JP2017168404A - Solid oxide type fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アンモニア吸着温度においてアンモニアを吸着したアンモニア吸着状態に維持され、前記アンモニア吸着温度より高いアンモニア脱離温度において吸着したアンモニアを脱離するアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア貯蔵部と、
前記アンモニア貯蔵部から供給されるアンモニアを燃料として受け入れる固体酸化物形燃料電池と、この固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスが流れる排ガス路とを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。
The present invention is an ammonia storage section that stores an ammonia adsorption / desorption material that is maintained in an ammonia adsorption state in which ammonia is adsorbed at an ammonia adsorption temperature and desorbs ammonia adsorbed at an ammonia desorption temperature higher than the ammonia adsorption temperature;
The present invention relates to a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell that accepts ammonia supplied from the ammonia storage unit as fuel, and an exhaust gas passage through which exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell flows.
現今、注目されている技術として、アンモニアを直接燃料として電力を得る技術がある(特許文献1、2)。これらの技術は、アンモニアが炭素を含まないことからCO2削減等の意味から注目に値する。また、電池電極に炭素デポジットが生成されることもないため、安定的に燃料電池の運転を継続できる。
アンモニアを直接燃料とする燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池(以下 SOFCと記載することがある)があり、今日、主にアノード側電極で、アンモニアを水素に分解し、出力の低下を避けて電池反応を起こされる方向に開発が進んでいる(特許文献3、4)。
Currently, there is a technique that obtains electric power using ammonia as a direct fuel as a technique that is attracting attention (
As a fuel cell using ammonia as a direct fuel, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes referred to as SOFC). Today, the anode side electrode mainly decomposes ammonia into hydrogen to reduce the output. Development is progressing in a direction to avoid the battery reaction (
一方、特許文献5には、特定の金属ハロゲン化物を組み合わせたアンモニア吸脱着剤(本発明に於けるアンモニア吸脱着材)、分離方法及び貯蔵方法に関する発明が記載されている。この文献に開示の発明は、オンサイトで合成したアンモニアも効率よくPSA、PTSA等の吸着分離法で分離でき、さらに貯蔵することもできるアンモニアの分離方法を提供する。分離に際しては、金属ハロゲン化物として、塩化カルシウムと臭化カルシウムの混合物を使用し、アンモニア吸着状態にある金属ハロゲン化物(金属ハロゲン化物のアンモニア錯体)を、アンモニアを脱離する圧力・温度に曝すことで、アンモニアを脱離(分離)させる。 On the other hand, Patent Document 5 describes an invention relating to an ammonia adsorbing / desorbing agent (ammonia adsorbing / desorbing material in the present invention), a separation method and a storage method, which are combined with a specific metal halide. The invention disclosed in this document provides an ammonia separation method in which ammonia synthesized on-site can be efficiently separated by an adsorption separation method such as PSA or PTSA, and can also be stored. During separation, a mixture of calcium chloride and calcium bromide is used as the metal halide, and the metal halide in the ammonia adsorption state (ammonia complex of metal halide) is exposed to the pressure and temperature at which ammonia is desorbed. To desorb (separate) ammonia.
特許文献6に開示の発明は化学蓄熱材を使用する蓄熱に関し、反応温度の制御が可能なアンモニア錯体系化学蓄熱材の製造方法に関する。提案される製造方法は、塩化カルシウムと臭化カルシウムを水に完全に溶解させた後、水溶液を加熱減圧下で濃縮し、乾燥させて、カルシウム塩混合物を得、このカルシウム塩混合物(本発明に於けるアンモニア吸脱着材)を、アンモニアガス圧:1.2気圧、温度:−20℃でアンモニア付加(本発明における吸着)させ、カルシウム塩混合物アンモニア錯体を得ている。
The invention disclosed in
以上に述べた様に、今日、アンモニアをSOFCの燃料として採用することが注目されているが、通常、アンモニアは液体アンモニアの形態で取り扱われる。この形態でアンモニアを貯蔵・運搬・供給する場合、その取扱いに加圧が必要であり(常温で1.0MPa以上)、所謂、高圧ガスとしての扱いとなる。SOFCで、アンモニアをオンサイトで燃料として供給しようとすると、液体アンモニアを貯蔵する高圧タンクが必要となり、今日、SOFCが様々なサイトに設置されようとしていることを考えると、その普及の点で障害となる。また、アンモニアの供給を燃料として受けようとした場合、SOFCがエネルギー発生装置であることを考慮すると、その供給に際してもできるだけエネルギー負荷の低い状態でアンモニアの供給を受けることが好ましいが、現在、このような技術は提案されていない。 As described above, today, attention has been focused on adopting ammonia as a fuel for SOFC, but ammonia is usually handled in the form of liquid ammonia. When ammonia is stored, transported, and supplied in this form, pressurization is required for handling (1.0 MPa or more at room temperature), which is a so-called high-pressure gas. In order to supply ammonia on-site with SOFC as a fuel, a high-pressure tank for storing liquid ammonia is required, and considering that SOFC is being installed at various sites today, it is an obstacle in terms of its spread. It becomes. In addition, when trying to receive supply of ammonia as fuel, considering that SOFC is an energy generating device, it is preferable to supply ammonia with a low energy load as much as possible. No such technology has been proposed.
先に紹介した特許文献5、6には、アンモニアの分離・貯蔵・供給までは開示されているが、アンモニアを例えば燃料として使用するに当たって、エネルギー発生装置で消費されることなくスリップして排出されることがあるアンモニアをどのように処理するかに関しては何ら示されていない。
この点に関してSOFCシステムで説明すると、燃料としてアンモニアを使用するSOFC本体(固体酸化物燃料電池の本体発電部)の排ガス(排気)には,微量のアンモニアが含まれることがある。アンモニアはそのまま外部放出できないため、分解して放出することが必要となる。しかしながら、アンモニア分解は、熱分解・酸化分解とされるため高温が必要でエネルギーを消費することとなり、SOFCシステムのエネルギー効率をトータルで見ると低下させる。即ち、アンモニアを使用する場合、常に、その使用に伴ったアンモニアの処理も課題となるが、この点に関して従来、充分な検討が行われてこなかった。 In terms of this point, the SOFC system will explain a small amount of ammonia in the exhaust gas (exhaust gas) of the SOFC main body (main power generation part of the solid oxide fuel cell) that uses ammonia as a fuel. Since ammonia cannot be released to the outside as it is, it must be decomposed and released. However, because ammonia decomposition is thermal decomposition / oxidative decomposition, high temperature is required and energy is consumed, and the energy efficiency of the SOFC system is lowered in total. That is, when ammonia is used, the treatment of ammonia accompanying the use of the ammonia always becomes a problem. However, sufficient studies have not been made in this regard.
本発明の目的は、アンモニアを直接もしくは間接的に燃料として使用するSOFCシステムとして、SOFCシステムの運転上必要となるエネルギー消費をできるだけ低減化できるSOFCシステムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an SOFC system that can reduce energy consumption required for operation of the SOFC system as much as possible as an SOFC system that uses ammonia directly or indirectly as a fuel.
上記目的を達成するための、本発明に係る
アンモニア吸着温度においてアンモニアを吸着したアンモニア吸着状態に維持され、前記アンモニア吸着温度より高いアンモニア脱離温度において吸着したアンモニアを脱離するアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア貯蔵部と、
前記アンモニア貯蔵部から供給されるアンモニアを燃料として受け入れる固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスが流れる排ガス路とを備えた固体酸化物形燃料電池システムの第1の特徴構成は、
前記排ガス路に、当該排ガス路を流れる排ガスの温度を低下して、前記アンモニア貯蔵部に熱を供給する熱供給部に導き、前記アンモニア貯蔵部を当該アンモニア貯蔵部に収納される前記アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度とするアンモニア脱離操作手段を備え、前記アンモニア貯蔵部をアンモニア脱離部とする点にある。
In order to achieve the above object, an ammonia adsorption / desorption material according to the present invention is maintained in an ammonia adsorption state where ammonia is adsorbed at an ammonia adsorption temperature and desorbs ammonia adsorbed at an ammonia desorption temperature higher than the ammonia adsorption temperature. An ammonia storage part to be stored;
A solid oxide fuel cell that accepts ammonia supplied from the ammonia storage unit as fuel; and
A first characteristic configuration of a solid oxide fuel cell system including an exhaust gas path through which exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell flows is as follows:
In the exhaust gas path, the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust gas path is lowered and led to a heat supply part that supplies heat to the ammonia storage part, and the ammonia storage part is accommodated in the ammonia storage part. There is provided an ammonia desorption operation means having an ammonia desorption temperature of the material, and the ammonia storage part is an ammonia desorption part.
