JP7509594B2 - Solid carbon recovery type energy supply system and solid carbon recovery type energy supply method. - Google Patents

Solid carbon recovery type energy supply system and solid carbon recovery type energy supply method. Download PDF

Info

Publication number
JP7509594B2
JP7509594B2 JP2020124725A JP2020124725A JP7509594B2 JP 7509594 B2 JP7509594 B2 JP 7509594B2 JP 2020124725 A JP2020124725 A JP 2020124725A JP 2020124725 A JP2020124725 A JP 2020124725A JP 7509594 B2 JP7509594 B2 JP 7509594B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
gas
section
reforming
energy supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020124725A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022021242A (en
Inventor
康晴 川端
良雄 松崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Gas Co Ltd filed Critical Tokyo Gas Co Ltd
Priority to JP2020124725A priority Critical patent/JP7509594B2/en
Publication of JP2022021242A publication Critical patent/JP2022021242A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7509594B2 publication Critical patent/JP7509594B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は固体炭素回収型エネルギー供給システム、および固体炭素回収型エネルギー供給方法に関し、特に炭化水素燃料を用いて電気や熱などのエネルギーを創出して利用するとともに、発生する二酸化炭素中の炭素を固体炭素として回収する、固体炭素回収型のエネルギー供給システム、および固体炭素回収型のエネルギー供給方法に関する。 The present invention relates to a solid carbon recovery type energy supply system and a solid carbon recovery type energy supply method, and in particular to a solid carbon recovery type energy supply system and a solid carbon recovery type energy supply method that use hydrocarbon fuel to generate and utilize energy such as electricity and heat, and also recover the carbon in the carbon dioxide generated as solid carbon.

炭化水素系の燃料を用いて燃焼反応や電気化学反応により、電気、熱などのエネルギーを得る場合、エネルギーを得る反応の際に二酸化炭素が発生する。この二酸化炭素は、大気中に排出されると地球温暖化の原因になるため、エネルギー効率の向上による排出量の削減や、排気ガスや大気中から回収して地下の二酸化炭素貯留槽に高圧の液化二酸化炭素として圧入する固定化が求められている。
そこで従来、発電システムにおける発電反応に伴う二酸化炭素を外部へ排出しないために、使用後のオフガスや排ガスから二酸化炭素ガスを分離回収することが行われている(特許文献1参照)。
When obtaining energy such as electricity or heat through combustion or electrochemical reactions using hydrocarbon fuels, carbon dioxide is generated during the reaction to obtain the energy. Since this carbon dioxide causes global warming if it is emitted into the atmosphere, there is a demand for reducing emissions through improved energy efficiency and for capturing it from exhaust gases and the atmosphere and immobilizing it by injecting it as high-pressure liquefied carbon dioxide into underground carbon dioxide storage tanks.
Conventionally, therefore, in order to prevent carbon dioxide accompanying the power generation reaction in a power generation system from being discharged to the outside, carbon dioxide gas has been separated and recovered from off-gas or exhaust gas after use (see Patent Document 1).

特許6692394号Patent No. 6692394 日本エネルギー学会 第4回新エネルギー・水素部会シンポジウム カーボンリサイクルの新機軸 発表資料「触媒反応工学と常温作動のメタン化技術で拓くCO2資源化プロセス 静岡大学大学院 総合科学技術研究科 福原長寿」Japan Society of Energy, 4th New Energy and Hydrogen Division Symposium, New Approaches to Carbon Recycling, Presentation Material: "CO2 Resource Recovery Process Opened Up by Catalytic Reaction Engineering and Room Temperature Methanation Technology, by Choju Fukuhara, Graduate School of Integrated Science and Technology, Shizuoka University"

しかしながら、回収した二酸化炭素ガスを地下深部の二酸化炭素貯留槽等に固定化するためには、気体で回収された二酸化炭素を圧縮液化したり、パイプラインを敷設して二酸化炭素の貯留槽サイトまで輸送したり、貯留槽サイトでさらに圧縮して地下数千メートルの貯留槽に圧入する処理が必要となり、回収した二酸化炭素の輸送や圧入において多大なエネルギーを消費するとともに、輸送や圧入のインフラ整備に多大な時間と手間がかかるという課題がある。
また、前述のエネルギー消費に伴って二酸化炭素が発生し、大気放散される場合には、正味の二酸化炭素固定化量が減少し、温暖化対策としての有効性が減少してしまうという課題がある。
However, in order to fix the captured carbon dioxide gas in a carbon dioxide storage tank deep underground, the captured carbon dioxide in gas form must be compressed and liquefied, a pipeline must be laid to transport it to the carbon dioxide storage tank site, and the carbon dioxide must be further compressed at the storage tank site and injected into the tank several thousand meters underground. This poses the problem that a great deal of energy is consumed in transporting and injecting the captured carbon dioxide, and it takes a great deal of time and effort to develop the infrastructure for transportation and injection.
Furthermore, when carbon dioxide is generated as a result of the above-mentioned energy consumption and released into the atmosphere, the net amount of carbon dioxide fixed decreases, which reduces the effectiveness of this measure against global warming.

さらに、前述の二酸化炭素貯留槽は地層の状況などの諸条件により、場所や貯留量が限定されるため、発電システムや熱供給システムの設置場所によっては、貯留サイトまでの輸送距離が延び、圧入固定化できる二酸化炭素の量が限定されてしまう課題がある。
固定化等するためには、液化等の処理が必要になり手間がかかる。
Furthermore, the location and storage capacity of the aforementioned carbon dioxide storage tanks are limited by various conditions such as the condition of the geological strata. Therefore, depending on the location of the power generation system or heat supply system, the transportation distance to the storage site may be extended, which could limit the amount of carbon dioxide that can be injected and fixed.
In order to immobilize the substance, etc., treatment such as liquefaction is required, which is time-consuming.

また、非特許文献2には、メタンのドライリフォーミングで合成ガスの製造と炭素の回収を図ることが記載されている。しかしながら、エネルギー供給システムにおいて、どのように炭素の回収を行うかについては記載されてない。 In addition, Non-Patent Document 2 describes the production of synthesis gas and the recovery of carbon by dry reforming of methane. However, it does not describe how carbon is recovered in an energy supply system.

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、炭化水素系の燃料を用いたエネルギー供給の際に、簡易に二酸化炭素を固体炭素として回収することが可能な固体炭素回収型エネルギー供給システム、および、固体炭素回収型エネルギー供給方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned facts, and aims to provide a solid carbon recovery type energy supply system and a solid carbon recovery type energy supply method that can easily recover carbon dioxide as solid carbon when energy is supplied using a hydrocarbon fuel.

請求項1に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、改質触媒が収納された改質空間を有し、炭化水素を含む燃料ガスを前記改質空間内の二酸化炭素で二酸化炭素改質して水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部の下流側に設けられ、前記改質部から送出された前記改質ガスから固体炭素を析出させる炭素析出部と、前記炭素析出部よりも下流側に設けられ、前記炭素析出部から送出された前記改質ガスを消費してエネルギーを得るガス消費部と、を備えている。 The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 1 includes a reforming section having a reforming space in which a reforming catalyst is stored, and which reforms a fuel gas containing a hydrocarbon with carbon dioxide in the reforming space to produce a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide, a carbon deposition section provided downstream of the reforming section and which deposits solid carbon from the reformed gas sent out from the reforming section, and a gas consumption section provided downstream of the carbon deposition section and which consumes the reformed gas sent out from the carbon deposition section to obtain energy.

請求項1に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、改質部、炭素析出部を備えている。改質部は、改質触媒が収納された改質空間を有し、炭化水素を含む燃料ガスを改質空間内の二酸化炭素で二酸化炭素改質して水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。炭素析出部は、改質部の下流側に設けられ、改質部から送出された改質ガスから固体炭素を析出させる。このように、固体炭素を析出させることにより、二酸化炭素を別途固定化することなく、簡易に固定化処理することができる。 The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 1 includes a reforming section and a carbon deposition section. The reforming section has a reforming space in which a reforming catalyst is housed, and reforms a fuel gas containing hydrocarbons with carbon dioxide in the reforming space to produce a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. The carbon deposition section is provided downstream of the reforming section, and deposits solid carbon from the reformed gas sent out from the reforming section. In this way, by depositing solid carbon, the carbon dioxide can be easily immobilized without having to be separately immobilized.

炭素析出部から送出された改質ガスは、炭素析出部よりも下流側に設けられたガス消費部で消費されエネルギーが得られる。 The reformed gas sent out from the carbon deposition section is consumed in the gas consumption section located downstream of the carbon deposition section to obtain energy.

請求項2に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、前記ガス消費部から排出された利用後改質ガスから水を分離する水分離部と、前記水分離部で水が分離された前記利用後改質ガスを前記改質部へ供給するガス循環路と、を備えている。 The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 2 includes a water separation section that separates water from the used reformed gas discharged from the gas consumption section, and a gas circulation path that supplies the used reformed gas from which water has been separated in the water separation section to the reforming section.

請求項2に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムによれば、水分離部で水が分離された利用後改質ガス中の二酸化炭素を改質部へ供給することにより、外部に二酸化炭素を排出せず、二酸化炭素改質の原料として用いることができる。 According to the solid carbon recovery type energy supply system of claim 2, the carbon dioxide in the reformed gas after use from which water has been separated in the water separation section is supplied to the reforming section, so that the carbon dioxide is not discharged to the outside and can be used as a raw material for carbon dioxide reforming.

請求項3に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、前記炭素析出部よりも下流側且つ前記ガス消費部よりも上流側に設けられ、前記炭素析出部から送出された前記改質ガスの流量及び圧力の少なくとも一方を測定して前記炭素析出部で析出された炭素量に関する析出炭素情報を出力する炭素情報出力部と、を備えている。 The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 3 includes a carbon information output unit that is provided downstream of the carbon deposition unit and upstream of the gas consumption unit, and that measures at least one of the flow rate and pressure of the reformed gas sent from the carbon deposition unit and outputs deposited carbon information related to the amount of carbon deposited in the carbon deposition unit.

請求項3に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムでは、炭素情報出力部で炭素析出部から送出された改質ガスの流量及び圧力の少なくとも一方を測定することにより、炭素析出部で析出された炭素量に関する析出炭素情報を得ることができる。この析出炭素情報に基づいて、炭素析出部の交換等を行い、改質ガスの流れを維持することができる。また、改質ガスの流路閉塞に伴うシステム停止や故障を未然に防ぐことができる。 In the solid carbon recovery type energy supply system according to claim 3, the carbon information output unit can measure at least one of the flow rate and pressure of the reformed gas sent from the carbon deposition unit, thereby obtaining deposited carbon information on the amount of carbon deposited in the carbon deposition unit. Based on this deposited carbon information, the carbon deposition unit can be replaced, etc., to maintain the flow of the reformed gas. In addition, system stoppages and breakdowns due to blockage of the reformed gas flow path can be prevented.

