JP2016184551A - ガス製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】エネルギー効率をより高めたガス製造装置を提供する。
【解決手段】水素製造装置100は、供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとする水素分離部20と、水素分離部20から排出されるオフスペックガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池FCとを有する。オフスペックガスは、水素分離部20を起動させる際、または水素分離部20を停止させる際に水素分離部20から排出されるガスであって製品ガスよりも不純物の濃度が高いガスである。
【選択図】図1
【解決手段】水素製造装置100は、供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとする水素分離部20と、水素分離部20から排出されるオフスペックガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池FCとを有する。オフスペックガスは、水素分離部20を起動させる際、または水素分離部20を停止させる際に水素分離部20から排出されるガスであって製品ガスよりも不純物の濃度が高いガスである。
【選択図】図1
Description
本発明は、ガス精製部とガス精製部から排出されるオフスペックガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有するガス製造装置に関する。
昨今、天然ガスや都市ガス等を原料ガスとして、水素を現場(オンサイト)で製造する水素製造装置の開発が行われている。このような水素製造装置は、工業用途として、鋼板等の金属の光輝焼鈍やガラス製造に利用される他、燃料電池自動車に水素を補給する水素ステーションとして各地に設置されている。
このような水素製造装置の一例として、圧送装置により圧送される原料ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫後の原料ガスを水蒸気との混合状態で加熱して改質ガスを得る改質器と、改質器からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素リッチガスを得るCO変成器と、水素リッチガスから水素以外の不純物を分離して水素を精製する水素精製部(PSA方式を用いた装置)とを備えたものが知られている(特許文献1)。
水素製造装置では改質器における改質反応の促進のため、バーナ装置でのガスの燃焼により改質器が高温に保たれる。またPSA方式を用いた水素精製部では、ガスの圧送・吸着塔からの吸引等に電力が消費される。よって水素製造装置では更なるエネルギー効率の向上が求められている。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー効率をより高めたガス製造装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係るガス製造装置の特徴構成は、供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするガス精製部と、前記ガス精製部から排出されるオフスペックガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有し、前記オフスペックガスは、前記ガス精製部を起動させる際、または前記ガス精製部を停止させる際に前記ガス精製部から排出されるガスであって前記製品ガスよりも前記不純物の濃度が高いガスである点にある。
発明者らは鋭意検討の結果、ガス精製部の停止時または起動時にガス精製部から排出されるオフスペックガス(製品としての仕様を満たさないガス)に、燃料電池での発電反応に使用できる成分が含まれていることを見いだし、オフスペックガスを用いて燃料電池にて発電することで装置全体のエネルギー効率を高めることに思い至った。
上記の特徴構成によれば、ガス製造装置が、供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするガス精製部と、ガス精製部から排出されるオフスペックガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有し、オフスペックガスは、ガス精製部を起動させる際、またはガス精製部を停止させる際にガス精製部から排出されるガスであって製品ガスよりも不純物の濃度が高いガスであるので、オフスペックガスに残存している水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料電池での発電に使用可能な成分を無駄にすることなく電力に変換することができ、ガス製造装置のエネルギー利用効率を高めることができる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、原料ガスを加熱して改質ガスを得て、得られた改質ガスを前記ガス精製部へ供給する改質器と、燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段と、前記加熱手段にて生じる燃焼排ガスと前記オフスペックガスとを混合して前記燃料電池に供給するオフスペックガス混合部とを有し、前記燃料電池は前記オフスペックガス混合部にて混合された前記燃焼排ガスと前記オフスペックガスとを用いて発電する点にある。
