JP6692394B2 - 炭素回収型燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
二酸化炭素ガス、および液化二酸化炭素の輸送や圧入貯留には、多大なエネルギーを消費し、コストも嵩む。これら二酸化炭素ガスの分離回収、固定化、有効活用分野においては、CO2の分離回収がCCSコスト全体の6〜7割を占め、CO2の固定化コストが3〜4割を占めると言われており、二酸化炭素ガスの分離回収と固定化のそれぞれで、簡素化と高効率化が、極めて重要な技術課題となっている。
燃料電池から排出されたオフガスは、二酸化炭素ガス分離部で二酸化炭素ガスが分離される。
水電解装置は、水を電気分解して水素ガスを生成する。
炭素生成部は、二酸化炭素ガス分離部で分離された二酸化炭素ガスと、水電解装置で生成された水素ガスとを単一の触媒上で反応させることにより、炭素(固体)と水蒸気とを生成する。
このように、請求項1に記載の炭素回収型燃料電池発電システムでは、発電で生じた二酸化炭素ガスを、固体の炭素として回収することができる。
固体の炭素で回収することは、二酸化炭素ガスのままで回収する場合に比較して、二酸化炭素ガスの大気放出を抑制し、輸送および固定化するプロセスを大幅に簡素化し、高効率化させることができる。
第1燃料電池では、第1燃料極へ供給された燃料ガスと第1空気極へ供給された酸化剤ガスにより発電が行われる。第2燃料電池では、第1燃料極から第2燃料極へ供給された第1燃料極オフガスと第2空気極へ供給された酸化剤ガスにより発電が行われる。
また、炭素生成部で生成された水蒸気は、供給経路を介して二酸化炭素ガス分離部に供給され、二酸化炭素ガス分離部で水蒸気が冷却されて水が生成される。
したがって、二酸化炭素ガス分離部では、オフガスで生成された水と、水蒸気が冷却されて生成された水とが得られ、システム内で生成される水の量を増大させることができ、これにより、水分解装置で生成する水素ガスの量も増大させることができる。
図1には、本発明の二酸化炭素回収型燃料電池発電システムの一例としての第1実施形態に係る燃料電池発電システム10Aが示されている。燃料電池発電システム10Aは、主要な構成として、第1燃料電池セルスタック12、第2燃料電池セルスタック14、酸素透過膜付燃焼器20、凝縮器26、第1熱交換器30、第2熱交換器32、排熱投入型吸収式冷凍機36、水タンク27、炭素製造部66等を備え、これらがオンサイトで設けられている。また、燃料電池発電システム10Aは、図2に示されるように、燃料電池発電システム10Aを制御する制御部40を備えている。
CO+H2O→CO2+H2 …(2)
H2→2H++2e−…(3)
2H++2e−+1/2O2 →H2O …(4)
酸素透過膜付燃焼器20は、多重円筒状とされており、多重円筒の外周筒を形成する燃焼部22と、燃焼部22の径方向内側に配置された酸素分離部24を有している。燃焼部22内には、燃焼空間22Aが形成されている。
排熱投入型吸収式冷凍機36は、排熱を用いて冷熱を生成するヒートポンプであり、一例として蒸気/排熱投入型吸収式冷凍機を用いることができる。蒸気/排熱投入型吸収式冷凍機では、空気極オフガスの熱により、水蒸気を吸収した吸収液(例えば、臭化リチウム水溶液やアンモニア水溶液)を加熱することにより吸収液から水を分離させて再生する。吸収液を加熱して冷却された空気極オフガスは、水蒸気が凝縮され、凝縮水は水配管P36−2により水タンク27へ供給される。水蒸気が凝縮除去された後の空気極オフガスは、排気管P36−1に送出され、排熱投入型吸収式冷凍機36の外部に排気される。
二酸化炭素ガス管P10へ送出された二酸化炭素リッチガスは、炭素製造部66へ送られる。
炭素製造部66は、水電解装置70、配管P14、水素ブロワ72、配管P15、酸素ブロワ74、酸素タンク76、粉末炭素生成器78等を含んで構成されている。
粉末炭素生成器78は、一例として、多重円筒状とされており、平面視で円環状とされたガス流路78Aと、ガス流路78Aの径方向内側に配置された炭素固定化部78Bとを有している。
炭素固定化部78Bでは、凝縮器26から送られた二酸化炭素ガスと、水電解装置70から送られた水素ガスとが供給される。炭素固定化部78Bで二酸化炭素ガスと水素ガスとに対し触媒を用いて下記(5)式のような還元反応を生じさせるようになっている。
CO2+2H2→C+2H2O …(5)
制御部40は燃料電池発電システム10Aの全体を制御するものであり、CPU、ROM、RAM、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する流量調整処理、冷却水温度調整処理や、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。図2に示されるように、制御部40は、流量調整バルブ42、組成検出部44、排熱投入型吸収式冷凍機36等と接続されている。流量調整バルブ42、組成検出部44、排熱投入型吸収式冷凍機36等は、制御部40により制御される。なお、図2は、燃料電池発電システム10Aにおける制御部40の接続関係の一部を示すものであり、制御部40は、図2では図示していない他の機器とも接続されている。
