JP4914273B2 - 水素製造方法および水素製造システム - Google Patents
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Description
CH4+H2O → CO+3H2 (1)
この(1)式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器3の外部から必要な反応熱を供給し、改質器3の温度を700〜750℃に維持することが必要である。このため、改質器バーナ19で排出ガス54と空気72を燃焼させることによって、水蒸気改質反応に必要な反応熱を改質器3に供給する。改質器3で生成された一酸化炭素、水素、未反応水蒸気、メタン、および二酸化炭素等を含む改質ガス22は、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたCOシフトコンバータ4に供給される。
CO+H2O → CO2+H2 (2)
COシフトコンバータ4で生成され、一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた改質ガス21は、水素分離器53に供給される。
森哲哉,水素利用社会への取り組み:大阪ガス,クリーンエネルギー,2003年5月号,pp.22−26(2003)
水素元素を含む燃料から水素を含む改質ガスを吸熱反応により生成する燃料改質工程と、
改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と吸熱反応のための熱の発生を行う工程と、
改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に変換するシフト反応工程と、
シフト反応工程による水素と二酸化炭素を含むガスから水素を分離する水素分離工程と、
水素分離工程で分離された水素を貯蔵する水素貯蔵工程と、
貯蔵される水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出工程と、
水素貯蔵量検出工程による検出値を監視し、検出値が所定の値よりも減少する場合、酸化剤の供給量を減少させるとともに燃料の供給量を増加させ、水素貯蔵量検出手段の検出値が所定の値まで増加する場合、酸化剤の供給量を増加させるとともに燃料の供給量を減少させる工程と、
を有するものである。
水素元素を含む燃料が供給されると、吸熱反応により水素を含む改質ガスを燃料から生成する燃料改質手段と、
改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と吸熱反応のための熱の発生を行う燃料電池と、
改質ガスが供給されると、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に変換するシフト反応手段と、
シフト反応手段による水素と二酸化炭素を含む排出ガスから水素を分離する水素分離手段と、
水素分離手段で分離された水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
水素貯蔵手段に貯蔵される水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出手段と、
水素貯蔵量検出手段による検出値を監視し、検出値が所定の値よりも減少する場合、酸化剤の供給量を減少させるとともに燃料の供給量を増加させ、検出値が所定の値まで増加する場合、酸化剤の供給量を増加させるとともに燃料の供給量を減少させる制御部と、
を有する構成である。
(1/2)O2+2e- → O2- (3)
酸化剤極37で生成された酸化物イオンは、安定化ジルコニア(YSZ)等の固体酸化物電解質36の内部を移動し、燃料極35に到達する。燃料極35では、ニッケル−YSZサーメット、ルテニウム−YSZサーメット等の金属系電極触媒の働きで、酸化物イオンが、次の(4)式および(5)式に示す反応により、燃料極35に供給される水素リッチの改質ガス22中の水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成される。
H2+O2- → H2O+2e- (4)
CO+O2- → CO2+2e- (5)
燃料極35で生成された電子は、外部回路(不図示)を移動し、酸化剤極37に到達する。酸化剤極37に到達した電子は、(3)式に示した酸化剤極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電力を燃料電池直流出力50として取り出すことができる。
H2+(1/2)O2 → H2O (6)
CO+(1/2)O2 → CO2 (7)
燃料極35で電池反応により生成された水蒸気を含む排出ガス42の一部は、上述したように、改質器3での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、排出ガス41として脱硫天然ガス24と混合され、その混合ガス23が改質器3に供給される。排出ガス42の残りは、未反応水素と未反応一酸化炭素を含んでいるので、排出ガス45として、酸化剤極37からの排出ガス44とともに空気予熱器バーナ62に供給される。
2 脱硫器
3 改質器
4 COシフトコンバータ
5 水蒸気
6 補給水
7 補給水ポンプ
8、13、17、69、75、76、77、79、81、82 遮断弁
9 水蒸気発生器
10 水蒸気発生器バーナ
11 改質器起動用バーナ
12 空気供給用ブロワ
14、33、39、71、72 空気
15、18、20、27、28、40、43、47、73、74、78、83 流量制御弁
19 改質器バーナ
21、22 改質ガス
23 混合ガス
24 脱硫天然ガス
25 改質ガス
26 改質ガス
29、30、31、41、42、44、45、54、65、66、68、80 排出ガス
35 燃料極
36 固体酸化物電解質
37 酸化剤極
38 固体酸化物形燃料電池
48 出力調整装置
49 負荷
50 燃料電池直流出力
51 送電端交流出力
53 水素分離器
58 水素
59 水素貯蔵器
60 水素貯蔵量検出器
61 空気予熱器
62 空気予熱器バーナ
63 水素供給設備
64 水素消費手段
65、70 制御部
Claims (16)
- 水素元素を含む燃料から水素を含む改質ガスを吸熱反応により生成する燃料改質工程と、
