JP2021093320A

JP2021093320A - Fuel battery system and fuel battery system operation method

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Publication number: JP2021093320A
Application number: JP2019224270A
Authority: JP
Inventors: 達哉中島; Tatsuya Nakajima; 中村　和郎; Kazuo Nakamura; 和郎中村; 立樹道幸; Tatsuki Doko; 麻理恵白井; Marie Shirai; 大志郎竹田; Daishiro Takeda
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-17

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、設備の大型化を抑制しつつ燃料電池セルスタックでの発電効率を高める。【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタック１６と、燃料ガスと二酸化炭素とを含むバイオガスＧ１を送出するバイオガス供給管Ｐ１と燃料電池セルスタック１６から排出されたアノードオフガスＧ５とを合流させる合流部Ｍ１と、合流部Ｍ１よりも下流側で、バイオガスＧとアノードオフガスＧ５の混合ガスＧ２から二酸化炭素を除去して処理後混合ガスＧ３とし、処理後混合ガスＧ３を燃料電池セルスタック１６へ向かって送出する二酸化炭素除去部２０と、を備えている。【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To improve power generation efficiency in a fuel cell stack while suppressing an increase in size of equipment in a fuel cell system. A fuel cell system 10A includes a fuel cell stack 16 that generates power by reacting fuel gas with air, a biogas supply pipe P1 that sends out a biogas G1 containing fuel gas and carbon dioxide, and a fuel cell. A mixed gas after treatment by removing carbon dioxide from the mixed gas G2 of the biogas G and the anode off gas G5 on the downstream side of the merging portion M1 that merges the anode off gas G5 discharged from the cell stack 16 and the merging portion M1. It is a G3 and includes a carbon dioxide removing unit 20 that sends the treated mixed gas G3 toward the fuel cell stack 16. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は燃料電池システム、及び燃料電池システム運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a method of operating a fuel cell system.

燃料電池の燃料として、バイオガスを利用する技術が提案されている。一例として、特許文献１には、発酵槽においてメタンガスを含むガスを発生させ、当該ガスを精製して改質器で改質し、燃料電池のアノードに供給するシステムが開示されている。 A technique using biogas as a fuel for a fuel cell has been proposed. As an example, Patent Document 1 discloses a system in which a gas containing methane gas is generated in a fermenter, the gas is purified, reformed by a reformer, and supplied to the anode of a fuel cell.

特開２００４−１９２８２４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-192824

一般的に、発酵により得られたバイオガスには、メタン等の可燃性ガスの他に二酸化炭素が多く含まれているが、燃料電池へ供給する燃料に二酸化炭素が多く含まれていると、発電効率が低下してしまう。特許文献１では、燃料電池へ導入される燃料から二酸化炭素を除去しているか否か不明である。また、特許文献１では、二酸化炭素を含むアノードオフガスを発酵槽へ供給しているが、アノードオフガスの成分や温度などの条件は、発電状況によって大きく異なる。そのため、安定した発酵に影響を与えることが懸念され、生成されるバイオガスの成分が変化する恐れがあり、発酵槽の管理やバイオガスを利用する燃料電池の制御が複雑になる。また、発酵槽で得られたバイオガスは脱硫等の処理を行う必要があり、脱硫等の処理を要する気体量増加に伴う圧損増加などに対応するため、脱硫装置が大型化してしまう。 Generally, the biogas obtained by fermentation contains a large amount of carbon dioxide in addition to combustible gas such as methane, but if the fuel supplied to the fuel cell contains a large amount of carbon dioxide, Power generation efficiency will decrease. In Patent Document 1, it is unknown whether carbon dioxide is removed from the fuel introduced into the fuel cell. Further, in Patent Document 1, the anode off-gas containing carbon dioxide is supplied to the fermenter, but the conditions such as the components and temperature of the anode-off gas differ greatly depending on the power generation situation. Therefore, there is a concern that it may affect stable fermentation, and the components of the generated biogas may change, which complicates the management of the fermenter and the control of the fuel cell using the biogas. Further, the biogas obtained in the fermenter needs to be subjected to a treatment such as desulfurization, and the desulfurization apparatus becomes large in size in order to cope with an increase in pressure loss due to an increase in the amount of gas requiring a treatment such as desulfurization.

本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、システム管理の複雑化や設備の大型化を抑制しつつ燃料電池セルスタックでの発電効率を高めることを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above facts, and an object of the present invention is to improve the power generation efficiency of the fuel cell stack while suppressing the complexity of system management and the increase in size of equipment.

本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、前記燃料ガスと二酸化炭素とを含むバイオガスを送出するバイオガス供給路と前記燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスとを合流させる合流部と、前記合流部よりも下流側で、前記バイオガスと前記アノードオフガスの混合ガスから二酸化炭素を除去して処理後混合ガスとし、該処理後混合ガスを前記燃料電池セルスタックへ向かって送出する二酸化炭素除去部と、を備えている。 The fuel cell system according to claim 1 of the present invention includes a fuel cell stack that generates power by reacting fuel gas with air, a biogas supply path that sends out biogas containing the fuel gas and carbon dioxide, and the above. Carbon dioxide is removed from the mixed gas of the biogas and the anode off gas at the confluence portion where the anode off gas discharged from the fuel cell stack is merged and the mixed gas of the biogas and the anode off gas on the downstream side of the confluence portion to obtain a treated mixed gas. It is provided with a carbon dioxide removing unit that sends the treated mixed gas toward the fuel cell stack.

請求項１に係る燃料電池システムでは、バイオガス供給路よりも下流側で、バイオガスと燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスとが合流される。ここでのバイオガス供給路は、発酵、嫌気性消化などのバイオガスを生成する反応が行われる反応部を含まず、生成された後のバイオガスの流通する部分を意味している。また、燃料ガスは、改質により燃料電池セルスタックでの発電反応に寄与する成分のものも含む。バイオガスとアノードオフガスとが合流された後の混合ガスは、二酸化炭素除去部において二酸化炭素が除去され、二酸化炭素が除去された後の混合ガスである処理後混合ガスが、燃料電池セルスタックへ送出される。 In the fuel cell system according to claim 1, the biogas and the anode-off gas discharged from the fuel cell stack are merged on the downstream side of the biogas supply path. The biogas supply path here does not include a reaction part where a reaction for producing biogas such as fermentation and anaerobic digestion is performed, and means a portion through which the biogas is distributed after being produced. The fuel gas also includes components that contribute to the power generation reaction in the fuel cell stack by reforming. In the mixed gas after the biogas and the anode off gas are merged, carbon dioxide is removed in the carbon dioxide removal section, and the processed mixed gas, which is the mixed gas after the carbon dioxide is removed, is transferred to the fuel cell stack. It is sent.

請求項１に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素が除去された後の混合ガスである処理後混合ガスが燃料電池セルスタックへ送出されるので、発電に寄与する燃料ガス濃度が上昇し、燃料電池セルスタックにおける発電効率を高めることができる。また、バイオガスとアノードオフガスとが合流された後の混合ガスから二酸化炭素を除去するので、二酸化炭素を除去するための装置をバイオガスとアノードオフガスの各々に設ける必要がなく、共通化することができる。したがって、設備の大型化を抑制することができる。 According to the fuel cell system according to claim 1, since the treated mixed gas, which is the mixed gas after carbon dioxide is removed, is sent to the fuel cell stack, the fuel gas concentration contributing to power generation increases. It is possible to improve the power generation efficiency in the fuel cell stack. In addition, since carbon dioxide is removed from the mixed gas after the biogas and the anode off gas are merged, it is not necessary to provide a device for removing carbon dioxide in each of the biogas and the anode off gas, and the gas should be standardized. Can be done. Therefore, it is possible to suppress the increase in size of the equipment.

また、燃料電池システムへバイオガスを供給する際に必要とされる脱硫などの処理を、アノードオフガスの合流前にバイオガスのみで行うことができるので、脱硫などの処理装置の負荷を低減し、設備の大型化などを抑制することができる。 In addition, since the processing such as desulfurization required when supplying the biogas to the fuel cell system can be performed only with the biogas before the merging of the anode off-gas, the load on the processing equipment such as desulfurization can be reduced. It is possible to suppress the increase in size of equipment.

