JP2021131948A - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】システムで生じた水蒸気を有効利用することができる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池発電システム１０Ａは、炭化水素を含み燃料極１２Ａへ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極１２Ｂへ供給される酸化剤ガスと、により発電し、燃料極１２Ａから燃料極オフガスが送出される燃料電池セルスタック１２と、燃料極１２Ａから排出された燃料極オフガスが供給される燃料極オフガス流路２２Ａと、空気極１２Ｂから排出された空気極オフガスが供給される空気極オフガス流路２４Ａと、燃料極オフガス流路２２Ａと空気極オフガス流路２４Ａとを隔て、燃料極オフガス流路２２Ａに供給される水素を空気極オフガス流路２４Ａに透過する水素透過膜２３を備えた水素膜付燃焼器２０と、燃料極オフガス流路２２Ａを通過した水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの一部を、燃料ガスに混合するエゼクタ７０と、を備えている。【選択図】図１
Description
本発明は燃料電池発電システムに関し、特に炭化水素を含む燃料を用いて発電を行う燃料電池発電システムに関する。
炭化水素を含む燃料を用いて発電を行う燃料電池発電システムがある（例えば、特許文献１参照）。
炭化水素を含む燃料を用いて発電を行う燃料電池では、燃料極から、水蒸気を含んだ燃料排ガスが排出される。
一般的な燃料発電装置では、炭化水素を含む燃料を水蒸気で改質して燃料電池の燃料極へ供給している。改質用の水蒸気は、純水製造装置を用いて純水を生成し、その純水を気化器で加熱して生成しているため、水蒸気を得るための構成が複雑化している。また、純水を加熱して水蒸気を得る気化器においては、安定して水蒸気を生成することが難しい。
特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の燃料排気を冷却して水蒸気を凝縮し、分離した水を捕集して再利用しているが、水蒸気をそのまま利用してはいないため、捕集した水を水蒸気にして供給するために気化のエネルギーが必要となり、発電システム全体の効率が低下するとともに、負荷変動運転で気化が不安定になると、発電運転の安定性が低下するという課題がある。
一般的な燃料発電装置では、炭化水素を含む燃料を水蒸気で改質して燃料電池の燃料極へ供給している。改質用の水蒸気は、純水製造装置を用いて純水を生成し、その純水を気化器で加熱して生成しているため、水蒸気を得るための構成が複雑化している。また、純水を加熱して水蒸気を得る気化器においては、安定して水蒸気を生成することが難しい。
特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の燃料排気を冷却して水蒸気を凝縮し、分離した水を捕集して再利用しているが、水蒸気をそのまま利用してはいないため、捕集した水を水蒸気にして供給するために気化のエネルギーが必要となり、発電システム全体の効率が低下するとともに、負荷変動運転で気化が不安定になると、発電運転の安定性が低下するという課題がある。
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、システムで生じた水蒸気をそのまま再循環利用することが可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
請求項１に記載の燃料電池発電システムは、炭化水素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、により発電する燃料電池と、前記燃料極から排出された燃料極オフガスが供給される第１流路と、前記空気極から排出された空気極オフガスが供給される第２流路と、前記第１流路と前記第２流路とを隔て、前記燃料極オフガスに含まれる水素を前記第２流路に透過させる水素透過膜を備えた水素透過膜付燃焼器と、前記第１流路を通過した水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの一部を、前記燃料ガスに混合する混合部と、を備えている。
請求項１に記載の燃料電池発電システムは、燃料電池では、燃料極へ供給された燃料ガスと空気極へ供給された酸化剤ガスにより発電が行われる。
空気極からは、第２流路へ空気極オフガスが送出され、燃料極からは、第１流路へ燃料極オフガスが送出される。
水素透過膜は、第１流路に供給される燃料極オフガス中の水素を第２流路に透過する。
第１流路に供給される燃料極オフガス中に未反応の一酸化炭素が含まれている場合、該一酸化炭素は、水素が選択的に分離されることで化学平衡が変化し、燃料極オフガス中の水蒸気と一酸化炭素がシフト反応を起こして二酸化炭素と水素に変化することができる。
そして、水素が第２流路側に分離されることにより、効率よく二酸化炭素濃度の高い燃焼器オフガスを得ることができ、第１流路から水蒸気、及び二酸化炭素を含んだ燃焼器オフガスが排出される。
第１流路に供給される燃料極オフガス中に未反応の一酸化炭素が含まれている場合、該一酸化炭素は、水素が選択的に分離されることで化学平衡が変化し、燃料極オフガス中の水蒸気と一酸化炭素がシフト反応を起こして二酸化炭素と水素に変化することができる。
そして、水素が第２流路側に分離されることにより、効率よく二酸化炭素濃度の高い燃焼器オフガスを得ることができ、第１流路から水蒸気、及び二酸化炭素を含んだ燃焼器オフガスが排出される。
なお、第２流路では、空気極オフガス中の酸素と、水素透過膜を透過した水素とが反応して水が生成される。
混合部では、水蒸気を含んだ燃焼器オフガスが燃料ガスに混合され、燃焼器オフガスが混合された燃料ガスは、燃料極へ供給され、燃焼器オフガスに含まれた水蒸気により燃料ガスが改質されて、燃料極で発電の反応に供される。
