JPH02168570A - 電気を発生する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野］ 本発明は燃料電池システムを用いて電気を発生する方法
に関する。

【従来の技術） 化石燃料又は他の炭化水素を基礎とする燃料から電気を
発生させるための従来の方法は、パワーステーションを
用い、そこで石油又は天然ガスの如き燃料を燃焼させて
ガスタービン及び／又は蒸気タービンを動かして、次に
電気発生装置を動かすものである。 この従来の方法の大きな欠点は、その電気効率が比較的
低いことにある。この欠点を除去するために、燃料電池
システムの如き効率の高いシステムの使用が試みられて
いる。このシステムにより、化石燃料等の燃料は、水素
発生ユニツＩ・で水素を含むガスに変換することができ
、そのガスは、もし望まれるならば更に精製されてから
、燃料電池ユニットのアノード室に供給される。このよ
うなシステムは既に知られており、それを更に改善する
ための多くの研究が今もなされている。 これらのシステムを利用することにより次のような多く
の利益が得られる。第１に、特に種々の部品を適当に積
分すれば、燃料電池システムの効率が高いことである。 その場合、全プラントの効率は燃料電池の効率よりも更
に高くすることができる。第２に、有害物質の発生が少
ない発電装置が得られることである。第３に、低ロード
でも良好な効率を得られる“部分ロード特性（ｐａｒｔ
ｉａｌ−１ｏａｄ　ｃｌ＋ａｒａｃＬｅｒｉｓＬｉｃｓ
）”を有することである。第４に、モジュールによる組
立てが可能なことである。 燃料電池を用いるプラントは、一般に、燃料のｎ；１処
理（脱硫、予備加熱）、水蒸気リフオーミングによる燃
料のＨ２及びＧＯを含有する転化反応を包含する。もし
存在すれば不純物除去の後、そのガスは燃料電池に用い
るに適したものとなる。 このガスは燃料電池ユニットのアノード室へ供給され、
一方、０．を含有するガスは同ユニットのカソード室へ
供給される。燃料電池中において電気と熱が発生し、電
気はその後、一般に電力網において利用されるべく、交
流に変換される。熱は電池が過熱されるのを防止するた
めに除去することが必要である。 様々な種類の燃料電池が知られているが、その違いは特
に、用いる電解質にある。それらの電解質は文献にＩＩ
Ｉ細に記述されているが、とりわけリン酸、溶融炭酸塩
、アルカリ性電解質、固体酸化物及び固体ポリマーが用
いられる。 １：、、Ｒ，エリツィンガ等による、Ｅｌ’ＲＩ開−３
８４１９７７年１月エクソンエンタープライズの“効率
的電気発生へのアルスリムｌエクソンアルカリ燃料電池
システムの応用（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｏ「Ｌ１１
１３＾１ｓｔｈｏｍ／Ｅｘｘｏｎ　ａｌｋａｌｉｎｅ　
「ｕｅｌ　ｃｅｌｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｕｔＨ３ｔ
ｙｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）”、＾２−４頁
及び３−４から３−６頁のリポートは電流を発生させる
ためのアルカリ燃料電池システムの利用について説明し
ている。 （１５１が解決しようとする問題点） 十分に高い効率を得るために、現在のシステムにおいて
種々のプロセス流体を実質的に積分することが行われて
いる。しかしながら、そのことはプラントの１又はそれ
以上の部分が故障した場合、又は必要な電流が中断した
場合、プラント全体をしばしば停止卜させなければなら
ないことを意味する。むろん、十分に低い積分度にすれ
ば、これらの問題を回避することは可能である。しかし
ながら、それは効率を低下させるという欠点を有する。 燃料電池システムを利用する際重要なのは。 方では熱の回収が良好であり、他方ではシステム全体の
系の安定とＩＩＩ　９１が良好であることである。 本発明の目的は、１種以」二の炭化水素をベースとする
