JP6863124B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。

例えば特許文献１に開示されているように、燃料電池発電システムにおいては、化石燃料である都市ガスやＬＰガス等の炭化水素ガスに含まれる水素（Ｈ_２）と空気中の酸素（Ｏ_２）とを燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：SOFC）において化学反応させることにより発電が行われる。燃料電池からは、発電に寄与しなかった水素及び酸素を含む排出ガスが排出される。燃料電池から排出される排出ガスは、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を主成分とし、水素及び酸素の他にメタン（ＣＨ_４）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含んでいる。

特開２００８−２０４７８３号公報

ところで、このような燃料電池発電システムにおいては、燃料として、都市ガスやＬＰガス等の化石燃料を用いており、化石燃料を使用する分だけ二酸化炭素が大気へ排出される。この二酸化炭素の大気への排出量は、化石燃料の使用量から直接計算することが可能である。二酸化炭素の大気への排出は地球温暖化に繋がるため、化石燃料の使用を極力抑えることが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、発電に起因する二酸化炭素の大気への排出量を抑えることができる燃料電池発電システムを提供することにある。

上記課題を解決する燃料電池発電システムは、化石燃料に含まれる水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される排出ガス中に含まれる二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段と、前記二酸化炭素分離手段により分離された二酸化炭素と水素とを反応させることにより炭化水素を生成する炭化水素生成手段と、前記炭化水素生成手段に水素を供給する水素供給手段と、を備え、前記炭化水素生成手段により生成された前記炭化水素を前記燃料電池に供給する。

これによれば、燃料電池から排出される排出ガス中に含まれる二酸化炭素が二酸化炭素分離手段により分離され、二酸化炭素分離手段から分離された二酸化炭素が、炭化水素生成手段により水素供給手段から供給される水素と反応して炭化水素となる。よって、燃料電池から排出される排出ガスが大気へ排出されても、二酸化炭素の大気への排出量を抑えることができる。そして、炭化水素生成手段により生成された炭化水素が燃料電池に供給されることにより、燃料電池は、炭化水素生成手段により生成された炭化水素を用いて発電を行うことができるため、化石燃料の使用を抑えることができる。したがって、発電に起因する二酸化炭素の大気への排出量を抑えることができる。

上記燃料電池発電システムにおいて、前記水素供給手段は、再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電機と、前記発電機によって発電された電力を用いて水素を生成する水素生成手段と、を有しているとよい。

これによれば、炭化水素生成手段へ供給される水素の生成に起因する二酸化炭素の大気への排出量を抑えることができる。よって、発電に起因する二酸化炭素の大気への排出量をさらに抑えることができる。

上記燃料電池発電システムにおいて、前記炭化水素生成手段により生成される炭化水素の量に基づいて、前記化石燃料における前記燃料電池への供給量を制御する制御手段をさらに備えているとよい。

これによれば、化石燃料を燃料電池へ無駄に供給してしまうことを回避することができ、化石燃料の使用を抑え易くすることができる。したがって、発電に起因する二酸化炭素の大気への排出量をさらに抑えることができる。

上記燃料電池発電システムにおいて、前記炭化水素はメタンであるとよい。メタンは、燃料電池の発電に用いられる炭化水素として好適である。

この発明によれば、発電に起因する二酸化炭素の大気への排出量を抑えることができる。

実施形態における燃料電池発電システムの概略図。

以下、燃料電池発電システムを具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。
図１に示すように、燃料電池発電システム１０は、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）とを化学反応させて発電を行う燃料電池１１を備えている。燃料電池１１は、固体酸化物電解質形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：SOFC）である。

燃料電池１１は、燃料供給流路１２を介して燃料供給源１３に接続されている。そして、燃料電池１１には、燃料供給流路１２を介して燃料供給源１３から化石燃料である都市ガスが供給される。都市ガスは、メタン（ＣＨ_４）を主成分とする。都市ガスは、図示しない改質器によって水素リッチな改質ガスに改質された後、燃料電池１１のアノード側に供給される。そして、燃料電池１１は、燃料電池１１のアノード側に供給される改質ガス中の水素と燃料電池１１のカソード側に供給される空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。燃料電池１１によって発電された電力は、例えば、工場内に存在する負荷Ｗ１に供給される。

