JP7106930B2 - 沸騰冷却式バルブ、沸騰冷却式co2分離器、sofcシステム、soecシステム、及びr-socシステム - Google Patents
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Description
(a)固体酸化物型燃料電池の排ガス処理装置、
(b)水素を可逆的に吸蔵・放出するための水素貯蔵・供給装置、
(c)排熱を化学エネルギーとして蓄えるための化学蓄熱装置
などに応用されている。
しかしながら、反応材は、一般に、ガス成分の吸収・放出を繰り返すと、吸収・放出特性が劣化するという問題がある。
例えば、特許文献1には、リチウムシリケートを含む炭酸ガス吸収材を用いて炭酸ガスを可逆的に吸蔵・放出する場合において、炭酸リチウムを添加しながら炭酸ガスを放出させる方法が開示されている。
同文献には、
(a)リチウムオルトシリケートを含有する炭酸ガス吸収材にアルカリ炭酸塩を添加すると、炭酸ガスの吸収速度を高めることはできるが、炭酸リチウムとアルカリ炭酸塩が共晶を形成し、炭酸リチウムが溶出しやすくなる点、
(b)炭酸リチウムの溶出が炭酸ガスの吸収性能の劣化の一因となっている点、及び、
(c)炭酸リチウムを添加しながら炭酸ガスを放出させると、溶出した炭酸リチウムが補われるために炭酸ガス吸収材を良好に再生することが可能となる点、
が記載されている。
アノードオフガス循環式発電システムにおいて、循環ガス中の反応生成物(CO2、H2O)の濃度が増大すると、濃度分極の増加により発電起電力が低下する。そのため、循環ガス中の反応生成物の除去が必要となる。一方、循環ガスは、可燃成分に加えて、顕熱も持つ。そのため、アノードオフガスを循環させることにより、アノードオフガスの顕熱も再利用することができ、系外への放熱量が低減し、発電効率を向上させることが可能となる。
(a)CO2吸収材を備えた反応流路層にCO2を含むガスを供給し、CO2吸収材にCO2を吸収させる動作と、
(b)反応流路層にパージガスを供給し、CO2吸収材からCO2を放出させる動作と
が交互に繰り返される。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このような沸騰冷却式CO2分離器を用いたSOFCシステム、SOECシステム、及び、R-SOCシステムを提供することにある。
(1)前記沸騰冷却式バルブは、
ガスの流通経路を備えたハウジング部と、
シャフトに、前記流通経路の切り替えを行うためのバルブが接合されたバルブ部と、
前記ハウジング部のシール面(A)と、前記シール面(A)に着座する前記バルブのシール面(B)との間に挿入されたシール部材と、
前記シール部材を冷却するための沸騰冷却手段と、
前記シャフトの軸方向に沿って前記バルブ部を摺動させるための駆動手段と
を備えている。
(2)前記沸騰冷却手段は、
前記ハウジング部の前記シール面(A)の直下であって、前記シール部材との接触面の近傍に形成された沸騰冷却流路(A)と、
前記沸騰冷却流路(A)に水を供給し、かつ、前記沸騰冷却流路(A)から沸騰水を排出するための冷媒流路(A)と、
前記バルブの前記シール面(B)の直下であって、前記シール部材との接触面の近傍に形成された沸騰冷却流路(B)と、
前記沸騰冷却流路(B)に水を供給し、かつ、前記沸騰冷却流路(B)から沸騰水を排出するための冷媒流路(B)と、
を備えている。
(1)前記沸騰冷却式CO2分離器は、
CO2を吸収・放出するためのCO2吸収材を備えた反応流路層と、
熱交換媒体を流通させることにより、前記反応流路層と熱交換を行うための媒体流路層と、
前記反応流路層にCO2を含むガス又はパージガスのいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第1切替バルブと、
前記媒体流路層に第1熱交換媒体又は第2熱交換媒体のいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第2切替バルブと
を備えている。
(2)前記第1切替バルブ及び前記第2切替バルブは、それぞれ、本発明に係る沸騰冷却式バルブからなる。
(1)前記SOFCシステムは、
燃料から電力を生成する固体酸化物形燃料電池(SOFC)と、
前記SOFCのアノードオフガス(Aout)からCO2を分離するCO2分離器と、
前記CO2分離器のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器と、
前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記Boutを前記SOFCのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と
を備えている。
(2)前記CO2分離器は、本発明に係る沸騰冷却式CO2分離器からなる。
(1)前記SOECシステムは、
H2O及びCO2から合成ガスを生成させる固体酸化物形電解セル(SOEC)と、
前記SOECのカソードオフガス(A'out)からCO2を分離する第1CO2分離器と、
前記第1CO2分離器のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)から水蒸気の全部又は一部を分離するH2O分離器と、
CO2源から供給されるガスからCO2を分離し、分離されたCO2を前記SOECに供給する第2CO2分離器と、
前記SOECに電解用のH2Oを供給する蒸発器と、
前記SOECのカソードオフガス(A'out)に含まれる合成ガスから炭化水素を製造する燃料製造器と、
前記第1CO2分離器のパージ流路から排出される分離ガス(Cout)を前記SOECのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
を備えている。
(2)前記第1CO2分離器及び前記第2CO2分離器は、それぞれ、本発明に係る沸騰冷却式CO2分離器からなる。
(1)前記R-SOCシステムは、
燃料から電力を生成するSOFCモードと、H2O及びCO2から合成ガスを生成させるSOECモードとを切替可能なリバーシブルSOC(R-SOC)と、
前記R-SOCのオフガス(Aout又はA'out)からCO2を分離する第1CO2分離器と、
前記第1CO2分離器のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)から水蒸気の全部又は一部を分離するH2O分離器と、
前記Boutに含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器と、
前記R-SOCが前記SOECモードにある時に、CO2源から供給されるガスからCO2を分離し、分離されたCO2を前記R-SOCに供給する第2CO2分離器と、
前記R-SOCが前記SOECモードにある時に、前記R-SOCに電解用のH2Oを供給する蒸発器と、
前記R-SOCが前記SOECモードにある時に、前記R-SOCのオフガス(A'out)に含まれる合成ガスから炭化水素を製造し、貯蔵する燃料製造・貯蔵手段と、
前記R-SOCが前記SOECモードにある時に、前記第1CO2分離器のパージ流路から排出される分離ガス(Cout)を前記R-SOCのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
前記R-SOCが前記SOFCモードにある時に、前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記Boutを前記R-SOCのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と、
前記R-SOCが前記SOFCモードにある時に、貯蔵された前記炭化水素を前記R-SOCに供給する燃料供給手段と
を備えている。
(2)前記第1CO2分離器及び前記第2CO2分離器は、それぞれ、本発明に係る沸騰冷却式CO2分離器からなる。
