JP2008269807A - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池冷却水等を処理するため水処理系の性能向上を図った燃料電池発電システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generation system that improves the performance of a water treatment system in order to treat battery cooling water and the like.
燃料電池発電システムとは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものである。このシステムは、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができ、しかも、低騒音であり、且つ有害な排ガスを出さないといった優れた環境性を有している。 The fuel cell power generation system is a system that takes out electricity directly by electrochemically reacting hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant. This system can take out electrical energy with high efficiency, and has excellent environmental properties such as low noise and no harmful exhaust gas.
したがって、地球規模で環境問題が取り上げられている近年、高い需要が期待されている。中でも、電解質に固体高分子電解質膜を組み込んだ固体高分子形燃料電池(PEFC)は小型化に適しており、小規模事業用や家庭用として普及も間近な状況となっている。そのため、ニーズの拡大に伴って発電効率や品質の向上はもちろんのこと、さらなるコスト低減の努力が日々なされている。 Therefore, high demand is expected in recent years when environmental problems are taken up on a global scale. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) in which a solid polymer electrolyte membrane is incorporated in an electrolyte is suitable for miniaturization, and is becoming popular for small-scale business use and home use. For this reason, efforts are being made every day to further reduce costs as well as to improve power generation efficiency and quality as needs grow.
小規模事業用あるいは家庭用などの比較的小型の燃料電池発電システムは、いわゆるコージェネレーションシステムとしての使用が見込まれており、発電した電力と共に、発電に伴う排熱を供給する熱電併給になっている。システムへの燃料供給基盤としては、現在のところ、既に整っている都市ガスやLPガス、灯油等の炭化水素系の原燃料が主に利用されており、前記原燃料を水蒸気と改質反応して得られる水素で発電する燃料電池発電システムを中心にして技術開発が進められている。 Relatively small fuel cell power generation systems for small businesses and homes are expected to be used as so-called cogeneration systems, and are combined with heat and power to supply the generated heat and waste heat associated with power generation. Yes. As the fuel supply base for the system, currently available hydrocarbon-based raw fuels such as city gas, LP gas and kerosene are mainly used, and the raw fuel is reformed with steam. Technological development is proceeding with a focus on fuel cell power generation systems that generate electricity using hydrogen.
ところで、燃料電池本体は化学反応により発熱するので、燃料電池本体を所定の動作温度に維持するための電池冷却水を流さなくてはならない。また、炭化水素系の原燃料を水蒸気改質する燃料改質系には炭化水素系燃料の水蒸気改質用の水が不可欠であり、この改質水を安定して供給する必要がある。 By the way, the fuel cell main body generates heat due to a chemical reaction, and therefore, it is necessary to flow battery cooling water for maintaining the fuel cell main body at a predetermined operating temperature. Further, water for steam reforming of hydrocarbon fuel is indispensable for a fuel reforming system for steam reforming hydrocarbon-based raw fuel, and it is necessary to stably supply this reformed water.
さらに、コージェネレーションシステムである燃料電池発電システムでは、高温の排ガスを回収し、これを冷却することで熱エネルギーを獲得しているので、排ガスの冷却に伴って凝縮水が生成される。システム効率を向上させる観点から見て、この凝縮水は補給水として有効に利用することが望ましいことは言うまでもない。 Furthermore, in the fuel cell power generation system, which is a cogeneration system, high-temperature exhaust gas is collected and cooled to acquire thermal energy, so that condensed water is generated as the exhaust gas is cooled. From the viewpoint of improving the system efficiency, it is needless to say that this condensed water is preferably used effectively as makeup water.
すなわち、燃料電池発電システムには、電池冷却水、改質水、凝縮水といった3種類の水を処理するための水処理系が組み込まれている。これらの水処理系は、システム系外からの補給水を少なくする、あるいは無くすことによって、システム効率を向上させる役割を担っており、コージェネレーションシステムとしての性能を左右する重要な構成要素である。 That is, the fuel cell power generation system incorporates a water treatment system for treating three types of water such as battery cooling water, reforming water, and condensed water. These water treatment systems play a role of improving system efficiency by reducing or eliminating makeup water from outside the system system, and are important components that influence the performance as a cogeneration system.
