JPH0377121B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシステム内で発生する低圧蒸気を利用
してリフオーミングするようにしたスチームリフ
オーミング方法に関するものである。

天然ガス、低級炭化水素等に水蒸気を添加し、
加熱して接触分解させ、水素等を製造するスチー
ムリフオーミングが行なわれるようになつてい
る。

従来のスチームリフオーミングについて、燐酸
型燃料電池発電システムに応用した例を第１図に
より説明すると、天然ガス等の原料Ｂは気液分離
ドラムａの蒸気Ｃの一部と混合されリフオーマｂ
に送られる。該原料Ｂも蒸気Ｃも圧力を持つた状
態で供給され、リフオーマｂ内のリフオーマチユ
ーブに送られ、一方バーナにより燃料が燃焼せし
められてリフオーマチユーブは外側から加熱され
るので、チユーブ内では下記式に示すような
反応が起こりCO、CO₂、H₂、H₂Ｏの混合ガスが
生成される。

CnH₂n₊₂＋nH₂Ｏ→ nCO＋（2n＋１）H₂ … CO＋H₂Ｏ→CO₂＋H₂ … 次いで、燃料処理装置ｃで上気式の反応が更
に進められCOが1V／Ｖ％以下とされると同時に
水分量が調整され、燃料ガスとして燃料電池ｄに
送られる。

一方、空気Ａは空気圧縮機ｅで圧縮され、その
一部が前記燃料電池ｄに送られ、残りはリフオー
マｂのバーナの燃焼用空気としてリフオーマｂに
送られる。

燃料電池ｄでは燃料ガス中のH₂と空気中のO₂
が電気化学的に次の反応を起こし、電気と熱
を同時に発生する。

燃料極：H₂→2H⁺＋2e … 空気極：2H⁺＋2e＋１／２O₂→H₂Ｏ … 燃料ガス中のH₂の多くは燃料電池ｄ内で反応
するが、燃料電池ｄを出た燃料ガス中には未だ
H₂、CO等の可燃成分を含んでいるため、これを
リフオーマｂ及び燃焼器ｉで燃料として使用す
る。

燃料電池ｄで発生した熱はポンプｆにより送ら
れる水の一部が蒸発することによつて回収され、
燃料電池ｄの温度は一定に保持される。この蒸気
を含んだ水は気液分離ドラムａで水と蒸気に分離
され、蒸気Ｃの一部は前述の如くリフオーミング
の原料として原料Ｂと混合され、残りは凝縮器ｇ
で復水され、ポンプｈで再度気液分離ドラムａに
戻される。

一方、燃料電池ｄで一部の酸素を消費した圧縮
空気は燃焼器ｉで温度を上げ、排気ガスエクスパ
ンダｊで圧力回収して前記空気圧縮機ｅの駆動に
使用された後、大気に放出される。

そのため、以上のシステムは次の様な欠点を有
している。

（） リフオーマの加熱を燃料の燃焼によつて
行なつているため、ここで燃料を消費する分だ
けシステムの熱効率及び原料の使用効率が低下
する。

（） 空気圧縮機で圧縮する空気の量は燃料電
池用とリフオーミング用の和となり流量が多く
なる。従つて、燃焼器で消費する燃料も空気流
量に応じて多くなり、その分システムの熱効率
及び原料の使用効率を下げることになる。

（） 前記（）（）の理由で効率が悪くな
つた分だけ関連設備の容量が大きくなり、経済
的に不利となる。

（） リフオーマはバーナで加熱して高温で運
転するため、リフオーマチユーブの局部的加熱
が起こりやすく、リフオーマチユーブの損傷を
起こしやすい。

（） リフオーマチユーブが損傷し、原料ガス
が漏洩した場合周囲には燃焼用空気が存在する
ので危険性が高い。

（） バーナがあるため、失火した場合は爆発
の危険性もあり、自動運転をする場合に問題と
なる。又、システムとして考えた場合信頼性が
低いものとなる。

このほか、燃料電池で発生する蒸気はシステム
内で、消費する必要蒸気量を遥かに上回るが、低
圧蒸気であり用途がないため結局無駄に凝縮器で
熱を捨てざるを得なかつた。

