JP2016186929A - Fuel cell system - Google Patents

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翼 清水
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide means enabling improvement in energy utilization efficiency in utilizing coal mine methane gas or the like.SOLUTION: A fuel cell system 100 includes: a solid oxide type fuel cell FC including a fuel electrode, an air electrode and an electrolyte; a flow path L52 supplying off gas containing a fuel component and oxygen to the fuel electrode; and a flow path L53 supplying anode exhaust gas exhausted from the fuel electrode to the air electrode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体酸化物形の燃料電池を有する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system having a solid oxide fuel cell.

昨今、炭鉱から排出されるメタンガスの利用が進んでいる。この炭鉱メタンガス（Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｍｅｔｈａｎｅ、ＣＭＭガス）は、炭鉱での石炭採掘時に炭層およびその周辺から湧出するメタンガスのことをいい、１５％〜５０％程度のメタンガスを含んでいる。   Recently, the use of methane gas discharged from coal mines is progressing. This coal mine methane gas (Cal Mine Methane, CMM gas) refers to methane gas that springs from the coal seam and its surroundings when mining coal in the coal mine, and contains about 15% to 50% methane gas.

炭鉱で収集された炭鉱メタンガスは種々の濃縮装置で濃縮され、高濃度メタンガスとして出荷・利用される。特許文献１には、炭鉱メタンガスをＰＳＡ法により濃縮するメタンガス濃縮方法、メタン濃縮装置が記載されている。   Coal mine methane gas collected at the coal mine is concentrated by various concentrators and shipped and used as high-concentration methane gas. Patent Document 1 describes a methane gas concentration method and a methane concentration device for concentrating coal mine methane gas by the PSA method.

特開２０１４−１６９３８３号公報JP 2014-169383 A

ＰＳＡ方式を用いたメタン濃縮装置では、ガスの圧送・吸着塔からの吸引等に電力が消費される。よってメタン製造装置では、更なるエネルギー効率の向上が求められている。   In the methane concentrator using the PSA method, electric power is consumed for gas pumping and suction from an adsorption tower. Therefore, further improvement in energy efficiency is required in the methane production apparatus.

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、炭鉱メタンガス等を利用するにあたってエネルギー利用効率を向上しうる手段を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the above-mentioned subject, The objective is to provide the means which can improve energy utilization efficiency, when utilizing coal mine methane gas etc.

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、燃料極と空気極と電解質とを有する固体酸化物形の燃料電池と、燃料成分と酸素とを含有する燃料ガスを前記燃料極に供給する第１ガス供給部と、前記燃料極から排出する燃料極排ガスを前記空気極に供給する第２ガス供給部とを有する点にある。   In order to achieve the above object, the fuel cell system according to the present invention includes a solid oxide fuel cell having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte, and a fuel gas containing a fuel component and oxygen. It has the point which has the 1st gas supply part supplied to a fuel electrode, and the 2nd gas supply part which supplies the fuel electrode exhaust gas discharged | emitted from the said fuel electrode to the said air electrode.

発明者らは鋭意検討の結果、炭鉱メタンガスの濃縮工程において排出されるオフガスや、炭鉱からの空調排気ガス（ＶＡＭ）に、燃料電池の発電反応における燃料成分としてのメタンと、酸化剤成分としての酸素とが共に含まれていることを見いだした。そしてこれを燃料電池での発電に用いることで、エネルギー効率を高めることに思い至った。   As a result of intensive studies, the inventors have developed methane as a fuel component in the power generation reaction of a fuel cell and oxidant component as an oxidant component in off-gas exhausted in the coal mine methane gas concentration process and air-conditioning exhaust gas (VAM) from the coal mine. I found that oxygen was included together. And I came up with the idea of using this for power generation in fuel cells to increase energy efficiency.

上記の特徴構成によれば、燃料極と空気極と電解質とを有する固体酸化物形の燃料電池と、燃料成分と酸素とを含有する燃料ガスを前記燃料極に供給する第１ガス供給部と、前記燃料極から排出する燃料極排ガスを前記空気極に供給する第２ガス供給部とを有するので、上述のオフガスや空調排気ガスを燃料電池で利用して、高いエネルギー効率で電力を生み出すことができる。   According to the above characteristic configuration, the solid oxide fuel cell having the fuel electrode, the air electrode, and the electrolyte, and the first gas supply unit that supplies the fuel electrode containing the fuel component and oxygen to the fuel electrode. And a second gas supply unit that supplies the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode to the air electrode, so that the off-gas and air-conditioning exhaust gas described above are used in the fuel cell to generate electric power with high energy efficiency. Can do.

説明すると、炭鉱メタンガスの濃縮工程で生じるオフガスや、炭鉱からの空調排気ガス（以下これらを「炭鉱排ガス」と総称する。）には酸素が含まれるから、炭鉱排ガスを燃料電池の燃料極で使用した後の燃料極排ガスにも、依然として酸素が含まれる。そこで第２ガス供給部により燃料極排ガスを空気極に供給することで、高温である燃料極排ガスの有する熱を燃料電池で有効利用することができ、高いエネルギー効率で電力を生み出すことができる。加えて、空気極への気体供給に係る構成を簡素化することも可能となる。なお本発明は炭鉱排ガスの有効利用の観点から着想を得たものであるが、燃料成分と酸素とを含有するガスを利用する限りにおいてあらゆるガスに適用可能である。   To explain, since off-gas generated in the coal mine methane gas concentration process and air-conditioning exhaust gas from the coal mine (hereinafter collectively referred to as “coal mine exhaust gas”) contain oxygen, the coal mine exhaust gas is used at the fuel electrode of the fuel cell. The fuel electrode exhaust gas after the treatment still contains oxygen. Therefore, by supplying the fuel electrode exhaust gas to the air electrode by the second gas supply unit, the heat of the fuel electrode exhaust gas having a high temperature can be effectively used in the fuel cell, and electric power can be generated with high energy efficiency. In addition, the configuration relating to the gas supply to the air electrode can be simplified. The present invention has been conceived from the viewpoint of effective utilization of coal mine exhaust gas, but can be applied to any gas as long as a gas containing a fuel component and oxygen is used.

