JPH0646557A - 電力を発生させる方法およびシステム - Google Patents

電力を発生させる方法およびシステム

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JPH0646557A
JPH0646557A JP5010103A JP1010393A JPH0646557A JP H0646557 A JPH0646557 A JP H0646557A JP 5010103 A JP5010103 A JP 5010103A JP 1010393 A JP1010393 A JP 1010393A JP H0646557 A JPH0646557 A JP H0646557A
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methane
combustor
seed material
oxygen
temperature
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JP5010103A
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Ralph A Carabetta
エイ キャラベッタ ラルフ
Gary E Staats
イー スターツ ギャリー
John C Cutting
シー カッティング ジョン
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Government of the United States of America
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K44/08—Magnetohydrodynamic [MHD] generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 石炭または天然ガスを用いて効率的に電力を
発生させること。 【構成】 メタンの化学エネルギーを電気エネルギーに
変換する方法およびシステム。分解装置において１２０
０゜Ｋ以上の温度かつ少なくとも大気圧よりわずかに高
い圧力でメタンを水素と炭素に熱分解する。炭素および
実質的に純粋な酸素ならびにセシウムシード材料または
カリウムシード材料が、少なくとも５０気圧に維持され
た燃焼器に送られて、炭素と酸素が燃焼して約２９００
゜Ｋ以上の温度の電離プラズマが提供される。電離プラ
ズマは約１０００ｍ／秒以上の速度に加速され、約４〜
約６テスラの範囲の磁場を有する磁気流体発電機を通過
して電力を発生する。電離プラズマは減速され、メタン
を加熱して分解させるようなメタンとの熱交換が行なわ
れるように磁気流体発電機から移動され、その後、すべ
てのセシウムシード材料またはカリウムシード材料を回
収して燃焼器に輸送する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】アメリカ合衆国は、ピッツバーグ
・エネルギー・テクノロジー・センター(Pittsburgh En
ergy Technology Center) における米国エネルギー省と
発明者との雇用関係(employee-employer relationship)
にしたがう、この発明における権利を有する。
【０００２】本発明は、アメリカ合衆国に豊富に存在す
る容易にえられる天然燃料のエネルギーを、磁気流体発
電機により電機エネルギーに変換するための改良された
方法および手段に関する。より詳しくは、大気への汚染
物をほとんどまたはまったく発生させず７０％を超える
全サイクル効率を生み出すことのできる磁気流体発電シ
ステムをうるために、実質的に純粋な酸素とともに磁気
流体発電機に炭素原料を提供するためにメタンガスを用
いるという全体的概念に関する。さらに、この磁気流体
発電システムは、少し変更を加えて、アメリカ合衆国に
おける最も豊富な化石燃料である石炭を用いるように適
合させることができる。本発明のさらなる選択は、最初
の概念と組み合わさって大きな経済性を生み出すメタノ
ール製造装置を備える。
【０００３】天然ガスは約９９％がメタンからなり、本
発明は磁気流体発電機への供給材料としてメタンおよび
実質的に純粋な酸素を用いるものである。
【０００４】本発明のもう１つの面において、燃料電池
が有利に磁気流体発電機と組み合わされる。何故なら
ば、メタンは、磁気流体発電機において用いられる炭素