固体酸化物形の燃料電池は、高効率であるが作動温度が高いので、これを作動温度まで昇温するために加熱を必要とする。上記の特徴構成によれば、原料ガスを加熱して改質ガスを得て、得られた改質ガスをガス精製部へ供給する改質器と、燃料ガスを燃焼させて改質器を加熱する加熱手段と、加熱手段にて生じる燃焼排ガスとオフスペックガスとを混合して燃料電池に供給するオフスペックガス混合部とを有し、燃料電池はオフスペックガス混合部にて混合された燃焼排ガスとオフスペックガスとを用いて発電するので、高温の燃焼排ガスとの混合により高温となったオフスペックガスが燃料電池に供給され、燃料電池に熱を与える。つまり燃焼排ガスの有する熱を燃料電池の加熱に利用できるから、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。
また燃焼排ガスには、燃焼の条件により、燃料電池での発電に使用可能な水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料成分が含まれることがある。上記の特徴構成によって燃焼排ガス中の成分をも燃料電池にて発電に利用できるので、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、原料ガスを加熱して改質ガスを得て、得られた改質ガスを前記ガス精製部へ供給する改質器と、燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段と、前記加熱手段にて生じる燃焼排ガスと前記オフスペックガスとを熱交換させて前記オフスペックガスを加熱するオフスペックガス熱交換器とを有する点にある。
上記の特徴構成によれば、原料ガスを加熱して改質ガスを得て、得られた改質ガスをガス精製部へ供給する改質器と、燃料ガスを燃焼させて改質器を加熱する加熱手段と、加熱手段にて生じる燃焼排ガスとオフスペックガスとを熱交換させてオフスペックガスを加熱するオフスペックガス熱交換器とを有するので、高温の燃焼排ガスとの熱交換により高温となったオフスペックガスが燃料電池に供給され、燃料電池に熱を与える。つまり燃焼排ガスの有する熱を燃料電池の加熱に利用できるから、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、原料ガスを加熱して改質ガスを得て、得られた改質ガスを前記ガス精製部へ供給する改質器と、燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段と、前記改質器と前記加熱手段と前記燃料電池とを内部に収納する改質炉と、前記改質炉に前記オフスペックガスを供給するオフスペックガス供給部とを有し、前記燃料電池は前記加熱手段にて生じる燃焼排ガスと前記オフスペックガスとを用いて発電する点にある。
上記の特徴構成によれば、原料ガスを加熱して改質ガスを得て、得られた改質ガスをガス精製部へ供給する改質器と、燃料ガスを燃焼させて改質器を加熱する加熱手段と、改質器と加熱手段と燃料電池とを内部に収納する改質炉と、改質炉にオフスペックガスを供給するオフスペックガス供給部とを有し、燃料電池は加熱手段にて生じる燃焼排ガスとオフスペックガスとを用いて発電するので、改質炉に充満する燃焼排ガスの有する熱を、外部への散逸を極力少なくして燃料電池に与えるとともに、燃焼排ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料成分を燃料電池にて発電に利用できるので、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。また、燃料電池を有するガス製造装置の構成を簡略化することができる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記オフスペックガスと前記燃料電池から排出される燃料電池排ガスとを熱交換させて前記オフスペックガスを加熱するオフスペックガス−燃料電池排ガス熱交換器を有する点にある。
固体酸化物形の燃料電池は作動時に高温となるので、燃料電池から排出される燃料電池排ガスも高温となる。上記の特徴構成によれば、オフスペックガスと燃料電池から排出される燃料電池排ガスとを熱交換させてオフスペックガスを加熱するオフスペックガス−燃料電池排ガス熱交換器を有するので、燃料電池排ガスが有する熱をオフスペックガスへと回収して燃料電池の加熱に活用でき、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記燃料電池に供給される酸素含有ガスと前記燃料電池から排出される燃料電池排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器を有する点にある。
上記の特徴構成によれば、燃料電池に供給される酸素含有ガスと燃料電池から排出される燃料電池排ガスとを熱交換させて酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器を有するので、燃料電池排ガスが有する熱を酸素含有ガスへと回収して燃料電池の加熱に活用でき、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記燃料電池に供給される酸素含有ガスと前記燃焼排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器を有する点にある。
