JPH02117072A - 燃料電池発電システム - Google Patents

燃料電池発電システム

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JPH02117072A
JPH02117072A JP63270264A JP27026488A JPH02117072A JP H02117072 A JPH02117072 A JP H02117072A JP 63270264 A JP63270264 A JP 63270264A JP 27026488 A JP27026488 A JP 27026488A JP H02117072 A JPH02117072 A JP H02117072A
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hydrogen
fuel
fuel cell
gas
reformer
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Kozo Osaki
功三 大崎
Mitsuo Okada
光生 岡田
Kazumi Shima
島　一巳
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Toyo Engineering Corp
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Toyo Engineering Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ ［産業上の利用分野］ 本発明は燃料電池を用いた発電システムに関する。詳し
くは天然ガス等をガス化して得な水素をパイプライン網
経由で燃料電池に供給することにより、電力需要の負荷
変動に対する追随・応答が円滑な燃料電池を用いた発電
システムに関する。
［従来の技術］ 天然ガス、ナフサ等をガス化して得た水素を用い、燃料
電池により発電することは知られている。
ガス化装置と燃料電池の組合わせにより１辺部な地域や
離島等での電力供給に便であるとされる。
一方燃料電池は水素と酸素（空気）を逍じさえすれば直
ちに電力が供給できる装置である。化学的エネルギを連
続的にかつ直接的に電気エネルギに変換する装置である
ので、他の発電方法例えばガスタービンとスチームター
ビンの組み合わせによるいわゆるコンバインドサイクル
による発電方式等に比して効率がよく、シかし電力負荷
変動への即応がたやすい。
他方燃料電池の燃料である水素の原料となる。
天然ガス等を酸素、水蒸気等のガス化剤により水素を主
要成分とするガスに転化するガス化装置即ちいわゆる改
質装置又はリフオーマは、起動してから効率の良い定常
（運転）状態に達するまで及び逆に定常状態から停止状
態に至らせる。いわゆるスタートアップ／シャットダウ
ンに時間を要すると共に、−旦起動すると定常運転をし
ないと効率のよいガス化が出来ない。
また電力需要は年間１月間１週間、−日間等に対し最大
と最少の需要量変動があり１例えば１日間をとると８通
例深夜から早朝にかけて最低需要１１日中の午後に最大
需要量が現れ、１日の平均値は両者の間にある。
電力は直接の貯蔵がたやすくない又は有利でないので、
この需要に応えるためには最大需要量に合わせた発電設
備を供える必要がある。また送電には必然的にロスを伴
う。
従って、燃料電池の即応性を利用して電力供給を実施し
ようとして、ガス化膜！（通常精製設備も付帯する）も
電力の最大需要量に対応する能力を持つ装置を設置して
は、多大の投資を要するばかりであり、全体として効率
良い運転が困難である。
ガス化設備は、その容量が大の程、又むら無く定常状態
で運転する程効率が良く、また技術的にも各種の化学プ