と、いずれもさらなる電力を発生させることができる溶
融炭酸塩型または固体酸化物型の燃料電池に送ることの
できる水素とに分解するからである。
【０００５】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従
来、天然ガスまたは石炭を用いて効率的に電力を発生さ
せる磁気流体発電システム、特に全サイクル効率が７０
％を超えるような前記磁気流体発電システムは存在しな
かった。
【０００６】したがって、本発明の目的は、あったとし
てもほとんど廃物を生み出さない主な燃料として石炭を
用いてまたは主な燃料として天然ガスを用いて電力を発
生させるための効率の高いシステムを提供することにあ
る。
【０００７】本発明のもう１つの目的は、全サイクル効
率が７０％を超える前述のタイプのシステムを提供する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、以下に充分に
記載し、添付の図面に説明し、特許請求の範囲に特に示
している要素の組み合わせ、および特定の新規特徴から
なる。本発明の細部は、本発明の精神から離れることな
く、または本発明の利点を失うことなく種々に変化させ
ることができる。
【０００９】本発明は、分解装置中において１２００゜
Ｋ以上の温度かつ少なくとも大気圧を僅かに超える圧力
でメタンを水素と炭素に熱分解し、メタンの分解により
えられた炭素を燃焼器に送り、メタンの分解によりえら
れた水素を酸素とともに燃料電池に送って直流電力(dc
power)を発生させ、実質的に純粋な酸素およびセシウム
シード材料またはカリウムシード材料を燃焼器に導入
し、燃焼器を炭素を用いて少なくとも２００気圧の圧力
に維持して炭素と酸素を燃焼させて４０００゜Ｋ以上の
温度の電離プラズマを発生させ、電離プラズマを２７５
０ｍ／秒の速度に加速して４〜６テスラの磁場を有する
磁気流体発電機を通過させて直流電力を発生させ、電離
プラズマを減速し、磁気流体発電機からの電離プラズマ
を第２の燃焼器に送り、第２の燃焼器に実質的に純粋な
酸素を加えて存在しうる一酸化炭素を燃焼させ、第２の
燃焼器からの廃ガスを、メタンを加熱して分解させるよ
うなメタンとの熱交換が行なわれるように移動させ、そ
の後、セシウムシード材料またはカリウムシード材料を
回収して燃焼器に輸送し、磁気流体発電機および燃料電
池からの直流電力を交流電力(ac power)に換えることを
特徴とするメタンの化学エネルギーを電機エネルギーに
変換する方法に関する。
【００１０】本発明は、メタンの化学エネルギーを電機
エネルギーに変換するためのシステムであって、１２０
０゜Ｋ以上の温度かつ大気圧より僅かに高い圧力以上の
圧力でメタンを熱分解して炭素および水素ガスをうるた
めの分解装置、メタンの分解によりえられた炭素を、実
質的に純粋な酸素およびセシウムシード材料またはカリ
ウムシード材料とともに燃焼させて２９００℃以上の温
度の電離プラズマを発生させるための燃焼装置、４〜６
テスラの範囲の磁場を有し電離プラズマを１０００ｍ／
秒以上の速度に加速して直流電力を発生させるための磁
気流体発電機、磁気流体発電機からのガスを、メタンを
加熱して分解させるようにメタンとの熱交換が行なわれ
るように移動させるための熱交換器、および直流電力を
交流電力に換えるためのインバーターを含んでなるシス
テムにも関する。
【００１１】
【作用および実施例】本発明を容易に理解するために、
本発明の好ましい態様を添付の図面に示す。この好まし
い態様をのちの記載に関連させて考えてみると、本発明
は、その構成、操作およびその利点の多くが容易に理解
される。
【００１２】図１に、図示しない天然ガスまたはメタン
供給源を備えており、ライン１１を通して熱分解装置１
２にメタンを送出する磁気流体発電システム１０を示
す。熱分解装置１２において、メタンが水素と炭素に分
解され、炭素はライン１３を通って出てゆき、水素はラ
イン１４を通って出てゆく。炭素はライン１３を通して
燃焼器１６に送られ、水素ガスはライン１４を通して固
体酸化物型または進歩した溶融炭酸塩型の燃料電池１５
に送られる。そのような燃料電池が、クラー(Claar）ら
の米国特許第４，８８３，４９７号明細書、マックフィ
ーターズ(McPheeters)らの同第４，７６５，３４９号明
細書、ピーペル(Poeppel）らの同第４，４７６，１９６
号明細書、ハーセグ(Herceg)らの同第４，４７６，１９
７号明細書、アッカーマン(Ackerman)らの同第４，４７
