulating fuel cell system, heat exchange is performed by a heat exchanger between at least one of regenerated fuel gas, raw material gas, air, water vapor, and water condensed with the water vapor and off gas. This heat exchanger cools off-gas before reaching the water vapor separation membrane toward a temperature suitable for the water vapor separation membrane.

請求項6の発明は、請求項5に記載の循環式燃料電池システムにおいて、前記オフガスが流れるオフガス経路において、前記熱交換器の上流側及び下流側の少なくとも一方に設けられ、前記オフガス中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部を有し、前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである。   According to a sixth aspect of the present invention, in the circulating fuel cell system according to the fifth aspect, in the off-gas path through which the off-gas flows, at least one of the upstream side and the downstream side of the heat exchanger is provided, and the carbon dioxide in the off-gas A carbon dioxide removal unit for removing carbon is provided, and the regenerated fuel gas is obtained by removing the water vapor and the carbon dioxide from the off gas.

この循環式燃料電池システムでは、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が二酸化炭素除去部により除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを燃料ガスと共に用いて発電を行う燃料電池の性能を向上させることができる。   In this circulating fuel cell system, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed by the carbon dioxide removing unit to generate the regenerated fuel gas. It is possible to improve the performance of the fuel cell that is used together to generate power.

請求項7の発明は、請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の循環式燃料電池システムにおいて、前記水蒸気分離膜が、前記オフガスから前記水蒸気及び二酸化炭素を除去するものであり、前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである。   The invention according to claim 7 is the circulating fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the water vapor separation membrane removes the water vapor and carbon dioxide from the off-gas, The regenerated fuel gas is obtained by removing the water vapor and the carbon dioxide from the off gas.

この循環式燃料電池システムでは、水蒸気分離膜により、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素が除去される。従って、二酸化炭素除去部を別途設ける必要がない。   In this circulating fuel cell system, water vapor and carbon dioxide in the off-gas are removed by the water vapor separation membrane. Therefore, it is not necessary to separately provide a carbon dioxide removal unit.

本発明に係る循環式燃料電池システムによれば、燃料電池の排熱を従来よりも有効利用できるようにして、構成を簡素化しつつシステムの効率を高めることができる、という優れた効果が得られる。   According to the circulation type fuel cell system of the present invention, it is possible to effectively use the exhaust heat of the fuel cell as compared with the conventional one, and it is possible to obtain an excellent effect that the configuration can be simplified and the efficiency of the system can be increased. .

第1実施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。1 is a block diagram schematically showing a circulating fuel cell system according to a first embodiment. 第2実施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically a circulation type fuel cell system concerning a 2nd embodiment. 第3施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically the circulation type fuel cell system concerning a 3rd embodiment. 第4施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically a circulation type fuel cell system concerning a 4th embodiment. 第5実施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically a circulation type fuel cell system concerning a 5th embodiment. 第6施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically a circulation type fuel cell system concerning a 6th embodiment. 第7施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically a circulation type fuel cell system concerning a 7th embodiment. 第8実施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically a circulation type fuel cell system concerning an 8th embodiment. 第9実施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically a circulation type fuel cell system concerning a 9th embodiment. 第10実施形態に係る循環式燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically a circulation type fuel cell system concerning a 10th embodiment. 二酸化炭素除去部の原理を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the principle of a carbon dioxide removal part.

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態]
図1において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム10は、燃料処理装置14と、燃料電池11と、水蒸気分離膜16と、再生燃料ガス経路54と、熱交換器の一例たる第1熱交換器21及び第2熱交換器22とを有している。
[First Embodiment]
In FIG. 1, a circulating fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a fuel processor 14, a fuel cell 11, a water vapor separation membrane 16, a regenerated fuel gas path 54, and a first heat as an example of a heat exchanger. An exchanger 21 and a second heat exchanger 22 are included.

燃料処理装置14は、メタン等の原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成するFPS(Fuel Processing System)であり、原料ガスから水素を製造する触媒(図示せず)と、触媒を加熱する燃焼器18とを有している。触媒は改質触媒であり、改質器19内に設けられている。改質器19には、原料ガス経路24が接続されており、該原料ガス経路24を通じて原料ガスが供給されるようになっている。原料ガス経路24には、原料ガスを送るためのブロワ25が設けられている。また、原料ガス経路24におけるブロワ25と改質器19との間には、後述する第2熱交換器22が設けられており、原料ガスは該第2熱交換器22により加熱されるようになっている。   The fuel processing device 14 is an FPS (Fuel Processing System) that generates a fuel gas containing hydrogen from a raw material gas such as methane, a catalyst (not shown) that produces hydrogen from the raw material gas, and a combustor that heats the catalyst. 18. The catalyst is a reforming catalyst and is provided in the reformer 19. A raw material gas path 24 is connected to the reformer 19, and a raw material gas is supplied through the raw material gas path 24. A blower 25 for sending the source gas is provided in the source gas path 24. In addition, a second heat exchanger 22 described later is provided between the blower 25 and the reformer 19 in the raw material gas path 24 so that the raw material gas is heated by the second heat exchanger 22. It has become.

また、改質器19には、水供給経路28が接続されており、該水供給経路28には水タンク26に接続されている。水タンク26は、水蒸気分離膜16で除去された水蒸気を凝縮した水38が貯められる容器である。水供給経路28には、例えばポンプ32と、気化器34とが設けられている。ポンプ32は、水タンク26内の水38を水供給経路28へ送りだすものである。気化器34は、ポンプ32の下流側に設けられ、水供給経路28に送り出された水38を気化させて水蒸気を生成するものである。改質器19は、この水供給経路28を通じて供給された水蒸気を利用して、原料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成するようになっている。つまり、燃料処理装置14は、水蒸気分離膜16で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質し、燃料ガスを生成するようになっている。そして、この燃料ガスは、燃料ガス経路42を通じて、燃料電池11のアノード(図示せず)へ供給されるようになっている。   In addition, a water supply path 28 is connected to the reformer 19, and the water supply path 28 is connected to a water tank 26. The water tank 26 is a container in which water 38 obtained by condensing the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is stored. In the water supply path 28, for example, a pump 32 and a vaporizer 34 are provided. The pump 32 feeds the water 38 in the water tank 26 to the water supply path 28. The vaporizer 34 is provided on the downstream side of the pump 32 and vaporizes the water 38 sent to the water supply path 28 to generate water vapor. The reformer 19 uses the water vapor supplied through the water supply path 28 to reform the raw material gas to generate a fuel gas containing hydrogen. That is, the fuel processing device 14 reforms the raw material gas using the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 to generate the fuel gas. The fuel gas is supplied to the anode (not shown) of the fuel cell 11 through the fuel gas path 42.