次に、本実施形態の燃料電池発電システム10Aの動作について説明する。
炭素固定化部78Bでは、凝縮器26から送られた二酸化炭素ガスと、水電解装置70から送られた水素ガスとが供給されて下記(6)式のような還元反応を生じさせる。
CO2+2H2→C+2H2O …(6)
粉末炭素は、着火して燃焼しないかぎり、大気中に二酸化炭素ガスとなって放出されることは無く、二酸化炭素ガスの大気への放出を抑制することができる。
また、粉末炭素は貯留サイトへの輸送も容易であり、着火源と酸素が揃う条件下に置かなければ、地下に埋め立て処分したり、地上に野積みするだけでも、長期安定的な炭素固定化が可能となる。なお、製造された粉末炭素は、カーボンブラック等として商工業利用することもできる。
炭素粉末をグラファイトやカーボンナノチューブまたはダイヤモンド粉末とすることで、着火源や酸素があっても容易に燃焼することはなく、地上に野積みしても、安全かつ長期安定的に炭素を固定することが可能となり、貯留場所の制限もなくなり、輸送や圧入のエネルギーロスやコストを低減できる。なお、グラファイトは鉛筆の芯や自動車用のブレーキパッド等に、カーボンナノチューブは半導体や構造材料として、合成ダイヤモンド粉末は、工事、工作機械のダイヤモンドカッターの刃材等に、それぞれ商工業利用することもできる。
なお、この炭素製品製造装置84も炭素製造部66の一部であり、燃料電池発電システム10Aにオンサイトで設けられている。また、粉末炭素を利用して製造する物も、上記の炭素製品に限らず、カーボンナノホーンやフラーレンといった炭素材料を、公知の技術により製造して商工業利用しても良い。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、第1、第2実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第3実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第4実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第5実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
1/2O2+2e− →O2− …(5)
H2 +O2− →H2O+2e− …(6)
CO+O2− →CO2+2e− …(7)
次に、本発明の第7実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第6実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第8実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第7実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第9実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第8実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
以上、本発明の炭素回収型燃料電池発電システムの一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
12、62 第1燃料電池セルスタック(第1燃料電池)
12A、62A 第1燃料極
12B、62B 第1空気極
14、64 第2燃料電池セルスタック(第2燃料電池)
14A、64A 第2燃料極
14B、64B 第2空気極
20 酸素透過膜付燃焼器
22 燃焼部、
22A 燃焼空間
23 酸素透過膜、
24 酸素分離部
26 凝縮器(二酸化炭素分離部)
35 凝縮器(燃料再生部)
36 排熱投入型吸収式冷凍機
50 高温酸素製造装置(酸素分離部)
52 燃焼器(燃焼部)、
54 改質器、
70 水電解装置
78 粉末炭素生成器(炭素生成部)
84 炭素製品製造装置
P3 循環ガス管(循環流路)
P6 空気極オフガス管(空気極オフガス流路)
P6−2 分岐空気極オフガス管(分岐空気極オフガス流路)
P7 第2燃料極オフガス管(第2燃料極オフガス流路)
Claims (10)
- 炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、オフガスを排出する燃料電池と、
前記オフガスから二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素ガス分離部と、
水を電気分解して水素ガスを生成する水電解装置と、
