(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温高圧の燃焼ガスによりガスタービンを駆動して発電すると共に、ガスタービンを駆動した後の温度６５０〜８５０℃、圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇの高温高圧の排ガスを取出し、前記高温高圧の排ガスを加熱源として水素分離透過膜を有する改質装置により炭化水素を水蒸気改質させて高純度水素を製造し、得られた高純度水素を燃料電池に供給して発電し、さらに前記改質装置を加熱した後の低圧排ガスを用いて低圧ガスタービンにより発電することを特徴とする発電方法。
【請求項２】
水素分離透過膜が無機多孔体の表面にパラジウム含有合金の薄膜を形成させた構造を有するものである請求項１記載の発電方法。
【請求項３】
燃料電池が固体高分子型燃料電池である請求項１または２記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はガスタービンと燃料電池を用いる発電方法に関する。さらに詳しくは、ガスタービンを駆動して発電した後の高温高圧の排ガスを加熱源として特定の改質装置により炭化水素の水蒸気改質を行い、得られた高純度水素を燃料電池に供給して発電することにより、装置全体として単位燃料当たりの発電効率に極めて優れる発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、日本における火力発電としては、主として原油や重油を用い、ボイラにより生じた高温高圧のスチームでタービンを回転させて発電するスチームタービンによる方法が主なものである。また最近では、ＬＮＧなどを用いたコンバインド・サイクル発電法も採用されている。前記スチームタービンによる発電では、発電効率が約４０％／ＨＨＶ基準（ＨＨＶ：高位発熱量）と比較的低い。これに対しコンバインド・サイクル発電では圧縮機で圧縮した空気で燃料を燃焼させるか、あるいは該圧縮空気を燃焼熱で加熱させ、得られる高温高圧ガスでタービンを回転させて発電させ、さらにその燃焼排ガスの有する高温熱エネルギをボイラで回収し、スチームタービンを運転して再度発電する方法であり、発電効率が約４８％／ＨＨＶ基準と比較的高いことが特徴である。
【０００３】
一方、発電効率が６０％と極めて高く、騒音や振動がなく、かつ大気汚染の心配の少ない都市型の電源として、燃料電池の実用化に向けて盛んに研究開発がなされている。燃料電池としては１５０〜２３０℃で作動するりん酸型、１００℃以下で作動する固体高分子型、アルカリ型、作動温度６００〜７００℃の溶融炭酸塩型などがある。これらのうち特に１００℃以下で作動する固体高分子型では、電極の白金などの触媒がＣＯにより被毒されるため、燃料電池に供給する水素含有ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にする必要があるとされている。このため、従来の炭化水素やアルコールの水蒸気改質法により製造した水素を燃料電池用の燃料ガスとするには、当該粗製水素をＣＯ変成器や水素精製器によりさらに精製し、ＣＯ含有量が１０ｐｐｍ以下の高純度とする必要があり、そのための工程が複雑で、かつ多量の高温熱エネルギを要し、コストの面から問題となっていた。
【０００４】
ところで最近、前記水蒸気改質法による水素の製造方法において、膜分離の併用技術が提案されている。例えば、米国特許第５，２２９，１０２号明細書には、触媒を充填したチューブ状の多孔質セラミック膜に炭化水素を供給することにより、生成した水素を選択的に透過させる改質器が記載されている。これにより、生成した水素を系外に取り去ることにより、改質反応の平衡が水素生成系に傾く結果、従来の改質器において７５０〜８８０℃の高温が必要であったのに対し、３００〜７００℃の比較的低温度で改質できる旨が記載されている。また比較的低温度で改質できるので、ガスタービンやガスエンジンの排出ガス程度の温度を改質熱源として利用できることが記載されている。またこれとは別に、改質装置にパラジウム系薄膜を併用し、改質により得られる水素を薄膜を通して高純度水素とし、これを燃料電池に供給する技術も知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようにコンバインド・サイクル発電、改質器による高純度水素の製造、さらには燃料電池による発電など個々の技術やそれらの一部の組合わせ技術については断片的に試みられ、単位燃料当たりの発電効率を高める努力がなされているものの、より一層の発電効率の向上が求められていることは言うまでもない。前記した米国特許明細書には、ガスタービンと改質器の組合わせについては記載されているものの、これらにさらに燃料電池を組合わせた発電方法については何ら示唆されていない。また後者の改質装置にパラジウム系薄膜を取付け、得られる高純度の水素を燃料電池に供給する技術に関しても、ガスタービンなどの高温高圧の排ガス熱源を有効利用する点については知られていない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような技術の現状に鑑み、本発明者らは総合的に見て単位燃料当たりの発電効率を極限まで高めるために鋭意検討した結果、既存の動力設備及び発電設備を所定方法で総合的に組合わせることにより、これまで知られていた以上の極めて高い発電効率が達成され得ることに想到し、本発明を完成させることができた。
【０００７】