燃料処理装置14の燃焼器18には、空気供給経路44と、オフガス経路46とが接続されている。この燃焼器18は、空気供給経路44を通じて供給された空気と、オフガス経路46を通じて供給されたバーナガス(後述するオフガス)との混合ガスを燃焼させ、改質器19内の触媒を加熱する。燃焼器18からの排気は、排気経路48を通じて排出される。   An air supply path 44 and an offgas path 46 are connected to the combustor 18 of the fuel processor 14. The combustor 18 burns a mixed gas of air supplied through the air supply path 44 and burner gas (off gas described later) supplied through the off gas path 46, and heats the catalyst in the reformer 19. Exhaust gas from the combustor 18 is exhausted through an exhaust path 48.

燃料電池11は、燃料処理装置14から供給される燃料ガスを用いて発電を行う、例えば燃料電池スタックである。この燃料電池11は、例えば750℃程度で作動する高温型の燃料電池(固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池)である。図示は省略するが、燃料電池11は、電解質層と、該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード及びカソードとを有している。アノードは燃料極であり、カソードは空気極である。   The fuel cell 11 is, for example, a fuel cell stack that generates power using the fuel gas supplied from the fuel processing device 14. The fuel cell 11 is a high-temperature fuel cell (solid oxide fuel cell, molten carbonate fuel cell) that operates at about 750 ° C., for example. Although illustration is omitted, the fuel cell 11 has an electrolyte layer and an anode and a cathode laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer, respectively. The anode is a fuel electrode, and the cathode is an air electrode.

カソードには、空気供給経路44を通じて空気(酸化ガス)が供給される。このカソードでは、酸素と炭酸ガス(溶融炭酸塩形燃料電池の場合のみ)と電子が、電解質層で電気化学的に反応して酸素イオン(固体酸化物形燃料電池の場合)や炭酸イオン(溶融炭酸塩形燃料電池の場合)となり、電解質膜を移動する。   Air (oxidizing gas) is supplied to the cathode through the air supply path 44. In this cathode, oxygen, carbon dioxide (only for molten carbonate fuel cells) and electrons react electrochemically in the electrolyte layer to produce oxygen ions (for solid oxide fuel cells) and carbonate ions (melted). In the case of a carbonate fuel cell), and moves the electrolyte membrane.

一方、アノードには、燃料ガス経路42を通じて、燃料処理装置14から燃料ガスが供給される。このアノードでは、水素が電解質層を移動してきた炭酸イオンや酸素イオンと反応し、水、炭酸ガス(溶融炭酸塩形燃料電池の場合のみ 、電子が生成される。アノードで生成された電子は、外部回路を通ってカソードに移動する。   On the other hand, fuel gas is supplied to the anode from the fuel processing device 14 through the fuel gas path 42. In this anode, hydrogen reacts with carbonate ions and oxygen ions that have moved through the electrolyte layer, and water and carbon dioxide gas (only in the case of a molten carbonate fuel cell, electrons are generated. The electrons generated in the anode are Move to cathode through external circuit.

そして、このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、燃料電池11において発電が行われる。カソードでの未反応ガスは、下流側の空気供給経路44を通じて、燃料処理装置14の燃焼器18へ供給される。   Then, as the electrons move from the anode to the cathode in this way, power generation is performed in the fuel cell 11. Unreacted gas at the cathode is supplied to the combustor 18 of the fuel processor 14 through the downstream air supply path 44.

水蒸気分離膜16は、燃料電池11から排出され燃料電池11において未反応の燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去するものである。水蒸気分離膜16は、オフガス経路52に設けられており、水の凝縮点よりも高い温度(例えば100℃以上)で、オフガスから水蒸気を除去することができる。水蒸気分離膜16の種類としては、高分子系、高分子−無機分子ハイブリッド膜、ゼオライト系があり、例えば表1に示されるように、100℃以上での水蒸気分離を行った実績が報告されている。   The water vapor separation membrane 16 removes water vapor in a gaseous state from off-gas discharged from the fuel cell 11 and containing unreacted fuel gas in the fuel cell 11. The water vapor separation membrane 16 is provided in the off gas path 52 and can remove water vapor from the off gas at a temperature higher than the condensation point of water (for example, 100 ° C. or higher). As the types of the water vapor separation membrane 16, there are a polymer system, a polymer-inorganic molecule hybrid membrane, and a zeolite system. For example, as shown in Table 1, the results of performing the water vapor separation at 100 ° C. or higher have been reported. Yes.

Figure 2016115496
Figure 2016115496

再生燃料ガス経路54は、オフガスから水蒸気を除去した再生燃料ガスを燃料電池11に供給する経路であり、例えば燃料電池11の上流側に位置する燃料ガス経路42に接続されている。なお、再生燃料ガス経路54は、燃料処理装置14における改質器19の上流側に位置する原料ガス経路24に接続されていてもよい。   The regenerated fuel gas path 54 is a path for supplying the regenerated fuel gas from which the water vapor has been removed from the off-gas to the fuel cell 11, and is connected to, for example, a fuel gas path 42 positioned upstream of the fuel cell 11. Note that the regenerated fuel gas path 54 may be connected to the raw material gas path 24 located upstream of the reformer 19 in the fuel processing device 14.

