JP7723562B2 - Hydrogen production equipment including solid oxide fuel cell systems - Google Patents
Hydrogen production equipment including solid oxide fuel cell systemsInfo
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Description
本発明は、燃料ガスを改質した改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応(燃料電池反応)により発電を行うセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムを含む水素製造装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen production device including a solid oxide fuel cell system equipped with a cell stack that generates electricity through an electrochemical reaction (fuel cell reaction) between a reformed fuel gas obtained by reforming a fuel gas and an oxidant gas.
水素を燃焼もしくは電気化学反応(燃料電池反応)で発電(燃料電池自動車での水素発電含む)した場合、その燃焼もしくは電気化学反応においては二酸化炭素(以下、「CO2」とも称する。)を排出しない。しかしながら、水素製造技術としては、天然ガスの水蒸気改質法による水素リッチガスへの変換と圧力スイング法等によるガス分離精製を組み合わせて水素を生成する方法や、製鉄工程で副生して水素を生成する方法が主流であって、それら方法による水素の生成は、その製造段階で二酸化炭素の排出がある。 When hydrogen is burned or subjected to an electrochemical reaction (fuel cell reaction) to generate electricity (including hydrogen power generation in fuel cell vehicles), no carbon dioxide (hereinafter also referred to as "CO2") is emitted during the combustion or electrochemical reaction. However, the most common hydrogen production technologies are those that combine the conversion of natural gas into a hydrogen-rich gas using the steam reforming method with gas separation and purification using methods such as the pressure swing method, or those that produce hydrogen as a by-product in the steelmaking process. However, producing hydrogen using these methods results in the emission of carbon dioxide during the production stage.
そのため、近年では、製造段階での二酸化炭素の排出量にも着目して、より環境性の高い水素(以下、「H2」とも称する。)の価値が高まってきており、製造時に二酸化炭素の排出量の少ない低CO2排出の水素は、従来の製造法による水素に対して、環境的価値が認められる状況にある。 For this reason, in recent years, the value of more environmentally friendly hydrogen (hereinafter also referred to as "H2") has been increasing, with attention also being paid to the amount of carbon dioxide emitted during the production stage, and low-CO2-emission hydrogen, which emits less carbon dioxide during production, is now recognized as having greater environmental value than hydrogen produced by conventional methods.
そこで、太陽光、風力などの自然エネルギーを利用した自然エネルギー発電装置(太陽光発電装置、風力発電装置など)にて発電された発電電力(自然エネルギー発電電力)を用い、水電解水素生成装置を用いて水素の製造を行う方法が注目されている。水電解水素生成装置としては、アルカリ形、固体高分子形が知られており、両方のものが商用化されている。また、アニオン交換膜形水電解、固体酸化物形水蒸気電解も電気分解により水素を製造する方法として開発されている。 As a result, attention is being paid to a method of producing hydrogen using water electrolysis hydrogen generators that use electricity (natural energy-generated electricity) generated by natural energy power generation systems (such as solar power generation systems and wind power generation systems) that utilize natural energy such as sunlight and wind power. Known water electrolysis hydrogen generation systems include alkaline and solid polymer types, and both are commercially available. Anion exchange membrane water electrolysis and solid oxide steam electrolysis are also being developed as methods of producing hydrogen through electrolysis.
水電解水素製造は設備コストと電力コストが高いために、水素製造コストでは、主流の天然ガスを改質して生成する方法や製鉄からの副生として生成する方法とは競合することができず、安定したローカルな水素需要がある産業用途の一部、また主として技術デモンストレーション目的などの限られた用途に用いられているに過ぎない。長期的には水電解水素生成装置の技術開発による設備コストの削減がなされると考えられるが、短中期的には高価な水電解水素生成装置を利用した上で、水素を安価に製造することが望まれる。 Due to the high equipment and electricity costs involved with producing hydrogen through water electrolysis, it cannot compete in terms of hydrogen production costs with mainstream methods such as reforming natural gas or producing hydrogen as a by-product from steelmaking. As a result, it is only used in limited applications, such as some industrial uses where there is stable local demand for hydrogen, and primarily for technology demonstration purposes. In the long term, it is expected that technological developments in water electrolysis hydrogen generation equipment will reduce equipment costs, but in the short to medium term, it will be desirable to produce hydrogen cheaply using expensive water electrolysis hydrogen generation equipment.
一方、天然ガス等の高発電効率技術として、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形のセルスタックを収納容器内に収納した固体酸化物形燃料電池システム(以下、「SOFCシステム」とも称する。)が知られている。この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質の片面側に燃料極(アノード)が設けられ、その他面側に酸素極(カソード)が設けられている。この固体酸化物形燃料電池システムにおけるセルスタックの作動温度は約700~900℃と高く、このような高温下において、燃料ガス(改質燃料ガス)中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって電池発電が行われる。 On the other hand, a well-known high-efficiency power generation technology for natural gas and other fuels is the solid oxide fuel cell system (hereinafter also referred to as "SOFC system"), which houses a solid oxide cell stack in a container, using a solid electrolyte as a membrane that conducts oxide ions. In this solid oxide fuel cell system, the cell stack is composed of multiple stacked fuel cells, with a fuel electrode (anode) on one side of the solid electrolyte in each fuel cell, and an oxygen electrode (cathode) on the other side. The operating temperature of the cell stack in this solid oxide fuel cell system is high, approximately 700 to 900°C. At such high temperatures, electricity is generated by an electrochemical reaction between the hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons in the fuel gas (reformed fuel gas) and the oxygen in the air.
このようなSOFCシステムでは、天然ガスやバイオ燃料ガス(メタンと二酸化炭素とが混合した組成の燃料ガス)などの炭化水素系燃料ガスが原燃料ガスとして用いられている。このSOFCシステムは、炭化水素系燃料ガスを例えば水蒸気改質するための改質器と、改質器に燃料ガス(原燃料ガス)を供給するための燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給手段と、燃料極(アノード)及び酸素極(カソード)を有するセルスタックとを備え、改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極に送給され、空気供給手段からの空気がその酸素極に送給され、セルスタックでの改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応によって発電が行われる。 Such SOFC systems use hydrocarbon fuel gases such as natural gas or biofuel gas (a fuel gas composed of a mixture of methane and carbon dioxide) as the raw fuel gas. This SOFC system includes a reformer for, for example, steam reforming the hydrocarbon fuel gas, a fuel gas supply means for supplying fuel gas (raw fuel gas) to the reformer, an air supply means for supplying air as an oxidant gas, and a cell stack having a fuel electrode (anode) and an oxygen electrode (cathode). Reformed fuel gas from the reformer is supplied to the fuel electrode of the cell stack, and air from the air supply means is supplied to the oxygen electrode. Electricity is generated by an electrochemical reaction between the reformed fuel gas and the oxidant gas in the cell stack.
このSOFCシステムでは、セルスタック及び改質器が高温空間に収容され、セルスタックの燃料極(アノード)からのアノードオフガスを燃焼させて高温状態を維持するようになっている。例えば、この高温空間内に燃焼器が収容され、セルスタックからのアノードオフガス及びカソードオフガスが燃焼器に送給され、この燃焼器での燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれる(例えば、特許文献1参照)。 In this SOFC system, the cell stack and reformer are housed in a high-temperature space, and a high-temperature state is maintained by burning anode off-gas from the fuel electrode (anode) of the cell stack. For example, a combustor is housed in this high-temperature space, and anode off-gas and cathode off-gas from the cell stack are supplied to the combustor, and the high-temperature space is maintained at a high temperature using the combustion heat in this combustor (see, for example, Patent Document 1).
このようなSOFCシステムにおいては、セルスタックからのアノードオフガス及びカソードオフガスが燃焼器に送給され、この燃焼器で燃焼されるので、その燃焼排気ガスは、水及び二酸化炭素に加えて窒素及び酸素を含んだものとなる。このような燃焼排気ガスから二酸化炭素を回収しようとすると、この二酸化炭素をアルカリ性吸収液に溶解させ、その後熱を加えて二酸化炭素を離脱させる(吸収液の再生)が必要となり、この離脱に熱エネルギーを必要とする。 In such SOFC systems, anode off-gas and cathode off-gas from the cell stack are sent to a combustor and combusted in this combustor, resulting in combustion exhaust gas containing nitrogen and oxygen in addition to water and carbon dioxide. To capture carbon dioxide from such combustion exhaust gas, it is necessary to dissolve the carbon dioxide in an alkaline absorption solution and then apply heat to release the carbon dioxide (regenerating the absorption solution), which requires thermal energy for this release.