請求項１に記載の燃料電池発電システムでは、システムで生じた水蒸気を燃料ガスの改質用として有効利用することができる。
請求項２記載の発明に係る電池発電システムは、炭化水素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、により発電する燃料電池と、前記燃料極から排出された燃料極オフガスが供給される第１流路と、前記空気極から排出された空気極オフガスが供給される第２流路と、前記第１流路と前記第２流路とを隔て、前記空気極オフガスに含まれる酸素を前記第１流路に透過させる酸素透過膜を備えた酸素透過膜付燃焼器と、前記酸素透過膜を透過した前記酸素により前記燃料極オフガスを燃焼反応させることにより生成された水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの一部を、前記燃料ガスに混合する混合部と、を備えている。
請求項２に記載の燃料電池発電システムは、燃料電池では、燃料極へ供給された燃料ガスと空気極へ供給された酸化剤ガスにより発電が行われる。
空気極からは、第２流路へ空気極オフガスが送出され、燃料極からは、第１流路へ燃料極オフガスが送出される。
酸素透過膜は、第２流路に供給される空気極オフガス通の酸素を第１流路に透過する。第１流路では、炭化水素や水素を含む燃料ガスが、第１流路に透過した酸素によって完全酸化され、水蒸気を含んだ燃焼器オフガスとなる。
なお、完全酸化された燃焼器オフガスを、適宜燃焼器オフガスと呼ぶ。
なお、完全酸化された燃焼器オフガスを、適宜燃焼器オフガスと呼ぶ。
混合部では、水蒸気を含んだ燃焼器オフガスが燃料ガスに混合され、燃焼器オフガスが混合された燃料ガスは、燃料極へ供給され、燃焼器オフガスに含まれた水蒸気により燃料ガスが改質されて、燃料極で発電の反応に供される。
請求項２に記載の燃料電池発電システムでは、システムで生じた水蒸気を燃料ガスの改質用として有効利用することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記混合部はエゼクタを備え、前記エゼクタに前記燃料ガスを通過させて生ずる負圧により前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスを吸引し、前記燃料ガスに前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスを混合する。
請求項３に記載の燃料電池発電システムでは、エゼクタに燃料ガスを通過させることでエゼクタに負圧が生じ、この負圧により、動力を用いずに燃料ガスの水蒸気改質を行うために必要となる水蒸気を含む燃焼器オフガスを吸引させて混合させることができる。エゼクタでは、吸引された燃焼器オフガスが燃料ガスに混合される。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記混合部は、中間部に前記エゼクタが設けられ前記燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスが流される燃焼器オフガス流路に一端が接続され、他端が前記エゼクタに接続される分岐流路と、前記分岐流路に設けられる絞り弁と前記混合部は、中間部に前記エゼクタが設けられ前記燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、前記水蒸気を含んだ前記燃焼オフガスが流される燃焼オフガス流路と、一端が前記燃焼オフガス流路に接続され、他端が前記エゼクタに接続される分岐流路と、前記分岐流路に設けられる絞り弁と、を備えている。
請求項４に記載の燃料電池発電システムでは、分岐流路に設けられる絞り弁を調整することで、燃料ガスに混合する燃焼器オフガスの量を調整し、燃料ガスの水蒸気改質のために必要となる水蒸気を過不足なく適切な割合（例えばスチームカーボン比Ｓ／Ｃ＝２．５）で混合させることができる。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記絞り弁は制御部で制御され、前記制御部は、前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量に応じて前記燃料ガスの改質に必要な量の前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスの供給量を調整する。
請求項５に記載の燃料電池発電システムでは、制御部が、絞り弁を制御し、燃料極に供給される燃料ガスの供給量に応じて燃料ガスの改質に必要な水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの供給量を調整する。これにより、発電量の変化に追従して変化する供給燃料量の変化に応じ、水蒸気改質に必要となる最適な水蒸気量（例えばスチームカーボン比Ｓ／Ｃ＝２．５）を含んだ燃焼器オフガスの供給量を調整することができる。
本発明に係る燃料電池発電システムによれば、発電により生じた水蒸気を、有効利用することができる。
［第１実施形態］
図１には、本発明の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、燃料電池セルスタック１２、水素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６、二酸化炭素回収タンク２８、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を備えている。また、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。