再生燃料ガス経路54には、たとえばブロワ55と第1熱交換器21が設けられている。この第1熱交換器21は、オフガス経路52を流れるオフガスと、再生燃料ガス経路54を流れる再生燃料ガスとの間で熱交換を行い、オフガスを例えば200℃程度に冷却すると共に再生燃料ガスを燃料電池11の作動温度に対応して再度加熱するものである。   In the regenerated fuel gas path 54, for example, a blower 55 and a first heat exchanger 21 are provided. The first heat exchanger 21 exchanges heat between the off gas flowing through the off gas path 52 and the regenerated fuel gas flowing through the regenerated fuel gas path 54 to cool the off gas to, for example, about 200 ° C. Heating is performed again corresponding to the operating temperature of the fuel cell 11.

一方、オフガス経路52における水蒸気分離膜16の下流側には、第2熱交換器22及び水タンク26が設けられている。水蒸気分離膜16で除去された水蒸気は、第2熱交換器22で冷却され、水タンク26で凝縮されて水38となり、該水タンク26に貯えられるようになっている。水タンク26の上部にはオフガス経路46が接続されている。水タンク26で凝縮しない二酸化炭素等のガスは、該オフガス経路46を通じて、燃料処理装置14の燃焼器18へ供給されるようになっている。第2熱交換器22は、原料ガス経路24を流れる原料ガスと、オフガス経路52を流れるオフガスとの間で熱交換を行い、オフガスを冷却すると共に原料ガスを加熱するものである。   On the other hand, a second heat exchanger 22 and a water tank 26 are provided on the downstream side of the water vapor separation membrane 16 in the off gas passage 52. The water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is cooled by the second heat exchanger 22, condensed in the water tank 26 to become water 38, and stored in the water tank 26. An off-gas path 46 is connected to the upper part of the water tank 26. A gas such as carbon dioxide that does not condense in the water tank 26 is supplied to the combustor 18 of the fuel processor 14 through the off-gas passage 46. The second heat exchanger 22 performs heat exchange between the raw material gas flowing through the raw material gas path 24 and the off gas flowing through the off gas path 52 to cool the off gas and heat the raw material gas.

この他、空気又は水蒸気と、オフガスとの間で熱交換を行う熱交換器を設けてもよい。つまり、本実施形態における熱交換器は、再生燃料ガス、原料ガス、空気、水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水38の少なくとも1つとオフガスとの間で熱交換を行うものである。   In addition, a heat exchanger that performs heat exchange between air or water vapor and off-gas may be provided. That is, the heat exchanger according to the present embodiment performs heat exchange between at least one of the regenerated fuel gas, the raw material gas, the air, the water vapor, and the water 38 condensed with the water vapor and the off gas.

(作用)
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図1において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム10では、燃料処理装置14において、原料ガスから水素を含む燃料ガスが生成される。具体的には、燃料処理装置14において、改質器19内の触媒を燃焼器18で加熱することで、原料ガスが例えば水蒸気改質されて、水素を含む燃料ガスが生成される。改質には、水タンク26から水供給経路28を通じて供給される水38を気化器34で気化させた水蒸気を利用することができる。
(Function)
This embodiment is configured as described above, and the operation thereof will be described below. In FIG. 1, in the circulating fuel cell system 10 according to the present embodiment, a fuel gas containing hydrogen is generated from a raw material gas in a fuel processing device 14. Specifically, in the fuel processor 14, the catalyst in the reformer 19 is heated by the combustor 18, so that the raw material gas is steam-reformed, for example, and a fuel gas containing hydrogen is generated. For reforming, steam obtained by vaporizing water 38 supplied from the water tank 26 through the water supply path 28 with the vaporizer 34 can be used.

燃料処理装置14で生成された燃料ガスは、燃料ガス経路42を通じて燃料電池11へ供給される。燃料電池11では、燃料ガスを用いて発電が行われる。燃料電池11から排出されるオフガスは、未反応の燃料ガス及び水蒸気等を含んでいる。この水蒸気は、水蒸気分離膜16により、気体の状態でオフガスから除去される。これにより、水素濃度が高められた再生燃料ガスが生成される。再生燃料ガスは、ブロワ55によって、再生燃料ガス経路54を通じて、燃料ガス経路42に合流し、燃料ガスと共に第1燃料電池11へ供給される。第1燃料電池11では、この再生燃料ガスを燃料ガスと共に用いて発電が行われる。   The fuel gas generated by the fuel processor 14 is supplied to the fuel cell 11 through the fuel gas path 42. In the fuel cell 11, power generation is performed using fuel gas. The off gas discharged from the fuel cell 11 contains unreacted fuel gas, water vapor, and the like. The water vapor is removed from the off-gas in a gaseous state by the water vapor separation membrane 16. Thereby, the regenerated fuel gas with increased hydrogen concentration is generated. The regenerated fuel gas is joined to the fuel gas path 42 by the blower 55 through the regenerated fuel gas path 54 and supplied to the first fuel cell 11 together with the fuel gas. In the first fuel cell 11, electric power is generated using the regenerated fuel gas together with the fuel gas.

なお、オフガス経路52を流れるオフガスと、再生燃料ガス経路54を流れる再生燃料ガスとの間では、第1熱交換器21による熱交換が行われる。この第1熱交換器21は、水蒸気分離膜16に至る前のオフガスを該水蒸気分離膜16に適した温度に向けて冷却すると共に、燃料電池11に至る前の再生燃料ガスを該燃料電池11の発電温度に適した温度に向けて再度加熱する。   Note that heat exchange by the first heat exchanger 21 is performed between the off-gas flowing through the off-gas path 52 and the regenerated fuel gas flowing through the regenerated fuel gas path 54. The first heat exchanger 21 cools off-gas before reaching the water vapor separation membrane 16 toward a temperature suitable for the water vapor separation membrane 16, and regenerates the regenerated fuel gas before reaching the fuel cell 11. Heat again to a temperature suitable for the power generation temperature.

