JP5252795B2 - 燃料加工法およびシステム - Google Patents

燃料加工法およびシステム Download PDF

Info

Publication number
JP5252795B2
JP5252795B2 JP2006259949A JP2006259949A JP5252795B2 JP 5252795 B2 JP5252795 B2 JP 5252795B2 JP 2006259949 A JP2006259949 A JP 2006259949A JP 2006259949 A JP2006259949 A JP 2006259949A JP 5252795 B2 JP5252795 B2 JP 5252795B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ethanol
anode
solid oxide
fuel cell
oxide fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006259949A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2007095686A5 (ja
JP2007095686A (ja
Inventor
ヨフン・ベギルド・ハンセン
ゼレン・ダール
Original Assignee
ハルドール・トプサー・アクチエゼルスカベット
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ハルドール・トプサー・アクチエゼルスカベット filed Critical ハルドール・トプサー・アクチエゼルスカベット
Publication of JP2007095686A publication Critical patent/JP2007095686A/ja
Publication of JP2007095686A5 publication Critical patent/JP2007095686A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5252795B2 publication Critical patent/JP5252795B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0637Direct internal reforming at the anode of the fuel cell
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/405Cogeneration of heat or hot water
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/10Applications of fuel cells in buildings
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Description

本発明はエタノールを含む液体燃料の加工法および該燃料加工法を実施するためのシステムに関する。
エタノールは加熱および発電プラントを組み合わせた固体酸化物型燃料電池(SOFC)、例えばトラックおよび海洋用途のための補助発電装置として使用することを意図するそれらのプラントで使用するのに興味の持てる燃料であり得る。もしかすると、かゝるプラントの燃料加工段階は最終的にはエタノールの蒸発およびSOFCのアノード室への注入だけという非常に簡単であり得る。
しかしながらこのアプローチは沢山の問題および欠点をもたらす。
非特許文献1は、アノード材料として最も有効なNi−サーメットを用いるSOFCのアノード室を占める条件において乾燥エタノールが炭素を形成する傾向が非常に強く、数時間運転した後にSOFCが使用できなくなることが判っている。エタノールが水蒸気と反応する水蒸気改質条件のもとでNi含有触媒上でエタノールから炭素が生じるのを回避することが非常に困難であることは周知である。エタノールが、後で重合するエチレンに脱水される理由は次の反応式[1]に示す通りである:
CH3CH2OH →CH2CH2 → -[CH2-CH2]n- →C2n2(n-m)+ mH2 [1]
エタノール改質触媒に伴うコークス化の問題は例えば非特許文献2および3に記載されている。この様に水の添加によってアノード室でエタノールを改質すること(内部改質)では、炭素の生成を伴う問題を軽減することは簡単ではない。
水蒸気改質触媒上でのおよびSOFCプラントでの炭素の生成は次の可逆反応によっても生じ得る:
CH4 ⇔ C + 2 H2 (-Δ H298 = -74.9 kJ/mol) [2]
2 CO ⇔ C + CO2 (-Δ H298 = 172.4 kJ/mol) [3]
反応[3]はブードアール反応(Boudouard reaction)として知られている。エタノールは反応[4]に従って分解し得る:
CH3CH2OH⇔ CO + H2 + CH4(-Δ H298 = - 51,3 kJ/mol) [4]
COは完全に反応するので、反応[3]が発生しない温度およびガス組成範囲を知ることが重要である。これは、メタン化/水蒸気改質(反応[5])および非特許文献4に更に説明されている様に平衡とするためのシフト反応(反応[6])の両方を考えて“平衡ガスの原理”を用いて検討することができる:
CH4 + 2H2O ⇔ CO2 + 4H2 (-Δ H298 = -165.0 kJ/mol) [5]
CO + H2O ⇔ CO2 + H2 (-Δ H298 = 41.2 kJ/mol) [6]
Sasaki, K. およびTeraoka, Y. (非特許文献5参照)は炭素の形成を避けるために必要とされる水量を研究して来た。
メタンを使用するのに比較してSOFCで直接燃料としてエタノールを使用することの別の欠点は、この燃料を水蒸気改質する時の反応熱に関係している。メタンの水蒸気改質は反応[5]で示されそしてエタノールの改質は反応[7]で示される:
CH4 + 2 H2O ⇔ CO2 + 4 H2 (-Δ H1023 = -191.4 kJ/mol) [5]
CH3CH2OH+3H2O⇔ 2CO2+6H2 (-Δ H1023 = -209kJ/mol) [7]
アノード室での燃料の改質(内部改質)は改質法の吸熱性のためにスタックを冷却する助けをする。しかしながらエタノール改質の反応熱はメタン水蒸気改質よりも(生じるH当たりの)吸熱が少なく、それ故にエタノールの水蒸気改質によって提供されるスタックの冷却は余り効果がない。
Saunders, G.J.等の Formulating liquid hydrocarbon fuels for SOFCs(固体酸化物型燃料電池の液体炭化水素燃料の製造)、第23-26頁、"Journal of Power Sources Volume 131", Issues 1-2, Pages 1-367 (14 May 2004)) Haga等の"日本化学会誌"、 33-6 (1997) Freni 等の"React. Kinet. Catal. Lett. "、 71、第143-52頁 (2000) Nielsen, J.R.の"Catalytic Steam Reforming"、 Springer 出版社、ベルリン、1984 Equilibria in Fuel Cell Gases(燃料電池ガス中での平衡)、第1225-1239頁、Solid Oxide Fuel Cells VIII (SOFC VIII) 、第2003-07巻回報 Nielsen, J.R., Catalytic Steam Reforming(接触的水蒸気改質), Springer 出版社、ベルリン1984 David A. Morgenstern およびJames P. Fornango 、"Energy Fuels(エネルギー燃料)"、 19 (4), 1708 -1716, (2005) Galvita 等、"Appl. Catal. A: General 220"、 (2001) 123)
本発明の燃料加工法は、上述の全ての問題をエタノールをメタン、H、CO、COおよび水の混合物に断熱的に転化することによって克服されるように設計された方法を説明している。
本発明の課題は、燃料のエタノールを固体酸化物型燃料電池において転化する前に、エタノールをメタン、H、CO、COおよび水の混合物に断熱的に転化することによる、固体酸化物型燃料電池のための燃料加工法を提供することである。
それ故に本発明は、固体酸化物型燃料電池スタックの燃料加工法において、
(a) エタノール含有供給流をエタノールのメタン化用触媒物質を含有するメタン化反応器に供給し、
(b) 断熱条件のもとでメタン化反応器中でエタノール含有供給流を加工してメタン含有流出燃料を生じさせ、
(c) そのメタン含有流出燃料を少なくとも1つの固体酸化物型燃料電池を有する固体酸化物型燃料電池スタックのアノードに送り、
(d) その固体酸化物型燃料電池スタックのカソードには酸素含有ガスを供給しそして
(e) メタン含有燃料および酸素含有ガスを固体酸化物型燃料電池スタックにおいて電気に転換する
各段階を含むことを特徴とする、上記方法に関する。
本発明は燃料加工法で使用するための燃料加工システムにおいて、エタノールのメタン化のための触媒材料の入ったメタン化反応器および少なくとも1つの固体酸化物型燃料電池を有する固体酸化物型燃料電池スタックを含み、該固体酸化物型燃料電池スタックがメタン化反応器に連続してそれの下流に位置していることを特徴とする、上記燃料加工システムにも関する。
本発明を図面に基づいて慣用技術と比較して更に詳細に説明する。
図1は、メタンをベースとする慣用の燃料加工システムの概略図を図示している。
図2は、エタノールをベースとする燃料加工システムの概略図を図示している。
図3は、エタノールをベースとする比較用燃料加工システムの概略図を図示している。
以下において、エタノールのメタン化とは、エタノールをメタン、H、CO、COおよび水を含む混合物に転化することを意味する。
本発明の燃料加工法においては、エタノールを含有する燃料はメタン、水素、一酸化炭素および二酸化炭素並びに水の混合物に断熱的に転化される。この様にエタノール含有供給流中に含まれる化学エネルギーの部分がメタン化反応器に亙って温度上昇に転化される。このことは、アノード入口で必要とされる温度にSOFC燃料を加熱するのに一般に必要とされる熱交換器の必要性を無くさせる。更にエタノールは、エチレンおよび供給原料から生じ得る一酸化炭素よりも炭素を生じさせる傾向の少ないメタンに転化される。