ここで、図2を参照して、水処理系を含む燃料電池発電システムの従来例について具体的に説明する。図2に示すように燃料電池パッケージ1には、改質器バーナ12を備えた燃料改質系2、アノード5a及びカソード5bを有する燃料電池本体5、脱炭酸塔19と熱交換器16と凝縮水タンク14を組み込んだ複合熱交換器13が設置されている。
Here, a conventional example of a fuel cell power generation system including a water treatment system will be specifically described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the
以下、燃料電池パッケージ1中に流通する各種のガスや水の流れに沿って、各構成要素を説明する。まず、燃料電池パッケージ1に対し、パイプラインあるいはガスボンベなどの貯蔵設備より炭化水素系燃料である原燃料Fが供給される。燃料電池パッケージ1に供給された原燃料Fは、燃料改質系2に送られる。燃料改質系2は、原燃料Fを脱硫する脱硫器、水蒸気改質器、CO変成器およびCO選択酸化器から構成されている。
Hereinafter, each component will be described along the flow of various gases and water flowing in the
燃料改質系2では、脱硫器にて原燃料Fを脱硫し、その後、気化された改質水3と混合し、水蒸気改質器による水蒸気改質反応、CO変成器での一酸化炭素(CO)変成反応およびCO選択酸化器におけるCO選択酸化反応などを経て、CO濃度が燃料電池本体5での制限値以下に低減したメタン、CO、二酸化炭素(CO2)などを含む水素リッチな改質ガス4を生成する。
In the fuel reforming system 2, the raw fuel F is desulfurized in a desulfurizer, and then mixed with the vaporized reformed
燃料改質系2にて生成された改質ガス4は、燃料電池本体5のアノード5aに導入される。燃料電池本体5のカソード5bには空気フィルタ38を通過して空気ブロワー6で大気中の酸素が供給されている。燃料電池本体5ではアノード5aの水素とカソード5bの酸素が反応して消費され、発電が行われる。また、燃料電池本体5には燃料電池本体5を最適な動作温度に維持するための電池冷却水18が循環されている。
The reformed
燃料電池本体5において、水素と酸素の反応後、アノード5aからはアノード排ガス7が、カソード5bからはカソード排ガス17がそれぞれ排出される。このうち、アノード排ガス7は、熱交換器8に送られる。熱交換器8には燃料電池パッケージ1外部に設置された貯湯槽9から排熱回収循環水10が導入されており、排熱回収循環水10との熱交換によりアノード排ガス7が冷却されてアノード排ガス凝縮水11が生成される。アノード排ガス凝縮水11は複合熱交換器13の凝縮水タンク14へと送られる。
In the
熱交換器8での冷却によりアノード排ガス凝縮水11を除去されたアノード排ガス7は、燃料改質系2の改質器バーナ12の燃料入口へと導入され、ここで燃料電池パッケージ1の外部より供給された空気(図示せず)で燃焼され、水蒸気改質器における水蒸気改質反応の熱源として利用される。このとき、改質器バーナ12では燃焼排ガス15が生じるので、燃焼排ガス15は複合熱交換器13へと送られる。
The
一方、燃料電池本体5のカソード5bから排出されたカソード排ガス17は、発電に伴って酸素を消費しており大気より酸素濃度が低減している。このような酸素濃度の低いカソード排ガス17は複合熱交換器13内の脱炭酸塔19に導かれる。また、脱炭酸塔19にはカソード排ガス17と共に電池冷却水18の電池出口水も導入され、ここで電池冷却水18中に存在する炭酸ガスが前記カソード排ガス17との気液接触により除去、低減される。炭酸ガスが低減された電池冷却水18は複合熱交換器13の凝縮水タンク14へと送られる。
On the other hand, the
改質器バーナ12からの燃焼排ガス15および脱炭酸塔19を経由したカソード排ガス17は、複合熱交換器13に送り込まれ、複合熱交換器13内部の熱交換器16(貯湯槽9から排熱回収循環水10が熱交換器8を経由して導入されている)によって冷却され、燃焼排ガス凝縮水39、カソード排ガス凝縮水40が生成される。これら排ガス15、17からの凝縮水39、40は、前述したアノード排ガス凝縮水11および電池冷却水18と共に、凝縮水タンク14に溜まる。なお、凝縮水39、40が除去された後の排ガス15、17は、複合熱交換器13から大気へと排出される。
The
凝縮水タンク14に集められた凝縮水11、39、40及び電池冷却水18は、電池冷却水ポンプ21により凝縮水タンク14を出ると、水系18a、18bに分流される。分流した一方の水系18aには、燃料電池本体5の出口温度よりも低温にするための熱交換器22が設置され、その下流に、冷却した後の水中の陽イオンおよび陰イオンを除去するためのイオン交換樹脂23が充填されたイオン交換樹脂塔24が設けられている。
When the condensed water 11, 39, 40 and the
なお、水系18aを流れる電池冷却水はイオン交換樹脂塔24に対して上方から送り込まれ、下降流によりイオン交換樹脂塔24を通過するように配管されている。水系18aはイオン交換樹脂塔24を出ると、再び水系18bと合流し、その後、電池冷却水18として再び燃料電池本体5に供給される。
Note that the battery cooling water flowing through the
また、凝縮水タンク14に集められた凝縮水11、39、40及び電池冷却水18は、改質水ポンプ25により改質水3として燃料改質系2へと供給される。改質水3については、改質水系内に含まれる改質触媒の被毒成分となる物質を除去するための活性炭塔26およびイオン交換樹脂塔27が設置されている。以上のような水処理系を備えた発電システムによれば、システム系外からの補給水の低減もしくは省略が可能であり、システム効率の向上に寄与することができる。
The condensed water 11, 39, 40 and the
前述したように、電池冷却水系は、電池冷却水18を電池冷却水ポンプ21により燃料電池本体5へ供給し、燃料電池本体5を出た電池冷却水18は凝縮水タンク14にいったん溜めた後、熱交換器22によって冷却し、燃料電池本体5に戻す循環系となっている。このような循環系において、電池冷却水18の導電率が増加すると、燃料電池本体5内でショートして発電量の低下、更には発電停止を起こすおそれがあり、問題となっている。
As described above, the battery cooling water system supplies the
導電率の増加原因としては、図2に示したような燃料改質系2を有する発電システムの場合、次のような複数の要因が挙げられる。すなわち、燃料電池本体5の燃料極であるアノード5aにおいて、炭酸ガスを数10%と多く含むガスが電池冷却水18と接触するので、このとき、電池冷却水18へ炭酸ガスが溶け込むことになる。
In the case of the power generation system having the fuel reforming system 2 as shown in FIG. 2, there are a plurality of factors as follows. That is, in the anode 5a which is the fuel electrode of the fuel cell
また、燃料電池5アノード5aからのアノード排ガス7や改質器バーナ12の燃焼排ガス15には炭酸ガスが含まれるので、これを冷却して得られる凝縮水11、39にも当然、炭酸ガスが含まれることになる。さらには、燃料改質系2の改質器で生成されたアンモニアや、全システム系内で使われている配管、容器類からの金属イオンなどが水中に溶出する。これらの炭酸ガス、アンモニア、金属イオンが全て水中の導電率を増加させる要因となっている。