また、バイオガスの生成反応が行われる反応部へアノードオフガスを流入させる場合と比較して、バイオガス反応部における生成反応を安定させることができる。これにより、燃料電池の発電反応に寄与するガス成分を安定的に得て、発電効率を高めることができる。 In addition, the production reaction in the biogas reaction section can be stabilized as compared with the case where the anode off gas is flowed into the reaction section where the biogas production reaction is performed. As a result, the gas component that contributes to the power generation reaction of the fuel cell can be stably obtained, and the power generation efficiency can be improved.

請求項２に係る燃料電池システムは、前記処理後混合ガスと前記アノードオフガスとの間で熱交換する熱交換部、を備えている。 The fuel cell system according to claim 2 includes a heat exchange unit that exchanges heat between the processed mixed gas and the anode off gas.

請求項２に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素除去部から送出された処理後混合ガスをアノードオフガスで加熱することができ、システム内において効率的に熱を利用することができる。 According to the fuel cell system according to claim 2, the treated mixed gas sent from the carbon dioxide removing unit can be heated by the anode off gas, and the heat can be efficiently used in the system.

請求項３に係る燃料電池システムは、前記二酸化炭素除去部よりも下流側で前記処理後混合ガスに水蒸気を加える水蒸気供給部、を備えている。 The fuel cell system according to claim 3 includes a steam supply unit that adds steam to the treated mixed gas on the downstream side of the carbon dioxide removing unit.

請求項３に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素除去部よりも下流側で混合ガスに水蒸気を加える。したがって、二酸化炭素除去部よりも上流側で混合ガスに水蒸気を加える場合と比較して、二酸化炭素除去部に流入する気体の二酸化炭素濃度の低下を抑制することができ、二酸化炭素の分離除去を容易にすることができる。また、二酸化炭素除去部に流入する気体量の増加が抑制され、二酸化炭素除去部の負荷を低減することができる。 According to the fuel cell system according to claim 3, water vapor is added to the mixed gas on the downstream side of the carbon dioxide removing unit. Therefore, as compared with the case where water vapor is added to the mixed gas on the upstream side of the carbon dioxide removing part, it is possible to suppress a decrease in the carbon dioxide concentration of the gas flowing into the carbon dioxide removing part, and the carbon dioxide can be separated and removed. Can be facilitated. In addition, the increase in the amount of gas flowing into the carbon dioxide removing unit can be suppressed, and the load on the carbon dioxide removing unit can be reduced.

請求項４に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガスの一部を前記二酸化炭素除去部よりも上流側で分岐して燃焼させる燃焼部、を備えている。 The fuel cell system according to claim 4 includes a combustion unit that branches and burns a part of the anode off gas on the upstream side of the carbon dioxide removing unit.

請求項４に係る燃料電池システムによれば、アノードオフガスの一部を燃焼に供することにより、システム内で必要な熱を得ることができる。また、二酸化炭素除去部の上流側でアノードオフガスの一部を分岐させるので、二酸化炭素除去部の下流側でアノードオフガスの一部を分岐させる場合と比較して、二酸化炭素除去部に流入する気体量が減り、二酸化炭素除去部の負荷を低減することができる。 According to the fuel cell system according to claim 4, the required heat can be obtained in the system by using a part of the anode off gas for combustion. Further, since a part of the anode off-gas is branched on the upstream side of the carbon dioxide removing part, the gas flowing into the carbon dioxide removing part is compared with the case where a part of the anode off-gas is branched on the downstream side of the carbon dioxide removing part. The amount can be reduced, and the load on the carbon dioxide removing unit can be reduced.

請求項５に係る燃料電池システムは、前記二酸化炭素除去部よりも下流側で、前記燃料ガスを追加供給する追加燃料部、を備えている。 The fuel cell system according to claim 5 includes an additional fuel unit for additionally supplying the fuel gas on the downstream side of the carbon dioxide removing unit.

請求項５に係る燃料電池システムによれば、バイオガス供給路から供給されるバイオガスの量が要求される発電のために必要な量よりも少なかったり、発電条件の変更分に追従できなかったりしても、追加燃料部からの燃料ガスにより発電に必要な量の燃料ガスを補完することができる。 According to the fuel cell system according to claim 5, the amount of biogas supplied from the biogas supply path is less than the amount required for the required power generation, or the change in power generation conditions cannot be followed. Even so, the amount of fuel gas required for power generation can be supplemented by the fuel gas from the additional fuel unit.

請求項６に係る燃料電池システムは、前記合流部へ供給される前記バイオガスの流量を調整するバイオガス調整部と、前記合流部へ供給される前記アノードオフガスの流量を調整するオフガス調整部と、を備えている。 The fuel cell system according to claim 6 includes a biogas adjusting unit that adjusts the flow rate of the biogas supplied to the merging unit, and an off-gas adjusting unit that adjusts the flow rate of the anode off-gas supplied to the merging unit. , Is equipped.

請求項６に係る燃料電池システムによれば、バイオガス調整部及びオフガス調整部を備えることにより、バイオガス量、アノードオフガス量を各々調整することができる。これにより、発電条件等に基づいて、燃料電池セルスタックへ適切な条件の燃料ガスを供給することができる。 According to the fuel cell system according to claim 6, the amount of biogas and the amount of anode off-gas can be adjusted respectively by providing the biogas adjusting unit and the off-gas adjusting unit. As a result, the fuel gas under appropriate conditions can be supplied to the fuel cell stack based on the power generation conditions and the like.

請求項７に係る燃料電池システムは、前記合流部よりも下流側に設けられ、前記混合ガスを前記二酸化炭素除去部へ送出するブロワ、を備えている。 The fuel cell system according to claim 7 is provided on the downstream side of the confluence portion, and includes a blower that sends the mixed gas to the carbon dioxide removing portion.

請求項７に係る燃料電池システムによれば、バイオガス調整部及びオフガス調整部により、バイオガス量、アノードオフガス量を各々調整した後に、１のブロワで混合ガスを送出することができ、部品点数の増加を抑制することができる。 According to the fuel cell system according to claim 7, the biogas adjusting unit and the off-gas adjusting unit can adjust the amount of biogas and the amount of anode off-gas, respectively, and then the mixed gas can be sent out with one blower, and the number of parts is large. Can be suppressed from increasing.

請求項８に係る燃料電池システムは、前記二酸化炭素除去部で除去された二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部、を備えている。 The fuel cell system according to claim 8 includes a carbon dioxide recovery unit that recovers carbon dioxide removed by the carbon dioxide removal unit.

請求項８に係る燃料電池システムによれば、二酸化炭素回収部で二酸化炭素を回収することにより、二酸化炭素排出量を削減できると共に、回収した二酸化炭素を有効に利用することができる。 According to the fuel cell system according to claim 8, by recovering carbon dioxide in the carbon dioxide recovery unit, the amount of carbon dioxide emissions can be reduced and the recovered carbon dioxide can be effectively used.

請求項９に係る燃料電池システム運転方法は、燃料ガス及び二酸化炭素を含む生成後のバイオガスと、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガスと、を合流させ、前記バイオガスと前記アノードオフガスとが合流した後の混合ガスから二酸化炭素を除去して、前記燃料電池セルスタックへ供給する。 The fuel cell system operating method according to claim 9 combines the generated biogas containing fuel gas and carbon dioxide with the anode off gas discharged from the fuel cell stack, and combines the biogas with the anode off gas. Carbon dioxide is removed from the mixed gas after the merging, and the carbon dioxide is supplied to the fuel cell stack.

