JP2018098110A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムでは、燃料電池システム内で発生した熱を、水蒸気改質反応の熱、供給ガス、水などで回収し、排出されるガスなどの熱を、ある程度の温度まで低下させ、燃料電池システムの系外へ排出する必要がある。また、燃料電池セルスタックが高温で稼働するものについては、燃料電池システムの内部を高温に維持することが重要である。 In the fuel cell system, the heat generated in the fuel cell system is recovered with the heat of the steam reforming reaction, the supply gas, water, etc., and the heat of the discharged gas etc. is reduced to a certain temperature, and the fuel cell system It is necessary to discharge out of the system. In addition, for the fuel cell stack that operates at a high temperature, it is important to maintain the inside of the fuel cell system at a high temperature.
例えば、特許文献１では、コジェネレーションシステムにおいて、燃料電池装置で発生した熱を給湯用の水と熱交換することにより回収し、熱交換後の湯を貯湯槽に貯留し、需要に応じて湯を供給する技術が開示されている。また、特許文献１では、貯湯槽の水が高温の場合に、系外の上水を用いて貯湯槽を介さずに高温ガスとの間で熱交換を行う技術も開示されている。 For example, in Patent Document 1, in a cogeneration system, heat generated in a fuel cell device is recovered by exchanging heat with water for hot water supply, hot water after heat exchange is stored in a hot water storage tank, and hot water is supplied according to demand. A technology for supplying Patent Document 1 also discloses a technique for exchanging heat with a high-temperature gas without using a hot water storage tank using clean water outside the system when the water in the hot water storage tank is hot.
特許文献１の燃料電池システムにおいては、回収後の熱が湯として燃料電池システムの系外に排出されている。しかしながら、燃料電池システムの用途や種類によっては、熱としての利用ではなく、発電効率を高めることが求められる。また、燃料電池セルスタックのアノードから排出されたアノードオフガスを発電の再利用に供する場合には、燃焼に供されるアノードオフガス量が再利用しない場合と比較して少ないため、特に熱をシステム系外へ排出せずに、システム系内で最大限に利用することが求められる。 In the fuel cell system of Patent Document 1, the recovered heat is discharged as hot water out of the fuel cell system. However, depending on the use and type of the fuel cell system, it is required not to use it as heat but to increase power generation efficiency. In addition, when the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell stack is used for power generation reuse, the amount of anode off-gas used for combustion is small compared to the case where the anode off-gas is not reused. It is required to make maximum use within the system without discharging to the outside.
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ排出するガスの温度を効果的に低下させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above facts, and provides a fuel cell system capable of effectively reducing the temperature of gas discharged to the outside while improving the power generation efficiency of the fuel cell system. Objective.
請求項１の発明に係る燃料電池システムは、燃料極へ供給される燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電し、前記燃料極からアノードオフガスが排出される燃料電池と、前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を除去して再生燃料ガスとし、該再生燃料ガスを送出する燃料再生器と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出されシステム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと、前記燃料再生器から送出又は前記燃料再生器へ送出され前記燃料電池へ向かって供給される供給流体と、の間で熱交換する熱交換部と、を備えている。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a fuel cell that generates power from fuel gas supplied to a fuel electrode and air supplied to an air electrode, and discharges anode off gas from the fuel electrode; A fuel regenerator that flows in and removes at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode offgas to produce a regenerated fuel gas, and delivers the regenerated fuel gas; and a combustor that burns the anode offgas discharged from the fuel cell; Between the combustion exhaust gas immediately before being discharged from the combustor and discharged to the outside of the system, and the supply fluid sent from the fuel regenerator or sent to the fuel regenerator and supplied toward the fuel cell And a heat exchanging part for exchanging heat.
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池、及び燃焼器を備えている。燃焼器は、燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼させて、熱を発生させる。燃焼器から排出される燃焼排ガスは、システム系外へ排出される直前に、熱交換部において、供給流体との間で熱交換が行われる。供給流体は、燃料再生器から送出されて燃料電池セルスタックへ向かって供給されるか、又は、燃料再生器へ送出されて燃料再生から燃料電池へ向かって供給される。
ここで、「燃料電池セルスタックへ向かって供給される」とは、直接的に燃焼電池セルスタックに供給される場合に限らず、他の処理部（改質器、気化器、熱交換器、ＣＯ選択酸化器等）を介して燃料電池セルスタックへ供給される場合も含んでいる。
A fuel cell system according to a first aspect includes a fuel cell and a combustor. The combustor generates heat by burning the anode off-gas discharged from the fuel cell. Immediately before being discharged out of the system system, the exhaust gas discharged from the combustor undergoes heat exchange with the supply fluid in the heat exchanging section. The supply fluid is sent from the fuel regenerator and supplied toward the fuel cell stack, or is supplied to the fuel regenerator and supplied from the fuel regeneration to the fuel cell.
Here, “supplied toward the fuel cell stack” is not limited to the case where the fuel cell stack is directly supplied, but other processing units (reformer, vaporizer, heat exchanger, This includes the case where the fuel cell stack is supplied via a CO selective oxidizer or the like.
二酸化炭素や水蒸気を除去する燃料再生器においては、除去機能を発揮させるために、燃料再生器へ送出されるガス、燃料再生器から送出されるガスが、比較的低温にされる。また、二酸化炭素や水蒸気を分離するために、燃料再生器へ常温の流体を供給する場合もある。したがって、供給流体との熱交換により燃焼排ガスの温度を低下させることができる。 In a fuel regenerator that removes carbon dioxide and water vapor, the gas delivered to the fuel regenerator and the gas delivered from the fuel regenerator are set to a relatively low temperature in order to exert the removal function. In addition, a normal temperature fluid may be supplied to the fuel regenerator to separate carbon dioxide and water vapor. Therefore, the temperature of the combustion exhaust gas can be lowered by heat exchange with the supply fluid.
また、熱交換により加熱された供給流体は、燃料電池へ向かうシステム系内へ供給されるので、熱はシステム外部へ放出されず、内部温度を維持するための余計な燃料の投入を抑えて発電効率を向上させることができる。 In addition, since the supply fluid heated by the heat exchange is supplied into the system system toward the fuel cell, heat is not released to the outside of the system, and power generation is performed by suppressing the addition of extra fuel to maintain the internal temperature. Efficiency can be improved.
なお、「システム系外へ排出される直前の熱交換部」とは、システム系外へ排出される前の最終の熱交換部であることを意味し、システム系内において当該熱交換部より下流側では熱交換が積極的に行われないことを意味する。 Note that “the heat exchanging part immediately before being discharged out of the system system” means the final heat exchanging part before being discharged out of the system system, and is downstream from the heat exchanging part in the system system. It means that heat exchange is not actively performed on the side.