Further, since the
そのため、電池冷却水の導電率を低減させる技術としては、例えば特許文献1に開示される燃料電池発電システムでは、イオン交換樹脂が充填されたイオン交換樹脂塔が設けられる。つまり、特許文献1記載の技術では、電池アノードの排ガスおよび改質器の燃焼排ガスの凝縮水を、ポンプを使ってイオン交換樹脂塔に送り込み、イオン交換樹脂によりイオンを除去して導電率低減処理を実施している。
Therefore, as a technique for reducing the conductivity of battery cooling water, for example, in the fuel cell power generation system disclosed in
しかしながら、電池冷却水18にとけ込む炭酸ガスがあまりに多量となると、イオン交換樹脂による導電率低減処理が間に合わなくなることがある。そこで、図2にて説明した燃料電池発電システムでは、凝縮水11、39、40および電池冷却水18を一括して複合熱交換器13の凝縮水タンク14に溜めた後、電池冷却水18を2方向に分流し、分流した一方の水系18aにのみ、熱交換器22およびイオン交換樹脂塔24を設けることで、この問題を回避している(例えば特願2006−8036号の技術)。
However, if the amount of carbon dioxide flowing into the
つまり、特願2006−8036号の技術では、電池冷却水系にはイオン交換樹脂塔24を設置し、改質水系には活性炭塔26およびイオン交換樹脂塔27を設置することで、両水系の水質浄化を別々に行っている。このため、電池冷却水18の導電率を低いレベルに維持することができ、電池性能の低下を防止できる。
That is, in the technique of Japanese Patent Application No. 2006-8036, the ion-
しかも電池冷却水18を分流18a、18bとすることで、イオン交換樹脂23の負荷抑制が実現している。さらに、改質水系内には活性炭塔26およびイオン交換樹脂塔27を設置したことで、改質水系内に含まれる改質触媒の被毒成分となる物質を除去することができる。
しかしながら、上述した特願2006−8036号の燃料電池発電システムに採用された水処理システムには、以下の課題があり、燃料電池冷却水および改質水の水質向上に関して、経済的な負担を大きくしていた。第1の課題として、電池冷却水系にイオン交換樹脂塔24が設置され、改質水系に活性炭塔26およびイオン交換樹脂塔27が設置されているので、各水系にそれぞれ独立した水質浄化手段が設けられることになり、結果としてコスト高を招いていた。
However, the water treatment system adopted in the fuel cell power generation system of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2006-8036 has the following problems, which greatly imposes an economic burden on improving the quality of fuel cell cooling water and reforming water. Was. As a first problem, since the ion-
第2の課題として、電池冷却水18を2方向に分流しているので、電池冷却水18は一定割合のみしかイオン交換樹脂塔24を通らない。したがって、凝縮水タンク14に溜まる凝縮水11、39、40および電池冷却水18の中に、予期せぬほど多くの不純物が含まれていれば、電池冷却水18の水質浄化には長い時間が掛かることになった。
As a second problem, since the
このように、従来技術ではイオン交換樹脂23の負荷が大きく、長時間の連続使用が困難となる。このため、イオン交換樹脂23の詰め替えを頻繁に実施する必要があり、経済的な負担を重くしていた。この課題を解決するために、特許文献1記載のシステムのように、凝縮水のみをイオン交換樹脂で浄化する方法も考えられるが、この場合は、凝縮水をイオン交換樹脂塔へ凝縮水を送り込むためのポンプを、電池冷却水系のものとは別に設けなくてはならず、システムが複雑化してコストアップの要因となった。
As described above, in the conventional technique, the load of the
第3の課題として、水質浄化に使用されるイオン交換樹脂は、水中の溶存酸素などの酸化剤により分解して、有機硫黄化合物を溶出することがある。有機硫黄化合物は改質触媒の被毒成分なので、改質触媒自体を劣化させる要因となってしまう。すなわち、導電率を低減させる物質を除去するためのイオン交換樹脂が、燃料改質系の性能を低下させる要因となっていた。このため、イオン交換樹脂を使用する際には有機硫黄化合物の流出を防ぐことが強く要請されていた。 As a third problem, an ion exchange resin used for water purification may be decomposed by an oxidizing agent such as dissolved oxygen in water to elute an organic sulfur compound. Since the organic sulfur compound is a poisoning component of the reforming catalyst, it causes deterioration of the reforming catalyst itself. That is, the ion exchange resin for removing the substance that reduces the electrical conductivity has been a factor of reducing the performance of the fuel reforming system. For this reason, when using an ion exchange resin, it was strongly requested to prevent the organic sulfur compound from flowing out.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、システムに組み込まれる水処理系の構成を簡略化し、イオン交換樹脂の負荷を低減してその寿命を延ばすと共に、改質水への硫黄化合物の流出を防止して改質系触媒の性能維持を図った、経済性・信頼性に優れた燃料電池発電システムを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The configuration of the water treatment system incorporated in the system is simplified, the load of the ion exchange resin is reduced and the life of the ion treatment resin is extended. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system excellent in economic efficiency and reliability in which the outflow of sulfur compounds is prevented and the performance of the reforming catalyst is maintained.
