JP5137334B2 - コジェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、水素を燃料として発電する装置及びコジェネレーションシステムに関する。

燃料電池は、従来の化石燃料のように有害物質を排出しない点、エネルギ効率が優れている点から、開発が積極的に進められている。

燃料電池の燃料である水素を製造する方法として、天然ガスの主成分であるメタン、エタン、プロパン、ブタン等のアルカンと水蒸気とを高温下で反応させて水素を得る方法（水蒸気改質法）が知られている。このときの反応（ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ，Ｃ_２Ｈ_６＋２Ｈ_２Ｏ→５Ｈ_２＋２ＣＯ，Ｃ_３Ｈ_８＋３Ｈ_２Ｏ→７Ｈ_２＋３ＣＯ，Ｃ_４Ｈ_１０＋４Ｈ_２Ｏ→９Ｈ_２＋４ＣＯ）は改質反応と称される。なお、アルカンとは、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の一般式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２で表される鎖状飽和炭化水素をいう。

ところで、天然ガスを含む物質として、天然ガスハイドレート（以下「ＮＧＨ」という）が知られており、液化天然ガスに代わる天然ガスの新しい輸送媒体及び貯蔵媒体として注目されている。ＮＧＨは、天然ガスの分子が水分子の作るカゴの中に取り込まれた結晶構造を持つ包接水和物（ガスハイドレート）である。水分子に取り込まれたガス（ここでは天然ガス）をゲストガスという。ＮＧＨは、常圧で1m³のＮＧＨ中（このうち水の体積は0.8m³）に170m³の天然ガスを包蔵できるといわれている。ＮＧＨが分解すると、天然ガス及び水が生ずる。

一方、ゲストガスがメタンであるガスハイドレートをメタンハイドレート（理論化学式：ＣＨ_４・５．７５Ｈ_２Ｏ）といい、ゲストガスがエタンであるガスハイドレートをエタンハイドレート（理論化学式：Ｃ_２Ｈ_６・７・２／３Ｈ_２Ｏ）といい、ゲストガスがプロパンであるガスハイドレートをプロパンハイドレート（理論化学式：Ｃ_３Ｈ_８・１７Ｈ_２Ｏ）といい、ゲストガスがブタンであるガスハイドレートをブタンハイドレート（理論化学式：Ｃ_４Ｈ_１０・１７Ｈ_２Ｏ）という。メタンハイドレートは、下記特許文献１に記載されているように、常圧で1m³のメタンハイドレート中（このうち水の体積は0.8m³）に164m³のメタンを包蔵できるといわれている。メタンハイドレートが分解すると、メタン及び水が生ずる（ＣＨ_４・５．７５Ｈ_２Ｏ→ＣＨ_４＋５．７５Ｈ_２Ｏ）。

下記特許文献２には、メタンハイドレートから得た水素を燃料とする燃料電池が記載されている。特許文献２記載の高温作動型燃料電池は、燃料が触媒を内蔵する合成ガス生成装置で改質されて生成した水素及び一酸化炭素からなる合成ガスが供給されて発電するとともに、高温のアノード側排出ガス及びカソード側排出ガスを排出し、アノード側排出ガスに燃料を混合した混合ガスは、合成ガス生成装置に導入され、高温作動型燃料電池又は燃焼装置の排熱が反応熱として供給されて、再び合成ガスに改質され、該合成ガスは、高温作動型燃料電池と、燃焼装置とに配分手段により供給され、燃料として利用されるハイブリッド発電装置システムである。高温作動型燃料電池は、燃料に水又は水蒸気を混合するとともに、燃料を燃焼させる等により合成ガス生成装置に反応熱を供給し、燃料を水素と一酸化炭素を主成分とする合成ガスに改質し、その合成ガスが用いられる。また、前記燃料は、天然ガス、メタンガス、メタンハイドレート、コークス炉ガス、石炭乾溜ガス（ＣＯＧ）、石炭ガス化ガス、し尿や生ゴミ等を発酵処理して得られるバイオガス（発酵メタンガスを含む。）、木材等の有機物等を高温処理して得られる乾溜又は熱分解ガス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。
特開２００２−２２０３５３号公報 特開２００５−１４１９１０号公報

