JP2680521B2 - 燃料電池用水素製造方法および製造装置 - Google Patents
燃料電池用水素製造方法および製造装置Info
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Description
方法および製造装置に係り、特に天然ガスであるメタン
を原料として効率よく水素を製造することができる、燃
料電池用の水素製造方法および製造装置に関する。
分野および民生用の自家発電、コージェネ等で広く普及
することが予測され、一部の形式のものは、ほぼ実用化
に近い段階まできている。このような燃料電池に使用さ
れる燃料は水素であり、この水素は一般に、メタンを水
蒸気改質することによって製造されている。すなわち、
あらかじめ十分に脱硫したメタンを、改質触媒の存在
下、約800〜1000℃の高温雰囲気で水蒸気と接触
させて水素と一酸化炭素に改質し、得られた改質ガス
を、触媒が充填された、200℃前後に温度調整された
シフトコンバータに導入して前記混合ガスに含まれる一
酸化炭素を再び水蒸気により水素と二酸化炭素に改質す
ることによって燃料電池用水素が製造されていた。
来技術は、メタンを改質触媒の存在下で水蒸気改質する
ものであり、前記改質触媒の硫黄による被毒を防止する
脱硫設備が必要となり、装置全体が大型化するという問
題があった。またメタンの改質温度が1000℃前後で
あるために、改質器の予熱に長時間を要し、燃料電池側
の負荷変動に伴って増減する水素要求量に迅速に対応で
きないという問題があった。さらに、メタンの改質反応
は吸熱反応であり、水素を製造するための原料メタン以
外に、反応温度を維持するための燃料用メタンが大量に
必要となり、エネルギー効率(製造水素熱量/投入メタ
ン熱量)が低下するという問題があった。
決し、短時間で起動することができ、燃料電池の負荷変
動等に伴う水素要求量の変化に迅速に対応することがで
き、しかもエネルギ効率が高い、燃料電池用の水素製造
方法および製造装置を提供することにある。
本発明の第1は、メタンと酸素を容積比で40/60〜
60/40に混合した混合ガスを燃料として4サイクル
エンジンを運転し、排ガスとして前記メタンが部分燃焼
された、水素と一酸化炭素を含む混合ガスを回収し、該
混合ガス中の前記一酸化炭素を水蒸気の存在下で水素と
炭酸ガスとに改質し、その後、残存する水分を凝縮分離
することを特徴とする燃料電池用水素製造方法に関す
る。
スを調製する混合器と、該混合ガスを燃料として運転す
る4サイクルエンジンと、該4サイクルエンジンから排
出される混合ガス中の一酸化炭素を水蒸気の存在下で水
素と炭酸ガスに改質する改質器と、該改質器出口混合ガ
ス中の水分を凝縮分離する凝縮器とを有することを特徴
とする燃料電池用水素製造装置に関する。
0で混合した混合ガスを燃料として4サイクルエンジン
を運転することにより、該4サイクルエンジン内で前記
メタンが部分燃焼され、排気ガスとして水素と一酸化炭
素(CO)を含む混合ガスが回収される。
て水蒸気と接触させることにより、前記混合ガス中のC
Oが水素とCO2 とに改質される。この改質ガスを含む
前記混合ガスを凝縮器に導入して水分を凝縮分離するこ
とにより、高濃度の水素が高効率で得られる。本発明に
おいてメタンと混合する酸素としては、PSA(Pre
ssurized Swing Adsorptio
n)装置によって空気から分離した酸素を用いることが
好ましく、前記PSA装置の動力源として前記4サイク
ルエンジンの軸トルクを利用することが好ましい。メタ
ンと酸素との混合比は、容量比で40/60〜60/4
0であり、より好ましくは55/45〜60/40であ
る。メタンの割合が40容量%よりも少なくなるとメタ
ンは完全燃焼され易くなって水素の生成率が低下する。