６，１９８号明細書、フレオリ(Fraioli）らの同第４，
５１０，２１２号明細書、パスコ(Pasco）らの同第４，
５８１，３０３号明細書、イアコヴァンジェロ(Iacovan
gelo）らの同第４，５４８，８７７号明細書、同第４，
５４０，６４０号明細書および同第４，５２６，８１２
号明細書に開示されている。
【００１３】燃焼器１６は、メタンの熱分解装置１２か
らライン１３を通して炭素を受入れ、磁気流体発電機用
の適当なシード材料を受け入れる。ライン１７を通って
燃焼器１６に入る炭酸セシウムを図中に示す。炭酸セシ
ウムに加え、よく知られているように、炭酸カリウムも
用いることができる。燃焼器１６は、また、酸素プラン
ト１８から燃焼器１６に送出された予熱酸素をライン２
６を通して受け入れる。酸素プラント１８は、入口１９
を通して空気を受入れ、実質的に純粋な酸素を製造し、
酸素は出口ライン２０を通って酸素予熱器２５に送られ
て、そこで磁気流体発電機３０からの出口ガスと熱交換
することにより加熱される。「実質的に純粋な酸素」と
は、９９％より純度の高い酸素を意味する。加熱された
酸素は、ライン２６を通って予熱器２５を出て燃焼器１
６に至る。純度のより低い酸素を用いることができる
が、そのばあい、環境への悪影響を最少限にするために
種々の窒素酸化物を処理しなければならない。
【００１４】磁気流体発電機３０は、マーチャント(Mar
chant)らの米国特許第４，３４５，１７３号、１９７５
年７月１５日に発行されたアメンド(Amend）らの同第
３，８９５，２４３号に記載されているプラズマ型のも
のであり、よく知られている。これらの特許の開示をこ
こで参照する。
【００１５】磁気流体発電機３０は、北極３１と南極３
２とを有する磁石に囲まれており、矢印３４で示される
非常に高温のガスまたはプラズマを送出する。このガス
またはプラズマは、酸素予熱器２５において酸素の予熱
に使用され、そこを出てライン３４ａを通して第２の燃
焼器３５に送られる。第２の燃焼器３５において、酸素
プラント１８からライン２１を通って酸素が入り、そこ
で後述するようにガスが反応し、ガスはライン３６を通
ってそこから出て熱分解装置１２に移動する。第２の燃
焼器３５からのガスは、ライン１１を通って熱分解装置
１２に入ってくる天然ガスと熱交換するように移動し、
そこで天然ガスを所望の温度に加熱し、ライン３７を通
って熱分解装置１２を出て熱／シード材料回収装置４０
に至る。熱／シード材料回収装置４０において炭酸セシ
ウムまたは炭酸カリウムシード材料が回収されて、ライ
ン４１を通って図示しない供給装置に送出される、また
は燃焼器１６に再度導入するためにライン１７に送出さ
れる。第２の燃焼器３５からの炭酸セシウムを含まない
ガスは主に二酸化炭素からなりライン４２を通して排出
される。燃焼ガスのエネルギーは、熱／シード材料回収
装置４０において、電気を発生させるためのタービン発
電機４５にライン４３を通して送られるスチームの昇温
に用いられる。
【００１６】前述したように、燃料電池１５は、熱分解
装置１２においてメタンの熱分解によりえられた水素を
燃料としてライン１４を通して受入れ、酸素プラント１
８からライン２２を通して酸素を受け入れる。酸素およ
び水素燃料が燃料電池１５を通過することにより直流電
力が発生し、直流電力はライン４６を通してインバータ
ー５０に送られる。燃料電池からの熱水としての熱エネ
ルギーがライン４７を通して熱回収装置５１に送られ、
そこから熱が取り出されて、スチームの製造のために使
用される。スチームはライン５３を通してタービン発電
機４５に送られ、廃水はライン５２を通して熱回収装置
５１から廃棄される。
【００１７】磁気流体発電機３０から発生した電力は直
流電力であり、燃料電池１５から発生した電力ととも
に、交流電力に変換するためにライン３３を通してイン
バーター５０に送られる。
【００１８】磁気流体発電システム１０の１つの例にお
いて、熱分解装置１２へのメタンの流量は３００゜Ｋの
温度において１０ｋｇ／秒である。熱分解は、約１２０
０〜約１５００゜Ｋの範囲の温度かつ大気圧を僅かに超
える圧力、すなわち約１．１〜約２０気圧の範囲の圧力
で行なわれる。メタンの分解が、約１５００゜Ｋの温度
かつ約１０気圧の圧力で行なわれて約１５００゜Ｋの温
度において炭素の流量が７．５ｋｇ／秒となることが好
ましい。約５〜約２０気圧の範囲の圧力がまずまずの値
である。熱分解装置１２からの水素の流量は約１５００