しかしながら、上記特許文献２には、燃料と水又は水蒸気とを混合するのに、前記燃料にメタンハイドレートの分解により生じたメタンを用いることが記載されているが、前記水又は水蒸気にメタンハイドレートの分解により生じた水を用いることは記載されていない。従って、前記水又は水蒸気として他の水又は水蒸気が用意されているだけではなく、メタンハイドレートの分解により生じた水は利用されることなく捨てられていると考えられ、メタンハイドレートの分解により生じた水を水素生成に利用することが望まれる。

本発明の目的は、アルカンを含むガスをゲストガスとするガスハイドレートの分解により生じたアルカンと水とから得た水素を燃料として発電する装置を用いたコジェネレーションシステムを提供することである。

本発明のコジェネレーションシステムに用いられる発電装置は、メタン、エタン、プロパン、ブタンの群から選ばれる１又は２以上のアルカンを含むガスをゲストガスとするガスハイドレートを分解し、前記ガスハイドレートの分解により生じたアルカン及び水を高温下で改質反応して水素を生成し、前記水素を含む気体を冷却し、前記気体から水素以外の気体を除去して水素を得る水素製造装置と、前記水素製造装置で得た水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備える。

例えば、ガスハイドレートがメタンハイドレートである場合には、まず、メタンハイドレートが分解することにより、式(1)で示されるようにメタンと水とが生ずる。

ＣＨ_４・５．７５Ｈ_２Ｏ→ＣＨ_４＋５．７５Ｈ_２Ｏ …(1)

次に、生じたメタンと水とが改質反応することにより、式(2)で示されるように水素と一酸化炭素とが生成する。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ …(2)

次に、生成した水素と、空気中の酸素とが燃料電池に供給されることにより、式(3)、式(4)の反応が起こり、電気を発生することができる。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …(3)
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ …(4)

本発明のコジェネレーションシステムは、前記発電装置を構成する水素製造装置及び燃料電池に加えて、前記ガスハイドレートの分解により生じた水を前記燃料電池が発した熱によって熱交換して温水にする熱交換器と、前記ガスハイドレートの分解により生じたアルカンを貯蔵し、該アルカンを供給するアルカンタンクと、前記温水を貯蔵すると共に、該温水が所定の温度でない場合には前記アルカンタンクから供給されるアルカンを燃焼させて温めた温水を供給する温水タンクとを備えることを特徴とする。
本発明によれば、前記発電装置からの電気と温水とを供給することができるだけでなく、前記燃料電池が発した熱を熱交換して温水にするので、熱エネルギを有効に利用することができる。

更に、本発明のコジェネレーションシステムは、前記ガスハイドレートの分解により生じたアルカンを貯蔵し、該アルカンを供給するアルカンタンクと、熱交換器で温められた温水を貯蔵し、該温水が所定の温度でない場合にはアルカンタンクから供給されるアルカンを燃焼させて温めた温水を供給する温水タンクとを備えることにより、燃料として供給されるアルカンを利用して温水を所定の温度まで温めて供給することができる。

本発明によれば、水素製造装置が、メタン、エタン、プロパン、ブタンの群から選ばれる１又は２以上のアルカンを含むガスをゲストガスとするガスハイドレートの分解により生じたアルカン及び水とから水素を生成し、燃料電池がこの水素と空気中の酸素とを反応させて発電する。従って、発電装置は、アルカンを含むガスをゲストガスとするガスハイドレートの分解により生じたアルカンと水とから得た水素を燃料として発電することができる。

本発明のコジェネレーションシステムによれば、前記発電装置が発電し、熱交換器が前記ガスハイドレートの分解により生じた水を熱交換して温水にする。従って、本発明のコジェネレーションシステムは、アルカンを含むガスをゲストガスとするガスハイドレートの分解により生じたアルカンと水とから得た水素を燃料として発電するとともに、所定の温度まで温めた温水を得ることができる。

図１は、実施例のコジェネレーションシステムの全体構成を示す図である。

コジェネレーションシステム１は、天然ガスハイドレートタンク（以下「ＮＧＨタンク」という）２、天然ガスハイドレート分解装置（以下「ＮＧＨ分解装置」という）３、水タンク４、天然ガスタンク５、水素製造装置６、水素タンク７、燃料電池８、空気供給装置９で構成される発電装置１５と、インバータ１０と、熱交換器１１と、補助ガスバーナ１３を有する温水タンク１２とを備え、それぞれは、図中で実線、破線、及び一点鎖線の矢印で示される導管によって接続されている。なお、実線の矢印は気体を、破線の矢印は液体を、曲線の矢印は固体を通すための導管を示し、一点鎖線の矢印はエネルギの流れを示す。コジェネレーションシステム１は一般家庭１４に接続している。

