JP6529945B2 - Fuel cell system - Google Patents
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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.
燃料電池システムにおいて、エネルギー利用効率を向上させるための構成として、単一の燃料電池スタックを用い、当該燃料電池スタックから排出された未反応の燃料ガスを循環させて再利用する循環式や、燃料電池スタックを複数設け、前段の燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガス中の未反応の燃料ガスを後段の燃料電池スタックで再利用する多段式が知られている。何れの構成においても、使用済みの燃料ガスに含まれる水蒸気や二酸化炭素(CO2)を除去できれば、反応に寄与する水素及び一酸化炭素の濃度が増加することで、再利用する燃料ガスが供給される燃料電池スタックの性能向上が見込める。 In a fuel cell system, as a configuration for improving energy utilization efficiency, a single fuel cell stack is used, and a circulating system in which unreacted fuel gas discharged from the fuel cell stack is circulated and reused, or fuel There is known a multistage system in which a plurality of cell stacks are provided and unreacted fuel gas in used fuel gas discharged from the fuel cell stack at the front stage is reused in the fuel cell stack at the rear stage. In either configuration, if steam and carbon dioxide (CO 2 ) contained in the used fuel gas can be removed, the concentration of hydrogen and carbon monoxide contributing to the reaction is increased to supply the fuel gas to be reused. Performance of the fuel cell stack can be expected.
上記に関連して特許文献1には、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の燃料処理プロセスにおいて、燃料電池スタックから排出された使用済みの燃料ガスから水蒸気を分離膜で分離して除去し、これを再生燃料ガスとして再利用する技術が開示されている。特許文献1では、透過側に空気を導入して透過側における水蒸気の分圧が下げられる例が示されており、これにより、分離膜での水蒸気の透過が促進されている。 In relation to the above, Patent Document 1 discloses that, in a fuel processing process of a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), water vapor is separated from a used fuel gas discharged from a fuel cell stack by a separation membrane. Technology has been disclosed to recycle it as recycled fuel gas. Patent Document 1 shows an example in which air is introduced to the permeation side to reduce the partial pressure of water vapor on the permeation side, whereby the permeation of water vapor in the separation membrane is promoted.
ところで、上記の分離膜は、水蒸気等の透過を目的として用いられるが、意図していないガスについても透過側へのリークが生じ得る。透過側へリークする気体には、水素や一酸化炭素などの可燃性気体も含まれ、適切に処理する必要がある。また、分離膜が損傷した際に、大量の可燃性気体が透過側へ流出することも考えられる。 By the way, although the above-mentioned separation membrane is used for the purpose of permeation of water vapor and the like, leak to the permeation side may occur even for unintended gas. The gas that leaks to the permeation side also includes combustible gases such as hydrogen and carbon monoxide, and it is necessary to treat appropriately. In addition, when the separation membrane is damaged, a large amount of combustible gas may flow out to the permeation side.
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、アノードオフガスから再生ガスを生成する際に使用する分離膜の透過側へスイープガスを供給した場合に、透過側から排出されたスイープガスを、適切に処理することができる燃料電池システムを得ることが目的である。 The present invention has been made in consideration of the above facts, and when sweep gas is supplied to the permeate side of the separation membrane used when generating regeneration gas from the anode off gas, sweep gas discharged from the permeate side is used. The purpose is to obtain a fuel cell system that can be properly processed.
請求項1記載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と共に前記空気極からカソ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る流入部と、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分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、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の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、前記透過部から排出された透過部排出ガスを直接または間接的に可燃性気体を燃焼させる燃焼部へ導入する透過ガス燃焼導入路と、前記分離部の上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との間で熱交換を行う第1熱交換部と、を備えている。 The fuel cell system according to the invention of claim 1 generates electric power by the fuel gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode, and the anode off gas is discharged from the fuel electrode and the cathode off gas from the air electrode. The fuel cell from which the fuel is discharged, the inflow part into which the anode off gas flows, and the permeation part separated from the inflow part by a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas A separator for delivering regenerated fuel gas from which the concentration of at least one of carbon dioxide and water vapor is reduced from the anode off gas, an air supplier for supplying air to the permeate as the sweep gas, and exhaust from the permeate the transmissive portion emissions directly or indirectly permeate gas combustion introducing passageway for introducing the combustible gas into the combustion section for combusting the said component Provided upstream of the parts, and a, a first heat exchanger for exchanging heat between the air from the anode off gas and the air supply unit.
請求項1に係る燃料電池システムは、分離部を有している。分離部は、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分離する分離膜を備え、分離膜によって互いに区画された流入部と透過部を有している。スイープガスとしての空気は透過部へ流入される。これにより、空気の通過がない場合と比較して、透過部における二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧は低減される。一方、アノードオフガスは流入部に流入される。流入部へ流入したアノードオフガスに含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方は、分離膜を透過して透過部へ流入する。これにより、アノードオフガス中の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減され、再生燃料ガスとして流入部から送出される。再生燃料ガスは、再度、燃料電池の発電に用いることができる。 The fuel cell system according to claim 1 has a separation unit. The separation unit includes a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas, and has an inflow portion and a permeation portion separated from each other by the separation membrane. Air as the sweep gas flows into the permeation section. Thereby, the partial pressure of at least one of carbon dioxide and water vapor in the permeation part is reduced as compared with the case where there is no passage of air. Meanwhile, the anode off gas flows into the inflow portion. At least one of carbon dioxide and water vapor contained in the anode off gas that has flowed into the inflow portion permeates the separation membrane and flows into the permeation portion. As a result, the concentration of at least one of carbon dioxide and water vapor in the anode off gas is reduced, and is sent out from the inflow portion as regenerated fuel gas. The regenerated fuel gas can be used again for power generation of the fuel cell.
そして、透過部から排出された透過部排出ガスは、透過ガス燃焼導入路を経て直接または間接的に前記燃焼器へ導入される。したがって、分離部の流入部から分離膜を透過して水素や一酸化炭素など可燃性気体が透過部へリークしても、これらの可燃性気体は、最終的に燃焼部で燃焼に供される。これにより、透過部排出ガスを適切に処理することができる。 Then, the permeated part exhaust gas discharged from the permeated part is introduced into the combustor directly or indirectly through the permeated gas combustion introduction path. Therefore, even if combustible gas such as hydrogen and carbon monoxide leaks to the permeation part through the separation membrane from the inflow part of the separation part, these combustible gases are finally subjected to combustion in the combustion part . Thereby, the permeated part exhaust gas can be properly treated.
請求項11記載の発明に係る燃料電池システムは、前記透過ガス燃焼導入路は、前記透過部から排出された透過部排出ガスを前記空気極へ導入する酸化ガス導入路と、前記空気極から排出されたカソードオフガスを前記燃焼器へ導入するカソードオフ燃焼導入管と、を含んでいる。 The fuel cell system according to the invention of claim 11 , wherein the permeation gas combustion introduction passage discharges from the air electrode an oxidation gas introduction passage for introducing the permeation portion exhaust gas discharged from the permeation portion into the air electrode. And a cathode off combustion introduction pipe for introducing the cathode off gas into the combustor.
請求項11に係る燃料電池システムでは、透過部から排出された透過部排出ガスは、酸化ガス導入路により空気極へ導入され、空気極から排出されたカソードオフガスは、カソードオフ燃焼導入管により燃焼器へ導入される。上記構成によれば、空気極への空気の導入と分離部への空気の導入を同一の空気供給部(ブロア等)を用いて行うことができ、燃料電池システムを簡易な構成にすることができる。 In the fuel cell system according to claim 11, the transmission part exhaust gas discharged from the transmission part is introduced to the air electrode by the oxidizing gas introduction passage, and the cathode off gas discharged from the air electrode is combusted by the cathode off combustion introduction pipe Introduced into the According to the above configuration, the introduction of air to the air electrode and the introduction of air to the separation unit can be performed using the same air supply unit (blower or the like), and the fuel cell system can be simplified. it can.
請求項1記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離部の上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との間で熱交換を行う第1熱交換部、を備えている。 The fuel cell system according to the invention as set forth in claim 1 is provided with a first heat exchange unit provided on the upstream side of the separation unit and performing heat exchange between the anode off gas and the air from the air supply unit. ing.
