JPH08287932A - 熱併給発電方法 - Google Patents
熱併給発電方法Info
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- JPH08287932A JPH08287932A JP7089001A JP8900195A JPH08287932A JP H08287932 A JPH08287932 A JP H08287932A JP 7089001 A JP7089001 A JP 7089001A JP 8900195 A JP8900195 A JP 8900195A JP H08287932 A JPH08287932 A JP H08287932A
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- heating
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- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 炭化水素の改質装置と燃料電池とを用いた熱
併給発電方法に関する。 【構成】 水素分離透過膜を有する改質装置により炭化
水素を水蒸気改質させて得られる高純度水素を燃料電池
に供給し発電すると共に、前記改質装置のオフガスの燃
焼熱により前記改質装置を加熱し、前記改質装置を加熱
した後の燃焼ガス排熱を暖房熱源または温水供給装置の
加熱源として使用する。 【効果】 比較的低温で炭化水素改質でき、小型でかつ
簡便な装置で総合熱効率の優れた熱併給発電が可能とな
る。
併給発電方法に関する。 【構成】 水素分離透過膜を有する改質装置により炭化
水素を水蒸気改質させて得られる高純度水素を燃料電池
に供給し発電すると共に、前記改質装置のオフガスの燃
焼熱により前記改質装置を加熱し、前記改質装置を加熱
した後の燃焼ガス排熱を暖房熱源または温水供給装置の
加熱源として使用する。 【効果】 比較的低温で炭化水素改質でき、小型でかつ
簡便な装置で総合熱効率の優れた熱併給発電が可能とな
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は炭化水素の改質装置と燃
料電池とを用いた熱併給発電方法に関する。
料電池とを用いた熱併給発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】工場、オフィスあるいは家庭用の熱併給
発電（コジェネレーション）としては、原動機により電
力を発生し、電力の一部をまかなうと共に、原動機の排
熱は排気を利用して発生させた蒸気や温水などの熱を供
給し、総合熱効率の向上を図るものである。しかし、こ
れは蒸気タービン、ガスタービン、ディーゼルエンジン
やガスエンジンなどの原動機を使用するため装置も大が
かりであり、騒音や振動も発生し、また小型化も困難で
あった。
発電（コジェネレーション）としては、原動機により電
力を発生し、電力の一部をまかなうと共に、原動機の排
熱は排気を利用して発生させた蒸気や温水などの熱を供
給し、総合熱効率の向上を図るものである。しかし、こ
れは蒸気タービン、ガスタービン、ディーゼルエンジン
やガスエンジンなどの原動機を使用するため装置も大が
かりであり、騒音や振動も発生し、また小型化も困難で
あった。
【０００３】一方、発電効率が５０％以上と極めて高
く、騒音や振動が小さく、かつ大気汚染の心配がない都
市型の電源として、燃料電池の実用化に向けて盛んに研
究開発がなされている。燃料電池としては１５０〜２３
０℃で作動するりん酸型、１００℃以下で作動する固体
高分子型、アルカリ型、作動温度６００〜７００℃の溶
融炭酸塩型などがある。これらのうち、特に１００℃以
下で作動する固体高分子型では、電極の白金などの触媒
がＣＯにより被毒されるため、燃料電池に供給する水素
含有ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にする必要があ
るとされている。このため、従来の炭化水素やアルコー
ルの水蒸気改質法により製造した水素を燃料電池用の燃
