JP2003007321A

JP2003007321A - 燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改質複合システム

Info

Publication number: JP2003007321A
Application number: JP2002099432A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ichikawa; 勝市川; Toshinobu Kanetani; 年展金谷; Koji Sasazu; 浩司笹津
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2003-01-10

Abstract

(57)【要約】【課題】天然ガス等の低級炭化水素資源を用いて、炭
酸ガス、窒素酸化物、一酸化炭素等の環境負荷ガスを排
出せず、高効率な発電を行うとともに、燃料電池用の水
素と水素貯蔵・供給剤として利用できるベンゼンやナフ
タレン等の芳香族炭化水素を製造・供給することを目的
とする。【解決手段】固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、
ＳＯＦＣから供給される高温の排ガスを混合した天然ガ
ス等の低級炭化水素を主成分とする原料ガスを、低級炭
化水素直接改質触媒の存在下で改質して水素と芳香族炭
化水素を生成する低級炭化水素直接改質装置とを備えて
いることを特徴とする燃料電池ハイブリッド低級炭化水
素直接改質複合システムである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体酸化物形燃料
電池と低級炭化水素直接改質器を組み合わせてなる、電
力、水素、芳香族炭化水素及び／又は有機ハイドライド
を併産する燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改質
複合システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、火力発電や自動車等による石油、
石炭、天然ガス等の化石燃料の生焚で多量の炭酸ガスが
発生し、温暖化をはじめとする地球環境の悪化が顕著に
なっている。一方、枯渇傾向にある化石燃料の代替燃料
として水素を用いる燃料電池等の高効率な電力と熱エネ
ルギーの供給技術では炭酸ガスは一切発生せず、更に、
光化学スモッグや発ガン等の原因物質の１つである未燃
焼炭素や炭素微粒子が発生することもなく、水のみが生
成されるため、クリーン・エネルギーとしての利用が期
待されている。

【０００３】水素の製造方法としては、一般的に、水を
電気分解して水素を得る電解法と、化学反応（２Ｈ₂Ｏ
＋ＣＨ₄→４Ｈ₂＋ＣＯ₂や、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋
ＣＯ₂）から水素を得る水蒸気改質法が知られている
が、前者の電解法では、電解のために大電力が必要であ
り、その電力を得るために重油等の化石燃料を燃焼させ
ることから大量の炭酸ガスが発生し、しかも１ｍ³の水
素を得るためのエネルギーは、重油換算で約２リットル
も必要となり、コスト高になるという実用上の問題があ
る。

【０００４】また、後者の水蒸気改質法では、１ｍ³の
水素を得るためのエネルギーは、重油換算で０．３２リ
ットル程度であり、電解法と比べると少ないが、改質反
応時に副生物として、多量の炭酸ガスの他に一酸化炭素
が発生するため、有害な一酸化炭素や炭酸ガス等を水素
ガスから分離生成する工程が必要であるという問題があ
った。

【０００５】これに対し、本願発明者は、特開平１０−
２７０３６６号公報、特開平１１−４７６０６号公報、
特開平１１−６０５１４号公報、特許開２００１−３３
４１５１号公報、特開２００１−３３４１５２号公報の
公知の技術により、天然ガス、バイオガス等のメタン等
の１〜５炭素原子を分子内に含む低級炭化水素含有原料
を、触媒の存在下で直接改質を行い、水素およびベンゼ
ン、ナフタレン等芳香族炭化水素を併産する方法を発明
し、鋭意研究開発に取り組んできているところである。

【０００６】上記の低級炭化水素含有原料の直接改質
は、固定床、移動床又は流動床等の流通式反応形式によ
り、低級炭化水素含有原料を金属坦持メタロシリケート
触媒に３００〜８００℃、好ましくは４５０〜７７５
℃、より好ましくは７０５〜７５０℃の高温下で接触さ
せて行うものであるが、常に高温の反応熱を該触媒及び
反応装置に供給する必要があり、装置規模に応じて多量
の熱をどう供給するかが実用上の課題となっていた。

