JP2572905B2 - 内部改質溶融炭酸塩型燃料電池発電装置 - Google Patents

内部改質溶融炭酸塩型燃料電池発電装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、内部改質燃料電池発電
装置に関し、特に、燃料供給材料としてメタンを利用す
る内部改質燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば内部改質溶融炭酸塩型燃料電池の
ような内部改質燃料電池は、燃料電池への燃料がメタン
である時に高いエネルギー変換効率を有することが知ら
れている。また、ガス化装置によりメタンを製造する際
に、メタンの製造を最適化した時に冷ガス効率が最適と
なることも知られている。
【０００３】上述の既知のファクターは、高い熱効率を
もつ全体的な発電装置を得るために、メタン製造ガス化
装置と内部改質燃料電池を併用するための提案を導い
た。更に、該発電装置が全体的に高い石炭の電気エネル
ギー変換効率を提供する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】代表的なメタン製造用
ガス化装置は通常メタンを製造しないガス化装置よりも
低い温度で、かつ高い圧力で運転される。しかし、メタ
ン製造用ガス化装置は、その装入原料に加えて該装入原
料の吸熱ハイドロ−ガス化反応のための水素とスチーム
を必要とする。現在提唱されている装置において、この
水素は燃料電池上流側のガス化装置の排出物から生ず
る。これは必要な水素を発生するための効果的な方法を
提供するものであるが、他のより効率的な方法が探求さ
れている。
【０００５】従って、本発明の主目的は、内部改質燃料
電池発電装置の全体的な効率がより良好となるようにメ
タンガス化装置を使用することからなる、内部改質燃料
電池発電装置を提供することにある。
【０００６】本発明の他の目的は、燃料電池発電装置の
改善された効率が該装置においてメタンガス化装置用の
水素を生じさせる方法により達成されるような、内部改
善燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述の
目的及び他の目的は、燃料電池発電装置が、水素及びス
チームの存在下で装入原料をメタン燃料プロセスガスへ
転化するためのメタン製造用ガス化装置；前記メタン燃
料プロセスガスを水素含有燃料プロセスガスへ転化し、
かつ前記燃料プロセスガスを受けるためのアノード帯域
とオキシダントプロセスガスを受けるためのカソード帯
域を備える内部改質燃料電池；前記アノード帯域の排出
流中の未使用水素をメタン製造用ガス化装置へリサイク
ルするための手段；前記カソード帯域から発生した熱に
よりスチームを発生させる手段；及び発生したスチーム
を前記メタン製造用ガス化装置ヘ輸送する手段を、備え
ることにより達成される。
【０００８】さらに、本発明においては、燃料電池のア
ノード排出流を処理して該流中に残存する燃料成分から
未使用水素を分離かつ回収し、回収された水素をガス化
装置装入原料へリサイクルしてガス化装置のメタン製造
を促進するために、本発明の装置は前記アノード帯域の
排出流中の未使用水素をメタン製造用ガス化装置へリサ
イクルするための手段を備えている。該手段は、例えば
図１においては、コンプレッサーまたはターボコンプレ
ッサーまたはインダクタ(13)、管(15)及び(18)から構成
されるものである。また、本発明においては、燃料電池
からの熱を利用してスチームを発生させて回収した水素
と共にガス化装置へリサイクルされる。
【０００９】
【実施例】図１は本発明による燃料電池発電装置(1)を
示すものである。燃料電池発電装置(1)はアノード帯域
(2a)及びカソード帯域(2b)を備える高温または中温の燃
料電池(2)を備えてなる。該アノード帯域はメタン製造
用ガス化装置から生ずるメタン燃料プロセスガスを水素
含有燃料プロセスガスへ転化し、かつ前記燃料プロセス
