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JP2017082670A - Engine system, and engine system operating method - Google Patents

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JP2017082670A JP2015211372A JP2015211372A JP2017082670A JP 2017082670 A JP2017082670 A JP 2017082670A JP 2015211372 A JP2015211372 A JP 2015211372A JP 2015211372 A JP2015211372 A JP 2015211372A JP 2017082670 A JP2017082670 A JP 2017082670A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide, in an engine exhaust gas passage 2, an engine system capable of: utilizing a waste-heat on a low temperature side, on which the waste-heat has not been sufficiently utilized on an engine system including burning means 3 for burning a combustible substance in an exhaust gas, and nitrogen oxide removing means 4 for removing a nitrogen oxide; attaining clean exhaust and supplying an electric power for some time even after an engine stop.SOLUTION: An engine system comprises: urea water hydrolysis means 8 for hydrolyzing urea water by using the heat generated from an engine 1; and an ammonia fuel solid oxide type fuel cell 5 for using produced ammonia as a fuel, and fuel cell off-gas is introduced to and treated in said combustion means 3.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、炭化水素燃料を燃焼して運転されるエンジンと、
当該エンジンから発生する排ガスが流れる排ガス路に、前記排ガス中の可燃物を燃焼する燃焼手段と、窒素酸化物を除去する窒素酸化物除去手段とを、記載順に備えたエンジンシステムに関する。
The present invention includes an engine operated by burning hydrocarbon fuel;
The present invention relates to an engine system provided with combustion means for burning combustible substances in the exhaust gas and nitrogen oxide removal means for removing nitrogen oxides in the order of description in an exhaust gas passage through which exhaust gas generated from the engine flows.

このようなエンジンシステムを開示する従来技術として、特許文献1或は特許文献2に開示の技術を挙げることができる。これらに開示される技術は、主にはディーゼルエンジンを対象とするが、特許文献2にも示されているように、ディーゼルエンジンの他、ガスエンジンにも適用可能である〔特許文献2 段落0021〕。   As a conventional technique for disclosing such an engine system, a technique disclosed in Patent Document 1 or Patent Document 2 can be cited. The techniques disclosed in these are mainly directed to diesel engines, but as shown in Patent Document 2, they can be applied to gas engines in addition to diesel engines [Patent Document 2, Paragraph 0021]. ].

特許文献1に開示の技術は、排気ガス浄化手段におけるダストの堆積を抑制することを目的とする。特許文献1では、排気ガスなる表現が採用されているが本願における排ガスと同意である。
この文献は、排気ガス通路2に排気ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝触媒5(本願にいう窒素酸化物除去手段)を備えたディーゼルエンジン1の排気ガス処理装置に関し、脱硝触媒5の上流側の排気ガス通路2に、当該排気ガス通路2内を通過する排気ガスを加熱して排気ガス中のダストを燃焼させる燃焼器4(本願にいう燃焼手段)を備え、燃焼器4を、ディーゼルエンジン1の作動時に常時作動させる。結果、有害物質を効果的に除去可能であるとともにDPF再生時における燃焼温度を低くすることが可能な排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法を提供する。
さらに、この文献には、脱硝触媒5の下流側にエコノマイザ6を設けてエネルギー回収を図ることが示されている。
The technique disclosed in Patent Document 1 aims to suppress dust accumulation in the exhaust gas purification means. In patent document 1, although the expression exhaust gas is employ | adopted, it is an agreement with the exhaust gas in this application.
This document relates to an exhaust gas treatment apparatus for a diesel engine 1 provided with a denitration catalyst 5 (nitrogen oxide removal means referred to in the present application) for removing nitrogen oxide in exhaust gas in an exhaust gas passage 2, upstream of the denitration catalyst 5. The exhaust gas passage 2 on the side is provided with a combustor 4 (combustion means referred to in the present application) for heating the exhaust gas passing through the exhaust gas passage 2 and burning the dust in the exhaust gas. It is always operated when the engine 1 is operated. As a result, there are provided an exhaust gas processing apparatus and an exhaust gas processing method capable of effectively removing harmful substances and lowering the combustion temperature during DPF regeneration.
Further, this document shows that an economizer 6 is provided on the downstream side of the denitration catalyst 5 for energy recovery.

一方、特許文献2に開示の技術も、エンジンから排出される排ガスに含まれる有害物質を浄化するための排ガス処理装置に関し、図1に示す排ガス処理装置20は、排ガス流れ方向上流側から順に、排ガスに含まれる一酸化炭素(CO)やHC(未燃炭化水素)を浄化するためのDOC(Diesel Oxidation Catalyst)部22と、排ガスに含まれる粒子状物質(PM)を除去するためのDPF(Diesel particulate filter)部23と、排ガスに含まれるNOxを還元するためのSCR(Selective Catalytic Reduction)部26とを有している〔段落 0023〕。   On the other hand, the technology disclosed in Patent Document 2 also relates to an exhaust gas treatment device for purifying harmful substances contained in exhaust gas discharged from an engine. The exhaust gas treatment device 20 shown in FIG. A DOC (Diesel Oxidation Catalyst) unit 22 for purifying carbon monoxide (CO) and HC (unburned hydrocarbon) contained in the exhaust gas, and a DPF for removing particulate matter (PM) contained in the exhaust gas ( A diesel particulate filter (23) unit 23 and an SCR (Selective Catalytic Reduction) unit 26 for reducing NOx contained in the exhaust gas are provided [paragraph 0023].

そして、各部位に関して、以下のような説明がされている〔同段落 0023〕。
DOC部22は、排ガス中の一酸化炭素(CO)やHC(未燃炭化水素)を浄化するための酸化触媒と、この酸化触媒を排気管21の内部に支持する支持機構とを含む。
DPF部23は、排ガス中の粒子状物質(PM)を除去するための微粒子捕集フィルタを含む。
SCR部26は、排ガス中に噴射された尿素水から生成されるアンモニアと窒素酸化物(NOx)との反応を促進させるための脱硝触媒であるSCR触媒と、このSCR触媒を排気管21の内部に支持する支持機構とを含む。SCR部26の排ガス流れ方向上流側には、脱硝に用いられる尿素水を供給するための尿素水供給機構25が設けられている。尿素水供給機構25は、尿素水が蓄えられた尿素水タンク25bと、尿素水タンク25bから排ガス中に尿素水を噴霧する尿素水噴霧ノズル25aとを含む。なお、図1では尿素水供給機構25が、DPF部23とSCR部26との間に設けられた構成を例示したが、尿素水供給機構25の配置構成はこれに限定されるものではない。
Each part is described as follows [the same paragraph 0023].
The DOC unit 22 includes an oxidation catalyst for purifying carbon monoxide (CO) and HC (unburned hydrocarbon) in the exhaust gas, and a support mechanism that supports the oxidation catalyst inside the exhaust pipe 21.
The DPF unit 23 includes a particulate collection filter for removing particulate matter (PM) in the exhaust gas.
The SCR unit 26 includes an SCR catalyst that is a denitration catalyst for promoting the reaction between ammonia generated from urea water injected into the exhaust gas and nitrogen oxide (NOx), and the SCR catalyst inside the exhaust pipe 21. And a support mechanism for supporting. A urea water supply mechanism 25 for supplying urea water used for denitration is provided upstream of the SCR unit 26 in the exhaust gas flow direction. The urea water supply mechanism 25 includes a urea water tank 25b in which urea water is stored, and a urea water spray nozzle 25a that sprays urea water into the exhaust gas from the urea water tank 25b. 1 illustrates the configuration in which the urea water supply mechanism 25 is provided between the DPF unit 23 and the SCR unit 26, the arrangement of the urea water supply mechanism 25 is not limited to this.

従って、この特許に開示されているDOC部22が本願にいう燃焼手段に相当し、SCR部26が窒素酸化物除去手段に相当する。
また、エンジンにおいて発生する熱の利用に関しては、排ガス再循環クーラ12に関する記載がある。
Therefore, the DOC portion 22 disclosed in this patent corresponds to the combustion means referred to in the present application, and the SCR portion 26 corresponds to the nitrogen oxide removing means.
Further, regarding the use of heat generated in the engine, there is a description regarding the exhaust gas recirculation cooler 12.

一方、現今、注目されている技術として、アンモニアを直接燃料として電池電力を得る技術がある(特許文献3、4)。これらの技術は、アンモニアが炭素を含まないことからCO削減等の目的から注目に値する。また、電極に炭素デポジットが生成されることもない。
アンモニアを直接燃料とする燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池(以下 SOFCと記載することがあるものとする)があり、今日、主に電池電極(アノード)において、アンモニアを水素に分解し、出力の低下を避けて電池反応を起こされる方向に開発が進んでいる(特許文献5、6)。
On the other hand, as a technique that is currently attracting attention, there is a technique for obtaining battery power using ammonia as a direct fuel (Patent Documents 3 and 4). These techniques are notable for purposes such as CO 2 reduction because ammonia does not contain carbon. Further, no carbon deposit is generated on the electrode.
As a fuel cell using ammonia directly as a fuel, there is a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC), and today, ammonia is decomposed into hydrogen mainly in a battery electrode (anode). Development is progressing in the direction of causing a battery reaction while avoiding a decrease in output (Patent Documents 5 and 6).

特開2014−34887号公報JP 2014-34887 A 特開2015−68175号公報JP-A-2015-68175 特開2011−204416号公報JP 2011-204416 A 特開2011−204418号公報JP 2011-204418 A 特開2013−211117号公報JP 2013-2111117 A 特開2013−211118号公報JP2013-211118A

先に説明した、エンジンから排気される排ガス路に燃焼手段及び窒素酸化物除去手段を備えたエンジンシステムでは、排ガスの処理は行えるものの、通常のエコノマイザ―が回収できる排熱の温度域は350℃〜200℃程度でとなる。ただ、エコノマイザ―での回収では、熱(エネルギー)の利用タイミングの問題、さらには、その利用効率において検討の余地が残されている。   In the engine system provided with the combustion means and the nitrogen oxide removal means in the exhaust gas path exhausted from the engine as described above, although the exhaust gas can be treated, the temperature range of exhaust heat that can be recovered by a normal economizer is 350 ° C. It is about ~ 200 ° C. However, the recovery by the economizer leaves room for consideration in terms of the timing of utilization of heat (energy) and the utilization efficiency.

一方、SOFCに関しては、その定常発電段階、始動段階、停止段階を考えると、燃料電池オフガスに、発電に使用されなかった燃料(アンモニア、水素)が含まれることがあり、また高温状態にあるアノードオフガスに含まれる窒素、カソードオフガスに含まれる酸素が燃焼反応を起こし窒素酸化物(NOx)となって排気に含まれる場合がある。   On the other hand, regarding the SOFC, considering the steady power generation stage, start-up stage, and stop stage, the fuel cell off-gas may contain fuel (ammonia, hydrogen) that was not used for power generation, and the anode in a high temperature state. Nitrogen contained in the off gas and oxygen contained in the cathode off gas may cause a combustion reaction and become nitrogen oxide (NOx) and be contained in the exhaust gas.