請求項２の発明に係る燃料電池システムは、前記熱交換部へ送出される前記供給流体は、１５℃〜２００℃の範囲内であること、を特徴とする。 The fuel cell system according to a second aspect of the present invention is characterized in that the supply fluid delivered to the heat exchange section is in a range of 15 ° C to 200 ° C.
システム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと熱交換する供給流体の温度を１５℃〜２００℃の範囲内にすることにより、理想的には、燃焼排ガスを１５℃〜２００℃でシステム系外へ排出させることができる。 Ideally, the temperature of the supply fluid that exchanges heat with the combustion exhaust gas just before being discharged out of the system system is within the range of 15 ° C to 200 ° C, so that the combustion exhaust gas is ideally outside the system system at 15 ° C to 200 ° C. Can be discharged.
請求項３の発明に係る燃料電池システムは、前記供給流体は、前記燃料再生器から送出された前記再生燃料ガスである。 In the fuel cell system according to a third aspect of the present invention, the supply fluid is the regenerated fuel gas sent from the fuel regenerator.
請求項３に係る燃料電池システムによれば、システム系外へ排出される燃焼排ガスを冷却できると共に、再生燃料ガスを加熱することができる。 According to the fuel cell system of the third aspect, the combustion exhaust gas discharged to the outside of the system system can be cooled and the regenerated fuel gas can be heated.
請求項４の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生器は、分離膜により区画された透過部と非透過部を有し、スイープガスとして前記透過部へ供給する空気が前記供給流体である。 In a fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention, the fuel regenerator has a permeation part and a non-permeation part partitioned by a separation membrane, and air supplied to the permeation part as a sweep gas is the supply fluid. .
請求項４に係る燃料電池システムによれば、システム系外へ排出される燃焼排ガスを冷却できると共に、システム系内へ供給される空気を加熱することができる。 According to the fuel cell system of the fourth aspect, the combustion exhaust gas discharged out of the system system can be cooled, and the air supplied into the system system can be heated.
請求項５の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料再生器は、分離膜により区画された透過部と非透過部を有し、スイープガスとして前記透過部へ供給する原料ガスが前記供給流体である。 According to a fifth aspect of the present invention, the fuel regenerator includes a permeation part and a non-permeation part partitioned by a separation membrane, and a raw material gas supplied to the permeation part as a sweep gas is the supply fluid. is there.
請求項５に係る燃料電池システムによれば、システム系外へ排出される燃焼排ガスを冷却できると共に、システム系内へ供給される原料ガスを加熱することができる。 According to the fuel cell system of the fifth aspect, the combustion exhaust gas discharged out of the system system can be cooled, and the raw material gas supplied into the system system can be heated.
請求項６の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池は、前記燃料再生器へ前記アノードオフガスを送出する第１燃料電池と、前記再生燃料ガスが燃料ガスとして燃料極へ供給される第２燃料電池と、を含む。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a first fuel cell that sends the anode off gas to the fuel regenerator; and a second fuel cell that supplies the regenerated fuel gas as a fuel gas to the fuel electrode. A fuel cell.
請求項６に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池から排出されたアノードオフガスが、燃料再生器で再生燃料ガスとされた後に第２燃料電池の燃料極へ供給されて用いられる、多段式の燃料電池システムが実現される。 In the fuel cell system according to claim 6, the anode off-gas discharged from the first fuel cell is used as a regenerated fuel gas by the fuel regenerator and then supplied to the fuel electrode of the second fuel cell. A fuel cell system is realized.
請求項７の発明に係る燃料電池システムは、前記再生燃料ガスを燃料ガスとして前記燃料電池の前記燃料極へ供給する燃料循環配管、を備えている。 A fuel cell system according to a seventh aspect of the invention includes a fuel circulation pipe that supplies the regenerated fuel gas as a fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell.
請求項７に係る燃料電池システムでは、第１燃料電池から排出されたアノードオフガスが、燃料再生器で再生燃料ガスとされた後に再生燃料ガスとして燃料極へ供給されて用いられる、循環式の燃料電池システムが実現される。 The fuel cell system according to claim 7, wherein the anode off-gas discharged from the first fuel cell is used as a regenerated fuel gas that is supplied to the fuel electrode as a regenerated fuel gas after being used as a regenerated fuel gas. A battery system is realized.
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムにおける発電効率を向上させつつ、外部へ排出するガスの温度を効果的に低下させることができる。 According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to effectively reduce the temperature of the gas discharged to the outside while improving the power generation efficiency in the fuel cell system.
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの概略構成が示されている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、空気予熱器２０、燃焼器２２、燃料再生器２４を備え、これらは筐体１１内に収容されている。また、第１熱交換部３０及び第２熱交換部３２を備えている。本実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、燃料電池セルスタックを複数有し、前段の燃料電池セルスタックから排出されたガスが後段の燃料電池セルスタックへ供給されて発電に使用される、多段式の燃料電池システムである。 FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 10A according to the present embodiment. The fuel cell system 10A according to the present embodiment includes, as main components, a vaporizer 12, a reformer 14, a first fuel cell stack 16, a second fuel cell stack 18, an air preheater 20, a combustor 22, A fuel regenerator 24 is provided, and these are accommodated in the housing 11. Moreover, the 1st heat exchange part 30 and the 2nd heat exchange part 32 are provided. The fuel cell system 10A according to the present embodiment has a plurality of fuel cell stacks, and the gas discharged from the preceding fuel cell stack is supplied to the subsequent fuel cell stack and used for power generation. This is a fuel cell system.
気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。原料ガス管Ｐ１には、ブロアＢ１が設けられており、ブロアＢ１により原料ガスであるメタンＧ０が気化器１２へ送出される。また、気化器１２には、水供給管Ｐ２の一端が接続されており、水供給管Ｐ２の他端は不図示の水源に接続されている。水供給管Ｐ２には、ポンプＰが設けられており、ポンプＰにより水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器２２からの燃焼排ガスＧ１０の熱が用いられる。 One end of the source gas pipe P1 is connected to the vaporizer 12, and the other end of the source gas pipe P1 is connected to a gas source (not shown). A blower B1 is provided in the source gas pipe P1, and methane G0, which is a source gas, is sent to the vaporizer 12 by the blower B1. Further, one end of a water supply pipe P2 is connected to the vaporizer 12, and the other end of the water supply pipe P2 is connected to a water source (not shown). The water supply pipe P <b> 2 is provided with a pump P, and water (liquid phase) is sent to the vaporizer 12 by the pump P. In the vaporizer 12, water is vaporized. For the vaporization, heat of the combustion exhaust gas G10 from the combustor 22 described later is used.
なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。 In this embodiment, methane is used as the raw material gas, but it is not particularly limited as long as it can be reformed, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, lower hydrocarbon gas, and the like. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, and butane, and methane used in the present embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-described lower hydrocarbon gas, and the above-described lower hydrocarbon gas may be a gas such as natural gas, city gas, or LP gas.
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスＧ１を生成する。なお、本実施形態では、水蒸気改質により水素を生成する例で説明するが、二酸化炭素改質により水素を生成してもよい。改質器１４には、燃料ガス管Ｐ４の一端が接続されている。燃料ガス管Ｐ４の他端は、第１燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスＧ１は、燃料ガス管Ｐ４を介してアノード１６Ａに供給される。 Methane and water vapor are sent from the vaporizer 12 to the reformer 14 via the pipe P3. In the reformer 14, methane is reformed to generate a fuel gas G1 containing hydrogen and having a temperature of about 600 ° C. In this embodiment, hydrogen is generated by steam reforming. However, hydrogen may be generated by carbon dioxide reforming. One end of a fuel gas pipe P4 is connected to the reformer 14. The other end of the fuel gas pipe P4 is connected to the anode (fuel electrode) 16A of the first fuel cell stack 16. The fuel gas G1 generated by the reformer 14 is supplied to the anode 16A through the fuel gas pipe P4.
第１燃料電池セルスタック１６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック１６は、作動温度が６５０℃程度に設定されている。 The first fuel cell stack 16 is a solid oxide fuel cell stack (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) and has a plurality of stacked fuel cells. The operating temperature of the fuel cell stack 16 is set to about 650 ° C.
燃料電池セルスタック１６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。 Each fuel cell of the fuel cell stack 16 has an electrolyte membrane, and an anode (fuel electrode) 16A and a cathode (air electrode) 16B laminated on the front and back surfaces of the electrolyte membrane.
なお、第２燃料電池セルスタック１８についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１６と同様であり、アノード１６Ａに対応するアノード１８Ａ、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１８Ｂを有している。 The basic configuration of the second fuel cell stack 18 is the same as that of the first fuel cell stack 16, and has an anode 18A corresponding to the anode 16A and a cathode 18B corresponding to the cathode 16B.
第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、空気供給管Ｐ５の一端が接続されている。空気供給管Ｐ５の他端には、ブロアＢ２が接続されている。空気供給管Ｐ５の中間部には空気予熱器２０が設けられている。ブロアＢ２から送出された空気Ｇ５は、空気供給管Ｐ５によって、空気予熱器２０を経由し、カソード１６Ｂへ供給される。空気予熱器２０では、後述する燃焼器２２からの燃焼排ガスＧ１０により空気Ｇ５が加熱される。 One end of an air supply pipe P5 is connected to the cathode 16B of the first fuel cell stack 16. A blower B2 is connected to the other end of the air supply pipe P5. An air preheater 20 is provided at an intermediate portion of the air supply pipe P5. The air G5 sent from the blower B2 is supplied to the cathode 16B via the air preheater 20 by the air supply pipe P5. In the air preheater 20, the air G5 is heated by the combustion exhaust gas G10 from the combustor 22 described later.
カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。 In the cathode 16B, as shown in the following formula (1), oxygen in the air and electrons react to generate oxygen ions. The produced oxygen ions reach the anode 16A of the fuel cell stack 16 through the electrolyte membrane.
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (1)
カソード１６Ｂからは、カソードオフガスＧ２が排出される。カソード１６Ｂには、カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスＧ２を第２燃料電池セルスタック１８のカソード１８Ｂへ案内するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。 The cathode off gas G2 is discharged from the cathode 16B. A cathode offgas pipe P6 that guides the cathode offgas G2 discharged from the cathode 16B to the cathode 18B of the second fuel cell stack 18 is connected to the cathode 16B.
一方、燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。 On the other hand, in the anode 16A of the fuel cell stack 16, as shown in the following formulas (2) and (3), oxygen ions that have passed through the electrolyte membrane react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas, (Water vapor) and carbon dioxide and electrons are generated. Electrons generated at the anode 16A move from the anode 16A through the external circuit to the cathode 16B, thereby generating electric power in each fuel cell stack. Each fuel cell stack generates heat during power generation.
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (2)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (3)
アノード１６Ａには、アノードオフガス管Ｐ７−１の一端が接続されている。アノード１６Ａからアノードオフガス管Ｐ７−１へ、アノードオフガスＧ３が排出される。アノードオフガスＧ３には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。 One end of an anode offgas pipe P7-1 is connected to the anode 16A. The anode off gas G3 is discharged from the anode 16A to the anode off gas pipe P7-1. The anode off gas G3 contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.
アノードオフガス管Ｐ７−１の他端は、後述する第２熱交換部３２を経て燃料再生器２４と接続されている。燃料再生器２４の出口側には、再生燃料管Ｐ７−２の一端が接続されている。再生燃料管Ｐ７−２の他端は、後述する第１熱交換部３０、及び第２熱交換部３２を経て第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａと接続されている。 The other end of the anode off-gas pipe P7-1 is connected to the fuel regenerator 24 via a second heat exchanging section 32 described later. One end of a regenerated fuel pipe P7-2 is connected to the outlet side of the fuel regenerator 24. The other end of the regenerative fuel pipe P7-2 is connected to the anode 18A of the second fuel cell stack 18 via a first heat exchange unit 30 and a second heat exchange unit 32 described later.
燃料再生器２４では、アノードオフガスＧ３から、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去され、再生燃料ガスＧ４が再生燃料管Ｐ７−２へ送出される。燃料再生器２４では、例えば、分離膜、吸着剤、凝縮器などを用いて二酸化炭素及び水の少なくとも一方を除去することができる。燃料再生器２４で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去された再生燃料ガスＧ４は、再生燃料管Ｐ７−２を通り、第１熱交換部３０、及び第２熱交換部３２を経て、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａからは、アノードオフガスＧ３−３がアノードオフガス管Ｐ７−３を通って燃焼器２２へ送出される。 In the fuel regenerator 24, at least one of carbon dioxide and water is removed from the anode off gas G3, and the regenerated fuel gas G4 is sent to the regenerated fuel pipe P7-2. In the fuel regenerator 24, for example, at least one of carbon dioxide and water can be removed using a separation membrane, an adsorbent, a condenser, and the like. The regenerated fuel gas G4 from which at least one of carbon dioxide and water has been removed by the fuel regenerator 24 passes through the regenerated fuel pipe P7-2, passes through the first heat exchange unit 30 and the second heat exchange unit 32, and then passes through the second regenerated fuel gas G4. The fuel cell stack 18 is sent to the anode 18A for power generation. From the anode 18A of the second fuel cell stack 18, the anode offgas G3-3 is sent to the combustor 22 through the anode offgas pipe P7-3.