本発明は上述の従来のリフオーミングの欠点を
除去する目的でなしたもので、リフオーミング原
料としてメタノール等の比較的低温低圧で分解す
るものを使用し、燃料電池の冷却によつて発生
し、気液分離ドラムで分離された低圧蒸気を蒸気
圧縮機で圧縮し、凝縮により温度を上げその凝縮
潜熱を加熱用熱源として利用することにより、利
用価値の低い低圧蒸気を有効利用し、システムの
熱効率を高めると同時に安全性、信頼性、経済性
を格段に向上させたスチームリフオーミング方法
にかかるものである。

以下、本発明を図面を参照しつつ説明する。

第２図は本発明のスチームリフオーミング方法
を利用した燐酸型燃料電池発電設備を示すもの
で、１は空気圧縮機、２は排気ガスエクスパン
ダ、３は燃焼器、４は燃料電池、５はリフオー
マ、６は燃料処理装置、７は気液分離ドラムであ
る。

メタノール等の原料Ｂをリフオーマ５に供給す
る燃料供給ライン８に、気液分離ドラム７からの
蒸気Ｃの一部を導く蒸気供給ライン９を接続して
ある。

該気液分離ドラム７からの蒸気Ｃの一部を蒸気
タービン１０に導いて該蒸気タービン１０を回転
させ、該蒸気タービン１０の動力により蒸気圧縮
機１１を駆動し、前記蒸気Ｃの残りを圧縮し、該
圧縮により高温高圧とした蒸気を圧縮蒸気供給ラ
イン１２により前記リフオーマ５に導入し、リフ
オーミングの熱源として使用する。

該リフオーマ５でリフオーミングされた燃料
（リフオームドガス）は燃料処理装置６によりCO
量を減少した後、燃料電池４に送られる。

該燃料電池４には空気圧縮機１により圧縮され
た圧縮空気が圧縮空気供給ライン１３により送ら
れ、前記リフオームドガス中のH₂と圧縮空気中
のO₂とが反応して熱と電気が得られる。該燃料
電池４で発生する熱は蒸気に変換され、気液分離
ドラム７で分離回収される。又、反応後のリフオ
ームドガス中にも可燃成分が含まれているため、
これと反応後の圧縮空気とを燃焼器３に送つて燃
焼させ、該燃焼ガスを排気ガスエクスパンダ２に
送つて圧力を回収し、前記空気圧縮機１の動力源
として使用する。図中、１４，１５，１６はポン
プ、１７は凝縮器を示す。

従来のシステムと最も大きく違う点は、リフオ
ーマ５の加熱を蒸気の凝縮熱によつて行なう点で
ある。

燃料電池４で発生し、気液分離ドラム７で分離
された蒸気Ｃは前述の如くリフオーミング原料と
して使う分を差し引いてもなお余剰がでる。しか
し、この蒸気Ｃは低圧であるため、このままでは
リフオーミングの熱源として使うことは出来な
い。従つて、空気圧縮機１１を設け、これで圧縮
して高圧とし、凝縮温度を高くして、リフオーミ
ングの加熱用熱源として使用する。

これにより、リフオーミングの際の加熱用燃料
及び燃焼用空気が不要となり、前記従来の欠点が
総て解消されることになる。

しかし、新たに蒸気圧縮機１１の消費動力が問
題となるが、蒸気タービン１０を設け、気液分離
ドラム７からの一部の低圧蒸気を導いて蒸気ター
ビン１０を回転し、この動力によつて蒸気圧縮機
１１を駆動するので問題はない。

以上述べたように、本発明のスチームリフオー
ミング方法によれば、下記の如き種々の優れた効
果を発揮する。

（） リフオーマの加熱をシステム内で発生す
る低圧蒸気の有効利用でまかなつているので、
従来のような加熱用の燃料が不要となり、シス
テムの熱効率が飛躍的に向上する。