料ガスとするには、当該粗製水素をＣＯ変成器や水素精
製器によりさらに精製し、ＣＯ含有量が１０ｐｐｍ以下
の高純度とする必要があり、そのための工程が複雑で、
かつ多量の高温熱エネルギを要し、コストの面から問題
となっていた。
く、騒音や振動が小さく、かつ大気汚染の心配がない都
市型の電源として、燃料電池の実用化に向けて盛んに研
究開発がなされている。燃料電池としては１５０〜２３
０℃で作動するりん酸型、１００℃以下で作動する固体
高分子型、アルカリ型、作動温度６００〜７００℃の溶
融炭酸塩型などがある。これらのうち、特に１００℃以
下で作動する固体高分子型では、電極の白金などの触媒
がＣＯにより被毒されるため、燃料電池に供給する水素
含有ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にする必要があ
るとされている。このため、従来の炭化水素やアルコー
ルの水蒸気改質法により製造した水素を燃料電池用の燃
料ガスとするには、当該粗製水素をＣＯ変成器や水素精
製器によりさらに精製し、ＣＯ含有量が１０ｐｐｍ以下
の高純度とする必要があり、そのための工程が複雑で、
かつ多量の高温熱エネルギを要し、コストの面から問題
となっていた。
【０００４】ところで最近、前記水蒸気改質法による水
素の製造方法において、膜分離の併用技術が提案され、
例えば米国特許第５，２２９，１０２号明細書には、触
媒を充填したチューブ状の多孔質セラミック膜に炭化水
素を供給することにより、生成した水素を選択的に透過
させる改質器が記載されている。これにより、生成した
水素を系外に取去ることにより、改質反応の平衡が水素
生成系に傾く結果、従来の改質器において７５０〜８８
０℃の高温が必要であったのに対し、３００〜７００℃
の比較的低温度で改質できる旨が記載されている。また
比較的低温度で改質できるので、ガスタービンやガスエ
ンジンの排出ガス程度の温度を改質熱源として利用でき
ることが記載されている。またこれとは別に、改質装置
にパラジウム系薄膜を併用し、改質により得られる水素
を薄膜を通して高純度水素とし、これを燃料電池に供給
する技術も知られている。
素の製造方法において、膜分離の併用技術が提案され、
例えば米国特許第５，２２９，１０２号明細書には、触
媒を充填したチューブ状の多孔質セラミック膜に炭化水
素を供給することにより、生成した水素を選択的に透過
させる改質器が記載されている。これにより、生成した
水素を系外に取去ることにより、改質反応の平衡が水素
生成系に傾く結果、従来の改質器において７５０〜８８
０℃の高温が必要であったのに対し、３００〜７００℃
の比較的低温度で改質できる旨が記載されている。また
比較的低温度で改質できるので、ガスタービンやガスエ
ンジンの排出ガス程度の温度を改質熱源として利用でき
ることが記載されている。またこれとは別に、改質装置
にパラジウム系薄膜を併用し、改質により得られる水素
を薄膜を通して高純度水素とし、これを燃料電池に供給
する技術も知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このように改質器によ
る高純度水素の製造、さらには燃料電池による発電など
個々の技術やそれらの一部の組合わせ技術については断
片的に試みられ、単位燃料当たりの発電効率や総合熱効
率を高める努力がなされているものの、より一層の向上
が求められていることは言うまでもない。また後者の改
質装置にパラジウム系薄膜を取付け、得られる高純度の
水素を燃料電池に供給する技術に関しても、改質装置の
オフガスの燃焼熱をその改質の加熱源とし、さらに前記
加熱後の燃焼ガスの排熱を暖房や温給水熱源として有効
利用する点については知られていない。
る高純度水素の製造、さらには燃料電池による発電など
個々の技術やそれらの一部の組合わせ技術については断
片的に試みられ、単位燃料当たりの発電効率や総合熱効
率を高める努力がなされているものの、より一層の向上
が求められていることは言うまでもない。また後者の改
質装置にパラジウム系薄膜を取付け、得られる高純度の
水素を燃料電池に供給する技術に関しても、改質装置の