ＮＧＨタンク２は、ＮＧＨを貯蔵し、供給するためのタンクである。ＮＧＨタンク２は、貯蔵したＮＧＨをＮＧＨ分解装置３に供給する。

ＮＧＨ分解装置３は、ＮＧＨを分解して水と天然ガスを生じる装置である。ここで、図２を参照してＮＧＨ分解装置３について説明する。

ＮＧＨ分解装置３は、網２４、ＮＧＨ供給口２１、ガス出口２２、及び水出口２３を備えた容器２０と、一端が水出口２３に接続し、他端が容器２０内に通じていて、途中にポンプ２６及び加熱器２７を備えた水導管２５とで構成される。

容器２０は、ステンレス製の耐圧容器であり、その内部に網２４を備え、ＮＧＨ３０と水３１と天然ガスとを貯蔵する。網２４は、容器２０内の水３１に浸からない高さに、ＮＧＨ３０を載せる支持板として設けられ、水３１を通す（しかし、ＮＧＨ３０は通さない）孔２４ａを有している。

ＮＧＨ供給口２１は、容器２０側面に設けられ、容器２０内にＮＧＨ３０を供給する。

ガス出口２２は、容器２０上部に設けられ、後述のＮＧＨ３０の分解により生じ、容器２０内に貯蔵された天然ガスを容器２０外に出す。

水出口２３は、容器２０下部に設けられ、後述のＮＧＨ３０の分解により生じ、容器２０下部に貯蔵された水３１を容器２０外に出す。

水導管２５は、水出口２３から出た水（5℃程度の冷水）３１の一部をポンプ２６で汲み上げて、加熱器２７によって適温（10℃程度）に温められた水（温水）を容器２０内のＮＧＨ３０に掛ける。これにより、温水が有する熱エネルギがＮＧＨ３０に与えられ、ＮＧＨ３０の分解が促進される。

ＮＧＨ分解装置３において、容器２０内でＮＧＨタンク２から供給されたＮＧＨ３０が分解することにより、天然ガス及び冷水３１が生ずる。なお、天然ガスの組成は、例えばメタン80〜90％、エタン2〜10％、プロパン2〜4％、ブタン1〜2％である。

ＮＧＨの分解により生じた天然ガスは、ガス出口２２から容器２０外に出て、天然ガスタンク５に供給される。

ＮＧＨの分解により生じた冷水３１は、網２４の穴２４ａを通って容器２０下部に貯蔵され、水出口２３から容器２０外に出て、水タンク４に供給される。また、冷水３１の一部は、先述のように、加熱器２７で温められて温水となり、必要に応じて容器２０内のＮＧＨ３０に掛けられる。

図１の水タンク４は、水を貯蔵し、供給するためのタンクである。水タンク４は、ＮＧＨ分解装置３から供給された冷水を貯蔵し、水素製造装置６と後述の熱交換器１１とに供給する。

天然ガスタンク５は、天然ガスを貯蔵し、供給するためのタンクである。天然ガスタンク５は、ＮＧＨ分解装置３から供給された天然ガスを貯蔵し、水素製造装置６と後述の補助ガスバーナ１３とに供給する。また、天然ガスタンク５は、天然ガスを燃料として一般家庭１４に直接供給する。

水素製造装置６は、天然ガスと水とから水素を製造するための装置である。ここで、図３を参照して水素製造装置６について説明する。

水素製造装置６は、改質器４１と、ガスバーナ４２と、改質ガスクーラ４３と、圧力スイング吸着装置（以下「ＰＳＡ装置」という）４４とを備える。本実施例のコジェネレーションシステム１の水素製造装置６は、ＮＧＨ分解装置３、水タンク４、天然ガスタンク５、水素タンク７を備えていないが、これらを備えることにしてもよい。

図３の改質器４１は、改質器４１内の温度を800℃前後に加熱するガスバーナ４２を備える。改質器４１内には、冷水が水タンク４から供給され、天然ガスが天然ガスタンク５から供給される。改質器４１内の冷水及び天然ガスは、ガスバーナ４２によって加熱され、水は水蒸気になり、水蒸気と天然ガスとが混合する。