請求項９に係る燃料電池システム運転方法では、生成部のバイオガスとアノードオフガスとが合流され、混合ガスから二酸化炭素が除去され、燃料電池セルスタックへ送出される。したがって、燃料電池セルスタックにおける発電効率を高めることができる。また、バイオガスとアノードオフガスとが合流された後の混合ガスから二酸化炭素を除去するので、二酸化炭素を除去するための装置を共通化することができる。また、バイオガスの生成前にアノードオフガスを合流させる場合と比較して、バイオガス生成反応を安定させることができる。これにより、燃料電池の発電反応に寄与するガス成分を安定的に得て、発電効率を高めることができる。 In the fuel cell system operating method according to claim 9, the biogas of the generation unit and the anode off gas are merged, carbon dioxide is removed from the mixed gas, and the carbon dioxide is sent to the fuel cell stack. Therefore, the power generation efficiency in the fuel cell stack can be improved. Further, since carbon dioxide is removed from the mixed gas after the biogas and the anode off gas are merged, it is possible to standardize the device for removing carbon dioxide. In addition, the biogas production reaction can be stabilized as compared with the case where the anode off gas is merged before the biogas is produced. As a result, the gas component that contributes to the power generation reaction of the fuel cell can be stably obtained, and the power generation efficiency can be improved.

請求項１０に係る燃料電池システム運転方法は、前記混合ガスから二酸化炭素を除去した後の処理後混合ガスと前記バイオガスと合流される前の前記アノードオフガスとの間で熱交換する。 The fuel cell system operating method according to claim 10 exchanges heat between the treated mixed gas after removing carbon dioxide from the mixed gas and the anode off gas before merging with the biogas.

請求項１０に係る燃料電池システム運転方法によれば、二酸化炭素が除去された処理後混合ガスをアノードオフガスで加熱することができ、システム内において効率的に熱を利用することができる。 According to the fuel cell system operating method according to claim 10, the treated mixed gas from which carbon dioxide has been removed can be heated by the anode off gas, and the heat can be efficiently used in the system.

請求項１１に係る燃料電池システム運転方法は、前記混合ガスから二酸化炭素を除去した後の処理後混合ガスに水蒸気を加える。 In the fuel cell system operating method according to claim 11, water vapor is added to the treated mixed gas after removing carbon dioxide from the mixed gas.

請求項１１に係る燃料電池システム運転方法によれば、二酸化炭素を除去した後に混合ガスへ水蒸気を加えるので、二酸化炭素を除去する際の気体の二酸化炭素濃度の低下を抑制することができ、二酸化炭素の分離除去を容易にすることができる。また、二酸化炭素を除去する気体量の増加が抑制され、二酸化炭素除去の際に用いる装置の負荷を低減することができる。 According to the fuel cell system operating method according to claim 11, since water vapor is added to the mixed gas after removing carbon dioxide, it is possible to suppress a decrease in the carbon dioxide concentration of the gas when removing carbon dioxide, and carbon dioxide is produced. The separation and removal of carbon can be facilitated. In addition, the increase in the amount of gas that removes carbon dioxide is suppressed, and the load on the device used for removing carbon dioxide can be reduced.

請求項１２に係る燃料電池システム運転方法は、二酸化炭素を除去する前の前記アノードオフガスの一部を燃焼処理する。 The fuel cell system operating method according to claim 12 combusts a part of the anode off gas before removing carbon dioxide.

請求項１２に係る燃料電池システム運転方法によれば、アノードオフガスの一部を燃焼に供することにより、システム内で必要な熱を得ることができる。また、二酸化炭素の除去前のアノードオフガスの一部を燃焼に供するので、二酸化炭素の除去後のアノードオフガスの一部を燃焼に供する場合と比較して、二酸化炭素の除去を要する気体量が減り、二酸化炭素除去の際に用いる装置の負荷を低減することができる。 According to the fuel cell system operating method according to claim 12, the required heat can be obtained in the system by using a part of the anode off gas for combustion. In addition, since a part of the anode off-gas before the removal of carbon dioxide is used for combustion, the amount of gas that requires the removal of carbon dioxide is reduced as compared with the case where a part of the anode-off gas after the removal of carbon dioxide is used for combustion. , The load on the device used for removing carbon dioxide can be reduced.

請求項１３に係る燃料電池システム運転方法は、前記混合ガスから二酸化炭素を除去した後に前記燃料ガスを追加供給する。 The fuel cell system operating method according to claim 13 is to additionally supply the fuel gas after removing carbon dioxide from the mixed gas.

請求項１３に係る燃料電池システム運転方法によれば、供給されるバイオガスの量が要求される発電のために必要な量よりも少なかったり、発電条件の変更に追従できなかったりしても、発電に必要な量の燃料ガスを補完することができる。 According to the fuel cell system operating method according to claim 13, even if the amount of biogas supplied is less than the amount required for the required power generation or the change in power generation conditions cannot be followed. It can supplement the amount of fuel gas required for power generation.

請求項１４に係る燃料電池システム運転方法は、前記アノードオフガスと合流される前記バイオガスの流量を調整すると共に、前記バイオガスと合流される前記アノードオフガスの流量を調整する。 The fuel cell system operating method according to claim 14 adjusts the flow rate of the biogas merged with the anode off gas and also adjusts the flow rate of the anode off gas merged with the biogas.

請求項１４に係る燃料電池システム運転方法によれば、バイオガス量、アノードオフガス量を各々調整することができる。これにより、発電条件等に基づいて、燃料電池セルスタックへ適切な条件の燃料ガスを供給することができる。 According to the fuel cell system operating method according to claim 14, the amount of biogas and the amount of anode off gas can be adjusted respectively. As a result, the fuel gas under appropriate conditions can be supplied to the fuel cell stack based on the power generation conditions and the like.

請求項１５に係る燃料電池システム運転方法は、前記二酸化炭素除去部で除去された二酸化炭素を回収する。 The fuel cell system operating method according to claim 15 recovers carbon dioxide removed by the carbon dioxide removing unit.

請求項１５に係る燃料電池システム運転方法によれば、二酸化炭素を回収することにより、二酸化炭素排出量を削減できると共に、回収した二酸化炭素を有効に利用することができる。 According to the fuel cell system operating method according to claim 15, by recovering carbon dioxide, carbon dioxide emissions can be reduced and the recovered carbon dioxide can be effectively used.

本発明に係る燃料電池システム、及び燃料電池システム運転方法によれば、設備の大型化を抑制しつつ燃料電池セルスタックでの発電効率を高めることができる。 According to the fuel cell system and the fuel cell system operating method according to the present invention, it is possible to improve the power generation efficiency in the fuel cell stack while suppressing the increase in size of the equipment.

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. 第１実施形態の制御部分のブロック図である。It is a block diagram of the control part of 1st Embodiment. 第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第１実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on other modification of 1st Embodiment. 第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment.

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、燃料電池セルスタック１６、熱交換器１８、二酸化炭素除去部２０、燃焼器２２、及び、ブロワ２４を備えている。なお、燃料電池システム１０Ａを流通する気体として、本実施形態では、燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）側へ入力され、アノード側から送出される気体のみを図示しており、カソード（空気極）側へ入力され、カソード側から送出される気体についての図示は省略している。 [First Embodiment]
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of a main configuration of the fuel cell system 10A according to the embodiment of the present invention. The fuel cell system 10A according to the embodiment of the present invention has, as main components, a vaporizer 12, a reformer 14, a fuel cell stack 16, a heat exchanger 18, a carbon dioxide removing unit 20, a combustor 22, and the like. It is equipped with a blower 24. As the gas flowing through the fuel cell system 10A, in the present embodiment, only the gas input to the anode (fuel electrode) side of the fuel cell stack 16 and sent out from the anode side is shown, and the cathode (air) is shown. The illustration of the gas input to the pole) side and sent out from the cathode side is omitted.