また、シール面(A)及びシール面(B)の直下に、それぞれ、沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)を設けると、シール部材のみを選択的に冷却することができる。そのため、安価なシール部材を用いることができ、耐久性にも優れている。また、ガスの温度を過度に低下させることなく、ガスの流通・遮断を行うことができる。
[1. 沸騰冷却式バルブ(1)]
図1に、本発明の第1の実施の形態に係る沸騰冷却式バルブの側面断面図(図1(A))、及び正面断面図(図1(B))を示す。
ガスの流通経路を備えたハウジング部20と、
シャフト42に、前記流通経路の切り替えを行うためのバルブ(第1バルブ44、第2バルブ46)が接合されたバルブ部40と、
ハウジング部20のシール面(A)と、シール面(A)に着座するバルブ(第1バルブ44、第2バルブ46)のシール面(B)との間に挿入されたシール部材(第1シール部材52、第2シール部材54)と、
シール部材(第1シール部材52、第2シール部材54)を冷却するための沸騰冷却手段(図示せず)と、
シャフト42の軸方向に沿ってバルブ部40を摺動させるための駆動手段(図示せず)と
を備えている。
ハウジング部20は、シャフト42の軸方向に沿ってバルブ部40が摺動可能となるように、バルブ部40を収容するためのものである。ハウジング部20内には、ガスの流通経路が設けられており、バルブ部40をシャフト42の軸方向に沿って摺動させることにより、ガスの流通経路を開状態(ガスが流通している状態)又は閉状態(ガスの流通が遮断されている状態)のいずれか一方に切り替えることができる。
ハウジング部20は、1種類のガスの流通・遮断を行うものでも良く、あるいは、2種類のガスの流通・遮断を行うものでも良い。図1に示す例は、後者の例である。
第1ガスを導入又は排出するための第1室22と、
第2ガスを導入又は排出するための第2室24と、
第1室22と第2室24との間に設けられた、第1ガス又は第2ガスを排出又は導入するための第3室26と
を備えている。
同様に、第2室24と第3室26との間の第2隔壁30には第2貫通穴30aが設けられ、第2貫通穴30aの内表面又は周囲には第2シール面(A)が設けられている。
そのため、バルブ部40をシャフト42の軸方向に沿って摺動させると、
(a)第1室22から供給される第1ガス、又は第2室24から供給される第2ガスのいずれか一方を第3室26の開口部26aから排出し、あるいは、
(b)第3室26の開口部26aから供給される第1ガス又は第2ガスを、第1室22又は第2室24のいずれか一方に排出することができる。
バルブ部40は、ハウジング部20内にあるガスの流通経路を開状態又は閉状態のいずれか一方に切り替えるためのものである。バルブ部40を用いたガスの流通経路の遮断は、具体的には、バルブのシール面(B)をハウジング部のシール面(A)に着座させることにより行う。バルブ部40は、シャフト42に1個のバルブが接合されているものでも良く、あるいは、2個のバルブが接合されているものでも良い。図1に示す例は、後者の例である。
シャフト42と、
シャフト42に接合された、第1シール面(B)を備えた第1バルブ44と、
シャフト42に接合された、第2シール面(B)を備えた第2バルブ46と、
を備えている。
第1バルブ44は、シャフト42の先端に接合されている。第2バルブ46は、シャフト42の中間部であって、第1バルブ44よりもやや上方の位置に接合されている。
第1バルブ44の第1シール面(B)を第1隔壁28の第1シール面(A)に着座させると、第1バルブ44側が閉となり、第2バルブ46側が開となる。そのため、第2室24と第3室26との間で第2ガスを流通させることができる。
逆に、第2バルブ46の第2シール面(B)を第2隔壁30の第2シール面(A)に着座させると、第2バルブ46側が閉となり、第1バルブ44側が開となる。そのため、第1室22と第3室26との間で第1ガスを流通させることができる。
シール部材は、ガスの流通経路を遮断するためのものである。高温で使用することが可能なシール部材は、一般に高価である。また、耐熱性の高いシール部材であっても、高温において長期間連続使用すると耐久性が低下する。
これに対し、本発明においては、沸騰冷却手段を備えているため、シール部材の過度の温度上昇を抑制することができる。そのため、安価な材料(例えば、PEEK)からなるシール部材を使用することができる。また、シール部材を用いることによって、相対的に小さな駆動力でガスの流通経路の遮断を確実に行うことができる。
なお、図1において、第2シール部材54は、第2バルブ46の第2シール面(B)上に固定されているが、第2隔壁30の第2シール面(A)上に固定されていても良い。この点は、第1シール部材52も同様である。
「沸騰冷却手段」とは、高温に加熱された沸騰冷却流路に水を供給し、沸騰冷却流路内で水蒸気を含む熱水(沸騰水)を生成させ、沸騰水を沸騰冷却流路から排出することにより、沸騰冷却流路の近傍にある対象物を水冷時よりも高い熱伝達率により冷却するための手段をいう。
本発明において、沸騰冷却手段は、シール部材を冷却するために用いられる。バルブが閉状態にある場合、シール部材は、ハウジング部20のシール面(A)とバルブ部40のシール面(B)との間で狭持される。そのため、沸騰冷却手段は、ハウジング部20側及びバルブ部40側の双方に設けられている。また、シール部材が複数個ある場合には、沸騰冷却手段は、シール部材ごとに設けられる。
図1において、沸騰冷却式バルブ10aは、第1シール部材52及び第2シール部材54を備えているため、2組の沸騰冷却手段を備えている。
第1シール部材52の近傍に設けられたハウジング部20側の沸騰冷却手段は、
(a)第1隔壁28の第1シール面(A)の直下であって、第1シール部材52との接触面の近傍に形成された第1沸騰冷却流路(A)(図示せず)と、
(b)第1沸騰冷却流路(A)に水を供給し、かつ、第1沸騰冷却流路(A)から沸騰水を排出するための第1冷媒流路(A)(図示せず)と
を備えている。
第1隔壁28内には、第1冷媒流路(A)(図示せず)が形成されており、第1冷媒流路(A)を介して、第1沸騰冷却流路(A)への水の供給及び沸騰水の排出を行うようになっている。第1冷却流路(A)の構造は、このような機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。
(a)第1バルブ44の第1シール面(B)の直下であって、第1シール部材52との接触面の近傍に形成された第1沸騰冷却流路(B)(図示せず)と、
(b)第1沸騰冷却流路(B)に水を供給し、かつ、第1沸騰冷却流路(B)から沸騰水を排出するための第1冷媒流路(B)(図示せず)と、
を備えている。
第1冷媒流路(B)の構造としては、例えば、
(a)内管に水が流れ、外管に沸騰水が流れるように構成された2重管式構造、
(b)水が流れる流路と沸騰水が流れる流路とが独立しているU字管式構造、
などがある。
2重管式構造の場合、内管と外管の間に緻密なセラミックスからなる断熱材が挿入されているのが好ましい。
第2シール部材54の近傍に設けられたハウジング部20側の沸騰冷却手段は、
(a)第2隔壁30の第2シール面(A)の直下であって、第2シール部材524の接触面の近傍に形成された第2沸騰冷却流路(A)(図示せず)と、
(b)第2沸騰冷却流路(A)に水を供給し、かつ、第2沸騰冷却流路(A)から沸騰水を排出するためめの第2冷媒流路(A)(図示せず)と
を備えている。
(a)第2バルブ46の第2シール面(B)の直下であって、第2シール部材54との接触面の近傍に形成された第2沸騰冷却流路(B)(図示せず)と、
(b)第2沸騰冷却流路(B)に水を供給し、かつ、第2沸騰冷却流路(B)から沸騰水を排出するための第2冷媒流路(B)(図示せず)と、
を備えている。
また、第2冷媒流路(B)は、第1冷媒流路(B)と完全に独立していても良く、あるいは、第1冷媒流路(B)から分岐させたものでも良い。
「駆動手段」とは、バルブ部40をシャフト42の軸方向に沿って摺動させる手段をいう。駆動手段としては、例えば、
