JP6938186B2 - Ammonia fuel power generation system and ammonia fuel supply system - Google Patents
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Description
本発明は、アンモニアの供給を受けて発電する燃料電池装置、当該燃料電池装置に燃料であるアンモニアを供給するアンモニア燃料供給装置を備えたアンモニア燃料発電システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell device that generates electricity by receiving the supply of ammonia, and an ammonia fuel power generation system including an ammonia fuel supply device that supplies ammonia as a fuel to the fuel cell device.
現今、アンモニアを直接燃料として電力を得る技術が注目されている(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削減の点で非常に有用である。また、電極に炭素デポジットが生成されることもない。
At present, a technique for obtaining electric power by directly using ammonia as a fuel is attracting attention (
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(本発明に係る固体電解質形燃料電池であり、SOFCとも呼ばれる)が代表的であり、今日、主に電池電極(アノード)において、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)。 A typical fuel cell using ammonia as a direct fuel is a solid oxide fuel cell (a solid oxide fuel cell according to the present invention, also called SOFC), and today, mainly in a battery electrode (anode). , Development is progressing in the direction of decomposing ammonia into hydrogen to cause a battery reaction while avoiding a decrease in output (Patent Documents 3 and 4).
さらに、このようなアンモニアを直接燃料とする燃料電池としては陰イオン交換膜形燃料電池も提案されている(特許文献5)。 Further, as a fuel cell directly using ammonia as a fuel, an anion exchange membrane fuel cell has also been proposed (Patent Document 5).
アンモニアを燃料とする燃料電池から電力を得ようとして、燃料供給に、当該燃料を所定の温度条件下で吸着・脱離する材料(ガス貯蔵材料)を使用することが提案されている(特許文献6)。この特許文献6に開示のガス貯蔵・供給システムは、水素、アンモニア、メタン等を供給するための技術であり、アンモニア貯蔵材料として、金属ハロゲン化物、金属硫酸塩からなる材料を使用することが提案されている。さらに、アンモニア貯蔵材料からアンモニアを脱離させるのに化学蓄熱材を使用する。この化学蓄熱材には、水和反応により発熱する材料、例えば金属酸化物も示されている。 In an attempt to obtain electric power from a fuel cell using ammonia as a fuel, it has been proposed to use a material (gas storage material) that adsorbs and desorbs the fuel under a predetermined temperature condition for fuel supply (Patent Document). 6). The gas storage / supply system disclosed in Patent Document 6 is a technique for supplying hydrogen, ammonia, methane, etc., and it is proposed to use a material composed of a metal halide and a metal sulfate as the ammonia storage material. Has been done. In addition, a chemical heat storage material is used to desorb ammonia from the ammonia storage material. A material that generates heat due to a hydration reaction, such as a metal oxide, is also shown in this chemical heat storage material.
この種のガス貯蔵・供給システム(本発明の燃料供給装置に相当する)では、燃料の充填は特定の充填サイトで別途行われ、燃料が充填されたガス貯蔵・供給システムが、その使用先で使用される。 In this type of gas storage and supply system (corresponding to the fuel supply device of the present invention), fuel filling is performed separately at a specific filling site, and a fuel-filled gas storage and supply system is used at the place of use. used.
以上説明してきたように、アンモニアを燃料とする発電システムは様々な利点を有するが、この様なアンモニア燃料発電システムの採用先として、電気自動車の走行距離を増加させるレンジエクステンダー、フォークリスト,ゴルフ場カート,工場や市場内の荷物運搬用車両等の走行距離が比較的短く,燃料供給の場所が充分管理されているパワートレイン、内燃機関を動力源とする移動体の補助電源システム等もある。 As explained above, the power generation system using ammonia as fuel has various advantages, and as the adoption destination of such an ammonia fuel power generation system, a range extender, a fork list, and a golf course that increase the mileage of an electric vehicle are used. There are also power trains with relatively short mileage such as carts, luggage transport vehicles in factories and markets, and well-controlled fuel supply locations, and auxiliary power systems for moving objects powered by internal combustion engines.
しかしながら、今日、車載形態にも採用可能で、比較的コンパクな構成を有し、且つ信頼性の高いアンモニア燃料発電システムは未だ確立されていない。 However, today, an ammonia fuel power generation system that can be adopted in an in-vehicle form, has a relatively compact configuration, and is highly reliable has not yet been established.
例えば、特許文献6に記載のガス貯蔵・供給システムを採用し、アンモニアを燃料として発電システムを構築した場合、アンモニアを燃料として供給できるものの、供給できるアンモニアの量、その持続性に課題が残る。また、アンモニア燃料発電システム全体としてみる場合に、その動作形態、熱利用等の点で改善の余地がある。 For example, when the gas storage / supply system described in Patent Document 6 is adopted and a power generation system is constructed using ammonia as fuel, although ammonia can be supplied as fuel, there remains a problem in the amount of ammonia that can be supplied and its sustainability. In addition, when looking at the ammonia fuel power generation system as a whole, there is room for improvement in terms of its operation mode, heat utilization, and the like.
以下、本明細書では、発明の説明を車両に搭載する形態で説明するが、本発明に係るアンモニア燃料発電システムは、定置用小型のアンモニア燃料発電システムとしても使用することもできる。 Hereinafter, the description of the present invention will be described in the form of being mounted on a vehicle, but the ammonia fuel power generation system according to the present invention can also be used as a small stationary ammonia fuel power generation system.
本発明の主たる課題は、比較的簡易な構成を有し、コンパクト且つ信頼性に優れ、熱利用の点でも優れたアンモニア燃料発電システムを提供することにあり、この発電システムを構築することができるアンモニア燃料供給装置を提供することにある。 A main object of the present invention is to provide an ammonia fuel power generation system which has a relatively simple configuration, is compact and has excellent reliability, and is also excellent in terms of heat utilization, and this power generation system can be constructed. To provide an ammonia fuel supply system.
上記の目的を達成するための、
本発明のアンモニア燃料発電システムの第1の特徴構成は、
アンモニアの供給を受けて発電する燃料電池装置と、
アンモニアと錯体を形成して吸着するとともに、受熱して前記吸着状態にあるアンモニアを脱離するアンモニア貯蔵材料を収容するアンモニア貯蔵槽と、
アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物を収容する水和反応物貯蔵槽と、
アンモニアを酸化若しくは吸着除去するアンモニア除去槽とを備え、
前記水和反応物貯蔵槽及び前記アンモニア除去槽が前記アンモニア貯蔵槽に伝熱可能に接続され、
前記アンモニア貯蔵槽から脱離されるアンモニアを燃料として前記燃料電池装置に供給する燃料供給路を備え、
前記燃料電池装置から放出されるオフガスを気液分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離された水を貯蔵する水貯蔵槽を備え、
前記水貯蔵槽から前記水和反応物貯蔵槽に水を導く水和反応用水導入路が備えられるとともに、前記気液分離装置で分離されたガスを前記アンモニア除去槽に導くガス導入路を備えたことにある。
To achieve the above objectives,
The first characteristic configuration of the ammonia fuel power generation system of the present invention is
A fuel cell device that generates electricity by receiving the supply of ammonia,
An ammonia storage tank that houses an ammonia storage material that forms a complex with ammonia and adsorbs it, and receives heat to desorb the ammonia in the adsorbed state.
A hydration reaction storage tank containing oxides of alkali metals and / or alkaline earth metals, and
Equipped with an ammonia removal tank that oxidizes or adsorbs and removes ammonia
The hydration reaction storage tank and the ammonia removal tank are connected to the ammonia storage tank so as to be heat transferable.
A fuel supply path for supplying the fuel cell device with ammonia desorbed from the ammonia storage tank as fuel is provided.
It is provided with a gas-liquid separation device for gas-liquid separation of off-gas released from the fuel cell device, and a water storage tank for storing the water separated by the gas-liquid separation device.
A water introduction path for a hydration reaction that guides water from the water storage tank to the hydration reaction product storage tank is provided, and a gas introduction path that guides the gas separated by the gas-liquid separation device to the ammonia removal tank is provided. There is.
このアンモニア燃料発電システムは、燃料電池装置を中核として構成され、燃料供給側にアンモニア貯蔵槽が設けられ、このアンモニア貯蔵槽からアンモニアを供給するに際して、水和反応物貯蔵槽及びアンモニア除去槽から伝熱される熱を利用する。 This ammonia fuel power generation system is configured with a fuel cell device as the core, an ammonia storage tank is provided on the fuel supply side, and when ammonia is supplied from this ammonia storage tank, it is transmitted from the hydration reaction product storage tank and the ammonia removal tank. Use the heat that is heated.