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記燃料ガスは酸素を１５体積％以上含有する点にある。   Another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is that the fuel gas contains 15% by volume or more of oxygen.

上記の特徴構成によれば、前記燃料ガスは酸素を１５体積％以上含有するので、燃料ガスを燃料電池の燃料極で使用した後の燃料極排ガスに十分な量の酸素が含有される。よって、より高いエネルギー効率で電力を生み出すことができる。   According to the above characteristic configuration, since the fuel gas contains 15% by volume or more of oxygen, a sufficient amount of oxygen is contained in the fuel electrode exhaust gas after the fuel gas is used at the fuel electrode of the fuel cell. Therefore, electric power can be generated with higher energy efficiency.

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、炭鉱メタンガスを濃縮して製品ガスを精製すると共に、メタンと酸素とを含有するオフガスを前記第１ガス供給部に供給するガス精製部を有し、前記第１ガス供給部は前記オフガスを前記燃料ガスとして前記燃料極に供給する点にある。   Another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention includes a gas purification unit that concentrates the coal mine methane gas to purify the product gas and supplies an off-gas containing methane and oxygen to the first gas supply unit. The first gas supply unit supplies the off gas as the fuel gas to the fuel electrode.

上記の特徴構成によれば、炭鉱メタンガスを濃縮して製品ガスを精製すると共に、メタンと酸素とを含有するオフガスを前記第１ガス供給部に供給するガス精製部を有し、前記第１ガス供給部は前記オフガスを前記燃料ガスとして前記燃料極に供給するので、従来利用されず廃棄されていたオフガスを利用して燃料電池で発電することができ、より高いエネルギー効率で電力を生み出すことができる。   According to said characteristic structure, it has a gas purification part which concentrates coal mine methane gas and refine | purifies product gas, and supplies the offgas containing methane and oxygen to said 1st gas supply part, Said 1st gas Since the supply unit supplies the off-gas to the fuel electrode as the fuel gas, the off-gas that has not been used and discarded in the past can be used to generate power in the fuel cell, thereby generating electric power with higher energy efficiency. it can.

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記ガス濃縮部はメタンを吸着する吸着塔を有し、ＰＳＡ法により前記製品ガスを精製する点にある。   Another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is that the gas concentrating unit has an adsorption tower for adsorbing methane, and purifies the product gas by the PSA method.

上記の特徴構成によれば、前記ガス精製部はメタンを吸着する吸着塔を有し、ＰＳＡ法により前記製品ガスを精製するので、炭鉱メタンガスを高効率で精製すると共に、生じるオフガスを燃料電池での発電に利用でき、より高いエネルギー効率で電力を生み出すことができる。   According to said characteristic structure, since the said gas refinement | purification part has the adsorption tower which adsorb | sucks methane, and refine | purifies the said product gas by PSA method, while refine | purifying coal mine methane gas with high efficiency, the generated off gas is a fuel cell. It can be used for power generation and can generate power with higher energy efficiency.

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記第１ガス供給部は、炭鉱からの空調排気ガスを前記燃料ガスとして前記燃料極に供給する点にある。   Another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is that the first gas supply unit supplies air-conditioning exhaust gas from a coal mine to the fuel electrode as the fuel gas.

上記の特徴構成によれば、前記第１ガス供給部は、炭鉱からの空調排気ガスを前記燃料ガスとして前記燃料極に供給するので、従来利用されず廃棄されていた空調排気ガスを利用して燃料電池で発電することができ、より高いエネルギー効率で電力を生み出すことができる。   According to said characteristic structure, since the said 1st gas supply part supplies the air-conditioning exhaust gas from a coal mine to the said fuel electrode as the said fuel gas, it utilizes the air-conditioning exhaust gas which was not used conventionally but was discarded. Electricity can be generated by the fuel cell, and electric power can be generated with higher energy efficiency.

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記燃料ガスと前記燃料極排ガスとを熱交換させて前記燃料ガスを加熱する燃料ガス−燃料極排ガス熱交換器を有する点にある。   Another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is that it has a fuel gas-fuel electrode exhaust gas heat exchanger that heats the fuel gas by exchanging heat between the fuel gas and the fuel electrode exhaust gas.

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極排ガスも高温となる。上記の特徴構成によれば、前記燃料ガスと前記燃料極排ガスとを熱交換させて前記燃料ガスを加熱する燃料ガス−燃料極排ガス熱交換器を有するので、燃料極排ガスが有する熱を燃料ガスへと回収して燃料電池の加熱に活用でき、より高いエネルギー効率で電力を生み出すことができる。   Since the solid oxide fuel cell becomes hot during operation, the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel cell also becomes hot. According to the above characteristic configuration, the fuel gas-fuel electrode exhaust gas heat exchanger that heats the fuel gas by exchanging heat between the fuel gas and the fuel electrode exhaust gas has the fuel gas-fuel electrode exhaust gas heat exchanger. It can be recovered and used to heat the fuel cell, and can generate electricity with higher energy efficiency.

