JP2020030893A - 液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、圧縮機、及び冷却装置に商用電源、即ち、外部エネルギーを用いた場合、排熱や発電システムの発電電力を有効利用して二酸化炭素ガスを効率的に液化するとはいえず、改善の余地がある。
燃料電池から排出されたオフガスは、二酸化炭素ガス分離部で二酸化炭素ガスが分離される。
二酸化炭素ガス分離部で分離された二酸化炭素ガスは、燃料電池で発電された電力で駆動可能とされる圧縮機で圧縮される。圧縮機を燃料電池で発電された電力で駆動することができるので、発電中に、商用電源等からの外部電力を用いる必要が無く、送電損失も伴わないので、効率よく圧縮機を駆動することができるほか、商用電源等の停電時も継続して、液化二酸化炭素を回収しながら、高効率な燃料電池発電を継続することができる。
排熱投入型吸収式冷凍機若しくは吸着式冷凍機は、燃料電池から排出されたオフガスを駆動用熱源として用い、水を冷却して冷却水を生成する。オフガスは、高温であるため、排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機を効率的に駆動することができる。なお、排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機は、オフガスの排熱を用いて冷熱を生成し、水を冷却しているため、外部電力で駆動されるモータでコンプレッサーを駆動して冷媒の圧縮、膨張を行なうタイプの冷凍機で冷熱を生成する場合に比較して、少ない電力で効率的に冷熱(水を冷却して冷却水とするために用いる)を生成することができる。
また、電動ターボ冷凍機は、燃料電池の発電により得られた電力により駆動される。電動ターボ冷凍機は、一般的に冷却効率が高いため、発電した電力を用いても、高効率で液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムを運転することができる。なお、発電した電力を交流に変換することなく効率よく利用するために、電動ターボ冷凍機を直流電流にて駆動させることが好ましい。
圧縮機で圧縮された二酸化炭素ガスは、冷却装置において、排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機で生成された冷却水、および電動ターボ冷凍機で生成された冷熱の少なくとも一方により冷却されて液化二酸化炭素となる。
第1燃料電池では、第1燃料極へ供給された燃料ガスと第1空気極へ供給された酸化剤ガスとにより発電が行われる。第2燃料電池では、第1燃料極から第2燃料極へ供給された第1燃料極オフガスと第2空気極へ供給された酸化剤ガスとにより発電が行われる。
排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機は、−5℃〜20℃の範囲で、かつ二酸化炭素ガスの臨界温度(31.1℃)よりも低い温度の冷却水を前記冷却装置に供給する。これにより、圧縮された二酸化炭素ガスを、臨界温度よりも低い温度に冷却することができる。
図1には、本発明の二酸化炭素回収型燃料電池発電システムの一例としての第1実施形態に係る燃料電池発電システム10Aが示されている。燃料電池発電システム10Aは、主要な構成として、第1燃料電池セルスタック12、第2燃料電池セルスタック14、酸素透過膜付燃焼器20、凝縮器26、第1熱交換器30、第2熱交換器32、排熱投入型吸収式冷凍機36、水タンク27、二酸化炭素ガス液化部66、タンク84等を備え、これらがオンサイトで設けられている。また、燃料電池発電システム10Aは、図2に示されるように、燃料電池発電システム10Aを制御する制御部40を備えている。
CO+H2O→CO2+H2 …(2)
H2→2H++2e−…(3)
2H++2e−+1/2O2 →H2O …(4)
酸素透過膜付燃焼器20は、多重円筒状とされており、多重円筒の外周筒を形成する燃焼部22と、燃焼部22の径方向内側に配置された酸素分離部24を有している。燃焼部22内には、燃焼空間22Aが形成されている。
排熱投入型吸収式冷凍機36は、排熱を用いて冷熱を生成するヒートポンプであり、一例として蒸気/排熱投入型吸収式冷凍機を用いることができる。蒸気/排熱投入型吸収式冷凍機では、空気極オフガスの熱により、水蒸気を吸収した吸収液(例えば、臭化リチウム水溶液やアンモニア水溶液)を加熱することにより吸収液から水を分離させて再生する。吸収液を加熱して冷却された空気極オフガスは、水蒸気が凝縮され、凝縮水は水配管P36−2により水タンク27へ供給される。水蒸気が凝縮除去された後の空気極オフガスは、排気管P36−1に送出され、排熱投入型吸収式冷凍機36の外部に排気される。
なお、排熱投入型吸収式冷凍機36は、一例として、−5℃〜12℃の冷却水を生成する能力を有している。
水タンク27には、配管P11、ポンプ27A等を含んで構成される補充系統67が接続されている。水タンク27には、配管P11の一端が接続されており、配管P11の他端は、3分岐されて、冷却塔38、冷却水循環流路26A、及び後述する液化用冷却水循環路70Aと接続されている。なお、ポンプ27Aは、分岐前の配管P11に設けられており、3分岐された各々の配管には、電磁弁(図示省略)が取り付けられている。なお、ポンプ27A、及び電磁弁は、後述する制御部40で制御される。
二酸化炭素ガス管P10へ送出された二酸化炭素リッチガスは、圧縮機68、及び冷却装置70等を含んで構成された二酸化炭素ガス液化部66へ送られる。