ガスを受けるためのものであり、一方カソード帯域はオ
キシダントプロセスガスを受けるためのものである。こ
の燃料電池は、通常、約６００℃またはそれ以上の温度
で運転される。
【００１０】説明のために、燃料電池(2)は溶融炭酸塩
型燃料電池であるものとするが、本発明は更に他の燃料
電池にも適用可能である。他の燃料電池は例えば固体酸
化物燃料電池であることができる。
【００１１】燃料電池(2)は内部改質タイプのもので、
アノード供給管(3)の炭化水素含量を含む供給燃料は燃
料電池内で改質されて水素燃料プロセスガスと炭素の酸
化物を生ずる。この補充用ガスはアノード帯域(2a)を通
過して流れ、燃料電池(2)内で電気化学的反応を受け
る。この結果、未使用水素、少量のメタン及び一酸化炭
素、及び多量の二酸化炭素を含むアノード排出流を生ず
る。このアノード排出流はアノード帯域(2a)からアノー
ド排出管(4)へ排出される。
【００１２】燃料電池発電装置(1)の全効率を向上する
ために、燃料電池(2)で使用され、かつアノード供給管
(3)へ排出された供給燃料はメタンを含有する。メタン
燃料は慣用のメタン製造用ガス化装置(5)によって発生
する。このタイプのガス化装置は通常比較的低い運転温
度［＜７６０℃(１４００°Ｆ)］で運転され、例えば図
示するような石炭装入原料のような装入原料からメタン
を生ずる。
【００１３】この例においては、ガス化装置排出物はア
ノード供給管(3)に到達する前に、ガス浄化装置(6)へ送
って不純物を取り除く。ガス浄化装置(6)は冷間浄化装
置または熱間浄化装置であることができ、ガス化装置排
出物は、ガス浄化装置(6)を通過した後、燃料電池のガ
ス圧へガス圧を調節するエキスパンダー(7)を通過す
る。エキスパンダー(7)は装置電力の一部を発生させる
ために使用することができ、該エキスパンダーは、メタ
ン製造用ガス化装置(5)が燃料電池(2)よりも非常に高い
圧力で運転され、従って、燃料電池へ導入される前にガ
ス化装置排出物の圧力を低減する必要があるために使用
されるものである。
【００１４】メタン製造用ガス化装置(5)において石炭
装入原料を処理するために、更に、該ガス化装置へ水素
及びスチームを提供してガス化反応を維持することが必
要である。本発明によれば、メタン製造用ガス化装置
(5)で必要な水素は燃料電池自体、特に、アノード排出
流中の未使用水素から誘導される。更に、本発明によれ
ば、メタン製造用ガス化装置(5)で必要なスチームもま
た燃料電池(2)を使用することにより、特に、燃料電池
により発生する排熱を使用することにより誘導される。
特に、カソード帯域(2b)からの排ガス流がこの目的に使
用される。
【００１５】更に詳細には、図１に示すように、アノー
ド排出管(4)中のアノード排出流はまずアノード排出流
中のＣＯを水素へ転化することにより該アノード排出流
中の水素含量を増加させるための転化装置(7')へ装入さ
れる。転化後、排出流は水素分離・回収装置(8)へ装入
され、排出流中の未使用水素を他の成分から分離、回収
する。
【００１６】本発明において、アノード排出流中に残存
する成分から未使用水素を分離し、該水素をリサイクル
する手段として、米国特許第4,620,914号明細書に開示
されるタイプの水素移動装置(ＨＴＤ)の形態のものが使
用される。排ガス流は水素分離・回収装置(ＨＴＤ)(8)
のアノード帯域(8a)において回収され、未使用水素ガス
はアノード帯域(8a)からＨＴＤのカソード帯域(8b)へ移
動し、管(11)で回収される。排ガス流中に残存するガス
類は管(12)でＨＴＤのアノード帯域(8a)から排出され
る。
【００１７】管(11)で水素分離・回収装置(ＨＴＤ)(8)
から回収された水素ガスは、スチームのより駆動される
第１の手段、例えばコンプレッサーまたはターボコンプ
レッサーまたはインダクタ(13)へ装入されてその圧力を
上昇させる。次に、加圧された水素は管(14)及び(15)、