改質器４１は、高温（800℃前後）下で、水蒸気と天然ガスとの混合ガスを改質反応させて、水素と一酸化炭素を生成する（ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ，Ｃ_２Ｈ_６＋２Ｈ_２Ｏ→５Ｈ_２＋２ＣＯ，Ｃ_３Ｈ_８＋３Ｈ_２Ｏ→７Ｈ_２＋３ＣＯ，Ｃ_４Ｈ_１０＋４Ｈ_２Ｏ→９Ｈ_２＋４ＣＯ）。このとき、水蒸気改質触媒として、ニッケル系触媒が用いられる。改質器４１は、水素と、一酸化炭素と、未反応の水蒸気と、未反応の天然ガスとの混合ガスＡを改質ガスクーラ４３に供給する。

後述のＰＳＡ装置４４に導入される混合ガスＡは、所定の温度に冷却されている必要がある。改質ガスクーラ４３は、改質器４１から供給された、水素と、一酸化炭素と、水蒸気と、天然ガスとの混合ガスＡを常温に冷却し、ＰＳＡ装置４４に供給する。

ＰＳＡ装置は、水素以外のガスを除去して水素のみを取り出すための装置である。ＰＳＡ装置４４には、水素以外のガスを、高圧下で選択的に吸着し、低圧下で選択的に脱着する吸着剤が充填された吸着塔（図示しない）が複数設けられている。ＰＳＡ装置４４は、常温下で、各吸着塔を時間的にずらして吸着−脱着−置換−昇圧のサイクルで運転し、ＰＳＡ装置全体で自動連続吸着装置として作動する。ＰＳＡ装置４４は、改質ガスクーラ４３から供給された、水素と、一酸化炭素と、水蒸気と、天然ガスとの混合ガスＡから、水素以外のガスを除去してＰＳＡ装置４４外に排出し、水素を水素タンク７に供給する。

図１の水素タンク７は、水素ガスを貯蔵し、供給するためのタンクである。水素タンク７は、水素製造装置６、詳しくは水素製造装置６のＰＳＡ装置４４から得られた水素を貯蔵し、燃料電池８に供給する。

燃料電池８は、水素と酸素とを反応させて電気を発生する装置である。ここで、図４を参照して燃料電池８について説明する。

燃料電池８は、水素槽５１と、アノード電極５２と、プロトン交換膜５３と、カソード電極５４と、空気層５５とを内部に備え、外部回路５６を外部に備える。

水素槽５１は、水素タンク４から供給された水素を貯蔵して、アノード電極に供給する槽である。

アノード電極５２は、水素から電子を切り離す性質と水素を通す構造とを有する、例えば白金触媒が担持されたカーボンブラック製の電極である。アノード電極５２は、白金触媒の働きにより、水素から電子を切り離して水素イオンを生成する（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）。

プロトン交換膜５３は、水素イオン（プロトン）のみを通す性質を有する、例えば、スルホン基を持ったフッ素系ポリマー製の膜である。

カソード電極５４は、水素に電子を与える性質と空気を通す構造とを有する、例えば白金触媒が担持されたカーボンブラック製の電極である。カソード電極５４は、水素イオンと、酸素と、電子とを反応させて、水を生成する（２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。

空気槽５５は、例えばファンのような空気供給装置９から供給された空気を貯蔵して、カソード電極５４に供給する。

外部回路５６は、アノード電極５２とカソード電極５４とを燃料電池５６の外部で接続するための電線である。

燃料電池８において、水素槽５１内の水素がアノード電極５２に供給されると、アノード電極５２は水素から電子を切り離して水素イオンを生成する（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）。水素イオンは、プロトン交換膜５３を通って反対側のカソード電極５４に達する。水素から切り離された電子は、外部回路５６を通って燃料電池８の外に移動し、さらにカソード電極５４に移動する。一方、空気槽５５内の空気がカソード電極５４に供給されると、カソード電極５４は、空気中の酸素と、プロトン交換膜５３を通過してきた水素イオンと、外部回路５６を通って移動してきた電子とを反応させて、水を生成する（２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。