(a)モーターや圧縮空気を用いてシャフト42を機械的に摺動させる機械的駆動手段、
(b)蒸気の圧力を用いてシャフト42を摺動させる蒸気駆動手段
などがある。
蒸気駆動手段の詳細については、後述する。
ハウジング部20及びバルブ部40は、全体が金属製であっても良い。しかし、沸騰冷却流路の近傍にセラミックス製の断熱部を設けると、沸騰冷却式バルブ10aを通過するガスの温度を過度に低下させることなく、シール部材の温度を下げることができる。
図2に、断熱部を備えた沸騰冷却式バルブ10aの第1バルブ44近傍の拡大断面図(図2(A):バルブ開、図2(B):バルブ閉)を示す。なお、図示はしないが、第2バルブ46も同様の構成を備えているのが好ましい。また、図2においては、見やすくするために、シール部材の図示が省略されている。
第1シール面(A)及び第1沸騰冷却流路(A)32aが形成された金属製の受部32と、
受部32の底面及び側面に接合された、セラミックス製の断熱部(A)34と
を備えている。
また、第1バルブ44は、
第1シール面(B)及び第1沸騰冷却流路(B)48aが形成された金属製の傘部48と、
傘部48の底面に接合された、セラミックス製の断熱部(B)50と
を備えている。
図3に、本発明の第2の実施の形態に係る沸騰冷却式バルブの側面断面図(図3(A))、及び正面断面図(図3(B))を示す。
ガスの流通経路を備えたハウジング部20と、
シャフト42に、前記流通経路の切り替えを行うためのバルブ(第1バルブ44、第2バルブ46)が接合されたバルブ部40と、
ハウジング部20のシール面(A)と、シール面(A)に着座するバルブ(第1バルブ44、第2バルブ46)のシール面(B)との間に挿入されたシール部材(第1シール部材52、第2シール部材54)と、
シール部材(第1シール部材52、第2シール部材54)を冷却するための沸騰冷却手段(図示せず)と、
シャフト42の軸方向に沿ってバルブ部40を摺動させるための駆動手段60と
を備えている。
ハウジング部20、バルブ部40、シール部材(第1シール部材52、第2シール部材54)、及び沸騰冷却手段の詳細については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
本実施の形態において、駆動手段60は、バルブ部40の冷媒流路(B)から排出される沸騰水に含まれる水蒸気の圧力を用いてシャフト42を摺動させる蒸気駆動手段からなる。この点が、第1の実施の形態とは異なる。
ハウジング部20に隣接して設けられた蒸気バッファタンク62と、
シャフト42の基端に接合された、蒸気バッファタンク62内を摺動するピストン64と、
沸騰水をピストン64の一方の面側又は他方の面側に切り替えて排出することにより、ピストン64を摺動させる切替手段(第1開閉バルブV1~第4開閉バルブV4)と
を備えている。
ハウジング部20が所定の温度に維持されている状態で、第2シャフト72の冷媒流路(C)に水を供給すると、水がシャフト42の冷媒流路(B)(往路)を通って、第1バルブ44及び第2バルブ46の沸騰冷却流路(B)に供給される。沸騰冷却流路(B)で生成した沸騰水は、シャフト42の冷媒流路(B)(復路)を通って、ピストン64内の冷媒流路(D)に供給される。
[3.1. 構成]
図4に、本発明の第1の実施の形態に係る沸騰冷却式CO2分離器の平面図(図4(A))、及びB-B’線断面図(図4(B))を示す。
CO2を吸収・放出するためのCO2吸収材を備えた反応流路層82、82…と、
熱交換媒体を流通させることにより、反応流路層82、82…と熱交換を行うための媒体流路層84、84…と、
反応流路層82、82…にCO2を含むガス又はパージガスのいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第1切替バルブ86a、86bと、
媒体流路層84、84…に第1熱交換媒体又は第2熱交換媒体のいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第2切替バルブ88a、88bと
を備えている。
反応流路層82、82…と媒体流路層84、84…とは交互に積層されている。反応流路層82、82…の入口及び出口は、それぞれ、マニホールド90aの出口及びマニホールド90bの入口に接続されている。同様に、媒体流路層84、84…の入口及び出口は、それぞれ、マニホールド92aの出口及びマニホールド92bの入口に接続されている。
同様に、マニホールド92aの入口は第2切替バルブ88aの第3室26に接続され、マニホールド92の出口は第2切替バルブ88bの第3室26に接続されている。
第1切替バルブ86aのバルブ部40を摺動させると、第1切替バルブ86aの第1室22又は第2室24のいずれか一方を反応流路層82、82…の入口に接続することができる。また、第1切替バルブ86bのバルブ部40を摺動させると、反応流路層82、82…の出口を第1切替バルブ86bの第1室22又は第2室24のいずれか一方に接続することができる。そのため、反応流路層82、82…にCO2を含むガス(第1ガス)を流すと、CO2吸収材(図示せず)にCO2を吸収させることができる。一方、反応流路層82、82…にパージガス(第2ガス)を流すと、CO2吸収材からCO2を放出させることができる。
図5に、本発明の第2の実施の形態に係る沸騰冷却式CO2分離器の平面図(図5(A))、及びB-B’線断面図(図5(B))を示す。
CO2を吸収・放出するためのCO2吸収材を備えた反応流路層82、82…と、
熱交換媒体を流通させることにより、反応流路層82、82…と熱交換を行うための媒体流路層84、84…と、
反応流路層82、82…にCO2を含むガス又はパージガスのいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第1切替バルブ86c、86dと、
媒体流路層84、84…に第1熱交換媒体又は第2熱交換媒体のいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第2切替バルブ88c、88dと
を備えている。
[5.1. 構成]
図6に、本発明の第1の実施の形態に係るSOFCシステムの模式図を示す。図6において、SOFCシステム100aは、
燃料から電力を生成する固体酸化物形燃料電池(SOFC)102aと、
SOFC102aのアノードオフガス(以下、「Aout」ともいう)からCO2を分離するCO2分離器104と、
CO2分離器104のフィード流路から排出されるオフガス(以下、「Bout」ともいう)に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器106と、
水蒸気の全部又は一部が分離されたBoutをSOFC102aのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と
を備えている。
SOFC102aは、CH4、CO、H2などの燃料から電力を生成するためのものである。SOEC102aのアノード流路の入口は、エジェクタ110の出口に接続され、アノード流路の出口は、CO2分離器104のフィード流路の入口に接続されている。
CO2分離器104は、SOFC102aのアノードオフガス(Aout)からCO2を分離するためのものである。CO2分離器104のフィード流路の入口は、SOFC102aのアノード流路の出口に接続され、フィード流路の出口は、ガス管108の一端に接続されている。ガス管108の他端は、エジェクタ110の吸引側に接続されている。さらに、CO2分離器104のパージ流路の入口は、水蒸気供給源(図示せず)に接続されている。
凝縮器106は、CO2分離器104のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得るためのものである。凝縮器106は、ガス管108に対して並列に接続されている。そのため、Boutを任意の比率で凝縮器106に分配することができる。
