JP7377734B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池発電システムに関し、特に炭化水素を含む燃料を用いて発電を行う燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly to a fuel cell power generation system that generates power using fuel containing hydrocarbons.
炭化水素を含む燃料を用いて発電を行う燃料電池発電システムがある（例えば、特許文献１参照）。 There is a fuel cell power generation system that generates power using fuel containing hydrocarbons (for example, see Patent Document 1).
炭化水素を含む燃料を用いて発電を行う燃料電池では、燃料極から、水蒸気を含んだ燃料排ガスが排出される。
一般的な燃料発電装置では、炭化水素を含む燃料を水蒸気で改質して燃料電池の燃料極へ供給している。改質用の水蒸気は、純水製造装置を用いて純水を生成し、その純水を気化器で加熱して生成しているため、水蒸気を得るための構成が複雑化している。また、純水を加熱して水蒸気を得る気化器においては、安定して水蒸気を生成することが難しい。
特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の燃料排気を冷却して水蒸気を凝縮し、分離した水を捕集して再利用しているが、水蒸気をそのまま利用してはいないため、捕集した水を水蒸気にして供給するために気化のエネルギーが必要となり、発電システム全体の効率が低下するとともに、負荷変動運転で気化が不安定になると、発電運転の安定性が低下するという課題がある。
In fuel cells that generate electricity using fuel containing hydrocarbons, fuel exhaust gas containing water vapor is discharged from the fuel electrode.
In a typical fuel power generation device, fuel containing hydrocarbons is reformed with steam and supplied to the fuel electrode of a fuel cell. Steam for reforming is generated by generating pure water using a pure water production device and heating the purified water with a vaporizer, which makes the configuration for obtaining the steam complicated. Furthermore, in a vaporizer that heats pure water to produce water vapor, it is difficult to stably generate water vapor.
In the fuel cell system of Patent Document 1, the fuel exhaust from the fuel cell is cooled to condense water vapor, and the separated water is collected and reused. In order to convert the water into steam and supply it, energy for vaporization is required, which reduces the efficiency of the entire power generation system, and if the vaporization becomes unstable due to load fluctuation operation, the stability of power generation operation decreases. .
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、システムで生じた水蒸気をそのまま再循環利用することが可能な燃料電池発電システム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 an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system in which water vapor generated in the system can be recirculated and used as it is.
請求項１に記載の燃料電池発電システムは、炭化水素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、により発電する燃料電池と、前記燃料極から排出された燃料極オフガスが供給される第１流路と、前記空気極から排出された空気極オフガスが供給される第２流路と、前記第１流路と前記第２流路とを隔て、前記燃料極オフガスに含まれる水素を前記第２流路に透過させる水素透過膜を備えた水素透過膜付燃焼器と、前記第１流路を通過した水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの一部を、前記燃料ガスに混合して前記燃料極へ供給する混合部と、前記混合部に流入させる前記燃料ガスを、前記一部と他部とを分岐する前の前記燃焼器オフガスの熱で加熱する熱交換器と、を備えている。 The fuel cell power generation system according to claim 1 includes: a fuel cell that generates electricity using a fuel gas containing hydrocarbons and supplied to a fuel electrode; and an oxidizing gas containing oxygen and supplied to an air electrode; a first flow path to which the anode off-gas discharged from the air electrode is supplied; a second flow path to which the air electrode off-gas discharged from the air electrode is supplied; and the first flow path and the second flow path. a combustor with a hydrogen-permeable membrane that is separated and includes a hydrogen-permeable membrane that allows hydrogen contained in the fuel electrode off-gas to permeate into the second flow path; and a combustor off-gas containing water vapor that has passed through the first flow path. a mixing section that mixes a portion with the fuel gas and supplies the mixture to the fuel electrode; and a mixing section that mixes a portion of the fuel gas with the fuel gas and supplies the mixture to the fuel electrode; It is equipped with a heat exchanger for heating .
請求項１に記載の燃料電池発電システムは、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。 In the fuel cell power generation system according to the first aspect, in the fuel cell, power is generated using fuel gas supplied to the fuel electrode and oxidant gas supplied to the air electrode.
空気極からは、第２流路へ空気極オフガスが送出され、燃料極からは、第１流路へ燃料極オフガスが送出される。 Air electrode off-gas is sent from the air electrode to the second flow path, and fuel electrode off-gas is sent from the fuel electrode to the first flow path.
水素透過膜は、第１流路に供給される燃料極オフガス中の水素を第２流路に透過する。
第１流路に供給される燃料極オフガス中に未反応の一酸化炭素が含まれている場合、該一酸化炭素は、水素が選択的に分離されることで化学平衡が変化し、燃料極オフガス中の水蒸気と一酸化炭素がシフト反応を起こして二酸化炭素と水素に変化することができる。
そして、水素が第２流路側に分離されることにより、効率よく二酸化炭素濃度の高い燃焼器オフガスを得ることができ、第１流路から水蒸気、及び二酸化炭素を含んだ燃焼器オフガスが排出される。
The hydrogen permeable membrane permeates hydrogen in the fuel electrode off-gas supplied to the first flow path to the second flow path.
If unreacted carbon monoxide is contained in the fuel electrode off-gas supplied to the first flow path, the chemical equilibrium of the carbon monoxide changes as hydrogen is selectively separated, and the fuel electrode Water vapor and carbon monoxide in the off-gas can undergo a shift reaction and change into carbon dioxide and hydrogen.
By separating hydrogen into the second flow path, combustor off-gas with a high carbon dioxide concentration can be efficiently obtained, and combustor off-gas containing water vapor and carbon dioxide is discharged from the first flow path. Ru.
なお、第２流路では、空気極オフガス中の酸素と、水素透過膜を透過した水素とが反応して水が生成される。 Note that in the second flow path, oxygen in the air electrode off-gas and hydrogen that has passed through the hydrogen permeable membrane react to generate water.
混合部では、水蒸気を含んだ燃焼器オフガスが燃料ガスに混合され、燃焼器オフガスが混合された燃料ガスは、燃料極へ供給され、燃焼器オフガスに含まれた水蒸気により燃料ガスが改質されて、燃料極で発電の反応に供される。 In the mixing section, the combustor off-gas containing water vapor is mixed with the fuel gas, and the fuel gas mixed with the combustor off-gas is supplied to the fuel electrode, where the fuel gas is reformed by the water vapor contained in the combustor off-gas. The fuel is then subjected to a reaction to generate electricity at the fuel electrode.
請求項１に記載の燃料電池発電システムでは、システムで生じた水蒸気を燃料ガスの改質用として有効利用することができる。 In the fuel cell power generation system according to the first aspect, water vapor generated in the system can be effectively used for reforming fuel gas.
請求項２記載の発明に係る電池発電システムは、炭化水素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、により発電する燃料電池と、前記燃料極から排出された燃料極オフガスが供給される第１流路と、前記空気極から排出された空気極オフガスが供給される第２流路と、前記第１流路と前記第２流路とを隔て、前記空気極オフガスに含まれる酸素を前記第１流路に透過させる酸素透過膜を備えた酸素透過膜付燃焼器と、前記酸素透過膜を透過した前記酸素により前記燃料極オフガスを燃焼反応させることにより生成された水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの一部を、前記燃料ガスに混合して前記燃料極へ供給する混合部と、前記混合部に流入させる前記燃料ガスを、前記一部と他部とを分岐する前の前記燃焼器オフガスの熱で加熱する熱交換器と、を備えている。 The battery power generation system according to the invention according to claim 2 includes a fuel cell that generates electricity using a fuel gas containing hydrocarbons and supplied to a fuel electrode, and an oxidizing gas containing oxygen and supplied to an air electrode; a first flow path to which the fuel electrode off-gas discharged from the electrode is supplied; a second flow path to which the air electrode off-gas discharged from the air electrode is supplied; the first flow path and the second flow path; a combustor with an oxygen permeable membrane, the combustor having an oxygen permeable membrane that allows oxygen contained in the air electrode off-gas to pass through the first flow path; a mixing section that mixes a portion of the combustor off-gas containing water vapor generated by the reaction with the fuel gas and supplies the mixture to the fuel electrode ; and a mixing section that supplies the fuel gas to the mixing section; and a heat exchanger that heats the combustion chamber with the heat of the combustor off-gas before branching off .
