JPH1064568A - 電気エネルギー及び加熱のための熱を同時に形成する方法、並びに同方法を実施するためのプラント - Google Patents

電気エネルギー及び加熱のための熱を同時に形成する方法、並びに同方法を実施するためのプラント

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JPH1064568A JP9139745A JP13974597A JPH1064568A JP H1064568 A JPH1064568 A JP H1064568A JP 9139745 A JP9139745 A JP 9139745A JP 13974597 A JP13974597 A JP 13974597A JP H1064568 A JPH1064568 A JP H1064568A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電気エネルギー及び加熱のための熱を同時に形
成する方法であって、特に冬季中における暖房を目的と
して大量の熱を形成し得る燃料電池及びガスバーナーの
使用を含み、さらには燃料電池を用いた電気の同時形成
を最大限の電力レベルで実施する方法と、同方法を実施
するプラントとを提供する。 【解決手段】１つ以上の炭化水素から主になる燃焼ガス
Gと、酸素を含むガス混合物Aとから電気エネルギー及び
熱を同時に形成する。燃焼ガスGの半分未満の量は電気
を形成すべく燃料電池を備えたバッテリC内で変換さ
れ、かつ第１の排気ガスを形成し、残りの量はバーナー
B内で燃焼され、かつ第２の排気ガスを形成する。第１
の排気ガスは燃焼の酸素源として少なくとも部分的に使
用される。複数の排気ガスから熱エネルギーを回収し、
さらに同排気ガスに含まれる水の少なくとも約半分の量
を凝縮させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は少なくとも１つのガ
スバーナー及び少なくとも１つの燃料電池を備えたバッ
テリを使用し、かつ約３を越す化学量論比の余剰酸素
（Sauerstoffueberschuss mit einem stoechiometrisch
en Verhaeltnis groesser als rund 3）をバッテリ内に
供給することにより、１つまたは複数の炭化水素から主
に構成される燃焼ガスと、酸素を含むガス混合物とから
電気エネルギー及び加熱のための熱を同時に形成する方
法と、同方法を実施するためのプラントとに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】加熱、
特に部屋及び工業用水の少なくとも一方を加熱すべく天
然ガスを使用する場合、少なくとも約８０％のメタンを
有するガスを燃焼させる。この際、高品質エネルギー、
特に電気エネルギーを形成する効果は得られない。しか
し、燃料電池を使用することにより、メタンの化学エネ
ルギーの最大で５０％を電気エネルギーに変換できるこ
とが知られている。高温燃料電池では、電気エネルギー
の形成と同時に形成され、かつ消散する熱を加熱のため
に経済的に使用できる。天然ガスに代えて、炭化水素を
含む燃焼ガスを使用し得る。この際、ガスの少なくとも
一部はメタン以外の炭化水素からなる。
【０００３】多くの場合、一年を通じてほぼ一定の電気
エネルギーを供給することが望ましい。電気エネルギー
及び加熱のための熱を燃料電池を使用して同時に形成す
る場合、冬季、即ち寒い季節にのみ部屋を加熱、即ち暖
めるべく熱を必用とする地域において問題が発生する。
即ち、部屋を暖めるべく大量の熱を必用とする際、大量
の電気エネルギーが形成され得る。しかし、形成された
電気エネルギーを経済的に利用すべく同電気エネルギー
の消費者を見つけることは困難である。従って、燃料電
池を従来の加熱装置、特にガスバーナーと組合わせて使