エジェクタ110は、燃料をSOFC102aのアノード流路に供給するためのものである。エジェクタ110の駆動側の入口は、CH4などの燃料の供給源(図示せず)に接続されている。エジェクタ110の出口は、SOFC102aのアノード流路の入口に接続されている。さらに、エジェクタ110の吸引側は、ガス管108を介してCO2分離器104のフィード流路の出口に接続されている。図6に示す例において、アノードオフガス循環手段は、凝縮器106、ガス管108及びエジェクタ110により構成されている。
エジェクタ110を介して燃料をSOFC102aのアノード流路に供給し、カソード流路に空気を供給すると、SOFC102aから電力を取り出すことができる。アノードオフガス(Aout)は、CO2分離器104のフィード流路に送られ、CO2が除去される。CO2分離器104のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)の一部は、凝縮器106に分配され、Boutに含まれる水蒸気の一部が除去される。燃料としてCH4を用いる場合、CH4を水蒸気改質する必要があるため、Boutから水蒸気の一部が除去される。なお、燃料として水素を用いる場合には、Boutから水蒸気の全部を除去しても良い。
所定時間経過後に、図6の右下図に示すように、パージ流路とフィード流路を切り替えると、CO2の吸収と放出を連続的に行うことができる。
[6.1. 構成]
図7に、本発明の第2の実施の形態に係るSOFCシステムの模式図を示す。図7において、SOFCシステム100bは、
燃料から電力を生成する固体酸化物形燃料電池(SOFC)102aと、
SOFC102aのアノードオフガス(Aout)からCO2を分離するCO2分離器104と、
CO2分離器104のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器106と、
水蒸気の全部又は一部が分離されたBoutをSOFC102aのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と
を備えている。
沸騰冷却式バルブ10、10の出口は、蒸発器114の入口に接続されている。さらに、蒸発器114の出口は、調圧弁を介してCO2分離器104のパージ流路の入口に接続されている。
SOFC102aのアノードオフガス(Aout)は、CO2分離器104のフィード流路に送られ、CO2が除去される。CO2分離器104のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)の一部は、凝縮器106に分配され、Boutに含まれる水蒸気の全部又は一部が除去される。凝縮器106で分離された凝縮水は、液ポンプPにより沸騰冷却式バルブ10、10の沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)に供給される。沸騰冷却式バルブ10、10から排出される沸騰水は、蒸発器114に送られる。さらに、蒸発器114で生成した水蒸気は、CO2分離器104のパージガスとして用いられる。
所定時間経過後に、図7の右下図に示すように、パージ流路とフィード流路を切り替えると、CO2の吸収と放出を連続的に行うことができる。
[7.1. 構成]
図8に、本発明に係るSOECシステムの模式図を示す。図8において、SOECシステム100cは、
H2O及びCO2から合成ガスを生成させる固体酸化物形電解セル(SOEC)102bと、
SOEC102bのカソードオフガス(以下、「A'out」ともいう)からCO2を分離する第1CO2分離器104と、
第1CO2分離器104のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)から水蒸気の全部又は一部を分離するH2O分離器116と、
CO2源から供給されるガスからCO2を分離し、分離されたCO2をSOEC102bに供給する第2CO2分離器118と、
SOEC102bに電解用のH2Oを供給する蒸発器114a、114bと、
SOEC102bのカソードオフガス(A'out)に含まれる合成ガスから炭化水素を製造する燃料製造器120と、
第1CO2分離器104のパージ流路から排出される分離ガス(以下、「Cout」ともいう)をSOEC102bのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
を備えている。
SOEC102bは、H2O及びCO2を原料として、合成ガス(H2+CO)を製造するためのものである。SOEC102bは、使用方法が異なる以外は、SOFC102aと同一の構造を備えている。
SOEC102bのカソード流路の入口は、第2CO2分離器118のパージ流路の出口に接続されている。また、カソード流路の出口は、第1CO2分離器104のフィード流路の入口に接続されている。
第1CO2分離器104は、SOEC102bのカソードオフガスから未反応原料(CO2)を回収するためのものである。一方、第2CO2分離器118は、CO2源(例えば、自動車、工場など)から排出されるガスからCO2を分離し、SOEC102bに供給するためのものである。
第1CO2分離器104及び第2CO2分離器118は、いずれも、本発明に係る2個の沸騰冷却式CO2分離器(図示せず)が並列に接続されたものからなる。
第2CO2分離器118のフィード流路の入口は、CO2源(図示せず)に接続され、第2CO2分離器118のフィード流路の出口は、大気に開放されている。さらに、第2CO2分離器118のパージ流路の出口は、SOEC102bのカソード流路の入口に接続されている。
H2O分離器116は、第1CO2分離器104のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)から水蒸気の全部又は一部を分離するためのものである。分離されたH2Oは、第1CO2分離器104で回収されたCO2と共に、SOEC102bのカソード流路に戻される。
H2O分離器116のフィード流路の入口は、第1CO2分離器104のフィード流路の出口に接続され、H2O分離器116のフィード流路の出口は、燃料製造器120の入口に接続されている。さらに、H2O分離器116のパージ流路の出口は、蒸発器114aの入口に接続されている。
蒸発器114a、114bは、液ポンプPを介して水供給源(図示せず)から供給される水を蒸発させ、SOEC102bに電解用のH2Oを供給するためのものである。発生させたH2Oは、CO2のパージにも用いられる。
また、SOECシステム100cは、電解用のH2Oを沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)にそれぞれ供給する水供給手段(B)を備えている。すなわち、SOECシステム100cにおいて、水は、直接、蒸発器114a、114bには供給されず、沸騰冷却式CO2分離器(第1CO2分離器104、第2CO2分離器118)の沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)にそれぞれ供給される。蒸発器114a、114bには、沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)から排出される沸騰水が供給される。
同様に、第2CO2分離器104の沸騰冷却式バルブ10、10の入口は、液ポンプPを介して水供給源(図示せず)に接続されている。沸騰冷却式バルブ10、10の出口は、蒸発器114bの入口に接続されている。さらに、蒸発器114bの出口は、第2CO2分離器118のパージ流路の出口に接続されている。
燃料製造器120は、SOEC102bのカソードオフガス(A'out)に含まれる合成ガスから炭化水素を製造するためのものである。燃料製造器120の構造は、特に限定されるものではなく、公知の装置を用いることができる。
カソードオフガス循環手段は、第1CO2分離器104のパージ流路から排出される分離ガス(Cout)をSOEC102bのカソード流路に戻すための手段である。図8に示す例において、第1CO2分離器104のパージ流路の出口は、第2CO2分離器118を介して、SOEC102bのカソード流路の入口に接続されている。また、第1CO2分離器104では、H2O分離器116から排出される水蒸気を用いて、CO2のパージを行っている。そのため、本実施の形態において、カソードオフガス循環手段は、第1CO2分離器104、第2CO2分離器118、及びH2O分離器116、並びに、これらを繋ぐ配管により構成されていてる。
第2CO2分離器118のフィード流路にCO2を含むガスを供給する。これと同時に、蒸発器114bに水を供給し、水蒸気を発生させる。発生した水蒸気を第2CO2分離器118のパージ流路に流すと、パージ流路からH2OとCO2の混合ガスが排出される。
H2OとCO2の混合ガスをSOEC102bのカソード流路に供給し、電極間に電力を供給すると、H2OとCO2の共電解が起こる。その結果、SOEC102bのカソード流路から、H2とCOを含むカソードオフガス(A'out)が排出される。
また、H2O分離器116で分離されたH2Oは、蒸発器114aに送られる。蒸発器114aで発生させた水蒸気は、第1CO2分離器104に送られ、CO2のパージに用いられる。その結果、第1CO2分離器104のパージ流路から、CO2及びH2Oを含む混合ガスが排出される。得られた混合ガスは、蒸発器114b、及び第2CO2分離器118を通って、SOEC10bのカソード流路に戻される。
[8.1. 構成]
図9に、本発明に係るR-SOCシステムの模式図を示す。図9において、R-SOCシステム100dは、
燃料から電力を生成するSOFCモードと、H2O及びCO2から合成ガスを生成させるSOECモードとを切替可能なリバーシブルSOC(R-SOC)102cと、
R-SOC102cのオフガス(Aout又はA'out)からCO2を分離する第1CO2分離器104と、
第1CO2分離器104のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)から水蒸気の全部又は一部を分離するH2O分離器116と、
前記Boutに含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器106と、
R-SOC102cがSOECモードにある時に、CO2源から供給されるガスからCO2を分離し、分離されたCO2をR-SOC102cに供給する第2CO2分離器118と、
R-SOC102cがSOECモードにある時に、R-SOC102cに電解用のH2Oを供給する蒸発器114a、114bと、
R-SOC102cがSOECモードにある時に、R-SOC102cのオフガス(A'out)に含まれる合成ガスから炭化水素を製造し、貯蔵する燃料製造・貯蔵手段と、
R-SOC102cがSOECモードにある時に、第1CO2分離器104のパージ流路から排出される分離ガス(Cout)をR-SOC102cのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
R-SOC102cがSOFCモードにある時に、前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記BoutをR-SOC102cのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と、
R-SOC102cがSOFCモードにある時に、貯蔵された前記炭化水素をR-SOC102cに供給する燃料供給手段と
を備えている。
換言すれば、図9に示すR-SOCシステム100dは、図8に示すSOECシステム100cに対して、
(a)凝縮器106、
(b)エジェクタ110(アノードオフガス循環手段、燃料供給手段)、並びに、
(c)貯蔵タンク122、第1調圧器124、及び第2調圧器126(燃料製造・貯蔵手段、燃料供給手段)
が付加されたものからなる。
R-SOC102cは、燃料から電力を生成するSOFCモードと、H2O及びCO2から合成ガスを生成させるSOECモードとを切替可能なものからなる。R-SOC102cは、使用方法が異なる以外は、SOFC又はSOECと同一の構造を備えている。
第1CO2分離器104は、R-SOC102cのオフガス(SOFCモード時はアノードオフガス(Aout)、SOECモード時はカソードオフガス(A'out))からCO2を分離するためのものである。第2CO2分離器118は、R-SOC102cがSOECモードにある時に、CO2源から供給されるガスからCO2を分離し、分離されたCO2をR-SOC102cに供給するためのものである。
第1CO2分離器104及び第2CO2分離器118に関するその他の点については、図8に示すSOECシステム100cと同様であるので、説明を省略する。
H2O分離器116は、第1CO2分離器104のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)から水蒸気の全部又は一部を分離するためのものである。H2O分離器116のフィード流路の出口と燃料製造器120の入口との間には、第2三方弁V32が設けられている。第2三方弁V32は、R-SOC102cがSOFCモードにある時に、アノードオフガスをエジェクタ110の吸引側に戻すためのものであり、アノードオフガス循環手段の一部を構成する。
H2O分離器116に関するその他の点については、図8に示すSOECシステム100cと同様であるので、説明を省略する。
凝縮器106は、R-SOC102cがSOFCモードにある時に、Boutに含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得るために用いられる。得られた凝縮水は、第1開閉バルブV1及び液ポンプP1を介して、第1CO2分離器104の沸騰冷却バルブ10、10…に供給される。
すなわち、R-SOCシステム100dは、R-SOC102cがSOFCモードにある時に、凝縮器106で凝縮させた水を第1CO2分離器104(沸騰冷却式CO2分離器)の沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)にそれぞれ供給する水供給手段(A)を備えている。
凝縮器106に関するその他の点については、図7に示すSOFCシステム100bと同様であるので、説明を省略する。
蒸発器114a、114bは、液ポンプP2を介して水供給源(図示せず)から供給される水を蒸発させ、SOEC102bに電解用のH2Oを供給するためのものである。
また、R-SOCシステム100dは、電解用のH2Oを沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)にそれぞれ供給する水供給手段(B)を備えている。すなわち、R-SOCシステム100dにおいて、水は、直接、蒸発器114a、114bには供給されず、第1CO2分離器104、第2CO2分離器118(沸騰冷却式CO2分離器)の沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)にそれぞれ供給される。蒸発器114a、114bには、沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)から排出される沸騰水が供給される。
蒸発器114a、114bに関するその他の点については、図8に示すSOECシステム100cと同様であるので、説明を省略する。
貯蔵タンク112は、燃料製造器120で製造された炭化水素を貯蔵するためのものである。第1調圧器124は、燃料製造器120から排出されたガスを減圧又は昇圧するためのものである。また、第2調圧器126は、貯蔵タンク112から排出されたガスを昇圧又は減圧するためのものである。第1調圧器124と貯蔵タンク122の間には、第5開閉バルブV5が設けられている。また、第2調圧器126とエジェクタ110との間には、第4開閉バルブV4が設けられている。
エジェクタ110は、R-SOCシステム100dがSOFCモードにある時に、R-SOC100cに燃料を供給し、かつ、アノードオフガスを循環させるためのものである。エジェクタ110の出口は、第1三方弁V31を介してR-SOC102cのアノード流路に接続されている。また、第1三方弁V31の残りの入口は、第2CO2分離器118のパージ流路の出口に接続されている。
(a)R-SOCシステム100dがSOECモードにある時に、エジェクタ110をシステムから切り離すため、及び、
(b)R-SOCシステム100dがSOFCモードにある時に、第2CO2分離器118をシステムから切り離すため
に用いられる。
[8.2.1. SOFCモード]
SOFCモードで運転する場合、第1三方弁V31を介して、R-SOC102cとエジェクタ110とを接続する。また、第2開閉バルブV2を閉とし、H2O分離器116をシステムから切り離す。また、第2三方弁V32をエジェクタ110側に切り替えて、燃料製造器120をシステムから切り離す。さらに、第3三方弁を大気側に切り替えて、第2CO2分離器118をシステムから切り離す。この状態で、貯蔵タンク112からR-SOC102cに燃料を供給する。以下、図7に示すSOFCシステム100bと同様にして、発電を行う。
SOECモードで運転する場合、第1三方弁V31を介して、R-SOC102cと第2CO2分離器118とを接続する。また、第2開閉バルブV2を開とし、H2O分離器116をシステムに接続する。また、第2三方弁V32を燃料製造器120側に切り替える。さらに、第3三方弁V33を介して第1CO2分離器104と第2CO2分離器118とを接続する。以下、図8に示すSOECシステム100cと同様にして、H2OとCO2の共電解を行う。また、燃料製造器120において合成ガスから炭化水素を合成し、得られた炭化水素を貯蔵タンク122に貯蔵する。
[9.1. 沸騰冷却式CO2分離器]
[9.1.1. 反応流路層と媒体流路層との間の熱交換]
アノードオフガス循環式SOFCシステムでは、循環ガス中の生成物(CO2、H2O)の濃度が増大すると、濃度分極の増加により発電起電力が低下する。このため、循環ガス中の反応生成物の除去が必要となる。一方、ガス循環は、可燃成分の有効利用の他、オフガスの顕熱を再利用することができる。その結果、系外への放熱量が低減され、発電効率を向上させることが可能となる。そのためには、循環ガス中のCO2を高温で除去することが必要不可欠となる。
一方、反応流路層82側(第1切替バルブ86a、86b側)では、バルブ部40が下方向に移動し、第2室24と第3室26が接続される。その結果、反応流路層82には、アノードオフガスを流すことが可能となる。また、CO2吸収反応により温度が上昇した反応流路層82をカソードInガスにより冷却することができる。
一方、反応流路層82側(第1切替バルブ86a、86b側)では、バルブ部が上方向に移動し、第1室22と第3室26が接続される。その結果、反応流路層82にパージガスを流すことができる。また、媒体流路層84に供給されるカソードオフガスを熱源として、CO2放出反応が進行する。
沸騰冷却式バルブ10のシャフト42が2重管式流路構造であり、かつ、内管と外管との間に緻密なセラミックスからなる断熱材が挿入されている場合において、内管に冷却水を流し、外管に沸騰冷却後の沸騰水(沸点温度)を流すと、内管と外管の温度差を小さくすることができる。これにより、冷却水への入熱量が抑制され、冷却水が沸騰冷却流路へ到達するまでのクオリティ(=気化分の蒸発潜熱[W]/供給水全量の蒸発潜熱出力[W])の増加を抑制することができる。
本発明に係る沸騰冷却式バルブ10において、気密性の高いガスシールを得るために、バルブ部40とハウジング部20のシール面の間に高温耐熱性のシール部材52、54(例えば、PEEK材等、耐熱温度380℃)が挿入されている。また、シール面の近傍には沸騰冷却流路が設けられ、沸騰冷却流路内に冷却水を流せるようになっている。そのため、シール面とシール部材52、54との間の温度差を小さくすることができる。
バルブ簡易モデルによる沸騰冷却解析(FEM解析)により、バルブ44、46側のシール面の温度を699.5℃から275℃(PEEK製シール部材内部の最大温度)まで低減できることが分かった。一方、ハウジング部20のシール面の温度は、沸騰冷却効果により117.6℃まで低下することがわかった。これにより、バルブ閉時におけるシール部材52、54の高温接触を回避し、開閉サイクルの耐久性を向上することができる。
図3に示す沸騰冷却式バルブ10bは、ハウジング部20の上部に蒸気バッファタンク62が設けられ、蒸気バッファタンク62内にはピストン64が挿入され、ピストン64とバルブ部40のシャフト42とが連結されている。さらに、ピストン64の上面及び下面は、それぞれ、沸騰冷却流路の出口に連結している。このような構成を備えた沸騰冷却式バルブ10bにおいて、沸騰冷却流路から排出される沸騰水をピストン64の上面又は下面に排出すると、沸騰水に含まれる水蒸気の圧力によりバルブ44、46を開閉することができる。
また、バルブ部40のシャフト42及びハウジング部20からの熱伝導、並びに、高温ガス(700℃)からの熱伝導による入熱と、沸騰冷却流路(沸点温度)への放熱との熱バランスにより、シール面の温度をシール部材52、54の耐熱温度以下に制御することができる。その結果、バルブ44、46のシール性と耐久性の確保を両立させることができる。
図2に示すように、バルブ部40の傘部48及びハウジング部20の受部32を金属製とし、これに隣接してセラミックス製の断熱部50、34を設けると、熱伝導による容器からシール面への入熱を抑制することができる。金属製の傘部48及び受部32と断熱部50、34との間は、バルブ閉時において高い気密性が必要となる。セラミックス製の断熱部50、34の表面を緻密な金属膜によりメタライズ処理し、ろう材(Ni系ろう材、又はAg系ろう材)又は拡散接合により高い気密シールを行うことで、バルブ部40及びハウジング部20からの入熱と、バルブ44、46のシール面よりも上流からのガスの流入を遮断することが可能となる。
さらに、金属製の部材及びセラミックス製の部材に、線膨張係数の近い材料(金属:コバール(5.0×10-6/K)、セラミックス:マグネシア(4.7×10-6/K))を用いると、界面における熱膨張による変位差が抑制される。その結果、変位差に起因して発生するせん断応力が抑制され、ろう付け部のガスシール耐久性を確保することが可能となる。また、バルブ部40及びハウジング部20の断熱効果により、シャフト42やハウジング部20からの入熱量が抑制され、シール面近傍の沸騰冷却による低温領域を拡大することができる。
アノードオフガス循環式SOFCシステムでは、凝縮器により循環ガスから不要な水分を凝縮分離することにより、循環ガス中の水分量は改質に必要な水分量(Steam/Carbon比=2~3)に維持される。分離除去された液水は、液ポンプ・調圧弁により圧力・流量が制御され、冷却水として沸騰冷却流路に供給される。これにより、沸騰冷却温度を沸点温度に制御し、シール部材52、54の温度を耐熱温度以下に制御することができる。また、蒸気駆動バルブにおいては、シール圧力に必要な蒸気圧を確保することが可能となる。
カソードオフガス循環式SOECシステムでは、循環ガス中の生成物(CO、H2)の濃度が増大すると、濃度分極の増加によりSOEC電解電圧が増大する。このため、循環ガス中の反応生成物の除去が必要となる。一方、ガス循環は、原料成分の有効利用の他、オフガスの顕熱を再利用することができる。その結果、系外への放熱量が低減され、電解効率を向上させることが可能となる。そのためには、循環ガス中のCO2を高温で分離することが必要不可欠となる。
一方、電解用の原料であるH2Oは、まず第1CO2分離器104の沸騰冷却流路に送られ、沸騰冷却水として利用される。また、沸騰冷却流路から排出された沸騰水は、蒸発器114aに送られる。そのため、シール部材52、54の温度を耐熱温度以下に制御するだけでなく、電解用の水の蒸発潜熱を沸騰冷却流路から得ることができる。
図9に示すR-SOCシステム100dをSOFCモードで運転する場合、第1開閉バルブV1を開き、液ポンプP1を稼働させる。第2開閉バルブV2を閉じ、H2O分離器116はバイパス(H2O分離なし)とする。第1三方弁V31及び第2三方弁V32をエジェクタ110側に切り替え、第3三方弁V33を排気側に切り替える。また、第4開閉バルブV4を開き、第5開閉バルブV5を閉じて、燃料をR-SOC102cに供給する。
[1. 試験方法]
沸騰冷却効果(シール面の温度、及び蒸気圧力)をFEM熱解析により評価した。図10に、沸騰冷却効果の数値解析(FEM熱解析)に用いたバルブ簡易モデルを示す。なお、ガス温度は、700℃とした。また、評価は、
(a)沸騰冷却流路があるケースと、沸騰冷却流路がないケース、並びに、
(b)断熱部があるケースと、断熱部がないケース、
について行った。
[2.1. シール面の温度]
図11に、沸騰冷却流路がない場合(左図)及び沸騰冷却流路がある場合(右図)のバルブ部/ハウジング部のシール部材付近の温度を示す。図12に、沸騰冷却流路がある場合のバルブオープン時(左図)、及びバルブクローズ時(右図)のシール部材付近の温度を示す。さらに、図13に、バルブ部及びハウジング部に断熱部がない場合(左図)、及び断熱部がある場合(右図)のシール部材近傍の温度を示す。図11~図13より、以下のことが分かる。
(2)沸騰冷却を行った状態でバルブを閉じると、ハウジング部のシール面(A)の温度は124℃に上昇した。一方、バルブのシール面(B)の温度は、141℃まで低下した(図12参照)。
(3)バルブが開いている場合において、ハウジング部が金属製の受部とセラミックス製の断熱部を備えている時には、バルブ開時のシール面(A)の温度は、116℃に低下した。同様に、バルブが金属製の傘部とセラミックス製の断熱部とを備えている時には、バルブ開時のシール面(B)の温度は269℃まで低下した。
図14に、沸点温度と蒸気圧力との関係を示す。図15に、沸点、ハウジング部材のシール面(B)の表面温度、及びシール部材の温度の沸騰冷却蒸気圧力依存性を示す。図14及び図15より、以下のことが分かる。
(2)図15に示すように、沸騰冷却流路内の沸点温度の上昇に伴い、ハウジング部のシール面(A)の温度及びシール部材内部の最大温度も上昇する。しかし、蒸気圧力が5atmでも、シール部材内部の最大温度は、PEEK製シール部材の耐熱温度(380℃)未満に抑えることができた。すなわち、沸騰冷却式蒸気駆動バルブは、シール部材の温度を耐熱温度以下に制御しつつ、高いシール圧力を確保することができる。
[1. 試験方法]
沸騰冷却式CO2分離器を備えたSOFCシステム(図7)において、沸騰冷却式バルブの伝熱面積、最大流量、及び圧力損失をFEM熱解析により評価した。図16に、伝熱面積の数値解析(FEM熱解析)に用いたバルブ簡易モデルを示す。なお、沸騰冷却式バルブの温度は700℃とし、沸騰冷却式バルブの個数は8個とした。また、凝縮器のH2O分離速度は、440cc/minとした。
[2.1. 伝熱面積]
図17に、SOFCシステムにおけるバルブ流路直径と伝熱面積との関係を示す。
ここで、「バルブ流路直径D」とは、ハウジング部20の隔壁28、30に設けられた第1貫通穴28a、第2貫通穴30aの直径をいう(図2参照)。
「伝熱面積」とは、沸騰冷却流路における流路断面0.3×1(cm)×流路長14.4(cm)とする。
「許容伝熱面積」とは、沸騰熱伝達率10000W/m2/K、クオリティ≦10%を確保するために必要なバルブ1個当たりの伝熱面積の最大値(=104cm2)をいう。
図17より、以下のことが分かる。
図18に、SOFCのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す。図19に、SOFCのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す。図20に、SOFCのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す。図21に、SOFCのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す。図18~図21より、以下のことが分かる。
(2)カソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給する場合において、10%のクオリティを確保し、最大流速を音速以下とし、かつ、圧力損失を50Pa以下とするためには、バルブ流路直径を25mm以上にする必要がある。
[1. 試験方法]
FEM熱解析により、SOECシステムの伝熱面積、最大流量、及び圧力損失を評価した。図22に、伝熱面積の数値解析(FEM熱解析)に用いたバルブ簡易モデルを示す。なお、沸騰冷却式バルブの温度は700℃とし、沸騰冷却式バルブの個数は16個とした。また、電解用H2Oの供給速度は、1.9L/minとした。
[2.1. 伝熱面積]
図23に、SOECシステムにおけるバルブ流路直径と伝熱面積との関係を示す。ここで、「許容伝熱面積」とは、沸騰熱伝達率10000W/m2/K、クオリティ≦10%を確保するために許容されるバルブ1個当たりの伝熱面積の最大値(=220cm2)をいう。図23より、以下のことが分かる。
図24に、SOECのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す。図25に、SOECのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す。図26に、SOECのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す。図27に、SOECのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す。図24~図27より、以下のことが分かる。
(2)カソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給する場合において、10%のクオリティを確保し、最大流速を音速以下とし、かつ、圧力損失を50Pa以下とするためには、バルブ流路直径を15mm以上にする必要がある。
本発明に係る沸騰冷却式CO2分離器は、SOFCシステム、SOECシステム、及びR-SOCシステムのオフガスの処理に用いることができる。
本発明に係るSOFCシステム、SOECシステム、及びR-SOCシステムは、電力貯蔵システムとして用いることができる。
20 ハウジング部
40 バルブ部
42 シャフト
44、46 バルブ
52、54 シール部材
80、80’ 沸騰冷却式CO2分離器
100a、100b SOFCシステム
100c SOECシステム
100d R-SOCシステム
Claims (10)
- 以下の構成を備えた沸騰冷却式バルブ。
(1)前記沸騰冷却式バルブは、
ガスの流通経路を備えたハウジング部と、
シャフトに、前記流通経路の切り替えを行うためのバルブが接合されたバルブ部と、
前記ハウジング部のシール面(A)と、前記シール面(A)に着座する前記バルブのシール面(B)との間に挿入されたシール部材と、
前記シール部材を冷却するための沸騰冷却手段と、
前記シャフトの軸方向に沿って前記バルブ部を摺動させるための駆動手段と
を備えている。
(2)前記沸騰冷却手段は、
前記ハウジング部の前記シール面(A)の直下であって、前記シール部材との接触面の近傍に形成された沸騰冷却流路(A)と、
前記沸騰冷却流路(A)に水を供給し、かつ、前記沸騰冷却流路(A)から沸騰水を排出するための冷媒流路(A)と、
前記バルブの前記シール面(B)の直下であって、前記シール部材との接触面の近傍に形成された沸騰冷却流路(B)と、
前記沸騰冷却流路(B)に水を供給し、かつ、前記沸騰冷却流路(B)から沸騰水を排出するための冷媒流路(B)と、
を備えている。
(3)前記ハウジング部は、
第1ガスを導入又は排出するための第1室と、