前記改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と前記吸熱反応のための熱の発生を行う工程と、
前記改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に変換するシフト反応工程と、
前記シフト反応工程による前記水素と前記二酸化炭素を含むガスから水素を分離する水素分離工程と、
前記水素分離工程で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵工程と、
貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出工程と、
前記水素貯蔵量検出工程による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記水素貯蔵量検出手段の検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる工程と、
を有する水素製造方法。 - 水素元素を含む燃料から水素を含む改質ガスを吸熱反応により生成する燃料改質工程と、
前記改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と前記吸熱反応のための熱の発生を行う工程と、
前記改質ガスから水素を分離する水素分離工程と、
前記水素分離工程で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵工程と、
貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出工程と、
前記水素貯蔵量検出工程による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記水素貯蔵量検出手段の検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる工程と、
を有する水素製造方法。 - 水素元素を含む燃料から水素を含む改質ガスを吸熱反応により生成する燃料改質工程と、
前記改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と前記吸熱反応のための熱の発生を行い、一酸化炭素と水蒸気を含むガスを生成する工程と、
前記一酸化炭素と前記水蒸気を水素と二酸化炭素に変換するシフト反応工程と、
前記シフト反応工程による前記水素と前記二酸化炭素を含むガスから水素を分離する水素分離工程と、
前記水素分離工程で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵工程と、
貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出工程と、
前記水素貯蔵量検出工程による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記水素貯蔵量検出手段の検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる工程と、
を有する水素製造方法。 - 水素元素を含む燃料から水素を含む改質ガスを吸熱反応により生成する燃料改質工程と、
前記改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と前記吸熱反応のための熱の発生を行い、水素を含むガスを生成する工程と、
前記水素を含むガスから水素を分離する水素分離工程と、
前記水素分離工程で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵工程と、
貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出工程と、
前記水素貯蔵量検出工程による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記水素貯蔵量検出手段の検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる工程と、
を有する水素製造方法。 - 水素元素を含む燃料と酸化剤とを用いて発電を行い、一酸化炭素と水蒸気を含むガスを生成する工程と、
前記一酸化炭素と水蒸気を含むガスの該一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に変換するシフト反応工程と、
前記シフト反応工程による前記水素と前記二酸化炭素を含むガスから水素を分離する水素分離工程と、
前記水素分離工程で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵工程と、
貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出工程と、
前記水素貯蔵量検出工程による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記水素貯蔵量検出手段の検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる工程と、
を有する水素製造方法。 - 水素元素を含む燃料と酸化剤とを用いて発電を行い、水素を含むガスを生成する工程と、
前記水素を含むガスから水素を分離する水素分離工程と、
前記水素分離工程で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵工程と、
貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出工程と、
前記水素貯蔵量検出工程による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記水素貯蔵量検出手段の検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる工程と、
を有する水素製造方法。 - 請求項1から6のいずれか1項記載の水素製造方法であって、
前記水素貯蔵量検出手段が圧力検出手段または重量検出手段である水素製造方法。 - 請求項1から7のいずれか1項記載の水素製造方法であって、
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池である水素製造方法。 - 水素元素を含む燃料が供給されると、吸熱反応により水素を含む改質ガスを該燃料から生成する燃料改質手段と、