用することが効果的である。これにより、暖かい季節
中、燃料電池を単独で使用し、放出される熱を工業用水
の加熱に使用し得る。
【０００４】本発明の目的は電気エネルギー及び加熱の
ための熱を同時に形成する方法であって、特に冬季中に
おける暖房を目的として大量の熱を形成し得る燃料電池
及びガスバーナーの使用を含み、さらには燃料電池を用
いた電気の同時形成を最大限の電力レベルで実施する方
法と、同方法を実施するプラントとを提供することにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】電気エネルギー及び加熱
のための熱を同時に形成する方法は１つ以上の炭化水素
から主に構成される燃焼ガスと、酸素を含むガス混合物
とを使用する。本発明の方法は少なくとも１つのガスバ
ーナー及び少なくとも１つの燃料電池を備えたバッテリ
を使用し、かつ約３を越す化学量論比の余剰酸素をバッ
テリ内に供給することにより行われる。燃焼ガスの半分
未満の量は電気を形成すべくバッテリ内において変換さ
れ、かつ第１の排気ガスを形成する。更に、燃焼ガスの
残りの量はバーナー内において燃焼され、かつ第２の排
気ガスを形成する。第１の排気ガスは燃焼のための酸素
源として少なくとも部分的に使用される。加熱のための
熱は排気ガスから回収される。そして、排気ガスに含ま
れる水の少なくとも約半分の量が凝縮される。
【０００６】更に、本発明の目的は燃料電池を備えたバ
ッテリと、バーナーと、バーナー及びバッテリの少なく
とも一方において形成される排気ガスのための少なくと
も１つの熱交換装置と、排気ガスから得られた熱を使用
する少なくとも１つの消費システムと、排気ガスを案内
すべくバッテリからバーナーまで延びる直接的または間
接的な接続部とを有するプラントによって達成される。
【０００７】燃料電池を備えたバッテリが断熱スリーブ
内に配置された平坦な複数の燃料電池のスタックと、ス
リーブ内に収容され、かつ供給空気を予備加熱するチャ
ネル・システムとを有することは効果的である。予備改
質装置はスタックの前方に配置するとともに、例えば中
心対称をなすように形成し得る。予備改質装置内におい
て、炭化水素、特にメタンは水の存在下において熱吸収
をともなって一酸化炭素及び水素に変換される。燃料電
池は有害な温度勾配の形成を防止すべく比較的大量の余
剰空気を供給して運転する必用がある。化学量論比は約
３より大きくする必用がある。即ち、燃焼ガスがメタン
を含有する場合、メタンを一酸化炭素及び水に変換する
ために、１モルのメタンに対して２モルの酸素を供給す
る代わりに少なくとも約６モルの酸素を供給する必用が
ある。
【０００８】可能な限り大量の熱を加熱のために形成す
べく、水蒸気の少なくとも半分の量はバーナー及びバッ
テリの各排気ガスからの熱の回収中に本発明に基づいて
凝縮される。この熱回収では、水蒸気の凝縮熱が利用さ
れる。バッテリの排気ガスは大量の酸素を含有するた
め、同排気ガスをバーナー内での燃焼に使用し得る。排
気ガス中に含まれる水蒸気がバーナーの排気ガスの成分
として現れ、これにより同排気ガスを加熱のために連続
的に使用し得ることが重要である。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１に示す燃料電池を備えたバッ
テリＣは１つの例を示すものである。燃料電池を備えた
バッテリの別例は欧州特許出願第９６８１０４１０．９
号に開示されている。更に、欧州特許出願第９６８１０
４１０．９号は本明細書中に開示しないバッテリの詳細
についても開示している。
【００１０】バッテリＣはほぼ中心対称をなす高温燃料
電池（wesentlichen zentralsymmetrischen Hochtemper
ature-Brennstoffzellen）１０のスタック１、予備改質
装置３、硫黄吸収装置４及びスリーブ２を有する。スリ