また、SOFCシステムのセルスタックからのアノードオフガスを完全に酸化させて水と二酸化炭素にする方法として、SOFCシステムが高温動作であることを利用した方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この方法では、酸素イオン伝導体、又は酸素イオンと電子伝導の混合伝導体を用い、セルスタックからのアノードオフガスに窒素が混じることなく、アノードオフガスとカソードオフガスとの酸素活量の違いにより、カソードオフガス中の酸素をアノードオフガス中の残余の水素及び一酸化炭素に反応させてほぼ完全酸化させている。 Furthermore, a method has been proposed that takes advantage of the high temperature operation of SOFC systems as a way to completely oxidize anode off-gas from the cell stack of an SOFC system to water and carbon dioxide (see, for example, Patent Document 2). This method uses an oxygen ion conductor or a mixed conductor that conducts oxygen ions and electrons, and, without nitrogen being mixed into the anode off-gas from the cell stack, the difference in oxygen activity between the anode off-gas and the cathode off-gas causes the oxygen in the cathode off-gas to react with the remaining hydrogen and carbon monoxide in the anode off-gas, resulting in almost complete oxidation.
この選択透過膜を用いる方法では、SOFCシステムの高温作動という特徴を活用でき、またアノードオフガスとカソードオフガスとの酸素活量の違いを駆動としているため、過剰に進行しないという特徴がある。しかしながら、選択透過膜に関する技術的成熟度が低く、このことは、コストが高く、信頼性も低いという問題がある。 This method using a selectively permeable membrane takes advantage of the high-temperature operation of the SOFC system, and because it is driven by the difference in oxygen activity between the anode off-gas and cathode off-gas, it has the advantage of not causing excessive reaction. However, the technological maturity of selectively permeable membranes is still low, which results in problems such as high costs and low reliability.
水素を製造する場合、自然エネルギーを利用した自然エネルギー発電装置(例えば、太陽光発電装置)からの発電電力を水電解水素生成装置の主たる電源として利用すると、水素製造時に排出される二酸化炭素の排出量を少なくすることができるが、自然エネルギー発電装置の発電電力が自然条件によって変動するという問題がある。 When producing hydrogen, using electricity generated by a natural energy power generation device (e.g., a solar power generation device) that utilizes natural energy as the main power source for a water electrolysis hydrogen generation device can reduce the amount of carbon dioxide emitted during hydrogen production, but there is a problem in that the electricity generated by the natural energy power generation device fluctuates depending on natural conditions.
例えば太陽光発電装置を用いたときには、夜間の時間帯、雨や曇りの時間帯などにおいては、発電に寄与する太陽光の受光量が少なく、この太陽光発電装置の発電出力が小さい又はほとんどない運転状態となる。また、例えば風力発電装置を用いたときには、風の弱い時間帯などにおいては、発電に寄与する風力が弱く、この風力発電装置の発電出力が小さい又はほとんどない運転状態となる。 For example, when using a solar power generation system, the amount of sunlight received that contributes to power generation is small during nighttime hours or during rainy or cloudy hours, resulting in an operating state where the power output of the solar power generation system is low or almost nonexistent. Furthermore, when using a wind power generation system, the wind force that contributes to power generation is weak during times of weak winds, resulting in an operating state where the power output of the wind power generation system is low or almost nonexistent.
このように自然エネルギー発電装置の発電出力が小さい運転状態においては、水素製造設備の設備利用率が低くなって効率的な水素製造が難しくなり、その結果、水素の製造コストが高くなるという問題がある。 When the natural energy power generation device is operating with low power output, the utilization rate of the hydrogen production equipment is low, making it difficult to produce hydrogen efficiently, resulting in the problem of higher hydrogen production costs.
また、自然エネルギー発電装置(例えば、太陽光発電装置)の発電出力が小さいときに系統電源(商用電源)からの商用電力を用いることも考えられるが、このような場合、商用電力の生成時に二酸化炭素を排出するために、水素の製造量当たりの二酸化炭素排出量を充分に低くすることが難しくなる。 It is also possible to use commercial electricity from a grid (commercial power supply) when the power output of a natural energy power generation device (for example, a solar power generation device) is low, but in such cases, carbon dioxide is emitted when commercial electricity is generated, making it difficult to sufficiently reduce carbon dioxide emissions per unit of hydrogen produced.
このようなことから、自然エネルギー発電装置を用いる場合、その発電出力の変動を抑えるために、二次電池を補助的に併用することも考えられるが、例えば太陽光発電装置では発電出力の低い時間帯が長くなる(少なくとも夜間の半日、雨天時であれば更に長い時間帯)ことから、発電出力の変動抑制効果を出すには大きな容量の二次電池が必要になる。数十分程度の短時間の時間帯に必要な電力分では問題ないが、数時間以上の長時間の時間帯に必要な電力を蓄電しようとすると、二次電池のコストなどを考慮すれば経済性を得ることは容易でない。 For this reason, when using a natural energy power generation device, it is possible to consider using a secondary battery as an auxiliary means to suppress fluctuations in power output. However, with a solar power generation device, for example, there are long periods of time when power output is low (at least half a day at night, and even longer periods on rainy days), so a large-capacity secondary battery is required to effectively suppress fluctuations in power output. While this is not a problem for the amount of power needed for a short period of time, such as a few tens of minutes, when trying to store the power needed for a long period of time, such as several hours, it is not easy to achieve economic viability when considering factors such as the cost of the secondary battery.
本発明の目的は、水電解水素生成装置への電力供給を補助し、水素製造時の二酸化炭素の排出量を少なく抑えながら水素を経済的に製造することができる水素製造装置を提供することである。 The object of the present invention is to provide a hydrogen production device that can assist in the supply of power to a water electrolysis hydrogen production device and economically produce hydrogen while minimizing carbon dioxide emissions during hydrogen production.
本発明の請求項1に記載の水素製造装置は、水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解水素生成装置と、炭化水素系燃料ガスを原燃料ガスとして用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池システムと、前記水電解水素生成装置を作動させるための駆動電力を制御する電源コントローラと、を備えており、
前記固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを改質して改質燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器からの改質燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うセルスタックと、前記セルスタックのアノードからのアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、を備えており、
前記水電解水素生成装置にて生成された酸素は、酸素送給ラインを通して前記燃焼器に送給され、前記セルスタックにて発電された電池発電電力は、前記電源コントローラを介して前記水電解水素生成装置に送給されることを特徴とする。
A hydrogen production apparatus according to a first aspect of the present invention includes a water electrolysis hydrogen generation apparatus that electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen, a solid oxide fuel cell system that generates electricity using a hydrocarbon fuel gas as a raw fuel gas, and a power supply controller that controls drive power for operating the water electrolysis hydrogen generation apparatus,
The solid oxide fuel cell system includes a reformer that reforms a raw fuel gas to generate a reformed fuel gas, a cell stack that generates electricity by an electrochemical reaction between the reformed fuel gas from the reformer and an oxidant gas, and a combustor that combusts an anode off-gas from an anode of the cell stack,
The oxygen produced in the water electrolysis hydrogen generation apparatus is supplied to the combustor through an oxygen supply line, and the battery-generated power generated in the cell stack is supplied to the water electrolysis hydrogen generation apparatus via the power supply controller.
また、本発明の請求項2に記載の水素製造装置では、前記固体酸化物形燃料電池システムの定格発電出力は、前記水電解水素生成装置の定格消費電力の30%以下であることを特徴とする。 Furthermore, in the hydrogen production device described in claim 2 of the present invention, the rated power generation output of the solid oxide fuel cell system is 30% or less of the rated power consumption of the water electrolysis hydrogen production device.
また、本発明の請求項3に記載の水素製造装置では、自然エネルギーを利用して発電する自然エネルギー発電装置からの自然エネルギー発電電力、系統電源からの商用供給電力及び前記固体酸化物形燃料電池システムからの前記電池発電電力が前記電源コントローラに供給され、前記電源コントローラは、前記自然エネルギー発電電力及び前記電池発電電力を前記水電解水素生成装置に優先的に供給することを特徴とする。 Furthermore, in the hydrogen production device described in claim 3 of the present invention, natural energy-generated power from a natural energy power generation device that generates power using natural energy, commercial power supply from a grid power source, and the cell-generated power from the solid oxide fuel cell system are supplied to the power supply controller, and the power supply controller preferentially supplies the natural energy-generated power and the cell-generated power to the water electrolysis hydrogen production device.
また、本発明の請求項4に記載の水素製造装置では、前記固体酸化物形燃料電池システムは、更に、前記燃焼器からの燃焼排気ガス中に含まれる水分を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮された凝縮水を分離する気液分離装置と、前記気液分離装置により凝縮水が分離された燃焼排気ガスを回収・精製する排気ガス回収・精製ラインとを含み、前記排気ガス回収・精製ラインを通して二酸化炭素が回収・精製されることを特徴とする。 Furthermore, in the hydrogen production device described in claim 4 of the present invention, the solid oxide fuel cell system further includes a condenser that condenses moisture contained in the combustion exhaust gas from the combustor, a gas-liquid separator that separates the condensed water condensed in the condenser, and an exhaust gas recovery and purification line that recovers and purifies the combustion exhaust gas from which the condensed water has been separated by the gas-liquid separator, and carbon dioxide is recovered and purified through the exhaust gas recovery and purification line.