また一般に、エンジンには発電機が備えられているため、エンジンが運転されている間は当該発電機からの電力を利用できるが、当該エンジンが運転を停止した場合、エンジン停止後に電力を使用したいという場合に関して検討の余地がある。   In general, since the engine is equipped with a generator, the power from the generator can be used while the engine is operating. However, when the engine stops operating, it is desired to use the power after the engine is stopped. There is room for consideration in this case.

本発明の目的は、従来、充分利用されることが無かった低温側の排熱を利用できるとともに、排気を簡易に清浄化でき、エンジン停止後もある程度の時間、電力の供給が可能なエンジンシステムを得ることにある。   An object of the present invention is to provide an engine system that can utilize exhaust heat on a low temperature side that has not been sufficiently utilized in the past, can easily purify exhaust, and can supply power for a certain period of time after the engine is stopped. There is in getting.

上記目的を達成するための、本発明に係る、
炭化水素燃料を燃焼して運転されるエンジンと、
当該エンジンから発生する排ガスが流れる排ガス路に、前記排ガス中の可燃物を燃焼する燃焼手段と、窒素酸化物を除去する窒素酸化物除去手段とを、記載順に備えたエンジンシステムの特徴構成は、
尿素水を貯蔵する尿素水貯蔵手段から供給される尿素水を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱を使用して加水分解する尿素水加水分解手段と、
前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを燃料とするアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池とを備え、
前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池から発生する燃料電池オフガスを前記燃焼手段に導くオフガス導入路を備え、
前記燃料電池オフガスを前記燃焼手段及び前記窒素酸化物除去手段で処理することにある。
To achieve the above object, according to the present invention,
An engine operated by burning hydrocarbon fuel;
The engine system comprising the combustion means for combusting combustibles in the exhaust gas and the nitrogen oxide removing means for removing nitrogen oxides in the order of description in the exhaust gas path through which the exhaust gas generated from the engine flows.
Urea water hydrolysis means for hydrolyzing urea water supplied from urea water storage means for storing urea water using heat generated from the engine and / or the combustion means;
An ammonia fuel solid oxide fuel cell using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a fuel,
An off-gas introduction path for guiding the fuel cell off-gas generated from the ammonia fuel solid oxide fuel cell to the combustion means;
The fuel cell off-gas is treated by the combustion means and the nitrogen oxide removal means.

このエンジンシステムは、尿素水貯蔵手段及び尿素水加水分解手段を備える。そして、尿素水加水分解手段で、その加水分解を発生させるためのエネルギー源(熱源)として、エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方からの熱を利用する。尿素水の加水分解では必要となる熱は350〜200℃程度であり、この温度域の熱を充分利用できる。結果、エンジン排熱の利用に関し、本願に係るエンジンシステムに備えられる固体酸化物形燃料電池の燃料とするアンモニアを得ることができる。   This engine system includes urea water storage means and urea water hydrolysis means. The urea water hydrolysis means uses heat from the engine or the combustion means or both as an energy source (heat source) for generating the hydrolysis. The heat required for hydrolysis of urea water is about 350 to 200 ° C., and the heat in this temperature range can be fully utilized. As a result, it is possible to obtain ammonia as a fuel for the solid oxide fuel cell provided in the engine system according to the present application with respect to utilization of engine exhaust heat.

本願のようにアンモニアを尿素水の形態でシステムに保持しておくと、貯蔵の安定性及び貯蔵に必要となる容積について、ガスとして貯蔵する場合より安定且つ低容積であり、格段に有利である。   If ammonia is retained in the system in the form of urea water as in the present application, the storage stability and the volume required for storage are more stable and lower than when stored as a gas, which is extremely advantageous. .

上記の構成に従ってアンモニアは燃料として固体酸化物形燃料電池に供給する。この固体酸化物形燃料電池としては、アンモニアを直接燃料電池セルのアノードに供給するものであってもよいし、アンモニアを分解して水素をアノードに供給するものであってもよい。この点、発明者らの検討では、セルの温度低下に伴ってアンモニアを直接アノードに供給する構成と、水素をアノードに供給する構成とでは、前者はその発電性能の低下を惹起する可能性も高く、後者の構成のほうが好ましい。
以上、本願に係るエンジンシステムでは、アンモニアを燃料として固体酸化物形燃料電池に供給することで、電力としてエネルギーを高効率で利用できる。
According to the above configuration, ammonia is supplied to the solid oxide fuel cell as fuel. The solid oxide fuel cell may be one that supplies ammonia directly to the anode of the fuel cell, or one that decomposes ammonia and supplies hydrogen to the anode. In this regard, the inventors have studied that the former may cause a decrease in power generation performance in the configuration in which ammonia is directly supplied to the anode and the configuration in which hydrogen is supplied to the anode as the cell temperature decreases. The latter configuration is preferred.
As described above, in the engine system according to the present application, energy can be used with high efficiency as electric power by supplying ammonia to the solid oxide fuel cell as fuel.

さて、上記のようにアンモニアを燃料として固体酸化物形燃料電池に供給する場合、固体酸化物形燃料電池から、そのオフガスとして、電池からアンモニア或はその分解物である水素が、発電に利用されることなく排出される場合があり、また、電池温度が高く、排気中に酸素も含有されることから窒素酸化物、尿素水起因の二酸化炭素、水等が排出されることもある。
しかしながら、本願においては、燃料電池オフガスを燃焼手段、窒素酸化物除去手段に順に導くこととなるため、これらの成分をシステム外へ放出するという問題を、エンジン側からの排ガス処理のために設けられている比較的強力な酸化・窒素酸化物処理系統を有効に利用して進めることができる。
When ammonia is supplied to a solid oxide fuel cell as a fuel as described above, ammonia or hydrogen, which is a decomposition product thereof, is used for power generation from the solid oxide fuel cell as an off-gas. In some cases, the temperature of the battery is high, and oxygen is contained in the exhaust gas. Therefore, nitrogen oxides, carbon dioxide derived from urea water, water, and the like may be discharged.
However, in this application, since the fuel cell off-gas is led to the combustion means and the nitrogen oxide removal means in this order, the problem of releasing these components out of the system is provided for exhaust gas treatment from the engine side. It is possible to proceed by effectively utilizing the relatively powerful oxide / nitrogen oxide treatment system.

さらに、システムを構成する、エンジン、燃焼手段、窒素酸化物除去手段が立ちあがっている状態で、尿素水加水分解手段、固体酸化物形燃料電池を立ち上げ、所定量のアンモニアを確保しておくと、エンジン停止後にも、この燃料となるアンモニアにより固体酸化物形燃料電池の運転を継続できる。   Furthermore, when the engine, the combustion means, and the nitrogen oxide removal means constituting the system are started up, the urea water hydrolysis means and the solid oxide fuel cell are started up and a predetermined amount of ammonia is secured. Even after the engine is stopped, the operation of the solid oxide fuel cell can be continued with the ammonia as the fuel.

上記の構成で、前記窒素酸化物除去手段が、前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを還元剤として働くアンモニア還元型窒素酸化物除去手段であることが好ましい。
アンモニアを還元剤として窒素酸化物を処理する技術は、確立された信頼性の高い技術であり、本願のエンジンシステムに備えられる尿素水加水分解手段で得られるアンモニアを、窒素酸化物の処理と発電との両方に使用することで、システムの安定化と効率化に寄与できる。
In the above configuration, it is preferable that the nitrogen oxide removing unit is an ammonia reduction type nitrogen oxide removing unit that uses ammonia generated by the urea water hydrolysis unit as a reducing agent.
The technology for treating nitrogen oxides using ammonia as a reducing agent is an established and highly reliable technology. Ammonia obtained by the urea water hydrolysis means provided in the engine system of the present application is treated with nitrogen oxide treatment and power generation. It can contribute to the stabilization and efficiency of the system.

さて、前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱の利用に関し、前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池の加熱に使用する第一熱利用手段と、前記尿素水加水分解手段に於ける加水分解に使用する第二熱利用手段とを備え、
前記第一熱利用手段で高温側の熱を使用し、当該第一熱利用手段における熱利用により低温化した低温側の熱を前記第二熱利用手段で使用することが好ましい。
Now, regarding the utilization of heat generated from the engine and / or the combustion means, the first heat utilization means used for heating the ammonia fuel solid oxide fuel cell and the urea water hydrolysis means A second heat utilization means used for hydrolysis
Preferably, the first heat utilization means uses heat on the high temperature side, and the second heat utilization means uses heat on the low temperature side that has been lowered by heat utilization in the first heat utilization means.

エンジン、燃焼器排熱は、通常600〜800℃程度となるため、第一熱利用手段で高温側を固体酸化物形燃料電池の温度維持に利用し、350〜200℃の熱を第二熱利用手段で尿素水の加水分解に利用して、エンジン排熱の有効利用を図ることができる。
ここで、第一熱利用手段と第二熱利用手段との間に、別途、熱交換等の手段を設けることで、中間温度域(例えば600〜350℃程度)の熱は従来通り回収することとできる。
Since engine and combustor exhaust heat is normally about 600 to 800 ° C., the first heat utilization means uses the high temperature side to maintain the temperature of the solid oxide fuel cell, and heat at 350 to 200 ° C. is the second heat. Effective utilization of engine exhaust heat can be achieved by utilizing urea water in the utilization means.
Here, by providing a means such as heat exchange separately between the first heat utilization means and the second heat utilization means, heat in the intermediate temperature range (for example, about 600 to 350 ° C.) is recovered as usual. And can.

さて、先に説明した尿素水加水分解手段により得られる分解物を気液分離する気液分離手段を備え、この気液分離手段により分離される液体側分離物を、前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱によりガス化し、燃料として前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に供給する構成を採用することも好ましい。   Now, a gas-liquid separation means for gas-liquid separation of the decomposition product obtained by the urea water hydrolysis means described above is provided, and the liquid-side separation separated by this gas-liquid separation means is used as the engine or the combustion means. It is also preferable to adopt a configuration in which the gas is gasified by heat generated from both of them and supplied to the ammonia fuel solid oxide fuel cell as fuel.