ラントでほぼ完成・実証されているのに対し０個々の燃
料電池に対応してその運転に合わせて小さなリフオーマ
を迅速に起動／停止ないし水素製造の量を調節するのは
かなり難しいことでありまた個々のリフオーマに対しそ
の占有場所と従来の化学プラントと同構の熟練度をもっ
た運転人員とを要し経済性が良くない。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明は天然ガス等のガス化から得た水素を燃料とする
燃料電池による発電システムであって。
電力需要の負荷変動に効率よく追随し、ガス化装置の効
率を最大限に発揮させることができ、かつガス化装置等
の容１を電力最大需要に合わせることなく可能な限り小
さくできる１発電システムを提供する。
［発明の構成］ ［課題を解決するための手段］ 本発明は上記問題点を克服すべ〈発明者が鋭意検討を行
って漸く得られた。即ち本発明は定常運転されるリフオ
ーマと燃料電池の間のパイプラインに又は更にこれに付
随する財槽にリフオーマで得られた水素を貯蔵して、燃
料電池のむらのある運転に追随して水素を供給するもの
であり。
１）　燃料物質を改質装置により水素を含むガスに転化
し。
精製装置で実質的な水素ガスに精製し。
この水素ガスを配管を通じて改質装置とは遠隔に設置さ
れた多数の燃＊４電池に分配し又はこの配管に貯え。
分配された水素を燃料として、各燃料電池か電力需要に
応じて必要なだけ運転され電力が供給される。燃料電池
発電システム、及び ２）　燃料物質を水素を含むガスに転化する改質装置と
、これに接続されこのガスを実質的な水素ガスに精製す
る精製装置とからなる水素製造装置と。
水素を燃料とする多数の燃料電池と。
精製装置側に接続された本管及び本管と各燃料電池との
間を接続し燃料電池側端部付近に減圧。
開閉、流量調節等を行う弁を有する多数の支管とからな
る。精製装置と各燃料電池の間を接続する。
配管即ち水素供給パイプラインとからなり。
配管により貯えられて分配され又は分配された水素を燃
料として、各燃料電池が電力需要に応じて必要なだけ運
転され電力が供給される。燃料電池発電システム、であ
る。
天然ガス、ナフサ等の気体又は液体炭化水素。
メタノールに代表される液状アルコール、不揮発成分を
多く含む常温で非ないし低流動性である。
重質油等の炭化水素類９石炭等の固体炭化水素。
セルロース系の炭水化物バイオマス等がガス化剤として
酸素、空気等の含酸素ガス、水蒸気、酸化炭素類等と共
に改質器で改質され、水素を含むガスに転化されること
はよく知られている。
本発明ではかかるガス化は大気圧下ないし加圧下、好ま
しくは５〜５０　ｋＱ／ｄＧ、より好ましくは１０〜４
０　ｋｇ／ｃｄＧ　、特に好ましくは１０〜３０　ｋａ
／ｃｇ＋ｆＧでなされる。圧が低すぎてはガス化の効率
が一般に不良で、高ずぎると効率は上がっても設備の費
用がかさんで有利でない。
一方水素ガスの精製装置から配管経由燃料電池に水素ガ
スを供給する為に、改質装置系の圧力は製品水素が燃料
電池の運転圧力よりも実質的に低くない圧力で得られる
よう運転されるとよい。
転化で得られたガスを、燃料電池の燃料に適した１例え
ば水素が８０ｖｏ１％以上の実質的な水素ガスにするこ
とは、よく知られるように例えば膜分離、圧力変動吸着
（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐｔｉ。
ｎ、ＰＳ＾）に代表される吸着法、深冷分離等でなされ
る。必要に応じ脱硫、ＣＯシフト転換、メタン化等も行
う。
燃料電池は燐酸水溶液型、溶融炭酸塩電解質型。
固体電解質型、アルカリ水溶液型等が代表的であるが、
何れも水素を燃料としてこれを酸素（通常空気）が一般
的である酸化剤により燃焼させ電力に変換する。これら