【０００７】一方、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxid
e Fuel Cell）は、電解質に酸化物イオン導伝体を用
い、メタン、水素、一酸化炭素、あるいはこれらの混合
ガスを燃料とし、燃料を改質するに必要な水（Ｈ₂Ｏ）
が添加され、空気中の酸素を酸化剤として８００〜１２
００℃の高温で動作する燃料電池である。このタイプの
電池は機関効率向上のため電気化学反応後の高温の余熱
を利用して、マイクロガスタービン等とコージェネレー
ションシステムが組まれており、ハイブリッドシステム
として周知である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、この
ような従来技術の欠点を解消し、天然ガス等の低級炭化
水素含有のガス資源を用いてＳＯＦＣにより高効率な発
電を行うと同時に、炭酸ガス、一酸化炭素を発生させず
に燃料電池用の水素及び有用な工業原料であるとともに
水素貯蔵・供給剤として利用できるベンゼンやナフタレ
ン等の芳香族炭化水素やシクロヘキサンやデカリン等の
有機ハイドライドを製造・供給することができる、総合
エネルギー効率の極めて良好な燃料電池ハイブリッド低
級炭化水素直接改質複合システムを提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願請求項1の発明は、
固体酸化物形燃料電池１０と、低級炭化水素直接改質装
置２０と、芳香族炭化水素分離部３０と、水素分離部４
０、熱交換部５０とを有する燃料電池ハイブリッド低級
炭化水素直接改質複合システムであって、固体酸化物形
燃料電池１０は、系外より低級炭化水素を含有する燃料
ガスを供給されて発電するとともに高温の排ガス及び余
熱を生成し、固体酸化物形燃料電池１０の排ガスは、系
外より取り入れた低級炭化水素を含有する原料ガスと混
合され低級炭化水素直接改質装置２０に供給されるとと
もに、固体酸化物形燃料電池１０の余熱は、熱交換部５
０により低級炭化水素直接改質装置２０に反応熱として
供給し、低級炭化水素直接改質装置２０は、低級炭化水
素直接改質触媒２１の存在下で反応熱を供給されて、固
体酸化物形燃料電池１０の排ガスと混合された原料ガス
を水素及び芳香族炭化水素を主成分とする混合ガスに改
質し、該混合ガスは、芳香族炭化水素分離部３０及び水
素分離部４０を介して、水素と芳香族炭化水素とを分離
して生成し、未分離の残留ガスは、固体酸化物形燃料電
池１０に供給される燃料ガス又は低級炭化水素改質装置
に供給される原料ガスに混合されることを特徴とする燃
料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改質複合システム
である。

【００１０】本願請求項２の発明は、固体酸化物形燃料
電池１０と、低級炭化水素直接改質装置２０と、芳香族
炭化水素分離部３０と、水素分離部４０と、熱交換部５
０とを有する燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改
質複合システムであって、固体酸化物形燃料電池１０
は、系外より低級炭化水素を含有する燃料ガスを供給さ
れて発電するとともに高温の排ガス及び余熱を生成し、
固体酸化物形燃料電池１０の排ガス及び余熱は、熱交換
部５０により、系外より取り入れた低級炭化水素を含有
する原料ガスを予熱するとともに低級炭化水素直接改質
装置２０に反応熱として供給し、低級炭化水素直接改質
装置２０は、低級炭化水素直接改質触媒２１の存在下で
反応熱を供給されて、予熱された低級炭化水素含有原料
ガスを水素及び芳香族炭化水素を主成分とする混合ガス
に改質し、該混合ガスは、芳香族炭化水素分離部３０及
び水素分離部４０を介して、水素と芳香族炭化水素とを
分離して生成し、未分離の残留ガスは、固体酸化物形燃
料電池１０に供給される燃料ガス又は低級炭化水素改質
装置に供給される原料ガスに混合されることを特徴とす
る燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改質複合シス
テムである。

【００１１】本願請求項３の発明は、芳香族炭化水素分
離部３０より供給される芳香族炭化水素と、水素分離部
４０より供給される水素のそれぞれ一部又は全部を、芳
香族炭化水素水素化触媒６１の存在下で反応させて、有
機ハイドライドを生成する芳香族炭化水素水素化反応装
置６０をさらに備えていることを特徴とする請求項１又
は請求項２に記載の燃料電池ハイブリッド低級炭化水素
直接改質複合システムである。

【００１２】本願請求項４の発明は、芳香族炭化水素水
素化反応装置６０から供給される有機ハイドライドの一
部又は全部を、有機ハイドライド脱水素触媒７１の存在
下で熱交換部５０により反応熱を供給し反応させて、水
素と芳香族炭化水素を生成する有機ハイドライド脱水素
反応装置７０をさらに備えていることを特徴とする請求
項３に記載の燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改
質複合システムである。

【００１３】本願請求項５の発明は、低級炭化水素直接
改質装置２０又は有機ハイドライド脱水素反応装置７０
から水素分離部４０を経て供給される水素を燃料として
発電を行う固体高分子形燃料電池８０又はリン酸形燃料
電池９０をさらに備えていることを特徴とする請求項１
〜４のいずれか１項に記載の燃料電池ハイブリッド低級
炭化水素直接改質複合システムである。