゜Ｋの温度において約２．５ｋｇ／秒である。ライン３
６を通しての燃焼生成物の投入は、前述のシステムパラ
メーターにおいて入口温度約２６００゜Ｋ、出口温度約
１７００゜Ｋで約２８．２ｋｇ／秒の流量でなされる。
【００１９】燃焼器１６は、約５０〜約５００気圧の範
囲の圧力において炭素および比較的純粋な酸素を燃焼さ
せ、二酸化炭素が主な生成物であるばあいは５００気圧
が好ましく、一酸化炭素のみが生成されるばあいは５０
気圧で充分である。より低い圧力を適用すると、同等に
高い効率がえられず、より大きな装備が必要とされる。
前記炭酸セシウムの代わりに炭酸カリウムを用いること
ができるが、炭酸セシウムが好ましい。燃焼器１６にお
いて、岐点圧力(stagnation pressure）は約５００気圧
であり岐点温度(stagnation temperature)は約４５２０
゜Ｋである。燃焼器１６は、ストイキオメトリー(stoic
hiometry）が約０．９１となるように過剰の炭素を用
い、酸素流量を１８．１８ｋｇ／秒とし、流入する酸素
の温度を約２０００゜Ｋとして操作される。前述の炭素
流量は約７．５ｋｇ／秒であり、炭酸セシウムの流量は
約０．５２ｋｇ／秒であり、燃焼器１６への全流量は約
２６．２ｋｇ／秒である。磁気流体発電機３０におい
て、発電機への入口にあるノズルにおいてプラズマが約
１０００ｍ／秒（約マッハ１．０）〜約２７５０ｍ／秒
（約マッハ３）の範囲の速度に加速される。主な生成物
ガスが一酸化炭素であるばあい、より低い速度、圧力お
よび温度が適用される。約４〜約６テスラの広い範囲に
定められた磁場をかけて磁気流体発電機３０を高速ガス
が流通し、発電機の壁に沿った一連の電極を通してエネ
ルギーが取り出される。このことは、よく知られてい
る。種々の入口速度、磁場強度および発電負荷(generat
ing loading)のパラメーターが存在するが、１つの組み
合わせのそのようなパラメーターは、３１００゜Ｋの入
口静温度(static temperature)、１０気圧の入口静圧(s
taticpressure）および２７５０ｍ／秒の入口速度であ
る。１気圧の圧力において４〜６テスラの範囲にある最
大磁場および約２６００゜Ｋの拡散器出口温度を適用す
ることができる。そのような環境において、磁気流体発
電機３０の計算効率は８５％であり、チャネル内の流量
約２６．２ｋｇ／秒において取り出されるエネルギーは
１１２ＭＷｅである。大部分の磁気流体発電機３０にお
いてそうであるように、プラズマの動エネルギーを回収
し、その速度を比較的低く御しやすい水準に下げるため
に発電機の出口に拡散器が必要とされる。知られている
ように、チャネルからの電気出力は直流であり、ライン
３３に沿ってインバーター５０に流れて、そこで交流に
換えられる。
【００２０】酸素予熱器２５は典型的な熱交換器であ
り、ライン３４からの燃焼ガス入口温度が約２６００゜
Ｋであり、燃焼ガス出口温度が約２１５０゜Ｋであり、
燃焼ガスの流量は２６．２ｋｇ／秒である。酸素プラン
ト１８からの出口であるライン２０から酸素予熱器２５
への酸素は、３００゜Ｋの温度で約１８．１８ｋｇ／秒
の流量で流入する。これらの環境および条件下におい
て、ライン２６における予熱器２５からの酸素出口温度
は約２０００゜Ｋである。磁気流体発電機３０の出口ガ
スはライン３４から約２６００゜Ｋの温度で酸素予熱器
２５に入り、約２１５０゜Ｋの温度で予熱器２５を出て
ライン３４ａを通って第２の燃焼器３５に入る。そこ
で、ライン２１を通して酸素プラント１８から送出され
た酸素とともに、磁気流体発電機３０からの廃ガスが燃
焼する。第２の燃焼器３５への酸素の流量は、入口温度
３００゜Ｋにおいて２．０ｋｇ／秒であってよい。燃焼
ガスの第２の燃焼器３５への入口温度は２１５０゜Ｋで
あり、発熱燃焼後の出口燃焼ガス温度は２６００゜Ｋで
ある。第２の燃焼器３５へのストイキオメトリーは０．
９１である、すなわち一酸化炭素として炭素が過剰であ
り、燃焼器３５からのストイキオメトリーは１でありす
べての一酸化炭素が燃焼されて二酸化炭素になる。第２
の燃焼器３５への燃焼ガス流量は２６．２ｋｇ／秒であ
り、燃焼器３５からの燃焼ガス流量は２８．２ｋｇ／秒
であり、それは２．０ｋｇ／秒の酸素供給を示してい
る。
【００２１】酸素プラント１８は、空気を１７３．１４
ｋｇ／秒の流量で受け入れ、２０．１８ｋｇ／秒の流量
でライン２０を通して磁気流体発電機３０に酸素を送出
し、２０．１８ｋｇ／秒の流量でライン２２を通して燃
