JP5301265B2 - Fuel cell system comprising an oxygen generator and a hydrogen generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は酸素生成装置と水素生成装置とを備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including an oxygen generator and a hydrogen generator.
近年、地球温暖化の原因物質の一つとして二酸化炭素が挙げられ、二酸化炭素排出量の削減が強く要望されている。このため、工場、ビル、自動車、家庭等の電力供給源として、燃焼による二酸化炭素の発生がない燃料電池の開発が進められている。燃料電池の燃料として水素が用いられるが、燃料の水素を随時供給できるように、オンサイト型の水素製造装置と燃料電池とを組み合わせた燃料電池システムの開発が活発化している。 In recent years, carbon dioxide is one of the causative substances of global warming, and there is a strong demand for reducing carbon dioxide emissions. For this reason, development of fuel cells that do not generate carbon dioxide due to combustion is being promoted as a power supply source for factories, buildings, automobiles, homes, and the like. Hydrogen is used as a fuel for a fuel cell, and development of a fuel cell system in which an on-site type hydrogen production apparatus and a fuel cell are combined so that hydrogen of the fuel can be supplied at any time has become active.
水素の製造方法として、軽質炭化水素(例えばメタン)を原料とした水蒸気改質反応(スチームリフォーミング)、オートサーマルリフォーミング(ATR)、部分酸化等が知られている。例えば、スチームリフォーミングは、二酸化炭素と水蒸気を軽質炭化水素に添加し、加熱炉中で改質用触媒の存在下に反応させ、水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成し、次いでこの改質ガス中の水素を分離して、水素を製造する方法である。スチームリフォーミングは吸熱反応であり、反応には800℃以上という高い温度を必要とする。さらに、炭素析出を抑制するために過剰の水蒸気を供給しなければならない。このため、水素の製造に大きな熱エネルギーが必要となる。 As a method for producing hydrogen, steam reforming reaction (steam reforming), autothermal reforming (ATR), partial oxidation and the like using a light hydrocarbon (for example, methane) as a raw material are known. For example, in steam reforming, carbon dioxide and water vapor are added to light hydrocarbons and reacted in the presence of a reforming catalyst in a heating furnace to produce a reformed gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide. Then, hydrogen is produced by separating hydrogen in the reformed gas. Steam reforming is an endothermic reaction, and the reaction requires a high temperature of 800 ° C. or higher. In addition, excess water vapor must be supplied to suppress carbon deposition. For this reason, large heat energy is required for the production of hydrogen.
ATRは軽質炭化水素の酸化反応と触媒反応を組み合わせて水素を合成する方法である。即ち、反応の第一段階で軽質炭化水素の燃焼により二酸化炭素と水蒸気が生成し、逐次反応として生成した二酸化炭素、水蒸気を用いて触媒反応部で軽質炭化水素の改質反応を行い、水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成し、次いでこの改質ガス中の水素を分離して、水素を製造する方法である。ATRでは、第一段階で生成する反応熱をその場で改質反応に伝播できるため、スチームリフォーミングに比べ熱エネルギーの損失が少ないものの、反応温度が依然として高い(1000℃以上)ことや、熱発生部において炭素生成が起こりやすく、この炭素生成により、触媒部及び触媒反応部の下流機器でのトラブルを誘発しやすい。加えて、反応には高純度の高価な酸素を必要とし、設備費用及びランニングコストが高い。 ATR is a method for synthesizing hydrogen by combining a light hydrocarbon oxidation reaction and a catalytic reaction. That is, carbon dioxide and water vapor are generated by the combustion of light hydrocarbons in the first stage of the reaction, and the reforming reaction of light hydrocarbons is performed in the catalytic reaction unit using carbon dioxide and water vapor generated as sequential reactions, and hydrogen and This is a method for producing hydrogen by producing a reformed gas mainly composed of carbon monoxide and then separating hydrogen in the reformed gas. In ATR, the reaction heat generated in the first stage can be propagated to the reforming reaction on the spot. Therefore, although the loss of heat energy is small compared to steam reforming, the reaction temperature is still high (1000 ° C or higher) Carbon generation is likely to occur in the generation part, and this carbon generation easily induces troubles in downstream devices of the catalyst part and the catalytic reaction part. In addition, the reaction requires high-purity and expensive oxygen, and the equipment cost and running cost are high.
部分酸化法は、軽質炭化水素の一部をO2の添加により燃焼させ、生成した高温のガスを触媒の使用なし(無触媒)で改質するものであり、エネルギー効率の面で優れた方法である。しかし、部分酸化法では、ATRよりさらに高い温度(1300℃程度)で改質を行うこととなり、炭化物の発生が生じやすいという問題がある。加えて、冷却法は直接冷却(ダイレクトクエンチ)によらなくてはならず、運転操作が煩雑となる。さらに、高純度の高価な酸素を必要とし、設備費用及びランニングコストが高い。 The partial oxidation method burns part of light hydrocarbons by adding O 2 and reforms the generated high-temperature gas without using a catalyst (no catalyst). It is. However, in the partial oxidation method, the reforming is performed at a temperature higher than ATR (about 1300 ° C.), and there is a problem that carbide is easily generated. In addition, the cooling method must be based on direct cooling (direct quench), and the operation operation becomes complicated. Furthermore, expensive oxygen of high purity is required, and the equipment cost and running cost are high.
上述した軽質炭化水素の改質方法の問題点の内、高純度の酸素の供給については、近年、酸素透過膜が進められ、空気から効率的に酸素を分離できる酸素透過膜が提案されている(例えば、非特許文献1)。かかる酸素透過膜を用いることで、安価に高純度の酸素を得ることができる。 Among the problems of the light hydrocarbon reforming method described above, for the supply of high-purity oxygen, in recent years, oxygen permeable membranes have been advanced, and oxygen permeable membranes that can efficiently separate oxygen from air have been proposed. (For example, Non-Patent Document 1). By using such an oxygen permeable membrane, high purity oxygen can be obtained at low cost.
ここで、上述の軽質炭化水素の改質方法で得られた生成ガス中には、水素の他、一酸化炭素、二酸化炭素が含まれている。このため、固体高分子形燃料電池(PEFC)への水素供給を考えた場合には、さらに前記生成ガスから一酸化炭素、二酸化炭素を除去する工程が必要となる。従来、前記生成ガスから一酸化炭素、二酸化炭素を分離するには、シフト反応後の脱炭酸処理等の分離工程が必要となり、水素生成工程が複雑化すると共に、分離工程において水素の一部が消費され、水素生成の効率が低下するという問題があった。
こうした問題に対し、近年、水素透過膜を備えた水素生成装置を用い、メタンを低温で改質して高純度の水素を生成する方法が提案されている(例えば、非特許文献2)。
In recent years, a method has been proposed in which a high-purity hydrogen is generated by reforming methane at a low temperature using a hydrogen generator equipped with a hydrogen permeable membrane (for example, Non-Patent Document 2).
しかしながら、軽質炭化水素のリフォーミングによって生成する水素を燃料電池に用いるためには、より高い純度の水素を製造する必要がある。加えて、軽質炭化水素のリフォーミングによって生成する水素を用いた燃料電池システムでは、よりエネルギー効率の高いシステムの構築が求められている。
そこで本発明は、純度の高い水素を燃料電池に供給でき、エネルギー効率の高い燃料電池システムを目的とする。
However, in order to use hydrogen produced by reforming light hydrocarbons in a fuel cell, it is necessary to produce hydrogen with higher purity. In addition, in the fuel cell system using hydrogen generated by reforming light hydrocarbons, it is required to construct a more energy efficient system.
Therefore, the present invention is directed to a fuel cell system that can supply high-purity hydrogen to a fuel cell and has high energy efficiency.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、酸素透過膜により仕切られた空気供給室と透過酸素受容室と、酸化触媒が充填され該酸化触媒に可燃ガスを接触して燃焼し前記空気供給室を加熱する触媒燃焼室とが設けられた酸素生成装置と、水素透過膜により仕切られた触媒反応室と透過水素受容室とが設けられ、前記触媒反応室には炭化水素リフォーミング触媒(以下、単にリフォーミング触媒ということがある)が充填されている水素生成装置と、前記触媒反応室に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記触媒反応室に軽質炭化水素を供給する手段と、前記酸素生成装置で生成した酸素を前記触媒反応室に供給する手段と、前記水素生成装置で生成した水素を前記燃料電池に供給する水素供給手段とを有し、前記空気供給室に空気を流通させ、該空気に含まれる酸素を前記酸素透過膜で仕切られた前記透過酸素受容室に透過し、前記空気供給装置に残存する残存空気と分離し、前記触媒反応室で、酸素及び水蒸気の存在下に軽質炭化水素を前記炭化水素リフォーミング触媒に接触させて生成した水素を前記水素透過膜で仕切られた前記透過水素受容室に透過し、前記触媒反応室に残存する残存ガスと分離することを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, an air supply chamber partitioned by an oxygen permeable membrane, a permeated oxygen receiving chamber, an oxidation catalyst filled with the combustible gas in contact with the oxidation catalyst, and combusted. An oxygen generator provided with a catalytic combustion chamber for heating the catalyst, a catalytic reaction chamber partitioned by a hydrogen permeable membrane, and a permeated hydrogen receiving chamber, wherein the catalytic reaction chamber contains a hydrocarbon reforming catalyst (hereinafter referred to as a hydrocarbon reforming catalyst). A hydrogen generator filled with a catalyst, and a steam supply means for supplying steam to the catalytic reaction chamber, a means for supplying light hydrocarbons to the catalytic reaction chamber, and the oxygen generation A means for supplying oxygen produced by the apparatus to the catalytic reaction chamber; and a hydrogen supply means for supplying hydrogen produced by the hydrogen generator to the fuel cell, wherein air is circulated through the air supply chamber. The oxygen contained in the air permeates through the permeated oxygen receiving chamber partitioned by the oxygen permeable membrane and separates from the remaining air remaining in the air supply device, and the presence of oxygen and water vapor in the catalytic reaction chamber The hydrogen produced by bringing light hydrocarbons into contact with the hydrocarbon reforming catalyst is transmitted to the permeated hydrogen receiving chamber partitioned by the hydrogen permeable membrane and separated from the residual gas remaining in the catalytic reaction chamber. It is characterized by.