第2ガスを導入又は排出するための第2室と、
前記第1室又は前記第2室の間に設けられた、前記第1ガス又は前記第2ガスを排出又は導入するための第3室と
を備え、
前記第1室と前記第3室との間の第1隔壁には第1貫通穴が設けられ、前記第1貫通穴の内表面又は周囲には第1シール面(A)が設けられ、
前記第2室と前記第3室との間の第2隔壁には第2貫通穴が設けられ、前記第2貫通穴の内表面又は周囲には第2シール面(A)が設けられている。
(4)前記バルブ部は、
前記シャフトと、
前記シャフトに接合された、第1シール面(B)を備えた第1バルブと、
前記シャフトに接合された、第2シール面(B)を備えた第2バルブと、
を備えている。
(5)前記第1シール面(A)と前記第1シール面(B)との間には、第1シール部材が挿入され、
前記第2シール面(A)と前記第2シール面(B)との間には、第2シール部材が挿入されている。 - 以下の構成をさらに備えた請求項1に記載の沸騰冷却式バルブ。
(6)前記駆動手段は、前記冷媒流路(B)から排出される前記沸騰水に含まれる水蒸気の圧力を用いて前記シャフトを摺動させる蒸気駆動手段である。
(7)前記蒸気駆動手段は、
前記ハウジング部に隣接して設けられた蒸気バッファタンクと、
前記シャフトの基端に接合された、前記蒸気バッファタンク内を摺動するピストンと、
前記沸騰水を前記ピストンの一方の面側又は他方の面側に切り替えて排出することにより、前記ピストンを摺動させる切替手段と
を備えている。 - 以下の構成をさらに備えた請求項1又は2に記載の沸騰冷却式バルブ。
(8)前記ハウジング部は、
前記シール面(A)及び前記沸騰冷却流路(A)が形成された金属製の受部と、
前記受部の底面及び側面に接合された、セラミックス製の断熱部(A)と
を備えている。
(9)前記バルブは、
前記シール面(B)及び前記沸騰冷却流路(B)が形成された金属製の傘部と、
前記傘部の底面に接合された、セラミックス製の断熱部(B)と
を備えている。 - 以下の構成を備えた沸騰冷却式CO2分離器。
(1)前記沸騰冷却式CO2分離器は、
CO2を吸収・放出するためのCO2吸収材を備えた反応流路層と、
熱交換媒体を流通させることにより、前記反応流路層と熱交換を行うための媒体流路層と、
前記反応流路層にCO2を含むガス又はパージガスのいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第1切替バルブと、
前記媒体流路層に第1熱交換媒体又は第2熱交換媒体のいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第2切替バルブと
を備えている。
(2)前記第1切替バルブ及び前記第2切替バルブは、それぞれ、請求項1から3までのいずれか1項に記載の沸騰冷却式バルブからなる。 - 以下の構成を備えたSOFCシステム。
(1)前記SOFCシステムは、
燃料から電力を生成する固体酸化物形燃料電池(SOFC)と、
前記SOFCのアノードオフガス(Aout)からCO2を分離するCO2分離器と、
前記CO2分離器のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器と、
前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記Boutを前記SOFCのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と
を備えている。
(2)前記CO2分離器は、請求項4に記載の沸騰冷却式CO2分離器からなる。 - 以下の構成をさらに備えた請求項5に記載のSOFCシステム。
(3)前記SOFCシステムは、前記凝縮器で凝縮させた水を前記沸騰冷却式CO2分離器の沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)にそれぞれ供給する水供給手段(A)を備えている。 - 以下の構成を備えたSOECシステム。
(1)前記SOECシステムは、
H2O及びCO2から合成ガスを生成させる固体酸化物形電解セル(SOEC)と、
前記SOECのカソードオフガス(A'out)からCO2を分離する第1CO2分離器と、
前記第1CO2分離器のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)から水蒸気の全部又は一部を分離するH2O分離器と、
CO2源から供給されるガスからCO2を分離し、分離されたCO2を前記SOECに供給する第2CO2分離器と、
前記SOECに電解用のH2Oを供給する蒸発器と、
前記SOECのカソードオフガス(A'out)に含まれる合成ガスから炭化水素を製造する燃料製造器と、
前記第1CO2分離器のパージ流路から排出される分離ガス(Cout)を前記SOECのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
を備えている。
(2)前記第1CO2分離器及び前記第2CO2分離器は、それぞれ、請求項4に記載の沸騰冷却式CO2分離器からなる。 - 以下の構成をさらに備えた請求項7に記載のSOECシステム。
(3)前記SOECシステムは、前記電解用のH2Oを前記沸騰冷却式CO2分離器の沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)にそれぞれ供給する水供給手段(B)を備えている。 - 以下の構成を備えたR-SOCシステム。
(1)前記R-SOCシステムは、
燃料から電力を生成するSOFCモードと、H2O及びCO2から合成ガスを生成させるSOECモードとを切替可能なリバーシブルSOC(R-SOC)と、
前記R-SOCのオフガス(Aout又はA'out)からCO2を分離する第1CO2分離器と、
前記第1CO2分離器のフィード流路から排出されるオフガス(Bout)から水蒸気の全部又は一部を分離するH2O分離器と、
前記Boutに含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器と、
前記R-SOCが前記SOECモードにある時に、CO2源から供給されるガスからCO2を分離し、分離されたCO2を前記R-SOCに供給する第2CO2分離器と、
前記R-SOCが前記SOECモードにある時に、前記R-SOCに電解用のH2Oを供給する蒸発器と、
前記R-SOCが前記SOECモードにある時に、前記R-SOCのオフガス(A'out)に含まれる合成ガスから炭化水素を製造し、貯蔵する燃料製造・貯蔵手段と、
前記R-SOCが前記SOECモードにある時に、前記第1CO2分離器のパージ流路から排出される分離ガス(Cout)を前記R-SOCのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
前記R-SOCが前記SOFCモードにある時に、前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記Boutを前記R-SOCのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と、
前記R-SOCが前記SOFCモードにある時に、貯蔵された前記炭化水素を前記R-SOCに供給する燃料供給手段と
を備えている。
(2)前記第1CO2分離器及び前記第2CO2分離器は、それぞれ、請求項4に記載の沸騰冷却式CO2分離器からなる。 - 以下の構成をさらに備えた請求項9に記載のR-SOCシステム。
(3)前記R-SOCシステムは、
前記R-SOCが前記SOFCモードにある時に、前記凝縮器で凝縮させた水を前記沸騰冷却式CO2分離器の沸騰冷却流路(A)及び沸騰冷却流路(B)にそれぞれ供給する水供給手段(A)と、
前記R-SOCが前記SOECモードにある時に、電解用のH2Oを前記沸騰冷却流路(A)及び前記沸騰冷却流路(B)にそれぞれ供給する水供給手段(B)と
を備えている。
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