上記の特徴構成によれば、燃料電池に供給される酸素含有ガスと燃焼排ガスとを熱交換させて酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器を有するので、燃焼排ガスが有する熱を酸素含有ガスへと回収して燃料電池の加熱に活用でき、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。
本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記ガス精製部は圧力変動吸着式ガス精製装置である点にある。
上記の特徴構成によれば、ガス精製部は圧力変動吸着式ガス精製装置であるから、製品ガスを高効率で精製すると共に、生じるオフスペックガスを燃料電池での発電に利用でき、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。
<第1実施形態>
以下、ガス製造装置の一例としての水素製造装置100について図1を参照しながら説明する。水素製造装置100は、改質部10と、水素分離部20と、燃料電池FCと、それらを制御する制御装置30等を有する。
以下、ガス製造装置の一例としての水素製造装置100について図1を参照しながら説明する。水素製造装置100は、改質部10と、水素分離部20と、燃料電池FCと、それらを制御する制御装置30等を有する。
〔改質部〕
改質部10は、炭化水素を含む原料ガス(例えば、メタンを主成分とする都市ガス13A)を改質して水素を含有する改質ガスを得る。改質部10は、圧縮機11にて圧縮された原料ガスを脱硫する脱硫器12と、脱硫後の原料ガスに水蒸気(純水)を混合し加熱して改質ガスを得る改質器13と、改質器13からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させるCO変成器17とを備える。
改質部10は、炭化水素を含む原料ガス(例えば、メタンを主成分とする都市ガス13A)を改質して水素を含有する改質ガスを得る。改質部10は、圧縮機11にて圧縮された原料ガスを脱硫する脱硫器12と、脱硫後の原料ガスに水蒸気(純水)を混合し加熱して改質ガスを得る改質器13と、改質器13からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させるCO変成器17とを備える。
脱硫器12には、Ni−Mo系、ZnO系等の脱硫触媒が充填されており、その脱硫触媒により、原料ガス中の付臭剤等の硫黄成分を除去している。これにより、原料ガスを、改質器13に充填された改質触媒を劣化させにくい性状としている。
改質器13は、改質器13に充填される改質触媒(例えば、ニッケル系触媒)を触媒活性温度に維持するべく、供給されるガス(燃料ガス)を燃焼させて改質触媒を加熱するバーナ装置14(加熱手段)を備えている。バーナ装置14には、後述する水素分離部20で生じるオフガスが燃料ガスとして供給される。そして改質器13とバーナ装置14とが、改質炉13aの内部に配置されている。バーナ装置14でのオフガスの燃焼により、約900℃の燃焼排ガスが生じる。なおバーナ装置14では供給されたオフガスと燃焼用空気とが混合されて、適切な空燃比とされて燃焼する。
改質器13に原料ガスを供給する流通路L2には、純水をその排ガスの熱により加熱する熱交換器15にて加熱され気化した水蒸気と原料ガスとを混合する混合部16が設けられており、原料ガスへの水蒸気の混合を促進している。
CO変成器17には、一酸化炭素変成触媒が充填され、改質ガス中の一酸化炭素が水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変換される。一酸化炭素変成触媒としては、高温用、中温用、低温用があり、運転温度に応じて適当なものが使用される。運転温度が300〜450℃の高温用触媒としては、例えば、鉄−クロム系触媒が挙げられ、運転温度が180〜450℃の中温用触媒、及び、190〜250℃の低温用触媒としては、例えば、銅−亜鉛系触媒が挙げられる。また、これら高温用、中温用、低温用の触媒は、2種以上を組み合わせて用いることができる。
CO変成器17での反応により、改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素およびメタンを含むと共に、その水素濃度が64〜96体積%の混合ガスとなり、約300℃程度でCO変成器17より排出され、熱交換器18にて冷却水と熱交換して降温した後、気液分離部19にて水蒸気等が除去された後、水素分離部20に導かれる。
即ち水素製造装置100にあっては、原料ガスが、図1に示すように、バルブV1を通過した後、圧縮機11にて圧送され、流通路L1を通流して脱硫器12に導かれ脱硫され、水蒸気を混合する混合部16が設けられる流通路L2を介して改質器13に導かれて改質され、流通路L3を通流してCO変成器17で変成され、熱交換器18が配設される流通路L4を介して気液分離部19に導かれた後、流通路L5を介して水素分離部20に導かれる。
バーナ装置14でのオフガスの燃焼により生じた燃焼排ガスは、流通路L13(燃焼排ガス路)を通じて改質炉13aから排出され、後述する燃料電池FCへ送られる。燃焼排ガスは、燃料電池FCでの発電に利用可能な水素、一酸化炭素、炭化水素等を含有する。