後に、第二実施形態で詳述するように、燃料としてのアンモニアガスの使用以外の用途がある場合(例えば、比較的低温のアンモニアガスをそのまま使用できる場合)、気液分離手段を備え、この分離手段で分離される気体側分離物はそのまま使用し、液体側のみをエンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱でさらにガス化してアンモニア燃料固体酸化物側燃料電池に送ると、両用途に使用するアンモニアの量及び性状(特に温度)を好適に制御することができるとともに、高温とする必要のある燃料側の加熱量を適切最小限に調整することが可能となる。   Later, as described in detail in the second embodiment, when there is an application other than the use of ammonia gas as a fuel (for example, when relatively low temperature ammonia gas can be used as it is), a gas-liquid separation means is provided. The gas side separation separated by the separation means is used as it is, and only the liquid side is further gasified with heat generated from the engine and / or the combustion means, and sent to the ammonia fuel solid oxide side fuel cell. The amount and properties (particularly temperature) of ammonia used for both applications can be suitably controlled, and the amount of heating on the fuel side that needs to be high can be adjusted to an appropriate minimum.

さらに、前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に、前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱により燃料であるアンモニアを熱分解する熱分解手段を備え、当該熱分解手段で生成される水素が固体酸化物形燃料電池のアノードに供給される構成とされることが好ましい。   Furthermore, the ammonia fuel solid oxide fuel cell is provided with a thermal decomposition means for thermally decomposing ammonia as a fuel by heat generated from the engine and / or the combustion means, and is generated by the thermal decomposition means. Preferably, hydrogen is supplied to the anode of the solid oxide fuel cell.

先にも説明したように、発明者らの検討によれば、アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池では、燃料であるアンモニアを直接アノードに導き、極近傍でアンモニア分解を起させると、電池温度(セル温度)の低下に伴って発電電力の低下が起こる場合がある。   As described above, according to the study by the inventors, in an ammonia fuel solid oxide fuel cell, when ammonia as a fuel is directly led to the anode and ammonia decomposition is caused in the immediate vicinity, the cell temperature ( A decrease in generated power may occur with a decrease in cell temperature.

即ち、発明者らの検討により、SOFCのアノードに燃料としてアンモニアを直接供給した場合と、アンモニアを分解した状態で得られる水素と窒素の混合物とを供給した場合とで、SOFCの温度に依存して、取出し可能な電流量が大きく変わることが判明した。   That is, according to the study by the inventors, depending on the temperature of the SOFC, the case where ammonia is directly supplied to the anode of the SOFC and the case where a mixture of hydrogen and nitrogen obtained by decomposing ammonia is supplied. As a result, it was found that the amount of current that can be extracted varies greatly.

この検討結果を、詳細に図4に基づいて説明する。
図4は、横軸に電流密度〔A/cm〕を、縦軸に平均セル電圧〔V〕を取ったものであり、異なった動作温度において、電流密度の増加に伴って平均セル電圧がどのように変化するかを試験した結果である。
The result of this examination will be described in detail based on FIG.
FIG. 4 shows the current density [A / cm 2 ] on the horizontal axis and the average cell voltage [V] on the vertical axis. The average cell voltage increases as the current density increases at different operating temperatures. It is the result of testing how it changes.

試験においては、SOFCセルとしては、以下の構成の一般的なSOFCを使用した。
図1にSOFCセル55を模式的に示しているが、固体電解質(固体酸化物形電解質)51の一方の側にアノード52を、他方の側にカソード53を有してSOFCセル55は構成され、アノード52の固体電解質51とは反対側となる面に燃料ガスが供給され、カソード53の固体電解質51とは反対側となる面に酸化性ガスが供給されて、発電反応が起る。SOFCセルの形状は平板型とした。従って、固体電解質51、アノード(燃料極)52、カソード(空気極)53も基本的には平板状とあり、セルの支持型は燃料極支持型とした。
In the test, a general SOFC having the following configuration was used as the SOFC cell.
FIG. 1 schematically shows an SOFC cell 55. The SOFC cell 55 is configured by having an anode 52 on one side of a solid electrolyte (solid oxide electrolyte) 51 and a cathode 53 on the other side. The fuel gas is supplied to the surface of the anode 52 opposite to the solid electrolyte 51, and the oxidizing gas is supplied to the surface of the cathode 53 opposite to the solid electrolyte 51 to cause a power generation reaction. The shape of the SOFC cell was a flat plate type. Therefore, the solid electrolyte 51, the anode (fuel electrode) 52, and the cathode (air electrode) 53 are basically flat, and the cell support type is the fuel electrode support type.

固体酸化物形電解質51の材料は、所謂、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)を基本とする酸素イオン伝導性セラミックス材料とし、その厚さは5〜100μmの範囲とした。   The material of the solid oxide electrolyte 51 was an oxygen ion conductive ceramic material based on so-called YSZ (yttria-stabilized zirconia), and its thickness was in the range of 5 to 100 μm.

アノードである燃料極52は、良く知られているように、燃料(本願の場合はアンモニア)に依存して決定されるSOFCで一般に使用される燃料極材料を選択しており、燃料極電極触媒と固体酸化物形電解質粒子により形成される。   As is well known, a fuel electrode material generally used in SOFC, which is determined depending on the fuel (in this case, ammonia), is selected for the fuel electrode 52 that is an anode. And solid oxide electrolyte particles.

燃料極電極触媒の材料としてはニッケルを基本とする材料とし、燃料極52中に含まれる固体電解質粒子は、先に説明した固体酸化物形電解質51を構成する材料とした。また、燃料極52の厚さは200〜2000μm程度とした。   The material of the fuel electrode electrode catalyst is nickel, and the solid electrolyte particles contained in the fuel electrode 52 are the materials constituting the solid oxide electrolyte 51 described above. The thickness of the fuel electrode 52 was about 200 to 2000 μm.

カソードである空気極53の材料としては、通常のSOFCに用いられる空気極材料を用いた。良くしられているように、空気極は空気極電極触媒と固体酸化物形電解質粒子により形成される。   As a material of the air electrode 53 which is a cathode, the air electrode material used for normal SOFC was used. As is well known, the air electrode is formed by an air electrode electrode catalyst and solid oxide electrolyte particles.

空気極電極触媒としては、マンガン系、フェライト系、コバルト系やニッケル系ペロブスカイト型構造の酸化物を使用し、空気極53中に含有される固体酸化物形電解質粒子は、燃料極で用いることのできる固体酸化物形電解質粒子と同様の材料を使用した。また、空気極53の厚さは20〜200μm程度とした。   As the air electrode electrode catalyst, an oxide having a manganese-based, ferrite-based, cobalt-based or nickel-based perovskite structure is used, and the solid oxide electrolyte particles contained in the air electrode 53 are used in the fuel electrode. The same material as the solid oxide electrolyte particles that could be used was used. The thickness of the air electrode 53 was about 20 to 200 μm.

図4は、電池温度が異なる場合の電圧を示しており、右下がりの各線がアノード52に水素H及び窒素Nを供給した場合の各電池温度での結果であり、各線に対して分散した記号で示される各記号位置が、アンモニアNHを直接アノード52に供給した場合の結果である。記号と温度の関係を同図右上に示している。 FIG. 4 shows the voltages when the battery temperatures are different, and each line on the lower right is the result at each battery temperature when hydrogen H 2 and nitrogen N 2 are supplied to the anode 52, and is distributed for each line. Each symbol position indicated by the symbol is the result when ammonia NH 3 is supplied directly to the anode 52. The relationship between the symbol and temperature is shown in the upper right of the figure.

この結果からも判明するように、一般的なSOFCの作動温度域である600℃〜800℃の温度域において、比較的高温側の温度域(例えば750℃、800℃)では、燃料の種類による電圧の低下はそれほど認められない。対して、比較的低温側の温度域(例えば、600℃、650℃)では、燃料を水素+窒素とする場合とアンモニアとする場合とで、大きな差があることが判る。さらに、また、600℃においては取出し可能な電流量にかなりの差が現れることが判る。   As can be seen from this result, in a temperature range of 600 ° C. to 800 ° C., which is a general SOFC operating temperature range, in a relatively high temperature range (for example, 750 ° C. and 800 ° C.), it depends on the type of fuel. There is not much decrease in voltage. On the other hand, it can be seen that there is a large difference between the case where the fuel is hydrogen + nitrogen and the case where ammonia is used in the relatively low temperature range (for example, 600 ° C. and 650 ° C.). Furthermore, it can be seen that a considerable difference appears in the amount of current that can be taken out at 600 ° C.

従って、熱分解手段を別途設けておくことにより、固体酸化物形燃料電池が本来発揮すべき性能を、アンモニアを燃料とする本願に係るエンジンシステムにおいても良好に発揮させることができる。   Therefore, by separately providing the thermal decomposition means, the performance that should be originally exhibited by the solid oxide fuel cell can be satisfactorily exhibited also in the engine system according to the present application using ammonia as a fuel.

さて、前記窒素酸化物除去手段が、前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを還元剤とするアンモニア還元型窒素酸化物除去手段であり、
前記尿素水加水分解手段により得られる分解物を気液分離する気液分離手段を備え、
前記気液分離手段により分離される気体側分離物を還元剤として前記アンモニア還元型窒素酸化物除去手段に供給するとともに、液体側分離物を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱によりガス化し、燃料として前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に供給する構成で、
前記気液分離手段のよる気液分離に関し、前記気体側分離物の量をアンモニア還元型窒素酸化物除去手段で必要とされる還元剤の量に、前記液体側分離物の量を前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池において必要とされる燃料の量に対応する量に調整する気液分離調整手段を備えることが好ましい。
Now, the nitrogen oxide removing means is ammonia reducing nitrogen oxide removing means using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a reducing agent,
Gas-liquid separation means for gas-liquid separation of the decomposition product obtained by the urea water hydrolysis means,
The gas-side separation separated by the gas-liquid separation means is supplied as a reducing agent to the ammonia reduction nitrogen oxide removal means, and the liquid-side separation is generated from the engine and / or the combustion means. Gasified by heat and supplied to the ammonia fuel solid oxide fuel cell as fuel,
Regarding the gas-liquid separation by the gas-liquid separation means, the amount of the gas-side separation is the amount of reducing agent required by the ammonia reduction-type nitrogen oxide removal means, and the amount of the liquid-side separation is the ammonia fuel. It is preferable to provide gas-liquid separation adjusting means for adjusting to an amount corresponding to the amount of fuel required in the solid oxide fuel cell.

先に説明したように、気液分離手段を備えることで、電池燃料とするアンモニアと、その他の用途に使用するアンモニアとの間で、それらの温度及び量の調整が可能となる。ここで、アンモニア還元型窒素酸化物除去手段で気体側分離物であるアンモニアを使用する構成を採用することで、エンジンによる動力発生、燃料電池による発電、さらには、それら動作に伴う窒素酸化物の発生を適切に制御可能となる。   As described above, by providing the gas-liquid separation means, it is possible to adjust the temperature and amount between ammonia used as battery fuel and ammonia used for other purposes. Here, by adopting a configuration that uses ammonia that is a gas side separation in the ammonia reduction type nitrogen oxide removing means, power generation by the engine, power generation by the fuel cell, and further, the generation of nitrogen oxides accompanying these operations Generation can be controlled appropriately.