二酸化炭素ガス液化部66へ送られた二酸化炭素リッチガスは、最初に圧縮機68で圧縮される。なお、圧縮機68は、図示しない直流モータで稼動され、二酸化炭素ガスを4MPa以上に圧縮可能とされている。また、圧縮機68の直流モータは、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14で得られた電力で駆動されるが、例えば、システムの起動時においては、外部の商用電源を用いて駆動したり、図示しない再生可能エネルギー発電で得られた電力(余剰電力)で駆動することもできる。再生可能エネルギー発電として、一例として、太陽光発電、太陽熱発電、水力発電、風力発電、地熱発電、波力発電、温度差発電、バイオマス発電等を挙げることができるが、他のものであってもよい。
制御部40は燃料電池発電システム10Aの全体を制御するものであり、CPU、ROM、RAM、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する流量調整処理、冷却水温度調整処理や、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。図2に示されるように、制御部40は、流量調整バルブ42、組成検出部44、排熱投入型吸収式冷凍機36等と接続されている。流量調整バルブ42、組成検出部44、排熱投入型吸収式冷凍機36等は、制御部40により制御される。なお、図2は、燃料電池発電システム10Aにおける制御部40の接続関係の一部を示すものであり、制御部40は、図2では図示していない他の機器とも接続されている。
次に、本実施形態の燃料電池発電システム10Aの動作について説明する。
本実施形態の二酸化炭素ガス液化部66では、一例として二酸化炭素ガスを圧縮機68で4MPaに圧縮し、その後、冷却装置70において、圧縮された二酸化炭素ガスを−5℃〜12℃の冷却水で冷却することで液化二酸化炭素を得ている。なお、二酸化炭素ガスの圧力、及び冷却温度は、上記値に限定されることはなく、適宜変更可能である。
なお、圧縮機68を通過した高圧の二酸化炭素ガスの温度(温度センサ74で計測)、及び圧力(圧力センサ76で計測)、または液化せずに残留する二酸化炭素ガス量のうち、何れか一つ以上の測定結果に応じて、制御部40は、冷却装置70へ供給する冷却水の温度(温度センサ80で計測)や流量(流量センサ(図示せず)で計測)など、排熱投入型吸収式冷凍機36の運転と、循環ポンプ78の運転を制御し、二酸化炭素ガスを効率的に液化二酸化炭素とする。
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、詳細な説明を省略する。
一例として、吸着材にペロブスカイト型酸化物を用いたHT−PSA(High Temperature - Pressure Swing Adsorption)装置であり、高温の空気極オフガスを利用して酸素を効率的に製造することができる。また、この高温酸素製造装置50は、第1燃料電池セルスタック12、及び第2燃料電池セルスタック14で発電された直流電力によって駆動することができる。
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、第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、詳細な説明を省略する。
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〜第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、詳細な説明を省略する。
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〜第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、詳細な説明を省略する。
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〜第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、詳細な説明を省略する。
1/2O2+2e− →O2− …(5)
H2 +O2− →H2O+2e− …(6)
CO+O2− →CO2+2e− …(7)
次に、本発明の第7実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第6実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第8実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第7実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第9実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第8実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
以上、本発明の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムの一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
12、62 第1燃料電池セルスタック(第1燃料電池)
12A、62A 第1燃料極
12B、62B 第1空気極
14、64 第2燃料電池セルスタック(第2燃料電池)
14A、64A 第2燃料極
14B、64B 第2空気極
20 酸素透過膜付燃焼器
22 燃焼部、
22A 燃焼空間
23 酸素透過膜、
24 酸素分離部
26 凝縮器(二酸化炭素分離部)
35 凝縮器(燃料再生部)
36 排熱投入型吸収式冷凍機
50 高温酸素製造装置(酸素分離部)
52 燃焼器(燃焼部)、
54 改質器、
60 電動ターボ冷凍機
67 補充系統(供給部)
68 圧縮機
70 冷却装置
84 タンク
P3 循環ガス管(循環流路)
P6 空気極オフガス管(空気極オフガス流路)