〔水素分離部〕
水素分離部20(ガス精製部)は、改質部10にて改質された改質ガスから水素以外の不純物を分離すべく、圧力スイング式吸着法(以下、PSA法と略称することがある)を実行可能な構成を採用している。すなわち水素分離部20(ガス精製部)は圧力変動吸着式ガス精製装置である。水素分離部20は、複数(本実施形態では3つ)の吸着塔20a、20b、20cと、オフガスタンク21とを備えている。
〔水素分離部〕
水素分離部20(ガス精製部)は、改質部10にて改質された改質ガスから水素以外の不純物を分離すべく、圧力スイング式吸着法(以下、PSA法と略称することがある)を実行可能な構成を採用している。すなわち水素分離部20(ガス精製部)は圧力変動吸着式ガス精製装置である。水素分離部20は、複数(本実施形態では3つ)の吸着塔20a、20b、20cと、オフガスタンク21とを備えている。
各吸着塔20a、20b、20cは、吸着材としてゼオライト系吸着材、活性炭、シリカゲルなどを組み合わせたものが充填されている。各吸着塔20a、20b、20cでは、吸着工程、減圧工程、パージ工程、及び昇圧工程のプロセスを、複数の吸着塔20a、20b、20cで位相を異ならせて実行することにより、水素リッチガスを製品水素(製品ガス)として供給可能に構成されている。詳細な説明は省略するが、上述のプロセスは、流通路に設けられる複数のバルブ(図示略)の開閉により、順次実行される。水素分離部20にて精製された、水素濃度が99.999体積%の水素リッチガスは、流通路L6を通じて製品ガスタンク23に貯留される。
一方、水素分離部20で水素が分離された後のオフガスは、各吸着塔20a、20b、20cにバルブV2を介して接続されたオフガスタンク21に一時貯留される。
〔オフスペックガス〕
水素分離部20(ガス精製部)で精製される製品水素(製品ガス)としては、水素濃度の下限値や一酸化炭素濃度の上限値などの、製品としての仕様が定められている。ここで水素分離部20を停止状態から起動させた際、しばらくの間は製品仕様を満たさないガス(オフスペックガス)が水素分離部20から排出される場合がある。そこで本実施形態では、流通路L6の製品ガスタンク23の上流側にオフスペックガスタンク22を接続し、水素分離部20の起動時に発生するオフスペックガスを貯留する。
水素分離部20(ガス精製部)で精製される製品水素(製品ガス)としては、水素濃度の下限値や一酸化炭素濃度の上限値などの、製品としての仕様が定められている。ここで水素分離部20を停止状態から起動させた際、しばらくの間は製品仕様を満たさないガス(オフスペックガス)が水素分離部20から排出される場合がある。そこで本実施形態では、流通路L6の製品ガスタンク23の上流側にオフスペックガスタンク22を接続し、水素分離部20の起動時に発生するオフスペックガスを貯留する。
具体的には、水素分離部20を起動させた際に、バルブV11を閉じてバルブV14を開いた状態でバルブV5を開き、各吸着塔20a、20b、20cから供給されるガス(オフスペックガス)をオフスペックガスタンク22に受け入れる。そして所定時間経過後、または排出されるガスが製品仕様を満たす状態となった後、バルブV14を閉じてバルブV11を開いて、排出されるガスを製品ガスタンク23に受け入れる。
また、水素分離部20の運転を停止させる際には、各吸着塔20a、20b、20cに製品ガスを供給して、各吸着塔に残留する不純物を追い出すパージ処理が行われる。その際に吸着塔から排出されるガスは、不純物を多く含むため製品仕様を満たさないオフスペックガスとなる場合がある。よってパージ処理の際に吸着塔から排出されるガスは、オフスペックガスタンク22に貯留される。
具体的には、水素分離部20を停止させる際に、バルブV11を閉じてバルブV14を開いた状態でバルブV5とバルブV12とを開き、製品ガスタンク23から製品ガスを各吸着塔20a、20b、20cに送り込む。そして各吸着塔20a、20b、20cから排出されるガスをオフスペックガスタンク22に受け入れる。所定時間経過後、バルブV5、バルブV11、バルブV12を閉じて、パージ処理を終了する。
オフスペックガスタンク22に貯留されたオフスペックガスは、製品としての仕様は満たさないものの、水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料電池で発電に利用可能な燃料成分を含む。そこで本実施形態では、オフスペックガスタンク22に貯留されたオフスペックガスを燃料電池FCに供給して発電を行う。
〔燃料電池〕
燃料電池FCは、水素分離部20(ガス精製部)から排出されたオフスペックガスを用いて発電する、固体酸化物形の燃料電池である。本実施形態ではオフスペックガスは、流通路L19および流通路L20を通じて、オフスペックガスタンク22から燃料電池FCに供給される。
燃料電池FCは、水素分離部20(ガス精製部)から排出されたオフスペックガスを用いて発電する、固体酸化物形の燃料電池である。本実施形態ではオフスペックガスは、流通路L19および流通路L20を通じて、オフスペックガスタンク22から燃料電池FCに供給される。