オフガスの燃焼熱をその改質の加熱源とし、さらに前記
加熱後の燃焼ガスの排熱を暖房や温給水熱源として有効
利用する点については知られていない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このような技術の現状に
鑑み、本発明者らは水素分離透過膜を有する改質装置と
燃料電池を組合わせることにより、比較的簡単な装置で
騒音などもない優れた熱効率を有する熱併給発電が可能
であることに想到し、本発明を完成させることができ
た。
鑑み、本発明者らは水素分離透過膜を有する改質装置と
燃料電池を組合わせることにより、比較的簡単な装置で
騒音などもない優れた熱効率を有する熱併給発電が可能
であることに想到し、本発明を完成させることができ
た。
【０００７】すなわち本発明は (1)水素分離透過膜（以
下、メンブレンと称す）を有する改質装置により炭化水
素を水蒸気改質させて得られる高純度水素を燃料電池に
供給し発電すると共に、前記改質装置のオフガスの燃焼
熱により前記改質装置を加熱し、前記改質装置を加熱し
た後の燃焼ガス排熱を暖房熱源または温水供給装置の加
熱源として使用することを特徴とする熱併給発電方法、
(2) 水素分離透過膜が無機多孔体の表面にパラジウム含
有合金の薄膜を形成させた構造を有するものであること
を特徴とする上記 (1)記載の熱併給発電方法及び (3)燃
料電池が固体高分子型燃料電池であることを特徴とする
上記 (1)または (2)に記載の熱併給発電方法である。
下、メンブレンと称す）を有する改質装置により炭化水
素を水蒸気改質させて得られる高純度水素を燃料電池に
供給し発電すると共に、前記改質装置のオフガスの燃焼
熱により前記改質装置を加熱し、前記改質装置を加熱し
た後の燃焼ガス排熱を暖房熱源または温水供給装置の加
熱源として使用することを特徴とする熱併給発電方法、
(2) 水素分離透過膜が無機多孔体の表面にパラジウム含
有合金の薄膜を形成させた構造を有するものであること
を特徴とする上記 (1)記載の熱併給発電方法及び (3)燃
料電池が固体高分子型燃料電池であることを特徴とする
上記 (1)または (2)に記載の熱併給発電方法である。
【０００８】本発明で採用される改質装置としてはメン
ブレンを有し、高純度の水素、例えばＣＯ濃度が１０ｐ
ｐｍ以下の高純度水素を供給でき、改質が４００〜６５
０℃の温度範囲で行えるものであれば特に限定されな
い。このように比較的低温で改質がなされ得るのは、メ
ンブレンにより生成した水素を系外に取出すことによ
り、前記のように化学平衡が水素生成系に移行すること
に起因する。天然ガスの主成分であるメタン（ＣＨ4 ）
の場合を例にとると、改質反応
ブレンを有し、高純度の水素、例えばＣＯ濃度が１０ｐ
ｐｍ以下の高純度水素を供給でき、改質が４００〜６５
０℃の温度範囲で行えるものであれば特に限定されな
い。このように比較的低温で改質がなされ得るのは、メ
ンブレンにより生成した水素を系外に取出すことによ
り、前記のように化学平衡が水素生成系に移行すること
に起因する。天然ガスの主成分であるメタン（ＣＨ4 ）
の場合を例にとると、改質反応
【化１】 において、従来の改質法では反応領域温度を約８００℃
にすることが必要であったが、同じ転化率を達成するの
にメンブレンを利用することにより、温度４００〜６５
０℃で達成することができる。
にすることが必要であったが、同じ転化率を達成するの
にメンブレンを利用することにより、温度４００〜６５
０℃で達成することができる。
【０００９】このようなメンブレンを備えた改質装置は
通常メンブレンリアクタとも称されるものであり、熱効
率を考慮して経済的な形状が種々工夫されている。メン
ブレンとしては水素を選択的に透過する膜で、かつ耐熱
性を有する膜が用いられる。例えば膜厚１００μｍ以上
のパラジウム含有合金膜、あるいは膜厚５０μｍ以下の
パラジウム含有合金薄膜を無機多孔体、例えば金属やセ
ラミックの多孔体あるいは金属不織布上にコーティング
したものが用いられる。無機多孔体としては、シールな
どの加工性、耐衝撃性、水素透過性などの観点から金属
多孔体が好ましい。前記パラジウム含有合金としてはパ