及び装入原料装入管(16)を介してメタン製造用ガス化装
置(5)へ運ばれる。ターボコンプレッサー(13)を使用す
る場合には、管(17)によりターボコンプレッサーへ運ば
れる高圧スチームによりターボコンプレッサーは運転さ
れる。該スチームは管(18)でターボコンプレッサーを
出、メタン製造用ガス化装置へ運ぶために管(14)からの
水素と併合される。これらは、加圧された水素と前記第
１の手段からのスチームを併合してメタン製造用ガス化
装置へ送るための手段［管(14)、(18)、(15)及び(16)］
によって行われる。
【００１８】ターボコンプレッサー(13)へ装入されるス
チームは管(19)のカソード排ガス流中の排熱を使用して
発生させる。従って、高温［約６２１℃(１１５０°
Ｆ)］で、かつ高圧(約１５００ｐｓｉ)である、このカ
ソード排ガス流を熱交換器またはボイラー(21)（即ち、
燃料電池より発生した熱によりスチームを発生させる手
段）中で水と熱交換させる。ボイラーから得られたスチ
ームは次に管(17)へ送られ、上述のようにターボコンプ
レッサー(13)へ装入される。
【００１９】ボイラー(21)を通過した後、管(19)のカソ
ード排ガス流はブロワー(22)を介して部分的に再循環さ
れ、カソード排ガス流の若干はカソード帯域(2b)のカソ
ード供給管(23)へ再循環される。再循環されないカソー
ド排ガス流を使用してボイラー(21)へ送られる水を熱交
換器(29)に通すことにより該水を予熱する。また、空気
供給管(28)及びバーナー(25)からの管(24)のオキシダン
トプロセスガスもまたカソード供給管(23)へ送られる。
バーナー(25)にはブロワー(26)から新鮮な空気が装入さ
れる。
【００２０】また、バーナー(25)には水素分離・回収装
置(ＨＴＤ)(8)から管(12)を介して運ばれる残存するア
ノード排出流も装入される。このアノード排出流中の燃
料分はバーナー(25)で燃焼され、二酸化炭素は酸素と共
に管(24)へ送られる。
【００２１】本発明を実施する場合に、燃料電池(2)の
アノード排出流中の利用可能な水素の量は燃料電池の燃
料利用率に依存する。燃料電池装置(1)において、装置
の構造に依存する燃料利用率を可能な限り調節すれば、
メタン製造用ガス化装置(5)へリサイクルするために利
用できる未使用水素をメタン製造用ガス化装置の必要量
を充分に満足させることができる。利用可能な水素が充
分でない場合でさえ、他の供給源からの付加的な水素を
リサイクル水素へ添加してメタン製造用ガス化装置の条
件を満足させることができる。
【００２２】メタン製造用ガス化装置(5)のために燃料
電池アノード排出流中の未使用水素を燃料電池発電装置
(1)で使用することにより、燃料電池発電装置(1)の全効
率は増大する。同様に、燃料電池排熱からメタン製造用
ガス化装置用のスチームを発生させた場合、効率の更な
る増加が得られる。
【００２３】また、カソード排熱はメタン製造用ガス化
装置(5)により必要とされるよりも多量のスチームを提
供することもできる。その場合には、蒸気タービン(31)
を燃料電池装置へ追加して過剰のスチームから更に電力
を製造することができる。
【００２４】
【発明の効果】全ての場合において、上述の配置は、本
発明の実施を説明するための多くの可能な実施態様の単
なる例示に過ぎないことを理解されたい。本発明の精神
及び範囲を逸脱しない限りにおいて、本発明により多数
の変化させうる他の配置を容易に案出することができ
る。例えば、メタン製造用ガス化装置は、該ガス化装置
の反応速度を増加させるために触媒を用いてもよい。ま
た、熱交換器(21)及び(29)を運転して熱交換器(29)がス
チームを形成し、かつ熱交換器(21)がスチームを過熱す
ることができる。更に、これらの部材は単一熱交換器ユ