請求項２に記載の燃料電池発電システムは、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。 In the fuel cell power generation system according to the second aspect, in the fuel cell, power generation is performed using fuel gas supplied to the fuel electrode and oxidant gas supplied to the air electrode.
空気極からは、第２流路へ空気極オフガスが送出され、燃料極からは、第１流路へ燃料極オフガスが送出される。 Air electrode off-gas is sent from the air electrode to the second flow path, and fuel electrode off-gas is sent from the fuel electrode to the first flow path.
酸素透過膜は、第２流路に供給される空気極オフガス通の酸素を第１流路に透過する。第１流路では、炭化水素や水素を含む燃料ガスが、第１流路に透過した酸素によって完全酸化され、水蒸気を含んだ燃焼器オフガスとなる。
なお、完全酸化された燃焼器オフガスを、適宜燃焼器オフガスと呼ぶ。
The oxygen permeable membrane allows oxygen from the air electrode off-gas supplied to the second flow path to permeate into the first flow path. In the first flow path, the fuel gas containing hydrocarbons and hydrogen is completely oxidized by the oxygen that has permeated into the first flow path, and becomes combustor off-gas containing water vapor.
Note that the completely oxidized combustor offgas is appropriately referred to as combustor offgas.
混合部では、水蒸気を含んだ燃焼器オフガスが燃料ガスに混合され、燃焼器オフガスが混合された燃料ガスは、燃料極へ供給され、燃焼器オフガスに含まれた水蒸気により燃料ガスが改質されて、燃料極で発電の反応に供される。 In the mixing section, the combustor off-gas containing water vapor is mixed with the fuel gas, and the fuel gas mixed with the combustor off-gas is supplied to the fuel electrode, where the fuel gas is reformed by the water vapor contained in the combustor off-gas. The fuel is then subjected to a reaction to generate electricity at the fuel electrode.
請求項２に記載の燃料電池発電システムでは、システムで生じた水蒸気を燃料ガスの改質用として有効利用することができる。 In the fuel cell power generation system according to the second aspect, water vapor generated in the system can be effectively used for reforming fuel gas.
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記混合部はエゼクタを備え、前記エゼクタに前記燃料ガスを通過させて生ずる負圧により前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスを吸引し、前記燃料ガスに前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスを混合する。 The invention according to claim 3 is the fuel cell power generation system according to claim 1 or 2, wherein the mixing section includes an ejector, and the water vapor is removed by a negative pressure generated by passing the fuel gas through the ejector. The combustor off-gas containing water vapor is sucked, and the combustor off-gas containing water vapor is mixed with the fuel gas.
請求項３に記載の燃料電池発電システムでは、エゼクタに燃料ガスを通過させることでエゼクタに負圧が生じ、この負圧により、動力を用いずに燃料ガスの水蒸気改質を行うために必要となる水蒸気を含む燃焼器オフガスを吸引させて混合させることができる。エゼクタでは、吸引された燃焼器オフガスが燃料ガスに混合される。 In the fuel cell power generation system according to claim 3, negative pressure is generated in the ejector by passing the fuel gas through the ejector, and this negative pressure allows the fuel gas to be used for steam reforming without using power. The combustor off-gas containing water vapor can be drawn in and mixed. In the ejector, the sucked combustor off-gas is mixed with the fuel gas.
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記混合部は、中間部に前記エゼクタが設けられ前記燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスが流される燃焼器オフガス流路に一端が接続され、他端が前記エゼクタに接続される分岐流路と、前記分岐流路に設けられる絞り弁と前記混合部は、中間部に前記エゼクタが設けられ前記燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、前記水蒸気を含んだ前記燃焼オフガスが流される燃焼オフガス流路と、一端が前記燃焼オフガス流路に接続され、他端が前記エゼクタに接続される分岐流路と、前記分岐流路に設けられる絞り弁と、を備えている。 The invention according to claim 4 is the fuel cell power generation system according to claim 3, wherein the mixing section includes a fuel gas flow path in which the ejector is provided in an intermediate portion and supplies the fuel gas to the fuel electrode; a branch flow path connected at one end to the combustor off-gas flow path through which the combustor off-gas containing water vapor flows and whose other end is connected to the ejector; a throttle valve provided in the branch flow path; and the mixing section. includes a fuel gas flow path in which the ejector is provided in the middle portion and supplies the fuel gas to the fuel electrode, a combustion off-gas flow path through which the combustion off-gas containing water vapor is flowed, and one end of the combustion off-gas flow path and a branch flow path whose other end is connected to the ejector, and a throttle valve provided in the branch flow path.
請求項４に記載の燃料電池発電システムでは、分岐流路に設けられる絞り弁を調整することで、燃料ガスに混合する燃焼器オフガスの量を調整し、燃料ガスの水蒸気改質のために必要となる水蒸気を過不足なく適切な割合（例えばスチームカーボン比Ｓ／Ｃ＝２．５）で混合させることができる。 In the fuel cell power generation system according to claim 4, the amount of combustor off-gas mixed with the fuel gas is adjusted by adjusting the throttle valve provided in the branch flow path, and the amount of combustor off-gas mixed with the fuel gas is adjusted. It is possible to mix just enough water vapor at an appropriate ratio (for example, steam carbon ratio S/C=2.5).
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記絞り弁は制御部で制御され、前記制御部は、前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量に応じて前記燃料ガスの改質に必要な量の前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスの供給量を調整する。 According to a fifth aspect of the invention, in the fuel cell power generation system according to the fourth aspect, the throttle valve is controlled by a control section, and the control section controls the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode. Accordingly, the supply amount of the combustor off-gas containing the amount of water vapor necessary for reforming the fuel gas is adjusted.
請求項５に記載の燃料電池発電システムでは、制御部が、絞り弁を制御し、燃料極に供給される燃料ガスの供給量に応じて燃料ガスの改質に必要な水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの供給量を調整する。これにより、発電量の変化に追従して変化する供給燃料量の変化に応じ、水蒸気改質に必要となる最適な水蒸気量（例えばスチームカーボン比Ｓ／Ｃ＝２．５）を含んだ燃焼器オフガスの供給量を調整することができる。 In the fuel cell power generation system according to claim 5, the control unit controls the throttle valve and controls the combustor containing water vapor necessary for reforming the fuel gas according to the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode. Adjust the off-gas supply amount. As a result, a combustor containing the optimum amount of steam necessary for steam reforming (e.g. steam carbon ratio S/C = 2.5) can respond to changes in the amount of supplied fuel that changes in accordance with changes in the amount of power generation. The amount of off gas supplied can be adjusted.
本発明に係る燃料電池発電システムによれば、発電により生じた水蒸気を、有効利用することができる。 According to the fuel cell power generation system according to the present invention, water vapor generated by power generation can be effectively used.
［第１実施形態］
図１には、本発明の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、燃料電池セルスタック１２、水素透過膜付燃焼器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 fuel cell power generation system of the present invention. The fuel cell power generation system 10A mainly includes a fuel cell stack 12, a combustor 20 with a hydrogen permeable membrane, a condenser 26, a carbon dioxide recovery tank 28, a first heat exchanger 30, a second heat exchanger 32, It is equipped with an exhaust heat input type absorption refrigerator 36 and a water tank 27. Further, as shown in FIG. 2, a control section 40 that controls the fuel cell power generation system 10A is provided.
燃料電池セルスタック１２は、一例として、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燃料極１２Ａ、及び空気極１２Ｂと、を有している。したがって、燃料極１２Ａ、及び空気極１２Ｂ（空気極）では、以下のように反応が生じる。 The fuel cell stack 12 is, for example, an oxygen ion conductive solid oxide fuel cell (SOFC), and includes an electrolyte layer 12C and fuel electrodes laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer 12C. 12A, and an air electrode 12B. Therefore, the following reactions occur at the fuel electrode 12A and the air electrode 12B (air electrode).