【００１４】本願請求項６の発明は、固体酸化物形燃料
電池１０及び低級炭化水素直接改質装置２０に供給され
る低級炭化水素含有ガスが、天然ガス、メタンガス、メ
タンハイドレート、し尿や生ゴミ等を発酵処理して得ら
れるバイオガス（メタンガスを含む。）によって構成さ
れる群から選定された１又は２以上であることを特徴と
する請求項１〜５のいずれか1項に記載の燃料電池ハイ
ブリッド低級炭化水素直接改質複合システムである。

【００１５】本願請求項７の発明は、低級炭化水素直接
改質触媒２１が、金属担持ゼオライト触媒であることを
特徴とする請求項１〜６のいずれか1項に記載の燃料電
池ハイブリッド低級炭化水素直接改質複合システムであ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本願請求項１の発明の
基本システム構成を示す。本発明は、系外より取り入れ
る低級炭化水素を含有する燃料ガス（以下、「燃料ガ
ス」という。）を固体酸化物型燃料電池（以下、「ＳＯ
ＦＣ」という。）１０に供給し、ＳＯＦＣ１０の発電に
伴う概８００〜１２００℃の排ガスを、系外から取り入
れる低級炭化水素を含有する原料ガス（以下「原料ガ
ス」という）と混合するとともに、ＳＯＦＣ１０の概８
００〜１２００℃の余熱を利用して昇温させた後、該原
料ガスを、ＳＯＦＣ１０の余熱を利用して該７５０℃に
保たれた低級炭化水素直接改質装置（以下、「直接改質
装置」）２０に供給して水素及び芳香族化合物を生成す
る電力、水素及び芳香族炭化水素を併産する燃料電池ハ
イブリッド低級炭化水素直接改質複合システムである。

【００１７】ＳＯＦＣ１０は、電解質に酸化物イオン導
伝体を用いた高温型燃料電池である。酸化物イオン導伝
体の形式により平板方式、円筒方式、あるいは一体積層
方式などがあるが、本発明においてはいずれの方式のＳ
ＯＦＣ１０でもよい。本発明においては、ＳＯＦＣ１０
には低級炭化水素を燃料として、低級炭化水素を改質す
るに必要な水（Ｈ₂Ｏ）が添加され、空気中の酸素を酸
化剤として供給して作動させるため、ＳＯＦＣ１０から
の高温の排ガスの組成は、水素、一酸化炭素、二酸化炭
素及び水を主としてなる。

【００１８】ＳＯＦＣ１０は、高温で作動し概８００〜
１２００℃の排ガス及び余熱を排出する。高温の排ガス
は、系外より導入されるメタン、エタン、プロパン等を
主成分とする天然ガスやバイオガス等の原料ガスに混合
され、必要に応じてＳＯＦＣ１０本体の反応熱等の余熱
が導入された熱交換部５０でさらに加温されて、原料ガ
スは常温（２５℃）から概７５０℃に加温される。加温
された原料ガスは引続き直接改質装置２０に導入され
る。

【００１９】直接改質装置２０においては、概７５０℃
に加温された原料ガスが供給され、改質触媒２１に接触
されて、水素及びベンゼン、ナフタレン、トルエン、キ
シレン、メチルナフタレン等からなる芳香族炭化水素を
生成する。また、直接改質装置２０とＳＯＦＣ１０を同
一の断熱容器に入れて熱交換部５０による伝熱で直接改
質装置２０内を概７５０℃の温度雰囲気とすることによ
り、安定的に概７５０℃の反応熱が保持されて原料ガス
の水素および芳香族炭化水素への転化が進行する。

【００２０】ＳＯＦＣ１０の高温の排ガスおよび余熱を
利用しただけでは、原料ガス及び直接改質装置２０を十
分に加温できないときは、燃料ガスや生成する水素等を
燃料とした加熱バーナや外部高温熱源を利用して熱交換
部５０等に高熱を供給してもよい。

【００２１】直接改質装置２０に内蔵される低級炭化水
素直接改質触媒（以下、「改質触媒」という）２１とし
ては特に制限はなく、特開平１０−２７０３６６号公
報、特開平１１−４７６０６号公報、特開平１１−６０
５１４号公報、特許開２００１−３３４１５１号公報、
特開２００１−３３４１５２号公報で知られている公知
の触媒の中から、任意のものを適宜選択して用いること
ができるが、本システムにおいては、特にＭｏ（３％）
／ＨＺＭＳ−５触媒（シリカ／アルミナ比＝４０）等の
金属担持ゼオライト触媒の利用によりさらに良好に転化
を進めることを発明し、本願請求項１又は請求項２の発
明に、低級炭化水素直接改質触媒２１として金属担持ゼ
オライト触媒を利用する固定床式反応技術を付加し、本
願請求項７の発明とした。

