炭酸ガス回収型燃料電池システム
【課題】 ＰＡＦＣのアノード排ガスを改質器のバーナ燃料としてリサイクルするシステムにおいて、炭酸ガスを効率良く回収することが可能な炭酸ガス回収型燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 都市ガスは脱硫器３に送られる。脱硫器３を出た燃料ガスは、エゼクタ５で水蒸気と混合され、改質器７に送られる。改質器７では、燃料ガスが水素リッチガスに改質される。改質器７を出た水素リッチガスは、さらにＣＯ変成器９に送られ水素リッチガス中の一酸化炭素（ＣＯ）が二酸化炭素（炭酸ガス）に変成される。ＣＯ変成器を出たアノードガスは、二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７は、二酸化炭素濃縮装置２９と二酸化炭素液化装置３１とからなる。二酸化炭素濃縮装置２９は、二酸化炭素を吸収分離、吸着分離、膜分離、膜・吸収ハイブリッド分離、ガスハイドレート分離のいずれかにより濃縮する装置で構成される。
【解決手段】 都市ガスは脱硫器３に送られる。脱硫器３を出た燃料ガスは、エゼクタ５で水蒸気と混合され、改質器７に送られる。改質器７では、燃料ガスが水素リッチガスに改質される。改質器７を出た水素リッチガスは、さらにＣＯ変成器９に送られ水素リッチガス中の一酸化炭素（ＣＯ）が二酸化炭素（炭酸ガス）に変成される。ＣＯ変成器を出たアノードガスは、二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７は、二酸化炭素濃縮装置２９と二酸化炭素液化装置３１とからなる。二酸化炭素濃縮装置２９は、二酸化炭素を吸収分離、吸着分離、膜分離、膜・吸収ハイブリッド分離、ガスハイドレート分離のいずれかにより濃縮する装置で構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にリン酸型燃料電池において、二酸化炭素を回収することが可能な炭酸ガス回収型燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、環境への負荷が少ない燃料電池が注目されている。燃料電池には固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等が開発されており、例えばＰＡＦＣはすでに商用機としての実績も多い。
【０００３】
このような燃料電池において、アノード排ガス中には二酸化炭素（炭酸ガス）が含まれる。したがって、今般の二酸化炭素排出削減の要求に応えるためには、この二酸化炭素を効率良く回収する必要がある。
【０００４】
このような炭酸ガス回収型の燃料電池としては、例えば、電力発生の際に得られる空気電極側の窒素濃縮ガスは水分が除去された後、分離装置に供給されて酸素と窒素に分離され、燃料電極側で得られる炭酸ガスと未反応燃料は他の分離装置に供給されて炭酸ガスと未反応燃料に分離され、分離された酸素と未反応燃料及び燃料電池内部の熱回収部から抜き出された水蒸気は改質器へ循環されて、酸素は改質器内で原料炭化水素と燃焼反応させて改質器で必要とされる熱量が供給され、燃料電池の燃料電極側から炭酸ガスと未反応燃料を分離する際に一部抜き出されたアルゴンガスに富む残燃料は、燃焼炉で改質器へ循環される分離酸素の一部と燃焼させられて、さらにアルゴンガスに富む混合ガスが得られる炭酸ガス等の回収方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１１１３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載された方法では、アノードの排ガスを改質器内バーナ燃料としてリサイクルする仕様とはなっていない。また、ＰＡＦＣにおいて、アノードガスの中のほぼすべての水素等を消費して、炭酸ガスが濃縮されることを想定している。したがって、アノードガス中の二酸化炭素濃度（ドライ）が８４％と非常に高い。すなわち、最高の発電効率を持つ燃料電池発電技術を使用し、最少の炭酸ガス発生で発電した上で、高濃度に発生した炭酸ガスを深冷分離するものを想定したものである。
【０００７】
しかし、アノード排ガス中の炭酸ガスの濃度を高めるためには、ＰＡＦＣ発電部においてアノードガス中の略全ての水素を消費して発電する必要がある。しかし、実際には、アノードガス中の水素濃度が低下すると、その反応効率が下がるため、水素の略全てを発電に消費するのは効率的ではない。
【０００８】
また、特許文献１では、改質器において、酸素と燃料の一部を反応させて一酸化炭素と水素を得る、いわゆる部分酸化法を適用している。しかし、この方法は、水蒸気改質と比較して、改質の効率が劣る。例えば、水蒸気改質はメタン１に対して４倍の水素を生み出すことが可能であるが、部分酸化では、メタン１に対して３倍の水素しか生み出すことができない。
【０００９】
しかし、アノード排ガス中の水素等の残ガスを改質器の燃焼部で燃焼して、その熱で水蒸気改質を行おうとすると、アノード排ガス中には当該燃焼に用いられる水素が残存している必要がある。このため、炭酸ガスの濃度を前述のように高めることが困難である。したがって、全ガス中の炭酸ガス濃度が８０％を超えるような高濃度であれば、特許文献１のような深冷分離も可能であるが、上述したようなアノード排ガスを改質器での燃焼ガスとして利用する場合には、上述の方法を適用することが困難であった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、ＰＡＦＣのアノード排ガスを改質器内バーナ燃料としてリサイクルするシステムにおいて、二酸化炭素を効率良く回収することが可能な炭酸ガス回収型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述した目的を達するために本発明は、炭酸ガス回収型燃料電池システムであって、燃料ガスと水蒸気とを混合し、混合ガスを改質する改質器と、前記改質器からの水素リッチガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を変性するＣＯ変成器と、燃料電池セルスタックのアノードにアノードガスを供給するアノードガス供給ラインと、前記燃料電池セルスタックのカソードに空気を供給するカソードガス供給ラインと、アノード排ガスを支燃性ガスとともに前記改質器の燃焼部に導入するアノード排ガスラインと、前記燃焼部で燃焼された燃焼排ガスを排出する燃焼排ガスラインと、を少なくとも具備し、前記アノードガス、前記アノード排ガス、前記燃焼排ガスの少なくともいずれかに含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置が設けられていることを特徴とする炭酸ガス回収型燃料電池システムである。
【００１２】
前記二酸化炭素回収装置は、吸収分離、吸着分離、膜分離、膜・吸収ハイブリッド分離、ガスハイドレート分離のいずれかにより濃縮する装置で構成される二酸化炭素濃縮装置が設けられていることが望ましい。
【００１３】
前記二酸化炭素濃縮装置で分離され濃縮されたガスから二酸化炭素の深冷分離を行う二酸化炭素液化装置が設けられることが望ましい。
【００１４】
前記二酸化炭素回収装置は、前記燃焼排ガスラインに設けられ、前記燃焼排ガスから二酸化炭素を回収してもよい。
【００１５】
前記支燃性ガスは酸素富化ガスであり、前記アノード排ガスラインを流れるアノード排ガスは酸素供給部からの酸素とともに前記燃焼部で燃焼してもよい。
【００１６】
前記支燃性ガスは空気であり、前記燃焼排ガスラインには、さらに窒素回収装置が設けられ、前記二酸化炭素回収装置で二酸化炭素が回収された残ガスから窒素を回収してもよい。
【００１７】
前記二酸化炭素回収装置は、前記アノード排ガスラインに設けられ、前記アノード排ガスから二酸化炭素を回収し、回収後のアノード排ガスが前記燃焼部に送られてもよい。
【００１８】
前記二酸化炭素回収装置は、前記アノードガス供給ラインに設けられ、前記アノードガスから二酸化炭素を回収し、回収後のアノードガスが前記アノードに送られてもよい。
【００１９】
本発明によれば、アノード排ガスを改質器内バーナ燃料としてリサイクルするため、アノード排ガス中に水素ガスを残す必要がある。このため燃料電池セルスタックにおけるアノードガスの流路での水素濃度を所定以上に確保することができ、発電効率が高い。また、アノード排ガスを支燃性ガスとともに改質器の燃焼部で燃焼し、改質器において水蒸気改質を行うため、改質効率が高い。
【００２０】
また、アノードガス、アノード排ガス、燃焼排ガスの少なくともいずれかに含まれる二酸化炭素を、二酸化炭素濃縮装置と、濃縮されたガスから深冷分離を行う二酸化炭素液化装置とからなる二酸化炭素回収装置によって回収するため、ガス中の二酸化炭素のドライ濃度が低くても、二酸化炭素を確実に回収することができる。
【００２１】