請求項4に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、複数の前記炭素析出部と、前記炭素情報出力部から出力された前記析出炭素情報に基づいて、前記複数の炭素析出部の内、前記改質部からの前記改質ガスの送出先となる前記炭素析出部を切り換える切換部と、を備えている。 The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 4 includes a plurality of carbon deposition units, and a switching unit that switches the carbon deposition unit to which the reformed gas is sent from the reforming unit based on the deposited carbon information output from the carbon information output unit.

請求項4に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、複数の前記炭素析出部を備えており、炭素情報出力部から出力された析出炭素情報に基づいて複数の炭素析出部の内、改質ガスの送出先となる炭素析出部を切り換える。これにより、析出された炭素量の多い炭素析出部への改質ガスの供給を停止して、交換などの作業を行うことができる。 The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 4 includes a plurality of the carbon deposition units, and switches among the plurality of carbon deposition units the carbon deposition unit to which the reformed gas is sent based on the deposited carbon information output from the carbon information output unit. This makes it possible to stop the supply of reformed gas to the carbon deposition unit with a large amount of deposited carbon and perform work such as replacement.

請求項5に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、前記ガス消費部は、前記改質ガスを発電反応に用いる燃料電池セルスタックであり、前記燃料ガスは前記燃料電池セルスタックの燃料極へ供給される。 In the solid carbon recovery type energy supply system according to claim 5, the gas consumption section is a fuel cell stack that uses the reformed gas in a power generation reaction, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack.

請求項5に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムによれば、改質ガスを用いて、燃料電池での発電を行うことができる。 According to the solid carbon recovery type energy supply system of claim 5, the reformed gas can be used to generate electricity in a fuel cell.

請求項6に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、前記燃料極から排出された燃料極オフガスから水素、一酸化炭素、及び炭化水素の少なくとも1つを除去する除去部と、前記除去部で水素、一酸化炭素、及び炭化水素の少なくとも1つを除去された前記燃料極オフガスを前記改質部へ供給するオフガス循環路と、を備えている。 The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 6 includes a removal section that removes at least one of hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons from the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode, and an off-gas circulation path that supplies the fuel electrode off-gas from which at least one of hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons has been removed by the removal section to the reforming section.

請求項6に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムによれば、除去部で水素、一酸化炭素、及び炭化水素の少なくとも1つを除去した後の燃料極オフガスの二酸化炭素濃度を高くして、改質部へ供給することができる。 According to the solid carbon recovery type energy supply system of claim 6, the carbon dioxide concentration of the anode off-gas after at least one of hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons is removed in the removal section can be increased and the gas can be supplied to the reforming section.

請求項7に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、前記燃料電池セルスタックの空気極から排出された空気極オフガスと前記改質部及び前記炭素析出部の少なくとも一方と熱交換を行うオフガス熱交換部、を備えている。 The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 7 includes an off-gas heat exchanger that exchanges heat between the air electrode off-gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack and at least one of the reforming section and the carbon deposition section.

請求項7に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムによれば、空気極オフガス、燃料極オフガスの熱を改質部及び炭素析出部の一方または両方の加熱に有効利用することができる。 According to the solid carbon recovery type energy supply system of claim 7, the heat of the air electrode off-gas and the fuel electrode off-gas can be effectively used to heat one or both of the reforming section and the carbon deposition section.

請求項8に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、前記ガス消費部は、前記燃料ガスを燃焼させる燃焼部を有し、前記燃焼部へ前記燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される。 In the solid carbon recovery type energy supply system according to claim 8, the gas consumption section has a combustion section that burns the fuel gas, and the fuel gas and oxidant gas are supplied to the combustion section.

請求項8に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムによれば、改質ガスを燃焼させて、燃焼によるエネルギーを用いて、発電や熱交換を行うことができる。 According to the solid carbon recovery type energy supply system of claim 8, the reformed gas can be combusted and the energy produced by the combustion can be used to generate electricity and perform heat exchange.

請求項9に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離部と、前記二酸化炭素分離部で分離された二酸化炭素を前記改質部へ供給する二酸化炭素循環路と、を備えている。 The solid carbon capture type energy supply system according to claim 9 includes a carbon dioxide separation section that separates carbon dioxide from the combustion exhaust gas discharged from the combustion section, and a carbon dioxide circulation path that supplies the carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation section to the reforming section.

請求項9に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムによれば、二酸化炭素分離部で分離された二酸化炭素を改質部へ原料として供給することができる。 According to the solid carbon recovery type energy supply system of claim 9, the carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation section can be supplied to the reforming section as a raw material.

請求項10に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムは、前記燃焼部から排出された燃焼排ガスと前記改質部及び前記炭素析出部の少なくとも一方と熱交換を行う燃焼排ガス熱交換部、を備えている。 The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 10 includes a combustion exhaust gas heat exchanger that exchanges heat between the combustion exhaust gas discharged from the combustion section and at least one of the reforming section and the carbon deposition section.

請求項10に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムによれば、燃焼排ガスの熱を改質部及び炭素析出部の一方または両方加熱に有効利用することができる。 According to the solid carbon recovery type energy supply system of claim 10, the heat of the combustion exhaust gas can be effectively used to heat one or both of the reforming section and the carbon deposition section.

請求項11に係る固体炭素回収型エネルギー供給方法は、炭化水素を含む燃料ガスを改質空間で二酸化炭素改質して水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、前記改質空間の下流側に設けられた炭素析出部で前記改質ガスから固体炭素を析出させ、前記炭素析出部よりも下流側に設けられたガス消費部で、前記炭素析出部から送出された前記改質ガスを消費してエネルギーを得る。 The solid carbon recovery type energy supply method according to claim 11 reforms a fuel gas containing hydrocarbons into carbon dioxide in a reforming space to generate a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide, precipitates solid carbon from the reformed gas in a carbon deposition section provided downstream of the reforming space, and consumes the reformed gas sent from the carbon deposition section in a gas consumption section provided downstream of the carbon deposition section to obtain energy.

請求項11に係る固体炭素回収型エネルギー供給方法では、炭化水素を含む燃料ガスを改質空間で二酸化炭素改質して水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、改質空間の下流側に設けられた炭素析出部で改質ガスから固体炭素を析出させる。 In the solid carbon recovery type energy supply method according to claim 11, a fuel gas containing hydrocarbons is reformed into carbon dioxide in a reforming space to generate a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide, and solid carbon is precipitated from the reformed gas in a carbon precipitation section provided downstream of the reforming space.

このように、固体炭素を析出させることにより、二酸化炭素を別途固定化することなく、簡易に固定化処理することができる。 In this way, by precipitating solid carbon, carbon dioxide can be easily immobilized without having to be immobilized separately.

炭素析出部から送出された改質ガスは、炭素析出部よりも下流側に設けられたガス消費部で消費されエネルギーが得られる。 The reformed gas sent out from the carbon deposition section is consumed in the gas consumption section located downstream of the carbon deposition section to obtain energy.

請求項12に係る固体炭素回収型エネルギー供給方法は、ガス消費部から排出された利用後改質ガスから水を分離し、水が分離された前記利用後改質ガスを前記改質空間へ供給する。 The solid carbon recovery type energy supply method according to claim 12 separates water from the used reformed gas discharged from the gas consumption section, and supplies the used reformed gas from which water has been separated to the reforming space.

請求項12に係る固体炭素回収型エネルギー供給方法によれば、水が分離された利用後改質ガス中の二酸化炭素を改質空間へ供給することにより、外部に二酸化炭素を排出せず、二酸化炭素改質の原料として用いることができる。 According to the solid carbon recovery type energy supply method of claim 12, the carbon dioxide in the reformed gas after use from which water has been separated is supplied to the reforming space, so that the carbon dioxide is not discharged to the outside and can be used as a raw material for carbon dioxide reforming.

本発明に係る固体炭素回収型エネルギー供給システム、固体炭素回収型エネルギー供給方法によれば、簡易に二酸化炭素の固定化を行うことができる。 The solid carbon recovery type energy supply system and solid carbon recovery type energy supply method of the present invention can easily fix carbon dioxide.

第1実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 第1実施形態に係る燃料電池システムの改質部及び炭素析出部の、(A)は側方からみた内部の概略図であり、(B)は(A)のB-B線の断面図である。1A is a schematic diagram of the inside of a reforming section and a carbon deposition section of a fuel cell system according to a first embodiment, as viewed from the side, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 第1実施形態に係る燃料電池システムの制御系のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a control system of the fuel cell system according to the first embodiment. 第1実施形態の炭素析出監視処理のフローチャートである。4 is a flowchart of a carbon deposition monitoring process according to the first embodiment. 第1実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a fuel cell system according to a modified example of the first embodiment. 第1実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a fuel cell system according to another modified example of the first embodiment. 第2実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram of a fuel cell system according to a second embodiment. 第3実施形態に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムの概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a solid carbon capture type energy supply system according to a third embodiment. 第4実施形態に係る固体炭素回収型エネルギー供給システムの概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram of a solid carbon capture type energy supply system according to a fourth embodiment.

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。 An example of an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

〔第1実施形態〕
図1には、本発明の固体炭素回収型エネルギー供給システムの一例としての第1実施形態に係る燃料電池システム10Aが示されている。燃料電池システム10Aは、主要な構成として、改質部12A、12B、炭素析出部14A、14B、燃料電池セルスタック16、凝縮器20、排熱投入型吸収式冷凍機22を備えている。また、燃料供給ブロワB1、空気ブロワB2、循環ブロワB3、ポンプP1、冷却塔24を備えている。さらに、図3に示されるように、燃料電池システム10Aを制御する制御部30を備えている。
First Embodiment
Fig. 1 shows a fuel cell system 10A according to a first embodiment as an example of a solid carbon recovery type energy supply system of the present invention. The fuel cell system 10A mainly comprises reforming sections 12A, 12B, carbon deposition sections 14A, 14B, a fuel cell stack 16, a condenser 20, and an exhaust heat input absorption chiller 22. It also comprises a fuel supply blower B1, an air blower B2, a circulation blower B3, a pump P1, and a cooling tower 24. Furthermore, as shown in Fig. 3, it comprises a control section 30 that controls the fuel cell system 10A.

燃料供給ブロワB1は、燃料供給管R1の一端に接続されており、燃料供給管R1の上流側から燃料ガスを供給する。燃料供給管R1の他端は、分岐バルブV1で2分岐され、改質部12Aと改質部12Bに接続されている。 The fuel supply blower B1 is connected to one end of the fuel supply pipe R1 and supplies fuel gas from the upstream side of the fuel supply pipe R1. The other end of the fuel supply pipe R1 is branched into two by the branch valve V1 and connected to the reforming unit 12A and the reforming unit 12B.

本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能な炭化水素系ガスであれば特に限定されず、天然ガス、LPガス(液化石油ガス)、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。なお、炭化水素系ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、LPガス等のガスであってもよい。 In this embodiment, methane is used as the raw gas, but there is no particular limitation as long as it is a hydrocarbon gas that can be reformed, and examples include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, and low hydrocarbon gas. Note that the hydrocarbon gas may be a mixture of the above-mentioned low hydrocarbon gases, and the above-mentioned low hydrocarbon gas may be natural gas, city gas, LP gas, or other gas.