水蒸気分離膜16で除去された水蒸気は、オフガス経路52における水蒸気分離膜16の下流側に流れ、第2熱交換器22により冷却され、更に水タンク26で凝縮されて水38となり、該水タンク26に貯えられる。水タンク26に所定量以上の水38が貯まった際には、例えばオーバーフローによりドレン排水される。水タンク26で凝縮しない二酸化炭素等のガスは、オフガス経路46を通じて、燃料処理装置14の燃焼器18へ供給される。
第2熱交換器22は、原料ガス経路24を流れる原料ガスと、オフガス経路52を流れるオフガスとの間で熱交換を行い、オフガスを冷却すると共に原料ガスを加熱する。第2熱交換器22により原料ガスを加熱することで、従来再生燃料ガスの加熱に使用されていた熱エネルギーを、燃料処理装置14での改質反応(吸熱反応)に有効利用できる。
The water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 flows to the downstream side of the water vapor separation membrane 16 in the off-gas path 52, is cooled by the second heat exchanger 22, and is further condensed in the water tank 26 to become the water 38. 26 is stored. When a predetermined amount or more of water 38 is stored in the water tank 26, it is drained by overflow, for example. A gas such as carbon dioxide that does not condense in the water tank 26 is supplied to the combustor 18 of the fuel processor 14 through the off-gas passage 46.
The second heat exchanger 22 performs heat exchange between the raw material gas flowing through the raw material gas path 24 and the off gas flowing through the off gas path 52 to cool the off gas and heat the raw material gas. Heating the raw material gas by the second heat exchanger 22 can effectively use the heat energy conventionally used for heating the regenerated fuel gas for the reforming reaction (endothermic reaction) in the fuel processing device 14.

本実施形態に係る循環式燃料電池システム10では、オフガス中の水蒸気が、水蒸気分離膜16により、気体の状態で該オフガスから除去されるので、水の凝縮に必要な温度までオフガスを冷却する必要がない。従って、再生燃料ガスを燃料電池11に適した発電温度まで再度加熱する際の加熱幅が小さくなる。本実施形態の場合、再生燃料ガスを200℃から750℃へ昇温するので、加熱幅は例えば550℃である。従って、再生燃料ガスを加熱するための第1熱交換器21等を簡素化でき、追加の加熱装置を不要とすることができる。また、従来再生燃料ガスの加熱に使用されていた熱エネルギーを、給湯等に有効利用できるようになる。   In the circulation type fuel cell system 10 according to the present embodiment, the water vapor in the off gas is removed from the off gas in a gaseous state by the water vapor separation membrane 16, so that it is necessary to cool the off gas to a temperature necessary for water condensation. There is no. Therefore, the heating width when the regenerated fuel gas is heated again to the power generation temperature suitable for the fuel cell 11 is reduced. In the case of this embodiment, the regeneration fuel gas is heated from 200 ° C. to 750 ° C., so the heating width is, for example, 550 ° C. Therefore, the first heat exchanger 21 for heating the regenerated fuel gas can be simplified, and an additional heating device can be dispensed with. In addition, the heat energy conventionally used for heating the regenerated fuel gas can be effectively used for hot water supply or the like.

水タンク26の水38は、ポンプ32により水供給経路28へ送り出され、気化器34で気化されて水蒸気となり、燃料処理装置14の改質器19へ供給される。改質器19は、この水供給経路28を通じて供給された水蒸気を利用して、原料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成することができる。この水蒸気は、元は水蒸気分離膜16で除去された水蒸気である。このように、本実施形態では、燃料処理装置14が、水蒸気分離膜16で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質するので、システムの水自立化を図ることができる。   The water 38 in the water tank 26 is sent out to the water supply path 28 by the pump 32, is vaporized by the vaporizer 34, becomes steam, and is supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14. The reformer 19 can reform the raw material gas using the water vapor supplied through the water supply path 28 to generate a fuel gas containing hydrogen. This water vapor is the water vapor originally removed by the water vapor separation membrane 16. Thus, in this embodiment, since the fuel processing apparatus 14 reforms raw material gas using the water vapor | steam removed by the water vapor | steam separation membrane 16, the water self-supporting of a system can be achieved.

このように、本実施形態に係る循環式燃料電池システム10では、燃料電池の排熱を従来よりも有効利用できるようにして、構成を簡素化しつつシステムの効率を高めることができる。   Thus, in the circulating fuel cell system 10 according to the present embodiment, the exhaust heat of the fuel cell can be used more effectively than before, and the efficiency of the system can be enhanced while simplifying the configuration.

[第2実施形態]
図2において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム20では、水蒸気分離膜16で除去された水蒸気が、気体のまま燃料処理装置14での改質反応に用いられる構成となっている。具体的には、オフガス経路52における水蒸気分離膜16の下流側が、水供給経路28を通じて、例えば燃料処理装置14の改質器19に直接接続されている。水供給経路28にはブロワ33が設けられている。水蒸気分離膜16で除去された水蒸気は、このブロワ33を用いて、燃料処理装置14の改質器19に供される。水供給経路28には、第1実施形態における第2熱交換器22(図1)が設けられていないので、原料ガスは、燃料処理装置14の改質器19に直接供給される。なお、水供給経路28を原料ガス経路24に接続して、水蒸気を原料ガスに混入するようにしてもよい。
[Second Embodiment]
In FIG. 2, the circulation type fuel cell system 20 according to the present embodiment has a configuration in which the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is used for the reforming reaction in the fuel processing device 14 as a gas. Specifically, the downstream side of the water vapor separation membrane 16 in the off-gas path 52 is directly connected to, for example, the reformer 19 of the fuel processing apparatus 14 through the water supply path 28. A blower 33 is provided in the water supply path 28. The water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14 using the blower 33. Since the water supply path 28 is not provided with the second heat exchanger 22 (FIG. 1) in the first embodiment, the raw material gas is directly supplied to the reformer 19 of the fuel processing device 14. The water supply path 28 may be connected to the source gas path 24 so that water vapor is mixed into the source gas.

これにより、水蒸気分離膜16でオフガスから除去された水蒸気が気体のまま改質器19で原料ガスと混合されて改質される。従って、第1実施形態における水タンク26やポンプ32(図1)が不要となるので、システムの構成が簡素となる。   As a result, the water vapor removed from the off-gas by the water vapor separation membrane 16 is reformed by being mixed with the raw material gas by the reformer 19 in the form of gas. Therefore, the water tank 26 and the pump 32 (FIG. 1) in the first embodiment are not necessary, and the system configuration is simplified.