本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、バイオガスを用いて発電を行うものであり、不図示のバイオガス生成装置からのバイオガス、または、バイオガス生成装置で生成された後にタンクに貯留されたバイオガス（以下これらのバイオガス供給元を「バイオガス源」と称する）が、バイオガス供給管Ｐ１を経て燃料電池システム１０Ａへ供給される。本実施形態のバイオガスは、発酵や嫌気性消化等により得られるガスである。成分としては、少なくとも水素、炭化水素化合物等の可燃性成分、及び、二酸化炭素が含まれている。なお、発酵や嫌気性消化の後のバイオガスに硫化水素が含まれている場合には、不図示の脱硫装置で予め脱硫してバイオガス供給管Ｐ１へ供給する。本実施形態では、メタン及び二酸化炭素を主成分とするバイオガスＧ１を例として説明する。バイオガス供給管Ｐ１には、流量調整弁Ｖ１が設けられている。流量調整弁Ｖ１の開度により、バイオガス源からバイオガス供給管Ｐ１へ供給されるバイオガスＧ１の流量が調整される。 The fuel cell system 10A of the present embodiment generates power using biogas, and is stored in a tank after being generated by biogas from a biogas generator (not shown) or by a biogas generator. Biogas (hereinafter, these biogas supply sources are referred to as “biogas sources”) is supplied to the fuel cell system 10A via the biogas supply pipe P1. The biogas of the present embodiment is a gas obtained by fermentation, anaerobic digestion, or the like. The components include at least hydrogen, flammable components such as hydrocarbon compounds, and carbon dioxide. If hydrogen sulfide is contained in the biogas after fermentation or anaerobic digestion, it is desulfurized in advance by a desulfurization apparatus (not shown) and supplied to the biogas supply pipe P1. In this embodiment, the biogas G1 containing methane and carbon dioxide as main components will be described as an example. The biogas supply pipe P1 is provided with a flow rate adjusting valve V1. The flow rate of the biogas G1 supplied from the biogas source to the biogas supply pipe P1 is adjusted by the opening degree of the flow rate adjusting valve V1.

バイオガス供給管Ｐ１は、二酸化炭素除去部２０と接続されている。二酸化炭素除去部２０は、通過する気体から二酸化炭素の一部または全部を除去する。二酸化炭素除去部２０としては、二酸化炭素透過膜、二酸化炭素吸着剤、二酸化炭素吸収剤、ＰＳＡなどを用いることができる。二酸化炭素除去部２０の出口側には、処理後混合ガス供給管Ｐ２及び二酸化炭素排出管Ｐ３の一端が接続されている。 The biogas supply pipe P1 is connected to the carbon dioxide removing unit 20. The carbon dioxide removing unit 20 removes a part or all of carbon dioxide from the passing gas. As the carbon dioxide removing unit 20, a carbon dioxide permeable membrane, a carbon dioxide adsorbent, a carbon dioxide absorbent, a PSA, or the like can be used. One end of the treated mixed gas supply pipe P2 and the carbon dioxide discharge pipe P3 is connected to the outlet side of the carbon dioxide removing unit 20.

処理後混合ガス供給管Ｐ２の他端は、熱交換器１８を経て改質器１４と接続されている。二酸化炭素除去部２０から処理後混合ガス供給管Ｐ２へ、二酸化炭素を除去された後のバイオガス（以下「処理後混合ガスＧ３」と称する）が送出される。二酸化炭素排出管Ｐ３の他端は、燃焼器２２に接続されている。バイオガスＧ１から分離された二酸化炭素ガスは、二酸化炭素排出管Ｐ３を経て燃焼器２２へ送出される。燃焼器２２では、供給されたガスが燃焼に供される。燃焼器２２において得られる燃焼熱は、改質器１４や燃料電池セルスタック１６を加熱するために用いることができる。 The other end of the mixed gas supply pipe P2 after the treatment is connected to the reformer 14 via the heat exchanger 18. The biogas after removing carbon dioxide (hereinafter referred to as "treated mixed gas G3") is sent from the carbon dioxide removing unit 20 to the treated mixed gas supply pipe P2. The other end of the carbon dioxide discharge pipe P3 is connected to the combustor 22. The carbon dioxide gas separated from the biogas G1 is sent to the combustor 22 via the carbon dioxide discharge pipe P3. In the combustor 22, the supplied gas is used for combustion. The combustion heat obtained in the combustor 22 can be used to heat the reformer 14 and the fuel cell stack 16.

気化器１２には、水供給管Ｐ４Ａの一端が接続されており、水供給管Ｐ４Ａの他端は図示しない水源に接続されている。水源からは、必要に応じて不図示のポンプにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。気化器１２の出口側には、水蒸気供給管Ｐ４Ｂの一端が接続されており、水蒸気供給管Ｐ４Ｂの他端は、処理後混合ガス供給管Ｐ２と合流部Ｍ２で合流されている。気化器１２から水蒸気供給管Ｐ４Ｂを通って、処理後混合ガス供給管Ｐ２へ水蒸気が供給される。加えられた水蒸気と処理後混合ガスＧ３とは、改質触媒での改質反応が行われる部分へ至る前（合流部Ｍ２から改質器１４までの間や、改質器１４内の改質触媒へ至る前）に均一化されていることが好ましい。 One end of the water supply pipe P4A is connected to the vaporizer 12, and the other end of the water supply pipe P4A is connected to a water source (not shown). From the water source, water (liquid phase) is sent to the vaporizer 12 by a pump (not shown) as needed. Water is vaporized in the vaporizer 12. One end of the steam supply pipe P4B is connected to the outlet side of the vaporizer 12, and the other end of the steam supply pipe P4B is merged with the treated mixed gas supply pipe P2 at the confluence portion M2. Steam is supplied from the vaporizer 12 to the mixed gas supply pipe P2 after the treatment through the steam supply pipe P4B. The added steam and the mixed gas G3 after the treatment are reformed before reaching the portion where the reforming reaction with the reforming catalyst is performed (between the merging portion M2 and the reformer 14 and in the reformer 14). It is preferable that it is homogenized before reaching the catalyst).

改質器１４の出口側には、燃料ガス管Ｐ５の一端が接続され、燃料ガス管Ｐ５の他端は、燃料電池セルスタック１６のアノードと接続されている。改質器１４では、メタンを含む処理後混合ガスＧ３を改質し、水素や一酸化炭素及び二酸化炭素を含む燃料ガスＧ４が生成される。改質器１４での改質により生成された燃料ガスＧ４は、燃料ガス管Ｐ５を介して燃料電池セルスタック１６のアノードに供給される。 One end of the fuel gas pipe P5 is connected to the outlet side of the reformer 14, and the other end of the fuel gas pipe P5 is connected to the anode of the fuel cell stack 16. In the reformer 14, the treated mixed gas G3 containing methane is reformed to generate a fuel gas G4 containing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. The fuel gas G4 generated by the reforming in the reformer 14 is supplied to the anode of the fuel cell stack 16 via the fuel gas pipe P5.

燃料電池セルスタック１６は固体酸化物形の燃料電池セルスタックの１個あるいは複数個であり、積層された複数の燃料電池セルを有している。本実施形態では、作動温度が６００℃〜７５０℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード、及びカソードと、を有している。 The fuel cell stack 16 is one or a plurality of solid oxide fuel cell stacks, and has a plurality of stacked fuel cell stacks. In this embodiment, the operating temperature is about 600 ° C. to 750 ° C. Each fuel cell has an electrolyte layer, an anode and a cathode laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer, respectively.

カソードには、空気が供給され、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通ってアノードに到達する。 Air is supplied to the cathode, and as shown in the following equation (1), oxygen in the air reacts with electrons to generate oxygen ions. The generated oxygen ions reach the anode through the electrolyte layer.

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２− …（１） (Air pole reaction)
1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → O ^2- … (1)

一方、アノードでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノードで生成された電子がアノードから外部回路を通ってカソードに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。 On the other hand, at the anode, as shown in the following equations (2) and (3), oxygen ions passing through the electrolyte layer react with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas to form water (water vapor) and carbon dioxide. Electrons are generated. Electrons generated at the anode move from the anode to the cathode through an external circuit to generate electricity in each fuel cell.