これまで説明したエンジンシステムで採用するエンジンとしては、ガソリンを燃料とするガソリンエンジン、軽油又はガソリンを燃料とするディーゼルエンジン、さらには、天然ガス等の炭化水素ガスを燃料とするガスエンジンを採用できる。   As the engine used in the engine system described so far, a gasoline engine using gasoline as fuel, a diesel engine using diesel oil or gasoline as fuel, and a gas engine using hydrocarbon gas such as natural gas as fuel can be used. .

特に、本願に係るエンジンシステムは、燃焼手段及び窒素酸化物除去手段を備えるため、可燃物粒子が問題となるディーゼルエンジンが使用されるシステムに有効である。   In particular, since the engine system according to the present application includes combustion means and nitrogen oxide removal means, it is effective for a system in which a diesel engine in which combustible particles are a problem is used.

以上が、本願のエンジンシステムの構成であるが、先にも説明したように、
炭化水素燃料を燃焼して運転されるエンジンと、
当該エンジンから発生する排ガスが流れる排ガス路に、前記排ガス中の可燃物を燃焼する燃焼手段と、前記排ガス中の窒素酸化物を除去する窒素酸化物除去手段とを、記載順に備えたエンジンシステムの運転方法としては、
尿素水を貯蔵する尿素水貯蔵手段から供給される尿素水を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱を使用して加水分解する尿素水加水分解手段と、
前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを燃料とするアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池とを備え、
前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池から発生する燃料電池オフガスを前記エンジン排ガス路に備えられる前記燃焼手段に導くオフガス導入路を備えた本願に係るエンジンシステムにおいて、
前記尿素水貯蔵手段から尿素水を前記尿素水加水分解手段によりエンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱を使用して加水分解するとともに、前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを燃料としてアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に導き、エンジン動力による発電の停止後に、前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池が電力を供給するエンジンシステムの運転方法を取ることも可能となる。
The above is the configuration of the engine system of the present application. As described above,
An engine operated by burning hydrocarbon fuel;
An engine system comprising combustion means for combusting combustibles in the exhaust gas and nitrogen oxide removing means for removing nitrogen oxide in the exhaust gas in the order of description in an exhaust gas path through which exhaust gas generated from the engine flows. As a driving method,
Urea water hydrolysis means for hydrolyzing urea water supplied from urea water storage means for storing urea water using heat generated from the engine and / or the combustion means;
An ammonia fuel solid oxide fuel cell using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a fuel,
In the engine system according to the present application, which includes an off-gas introduction path that guides a fuel cell off-gas generated from the ammonia fuel solid oxide fuel cell to the combustion means provided in the engine exhaust path,
The urea water is hydrolyzed from the urea water storage means by the urea water hydrolysis means using heat generated from the engine and / or the combustion means, or both, and the ammonia produced by the urea water hydrolysis means It is also possible to take the method of operating the engine system in which the ammonia fuel solid oxide fuel cell supplies electric power after stopping the power generation by the engine motive power.

例えば、エンジン運転中にアンモニアガスを得るとともに、アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池を、その発電状態としておくことで、エンジン停止後においても燃料電池側での発電を継続することができる。即ち、本願システムの備えるアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池が補助電源としてもの役目を充分担える。   For example, while obtaining ammonia gas during engine operation and keeping the ammonia fuel solid oxide fuel cell in its power generation state, power generation on the fuel cell side can be continued even after the engine is stopped. That is, the ammonia fuel solid oxide fuel cell included in the present system can sufficiently serve as an auxiliary power source.

一方、炭化水素燃料を燃焼して運転されるエンジンと、
当該エンジンから発生する排ガスが流れる排ガス路に、前記排ガス中の可燃物を燃焼する燃焼手段と、前記排ガス中の窒素酸化物を除去する窒素酸化物除去手段とを、記載順に備えたエンジンシステムの運転方法として、
尿素水を貯蔵する尿素水貯蔵手段から供給される尿素水を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱を使用して加水分解する尿素水加水分解手段と、
前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを燃料とするアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池とを備え、
前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池から発生する燃料電池オフガスを前記エンジン排ガス路に備えられる前記燃焼手段に導くオフガス導入路を備え、
前記窒素酸化物除去手段が、前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを還元剤とするアンモニア還元型窒素酸化物除去手段であり、
前記尿素水加水分解手段により得られる分解物を気液分離する気液分離手段を備え、
前記気液分離手段により分離される気体側分離物を還元剤として前記アンモニア還元型窒素酸化物除去手段に供給するとともに、液体側分離物を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱によりガス化し、燃料として前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に供給する構成として、本願に係るエンジンシステムを構築しておき、
前記気液分離手段のよる気液分離に関し、前記気体側分離物の量をアンモニア還元型窒素酸化物除去手段で必要とされる還元剤の量に、前記液体側分離物の量を、前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池において必要とされる燃料の量に対応する量に調整することで、熱的及び量的な調整を伴ってエンジンシステムを適切に運転できる。
On the other hand, an engine operated by burning hydrocarbon fuel,
An engine system comprising combustion means for combusting combustibles in the exhaust gas and nitrogen oxide removing means for removing nitrogen oxide in the exhaust gas in the order of description in an exhaust gas path through which exhaust gas generated from the engine flows. As a driving method,
Urea water hydrolysis means for hydrolyzing urea water supplied from urea water storage means for storing urea water using heat generated from the engine and / or the combustion means;
An ammonia fuel solid oxide fuel cell using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a fuel,
An off-gas introduction path for guiding a fuel cell off-gas generated from the ammonia fuel solid oxide fuel cell to the combustion means provided in the engine exhaust gas path;
The nitrogen oxide removing means is ammonia reducing nitrogen oxide removing means using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a reducing agent,
Gas-liquid separation means for gas-liquid separation of the decomposition product obtained by the urea water hydrolysis means,
The gas-side separation separated by the gas-liquid separation means is supplied as a reducing agent to the ammonia reduction nitrogen oxide removal means, and the liquid-side separation is generated from the engine and / or the combustion means. As a configuration that gasifies by heat and supplies the fuel to the ammonia fuel solid oxide fuel cell, an engine system according to the present application is constructed,
Regarding the gas-liquid separation by the gas-liquid separation means, the amount of the gas-side separation is changed to the amount of reducing agent required by the ammonia reduction-type nitrogen oxide removal means, and the amount of the liquid-side separation is changed to the ammonia. By adjusting to an amount corresponding to the amount of fuel required in the fuel solid oxide fuel cell, the engine system can be appropriately operated with thermal and quantitative adjustment.

この方法においても、前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に、前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱により燃料であるアンモニアを熱分解する熱分解手段を備え、当該熱分解手段で水素を生成し固体酸化物形燃料電池のアノードに供給する運転形態を採用し、アンモニア還元型窒素酸化物除去手段で気体側分離物であるアンモニアを使用する構成を採用することで、エンジンによる動力発生、燃料電池による発電、さらには、それら動作に伴う窒素酸化物の発生を適切に制御可能となる。   Also in this method, the ammonia fuel solid oxide fuel cell is provided with a thermal decomposition means for thermally decomposing ammonia as a fuel by heat generated from the engine and / or the combustion means, or both, and the thermal decomposition means By adopting an operation mode in which hydrogen is generated and supplied to the anode of a solid oxide fuel cell, and ammonia that is a gas side separation is used in the ammonia reduction type nitrogen oxide removing means, It is possible to appropriately control power generation, power generation by the fuel cell, and generation of nitrogen oxides accompanying these operations.

第一実施形態に係るエンジンシステム100の構成を示す図The figure which shows the structure of the engine system 100 which concerns on 1st embodiment. 第二実施形態に係るエンジンシステム101の構成を示す図The figure which shows the structure of the engine system 101 which concerns on 2nd embodiment. 本願に係るエンジンシステムにおいて好適に採用できる固体酸化物形燃料電池の具体的構成を示す図The figure which shows the specific structure of the solid oxide fuel cell which can be employ | adopted suitably in the engine system which concerns on this application アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池の温度低下に伴うセル電圧の低下状況を示す図The figure which shows the fall state of the cell voltage accompanying the temperature fall of the ammonia fuel solid oxide fuel cell

以下、本願に係るエンジンシステム100,101に関して図面に基づいて説明する。
以下の説明では、第一実施形態及び第二実施形態について説明する。
これらの実施形態は、共に、エンジン1から排気される排ガス路2に燃焼器3(燃焼手段の一種)と窒素酸化物除去器4(窒素酸化物除去手段の一種)を記載順に備えて構成されており、さらに、尿素水を加水分解して得られるアンモニアを燃料とするアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池5を備えている。
Hereinafter, engine systems 100 and 101 according to the present application will be described with reference to the drawings.
In the following description, the first embodiment and the second embodiment will be described.
In both of these embodiments, a combustor 3 (a kind of combustion means) and a nitrogen oxide remover 4 (a kind of nitrogen oxide removal means) are provided in the exhaust gas path 2 exhausted from the engine 1 in the order of description. Furthermore, an ammonia fuel solid oxide fuel cell 5 is provided which uses ammonia obtained by hydrolyzing urea water as fuel.

本願の特徴の一つは、エンジン1で発生する排熱であって、通常の排熱回収を終えて350℃以下まで低温化した熱を利用して、尿素水を加水分解してアンモニアを得、このアンモニアを燃料としてSOFCを働かせ、電力を得ることにある。   One of the features of the present application is the exhaust heat generated in the engine 1, and the ammonia water is hydrolyzed to obtain ammonia by using heat that has been recovered from normal exhaust heat and lowered to 350 ° C. or lower. This is to use SOFC as fuel and to obtain electric power.

第一実施形態は上述の基本的な構成を備えたエンジンシステム100の例であり、第二実施形態は、尿素水の加水分解により気液混相状態で得られる分解物を気体側及び液体側に、それぞれ分離する気液分離器6(気液分離手段の一種)を備え、気体側分離物及び液体側分離物を別異の用途に使用するように構成例である。この実施形態のエンジンシステム101では、液体側分離物を、さらにエンジン排熱を使用してガス化、分解して、主に水素をSOFCのアノード52に供給して、電力を得る構成を採用している。   1st embodiment is an example of the engine system 100 provided with the above-mentioned basic composition, and 2nd embodiment is the gas side and the liquid side in the decomposition product obtained in a gas-liquid mixed phase state by hydrolysis of urea water. The gas-liquid separator 6 (a kind of gas-liquid separation means) that separates the gas-side separator and the liquid-side separator is used in different applications. In the engine system 101 of this embodiment, the liquid side separation is further gasified and decomposed using engine exhaust heat, and hydrogen is mainly supplied to the anode 52 of the SOFC to obtain electric power. ing.