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記燃料極排ガスから受けた熱を蓄えて、蓄えた熱を前記燃料ガスに与える第１蓄熱体および第２蓄熱体を有し、
前記第１ガス供給部が前記第１蓄熱体を通じて前記燃料ガスを前記燃料極に供給し、前記第１蓄熱体が蓄えた熱を前記燃料ガスに与え、前記第２ガス供給部が前記第２蓄熱体を通じて前記燃料極排ガスを前記空気極に供給し、前記第２蓄熱体が前記燃料極排ガスから受けた熱を蓄える第１蓄熱運転と、
前記第１ガス供給部が前記第２蓄熱体を通じて前記燃料ガスを前記燃料極に供給し、前記第２蓄熱体が蓄えた熱を前記燃料ガスに与え、前記第２ガス供給部が前記第１蓄熱体を通じて前記燃料極排ガスを前記空気極に供給し、前記第１蓄熱体が前記燃料極排ガスから受けた熱を蓄える第２蓄熱運転とを行う点にある。 Another characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention includes a first heat storage body and a second heat storage body that store heat received from the fuel electrode exhaust gas and give the stored heat to the fuel gas,
The first gas supply unit supplies the fuel gas to the fuel electrode through the first heat storage body, applies heat stored in the first heat storage body to the fuel gas, and the second gas supply unit performs the second operation. A first heat storage operation in which the fuel electrode exhaust gas is supplied to the air electrode through a heat storage body, and the second heat storage body stores heat received from the fuel electrode exhaust gas;
The first gas supply unit supplies the fuel gas to the fuel electrode through the second heat storage body, applies heat stored in the second heat storage body to the fuel gas, and the second gas supply unit includes the first gas supply unit. The fuel electrode exhaust gas is supplied to the air electrode through a heat storage body, and the second heat storage operation is performed in which the first heat storage body stores heat received from the fuel electrode exhaust gas.

上記の特徴構成によれば、２つの蓄熱体を用いて第１蓄熱運転と第２蓄熱運転とを行うことにより、燃料極排ガスが有する熱を燃料ガスに与えることができ、より高いエネルギー効率で電力を生み出すことができる。   According to said characteristic structure, the heat which fuel electrode exhaust gas has can be given to fuel gas by performing a 1st heat storage operation and a 2nd heat storage operation using two heat storage bodies, and with higher energy efficiency It can generate electricity.

第１実施形態に係る燃料電池システムの説明図Explanatory drawing of the fuel cell system according to the first embodiment 第２実施形態に係る燃料電池システムおよび第１蓄熱運転の説明図Explanatory drawing of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment, and 1st heat storage driving | operation 第２実施形態に係る第２蓄熱運転の説明図Explanatory drawing of the 2nd thermal storage driving | operation which concerns on 2nd Embodiment.

＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態に係る燃料電池システム１００について図１を参照しながら説明する。燃料電池システム１００は、炭鉱ＣＭから排出される炭鉱メタンガスを、ガス精製部２０にて精製し、その際に精製するオフガスを用いて燃料電池ＦＣにて発電する。これら一連の動作が制御装置３０により制御される。 <First Embodiment>
The fuel cell system 100 according to the first embodiment will be described below with reference to FIG. In the fuel cell system 100, coal mine methane gas discharged from the coal mine CM is purified by the gas purification unit 20, and power is generated by the fuel cell FC using the off-gas purified at that time. A series of these operations is controlled by the control device 30.

〔炭鉱〕
炭鉱ＣＭの石炭層には、石炭の生成過程で生じたメタンガスが含有されており、石炭の採掘が進むにつれて石炭層およびその周辺からメタンガスが湧き出す。これを炭鉱メタンガスＣＭＭ（Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｍｅｔｈａｎｅ）と呼ぶ。炭鉱メタンガスＣＭＭには、１５％〜５０％程度のメタンガスが含まれている。炭鉱ＣＭでは、湧出した炭鉱メタンガスＣＭＭが集められ、流通路Ｌ５１にてガス精製部２０に送られる。 [Coal mine]
The coal layer of the coal mine CM contains methane gas generated in the coal production process, and methane gas springs out from the coal layer and its surroundings as the mining of coal proceeds. This is called coal mine methane gas CMM (Coal Mine Methane). Coal mine methane gas CMM contains about 15% to 50% methane gas. In the coal mine CM, the coal mine methane gas CMM that has come out is collected and sent to the gas purification unit 20 through the flow path L51.

なお炭鉱ＣＭでは、坑内の安全確保のために地上から新鮮な空気が坑内に供給され、坑内の空気が空調排気ガスＶＡＭ（Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ Ａｉｒ Ｍｅｔｈａｎｅ）として外部に排出される。   In the coal mine CM, fresh air is supplied from the ground to ensure safety in the mine, and the air in the mine is discharged to the outside as air conditioning exhaust gas VAM (Ventilation Air Methane).

〔ガス精製部〕
ガス精製部２０は、炭鉱ＣＭから送られた炭鉱メタンガスＣＭＭからメタン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。すなわちガス精製部２０は圧力変動吸着式ガス精製装置である。ガス精製部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。 [Gas purification section]
The gas refining unit 20 employs a configuration capable of performing a pressure swing adsorption method (hereinafter sometimes abbreviated as PSA method) in order to separate impurities other than methane from the coal mine methane gas CMM sent from the coal mine CM. ing. That is, the gas purification unit 20 is a pressure fluctuation adsorption type gas purification device. The gas purification unit 20 includes a plurality (three in this embodiment) of adsorption towers 20 a, 20 b, 20 c and an off-gas tank 21.

各吸着塔２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、メタンガスを吸着する吸着材として、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、メタン濃度の高い製品ガスを外部に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。ガス精製部２０にて精製された、メタン濃度が５０％以上の製品ガスは、流通路Ｌ６のバルブＶ５を介して、製品ガスとして供給される。   Each of the adsorption towers 20a, 20b, and 20c is filled with a combination of a zeolitic adsorbent, activated carbon, silica gel, or the like as an adsorbent that adsorbs methane gas. In each of the adsorption towers 20a, 20b, and 20c, the processes of the adsorption process, the pressure reduction process, the purge process, and the pressure increase process are executed with different phases in the plurality of adsorption towers 20a, 20b, and 20c, so that the methane concentration is high. Product gas can be supplied to the outside. Although detailed explanation is omitted, the above-described process is sequentially executed by opening and closing a plurality of valves (not shown) provided in the flow passage. The product gas purified by the gas purification unit 20 and having a methane concentration of 50% or more is supplied as a product gas via the valve V5 of the flow path L6.