第１熱交換部３０へ送出される再生燃料ガスＧ４は、燃料再生器２４の種類等により異なるが、凝縮器であれば常温〜１００℃未満となる。なお、第１熱交換部３０へ送出される再生燃料ガスＧ４の温度は、燃焼排ガスＧ１０に必要な降温を確保するために、１５℃〜２００℃の範囲内であることが好ましい。 The regenerated fuel gas G4 delivered to the first heat exchanging unit 30 varies depending on the type of the fuel regenerator 24 and the like. In addition, it is preferable that the temperature of the regenerated fuel gas G4 sent to the first heat exchange unit 30 is within a range of 15 ° C. to 200 ° C. in order to ensure a temperature drop required for the combustion exhaust gas G10.
カソード１８Ｂには、カソードオフガス管Ｐ９の一端が接続されている。カソードオフガス管Ｐ９の他端は、燃焼器２２と接続されており、カソードオフガスＧ９は燃焼器２２へ送出される。カソード１８Ｂからは、カソードオフガスＧ９−２がカソードオフガス管Ｐ９−２を通って燃焼器２２へ送出される。 One end of a cathode offgas pipe P9 is connected to the cathode 18B. The other end of the cathode offgas pipe P9 is connected to the combustor 22 and the cathode offgas G9 is sent to the combustor 22. From the cathode 18B, the cathode offgas G9-2 is sent to the combustor 22 through the cathode offgas pipe P9-2.
燃焼器２２では、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａから排出されたアノードオフガスＧ３−３が燃焼される。燃焼器２２の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器２０を経由して気化器１２に導入され、第１熱交換部３０での熱交換後に筐体１１の外部に排出されている。本実施形態では、筐体１１内がシステム系内、筐体１１外がシステム系外である。 In the combustor 22, the anode off gas G3-3 discharged from the anode 18A of the second fuel cell stack 18 is combusted. One end of the combustion exhaust pipe P10 is connected to the outlet side of the combustor 22. The combustion exhaust gas G <b> 10 is introduced into the vaporizer 12 through the air preheater 20, and is discharged to the outside of the housing 11 after heat exchange in the first heat exchange unit 30. In the present embodiment, the inside of the housing 11 is inside the system system, and the outside of the housing 11 is outside the system system.
燃焼排ガスＧ１０は、空気予熱器２０において、常温の空気Ｇ５と熱交換が行われる。その後、燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２へ送出され、気化器１２において、水及びメタンと熱交換が行われる。燃焼排ガスＧ１０は、気化器１２において熱交換が行われた後、第１熱交換部３０を経て筐体１１の外部（燃料電池システム１０Ａの系外）に排出される。 The combustion exhaust gas G10 is subjected to heat exchange with the air G5 at room temperature in the air preheater 20. Thereafter, the combustion exhaust gas G10 is sent to the vaporizer 12, where heat exchange with water and methane is performed. The combustion exhaust gas G10 is subjected to heat exchange in the vaporizer 12, and then discharged to the outside of the casing 11 (outside the fuel cell system 10A) through the first heat exchange unit 30.
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10A of the present embodiment will be described.
ブロアＢ２により所定の空気吐出量で送出された空気Ｇ５は、空気予熱器２０を経てカソード１６Ｂへ供給され、発電に供される。その後、カソードオフガスＧ９−１としてカソードオフガス管Ｐ６を経てカソード１８Ｂへ送出される。そして、カソード１８Ｂで発電に供された後、カソードオフガスＧ９−２として燃焼器２２へ送出される。 The air G5 sent out by the blower B2 at a predetermined air discharge amount is supplied to the cathode 16B via the air preheater 20 and is used for power generation. Thereafter, the cathode off gas G9-1 is sent to the cathode 18B through the cathode off gas pipe P6. Then, after being used for power generation at the cathode 18B, it is sent to the combustor 22 as cathode offgas G9-2.
一方、ブロアＢ１により所定の吐出量で送出されたメタンＧ０は、原料ガス管Ｐ１を経て気化器１２へ供給される。また、ポンプＰにより所定の吐出量で送出された水（液相）は、水供給管Ｐ２を経て気化器１２へ供給される。気化器１２へ供給された水及びメタンは、燃焼排ガスＧ１０との熱交換により加熱される。これにより水は気化され、加熱されたメタンと水蒸気は、配管Ｐ３を経て改質器１４へ送出される。そして、改質器１４で燃料ガスＧ１へ改質され、燃料ガス管Ｐ４を経てアノード１６Ａへ供給され、発電に供される。アノード１６Ａからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスＧ３が排出され、アノードオフガス管Ｐ７−１を経て燃料再生器２４へ送出される。 On the other hand, the methane G0 sent out by the blower B1 with a predetermined discharge amount is supplied to the vaporizer 12 through the raw material gas pipe P1. Further, the water (liquid phase) sent out by the pump P at a predetermined discharge amount is supplied to the vaporizer 12 through the water supply pipe P2. The water and methane supplied to the vaporizer 12 are heated by heat exchange with the combustion exhaust gas G10. Thereby, water is vaporized, and the heated methane and water vapor are sent to the reformer 14 through the pipe P3. The reformer 14 reforms the fuel gas G1 and supplies the fuel gas G1 to the anode 16A via the fuel gas pipe P4. From the anode 16A, the anode offgas G3 containing fuel such as unreacted hydrogen is discharged and sent to the fuel regenerator 24 through the anode offgas pipe P7-1.
アノードオフガスＧ３は、燃料再生器２４の上流側に設けられた第２熱交換部３２において、再生燃料ガスＧ４との間で熱交換される。アノードオフガスＧ３は降温され、再生燃料ガスＧ４は昇温される。 The anode off-gas G3 is heat-exchanged with the regenerated fuel gas G4 in the second heat exchanging unit 32 provided on the upstream side of the fuel regenerator 24. The anode off-gas G3 is lowered in temperature, and the regeneration fuel gas G4 is raised in temperature.