上記の目的を達成するため、本発明は、炭化水素系燃料を原燃料とし水蒸気改質反応により水素リッチガスを製造する燃料改質系と、該燃料改質系で製造された水素リッチガスを燃料としてアノードに取り入れ空気中の酸素を酸化剤としてカソードに取り入れて発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の動作温度を維持するための電池冷却水を流す電池冷却水系とが設けられた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料改質系または前記燃料電池本体から排出される排ガスを冷却して凝縮水を生成する凝縮水生成手段と、前記燃料電池本体を出た前記電池冷却水を溜める電池冷却水タンクと、前記凝縮水生成手段にて生成された凝縮水を溜める凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに溜めた凝縮水を冷却するための熱交換器と、前記熱交換器の下流に、前記熱交換器にて冷却した後の前記凝縮水中の陽イオンを除去するための陽イオン交換樹脂および陰イオンを除去するための陰イオン交換樹脂が充填されたイオン交換樹脂塔とを備え、前記イオン交換樹脂塔を出た水と、前記冷却水タンクを出た水とを合流させ、この合流水を前記電池冷却水として前記燃料電池本体へ導入するように配管したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel reforming system for producing a hydrogen-rich gas by a steam reforming reaction using a hydrocarbon fuel as a raw fuel, and a hydrogen-rich gas produced by the fuel reforming system as a fuel. Fuel cell power generation provided with a fuel cell main body for generating electric power by introducing oxygen in the intake air into the anode as an oxidizer and an operating temperature of the fuel cell main body to maintain the operating temperature of the fuel cell main body In the system, condensed water generating means for generating condensed water by cooling the exhaust gas discharged from the fuel reforming system or the fuel cell main body, and a battery cooling water tank for storing the battery cooling water exiting the fuel cell main body A condensed water tank for storing the condensed water generated by the condensed water generating means, a heat exchanger for cooling the condensed water stored in the condensed water tank, and the heat exchange An ion exchange resin column filled with a cation exchange resin for removing cations in the condensed water after cooling with the heat exchanger and an anion exchange resin for removing anions, And a pipe that joins the water exiting the ion exchange resin tower and the water exiting the cooling water tank and introduces the combined water as the battery cooling water into the fuel cell main body. And
また、本発明における前記イオン交換樹脂塔は、前記陽イオン交換樹脂を前記イオン交換樹脂塔の上流側に、前記陰イオン交換樹脂を前記イオン交換樹脂塔の下流側に配置し、上昇流で通水するように構成したことを特徴としている。 In the ion exchange resin tower according to the present invention, the cation exchange resin is disposed on the upstream side of the ion exchange resin tower, and the anion exchange resin is disposed on the downstream side of the ion exchange resin tower. It is characterized by being configured to water.
上記の構成を有する本発明では、燃料電池に有害となる不純物の多い凝縮水のみを、イオン交換樹脂塔で浄化してから、比較的水質の良好な冷却水タンクからの水と合流させ、これを電池冷却水として燃料電池本体に送り込むことができる。したがって、少ないイオン交換樹脂への通水量は少なくて済み、しかも不純物の少ない良質な電池冷却水を導入することが可能となる。また、熱交換器によってイオン交換樹脂へ通す水の温度を、イオン交換樹脂の分解が起こり難い温度まで低減させているため、長時間、高い水質を維持することができる。 In the present invention having the above-described configuration, only condensed water having a large amount of impurities harmful to the fuel cell is purified by an ion exchange resin tower, and then combined with water from a cooling water tank having relatively good water quality. Can be fed into the fuel cell body as battery cooling water. Accordingly, it is possible to introduce a good battery cooling water with a small amount of impurities and a small amount of water passing through the ion exchange resin. Further, since the temperature of water passed through the ion exchange resin by the heat exchanger is reduced to a temperature at which the ion exchange resin is hardly decomposed, high water quality can be maintained for a long time.