前記改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と前記吸熱反応のための熱の発生を行う燃料電池と、
前記改質ガスが供給されると、該改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に変換するシフト反応手段と、
前記シフト反応手段による前記水素と前記二酸化炭素を含む排出ガスから水素を分離する水素分離手段と、
前記水素分離手段で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
前記水素貯蔵手段に貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出手段と、
前記水素貯蔵量検出手段による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる制御部と、
を有する水素製造システム。 - 水素元素を含む燃料が供給されると、吸熱反応により水素を含む改質ガスを該燃料から生成する燃料改質手段と、
前記改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と前記吸熱反応のための熱の発生を行う燃料電池と、
前記改質ガスが供給されると、前記改質ガス中の水素を分離する水素分離手段と、
前記水素分離手段で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
前記水素貯蔵手段に貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出手段と、
前記水素貯蔵量検出手段による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる制御部と、
を有する水素製造システム。 - 水素元素を含む燃料が供給されると、吸熱反応により水素を含む改質ガスを該燃料から生成する燃料改質手段と、
前記改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と前記吸熱反応のための熱の発生を行い、一酸化炭素と水蒸気を生成する燃料電池と、
前記燃料電池から前記一酸化炭素と前記水蒸気を含む排出ガスが供給されると、該排出ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に変換するシフト反応手段と、
前記シフト反応手段による前記水素と前記二酸化炭素を含む排出ガス中の水素を分離する水素分離手段と、
前記水素分離手段で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
前記水素貯蔵手段に貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出手段と、
前記水素貯蔵量検出手段による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる制御部と、
を有する水素製造システム。 - 水素元素を含む燃料が供給されると、吸熱反応により水素を含む改質ガスを該燃料から生成する燃料改質手段と、
前記改質ガスおよび酸化剤を用いて発電と前記吸熱反応のための熱の発生を行い、水素を含むガスを生成する燃料電池と、
前記燃料電池から前記水素を含む排出ガスが供給されると、該排出ガス中の水素を分離する水素分離手段と、
前記水素分離手段で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
前記水素貯蔵手段に貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出手段と、
前記水素貯蔵量検出手段による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる制御部と、
を有する水素製造システム。 - 水素元素を含む燃料と酸化剤とが供給されると、該燃料および該酸化剤を用いて発電を行い、一酸化炭素と水蒸気を含むガスを生成する燃料電池と、
前記燃料電池から前記一酸化炭素と前記水蒸気を含む排出ガスが供給されると、該排出ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に変換するシフト反応手段と、
前記シフト反応手段による前記水素と二酸化炭素を含む排出ガスから水素を分離する水素分離手段と、
前記水素分離手段で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
前記水素貯蔵手段に貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出手段と、
前記水素貯蔵量検出手段による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる制御部と、
を有する水素製造システム。 - 水素元素を含む燃料と酸化剤とが供給されると、該燃料および該酸化剤を用いて発電を行い、水素を含むガスを生成する燃料電池と、
前記燃料電池から前記水素を含む排出ガスが供給されると、該排出ガス中の水素を分離する水素分離手段と、
前記水素分離手段で分離された前記水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
前記水素貯蔵手段に貯蔵される前記水素の貯蔵量を検出する水素貯蔵量検出手段と、
前記水素貯蔵量検出手段による検出値を監視し、該検出値が所定の値よりも減少する場合、前記酸化剤の供給量を減少させるとともに前記燃料の供給量を増加させ、前記検出値が所定の値まで増加する場合、前記酸化剤の供給量を増加させるとともに前記燃料の供給量を減少させる制御部と、
を有する水素製造システム。 - 請求項9から14のいずれか1項記載の水素製造システムであって、
前記水素貯蔵量検出手段が圧力検出手段または重量検出手段である水素製造システム。 - 請求項9から15のいずれか1項記載の水素製造システムであって、
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池である水素製造システム。
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