この固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料としてのアンモニアを得るのに、SOFCから排出される排ガスの保有する熱を利用する。一方、燃料としてのアンモニアの貯蔵はアンモニア吸着状態にあるアンモニア吸脱着材を使用するものとし、このアンモニア吸脱着材をアンモニア脱離状態(脱離温度)まで昇温することで、燃料を良好に得ることができる。 In this solid oxide fuel cell system, in order to obtain ammonia as a fuel, the heat stored in the exhaust gas discharged from the SOFC is used. On the other hand, storage of ammonia as fuel uses an ammonia adsorption / desorption material that is in an ammonia adsorption state, and by raising the temperature of this ammonia adsorption / desorption material to an ammonia desorption state (desorption temperature), the fuel is improved. Can be obtained.
通常、SOFCの動作温度は700℃近くとなっており、その排ガスの温度もSOFC出口ではこの程度の温度域に達している。SOFCの排ガスの有する排熱に関しても、湯として回収しても利用できるのは60℃程度までである。通常は100℃〜150℃程度の温度域の熱は利用されることなく捨てられることもある。 Normally, the operating temperature of the SOFC is close to 700 ° C., and the temperature of the exhaust gas reaches this temperature range at the SOFC outlet. Regarding the exhaust heat of SOFC exhaust gas, it can be used up to about 60 ° C. even if recovered as hot water. Usually, heat in a temperature range of about 100 ° C. to 150 ° C. may be discarded without being used.
このような状況に対して、本発明では、後にも示すようにアンモニア吸脱着材を選択することにより、SOFCの燃料となるアンモニアをその吸着状態から脱離させてアンモニア貯蔵部からSOFCで得ることが可能となる。
結果、アンモニア燃料入手の観点から、エネルギー負荷の少ないSOFCシステムを得ることができた。
For this situation, in the present invention, by selecting an ammonia adsorbing / desorbing material as will be shown later, ammonia serving as SOFC fuel is desorbed from its adsorbed state, and is obtained from the ammonia storage section by SOFC. Is possible.
As a result, from the viewpoint of obtaining ammonia fuel, an SOFC system with a low energy load could be obtained.
本発明の第2の特徴構成は、
前記アンモニア脱離操作手段が、
前記排ガスの温度を低下する排ガス温度低下手段と、
当該排ガス温度低下手段により温度低下される前の高温側排ガスと、前記排ガス温度低下手段により温度低下された後の低温側排ガスとの混合により、前記アンモニア脱離温度以上に調整される混合排ガスを生成する脱離操作用混合排ガス生成手段を備え、
前記脱離操作用混合排ガス生成手段で生成される混合排ガスを前記熱供給部に導く混合排ガス導入路を備えることにある。
The second characteristic configuration of the present invention is:
The ammonia desorption operation means comprises
Exhaust gas temperature lowering means for lowering the temperature of the exhaust gas;
A mixed exhaust gas adjusted to be equal to or higher than the ammonia desorption temperature by mixing the high temperature side exhaust gas before the temperature reduction by the exhaust gas temperature reduction means and the low temperature side exhaust gas after the temperature reduction by the exhaust gas temperature reduction means. Comprising a mixed exhaust gas generating means for desorption operation to generate,
There is provided a mixed exhaust gas introduction path for guiding the mixed exhaust gas generated by the desorption operation mixed exhaust gas generating means to the heat supply unit.
第2の特徴構成を備えることにより、積極的に高温側排ガスと低温側排ガスとの両方を生成し、これらを適切に混合することで、アンモニア脱離の用に供する排ガス(混合排ガス)の温度を適切に制御できる。 By providing the second characteristic configuration, the temperature of the exhaust gas (mixed exhaust gas) to be used for ammonia desorption by actively generating both the high temperature side exhaust gas and the low temperature side exhaust gas and appropriately mixing them. Can be controlled appropriately.
脱離操作用混合排ガス生成手段の具体的構成としては、本発明の第3の特徴構成に記載する様に、脱離操作用混合排ガス生成手段を、前記高温側排ガスが流れる高温側排ガス路と、前記低温側排ガスが流れる低温側排ガス路とを備えるとともに、前記高温側排ガス路及び前記低温側排ガス路から流出するガスが合流する合流部を備え、
前記合流部で合流される前記高温側排ガスと前記低温側排ガスとの量比に基づいて、前記混合排ガスの温度を前記アンモニア脱離温度以上とする点にある。
As a specific configuration of the mixed exhaust gas generating means for desorption operation, as described in the third characteristic configuration of the present invention, the mixed exhaust gas generating means for desorption operation is provided with a high temperature side exhaust gas passage through which the high temperature side exhaust gas flows. A low-temperature side exhaust gas path through which the low-temperature side exhaust gas flows, and a merging portion where the gas flowing out from the high-temperature side exhaust gas path and the low-temperature side exhaust gas path merges,
The temperature of the mixed exhaust gas is set to be equal to or higher than the ammonia desorption temperature based on the quantitative ratio of the high temperature side exhaust gas and the low temperature side exhaust gas joined at the junction.
量比による制御とすることで、汎用されている流量調整可能な流量調整弁、三方弁等を使用して信頼性が高い調整機構を簡便に構築できる。 By using the control based on the quantity ratio, it is possible to easily construct a highly reliable adjustment mechanism using a commonly used flow rate adjustment valve capable of adjusting the flow rate, a three-way valve, or the like.
先に説明したアンモニア脱離に使用する排ガスの温度制御に関して、
前記固体酸化物形燃料電池に要求される発電量に対応して必要となるアンモニア燃料量に応じて、前記固体酸化物形燃料電池にアンモニア燃料を供給するアンモニア燃料供給量制御装置を備え、
前記アンモニア燃料供給量制御装置から供給するアンモニア燃料量に応じて、前記混合排ガスの温度を制御する混合排ガス温度制御手段を備えることが好ましい。
Regarding temperature control of exhaust gas used for ammonia desorption as described above,
An ammonia fuel supply amount control device for supplying ammonia fuel to the solid oxide fuel cell according to the amount of ammonia fuel required for the amount of power generation required for the solid oxide fuel cell;
It is preferable to provide a mixed exhaust gas temperature control means for controlling the temperature of the mixed exhaust gas in accordance with the amount of ammonia fuel supplied from the ammonia fuel supply amount control device.
SOFCにあっては、その発電量に応じて燃料を供給する必要があるが、同時に、本発明のようにアンモニア吸脱着材を使用する場合は、アンモニア脱離を最大限脱離できる温度として混合排ガス温度制御手段で確保し、アンモニア燃料供給量制御装置で必要となる燃料量を確保するように作動することで、必要発電量に良好に対応することができる。 In SOFC, it is necessary to supply fuel according to the amount of power generation. At the same time, when using an ammonia adsorbing / desorbing material as in the present invention, mixing is performed at a temperature at which ammonia desorption can be maximized. By ensuring the exhaust gas temperature control means and operating the ammonia fuel supply amount control device so as to secure the required fuel amount, it is possible to satisfactorily cope with the required power generation amount.
本発明の第4の特徴構成は、
前記排ガス温度低下手段が、前記高温側排ガスが保有する熱を受熱して湯を得る湯生成用熱交換器である点にある。
The fourth characteristic configuration of the present invention is:
The exhaust gas temperature lowering means is a hot water generating heat exchanger that receives the heat of the high temperature side exhaust gas to obtain hot water.
先にも示したように、SOFCの排ガス温度は高温であるが、湯として排ガスの保有する熱を回収することで、SOFC排ガスの保有するエネルギーを有効活用でき、SOFCシステムを所謂コジェネレーションシステムとして働かせることができる。 As previously indicated, the exhaust gas temperature of SOFC is high, but by recovering the heat stored in the exhaust gas as hot water, the energy stored in the SOFC exhaust gas can be used effectively, making the SOFC system a so-called cogeneration system. Can work.
本発明の第5の特徴構成は、
前記アンモニア吸脱着材が、標準大気圧でアンモニア吸着・脱離平衡温度が40℃以上130℃以下となるハロゲン化金属化合物である点にある。
The fifth characteristic configuration of the present invention is:
The ammonia adsorption / desorption material is a metal halide compound having an ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature of 40 ° C. or higher and 130 ° C. or lower at standard atmospheric pressure.
