JPS6238828B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、炭化水素類を含む原料ガスのスチー
ムリフオーミングによつて生成する水素ガスを燃
料とし、加圧された空気を酸化剤として用いる燃
料電池を利用した燃料電池発電設備の改良に関す
る。更に詳しくは、外熱式リフオーマを用いて総
合熱効率（使用した炭化水素燃料の総発熱量に対
する、発生電力エネルギーの比率をいう。以下、
同じ意味で用いる。）を改善した燃料電池発電設
備に関するものであつて、とくに燃料電池発電設
備における排ガスの有効利用法およびその設備に
関する。 ここに外熱式リフオーマとは原料ガス流以外の
熱源（一般的には高温燃焼ガス）によつてリフオ
ーミング反応の反応熱を外部から熱交換によつて
間接的に与える方式をいう。以下本明細書におい
て単にリフオーマと記載した場合は、特に断わり
のない限り該外熱式リフオーマをいう。 ［発明の背景］ 燃料電池発電設備は、当技術分野においてはよ
く知られており、一般に、炭化水素類を含む原料
ガスのスチームリフオーミングによつて水素を生
成するリフオーマと、このリフオーマで生成され
た水素を燃料として用いると共に、加圧された空
気を酸化剤として用いる燃料電池と、前記加圧空
気の発生装置とを有しており、そして前記燃料電
池の電解質としては、例えばリン酸水溶液が用い
られる。また原料炭化水素類としては、例えば天
然ガス、ナフサ、石油ガス等が用いられる。そこ
で、本明細書において「炭化水素類」とは、これ
ら炭化水素に限らず、メタノール等を含めた総称
として用いるものとする。 燃料電池発電設備が他の方法による発電設備に
経済的に比肩し得るようにするためには、その総
合熱効率を徹底して高めることが重要であり、こ
のための様々な方法が研究されてきている。燃料
電池が、炭化水素のスチームリフオーミングによ
つて得られる水素ガスを燃料とする場合には、こ
の燃料ガス中に炭酸ガスやメタンのような不活性
なガスが含まれるため、電池内における水素の分
圧を必要な水準に保持するためには電池に供給さ
れた燃料ガスの一部を継続的に電池外へ排出する
ことが必要である。この排出されたガス（以下、
燃料残ガスという。）をスチームリフオーミング
のためのリフオーマ用燃料ガスとして利用するこ
とは、発電設備の総合熱効率を上げる方法とし
て、一般に採用されている。 燃料電池発電設備の総合熱効率は、燃料電池そ
のものの効率、すなわち燃料電池の電気出力の燃
料電池で消費される水素の持つ有効エネルギーに
対する割合に大きく依存している。燃料電池の効
率は電池の運転温度が高い程、また燃料極（水素
極）側の水素ガス分圧が高い程高くなるので、燃
料電池の運転条件は、その構造および装置材料に
許容される範囲で高温かつ高圧に選ばれることに
なる。例えばリン酸水溶液を電解質として用いる
燃料電池においては、その運転条件として、190
℃以上（主として190〜215℃程度）および3.5気
圧以上（主として3.5〜８気圧程度）が使用され
ている。そして、該燃料電池の構造および装置材
料の改良に伴い、この温度および加圧上限は上昇
する傾向にある。 燃料電池の酸化剤として空気を用いる場合に
は、空気中に不活性な窒素ガスが多量に含まれて
いるため、酸素極における酸素ガス分圧を必要な
水準に保持するためには、常に過剰量の加圧空気
を供給し、一部を排出することが必要である。加
圧空気の過剰率を増加させれば、酸素極における
平均酸素ガス分圧は上昇し、電池の効率は改善さ
れるが、反面、空気を電池の運転圧力まで加圧し
供給するための圧縮機の必要動力が増大するた
め、この加圧空気の過剰率には最適値が存在す
る。 燃料電池の酸素極から排出される酸素の希薄と
なつた空気（以下、残空気という。）は燃料電池
で加圧で運転される場合には、かなりの圧力エネ
ルギーを有しており、この圧力エネルギーをガス
タービンによつて回収し、加圧空気供給のための
圧縮機動力の一部とすることは、発電設備の総合
熱効率を改善する方法として従来から知られてい
る。 一方、燃料電池の水素極から排出される燃料残
ガスは、前述の如く、リフオーマの熱源用燃料と
して利用されるが、燃料残ガスの持つ圧力エネル
ギーを回収し、また、リフオーマから排出される
燃焼廃ガスのもつ熱エネルギーの回収効率を改善
するために、リフオーマの燃焼室を燃料電池と同
様に加圧とし、燃焼廃ガスを前述の残空気と共に
ガスタービンに供給することによつて動力回収を
行う方法も既によく知られている。 以上述べた方法によつて燃料電池発電設備の総
