JP5085358B2 - 固体酸化物形燃料電池−水素製造システム - Google Patents
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Description
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記固体酸化物形燃料電池システムにおけるオフガス燃焼器の燃焼排ガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とするようにしてなることを特徴とする。
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記固体酸化物形燃料電池システムにおけるオフガス燃焼器の燃焼排ガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とし、且つ、
(d)前記精製水素の一部を分岐し、前記固体酸化物形燃料電池ユニットにおける負荷に対応して前記精製水素の分岐量を調整するようにしてなることを特徴とする。
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記固体酸化物形燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐したガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とするようにしてなることを特徴とする。
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記固体酸化物形燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐したガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とし、且つ、
(d)前記精製水素の一部を分岐し、前記固体酸化物形燃料電池ユニットにおける負荷に対応して前記精製水素の分岐量を調整するようにしてなることを特徴とする。
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムと原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記予備改質器においてオフガス燃焼器での燃焼排ガスを熱源として生成した粗改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットの燃料とし、
(c)前記メンブレンリアクタにおいて、前記予備改質器を経た燃焼排ガスを熱源として燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(d)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とするようにしてなることを特徴とする。
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムと原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記オフガス燃焼器での燃焼排ガスを二つに分岐し、
(c)前記予備改質器において、前記分岐した一方の燃焼排ガスを熱源として生成した粗改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットの燃料とし、
(d)前記メンブレンリアクタにおいて、前記分岐した他方の燃焼排ガスを熱源として燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(e)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とするようにしてなることを特徴とする。
従来型態様Aは、水蒸気供給方式且つ別系統水素製造方式を採る態様である。図1は態様Aの場合を説明する図である。予備改質システム、SOFCシステムに加えて、原燃料の改質系とは別系統の水素製造用改質器を備える。
従来型態様Bは、水蒸気供給方式且つオフガス浄化型水素製造方式を採る態様である。ここで“オフガス浄化型”とは、(a)アノードオフガスに含まれる水蒸気の凝縮、除去、(b)アノードオフガスに含まれるCOのシフト反応による水素への変換、(c)吸着剤によるアノードオフガスに含まれるCO2の除去、あるいはこれら(a)〜(c)を併用することにより、分岐アノードオフガス中の水素の濃度を高めることを意味する。
従来型態様Cは、燃料リサイクル方式且つ別系統水素製造方式を採る態様である。図3は態様Cの場合を説明する図である。図3のとおり、予備改質システム、SOFCシステムに加えて、原燃料の改質とは別系統の水素製造用改質器を備える。そして、SOFCユニットから排出されるアノードオフガスを分岐してSOFCユニットでの燃料としてリサイクルする。具体的には、SOFCユニットからオフガス燃焼器へのアノードオフガス導管に分岐管を設け、当該分岐管でアノードオフガスを分岐する。
従来型態様Dは、燃料リサイクル方式且つオフガス浄化型水素製造方式を採る態様である。図4は態様Dの場合を説明する図である。図4のとおり、SOFCシステム内のSOFCユニットから排出されるアノードオフガスを分岐する。具体的には、SOFCユニットからオフガス燃焼器へのアノードオフガス導管に分岐管を設ける。そして、当該分岐管で分岐したアノードオフガスを順次、熱交換器2、予備改質器、熱交換器1に通して水蒸気を凝縮、除去して水素を製造するとともに、予備改質器の下部に“分岐”として示すとおり、予備改質器を経たアノードオフガスの一部を分岐してSOFCの燃料としてリサイクルする。
ここで、以上の従来型コプロダクションシステムの態様A〜Dのうち、態様A(水蒸気供給方式且つ別系統水素製造方式)(図1)を例に、100kW級のSOFCユニット(運転温度=950℃)を使用するコプロダクションシステムについて、その運転時における熱バランスの例を示すと図5のようになる。態様B〜Dについても同様である。
なお、水気化器、熱交換器5、熱交換器1を経た燃焼排ガスは400℃程度となるが、これは予備改質器を経た燃焼排ガスの保有熱による水気化器、熱交換器5、熱交換器1での熱交換量をそのような温度となるように制御するものである。
前述態様Aのような従来型のコプロダクションシステムにおいては、原燃料の改質系とは別系統の水素製造用改質器での改質には少なくとも700℃程度の温度を必要とする。このため、SOFCの排熱を十分利用するようなシステム設計が困難であったり、排熱利用が有効に行えず、“SOFCユニット+水素製造システム”における構成上の自由度が小さくなり、その温度上の制約から、実際に製造可能な水素量が低減するデメリット、すなわち実際に製造できる水素量が少なくなるという問題があった。
本発明(1)は、(a)SOFCユニット、オフガス燃焼器を含むSOFCシステムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記SOFCシステムにおけるオフガス燃焼器の燃焼排ガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記SOFCユニットでの発電用燃料とするようにしてなるSOFC−水素製造システムである。
本発明(3)は、(a)SOFCユニット、オフガス燃焼器を含むSOFCシステムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記SOFCユニットからのアノードオフガスを分岐したガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記SOFCユニットでの発電用燃料とするようにしてなるSOFC−水素製造システムである。
本発明(5)は、(a)SOFCユニット、オフガス燃焼器を含むSOFCシステムと原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、(b)前記予備改質器においてオフガス燃焼器での燃焼排ガスを熱源として生成した粗改質ガスを前記SOFCユニットの燃料とし、(c)前記メンブレンリアクタにおいて、前記予備改質器を経た燃焼排ガスを熱源として燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、(d)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記SOFCユニットでの発電用燃料とするようにしてなるSOFC−水素製造システムである。