さらに、本発明の前記イオン交換樹脂塔では陽イオン交換樹脂を上流側に、陰イオン交換樹脂を下流側に配置して上昇流で通水したので、陽イオン交換樹脂の劣化分解によって生じる硫黄化合物を下流の陰イオン交換樹脂で捕捉でき、硫黄化合物が改質水に混入することがない。 Further, in the ion exchange resin tower of the present invention, the cation exchange resin is arranged on the upstream side, and the anion exchange resin is arranged on the downstream side and water is passed in the upward flow, so that the sulfur compound generated by the degradation decomposition of the cation exchange resin Can be captured by a downstream anion exchange resin, and sulfur compounds are not mixed into the reformed water.
本発明の燃料電池発電システムによれば、熱交換器の下流にイオン交換樹脂塔を備え、このイオン交換樹脂塔を出た水と冷却水タンクを出た水とを合流させ、この合流水を電池冷却水として燃料電池本体へ導入するといった構成により、長期間にわたって電池冷却水の導電率を低く維持することができ、かつ硫黄化合物が改質水へ流出することを防いで改質系触媒の性能維持を図り、経済性・信頼性の向上に寄与することができる。 According to the fuel cell power generation system of the present invention, the ion exchange resin tower is provided downstream of the heat exchanger, the water exiting the ion exchange resin tower and the water exiting the cooling water tank are merged, and the merged water is By introducing the battery cooling water into the fuel cell main body, the conductivity of the battery cooling water can be kept low for a long period of time, and the sulfur-based compound is prevented from flowing into the reforming water. Maintains performance and contributes to improvement of economy and reliability.
(代表的な実施形態)
[構成]
以下、本発明に係る燃料電池発電システムの代表的な実施形態について、図1を参照して説明する。図1は本実施形態の構成図を示している。なお、図2に示した従来技術と同一の部材に関しては同一符号を付す。
(Representative embodiment)
[Constitution]
Hereinafter, a representative embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a configuration diagram of this embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected regarding the member same as the prior art shown in FIG.
図1に示す燃料電池パッケージ1には主要な構成要素として、燃料改質系2、燃料電池本体5、熱交換器8、16、脱炭酸塔19等が設置されている。このような燃料電池パッケージ1の基本的な構成は図2の従来技術と同様である。そのため、重複部分に関しては同一符号を付して説明を省き、相違点だけを述べる。
The
本実施形態の構成の特徴は、次の点にある。すなわち、熱交換器16および脱炭酸塔19の下流側には2槽型の水タンク容器43が設けられている。この水タンク容器43は、凝縮水タンク14と電池冷却水タンク30とが仕切り板により仕切られて一体的に形成されたタンクである。また、凝縮水タンク14の下部には排水管34が取り付けられている。
The feature of the configuration of the present embodiment is as follows. That is, a two-tank water tank container 43 is provided on the downstream side of the
凝縮水タンク14および電池冷却水タンク30の水位は、電池冷却水タンク30から溢れる余剰水が凝縮水タンク14へ導かれ、凝縮水タンク14から溢れる余剰水が排水管34によってシステム系外へ排出されるように設定されている。なお、タンク14、30の各貯水槽には、燃料電池発電システムの発電運転前の段階で、予め不純物が除去されて導電率が低減された純水が一定量供給されている。
The water levels of the
また、凝縮水タンク14の下流側には熱交換器22が設けられ、この熱交換器22の下流にはイオン交換樹脂塔24が配置されている。イオン交換樹脂塔24は、上流側(図1中の下側)に10%以上の架橋度の陽イオン交換樹脂23aが充填され、その下流側(図1中の上側)に陰イオン交換樹脂23bが充填されており、上昇流で通水するように構成されている。
A
さらに、本実施形態では凝縮水タンク14を出た凝縮水を18c、電池冷却水タンク30から出た水を18dとする。このうち、凝縮水18cは熱交換器22を経由して冷却され、さらにイオン交換樹脂塔24を経由してイオンを除去された後、冷却水タンク30を出た水18dと合流するように配管されている。
Furthermore, in this embodiment, the condensed water that has exited the
この合流水18eが電池冷却水18として燃料電池本体5へ導入される。燃料電池本体5から出た電池冷却水18は、脱炭酸塔19を経由することで、水分中の炭酸ガスを、カソード排ガス17との気液接触により除去した上で、電池冷却水タンク30へと戻るようになっている。なお、イオン交換樹脂塔24を出た凝縮水18cと冷却水タンク30を出た水18dとの合流水18eが、合流された位置から冷却水タンク30までの間には電池冷却水ポンプ21が1つだけ配置されている。