従って、燃料電池８内で起きている２つの反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻及び２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）に関与する電子（２ｅ⁻）が、外部回路５６を移動することにより、電流が流れる、すなわち電気Ｖ_outが発生する。なお、電流は常に一定方向に流れているので、発生する電気Ｖ_outは直流電気（直流電力）である。直流電力は、インバータ１０に供給される。さらに、前記２つの反応に伴って燃料電池８から熱が発生する。

図１のインバータ１０は、直流電力を交流電力に変換する装置である。インバータ１０は、燃料電池８から発生した直流電力を交流電力に変換する。変換された交流電力は、一般家庭１４に供給される。

熱交換器１１は、熱を取り出すための装置である。ここで、図５を参照して熱交換器１１について説明する。

熱交換器１１は、一端が水タンク４に通じ、他端が温水タンク１２に通じていて、その途中が燃料電池８に近接して回動するように設けられた導管である。温水タンク１２は、温水を貯蔵し、供給するための容器であって、補助バーナ１３を有する。

熱交換器１１に水タンク４から冷水が供給されると、冷水は熱交換器１１内を移動し、燃料電池８からの熱によって暖められて温水になり、温水が温水タンク１２に供給されて貯蔵される。これにより、熱交換器１１は、燃料電池から発生した熱を取り出して、熱交換器１１内の水に与えることができる。

図１の温水タンクは１２に貯蔵された温水は、一般家庭１４に供給される。温水が所定の温度でない場合には、温水タンク１２内の水は補助ガスバーナ１３によって温められる。補助ガスバーナ１３の燃料には、天然ガスタンク５から供給される天然ガスが用いられる。

以上のように、コジェネレーションシステム１は、発電装置１５がＮＧＨを分解して生じた天然ガス及び水から直流電力を発生させ、変換して、交流電力を一般家庭１４に供給することができる。また、ＮＧＨ分解装置３が生じた天然ガスを一般家庭１４に供給することができる。さらに、ＮＧＨ分解装置３が生じた水を、燃料電池８の熱によって温めて温水にし、温水を一般家庭に供給することができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術思想の範囲内において種々の変形及び変更が可能である。例えば、上記実施形態では、アルカンを含むガスをゲストガスとするガスハイドレートとしてＮＧＨを用いているが、メタンハイドレート、エタンハイドレート、プロパンハイドレート、ブタンハイドレートであってもよい。

実施例のコジェネレーションシステムの全体構成を示す図。 実施例のコジェネレーションシステムに用いられるＮＧＨ分解装置を示す図。 実施例のコジェネレーションシステムに用いられる水素製造装置を示す図。 実施例のコジェネレーションシステムに用いられる燃料電池を示す図。 実施例のコジェネレーションシステムに用いられる熱交換器を示す図。

符号の説明

１：水素製造装置１、２：天然ガスハイドレートタンク、３：天然ガスハイドレート分解装置、４：水タンク、５：天然ガスタンク、６：水素製造装置、７：水素タンク、８：燃料電池、９：空気供給装置、１０：インバータ、１１：熱交換器、１２：温水タンク、１３：補助ガスバーナ、１４：一般家庭、１５：発電装置、２０：容器、２１：ＮＧＨ供給口、２２：ガス出口、２３：水出口、２４：網、２５：水導管、２６：ポンプ、２７：加熱器、３０：天然ガスハイドレート、３１：水、４１：改質器、４２：ガスバーナ、４３：改質ガスクーラ、４４：圧力スイング吸着装置、５１：水素槽、５２：アノード電極、５３：プロトン交換膜、５４：カソード電極、５５：空気槽、５６：外部回路。

Claims (1)

1. メタン、エタン、プロパン、ブタンの群から選ばれる１又は２以上のアルカンを含むガスをゲストガスとするガスハイドレートを分解し、前記ガスハイドレートの分解により生じたアルカン及び水を高温下で改質反応して水素を生成し、前記水素を含む気体を冷却し、前記気体から水素以外の気体を除去して水素を得る水素製造装置と、
   前記水素製造装置で得た水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池と、
   前記ガスハイドレートの分解により生じた水を前記燃料電池が発した熱によって熱交換して温水にする熱交換器と、
   前記ガスハイドレートの分解により生じたアルカンを貯蔵し、該アルカンを供給するアルカンタンクと、
   前記温水を貯蔵すると共に、該温水が所定の温度でない場合には前記アルカンタンクから供給されるアルカンを燃焼させて温めた温水を供給する温水タンクと
   を備えたことを特徴とするコジェネレーションシステム。