本発明(6)は、(a)SOFCユニット、オフガス燃焼器を含むSOFCシステムと原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、(b)前記オフガス燃焼器での燃焼排ガスを二つに分岐し、(c)前記予備改質器において、前記分岐した一方の燃焼排ガスを熱源として生成した粗改質ガスを前記SOFCユニットの燃料とし、(d)前記メンブレンリアクタにおいて、前記分岐した他方の燃焼排ガスを熱源として燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、(e)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスをSOFCユニットでの発電用燃料とするようにしてなるSOFC−水素製造システムである。
ここで、〈本発明(1)の態様例〉〜〈本発明(6)の態様例〉のうち〈本発明(5)の態様例〉(図11に相当する)を例に、100kW級のSOFCユニット(運転温度=950℃)を使用する“メンブレンリアクタを組み込んだコプロダクションシステム”について、その運転時における熱バランスの例を示すと図13のようになる。〈本発明(1)の態様例〉〜〈本発明(4)の態様例〉、〈本発明(6)の態様例〉についても同様である。
図14は、前述図1、図5に示す従来型のコプロダクションシステム(図14中“従来型改質器システム”と記載)と本発明に係るメンブレンリアクタを組み込んだコプロダクションシステム(図14中“メンブレンリアクタシステム”と記載)との水素製造量の違いを示した図である。図14中、横軸はSOFCシステムサイズ、すなわちSOFCユニット(運転温度=950℃)での定格発電出力(kW)、縦軸は発電出力(kW)に対応する水素製造量(Nm3/h)である。
Claims (7)
- メンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システムであって、
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記固体酸化物形燃料電池システムにおけるオフガス燃焼器の燃焼排ガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とするようにしてなることを特徴とするメンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システム。 - メンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システムであって、
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記固体酸化物形燃料電池システムにおけるオフガス燃焼器の燃焼排ガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とし、且つ、
(d)前記精製水素の一部を分岐して前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料である前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスに混入し、前記固体酸化物形燃料電池ユニットにおける負荷に対応して前記精製水素の分岐量を調整するようにしてなることを特徴とするメンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システム。 - メンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システムであって、
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記固体酸化物形燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐したガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とするようにしてなることを特徴とするメンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システム。 - メンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システムであって、
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記メンブレンリアクタにおいて、前記固体酸化物形燃料電池ユニットからのアノードオフガスを分岐したガスを熱源として原燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(c)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とし、且つ、
(d)前記精製水素の一部を分岐して前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料である前記CO、水素、水蒸気を含むオフガスに混入し、前記固体酸化物形燃料電池ユニットにおける負荷に対応して前記精製水素の分岐量を調整するようにしてなることを特徴とするメンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システム。 - メンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システムであって、
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムと原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記予備改質器においてオフガス燃焼器での燃焼排ガスを熱源として生成した粗改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットの燃料とし、
(c)前記メンブレンリアクタにおいて、前記予備改質器を経た燃焼排ガスを熱源として燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(d)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガス(MRオフガス)を前記予備改質器に供給する原燃料に混合して前記固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とするようにしてなることを特徴とするメンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システム。 - メンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システムであって、
(a)前記固体酸化物形燃料電池−水素製造システムが固体酸化物形燃料電池ユニット、オフガス燃焼器を含む固体酸化物形燃料電池システムと原燃料の予備改質器を含む予備改質システムとメンブレンリアクタを含むシステムからなり、
(b)前記オフガス燃焼器での燃焼排ガスを二つに分岐し、
(c)前記予備改質器において、前記分岐した一方の燃焼排ガスを熱源として生成した粗改質ガスを前記固体酸化物形燃料電池ユニットの燃料とし、
(d)前記メンブレンリアクタにおいて、前記分岐した他方の燃焼排ガスを熱源として燃料を改質、精製して水素を製造するとともに、CO、水素、水蒸気を含むオフガスを生成し、
(e)前記CO、水素、水蒸気を含むオフガス(MRオフガス)を前記予備改質器に供給する原燃料に混合して固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とするようにしてなることを特徴とするメンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システム。 - 請求項5または6に記載のメンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システムにおいて、固体酸化物形燃料電池ユニットにおける負荷に対応してメンブレンリアクタで製造した水素を分岐して固体酸化物形燃料電池ユニットでの発電用燃料とするようにしてなることを特徴とするメンブレンリアクタを利用した固体酸化物形燃料電池−水素製造システム。
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