メタン化反応での酸素と炭素との比(O/C−比)は、この比が炭素を析出させる潜在性を暗示すので非常に重要である。エタノールは反応[4]によって、後で分解してブードアール反応[3]によって炭素を生じ得る一酸化炭素を生じる。エタノールの固有のO/C−モル比は0.5である。一般にO/C−比は温度依存性および炭素の発生が避けられる最小値以上を有している。O/C−比と炭素の形成との間の関係は非特許文献6に詳細に記載されている。
本発明の燃料加工システムにおいては方法への外部酸素の供給がO/C比を増加させる。これは酸素をカソード空気から燃料電池電解質を経てアノードオフガスに搬送することによって行うことができる。次いでアノードオフガスはメタン化反応器に循環されそしてそれによってアノード入口に循環される。水をシステムに十分な量で例えばエタノール燃料と一緒に添加することもO/C−比を増加させ得る。
本発明の燃料加工方法で使用するのに最も適するのは4容量%の水を含有する96容量%のエタノールである。次いでO/C−比は冒頭に記載の通りに例えば循環によって水を添加することで制御できる。しかしながら多量の水を含むあまり純粋でないエタノールも使用できる。エタノールの製造段階からの生成物、例えば発酵段階からの生成物もエタノール中にある程度存在していてもよい。
燃料中の有利なエタノール濃度は12〜96容量%、更に有利には40〜96容量%である。96容量%エタノールを用いるのが最も有利である。
若干のアノードオフガスは循環装置、例えば循環用ブロワを用いてまたは機械的に運転される他の何らかの循環装置またはエゼクタを用いてメタン化反応器に循環してもよい。
循環比はメタン化反応器に循環されるアノードオフガスのモル数とアノードオフガスの総モル数との比として規定される。0〜80%の循環比を使用することができる。循環装置がアノードオフガスの50%〜60%をメタン化反応器に循環するのが有利である。即ち50〜60%の循環比が有利である。
同時に、メタン化反応器で潜熱に転化される化学エネルギーは、SOFCにおいてこうして増加する、システムの総合的電気効率を過剰のカソード空気によって除去するべきでない。
図1はメタンをベースとする慣用の燃料加工システムの概略図である。天然ガスの状態のメタン(1)は熱交換器E1(2)で予備加熱され、次いで400℃で熱い酸化亜鉛によって水素化脱硫装置(3)において脱硫され、予備改質器(4)において天然ガス中に存在するより高級な炭化水素が予備改質される。これはこれらの高級炭化水素の脱水素によって高温で不飽和化合物が生じる危険を排除する。これらの不飽和化合物(主としてオレフィン)は必要とされるスタック入口温度に加熱する時に炭素を生じる傾向がある。予備改質に必要とされる水(およびCO)は、熱交換器E2(7)での中間冷却と共にブロワ(6)によってアノードオフガス(5)の一部を循環することによって供給される。
予備改質器(4)からの流出物はメタンを含有しており、そしてアノードスタックの入口温度に、熱交換器E2(7)での循環アノードオフガス(5)との熱交換によって予備加熱されそしてその後にアノード(8)に送られる。メタンの改質は反応[5]に従ってアノード室で行われそしてこの反応が吸熱であるのでスタックの冷却が生じる。
空気(9)は圧縮されそしてカソード(10)に送られる。スタックは、熱交換器E3(11)でのカソードオフガス(12)との熱交換によって予備加熱され過剰のカソード空気(19)によって断熱状態で維持される。カソード空気(19)もスタックの冷却をもたらす。
予備改質器(4)に循環されないアノード(8)からのオフガス(13)およびカソード(10)からのオフガス(12)は最終的に接触バーナー(catalystic burner)(14)で燃やされる。接触バーナー(14)からの燃料ガス(15)中の廃熱は、熱交換器E1(2)で天然ガスを予備加熱し始める間に水(16)を熱交換器E6(18)中の水蒸気(17)に転換するための熱およびスペース加熱または他の目的のための熱を供給する。
この設計の全ての要素はSOFCスタック自体を除いておよび熱いアノード循環ブロワをある程度除いて天然ガスの燃料加工で使用するのに知られている。
この種類の慣用の方法設計において天然ガスをエタノールに換えることが、エタノールの吸熱的改質反応(内部改質)から得ることのできるスタックの冷却量を減少させる。それ故に、スタックの温度を下げるための更なる冷却は、既に提供されている量の他にカソード空気によるものが必要とされる。次いで熱交換器E3(11)は著しく大きくする必要がある。空気圧縮段階での電気エネルギーの損失も増加する。
図2はエタノールをベースとする燃料加工システムの概略図であり、本発明の一つの実施態様を実証している。エタノール(1)を含有する液体はポンプ(2)によって圧縮され、その後に熱交換器E1(3)において接触バーナー(5)からの燃料ガス(4)での廃熱によって蒸発される。熱交換器E1(3)を離れるガス状エタノール(6)はエゼクタ(7)において原動力として作用し、エゼクタの後ではそれはメタン化反応器(8)に搬送される。メタン化反応器(8)は例えば350℃の入口温度および少なくとも460℃の出口温度を有していてもよい。固体酸化物型燃料電池アノード(10)からのH、HO、CO、COおよびCHを含有するアノードオフガス(9)の一部はエゼクタ(7)によってメタン化反応器(8)に循環される。メタン化反応器(8)にはエタノールの分解およびメタン化に有効な触媒が装填されている。エタノールのためのメタン化反応は次の通りである:
CH3CH2OH ⇔ CH4 + CO + H2 [4]
CO + H2O⇔ CO2 + H2 [6]