請求項1に係る燃料電池システムによれば、第1熱交換部において、分離部に流入されるアノードオフガスと空気とで熱交換を行い、熱交換後のアノードオフガスと空気が分離部の流入部と透過部とへ各々流入される。したがって、例えば、空気の流量調整や温度調整により、分離部へ流入されるアノードオフガスと空気の両方について、簡易に適温に設定することができる。このように、分離部を適温に維持して分離膜の性能を発揮させることにより、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多く分離することができる。これにより、アノードオフガスを再利用する燃料電池スタックで効率よく発電することができ、燃料電池システムの性能を向上させることができる。 According to the fuel cell system according to claim 1, in the first heat exchanger performs heat exchange between the anode exhaust gas and the air flowing into the separation unit, the anode off gas and the air after heat exchange inlet of the separation unit And flow into the permeation section. Therefore, for example, by adjusting the flow rate of air and adjusting the temperature, both the anode off gas and the air flowing into the separation part can be easily set to an appropriate temperature. As described above, by maintaining the separation part at an appropriate temperature to exhibit the performance of the separation membrane, it is possible to separate a large amount of at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas. As a result, power can be efficiently generated by the fuel cell stack that reuses the anode off gas, and the performance of the fuel cell system can be improved.
請求項2記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第1熱交換部が、並流式で前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との熱交換を行うこと、を特徴とする。 The fuel cell system according to the invention of claim 2 is characterized in that the first heat exchange section performs heat exchange between the anode off gas and the air from the air supply section in a cocurrent flow type.
請求項2に係る燃料電池システムでは、第1熱交換部において、アノードオフガスと空気供給部からの空気とが並流式(並行流式)で熱交換されるので、分離部へ送出するアノードオフガスと空気の温度を比較的容易に同温度にすることができる。 In the fuel cell system according to claim 2 , in the first heat exchange unit, the anode off gas and the air from the air supply unit are heat-exchanged in a cocurrent (parallel current) type, so the anode off gas sent to the separation unit And the temperature of the air can be relatively easily made the same.
請求項3記載の発明に係る燃料電池システムは、前記空気供給部と前記第1熱交換部との間に設けられ、前記空気供給部からの空気の温度を上昇させる空気昇温部と、前記分離部の温度に応じて、前記空気昇温部から流出される空気の温度を制御する制御部と、を備えている。 The fuel cell system according to the invention of claim 3 is provided with an air temperature raising portion provided between the air supplying portion and the first heat exchanging portion to raise the temperature of the air from the air supplying portion; And a control unit that controls the temperature of the air flowing out of the air heating unit according to the temperature of the separation unit.
請求項3に係る燃料電池システムでは、第1熱交換部へ流入される空気は、前記分離部の温度に応じて空気昇温部で昇温される。したがって、第1熱交換部へ流入される空気の流量の調整幅を少なくして、分離部を適温に維持することができる。これにより、透過部へ流入させる空気を確保して、透過部の二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の分圧を下げることができる。 In the fuel cell system according to the third aspect , the air flowing into the first heat exchange unit is heated by the air temperature raising unit according to the temperature of the separation unit. Therefore, the adjustment range of the flow rate of the air flowing into the first heat exchange unit can be reduced, and the separation unit can be maintained at an appropriate temperature. Thereby, the air to be introduced into the permeation part can be secured, and the partial pressure of at least one of carbon dioxide and water vapor in the permeation part can be reduced.
請求項4記載の発明に係る燃料電池システムは、前記空気供給部から前記第1熱交換部へ流入される空気の流量を一定としたことを特徴とする。 The fuel cell system according to the invention of claim 4 is characterized in that the flow rate of air flowing into the first heat exchange unit from the air supply unit is constant.
請求項4に係る燃料電池システムによれば、空気昇温部での空気の温度調整のみによって、分離部を適温にすることができる。 According to the fuel cell system of the fourth aspect , the temperature of the separation unit can be made appropriate only by adjusting the temperature of the air in the air heating unit.
請求項5記載の発明に係る燃料電池システムは、前記分離部の温度に応じて、前記第1熱交換部へ流入される空気の流量を制御する制御部、を備えている。 The fuel cell system according to the invention of claim 5 includes a control unit that controls the flow rate of air flowing into the first heat exchange unit in accordance with the temperature of the separation unit.
請求項5に係る燃料電池システムでは、第1熱交換部へ流入される空気の流量は、分離部の温度に応じて制御される。したがって、空気の流量調整だけでも、簡単に分離部を適温にすることができる。 In the fuel cell system according to claim 5 , the flow rate of air flowing into the first heat exchange unit is controlled in accordance with the temperature of the separation unit. Therefore, it is possible to easily bring the temperature of the separation unit to an appropriate temperature simply by adjusting the air flow rate.
請求項6記載の発明に係る燃料電池システムは、前記第1熱交換部よりも上流側を流通する前記アノードオフガスと、前記再生燃料ガスとの間で熱交換を行う、第2熱交換部、を更に備えている。 The fuel cell system according to the invention of claim 6 is a second heat exchange unit which performs heat exchange between the anode off gas flowing upstream of the first heat exchange unit and the regenerated fuel gas. It is further equipped with
請求項6に係る燃料電池システムによれば、第1熱交換部の上流側の第2熱交換部でアノードオフガスの温度が低下されるので、第1熱交換部での温度調整幅を小さくすることができる。また、分離部を経た後の再生燃料ガスが第2熱交換部で昇温されるので、再使用されるために適した温度に近くなり、システム全体の発電効率及び熱効率を向上させることができる。 According to the fuel cell system of the sixth aspect , the temperature of the anode off gas is lowered in the second heat exchange unit on the upstream side of the first heat exchange unit, so the temperature adjustment range in the first heat exchange unit is reduced. be able to. In addition, since the temperature of the regenerated fuel gas after passing through the separation unit is raised in the second heat exchange unit, the temperature is close to a temperature suitable for reuse, and the power generation efficiency and thermal efficiency of the entire system can be improved. .
請求項12記載の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池は、前記分離部の前記流入部へ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前記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。
In the fuel cell system according to the invention as set forth in
請求項12に係る燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されたアノードオフガスについて、分離部で二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方の濃度が低減された再生燃料ガスが、第2燃料電池の燃料極へ供給されて用いられる。これにより、多段式の燃料電池システムを実現することができる。
請求項13記載の発明に係る燃料電池システムは、前記空気供給部は、更に前記空気極へ空気を供給する。
請求項7及び請求項9記載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と共に前記空気極からカソ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る流入部と、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分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、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の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、前記透過部から排出された透過部排出ガスを直接または間接的に可燃性気体を燃焼させる燃焼部へ導入する透過ガス燃焼導入路と、前記透過部から排出された透過部排出ガスと前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う熱交換部を有し、前記透過部排出ガスは、前記熱交換部での熱交換により昇温されて前記空気極へ供給される。
請求項8及び請求項10記載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と共に前記空気極からカソ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る流入部と、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分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、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の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、前記透過部から排出された透過部排出ガスを直接または間接的に可燃性気体を燃焼させる燃焼部へ導入する透過ガス燃焼導入路と、前記空気供給部と別に前記空気極へ空気を供給するブロア、を更に備えている。
According to the fuel cell system of
In the fuel cell system according to the invention as set forth in claim 13 , the air supply unit further supplies air to the air electrode.
According to the fuel cell system of the present invention, the fuel gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode generate electric power, and the anode off gas is discharged from the fuel electrode and the air is generated. A fuel cell in which a cathode off gas is discharged from a pole, an inflow portion into which the anode off gas flows, and a permeation portion partitioned from the inflow portion by a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas A separation unit for delivering regenerated fuel gas from the anode off gas in which the concentration of at least one of carbon dioxide and water vapor is reduced, an air supply unit for supplying air to the permeation unit as a sweep gas, and the permeation Permeated gas combustion introduction which introduces the permeated part exhaust gas discharged from the unit into the combustion part which burns combustible gas directly or indirectly When having a heat exchanger for exchanging heat between the discharged combustion gas from the combustion section and the discharge permeate section exhaust gas from said transmitting unit, the transmitting unit exhaust gas in the heat exchange section The temperature is raised by heat exchange and is supplied to the air electrode.