燃料電池１１では、以下の式（１）に示した反応が起こる。
ＣＨ_４＋２ＣＯ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ・・・（１）
式（１）に示されるように、燃料電池１１からは、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を主成分とし、水素及び酸素の他にメタン、一酸化炭素（ＣＯ）、及び窒素（Ｎ_２）を含んだ排出ガスが排出される。

燃料電池発電システム１０は、燃料電池１１から排出される排出ガス中に含まれる二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段としての二酸化炭素分離器１４を備えている。二酸化炭素分離器１４と燃料電池１１とは、ガス排出路１５を介して接続されている。そして、燃料電池１１から排出される排出ガスは、ガス排出路１５を介して二酸化炭素分離器１４に排出される。燃料電池１１からガス排出路１５を介して二酸化炭素分離器１４に排出ガスが排出されると、二酸化炭素分離器１４により排出ガス中に含まれる二酸化炭素のみが分離されて回収される。二酸化炭素分離器１４による二酸化炭素の分離／回収の具体的な方法としては、例えば、二酸化炭素を選択的に溶解できるアルカリ性溶液を利用する化学吸収法、メタノール等の吸収液を使用して、高圧・低温下で物理的に二酸化炭素を吸収させる物理吸収法、膜による各気体の透過速度の違いを利用して混合ガスから各気体を分離する膜分離法などが挙げられる。

燃料電池発電システム１０は、二酸化炭素分離器１４により分離された二酸化炭素と水素とを反応させることにより炭化水素であるメタンを生成する炭化水素生成手段としてのメタネーション反応器１６を備えている。メタネーション反応器１６と二酸化炭素分離器１４とは二酸化炭素供給路１７を介して接続されている。そして、二酸化炭素分離器１４により分離された二酸化炭素は、二酸化炭素供給路１７を介してメタネーション反応器１６に供給される。

さらに、燃料電池発電システム１０は、太陽光を利用して発電を行う太陽光発電機１８と、太陽光発電機１８によって発電された電力を用いて水素を生成する水電気分解装置１９と、を備えている。

太陽光発電機１８により発電された電力は、水電気分解装置１９に供給される。水電気分解装置１９は、太陽光発電機１８により発電された電力が供給されることにより駆動する。

水電気分解装置１９には、例えば、燃料電池１１で発生した水が、図示しない管路を介して供給される。また、水電気分解装置１９とメタネーション反応器１６とは、水素供給路２０を介して接続されている。そして、水電気分解装置１９により水が電気分解されることにより水素が発生し、水電気分解装置１９で発生した水素が水素供給路２０を介してメタネーション反応器１６に供給される。

よって、太陽光発電機１８、水電気分解装置１９、及び水素供給路２０は、メタネーション反応器１６に水素を供給する水素供給手段を構成する。そして、水素供給手段は、再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電機としての太陽光発電機１８と、太陽光発電機１８によって発電された電力を用いて水素を生成する水素生成手段としての水電気分解装置１９と、を有している。

メタネーション反応器１６には、図示しない触媒が充填されている。触媒としては、例えば、ニッケル系触媒が用いられる。そして、この触媒の働きにより、以下の式（２）に示した発熱反応であるメタネーション反応が起こる。

４Ｈ_２＋ＣＯ_２→ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ・・・（２）
式（２）に示されるように、メタネーション反応器１６では、二酸化炭素分離器１４により分離されて二酸化炭素供給路１７を介してメタネーション反応器１６に供給された二酸化炭素と、水電気分解装置１９から水素供給路２０を介してメタネーション反応器１６に供給された水素とが反応してメタンが生成される。なお、メタネーション反応器１６におけるメタネーション反応の円滑な進行には、メタネーション反応器の温度、具体的には、触媒の温度が重要であり、この触媒の温度は、図示しない熱交換器との熱交換が行われることにより調整されている。

メタネーション反応器１６と燃料電池１１とはメタン供給路２１を介して接続されている。そして、メタネーション反応器１６により生成されたメタンは、メタン供給路２１を介して燃料電池１１に供給される。よって、燃料電池発電システム１０は、メタネーション反応器１６により生成されたメタンを燃料電池１１に供給する。

