JP5496503B2 - 水素生成装置を備える燃料電池システム - Google Patents
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Description
2CH4+O2→4H2+2CO ・・・(1)
CH4+H2O⇔3H2+CO ・・・(2)
CO+H2O⇔H2+CO2 ・・・(3)
こうした問題に対し、近年、水素透過膜を備えた水素生成装置を用い、メタンを低温で改質して高純度の水素を生成する方法が提案されている(例えば、非特許文献1)。
石原達己、外3名「New Reforming Process for H2Production from Natural Gas by Using H2 Permeating Membrane Reactor」、第15回世界水素エネルギー会議プレプリント(CD−ROM)、講演番号;28D−09、2004年6月28日、パシフィコ横浜会議センター
そこで本発明は、純度の高い水素を燃料電池に供給でき、かつ、エネルギー効率の高い燃料電池システムを目的とする。
CnH2n+2⇒nC+(n+1)H2 ・・・(2)
C+(1/2)O2⇒CO ・・・(3)
C+H2O⇒H2+CO ・・・(4)
CH4+H2O⇔3H2+CO ・・・(5)
CO+H2O⇔H2+CO2 ・・・(6)
[上記(2)式中、nは2以上の整数である。]
本発明の第一の実施形態の燃料電池システムについて、図1、2を用いて説明する。図1は、燃料電池システム10の模式図である。図2は、燃料電池システム10に用いる水素生成装置の一例を示す断面図である。
原料供給源12は、配管14により複合予熱器20と接続されている。配管14には配管16が接続され、配管16は触媒燃焼装置80と接続されている。触媒燃焼装置80には配管82が接続され、配管82は複合予熱器20と接続されている。
CnH2n+2⇒nC+(n+1)H2 ・・・(2)
C+(1/2)O2⇒CO ・・・(3)
C+H2O⇒H2+CO ・・・(4)
CH4+H2O⇔3H2+CO ・・・(5)
CO+H2O⇔H2+CO2 ・・・(6)
[上記(2)式中、nは2以上の整数である。]
燃料電池300には、発電に伴い発生する熱を除去するための冷却部302が設けられている。冷却部302は、冷却水を熱媒体とする冷却板や冷却管等が挙げられる。また、燃料電池300が燃料電池スタックである場合には、燃料電池スタックの発熱量に応じて、冷却部302を複数設けてもよい。
水源50の水は、配管52を経由して軟水化装置60に供給され、軟水化装置60では硬度成分を除去する軟化処理がされる。軟化処理された水の一部は、配管62、68、熱交換装置160、配管162、配管161を順に経由して、水蒸気発生装置150に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管62、66を順に経由して、熱交換装置180に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管62、64を順に経由して燃料電池300の冷却部302に供給される。冷却部302に供給された水は、燃料電池300を冷却しながら流通し、温水となって配管322に流出する。配管322に流出した温水は、配管162を経由して、温水貯槽164に貯水される。
CnH2n+2⇒nC+(n+1)H2 ・・・(2)
C+(1/2)O2⇒CO ・・・(3)
C+H2O⇒H2+CO ・・・(4)
CH4+H2O⇔3H2+CO ・・・(5)
CO+H2O⇔H2+CO2 ・・・(6)
[上記(2)式中、nは2以上の整数である。]
H2⇒2H++2e− ・・・(8)
複合予熱器20の出口における予熱済水蒸気の温度は、水素生成装置100の触媒反応室130に充填したリフォーミング触媒Aの種類や、水素透過膜112の種類に応じて決定することができ、300〜500℃とすることが好ましく、350〜450℃とすることがより好ましい。
複合予熱器20の出口における予熱済空気の温度は、水素生成装置100の触媒反応室130に充填したリフォーミング触媒Aの種類や、水素透過膜112の種類に応じて決定することができ、300〜500℃とすることが好ましく、350〜450℃とすることがより好ましい。
本発明の第二の実施形態の燃料電池システムについて、図2、3を用いて説明する。図3は、燃料電池システム500の模式図である。なお、第一の実施形態の燃料電池システム10と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、燃料電池システム500において、燃料電池システム10と異なる点は、複合予熱器20に供給する空気を酸素供給源510から供給する高純度の酸素(以下、純酸素ということがある)とした点である。
本発明の燃料電池システムは上述の実施形態に限定されない。
第一、第二の実施形態では、透過水素受容室には不活性粒子が充填されているが、該不活性粒子は充填されていなくてもよい。ただし、透過水素受容室内での水素及び水蒸気を整流し、水素の生成効率の向上を図る観点からは、不活性粒子を透過水素受容室に充填することが好ましい。
第一、第二の実施形態では、スチームタービンが設けられているが、該スチームタービンは設けられていなくてもよい。
前述の非特許文献1の記載に従い、リフォーミング触媒1の全体質量の10質量%となるように、NiをSiO2に担持したNi/SiO2を製造した。Niの供給源には硝酸ニッケルを用い、単体にはアエロジル社のSiO2(表面積:380m2/g)を用い、公知の含浸法により調製した。SiO2に硝酸ニッケル水溶液を含浸させ乾燥させた後、300℃で4時間焼結し、さらに400℃で5時間加熱して、リフォーミング触媒1を得た。
図1に示す燃料電池システム10と同一の構成からなる、燃料電池システムAを製作し発電試験を行った。