【００２２】直接改質装置２０は、固定床触媒反応形式
又は流動層触媒反応形式であることが好ましいが、原料
ガスを改質触媒２１に十分に接触させることができるな
らば任意の触媒反応形式でもよい。流動層反応形式の場
合は、変換反応後の水素、芳香族化合物及び未転化原料
ガスの混合ガス中に含まれる固体触媒微粒子を捕集する
サイクロンを出口に付設することが好ましい。

【００２３】いずれの反応形式によるときも、公知の従
来技術に基づき、原料ガスへのＳＯＦＣ１０の排ガスの
混合量を、原料ガスに一酸化炭素又は／及び二酸化炭素
を０．０１〜３０容量％、好ましくは０．１〜２５容量
％、さらに好ましくは１〜１０容量％に調整して低級炭
化水素の反応転化率を向上することができる。また、原
料ガス中に二酸化炭素を概３０容量％以上含むときは、
直接改質装置２０の容量効率が低下するため、適宜二酸
化炭素容量％の調整を施すことが好ましい。

【００２４】同様に、いずれの反応形式によるときも、
改質触媒２１では反応時間の経過に伴い炭素の析出によ
る触媒性能の低下が生じるため、直接改質装置２０に
は、改質触媒２１に析出した炭素を、空気を含む酸素ガ
スあるいは二酸化炭素等により、連続的ないしは交互逐
次的な操作により焼成し再生する触媒再生過程を施すこ
とが好ましい。また、析出した炭素をメタン等に還元し
触媒を活性化するため、水素ガス、ヒドラジン、アンモ
ニア等の水素還元剤による触媒賦活過程を施してもよ
い。

【００２５】この場合、当然に、焼成による触媒再生過
程や水素ガスによる触媒賦活過程は、低級炭化水素の変
換反応過程と交互に連続して施してもよいし、適宜間歇
的に施してもよい。また、前記焼成による触媒再生過程
や水素による触媒賦活過程は、直接改質装置２０外に別
体の装置として付設してもよいし、直接改質装置２０に
該装置を内蔵一体としたものとしてもよい。さらに、空
気を含む酸素ガスあるいは二酸化炭素等による触媒再生
過程や水素による触媒賦活過程は、改質触媒２１を適宜
循環再生するなど、低級炭化水素の変換反応過程と並列
的に施してもよい。

【００２６】ＳＯＦＣ１０の排ガスに含まれるＨ・Ｏ
は、系外からの原料ガスと混合され高温下で直接改質触
媒２１に接触されることで、シフト反応（Ｈ₂Ｏ＋ＣＨ₄
→ＣＯ＋３Ｈ₂，Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）により水素
及び二酸化炭素に改質し、該水素は本システムでの水素
生成量の増加につながるとともに、該二酸化炭素は前記
直接触媒２１での反応転化率の向上及び触媒安定化に利
用されるため、極めて好適な効果を果たす。

【００２７】直接改質装置２０においては、原料ガスは
改質触媒２１と高温下で接触して水素及び芳香族炭化水
素に改質され、水素、芳香族炭化水素及び未転化原料ガ
スとの混合ガスが生成する。該混合ガスは芳香族炭化水
素分離部３０に導出され、そこで気体と液体状の芳香族
炭化水素に気液分離される。

【００２８】分離された水素及び未転化原料ガスは水素
分離部４０に導入され水素及びメタン、炭酸ガス等を主
成分とする未分離の残留ガスにそれぞれ分離され、該残
留ガスは、固体酸化物形燃料電池１０に供給される燃料
ガス又は低級炭化水素改質装置に供給される原料ガスに
混合され、再利用される。

【００２９】また、上記混合ガスを芳香族炭化水素分離
部３０と水素分離部４０の配置を置換し、上記混合ガス
を先ず水素分離部４０に導入し、水素を選択的に分離
し、次いで芳香族炭化水素分離部３０により未転化原料
ガスと芳香族炭化水素とを気液分離してもよい。この場
合、先ず水素が選択的に分離されるため、改質触媒２１
での改質反応の平衡条件が好適に保たれ、原料ガスから
の水素及び芳香族化合物への転化率を飛躍的に向上させ
ることが可能となる。

【００３０】芳香族炭化水素分離部３０は、水素、芳香
族炭化水素及び未転化原料ガスとの混合ガスを、芳香族
炭化水素の沸点以下の温度の冷却部に接触させる凝縮分
離方式や、デカリンやメチルナフタレン等の液体溶剤に
芳香族炭化水素を溶解し分離する方式など、公知の分離
方式を適宜選択することができる。