一方、ガス精製部２０でメタン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。オフガスタンク２１に貯留されたオフガスは、燃料電池ＦＣでの発電反応における燃料成分としてのメタンと、酸化剤成分としての酸素とが共に含まれている。次の表１に、炭鉱メタンガスＣＭＭを圧力変動吸着式ガス精製装置であるガス精製部２０にて精製した際に生じるオフガスの組成の一例を示す。   On the other hand, the off-gas after the methane is separated in the gas purification unit 20 is temporarily stored in an off-gas tank 21 connected to each adsorption tower 20a, 20b, 20c via a valve V2. The off gas stored in the off gas tank 21 contains both methane as a fuel component and oxygen as an oxidant component in a power generation reaction in the fuel cell FC. Table 1 below shows an example of an off-gas composition generated when the coal mine methane gas CMM is purified by the gas purification unit 20 which is a pressure fluctuation adsorption type gas purification device.

Figure 2016186929
Figure 2016186929

表１に示される通り、オフガスには燃料電池ＦＣでの発電反応における燃料成分としてのメタンが１．５％、酸化剤成分としての酸素が２０．７％含まれている。   As shown in Table 1, the off-gas contains 1.5% methane as a fuel component and 20.7% oxygen as an oxidant component in a power generation reaction in the fuel cell FC.

オフガスタンク２１に貯留されたオフガスは、流通路Ｌ５２を介して燃料電池ＦＣへと導かれ、燃料電池ＦＣでの発電反応に利用される。   The off gas stored in the off gas tank 21 is guided to the fuel cell FC via the flow path L52 and used for the power generation reaction in the fuel cell FC.

〔燃料電池〕
燃料電池ＦＣは、ガス精製部２０から排出されたオフ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ガスは、流通路Ｌ５２を通じてオフガスタンク２１から燃料電池ＦＣに供給される。 〔Fuel cell〕
The fuel cell FC is a solid oxide fuel cell that generates electric power using off-gas discharged from the gas purification unit 20. In the present embodiment, the off gas is supplied from the off gas tank 21 to the fuel cell FC through the flow path L52.

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が発生し、その起電力を外部に取り出し利用することができる。 The fuel cell FC used in the present embodiment is in the form of a solid oxide, and on one side of an electrolyte membrane composed of a solid oxide dense body having oxide ion conductivity, an oxide ion and electron conductive porous A plurality of single cells are formed by joining an air electrode made of a body and joining a fuel electrode made of an electron conductive porous body on the other side. Then, air (oxygen-containing gas) is supplied to the air electrode, and a gas containing fuel such as hydrogen, carbon monoxide, or hydrocarbon is supplied to the fuel electrode and operated at an operating temperature of about 700 ° C. Then, oxygen molecules O 2 in the air electrode is an electron e - is reacted with 2-oxygen molecular ion O and generated, the oxygen molecular ion O 2- passes through the electrolyte membrane to move to the fuel electrode, supplying the fuel electrode The generated fuel molecules react with the oxygen molecular ions O 2− , so that an electromotive force is generated between the fuel electrode and the air electrode, and the electromotive force can be taken out and used.

燃料電池ＦＣの燃料極に供給されるオフガスは、オフガスタンク２１から流通路Ｌ５２を通って熱交換器５１に送られ、熱交換器５１にて燃料電池ＦＣから排出されたカソード排ガス（燃料電池排ガス）から熱を受け取り、加熱される。次にオフガスは、加熱炉５２に送られる。加熱炉５２にはバーナー装置５３が配置されており、外部から供給された加熱用ガスがバーナー装置５３にて燃焼される。そして燃焼により生じた高温の燃焼排ガスと、供給されたオフガスとが、加熱炉５２の内部で混合されることでオフガスが加熱される。高温となったオフガスは、燃料電池ＦＣの燃料極へ供給され、含有するメタンが発電反応に用いられるとともに、燃料電池ＦＣを加熱する。   The off-gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell FC is sent from the off-gas tank 21 to the heat exchanger 51 through the flow path L52, and is discharged from the fuel cell FC by the heat exchanger 51 (fuel cell exhaust gas). ) Receive heat from and be heated. Next, the off gas is sent to the heating furnace 52. A burner device 53 is disposed in the heating furnace 52, and the heating gas supplied from the outside is burned by the burner device 53. Then, the high-temperature combustion exhaust gas generated by the combustion and the supplied off-gas are mixed inside the heating furnace 52 so that the off-gas is heated. The off-gas that has reached a high temperature is supplied to the fuel electrode of the fuel cell FC, and the contained methane is used for the power generation reaction and heats the fuel cell FC.

燃料電池ＦＣの燃料極から排出された高温のアノード排ガスは、流通路Ｌ５３により燃料電池ＦＣの空気極へ供給される。そして、アノード排ガスが含有する酸素が発電反応に用いられるとともに、アノード排ガスが燃料電池ＦＣを加熱する。   The high-temperature anode exhaust gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell FC is supplied to the air electrode of the fuel cell FC through the flow path L53. The oxygen contained in the anode exhaust gas is used for the power generation reaction, and the anode exhaust gas heats the fuel cell FC.

燃料電池ＦＣの空気極から排出された高温のカソード排ガスは、流通路Ｌ５４を通って熱交換器５１へ送られる。カソード排ガスは、熱交換器５１にてオフガスタンク２１からのオフガスに熱を与えた後、流通路Ｌ５５から排出される。   The hot cathode exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell FC is sent to the heat exchanger 51 through the flow passage L54. The cathode exhaust gas is discharged from the flow path L55 after the heat exchanger 51 gives heat to the offgas from the offgas tank 21.