本発明の燃料電池システムは、前記透過酸素受容室に水蒸気を流通させる手段を有することが好ましく、前記水蒸気供給手段は、前記透過酸素受容室を流通した水蒸気を供給することが好ましい。前記透過水素受容室に水蒸気を流通させる手段を有してもよく、前記水素供給手段は、前記透過水素受容室を減圧する減圧部を有してもよい。前記触媒燃焼室で生じた燃焼熱を用いて水蒸気を加熱する水蒸気予熱装置を有し、前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を前記透過酸素受容室に流通させることが好ましく、前記触媒燃焼室で生じた燃焼熱を用いて水蒸気を加熱する水蒸気予熱装置を有し、前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を前記透過水素受容室に流通させることが好ましい。前記残存ガスを前記触媒燃焼室に供給する手段を有することが好ましく、前記触媒反応室に残存する残存ガス、及び/又は、透過水素受容室に透過した水素を熱源として水蒸気を発生する水蒸気発生装置を有することが好ましく、前記透過酸素受容室、前記空気供給室、前記透過水素受容室の少なくともいずれかに、不活性粒子が充填されていることが好ましい。 The fuel cell system of the present invention preferably has means for circulating water vapor in the permeated oxygen receiving chamber, and the water vapor supplying means preferably supplies water vapor that has flowed through the permeated oxygen receiving chamber. There may be a means for circulating water vapor in the permeate hydrogen receiving chamber, and the hydrogen supply means may have a pressure reducing part for decompressing the permeate hydrogen receiving chamber. Preferably, the apparatus has a steam preheating device that heats steam using combustion heat generated in the catalyst combustion chamber, and the steam heated by the steam preheating device is preferably circulated through the permeate oxygen receiving chamber, and is generated in the catalyst combustion chamber. It is preferable to have a water vapor preheating device that heats the water vapor using the combustion heat, and to distribute the water vapor heated by the water vapor preheating device to the permeated hydrogen receiving chamber. Preferably, the apparatus has a means for supplying the residual gas to the catalytic combustion chamber, and generates a water vapor by using the residual gas remaining in the catalytic reaction chamber and / or hydrogen permeated into the permeated hydrogen receiving chamber as a heat source. It is preferable that at least one of the permeated oxygen receiving chamber, the air supply chamber, and the permeated hydrogen receiving chamber is filled with inert particles.
本発明の燃料電池システムによれば、純度の高い水素を燃料電池に供給でき、エネルギー効率の向上を図ることができる。 According to the fuel cell system of the present invention, high-purity hydrogen can be supplied to the fuel cell, and energy efficiency can be improved.
本発明の燃料電池システムについて、以下に実施例を挙げて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
(第一の実施形態)
本発明の第一の実施形態の燃料電池システムについて、図1〜3を用いて説明する。図1は、燃料電池システム10の模式図である。図2は、燃料電池システム10に用いる酸素分離装置の一例を示す断面図である。図3は、燃料電池システム10に用いる水素生成装置の一例を示す断面図である。
The fuel cell system of the present invention will be described below with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
(First embodiment)
A fuel cell system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram of a
図1に示すとおり、燃料電池システム10は、複合予熱器20と酸素生成装置70と水素生成装置100と水蒸気発生装置150と燃料電池300とを有している。
原料供給源12は、配管14により複合予熱器20と接続されている。配管14には配管16が接続され、配管16は酸素生成装置70の触媒燃焼室90と接続されている。触媒燃焼室90には配管94が接続され、配管94は配管250と接続されている。
As shown in FIG. 1, the
The raw
空気供給源30には配管32が接続され、配管32は第二空気ブロワ42を介して、分岐45で配管44と配管46とに接続されている。配管44は触媒燃焼室90と接続され、配管46は燃料電池300のカソード320と接続されている。配管32には配管34が接続され、配管34は第一空気ブロワ36を介して複合予熱器20と接続されている。
A
複合予熱器20には、配管152と、配管210と、配管220と、配管230と、配管240と、配管250とが接続されている。配管152は、熱交換装置248を介して水蒸気発生装置150と接続されている。配管152は、分岐151で配管74と接続され、配管74は酸素生成装置70の透過酸素受容室72と接続されている。透過酸素受容室72には配管76が接続され、配管76は分岐247で配管246と接続されている。配管246は熱交換装置248を介して水素生成装置100の触媒反応室130と接続されている。
A
配管210は、複合予熱器20で加熱した空気を流通させる流路である。配管210は、酸素生成装置70の空気供給室80と接続されている。空気供給室80には配管84が接続され、配管84は配管242と接続され、配管242は配管250と接続されている。配管242には第一のガスタービン244が設けられ、第一のガスタービン244は、図示されない発電機と接続されている。
The
配管220は、複合予熱器20で加熱された軽質炭化水素を流通させる流路である。配管220は、熱交換装置248と水素生成装置100との間で、配管246に接続されている。
The
配管230は、複合予熱器20で加熱した水蒸気を流通させる流路である。配管230は、水素生成装置100の透過水素受容室120と接続されている。
The
配管240は水蒸気発生装置150と接続されている。配管250は、配管94及び配管242と接続されている。
The
透過水素受容室120には配管122が接続され、配管122は配管124と接続されている。配管124は水蒸気発生装置150と接続されている。触媒反応室130には、配管132が接続され、配管132は水蒸気発生装置150と接続されている。配管132には第二のガスタービン134が設けられ、第二のガスタービン134は図示されない発電機と接続されている。
A
水蒸気発生装置150には、配管152と配管154と配管156と配管158とが接続されている。配管152は分岐153で配管140に接続され、配管140は軟水化装置60と接続されている。配管140にはスチームタービン142が設けられ、スチームタービン142は図示されない発電機と接続されている。
A
配管154は熱交換装置155を介して気液分離装置190と接続されている。気液分離装置190には配管192と配管194が接続されている。配管192は配管16と接続され、配管194は軟水化装置60と接続されている。配管158は熱交換装置160と接続されている。熱交換装置160には、配管162と配管166と配管68とが接続されている。配管162は温水貯槽164と接続されている。配管162には配管161が接続され、配管161は水蒸気発生装置150と接続されている。配管166は、気液分離装置170と接続されている。配管68は、分岐67で配管62と配管66に接続されている。気液分離装置170には、配管172と配管174とが接続されている。配管172は燃料電池300のアノード330と接続され、配管174は軟水化装置60と接続されている。配管156は熱交換装置180と接続されている。熱交換装置180には、配管182と配管184と配管66とが接続されている。配管182は配管162と接続され、配管184は図示されない排気口と接続されている。配管66は、分岐67で配管62と配管68とに接続されている。軟水化装置60には配管52と配管62とが接続されている。配管52は、水源50と接続され、配管62は分岐63で配管64と接続されている。
The
配管64は燃料電池300の冷却部302と接続されている。冷却部302は配管322と接続され、配管322は配管162と接続されている。カソード320には未反応の空気を排出するカソードオフガスライン324が接続されている。アノード330には、未反応の水素を再度アノード330に供給するためのアノードオフガスリサイクルライン334が接続され、アノードオフガスリサイクルライン334は配管172と接続されている。アノードオフガスリサイクルライン334には、アノードオフガスリサイクルブロワ336が設けられている。
The
「水蒸気供給手段」は、配管74、76、152、246と、酸素生成装置70と、熱交換装置248とで構成されている。「前記触媒反応室に軽質炭化水素を供給する手段」は、配管14、220、246と、複合予熱器20とで構成されている。「前記酸素生成装置で生成した酸素を前記触媒反応室に供給する手段」は、配管76、246と、熱交換装置248とで構成されている。「水素供給手段」は、配管122、124、158、166、172と、水蒸気発生装置150と、熱交換装置160と、気液分離装置170とで構成されている。「前記透過酸素受容室に水蒸気を流通させる手段」は、配管74、152とで構成されている。「前記透過水素受容室に水蒸気を流通させる手段」は、配管152、230と、複合予熱器20とで構成されている。「前記残存ガスを前記触媒燃焼室に供給する手段」は、配管16、132、154、192と、第二のガスタービン134と水蒸気発生装置150と、熱交換装置155と、気液分離装置190とで構成されている。
The “steam supply means” includes
酸素生成装置70は、所定の温度条件下で空気を酸素透過膜82に接触させ、酸素を分離する装置である。酸素生成装置70は、プレート型、固定床型、流動床型等が挙げられ、プレート型としては、例えば、図2に示すものが挙げられる。図2に示すように、酸素生成装置70は、触媒燃焼室90と、空気供給室80と、透過酸素受容室72とが設けられた本体部71を有する。触媒燃焼室90は支持体92により区画された空間に、酸化触媒が充填され形成されている。触媒燃焼室90の両側には、酸素透過膜82で仕切られた空気供給室80と透過酸素受容室72とが設けられ、空気供給室80が支持体92を介して触媒燃焼室90と隣接するように配置されている。触媒燃焼室90には配管16と配管44と配管94とが接続され、空気供給室80にはそれぞれ配管210と配管84とが接続され、透過酸素受容室72にはそれぞれ配管74と配管76とが接続されている。触媒燃焼室90には酸化触媒が充填されている。透過酸素受容室72及び空気供給室80には不活性粒子(イナート粒子)が充填されている。
The
触媒燃焼室90は、酸化触媒に可燃ガスと酸素とを接触して燃焼させ、該燃焼により発生した燃焼熱で空気供給室80を所定の温度に加熱するものである。可燃ガスは、燃料電池システム10の定常運転時には触媒反応室130の残存ガスと補助燃料として用いる軽質炭化水素である。酸化触媒としては公知の酸化触媒を使用でき、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属、又はこれらの貴金属をアルミナ多孔体等の単体に担持したものが挙げられる。
The
支持体92は、酸化触媒を触媒燃焼室90内に固定し、かつ、触媒燃焼室90で生じた燃焼熱を空気供給室80に伝達できるものあれば特に限定されず、例えば、インコロイ800H製の板等を挙げることができる。
The
酸素透過膜82は公知の酸素透過膜を使用でき、例えば、前述の非特許文献1に挙げられているLa0.2Sr0.8Co0.8Fe0.2O3等のペロブスカイト化合物等が挙げられる。
As the oxygen
透過酸素受容室72に充填する不活性粒子とは、酸素に対して不活性な物質であれば特に限定されず、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等を挙げることができる。透過酸素受容室72に不活性粒子を充填することで、空気供給室80から酸素透過膜82を透過して透過酸素受容室72に移動してきた酸素は、透過酸素受容室72に供給された水蒸気と十分に混合され、効率的に透過酸素受容室72から流出できるためである。
The inert particles filled in the permeable
空気供給室80に充填する不活性粒子とは、酸素に対して不活性な物質であれば特に限定されず、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等を挙げることができる。空気供給室80に不活性粒子を充填することで、触媒燃焼室90で生じた燃焼熱の伝熱効率を高められ、空気中の酸素が酸素透過膜82を効率的に透過できるためである。
The inert particles filled in the