メタン供給路２１には、流量センサ２２が設けられている。流量センサ２２は、メタン供給路２１を流れるメタンの流量を検出する。メタン供給路２１を流れるメタンの流量は、メタネーション反応器１６により生成されるメタンの量と等しい。流量センサ２２は、制御装置２３に電気的に接続されている。そして、流量センサ２２の検出信号が制御装置２３に送られる。

また、燃料供給流路１２には、流量調整弁２４が設けられている。流量調整弁２４は、燃料供給源１３から燃料供給流路１２を介した燃料電池１１への都市ガスの供給量を調整する。流量調整弁２４は、制御装置２３に電気的に接続されている。制御装置２３は、流量センサ２２から送られる検出信号に基づいて、流量調整弁２４の弁開度を制御する。つまり、流量センサ２２、制御装置２３、及び流量調整弁２４は、メタネーション反応器１６により生成されるメタンの量に基づいて、都市ガスにおける燃料電池１１への供給量を制御する制御手段を構成する。

制御装置２３は、流量センサ２２から検出されたメタンの流量が、予め定められた流量よりも小さいほど、流量調整弁２４の弁開度が大きくなるように流量調整弁２４の弁開度を制御する。また、制御装置２３は、流量センサ２２から検出されたメタンの流量が、予め定められた流量に近づくほど、流量調整弁２４の弁開度が小さくなるように流量調整弁２４の弁開度を制御する。そして、制御装置２３は、流量センサ２２から検出されたメタンの流量が、予め定められた流量以上になると、流量調整弁２４が閉弁状態となるように流量調整弁２４を制御する。

次に、本実施形態の作用について説明する。
燃料電池１１から排出される排出ガス中に含まれる二酸化炭素は、二酸化炭素分離器１４により分離される。よって、燃料電池１１から排出される排出ガスが大気へ排出されても、二酸化炭素の大気への排出量が抑えられている。

そして、二酸化炭素分離器１４から分離されて二酸化炭素供給路１７を介してメタネーション反応器１６に供給された二酸化炭素と、水電気分解装置１９から水素供給路２０を介してメタネーション反応器１６に供給される水素とが、メタネーション反応器１６においてメタネーション反応してメタンとなる。

また、水電気分解装置１９は、太陽光発電機１８によって発電された電力を用いて駆動するため、メタネーション反応器１６へ供給される水素の生成に起因する二酸化炭素の大気への排出量が抑えられている。

そして、メタネーション反応器１６により生成されたメタンが燃料電池１１に供給されることにより、燃料電池１１では、都市ガス、及びメタネーション反応器１６により生成されたメタンを燃料として発電が行われる。

制御装置２３は、流量センサ２２から検出されたメタンの流量が、予め定められた流量に近づくほど、流量調整弁２４の弁開度が小さくなるように流量調整弁２４の弁開度を制御する。よって、燃料供給源１３から燃料供給流路１２を介した燃料電池１１への都市ガスの供給量が少なくなり、都市ガスの使用が抑えられる。

そして、制御装置２３は、流量センサ２２から検出されたメタンの流量が、予め定められた流量以上になると、流量調整弁２４が閉弁状態となるように流量調整弁２４を制御する。これにより、燃料供給源１３から燃料供給流路１２を介した燃料電池１１への都市ガスの供給が停止される。その後、燃料電池１１では、メタネーション反応器１６からメタン供給路２１を介して燃料電池１１に供給されるメタンのみを燃料として発電が行われる。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）燃料電池１１から排出される排出ガス中に含まれる二酸化炭素が二酸化炭素分離器１４により分離され、二酸化炭素分離器１４から分離された二酸化炭素が、メタネーション反応器１６において、水電気分解装置１９から供給される水素と反応してメタンとなる。よって、燃料電池１１から排出される排出ガスが大気へ排出されても、二酸化炭素の大気への排出量を抑えることができる。そして、メタネーション反応器１６により生成されたメタンが燃料電池１１に供給されることにより、燃料電池１１は、メタネーション反応器１６により生成されたメタンを用いて発電を行うことができるため、都市ガスの使用を抑えることができる。したがって、発電に起因する二酸化炭素の大気への排出量を抑えることができる。

