JP2005075676A

JP2005075676A - 水素製造システム

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Publication number: JP2005075676A
Application number: JP2003307300A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Fujimori; 俊郎藤森; Soichiro Kato; 壮一郎加藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP4424467B2

Abstract

【課題】改質ガス、従って、水素の経済的製造を可能とするとともに、地球環境や省エネの双方を含めた総合的な熱効率を飛躍的に高めた水素製造システムを提供する。
【解決手段】第１の燃焼器の第１の燃焼ガスによって回転駆動され、圧縮機２を回転駆動する第１のタービン４、第１のタービンの排気を再熱して第２燃焼ガスを発生させる第２の燃焼器５及び第２の燃焼ガスによって回転駆動され、負荷装置を駆動する第２のタービン６を備える再熱式ガスタービン２０と、第２のタービンの排気ガスの熱を利用して炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する改質手段７とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、再熱式ガスタービンの排気ガスの廃熱を利用してメタン等の炭化水素燃料から水素を含む改質ガスを発生させる水素製造システムに関する。

今日の地球温暖化の問題がクローズアップされる中、石油や石炭、天然ガス等エネルギ資源の有するエネルギを如何に効率的に、しかも経済的に電気等人間の生活に使用できるエネルギ形態に変換させるかという技術的課題がその重要性を増しつつある。このような課題を解決する手段の一つとして燃料電池があり、燃料電池自動車の実用化、燃料電池による分散型発電システムの開発等、燃料電池開発が活発化してきている。しかし、燃料電池開発にはその燃料である水素の経済的製造方法の開発が必要不可欠であり、これまで、（１）水の電気分解、（２）ガソリン、天然ガスやナフサ等炭化水素の改質等の技術開発が行われてきている。しかし、水の電気分解には大量の電気を必要としその総合的な効率は高いとはいえない。

一方、天然ガスやナフサ等の改質は、これらの原料を、１，１００Ｋ以上の高温で、水蒸気で改質することにより実施されている（例えば、特許文献１参照）。そのような高温にするために必要な熱量は、燃料の直接燃焼などにより得ているものが知られている。
特開２００３−９５６１０号公報

前述のように燃料電池の燃料としての水素の経済的生産の要求には極めて高いものがある。しかし、中小の分散型水素製造設備では、排熱回収の効率は低く、回収設備のコストも大となるため水素製造コストを押し上げている。しかも一般に水蒸気改質において使用している一般の炭化水素燃料の燃焼温度は、理論的には２，３００Ｋ以上であり、改質に必要な温度に比較して高温でありすぎ、燃焼熱の直接利用のエクセルギーが低い。

そこで、本発明においては、改質ガス、特に、水素の経済的製造を可能とするとともに、地球環境や省エネの双方を含めた総合的な熱効率を飛躍的に高めた水素製造システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明においては、第１の燃焼器の第１の燃焼ガスによって回転駆動され、圧縮機を回転駆動する第１のタービン、第１のタービンの排気を再熱して第２の燃焼ガスを発生させる第２の燃焼器、及び燃焼ガスによって回転駆動され、負荷装置を駆動する第２のタービンを備える再熱式ガスタービンと、第２のタービンの排気ガスの熱を利用して炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する改質手段とを備えることを特徴とする水素製造システムが提供される。

本発明（請求項１）は、再熱サイクルガスタービンを用いると、再熱により第２の燃焼ガスを昇温させ、第２のタービン出口の排気ガスを所望の温度、すなわち、炭化水素燃料の改質に好適な温度に設定できる点に着眼してなされたもので、排気ガスの排熱を効率的に利用して水素を製造するシステムである。
より詳細には、再熱なしのガスタービンでは、燃焼ガス（ここでは第１のタービン入口の第１の燃焼ガスがこれに該当する）のエネルギが圧縮機を回転させ、且つ外部仕事（発電装置の駆動）をさせることにより多量に消費されてしまい、タービン入口温度を許容限界に設定しても、排気ガス温度は、通常６５０Ｋ〜８５０Ｋまで低下してしまう。このような排気ガス温度で炭化水素燃料の改質を行うと、図２に示すようにこの温度領域における改質率は低く（０．１〜０．４）、そのままでは炭化水素燃料の水蒸気改質には使用できない。そこで、水蒸気改質のできる高温ガスを発生させるため、第１のガスタービンの排気ガスに改質ガスを加えて再熱して高温（１，５００Ｋ近く）の作動流体とした後、これに第２のタービンで膨張仕事をさせ、発電等を行った後でも、なお、第２のガスタービンの排気ガス温度を、炭化水素燃料の水蒸気による改質反応に必要な１，０００Ｋ程度の高温に保つことができる。そこでかかる排気ガスの熱を利用して、炭化水素燃料をより効率良く改質することができる。なお、かかる効率的な改質反応（改質率０．９以上）に必要温度は、炭化水素燃料として選択する燃料にも依存するが、概ね１，０００Ｋ〜１，１００Ｋ程度と考えられる。