水素生成装置100は、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素をリフォーミング触媒に接触させて水素を生成し、生成した水素と未反応の軽質炭化水素及び他の成分を含む残存ガスとを水素透過膜で分離するものである。水素生成装置100は、プレート型、固定床型、流動床型等が挙げられ、プレート型としては、例えば、図3に示すものが挙げられる。図3に示すように水素生成装置100は、水素透過膜112により仕切られた触媒反応室130と、触媒反応室130を挟持する透過水素受容室120とが形成された本体110を有する。触媒反応室130には配管246と配管132とが接続され、透過水素受容室120にはそれぞれ配管230と配管122とが接続されている。触媒反応室130には、リフォーミング触媒が充填されている。透過水素受容室120には、不活性粒子が充填されている。
In the presence of oxygen and water vapor, the
水素透過膜112は公知の水素透過膜を用いることができ、例えば、パラジウム(Pd)合金膜等が挙げられる。市販の水素透過膜としては、田中貴金属工業株式会社製のPd−Ag膜、Pd−Cu(銅)膜等が挙げられる。
As the hydrogen
透過水素受容室120に充填する不活性粒子は、水素に対して不活性な物質であれば特に限定されず、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等を挙げることができる。透過水素受容室120に不活性粒子を充填することで、触媒反応室130で生成し水素透過膜112を透過して透過水素受容室120に移動してきた水素は、透過水素受容室120に供給された水蒸気と十分に混合され、効率的に透過水素受容室116から流出できるためである。
The inert particles filled in the permeated
触媒反応室130に充填するリフォーミング触媒は、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素から水素を生成するものである。このようなリフォーミング触媒は、公知の触媒を使用することができ、例えば、下記(1)〜(6)式の反応が生起されるNi/SiO2、Ni−Rh/SiO2、Ni−Pt/SiO2、Ni−Fe/SiO2等のニッケル系触媒等が好適に用いられる。このようなリフォーミング触媒を用いることで、500〜700℃という比較的低い温度条件で、軽質炭化水素から水素を生成することができるためである。
The reforming catalyst filled in the
CH4⇒C+2H2 ・・・(1)
CnH2n+2⇒nC+(n+1)H2 ・・・(2)
C+(1/2)O2⇒CO ・・・(3)
C+H2O⇒H2+CO ・・・(4)
CH4+H2O⇔3H2+CO ・・・(5)
CO+H2O⇔H2+CO2 ・・・(6)
[上記(2)式中、nは2以上の整数である。]
CH 4 ⇒ C + 2H 2 (1)
C n H 2n + 2 ⇒ nC + (n + 1) H 2 (2)
C + (1/2) O 2 ⇒CO (3)
C + H 2 O⇒H 2 + CO ··· (4)
CH 4 + H 2 O⇔3H 2 + CO (5)
CO + H 2 O⇔H 2 + CO 2 (6)
[In the above formula (2), n is an integer of 2 or more. ]
複合予熱器20は、空気加熱部22と水蒸気加熱部24と原料加熱部26とを有する。複合予熱器20は、酸素生成装置70で発生した燃焼熱を取り込んで、軽質炭化水素、水蒸気、酸素を含む流体(空気)をそれぞれ加熱する装置である。本発明における水蒸気予熱装置は水蒸気加熱部24が相当する。
The
水蒸気発生装置150は、複合予熱器20で熱媒体として利用した触媒燃焼室90の燃焼ガス及び空気供給室80の酸素が透過した後の残存空気(酸素濃度:19%程度)と、水素生成装置100で分離された水素及び残存ガスを熱媒体とし、水蒸気を発生する装置である。このような水蒸気発生装置150としては、いわゆる複合ボイラ、煙道ボイラ、貫流ボイラ等が挙げられる。
The
燃料電池300は、水素を燃料ガスとして発電するものであり、固体高分子形燃料電池(PEFC)、アルカリ電解質形燃料電池(AFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のいずれを用いてもよい。燃料電池300は、電解質310を挟持するようにカソード320とアノード330とが設けられている。燃料電池300には、一対のカソード320とアノード330とを有するものの他、電解質310をカソード320とアノード330とで挟持し、さらにその外側をセパレータで挟持してセルを形成し、該セルを複数積層した燃料電池スタックをも含むものである。電解質310は、燃料電池300の種類に応じて決定することができる。
燃料電池300には、発電に伴い発生する熱を除去するための冷却部302が設けられている。冷却部302は、冷却水を熱媒体とする冷却板や冷却管等が挙げられる。また、燃料電池300が燃料電池スタックである場合には、燃料電池スタックの発熱量に応じて、冷却部302を複数設けてもよい。
The
The
気液分離装置170は特に限定されず、例えば、デミスター付き気液分離装置等が挙げられる。気液分離装置190は、気液分離装置170と同様である。
The gas-
軟水化装置60は、水源50から供給される水に含まれるMg2+、Ca2+等のカチオン成分や、Cl−等のアニオン成分を除去する装置である。例えば、カチオン交換樹脂等のカチオン交換体と、アニオン交換樹脂等のアニオン交換体とを充填したイオン交換装置等が挙げられる。
The
空気供給源30は、例えば、空気を取り込む吸気口等が挙げられる。
Examples of the
燃料電池システム10の運転動作について説明する。
水源50の水は、配管52を経由して軟水化装置60に供給され、軟水化装置60では硬度成分を除去する軟化処理がされる。軟化処理された水の一部は、配管62、68、熱交換装置160、配管162、配管161を順に経由して、水蒸気発生装置150に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管62、66を順に経由して、熱交換装置180に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管62、64を順に経由して燃料電池300の冷却部302に供給される。冷却部302に供給された水は、燃料電池300を冷却しながら流通し、温水となって配管322に流出する。配管322に流出した温水は、配管162を経由して、温水貯槽164に貯水される。
The operation of the
The water from the
第一空気ブロワ36、第二空気ブロワ42が起動される。空気は、空気供給源30から配管32、46を順に経由して、カソード320に供給される。また、空気は、空気供給源30から配管32、44を順に経由して、触媒燃焼室90に供給される。さらに、空気は、空気供給源30から配管32、34を順に経由して、複合予熱器20の空気加熱部22に供給される。空気加熱部22に供給された空気は、空気加熱部22で加熱され予熱済空気となった後、配管210を流通し空気供給室80に供給される。
The
軽質炭化水素は、原料供給源12から配管14を経由して、複合予熱器20の原料加熱部26に供給される。原料加熱部26に供給された軽質炭化水素は、原料加熱部26で加熱され予熱済軽質炭化水素となった後、配管220を経由して配管246に供給される。また、補助燃料としての軽質炭化水素は、原料供給源12から配管14、16を経由し、残存ガスと共に触媒燃焼室90に可燃ガスとして供給される。触媒燃焼室90に供給された可燃ガスは、触媒燃焼室90に充填されている酸化触媒と接触して燃焼する。この燃焼により発生した燃焼ガスは、配管94、配管250を順に経由して、空気供給室80の残存空気と共に複合予熱器20に供給される。複合予熱器20に供給された燃焼ガスは、空気加熱部22、水蒸気加熱部24、原料加熱部26の熱源として利用された後、配管240を経由して水蒸気発生装置150に供給される。
The light hydrocarbons are supplied from the raw
水蒸気発生装置150で発生した水蒸気は、配管152を流通し、その一部が水蒸気加熱部24に供給される。水蒸気加熱部24に供給された水蒸気は、水蒸気加熱部24で加熱され、予熱済水蒸気となって配管230に流される。配管230に流された予熱済水蒸気は、透過水素受容室120に水素用のスイープスチームとして供給される。また、配管152を流通した水蒸気の他の一部は、分岐151から配管74を流通し、酸素用のスイープスチームとして透過酸素受容室72に供給される。
The steam generated by the
空気供給室80に供給された空気及び酸素透過膜82は、触媒燃焼室90で生じた燃焼熱により所定の温度となる。そして、空気中の酸素は、酸素透過膜82を透過して透過酸素受容室72に移動する。透過酸素受容室72に移動した酸素は配管74から供給された水蒸気と混合されて含酸素流体となって、配管76から流出する。配管76に流出した含酸素流体は配管246を流通し、熱交換装置248で配管152を流通する水蒸気と熱交換され所定の温度となる。その後、配管220から供給される予熱済軽質炭化水素と混合され混合流体となって、触媒反応室130に供給される。一方、空気供給室80に供給された空気の内、窒素及び酸素透過膜82を透過しなかった酸素等を含む残存空気は、配管84から流出する。配管84に流出した残存空気は配管242、250を順に経由し、燃焼ガスと共に複合予熱器20に供給される。この間、残存空気は配管242に設けられた第一のガスタービン244を駆動して発電する。
The air and the oxygen
触媒反応室130に供給された混合流体は、リフォーミング触媒と接触しながら、所定の温度に調節された触媒反応室130内を流通する。この間、予熱済軽質炭化水素は、酸素及び水蒸気の存在下で、例えば、下記(1)〜(6)式の反応により水素を生成する。
The mixed fluid supplied to the
CH4⇒C+2H2 ・・・(1)
CnH2n+2⇒nC+(n+1)H2 ・・・(2)
C+(1/2)O2⇒CO ・・・(3)
C+H2O⇒H2+CO ・・・(4)
CH4+H2O⇔3H2+CO ・・・(5)
CO+H2O⇔H2+CO2 ・・・(6)
[上記(2)式中、nは2以上の整数である。]
CH 4 ⇒ C + 2H 2 (1)
C n H 2n + 2 ⇒ nC + (n + 1) H 2 (2)
C + (1/2) O 2 ⇒CO (3)
C + H 2 O⇒H 2 + CO ··· (4)
CH 4 + H 2 O⇔3H 2 + CO (5)
CO + H 2 O⇔H 2 + CO 2 (6)
[In the above formula (2), n is an integer of 2 or more. ]
触媒反応室130で生成した水素は、水素透過膜112を透過して透過水素受容室120に移動する。透過水素受容室120に移動した水素は、配管230を経由して透過水素受容室120に供給された予熱済水蒸気と混合され、配管122から含水素流体として流出する。そして、含水素流体は配管122、124を順に経由して水蒸気発生装置150に供給される。一方、水素透過膜112を透過できない未反応の軽質炭化水素、二酸化炭素、水等、及び、水素透過膜112を透過しなかった水素を含む残存ガスは、配管132から流出する。
Hydrogen generated in the
配管132に流出した残存ガスは、配管132を経由して水蒸気発生装置150に供給される。この間、残存ガスは、配管132に設けられた第二のガスタービン134を駆動して発電する。
The residual gas that has flowed out to the
水蒸気発生装置150に供給された残存ガスは、水蒸気発生装置150内で水と熱交換した後、配管154から流出する。水蒸気発生装置150に供給された含水素流体は、水蒸気発生装置150内で水と熱交換した後、配管158から流出する。配管240を経由して水蒸気発生装置150に供給された燃焼ガスは、水蒸気発生装置150内で水と熱交換した後、配管156から流出する。この間、水蒸気発生装置150内の水は水蒸気となって、配管152から流出する。水蒸気発生装置150で発生した水蒸気の内、余剰の水蒸気は配管152、140を経由してスチームタービン142を駆動して発電する。
The residual gas supplied to the
配管154から流出した残存ガスは、熱交換装置155で例えば常温まで冷却された後、気液分離装置190で軽質炭化水素を含むガス成分と水とに分離される。分離された残存ガスのガス成分は配管192を経由して配管16に至り、酸素生成装置70に供給される。一方、分離された水は、配管194を経由して軟水化装置60に供給され軟化処理される。ここで、残存ガスから分離したガス成分で、酸素生成装置70に必要な熱量が賄える場合には、原料供給源12からの軽質炭化水素の供給を停止できる。
The residual gas flowing out from the
配管156から流出した燃焼ガスは、熱交換装置180を経由して配管184により図示されない排気口へ送られる。この間、熱交換装置180では、配管66から供給された水と熱交換がなされる。そして、水は任意の温度(例えば、60〜70℃)の温水となって、配管182、162を順に経由して温水貯槽164に貯水される。配管158から流出した含水素流体は、熱交換装置160で配管68から供給された水と熱交換がなされ、所定の温度に冷却された後、配管166により気液分離装置170に供給される。熱交換された水は、任意の温度(例えば、60〜70℃)の温水となって、配管162を経由して温水貯槽164に至る。気液分離装置170に供給された含水素流体は、水とガス成分である水素とに分離される。分離された水素は、配管172によりアノード330に供給される。一方、分離された水は、配管174により軟水化装置60に供給され軟化処理される。
The combustion gas flowing out from the
カソード320に空気が供給され、アノード330に水素が供給されると、カソード320では下記(7)式のような化学反応が生じ、アノード330では下記(8)式のような化学反応が生じて発電が行われる。
When air is supplied to the
(1/2)O2+2H++2e−⇒H2O ・・・(7)
H2⇒2H++2e− ・・・(8)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (7)
H 2 ⇒2H + + 2e − (8)
そして、アノードオフガスリサイクルブロワ336が起動され、アノード330内の未反応の水素は、アノードオフガスリサイクルライン334、配管172を順に経由してアノード330に供給される。カソード320で生成した水は、カソード320内の未反応の空気と共にカソードオフガスライン324から排出される。
Then, the anode off-
軽質炭化水素とは、天然ガス、油田随伴ガス、LPG等を指し、炭素数1〜5の炭化水素を示す。 Light hydrocarbon refers to natural gas, oil field associated gas, LPG, and the like, and indicates a hydrocarbon having 1 to 5 carbon atoms.
