JP7148320B2 - Carbon dioxide capture fuel cell power generation system - Google Patents

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Description

本発明は二酸化炭素回収型燃料電池発電システムに関し、特に炭素化合物燃料を用いて発電を行い、発電に伴って発生する二酸化炭素を回収可能な二酸化炭素回収型燃料電池発電システムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon dioxide recovery fuel cell power generation system, and more particularly to a carbon dioxide recovery fuel cell power generation system that generates power using a carbon compound fuel and is capable of recovering carbon dioxide generated during power generation.

燃料電池発電システムにおいて、炭素化合物燃料を用いる場合には、燃料電池セルスタックの燃料極から排出される燃料極オフガスに二酸化炭素が含まれている。この二酸化炭素を回収することが行われているが、燃料極オフガスには二酸化炭素以外の成分が混在している。そこで、例えば、特許文献１には、燃料極オフガスを酸素燃焼させ、さらに水を凝縮により除去して二酸化炭素を回収する技術が開示されている。 When a carbon compound fuel is used in a fuel cell power generation system, carbon dioxide is contained in the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack. This carbon dioxide is being recovered, but the fuel electrode off-gas contains components other than carbon dioxide. Therefore, for example, Patent Literature 1 discloses a technique of burning the fuel electrode off-gas with oxygen and removing water by condensation to recover carbon dioxide.

特開２０１２－１６４４２３号公報JP 2012-164423 A

このように、燃料極オフガスを酸素燃焼させた後に二酸化炭素を回収する場合、燃焼用に供する酸素の量を適量にして、燃焼オフガスに酸素や燃料ガスが残らないようにすることが好ましい。特許文献１では、酸素供給量を調整するために酸素供給用ＳＯＦＣを用いている。しかしながら、酸素供給用ＳＯＦＣを用いて酸素を供給する場合、供給量の調整は酸素供給用ＳＯＦＣの駆動制御と連動させる必要があるため難しい。 In this way, when recovering carbon dioxide after oxygen-burning the fuel electrode off-gas, it is preferable to set the amount of oxygen used for combustion to an appropriate amount so that oxygen and fuel gas do not remain in the combustion off-gas. In Patent Document 1, an oxygen supply SOFC is used to adjust the oxygen supply amount. However, when oxygen is supplied using the oxygen supply SOFC, it is difficult to adjust the supply amount because it is necessary to interlock with the drive control of the oxygen supply SOFC.

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、簡易な調整により燃料極オフガスから高濃度の二酸化炭素を回収することが可能な二酸化炭素回収型燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above facts, and an object of the present invention is to provide a carbon dioxide recovery fuel cell power generation system capable of recovering high-concentration carbon dioxide from fuel electrode offgas by simple adjustment. do.

請求項１記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスが送出され前記空気極から空気極ガスが送出される燃料電池と、前記空気極から空気極オフガス管へ送出された空気極オフガスの一部を分岐する分岐空気極オフガス流路と、前記分岐空気極オフガス流路と接続されて前記空気極オフガスが供給され、前記空気極オフガスから酸素を分離する酸素分離部と、前記酸素分離部へ供給される前記前記空気極オフガスの流量を調整する流量調整部と、前記酸素分離部で分離された酸素と前記燃料極オフガスとを燃焼反応させる燃焼部と、前記燃焼部から送出される燃焼オフガスから二酸化炭素リッチガスを分離する二酸化炭素分離部と、を備えている。 A carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to the first aspect of the invention generates power using a fuel gas containing a carbon compound and supplied to a fuel electrode and an oxidant gas containing oxygen and supplied to an air electrode, A fuel cell in which fuel electrode off-gas is delivered from the fuel electrode and air electrode gas is delivered from the air electrode, and a branch air electrode off-gas that branches a part of the air electrode off-gas delivered from the air electrode to the air electrode off-gas pipe a flow path, an oxygen separation section connected to the branched air electrode off-gas flow path to which the air electrode off-gas is supplied and separating oxygen from the air electrode off-gas; and the air electrode off-gas supplied to the oxygen separation section. a combustion unit for causing a combustion reaction between the oxygen separated by the oxygen separation unit and the fuel electrode off-gas; and a carbon dioxide-rich gas separated from the combustion off-gas delivered from the combustion unit. and a carbon separator.

請求項１に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、燃料電池を備えている。燃料電池では、燃料極へ供給された燃料ガスと空気極へ供給された酸化剤ガスにより発電が行われる。燃料極からは燃料極オフガスが送出され、空気極からは空気極オフガスが送出される。空気極から送出された空気極オフガスは、一部が分岐空気極オフガス流路へ分岐されて酸素分離部へ供給される。酸素分離部へ供給される空気極オフガスの流量は、流量調整部により調整される。酸素分離部では、空気極オフガスから酸素が分離され、分離された酸素により燃料極オフガス中の可燃成分が燃焼部で燃焼され、燃焼部から燃焼オフガスが送出される。燃焼オフガスは二酸化炭素分離部へ送出され、燃焼オフガスから二酸化炭素リッチガスが分離される。 A carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to claim 1 includes a fuel cell. In a fuel cell, power is generated by a fuel gas supplied to a fuel electrode and an oxidant gas supplied to an air electrode. Anode off-gas is sent from the anode, and cathode off-gas is sent from the cathode. A part of the cathode off-gas sent from the cathode is branched to the branched cathode off-gas flow path and supplied to the oxygen separation section. The flow rate of the cathode off-gas supplied to the oxygen separation section is adjusted by the flow rate adjustment section. In the oxygen separation section, oxygen is separated from the air electrode off-gas, combustible components in the anode off-gas are burned by the separated oxygen in the combustion section, and combustion off-gas is delivered from the combustion section. The combustion off-gas is sent to a carbon dioxide separation section to separate a carbon dioxide-rich gas from the combustion off-gas.

請求項１に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、空気極から送出された空気極オフガスの一部が分岐空気極オフガス流路へ分岐されているので、流量調整部で流量を調整することにより、容易に酸素分離部へ供給される空気極オフガスの流量を調整することができる。これにより、酸素分離部から燃焼部への酸素供給量についても簡易に調整することができ、調整により、燃料極オフガスから高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 In the carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to claim 1, part of the air electrode off-gas sent from the air electrode is branched to the branch air electrode off-gas flow path, so that the flow rate is adjusted by the flow rate adjustment unit. Thus, the flow rate of the air electrode off-gas supplied to the oxygen separation section can be easily adjusted. As a result, it is possible to easily adjust the amount of oxygen supplied from the oxygen separation section to the combustion section, and through this adjustment, it is possible to recover high-concentration carbon dioxide from the fuel electrode off-gas.

請求項１記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、前記燃焼オフガスまたは前記二酸化炭素リッチガスに含まれる可燃ガス及び酸素の少なくとも一方の含有量情報を検出する含有量情報検出部と、前記含有量情報検出部で検出された前記含有量情報に基づいて、前記流量調整部を制御する制御部と、を備えている。 A carbon dioxide capture fuel cell power generation system according to the invention of claim 1 includes a content information detection unit that detects content information of at least one of combustible gas and oxygen contained in the combustion off-gas or the carbon dioxide-rich gas, and a control section for controlling the flow rate adjustment section based on the content information detected by the content information detection section.

請求項１に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、含有量情報検出部により、燃焼オフガスまたは二酸化炭素リッチガスに含まれる可燃ガス及び酸素の少なくとも一方の含有量情報が検出され、当該含有量情報に基づいて、制御部によって流量調整部が制御される。これにより、酸素分離部へ供給される空気極オフガスの流量が制御され、酸素分離部へ供給される空気極オフガスの流量が調整されることにより、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。 In the carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to claim 1 , the content information detection unit detects the content information of at least one of the combustible gas and oxygen contained in the combustion off-gas or the carbon dioxide-rich gas, and detects the content information. Based on, the control unit controls the flow rate adjusting unit. As a result, the flow rate of the cathode off-gas supplied to the oxygen separation section is controlled, and the flow rate of the cathode off-gas supplied to the oxygen separation section is adjusted, thereby increasing the carbon dioxide concentration of the carbon dioxide-rich gas. can.

請求項２記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、前記含有量情報検出部は、さらに前記二酸化炭素リッチガスに含まれる水蒸気量を検出し、前記制御部は、検出された水蒸気量に基づいて前記二酸化炭素分離部における水蒸気凝縮量を制御する。 In the carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to the second aspect of the invention, the content information detection unit further detects the amount of water vapor contained in the carbon dioxide-rich gas, and the control unit detects the amount of water vapor contained in the carbon dioxide-rich gas. Based on, the amount of water vapor condensation in the carbon dioxide separation unit is controlled.

請求項２に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、含有量情報検出部により、二酸化炭素リッチガスに含まれる水蒸気量が検出され、当該含有量情報に基づいて、制御部によって二酸化炭素分離部における水蒸気凝縮量が制御される。これにより、二酸化炭素リッチガスに含まれる水蒸気量が少なくなることから、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。 In the carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to claim 2 , the content information detection unit detects the amount of water vapor contained in the carbon dioxide rich gas, and the control unit controls the carbon dioxide separation unit based on the content information. Water vapor condensation is controlled. As a result, the amount of water vapor contained in the carbon dioxide-rich gas is reduced, so that the carbon dioxide concentration of the carbon dioxide-rich gas can be increased.

請求項３記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、前記燃料電池は、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）である。 In the carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to the third aspect of the invention, the fuel cell is a proton-conducting solid oxide fuel cell (PCFC: Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell).

水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池では、空気極側で発電反応による水蒸気が生成される。したがって、燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量は少なくなるため、燃焼後の燃焼オフガスから除去する水蒸気の量を少なくすることができる。 In a hydrogen ion conducting solid oxide fuel cell, water vapor is generated by a power generation reaction on the air electrode side. Therefore, since the amount of water vapor contained in the fuel electrode off-gas is reduced, the amount of water vapor to be removed from the combustion off-gas after combustion can be reduced.

請求項４記載の発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、前記燃料電池は、酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）である。 In the carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to the invention of claim 4 , the fuel cell is an oxygen ion conduction solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell).

酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池では、炭素化合物である一酸化炭素が発電反応に利用されるので、発電効率を向上させることができる。 In the oxygen-ion conducting solid oxide fuel cell, carbon monoxide, which is a carbon compound, is used in the power generation reaction, so power generation efficiency can be improved.

本発明に係る二酸化炭素回収型燃料電池発電システムによれば、簡易な調整により燃料極オフガスから高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 According to the carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to the present invention, high-concentration carbon dioxide can be recovered from the fuel electrode off-gas by simple adjustment.

第１実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a first embodiment; FIG. 第１実施形態に係る燃料電池発電システムの制御系のブロック図である。1 is a block diagram of a control system of a fuel cell power generation system according to a first embodiment; FIG. 第１実施形態の流量調整処理のフローチャートである。4 is a flowchart of flow rate adjustment processing according to the first embodiment; 第１実施形態の冷却水温度調整処理のフローチャートである。4 is a flowchart of cooling water temperature adjustment processing according to the first embodiment; 第２実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a second embodiment; 第３実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a third embodiment; 第４実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a fourth embodiment; 第５実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a fifth embodiment; 第６実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a sixth embodiment; 第７実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a seventh embodiment; 第８実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to an eighth embodiment; 第９実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a ninth embodiment; 第１実施形態の変形例に係る燃料電池発電システムの概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system according to a modified example of the first 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、本発明の二酸化炭素回収型燃料電池発電システムの一例としての第１実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ａが示されている。燃料電池発電システム１０Ａは、主要な構成として、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４、酸素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６、二酸化炭素回収タンク２８、第１熱交換器３０、第２熱交換器３２、排熱投入型吸収式冷凍機３６、水タンク２７を備えている。また、図２に示されるように、燃料電池発電システム１０Ａを制御する制御部４０を備えている。 [First Embodiment]
FIG. 1 shows a fuel cell power generation system 10A according to a first embodiment as an example of the carbon dioxide capture type fuel cell power generation system of the present invention. The fuel cell power generation system 10A mainly includes a first fuel cell stack 12, a second fuel cell stack 14, a combustor 20 with an oxygen permeable membrane, a condenser 26, a carbon dioxide recovery tank 28, and a first heat exchange. , a second heat exchanger 32 , a waste heat input type absorption refrigerator 36 , and a water tank 27 . Also, as shown in FIG. 2, a control section 40 is provided for controlling the fuel cell power generation system 10A.