発生した改質ガスの中から水素ガスを製品として抽出し、残余の改質ガス（以下「オフガス」という）については、ガスタービンを回転駆動させる燃焼ガスとして、第１又は第２の燃焼器又はその双方において燃料として使用することもできる（請求項３、４）。オフガス中には、未抽出の水素、一酸化炭素、水蒸気及び未反応の炭化水素燃料成分を含有するため燃料として利用でき、しかも改質反応時に高温に加熱されているため高温燃焼を容易に達成することができるためである。

このように、本発明（請求項１）は、（１）再熱サイクルガスタービンシステムにより炭化水素燃料の改質に必要な高温の排気ガスを得て、水素ガスを含む改質ガスを効率良く製造するとともに、（２）ガスタービン自体も高効率の発電等を行い、（３）改質ガスから水素を抽出した残りのオフガスは、燃料あるいは作動ガスとしても使用することにより、全体として、高いエネルギ利用効率を達成するものである。

このようにして得られた改質ガス中には、水蒸気等も含まれるが、水素濃度が２０〜５０％と高いことから、ＰＳＡ等の分離手段（請求項２）により容易に水素のみを分離することができる。
なお、オフガスの量が第１、第２の燃焼ガスの温度を各々に必要とされる温度まで昇温させるに不足する場合には、第１、第２の燃焼器へ直接燃料を供給し第２の改質ガス、排気ガスとともに燃焼させてもよい（請求項５、６）。これら、オフガス、排気ガス及び燃料の供給のバランスについては、製品として抽出すべき水素ガスの量や、水素製造システム全体としてのエネルギ効率等を考慮して設定する。水素を含む改質ガス製造を重視する場合には、改質ガスをすべてシステム外へ取り出し、各燃焼器へは、別途、直接、燃料を供給することも可能である。

炭化水素燃料の水蒸気改質後の改質排気ガスは、改質反応後においても十分に高温であるため、水蒸気供給手段として蒸気発生器（予熱器を含む）を使用した場合には、その熱源として使用することにより改質反応に必要な水蒸気を製造することができる。これにより、排気ガス中の排熱の回収が効率良く行われるのでシステム全体としての熱効率を更に向上させることができる（請求項７）。

また、改質率を更に高めるために第２のガスタービンの排気温度を更に追い焚きして、例えば、１，１００Ｋ程度にまで高めるために、第３の燃焼器において排気ガスをさらに再熱することもできる（請求項８）。
水蒸気供給手段から供給される水蒸気の一部を第１の燃焼器へ作動ガスの一部として供給することによりガスタービンとしての効率を向上させることもできる（請求項９）。

また、炭化水素燃料として水素成分の多いメタンを選択すると、副産物である一酸化炭素の発生を抑え、多量の水素を製造することができる（請求項１０）。
なお、改質手段としては、炭化水素燃料と水蒸気を使用するものであれば、いわゆるスチームリフォーミングに限定することなく、様々の方式を使用することが可能である。また、排気ガス温度を、各方式の最適温度範囲に対応した温度とすることのできるシステムであれば種々の形式のガスタービンを使用することができる。