以下、順に説明する。
〔第一実施形態〕
図1に、この実施形態のシステム構成を示した。
同図は、上側にエンジン1から発生する排ガスの排気、処理系統を示し、下側にアンモニアを燃料とするSOFC5に於ける燃料の供給構成及び電力の取出し構成を示している。
エンジン1及び燃焼器3から発生する熱の利用形態を太実線で示すとともに、SOFC5から放出される燃料電池オフガスの燃焼器3への導入形態を破線で示した。この経路を本願ではオフガス導入路と呼ぶ。
Hereinafter, it demonstrates in order.
[First embodiment]
FIG. 1 shows the system configuration of this embodiment.
This figure shows an exhaust gas treatment system for the exhaust gas generated from the engine 1 on the upper side, and shows a fuel supply configuration and a power extraction configuration in the SOFC 5 using ammonia as a fuel on the lower side.
The utilization form of the heat generated from the engine 1 and the combustor 3 is indicated by a thick solid line, and the introduction form of the fuel cell off-gas released from the SOFC 5 to the combustor 3 is indicated by a broken line. This route is referred to as an off-gas introduction route in the present application.

同図に示すように、エンジンシステム100は軽油あるいはガソリンといった炭化水素燃料を燃焼して運転されるエンジン1を備え、このエンジン1から発生する排ガスが流れる排ガス路2に、排ガス中の可燃物を燃焼する燃焼器3と、窒素酸化物を除去する窒素酸化物除去器4とを、記載順に備えて構成される。
燃焼器3は、一般的な燃料の供給を受けて器内に火焔を形成して燃焼する燃焼バーナ形態のもの、或は器内に白金、バナジウム、ルテニウム、ロジウム等の燃焼触媒を収納した触媒燃焼形態のものとできる。窒素酸化物除去器4は,よく知られているように、還元剤としてのアンモニアの供給を受けて触媒反応により脱硝する窒素酸化物除去器を採用できる。窒素酸化物除去触媒としてはSCR触媒(バナジウム、モリブデン、タングステン、ゼオライト、貴金属の一種以上)を採用する。
As shown in the figure, an engine system 100 includes an engine 1 that is operated by burning hydrocarbon fuel such as light oil or gasoline, and combustible substances in the exhaust gas are placed in an exhaust gas passage 2 through which the exhaust gas generated from the engine 1 flows. A combustor 3 that burns and a nitrogen oxide remover 4 that removes nitrogen oxides are provided in the order of description.
The combustor 3 is of a combustion burner type that receives a general fuel supply to form a flame in the chamber and burns it, or a catalyst containing a combustion catalyst such as platinum, vanadium, ruthenium, rhodium in the chamber It can be in a combustion form. As is well known, the nitrogen oxide remover 4 can employ a nitrogen oxide remover that receives ammonia supplied as a reducing agent and denitrates by a catalytic reaction. As the nitrogen oxide removal catalyst, an SCR catalyst (one or more of vanadium, molybdenum, tungsten, zeolite, and noble metal) is employed.

さらに、このシステム100には、尿素水を貯蔵する尿素水貯蔵器7(尿素水貯蔵手段の一種)から供給される尿素水をエンジン1から発生する熱を使用して加水分解する尿素水加水分解器8(尿素水加水分解手段の一種)と、この尿素水加水分解器8で生成されるアンモニアを燃料として働くSOFC5とが備えられる。SOFC5は、燃料であるアンモニアがアノード52にまで導かれ、別途供給される酸化性ガスである酸素を含む空気がカソード53に導かれて発電を行う。   Further, this system 100 includes urea water hydrolysis in which urea water supplied from a urea water storage 7 (a kind of urea water storage means) for storing urea water is hydrolyzed using heat generated from the engine 1. A vessel 8 (a kind of urea water hydrolysis means) and a SOFC 5 that uses ammonia produced by the urea water hydrolyzer 8 as fuel. In the SOFC 5, ammonia as fuel is led to the anode 52, and air containing oxygen which is separately supplied oxidizing gas is led to the cathode 53 to generate power.

尿素水加水分解器8は、尿素水貯蔵器7から常温の尿素((NHCO)と水(HO)との混合物として得られる尿素水((NHCO+HO)を、加熱によりアンモニア(NH)と二酸化炭素(CO)とに加水分解する分解器である。この尿素水加水分解器8で分解に使用する熱は、図示するように、エンジン1で発生する熱であり、350℃程度まで低温化した熱である。従って、SOFC5には、尿素水加水分解器8で得られたアンモニア(NH)が燃料として供給される。 Urea water hydrolysis unit 8, the normal temperature of the urea from the urea water reservoir 7 ((NH 2) 2 CO ) and water (H 2 O) and urea water obtained as a mixture of ((NH 2) 2 CO + H 2 O) Is a hydrolyzer that hydrolyzes to ammonia (NH 3 ) and carbon dioxide (CO 2 ) by heating. The heat used for decomposition in the urea water hydrolyzer 8 is heat generated in the engine 1 as shown in the figure, and is heat reduced to about 350 ° C. Therefore, ammonia (NH 3 ) obtained by the urea water hydrolyzer 8 is supplied to the SOFC 5 as a fuel.

SOFC5は、固体電解質51を挟んでアノード52及びカソード53が設けられた燃料電池セル55を多数電気的に接続したスタック(図示省略)として構成され、図1にも示すように、アノード52に燃料としてのアンモニア或はアンモニアの分解により生成される水素が供給され、カソード53に酸化剤としての酸化性ガス(空気)が供給される。   The SOFC 5 is configured as a stack (not shown) in which a large number of fuel cells 55 each provided with an anode 52 and a cathode 53 are sandwiched with a solid electrolyte 51 interposed therebetween, and as shown in FIG. Ammonia or hydrogen produced by the decomposition of ammonia is supplied, and an oxidizing gas (air) as an oxidant is supplied to the cathode 53.

ここでの発電反応は、燃料として水素が供給された場合は以下の通りである。
アノード:H+O2−→HO+2e
カソード:O+4e→2O2−
The power generation reaction here is as follows when hydrogen is supplied as fuel.
Anode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e
Cathode: O 2 + 4e → 2O 2−

一方、燃料がアンモニアとして供給された場合に、アノード52及びカソード53において発生する電池反応は図面に示した通りであり、以下の通りである。
アノード:2NH+3O2−→N+3HO+6e
カソード:3/2O+6e→3O2−
On the other hand, when the fuel is supplied as ammonia, the cell reaction that occurs at the anode 52 and the cathode 53 is as shown in the drawing and is as follows.
Anode: 2NH 3 + 3O 2− → N 2 + 3H 2 O + 6e
Cathode: 3 / 2O 2 + 6e → 3O 2−

固体電解質51、アノード52及びカソード53の材料構成は、先に図4の試験で採用した材料の組み合わせのものを採用できる他、アンモニアを直接燃料とする一般のSOFCを採用できる。   As the material configuration of the solid electrolyte 51, the anode 52, and the cathode 53, a combination of materials previously adopted in the test of FIG. 4 can be adopted, and a general SOFC using ammonia as a direct fuel can be adopted.

即ち、固体電解質51の材料としては、SOFCの固体酸化物形電解質として公知のものを使用することができ、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、これらのジルコニアにさらにCe、Al等をドープしたジルコニア系粉末、SDC(サマリアドープドセリア)、GDC(ガドリアドープドセリア)等のドープセリア系粉末、LSGM(ランタンガレート)系粉末、酸化ビスマス系粉末などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。これらの固体酸化物形電解質は、必要ならば、2種類以上を混合して使用してもよい。   That is, as the material of the solid electrolyte 51, those known as SOFC solid oxide electrolytes can be used. For example, YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), and these zirconia Furthermore, oxygen ions such as zirconia powder doped with Ce, Al, etc., doped ceria powder such as SDC (Samaria doped ceria), GDC (gadria doped ceria), LSGM (lanthanum gallate) powder, bismuth oxide powder, etc. Conductive ceramic materials can be used. These solid oxide electrolytes may be used in combination of two or more if necessary.

さらに、アノード52にはニッケルの他、コバルトが混合されていてもよい。   Further, the anode 52 may be mixed with cobalt in addition to nickel.

SOFC5の発電は、600〜800℃程度の高温域での反応であり、本願に係るエンジンシステム100では、SOFC5自体の発熱の他、エンジン1及び燃焼器3からの熱を共に利用してSOFC5の発電状態を維持する。結果、エンジン1及び燃焼器3で発生する熱を電力に変換して有効利用することができる。   The power generation of the SOFC 5 is a reaction in a high temperature range of about 600 to 800 ° C. In the engine system 100 according to the present application, in addition to the heat generation of the SOFC 5 itself, the heat from the engine 1 and the combustor 3 is used together. Maintain power generation. As a result, the heat generated in the engine 1 and the combustor 3 can be converted into electric power for effective use.

また、このエンジンシステム100は、SOFC5から発生する燃料電池オフガスを排ガス路2に備えられる燃焼器3に導くオフガス導入路(破線で示した)を備え、燃料電池オフガスが燃焼器3及び窒素酸化物除去器4で処理されるように構成されている。   The engine system 100 also includes an off-gas introduction path (shown by a broken line) that guides the fuel cell off-gas generated from the SOFC 5 to the combustor 3 provided in the exhaust gas path 2, and the fuel cell off-gas is connected to the combustor 3 and the nitrogen oxides. It is configured to be processed by the remover 4.

本願のようにアンモニアを燃料とするSOFC5から発生する燃料電池オフガスに、図示するように、水素(H)、窒素(N)、二酸化炭素(CO)、水(HO)、アンモニア(NH)、窒素酸化物(NOx)が含まれる場合ある。水素、窒素、二酸化炭素、水、窒素酸化物は、アンモニアを分解して電池発電を継続している状態で主にオフガスに含まれることがあるガスである。ここで窒素酸化物が挙がるのは、SOFC自体が高温作動するため、微量ではあるが電池、その後の工程に設けられるアノード排ガスとカソード排ガスとの混合部位での局所的な昇温により発生することがあるためである。アンモニアは、例えばSOFC5が充分昇温されていない状態にある運転開始時、あるいは降温されてくる運転停止時に、オフガスに含まれることがある。 As shown in the figure, the fuel cell off-gas generated from the SOFC 5 using ammonia as a fuel, as shown in the figure, is hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O), ammonia (NH 3 ) and nitrogen oxide (NOx) may be included. Hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, water, and nitrogen oxides are gases that are mainly contained in off-gas in a state where ammonia is decomposed and battery power generation is continued. Nitrogen oxides appear here because SOFC itself operates at a high temperature, but it is generated by local temperature rise at the mixing site of the anode exhaust gas and cathode exhaust gas provided in the battery and the subsequent process, although it is a small amount. Because there is. Ammonia may be included in the off-gas, for example, at the start of operation when the temperature of the SOFC 5 is not sufficiently raised or when the operation is lowered.

