(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの駆動により発電又は動力を取出すと共に、エンジンの一部に密着して水素分離透過膜を有する改質装置を設置し、エンジン駆動により発生した作動熱を前記改質装置の加熱源として用い、メタノール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することを特徴とする発電方法。
【請求項２】
上記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ことを特徴とする請求項１記載の発電方法。
【請求項３】
上記燃料電池が高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は単位燃料当たりの発電効率に優れる発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、騒音や振動が小さくかつ大気汚染の心配がない都市型の電源として、発電効率が６０％と極めて高い燃料電池の開発が行われている。燃料電池は燃料の酸化反応と酸素の還元反応を別々に行い、電子及びイオンがそれぞれ外部回路及び電解質内を移動することにより、直接反応させれば熱になるエネルギを電気エネルギとして取り出せるようにした装置であり、燃料電池の燃料として用いる水素リッチなガスを供給するために改質装置を備えれば、全体として効率のよい燃料電池による発電を行うことができる。
【０００３】
一方、改質装置を用いた水素の製造方法として、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。この方法では生成した水素を系外に取去ることにより、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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、燃料電池による発電や改質装置による高純度水素の製造、あるいはエンジンが発生する熱エネルギの利用についてはそれぞれの技術が個々に開発され、あるいはそれらの組合せに関する技術が断片的に試みられており、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。しかし、これらを単に組合せただけでは次のような問題点がある。すなわち、燃料電池には電解質の違いによりリン酸型、高分子型、アルカリ型、溶融炭酸塩型などに分類され、この中で高分子型は１００°以下で作動するため操作性がよいとされている。しかし、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濃度は１０ｐｐｍ以下にする必要がある。そのため、炭化水素やアルコールの水蒸気改質法により製造した粗製水素を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る。しかし、その工程は複雑で、かつ多量の高温熱エネルギを要し、コストの面からも問題が多い。
【０００５】
また、燃料電池は総合熱効率がよいものの、それ単独では改質装置の加熱のための熱源を新たに設けなければならず、設備費の上昇並びにエネルギ効率の低下を招く。また、ガスタービンや蒸気タービンを利用する場合の他、駆動時のエンジン自体からも余剰の熱エネルギが排出されており、かかる熱エネルギの有効利用も望まれる。従って、従来技術の利点を生かし、なお抱える問題を解決し、かつ、より一層の発電効率が向上した発電方法の開発が望まれている。
【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ことを鋭意検討した結果、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ることに想到し、本発明を完成することができた。
【０００７】
すなわち本発明は (1)エンジンの駆動により発電又は動力を取出すと共に、エンジンの一部に密着して水素分離透過膜を有する改質装置を設置し、エンジン駆動により発生した作動熱を前記改質装置の加熱源として用い、水素分離透過膜を有する改質装置によりメタノール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することを特徴とする発電方法、(2)上記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ことを特徴とする上記 (1)に記載の発電方法、(3)上記燃料電池が高分子型燃料電池であることを特徴とする上記 (1)ないし(2)のいずれかに記載の発電方法である。
【０００８】
本発明で採用される改質装置としては水素分離透過膜（メンブレン）を有するものである。これにより高純度水素、例えばＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下の高純度水素を供給でき、改質が２００〜５００℃の温度範囲で行えるものであれば、特に限定されるところはない。改質装置内で起こる改質反応は吸熱反応であるため、改質装置を加熱する必要があり、メタノールを主原料とする場合に必要な温度は約２００〜５００℃である。この加熱温度はメンブレンを使用しない通常のメタノールの改質装置でも十分改質可能な温度であるが、メンブレンを有する改質装置を用いることにより、一層低い温度にて改質を行うことができる。これは生成した水素をメンブレンの作用により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からである。
【０００９】
このようなメンブレンを備えた改質装置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など１０族元素、Ｒｈ，Ｉｒなどの９族元素、Ｒｕなどの８族元素、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの１１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】
メタノールを水蒸気改質する改質触媒としては、８〜１０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】