The fuel cell system according to the invention as claimed in claims 8 and 10 generates electric power by the fuel gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode, and the anode off gas is discharged from the fuel electrode and the air is generated. A fuel cell in which a cathode off gas is discharged from a pole, an inflow portion into which the anode off gas flows, and a permeation portion partitioned from the inflow portion by a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas A separation unit for delivering regenerated fuel gas from the anode off gas in which the concentration of at least one of carbon dioxide and water vapor is reduced, an air supply unit for supplying air to the permeation unit as a sweep gas, and the permeation Gas is introduced into the combustion unit where the combustible gas is burned directly or indirectly by the permeated gas discharged from the fuel unit. And road, further comprising a blower supplies air to separate the air electrode and the air supply unit.
本発明に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスから再生ガスを生成する際に使用する分離膜の透過側へスイープガスを供給した場合に、透過側から排出されたスイープガスを、適切に処理することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, when the sweep gas is supplied to the permeation side of the separation membrane used when generating the regeneration gas from the anode off gas, the sweep gas discharged from the permeation side is appropriately treated can do.
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〔第1実施形態〕
図1には、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム10Aが示されている。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燃料電池スタック16、第2燃料電池スタック18、空気供給部46、分離部20、第1熱交換部30、第2熱交換部32、第3熱交換部34、第4熱交換部36、燃焼器40、タンク42、及び制御部44を備えている。
First Embodiment
FIG. 1 shows a
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。ガス源からは、ブロアBによりメタンが気化器12へ送出される。原料ガス管P1の中間部には、水を貯留するタンク42からの水供給管P2が接続されている。タンク42からは、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40の熱が用いられる。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。
One end of a source gas pipe P1 is connected to the
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は、燃焼器40、第1燃料電池スタック16、及び第2燃料電池スタック18と隣接されており、これらとの間で熱交換を行うことで加熱される。
Methane and steam are delivered from the
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。改質器14は、第1燃料電池スタック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を介して第1燃料電池スタック16のアノード16Aに供給される。
The
第1燃料電池スタック16は固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第1燃料電池スタック16は本発明における燃料電池(第1燃料電池)の一例であり、本実施形態では、作動温度が650℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード16A、及びカソード(空気極)16Bと、を有している。図1では、複数の燃料電池セルの個々のアノード、カソードをまとめて、各々「アノード16A」「カソード16B」と図示している。
The first
なお、第2燃料電池スタック18についての基本構成は、第1燃料電池スタック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
第1燃料電池スタック16のカソード16Bには、後述する酸化ガス管P5を介して酸化ガスG5(空気)が供給される。カソード16Bでは、下記(1)式に示すように、酸化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を通って第1燃料電池スタック16のアノード16Aに到達する。
An oxidant gas G5 (air) is supplied to the
(空気極反応)
1/2O2+2e− →O2− …(1)
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e - → O 2- ... (1)
また、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。
Further, a cathode off gas pipe P6 for guiding the cathode off gas G2 discharged from the
一方、第1燃料電池スタック16のアノード16Aでは、下記(2)式及び(3)式に示すように、電解質層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、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。
On the other hand, at the
(燃料極反応)
H2 +O2− →H2O+2e− …(2)
CO+O2− →CO2+2e− …(3)
(Anode reaction)
H 2 + O 2- → H 2 O + 2 e − (2)
CO + O 2- → CO 2 + 2e - ... (3)
第1燃料電池スタック16のアノード16Aにはアノードオフガス管P7の一端が接続されており、アノードオフガス管P7には、アノード16Aからアノードオフガス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 off gas pipe P7 is connected to the
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、アノードオフガスに二酸化炭素及び水素の少なくとも一方が含まれる他の燃料電池、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), and is another fuel cell in which at least one of carbon dioxide and hydrogen is contained in the anode off gas. For example, it may be a molten carbonate fuel cell (MCFC).
アノードオフガス管P7の他端は、後述する第2熱交換部32及び第1熱交換部30を経て分離部20と接続されている。分離部20は、アノードオフガスG3から二酸化炭素及び水蒸気を後述する分離膜28で分離するものである。分離部20は、流入部24及び透過部26を有している。流入部24と透過部26は、分離膜28で区画されている。
The other end of the anode off gas pipe P <b> 7 is connected to the
分離部20の透過部26には、空気供給管P8の他端が接続されている。空気供給部46は、ブロアを含んで構成されており、空気供給部46に空気供給管P8の一端が接続されている。空気供給部46からは、常温の空気Aが送出されており、空気供給部46から空気供給管P8を通って、透過部26へスイープガスとしての空気Aが供給されている。空気供給部46は、後述する制御部44と接続されている。
The other end of the air supply pipe P8 is connected to the
ここで、分離膜28について説明する。本実施形態では、分離膜28は二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過する機能を有するものを用いる。なお、本実施形態では、二酸化炭素及び水蒸気の両方を透過する機能を有するものを用いるが、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を透過する機能を有するものであってもよい。二酸化炭素及び水蒸気の両方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、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜、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
分離膜としては、例えば、ガラス状高分子膜、ゴム状高分子膜、イオン交換樹脂膜などの有機高分子膜が挙げられる。有機高分子膜の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィン系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、ポリスチレン、酢酸セルロース、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリピロール、ポリフェニレンオキシド、ポリアニリン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール等の各種有機材料が挙げられる。また、有機高分子膜は、1種の有機材料から構成される膜であってもよく、2種以上の有機材料から構成される膜であってもよい。 Examples of separation membranes include organic polymer membranes such as glassy polymer membranes, rubber-like polymer membranes, and ion exchange resin membranes. The material of the organic polymer film is a polyolefin resin such as polyethylene, polypropylene, polybutene or polymethylpentene, a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinyl fluoride or polyvinylidene fluoride, polystyrene, cellulose acetate, polyurethane or polyacrylonitrile And various organic materials such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyimide, polyamide, polyetherimide, polypyrrole, polyphenylene oxide, polyaniline, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid and polyethylene glycol. The organic polymer film may be a film composed of one type of organic material, or may be a film composed of two or more types of organic materials.
また分離膜としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸塩共重合体、ポリエチレングリコールなどの吸水性を有する有機高分子と、二酸化炭素と親和性を有し、かつ水溶性を示す二酸化炭素キャリアとを含む有機高分子膜であってもよい。 The separation membrane may be, for example, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol-polyacrylate copolymer, an organic polymer having water absorbability such as polyethylene glycol, and the like, and affinity with carbon dioxide, and water solubility. It may be an organic polymer film containing a carbon dioxide carrier exhibiting the property.
二酸化炭素キャリアとしては、無機材料及び有機材料が用いられ、例えば、無機材料としては、アルカリ金属塩(好ましくはアルカリ金属炭酸塩)、アンモニア、アンモニウム塩などが挙げられ、有機材料としては、例えば、アミン、アミン塩、ポリアミンなどが挙げられる。なお、二酸化炭素キャリアは、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜等に含まれていてもよい。 As the carbon dioxide carrier, inorganic materials and organic materials are used. For example, as the inorganic materials, alkali metal salts (preferably alkali metal carbonates), ammonia, ammonium salts and the like can be mentioned, and as the organic materials, for example, Amines, amine salts, polyamines and the like can be mentioned. The carbon dioxide carrier may be contained in an inorganic material film, an organic polymer-inorganic material composite film, a liquid film or the like.
分離膜としては、例えば、アルミナ膜、シリカ膜、炭素膜、ゼオライト膜、セラミック膜などの無機材料膜が挙げられ、無機材料膜としては、中でもゼオライト膜が好ましい。ゼオライトとしては、例えば、A型、Y型、T型、ZSM−5型、ZSM−35型、モルデナイト系などが挙げられる。また、無機材料膜は、1種の無機材料から構成される膜であってもよく、2種以上の無機材料から構成される膜であってもよい。 Examples of the separation membrane include inorganic membrane such as alumina membrane, silica membrane, carbon membrane, zeolite membrane, ceramic membrane, etc. Among them, zeolite membrane is preferable as the inorganic membrane. Examples of the zeolite include A-type, Y-type, T-type, ZSM-5 type, ZSM-35 type and mordenite type. Further, the inorganic material film may be a film composed of one type of inorganic material, or may be a film composed of two or more types of inorganic materials.