このように、燃料電池オフガスには、SOFC側の運転段階にも依存して様々なガスが含まれることがあり、電池自体から放出される。しかしながら、本願に係るシステムでは、本来、エンジン排ガスを処理するために設けられている処理機構を利用して、不要なガスを放出することなく、SOFC5の良好な運転を確保できる。   Thus, the fuel cell off-gas may contain various gases depending on the operation stage on the SOFC side, and is released from the cell itself. However, in the system according to the present application, it is possible to ensure a good operation of the SOFC 5 without releasing unnecessary gas by using a processing mechanism originally provided for processing engine exhaust gas.

さらに、図1に示すエンジンシステム100は、太実線で示すように、エンジン1から発生する熱の利用に関し、SOFC5の加熱に使用する第一熱交換部11(第一熱利用手段の一種)と、尿素水加水分解器8に於ける加水分解に使用する第二熱交換部12(第二熱利用手段の一種)とを備えて構成されている。同図では簡略化して図示しているが、エンジン1からの排熱を回収するための熱交換部10として、SOFC5を構成する筐体(前記SOFCセルの集合体であるSOFCスタックを収納する筐体)と熱交換を行う第一熱交換部11と、第一熱交換部11で熱回収を終えた低温側の熱回収を行う第二熱交換部12とを、温度的に前者が後者より高温側に位置するように配置することで、このような熱的配置構成を実現できる。例えば、エンジンジャケットに熱的に実質直接接続した形態で筐体を設け、SOFC5の高温維持を図り、その部位から離間した位置に尿素水加水分解器8を設けることで、高温側の熱と低温側の熱の利用を適切に実現することが可能となる。   Further, as shown by a thick solid line, the engine system 100 shown in FIG. 1 relates to the use of heat generated from the engine 1 and a first heat exchange unit 11 (a kind of first heat utilization means) used for heating the SOFC 5. The second heat exchanging section 12 (a kind of second heat utilization means) used for hydrolysis in the urea water hydrolyzer 8 is configured. Although simplified in the figure, as a heat exchanging unit 10 for recovering exhaust heat from the engine 1, a casing constituting the SOFC 5 (a casing for storing a SOFC stack, which is an assembly of the SOFC cells). The first heat exchanging part 11 for exchanging heat with the body, and the second heat exchanging part 12 for recovering the low-temperature side heat recovered from the first heat exchanging part 11 in terms of temperature. Such a thermal arrangement configuration can be realized by arranging it so as to be located on the high temperature side. For example, the casing is provided in a form that is thermally and directly connected to the engine jacket, the SOFC 5 is maintained at a high temperature, and the urea water hydrolyzer 8 is provided at a position away from the site, so that the heat on the high temperature side and the low temperature can be reduced. It is possible to appropriately use the heat on the side.

また、図1にも示すように、第一熱交換部11及び第二熱交換部12には、燃焼器3からの熱も伝熱されるように構成されており、同様に燃焼器3で発生する熱もその高温側、低温側について利用可能とされている。   Further, as shown in FIG. 1, the heat from the combustor 3 is also transferred to the first heat exchange unit 11 and the second heat exchange unit 12, and similarly generated in the combustor 3. The heat to be used can be used on the high temperature side and the low temperature side.

即ち、第一熱利用手段11で高温側の熱を使用し、当該第一熱利用手段11における熱利用により低温化した低温側の熱を第二熱利用手段12で使用する構成としている。   That is, the first heat utilization means 11 uses heat on the high temperature side, and the second heat utilization means 12 uses the low-temperature side heat lowered by the heat utilization in the first heat utilization means 11.

さて、このエンジンシステム100にあっては、エンジン1或は燃焼器3で発生する熱を利用して、尿素水の加水分解を実行し、SOFC5の燃料となるアンモニアを得ることとなるため、エンジン1が働いている状態でSOFC5を働かせて電力を得ることが可能である。   In the engine system 100, the heat generated in the engine 1 or the combustor 3 is used to hydrolyze urea water to obtain ammonia as fuel for the SOFC 5, so that the engine It is possible to obtain power by operating the SOFC 5 while 1 is operating.

さらに、SOFC5は、燃料の供給を受けてそれ自体が発電を継続することができる。
従って、本願に係るエンジンシステム100では、尿素水加水分解器8による加水分解を完了したアンモニアを一時的且つ部分的に貯蔵しておく構成を採用すると、エンジン動力による発電の停止後に、SOFC5の単独運転状態を維持して、所定の時間発電を継続することも可能となる。
Further, the SOFC 5 itself can continue to generate power upon receiving the supply of fuel.
Therefore, in the engine system 100 according to the present application, when the configuration in which the ammonia that has been hydrolyzed by the urea water hydrolyzer 8 is temporarily and partially stored is employed, the power generation by the engine power is stopped, and the SOFC 5 alone It is also possible to maintain the operation state and continue power generation for a predetermined time.

〔第二実施形態〕
図2に、この実施形態のシステム構成を示した。
同図においても、上側にエンジン1から発生する排ガスの排気、処理系統を示し、下側にアンモニアを燃料とするSOFC5に於ける燃料の供給構成及び電力の取出し構成を示している。さらに、図1と同様に、SOFC5から放出される燃料電池オフガスの燃焼器3への導入を破線で示している。
[Second Embodiment]
FIG. 2 shows the system configuration of this embodiment.
Also in this figure, the exhaust gas exhaust and treatment system generated from the engine 1 is shown on the upper side, and the fuel supply configuration and power extraction configuration in the SOFC 5 using ammonia as fuel are shown on the lower side. Further, as in FIG. 1, the introduction of the fuel cell off-gas released from the SOFC 5 into the combustor 3 is indicated by a broken line.

この第二実施形態は気液分離器6を備えることを特徴とするが、当該気液分離器6により分離される分離物それぞれの供給系統を細実線で示している。   Although this 2nd embodiment is provided with the gas-liquid separator 6, the supply system of each separated material isolate | separated by the said gas-liquid separator 6 is shown with the thin continuous line.

エンジン1から発生する熱の利用を太実線で示す点に関しては図1と同様である。
ただし、この例では、エンジン1で発生する熱は、尿素水分解、気液分離器6で分離された液体側分離物の加熱ガス化、さらに、液体側分離物の加熱により得られるアンモニア(ガス状態)の熱分解にも使用する。このような利用形態を採用する場合に於ける、物質移動量、及び各部位で必要となるエネルギー量(必要熱量)の概略を同図に一例として記した。この利用形態では、SLディーゼルエンジンを2000回転/分(rpm)させた場合に得られる排熱を想定した。
The use of heat generated from the engine 1 is indicated by a thick solid line as in FIG.
However, in this example, the heat generated in the engine 1 is generated by the decomposition of urea water, the gasification of the liquid-side separation separated by the gas-liquid separator 6, and the ammonia (gas) obtained by heating the liquid-side separation. It is also used for thermal decomposition. An outline of the mass transfer amount and the energy amount (necessary heat amount) required at each part in the case of adopting such a utilization form is shown as an example in FIG. In this mode of use, exhaust heat obtained when the SL diesel engine is rotated at 2000 rpm is assumed.

以下、システム構成を中心にさらに詳細に説明する。
エンジンシステム101は、軽油を燃料として運転されるエンジン1を備え、エンジン1から発生する排ガスが流れる排ガス路2に、燃焼器3と、窒素酸化物除去器4とを、記載順に備える。さらに、尿素水貯蔵器7、尿素水加水分解器8、及びSOFC5を備える点において、第一実施形態と異なることはない。尿素水加水分解器8においてエンジン1において発生する低温側の熱を利用する点も同様である。
Hereinafter, the system configuration will be described in more detail.
The engine system 101 includes an engine 1 that is operated using light oil as fuel, and includes a combustor 3 and a nitrogen oxide remover 4 in the order of description in an exhaust gas path 2 through which exhaust gas generated from the engine 1 flows. Furthermore, there is no difference from the first embodiment in that the urea water reservoir 7, the urea water hydrolyzer 8, and the SOFC 5 are provided. The same applies to the use of the low-temperature side heat generated in the engine 1 in the urea water hydrolyzer 8.

以下、第二実施形態の特徴構成に関して順に説明する。
図2からも判明するように、第二実施形態のエンジンシステム100は、尿素水加水分解器8により得られる分解物を気液分離する気液分離器6(気液分離手段の一例)を備え、この気液分離器6により分離される液体側分離物を、エンジン1から発生する熱によりガス化し、燃料としてSOFC5に供給する。
Hereinafter, the characteristic configuration of the second embodiment will be described in order.
As can be seen from FIG. 2, the engine system 100 of the second embodiment includes a gas-liquid separator 6 (an example of a gas-liquid separator) that gas-liquid separates the decomposition product obtained by the urea water hydrolyzer 8. The liquid-side separation separated by the gas-liquid separator 6 is gasified by the heat generated from the engine 1 and supplied to the SOFC 5 as fuel.

さらにSOFC5には、エンジン1から発生する熱により燃料であるアンモニアを熱分解する熱分解部13(熱分解手段の一例)を備え、この熱分解部13においてアンモニア分解により生成される水素をSOFC5のアノード52に供給する構成が採用されている。   Further, the SOFC 5 includes a thermal decomposition unit 13 (an example of a thermal decomposition unit) that thermally decomposes ammonia that is fuel by heat generated from the engine 1, and hydrogen generated by ammonia decomposition in the thermal decomposition unit 13 is converted into the SOFC 5. A configuration for supplying to the anode 52 is employed.

熱分解部13には、アンモニア分解触媒としてのルテニウム、ニッケル、コバルト、鉄の一種以上が収納されており、概略200℃以上の温度域で80%、400℃以上の温度域でほぼ100%アンモニアを水素及び窒素に分解する。従って、この熱分解部13は200℃以上450℃以下程度の温度域に保っておけばよい。   The pyrolysis section 13 contains at least one of ruthenium, nickel, cobalt, and iron as an ammonia decomposition catalyst, and is approximately 80% in a temperature range of approximately 200 ° C. or higher and almost 100% in a temperature range of 400 ° C. or higher. Is decomposed into hydrogen and nitrogen. Therefore, this thermal decomposition part 13 should just be kept in the temperature range of about 200 degreeC or more and 450 degrees C or less.