燃料から、燃料電池を用いて電気を発生する方法を堤供
することであり、そこでは、実質的な積分が適用される
が、それに伴う問題が起きないか又は起きても非常に少
なく、又、簡単で且つ制御がやり易いプラントを得よう
とするものである。 （問題を解決するための手段および作用Ｊすなわち、本
発明によれば、１１１以上の炭化水素をベースとする燃
料から電気を発生する方法にして。 燃料をＨ２及びＣＯを含有するガスに接触転化し。 得られたガスを少なくとも１つの転化反応器に供給し、
そこで、存在するＣＯの少なくとも１部をＨ２に転化し
てＨ２含有ガスを生成させ、生成したＨ２含有ガスを少
なくとも１つの燃料電池ユニットの７ノード室に供給し
、その際、燃料電池ユニットの運転温度と転化反応器へ
供給されるガスの温度との差が５０℃を超えないように
し、燃料電池ユニットとしてその運転温度が少なくとも
１２５℃のユニットを用い。 燃料電池ユニットをその温度に維持してプロセススチー
ムを生成させ、そのプロセススチームも燃料電池への供
給物の加熱に用いる。 ことを特徴とする電気を発生する方法が提供される。 所定温度範囲を用い、しかも、燃料電池ユニットの運転
温度の維持と燃料電池ユニットへの供給物の加熱とを組
合せる（積分する）ことにより、本発明においては、種
々のステップを実質的に組合せる（積分する）ことが可
能になる。 本発明の好ましい実施態様によれば、方法の種々のとこ
ろへ及びそこから、特に転化反応器及び燃料電池ユニッ
トに生成される熱に基づくスチームの生成において、熱
を供給し且つ排出する積分スチームシステムが用いられ
る０本発明によれば、ＩＩ、ＪｌＩ生ユニット及び燃料
電池ユニットのために、１つの同じ積分スチームシステ
ムから出発する。即ち、これらのすべてのユニットに対
して、スチームシステムは同一の圧及び温度で機能する
。 本発明の方法の好ましい実施態様によれば、積分の際に
予想される不利益を伴うことなく、種々の工程の好まし
い積分が可能となる。実際に、従来の燃料電池系は、長
時間にわたって＠損することなく運転することは困難で
あった。そこに付随する問題は積分の結果であ番ハ成る
プロセスステップで異常が起きれば他のプロセスステッ
プの破損を招く。 本発明によれば、プラントの運転に必要な量よりも多い
量のスチームを供給する単一のスチームシステムにより
全プラントが積分される。それにより、異常及び破損を
補償する可能性が非常に大きくなり、異常とか破損が直
ぐには全プラントの操業停止にはつながらない、スチー
ムシステムの温度は部用に維持できるので、もし、必要
であれば、外部から供給される燃料で点火される運転開
始ヒーターと共に、運転停止の場合に、転化反応器及び
燃料電池の運転温度を維持することができ、後の運転開
始を簡単にすることができる。 プラントの運転開始の場合に、本発明の方法は多くの利
点を有している。それはｔ種々の部分の温度の積分が運
転温度への予熱を容易にし、その後の運転１１）Ｊ始を
迅速に１１つ効率よく行うことができる。 本発明の方法は、基本的に４つの異なったステプを含ん
でいる。第１のステップは、燃料（前処理してもよい）
をスチームの存在下で１１．、Ｃ０％Ｃ０１，１１□Ｏ
，Ｃ＋＋、及びその他のガス状化合物に転化するステッ
プである。燃料の種類によっては、０；Ｉ処理に付すこ
とが必要な場合がある。これは、触媒を毒１１ミ川及び
破損から保護し、又、好適なプロセス条件を提供するた
めに必要となるものである。 このｍｌ処理の例は、脱硫、熱交換、口過等である。 用いる燃料の種類によって、スチームリフォーミング反
応の温度は変わるが、一般に２５０〜１０００℃の範囲
にある。エタノールのようなアルカノールの場合、ナフ
サ及び天然ガスのような炭化水素よりも低温でよい、ナ
フサ及び天然ガスの場合、従来の温度範囲は約６００〜
１０００℃である。後の温度を用いるのが好ましい、ス
チームリフォーミングのための従来の圧範囲は１〜５０
バールである。 第１ステツプで得られるガスは転化反応である第２ステ
ツプへ供給され、そこで、スチームの存在下で、存在す