第１燃料電池セルスタック１２は、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）であり、電解質層１２Ｃと、当該電解質層１２Ｃの表裏面にそれぞれ積層された第１燃料極（燃料極）１２Ａ、及び第１空気極（空気極）１２Ｂと、を有している。 The first fuel cell stack 12 is a proton-conducting solid oxide fuel cell (PCFC: Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell). It has one fuel electrode (fuel electrode) 12A and a first air electrode (air electrode) 12B.

なお、第２燃料電池セルスタック１４についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１２と同様であり、第１燃料極１２Ａに対応する第２燃料極１４Ａ、第１空気極１２Ｂに対応する第２空気極１４Ｂ、及び電解質層１２Ｃに対応する電解質層１４Ｃを有している。 The basic configuration of the second fuel cell stack 14 is the same as that of the first fuel cell stack 12, with a second fuel electrode 14A corresponding to the first fuel electrode 12A and a second fuel electrode 14A corresponding to the first air electrode 12B. It has two air electrodes 14B and an electrolyte layer 14C corresponding to the electrolyte layer 12C.

第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａには、燃料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、燃料ガス管Ｐ１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により燃料ガスが第１燃料極１２Ａへ送出される。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 gas pipe P1 is connected to the first fuel electrode 12A of the first fuel cell stack 12, and the other end of the fuel gas pipe P1 is connected to a gas source (not shown). Fuel gas is delivered from the gas source to the first fuel electrode 12A by the fuel supply blower B1. In this embodiment, methane is used as the fuel gas, but any gas capable of generating hydrogen by reforming is not particularly limited, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of hydrocarbon fuels include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), biogas, reformed coal gas, and low hydrocarbon gas. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane and butane, and methane used in the present embodiment is preferred. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-mentioned lower hydrocarbon gases, and the above-mentioned lower hydrocarbon gases may be gases such as natural gas, city gas, and LP gas. If the source gas contains impurities, a desulfurizer or the like is required, but is omitted in the figure.

燃料ガス管Ｐ１には、水蒸気管Ｐ２が合流接続されており、不図示の水蒸気源から、起動時や停止時などに、適宜水蒸気が送り込まれる。メタン及び水蒸気は燃料ガス管Ｐ１で合流され、第１燃料極１２Ａへ供給される。なお、本実施形態では、後述するように第２燃料極オフガスの一部が第１燃料極１２Ａへ戻されて水蒸気が再利用されるため、水蒸気管Ｐ２からの水蒸気は、燃料電池発電システム１０Ａの起動や停止工程において、必要時に補充的に供給される。 A water vapor pipe P2 is joined to the fuel gas pipe P1, and water vapor is appropriately sent from a water vapor source (not shown) at the time of starting or stopping. Methane and water vapor are combined in the fuel gas pipe P1 and supplied to the first fuel electrode 12A. In the present embodiment, as will be described later, part of the second fuel electrode offgas is returned to the first fuel electrode 12A and the water vapor is reused. Supplementary supply when necessary in the start-up or shutdown process of the

第１燃料極１２Ａでは、下記（１）式に示すように、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（２）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 first fuel electrode 12A, the fuel gas is steam-reformed to produce hydrogen and carbon monoxide as shown in the following equation (1). Further, as shown in the following formula (2), carbon monoxide and hydrogen are produced by a shift reaction between the produced carbon monoxide and water.

ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（２） CH 4 +H 2 O→3H 2 +CO (1)
CO+ H2O → CO2 +H2 ( 2 )

そして、第１燃料極１２Ａにおいて、下記（３）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, in the first fuel electrode 12A, hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons as shown in the following formula (3).

（燃料極反応）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ－…（３） (Anode reaction)
H 2 →2H + +2e − (3)

水素イオンは、電解質層１２Ｃを通って第１空気極１２Ｂへ移動する。電子は、外部回路（不図示）を通って第１空気極へ移動する。これにより、第１燃料電池セルスタック１２において発電される。発電時に、第１燃料電池セルスタック１２は、発熱する。 The hydrogen ions move through the electrolyte layer 12C to the first air electrode 12B. The electrons travel through an external circuit (not shown) to the first cathode. As a result, power is generated in the first fuel cell stack 12 . During power generation, the first fuel cell stack 12 generates heat.

第１燃料電池セルスタック１２の第１空気極１２Ｂには、酸化剤ガス管Ｐ５から酸化剤ガス（空気）が供給される。酸化剤ガス管Ｐ５へは、酸化剤ガスブロワＢ２により空気が導入されている。酸化剤ガス管Ｐ５には、第２熱交換器３２が設けられており、酸化剤ガス管Ｐ５を流れる空気が、後述する空気極オフガス管Ｐ６を流れる空気極オフガスと熱交換により加熱される。加熱された空気は、第１空気極１２Ｂへ供給される。 An oxidant gas (air) is supplied to the first air electrode 12B of the first fuel cell stack 12 from an oxidant gas pipe P5. Air is introduced into the oxidant gas pipe P5 by the oxidant gas blower B2. The oxidant gas pipe P5 is provided with a second heat exchanger 32, and the air flowing through the oxidant gas pipe P5 is heated by heat exchange with the cathode offgas flowing through the cathode offgas pipe P6, which will be described later. The heated air is supplied to the first air electrode 12B.

第１空気極１２Ｂでは、下記（４）式に示すように、電解質層１２Ｃを通って第１燃料極１２Ａから移動してきた水素イオン、外部回路を通って第１燃料極１２Ａから移動した電子が、酸化剤ガス中の酸素と反応して水蒸気が生成される。 In the first air electrode 12B, as shown in the following equation (4), hydrogen ions that have migrated from the first fuel electrode 12A through the electrolyte layer 12C and electrons that have migrated from the first fuel electrode 12A through the external circuit are , reacts with oxygen in the oxidant gas to produce water vapor.

（空気極反応）
２Ｈ＋＋２ｅ－＋１／２Ｏ２ →Ｈ２Ｏ …（４） (air electrode reaction)
2H + +2e − +1/2O 2 →H 2 O (4)

また、第１空気極１２Ｂには、空気極オフガス管Ｐ６が接続されている。第１空気極１２Ｂから空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが排出される。なお、酸化剤ガス管Ｐ５及び空気極オフガス管Ｐ６は、第２空気極１４Ｂとも同様に接続されており、第１空気極１２Ｂ及び第２空気極１４Ｂは、並列的に接続されている。 An air electrode offgas pipe P6 is connected to the first air electrode 12B. The cathode off-gas is discharged from the first cathode 12B to the cathode off-gas pipe P6. The oxidant gas pipe P5 and the air electrode off-gas pipe P6 are also connected to the second air electrode 14B in the same manner, and the first air electrode 12B and the second air electrode 14B are connected in parallel.

第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａには第１燃料極オフガス管Ｐ７の一端が接続されており、第１燃料極オフガス管Ｐ７の他端は第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａに接続されている。第１燃料極１２Ａから第１燃料極オフガス管Ｐ７へ第１燃料極オフガスが送出される。燃料極オフガスには、未改質の燃料ガス成分、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 first fuel electrode off-gas pipe P7 is connected to the first fuel electrode 12A of the first fuel cell stack 12, and the other end of the first fuel electrode off-gas pipe P7 is connected to the second fuel cell stack 14 of the second fuel cell stack 14. 2 is connected to the fuel electrode 14A. The first fuel electrode off-gas is delivered from the first fuel electrode 12A to the first fuel electrode off-gas pipe P7. The fuel electrode off-gas contains unreformed fuel gas components, unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.

第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａには、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の一端が接続されており、第２燃料極１４Ａから、第２燃料極オフガスが送出される。第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の他端は、酸素透過膜付燃焼器２０と接続されている。第２燃料極オフガス管Ｐ７－２からは、循環ガス管Ｐ３が分岐されており、循環ガス管Ｐ３は、第１燃料極１２Ａへ接続される燃料ガス管Ｐ１と接続されている。循環ガス管Ｐ３には、循環ガスブロアＢ３が設けられている。 One end of a second fuel electrode off-gas pipe P7-2 is connected to the second fuel electrode 14A of the second fuel cell stack 14, and the second fuel electrode off-gas is delivered from the second fuel electrode 14A. The other end of the second anode offgas pipe P7-2 is connected to the combustor 20 with an oxygen permeable membrane. A circulating gas pipe P3 is branched from the second fuel electrode offgas pipe P7-2, and the circulating gas pipe P3 is connected to the fuel gas pipe P1 connected to the first fuel electrode 12A. A circulation gas blower B3 is provided in the circulation gas pipe P3.

第２燃料電池セルスタック１４では、第１燃料電池セルスタック１２と同様の発電反応が行われ、第２空気極１４Ｂから空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。第２空気極１４Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６は、第１空気極１２Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６との合流部よりも上流側で分岐されており、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２が形成されている。分岐空気極オフガス管Ｐ６－２には、流量調整可能な流量調整バルブ４２が設けられている。流量調整バルブ４２は、制御部４０と接続されている。流量調整バルブ４２は、制御部４０により制御され、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガス流量が調整される。分岐空気極オフガス管Ｐ６－２の下流端は、酸素透過膜付燃焼器２０と接続されている。 In the second fuel cell stack 14, a power generation reaction similar to that in the first fuel cell stack 12 occurs, and the cathode offgas is sent from the second cathode 14B to the cathode offgas pipe P6. The air electrode off-gas pipe P6 connected to the second air electrode 14B is branched upstream of the junction with the air electrode off-gas pipe P6 connected to the first air electrode 12B. -2 is formed. The branch air electrode offgas pipe P6-2 is provided with a flow control valve 42 capable of flow control. The flow control valve 42 is connected with the control section 40 . The flow control valve 42 is controlled by the controller 40 to adjust the flow rate of the cathode offgas branched to the branched cathode offgas pipe P6-2. The downstream end of the branched cathode offgas pipe P6-2 is connected to the combustor 20 with an oxygen permeable membrane.

酸素透過膜付燃焼器２０は、多重円筒状とされており、多重円筒の外周筒を形成する燃焼部２２と、燃焼部２２の径方向内側に配置された酸素分離部２４を有している。燃焼部２２内には、燃焼空間２２Ａが形成されている。 The combustor 20 with an oxygen permeable membrane has a multi-cylindrical shape, and has a combustion section 22 forming an outer cylinder of the multi-cylindrical structure and an oxygen separation section 24 arranged radially inside the combustion section 22 . . A combustion space 22A is formed in the combustion section 22 .

酸素分離部２４は、燃焼部２２の径方向内側に配置されており、燃焼空間２２Ａに隣接して空気流路２４Ａが形成されている。空気流路２４Ａと燃焼空間２２Ａとは、酸素透過膜２３により仕切られている。酸素透過膜２３には、例えば、ＬＳＣＦなどの電子と酸素イオンの混合導電性セラミクスや、ＹＳＺなどの酸素イオン導電性のセラミクス緻密膜を用いることができる。第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の他端は、燃焼空間２２Ａの入口に接続され、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２の下流端は、空気流路２４Ａの入口に接続されている。燃焼空間２２Ａの内部には、酸化触媒が配されている。酸化触媒としては、例えば、ニッケルやルテニウムなどを用いることができる。 The oxygen separation section 24 is arranged radially inside the combustion section 22, and an air flow path 24A is formed adjacent to the combustion space 22A. The air flow path 24A and the combustion space 22A are separated by an oxygen permeable membrane 23. As shown in FIG. For the oxygen permeable film 23, for example, mixed conductive ceramics of electrons and oxygen ions, such as LSCF, or oxygen ion conductive dense ceramics, such as YSZ, can be used. The other end of the second anode offgas pipe P7-2 is connected to the inlet of the combustion space 22A, and the downstream end of the branched cathode offgas pipe P6-2 is connected to the inlet of the air flow path 24A. An oxidation catalyst is arranged inside the combustion space 22A. As the oxidation catalyst, for example, nickel or ruthenium can be used.