CO + 3H2 ⇔ CH4 + H2O [8]
メタン化反応器(8)ではエタノールがCH、H、HO、COおよびCOの混合物に転化されてそしてメタン化反応器(8)からの流出物(11)はSOFCスタックのアノード(10)に搬送される。アノード入口温度は少なくとも400℃、好ましくは少なくとも500℃である。
空気(12)は圧縮されそしてカソード(13)に送られる。スタックは、熱交換器E3(15)でカソードオフガス(16)との熱交換によって一般に約650℃の温度に予備加熱されている圧縮された過剰のカソード空気(14)によって断熱的に保たれている。
エゼクタ(7)に循環されない残りのアノードオフガス(17)は接触バーナー(5)に送られ、そこでカソードオフガス(16)と一緒に燃やされる。接触バーナー(5)は一般に約700℃の出口温度で運転する。接触バーナー(5)からの燃料ガス(4)中の廃熱は熱交換器E1(3)でエタノールを蒸発するための熱を供給する。接触バーナーに送られない残りのカソードオフガス(18)は使い尽くされた空気として適しそして熱交換に使用することができる。
本発明の一つの実施態様においては50%のアノードオフガス(9)はエゼクタ(7)に循環されそして50%は接触バーナー(5)に搬送される。50%のアノードオフガスの循環は全体的な電気効率を向上させるのに役立ちそして同時に、高い質量流のためにアノード室により良好な流れ分配をもたらす。更に、O/C比もメタン化反応器(R1)の入口で増加する。
50%の循環比および96容量%のエタノール供給量を用いることが1.9のO/C比をもたらす。この値は反応[2]および[3]による固体酸化物型燃料電池において炭素の形成がないことを保証する。
本発明の燃料加工法においては、アノードオフガス循環比は50%に限定されない。O/C比を変えるために他の値を選択することもできる。循環比はメタン化触媒の選択と組み合わせて最適化することができる。
メタン化反応器で使用できる触媒は、エタノールの分解およびメタン化の両方で有効な触媒、例えばニッケル、コバルト、銅または貴金属を含有する触媒である。適する貴金属含有触媒は例えばルテニウム含有触媒またはロジウム含有触媒である。
本発明の他の一つの実施態様においてはエタノール分解に有効な触媒を、分解されたエタノールのメタン化に有効な触媒を上流のメタン化反応器中に配置する。メタン化反応器中の使用可能な上流の触媒はエチレンを生じることなくエタノールを分解するための従来技術で公知の触媒である。これは例えばエタノールをメタン、COおよびHに分解することのできる触媒でもよい。この反応はNiおよびCuを含有する触媒についてはDavid A. Morgenstern およびJames P. Fornangoの非特許文献7にそしてPdを含有する触媒についてはGalvita等の非特許文献8に開示されている。
図3は、図2に示した方法からメタン化反応器が省かれそしてアノードオフガスの循環が維持されている比較用燃料加工システムの概略図である。図中の番号は、他に記載されていない限り、図2のものと一致している。
この加工システムにおいて、アノード(10)への入口ガス(11)の温度が低過ぎる場合には、熱交換器E2(19)でアノード(10)への入口ガス(11)を予備加熱することが必要である。熱交換器E2(19)は、図2に示した本発明の燃料加工システムのO/C比と同じ1.9のO/C比に相当する50%だけのアノードオフガス循環率で燃料加工システムを運転した時に、エチレンの重合(反応[1])によってエタノールから直接的に炭素を生じる傾向がある。
熱交換器E1、E2およびE3の効率および義務および図1〜2の燃料加工システムで空気圧縮機の作業の比較を行った。主な結果を表1に総括掲載する。
Figure 0005252795
燃料電池スタックで更に加工する前に、エタノールからメタンに転化することには幾つかの長所がある。炭素の生成を伴う問題の可能性が低下する。アノード入口で必要とされる温度にするために、ガスを加熱するための熱交換器(E2)が不要である。電気効率が増加しそして一緒にされた熱交換器の義務および空気圧縮器作業が減少する。
図1に示した慣用のシステムにおける予備改質器と同じサイズの、エタノールのメタン化反応器の費用は必要とされる。しかしながら有効な触媒が、エタノールが強い触媒毒である硫黄を含有していないので、必要とされる反応器の容積を減少させる。
表2はエタノールおよび水をベースとする燃料における循環率の影響および電気効率を示している。
Figure 0005252795
燃料中のエタノール濃度を同じに維持しながらの循環率を増加することによって総O/C比を増すことが、炭素の発生のために燃料加工法の電気効率を僅かに減少させることが判る。燃料を介して水の供給を増やすことによって総O/C比を増加させることも、電気効率を僅かに減少させる。しかしながら電気効率は、エタノール燃料が高いO/C比を有する場合に循環をしなくてもいずれの場合にも許容し得るものである。
は、メタンをベースとする慣用の燃料加工システムの概略図を図示している。 は、エタノールをベースとする燃料加工システムの概略図を図示している。 は、エタノールをベースとする比較用燃料加工システムの概略図を図示している。
符号の説明
1・・・メタンまたはエタノール
2・・・ポンプ
3・・・熱交換器E1
5・・・接触バーナー
7・・・エゼクタ
8・・・メタン化反応器
10・・・アノード
13・・・カソード