るＣＯの少なくとも１部が更に添加される。この反応は
触媒の存在下で起きる。実際には、異なった種類の触媒
を用いることができる。 その種類は、少なくともこのステップで用いる温度に依
存して選択される。一般に、この反応の温度は１５０〜
５００℃の温度である。 適当な触媒は、Ｃｕ７２口又はｒｅ／Ｃｒをベースとす
るものである。これらの触媒は不活性なキャリアにｔｕ
持して用いるのが好ましい、ここでの転化反応は発熱反
応であるため１反応器の運転温度は一般に反応器へのガ
スの入口温度よりも高い。 ｍ３ステツプにおいて、種々のプロセス流体間の熱交換
が起きる０種々のプロセスステップとの関連からみて、
このステップの説明は第４ステツプの説明の後に行う。 第４ステツプは燃料電池ユニットによって構成される。 ユニットは公知の燃料電池をユニット（スタック）に組
合せたもので構成される。電池の運転温度は少なくとも
１２５℃である。そうでなければ１本発明の方法の効果
が十分に発揮されない、この温度の」ユ限は５００℃、
好ましくは４００℃であり、それ以上の温度を用いても
それだけの効果は得られない１本発明の方法に特に適し
た電池は燐酸をベースとする電池である。この電池は１
５０〜２００℃、好ましくは１８０℃で運転される。燃
料電池においては、水素が酸素と共に変換されて電力及
び熱となる。この熱は除去することが必要であり、それ
によって温度を適切な値に維持する。原則的には、この
熱除去はスチームシステムによって行われ、その際スチ
ーム温度が電池の運転温度より十分低くなるように選択
して余剰の熱を除去する。適当な温度差は最高５０℃、
ｌましくは５〜２５℃である。−例として、燃料電池の
温度が１８０℃において、１７０℃のスチーム温度を用
いるのが適当であり、これは８バールのスチーム圧に相
当する。 又、アルカリ電解質をベースとする燃料電池は好ましく
ない、その場合、運転温度が低いので、一般に積分の可
能性が非常に小さくなる。 １１、含有ガスは、予備加熱の後、第３ステツプにおい
てアノード室に供給され、一方、０．含有ガスは、予備
加熱の後、カソード室へ供給される。−般に、完全な転
化は燃料電池では起こらず、２種の残留ガスが得られる
。Ｈ２含有ガスは、一般に。 元のＩ＋、Ｍｋの５〜４５％の量の１１．を含む、この
残留ガスは、スチームリフオーミングステップのための
燃料として有利に用いることができる。 ０、の転化率は、一般に、１１．の転化率より低い。 この■的では空気が最もよく使用されるので、残留ガス
は、もし必要ならば熱を回収後、放出される。 転化反応器からのガスは第３ステツプで処理され、燃料
電池ユニットのための好適な供給ガスとする。熱交換を
最大限行うことは最高の効率につながり、同時に又、異
なったステップの適切な温度制御にもつながる。 転化反応器の運転温度は燃料電池の運転温度に近接した
温度とする。転化反応器の温度は燃料電池の温度よりも
（１＾かに高いのが好ましい、スチームリフォーミング
からの供給ガスは温度が高すぎて、転化反応器へはその
まま直ぐには供給できず、それ故望ましい温度にまで冷
却する必要がある。 本発明の方法を実施するときには、この冷却はスチーム
生成システムにおける熱交換手段、例えば、スチーム　
ドラムを用いて行うことができる。 過剰の熱はスチームに変換され、他方では、転化反応器
の入「１部度の理想的な温度コントロールが果たされる
。 転化反応器からの水素リッチなガス流体は、まず、過剰
のスチームと、もし存在すれば、不純物を凝縮、分離す
るｎ；Ｉに冷却される。このガスは約２５〜７５℃温度
で得られるようになり、その後約１５０〜２５０℃に予
備加熱される。これは、系中に発生するスチームにより
、例えばスチームの凝縮によって容易に果たされる。 燃料電池から排出される熱もスチームに変換される。ス
チーム系の熱バランスは、スチームの生成が全プラント
の要求を十分に満足させことを示す、それにより、スチ
ームを放出することで全体のシステムを安定状態に維持
することが可能となり、更に、改静と１１１純化が果た