本実施形態で用いられる燃料電池FCは固体酸化物形であって、酸化物イオン伝導性をもつ固体酸化物の緻密体からなる電解質膜の一方面側に、酸化物イオンおよび電子伝導性の多孔体からなる空気極を接合し、他方面側に電子伝導性の多孔体からなる燃料極を接合してなる単セルを複数積層してなる。そして、空気極に空気(酸素含有ガス)を供給し、燃料極に水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料を含んだガスを供給し、700℃程度の作動温度で動作させる。すると、空気極において酸素分子O2が電子e-と反応して酸素分子イオンO2-が生成され、その酸素分子イオンO2-が電解質膜を通って燃料極に移動し、燃料極において供給された燃料の分子が酸素分子イオンO2-と反応することで、燃料極と空気極との間に起電力Eが発生し、その起電力Eを外部に取り出し利用することができる。
燃料電池FCの燃料極に供給されるオフスペックガスは、オフスペックガスタンク22から流通路L19を通って熱交換器28に送られ、熱交換器28にて燃料電池FCから排出されたアノード排ガス(燃料電池排ガス)から熱を受け取り、加熱される。そして熱交換器28にて高温となったオフスペックガスは流通路L20を通って混合弁V17(オフスペックガス混合部)に送られ、混合弁V17にて改質炉13aからの燃焼排ガスと混合される。
燃焼排ガスと混合されたオフスペックガスは、熱交換器26にてブロア24からの空気と熱交換した後、燃料電池FCの燃料極へ供給される。そして燃料電池FCにて発電反応に用いられた後は、流通路L14からアノード排ガスとして排出される。
燃料電池FCの空気極には、ブロア24からの空気が流通路L15を通って供給される。流通路L15には熱交換器25と熱交換器26とが設けられている。ブロア24からの空気は、熱交換器25にて燃料電池FCから排出されたカソード排ガスと熱交換して加熱され、熱交換器26にて、バーナ装置14での燃焼排ガスと熱交換して加熱される。そして燃料電池FCにて発電反応に用いられた後は、熱交換器25でブロア24からの空気に熱を与えてから、流通路L16を通ってカソード排ガスとして排出される。
すなわち第1実施形態に係る水素製造装置100は、オフスペックガスと燃料電池FCから排出されるアノード排ガス(燃料電池排ガス)とを熱交換させてオフスペックガスを加熱する熱交換器28(オフスペックガス−燃料電池排ガス熱交換器)を有する。また水素製造装置100は、燃料電池FCに供給される空気(酸素含有ガス)と燃料電池から排出されるカソード排ガス(燃料電池排ガス)とを熱交換させて空気を加熱する熱交換器25(酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器)を有する。さらに水素製造装置100は、燃料電池FCに供給される空気(酸素含有ガス)と燃焼排ガスとを熱交換させて空気を加熱する熱交換器26(酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器)を有する。
<第2実施形態>
上述の第1実施形態では、水素分離部20からのオフスペックガスは燃焼排ガスと混合されて燃料電池FCに供給される。第2実施形態では、オフスペックガスは燃焼排ガスと混合されず、燃焼排ガスおよびアノード排ガスとの熱交換で加熱された後、燃料電池FCの燃料極に供給される。以下、図2を参照して第2実施形態に係る水素製造装置100について説明するが、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
上述の第1実施形態では、水素分離部20からのオフスペックガスは燃焼排ガスと混合されて燃料電池FCに供給される。第2実施形態では、オフスペックガスは燃焼排ガスと混合されず、燃焼排ガスおよびアノード排ガスとの熱交換で加熱された後、燃料電池FCの燃料極に供給される。以下、図2を参照して第2実施形態に係る水素製造装置100について説明するが、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
燃料電池FCの燃料極に供給されるオフスペックガスは、オフスペックガスタンク22から流通路L19を通って熱交換器52に送られ、熱交換器52にて改質炉13aから排出された燃焼排ガスから熱を受け取り、加熱される。次いでオフスペックガスは熱交換器28に送られ、熱交換器28にて燃料電池FCから排出されたアノード排ガス(燃料電池排ガス)から熱を受け取り、加熱される。高温となったオフスペックガスは流通路L20を通って燃料電池FCの燃料極へ供給される。そして燃料電池FCにて発電反応に用いられた後は、流通路L14からアノード排ガスとして排出される。
燃料電池FCの空気極には、ブロア24からの空気が流通路L15を通って供給される。流通路L15には熱交換器25と熱交換器26とが設けられている。ブロア24からの空気は、熱交換器26にて、バーナ装置14で発生した燃焼排ガスと熱交換して加熱され、熱交換器25にて燃料電池FCから排出されたカソード排ガスと熱交換して加熱される。そして燃料電池FCにて発電反応に用いられた後は、熱交換器25でブロア24からの空気に熱を与えてから、流通路L16を通ってカソード排ガスとして排出される。