例えば、システムの始動に際して、水貯蔵槽から水和反応用水導入路を介して水を水和反応物貯蔵槽へ送り込むだけで、アンモニアを燃料電池装置に供給できる。このようにして供給されるアンモニアは発電に供されることとなるが、同時に、燃料電池装置からアンモニアがスリップしてオフガス中に含まれて放出されてくることもある。このアンモニアはガス導入路を介してアンモニア除去槽に導入され、この槽において除去される。結果、オフガスの外部放出が可能となる。 For example, when the system is started, ammonia can be supplied to the fuel cell apparatus simply by sending water from the water storage tank to the hydration reaction product storage tank via the water introduction path for the hydration reaction. Ammonia supplied in this way is used for power generation, but at the same time, ammonia may slip from the fuel cell device and be contained in off-gas and released. This ammonia is introduced into the ammonia removal tank via the gas introduction path and is removed in this tank. As a result, off-gas can be released to the outside.
そして、水和反応及び除去槽でのアンモニア除去反応は発熱反応となるが、このような発熱により発生する熱はアンモニア貯蔵槽に伝熱されて、アンモニアの脱離に利用される。結果、発電システムとしての熱利用の点で充分合理的である。 The hydration reaction and the ammonia removal reaction in the removal tank are exothermic reactions, and the heat generated by such heat generation is transferred to the ammonia storage tank and used for the desorption of ammonia. As a result, it is sufficiently rational in terms of heat utilization as a power generation system.
このアンモニア燃料発電システムを構築できるアンモニア燃料供給装置の第1の特徴構成は、
アンモニアと錯体を形成して吸着するとともに、受熱して前記吸着状態にあるアンモニアを脱離するアンモニア貯蔵材料を収容するアンモニア貯蔵槽と、
アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物を収容する水和反応物貯蔵槽と、
アンモニアを酸化若しくは吸着除去するアンモニア除去槽とを備え、
前記水和反応物貯蔵槽及び前記アンモニア除去槽を前記アンモニア貯蔵槽に伝熱可能に備え、
前記アンモニア貯蔵槽から放出されるアンモニアを燃料として供給する燃料供給路と、前記水和反応物貯蔵槽に水を導く水和反応用水導入路と、アンモニアを含むアンモニア含有ガスを前記アンモニア除去槽に導くガス導入路とを備えることとなる。
The first characteristic configuration of the ammonia fuel supply device capable of constructing this ammonia fuel power generation system is
An ammonia storage tank that houses an ammonia storage material that forms a complex with ammonia and adsorbs it, and receives heat to desorb the ammonia in the adsorbed state.
A hydration reaction storage tank containing oxides of alkali metals and / or alkaline earth metals, and
Equipped with an ammonia removal tank that oxidizes or adsorbs and removes ammonia
The hydration reaction storage tank and the ammonia removal tank are provided so as to transfer heat to the ammonia storage tank.
A fuel supply path that supplies ammonia released from the ammonia storage tank as fuel, a water introduction path for hydration reaction that guides water to the hydration reaction product storage tank, and an ammonia-containing gas containing ammonia are introduced into the ammonia removal tank. It will be equipped with a guiding gas introduction path.
結果、アンモニア燃料発電システムは、中核となる燃料電池装置と、本発明独特のアンモニア燃料供給装置と、両者を繋ぐ気液分離系(気液分離装置及び水貯蔵槽を主体として構成される)で構築できるため、比較的簡易な構成を有し、コンパクト且つ信頼性が高くなり、熱利用の点でも優れている。 As a result, the ammonia fuel power generation system consists of a core fuel cell device, an ammonia fuel supply device unique to the present invention, and a gas-liquid separation system (mainly composed of a gas-liquid separation device and a water storage tank) connecting the two. Since it can be constructed, it has a relatively simple configuration, is compact and highly reliable, and is excellent in terms of heat utilization.
本発明のアンモニア燃料発電システムの第2の特徴構成は、
前記燃料電池装置が、固体電解質(固体酸化物電解質)と、当該固体電解質の一方の側にアノード電極を、他方の側にカソード電極を備えた固体電解質形燃料電池を備えて構成され、
前記固体電解質形燃料電池に燃料として供給されるアンモニアにより発電する直接アンモニア燃料電池であることにある。
The second characteristic configuration of the ammonia fuel power generation system of the present invention is
The fuel cell apparatus includes a solid electrolyte (solid oxide electrolyte) and a solid electrolyte fuel cell having an anode electrode on one side of the solid electrolyte and a cathode electrode on the other side.
The present invention is a direct ammonia fuel cell that generates electricity from ammonia supplied as fuel to the solid electrolyte fuel cell.
直接アンモニア燃料電池は、アンモニアが燃料電池にそのまま到達し、電池内で改質されて発電の用に供されることを意味する(以下同じ)。 A direct ammonia fuel cell means that ammonia reaches the fuel cell as it is, is reformed in the battery and used for power generation (the same applies hereinafter).
本構成によれば、アンモニアを直接燃料とする固体電解質形燃料電池にアンモニアを供給して発電を行うことができる。 According to this configuration, ammonia can be supplied to a solid electrolyte fuel cell that directly uses ammonia as fuel to generate electricity.
固体電解質形燃料電池を備えた本発明に係るアンモニア燃料発電システムの第3の特徴構成は、
尿素水を貯蔵する尿素水貯蔵槽と、
前記尿素水貯蔵槽から前記尿素水の供給を受けるとともに、加熱されて前記尿素水を加水分解する加水分解反応槽とを備え、
前記燃料電池装置から放出されるオフガスにより前記加水分解反応槽を加熱する加熱手段を備えた点にある。
The third characteristic configuration of the ammonia fuel power generation system according to the present invention including the solid electrolyte fuel cell is
Urea water storage tank for storing urea water and
It is provided with a hydrolysis reaction tank that receives the urea water supply from the urea water storage tank and is heated to hydrolyze the urea water.
The point is that it is provided with a heating means for heating the hydrolysis reaction tank with the off gas released from the fuel cell device.
本構成によれは、比較的高温で作動する固体電解質形燃料電池から排出されるオフガスが保有する熱を加水分解反応槽で尿素水の加水分解に利用して、燃料電池装置において燃料となるアンモニアを発生させて燃料電池装置に供給し、発電を行うことができる。
この構成においては、アンモニア貯蔵槽及び加水分解反応槽との両方からアンモニアを燃料として得ることができ、供給できるアンモニアの量を増加できる。結果、発電量を増加できるともに、両槽から供給するアンモニアの供給形態(量・供給タイミング・温度条件等)の特性に応じて適切にその供給形態を調整することができる。
例えば、エンジンから排出される排熱を、その高温状態で利用できる場合は、尿素水起源のアンモニアを使用する方が高効率となるが、この種の使用条件に応じて燃料起源を切換えることが好ましい。
According to this configuration, the heat possessed by the off-gas discharged from a solid electrolyte fuel cell that operates at a relatively high temperature is used for hydrolysis of urea water in a hydrolysis reaction tank, and ammonia as a fuel in a fuel cell device is used. Can be generated and supplied to the fuel cell device to generate power.
In this configuration, ammonia can be obtained as fuel from both the ammonia storage tank and the hydrolysis reaction tank, and the amount of ammonia that can be supplied can be increased. As a result, the amount of power generation can be increased, and the supply form can be appropriately adjusted according to the characteristics of the supply form (amount, supply timing, temperature condition, etc.) of ammonia supplied from both tanks.
For example, if the exhaust heat discharged from the engine can be used in its high temperature state, it is more efficient to use ammonia derived from urea water, but it is possible to switch the fuel origin according to this kind of usage condition. preferable.
この構成のアンモニア燃料発電システムを構築できるアンモニア燃料供給装置の第2の特徴構成は、第1の特徴に加えて、
尿素水を貯蔵する尿素水貯蔵槽と、
前記尿素水貯蔵槽から前記尿素水の供給を受けるとともに、加熱されて前記尿素水を加水分解する加水分解反応槽とを備え、
アンモニア燃料の供給先から放出されるオフガスにより前記加水分解反応槽を加熱する加熱手段を備えることとなる。
The second feature configuration of the ammonia fuel supply device capable of constructing the ammonia fuel power generation system of this configuration is, in addition to the first feature, the first feature.
