JP6623091B2 - アンモニア貯蔵供給装置及びアンモニア燃料タンク - Google Patents
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Description
前記アンモニア吸着状態にあるアンモニア吸脱着材からアンモニアを脱離させるアンモニア脱離操作手段を備えたアンモニア貯蔵供給装置に関する。
アンモニアを直接燃料とする燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池(以下 SOFCと記載することがある)があり、主にアノード側電極で、アンモニアを水素に分解し、出力の低下を避けて電池反応を起こされる方向に開発が進んでいる(特許文献3、4)。
さらに、アンモニアの供給を受けて働く機構としては、エンジン排ガスを脱硝する機構もあるが、このような機構でもアンモニアの供給と、排出されるアンモニアの処理が問題となることがある。
アンモニア吸着温度でアンモニアを吸着したアンモニア吸着状態に維持され、前記アンモニア吸着温度より高いアンモニア脱離温度で吸着したアンモニアを脱離してアンモニア脱離状態となるアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア貯蔵部と、
前記アンモニア吸着状態にあるアンモニア吸脱着材からアンモニアを脱離させるアンモニア脱離操作手段を備えたアンモニア貯蔵供給装置の第1の特徴構成は、
前記アンモニア吸着状態から前記アンモニア脱離状態とされる第1アンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア脱離部を前記アンモニア貯蔵部として備え、
標準大気圧状態で前記第1アンモニア吸脱着材よりアンモニア吸着・脱離平衡温度が高い第2アンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア吸着部を備え、
前記アンモニア脱離部の温度を前記第1アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度以上とする熱供給媒体が独立して流れる熱供給部を備え、
前記アンモニア脱離操作手段の働きにより、前記熱供給部に前記熱供給媒体を供給して前記アンモニア脱離部を前記第1アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度以上とするとともに、前記熱供給部を通過した前記熱供給媒体が、前記アンモニア吸着部内を流動して外部に放出される構成で、
前記アンモニア吸着部の温度が前記第2アンモニア吸脱着材のアンモニア吸着温度以下に維持され、前記熱供給媒体に含まれることがあるアンモニアを前記第2アンモニア吸脱着材が吸着する点ある。
本発明の第2の特徴構成は、
前記第1アンモニア吸脱着材が、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が40℃以上130℃以下であるハロゲン化金属化合物であり、
前記第2アンモニア吸脱着材が、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が前記第1アンモニア吸脱着材の標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度より高いハロゲン化金属化合物である点にある。
本明細書においてハロゲン化化合物の金属名は化学記号を使用して記載する。
前記熱供給部を通過した前記熱供給媒体の温度を前記第2アンモニア吸脱着材のアンモニア吸着温度以下とするアンモニア吸着操作手段を備える点にある。
結果、アンモニア貯蔵供給装置の動作を温度制御を伴って確実とすることができる。
前記アンモニア脱離操作手段の働きにより、前記アンモニア吸脱着材から脱離されるアンモニアの供給先が固体酸化物形燃料電池であり、
当該固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスが、アンモニアを含有することがある前記熱供給媒体である点にある。
一方、燃料として消費されることなく、固体酸化物形燃料電池からスリップして排ガス中に含まれるアンモニアを第2アンモニア吸脱着材に吸着させて、アンモニアフリーな排ガスを排出でき、良好に、アンモニアを燃料として固体酸化物形燃料電池を運転できる。
前記アンモニア脱離操作手段に、前記熱供給媒体から熱を受熱して湯を得る湯生成用熱交換器あるいは、前記熱供給媒体が保有する熱を大気放出する放熱器を備え、
前記固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスの温度が前記湯生成用熱交換器あるいは前記放熱器により低下されて、当該排ガスが前記熱供給部に導入される点にある。
アンモニア吸着温度でアンモニアを吸着したアンモニア吸着状態に維持され、前記アンモニア吸着温度より高いアンモニア脱離温度で吸着したアンモニアを脱離してアンモニア脱離状態となるアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア貯蔵部を備えたアンモニア燃料タンクの第1の特徴構成を、
前記アンモニア吸着状態の第1アンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア脱離部を前記アンモニア貯蔵部として備え、