図１には、本発明の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、燃料電池セルスタック１２、水素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６、二酸化炭素回収タンク２８、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を備えている。また、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。
燃料電池セルスタック１２は、一例として、酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）であり、電解質層１２Ｃと、当該電解質層１２Ｃの表裏面にそれぞれ積層された燃料極１２Ａ、及び空気極１２Ｂと、を有している。したがって、燃料極１２Ａ、及び空気極１２Ｂ（空気極）では、以下のように反応が生じる。
空気極１２Ｂでは、下記（１）式に示すように、酸化剤ガス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層１２Ｃを通って燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａに到達する。
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２− …（１）
一方、燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層１２Ｃ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、水蒸気及び二酸化炭素と電子が生成される。燃料極１２Ａで生成された電子が燃料極１２Ａから外部回路を通って空気極１２Ｂに移動することで、発電される。
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ− …(３)
酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池では、燃料極１２Ａで水蒸気が生成されることから、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池と比較して、燃料極オフガスに含まれる水蒸気量が多い。一方、空気極１２Ｂでは、燃料極１２Ａに比較して水蒸気が生成され難い。排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給された空気極オフガスは、水蒸気が凝縮されて水となり、水分の除去された空気極オフガス（主に窒素ガス）は排気管Ｐ３６−１から外部へ排気される。なお、凝縮した水は、水配管Ｐ３６−２により水タンク２７へ供給される。
燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａには、燃料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、燃料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、燃料供給ブロワＢ１により燃料ガスが燃料極１２Ａへ送出される。なお、本実施形態では、燃料ガスとしてメタンを用いるが、改質により水素を生成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）、バイオガス、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。原料ガスに不純物が含まれる場合、脱硫器等が必要になるが、図では省略されている。
燃料ガス管Ｐ１には、燃料供給ブロワＢ１の燃料ガス供給側（下流側）に、第１熱交換器３０が設けられ、第１熱交換器３０の燃料ガス供給側にエゼクタ７０が設けられている。エゼクタ７０には、後述する燃焼器オフガス管Ｐ８に一端が接続された分岐管Ｐ８−１の他端が接続されている。エゼクタ７０は、燃料ガス管Ｐ１の内部を燃料極１２Ａへ向けて燃料ガスが流れることで、燃焼器オフガス管Ｐ８を流れる燃焼器オフガスの一部を吸引し、燃焼器オフガスが混合された燃料ガスを燃料極１２Ａ側へ排出する。
分岐管Ｐ８−１の中間部には、流量調整可能な絞り弁（流量調整バルブ）７２が設けられており、絞り弁７２を調整することで、燃料ガスに混合させる燃焼器オフガスの量を調整することができる。
絞り弁７２は、制御部４０により制御され、燃料ガス管Ｐ１へ混合させる後述する燃焼器オフガスの流量が調整される。より詳細には、絞り弁７２は、燃料極１２Ａにおいて、燃料ガスの改質に必要な水蒸気の量を調整する。
燃料極１２Ａに供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、燃料極１２Ａに供給される単位時間当たりの原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、一例として、１．５〜３．５であることが好ましく、２．０〜３．０であることがより好ましく、２．０〜２．５であることがさらに好ましい。スチームカーボン比Ｓ／Ｃがこれらの範囲にあることにより、原料ガスが効率よく水蒸気改質される。なお、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、一例として、制御部４０は、燃料極１２Ａに供給される原料ガスのスチームカーボン比、Ｓ／Ｃが２．５となるように絞り弁７２の制御を行うことができる。
即ち、制御部４０は、燃料供給ブロワＢ１を制御しているので、原料ガスの単位時間当たりの供給量を把握することができ、把握した原料ガスの供給量に応じて絞り弁７２の制御を行うことができる。
即ち、制御部４０は、燃料供給ブロワＢ１を制御しているので、原料ガスの単位時間当たりの供給量を把握することができ、把握した原料ガスの供給量に応じて絞り弁７２の制御を行うことができる。
燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａには燃料極オフガス管Ｐ７の一端が接続されており、燃料極１２Ａから燃料極オフガス管Ｐ７へ燃料極オフガスが送出される。燃料極オフガスには、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。
燃料極１２Ａと接続された燃料極オフガス管Ｐ７の下流端、及び空気極１２Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６の下流端は、以下に説明する水素透過膜付燃焼器２０と接続されている。空気極オフガスには、窒素、及び酸素が含まれている。
（水素透過膜付燃焼器）
水素透過膜付燃焼器２０は、多重円筒構造とされており、径方向外側に配置された燃料極オフガス流入部２２と、燃料極オフガス流入部２２の径方向内側に配置された空気極オフガス流入部２４を有している。燃料極オフガス流入部２２内には、螺旋状の燃料極オフガス流路２２Ａが形成されている。空気極オフガス流入部２４内には、螺旋状の空気極オフガス流路２４Ａが形成されている。
水素透過膜付燃焼器２０は、多重円筒構造とされており、径方向外側に配置された燃料極オフガス流入部２２と、燃料極オフガス流入部２２の径方向内側に配置された空気極オフガス流入部２４を有している。燃料極オフガス流入部２２内には、螺旋状の燃料極オフガス流路２２Ａが形成されている。空気極オフガス流入部２４内には、螺旋状の空気極オフガス流路２４Ａが形成されている。
空気極オフガス流路２４Ａと燃料極オフガス流路２２Ａとは、円筒状の水素透過膜２３により仕切られている。本実施形態にて用いる水素透過膜２３としては、水素透過性を有する膜であれば特に限定されず、例えば、パラジウム合金膜が挙げられる。
燃料極オフガス管Ｐ７の下流端は、燃料極オフガス流路２２Ａの入口に接続され、空気極オフガス管Ｐ６の下流端は、空気極オフガス流路２４Ａの入口に接続されている。
空気極オフガスは、空気極オフガス管Ｐ６により空気極オフガス流路２４Ａに供給され、燃料極オフガスは、燃料極オフガス管Ｐ７により燃料極オフガス流路２２Ａに供給される。燃料極オフガスに含まれている水素は水素透過膜２３を透過して空気極オフガス流路２４Ａへ移動する。
なお、燃料極オフガス流路２２Ａに供給される燃料極オフガス中に可燃ガス成分、即ち、未反応の一酸化炭素が含まれている場合、燃料極オフガス中の一酸化炭素は、水素が選択的に分離されることで化学平衡が変化し、燃料極オフガス中の水蒸気と一酸化炭素がシフト反応を起こして二酸化炭素と水素に変化する。そして、燃料極オフガス中の水素が、空気極オフガス流路２４Ａ側に分離されることにより、効率よく二酸化炭素濃度の高い燃焼器オフガスを得ることができる。燃料極オフガス流路２２Ａの出口側には、燃焼器オフガス管Ｐ８が接続されており、燃料極オフガス流路２２Ａから燃焼器オフガス（二酸化炭素、水蒸気）が送出される。
一方、空気極オフガス流路２４Ａでは、空気極オフガス中の酸素と、水素透過膜２３を透過した水素とが燃焼反応して水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、空気極オフガス流路２４Ａの出口側に接続された排気管Ｐ１２から第２熱交換器３２を介して排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。
燃焼器オフガス管Ｐ８は、第１熱交換器３０を経由し、他端が凝縮器２６に接続されている。また、燃焼器オフガス管Ｐ８には、第１熱交換器３０と凝縮器２６との間に、分岐管Ｐ８−１の一端が接続されている。
第１熱交換器３０では、燃料ガスと燃焼器オフガス（二酸化炭素、水蒸気）との熱交換により、燃料ガスが加熱される。凝縮器２６には、冷却水循環流路２６Ａが配管されており、後述する排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水がポンプ２６Ｐの駆動により循環供給され、燃焼器オフガスが冷却される。これにより、燃焼器オフガス中の水蒸気が凝縮する。凝縮した水は水配管Ｐ９を介して水タンク２７へ送出される。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、２分岐されて、冷却塔３８及び冷却水循環流路２６Ａと接続されている。
水蒸気が分離除去された燃焼器オフガスは、二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出される。凝縮器２６で水（液相）が除去された燃焼器オフガスは、二酸化炭素濃度の高いガスとなっており、当該燃焼器オフガスを二酸化炭素リッチガスと称する。
二酸化炭素ガス管Ｐ１０は、下流側で分岐されており、分岐の一方の二酸化炭素ガス管Ｐ１０−１は二酸化炭素回収タンク２８へ接続されている。分岐の他方の二酸化炭素ガス管Ｐ１０−２は、二酸化炭素供給ライン２９へ接続されている。二酸化炭素ガス管Ｐ１０−１及び二酸化炭素ガス管Ｐ１０−２には、開閉バルブＶ１、Ｖ２が各々に設けられている。二酸化炭素ガス管Ｐ１０の前述した分岐よりも上流側には、二酸化炭素用ブロアＢ４が設けられている。
排気管Ｐ１２の下流側には、第２熱交換器３２が設けられている。第２熱交換器３２では、排気管Ｐ１２を流れる空気極オフガスと酸化剤ガス管Ｐ５を流れる酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、酸化剤ガスが加熱され、空気極オフガスが冷却される。空気極オフガスは、第２熱交換器３２を経て、排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。
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。
加熱により再生された吸収液は、水蒸気を吸収することにより水の蒸発を促進し、冷熱の生成に寄与する。排熱投入型吸収式冷凍機３６は、放熱回路３７を介して冷却塔３８と接続されている。放熱回路３７には、ポンプ３７Ｐが設置されており、ポンプ３７Ｐにより放熱回路３７に冷却水が供給される。排熱投入型吸収式冷凍機３６で吸収液が水蒸気を吸収するときに生じる吸収熱は、放熱回路３７を流れる冷却水を介して冷却塔３８から大気へ放出される。