Urea water storage tank for storing urea water and
It is provided with a hydrolysis reaction tank that receives the urea water supply from the urea water storage tank and is heated to hydrolyze the urea water.
A heating means for heating the hydrolysis reaction tank with the off-gas released from the supply destination of the ammonia fuel is provided.
さて、このように尿素水の加水分解によりアンモニアを燃料として供給する構成のアンモニア燃料発電システムの第4の特徴構成は、
前記気液分離装置で分離された水を前記加水分解反応槽に導く加水反応用水導入路を備える点にある。
By the way, the fourth characteristic configuration of the ammonia fuel power generation system having a configuration in which ammonia is supplied as fuel by hydrolyzing urea water in this way is
The point is that a water reaction water introduction path for guiding the water separated by the gas-liquid separation device to the hydrolysis reaction tank is provided.
この構成によると、燃料電池装置において生成する水蒸気を加水分解反応槽で復水させ、さらに気液分離して尿素水の加水分解に利用することで、尿素水内の水とは別に水の供給が可能となり、尿素水貯蔵槽に貯蔵する尿素水の濃度を高く保ち、コンパクトな尿素水貯蔵槽で、アンモニア燃料発電システムを構築できる。 According to this configuration, the water vapor generated in the fuel cell device is restored in the hydrolysis reaction tank, and further separated into gas and liquid and used for the hydrolysis of urea water, so that water is supplied separately from the water in the urea water. This makes it possible to maintain a high concentration of urea water stored in the urea water storage tank, and to build an ammonia fuel power generation system in a compact urea water storage tank.
この構成のアンモニア燃料発電システムを構築できるアンモニア燃料供給装置の第3の特徴構成は、
前記気液分離装置で分離された水を前記加水分解反応槽に導く加水反応用水導入路を備えることとなる。
The third characteristic configuration of the ammonia fuel supply device that can construct an ammonia fuel power generation system with this configuration is
It is provided with a water reaction water introduction path for guiding the water separated by the gas-liquid separation device to the hydrolysis reaction tank.
本発明に係るアンモニア燃料発電システムの第5の特徴構成は、
前記燃料電池装置が、陰イオン交換膜と、当該陰イオン交換膜の一方の側にアノード電極を、他方の側にカソード電極を備えた陰イオン交換膜形燃料電池である点にある。
The fifth characteristic configuration of the ammonia fuel power generation system according to the present invention is
The fuel cell device is an anion exchange membrane type fuel cell having an anion exchange membrane, an anode electrode on one side of the anion exchange membrane, and a cathode electrode on the other side.
陰イオン交換膜形燃料電池も、アンモニアが燃料電池にそのまま到達し、電池内で改質されて発電する直接アンモニア燃料電池の一種である。 An anion exchange membrane fuel cell is also a type of direct ammonia fuel cell in which ammonia reaches the fuel cell as it is and is reformed in the battery to generate power.
この構成によれば、アンモニアを直接燃料とする陰イオン交換膜形燃料電池にアンモニアを供給して発電を行うことができる。 According to this configuration, ammonia can be supplied to an anion exchange membrane fuel cell that directly uses ammonia as fuel to generate electricity.
燃料電池装置が陰イオン交換膜形燃料電池であるアンモニア燃料発電システムの第6の特徴構成は、上記の第5の特徴構成に加えて、
アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物が収容され、前記燃料電池装置に供給する酸化剤を含む酸化剤ガスから当該酸化剤ガスに含まれる二酸化炭素を炭酸塩として除去する炭酸化反応物貯蔵槽を備える点にある。
In addition to the above-mentioned fifth characteristic configuration, the sixth characteristic configuration of the ammonia fuel power generation system in which the fuel cell device is an anion exchange membrane fuel cell is
Carbonate that contains oxides of alkali metal, alkaline earth metal, or both, and removes carbon dioxide contained in the oxidant gas as a carbonate from the oxidant gas containing the oxidant supplied to the fuel cell apparatus. The point is that it is equipped with a reaction product storage tank.
本構成にあっては、炭酸化反応物貯蔵槽に、二酸化炭素を含むことがある酸化剤ガス(例えば、空気)を通して、二酸化炭素が除去された酸化剤ガスを陰イオン交換膜形燃料電池に供給することにより、陰イオン交換膜形燃料電池の作動を良好に維持できる。 In this configuration, the oxidant gas from which carbon dioxide has been removed is transferred to the anion exchange membrane fuel cell by passing an oxidant gas (for example, air) containing carbon dioxide through the carbon dioxide reaction product storage tank. By supplying the fuel cell, the operation of the anion exchange membrane fuel cell can be maintained satisfactorily.
このアンモニア燃料発電システムを構築できるアンモニア燃料供給装置の第4の特徴構成は、第1の特徴構成に加えて
アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物が収容され、 酸化剤ガスから当該酸化剤ガスに含まれる二酸化炭素を炭酸塩として除去する炭酸化反応物貯蔵槽を前記アンモニア貯蔵槽に伝熱可能に備え、
二酸化炭素を含む酸化剤ガスを前記炭酸化反応物貯蔵槽に導入するとともに、当該炭酸化反応物貯蔵槽から前記二酸化炭素を除去されて送り出されるCO2フリーガスが流れる酸化剤ガス処理路を設けておくこととなる。
In addition to the first characteristic configuration, the fourth characteristic configuration of the ammonia fuel supply device capable of constructing this ammonia fuel power generation system contains an alkali metal, an alkaline earth metal, or an oxide of both of them, and is composed of an oxidant gas. A carbonation reaction product storage tank that removes carbon dioxide contained in the oxidant gas as a carbonate is provided in the ammonia storage tank so that heat can be transferred to the ammonia storage tank.
An oxidant gas containing carbon dioxide is introduced into the carbonation reaction product storage tank, and an oxidant gas treatment path through which the CO 2 free gas sent out after removing the carbon dioxide from the carbonation reaction product storage tank flows is provided. It will be kept.
さて、これまで説明してきたアンモニア燃料供給装置は、燃料電池装置が固体電解質形燃料電池と陰イオン交換膜形燃料電池とで別物としたが、以下に示す第5の特徴構成を有するものとすることもできる。 By the way, in the ammonia fuel supply device described so far, the fuel cell device is different from the solid electrolyte type fuel cell and the anion exchange membrane type fuel cell, but it shall have the fifth characteristic configuration shown below. You can also do it.
本発明に係るアンモニア燃料供給装置の第5の特徴構成は、
アンモニアと錯体を形成して吸着するとともに、受熱して前記吸着状態にあるアンモニアを脱離するアンモニア貯蔵材料を収容するアンモニア貯蔵槽と、
アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物を収容する貯蔵槽と、
アンモニアを酸化若しくは吸着除去するアンモニア除去槽とを備え、
前記貯蔵槽及び前記アンモニア除去槽を前記アンモニア貯蔵槽に伝熱可能に備え、
前記アンモニア貯蔵槽から放出されるアンモニアを燃料として供給する燃料供給路として備え、
前記貯蔵槽として少なくとも第1貯蔵槽及び第2貯蔵槽とを備え、
前記第1貯蔵槽に水を導く水和反応用水導入路を備えて、当該第1貯蔵槽が水和反応物貯蔵槽として構成されるとともに、
前記第2貯蔵槽に、水を導く水和反応用水導入路と、二酸化炭素を含む酸化剤ガスを導き、当該第2貯蔵槽から前記二酸化炭素を除去されて送り出されるCO2フリーガスが流れる酸化剤ガス処理路とを切換可能に設けた点にある。
The fifth characteristic configuration of the ammonia fuel supply device according to the present invention is
An ammonia storage tank that houses an ammonia storage material that forms a complex with ammonia and adsorbs it, and receives heat to desorb the ammonia in the adsorbed state.
A storage tank containing oxides of alkali metals and / or alkaline earth metals, and
Equipped with an ammonia removal tank that oxidizes or adsorbs and removes ammonia
The storage tank and the ammonia removal tank are provided so that heat can be transferred to the ammonia storage tank.
Provided as a fuel supply channel for supplying the ammonia released from the ammonia storage tank as fuel.
The storage tank is provided with at least a first storage tank and a second storage tank.
The first storage tank is provided with a water introduction path for hydration reaction to guide water, and the first storage tank is configured as a hydration reaction product storage tank.