第２空気極オフガスは、空気流路２４Ａに供給され、第２空気極オフガスに含まれている酸素が酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａへ移動する。燃焼空間２２Ａへ移動しない第２空気極オフガスは、空気流路２４Ａの出口側に接続された排気管Ｐ１２から外部へ排気される。 The second cathode off-gas is supplied to the air flow path 24A, and oxygen contained in the second cathode off-gas permeates the oxygen permeable membrane 23 and moves to the combustion space 22A. The second cathode off-gas that does not move to the combustion space 22A is exhausted to the outside from an exhaust pipe P12 connected to the outlet side of the air flow path 24A.

第２燃料極オフガスは、燃焼空間２２Ａに供給され、酸素分離部２４から酸素透過膜２３を透過して移動した酸素と混合される。これにより、酸化触媒を介して、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼空間２２Ａの出口側には、燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、燃焼空間２２Ａから燃焼オフガスが送出される。 The second fuel electrode off-gas is supplied to the combustion space 22A and mixed with oxygen that has moved from the oxygen separator 24 through the oxygen permeable membrane 23 . As a result, a combustion reaction occurs between combustible gas components (unreformed methane, unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, etc.) in the second fuel electrode offgas and oxygen through the oxidation catalyst, resulting in carbon dioxide and steam is produced. A combustion off-gas pipe P8 is connected to the outlet side of the combustion space 22A, and combustion off-gas is delivered from the combustion space 22A.

燃焼オフガス管Ｐ８は、第１熱交換器３０を経由し、他端が凝縮器２６に接続されている。第１熱交換器３０では、燃料ガスと燃焼オフガスとの熱交換により、燃料ガスが加熱される。凝縮器２６には、冷却水循環流路２６Ａが配管されており、後述する排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水がポンプ２６Ｐの駆動により循環供給され、燃焼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。凝縮した水は水配管Ｐ９を介して水タンク２７へ送出される。水タンク２７には、配管Ｐ１１の一端が接続されており、配管Ｐ１１の他端は、２分岐されて、冷却塔３８及び冷却水循環流路２６Ａと接続されている。 The combustion off-gas pipe P8 passes through the first heat exchanger 30 and is connected to the condenser 26 at the other end. In the first heat exchanger 30, the fuel gas is heated by heat exchange between the fuel gas and the combustion off-gas. A cooling water circulation passage 26A is piped in the condenser 26, and cooling water from an exhaust heat input type absorption chiller 36, which will be described later, is circulated and supplied by driving a pump 26P to cool the combustion off-gas. This causes water vapor in the combustion off-gas to condense. The condensed water is delivered to the water tank 27 through the water pipe P9. One end of a pipe P11 is connected to the water tank 27, and the other end of the pipe P11 is branched into two and connected to the cooling tower 38 and the cooling water circulation flow path 26A.

水蒸気が分離除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出される。凝縮器２６で水（液相）が除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素濃度の高いガスとなっており、当該燃焼オフガスを二酸化炭素リッチガスと称する。二酸化炭素ガス管Ｐ１０には、組成検出部４４が設けられている。組成検出部４４では、凝縮器２６から送出された二酸化炭素リッチガスの組成が検出される。具体的には、メタン、一酸化炭素、水素などの可燃ガスの濃度、二酸化炭素、酸素の各々の濃度が検出される。組成検出部４４は、制御部４０と接続されており、検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報が制御部４０へ送信される。 The combustion off-gas from which water vapor has been separated and removed is sent to the carbon dioxide gas pipe P10. The combustion off-gas from which water (liquid phase) has been removed by the condenser 26 is a gas with a high carbon dioxide concentration, and the combustion off-gas is referred to as a carbon dioxide-rich gas. A composition detector 44 is provided in the carbon dioxide gas pipe P10. The composition detector 44 detects the composition of the carbon dioxide-rich gas delivered from the condenser 26 . Specifically, the concentrations of combustible gases such as methane, carbon monoxide, and hydrogen, and the concentrations of carbon dioxide and oxygen are detected. The composition detection unit 44 is connected to the control unit 40 and transmits composition information of the detected carbon dioxide-rich gas to the control unit 40 .

二酸化炭素ガス管Ｐ１０は、組成検出部４４よりも下流側で分岐されており、分岐の一方の二酸化炭素ガス管Ｐ１０－１は二酸化炭素回収タンク２８へ接続されている。分岐の他方の二酸化炭素ガス管Ｐ１０－２は、二酸化炭素供給ライン２９へ接続されている。二酸化炭素ガス管Ｐ１０－１及び二酸化炭素ガス管Ｐ１０－２には、開閉バルブＶ１、Ｖ２が各々に設けられている。二酸化炭素ガス管Ｐ１０の前述した分岐よりも上流側には、二酸化炭素用ブロアＢ４が設けられている。 The carbon dioxide gas pipe P10 is branched downstream of the composition detector 44, and one of the branches, the carbon dioxide gas pipe P10-1, is connected to the carbon dioxide recovery tank . The other branched carbon dioxide gas pipe P10-2 is connected to the carbon dioxide supply line 29. As shown in FIG. The carbon dioxide gas pipe P10-1 and the carbon dioxide gas pipe P10-2 are provided with on-off valves V1 and V2, respectively. A carbon dioxide blower B4 is provided upstream of the above-described branch of the carbon dioxide gas pipe P10.

第１空気極１２Ｂ及び第２空気極１４Ｂからの空気極オフガス管Ｐ６が合流された合流部よりも下流側には、第２熱交換器３２が設けられている。第２熱交換器３２では、空気極オフガス管Ｐ６を流れる空気極オフガスと酸化剤ガス管Ｐ５を流れる酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、酸化剤ガスが加熱され、空気極オフガスが冷却される。空気極オフガスは、第２熱交換器３２を経て、排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。 A second heat exchanger 32 is provided downstream of the junction where the air electrode offgas pipes P6 from the first air electrode 12B and the second air electrode 14B are merged. In the second heat exchanger 32, heat is exchanged between the cathode offgas flowing through the cathode offgas pipe P6 and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas pipe P5, the oxidizing gas is heated, and the cathode offgas is converted into Cooled. The cathode off-gas passes through the second heat exchanger 32 and is supplied to the exhaust heat input type absorption chiller 36 .

排熱投入型吸収式冷凍機３６は、排熱を用いて冷熱を生成するヒートポンプであり、一例として蒸気／排熱投入型吸収式冷凍機を用いることができる。蒸気／排熱投入型吸収式冷凍機では、空気極オフガスの熱により、水蒸気を吸収した吸収液（例えば、臭化リチウム水溶液やアンモニア水溶液）を加熱することにより吸収液から水を分離させて再生する。吸収液を加熱して冷却された空気極オフガスは、水蒸気が凝縮され、凝縮水は水配管Ｐ３６－２により水タンク２７へ供給される。水蒸気が凝縮除去された後の空気極オフガスは、排気管Ｐ３６－１に送出され、排熱投入型吸収式冷凍機３６の外部に排気される。 The exhaust heat input type absorption chiller 36 is a heat pump that uses exhaust heat to generate cold heat, and as an example, a steam/exhaust heat input type absorption chiller can be used. In a steam/exhaust heat input type absorption chiller, water is separated from the absorbent by heating the absorbent (for example, lithium bromide aqueous solution or ammonia aqueous solution) that has absorbed water vapor with the heat of the air electrode off-gas. do. Water vapor is condensed in the air electrode off-gas obtained by heating and cooling the absorbing liquid, and the condensed water is supplied to the water tank 27 through the water pipe P36-2. After the water vapor is condensed and removed, the air electrode off-gas is sent to the exhaust pipe P36-1 and exhausted to the outside of the exhaust heat input type absorption chiller .

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３６は、放熱回路３７を介して冷却塔３８と接続されている。放熱回路３７には、ポンプ３７Ｐが設置されており、ポンプ３７Ｐにより放熱回路３７に冷却水が供給される。排熱投入型吸収式冷凍機３６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３７を流れる冷却水を介して冷却塔３８から大気へ放出される。 The absorbent regenerated by heating promotes the evaporation of water by absorbing water vapor and contributes to the generation of cold energy. The exhaust heat input type absorption chiller 36 is connected to a cooling tower 38 via a heat dissipation circuit 37 . A pump 37P is installed in the heat radiation circuit 37, and cooling water is supplied to the heat radiation circuit 37 by the pump 37P. Absorption heat generated when the absorption liquid absorbs water vapor in the exhaust heat input type absorption chiller 36 is released to the atmosphere from the cooling tower 38 via the cooling water flowing through the radiation circuit 37 .

排熱投入型吸収式冷凍機３６で生成された冷熱は、冷却水循環流路２６Ａを流れる冷却水を介して凝縮器２６へ送られ、凝縮器２６で燃焼オフガスが冷却され、さらに燃焼オフガス中の水蒸気が凝縮除去される。 Cold heat generated by the exhaust heat input type absorption chiller 36 is sent to the condenser 26 via the cooling water flowing through the cooling water circulation flow path 26A, where the combustion off-gas is cooled in the condenser 26, and the combustion off-gas is cooled. Water vapor is condensed out.

水タンク２７は、冷却水循環流路２６Ａ、放熱回路３７、及び、排熱投入型吸収式冷凍機３６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２６Ａ、放熱回路３７、及び、熱媒流路では、水が不足した場合に、水タンク２７から適宜水が補充される。 The water tank 27 is connected to a cooling water circulation channel 26A, a heat dissipation circuit 37, and a heat medium channel (not shown) through which water flows as a heat medium for the absorption chiller 36 with waste heat input. In the cooling water circulation flow path 26A, the heat radiation circuit 37, and the heat medium flow path, water is appropriately replenished from the water tank 27 when the water is insufficient.

制御部４０は燃料電池発電システム１０Ａの全体を制御するものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する流量調整処理、冷却水温度調整処理や、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。図２に示されるように、制御部４０は、流量調整バルブ４２、組成検出部４４、排熱投入型吸収式冷凍機３６、開閉バルブＶ１、開閉バルブＶ２と接続されている。流量調整バルブ４２、組成検出部４４、排熱投入型吸収式冷凍機３６、開閉バルブＶ１、開閉バルブＶ２は、制御部４０により制御される。なお、図２は、燃料電池発電システム１０Ａにおける制御部４０の接続関係の一部を示すものであり、図２では図示していないが、制御部４０は他の機器とも接続されている。 The control unit 40 controls the entire fuel cell power generation system 10A, and includes a CPU, ROM, RAM, memory, and the like. The memory stores data, procedures, and the like necessary for flow rate adjustment processing, cooling water temperature adjustment processing, and processing during normal operation, which will be described later. As shown in FIG. 2, the control unit 40 is connected to a flow control valve 42, a composition detection unit 44, an exhaust heat input type absorption chiller 36, an opening/closing valve V1, and an opening/closing valve V2. The control unit 40 controls the flow control valve 42 , the composition detection unit 44 , the exhaust heat input type absorption chiller 36 , the opening/closing valve V<b>1 , and the opening/closing valve V<b>2 . FIG. 2 shows part of the connection relationship of the control unit 40 in the fuel cell power generation system 10A. Although not shown in FIG. 2, the control unit 40 is also connected to other devices.

燃料電池発電システム１０Ａにおいて、ポンプ、ブロワ、その他の補機は、燃料電池発電システム１０Ａで発電された電力により駆動される。燃料電池発電システム１０Ａで発電された電力を直流のままで交流に変換することなく効率よく利用するために、補機は直流電流により駆動するものであることが好ましい。 In the fuel cell power generation system 10A, pumps, blowers, and other accessories are driven by electric power generated by the fuel cell power generation system 10A. In order to efficiently use the direct current power generated by the fuel cell power generation system 10A without converting it to alternating current, the auxiliary equipment is preferably driven by direct current.