料電池１５に酸素を送出する低温酸素プラントである。
酸素プラント１８を出て行く酸素の温度は室温、すなわ
ち３００゜Ｋである。燃料電池１５に送出される酸素は
約１０気圧の圧力がかかっており、予熱器２５から送出
される酸素は約５００気圧の圧力がかかっている。適当
な弁調整が必要であることがよく知られているが、それ
は図示しない。前述した燃料電池１５は、溶融炭酸塩型
のもの、または有効効率約７０％で直流電力を発生さ
せ、燃料として水素および酸化剤として酸素を用いる固
体酸化物燃料型のものであってよい。ライン１４を通し
ての燃料電池１５への水素の流量は約２．５ｋｇ／秒で
あり、燃料電池への酸素の流量は前述のように約２０．
１８ｋｇ／秒である。燃料電池の出力は２１２ＭＷｅで
あり、燃料電池から出てくる水の流量は約２２．６８ｋ
ｇ／秒であり、この水は熱を回収されたのちにライン５
２を通して廃棄される。
【００２２】熱／シード材料回収装置４０は、第２の燃
焼器３５からの廃ガス中の熱エネルギーを利用し、熱分
解装置１２においてメタンの温度を上昇させるために廃
ガスが使用されたのちに残っている残留熱を回収する。
熱／シード材料回収装置４０への入口における燃焼ガス
の温度は約１７００゜Ｋであり、出口における燃焼ガス
の温度は約３５０゜Ｋである。熱／シード材料回収装置
４０に入る燃焼ガスの流量は約２８．２ｋｇ／秒であ
り、シード材料の回収は約０．５２ｋｇ／秒の割合で行
なわれ、スチームへの熱伝達は約５１ＭＷｔｈで行なわ
れる。ライン４２を通して出てゆく二酸化炭素の流量は
２７．６８ｋｇ／秒である。熱／シード材料回収装置４
０において燃焼廃ガスからスチームに伝達される熱の量
は約９０ＭＷｔｈである。前述の例は、前述の包括的パ
ラメーターの範囲内における異なる値の流量および温度
を適用して種々の方法で変化させてよいと解される。天
然ガスの熱分解によりえられる炭素および実質的に純粋
な酸素を利用する磁気流体発電機３０を設けることは新
規なことである。
【００２３】本発明は、また、分解装置中において１２
００゜Ｋ以上の温度かつ少なくとも大気圧を僅かに超え
る圧力でメタンを水素と炭素に熱分解し、炭素を燃焼器
に送り、実質的に純粋な酸素およびセシウムシード材料
またはカリウムシード材料を燃焼器に導入し、燃焼器を
炭素を用いて少なくとも５０気圧の圧力に維持して炭素
と酸素を燃焼させて３０００゜Ｋ以上の温度の電離プラ
ズマを発生させ、電離プラズマを１０００ｍ／秒以上の
速度に加速して４〜６テスラの磁場を有する磁気流体発
電機を通過させて電力を発生させ、電離プラズマを減速
し、磁気流体発電機からの電離プラズマを、メタンを加
熱して分解させるようなメタンとの熱交換が行なわれる
ように移動させ、その後、セシウムシード材料またはカ
リウムシード材料を回収して燃焼器に輸送することを特
徴とするメタンの化学エネルギーを電機エネルギーに変
換する方法にも関する。
【００２４】この方法の１つの態様を実施するための磁
気流体発電システム１００を図２に示す。磁気流体発電
システム１００と磁気流体発電システム１０は実質的に
同じものである。同じ装備を示すために同じ参照番号を
用いた。第２の燃焼器が存在せずメタノール製造装置６
０を備えたことにおいて、磁気流体発電システム１００
は磁気流体発電システム１０と基本的に異なる。磁気流
体発電機３０は、ここでも、ライン１１を通って熱分解
装置１２に入ってくる供給源からのメタンまたは天然ガ
スを燃焼させるための熱分解装置１２と組み合わせて利
用されている。磁気流体発電システム１００において
は、第２の燃焼器および燃料電池が省かれているため
に、磁気流体発電機からの廃ガスは主に一酸化炭素から
なり（酸素プラント１８が約４分の１の量の酸素しか製
造しない）、それはシード材料回収装置７０からメタノ
ール製造装置６０に移動される。メタノール製造装置６
０は、磁気流体発電システム１０において燃料電池が受
け入れるのと同じ量の水素ガスを受け入れる。入ってく
る酸素流量を少なくすることにより、ストイキオメトリ
ーが約０．５になり、燃焼生成物が本質的に一酸化炭素
からなるようになる。
【００２５】メタンが温度３００゜Ｋにて流量１０ｋｇ
／秒で熱分解装置１２に入る。炭素は温度１５００゜Ｋ
にて流量７．５ｋｇ／秒で流出し、燃焼生成物は、入口
温度２４００゜Ｋおよび出口温度５００゜Ｋにて流量１
７．９５ｋｇ／秒で流通する。燃焼器１６において、酸
素は３００゜Ｋの温度にて１０．０８ｋｇ／秒の流量で
流入し、予熱はされず、シード材料流量は０．３８ｋｇ