（燃料極反応）
Ｈ_２＋Ｏ^２− →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …(２)
ＣＯ＋Ｏ^２− →ＣＯ_２＋２ｅ⁻ …(３) (Fuel electrode reaction)
H ₂ + O ^2- → H ₂ O + 2e ⁻ … (2)
CO + O ^2- → CO ₂ + 2e ⁻ … (3)

アノードにはアノードオフガス管Ｐ６の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ６には、アノードからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の、水素、未反応の一酸化炭素、メタン、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。アノードオフガス管Ｐ６の他端は、熱交換器１８を経て分岐部Ｂ１で２分岐されている。分岐の一方である燃焼用管Ｐ６Ｂは、燃焼器２２と接続されており、アノードオフガスの一部を燃焼器２２へ供給する。燃焼用管Ｐ６Ｂには、流量調整弁Ｖ２が設けられている。流量調整弁Ｖ２の開度を調整することにより、オフガス管Ｐ６Ａ、燃焼用管Ｐ６Ｂへ流れるオフガス分岐量が調整されている。分岐の他方であるオフガス管Ｐ６Ａは、バイオガス供給管Ｐ１と合流部Ｍ１で合流されている。合流部Ｍ１へ供給されるアノードオフガスＧ５の流用は、流量調整弁Ｖ２で調整されている。 One end of the anode off-gas pipe P6 is connected to the anode, and the anode-off gas is discharged from the anode to the anode-off gas pipe P6. The anode off-gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, methane, carbon dioxide, water vapor and the like. The other end of the anode off-gas pipe P6 is branched into two at the branch portion B1 via the heat exchanger 18. The combustion pipe P6B, which is one of the branches, is connected to the combustor 22 and supplies a part of the anode off gas to the combustor 22. The combustion pipe P6B is provided with a flow rate adjusting valve V2. By adjusting the opening degree of the flow rate adjusting valve V2, the amount of off-gas branch flowing to the off-gas pipe P6A and the combustion pipe P6B is adjusted. The off-gas pipe P6A, which is the other side of the branch, joins the biogas supply pipe P1 at the merging portion M1. The diversion of the anode off-gas G5 supplied to the merging portion M1 is adjusted by the flow rate adjusting valve V2.

アノードオフガスＧ５は、合流部Ｍ１においてバイオガスＧ１と混合される。合流部Ｍ１は、流量調整弁Ｖ１よりも下流側に設けられている。なお、アノードオフガスＧ５は循環されるが、ここでの上流／下流は、燃料電池セルスタック１６から送出された直後のアノードオフガスＧ５を最上流としたものである。バイオガス供給管Ｐ１には、合流部Ｍ１よりも下流側にブロワ２４が設けられている。ブロワ２４により、バイオガスＧ１とアノードオフガスＧ５が混合された混合ガスＧ２が二酸化炭素除去部２０へ供給される。 The anode off gas G5 is mixed with the biogas G1 at the confluence M1. The merging portion M1 is provided on the downstream side of the flow rate adjusting valve V1. The anode off-gas G5 is circulated, but the upstream / downstream here is the one in which the anode-off gas G5 immediately after being sent from the fuel cell stack 16 is the most upstream. The biogas supply pipe P1 is provided with a blower 24 on the downstream side of the merging portion M1. The blower 24 supplies the mixed gas G2, which is a mixture of the biogas G1 and the anode off gas G5, to the carbon dioxide removing unit 20.

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell)であってもよい。第２実施形態でも同様である。 The fuel cell of the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), but is not limited to other fuel cells, for example, a molten carbonate fuel cell (MCFC: Molten Carbonate Fuel). Cell) may be used. The same applies to the second embodiment.

熱交換器１８では、処理後混合ガス供給管Ｐ２を流れる処理後混合ガスＧ３と、アノードオフガス管Ｐ６を流れるアノードオフガスＧ５との間で熱交換が行われる。当該熱交換により、処理後混合ガスＧ３は加熱され、アノードオフガスＧ５は冷却される。 In the heat exchanger 18, heat exchange is performed between the treated mixed gas G3 flowing through the treated mixed gas supply pipe P2 and the anode off gas G5 flowing through the anode off gas pipe P6. By the heat exchange, the mixed gas G3 is heated after the treatment, and the anode off gas G5 is cooled.

燃料電池システム１０Ａは、制御部３０を備えており、制御部３０により、燃料電池システム１０Ａが制御されている。図２に示されるように、制御部３０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ：プロセッサ）３２、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）３３、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）３４、ストレージ３５、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）３６、を有する。各構成は、バス３７を介して相互に通信可能に接続されている。 The fuel cell system 10A includes a control unit 30, and the fuel cell system 10A is controlled by the control unit 30. As shown in FIG. 2, the control unit 30 includes a CPU (Central Processing Unit: processor) 32, a ROM (Read Only Memory) 33, a RAM (Random Access Memory) 34, a storage 35, and an input / output interface (I / F). 36. Each configuration is communicably connected to each other via a bus 37.

ＣＰＵ３２は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ３２は、ＲＯＭ３３またはストレージ３５からプログラムを読み出し、ＲＡＭ３４を作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ３２は、ＲＯＭ３３またはストレージ３５に記録されているプログラムにしたがって、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。 The CPU 32 is a central arithmetic processing unit that executes various programs and controls each unit. That is, the CPU 32 reads the program from the ROM 33 or the storage 35, and executes the program using the RAM 34 as a work area. The CPU 32 controls each of the above configurations and performs various arithmetic processes according to the program recorded in the ROM 33 or the storage 35.

ＲＯＭ３３は、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ３４は、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。ストレージ３５は、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）またはＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データを格納する。入出力Ｉ／Ｆ３６は、信号線を介して、流量調整弁Ｖ１、Ｖ２、及びその他の燃料電池システム１０Ａを運転するための機器と接続されている。（制御部３０と各機器との接続線は省略）。 The ROM 33 stores various programs and various data. The RAM 34 temporarily stores a program or data as a work area. The storage 35 is composed of an HDD (Hard Disk Drive) or an SSD (Solid State Drive), and stores various programs including an operating system and various data. The input / output I / F 36 is connected to the flow control valves V1, V2, and other devices for operating the fuel cell system 10A via a signal line. (The connection line between the control unit 30 and each device is omitted).

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

燃料電池システム１０Ａでは、発電時において、バイオガス源からバイオガスＧ１が二酸化炭素除去部２０へ送出される。送出されるバイオガスＧ１の流量は、要求電力量に応じて制御部３０により流量調整弁Ｖ１の開度を制御することにより調整される。バイオガスＧ１は、合流部Ｍ１でアノードオフガスＧ５と合流され、混合ガスＧ２が二酸化炭素除去部２０へ流入する。二酸化炭素除去部２０では、混合ガスＧ２から二酸化炭素が分離除去され、二酸化炭素が除去された後の処理後混合ガスＧ３が、処理後混合ガス供給管Ｐ２へ送出される。二酸化炭素除去部２０で分離された二酸化炭素は、二酸化炭素排出管Ｐ３を経て燃焼器２２へ送出される。 In the fuel cell system 10A, the biogas G1 is sent from the biogas source to the carbon dioxide removing unit 20 at the time of power generation. The flow rate of the delivered biogas G1 is adjusted by controlling the opening degree of the flow rate adjusting valve V1 by the control unit 30 according to the required electric energy. The biogas G1 merges with the anode off gas G5 at the merging section M1, and the mixed gas G2 flows into the carbon dioxide removing section 20. In the carbon dioxide removing unit 20, carbon dioxide is separated and removed from the mixed gas G2, and the treated mixed gas G3 after the carbon dioxide is removed is sent to the treated mixed gas supply pipe P2. The carbon dioxide separated by the carbon dioxide removing unit 20 is sent to the combustor 22 via the carbon dioxide discharge pipe P3.

気化器１２へは、水供給管Ｐ４Ａから改質水が供給され、気化器１２内で水が気化される。気化器１２で気化された水蒸気は、水蒸気供給管Ｐ４Ｂを通って、処理後混合ガス供給管Ｐ２へ送出され、処理後混合ガスＧ３と混合される。水蒸気が混合された後の処理後混合ガスＧ３は、熱交換器１８でアノードオフガスＧ５との熱交換により加熱され、改質器１４へ送出される。改質器１４では、処理後混合ガスＧ３が改質されて、水素や一酸化炭素を含む燃料ガスＧ４が生成される。 The reformed water is supplied to the vaporizer 12 from the water supply pipe P4A, and the water is vaporized in the vaporizer 12. The water vapor vaporized by the vaporizer 12 is sent out to the mixed gas supply pipe P2 after the treatment through the water vapor supply pipe P4B, and is mixed with the mixed gas G3 after the treatment. The treated mixed gas G3 after the water vapor is mixed is heated by heat exchange with the anode off gas G5 in the heat exchanger 18 and sent to the reformer 14. In the reformer 14, the mixed gas G3 is reformed after the treatment to generate a fuel gas G4 containing hydrogen and carbon monoxide.