すなわち第2実施形態に係る水素製造装置100は、バーナ装置14(加熱手段)にて生じる燃焼排ガスとオフスペックガスとを熱交換させてオフスペックガスを加熱する熱交換器52(オフスペックガス熱交換器)と、オフスペックガスと燃料電池FCから排出されるアノード排ガス(燃料電池排ガス)とを熱交換させてオフスペックガスを加熱する熱交換器28(オフスペックガス−燃料電池排ガス熱交換器)を有する。また水素製造装置100は、燃料電池FCに供給される空気(酸素含有ガス)と燃料電池から排出されるカソード排ガス(燃料電池排ガス)とを熱交換させて空気を加熱する熱交換器25(酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器)を有する。さらに水素製造装置100は、燃料電池FCに供給される空気(酸素含有ガス)と燃焼排ガスとを熱交換させて空気を加熱する熱交換器26(酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器)を有する。
なお第2実施形態に係る水素製造装置100では、オフスペックガスを燃焼排ガスと混合せずに燃料電池FCへ供給している。そのため、第1実施形態(オフスペックガスを燃焼排ガスと混合して燃料電池FCへ供給)に比べて燃料成分の濃度の高いガスを燃料電池FCに供給することができる。これにより、燃料電池FCをコンパクトにすることができる。
<第3実施形態>
上述の第1実施形態では、燃料電池FCは改質炉13aの外部に設けられ、バーナ装置14にて生じる燃焼排ガスは流通路L14を通じて燃料電池FCへ供給される。第3実施形態では、燃料電池FCは改質炉13aの内部に設けられ、改質炉13aにノズル42からオフスペックガスが供給される。以下、図3を参照して第3実施形態に係る水素製造装置100について説明するが、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
上述の第1実施形態では、燃料電池FCは改質炉13aの外部に設けられ、バーナ装置14にて生じる燃焼排ガスは流通路L14を通じて燃料電池FCへ供給される。第3実施形態では、燃料電池FCは改質炉13aの内部に設けられ、改質炉13aにノズル42からオフスペックガスが供給される。以下、図3を参照して第3実施形態に係る水素製造装置100について説明するが、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
改質部10は、改質器13とバーナ装置14(加熱手段)と燃料電池FCとを内部に収納する改質炉13aを有する。改質炉13aにノズル42が配置され、オフスペックガスタンク22から送られたオフスペックガスがノズル42から改質炉13aの内部に供給される。
改質炉13aに供給されるオフスペックガスは、オフスペックガスタンク22から流通路L19を通って熱交換器28に送られ、熱交換器28にて改質炉13aから排出された排ガスから熱を受け取り、加熱される。そして流通路L20を通ってノズル42から改質炉13aの内部へと噴出される。
改質炉13aでは、バーナ装置14でのオフガスの燃焼により改質器13が改質反応に適した900℃程度の温度とされ、またオフガスの燃焼により高温の燃焼排ガスが生じている。ノズル42から改質炉13aの内部へ噴出されたオフスペックガスは、燃焼排ガスと混合して高温のガスとなっている。改質炉13aの内部に配置された燃料電池FCは周囲のガスから熱を受け、燃料電池の反応に適した700℃〜900℃の温度となる。そして燃料電池FCは、周囲のガスに含まれる燃料(水素、一酸化炭素、炭化水素等)と酸素とを利用して発電を行う。なお、改質炉13aに外部から空気を供給するノズルを設けて、燃料電池FCでの発電に必要な酸素を補うように構成してもよい。
<別実施形態>
(1)第1実施形態では、熱交換器25が流通路L16に設けられて、ブロア24から供給される空気が熱交換器25にてカソード排ガスにより加熱されたが、熱交換器を流通路L14に設けて、ブロア24から供給される空気がアノード排ガス(燃料電池排ガス)により加熱されるよう構成してもよい。
(1)第1実施形態では、熱交換器25が流通路L16に設けられて、ブロア24から供給される空気が熱交換器25にてカソード排ガスにより加熱されたが、熱交換器を流通路L14に設けて、ブロア24から供給される空気がアノード排ガス(燃料電池排ガス)により加熱されるよう構成してもよい。
(2)上述の実施形態では、アノード排ガス、カソード排ガス、燃焼排ガスからの排熱を回収する熱交換器を設けたが、排熱回収を行わない構成も可能である。
(3)上述の実施形態ではオフスペックガスが発生する場合について、水素分離部20を起動または停止させる際の態様を説明したが、水素製造装置100全体を起動または停止させる際にもオフスペックガスが発生する場合がある。
なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
13 :改質器
13a :改質炉
14 :バーナ装置(加熱手段)
20 :水素分離部(ガス精製部、圧力変動吸着式ガス精製装置)
25 :熱交換器(酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器)
26 :熱交換器(酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器)
28 :熱交換器(オフスペックガス−燃料電池排ガス熱交換器)
42 :ノズル(オフスペックガス供給部)
52 :熱交換器(オフスペックガス熱交換器)
100 :水素製造装置(ガス製造装置)
FC :燃料電池
V17 :混合弁(オフスペックガス混合部)
13a :改質炉
14 :バーナ装置(加熱手段)
20 :水素分離部(ガス精製部、圧力変動吸着式ガス精製装置)
25 :熱交換器(酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器)