【００３１】水素分離部４０の分離材料としては、１ｎ
ｍ〜１０μｍの膜厚で特徴付けられるＰｄ膜、ＰｄとＡ
ｇの合金膜（Ａｇ−Ｐｄ膜）、１ｎｍ〜１００μｍの膜
厚で特徴付けられるゼオライト膜や多孔質シリカ膜等の
ような水素分離膜、ポリイミド等のような高分子分離
膜、ゼオライト、メソ多孔質材、フェルト状活性炭、ハ
ニカム状活性炭、カーボンナノチューブ等の水素吸着作
用で水素と分離する吸着材のうち1つ以上を選択するこ
とが好ましいが、特に限定されることなく公知の分離材
料から選択することができる。

【００３２】ただし、水素分離部４０は、芳香族炭化水
素分離部３０と置換配置する場合には、概７５０〜８０
０℃の高温の水素、芳香族炭化水素及び未転化原料ガス
との混合ガスに接触するため、窒化ケイ素や炭化ケイ
素、ゼオライト膜、非晶質シリカ膜等の高温耐性のある
分離材料を用いる必要がある。

【００３３】このようにして、本願請求項１の発明で
は、電力、水素及び芳香族炭化水素を効率的に、かつ炭
酸ガスを排出することなく製造することができる。

【００３４】本願請求項２の発明は、本願請求項１の発
明において、ＳＯＦＣ１０の排ガスを系外より取り入れ
る原料ガスに混合するかわりに、該排ガスの高温熱を利
用した熱交換部５０により原料ガスを予熱することとす
る、水素及び芳香族化合物を生成する電力、水素及び芳
香族炭化水素を併産する燃料電池ハイブリッド低級炭化
水素直接改質複合システムである。

【００３５】本システムは、ＳＯＦＣ１０に導入される
燃料ガスの組成に、本システムの改質触媒２１等との反
応性が高いものが含まれる場合や、炭酸ガスの濃度によ
り原料ガスによる調整等だけでは直接改質装置２０の容
量効率を改善できない場合等において良好な効果を発揮
する。

【００３６】但し、熱交換部５０によりＳＯＦＣ１０の
排ガスの反応熱のみを利用するシステムであるため、Ｓ
ＯＦＣの排ガスに含まれる炭酸ガスやＨ・Ｏの効果を得
ることができないため、系外より取り入れる原料ガスに
二酸化酸素／一酸化炭素や水を適宜混合し、原料ガスの
成分調整をすることが望ましい。

【００３７】図２は、本願請求項３の発明の基本システ
ム構成を示す。本発明は、請求項１又は請求項２の発明
の構成に、芳香族炭化水素水素化反応装置（以下、「水
素化反応装置」という。）６０をさらに備え、芳香族炭
化水素分離部３０より供給される芳香族炭化水素と、水
素分離部４０より供給される水素とを利用して、水素雰
囲気下で所定の反応温度に保持した芳香族炭化水素水素
化触媒６１（以下、「水素化触媒」という。）に芳香族
化合物を接触させ、シクロヘキサン、デカリン等の有機
ハイドライドを生成するシステムである。なお、本発明
の説明は、請求項１及び請求項２の発明の説明を援用す
るものとし、本発明に固有な芳香族化合物水素化反応装
置５０に関して以下に説明するものとする。

【００３８】本願請求項１又は請求項２の発明と同様の
過程により分離される水素及び芳香族炭化水素は、水素
化反応装置６０に導入される。水素化反応装置６０の温
度はＳＯＦＣ１０の余熱等を利用して概２５〜４００
℃、好ましくは概５０〜３５０℃、さらに好ましくは概
１００〜３００℃に保たれ、圧力は概０．１〜５０気
圧、好ましくは概０．５〜１５気圧、さらに好ましくは
概１〜１０気圧に保たれ、水素保持部４０より供給され
る水素雰囲気の中で、液体状の芳香族炭化水素が供給さ
れ水素化触媒６１に接触されて、シクロヘキサン、デカ
リン等の有機ハイドライドを生成する。

【００３９】水素化触媒６１としては特に制限はなく、
特開２００１−１１０４３７号公報、特開２００１−１
９８４６９号公報で知られている公知の触媒の中から、
任意のものを適宜選択して用いることができる。

【００４０】水素化反応装置６０は、上述公知の発明に
基づく反応方式をはじめとして水素化触媒６１に芳香族
炭化水素を接触させることができるいずれの触媒反応方
式でもよいが、水素雰囲気下で液体状の芳香族炭化水素
を水素化触媒６１に噴霧又はシャワー状にて供給して、
該触媒表面に液膜状の濡れを形成し、触媒が“乾燥（気
固）−濡れ（液固）”の二層が共存する反応条件で基質
を反応させる方式が好ましい。