他の部分については、第1実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof is omitted.

[第3実施形態]
図3において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム30では、第2実施形態と同様に、水蒸気分離膜16で除去された水蒸気が、気体のまま原料ガスと混合される構成となっている。具体的には、オフガス経路52が水蒸気分離膜16のフィード側16Aに配置され、原料ガス経路24が水蒸気分離膜16の透過側16Bに通されている。
[Third Embodiment]
In FIG. 3, in the circulating fuel cell system 30 according to the present embodiment, the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is mixed with the raw material gas as it is, as in the second embodiment. . Specifically, the off-gas passage 52 is disposed on the feed side 16A of the water vapor separation membrane 16, and the source gas passage 24 is passed through the permeation side 16B of the water vapor separation membrane 16.

オフガス経路52を通るオフガス中の水蒸気は、水蒸気分離膜16をフィード側16Aから透過側16Bへ矢印A方向に通過し、該透過側16Bに流される原料ガスに気体のまま直接混合される。この原料ガス及び水蒸気は、ブロワ25により燃料処理装置14の改質器19へ供給されて改質され、燃料ガスとなる。従って、第2実施形態における水供給経路28及びブロワ33(図2)が不要となるので、システムの構成が更に簡素となる。   The water vapor in the off gas passing through the off gas passage 52 passes through the water vapor separation membrane 16 from the feed side 16A to the permeation side 16B in the direction of arrow A, and is directly mixed with the raw material gas flowing to the permeation side 16B as a gas. This raw material gas and water vapor are supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14 by the blower 25 and reformed to become fuel gas. Therefore, the water supply path 28 and the blower 33 (FIG. 2) in the second embodiment are not necessary, and the system configuration is further simplified.

他の部分については、第1実施形態又は第2実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment or the second embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

[第4実施形態]
図4において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム40は、第1実施形態に、二酸化炭素除去部56を追加して構成されている。この二酸化炭素除去部56は、オフガスが流れるオフガス経路52において、第1熱交換器21の上流側(高温部)に設けられ、オフガス中の二酸化炭素を除去するものである。第1熱交換器21を通過する前のオフガスは750℃程度と比較的高温であるので、二酸化炭素除去部56としては、この温度で使用可能なものが選択される。二酸化炭素除去部56は、オフガス経路46に接続されている。
[Fourth Embodiment]
In FIG. 4, the circulating fuel cell system 40 according to the present embodiment is configured by adding a carbon dioxide removing unit 56 to the first embodiment. The carbon dioxide removing unit 56 is provided on the upstream side (high temperature part) of the first heat exchanger 21 in the offgas path 52 through which the offgas flows, and removes carbon dioxide in the offgas. Since the off-gas before passing through the first heat exchanger 21 is a relatively high temperature of about 750 ° C., the carbon dioxide removal unit 56 that can be used at this temperature is selected. The carbon dioxide removal unit 56 is connected to the off gas path 46.

燃料電池11に戻される再生燃料ガスは、オフガスから二酸化炭素及び水蒸気を除去したものである。具体的には、オフガス経路52を通るオフガスは、まず二酸化炭素除去部56において二酸化炭素が除去され、第1熱交換器21で冷却された後、水蒸気分離膜16において水蒸気が除去されて、再生燃料ガスとなる。   The regenerated fuel gas returned to the fuel cell 11 is obtained by removing carbon dioxide and water vapor from off-gas. Specifically, the off-gas passing through the off-gas path 52 is first regenerated by removing the carbon dioxide in the carbon dioxide removing unit 56 and cooling it in the first heat exchanger 21 and then removing the water vapor in the water vapor separation membrane 16. It becomes fuel gas.

二酸化炭素除去部56でオフガスから除去された二酸化炭素は、オフガス経路46を通じて、燃料処理装置14の燃焼器18へ供給される。   The carbon dioxide removed from the off gas by the carbon dioxide removing unit 56 is supplied to the combustor 18 of the fuel processing apparatus 14 through the off gas path 46.

この循環式燃料電池システム40では、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池11の性能を向上させることができる。   In the circulating fuel cell system 40, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas. Therefore, the fuel that generates power using the regenerated fuel gas. The performance of the battery 11 can be improved.

他の部分については、第1実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof is omitted.

[第5実施形態]
図5において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム50は、第2実施形態と同様に、水蒸気分離膜16で除去された水蒸気が、気体のまま原料ガスと混合される構成となっている。また、第4実施形態と同様に、オフガスが流れるオフガス経路52において、第1熱交換器21の上流側(高温部)に、二酸化炭素除去部56が設けられている。
[Fifth Embodiment]
In FIG. 5, the circulating fuel cell system 50 according to the present embodiment is configured such that the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is mixed with the raw material gas as it is, as in the second embodiment. . Similarly to the fourth embodiment, a carbon dioxide removal unit 56 is provided on the upstream side (high temperature part) of the first heat exchanger 21 in the off gas path 52 through which the off gas flows.

水蒸気分離膜16でオフガスから除去された水蒸気が気体のまま改質器19で原料ガスと混合されて改質されるので、第1実施形態における水タンク26やポンプ32(図1)が不要となるので、システムの構成が簡素となる。   Since the water vapor removed from the off-gas by the water vapor separation membrane 16 is reformed by being mixed with the raw material gas in the reformer 19, the water tank 26 and the pump 32 (FIG. 1) in the first embodiment are not necessary. Therefore, the system configuration is simplified.

また、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池11の性能を向上させることができる。   Further, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas, so that the performance of the fuel cell 11 that generates power using the regenerated fuel gas is improved. be able to.