分離膜は、有機高分子−無機材料複合膜であってもよい。有機高分子−無機材料複合膜としては、有機材料及び無機材料から構成される膜であれば特に限定されないが、例えば、上述した有機材料から選択される少なくとも1種の有機材料及び上述した無機材料から選択される少なくとも1種の無機材料から構成される複合膜であることが好ましい。 The separation membrane may be an organic polymer-inorganic material composite membrane. The organic polymer-inorganic material composite film is not particularly limited as long as it is a film composed of an organic material and an inorganic material, but, for example, at least one organic material selected from the organic materials described above and the inorganic materials described above It is preferable that it is a composite film comprised from at least 1 sort (s) of inorganic material selected from.
分離膜としては、例えば、アミン水溶液、イオン液体などの液体膜が挙げられる。これら液体膜は、前述の有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜に、アミン水溶液又はイオン液体を含浸させたものであってもよい。 Examples of separation membranes include liquid membranes such as aqueous amine solutions and ionic liquids. These liquid films may be those obtained by impregnating the above-mentioned organic polymer film, inorganic material film, organic polymer-inorganic material composite film with an aqueous amine solution or an ionic liquid.
分離膜として、アミン水溶液膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素をアミン水溶液膜に化学的に吸着させた後、加熱することで二酸化炭素が分離され、アミン水溶液膜の透過側に二酸化炭素が移動する。アミン水溶液としては、モノエタノールアミンなどのアミノアルコールなどが挙げられる。 When an aqueous amine film is used as a separation membrane, carbon dioxide in the off gas is chemically adsorbed to the aqueous amine film and then heated to separate carbon dioxide, and carbon dioxide is separated on the permeation side of the aqueous amine film. Moving. Examples of the aqueous amine solution include aminoalcohols such as monoethanolamine.
分離膜として、イオン液体膜を用いた場合、オフガス中の二酸化炭素がイオン液体膜に吸着し、吸着された二酸化炭素をイオン液体膜から分離することで、イオン液体膜の透過側に二酸化炭素が移動する。ここで、イオン液体は、150℃以下の比較的低温の融点を有する塩であり、例えば、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオンなどの陽イオンと、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオンなどの陰イオンと、から構成される。 When an ionic liquid membrane is used as a separation membrane, carbon dioxide in the off gas is adsorbed to the ionic liquid membrane, and the adsorbed carbon dioxide is separated from the ionic liquid membrane, whereby carbon dioxide is on the permeation side of the ionic liquid membrane. Moving. Here, the ionic liquid is a salt having a relatively low melting point of 150 ° C. or less, and, for example, a cation such as imidazolium ion or pyridinium ion, trifluoromethanesulfonate ion, tetrafluoroborate ion, hexafluoromethane ion And anions such as phosphate ions.
分離膜の厚さは、特に限定されないが、機械的強度の観点からは、通常、10μm〜3000μmの範囲が好ましく、より好ましくは10μm〜500μmの範囲であり、さらに好ましくは15μm〜150μmの範囲である。 The thickness of the separation membrane is not particularly limited, but in view of mechanical strength, a range of 10 μm to 3000 μm is usually preferable, more preferably 10 μm to 500 μm, and still more preferably 15 μm to 150 μm. is there.
なお、分離膜は、多孔質性の支持体に支持されていてもよい。支持体の材質としては、紙、セルロース、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、金属、ガラス、セラミックなどが挙げられる。 The separation membrane may be supported by a porous support. The material of the support includes paper, cellulose, polyester, polyolefin, polyamide, polyimide, polysulfone, polycarbonate, metal, glass, ceramic and the like.
また、分離膜としては、二酸化炭素及び水蒸気の分離機能を発揮すると共に、耐久性を維持する観点から、使用の際の適温T0が、燃料電池システム10A内の露点よりも高く、第1燃料電池スタック16のアノード16Aから排出された直後のアノードオフガスG3の温度よりも低いものが好適に用いられる。例えば、露点が80℃、分離膜の耐久性を考慮した最高使用温度が130℃であるとすると、80℃〜130℃の間で、後述する適温T0を設定する。
Further, as a separation membrane, from the viewpoint of exhibiting the function of separating carbon dioxide and water vapor and maintaining durability, the appropriate temperature T0 at the time of use is higher than the dew point in the
二酸化炭素及び水蒸気を分離する分離膜としては、例えば、「Zi Tong et al., "Water vapor and CO2 transport through amine-containing facilitated transport membranes", Reactive & Functional Polymers (2014)に記載の膜を用いてもよい。 As a separation membrane which separates carbon dioxide and water vapor, for example, the membranes described in “Zi Tong et al.,“ Water vapor and CO 2 transport through amine-containing facilitated transport membranes ”, Reactive & Functional Polymers (2014) may be used. May be
アノードオフガスG3は、分離部20で二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が分離されることにより二酸化炭素及び水蒸気の濃度が低減されて、再生燃料ガスG4となって、透過部26から送出される。再生燃料ガス管P9は、第2燃料電池スタック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P9を経て、第2燃料電池スタック18のアノード18Aに供給される。
The concentration of carbon dioxide and water vapor is reduced by separating at least one of carbon dioxide and water vapor in the
一方、分離部20の透過部26では、空気供給管P8から供給された空気Aが、スイープガスとして透過部26へ流入する。これにより、透過部26における二酸化炭素及び水蒸気の分圧が下がり、流入部24から分離膜28を透過して二酸化炭素及び水蒸気が透過部26へ移動し易くなる。空気Aは、二酸化炭素、水蒸気、及び、その他分離膜28を透過したアノードオフガスG3中の気体と共に、透過部排出ガスとして透過部26から送出される。送出された透過部排出ガスは、酸化ガス管P5を介して酸素を含む酸化ガスG5としてカソード16Bへ供給される。
On the other hand, in the
第2燃料電池スタック18のアノード18A及びカソード18Bでは、第1燃料電池スタック16と同様の反応により発電が行われる。アノード18A及びカソード18Bから排出された使用済のガスは、配管P11、カソードオフ燃焼導入管P12により燃焼器40へ送出され、燃焼器40で焼却に供される。本実施形態の燃料電池システム10Aは、第1燃料電池スタック16で使用された燃料であるアノードオフガスG3が再生されて、燃料ガスとして第2燃料電池スタック18で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。
At the
燃焼器40からは、燃焼排ガスG6が送出される。燃焼排ガスG6は、燃焼排ガス管P10内を流通し、第3熱交換部34、第4熱交換部36、及び、気化器12を経て、タンク42へ流入される。
From the
次に、燃料電池システム10Aにおける熱交換について説明する。燃料電池システム10Aは、第1熱交換部30、第2熱交換部32、第3熱交換部34、及び第4熱交換部36を備えている。
Next, heat exchange in the