Oxidation in which a water introduction path for a hydration reaction that guides water and an oxidant gas containing carbon dioxide are guided to the second storage tank, and the CO 2 free gas that is sent out after removing the carbon dioxide from the second storage tank flows. The point is that the agent gas treatment path is switchable.
この構成を採用することにより、水和反応、炭酸化反応のいずれをも起こすことがある酸化物(アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物)を第1貯蔵槽、第2貯蔵槽の両方に収容しておき、第2貯蔵槽に供給するものを切換ることにより、異なる種類の燃料電池に対して、本発明に係るアンモニア燃料供給装置を共通に採用できる。 By adopting this configuration, oxides (oxides of alkali metal, alkaline earth metal, or both) that may cause both hydration reaction and carbonization reaction are stored in the first storage tank and the second storage tank. The ammonia fuel supply device according to the present invention can be commonly adopted for different types of fuel cells by accommodating them in both tanks and switching the ones to be supplied to the second storage tank.
以下、本発明に係るアンモニア燃料発電システムについて図面を参照しながら説明です。 The ammonia fuel power generation system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
本明細書では、第1〜第4の実施形態を説明するが、第1実施形態は燃料電池装置1として固体電解質形燃料電池を採用する実施形態であり、第2実施形態は燃料電池装置1として陰イオン交換膜形燃料電池を採用する実施形態である。第3実施形態は、燃料電池装置1に固体電解質形燃料電池、陰イオン交換膜形燃料電池の何れかを使用する場合に共用できるアンモニア燃料供給装置203を採用する実施形態である。第4実施形態は、第1実施形態と同様に固体電解質形燃料電池を使用するが、固体電解質形燃料電池からのオフガスの保有する熱の更なる利用を図った実施形態である。
In the present specification, the first to fourth embodiments will be described, but the first embodiment is an embodiment in which a solid electrolyte fuel cell is adopted as the
各実施形態において、本発明に係るアンモニア燃料発電システム101、102、103、104は、本発明独特のアンモニア燃料供給装置201、202、203、204を夫々備えて構築される。各図において、前者を一点鎖線で囲って示すとともに、後者を破線で囲って示した。
In each embodiment, the ammonia fuel
〔共通項目〕
アンモニア燃料供給装置201、202、203,204は、アンモニア燃料発電システム101、102、103、104に備えられる燃料電池装置1にその燃料fとしてアンモニア(NH3)amを供給する装置であるが、その始動はアンモニア燃料供給装置201、202、203、204を構成する水和反応物貯蔵槽22への水wの供給だけで行うことができる。そして、燃料電池装置1の始動に伴い、生成される水(水蒸気)w、排出されるオフガスogに含まれることがあるアンモニアamを利用して、燃料fの供給を継続する。
〔Common Items〕
Ammonia fuel supply devices 201, 202, 203, 204 are devices that supply ammonia (NH 3 ) am as fuel f to the
各アンモニア燃料発電システム101、102、103、104で発電された電力は、その電力供給下手側に備えられたパワーコンディショナー2、蓄電池3に送られ、所定の変換処理、蓄電が行われた後、さらに、下手側に備えられた電動機4に送るものとされている。従って、このアンモニア燃料発電システム100により発電された電力は、蓄電池3に蓄電されるとともに、必要により電動機4で動力として利用することができる。
The electric power generated by each of the ammonia fuel
アンモニア燃料供給装置201は、アンモニア貯蔵槽21、当該アンモニア貯蔵槽21と熱的に接続された水和反応物貯蔵槽22及びアンモニア除去槽23を備えて構成されている。
The ammonia
〔第1実施形態〕
この実施形態のアンモニア燃料発電システム101を図1に示した。
[First Embodiment]
The ammonia fuel
アンモニア燃料発電システム101は、燃料電池装置1とアンモニア燃料供給装置201とを主要機器として構成され、燃料電池装置1から排出されるオフガスogが気液分離装置32において気液分離されて、それぞれ所定の槽(水和反応物貯蔵槽22、アンモニア除去槽23)に導入される構成となっている。
The ammonia fuel
燃料電池装置1は固体電解質形燃料電池とされており、簡単に説明すると、固体電解質1aと、当該固体電解質1aの一方の側にアノード電極1bを、他方の側にカソード電極1cを備えた固体電解質形燃料電池fcを多数スタック形成して構成され、固体電解質形燃料電池fcに燃料fとして供給されるアンモニアにより発電する直接アンモニア燃料電池である。
The
固体電解質1aの材料は、所謂、酸素イオン伝導性セラミックス材料であり、具体的には、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、これらのジルコニアにさらにCe、Al等をドープしたジルコニア系粉末、SDC(サマリアドープドセリア)、GDC(ガドリアドープドセリア)等のドープセリア系粉末、LSGM(ランタンガレート)系粉末、酸化ビスマス系粉末等が使用される。
The material of the
アノード電極1bは、良く知られているように、アノード電極触媒と固体電解質粒子により形成される。
As is well known, the
このようなアノード電極触媒の材料としては、具体的には、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)の合金である。
カソード電極1cも、カソード電極触媒と固体電解質粒子により形成される。
Specifically, the material of such an anode electrode catalyst is an alloy of nickel (Ni) and cobalt (Co).
The
カソード電極触媒としては、具体的には、マンガン系、フェライト系、コバルト系やニッケル系ペロブスカイト型構造の酸化物が好ましく、例えば、ストロンチウム(Sr)等の周期律表第2族元素が添加されたランタンストロンチウムマンガナイト(LaXSr1−XMnO3)、ランストロンチウムコバルタイト(LaXSr1−XCoO3)、ランストロンチウムコバルトフェライト(LaXSr1−XCoYFe1−YO3)、ランタンニッケルフェライト(LaNiYFe1−YO3)とされる。
Specifically, as the cathode electrode catalyst, oxides having a manganese-based, ferrite-based, cobalt-based or nickel-based perovskite-type structure are preferable, and for example, a
発電は、アノード電極1bに燃料としてのアンモニアが供給され、カソード電極1cに酸化剤としての酸化剤ガスocg(空気)が供給される。
図1等に、燃料電池装置1から出る中黒太矢印を示しているが、この矢印は、発電に伴い抜熱(燃料電池装置1の冷却)が必要であることを示している。
In power generation, ammonia as fuel is supplied to the
FIG. 1 and the like show a thick middle-black arrow coming out of the
アンモニア燃料供給装置201は、アンモニア貯蔵槽21、当該アンモニア貯蔵槽21と熱的に接続された水和反応物貯蔵槽22及びアンモニア除去槽23を備えて構成されている。
The ammonia
図1に中抜き太矢印で示すように、水和反応物貯蔵槽22及びアンモニア除去槽23から、前記アンモニア貯蔵槽21を加熱・昇温するように構成(相互間が伝熱層hexを介して接続される構成)が採用されている。
As shown by the thick arrow in FIG. 1, the hydration reaction
アンモニア貯蔵槽21は、その内部に、アンモニアと錯体を形成して吸着するとともに、受熱して吸着状態にあるアンモニアを脱離するアンモニア貯蔵材料を収容する槽である。アンモニア貯蔵材料としては、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Fe化合物、ハロゲン化Co化合物及びハロゲン化Mg化合物から選択される一種以上を挙げることができる。例えば、塩化ストロンチウム(SrCl2)、塩化カルシウム(CaCl2)等を使用できる。
The
水和反応物貯蔵槽22は、その内部に、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物を収容する槽である。この種の酸化物は水wを供給されることにより発熱する。これら酸化物としては、酸化カルシウム(CaO)の他、酸化マグネシウム(MgO),硫酸カルシウム(CaSO4)等を挙げることができる。
The hydration reaction
アンモニア除去槽23は、その内部にアンモニアを除去可能なアンモニア除去剤を収容する槽である。この種のアンモニア除去剤としては、ニッケル(Ni),ルテニウム(Ru)等の金属触媒、ハロゲン化Ni化合物、ハロゲン化Mg化合物等を挙げることができる。前者はアンモニアを酸化分解する材料であり、後者はアンモニアを吸着除去する。これら酸化・吸着に際しても発熱する。