【００４１】水素化反応装置６０では、水素雰囲気下で
水素化触媒６１と芳香族炭化水素が接触して有機ハイド
ライドと未反応の水素及び芳香族炭化水素の混合ガスを
生成する。該混合ガスは芳香族炭化水素分離部３０及び
水素分離部４０に導出され、水素及び液体状の有機ハイ
ドライドと芳香族炭化水素の混合物質に気液分離しても
よい。

【００４２】分離された水素及び有機ハイドライドと芳
香族炭化水素の混合物質は、さらに繰り返して水素化反
応装置６０に導入されてもよいし、系外に導出されても
よい。系外に導出された有機ハイドライドと芳香族炭化
水素の混合物質は、分留など処理により容易にそれぞれ
の物質に分離することでき、利用することができる。

【００４３】このようにして、本願請求項２の発明で
は、プロセス上炭酸ガスを排出することなく電力、水
素、芳香族炭化水素及び有機ハイドライドを効率的に製
造併産することができる。

【００４４】次に、請求項４の発明を説明する。本発明
は、本願請求項３の発明の構成に加え、有機ハイドライ
ド脱水素反応装置（以下、「脱水素化反応装置」とい
う。）７０をさらに備え、水素化反応装置６０より供給
される有機ハイドライドを利用して、所定の反応温度に
保持した有機ハイドライド脱水素触媒７１（以下、「脱
水素触媒」という。）に有機ハイドライドを接触させ、
水素と芳香族炭化水素をを生成するシステムである。

【００４５】脱水素化反応装置７０は、水素化反応装置
６０と同様の構成を有する装置でよく、生成した水素を
水素分離部３０を経て系外へ導出することで、平衡条件
により脱水素反応を持続することができる。

【００４６】このため、生成した有機ハイドライド、水
素、芳香族炭化水素をそれぞれ貯蔵する装置を別体とし
て付設し、適宜反応装置への供給量を制御することで、
水素化反応装置６０と脱水素化反応装置７０は１つの装
置で兼用することができる。

【００４７】次に、請求項５の発明について説明する。
本発明は本願請求項１〜４の発明の構成に、概５０℃〜
２００℃で作動する固体高分子形燃料電池（以下、「Ｐ
ＥＦＣ」という。）８０又は１５０℃〜２５０℃で作動
するリン酸形燃料電池（以下、「ＰＡＦＣ」という。）
９０を付加し、水素分離部４０を通じて本システムで生
成する水素の一部を導出し、ＰＥＦＣ８０又はＰＡＦＣ
９０に供給し発電を行うシステムである。このため、本
発明ではＳＯＦＣ１０に加え、ＰＥＦＣ８０又はＰＡＦ
Ｃ９０でも発電され、電力需要に応じて、弾力的かつ効
率的により多くの電力を発電することができる。

【００４８】本願請求項６の発明は、上述の請求項１〜
５の発明に利用する燃料ガス又は原料ガスが、天然ガ
ス、メタンガス、メタンハイドレート、し尿や生ゴミを
発行処理して得られるバイオガス（メタンガスを含
む。）等によって構成される群から選定された１又は２
以上であることを特徴とするシステムである。

【００４９】近年の関連技術の発展により、天然ガス、
メタンガス、メタンハイドレート、し尿や生ゴミを発酵
処理して得られるバイオガス（メタンガスを含む。）等
の利用可能性が高まってきているものの、その利用につ
いては燃焼エネルギーを利用するものに限定されてき
た。

【００５０】本発明によれば、上記のようなガス資源の
産出する地点又は該ガス資源をパイプラインで移送でき
る地点で、本願請求項１〜５の発明の燃料電池ハイブリ
ッド低級炭化水素直接改質システムを運転することがで
きる。

【００５１】

【実施例】次に、本発明に係る燃料電池ハイブリッド低
級炭化水素直接改質複合システムの実施例について説明
する。本実施例では、１００ｋＷ級のＳＯＦＣを用い、
北海道勇払産の天然ガス（メタン８５％、Ｃ2〜Ｃ4炭化
水素１４％、酸性硫化物及び窒素成分は検出されず、Ｎ
２１％以下）を、ＳＯＦＣに１００ｍ³／日供給した。
そして、８００℃〜１２００℃の作動条件下で空気混合
ガスとの内部改質反応により作動させた。ＳＯＦＣから
低級炭化水素直接改質装置に供給する排ガスは、３気
圧、８００℃の高温ガスであり、メタン、ＣＯ、ＣＯ
₂ 、Ｈ₂と水蒸気とを含んでいた。排ガスに原料ガスで
ある天然ガスを加え、これに水分を一部除去して調整し
たガスを、低級炭化水素直接改質装置の粉体流動式反応
塔に供給した。この時の入口反応ガスは、メタン８５
％、Ｃ2〜Ｃ4炭化水素７％、炭酸ガス６％、水素１％、
Ｈ₂Ｏ１％からなる混合ガスであり、入口圧力３．０気
圧、反応温度７８０℃を示していた。