／秒であり、合計流量は１７．９５ｋｇ／秒である。
【００２６】磁気流体発電機３０は、磁気流体発電シス
テム１０と比べて異なるパラメーターで磁気流体発電シ
ステム１００において操作される。磁気流体発電システ
ム１００において、プラズマは発電機入口において１０
００ｍ／秒（マッハ１．０）に加速され、入口の静温度
は２９００゜Ｋであり静圧は２７気圧である。最大磁場
は、約４〜約６テスラの範囲にある。拡散器出口におけ
るプラズマ温度は２４００゜Ｋであり圧力は１気圧であ
る。磁気流体発電機３０の計算効率は５０％であり、２
２ＭＷｅの直流電力が発生する。
【００２７】酸素プラント１８は、３００゜Ｋの温度か
つ５０気圧の圧力で流量１０．０９ｋｇ／秒として燃焼
器１６に酸素を供給する。酸素プラント１８に入る空気
の流量は４３．２９ｋｇ／秒である。メタノール製造装
置６０は、１７．５９ｋｇ／秒の一酸化炭素入口流量お
よび２．５ｋｇ／秒の水素入口流量において、２０．０
９ｋｇ／秒でメタノールを製造するように操作される。
【００２８】図３に、本発明のもう１つの態様を示す。
図１および２と同じ装備は同じ参照番号で示す。この磁
気流体発電システム１５０においても、磁気流体発電機
３０は、ライン３３を通してインバーター５０に送られ
る直流電力を発生させるために酸素プラント１８からの
酸素とライン１３からの炭素を燃焼させるための熱分解
装置１２と組み合わせて用いられている。磁気流体発電
システム１５０において、第２の燃焼器３５が前述のよ
うに酸素予熱器２５と一緒に用いられる。
【００２９】磁気流体発電システム１０と磁気流体発電
システム１５０の主な相違は、石炭供給源８１からの石
炭をメタンに転化する水添熱分解(hydropyrolysis)装置
８０が設けられたことである。えられたメタンはライン
１１を通して熱分解装置１２に送られる。もう１つの相
違は、熱分解装置１２で製造された水素ガスの一部がラ
イン７９を通して水添熱分解装置８０に送られ、水素ガ
スの他の部分がライン１４を通して燃料電池１５に送ら
れることである。包括的には水添熱分解装置８０は約８
００〜１４００゜Ｋの温度で操作されるが、１０００゜
Ｋが好ましい。水添熱分解装置８０も１〜約５気圧の範
囲の圧力下に操作され、好ましい圧力は３〜４気圧の範
囲にある。製造された２モルの水素ガスに対して、１．
６５モルの水素が水添熱分解装置８０に送られ、０．３
５モルの水素が燃料電池１５に送られ、それにより燃料
電池１５を操作するために必要な酸素の量が低下する。
水添熱分解装置８０はつぎのパラメーターで操作され
る：約５５０゜Ｋの温度での８．０ｋｇ／秒の石炭流量
に対して、約１４００゜Ｋの温度で約２．０６ｋｇ／秒
の水素流量が要求される。水添熱分解装置８０で製造さ
れたメタンは、約１１００〜約１２００゜Ｋの温度にお
いて約１０ｋｇ／秒の流量で移動する。磁気流体発電シ
ステム１５０において、酸素プラント１８からの酸素供
給量は磁気流体発電システム１０のばあいより少なく、
磁気流体発電機３０への酸素流量は２０．１８ｋｇ／秒
であり、燃料電池１５への酸素流量は３．５０ｋｇ／秒
であり、空気流量は１０１．７１ｋｇ／秒である。同様
に、燃料電池１５はより少ない電力を発生させるように
操作され、入ってくる水素流量は０．４４ｋｇ／秒であ
り、入ってくる酸素流量は３．５３ｋｇ／秒であり、出
力は３７ＭＷｅであり、出てくる水の流量は３．９７ｋ
ｇ／秒である。燃料電池１５からスチームに伝達される
熱は１５．７５ＭＷｅである。
【００３０】種々の供給源からのメタンおよび純粋な酸
素を磁気流体発電機およびばあいにより燃料電池と一緒
に用いる包括的システムおよび方法を開示したことが明
らかである。種々の操作パラメーターを用いることがで
きる。幾つかの特定のシステムパラメーターを開示した
が、それらは決して限定的なものと考えるべきでなく、
単に本発明を説明するためだけのものである。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、天然ガスまたは石炭を
用いて高い効率で電力を発生させることができる。本発
明によれば廃物がほとんど発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を示す概略的流れ図である。
【図２】メタノールを製造するように変化させた本発明
の概略的流れ図である。
【図３】出発材料として石炭を使用するように変化させ
た本発明の概略的流れ図である。
【符号の説明】