第1熱交換部30は、第1燃料電池スタック16のアノード16Aの下流側で分離部20(流入部24)の上流側(アノードオフガス管P7について)、且つ、空気供給部46の下流側で分離部20(透過部26)の上流側(空気供給管P8について)に設けられている。第1熱交換部30では、アノードオフガス管P7を流れるアノードオフガスG3と空気供給管P8を流れる空気Aとの間で熱交換が行われる。当該熱交換は、並行流で行われることが好ましい。熱交換を並行流で行うことにより、分離部20へ送出されるアノードオフガスG3と空気Aの温度を比較的容易に同温度にすることができる。なお、アノードオフガスG3は、アノード16Aから送出された後、後述する第2熱交換部32での熱交換により、アノード16からの送出時よりも温度が低くなっている。
The first
ここで、分離膜28でアノードオフガスGから二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方を分離するために適した温度で、且つ分離膜28の耐久性を維持可能な温度で、且つ露点よりも高い適温T0とすると、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3は、適温T0に近い温度であることが好ましい。そこで、制御部44では、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、空気供給部46から送出される空気Aの流量を制御する。なお、適温T0は、分離膜28の材質等により適宜設定される。前述のように、例えば、露点が80℃、分離膜28の耐久性を考慮した最高使用温度が130℃であるとすると、適温T0は、80℃〜130℃の間で設定される。
Here, at a temperature suitable for separating at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas G by the
分離部20には、分離部20の温度Tを測定する温度センサSSが設けられている。制御部44は、温度センサSSで測定された分離部20の温度に基づいて、空気供給部46から送出される空気Aの流量を制御する。具体的には、温度Tが適温T0よりも低い場合には、空気供給部46から送出する空気Aの流量を減少させ、温度Tが適温T0よりも高い場合には、空気供給部46から送出する空気Aの流量を増加させる。燃料電池システム10Aの運転時に、制御部44で常時又は間欠的に、温度Tに基づいて空気供給部46から送出される空気Aの流量をフィードバック制御することにより、分離部20の温度を適温T0又は適温T0に近い温度に維持することができる。なお、分離部20の温度Tは、分離部20の内部の温度であってもよいし、分離膜28が影響を受ける分離部20の他の部分の温度であってもよい。
The
第2熱交換部32は、第1燃料電池スタック16のアノード16Aの下流側で第1熱交換部30の上流側(アノードオフガス管P7について)、且つ、分離部20(流入部26)の下流側で第2燃料電池スタック18のアノード18Aの上流側(再生燃料ガス管P9について)に設けられている。第2熱交換部32では、アノードオフガス管P7を流れるアノードオフガスG3と再生燃料ガス管P9を流れる再生燃料ガスG4との間で熱交換が行われる。アノードオフガスG3は、通常650℃程度の高温であり、再生燃料ガス管P9を流れる再生燃料ガスG4は、分離部20の適温T0に近い温度である。第2熱交換部32において、アノードオフガスG3は温度が低下し、再生燃料ガスG4は温度が上昇する。
The second
第3熱交換部34は、分離部20(流入部26)の下流側で第1燃料電池スタック16のカソード16Bの上流側(酸化ガス管P5について)、且つ、燃焼器40の下流側で気化器12の上流側(燃焼排ガス管P10について)に設けられている。第3熱交換部34では、酸化ガス管P5を流れる酸化ガスG5と燃焼排ガス管P10を流れる燃焼排ガスG6との間で熱交換が行われる。酸化ガス管P5を流れる酸化ガスG5は、分離部20の適温T0に近い温度である。第3熱交換部34において、カソード16Bへ供給される酸化ガスG5は、燃焼排ガスG6によって昇温される。
The third
第4熱交換部36は、分離部20の下流側で第2熱交換部32の上流側(再生燃料ガス管P9について)、且つ、第3熱交換部34の下流側で気化器12の上流側(燃焼排ガス管P10について)に設けられ、再生燃料ガス管P9を流れる再生燃料ガスG4と燃焼排ガス管P10を流れる燃焼排ガスG6との間で熱交換が行われる。再生燃料ガス管P9を流れる再生燃料ガスG4は、分離部20の適温T0に近い温度であり、第4熱交換部36において、燃焼排ガスG6によって昇温される。
The fourth
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
燃料電池システム10Aにおいては、ガス源からの燃料であるメタン及びタンク42からの水が、気化器12へ供給される。気化器12では、供給されたメタン及び水が混合されると共に、燃焼排ガス管P10を流通する燃焼排ガスG6から熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。
In the
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、改質反応により、水素を含む600℃程度の燃料ガスG1が生成される。燃料ガスG1は、燃料ガス管P4を介して第1燃料電池スタック16のアノード16Aに供給される。
Methane and steam are delivered from the
第1燃料電池スタック16のカソード16Bには、分離部20の透過部26から排出された透過部排出ガス(空気Aと二酸化炭素及び水蒸気の混合気体)が、酸化ガスG5として酸化ガス管P5を経て供給される。これにより、第1燃料電池スタック16では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第1燃料電池スタック16は発熱し、650℃程度の温度で発電が行われる。この発電に伴い燃料電池スタック16のアノード16Aからは、アノードオフガスG3が排出される。また、カソード16Bからは、カソードオフガスG2が排出され、カソードオフガスG2は、カソードオフガス管P6を通って第2燃料電池スタック18のカソード18Bへ供給される。
In the
アノード16Aから排出されたアノードオフガスG3は、アノードオフガス管P7に導かれ、第2熱交換部32、第1熱交換部30を経て、分離部20の流入部24へ流入される。第2熱交換部32では、アノードオフガスG3の温度は、約650℃からある程度温度が低下し(80℃〜140℃程度の低下)、第1熱交換部30では、アノードオフガスG3の温度は、適温T0に近い温度まで下げられる。
The anode off gas G3 discharged from the
一方、空気供給部46からは、制御部44による分離部20の温度Tのフィードバック制御により流量が制御された空気Aが第1熱交換部30を介して分離部20の透過部26へ送出される。第1熱交換部30では、空気Aの温度は、適温T0に近い温度、すなわち、第1熱交換部30で熱交換が行われた後のアノードオフガスG3と略同じ温度となる。
On the other hand, air A whose flow rate is controlled by feedback control of temperature T of
アノードオフガスG3は、第2熱交換部32、第1熱交換部30での熱交換を経て分離部20の流入部24へ流入され、二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方が、分離膜28を透過して透過部26側へ移動することにより分離される。流入部24からは再生燃料ガスG4が送出され、第4熱交換部36、第2熱交換部32を経て、600℃程度に昇温され、再生燃料ガス管P9により第2燃料電池スタック18のアノード18Aへ供給される。
The anode off gas G3 flows into the
第2燃料電池スタック18では、前述の反応により発電が行われる。上記反応により第2燃料電池スタック18は発熱し、650℃程度の温度で発電が行われる。アノード18A、カソード18Bでの使用済ガスは、配管P11、カソードオフ燃焼導入管P12により各々燃焼器40へ送出され、燃焼器40で焼却に供される。
In the second
燃焼器40からの燃焼排ガスG6は、第3熱交換部34、第4熱交換部36、及び気化器12を経て、燃焼排ガス管P10によりタンク42へ送出される。燃焼排ガスG6に含まれる水蒸気は、気化器12からタンク42までの経路やタンク42内で冷却され、凝縮されてタンク42に貯留される。その他の燃焼排ガスは、タンク42から放出される。
The combustion exhaust gas G6 from the combustor 40 passes through the third
一方、透過部26へ流入したスイープガスとしての空気Aは、分離膜28を透過して流入した二酸化炭素、水蒸気、及び、その他分離膜28を透過したアノードオフガスG3中の気体と共に、透過部26から送出される。送出された透過部排出ガスは、第4熱交換部36、第3熱交換部34を経て、酸化ガスG5として酸化ガス管P5によりカソード16Bへ供給される。
On the other hand, the air A as the sweep gas flowing into the
本実施形態の燃料電池システム10Aは、分離膜28の透過側(透過部26)へスイープガスとしての空気Aが供給されるので、透過部26における二酸化炭素及び水蒸気の分圧は低減される。これにより、流入部24へ流入したアノードオフガスG3に含まれる二酸化炭素及び水蒸気の少なくとも一方をより多く分離膜28を透過させて分離することができる。
In the
また、分離部20へは、適温T0に近づくように第1熱交換部30において熱交換されたアノードオフガスG3及び空気Aが流入されているので、分離部20を適温T0に維持して分離膜28の性能を発揮させることができる。これにより、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多く分離することができると共に、分離膜28の耐久性を維持することができる。そして、アノードオフガスG3を再利用する第2燃料電池スタック18へ、二酸化炭素、水蒸気が低減された再生燃料ガスG4が供給されるので、効率よく発電を行うことができ、燃料電池システム10Aの性能を向上させることができる。
Further, since the anode off gas G3 and the air A heat-exchanged in the first
また、第1熱交換部30における熱交換は、いずれも分離部20へ供給される気体である空気AとアノードオフガスG3との間で行われ、適温T0への調整は、空気Aの流量を制御することで行われているので、簡易に分離部20の温度を調整することができる。
Further, heat exchange in the first
なお、本実施形態では、分離部20の温度をフィードバックして空気供給部46から送出される空気Aの流量を調整したが、第1熱交換部30から送出される空気AやアノードオフガスG3の温度を測定し、この温度をフィードバックして空気供給部46から送出される空気Aの流量を調整してもよい。
In the present embodiment, the temperature of the
また、本実施形態では、第1熱交換部30の上流側の第2熱交換部32でアノードオフガスG3の温度を低下させるので、第1熱交換部30での温度調整幅を小さくすることができる。また、分離部20を経た後の再生燃料ガスG4を第2熱交換部32で昇温させるので、発電に適した温度に近くなり、燃料電池システム10A全体の発電効率及び熱効率を向上させることができる。
Further, in the present embodiment, the temperature of the anode off gas G3 is decreased in the second
また、本実施形態では、分離部20の透過部26から排出された透過部排出ガスを、カソード16Bへ導入して発電に供した後、第2燃料電池スタック18のカソード18Bへ導入して発電に供し、その後、燃焼器40へ送出して燃焼に供する。透過部排出ガスには、分離膜28におけるアノードオフガスG3からのリーク等により、水素、一酸化炭素、その他の可燃性物質が含まれることが考えられる。本実施形態の燃料電池システム10Aによれば、透過部排出ガスの中に含まれる水素、一酸化炭素、その他の可燃性物質を燃焼させた後、燃料電池システム10Aの外へ放出することができ、燃料電池システム10Aの安全性を向上させることができる。