（） リフオーマ用の燃焼空気が不要となるの
で、空気圧縮機の流量が減り、それに伴つて燃
焼器の燃料が減少し、システムの熱効率が向上
する。

（） 空気供給系統、燃料ガス生成系統の容量
が小さくなるので、経済的に有利となる。

（） リフオーマの加熱に蒸気の凝縮熱を使用
するので、リフオーマチユーブの局部加熱の心
配がなく、材質を下げることが出来ると同時に
リフオーマチユーブの損傷に対する問題が一掃
される。

（） 何等かの理由でリフオーマチユーブから
燃料ガスが漏洩しても、加熱源が蒸気であるの
で爆発の心配は全くなく、ガス検知も容易とな
るため、リフオーマの信頼性は飛躍的に向上す
る。

（） リフオーマにバーナがなくなるので、バ
ーナに関するトラブルが一掃される。

（） 運転の自動化が可能となり、負荷運転に
対する追随性が高められる。

以下に、本発明の実施例を挙げ、更に具体的に
説明するが、本発明はこれらによつて何等限定さ
れるものではない。

実施例 第３図は本発明の一実施例を示す熱・物質収支
図である。

メタノールタンク１８から液状のメタノール
98Kg−mol／Ｈをポンプ１９で約10ata迄昇圧す
る。一方、リサイクルブロワー２０で昇圧したリ
フオームドガス（188℃、8.5ata）88Kg−mol／
Ｈとポンプ１９で昇圧したメタノールを混合した
後、熱交換器２１に導いて加熱し、メタノールの
分圧を下げた状態で気化させる。これにより、リ
フオームドガスからの効果的熱回収が可能とな
る。

次いで、熱交換器２２で加熱した後、気液分離
ドラム７からの170℃飽和の水蒸気294Kg−
mol／Hrと混合し、更に熱交換器２３で加熱し
てリフオーマ５に導く。

リフオーマ５では主として下記の反応が起
こり、直接H₂リツチのガスが生成される。ここ
で使用する触媒としては、Zn−Cu系の二元触媒
等が適当である。

CH₃OH＋H₂Ｏ→CO₂＋3H₂ … CO₂＋H₂→CO＋H₂Ｏ … リフオーミングされたガスの温度は240℃、圧
力は7.84Kg／cm²、平均分子量は14.3、組成はCH₃
OH：0.2、CO：1.5、CO₂：96.3、H₂：291.9、H₂
Ｏ：196.2Kg−mol／Hrである。

このガスを熱交換器２３，２２，２１でリフオ
ーマ５へ供給する原料と順次熱交換して冷却し、
更に熱交換器２４で冷却水で冷却し、気液分離ド
ラム２５でドレンを分離し、燃料ガス中の水分を
既定量に調整する。この時発生するドレンはポン
プ２６で気液分離ドラム７に送られる。

水分量を調整された燃料ガスは熱交換器２７，
２８で加熱され、リサイクルブロワー３６で昇圧
されたリサイクル燃料と混合された後、燃料電池
４に供給される。

一方、空気の方はエアーフイルタ２９を通して
28000Kg／Hrの空気が低圧空気圧縮機１′に導入
され、圧縮後インタクーラ３０で冷却され、再度
高圧空気圧縮機１″で7.07ataまで圧縮され、調湿
用蒸気23.5Kg−mol／Hrを加えられ、燃料電池
４に導入される。

燃料電池では電気化学的に次の反応が起こり、
直流の電気と熱を発生する。

燃料極：H₂→2H⁺＋2e 空気極：2H⁺＋2e＋１／２O₂→H₂Ｏ ここで、発生する電気の流れについては第３図
では省略してある。

燃料電池４では265.5Kg−mol／HrのH₂を消費
し、10MWDCの電気と熱を発生し、この熱は170
℃飽和蒸気を682.8Kg−mol／Hr発生する。

燃料電池４を出た燃料ガスは一部はリサイクル
されるが、残りは熱交換器２８で燃料電池４に供
給する燃料ガスに熱を与えた後燃焼器３へ燃料と
して送られる。

又、空気側については、燃料電池４を出た一部
酸素を消費された空気は熱交換器３１，３２で冷
却し、気液分離ドラム３３で空気中の水分を回収
した後、燃焼器３に導かれる。この時発生したド
レンはポンプ３４で気液分離ドラム７に送られ
る。