The
従って、本発明に係るアンモニア燃料供給装置201では、水和反応物貯蔵槽22での水和反応により、且つアンモニア除去槽23での酸化もしくは吸着反応により発生する熱で、アンモニア貯蔵槽21にあるアンモニア貯蔵材料が加熱され、アンモニアを分離・脱離する。
Therefore, in the ammonia
アンモニア貯蔵槽21の再生(アンモニア貯蔵材料にアンモニアを再吸着)は、貯蔵材料をアンモニアを吸着する所定の温度・圧力状態に戻し、別途設けられているアンモニア燃料充填サイト(図外)において、アンモニア貯蔵槽21に対して行うことができる。
Regeneration of the ammonia storage tank 21 (re-adsorbing ammonia to the ammonia storage material) returns the storage material to a predetermined temperature and pressure state for adsorbing ammonia, and at a separately provided ammonia fuel filling site (not shown), ammonia. This can be done for the
水和反応物貯蔵槽22の再生(酸化物の再生)は、水和反応物貯蔵槽22を開放状態で加熱することで、水wを放散して行う。
The regeneration of the hydration reaction product storage tank 22 (regeneration of oxides) is carried out by heating the hydration reaction
アンモニア除去槽23の再生に関しては、アンモニア除去剤が金属酸化触媒である場合は実質的な再生動作を必要とはしない。一方、アンモニア貯蔵材料の場合は加熱により当該貯蔵材料からアンモニアを分離・脱離させることで行うことができる。
Regarding the regeneration of the
以下、燃料電池装置1とアンモニア燃料供給装置201を成す各槽21、22、23との接続関係について説明する。
燃料電池装置1とアンモニア貯蔵槽21とは燃料供給路L1を介して接続され、アンモニア貯蔵槽21から送り出されるアンモニアamが燃料fとして燃料電池装置1に供給される。
Hereinafter, the connection relationship between the
The
発電に伴って発生するオフガスogが流れるオフガス路L2には、オフガスogを気液分離する気液分離装置32が備えられ、この気液分離装置32で分離された水wを貯蔵する水貯蔵槽33が備えられている。この水貯蔵槽33には、適宜、貯蔵される水wの量を確保するために、別途、図1に矢印で示すように、水wが補給可能とされている。
The off-gas passage L2 through which the off-gas og generated by power generation flows is provided with a gas-
この水貯蔵槽33から適宜必要に応じて、例えば、発電始動時に、水和反応物貯蔵槽22に水wを導く水和反応用水導入路L3が備えられている。従って、このアンモニア燃料発電システム101では、発電により生成される水wを、アンモニアの供給に使用する。
If necessary, the
気液分離装置32で分離されたガスog2をアンモニア除去槽23に導くガス導入路L4も備えられている。結果、このアンモニア燃料発電システム101では、発電により発生するオフガスogにアンモニアamが含まれていた場合に、このアンモニアamも燃料fの供給に利用する。
A gas introduction path L4 for guiding the gas og2 separated by the gas-
このアンモニア除去槽23でアンモニアフリーとされた排ガスexgは、そのまま排出することができる。
The exhaust gas exg made ammonia-free in the
以上が、アンモニア燃料発電システム101の構成であるが、アンモニア燃料供給装置201は、以下の構成となっている。
アンモニアと錯体を形成して吸着するとともに、受熱して前記吸着状態にあるアンモニアを脱離するアンモニア貯蔵材料を収容するアンモニア貯蔵槽21と、
アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物を収容する水和反応物貯蔵槽22と、
アンモニアを酸化若しくは吸着除去するアンモニア除去剤を収容するアンモニア除去槽23とを備え、
水和反応物貯蔵槽22及びアンモニア除去槽23をアンモニア貯蔵槽21に伝熱可能に備え、
アンモニア貯蔵槽21から放出されるアンモニアを燃料fとして供給する燃料供給路L1と、水和反応物貯蔵槽22に水wを導く水和反応用水導入路L3と、アンモニアamを含むことがあるアンモニア含有ガス(本実施形態の場合、気液分離装置32で水を分離された、燃料電池装置1のオフガスog2)をアンモニア除去槽23に導くガス導入路L4とを備える。
The above is the configuration of the ammonia fuel
An
A hydration
The hydration reaction
A fuel supply path L1 that supplies ammonia released from the
以上説明したアンモニア燃料発電システム100を車載用とする場合の構成を図2に示した。
同図からも判明するように、比較的簡易な構成で、補助電源等として本発明に係るシステムを採用することができることが判る。
FIG. 2 shows a configuration when the ammonia fuel power generation system 100 described above is used for an in-vehicle use.
As can be seen from the figure, it can be seen that the system according to the present invention can be adopted as an auxiliary power source or the like with a relatively simple configuration.
〔第2実施形態〕
この実施形態のアンモニア燃料発電システム102及びアンモニア燃料供給装置202の構成を図3に示した。同図に関して、第1実施形態と同じ箇所は説明を省略する。
この実施形態の特徴は、燃料電池装置1が陰イオン交換膜形燃料電池とされている点及び、アンモニア燃料供給装置202に炭酸化反応物貯蔵槽24が追加されている点にある。
[Second Embodiment]
The configuration of the ammonia fuel
The features of this embodiment are that the
陰イオン交換膜形燃料電池は、陰イオン交換膜1dと、この陰イオン交換膜1dの一方の側にアノード電極1eを、他方の側にカソード電極1fを備えて構成され、先に説明した固体電解質形燃料電池と同様に、燃料fとして供給されるアンモニアにより発電する直接アンモニア燃料電池である。 The anion exchange membrane type fuel cell is composed of an anion exchange membrane 1d, an anode electrode 1e on one side of the anion exchange membrane 1d, and a cathode electrode 1f on the other side, and is a solid described above. Similar to the electrolyte fuel cell, it is a direct ammonia fuel cell that generates power from ammonia supplied as fuel f.
陰イオン交換膜1dの材料は、所謂、陰イオン伝導性を有する炭化水素系高分子材料であり、具体的には、4級アンモニウム塩基やピリジニウム塩基をイオン交換基として有する塩基性の高分子膜等が使用される。 The material of the anion exchange film 1d is a so-called hydrocarbon-based polymer material having anion conductivity, and specifically, a basic polymer film having a quaternary ammonium base or a pyridinium base as an ion exchange group. Etc. are used.
アノード電極1eは、良く知られているように、陰イオン伝導性高分子とアノード電極触媒により構成される。アノード電極触媒としては,具体的には、炭素材料にPt,Ru,Pt−Ruを担持させた触媒が採用される。
カソード電極1fも、陰イオン伝導性高分子とカソード電極触媒により形成される。
As is well known, the anode electrode 1e is composed of an anionic conductive polymer and an anode electrode catalyst. Specifically, as the anode electrode catalyst, a catalyst in which Pt, Ru, and Pt-Ru are supported on a carbon material is adopted.
The cathode electrode 1f is also formed by an anion conductive polymer and a cathode electrode catalyst.
カソード電極触媒としては、具体的には、炭素材料にPtを担持させた触媒とされる。 Specifically, the cathode electrode catalyst is a catalyst in which Pt is supported on a carbon material.
発電においては、アノード電極1eに燃料としてのアンモニアが供給され、カソード電極1fに酸化剤としての酸化剤ガスocg(空気)が供給される。 In power generation, ammonia as a fuel is supplied to the anode electrode 1e, and oxidant gas ocg (air) as an oxidant is supplied to the cathode electrode 1f.