複合予熱器20の出口における予熱済軽質炭化水素の温度は、水素生成装置100に用いるリフォーミング触媒の種類や、水素透過膜112の種類に応じて決定することができ、300〜500℃とすることが好ましく、350〜450℃とすることがより好ましい。
複合予熱器20の出口における予熱済水蒸気の温度は、水素生成装置100に用いるリフォーミング触媒の種類や、水素透過膜112の種類に応じて決定することができ、450〜650℃とすることが好ましく、500〜600℃とすることがより好ましい。
複合予熱器20の出口における予熱済空気の温度は、酸素透過膜82の種類に応じて決定することができ、600〜800℃とすることが好ましく、650〜750℃とすることがより好ましい。
The temperature of the preheated light hydrocarbon at the outlet of the
The temperature of the preheated steam at the outlet of the
The temperature of the preheated air at the outlet of the
透過酸素受容室72に供給する水蒸気の量は、触媒反応室130に供給する混合流体における水蒸気の混合比、空気供給室80に供給される空気の量、酸素透過膜82の種類等を勘案して決定することができる。空気供給室80に供給する空気の量は、酸素透過膜82の種類、混合流体における酸素の混合比を勘案して決定することが好ましい。また、例えば、(空気供給室の出口の残存空気の酸素分圧)/(透過酸素受容室の出口の含酸素流体の酸素分圧)とで表される酸素分圧比が、1.0〜1.1になるように調節することが好ましい。上記範囲内であれば、空気供給室80中の空気から酸素が酸素透過膜82を円滑に透過することができ、酸素の生成効率が向上する。
配管220から配管246に供給する予熱済軽質炭化水素の量は、燃料電池300の発電容量及び原料転換率を勘案して決定することができる。
The amount of water vapor supplied to the permeation
The amount of the preheated light hydrocarbon supplied from the
混合流体における軽質炭化水素、水蒸気、空気の混合比は、触媒反応室130に充填したリフォーミング触媒の種類に応じて決定することができる。例えば、混合流体中の水蒸気の混合比は、水蒸気のモル数/軽質炭化水素の炭素のモル数で表されるS/C比を1.0〜2.0とすることが好ましい。また、混合流体中の空気の混合比は、軽質炭化水素の炭素数を勘案して決定することができ、混合流体中の酸素のモル比/軽質炭化水素の炭素のモル比で表されるO/C比を0.2〜0.5とすることが好ましい。
The mixing ratio of light hydrocarbons, water vapor, and air in the mixed fluid can be determined according to the type of reforming catalyst charged in the
透過酸素受容室72に供給する水蒸気の圧力は、下流側の触媒反応室(触媒反応室130)内の圧力や空気供給室80内の圧力、前記酸素分圧比を勘案して決定することができ、例えば、250〜350kPa又は750〜850kPaの範囲で決定することができる。250〜350kPaであれば、温水生産効率を重視した燃料電池システム10の運転を行うことができ、750〜850kPaであれば、送電端効率を重視した燃料電池システム10の運転が行えるためである。加えて、上記範囲内であれば、透過酸素受容室72の酸素を透過酸素受容室72から効率的に押し出して、前記酸素分圧比を適切に保ち、空気供給室80から透過酸素受容室72への酸素の移動を円滑にし、酸素の生成効率が向上する。
The pressure of water vapor supplied to the permeation
触媒反応室130に供給する混合流体の圧力は、水素透過膜112の種類、リフォーミング触媒の種類、水素生成装置100の規模、燃料電池300の能力等を勘案して決定することが好ましい。例えば、触媒反応室130の出口における残存ガスの圧力が253.3〜353.3kPaのいわゆる低圧条件となるように触媒反応室130に供給する混合流体の圧力を調節してもよいし、触媒反応室130の出口における残存ガスの圧力が744.3〜844.3kPaのいわゆる中圧条件となるように触媒反応室130に供給する混合流体の圧力を調節してもよい。前記低圧条件とすると燃料電池システム10は温水生産効率が向上し、前記中圧条件とすると燃料電池システム10は送電端効率が向上する。
The pressure of the mixed fluid supplied to the
透過水素受容室120に供給する予熱済水蒸気の供給量は、触媒反応室130に供給される混合流体の供給量を勘案して決定することができる。例えば、(触媒反応室の出口の残存ガスの水素分圧)/(透過水素受容室の出口の含水素流体の水素分圧)とで表される水素分圧比が、1.0〜1.1になるように調節することが好ましい。上記範囲内であれば、触媒反応室130で生成した水素が水素透過膜112を円滑に透過することができ、水素の生成効率が向上する。
The supply amount of the preheated water vapor supplied to the permeated
透過水素受容室120に供給する予熱済水蒸気の圧力は、水素透過膜112の種類や触媒反応室130内の圧力、前記水素分圧比を勘案して決定することができ、例えば、110〜200kPaの範囲で決定することが好ましい。上記範囲内であれば、透過水素受容室120の水素を透過水素受容室120から効率的に押し出して、透過水素受容室120内の水素分圧を適切に保つことができる。そして、触媒反応室130で生成した水素は水素透過膜112を円滑に透過することができる。
The pressure of the preheated water vapor supplied to the permeated
触媒反応室130の温度はリフォーミング触媒の種類に応じて決定することができ、例えば、500〜800℃とすることが好ましく、600〜700℃とすることがより好ましい。上記範囲内であれば、軽質炭化水素から水素を効率的に生成することができるためである。
The temperature of the
触媒燃焼室90で発生した燃焼ガスの出口温度は、複合予熱器20の熱負荷や、軽質炭化水素、水蒸気、空気の供給量等を勘案して決定することができ、例えば、900〜1300℃とすることが好ましい。
The outlet temperature of the combustion gas generated in the
水蒸気発生装置150で発生させる水蒸気の温度は特に限定されないが、例えば、140〜200℃の範囲で調節することが好ましい。
Although the temperature of the water vapor | steam generated with the
熱交換装置160における冷却後の含水素流体の温度は、燃料電池300の種類に応じて決定することができる。例えば、燃料電池300としてPEFCを用いる場合には、含水素流体を70〜80℃に冷却することが好ましい。また、例えば、燃料電池300としてPAFCを用いる場合には、含水素流体を180〜210℃に冷却することが好ましい。
The temperature of the hydrogen-containing fluid after cooling in the
上述のとおり、酸素透過膜を用いた酸素生成装置を用いることで、高純度の酸素を安価に得られ、得られた酸素を触媒反応室に供給することで軽質炭化水素のリフォーミング反応の促進が図れる。加えて、水素透過膜を用いた水素生成装置を用いることで、シフト反応、脱炭酸処理等の新たな工程を設けることなく、高純度の水素を得ることができる。 As described above, by using an oxygen generator using an oxygen permeable membrane, high-purity oxygen can be obtained at a low cost, and the reformed reaction of light hydrocarbons is promoted by supplying the obtained oxygen to the catalytic reaction chamber. Can be planned. In addition, by using a hydrogen generator using a hydrogen permeable membrane, high-purity hydrogen can be obtained without providing new steps such as shift reaction and decarboxylation.
本実施形態の燃料電池システムは、透過水素受容室にスイープスチームを供給し、透過水素受容室に透過した水素を強制的に押し出すことで、触媒反応室から透過水素受容室への水素の透過速度の向上が図れる。加えて、酸素用のスイープスチームとして用いた水蒸気を軽質炭化水素のリフォーミング反応に用いるため、水蒸気を有効に利用でき、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上が図れる。さらに、透過水素受容室に供給するスイープスチームとして予熱済水蒸気を用いることで、水素生成装置の温度を安定させ、効率的に水素を発生させることができる。 The fuel cell system of the present embodiment supplies sweep steam to the permeate hydrogen receiving chamber and forcibly pushes out the hydrogen permeated to the permeate hydrogen accepting chamber, so that the hydrogen permeation rate from the catalytic reaction chamber to the permeate hydrogen accepting chamber Can be improved. In addition, since the water vapor used as the oxygen sweep steam is used in the reforming reaction of light hydrocarbons, the water vapor can be used effectively, and the energy efficiency of the entire fuel cell system can be improved. Furthermore, by using preheated water vapor as the sweep steam supplied to the permeate hydrogen receiving chamber, the temperature of the hydrogen generator can be stabilized and hydrogen can be generated efficiently.
本実施形態の燃料電池システムは、透過水素受容室水素生成装置で分離された残存ガスを可燃ガスとして触媒燃焼室に供給するため、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上が図れる。さらに、残存ガスと含水素流体とを用いて水蒸気を発生させるため熱エネルギーの有効利用ができ、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上が図れる。透過水素受容室に不活性粒子を充填することで、水素透過膜を透過してくる水素と透過水素受容室を流通する水蒸気とを整流し、触媒反応室内の水素分圧/透過水素受容室内の水素分圧で表される水素分圧比を適正に保つことができる。この結果、水素の生成効率を向上できる。 In the fuel cell system of the present embodiment, the residual gas separated by the permeated hydrogen receiving chamber hydrogen generator is supplied as a combustible gas to the catalytic combustion chamber, so that the energy efficiency of the entire fuel cell system can be improved. Further, since the residual gas and the hydrogen-containing fluid are used to generate water vapor, the thermal energy can be effectively used, and the energy efficiency of the entire fuel cell system can be improved. By filling the permeated hydrogen receiving chamber with inert particles, the hydrogen permeating through the hydrogen permeable membrane and the water vapor flowing through the permeated hydrogen receiving chamber are rectified, and the hydrogen partial pressure in the catalytic reaction chamber / permeated hydrogen receiving chamber is rectified. The hydrogen partial pressure ratio expressed by the hydrogen partial pressure can be kept appropriate. As a result, hydrogen production efficiency can be improved.