他の部分については、第1実施形態、第2実施形態又は第4実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment, the second embodiment, or the fourth embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

[第6実施形態]
図6において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム60は、第3実施形態と同様に、水蒸気分離膜16で除去された水蒸気が、気体のまま原料ガスと直接混合される構成となっている。また、第4実施形態と同様に、オフガスが流れるオフガス経路52において、第1熱交換器21の上流側(高温部)に、二酸化炭素除去部56が設けられている。
[Sixth Embodiment]
In FIG. 6, the circulating fuel cell system 60 according to the present embodiment has a configuration in which the water vapor removed by the water vapor separation membrane 16 is directly mixed with the raw material gas as it is, as in the third embodiment. Yes. Similarly to the fourth embodiment, a carbon dioxide removal unit 56 is provided on the upstream side (high temperature part) of the first heat exchanger 21 in the off gas path 52 through which the off gas flows.

オフガス経路52を通るオフガス中の水蒸気は、原料ガス経路24を通る原料ガスに気体のまま直接混合される。この原料ガス及び水蒸気は、ブロワ25により燃料処理装置14の改質器19へ供給されて改質され、燃料ガスとなる。従って、第2実施形態における水供給経路28及びブロワ33(図2)が不要となるので、システムの構成が更に簡素となる。   The water vapor in the off gas passing through the off gas path 52 is directly mixed with the raw material gas passing through the raw gas path 24 in the form of a gas. This raw material gas and water vapor are supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14 by the blower 25 and reformed to become fuel gas. Therefore, the water supply path 28 and the blower 33 (FIG. 2) in the second embodiment are not necessary, and the system configuration is further simplified.

また、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池11の性能を向上させることができる。   Further, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas, so that the performance of the fuel cell 11 that generates power using the regenerated fuel gas is improved. be able to.

他の部分については、第1実施形態、第3実施形態又は第4実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   The other parts are the same as those in the first embodiment, the third embodiment, or the fourth embodiment, and thus the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

[第7実施形態]
図7において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム70は、第4実施形態において、二酸化炭素除去部56を、オフガス経路52における第1熱交換器21の下流側に設けたものである。第1熱交換器21を通過したオフガスは200℃程度と比較的低温であるので、二酸化炭素除去部56としては、この温度で使用可能なものが選択される。
[Seventh Embodiment]
In FIG. 7, the circulating fuel cell system 70 according to the present embodiment has a carbon dioxide removal unit 56 provided on the downstream side of the first heat exchanger 21 in the off-gas path 52 in the fourth embodiment. Since the off-gas that has passed through the first heat exchanger 21 is at a relatively low temperature of about 200 ° C., the carbon dioxide removal unit 56 that can be used at this temperature is selected.

第1熱交換器21の下流側における二酸化炭素除去部56の位置は、水蒸気分離膜16の上流側でも下流側でもよい。二酸化炭素除去部56が、二酸化炭素を吸収して除去する形式の場合には、該二酸化炭素除去部56を、水蒸気分離膜16下流側に配置することができる。   The position of the carbon dioxide removal unit 56 on the downstream side of the first heat exchanger 21 may be upstream or downstream of the water vapor separation membrane 16. When the carbon dioxide removal unit 56 absorbs and removes carbon dioxide, the carbon dioxide removal unit 56 can be disposed on the downstream side of the water vapor separation membrane 16.

しかしながら、二酸化炭素除去部56が電気化学分離によって二酸化炭素を除去する形式の場合には、該二酸化炭素除去部56は、水蒸気分離膜16の上流側に配置する必要がある。これは、電気化学分離に水が必要とされるため、水蒸気が除去された後では二酸化炭素を除去できなくなるためである。   However, in the case where the carbon dioxide removing unit 56 is of a type that removes carbon dioxide by electrochemical separation, the carbon dioxide removing unit 56 needs to be disposed upstream of the water vapor separation membrane 16. This is because water is required for electrochemical separation, and carbon dioxide cannot be removed after the water vapor is removed.

ここで、二酸化炭素除去部56が電気化学分離式である場合の原理について簡単に説明する。図11に示されるように、二酸化炭素除去部56は、アノード62と、電解質膜64と、カソード66とを有し、アノード62とカソード66の間に電解質膜64が挟まれている。アノード62とカソード66には、電源58が接続されている。この電源としては、燃料電池11を用いることができる。アノード62には、オフガス経路52が接続されている。カソード66の一方には空気供給経路68が接続され、他方にはオフガス経路46が接続されている。アノード62及びカソード66に電圧を印加すると、アノード62とカソード66で夫々次のような反応が生じ、二酸化炭素が除去される。   Here, the principle in the case where the carbon dioxide removing unit 56 is an electrochemical separation type will be briefly described. As shown in FIG. 11, the carbon dioxide removing unit 56 includes an anode 62, an electrolyte membrane 64, and a cathode 66, and the electrolyte membrane 64 is sandwiched between the anode 62 and the cathode 66. A power source 58 is connected to the anode 62 and the cathode 66. As this power source, the fuel cell 11 can be used. An off gas path 52 is connected to the anode 62. An air supply path 68 is connected to one of the cathodes 66, and an off-gas path 46 is connected to the other. When a voltage is applied to the anode 62 and the cathode 66, the following reactions occur at the anode 62 and the cathode 66, respectively, and carbon dioxide is removed.

アノード62:2H20→2H2+02 02+2C02+2e−→CO3−2
カソード66:CO3−2→02+2C02+2e−
Anode 62: 2H20 → 2H2 + 02 02 + 2C02 + 2e− → CO3-2
Cathode 66: CO3-2 → 02 + 2C02 + 2e−

これによりオフガスから除去された二酸化炭素等は、空気供給経路68から供給される空気によりパージされてオフガス経路46へ排出される。   Thus, carbon dioxide or the like removed from the off gas is purged by the air supplied from the air supply path 68 and discharged to the off gas path 46.

本実施形態に係る循環式燃料電池システム70では、オフガス経路52を通るオフガスが、まず第1熱交換器21で冷却された後、二酸化炭素除去部56において二酸化炭素が除去され、水蒸気分離膜16において水蒸気が除去されて、再生燃料ガスとなる。   In the circulating fuel cell system 70 according to the present embodiment, the off gas passing through the off gas path 52 is first cooled by the first heat exchanger 21, and then carbon dioxide is removed by the carbon dioxide removing unit 56, and the water vapor separation membrane 16. In this case, the water vapor is removed to become a regenerated fuel gas.