Claims (11)

  1. 断熱条件下での反応を保持するメタン化反応器と組み合わせた固体酸化物型燃料電池スタックを使用した発電方法であって
    (a)エタノール含有供給流をエタノールの分解およびメタン化に有効な触媒物質を含有するメタン化反応器に供給し、ここでエタノールのメタン化反応は次の通りである:
    CH CH OH⇔CH +CO+H
    CO+H O⇔CO +H
    CO+3H ⇔CH +H
    (b)断熱条件のもとでメタン化反応器中でエタノール含有供給流を転化してメタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素および水を含む流出燃料を生じさせ、メタン化反応器に亙って温度上昇に転化され、
    (c)そのメタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素および水を含む含有流出燃料を少なくとも1つの固体酸化物型燃料電池を有する固体酸化物型燃料電池スタックのアノードに送り、アノード入口温度は少なくとも400℃を有し、
    (d)その固体酸化物型燃料電池スタックのカソードには酸素含有ガスを供給しそして
    (e)メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素および水を含む燃料および酸素含有ガスを固体酸化物型燃料電池スタックにおいて電気に転換する
    各段階を含み、
    固体酸化物型燃料電池スタックのアノードで生じるオフガスをメタン化反応器の上流に位置する循環装置を通して一部循環することを特徴とする、上記方法。
  2. エタノール含有供給流を、メタン化反応器に供給する以前に蒸発させる、請求項1に記載の方法。
  3. アノードオフガスの0〜80%を循環装置を通して循環する、請求項に記載の方法。
  4. アノードオフガスの50〜60%を循環装置を通して循環する、請求項に記載の方法。
  5. 循環装置が循環用ブロワまたはエゼクタである、請求項2〜4のいずれか一つに記載の方法。
  6. 触媒材料がエタノールをメタン、水素、一酸化炭素、二酸化炭素および水を含む混合物に分解する際に有効な触媒を含有する、請求項1に記載の方法。
  7. 触媒材料がニッケル、コバルト、銅、ロジウム、ルテニウムまたは他の貴金属を含有する触媒である、請求項1または6に記載の方法。
  8. 請求項1の燃料加工法で使用するための燃料加工システムにおいて、エタノールのメタン化のための触媒材料の入った断熱条件下での反応を保持するメタン化反応器を含み、および少なくとも1つの固体酸化物型燃料電池を有する固体酸化物型燃料電池スタックを含み、該固体酸化物型燃料電池スタックがメタン化反応器に連続してそれの下流に位置していることを特徴とする、上記燃料加工システム。
  9. アノードで生じるオフガスのための循環装置がメタン化反応器に連続してそれの上流に位置している、請求項に記載のシステム。
  10. 固体酸化物型燃料電池スタックのアノードで生じるオフガスを循環装置によってメタン化反応器に循環する、請求項に記載のシステム。
  11. アノードで生じるオフガスのための循環装置が循環用ブロアまたはエゼクタである、請求項9または10に記載のシステム。
JP2006259949A 2005-09-27 2006-09-26 燃料加工法およびシステム Expired - Fee Related JP5252795B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA200501349 2005-09-27
DKPA200501349 2005-09-27