また、二酸化炭素回収装置が燃焼排ガスラインに設けられ、燃焼排ガスから二酸化炭素を回収すれば、二酸化炭素の回収によって、燃料電池セルスタック入口ラインのガス組成が変化することがない。このため、システムへの影響を最小限にすることができる。
【００２２】
また、さらに支燃性ガスとして酸素を用いることで、二酸化炭素を回収する燃焼排ガスラインにおける二酸化炭素の濃度を高めることができる。このため、より効率良く二酸化炭素を濃縮することができる。
【００２３】
また、支燃性ガスとして空気を用い、燃焼排ガスラインにさらに窒素回収装置を設けることで、二酸化炭素回収装置で二酸化炭素が回収された残ガスから窒素を回収することもできる。
【００２４】
また、二酸化炭素回収装置がアノード排ガスラインに設けられ、アノード排ガスから二酸化炭素を回収すれば、二酸化炭素の回収に伴って、改質器にリサイクルされるガスの組成が変化するものの、水素や炭化水素等の可燃性ガスの濃度が増加するため、改質器にとっては空燃比の調整など簡便な方法でシステムの運転が可能である。
【００２５】
また、本発明では、二酸化炭素回収装置をアノードガス供給ラインに設けることも可能である。いずれにおいても、直接深冷分離が不可能である低〜中濃度の二酸化炭素を効率良く回収することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ＰＡＦＣのアノード排ガスを改質器内バーナ燃料としてリサイクルするシステムにおいて、二酸化炭素排出原単位を改善しつつ、二酸化炭素を効率良く回収することが可能な炭酸ガス回収型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】炭酸ガス回収型燃料電池システム１を示すブロック図。
【図２】炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａを示すブロック図。
【図３】炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂを示すブロック図。
【図４】炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃを示すブロック図。
【図５】炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄを示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１を示すブロック図である。炭酸ガス回収型燃料電池システム１は、主に、脱硫器３、改質器７、ＣＯ変成器９、燃料電池セルスタック１１、二酸化炭素回収装置２７等が、アノードガス供給ライン１０、カソードガス供給ライン２０、アノード排ガスライン３０、燃焼排ガスライン４０等で接続されて構成される。なお、本発明の炭酸ガス回収型燃料電池システム１は、主にＰＡＦＣに適したシステムである。
【００２９】
燃料ガスである都市ガスは脱硫器３に送られる。脱硫器３では、都市ガス中の硫黄分が除去される。脱硫器３を出た燃料ガスは、エゼクタ５で水蒸気と混合され、改質器７に送られる。
【００３０】
改質器７では、燃料ガスが水素リッチガスに改質される。本発明では、改質器７において水蒸気改質が行われる。このため、燃焼部２１のバーナによる熱を利用して、改質器７内での反応を進める。具体的には、メタンと水とを反応させて、水素と二酸化炭素または一酸化炭素に改質する。なお、図示を省略した熱交換器を用い、水素リッチガスの熱によって脱硫器３に入る前の燃料ガスの予熱を行ってもよい。
【００３１】
改質器７を出た水素リッチガスは、さらにＣＯ変成器９に送られる。ＣＯ変成器９では、触媒の存在下で、水素リッチガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。一酸化炭素が混入すると、後述する燃料電池セルスタックにおける電池特性が低下するためである。
【００３２】
ＣＯ変成器９を経たアノードガスは、一部が燃料ガスと混合されて脱硫器３に戻され、残りは二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７は、二酸化炭素濃縮装置２９と二酸化炭素液化装置３１とからなる。
【００３３】
二酸化炭素濃縮装置２９は、二酸化炭素を吸収分離、吸着分離、膜分離、膜・吸収ハイブリッド分離、ガスハイドレート分離のいずれかにより濃縮する装置で構成される。吸収分離は、化学吸収と物理吸収のいずれでも良い。
【００３４】
化学吸収は、ガスを吸収液に化学反応によって吸収させ、エネルギーを加えることでガスを脱離させて回収するものである。化学吸収はスケールメリットがあり、低濃度ガス成分の分離にも適している。物理吸収は、吸収液に加圧することでガスを物理吸収させ、減圧することでガスを脱離させて回収するものである。物理吸収はスケールメリットがあり、高圧、高濃度ガス成分の分離に適している。
【００３５】
吸着分離は、ガスを固体吸着剤に物理的に吸着させ、減圧することでガスを脱着させて回収するものであり、例えばＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）が適用可能である。吸着分離は、排ガス量が中小規模のサイトに適し、比較的高濃度ガス成分の分離に適している。膜分離は、膜に対する透過速度の違いを利用してガスを分離回収するものであり、設備がシンプルであり、高圧または、高濃度ガス成分の分離に適している。
【００３６】
膜・吸収ハイブリッド分離は、ガスと一緒に吸収液を流し、減圧雰囲気で膜を透過せることでガスを放散させ分離し回収するものであり、膜単体よりも分離性能が向上する。ガスハイドレート分離は、熱力学的安定条件の違いを利用し、選択的にハイドレート化しガスを分離して回収するものであり、高圧、低温のガス成分の分離に適し、冷熱が使えるサイトでの分離に適している。
【００３７】
また、二酸化炭素液化装置３１は、二酸化炭素濃縮装置２９によって二酸化炭素が濃縮されたガスを深冷分離する。深冷分離は、ガスを低温に冷やして液化させ、蒸留あるいは部分凝縮によって分離して回収するものである。深冷分離によれば、二酸化炭素の高純度化が可能であるが、高濃度のガスでないと十分な効率を発揮することができない。
【００３８】
本発明では、ＣＯ変成器９を経たアノードガス中の二酸化炭素濃度は概ね２０％程度（ドライ）である。したがって、このまま深冷分離によって二酸化炭素を高純度で分離することができない。しかし、本発明では、二酸化炭素濃縮装置２９と組み合わせることで、二酸化炭素を確実に分離することができる。なお、本発明では、例えば比較的小規模なＰＡＦＣに適用可能なように、二酸化炭素濃縮装置２９としては、吸着分離である上述したＰＳＡを適用することが望ましい。
【００３９】
二酸化炭素回収装置２７（二酸化炭素液化装置３１）で分離された二酸化炭素は液化二酸化炭素として回収される。二酸化炭素回収装置２７を通り、二酸化炭素が分離された残りのアノードガスは、燃料電池セルスタック１１のアノード１３に送られる。なお、本発明では、ＣＯ変成器９出口から燃料電池セルスタックのアノード１３にガスを供給するラインを、アノードガス供給ライン１０とする。すなわち、本実施形態において、二酸化炭素回収装置２７はアノード供給ライン１０に設けられる。
【００４０】
一方、燃料電池セルスタック１１のカソード１５には、酸素を含む空気などのカソードガスが供給される。なお、本発明では、カソード１５にカソードガスを供給するラインをカソードガス供給ライン２０とする。
【００４１】
燃料電池セルスタック１１では、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素とを反応させて発電が行われる。発電された電気は、インバータ１７等を介して送電される。
【００４２】
なお、カソード１５から排出されたカソード排ガスは、凝縮器２３に送られる。凝縮器２３では、水分が凝縮除去され、ガス成分は排ガスとして排出される。また、分離された水は、ポンプ２４で水蒸気分離器２５に送られる。水蒸気分離器で発生する水蒸気はエゼクタ５に送られ、前述したように燃料ガスと混合される。なお、水は、冷却水として燃料電池セルスタック１１にも送られる。
【００４３】
アノード１３を出たアノード排ガスは、予熱器１９を介して改質器７の燃焼部２１に送られる。燃焼部２１では、アノード排ガスは、支燃性ガスである空気とともにバーナで燃焼される。また、予熱器１９では、燃焼部２１で燃焼した燃焼排ガスからの熱が熱交換されて、前述したアノード排ガス及び支燃性ガスを予熱することができる。なお、本発明では、アノード１３から燃焼部２１までのラインをアノード排ガスライン３０とする。
【００４４】