排熱投入型吸収式冷凍機３６で生成された冷熱は、冷却水循環流路２６Ａを流れる冷却水を介して凝縮器２６へ送られ、凝縮器２６で燃焼器オフガスが冷却され、さらに燃焼器オフガス中の水蒸気が凝縮除去される。
水タンク２７は、冷却水循環流路２６Ａ、放熱回路３７、及び排熱投入型吸収式冷凍機３６の熱媒としての水が流れる熱媒流路（不図示）と接続されている。冷却水循環流路２６Ａ、放熱回路３７、及び、熱媒流路では、水が不足した場合に、水タンク２７から適宜水が補充される。
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、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、排熱投入型吸収式冷凍機３６、開閉バルブＶ１、開閉バルブＶ２、絞り弁７２、燃料供給ブロワＢ１等と接続されており、これらは制御部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、図２では図示していないが、制御部４０は他の機器とも接続されている。
燃料電池発電システム１０Ａにおいて、ポンプ、ブロワ、その他の補機は、燃料電池発電システム１０Ａで発電された電力により駆動される。燃料電池発電システム１０Ａで発電された電力を直流のままで交流に変換することなく効率よく利用するために、補機は直流電流により駆動するものであることが好ましい。
（作用、効果）
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。
燃料電池発電システム１０Ａにおいては、燃料供給ブロワＢ１により、ガス源からメタンが燃料ガス管Ｐ１へ送出され、第１熱交換器３０を経ることで加熱され、燃料極１２Ａへ供給される。
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。
燃料電池発電システム１０Ａにおいては、燃料供給ブロワＢ１により、ガス源からメタンが燃料ガス管Ｐ１へ送出され、第１熱交換器３０を経ることで加熱され、燃料極１２Ａへ供給される。
第１熱交換器３０の下流側の燃料ガス管Ｐ１に設けられるエゼクタ７０をメタンが通過すると、エゼクタ７０が燃焼器オフガス管Ｐ８の燃焼器オフガス（水蒸気を含む二酸化炭素ガス）を吸引してメタンに混合し、水蒸気が混合されたメタンが燃料極１２Ａへ供給される。本実施形態では、燃料極１２Ａへ供給される水蒸気が、燃料ガスの改質用の水蒸気として有効利用される。
エゼクタ７０は、機械的な駆動部分がなく、ブロア等に比較して高温に対して強い。したがって、水蒸気を含んだ高温の燃料ガスを燃料極１２Ａへ供給することができ、燃料ガスを改質する際の熱ロスを抑制し、耐久性に優れ、効率的に発電を行うことのできる燃料電池発電システム１０Ａとすることができる。
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃料極１２Ａ、燃料極オフガス管Ｐ７、燃料極オフガス流路２２Ａ、燃焼器オフガス管Ｐ８、分岐管Ｐ８−１、絞り弁７２、エゼクタ７０、燃料ガス管Ｐ１がループ状に接続され、燃料ガス、及び水蒸気を含む燃焼器オフガスが燃料極１２Ａへ供給される。言い換えれば、燃焼器オフガスに含まれる水蒸気を、水蒸気改質用の水蒸気として無駄なく利用することができる。
なお、制御部４０は、燃料供給ブロワＢ１を制御して発電に必要な量の燃料ガスを燃料極１２Ａに向けて供給すると共に、燃料極１２Ａに供給する燃料ガスの改質に必要な水蒸気が燃料ガスに混合されるように絞り弁７２を制御する。一例として、Ｃ／Ｓ＝２．５となるように、燃料供給ブロワＢ１、及び絞り弁７２を制御することができる。
燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａでは、燃焼器オフガスに含まれている水蒸気により燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、燃料極１２Ａでは、生成された水素と酸素とから水蒸気が生成され、生成された一酸化炭素と酸素とから二酸化炭素が生成される。
燃料電池セルスタック１２の空気極１２Ｂには、空気が酸化剤ガス管Ｐ５を経て供給される。燃料電池セルスタック１２では、燃料極１２Ａ及び空気極１２Ｂにおいて水素イオンが移動すると共に前述の反応が生じ、発電が行われる。燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａからは、燃料極オフガス管Ｐ７へ燃料極オフガスが送出される。また、空気極１２Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。
空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスは、空気極オフガス流入部２４へ供給され、空気極オフガス流路２４Ａを流れる。
空気極オフガス流入部２４では、燃料極オフガス流路２２Ａに供給された燃料極オフガスに含まれる水素が、水素透過膜２３を介して空気極オフガス流路２４Ａ側へ移動する。空気極オフガス流路２４Ａでは、空気極オフガス中の酸素と水素透過膜２３を介して移動した水素とが反応して水蒸気が生成され、排気管Ｐ１２へ供給される。排気管Ｐ１２へ供給された空気極オフガスは、第２熱交換器３２を経て排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。
空気極オフガス流入部２４では、燃料極オフガス流路２２Ａに供給された燃料極オフガスに含まれる水素が、水素透過膜２３を介して空気極オフガス流路２４Ａ側へ移動する。空気極オフガス流路２４Ａでは、空気極オフガス中の酸素と水素透過膜２３を介して移動した水素とが反応して水蒸気が生成され、排気管Ｐ１２へ供給される。排気管Ｐ１２へ供給された空気極オフガスは、第２熱交換器３２を経て排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。