また、炭化水素系ガスとして、バイオガスや消化ガスを用いることもできる。バイオガスや消化ガスは二酸化炭素を含んでいるので、二酸化炭素改質を行う場合に、改質用に別途二酸化炭素を供給する必要がないことに加え、バイオガスや消化ガス中の二酸化炭素を固体炭素に変換できるため、燃料ガスとして、好適である。さらに、バイオガスや消化ガス中の二酸化炭素は大気中の二酸化炭素を吸収したバイオマス起源のものであるため、固体炭素として回収して固定化すれば、大気中の二酸化炭素を効率よく回収し、削減することになるため、地球温暖化対策としての大気中の二酸化炭素削減効果が大きく、燃料ガスとして好適である。 Biogas and digester gas can also be used as hydrocarbon gases. Since biogas and digester gas contain carbon dioxide, when carbon dioxide reforming is performed, there is no need to supply carbon dioxide separately for reforming. In addition, the carbon dioxide in the biogas and digester gas can be converted to solid carbon, making them suitable as fuel gas. Furthermore, since the carbon dioxide in biogas and digester gas originates from biomass that absorbed carbon dioxide from the atmosphere, if it is captured and fixed as solid carbon, the carbon dioxide in the atmosphere can be efficiently captured and reduced, which has a large effect on reducing carbon dioxide in the atmosphere as a measure against global warming, making them suitable as fuel gas.

燃料ガスとしてのメタンは、燃料供給管R1に設けられた分岐バルブV1を介して、改質部12A、または改質部12Bへ送出される。本実施形態では、燃料ガスを燃料電池セルスタック16へ供給する経路を2経路有しており、一方の経路に改質部12A、炭素析出部14Aが設けられ、他方の経路に改質部12B、炭素析出部14Bが設けられている。一方の経路と他方の経路への燃料ガスの供給は、炭素析出状態に応じて随時切り換えられる。 Methane as fuel gas is sent to reforming unit 12A or reforming unit 12B via branch valve V1 provided in fuel supply pipe R1. In this embodiment, there are two paths for supplying fuel gas to fuel cell stack 16, with reforming unit 12A and carbon deposition unit 14A provided in one path, and reforming unit 12B and carbon deposition unit 14B provided in the other path. The supply of fuel gas to one path and the other path is switched as needed depending on the carbon deposition state.

改質部12Aでは、メタンを二酸化炭素改質し、水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。図2に示されるように、改質部12Aには、改質空間12ARが設けられ、改質空間12ARには、改質触媒Cが充填されている。改質触媒Cとしては、アルミナ担持ニッケル(Ni/Al3)のほか、マグネシア担持ニッケル(Ni/MgO)、アルミニウム・マグネシウム担持ニッケル(Ni/AlMgO4)およびこれらの混合物などを用いることができる。メタンと二酸化炭素により、以下の式(1)の反応により改質が行われる。改質部12Bは、改質部12Aと同様の構成とされている。 In the reforming section 12A, methane is reformed into carbon dioxide to generate a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. As shown in FIG. 2, the reforming section 12A is provided with a reforming space 12AR, which is filled with a reforming catalyst C. As the reforming catalyst C, nickel supported on alumina (Ni/Al 2 O 3 ), nickel supported on magnesia (Ni/MgO), nickel supported on aluminum magnesium (Ni/Al 2 MgO 4 ) , and mixtures thereof can be used. Reforming is carried out by the reaction of methane and carbon dioxide according to the following formula (1). The reforming section 12B has the same configuration as the reforming section 12A.

CH+CO→2H+2CO …(1) CH4 + CO22H2 + 2CO... (1)

炭素析出部14Aは、筒状の管体14AKとされており、ステンレス、鉄など管を用いることができる。炭素析出部14Aは、改質部12Aの下流側に設けられており、連続空間14AC、及び、析出空間14ARを有している。 The carbon deposition section 14A is a cylindrical tube body 14AK, and may be made of stainless steel, iron, or other materials. The carbon deposition section 14A is provided downstream of the reforming section 12A, and has a continuous space 14AC and a deposition space 14AR.

連続空間14ACは、改質空間12ARと連続され、改質空間12ARから改質ガスが流入する。連続空間14ACの内壁14ACW(管体14AKの内壁)は、凹凸のない面一とされ、改質ガスの乱流が抑制されている。この連続空間14ACを有することにより、後述する析出空間14ARにおける乱流の影響で、改質部12Aに収納された改質触媒C上に固体炭素が析出することが抑制されている。 The continuous space 14AC is connected to the reforming space 12AR, and the reformed gas flows in from the reforming space 12AR. The inner wall 14ACW (the inner wall of the tube body 14AK) of the continuous space 14AC is flush with no irregularities, suppressing turbulence in the reformed gas. By having this continuous space 14AC, the precipitation of solid carbon on the reforming catalyst C housed in the reforming section 12A due to the influence of turbulence in the precipitation space 14AR, which will be described later, is suppressed.

析出空間14ARは、連続空間14ACの下流側に連続形成されており、連続空間14ACから改質ガスが流入する。析出空間14ARは、改質空間12ARと連続形成されている。析出空間14ARにおける管体14AKの内壁14AKWには、内壁14AKWから内側へ突出するリブ14ALが複数か所に設けられている。リブ14ALにより、析出空間14ARを通過する改質ガスに乱流が生じる。本実施形態では、周方向に4箇所、長手方向に等間隔で形成されている。炭素析出部14Bは、炭素析出部14Aと同様の構成とされ、改質部12Bと連結されている。炭素析出部14Aでは、以下の式(2)(3)の反応により、固体炭素が析出する。 The precipitation space 14AR is formed continuously downstream of the continuous space 14AC, and the reformed gas flows in from the continuous space 14AC. The precipitation space 14AR is formed continuously with the reforming space 12AR. The inner wall 14AKW of the tube body 14AK in the precipitation space 14AR is provided with ribs 14AL protruding inward from the inner wall 14AKW at multiple locations. The ribs 14AL cause turbulence in the reformed gas passing through the precipitation space 14AR. In this embodiment, four ribs are formed in the circumferential direction and at equal intervals in the longitudinal direction. The carbon deposition section 14B has the same configuration as the carbon deposition section 14A and is connected to the reforming section 12B. In the carbon deposition section 14A, solid carbon is deposited by the reactions of the following formulas (2) and (3).

なお、析出空間14ARは、炭素析出による流路閉塞を伴いながらも一定のガス流量を維持するうえでは、リブを設けず凹凸のない面一の単管で構成してもよいし、一方で炭素析出をさらに促進する流路系を構成する場合には、流路内での炭素析出面積を増大させるため、管路内にステンレスや鉄など、金属製のハニカムプレートを挿入してもよい。 The deposition space 14AR may be constructed of a flush single pipe without ribs to maintain a constant gas flow rate despite possible flow path blockage due to carbon deposition. On the other hand, when constructing a flow path system that further promotes carbon deposition, a honeycomb plate made of metal such as stainless steel or iron may be inserted into the pipe to increase the carbon deposition area within the flow path.

CH→C+2H …(2)
2CO→C+2CO …(3)
CH4 → C + 2H2 ... (2)
2CO → C + 2CO 2 ... (3)

改質部12A、12B、および炭素析出部14A、14Bは、高温部13内に配置されている。高温部13は、断熱材等により区画されており、後述する空気極オフガスにより加熱され、内部が高温に維持されている。 The reforming sections 12A and 12B and the carbon deposition sections 14A and 14B are located in the high-temperature section 13. The high-temperature section 13 is partitioned by insulation or the like, and is heated by the air electrode off-gas described below, so that the inside is maintained at a high temperature.

分岐バルブV1は、燃料供給管R1からの燃料ガスの供給先を、改質部12Aまたは改質部12Bのいずれかに切り換える。分岐バルブV1は、制御部30と接続されており、制御部30により切り換えが行われる。 The branch valve V1 switches the supply destination of the fuel gas from the fuel supply pipe R1 to either the reforming unit 12A or the reforming unit 12B. The branch valve V1 is connected to the control unit 30, and the switching is performed by the control unit 30.

炭素析出部14A、炭素析出部14Bの下流端には、改質ガス管R2が接続されている。各々の改質ガス管R2は、合流バルブV2で合流し、合流バルブV2を介して燃料電池セルスタック16の燃料極16Aと接続されている。合流バルブV2は、分岐バルブV1と連動して制御され、改質部12A側に燃料ガスが供給されているときには、炭素析出部14A側の流路が開状態とされ、改質部12B側に燃料ガスが供給されているときには、炭素析出部14B側の流路が開状態とされる。 A reformed gas pipe R2 is connected to the downstream ends of the carbon deposition units 14A and 14B. The reformed gas pipes R2 merge at a merging valve V2 and are connected to the fuel electrode 16A of the fuel cell stack 16 via the merging valve V2. The merging valve V2 is controlled in conjunction with the branching valve V1, and when fuel gas is supplied to the reforming unit 12A, the flow path on the carbon deposition unit 14A side is opened, and when fuel gas is supplied to the reforming unit 12B side, the flow path on the carbon deposition unit 14B side is opened.

炭素析出部14A、炭素析出部14Bに接続された改質ガス管R2には、各々、流量計15A、15Bが設けられている。流量計15A、15Bにより、炭素析出部14A、14Bから送出された改質ガスの流量が測定される。流量計15A、15Bは、制御部30と接続されており、流量計15A、15Bから制御部30へ測定された流量データが送信される。なお、流量計15A、15Bに代えて、圧力計を各々設けてもよい。 The reformed gas pipes R2 connected to the carbon deposition units 14A and 14B are provided with flow meters 15A and 15B, respectively. The flow meters 15A and 15B measure the flow rates of the reformed gas sent out from the carbon deposition units 14A and 14B. The flow meters 15A and 15B are connected to the control unit 30, and the measured flow rate data is sent from the flow meters 15A and 15B to the control unit 30. Note that pressure gauges may be provided instead of the flow meters 15A and 15B.

改質部12Aと炭素析出部14Aは、燃料供給管R1、改質ガス管R2から取り外し可能とされており、随時取り換えを行うことができる構成とされている。 The reforming section 12A and the carbon deposition section 14A are removable from the fuel supply pipe R1 and the reformed gas pipe R2, and can be replaced at any time.

燃料電池セルスタック16は、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)が用いられており、電解質層16Cと、当該電解質層16Cの表裏面にそれぞれ積層された燃料極16A、及び空気極16Bと、を有している。 The fuel cell stack 16 uses a solid oxide fuel cell (SOFC) and has an electrolyte layer 16C, a fuel electrode 16A, and an air electrode 16B stacked on the front and back surfaces of the electrolyte layer 16C.