Further, in the present embodiment, after the permeated part exhaust gas discharged from the permeated
なお、本実施形態では、透過部26から排出された透過部排出ガスを、カソード16Bへ導入したが、透過部排出ガスを直接燃焼器40へ導入してもよい。この場合には、図2に示すように、透過部26から燃焼器40へ透過部排出ガスを送出する透過部排出管P13を設けると共に、第1燃料電池スタック16のカソード16Bへ空気を導入するためのブロア54を別途用意すればよい。
In the present embodiment, the permeated part exhaust gas discharged from the permeated
また、本実施形態では、分離部20の透過部26から排出された透過部排出ガスは、第1燃料電池スタック16のカソード16Bへ導入されているので、カソード16Bへの空気の導入と第1熱交換部30への空気の導入を同一のブロアを用いて行うことができ、燃料電池システム10Aを簡易な構成にすることができる。
Further, in the present embodiment, since the transmission part exhaust gas discharged from the
〔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。なお、第1実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The same parts as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図3には、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システム10Bが示されている。燃料電池システム10Bは、第1実施形態で説明した燃料電池システム10Aと比較して、空気供給部46から送出される空気が、第1熱交換部30へ至るまでに昇温される点が異なっている。また、空気供給部46から送出される空気Aの流量が一定であり、バルブ48を通過する空気A−1の流量で分離部20へ供給される空気及びアノードオフガスG3の温度を調整する点が異なっている。
FIG. 3 shows a
空気供給部46に接続される空気供給管P8は、分岐部B1で空気調整管P8−1と空気昇温管P8−2に分岐され、合流部B2で合流されている。合流部B2は、第1熱交換部30よりも上流側に設けられている。
The air supply pipe P8 connected to the
空気調整管P8−1には、バルブ48が設けられている。バルブ48は、制御部44に接続されている。空気昇温管P8−2は、第5熱交換部38へ導入されている。第5熱交換部38には、第4熱交換部36の下流側の燃焼排ガス管P10が導入されており、空気昇温管P8−2を通過する空気A−2は、燃焼排ガス管P10を流れる燃焼排ガスG6との間で熱交換を行って昇温される。空気調整管P8−1、バルブ48、第4熱交換部36、及び空気昇温管P8−2により、空気昇温部が形成されている。
A
制御部44では、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。当該制御は、温度センサSSで測定された分離部20の温度に基づいて、バルブ48を通過する空気A−1の流量を調整することにより行われる。具体的には、分離部20の温度Tが適温T0よりも低い場合には、バルブ48の開度を小さくしてバルブ48を通過する空気A−1の流量を減少させ、温度Tが適温T0よりも高い場合には、バルブ48の開度を大きくしてバルブ48を通過する空気A−1の流量を増加させる。燃料電池システム10Bの運転時に、制御部44で常時又は間欠的に、温度Tに基づいてバルブ48を通過する空気A−1の流量をフィードバック制御することにより、分離部20の温度を適温T0又は適温T0に近い温度に維持することができる。
The
本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持しつつ、分離部20が適温T0になるように、第1熱交換部30での熱交換を行うことができる。空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持することにより、透過部26へ供給する空気Aの流量を確保することができる。
According to the present embodiment, the heat exchange in the first
また、燃料電池システム10Bは、その他の第1実施形態と同様の効果を奏することもできる。
In addition, the
〔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。なお、第1、第2実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
Third Embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the first and second embodiments will be assigned the same reference numerals and explanation thereof will be omitted.
図4には、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システム10Cが示されている。燃料電池システム10Cは、第2実施形態で説明した燃料電池システム10Bと比較して、空気供給部46から送出される空気Aの流量とバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20を適温T0に近い温度に制御する点が異なっている。
FIG. 4 shows a fuel cell system 10C according to a third embodiment of the present invention. The fuel cell system 10C adjusts both the flow rate of the air A delivered from the
制御部44は、空気供給部46及びバルブ48と接続されている。制御部44では、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、空気供給部46から送出される空気A、及び、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。具体的には、温度センサSSで測定された分離部20の温度Tが適温T0よりも低い場合には、空気供給部46のブロアの出力を低くすると共にバルブ48の開度を小さくして、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量を減少させる。一方、温度Tが適温T0よりも高い場合には、空気供給部46のブロアの出力を高くすると共にバルブ48の開度を大きくして、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量を増加させる。燃料電池システム10Cの運転時に、制御部44で常時又は間欠的に、分離部20の温度Tに基づいて、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量をフィードバック制御することにより、分離部20の温度を適温T0又は適温T0に近い温度に維持することができる。
The
本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20が適温T0になるように第1熱交換部30での熱交換を行う。したがって、よりフレキシブルに分離部20の温度調整を行うことができる。
According to the present embodiment, by adjusting both the flow rate of the air A delivered from the
また、燃料電池システム10Cは、その他の第1、2実施形態と同様の効果を奏することもできる。 In addition, the fuel cell system 10C can also achieve the same effects as those of the other first and second embodiments.
〔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。なお、第1−3実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
Fourth Embodiment
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the first to third embodiments are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted.
図5には、本発明の第4実施形態に係る燃料電池システム10Dが示されている。燃料電池システム10Dは、第1実施形態で説明した燃料電池システム10Aと比較して、第2燃料電池スタック18を有していない点が異なっている。
FIG. 5 shows a
分離部20に接続された再生燃料ガス管P9は、第4熱交換部36の下流側に設けられた分岐部B3で分岐されている。分岐された一方の再生燃料ガス管P9−1は、第2熱交換部32を経て配管P3へ接続されている。分岐された他方の再生燃料ガス管P9−2は、燃焼器40へ接続されている。分岐部B3では、再生燃料ガス管P9−1と再生燃料ガス管P9−2へ再生燃料ガスG4が分流されている。再生燃料ガス管P9−1の第2熱交換部32よりも上流側には、ブロア52が設けられている。ブロア52は、再生燃料ガス管P9−1内の再生燃料ガスG4を配管P3側へ向かって流通させる。
The regenerated fuel gas pipe P <b> 9 connected to the
再生燃料ガス管P9−1を経て改質器14へ導入された再生燃料ガスG4は、気化器12から供給された燃料ガスG1と混合され、アノード16Aへ供給される。再生燃料ガス管P9−2を経て燃焼器40へ導入された再生燃料ガスG4は、燃焼器40で燃焼される。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40へ導入する。
The regenerated fuel gas G4 introduced to the
本実施形態の燃料電池システム10Dは、第1燃料電池スタック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
なお、本実施形態でも、透過部26から排出された透過部排出ガスを直接燃焼器40へ導入してもよい。この場合には、図6に示すように、透過部26から燃焼器40へ透過部排出ガスを送出する透過部排出管P13を設けると共に、第1燃料電池スタック16のカソード16Bへ空気を導入するためのブロア54を別途用意すればよい。
Also in this embodiment, the permeated portion exhaust gas discharged from the permeated
〔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。なお、第1−4実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
Fifth Embodiment
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description will be omitted.