本発明の請求項1に記載の水素製造装置によれば、水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解水素生成装置と、炭化水素系燃料ガスを原燃料ガスとして用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池システムと、水電解水素生成装置に供給する駆動電力を制御する電源コントローラとを備え、水電解水素生成装置にて生成された酸素は酸素送給ラインを通して固体酸化物形燃料電池システムの燃焼器に送給されるので、水電解水素生成装置にて発生した酸素をこの燃料器に送給してアノードオフガスの燃焼に有効利用することができる。また、セルスタックにて発電された電池発電電力は電源コントローラを介して水電解水素生成装置に送給されるので、このセルスタックでの発電電力を水電解水素生成装置への駆動電力の一部として利用することができ、これにより、水電解水素生成装置の駆動電力の嵩上げをし、その設備利用率を高めることができる。 The hydrogen production apparatus described in claim 1 of the present invention includes a water electrolysis hydrogen generator that electrolyzes water to produce hydrogen and oxygen, a solid oxide fuel cell system that generates electricity using a hydrocarbon fuel gas as raw fuel gas, and a power supply controller that controls the driving power supplied to the water electrolysis hydrogen generator. The oxygen generated by the water electrolysis hydrogen generator is supplied to the combustor of the solid oxide fuel cell system via an oxygen supply line, so that the oxygen generated by the water electrolysis hydrogen generator can be supplied to this combustor and effectively used to combust anode off-gas. Furthermore, the cell-generated power generated by the cell stack is supplied to the water electrolysis hydrogen generator via the power supply controller, so that the power generated by this cell stack can be used as part of the driving power for the water electrolysis hydrogen generator, thereby increasing the driving power of the water electrolysis hydrogen generator and improving its capacity utilization rate.
また、本発明の請求項2に記載の水素製造装置によれば、固体酸化物形燃料電池システムの定格発電出力が水電解水素生成装置の定格消費電力の30%以下であるので、水電解水素生成装置を効果的な設備利用率でもって稼働運転させることができる。 Furthermore, according to the hydrogen production device described in claim 2 of the present invention, the rated power output of the solid oxide fuel cell system is 30% or less of the rated power consumption of the water electrolysis hydrogen generation device, so the water electrolysis hydrogen generation device can be operated with an effective facility utilization rate.
また、本発明の請求項3に記載の水素製造装置によれば、自然エネルギーを利用して発電する自然エネルギー発電装置からの自然エネルギー発電電力、系統電源からの商用供給電力及び固体酸化物形燃料電池システムからの電池発電電力が電源コントローラに供給され、電源コントローラは、自然エネルギー発電電力及び電池発電電力を水電解水素生成装置に優先的に供給するので、系統電源からの商用供給電力の消費を抑えるとともに、水素製造時の二酸化炭素の排出量を少なくすることができる。尚、自然エネルギー発電装置とは、太陽光を利用した太陽光発電装置、風力を利用した風力発電装置などである。 Furthermore, according to the hydrogen production device described in claim 3 of the present invention, natural energy-generated power from a natural energy power generation device that generates power using natural energy, commercial power supply from a grid power source, and battery-generated power from a solid oxide fuel cell system are supplied to a power supply controller, and the power supply controller preferentially supplies the natural energy-generated power and battery-generated power to the water electrolysis hydrogen production device, thereby reducing consumption of commercial power supply from the grid power source and reducing carbon dioxide emissions during hydrogen production. Note that natural energy power generation devices include solar power generation devices that use sunlight and wind power generation devices that use wind power.
また、本発明の請求項4に記載の水素製造装置によれば、固体酸化物形燃料電池システムの燃焼器からの燃焼排気ガスは凝縮器及び気液分離装置に送給され、凝縮器にて燃焼排気ガス中の水分が凝縮され、気液分離装置にてこの凝縮水が分離された後に、排気ガス回収・精製ラインを通して回収・精製されるので、この固体酸化物形燃料電池システムからの二酸化炭素の排出を少なくすることができる。 Furthermore, according to the hydrogen production device described in claim 4 of the present invention, the combustion exhaust gas from the combustor of the solid oxide fuel cell system is sent to a condenser and a gas-liquid separator, the moisture in the combustion exhaust gas is condensed in the condenser, and this condensed water is separated in the gas-liquid separator, after which it is recovered and purified through the exhaust gas recovery and purification line, thereby reducing carbon dioxide emissions from this solid oxide fuel cell system.
この水素製造装置用いる固体酸化物形燃料電池システムでは、原燃料ガスとして炭化水素系燃料ガスを用い、この燃料ガスを改質器で改質して改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスをセルスタックの燃料極(アノード)に送給して電気化学反応により発電をしている。そして、セルスタックからのアノードオフガスが燃焼器に送給され、また水電解水素生成装置にて発生した酸素が燃焼器に送給され、この酸素を用いてアノードオフガスが燃焼される。このようなSOFCシステムでは、燃焼器からの燃焼排気ガスは水分を含んだ二酸化炭素となるが、水分については凝縮器にて凝縮された後に気液分離装置にて分離されるために、残った二酸化炭素のみが排気ガス回収・精製ラインを流れるようになり、かくして、排気ガス回収・精製ラインを流れる燃焼排気ガス(二酸化炭素)を回収・精製することにより、固体酸化物形燃料電池システムからの二酸化炭素の排出を少なくすることができる。 In a solid oxide fuel cell system using this hydrogen production device, hydrocarbon fuel gas is used as the raw fuel gas. This fuel gas is reformed in a reformer to produce reformed fuel gas. This reformed fuel gas is then sent to the fuel electrode (anode) of the cell stack to generate electricity through an electrochemical reaction. The anode off-gas from the cell stack is then sent to the combustor, and oxygen generated in the water electrolysis hydrogen generator is also sent to the combustor, where it is burned using this oxygen. In such an SOFC system, the combustion exhaust gas from the combustor becomes carbon dioxide containing moisture. However, the moisture is condensed in a condenser and then separated in a gas-liquid separator, leaving only the remaining carbon dioxide to flow through the exhaust gas recovery and purification line. Thus, by recovering and purifying the combustion exhaust gas (carbon dioxide) flowing through the exhaust gas recovery and purification line, carbon dioxide emissions from the solid oxide fuel cell system can be reduced.
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムを含む水素製造装置について説明する。 Hereinafter, a hydrogen production device including a solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
まず、図1を参照して、水素製造装置の一実施形態について説明する。図1において、図示の水素製造装置1は、水の電気分解により水素を生成する水電解水素生成装置2と、太陽光を利用して発電を行う太陽光発電装置4(自然エネルギーを利用して発電を行う自然エネルギー発電装置を構成する)と、炭化水素系燃料ガスを原燃料ガスとして用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池システム6とを備えている。 First, one embodiment of a hydrogen production device will be described with reference to Figure 1. In Figure 1, the illustrated hydrogen production device 1 includes a water electrolysis hydrogen production device 2 that produces hydrogen by electrolyzing water, a solar power generation device 4 that generates electricity using sunlight (constituting a natural energy power generation device that generates electricity using natural energy), and a solid oxide fuel cell system 6 that generates electricity using hydrocarbon fuel gas as raw fuel gas.
水電解水素生成装置2は、水を電気分解して水素を生成するそれ自体周知の各種形態のものでよく、水の電気分解により生成される水素が目的生成物(プロダクト)となり、この目的生成物(水素)が水素送給ライン8を通して水素タンク10などに貯蔵されたり、或いは下流側のこの水素使用設備(図示せず)などに送給されて消費される。生成された水素は、例えば燃料電池自動車、工業用又は家庭用燃料電池などの燃料ガスとしても利用することができる。 The water electrolysis hydrogen generator 2 may be of any known type that electrolyzes water to produce hydrogen. The hydrogen produced by the electrolysis of water is the target product, which is stored in a hydrogen tank 10 or the like via a hydrogen supply line 8, or is supplied to downstream hydrogen-using equipment (not shown) for consumption. The produced hydrogen can also be used as fuel gas for fuel cell vehicles, industrial or residential fuel cells, etc.
また、水の電気分解の際に酸素が副生物として生成されるが、この副生物(酸素)は、後述するよう、例えば200kPa程度の圧力で酸素送給ライン12を通して固体酸化物形燃料電池システム6に送給されて消費され、この酸素を固体酸化物形燃料電池システム6にて利用することによって、水を電気分解する際に生じる副産物(酸素)の有効利用を図ることができる。尚、この副成物(酸素)の一部(余剰酸素)を酸素貯蔵ライン12を通して例えば酸素タンク16に貯蔵するようにしてもよい。 Furthermore, oxygen is produced as a by-product during water electrolysis. As described below, this by-product (oxygen) is supplied to the solid oxide fuel cell system 6 through the oxygen supply line 12 at a pressure of, for example, approximately 200 kPa and consumed. By using this oxygen in the solid oxide fuel cell system 6, the by-product (oxygen) produced during water electrolysis can be effectively utilized. Furthermore, a portion of this by-product (oxygen) (excess oxygen) may be stored in, for example, an oxygen tank 16 via the oxygen storage line 12.