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2007095686A JP2007095686A (ja) 2007-04-12
JP2007095686A5 JP2007095686A5 (ja) 2009-07-30
JP5252795B2 true JP5252795B2 (ja) 2013-07-31

Family

ID=37529406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006259949A Expired - Fee Related JP5252795B2 (ja) 2005-09-27 2006-09-26 燃料加工法およびシステム

Country Status (13)

Country Link
EP (1) EP1768207B1 (ja)
JP (1) JP5252795B2 (ja)
KR (1) KR101364999B1 (ja)
CN (1) CN101154741B (ja)
AT (1) ATE478445T1 (ja)
AU (1) AU2006222723B2 (ja)
CA (1) CA2561025C (ja)
DE (1) DE602006016203D1 (ja)
DK (1) DK1768207T3 (ja)
HK (1) HK1118958A1 (ja)
NO (1) NO20064382L (ja)
RU (1) RU2407113C2 (ja)
SG (1) SG131086A1 (ja)

Families Citing this family (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009086407A2 (en) 2007-12-28 2009-07-09 Greatpoint Energy, Inc. Steam generating slurry gasifier for the catalytic gasification of a carbonaceous feedstock
WO2009111342A2 (en) 2008-02-29 2009-09-11 Greatpoint Energy, Inc Carbonaceous fines recycle
US8361428B2 (en) 2008-02-29 2013-01-29 Greatpoint Energy, Inc. Reduced carbon footprint steam generation processes
WO2009111345A2 (en) 2008-02-29 2009-09-11 Greatpoint Energy, Inc. Catalytic gasification particulate compositions
US8297542B2 (en) 2008-02-29 2012-10-30 Greatpoint Energy, Inc. Coal compositions for catalytic gasification
US8286901B2 (en) 2008-02-29 2012-10-16 Greatpoint Energy, Inc. Coal compositions for catalytic gasification
US8652222B2 (en) 2008-02-29 2014-02-18 Greatpoint Energy, Inc. Biomass compositions for catalytic gasification
AU2009293087B2 (en) 2008-09-19 2012-11-15 Sure Champion Investment Limited Processes for gasification of a carbonaceous feedstock
US8647402B2 (en) 2008-09-19 2014-02-11 Greatpoint Energy, Inc. Processes for gasification of a carbonaceous feedstock
CN102159687B (zh) 2008-09-19 2016-06-08 格雷特波因特能源公司 使用炭甲烷化催化剂的气化方法
KR101290453B1 (ko) 2008-12-30 2013-07-29 그레이트포인트 에너지, 인크. 촉매된 탄소질 미립자의 제조 방법
EP2370549A1 (en) 2008-12-30 2011-10-05 Greatpoint Energy, Inc. Processes for preparing a catalyzed coal particulate
CN102459525B (zh) 2009-05-13 2016-09-21 格雷特波因特能源公司 进行含碳原料的加氢甲烷化的方法
CN104119956B (zh) 2009-05-13 2016-05-11 格雷特波因特能源公司 含碳原料的加氢甲烷化方法
FR2949020B1 (fr) * 2009-08-06 2012-01-13 Franco Cell Dispositif de production d'electricite et de chaleur, incluant une pile a combustible admettant au moins du methane comme combustible
AU2010310846B2 (en) 2009-10-19 2013-05-30 Greatpoint Energy, Inc. Integrated enhanced oil recovery process
CN102597417B (zh) 2009-10-19 2014-10-01 格雷特波因特能源公司 整合的强化采油方法
AU2010339952B8 (en) 2009-12-17 2013-12-19 Greatpoint Energy, Inc. Integrated enhanced oil recovery process
WO2011106285A1 (en) * 2010-02-23 2011-09-01 Greatpoint Energy, Inc. Integrated hydromethanation fuel cell power generation
US8652696B2 (en) 2010-03-08 2014-02-18 Greatpoint Energy, Inc. Integrated hydromethanation fuel cell power generation