ラジウム単独またはパラジウムを１０重量％以上含有す
るものが好ましく、バラジウム以外にＰｔなど１０族元
素、Ｒｈ，Ｉｒなどの９族元素、Ｒｕなどの８族元素、
Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの１１族元素を有するものが好ま
しい。この他、バナジウム（Ｖ）を含有する合金膜、例
えばＮｉ−Ｃｏ−Ｖ合金にパラジウムをコーティングし
た膜などが用いられる。
通常メンブレンリアクタとも称されるものであり、熱効
率を考慮して経済的な形状が種々工夫されている。メン
ブレンとしては水素を選択的に透過する膜で、かつ耐熱
性を有する膜が用いられる。例えば膜厚１００μｍ以上
のパラジウム含有合金膜、あるいは膜厚５０μｍ以下の
パラジウム含有合金薄膜を無機多孔体、例えば金属やセ
ラミックの多孔体あるいは金属不織布上にコーティング
したものが用いられる。無機多孔体としては、シールな
どの加工性、耐衝撃性、水素透過性などの観点から金属
多孔体が好ましい。前記パラジウム含有合金としてはパ
ラジウム単独またはパラジウムを１０重量％以上含有す
るものが好ましく、バラジウム以外にＰｔなど１０族元
素、Ｒｈ，Ｉｒなどの９族元素、Ｒｕなどの８族元素、
Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの１１族元素を有するものが好ま
しい。この他、バナジウム（Ｖ）を含有する合金膜、例
えばＮｉ−Ｃｏ−Ｖ合金にパラジウムをコーティングし
た膜などが用いられる。
【００１０】炭化水素を水蒸気改質させる改質触媒とし
ては、８〜１０族金属（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｐ
ｄ，Ｐｔなど）を含有するものが好ましく、Ｎｉ，Ｒ
ｕ，Ｒｈを担持した触媒またはＮｉＯ含有触媒が特に好
ましい。
ては、８〜１０族金属（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｐ
ｄ，Ｐｔなど）を含有するものが好ましく、Ｎｉ，Ｒ
ｕ，Ｒｈを担持した触媒またはＮｉＯ含有触媒が特に好
ましい。
【００１１】改質原料として用いられる炭化水素として
は炭素数１〜１０程度のものが使用でき、これらにはメ
タンを主成分とする天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス、ナフ
サなどの軽質炭化水素が含まれるが、中でも天然ガスを
用いることが好ましい。
は炭素数１〜１０程度のものが使用でき、これらにはメ
タンを主成分とする天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス、ナフ
サなどの軽質炭化水素が含まれるが、中でも天然ガスを
用いることが好ましい。
【００１２】具体的な改質装置として特に限定はなく、
公知のものが使用できる。例えば、特開平２−３１１３
０１号公報には、触媒を充填した反応管内に水素分離機
能を有する分離膜を、さらに前記反応管外側に外筒を設
け、触媒を充填した反応管内に改質原料を供給して水素
を発生させ、分離膜の内側に不活性ガス（スイープガ
ス）を流入させて分離膜を透過した水素をスイープガス
に同伴させて系外に取出し、燃料電池に供給する技術が
記載されている。すなわち改質部を同心状の三重管と
し、中間層に触媒を充填して水素を製造し、分離膜を通
して管の中心部に分離された水素をスイープガスに同伴
させて排出するものである。改質装置として好ましいも
のは上記のとおりであるが、この他に前記米国特許明細
書に記載されているようなセラミックメンブレンを用い
ることもできる。
公知のものが使用できる。例えば、特開平２−３１１３
０１号公報には、触媒を充填した反応管内に水素分離機
能を有する分離膜を、さらに前記反応管外側に外筒を設
け、触媒を充填した反応管内に改質原料を供給して水素
を発生させ、分離膜の内側に不活性ガス（スイープガ
ス）を流入させて分離膜を透過した水素をスイープガス
に同伴させて系外に取出し、燃料電池に供給する技術が
記載されている。すなわち改質部を同心状の三重管と