の運転時の水素、酸素の圧力は大気圧〜ｌ　Ｏｋｏ／ｃ
Ｗ！Ｇ、通常１〜７　ｋ（１／ｃｄＧ程度が一般的であ
る。
既述のように燃料電池に水素と酸素を通じれば直流の電
力が発生する。一般的にはこれを適当なインバータで交
流に変換してから需要先に配電する。
燃料電池の稼動に伴い発生する熱、未利用水素等を含む
ガス等のエネルギは適宜の用途に役立てて省エネルギを
図るとよい。
水素は配管をなす本管、支管から、多種の弁の組み合わ
せから成ってもよい８通常支管の燃料電池側端付近に設
けられる。弁により必要に応じ減圧、流量調節等されて
、適当な流量と圧力で燃料電池発電設備に供給される。
一方酸素は多くの場合空気又は酸素富化空気として、水
素とは異なる配管から９通常燃料電池が設置される敷地
ないしその近傍から、また都合によっては遠隔地点から
１Ｍ当な弁、ブロワ等により供給される。
本発明では、配管は水素の供給９分配ばかりでなく、連
続的に発生される水素のうち＃料電池が消費しない分を
貯蔵するバッファタンクの役割も持つ。
水素ガスは対空気比重が最も小さなガスゆえ。
万一の配管からの漏出の場合にも直ちに上空へ飛散する
ので、飛散を妨げぬ配慮をしておけば他の燃料ガスの場
合よりもむしろ安全と云える配管による水素の燃料電池
への供給を円滑にする。配管に水素をより多く貯蔵させ
る等の目的で精製装置からの水素ガスを昇圧する適宜の
圧縮機を用いることが本発明では好ましい。
昇圧後の圧力は１０〜１５０　ｋｇ／ＣｄＧ　、好まし
くは１５〜１５０　ｋＱ／ＣｄＧ　、特に好ましくは１
５〜１２０　ｋＱ／ｃｓｒＧ程度とするとよい、低すぎ
ては昇圧の効果がなく、高すぎると機械ＭＬ備及び配管
設備等が高価になりかえって不経済である８上記の通り
本発明では配管に電池の燃料となる水素を貯蔵するが、
配管の容量が充分でない場合等には本管、又は場合によ
り支管から分岐させて貯槽を設け、貯蔵容量の増加、供
給圧力の安定化等を図ることができる。
［作用］ 本発明では改質装置を最も効率のよい条件で定常的に連
続運転し、得られた水素が精製装置で必要な精製後、配
管により貯蔵されると共に改質装置からは遠隔の電力需
要地付近にある各燃料電池に分配され、を力需要に応じ
た必要量の電力が適当数の燃料電池の運転により発生さ
れる。
［例］ 本発明の代表的な具体例を図面を参照して説明する。燃
料物質である燃料ガス１は空気３．水蒸気５と共に改質
装置７に供給される。
メタンを主成分とする天然ガスに代表される燃料ガスは
改質装置により、まずその一部が一次改質として、水蒸
気と共に原料として加熱され、改質触媒の作用で水素、
−酸化炭素を含む一次改質気体となる（いわゆる水蒸気
改質法）、これに要する熱は他の一部の燃料ガスあるい
はＰＳＡからの排ガスを空気で燃焼させて外熱的に与え
る。
上記気体は更に他の一部の燃料ガス、酸素と共に二次改
質域で部分酸化法により断熱上内熱的に二次改質され、
水素、−酸化炭素を含む気体となる。
かかる部分酸化法を利用した改質は、二次部分が断熱的
であるのでより少い原料消費でより多い製品が得られて
一般に好都合である。
石炭等の固体原料９重質油等の燃料物質ないし原料物質
も水蒸気、ｖ１素等のガス化剤を用い外部加熱又は部分
酸化等で既知の方法により適宜ガス化される。
改質気体は要すれば図外のバッファタンクをへて精製装
置９で精製され、実質的に水素から成る燃料電池の燃料
気体となる。
精製装置９では９例えばＰＳＡ法により水素以外が除か
れて燃料気体か製造される。即ち水蒸気。
二酸化炭素、−酸化炭素、メタン、窒素、アルゴン等の
成分が吸着で除かれる。ＰＳＡならば比較的容易に水素
９９％以上の実質的な水素である燃料気体が得られる１
例えば燐酸水溶液型燃料電池用であれば水素８０％以上
の水素が利用可能ゆえ。
必要に応じた精製を行う。