される。スチームは、放出する０；Ｉに、ボイラーの供
給水の説ガスに用いることができる。 次に、本発明の方法の実施態様のブロック線図を示す添
付の図面を参照して、本発明を更に説明する。 炭化水素をベースとする燃料をライン１を通って脱硫器
２へ供給する。脱硫された燃料はライン３を通ってスチ
ームリフオーマ−４に送られるが、そのｎ；Ｉに、燃料
はライン５を通って供給されるスチームと混合しておく
、又、ライン６を通って、燃料（燃料ガス）はスチーム
リフオーミングのために供給されるが、この燃料はこの
プロセスの後攻の部分から来るものである。望まれるな
らば、付加的燃料をライン７を通ってスチームリフオー
マ−４へ供給される。０．含有ガスはライン８を通って
燃焼のために供給される。生成するＨ２及びＣ０を含有
するガスはライン９を通って熱交換器１０へ送られ、そ
こで、ラインｌｌａ及びラインｌｌｂを通って供給、還
流される熱交換器によって所望の温度にまで冷却される
。スチーム　ドラム１２において。 この熱はスチームに変換される。 こうして冷却されたガスはラインＩ３を通って転化反応
器１４へ供給される。この反応器において。 ガスの中に存在するＣＯの大部分が、ガス中に既に存在
するスチームで転化されて水素ガスとなる。 このガスはライン１５を通って熱交換器１６へ送られ、
そこで、ライン！７により供給及び還流される冷却水に
よって冷却される。ラインＩ８を通って、このガスはノ
ックアウト　ドラム（ｋｎｏｃｋ−ｏｕｔ　ｄｒｕｍ）
　１９に送られ、そこで、凝縮した不純物及び水は分離
され、ライン２０を通って排出される。 このようにして精製され乾燥されたガスはライン２１を
通って熱交換２２へ送られ、そこでライン２９ｂを通っ
て供給されるスチームによって加熱される０反対に凝縮
されたスチームはライン２９ａを通ってスチーム　ドラ
ム１２へ返される０次に、ライン２４を通って、１１５
含有ガスは燃料電池ユニット２５のアノード室へ供給さ
れる。 ライン２６及びライン２６ｎを通って、空気のようなＯ
１含有ガスは燃料電池ユニット２５のカソード室へ供給
される。ライン２６ａには、熱交換器２７が設けられ、
そこで、熱交換ｐＪ２２について記載したのと同じやり
方で、ガスはスチームで加熱される。 このスチームの供給と、凝縮されたスチームの還流はラ
イン２８ａとライン２８ｂを通って行われる。 −に記したやり方は、別の熱交換器２２及び２７を用い
る場合である。スチーム　ドラム１２において熱交換を
行うことも可能である 燃料電池ユニット２５において、電気が発生し、それは
ライン２９を通って取り出される。ライン３０を通って
、まだＯｌを含有する残留ガスを取り出す。 まだＩ＋、を含有する残留ガスはライン６を通して取り
出し、燃料ガスとしてスチームリフオーマ−４へ返す。 ライン３１ａを通して水を燃料電池ユニット２５へ供給
して余剰の熱を取り、水はその後ライン３１ｂを通って
スチーム　ドラムＩ２へ返し、そこでスチームが生成さ
れる、 燃料電池ユニット２５のための冷却回路を１つの積分ス
チームシステムの１部として組込むことができるが、燃
料電池ユニットから熱を除去するための密閉型の冷却回
路を用いることも有利である。その場合、水又はその他
の熱伝達液のような液体によって熱を燃料電池ユニット
から除去される。その熱は、熱交換器を通して池のプロ
セス流体に伝達することができ、その一方、余剰の熱は
プロセススチームへ変換される。 生成する余剰のスチームはライン３２を通して取出され
、これは全体の系の温度をコントロールするように作用
する。 次に本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本
発明の範囲は実施例に限定されるものではない。 【実施例】 添付の図面に示したプラントを用い、燐酸をベースとす
る燃料電池を使用して、１００キロモル／時の流速で天
然ガス〔スロクテレンガス（Ｓｌｏｃｈ−ｔｅｒｅｎ　
ｇａｓ））を３８，４７４．ＯｋＪ／ｋｇのエネルギー
で供給した。スチームリフオーマ−の供給原料において