合熱効率は大巾に改善されたが、まだ十分である
とはいえない。 ［発明の目的］ そこで、本発明の目的は、燃料電池発電設備の
総合熱効率をさらに改善することである。 ［発明の構成および作用］ 上記目的を達成する本発明法は、炭化水素類の
スチームリフオーミングによつて得られた水素を
燃料として用いると共に、加圧空気を酸化剤とし
て用いる燃料電池発電設備において、スチームリ
フオーミングのためのリフオーマの熱源として、
燃料電池の水素極から排出される燃料残ガスを、
前記燃料電池の酸素極から排出される残空気の少
なくとも一部を酸素源として燃焼させることによ
つて生じる燃焼熱を用い、かつ該燃焼熱は隔壁を
介して前記炭化水素類に与えられると共に、該燃
焼熱を伴う燃焼ガスはスチームリフオーミングに
よつて得られた水素含有ガスと混合することなく
別々に排出されることを特徴とする。 なお本発明において加圧空気とは、3.5気圧以
上の加圧空気を指し、その加圧上限は燃料電池等
の構造および装置材料によつて制限される。 また、上記目的を達成する本発明の燃料電池発
電設備は、炭化水素類のスチームリフオーミング
によつて得られた水素を燃料として用いると共
に、該圧空気を酸化剤として用いる燃料電池発電
設備において、この発電設備が炭化水素類および
スチームからなる原料ガスから水素含有ガスを生
成する反応室を有するリフオーマと、空気を圧縮
して加圧された空気を発生する加圧空気発生装置
と、前記リフオーマで生成された水素を導入する
水素極および前記加圧空気発生装置で生成された
空気を導入する酸素極を含む燃料電池とを有して
おり、かつ前記燃料電池の水素極から排出される
燃料残ガスを前記燃料電池の酸素極から排出され
る残空気の少なくとも一部を酸素源として燃焼さ
せる燃焼室が設けられており、前記反応室は該燃
焼室と郭定され且つこの燃焼室における燃焼熱を
スチームリフオーミングのための熱源として用い
る室であり、更に前記燃焼熱を伴う燃焼ガスを排
出する燃焼ガス排出口と、水素含有ガス排出口と
がリフオーマに別々に設けられていることを特徴
する。 本発明によれば、残空気の一部あるいは全部が
リフオーマにおける燃料残ガス燃焼用の酸素源と
して用いられる。これによつて、リフオーマのた
めの燃焼用空気が全て不要になり、この空気の圧
縮のために必要とされた圧縮機の動力が節減され
る。この動力の節減量は、ガスタービンへ供給さ
れるガス量が全体として減少することによる回収
動力の減少量に比べて十分に大きいため、発電設
備の総合熱効率を上昇させることになる。 また近年、大気の汚染を防止するという観点か
ら発電設備に対してもその排出ガス中の汚染物
質、特に窒素酸化物を減少させるべき要請が強ま
つている。燃料電池自体は電気化学的な反応によ
つて発電を行うため窒素酸化物の発生はないが、
リフオーマにおいては燃料残ガスを燃焼させるた
め、ここでかなりの量の窒素酸化物の発生が避け
られなかつた。この点、本発明によれば、リフオ
ーマでの燃焼用酸素源として酸素濃度の低い残空
気を用いるため従来の空気を用いた方法に比べて
その燃焼温度が大巾に下がることになり、これに
よつて窒素酸化物の発生を著しく減少させること
ができる。 なお、燃料電池の排ガス有効利用という観点か
ら特開昭54−82636号公報（特公昭58−56231号公
報参照）に記載の技術が知られている。この公報
に記載の方法は次のようなシステムからなる。 即ち、燃料電池の陽極（水素極）からの排気と
陰極（酸素極）からの排気は、バーナで燃焼さ
れ、バーナ排気の第１の部分は、リフオーマへ供
給され、原料と混合後スチームリフオーミング反
応が行われる。内熱式リフオーマで得られた生成
ガスは陽極へ供給され、陽極の排気は再びバーナ
へ供給され、リサイクルされる。他方バーナ排気
の第２の部分は排気される。 上記公開公報に記載のシステムにおいては、本
願発明とは異なり、内熱式リフオーマを用いてい
る。ここに内熱式リフオーマとは、リフオーミン
グの反応熱を、原料ガス中に酸素含有ガス（一般
には空気あるいは純酸素ガス）を混入し、原料ガ
スの一部を酸化することによつて生じる反応熱に
より、あるいは原料ガス中に高温ガスを混入する
ことにより、原料ガス流自体に内在する熱エネル
ギーから得る方法をいう。該公報記載の発明は、
該内熱式リフオーマの熱源として、燃料電池の燃
料残ガスと残空気との燃焼によつて生じる燃焼ガ
スの原料ガスへの混入および（あるいは）該燃焼
ガスに含まれる残存酸素の原料ガスへの混入を用
いている。該発明によれば、燃料電池の排ガス中