燃焼排ガスは、燃焼排ガスライン４０を介して凝縮器２３に送られて前述のカソード排ガスと同様に水が分離されて、残ガスは排ガスとして排出される。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、アノードガス供給ライン１０に二酸化炭素回収装置２７を設けるため、アノードガス中の二酸化炭素を回収することができる。この際、二酸化炭素回収装置２７が二酸化炭素濃縮装置２９と二酸化炭素液化装置３１とからなるため、アノードガス中の二酸化炭素がそれほど高くないような、本システムにおいても、確実に二酸化炭素を回収することができる。
【００４６】
また、改質器７における改質が水蒸気改質であるため改質効率が高く、さらに、アノード排ガス中の水素（および炭化水素）を改質器７の燃焼部２１の燃料として用いるため、改質効率がよい。また、アノード排ガスを改質器バーナ燃料としてリサイクルするため改質のための熱を別途供給する必要がない。
【００４７】
次に、第２の実施の形態について説明する。図２は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａを示すブロック図である。なお、以下の説明において、炭酸ガス回収型燃料電池システム１と同一の機能を奏する構成については、図１と同様の符号を付し、重複する説明を省略する。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａは炭酸ガス回収型燃料電池システム１と略同様の構成であるが、二酸化炭素回収装置２７の配置が異なる。
【００４８】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、二酸化炭素回収装置２７は、アノード排ガスライン３０に接続される。すなわち、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、ＣＯ変成器９を出たアノードガスは、直接アノード１３に送られる。
【００４９】
アノード１３から排出されたアノード排ガスは、二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７では、アノード排ガス中の二酸化炭素が濃縮・分離される。二酸化炭素回収装置２７で二酸化炭素が分離された後のアノード排ガスが予熱器１９を介して改質器７の燃焼部２１に送られて燃焼される。
【００５０】
ここで、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、アノードから排出されたアノード排ガス中には約５５％程度の二酸化炭素と、約４０％程度の水素（いずれもドライにて）を含む。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、前述したように、アノード排ガスを改質器７の燃焼部２１（バーナ）の燃料としてリサイクルする。したがって、水素が残存していることが必要である。このため、二酸化炭素の濃度は、深冷分離が可能な８０％を超えることはない。
【００５１】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、アノード排ガス中に水素を残すことで、アノード排ガスを改質器７の燃焼部２１（バーナ）の燃料としてリサイクルすることができるとともに、燃料電池セルスタック１１における発電効率を高めることができる。燃料電池セルスタック１１において、水素が完全に消費するようにアノードガスの流量を調節すれば、燃料電池セルの出口においては、アノードガス中の水素はほとんど発電に寄与することができなくなり、発電効率が低下する。
【００５２】
これに対し、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、アノード排ガス中の水素が所定量残るため、高い効率で発電を行うことができる。また、低濃度の二酸化炭素であっても、二酸化炭素濃縮装置２９を用いることで、確実に二酸化炭素を回収することができる。
【００５３】
第２の実施形態にかかる炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａによれば、炭酸ガス回収型燃料電池システム１と同様の効果を得ることができる。また、アノードガス中に比べて、アノード排ガス中の二酸化炭素の濃度が高いため、例えばＰＳＡなどの二酸化炭素濃縮装置２９の負荷を低減することができる。
【００５４】
なお、アノード排ガス中から二酸化炭素を除去するため、残ガス中の水素等の濃度が変化する。このため、燃焼部２１における空燃比が変わる。しかし、燃焼部２１における簡便な空燃比の調整を行うことで、従来のシステムにも適用することが可能である。
【００５５】
次に、第３の実施の形態について説明する。図３は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂを示すブロック図である。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂは炭酸ガス回収型燃料電池システム１と略同様の構成であるが、二酸化炭素回収装置２７の配置が異なる。
【００５６】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、二酸化炭素回収装置２７は、燃焼排ガスライン４０に接続される。すなわち、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、アノード１３を出たアノード排ガスは、炭酸ガス回収型燃料電池システム１と同様に予熱器１９を介して直接改質器７の燃焼部２１に送られる。
【００５７】
燃焼部２１から排出された燃焼排ガスは、予熱器１９でアノード排ガス及び空気と熱交換を行った後、二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７では、燃焼排ガス中の二酸化炭素が濃縮・分離される。二酸化炭素回収装置２７で二酸化炭素が分離された後のアノード排ガスは排ガスとして排出される。
【００５８】
ここで、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂにおいて、燃焼部２１から排出された燃焼排ガス中には約２４％程度の二酸化炭素（ドライ）を含む。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、燃焼部２１は空気で燃焼されるため、多くの窒素を含み、二酸化炭素の濃度が深冷分離可能な８０％を超えることはない。
【００５９】
よって、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、低濃度の二酸化炭素であっても、二酸化炭素濃縮装置２９を用いることで確実に二酸化炭素を回収することができる。
【００６０】
第３の実施形態にかかる炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂによれば、炭酸ガス回収型燃料電池システム１と同様の効果を得ることができる。また、アノードガス中に比べて、燃焼排ガス中の二酸化炭素の濃度が高いため、例えばＰＳＡなどの二酸化炭素濃縮装置２９の負荷を低減することができる。
【００６１】
また、二酸化炭素回収装置２７が、燃焼排ガスライン４０に配置されるため、二酸化炭素を回収しても、回収後のガスは大気に放出するので、従来のシステムにも容易に適用が可能である。
【００６２】
次に、第４の実施の形態について説明する。図４は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃを示すブロック図である。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃは炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂと略同様の構成であるが、燃焼部２１に送られる支燃性ガスが異なる。
【００６３】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、支燃性ガスとして空気が用いられて、アノード排ガスとともに燃焼部で燃焼される。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃでは、支燃性ガスとして、図示を省略した供給装置を用いて酸素が供給される。
【００６４】
燃焼部２１から排出された燃焼排ガスは、予熱器１９でアノード排ガス及び酸素と熱交換を行った後、二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７では、燃焼排ガス中の二酸化炭素が濃縮・分離される。二酸化炭素回収装置２７で二酸化炭素が分離された後の燃焼排ガスは排ガスとして排出される。
【００６５】
ここで、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃにおいて、燃焼部２１から排出された燃焼排ガス中には約７５％程度の二酸化炭素（ドライ）を含む。すなわち、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃでは、燃焼部２１は酸素とともに燃焼されるため、空気中の窒素をほとんど含まない。しかし、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃであっても、二酸化炭素の濃度が深冷分離可能な８０％を超えることはない。