また、第２のタービンによって行う外部仕事は、特に限定されず、発電装置や液体ポンプ等の負荷装置の駆動が種々考えられる。

本発明は、（１）再熱サイクルガスタービンシステムにより炭化水素燃料の改質に必要な高温の排気ガスを得て、水素ガスを含む改質ガスを効率良く製造するとともに、（２）ガスタービン自体も高効率の発電等を行い、（３）改質ガスから水素ガスを抽出した残りのオフガスは燃料あるいは作動ガスの一部としても使用することにより、全体として、高いエネルギ利用効率を達成することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の水素製造システムにかかる実施の形態を図１乃至６を参照して説明する。
本発明に係る水素製造システム１の構成を図１に示す。図１に示すように、本水素製造システム１は燃焼器（第１の燃焼器）３の燃焼ガス（第１の燃焼ガス）によって回転駆動され、圧縮機２を回転駆動するコンプレッサタービン（第１のタービン）４、コンプレッサタービン４の排気を再熱して再熱ガス（第２の燃焼ガス）を発生させる再熱燃焼器（第２の燃焼器）５及び再熱ガスによって回転駆動され、発電機（負荷装置）１０を駆動するパワータービン（第２のタービン）６を備える再熱式ガスタービン２０と、パワータービン６の排気ガスの熱を利用してメタン（炭化水素燃料）と水蒸気とを反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器７（改質手段）と、改質器７に、水蒸気を供給する蒸気発生器８（水蒸気供給手段）と、改質ガスから水素を抽出するとともに残余のオフガスを燃焼器（第１の燃焼器）３、再熱燃焼器５（第２の燃焼器）へ供給する分離器９（分離手段）とを備えて構成される。

なお、本明細書においては、炭化水素燃料を水蒸気改質して製造される改質ガスから製品として水素ガスを抽出した残余のガスをオフガスという。オフガス中には、未抽出の水素ガス、未改質の炭化水素ガス（本実施形態においてはメタンガス）、改質反応により発生した他のガス（炭化水素燃料としてメタンガスを使用した場合には一酸化炭素）、及び水蒸気が含まれる。

以下、主要な構成要素について説明する。
第１の燃焼ガスにより回転駆動されるコンプレッサタービン４は、軸２ａを介して圧縮機２に同軸に接続している。
再熱ガスにより回転駆動されるパワータービン６は、軸６ａにより発電機（負荷装置）１０に同軸接続している。

改質器（改質手段）７は、メタンガスの水蒸気改質を行い、製造された改質ガスを分離機９へ送出する機能を有し、また、改質反応後の排気ガスを、蒸気発生器８へ供給する。改質器７自体は、例えば、膜式改質器等公知のものを使用できるのでここでは説明を省略する。
蒸気発生器（水蒸気供給手段）８は、上記排気ガスの熱により水を気化させ、高温高圧の水蒸気を製造し改質器７へ供給するとともに、水蒸気の一部を、燃焼器３に、スチームインジェクションとして注入する機能を有する。なお、蒸気発生器８には図示しない予熱器を備えることとし、該予熱器により予め予熱された水を気化させることとしてもよい。この場合の予熱器による加熱にも排気ガスの熱が使用される。

分離器（分離手段）９は、前記改質ガスから、水素ガスを製品として抽出して、出力する、例えば、ＰＳＡ装置や、残余のオフガスを第１、第２の燃焼器にそれぞれ適宜の割合で供給する調節弁等により構成される。ＰＳＡ装置そのものは公知のものであるのでここでは説明を省略する。
次にこのように構成された水素製造システム１の動作について説明する。

圧縮機２で圧縮された空気が燃焼器３において分離器９から供給されたオフガスと混合され、燃焼する。オフガスの主成分は、一酸化炭素及び水蒸気であり、一部未抽出の水素ガス及び未反応のメタンガスを含む。燃焼器３内の圧力、温度は、通常のガスタービン程度であり、分離器９から供給されるオフガスの圧力もそれを上回るように設定される。前述のように、この際、必要に応じて蒸気発生器８から水蒸気の一部が、スチームインジェクションとして注入され、これが膨張仕事を増加させてガスタービンの効率を向上させる。