この循環式燃料電池システム70では、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを燃料ガスと共に用いて、発電を行う燃料電池11の性能を向上させることができる。   In the circulating fuel cell system 70, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas. Therefore, the regenerated fuel gas is used together with the fuel gas, The performance of the fuel cell 11 that generates power can be improved.

他の部分については、第1実施形態又は第4実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment or the fourth embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

[第8実施形態]
図8において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム80は、第5実施形態において、二酸化炭素除去部56を、オフガス経路52における第1熱交換器21の下流側(低温部)に設けたものである。
[Eighth Embodiment]
In FIG. 8, the circulating fuel cell system 80 according to the present embodiment includes the carbon dioxide removing unit 56 on the downstream side (low temperature portion) of the first heat exchanger 21 in the off-gas path 52 in the fifth embodiment. Is.

水蒸気分離膜16でオフガスから除去された水蒸気が気体のまま改質器19で原料ガスと混合されて改質されるので、第1実施形態における水タンク26やポンプ32(図1)が不要となるので、システムの構成が簡素となる。   Since the water vapor removed from the off-gas by the water vapor separation membrane 16 is reformed by being mixed with the raw material gas in the reformer 19, the water tank 26 and the pump 32 (FIG. 1) in the first embodiment are not necessary. Therefore, the system configuration is simplified.

また、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池11の性能を向上させることができる。   Further, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas, so that the performance of the fuel cell 11 that generates power using the regenerated fuel gas is improved. be able to.

他の部分については、第1実施形態、第2実施形態、第4実施形態又は第5実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   The other parts are the same as those in the first embodiment, the second embodiment, the fourth embodiment, or the fifth embodiment, and therefore the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

[第9実施形態]
図9において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム90は、第6実施形態において、二酸化炭素除去部56を、オフガス経路52における第1熱交換器21の下流側に設けたものである。
[Ninth Embodiment]
In FIG. 9, the circulating fuel cell system 90 according to the present embodiment is the one in which the carbon dioxide removal unit 56 is provided on the downstream side of the first heat exchanger 21 in the off-gas path 52 in the sixth embodiment.

オフガス経路52を通るオフガス中の水蒸気は、原料ガス経路24を通る原料ガスに気体のまま直接混合される。この原料ガス及び水蒸気は、ブロワ25により燃料処理装置14の改質器19へ供給されて改質され、燃料ガスとなる。従って、第2実施形態における水供給経路28及びポンプ32(図2)が不要となるので、システムの構成が更に簡素となる。   The water vapor in the off gas passing through the off gas path 52 is directly mixed with the raw material gas passing through the raw gas path 24 in the form of a gas. This raw material gas and water vapor are supplied to the reformer 19 of the fuel processor 14 by the blower 25 and reformed to become fuel gas. Therefore, the water supply path 28 and the pump 32 (FIG. 2) in the second embodiment are not necessary, and the system configuration is further simplified.

また、オフガス中の水蒸気が除去されるだけでなく、オフガス中の二酸化炭素が除去されて再生燃料ガスが生成されるので、該再生燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池11の性能を向上させることができる。   Further, not only the water vapor in the off gas is removed, but also the carbon dioxide in the off gas is removed to generate the regenerated fuel gas, so that the performance of the fuel cell 11 that generates power using the regenerated fuel gas is improved. be able to.

他の部分については、第1実施形態、第3実施形態、第4実施形態又は第6実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Other parts are the same as those in the first embodiment, the third embodiment, the fourth embodiment, or the sixth embodiment, and therefore, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

[第10実施形態]
図10において、本実施形態に係る循環式燃料電池システム100では、第1実施形態において、水蒸気分離膜16が、オフガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去するものとなっている。水蒸気分離膜16として、「Zi Tong et al., "Water vapor and CO2 transport through amine-containing facilitated transport membranes", Reactive & Functional Polymers (2014)に記載の膜を用いることができる。
[Tenth embodiment]
10, in the circulating fuel cell system 100 according to the present embodiment, in the first embodiment, the water vapor separation membrane 16 removes water vapor and carbon dioxide from off-gas. As the water vapor separation membrane 16, a membrane described in “Zi Tong et al.,“ Water vapor and CO2 transport through amine-containing facilitated transport membranes ”, Reactive & Functional Polymers (2014) can be used.

オフガス経路52を通るオフガスは、まず第1熱交換器21で冷却された後、水蒸気分離膜16において水蒸気及び二酸化炭素が除去されて、再生燃料ガスとなる。   The off-gas passing through the off-gas path 52 is first cooled by the first heat exchanger 21, and then the water vapor and carbon dioxide are removed from the water vapor separation membrane 16 to become regenerated fuel gas.

本実施形態では、水蒸気分離膜16により、オフガス中の水蒸気及び二酸化炭素が除去されるので、二酸化炭素除去部56(第4実施形態から第9実施形態)を別途設ける必要がない。このため、システムを更に簡素化することができる。   In the present embodiment, since the water vapor and carbon dioxide in the off-gas are removed by the water vapor separation membrane 16, it is not necessary to separately provide the carbon dioxide removing unit 56 (fourth to ninth embodiments). For this reason, the system can be further simplified.

他の部分については、第1実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof is omitted.

[実施例]
水蒸気を除去するために凝縮器を用いる従来例と比較して、本実施形態のように水蒸気分離膜を用いることで、再生燃料ガスの加熱幅を小さくすることができる。200℃で使用可能な水蒸気分離膜を用いて、オフガスから水のみを除去したと仮定すると、10kW級のSOFCシステムにおいて、210Wの熱的メリットが生じると試算された。また、回収した水を凝縮せず、水蒸気のまま改質用に燃料処理装置に供給したと仮定すると、10kW級のSOFCシステムにおいて、2.23kWの熱的メリットが生じると試算された。
[Example]
Compared to a conventional example using a condenser to remove water vapor, the heating width of the regenerated fuel gas can be reduced by using the water vapor separation membrane as in this embodiment. Assuming that only water was removed from off-gas using a water vapor separation membrane usable at 200 ° C., it was estimated that a thermal merit of 210 W would occur in a 10 kW class SOFC system. Further, assuming that the recovered water was not condensed and supplied to the fuel processor for reforming as steam, it was estimated that a thermal merit of 2.23 kW would occur in a 10 kW class SOFC system.