し、中間層に触媒を充填して水素を製造し、分離膜を通
して管の中心部に分離された水素をスイープガスに同伴
させて排出するものである。改質装置として好ましいも
のは上記のとおりであるが、この他に前記米国特許明細
書に記載されているようなセラミックメンブレンを用い
ることもできる。
【００１３】本発明で使用される燃料電池としては、前
記のりん酸型、固体高分子型、アルカリ型、溶融炭酸塩
型などが挙げられるが、これらの中では特に固体高分子
型燃料電池が好ましい。
記のりん酸型、固体高分子型、アルカリ型、溶融炭酸塩
型などが挙げられるが、これらの中では特に固体高分子
型燃料電池が好ましい。
【００１４】本発明においては、メンブレンを有する改
質装置により炭化水素を水蒸気改質させて得られる高純
度水素を燃料電池に供給して発電すると共に、前記改質
装置のオフガスを燃焼器に導いて燃焼させ、その燃焼熱
を前記改質装置自体の加熱源とする。さらに改質装置を
加熱した後の燃焼ガスを排熱を利用して暖房や温水供給
装置を加熱する。前記改質装置の加熱温度は適切な改質
反応が起こるように、オフガスの燃焼をコントロールす
ることにより制御する。
質装置により炭化水素を水蒸気改質させて得られる高純
度水素を燃料電池に供給して発電すると共に、前記改質
装置のオフガスを燃焼器に導いて燃焼させ、その燃焼熱
を前記改質装置自体の加熱源とする。さらに改質装置を
加熱した後の燃焼ガスを排熱を利用して暖房や温水供給
装置を加熱する。前記改質装置の加熱温度は適切な改質
反応が起こるように、オフガスの燃焼をコントロールす
ることにより制御する。
【００１５】
〔実施例１〕図１は本実施例において採用した本発明に
係る熱併給発電システム装置の一例の説明図である。図
１において、取込まれた空気１はブロワ２により燃焼器
３に送り込まれる。燃焼器３にはメンブレン４を有する
メンブレン改質装置５からのオフガス６が燃料として供
給される。燃焼器３によるオフガス６の燃焼熱でメンブ
レン改質装置５が加熱される。メンブレン改質装置５に
は天然ガス７及びスチーム８が供給される。スチーム８
は別のスチーム源から供給してもよいが、図１のように
メンブレン改質装置５を加熱した後の燃焼排ガスにより
スチーム発生器１０で水９を加熱して発生させて供給し
てもよい。メンブレン改質装置５においては、前記天然
ガス７とスチーム８により前記改質反応が起こり、得ら
れる水素はメンブレン４により高純度水素１１として取
出され、燃料電池１２に供給されて発電に使用される。
一方、未反応の天然ガス、改質反応で生成するＣＯ、Ｃ
Ｏ 2 、水素、スチームなどが含まれるオフガス６がメン
ブレン改質装置５から取出され、燃焼器３の燃料として
使用される。燃焼器３で発生した高温の燃焼ガスでメン
ブレン改質装置５及びスチーム発生器１０を加熱した後
の燃焼排ガス１３の有する排熱を暖房に用いる。
係る熱併給発電システム装置の一例の説明図である。図
１において、取込まれた空気１はブロワ２により燃焼器
３に送り込まれる。燃焼器３にはメンブレン４を有する
メンブレン改質装置５からのオフガス６が燃料として供
給される。燃焼器３によるオフガス６の燃焼熱でメンブ
レン改質装置５が加熱される。メンブレン改質装置５に
は天然ガス７及びスチーム８が供給される。スチーム８
は別のスチーム源から供給してもよいが、図１のように
メンブレン改質装置５を加熱した後の燃焼排ガスにより
スチーム発生器１０で水９を加熱して発生させて供給し
てもよい。メンブレン改質装置５においては、前記天然
ガス７とスチーム８により前記改質反応が起こり、得ら
れる水素はメンブレン４により高純度水素１１として取
出され、燃料電池１２に供給されて発電に使用される。
一方、未反応の天然ガス、改質反応で生成するＣＯ、Ｃ
Ｏ 2 、水素、スチームなどが含まれるオフガス６がメン
ブレン改質装置５から取出され、燃焼器３の燃料として
使用される。燃焼器３で発生した高温の燃焼ガスでメン
ブレン改質装置５及びスチーム発生器１０を加熱した後
の燃焼排ガス１３の有する排熱を暖房に用いる。
【００１６】〔実施例２〕図２は本実施例で用いた本発
明に係る熱併給発電システム装置の別の一例を示す説明
図であり、図１の燃焼排ガス１３を暖房に使用する代わ
りに温水供給装置１４の加熱に使用するものである。図
１と共通部分は同一符号を付してあるので説明は省略す
る。温水供給装置１４には、水９が供給され、温水１５
が得られる。温水供給装置１４を加熱した後の低温燃焼
排ガス１６は大気に放出される。
明に係る熱併給発電システム装置の別の一例を示す説明
図であり、図１の燃焼排ガス１３を暖房に使用する代わ
りに温水供給装置１４の加熱に使用するものである。図
１と共通部分は同一符号を付してあるので説明は省略す
る。温水供給装置１４には、水９が供給され、温水１５
が得られる。温水供給装置１４を加熱した後の低温燃焼
排ガス１６は大気に放出される。
【００１７】
【発明の効果】以上詳細に述べたように、本発明により
従来の改質装置に比べ比較的低温で炭化水素の改質が可
能であり、改質装置から得られた高純度水素を発電効率
のよい燃料電池に供給すると共に、改質装置からのオフ
ガスの燃焼により改質装置自体を加熱し、さらにその排
熱を暖房や温水の加熱源とすることにより、小型でかつ
簡便な装置で総合熱効率の優れた熱併給発電が可能とな
った。
従来の改質装置に比べ比較的低温で炭化水素の改質が可
能であり、改質装置から得られた高純度水素を発電効率
のよい燃料電池に供給すると共に、改質装置からのオフ
ガスの燃焼により改質装置自体を加熱し、さらにその排
熱を暖房や温水の加熱源とすることにより、小型でかつ
簡便な装置で総合熱効率の優れた熱併給発電が可能とな
った。
【図１】本発明による熱併給発電方法で使用できる装置
の一例の説明図。
の一例の説明図。
【図２】本発明による熱併給発電方法で使用できる別の
装置の一例の説明図。
装置の一例の説明図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 一登 広島県広島市観音新町四丁目６番22号 三 菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 竹内 善幸 広島県広島市観音新町四丁目６番22号 三 菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 藤本 芳正 広島県広島市観音新町四丁目６番22号 三 菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 太田 洋州 神奈川県逗子市久木７−７−31 (72)発明者 白▲崎▼ 義則 埼玉県川口市芝西２−29−14
Claims (3)
- 【請求項１】 水素分離透過膜を有する改質装置により
炭化水素を水蒸気改質させて得られる高純度水素を燃料
電池に供給し発電すると共に、前記改質装置のオフガス
の燃焼熱により前記改質装置を加熱し、前記改質装置を
加熱した後の燃焼ガス排熱を暖房熱源または温水供給装
置の加熱源として使用することを特徴とする熱併給発電
方法。 - 【請求項２】 水素分離透過膜が無機多孔体の表面にパ
ラジウム含有合金の薄膜を形成させた構造を有するもの
であることを特徴とする請求項１記載の熱併給発電方
法。 - 【請求項３】 燃料電池が固体高分子型燃料電池である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱併
給発電方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08900195A JP3297246B2 (ja) | 1995-04-14 | 1995-04-14 | 熱併給発電方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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1995
- 1995-04-14 JP JP08900195A patent/JP3297246B2/ja not_active Expired - Fee Related
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