US8557878B2 (en) 2010-04-26 2013-10-15 Greatpoint Energy, Inc. Hydromethanation of a carbonaceous feedstock with vanadium recovery
KR101506381B1 (ko) 2010-05-28 2015-03-26 그레이트포인트 에너지, 인크. 액체 중질 탄화수소 공급원료의 가스상 생성물로의 전환
KR101424941B1 (ko) 2010-08-18 2014-08-01 그레이트포인트 에너지, 인크. 탄소질 공급원료의 히드로메탄화
CA2815243A1 (en) 2010-11-01 2012-05-10 Greatpoint Energy, Inc. Hydromethanation of a carbonaceous feedstock
US8648121B2 (en) 2011-02-23 2014-02-11 Greatpoint Energy, Inc. Hydromethanation of a carbonaceous feedstock with nickel recovery
WO2012166879A1 (en) 2011-06-03 2012-12-06 Greatpoint Energy, Inc. Hydromethanation of a carbonaceous feedstock
DE102011082498A1 (de) * 2011-09-12 2013-03-14 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem mit verbesserter Anodengasrezirkulation und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
US9012524B2 (en) 2011-10-06 2015-04-21 Greatpoint Energy, Inc. Hydromethanation of a carbonaceous feedstock
AU2012350999B2 (en) * 2011-12-15 2016-04-14 Haldor Topsoe A/S Method and system for liquid fuel desulphurization for fuel cell application
CN104704204B (zh) 2012-10-01 2017-03-08 格雷特波因特能源公司 用于从原始的低煤阶煤原料产生蒸汽的方法
US9273260B2 (en) 2012-10-01 2016-03-01 Greatpoint Energy, Inc. Agglomerated particulate low-rank coal feedstock and uses thereof
US9034058B2 (en) 2012-10-01 2015-05-19 Greatpoint Energy, Inc. Agglomerated particulate low-rank coal feedstock and uses thereof
WO2014055349A1 (en) 2012-10-01 2014-04-10 Greatpoint Energy, Inc. Agglomerated particulate low-rank coal feedstock and uses thereof
JP5769695B2 (ja) 2012-12-25 2015-08-26 三菱日立パワーシステムズ株式会社 発電システム及び発電システムの停止方法
BR112016003156A2 (pt) * 2013-06-17 2024-01-23 Hitachi Zosen Corp Método de poupar energia em um sistema combinado de um dispositivo para produção de bioetanol e uma célula de combustível de óxido sólido
WO2015124183A1 (en) * 2014-02-19 2015-08-27 Htceramix S.A. Method and system for producing carbon dioxide, purified hydrogen and electricity from a reformed process gas feed
KR101589243B1 (ko) * 2014-04-07 2016-01-29 삼성중공업(주) 연료 공급 장치
FR3034570B1 (fr) 2015-03-30 2019-06-28 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Systeme de production d'electricite par pile a combustible sofc avec circulation des especes carbonees en boucle fermee
JP6893308B2 (ja) * 2016-04-26 2021-06-23 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池装置
US10464872B1 (en) 2018-07-31 2019-11-05 Greatpoint Energy, Inc. Catalytic gasification to produce methanol
US10344231B1 (en) 2018-10-26 2019-07-09 Greatpoint Energy, Inc. Hydromethanation of a carbonaceous feedstock with improved carbon utilization
US10435637B1 (en) 2018-12-18 2019-10-08 Greatpoint Energy, Inc. Hydromethanation of a carbonaceous feedstock with improved carbon utilization and power generation
US10618818B1 (en) 2019-03-22 2020-04-14 Sure Champion Investment Limited Catalytic gasification to produce ammonia and urea