一方、60容量%よりも多くなると部分燃焼が維持され
なくなり、エンジンの定常運転が困難となる。
は、例えば火花点火式または圧縮点火式の4サイクルエ
ンジンが使用される。本発明によれば、メタンの部分燃
焼装置として4サイクルエンジンを使用することによ
り、前記エンジンを起動すると同時にメタンの部分燃焼
反応を開始させることができるので、外部加熱用の、燃
料としてのメタンが不要となるだけでなく、前記4サイ
クルエンジンの軸出力を他の装置の動力として利用する
こともでき、エネルギ効率が向上し、しかも、メタンの
脱硫設備や改質炉が不要となるので、装置全体を小型化
することができる。
クルエンジンへのメタンの供給量に比例するので、例え
ば、エンジン回転数を増加させる事によって燃料電池の
負荷増大にも迅速に対応することができる。
説明する。図1は、本発明の一実施例を示す装置系統図
である。この装置は、メタン1と酸素2を混合する混合
器3と、該混合器3の後流に設けられた4サイクルエン
ジン4と、その後流のシフトコンバータ5と、該シフト
コンバータ5の後流の凝縮器6とから主として構成され
ている。
ン1は混合器3に導入され、該混合器3で、酸化剤であ
る酸素2と、例えば容積比で50対50に混合される。
酸素と混合したメタンは、燃料として後流の、例えば火
花点火式の4サイクルエンジンに導入される。4サイク
ルエンジン4は、前記メタンと酸素との混合ガスを燃料
として、通常のガスエンジンサイクルと同様に、例えば
圧縮比を6として、吸気、圧縮、点火、膨張、排気の各
工程で運転される。このときメタンは、水素、CO、C
O2 および水蒸気の混合ガスに改質され、排気ガスとし
て排出される。排出された混合ガスは、後流のシフトコ
ンバータ5に導入され、該シフトコンバータ5におい
て、前記混合ガス中のCOがZn−Cu系触媒の存在
下、180〜200℃雰囲気で水蒸気と接触して水素と
二酸化炭素(CO2 )に変換される。このようにしてC
Oが改質されて水素濃度が上昇した混合ガスは、次い
で、後流の凝縮器6に導入され、残留する水蒸気が凝縮
水8として分離され、CO2 を含む高濃度水素ガス7が
回収される。回収された水素ガス7は燃料として燃料電
池(図示省略)に供給される。
ける4サイクルエンジン4の回転数と得られた混合ガス
(以下、変換ガスともいう)組成との関係、およびエン
ジン起動後の経過時間と得られた変換ガス組成との関係
を示す図である。図4において、メタンと酸素の混合ガ
ス供給量を変更することによってエンジンの回転数を変
化させても、変換ガス組成はほとんど変化することなく
安定していることが分かる。従って、例えば燃料電池の
負荷変動にも迅速に対応して水素製造量を、メタンと酸
素の混合ガス組成を変化させることなく安定して調整す
ることができる。また、図5において、エンジン起動
後、約10分程度でほぼ定常組成の変換ガスが得られて
いる。このことから、本実施例における起動所要時間は
極めて短いことが分かる。
用いてメタンを水素と一酸化炭素に改質するようにした
ことにより、メタン改質触媒が不要となるだけでなく、
改質触媒の被毒を防止するために従来使用されていた脱
硫装置をも省略することができる。また、エンジンを起
動するだけでメタンの改質反応を直に開始させることが
できるのでワンタッチ起動が可能となる。従って、外部
加熱手段による予熱が不要となり、水素製造用原料とし
てのメタン以外の、例えば燃料用メタンが不要となるの
で、エネルギ効率が従来技術に較べて10%程度向上す
る。さらに燃料電池の負荷変動に伴う水素要求量の変動
に対し、メタンと酸素の混合ガス投入量を変化させて4
サイクルエンジン4の回転数を高速または低速に制御す
ることによって容易に追従することができる。従ってエ
ンジンを大型化することなく、メタンの大量改質処理に
対応することができ、装置全体をコンパクト化できる。
として火花点火式エンジンを用いたが、原料であるメタ
ンのオクタン価が高いので、圧縮点火式エンジンを用い
ることもできる。また、圧縮比は6としたが、4〜10
程度であればよい。本実施例において、シフトコンバー
タ5に投入する水蒸気としては、変換ガスに含まれる水
蒸気を使用することができるが、外部から導入する必要
がある場合は、凝縮器、エンジン、または変換ガス等と
それぞれ熱交換して得られる水蒸気を用いることもでき
る。
装置を有するマウントスキッド化された、燃料電池用水
素製造装置の斜視図である。この装置は、装置全体を立
体化したものであり、エンジン、ラジエータ等が下段
に、シフトコンバータ、PSA装置、制御パネル等が上
段に配置されており、メタンの投入口1aを有するガス
混合器3aと、該ガス混合器3aに酸素を供給する、分
離槽10a、整圧槽10b、空気ブロワ10cおよび真
空ポンプ10dを有するPSA装置10と、前記ガス混
合器3aの後流のエンジン型改質反応器4aと、該エン
ジン型改質反応器4aの後流に設けられたシフトコンバ
ータ5と、その後流の、水素ガスの出口7aを有する凝
縮器6とから主として構成されている。4bはエンジン
型改質反応器4aに設けられたラジエータ、12は凝縮
器6に設けられた熱交換器、14は制御盤である。
ように、前記図1の装置に、4サイクルエンジン4の軸
出力によって稼動するPSA装置を追加したものであ
る。このような構成において、PSA装置10を用いて
空気9を酸素2と窒素11とに分離し、得られた酸素を
メタンの酸化剤として使用する以外は、前記実施例と同
様にして燃料電池用水素が製造される。
え、メタンの部分酸化エネルギで駆動するエンジン型改
質反応器4aで得られる、メタン1Nm3 当り0.6〜
0.9KWHの軸出力によって稼動するPSA装置を用
いてメタンの部分酸化に必要な酸素2を空気9から分離
回収するようにしたことにより、酸素を購入する場合と
比較して、運転コストが大幅に削減される。
サイクルエンジンを用いてメンタを水素と一酸化炭素に
改質するようにしたことにより、外部加熱手段および脱
硫装置が不要となり短時間で起動することができるの
で、燃料電池における水素要求量の変動に対する追従性
が著しく向上し、高効率で水素を製造することができ
る。
全体がコンパクト化されるうえ、ワンタッチ起動型の装
置となり、起動所要時間が著しく短縮される。
置の斜視図。
の回転数と変換ガス組成との関係を示す図。
の起動後の経過時間と変換ガス組成との関係を示す図。
器、3a…ガス混合器、4…4サイクルエンジン、4a
…エンジン型改質反応器、5…シフトコンバータ、6…
凝縮器、7…水素、7a…水素出口、8…水、9…空
気、10…PSA装置、10a…分離槽、10b…整圧
槽、10c…空気ブロワ、10d…真空ポンプ、11…
窒素、12…熱交換器、14…制御盤。
Claims (2)
- 【請求項1】 メタンと酸素を容積比で40/60〜6
0/40に混合した混合ガスを燃料として4サイクルエ
ンジンを運転し、排ガスとして前記メタンが部分燃焼さ
れた、水素と一酸化炭素を含む混合ガスを回収し、該混
合ガス中の前記一酸化炭素を水蒸気の存在下で水素と炭
酸ガスとに改質し、その後、残存する水分を凝縮分離す
ることを特徴とする燃料電池用水素製造方法。 - 【請求項2】 メタンと酸素の混合ガスを調製する混合
器と、該混合ガスを燃料として運転する4サイクルエン
ジンと、該4サイクルエンジンから排出される混合ガス
中の一酸化炭素を水蒸気の存在下で水素と炭酸ガスに改
質する改質器と、該改質器出口混合ガス中の水分を凝縮
分離する凝縮器とを有することを特徴とする燃料電池用
水素製造装置。
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