燃焼器３において発生した燃焼ガス（第１の燃焼ガス）がコンプレッサタービン４を回転駆動させ、圧縮機２を回転駆動させる。燃焼ガスの有する熱エネルギは、圧縮機２の回転駆動に消費されるため、コンプレッサタービン４の排気ガス温度は、或る程度低下する。該排気ガスが再熱燃焼器５に供給され、そこで再びオフガスと混合して燃焼し、高温（約１，５００Ｋ）の再熱ガス（第２の燃焼ガス）となり、パワータービン６を回転駆動させ、パワータービン６に接続した発電機１０を回転駆動し電力を得る。パワータービン６の排気温度は、圧縮機２の駆動に消費されることがないので、取り出す電力量の調整により、少なくとも１，０００Ｋ以上としたまま改質器７へ供給することができ、これは後述するようにメタンガスの改質反応を効率良く行わせるために十分な温度である。すなわち、図２に示すようにメタンガス（ＣＨ₄）と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とはかかる温度条件下（１，０００Ｋ）では、非常に高い効率で改質反応を生じ、水素Ｈ₂と一酸化炭素ＣＯとを主成分とする改質ガスが製造される。

なお、図２中、Ｓ／Ｃは、反応時に投入される水蒸気とメタンガスのモル比を示す。改質反応は、ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂で示されるが、図２から明らかなように改質率を十分に向上させるためには、Ｓ／Ｃを３〜４程度にする必要がある。したがって、反応後の改質ガスには水蒸気も含まれるが、例えば、Ｓ／Ｃが４で、温度条件を１，０００Ｋとすると、改質率はほぼ０．９であり、上記反応式から、メタン１モルと水蒸気１モルから水素３モルが生成することを考慮すると、改質ガス中の水素濃度は約４０％にまで達する。これに対し一酸化炭素濃度は高々１３％程度であり、残余の殆どは、水蒸気であるので、この水素濃度の高い改質ガスから分離器９により水素を容易に抽出し、燃料電池等の燃料として使用することもできる。

改質反応により製造された改質ガスは、前述のように分離器９へ供給されて、水素ガスは製品として抽出、出力され、残りのオフガスは、ガスタービンを回転駆動させる燃焼ガス燃料又は作動ガスとして使用される。
ところで、改質器７から排出された改質排気ガスは依然として８００Ｋ程度以上の高温であるため、蒸気発生器８の熱源として使用され、本水素製造システム１に使用する水蒸気の製造用として排熱が有効に使用できる。

本実施形態では、改質に必要な水蒸気は、改質器７の排気ガスの熱を利用して製造したが、例えばごみ焼却炉で発生させていた水蒸気が利用可能であればその水蒸気を直接改質器７へ供給するシステム構成として、蒸気発生器８を省略してもよい（図３参照）。この場合には、蒸気を製造するエネルギを、水素製造システム１へ供給される炭化水素燃料から供給する必要がなく、ごみ焼却等、従来、大気中へ放出していたエネルギから供給されるので、そのエネルギを除いて算出すると、本水素製造システム１のエネルギ効率は非常に高くなる。

なお、上記ごみ焼却炉から供給できる水蒸気の量が少ない場合には、ごみ焼却炉からの水蒸気と、蒸気発生器とを併用してもよい。
また、改質器７における改質効率をさらに向上させるために更なる高温を得る場合の追い焚き手段として、パワータービン６の排気をさらに第３の燃焼器１１に導き、改質ガスと燃焼させて排気ガス温度を上昇させるようにしても良い（図４参照）。図２から明らかなように、改質温度を上げるほど改質率が上昇する。例えば、メタンガスの場合、温度１，１００Ｋ付近で５気圧の場合、Ｓ／Ｃが４であれば、その改質率は１に近い。このため、係る温度領域で反応に投入する水蒸気量を適宜設定することにより水蒸気を含む改質ガス中の水素濃度を５０％近くにまで高めることが可能である。

また、パワータービン６の排気を熱交換器１２に接続し、蒸気発生器８から供給される水蒸気の一部と圧縮器２から抽気される圧縮空気とを混合した混合ガスを熱交換器１２により再熱して、スチームインジェクションとして燃焼器３に注入しても良い（図５参照）。
さらに、また、改質ガスから一酸化炭素を抽出して化学プラント原料や燃料として使用しても良い。そのような場合等に、燃焼器３、再熱燃焼器５において燃焼するオフガス量が不足する場合には、燃料の不足を補うため燃焼器３、再熱燃焼器５に直接燃料を注入しても良い（図６参照）。なお、図３〜図６中において図１と同じ符号を付した構成要素は既に説明した同一符号の構成要素と同じ機能を有し、各システムも容易に推定できることから、ここでは説明を省略する。

