JPH0233867A - ヒートポンプとりん酸型燃料電池を組み合わせた発電システム - 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】 （産業上の利用性） 本発明は燃料電池を用いた発電システムに関する。更に
詳しくは、本発明は、大規模発電に適合することのでき
る、りん酸型燃料電池を用いた新規な発電システムに関
する。

（従来の技術） 陽極に酸素、陰極に水素を供給して燃焼せしめ生ずる水
を外部に除去する酸水素電池は最も箔単な燃料電池とし
て知られており、人工衛星等において既に実用されてい
る。このような酸水素電池の出力を大きくしたり、長期
的運転を目的とする場合には、水素を大量且つ連続的に
生成させる必要があるために、リフオーマ−を用いて、
メタンやナフサのような炭化水素類又はメタノール等の
アルコールを加水分解（水蒸気改質）するこ≧が行われ
ている。この場合燃料電池における燃焼反応による排熱
はｉ　ｏ　ｏ　’ｃ〜２５０　’Ｃにのぼるが、リフオ
ーマ−における加水分解は少なくとも３００°Ｃ以上の
加熱が必要であるため、そのままでは前記排熱を有効に
利用することができない。

そこで、このリフオーマ−と燃料電池の系に、前記排熱
を低熱源、リフオーマ−を高熱源とするヒートポンプを
組み入れることによってトータルとして電力への変換効
率を改善することができる。

（発明が解決しようとする課題） 上記の如き、リフオーマ−１燃料電池及びヒートポンプ
の組み合わせからなる発電システムは、電力需要に変動
がない場合にはかなり良いシステムである。しかしなが
ら、一般には、電力需要は季節により及び／又は−日の
うちの時間帯により変動する。従って、このような変動
に対応するためには、燃料電池の燃焼量を加減させなけ
ればならない。このような燃料電池の燃焼量の加減自体
は容易であり、これが燃料電池の大きな利点でもあるが
、リフオーマ−からの水素の供給量を前記燃料電池の燃
焼量の加減に追随せしめる事は、水素の供給が化学的分
解反応によってなされているために応答の迅速性に欠け
て得策ではない上、コスト的にも不利となることをまぬ
がれずこれが燃料電池を大規模発電に利用する上での大
きな障害となっていた。

本発明者はかかる欠点を解決すべく鋭意検討した結果、
ヒートポンプとして水素化・脱水素反応を利用するケミ
カルヒートポンプを採用し、ヒートポンプに水素のりザ
ーバーとしての役割を担わせることにより、リフオーマ
−の運転を一定としても燃料電池の出力を加減すること
ができることを見いだし本発明に到達した。

従って本発明の第１の目的は、電力需要に対応して容易
且つ効率的に出力を加減することのできる燃料電池を用
いた発電システムを提供することにある。

本発明の第２の目的は、大規模発電に適する燃料電池を
用いた高効率の発電システムを提供することにある。

本発明の第３の目的は、燃料電池を用いた大規模発電に
おいて、電力需要の変動に、迅速且つ効率的に対応する
ための方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の上記の諸口的は、リフオーマ−における分解反
応により発生する水素を酸素と共に燃焼せしめて発電す
るりん酸型燃料電池発電システムにおいて、該システム
中に燃料電池で発生する排熱を汲み上げてリフオーマ−
における分解反応の熱源として補給する如（ケミカルヒ
ートポンプを組み入れた発電システムであって、該ケミ
カルヒートポンプシステム中の化学反応として可逆的な
水素化・脱水素反応を採用し１．電力需要が小さい場合
にはリフオーマ−から発生した水素の一部をケミカルヒ
ートポンプシステムの系中に取り込んで水素化反応に供
給し該水素化反応の生成物として水素を貯蔵すると共に
、電力需要が大きい場合には、前記水素化反応生成物を
大量にケミカルヒートポンプシステムのサイクル中に供
給して脱水素反応を行わせ、発生した水素の一部を燃料
電池に補給することを特徴とするヒートポンプとりん酸
型燃料電池を組み合わせた発電システムによって達成さ
れた。

本発明で使用するリフオーマ−とは、水素を生成する加
水分解反応のための公知の化学反応装置である。この加
水分解反応は、一般に （ＲＨ又はＲＯＭ）＋ｆＨ２０−＋ｎＨ，＋ｍＣ０ｚで
表される吸熱反応であって、ＲＨ及びＲＯＨはＣ３〜Ｃ
７の飽和炭化水素、メタノール、ナフサ等、上記の反応
式に従って効率良く水素を生成する物質の中から適宜選
択することができるが、特に反応温度との関係で、メタ
ン、エタン、プロパン、ブタン又はメタノールが好まし
い。