【００６６】
これに対し、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃでは、低濃度の二酸化炭素であっても、二酸化炭素濃縮装置２９を用いることで、確実に二酸化炭素を回収することができる。
【００６７】
第４の実施形態にかかる炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃによれば、炭酸ガス回収型燃料電池システム１（１ｂ）と同様の効果を得ることができる。また、アノードガス中に比べて、支燃性ガスとして酸素富化ガスを用いたときの燃焼排ガス中の二酸化炭素の濃度が高いため、例えばＰＳＡなどの二酸化炭素濃縮装置２９の負荷をさらに低減することができる。
【００６８】
次に、第５の実施の形態について説明する。図５は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄを示すブロック図である。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄは炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂと略同様の構成であるが、二酸化炭素回収装置２７の他に、窒素回収装置３３が設けられる点で異なる。
【００６９】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄでは、支燃性ガスとして空気が用いられるため、前述の通り、燃焼排ガス中には二酸化炭素と窒素とが含まれる。燃焼部２１から排出された燃焼排ガス中には約２４％程度の二酸化炭素と約７０％程度の窒素（ドライ）を含む。
【００７０】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄでは、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂと同様に、燃焼排ガスから二酸化炭素回収装置２７によって二酸化炭素が回収される。例えば燃焼排ガス中の二酸化炭素の７０％が回収されたとすれば、残ガス中の窒素濃度は約８５％となる。
【００７１】
したがって、窒素回収装置３３としてＰＳＡ等を用いて燃焼排ガスから二酸化炭素を分離しても、ＰＳＡに大きな負荷を与えることなく分離を行うことができる。この場合、窒素回収装置３３を通過した残ガスは、排ガスとして排出される。また、窒素回収装置３３を窒素富化ガスの回収装置として用い、二酸化炭素回収装置２７から排出されたガスを分離せずにそのまま回収してもよい。
【００７２】
第５の実施形態にかかる炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄによれば、炭酸ガス回収型燃料電池システム１（１ｂ）と同様の効果を得ることができる。また、燃焼排ガス中の窒素を回収することができる。
【実施例】
【００７３】
前述した各実施形態において、二酸化炭素排出原単位、二酸化炭素回収装置前のガス組成およびにアノードガス供給ラインから二酸化炭素を回収した場合の補機動力等について比較した。なお、以下の説明において、実施例１は、図１に示す実施例、実施例２は、図２に示す実施例、実施例３は、図３に示す実施例、実施例４は、図４に示す実施例を示す。また、比較例として、二酸化炭素回収装置を有さない例を示した。結果を表１〜表３に示す。
【００７４】
【表１】
【００７５】
【表２】
【００７６】
【表３】
【００７７】
表１は、それぞれの実施例の二酸化炭素排出量および二酸化炭素排出原単位を示す。なお、発電量は定格発電量から補機動力を引いたものである。また、二酸化炭素排出量は二酸化炭素を回収しない場合の二酸化炭素排出量から二酸化炭素回収量を引いたものである。また、二酸化炭素排出原単位とは１ｋＷｈの電気を発電したときの二酸化炭素排出量である。
【００７８】
また、表２は、それぞれの実施例における、二酸化炭素回収装置前のガス組成を示す。具体的には、実施例では、アノードガスの組成を示し、実施例２では、アノード排ガスの組成を示し、実施例３、４では、燃焼排ガスの組成を示す。また、表３は、各ラインから二酸化炭素を回収した場合の補機動力を示す。
【００７９】
表１に示すように、実施例１では、アノードガス供給ラインから二酸化炭素を回収することにより二酸化炭素排出原単位は０．２７ｋｇ／ｋＷｈとなった。また、実施例２では、アノード排ガスラインから二酸化炭素を回収することにより二酸化炭素排出原単位は０．２４ｋｇ／ｋＷｈとなった。また、実施例３では、燃焼排ガスラインから二酸化炭素を回収することにより二酸化炭素排出原単位は０．２１ｋｇ／ｋＷｈとなった。また、実施例４では、支燃性ガスとして酸素富化ガスを用いたときの燃焼排ガスラインから二酸化炭素を回収することにより二酸化炭素排出原単位は０．１９ｋｇ／ｋＷｈとなった。
【００８０】
これに対し、二酸化炭素を回収していない比較例では、０．５１ｋｇ／ｋＷｈであった。すなわち、全ての実施例において、比較例と比較して二酸化炭素排出原単位は低下した。
【００８１】
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００８２】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ………炭酸ガス回収型燃焼電池システム
３………脱硫器
５………エゼクタ
７………改質器
９………ＣＯ変成器
１０………アノードガス供給ライン
１１………燃料電池セルスタック
１３………アノード
１５………カソード
１７………インバータ
１９………予熱器
２０………カソードガス供給ライン
２１………燃焼部
２３………凝縮器
２５………水蒸気分離器
２７………二酸化炭素回収装置
２９………二酸化炭素濃縮装置
３０………アノード排ガスライン
３１………二酸化炭素液化装置
３３………窒素回収装置
４０………燃焼排ガスライン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にリン酸型燃料電池において、二酸化炭素を回収することが可能な炭酸ガス回収型燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、環境への負荷が少ない燃料電池が注目されている。燃料電池には固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等が開発されており、例えばＰＡＦＣはすでに商用機としての実績も多い。
【０００３】
このような燃料電池において、アノード排ガス中には二酸化炭素（炭酸ガス）が含まれる。したがって、今般の二酸化炭素排出削減の要求に応えるためには、この二酸化炭素を効率良く回収する必要がある。
【０００４】
このような炭酸ガス回収型の燃料電池としては、例えば、電力発生の際に得られる空気電極側の窒素濃縮ガスは水分が除去された後、分離装置に供給されて酸素と窒素に分離され、燃料電極側で得られる炭酸ガスと未反応燃料は他の分離装置に供給されて炭酸ガスと未反応燃料に分離され、分離された酸素と未反応燃料及び燃料電池内部の熱回収部から抜き出された水蒸気は改質器へ循環されて、酸素は改質器内で原料炭化水素と燃焼反応させて改質器で必要とされる熱量が供給され、燃料電池の燃料電極側から炭酸ガスと未反応燃料を分離する際に一部抜き出されたアルゴンガスに富む残燃料は、燃焼炉で改質器へ循環される分離酸素の一部と燃焼させられて、さらにアルゴンガスに富む混合ガスが得られる炭酸ガス等の回収方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１１１３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載された方法では、アノードの排ガスを改質器内バーナ燃料としてリサイクルする仕様とはなっていない。また、ＰＡＦＣにおいて、アノードガスの中のほぼすべての水素等を消費して、炭酸ガスが濃縮されることを想定している。したがって、アノードガス中の二酸化炭素濃度（ドライ）が８４％と非常に高い。すなわち、最高の発電効率を持つ燃料電池発電技術を使用し、最少の炭酸ガス発生で発電した上で、高濃度に発生した炭酸ガスを深冷分離するものを想定したものである。
【０００７】
しかし、アノード排ガス中の炭酸ガスの濃度を高めるためには、ＰＡＦＣ発電部においてアノードガス中の略全ての水素を消費して発電する必要がある。しかし、実際には、アノードガス中の水素濃度が低下すると、その反応効率が下がるため、水素の略全てを発電に消費するのは効率的ではない。
【０００８】