燃料電池セルスタック16の燃料極16Aには、燃料供給管R1の一端が接続されており、燃料供給管R1の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、燃料供給ブロワB1により燃料ガスが送出される。なお、本実施形態では、燃料ガスとしてメタンを用いるが、改質により水素を生成可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、LPガス(液化石油ガス)、バイオガス、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数4以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、LPガス等のガスであってもよい。原料ガスに不純物が含まれる場合、脱硫器等が必要になるが、図では省略されている。 One end of the fuel supply pipe R1 is connected to the fuel electrode 16A of the fuel cell stack 16, and the other end of the fuel supply pipe R1 is connected to a gas source (not shown). Fuel gas is sent from the gas source by a fuel supply blower B1. In this embodiment, methane is used as the fuel gas, but any gas that can generate hydrogen by reforming can be used, and any hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), biogas, coal reformed gas, and low-grade hydrocarbon gas. Examples of the low-grade hydrocarbon gas include low-grade hydrocarbons with 4 or less carbon atoms, such as methane, ethane, ethylene, propane, and butane, and methane used in this embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-mentioned low-grade hydrocarbon gases, and the above-mentioned low-grade hydrocarbon gas may be natural gas, city gas, LP gas, or other gas. If the raw gas contains impurities, a desulfurizer or the like is required, but this is omitted in the figure.

燃料電池セルスタック16の空気極16Bには、空気供給管R5の一端が接続されている。空気供給管R5の他端には、空気ブロワB2が接続されている。空気ブロワB2により、空気極16Bへ空気(酸化剤ガス)が供給される。空気極16Bでは、下記(4)式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層16Cを通って燃料電池セルスタック16の燃料極16Aに到達する。 One end of an air supply pipe R5 is connected to the air electrode 16B of the fuel cell stack 16. An air blower B2 is connected to the other end of the air supply pipe R5. The air blower B2 supplies air (oxidant gas) to the air electrode 16B. At the air electrode 16B, oxygen in the air reacts with electrons to generate oxygen ions, as shown in the following formula (4). The generated oxygen ions pass through the electrolyte layer 16C to reach the fuel electrode 16A of the fuel cell stack 16.

(空気極反応)
1/2O+2e →O2- …(4)
(Air electrode reaction)
1/2O 2 + 2e → O 2 − … (4)

また、空気極16Bには、空気極16Bから空気極オフガスを送出する空気極オフガス管R6が接続されている。 In addition, an air electrode off-gas pipe R6 that sends out air electrode off-gas from the air electrode 16B is connected to the air electrode 16B.

一方、燃料電池セルスタック16の燃料極16Aでは、下記(5)式及び(6)式に示すように、電解質層16Cを通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。燃料極16Aで生成された電子が燃料極16Aから外部回路(不図示)を通って空気極16Bに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。 Meanwhile, at the fuel electrode 16A of the fuel cell stack 16, as shown in the following formulas (5) and (6), oxygen ions that have passed through the electrolyte layer 16C react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas to generate water (water vapor), carbon dioxide, and electrons. The electrons generated at the fuel electrode 16A travel from the fuel electrode 16A through an external circuit (not shown) to the air electrode 16B, generating electricity in each fuel cell. In addition, each fuel cell generates heat during power generation.

(燃料極反応)
+O2- →HO+2e …(5)
CO+O2- →CO+2e …(6)
(Anode reaction)
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e- ... (5)
CO + O 2- → CO 2 + 2e - ... (6)

燃料電池セルスタック16の燃料極16Aには燃料極オフガス管R3の一端が接続されており、燃料極オフガス管R3には、燃料極16Aから燃料極オフガスが排出される。燃料極オフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。 One end of the fuel electrode off-gas pipe R3 is connected to the fuel electrode 16A of the fuel cell stack 16, and fuel electrode off-gas is discharged from the fuel electrode 16A to the fuel electrode off-gas pipe R3. The fuel electrode off-gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, etc.

燃料極オフガス管R3の他端には、凝縮器20が接続されている。凝縮器20により、燃料極オフガス中の水が凝縮される。凝縮器20には、水排出管R20が接続されており、水排出管R20から水が排出され水タンク21へ送出される。凝縮器20には、冷却水循環流路22Aが配管されており、後述する排熱投入型吸収式冷凍機22からの冷却水が循環供給され、燃料極オフガスが冷却される。これにより、燃焼オフガス中の水蒸気が凝縮する。 A condenser 20 is connected to the other end of the fuel electrode off-gas pipe R3. The condenser 20 condenses the water in the fuel electrode off-gas. A water discharge pipe R20 is connected to the condenser 20, and water is discharged from the water discharge pipe R20 and sent to the water tank 21. A cooling water circulation flow path 22A is piped to the condenser 20, and cooling water is circulated and supplied from the exhaust heat input type absorption chiller 22 described below to cool the fuel electrode off-gas. This condenses the water vapor in the combustion off-gas.

凝縮器20には循環ガス管R4の一端が接続されており、水除去後の燃料極オフガスが循環ガス管R4へ送出される。循環ガス管R4の他端は、ガスミキサGMを介して燃料供給管R1と接続されている。循環ガス管R4には、循環ブロワB3が設けられている。燃料極オフガスは、循環ブロワB3により燃料供給管R1へ向かって送出され、ガスミキサGMで燃料ガスと混合されて、改質部12A、12Bへ供給される。 One end of the circulation gas pipe R4 is connected to the condenser 20, and the anode off-gas after water removal is sent to the circulation gas pipe R4. The other end of the circulation gas pipe R4 is connected to the fuel supply pipe R1 via a gas mixer GM. A circulation blower B3 is provided in the circulation gas pipe R4. The anode off-gas is sent by the circulation blower B3 toward the fuel supply pipe R1, mixed with the fuel gas in the gas mixer GM, and supplied to the reforming sections 12A and 12B.

空気極オフガス管R6は、高温部熱交換配管R6Aと冷凍機熱交換配管R6Bに分岐されている。高温部熱交換配管R6Aは、高温部13内で熱交換が行われるように配設されている。空気極オフガスにより、高温部13の温度が500℃~700℃程度に維持され、改質部12A、12B、炭素析出部14A、14Bが加熱される。冷凍機熱交換配管R6Bは、後述する排熱投入型吸収式冷凍機22と接続されている。 The cathode off-gas pipe R6 branches into a high-temperature heat exchange pipe R6A and a refrigerator heat exchange pipe R6B. The high-temperature heat exchange pipe R6A is arranged so that heat exchange takes place within the high-temperature section 13. The cathode off-gas maintains the temperature of the high-temperature section 13 at approximately 500°C to 700°C, heating the reforming sections 12A, 12B and the carbon deposition sections 14A, 14B. The refrigerator heat exchange pipe R6B is connected to the exhaust heat input absorption refrigerator 22, which will be described later.

排熱投入型吸収式冷凍機22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、排熱投入型吸収式冷凍機22の外部に排気される。 The waste heat input type absorption chiller 22 is a heat pump that uses waste heat to generate cold energy, and as an example, a steam/waste heat input type absorption chiller can be used. In a steam/waste heat input type absorption chiller, the heat of the air electrode off-gas is used to heat an absorbing liquid (e.g., an aqueous lithium bromide solution or an aqueous ammonia solution) that has absorbed water vapor, thereby separating water from the absorbing liquid and regenerating it. The air electrode off-gas that has been cooled by heating the absorbing liquid is exhausted to the outside of the waste heat input type absorption chiller 22.

加熱により再生された吸収液は、水蒸気を吸収することにより水の蒸発を促進し、冷熱の生成に寄与する。排熱投入型吸収式冷凍機22は、放熱回路24Aを介して冷却塔24と接続されている。放熱回路24Aには、ポンプ(不図示)が設置されており、当該ポンプにより放熱回路24Aに冷却水が供給される。排熱投入型吸収式冷凍機22で吸収液が水蒸気を吸収するときに生じる吸収熱は、放熱回路24Aを流れる冷却水を介して冷却塔24から大気へ放出される。 The absorption liquid regenerated by heating absorbs water vapor, promoting the evaporation of water and contributing to the generation of cold energy. The waste heat input type absorption chiller 22 is connected to the cooling tower 24 via a heat dissipation circuit 24A. A pump (not shown) is installed in the heat dissipation circuit 24A, and cooling water is supplied to the heat dissipation circuit 24A by the pump. The absorption heat generated when the absorption liquid absorbs water vapor in the waste heat input type absorption chiller 22 is released to the atmosphere from the cooling tower 24 via the cooling water flowing through the heat dissipation circuit 24A.

排熱投入型吸収式冷凍機22で生成された冷熱は、冷却水循環流路22Aを流れる冷却水を介して凝縮器20へ送られ、凝縮器20で燃料極オフガスが冷却され、燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮除去され、水タンク21へ貯留される。 The cold generated by the waste heat input absorption chiller 22 is sent to the condenser 20 via the cooling water flowing through the cooling water circulation flow path 22A, where the fuel electrode off-gas is cooled and the water vapor in the fuel electrode off-gas is condensed and removed, and stored in the water tank 21.

水タンク21は、冷却水循環流路22A、放熱回路24A、及び、排熱投入型吸収式冷凍機22の熱媒としての水が流れる熱媒流路(不図示)と接続されている。冷却水循環流路22A、放熱回路24A、及び、熱媒流路では、水が不足した場合に、水タンク21からポンプP1により適宜水が補充される。 The water tank 21 is connected to the cooling water circulation path 22A, the heat dissipation circuit 24A, and a heat medium path (not shown) through which water flows as a heat medium for the waste heat input absorption chiller 22. When water is insufficient in the cooling water circulation path 22A, the heat dissipation circuit 24A, and the heat medium path, water is appropriately replenished from the water tank 21 by the pump P1.

制御部30は燃料電池システム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、後述する炭素析出監視処理、炭素析出状態の指標となる流量変動閾値F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3に示されるように、制御部30は、分岐バルブV1、合流バルブV2、流量計15A、15Bと接続されている。分岐バルブV1、合流バルブV2は、制御部30により制御される。なお、図3は、燃料電池システム10Aにおける制御部30の接続関係の一部を示すものであり、図3では図示していないが、制御部30は他の機器とも接続されている。 The control unit 30 controls the entire fuel cell system 10A and includes a CPU, ROM, RAM, memory, etc. The memory stores the carbon deposition monitoring process described below, the flow rate fluctuation threshold F that is an indicator of the carbon deposition state, and data and procedures required for processing during normal operation. As shown in FIG. 3, the control unit 30 is connected to the branch valve V1, the merging valve V2, and the flow meters 15A and 15B. The branch valve V1 and the merging valve V2 are controlled by the control unit 30. Note that FIG. 3 shows some of the connections of the control unit 30 in the fuel cell system 10A, and although not shown in FIG. 3, the control unit 30 is also connected to other devices.

流量変動閾値Fは、炭素析出部14A、14Bにおける炭素析出状態の指標となる値であり、燃料供給ブロワB1の出力に応じた、炭素析出量がゼロのときの流量F0からの許容変化量である。改質ガス管R2を流れる改質ガスの流量変化が流量変動閾値F以上となった場合に、改質部12A、12B、炭素析出部14A、14Bの取り換え時期となる。 The flow rate fluctuation threshold F is a value that is an index of the carbon deposition state in the carbon deposition units 14A and 14B, and is the allowable change from the flow rate F0 when the amount of carbon deposition is zero, depending on the output of the fuel supply blower B1. When the change in the flow rate of the reformed gas flowing through the reformed gas pipe R2 becomes equal to or exceeds the flow rate fluctuation threshold F, it is time to replace the reforming units 12A and 12B and the carbon deposition units 14A and 14B.