This combined
脱炭酸塔19は図2に示した従来例の構成とは異なり、複合熱交換器13の内部ではなく、複合熱交換器13とは独立して設置されているが、カソード排ガス17と共に電池冷却水18の電池出口水が導入される点には変わりはない。脱炭酸塔19には、ポリプロピレンなどの耐熱性樹脂または炭素鋼ステンレス材などの金属でできたテラレットと呼ばれる多孔質構造体、または複数段の平板が水と気体の接触面積を広くするために充填または設置されている。
Unlike the configuration of the conventional example shown in FIG. 2, the
ところで、イオン交換樹脂塔24内において、イオン交換樹脂層23bの下流の空間には、電池冷却水系の他の配管部分より流速が遅くなるように、イオン交換樹脂を充填していない空間からなる低流速水域33が形成されている。この低流速水域33からポンプ25によって炭化水素系燃料の水蒸気改質用の改質水3が燃料改質系2へと供給される。但し、改質水3の供給は、電池冷却水18が循環しているときのみに限定されている。
By the way, in the ion
[ガスと水の流れ]
以上のような燃料電池パッケージ1における各種のガスおよび水の流れは、次の通りである。すなわち、パイプラインあるいはガスボンベなど貯蔵設備より炭化水素系燃料Fが燃料電池パッケージ1に供給される。
[Gas and water flow]
The flow of various gases and water in the
図2の従来例でも述べたように、燃料電池パッケージ1に供給された燃料Fは、燃料改質系2で脱硫された後、気化された改質水3と混合され、水蒸気改質反応、一酸化炭素(CO)変成反応およびCO選択酸化反応などによりCO濃度が電池での制限値以下に低減されたメタン、CO、二酸化炭素(CO2)などを含む水素リッチな改質ガス4に変換される。この改質ガス4は燃料電池本体5のアノード5aに導入され、その水素が、空気ブロワー6で燃料電池本体5カソード5bに供給された大気中の酸素と共に発電で消費される。なお、燃料改質系2ではCO選択酸化器へ導入する前のプロセスガスを冷却して改質ガス凝縮水32が得られるようになっており、この改質ガス凝縮水32は凝縮水タンク14に送られる。
As described in the conventional example of FIG. 2, the fuel F supplied to the
燃料電池本体5アノード5aで消費されなかったアノード排ガス7は、熱交換器8において、貯湯槽9から導入された排熱回収循環水10aとの熱交換により冷却され、アノード排ガス凝縮水11が除去された後、改質器バーナ12の燃料入口へ導入されて、燃料電池パッケージ1の外部より供給された空気(図示せず)で燃焼され、水蒸気改質反応の熱源として利用される。なお、熱交換器8で生成されたアノード排ガス凝縮水11は、水タンク容器13の一部である凝縮水タンク14に送られる。また、改質器バーナ12の燃焼排ガス15は、熱交換器16へ送られる。
The
一方、燃料電池本体5カソード5bの酸素が消費されて大気より酸素濃度が低減されたカソード排ガス17は、脱炭酸塔19下部へ導かれ、脱炭酸塔19上部から導入された電池冷却水18と対向流で流されて、電池冷却水18中の溶存炭酸ガスが低減される。その後、カソード排ガス17は、燃焼排ガス15と共に熱交換器16へ送られる。
On the other hand, the
熱交換器16へ送られた燃焼排ガス15およびカソード排ガス17は共に、熱交換器22から導入された排熱回収循環水10bとの熱交換により冷却され、各ガス15、17から燃焼排ガス凝縮水39、カソード排ガス40が除去される。これら凝縮水39、40は、熱交換器16で冷却されて結露し、凝縮水タンク14へと流れ込む。また、凝縮水39、40が除去された後の排ガス15、17は、複合熱交換器13から大気へと排出される。
Both the
以上のように、凝縮水タンク14へは、改質ガス4を冷却して得た改質ガス凝縮水32と、電池アノード排ガス7を冷却して得たアノード排ガス凝縮水11と、燃焼排ガス15および電池カソード排ガス17を熱交換器16で冷却して得た凝縮水39、40が貯水される。
As described above, the
凝縮水タンク14に溜められた凝縮水11、32、39、40は、凝縮水18cとして熱交換器22へと送られ、熱交換器8から導入された排熱回収循環水10aとの熱交換により温度が低減された後、イオン交換樹脂塔24へ供給される。なお、凝縮水タンク14の余剰水は排水管34から燃料電池パッケージ1系外へ排出される。
The
また、凝縮水タンク14の凝縮水18cが不足している場合には、これを補うように燃料改質系2から改質ガス凝縮水32が導入される。ただし、改質ガス凝縮水32は、凝縮水タンク14内に溜められた凝縮水18cが不足していなければ、凝縮水タンク14内に導入されることはなく、凝縮水タンク14の手前でシステム系外へと排出されるようにしてもよい。
Further, when the
熱交換器22を経由してイオン交換樹脂塔24へ供給された凝縮水タンク14からの凝縮水18cは、陽イオン交換樹脂23aおよび陰イオン交換樹脂23bを上昇流にて順次通過することで、陽イオンおよび陰イオンが除去されて水質が高められる。イオン交換樹脂塔24を出た凝縮水18cは、冷却水タンク30を出た水18dと合流され、合流水18eが電池冷却水18となって燃料電池本体5へ導入される。この電池冷却水18の流通により燃料電池本体5は最適な動作温度に維持される。なお、イオン交換樹脂塔24内の低流速水域33からはポンプ25によって炭化水素系燃料の水蒸気改質用の改質水3が燃料改質系2へと供給される。
The
燃料電池本体5を出た電池冷却水18は、熱交換器36において熱交換器16から導入された排熱回収循環水10bとの熱交換により冷却され、続いて脱炭酸塔19にてカソード排ガス17との気液接触により溶存している炭酸ガスが低減される。その後、脱炭酸塔19を出た電池冷却水18は、水タンク容器13の一部である冷却水タンク30に貯水される。なお、電池冷却水タンク30の余剰水は、凝縮水タンク14側に溢れ出す。
The
[作用効果]
以上のような本実施形態の作用効果は次の通りである。すなわち、凝縮水タンク14に溜められた凝縮水18cは、燃料電池本体5に有害となる不純物を多量に含んでいるので、これをイオン交換樹脂塔24にて浄化し、その後、比較的水質の良好な冷却水タンク30からの水18dと合流させて、これを燃料電池本体5に供給するようになっている。
[Function and effect]
The operational effects of the present embodiment as described above are as follows. That is, the