(第二の実施形態)
本発明の第一の実施形態の燃料電池システムについて、図2〜4を用いて説明する。図4は、燃料電池システム400の模式図である。
(Second embodiment)
A fuel cell system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic diagram of the
図4に示すとおり、燃料電池システム400は、複合予熱器20と酸素生成装置70と水素生成装置410と水蒸気発生装置150と燃料電池300と減圧部454とを有している。
原料供給源12は、配管14により複合予熱器20と接続されている。配管14には配管16が接続され、配管16は酸素生成装置70の触媒燃焼室90と接続されている。触媒燃焼室90には配管94が接続され、配管94は配管250と接続されている。
As shown in FIG. 4, the
The raw
空気供給源30には配管32が接続され、配管32は第二空気ブロワ42を介して、分岐45で配管44と配管46とに接続されている。配管44は触媒燃焼室90と接続され、配管46は燃料電池300のカソード320と接続されている。配管32には配管34が接続され、配管34は第一空気ブロワ36を介して複合予熱器20と接続されている。
A
複合予熱器20には、配管152と、配管210と、配管220と、配管240と、配管250と、配管430とが接続されている。配管152は、熱交換装置248を介して水蒸気発生装置150と接続されている。
A
配管210は、酸素生成装置70の空気供給室80と接続されている。空気供給室80には配管84が接続され、配管84は配管242と接続され、配管242は配管250と接続されている。配管242には第一のガスタービン244が設けられ、第一のガスタービン244は、図示されない発電機と接続されている。
The
配管220は、熱交換装置248と水素生成装置400との間で、配管246に接続されている。
The
配管240は水蒸気発生装置150と接続されている。配管250は、配管94及び配管242と接続されている。
The
配管430は、複合予熱器20で加熱した水蒸気を流通させる流路である。配管430は、透過酸素受容室72と接続されている。透過酸素受容室72には配管76が接続され、配管76は分岐247で配管246と接続されている。配管246は熱交換装置248を介して水素生成装置400の触媒反応室414と接続されている。
The
透過水素受容室412には配管122が接続され、配管122は配管124と接続されている。配管124は水蒸気発生装置150と接続されている。触媒反応室414には、配管132が接続され、配管132は水蒸気発生装置150と接続されている。配管132には第二のガスタービン134が設けられ、第二のガスタービン134は図示されない発電機と接続されている。
A
水蒸気発生装置150には、配管152と配管154と配管156と配管450とが接続されている。配管152は分岐153で配管140に接続され、配管140は軟水化装置60と接続されている。配管140にはスチームタービン142が設けられ、スチームタービン142は図示されない発電機と接続されている。
A
配管154は熱交換装置155を介して気液分離装置190と接続されている。気液分離装置190には配管192と配管194が接続されている。配管192は配管16と接続され、配管194は軟水化装置60と接続されている。配管450は、熱交換装置452及び減圧部454を介して気液分離装置170と接続されている。気液分離装置170には、配管172と配管174とが接続されている。配管172は燃料電池300のアノード330と接続され、配管174は軟水化装置60と接続されている。配管156は熱交換装置180と接続されている。熱交換装置180には、配管182と配管184と配管462とが接続されている。配管182は、分岐482で配管484と配管486とに接続されている。配管484は温水貯槽164と接続され、配管486は水蒸気発生装置150と接続されている。配管184は図示されない排気口と接続されている。配管462は、軟水化装置60と接続されている。また、配管462は、分岐463で配管64と接続されている。軟水化装置60は、配管52により、水源50と接続されている。
The
配管64は燃料電池300の冷却部302と接続されている。冷却部302は配管322と接続され、配管322は配管484と接続されている。カソード320には未反応の空気を排出するカソードオフガスライン324が接続されている。アノード330には、未反応の水素を再度アノード330に供給するためのアノードオフガスリサイクルライン334が接続され、アノードオフガスリサイクルライン334は配管172と接続されている。アノードオフガスリサイクルライン334には、アノードオフガスリサイクルブロワ336が設けられている。
The
「水蒸気供給手段」は、配管76、152、246、430と、複合予熱器20と、酸素生成装置70と、熱交換装置248とで構成されている。「前記触媒反応室に軽質炭化水素を供給する手段」は、配管14、220、246と、複合予熱器20とで構成されている。「前記酸素生成装置で生成した酸素を前記触媒反応室に供給する手段」は、配管76、246と、熱交換装置248とで構成されている。「水素供給手段」は、配管122、124、172、450と、水蒸気発生装置150と、熱交換装置452と、減圧部454と、気液分離装置170とで構成されている。「前記透過酸素受容室に水蒸気を流通させる手段」は、配管152、430と、複合予熱器20とで構成されている。「前記残存ガスを前記触媒燃焼室に供給する手段」は、配管16、132、154、192と、第二のガスタービン134と、水蒸気発生装置150と、熱交換装置155と、気液分離装置190とで構成されている。
The “steam supply means” includes
水素生成装置410は、第一の実施形態における水素生成装置100と同様に、プレート型、固定床型、流動床型等が挙げられる。例えば、水素生成装置410は、水素透過膜112により仕切られ、触媒反応室414と、触媒反応室414を挟持する透過水素受容室412とが形成されている。触媒反応室414には、リフォーミング触媒が充填されている。透過水素受容室412には、不活性粒子が充填されている。透過水素受容室412に充填されている不活性粒子は、第一の実施形態における透過水素受容室120に充填されている不活性粒子と同じである。
The
触媒反応室414に充填されているリフォーミング触媒は、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素から水素を生成するものである。このようなリフォーミング触媒は、公知の触媒を使用することができ、例えば、上記(1)〜(6)式の反応が生起されるNi/SiO2、Ni−Rh/SiO2、Ni−Pt/SiO2、Ni−Fe/SiO2等のニッケル系触媒等が好適に用いられる。このようなリフォーミング触媒を用いることで、500〜700℃という比較的低い温度条件で、軽質炭化水素から水素を生成することができるためである。
The reforming catalyst filled in the
減圧部454は、透過水素受容室412内を減圧し、水素流体を吸引できるものであれば特に限定されず、例えばIDF(Induced Draft Fan:吸引ファン)等を挙げることができる。加えて、減圧部454は、1台のIDF等で構成してもよいし、2台以上のIDF等を直列に配置して構成してもよい。
The
燃料電池システム400の運転動作について説明する。
水源50の水は、配管52を経由して軟水化装置60に供給され軟化処理される。軟化処理された水の一部は、配管462を経由して、熱交換装置180に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管462、64を順に経由して燃料電池300の冷却部302に供給される。冷却部302に供給された水は、燃料電池300を冷却しながら流通し、温水となって配管322から流出する。配管322に流出した温水は、配管484を経由して温水貯槽164に貯水される。
The operation of the
Water from the
第一空気ブロワ36、第二空気ブロワ42、減圧部454を起動する。空気は配管32、44を順に経由して、触媒燃焼室90に供給される。補助燃料である軽質炭化水素は、配管14、16を順に経由し、残存ガスと共に触媒燃焼室90に可燃ガスとして供給される。そして、触媒燃焼室90に供給された可燃ガスは、触媒燃焼室90に充填されている酸化触媒と接触して燃焼する。この燃焼により発生した燃焼ガスは、配管94、配管250を順に経由し、空気供給室80の残存空気と共に複合予熱器20に供給される。複合予熱器20に供給された燃焼ガスは、熱源として利用された後、配管240を流通し、水蒸気発生装置150に供給される。
The
空気加熱部22で加熱された予熱済空気は、配管210を流通し、空気供給室80に供給される。空気供給室80に供給された空気及び酸素透過膜82は、触媒燃焼室90で生じた燃焼熱により所定の温度となる。そして、空気中の酸素は、酸素透過膜82を透過して透過酸素受容室72に移動する。透過酸素受容室72に移動した酸素は配管430から供給された水蒸気と混合されて含酸素流体となって、配管76から流出する。配管76に流出した含酸素流体は配管246を流通し、熱交換装置248で配管152を流通する水蒸気と熱交換され所定の温度となる。その後、配管220から供給される予熱済軽質炭化水素と混合され混合流体となって、触媒反応室414に供給される。一方、空気供給室80に供給された空気の内、窒素及び酸素透過膜82を透過しなかった酸素等を含む残存空気は、配管84から流出する。配管84に流出した残存空気は配管242、250を順に経由し、燃焼ガスと共に複合予熱器20に供給される。この間、残存空気は配管242に設けられた第一のガスタービン244を駆動して発電する。
The preheated air heated by the
原料加熱部26で加熱された予熱済軽質炭化水素は、配管220を経由して、配管246で含水素流体と混合され混合流体となり、触媒反応室414に供給される。触媒反応室414に供給された混合流体は、リフォーミング触媒と接触しながら、所定の温度に調節された触媒反応室414内を流通する。この間、予熱済軽質炭化水素から、例えば上記(1)〜(6)式の反応により水素が生成される。
The preheated light hydrocarbon heated in the raw
触媒反応室414で生成した水素は、水素透過膜112を透過して透過水素受容室412に移動する。透過水素受容室412に移動した水素は、減圧部454により吸引され、配管122、124を経由して水蒸気発生装置150に供給される。一方、水素透過膜112を透過できない未反応の軽質炭化水素、二酸化炭素、水等、及び、水素透過膜112を透過しなかった水素を含む残存ガスは、配管132を経由して水蒸気発生装置150に供給され、水蒸気発生装置150の熱源として利用された後、配管154から流出する。
Hydrogen generated in the
水蒸気発生装置150に供給された水素は、水蒸気発生装置150の熱源として利用された後、配管450に流出する。配管450から流出した水素は、熱交換装置452で所定の温度まで冷却された後、減圧部454を経由して気液分離装置170に供給される。気液分離装置170に供給された水素は、除湿されてアノード330に供給される。そして、配管46からカソード320に供給された空気と、配管172からアノード330に供給された水素を利用して、燃料電池300で発電が行われる。
The hydrogen supplied to the
水蒸気発生装置150に供給された燃焼ガスは、水蒸気発生装置の150の熱源として利用された後、配管156から流出する。配管156から流出した燃焼ガスは、熱交換装置180を経由して配管184により図示されない排気口へ送られる。この間、熱交換装置180では、配管462から供給された水と熱交換がなされる。そして、水は任意の温度(例えば、60〜70℃)の温水となって、配管182、484を順に経由して温水貯槽164に貯水される。あるいは、配管182、配管486を経由して水蒸気発生装置150に供給される。
The combustion gas supplied to the
熱交換装置452における冷却後の含水素流体の温度は、燃料電池300の種類に応じて決定することができる。例えば、燃料電池300としてPEFCを用いる場合には、含水素流体を70〜80℃に冷却することが好ましい。また、例えば、燃料電池300としてPAFCを用いる場合には、含水素流体を180〜210℃に冷却することが好ましい。
The temperature of the hydrogen-containing fluid after cooling in the
減圧部454による透過水素受容室412の減圧の程度は、(触媒反応室の出口の残存ガスの水素分圧)/(透過水素受容室の出口の含水素流体の水素分圧)とで表される水素分圧比が、1.0〜1.1となるように調節することが好ましい。上記範囲内であれば、触媒反応室414で生成した水素が水素透過膜112を円滑に透過することができ、水素の生成効率が向上する。減圧部454の二次側の吐出圧力は、燃料電池300の運転条件に応じて決定することが好ましい。
The degree of pressure reduction of the permeated
上述のように、本実施形態は減圧部により透過水素受容室の水素を吸引することで、(触媒反応室の出口の残存ガスの水素分圧)/(透過水素受容室の出口の含水素流体の水素分圧)とで表される水素分圧比を適正に保つことができる。加えて、水素用のスイープスチームを発生するための熱エネルギーが不要となり、燃料電池システムの発電効率の向上が図れる。そして、水素用のスイープスチームが不要なため、水蒸気発生装置が小型化でき、燃料電池システムの小型化を図ることができる。さらに、酸素用のスイープスチームを複合予熱器で加熱した後に供給することで、酸素透過膜の温度を適正に保ち、酸素生成装置での酸素生成効率の向上が図れる。 As described above, in the present embodiment, the hydrogen in the permeated hydrogen receiving chamber is sucked by the decompression unit, so that (hydrogen partial pressure of the residual gas at the outlet of the catalytic reaction chamber) / (hydrogen-containing fluid at the outlet of the permeated hydrogen receiving chamber) The hydrogen partial pressure ratio expressed by the following formula can be maintained appropriately. In addition, the heat energy for generating the sweep steam for hydrogen becomes unnecessary, and the power generation efficiency of the fuel cell system can be improved. And since the sweep steam for hydrogen is unnecessary, a water vapor generator can be reduced in size and a fuel cell system can be reduced in size. Furthermore, by supplying the oxygen sweep steam after it is heated by the composite preheater, the temperature of the oxygen permeable membrane can be kept appropriate, and the oxygen generation efficiency in the oxygen generator can be improved.