ＰＳＡ法は複数個の吸着床と適当な加圧／減圧装置で構
成される０本発明に適した精製法の一例である。
上記ガス化の圧力は通常１０〜３０ｋａ／ｃｄＧでなさ
れ、ｍｙ装置９からも、精製装置自体の効率を勘案して
、これに相応する圧力の燃料が送出されるのが好ましい
。
なお改質装置７．精製装置っけ各１基で水素製造装置を
構成してもよいが、何れか又は双方が複数の構成でも差
し支えなく、そうすれば安定した水素の供給には好都合
のことも多い。
精製装置９を出た燃料は本管１１と多数の支管１３から
なる配管網１５経由燃料電池２１に供給される。必要に
応じて精製装置と燃料電池の間に圧ａｔｌｌを設けても
良い。
要すれば１本管１１の精製装置側端部付近に圧ａ機２５
を介在させて更に燃料を通常１５〜１５０　ｋ（Ｊ／ｃ
ｄに加圧し、配管１５に送り込む１本管１１の途中から
分岐させて貯槽２７を設けてもよい。
配管１５と又は更に貯槽２７に貯えられた水素は、各燃
料電池２１に対応した弁１７により圧力。
流量等が調節されて電力需要に応じた数の燃料電池に必
要量だけ供給される。
水素の供給に呼応して、酸素の必要量を満たす空気３３
がこの例では燃料電池と同じ敷地内に設けられるブロワ
１９から燃料電池に供給される。
燃料電池は大気圧〜７　ｋ（１／ｃｉＩＧ程度で運転さ
れる。
燃料電池２１で得られた直流出力はインバータ２３によ
り適当な電圧１周波数の交流に変換され需要先に送られ
る。
本発明では、深夜電力等の、もはや揚水発電の余裕も殆
どない余剰電力５０により、電解装置５２を用い水を電
解して水素５３を得、これを導管５５により配管１５に
９通常圧縮機２５の吸込み側から供給して、余剰電力を
水素として貯え燃料電池の燃料とし、有効利用すること
が出来る。
上記電解で水素と共に発生する酸素５９は適宜の用途に
利用できるが９本システムではこれを。
好ましくは貯槽５７経由、改質装置に送ってその空気に
代わる酸素源とすることが出来る。また勿論、適当な設
備を介して燃料電池にこの酸素を供給して燃料電池に利
用しても良い。
図面の例で、都市ガス（１３Ａ）４０，００ＯＮＭｒ／
ｈｒを消費しく一次改質側で外熱源として消費される分
も含む）純度９９ｖｏ１％の水素１０３゜０００　Ｎｍ
’／ｈｒが１基の改質−精製装置の連続運転で得られる
。これは燐酸水溶液型燃料電池による１００ＭＷの電力
に相当する。
これを配管経由分散配置された容量各１０ＭＷの燐酸水
溶液型の燃料電池例えば２０基に供給して、原子力、火
力等による定常蓋供給では不足する分の電力を同時最大
２００ＭＷ相当分まで、これら燃料電池の適当数の適当
発電量での運転により、電力需要に即応して供給できる
。
これは電力不需要時又は低需要時に燃料電池が使用しな
い分の水素は、配管内の水素の圧力を上げることにより
配管内に又は更に水素貯槽２７内に貯え、需要時に備え
ることが出来る本発明の特質による。
なお配管には、内径３００１１ｍの直管（例えば５ＴＳ
４９　　高圧配管用炭素鋼鋼管１４Ｂ　　５ＣＨ８０）
換算総延長５０ｋ１１の中に、常温（２５℃）で圧力１
００　ｋｇ／ｃｓｆＧを上限とすれは約３５０゜００Ｏ
Ｎｍまでの約１００ｖｏ１％水素が貯え得る。
本発明では、天然ガス等のガス化原料の受は入れに好適
な例えは東京湾等の港湾地帯等に水素製造装置を設け、
燃料電池は東京部内等の都市や内陸部等の電力需要地内
又はそれらの付近に分散配置し、製造装置と燃料電池と
の間を本管と支管がら成る配管で結び、配管内又は更に
付帯させた貯槽内に適当圧力の水素を貯えて実施するこ
とができる。
［発明の効果１ 本発明により以下の主要な効果が得られる。
１−　ガス化原料を集中して受は入れ、改質装置の規模
を比軸的効率のよい大容量に集約することができる。
２−　生産された水素ガスを燃料電池に供給し又は配管