次に、本実施形態の燃料電池システム10Aの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system 10A of this embodiment will be described.

燃料電池システム10Aにおいては、燃料供給ブロワB1により、ガス源から燃料ガスが燃料供給管R1へ送出される。また、循環ガス管R4から、主に二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む燃料極オフガスがガスミキサGMを介して燃料供給管R1へ送出される。 In the fuel cell system 10A, fuel gas is sent from the gas source to the fuel supply pipe R1 by the fuel supply blower B1. In addition, fuel electrode off-gas, which mainly contains carbon dioxide, carbon monoxide, and hydrogen, is sent from the circulation gas pipe R4 to the fuel supply pipe R1 via the gas mixer GM.

分岐バルブV1、合流バルブV2は、改質部12A、炭素析出部14Aの経路、または、改質部12B、炭素析出部14Bの経路が開放されるように制御される。改質部12A、12Bでは、燃料ガスが二酸化炭素改質され、水素、一酸化炭素を含む改質ガスが、炭素析出部14A、14Bへ送出される。 The branch valve V1 and the merging valve V2 are controlled so that the path between the reforming unit 12A and the carbon deposition unit 14A, or the path between the reforming unit 12B and the carbon deposition unit 14B, is opened. In the reforming units 12A and 12B, the fuel gas is reformed into carbon dioxide, and the reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide is sent to the carbon deposition units 14A and 14B.

炭素析出部14A、14Bでは、連続空間14AC、14BCに改質ガスが流入し、連続空間14AC、14BCを通過した改質ガスが析出空間14AR、14BRでリブ14AL、14BLに当たり、乱流が生じる。析出空間14AR、14BRの内壁14AKW、14BKWには、前述の式(2)(3)の反応により、固体炭素が析出する。 In the carbon deposition sections 14A and 14B, the reformed gas flows into the continuous spaces 14AC and 14BC, and the reformed gas that passes through the continuous spaces 14AC and 14BC hits the ribs 14AL and 14BL in the deposition spaces 14AR and 14BR, generating turbulence. Solid carbon is deposited on the inner walls 14AKW and 14BKW of the deposition spaces 14AR and 14BR by the reactions of the above-mentioned formulas (2) and (3).

炭素析出部14A、14Bを通過した改質ガスは、燃料電池セルスタック16の燃料極16Aに供給される。燃料電池セルスタック16では、空気ブロワB2からの空気が空気極16Bへ供給され、発電反応により発電が行われ、不図示の電気配線から電気が取り出される。 The reformed gas that has passed through the carbon deposition sections 14A and 14B is supplied to the fuel electrode 16A of the fuel cell stack 16. In the fuel cell stack 16, air from the air blower B2 is supplied to the air electrode 16B, electricity is generated by a power generation reaction, and electricity is extracted from electrical wiring (not shown).

燃料極16Aから排出された燃料極オフガスは、凝縮器20へ送られて水が凝縮により除去され、燃料供給管R1へ戻される。空気極16Bから排出された空気極オフガスの一部は、高温部13での熱交換に用いられ、一部は排熱投入型吸収式冷凍機22での熱交換に用いられる。 The fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 16A is sent to the condenser 20, where the water is removed by condensation, and the gas is returned to the fuel supply pipe R1. A portion of the air electrode off-gas discharged from the air electrode 16B is used for heat exchange in the high-temperature section 13, and a portion is used for heat exchange in the waste heat input absorption chiller 22.

ここで、制御部30で実行される炭素析出監視処理について説明する。燃料電池システム10Aの運転中に、制御部30では、図4に示される炭素析出監視処理が実行される。 Here, the carbon deposition monitoring process executed by the control unit 30 will be described. During operation of the fuel cell system 10A, the control unit 30 executes the carbon deposition monitoring process shown in FIG. 4.

ステップS10で、流量計15A、または流量計15Bで測定された流量を取得し、ステップS12で、取得した流量から流量変動値F1を算出する。流量変動値F1は、燃料供給ブロワB1での出力に応じて、炭素析出量がゼロのときの改質ガス管R2における流量F0と取得した流量との差分により求めることができる。 In step S10, the flow rate measured by flow meter 15A or flow meter 15B is acquired, and in step S12, the flow rate fluctuation value F1 is calculated from the acquired flow rate. The flow rate fluctuation value F1 can be calculated as the difference between the flow rate F0 in the reformed gas pipe R2 when the amount of carbon deposition is zero and the acquired flow rate, depending on the output of the fuel supply blower B1.

ステップS14で、流量変動値F1が、あらかじめ記録された流量変動閾値F以上かどうかを判断し、判断が肯定された場合には、ステップS16へ進む。判断が否定された場合には、流量変動値F1が流量変動閾値F以上になるまで待機する。 In step S14, it is determined whether the flow rate fluctuation value F1 is equal to or greater than the previously recorded flow rate fluctuation threshold value F, and if the determination is positive, the process proceeds to step S16. If the determination is negative, the process waits until the flow rate fluctuation value F1 becomes equal to or greater than the flow rate fluctuation threshold value F.

ステップS16で、分岐バルブV1を切り換え、ステップS18で、合流バルブV2を切り換える。この切り換えにより、燃料ガスの供給先が切り換わる。改質部12A、炭素析出部14Aを使用していた場合には、改質部12B、炭素析出部14Bへ切り換わり、改質部12B、炭素析出部14Bを使用していた場合には、改質部12B、炭素析出部14Aへ切り換わる。当該切り換えにより、燃料ガスの供給が停止された側の、改質部12A、12B、炭素析出部14A、14Bの取り換え作業を行うことができる。これにより、流路閉塞に伴うシステムへの影響を低減すると共に、連続的に燃料ガスの供給と炭素の回収を行うことができる。 In step S16, the branch valve V1 is switched, and in step S18, the merging valve V2 is switched. This switching switches the destination of the fuel gas supply. If the reforming unit 12A and the carbon deposition unit 14A were in use, they are switched to the reforming unit 12B and the carbon deposition unit 14B, and if the reforming unit 12B and the carbon deposition unit 14B were in use, they are switched to the reforming unit 12B and the carbon deposition unit 14A. This switching makes it possible to replace the reforming units 12A and 12B and the carbon deposition units 14A and 14B on the side where the supply of fuel gas has been stopped. This reduces the impact on the system due to the passage blockage, and allows for continuous supply of fuel gas and carbon recovery.

ステップS18の後、ステップS10へ戻り、上記の処理を繰り返す。 After step S18, return to step S10 and repeat the above process.

本実施形態の燃料電池システム10Aによれば、炭素析出部14A、14Bで、改質ガスから固体炭素を析出させる。このように、固体炭素を析出させることにより、簡易に処理することができる。これにより、炭化水素燃料利用での発電時に発生する二酸化炭素を、輸送や固定化が簡易に行える固体炭素として簡易に回収することができる。
特に化石燃料起源の炭化水素燃料を利用するエネルギー供給システムでは、エネルギー創出時に発生する二酸化炭素の排出を削減して固定化が容易な固体炭素として回収することで、回収した固体炭素を固定化すれば、化石燃料を利用しながら、二酸化炭素の大気放出を伴わない、カーボンニュートラルなエネルギー供給が可能となる。
According to the fuel cell system 10A of this embodiment, solid carbon is precipitated from the reformed gas in the carbon precipitation units 14A and 14B. By precipitating solid carbon in this manner, processing can be simplified. This allows carbon dioxide generated during power generation using hydrocarbon fuel to be easily recovered as solid carbon that can be easily transported and immobilized.
In particular, in energy supply systems that use hydrocarbon fuels derived from fossil fuels, by reducing the carbon dioxide emissions generated during energy creation and recovering them as solid carbon, which is easy to fix, it will be possible to supply carbon-neutral energy that uses fossil fuels but does not release carbon dioxide into the atmosphere.

また、燃料極16Aから排出された燃料極オフガスに含まれる二酸化炭素を改質部12A、12Bへ戻して、二酸化炭素改質に利用するので、燃料電池システム10Aの運転により生成される二酸化炭素を、外部に排出することなく、固体炭素化して回収することができる。 In addition, the carbon dioxide contained in the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 16A is returned to the reforming sections 12A and 12B and used for carbon dioxide reforming, so that the carbon dioxide generated by the operation of the fuel cell system 10A can be converted into solid carbon and recovered without being discharged to the outside.

なお、本実施形態では、改質部12での二酸化炭素改質用の二酸化炭素を、燃料極オフガスを戻すことにより供給したが、燃料ガスとしてバイオガスや消化ガスを用いる場合には、燃料ガスに二酸化炭素が含まれているため、必ずしも燃料極オフガスを改質部12へ戻す必要はない。また、改質部12への二酸化炭素の供給は、大気中の二酸化炭素や工場からの排ガス等に含まれる二酸化炭素を用いてもよい。
バイオガス中に含まれる二酸化炭素や大気中に含まれる二酸化炭素を混合し、これらの一部を固体炭素として回収し、固定化することで、大気中に蓄積した二酸化炭素を回収して削減することが可能となる。
In this embodiment, carbon dioxide for carbon dioxide reforming in the reforming unit 12 is supplied by returning the anode off-gas, but when biogas or digester gas is used as the fuel gas, the fuel gas contains carbon dioxide, so it is not necessarily necessary to return the anode off-gas to the reforming unit 12. In addition, carbon dioxide may be supplied to the reforming unit 12 from carbon dioxide in the atmosphere or carbon dioxide contained in exhaust gas from factories.
By mixing the carbon dioxide contained in biogas and the carbon dioxide contained in the atmosphere and capturing and fixing some of it as solid carbon, it is possible to capture and reduce the carbon dioxide that has accumulated in the atmosphere.

なお、本実施形態では、燃料極オフガスについて、未反応の一酸化炭素や水素が残ったまま水のみを除去して改質部12A、12Bへ供給したが、図5に示されるように、燃料電池セルスタック16の下流側に、酸化部18を設けてもよい。酸化部18は、燃料極流路18Aと空気極流路18Bを区画するように酸素透過膜18Cを設け、空気極流路18Bから燃料極流路18A側へ酸素を移動させる。これにより、式(7)(8)のように、燃料極オフガス中の水素や一酸化炭素等が酸化反応により除去される。 In this embodiment, the fuel electrode off-gas is supplied to the reforming units 12A and 12B after removing only the water from it while leaving unreacted carbon monoxide and hydrogen. However, as shown in FIG. 5, an oxidation unit 18 may be provided downstream of the fuel cell stack 16. The oxidation unit 18 is provided with an oxygen permeable membrane 18C that separates the fuel electrode flow path 18A from the air electrode flow path 18B, and transfers oxygen from the air electrode flow path 18B to the fuel electrode flow path 18A. As a result, hydrogen, carbon monoxide, etc. in the fuel electrode off-gas are removed by oxidation reaction as shown in equations (7) and (8).