本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
第一、第二の実施形態では、透過酸素受容室には不活性粒子が充填されているが、該不活性粒子は充填されていなくてもよい。ただし、透過酸素受容室内での酸素及び水蒸気を整流し、酸素の生成効率の向上を図る観点からは、不活性粒子を透過酸素受容室に充填することが好ましい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment.
In the first and second embodiments, the permeation oxygen receiving chamber is filled with inert particles, but the inert particles may not be filled. However, from the viewpoint of rectifying oxygen and water vapor in the permeable oxygen receiving chamber and improving the efficiency of oxygen generation, it is preferable to fill the permeable oxygen receiving chamber with inert particles.
第一、第二の実施形態では、空気供給室には不活性粒子が充填されているが、該不活性粒子は充填されていなくてもよい。ただし、触媒燃焼室で発生した燃焼熱を効率的に空気供給室に伝え、酸素の生成効率の向上を図る観点からは、不活性粒子を空気供給室に充填することが好ましい。 In the first and second embodiments, the air supply chamber is filled with inert particles, but the inert particles may not be filled. However, from the viewpoint of efficiently transmitting the combustion heat generated in the catalyst combustion chamber to the air supply chamber and improving the oxygen generation efficiency, it is preferable to fill the air supply chamber with inert particles.
第一、第二の実施形態では、透過水素受容室には不活性粒子が充填されているが、該不活性粒子は充填されていなくてもよい。ただし、透過水素受容室内での水素及び水蒸気を整流し、水素の生成効率の向上を図る観点からは、不活性粒子を透過水素受容室に充填することが好ましい。 In the first and second embodiments, the permeation hydrogen receiving chamber is filled with inert particles, but the inert particles may not be filled. However, from the viewpoint of rectifying hydrogen and water vapor in the permeate hydrogen receiving chamber and improving the hydrogen generation efficiency, it is preferable to fill the permeate hydrogen receiving chamber with inert particles.
第一、第二の実施形態では、空気供給室及び水素生成装置の二次側に、第一及び第二のガスタービンが設けられているが、該ガスタービンが設けられていなくてもよいし、どちらか一方のガスタービンのみが設けられていてもよい。
第一、第二の実施形態では、スチームタービンが設けられているが、スチームタービンは設けられていなくてもよい。
In the first and second embodiments, the first and second gas turbines are provided on the secondary side of the air supply chamber and the hydrogen generator, but the gas turbine may not be provided. Only one of the gas turbines may be provided.
In the first and second embodiments, the steam turbine is provided, but the steam turbine may not be provided.
第一、第二の実施形態は、水素生成装置で生成した含水素流体、残存ガス及び触媒燃焼装置で発生し複合予熱器を経由した燃焼ガスを熱源として水蒸気を発生しているが、水蒸気発生装置に用いる熱源は前述の含水素流体、残存ガス、燃焼ガスのいずれかのみであってもよい。 In the first and second embodiments, steam is generated by using the hydrogen-containing fluid generated by the hydrogen generator, the residual gas, and the combustion gas generated by the catalytic combustion device and passing through the composite preheater as the heat source. The heat source used in the apparatus may be only one of the aforementioned hydrogen-containing fluid, residual gas, and combustion gas.
第一、第二の実施形態では、原料予熱装置と酸素予熱装置と水蒸気予熱装置とが一体化した複合予熱器を有しているが、原料予熱装置と酸素予熱装置と水蒸気予熱装置とは個別に設けられていてもよい。 In the first and second embodiments, the raw material preheating device, the oxygen preheating device, and the steam preheating device have a combined preheater. However, the raw material preheating device, the oxygen preheating device, and the steam preheating device are individually provided. May be provided.
第一の実施形態では、減圧部が設けられていないが、第一の実施形態にさらに減圧部が設けられていてもよい。またあるいは、第二の実施形態において、透過水素受容室にスイープスチームとして水蒸気を供給してもよい。 In the first embodiment, no decompression unit is provided, but a decompression unit may be further provided in the first embodiment. Alternatively, in the second embodiment, water vapor may be supplied as sweep steam to the permeate hydrogen receiving chamber.
第二の実施形態では、一箇所に減圧部が設けられているが、二箇所以上に減圧部が設けられていてもよい。加えて、減圧部は、水素供給手段のいずれの位置に設けられていてもよい。例えば、減圧部は、気液分離装置170の出口ラインである配管172(図4)に設けられていてもよい。
In 2nd embodiment, although the pressure reduction part is provided in one place, the pressure reduction part may be provided in two or more places. In addition, the decompression unit may be provided at any position of the hydrogen supply unit. For example, the decompression unit may be provided in a pipe 172 (FIG. 4) that is an outlet line of the gas-
以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明するが、実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, it is not limited to an Example.
(製造例1)酸素透過膜1の製造
ペロブスカイトLa0.2Sr0.8Co0.8Fe0.2O3を酸素透過膜1として製作した。酸素透過膜1は、ランタン、ストロンチウム、コバルト及び鉄を各金属のモル比に応じて秤量し、1時間乾式混合し原料粉末とした。得られた原料粉末を電気炉で大気雰囲気下、温度1000℃で6時間仮焼した。得られた生成物を粉砕した後、この粉末を金型にて所定の形状に成形し成形体を得た。得られた成形体を真空乾燥した後、圧力2.7t/cm2(265MPa)で15分間、等方静水圧プレスを施した。その後、大気雰囲気下において、温度1300℃で6時間焼成することで、酸素透過膜1を得た。
Production Example 1 Production of Oxygen Permeation Membrane 1 Perovskite La 0.2 Sr 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 was produced as the oxygen permeable membrane 1. For the oxygen permeable membrane 1, lanthanum, strontium, cobalt and iron were weighed according to the molar ratio of each metal, and dry mixed for 1 hour to obtain a raw material powder. The obtained raw material powder was calcined in an electric furnace in an air atmosphere at a temperature of 1000 ° C. for 6 hours. After the obtained product was pulverized, this powder was molded into a predetermined shape with a mold to obtain a molded body. The obtained molded body was vacuum-dried and then subjected to isotropic isostatic pressing at a pressure of 2.7 t / cm 2 (265 MPa) for 15 minutes. Then, the oxygen permeable film 1 was obtained by baking at a temperature of 1300 ° C. for 6 hours in an air atmosphere.
(製造例2)リフォーミング触媒1の製造
前述の非特許文献2の記載に従い、リフォーミング触媒1の全体質量の10質量%となるように、NiをSiO2に担持したNi/SiO2を製造した。Niの供給源には硝酸ニッケルを用い、単体にはアエロジル社のSiO2(表面積:380m2/g)を用い、公知の含浸法により調製した。SiO2に硝酸ニッケル水溶液を含浸させ乾燥させた後、300℃で4時間焼結し、さらに400℃で5時間加熱して、リフォーミング触媒1を得た。
Preparation according to the description of (preparation 2) reforming catalyst 1 of manufacturing the aforementioned non-patent document 2, so as to be 10 mass% of the total mass of the reforming catalyst 1, the Ni / SiO 2 supported on a SiO 2 to Ni did. Nickel nitrate was used as a Ni supply source, and SiO 2 (surface area: 380 m 2 / g) manufactured by Aerosil Co. was used as a simple substance, and it was prepared by a known impregnation method. SiO 2 was impregnated with an aqueous nickel nitrate solution and dried, followed by sintering at 300 ° C. for 4 hours and further heating at 400 ° C. for 5 hours to obtain a reforming catalyst 1.
(実施例1)
図1に示す燃料電池システム10と同一の構成からなる、燃料電池システムAを製作し発電試験を行った。
燃料電池としてPEFCの燃料電池スタックを採用し、試験設備の容量は、発電端出力(直流)で1.223kW、送電端出力(交流)として1kW級とした。酸素生成装置は図2に示す酸素生成装置70と同様の構造を有するプレートタイプとした。酸素透過膜には製造例1で得られた酸素透過膜1を用い、その透過面積は0.217m2とした。触媒燃焼室には、酸化触媒としてパラジウム触媒(炭化水素酸化触媒、ズードケミー触媒株式会社製)を5.4L充填した。空気供給室には不活性粒子(アルミナ、質量平均粒子径:5mmφ、株式会社チップトン製)を8.64L充填した。透過酸素受容室には不活性粒子を6.48L充填した。
Example 1
A fuel cell system A having the same configuration as the
The fuel cell stack of PEFC was adopted as the fuel cell, and the capacity of the test facility was set to 1.223 kW at the power generation end output (direct current) and 1 kW class as the power transmission end output (alternating current). The oxygen generator was a plate type having the same structure as that of the
水素生成装置は図3に示す水素生成装置100と同様の構造を有するプレートタイプとした。水素生成装置の水素透過膜は、市販のPd−Ag膜(田中貴金属工業株式会社製)を用い、その透過面積は0.176m2、水素透過フラックスは、0.173kg−mol/h−H2/m2とした。触媒反応室には、製造例2で得られたリフォーミング触媒1を3.52L充填した。透過水素受容室には、不活性粒子を5.28L充填した。水蒸気発生装置には、複合ボイラを用いた。「水素透過フラックス」とは、透過膜単位面積(m2)における1時間当たりの透過水素流量(kg−mol/h)である(以降において同じ)。
The hydrogen generator was a plate type having the same structure as the
原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガスを複合予熱器で400℃に加熱後、触媒反応室の入口圧力を305.3kPaとし、0.298Nm3/hで触媒反応室に供給した。空気を複合予熱器で700℃に加熱後、4.482Nm3/hで予熱済空気を空気供給室に供給した。酸素透過フラックスは0.51Nm3/h−O2/m2であった。水蒸気発生装置で発生した水蒸気(温度144℃、圧力395.5kPa)の内、0.448Nm3/hを酸素用のスイープスチームとして透過酸素受容室に供給した。また、水蒸気発生装置で発生した水蒸気の内、1.470Nm3/hを複合予熱器で540℃に加熱後、水素用のスイープスチームとして透過水素受容室に供給した。
また、触媒燃焼室に供給された補助燃料としての天然ガス流量は0.026Nm3/hであり、酸化触媒の燃焼ガス基準SVは、2120(m3/h)/m3−Catであり、空気供給室への伝熱フラックスは2951kJ/m2/h(705kcal/m2/h)であった。
その他のプロセス条件は表1に示す値とした。なお、「Nm3」とは、「m3(標準状態)」を表す(以降において同じ)。「酸素透過フラックス」とは、透過膜単位面積(m2)における1時間当たりの透過酸素流量(Nm3/h−O2)である(以降において同じ)。「燃焼ガス基準SV」とは、酸化触媒の単位体積(m3−Cat)当たりにおける、1時間当たりの燃焼ガス発生量(m3/h)であり、単位(m3/h)/m3−Catで表される値である(以降において同じ)。「電熱フラックス」とは、1時間(h)当たりにおける、単位面積(m2)当たりの伝熱量(kJ)であり、kJ/m2/hで表される。
Natural gas was used as the light hydrocarbon of the raw material. After the raw natural gas was heated to 400 ° C. with a composite preheater, the inlet pressure of the catalyst reaction chamber was set to 305.3 kPa and supplied to the catalyst reaction chamber at 0.298 Nm 3 / h. After heating the air to 700 ° C. with a composite preheater, preheated air was supplied to the air supply chamber at 4.482 Nm 3 / h. The oxygen permeation flux was 0.51 Nm 3 / h—O 2 / m 2 . 0.448 Nm 3 / h of water vapor (temperature: 144 ° C., pressure: 395.5 kPa) generated by the water vapor generator was supplied to the permeation oxygen receiving chamber as a sweep steam for oxygen. Further, 1.470 Nm 3 / h of the water vapor generated by the water vapor generator was heated to 540 ° C. with a composite preheater and then supplied to the permeate hydrogen receiving chamber as a hydrogen sweep steam.