リフオーマ−における分解反応を容易にするために、通
常触媒を使用する。これらの触媒としては例えば、飽和
炭化水素に対してはＲｈ、Ｒ＋１、Ｎｉ等、メタノール
に対してはＣｕが好ましいが、本発明においてはその他
適宜公知の触媒の中から選択して使用することができる
。

本発明においては、燃料電池として酸素と水素を燃焼さ
せる公知のりん酸型燃料電池を、その出力や規模に応じ
て適宜設計して用いることができる。このようなりん酸
型燃料電池の詳細は、例えば「エネルギー・資源」、第
８巻、第４号、４３−５１頁（１９８７年）及び「ベト
ロチツク（ＰＥＴＲＯＴＥＣＨ）Ｊ第１１巻、第７号、
１６２１頁（１９８８年）に記載されている。ここで使
用する酸素は、空気の液化によって容易に得ることがで
きるが、水素の方は、上記リフオーマ−における分解生
成物を使用する。

一般に、酸素と水素の燃焼反応の温度を１０００°Ｃ以
上にすることは容易であるが、りん酸型燃料電池の燃焼
反応によって電力を得るためには、反応温度を約１００
°Ｃ〜２５０°Ｃ１特に１５０°Ｃ〜２００°Ｃとする
ことが好ましく、これによって取り出すことのできる電
力は、エネルギー換算にして約３５％〜４０％である。

従って本発明において、上記燃焼反応によって生ずる排
熱は、約１００°Ｃ〜２５０℃である。

しかるに、前記リフオーマ−の加水分解反応は、反応温
度が最も低いメタノールの場合でも約２５０°Ｃ〜３５
０°Ｃであり、メタンの場合には約４００″Ｃ、ブタン
の場合には約４００　’Ｃ〜５００　’Ｃであるので、
上記りん酸型燃料電池の排熱を直接リフオーマ−の加水
分解反応に利用することはできない。

そこで、本発明ではりん酸型燃料電池の排熱を低熱源、
リフオーマ−の反応装置を高熱源とし、低熱源の熱を高
熱源へ供給するためのヒートポンプを使用する。この目
的のためには、１００　’Ｃ〜２５０　’Ｃ１好ましく
は１５０°Ｃ〜２００°Ｃの低熱源から熱を吸収して３
００°Ｃ〜４００　’Ｃ以上の熱を放出することのでき
るヒートポンプを使用することが必要である。このよう
なヒートポンプは、種々の化学反応を利用したケミカル
ヒートポンプの中から、適宜選択することができる。し
かしながら、本発明においては、ヒートポンプを単なる
排熱の利用に使用するのみではなく、燃料電池の一方の
原料である水素のりザーバーとしての機能をも持たせる
ことを目的とするため、特に、水素化・脱水素反応を利
用したケミカル・ヒートポンプを使用する必要がある。

即ち、本発明においては、特企こ、１００°Ｃ〜２５０
°Ｃの熱を吸収して３００°Ｃ〜３５０°Ｃ以上、好ま
しくは４００°Ｃ以上の熱を放出する、水素化・脱水素
反応を利用したケミカル・ヒートポンプを使用する。

このようなケミカル・ヒートポンプに利用することので
きる水素化・脱水素反応としては、例えばアセトン−イ
ソプロピルアルコール、ベンゼン−シクロヘキサン、キ
ノリン−テトラヒドロキノリン等の反応を挙げることが
できるが、特に放出する熱の温度を３００°Ｃ以上とす
ることができるノ１） 点で、ベンゼン−シクロヘキサン及びキーンーテトラヒ
ドロキノリンの反応系が好ましく、特に経済性の観点か
らベンゼン−シクロヘキサンの反応系を用いることが好
ましい。

本発明の発電システムは、前記のリフオーマ−（Ｒ）と
りん酸型燃料電池（Ｖ）及びケミカル・ヒートポンプ（
Ｈ）をサイクリックに結合する（第１図参照）。

以下、リフオーマ−の反応としてＣＨ，ＯＨ十Ｈ，Ｏ→
３Ｈ，＋ＣＯ□で表されるメタノールの加水分解反応を
採用し、ケミカル、ヒートボンブトしてベンゼン・シク
ロヘキサン系を用いた実施例によって本発明を作用と共
に、更に詳述する。

（作用） 通常の運転に際しては、リフオーマ−Ｒで発生した水素
は燃料電池に送られて燃焼し、電力Ｅを発生させる。こ
の場合、リフオーマ−において銅触媒を使用することに
よって上記の反応温度を約３００　’Ｃ〜３５０°Ｃと
する。燃料電池内における燃焼によって約２００°Ｃ〜
２５０°Ｃの排熱が発生ずるが、この排熱はベンゼン−
シクロヘキサン系のケミカル・ヒートポンプＨによって
汲み上げられ約４００°Ｃの熱がリフオーマ−Ｒに供給
される。