すなわち、本発明は（１）高温高圧の燃焼ガスによりガスタービンを駆動して発電すると共に、ガスタービンを駆動した後の温度６５０〜８５０℃、圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇの高温高圧の排ガスを取出し、前記高温高圧の排ガスを加熱源として水素分離透過膜（以下、メンブレンと称す）を有する改質装置により炭化水素を水蒸気改質させて高純度水素を製造し、得られた高純度水素を燃料電池に供給して発電し、さらに前記改質装置を加熱した後の低圧排ガスを用いて低圧ガスタービンにより発電することを特徴とする発電方法、（２）水素分離透過膜が無機多孔体の表面にパラジウム含有合金の薄膜を形成させた構造を有するものである上記（１）記載の発電方法、（３）燃料電池が固体高分子型燃料電池である上記（１）または（２）に記載の発電方法である。以下、本発明を詳しく説明する。
【０００８】
本発明で採用される改質装置としては、高純度の水素、例えばＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下の高純度水素を供給でき、改質が４５０〜８５０℃の加熱源温度範囲で行えるものであれば特に限定されない。この加熱源温度はメンブレンを有しない通常の炭化水素の改質装置では不十分であるが、メンブレンを有する改質装置を用いることにより改質が可能となる。これは生成した水素を系外に取出すことにより、前記のように化学平衡が水素生成系に移行することに起因する。天然ガスの主成分であるメタン（ＣＨ4 ）の場合を例にとると、改質反応、すなわちＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ＝３Ｈ2 ＋ＣＯにおいて、従来の改質法では反応領域温度を約８００℃にすることが必要であったが、同じ転化率を達成するのにメンブレンを利用することにより、温度４００〜６５０℃で達成することができる。本発明では、改質の温度源として４５０〜８５０℃の高温高圧の排ガスを使用することができる。
【０００９】
このようなメンブレンを備えた改質器は通常メンブレンリアクタとも称されるものであり、熱効率を考慮してより経済的な形状が種々工夫されている。メンブレンとしては水素を選択的に透過する膜で、かつ耐熱性を有する膜が用いられる。例えば膜厚１００μｍ以上のパラジウム含有合金膜、あるいは膜厚５０μｍ以下のパラジウム含有合金薄膜を無機多孔体、例えば金属やセラミックの多孔体あるいは金属不織布上にコーティングしたものが用いられる。無機多孔体としてはシールなどの加工性、耐衝撃性、水素透過性などの観点から金属多孔体が好ましい。前記パラジウム含有合金としてはパラジウム単独またはパラジウムを１０重量％以上含有するものが好ましく、パラジウム以外にＰｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，ＩｒなどのVIII族元素、Ｃｕ，Ａｇ，ＡｕなどのＩｂ族元素を有するものが好ましい。この他、バナジウム（Ｖ）を含有する合金膜、例えばＮｉ−Ｃｏ−Ｖ合金にパラジウムをコーティングした膜などが用いられる。
【００１０】
炭化水素を水蒸気改質させる改質触媒としてはVIII族金属（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｐｔなど）を含有するものが好ましく、Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈを担持した触媒またはＮｉＯ含有触媒が特に好ましい。
【００１１】
改質原料として用いられる炭化水素としては炭素数１〜１０程度のものが使用でき、これらにはメタンを主成分とする天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス、ナフサなどの軽質炭化水素が含まれるが、中でも天然ガスを用いることが好ましい。
【００１２】
具体的なメンブレンを有する改質装置としては特に限定はなく、公知のものが使用できる。例えば、特開平２−３１１３０１号公報には、触媒を充填した反応管内に水素分離機能を有する分離膜を、さらに前記反応管外側に外筒を設け、触媒を充填した反応管内に改質原料を供給して水素を発生させ、分離膜の内側に不活性ガス（スイープガス）を流入させて分離膜を透過した水素をスイープガスに同伴させて系外に取出し、燃料電池に供給する技術が記載されている。すなわち改質部を同心状の三重管とし、中間層に触媒を充填して水素を製造し、分離膜を通して管の中心部に分離された水素をスイープガスに同伴させて排出するものである。改質器として好ましいものは上記のとおりであるが、この他に前記米国特許明細書に記載されているようなセラミックメンブレンを用いることもできる。
【００１３】
本発明で使用される燃料電池としては、前記のりん酸型、固体高分子型、アルカリ型、溶融炭酸塩型などがあげられるが、これらの中では特に固体高分子型燃料電池が好ましい。
【００１４】
本発明においては、高温高圧の燃焼ガスからガスタービンにより動力が取出され、動力の一部はエアコンプレッサに使用され、残りの動力は発電に使用されるが、前記発電の代りに一部または全部を動力のまま取出すことも可能である。
【００１５】
以下、本発明による発電方法で使用できる装置の一例を図１によって説明する。図１では主要設備のみ示し、付属設備は省略してある。
【００１６】