に貯え、また燃料電池には電力需要の変動に応じたロス
のない運転をさせる一方で、改質装置には効率の良い定
常運転を継続させ得る。
３−　各燃料電池はその個々に隣接したガス化設備を付
帯しないので、コストの高い電力需要地の土地をその分
他に有効利用できる。従って特に都市部、都心部での燃
料電池の応用に適する。
４−　ガス化装置が大型のものに集約されているので、
その運転、保守の手間１人員、費用等がガス化装置分散
配置の場合に比し一元化され、経費節約が著しい。
５−　改質装置の容量を燃料電池による最大発電量に見
合うよりも少い容量とし且つその数を極力減らし、得ら
れた水素ガスを１分配によるロスの少いガスのまま電力
需要地の燃料電池に分配し。
電力需要の変動に応じて所望量の電力を発生させ。
電力を直接送電する場合より送電（又はエネルギ移送）
ロスを少くして需要先に届けることが可能となる。
６−　改質装置の数を減らし得るばかりでなく。
配管で分配される水素は最も対空気比重の小さい気体で
ある故、万一の漏出等に対しても、比較的容易な手段を
適切に講じておけは水素は簡単に上空へ放散されるので
、地表に拡がってしまいやすい、より比重の高い他の燃
料気体や液体を送るよりも安全である。
【図面の簡単な説明】
図は本発明による具体的なシステムを説明する概念図で
ある。 １　燃料物質、３　空気、５　水蒸気、７　改質装置、
９　精製装置； １１　本管、１３　支管、１５　配管、１７　弁。 １９　ブロワ； ２１　燃料電池、２３　インバータ１２５　圧縮機、２
７　貯槽： ３３　空気； ５０　余剰電力、５２　電解装置、５３　水素。 導管。 貯槽。 酸素。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）燃料物質を改質装置により水素を含むガスに転化し
    、 精製装置で実質的な水素ガスに精製し、 この水素ガスを配管を通じて改質装置とは遠隔に設置さ
    れた多数の燃料電池に分配し又はこの配管に貯え、 分配された水素を燃料として、各燃料電池が電力需要に
    応じて必要なだけ運転され電力が供給される、燃料電池
    発電システム。 ２）燃料物質を水素を含むガスに転化する改質装置と、
    これに接続されこのガスを実質的な水素ガスに精製する
    精製装置とからなる水素製造装置と、 水素を燃料とする多数の燃料電池と、 精製装置側に接続された本管及び本管と各燃料電池との
    間を接続し燃料電池側端部付近に減圧、開閉、流量調節
    等を行う弁を有する多数の支管とからなる、精製装置と
    各燃料電池の間を接続する、配管即ち水素供給パイプラ
    インとからなり、配管により貯えられて分配され又は分
    配された水素を燃料として、各燃料電池が電力需要に応
    じて必要なだけ運転され電力が供給される、燃料電池発
    電システム。 ３）水素製造装置と本管との間に、前記水素ガスを燃料
    電池の運転圧力よりも低くない圧力に加圧する圧縮機が
    接続された、請求項２のシステム。 ４）燃料電池の出力側に直流を交流に変換するインバー
    タを持つ請求項２又は３のシステム。 ５）本管から分岐接続された水素貯槽を持つ、請求項２
    ないし４何れかのシステム。 ６）余剰電力で水を電解し、得られた水素を燃料電池の
    燃料に利用する請求項１ないし５何れかのシステム。 ７）余剰電力で水を電解し、得られた酸素を改質装置の
    ガス化剤に利用する請求項１ないし６何れかのシステム
    。
JP63270264A 1988-10-26 1988-10-26 燃料電池発電システム Pending JPH02117072A (ja)

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