水電解水素生成装置2における水の電気分解に用いる電力は、電源コントローラ18から送給される。この電源コントローラ18には、太陽光発電装置4からの太陽光発電電力(自然エネルギー発電電力)と、固体酸化物形燃料電池システム6からの電池発電電力と、系統電源21(所謂、例えば200Vの商用電源)からの商用供給電力が供給され、電源コントローラ18は、水電解水素生成装置2を稼働運転する電力を太陽光発電電力、電池発電電力及び商用供給電力の一つ又は二つ以上から選択して必要電力を送給する。 The power used for water electrolysis in the water electrolysis hydrogen generator 2 is supplied from a power supply controller 18. This power supply controller 18 is supplied with solar-generated power (natural energy-generated power) from the solar power generation device 4, battery-generated power from the solid oxide fuel cell system 6, and commercial power from a grid power supply 21 (e.g., a 200V commercial power supply). The power supply controller 18 selects one or more of the solar-generated power, battery-generated power, and commercial power to operate the water electrolysis hydrogen generator 2, and supplies the required power.
この実施形態では、電源コントローラ18は、太陽光発電装置4からの太陽光発電電力及び固体酸化物形燃料電池システム6からの電池発電電力を利用するように制御し、これら太陽光発電電力及び電池発電電力を用いても電力が大きく不足するときに商用供給電力を用いるように制御する。このように制御することによって、太陽光発電電力及び電池発電電力が優先的に利用され、後述する記載からも理解されるように、水素製造時における水素製造コストを抑えることができ、また二酸化炭素の排出量をも少なく抑えることができる。 In this embodiment, the power supply controller 18 controls the use of solar-generated power from the solar power generation device 4 and battery-generated power from the solid oxide fuel cell system 6, and controls the use of commercially available power when there is a significant power shortage even after using the solar-generated power and battery-generated power. By controlling in this manner, solar-generated power and battery-generated power are used preferentially, and as will be understood from the description below, hydrogen production costs can be reduced and carbon dioxide emissions can also be kept low.
上述の記載から理解されるように、効率的に水素を製造するとともに、二酸化炭素の排出量を少なく抑えるためには、この水素製造装置1を太陽光発電装置4からの太陽光発電電力及び固体酸化物形燃料電池システム6からの電池発電電力により稼働するようにすればよく、この場合、太陽光発電装置4からの太陽光発電電力が得られないときでも、固体酸化物形燃料電池システム6からの電池発電電力により水電解水素生成装置2が稼働するようになり、従って、水電気分解の副生物である酸素が生成され、その酸素が固体酸化物形燃料電池システム6に送給される。尚、この場合、余剰電力が生じたときには、固体酸化物形燃料電離システム6の発電出力を下げることにより対応することができる。 As can be seen from the above description, in order to efficiently produce hydrogen and minimize carbon dioxide emissions, the hydrogen production device 1 can be operated using solar-generated power from the solar power generation device 4 and cell-generated power from the solid oxide fuel cell system 6. In this case, even when solar-generated power from the solar power generation device 4 is not available, the water electrolysis hydrogen generation device 2 can be operated using cell-generated power from the solid oxide fuel cell system 6, thereby generating oxygen, a by-product of water electrolysis, and supplying this oxygen to the solid oxide fuel cell system 6. In this case, any surplus power can be addressed by reducing the power generation output of the solid oxide fuel cell system 6.
次に、主として図2を参照して、この水素製造装置1に用いられる固体酸化物形燃料電池システム6(SOFCシステム)について説明する。図2において、図示の固体酸化物形燃料電池システム6(SOFCシステム)は、原燃料ガスとして炭化水素系燃料ガス(例えば、都市ガス、LPガス、バイオガスなど)を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器20と、この改質器20にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応(燃料電池反応)によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック22とを備えている。 Next, referring primarily to Figure 2, the solid oxide fuel cell system 6 (SOFC system) used in this hydrogen production device 1 will be described. In Figure 2, the solid oxide fuel cell system 6 (SOFC system) shown consumes hydrocarbon fuel gas (e.g., city gas, LP gas, biogas, etc.) as raw fuel gas to generate electricity, and includes a reformer 20 for reforming the fuel gas, and a solid oxide cell stack 22 that generates electricity through an electrochemical reaction (fuel cell reaction) between the reformed fuel gas reformed in the reformer 20 and air as an oxidant gas.
セルスタック22は、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルをインターコネクタプレートを介して積層して構成され、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質24と、この固体電解質24の片側に設けられた燃料極26(アノード)と、固体電解質24の他側に設けられた酸素極28(カソード)とを備え、固体電解質24として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。 The cell stack 22 is constructed by stacking multiple solid oxide fuel cells via interconnector plates to generate electricity through electrochemical reactions. Although not shown, it includes a solid electrolyte 24 that conducts oxygen ions, a fuel electrode 26 (anode) provided on one side of the solid electrolyte 24, and an oxygen electrode 28 (cathode) provided on the other side of the solid electrolyte 24. The solid electrolyte 24 is made of, for example, zirconia doped with yttria.
このセルスタック22の燃料極26側は、改質燃料ガス送給ライン30を介して改質器20に接続され、この形態では、改質器20は、改質用水を気化するための気化器32と一体的にユニットとして構成されている。尚、気化器32は、改質器20と別体に構成し、気化器32にて気化された水蒸気を水蒸気送給ライン(図示せず)を介して改質器20に送給するようにしてもよい。 The fuel electrode 26 side of this cell stack 22 is connected to the reformer 20 via a reformed fuel gas supply line 30. In this configuration, the reformer 20 is configured as an integrated unit with a vaporizer 32 for vaporizing the reforming water. The vaporizer 32 may also be configured separately from the reformer 20, and the water vapor vaporized by the vaporizer 32 may be supplied to the reformer 20 via a water vapor supply line (not shown).
この気化器32は、水供給ライン34を介して水供給源(図示せず)(例えば、水タンクや水回収タンクなどから構成される)に接続され、水供給源からの改質水が水供給ライン34を通して気化器32に供給される。改質器20には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、燃料ガス供給ライン36を通して供給される原燃料ガスが気化器32にて気化された水蒸気でもって水蒸気改質される。 This vaporizer 32 is connected to a water supply source (not shown) (e.g., consisting of a water tank or water recovery tank) via a water supply line 34, and reforming water from the water supply source is supplied to the vaporizer 32 via the water supply line 34. The reformer 20 contains a reforming catalyst, such as alumina supported ruthenium, which steam reforms the raw fuel gas supplied via the fuel gas supply line 36 with the steam vaporized in the vaporizer 32.
この燃料ガス供給ライン36には、気化器32から上流側に向けて順に、燃料供給ポンプ38(燃料ガス供給手段)、燃料流量計40(流量センサ)、脱硫器42及び遮断電磁弁44が配設されている。脱硫器42は、原燃料ガスに含まれる硫黄成分(付臭剤中の硫黄成分)を除去し、遮断電磁弁44は、原燃料ガスの供給を停止させるときに閉状態となって燃料ガス供給ライン36を遮断する。 This fuel gas supply line 36 is equipped with a fuel supply pump 38 (fuel gas supply means), a fuel flow meter 40 (flow rate sensor), a desulfurizer 42, and a shutoff solenoid valve 44, arranged in this order from the vaporizer 32 upstream. The desulfurizer 42 removes sulfur components contained in the raw fuel gas (sulfur components in the odorant), and the shutoff solenoid valve 44 closes to shut off the fuel gas supply line 36 when the supply of raw fuel gas is stopped.
また、燃料供給ポンプ38は、燃料ガス供給ライン36を流れる原燃料ガスを昇圧して気化器32に供給し、燃料流量計40は、燃料ガス供給ライン36を流れる原燃料ガスの流量を計測し、SOFCシステム6のシステム制御部(図示せず)は、原燃料ガスの設定流量値と燃料流量計40の計測流量値を比較し、この計測流量値が設定流量値よりも小さい(又は大きい)ときに燃料供給ポンプ38の回転数を上昇(又は減少)させ、このようにして原燃料ガスの供給流量がSOFCシステムの設定流量値となるように調整される。 Furthermore, the fuel supply pump 38 pressurizes the raw fuel gas flowing through the fuel gas supply line 36 and supplies it to the vaporizer 32, the fuel flow meter 40 measures the flow rate of the raw fuel gas flowing through the fuel gas supply line 36, and the system control unit (not shown) of the SOFC system 6 compares the set flow rate value of the raw fuel gas with the flow rate value measured by the fuel flow meter 40, and if this measured flow rate value is smaller (or larger) than the set flow rate value, increases (or decreases) the rotation speed of the fuel supply pump 38, thereby adjusting the supply flow rate of the raw fuel gas to the set flow rate value of the SOFC system.