燃料再生器２４では、アノードオフガスＧ３から、二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去される。燃料再生器２４で二酸化炭素及び水の少なくとも一方が除去された再生燃料ガスＧ４は、再生燃料管Ｐ７−２を通り、第１熱交換部３０、及び第２熱交換部３２を経て、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ送出され、発電に供される。アノード１８Ａからは、アノードオフガスＧ３−３がアノードオフガス管Ｐ７−３を通って燃焼器２２へ送出される。 In the fuel regenerator 24, at least one of carbon dioxide and water is removed from the anode off gas G3. The regenerated fuel gas G4 from which at least one of carbon dioxide and water has been removed by the fuel regenerator 24 passes through the regenerated fuel pipe P7-2, passes through the first heat exchange unit 30 and the second heat exchange unit 32, and then passes through the second regenerated fuel gas G4. The fuel cell stack 18 is sent to the anode 18A for power generation. From the anode 18A, the anode off gas G3-3 is sent to the combustor 22 through the anode off gas pipe P7-3.
燃焼器２２では、アノードオフガスＧ３−３が燃焼に供され、燃焼による熱で改質器１４が加熱される。燃焼器２２からは、燃焼排ガスＧ１０が燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出され、空気予熱器２０において、空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。空気Ｇ５は昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。燃焼排ガスＧ１０は、次に、気化器１２へ送出され、メタン及び水との間で熱交換が行われる。メタン及び水は昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。さらに、燃焼排ガスＧ１０は、第１熱交換部３０へ送られ、燃料再生器２４から送出された再生燃料ガスＧ４との間で熱交換が行われる。再生燃料ガスＧ４は昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。第１熱交換部３０で冷却された後、燃焼排ガスＧ１０は、燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。第１熱交換部３０は、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される直前の熱交換部である。すなわち、第１熱交換部３０が最終の熱交換部であり、燃焼排ガスＧ１０は、第１熱交換部３０よりも下流側では、積極的に熱交換が行われずに燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される。 In the combustor 22, the anode off-gas G3-3 is used for combustion, and the reformer 14 is heated by heat generated by the combustion. The combustion exhaust gas G10 is sent from the combustor 22 to the combustion exhaust gas pipe P10, and the air preheater 20 performs heat exchange with the air G5. The temperature of the air G5 is raised and the temperature of the combustion exhaust gas G10 is lowered. The combustion exhaust gas G10 is then sent to the vaporizer 12, and heat exchange is performed between methane and water. Methane and water are heated, and the combustion exhaust gas G10 is cooled. Further, the combustion exhaust gas G <b> 10 is sent to the first heat exchange unit 30, and heat exchange is performed with the regenerated fuel gas G <b> 4 sent from the fuel regenerator 24. The temperature of the regenerated fuel gas G4 is raised and the temperature of the combustion exhaust gas G10 is lowered. After being cooled by the first heat exchange unit 30, the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the fuel cell system 10A. The first heat exchange unit 30 is a heat exchange unit immediately before the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the fuel cell system 10A. That is, the first heat exchanging unit 30 is the final heat exchanging unit, and the combustion exhaust gas G10 is not actively exchanged on the downstream side of the first heat exchanging unit 30 and is out of the fuel cell system 10A. Is discharged.
本実施形態では、燃料電池システム１０Ａの系外へ排出される直前の燃焼排ガスＧ１０が、燃料再生器２４から送出された再生燃料ガスＧ４と熱交換される。再生燃料ガスＧ４は、燃料再生器２４の上流側においてアノードオフガスＧ３として一旦第２熱交換部３２で熱交換が行われており、アノード１６Ａから排出された直後のアノードオフガスＧ３よりも温度が低い（燃料再生器２４を凝縮器とした場合には、常温〜１００℃未満）。したがって、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させることができる。 In the present embodiment, the combustion exhaust gas G10 immediately before being discharged out of the fuel cell system 10A is heat-exchanged with the regenerated fuel gas G4 sent from the fuel regenerator 24. The regenerated fuel gas G4 is once subjected to heat exchange as the anode off gas G3 in the upstream side of the fuel regenerator 24 in the second heat exchanging section 32, and the temperature is lower than the anode off gas G3 immediately after being discharged from the anode 16A. (When the fuel regenerator 24 is a condenser, normal temperature to less than 100 ° C.). Therefore, the temperature of the combustion exhaust gas G10 can be lowered.
また、熱交換により加熱された再生燃料ガスＧ４は、第２燃料電池セルスタック１８へ向かうシステム系内へ供給されるので、燃焼排ガスＧ１０の熱はシステム外部へ放出されず、発電効率を向上させることができる。 Further, since the regenerated fuel gas G4 heated by the heat exchange is supplied into the system system toward the second fuel cell stack 18, the heat of the combustion exhaust gas G10 is not released to the outside of the system, improving the power generation efficiency. be able to.
なお、本実施形態では、第１熱交換部３０を燃料再生器２４の下流側に配置したが、第１熱交換部３０を燃料再生器２４の上流側に設置してもよい。この場合には、第２熱交換部３２において熱交換された後のアノードオフガスＧ３と燃焼排ガスＧ１０とで熱交換が行われる。 In the present embodiment, the first heat exchange unit 30 is arranged on the downstream side of the fuel regenerator 24, but the first heat exchange unit 30 may be installed on the upstream side of the fuel regenerator 24. In this case, heat exchange is performed between the anode off-gas G3 and the combustion exhaust gas G10 after the heat exchange in the second heat exchange unit 32.
また、本実施形態では、燃焼排ガスＧ１０がシステム系外に排出される直前の熱交換器が気化器１２ではない。したがって、予めシステム系外へ排出される燃焼排ガスＧ１０の温度（系外排出温度）を設定し、当該系外排出温度になるように逆算して気化器１２の温度を設定する場合に、気化器１２の温度を高く設定することができる。これにより、改質水を安定して気化させることができる。また、気化器１２の温度が高くなることにより、改質器１４との温度差が小さくなり、隣接して配置することによる熱ロスを少なくすることできる。 In the present embodiment, the heat exchanger immediately before the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the system system is not the vaporizer 12. Therefore, when the temperature of the combustion exhaust gas G10 discharged outside the system system (outside system exhaust temperature) is set in advance and the temperature of the carburetor 12 is set by back calculation so as to be the outside system exhaust temperature, the carburetor The temperature of 12 can be set high. Thereby, reforming water can be vaporized stably. Moreover, when the temperature of the vaporizer 12 becomes high, a temperature difference with the reformer 14 becomes small, and heat loss due to the adjacent arrangement can be reduced.