そのため、冷却水タンク30から出た水18dは、イオン交換樹脂塔24を通過することがなく、イオン交換樹脂塔24への通水を低減してイオン交換樹脂23a、23bへの負担を軽減することができる。しかも、燃料電池本体5に導入する電池冷却水18(合流水18e)に関しては、不純物の少ない良好な水質を確保することができる。したがって、長期間にわたって電池冷却水18の導電率を低く維持することができ、信頼性が向上する。
Therefore, the
また、本実施形態では、熱交換器22によってイオン交換樹脂塔24へ通す凝縮水18cの温度を低減させるので、イオン交換樹脂23a、23bの分解は起こり難い。このため、イオン交換樹脂塔24は長期にわたって高い性能を維持することができる。さらに、電池冷却水18は、合流水18eとなる合流地点から冷却水タンク30までの系の間で、1つの電池冷却水ポンプ21によって流されるようになっているので、複数のポンプは不要となり、システムの簡略化を図ることかできる。
Moreover, in this embodiment, since the temperature of the
しかも、本実施形態では、イオン交換樹脂塔24内のイオン交換樹脂23bを出た水を、改質水3として燃料改質系2に供給するので、1つのイオン交換樹脂塔24で、電池冷却水系と改質水系の両方の水質を向上させることが可能となり、システムの簡素化だけではなく、イオン交換樹脂23a、23bの交換などの保守管理が容易となり、経済的に有利である。
In addition, in the present embodiment, the water discharged from the
また、イオン交換樹脂塔24を出る改質水3は、イオン交換樹脂塔24内に形成された低流速水域33から導かれるので、燃料改質系2に対し緩やかに導かれることになり、電池冷却水ポンプ21などに起因する脈動が改質水3供給に与える影響を抑えることができる。このため、安定した燃料電池発電システムの運転を実現できるといったメリットがある。
In addition, the reformed
さらに、本実施形態では脱炭酸塔19にて、燃料電池本体5の出口冷却水中の炭酸ガスを、カソード排ガス17との気液接触により除去するため、空気よりも酸素濃度が低いカソード排ガス17ガスによる水中の脱炭酸を行うことができる。したがって、溶存酸素の少ない電池冷却水18を燃料電池本体5へ導入することが可能となる。しかも電池冷却水タンク30側から凝縮水タンク14側へ溢れ出した電池冷却水18中の炭酸イオンおよび溶存酸素を抑えることができる。これにより、イオン交換樹脂塔24内に充填されたイオン交換樹脂23a、23bの負荷を低減すると同時に、酸化によるイオン交換樹脂23a、23bの分解を抑制できる。
Further, in the present embodiment, the carbon dioxide gas in the outlet cooling water of the fuel cell
また、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、冷却水タンク30の余剰水が凝縮水タンク14へ導かれるように水位を設定してあるので、イオン交換樹脂塔24へ通す凝縮水18cの水量調整が容易である。これにより、燃料電池本体5へ供給する電池冷却水の水量を確実に確保することが可能となり、燃料電池発電システムの運転安定化をいっそう進めることができる。
Further, in the fuel cell power generation system of the present embodiment, the water level is set so that surplus water in the cooling water tank 30 is guided to the
なお、本実施形態では、イオン交換樹脂塔24に架橋度が10%以上である陽イオン交換樹脂23aを充填しているため、一般的な8%架橋度の陽イオン交換樹脂に比べて酸化や熱分解による劣化が遅く、この点からも長時間安定した燃料電池発電システムの運転が実現可能である。
In this embodiment, since the ion
さらに、イオン交換樹脂塔24では、陽イオン交換樹脂23aを上流に、陰イオン交換樹脂23bを下流に配置して上昇流で通水される水質浄化装置を構成したので、陽イオン交換樹脂23aの劣化分解によって生じる硫黄化合物を、下流の陰イオン交換樹脂で捕捉することができる。このため、改質触媒の被毒成分となる硫黄化合物が、改質水3に混入することがなく、改質触媒を硫黄被毒から確実に保護することができる。しかも、イオン交換樹脂塔24内では上昇流を利用しているので、比重の重い陽イオン交換樹脂23aが下流の陰イオン交換樹脂23bと混合することもなく、高い信頼性を維持することができる。
Furthermore, in the ion
さらに、本実施形態において、燃料改質系2に対する改質水3の供給は、電池冷却水18が循環しているときのみなので、イオン交換樹脂塔24の下流において電池冷却水系に分岐される形で設置された改質水3の供給位置、つまり低流速水域33には、かならず水が存在しており、改質水3の供給を確実に行うことができる。
Further, in the present embodiment, the reforming
(他の実施形態)
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、各部材の構成や配置等は適宜変更可能であって、例えば、前記実施形態では、低流速水域33をイオン交換樹脂層23bの下流に形成したが、イオン交換樹脂塔24の内部ではなく、塔24の外部に独立して設けたタンクを低流速水域としても良い。また上記実施形態では、凝縮水タンク14と冷却水タンク30を一体化して水タンク容器13で構成したが、別々のタンクを配して配管で両者を接続してもよいし、あるいは脱炭酸塔19や凝縮器16を水タンク容器13との一体化構造としてもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and the configuration and arrangement of each member can be appropriately changed. For example, in the above embodiment, the low flow
なお、本実施形態において利用される熱は、貯湯槽9から燃料電池パッケージ1内へ導入した排熱回収循環水10a、10bの熱交換器8、16、22からのそれぞれの熱回収によって得られる。また、上記の実施形態では、適用事例の多い貯湯槽9への水を使った熱供給システムを取り上げたが、熱の使用先への供給形態は貯湯槽9に限られることは無く、また排熱回収循環系統を流れる媒体も水に限られることは無い。