１０ 磁気流体発電システム １２ 熱分解装置 １５ 燃料電池 １６ 燃焼器 １８ 酸素プラント ２５ 酸素予熱器 ３０ 磁気流体発電機 ３１ 北極 ３２ 南極 ３５ 第２の燃焼器 ４０ 熱／シード材料回収装置 ４５ タービン発電機 ５０ インバーター ５１ 熱回収装置 ６０ メタノール製造装置 ７０ シード材料回収装置 ８０ 水添熱分解装置 １００ 磁気流体発電システム １５０ 磁気流体発電システム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギャリー イー スターツ アメリカ合衆国、15236 ペンシルベニア 州、ピッツバーグ、ノーウィン ロード 4510 (72)発明者 ジョン シー カッティング アメリカ合衆国、08742 ニュージャージ ー州、ポイント プレズント、ノーススト リーム パークウェイ 1610

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 分解装置中において１２００゜Ｋ以上の
    温度かつ少なくとも大気圧を僅かに超える圧力でメタン
    を水素と炭素に熱分解し、炭素を燃焼器に送り、実質的
    に純粋な酸素およびセシウムシード材料またはカリウム
    シード材料を燃焼器に導入し、燃焼器を炭素を用いて少
    なくとも５０気圧の圧力に維持して炭素と酸素を燃焼さ
    せて３０００゜Ｋ以上の温度の電離プラズマを発生さ
    せ、電離プラズマを１０００ｍ／秒以上の速度に加速し
    て４〜６テスラの磁場を有する磁気流体発電機を通過さ
    せて電力を発生させ、電離プラズマを減速し、磁気流体
    発電機からの電離プラズマを、メタンを加熱して分解さ
    せるようなメタンとの熱交換が行なわれるように移動さ
    せ、その後、セシウムシード材料またはカリウムシード
    材料を回収して燃焼器に輸送することを特徴とするメタ
    ンの化学エネルギーを電機エネルギーに変換する方法。
  2. 【請求項２】 メタンの分解が１２００〜１５００゜Ｋ
    の範囲の温度で行なわれる請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 メタンの分解が５〜２０気圧の範囲の圧
    力で行なわれ、電離プラズマが２７５０ｍ／秒の速度に
    加速される請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 メタンの分解が１０気圧の圧力で行なわ
    れる請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 シード材料が炭酸塩である請求項１記載
    の方法。
  6. 【請求項６】 シード材料が炭酸セシウムである請求項
    ５記載の方法。
  7. 【請求項７】 磁気流体発電機からの廃ガスを、燃焼器
    に実質的に純粋な酸素を導入する前に、前記酸素と熱交
    換が行なわれるように移動させる請求項３記載の方法。
  8. 【請求項８】 燃焼器を２００〜５００気圧の範囲の圧
    力で操作する請求項３記載の方法。
  9. 【請求項９】 燃焼器を５００気圧の圧力で操作し、燃
    焼器の温度が４５００゜Ｋである請求項７記載の方法。
  10. 【請求項１０】 磁気流体発電機からの電離プラズマが
    主に一酸化炭素からなり、前記一酸化炭素をメタノール
    製造装置に輸送し、メタンの分解によりえられた水素と
    前記一酸化炭素とを結合させてメタノールを製造する請
    求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 分解装置中において１２００゜Ｋ以上
    の温度かつ少なくとも大気圧を僅かに超える圧力でメタ
    ンを水素と炭素に熱分解し、メタンの分解によりえられ
    た炭素を燃焼器に送り、メタンの分解によりえられた水
    素を酸素とともに燃料電池に送って直流電力を発生さ
    せ、実質的に純粋な酸素およびセシウムシード材料また
    はカリウムシード材料を燃焼器に導入し、燃焼器を炭素
    を用いて少なくとも２００気圧の圧力に維持して炭素と
    酸素を燃焼させて４０００゜Ｋ以上の温度の電離プラズ
    マを発生させ、電離プラズマを２７５０ｍ／秒の速度に
    加速して４〜６テスラの磁場を有する磁気流体発電機を
    通過させて直流電力を発生させ、電離プラズマを減速