また、特許文献１では、改質器において、酸素と燃料の一部を反応させて一酸化炭素と水素を得る、いわゆる部分酸化法を適用している。しかし、この方法は、水蒸気改質と比較して、改質の効率が劣る。例えば、水蒸気改質はメタン１に対して４倍の水素を生み出すことが可能であるが、部分酸化では、メタン１に対して３倍の水素しか生み出すことができない。
【０００９】
しかし、アノード排ガス中の水素等の残ガスを改質器の燃焼部で燃焼して、その熱で水蒸気改質を行おうとすると、アノード排ガス中には当該燃焼に用いられる水素が残存している必要がある。このため、炭酸ガスの濃度を前述のように高めることが困難である。したがって、全ガス中の炭酸ガス濃度が８０％を超えるような高濃度であれば、特許文献１のような深冷分離も可能であるが、上述したようなアノード排ガスを改質器での燃焼ガスとして利用する場合には、上述の方法を適用することが困難であった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、ＰＡＦＣのアノード排ガスを改質器内バーナ燃料としてリサイクルするシステムにおいて、二酸化炭素を効率良く回収することが可能な炭酸ガス回収型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述した目的を達するために本発明は、炭酸ガス回収型燃料電池システムであって、燃料ガスと水蒸気とを混合し、混合ガスを改質する改質器と、前記改質器からの水素リッチガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を変性するＣＯ変成器と、燃料電池セルスタックのアノードにアノードガスを供給するアノードガス供給ラインと、前記燃料電池セルスタックのカソードに空気を供給するカソードガス供給ラインと、アノード排ガスを支燃性ガスとともに前記改質器の燃焼部に導入するアノード排ガスラインと、前記燃焼部で燃焼された燃焼排ガスを排出する燃焼排ガスラインと、を少なくとも具備し、前記アノードガス、前記アノード排ガス、前記燃焼排ガスの少なくともいずれかに含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置が設けられていることを特徴とする炭酸ガス回収型燃料電池システムである。
【００１２】
前記二酸化炭素回収装置は、吸収分離、吸着分離、膜分離、膜・吸収ハイブリッド分離、ガスハイドレート分離のいずれかにより濃縮する装置で構成される二酸化炭素濃縮装置が設けられていることが望ましい。
【００１３】
前記二酸化炭素濃縮装置で分離され濃縮されたガスから二酸化炭素の深冷分離を行う二酸化炭素液化装置が設けられることが望ましい。
【００１４】
前記二酸化炭素回収装置は、前記燃焼排ガスラインに設けられ、前記燃焼排ガスから二酸化炭素を回収してもよい。
【００１５】
前記支燃性ガスは酸素富化ガスであり、前記アノード排ガスラインを流れるアノード排ガスは酸素供給部からの酸素とともに前記燃焼部で燃焼してもよい。
【００１６】
前記支燃性ガスは空気であり、前記燃焼排ガスラインには、さらに窒素回収装置が設けられ、前記二酸化炭素回収装置で二酸化炭素が回収された残ガスから窒素を回収してもよい。
【００１７】
前記二酸化炭素回収装置は、前記アノード排ガスラインに設けられ、前記アノード排ガスから二酸化炭素を回収し、回収後のアノード排ガスが前記燃焼部に送られてもよい。
【００１８】
前記二酸化炭素回収装置は、前記アノードガス供給ラインに設けられ、前記アノードガスから二酸化炭素を回収し、回収後のアノードガスが前記アノードに送られてもよい。
【００１９】
本発明によれば、アノード排ガスを改質器内バーナ燃料としてリサイクルするため、アノード排ガス中に水素ガスを残す必要がある。このため燃料電池セルスタックにおけるアノードガスの流路での水素濃度を所定以上に確保することができ、発電効率が高い。また、アノード排ガスを支燃性ガスとともに改質器の燃焼部で燃焼し、改質器において水蒸気改質を行うため、改質効率が高い。
【００２０】
また、アノードガス、アノード排ガス、燃焼排ガスの少なくともいずれかに含まれる二酸化炭素を、二酸化炭素濃縮装置と、濃縮されたガスから深冷分離を行う二酸化炭素液化装置とからなる二酸化炭素回収装置によって回収するため、ガス中の二酸化炭素のドライ濃度が低くても、二酸化炭素を確実に回収することができる。
【００２１】
また、二酸化炭素回収装置が燃焼排ガスラインに設けられ、燃焼排ガスから二酸化炭素を回収すれば、二酸化炭素の回収によって、燃料電池セルスタック入口ラインのガス組成が変化することがない。このため、システムへの影響を最小限にすることができる。
【００２２】
また、さらに支燃性ガスとして酸素を用いることで、二酸化炭素を回収する燃焼排ガスラインにおける二酸化炭素の濃度を高めることができる。このため、より効率良く二酸化炭素を濃縮することができる。
【００２３】
また、支燃性ガスとして空気を用い、燃焼排ガスラインにさらに窒素回収装置を設けることで、二酸化炭素回収装置で二酸化炭素が回収された残ガスから窒素を回収することもできる。
【００２４】
また、二酸化炭素回収装置がアノード排ガスラインに設けられ、アノード排ガスから二酸化炭素を回収すれば、二酸化炭素の回収に伴って、改質器にリサイクルされるガスの組成が変化するものの、水素や炭化水素等の可燃性ガスの濃度が増加するため、改質器にとっては空燃比の調整など簡便な方法でシステムの運転が可能である。
【００２５】
また、本発明では、二酸化炭素回収装置をアノードガス供給ラインに設けることも可能である。いずれにおいても、直接深冷分離が不可能である低〜中濃度の二酸化炭素を効率良く回収することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ＰＡＦＣのアノード排ガスを改質器内バーナ燃料としてリサイクルするシステムにおいて、二酸化炭素排出原単位を改善しつつ、二酸化炭素を効率良く回収することが可能な炭酸ガス回収型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】炭酸ガス回収型燃料電池システム１を示すブロック図。
【図２】炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａを示すブロック図。
【図３】炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂを示すブロック図。
【図４】炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃを示すブロック図。
【図５】炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄを示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１を示すブロック図である。炭酸ガス回収型燃料電池システム１は、主に、脱硫器３、改質器７、ＣＯ変成器９、燃料電池セルスタック１１、二酸化炭素回収装置２７等が、アノードガス供給ライン１０、カソードガス供給ライン２０、アノード排ガスライン３０、燃焼排ガスライン４０等で接続されて構成される。なお、本発明の炭酸ガス回収型燃料電池システム１は、主にＰＡＦＣに適したシステムである。
【００２９】
燃料ガスである都市ガスは脱硫器３に送られる。脱硫器３では、都市ガス中の硫黄分が除去される。脱硫器３を出た燃料ガスは、エゼクタ５で水蒸気と混合され、改質器７に送られる。
【００３０】
改質器７では、燃料ガスが水素リッチガスに改質される。本発明では、改質器７において水蒸気改質が行われる。このため、燃焼部２１のバーナによる熱を利用して、改質器７内での反応を進める。具体的には、メタンと水とを反応させて、水素と二酸化炭素または一酸化炭素に改質する。なお、図示を省略した熱交換器を用い、水素リッチガスの熱によって脱硫器３に入る前の燃料ガスの予熱を行ってもよい。
【００３１】
改質器７を出た水素リッチガスは、さらにＣＯ変成器９に送られる。ＣＯ変成器９では、触媒の存在下で、水素リッチガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。一酸化炭素が混入すると、後述する燃料電池セルスタックにおける電池特性が低下するためである。
【００３２】
ＣＯ変成器９を経たアノードガスは、一部が燃料ガスと混合されて脱硫器３に戻され、残りは二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７は、二酸化炭素濃縮装置２９と二酸化炭素液化装置３１とからなる。
【００３３】
二酸化炭素濃縮装置２９は、二酸化炭素を吸収分離、吸着分離、膜分離、膜・吸収ハイブリッド分離、ガスハイドレート分離のいずれかにより濃縮する装置で構成される。吸収分離は、化学吸収と物理吸収のいずれでも良い。
【００３４】