また、水供給ライン34には水供給ポンプ46(水供給手段)が配設され、この水供給ポンプ46によって、水供給源(図示せず)からの改質水が水供給ライン34を通して気化器32に供給される。SOFCシステム6のシステム制御部(図示せず)は、この水供給ポンプ46の回転数を制御し、改質水の供給流量が設定流量値より少ない(又は多い)ときに水供給ポンプ40の回転数を上昇(又は減少)させ、このようにして改質水の供給流量が設定流量値となるように調整される。 A water supply pump 46 (water supply means) is also provided in the water supply line 34, and this water supply pump 46 supplies reforming water from a water supply source (not shown) to the vaporizer 32 through the water supply line 34. A system control unit (not shown) of the SOFC system 6 controls the rotation speed of this water supply pump 46, and increases (or decreases) the rotation speed of the water supply pump 40 when the supply flow rate of the reforming water is less (or more) than the set flow rate value, thereby adjusting the supply flow rate of the reforming water to the set flow rate value.
更に、このセルスタック22の酸素極28側は、空気供給ライン48を介して空気ブロア50(空気供給手段)に接続されている。空気ブロア50は、酸化剤ガスとしての空気を空気供給ライン48を通してセルスタック22の酸素極28側に供給する。この空気供給ライン48には、空気流量を計測する空気流量計52が配設され、SOFCシステム6のシステム制御部(図示せず)は、空気の設定流量値と空気流量計52の計測流量値を比較し、この計測流量値が設定流量値よりも小さい(又は大きい)ときに空気ブロア50の回転数を上昇(又は減少)させ、このようにして空気の供給流量がSOFCシステムの設定流量値となるように調整される。 Furthermore, the oxygen electrode 28 side of the cell stack 22 is connected to an air blower 50 (air supply means) via an air supply line 48. The air blower 50 supplies air as an oxidant gas to the oxygen electrode 28 side of the cell stack 22 through the air supply line 48. An air flow meter 52 that measures the air flow rate is disposed on this air supply line 48, and a system control unit (not shown) of the SOFC system 6 compares the set air flow rate value with the flow rate value measured by the air flow meter 52, and increases (or decreases) the rotation speed of the air blower 50 when the measured flow rate value is smaller (or larger) than the set flow rate value, thereby adjusting the air supply flow rate to the set flow rate value of the SOFC system.
このSOFCシステム6では、セルスタック22の燃料極26(アノード)からのアノードオフガスを燃焼させる燃焼器54が配設されている。更に説明すると、セルスタック22の燃料極26の排出側はアノードオフガス送給ライン56を介して燃焼器54に接続され、セルスタック22からのアノードオフガスは、このアノードオフガス送給ライン56を介して燃焼器54に送給される。また、水電解水素生成装置12からの酸素送給ライン12がこの燃焼器54に接続され、この酸素送給ライン12に電磁遮断弁58及びマスフローコントローラ60(酸素流量制御手段)が配設されている。マスフローコントローラ60は、酸素送給ライン12を流れる酸素の送給流量を後述するように制御して下流側に燃焼器54に送給し、電磁遮断弁58は、酸素の供給を停止するときに閉状態となって酸素送給ライン12を遮断する。 This SOFC system 6 is equipped with a combustor 54 that combusts anode offgas from the fuel electrode 26 (anode) of the cell stack 22. More specifically, the exhaust side of the fuel electrode 26 of the cell stack 22 is connected to the combustor 54 via an anode offgas feed line 56, and the anode offgas from the cell stack 22 is fed to the combustor 54 via this anode offgas feed line 56. An oxygen feed line 12 from the water electrolysis hydrogen generator 12 is connected to the combustor 54, and an electromagnetic shut-off valve 58 and a mass flow controller 60 (oxygen flow rate control means) are provided on the oxygen feed line 12. The mass flow controller 60 controls the flow rate of oxygen flowing through the oxygen feed line 12 as described below, and feeds it downstream to the combustor 54. When the oxygen supply is stopped, the electromagnetic shut-off valve 58 closes to shut off the oxygen feed line 12.
また、セルスタック22の酸素極28(カソード)から排出されるカソードオフガスと空気供給ライン48を流れる空気との間で熱交換が行われるように第1熱交換器62が設けられている。セルスタック22の酸素極28の排出側にはカソードオフガス排出ライン64が設けられ、このカソードオフガス排出ライン64に第1熱交換器62が配設され、この第1熱交換器62にて、カソードオフガス排出ライン64を流れるカソードオフガスと空気供給ライン48を流れる空気との間で熱交換され、この熱交換により加温された空気がセルスタック22の酸素極28側に送給される。 A first heat exchanger 62 is also provided to allow heat exchange between the cathode offgas discharged from the oxygen electrode 28 (cathode) of the cell stack 22 and the air flowing through the air supply line 48. A cathode offgas discharge line 64 is provided on the discharge side of the oxygen electrode 28 of the cell stack 22, and a first heat exchanger 62 is disposed in this cathode offgas discharge line 64. In this first heat exchanger 62, heat is exchanged between the cathode offgas flowing through the cathode offgas discharge line 64 and the air flowing through the air supply line 48, and the air heated by this heat exchange is supplied to the oxygen electrode 28 side of the cell stack 22.
更に、燃焼器54から排出される燃焼排気ガスと空気供給ライン48を流れる空気との間で熱交換が行われるように第2熱交換器66が設けられている。燃焼器54の排出側には燃焼排気ガス排出ライン68が設けられ、この燃焼排気ガス排出ライン68に第2熱交換器66が配設され、この第2熱交換器66にて、燃焼排気ガス排出ライン68を流れる燃焼排気ガスと空気供給ライン48を流れる空気との間で熱交換が行われる。このように構成されているので、空気ブロア50からの空気は、第1熱交換器62にてカソードオフガスとの間で熱交換されて加温され、更に第2熱交換器66にて燃焼排気ガスとの間で熱交換されて加温され、このように2段階でもって加温された空気がセルスタック22の酸素極28側に送給される。 Furthermore, a second heat exchanger 66 is provided to allow heat exchange between the combustion exhaust gas discharged from the combustor 54 and the air flowing through the air supply line 48. A combustion exhaust gas discharge line 68 is provided on the exhaust side of the combustor 54, and a second heat exchanger 66 is disposed in this combustion exhaust gas discharge line 68. In this second heat exchanger 66, heat exchange occurs between the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas discharge line 68 and the air flowing through the air supply line 48. With this configuration, the air from the air blower 50 is heated by heat exchange with the cathode off-gas in the first heat exchanger 62, and is further heated by heat exchange with the combustion exhaust gas in the second heat exchanger 66. This air, heated in two stages, is supplied to the oxygen electrode 28 side of the cell stack 22.
このSOFCシステム6では、燃焼器54に接触乃至近接して改質器20及び気化器32が配設され、この燃焼器54でのアノードオフガスの燃焼による燃焼熱によって、改質器20及び気化器32が加熱されて所定の温度状態に保たれる。また、セルスタック22、燃焼器54、改質器20、気化器32、第1熱交換器62及び第2熱交換器66が断熱材(図示せず)で囲まれた高温空間82に収容され、燃焼器54からの燃焼熱によってこの高温空間82内が高温状態に維持される。 In this SOFC system 6, the reformer 20 and vaporizer 32 are disposed in contact with or close to the combustor 54, and the reformer 20 and vaporizer 32 are heated and maintained at a predetermined temperature by the heat of combustion generated by the combustion of anode off-gas in the combustor 54. The cell stack 22, combustor 54, reformer 20, vaporizer 32, first heat exchanger 62, and second heat exchanger 66 are housed in a high-temperature space 82 surrounded by thermal insulation (not shown), and the combustion heat from the combustor 54 maintains the high-temperature state within this high-temperature space 82.