空気極１２Ｂでは、下記（１）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１２Ｃを通って燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａに到達する。 At the air electrode 12B, oxygen in the oxidant gas reacts with electrons to generate oxygen ions, as shown in equation (1) below. The generated oxygen ions pass through the electrolyte layer 12C and reach the fuel electrode 12A of the fuel cell stack 12.
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ－ →Ｏ２－ …（１）
(Air electrode reaction)
1/2O 2 +2e − →O 2− …(1)
一方、燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層１２Ｃ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。燃料極１２Ａで生成された電子が燃料極１２Ａから外部回路を通って空気極１２Ｂに移動することで、発電される。 On the other hand, in the fuel electrode 12A of the fuel cell stack 12, oxygen ions that have passed through the electrolyte layer 12C react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas, as shown in equations (2) and (3) below. , water vapor and carbon dioxide and electrons are produced. Electrons generated at the fuel electrode 12A move from the fuel electrode 12A to the air electrode 12B through an external circuit, thereby generating electricity.
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２－ →Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ …(２)
ＣＯ＋Ｏ２－ →ＣＯ２＋２ｅ－ …(３)
(Fuel electrode reaction)
H2 + O2- → H2O +2e -... (2)
CO+O 2- →CO 2 +2e -... (3)
酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池では、燃料極１２Ａ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、燃料極オフガスに含まれる水蒸気量が多い。一方、空気極１２Ｂでは、燃料極１２Ａに比較して水蒸気が生成され難い。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、水蒸気が凝縮されて水となり、水分の除去された空気極オフガス（主に窒素ガス）は排気管Ｐ３６－１から外部へ排気される。なお、凝縮した水は、水配管Ｐ３６－２により水タンク２７へ供給される。 In the oxygen ion conductive solid oxide fuel cell, since water vapor is generated at the fuel electrode 12A, the amount of water vapor contained in the fuel electrode off-gas is greater than in the hydrogen ion conductive solid oxide fuel cell. On the other hand, water vapor is less likely to be generated at the air electrode 12B than at the fuel electrode 12A. In the air electrode off-gas supplied to the exhaust heat injection type absorption refrigerator 36, water vapor is condensed into water, and the air electrode off-gas (mainly nitrogen gas) from which water has been removed is exhausted to the outside from the exhaust pipe P36-1. be done. Note that the condensed water is supplied to the water tank 27 through the water pipe P36-2.
燃料電池セルスタック１２の燃料極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 a fuel gas pipe P1 is connected to the fuel electrode 12A of the fuel cell stack 12, and the other end of the fuel gas pipe P1 is connected to a gas source (not shown). From the gas source, fuel gas is sent to the fuel electrode 12A by the fuel supply blower B1. Note that in this embodiment, methane is used as the fuel gas, but there is no particular limitation as long as it is a gas that can generate hydrogen by reforming, and any hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), biogas, reformed coal gas, and lower 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 this embodiment is preferable. Note that 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 raw material gas contains impurities, a desulfurizer or the like is required, but this is not shown in the figure.
燃料ガス管Ｐ１には、燃料供給ブロワＢ１の燃料ガス供給側（下流側）に、第１熱交換器３０が設けられ、第１熱交換器３０の燃料ガス供給側にエゼクタ７０が設けられている。エゼクタ７０には、後述する燃焼器オフガス管Ｐ８に一端が接続された分岐管Ｐ８－１の他端が接続されている。エゼクタ７０は、燃料ガス管Ｐ１の内部を燃料極１２Ａへ向けて燃料ガスが流れることで、燃焼器オフガス管Ｐ８を流れる燃焼器オフガスの一部を吸引し、燃焼器オフガスが混合された燃料ガスを燃料極１２Ａ側へ排出する。 The fuel gas pipe P1 is provided with a first heat exchanger 30 on the fuel gas supply side (downstream side) of the fuel supply blower B1, and an ejector 70 on the fuel gas supply side of the first heat exchanger 30. There is. The ejector 70 is connected to the other end of a branch pipe P8-1, one end of which is connected to a combustor off-gas pipe P8, which will be described later. The ejector 70 sucks a part of the combustor off-gas flowing through the combustor off-gas pipe P8 by causing the fuel gas to flow toward the fuel electrode 12A through the inside of the fuel gas pipe P1, and the ejector 70 sucks a part of the combustor off-gas flowing through the combustor off-gas pipe P8, and generates a fuel gas mixed with the combustor off-gas. is discharged to the fuel electrode 12A side.
分岐管Ｐ８－１の中間部には、流量調整可能な絞り弁（流量調整バルブ）７２が設けられており、絞り弁７２を調整することで、燃料ガスに混合させる燃焼器オフガスの量を調整することができる。 A throttle valve (flow rate adjustment valve) 72 that can adjust the flow rate is provided in the middle of the branch pipe P8-1, and by adjusting the throttle valve 72, the amount of combustor off-gas to be mixed with the fuel gas is adjusted. can do.
絞り弁７２は、制御部４０により制御され、燃料ガス管Ｐ１へ混合させる後述する燃焼器オフガスの流量が調整される。より詳細には、絞り弁７２は、燃料極１２Ａにおいて、燃料ガスの改質に必要な水蒸気の量を調整する。 The throttle valve 72 is controlled by the control unit 40 to adjust the flow rate of combustor off-gas, which will be described later, to be mixed into the fuel gas pipe P1. More specifically, the throttle valve 72 adjusts the amount of water vapor necessary for reforming the fuel gas at the fuel electrode 12A.
燃料極１２Ａに供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、燃料極１２Ａに供給される単位時間当たりの原料ガスの炭素原子数Ｃとの比であるスチームカーボン比Ｓ／Ｃは、一例として、１．５～３．５であることが好ましく、２．０～３．０であることがより好ましく、２．０～２．５であることがさらに好ましい。スチームカーボン比Ｓ／Ｃがこれらの範囲にあることにより、原料ガスが効率よく水蒸気改質される。なお、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、一例として、制御部４０は、燃料極１２Ａに供給される原料ガスのスチームカーボン比、Ｓ／Ｃが２．５となるように絞り弁７２の制御を行うことができる。
即ち、制御部４０は、燃料供給ブロワＢ１を制御しているので、原料ガスの単位時間当たりの供給量を把握することができ、把握した原料ガスの供給量に応じて絞り弁７２の制御を行うことができる。
The steam carbon ratio S/C, which is the ratio between the number of water vapor molecules S per unit time supplied to the fuel electrode 12A and the number C of carbon atoms of the raw material gas per unit time supplied to the fuel electrode 12A, is an example. It is preferably from 1.5 to 3.5, more preferably from 2.0 to 3.0, even more preferably from 2.0 to 2.5. When the steam carbon ratio S/C is within these ranges, the raw material gas can be efficiently reformed with steam. In addition, in the fuel cell power generation system 10A of this embodiment, as an example, the control unit 40 controls the throttle valve 72 so that the steam carbon ratio, S/C, of the raw material gas supplied to the fuel electrode 12A becomes 2.5. can be controlled.
That is, since the control unit 40 controls the fuel supply blower B1, it can grasp the supply amount of raw material gas per unit time, and controls the throttle valve 72 according to the grasped supply amount of raw material gas. It can be carried out.
燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａには燃料極オフガス管Ｐ７の一端が接続されており、燃料極１２Ａから燃料極オフガス管Ｐ７へ燃料極オフガスが送出される。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 a fuel electrode off-gas pipe P7 is connected to the fuel electrode 12A of the fuel cell stack 12, and fuel electrode off-gas is sent from the fuel electrode 12A to the fuel electrode off-gas pipe P7. The fuel electrode off-gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.
燃料極１２Ａと接続された燃料極オフガス管Ｐ７の下流端、及び空気極１２Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６の下流端は、以下に説明する水素透過膜付燃焼器２０と接続されている。空気極オフガスには、窒素、及び酸素が含まれている。 The downstream end of the fuel electrode off-gas pipe P7 connected to the fuel electrode 12A and the downstream end of the air electrode off-gas pipe P6 connected to the air electrode 12B are connected to a combustor 20 with a hydrogen permeable membrane described below. . The air electrode off-gas contains nitrogen and oxygen.