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

燃料電池発電システム１０Ａにおいては、燃料供給ブロワＢ１により、ガス源からメタンが燃料ガス管Ｐ１へ送出され、第１熱交換器３０を経ることで加熱され、第１燃料極１２Ａへ供給される。水蒸気管Ｐ２からは、水蒸気改質用の水蒸気が燃料ガス管Ｐ１を介して第１燃料極１２Ａへ供給される。なお、水蒸気の供給は、起動時及び不足時であり、定格運転時には、後述するように、循環ガス管Ｐ３から戻される第２燃料極オフガス中の水蒸気が改質水として利用される。 In the fuel cell power generation system 10A, the fuel supply blower B1 sends methane from the gas source to the fuel gas pipe P1, passes through the first heat exchanger 30, heats it, and supplies it to the first fuel electrode 12A. Steam for steam reforming is supplied from the steam pipe P2 to the first fuel electrode 12A through the fuel gas pipe P1. Water vapor is supplied at startup and when it is insufficient, and during rated operation, the water vapor in the second fuel electrode off-gas returned from the circulating gas pipe P3 is used as reforming water, as will be described later.

第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａでは、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、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 first fuel electrode 12A of the first fuel cell stack 12, the fuel gas is steam reformed to produce hydrogen and carbon monoxide. In addition, carbon monoxide and hydrogen are produced by a shift reaction between the produced carbon monoxide and water.

第１燃料電池セルスタック１２の第１空気極１２Ｂには、空気が酸化剤ガス管Ｐ５を経て供給される。第１燃料電池セルスタック１２では、第１燃料極１２Ａ及び第１空気極１２Ｂにおいて水素イオンが移動すると共に前述の反応が生じ、発電が行われる。第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａからは、第１燃料極オフガス管Ｐ７へ第１燃料極オフガスが送出される。また、第１空気極１２Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。 Air is supplied to the first air electrode 12B of the first fuel cell stack 12 through the oxidant gas pipe P5. In the first fuel cell stack 12, hydrogen ions move in the first fuel electrode 12A and the first air electrode 12B, and the reactions described above occur to generate power. From the first fuel electrode 12A of the first fuel cell stack 12, the first fuel electrode off-gas is sent to the first fuel electrode off-gas pipe P7. Further, from the first air electrode 12B, the air electrode off-gas is sent to the air electrode off-gas pipe P6.

第１燃料極１２Ａから送出された第１燃料極オフガスは、第１燃料極オフガス管Ｐ７に導かれ、第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａへ供給される。第２燃料電池セルスタック１４の第２空気極１４Ｂには、空気が酸化剤ガス管Ｐ５を経て供給される。第２燃料電池セルスタック１４でも第１燃料電池セルスタック１２と同様に発電が行われる。第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａからは、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２へ第２燃料極オフガスが送出される。また、第２空気極１４Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。第２空気極１４Ｂから送出された空気極オフガスは、一部が分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐され、その他は第１空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスと合流される。 The first fuel electrode off-gas sent out from the first fuel electrode 12A is guided to the first fuel electrode off-gas pipe P7 and supplied to the second fuel electrode 14A of the second fuel cell stack 14 . Air is supplied to the second air electrode 14B of the second fuel cell stack 14 through the oxidant gas pipe P5. Electric power is generated in the second fuel cell stack 14 in the same manner as in the first fuel cell stack 12 . The second fuel electrode off-gas is delivered from the second fuel electrode 14A of the second fuel cell stack 14 to the second fuel electrode off-gas pipe P7-2. Further, from the second air electrode 14B, the air electrode off-gas is delivered to the air electrode off-gas pipe P6. Part of the cathode off-gas delivered from the second cathode 14B is branched to the branched cathode off-gas pipe P6-2, and the rest joins with the cathode off-gas delivered from the first cathode 12B.

空気極オフガスは、第２熱交換器３２を経て排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。第２熱交換器３２では、空気極オフガスと酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、空気極オフガスによって酸化剤ガスが加熱される。排熱投入型吸収式冷凍機３６では、前述のように、空気極オフガスの熱を利用して冷熱が生成される。 The cathode off-gas is supplied to the exhaust heat input type absorption chiller 36 via the second heat exchanger 32 . In the second heat exchanger 32, heat is exchanged between the cathode off-gas and the oxidizing gas, and the oxidizing gas is heated by the cathode off-gas. In the exhaust heat input type absorption chiller 36, as described above, cold heat is generated using the heat of the air electrode off-gas.

第２燃料極オフガスは、一部が循環ガス管Ｐ３へ分岐し、第１燃料極１２Ａへ戻される。その他の第２燃料極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２へ供給され、燃焼空間２２Ａを流れる。 A part of the second fuel electrode off-gas branches to the circulating gas pipe P3 and is returned to the first fuel electrode 12A. The rest of the second fuel electrode off-gas is supplied to the combustion section 22 of the combustor 20 with an oxygen permeable membrane and flows through the combustion space 22A.

分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐された空気極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器２０の酸素分離部２４へ供給される。酸素分離部２４へ供給された空気極オフガスは、空気流路２４Ａを流れる。空気流路２４Ａにおいて、空気極オフガスに含まれる酸素は、酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａ側へ移動する。燃焼空間２２Ａでは、第２燃料極オフガス中の可燃ガス（メタン、水素、一酸化炭素等）と酸素の燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。二酸化炭素及び水蒸気を含む燃焼オフガスは、燃焼空間２２Ａから燃焼オフガス管Ｐ８へ送出される。燃焼オフガス管Ｐ８へ送出された燃焼オフガスは、第１熱交換器３０を経て凝縮器２６へ供給される。 The cathode offgas branched to the branched cathode offgas pipe P6-2 is supplied to the oxygen separator 24 of the combustor 20 with an oxygen permeable membrane. The air electrode off-gas supplied to the oxygen separation section 24 flows through the air flow path 24A. In the air passage 24A, oxygen contained in the cathode off-gas permeates the oxygen permeable membrane 23 and moves toward the combustion space 22A. In the combustion space 22A, a combustion reaction occurs between combustible gas (methane, hydrogen, carbon monoxide, etc.) in the second fuel electrode off-gas and oxygen to produce carbon dioxide and water vapor. Combustion off-gas containing carbon dioxide and water vapor is delivered from combustion space 22A to combustion off-gas pipe P8. The combustion off-gas delivered to the combustion off-gas pipe P8 is supplied to the condenser 26 via the first heat exchanger 30 .

凝縮器２６へ供給された燃焼オフガスは、冷却水循環流路２６Ａを介して循環供給される排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水により冷却され、燃焼オフガス内の水蒸気が凝縮される。凝縮された水は水配管Ｐ９を介して水タンク２７へ送出される。水タンク２７には、水が貯留され、当該貯留水により、冷却塔３８の放熱回路３７及び排熱投入型吸収式冷凍機３６の冷却水循環流路２６Ａにおける冷却水が適宜補充される。 The combustion off-gas supplied to the condenser 26 is cooled by the cooling water from the exhaust heat input type absorption chiller 36 circulated through the cooling water circulation passage 26A, and water vapor in the combustion off-gas is condensed. The condensed water is delivered to the water tank 27 via the water pipe P9. Water is stored in the water tank 27, and the cooling water in the heat radiation circuit 37 of the cooling tower 38 and the cooling water circulation flow path 26A of the exhaust heat input type absorption chiller 36 is appropriately replenished with the stored water.

凝縮器２６で水蒸気が除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素濃度の高い二酸化炭素リッチガスとなり、二酸化炭素用ブロアＢ４により二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出され、組成検出部４４に送られる。組成検出部４４では、二酸化炭素リッチガスの組成が検出され、検出された情報が制御部４０へ送信される。 The combustion off-gas from which water vapor has been removed by the condenser 26 becomes a carbon dioxide-rich gas having a high carbon dioxide concentration, and is sent to the carbon dioxide gas pipe P10 by the carbon dioxide blower B4 and sent to the composition detection unit 44. The composition detector 44 detects the composition of the carbon dioxide-rich gas and transmits the detected information to the controller 40 .

制御部４０は、組成検出部４４から送信された組成情報に基づいて、流量調整バルブ４２を制御して分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガス量を調整すると共に、排熱投入型吸収式冷凍機３６で冷却水循環流路２６Ａへ送る冷却水の温度を制御する。具体的には、制御部４０では、以下の流量調整処理、冷却水温度調整処理が実行される。 Based on the composition information transmitted from the composition detection unit 44, the control unit 40 controls the flow rate adjustment valve 42 to adjust the amount of air electrode offgas branched to the branch air electrode offgas pipe P6-2, and the exhaust heat input. The temperature of the cooling water sent to the cooling water circulation passage 26A is controlled by the type absorption chiller 36 . Specifically, the control unit 40 executes the following flow rate adjustment process and cooling water temperature adjustment process.

図３に示されるように、流量調整処理では、ステップＳ１０で、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、可燃ガスの濃度が閾値Ｇ１以内かどうかを判断する。ここで、閾値Ｇ１は、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり０．１～５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．１～１ｖｏｌ％の範囲であることがより好ましい。可燃ガスの濃度が閾値Ｇ１よりも高い場合には、ステップＳ１２で流量調整バルブ４２を制御して、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を増加させる。これにより、酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａへ移動する酸素の量が増加し、燃焼空間２２Ａで燃焼反応させることにより、二酸化炭素リッチガスに含まれる可燃ガスを減少させることができる。 As shown in FIG. 3, in the flow rate adjustment process, in step S10, it is determined whether the concentration of the combustible gas is within the threshold value G1 in the composition information of the carbon dioxide-rich gas detected by the composition detector 44. Here, the threshold value G1 is a sufficiently low concentration in the carbon dioxide rich gas, and can be set to about 0.1 to 5 vol%, more preferably in the range of 0.1 to 1 vol%. If the combustible gas concentration is higher than the threshold value G1, the flow control valve 42 is controlled in step S12 to increase the flow rate of the cathode offgas branched to the branched cathode offgas pipe P6-2. As a result, the amount of oxygen that permeates the oxygen-permeable membrane 23 and moves to the combustion space 22A increases, and the combustion reaction in the combustion space 22A reduces the combustible gas contained in the carbon dioxide-rich gas.

ステップＳ１０で、可燃ガスの濃度が閾値Ｇ１以下の場合には、ステップＳ１４で、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、酸素の濃度が閾値Ｏ１以内かどうかを判断する。ここで、閾値Ｏ１は、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり０．１～５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．１～１ｖｏｌ％の範囲であることがより好ましい。酸素の濃度が閾値Ｏ１よりも高い場合には、ステップＳ１６で流量調整バルブ４２を制御して、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を減少させる。これにより、酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａへ移動する酸素の量が減少し、燃焼空間２２Ａで燃焼反応に供されずに残る酸素を減少させることができる。 If the combustible gas concentration is equal to or less than the threshold value G1 in step S10, it is determined in step S14 whether the oxygen concentration is within the threshold value O1 in the composition information of the carbon dioxide-rich gas detected by the composition detection unit 44. Here, the threshold value O1 is a sufficiently low concentration in the carbon dioxide rich gas, and can be set to about 0.1 to 5 vol%, more preferably in the range of 0.1 to 1 vol%. If the oxygen concentration is higher than the threshold value O1, the flow control valve 42 is controlled in step S16 to reduce the flow rate of the cathode offgas branched to the branched cathode offgas pipe P6-2. As a result, the amount of oxygen that permeates the oxygen-permeable membrane 23 and moves to the combustion space 22A is reduced, and the amount of oxygen that remains in the combustion space 22A without being used in the combustion reaction can be reduced.

ステップＳ１２、Ｓ１４、Ｓ１６の後、ステップＳ１０へ戻り、前述の処理を繰り返す。この流量調整処理は、燃料電池発電システム１０Ａの運転開始により開始され、運転中は継続され、運転停止により終了する。 After steps S12, S14, and S16, the process returns to step S10 to repeat the above-described processing. This flow rate adjustment process is started when the fuel cell power generation system 10A starts operating, continues during operation, and ends when the operation is stopped.

また、図４に示されるように、凝縮量調整処理では、ステップＳ２０で、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、水蒸気の濃度が閾値Ｍ以内かどうかを判断する。ここで、閾値Ｍは、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり０．１～５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．１～１ｖｏｌ％の範囲であることがより好ましい。水蒸気の濃度が閾値Ｍよりも高い場合には、ステップＳ２２で、凝縮強化を行う。具体的には、排熱投入型吸収式冷凍機３６を制御して冷却水循環流路２６Ａへ送る冷却水の温度を低下させたり、冷却水の循環流量を増加させたりする。これにより、凝縮器２６で凝縮により燃焼オフガスから分離される水の量が増加し、二酸化炭素リッチガスに含有される水蒸気の割合を小さくすることができる。 Further, as shown in FIG. 4, in the condensation amount adjustment process, in step S20, it is determined whether the concentration of water vapor is within the threshold value M in the composition information of the carbon dioxide-rich gas detected by the composition detector 44. Here, the threshold value M is a sufficiently low concentration in the carbon dioxide rich gas, and can be set to about 0.1 to 5 vol%, more preferably in the range of 0.1 to 1 vol%. If the concentration of water vapor is higher than the threshold value M, condensation enhancement is performed in step S22. Specifically, the exhaust heat input type absorption chiller 36 is controlled to lower the temperature of the cooling water sent to the cooling water circulation passage 26A, or to increase the circulation flow rate of the cooling water. As a result, the amount of water separated from the combustion off-gas by condensation in the condenser 26 increases, and the proportion of water vapor contained in the carbon dioxide-rich gas can be reduced.

ステップＳ２０、Ｓ２２の後、ステップＳ２０へ戻り、前述の処理を繰り返す。本凝縮量調整処理は、燃料電池発電システム１０Ａの運転開始により開始され、運転中は継続され、運転停止により終了する。 After steps S20 and S22, the process returns to step S20 and repeats the above-described processing. This condensation amount adjustment process is started when the operation of the fuel cell power generation system 10A is started, continues during operation, and ends when the operation is stopped.

二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出された二酸化炭素リッチガスは、要求に応じて二酸化炭素回収タンク２８、または、二酸化炭素供給ラインへ送られる。二酸化炭素回収タンク２８へ送られる場合には、開閉バルブＶ１を開放、開閉バルブＶ２を閉鎖する。二酸化炭素ラインへ送られる場合には、開閉バルブＶ１を閉鎖、開閉バルブＶ２を開放する。 The carbon dioxide-rich gas sent to the carbon dioxide gas pipe P10 is sent to the carbon dioxide recovery tank 28 or the carbon dioxide supply line according to demand. When sent to the carbon dioxide recovery tank 28, the on-off valve V1 is opened and the on-off valve V2 is closed. When sending to the carbon dioxide line, the on-off valve V1 is closed and the on-off valve V2 is opened.

本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａから送出された第２燃料極オフガスが燃焼部２２で燃焼されるので、第２燃料電池セルスタック１４での発電に供される前の第１燃料極オフガスを燃焼する場合と比較して、第２燃料電池セルスタック１４の発電に供される未反応燃料ガス量が多くなる。したがって、第２燃料電池セルスタック１４での発電効率を高めることができる。 In the fuel cell power generation system 10A of the present embodiment, since the second fuel electrode off-gas sent from the second fuel electrode 14A of the second fuel cell stack 14 is burned in the combustion unit 22, the second fuel cell stack 14 The amount of unreacted fuel gas used for power generation in the second fuel cell stack 14 increases compared to the case where the first fuel electrode off-gas is burned before it is used for power generation. Therefore, power generation efficiency in the second fuel cell stack 14 can be enhanced.

また、燃焼部２２では、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。また、燃焼部２２へは、空気極オフガス中の酸素のみが供給されまた、第２燃料極オフガスには、第１燃料極オフガスと比較して含まれる未反応の燃料ガス量が少なく、二酸化炭素の含有率が高い。したがって、燃焼部２２で未反応の燃料ガスを燃焼させる量と、当該未反応の燃料ガスを燃焼させるために必要となる酸素の量を少なくすることができる。 Further, in the combustion section 22, carbon dioxide and water vapor are generated by a combustion reaction between combustible gas contained in the second fuel electrode off-gas and oxygen. Therefore, the combustible gas can be reduced from the second anode off-gas, and high-concentration carbon dioxide can be recovered. In addition, only oxygen in the air electrode off-gas is supplied to the combustion unit 22, and the second fuel electrode off-gas contains a smaller amount of unreacted fuel gas than the first fuel electrode off-gas, and carbon dioxide high content of Therefore, the amount of unreacted fuel gas to be burned in the combustion section 22 and the amount of oxygen required to burn the unreacted fuel gas can be reduced.

また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、空気極オフガス管Ｐ６から分岐された分岐空気極オフガス管Ｐ６－２を有し、流量調整バルブ４２により分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量が調整されているので、酸素透過膜付燃焼器２０の酸素分離部２４で分離して燃焼部２２へ供給する酸素の量も容易に調整することができる。また、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報に基づいて、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐させる空気極オフガス流量が調整される。これにより、燃焼オフガスに残留する可燃ガス及び酸素の量が所定の閾値よりも低くなるように、燃焼部２２の燃焼空間２２Ａへ流入する酸素量を調整して、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。
なお、本実施形態では、流量調整バルブ４２により分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を調整したが、その他の手段、例えば、分岐部での流量割合を調整する分配弁を設けて分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐する空気極オフガスの流量を調整してもよい。 Further, the fuel cell power generation system 10A of the present embodiment has a branched cathode offgas pipe P6-2 branched from the cathode offgas pipe P6, and is branched to the branched cathode offgas pipe P6-2 by the flow control valve 42. Since the flow rate of the air electrode off-gas is adjusted, the amount of oxygen separated by the oxygen separating section 24 of the combustor 20 with an oxygen permeable membrane and supplied to the combustion section 22 can also be easily adjusted. Also, based on the composition information of the carbon dioxide-rich gas detected by the composition detector 44, the flow rate of the cathode offgas branched to the branched cathode offgas pipe P6-2 is adjusted. As a result, the amount of oxygen flowing into the combustion space 22A of the combustion unit 22 is adjusted so that the amount of combustible gas and oxygen remaining in the combustion off-gas is lower than a predetermined threshold value, thereby reducing the carbon dioxide concentration of the carbon dioxide-rich gas. can be higher.
In the present embodiment, the flow rate of the cathode offgas branched to the branched cathode offgas pipe P6-2 is adjusted by the flow rate adjustment valve 42, but other means, such as a distribution valve for adjusting the flow rate at the branching portion, may be used. may be provided to adjust the flow rate of the cathode offgas branched to the branched cathode offgas pipe P6-2.

さらに、本実施形態では、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐した空気極オフガスを全て酸素分離部２４へ供給したが、流量調整バルブ４２よりも下流側に微調整のためのベントを設けて再調整してもよい。 Furthermore, in the present embodiment, all the air electrode off-gas branched to the branch air electrode off-gas pipe P6-2 is supplied to the oxygen separation unit 24, but a vent for fine adjustment is provided downstream of the flow rate adjustment valve 42. You can readjust.

さらに、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報に基づいて、凝縮器２６で凝縮させる水の量を調整することにより、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。 Furthermore, in the fuel cell power generation system 10A of the present embodiment, the amount of water to be condensed by the condenser 26 is adjusted based on the composition information of the carbon dioxide-rich gas detected by the composition detection unit 44. Carbon dioxide concentration can be increased.

また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃料電池セルスタックに水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池を用いているので、第１燃料極１２Ａで水蒸気が生成されない。したがって、第１燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量が少なくなるため、第２燃料電池での発電効率を向上させることができる。また、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量も少なくなるため、第２燃料極オフガスから除去する水蒸気の量を少なくすることができる。 Further, in the fuel cell power generation system 10A of the present embodiment, since the hydrogen ion conducting solid oxide fuel cell is used in the fuel cell stack, water vapor is not generated at the first fuel electrode 12A. Therefore, since the amount of water vapor contained in the first fuel electrode off-gas is reduced, the power generation efficiency of the second fuel cell can be improved. Moreover, since the amount of water vapor contained in the second fuel electrode off-gas is also reduced, the amount of water vapor to be removed from the second fuel electrode off-gas can be reduced.

また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃焼部２２よりも上流側から第２燃料極オフガスの一部を第１燃料極１２Ａへ供給する循環ガス管Ｐ３を備えている。したがって、第２燃料極オフガス中の未反応燃料ガス及び水蒸気の一部を、発電及び燃料ガスの水蒸気改質に、それぞれ再利用することができる Further, the fuel cell power generation system 10A of the present embodiment includes a circulating gas pipe P3 that supplies part of the second fuel electrode off-gas from the upstream side of the combustion section 22 to the first fuel electrode 12A. Therefore, part of the unreacted fuel gas and steam in the second anode off-gas can be reused for power generation and steam reforming of the fuel gas, respectively.

また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃焼部２２を酸素分離部２４の酸素透過膜２３と隣接配置することにより、燃焼部２２と酸素分離部２４が一体形成されたコンパクトな酸素透過膜付燃焼器２０を構成することができる。 In addition, in the fuel cell power generation system 10A of the present embodiment, by arranging the combustion section 22 adjacent to the oxygen permeable membrane 23 of the oxygen separation section 24, a compact oxygen permeation membrane in which the combustion section 22 and the oxygen separation section 24 are integrally formed. A membrane combustor 20 can be constructed.

また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、空気極オフガスの熱を排熱投入型吸収式冷凍機３６での冷熱生成に用いるので、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４からの排熱を有効利用することができる。また、空気極オフガスには、水蒸気が多く含まれているので、排熱投入型吸収式冷凍機３６において当該水蒸気が熱交換時に凝縮することにより、凝縮熱も有効に用いることができる。 In addition, in the fuel cell power generation system 10A of the present embodiment, the heat of the air electrode off-gas is used to generate cold heat in the exhaust heat input type absorption chiller 36, so the first fuel cell stack 12 and the second fuel cell stack Exhaust heat from 14 can be effectively utilized. Further, since the air electrode off-gas contains a large amount of water vapor, the water vapor is condensed during heat exchange in the exhaust heat input type absorption chiller 36, and the heat of condensation can also be effectively used.

なお、本実施形態では、燃焼オフガス内の水蒸気を凝縮器２６で凝縮させて除去することにより、燃焼オフガスから二酸化炭素を分離したが、その他の手段、例えば、二酸化炭素分離膜で二酸化炭素を分離してもよいし、ＰＳＡ装置により二酸化炭素を分離してもよい。 In the present embodiment, carbon dioxide is separated from the combustion off-gas by removing water vapor in the combustion off-gas by condensing it with the condenser 26, but carbon dioxide is separated from the combustion off-gas by other means, for example, a carbon dioxide separation membrane. Alternatively, carbon dioxide may be separated by a PSA device.

また、本実施形態では、組成検出部４４を二酸化炭素ガス管Ｐ１０に設けたが、燃焼オフガス管Ｐ８に設け、可燃ガス及び酸素の濃度を検出して、検出された可燃ガス及び酸素の濃度に基づいて、制御部４０により流量調整バルブ４２を制御してもよい。 In addition, in the present embodiment, the composition detection unit 44 is provided in the carbon dioxide gas pipe P10, but is provided in the combustion off-gas pipe P8 to detect the concentrations of the combustible gas and oxygen and detect the detected combustible gas and oxygen concentrations. Based on this, the flow control valve 42 may be controlled by the controller 40 .

また、本実施形態では、第２燃料電池セルスタック１４を備え、第１燃料電池セルスタック１２から送出される燃料極オフガスを第２燃料電池セルスタック１４で燃料ガスとして再利用する多段式の燃料電池発電システムについて説明したが、本発明において、多段式であることは必須ではない。第２燃料電池セルスタック１４を有さない燃料電池発電システムとすることもできる。 In addition, in this embodiment, the second fuel cell stack 14 is provided, and the fuel electrode off-gas sent from the first fuel cell stack 12 is reused as fuel gas in the second fuel cell stack 14. Although a battery power generation system has been described, multistage is not essential to the present invention. A fuel cell power generation system that does not have the second fuel cell stack 14 is also possible.

［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、詳細な説明を省略する。 [Second embodiment]
Next, a second embodiment of the invention will be described. In this embodiment, the same reference numerals are assigned to the same parts as in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂは、図５に示すように、第１実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２以外の構成については、第１実施形態と同様である。 A fuel cell power generation system 10B of the present embodiment, as shown in FIG. 5, includes a high-temperature oxygen production device 50 and a combustor 52 instead of the combustor 20 with an oxygen permeable membrane of the first embodiment. Configurations other than the high-temperature oxygen production device 50 and the combustor 52 are the same as those of the first embodiment.

高温酸素製造装置５０の入口側には、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２の下流端が接続されている。高温酸素製造装置５０は、空気極オフガスから酸素を分離する装置であり、一例として、高温下で吸着と脱着を行うＰＳＡ装置を用いることができる。高温酸素製造装置５０の酸素出口側には、酸素供給管ＰＯの一端が接続されている。高温酸素製造装置５０の酸素が分離された後の空気極オフガス出口側には、排気管Ｐ１３が接続されている。酸素供給管ＰＯの他端は、燃焼器５２の入口側に接続されている。排気管Ｐ１３は、燃料電池発電システム１０Ｂの外部に開放されている。 The inlet side of the high temperature oxygen production device 50 is connected to the downstream end of the branch air electrode offgas pipe P6-2. The high-temperature oxygen production device 50 is a device that separates oxygen from the air electrode off-gas, and as an example, a PSA device that performs adsorption and desorption at high temperatures can be used. One end of an oxygen supply pipe PO is connected to the oxygen outlet side of the high-temperature oxygen production device 50 . An exhaust pipe P13 is connected to the air electrode off-gas outlet side of the high-temperature oxygen production device 50 after oxygen is separated. The other end of the oxygen supply pipe PO is connected to the inlet side of the combustor 52 . The exhaust pipe P13 is open to the outside of the fuel cell power generation system 10B.

燃焼器５２の入口側には、前述の酸素供給管ＰＯの他端と、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の下流端が接続されている。燃焼器５２の内部では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素供給管ＰＯから供給される酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼器５２の出口側には、燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、燃焼器５２から燃焼オフガスが送出される。 The inlet side of the combustor 52 is connected to the other end of the aforementioned oxygen supply pipe PO and the downstream end of the second fuel electrode offgas pipe P7-2. Inside the combustor 52, combustible gas components (unreformed methane, unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, etc.) in the second fuel electrode offgas and oxygen supplied from the oxygen supply pipe PO A combustion reaction occurs, producing carbon dioxide and water vapor. A combustion off-gas pipe P8 is connected to the exit side of the combustor 52, and combustion off-gas is delivered from the combustor 52.

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

本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４での発電が行われる。第２空気極１４Ｂから送出され、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐された第２空気極オフガスは、高温酸素製造装置５０へ供給される。高温酸素製造装置５０では、第２空気極オフガスから酸素が分離され、分離された酸素は、酸素供給管ＰＯを介して燃焼器５２へ供給される。酸素が分離された後の空気極オフガスは、排気管Ｐ１３から外部へ排出される。 Also in this embodiment, power generation is performed in the first fuel cell stack 12 and the second fuel cell stack 14 in the same manner as in the fuel cell power generation system 10A of the first embodiment. The second air electrode off-gas sent from the second air electrode 14B and branched to the branch air electrode off-gas pipe P6-2 is supplied to the high-temperature oxygen production device 50. In the high-temperature oxygen production device 50, oxygen is separated from the second air electrode off-gas, and the separated oxygen is supplied to the combustor 52 through the oxygen supply pipe PO. The air electrode off-gas from which oxygen has been separated is discharged to the outside through an exhaust pipe P13.

燃焼器５２では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼オフガスは、燃焼オフガス管Ｐ８へ送出され、第１実施形態と同様にして凝縮器２６で水が分離され、分離された水が水タンク２７に回収され、二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素回収タンク２８へ回収されるか、二酸化炭素ラインへと供給される。 In the combustor 52, a combustion reaction occurs between combustible gas components (unreformed methane, unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, etc.) in the second fuel electrode offgas and oxygen, and carbon dioxide and water vapor are produced. generated. Combustion off-gas is sent to combustion off-gas pipe P8, water is separated by condenser 26 in the same manner as in the first embodiment, the separated water is recovered in water tank 27, and carbon dioxide-rich gas is collected in carbon dioxide recovery tank. 28 or fed to the carbon dioxide line.

本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 Also in this embodiment, in the combustor 52, carbon dioxide and water vapor are generated by the combustion reaction between the combustible gas contained in the second anode off-gas and oxygen. Therefore, the combustible gas can be reduced from the second anode off-gas, and high-concentration carbon dioxide can be recovered.

［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、詳細な説明を省略する。 [Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the invention will be described. In this embodiment, the same reference numerals are assigned to the same parts as in the first and second embodiments, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃは、主に改質器５４を備えている点、循環ガス管Ｐ３を備えていない点、及び、これらの構成に関連する配管流路が、第１実施形態と異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様である。 The fuel cell power generation system 10C of the present embodiment mainly includes the reformer 54, does not include the circulating gas pipe P3, and the piping flow paths related to these configurations are different from those of the first embodiment. is different from Other configurations are the same as those of the first embodiment.

図６に示すように、燃料電池発電システム１０Ｃは、改質器５４を備えている。改質器５４の入口側には、燃料ガス管Ｐ１－１の一端が接続されている。また、改質器５４の入口側には、水供給管Ｐ２－２の一端が接続されている。水供給管Ｐ２－２の他端は、水タンク２７と接続されている。水供給管Ｐ２－２には、イオン交換樹脂５６及びポンプ２７Ｂが設けられている。ポンプ２７Ｂを駆動させることにより、水タンク２７に貯留された水がイオン交換樹脂５６を経て改質器５４へ供給される。 As shown in FIG. 6 , the fuel cell power generation system 10C has a reformer 54 . One end of a fuel gas pipe P1-1 is connected to the inlet side of the reformer . One end of a water supply pipe P2-2 is connected to the inlet side of the reformer . The other end of the water supply pipe P2-2 is connected to the water tank 27. As shown in FIG. The water supply pipe P2-2 is provided with an ion exchange resin 56 and a pump 27B. The water stored in the water tank 27 is supplied to the reformer 54 through the ion exchange resin 56 by driving the pump 27B.

改質器５４の出口側には、改質ガス管Ｐ１－２の一端が接続されている。改質ガス管Ｐ１－２の他端は、第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａと接続されている。 One end of a reformed gas pipe P1-2 is connected to the outlet side of the reformer . The other end of the reformed gas pipe P1-2 is connected to the first fuel electrode 12A of the first fuel cell stack 12. As shown in FIG.

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

改質器５４では、燃料ガスと水蒸気の混合ガスが燃焼オフガスとの熱交換により加熱され、水蒸気改質反応により、水素と一酸化炭素が生成される。また、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。未反応の燃料ガス（メタン）、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含んだ改質ガスが、改質ガス管Ｐ１－２を通って第１燃料極１２Ａへ供給される。第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４では、第１実施形態と同様に発電が行われる。 In the reformer 54, the mixed gas of fuel gas and steam is heated by heat exchange with the combustion off-gas, and hydrogen and carbon monoxide are produced by the steam reforming reaction. In addition, carbon monoxide and hydrogen are produced by a shift reaction between the produced carbon monoxide and water vapor. A reformed gas containing unreacted fuel gas (methane), hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide is supplied to the first fuel electrode 12A through the reformed gas pipe P1-2. Electric power is generated in the first fuel cell stack 12 and the second fuel cell stack 14 in the same manner as in the first embodiment.

第２燃料極１４Ａからは、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２へ第２燃料極オフガスが送出される。第２燃料極オフガスは、分岐されることなく酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２へ供給される。第２空気極１４Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出され、第１実施形態と同様に、空気極オフガスの一部が分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐され、その他は第１空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスと合流される。 The second fuel electrode off-gas is delivered from the second fuel electrode 14A to the second fuel electrode off-gas pipe P7-2. The second fuel electrode off-gas is supplied to the combustor 22 of the combustor 20 with an oxygen permeable membrane without being branched. From the second air electrode 14B, the air electrode off-gas is sent to the air electrode off-gas pipe P6, and part of the air electrode off-gas is branched to the branch air electrode off-gas pipe P6-2 as in the first embodiment. It joins with the air electrode off-gas sent from the first air electrode 12B.

酸素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６では、第１実施形態と同様に処理が行われ、二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素回収タンク２８へ回収されるか、二酸化炭素ラインへと供給される。 In the combustor 20 with an oxygen permeable membrane and the condenser 26, the same processing as in the first embodiment is performed, and the carbon dioxide-rich gas is recovered in the carbon dioxide recovery tank 28 or supplied to the carbon dioxide line.

本実施形態においても、酸素透過膜付燃焼器２０において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 Also in this embodiment, carbon dioxide and water vapor are produced by the combustion reaction between the combustible gas contained in the second fuel electrode off-gas and oxygen in the combustor 20 with the oxygen permeable membrane. Therefore, the combustible gas can be reduced from the second anode off-gas, and high-concentration carbon dioxide can be recovered.

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。 [Fourth embodiment]
Next, a fourth embodiment of the invention will be described. In this embodiment, parts similar to those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄは、第３実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、第２実施形態の高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２以外の構成については、第３実施形態と同様である。 A fuel cell power generation system 10D of this embodiment includes a high-temperature oxygen production device 50 and a combustor 52 of the second embodiment instead of the combustor 20 with an oxygen permeable membrane of the third embodiment. Configurations other than the high-temperature oxygen production device 50 and the combustor 52 are the same as those of the third embodiment.

高温酸素製造装置５０の入口側には、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２の下流端が接続され、高温酸素製造装置５０の酸素出口側には、酸素供給管ＰＯの一端が接続されている。高温酸素製造装置５０の酸素が分離された後の空気極オフガス出口側には、排気管Ｐ１３が接続されている。酸素供給管ＰＯの他端は、燃焼器５２の入口側に接続されている。排気管Ｐ１３は、燃料電池発電システム１０Ｄの外部に開放されている。 The inlet side of the high-temperature oxygen production device 50 is connected to the downstream end of the branch air electrode offgas pipe P6-2, and the oxygen outlet side of the high-temperature oxygen production device 50 is connected to one end of the oxygen supply pipe PO. An exhaust pipe P13 is connected to the air electrode off-gas outlet side of the high-temperature oxygen production device 50 after oxygen is separated. The other end of the oxygen supply pipe PO is connected to the inlet side of the combustor 52 . The exhaust pipe P13 is open to the outside of the fuel cell power generation system 10D.

燃焼器５２の入口側には、前述の酸素供給管ＰＯの他端と、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の下流端が接続されている。燃焼器５２の内部では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素供給管ＰＯから供給される酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼器５２の出口側には、燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、燃焼器５２から燃焼オフガスが送出される。 The inlet side of the combustor 52 is connected to the other end of the aforementioned oxygen supply pipe PO and the downstream end of the second fuel electrode offgas pipe P7-2. Inside the combustor 52, combustible gas components (unreformed methane, unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, etc.) in the second fuel electrode offgas and oxygen supplied from the oxygen supply pipe PO A combustion reaction occurs, producing carbon dioxide and water vapor. A combustion off-gas pipe P8 is connected to the exit side of the combustor 52, and combustion off-gas is delivered from the combustor 52.

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

本実施形態においても、第３実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃと同様に、改質器５４で燃料ガスが水蒸気改質されて改質ガスが生成され、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４での発電が行われる。第２空気極１４Ｂから送出され、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２へ分岐された第２空気極オフガスは、高温酸素製造装置５０へ供給される。高温酸素製造装置５０では、第２空気極オフガスから酸素が分離され、分離された酸素は、酸素供給管ＰＯを介して燃焼器５２へ供給される。酸素が分離された後の空気極オフガスは、排気管Ｐ１３から外部へ排出される。 Also in this embodiment, similarly to the fuel cell power generation system 10C of the third embodiment, the reformer 54 steam-reforms the fuel gas to generate a reformed gas. Electric power is generated in the fuel cell stack 14 . The second air electrode off-gas sent from the second air electrode 14B and branched to the branch air electrode off-gas pipe P6-2 is supplied to the high-temperature oxygen production device 50. In the high-temperature oxygen production device 50, oxygen is separated from the second air electrode off-gas, and the separated oxygen is supplied to the combustor 52 through the oxygen supply pipe PO. The air electrode off-gas from which oxygen has been separated is discharged to the outside through an exhaust pipe P13.

燃焼器５２では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼オフガスは、燃焼オフガス管Ｐ８へ送出され、第１実施形態と同様にして凝縮器２６で水が分離され、分離された水が水タンク２７に回収され、二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素回収タンク２８へ回収されるか、二酸化炭素ラインへと供給される。 In the combustor 52, a combustion reaction occurs between combustible gas components (unreformed methane, unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, etc.) in the second fuel electrode offgas and oxygen, and carbon dioxide and water vapor are produced. generated. Combustion off-gas is sent to combustion off-gas pipe P8, water is separated by condenser 26 in the same manner as in the first embodiment, the separated water is recovered in water tank 27, and carbon dioxide-rich gas is collected in carbon dioxide recovery tank. 28 or fed to the carbon dioxide line.

本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 Also in this embodiment, in the combustor 52, carbon dioxide and water vapor are generated by the combustion reaction between the combustible gas contained in the second anode off-gas and oxygen. Therefore, the combustible gas can be reduced from the second anode off-gas, and high-concentration carbon dioxide can be recovered.

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。 [Fifth embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, parts similar to those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｅでは、第１燃料極オフガス管Ｐ７の経路に、第３熱交換器３４及び凝縮器３５が設けられている点が第１実施形態と異なっている。 The fuel cell power generation system 10E of this embodiment differs from the first embodiment in that a third heat exchanger 34 and a condenser 35 are provided in the path of the first anode offgas pipe P7.

第１燃料極オフガス管Ｐ７は、第１燃料極１２Ａから延出され、第３熱交換器３４を経て凝縮器３５と接続されている。第１燃料極１２Ａから凝縮器３５までの第１アノオードオフガス管Ｐ７を符号Ｐ７Ａで示す。第１燃料極オフガス管Ｐ７Ａは、凝縮器３５の気体側出口から延出され、第３熱交換器３４を経て第２燃料極１４Ａと接続されている。凝縮器３５から第２燃料極１４Ａまでの第１アノオードオフガス管Ｐ７を符号Ｐ７Ｂで示す。凝縮器３５の液体側出口には、水配管Ｐ９－２の一端が接続されている。水配管Ｐ９－２の他端は水タンク２７に接続されている。凝縮器３５には、冷却水循環流路３５Ａが配管されており、排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水がポンプ３５Ｐの駆動により循環供給されている。これにより、第１燃料極オフガスが冷却され、第１燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮する。凝縮した水は水配管Ｐ９－２を介して水タンク２７へ送出される。 The first fuel electrode offgas pipe P7 extends from the first fuel electrode 12A and is connected to the condenser 35 via the third heat exchanger 34 . A first anode off-gas pipe P7 from the first fuel electrode 12A to the condenser 35 is denoted by P7A. The first fuel electrode offgas pipe P7A extends from the gas side outlet of the condenser 35 and is connected to the second fuel electrode 14A via the third heat exchanger 34 . A first anode off-gas pipe P7 from the condenser 35 to the second fuel electrode 14A is denoted by P7B. One end of a water pipe P9-2 is connected to the liquid side outlet of the condenser . The other end of the water pipe P9-2 is connected to the water tank 27. As shown in FIG. A cooling water circulation passage 35A is connected to the condenser 35, and the cooling water from the exhaust heat input type absorption chiller 36 is circulated and supplied by driving a pump 35P. As a result, the first anode off-gas is cooled and water vapor in the first anode off-gas is condensed. The condensed water is sent to the water tank 27 through the water pipe P9-2.

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

本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、第１燃料電池セルスタック１２での発電が行われる。第１燃料極１２Ａから第１燃料極オフガス管Ｐ７－１へ送出された第１燃料極オフガスは、第３熱交換器３４で後述する再生燃料ガスと熱交換により冷却され、凝縮器３５へ供給される。凝縮器３５では、冷却水循環流路３５Ａを循環する冷却水により、第１燃料極オフガスが更に冷却され、第１燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮する。ここで、冷却水循環流路３５Ａを循環する冷却水の温度は、再生燃料ガス中に残る水蒸気量が第２燃料電池セルスタック１４での発電効率を向上させる程度に第１燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮するように設定されている。凝縮した水は水配管Ｐ９－２を介して水タンク２７へ送出される。 Also in this embodiment, power generation is performed in the first fuel cell stack 12 in the same manner as in the fuel cell power generation system 10A of the first embodiment. The first fuel electrode off-gas sent from the first fuel electrode 12A to the first fuel electrode off-gas pipe P7-1 is cooled by heat exchange with the regenerated fuel gas described later in the third heat exchanger 34 and supplied to the condenser 35. be done. In the condenser 35, the first fuel electrode off-gas is further cooled by cooling water circulating in the cooling water circulation flow path 35A, and water vapor in the first fuel electrode off-gas is condensed. Here, the temperature of the cooling water circulating in the cooling water circulation passage 35A is such that the amount of water vapor remaining in the regenerated fuel gas is such that the power generation efficiency in the second fuel cell stack 14 is improved. is set to condense. The condensed water is sent to the water tank 27 through the water pipe P9-2.

凝縮水が分離された第１燃料極オフガスは、再生燃料ガスとして第１燃料極オフガス管Ｐ７Ｂへ送出され、第３熱交換器３４で水が分離される前の第１燃料極オフガスとの熱交換により加熱され、第２燃料極１４Ａへ供給される。第２燃料電池セルスタック１４では、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に発電が行われる。 The first fuel electrode off-gas from which the condensed water has been separated is sent to the first fuel electrode off-gas pipe P7B as regenerated fuel gas, and the heat from the first fuel electrode off-gas before water is separated by the third heat exchanger 34 is It is heated by the exchange and supplied to the second fuel electrode 14A. In the second fuel cell stack 14, power is generated in the same manner as in the fuel cell power generation system 10A of the first embodiment.

本実施形態では、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。 In the present embodiment, since the regenerated fuel gas generated by separating a part of water vapor from the first fuel electrode off-gas is supplied to the second fuel electrode 14A, the power generation efficiency in the second fuel cell stack 14 can be improved. can be done.

また、本実施形態においても、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 Also in the present embodiment, carbon dioxide and water vapor are produced in the combustion section 22 of the combustor 20 with the oxygen permeable membrane by the combustion reaction between the combustible gas contained in the second fuel electrode off-gas and oxygen. Therefore, the combustible gas can be reduced from the second anode off-gas, and high-concentration carbon dioxide can be recovered.

［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。 [Sixth embodiment]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the same reference numerals are assigned to the same parts as in the first to fifth embodiments, and detailed description thereof will be omitted.

図９に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｆでは、第１燃料電池セルスタック６２及び第２燃料電池セルスタック６４は、第１実施形態の水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池に代えて酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を用いている。したがって、第１燃料極６２Ａ（燃料極）、及び第１空気極６２Ｂ（空気極）では、以下のように反応が生じる。なお、第２燃料極６４Ａ、及び第２空気極６４Ｂでも同様である。 As shown in FIG. 9, in the fuel cell power generation system 10F of the present embodiment, the first fuel cell stack 62 and the second fuel cell stack 64 are the hydrogen ion conducting solid oxide fuel cells of the first embodiment. Instead, an oxygen ion conduction type solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) is used. Therefore, the following reaction occurs at the first fuel electrode 62A (fuel electrode) and the first air electrode 62B (air electrode). The same applies to the second fuel electrode 64A and the second air electrode 64B.

第１空気極６２Ｂでは、下記（５）式に示すように、酸化剤ガス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６２Ｃを通って第１燃料電池セルスタック６２の第１燃料極６２Ａに到達する。 At the first air electrode 62B, oxygen in the oxidant gas reacts with electrons to generate oxygen ions, as shown in the following equation (5). The generated oxygen ions reach the first fuel electrode 62A of the first fuel cell stack 62 through the electrolyte layer 62C.

（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ－ →Ｏ２－ …（５） (air electrode reaction)
1/2O 2 +2e − →O 2− (5)

一方、第１燃料電池セルスタック６２の第１燃料極６２Ａでは、下記（６）式及び（７）式に示すように、電解質層６２Ｃ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、水蒸気及び二酸化炭素と電子が生成される。第１燃料極６２Ａで生成された電子が第１燃料極６２Ａから外部回路を通って第１空気極６２Ｂに移動することで、発電される。 On the other hand, in the first fuel electrode 62A of the first fuel cell stack 62, as shown in the following equations (6) and (7), oxygen ions passing through the electrolyte layer 62C are converted into hydrogen and monoxide in the fuel gas. It reacts with carbon to produce water vapor, carbon dioxide and electrons. Electrons generated in the first fuel electrode 62A move from the first fuel electrode 62A through an external circuit to the first air electrode 62B, thereby generating power.

（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２－ →Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …(６)
ＣＯ＋Ｏ２－ →ＣＯ２＋２ｅ－ …(７) (Anode reaction)
H 2 +O 2− →H 2 O+2e − (6)
CO+O 2− →CO 2 +2e − (7)

固体酸化物形燃料電池では、第１燃料極６２Ａ、第２燃料極６４Ａで水蒸気が生成されることから、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池と比較して、第１燃料極オフガス、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気量が多い。一方、第１空気極６２Ｂ、第２空気極６４Ｂでは、水蒸気が生成されない。排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給された空気極オフガスは、熱交換後に排気管Ｐ３６－１から排気される。 In the solid oxide fuel cell, water vapor is generated at the first fuel electrode 62A and the second fuel electrode 64A. 2 The amount of water vapor contained in the fuel electrode off-gas is large. On the other hand, no water vapor is generated at the first air electrode 62B and the second air electrode 64B. The air electrode off-gas supplied to the exhaust heat input type absorption chiller 36 is exhausted from the exhaust pipe P36-1 after heat exchange.

本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｆでは、その他の構成については、第５実施形態と同様であり、第１燃料極オフガス管Ｐ７の経路に、第３熱交換器３４及び凝縮器３５が設けられている。ここで、第１燃料極オフガス、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気量は、燃料電池発電システム１０Ｅと比較して多いため、凝縮器３５での凝縮により除去する水蒸気量が多くなるように、冷却水循環流路３５Ａを循環する冷却水の温度が設定されている。凝縮した水は水配管Ｐ９－２を介して水タンク２７へ送出される。 Other configurations of the fuel cell power generation system 10F of the present embodiment are the same as those of the fifth embodiment, and a third heat exchanger 34 and a condenser 35 are provided in the path of the first anode offgas pipe P7. ing. Here, since the amount of water vapor contained in the first fuel electrode off-gas and the second fuel electrode off-gas is larger than that in the fuel cell power generation system 10E, The temperature of the cooling water circulating in the cooling water circulation flow path 35A is set. The condensed water is sent to the water tank 27 through the water pipe P9-2.

本実施形態では、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。 In the present embodiment, since the regenerated fuel gas generated by separating a part of water vapor from the first fuel electrode off-gas is supplied to the second fuel electrode 14A, the power generation efficiency in the second fuel cell stack 14 can be improved. can be done.

また、本実施形態においても、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 Also in the present embodiment, carbon dioxide and water vapor are produced in the combustion section 22 of the combustor 20 with the oxygen permeable membrane by the combustion reaction between the combustible gas contained in the second fuel electrode off-gas and oxygen. Therefore, the combustible gas can be reduced from the second anode off-gas, and high-concentration carbon dioxide can be recovered.