このSOFCシステム6では、二酸化炭素の排出量を少なく抑えるために、更に次のように構成されている。即ち、燃焼排気ガス排出ライン68に第3熱交換器70及び気液分離装置72が下流側に向けてこの順に配設されている。第3熱交換器70は、燃焼排気ガス中の水分を凝縮するための凝縮器として機能し、例えば燃焼排気ガスの熱エネルギーを貯湯装置の貯湯タンク(図示せず)に温水として貯えるために適用される熱交換器などでよく、この第3熱交換器70にて、貯湯装置の貯湯タンク(図示せず)からの水と燃焼排気ガス排出ライン68を流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換により、燃焼器54からの燃焼排気ガスが冷却されてそれに含まれる水分が凝縮される一方、熱交換により加温された温水が貯湯タンクに貯えられる。尚、凝縮器としては、このような貯湯装置からの水と熱交換を行う第3熱交換器70でなくてもよく、例えば冷却水との間で熱交換するものでもよく、或いは空気との間で熱交換するものでもよく、燃焼排気ガスを熱交換により冷却させてそれに含まれる水分を凝縮させるものであればよい。 To minimize carbon dioxide emissions, the SOFC system 6 is further configured as follows: A third heat exchanger 70 and a gas-liquid separator 72 are disposed downstream in this order in the combustion exhaust gas discharge line 68. The third heat exchanger 70 functions as a condenser for condensing moisture in the combustion exhaust gas. For example, the third heat exchanger 70 may be a heat exchanger used to store the thermal energy of the combustion exhaust gas as hot water in a hot water storage tank (not shown) of a hot water storage device. The third heat exchanger 70 exchanges heat between water from the hot water storage tank (not shown) of the hot water storage device and the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas discharge line 68. This heat exchange cools the combustion exhaust gas from the combustor 54 and condenses the moisture contained therein, while the hot water heated by the heat exchange is stored in the hot water storage tank. The condenser does not have to be a third heat exchanger 70 that exchanges heat with water from a hot water storage device; it can also be one that exchanges heat with cooling water, or with air, as long as it cools the combustion exhaust gas by heat exchange and condenses the moisture contained therein.
一方、熱交換により冷却された燃焼排気ガスは、燃焼排気ガス排出ライン68を更に下流側に流れ、第3熱交換器70にて凝縮された凝縮水が気液分離装置72により分離される。気液分離装置72は、例えばドレインセパレータなどから構成され、燃焼排気ガスに含まれる水分は、第3熱交換器70での熱交換により冷却されて凝縮され、凝縮された水がこの気液分離装置72にて分離され、水分が分離された燃焼排気ガスが更に下流側に流れる。尚、トレインセパレータにて分離された凝縮水は、例えば水回収タンク(図示せず)に回収して改質水として再利用するようにしてもよい。 Meanwhile, the combustion exhaust gas cooled by heat exchange flows further downstream through the combustion exhaust gas discharge line 68, where the condensed water condensed in the third heat exchanger 70 is separated by the gas-liquid separator 72. The gas-liquid separator 72 is composed of, for example, a drain separator. The moisture contained in the combustion exhaust gas is cooled and condensed by heat exchange in the third heat exchanger 70, and the condensed water is separated by this gas-liquid separator 72. The combustion exhaust gas from which the moisture has been separated flows further downstream. The condensed water separated by the drain separator may be recovered, for example, in a water recovery tank (not shown) and reused as reforming water.
排気ガス回収ライン68の下流側には三方弁74が配設され、三方弁74の一方の排出側に排気ガス回収・精製ライン76(具体的には、二酸化炭素回収・精製ライン)が接続され、その他方の排出側に排気ガス処理ライン78が接続されている。この三方弁74は、第1切替状態にあるときには燃焼排気ガス排出ライン68と排気ガス回収・精製ライン76とを連通し、燃焼排気ガス排出ライン68からの燃焼排気ガスは、排気ガス回収・精製ライン76に流れて回収・精製され、また第2切替状態にあるときには燃焼排気ガス排出ライン68と排気ガス処理ライン78とを連通し、燃焼排気ガス排出ライン68からの燃焼排気ガスは、排気ガス処理ライン78に流れて所要の通りに処理される。 A three-way valve 74 is disposed downstream of the exhaust gas recovery line 68. One discharge side of the three-way valve 74 is connected to an exhaust gas recovery and purification line 76 (specifically, a carbon dioxide recovery and purification line), and the other discharge side is connected to an exhaust gas treatment line 78. When this three-way valve 74 is in a first switching state, it connects the combustion exhaust gas discharge line 68 to the exhaust gas recovery and purification line 76, and the combustion exhaust gas from the combustion exhaust gas discharge line 68 flows into the exhaust gas recovery and purification line 76 to be recovered and purified. When it is in a second switching state, it connects the combustion exhaust gas discharge line 68 to the exhaust gas treatment line 78, and the combustion exhaust gas from the combustion exhaust gas discharge line 68 flows into the exhaust gas treatment line 78 to be treated as required.
固体酸化物形燃料電池システム6においては、定格運転状態のときには運転状態が安定しているので、セルスタック22からのアノードオフガスを水電解水素生成装置2からの酸素を用いて燃焼器54で完全燃焼させることができ、このような場合、三方弁74は第1切替状態に保持され、燃焼排気ガスとしての二酸化炭素は、排気ガス回収・精製ライン76を通して回収・精製される。一方、起動運転状態、或いは低出力運転状態のときは、セルスタック22からのアノードオフガスを酸素を用いて燃焼器54で完全燃焼させることが難しく、このような場合、三方弁74は第2切替状態に保持され、燃焼排気ガスは、排気ガス処理ライン78を通して流れ、所要の通りに処理された後に例えば大気中に排出される。 In the solid oxide fuel cell system 6, the operating state is stable during rated operation, so the anode off-gas from the cell stack 22 can be completely combusted in the combustor 54 using oxygen from the water electrolysis hydrogen generator 2. In such a case, the three-way valve 74 is held in the first switching state, and carbon dioxide as combustion exhaust gas is recovered and purified through the exhaust gas recovery and purification line 76. On the other hand, during startup operation or low-output operation, it is difficult to completely combust the anode off-gas from the cell stack 22 using oxygen in the combustor 54. In such a case, the three-way valve 74 is held in the second switching state, and the combustion exhaust gas flows through the exhaust gas treatment line 78, where it is treated as required and then released, for example, into the atmosphere.
この排気ガス回収・精製ライン76を通して回収された燃焼排気ガス(CO2)は、合成燃料(ジェット燃料、メタノールなどの液体燃料、メタン、プロパンなどのガス燃料)の製造に用いることができ、またオレフィン、ウレタンなどの化学品の合成などに用いることができる。 The combustion exhaust gas (CO2) recovered through this exhaust gas recovery and purification line 76 can be used to produce synthetic fuels (jet fuel, liquid fuels such as methanol, and gas fuels such as methane and propane), and can also be used to synthesize chemical products such as olefins and urethanes.
この水素製造装置1においては、水素製造時において二酸化炭素の排出量を抑えることができ、またこのSOFCシステム6においては発電運転時に二酸化炭素の排出量を抑えることができ、このことについて説明する。SOFCシステム6の原燃料ガスとして炭化水素系燃料ガス(例えば、天然ガス、バイオガス(メタン、CO2を主成分とする)など)を用いて発電し、原燃料ガスをセルスタック22に供給する空気と混合することなく完全酸化させると、その生成物は二酸化炭素(CO2)と水(H2O)になる。そして、この生成物を冷却して水分を除去すると、燃焼排気ガス中の二酸化炭素が残って分離することができ、分離した二酸化炭素を排気ガス回収・精製ライン76に送給することにより回収・精製することができる。 This hydrogen production device 1 can reduce carbon dioxide emissions during hydrogen production, and this SOFC system 6 can also reduce carbon dioxide emissions during power generation operation. This will be explained below. Power generation is performed using hydrocarbon fuel gas (e.g., natural gas, biogas (mainly methane or CO2), etc.) as the raw fuel gas for the SOFC system 6. When the raw fuel gas is completely oxidized without being mixed with the air supplied to the cell stack 22, the products are carbon dioxide (CO2) and water (H2O). When these products are cooled and the moisture is removed, the carbon dioxide remains in the combustion exhaust gas and can be separated. The separated carbon dioxide can be recovered and purified by supplying it to the exhaust gas recovery and purification line 76.
更に具体的に説明すると、SOFCシステム6の動作条件で燃料利用率が例えば80%である場合、原燃料ガスの80%が電気化学反応するように、セルスタック22の酸素極28側からの酸素が電解質24を通して燃料極26側に供給される。その結果、燃料極26の排出側出口のガス組成は、改質燃料ガスが純酸素で例えば80%部分酸化した状態となり、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)及び水(H2O)を含んだ状態となる。SOFCシステム6におけるセルスタック22の一般的な動作温度が700℃以上であり、また多量の水が存在していることから、メタンは0.1%未満と非常に少ない状態となっている。 More specifically, when the operating conditions of the SOFC system 6 are such that the fuel utilization rate is, for example, 80%, oxygen from the oxygen electrode 28 side of the cell stack 22 is supplied to the anode 26 side through the electrolyte 24 so that 80% of the raw fuel gas undergoes an electrochemical reaction. As a result, the gas composition at the exhaust outlet of the anode 26 is such that the reformed fuel gas is partially oxidized with pure oxygen to, for example, 80%, and contains hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), and water (H2O). Because the typical operating temperature of the cell stack 22 in the SOFC system 6 is 700°C or higher and a large amount of water is present, the methane content is extremely low at less than 0.1%.
