JP6652866B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、アンモニア吸着温度において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において吸着したアンモニアを脱離す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、
前記アンモニア貯蔵部から供給されるアンモニアを燃料として受け入れる固体酸化物形燃料電池と、この固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスが流れる排ガス路とを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。
The present invention is an ammonia storage unit in which an ammonia adsorption state in which ammonia is adsorbed at an ammonia adsorption temperature is stored, and an ammonia adsorption / desorption material that desorbs ammonia adsorbed at an ammonia desorption temperature higher than the ammonia adsorption temperature is stored.
The present invention relates to a solid oxide fuel cell system including a solid oxide fuel cell that receives ammonia supplied from the ammonia storage unit as fuel, and an exhaust gas path through which exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell flows.
現今、注目されている技術として、アンモニアを直接燃料として電力を得る技術がある(特許文献1、2)。これらの技術は、アンモニアが炭素を含まないことからCO2削減等の意味から注目に値する。また、電池電極に炭素デポジットが生成されることもないため、安定的に燃料電池の運転を継続できる。
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、今日、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)。
At present, as a technology that is receiving attention, there is a technology for obtaining electric power using ammonia directly as fuel (
As a fuel cell directly using ammonia as a fuel, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes referred to as SOFC). Today, mainly at the anode electrode, ammonia is decomposed into hydrogen to reduce the output. Development is proceeding in a direction of avoiding a battery reaction (
一方、特許文献5には、特定の金属ハロゲン化物を組み合わせたアンモニア吸脱着剤(本発明に於けるアンモニア吸脱着材)、分離方法及び貯蔵方法に関する発明が記載されている。この文献に開示の発明は、オンサイトで合成したアンモニアも効率よくPSA、PTSA等の吸着分離法で分離でき、さらに貯蔵することもできるアンモニアの分離方法を提供する。分離に際しては、金属ハロゲン化物として、塩化カルシウムと臭化カルシウムの混合物を使用し、アンモニア吸着状態にある金属ハロゲン化物(金属ハロゲン化物のアンモニア錯体)を、アンモニアを脱離する圧力・温度に曝すことで、アンモニアを脱離(分離)させる。 On the other hand, Patent Document 5 discloses an invention relating to an ammonia adsorbing / desorbing agent (ammonia adsorbing / desorbing material in the present invention) in which a specific metal halide is combined, a separation method, and a storage method. The invention disclosed in this document provides a method for separating ammonia in which ammonia synthesized on-site can be efficiently separated by an adsorption separation method such as PSA or PTSA and can be further stored. At the time of separation, a mixture of calcium chloride and calcium bromide is used as the metal halide, and the metal halide in an ammonia-adsorbed state (ammonia complex of metal halide) is exposed to the pressure and temperature at which ammonia is desorbed. To desorb (separate) ammonia.
特許文献6に開示の発明は化学蓄熱材を使用する蓄熱に関し、反応温度の制御が可能なアンモニア錯体系化学蓄熱材の製造方法に関する。提案される製造方法は、塩化カルシウムと臭化カルシウムを水に完全に溶解させた後、水溶液を加熱減圧下で濃縮し、乾燥させて、カルシウム塩混合物を得、このカルシウム塩混合物(本発明に於けるアンモニア吸脱着材)を、アンモニアガス圧:1.2気圧、温度:−20℃でアンモニア付加(本発明における吸着)させ、カルシウム塩混合物アンモニア錯体を得ている。
The invention disclosed in
以上に述べた様に、今日、アンモニアをSOFCの燃料として採用することが注目されているが、通常、アンモニアは液体アンモニアの形態で取り扱われる。この形態でアンモニアを貯蔵・運搬・供給する場合、その取扱いに加圧が必要であり(常温で1.0MPa以上)、所謂、高圧ガスとしての扱いとなる。SOFCで、アンモニアをオンサイトで燃料として供給しようとすると、液体アンモニアを貯蔵する高圧タンクが必要となり、今日、SOFCが様々なサイトに設置されようとしていることを考えると、その普及の点で障害となる。また、アンモニアの供給を燃料として受けようとした場合、SOFCがエネルギー発生装置であることを考慮すると、その供給に際してもできるだけエネルギー負荷の低い状態でアンモニアの供給を受けることが好ましいが、現在、このような技術は提案されていない。 As described above, the use of ammonia as a fuel for SOFCs has attracted attention today, but ammonia is usually handled in the form of liquid ammonia. When storing, transporting, and supplying ammonia in this form, pressurization is required for handling (1.0 MPa or more at ordinary temperature), and it is treated as a so-called high-pressure gas. Attempting to supply ammonia on-site with SOFC as a fuel requires a high-pressure tank for storing liquid ammonia. Considering the fact that SOFCs are being installed at various sites today, there is an obstacle to their widespread use. Becomes Also, in the case where the supply of ammonia is to be received as fuel, considering that the SOFC is an energy generating device, it is preferable to receive the supply of ammonia with as low an energy load as possible when supplying the fuel. No such technique has been proposed.
先に紹介した特許文献5、6には、アンモニアの分離・貯蔵・供給までは開示されているが、アンモニアを例えば燃料として使用するに当たって、エネルギー発生装置で消費されることなくスリップして排出されることがあるアンモニアをどのように処理するかに関しては何ら示されていない。
この点に関してSOFCシステムで説明すると、燃料としてアンモニアを使用するSOFC本体(固体酸化物燃料電池の本体発電部)の排ガス(排気)には,微量のアンモニアが含まれることがある。アンモニアはそのまま外部放出できないため、分解して放出することが必要となる。しかしながら、アンモニア分解は、熱分解・酸化分解とされるため高温が必要でエネルギーを消費することとなり、SOFCシステムのエネルギー効率をトータルで見ると低下させる。即ち、アンモニアを使用する場合、常に、その使用に伴ったアンモニアの処理も課題となるが、この点に関して従来、充分な検討が行われてこなかった。 To explain this point in the SOFC system, a small amount of ammonia may be contained in the exhaust gas (exhaust gas) of the SOFC main body (main power generation unit of the solid oxide fuel cell) using ammonia as a fuel. Since ammonia cannot be released to the outside as it is, it is necessary to decompose and release it. However, ammonia decomposition requires thermal decomposition and oxidative decomposition, requiring a high temperature and consuming energy, which lowers the energy efficiency of the SOFC system in total. That is, in the case of using ammonia, the treatment of ammonia accompanying the use is always a problem, but a sufficient study has not been made in this regard.
本発明の目的は、アンモニアを直接もしくは間接的に燃料として使用するSOFCシステムとして、SOFCシステムの運転上必要となるエネルギー消費をできるだけ低減化できるSOFCシステムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an SOFC system that uses an ammonia directly or indirectly as a fuel and that can reduce the energy consumption required for the operation of the SOFC system as much as possible.