ニットとして形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池発電装置 ２ 燃料電池 ２ａ アノード帯域 ２ｂ カソード帯域 ３ アノード供給管 ４ アノード排出管 ５ メタン製造用ガス化装置 ６ ガス浄化装置 ７ エキスパンダー ７’ 転化装置 ８ 水素分離・回収装置(ＨＴＤ) ８ａ アノード帯域 ８ｂ カソード帯域 11 管 12 管 13 コンデンサー・ターボコンプレッサー・インダク
タ 14 管 15 管 16 装入原料装入管 17 管 18 管 19 管 21 熱交換器・ボイラー 22 ブロワー 23 カソード供給管 24 管 25 バーナー 26 ブロワー 28 空気供給管 29 熱交換器 31 蒸気タービン

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素及びスチームの存在下で装入原料を
    メタン燃料プロセスガスへ転化するためのメタン製造用
    ガス化装置； 前記メタン燃料プロセスガスを水素含有燃料プロセスガ
    スへ転化し、かつ前記燃料プロセスガスを受けるための
    アノード帯域とオキシダントプロセスガスを受けるため
    のカソード帯域を備える内部改質燃料電池； 前記アノード帯域の排出流中の未使用水素をメタン製造
    用ガス化装置へリサイクルするための手段； 前記カソード帯域から発生した熱によりスチームを発生
    させる手段；及び 発生したスチームを前記メタン製造用ガス化装置ヘ輸送
    する手段を備えており、そして前記リサイクル手段及び
    輸送する手段が、未使用水素の圧力を上昇させるために
    スチームにより駆動される第１の手段と、加圧された水
    素と前記第１の手段からのスチームを併合してメタン製
    造用ガス化装置へ送るための第２の手段を同時に備えて
    なることを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 【請求項２】 内部改質燃料電池が６００℃またはそれ
    以上の温度で運転される燃料電池である請求項１記載の
    燃料電池発電装置。
  3. 【請求項３】 内部改質燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電
    池である請求項１記載の燃料電池発電装置。
  4. 【請求項４】 燃料電池装置を、メタン製造用ガス化装
    置の水素の必要量を満足するのに充分なアノード排出流
    中の未使用水素を生ずる水素利用率で、運転する請求項
    １記載の燃料電池発電装置。
  5. 【請求項５】 リサイクル手段が、アノード排出流をメ
    タン製造用ガス化装置へリサイクルする前に、アノード
    排出流中の一酸化炭素を水素へ転化してアノード排出流
    中の未使用水素のレベルを増加させるための転化装置を
    備えてなる請求項１記載の燃料電池発電装置。
  6. 【請求項６】 スチームを発生する手段が燃料電池のカ
    ソード帯域からの排出流を水と熱交換するための手段よ
    りなる請求項１記載の燃料電池発電装置。
  7. 【請求項７】 リサイクル手段がアノード排出流中に残
    存する成分から未使用水素を分離する手段と、分離した
    水素をメタン製造用ガス化装置へリサイクルするための
    リサイクル手段よりなる請求項１記載の燃料電池発電装
    置。
  8. 【請求項８】 分離手段が水素移動装置(8)である請求
    項７記載の燃料電池発電装置。
  9. 【請求項９】 さらに、アノード排出流中に残存する成
    分を、燃料電池のカソード帯域用のオキシダントプロセ
    スガスを発生させるために酸素供給源により燃焼させる
    バーナーを備えてなる請求項１記載の燃料電池発電装
    置。
  10. 【請求項１０】 装入原料が石炭である請求項１記載の
    燃料電池発電装置。
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