燃料電池としてPEFCの燃料電池スタックを採用し、試験設備の容量は、発電端出力(直流)で1.223kW、送電端出力(交流)として1kW級とした。水素生成装置は図2に示す水素生成装置100と同様の構造を有するプレートタイプとした。水素透過膜は、市販のPd−Ag膜(田中貴金属工業株式会社製)を用い、その透過面積は0.176m2、水素透過フラックスは0.173kg−mol/h−H2/m2とした。「水素透過フラックス」とは、透過膜単位面積(m2)における1時間当たりの透過水素流量(kg−mol/h)である(以降において同じ)。触媒反応室には、リフォーミング触媒1を3.52L充填した。透過水素受容室には、不活性粒子(アルミナ、質量平均粒子径:5mmφ、株式会社チップトン製)を5.28L充填した。触媒燃焼装置は固定床式とし、酸化触媒としてパラジウム触媒(炭化水素酸化触媒、ズードケミー触媒株式会社製)を5.4L充填した。
その他のプロセス条件は表1に示す値とした。なお、「Nm3」とは、「m3(標準状態)」を表す(以降において同じ)。「燃焼ガス基準SV」とは、酸化触媒の単位体積(m3−Cat)当たりにおける、1時間当たりの燃焼ガス発生量(m3/h)であり、単位(m3/h)/m3−Catで表される値である(以降において同じ)。
また、水素生成装置の下記(9)式で定義される冷ガス効率は43.5%であった。なお、下記(9)式においてLHV(kJ/Nm3)は低位発熱量を示す。
図3に示す燃料電池システム500と同一の構成からなる、燃料電池システムBを製作し発電試験を行った。
燃料電池としてPEFCの燃料電池スタックを採用し、試験設備の容量は、発電端出力(直流)で1.223kW、送電端出力(交流)として1kW級とした。水素生成装置は図2に示す水素生成装置100と同様の構造を有するプレートタイプとした。水素透過膜は、市販のPd−Ag膜(田中貴金属工業株式会社製)を用い、その透過面積は0.176m2、水素透過フラックスは0.173kg−mol/h−H2/m2とした。触媒反応室には、リフォーミング触媒1を3.52L充填した。透過水素受容室には、不活性粒子としてアルミナを5.28L充填した。触媒燃焼装置は固定床式とし、酸化触媒としてパラジウム触媒を5.4L充填した。
その他のプロセス条件は表1に示す値とした。
上記生成水素量は原料天然ガス転換率47.6%に相当するものである。
また水素生成装置の前記(9)式で定義される冷ガス効率は44.4%であった。
16、122、124、132、152、154、158、166、172、192、210、230、232、234 配管
20 複合予熱器
22 空気加熱部
24 水蒸気加熱部
26 原料加熱部
80 触媒燃焼装置
100 水素生成装置
112 水素透過膜
120 透過水素受容室
130 触媒反応室
134 ガスタービン
150 水蒸気発生装置
155、160 熱交換装置
170、190 気液分離装置
300 燃料電池
Claims (3)
- 燃料電池と、
水蒸気発生装置と、
酸化触媒が充填され、該酸化触媒に可燃ガスを接触して燃焼する触媒燃焼装置と、
水素透過膜により仕切られた触媒反応室と透過水素受容室とが設けられ、前記触媒反応室には下記(1)〜(6)式で表される反応を生起させる炭化水素リフォーミング触媒が充填されている水素生成装置と、
前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を熱媒体として、軽質炭化水素を加熱する原料予熱装置と、
前記原料予熱装置で加熱した軽質炭化水素を前記触媒反応室に供給する手段と、
前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を熱媒体として、酸素を含む流体を加熱する酸素予熱装置と、
前記酸素予熱装置で加熱した酸素を含む流体を前記触媒反応室に供給する手段と、
前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を熱媒体として、前記水蒸気発生装置で生じた水蒸気を加熱する水蒸気予熱装置と、
前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を前記触媒反応室及び前記透過水素受容室に供給する手段と、
前記水素生成装置で生成した水素を前記燃料電池に供給する手段とを有し、
前記触媒反応室で軽質炭化水素から生成された水素を前記水素透過膜で仕切られた前記透過水素受容室に透過し、前記触媒反応室に残存する残存ガスと分離し、
前記水蒸気発生装置は、前記触媒反応室に残存する残存ガス、前記透過水素受容室に透過した水素、並びに、前記原料予熱装置、前記酸素予熱装置及び前記水蒸気予熱装置で熱媒体として利用された前記の触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を熱媒体として、水蒸気を発生することを特徴とする、燃料電池システム。
CH4⇒C+2H2 ・・・(1)
CnH2n+2⇒nC+(n+1)H2 ・・・(2)
C+(1/2)O2⇒CO ・・・(3)
C+H2O⇒H2+CO ・・・(4)
CH4+H2O⇔3H2+CO ・・・(5)
CO+H2O⇔H2+CO2 ・・・(6)
[上記(2)式中、nは2以上の整数である。] - 前記水蒸気発生装置で熱媒体として用いられた前記残存ガスを前記触媒燃焼装置に供給する手段を有する、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記透過水素受容室には、不活性粒子が充填されている、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
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