化学吸収は、ガスを吸収液に化学反応によって吸収させ、エネルギーを加えることでガスを脱離させて回収するものである。化学吸収はスケールメリットがあり、低濃度ガス成分の分離にも適している。物理吸収は、吸収液に加圧することでガスを物理吸収させ、減圧することでガスを脱離させて回収するものである。物理吸収はスケールメリットがあり、高圧、高濃度ガス成分の分離に適している。
【００３５】
吸着分離は、ガスを固体吸着剤に物理的に吸着させ、減圧することでガスを脱着させて回収するものであり、例えばＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）が適用可能である。吸着分離は、排ガス量が中小規模のサイトに適し、比較的高濃度ガス成分の分離に適している。膜分離は、膜に対する透過速度の違いを利用してガスを分離回収するものであり、設備がシンプルであり、高圧または、高濃度ガス成分の分離に適している。
【００３６】
膜・吸収ハイブリッド分離は、ガスと一緒に吸収液を流し、減圧雰囲気で膜を透過せることでガスを放散させ分離し回収するものであり、膜単体よりも分離性能が向上する。ガスハイドレート分離は、熱力学的安定条件の違いを利用し、選択的にハイドレート化しガスを分離して回収するものであり、高圧、低温のガス成分の分離に適し、冷熱が使えるサイトでの分離に適している。
【００３７】
また、二酸化炭素液化装置３１は、二酸化炭素濃縮装置２９によって二酸化炭素が濃縮されたガスを深冷分離する。深冷分離は、ガスを低温に冷やして液化させ、蒸留あるいは部分凝縮によって分離して回収するものである。深冷分離によれば、二酸化炭素の高純度化が可能であるが、高濃度のガスでないと十分な効率を発揮することができない。
【００３８】
本発明では、ＣＯ変成器９を経たアノードガス中の二酸化炭素濃度は概ね２０％程度（ドライ）である。したがって、このまま深冷分離によって二酸化炭素を高純度で分離することができない。しかし、本発明では、二酸化炭素濃縮装置２９と組み合わせることで、二酸化炭素を確実に分離することができる。なお、本発明では、例えば比較的小規模なＰＡＦＣに適用可能なように、二酸化炭素濃縮装置２９としては、吸着分離である上述したＰＳＡを適用することが望ましい。
【００３９】
二酸化炭素回収装置２７（二酸化炭素液化装置３１）で分離された二酸化炭素は液化二酸化炭素として回収される。二酸化炭素回収装置２７を通り、二酸化炭素が分離された残りのアノードガスは、燃料電池セルスタック１１のアノード１３に送られる。なお、本発明では、ＣＯ変成器９出口から燃料電池セルスタックのアノード１３にガスを供給するラインを、アノードガス供給ライン１０とする。すなわち、本実施形態において、二酸化炭素回収装置２７はアノード供給ライン１０に設けられる。
【００４０】
一方、燃料電池セルスタック１１のカソード１５には、酸素を含む空気などのカソードガスが供給される。なお、本発明では、カソード１５にカソードガスを供給するラインをカソードガス供給ライン２０とする。
【００４１】
燃料電池セルスタック１１では、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素とを反応させて発電が行われる。発電された電気は、インバータ１７等を介して送電される。
【００４２】
なお、カソード１５から排出されたカソード排ガスは、凝縮器２３に送られる。凝縮器２３では、水分が凝縮除去され、ガス成分は排ガスとして排出される。また、分離された水は、ポンプ２４で水蒸気分離器２５に送られる。水蒸気分離器で発生する水蒸気はエゼクタ５に送られ、前述したように燃料ガスと混合される。なお、水は、冷却水として燃料電池セルスタック１１にも送られる。
【００４３】
アノード１３を出たアノード排ガスは、予熱器１９を介して改質器７の燃焼部２１に送られる。燃焼部２１では、アノード排ガスは、支燃性ガスである空気とともにバーナで燃焼される。また、予熱器１９では、燃焼部２１で燃焼した燃焼排ガスからの熱が熱交換されて、前述したアノード排ガス及び支燃性ガスを予熱することができる。なお、本発明では、アノード１３から燃焼部２１までのラインをアノード排ガスライン３０とする。
【００４４】
燃焼排ガスは、燃焼排ガスライン４０を介して凝縮器２３に送られて前述のカソード排ガスと同様に水が分離されて、残ガスは排ガスとして排出される。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、アノードガス供給ライン１０に二酸化炭素回収装置２７を設けるため、アノードガス中の二酸化炭素を回収することができる。この際、二酸化炭素回収装置２７が二酸化炭素濃縮装置２９と二酸化炭素液化装置３１とからなるため、アノードガス中の二酸化炭素がそれほど高くないような、本システムにおいても、確実に二酸化炭素を回収することができる。
【００４６】
また、改質器７における改質が水蒸気改質であるため改質効率が高く、さらに、アノード排ガス中の水素（および炭化水素）を改質器７の燃焼部２１の燃料として用いるため、改質効率がよい。また、アノード排ガスを改質器バーナ燃料としてリサイクルするため改質のための熱を別途供給する必要がない。
【００４７】
次に、第２の実施の形態について説明する。図２は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａを示すブロック図である。なお、以下の説明において、炭酸ガス回収型燃料電池システム１と同一の機能を奏する構成については、図１と同様の符号を付し、重複する説明を省略する。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａは炭酸ガス回収型燃料電池システム１と略同様の構成であるが、二酸化炭素回収装置２７の配置が異なる。
【００４８】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、二酸化炭素回収装置２７は、アノード排ガスライン３０に接続される。すなわち、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、ＣＯ変成器９を出たアノードガスは、直接アノード１３に送られる。
【００４９】
アノード１３から排出されたアノード排ガスは、二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７では、アノード排ガス中の二酸化炭素が濃縮・分離される。二酸化炭素回収装置２７で二酸化炭素が分離された後のアノード排ガスが予熱器１９を介して改質器７の燃焼部２１に送られて燃焼される。
【００５０】
ここで、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、アノードから排出されたアノード排ガス中には約５５％程度の二酸化炭素と、約４０％程度の水素（いずれもドライにて）を含む。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、前述したように、アノード排ガスを改質器７の燃焼部２１（バーナ）の燃料としてリサイクルする。したがって、水素が残存していることが必要である。このため、二酸化炭素の濃度は、深冷分離が可能な８０％を超えることはない。
【００５１】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、アノード排ガス中に水素を残すことで、アノード排ガスを改質器７の燃焼部２１（バーナ）の燃料としてリサイクルすることができるとともに、燃料電池セルスタック１１における発電効率を高めることができる。燃料電池セルスタック１１において、水素が完全に消費するようにアノードガスの流量を調節すれば、燃料電池セルの出口においては、アノードガス中の水素はほとんど発電に寄与することができなくなり、発電効率が低下する。
【００５２】
これに対し、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａでは、アノード排ガス中の水素が所定量残るため、高い効率で発電を行うことができる。また、低濃度の二酸化炭素であっても、二酸化炭素濃縮装置２９を用いることで、確実に二酸化炭素を回収することができる。
【００５３】
第２の実施形態にかかる炭酸ガス回収型燃料電池システム１ａによれば、炭酸ガス回収型燃料電池システム１と同様の効果を得ることができる。また、アノードガス中に比べて、アノード排ガス中の二酸化炭素の濃度が高いため、例えばＰＳＡなどの二酸化炭素濃縮装置２９の負荷を低減することができる。
【００５４】
なお、アノード排ガス中から二酸化炭素を除去するため、残ガス中の水素等の濃度が変化する。このため、燃焼部２１における空燃比が変わる。しかし、燃焼部２１における簡便な空燃比の調整を行うことで、従来のシステムにも適用することが可能である。
【００５５】