[他の実施形態]
以上、本発明の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although an example of the present invention has been described, the embodiment of the present invention is not limited to the above, and it can be implemented with various modifications within the scope not departing from the gist of the present invention. Of course.

燃料処理装置14が、水蒸気分離膜16で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質するものとしたが、他から供給される水蒸気を用いて改質を行ってもよい。   Although the fuel processing apparatus 14 reforms the raw material gas using the steam removed by the steam separation membrane 16, the reforming may be performed using steam supplied from another.

10…循環式燃料電池システム、11…燃料電池、14…燃料処理装置、16…水蒸気分離膜、16B…透過側、20…循環式燃料電池システム、21…第1熱交換器(熱交換器)、22…第2熱交換器(熱交換器)、30…循環式燃料電池システム、38…水、40…循環式燃料電池システム、50…循環式燃料電池システム、52…オフガス経路、56…二酸化炭素除去部、60…循環式燃料電池システム、70…循環式燃料電池システム、80…循環式燃料電池システム、90…循環式燃料電池システム、100…循環式燃料電池システム DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Circulating fuel cell system, 11 ... Fuel cell, 14 ... Fuel processing apparatus, 16 ... Steam separation membrane, 16B ... Permeation side, 20 ... Circulating fuel cell system, 21 ... 1st heat exchanger (heat exchanger) 22 ... second heat exchanger (heat exchanger), 30 ... circulating fuel cell system, 38 ... water, 40 ... circulating fuel cell system, 50 ... circulating fuel cell system, 52 ... off gas path, 56 ... dioxide Carbon removal section 60 ... circulating fuel cell system 70 ... circulating fuel cell system 80 ... circulating fuel cell system 90 ... circulating fuel cell system 100 ... circulating fuel cell system

Claims (7)

原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出され前記燃料電池において未反応の前記燃料ガスを含むオフガスから、水蒸気を気体の状態で除去する水蒸気分離膜と、
前記オフガスから前記水蒸気を除去した再生燃料ガスを前記燃料電池に供給する再生燃料ガス経路とを有し、
前記燃料処理装置は、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を用いて前記原料ガスを改質し、前記燃料ガスを生成する循環式燃料電池システム。
A fuel processing apparatus for generating a fuel gas containing hydrogen by steam reforming the raw material gas;
A fuel cell that generates power using the fuel gas supplied from the fuel processor;
A water vapor separation membrane that removes water vapor in a gaseous state from an off-gas containing the fuel gas that has been discharged from the fuel cell and has not reacted in the fuel cell;
A regenerated fuel gas path for supplying a regenerated fuel gas from which the water vapor has been removed from the off gas to the fuel cell;
The fuel processing apparatus is a circulating fuel cell system that generates the fuel gas by reforming the raw material gas using the water vapor removed by the water vapor separation membrane.
前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気は、気体のまま前記燃料処理装置での改質反応に用いられる請求項1に記載の循環式燃料電池システム。   The circulating fuel cell system according to claim 1, wherein the water vapor removed by the water vapor separation membrane is used in a reforming reaction in the fuel processing apparatus as a gas. 前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気は、ブロワを用いて、前記燃料処理装置に供給又は前記原料ガスに混入される請求項2に記載の循環式燃料電池システム。   The circulating fuel cell system according to claim 2, wherein the water vapor removed by the water vapor separation membrane is supplied to the fuel processing apparatus or mixed into the raw material gas using a blower. 前記水蒸気分離膜の透過側に前記原料ガスを流し、前記水蒸気分離膜で除去された前記水蒸気を前記原料ガスに直接混入して、前記燃料処理装置に供給する請求項2に記載の循環式燃料電池システム。   The circulating fuel according to claim 2, wherein the raw material gas is allowed to flow to the permeation side of the water vapor separation membrane, and the water vapor removed by the water vapor separation membrane is directly mixed into the raw material gas and supplied to the fuel processing apparatus. Battery system. 前記再生燃料ガス、前記原料ガス、空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水の少なくとも1つと前記オフガスとの間で熱交換を行い、前記オフガスを冷却すると共に前記再生燃料ガス、前記原料ガス、前記空気、前記水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した前記水の少なくとも1つを加熱する熱交換器を有する請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の循環式燃料電池システム。   The off-gas is cooled by performing heat exchange between at least one of the regenerated fuel gas, the raw material gas, air, the water vapor, and water condensed with the water vapor and the off gas, and the regenerated fuel gas and the raw material gas The circulating fuel cell system according to claim 1, further comprising a heat exchanger that heats at least one of the air, the water vapor, and the water condensed with the water vapor. 前記オフガスが流れるオフガス経路において、前記熱交換器の上流側及び下流側の少なくとも一方に設けられ、前記オフガス中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去部を有し、
前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである請求項5に記載の循環式燃料電池システム。
In the off-gas path through which the off-gas flows, the carbon dioxide removing unit is provided on at least one of the upstream side and the downstream side of the heat exchanger and removes carbon dioxide in the off-gas,
The circulating fuel cell system according to claim 5, wherein the regenerated fuel gas is obtained by removing the water vapor and the carbon dioxide from the off gas.
前記水蒸気分離膜が、前記オフガスから前記水蒸気及び二酸化炭素を除去するものであり、
前記再生燃料ガスは、前記オフガスから前記水蒸気及び前記二酸化炭素を除去したものである請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の循環式燃料電池システム。
The water vapor separation membrane removes the water vapor and carbon dioxide from the off gas;
The circulating fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the regenerated fuel gas is obtained by removing the water vapor and the carbon dioxide from the off-gas.
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