第２熱交換器３２では、空気極オフガスと酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、空気極オフガスによって酸化剤ガスが加熱される。排熱投入型吸収式冷凍機３６では、前述のように、空気極オフガスの熱を利用して冷熱が生成される。
一方、燃料極１２Ａから送出された燃料極オフガスは、水素透過膜付燃焼器２０の燃料極オフガス流入部２２へ供給され、燃料極オフガス流路２２Ａを流れる。
燃料極オフガス流路２２Ａに供給される燃料極オフガス中に可燃ガス成分、即ち、未反応の一酸化炭素が含まれている場合、燃料極オフガス中の一酸化炭素は、水素が選択的に分離されることで化学平衡が変化し、燃料極オフガス中の水蒸気と一酸化炭素がシフト反応を起こして二酸化炭素と水素に変化する。そのため、燃料極オフガス中の水素が、燃焼空間側に分離されることにより、効率よく二酸化炭素濃度の高い燃焼器オフガスを得ることができる。燃料極オフガス流路２２Ａの出口側には、燃焼器オフガス管Ｐ８が接続されており、燃料極オフガス流路２２Ａから燃焼器オフガス（二酸化炭素、水蒸気）が送出される。
凝縮器２６へ供給された燃焼器オフガスは、冷却水循環流路２６Ａを介して循環供給される排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水により冷却され、燃焼器オフガス内の水蒸気が凝縮される。凝縮された水は水配管Ｐ９を介して水タンク２７へ送出される。水タンク２７には、水が貯留され、当該貯留水により、冷却塔３８の放熱回路３７及び排熱投入型吸収式冷凍機３６の冷却水循環流路２６Ａにおける冷却水が適宜補充される。
凝縮器２６で水蒸気が除去された燃焼器オフガスは、二酸化炭素濃度の高い二酸化炭素リッチガスとなり、二酸化炭素用ブロアＢ４により二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出される。
制御部４０は、排熱投入型吸収式冷凍機３６で冷却水循環流路２６Ａへ送る冷却水の温度を制御する。具体的には、制御部４０では、冷却水温度調整処理が実行される。
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、要求に応じて二酸化炭素回収タンク２８、または、二酸化炭素供給ラインへ送られ、様々な用途に用いることができる。
以上の構成とされた本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃料ガス改質用の水蒸気を生成するために、装置外の水源（一例として、上水等の水道設備）の水が供給されて純水を製造する純水製造装置、純水を供給するポンプ、純水を加熱して水蒸気を生成する気化器等を必要とせず、装置構成を簡略化でき、効率的に発電を行うことができる。
燃料極オフガス流路２２Ａから排出される燃焼器オフガスには、可燃性の一酸化炭素、及び水素が含まれていないので、万が一、燃焼器オフガスが漏れ出したとしても引火等の問題が生じない。
水素は、他のガスに比較して漏れやすいため、ガス通過経路には高い気密性が必要となる。しかし、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、水素透過膜付燃焼器２０から燃料電池セルスタック１２までのガス通過経路においては、水素が含まれていない燃焼器オフガスが通過するので、水素が含まれているガスが通過する場合に比較して高い気密性は必要としない。したがって、水素透過膜付燃焼器２０から燃料電池セルスタック１２までのガス通過経路においてガスのシールが容易になる。
空気極オフガス流路２４Ａでは、空気極オフガス中の酸素と、水素透過膜２３を透過した水素とが反応して水蒸気が生成されるので、空気極オフガス流路２４Ａから排出されて第２熱交換器３２を通過する空気極オフガスには、水蒸気が多く含まれる。このため、第２熱交換器３２において、空気極１２Ｂへ供給する空気との熱交換量を多くすることができ、空気極１２Ｂへ供給する空気を効率的に加熱することができる。
なお、本実施形態では、燃焼器オフガス内の水蒸気を凝縮器２６で凝縮させて除去することにより、燃焼器オフガスから二酸化炭素を分離したが、その他の手段、例えば、二酸化炭素分離膜で二酸化炭素を分離してもよいし、ＰＳＡ装置により二酸化炭素を分離してもよい。
［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、詳細な説明を省略する。
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。
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂは、図３に示すように、第１実施形態の水素透過膜付燃焼器２０に代えて、酸素透過膜付燃焼器５０を備えている。
（酸素透過膜付燃焼器）
酸素透過膜付燃焼器５０は、水素透過膜付燃焼器２０の水素透過膜２３の代わりに、空気極オフガスに含まれる酸素を、空気極オフガス流入部２４側から燃料極オフガス流入部２２側へ透過する酸素透過膜５２を用いている。
酸素透過膜付燃焼器５０は、水素透過膜付燃焼器２０の水素透過膜２３の代わりに、空気極オフガスに含まれる酸素を、空気極オフガス流入部２４側から燃料極オフガス流入部２２側へ透過する酸素透過膜５２を用いている。
本実施形態の酸素透過膜５２は、一例として、多孔質のセラミック膜と、セラミック膜の空気極オフガス流路２４Ａ側に設けられる酸化ジルコニウム膜と、セラミック膜の燃料極オフガス流路２２Ａ側に設けられる多孔質の反応触媒膜と、とを含んで構成することができる。酸素透過膜５２は、空気極オフガス流入部２４から燃料極オフガス流入部２２へ、酸化ジルコニウム膜、セラミック膜、反応触媒膜の順で積層することができる。なお、セラミック膜と酸化ジルコニウム膜とで高温酸素透過膜が構成される。