The flow rate of natural gas as auxiliary fuel supplied to the catalyst combustion chamber is 0.026 Nm 3 / h, and the combustion gas reference SV of the oxidation catalyst is 2120 (m 3 / h) / m 3 -Cat, The heat transfer flux to the air supply chamber was 2951 kJ / m 2 / h (705 kcal / m 2 / h).
Other process conditions were as shown in Table 1. “Nm 3 ” represents “m 3 (standard state)” (the same applies hereinafter). The “oxygen permeation flux” is the permeation oxygen flow rate (Nm 3 / h—O 2 ) per hour in the permeation membrane unit area (m 2 ) (the same applies hereinafter). The “combustion gas standard SV” is the amount of combustion gas generated per hour (m 3 / h) per unit volume (m 3 -Cat) of the oxidation catalyst, and the unit (m 3 / h) / m 3 A value represented by -Cat (the same applies hereinafter). “Electric heat flux” is a heat transfer amount (kJ) per unit area (m 2 ) per hour (h), and is represented by kJ / m 2 / h.
水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は0.756Nm3/h、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は0.682Nm3/hであり、リフォーミング触媒1の生成水素基準W/Fの値は、26.1kg−Cat/kg−mol/h−H2であった。「W/F」とは、1時間当たりの水素生成量(kg−mol/h−H2)当たりの触媒量(kg−Cat)であり、kg−Cat/kg−mol/h−H2で表される(以降において同じ)。 Hydrogen generated in the catalytic reaction chamber of the hydrogen generator is 0.756 Nm 3 / h, and hydrogen generated in the hydrogen permeation receiving chamber is 0.682 Nm 3 / h. the value of the reference W / F was 26.1kg-Cat / kg-mol / h-H 2. “W / F” is the amount of catalyst (kg-Cat) per hour of hydrogen production (kg-mol / h-H 2 ), and kg-Cat / kg-mol / h-H 2 Expressed (same in the following).
上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、72.6%に相当するものであった。また、下記(9)式で定義される冷ガス効率は70.8%であった。なお、下記(9)式においてLHV(kJ/Nm3)は低位発熱量を示す。 The value of the produced hydrogen was equivalent to 72.6% as a raw material natural gas conversion rate. The cold gas efficiency defined by the following formula (9) was 70.8%. In the following formula (9), LHV (kJ / Nm 3 ) indicates a lower heating value.
冷ガス効率=(生成H2+CO(Nm3/h)のLHV)/(供給天然ガス(Nm3/h)のLHV)×100 ・・・(9) Cold gas efficiency = (LHV of produced H 2 + CO (Nm 3 / h)) / (LHV of supplied natural gas (Nm 3 / h)) × 100 (9)
こうして、燃料電池システムAの運転を行い、燃料電池システムAの発電効率を測定し、その結果を表1に示す。なお、表1中、「付属機器消費動力」は、第一空気ブロワ及び第二空気ブロワの消費動力の合計値を「空気ブロア」として記載した(実施例2において同じ)。 Thus, the fuel cell system A is operated, and the power generation efficiency of the fuel cell system A is measured. The results are shown in Table 1. In Table 1, “accessory power consumption” is described as “air blower” as a total value of power consumption of the first air blower and the second air blower (same in Example 2).
(実施例2)
下記運転条件とした他は、実施例1と同様にして燃料電池システムAによる発電試験を行った。
(Example 2)
A power generation test using the fuel cell system A was performed in the same manner as in Example 1 except that the following operating conditions were used.
原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガスを複合予熱器で400℃に加熱後、触媒反応室の入口圧力を796.3kPaとし、0.311Nm3/hで触媒反応室に供給した。空気を複合予熱器で700℃に加熱後、4.674Nm3/hで予熱済酸素を水素生成装置の触媒反応室に供給した。この際、酸素透過フラックスは0.53Nm3/h−O2/m2であった。水蒸気発生装置で発生した水蒸気(温度170.6℃、圧力803.3kPa)の内、0.467Nm3/hを酸素用のスイープスチームとして透過酸素受容室に供給した。また、水蒸気発生装置で発生した水蒸気の内、0.208Nm3/hを複合予熱器で540℃に加熱後、水素用のスイープスチームとして透過水素受容室に供給した。
また、触媒燃焼室に供給された補助燃料としての天然ガス流量は0.019Nm3/hであり、酸化触媒の燃焼ガス基準SVは、2211(m3/h)/m3−Catであり、空気供給室への伝熱フラックスは2574kJ/m2/h(615kcal/m2/h)であった。その他のプロセス条件は表1に示す値とした。
Natural gas was used as the light hydrocarbon of the raw material. After the raw natural gas was heated to 400 ° C. with a composite preheater, the inlet pressure of the catalyst reaction chamber was 796.3 kPa and supplied to the catalyst reaction chamber at 0.311 Nm 3 / h. After heating the air to 700 ° C. with a composite preheater, preheated oxygen was supplied to the catalytic reaction chamber of the hydrogen generator at 4.674 Nm 3 / h. At this time, the oxygen permeation flux was 0.53 Nm 3 / h—O 2 / m 2 . Of the water vapor (temperature 170.6 ° C., pressure 803.3 kPa) generated by the water vapor generator, 0.467 Nm 3 / h was supplied as a sweep steam for oxygen to the permeation oxygen receiving chamber. Further, 0.208 Nm 3 / h of the water vapor generated by the water vapor generator was heated to 540 ° C. with a composite preheater, and then supplied to the permeated hydrogen receiving chamber as a hydrogen sweep steam.
The flow rate of natural gas as auxiliary fuel supplied to the catalytic combustion chamber is 0.019 Nm 3 / h, and the combustion gas reference SV of the oxidation catalyst is 2211 (m 3 / h) / m 3 -Cat, The heat transfer flux to the air supply chamber was 2574 kJ / m 2 / h (615 kcal / m 2 / h). Other process conditions were as shown in Table 1.
水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は0.755Nm3/h、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は0.682Nm3/hであった。水素生成装置におけるリフォーミング触媒1のW/Fの値は、26.2kg−Cat/kg−mol/h−H2であった。 Hydrogen produced in the catalytic reaction chamber of the hydrogen generator was 0.755 Nm 3 / h, and hydrogen permeated into the hydrogen permeation receiving chamber was 0.682 Nm 3 / h. The W / F value of the reforming catalyst 1 in the hydrogen generator was 26.2 kg-Cat / kg-mol / h-H 2 .
上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、70.3%に相当するものであった。また、前記(9)式で定義される冷ガス効率は68.2%であった。こうして、燃料電池システムAの運転を行い、燃料電池システムAの発電効率を測定し、その結果を表1に示す。 The value of the produced hydrogen was equivalent to 70.3% as a raw material natural gas conversion rate. The cold gas efficiency defined by the formula (9) was 68.2%. Thus, the fuel cell system A is operated, and the power generation efficiency of the fuel cell system A is measured. The results are shown in Table 1.
(実施例3)
図4に示す燃料電池システム400と同一の構成からなる、燃料電池システムBを製作し発電試験を行った。減圧部には、2台のターボIDF(以下、単にIDFという)を直列に設置した。2台のIDFの内、上流側を第一のIDF、下流側を第二のIDFとした。燃料電池、酸素生成装置、水素生成装置、水蒸気発生装置はいずれも実施例1と同じ仕様とした。
(Example 3)
A fuel cell system B having the same configuration as the
原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガスを複合予熱器で400℃に加熱後、触媒反応室の入口圧力を264.3kPaとし、0.296Nm3/hで触媒反応室に供給した。空気を複合予熱器で700℃に加熱後、4.454Nm3/hで予熱済空気を空気供給室に供給した。酸素透過フラックスは0.51Nm3/h−O2/m2であった。水蒸気発生装置で発生した水蒸気(温度144℃、圧力395.5kPa)の内、0.445Nm3/hを複合ボイラーで426℃に加熱後、酸素用のスイープスチームとして透過酸素受容室に供給した。
また、補助燃料としての触媒燃焼室への天然ガスの供給は行わなかった。酸化触媒の燃焼ガス基準SVは、1601(m3/h)/m3−Catであり、空気供給室への伝熱フラックスは2185kJ/m2/h(522kcal/m2/h)であった。その他のプロセス条件は表2に示す値とし、第一のIDF及び第二のIDFを起動し、水素生成装置の透過水素受容室を減圧しながら燃料電池システムCの運転を行った。なお、(9)式で定義される冷ガス効率は、68.2%であった。
Natural gas was used as the light hydrocarbon of the raw material. After the raw natural gas was heated to 400 ° C. with a composite preheater, the inlet pressure of the catalyst reaction chamber was set to 264.3 kPa and supplied to the catalyst reaction chamber at 0.296 Nm 3 / h. After heating the air to 700 ° C. with a composite preheater, preheated air was supplied to the air supply chamber at 4.454 Nm 3 / h. The oxygen permeation flux was 0.51 Nm 3 / h—O 2 / m 2 . 0.445 Nm 3 / h of water vapor (temperature: 144 ° C., pressure: 395.5 kPa) generated by the water vapor generator was heated to 426 ° C. with a composite boiler, and then supplied to the permeation oxygen receiving chamber as sweep steam for oxygen.
Further, no natural gas was supplied to the catalytic combustion chamber as auxiliary fuel. The combustion gas reference SV of the oxidation catalyst was 1601 (m 3 / h) / m 3 -Cat, and the heat transfer flux to the air supply chamber was 2185 kJ / m 2 / h (522 kcal / m 2 / h). . The other process conditions were as shown in Table 2, and the first IDF and the second IDF were started, and the fuel cell system C was operated while the permeated hydrogen receiving chamber of the hydrogen generator was depressurized. The cold gas efficiency defined by the formula (9) was 68.2%.
水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は0.756Nm3/h、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は0.682Nm3/hであった。上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、72.9%に相当するものであった。 Hydrogen produced in the catalytic reaction chamber of the hydrogen generator was 0.756 Nm 3 / h, and of the produced hydrogen, hydrogen permeated into the hydrogen permeation receiving chamber was 0.682 Nm 3 / h. The value of the produced hydrogen was equivalent to 72.9% as a raw material natural gas conversion rate.