燃料ガスＧ４は、燃料ガス管Ｐ５を介して燃料電池セルスタック１６のアノードに供給され、カソードに供給される空気から得られる酸素イオンとの発電反応により燃料電池セルスタック１６で発電が行われる。発電よって得られる電力は、不図示の電力ラインから取り出される。当該発電反応により、アノードでは、水と二酸化炭素が生成される。 The fuel gas G4 is supplied to the anode of the fuel cell stack 16 via the fuel gas pipe P5, and power is generated in the fuel cell stack 16 by a power generation reaction with oxygen ions obtained from the air supplied to the cathode. The power obtained by power generation is taken from a power line (not shown). The power generation reaction produces water and carbon dioxide at the anode.

燃料電池セルスタック１６のアノードから、未反応の水素、メタン、一酸化炭素、水、及び二酸化炭素を含むアノードオフガスＧ５がアノードオフガス管Ｐ６へ送出される。アノードオフガスＧ５は、熱交換器１８へ供給され、処理後混合ガスＧ３との熱交換により冷却される。アノードオフガスＧ５は、分岐部Ｂ１でオフガス管Ｐ６Ａ、燃焼用管Ｐ６Ｂの２流路へ分岐される。オフガス管Ｐ６Ａ、燃焼用管Ｐ６Ｂの２流路への分配流量は、改質器１４の温度や、要求電力量等に応じて制御部３０により流量調整弁Ｖ２の開度を制御することにより調整される。アノードオフガスＧ５は、熱交換器１８において処理後混合ガスＧ３との熱交換で冷却される。 From the anode of the fuel cell stack 16, the anode off gas G5 containing unreacted hydrogen, methane, carbon monoxide, water, and carbon dioxide is sent to the anode off gas pipe P6. The anode off gas G5 is supplied to the heat exchanger 18 and cooled by heat exchange with the mixed gas G3 after the treatment. The anode off-gas G5 is branched into two flow paths of the off-gas pipe P6A and the combustion pipe P6B at the branch portion B1. The distribution flow rate of the off-gas pipe P6A and the combustion pipe P6B to the two flow paths is adjusted by controlling the opening degree of the flow rate adjusting valve V2 by the control unit 30 according to the temperature of the reformer 14, the required electric energy, and the like. Will be done. The anode off gas G5 is cooled by heat exchange with the mixed gas G3 after treatment in the heat exchanger 18.

燃焼用管Ｐ６Ｂへ分岐されたアノードオフガスＧ５は、燃焼器２２で燃焼に供される。オフガス管Ｐ６Ａへ分岐されたアノードオフガスＧ５は、合流部Ｍ１でバイオガスＧ１と合流して、二酸化炭素除去部２０へ送出され、前記と同様の流れで改質、発電、及びアノードオフガスＧ５の循環が行われる。 The anode off-gas G5 branched to the combustion pipe P6B is subjected to combustion in the combustor 22. The anode off-gas G5 branched to the off-gas pipe P6A merges with the biogas G1 at the merging section M1 and is sent to the carbon dioxide removing section 20, reforming, generating electricity, and circulating the anode off-gas G5 in the same flow as described above. Is done.

本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、二酸化炭素除去部２０において、混合ガスＧ２から二酸化炭素を除去した後の処理後混合ガスＧ３を改質して、燃料ガスＧ４を燃料電池セルスタックへ送出する。したがって、燃料ガスＧ４中の二酸化炭素濃度を低くすることができ、燃料電池セルスタック１６における発電効率を高めることができる。 In the fuel cell system 10A of the present embodiment, the carbon dioxide removing unit 20 reforms the treated mixed gas G3 after removing carbon dioxide from the mixed gas G2, and sends the fuel gas G4 to the fuel cell stack. .. Therefore, the carbon dioxide concentration in the fuel gas G4 can be lowered, and the power generation efficiency in the fuel cell stack 16 can be increased.

また、バイオガスＧ１とアノードオフガスＧ５とが混合された後の混合ガスＧ２から二酸化炭素を除去するので、バイオガスＧ１とアノードオフガスＧ５の各々について別々に二酸化炭素を除去する必要がなく、二酸化炭素除去のための装置を共通化することができる。 Further, since carbon dioxide is removed from the mixed gas G2 after the biogas G1 and the anode off gas G5 are mixed, it is not necessary to separately remove carbon dioxide for each of the biogas G1 and the anode off gas G5, and carbon dioxide. The device for removal can be standardized.

また、バイオガスを生成するためのバイオガス生成部へアノードオフガスＧ５を流入させる場合と比較して、バイオガス生成部がアノードオフガスＧ５による影響を受けず、発酵槽を安定的に維持できる。したがって、バイオガスの生成反応を安定させることができる。これにより、燃料電池セルスタック１６において発電反応に寄与するガス成分を安定的に得て、発電効率を高めることができる。 Further, as compared with the case where the anode off-gas G5 flows into the biogas generating section for generating biogas, the biogas generating section is not affected by the anode-off gas G5, and the fermenter can be stably maintained. Therefore, the biogas production reaction can be stabilized. As a result, the gas component that contributes to the power generation reaction can be stably obtained in the fuel cell stack 16 and the power generation efficiency can be improved.

また、脱硫処理などの必要な処理の後のバイオガスＧ１をバイオガス供給管Ｐ１へ供給してアノードオフガスＧ５と合流させるので、脱硫処理などに使用する装置にアノードオフガスＧ５は流入せず、当該装置を経由する気体量の増加が抑制される。したがって、アノードオフガスＧ５を脱硫処理前にバイオガスＧ１と合流させた場合と比較して、気体量増加に伴う圧損増加に対応するための脱硫装置の大型化が不要となり、設備の大型化を抑制することができる。 Further, since the biogas G1 after the necessary treatment such as the desulfurization treatment is supplied to the biogas supply pipe P1 and merged with the anode off gas G5, the anode off gas G5 does not flow into the apparatus used for the desulfurization treatment and the like. The increase in the amount of gas passing through the device is suppressed. Therefore, as compared with the case where the anode off gas G5 is merged with the biogas G1 before the desulfurization treatment, it is not necessary to increase the size of the desulfurization device in order to cope with the increase in pressure loss due to the increase in the amount of gas, and the increase in the size of the equipment is suppressed. can do.

また、バイオガスＧ１の二酸化炭素濃度がアノードオフガスＧ５の二酸化炭素濃度よりも高い場合には、二酸化炭素除去部２０に導入される混合ガスＧ２の二酸化炭素濃度はアノードオフガスＧ５のみにおける二酸化炭素濃度よりも高くなる。これにより、二酸化炭素除去部２０として、例えば二酸化炭素透過膜を用いる場合、非透過側の二酸化炭素分圧が高くなり、二酸化炭素除去部２０における二酸化炭素分離性能を向上させることができる。 When the carbon dioxide concentration of the biogas G1 is higher than the carbon dioxide concentration of the anode off gas G5, the carbon dioxide concentration of the mixed gas G2 introduced into the carbon dioxide removing unit 20 is higher than the carbon dioxide concentration of the anode off gas G5 alone. Will also be higher. As a result, when a carbon dioxide permeable membrane is used as the carbon dioxide removing unit 20, for example, the partial pressure of carbon dioxide on the non-permeable side becomes high, and the carbon dioxide separation performance of the carbon dioxide removing unit 20 can be improved.