【００５２】粉体流動式反応塔に、６％Ｍｏ（モリブデ
ン）担持ＭＣＭ２２ゼオライト触媒を１ｋｇ充填した。
ガスの空時速度は、５０００リットル／ｋｇ触媒／時間
であり、触媒層平均温度は、７５０℃を示していた。１
０時間後の安定状態でのベンゼン空時収率（ＳＴＹ）
は、５００ｇ／ｋｇ触媒／時間であり、２０００リット
ル／ｋｇ触媒／時間であった。反応転化率は、メタン基
準で２５％であった。反応塔出口ガスの温度は、７００
℃であった。この排ガスをＳＯＦＣに供給して、本シス
テムを連続運転した。これにより、５０ｋＷの電力と、
４８ｍ³／日の水素、及び１２ｋｇ／日のベンゼン、ナ
フタレン等の有用な石油化学原料を製造することができ
た。

【００５３】本発明は、以上の発明の実施の形態に限定
されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範
囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範
囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【００５４】また、本願発明では、ＳＯＦＣ１０に代替
して溶融炭酸塩形燃料電池（以下「ＭＣＦＣ」という）
等の高温作動の燃料電池を利用することが容易に想定さ
れている。

【００５５】ＭＣＦＣは、電解質にアルカリ金属炭酸塩
イオン導伝体を用いた高温型燃料電池であり、空気中の
酸素を酸化剤として、本発明に利用するときは水素を燃
料として供給して作動する。ＭＣＦＣは概６５０℃で作
動するため、本願発明の併産システムに利用するとき
は、系外から取り入れる原料ガスをＭＣＦＣの顕熱で予
熱した上で、原料ガス又は生成する水素を用いた加熱バ
ーナー等外部熱源で概７５０℃まで加熱することが必要
である。同様に、直接改質装置２０も加熱バーナー等外
部熱源で加熱し反応熱を供給することが必要となる。起
動時のみならず上記の熱量の追加には、当然に系外より
熱供給してもよい。

【００５６】本願発明のＳＯＦＣ１０をＭＣＦＣ等の高
温型燃料電池に代替することは、本願発明の主要な技術
的思想の範囲にあると考えられるものであり、実用上
は、ＳＯＦＣ１０の導入の困難性などの事情に応じて、
ＭＣＦＣの利用が選択されることが想定されている。

【００５７】

【発明の効果】本発明に係るシステムによれば、炭酸ガ
スや窒素酸化物、一酸化炭素等の有害物質を発生させる
ことなく、高効率な発電を行うと同時に、燃料電池用の
水素、及びベンゼンやナフタレン等の芳香族炭化水素を
比較的安価に生成することができる。また、本発明に係
るシステムを作動させることによって発生するＳＯＦＣ
１０の高温度域の熱エネルギーを有効に利用することが
でき、かつ直接改質装置２０から生成する水素や芳香族
炭化水素を分離した出口残留ガスをＳＯＦＣ１０に循環
させ燃料として使用することができるので、エネルギー
及び炭素資源を極めて有効に利用した電力及び化学物質
のハイブリッド生産ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電力、水素及び芳香族炭化水素を併産する燃料
電池ハイブリッド低級炭化水素直接改質複合システムの
基本構成を示した図。

【図２】電力、水素、芳香族炭化水素及び有機ハイドラ
イドを併産する燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接
改質複合システムの基本構成を示した図。