このような熱分解部13を備えたSOFC5の外観構成の一例を、図3に示した。
SOFC5は、底板5a上に、概略直方体形状の筐体5bを乗せた構成とされており、このSOFC5の底面形状に合わせて平板状の熱分解部13を備えている。この熱分解部13は内部に破断ジグザグ線で示す経路が備えられ、燃料として供給されるアンモニアNHを分解し、アノード52に供給する。SOFC5内で燃料電池反応を終えたガス(燃料側及び空気側)は、ともにSOFCオフガス(燃料極(アノード)側)及びSOFCオフガス(空気極(カソード)側)として、熱分解部13を介して、燃焼器3、窒素酸化物除去器4に排出する。このように、熱分解部13をモジュール化してSOFC5と一体化することで、他の設備(エンジン1、燃焼器3等)との組み合わせが容易となり、熱伝達を良好なものとできる。
An example of the external configuration of the SOFC 5 provided with such a thermal decomposition unit 13 is shown in FIG.
The SOFC 5 has a configuration in which a substantially rectangular parallelepiped casing 5b is placed on a bottom plate 5a, and includes a plate-like thermal decomposition section 13 in accordance with the bottom shape of the SOFC 5. The thermal decomposition section 13 is provided with a path indicated by a broken zigzag line inside, decomposes ammonia NH 3 supplied as fuel, and supplies it to the anode 52. Gases (fuel side and air side) that have finished the fuel cell reaction in the SOFC 5 are both SOFC off-gas (fuel electrode (anode) side) and SOFC off-gas (air electrode (cathode) side) via the thermal decomposition unit 13. , And discharged to the combustor 3 and the nitrogen oxide remover 4. As described above, the thermal decomposition unit 13 is modularized and integrated with the SOFC 5 to facilitate combination with other facilities (the engine 1, the combustor 3, and the like) and to improve heat transfer.

さらに、図2で、細実線で示すように、気液分離器6で分離される気体側分離物(アンモニアガス)は、窒素酸化物除去器4に供給される構成が採用されており、この除去器4には、窒素酸化物還元触媒としてのバナジウム、モリブデン、タングステン、ゼオライト、貴金属等の一種以上が収納されており、還元剤としてのアンモニアが供給されて、窒素酸化物(NOx)を還元、無害化する。   Further, as shown by a thin solid line in FIG. 2, the gas-side separator (ammonia gas) separated by the gas-liquid separator 6 is configured to be supplied to the nitrogen oxide remover 4. The remover 4 stores one or more of vanadium, molybdenum, tungsten, zeolite, noble metal, etc. as a nitrogen oxide reduction catalyst, and is supplied with ammonia as a reducing agent to reduce nitrogen oxide (NOx). , Detoxify.

以上説明してきた構成から明らかなように、第二実施形態のエンジンシステム101では、気液分離器6により分離される気体側分離物を還元剤として窒素酸化物除去を行うとともに、液体側分離物がガス化され、燃料としてSOFC5に供給され、さらに熱分解部13で分解されて概略水素でアノード52に供給される。SOFC5のカソード53側には、当然酸化性ガスとしての酸素を含有するガスである空気等が供給されて、SOFC5の良好な運転が確保され、先に図4で説明した所定の温度状態で可能な限り高い電力を得ることができる。   As is apparent from the configuration described above, in the engine system 101 of the second embodiment, nitrogen oxide removal is performed using the gas-side separation separated by the gas-liquid separator 6 as a reducing agent, and the liquid-side separation is performed. Is gasified, supplied to the SOFC 5 as fuel, further decomposed by the thermal decomposition unit 13 and supplied to the anode 52 with approximately hydrogen. Of course, air, which is a gas containing oxygen as an oxidizing gas, is supplied to the cathode 53 side of the SOFC 5 to ensure good operation of the SOFC 5, and can be performed at the predetermined temperature described above with reference to FIG. As much power as possible can be obtained.

さて、この例に於ける気液分離器6による気液分離であるが、その分離条件の制御設定(温度及び圧力の制御設定)は、気体側分離物の量は窒素酸化物除去器4において必要となる還元剤の量に、一方、液体側分離物の量はSOFC5において燃料として必要とされる燃料の量に対応する量に調整される。ここで、この作動を行うに際して加水分解されるべき尿素水の量は、基本的には、還元剤としての必要量及び燃料としての必要量の合計に対応する量となる。従って、このエンジンシステム101では、エンジン1からの排ガス量、その排ガス量に対応する窒素酸化物量、燃料電池5が発電すべき発電電力量に対して必要となる燃料量(アンモニア量)を入力情報とし、これら必要量に見合う、尿素水の加水分解、気液分離を行うように、運転制御器60が設けられている。   Now, the gas-liquid separation by the gas-liquid separator 6 in this example is performed. The control setting of the separation conditions (control setting of temperature and pressure) is such that the amount of the gas-side separator is determined in the nitrogen oxide remover 4. On the other hand, the amount of reducing agent required is adjusted to the amount corresponding to the amount of fuel required as fuel in the SOFC 5. Here, the amount of urea water to be hydrolyzed when performing this operation is basically an amount corresponding to the sum of the necessary amount as the reducing agent and the necessary amount as the fuel. Accordingly, in the engine system 101, the amount of exhaust gas from the engine 1, the amount of nitrogen oxide corresponding to the amount of exhaust gas, and the amount of fuel (ammonia amount) required for the amount of power generated by the fuel cell 5 are input information. The operation controller 60 is provided so as to perform the hydrolysis and gas-liquid separation of urea water in accordance with these necessary amounts.

そして、この第二実施形態は気液分離を行うことを特徴とする意味から、上述のような運転条件に見合うように気液分離器6を働かせる制御機能部位61を本願では「気液分離調整手段」と呼ぶ。
このように構成することにより、尿素水を別途保持しておくとともに、尿素水加水分解手段、気液分離手段を備えて、所定のエンジン1運転状態で、アンモニア還元型の窒素酸化物処理及び発電を良好に実行できる。
The second embodiment is characterized in that gas-liquid separation is performed. Therefore, in the present application, a control function part 61 that operates the gas-liquid separator 6 to meet the above operating conditions is referred to as “gas-liquid separation adjustment”. Called “means”.
With this configuration, the urea water is separately held, the urea water hydrolysis means and the gas-liquid separation means are provided, and ammonia reduction type nitrogen oxide treatment and power generation are performed in a predetermined engine 1 operation state. Can be executed well.

〔別実施形態〕
以下、本願の別実施形態を箇条書きする。
A 第一実施形態では、エンジン1で発生する熱の他、燃焼器3で得られる熱も有効利用する例を示した。第二実施形態においては、燃焼器3の熱に関しては特に触れなかったが、この形態においても、燃焼器3で発生する熱をSOFCの加熱、アンモニアの分解、液相側分離物のガス化、尿素水の加水分解に使用しても良い。
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment of the present application will be listed.
A In the first embodiment, an example in which heat generated by the combustor 3 in addition to heat generated by the engine 1 is effectively used has been described. In the second embodiment, no particular mention was made regarding the heat of the combustor 3, but also in this form, the heat generated in the combustor 3 is heated by SOFC, ammonia is decomposed, and the liquid-phase-side separated gasification is obtained. You may use for the hydrolysis of urea water.

B 第一実施形態では、窒素酸化物除去器(SCR)で使用する還元剤に関しては特に述べなかったが、第二実施形態で示したように、尿素水加水分解器8から得られるアンモニアを使用してもよいし、従来から備えられている構成を利用し、尿素水のまま排ガスに混合する等還元剤供給系統をそのまま利用することもできる。 B In the first embodiment, no particular mention was made regarding the reducing agent used in the nitrogen oxide remover (SCR). However, as shown in the second embodiment, ammonia obtained from the urea water hydrolyzer 8 is used. Alternatively, it is also possible to use a conventional reducing agent supply system that uses a configuration that has been conventionally provided and mixes it with exhaust gas in the form of urea water.

C 第二実施形態にあっては、アンモニアの熱分解に、SOFCの筐体に付属して備えられる熱分解部13を別途備えて構成したが、固体酸化物形燃料電池セルを構成するアノードに直接アンモニアガスを供給する構成を採用してもよい。 C In the second embodiment, the pyrolysis unit 13 provided separately for the thermal decomposition of ammonia and attached to the SOFC casing is provided separately, but the anode constituting the solid oxide fuel cell is used as the anode. You may employ | adopt the structure which supplies ammonia gas directly.

エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱を有効利用するとともに、エンジンから排気される排ガスを処理する処理機構を利用して、SOFCの燃料となるアンモニアを得て、電力の供給が可能となるとともに、排気中に含まれることがある不良成分を極力低減することができるエンジンシステムを得ることができた。   The heat generated from the engine or the combustion means or both of them is used effectively, and the processing mechanism for processing the exhaust gas exhausted from the engine is used to obtain ammonia as fuel for SOFC to supply power. An engine system capable of reducing defective components that may be contained in the exhaust gas as much as possible can be obtained.

1 エンジン
2 排ガス路
3 燃焼器(燃焼手段)
4 窒素酸化物除去器(窒素酸化物除去手段・アンモニア還元型窒素酸化物除去手段)
5 SOFC(アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池)
5a 底板
5b 筐体
6 気液分離器(気液分離手段)
7 尿素水貯蔵器(尿素水貯蔵手段)
8 尿素水加水分解器(尿素水加水分解手段)
10 熱交換器
11 第一熱交換部(第一熱利用手段)
12 第二熱交換部(第二熱利用手段)
13 熱分解部(熱分解手段)
51 固体電解質
52 アノード(燃料極)
53 カソード(空気極)
55 燃料電池セル
60 運転制御部
61 気液分離調整手段
100 エンジンシステム
101 エンジンシステム

1 Engine 2 Exhaust gas path 3 Combustor (combustion means)
4 Nitrogen oxide remover (nitrogen oxide removal means / ammonia reduction type nitrogen oxide removal means)
5 SOFC (ammonia fuel solid oxide fuel cell)
5a Bottom plate 5b Case 6 Gas-liquid separator (gas-liquid separation means)
7 Urea water reservoir (urea water storage means)
8 Urea water hydrolyzer (urea water hydrolysis means)
10 heat exchanger 11 1st heat exchange part (1st heat utilization means)
12 2nd heat exchange part (2nd heat utilization means)
13 Thermal decomposition part (thermal decomposition means)
51 Solid electrolyte 52 Anode (fuel electrode)
53 Cathode (Air electrode)
55 Fuel Cell 60 Operation Control Unit 61 Gas-Liquid Separation Adjusting Unit 100 Engine System 101 Engine System

Claims (11)