図3からも明らかなように、このアンモニア燃料発電システム102では、燃料電池装置1で発生する電池反応に関して、その酸化剤として働くガスocg(例えば空気で、本発明では「酸化剤ガス」)を二酸化炭素が除去されたCO2フリーガスとして供給する。
このように炭酸化反応物貯蔵槽24を設ける理由は、陰イオン交換膜形燃料電池は二酸化炭素による被毒に弱いという点にある。
As is clear from FIG. 3, in this ammonia fuel
The reason for providing the carbonation reaction
この炭酸化反応物貯蔵槽24もアンモニア貯蔵槽21と熱的に接続されており、二酸化炭素(CO2)の吸着・除去に伴って発生する熱を燃料としてのアンモニアamの供給に利用する。
The carbonation reaction
炭酸化反応物貯蔵槽24は、その内部に、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物が収容され、空気といった酸素を含有する酸化剤ガスocgから当該酸化剤ガスocgに含まれる二酸化炭素を炭酸塩として除去する。これら酸化物としては、酸化カルシウム(CaO)の他、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ストロンチウム(SrO)等を挙げることができる。
The carbonated reaction
この炭酸化反応物貯蔵槽24の再生に関しても、この槽24を開放状態で加熱することで再生を完了することができる。
Regarding the regeneration of the carbonation reaction
先に説明した水和反応物除去槽22との関係においては、それら槽22,24間で、内部に収容する物質は同一であってもよいし、種類・性状の異なるものであっても良い。
In relation to the hydration reaction
さて、この炭酸化反応物貯蔵槽24に備えるべきガス系統であるが、これは、二酸化炭素を含むことがある酸化剤ガスocgを炭酸化反応物貯蔵槽24に導入するとともに、当該炭酸化反応物貯蔵槽24から二酸化炭素を除去されて送り出されるCO2フリーガスが流れる酸化剤ガス処理路L5としておけばよい。
Now, regarding the gas system to be provided in the carbonation reaction
従って、第2実施形態のアンモニア燃料供給装置202は、先に第1実施形態で説明した構成に加えて、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物が収容され、酸化剤ガスocgから当該酸化剤ガスocgに含まれる二酸化炭素を炭酸塩として除去する炭酸化反応物貯蔵槽24をアンモニア貯蔵槽21に伝熱可能に備え、
二酸化炭素を含む酸化剤ガスを炭酸化反応物貯蔵槽24に流入するとともに、当該炭酸化反応物貯蔵槽24から二酸化炭素を除去されて送り出されるCO2フリーガスが流れる酸化剤ガス処理路L5を設けている。
Therefore, in addition to the configuration described above in the first embodiment, the ammonia
An oxidant gas treatment path L5 through which an oxidant gas containing carbon dioxide flows into the carbonation reaction
この第2実施形態においても、車載型とする場合、先に説明した図2の構成となる。 Also in this second embodiment, in the case of the vehicle-mounted type, the configuration shown in FIG. 2 described above is used.
〔第3実施形態〕
第1実施形態、第2実施形態は燃料電池装置1を異なった種類とする。
結果、燃料電池装置1が固体電解質形燃料電池である第1実施形態では、アンモニア貯蔵槽21、水和物反応貯蔵槽22、アンモニア除去槽23を備え、燃料供給路L1、水和反応用水導入路L3及びガス導入路L4を備えるのに対して、燃料電池装置1が陰イオン交換膜形燃料電池である第2実施形態では、炭酸化反応物貯蔵槽24を設け、この槽24に燃料電池装置1に酸化剤ガスocgを供給する酸化剤ガス路L5を追加する。
[Third Embodiment]
In the first embodiment and the second embodiment, the
As a result, in the first embodiment in which the
一方、これまでも説明してきたが、水和反応貯蔵槽22及び炭酸化反応物貯蔵槽24の内部に収納される物(材料)は、基本的にアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物とする。
On the other hand, as described above, the substances (materials) stored inside the hydration
また、燃料電池装置1を備えた本発明のようなアンモニア燃料発電システム101、102は、その搭載先、用途に従って、立ち上げ時間、電力供給量等に様々である。換言すると、第1実施形態のように固体電解質形燃料電池を選択しておくことが好ましい用途もあれば、第2実施形態のように陰イオン交換膜形燃料電池を選択すべきことが好ましい用途もある。この点、アンモニア燃料供給装置としてみた場合に、それぞれ専用の構成のものを持つことが必須となることは好ましくない。
Further, the ammonia fuel
このような所謂、共通化の要請に適うアンモニア燃料供給装置203が、第3実施形態であり、図4、図5に、その切換状態を示した。図4は、燃料電池装置1として固体電解質形燃料電池を使用する場合の切換状態を示し、図5に、陰イオン交換膜形燃料電池を使用する場合の切換状態を示した。
The ammonia
アンモニア燃料発電システム103の形態として第1、第2実施形態と同じ個所の説明は省略する。
The description of the same parts as those of the first and second embodiments as the embodiment of the ammonia fuel
アンモニア燃料供給装置203に関して、これまで説明してきた水和反応物貯蔵槽22及び炭酸化反応物貯蔵槽24を単に貯蔵槽25と呼んで、以下説明する。
Regarding the ammonia
アンモニア燃料供給装置203は、アンモニアと錯体を形成して吸着するとともに、受熱して前記吸着状態にあるアンモニアを脱離するアンモニア貯蔵材料を収容するアンモニア貯蔵槽21と、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物を収容する貯蔵槽25と、アンモニアを酸化若しくは吸着除去するアンモニア除去槽23とを備え、これら貯蔵槽25及びアンモニア除去槽23がアンモニア貯蔵槽21に伝熱可能に構成され、このアンモニア貯蔵槽21から放出されるアンモニアを燃料fとして供給する燃料供給路L1を備えている点で、これまで説明してきた構成と変わることはない。
The ammonia
さて、図4、図5に示すように、この実施形態では、貯蔵槽25として少なくとも第1貯蔵槽25a及び第2貯蔵槽25bとが備えられ、第1貯蔵槽25に水wを導く水和反応用水導入路を備えて、当該第1貯蔵槽25aを水和反応物貯蔵槽として構成している。
As shown in FIGS. 4 and 5, in this embodiment, at least the first storage tank 25a and the
一方、第2貯蔵槽25bに関しては、この槽25bに水wを導く水和反応用水導入路と、二酸化炭素を含む酸化剤ガスocgを導き、当該第2貯蔵槽25bから二酸化炭素を除去されて送り出されるCO2フリーガスが流れる酸化剤ガス処理路とを切換る切換弁機構Vを設けている。
On the other hand, regarding the
図4は、第1実施形態で示したと同様に、燃料電池装置1として固体電解質形燃料電池を採用し、第1、第2貯蔵槽25a,25bの両方に水を供給している状態である。この使用形態は、第2貯蔵槽25bも水和反応物貯蔵槽22として使用する。
FIG. 4 shows a state in which a solid electrolyte fuel cell is adopted as the
図5は、第2実施形態で示したと同様に、燃料電池装置として陰イオン交換膜形燃料電池を採用し、第1貯蔵槽25aに水wを供給し、第2貯蔵槽25bに酸化剤用ガocgスを導入している状態である。
この使用形態では、第2貯蔵槽25bを炭酸化反応物貯蔵槽24として使用することができる。
FIG. 5 shows that an anion exchange membrane fuel cell is adopted as the fuel cell device, water w is supplied to the first storage tank 25a, and the
In this mode of use, the
結果、第2貯蔵槽25bに繋がる導入路L2,L5の切換により、同一のアンモニア燃料供給装置203を、その設置時等に行う切換等の操作により共通して使用することができる。
As a result, by switching the introduction paths L2 and L5 connected to the
〔第4実施形態〕
これまで説明してきた実施形態は、燃料電池装置1、アンモニア燃料供給装置201,202、203及び気液分離装置32と水貯蔵槽33を組み合わせてアンモニア燃料発電システム101.102、103を実現している。
[Fourth Embodiment]
In the embodiments described so far, the
ここで、燃料電池装置1は基本的に発電に伴い発熱する熱源であり、燃料電池装置1から排出されるオフガスogは利用可能な熱を保有している。
例えば、燃料電池装置1が固体電解質形燃料電池の場合、オフガスogは500℃程度あり、水蒸気を含んでいることから、オフガスogの保有する顕熱及び潜熱を利用することが好ましい。このような熱を燃料fとしてのアンモニアamの供給に使用しようとするのが第4実施形態である。この実施形態のシステム構成を図6に示した。
Here, the
For example, when the
図1に示した第1実施形態との比較で説明すると、この実施形態には以下の構成が加わる。即ち、尿素水uwを貯蔵する尿素水貯蔵槽40と、この尿素水貯蔵槽40から尿素水uwの供給を受けるとともに、加熱されて尿素水uwを加水分解する加水分解反応槽41とを備え、さらに、燃料電池装置1から放出されるオフガスogによりこの加水分解反応槽41を加熱する加熱手段Hを備えている。
Explaining by comparison with the first embodiment shown in FIG. 1, the following configuration is added to this embodiment. That is, it is provided with a urea
この構成で、加水分解反応槽41は、尿素水貯蔵槽40から常温の尿素((NH2)2CO)と水(H2O)との混合物((NH2)2CO+H2O)として受取り、加熱手段Hを設けていることにより、オフガスogから受熱してアンモニア(NH3)と二酸化炭素(CO2)とに加水分解する分解装置となっている。この加水分解反応槽41の温度は、尿素水の加水分解を良好に維持できる温度(200℃程度)に維持する。この構成では、オフガスogに含まれる水蒸気の温度を有効に低下させることができる。
With this configuration, the
この加水分解反応槽41で加水分解により生成されたアンモニアamを燃料fとして燃料電池装置1に送る燃料供給路L1に接続する尿素側燃料供給路L6を設けている。結果、この構成では、尿素水uwからアンモニアamを得て、燃料電池装置1に供給できる。
A urea-side fuel supply path L6 is provided which connects the ammonia am generated by hydrolysis in the
以上の説明では、尿素の加水分解に利用する水は、尿素水貯蔵槽40に貯蔵された尿素水uwに含まれる水wとするが、図6に二点鎖線で示すように、本アンモニア燃料電池システム104を構成する気液分離装置32で分離された水wを尿素水貯蔵槽40もしくは加水分解反応槽41に供給する加水分解用水供給路L7を設けてもよい。図示は、水wを加水分解反応槽41に供給する場合の例である。このようにすると尿素水貯蔵槽40の容量を低下することができる。
In the above description, the water used for the hydrolysis of urea is the water w contained in the urea water uw stored in the urea
このアンモニア燃料発電システム104では、燃料電池装置1から出る比較的高温の熱を尿素水uwの加水分解に利用でき、気液分離装置32の負荷を低減することができる。従って、このアンモニア燃料発電システム204では、燃料としてのアンモニアの貯蔵・供給を、尿素水uwからも可能となる。
In the ammonia fuel
そして、このアンモニア燃料供給装置204は、図7に示すように、炭化水素CHを燃料とするエンジンEを備えるハイブリッド構成の車において、この排熱(中抜き矢印で示す)を燃料電池装置1の運転に使用するシステムで有効に利用することができる。
Then, as shown in FIG. 7, the ammonia
〔尿素水のみを燃料としてのアンモニアの供給に使用するシステム〕
図6に示す第4実施形態では、高温作動の固体電解質形燃料電池から排出されるオフガスogの保有する熱を利用して、尿素水uwからも燃料としてのアンモニアを燃料電池装置1に供給する例に関して説明した。
[System that uses only urea water to supply ammonia as fuel]
In the fourth embodiment shown in FIG. 6, the heat possessed by the off-gas og discharged from the high-temperature operating solid electrolyte fuel cell is used to supply ammonia as a fuel from the urea water uwa to the
図7に示したように、炭化水素CHを燃料とするエンジンEから排出される排ガスの保有する熱を利用して、上述の固体電解質形燃料電池を運転する場合、その始動を迅速なものとできるが、このシステムにおいては、燃料電池装置1のオフガスogとともに排出される熱も大きくなる場合も起こる。例えば、燃料電池装置1の周囲環境温度条件は夏・冬が異なるため、エンジン排ガスの保有する熱を燃料電池装置1だけで有効利用できるとは限らない。
As shown in FIG. 7, when the above-mentioned solid electrolyte fuel cell is operated by utilizing the heat possessed by the exhaust gas discharged from the engine E using the hydrocarbon CH as fuel, the start-up is quick. However, in this system, the heat discharged together with the off-gas og of the
図8に示す構成は、図7に示したように、炭化水素CHで運転されるエンジンEと、燃料電池装置1(具体的にはアンモニアを直接燃料とする固体電解質形燃料電池)とを備え、エンジンEの排熱を燃料電池装置1の運転に使用するシステムにおいて、尿素水uwから燃料電池装置1の燃料を得る構成である。
As shown in FIG. 7, the configuration shown in FIG. 8 includes an engine E operated by a hydrocarbon CH and a fuel cell device 1 (specifically, a solid electrolyte fuel cell that directly uses ammonia as fuel). In a system in which the exhaust heat of the engine E is used for the operation of the
この例でも、尿素水貯蔵槽40、加水分解反応槽41を備え、燃料電池装置1のオフガスogにより加水分解反応槽41を加熱する。気液分離装置32、水貯蔵槽33を備える点は同様であり、水貯蔵槽33から加水分解反応槽41に水wを加水分解用水供給路L8を介して供給する。無論、先に二点鎖線で示したように、気液分離槽32から直接加水分解反応槽41に導いてもよい。
In this example as well, the urea
この構成のアンモニア燃料発電システムを301で示し、対応するアンモニア燃料供給装置を401で示した。 The ammonia fuel power generation system of this configuration is indicated by 301, and the corresponding ammonia fuel supply device is indicated by 401.
このシステム301でも、エンジンEの排熱を有効に燃料電池装置1の運転に使用し、さらに、利用されることなく捨てられがちな熱を燃料電池装置1に対する燃料供給に有効利用できる。システム構成はコンパクト且つ簡易となり、信頼性の高いものとできる。
Also in this
〔実施例〕
上記の第1実施形態に沿って、実際に車載用に採用する場合を検討した。
1. 走行距離を200km延長するために必要な燃料としてのアンモニア必要量は12.53m3N=9.55kgとなる。
このアンモニア必要量は、現行の燃料電池車において、走行距離を同距離延長するのに必要とされる水素量に対応したアンモニア量である。
2.アンモニア貯蔵材料
アンモニア貯蔵材料を塩化ストロンチウムとする場合の必要量は23.6kgとなる。
3.水和反応物
水和反応物を酸化カルシウムとする場合における、塩化ストロンチウムからアンモニアを脱離させるために必要量は14.9kgとなる。伝熱層hexでの熱効率を80%としている。
4.炭酸化反応物
空気中の二酸化炭素を除去するため酸化カルシウムを採用する場合、200km走行に関して、燃料電池としての水素必要量20m3Nに対して必要酸素量が20m3N(空気利用率を50%とする)となり、対応する二酸化炭素量は0.5m3Nとなる。
結果、酸化カルシウムの量は1.25kgとなり、充分コンパクトである。
さらに、12.5kgの酸化カルシウムを充填すれば、1000走行が可能となる。
〔Example〕
In line with the above-mentioned first embodiment, a case where it is actually adopted for an in-vehicle use was examined.
1. 1. The required amount of ammonia as fuel required to extend the mileage by 200 km is 12.53 m 3 N = 9.55 kg.
This amount of ammonia required is the amount of ammonia corresponding to the amount of hydrogen required to extend the mileage by the same distance in the current fuel cell vehicle.
2. Ammonia storage material When the ammonia storage material is strontium chloride, the required amount is 23.6 kg.
3. 3. Hydration reaction product When the hydration reaction product is calcium oxide, the amount required to desorb ammonia from strontium chloride is 14.9 kg. The thermal efficiency of the heat transfer layer hex is set to 80%.
4. Carbonation reaction product When calcium oxide is used to remove carbon dioxide in the air, the required oxygen amount is 20 m 3 N (air utilization rate is 50) for 200 m 3 N of hydrogen required as a fuel cell when traveling 200 km. %), And the corresponding amount of carbon dioxide is 0.5 m 3 N.
As a result, the amount of calcium oxide is 1.25 kg, which is sufficiently compact.
Further, if 12.5 kg of calcium oxide is filled, 1000 running is possible.
5.アンモニア除去剤
アンモニア除去槽の収納しておく除去剤を塩化ニッケル(NiCl2)とする場合、燃料電池装置1の燃料利用率を80%、空気利用率を50%、安全率を200%として、200km走行に必要な塩化ニッケルの量は380gとなり、充分コンパクトである。
5. Ammonia remover When the remover stored in the ammonia remover is nickel chloride (NiCl 2 ), the fuel utilization rate of the
〔別実施形態〕
(1)上記の実施形態では、水和反応物と炭酸化反応物の具体例として酸化カルシウムの例を示したが、水和反応物としては、その反応形態から酸化カルシウムと酸化マグネシウムが好ましく、炭酸化反応物としは、その反応形態から酸化カルシウムと酸化マグネシウムの組み合わせの他、酸化カルシウムと酸化ストロンチウムの組み合わせも実用的である。
[Another Embodiment]
(1) In the above embodiment, an example of calcium oxide is shown as a specific example of the hydration reaction product and the carbonation reaction product, but as the hydration reaction product, calcium oxide and magnesium oxide are preferable from the reaction form. As the carbonated reaction product, in addition to the combination of calcium oxide and magnesium oxide, the combination of calcium oxide and strontium oxide is also practical because of its reaction form.
1 燃料電池装置(固体電解質形燃料電池・陰イオン交換膜形燃料電池)
2 パワーコンディショナー
3 蓄電池
4 電動機
21 アンモニア貯蔵槽
22 水和反応物貯蔵槽
23 アンモニア除去槽
24 炭酸化反応物貯蔵槽
25 貯蔵槽
25a 第1貯蔵槽(水和反応物貯蔵槽)
25b 第2貯蔵槽(水和反応物貯蔵槽・炭酸化反応物貯蔵槽)
32 気液分離装置
33 水貯蔵槽
40 尿素水貯蔵槽
41 加水分解反応槽
101 アンモニア燃料発電システム
102 アンモニア燃料発電システム
103 アンモニア燃料発電システム
104 アンモニア燃料発電システム
201 アンモニア燃料供給装置
202 アンモニア燃料供給装置
203 アンモニア燃料供給装置
204 アンモニア燃料供給装置
exg 排ガス
f 燃料
hex 伝熱層
ocg 酸化剤ガス
og オフガス
og2 オフガス
w 水
E エンジン
H 加熱手段
V 切換弁機構
1 Fuel cell device (solid electrolyte fuel cell, anion exchange membrane fuel cell)
2 Power conditioner 3 Storage battery 4
25b Second storage tank (hydration reaction product storage tank / carbonation reaction product storage tank)
32 Gas-
Claims (9)
アンモニアと錯体を形成して吸着するとともに、受熱して吸着状態にあるアンモニアを脱離するアンモニア貯蔵材料を収容するアンモニア貯蔵槽と、
アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物を収容する水和反応物貯蔵槽と、
アンモニアを酸化若しくは吸着除去するアンモニア除去槽とを備え、
前記水和反応物貯蔵槽及び前記アンモニア除去槽が前記アンモニア貯蔵槽に伝熱可能に接続され、
前記アンモニア貯蔵槽から放出されるアンモニアを燃料として前記燃料電池装置に供給する燃料供給路を備え、
前記燃料電池装置から放出されるオフガスを気液分離する気液分離装置と、前記気液分離装置で分離された水を貯蔵する水貯蔵槽を備え、
前記水貯蔵槽から前記水和反応物貯蔵槽に水を導く水和反応用水導入路が備えられるとともに、前記気液分離装置で分離されたガスを前記アンモニア除去槽に導くガス導入路を備えたアンモニア燃料発電システム。 A fuel cell device that generates electricity by receiving the supply of ammonia,
With adsorbed by forming complexes with ammonia, the ammonia storage tank housing the ammonia storage material capable of leaving the ammonia in the adsorption state by heat,
A hydration reaction storage tank containing oxides of alkali metals and / or alkaline earth metals, and
Equipped with an ammonia removal tank that oxidizes or adsorbs and removes ammonia
The hydration reaction storage tank and the ammonia removal tank are connected to the ammonia storage tank so as to be heat transferable.
A fuel supply path for supplying the ammonia released from the ammonia storage tank as fuel to the fuel cell device is provided.
It is provided with a gas-liquid separation device for gas-liquid separation of off-gas released from the fuel cell device, and a water storage tank for storing the water separated by the gas-liquid separation device.
A water introduction path for hydration reaction for guiding water from the water storage tank to the hydration reaction product storage tank is provided, and a gas introduction path for guiding the gas separated by the gas-liquid separation device to the ammonia removal tank is provided. Ammonia fuel power generation system.
前記固体電解質形燃料電池に燃料として供給されるアンモニアにより発電する直接アンモニア燃料電池である請求項1記載のアンモニア燃料発電システム。 The fuel cell device includes a solid electrolyte and a solid electrolyte fuel cell having an anode electrode on one side of the solid electrolyte and a cathode electrode on the other side.
The ammonia fuel power generation system according to claim 1, which is a direct ammonia fuel cell that generates electricity from ammonia supplied as fuel to the solid electrolyte fuel cell.
前記尿素水貯蔵槽から前記尿素水の供給を受けるとともに、加熱されて前記尿素水を加水分解する加水分解反応槽とを備え、
前記燃料電池装置から放出されるオフガスにより前記加水分解反応槽を加熱する加熱手段を備えた請求項2のアンモニア燃料発電システム。 Urea water storage tank for storing urea water and
It is provided with a hydrolysis reaction tank that receives the urea water supply from the urea water storage tank and is heated to hydrolyze the urea water.
The ammonia fuel power generation system according to claim 2, further comprising a heating means for heating the hydrolysis reaction tank with off-gas released from the fuel cell device.
アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物を収容する水和反応物貯蔵槽と、
アンモニアを酸化若しくは吸着除去するアンモニア除去槽とを備え、
前記水和反応物貯蔵槽及び前記アンモニア除去槽を前記アンモニア貯蔵槽に伝熱可能に備え、
前記アンモニア貯蔵槽から放出されるアンモニアを燃料として供給する燃料供給路と、
前記水和反応物貯蔵槽に水を導く水和反応用水導入路と、
アンモニアを含むアンモニア含有ガスを前記アンモニア除去槽に導くガス導入路とを備えたアンモニア燃料供給装置。 With adsorbed by forming complexes with ammonia, the ammonia storage tank housing the ammonia storage material capable of leaving the ammonia in the adsorption state by heat,
A hydration reaction storage tank containing oxides of alkali metals and / or alkaline earth metals, and
Equipped with an ammonia removal tank that oxidizes or adsorbs and removes ammonia
The hydration reaction storage tank and the ammonia removal tank are provided so as to transfer heat to the ammonia storage tank.
A fuel supply path that supplies ammonia released from the ammonia storage tank as fuel, and
A water introduction path for hydration reaction that guides water to the hydration reaction storage tank,
An ammonia fuel supply device including a gas introduction path for guiding an ammonia-containing gas containing ammonia to the ammonia removal tank.
二酸化炭素を含む酸化剤ガスを前記炭酸化反応物貯蔵槽に導入するとともに、当該炭酸化反応物貯蔵槽から前記二酸化炭素を除去されて送り出されるCO2フリーガスが流れる酸化剤ガス処理路を設けた請求項7記載のアンモニア燃料供給装置。 A carbonated reaction product storage tank in which an alkali metal, an alkaline earth metal, or both oxides are contained and the carbon dioxide contained in the oxidant gas is removed as a carbonate from the oxidant gas is transmitted to the ammonia storage tank. To prepare for heating
An oxidant gas containing carbon dioxide is introduced into the carbonation reaction product storage tank, and an oxidant gas treatment path through which the CO 2 free gas sent out after removing the carbon dioxide from the carbonation reaction product storage tank flows is provided. The ammonia fuel supply device according to claim 7.
アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属あるいはそれらの両方の酸化物を収容する貯蔵槽と、
アンモニアを酸化若しくは吸着除去するアンモニア除去槽とを備え、
前記貯蔵槽及び前記アンモニア除去槽を前記アンモニア貯蔵槽に伝熱可能に備え、
前記アンモニア貯蔵槽から放出されるアンモニアを燃料として供給する燃料供給路として備え、
前記貯蔵槽として少なくとも第1貯蔵槽及び第2貯蔵槽とを備え、
前記第1貯蔵槽に水を導く水和反応用水導入路を備えて、当該第1貯蔵槽が水和反応物貯蔵槽として構成されるとともに、
前記第2貯蔵槽に、水を導く水和反応用水導入路と、二酸化炭素を含む酸化剤ガスを導き、当該第2貯蔵槽から前記二酸化炭素を除去されて送り出されるCO2フリーガスが流れる酸化剤ガス処理路とを切換可能に設けたアンモニア燃料供給装置。
With adsorbed by forming complexes with ammonia, the ammonia storage tank housing the ammonia storage material capable of leaving the ammonia in the adsorption state by heat,
A storage tank containing oxides of alkali metals and / or alkaline earth metals, and
Equipped with an ammonia removal tank that oxidizes or adsorbs and removes ammonia
The storage tank and the ammonia removal tank are provided so that heat can be transferred to the ammonia storage tank.
Provided as a fuel supply channel for supplying the ammonia released from the ammonia storage tank as fuel.
The storage tank is provided with at least a first storage tank and a second storage tank.
The first storage tank is provided with a water introduction path for hydration reaction to guide water, and the first storage tank is configured as a hydration reaction product storage tank.
Oxidation in which a water introduction path for a hydration reaction that guides water and an oxidant gas containing carbon dioxide are guided to the second storage tank, and the CO 2 free gas that is sent out after removing the carbon dioxide from the second storage tank flows. An ammonia fuel supply device that can be switched from the agent gas treatment path.
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