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図２に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が第１実施形態と異なっている。 As shown in FIG. 2, the fuel cell system 10 </ b> B of the present embodiment is different from the first embodiment in that the second fuel cell stack 18 is not provided.
再生燃料ガスＧ４が流通する再生燃料ガス管Ｐ７−２は、第２熱交換部３２の下流側で、燃料循環配管Ｐ７−４と、アノードオフガス管Ｐ７−３に分岐されている。なお、燃料循環配管Ｐ７−４とアノードオフガス管Ｐ７−３とは、アノードオフガス管Ｐ７−１の第２熱交換部３２よりも上流側で分岐させてもよい。アノードオフガス管Ｐ７−３は、燃焼器２２へ導入されている。燃料循環配管Ｐ７−４は、アノード１６Ａの入り口側へ接続されている。再生燃料ガスＧ４の一部は、アノード１６Ａへ送出されて第１燃料電池セルスタック１６における発電に供される。再生燃料ガスＧ４の残りは、燃焼器２２へ送出されて燃焼に供される。なお、カソード１６Ｂから排出されたカソードオフガスＧ２は、カソードオフガス管Ｐ６を介して燃焼器２２へ導入される。 The regenerated fuel gas pipe P7-2 through which the regenerated fuel gas G4 flows is branched to the fuel circulation pipe P7-4 and the anode off-gas pipe P7-3 on the downstream side of the second heat exchange unit 32. The fuel circulation pipe P7-4 and the anode offgas pipe P7-3 may be branched upstream of the second heat exchange section 32 of the anode offgas pipe P7-1. The anode off gas pipe P7-3 is introduced into the combustor 22. The fuel circulation pipe P7-4 is connected to the inlet side of the anode 16A. A part of the regenerated fuel gas G4 is sent to the anode 16A and used for power generation in the first fuel cell stack 16. The remainder of the regenerated fuel gas G4 is sent to the combustor 22 for combustion. The cathode off gas G2 discharged from the cathode 16B is introduced into the combustor 22 via the cathode off gas pipe P6.
本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、第１燃料電池セルスタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスＧ３が再生されて、再度、第１燃料電池セルスタック１６で再利用される循環式の燃料電池システムとなっている。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。 In the fuel cell system 10B of the present embodiment, the anode offgas G3 that is the spent fuel in the first fuel cell stack 16 is regenerated and reused in the first fuel cell stack 16 again. It is a battery system. In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、図３に示されるように、燃料再生器２４に代えて、分離部２６を備えている。 As shown in FIG. 3, the fuel cell system 10 </ b> C of this embodiment includes a separation unit 26 instead of the fuel regenerator 24.
分離部２６は、アノードオフガスＧ３から二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を後述する分離膜２８で分離するものである。分離部２６は、流入部２５及び透過部２７を有している。流入部２５と透過部２７は、分離膜２８で区画されている。流入部２５がアノードオフガスＧ３の非透過側となり、透過部２７が透過側となる。 The separation unit 26 separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas G3 by a separation membrane 28 described later. The separation part 26 has an inflow part 25 and a transmission part 27. The inflow part 25 and the permeation part 27 are partitioned by a separation membrane 28. The inflow part 25 becomes the non-permeation side of the anode off gas G3, and the permeation part 27 becomes the permeation side.
ここで、分離膜２８について説明する。分離膜２８は、前述のように二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離するものであればよいが、本実施形態では、分離膜２８は二酸化炭素を透過する機能を有するものを用いる。二酸化炭素を透過する機能を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜などが挙げられる。また、分離膜は、ガスの相対湿度が高いときに二酸化炭素透過性が向上する分離膜であることが好ましく、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アミン水溶液膜又はイオン液体膜であることがより好ましい。 Here, the separation membrane 28 will be described. The separation membrane 28 only needs to separate at least one of carbon dioxide and water vapor as described above, but in this embodiment, the separation membrane 28 has a function of permeating carbon dioxide. Although it will not specifically limit if it has a function which permeate | transmits a carbon dioxide, For example, an organic polymer film | membrane, an inorganic material film | membrane, an organic polymer-inorganic material composite film | membrane, a liquid film etc. are mentioned. The separation membrane is preferably a separation membrane that improves carbon dioxide permeability when the relative humidity of the gas is high, and is a rubber-like polymer membrane, an ion exchange resin membrane, an aqueous amine solution membrane, or an ionic liquid membrane. Is more preferable.
アノードオフガスＧ３は、アノードオフガス管Ｐ７−１を経て分離部２６の流入部２５へ供給される。アノードオフガスＧ３に含まれる二酸化炭素は、分離膜２８を透過して透過部２７へ移動する。二酸化炭素の濃度が低減されて流入部２５側に残ったアノードオフガスＧ３は、再生燃料ガスＧ４として、流入部２５から送出される。再生燃料ガス管Ｐ７−２は、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａと接続されており、再生燃料ガスＧ４は、再生燃料ガス管Ｐ７−２を経て、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａに供給される。 The anode off gas G3 is supplied to the inflow part 25 of the separation part 26 via the anode off gas pipe P7-1. Carbon dioxide contained in the anode off gas G3 passes through the separation membrane 28 and moves to the permeation unit 27. The anode offgas G3 remaining on the inflow portion 25 side after the concentration of carbon dioxide is reduced is sent out from the inflow portion 25 as the regenerated fuel gas G4. The regenerated fuel gas pipe P7-2 is connected to the anode 18A of the second fuel cell stack 18, and the regenerated fuel gas G4 passes through the regenerated fuel gas pipe P7-2 and is then the anode of the second fuel cell stack 18. 18A.
第２熱交換部３２では、アノードオフガス管Ｐ７−１を流れるアノードオフガスＧ３と再生燃料ガス管Ｐ７−２を流れる再生燃料ガスＧ４とで熱交換が行われる。第２熱交換部３２では、アノードオフガスＧ３が降温され、再生燃料ガスＧ４が昇温される。 In the second heat exchange section 32, heat exchange is performed between the anode offgas G3 flowing through the anode offgas pipe P7-1 and the regenerated fuel gas G4 flowing through the regenerated fuel gas pipe P7-2. In the second heat exchange unit 32, the anode off-gas G3 is lowered in temperature, and the regeneration fuel gas G4 is raised in temperature.