図7には、本発明の第5実施形態に係る燃料電池システム10Eが示されている。燃料電池システム10Eは、第4実施形態で説明した燃料電池システム10Dと比較して、第2実施形態と同様に、空気供給部46から送出される空気が昇温される点が異なっている。すなわち、空気供給部46から送出される空気Aの流量が一定であり、バルブ48を通過する空気A−1の流量で分離部20へ供給される空気及びアノードオフガスG3の温度を調整する点が異なっている。
FIG. 7 shows a fuel cell system 10E according to a fifth embodiment of the present invention. The fuel cell system 10E is different from the
空気供給部46に接続される空気供給管P8は、分岐部B1で空気調整管P8−1と空気昇温管P8−2に分岐され、合流部B2で合流されている。合流部B2は、第1熱交換部30よりも上流側に設けられている。
The air supply pipe P8 connected to the
空気調整管P8−1には、バルブ48が設けられている。バルブ48は、制御部44に接続されている。空気昇温管P8−2は、第5熱交換部38へ導入されている。第5熱交換部38には、第4熱交換部36の下流側の燃焼排ガス管P10が導入されており、空気昇温管P8−2を通過する空気A−2は、燃焼排ガス管P10を流れる燃焼排ガスG6との間で熱交換を行って昇温される。
A
制御部44では、第2実施形態と同様に、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。
In the
本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持しつつ、分離部20が適温T0になるように、第1熱交換部30での熱交換を行うことができる。空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持することにより、透過部26へ供給する空気Aの流量を確保することができる。
According to the present embodiment, the heat exchange in the first
また、燃料電池システム10Eは、その他の第1実施形態と同様の効果を奏することもできる。 In addition, the fuel cell system 10E can also exhibit the same effects as those of the other first embodiment.
〔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。なお、第1−5実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
Sixth Embodiment
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the first to fifth embodiments are given the same reference numerals, and the description will be omitted.
図8には、本発明の第6実施形態に係る燃料電池システム10Fが示されている。燃料電池システム10Fは、第5実施形態で説明した燃料電池システム10Eと比較して、第3実施形態と同様に、空気供給部46から送出される空気Aの流量とバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20を適温T0に近い温度に制御する点が異なっている。
A
制御部44は、空気供給部46及びバルブ48と接続されている。制御部44では、第3実施形態と同様に、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、空気供給部46から送出される空気A、及び、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。
The
本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20が適温T0になるように第1熱交換部30での熱交換を行う。したがって、よりフレキシブルに分離部20の温度調整を行うことができる。
According to the present embodiment, by adjusting both the flow rate of the air A delivered from the
また、燃料電池システム10Fは、その他の第5、6実施形態と同様の効果を奏することもできる。
In addition, the
〔第7実施形態〕
次に本発明の第7実施形態について説明する。なお、第1−6実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
Seventh Embodiment
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the first to sixth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description will be omitted.
図9には、本発明の第7実施形態に係る燃料電池システム10Gが示されている。燃料電池システム10Gは、第1実施形態で説明した燃料電池システム10Aと比較して、第3燃料電池スタック17を有している点が異なっている。
FIG. 9 shows a
第3燃料電池スタック17の基本構成は第1燃料電池スタック16と同様であり、アノード16Aに対応するアノード17A、及びカソード16Bに対応するカソード17Bを有している。第3燃料電池スタック17は、燃料電池システム10Gにおいて、第1燃料電池スタック16と並列に配置されている。なお、図7では、第2燃料電池スタック18及び第3燃料電池スタック17が改質器14と離間して図示されているが、実際には、第2燃料電池スタック18及び第3燃料電池スタック17は、第1燃料電池スタック16と同様に改質器14と隣接配置され、熱交換が行われている。
The basic configuration of the third
改質器14に接続された燃料ガス管P4は、分岐部B4で燃料ガス管P4−2と分岐されている。燃料ガス管P4はアノード16Aと接続され、改質器14からアノード16Aへ燃料ガスG1を供給する。燃料ガス管P4−2はアノード17Aと接続され、改質器14からアノード17Aへ燃料ガスG1を供給する。アノード17Aには、アノードオフガス管P7が接続され、アノードオフガス管P7−2は、アノードオフガス管P7と第2熱交換部32の上流側の合流部B5で合流されている。アノード17Aからは、使用済のアノードオフガスG3が送出され、アノードオフガス管P7−2、P7を経て、分離部20の流入部24へ流入される。
The fuel gas pipe P4 connected to the
カソード17Bには、第3熱交換部34の下流側で酸化ガス管P5から分岐部B6で分岐された酸化ガス管P5−2が接続されている。カソード17Bへは、酸化ガス管P5−2を介して酸化ガスG5が供給される。カソード17Bから排出された使用済みガスは、合流部B7でカソードオフガス管P6と合流されてカソード18Bへ導入される。
The oxidizing gas pipe P <b> 5-2 branched from the oxidizing gas pipe P <b> 5 from the oxidizing gas pipe P <b> 5 at the branching portion B <b> 6 is connected to the
上記のように、第1燃料電池スタック16と並列に配置された第3燃料電池スタック17を有することにより、燃料電池システム10Gの第1段目における発電は、第1燃料電池スタック16及び第3燃料電池スタック17で行われる。そして、第1燃料電池スタック16及び第3燃料電池スタック17で使用された後のアノードオフガスG3を、分離部20で再生燃料ガスG4に再生し、二段目の第2燃料電池スタック18での発電に供することができる。
As described above, by having the third
本実施形態の燃料電池システム10Gによれば、一段目と二段目の燃料電池スタックの稼働率の差が小さくなり、燃料電池システム10G18での発電効率を高めることができる。
According to the
なお、本実施形態でも、透過部26から排出された透過部排出ガスを直接燃焼器40へ導入してもよい。この場合には、図10に示すように、透過部26から燃焼器40へ透過部排出ガスを送出する透過部排出管P13を設けると共に、第1燃料電池スタック16のカソード16Bへ空気を導入するためのブロア54を別途用意すればよい。
Also in this embodiment, the permeated portion exhaust gas discharged from the permeated
〔第8実施形態〕
次に本発明の第8実施形態について説明する。なお、第1−7実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
Eighth Embodiment
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the first to seventh embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description will be omitted.
図11には、本発明の第8実施形態に係る燃料電池システム10Hが示されている。燃料電池システム10Hは、第7実施形態で説明した燃料電池システム10Gと比較して、第2、5実施形態と同様に、空気供給部46から送出される空気が昇温される点が異なっている。すなわち、空気供給部46から送出される空気Aの流量が一定であり、バルブ48を通過する空気A−1の流量で分離部20へ供給される空気及びアノードオフガスG3の温度を調整する点が異なっている。
A
空気供給部46に接続される空気供給管P8は、分岐部B1で空気調整管P8−1と空気昇温管P8−2に分岐され、合流部B2で合流されている。合流部B2は、第1熱交換部30よりも上流側に設けられている。
The air supply pipe P8 connected to the
空気調整管P8−1には、バルブ48が設けられている。バルブ48は、制御部44に接続されている。空気昇温管P8−2は、第5熱交換部38へ導入されている。第5熱交換部38には、第4熱交換部36の下流側の燃焼排ガス管P10が導入されており、空気昇温管P8−2を通過する空気A−2は、燃焼排ガス管P10との間で熱交換を行って昇温される。
A
制御部44では、第2、5実施形態と同様に、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。
In the
本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持しつつ、分離部20が適温T0になるように、第1熱交換部30での熱交換を行うことができる。空気供給部46から送出する空気Aの流量を一定に維持することにより、透過部26へ供給する空気Aの流量を確保することができる。
According to the present embodiment, the heat exchange in the first
また、燃料電池システム10Hは、その他の第1実施形態と同様の効果を奏することもできる。
In addition, the
〔第9実施形態〕
次に本発明の第9実施形態について説明する。なお、第1−8実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
Ninth Embodiment
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the first to eighth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description will be omitted.
図12には、本発明の第9実施形態に係る燃料電池システム10Iが示されている。燃料電池システム10Iは、第8実施形態で説明した燃料電池システム10Hと比較して、第3、6実施形態と同様に、空気供給部46から送出される空気Aの流量とバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20を適温T0に近い温度に制御する点が異なっている。
FIG. 12 shows a fuel cell system 10I according to a ninth embodiment of the present invention. Similar to the third and sixth embodiments, the fuel cell system 10I passes the flow rate of the air A delivered from the
制御部44は、空気供給部46及びバルブ48と接続されている。制御部44では、第3、6実施形態と同様に、第1熱交換部30から分離部20へ流入される空気A及びアノードオフガスG3が適温T0に近づくように、空気供給部46から送出される空気A、及び、バルブ48を通過する空気A−1の流量を制御する。
The
本実施形態によれば、空気供給部46から送出する空気Aの流量、及びバルブ48を通過する空気A−1の流量の双方を調整することにより、分離部20が適温T0になるように第1熱交換部30での熱交換を行う。したがって、よりフレキシブルに分離部20の温度調整を行うことができる。
According to the present embodiment, by adjusting both the flow rate of the air A delivered from the
また、燃料電池システム10Iは、その他の第7、8実施形態と同様の効果を奏することもできる。 The fuel cell system 10I can also achieve the same effects as those of the other seventh and eighth embodiments.