ーブ２の第１のチャネル・システムは環状間隙からなる
チャンバ２１，２２，２３と、断熱材料からなる空気不
透過性ボディ２５と、チャンバ２２からチャンバ２３内
に向かう半径方向への空気の流動を可能にする空気透過
性ボディ２６とを有する。空気はチャンバ２３から管路
１２’を介してアフターバーナー・チャンバ１２を越え
て燃料電池１０内に供給可能である。バッテリＣの下部
に位置する第２のチャネル・システム７は熱交換装置で
ある。第２のチャネル・システム７を介することによ
り、熱を予備改質装置３及び硫黄吸収装置４に供給し得
る。硫黄吸収装置４の周囲に位置する環状間隙からなる
ジャケット・チャンバ５は水Ｗの気化装置として形成さ
れている。
【００１１】電流形成反応に必用な燃焼ガスＧは吸収装
置４、予備改質装置３及び管路１３を介して中央に向か
って燃料電池スタック１内に供給される。始動段階中、
高温燃焼ガスはバッテリＣを加熱すべくチューブ６を通
って同バッテリＣ内に供給される。燃焼ガスは第２のチ
ャネル・システム７及びアフターバーナー・チャンバ１
２を通過した後、チューブ８を通ってバッテリＣから排
出される。バッテリＣを加熱した後、同バッテリＣは電
流供給運転状態になる。この運転状態中、高温排気ガス
はアフターバーナー・チャンバ１２から第２のチャネル
・システム７を通って出口９まで反対方向に流れる。そ
して、排気ガスは予備改質装置３及び気化装置５に必用
とされる熱を形成する。高温燃焼ガスまたは排気ガスの
フローは閉鎖部材（フラップ）６０，８０，９０によっ
て制御される。
【００１２】図２に示す本発明のプラントにおいて、バ
ッテリＣはガスバーナーＢと組み合わされている。電流
供給運転状態において、バッテリＣの排気ガスは管路９
１を介して第１の熱交換装置Ｅ１内に供給される。第１
の熱交換装置Ｅ１の例としては、工業用水９５のヒータ
が挙げられる。更に、排気ガスは管路９２を通ってバー
ナーＢ内に供給される。バーナーＢ内において、排気ガ
スに含まれる酸素はガスＧの燃焼に使用される。工業用
水の加熱において、貯蔵装置、即ちボイラーを使用する
ことは効果的である。加熱された水をボイラーから排出
した際、新たな水がボイラーの底部に流入する。水の加
熱及び水の排出は下部低温領域及び上部高温領域の両方
の形成を維持した状態で従来の方法で実施される。バー
ナーＢの燃焼ガスは管路６２を通って第２の熱交換装置
Ｅ２に供給される。第２の熱交換装置Ｅ２において回収
された熱はルーム・ヒーティングＨに使用される。燃焼
ガスの水蒸気を熱交換装置Ｅ２内において凝縮させるこ
とは本発明から予測し得ることである。冷却された燃焼
ガス６５は管路６４を介して排気管（図示略）内に案内
される。
【００１３】始動段階における加熱を実施すべく、閉鎖
部材６０，８０を開放し、閉鎖部材６３，９０を閉鎖す
ることにより、バーナーＢによって形成された燃焼ガス
を管路６１を介してバッテリＣに供給し得る。冷却され
た燃焼ガスは管路８１を介して熱交換装置Ｅ２に連通さ
れた管路６２内に案内される。バッテリＣの加熱を実施
するためにバーナーＢを使用する場合、空気は周囲環境
（図示略）から直接取入れる必用がある。
【００１４】図３の上半分において、抽出されたメタ
ン、水及び酸素は反応Ｒ，Ｃ１，Ｃ２を介してバッテリ
Ｃ内で二酸化炭素及び水に変換される。そして、二酸化
炭素及び水は排気ガスとともにバッテリから排出され
る。本実施の形態では、化学量論的に必用とされる量の
３倍の量の酸素を供給している。図３において、未使用
の酸素は排気ガスの一部を構成している。
【００１５】反応Ｒ、即ち改質はメタンを電気化学的に
使用可能な中間生成物である水素及び一酸化炭素に変換
する。他の炭化水素を使用する場合、これに対応した改
質を行い得る。反応Ｃ１，Ｃ２は電気エネルギーを形成
する電気化学的反応である。酸素とともに、空気の別の
成分（窒素）がバッテリを通って流れる（図示略）。
【００１６】図３の下半分は図２のプラントにおけるバ
ッテリＣの排気ガスを使用したバーナーＢ内での燃焼、
即ちメタンの燃焼を示す。１割のＣＯ2及び３割のＨ2Ｏ
をバッテリＣの排気ガス内に含ませ、かつ同排気ガスを
バーナーＢに供給した場合、生成された燃焼ガスは７割
のＨ2Ｏ及び３割のＣＯ2を含む。水蒸気が排気ガスの必
用不可欠な成分であることは図３から明らかである。バ
ッテリの排気ガスに含まれる水蒸気はバーナーの排気ガ
スの成分に含まれる。このため、バッテリの排気ガスは
加熱にも使用される。従って、本発明の方法は特に効果
的である。
【００１７】図４〜図６の概略図はバッテリＣと、バー
ナーＢと、１つまたは２つの熱交換装置Ｅ，Ｅ１，Ｅ２
とを有する本発明のプラントの３つの例を示す。第１の
排気ガス及び第２の排気ガスはそれぞれバッテリＣ及び
バーナーＢ内で形成される。
【００１８】図４は図２のプラントを示す。媒体空気
Ａ、ガスＧ及び水Ｗの供給は矢印１００で簡単に示す。
実際には、これらの成分はバッテリＣに対して異なる位
置でそれぞれ供給される。接続部９１０，９２０は図２
の管路９１，９２にそれぞれ対応する。破線で示す矢印
９３０は全ての第１の排気ガスをバーナーＢ内に必ずし
も案内する必用がないことを示す。第１の排気ガスの一
部のみをバーナーＢ内で使用する場合、バッテリＣ内の
余剰空気が多いことは効果的である。図２の矢印６５に
対応する矢印６５０は排気管への排気ガスのフローを示
す。第１の熱交換装置において、水蒸気を凝縮させない
ことは効果的である。水蒸気の凝縮は熱交換装置Ｅ２内
の第２の排気ガスから始まる。
【００１９】図５は図４の回路と実質的に同一の回路を
示す。異なる点としては、熱を第１の熱交換装置内で第
１の排気ガスから除去することなく同第１の排気ガスを
接続部９００を通じてバーナーＢ内に直接案内する点が
挙げられる。本発明に基づく熱の利用は１つの熱交換装
置Ｅ内で行われる。
【００２０】図６のプラントにおいて、バッテリ及びバ
ーナーの各排気ガスは混合物として１つの熱交換装置Ｅ
内に案内される。冷却された排気ガスの一部は接続部９
５０を介してバーナーＢ内に戻される。破線で示す接続
部６００はバーナーの燃焼ガスをバッテリの加熱に使用
し得ることを示す（始動段階において）。
【００２１】図７は排気ガス中の酸素含有量を測定すべ
くバーナーの後に配置されたラムダ・プローブ（Lambda
-Sonde）Ｄ１を有するプラントの概略図を示す。このプ
ローブは制御システムの構成部品である。制御システム
は論理回路Ｄを用いてバーナーに供給する燃焼ガス（制
御部材Ｄ２を使用）及び／または燃料電池の排気ガス
（制御部材Ｄ３を使用）の量を制御する。天然ガスを使
用する場合、１モルのメタンに対して少なくとも２．２
モルの分子状酸素をバーナーＢに対して供給することを
保証することは制御システムにおいて効果的である。
【００２２】第１の排気ガス、即ち燃料電池を備えたバ
ッテリ内において形成される排気ガスは比較的低い露点
（水蒸気の凝結温度）を有する。５の化学量論比の余剰
空気量及び５０％の電気エネルギー効率（Wirkungsgrad
fuer die elektrische Energie von 50%）では、露点
は約４２℃に上昇する。余剰空気量／露点の関係は３．
６３／４８．３℃及び１０／３１．０℃である。加熱シ
ステムのリターン・フローの温度（一般的に、約３０
℃）では、燃料電池を備えたバッテリの次に配置された
熱交換装置内における水の凝縮により僅かな熱が得られ
るのみである。
【００２３】本発明の方法により、第１の排気ガスに含
まれる水蒸気はバーナーの排気ガスである第２の排気ガ
ス中に更に高い露点で現れる。この露点の上昇は摂氏数
度に達する。更に、バッテリ内の空気供給量が多くなれ
ば、露点の上昇も大きくなる。高い露点では、前記の加
熱システムのリターン・フローを用いた凝縮により更に
多くの熱を得ることができる。
【００２４】バーナーの酸素源として周囲環境から空気
を直接取入れる方法と比べて、全体効率（即ち、燃焼ガ
スのエネルギー含有量に対する獲得できた熱エネルギー
及び電気エネルギーの和の比）を数パーセント改善でき
る。バッテリ及びバーナーに供給する余剰空気の化学量
論比をそれぞれ７及び１．５とし、さらにはバッテリ及
びバーナーにおける燃焼ガスの使用をそれぞれ２０％及
び８０％とし、電気的効率を５０％とし、図４に示す熱
交換装置Ｅ２（第１），Ｅ１内におけるリターン・フロ
ーの加熱を３０〜４０℃とした場合、全体効率は約６％
増大する。この例において、第１の排気ガスの露点は僅
かに３５．１℃である一方、第２の排気ガスの露点は５
５．８℃であった。凝縮によって得られた熱は使用可能
な全エネルギーの約８％であった。この結果、加熱、特
に冬季中における暖房に使用する熱を更に多く形成し得
る。
【００２５】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
特に冬季中における暖房を目的として大量の熱を形成し
得るとともに、燃料電池を用いた電気の同時形成を最大
限の電力レベルで実施し得るという優れた効果を発揮す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池を備えたバッテリを示す縦断面図。
【図２】本発明の方法の実施が可能なプラントの側面
図。
【図３】バッテリ及びガスバーナー内で生じる反応を示
す概略図。
【図４】図２のプラントの概略図。
【図５】本発明の別のプラントの概略図。
【図６】本発明の更に別のプラントの概略図。
【図７】ラムダ・プローブを有するプラントの概略図。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック、３…予備改質装置、７，１２…
チャネル・システム、１０…燃料電池、６１，６２…排
気ガス管路、９１，９２…排気ガス管路としての接続
部、Ａ…酸素を含むガス混合物、Ｂ…ガスバーナー、Ｃ
…バッテリ、Ｄ，Ｄ２，Ｄ３…制御システム、Ｄ１…制
御システムを構成するラムダ・プローブ、Ｅ…熱交換装
置、Ｅ１…熱交換装置としての工業用水ヒーター，Ｅ２
…熱交換装置としてのルーム・ヒーティング・システ
ム、Ｇ…燃焼ガス、Ｈ…消費システム、Ｗ…水。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つのガスバーナー（Ｂ）及
    び少なくとも１つの燃料電池を備えたバッテリ（Ｃ）を
    使用し、かつ約３を越す化学量論比の余剰酸素を前記バ
    ッテリ（Ｃ）内に供給することにより、１つ以上の炭化
    水素から主に構成される燃焼ガス（Ｇ）と、酸素を含む
    ガス混合物（Ａ）とから電気エネルギー及び加熱のため
    の熱を同時に形成する方法であって、 前記燃焼ガス（Ｇ）の半分未満の量は電気を形成すべく
    バッテリ（Ｃ）内において変換され、かつ第１の排気ガ
    スを形成し、燃焼ガス（Ｇ）の残りの量はバーナー
    （Ｂ）内において燃焼され、かつ第２の排気ガスを形成
    し、前記第１の排気ガスは燃焼のための酸素源として少
    なくとも部分的に使用され、前記複数の排気ガスから熱
    エネルギーを回収し、さらに同排気ガスに含まれる水の
    少なくとも約半分の量を凝縮する方法。
  2. 【請求項２】 前記燃焼ガス（Ｇ）は主にメタンを含
    み、前記酸素を含むガス混合物（Ａ）は空気であり、１
    モルのメタンに対して少なくとも約６モルの分子状酸素
    及び１モルの水（Ｗ）をバッテリ（Ｃ）内に供給する請
    求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 １モルのメタンに対して少なくとも２．
    ２モルの分子状酸素をバーナー（Ｂ）内に供給する請求
    項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記第１の排気ガスの少なくとも一部は
    同排気ガスから前もって熱を取出すことなくバーナー
    （Ｂ）に対して供給される請求項１乃至３のいずれか一
    項に記載の方法。
  5. 【請求項５】 バッテリ（Ｃ）から排出された第１の排
    気ガスを熱交換装置（Ｅ１）内に案内し、好ましくは水
    蒸気を全く凝縮することなく加熱のための熱を熱交換装
    置（Ｅ１）内において排気ガスから取出す請求項１乃至
    ３のいずれか一項に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記２つの排気ガスはバッテリ（Ｃ）及
    びバーナー（Ｂ）からそれぞれ排出された際に直接混合
    され、前記排気ガス混合物は熱交換装置（Ｅ）内に案内
    され、加熱のための熱は水蒸気の凝縮にともなって前記
    混合物から熱交換装置（Ｅ）内で取出され、次いで冷却
    された混合物の一部は燃焼のためにバーナーに戻される
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 バーナー（Ｂ）の燃焼ガスは燃料電池
    （１０）を始動段階中に運転温度まで加熱すべく使用さ
    れる請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の
    方法を実施するためのプラントであって、燃料電池を備
    えたバッテリ（Ｃ）と、バーナー（Ｂ）と、バーナー及
    びバッテリの少なくとも一方において形成される排気ガ
    スのための少なくとも１つの熱交換装置（Ｅ１，Ｅ２）
    と、排気ガスから得られた熱を使用する少なくとも１つ
    の消費システム（Ｈ）と、排気ガスを案内すべくバッテ
    リからバーナーまで延びる直接的または間接的な接続部
    （９１，９２）とを有するプラント。
  9. 【請求項９】 前記消費システムは工業用水ヒーター
    （Ｅ１）及びルーム・ヒーティング・システム（Ｅ２，
    Ｈ）を含む請求項８に記載のプラント。
  10. 【請求項１０】 前記工業用水ヒーター（Ｅ１）はバッ
    テリ（Ｃ）の排気ガス管路（９１）に対して動作状態で
    接続されている請求項８に記載のプラント。
  11. 【請求項１１】 ラムダ・プローブ（Ｄ１）は排気ガス
    の酸素含有量を検出すべくバーナー（Ｂ）の出口に取付
    けられ、前記プローブ（Ｄ１）は燃料電池からバーナー
    に供給される排気ガス及びバーナーに供給される燃焼ガ
    スの少なくとも一方の供給量を制御する制御システム
    （Ｄ，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）の構成部品である請求項７乃
    至１０のいずれか一項に記載のプラント。
  12. 【請求項１２】 前記バッテリ（Ｃ）は同バッテリ
    （Ｃ）を始動段階中に加熱するためのチャネル・システ
    ム（７，１２）を有し、前記チャネル・システム（７，
    １２）はバーナー（Ｂ）の排気ガス管路（６１，６２）
    に接続可能である請求項７乃至１１のいずれか一項に記
    載のプラント。
  13. 【請求項１３】 前記バッテリ（Ｃ）は中心対称をなす
    燃料電池スタック（１）と、前記スタック（１）の直前
    に配置された燃焼ガス（Ｇ）のための予備改質装置
    （３）とを有する請求項７乃至１１のいずれか一項に記
    載のプラント。
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