燃焼器３で燃焼し、365℃まで温度が上昇した
燃焼ガスは高圧排気ガスエクスパンダ２″及び低
圧排気ガスエクスパンダ２′で圧力回収された後
大気に放出される。

燃料電池４から発生した682.8Kg−mol／Hrの
蒸気は空気加湿用に23.5Kg−mol／Hr、リフオ
ーミング原料用に294Kg−mol／Hrが使用され
る。又、リフオーマ加熱用蒸気については、
158Kg−mol／Hrを蒸気圧縮機で48ataまで圧縮
され、減温器３５で飽和蒸気とされ、リフオーマ
５の加熱用蒸気として供給される。なお、リフオ
ーミングの温度は高い程触媒の活性が高く、且つ
平衡上未反応メタノールの量が減少するので好ま
しいが、熱源である蒸気の圧力が高くなり、蒸気
圧縮機１１の消費動力が大きくなるので、実用的
には200〜270℃の範囲が適当である。本実施例で
は240℃を選定した。

更に、蒸気圧縮機１１を駆動するために蒸気タ
ービン１０を蒸気圧縮機１１と同軸上に配置し、
蒸気タービン１０に207.3Kg−mol／Hrの蒸気を
供給する。

蒸気タービン１０を出た蒸気は凝縮器１７で復
水され、ポンプ１５で気液分離ドラム７に戻され
る。

以上を要約すると、燐酸型燃料電池の原料とし
てメタノールを使用することにより、240℃程度
と非常に低温でリフオーミングが可能となる。

一方、燃料電池４から発生する蒸気は170℃飽
和程度で、リフオーマの熱源として利用できな
い。

従つて、低圧蒸気を蒸気圧縮機１１で圧縮して
凝縮温度を上げることにより加熱用熱源として使
用できるようにする。これによつてリフオーマの
加熱用燃料は不要となるが、今度は蒸気圧縮機１
１の動力消費がシステムの熱効率を下げる。これ
を避けるために蒸気圧縮機１１と同軸上に蒸気タ
ービン１０を配置し、そこに低圧蒸気を導入し、
蒸気圧縮機１１を蒸気タービン１０によつて駆動
する。

このようにすることにより、今迄燃料電池発電
システム内で役に立たなかつた低圧蒸気を使用し
て、外部から何等エネルギーを附加することな
く、リフオーミングを達成し、燃料電池に水素を
送ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスチームリフオーミングの系統
説明図、第２図は本発明のスチームリフオーミン
グ方法の系統説明図、第３図は本発明のスチーム
リフオーミング方法を燐酸型燃料電池発電システ
ムに応用した例の系統説明図である。 １，１′，１″は空気圧縮機、２は排気ガスエク
スパンダ、３は燃焼器、４は燃料電池、５はリフ
オーマ、７は気液分離ドラム、１０は蒸気タービ
ン、１１は蒸気圧縮機を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃料電池の冷却によつて発生し、気液分離ド
   ラムで分離された低圧蒸気のもつ潜熱を有効利用
   するために、前記低圧蒸気の一部を蒸気タービン
   に導いて蒸気タービンを回転させ、該蒸気タービ
   ンの動力により蒸気圧縮機を駆動して低圧蒸気の
   残りを圧縮し、高温高圧とした蒸気を圧縮蒸気供
   給ラインによりリフオーマに導入し、凝縮潜熱を
   利用してリフオーマを加熱し、該リフオーマ中で
   蒸気と原料との混合ガスを触媒の存在下にスチー
   ムリフオーミングを行なわせることを特徴とする
   スチームリフオーミング方法。