このガスを完全に酸化してCO2とH2Oにするために、セルスタック22からのアノードオフガスを燃焼器54に送給し、また水電解水素生成装置2にて副生的に発生する酸素を燃焼器54に送給し、この燃焼器54にてアノードオフガスを酸素により燃焼させるものである。セルスタック22の燃料利用率燃料が80%である場合、原燃料ガスの20%を燃焼させるのに必要な酸素量を水電解水素生成装置2から酸素供給ライン12を通してSOFCシステム6の燃焼器54に送給するようになり、水電解水素生成装置2からの酸素供給量をこのようにコントロールすることにより、セルスタック22からのアノードオフガスを完全に酸化せてCO2とH2Oにすることができる。 To completely oxidize this gas into CO2 and H2O, the anode off-gas from the cell stack 22 is sent to the combustor 54, and oxygen generated as a by-product in the water electrolysis hydrogen generator 2 is also sent to the combustor 54, where the anode off-gas is combusted with oxygen. When the fuel utilization rate of the cell stack 22 is 80%, the amount of oxygen required to burn 20% of the raw fuel gas is sent from the water electrolysis hydrogen generator 2 to the combustor 54 of the SOFC system 6 via the oxygen supply line 12. By controlling the amount of oxygen supplied from the water electrolysis hydrogen generator 2 in this manner, the anode off-gas from the cell stack 22 can be completely oxidized into CO2 and H2O.
水電解水素生成装置2からの酸素(所謂、純酸素)をSOFCシステム6の高温空間82内の燃焼器54に供給するにあたっては、セルスタック22が純酸素、高濃度酸素に触れることによる酸化劣化速度が、空気が触れることによる酸化劣化速度よりも大きくなることから、純酸素の接触は、燃焼器54自体とそれへの送給管(酸素送給ライン12)だけとなるようにするのが望ましい。また、燃焼器54でのアノードオフガスの燃焼条件は、燃焼後の組成がH2OとCO2だけになるストイキ(化学量論)燃焼にするのが望ましく、このようにすることにより、燃焼後の燃焼排気ガスを冷却して凝縮水を分離し、残ったCO2を排気ガス回収ライン76を通して回収することができる。 When oxygen (so-called pure oxygen) from the water electrolysis hydrogen generator 2 is supplied to the combustor 54 in the high-temperature space 82 of the SOFC system 6, the rate of oxidation degradation of the cell stack 22 due to contact with pure oxygen or high-concentration oxygen is greater than the rate of oxidation degradation due to contact with air. Therefore, it is desirable to limit the contact of pure oxygen to the combustor 54 itself and the supply pipe to it (oxygen supply line 12). Furthermore, the combustion conditions for the anode off-gas in the combustor 54 are desirably stoichiometric (stoichiometric) combustion, which results in a post-combustion composition consisting only of H2O and CO2. This allows the post-combustion combustion exhaust gas to be cooled to separate the condensed water, and the remaining CO2 to be recovered via the exhaust gas recovery line 76.
水電解水素生成装置2に自然エネルギー発電装置(例えば、太陽光発電装置4)及びSOFCシステム6を組み合わせた上述の水素製造装置1では、特に、水素の製造コストの低減効果が得られる。自然エネルギー発電装置(例えば、太陽光発電装置4)からの発電電力は変動が大きく、特に少出力の時間が数時間以上継続することも頻繁にあるが、この自然エネルギー発電装置にSOFCシステム6を組み合わせることにより、SOFCシステム6からの電池発電電力を水電解水素生成装置2に供給することができ、これにより、水電解水素生成装置2の設備利用率を嵩上げすることができ、この設備利用率の嵩上げは、特に水電解水素生成装置6の設備利用率が低いときに大きな効果が得られる。 The above-described hydrogen production system 1, which combines a water electrolysis hydrogen generator 2 with a natural energy power generation device (e.g., a solar power generation device 4) and an SOFC system 6, is particularly effective in reducing hydrogen production costs. The power generated by a natural energy power generation device (e.g., a solar power generation device 4) fluctuates greatly, with periods of low output often lasting for several hours or more. However, by combining this natural energy power generation device with an SOFC system 6, the battery-generated power from the SOFC system 6 can be supplied to the water electrolysis hydrogen generator 2, thereby increasing the capacity utilization rate of the water electrolysis hydrogen generator 2. This increase in capacity utilization rate has a significant effect, especially when the capacity utilization rate of the water electrolysis hydrogen generator 6 is low.
次に、SOFCシステムからの電池発電電力による水電解水素生成装置の設備利用率(ここでは、暦時間の定格動作に対する利用率と定義して説明する)の向上の効果について説明する。 Next, we will explain the effect of improving the capacity factor (defined here as the capacity factor relative to rated operation over calendar hours) of the water electrolysis hydrogen generation equipment using battery-generated power from the SOFC system.
水素製造時に低CO2排出が目的である場合について説明する。水電解水素生成装置のための電力源は、例えば太陽光発電装置であるとすると、その発電出力の変動によって、水電解水素生成装置の設備利用率(ここでは、(暦時間)×(定格動作に対する利用率)と定義する)が決まる。これにより、変動する水素製造コストに占める設備相当費部分(円/Nm3)を算出することができ、設備利用率に対して、水素製造コストに占める設備相当費部分(円/Nm3)との関係は、設備利用率をuとすると、1/uに比例することになる。そのため、例えば、設備利用率が0.7から0.8に上がる場合と、設備利用率が0.3から0.4に上がる場合では、後者の方が効果が著しく大きくなる。 This section explains the case where the goal is to reduce CO2 emissions during hydrogen production. If the power source for the water electrolysis hydrogen generator is, for example, a solar power generation system, fluctuations in the power generation output will determine the capacity factor of the water electrolysis hydrogen generator (defined here as (calendar time) x (utilization factor for rated operation)). This makes it possible to calculate the fluctuating portion of the hydrogen production cost (yen/Nm3). The relationship between the capacity factor and the portion of the hydrogen production cost (yen/Nm3) corresponding to the capacity factor is proportional to 1/u, where u is the capacity factor. Therefore, for example, if the capacity factor increases from 0.7 to 0.8, the effect will be significantly greater than if the capacity factor increases from 0.3 to 0.4.
太陽光発電装置4は太陽光発電電力の出力変動が大きく、この太陽光発電装置4の発電出力が小さくて水電解水素生成装置の設備利用率が低くなる場合があるが、SOFCシステム6を水電解水素生成装置2の電源の一部として用い、特に設備利用率が低い場合に、このSOFCシステム6からの電池発電電力を供給することによって、比較的少ない発電容量のアップでもって効果を上げることができ、SOFCシステム6に関わる設備コストアップに関わらず水素製造の経済性が改善されやすくなる。 The solar power generation system 4 has large fluctuations in the output of solar power generation electricity, and the power output of this solar power generation system 4 may be low, resulting in a low capacity utilization rate for the water electrolysis hydrogen generation system. However, by using the SOFC system 6 as part of the power source for the water electrolysis hydrogen generation system 2 and supplying battery-generated power from this SOFC system 6, particularly when the capacity utilization rate is low, it is possible to achieve results with a relatively small increase in power generation capacity, and the economic viability of hydrogen production is likely to be improved despite an increase in the equipment costs associated with the SOFC system 6.
ここで、水電解水素生成装置に太陽光発電装置及びSOFCシステムを組み合わせて用いた場合における経済性の改善効果を試算する。図4は、一日の時間別の太陽光発電装置の発電出力の代表的な例を示している。図4において、実線Aは晴天時における相対的出力、破線Bは曇天時における相対的出力、一点鎖線Cは雨天時における相対出力を示している。図4は、代表的なものを簡略化して示したものであり、晴天時の最大発電出力を1.0とし、この最大発電出力に対する相対出力で示している。例えば、新エネルギー・産業技術総合開発機構等は詳細な地区別・日照データベースを公開しており、詳細に行うことは可能である。 Here, we will estimate the economic improvement effect when a water electrolysis hydrogen generation system is combined with a solar power generation system and an SOFC system. Figure 4 shows a typical example of the power generation output of a solar power generation system by time of day. In Figure 4, the solid line A shows the relative output on a sunny day, the dashed line B shows the relative output on a cloudy day, and the dashed line C shows the relative output on a rainy day. Figure 4 is a simplified representation of a typical example, with the maximum power generation output on a sunny day set to 1.0, and the relative output to this maximum power generation output is shown. For example, the New Energy and Industrial Technology Development Organization and others have published detailed databases by region and by sunshine, making it possible to carry out detailed calculations.