本発明で使用する具体的な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。なお、改質装置から水素を分離した残りのオフガスにはＣＯ2 や未反応メタノール、水素、ＣＯ、スチーム、副生するメタンなどが含まれるので、これをエンジンの燃料の一部として再利用することができ、発電効率の向上にも役立つ。改質装置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。
【００１２】
本発明で使用される燃料電池としては、前記のリン酸型、高分子型、アルカリ型、溶融炭酸塩型などが挙げられるが、これらの中では特に高分子型燃料電池が好ましい。
【００１３】
本発明においては、エンジンの駆動により発電するかまたは動力を取り出すことができる。本発明で使用できるエンジンとしては、燃料の燃焼により発生するエネルギを継続的に機械的エネルギに変換する機械装置であり、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、焼き玉機関などの内燃機関を使用することができる。本発明においては、エンジンに密着して改質装置を併設し、エンジン駆動により発生したエンジン自体からの発生熱エネルギをこの改質装置の加熱源として用いる。また、エンジンに密着して設置した改質装置から発生するオフガスを、エンジン駆動用燃料の一部として利用することも可能であり、無駄のない発生熱の利用ができる。なお、エンジン駆動によるエネルギは発電の代わりに、その一部または全部を動力のまま取出して利用することも可能である。
【００１４】
〔参考例〕
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は参考例に係る発電装置の一例の概略説明図であり、主要設備のみを示し、付属設備は省略してある。
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において、エンジン駆動用燃料１はエンジン２に直接送り込まれる。さらに、エンジン２にはライン５により改質装置４から水素を分離した残りのオフガスが燃料の一部として供給される。前記オフガスにはＣＯ2 や未反応メタノール、水素、ＣＯ、スチーム、副生するメタンなどが含まれる。エンジン２の駆動により得られた電力あるいは動力を取出した後の排ガスはライン３により排熱回収装置６に導かれるが、この排ガスは常圧であり、温度は４００〜５００℃の範囲である。排熱回収装置６内には改質装置４、メタノール加熱器１１及びボイラ２０が設置され、ライン３からの排ガスにより加熱される。改質装置４ではメタノールの改質反応により生成した水素が前記メンブレンの作用により、高純度水素としてライン７を経て燃料電池８に供給されて発電に使用される。前記改質装置４には、改質原料としてメタノール加熱器１１からのメタノール蒸気とボイラ２０からのスチームとが、各々ライン１０、ライン１２を経て供給される。なお、改質装置４内で起こる改質反応は主に下記化１の反応【化１】
である。また、燃料電池８は生成する水素を消費できる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。なお、
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中１３は煙突を示す。
【００１５】
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の燃料電池８においては、エンジン駆動により発生する排ガスのもつ常圧の温度４００〜５００℃の熱エネルギを、排熱回収装置６の加熱に使用する。この熱エネルギは改質装置４において燃料電池８の原料となる水素の製造に用いられ、あるいは改質装置４に供給するためのメタノールの加熱のためのメタノール加熱器１１の加熱に使用される。エンジン２と燃料電池８との発電効率を総合的に観察すると、使用エンジン燃料及びメタノールに対する発電効率は少なくとも５０％前後を達成できることとなる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を実施例を挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるところはない。
〔実施例１〕本実施例は本発明発電装置の一実施態様であり、図２にその概略説明図を示す。図１と共通部分には同一符号を付し、説明を省略する。すなわち、図１に示すエンジンの排ガス熱エネルギの利用に加えて、エンジン２に隣接して改質装置１８，１９を設置し、これら改質装置１８，１９によって発生した水素も、ライン１７を経て燃料電池８へ送られる。改質装置１８及び１９がエンジン２に隣接しているため、エンジン駆動による発生熱を直接利用することができることとなる。このため、改質装置１８，１９は改質装置４より高温を維持することができることとなる。従って改質装置１８及び１９にライン１４により供給される燃料としてはメタノールの他に天然ガス、メタンなども使用可能となる。また、改質装置１８，１９から発生するオフガスは、ライン１５またはライン１６を経て、エンジン駆動用燃料の一部として再利用される。なお、改質装置４から発生したオフガスもライン５を経て、エンジン駆動用燃料の一部として使用される。図１ではスチーム１２の改質装置１８及び１９への供給ラインは省略している。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳細に述べたように、本発明においては、メンブレンを用いた改質装置を使用することにより高改質率でメタノールの改質が可能であることから、エンジン駆動による熱エネルギを有効利用できる。こうして改質装置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】参考例の発電方法の一実施態様を示す概略説明図。
【図２】本発明の発電方法の一実施態様を示す概略説明図。
【図１】
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【図２】
0004008051.tif 000003