に含まれる水分をリフオーミングのためのスチー
ム源として回収できる等の利点を有するが、酸素
源（この場合は燃料電池の残空気）中に含まれる
不活性ガス（窒素など）が原料ガス中に入り込
み、リフオーマ生成ガスの水素分圧を下げるとと
もに、処理ガス量を増大させるという、内熱式の
リフオーマに特有の欠点を有している。特に酸素
源として酸素濃度の低い燃料電池の残空気を用い
ることはこの欠点をより致命的なものとすること
が明らかである。 本発明によれば、外熱式リフオーマを用いるこ
とによつてかかる欠点を全く有さず、さらに燃料
電池も排ガスの有効利用による効率の高い発電設
備が可能となつた。 本発明の方法によつて燃料電池の残空気をリフ
オーマにおける燃焼用空気として利用する場合に
は、残空気中に含まれる酸素の濃度が低いために
いくつかの困難が生ずる場合がある。 その一つは、燃焼ガスが多量の窒素によつて希
釈されるため、燃焼温度が低下し、このため従来
用いられている輻射伝熱機構を利用した型のリフ
オーマでは十分な伝熱量が得られないことであ
る。また他の一つの困難は、燃焼室における可燃
性ガスおよび酸素の濃度が低いために燃焼が不安
定となり、不完全燃焼および点火の失敗を生じや
すいことである。 しかるに本発明の好ましい実施態様によれば、
燃料ガスおよび燃焼用空気中の可燃性ガスおよび
酸素の濃度が低い場合にも十分な伝熱量を得るこ
とができ、且つ安定した運転が可能なリフオーマ
を有する燃料電池発電設備を提供することができ
る。即ち、該一実施態様では、リフオーマ容器内
に先端を閉じた円筒状の反応管が複数個密に配列
されている。各反応管内部にはさらに円筒状の反
応管内管が挿入されており、この反応管と反応管
内管とによつて郭定される円環状断面を有する反
応室にはスチームリフオーミング触媒が充填され
ている。さらに反応管内管の内側はスチームリフ
オーミングによつて生成した生成ガスを通過させ
る再生室であつて、反応管の開端部より反応室内
に導入された原料ガスは触媒層を通過することに
よつて水素ガスを含む生成ガスとなり、反応管の
閉端部に至る。この生成ガスは反応管の閉端部よ
り反応管内管の内側に郭定された再生室に入り、
反応管の開端部に近い生成ガス出口より排出され
る。反応管内管は、生成ガスの通路を提供すると
同時に、生成ガスから反応室への熱回収装置を兼
ねており、これによつて生成ガスに含まれる顕熱
の大きな部分が回収され、反応室で生ずるスチー
ムリフオーミング反応のための熱として有効に利
用される。本発明においては、生成ガスから反応
室への伝熱効果を十分ならしめるために、反応管
内管の内側に適当な熱伝達率改善のための装置を
含むことができる。 反応管の外側とリフオーマ容器とによつて郭定
される中間は燃焼室であり、この燃焼室には燃料
ガス中に含まれる可燃性ガス（水素、メタン、一
酸化炭素）の酸化反応を促進するための酸化触媒
粒が充填されている。この触媒の具体例として
は、白金、パラジウム等の貴金属およびニツケ
ル、コバルト、鉄、バナジウム、クロム、銅、亜
鉛、マンガン、マグネシウム等の卑金属の酸化物
並びにこれらの混合物等が挙げられる。この触媒
粒は触媒としての働きの他に、輻射・対流・伝熱
の組合せ機構によつて燃焼ガスから反応管への伝
熱を促進する役割を果たす。燃料ガスとしての燃
料残ガスおよび燃焼用酸素源としての残空気は、
反応管の閉端部から燃焼室内に供給され、触媒層
を通過して燃焼し、燃焼廃ガスは反応管の開端に
近い側よりリフオーマ外に排出される。反応管を
スチームリフオーミング反応に必要な温度（750
℃以上）にまで加熱するためには、燃焼室内のガ
ス温度は最高1000℃程度になる必要があり、この
条件を満たすためには、燃料残ガスおよび残空気
はリフオーマへ供給されるに先立つて十分予熱さ
れていることが望ましい。 なお、本発明の燃焼室はリフオーマの反応管に
接して設けられることは必ずしも要件ではなく、
例えば反応管の生成ガス出口側の空間、またはリ
フオーマの外部に設けられてもよい。この場合、
反応管に接した空間に、前記燃焼室からの燃焼ガ
スが導かれる。そして、この反応管に接した空間
に、伝熱を促進するためのパツキング材料等が充
填されることは望ましいことである。 ［実施例］ 以下に添付の図面を参照しながら本発明の特徴
ならびに本発明の好ましい実施例について説明を
行う。 第１図は従来の燃料電池発電設備の実施例にお
けるフロースキームを示す概略図である。第２図
は本発明による燃料電池発電設備の実施例におけ
るフロースキームを示す概略図である。第１図お