（水素透過膜付燃焼器）
水素透過膜付燃焼器２０は、多重円筒構造とされており、径方向外側に配置された燃料極オフガス流入部２２と、燃料極オフガス流入部２２の径方向内側に配置された空気極オフガス流入部２４を有している。燃料極オフガス流入部２２内には、螺旋状の燃料極オフガス流路２２Ａが形成されている。空気極オフガス流入部２４内には、螺旋状の空気極オフガス流路２４Ａが形成されている。
(Combustor with hydrogen permeable membrane)
The combustor 20 with a hydrogen permeable membrane has a multi-cylindrical structure, with an anode off-gas inflow section 22 disposed on the radially outer side and an air electrode off-gas inflow section disposed on the radial inner side of the anode off-gas inflow section 22. It has a section 24. A spiral fuel electrode offgas flow path 22A is formed in the fuel electrode offgas inlet 22. A spiral air electrode off-gas flow path 24A is formed within the air electrode off-gas inflow portion 24.
空気極オフガス流路２４Ａと燃料極オフガス流路２２Ａとは、円筒状の水素透過膜２３により仕切られている。本実施形態にて用いる水素透過膜２３としては、水素透過性を有する膜であれば特に限定されず、例えば、パラジウム合金膜が挙げられる。 The air electrode off-gas flow path 24A and the fuel electrode off-gas flow path 22A are partitioned by a cylindrical hydrogen permeable membrane 23. The hydrogen permeable membrane 23 used in this embodiment is not particularly limited as long as it has hydrogen permeability, and examples include palladium alloy membranes.
燃料極オフガス管Ｐ７の下流端は、燃料極オフガス流路２２Ａの入口に接続され、空気極オフガス管Ｐ６の下流端は、空気極オフガス流路２４Ａの入口に接続されている。 The downstream end of the fuel electrode off-gas pipe P7 is connected to the inlet of the fuel electrode off-gas flow path 22A, and the downstream end of the air electrode off-gas pipe P6 is connected to the inlet of the air electrode off-gas flow path 24A.
空気極オフガスは、空気極オフガス管Ｐ６により空気極オフガス流路２４Ａに供給され、燃料極オフガスは、燃料極オフガス管Ｐ７により燃料極オフガス流路２２Ａに供給される。燃料極オフガスに含まれている水素は水素透過膜２３を透過して空気極オフガス流路２４Ａへ移動する。 The air electrode off-gas is supplied to the air electrode off-gas flow path 24A through the air electrode off-gas pipe P6, and the fuel electrode off-gas is supplied to the fuel electrode off-gas flow path 22A through the fuel electrode off-gas pipe P7. Hydrogen contained in the fuel electrode off-gas passes through the hydrogen permeable membrane 23 and moves to the air electrode off-gas flow path 24A.
なお、燃料極オフガス流路２２Ａに供給される燃料極オフガス中に可燃ガス成分、即ち、未反応の一酸化炭素が含まれている場合、燃料極オフガス中の一酸化炭素は、水素が選択的に分離されることで化学平衡が変化し、燃料極オフガス中の水蒸気と一酸化炭素がシフト反応を起こして二酸化炭素と水素に変化する。そして、燃料極オフガス中の水素が、空気極オフガス流路２４Ａ側に分離されることにより、効率よく二酸化炭素濃度の高い燃焼器オフガスを得ることができる。燃料極オフガス流路２２Ａの出口側には、燃焼器オフガス管Ｐ８が接続されており、燃料極オフガス流路２２Ａから燃焼器オフガス（二酸化炭素、水蒸気）が送出される。 Note that when the anode off-gas supplied to the anode off-gas flow path 22A contains a combustible gas component, that is, unreacted carbon monoxide, the carbon monoxide in the anode off-gas is selectively absorbed by hydrogen. This separation changes the chemical equilibrium, causing a shift reaction between the water vapor and carbon monoxide in the fuel electrode off-gas and converting it into carbon dioxide and hydrogen. Then, hydrogen in the fuel electrode off-gas is separated to the air electrode off-gas flow path 24A side, thereby making it possible to efficiently obtain combustor off-gas having a high carbon dioxide concentration. A combustor off-gas pipe P8 is connected to the outlet side of the anode off-gas flow path 22A, and combustor off-gas (carbon dioxide, water vapor) is sent out from the anode off-gas flow path 22A.
一方、空気極オフガス流路２４Ａでは、空気極オフガス中の酸素と、水素透過膜２３を透過した水素とが燃焼反応して水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、空気極オフガス流路２４Ａの出口側に接続された排気管Ｐ１２から第２熱交換器３２を介して排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。 On the other hand, in the air electrode off-gas flow path 24A, oxygen in the air electrode off-gas and hydrogen that has passed through the hydrogen permeable membrane 23 undergo a combustion reaction to generate water vapor. The generated water vapor is supplied from the exhaust pipe P12 connected to the outlet side of the air electrode off-gas flow path 24A to the exhaust heat input type absorption refrigerator 36 via the second heat exchanger 32.
燃焼器オフガス管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。また、燃焼器オフガス管Ｐ８には、第１熱交換器３０と凝縮器２６との間に、分岐管Ｐ８－１の一端が接続されている。 The other end of the combustor off-gas pipe P8 is connected to the condenser 26 via the first heat exchanger 30. Further, one end of a branch pipe P8-1 is connected to the combustor off-gas pipe P8 between the first heat exchanger 30 and the condenser 26.
第１熱交換器３０では、燃料ガスと燃焼器オフガス（二酸化炭素、水蒸気）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、燃焼器オフガスが冷却される。これにより、燃焼器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。 In the first heat exchanger 30, the fuel gas is heated by heat exchange between the fuel gas and the combustor off-gas (carbon dioxide, water vapor). A cooling water circulation path 26A is piped to the condenser 26, and cooling water from an exhaust heat input type absorption refrigerator 36 (described later) is circulated and supplied by driving a pump 26P, thereby cooling the combustor off-gas. This causes water vapor in the combustor off-gas to condense. The condensed water is sent to the water tank 27 via the water pipe P9. One end of the 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 channel 26A.
水蒸気が分離除去された燃焼器オフガスは、二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出される。凝縮器２６で水（液相）が除去された燃焼器オフガスは、二酸化炭素濃度の高いガスとなっており、当該燃焼器オフガスを二酸化炭素リッチガスと称する。 The combustor off-gas from which water vapor has been separated and removed is sent to the carbon dioxide gas pipe P10. The combustor off-gas from which water (liquid phase) has been removed in the condenser 26 is a gas with a high carbon dioxide concentration, and this combustor off-gas is referred to as carbon dioxide-rich gas.
二酸化炭素ガス管Ｐ１０は、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 on the downstream side, and one of the branched carbon dioxide gas pipes P10-1 is connected to the carbon dioxide recovery tank 28. The other branched carbon dioxide gas pipe P10-2 is connected to the carbon dioxide supply line 29. The carbon dioxide gas pipe P10-1 and the carbon dioxide gas pipe P10-2 are each provided with on-off valves V1 and V2. A carbon dioxide blower B4 is provided upstream of the aforementioned branch of the carbon dioxide gas pipe P10.
排気管Ｐ１２の下流側には、第２熱交換器３２が設けられている。第２熱交換器３２では、排気管Ｐ１２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 exhaust pipe P12. In the second heat exchanger 32, heat exchange is performed between the air electrode off-gas flowing through the exhaust pipe P12 and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas pipe P5, so that the oxidizing gas is heated and the air electrode off-gas is cooled. Ru. The air electrode off-gas passes through the second heat exchanger 32 and is supplied to the exhaust heat input type absorption refrigerator 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 refrigerator 36 is a heat pump that generates cold heat using exhaust heat, and as an example, a steam/exhaust heat input type absorption refrigerator can be used. In steam/exhaust heat input type absorption refrigerators, water is separated and regenerated from the absorption liquid by heating the absorption liquid (e.g. lithium bromide aqueous solution or ammonia aqueous solution) that has absorbed water vapor using the heat of the air electrode off-gas. do. Water vapor is condensed in the air electrode off-gas that has been cooled by heating the absorption liquid, and the condensed water is supplied to the water tank 27 through the water pipe P36-2. The air electrode off-gas after water vapor has been condensed and removed is sent to the exhaust pipe P36-1 and exhausted to the outside of the exhaust heat input type absorption refrigerator 36.
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 absorption liquid regenerated by heating promotes evaporation of water by absorbing water vapor and contributes to the generation of cold energy. The exhaust heat input type absorption refrigerator 36 is connected to a cooling tower 38 via a heat radiation 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. Absorbed heat generated when the absorption liquid absorbs water vapor in the exhaust heat input type absorption refrigerator 36 is released from the cooling tower 38 to the atmosphere via the cooling water flowing through the heat 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で燃焼器オフガスが冷却され、さらに燃焼器オフガス中の水蒸気が凝縮除去される。 The cold heat generated by the exhaust heat injection type absorption refrigerator 36 is sent to the condenser 26 via the cooling water flowing through the cooling water circulation flow path 26A, and the combustor off-gas is cooled in the condenser 26. The water vapor inside is condensed and removed.
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 flow path 26A, a heat radiation circuit 37, and a heat medium flow path (not shown) through which water as a heat medium of the exhaust heat input type absorption refrigerator 36 flows. 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 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、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、排熱投入型吸収式冷凍機３６、開閉バルブＶ１、開閉バルブＶ２、絞り弁７２、燃料供給ブロワＢ１等と接続されており、これらは制御部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 and procedures necessary for flow rate adjustment processing, cooling water temperature adjustment processing, and processing during normal operation. As shown in FIG. 2, the control section 40 is connected to the exhaust heat injection type absorption refrigerator 36, the on-off valve V1, the on-off valve V2, the throttle valve 72, the fuel supply blower B1, etc., which are connected to the control section 40. 40. Note that FIG. 2 shows a part of the connection relationship of the control unit 40 in the fuel cell power generation system 10A, and 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, the pump, blower, and other auxiliary machines are driven by the electric power generated by the fuel cell power generation system 10A. In order to efficiently utilize the electric power generated by the fuel cell power generation system 10A as direct current without converting it to alternating current, the auxiliary equipment is preferably driven by direct current.
（作用、効果）
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。
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、燃料極１２Ａへ供給される。
(action, effect)
Next, the operation of the fuel cell power generation system 10A of this embodiment will be explained.
In the fuel cell power generation system 10A, methane is sent from the gas source to the fuel gas pipe P1 by the fuel supply blower B1, heated by passing through the first heat exchanger 30, and supplied to the fuel electrode 12A.
第１熱交換器３０の下流側の燃料ガス管Ｐ１に設けられるエゼクタ７０をメタンが通過すると、エゼクタ７０が燃焼器オフガス管Ｐ８の燃焼器オフガス（水蒸気を含む二酸化炭素ガス）を吸引してメタンに混合し、水蒸気が混合されたメタンが燃料極１２Ａへ供給される。本実施形態では、燃料極１２Ａへ供給される水蒸気が、燃料ガスの改質用の水蒸気として有効利用される。 When methane passes through the ejector 70 provided in the fuel gas pipe P1 on the downstream side of the first heat exchanger 30, the ejector 70 sucks the combustor off-gas (carbon dioxide gas containing water vapor) from the combustor off-gas pipe P8 and converts it into methane. Methane mixed with water vapor is supplied to the fuel electrode 12A. In this embodiment, the water vapor supplied to the fuel electrode 12A is effectively used as water vapor for reforming the fuel gas.
エゼクタ７０は、機械的な駆動部分がなく、ブロア等に比較して高温に対して強い。したがって、水蒸気を含んだ高温の燃料ガスを燃料極１２Ａへ供給することができ、燃料ガスを改質する際の熱ロスを抑制し、耐久性に優れ、効率的に発電を行うことのできる燃料電池発電システム１０Ａとすることができる。 The ejector 70 has no mechanically driven parts and is more resistant to high temperatures than a blower or the like. Therefore, high-temperature fuel gas containing water vapor can be supplied to the fuel electrode 12A, heat loss during reforming of the fuel gas can be suppressed, and the fuel has excellent durability and can efficiently generate power. It can be a battery power generation system 10A.
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃料極１２Ａ、燃料極オフガス管Ｐ７、燃料極オフガス流路２２Ａ、燃焼器オフガス管Ｐ８、分岐管Ｐ８－１、絞り弁７２、エゼクタ７０、燃料ガス管Ｐ１がループ状に接続され、燃料ガス、及び水蒸気を含む燃焼器オフガスが燃料極１２Ａへ供給される。言い換えれば、燃焼器オフガスに含まれる水蒸気を、水蒸気改質用の水蒸気として無駄なく利用することができる。 In the fuel cell power generation system 10A of this embodiment, the fuel electrode 12A, the fuel electrode off-gas pipe P7, the fuel electrode off-gas flow path 22A, the combustor off-gas pipe P8, the branch pipe P8-1, the throttle valve 72, the ejector 70, the fuel gas pipe P1 is connected in a loop, and fuel gas and combustor off-gas containing water vapor are supplied to the fuel electrode 12A. In other words, the steam contained in the combustor off-gas can be used without waste as steam for steam reforming.
なお、制御部４０は、燃料供給ブロワＢ１を制御して発電に必要な量の燃料ガスを燃料極１２Ａに向けて供給すると共に、燃料極１２Ａに供給する燃料ガスの改質に必要な水蒸気が燃料ガスに混合されるように絞り弁７２を制御する。一例として、Ｃ／Ｓ＝２．５となるように、燃料供給ブロワＢ１、及び絞り弁７２を制御することができる。 The control unit 40 controls the fuel supply blower B1 to supply the amount of fuel gas necessary for power generation toward the fuel electrode 12A, and also controls the water vapor necessary for reforming the fuel gas supplied to the fuel electrode 12A. The throttle valve 72 is controlled so that the fuel gas is mixed with the fuel gas. As an example, the fuel supply blower B1 and the throttle valve 72 can be controlled so that C/S=2.5.
燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａでは、燃焼器オフガスに含まれている水蒸気により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、燃料極１２Ａでは、生成された水素と酸素とから水蒸気が生成され、生成された一酸化炭素と酸素とから二酸化炭素が生成される。 At the fuel electrode 12A of the fuel cell stack 12, the fuel gas is reformed by steam contained in the combustor off-gas, and hydrogen and carbon monoxide are generated. Further, in the fuel electrode 12A, water vapor is generated from the generated hydrogen and oxygen, and carbon dioxide is generated from the generated carbon monoxide and oxygen.
燃料電池セルスタック１２の空気極１２Ｂには、空気が酸化剤ガス管Ｐ５を経て供給される。燃料電池セルスタック１２では、燃料極１２Ａ及び空気極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。燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａからは、燃料極オフガス管Ｐ７へ燃料極オフガスが送出される。また、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 air electrode 12B of the fuel cell stack 12 through an oxidant gas pipe P5. In the fuel cell stack 12, hydrogen ions move in the fuel electrode 12A and the air electrode 12B, and the above-mentioned reaction occurs to generate electricity. Fuel electrode off-gas is sent from the fuel electrode 12A of the fuel cell stack 12 to the fuel electrode off-gas pipe P7. Further, air electrode off-gas is sent from the air electrode 12B to the air electrode off-gas pipe P6.
空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスは、空気極オフガス流入部２４へ供給され、空気極オフガス流路２４Ａを流れる。
空気極オフガス流入部２４では、燃料極オフガス流路２２Ａに供給された燃料極オフガスに含まれる水素が、水素透過膜２３を介して空気極オフガス流路２４Ａ側へ移動する。空気極オフガス流路２４Ａでは、空気極オフガス中の酸素と水素透過膜２３を介して移動した水素とが反応して水蒸気が生成され、排気管Ｐ１２へ供給される。排気管Ｐ１２へ供給された空気極オフガスは、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。
The air electrode off-gas sent out from the air electrode 12B is supplied to the air electrode off-gas inflow section 24 and flows through the air electrode off-gas flow path 24A.
In the air electrode off-gas inflow section 24, hydrogen contained in the fuel electrode off-gas supplied to the fuel electrode off-gas flow path 22A moves to the air electrode off-gas flow path 24A side via the hydrogen permeable membrane 23. In the air electrode off-gas flow path 24A, oxygen in the air electrode off-gas reacts with hydrogen that has moved through the hydrogen permeable membrane 23 to generate water vapor, which is supplied to the exhaust pipe P12. The air electrode off-gas supplied to the exhaust pipe P12 is supplied to the exhaust heat injection type absorption refrigerator 36 via the second heat exchanger 32.
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。 In the second heat exchanger 32, heat exchange is performed between the air electrode off-gas and the oxidizing gas, and the oxidizing gas is heated by the air electrode off-gas. In the exhaust heat injection type absorption refrigerator 36, as described above, cold heat is generated using the heat of the air electrode off-gas.
一方、燃料極１２Ａから送出された燃料極オフガスは、水素透過膜付燃焼器２０の燃料極オフガス流入部２２へ供給され、燃料極オフガス流路２２Ａを流れる。 On the other hand, the fuel electrode off-gas sent out from the fuel electrode 12A is supplied to the fuel electrode off-gas inflow section 22 of the combustor 20 with a hydrogen permeable membrane, and flows through the fuel electrode off-gas flow path 22A.
燃料極オフガス流路２２Ａに供給される燃料極オフガス中に可燃ガス成分、即ち、未反応の一酸化炭素が含まれている場合、燃料極オフガス中の一酸化炭素は、水素が選択的に分離されることで化学平衡が変化し、燃料極オフガス中の水蒸気と一酸化炭素がシフト反応を起こして二酸化炭素と水素に変化する。そのため、燃料極オフガス中の水素が、燃焼空間側に分離されることにより、効率よく二酸化炭素濃度の高い燃焼器オフガスを得ることができる。燃料極オフガス流路２２Ａの出口側には、燃焼器オフガス管Ｐ８が接続されており、燃料極オフガス流路２２Ａから燃焼器オフガス（二酸化炭素、水蒸気）が送出される。 When the anode off-gas supplied to the anode off-gas flow path 22A contains a combustible gas component, that is, unreacted carbon monoxide, hydrogen is selectively separated from the carbon monoxide in the anode off-gas. This changes the chemical equilibrium, causing a shift reaction between water vapor and carbon monoxide in the fuel electrode off-gas, converting it into carbon dioxide and hydrogen. Therefore, hydrogen in the fuel electrode off-gas is separated to the combustion space side, so that combustor off-gas with a high carbon dioxide concentration can be efficiently obtained. A combustor off-gas pipe P8 is connected to the outlet side of the anode off-gas flow path 22A, and combustor off-gas (carbon dioxide, water vapor) is sent out from the anode off-gas flow path 22A.
凝縮器２６へ供給された燃焼器オフガスは、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、燃焼器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 combustor off-gas supplied to the condenser 26 is cooled by the cooling water from the exhaust heat input type absorption refrigerator 36 that is circulated and supplied via the cooling water circulation flow path 26A, and the water vapor in the combustor off-gas is condensed. Ru. The condensed water is sent 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 path 26A of the exhaust heat input type absorption refrigerator 36 is replenished as appropriate with the stored water.
凝縮器２６で水蒸気が除去された燃焼器オフガスは、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へ送出される。 The combustor off-gas from which water vapor has been removed in the condenser 26 becomes carbon dioxide-rich gas with a high carbon dioxide concentration, and is sent to the carbon dioxide gas pipe P10 by the carbon dioxide blower B4.
制御部４０は、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、冷却水温度調整処理が実行される。 The control unit 40 controls the temperature of the cooling water sent to the cooling water circulation path 26A in the exhaust heat input type absorption refrigerator 36. Specifically, the control unit 40 executes a cooling water temperature adjustment process.
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、様々な用途に用いることができる。 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, and can be used for various purposes.
以上の構成とされた本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃料ガス改質用の水蒸気を生成するために、装置外の水源（一例として、上水等の水道設備）の水が供給されて純水を製造する純水製造装置、純水を供給するポンプ、純水を加熱して水蒸気を生成する気化器等を必要とせず、装置構成を簡略化でき、効率的に発電を行うことができる。 In the fuel cell power generation system 10A of the present embodiment configured as above, water from a water source outside the device (for example, water supply equipment such as tap water) is supplied in order to generate steam for reforming the fuel gas. It does not require a pure water production device that produces pure water, a pump that supplies pure water, a vaporizer that heats pure water and generates water vapor, etc., and the device configuration can be simplified and power generation can be performed efficiently. I can do it.
燃料極オフガス流路２２Ａから排出される燃焼器オフガスには、可燃性の一酸化炭素、及び水素が含まれていないので、万が一、燃焼器オフガスが漏れ出したとしても引火等の問題が生じない。 The combustor off-gas discharged from the fuel electrode off-gas flow path 22A does not contain flammable carbon monoxide and hydrogen, so even if the combustor off-gas leaks, problems such as ignition will not occur. .
水素は、他のガスに比較して漏れやすいため、ガス通過経路には高い気密性が必要となる。しかし、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、水素透過膜付燃焼器２０から燃料電池セルスタック１２までのガス通過経路においては、水素が含まれていない燃焼器オフガスが通過するので、水素が含まれているガスが通過する場合に比較して高い気密性は必要としない。したがって、水素透過膜付燃焼器２０から燃料電池セルスタック１２までのガス通過経路においてガスのシールが容易になる。 Hydrogen leaks more easily than other gases, so the gas passage path needs to be highly airtight. However, in the fuel cell power generation system 10A of the present embodiment, in the gas passage path from the hydrogen-permeable membrane-equipped combustor 20 to the fuel cell stack 12, combustor off-gas that does not contain hydrogen passes through, so hydrogen High airtightness is not required compared to the case where the contained gas passes through. Therefore, gas can be easily sealed in the gas passage path from the hydrogen-permeable membrane-equipped combustor 20 to the fuel cell stack 12.
空気極オフガス流路２４Ａでは、空気極オフガス中の酸素と、水素透過膜２３を透過した水素とが反応して水蒸気が生成されるので、空気極オフガス流路２４Ａから排出されて第２熱交換器３２を通過する空気極オフガスには、水蒸気が多く含まれる。このため、第２熱交換器３２において、空気極１２Ｂへ供給する空気との熱交換量を多くすることができ、空気極１２Ｂへ供給する空気を効率的に加熱することができる。 In the air electrode off-gas flow path 24A, oxygen in the air electrode off-gas reacts with hydrogen that has passed through the hydrogen permeable membrane 23 to generate water vapor, which is discharged from the air electrode off-gas flow path 24A and subjected to second heat exchange. The air electrode off-gas passing through the vessel 32 contains a large amount of water vapor. Therefore, in the second heat exchanger 32, the amount of heat exchanged with the air supplied to the air electrode 12B can be increased, and the air supplied to the air electrode 12B can be efficiently heated.
なお、本実施形態では、燃焼器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、燃焼器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。 Note that in this embodiment, carbon dioxide is separated from the combustor off-gas by condensing and removing water vapor in the combustor off-gas in the condenser 26, but carbon dioxide can be separated by other means, such as using a carbon dioxide separation membrane. may be separated, or carbon dioxide may be separated using a PSA device.
［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 present invention will be described. In this embodiment, the same parts as in the first embodiment 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１０Ｂは、図３に示すように、第１実施形態の水素透過膜付燃焼器２０に代えて、酸素透過膜付燃焼器５０を備えている。 As shown in FIG. 3, the fuel cell power generation system 10B of this embodiment includes a combustor 50 with an oxygen permeable membrane instead of the combustor 20 with a hydrogen permeable membrane of the first embodiment.