次に、第３の実施の形態について説明する。図３は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂを示すブロック図である。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂは炭酸ガス回収型燃料電池システム１と略同様の構成であるが、二酸化炭素回収装置２７の配置が異なる。
【００５６】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、二酸化炭素回収装置２７は、燃焼排ガスライン４０に接続される。すなわち、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、アノード１３を出たアノード排ガスは、炭酸ガス回収型燃料電池システム１と同様に予熱器１９を介して直接改質器７の燃焼部２１に送られる。
【００５７】
燃焼部２１から排出された燃焼排ガスは、予熱器１９でアノード排ガス及び空気と熱交換を行った後、二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７では、燃焼排ガス中の二酸化炭素が濃縮・分離される。二酸化炭素回収装置２７で二酸化炭素が分離された後のアノード排ガスは排ガスとして排出される。
【００５８】
ここで、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂにおいて、燃焼部２１から排出された燃焼排ガス中には約２４％程度の二酸化炭素（ドライ）を含む。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、燃焼部２１は空気で燃焼されるため、多くの窒素を含み、二酸化炭素の濃度が深冷分離可能な８０％を超えることはない。
【００５９】
よって、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、低濃度の二酸化炭素であっても、二酸化炭素濃縮装置２９を用いることで確実に二酸化炭素を回収することができる。
【００６０】
第３の実施形態にかかる炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂによれば、炭酸ガス回収型燃料電池システム１と同様の効果を得ることができる。また、アノードガス中に比べて、燃焼排ガス中の二酸化炭素の濃度が高いため、例えばＰＳＡなどの二酸化炭素濃縮装置２９の負荷を低減することができる。
【００６１】
また、二酸化炭素回収装置２７が、燃焼排ガスライン４０に配置されるため、二酸化炭素を回収しても、回収後のガスは大気に放出するので、従来のシステムにも容易に適用が可能である。
【００６２】
次に、第４の実施の形態について説明する。図４は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃを示すブロック図である。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃは炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂと略同様の構成であるが、燃焼部２１に送られる支燃性ガスが異なる。
【００６３】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂでは、支燃性ガスとして空気が用いられて、アノード排ガスとともに燃焼部で燃焼される。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃでは、支燃性ガスとして、図示を省略した供給装置を用いて酸素が供給される。
【００６４】
燃焼部２１から排出された燃焼排ガスは、予熱器１９でアノード排ガス及び酸素と熱交換を行った後、二酸化炭素回収装置２７に送られる。二酸化炭素回収装置２７では、燃焼排ガス中の二酸化炭素が濃縮・分離される。二酸化炭素回収装置２７で二酸化炭素が分離された後の燃焼排ガスは排ガスとして排出される。
【００６５】
ここで、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃにおいて、燃焼部２１から排出された燃焼排ガス中には約７５％程度の二酸化炭素（ドライ）を含む。すなわち、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃでは、燃焼部２１は酸素とともに燃焼されるため、空気中の窒素をほとんど含まない。しかし、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃであっても、二酸化炭素の濃度が深冷分離可能な８０％を超えることはない。
【００６６】
これに対し、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃでは、低濃度の二酸化炭素であっても、二酸化炭素濃縮装置２９を用いることで、確実に二酸化炭素を回収することができる。
【００６７】
第４の実施形態にかかる炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｃによれば、炭酸ガス回収型燃料電池システム１（１ｂ）と同様の効果を得ることができる。また、アノードガス中に比べて、支燃性ガスとして酸素富化ガスを用いたときの燃焼排ガス中の二酸化炭素の濃度が高いため、例えばＰＳＡなどの二酸化炭素濃縮装置２９の負荷をさらに低減することができる。
【００６８】
次に、第５の実施の形態について説明する。図５は、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄを示すブロック図である。炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄは炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂと略同様の構成であるが、二酸化炭素回収装置２７の他に、窒素回収装置３３が設けられる点で異なる。
【００６９】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄでは、支燃性ガスとして空気が用いられるため、前述の通り、燃焼排ガス中には二酸化炭素と窒素とが含まれる。燃焼部２１から排出された燃焼排ガス中には約２４％程度の二酸化炭素と約７０％程度の窒素（ドライ）を含む。
【００７０】
炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄでは、炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｂと同様に、燃焼排ガスから二酸化炭素回収装置２７によって二酸化炭素が回収される。例えば燃焼排ガス中の二酸化炭素の７０％が回収されたとすれば、残ガス中の窒素濃度は約８５％となる。
【００７１】
したがって、窒素回収装置３３としてＰＳＡ等を用いて燃焼排ガスから二酸化炭素を分離しても、ＰＳＡに大きな負荷を与えることなく分離を行うことができる。この場合、窒素回収装置３３を通過した残ガスは、排ガスとして排出される。また、窒素回収装置３３を窒素富化ガスの回収装置として用い、二酸化炭素回収装置２７から排出されたガスを分離せずにそのまま回収してもよい。
【００７２】
第５の実施形態にかかる炭酸ガス回収型燃料電池システム１ｄによれば、炭酸ガス回収型燃料電池システム１（１ｂ）と同様の効果を得ることができる。また、燃焼排ガス中の窒素を回収することができる。
【実施例】
【００７３】
前述した各実施形態において、二酸化炭素排出原単位、二酸化炭素回収装置前のガス組成およびにアノードガス供給ラインから二酸化炭素を回収した場合の補機動力等について比較した。なお、以下の説明において、実施例１は、図１に示す実施例、実施例２は、図２に示す実施例、実施例３は、図３に示す実施例、実施例４は、図４に示す実施例を示す。また、比較例として、二酸化炭素回収装置を有さない例を示した。結果を表１〜表３に示す。
【００７４】
【表１】
【００７５】
【表２】
【００７６】
【表３】
【００７７】
表１は、それぞれの実施例の二酸化炭素排出量および二酸化炭素排出原単位を示す。なお、発電量は定格発電量から補機動力を引いたものである。また、二酸化炭素排出量は二酸化炭素を回収しない場合の二酸化炭素排出量から二酸化炭素回収量を引いたものである。また、二酸化炭素排出原単位とは１ｋＷｈの電気を発電したときの二酸化炭素排出量である。
【００７８】
また、表２は、それぞれの実施例における、二酸化炭素回収装置前のガス組成を示す。具体的には、実施例では、アノードガスの組成を示し、実施例２では、アノード排ガスの組成を示し、実施例３、４では、燃焼排ガスの組成を示す。また、表３は、各ラインから二酸化炭素を回収した場合の補機動力を示す。
【００７９】