2H+O→2HO … (7)
2CO+O→2CO … (8)
2H2 + O22H2O … (7)
2CO+ O22CO2 … (8)

また、図6に示されるように、燃料電池セルスタック16の下流側に、水素除去部19を設けてもよい。水素除去部19は、燃料極流路19Aと空気極流路19Bを区画するように水素透過膜19Cを設け、燃料極流路19Aから空気極流路19B側へ水素を移動させる。これにより、燃料極オフガスから水素を除去することができる。 Also, as shown in FIG. 6, a hydrogen removal section 19 may be provided downstream of the fuel cell stack 16. The hydrogen removal section 19 has a hydrogen permeable membrane 19C that separates the fuel electrode flow path 19A from the air electrode flow path 19B, and moves hydrogen from the fuel electrode flow path 19A to the air electrode flow path 19B. This makes it possible to remove hydrogen from the fuel electrode off-gas.

また、本実施形態では、複数の改質部12A、12B、炭素析出部14A、14Bを有し、炭素析出監視処理により、燃料ガスの供給先を切り換える。したがって、燃料電池システム10Aを停止させることなく、燃料ガスの供給が停止された側の改質部12A、12B、炭素析出部14A、14Bを容易に交換することができる。 In addition, this embodiment has multiple reforming units 12A, 12B and carbon deposition units 14A, 14B, and the supply destination of the fuel gas is switched by the carbon deposition monitoring process. Therefore, the reforming units 12A, 12B and carbon deposition units 14A, 14B on the side where the supply of fuel gas has been stopped can be easily replaced without shutting down the fuel cell system 10A.

また、本実施形態では、空気極オフガスを高温部13の温度を維持し、改質部12A,12B、炭素析出部14A、14Bの加熱に使用するので、熱エネルギーの有効利用を図ることができる。さらに、気極オフガスを排熱投入型吸収式冷凍機22での冷熱生成時における熱交換に使用するので、熱エネルギーの有効利用を図ることができる。 In addition, in this embodiment, the cathode off-gas is used to maintain the temperature of the high temperature section 13 and to heat the reforming sections 12A, 12B and the carbon deposition sections 14A, 14B, so that thermal energy can be effectively utilized. Furthermore, the cathode off-gas is used for heat exchange when generating cold energy in the exhaust heat input type absorption chiller 22, so that thermal energy can be effectively utilized.

[第2実施形態]
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、その詳細な説明を省略する。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the same parts as those in the first embodiment are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態の燃料電池システム10Bでは、図7に示されるように、燃料電池セルスタック16に代えて、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池(PCFC:Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell)の燃料電池セルスタック17が用いられている。燃料電池セルスタック17は、燃料極17A、空気極17B,電解質層17Cを有している。 In the fuel cell system 10B of this embodiment, as shown in FIG. 7, a fuel cell stack 17 of a proton ion conductive solid oxide fuel cell (PCFC: Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell) is used instead of the fuel cell stack 16. The fuel cell stack 17 has a fuel electrode 17A, an air electrode 17B, and an electrolyte layer 17C.

合流バルブV2と燃料極17Aの間には、水蒸気供給管R7Bが接続されており、燃料極17Aに水蒸気が供給される。水蒸気供給管R7Bは、気化器28と接続されている。気化器28には、水タンク21から水が供給される。供給された水(液相)は、気化器28において、燃料極オフガス管R3を流れる燃料極オフガスにより加熱され、気化される。 Between the junction valve V2 and the fuel electrode 17A, a water vapor supply pipe R7B is connected, and water vapor is supplied to the fuel electrode 17A. The water vapor supply pipe R7B is connected to the vaporizer 28. Water is supplied to the vaporizer 28 from the water tank 21. The supplied water (liquid phase) is heated and vaporized in the vaporizer 28 by the fuel electrode off-gas flowing through the fuel electrode off-gas pipe R3.

燃料極17Aでは、下記(9)式に示すように、改質部12Aで未改質の燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、下記(10)式に示すように、生成された一酸化炭素と水とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。 At the fuel electrode 17A, the unreformed fuel gas in the reformer 12A is steam reformed to produce hydrogen and carbon monoxide, as shown in the following formula (9). In addition, the carbon monoxide produced undergoes a shift reaction with water to produce carbon dioxide and hydrogen, as shown in the following formula (10).

CH+HO→3H+CO …(9)
CO+HO→CO+H …(10)
CH4 + H2O3H2 + CO ... (9)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ... (10)

そして、燃料極17Aにおいて、下記(11)式に示すように、水素が水素イオンと電子とに分離される。 Then, at the fuel electrode 17A, the hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons, as shown in the following formula (11).

(燃料極反応)
→2H+2e…(11)
(Anode reaction)
H 2 →2H + +2e … (11)

水素イオンは、電解質層17Cを通って空気極17Bへ移動する。電子は、外部回路(不図示)を通って空気極17Bへ移動する。これにより、燃料電池セルスタック17において発電される。発電時に、燃料電池セルスタック17は、発熱する。 The hydrogen ions move through the electrolyte layer 17C to the air electrode 17B. The electrons move through an external circuit (not shown) to the air electrode 17B. This generates electricity in the fuel cell stack 17. During power generation, the fuel cell stack 17 generates heat.

空気極17Bでは、下記(12)式に示すように、電解質層17Cを通って燃料極17Aから移動してきた水素イオン、外部回路を通って燃料極16Aから移動した電子が、空気中の酸素と反応して水蒸気が生成される。 At the air electrode 17B, as shown in the following formula (12), hydrogen ions that have moved from the fuel electrode 17A through the electrolyte layer 17C and electrons that have moved from the fuel electrode 16A through the external circuit react with oxygen in the air to generate water vapor.

(空気極反応)
2H+2e+1/2O →HO …(12)
(Air electrode reaction)
2H + +2e +1/2O 2 →H 2 O ... (12)

本実施形態の燃料電池システム10Bでも、第1実施形態と同様に、炭素析出部14A、14Bで、改質ガスから固体炭素を析出させるので、二酸化炭素を、簡易に処理することができる。これにより、炭化水素燃料利用での発電時に発生する二酸化炭素を、輸送や固定化が簡易に行える固体炭素として簡易に回収することができる。 In the fuel cell system 10B of this embodiment, as in the first embodiment, the carbon deposition units 14A and 14B deposit solid carbon from the reformed gas, so that carbon dioxide can be easily processed. This allows carbon dioxide generated during power generation using hydrocarbon fuel to be easily recovered as solid carbon that can be easily transported and immobilized.

[第3実施形態]
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、その詳細な説明を省略する。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the same parts as those in the first and second embodiments are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態では、ガス消費装置として、燃料を燃焼させて得たエネルギーで発電を行う、エネルギー供給システム10Cについて説明する。ガスエンジンやガスタービン発電機を用いることができるが、本実施形態ではガスエンジンを例に説明する。 In this embodiment, we will explain an energy supply system 10C that generates electricity using energy obtained by burning fuel as a gas consumption device. A gas engine or a gas turbine generator can be used, but in this embodiment, we will explain using a gas engine as an example.

本実施形態でも、第1実施形態と同様の燃料ガスを用いることができる。 In this embodiment, the same fuel gas as in the first embodiment can be used.

図8に示されるように、改質ガス管R2の下流端、及び、空気供給管R5の下流端は、ガスエンジン40と接続されている。改質ガス管R2からは、ガスエンジン40の燃料室(不図示)に、改質ガスが供給され、空気供給管R5からは、ガスエンジン40の燃焼室に空気が供給される。改質ガスは、空気により燃焼室で燃焼される。 As shown in FIG. 8, the downstream end of the reformed gas pipe R2 and the downstream end of the air supply pipe R5 are connected to the gas engine 40. Reformed gas is supplied from the reformed gas pipe R2 to a fuel chamber (not shown) of the gas engine 40, and air is supplied from the air supply pipe R5 to a combustion chamber of the gas engine 40. The reformed gas is combusted in the combustion chamber by the air.

ガスエンジン40には、燃焼排ガス管R8が接続されており、燃焼室から燃焼排ガスが燃焼排ガス管R8に送出される。燃焼排ガス管R8は、高温部熱交換配管R8Aと冷凍機熱交換配管R8Bに分岐されている。高温部熱交換配管R8Aは、高温部13内で熱交換が行われるように配設されている。燃焼排ガスにより、高温部13の温度が500℃~700℃程度に維持され、改質部12A、12B、炭素析出部14A、14Bが加熱される。 A combustion exhaust gas pipe R8 is connected to the gas engine 40, and the combustion exhaust gas is sent from the combustion chamber to the combustion exhaust gas pipe R8. The combustion exhaust gas pipe R8 branches into a high-temperature section heat exchange pipe R8A and a refrigerator heat exchange pipe R8B. The high-temperature section heat exchange pipe R8A is arranged so that heat exchange takes place within the high-temperature section 13. The combustion exhaust gas maintains the temperature of the high-temperature section 13 at approximately 500°C to 700°C, and heats the reforming sections 12A, 12B and the carbon deposition sections 14A, 14B.

冷凍機熱交換配管R8Bは、排熱投入型吸収式冷凍機22と接続されている。燃焼排ガスは、排熱投入型吸収式冷凍機22での熱交換により冷却され、凝縮器20へ送られてさらに冷却される。これにより、燃焼排ガス中の水蒸気が除去される。 The chiller heat exchange pipe R8B is connected to the exhaust heat input type absorption chiller 22. The combustion exhaust gas is cooled by heat exchange in the exhaust heat input type absorption chiller 22 and sent to the condenser 20 for further cooling. This removes the water vapor in the combustion exhaust gas.

凝縮器20には、循環ガス管R10Aの一端が接続され、循環ガス管R10Aの他端は、二酸化炭素分離部31に接続されている。二酸化炭素分離部31は、二酸化炭素分離膜33で区画された非透過部32と透過部34を有している。二酸化炭素分離膜33は、二酸化炭素を選択的に透過させる膜で形成されている。循環ガス管R10Aは、非透過部32と接続されており、凝縮器20で水分が除去された後の燃焼排ガスは、二酸化炭素分離部31の非透過部32へ供給される。非透過部32へ供給された燃焼排ガス中の二酸化炭素は、二酸化炭素分離膜33を透過して透過部34へ移動する。非透過部32に残った燃焼排ガス成分は、排ガス管R11から排出される。 One end of the circulation gas pipe R10A is connected to the condenser 20, and the other end of the circulation gas pipe R10A is connected to the carbon dioxide separation section 31. The carbon dioxide separation section 31 has a non-permeation section 32 and a permeation section 34 separated by a carbon dioxide separation membrane 33. The carbon dioxide separation membrane 33 is formed of a membrane that selectively allows carbon dioxide to permeate. The circulation gas pipe R10A is connected to the non-permeation section 32, and the combustion exhaust gas after moisture has been removed by the condenser 20 is supplied to the non-permeation section 32 of the carbon dioxide separation section 31. The carbon dioxide in the combustion exhaust gas supplied to the non-permeation section 32 permeates the carbon dioxide separation membrane 33 and moves to the permeation section 34. The combustion exhaust gas components remaining in the non-permeation section 32 are discharged from the exhaust gas pipe R11.