すなわち第１実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料極と空気極と電解質とを有する固体酸化物形の燃料電池ＦＣと、燃料成分と酸素とを含有するオフガス（燃料ガス）を燃料極に供給する流通路Ｌ５２（第１ガス供給部Ｄ）と、燃料極から排出するアノード排ガス（燃料極排ガス）を空気極に供給する流通路Ｌ５３（第２ガス供給部Ｅ）とを有する。燃料ガス（オフガス）は酸素を１５体積％以上含有する。   That is, the fuel cell system 100 according to the first embodiment uses, as a fuel electrode, a solid oxide fuel cell FC having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte, and an off-gas (fuel gas) containing a fuel component and oxygen. It has a flow passage L52 (first gas supply portion D) for supplying and a flow passage L53 (second gas supply portion E) for supplying anode exhaust gas (fuel electrode exhaust gas) discharged from the fuel electrode to the air electrode. The fuel gas (off gas) contains 15% by volume or more of oxygen.

さらに燃料電池システム１００は、炭鉱メタンガスＣＭＭを濃縮して製品ガスを精製すると共に、メタンと酸素とを含有するオフガスを流通路Ｌ５２に供給するガス精製部２０を有し、流通路Ｌ５２はオフガスを燃料ガスとして燃料極に供給する。ガス精製部２０はメタンを吸着する吸着塔２０ａ、２０ｂ、２０ｃを有し、ＰＳＡ法により製品ガスを精製する。 Further, the fuel cell system 100 has a gas purification unit 20 that concentrates the coal mine methane gas CMM to purify the product gas and supplies off-gas containing methane and oxygen to the flow path L52, and the flow path L52 supplies the off-gas. The fuel gas is supplied to the fuel electrode. The gas purification unit 20 has adsorption towers 20a, 20b, and 20c that adsorb methane, and purifies the product gas by the PSA method.

加えて燃料電池システム１００は、オフガスとアノード排ガスとを熱交換させて燃料ガスを加熱する熱交換器５１（燃料ガス−燃料極排ガス熱交換器）を有する。   In addition, the fuel cell system 100 includes a heat exchanger 51 (fuel gas-fuel electrode exhaust gas heat exchanger) that heats the fuel gas by exchanging heat between the off gas and the anode exhaust gas.

＜第２実施形態＞
上述の第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池ＦＣでの発電に炭鉱ＣＭからの炭鉱メタンガスＣＭＭを生成した際のオフガスを用いた。第２実施形態では、燃料電池ＦＣでの発電に空調排気ガスＶＡＭが用いられる。炭鉱ＣＭから排出された空調排気ガスＶＡＭは、ブロア６０により流通路Ｌ２１を通って燃料電池ＦＣへ送られる。次の表１に、炭鉱ＣＭから排出される空調排気ガスＶＡＭの組成の一例を示す。 Second Embodiment
In the fuel cell system 100 according to the first embodiment described above, off-gas generated when the coal mine methane gas CMM is generated from the coal mine CM is used for power generation in the fuel cell FC. In the second embodiment, air-conditioning exhaust gas VAM is used for power generation in the fuel cell FC. The air-conditioning exhaust gas VAM discharged from the coal mine CM is sent to the fuel cell FC through the flow path L21 by the blower 60. Table 1 below shows an example of the composition of the air-conditioning exhaust gas VAM discharged from the coal mine CM.

Figure 2016186929
Figure 2016186929

表２に示される通り、空調排気ガスＶＡＭには燃料電池ＦＣでの発電反応における燃料成分としてのメタンが１．０％、酸化剤成分としての酸素が２０．８％含まれている。   As shown in Table 2, the air-conditioning exhaust gas VAM contains 1.0% methane as a fuel component and 20.8% oxygen as an oxidant component in a power generation reaction in the fuel cell FC.

〔蓄熱体を用いた蓄熱運転〕
次に図２および図３を参照して、第２実施形態に係る燃料電池システム１００の構成と、燃料電池システム１００で行われる第１蓄熱運転、第２蓄熱運転について説明する。 [Heat storage operation using heat storage]
Next, the configuration of the fuel cell system 100 according to the second embodiment, and the first heat storage operation and the second heat storage operation performed in the fuel cell system 100 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

燃料極における気体の流路の一方の端部に第１蓄熱体Ｈが、他方の端部に第２蓄熱体Ｋが配置されている。これら蓄熱体は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を炭化ケイ素（ＳｉＣ）のカプセルに封入したものであり、塩化ナトリウムが溶融することにより蓄熱し、凝固することにより放熱する。すなわち、第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、アノード排ガス（燃料極排ガス）から受けた熱を蓄えて、蓄えた熱を空調排気ガスＶＡＭ（燃料ガス）に与える第１蓄熱体Ｈおよび第２蓄熱体Ｋを有している。   The first heat storage body H is disposed at one end of the gas flow path in the fuel electrode, and the second heat storage body K is disposed at the other end. These heat accumulators are sodium chloride (NaCl) sealed in silicon carbide (SiC) capsules, which store heat when sodium chloride melts and dissipate heat when solidified. That is, the fuel cell system 100 according to the second embodiment stores the heat received from the anode exhaust gas (fuel electrode exhaust gas) and supplies the stored heat to the air-conditioning exhaust gas VAM (fuel gas). 2 heat storage body K is provided.