この種のアンモニア吸脱着材を使用することにより、アンモニア脱離部となるアンモニア貯蔵部を、高圧タンクとしての使用ではなく、標準大気圧程度の圧力に対応できるタンクで構築できる。
さらに、熱供給媒体としての温度も比較的低くなるため、エネルギー負荷が軽減される。
ここで、アンモニア吸脱着材について、「標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度」に関して述べておくと、アンモニア吸脱着材の特性が、標準大気圧下で、吸着から脱離に変わる温度であり、平衡温度より低い温度ではアンモニアとの接触によりアンモニアを吸着してアンモニア脱離状態からアンモニア吸着状態となり、平衡温度より高い温度では吸着しているアンモニアを脱離してアンモニア吸着温度からアンモニア脱離状態となる。
ハロゲン化金属化合物は、アンモニアと錯体を形成するため、この「標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度」は、標準大気圧におけるアンモニアの配位反応平衡温度となる。
By using this type of ammonia adsorbing / desorbing material, the ammonia storage part serving as the ammonia desorbing part can be constructed with a tank that can handle a pressure of about standard atmospheric pressure, not as a high-pressure tank.
Furthermore, since the temperature as the heat supply medium is also relatively low, the energy load is reduced.
Here, regarding the ammonia adsorption / desorption material, regarding the “ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure”, the temperature at which the characteristics of the ammonia adsorption / desorption material change from adsorption to desorption under standard atmospheric pressure. At a temperature lower than the equilibrium temperature, the ammonia is adsorbed by contact with ammonia to change from the ammonia desorption state to the ammonia adsorption state, and at a temperature higher than the equilibrium temperature, the adsorbed ammonia is desorbed to desorb the ammonia from the ammonia adsorption temperature. It becomes a separated state.
Since the metal halide compound forms a complex with ammonia, the “ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure” is the coordination reaction equilibrium temperature of ammonia at standard atmospheric pressure.
このようなハロゲン化金属化合物は、第6の特徴構成に示す様に、ハロゲン化Ba化合物、ハロゲン化Ca化合物,ハロゲン化Sr化合物、及びハロゲン化Mn化合物から選択される何れか一種以上とすることができる。
本明細書においてハロゲン化化合物の金属名は化学記号を使用して記載する。
As shown in the sixth feature configuration, such a metal halide compound is at least one selected from a halogenated Ba compound, a halogenated Ca compound, a halogenated Sr compound, and a halogenated Mn compound. Can do.
In the present specification, metal names of halogenated compounds are described using chemical symbols.
本発明の第7の特徴構成は、
前記熱供給部から排出される脱離動作済の排ガスに含有されるアンモニアを吸着するアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア吸着部を設けた点にある。
The seventh characteristic configuration of the present invention is
An ammonia adsorbing part for storing an ammonia adsorbing / desorbing material that adsorbs ammonia contained in the exhaust gas after desorption operation discharged from the heat supply part is provided.
この固体酸化物形燃料電池システムでは、先に説明したように、排ガスに燃料であるアンモニアが含まれている場合(アンモニア燃料がスリップした場合)にも、大きなエネルギー負荷なく、アンモニアをその吸着部で吸着・除去して外部に放出することができる。 In this solid oxide fuel cell system, as described above, even when ammonia, which is a fuel, is contained in exhaust gas (when ammonia fuel slips), ammonia is not adsorbed to the adsorbing portion without a large energy load. Can be adsorbed / removed and released to the outside.
本発明の第8の特徴構成は、
前記アンモニア吸着部に収納されるアンモニア吸脱着材の温度を、当該材料のアンモニア吸着温度以下とするアンモニア吸着操作手段を設けたことにある。
The eighth feature of the present invention is
There is provided an ammonia adsorption operation means for setting the temperature of the ammonia adsorption / desorption material stored in the ammonia adsorption part to be equal to or lower than the ammonia adsorption temperature of the material.
これまでも説明してきたように、アンモニア吸脱着材は温度でその挙動が変わるが、アンモニア吸着操作手段による積極的な温度制御によりアンモニア吸着部で確実にアンモニアを吸着・除去できる。 As described above, the behavior of the ammonia adsorption / desorption material changes depending on the temperature, but ammonia can be reliably adsorbed / removed by the ammonia adsorption part by the active temperature control by the ammonia adsorption operation means.
本発明の第9の特徴構成は、
前記アンモニア吸着操作手段が、前記アンモニア吸着部が保有する熱を大気放熱させて冷却する放熱器である点にある。
The ninth feature of the present invention is
The ammonia adsorption operation means is a heat radiator that cools the heat held by the ammonia adsorption part by radiating the heat to the atmosphere.
アンモニア吸着部(内部に収納されるアンモニア吸脱着材)の冷却を放熱器で簡便に実現できる。 Cooling of the ammonia adsorbing part (ammonia adsorbing / desorbing material housed inside) can be easily realized with a radiator.
本発明の第10の特徴構成は、
前記熱供給部から排出される脱着動作済の排ガスに含有されるアンモニアを吸着除去するアンモニア吸着部を設け、
当該アンモニア吸着部に、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が、前記アンモニア脱離部に収納されるアンモニア吸脱着材の標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度より高いハロゲン化金属化合物を収納した点にある。
The tenth feature of the present invention is
An ammonia adsorption part for adsorbing and removing ammonia contained in the desorbed exhaust gas discharged from the heat supply part is provided,
The ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at the standard atmospheric pressure in the ammonia adsorption section is higher than the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at the standard atmospheric pressure of the ammonia adsorption / desorption material stored in the ammonia desorption section. The metal compound is stored.
このようにアンモニア吸着部に収納されるアンモニア吸脱着材の特性を、アンモニア脱離部に収納されるアンモニア吸脱着材に対して、アンモニア吸着性で高く、アンモニア脱離性で低いものとすることで、アンモニア吸着部に収納されるアンモニア吸脱離材での吸着動作を確保できる。 The characteristics of the ammonia adsorbing / desorbing material stored in the ammonia adsorbing part as described above shall be higher in ammonia adsorbing property and lower in ammonia desorbing property than the ammonia adsorbing / desorbing material stored in the ammonia desorbing part. Thus, it is possible to ensure the adsorption operation with the ammonia adsorption / desorption material accommodated in the ammonia adsorption part.
このようなアンモニア吸着部に配置するアンモニア吸脱着材としては、本発明の第11の特徴構成に記載するように、ハロゲン化Co化合物、ハロゲン化Mg化合物、及びハロゲン化Ni化合物から選択される一種以上とすることができる。 As described in the eleventh feature of the present invention, the ammonia adsorbing / desorbing material disposed in such an ammonia adsorbing portion is a kind selected from a halogenated Co compound, a halogenated Mg compound, and a halogenated Ni compound. This can be done.
本発明の第12の特徴構成は、先に第2の特徴構成で説明した
前記排ガス温度低下手段が、前記高温側排ガスが保有する熱を大気放熱させて前記低温側排ガスを得る放熱器である点にある。
The twelfth characteristic configuration of the present invention is a radiator that obtains the low-temperature side exhaust gas by radiating the heat held by the high-temperature side exhaust gas to the atmosphere by the exhaust gas temperature lowering means described in the second characteristic configuration. In the point.
この構成では、排ガスの保有する熱を回収することなく捨てることとなるが、SOFCシステムを所謂モノジェネレーションシステムとして働かせ、所定時期、所定量の発電需要を満たすことができる。 In this configuration, the heat stored in the exhaust gas is discarded without being recovered, but the SOFC system can be operated as a so-called monogeneration system, and a predetermined amount of power generation demand can be satisfied at a predetermined time.
このような排ガス温度低下手段に関し、
前記高温側排ガスが保有する熱を受熱して湯を得る湯生成用熱交換器若しくは前記高温側排ガスが保有する熱を大気放熱させる放熱熱交換器を使用可能に構成され、
前記湯生成用熱交換器と前記放熱熱交換器とが交換可能とすることも好ましい。
Regarding such exhaust gas temperature lowering means,
A hot water generating heat exchanger that receives the heat held by the high-temperature side exhaust gas to obtain hot water or a heat-dissipating heat exchanger that radiates the heat held by the high-temperature side exhaust gas to the atmosphere can be used,
It is also preferable that the hot water generating heat exchanger and the heat radiating heat exchanger are exchangeable.
この構成を採用しておくと、熱交換器の交換により、SOFCシステムをコジェネレーションとしたり、モノジェネレーションとすることが可能となり、システム需要に適宜対応できる。 If this configuration is adopted, the SOFC system can be co-generated or mono-generated by exchanging the heat exchanger, and the system demand can be appropriately met.
本発明の第13の特徴構成は、
前記熱供給部から排出される脱離動作済の排ガスに含有されるアンモニアを吸着するアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア吸着部を設けるとともに、前記アンモニア吸着部に収納されるアンモニア吸脱着材の温度を、当該材料のアンモニア吸着温度以下とするアンモニア吸着操作手段を設け、
前記湯生成用熱交換器に導入される受熱側熱媒体の保有する熱を大気放出させて低下する放熱器を備え、
前記アンモニア吸着操作手段に、
前記放熱器により低温化した前記受熱側熱媒体を前記アンモニア吸着部に導く低温側受熱媒体導入路と、前記受熱側熱媒体により前記アンモニア吸着部を冷却する熱交換部と、
前記熱交換部で受熱後の前記受熱側熱媒体を前記湯生成用熱交換器の受熱側熱媒体入口に戻す高温側受熱媒体導入路を備えた点にある。
The thirteenth feature of the present invention is
An ammonia adsorption / desorption material for accommodating an ammonia adsorption / desorption material that adsorbs ammonia contained in the exhaust gas after desorption operation exhausted from the heat supply unit is provided, and an ammonia adsorption / desorption material accommodated in the ammonia adsorption unit. An ammonia adsorption operation means for setting the temperature to be equal to or lower than the ammonia adsorption temperature of the material,
A radiator that lowers the heat held by the heat receiving side heat medium introduced into the heat exchanger for hot water generation by releasing it into the atmosphere,
In the ammonia adsorption operation means,
A low temperature side heat receiving medium introduction path for guiding the heat receiving side heat medium lowered in temperature by the radiator to the ammonia adsorbing part, a heat exchanging part for cooling the ammonia adsorbing part by the heat receiving side heat medium,
A high temperature side heat receiving medium introduction path is provided for returning the heat receiving side heat medium received by the heat exchanging section to the heat receiving side heat medium inlet of the hot water generating heat exchanger.
本発明に係るSOFCシステムでは、アンモニア脱離に対して、アンモニア脱離操作手段を備え、アンモニア吸着に対してアンモニア吸着操作手段を備えることで、アンモニア燃料の供給及び排ガスに含まれるアンモニアの吸着・除去の用に確実に対応できるが、後者のアンモニア吸着操作ではアンモニア吸着部の冷却を行うことが好ましい。 In the SOFC system according to the present invention, ammonia desorption operation means is provided for ammonia desorption, and ammonia adsorption operation means is provided for ammonia adsorption. Although it can respond reliably for removal, it is preferable to cool the ammonia adsorption part in the latter ammonia adsorption operation.
そこで、排ガスが保有する排熱を湯として回収するために設けられる放熱器を利用し、この放熱器から送り出される受熱側熱媒体をアンモニア吸着部に導いてから、湯生成用熱交換器に戻すことで、一の放熱器でアンモニア吸着部の温度低下、排ガスからの熱回収を行うことができる。 Therefore, a heat radiator provided for recovering the exhaust heat held in the exhaust gas as hot water is used, the heat receiving side heat medium sent from the heat radiator is guided to the ammonia adsorption part, and then returned to the hot water generating heat exchanger. Thereby, the temperature reduction of the ammonia adsorption part and heat recovery from the exhaust gas can be performed with one radiator.
以下、本発明に係るSOFCシステム100について、図面に基づいて説明する。
Hereinafter, an
以下に説明する実施形態では、SOFCシステム100の一部がアンモニア貯蔵供給装置1とされ、その主要構成部位として、第1アンモニア吸脱着材A1が収納されるアンモニア脱離部2と、第2アンモニア吸脱着材A2が収納されるアンモニア吸着部3とを内部に備えた筐体10(アンモニア燃料タンクに相当する)と、第1アンモニア吸脱着材A1からアンモニアを脱離させるアンモニア脱離操作手段M1と、第2アンモニア吸脱着材A2にアンモニアを吸着させるアンモニア吸着操作手段M2とを備えている。
In the embodiment described below, a part of the
そして、このアンモニア貯蔵供給装置1の主体である筐体10は、
(1)アンモニア吸着状態の第1アンモニア吸脱着材A1がアンモニア脱離部2に収納され、アンモニア脱離状態の第2アンモニア吸脱着材A2がアンモニア吸着部3に収納された状態でSOFCシステム100に取り付けられ、
(2)SOFC101にアンモニアを燃料として供給し、発電に供された後、
(3)アンモニア脱離状態の第1アンモニア吸脱着材A1がアンモニア脱離部2に収納され、アンモニア吸着状態の第2アンモニア吸脱着材A2がアンモニア吸着部3に収納された状態で取り外される。
使用後の各アンモニア吸脱着材A1,A2は、別途、それぞれ再生処理される。
この再生処理は、第1アンモニア吸脱着材A1に関して、アンモニアと接触させて当該アンモニアを吸着させるアンモニア吸着処理となり、第2アンモニア吸脱着材A2に関しては、アンモニアを脱離させる脱離処理となる。この作業を行うため、筐体10は各アンモニア吸脱着材A1,A2を取出し・収納自在な構造としている(図示省略)。
従って、この筐体10は、実質的にSOFCシステム100のアンモニア燃料タンクとなる。
And the housing | casing 10 which is the main body of this ammonia
(1) The
(2) After supplying ammonia to
(3) The first ammonia adsorption / desorption material A1 in the ammonia desorption state is accommodated in the
The ammonia adsorption / desorption materials A1 and A2 after use are separately regenerated.
This regeneration process is an ammonia adsorption process in which the first ammonia adsorption / desorption material A1 is brought into contact with ammonia to adsorb the ammonia, and the second ammonia adsorption / desorption material A2 is a desorption process in which ammonia is desorbed. In order to perform this operation, the
Accordingly, the
本発明に係るSOFCシステム100は、アンモニア貯蔵供給装置1から燃料としてのアンモニアの供給を受け、発電を行いながら、その排ガスeをアンモニア貯蔵供給装置1の所定部(アンモニア脱離部2、アンモニア吸着部3)へ送り外部へ排出する。そして、燃料としてのアンモニアの受入において、SOFCシステム100から排出される排ガスeを利用する。
The
以下、アンモニア貯蔵供給装置1の主体となるアンモニア貯蔵部としてのアンモニア脱離部2及びアンモニア吸着部3を備えた筐体10に関して、先ず説明し、これら部位を動作させる操作手段M1,M2の働きに関して説明を進める。
Hereinafter, the
アンモニア燃料タンクとしての筐体
図1に示すように、アンモニア貯蔵供給装置1は概略円筒状の筐体10を有して構成され、筐体10内が上下方向に2室に分割されて構成されている。
これら2室は、本発明にいう第1アンモニア吸脱着材A1が収納されるアンモニア脱離部2と、第2アンモニア吸脱着材A2が収納されるアンモニア吸着部3である。
Housing as an ammonia fuel tank As shown in FIG. 1, the ammonia storage and
These two chambers are an
図からも判明するように、この筐体10には、SOFC101へアンモニアを供給するためのアンモニア送出口4が設けられるとともに、SOFC101から排出される排ガスeが冷却されて導入される排ガス流入口5と、当該アンモニア貯蔵供給装置1を経てアンモニアを除去された処理済み排ガスe4が流出される処理済み排ガス流出口6とが設けられている。
As can be seen from the figure, the
本例では、前記アンモニア脱離部2はシェル&チューブ式の熱交換構造が採用されており、外円筒20(シェル)内に多数の伝熱管21(チューブ)を備え、外円筒20と伝熱管21との間に形成されている空間が、第1アンモニア吸脱着材A1が収納されるアンモニア吸脱着材収納室Rとして、伝熱管21内がSOFC101からの排ガスeが流れる熱供給部rとして構成されている。図示する例では、アンモニア脱離部2の入口部位に分配室7を設け、この分配室7から各伝熱管21内に排ガスeが流入するように構成している。ここで、排ガスeが第1アンモニア吸脱着材A1と接触することはない。
In this example, the
前記分配室7には前記排ガス流入口5が接続されており、流入する排ガスeを多数の伝熱管21内に分配して流入させる。
The exhaust gas inlet 5 is connected to the
前記アンモニア吸脱着材収納室Rには、前記アンモニア送出口4が接続されており、室R内に収納される第1アンモニア吸脱着材A1から脱離するアンモニアが流出する。
The ammonia adsorbing / desorbing material storage chamber R is connected to the
前記多数の伝熱管21から給熱後の排ガスeは前記アンモニア吸着部3に流入する。アンモニア吸着部3には第2アンモニア吸脱着材A2が収納され、その排ガス流路長を所定の流路長とすることにより、排ガスeに含まれることがあるアンモニアを第2アンモニア吸脱着材A2に吸着して除去することができる。
The exhaust gas e after being heated from the multiple
アンモニア吸着部3の上部には処理済み排ガス流出口6が接続されており、処理済み排ガスe4をアンモニアフリーの状態で大気に排出する。
A treated
以上が、アンモニア脱離部2及びアンモニア吸着部3を備えた筐体10の説明であるが、以下、各部2、3に収納されているアンモニア吸脱着材A1,A2を使用して、アンモニアをSOFC101の燃料として供給するとともに、排ガスeに含まれることがあるアンモニアを除去する構成に関して説明する。
The above is the description of the
アンモニア脱離操作手段M1
図1の中央部下部に破線で囲って示したのが、このアンモニア脱離操作手段M1を成す機能部位である(図2、図3において同じ)。
アンモニア脱離部2には多数の伝熱管21を熱供給部rとして備え、第1アンモニア吸脱着材A1が吸着状態にあるアンモニアを良好に脱離するように、この伝熱管21にSOFC101の排ガスeを第1アンモニア吸脱着材A1のアンモニア脱離温度以上として流入させる。これがアンモニア脱離操作手段M1の機能であり、例えば、図1は、排ガスeの温度域が50〜60℃であることを例示的に示している。
アンモニア脱離操作手段M1の詳細構造に関しては、SOFCシステム100の項で各実施形態に即して説明する。
Ammonia desorption operation means M1
A functional portion constituting the ammonia desorption operation means M1 is shown by being surrounded by a broken line at the lower part of the center of FIG. 1 (the same applies to FIGS. 2 and 3).
The
The detailed structure of the ammonia desorption operation means M1 will be described in the section of the
アンモニア吸着操作手段M2
一方、図1の左側部位に破線で囲って示したのが、このアンモニア吸着操作手段M2を成す機能部位である(図3において同じ)。図2に示す第2実施形態では、同図下から左側部位に渡る破線で示している。
これらの図からも判明するように、アンモニア吸着部3の横に冷却機構を備えることで、第2アンモニア吸脱着材A2をそのアンモニア吸着温度以下とすることとしている。これがアンモニア吸着操作手段M2の機能である。例えば、図1は、この温度域が30〜40℃であることを例示的に示している。
アンモニア吸着操作手段M2の詳細構造に関しても、SOFCシステム100の項で各実施形態に即して説明する。
Ammonia adsorption operating means M2
On the other hand, the left part of FIG. 1 surrounded by a broken line is a functional part constituting the ammonia adsorption operation means M2 (same in FIG. 3). In 2nd Embodiment shown in FIG. 2, it has shown with the broken line over the left side site | part from the bottom of the same figure.
As can be seen from these figures, the second ammonia adsorbing / desorbing material A2 is set to be equal to or lower than the ammonia adsorption temperature by providing a cooling mechanism beside the
The detailed structure of the ammonia adsorption operation means M2 will also be described in the section of the
第1アンモニア吸脱着材A1
アンモニア脱離部2には、第1アンモニア吸脱着材A1として、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が40℃以上130℃以下であるハロゲン化金属化合物がアンモニアを吸着したアンモニア吸着状態で収納される。即ちハロゲン化Ba化合物、ハロゲン化Ca化合物,ハロゲン化Sr化合物、及びハロゲン化Mn化合物から選択される何れか一種以上が、アンモニアと錯体を形成したハロゲン化金属アンミン錯体の形態で収納される。結果、SOFC101の運転状態では、その排ガスeが伝熱管21に供給され、アンモニア脱離温度まで昇温されることでアンモニアを脱離し、アンモニアをSOFC101へ燃料として供給できる。
1st ammonia adsorption / desorption material A1
In the
第2アンモニア吸脱着材A2
アンモニア吸着部3には、第2アンモニア吸脱着材A2として、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が第1アンモニア吸脱着材A1の標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度より高いハロゲン化金属化合物の一例である塩化Niが収納されている。この塩化Niはアンモニアを脱離したアンモニア脱離状態(アンミン錯体とはなっていない単体)で収納されており、SOFC101の運転状態で排ガスeがアンモニア吸着部3に流入し、排ガスeにアンモニアが含まれていた場合に、アンモニアを吸着して塩化Niアンミン錯体となる。
塩化Niの標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度は180℃程度である。
Second ammonia adsorption / desorption material A2
In the
The ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature of Ni chloride at standard atmospheric pressure is about 180 ° C.
以上説明してきたアンモニア吸脱着材(第1アンモニア吸脱着材A1、第2アンモニア吸脱着材A2とも)としては、粒径を特に問うものではないが、通常5μm〜100mm程度、好ましくは10μm〜30mm程度のものを使用できる。粒状だけでなく、シート状、ハニカム上に形成してもよい、また、シリカ、アルミナ、ゼオライト等の多孔体は高表面積物質に担持させて使用することもできる。 The ammonia adsorbing / desorbing material described above (both the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 and the second ammonia adsorbing / desorbing material A2) is not particularly limited in particle size, but is usually about 5 μm to 100 mm, preferably 10 μm to 30 mm. You can use the one of the degree. It may be formed not only in a granular form but also in a sheet form or on a honeycomb, and a porous body such as silica, alumina, zeolite or the like can be supported on a high surface area substance and used.
SOFCシステム
以下、SOFCシステム100の全体と、先に機能を簡単に説明したアンモニア脱離操作手段M1、アンモニア吸着操作手段M2及び各実施形態で使用する第1アンモニア吸脱着材A1及び第2アンモニア吸脱着材A2に関して、各実施形態に即して説明する。
SOFC System Hereinafter, the
第1実施形態(図1)及び第2実施形態(図2)はSOFCシステム100がコジェネレーションシステムとされる例であり、第3実施形態(図3)はモノジェネレーションシステムとされる例である。
The first embodiment (FIG. 1) and the second embodiment (FIG. 2) are examples in which the
SOFCシステム100をコジェネレーションとする場合とモノジェネレーションとする場合とでは、SOFC101から排出され、アンモニア脱離部2に導入する排ガスeの温度が異なるため、各図の所定箇所に、本発明に係るSOFCシステム100の運転状態における温度を例示的に示した。
Since the temperature of the exhaust gas e discharged from the
これらの図からも判明するように、コジェネレーションシステムとモノジェネレーションシステムでは、低温側排ガスe2の温度が異なる。よって、第1アンモニア吸脱着材A1として使用するアンモニア吸脱着材を異ならせている。一方、第2アンモニア吸脱着材A2は共通のアンモニア吸脱着材を使用している。 As can be seen from these figures, the temperature of the low-temperature side exhaust gas e2 differs between the cogeneration system and the monogeneration system. Therefore, the ammonia adsorption / desorption material used as the first ammonia adsorption / desorption material A1 is different. On the other hand, the second ammonia adsorption / desorption material A2 uses a common ammonia adsorption / desorption material.
SOFCシステム100は、アンモニア吸脱着材A1が収納されるアンモニア脱離部2から供給されるアンモニアを燃料として受け入れるSOFC101と、SOFC101から排出される排ガスeが流れる排ガス路102とを備え、当該排ガス路102に、排ガスeの温度を適切な温度まで低下して前記アンモニア脱離部2に設けられた熱供給部rに供給するアンモニア脱離操作手段M1を備えて構成されている。
The
図に、アンモニア燃料SOFCと記載したSOFC101の中に、単セルを模式的に描いている。SOFC101の単セルは良く知られているように固体電解質(固体酸化物電解質)101aを挟んで燃料極101bと空気極101cを備えて構成され、燃料極101b側に燃料を、空気極101c側に酸素含有ガス(具体的には空気)が供給されて発電する。
In the figure, a single cell is schematically drawn in
本発明の様にアンモニアを燃料とする燃料電池では、アンモニアを直接燃料とする場合はアンモニアが直接燃料極101bが導かれるとともに、この燃料極101bで分解され、水素と酸素とにより発電する。アンモニアが間接的な燃料として使用される場合は、燃料極101bに送られる前に、改質反応によりアンモニアが分解され、水素として燃料極101bに送られて発電する。
In a fuel cell using ammonia as a fuel as in the present invention, when ammonia is directly used as fuel, ammonia is directly guided to the
このように燃料としてアンモニアを使用する場合、例えば発電量が急激に変化した場合等にアンモニアのスリップが発生し、排ガス中にアンモニアが含まれることがある。 Thus, when ammonia is used as the fuel, for example, when the amount of power generation changes abruptly, ammonia slip may occur, and ammonia may be contained in the exhaust gas.
〔第1実施形態〕
図1に示す様に、第1実施形態のSOFCシステム100は、SOFCの排ガスeが有する熱を湯として回収するための排熱回収回路50を備えて構成される。この排熱回収回路50は、貯湯槽51とコジェネレーション用熱交換器52との間で受熱側熱媒体(この例の場合は水w)が循環する循環路として構成され、コジェネレーション用熱交換器52で排ガスeから回収する熱を湯の形態で貯湯槽51に貯め、給湯、暖房、浴槽水の追炊き等の用に供するものである。図では熱利用側の回路を図示省略している。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the
排熱回収回路50には、上記目的から貯湯槽51からコジェネレーション用熱交換器52へ向かう往き路50aに熱媒体ポンプ53と放熱器54とが備えられている。従って、貯湯槽51から水を抜き出してコジェネレーション用熱交換器52へ送りながら、排熱回収を行って湯を得ることができる。
ここで、放熱器54はコジェネレーション用熱交換器52において受熱側熱媒体により熱回収を適切な状態で行うための媒体温度の調整の目的に使用する。
The exhaust
Here, the
以上が、コジェネレーション用熱交換器52を主体とする排熱回収側の構成であり、このコジェネレーション用熱交換器52を通過することにより給熱側熱媒体(この例の場合は排ガスe)の温度は低下する。従って、前記排ガス路102にはコジェネレーション用熱交換器52が排ガス温度低下手段として備えられることとなる。
The above is the configuration of the exhaust heat recovery side mainly composed of the
以下、先に説明したアンモニア脱離操作手段M1の構成に関して説明する。
このコジェネレーション用熱交換器52により温度低下される前の高温側排ガスe1と、温度低下された後の低温側排ガスe2との混合により、前記アンモニア脱離温度以上に調整される混合排ガスe3を生成する脱離操作用混合排ガス生成手段Mmを備え、この脱離操作用混合排ガス生成手段Mmで生成される混合排ガスe3をアンモニア貯蔵供給装置1の前記排ガス流入口5に導く混合排ガス導入路102aを備えている。
Hereinafter, the configuration of the ammonia desorption operation means M1 described above will be described.
By mixing the high temperature side exhaust gas e1 before the temperature is lowered by the
具体的には、脱離操作用混合排ガス生成手段Mmは、高温側排ガスe1流れる高温側排ガス路102bと低温側排ガスe2が流れる低温側排ガス路102cとを備えるとともに、これら高温側排ガス路102b及び低温側排ガス路102cから流出するガスが合流する合流部102dを備え、この合流部102dで合流される高温側排ガスe2と低温側排ガスe1との量比に基づいて、混合排ガスe3の温度をアンモニア脱離温度以上としている。図1に示すように、高温側排ガスe1の温度は200℃程度、低温側排ガスe2の温度は60℃程度とされ、混合排ガスe3の温度は50〜60℃とされる。
Specifically, the mixed exhaust gas generation means Mm for desorption operation includes a high temperature side
混合排ガスe3の温度制御に関しては、アンモニア脱離部2の入口近傍温度及び出口近傍温度を検出する検出器sを設けるとともに、検出温度に基づいて、この温度を所定の目標温度とすべく構成される温度制御用コントローラTICで開度信号を発生し、高温側排ガス流路102bに備えられる開度調整可能なバルブV1の開度を調整することで、第1アンモニア吸脱着材A1からの脱離(SOFC101への燃料としてのアンモニアの供給)を良好に行うことができる。
Regarding temperature control of the mixed exhaust gas e3, a detector s for detecting the temperature near the inlet and the temperature near the outlet of the
第1アンモニア吸脱着材A1
第1実施形態では、アンモニア脱離部2には塩化Srがアンモニアを吸着した塩化Srアンミン錯体(オクタアンミンSr塩化物)として収納される(第2実施形態において同じ)。このアンモニア錯体は標準大気圧で収納されており、SOFC101の運転に伴って、その排ガスeが伝熱管21に供給されることでアンモニアを脱離する。因みに、塩化Srの標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度は40℃程度である。
従って、混合排ガスe3の温度を50〜60℃程度とすることで、アンモニア吸着状態にある塩化Srからアンモニアを脱離させて、SOFC101へ供給することができる。
1st ammonia adsorption / desorption material A1
In the first embodiment, the
Therefore, by setting the temperature of the mixed exhaust gas e3 to about 50 to 60 ° C., ammonia can be desorbed from the Sr chloride in the ammonia adsorption state and supplied to the
アンモニア脱離部2を通過した排ガスeは、アンモニア吸着部3に導かれる。
このアンモニア吸着部3の温度は、アンモニア脱離部2でアンモニア脱離の用に供される熱量と、先にアンモニア吸着操作手段M2として説明した放熱器(具体的には放熱ファン9)の放熱量により制御するが、アンモニア吸着部3の温度を第2アンモニア吸脱着材A2がアンモニアを吸着する温度以下とすることで、排ガス中のアンモニアを吸着除去できる。即ち、アンモニア吸着部3の温度を検出する温度センサs、温度センサs出力に基づいて空冷ファン9に運転制御情報を送る温度制御用コントローラTIC及び空冷ファン9を備え、空冷ファン9の運転によりアンモニア吸着状態を維持している。
The exhaust gas e that has passed through the
The temperature of the
アンモニア吸着部3には、先に説明したように、第2アンモニア吸脱着材A2として塩化Niが収納されている。この塩化Niのアンモニア吸着・脱離平衡温度は塩化Srのそれより高く、アンモニア吸着部3の温度(結果的に混合排ガスe3の温度)を30〜40℃程度まで低下させることで、アンモニア脱離状態にある塩化Niに排ガスe中のアンモニアを吸着させて、清浄な排ガスeを外部に放出することができる。
As described above, the
〔第2実施形態〕
第2実施形態は、コジェネレーションシステムの例である第1実施形態において、アンモニア吸着操作手段M2を第1実施形態の様に独立に設けることなく、排熱回収回路50に設けられる放熱器54から送り出される受熱側熱媒体(この例の場合は水w)を、アンモニア吸着部3の冷却に利用する例である。
第1実施形態と同一の機器に関しては、同一の符号を記した。
この例ではアンモニア吸着操作手段M2の構成のみが、第1実施形態と異なる。
[Second Embodiment]
The second embodiment is an example of a cogeneration system. In the first embodiment, the ammonia adsorption operation means M2 is not provided independently as in the first embodiment, and the
The same symbols are used for the same devices as in the first embodiment.
In this example, only the configuration of the ammonia adsorption operation means M2 is different from that of the first embodiment.
図2に示すように、第2実施形態では、アンモニア吸着操作手段M2を構成するに、排熱回収回路50に備えられる放熱器54を利用する。即ちこの放熱器54により保有する熱を大気放熱して低温化した受熱側熱媒体wをアンモニア吸着部3に導く低温側受熱媒体導入路91と、受熱側熱媒体wによりアンモニア吸着部3を冷却する熱交換コイル90とを備え、この熱交換コイル90で受熱後の受熱側熱媒体wを湯生成用熱交換器であるコジェネレーション用熱交換器52の受熱側熱媒体入口52aに戻す高温側受熱媒体導入路92を備えて、アンモニア吸着部3を良好に働かせることができる。
この構成では、熱交換コイル90が冷却用の熱交換部となり、排熱回収回路50に設けられる放熱器54から送り出される受熱側熱媒体(この例の場合は水w)の温度を、第1実施形態の場合より低下させるとともに、その循環量を増加して、アンモニア吸着部3でのアンモニア吸着が適切に行われるようにしている。
As shown in FIG. 2, in the second embodiment, a
In this configuration, the
〔第3実施形態〕
図3に示す第3実施形態のSOFCシステム100は、SOFC101からの排ガスeからの熱回収を行わないモノジェネレーションシステムである。
[Third Embodiment]
The
従って、第1、第2実施形態のように、排熱回収用の排熱回収回路50を備えることはなく、SOFC101から排出される排ガスeが有する熱を放熱器500で大気放熱する構成としている。よって、この実施形態では、低温側排ガス路102cは、これを流れる排ガスeの温度を低下させる単なる放熱路となっており、放熱器500は排ガス温度低下手段となっている。
Therefore, unlike the first and second embodiments, the exhaust
このモノジェネレーションシステムの例では、同図に示すように混合排ガスe3の温度は100〜130℃とする。 In the example of this monogeneration system, the temperature of the mixed exhaust gas e3 is set to 100 to 130 ° C. as shown in FIG.
そこで、アンモニア脱離部2に収納する第1アンモニア吸脱着材A1としては、塩化Mnを採用している。塩化Mnのアンモニア吸着・脱離平衡温度は86℃程度であるため、混合排ガスe3の温度を100〜130℃程度としても、アンモニア吸着状態にある塩化Mnアンミン錯体からアンモニアを脱離させて、SOFC101へ供給することが可能となる。
Therefore, Mn chloride is employed as the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 stored in the
アンモニア吸着部3の構成、当該部位に収納する第2アンモニア吸脱着材A2及びその吸着動作用のアンモニア吸着操作手段M2の構成に関しては、第1実施形態と同様である。
The configuration of the
さて、この実施形態でも、高温側排ガスe1が流れる高温側排ガス路102bと、低温側排ガスe2が流れる低温側排ガス路102cとを備えるとともに、これら高温側排ガス路102b及び低温側排ガス路102cから流出するガスが合流する合流部102dを備え、合流部102dで合流される高温側排ガスe1と低温側排ガスe2との量比に基づいて、混合排ガスe3の温度をアンモニア脱離温度以上とするという、第1実施形態の基本構成は踏襲している。
In this embodiment as well, a high temperature side
ただし、この実施形態では、アンモニア脱離部2の温度制御に関して、アンモニア脱離部2の入口近傍温度及び出口近傍温度を検出する検出器sを設けるとともに、この検出器sの検出温度に基づいて、合流部102dに高温側若しくは低温側或はそれらの両方の弁開度を制御可能な流量調整型3方弁V2を設けて、高温側排ガスe1,低温側排ガスe2の流量比を調整し、混合排ガスe3の温度を調整している。
この様な構成でも脱離操作用混合排ガス生成手段Mmを構成することができる。
However, in this embodiment, for temperature control of the
Even in such a configuration, the mixed exhaust gas generation means Mm for desorption operation can be configured.
〔別実施形態〕
(1) 上記の実施形態にあっては、第1アンモニア吸脱着材A1、第2アンモニア吸脱着材A2の組み合わせの例として、第1アンモニア吸脱着材A1として、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が40℃以上130℃以下であるハロゲン化金属化合物を、第2アンモニア吸脱着材A2として、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が第1アンモニア吸脱着材より高いハロゲン化金属化合物の組み合わせを採用する例を示したが、このような組み合わせは、両者の関係において、第2アンモニア吸脱着材A2のアンモニア吸着・脱離平衡温度が、第1アンモニア吸脱着材A1のアンモニア吸着・脱離平衡温度より高くなっていれば、同一温度環境下において前者A1が脱離性能を後者A2が吸着性能を発揮することとなるため、採用可能となる。
これまで説明してきた実施形態のように、アンモニア脱離操作手段M1を備えてアンモニア脱離部2の温度を比較的高く積極的に管理し、アンモニア吸着操作手段M2を備えて、アンモニア吸着部3の温度を比較的低く管理できる場合はなおさらである。
[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, as an example of the combination of the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 and the second ammonia adsorbing / desorbing material A2, as the first ammonia adsorbing / desorbing material A1, ammonia adsorption / desorption at standard atmospheric pressure can be performed. A halogenated metal compound having a desorption equilibrium temperature of 40 ° C. or higher and 130 ° C. or lower is used as the second ammonia adsorption / desorption material A2, and the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure is higher than that of the first ammonia adsorption / desorption material. In this example, the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature of the second ammonia adsorption / desorption material A2 is the same as that of the first ammonia adsorption / desorption material A1. If the temperature is higher than the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature, the former A1 exhibits the desorption performance and the latter A2 exhibits the adsorption performance under the same temperature environment. Therefore, it becomes possible to employ.
As in the embodiments described so far, the ammonia desorption operation means M1 is provided to actively manage the temperature of the
標準大気圧下において、130℃を基準にアンモニア吸脱着材の組み合わせとする場合は、第1アンモニア吸脱着材A1を、ハロゲン化Ba化合物、ハロゲン化Ca化合物,ハロゲン化Sr化合物、及びハロゲン化Mn化合物から選択される何れか一種以上とでき、第2アンモニア吸脱着材A2がハロゲン化Co化合物、ハロゲン化Mg化合物、及びハロゲン化Ni化合物から選択される一種以上とできる。
また、標準大気圧下において、100℃を基準にアンモニア吸脱着材の組み合わせとする場合も、第1アンモニア吸脱着材A1と第2アンモニア吸脱着材A2との組み合わせは上記と同様となる。
In the case of using a combination of ammonia adsorbing and desorbing materials based on 130 ° C. under standard atmospheric pressure, the first ammonia adsorbing and desorbing material A1 is composed of a halogenated Ba compound, a halogenated Ca compound, a halogenated Sr compound, and a halogenated Mn. Any one or more selected from compounds can be used, and the second ammonia adsorption / desorption material A2 can be one or more selected from a halogenated Co compound, a halogenated Mg compound, and a halogenated Ni compound.
Further, when the combination of the ammonia adsorbing / desorbing material is set at 100 ° C. under the standard atmospheric pressure, the combination of the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 and the second ammonia adsorbing / desorbing material A2 is the same as above.
ちなみに、ハロゲン化金属化合物が塩化物である場合について、アンモニアの配位反応に関して説明しておくと、塩化Ba,塩化Ca,塩化Srでは50〜60℃程度でアンモニアの脱離を始め、塩化Mnの標準大気圧におけるアンモニア吸着・脱離平衡温度(アンモニアの配位反応平衡温度)は86℃であり、塩化Coは135℃、塩化Mgが140℃、塩化Niが180℃である。 Incidentally, in the case where the metal halide compound is chloride, the coordination reaction of ammonia will be described. In the case of Ba chloride, Ca chloride, and Sr chloride, desorption of ammonia starts at about 50 to 60 ° C., and Mn chloride At standard atmospheric pressure, the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature (ammonia coordination reaction equilibrium temperature) is 86 ° C., Co chloride is 135 ° C., Mg chloride is 140 ° C., and Ni chloride is 180 ° C.
(2) 混合排ガスの温度を制御する混合排ガス温度制御手段の構成としては、SOFC101に要求される発電量に対応して必要となるアンモニア燃料量に応じて、SOFC101にアンモニア燃料を供給するアンモニア燃料供給量制御装置(マスフローコントローラ)を備え、このアンモニア燃料供給量制御装置から供給するアンモニア燃料量に応じて、混合排ガスの温度を制御するように、混合排ガス温度制御手段を構成してもよい。
(2) The configuration of the mixed exhaust gas temperature control means for controlling the temperature of the mixed exhaust gas is an ammonia fuel that supplies ammonia fuel to the
(3) コジェネレーションシステムである第1実施形態と、モノジェネレーションシステムである第3実施形態とに関して、前者のシステムでは、排ガス温度低下手段として、高温側排ガスが保有する熱を受熱して湯を得るコジェネレーション用熱交換器(湯生成用熱交換器の一例)を使用し、後者のシステムでは、排ガス温度低下手段として、高温側排ガスが保有する熱を大気放熱させる放熱器(放熱熱交換器の一例)を使用する例を示したが、本発明に係るSOFCシステムにおいて、前者の湯生成用熱交換器と、後者の放熱器のシステムにおける位置は実質同一であるため、これら湯生成用熱交換器と放熱熱交換器とを交換可能としておくことが好ましい。
この構成を採用しておくことで、両者を交換することで、コジェネレーションシステムと、モノジェネレーションシステムとの切換を容易に行うことが可能となる。
(3) Regarding the first embodiment which is a cogeneration system and the third embodiment which is a monogeneration system, in the former system, as the exhaust gas temperature lowering means, the heat held by the high temperature side exhaust gas is received and hot water is supplied. A heat exchanger for cogeneration (an example of a heat exchanger for hot water generation) to be obtained, and in the latter system, as a means for lowering the exhaust gas temperature, a heat radiator (radiation heat exchanger) that radiates the heat held by the high-temperature side exhaust gas to the atmosphere In the SOFC system according to the present invention, the positions of the former hot water generating heat exchanger and the latter radiator in the system are substantially the same. It is preferable that the exchanger and the radiant heat exchanger be exchangeable.
By adopting this configuration, it is possible to easily switch between the cogeneration system and the monogeneration system by exchanging the two.
アンモニアを直接もしくは間接的に燃料として使用するSOFCシステムとして、SOFCシステムの運転上必要となるエネルギー消費をできるだけ低減化できるSOFCシステムを提供することができた。 As an SOFC system that uses ammonia directly or indirectly as a fuel, it was possible to provide an SOFC system that can reduce the energy consumption required for the operation of the SOFC system as much as possible.
1 アンモニア貯蔵供給装置
2 アンモニア脱離部(アンモニア貯蔵部)
3 アンモニア吸着部
4 アンモニア送出口
5 排ガス流入口
6 処理済み排ガス流出口
7 分配室
9 冷却ファン(放熱器)
10 筐体
20 外円筒
21 伝熱管
50 排熱回収回路
50a 往き路
51 貯湯槽
52 コジェネレーション用熱交換器(湯生成用熱交換器、排ガス温度低下手段)
53 熱媒体ポンプ
54 放熱器
90 熱交換コイル(熱交換部)
91 低温側受熱媒体導入路
92 高温側受熱媒体導入路
100 固体酸化物形燃料電池システム(SOFCシステム)
101 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
102 排ガス路
102a 混合排ガス路
102b 高温側排ガス路
102c 低温側排ガス路
102d 合流部
500 放熱器(排ガス温度低下手段)
A1 第1アンモニア吸脱着材
A2 第2アンモニア吸脱着材
M1 アンモニア脱離操作手段
M2 アンモニア吸着操作手段
Mm 脱離操作用混合排ガス生成手段
R アンモニア吸脱着材収納室
TIC 温度制御用コントローラ
V1 バルブ
V2 3方弁
e 排ガス
e1 高温側排ガス
e2 低温側排ガス
e3 混合排ガス
e4 処理済み排ガス
r 熱供給部
s 検出器
1 Ammonia storage and
3
DESCRIPTION OF
53 Heat
91 Low temperature side heat receiving
101 Solid oxide fuel cell (SOFC)
102
A1 1st ammonia adsorption / desorption material A2 2nd ammonia adsorption / desorption material M1 Ammonia desorption operation means M2 Ammonia adsorption operation means Mm Mixed exhaust gas generation means R for desorption operation R Ammonia adsorption / desorption material storage chamber TIC Temperature control controller
Claims (13)
前記アンモニア貯蔵部から供給されるアンモニアを燃料として受け入れる固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスが流れる排ガス路とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記排ガス路に、当該排ガス路を流れる排ガスの温度を低下して、前記アンモニア貯蔵部に熱を供給する熱供給部に導き、前記アンモニア貯蔵部を当該アンモニア貯蔵部に収納される前記アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度とするアンモニア脱離操作手段を備え、前記アンモニア貯蔵部をアンモニア脱離部とする固体酸化物形燃料電池システム。 An ammonia storage part that stores an ammonia adsorption / desorption material that is maintained in an ammonia adsorption state in which ammonia is adsorbed at an ammonia adsorption temperature and desorbs ammonia adsorbed at an ammonia desorption temperature higher than the ammonia adsorption temperature;
A solid oxide fuel cell that accepts ammonia supplied from the ammonia storage unit as fuel; and
A solid oxide fuel cell system comprising an exhaust gas path through which exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell flows,
In the exhaust gas path, the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust gas path is lowered and led to a heat supply part that supplies heat to the ammonia storage part, and the ammonia storage part is accommodated in the ammonia storage part. A solid oxide fuel cell system comprising an ammonia desorption operation means having an ammonia desorption temperature of the material, and wherein the ammonia storage unit is an ammonia desorption unit.
前記排ガスの温度を低下する排ガス温度低下手段と、
当該排ガス温度低下手段により温度低下される前の高温側排ガスと、前記排ガス温度低下手段により温度低下された後の低温側排ガスとの混合により、前記アンモニア脱離温度以上に調整される混合排ガスを生成する脱離操作用混合排ガス生成手段を備え、
前記脱離操作用混合排ガス生成手段で生成される混合排ガスを前記熱供給部に導く混合排ガス導入路を備えた請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システム。 The ammonia desorption operation means comprises
Exhaust gas temperature lowering means for lowering the temperature of the exhaust gas;
A mixed exhaust gas adjusted to be equal to or higher than the ammonia desorption temperature by mixing the high temperature side exhaust gas before the temperature reduction by the exhaust gas temperature reduction means and the low temperature side exhaust gas after the temperature reduction by the exhaust gas temperature reduction means. Comprising a mixed exhaust gas generating means for desorption operation to generate,
The solid oxide fuel cell system according to claim 1, further comprising a mixed exhaust gas introduction path that guides the mixed exhaust gas generated by the desorption operation mixed exhaust gas generation means to the heat supply unit.
前記合流部で合流される前記高温側排ガスと前記低温側排ガスとの量比に基づいて、前記混合排ガスの温度を前記アンモニア脱離温度以上とする請求項2記載の固体酸化物形燃料電池システム。 The desorption operation mixed exhaust gas generation means includes a high temperature side exhaust gas path through which the high temperature side exhaust gas flows and a low temperature side exhaust gas path through which the low temperature side exhaust gas flows, and from the high temperature side exhaust gas path and the low temperature side exhaust gas path It has a merge part where the outflowing gas merges,
3. The solid oxide fuel cell system according to claim 2, wherein the temperature of the mixed exhaust gas is set to be equal to or higher than the ammonia desorption temperature based on a quantitative ratio between the high temperature side exhaust gas and the low temperature side exhaust gas joined at the junction. .
当該アンモニア吸着部に、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が、前記アンモニア脱離部に収納されるアンモニア吸脱着材の標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度より高いハロゲン化金属化合物を収納した請求項5記載の固体酸化物形燃料電池システム。 An ammonia adsorption part for adsorbing and removing ammonia contained in the desorbed exhaust gas discharged from the heat supply part is provided,
The ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at the standard atmospheric pressure in the ammonia adsorption section is higher than the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at the standard atmospheric pressure of the ammonia adsorption / desorption material stored in the ammonia desorption section. 6. The solid oxide fuel cell system according to claim 5, which contains a metal compound.
前記湯生成用熱交換器に導入される受熱側熱媒体の保有する熱を大気放出させて低下する放熱器を備え、
前記アンモニア吸着操作手段に、
前記放熱器により低温化した前記受熱側熱媒体を前記アンモニア吸着部に導く低温側受熱媒体導入路と、
前記受熱側熱媒体により前記アンモニア吸着部を冷却する熱交換部と、
前記熱交換部で受熱後の前記受熱側熱媒体を前記湯生成用熱交換器の受熱側熱媒体入口に戻す高温側受熱媒体導入路を備えた請求項4記載の固体酸化物形燃料電池システム。
An ammonia adsorption / desorption material for accommodating an ammonia adsorption / desorption material that adsorbs ammonia contained in the exhaust gas after desorption operation exhausted from the heat supply unit is provided, and an ammonia adsorption / desorption material accommodated in the ammonia adsorption unit. An ammonia adsorption operation means for setting the temperature to be equal to or lower than the ammonia adsorption temperature of the material,
A radiator that lowers the heat held by the heat receiving side heat medium introduced into the heat exchanger for hot water generation by releasing it into the atmosphere,
In the ammonia adsorption operation means,
A low-temperature-side heat receiving medium introduction path that guides the heat-receiving-side heat medium lowered in temperature by the radiator to the ammonia adsorption unit;
A heat exchanging part that cools the ammonia adsorbing part by the heat receiving side heat medium;
5. The solid oxide fuel cell system according to claim 4, further comprising a high temperature side heat receiving medium introduction path for returning the heat receiving side heat medium received by the heat exchanging section to a heat receiving side heat medium inlet of the hot water generating heat exchanger. .
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