炭化水素燃料を燃焼して運転されるエンジンと、
当該エンジンから発生する排ガスが流れる排ガス路に、前記排ガス中の可燃物を燃焼する燃焼手段と、窒素酸化物を除去する窒素酸化物除去手段とを、記載順に備えたエンジンシステムであって、
尿素水を貯蔵する尿素水貯蔵手段から供給される尿素水を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱を使用して加水分解する尿素水加水分解手段と、
前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを燃料とするアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池とを備え、
前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池から発生する燃料電池オフガスを前記燃焼手段に導くオフガス導入路を備え、
前記燃料電池オフガスを前記燃焼手段及び前記窒素酸化物除去手段で処理するエンジンシステム。
An engine operated by burning hydrocarbon fuel;
An engine system comprising combustion means for combusting combustibles in the exhaust gas and nitrogen oxide removing means for removing nitrogen oxides in the order of description in an exhaust gas path through which exhaust gas generated from the engine flows.
Urea water hydrolysis means for hydrolyzing urea water supplied from urea water storage means for storing urea water using heat generated from the engine and / or the combustion means;
An ammonia fuel solid oxide fuel cell using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a fuel,
An off-gas introduction path for guiding the fuel cell off-gas generated from the ammonia fuel solid oxide fuel cell to the combustion means;
An engine system that processes the fuel cell off-gas by the combustion means and the nitrogen oxide removal means.
前記窒素酸化物除去手段が、前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを還元剤として働くアンモニア還元型窒素酸化物除去手段である請求項1記載のエンジンシステム。   2. The engine system according to claim 1, wherein the nitrogen oxide removing unit is an ammonia reduction type nitrogen oxide removing unit that uses ammonia generated by the urea water hydrolysis unit as a reducing agent. 前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱の利用に関し、
前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池の加熱に使用する第一熱利用手段と、前記尿素水加水分解手段に於ける加水分解に使用する第二熱利用手段とを備え、
前記第一熱利用手段で高温側の熱を使用し、当該第一熱利用手段における熱利用により低温化した低温側の熱を前記第二熱利用手段で使用する請求項1又は2記載のエンジンシステム。
With respect to the use of heat generated from the engine or the combustion means or both,
A first heat utilization means used for heating the ammonia fuel solid oxide fuel cell; and a second heat utilization means used for hydrolysis in the urea water hydrolysis means,
3. The engine according to claim 1, wherein the first heat utilization unit uses high-temperature side heat, and the low-temperature side heat lowered by heat utilization in the first heat utilization unit is used in the second heat utilization unit. system.
前記尿素水加水分解手段により得られる分解物を気液分離する気液分離手段を備え、
前記気液分離手段により分離される液体側分離物を、前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱によりガス化し、燃料として前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に供給する請求項1又は2記載のエンジンシステム。
Gas-liquid separation means for gas-liquid separation of the decomposition product obtained by the urea water hydrolysis means,
The liquid side separation separated by the gas-liquid separation means is gasified by heat generated from the engine and / or the combustion means, and is supplied to the ammonia fuel solid oxide fuel cell as fuel. The engine system according to 1 or 2.
前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に、前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱により燃料であるアンモニアを熱分解する熱分解手段を備え、当該熱分解手段で生成される水素が固体酸化物形燃料電池のアノードに供給される請求項4記載のエンジンシステム。   The ammonia fuel solid oxide fuel cell is provided with a thermal decomposition means for thermally decomposing ammonia as a fuel by heat generated from the engine and / or the combustion means, and hydrogen produced by the thermal decomposition means The engine system according to claim 4, wherein is supplied to an anode of a solid oxide fuel cell. 前記窒素酸化物除去手段が、前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを還元剤とするアンモニア還元型窒素酸化物除去手段であり、
前記尿素水加水分解手段により得られる分解物を気液分離する気液分離手段を備え、
前記気液分離手段により分離される気体側分離物を還元剤として前記アンモニア還元型窒素酸化物除去手段に供給するとともに、液体側分離物を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱によりガス化し、燃料として前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に供給する構成で、
前記気液分離手段のよる気液分離に関し、前記気体側分離物の量をアンモニア還元型窒素酸化物除去手段で必要とされる還元剤の量に、前記液体側分離物の量を前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池において必要とされる燃料の量に対応する量に調整する気液分離調整手段を備える請求項1記載のエンジンシステム。
The nitrogen oxide removing means is ammonia reducing nitrogen oxide removing means using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a reducing agent,
Gas-liquid separation means for gas-liquid separation of the decomposition product obtained by the urea water hydrolysis means,
The gas-side separation separated by the gas-liquid separation means is supplied as a reducing agent to the ammonia reduction nitrogen oxide removal means, and the liquid-side separation is generated from the engine and / or the combustion means. Gasified by heat and supplied to the ammonia fuel solid oxide fuel cell as fuel,
Regarding the gas-liquid separation by the gas-liquid separation means, the amount of the gas-side separation is the amount of reducing agent required by the ammonia reduction-type nitrogen oxide removal means, and the amount of the liquid-side separation is the ammonia fuel. The engine system according to claim 1, further comprising gas-liquid separation adjusting means for adjusting to an amount corresponding to the amount of fuel required in the solid oxide fuel cell.
前記エンジンがガソリンエンジン又はディーゼルエンジンである請求項1〜3の何れか一項記載のエンジンシステム。   The engine system according to any one of claims 1 to 3, wherein the engine is a gasoline engine or a diesel engine. 前記エンジンがディーゼルエンジンである請求項4〜6の何れか一項記載のエンジンシステム。   The engine system according to any one of claims 4 to 6, wherein the engine is a diesel engine. 炭化水素燃料を燃焼して運転されるエンジンと、
当該エンジンから発生する排ガスが流れる排ガス路に、前記排ガス中の可燃物を燃焼する燃焼手段と、前記排ガス中の窒素酸化物を除去する窒素酸化物除去手段とを、記載順に備えたエンジンシステムの運転方法であって、
尿素水を貯蔵する尿素水貯蔵手段から供給される尿素水を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱を使用して加水分解する尿素水加水分解手段と、
前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを燃料とするアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池とを備え、
前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池から発生する燃料電池オフガスを前記エンジン排ガス路に備えられる前記燃焼手段に導くオフガス導入路を備え、
前記尿素水貯蔵手段からの尿素水を前記尿素水加水分解手段によりエンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱を使用して加水分解するとともに、前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを燃料としてアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に導き、エンジン動力による発電の停止後に、前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池が電力を供給するエンジンシステムの運転方法。
An engine operated by burning hydrocarbon fuel;
An engine system comprising combustion means for combusting combustibles in the exhaust gas and nitrogen oxide removing means for removing nitrogen oxide in the exhaust gas in the order of description in an exhaust gas path through which exhaust gas generated from the engine flows. Driving method,
Urea water hydrolysis means for hydrolyzing urea water supplied from urea water storage means for storing urea water using heat generated from the engine and / or the combustion means;
An ammonia fuel solid oxide fuel cell using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a fuel,
An off-gas introduction path for guiding a fuel cell off-gas generated from the ammonia fuel solid oxide fuel cell to the combustion means provided in the engine exhaust gas path;
The urea water from the urea water storage means is hydrolyzed by the urea water hydrolysis means using heat generated from the engine and / or the combustion means or both, and is also generated by the urea water hydrolysis means. An operation method of an engine system in which ammonia is used as a fuel to an ammonia fuel solid oxide fuel cell, and after the power generation by engine power is stopped, the ammonia fuel solid oxide fuel cell supplies electric power.
炭化水素燃料を燃焼して運転されるエンジンと、
当該エンジンから発生する排ガスが流れる排ガス路に、前記排ガス中の可燃物を燃焼する燃焼手段と、前記排ガス中の窒素酸化物を除去する窒素酸化物除去手段とを、記載順に備えたエンジンシステムの運転方法であって、
尿素水を貯蔵する尿素水貯蔵手段から供給される尿素水を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱を使用して加水分解する尿素水加水分解手段と、
前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを燃料とするアンモニア燃料固体酸化物形燃料電池とを備え、
前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池から発生する燃料電池オフガスを前記エンジン排ガス路に備えられる前記燃焼手段に導くオフガス導入路を備え、
前記窒素酸化物除去手段が、前記尿素水加水分解手段で生成されるアンモニアを還元剤とするアンモニア還元型窒素酸化物除去手段であり、
前記尿素水加水分解手段により得られる分解物を気液分離する気液分離手段を備え、
前記気液分離手段により分離される気体側分離物を還元剤として前記アンモニア還元型窒素酸化物除去手段に供給するとともに、液体側分離物を前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱によりガス化し、燃料として前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に供給する構成で、
前記気液分離手段のよる気液分離に関し、前記気体側分離物の量をアンモニア還元型窒素酸化物除去手段で必要とされる還元剤の量に、前記液体側分離物の量を、前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池において必要とされる燃料の量に対応する量に調整するエンジンシステムの運転方法。
An engine operated by burning hydrocarbon fuel;
An engine system comprising combustion means for combusting combustibles in the exhaust gas and nitrogen oxide removing means for removing nitrogen oxide in the exhaust gas in the order of description in an exhaust gas path through which exhaust gas generated from the engine flows. Driving method,
Urea water hydrolysis means for hydrolyzing urea water supplied from urea water storage means for storing urea water using heat generated from the engine and / or the combustion means;
An ammonia fuel solid oxide fuel cell using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a fuel,
An off-gas introduction path for guiding a fuel cell off-gas generated from the ammonia fuel solid oxide fuel cell to the combustion means provided in the engine exhaust gas path;
The nitrogen oxide removing means is ammonia reducing nitrogen oxide removing means using ammonia produced by the urea water hydrolysis means as a reducing agent,
Gas-liquid separation means for gas-liquid separation of the decomposition product obtained by the urea water hydrolysis means,
The gas-side separation separated by the gas-liquid separation means is supplied as a reducing agent to the ammonia reduction nitrogen oxide removal means, and the liquid-side separation is generated from the engine and / or the combustion means. Gasified by heat and supplied to the ammonia fuel solid oxide fuel cell as fuel,
Regarding the gas-liquid separation by the gas-liquid separation means, the amount of the gas-side separation is changed to the amount of reducing agent required by the ammonia reduction-type nitrogen oxide removal means, and the amount of the liquid-side separation is changed to the ammonia. A method for operating an engine system, which is adjusted to an amount corresponding to an amount of fuel required in a fuel solid oxide fuel cell.
前記アンモニア燃料固体酸化物形燃料電池に、前記エンジン若しくは前記燃焼手段或はそれらの両方から発生する熱により燃料であるアンモニアを熱分解する熱分解手段を備え、当該熱分解手段で水素を生成し固体酸化物形燃料電池のアノードに供給する請求項10記載のエンジンシステムの運転方法。

The ammonia fuel solid oxide fuel cell is provided with a thermal decomposition means for thermally decomposing ammonia as fuel by heat generated from the engine and / or the combustion means, and hydrogen is generated by the thermal decomposition means. The method for operating an engine system according to claim 10, wherein the engine system is supplied to an anode of a solid oxide fuel cell.

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