分離部２６の透過部２７には、空気供給管Ｐ５−０の一端が接続されている。空気供給管Ｐ５−０の他端には、ブロアＢ２が接続されており、スイープ用の常温（１５℃〜４０℃）の空気Ｇ５が透過部２７に送出されている。透過部２７よりも上流側でブロアＢ２よりも下流側には、第３熱交換部３４が設けられている。 One end of an air supply pipe P5-0 is connected to the transmission part 27 of the separation part 26. A blower B2 is connected to the other end of the air supply pipe P5-0, and air G5 at a normal temperature (15 ° C. to 40 ° C.) for sweeping is sent to the transmission unit 27. A third heat exchange unit 34 is provided on the upstream side of the transmission unit 27 and on the downstream side of the blower B2.
第３熱交換部３４では、気化器１２から排出されて燃料電池システム１０Ｃの系外へ排出される直前の燃焼排ガスＧ１０と、常温の空気Ｇ５との間で熱交換が行われる。第３熱交換部３４において、空気Ｇ５は昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。第３熱交換部３４は、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ｃの系外へ排出される直前の熱交換部である。 In the third heat exchanging section 34, heat exchange is performed between the combustion exhaust gas G10 immediately before being discharged from the vaporizer 12 and discharged outside the fuel cell system 10C, and the room temperature air G5. In the third heat exchange section 34, the temperature of the air G5 is raised and the temperature of the combustion exhaust gas G10 is lowered. The third heat exchange unit 34 is a heat exchange unit immediately before the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the fuel cell system 10C.
透過部２７には、空気供給管Ｐ５の他端が接続されており、透過部２７から送出された空気Ｇ５が空気予熱器２０へ送出される。 The other end of the air supply pipe P <b> 5 is connected to the transmission part 27, and the air G <b> 5 sent from the transmission part 27 is sent to the air preheater 20.
本実施形態では、燃料電池システム１０Ｃの系外へ排出される直前の燃焼排ガスＧ１０が、分離部２６におけるスイープ用の空気Ｇ５と熱交換されて冷却される。したがって、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させることができる。 In the present embodiment, the combustion exhaust gas G10 immediately before being discharged out of the fuel cell system 10C is heat-exchanged with the sweep air G5 in the separation unit 26 and cooled. Therefore, the temperature of the combustion exhaust gas G10 can be lowered.
また、第３熱交換部３４において熱交換により加熱された空気Ｇ５は、分離部２６の透過部２７、空気予熱器２０を経て、第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂへ供給されて発電に供される。したがって、燃焼排ガスＧ１０の熱はシステム外部へ放出されず、システム内部を高温に保つための余計な燃料が不要になり、発電効率を向上させることができる。 In addition, the air G5 heated by heat exchange in the third heat exchange unit 34 is supplied to the cathode 16B of the first fuel cell stack 16 through the transmission unit 27 of the separation unit 26 and the air preheater 20 to generate power. Provided. Therefore, the heat of the combustion exhaust gas G10 is not released to the outside of the system, unnecessary fuel for keeping the inside of the system at a high temperature becomes unnecessary, and the power generation efficiency can be improved.
なお、本実施形態では、第３熱交換部３４を透過部２７の上流側に配置したが、第３熱交換部３４を透過部２７の下流側に設置してもよい。 In the present embodiment, the third heat exchange unit 34 is arranged on the upstream side of the transmission unit 27, but the third heat exchange unit 34 may be installed on the downstream side of the transmission unit 27.
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜３実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が第３実施形態と異なり、再生燃料ガス管Ｐ７−２が、第２実施形態と同様に、第２熱交換部３２の下流側で、燃料循環配管Ｐ７−４と、アノードオフガス管Ｐ７−３に分岐されている。本実施形態の燃料電池システム１０Ｄは、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、第１燃料電池セルスタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスＧ３が再生されて、再度、第１燃料電池セルスタック１６で再利用される循環式の燃料電池システムとなっている。本実施形態においても、第３実施形態と同様の効果を奏することができる。 The fuel cell system 10D of the present embodiment is different from the third embodiment in that the fuel cell system 10D does not have the second fuel cell stack 18 and the regenerated fuel gas pipe P7-2 is the same as that of the second embodiment. On the downstream side of the heat exchanging section 32, the fuel circulation pipe P7-4 and the anode offgas pipe P7-3 are branched. Similar to the fuel cell system 10B of the second embodiment, the fuel cell system 10D of the present embodiment regenerates the anode off-gas G3, which is the spent fuel in the first fuel cell stack 16, and again the first fuel. This is a circulating fuel cell system that is reused in the battery cell stack 16. In this embodiment, the same effect as that of the third embodiment can be obtained.
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜４実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本実施形態の燃料電池システム１０Ｅは、透過部２７へ供給されるスイープ用のガスが、原料ガスである点が第３実施形態の燃料電池システム１０Ｃと異なっている。 The fuel cell system 10E of the present embodiment is different from the fuel cell system 10C of the third embodiment in that the sweep gas supplied to the permeation unit 27 is a raw material gas.
分離部２６の透過部２７の入口側には、原料ガス管Ｐ１−０の一端が接続されている。原料ガス管Ｐ１−０の他端には、不図示のガス源が接続されている。原料ガス管Ｐ１−０には、ブロアＢ１が設けられ、ブロアＢ１によりスイープ用ガスとしてのメタンＧ０が透過部２７へ送出される。メタンの温度は、常温（１５℃〜４０℃）程度である。透過部２７の出口側には、原料ガス管Ｐ１の他端が接続されており、透過部２７から送出された原料ガスが気化器１２へ送出される。 One end of the source gas pipe P1-0 is connected to the inlet side of the permeation unit 27 of the separation unit 26. A gas source (not shown) is connected to the other end of the source gas pipe P1-0. A blower B1 is provided in the raw material gas pipe P1-0, and methane G0 as a sweep gas is sent to the permeation unit 27 by the blower B1. The temperature of methane is about room temperature (15 ° C. to 40 ° C.). The other end of the source gas pipe P1 is connected to the outlet side of the permeation unit 27, and the source gas sent from the permeation unit 27 is sent to the vaporizer 12.
第４熱交換部３６では、気化器１２から排出されて燃料電池システム１０Ｃの系外へ出される直前の燃焼排ガスＧ１０と、メタンとの間で熱交換が行われる。第４熱交換部３６において、メタンは昇温され、燃焼排ガスＧ１０は降温される。第４熱交換部３６は、燃焼排ガスＧ１０が燃料電池システム１０Ｅの系外へ排出される直前の熱交換部である。 In the fourth heat exchanging unit 36, heat exchange is performed between the methane and the combustion exhaust gas G10 immediately before being discharged from the vaporizer 12 and out of the fuel cell system 10C. In the fourth heat exchange section 36, the temperature of methane is raised and the temperature of the combustion exhaust gas G10 is lowered. The fourth heat exchange unit 36 is a heat exchange unit immediately before the combustion exhaust gas G10 is discharged out of the fuel cell system 10E.