流通路Ｌ６０が、流通路Ｌ６１および流通路Ｌ６５、第１蓄熱体Ｈを経由して、燃料電池ＦＣの燃料極における気体の流路の一方の端部に接続される。流通路Ｌ６１の途中にバルブＶ６１が設けられている。また流通路Ｌ６０は、流通路Ｌ６２および流通路Ｌ６７、第２蓄熱体Ｋを経由して、燃料電池ＦＣの燃料極における気体の流路の他方の端部に接続される。流通路Ｌ６２の途中にバルブＶ６２が設けられている。   The flow path L60 is connected to one end of the gas flow path in the fuel electrode of the fuel cell FC via the flow path L61, the flow path L65, and the first heat storage body H. A valve V61 is provided in the middle of the flow path L61. The flow path L60 is connected to the other end of the gas flow path in the fuel electrode of the fuel cell FC via the flow path L62, the flow path L67, and the second heat storage body K. A valve V62 is provided in the middle of the flow path L62.

流通路Ｌ６１と流通路Ｌ６５との接続点と、流通路Ｌ６２と流通路Ｌ６７との接続点とが、流通路Ｌ６３および流通路Ｌ６４によって接続されている。流通路Ｌ６３の途中にバルブＶ６３が設けられている。流通路Ｌ６４の途中にバルブＶ６４が設けられている。そして流通路Ｌ６３と流通路Ｌ６４との接続点と、燃料電池ＦＣの空気極とが流通路Ｌ６６により接続されている。   A connection point between the flow passage L61 and the flow passage L65 and a connection point between the flow passage L62 and the flow passage L67 are connected by the flow passage L63 and the flow passage L64. A valve V63 is provided in the middle of the flow path L63. A valve V64 is provided in the middle of the flow path L64. And the connection point of the flow path L63 and the flow path L64 and the air electrode of the fuel cell FC are connected by the flow path L66.

以上のように構成された燃料電池システム１００において、第１蓄熱体Ｈが放熱し第２蓄熱体Ｋが蓄熱する第１蓄熱運転と、第１蓄熱体Ｈが蓄熱し第２蓄熱体Ｋが放熱する第２蓄熱運転とが、交互に行われる。   In the fuel cell system 100 configured as described above, the first heat storage operation in which the first heat storage body H releases heat and the second heat storage body K stores heat, and the first heat storage body H stores heat and the second heat storage body K releases heat. The second heat storage operation to be performed is performed alternately.

〔第１蓄熱運転〕
図２は第１蓄熱運転を行う際の燃料電池システム１００の状態を示している。第１蓄熱運転を行う際、バルブＶ６１が開かれ、バルブＶ６２が閉じられ、バルブＶ６３が閉じられ、バルブＶ６４が開かれる。そして空調排気ガスＶＡＭ、アノード排ガスおよびカソード排ガスは、図中太線で示される経路を通流する。 [First heat storage operation]
FIG. 2 shows the state of the fuel cell system 100 when the first heat storage operation is performed. When performing the first heat storage operation, the valve V61 is opened, the valve V62 is closed, the valve V63 is closed, and the valve V64 is opened. The air-conditioning exhaust gas VAM, the anode exhaust gas, and the cathode exhaust gas flow through a path indicated by a thick line in the figure.

ブロア６０により送られる空調排気ガスＶＡＭは、流通路Ｌ６１および流通路Ｌ６５を通り、第１蓄熱体Ｈに達し、第１蓄熱体Ｈから熱を受け取って高温のガスとなり、燃料電池ＦＣの燃料極に供給される。そして空調排気ガスＶＡＭが含有するメタンが発電反応に用いられる。なお第１蓄熱体Ｈは、第１蓄熱運転に先立つ第２蓄熱運転にて予め熱を蓄えている。   The air-conditioning exhaust gas VAM sent by the blower 60 passes through the flow path L61 and the flow path L65, reaches the first heat storage body H, receives heat from the first heat storage body H, becomes a high-temperature gas, and is the fuel electrode of the fuel cell FC. To be supplied. The methane contained in the air-conditioning exhaust gas VAM is used for the power generation reaction. In addition, the 1st heat storage body H has accumulate | stored heat previously by the 2nd heat storage operation prior to a 1st heat storage operation.

燃料電池ＦＣの燃料極より流出した高温のアノード排ガスは、第２蓄熱体Ｋに熱を与え、流通路Ｌ６７、流通路Ｌ６４および流通路Ｌ６６を通って燃料電池ＦＣの空気極に供給される。そしてアノード排ガスが含有する酸素が発電反応に用いられる。第１蓄熱運転を所定の時間継続した後、第１蓄熱運転を終了し、後述する第２蓄熱運転を開始する。   The high-temperature anode exhaust gas flowing out from the fuel electrode of the fuel cell FC gives heat to the second heat storage body K, and is supplied to the air electrode of the fuel cell FC through the flow path L67, the flow path L64, and the flow path L66. The oxygen contained in the anode exhaust gas is used for the power generation reaction. After the first heat storage operation is continued for a predetermined time, the first heat storage operation is terminated, and a second heat storage operation described later is started.

すなわち燃料電池システム１００では、第１ガス供給部Ｄ（ブロア６０、流通路Ｌ６０、Ｌ６１、Ｌ６５）が第１蓄熱体Ｈを通じて空調排気ガスＶＡＭ（燃料ガス）を燃料極に供給し、第１蓄熱体Ｈが蓄えた熱を空調排気ガスＶＡＭに与え、第２ガス供給部Ｅ（流通路Ｌ６７、Ｌ６４、Ｌ６６）が第２蓄熱体Ｋを通じてアノード排ガス（燃料極排ガス）を空気極に供給し、第２蓄熱体Ｋがアノード排ガスから受けた熱を蓄える第１蓄熱運転が行われる。   That is, in the fuel cell system 100, the first gas supply unit D (the blower 60, the flow passages L60, L61, and L65) supplies the air conditioning exhaust gas VAM (fuel gas) to the fuel electrode through the first heat storage body H, and the first heat storage. The heat stored in the body H is supplied to the air-conditioning exhaust gas VAM, and the second gas supply unit E (flow passages L67, L64, L66) supplies anode exhaust gas (fuel electrode exhaust gas) to the air electrode through the second heat storage body K. A first heat storage operation is performed in which the second heat storage body K stores heat received from the anode exhaust gas.