26 :熱交換器(酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器)
28 :熱交換器(オフスペックガス−燃料電池排ガス熱交換器)
42 :ノズル(オフスペックガス供給部)
52 :熱交換器(オフスペックガス熱交換器)
100 :水素製造装置(ガス製造装置)
FC :燃料電池
V17 :混合弁(オフスペックガス混合部)
Claims (8)
- 供給されたガスから不純物を分離して精製し製品ガスとするガス精製部と、前記ガス精製部から排出されるオフスペックガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有し、前記オフスペックガスは、前記ガス精製部を起動させる際、または前記ガス精製部を停止させる際に前記ガス精製部から排出されるガスであって前記製品ガスよりも前記不純物の濃度が高いガスであるガス製造装置。
- 原料ガスを加熱して改質ガスを得て、得られた改質ガスを前記ガス精製部へ供給する改質器と、燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段と、前記加熱手段にて生じる燃焼排ガスと前記オフスペックガスとを混合して前記燃料電池に供給するオフスペックガス混合部とを有し、前記燃料電池は前記オフスペックガス混合部にて混合された前記燃焼排ガスと前記オフスペックガスとを用いて発電する請求項1に記載のガス製造装置。
- 原料ガスを加熱して改質ガスを得て、得られた改質ガスを前記ガス精製部へ供給する改質器と、燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段と、前記加熱手段にて生じる燃焼排ガスと前記オフスペックガスとを熱交換させて前記オフスペックガスを加熱するオフスペックガス熱交換器とを有する請求項1に記載のガス製造装置。
- 原料ガスを加熱して改質ガスを得て、得られた改質ガスを前記ガス精製部へ供給する改質器と、燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段と、前記改質器と前記加熱手段と前記燃料電池とを内部に収納する改質炉と、前記改質炉に前記オフスペックガスを供給するオフスペックガス供給部とを有し、前記燃料電池は前記加熱手段にて生じる燃焼排ガスと前記オフスペックガスとを用いて発電する請求項1に記載のガス製造装置。
- 前記オフスペックガスと前記燃料電池から排出される燃料電池排ガスとを熱交換させて前記オフスペックガスを加熱するオフスペックガス−燃料電池排ガス熱交換器を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス製造装置。
- 前記燃料電池に供給される酸素含有ガスと前記燃料電池から排出される燃料電池排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器を有する請求項2または3に記載のガス製造装置。
- 前記燃料電池に供給される酸素含有ガスと前記燃焼排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器を有する請求項2または3に記載のガス製造装置。
- 前記ガス精製部は圧力変動吸着式ガス精製装置である請求項1〜7のいずれか1項に記載のガス製造装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015065313A JP2016184551A (ja) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | ガス製造装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2015065313A JP2016184551A (ja) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | ガス製造装置 |
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JP2016184551A true JP2016184551A (ja) | 2016-10-20 |
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ID=57241936
Family Applications (1)
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JP2015065313A Pending JP2016184551A (ja) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | ガス製造装置 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2016184551A (ja) |
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2015
- 2015-03-26 JP JP2015065313A patent/JP2016184551A/ja active Pending
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