P6−2 分岐空気極オフガス管(分岐空気極オフガス流路)
P7 第2燃料極オフガス管(第2燃料極オフガス流路)
Claims (9)
- 炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、オフガスを排出する燃料電池と、
前記オフガスから二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素ガス分離部と、
前記オフガスを駆動用熱源として用い水を冷却して冷却水を生成する排熱投入型吸収式冷凍機若しくは吸着式冷凍機、および前記燃料電池の発電により得られた電力で駆動され冷熱を生成する電動ターボ冷凍機の少なくとも一方と、
前記燃料電池で発電された電力で駆動可能とされ、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記二酸化炭素ガスを圧縮する圧縮機と、
圧縮された前記二酸化炭素ガスを前記冷却水および前記冷熱の少なくとも一方で冷却して液化二酸化炭素を生成する冷却装置と、
を備えた液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 - 炭素化合物を含み第1燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み第1空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記第1燃料極から第1燃料極オフガスを第1燃料極オフガス流路へ送出する第1燃料電池と、第2燃料極へ供給される前記第1燃料極オフガスと第2空気極へ供給される酸化剤ガスとを用いて発電し、前記第2燃料極から第2燃料極オフガスを第2燃料極オフガス流路へ送出する第2燃料電池とを含んで構成される前記燃料電池と、
前記第1空気極及び前記第2空気極の少なくとも一方から空気極オフガスを送出する空気極オフガス流路と、
前記空気極オフガス流路と連結されて前記空気極オフガスが供給され、前記空気極オフガスから酸素を分離する酸素分離部と、
前記第2燃料極オフガス流路を通過した前記第2燃料極オフガスが供給されると共に、前記酸素分離部で分離された前記酸素が供給され、前記第2燃料極オフガスを前記酸素により燃焼反応させる燃焼部と、
を備え、
前記二酸化炭素ガス分離部は、前記燃焼部から送出される燃焼オフガスを前記冷却水、または前記冷熱で冷却して前記二酸化炭素ガスと水とを分離する、請求項1に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記第1燃料電池、および前記第2燃料電池は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池である、請求項2に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
- 前記酸素分離部は、酸素を選択的に透過させる酸素透過膜を有し、
前記燃焼部は、前記酸素透過膜の透過側に燃焼空間が配置されて前記酸素分離部と一体化している、請求項2または請求項3に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記酸素分離部は、PSA装置を含んで構成されており、
前記PSA装置は、前記燃料電池で発電された電力で駆動可能とされている、
請求項2または請求項3に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記圧縮機は、前記二酸化炭素ガスを4MPa以上に圧縮し、
前記排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機は、二酸化炭素ガスの臨界温度よりも低い温度の前記冷却水を前記冷却装置に供給する、請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記冷却装置で生成された前記液化二酸化炭素を貯留するタンクを有し、
前記二酸化炭素ガス分離部、前記圧縮機、前記冷却装置、及び前記タンクは、前記二酸化炭素ガス分離部、前記圧縮機、前記冷却装置、前記タンクの順で配管によって連結されている、請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水を、前記排熱投入型吸収式冷凍機の冷却水経路、前記吸着式冷凍機の冷却水経路、又は前記電動ターボ冷凍機の冷却水経路に供給する供給部を備え、
前記排熱投入型吸収式冷凍機の前記冷却水経路、前記吸着式冷凍機の前記冷却水経路、又は前記電動ターボ冷凍機の冷却水経路の冷却水の一部に、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水が用いられる、請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水を、前記排熱投入型吸収式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路、または前記吸着式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路に供給する供給部を備え、
前記排熱投入型吸収式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水、または前記吸着式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水の一部に、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水が用いられる、請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
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