〔第２蓄熱運転〕
図３は第２蓄熱運転を行う際の燃料電池システム１００の状態を示している。第２蓄熱運転を行う際、バルブＶ６１が閉じられ、バルブＶ６２が開かれ、バルブＶ６３が開かれ、バルブＶ６４が閉じられる。そして空調排気ガスＶＡＭ、アノード排ガスおよびカソード排ガスは、図中太線で示される経路を通流する。 [Second heat storage operation]
FIG. 3 shows the state of the fuel cell system 100 when performing the second heat storage operation. When performing the second heat storage operation, the valve V61 is closed, the valve V62 is opened, the valve V63 is opened, and the valve V64 is closed. The air-conditioning exhaust gas VAM, the anode exhaust gas, and the cathode exhaust gas flow through a path indicated by a thick line in the figure.

ブロア６０により送られる空調排気ガスＶＡＭは、流通路Ｌ６２および流通路Ｌ６７を通り、第２蓄熱体Ｋに達し、第２蓄熱体Ｋから熱を受け取って高温のガスとなり、燃料電池ＦＣの燃料極に供給される。そして空調排気ガスＶＡＭが含有するメタンが発電反応に用いられる。なお第２蓄熱体Ｋは、第２蓄熱運転に先立つ第１蓄熱運転にて予め熱を蓄えている。   The air-conditioning exhaust gas VAM sent by the blower 60 passes through the flow path L62 and the flow path L67, reaches the second heat storage body K, receives heat from the second heat storage body K, becomes a high-temperature gas, and is the fuel electrode of the fuel cell FC. To be supplied. The methane contained in the air-conditioning exhaust gas VAM is used for the power generation reaction. In addition, the 2nd heat storage body K is storing the heat previously by the 1st heat storage operation prior to a 2nd heat storage operation.

燃料電池ＦＣの燃料極より流出した高温のアノード排ガスは、第１蓄熱体Ｈに熱を与え、流通路Ｌ６５、流通路Ｌ６３および流通路Ｌ６６を通って燃料電池ＦＣの空気極に供給される。そしてアノード排ガスが含有する酸素が発電反応に用いられる。第２蓄熱運転を所定の時間継続した後、第２蓄熱運転を終了し、上述した第１蓄熱運転を開始する。   The high-temperature anode exhaust gas flowing out from the fuel electrode of the fuel cell FC gives heat to the first heat storage body H, and is supplied to the air electrode of the fuel cell FC through the flow path L65, the flow path L63, and the flow path L66. The oxygen contained in the anode exhaust gas is used for the power generation reaction. After the second heat storage operation is continued for a predetermined time, the second heat storage operation is terminated and the first heat storage operation described above is started.

すなわち燃料電池システム１００では、第１ガス供給部Ｄ（ブロア６０、流通路Ｌ６０、Ｌ６２、Ｌ６７）が第２蓄熱体Ｋを通じて空調排気ガスＶＡＭ（燃料ガス）を燃料極に供給し、第２蓄熱体Ｋが蓄えた熱を空調排気ガスＶＡＭに与え、第２ガス供給部Ｅ（流通路Ｌ６５、Ｌ６３、Ｌ６６）が第１蓄熱体Ｈを通じてアノード排ガス（燃料極排ガス）を空気極に供給し、第１蓄熱体Ｈがアノード排ガスから受けた熱を蓄える第２蓄熱運転が行われる。   That is, in the fuel cell system 100, the first gas supply unit D (the blower 60, the flow passages L60, L62, and L67) supplies the air conditioning exhaust gas VAM (fuel gas) to the fuel electrode through the second heat storage body K, and the second heat storage. The heat stored in the body K is given to the air-conditioning exhaust gas VAM, and the second gas supply unit E (flow passages L65, L63, L66) supplies anode exhaust gas (fuel electrode exhaust gas) to the air electrode through the first heat storage body H, A second heat storage operation is performed in which the first heat storage body H stores heat received from the anode exhaust gas.

＜別実施形態＞
（１）上述の実施形態では、アノード排ガスまたはカソード排ガスから排熱を回収するよう構成したが、排熱回収を行わない構成も可能である。 <Another embodiment>
(1) In the above-described embodiment, the exhaust heat is recovered from the anode exhaust gas or the cathode exhaust gas, but a configuration in which the exhaust heat recovery is not performed is also possible.

（２）上述の第２実施形態では、第１蓄熱運転を所定の時間継続した後、第１蓄熱運転を終了して第２蓄熱運転を開始し、第２蓄熱運転を所定の時間継続した後、第２蓄熱運転を終了して第１蓄熱運転を開始するよう構成した。これを、第１蓄熱体Ｈまたは第２蓄熱体Ｋの温度に基づいて第１蓄熱運転と第２蓄熱運転とを切り換えるよう構成してもよい。 (2) In the second embodiment described above, after the first heat storage operation is continued for a predetermined time, the first heat storage operation is terminated, the second heat storage operation is started, and the second heat storage operation is continued for a predetermined time. The second heat storage operation is terminated and the first heat storage operation is started. This may be configured to switch between the first heat storage operation and the second heat storage operation based on the temperature of the first heat storage body H or the second heat storage body K.

（３）上述の第１実施形態では炭鉱メタンガスＣＭＭ由来のオフガスの加熱を熱交換器５１で行い、第２実施形態では空調排気ガスＶＡＭの加熱を蓄熱体を用いて行った。これらの組合せを入れ替えてもよい。すなわち、炭鉱メタンガスＣＭＭ由来のオフガスの加熱を蓄熱体を用いて行ってもよいし、空調排気ガスＶＡＭの加熱を熱交換器５１を用いて行ってもよい。 (3) In the first embodiment described above, the off-gas derived from the coal mine methane gas CMM is heated by the heat exchanger 51, and in the second embodiment, the air-conditioning exhaust gas VAM is heated using a heat storage body. These combinations may be interchanged. That is, the offgas derived from the coal mine methane gas CMM may be heated using a heat storage body, or the air conditioning exhaust gas VAM may be heated using the heat exchanger 51.

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。   Note that the configurations disclosed in the above-described embodiments (including other embodiments, the same applies hereinafter) can be applied in combination with the configurations disclosed in the other embodiments as long as no contradiction arises. The embodiment disclosed in this specification is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited to this. The embodiment can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.

２０ ：ガス精製部
２０ａ ：吸着塔
２０ｂ ：吸着塔
２０ｃ ：吸着塔
５１ ：熱交換器（燃料ガス−燃料極排ガス熱交換器）
１００ ：燃料電池システム
Ｄ ：第１ガス供給部
Ｅ ：第２ガス供給部
ＦＣ ：燃料電池
Ｈ ：第１蓄熱体
Ｋ ：第２蓄熱体
ＣＭＭ ：炭鉱メタンガス
ＶＡＭ ：空調排気ガス 20: Gas purification unit 20a: Adsorption tower 20b: Adsorption tower 20c: Adsorption tower 51: Heat exchanger (fuel gas-fuel electrode exhaust gas heat exchanger)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: Fuel cell system D: 1st gas supply part E: 2nd gas supply part FC: Fuel cell H: 1st thermal storage body K: 2nd thermal storage body CMM: Coal mine methane gas VAM: Air-conditioning exhaust gas

Claims (7)

燃料極と空気極と電解質とを有する固体酸化物形の燃料電池と、燃料成分と酸素とを含有する燃料ガスを前記燃料極に供給する第１ガス供給部と、前記燃料極から排出する燃料極排ガスを前記空気極に供給する第２ガス供給部とを有する燃料電池システム。   A solid oxide fuel cell having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte, a first gas supply unit that supplies a fuel gas containing a fuel component and oxygen to the fuel electrode, and fuel discharged from the fuel electrode A fuel cell system comprising: a second gas supply unit that supplies polar exhaust gas to the air electrode. 前記燃料ガスは酸素を１５体積％以上含有する請求項１に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas contains 15% by volume or more of oxygen. 炭鉱メタンガスを濃縮して製品ガスを精製すると共に、メタンと酸素とを含有するオフガスを前記第１ガス供給部に供給するガス精製部を有し、前記第１ガス供給部は前記オフガスを前記燃料ガスとして前記燃料極に供給する請求項１または２に記載の燃料電池システム。   It has a gas purification unit for concentrating coal mine methane gas to purify product gas and supplying offgas containing methane and oxygen to the first gas supply unit, and the first gas supply unit converts the offgas into the fuel The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is supplied as a gas to the fuel electrode. 前記ガス精製部はメタンを吸着する吸着塔を有し、ＰＳＡ法により前記製品ガスを精製する請求項３に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 3, wherein the gas purification unit has an adsorption tower for adsorbing methane, and purifies the product gas by a PSA method. 前記第１ガス供給部は、炭鉱からの空調排気ガスを前記燃料ガスとして前記燃料極に供給する請求項１または２に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the first gas supply unit supplies air-conditioning exhaust gas from a coal mine to the fuel electrode as the fuel gas. 前記燃料ガスと前記燃料極排ガスとを熱交換させて前記燃料ガスを加熱する燃料ガス−燃料極排ガス熱交換器を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a fuel gas-fuel electrode exhaust gas heat exchanger that heats the fuel gas by exchanging heat between the fuel gas and the fuel electrode exhaust gas. 前記燃料極排ガスから受けた熱を蓄えて、蓄えた熱を前記燃料ガスに与える第１蓄熱体および第２蓄熱体を有し、
前記第１ガス供給部が前記第１蓄熱体を通じて前記燃料ガスを前記燃料極に供給し、前記第１蓄熱体が蓄えた熱を前記燃料ガスに与え、前記第２ガス供給部が前記第２蓄熱体を通じて前記燃料極排ガスを前記空気極に供給し、前記第２蓄熱体が前記燃料極排ガスから受けた熱を蓄える第１蓄熱運転と、
前記第１ガス供給部が前記第２蓄熱体を通じて前記燃料ガスを前記燃料極に供給し、前記第２蓄熱体が蓄えた熱を前記燃料ガスに与え、前記第２ガス供給部が前記第１蓄熱体を通じて前記燃料極排ガスを前記空気極に供給し、前記第１蓄熱体が前記燃料極排ガスから受けた熱を蓄える第２蓄熱運転とを行う請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 A first heat storage body and a second heat storage body for storing heat received from the fuel electrode exhaust gas and supplying the stored heat to the fuel gas;
The first gas supply unit supplies the fuel gas to the fuel electrode through the first heat storage body, applies heat stored in the first heat storage body to the fuel gas, and the second gas supply unit performs the second operation. A first heat storage operation in which the fuel electrode exhaust gas is supplied to the air electrode through a heat storage body, and the second heat storage body stores heat received from the fuel electrode exhaust gas;
The first gas supply unit supplies the fuel gas to the fuel electrode through the second heat storage body, applies heat stored in the second heat storage body to the fuel gas, and the second gas supply unit includes the first gas supply unit. The fuel electrode exhaust gas is supplied to the air electrode through a heat storage body, and the second heat storage operation is performed in which the first heat storage body stores heat received from the fuel electrode exhaust gas. Fuel cell system.
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