こうして、燃料電池システムBの運転を行い、燃料電池システムBの発電効率を測定し、その結果を表2に示す。なお、表2中、「付属機器消費動力」の内、第一空気ブロワ及び第二空気ブロワの消費動力は、合計値を「空気ブロア」として記載した。また、第一のIDF及び第二のIDFの消費動力は、合計値を「IDF」として記載した。 Thus, the fuel cell system B is operated, and the power generation efficiency of the fuel cell system B is measured. The results are shown in Table 2. In Table 2, the power consumption of the first air blower and the second air blower among the “accessory power consumption” is described as “air blower”. Moreover, the power consumption of 1st IDF and 2nd IDF described the total value as "IDF."
表1の実施例1の結果に示すように、燃料電池システムAに投入されたエネルギーは、原料天然ガス+補助燃料天然ガスであり、その熱量は3.696kWであった。燃料電池システムAのPEFC燃料電池スタックからの発電端出力(直流)は1.223kWであり、インバーター(直流→交流変換器)ロスは0.122kWであった。また、燃料電池システムAを構成する空気ブロワ等の付属機器の消費動力は0.287kW、回収動力(ガスタービン)は0.299kWであった。以上のバランスにより、燃料電池システムAの送電端出力(交流)として1.112kWが得られ、燃料電池システムAの送電端効率は30.1%であった。PEFC燃料電池スタック、含水素流体及び残存ガスを冷却することにより生産された温水(65℃)は34.61kg/hであり、この値は熱量換算で1.683kWに相当し、温水生産効率として45.5%であった。従って、総合熱効率(送電端効率+温水生産率)の値として75.6%が得られた。 As shown in the results of Example 1 in Table 1, the energy input to the fuel cell system A was raw material natural gas + auxiliary fuel natural gas, and the amount of heat was 3.696 kW. The power generation end output (direct current) from the PEFC fuel cell stack of fuel cell system A was 1.223 kW, and the inverter (direct current to alternating current converter) loss was 0.122 kW. In addition, the consumption power of an accessory such as an air blower constituting the fuel cell system A was 0.287 kW, and the recovery power (gas turbine) was 0.299 kW. With the above balance, 1.112 kW was obtained as the power transmission end output (AC) of the fuel cell system A, and the power transmission end efficiency of the fuel cell system A was 30.1%. The hot water (65 ° C.) produced by cooling the PEFC fuel cell stack, the hydrogen-containing fluid and the residual gas is 34.61 kg / h, which corresponds to 1.683 kW in terms of calorie, It was 45.5%. Therefore, 75.6% was obtained as the value of the total thermal efficiency (power transmission end efficiency + warm water production rate).
表1の実施例2の結果に示すように、燃料電池システムAに投入されたエネルギーは、原料天然ガス+補助燃料天然ガスであり、その熱量は3.758kWであった。燃料電池システムAのPEFC燃料電池スタックからの発電端出力(直流)は1.223kWであり、インバーター(直流→交流変換器)ロスは0.122kWであった。また、燃料電池システムBを構成する空気ブロワ等の付属機器の消費動力は0.530kW、回収動力(ガスタービン及びスチームタービン)は0.683kWであった。以上のバランスにより、燃料電池システムAの送電端出力(交流)として1.253kWが得られ、燃料電池システムAの送電端効率は33.3%であった。PEFC燃料電池スタック、含水素流体及び残存ガスを冷却することにより生産された温水(65℃)は22.53kg/hであり、この値は熱量換算で1.102kWに相当し、温水生産効率として29.3%であった。従って、総合熱効率(送電端効率+温水生産率)の値として62.6%が得られた。 As shown in the results of Example 2 in Table 1, the energy input to the fuel cell system A was raw material natural gas + auxiliary fuel natural gas, and the amount of heat was 3.758 kW. The power generation end output (direct current) from the PEFC fuel cell stack of fuel cell system A was 1.223 kW, and the inverter (direct current to alternating current converter) loss was 0.122 kW. Further, the power consumption of the accessory devices such as an air blower constituting the fuel cell system B was 0.530 kW, and the recovery power (gas turbine and steam turbine) was 0.683 kW. With the above balance, 1.253 kW was obtained as the power transmission end output (AC) of the fuel cell system A, and the power transmission end efficiency of the fuel cell system A was 33.3%. The hot water (65 ° C.) produced by cooling the PEFC fuel cell stack, the hydrogen-containing fluid and the residual gas is 22.53 kg / h, and this value is equivalent to 1.102 kW in terms of calorific value. It was 29.3%. Therefore, 62.6% was obtained as a value of total thermal efficiency (power transmission end efficiency + warm water production rate).
表2の実施例3の結果に示すように、燃料電池システムBに投入されたエネルギーは、原料天然ガスであり、その熱量は3.375kWであった。燃料電池システムBのPEFC燃料電池スタックからの発電端出力(直流)は1.223kWであり、インバーター(直流→交流変換器)ロスは0.122kWであった。また、燃料電池システムBを構成する空気ブロワ、IDF等の付属機器の消費動力は0.319kW、回収動力(ガスタービン及びスチームタービン)は0.385kWであった。以上のバランスにより、燃料電池システムBの送電端出力(交流)として1.166kWが得られ、燃料電池システムbの送電端効率は34.5%であった。PEFC燃料電池スタック、水素及び残存ガスを冷却することにより生産された温水(65℃)は19.76kg/hであり、この値は熱量換算で0.959kWに相当し、温水生産効率として28.4%であった。従って、総合熱効率(送電端効率+温水生産率)の値として62.9%が得られた。 As shown in the results of Example 3 in Table 2, the energy input to the fuel cell system B was raw material natural gas, and the amount of heat was 3.375 kW. The power generation end output (direct current) from the PEFC fuel cell stack of fuel cell system B was 1.223 kW, and the inverter (direct current to alternating current converter) loss was 0.122 kW. In addition, the power consumption of accessory devices such as an air blower and IDF constituting the fuel cell system B was 0.319 kW, and the recovery power (gas turbine and steam turbine) was 0.385 kW. With the above balance, 1.166 kW was obtained as the power transmission end output (AC) of the fuel cell system B, and the power transmission end efficiency of the fuel cell system b was 34.5%. The hot water (65 ° C.) produced by cooling the PEFC fuel cell stack, hydrogen and residual gas is 19.76 kg / h, this value corresponds to 0.959 kW in terms of calorie, and the hot water production efficiency is 28. 4%. Therefore, 62.9% was obtained as a value of the total thermal efficiency (power transmission end efficiency + warm water production rate).
上述のとおり、実施例1〜3はいずれも送電端効率が30%を超えており、燃料電池システムA、Bはエネルギー効率の高いシステムであるといえる。加えて、実施例1に比べ実施例2の方が送電端効率が高いことから、触媒反応室に供給する混合流体の圧力を上げることで、送電端効率を上げられることが判った。さらに、実施例3は実施例1に比べて65℃温水生産効率が低く、送電端効率が高いことから、減圧部により透過水素受容室を減圧することで、温水製造に利用されるエネルギーを低減し、送電端効率の向上が図れることが判った。即ち、燃料電池システムのエネルギーの需要パターン(送電端効率又は温水生産効率)に応じて、実施例1〜3の内、最適なシステムを適用できることが判った。 As described above, in all of Examples 1 to 3, the power transmission end efficiency exceeds 30%, and it can be said that the fuel cell systems A and B are systems with high energy efficiency. In addition, since the power transmission end efficiency of Example 2 is higher than that of Example 1, it was found that the power transmission end efficiency can be increased by increasing the pressure of the mixed fluid supplied to the catalyst reaction chamber. Furthermore, since Example 3 has lower 65 ° C. warm water production efficiency and higher power transmission end efficiency than Example 1, energy used for hot water production is reduced by decompressing the permeated hydrogen receiving chamber by the decompression unit. As a result, it was found that the transmission end efficiency can be improved. That is, it has been found that the optimum system among Examples 1 to 3 can be applied according to the energy demand pattern (power transmission end efficiency or hot water production efficiency) of the fuel cell system.
10、400 燃料電池システム
16、74、76、122、124、132、152、154、158、166、172、192、220、230、246、430、450 配管
20 複合予熱器
24 水蒸気加熱部
70 酸素生成装置
72 透過酸素受容室
80 空気供給室
82 酸素透過膜
90 触媒燃焼室
100、410 水素生成装置
112 水素透過膜
120、412 透過水素受容室
130、414 触媒反応室
134 第二のガスタービン
150 水蒸気発生装置
155、160、248、452 熱交換装置
170、190 気液分離装置
300 燃料電池
454 減圧部
10,400
Claims (10)
酸素透過膜により仕切られた空気供給室と透過酸素受容室と、酸化触媒が充填され該酸化触媒に可燃ガスを接触して燃焼し前記空気供給室を加熱する触媒燃焼室とが設けられた酸素生成装置と、
水素透過膜により仕切られた触媒反応室と透過水素受容室とが設けられ、前記触媒反応室には炭化水素リフォーミング触媒が充填されている水素生成装置と、
前記触媒反応室に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記触媒反応室に軽質炭化水素を供給する手段と、
前記酸素生成装置で生成した酸素を前記触媒反応室に供給する手段と、
前記水素生成装置で生成した水素を前記燃料電池に供給する水素供給手段とを有し、
前記空気供給室に空気を流通させ、該空気に含まれる酸素を前記酸素透過膜で仕切られた前記透過酸素受容室に透過し、前記空気供給装置に残存する残存空気と分離し、
前記触媒反応室で、酸素及び水蒸気の存在下に軽質炭化水素を前記炭化水素リフォーミング触媒に接触させて生成した水素を前記水素透過膜で仕切られた前記透過水素受容室に透過し、前記触媒反応室に残存する残存ガスと分離することを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell;
Oxygen provided with an air supply chamber and a permeated oxygen receiving chamber partitioned by an oxygen permeable membrane, and a catalytic combustion chamber filled with an oxidation catalyst and in contact with the oxidation catalyst to burn a combustible gas and heat the air supply chamber A generating device;
A hydrogen generating device in which a catalytic reaction chamber and a permeating hydrogen receiving chamber partitioned by a hydrogen permeable membrane are provided, and the catalytic reaction chamber is filled with a hydrocarbon reforming catalyst;
Water vapor supply means for supplying water vapor to the catalytic reaction chamber;
Means for supplying light hydrocarbons to the catalytic reaction chamber;
Means for supplying oxygen generated by the oxygen generator to the catalytic reaction chamber;
Hydrogen supply means for supplying hydrogen generated by the hydrogen generator to the fuel cell;
Air is circulated through the air supply chamber, oxygen contained in the air is transmitted to the permeated oxygen receiving chamber partitioned by the oxygen permeable membrane, and separated from residual air remaining in the air supply device;
In the catalytic reaction chamber, hydrogen produced by contacting light hydrocarbons with the hydrocarbon reforming catalyst in the presence of oxygen and water vapor passes through the permeated hydrogen receiving chamber partitioned by the hydrogen permeable membrane, and the catalyst. A fuel cell system, wherein the fuel cell system is separated from residual gas remaining in a reaction chamber.
The fuel according to any one of claims 1 to 9, wherein at least one of the permeated oxygen receiving chamber, the air supply chamber, and the permeated hydrogen receiving chamber is filled with an inert particle. Battery system.
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