電力需要がＥ′に低下した場合には、リフオーマ−から
燃料電池へ供給する水素の量を減らし、余分の水素をケ
ミカルヒートポンプへ回送（第１図点線■）して ミカル・ヒートポンプの熱出力が小さくなってもリフオ
ーマ−への加熱熱量の一部として補足的に使用できるの
で、リフオーマ−の安定な操作が可能となる０次に電力
需要がＥより大きいＥ”に増大した場合には、リフオー
マ−から発生する水素を全量燃料燃料電池に供給するの
に加え、ケミカルヒートポンプにおける の反応によってシクロヘキサンに変換し、このシクロヘ
キサンの形でケミカル・ヒートポンプ中に水素を貯蔵す
る。シクロヘキサンは液体であるので実質的に大量の水
素を貯蔵することができる。

又、この反応は発熱反応であるので、電力需要の低下に
伴い燃料電池からの排熱を熱源とするケの反応で生ずる
水素を取り出して燃料電池へ供給する（第１図点線■）
。上記反応は吸熱反応であり、燃料電池の出力増大と共
に増大する排熱を有効に使用する化学蓄熱の働きをする
ことにもなる。

以上の如く、ケミカル・ヒートポンプにりん酸型燃料電
池の排熱有効利用の機能とともに水素の貯蔵庫としての
機能を付加することにより、燃料電池の電力需給及び熱
需給バランス対応を無駄なく行うことができる。

従って、例えば１日の平均電力需要をＥとし、過不足な
くその電力Ｅを供給する如くリフオーマ−を運転すれば
、リフオーマ−の稼働を特別制御しなくても、弁の開閉
によって水素の流れを代えることによって無駄なく燃料
電池の出力を需要電力とバランスさせることができる。

勿論、全コストの観点から、リフオーマ−の稼働を多少
変動させても良いことは当然であるが、少なくとも、短
時間の内に生ずる電力需要の変動に対して迅速な対応に
不向きな化学プラントの稼働を変動させて対処しなけれ
ばならないという従来の欠点を払拭した点が本発明の最
大の特長である。

（発明の効果） 以上詳述した如く、本発明の発電システムは燃料電池か
ら生ずる排熱を有効に利用することができるのみならず
、電力需要の短期間内の変動に対して迅速且つ確実に対
応することができる上、リフオーマ−の最大稼働によっ
て製造する水素量より更に多くの水素を燃料電池に供給
し得るから、燃料電池の最大出力とリフオーマ−の水素
製造最大能力を必ずしも１対１に対応させる必要がなく
、従って、従来以上に発電システム全体に占めるリフオ
ーマ−の割合を小さくすることができるという利点もあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の発電システムの構成を表す概略図で
ある。図中、Ｒはリフオーマ−１■はりす。又、■から
■１、■］からＲへの矢印は熱の移動、他の矢印は実線
、点線共に水素ガスの流れ方向を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）リフォーマーにおける分解反応により発生する水素
   を酸素と共に燃焼せしめて発電するりん酸型燃料電池発
   電システムにおいて、該システム中に燃料電池で発生す
   る排熱を汲み上げてリフォーマーにおける分解反応の熱
   源として補給する如くケミカルヒートポンプを組み入れ
   た発電システムであって、該ケミカルヒートポンプシス
   テム中の化学反応として可逆的な水素化・脱水素反応を
   採用し、電力需要が小さい場合にはリフォーマーから発
   生した水素の一部をケミカルヒートポンプシステムの系
   中に取り込んで水素化反応に供給し該水素化反応の生成
   物として水素を貯蔵すると共に、電力需要が大きい場合
   には、前記水素化反応生成物を大量にケミカルヒートポ
   ンプシステムのサイクル中に供給して脱水素反応を行わ
   せ、発生した水素の一部を燃料電池に補給することを特
   徴とする、ヒートポンプとりん酸型燃料電池を組み合わ
   せた発電システム。 ２）リフォーマーにおける分解反応が、メタノールの加
   水分解反応である請求項１に記載の発電システム。 ３）リフォーマーにおける分解反応がＣ＿１〜Ｃ＿４の
   飽和炭化水素から選択された少なくとも１種のガスの加
   水分解反応である請求項１に記載の発電システム。 ４）ケミカルヒートポンプシステム中の化学反応が、ベ
   ンゼン・シクロヘキサン系の水素化・脱水素反応である
   請求項１〜３の何れかに記載の発電システム。