二酸化炭素分離部31の透過部34には、循環ガス管R10Bの一端が接続され、循環ガス管R10Bの他端は、ガスミキサGMを介して燃料供給管R1と接続されている。循環ガス管R10Bには、循環ブロワB3が設けられている。二酸化炭素分離部31で分離された二酸化炭素は、循環ブロワB3により燃料供給管R1へ向かって送出され、ガスミキサGMで燃料ガスと混合されて、改質部12A、12Bへ供給される。 One end of the circulation gas pipe R10B is connected to the permeation section 34 of the carbon dioxide separation section 31, and the other end of the circulation gas pipe R10B is connected to the fuel supply pipe R1 via a gas mixer GM. A circulation blower B3 is provided in the circulation gas pipe R10B. The carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation section 31 is sent by the circulation blower B3 toward the fuel supply pipe R1, mixed with the fuel gas in the gas mixer GM, and supplied to the reforming sections 12A and 12B.

本実施形態のエネルギー供給システム10Cでも、炭素析出部14A、14Bで、改質ガスから固体炭素を析出させる。このように、固体炭素を析出させることにより、簡易に処理することができる。これにより、炭化水素燃料利用での発電時に発生する二酸化炭素を、輸送や固定化が簡易に行える固体炭素として簡易に回収することができる。 In the energy supply system 10C of this embodiment, solid carbon is also precipitated from the reformed gas in the carbon precipitation units 14A and 14B. In this way, by precipitating solid carbon, processing can be simplified. This allows carbon dioxide generated during power generation using hydrocarbon fuels to be easily recovered as solid carbon that can be easily transported and immobilized.

また、ガスエンジン40から排出された燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を改質部12A、12Bへ戻して、二酸化炭素改質に利用するので、エネルギー供給システム10Cの運転により生成される二酸化炭素を、外部に排出することなく、固体炭素化して回収することができる。 In addition, the carbon dioxide contained in the combustion exhaust gas discharged from the gas engine 40 is returned to the reforming sections 12A and 12B and used for carbon dioxide reforming, so that the carbon dioxide generated by the operation of the energy supply system 10C can be converted into solid carbon and recovered without being discharged to the outside.

[第4実施形態]
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、その詳細な説明を省略する。
[Fourth embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the same parts as those in the first to third embodiments are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態では、ガス消費装置として、燃料を燃焼させて得た熱エネルギーを利用する、エネルギー供給システム10Dについて説明する。ガス給湯器やガスボイラを用いることができるが、本実施形態ではガス給湯器を例に説明する。 In this embodiment, an energy supply system 10D is described that uses thermal energy obtained by burning fuel as a gas consumption device. A gas water heater or a gas boiler can be used, but in this embodiment, a gas water heater is used as an example.

本実施形態でも、第1実施形態と同様の燃料ガスを用いることができる。 In this embodiment, the same fuel gas as in the first embodiment can be used.

図9に示されるように、改質ガス管R2の下流端、及び、空気供給管R5の下流端は、ガス給湯器44と接続されている。改質ガス管R2からは、ガス給湯器44の燃料室(不図示)に、改質ガスが供給され、空気供給管R5からは、ガス給湯器44の燃焼室に空気が供給される。改質ガスは、空気により燃焼室で燃焼される。 As shown in FIG. 9, the downstream end of the reformed gas pipe R2 and the downstream end of the air supply pipe R5 are connected to the gas water heater 44. Reformed gas is supplied from the reformed gas pipe R2 to a fuel chamber (not shown) of the gas water heater 44, and air is supplied from the air supply pipe R5 to a combustion chamber of the gas water heater 44. The reformed gas is combusted in the combustion chamber by the air.

ガス給湯器44には、熱交換配管46が設けられており、熱交換配管46には、水が供給される。熱交換配管46は、燃焼室での燃焼熱により、内部を流れる水が加熱されるように配設されている。 The gas water heater 44 is provided with heat exchange piping 46, and water is supplied to the heat exchange piping 46. The heat exchange piping 46 is arranged so that the water flowing inside is heated by the heat of combustion in the combustion chamber.

ガス給湯器44には、燃焼排ガス管R8が接続されており、燃焼室から燃焼排ガスが燃焼排ガス管R8に送出される。 A combustion exhaust gas pipe R8 is connected to the gas water heater 44, and the combustion exhaust gas is sent from the combustion chamber to the combustion exhaust gas pipe R8.

本実施形態のエネルギー供給システム10Dでも、炭素析出部14A、14Bで、改質ガスから固体炭素を析出させる。このように、固体炭素を析出させることにより、簡易に処理することができる。れにより、炭化水素燃料利用での発電時に発生する二酸化炭素を、輸送や固定化が簡易に行える固体炭素として簡易に回収することができる。 In the energy supply system 10D of this embodiment, solid carbon is also precipitated from the reformed gas in the carbon precipitation units 14A and 14B. In this way, by precipitating solid carbon, processing can be simplified. This allows carbon dioxide generated during power generation using hydrocarbon fuel to be easily recovered as solid carbon that can be easily transported and immobilized.

また、ガス給湯器44から排出された燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を改質部12A、12Bへ戻して、二酸化炭素改質に利用するので、エネルギー供給システム10Cの運転により生成される二酸化炭素を、外部に排出することなく、固体炭素化して回収することができる。 In addition, the carbon dioxide contained in the combustion exhaust gas discharged from the gas water heater 44 is returned to the reforming sections 12A and 12B and used for carbon dioxide reforming, so that the carbon dioxide generated by the operation of the energy supply system 10C can be converted into solid carbon and recovered without being discharged to the outside.

なお、前述の第1~第4実施形態では、炭素析出部14A、14Bの析出空間14ARにおける管体14AKの内壁14AKWにリブ14ALを設けて、炭素の析出を促進したが、リブ14ALは必ずしも必要ではない。リブ14ALに代えて、内壁14AKWの表面に粗面化処理を施したり、細かい凹凸を形成したりしてもよい。 In the first to fourth embodiments described above, ribs 14AL are provided on the inner wall 14AKW of the tube 14AK in the deposition space 14AR of the carbon deposition sections 14A and 14B to promote carbon deposition, but the ribs 14AL are not necessarily required. Instead of the ribs 14AL, the surface of the inner wall 14AKW may be roughened or fine irregularities may be formed.

また、前述の第1~第4実施形態では、各ガス消費装置(燃料電池セルスタック16、ガスエンジン40、ガス給湯器44)から排出されたガスに含まれる二酸化炭素を改質部12A、12Bでの二酸化炭素改質に用いたが、他の二酸化炭素を用いてもよい。 In addition, in the first to fourth embodiments described above, the carbon dioxide contained in the gas discharged from each gas consuming device (fuel cell stack 16, gas engine 40, gas water heater 44) was used for carbon dioxide reforming in reforming units 12A and 12B, but other carbon dioxide may also be used.

また、前述の第1~第4実施形態では、改質部12A、12B、炭素析出部14A、14Bのセットを2組設置したが、3組以上設置してもよいし、1組でもよい。2組以上設けることにより、燃料ガスの供給を停止することなく、炭素析出部14A、14Bの交換を行うことができる。 In addition, in the first to fourth embodiments described above, two sets of reforming units 12A, 12B and carbon deposition units 14A, 14B are installed, but three or more sets may be installed, or just one set may be installed. By providing two or more sets, it is possible to replace the carbon deposition units 14A, 14B without stopping the supply of fuel gas.

また、前述の第1~第4実施形態では、排熱投入型吸収式冷凍機22を用いて冷熱を生成したが、排熱投入型吸収式冷凍機22に代えて他の排熱を利用するヒートポンプ、例えば、吸着式冷凍機を用いて冷熱を生成してもよい。
さらに、排熱を利用して排気ガス中の水分を除去(除湿)するうえでは、排熱利用型のデシカント空調機を利用して、ガス中の過剰な水分を除去してもよい。
In addition, in the first to fourth embodiments described above, cold energy is generated using the exhaust heat input type absorption chiller 22. However, cold energy may be generated using a heat pump that utilizes other exhaust heat instead of the exhaust heat input type absorption chiller 22, for example, an adsorption chiller.
Furthermore, when removing moisture (dehumidifying) from the exhaust gas using exhaust heat, a desiccant air conditioner that uses exhaust heat may be used to remove excess moisture from the gas.

10A、10B 燃料電池システム(固体炭素回収型エネルギー供給システム)
10C、10D エネルギー供給システム
12A、12B 改質部
12AR、12BR 改質空間
C 改質触媒
13 高温部(オフガス熱交換部、燃焼排ガス熱交換部)
14A、14B 炭素析出部
15A、15B 流量計(炭素情報出力部)
16、17 燃料電池セルスタック(ガス消費部)
16A、17A 燃料極
16B、17B 空気極
18 酸化部(除去部)
19 水素除去部(除去部)
20 凝縮器(水分離部)
31 二酸化炭素分離部
30 制御部(切換部)
40 ガスエンジン(ガス消費部)
44 ガス給湯器(ガス消費部)
R4 循環ガス管(オフガス循環路)
R10B 循環ガス管(二酸化炭素循環路)
V1 分岐バルブ(切換部)
V2 合流バルブ(切換部)
10A, 10B Fuel cell system (solid carbon recovery type energy supply system)
10C, 10D Energy supply system 12A, 12B Reforming section 12AR, 12BR Reforming space C Reforming catalyst 13 High temperature section (off gas heat exchange section, combustion exhaust gas heat exchange section)
14A, 14B Carbon deposition unit 15A, 15B Flow meter (carbon information output unit)
16, 17 Fuel cell stack (gas consumption section)
16A, 17A fuel electrodes 16B, 17B air electrodes 18 oxidation section (removal section)
19 Hydrogen removal section (removal section)
20 Condenser (water separation section)
31 Carbon dioxide separation unit 30 Control unit (switching unit)
40 Gas engine (gas consumption part)
44 Gas water heater (gas consumption part)
R4 Circulating gas pipe (off-gas circulation path)
R10B Circulating gas pipe (carbon dioxide circulation path)
V1 Branch valve (switching part)
V2 Confluence valve (switching part)

Claims (13)