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂでは、空気極１２Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６の下流端が、排熱投入型吸収式冷凍機３６と接続されている。
空気極オフガス管Ｐ６には、第２熱交換器３２の上流側の中間部に、分岐管Ｐ６−２の一端が接続されている。分岐管Ｐ６−２の他端は、酸素透過膜付燃焼器５０の空気極オフガス流路２４Ａの入口に接続されている。分岐管Ｐ６−２の中間部には、制御部４０で制御される調整弁４２が設けられている。また、空気極オフガス流路２４Ａの出口には、排気管Ｐ１２が接続されている。
空気極オフガス管Ｐ６には、第２熱交換器３２の上流側の中間部に、分岐管Ｐ６−２の一端が接続されている。分岐管Ｐ６−２の他端は、酸素透過膜付燃焼器５０の空気極オフガス流路２４Ａの入口に接続されている。分岐管Ｐ６−２の中間部には、制御部４０で制御される調整弁４２が設けられている。また、空気極オフガス流路２４Ａの出口には、排気管Ｐ１２が接続されている。
（作用、効果）
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂの動作について説明する。
本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、第１燃料電池セルスタック１２での発電が行われる。燃料極１２Ａから送出された燃料極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器５０の燃料極オフガス流路２２Ａへ供給され、空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器５０の空気極オフガス流入部２４へ供給される。
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂの動作について説明する。
本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、第１燃料電池セルスタック１２での発電が行われる。燃料極１２Ａから送出された燃料極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器５０の燃料極オフガス流路２２Ａへ供給され、空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器５０の空気極オフガス流入部２４へ供給される。
空気極オフガス流路２４Ａにおいて、空気極オフガスに含まれる酸素は、酸素透過膜５２を透過して燃料極オフガス流路２２Ａ側へ移動する。燃料極オフガス流路２２Ａでは、燃料極オフガス中の可燃ガス（水素、一酸化炭素等）と酸素の燃焼反応が生じ、可燃ガスが完全燃焼し、二酸化炭素と水蒸気が生成される。二酸化炭素及び水蒸気を含む燃焼器オフガス（完全酸化ガス）は、燃料極オフガス流路２２Ａから燃焼器オフガス管Ｐ８へ送出される。燃焼器オフガス管Ｐ８へ送出された燃焼器オフガスは、第１熱交換器３０を経て凝縮器２６へ供給されると共に、エゼクタ７０に供給される。
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂにおいても、第１の実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、燃焼器オフガスに含まれる水蒸気を、廃棄せず、燃料ガスに混合して燃料ガスの改質に有効的に利用することができる。
本実施形態の酸素透過膜付燃焼器５０では、空気極オフガスに含まれる酸素を酸素透過膜５２を透過させて燃料極オフガス流路２２Ａ側へ移動し、燃料極オフガスに含まれる水素と反応させて水蒸気を生成することができる。したがって、第１の実施形態よりも多量の水蒸気を燃焼器オフガス管Ｐ８へ送出することができる。
［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、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。
図４に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃは、燃料ガス管Ｐ１の中間部にエゼクタ７０が設けられておらず、その代わりに、燃料ガス管Ｐ１の中間部に分岐管Ｐ８−１の他端が接続されている。また、分岐管Ｐ８−１の中間部には、絞り弁７２に代えて、制御部４０で制御されるブロアＢ５が設けられている。
本実施形態では、ブロアＢ５を駆動することで、水蒸気の含まれた燃焼器オフガスを燃料ガスに混合させることができる。制御部４０は、燃料供給ブロワＢ１、及びブロアＢ５を制御することで、燃料ガスに混合させる燃焼器オフガスの量を調整することで、発電出力など運転状況の変化に応じて変動する燃料ガスの流量に応じ、水蒸気改質するために必要となる最適な水蒸気量を、安定的に供給することが可能となる。
なお、水素透過膜付燃焼器２０から排出された燃焼器オフガスは、第１熱交換器３０で燃料ガスと熱交換が行われて冷却されてブロアＢ５へ至るので、ブロアＢ５の耐熱性は、特に高いものでなくてもよく、信頼性と耐久性をさらに向上させることが可能となる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の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。
以上、本発明の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。