表１に示すように、実施例１では、アノードガス供給ラインから二酸化炭素を回収することにより二酸化炭素排出原単位は０．２７ｋｇ／ｋＷｈとなった。また、実施例２では、アノード排ガスラインから二酸化炭素を回収することにより二酸化炭素排出原単位は０．２４ｋｇ／ｋＷｈとなった。また、実施例３では、燃焼排ガスラインから二酸化炭素を回収することにより二酸化炭素排出原単位は０．２１ｋｇ／ｋＷｈとなった。また、実施例４では、支燃性ガスとして酸素富化ガスを用いたときの燃焼排ガスラインから二酸化炭素を回収することにより二酸化炭素排出原単位は０．１９ｋｇ／ｋＷｈとなった。
【００８０】
これに対し、二酸化炭素を回収していない比較例では、０．５１ｋｇ／ｋＷｈであった。すなわち、全ての実施例において、比較例と比較して二酸化炭素排出原単位は低下した。
【００８１】
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００８２】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ………炭酸ガス回収型燃焼電池システム
３………脱硫器
５………エゼクタ
７………改質器
９………ＣＯ変成器
１０………アノードガス供給ライン
１１………燃料電池セルスタック
１３………アノード
１５………カソード
１７………インバータ
１９………予熱器
２０………カソードガス供給ライン
２１………燃焼部
２３………凝縮器
２５………水蒸気分離器
２７………二酸化炭素回収装置
２９………二酸化炭素濃縮装置
３０………アノード排ガスライン
３１………二酸化炭素液化装置
３３………窒素回収装置
４０………燃焼排ガスライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガス回収型燃料電池システムであって、
燃料ガスと水蒸気とを混合し、混合ガスを改質する改質器と、前記改質器からの水素リッチガス中の一酸化炭素を変性するＣＯ変成器と、燃料電池セルスタックのアノードにアノードガスを供給するアノードガス供給ラインと、
前記燃料電池セルスタックのカソードに空気を供給するカソードガス供給ラインと、
アノード排ガスを支燃性ガスとともに前記改質器の燃焼部に導入するアノード排ガスラインと、
前記燃焼部で燃焼された燃焼排ガスを排出する燃焼排ガスラインと、
を少なくとも具備し、
前記アノードガス、前記アノード排ガス、前記燃焼排ガスの少なくともいずれかに含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置が設けられていることを特徴とする炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項２】
前記二酸化炭素回収装置は、吸収分離、吸着分離、膜分離、膜・吸収ハイブリッド分離、ガスハイドレート分離のいずれかにより濃縮する装置で構成される二酸化炭素濃縮装置が設けられていることを特徴とする請求項１記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項３】
前記二酸化炭素濃縮装置で分離され濃縮されたガスから二酸化炭素の深冷分離を行う二酸化炭素液化装置が設けられていることを特徴とする請求項２記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項４】
前記二酸化炭素回収装置は、前記燃焼排ガスラインに設けられ、前記燃焼排ガスから二酸化炭素を回収することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項５】
前記支燃性ガスは酸素富化ガスであり、前記アノード排ガスラインを流れるアノード排ガスは酸素供給部からの酸素とともに前記燃焼部で燃焼されることを特徴とする請求項４記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項６】
前記支燃性ガスは空気であり、前記燃焼排ガスラインには、さらに窒素回収装置が設けられ、前記二酸化炭素回収装置で二酸化炭素が回収された残ガスから窒素を回収することを特徴とする請求項４記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項７】
前記二酸化炭素回収装置は、前記アノード排ガスラインに設けられ、前記アノード排ガスから二酸化炭素を回収し、回収後のアノード排ガスが前記燃焼部に送られることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項８】
前記二酸化炭素回収装置は、前記アノードガス供給ラインに設けられ、前記アノードガスから二酸化炭素を回収し、回収後のアノードガスが前記アノードに送られることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項１】
炭酸ガス回収型燃料電池システムであって、
燃料ガスと水蒸気とを混合し、混合ガスを改質する改質器と、前記改質器からの水素リッチガス中の一酸化炭素を変性するＣＯ変成器と、燃料電池セルスタックのアノードにアノードガスを供給するアノードガス供給ラインと、
前記燃料電池セルスタックのカソードに空気を供給するカソードガス供給ラインと、
アノード排ガスを支燃性ガスとともに前記改質器の燃焼部に導入するアノード排ガスラインと、
前記燃焼部で燃焼された燃焼排ガスを排出する燃焼排ガスラインと、
を少なくとも具備し、
前記アノードガス、前記アノード排ガス、前記燃焼排ガスの少なくともいずれかに含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置が設けられていることを特徴とする炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項２】
前記二酸化炭素回収装置は、吸収分離、吸着分離、膜分離、膜・吸収ハイブリッド分離、ガスハイドレート分離のいずれかにより濃縮する装置で構成される二酸化炭素濃縮装置が設けられていることを特徴とする請求項１記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項３】
前記二酸化炭素濃縮装置で分離され濃縮されたガスから二酸化炭素の深冷分離を行う二酸化炭素液化装置が設けられていることを特徴とする請求項２記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項４】
前記二酸化炭素回収装置は、前記燃焼排ガスラインに設けられ、前記燃焼排ガスから二酸化炭素を回収することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項５】
前記支燃性ガスは酸素富化ガスであり、前記アノード排ガスラインを流れるアノード排ガスは酸素供給部からの酸素とともに前記燃焼部で燃焼されることを特徴とする請求項４記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項６】
前記支燃性ガスは空気であり、前記燃焼排ガスラインには、さらに窒素回収装置が設けられ、前記二酸化炭素回収装置で二酸化炭素が回収された残ガスから窒素を回収することを特徴とする請求項４記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項７】
前記二酸化炭素回収装置は、前記アノード排ガスラインに設けられ、前記アノード排ガスから二酸化炭素を回収し、回収後のアノード排ガスが前記燃焼部に送られることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【請求項８】
前記二酸化炭素回収装置は、前記アノードガス供給ラインに設けられ、前記アノードガスから二酸化炭素を回収し、回収後のアノードガスが前記アノードに送られることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガス回収型燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−４５５３５（Ｐ２０１３−４５５３５Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１１３８（Ｐ２０１１−１８１１３８）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔研究集会名〕 ２０１１年都市ガスシンポジウム 〔主催者名〕 一般社団法人日本ガス協会 〔公開日〕 平成２３年６月８日
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔研究集会名〕 ２０１１年都市ガスシンポジウム 〔主催者名〕 一般社団法人日本ガス協会 〔公開日〕 平成２３年６月８日
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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