【符号の説明】

１０固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）２０低級炭化水素直接改質装置２１低級炭化水素直接改質触媒３０芳香族炭化水素分離部４０水素分離部５０熱交換部６０芳香族炭化水素水素化反応装置６１芳香族炭化水素水素化触媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｂ 8/06 Ｇ 8/10 8/10 8/12 8/12 Ｃ１０Ｌ 3/00 Ａ (72)発明者笹津浩司東京都中央区銀座６丁目15番１号電源開発株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 BA03 BB03 4H029 CA00 DA00 5H026 AA04 AA06 5H027 AA04 AA06 BA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体酸化物形燃料電池（１０）と、低級炭
化水素直接改質装置（２０）と、芳香族炭化水素分離部
（３０）と、水素分離部（４０）、熱交換部（５０）と
を有する燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改質複
合システムであって、固体酸化物形燃料電池（１０）は、系外より低級炭化水
素を含有する燃料ガスを供給されて発電するとともに高
温の排ガス及び余熱を生成し、固体酸化物形燃料電池（１０）の排ガスは、系外より取
り入れた低級炭化水素を含有する原料ガスと混合され低
級炭化水素直接改質装置（２０）供給されるとともに、
固体酸化物形燃料電池（１０）の余熱は、熱交換部（５
０）により低級炭化水素直接改質装置（２０）に反応熱
として供給し、低級炭化水素直接改質装置（２０）は、低級炭化水素直
接改質触媒（２１）の存在下で反応熱を供給されて、固
体酸化物形燃料電池（１０）の排ガスと混合された原料
ガスを水素及び芳香族炭化水素を主成分とする混合ガス
に改質し、該混合ガスは、芳香族炭化水素分離部（３０）及び水素
分離部（４０）を介して、水素と芳香族炭化水素とを分
離して生成し、未分離の残留ガスは、固体酸化物形燃料
電池（１０）に供給される燃料ガス又は低級炭化水素改
質装置に供給される原料ガスに混合されることを特徴と
する燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改質複合シ
ステム。
【請求項２】固体酸化物形燃料電池（１０）と、低級炭
化水素直接改質装置（２０）と、芳香族炭化水素分離部
（３０）と、水素分離部（４０）と、熱交換部（５０）
とを有する燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改質
複合システムであって、固体酸化物形燃料電池（１０）は、系外より低級炭化水
素を含有する燃料ガスを供給されて発電するとともに高
温の排ガス及び余熱を生成し、固体酸化物形燃料電池（１０）の排ガス及び余熱は、熱
交換部（５０）により、系外より取り入れた低級炭化水
素を含有する原料ガスを予熱するとともに低級炭化水素
直接改質装置（２０）に反応熱として供給し、低級炭化水素直接改質装置（２０）は、低級炭化水素直
接改質触媒（２１）の存在下で反応熱を供給されて、予
熱された低級炭化水素含有原料ガスを水素及び芳香族炭
化水素を主成分とする混合ガスに改質し、該混合ガスは、芳香族炭化水素分離部（３０）及び水素
分離部（４０）を介して、水素と芳香族炭化水素とを分
離して生成し、未分離の残留ガスは、固体酸化物形燃料
電池（１０）に供給される燃料ガス又は低級炭化水素改
質装置（２０）に供給される原料ガスに混合されること
を特徴とする燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改
質複合システム。
【請求項３】芳香族炭化水素分離部（３０）より供給さ
れる芳香族炭化水素と、水素分離部（４０）より供給さ
れる水素のそれぞれ一部又は全部を、芳香族炭化水素水
素化触媒（６１）の存在下で反応させて、有機ハイドラ
イドを生成する芳香族炭化水素水素化反応装置（６０）
をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は請求
項２に記載の燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改
質複合システム。
【請求項４】芳香族炭化水素水素化反応装置（６０）か
ら供給される有機ハイドライドの一部又は全部を、有機
ハイドライド脱水素触媒（７１）の存在下で熱交換部
（５０）により反応熱を供給し反応させて、水素と芳香
族炭化水素を生成する有機ハイドライド脱水素反応装置
（７０）をさらに備えていることを特徴とする請求項３
に記載の燃料電池ハイブリッド低級炭化水素直接改質複
合システム。
【請求項５】低級炭化水素直接改質装置（２０）又は有
機ハイドライド脱水素反応装置（７０）から水素分離部
４０を経て供給される水素を燃料として発電を行う固体
高分子形燃料電池（８０）又はリン酸形燃料電池（９
０）をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４
のいずれか１項に記載の燃料電池ハイブリッド低級炭化
水素直接改質複合システム。
【請求項６】固体酸化物形燃料電池（１０）又は／及び
低級炭化水素直接改質装置（２０）に供給される低級炭
化水素含有ガスが、天然ガス、メタンガス、メタンハイ
ドレート、し尿や生ゴミ等を発酵処理して得られるバイ
オガス（メタンガスを含む。）によって構成される群か
ら選定された１又は２以上であることを特徴とする請求
項１〜５のいずれか1項に記載の燃料電池ハイブリッド
低級炭化水素直接改質複合システム。
【請求項７】低級炭化水素直接改質触媒（２１）が、金
属担持ゼオライト触媒であることを特徴とする請求項１
〜６のいずれか1項に記載の燃料電池ハイブリッド低級
炭化水素直接改質複合システム。