In addition, the heat utilized in this embodiment is obtained by each heat recovery from the
1…燃料電池パッケージ
2…燃料改質系
3…改質水
4…改質ガス
5…燃料電池本体
5a…アノード
5b…カソード
6…空気ブロワー
7…アノード排ガス
8、16、22、36…熱交換器
9…貯湯槽
10、10a…排熱回収循環水
11…アノード排ガス凝縮水
12…改質器バーナ
13…複合熱交換器
14…凝縮水タンク
15…燃焼排ガス
17…アノード排ガス
18…電池冷却水
18c…凝縮水
18d…電池冷却水タンクを出た冷却水
18e…合流水
19…脱炭酸塔
21…電池冷却水ポンプ
23…イオン交換樹脂
23a…陽イオン交換樹脂
23b…陰イオン交換樹脂
24、27…イオン交換樹脂塔
25…改質水ポンプ
26…活性炭塔
30…電池冷却水タンク
32…改質ガス凝縮水
33…低流速水域
34…排水管
38…空気フィルタ
39…燃焼排ガス凝縮水
40…カソード排ガス凝縮水
43…水タンク容器
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記燃料改質系または前記燃料電池本体から排出される排ガスを冷却して凝縮水を生成する凝縮水生成手段と、
前記燃料電池本体を出た前記電池冷却水を溜める電池冷却水タンクと、
前記凝縮水生成手段にて生成された凝縮水を溜める凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクに溜めた凝縮水を冷却するための熱交換器と、
前記熱交換器の下流に、前記熱交換器にて冷却した後の前記凝縮水中の陽イオンを除去するための陽イオン交換樹脂および陰イオンを除去するための陰イオン交換樹脂が充填されたイオン交換樹脂塔とを備え、
前記イオン交換樹脂塔を出た水と、前記冷却水タンクを出た水とを合流させ、この合流水を前記電池冷却水として前記燃料電池本体へ導入するように配管したことを特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel reforming system for producing a hydrogen-rich gas by a steam reforming reaction using a hydrocarbon-based fuel as a raw fuel; a hydrogen-rich gas produced by the fuel reforming system as a fuel; and an anode using oxygen in the air as an oxidant In a fuel cell power generation system provided with a fuel cell main body that takes in and generates electric power, and a battery cooling water system for flowing battery cooling water for maintaining the operating temperature of the fuel cell main body,
A condensed water generating means for cooling the exhaust gas discharged from the fuel reforming system or the fuel cell main body to generate condensed water;
A battery cooling water tank for storing the battery cooling water exiting the fuel cell main body;
A condensed water tank for storing the condensed water generated by the condensed water generating means;
A heat exchanger for cooling the condensed water stored in the condensed water tank;
Ions filled with a cation exchange resin for removing cations in the condensed water after cooling with the heat exchanger and an anion exchange resin for removing anions downstream of the heat exchanger An exchange resin tower,
The fuel is characterized in that the water exiting the ion-exchange resin tower and the water exiting the cooling water tank are merged and piped to introduce the merged water into the fuel cell body as the battery cooling water. Battery power generation system.
この低流速水域から出た水を、前記炭化水素系燃料の水蒸気改質用の水として前記燃料改質系に供給するように配管したことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池発電システム。 A low-flow-rate water area in which the flow rate is slower than the flow rate of the battery cooling water in the pipe of the battery cooling water system, downstream of the ion-exchange resin in the ion-exchange resin tower or downstream of the ion-exchange resin tower,
5. The fuel cell power generation system according to claim 4, wherein water discharged from the low flow rate water region is piped so as to be supplied to the fuel reforming system as water for steam reforming of the hydrocarbon fuel. .
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