また、改質用の炭化水素燃料としてはメタンガスに限定されることなく、天然ガス、ナフサ、ＬＰＧ、灯油等も使用することができる。
本実施形態においては、パワータービンにより発電機が駆動される再熱式ガスタービンを好適例として説明したが、使用するガスタービンとしては、これに限らず、ガスタービンからの排気ガス温度が炭化水素燃料の改質に必要な高温であれば種々のガスタービンを使用することができる。

さらに本実施形態においては、分離器９により水素ガスのみを製品として取り出すこととしたが、水素ガスのみならず、改質ガスの一部から水蒸気や一酸化炭素を製品として取り出し、残余の改質ガスを燃焼器３、再熱燃焼器５に供給するようにしても良い。そのようなシステムについて、４，０００ｋＷクラスの再熱式ガスタービンを例として発明者が行った試算によれば、本水素製造システムにおけるエネルギの利用効率は、炭化水素燃料としてメタンガスを使用し、電力として取り出すエネルギを２８％程度まで抑えた場合には、改質ガスのエネルギは（水蒸気を除く水素と一酸化炭素のエネルギ）、４４％であり、合計して７０％以上のエネルギ効率が達成できる。さらに、外部から水蒸気の提供を受け、電力として取り出すエネルギを２２％程度とした場合には、改質ガスとして取り出すことのできるエネルギは７０％近くなり、全体として９０％もの高い効率を達成することが可能である。

なお、改質ガスを全てガスタービンの燃料として消費して電力を生産する場合のエネルギ効率は４５％程度である。

本発明の水素製造システムにかかる一実施形態のシステム構成図である。メタンと水蒸気の改質率の改質温度による変化を示すグラフである。本発明の水素製造システムにかかる別の実施形態のシステム構成図である。本発明の水素製造システムにかかる別の実施形態のシステム構成図である。本発明の水素製造システムにかかる別の実施形態のシステム構成図である。本発明の水素製造システムにかかる別の実施形態のシステム構成図である。

符号の説明

１水素製造システム
２圧縮機
３燃焼器（第１の燃焼器）
４コンプレッサタービン（第１のタービン）
５再熱燃焼器（第２の燃焼器）
６パワータービン（第２のタービン）
７改質器（改質手段）
８蒸気発生器（水蒸気供給手段）
９分離器（分離手段）
１０発電機（負荷装置）
１１第３の燃焼器
１２熱交換器
２０再熱式ガスタービン

Claims

第１の燃焼器の第１の燃焼ガスによって回転駆動され、圧縮機を回転駆動する第１のタービン、第１のタービンの排気を再熱して第２の燃焼ガスを発生させる第２の燃焼器、及び第２の燃焼ガスによって回転駆動され、負荷装置を駆動する第２のタービンを備える再熱式ガスタービンと、
第２のタービンの排気ガスの熱を利用して炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する改質手段と
を備えることを特徴とする水素製造システム。
前記改質ガスの水素ガスを抽出し、残余をオフガスとして送出する分離手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の水素製造システム。
第１の燃焼器は、オフガスを燃焼させて第１の燃焼ガスを発生させることを特徴とする、請求項２に記載の水素製造システム。
第２の燃焼器は、オフガスを燃焼させて第２の燃焼ガスを発生させることを特徴とする、請求項２に記載の水素製造システム。
第１の燃焼器は、オフガスを含む燃料を燃焼させて第１の燃焼ガスを発生させることを特徴とする、請求項２に記載の水素製造システム。
第２の燃焼器は、第１のガスタービンの排気とオフガスを含む燃料を燃焼させて第２の燃焼ガスを発生させることを特徴とする、請求項２に記載の水素製造システム。
前記水素製造システムは、
水蒸気供給手段を備え、
前記水蒸気供給手段は、前記改質手段から放出される改質排気ガスの熱を利用して前記水蒸気を発生させることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の水素製造システム。
第２のガスタービンの排気ガスを再熱して昇温させた後、前記改質手段に供給する第３の燃焼器を備えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の水素製造システム。
前記水蒸気供給手段は、第１の燃焼器に作動ガスの一部として水蒸気を供給することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の水素製造システム。
前記炭化水素燃料はメタンであることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の水素製造システム。