標準大気圧状態で前記第1アンモニア吸脱着材よりアンモニア吸着・脱離平衡温度が高い第2アンモニア吸脱着材が前記アンモニア脱離状態で収納されるアンモニア吸着部を備え、
前記アンモニア脱離部の温度を前記第1アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度以上とする熱供給媒体が独立して流れる熱供給部を備え、
前記熱供給部を通過した前記熱供給媒体が、前記アンモニア吸着部内を流動して外部に放出される構成とする。
(1)アンモニア吸着状態の第1アンモニア吸脱着材A1がアンモニア脱離部2に収納され、アンモニア脱離状態の第2アンモニア吸脱着材A2がアンモニア吸着部3に収納された状態でSOFCシステム100に取り付けられ、
(2)SOFC101にアンモニアを燃料として供給し、発電に供された後、
(3)アンモニア脱離状態の第1アンモニア吸脱着材A1がアンモニア脱離部2に収納され、アンモニア吸着状態の第2アンモニア吸脱着材A2がアンモニア吸着部3に収納された状態で取り外される。
使用後の各アンモニア吸脱着材A1,A2は、別途、それぞれ再生処理される。
この再生処理は、第1アンモニア吸脱着材A1に関して、アンモニアと接触させて当該アンモニアを吸着させるアンモニア吸着処理となり、第2アンモニア吸脱着材A2に関しては、アンモニアを脱離させる脱離処理となる。この作業を行うため、筐体10は各アンモニア吸脱着材A1,A2を取出し・収納自在な構造としている(図示省略)。
図1に示すように、アンモニア貯蔵供給装置1は概略円筒状の筐体10を有して構成され、筐体10内が上下方向に2室に分割されて構成されている。
これら2室は、本発明にいう第1アンモニア吸脱着材A1が収納されるアンモニア脱離部2と、第2アンモニア吸脱着材A2が収納されるアンモニア吸着部3である。
図1の中央部下部に破線で囲って示したのが、このアンモニア脱離操作手段M1を成す機能部位である(図2、図3において同じ)。
アンモニア脱離部2には多数の伝熱管21を熱供給部rとして備え、第1アンモニア吸脱着材A1が吸着状態にあるアンモニアを良好に脱離するように、この伝熱管21にSOFC101の排ガスeを第1アンモニア吸脱着材A1のアンモニア脱離温度以上として流入させる。これがアンモニア脱離操作手段M1の機能であり、例えば、図1は、排ガスeの温度域が50〜60℃であることを例示的に示している。
アンモニア脱離操作手段M1の詳細構造に関しては、SOFCシステム100の項で各実施形態に即して説明する。
一方、図1の左側部位に破線で囲って示したのが、このアンモニア吸着操作手段M2を成す機能部位である(図3において同じ)。図2に示す第2実施形態では、同図下から左側部位に渡る破線で示している。
これらの図からも判明するように、アンモニア吸着部3の横に冷却機構を備えることで、第2アンモニア吸脱着材A2をそのアンモニア吸着温度以下とすることとしている。これがアンモニア吸着操作手段M2の機能である。例えば、図1は、この温度域が30〜40℃であることを例示的に示している。
アンモニア吸着操作手段M2の詳細構造に関しても、SOFCシステム100の項で各実施形態に即して説明する。
アンモニア脱離部2には、第1アンモニア吸脱着材A1として、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が40℃以上130℃以下であるハロゲン化金属化合物がアンモニアを吸着したアンモニア吸着状態で収納される。即ちハロゲン化Ba化合物、ハロゲン化Ca化合物,ハロゲン化Sr化合物、及びハロゲン化Mn化合物から選択される何れか一種以上が、アンモニアと錯体を形成したハロゲン化金属アンミン錯体の形態で収納される。結果、SOFC101の運転状態では、その排ガスeが伝熱管21に供給され、アンモニア脱離温度まで昇温されることでアンモニアを脱離し、アンモニアをSOFC101へ燃料として供給できる。
アンモニア吸着部3には、第2アンモニア吸脱着材A2として、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が第1アンモニア吸脱着材A1の標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度より高いハロゲン化金属化合物の一例である塩化Niが収納されている。この塩化Niはアンモニアを脱離したアンモニア脱離状態(アンミン錯体とはなっていない単体)で収納されており、SOFC101の運転状態で排ガスeがアンモニア吸着部3に流入し、排ガスeにアンモニアが含まれていた場合に、アンモニアを吸着して塩化Niアンミン錯体となる。
塩化Niの標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度は180℃程度である。
以下、SOFCシステム100の全体と、先に説明を簡略化したアンモニア脱離操作手段M1、アンモニア吸着操作手段M2の構成及び各実施形態で使用する第1アンモニア吸脱着材A1及び第2アンモニア吸脱着材A2に関して、各実施形態に即して説明する。
第1実施形態のSOFCシステム100は、SOFCの排ガスeが有する熱を湯として回収するための排熱回収回路50を備えて構成される。この排熱回収回路50は、貯湯槽51とコジェネレーション用熱交換器52との間で受熱側熱媒体(この例の場合は水w)が循環する循環路として構成され、コジェネレーション用熱交換器52で排ガスeから回収する熱を湯の形態で貯湯槽51に貯め、給湯、暖房、浴槽水の追炊き等の用に供するものである。図では熱利用側の回路を図示省略している。
ここで、放熱器54はコジェネレーション用熱交換器52において受熱側熱媒体(この例の場合は水)により熱回収を適切な状態で行うための媒体温度の調整の目的に使用する。
このコジェネレーション用熱交換器52により温度低下される前の高温側排ガスe1と、温度低下された後の低温側排ガスe2との混合により、前記アンモニア脱離温度以上に調整される混合排ガスe3を生成する脱離操作用混合排ガス生成手段Mmを備え、この脱離操作用混合排ガス生成手段Mmで生成される混合排ガスe3をアンモニア貯蔵供給装置1の前記排ガス流入口5に導く混合排ガス導入路102aを備えている。
第1実施形態では、アンモニア脱離部2には塩化Srがアンモニアを吸着した塩化Srアンミン錯体(オクタアンミンSr塩化物)として収納される(第2実施形態において同じ)。このアンモニア錯体は標準大気圧で収納されており、SOFC101の運転に伴って、その排ガスeが伝熱管21に供給されることでアンモニアを脱離する。因みに、塩化Srの標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度は40℃程度である。
従って、混合排ガスe3の温度を50〜60℃程度とすることで、アンモニア吸着状態にある塩化Srからアンモニアを脱離させて、SOFC101へ供給することができる。
このアンモニア吸着部3の温度は、アンモニア脱離部2でアンモニア脱離の用に供される熱量と、先にアンモニア吸着操作手段M2として説明した放熱器(具体的には放熱ファン9)の放熱量により制御するが、アンモニア吸着部3の温度を第2アンモニア吸脱着材A2がアンモニアを吸着する温度以下とすることで、排ガス中のアンモニアを吸着除去できる。即ち、アンモニア吸着部3の温度を検出する温度センサs、温度センサs出力に基づいて空冷ファン9に運転制御情報を送る温度制御用コントローラTIC及び空冷ファン9を備え、空冷ファン9の運転によりアンモニ化吸着状態を維持している。
第2実施形態は、コジェネレーションシステムの例である第1実施形態において、アンモニア吸着操作手段M2を第1実施形態の様に独立に設けることなく、排熱回収回路50に設けられる放熱器54から送り出される受熱側熱媒体(この例の場合は水w)を、アンモニア吸着部3の冷却に利用する例である。
第1実施形態と同一の機器に関しては、同一の符号を記した。
この例ではアンモニア吸着操作手段M2の構成のみが、第1実施形態と異なる。
この構成では、熱交換コイル90が冷却用の熱交換部となり、排熱回収回路50に設けられる放熱器54から送り出される受熱側熱媒体(この例の場合は水w)の温度を、第1実施形態の場合より低下させるとともに、その循環量を増加して、アンモニア吸着部3でのアンモニア吸着が適切に行われるようにしている。
図3に示す第3実施形態のSOFCシステム100は、SOFC101からの排ガスeからの熱回収を行わないモノジェネレーションシステムである。
この様な構成でも脱離操作用混合排ガス生成手段Mmを構成することができる。
(1) 上記の実施形態にあっては、アンモニア貯蔵供給装置から燃料として供給するアンモニアの供給先がSOFCである例を示したが、アンモニアを直接又は間接的に燃料とするシステムで、アンモニアのすり抜けが考えられるシステムであれば任意のシステムに本発明に係るアンモニア貯蔵供給装置は使用できる。
例えば、アンモニアを水素に改質して発電を行う燃料電池、水素を燃料とするエンジン等にも採用可能である。
これまで説明してきた実施形態のように、アンモニア脱離操作手段M1を備えてアンモニア脱離部2の温度を比較的高く積極的に管理し、アンモニア吸着操作手段M2を備えて、アンモニア吸着部3の温度を比較的低く管理できる場合はなおさらである。
また、標準大気圧下において、100℃を基準にアンモニア吸脱着材の組み合わせとする場合も、第1アンモニア吸脱着材A1と第2アンモニア吸脱着材A2との組み合わせは上記と同様となる。
この構成を採用しておくことで、両者を交換することで、コジェネレーションシステムと、モノジェネレーションシステムとの切換を容易に行うことが可能となる。
2 アンモニア脱離部(アンモニア貯蔵部)
3 アンモニア吸着部
4 アンモニア送出口
5 排ガス流入口
6 処理済み排ガス流出口
7 分配室
9 冷却ファン(放熱器)
10 筐体
20 外円筒
21 伝熱管
50 排熱回収回路
50a 往き路
51 貯湯槽
52 コジェネレーション用熱交換器(湯生成用熱交換器:排ガス温度低下手段)
53 熱媒体ポンプ
54 放熱器
90 熱交換コイル(熱交換部)
91 低温側受熱媒体導入路
92 高温側受熱媒体導入路
100 固体酸化物形燃料電池システム(SOFCシステム)
101 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
102 排ガス路
102a 混合排ガス路
102b 高温側排ガス路
102c 低温側排ガス路
102d 合流部
500 放熱器(排ガス温度低下手段)
A1 第1アンモニア吸脱着材
A2 第2アンモニア吸脱着材
M1 アンモニア脱離操作手段
M2 アンモニア吸着操作手段
Mm 脱離操作用混合排ガス生成手段
R アンモニア吸脱着材収納室
TIC 温度制御用コントローラ
V1 バルブ
V2 3方弁
e 排ガス
e1 高温側排ガス
e2 低温側排ガス
e3 混合排ガス
e4 処理済み排ガス
r 熱供給部
s 検出器
Claims (8)
- アンモニア吸着温度でアンモニアを吸着したアンモニア吸着状態に維持され、前記アンモニア吸着温度より高いアンモニア脱離温度で吸着したアンモニアを脱離してアンモニア脱離状態となるアンモニア吸脱着材が収納されて成るアンモニア貯蔵部と、
前記アンモニア吸着状態にあるアンモニア吸脱着材からアンモニアを脱離させるアンモニア脱離操作手段を備えたアンモニア貯蔵供給装置であって、
前記アンモニア吸着状態から前記アンモニア脱離状態とされる第1アンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア脱離部を前記アンモニア貯蔵部として備え、
標準大気圧状態で前記第1アンモニア吸脱着材よりアンモニア吸着・脱離平衡温度が高い第2アンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア吸着部を備え、
前記アンモニア貯蔵部の温度を前記第1アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度以上とする熱供給媒体が独立して流れる熱供給部を備え、
前記アンモニア脱離操作手段の働きにより、前記熱供給部に前記熱供給媒体を供給して前記アンモニア脱離部を前記第1アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度以上とするとともに、前記熱供給部を通過した前記熱供給媒体が、前記アンモニア吸着部内を流動して外部に放出される構成で、
前記アンモニア吸着部の温度が前記第2アンモニア吸脱着材のアンモニア吸着温度以下に維持され、前記熱供給媒体に含まれることがあるアンモニアを前記第2アンモニア吸脱着材が吸着するアンモニア貯蔵供給装置。 - 前記第1アンモニア吸脱着材が、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が40℃以上130℃以下であるハロゲン化金属化合物であり、
前記第2アンモニア吸脱着材が、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が前記第1アンモニア吸脱着材の標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度より高いハロゲン化金属化合物である請求項1記載のアンモニア貯蔵供給装置。 - 前記第1アンモニア吸脱着材が、ハロゲン化Ba化合物、ハロゲン化Ca化合物,ハロゲン化Sr化合物、ハロゲン化Mn化合物から選択される何れか一種以上である請求項1又は2記載のアンモニア貯蔵供給装置。
- 前記第2アンモニア吸脱着材がハロゲン化Co化合物、ハロゲン化Mg化合物、ハロゲン化Ni化合物から選択される何れか一種以上である請求項1〜3の何れか一項記載のアンモニア貯蔵供給装置。
- 前記熱供給部を通過した前記熱供給媒体の温度を前記第2アンモニア吸脱着材のアンモニア吸着温度以下とするアンモニア吸着操作手段を備えた請求項1〜4の何れか一項記載のアンモニア貯蔵供給装置。
- 前記アンモニア脱離操作手段の働きにより、前記第1アンモニア吸脱着材から脱離されるアンモニアの供給先が固体酸化物形燃料電池であり、
当該固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスが、アンモニアを含有することがある前記熱供給媒体である請求項1〜5の何れか一項記載のアンモニア貯蔵供給装置。 - 前記アンモニア脱離操作手段に、前記熱供給媒体から熱を受熱して湯を得る湯生成用熱交換器あるいは、前記熱供給媒体が保有する熱を大気放出する放熱器を備え、
前記固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスの温度が前記湯生成用熱交換器あるいは前記放熱器により低下されて、当該排ガスが前記熱供給部に導入される請求項6記載のアンモニア貯蔵供給装置。 - アンモニア吸着温度でアンモニアを吸着したアンモニア吸着状態に維持され、前記アンモニア吸着温度より高いアンモニア脱離温度で吸着したアンモニアを脱離してアンモニア脱離状態となるアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア貯蔵部を備えたアンモニア燃料タンクであって、
前記アンモニア吸着状態の第1アンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア脱離部を前記アンモニア貯蔵部として備え、
標準大気圧状態で前記第1アンモニア吸脱着材よりアンモニア吸着・脱離平衡温度が高い第2アンモニア吸脱着材が前記アンモニア脱離状態で収納されるアンモニア吸着部を備え、
前記アンモニア脱離部の温度を前記第1アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度以上とする熱供給媒体が独立して流れる熱供給部を備え、
前記熱供給部を通過した前記熱供給媒体が、前記アンモニア吸着部内を流動して外部に放出されるアンモニア燃料タンク。
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