    し、磁気流体発電機からの電離プラズマを第２の燃焼器
    に送り、第２の燃焼器に実質的に純粋な酸素を加えて存
    在しうる一酸化炭素を燃焼させ、第２の燃焼器からの廃
    ガスを、メタンを加熱して分解させるようなメタンとの
    熱交換が行なわれるように移動させ、その後、セシウム
    シード材料またはカリウムシード材料を回収して燃焼器
    に輸送し、磁気流体発電機および燃料電池からの直流電
    力を交流電力に換えることを特徴とするメタンの化学エ
    ネルギーを電機エネルギーに変換する方法。
  12. 【請求項１２】 メタンの分解が１２００〜１５００゜
    Ｋの範囲の温度かつ５〜２０気圧の範囲の圧力で行なわ
    れる請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 圧力が１０気圧であり、シード材料が
    炭酸セシウムである請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 燃焼器に送られる酸素を、磁気流体発
    電機から出てくる減速されたプラズマと熱交換が行なわ
    れるように移動させることにより２０００゜Ｋの温度に
    加熱する請求項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 第２の燃焼器が大気圧で操作され、廃
    ガスが２２００゜Ｋを超える温度で第２の燃焼器から出
    る請求項１１記載の方法。
  16. 【請求項１６】 第２の燃焼器からの廃ガスの温度が２
    ６００゜Ｋである請求項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 燃焼器が５００気圧の圧力で操作さ
    れ、燃焼器中の温度が４５００゜Ｋである請求項１１記
    載の方法。
  18. 【請求項１８】 燃料電池が固体酸化物燃料電池または
    溶融炭酸塩燃料電池である請求項１１記載の方法。
  19. 【請求項１９】 メタンガスが、８００〜１４００゜Ｋ
    の範囲の温度における石炭の水添熱分解によりえられた
    ものを含む請求項１１記載の方法。
  20. 【請求項２０】 水添熱分解が１０００゜Ｋの温度で行
    なわれる請求項１９記載の方法。
  21. 【請求項２１】 水添熱分解中に水素が閉鎖系内に存在
    し、閉鎖系の圧力が１〜５気圧の範囲の圧力である請求
    項１９記載の方法。
  22. 【請求項２２】 １２００゜Ｋ以上の温度かつ大気圧よ
    り僅かに高い圧力以上の圧力でメタンを熱分解して炭素
    および水素ガスをうるための分解装置、メタンの分解に
    よりえられた炭素を、実質的に純粋な酸素およびセシウ
    ムシード材料またはカリウムシード材料とともに燃焼さ
    せて２９００℃以上の温度の電離プラズマを発生させる
    ための燃焼装置、４〜６テスラの範囲の磁場を有し電離
    プラズマを１０００ｍ／秒以上の速度に加速して直流電
    力を発生させるための磁気流体発電機、磁気流体発電機
    からのガスを、メタンを加熱して分解させるようにメタ
    ンとの熱交換が行なわれるように移動させるための熱交
    換器、および直流電力を交流電力に換えるためのインバ
    ーターを含んでなるメタンの化学エネルギーを電機エネ
    ルギーに変換するためのシステム。
  23. 【請求項２３】 さらに、実質的に純粋な酸素の供給源
    および前記酸素供給源と前記燃焼器との間に存在する酸
    素予熱器、メタンの分解によりえられた水素および酸素
    を受入れて前記インバーターに送るための直流電力を発
    生させるように前記分解装置および前記酸素供給源に操
    作可能に接続された燃料電池、および磁気流体発電機か
    らのガスがメタンと熱交換するように移動したのちに前
    記ガスから熱を回収し、前記燃焼器に輸送するために前
    記ガス中のセシウムシード材料またはカリウムシード材
    料を回収するための熱／シード材料回収装置を含んでな
    る請求項２２記載のシステム。
  24. 【請求項２４】 さらに、石炭と水素をメタンに転化す
    るための水添熱分解装置、およびメタンを前記分解装置
    に送出するための手段を含む請求項２３記載のシステ
    ム。
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