よび第２図は従来の発電設備と本発明による発電
設備との差異を説明するための図面であり、した
がつて、説明上不要な機器やフローは省略されて
いる。 第１図に示されている従来の発電設備の実施例
においては、原料用炭化水素類１とリフオーミン
グ用スチーム２は混合されて原料ガス３とされ、
原料予熱器１０６で予熱された後、リフオーマ１
０１へ供給される。リフオーマ１０１からの水素
を含む生成ガス４は、空気予熱器１０７および燃
料残ガス予熱器１０８で冷却された後、シフトコ
ンバータ１０５へ供給される。シフトコンバータ
１０５ではシフト反応によつて生成ガス中の一酸
化炭素を水素および炭酸ガスに転化する。転化さ
れた生成ガス６は燃料電池１０２の水素極１１１
に供給される。水素極１１１から排出された燃料
残ガス７は燃料残ガス予熱器１０８で予熱された
後、リフオーマ１０１へ燃料として供給される。
一方、空気１１は圧縮機１０４によつて必要な圧
力にまで加圧される。加圧された空気１２の一部
１３は燃料電池１０２の酸素極１１２に供給され
る。加圧された空気の残りの部分１５は空気予熱
器１０７によつて予熱された後、リフオーマ１０
１へ燃焼用空気（酸素源）として供給される。燃
料残ガス７に燃焼用空気１５によつてリフオーマ
１０１内で燃焼し、原料ガス３に、スチームリフ
オーミングに必要な熱エネルギーを与えた後、リ
フオーマ廃ガス８として排出される。リフオーマ
廃ガス８は、原料予熱器１０６で残つた熱エネル
ギーの一部を回収した後、燃料電池１０２から排
出される残空気１４と共にガスタービン１０３に
供給され、圧力エネルギーおよび熱エネルギーを
動力（駆動源）として回収され、その後、廃ガス
１０として放出される。ガスタービン１０３で回
収された動力は圧縮機１０４駆動のために用いら
れる。ガスタービン１０３で回収された動力が圧
縮機１０４駆動のために必要な動力に見合うため
には、タービンに供給されるガス９の流量および
温度が必要な水準以上に保持されなければならな
いが、これは燃料電池１０２より排出する燃料残
ガス７の量を増減することによつて調節され得
る。原料炭化水素１の量を一定として燃料残ガス
の量を増加させれば、当然燃料電池１０２で消費
し得る水素の量が減少し、電気出力が低下する。
したがつて圧縮機１０４の駆動動力が増加すれ
ば、発電設備全体の総合熱効率が低下するという
関係が存在することとなる。 第２図に示されている本発明による発電設備の
実施例においては、燃料電池１０２より排出され
る残空気１４の大きな部分１６が、リフオーマ１
０１のための燃焼用空気（酸素源）として用いら
れる。残空気１４の残りの部分１７はリフオーマ
１０１をバイパスされて直接ガスタービン１０３
へ供給される。本実施例においては、圧縮機１０
４によつて加圧された空気１２はその全てが燃料
電池１０２へ供給される。 従つて本発明に係る発電設備においては、圧縮
機１０４で加圧される空気の量は従来の発電設備
に比べて、リフオーマ１０１の燃焼用空気１５の
量に相当するだけ少なく、圧縮機１０４の駆動の
ための動力も少なくてよい。 ［実験例］ メタンを原料とする出力30MWの燃料電池発電
設備において、第１図に示されている従来の設備
と第２図に示されている本発明による設備につい
て、実験プラントにより比較したところ、本発明
による設備の法が従来の設備に比べ約0.7％総合
熱効率が高いことが確認された。 ［リフオーマ実施例］ 第３図は本発明による燃料電池発電設備に用い
られるリフオーマの具体的実施例を示す解図的部
分垂直断面図である。この実施例においては、リ
フオーマ２００はリフオーマ容器２０１内に稠密
に詰込まれた複数個の反応管２０２を含んでい
る。この各反応管２０２は垂直に伸びる上端を閉
じた円筒状であり、各反応管２０２の内部には反
応管内管２０３が含まれており、反応管２０２と
反応管内管２０３の間に反応室２０４を郭定して
いる。反応室２０４はスチームリフオーミング触
媒粒２０５によつて満たされており、この触媒粒
２０５は反応室２０４の入口２０６に配置された
スクリーン２２１上に支持されている。反応管内
管２０３はその内側に生成ガスを通過させる再生
室２０８を郭定しており、この再生室２０８はそ
の入口２０９を反応室出口２０７の近くに、また
出口２１０を反応室入口２０６近くの生成ガスマ
ニホールド２３４内にそれぞれ有している。 炭化水素類１およびスチーム２を含む原料ガス
３は原料ガス入口ノズル２３１によつてリフオー
マ２００内に導入され、原料ガスマニホールド２
３２を経て各反応室２０４に供給される。原料ガ