（酸素透過膜付燃焼器）
酸素透過膜付燃焼器５０は、水素透過膜付燃焼器２０の水素透過膜２３の代わりに、空気極オフガスに含まれる酸素を、空気極オフガス流入部２４側から燃料極オフガス流入部２２側へ透過する酸素透過膜５２を用いている。
(Combustor with oxygen permeable membrane)
The combustor 50 with an oxygen permeable membrane, instead of the hydrogen permeable membrane 23 of the combustor 20 with a hydrogen permeable membrane, transfers oxygen contained in the air electrode off-gas from the air electrode off-gas inflow section 24 side to the fuel electrode off-gas inflow section 22 side. A permeable oxygen permeable membrane 52 is used.
本実施形態の酸素透過膜５２は、一例として、多孔質のセラミック膜と、セラミック膜の空気極オフガス流路２４Ａ側に設けられる酸化ジルコニウム膜と、セラミック膜の燃料極オフガス流路２２Ａ側に設けられる多孔質の反応触媒膜と、とを含んで構成することができる。酸素透過膜５２は、空気極オフガス流入部２４から燃料極オフガス流入部２２へ、酸化ジルコニウム膜、セラミック膜、反応触媒膜の順で積層することができる。なお、セラミック膜と酸化ジルコニウム膜とで高温酸素透過膜が構成される。 The oxygen permeable membrane 52 of this embodiment includes, for example, a porous ceramic membrane, a zirconium oxide membrane provided on the air electrode off-gas flow path 24A side of the ceramic membrane, and a zirconium oxide membrane provided on the fuel electrode off-gas flow path 22A side of the ceramic membrane. and a porous reaction catalyst membrane. The oxygen permeable membrane 52 can be laminated in the order of a zirconium oxide membrane, a ceramic membrane, and a reaction catalyst membrane from the air electrode off-gas inflow section 24 to the fuel electrode off-gas inflow section 22. Note that the high temperature oxygen permeable membrane is composed of the ceramic membrane and the zirconium oxide membrane.
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂでは、空気極１２Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６の下流端が、排熱投入型吸収式冷凍機３６と接続されている。
空気極オフガス管Ｐ６には、第２熱交換器３２の上流側の中間部に、分岐管Ｐ６－２の一端が接続されている。分岐管Ｐ６－２の他端は、酸素透過膜付燃焼器５０の空気極オフガス流路２４Ａの入口に接続されている。分岐管Ｐ６－２の中間部には、制御部４０で制御される調整弁４２が設けられている。また、空気極オフガス流路２４Ａの出口には、排気管Ｐ１２が接続されている。
In the fuel cell power generation system 10B of this embodiment, the downstream end of the air electrode off-gas pipe P6 connected to the air electrode 12B is connected to the exhaust heat input type absorption refrigerator 36.
One end of a branch pipe P6-2 is connected to the air electrode off-gas pipe P6 at an intermediate portion on the upstream side of the second heat exchanger 32. The other end of the branch pipe P6-2 is connected to the inlet of the air electrode off-gas flow path 24A of the combustor 50 with an oxygen permeable membrane. A regulating valve 42 controlled by the control section 40 is provided in the middle of the branch pipe P6-2. Furthermore, an exhaust pipe P12 is connected to the outlet of the air electrode off-gas flow path 24A.
（作用、効果）
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。
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。燃料極１２Ａから送出された燃料極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器５０の燃料極オフガス流路２２Ａへ供給され、空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器５０の空気極オフガス流入部２４へ供給される。
(action, effect)
Next, the operation of the fuel cell power generation system 10B of this embodiment will be explained.
Also in this embodiment, power generation is performed in the first fuel cell stack 12 similarly to the fuel cell power generation system 10A of the first embodiment. The fuel electrode off-gas sent from the fuel electrode 12A is supplied to the fuel electrode off-gas flow path 22A of the combustor 50 with an oxygen permeable membrane, and the air electrode off-gas sent from the air electrode 12B is supplied to the fuel electrode off-gas flow path 22A of the combustor 50 with an oxygen permeable membrane. It is supplied to the air electrode off-gas inflow section 24.
空気極オフガス流路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５２を透過して燃料極オフガス流路２２Ａ側へ移動する。燃料極オフガス流路２２Ａでは、燃料極オフガス中の可燃ガス（水素、一酸化炭素等）と酸素の燃焼反応が生じ、可燃ガスが完全燃焼し、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器オフガス（完全酸化ガス）は、燃料極オフガス流路２２Ａから燃焼器オフガス管Ｐ８へ送出される。燃焼器オフガス管Ｐ８へ送出された燃焼器オフガスは、第１熱交換器３０を経て凝縮器２６へ供給されると共に、エゼクタ７０に供給される。 In the air electrode off-gas flow path 24A, oxygen contained in the air electrode off-gas passes through the oxygen permeable membrane 52 and moves to the fuel electrode off-gas flow path 22A side. In the fuel electrode off-gas flow path 22A, a combustion reaction occurs between combustible gas (hydrogen, carbon monoxide, etc.) in the fuel electrode off-gas and oxygen, the combustible gas is completely combusted, and carbon dioxide and water vapor are generated. Combustor off-gas (completely oxidized gas) containing carbon dioxide and water vapor is sent from the fuel electrode off-gas flow path 22A to the combustor off-gas pipe P8. The combustor offgas sent to the combustor offgas pipe P8 is supplied to the condenser 26 via the first heat exchanger 30, and is also supplied to the ejector 70.
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂにおいても、第１の実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、燃焼器オフガスに含まれる水蒸気を、廃棄せず、燃料ガスに混合して燃料ガスの改質に有効的に利用することができる。 Also in the fuel cell power generation system 10B of this embodiment, similarly to the fuel cell power generation system 10A of the first embodiment, the water vapor contained in the combustor off-gas is not disposed of, but is mixed with the fuel gas to reform the fuel gas. It can be used effectively for quality.
本実施形態の酸素透過膜付燃焼器５０では、空気極オフガスに含まれる酸素を酸素透過膜５２を透過させて燃料極オフガス流路２２Ａ側へ移動し、燃料極オフガスに含まれる水素と反応させて水蒸気を生成することができる。したがって、第１の実施形態よりも多量の水蒸気を燃焼器オフガス管Ｐ８へ送出することができる。 In the oxygen-permeable membrane-equipped combustor 50 of the present embodiment, oxygen contained in the air electrode off-gas passes through the oxygen-permeable membrane 52, moves to the fuel electrode off-gas flow path 22A side, and reacts with hydrogen contained in the fuel electrode off-gas. can produce water vapor. Therefore, a larger amount of water vapor can be sent to the combustor off-gas pipe P8 than in the first embodiment.
［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 present invention will be described. In this embodiment, the same parts as in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図４に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃは、燃料ガス管Ｐ１の中間部にエゼクタ７０が設けられておらず、その代わりに、燃料ガス管Ｐ１の中間部に分岐管Ｐ８－１の他端が接続されている。また、分岐管Ｐ８－１の中間部には、絞り弁７２に代えて、制御部４０で制御されるブロアＢ５が設けられている。 As shown in FIG. 4, in the fuel cell power generation system 10C of this embodiment, the ejector 70 is not provided in the middle part of the fuel gas pipe P1, but instead, the branch pipe P8 is provided in the middle part of the fuel gas pipe P1. -1 is connected to the other end. Furthermore, in place of the throttle valve 72, a blower B5 controlled by the control unit 40 is provided in the middle of the branch pipe P8-1.
本実施形態では、ブロアＢ５を駆動することで、水蒸気の含まれた燃焼器オフガスを燃料ガスに混合させることができる。制御部４０は、燃料供給ブロワＢ１、及びブロアＢ５を制御することで、燃料ガスに混合させる燃焼器オフガスの量を調整することで、発電出力など運転状況の変化に応じて変動する燃料ガスの流量に応じ、水蒸気改質するために必要となる最適な水蒸気量を、安定的に供給することが可能となる。 In this embodiment, the combustor off-gas containing water vapor can be mixed with the fuel gas by driving the blower B5. The control unit 40 controls the fuel supply blower B1 and the blower B5 to adjust the amount of combustor off-gas to be mixed with the fuel gas, thereby reducing the amount of fuel gas that fluctuates according to changes in operating conditions such as power generation output. Depending on the flow rate, it becomes possible to stably supply the optimum amount of steam required for steam reforming.