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK143162C (da) * 1978-12-12 1981-12-14 Topsoee H A S Fremgangsmaade og anlaeg til fremstilling af en metanrig gas
JPH03123737A (ja) * 1989-10-05 1991-05-27 Mitsubishi Gas Chem Co Inc メタン含有ガス製造法および反応器
DK162961C (da) * 1989-11-20 1992-05-25 Haldor Topsoe As Braendselscellekraftvaerk
JP2796181B2 (ja) * 1990-07-23 1998-09-10 三菱電機株式会社 燃料電池発電システム
GB9403198D0 (en) * 1994-02-19 1994-04-13 Rolls Royce Plc A solid oxide fuel cell stack
US5736026A (en) * 1996-02-05 1998-04-07 Energy Research Corporation Biomass-fuel cell cogeneration apparatus and method
JPH10177864A (ja) * 1996-10-18 1998-06-30 Toshiba Corp 燃料電池
JP3071158B2 (ja) * 1997-07-02 2000-07-31 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合 燃料電池発電装置
AUPR324201A0 (en) * 2001-02-21 2001-03-15 Ceramic Fuel Cells Limited Fuel cell system
DE10143656B4 (de) * 2001-09-05 2005-10-13 Mahlendorf, Falko, Dr. rer.nat. Verfahren zur Erzeugung von Energie in einem Brennstoffzellen-Gesamtsystem mit Crackreaktor und Brennstoffzelle sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
US7045231B2 (en) * 2002-05-22 2006-05-16 Protonetics International, Inc. Direct hydrocarbon reforming in protonic ceramic fuel cells by electrolyte steam permeation
US7682724B2 (en) * 2002-10-18 2010-03-23 Monsanto Technology Llc Use of metal supported copper catalysts for reforming alcohols
US20040247960A1 (en) * 2003-03-31 2004-12-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell system
DE602005020389D1 (ja) * 2004-06-04 2010-05-20 Haldor Topsoe As

Also Published As

Publication number Publication date
KR101364999B1 (ko) 2014-02-20
EP1768207B1 (en) 2010-08-18
CN101154741A (zh) 2008-04-02
ATE478445T1 (de) 2010-09-15
CA2561025A1 (en) 2007-03-27
SG131086A1 (en) 2007-04-26
EP1768207A1 (en) 2007-03-28
CA2561025C (en) 2014-09-16
AU2006222723A1 (en) 2007-04-19
DK1768207T3 (da) 2010-12-13
RU2006134001A (ru) 2008-04-10
RU2407113C2 (ru) 2010-12-20
CN101154741B (zh) 2014-06-25
AU2006222723B2 (en) 2011-05-26
DE602006016203D1 (de) 2010-09-30
NO20064382L (no) 2007-03-28
KR20070035439A (ko) 2007-03-30
JP2007095686A (ja) 2007-04-12
HK1118958A1 (en) 2009-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5252795B2 (ja) 燃料加工法およびシステム
JP4231907B2 (ja) 固体酸化物燃料電池システムの運転方法およびそのシステム
US6531243B2 (en) Solid oxide fuel operating with an excess of fuel
KR102254196B1 (ko) 암모니아 기반 고체산화물 연료전지(sofc) 시스템
JP2602994B2 (ja) 燃料電池パワープラント
JP4318920B2 (ja) 燃料電池システム
EP2360765A1 (en) Hydrogen-recycling mcfc power-generating system
KR20140103141A (ko) 연료 전지용의 조절가능한 기체 조성물의 제조방법
KR101355238B1 (ko) 고체산화물형 연료전지 시스템과 그 운전방법
WO2018044913A1 (en) System and method for increasing a carbon monoxide content of syngas produced by a steam methane reformer
CA2941811A1 (en) Fuel cell system with improved thermal management
US8202638B2 (en) Fuel processing method and system
WO2008105793A2 (en) Integrated catalytic and turbine system and process for the generation of electricity
JP2008282599A (ja) メタノール/ジメチルエーテルを原料とする燃料電池発電システム
CN116685718A (zh) 产生合成气的方法及装置
JP5463006B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池システムの運転方法
JP2005087984A (ja) 芳香族化合物のハイブリッド製造方法
JPH04345764A (ja) 燃料電池発電プラントにおける燃料供給システム

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090612

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090612

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20100517

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120305

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120403

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20120702

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20120705

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20120802

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20120807

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20120830

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20120904

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121002

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130319

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130416

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160426

Year of fee payment: 3

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees