JP3866372B2 - 電気エネルギー及び加熱のための熱を同時に形成するためのプラント - Google Patents

Description

【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 stoechiometrischen 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】
本発明の目的は、１つ以上の炭化水素から構成される燃焼ガス（Ｇ）と、酸素を含むガス混合物（Ａ）とを用いて電気エネルギー及び加熱のための熱を同時に形成するためのプラントであって、少なくとも１つのガスバーナー（Ｂ）と、少なくとも１つの燃料電池を備えたバッテリ（Ｃ）と、バーナー（Ｂ）及びバッテリ（Ｃ）のうち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（Ｃ）からバーナー（Ｂ）まで延びる直接的または間接的な接続部（９１，９２）とを有し、３を越す化学量論比の余剰酸素がバッテリ（Ｃ）内に供給され、かつ該バッテリ（Ｃ）へ供給される燃焼ガス（Ｇ）の半分未満の量は電気を形成すべく該バッテリ（Ｃ）内において変換されるとともに第１の排気ガスが形成され、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るとともに第２の排気ガスが形成され、バッテリ（Ｃ）において形成された第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、第１の排気ガスとバーナー（Ｂ）内において形成された第２の排気ガスとから熱エネルギーが回収されると同時に両排気ガスに含まれる水の少なくとも半分の量が凝縮されるプラントにおいて、排気ガスの酸素含有量を検出すべくバーナー（Ｂ）の出口にはラムダ・プローブ（Ｄ１）が取り付けられており、該プローブ（Ｄ１）は燃料電池からバーナー（Ｂ）に供給される排気ガス及びバーナー（Ｂ）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）の構成部品であるプラントを提供することにある。
【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９６８１０４１０．９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 Hochtemperature-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１２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９１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９５０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５５．８℃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 (11)

1. １つ以上の炭化水素から構成される燃焼ガス（Ｇ）と、酸素を含むガス混合物（Ａ）とを用いて電気エネルギー及び加熱のための熱を同時に形成するためのプラントであって、
   少なくとも１つのガスバーナー（Ｂ）と、少なくとも１つの燃料電池を備えたバッテリ（Ｃ）と、前記バーナー（Ｂ）及び前記バッテリ（Ｃ）のうち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前記バッテリ（Ｃ）から前記バーナー（Ｂ）まで延びる直接的または間接的な接続部（９１，９２）とを有し、
   ３を越す化学量論比の余剰酸素が前記バッテリ（Ｃ）内に供給され、かつ該バッテリ（Ｃ）へ供給される前記燃焼ガス（Ｇ）の半分未満の量は電気を形成すべく該バッテリ（Ｃ）内において変換されるとともに第１の排気ガスが形成され、
   前記燃焼ガス（Ｇ）の残りの量は前記バーナー（Ｂ）内において燃焼されるとともに第２の排気ガスが形成され、
   前記バッテリ（Ｃ）において形成された前記第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、前記第１の排気ガスと前記バーナー（Ｂ）内において形成された第２の排気ガスとから熱エネルギーが回収されると同時に両排気ガスに含まれる水の少なくとも半分の量が凝縮されるプラントにおいて、
   排気ガスの酸素含有量を検出すべく前記バーナー（Ｂ）の出口にはラムダ・プローブ（Ｄ１）が取り付けられており、前記プローブ（Ｄ１）は前記燃料電池から前記バーナー（Ｂ）に供給される排気ガス及び前記バーナー（Ｂ）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）の構成部品であるプラント。
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６モルの分子状酸素及び１モルの水（Ｗ）を前記バッテリ（Ｃ）内に供給する請求項１に記載のプラント。
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前記バーナー（Ｂ）内に供給する請求項２に記載のプラント。
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前記バーナー（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プラント。
5. 前記バッテリ（Ｃ）から排出された第１の排気ガスを前記熱交換装置（Ｅ１）内に案内し、水蒸気を全く凝縮することなく加熱のための熱を前記熱交換装置（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プラント。
6. 前記第１及び第２の排気ガスは前記バッテリ（Ｃ）及び前記バーナー（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前記熱交換装置（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前記熱交換装置（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プラント。
7. 前記 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プラント。
8. 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１に記載のプラント。
9. 前記工業用水ヒーター（Ｅ１）は前記バッテリ（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。
10. 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）は前記バーナー（Ｂ）の排気ガス管路（６１，６２）に接続可能である請求項１乃至９のいずれか一項に記載のプラント。
11. 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１乃至１０のいずれか一項に記載のプラント。

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