［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第６実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。 [Seventh embodiment]
Next, a seventh embodiment of the invention will be described. In this embodiment, the same reference numerals are assigned to the same parts as those in the first to sixth embodiments, and detailed description thereof will be omitted.

図１０に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｇでは、第６実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、第２実施形態と同様の高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、燃焼器５２、及び、これらに関連する配管以外の構成については、第６実施形態と同様である。 As shown in FIG. 10, in the fuel cell power generation system 10G of the present embodiment, instead of the combustor 20 with the oxygen permeable membrane of the sixth embodiment, a high-temperature oxygen production device 50 similar to that of the second embodiment and a combustor A vessel 52 is provided. Configurations other than the high-temperature oxygen production device 50, the combustor 52, and the associated piping are the same as those of the sixth embodiment.

本実施形態においても、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。 Also in the present embodiment, the regeneration fuel gas produced by separating a part of water vapor from the first fuel electrode off-gas is supplied to the second fuel electrode 14A, so that the power generation efficiency in the second fuel cell stack 14 is improved. be able to.

また、本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 Also in this embodiment, in the combustor 52, carbon dioxide and water vapor are generated by the combustion reaction between the combustible gas contained in the second fuel electrode off-gas and oxygen. Therefore, the combustible gas can be reduced from the second anode off-gas, and high-concentration carbon dioxide can be recovered.

［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第７実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。 [Eighth embodiment]
Next, an eighth embodiment of the invention will be described. In this embodiment, parts similar to those in the first to seventh embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

図１１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｈでは、第３実施形態と同様に、改質器５４を備えている点、循環ガス管Ｐ３を備えていない点、及び、これらの構成に関連する配管流路が、第６実施形態と異なっている。その他の構成は第６実施形態と同様である。 As shown in FIG. 11, in the fuel cell power generation system 10H of this embodiment, as in the third embodiment, the reformer 54 is provided, the circulating gas pipe P3 is not provided, and these A piping channel related to the configuration is different from that of the sixth embodiment. Other configurations are the same as those of the sixth embodiment.

本実施形態においても、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。 Also in the present embodiment, the regeneration fuel gas produced by separating a part of water vapor from the first fuel electrode off-gas is supplied to the second fuel electrode 14A, so that the power generation efficiency in the second fuel cell stack 14 is improved. be able to.

また、本実施形態においても、燃焼部２２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 Also in the present embodiment, carbon dioxide and water vapor are generated by the combustion reaction between the combustible gas contained in the second fuel electrode off-gas and oxygen in the combustion section 22 . Therefore, the combustible gas can be reduced from the second anode off-gas, and high-concentration carbon dioxide can be recovered.

［第９実施形態］
次に、本発明の第９実施形態について説明する。本実施形態では、第１～第８実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。 [Ninth Embodiment]
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the same reference numerals are assigned to the same parts as in the first to eighth embodiments, and detailed description thereof will be omitted.

図１１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｉでは、第８実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、第７実施形態の高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２以外の構成については、第８実施形態と同様である。 As shown in FIG. 11, in the fuel cell power generation system 10I of the present embodiment, instead of the combustor 20 with the oxygen permeable membrane of the eighth embodiment, the high-temperature oxygen production device 50 of the seventh embodiment and the combustor 52 It has Configurations other than the high-temperature oxygen production device 50 and the combustor 52 are the same as those of the eighth embodiment.

本実施形態においても、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。 Also in the present embodiment, the regeneration fuel gas produced by separating a part of water vapor from the first fuel electrode off-gas is supplied to the second fuel electrode 14A, so that the power generation efficiency in the second fuel cell stack 14 is improved. be able to.

また、本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。 Also in this embodiment, in the combustor 52, carbon dioxide and water vapor are generated by the combustion reaction between the combustible gas contained in the second fuel electrode off-gas and oxygen. Therefore, the combustible gas can be reduced from the second anode off-gas, and high-concentration carbon dioxide can be recovered.

なお、本発明の燃料電池としては、他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC)を用いることもできる。 Other fuel cells such as molten carbonate fuel cells (MCFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), and polymer electrolyte fuel cells (PEFC) can also be used as the fuel cell of the present invention.

また、二酸化炭素供給ライン２９は、二酸化炭素液化装置や炭素分離装置に接続し、液体二酸化炭素や粉末炭素等を製造してもよい。 Alternatively, the carbon dioxide supply line 29 may be connected to a carbon dioxide liquefaction device or a carbon separation device to produce liquid carbon dioxide, powdered carbon, or the like.

なお、前述の第１～第９実施形態では、排熱投入型吸収式冷凍機３６を用いて冷熱を生成したが、排熱投入型吸収式冷凍機３６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。 In the above-described first to ninth embodiments, cold heat is generated using the exhaust heat input type absorption chiller 36, but other exhaust heat is used instead of the exhaust heat input type absorption chiller 36. Heat pumps, such as adsorption chillers, may also be used to generate cold.

さらに、排熱投入型吸収式冷凍機３６に代えて、排熱を利用せず、電力を利用することによって冷熱を生成する電動ターボ冷凍機６０を用いる燃料電池発電システム１０Ｊとしてもよい。図１３では、一例として、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａについて、排熱投入型吸収式冷凍機３６を電動ターボ冷凍機６０に置き換えた構成が示されている。第２～第９実施形態でも同様に置き換えることができる。燃料電池発電システム１０Ｊでは、カソードオフガス流路Ｐ６は、第２熱交換器３２での熱交換後にシステム外へ排気される。電動ターボ冷凍機６０は、燃料電池発電システム１０Ｊで発電された電力により駆動することができる。電動ターボ冷凍機６０は、一般的に冷却効率が高いため、発電した電力を用いても、高効率で燃料電池発電システム１０Ｊを運転することができる。なお、この場合にも、発電した電力を交流に変換することなく効率よく利用するために、電動ターボ冷凍機６０を直流電流にて駆動させることが好ましい。 Furthermore, instead of the exhaust heat input type absorption chiller 36, the fuel cell power generation system 10J may use an electric turbo chiller 60 that generates cold heat by using electric power instead of exhaust heat. As an example, FIG. 13 shows a configuration in which the exhaust heat input type absorption chiller 36 is replaced with an electric centrifugal chiller 60 in the fuel cell power generation system 10A of the first embodiment. The second to ninth embodiments can also be similarly replaced. In the fuel cell power generation system 10J, the cathode offgas flow path P6 is exhausted outside the system after heat exchange in the second heat exchanger 32. The electric turbo chiller 60 can be driven by electric power generated by the fuel cell power generation system 10J. Since the electric centrifugal chiller 60 generally has high cooling efficiency, the fuel cell power generation system 10J can be operated with high efficiency using the generated electric power. Also in this case, it is preferable to drive the electric centrifugal chiller 60 with direct current in order to efficiently use the generated power without converting it into alternating current.

１０Ａ～１０Ｊ 燃料電池発電システム（二酸化炭素回収型燃料電池発電システム）
１２、６２ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１２Ａ、６２Ａ 第１燃料極（燃料極）
１２Ｂ、６２Ｂ 第１空気極（空気極）
１４、６４ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池）
１４Ａ、６４Ａ 第２燃料極（燃料極）
１４Ｂ、６４Ｂ 第２空気極（空気極）
２０ 酸素透過膜付燃焼器（酸素分離部）
２２ 燃焼部、 ２２Ａ 燃焼空間
２４ 酸素分離部
２６ 凝縮器（二酸化炭素分離部）
４０ 制御部
４２ 流量調整バルブ（流量調整部）
４４ 組成検出部（含有量情報検出部）
５０ 高温酸素製造装置（酸素分離部）
５２ 燃焼器（燃焼部）、 ５４ 改質器、 ６０ 電動ターボ冷凍機
Ｐ３ 循環ガス管（循環流路）
Ｐ６ 空気極オフガス管（空気極オフガス流路）
Ｐ６－２ 分岐空気極オフガス管（分岐空気極オフガス流路） 10A to 10J Fuel cell power generation system (carbon dioxide recovery fuel cell power generation system)
12, 62 first fuel cell stack (fuel cell)
12A, 62A first fuel electrode (fuel electrode)
12B, 62B first air electrode (air electrode)
14, 64 second fuel cell stack (fuel cell)
14A, 64A Second fuel electrode (fuel electrode)
14B, 64B Second air electrode (air electrode)
20 Combustor with oxygen permeable membrane (oxygen separator)
22 Combustion Section 22A Combustion Space 24 Oxygen Separation Section 26 Condenser (Carbon Dioxide Separation Section)
40 control unit 42 flow control valve (flow control unit)
44 composition detection unit (content information detection unit)
50 high-temperature oxygen production device (oxygen separator)
52 combustor (combustion part), 54 reformer, 60 electric turbo chiller P3 circulating gas pipe (circulating flow path)
P6 air electrode offgas pipe (air electrode offgas channel)
P6-2 Branch cathode off-gas pipe (branch cathode off-gas flow path)

Claims (4)

炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスが送出され前記空気極から空気極ガスが送出される燃料電池と、
前記空気極から空気極オフガス管へ送出された空気極オフガスの一部を分岐する分岐空気極オフガス流路と、
前記分岐空気極オフガス流路と接続されて前記空気極オフガスが供給され、前記空気極オフガスから酸素を分離する酸素分離部と、
前記酸素分離部へ供給される前記空気極オフガスの流量を調整する流量調整部と、
前記酸素分離部で分離された酸素と前記燃料極オフガスとを燃焼反応させる燃焼部と、
前記燃焼部から送出される燃焼オフガスから二酸化炭素リッチガスを分離する二酸化炭素分離部と、
前記燃焼オフガスまたは前記二酸化炭素リッチガスに含まれる可燃ガス及び酸素の少なくとも一方の含有量情報を検出する含有量情報検出部と、
前記含有量情報検出部で検出された前記含有量情報に基づいて、前記流量調整部を制御する制御部と、
を備えた二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 Electricity is generated by a fuel gas containing a carbon compound and supplied to the fuel electrode and an oxidant gas containing oxygen and supplied to the air electrode, and the fuel electrode off-gas is sent from the fuel electrode and the air electrode gas is discharged from the air electrode. a fuel cell to be delivered;
a branching cathode offgas flow path for branching a part of the cathode offgas delivered from the cathode to the cathode offgas pipe;
an oxygen separation unit connected to the branched cathode off-gas flow path to which the cathode off-gas is supplied and which separates oxygen from the cathode off-gas;
a flow rate adjustment unit that adjusts the flow rate of the air electrode off-gas supplied to the oxygen separation unit;
a combustion section for causing a combustion reaction between the oxygen separated by the oxygen separation section and the fuel electrode off-gas;
a carbon dioxide separation unit that separates a carbon dioxide-rich gas from the combustion off-gas delivered from the combustion unit;
a content information detection unit that detects content information of at least one of combustible gas and oxygen contained in the combustion off-gas or the carbon dioxide-rich gas;
a control unit that controls the flow rate adjustment unit based on the content information detected by the content information detection unit;
A carbon dioxide capture fuel cell power generation system. 前記含有量情報検出部は、さらに前記二酸化炭素リッチガスに含まれる水蒸気量を検出し、
前記制御部は、前記含有量情報検出部に検出された水蒸気量に基づいて前記二酸化炭素分離部における水蒸気凝縮量を制御する、請求項１に記載の二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 The content information detection unit further detects the amount of water vapor contained in the carbon dioxide rich gas,
2. The carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to claim 1 , wherein said control unit controls the amount of water vapor condensed in said carbon dioxide separation unit based on the amount of water vapor detected by said content information detection unit. 前記燃料電池は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池である、請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 3. The carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to claim 1, wherein said fuel cell is a hydrogen ion conduction solid oxide fuel cell. 前記燃料電池は、酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池である、請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。 3. The carbon dioxide recovery fuel cell power generation system according to claim 1, wherein said fuel cell is an oxygen ion conduction solid oxide fuel cell.
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