なお、上記の第1〜第9実施形態における第2熱交換部32〜第5熱交換部38の配置は、上記の配置に限定されず、適宜変更しても良い。また、アノードオフガスG3から二酸化炭素や水蒸気を分離する手段として、例えば、水凝縮器、水蒸気吸着材、二酸化炭素吸収材、二酸化炭素吸着材などの他の手段を分離部と組み合わせて用いてもよい。
In addition, arrangement | positioning of the 2nd heat exchange part 32-5th
また、上記の第1〜第9実施形態では、第1熱交換部30を配置したが、分離膜28が第1燃料電池スタック16の作動温度(本実施形態では650℃程度)で、分離機能を発揮できるものであれば、第1熱交換部30は不要である。
In the first to ninth embodiments described above, the first
また、上記の第1〜第9実施形態では、制御部44で分離部20が適温T0に近づくように空気供給部46から流出させる空気Aの流量や、第1熱交換部30へ流入させる空気Aの温度を制御したが、必ずしも制御部44は必要ではない。例えば、予め分離部20が適温T0に近づくための空気供給部46から流出させる空気Aの流量や、第1熱交換部30へ流入させる空気Aの温度を実験等により得て、当該得られた空気Aの流量や第1熱交換部30へ流入させる空気Aの温度となるように、各部(空気供給部46やバルブ48)の設定をしてもよい。
In the first to ninth embodiments described above, the flow rate of the air A allowed to flow out of the
さらに、本発明は、前述の第1〜第9実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、前述の各実施形態を組み合わせて実施される。また、本発明において、例えば、熱交換器の設置位置、組み合わせなどはこれらの実施形態に限定されない。また、ガス、水などの各種流体の加熱及び冷却には熱交換器以外の手段を用いてもよい。 Furthermore, the present invention is not limited to the above-described first to ninth embodiments, and is implemented by combining the above-described embodiments by those skilled in the art within the technical concept of the present invention. Further, in the present invention, for example, the installation position, combination, and the like of the heat exchanger are not limited to these embodiments. Moreover, you may use means other than a heat exchanger for heating and cooling of various fluids, such as gas and water.
10A〜10I 燃料電池システム
16 第1燃料電池スタック(燃料電池)、 17 第3燃料電池スタック(燃料電池)
18 第2燃料電池スタック(燃料電池)、
16A、17A、18A アノード(燃料極)
16B、17B、18B カソード(空気極)
20 分離部、 24 流入部、 26 透過部 、28 分離膜
30 第1熱交換部、 32 第2熱交換部
46 空気供給部、 P8−1 空気調整管、48 バルブ、36 第4熱交換部
P8−2 空気昇温管(空気昇温部)
40 燃焼器、 44 制御部、 P5 酸化ガス管(透過ガス燃焼導入路)
P6 カソードオフガス管(透過ガス燃焼導入路)
P12 カソードオフ燃焼導入管(透過ガス燃焼導入路)
P13 透過部排出管(透過ガス燃焼導入路)
G3 アノードオフガス、 G4 再生燃料ガス
10A to 10I
18 2nd fuel cell stack (fuel cell),
16A, 17A, 18A Anode (fuel electrode)
16B, 17B, 18B cathode (air electrode)
40 combustor, 44 control unit, P5 oxidation gas pipe (permeate gas combustion introduction path)
P6 Cathode off gas pipe (permeate gas combustion introduction path)
P12 Cathode-off combustion introduction pipe (permeate gas combustion introduction path)
P13 Permeate exhaust pipe (permeate gas combustion introduction path)
G3 anode off gas, G4 regenerated fuel gas
Claims (13)
前記アノードオフガスが流入される流入部と、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分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、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の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、
スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、
前記透過部から排出された透過部排出ガスを直接または間接的に可燃性気体を燃焼させる燃焼部へ導入する透過ガス燃焼導入路と、
前記分離部の上流側に設けられ、前記アノードオフガスと前記空気供給部からの空気との間で熱交換を行う第1熱交換部と、
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell which generates electricity by a fuel gas supplied to the fuel electrode and air supplied to the air electrode, and the anode off gas is discharged from the fuel electrode and the cathode off gas is discharged from the air electrode;
The fuel cell includes: an inflow portion into which the anode off gas flows, and a permeation portion partitioned from the inflow portion by a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas; A separation unit for delivering regenerated fuel gas having a reduced concentration of at least one of steam;
An air supply unit for supplying air to the permeation unit as a sweep gas;
A permeation gas combustion introduction path for introducing the permeation portion exhaust gas discharged from the permeation portion directly or indirectly into a combustion portion for combusting a combustible gas;
A first heat exchange unit provided upstream of the separation unit and performing heat exchange between the anode off gas and air from the air supply unit;
Fuel cell system equipped with
前記分離部の温度に応じて、前記空気昇温部から流出される空気の温度を制御する制御部と、
を備えた請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 An air heating unit provided between the air supply unit and the first heat exchange unit and raising the temperature of the air from the air supply unit;
A control unit that controls the temperature of the air flowing out of the air heating unit according to the temperature of the separation unit;
The fuel cell system according to claim 1 or 2 , further comprising:
前記透過部排出ガスは、前記熱交換部での熱交換により昇温されて前記空気極へ供給される、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 It has a heat exchange part which performs heat exchange between the transmission part exhaust gas discharged from the transmission part and the combustion exhaust gas discharged from the combustion part,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6 , wherein the permeating portion exhaust gas is heated by heat exchange in the heat exchange portion and supplied to the air electrode.
前記アノードオフガスが流入される流入部と、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分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、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の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、 The fuel cell includes: an inflow portion into which the anode off gas flows, and a permeation portion partitioned from the inflow portion by a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas; A separation unit for delivering regenerated fuel gas having a reduced concentration of at least one of steam;
スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、 An air supply unit for supplying air to the permeation unit as a sweep gas;
前記透過部から排出された透過部排出ガスを直接または間接的に可燃性気体を燃焼させる燃焼部へ導入する透過ガス燃焼導入路と、 A permeation gas combustion introduction path for introducing the permeation portion exhaust gas discharged from the permeation portion directly or indirectly into a combustion portion for combusting a combustible gas;
前記透過部から排出された透過部排出ガスと前記燃焼部から排出された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う熱交換部を有し、 A heat exchange unit for exchanging heat between the transmission unit exhaust gas discharged from the transmission unit and the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit;
前記透過部排出ガスは、前記熱交換部での熱交換により昇温されて前記空気極へ供給される、燃料電池システム。 The fuel cell system, wherein the permeation part exhaust gas is heated by heat exchange in the heat exchange part and supplied to the air electrode.
前記アノードオフガスが流入される流入部と、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分離する分離膜により前記流入部と区画された透過部と、を有し、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の濃度が低減された再生燃料ガスを送出する分離部と、 The fuel cell includes: an inflow portion into which the anode off gas flows, and a permeation portion partitioned from the inflow portion by a separation membrane that separates at least one of carbon dioxide and water vapor from the anode off gas; A separation unit for delivering regenerated fuel gas having a reduced concentration of at least one of steam;
スイープガスとして前記透過部へ空気を供給する空気供給部と、 An air supply unit for supplying air to the permeation unit as a sweep gas;
前記透過部から排出された透過部排出ガスを直接または間接的に可燃性気体を燃焼させる燃焼部へ導入する透過ガス燃焼導入路と、 A permeation gas combustion introduction path for introducing the permeation portion exhaust gas discharged from the permeation portion directly or indirectly into a combustion portion for combusting a combustible gas;
前記空気供給部と別に前記空気極へ空気を供給するブロアと、 A blower for supplying air to the air electrode separately from the air supply unit;
を備えた、燃料電池システム。 A fuel cell system equipped with
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