また、バイオガス生成部におけるバイオガス発酵槽から出たあとのバイオガスには水蒸気も含まれている。一般的に、バイオガスとして利用する場合は、その水分も除去する場合があるが、アノードオフガスＧ５には水蒸気が含まれているため、アノードオフガスＧ５と混合させる場合には、水分の除去も必要以上に行う必要がなくなる。さらに、バイオガスに含まれる水蒸気を改質に利用することも可能である。その場合は、投入する改質水を減らすことができる。 In addition, water vapor is also contained in the biogas after it is discharged from the biogas fermenter in the biogas generation section. Generally, when used as biogas, the water content may also be removed, but since the anode off-gas G5 contains water vapor, it is also necessary to remove the water content when mixing with the anode-off gas G5. There is no need to do more. Furthermore, it is also possible to use the water vapor contained in the biogas for reforming. In that case, the amount of reformed water to be input can be reduced.

また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、熱交換器１８において、アノードオフガスＧ５と処理後混合ガスＧ３との間で熱交換が行われるので、処理後混合ガスＧ３をアノードオフガスＧ５で加熱することができ、システム内において効率的に熱を利用することができる。 Further, in the fuel cell system 10A of the present embodiment, heat exchange is performed between the anode off gas G5 and the treated mixed gas G3 in the heat exchanger 18, so that the treated mixed gas G3 is heated by the anode off gas G5. It is possible to utilize heat efficiently in the system.

また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、二酸化炭素除去部２０よりも下流側で処理後混合ガスＧ３に水蒸気を加えるので、二酸化炭素除去部２０に流入する気体の二酸化炭素濃度の低下を抑制することができ、二酸化炭素の分離除去を容易にすることができる。また、二酸化炭素除去部２０に流入する気体量の増加が抑制され、二酸化炭素除去部２０の負荷を低減することができる。 Further, in the fuel cell system 10A of the present embodiment, since water vapor is added to the treated mixed gas G3 on the downstream side of the carbon dioxide removing unit 20, the decrease in the carbon dioxide concentration of the gas flowing into the carbon dioxide removing unit 20 is suppressed. And can facilitate the separation and removal of carbon dioxide. Further, the increase in the amount of gas flowing into the carbon dioxide removing unit 20 is suppressed, and the load on the carbon dioxide removing unit 20 can be reduced.

また、熱交換器１８での熱交換前に、処理後混合ガスＧ３に水蒸気が供給されるので、高温下における炭素の析出を抑制することができる。 Further, since water vapor is supplied to the mixed gas G3 after the treatment before the heat exchange in the heat exchanger 18, it is possible to suppress the precipitation of carbon at a high temperature.

また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、アノードオフガスＧ５の一部を二酸化炭素除去部２０よりも上流側（燃料電池セルスタック１６からの送出直後のアノードオフガスＧ５を最上流とした場合）で分岐して燃焼器２２での燃焼に供する。したがって、燃焼熱により燃料電池システム１０Ａ内で必要な熱を得ることができると共に、二酸化炭素除去部２０に流入する気体量が減り、二酸化炭素除去部２０の負荷を低減することができる。 Further, in the fuel cell system 10A of the present embodiment, a part of the anode off-gas G5 is located upstream of the carbon dioxide removing unit 20 (when the anode off-gas G5 immediately after being sent from the fuel cell stack 16 is the most upstream). It branches and is used for combustion in the combustor 22. Therefore, the required heat can be obtained in the fuel cell system 10A by the heat of combustion, and the amount of gas flowing into the carbon dioxide removing unit 20 can be reduced, so that the load on the carbon dioxide removing unit 20 can be reduced.

また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａでは、バイオガスＧ１についての流量を調整する流量調整弁Ｖ１が、合流部Ｍ１よりも上流側に設けられ、及び、アノードオフガスＧ５についての流量を調整する流量調整弁Ｖ２が、合流部Ｍ１よりも上流側（燃料電池セルスタック１６からの送出直後のアノードオフガスＧ５を最上流とした場合）に設けられている。したがって、バイオガスＧ１、アノードオフガスＧ５の各々について送出量を制御するためのブロワを設ける必要がなく、合流部Ｍ１よりも下流側に１つのブロワ２４を設けることにより、流量調整された混合ガスＧ２を、二酸化炭素除去部２０へ供給することができ、部品点数の増加を抑制することができる。 Further, in the fuel cell system 10A of the present embodiment, the flow rate adjusting valve V1 for adjusting the flow rate of the biogas G1 is provided on the upstream side of the confluence portion M1, and the flow rate of adjusting the flow rate of the anode off gas G5. The regulating valve V2 is provided on the upstream side of the confluence portion M1 (when the anode off-gas G5 immediately after delivery from the fuel cell stack 16 is the uppermost stream). Therefore, it is not necessary to provide a blower for controlling the delivery amount for each of the biogas G1 and the anode off gas G5, and the mixed gas G2 whose flow rate is adjusted by providing one blower 24 on the downstream side of the merging portion M1. Can be supplied to the carbon dioxide removing unit 20, and an increase in the number of parts can be suppressed.

また、バイオガスＧ１として、水蒸気濃度の低いガスを用いることにより、合流部Ｍ１の上流側のアノードオフガスＧ５の水蒸気濃度よりも、下流側の混合ガスの水蒸気濃度は低くなる。したがって、本実施形態のように、ブロワ２４を合流部Ｍ１よりも下流側に配置することにより、ブロワでの昇圧時における水凝縮を抑制することができる。 Further, by using a gas having a low water vapor concentration as the biogas G1, the water vapor concentration of the mixed gas on the downstream side becomes lower than the water vapor concentration of the anode off gas G5 on the upstream side of the merging portion M1. Therefore, by arranging the blower 24 on the downstream side of the confluence portion M1 as in the present embodiment, it is possible to suppress water condensation at the time of pressurization by the blower.

なお、本実施形態では、２つの流量調整弁Ｖ１、Ｖ２とブロワ２４により、発電に必要なガスの流量を調整したが、図３に示すように、流量調整弁を設けず、流量調整弁Ｖ１、Ｖ１の位置に、各々ブロワ２４Ａ、２４Ｂを設け、２台のブロワにより発電に必要なガスの流量を調整することもできる。この場合には、合流部Ｍ１の下流側に設けたブロワ２４は省略できる。 In the present embodiment, the flow rate of the gas required for power generation is adjusted by the two flow rate adjusting valves V1, V2 and the blower 24. However, as shown in FIG. 3, the flow rate adjusting valve V1 is not provided and the flow rate adjusting valve V1 is not provided. Blowers 24A and 24B can be provided at the positions of V1 and V1, respectively, and the flow rate of the gas required for power generation can be adjusted by the two blowers. In this case, the blower 24 provided on the downstream side of the merging portion M1 can be omitted.

また、本実施形態では、改質器１４で処理後混合ガスＧ３の改質を行ったが、改質器１４を設けず、燃料電池セルスタック１６の内部で改質を行ってもよい。この場合には、処理後混合ガスＧ３を燃料電池セルスタック１６へ供給する。さらに、燃焼器２２についても必須ではなく、アノードオフガスＧ５を分岐部Ｂ１で分岐させることなく、すべて合流部Ｍ１でバイオガスＧ１と合流させて循環させてもよい。 Further, in the present embodiment, the reformer 14 reforms the mixed gas G3 after the treatment, but the reformer 14 may not be provided and the reformer may be reformed inside the fuel cell stack 16. In this case, the treated mixed gas G3 is supplied to the fuel cell stack 16. Further, the combustor 22 is not essential, and the anode off-gas G5 may not be branched at the branching portion B1 but may be merged with the biogas G1 at the merging portion M1 and circulated.