図１はガスタービンによる発電、改質装置、及び燃料電池を組合わせた発電装置である。図１において取込まれた大気１はエアコンプレッサ２で圧縮され、燃焼器４に送り込まれる。燃焼器４には天然ガス３及び後記するようにメンブレンリアクタ（改質装置）から水素を分離した残りのオフガス９が燃料の一部として供給される。天然ガス３の代りに、重金属含量などの品質問題がなければ他の炭化水素含有燃料を用いてもよい。前記オフガス９にはＣＯや未反応天然ガス、水素、ＣＯ2 、スチームなどが含まれる。燃焼器４で発生した高温高圧の燃焼ガス５をガスタービン６に導き、タービンを駆動させ、軸回転動力は発電に使用される。前記燃焼ガス５は通常、温度１３００℃以上、好ましくは１３５０℃以上であり、圧力１５〜２０ｋｇ／ｃｍ2 を有している。ガスタービン６から排出される動力を取出した後の高温高圧排ガス７はガスタービン６の分岐排ガスであり、温度６５０〜８５０℃、圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ2 Ｇである。この高温高圧排ガス７は排熱回収ボイラ１０に導かれる。排熱回収ボイラ１０内には、メンブレンリアクタ８とその水蒸気改質に使用するスチームを得る加熱器１４が設置され、高温高圧排ガス７により順次加熱される。
【００１７】
メンブレンリアクタ８において、改質反応により生成した水素は前記メンブレンの作用により、高純度水素１１として燃料電池１２に供給されて発電に使用される。前記メンブレンリアクタ８には改質原料として天然ガス１８及び加熱器１４で得られるスチーム１７が供給される。メンブレンリアクタ８及び加熱器１４を加熱した低圧排ガス１９は続いて低圧ガスタービン１９に導かれ、ガスタービン６と同軸回転軸で連結されている低圧タービン２０を駆動し、軸回転動力は発電に使用される。前記低圧排ガス１９は通常温度４００〜５００℃、圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ2 であり、低圧ガスタービン２０を駆動した後の排ガス２１は常圧で温度が低下し、煙突２２から大気に放出される。
【００１８】
図１の発電装置によれば、高温高圧排ガス７の有する圧力エネルギ及び熱エネルギを常温常圧に近い排ガス２１までに最大限に利用し、発電効率は極めて向上することが分かる。なお、加熱器１４により得られたスチーム１７のメンブレンリアクタ８への供給量が増加すると、メタンのＣＯと水素への改質率が向上すると共に、前記改質反応により生成するＣＯの改質がさらに進み、次の反応、ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ＝ＣＯ2 ＋Ｈ2 が起きやすくなり、更に多くの水素１１を得ることができる。従って、生成する水素を消費できる燃料電池の容量が必要となるが、一部の水素は他の用途に使用することもできる。
【００１９】
図２は加熱器１４で得られたスチーム１７をメンブレンリアクタ８に供給すると共に、残りのスチーム１９を燃焼器４の燃焼ガス５と共にガスタービン６に供給する場合である。図１と共通部分は同一符号を付してあるので説明は省略する。この場合は、最終的に多くの水の凝縮潜熱を煙突２２から排出することとなるが、ガスタービンでより多くの電力を取出すことが可能である。
【００２０】
図３は比較のため、従来のコンバインド・サイクル発電の装置を示したものである。この場合も図１と共通部分は同一符号を付してあるので説明は省略する。但し、ガスタービン６の排ガス７は高温で常圧である。図３で採用されるコンバインド・サイクル発電では、単なるスチームタービンシステムを使用する場合に比べ、発電効率が大幅に向上しているものの、復水器１６により大量の熱エネルギを海水などの低温熱源に捨てなければならないため、スチームタービンシステムの発電効率は３２％前後であり、ガスタービンの発電効率と併せても、前記のように４８％程度である。これに対して図１〜２の装置では、温度６５０〜８５０℃の高温高圧の排ガスの有する熱エネルギを、まずメンブレンリアクタ８により高熱効率を有する燃料電池１２の原料水素の製造に用い、さらに加熱器１４によりスチームを発生させ、温度４００〜５００℃、圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ2 の低圧排ガス１９を使用して、低圧ガスタービン２０を駆動させて発電するものであり、ガスタービン６、燃料電池１２を含め総合的にみると、天然ガスの発熱量に対する発電効率は少なくとも５０％以上を達成できることとなる。
【００２１】
表１には図１〜３において、幾つかの条件のもとに計算した燃料（ここでは天然ガス）単位量当たりのエネルギ収支をまとめたものである。
【００２２】
【表１】
0003690833.tif 000002
【００２３】
【発明の効果】
以上詳細に述べたように、本発明においては、従来の改質装置に比べ比較的低温で炭化水素の改質が可能であることから、ガスタービンなどにより高温高圧の燃焼ガスから動力を取出し発電した後の排ガスの有する熱エネルギを有効利用し、高収率で高純度水素を製造することができる。こうして改質器から得られた高純度水素を発電効率のよい燃料電池に供給することにより、総合的にみて単位炭化水素燃料に対する極めて高い発電効率が達成されることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発電方法で使用できる装置の一例の説明図。
【図２】本発明による発電方法で使用できる別の装置の一例の説明図。
【図３】従来のコンバインド・サイクル発電による装置の一例の説明図。
【図１】
0003690833.tif 000003
【図２】
0003690833.tif 000004
【図３】
0003690833.tif 000005