改質触媒が収納された改質空間を有し、炭化水素を含む燃料ガスを前記改質空間内の二酸化炭素で二酸化炭素改質して水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部の下流側に設けられ、前記改質部から送出された前記改質ガスから固体炭素を析出させる炭素析出部と、
前記炭素析出部よりも下流側に設けられ、前記炭素析出部から送出された前記改質ガスを消費してエネルギーを得るガス消費部と、
を備え、前記炭素析出部で析出させた固体炭素を回収する、
固体炭素回収型エネルギー供給システム。
a reforming section having a reforming space in which a reforming catalyst is housed, and which reforms a fuel gas containing a hydrocarbon with carbon dioxide in the reforming space to generate a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide;
a carbon deposition section provided downstream of the reforming section and configured to deposit solid carbon from the reformed gas discharged from the reforming section;
a gas consumption section provided downstream of the carbon deposition section and configured to consume the reformed gas delivered from the carbon deposition section to obtain energy;
and recovering the solid carbon precipitated in the carbon precipitater.
Solid carbon capture energy supply system.
前記ガス消費部から排出された利用後改質ガスから水を分離する水分離部と、
前記水分離部で水が分離された前記利用後改質ガスを前記改質部へ供給するガス循環路と、
を備えた請求項1に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
a water separation unit that separates water from the used reformed gas discharged from the gas consumption unit;
a gas circulation path that supplies the used reformed gas from which water has been separated in the water separation section to the reforming section;
The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 1 , comprising:
前記炭素析出部よりも下流側且つ前記ガス消費部よりも上流側に設けられ、前記炭素析出部から送出された前記改質ガスの流量及び圧力の少なくとも一方を測定して前記炭素析出部で析出された炭素量に関する析出炭素情報を出力する炭素情報出力部と、
を備えた、請求項1または請求項2に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
a carbon information output unit that is provided downstream of the carbon deposition unit and upstream of the gas consumption unit, and that measures at least one of a flow rate and a pressure of the reformed gas sent out from the carbon deposition unit and outputs deposited carbon information regarding an amount of carbon deposited in the carbon deposition unit;
The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 1 or 2, comprising:
複数の前記炭素析出部と、
前記炭素情報出力部から出力された前記析出炭素情報に基づいて、前記複数の炭素析出部の内、前記改質部からの前記改質ガスの送出先となる前記炭素析出部を切り換える切換部と、
を備えた、請求項3に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
A plurality of the carbon deposit portions;
a switching unit that switches the carbon deposition unit to which the reformed gas is sent from the reforming unit among the plurality of carbon deposition units based on the deposited carbon information output from the carbon information output unit;
The solid carbon recovery energy supply system according to claim 3 , comprising:
前記ガス消費部は、前記改質ガスを発電反応に用いる燃料電池セルスタックであり、前記燃料ガスは前記燃料電池セルスタックの燃料極へ供給される、
請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
the gas consumption unit is a fuel cell stack that uses the reformed gas in a power generation reaction, and the fuel gas is supplied to an anode of the fuel cell stack.
The solid carbon recovery type energy supply system according to any one of claims 1 to 4.
前記燃料極から排出された燃料極オフガスから水素、一酸化炭素、及び炭化水素の少なくとも1つを除去する除去部と、
前記除去部で水素、一酸化炭素、及び炭化水素の少なくとも1つを除去された前記燃料極オフガスを前記改質部へ供給するオフガス循環路と、
を備えた、請求項5に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
a removal unit that removes at least one of hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons from the anode off-gas discharged from the anode;
an off-gas circulation path that supplies the anode off-gas from which at least one of hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons has been removed in the removal section to the reforming section;
The solid carbon recovery energy supply system according to claim 5 , comprising:
前記燃料電池セルスタックの空気極から排出された空気極オフガスと前記改質部及び前記炭素析出部の少なくとも一方と熱交換を行うオフガス熱交換部、
を備えた請求項5または請求項6に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
an off-gas heat exchange section that exchanges heat between the air electrode off-gas discharged from the air electrode of the fuel cell stack and at least one of the reforming section and the carbon deposition section;
The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 5 or 6, comprising:
前記ガス消費部は、前記燃料ガスを燃焼させる燃焼部を有し、
前記燃焼部へ前記燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
The gas consumption unit has a combustion unit that combusts the fuel gas,
The solid carbon recovery type energy supply system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the combustion section.
前記燃焼部から排出される燃焼排ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離部と、
前記二酸化炭素分離部で分離された二酸化炭素を前記改質部へ供給する二酸化炭素循環路と、
を備えた、請求項8に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
A carbon dioxide separation unit that separates carbon dioxide from the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit;
a carbon dioxide circulation path that supplies the carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation section to the reforming section;
The solid carbon recovery energy supply system according to claim 8, comprising:
前記燃焼部から排出された燃焼排ガスと前記改質部及び前記炭素析出部の少なくとも一方と熱交換を行う燃焼排ガス熱交換部、
を備えた請求項8または請求項9に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
a combustion exhaust gas heat exchanger that exchanges heat between the combustion exhaust gas discharged from the combustion section and at least one of the reforming section and the carbon deposition section;
The solid carbon recovery type energy supply system according to claim 8 or claim 9, comprising:
炭化水素を含む燃料ガスを改質空間で二酸化炭素改質して水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、
前記改質空間の下流側に設けられた炭素析出部で前記改質ガスから固体炭素を析出させ、
前記炭素析出部よりも下流側に設けられたガス消費部で、前記炭素析出部から送出された前記改質ガスを消費してエネルギーを得、
前記炭素析出部で析出させた固体炭素を回収する、
固体炭素回収型エネルギー供給方法。
A fuel gas containing a hydrocarbon is reformed into carbon dioxide in a reforming space to generate a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide;
solid carbon is precipitated from the reformed gas in a carbon precipitation section provided downstream of the reforming space;
a gas consumption section provided downstream of the carbon deposition section, which consumes the reformed gas delivered from the carbon deposition section to obtain energy;
Recovering the solid carbon precipitated in the carbon precipitater.
Solid carbon capture energy supply method.
ガス消費部から排出された利用後改質ガスから水を分離し、
水が分離された前記利用後改質ガスを前記改質空間へ供給する、
請求項11に記載の固体炭素回収型エネルギー供給方法。
Separating water from the used reformed gas discharged from the gas consumption section;
supplying the used reformed gas from which water has been separated to the reforming space;
The solid carbon recovery type energy supply method according to claim 11.
前記炭素析出部は、乱流を発生させるリブを含んで形成されている、
請求項1~10のいずれか1項に記載の固体炭素回収型エネルギー供給システム。
The carbon deposition portion is formed to include a rib that generates a turbulent flow.
A solid carbon recovery type energy supply system according to any one of claims 1 to 10.
JP2020124725A 2020-07-21 Solid carbon recovery type energy supply system and solid carbon recovery type energy supply method. Active JP7509594B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020124725A JP7509594B2 (en) 2020-07-21 Solid carbon recovery type energy supply system and solid carbon recovery type energy supply method.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020124725A JP7509594B2 (en) 2020-07-21 Solid carbon recovery type energy supply system and solid carbon recovery type energy supply method.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022021242A JP2022021242A (en) 2022-02-02
JP7509594B2 true JP7509594B2 (en) 2024-07-02

Family

ID=

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003221204A (en) 2002-01-31 2003-08-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Method of driving for power generation and others by digestion gas and system for the same
JP2005511467A (en) 2000-05-08 2005-04-28 ミッドウエスト リサーチ インスティチュート Aerosol flow reaction treatment method by solar heat
US20050220695A1 (en) 2004-04-06 2005-10-06 Nicolas Abatzoglou Carbon sequestration and dry reforming process and catalysts to produce same
JP2014080328A (en) 2012-10-16 2014-05-08 Chiyoda Corp Joint production method of synthetic gas and hydrogen not discharging co2 from process
JP2014107056A (en) 2012-11-26 2014-06-09 Tokyo Gas Co Ltd Fuel cell power generation system
WO2014115502A1 (en) 2013-01-24 2014-07-31 パナソニック株式会社 Fuel cell system
JP2015516361A (en) 2012-04-16 2015-06-11 シーアストーン リミテッド ライアビリティ カンパニー Method for treating off-gas containing carbon oxides
JP6043886B1 (en) 2016-06-13 2016-12-14 東京瓦斯株式会社 Gas separation system and fuel cell system
JP2018045875A (en) 2016-09-14 2018-03-22 東京瓦斯株式会社 Power generation system
JP2020071963A (en) 2018-10-30 2020-05-07 東京瓦斯株式会社 Fuel cell system and method of regenerating off-gas
JP2020077486A (en) 2018-11-06 2020-05-21 日産自動車株式会社 Fuel cell system and control method of fuel cell system

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005511467A (en) 2000-05-08 2005-04-28 ミッドウエスト リサーチ インスティチュート Aerosol flow reaction treatment method by solar heat
JP2003221204A (en) 2002-01-31 2003-08-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Method of driving for power generation and others by digestion gas and system for the same
US20050220695A1 (en) 2004-04-06 2005-10-06 Nicolas Abatzoglou Carbon sequestration and dry reforming process and catalysts to produce same
JP2015516361A (en) 2012-04-16 2015-06-11 シーアストーン リミテッド ライアビリティ カンパニー Method for treating off-gas containing carbon oxides
JP2014080328A (en) 2012-10-16 2014-05-08 Chiyoda Corp Joint production method of synthetic gas and hydrogen not discharging co2 from process
JP2014107056A (en) 2012-11-26 2014-06-09 Tokyo Gas Co Ltd Fuel cell power generation system
WO2014115502A1 (en) 2013-01-24 2014-07-31 パナソニック株式会社 Fuel cell system
JP6043886B1 (en) 2016-06-13 2016-12-14 東京瓦斯株式会社 Gas separation system and fuel cell system
JP2018045875A (en) 2016-09-14 2018-03-22 東京瓦斯株式会社 Power generation system
JP2020071963A (en) 2018-10-30 2020-05-07 東京瓦斯株式会社 Fuel cell system and method of regenerating off-gas
JP2020077486A (en) 2018-11-06 2020-05-21 日産自動車株式会社 Fuel cell system and control method of fuel cell system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101259820B1 (en) Fuel cell system and ship having the same
WO2022180740A1 (en) Carbon dioxide gas recovery type hydrogen production system utilizing lng
JPS61135063A (en) Operation of fuel battery power plant
JP2005532241A (en) No / low exhaust energy supply station
JP2007018907A (en) Power generation system
JP2013229203A (en) Solid oxide fuel cell system
NO345296B1 (en) Method and power plant comprising a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) for production of electrical energy and H2 gas
JP6692394B2 (en) Carbon recovery fuel cell power generation system
CN113316482A (en) Reaction device and fuel cell power generation system
KR20170026753A (en) Fuel cell system and ship having the same
JP2007141772A (en) Fuel cell system
JP2009104814A (en) Fuel cell power generation system
JP7509594B2 (en) Solid carbon recovery type energy supply system and solid carbon recovery type energy supply method.
WO2017110090A1 (en) Fuel cell system
JP7181065B2 (en) Reactor and fuel cell power generation system
JP2019169419A (en) Fuel cell system
JP7148320B2 (en) Carbon dioxide capture fuel cell power generation system
JP7148364B2 (en) Reactor and fuel cell power generation system
JP2022021242A (en) Solid carbon recovery type energy supply system, and, solid carbon recovery type energy supply method
JP7377734B2 (en) Fuel cell power generation system
JP6755424B1 (en) Fuel cell system
JP2020030893A (en) Liquefied carbon dioxide-recovering fuel cell power generation system
JP2008198400A (en) Fuel cell power generation system
JP6704011B2 (en) Fuel cell system
JP2006156015A (en) Fuel cell system and fuel gas supply method