この試算では、10日間の間で、晴天が4日、曇天が4日、雨天が2日とし、太陽光発電装置の発電出力を水電解水素生成装置に接続した場合の水電解水素生成装置の設備利用率(定格x暦時間に対しての利用率)を求めた。尚、太陽光発電装置の発電出力は1時間以内の出力変動もあるが、その細かい出力変動は太陽光発電装置、水電解水素生成装置のいずれかでの小容量の蓄電機能で変動吸収できるために、図4で示す通りの1時間単位で変動するものとして算出した。この算出方法においては、太陽光発電装置の最大発電出力(晴天時の太陽光が最も強いときの発電出力)を1.0とし、水電解水素生成装置への定格入力電力(即ち、装置容量)の0.6、0.4、0.2とした。尚、水電解水素生成装置は部分入力に対して比例した水素製造ができるものとして算出した。即ち、水電解水素生成装置に「1」の電力が供給された際の水素生成量が「1」とすると、「0.5」の電力が供給された際の水素生成量が「0.5」となるようにして演算した。そして、SOFCシステムを組み合わせない水素製造装置での10日間の水電解水素生成装置の設備利用率を求めた。その後、SOFCシステムを組み合わせた水素製造装置での10日間の水電解水素生成装置の設備利用率を求めた。 In this calculation, we assumed four sunny days, four cloudy days, and two rainy days over a 10-day period. We calculated the capacity factor (utilization rate per calendar hour) of the water electrolysis hydrogen generator when the power output of the solar power generator was connected to the water electrolysis hydrogen generator. While the power output of the solar power generator fluctuates within an hour, these small fluctuations can be absorbed by a small-capacity power storage function in either the solar power generator or the water electrolysis hydrogen generator. Therefore, we calculated the capacity factor as fluctuating in hourly increments, as shown in Figure 4. In this calculation, the maximum power output of the solar power generator (the power output when sunlight is strongest on a sunny day) was set to 1.0, and the rated input power (i.e., the device capacity) to the water electrolysis hydrogen generator was set to 0.6, 0.4, and 0.2. We also assumed that the water electrolysis hydrogen generator can produce hydrogen proportional to the partial input. That is, if the amount of hydrogen produced when "1" amount of power is supplied to the water electrolysis hydrogen generation device is "1," then the amount of hydrogen produced when "0.5" amount of power is supplied was calculated to be "0.5." The capacity factor of the water electrolysis hydrogen generation device over a 10-day period was then calculated for a hydrogen production device that did not incorporate an SOFC system. After that, the capacity factor of the water electrolysis hydrogen generation device over a 10-day period was calculated for a hydrogen production device that incorporated an SOFC system.
図5は、SOFCシステムを追加する前と追加した後の水電解水素生成装置の設備利用率を算出した。この算出結果に示されているように、SOFCシステムを追加した方が水電解水素生成装置の設備稼働率が上昇し、その設備利用率が改善されることが分かる。 Figure 5 shows the calculated capacity utilization rate of the water electrolysis hydrogen generation equipment before and after adding the SOFC system. As shown in these calculation results, adding an SOFC system increases the capacity utilization rate of the water electrolysis hydrogen generation equipment, improving its capacity utilization rate.
更に、この設備利用率改善の効果を設備利用率をuとし、(1/u)を設備費分改善インデックスとして、SOFCシステムの有無での(1/u)の差をSOFCシステム追加の設備費分改善インデックスとして算出し、このSOFCシステム追加の設備費分改善インデックスをSOFCシステムの発電出力で割ることによってSOFCシステムの発電出力当たりの改善効果インデックスを算出し、この算出結果を図5に示すとともに、その改善効果インデックスの傾向を図4に示した。 Furthermore, the effect of this improvement in capacity factor was calculated by taking the capacity factor as u, (1/u) as the capital cost improvement index, and the difference in (1/u) between the presence and absence of the SOFC system as the capital cost improvement index for adding the SOFC system. This capital cost improvement index for adding the SOFC system was then divided by the power output of the SOFC system to calculate the improvement effect index per power output of the SOFC system. The results of this calculation are shown in Figure 5, and the trend of the improvement effect index is shown in Figure 4.
図5は、図3の太陽光発電装置の発電出力1.0に対して、水電解水素生成装置の定格消費電力を0.2、0.4、0.6とした場合について算出したものである。この算出においては、水電解水素生成装置の定格入力と太陽光発電装置の最大出力との関係が変化しても(0.2~0.6の範囲で変化する)、SOFCシステム当たりの水電解水素生成装置の設備費分改善は大きくは変わらず、SOFCシステムの導入割合が高くなるほど低下することが分かる。SOFCシステム全般として、コストや効率のスケールメリットが小さい傾向があることが実績と技術特性(発電出力の増大に対しては燃料電池セルの枚数を増加せる必要がある)から分かっており、詳細はそれも勘案する必要はあるが、図4及び図5の算出結果から、太陽光発電装置とSOFCシステムを組み合わせた水素製造装置においては、水電解水素生成装置の定格電力入力に対するSOFCシステムの発電出力は大きくても0.3、望ましくは0.2以下がよいことが分かる。 Figure 5 shows calculations for the rated power consumption of the water electrolysis hydrogen generator set to 0.2, 0.4, and 0.6, relative to the power output of the solar power generation system (1.0) in Figure 3. This calculation shows that even when the relationship between the rated input power of the water electrolysis hydrogen generator and the maximum output power of the solar power generation system changes (varying between 0.2 and 0.6), the improvement in the equipment cost of the water electrolysis hydrogen generator per SOFC system does not change significantly, and actually decreases as the proportion of SOFC systems introduced increases. It is clear from past performance and technical characteristics (increasing the power output requires increasing the number of fuel cells) that SOFC systems generally tend to have limited economies of scale in terms of cost and efficiency. While this must be taken into account in the details, the calculation results in Figures 4 and 5 show that in a hydrogen production system combining a solar power generation system and an SOFC system, the power output of the SOFC system relative to the rated power input of the water electrolysis hydrogen generator should be at most 0.3, and preferably 0.2 or less.
以上、本発明に従う水素製造装置の一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。 Although one embodiment of the hydrogen production device according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to this embodiment, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、上述した水素製造装置においては、水電解水素生成装置に自然エネルギー発電装置としての太陽光発電装置とSOFCシステムとを組み合わせているが、このような組合せに代えて、自然エネルギー発電装置としての風力発電装置とSOFCシステムとを組み合わせても上述したと同様の効果を得ることができる。 For example, in the hydrogen production device described above, a water electrolysis hydrogen generation device is combined with a solar power generation device and an SOFC system as a natural energy power generation device, but instead of this combination, the same effects as described above can be obtained by combining a wind power generation device and an SOFC system as a natural energy power generation device.
また、例えば、上述した水素製造装置では、水電解水素生成装置での副生物(酸素)をSOFCシステムで消費する技術的事項及びSOFCシステムから排出される燃焼排気ガス(二酸化炭素)を回収する技術的事項の双方を採用しているが、これら技術的事項のいずれか一方のみを採用するようにすることもできる。 Furthermore, for example, the hydrogen production device described above employs both the technical feature of consuming the by-product (oxygen) of the water electrolysis hydrogen generation device in the SOFC system and the technical feature of recovering the combustion exhaust gas (carbon dioxide) emitted from the SOFC system, but it is also possible to employ only one of these technical features.
1 水素製造装置
2 水電解水素生成装置
4 太陽光発電装置
6 固体酸化物形燃料電池システム(SOFCシステム)
12 酸素送給ライン
18 電源コントローラ
20 改質器
22 セルスタック
54 燃焼器
60 マスフローコントローラ
70 第3熱交換器
72 気液分離装置
74 三方弁
76 排気ガス回収・精製ライン
78 排気ガス処理ライン
1 Hydrogen production device 2 Water electrolysis hydrogen generation device 4 Solar power generation device 6 Solid oxide fuel cell system (SOFC system)
12 oxygen supply line 18 power supply controller 20 reformer 22 cell stack 54 combustor 60 mass flow controller 70 third heat exchanger 72 gas-liquid separator 74 three-way valve 76 exhaust gas recovery and purification line 78 exhaust gas treatment line
Claims (4)
前記固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを改質して改質燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器からの改質燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うセルスタックと、前記セルスタックのアノードからのアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、を備えており、
前記水電解水素生成装置にて生成された酸素は、酸素送給ラインを通して前記燃焼器に送給され、前記セルスタックにて発電された電池発電電力は、前記電源コントローラを介して前記水電解水素生成装置に送給されることを特徴とする水素製造装置。 The system comprises a water electrolysis hydrogen generator that electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen, a solid oxide fuel cell system that generates electricity using a hydrocarbon fuel gas as a raw fuel gas, and a power supply controller that controls the drive power for operating the water electrolysis hydrogen generator,
The solid oxide fuel cell system includes a reformer that reforms a raw fuel gas to generate a reformed fuel gas, a cell stack that generates electricity by an electrochemical reaction between the reformed fuel gas from the reformer and an oxidant gas, and a combustor that combusts an anode off-gas from an anode of the cell stack,
a hydrogen production apparatus, characterized in that oxygen produced in the water electrolysis hydrogen generation apparatus is supplied to the combustor through an oxygen supply line, and battery-generated power generated in the cell stack is supplied to the water electrolysis hydrogen generation apparatus via the power supply controller.
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