ス３は反応室２０４へ入るとただちにスチームリ
フオーミング反応を開始し、反応室出口２０７に
達するまでに水素、一酸化炭素、二酸化炭素、ス
チームおよび少量の残留メタンを含む生成ガスへ
と転化する。再生室２０８は生成した生成ガスを
反応室出口２１０より生成ガスマニホールド２３
４へ導く流路であると同時に、比較的高温の生成
ガスからその熱エネルギーを回収し、スチームリ
フオーミング反応のための反応熱を供給する手段
を兼ねている。 本発明の目的を効果的に達するためには生成ガ
スからの熱エネルギーの回収が十分行われること
が必要であり、このためには生成ガスと反応管内
管２０３との間の熱伝達を十分大きくとれるよう
に設計することが重要である。熱伝達率を改善す
る手段として、再生室２０８内に適当な装置を含
めることができる。この装置としては、例えば本
実施例におけるように通路断面積をせばめ、ガス
流速を増すためのプラグ２１１、あるいはガス流
の乱れを増すためのバツフル装置、あるいはパツ
キング材料（例えばアルミナボール）などが利用
できる。 反応管２０２の外部にはリフオーマ容器２０１
との間に燃焼室２１２が郭定されている。燃焼室
２１２内は酸化触媒粒２１３によつてほぼ満たさ
れており、この触媒粒２１３は、反応室２０４の
入口側に近い燃焼室出口２１４に配置されたスク
リーン２２２によつて支持されている。 リフオーマ燃料としての燃料残ガス７は燃料入
口ノズル２３７からリフオーマ２００に供給さ
れ、燃料マニホールド２３８に設けられた燃料ノ
ズル２４１によつて燃焼室２１２へ供給される。
一方、燃料用酸素源としての残空気１６は空気入
口ノズル２３９からリフオーマ２００に供給さ
れ、空気マニホールド２４０に設けられた空気ノ
ズル２４２によつて燃焼室２１２へ供給される。 本発明の目的を効果的に達成するためには、燃
焼室２１２に充填されている触媒粒２１３は、燃
料残ガス７中に含まれる可燃成分の酸化反応を促
進すると共に、反応管２０２への伝熱を助ける効
果をもたらすことが重要である。本実施例におい
てはアルミナボールを担持体とした白金触媒が使
用された。 ［実験例］ 本実施例におけるリフオーマは、反応管２０２
の長さは1800mm、反応管２０２の外径は200mm、
反応管内管２０３の外径は150mmであり、反応管
２０２は中心間距離250mmの千鳥状に配列され
た。 原料炭化水素類１としてメタンを用い、体積比
で４倍のスチーム２と混合して得られた原料ガス
３は、原料ガス予熱器１０６によつて約460℃ま
で予熱された後、反応管２０２１本当り約2.9
Kg／mol／ｈの割合でリフオーマ１０１へ供給さ
れた。リフオーマにおいて約90％のメタンが分解
し、約48％の水素と約６％の一酸化炭素を含む生
成ガス４が得られた。生成ガス４はリフオーマ１
０１出口において約550℃であり、圧力は約4.5気
圧であつた。生成ガス４は空気予熱器１０７およ
び燃料残ガス予熱器１０８によつて、約390℃ま
で冷却された後、シフトコンバータ１０５へ供給
された。シフトコンバータ１０５によつて大部分
の一酸化炭素を水素と二酸化炭素に転化された生
成ガス６は過剰の水分を除かれた後、燃料電池１
０２の水素極１１１へ供給された。燃料電池１０
２において約86％の水素が発電のために使用され
た。水素極１１１より排出された燃料残ガス７に
は、可燃分として約30％の水素、約８％のメタ
ン、および１％以下の一酸化炭素が含まれてい
た。燃料残ガス７は燃料残ガス予熱器１０８によ
つて約520℃まで予熱された後、リフオーマ１０
１へ燃料として供給された。一方、酸素源である
空気１１は圧縮機１０４により約3.5気圧まで加
圧され、その全量が燃料電池１０２の酸素極１１
２供給された。酸素極への空気量は、理論必要量
に対して約45％過剰に供給され、残空気１４は約
7.5％の酸素を含んでいた。酸素極１１２より排
出された残空気１４の約80％が燃焼用残空気１６
（すなわち酸素源）として、約420℃まで予熱され
た後、リフオーマ１０１へ供給され、残りの約20
％の残空気は残空気バイパス１７とされた。リフ
オーマより排出されたリフオーマ廃ガス８は約
520℃であり、圧力は約3.3気圧であつた。リフオ
ーマ廃ガス８は原料ガス予熱器１０６によつて熱
回収されて約350℃まで冷却された後、残空気バ
イパス１７と合流し、タービン１０３によつて圧
縮機１０４のための駆動動力を回収された後、排
出された。本実施例の発電設備においてその総合
熱効率は38.4％であつた。 ［発明の応用］ 以上、本発明をその好ましい実施例において詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内において種々
の修正並びに省略が可能であることは当業者にと
つて明らかであろう。 例えば本発明においては、リフオーマにおける
燃焼に用いられる酸素源が、実質的に100％燃料
電池の酸素極から排出される残空気であること
が、総合熱効率の向上の観点より最も好ましい
が、加圧空気発生装置から生じる加圧空気の一部
を、直接、前記酸素源の一部として用いてもよ
い。 なお、本発明の燃料電池発電設備に用いられる
前述のリフオーマは、吸熱反応装置としてその他
の用途にも使用可能である。 ［発明の効果］ (1) 残空気の利用方法 燃料電池発電プラントにおいて、燃料電池の
空気極からら排出される使用済みの空気（残空
気）を、燃料電池の燃料である水素ガスを発生
するためのリフオーマにおいて利用する技術は
大別すると２つになる。即ち、１つは本発明で
あり、この方法においては、前記の通り、残空
気は外熱式のリフオーマの燃焼室に導かれ、燃
焼のための酸素源として利用された後、燃焼ガ
スとして（生成水素ガスとは別に）排出され
る。従つて、本方法を外熱式残空気利用法と呼
ぶことができよう。 他の１つは前記特開昭54−82636号において
開示されているものであり、この方法において
は、前記の通り、残空気はバーナーにおいて燃
焼に用いられた後、生成した燃焼ガスの一部分
を内燃式リフオーマの原料ガスに混合すること
により、リフオーミング反応のための熱源ある
いは部分酸化反応のための酸素源として利用す
るとともに、残空気中に含まれる電池生成水に
よつてリフオーミング反応のための水蒸気を合
わせて供給する。従つて、この比較方法を内熱
式残空気利用法と呼ぶことができよう。 (2) 残空気利用法の効果 上記２つの方法における残空気利用の効果
を、残空気を用いない−即ち新空気を用いた場
合と実施例（計算例）によつて比較することに
よつて定量的に明らかにすると次の通りとな
る。 即ち、第４図〜第７図は本発明又は比較例の
各実施例（計算例）データを示すフロースキー
ムであつて、第４図は外熱式で新空気利用法、
第５図は本発明の外熱式残空気利用法、第６図
は内熱式で新空気利用法、第７図は内熱式残空
気利用法を示す。 この第４図〜第７図の燃料電池発電プラント
改質システムの比較結果を下記表１に示す。

【表】 この表１に示されているように、外熱式と内
熱式との２つの方法はその効果において著しく
相違している。即ち、本発明に係る外熱式残空
気利用法においては残空気の利用によつて、プ
ラントの熱効率が新空気を用いた場合よりも約
1.5％向上している。これに対し、比較の内熱
式残空気利用法では逆に効率が低下している。
これは本発明においては残空気の利用によつて
空気の使用量、すなわち空気圧縮機の所要動力
が節減されることにより、プラント熱効率の向
上が得られるのに対し、比較の技術において
は、空気の使用量は削減されるものの水素ガス
中に残空気中の窒素が大量に混入することによ
つて燃料電池の燃料極における水素濃度が下が
り電池における変換効率（セル電圧）を低下さ
せてしまうことによるものと考えられる。 また、比較の内熱式残空気利用法においては
大量の窒素が燃料極の排出ガスを通して系内を
循環するため、生成水素ガスラインの流量を大
巾に（実施例では約３倍）増加させることにな
り、これは装置の大型化を招くことになる。一
方、本発明に係る外熱式残空気利用法において
はこの様な欠点がない。 なお、比較の内熱式残空気利用法では電池の
生成水がリフオーマにおいて利用されるため、
リフオーマにおける水蒸気の消費量が大巾に削
減され得る（実施例では全く必要としない）の
に対し、本発明の外熱式残空気利用法において
は水蒸気削減の効果はない。 以上の様に２つの方法はいずれも残空気を利
用するものの、その効果については全く異るも
のと言うことができる。 (3) 発電プラント熱効率改善の意味 本発明に係る外熱式残空気利用法の最大の効
果としてプラント熱効率の向上が挙げられる。 発電プラントにおいては熱効率の向上は最も
重要な課題であり、このための努力が長年積み
重ねられて来ている。この結果1950年代頭初に
おいて30％前後であつた火力発電所の効率は
1980年には41％程度にまで向上した（火力・原
子力発電技術協会、昭和55年10月15日発行、
「火力発電必携」第３版318頁参照）。しかしな
がら現在においても効率向上の重溶性は低下す
るどころか、むしろ石油危機以来のエネルギー
コストの上昇もあつて、ますます高まつてい
る。例えば発電用タービンにおけるメーカーの
効率上昇のための種々の開発内容を参考までに
見ると、タービン効率の向上のための努力がた
とえ0.1％の向上であつてもおろそかにされて
いない（タービン効率0.1％の上昇はプラント
熱効率の約0.04％の向上をもたらすにすぎな
い）のであつて、このことからも、本発明に係
る外熱式残空気利用法における効率の向上（実
施例ではプラント熱効率として約1.5％）がい
かに大きな意味を持つかが明らかであろう。 なお、非加圧式システムで残空気をリフオー
マに導入する技術が特公昭46−1382号によつて
知られているが、この技術は残空気中の水の回
収とリフオーマ燃焼排ガス中の水の回収を同時
に行うことを目的としたものであり、総合熱効
率については何んら、効果をもたらすものでは
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料電池発電設備の実施例にお
けるフロースキームを示す外略図、第２図は本発
明による燃料電池発電設備の実施例におけるフロ
ースキームを示す外略図、第３図は本発明による
燃料電池発電設備に用いられるリフオーマの実施
例を示す解図的部分垂直断面図、第４図〜第７図
は本発明又は比較例の各実施例（計算例）データ
を示すフロースキームであつて、第４図は外熱式
で新空気利用法、第５図は本発明の外熱式残空気
利用法、第６図は内熱式で新空気利用法、第７図
は内熱式残空気利用法を示す。 １……原料炭化水素類、２……スチーム、３…
…原料ガス、４……生成ガス、５……生成ガス、
６……転化された生成ガス、７……燃料残ガス、
８……リフオーマ廃ガス、９……タービン供給ガ
ス、１０……廃ガス、１１……空気、１２……加
圧空気、１３……燃焼電池用空気、１４……残空
気、１５……燃焼用空気、１６……燃焼用残空
気、１７……残空気バイパス、１０１……リフオ
ーマ、１０２……燃料電池、１０３……タービ
ン、１０４……圧縮機、１０５……シフトコンバ
ータ、１０６……原料ガス予熱器、１０７……空
気予熱器、１０８……燃料残ガス予熱器、１１１
……水素極、１１２……酸素極、２００……リフ
オーマ、２０１……リフオーマ容器、２０２……
反応管、２０３……反応管内管、２０４……反応
室、２０５……リフオーミング触媒粒、２０６…
…反応室入口、２０７……反応室出口、２０８…
…再生室、２０９……再生室入口、２１０……再
生室出口、２１１……プラグ、２１２……燃焼
室、２１３……酸化触媒粒、２１４……燃焼室出
口、２２１……スクリーン、２２２……スクリ
ー、２３１……原料ガス入口ノズル、２３２……
原料ガスマニホールド、２３３……生成ガス出口
ノズル、２３４……生成ガスマニホールド、２３
５……燃料ガス出口ノズル、２３６……燃焼ガス
マニホールド、２３７……燃料ガス入口ノズル、
２３８……燃料ガスマニホールド、２３９……空
気入口ノズル、２４０……空気マニホールド、２
４１……燃料ノズル、２４２……空気ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化水素類のスチームリフオーミングによつ
   て得られた水素を燃料として用いると共に、加圧
   空気を酸化剤として用いる燃料電池発電設備にお
   いて、スチームリフオーミングのためのリフオー
   マの熱源として、燃料電池の水素極から排出され
   る燃料残ガスを、前記燃料電池の酸素極から排出
   される残空気の少なくとも一部を酸素源として燃
   焼させることによつて生じる燃焼熱を用い、かつ
   該燃焼熱は隔壁を介して前記炭化水素類に与えら
   れると共に、該燃焼熱を伴う燃焼ガスはスチーム
   リフオーミングによつて得られた水素含有ガスと
   混合することなく別々に排出されることを特徴と
   する、燃料電池発電設備における排ガスの有効利
   用法。 ２ 燃料電池の酸素極から排出される残空気であ
   つて、リフオーマの燃焼室における酸素源として
   利用された残りの残空気部分が、燃料電池の酸素
   極に酸化剤として供給する加圧空気の圧縮加圧用
   のエネルギーとして用いられることを特徴する、
   特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電設備に
   おける排ガスの有効利用法。 ３ リフオーマにおける燃焼に用いられる酸素源
   の全てが、燃料電池の酸素極から排出される残空
   気であることを特徴する特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の燃料電池発電設備における排ガ
   スの有効利用法。 ４ 炭化水素類のスチームリフオーミングによつ
   て得られた水素を燃料として用いると共に、加圧
   空気を酸化剤として用いる燃料電池発電設備にお
   いて、この発電設備が炭化水素類およびスチーム
   からなる原料ガスから水素含有ガスを生成する反
   応室を有するリフオーマと、空気を圧縮して加圧
   された空気を発生する加圧空気発生装置と、前記
   リフオーマで生成された水素を導入する水素極お
   よび前記加圧空気発生装置で生成された空気を導
   入する酸素極を含む燃料電池とを有しており、か
   つ前記燃料電池の水素極から排出される燃料残ガ
   スを前記燃料電池の酸素極から排出される残空気
   の少なくとも一部を酸素源として燃焼させる燃焼
   室が設けられており、前記反応室は該燃焼室と郭
   定され且つこの燃焼室における燃焼熱をスチーム
   リフオーミングのための熱源として用いる室であ
   り、更に前記燃焼熱を伴う燃焼ガスを排出する燃
   焼ガス排出口と、水素含有ガス排出口とがリフオ
   ーマに別々に設けられていることを特徴する、排
   ガスの有効利用が可能な燃料電池発電設備。 ５ 燃焼室は酸素反応を促進するための触媒を含
   むことを特徴する、特許請求の範囲第４項記載の
   燃料電池発電設備。 ６ リフオーマがスチームリフオーミング触媒に
   よつて満たされ且つ炭化水素類およびスチームか
   らなる原料ガスから水素を含む生成ガスを生成す
   る反応室と、この反応室で生成した生成ガスを有
   する顕熱を前記反応室へ伝熱すべく前記反応室か
   ら導出された生成ガスを前記反応室の内側に接し
   て且つ前記反応室のガスの流れとは逆の方向へ導
   出する再生室と、前記反応室の外側に接する空間
   を含む燃焼室であつて、前記反応室のガスの流れ
   とは逆の流れ方向へ導出する燃焼ガスの熱を反応
   室へ伝達する燃焼室とを有しており、この燃焼室
   が前記反応室の生成ガス導出側に位置する燃焼室
   部分に、燃料電池の水素極から排出される燃料残
   ガスを導入する燃料導入口と、前記燃料電池の酸
   素極から排出される残空気の少なくとも一部を導
   入する酸素源導入口とを有していることを特徴す
   る特許請求の範囲第４項または第５項記載の燃料
   電池発電設備。 ７ リフオーマが垂直に伸びる上端を閉じた円筒
   状の反応管を含み、この反応管は上下端の開放さ
   れた円筒状の反応管内管を含んでおり、前記反応
   管と反応管内管とによつて郭定される円環状の断
   面を有する空間は反応室であつて、この反応室は
   スチームリフオーミング触媒粒子によつて満たさ
   れ、且つ下端側に原料ガスの入口を及び上端側に
   生成ガスの出口を含んでおり、前記反応管内管は
   その内側に生成ガスの全てを通過させる再生室を
   郭定しており、この再生室は、上端側に前記反応
   室の生成ガス出口から導出する生成ガスを導入す
   る入口を及び下端側に生成ガスの出口を有してお
   り、また前記反応管はリフオーマ容器の中に複数
   個緻密に配列されており、前記リフオーマ容器と
   各反応管との間に郭定された空間は燃焼室であつ
   て、この燃焼室はその上端部分に、燃料電池の水
   素極から排出される燃料残ガスを導入する燃料導
   入口と、前記燃料電池の酸素極から排出される残
   空気の少なくとも一部を導入する酸素源導入口と
   を有し、且つこの燃焼室はその下端側に燃焼ガス
   の出口を有し、しかもこの燃焼室は酸化反応を促
   進するための触媒を含んでおり、前記反応室にお
   いて生じるスチームリフオーミング反応に要する
   熱を、前記酸化反応用触媒を含む燃焼室および生
   成ガスの通路である再生室を通じて各々供給する
   ことを特徴する、特許請求の範囲第４項記載の燃
   料電池発電設備。 ８ 燃料電池の酸素極から排出される残空気が、
   リフオーマの燃焼室における酸素源および加圧空
   気発生装置の駆動源として用いられる構成を有す
   ることを特徴する、特許請求の範囲第４項、第５
   項、第６項または第７項記載の燃料電池発電設
   備。 ９ リフオーマにおける燃焼に用いられる酸素源
   の全てが、燃料電池の酸素極から排出される残空
   気であることを特徴する特許請求の範囲第４項、
   第５項、第６項、第７項または第８項記載の燃料
   電池発電設備。