前記二酸化炭素ガス分離部からの前記二酸化炭素ガスと前記水電解装置からの前記水素ガスとを単一の触媒上で反応させることにより炭素と水蒸気とを生成する炭素生成部と、
を備えた炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記水電解装置は、再生可能エネルギー発電装置で発電された電力、および前記燃料電池で発電された電力の少なくとも一方によって前記水を電気分解する、請求項1に記載の炭素回収型燃料電池発電システム。
- 前記二酸化炭素ガス分離部は、前記オフガスから前記二酸化炭素ガスと水とを分離し、
前記水電解装置では、前記二酸化炭素ガス分離部で分離した前記水を用いる、請求項1または請求項2に記載の炭素回収型燃料電池発電システム。 - 炭素化合物を含み第1燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み第1空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記第1燃料極から第1燃料極オフガスを第1燃料極オフガス流路へ送出する第1燃料電池と、第2燃料極へ供給される前記第1燃料極オフガスと第2空気極へ供給される酸化剤ガスとを用いて発電し、前記第2燃料極から第2燃料極オフガスを第2燃料極オフガス流路へ送出する第2燃料電池とを含んで構成される前記燃料電池と、
前記第1空気極及び前記第2空気極の少なくとも一方から空気極オフガスを送出する空気極オフガス流路と、
前記空気極オフガス流路と連結されて前記空気極オフガスが供給され、前記空気極オフガスから酸素を分離する酸素分離部と、
前記第2燃料極オフガスが供給されると共に、前記酸素分離部で分離された前記酸素が供給され、前記第2燃料極オフガスを前記酸素により燃焼反応させる燃焼部と、
前記オフガスを熱源として用いて水を冷却して冷却水を生成する排熱投入型吸収式冷凍機、又は吸着式冷凍機と、
を備え、
前記二酸化炭素ガス分離部は、前記燃焼部から送出される燃焼オフガスを前記冷却水で冷却して二酸化炭素ガスと水とを分離する、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記第1燃料電池、および前記第2燃料電池は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池である、請求項4に記載の炭素回収型燃料電池発電システム。
- 前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水を、前記排熱投入型吸収式冷凍機の冷却水経路または前記排熱投入型吸収式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路、あるいは前記吸着式冷凍機の冷却水経路または前記吸着式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路に供給する供給部を備え、
前記排熱投入型吸収式冷凍機の前記冷却水または前記排熱投入型吸収式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水の一部、あるいは前記吸着式冷凍機の前記冷却水または前記吸着式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水の一部に、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水が用いられる、請求項4または請求項5に記載の炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記酸素分離部は、酸素を選択的に透過させる酸素透過膜を有し、
前記燃焼部は、前記酸素透過膜の透過側に燃焼空間が配置されて前記酸素分離部と一体化している、請求項4〜請求項6の何れか1項に記載の炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記酸素分離部は、前記第1燃料電池、及び前記第2燃料電池で発電された電力で駆動可能とされた高温PSA装置を有している、請求項4〜請求項6の何れか1項に記載の炭素回収型燃料電池発電システム。
- 前記二酸化炭素ガス分離部は、前記オフガスを冷却して前記二酸化炭素ガスと水とを生成し、
前記炭素生成部で生成された前記水蒸気は、供給経路を介して前記二酸化炭素ガス分離部に供給される、
請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の炭素回収型燃料電池発電システム。 - 前記炭素生成部で生成された炭素をグラファイト、カーボンナノチューブ、またはダイヤモンドとする炭素製品製造装置を有する、請求項1〜請求項9の何れか1項に記載の炭素回収型燃料電池発電システム。
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