改質器１４及び燃焼器２２を備えない場合には、図４に示すように、処理後混合ガスＧ３は、燃料電池セルスタック１６へ直接供給される。二酸化炭素除去部２０で分離された二酸化炭素は、二酸化炭素排出管Ｐ３を経て、タンク等で構成される二酸化炭素回収部４０で回収したり、二酸化炭素を必要とする需要部へ二酸化炭素需要ラインを介して送出したりすることができる。また、二酸化炭素除去部２０で分離された二酸化炭素は、二酸化炭素排出管Ｐ３を経て大気に開放してもよい。本実施形態のように、二酸化炭素除去部２０で分離された二酸化炭素を燃焼器２２で処理することにより、二酸化炭素以外の物質が混在していた場合に、安全に処理することができる。なお、二酸化炭素の回収は、燃焼器２２から排出される燃焼排ガスからの回収でも可能である。 When the reformer 14 and the combustor 22 are not provided, the treated mixed gas G3 is directly supplied to the fuel cell stack 16 as shown in FIG. The carbon dioxide separated by the carbon dioxide removal unit 20 is recovered by the carbon dioxide recovery unit 40 composed of a tank or the like via the carbon dioxide discharge pipe P3, or the carbon dioxide demand line to the demand unit that requires carbon dioxide. It can be sent via. Further, the carbon dioxide separated by the carbon dioxide removing unit 20 may be released to the atmosphere through the carbon dioxide discharge pipe P3. By treating the carbon dioxide separated by the carbon dioxide removing unit 20 with the combustor 22 as in the present embodiment, when a substance other than carbon dioxide is mixed, it can be safely treated. The carbon dioxide can also be recovered from the combustion exhaust gas discharged from the combustor 22.

また、気化器１２や改質水の供給についても、必須の構成ではなく、バイオガスＧ１に含まれる水やアノードオフガスＧ５に含まれる水を用いて、処理後混合ガスＧ３を改質することもできる。本実施形態のように、水の供給を行うことにより、処理後混合ガスＧ３に含まれる水の量を改質と発電のバランスを考慮して調整することができ、効率よく発電を行うことができる。 Further, the supply of the vaporizer 12 and the reforming water is not an essential configuration, and the mixed gas G3 after the treatment may be reformed by using the water contained in the biogas G1 or the water contained in the anode off gas G5. it can. By supplying water as in the present embodiment, the amount of water contained in the treated mixed gas G3 can be adjusted in consideration of the balance between reforming and power generation, and power generation can be performed efficiently. it can.

［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、その詳細な説明を省略する。 [Second Embodiment]
Next, the second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、図５に示すように、気化器１２に都市ガスを供給する都市ガス管Ｐ４Ｃの一端が接続されている。都市ガス管Ｐ４Ｃの他端は、不図示の都市ガス源と接続されている。都市ガス源からは、燃料電池システム１０Ａの発電量の変化や、バイオガスＧ１の濃度変化に応じて、必要とされる燃料ガス不足する場合に、処理後混合ガスＧ３を補うように、都市ガスが供給される。 In the fuel cell system 10B of the present embodiment, as shown in FIG. 5, one end of the city gas pipe P4C that supplies city gas to the vaporizer 12 is connected. The other end of the city gas pipe P4C is connected to a city gas source (not shown). From the city gas source, when the required fuel gas is insufficient according to the change in the power generation amount of the fuel cell system 10A and the change in the concentration of the biogas G1, the city gas is supplemented with the treated mixed gas G3. Is supplied.

本実施形態では、都市ガス管Ｐ４Ｃから都市ガスを供給することができるので、発電量の変化や、バイオガスＧ１の濃度変化に、容易に追従させることができ、安定した発電を行うことができる。 In the present embodiment, since the city gas can be supplied from the city gas pipe P4C, it is possible to easily follow the change in the amount of power generation and the change in the concentration of the biogas G1, and stable power generation can be performed. ..

なお、本実施形態では、都市ガスを導入したが、都市ガスに限定されず、メタンや水素など、他の原料ガスを導入してもよい。また、都市ガス等の原料ガスは、脱硫などの通常必要とされる処理後に導入される。 In this embodiment, city gas is introduced, but the gas is not limited to city gas, and other raw material gases such as methane and hydrogen may be introduced. In addition, raw material gas such as city gas is introduced after a normally required treatment such as desulfurization.

また、本実施形態では、都市ガスを気化器１２へ供給したが、都市ガスを水蒸気供給管Ｐ４Ｂへ合流させてもよい。 Further, in the present embodiment, the city gas is supplied to the vaporizer 12, but the city gas may be merged with the steam supply pipe P4B.

１０Ａ、１０Ｂ燃料電池システム
１２気化器（水蒸気供給部）
１６燃料電池セルスタック
１８熱交換器（熱交換部）
２０二酸化炭素除去部
２２燃焼器（燃焼部）
２４ブロワ
２４Ａブロワ（バイオガス調整部）
２４Ｂブロワ（オフガス調整部）
４０二酸化炭素回収部
Ｇ１バイオガス
Ｇ２混合ガス
Ｇ３処理後混合ガス
Ｇ４燃料ガス
Ｇ５アノードオフガス
Ｐ１バイオガス供給管（バイオガス供給路）
Ｐ４Ｂ水蒸気供給管（水蒸気供給部）
Ｐ４Ｃ都市ガス管（追加燃料部）
Ｖ１流量調整弁（バイオガス調整部）
Ｖ２流量調整弁（オフガス調整部） 10A, 10B Fuel cell system 12 Vaporizer (water vapor supply unit)
16 Fuel cell stack 18 Heat exchanger (heat exchanger)
20 Carbon dioxide remover 22 Combustor (combustor)
24 Blower 24A Blower (Biogas Adjustment Department)
24B blower (off gas adjustment unit)
40 Carbon dioxide recovery unit G1 Biogas G2 Mixed gas G3 Treated mixed gas G4 Fuel gas G5 Anode off gas P1 Biogas supply pipe (biogas supply path)
P4B steam supply pipe (steam supply section)
P4C city gas pipe (additional fuel section)
V1 flow rate control valve (biogas control section)
V2 flow rate adjustment valve (off gas adjustment unit)

Claims

A fuel cell stack that generates electricity by reacting fuel gas and air,
A confluence portion that merges the biogas supply path that sends out the biogas containing the fuel gas and carbon dioxide and the anode off gas discharged from the fuel cell stack.
On the downstream side of the confluence, carbon dioxide is removed from the mixed gas of the biogas and the anode off gas to obtain a treated mixed gas, and the treated mixed gas is sent to the fuel cell stack. With the removal part
Fuel cell system with.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising a heat exchange unit that exchanges heat between the treated mixed gas and the anode off gas.

The fuel cell system according to claim 1 or 2, further comprising a steam supply unit that adds water vapor to the mixed gas after the treatment on the downstream side of the carbon dioxide removing unit.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a combustion unit that branches and burns a part of the anode off gas on the upstream side of the carbon dioxide removing unit.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising an additional fuel unit for additionally supplying the fuel gas on the downstream side of the carbon dioxide removing unit.

A biogas adjusting unit that adjusts the flow rate of the biogas supplied to the merging unit, and a biogas adjusting unit.
An off-gas adjusting unit that adjusts the flow rate of the anode off-gas supplied to the merging unit, and an off-gas adjusting unit.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.

The fuel cell system according to claim 6, further comprising a blower provided on the downstream side of the merging portion and sending the mixed gas to the carbon dioxide removing portion.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, further comprising a carbon dioxide recovery unit that recovers carbon dioxide removed by the carbon dioxide removal unit.

The generated biogas containing fuel gas and carbon dioxide and the anode off gas discharged from the fuel cell stack are merged to form a confluence.
Carbon dioxide is removed from the mixed gas after the biogas and the anode off gas merge and supplied to the fuel cell stack.
How to operate the fuel cell system.

The fuel cell system operating method according to claim 9, wherein heat is exchanged between the treated mixed gas after removing carbon dioxide from the mixed gas and the anode off gas before being merged with the biogas.

The method for operating a fuel cell system according to claim 9 or 10, wherein water vapor is added to the mixed gas after treatment after removing carbon dioxide from the mixed gas.

The method for operating a fuel cell system according to any one of claims 9 to 11, wherein a part of the anode off-gas before removing carbon dioxide is burned.

The method for operating a fuel cell system according to any one of claims 9 to 12, wherein the fuel gas is additionally supplied after removing carbon dioxide from the mixed gas.

The present invention according to any one of claims 9 to 13, wherein the flow rate of the biogas before being mixed with the anode off gas is adjusted, and the flow rate of the anode off gas before being mixed with the biogas is adjusted. The described fuel cell system operating method.

The method for operating a fuel cell system according to any one of claims 9 to 14, wherein the carbon dioxide removed from the mixed gas is recovered.