、スチーム／炭素比は３．３とし、温度は７３０℃、圧
は１．３バールであった。メタンスリップ（ｍａＬｌｔ
ａｎ６５ｌｉｐ）は０．４４％（ドライ）であった。 生成するＨ２及びＣＯを含有するガスを２００℃に冷却
し、転化反応器へ供給し、反応器は約２５０℃の温度で
稼働した。取り出された熱は用いられ、圧８バール、温
度１７０℃のスチームを生成した。 転化反応器で生成したガスは冷却し、凝縮物は分離した
。得られたガスは３４５．５キロモル１時の１１゜を含
有しており、これをスチームにより１６０℃に加熱し、
燃料電池ユニットへ供給した。燃料電池の運転温度は鳳
８０℃であった。直流電気の発生量は８．８ＭＷであり
、一方、８．７ＭＷの低圧スチームが発生し、このスチ
ームはシステムの別の部分で用いた。 供給ＩＩ、の約８０χが転化された。残留ガスは天然ガ
スと共にスチームリフオーマ−へ供給した。 このスチームリフオーマ−は６．９ＭＷを使い、そのう
ち５，２ＭＷが取り出され、それは７５％の効率に相当
した。 プラントへの全パワー供給量は２１　、６ＭＷであった
。 プラントのエネルギー必要量を勘案すると、効率は、発
生した交流量の供給原料の“低加熱値（ｌｏｗｅｒ　ｔ
ｒｅａｔｉｎｇ　ｖａｌｕｅ）”に対する比（Ｘ１００
％）としてｌＩ［ｎシテ、約３９％　テアツｆ＝　。

【図面の簡単な説明】

添付の図面は本発明の方法の１つの実施態様を示すブロ
ック線図である。 ｌ：燃料ライン ２：脱硫器 ４ニスチームリフオーマ− １Ｏ；熱交換器 １４：転化反応器 １６：熱交換器 １９：ノックアウト　ドラム ２２：熱交換器 ２５：燃料電池ユニット ２６：酸素含有ガス供給ライン 特許出願人　ケーティーアイ　グループビー、ブイ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１種以上の炭化水素をベースとする燃料から電気を
   発生する方法にして、 燃料をＨ＿２及びＣＯを含有するガスに接触転化し、得
   られたガスを少なくとも１つの転化反応器に供給し、そ
   こで、存在するＣＯの少なくとも１部をＨ＿２に転化し
   てＨ＿２含有ガスを生成させ、生成したＨ＿２含有ガス
   を少なくとも１つの燃料電池ユニットのアノード室に供
   給し、その際、燃料電池ユニットの運転温度と転化反応
   器へ供給されるガスの温度との差が５０℃を超えないよ
   うにし、燃料電池ユニットとしてその運転温度が少なく
   とも１２５℃のユニットを用い、 燃料電池ユニットをその温度に維持してプロセススチー
   ムを生成させ、そのプロセススチームも燃料電池への供
   給物の加熱に用いる、 ことを特徴とする電気を発生する方法。 ２、Ｈ＿２及びＣＯを含有するガスを転化反応器の運転
   温度に冷却してプロセススチームを生成する請求項１の
   方法。 ３、Ｈ＿２及びＣＯを含有するガスの冷却及び燃料電池
   ユニットの運転温度の維持によるプロセススチームの生
   成を、１つの同じ積分形反応器中で行う請求項１又は２
   方法。 ４、生成する余剰の熱を用いて他のプロセス流体を加熱
   する請求項１〜３のいずれかの方法。 ５、Ｈ＿２含有ガスを冷却して不純物の大部分を凝縮す
   る請求項１〜４のいずれかの方法。 ６、出発燃料が天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、バイオガス
   、家庭廃物からのガス又は低級アルカノールである請求
   項１〜５のいずれかの方法。 ７、運転温度が１２５〜５００℃の間にある燃料電池ユ
   ニットを用いる請求項１〜６のいずれかの方法。 ８、燐酸をベースとする燃料電池を用いる請求項１〜７
   のいずれかの方法。 ９、スチームシステムの運転温度と燃料電池の運転温度
   との差が５０℃を超えない請求項１〜８の方法。 １０、温度差が５〜２５℃の間にある請求項９の方法。 １１、Ｈ＿２及びＣＯを含有するガスの接触転化を６０
   ０〜１０００℃の間の温度で行う請求項１〜１０の方法
   。