上記目的を達成するための、本発明に係る
アンモニア吸着温度において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において吸着したアンモニアを脱離す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、
前記アンモニア貯蔵部から供給されるアンモニアを燃料として受け入れる固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスが流れる排ガス路とを備えた固体酸化物形燃料電池システムの第1の特徴構成は、
前記排ガス路に、当該排ガス路を流れる排ガスの温度を低下して、前記アンモニア貯蔵部に熱を供給する熱供給部に導き、前記アンモニア貯蔵部を当該アンモニア貯蔵部に収納される前記アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度とするアンモニア脱離操作手段を備え、前記アンモニア貯蔵部をアンモニア脱離部とする点にある。
To achieve the above object, according to the present invention, there is provided an ammonia adsorbing / desorbing material which is maintained in an ammonia adsorbing state in which ammonia is adsorbed at an ammonia adsorbing temperature and desorbs the adsorbed ammonia at an ammonia desorbing temperature higher than the ammonia adsorbing temperature. An ammonia storage unit to be stored,
A solid oxide fuel cell that receives ammonia supplied from the ammonia storage unit as fuel,
A first characteristic configuration of a solid oxide fuel cell system including: an exhaust gas passage through which exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell flows;
In the exhaust gas passage, the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage is reduced and led to a heat supply unit that supplies heat to the ammonia storage unit, and the ammonia storage unit absorbs and desorbs the ammonia stored in the ammonia storage unit. An ammonia desorption operation means for setting an ammonia desorption temperature of the material, wherein the ammonia storage unit is an ammonia desorption unit.
この固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料としてのアンモニアを得るのに、SOFCから排出される排ガスの保有する熱を利用する。一方、燃料としてのアンモニアの貯蔵はアンモニア吸着状態にあるアンモニア吸脱着材を使用するものとし、このアンモニア吸脱着材をアンモニア脱離状態(脱離温度)まで昇温することで、燃料を良好に得ることができる。 In this solid oxide fuel cell system, heat possessed by exhaust gas discharged from an SOFC is used to obtain ammonia as a fuel. On the other hand, for the storage of ammonia as a fuel, an ammonia adsorbing / desorbing material in an ammonia adsorbing state is used, and by raising the temperature of the ammonia adsorbing / desorbing material to an ammonia desorbing state (desorption temperature), fuel can be satisfactorily stored. Obtainable.
通常、SOFCの動作温度は700℃近くとなっており、その排ガスの温度もSOFC出口ではこの程度の温度域に達している。SOFCの排ガスの有する排熱に関しても、湯として回収しても利用できるのは60℃程度までである。通常は100℃〜150℃程度の温度域の熱は利用されることなく捨てられることもある。 Normally, the operating temperature of the SOFC is close to 700 ° C., and the temperature of the exhaust gas reaches this temperature range at the SOFC outlet. Regarding the exhaust heat of the exhaust gas of the SOFC, it can be used up to about 60 ° C. even if it is recovered as hot water. Usually, heat in a temperature range of about 100 ° C. to 150 ° C. may be discarded without being used.
このような状況に対して、本発明では、後にも示すようにアンモニア吸脱着材を選択することにより、SOFCの燃料となるアンモニアをその吸着状態から脱離させてアンモニア貯蔵部からSOFCで得ることが可能となる。
結果、アンモニア燃料入手の観点から、エネルギー負荷の少ないSOFCシステムを得ることができた。
In such a situation, in the present invention, as will be described later, by selecting an ammonia adsorbing / desorbing material, ammonia serving as a fuel of the SOFC is desorbed from its adsorption state and obtained by the SOFC from the ammonia storage unit. Becomes possible.
As a result, an SOFC system with a low energy load was obtained from the viewpoint of obtaining an ammonia fuel.
本発明の第2の特徴構成は、
前記アンモニア脱離操作手段が、
前記排ガスの温度を低下する排ガス温度低下手段と、
当該排ガス温度低下手段により温度低下される前の高温側排ガスと、前記排ガス温度低下手段により温度低下された後の低温側排ガスとの混合により、前記アンモニア脱離温度以上に調整される混合排ガスを生成する脱離操作用混合排ガス生成手段を備え、
前記脱離操作用混合排ガス生成手段で生成される混合排ガスを前記熱供給部に導く混合排ガス導入路を備えることにある。
A second characteristic configuration of the present invention is:
The ammonia desorption operation means,
Exhaust gas temperature lowering means for lowering the temperature of the exhaust gas,
By mixing the high-temperature side exhaust gas before the temperature is reduced by the exhaust gas temperature reducing means and the low-temperature side exhaust gas after the temperature is reduced by the exhaust gas temperature reducing means, the mixed exhaust gas adjusted to the ammonia desorption temperature or higher is mixed. Equipped with a mixed exhaust gas generating means for desorption operation to be generated,
A mixed exhaust gas introduction path for guiding the mixed exhaust gas generated by the mixed exhaust gas generating means for desorption operation to the heat supply unit is provided.
第2の特徴構成を備えることにより、積極的に高温側排ガスと低温側排ガスとの両方を生成し、これらを適切に混合することで、アンモニア脱離の用に供する排ガス(混合排ガス)の温度を適切に制御できる。 By providing the second characteristic configuration, both the high-temperature side exhaust gas and the low-temperature side exhaust gas are actively generated, and by appropriately mixing these, the temperature of the exhaust gas (mixed exhaust gas) used for ammonia desorption is provided. Can be appropriately controlled.
脱離操作用混合排ガス生成手段の具体的構成としては、本発明の第3の特徴構成に記載する様に、脱離操作用混合排ガス生成手段を、前記高温側排ガスが流れる高温側排ガス路と、前記低温側排ガスが流れる低温側排ガス路とを備えるとともに、前記高温側排ガス路及び前記低温側排ガス路から流出するガスが合流する合流部を備え、
前記合流部で合流される前記高温側排ガスと前記低温側排ガスとの量比に基づいて、前記混合排ガスの温度を前記アンモニア脱離温度以上とする点にある。
As a specific configuration of the mixed exhaust gas generating means for the desorption operation, as described in the third characteristic configuration of the present invention, the mixed exhaust gas generating means for the desorption operation is provided by a high-temperature exhaust gas path through which the high-temperature exhaust gas flows. A low-temperature side exhaust gas path through which the low-temperature side exhaust gas flows, and a merging portion where the gas flowing out from the high-temperature side exhaust gas path and the low-temperature side exhaust gas path merges,
The temperature of the mixed exhaust gas is set to be equal to or higher than the ammonia desorption temperature based on a quantitative ratio between the high-temperature exhaust gas and the low-temperature exhaust gas that are joined at the junction.
量比による制御とすることで、汎用されている流量調整可能な流量調整弁、三方弁等を使用して信頼性が高い調整機構を簡便に構築できる。 By performing control based on the amount ratio, a highly reliable adjustment mechanism can be easily constructed using a flow adjustment valve, a three-way valve, and the like, which are commonly used and can adjust a flow rate.
先に説明したアンモニア脱離に使用する排ガスの温度制御に関して、
前記固体酸化物形燃料電池に要求される発電量に対応して必要となるアンモニア燃料量に応じて、前記固体酸化物形燃料電池にアンモニア燃料を供給するアンモニア燃料供給量制御装置を備え、
前記アンモニア燃料供給量制御装置から供給するアンモニア燃料量に応じて、前記混合排ガスの温度を制御する混合排ガス温度制御手段を備えることが好ましい。
Regarding the temperature control of the exhaust gas used for ammonia desorption described above,
An ammonia fuel supply amount control device that supplies ammonia fuel to the solid oxide fuel cell according to the amount of ammonia fuel required in accordance with the amount of power generation required for the solid oxide fuel cell,
It is preferable to include a mixed exhaust gas temperature control means for controlling the temperature of the mixed exhaust gas according to the amount of ammonia fuel supplied from the ammonia fuel supply amount control device.
SOFCにあっては、その発電量に応じて燃料を供給する必要があるが、同時に、本発明のようにアンモニア吸脱着材を使用する場合は、アンモニア脱離を最大限脱離できる温度として混合排ガス温度制御手段で確保し、アンモニア燃料供給量制御装置で必要となる燃料量を確保するように作動することで、必要発電量に良好に対応することができる。 In the case of an SOFC, it is necessary to supply fuel in accordance with the amount of power generation, but at the same time, when an ammonia adsorbing / desorbing material is used as in the present invention, mixing is performed at a temperature at which ammonia desorption can be desorbed to the maximum. By operating such that the exhaust gas temperature control means secures the amount of fuel required by the ammonia fuel supply amount control device, it is possible to appropriately cope with the required power generation amount.
本発明の第4の特徴構成は、
前記排ガス温度低下手段が、前記高温側排ガスが保有する熱を受熱して湯を得る湯生成用熱交換器である点にある。
A fourth characteristic configuration of the present invention is:
The exhaust gas temperature lowering means is a hot water generating heat exchanger that receives heat held by the high temperature side exhaust gas to obtain hot water.
先にも示したように、SOFCの排ガス温度は高温であるが、湯として排ガスの保有する熱を回収することで、SOFC排ガスの保有するエネルギーを有効活用でき、SOFCシステムを所謂コジェネレーションシステムとして働かせることができる。 As mentioned earlier, the SOFC exhaust gas temperature is high, but by recovering the heat held by the exhaust gas as hot water, the energy held by the SOFC exhaust gas can be used effectively, and the SOFC system can be used as a so-called cogeneration system. Can work.
本発明の第5の特徴構成は、
前記アンモニア吸脱着材が、標準大気圧でアンモニア吸着・脱離平衡温度が40℃以上130℃以下となるハロゲン化金属化合物である点にある。
A fifth characteristic configuration of the present invention is:
The ammonia adsorption / desorption material is a metal halide compound having an ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature of 40 ° C. to 130 ° C. at standard atmospheric pressure.
この種のアンモニア吸脱着材を使用することにより、アンモニア脱離部となるアンモニア貯蔵部を、高圧タンクとしての使用ではなく、標準大気圧程度の圧力に対応できるタンクで構築できる。
さらに、熱供給媒体としての温度も比較的低くなるため、エネルギー負荷が軽減される。
ここで、アンモニア吸脱着材について、「標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度」に関して述べておくと、アンモニア吸脱着材の特性が、標準大気圧下で、吸着から脱離に変わる温度であり、平衡温度より低い温度ではアンモニアとの接触によりアンモニアを吸着してアンモニア脱離状態からアンモニア吸着状態となり、平衡温度より高い温度では吸着しているアンモニアを脱離してアンモニア吸着温度からアンモニア脱離状態となる。
ハロゲン化金属化合物は、アンモニアと錯体を形成するため、この「標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度」は、標準大気圧におけるアンモニアの配位反応平衡温度となる。
By using this type of ammonia adsorbing / desorbing material, the ammonia storage unit serving as the ammonia desorbing unit can be constructed not as a high-pressure tank but as a tank capable of handling a pressure of about standard atmospheric pressure.
Furthermore, since the temperature as a heat supply medium is relatively low, the energy load is reduced.
Here, the ammonia adsorption / desorption material is described in terms of “equilibrium temperature for adsorption / desorption of ammonia at standard atmospheric pressure”. At a temperature lower than the equilibrium temperature, ammonia is adsorbed by contact with ammonia to change from an ammonia desorbed state to an ammonia adsorbed state, and at a temperature higher than the equilibrium temperature, the adsorbed ammonia is desorbed and deammified from the ammonia adsorption temperature. It will be in a detached state.
Since the metal halide compound forms a complex with ammonia, the "equilibrium temperature for ammonia adsorption / desorption at standard atmospheric pressure" is the coordination reaction equilibrium temperature of ammonia at standard atmospheric pressure.
このようなハロゲン化金属化合物は、第6の特徴構成に示す様に、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とすることができる。
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。
Such a metal halide compound should be at least one selected from a halogenated Ba compound, a halogenated Ca compound, a halogenated Sr compound, and a halogenated Mn compound, as shown in the sixth characteristic configuration. Can be.
In the present specification, the metal name of the halogenated compound is described using a chemical symbol.
本発明の第7の特徴構成は、
前記熱供給部から排出される脱離動作済の排ガスに含有されるアンモニアを吸着するアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア吸着部を設けた点にある。
A seventh characteristic configuration of the present invention is:
The present invention is characterized in that an ammonia adsorbing section for accommodating an ammonia adsorbing / desorbing material for adsorbing ammonia contained in exhaust gas having been desorbed and discharged from the heat supply section is provided.
この固体酸化物形燃料電池システムでは、先に説明したように、排ガスに燃料であるアンモニアが含まれている場合(アンモニア燃料がスリップした場合)にも、大きなエネルギー負荷なく、アンモニアをその吸着部で吸着・除去して外部に放出することができる。 In this solid oxide fuel cell system, as described above, even when the exhaust gas contains ammonia as a fuel (when the ammonia fuel slips), the ammonia is adsorbed without a large energy load. Can be adsorbed / removed and released to the outside.
本発明の第8の特徴構成は、
前記アンモニア吸着部に収納されるアンモニア吸脱着材の温度を、当該材料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設けたことにある。
An eighth characteristic configuration of the present invention is:
There is provided an ammonia adsorption operation means for setting the temperature of the ammonia adsorption / desorption material stored in the ammonia adsorption section to be equal to or lower than the ammonia adsorption temperature of the material.
これまでも説明してきたように、アンモニア吸脱着材は温度でその挙動が変わるが、アンモニア吸着操作手段による積極的な温度制御によりアンモニア吸着部で確実にアンモニアを吸着・除去できる。 As described above, the behavior of the ammonia adsorbing / desorbing material changes depending on the temperature, but ammonia can be reliably adsorbed and removed at the ammonia adsorbing section by positive temperature control by the ammonia adsorbing operation means.
本発明の第9の特徴構成は、
前記アンモニア吸着操作手段が、前記アンモニア吸着部が保有する熱を大気放熱させて冷却する放熱器である点にある。
A ninth feature of the present invention is:
The ammonia adsorption operation means is a radiator that cools the heat held by the ammonia adsorption section by releasing the heat to the atmosphere.
アンモニア吸着部(内部に収納されるアンモニア吸脱着材)の冷却を放熱器で簡便に実現できる。 Cooling of the ammonia adsorbing section (ammonia adsorbing / desorbing material housed inside) can be easily realized with a radiator.
本発明の第10の特徴構成は、
前記熱供給部から排出される脱着動作済の排ガスに含有されるアンモニアを吸着除去するアンモニア吸着部を設け、
当該アンモニア吸着部に、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が、前記アンモニア脱離部に収納される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を収納した点にある。
A tenth characteristic configuration of the present invention is:
Providing an ammonia adsorber for adsorbing and removing ammonia contained in the desorbed exhaust gas discharged from the heat supply unit,
The ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure is higher than the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure of the ammonia adsorption / desorption material contained in the ammonia desorption unit. The point is that the metal compound is stored.
このようにアンモニア吸着部に収納されるアンモニア吸脱着材の特性を、アンモニア脱離部に収納されるアンモニア吸脱着材に対して、アンモニア吸着性で高く、アンモニア脱離性で低いものとすることで、アンモニア吸着部に収納されるアンモニア吸脱離材での吸着動作を確保できる。 As described above, the characteristics of the ammonia adsorbing / desorbing material stored in the ammonia adsorbing section are set to be higher in the ammonia adsorbing property and lower in the ammonia desorbing property than the ammonia adsorbing / desorbing material stored in the ammonia desorbing section. Thus, the operation of adsorbing the ammonia adsorbing / desorbing material stored in the ammonia adsorbing section can be ensured.
このようなアンモニア吸着部に配置するアンモニア吸脱着材としては、本発明の第11の特徴構成に記載するように、ハロゲン化Co化合物、ハロゲン化Mg化合物、及びハロゲン化Ni化合物から選択される一種以上とすることができる。 As described in the eleventh feature of the present invention, the ammonia adsorbing / desorbing material disposed in the ammonia adsorbing section is a kind selected from a halogenated Co compound, a halogenated Mg compound, and a halogenated Ni compound. The above can be considered.
本発明の第12の特徴構成は、先に第2の特徴構成で説明した
前記排ガス温度低下手段が、前記高温側排ガスが保有する熱を大気放熱させて前記低温側排ガスを得る放熱器である点にある。
A twelfth characteristic configuration of the present invention is a radiator in which the exhaust gas temperature lowering means described above in the second characteristic configuration radiates heat held by the high-temperature side exhaust gas to the atmosphere to obtain the low-temperature side exhaust gas. On the point.
この構成では、排ガスの保有する熱を回収することなく捨てることとなるが、SOFCシステムを所謂モノジェネレーションシステムとして働かせ、所定時期、所定量の発電需要を満たすことができる。 In this configuration, the heat held by the exhaust gas is discarded without being recovered, but the SOFC system can be operated as a so-called mono-generation system to satisfy a predetermined time and a predetermined amount of power generation demand.
このような排ガス温度低下手段に関し、
前記高温側排ガスが保有する熱を受熱して湯を得る湯生成用熱交換器若しくは前記高温側排ガスが保有する熱を大気放熱させる放熱熱交換器を使用可能に構成され、
前記湯生成用熱交換器と前記放熱熱交換器とが交換可能とすることも好ましい。
Regarding such exhaust gas temperature lowering means,
It is configured to be able to use a hot water generating heat exchanger that receives the heat held by the high temperature side exhaust gas to obtain hot water or a heat radiation heat exchanger that releases the heat held by the high temperature side exhaust gas to the atmosphere,
It is also preferable that the hot water generation heat exchanger and the heat radiation heat exchanger are exchangeable.
この構成を採用しておくと、熱交換器の交換により、SOFCシステムをコジェネレーションとしたり、モノジェネレーションとすることが可能となり、システム需要に適宜対応できる。 By adopting this configuration, the SOFC system can be made into a cogeneration system or a monogeneration system by exchanging the heat exchanger, so that the demand for the system can be appropriately met.
本発明の第13の特徴構成は、
前記熱供給部から排出される脱離動作済の排ガスに含有されるアンモニアを吸着するアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア吸着部を設けるとともに、前記アンモニア吸着部に収納されるアンモニア吸脱着材の温度を、当該材料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設け、
前記湯生成用熱交換器に導入される受熱側熱媒体の保有する熱を大気放出させて低下する放熱器を備え、
前記アンモニア吸着操作手段に、
前記放熱器により低温化した前記受熱側熱媒体を前記アンモニア吸着部に導く低温側受熱媒体導入路と、前記受熱側熱媒体により前記アンモニア吸着部を冷却する熱交換部と、
前記熱交換部で受熱後の前記受熱側熱媒体を前記湯生成用熱交換器の受熱側熱媒体入口に戻す高温側受熱媒体導入路を備えた点にある。
A thirteenth feature of the present invention is:
Ammonia adsorbing and desorbing material for adsorbing ammonia contained in the desorbed exhaust gas discharged from the heat supply unit is provided, and an ammonia adsorbing and desorbing material is stored therein. Ammonia adsorption operation means for setting the temperature at or below the ammonia adsorption temperature of the material is provided,
A heat radiator that lowers the heat held by the heat receiving side heat medium introduced into the heat exchanger for generating hot water by releasing the heat to the atmosphere,
In the ammonia adsorption operation means,
A low-temperature-side heat-receiving medium introduction path that guides the heat-receiving-side heat medium whose temperature has been lowered by the radiator to the ammonia adsorption unit, and a heat exchange unit that cools the ammonia adsorption unit with the heat-receiving-side heat medium.
It is characterized in that a high-temperature-side heat-receiving medium introduction path is provided for returning the heat-receiving-side heat medium after receiving heat in the heat exchange section to a heat-receiving-side heat medium inlet of the heat exchanger for generating hot water.
本発明に係るSOFCシステムでは、アンモニア脱離に対して、アンモニア脱離操作手段を備え、アンモニア吸着に対してアンモニア吸着操作手段を備えることで、アンモニア燃料の供給及び排ガスに含まれるアンモニアの吸着・除去の用に確実に対応できるが、後者のアンモニア吸着操作ではアンモニア吸着部の冷却を行うことが好ましい。 The SOFC system according to the present invention includes an ammonia desorption operation unit for ammonia desorption, and an ammonia adsorption operation unit for ammonia adsorption, thereby supplying ammonia fuel and adsorbing and removing ammonia contained in exhaust gas. Although it is possible to surely cope with the removal, it is preferable to cool the ammonia adsorption section in the latter ammonia adsorption operation.
そこで、排ガスが保有する排熱を湯として回収するために設けられる放熱器を利用し、この放熱器から送り出される受熱側熱媒体をアンモニア吸着部に導いてから、湯生成用熱交換器に戻すことで、一の放熱器でアンモニア吸着部の温度低下、排ガスからの熱回収を行うことができる。 Therefore, using a radiator provided to recover the exhaust heat held by the exhaust gas as hot water, the heat receiving side heat medium sent from the radiator is guided to the ammonia adsorption section, and then returned to the hot water generating heat exchanger. Thus, the temperature of the ammonia adsorbing portion can be reduced and the heat can be recovered from the exhaust gas with one radiator.
以下、本発明に係るSOFCシステム100について、図面に基づいて説明する。
Hereinafter, the
以下に説明する実施形態では、SOFCシステム100の一部がアンモニア貯蔵供給装置1とされ、その主要構成部位として、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とを内部に備えた筐体10(アンモニア燃料タンクに相当する)と、第1アンモニア吸脱着材A1からアンモニアを脱離させるアンモニア脱離操作手段M1と、第2アンモニア吸脱着材A2にアンモニアを吸着させるアンモニア吸着操作手段M2とを備えている。
In the embodiment described below, a part of the
そして、このアンモニア貯蔵供給装置1の主体である筐体10は、
(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)。
従って、この筐体10は、実質的にSOFCシステム100のアンモニア燃料タンクとなる。
The
(1) The
(2) After supplying ammonia as fuel to the
(3) The first ammonia adsorbing / desorbing material A1 in the ammonia desorbing state is removed from the ammonia desorbing section 2 while the second ammonia adsorbing / desorbing material A2 in the ammonia adsorbing state is stored in the
The used ammonia adsorption / desorption materials A1 and A2 after use are separately regenerated.
This regeneration process is an ammonia adsorption process for bringing the first ammonia adsorption / desorption material A1 into contact with ammonia to adsorb the ammonia, and the second ammonia adsorption / desorption material A2 is a desorption process for desorbing ammonia. To perform this operation, the
Therefore, the
本発明に係るSOFCシステム100は、アンモニア貯蔵供給装置1から燃料としてのアンモニアの供給を受け、発電を行いながら、その排ガスeをアンモニア貯蔵供給装置1の所定部(アンモニア脱離部2、アンモニア吸着部3)へ送り外部へ排出する。そして、燃料としてのアンモニアの受入において、SOFCシステム100から排出される排ガスeを利用する。
The
以下、アンモニア貯蔵供給装置1の主体となるアンモニア貯蔵部としてのアンモニア脱離部2及びアンモニア吸着部3を備えた筐体10に関して、先ず説明し、これら部位を動作させる操作手段M1,M2の働きに関して説明を進める。
Hereinafter, the
アンモニア燃料タンクとしての筐体
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。
Housing as Ammonia Fuel Tank As shown in FIG. 1, the ammonia storage and
These two chambers are an ammonia desorbing section 2 in which the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 according to the present invention is stored, and an
図からも判明するように、この筐体10には、SOFC101へアンモニアを供給するためのアンモニア送出口4が設けられるとともに、SOFC101から排出される排ガスeが冷却されて導入される排ガス流入口5と、当該アンモニア貯蔵供給装置1を経てアンモニアを除去された処理済み排ガスe4が流出される処理済み排ガス流出口6とが設けられている。
As can be seen from the figure, this
本例では、前記アンモニア脱離部2はシェル&チューブ式の熱交換構造が採用されており、外円筒20(シェル)内に多数の伝熱管21(チューブ)を備え、外円筒20と伝熱管21との間に形成されている空間が、第1アンモニア吸脱着材A1が収納されるアンモニア吸脱着材収納室Rとして、伝熱管21内がSOFC101からの排ガスeが流れる熱供給部rとして構成されている。図示する例では、アンモニア脱離部2の入口部位に分配室7を設け、この分配室7から各伝熱管21内に排ガスeが流入するように構成している。ここで、排ガスeが第1アンモニア吸脱着材A1と接触することはない。
In the present embodiment, the ammonia desorbing section 2 employs a shell-and-tube heat exchange structure, includes a large number of heat transfer tubes 21 (tubes) in an outer cylinder 20 (shell), and includes an
前記分配室7には前記排ガス流入口5が接続されており、流入する排ガスeを多数の伝熱管21内に分配して流入させる。
The exhaust gas inlet 5 is connected to the
前記アンモニア吸脱着材収納室Rには、前記アンモニア送出口4が接続されており、室R内に収納される第1アンモニア吸脱着材A1から脱離するアンモニアが流出する。
The
前記多数の伝熱管21から給熱後の排ガスeは前記アンモニア吸着部3に流入する。アンモニア吸着部3には第2アンモニア吸脱着材A2が収納され、その排ガス流路長を所定の流路長とすることにより、排ガスeに含まれることがあるアンモニアを第2アンモニア吸脱着材A2に吸着して除去することができる。
The exhaust gas e supplied with heat from the plurality of
アンモニア吸着部3の上部には処理済み排ガス流出口6が接続されており、処理済み排ガスe4をアンモニアフリーの状態で大気に排出する。
A treated
以上が、アンモニア脱離部2及びアンモニア吸着部3を備えた筐体10の説明であるが、以下、各部2、3に収納されているアンモニア吸脱着材A1,A2を使用して、アンモニアをSOFC101の燃料として供給するとともに、排ガスeに含まれることがあるアンモニアを除去する構成に関して説明する。
The above is the description of the
アンモニア脱離操作手段M1
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。
Ammonia desorption operation means M1
A portion surrounded by a broken line in the lower part of the center of FIG. 1 is a functional portion constituting the ammonia desorption operation means M1 (the same in FIGS. 2 and 3).
The ammonia desorbing section 2 is provided with a number of
The detailed structure of the ammonia desorption operation means M1 will be described in the section of the
アンモニア吸着操作手段M2
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。
Ammonia adsorption operation means M2
On the other hand, what is indicated by a broken line in the left part of FIG. 1 is a functional part constituting the ammonia adsorption operation means M2 (the same in FIG. 3). In the second embodiment shown in FIG. 2, it is indicated by a broken line extending from the bottom of the figure to the left side portion.
As is clear from these figures, by providing a cooling mechanism beside the
The detailed structure of the ammonia adsorption operation means M2 will be described in the section of the
第1アンモニア吸脱着材A1
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。
First ammonia adsorption / desorption material A1
In the ammonia desorbing section 2, as a first ammonia adsorbing / desorbing material A1, an ammonia adsorption state in which a metal halide compound having an ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure of 40 ° C. to 130 ° C. adsorbs ammonia is used. Is stored in. That is, at least one selected from a halogenated Ba compound, a halogenated Ca compound, a halogenated Sr compound, and a halogenated Mn compound is stored in the form of a metal halide ammine complex which forms a complex with ammonia. As a result, in the operating state of the
第2アンモニア吸脱着材A2
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。
Second ammonia adsorption / desorption material A2
The ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure of the ammonia adsorption / desorption material A2 is higher than the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature of the first ammonia adsorption / desorption material A1 at standard atmospheric pressure. Ni chloride, which is an example of a high metal halide compound, is stored. This Ni chloride is stored in an ammonia-desorbed state (a single unit that is not an ammine complex) from which ammonia has been desorbed. In the operating state of the
The ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature of Ni chloride at standard atmospheric pressure is about 180 ° C.
以上説明してきたアンモニア吸脱着材(第1アンモニア吸脱着材A1、第2アンモニア吸脱着材A2とも)としては、粒径を特に問うものではないが、通常5μm〜100mm程度、好ましくは10μm〜30mm程度のものを使用できる。粒状だけでなく、シート状、ハニカム上に形成してもよい、また、シリカ、アルミナ、ゼオライト等の多孔体は高表面積物質に担持させて使用することもできる。 The particle diameter of the ammonia adsorbing / desorbing material described above (both the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 and the second ammonia adsorbing / desorbing material A2) is not particularly limited, but is usually about 5 μm to 100 mm, preferably 10 μm to 30 mm. Can be used. Not only granules but also sheets or honeycombs may be formed. Porous materials such as silica, alumina and zeolite can be used by being supported on a high surface area substance.
SOFCシステム
以下、SOFCシステム100の全体と、先に機能を簡単に説明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。
SOFC System Hereinafter, the
第1実施形態(図1)及び第2実施形態(図2)はSOFCシステム100がコジェネレーションシステムとされる例であり、第3実施形態(図3)はモノジェネレーションシステムとされる例である。
The first embodiment (FIG. 1) and the second embodiment (FIG. 2) are examples in which the
SOFCシステム100をコジェネレーションとする場合とモノジェネレーションとする場合とでは、SOFC101から排出され、アンモニア脱離部2に導入する排ガスeの温度が異なるため、各図の所定箇所に、本発明に係るSOFCシステム100の運転状態における温度を例示的に示した。
The temperature of the exhaust gas e discharged from the
これらの図からも判明するように、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では、低温側排ガスe2の温度が異なる。よって、第1アンモニア吸脱着材A1として使用するアンモニア吸脱着材を異ならせている。一方、第2アンモニア吸脱着材A2は共通のアンモニア吸脱着材を使用している。 As can be seen from these figures, the temperature of the low-temperature side exhaust gas e2 differs between the cogeneration system and the monogeneration system. Therefore, the ammonia adsorption / desorption material used as the first ammonia adsorption / desorption material A1 is different. On the other hand, the second ammonia adsorption / desorption material A2 uses a common ammonia adsorption / desorption material.
SOFCシステム100は、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から供給されるアンモニアを燃料として受け入れるSOFC101と、SOFC101から排出される排ガスeが流れる排ガス路102とを備え、当該排ガス路102に、排ガスeの温度を適切な温度まで低下して前記アンモニア脱離部2に設けられた熱供給部rに供給するアンモニア脱離操作手段M1を備えて構成されている。
The
図に、アンモニア燃料SOFCと記載したSOFC101の中に、単セルを模式的に描いている。SOFC101の単セルは良く知られているように固体電解質(固体酸化物電解質)101aを挟んで燃料極101bと空気極101cを備えて構成され、燃料極101b側に燃料を、空気極101c側に酸素含有ガス(具体的には空気)が供給されて発電する。
In the figure, a single cell is schematically depicted in an
本発明の様にアンモニアを燃料とする燃料電池では、アンモニアを直接燃料とする場合はアンモニアが直接燃料極101bが導かれるとともに、この燃料極101bで分解され、水素と酸素とにより発電する。アンモニアが間接的な燃料として使用される場合は、燃料極101bに送られる前に、改質反応によりアンモニアが分解され、水素として燃料極101bに送られて発電する。
In a fuel cell using ammonia as a fuel as in the present invention, when ammonia is used directly as fuel, ammonia is directly guided to the
このように燃料としてアンモニアを使用する場合、例えば発電量が急激に変化した場合等にアンモニアのスリップが発生し、排ガス中にアンモニアが含まれることがある。 When ammonia is used as the fuel as described above, for example, when the amount of power generation changes abruptly, ammonia slip occurs, and the exhaust gas may include ammonia.
〔第1実施形態〕
図1に示す様に、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。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the
排熱回収回路50には、上記目的から貯湯槽51からコジェネレーション用熱交換器52へ向かう往き路50aに熱媒体ポンプ53と放熱器54とが備えられている。従って、貯湯槽51から水を抜き出してコジェネレーション用熱交換器52へ送りながら、排熱回収を行って湯を得ることができる。
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。
In the exhaust
Here, the
以上が、コジェネレーション用熱交換器52を主体とする排熱回収側の構成であり、このコジェネレーション用熱交換器52を通過することにより給熱側熱媒体(この例の場合は排ガスe)の温度は低下する。従って、前記排ガス路102にはコジェネレーション用熱交換器52が排ガス温度低下手段として備えられることとなる。
The above is the configuration of the exhaust heat recovery side mainly including the
以下、先に説明したアンモニア脱離操作手段M1の構成に関して説明する。
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。
Hereinafter, the configuration of the ammonia desorption operation means M1 described above will be described.
By mixing the high-temperature side exhaust gas e1 before the temperature is reduced by the
具体的には、脱離操作用混合排ガス生成手段Mmは、高温側排ガスe1流れる高温側排ガス路102bと低温側排ガスe2が流れる低温側排ガス路102cとを備えるとともに、これら高温側排ガス路102b及び低温側排ガス路102cから流出するガスが合流する合流部102dを備え、この合流部102dで合流される高温側排ガスe2と低温側排ガスe1との量比に基づいて、混合排ガスe3の温度をアンモニア脱離温度以上としている。図1に示すように、高温側排ガスe1の温度は200℃程度、低温側排ガスe2の温度は60℃程度とされ、混合排ガスe3の温度は50〜60℃とされる。
Specifically, the mixed exhaust gas generating means Mm for the desorption operation includes a high-temperature
混合排ガスe3の温度制御に関しては、アンモニア脱離部2の入口近傍温度及び出口近傍温度を検出する検出器sを設けるとともに、検出温度に基づいて、この温度を所定の目標温度とすべく構成される温度制御用コントローラTICで開度信号を発生し、高温側排ガス流路102bに備えられる開度調整可能なバルブV1の開度を調整することで、第1アンモニア吸脱着材A1からの脱離(SOFC101への燃料としてのアンモニアの供給)を良好に行うことができる。
Regarding the temperature control of the mixed exhaust gas e3, a detector s for detecting the temperature near the inlet and the temperature near the outlet of the ammonia desorbing section 2 is provided, and based on the detected temperature, this temperature is set to a predetermined target temperature. The temperature control controller TIC generates an opening signal and adjusts the opening of the valve V1 of the high-temperature side exhaust
第1アンモニア吸脱着材A1
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。
First ammonia adsorption / desorption material A1
In the first embodiment, the ammonia desorbing section 2 stores Sr chloride as a Sr ammine chloride complex (octammine Sr chloride) to which ammonia is adsorbed (the same as in the second embodiment). This ammonia complex is stored at a standard atmospheric pressure, and the exhaust gas e is supplied to the
Therefore, by setting the temperature of the mixed exhaust gas e3 to about 50 to 60 ° C., ammonia can be desorbed from the Sr chloride in the ammonia adsorption state and supplied to the
アンモニア脱離部2を通過した排ガスeは、アンモニア吸着部3に導かれる。
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ア吸着状態を維持している。
The exhaust gas e that has passed through the ammonia desorption section 2 is guided to the
The temperature of the
アンモニア吸着部3には、先に説明したように、第2アンモニア吸脱着材A2として塩化Niが収納されている。この塩化Niのアンモニア吸着・脱離平衡温度は塩化Srのそれより高く、アンモニア吸着部3の温度(結果的に混合排ガスe3の温度)を30〜40℃程度まで低下させることで、アンモニア脱離状態にある塩化Niに排ガスe中のアンモニアを吸着させて、清浄な排ガスeを外部に放出することができる。
As described above, the
〔第2実施形態〕
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。
[Second embodiment]
The second embodiment is different from the first embodiment, which is an example of a cogeneration system, in that the ammonia adsorbing operation means M2 is not provided independently as in the first embodiment, but from the
The same reference numerals are given to the same devices as in the first embodiment.
In this example, only the configuration of the ammonia adsorption operation means M2 is different from that of the first embodiment.
図2に示すように、第2実施形態では、アンモニア吸着操作手段M2を構成するに、排熱回収回路50に備えられる放熱器54を利用する。即ちこの放熱器54により保有する熱を大気放熱して低温化した受熱側熱媒体wをアンモニア吸着部3に導く低温側受熱媒体導入路91と、受熱側熱媒体wによりアンモニア吸着部3を冷却する熱交換コイル90とを備え、この熱交換コイル90で受熱後の受熱側熱媒体wを湯生成用熱交換器であるコジェネレーション用熱交換器52の受熱側熱媒体入口52aに戻す高温側受熱媒体導入路92を備えて、アンモニア吸着部3を良好に働かせることができる。
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。
As shown in FIG. 2, in the second embodiment, the
In this configuration, the
〔第3実施形態〕
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。
[Third embodiment]
The
従って、第1、第2実施形態のように、排熱回収用の排熱回収回路50を備えることはなく、SOFC101から排出される排ガスeが有する熱を放熱器500で大気放熱する構成としている。よって、この実施形態では、低温側排ガス路102cは、これを流れる排ガスeの温度を低下させる単なる放熱路となっており、放熱器500は排ガス温度低下手段となっている。
Therefore, unlike the first and second embodiments, the exhaust
このモノジェネレーションシステムの例では、同図に示すように混合排ガスe3の温度は100〜130℃とする。 In the example of the monogeneration system, the temperature of the mixed exhaust gas e3 is set to 100 to 130 ° C. as shown in FIG.
そこで、アンモニア脱離部2に収納する第1アンモニア吸脱着材A1としては、塩化Mnを採用している。塩化Mnのアンモニア吸着・脱離平衡温度は86℃程度であるため、混合排ガスe3の温度を100〜130℃程度としても、アンモニア吸着状態にある塩化Mnアンミン錯体からアンモニアを脱離させて、SOFC101へ供給することが可能となる。
Therefore, Mn chloride is employed as the first ammonia adsorption / desorption material A1 stored in the ammonia desorption section 2. Since the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature of Mn chloride is about 86 ° C., even when the temperature of the mixed exhaust gas e3 is set to about 100 to 130 ° C., ammonia is desorbed from the Mn chloride ammine complex in the ammonia adsorption state, and the
アンモニア吸着部3の構成、当該部位に収納する第2アンモニア吸脱着材A2及びその吸着動作用のアンモニア吸着操作手段M2の構成に関しては、第1実施形態と同様である。
The configuration of the
さて、この実施形態でも、高温側排ガスe1が流れる高温側排ガス路102bと、低温側排ガスe2が流れる低温側排ガス路102cとを備えるとともに、これら高温側排ガス路102b及び低温側排ガス路102cから流出するガスが合流する合流部102dを備え、合流部102dで合流される高温側排ガスe1と低温側排ガスe2との量比に基づいて、混合排ガスe3の温度をアンモニア脱離温度以上とするという、第1実施形態の基本構成は踏襲している。
By the way, also in this embodiment, there is provided a high-temperature side
ただし、この実施形態では、アンモニア脱離部2の温度制御に関して、アンモニア脱離部2の入口近傍温度及び出口近傍温度を検出する検出器sを設けるとともに、この検出器sの検出温度に基づいて、合流部102dに高温側若しくは低温側或はそれらの両方の弁開度を制御可能な流量調整型3方弁V2を設けて、高温側排ガスe1,低温側排ガスe2の流量比を調整し、混合排ガスe3の温度を調整している。
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。
However, in this embodiment, with respect to the temperature control of the ammonia desorbing unit 2, a detector s for detecting the temperature near the inlet and the temperature near the outlet of the ammonia desorbing unit 2 is provided, and based on the detected temperature of the detector s. A flow control type three-way valve V2 capable of controlling the opening degree of the high temperature side or the low temperature side or both of them at the merging
Even with such a configuration, the mixed exhaust gas generating means Mm for the desorption operation can be configured.
〔別実施形態〕
(1) 上記の実施形態にあっては、第1アンモニア吸脱着材A1、第2アンモニア吸脱着材A2の組み合わせの例として、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を、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より高いハロゲン化金属化合物の組み合わせを採用する例を示したが、このような組み合わせは、両者の関係において、第2アンモニア吸脱着材A2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のアンモニア吸着・脱離平衡温度より高くなっていれば、同一温度環境下において前者A1が脱離性能を後者A2が吸着性能を発揮することとなるため、採用可能となる。
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。
[Another embodiment]
(1) In the above-described embodiment, as an example of a combination of the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 and the second ammonia adsorbing / desorbing material A2, the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 is used as a first ammonia adsorbing / desorbing material A1. A metal halide having a desorption equilibrium temperature of 40 ° C. or more and 130 ° C. or less is used as the second ammonia adsorption / desorption material A2, and a halogen having a higher ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure than the first ammonia adsorption / desorption material. Although an example in which a combination of metal halide compounds is employed has been shown, in such a combination, the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature of the second ammonia adsorbing / desorbing material A2 is higher than that of the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 in the relationship between the two. If the temperature is higher than the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature, the former A1 exhibits the desorption performance and the latter A2 exhibits the adsorption performance under the same temperature environment. Therefore, it can be adopted.
As in the above-described embodiment, the temperature of the ammonia desorbing section 2 is actively controlled relatively by providing the ammonia desorbing means M1, and the
標準大気圧下において、130℃を基準にアンモニア吸脱着材の組み合わせとする場合は、第1アンモニア吸脱着材A1を、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とでき、第2アンモニア吸脱着材A2がハロゲン化Co化合物、ハロゲン化Mg化合物、及びハロゲン化Ni化合物から選択される一種以上とできる。
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。
When the combination of the ammonia adsorbing and desorbing material is 130 ° C. under standard atmospheric pressure, the first ammonia adsorbing and desorbing material A1 is made of a halogenated Ba compound, a halogenated Ca compound, a halogenated Sr compound, and a halogenated Mn. The second ammonia adsorbing / desorbing material A2 may be at least one selected from a halogenated Co compound, a halogenated Mg compound, and a halogenated Ni compound.
Also, when the combination of the ammonia adsorbing / desorbing material is 100 ° C. under the standard atmospheric pressure, the combination of the first ammonia adsorbing / desorbing material A1 and the second ammonia adsorbing / desorbing material A2 is the same as described above.
ちなみに、ハロゲン化金属化合物が塩化物である場合について、アンモニアの配位反応に関して説明しておくと、塩化Ba,塩化Ca,塩化Srでは50〜60℃程度でアンモニアの脱離を始め、塩化Mnの標準大気圧におけるアンモニア吸着・脱離平衡温度(アンモニアの配位反応平衡温度)は86℃であり、塩化Coは135℃、塩化Mgが140℃、塩化Niが180℃である。 In the case where the metal halide compound is chloride, the coordination reaction of ammonia will be described. For Ba chloride, Ca chloride and Sr chloride, ammonia starts to be desorbed at about 50 to 60 ° C. The ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature (coordination reaction equilibrium temperature of ammonia) at standard atmospheric pressure is 86 ° C., 135 ° C. for Co chloride, 140 ° C. for Mg chloride, and 180 ° C. for Ni chloride.
(2) 混合排ガスの温度を制御する混合排ガス温度制御手段の構成としては、SOFC101に要求される発電量に対応して必要となるアンモニア燃料量に応じて、SOFC101にアンモニア燃料を供給するアンモニア燃料供給量制御装置(マスフローコントローラ)を備え、このアンモニア燃料供給量制御装置から供給するアンモニア燃料量に応じて、混合排ガスの温度を制御するように、混合排ガス温度制御手段を構成してもよい。
(2) As a configuration of the mixed exhaust gas temperature control means for controlling the temperature of the mixed exhaust gas, the ammonia fuel for supplying the ammonia fuel to the
(3) コジェネレーションシステムである第1実施形態と、モノジェネレーションシステムである第3実施形態とに関して、前者のシステムでは、排ガス温度低下手段として、高温側排ガスが保有する熱を受熱して湯を得るコジェネレーション用熱交換器(湯生成用熱交換器の一例)を使用し、後者のシステムでは、排ガス温度低下手段として、高温側排ガスが保有する熱を大気放熱させる放熱器(放熱熱交換器の一例)を使用する例を示したが、本発明に係るSOFCシステムにおいて、前者の湯生成用熱交換器と、後者の放熱器のシステムにおける位置は実質同一であるため、これら湯生成用熱交換器と放熱熱交換器とを交換可能としておくことが好ましい。
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。
(3) Regarding the first embodiment which is a cogeneration system and the third embodiment which is a monogeneration system, in the former system, as the exhaust gas temperature lowering means, heat received by the high-temperature side exhaust gas is received to generate hot water. A heat exchanger for cogeneration (an example of a heat exchanger for hot water generation) is used, and in the latter system, a radiator (radiation heat exchanger) that radiates heat held by the high-temperature side exhaust gas to the atmosphere is used as means for lowering exhaust gas temperature. In the SOFC system according to the present invention, the positions of the former heat exchanger for generating hot water and the latter are substantially the same in the system of the radiator. It is preferable that the heat exchanger and the heat exchanger can be exchanged.
By adopting this configuration, it is possible to easily switch between the cogeneration system and the monogeneration system by exchanging the two.
アンモニアを直接もしくは間接的に燃料として使用するSOFCシステムとして、SOFCシステムの運転上必要となるエネルギー消費をできるだけ低減化できるSOFCシステムを提供することができた。 As an SOFC system using ammonia directly or indirectly as a fuel, an SOFC system capable of minimizing energy consumption required for operation of the SOFC system as much as possible was provided.
1 アンモニア貯蔵供給装置
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
1. Ammonia storage and supply device 2. Ammonia desorption unit (ammonia storage unit)
3
10
53
91 Low-temperature side heat receiving
101 Solid oxide fuel cell (SOFC)
102
A1 First ammonia adsorption / desorption material A2 Second ammonia adsorption / desorption material M1 Ammonia desorption operation means M2 Ammonia adsorption operation means Mm Desorption operation mixed exhaust gas generation means R Ammonia adsorption / desorption material storage chamber TIC Temperature controller
Claims (6)
前記アンモニア貯蔵部から供給されるアンモニアを燃料として受け入れる固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスが流れる排ガス路とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記排ガス路に、当該排ガス路を流れる排ガスの温度を低下して、前記アンモニア貯蔵部に熱を供給する熱供給部に導き、前記アンモニア貯蔵部を当該アンモニア貯蔵部に収納される前記アンモニア吸脱着材のアンモニア脱離温度とするアンモニア脱離操作手段を備え、前記アンモニア貯蔵部をアンモニア脱離部とし、前記熱供給部から排出される脱離動作済の排ガスに含有されるアンモニアを吸着するアンモニア吸脱着材が収納されるアンモニア吸着部を設けた固体酸化物形燃料電池システム。 An ammonia storage unit that is maintained in an ammonia adsorption state in which ammonia is adsorbed at an ammonia adsorption temperature, and stores an ammonia adsorbing / desorbing material that desorbs ammonia adsorbed at an ammonia desorption temperature higher than the ammonia adsorption temperature,
A solid oxide fuel cell that receives ammonia supplied from the ammonia storage unit as fuel,
An exhaust gas path through which exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell flows, and a solid oxide fuel cell system comprising:
In the exhaust gas passage, the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage is reduced and led to a heat supply unit that supplies heat to the ammonia storage unit, and the ammonia storage unit absorbs and desorbs the ammonia stored in the ammonia storage unit. Ammonia desorption operation means for setting the ammonia desorption temperature of the material, wherein the ammonia storage unit is an ammonia desorption unit, and adsorbs ammonia contained in exhaust gas after desorption operation discharged from the heat supply unit. A solid oxide fuel cell system provided with an ammonia adsorbing section for accommodating an ammonia adsorbing / desorbing material .
前記排ガスの温度を低下する排ガス温度低下手段と、
当該排ガス温度低下手段により温度低下される前の高温側排ガスと、前記排ガス温度低下手段により温度低下された後の低温側排ガスとの混合により、前記アンモニア脱離温度以上に調整される混合排ガスを生成する脱離操作用混合排ガス生成手段を備え、
前記脱離操作用混合排ガス生成手段で生成される混合排ガスを前記熱供給部に導く混合排ガス導入路を備えた請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システム。 The ammonia desorption operation means,
Exhaust gas temperature lowering means for lowering the temperature of the exhaust gas,
By mixing the high-temperature side exhaust gas before the temperature is reduced by the exhaust gas temperature reducing means and the low-temperature side exhaust gas after the temperature is reduced by the exhaust gas temperature reducing means, the mixed exhaust gas adjusted to the ammonia desorption temperature or higher is mixed. Equipped with a mixed exhaust gas generating means for desorption operation to be generated,
2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, further comprising a mixed exhaust gas introduction passage that guides the mixed exhaust gas generated by the mixed exhaust gas generating device for the desorption operation to the heat supply unit. 3.
当該アンモニア吸着部に、標準大気圧でのアンモニア吸着・脱離平衡温度が、前記アンモニア脱離部に収納される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を収納した請求項4記載の固体酸化物形燃料電池システム。 Providing an ammonia adsorber for adsorbing and removing ammonia contained in the desorbed exhaust gas discharged from the heat supply unit,
The ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure is higher than the ammonia adsorption / desorption equilibrium temperature at standard atmospheric pressure of the ammonia adsorption / desorption material contained in the ammonia desorption unit. The solid oxide fuel cell system according to claim 4, wherein a metal compound is stored.
前記湯生成用熱交換器に導入される受熱側熱媒体の保有する熱を大気放出させて低下する放熱器を備え、
前記アンモニア吸着操作手段に、
前記放熱器により低温化した前記受熱側熱媒体を前記アンモニア吸着部に導く低温側受熱媒体導入路と、
前記受熱側熱媒体により前記アンモニア吸着部を冷却する熱交換部と、
前記熱交換部で受熱後の前記受熱側熱媒体を前記湯生成用熱交換器の受熱側熱媒体入口に戻す高温側受熱媒体導入路を備えた請求項3記載の固体酸化物形燃料電池システム。 Ammonia adsorbing and desorbing material for adsorbing ammonia contained in the desorbed exhaust gas discharged from the heat supply unit is provided, and an ammonia adsorbing and desorbing material is stored therein. Ammonia adsorption operation means for setting the temperature at or below the ammonia adsorption temperature of the material is provided,
A heat radiator that lowers the heat held by the heat receiving side heat medium introduced into the heat exchanger for generating hot water by releasing the heat to the atmosphere,
In the ammonia adsorption operation means,
A low-temperature-side heat receiving medium introduction path that guides the heat-receiving-side heat medium that has been cooled by the radiator to the ammonia adsorption section,
A heat exchange unit that cools the ammonia adsorption unit with the heat receiving side heat medium,
4. The solid oxide fuel cell system according to claim 3, further comprising a high-temperature-side heat-receiving medium introduction path that returns the heat-receiving-side heat medium after receiving the heat in the heat exchange unit to a heat-receiving-side heat medium inlet of the hot water generating heat exchanger. 5. .
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