本実施形態では、燃料電池システム１０Ｅの系外へ排出される直前の燃焼排ガスＧ１０が、分離部２６におけるスイープ用のメタンと熱交換されて冷却される。したがって、燃焼排ガスＧ１０の温度を低下させることができる。 In the present embodiment, the combustion exhaust gas G10 immediately before being discharged out of the fuel cell system 10E is heat-exchanged with the methane for sweeping in the separation unit 26 and cooled. Therefore, the temperature of the combustion exhaust gas G10 can be lowered.
また、第４熱交換部３６において熱交換により加熱されたメタンは、分離部２６の透過部２７、気化器１２を経て、第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａへ供給されて発電に供される。したがって、燃焼排ガスＧ１０の熱はシステム外部へ放出されず、発電効率を向上させることができる。 The methane heated by the heat exchange in the fourth heat exchange unit 36 is supplied to the anode 16A of the first fuel cell stack 16 through the permeation unit 27 of the separation unit 26 and the vaporizer 12, and is used for power generation. The Therefore, the heat of the combustion exhaust gas G10 is not released outside the system, and the power generation efficiency can be improved.
なお、本実施形態では、第４熱交換部３６を透過部２７の上流側に配置したが、第４熱交換部３６を透過部２７の下流側に設置してもよい。 In the present embodiment, the fourth heat exchange unit 36 is disposed on the upstream side of the transmission unit 27, but the fourth heat exchange unit 36 may be installed on the downstream side of the transmission unit 27.
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜５実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first to fifth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本実施形態の燃料電池システム１０Ｆは、第２燃料電池セルスタック１８を有していない点が第５実施形態と異なり、再生燃料ガス管Ｐ７−２が、第２、４実施形態と同様に、第２熱交換部３２の下流側で、燃料循環配管Ｐ７−４と、アノードオフガス管Ｐ７−３に分岐されている。本実施形態の燃料電池システム１０Ｆは、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同様に、第１燃料電池セルスタック１６で使用済みの燃料であるアノードオフガスＧ３が再生されて、再度、第１燃料電池セルスタック１６で再利用される循環式の燃料電池システムとなっている。本実施形態においても、第５実施形態と同様の効果を奏することができる。 The fuel cell system 10F of the present embodiment is different from the fifth embodiment in that the second fuel cell stack 18 is not provided, and the regenerated fuel gas pipe P7-2 is similar to the second and fourth embodiments. On the downstream side of the second heat exchanging section 32, the fuel circulation pipe P7-4 and the anode offgas pipe P7-3 are branched. Similar to the fuel cell system 10B of the second embodiment, the fuel cell system 10F of the present embodiment regenerates the anode off-gas G3, which is the spent fuel in the first fuel cell stack 16, and again the first fuel. This is a circulating fuel cell system that is reused in the battery cell stack 16. In this embodiment, the same effect as that of the fifth embodiment can be obtained.
なお、本実施形態では、分離膜２８として水素透過膜を用いてもよい。この場合、アノードオフガスＧ３中の水素を透過させ、透過側のスイープガスである原料ガスと共に水素をアノード１８Ａへ供給する。非透過側から排出されたガスは、燃焼器２２へ供給される。 In the present embodiment, a hydrogen permeable membrane may be used as the separation membrane 28. In this case, hydrogen in the anode off-gas G3 is permeated, and hydrogen is supplied to the anode 18A together with the raw material gas which is the permeation side sweep gas. The gas discharged from the non-permeate side is supplied to the combustor 22.
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。 The fuel cell of the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC), but may be another fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). May be.
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ 燃料電池システム
１６、１８ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
１６Ａ、１８Ａ アノード（燃料極）、１６Ｂ、１８Ｂ カソード（空気極）
２２ 燃焼器、 ２４ 燃料再生器、 ２５ 流入部（非透過部）
２６ 分離部（燃料再生器）、 ２７ 透過部、 ２８ 分離膜
３０ 第１熱交換部（熱交換部）、 ３４ 第３熱交換器（熱交換部）
３６ 第４熱交換部（熱交換部）、Ｇ０ メタン（供給流体、原料ガス）
Ｇ１ 燃料ガス、 Ｇ３ アノードオフガス、 Ｇ４ 再生燃料ガス（供給流体）
Ｇ５ 空気（供給流体）、 Ｇ１０ 燃焼排ガス
Ｐ７−４ 燃料循環配管、 Ｐ７ 再生燃料管
10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F Fuel cell system 16, 18 Fuel cell stack (fuel cell)
16A, 18A Anode (fuel electrode), 16B, 18B Cathode (air electrode)
22 combustor, 24 fuel regenerator, 25 inflow part (non-permeation part)
26 Separation part (fuel regenerator) 27 Permeation part 28 Separation membrane 30 1st heat exchange part (heat exchange part), 34 3rd heat exchanger (heat exchange part)
36 4th heat exchange section (heat exchange section), G0 methane (feed fluid, source gas)
G1 fuel gas, G3 anode off gas, G4 regenerated fuel gas (supply fluid)
G5 Air (Supply fluid), G10 Combustion exhaust gas P7-4 Fuel circulation pipe, P7 Regenerated fuel pipe
Claims (7)
前記アノードオフガスが流入され、前記アノードオフガスから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を除去して再生燃料ガスとし、該再生燃料ガスを送出する燃料再生器と、 前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出されシステム系外へ排出される直前の燃焼排ガスと、前記燃料再生器から送出又は前記燃料再生器へ送出され前記燃料電池へ向かって供給される供給流体と、の間で熱交換する熱交換部と、
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell that generates power from fuel gas supplied to the fuel electrode and air supplied to the air electrode, and discharges anode off-gas from the fuel electrode;
The anode off-gas is introduced, and at least one of carbon dioxide and water vapor is removed from the anode off-gas to form a regenerated fuel gas, and a fuel regenerator that sends out the regenerated fuel gas; and the anode off-gas discharged from the fuel cell is burned A combustor
Heat is generated between the combustion exhaust gas immediately before being discharged from the combustor and discharged to the outside of the system, and the supply fluid sent from the fuel regenerator or sent to the fuel regenerator and supplied toward the fuel cell. A heat exchange part to be exchanged;
A fuel cell system comprising:
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| JP2016184504A (en) * | 2015-03-26 | 2016-10-20 | 東京瓦斯株式会社 | Fuel battery system |
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