（２）燃料電池発電システム１０は、再生可能エネルギーである太陽光を利用して発電を行う太陽光発電機１８と、太陽光発電機１８によって発電された電力を用いて水素を生成する水電気分解装置１９と、を備えている。これによれば、メタネーション反応器１６へ供給される水素の生成に起因する二酸化炭素の大気への排出量を抑えることができる。よって、発電に起因する二酸化炭素の大気への排出量をさらに抑えることができる。

（３）流量センサ２２、制御装置２３、及び流量調整弁２４は、メタネーション反応器１６により生成されるメタンの量に基づいて、都市ガスにおける燃料電池１１への供給量を制御する制御手段を構成する。これによれば、都市ガスを燃料電池１１へ無駄に供給してしまうことを回避することができ、都市ガスの使用を抑え易くすることができる。したがって、発電に起因する二酸化炭素の大気への排出量をさらに抑えることができる。

（４）メタネーション反応器１６は、炭化水素であるメタンを生成する。メタンは、燃料電池１１の発電に用いられる炭化水素として好適であり、燃料電池発電システム１０の発電効率の向上に寄与する。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、燃料電池発電システム１０は、メタネーション反応器１６により生成されるメタンの量に基づいて、都市ガスにおける燃料電池１１への供給量を制御する構成でなくてもよい。例えば、メタネーション反応器１６によりメタンが生成されてから所定の時間経過後に、燃料供給源１３から燃料供給流路１２を介した燃料電池１１への都市ガスの供給を停止するようにしてもよい。

○ 実施形態において、水素生成手段は、水を電気分解することにより水素を生成する水電気分解装置１９に限らず、水素を生成可能な装置であれば、特に限定されるものではない。

○ 実施形態において、再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電機として、太陽光発電機１８の代わりに、例えば、風力を利用して発電を行う風力発電機や、波力を利用して発電を行う波力発電機などを使用してもよい。

○ 実施形態において、水電気分解装置１９を駆動させる電力として、商用電源からの電力を用いてもよい。
○ 実施形態において、水電気分解装置１９に供給される水は、燃料電池１１で発生した水以外の水であってもよい。

○ 実施形態において、化石燃料は、都市ガス以外の炭化水素ガスであってもよく、例えば、ＬＰガスであってもよい。
○ 実施形態において、炭化水素生成手段により生成される炭化水素は、例えば、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）であってもよい。

１０…燃料電池発電システム、１１…燃料電池、１４…二酸化炭素分離手段としての二酸化炭素分離器、１６…炭化水素生成手段としてのメタネーション反応器、１８…発電機である太陽光発電機、１９…水素生成手段である水電気分解装置、２０…水素供給手段を構成する水素供給路、２２…制御手段を構成する流量センサ、２３…制御手段を構成する制御装置、２４…制御手段を構成する流量調整弁。

Claims (4)

1. 化石燃料に含まれる水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される排出ガス中に含まれる二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段と、
   前記二酸化炭素分離手段により分離された二酸化炭素と水素とを反応させることにより炭化水素を生成する炭化水素生成手段と、
   前記炭化水素生成手段に水素を供給する水素供給手段と、を備え、
   前記炭化水素生成手段により生成された前記炭化水素を前記燃料電池に供給する燃料電池発電システムであって、
   前記化石燃料の供給源から前記燃料電池への燃料供給流路に配置される流量調整弁と、
   前記流量調整弁の開度を調整する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記炭化水素生成手段により生成された前記炭化水素の量に基づいて前記流量調整弁の開度を調整することにより、前記化石燃料における前記燃料電池への供給量を制御する燃料電池発電システム。
2. 前記水素供給手段は、
   再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電機と、
   前記発電機によって発電された電力を用いて水素を生成する水素生成手段と、
   を有している請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記制御手段は、前記炭化水素生成手段により生成された前記炭化水素の量が予め定められた流量以上になると、前記流量調整弁が閉弁状態となるように前記流量調整弁の開度を調整する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記炭化水素はメタンである請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。

Images