エゼクタ７０の下流側の燃料ガス管Ｐ１を通過するガスの成分をセンサーで検出し、センサーの検出結果に基づいて、絞り弁７２、ブロアＢ５、燃料供給ブロワＢ１等を制御して、燃料ガスに混合する水蒸気（燃焼器オフガス）の量をコントロールしてもよい。
上記実施形態の燃料電池セルスタック１２は、図１等に示す単一スタックに限らず、多段スタックとしてもよい。
本発明の燃料電池としては、酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池に限らず、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池など、他の種類の燃料電池を用いることもできる。
本発明の燃料電池としては、酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池に限らず、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池など、他の種類の燃料電池を用いることもできる。
また、二酸化炭素供給ライン２９は、二酸化炭素液化装置や炭素分離装置に接続し、液体二酸化炭素や固体炭素材料等を製造してもよい。
１０Ａ〜１０Ｃ 燃料電池発電システム
１２ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
１２Ａ 燃料極
１２Ｂ 空気極
２０ 水素透過膜付燃焼器
２２ 燃料極オフガス流入部（第１流路）
２３ 水素透過膜
２４ 空気極オフガス流入部（第２流路）
４０ 制御部
５０ 酸素透過膜付燃焼器
５２ 酸素透過膜
７０ エゼクタ（混合部）
７２ 絞り弁（混合部）
Ｂ５ ブロア（混合部）
Ｐ１ 燃料ガス管（燃料ガス流路）
Ｐ８−１ 分岐管（混合部、分岐流路）
１２ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
１２Ａ 燃料極
１２Ｂ 空気極
２０ 水素透過膜付燃焼器
２２ 燃料極オフガス流入部（第１流路）
２３ 水素透過膜
２４ 空気極オフガス流入部（第２流路）
４０ 制御部
５０ 酸素透過膜付燃焼器
５２ 酸素透過膜
７０ エゼクタ（混合部）
７２ 絞り弁（混合部）
Ｂ５ ブロア（混合部）
Ｐ１ 燃料ガス管（燃料ガス流路）
Ｐ８−１ 分岐管（混合部、分岐流路）
Claims (5)
- 炭化水素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、により発電する燃料電池と、
前記燃料極から排出された燃料極オフガスが供給される第１流路と、
前記空気極から排出された空気極オフガスが供給される第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路とを隔て、前記燃料極オフガスに含まれる水素を前記第２流路に透過させる水素透過膜を備えた水素透過膜付燃焼器と、
前記第１流路を通過した水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの一部を、前記燃料ガスに混合する混合部と、
を備えた燃料電池発電システム。 - 炭化水素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、により発電する燃料電池と、
前記燃料極から排出された燃料極オフガスが供給される第１流路と、
前記空気極から排出された空気極オフガスが供給される第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路とを隔て、前記空気極オフガスに含まれる酸素を前記第１流路に透過させる酸素透過膜を備えた酸素透過膜付燃焼器と、
前記酸素透過膜を透過した前記酸素により前記燃料極オフガスを燃焼反応させることにより生成された水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの一部を、前記燃料ガスに混合する混合部と、
を備えた燃料電池発電システム。 - 前記混合部はエゼクタを備え、
前記エゼクタに前記燃料ガスを通過させて生ずる負圧により前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスを吸引し、前記燃料ガスに前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスを混合する、請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。 - 前記混合部は、中間部に前記エゼクタが設けられ前記燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスが流される燃焼器オフガス流路に一端が接続され、他端が前記エゼクタに接続される分岐流路と、前記分岐流路に設けられる絞り弁と、を備えている、
請求項３に記載の燃料電池発電システム。 - 前記絞り弁は制御部で制御され、
前記制御部は、前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量に応じて前記燃料ガスの改質に必要な量の前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスの供給量を調整する、
請求項４に記載の燃料電池発電システム。
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| WO2023157376A1 (ja) * | 2022-02-17 | 2023-08-24 | 株式会社 商船三井 | 燃料電池発電システム |
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-
2020
- 2020-02-18 JP JP2020025647A patent/JP7377734B2/ja active Active
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