なお、水素透過膜付燃焼器２０から排出された燃焼器オフガスは、第１熱交換器３０で燃料ガスと熱交換が行われて冷却されてブロアＢ５へ至るので、ブロアＢ５の耐熱性は、特に高いものでなくてもよく、信頼性と耐久性をさらに向上させることが可能となる。 Note that the combustor off-gas discharged from the combustor 20 with a hydrogen permeable membrane undergoes heat exchange with the fuel gas in the first heat exchanger 30 and is cooled and reaches the blower B5, so the heat resistance of the blower B5 is as follows. It does not need to be particularly expensive, and it is possible to further improve reliability and durability.
［その他の実施形態］
以上、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
[Other embodiments]
Although one embodiment of the fuel cell power generation system of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above, and can be implemented in various modifications other than the above without departing from the spirit thereof. Of course it is.
エゼクタ７０の下流側の燃料ガス管Ｐ１を通過するガスの成分をセンサーで検出し、センサーの検出結果に基づいて、絞り弁７２、ブロアＢ５、燃料供給ブロワＢ１等を制御して、燃料ガスに混合する水蒸気（燃焼器オフガス）の量をコントロールしてもよい。 A sensor detects the components of the gas passing through the fuel gas pipe P1 on the downstream side of the ejector 70, and based on the detection results of the sensor, the throttle valve 72, blower B5, fuel supply blower B1, etc. are controlled to The amount of water vapor (combustor off-gas) to be mixed may be controlled.
上記実施形態の燃料電池セルスタック１２は、図１等に示す単一スタックに限らず、多段スタックとしてもよい。
本発明の燃料電池としては、酸素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池に限らず、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池など、他の種類の燃料電池を用いることもできる。
The fuel cell stack 12 of the above embodiment is not limited to the single stack shown in FIG. 1 etc., but may be a multi-stage stack.
The fuel cell of the present invention is not limited to an oxygen ion conductive solid oxide fuel cell, but other types of fuel cells such as a hydrogen ion conductive solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell may be used. You can also do it.
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、液体二酸化炭素や固体炭素材料等を製造してもよい。 Further, 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, solid carbon material, or the like.
１０Ａ～１０Ｃ 燃料電池発電システム
１２ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
１２Ａ 燃料極
１２Ｂ 空気極
２０ 水素透過膜付燃焼器
２２ 燃料極オフガス流入部（第１流路）
２３ 水素透過膜
２４ 空気極オフガス流入部（第２流路）
４０ 制御部
５０ 酸素透過膜付燃焼器
５２ 酸素透過膜
７０ エゼクタ（混合部）
７２ 絞り弁（混合部）
Ｂ５ ブロア（混合部）
Ｐ１ 燃料ガス管（燃料ガス流路）
Ｐ８－１ 分岐管（混合部、分岐流路）
10A to 10C Fuel cell power generation system 12 Fuel cell cell stack (fuel cell)
12A Fuel electrode 12B Air electrode 20 Combustor with hydrogen permeable membrane 22 Fuel electrode off-gas inflow section (first flow path)
23 Hydrogen permeable membrane 24 Air electrode off-gas inflow section (second flow path)
40 Control section 50 Combustor with oxygen permeable membrane 52 Oxygen permeable membrane 70 Ejector (mixing section)
72 Throttle valve (mixing section)
B5 Blower (mixing section)
P1 Fuel gas pipe (fuel gas flow path)
P8-1 Branch pipe (mixing section, branch flow path)
Claims (5)
前記燃料極から排出された燃料極オフガスが供給される第１流路と、
前記空気極から排出された空気極オフガスが供給される第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路とを隔て、前記燃料極オフガスに含まれる水素を前記第２流路に透過させる水素透過膜を備えた水素透過膜付燃焼器と、
前記第１流路を通過した水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの一部を、前記燃料ガスに混合して前記燃料極へ供給する混合部と、
前記混合部に流入させる前記燃料ガスを、前記一部と他部とを分岐する前の前記燃焼器オフガスの熱で加熱する熱交換器と、
を備えた燃料電池発電システム。 A fuel cell that generates electricity using a fuel gas containing hydrocarbons and supplied to a fuel electrode, and an oxidizing gas containing oxygen and supplied to an air electrode;
a first flow path to which fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode is supplied;
a second flow path to which air electrode off-gas discharged from the air electrode is supplied;
a combustor with a hydrogen permeable membrane, the combustor comprising a hydrogen permeable membrane that separates the first flow path and the second flow path and allows hydrogen contained in the fuel electrode off-gas to permeate into the second flow path;
a mixing unit that mixes a portion of the combustor off-gas containing water vapor that has passed through the first flow path with the fuel gas and supplies the mixture to the fuel electrode ;
a heat exchanger that heats the fuel gas flowing into the mixing part with the heat of the combustor off-gas before branching into the part and the other part;
A fuel cell power generation system equipped with
前記燃料極から排出された燃料極オフガスが供給される第１流路と、
前記空気極から排出された空気極オフガスが供給される第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路とを隔て、前記空気極オフガスに含まれる酸素を前記第１流路に透過させる酸素透過膜を備えた酸素透過膜付燃焼器と、
前記酸素透過膜を透過した前記酸素により前記燃料極オフガスを燃焼反応させることにより生成された水蒸気を含んだ燃焼器オフガスの一部を、前記燃料ガスに混合して前記燃料極へ供給する混合部と、
前記混合部に流入させる前記燃料ガスを、前記一部と他部とを分岐する前の前記燃焼器オフガスの熱で加熱する熱交換器と、
を備えた燃料電池発電システム。 A fuel cell that generates electricity using a fuel gas containing hydrocarbons and supplied to a fuel electrode, and an oxidizing gas containing oxygen and supplied to an air electrode;
a first flow path to which fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode is supplied;
a second flow path to which air electrode off-gas discharged from the air electrode is supplied;
a combustor with an oxygen permeable membrane, the combustor comprising an oxygen permeable membrane that separates the first flow path and the second flow path and allows oxygen contained in the air electrode off-gas to permeate into the first flow path;
A mixing unit that mixes a part of the combustor off-gas containing water vapor generated by causing a combustion reaction of the fuel electrode off-gas with the oxygen that has passed through the oxygen-permeable membrane with the fuel gas and supplies the mixture to the fuel electrode. and,
a heat exchanger that heats the fuel gas flowing into the mixing part with the heat of the combustor off-gas before branching into the part and the other part;
A fuel cell power generation system equipped with
前記エゼクタに前記燃料ガスを通過させて生ずる負圧により前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスを吸引し、前記燃料ガスに前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスを混合する、請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。 The mixing section includes an ejector,
The combustor off-gas containing the water vapor is sucked by a negative pressure generated by passing the fuel gas through the ejector, and the combustor off-gas containing the water vapor is mixed with the fuel gas. 2. The fuel cell power generation system according to 2.
請求項３に記載の燃料電池発電システム。 The mixing section is connected at one end to a fuel gas flow path in which the ejector is provided in an intermediate portion and supplies the fuel gas to the fuel electrode, and a combustor off-gas flow path through which the combustor off-gas containing the water vapor is flowed. and a branch flow path whose other end is connected to the ejector, and a throttle valve provided in the branch flow path.
The fuel cell power generation system according to claim 3.
前記制御部は、前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量に応じて前記燃料ガスの改質に必要な量の前記水蒸気を含んだ前記燃焼器オフガスの供給量を調整する、
請求項４に記載の燃料電池発電システム。 The throttle valve is controlled by a control unit,
The control unit adjusts the supply amount of the combustor off-gas containing the water vapor in an amount necessary for reforming the fuel gas according to the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode.
The fuel cell power generation system according to claim 4.
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