JP2002083626A - 燃料電池システム用燃料 - Google Patents
燃料電池システム用燃料Info
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
- C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
- C10L1/04—Liquid carbonaceous fuels essentially based on blends of hydrocarbons
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
Abstract
りの発電量が多く、燃費が良く、蒸発ガス(エバポエミ
ッション)が少なく、改質触媒、水性ガスシフト反応触
媒、一酸化炭素除去触媒、燃料電池スタック等、燃料電
池システムの劣化が小さく初期性能が長時間持続でき、
貯蔵安定性や引火点など取り扱い性が良好で、予熱の熱
量が小さい燃料電池システム用燃料を提供する。 【解決手段】 飽和分が50容量%以上、芳香族分が5
0容量%以下、1環芳香族が30容量%以下、2環芳香
族が15容量%以下、3環以上芳香族が10容量%以
下、オレフィン分が5容量%以下であり、蒸留初留点が
130℃以上の炭化水素化合物からなる燃料電池システ
ム用燃料。
Description
に用いられる燃料に関する。
まりから、地球にやさしいエネルギー供給システムの開
発が求められている。特に、地球温暖化防止のためのC
O2低減、THC(排出ガス中の未反応の炭化水素)、
NOx、PM(排出ガス中の粒子状物質:すす、燃料・
潤滑油の高沸点・高分子の未燃成分)等有害物質の低減
を、高度に達成することが要求されている。そのシステ
ムの具体例としては、従来のオットー・ディーゼルシス
テムに代わる自動車動力システム、あるいは火力に代わ
る発電システムが挙げられる。
ち、基本的にはH2 OとCO2 しか排出しない燃料電池
が、社会の要望に応えるにもっとも有望なシステムと期
待されている。そして、このようなシステムの達成のた
めには、機器の技術開発だけではなく、それに最適な燃
料の開発が必要不可欠である。
は、水素、メタノール、炭化水素系燃料が考えられてい
る。
燃料として、水素は、特別の改質装置を必要としない点
で有利であるが、常温で気体のため、貯蔵性並びに車両
等への搭載性に問題があり、供給に特別な設備が必要で
ある。また引火の危険性も高く取り扱いに注意が必要で
ある。
的容易である点で有利であるが、重量あたりの発電量が
小さく、有毒のため取り扱いにも注意が必要である。ま
た、腐食性があるため、貯蔵・供給に特殊な設備が必要
である。
分に発揮させるための燃料は未だ開発されていない。特
に、燃料電池システム用燃料としては、重量当たりの発
電量が多いこと、CO2 発生量当たりの発電量が多いこ
と、燃料電池システム全体としての燃費が良いこと、蒸
発ガス(エバポエミッション)が少ないこと、改質触
媒、水性ガスシフト反応触媒、一酸化炭素除去触媒、燃
料電池スタック等、燃料電池システムの劣化が小さく初
期性能が長時間持続できること、システムの起動時間が
短いこと、貯蔵安定性や引火点など取り扱い性が良好な
ことなどが求められる。
改質器を所定の温度に保つことが必要なため、発電量か
らそれに必要な熱量(予熱及び反応に伴う吸発熱をバラ
ンスさせる熱量)を差し引いた発電量が、燃料電池シス
テム全体の発電量となる。したがって、燃料を改質させ
るために必要な温度が低い方が予熱量が小さく有利にな
り、システムの起動時間も短く有利になり、また燃料の
予熱に必要な重量当りの熱量が小さいことも必要であ
る。予熱が十分でない場合、排出ガス中に未反応の炭化
水素(THC)が多くなり、重量当りの発電量を低下さ
せるだけでなく、大気汚染の原因となる可能性がある。
逆に言えば、同一システムを同一温度で稼働させた場合
に、排出ガス中のTHCが少なく、水素への変換率が高
い方が有利である。
たような要求性状をバランス良く満たした燃料電池シス
テムに適した燃料を提供することを目的とする。
を解決するため鋭意研究を重ねた結果、特定の組成を有
する炭化水素化合物からなる燃料が、燃料電池システム
に適していることを見出した。
用燃料は、 (1)飽和分が50容量%以上、芳香族分が50容量%
以下、1環芳香族が30容量%以下、2環芳香族が15
容量%以下、3環以上芳香族が10容量%以下、オレフ
ィン分が5容量%以下であり、蒸留初留点が130℃以
上の炭化水素化合物からなる。
燃料は、更に、以下のような付加的要件を満たすものが
より好ましい。 (2)硫黄分含有量が500質量ppm以下である。 (3)蒸留初留点が130℃以上250℃以下、10容
量%留出温度が140℃以上290℃以下、90容量%
留出温度が240℃以上390℃以下、95容量%留出
温度が250℃以上400℃以下、蒸留終点が260℃
以上410℃以下の蒸留性状である。 (4)15℃での密度が、0.89g/cm3 以下であ
る。 (5)引火点が20℃以上である。 (6)セタン指数が30以上、セタン価が20以上であ
る。 (7)10%残油残留炭素分が1.0%以下である。 (8)30℃での動粘度が1.5〜8.0cstであ
る。 (9)曇り点が+10℃以下、流動点が+5℃以下、目
詰まり点が+10℃以下である。 (10)液体で、1気圧、15℃における熱容量が、
2.5kJ/kg・℃以下である。 (11)蒸発潜熱が、350kJ/kg以下である。
に説明する。本発明において、特定の組成を有し、かつ
特定の蒸留性状を有する炭化水素化合物とは、飽和分
(V(S))が50容量%以上、全芳香族分(V(T−
Ar))が50容量%以下、1環芳香族(V(1−A
r))が30容量%以下、2環芳香族(V(2−A
r))が15容量%以下、3環以上芳香族(V(3−A
r))が10容量%以下、オレフィン分(V(O))が
5容量%以下であり、蒸留初留点が130℃以上の炭化
水素化合物である。以下、これらを個別に説明する。
と、CO2 発生量当たりの発電量が多いこと、燃料電池
システム全体としての燃費が良いこと、排出ガス中のT
HCが少ないこと、システムの起動時間が短いことなど
から、50容量%以上であり、70容量%以上であるこ
とが好ましく、80容量%以上であることが最も好まし
い。
いこと、CO2 発生量当たりの発電量が多いこと、燃料
電池システム全体としての燃費が良いこと、排出ガス中
のTHCが少ないこと、システムの起動時間が短いこ
と、改質触媒の劣化が小さく初期性能が長時間持続でき
ることなどから、50容量%以下であり、40容量%以
下であることが好ましく、30容量%以下であることが
より好ましく、20容量%以下であることが最も好まし
い。
いこと、CO2 発生量当たりの発電量が多いこと、燃料
電池システム全体としての燃費が良いこと、排出ガス中
のTHCが少ないこと、システムの起動時間が短いこ
と、改質触媒の劣化が小さく初期性能が長時間持続でき
ることなどから、30容量%以下であり、20容量%以
下であることが好ましく、15容量%以下であることが
最も好ましい。
いこと、CO2 発生量当たりの発電量が多いこと、燃料
電池システム全体としての燃費が良いこと、排出ガス中
のTHCが少ないこと、システムの起動時間が短いこ
と、改質触媒の劣化が小さく初期性能が長時間持続でき
ることなどから、15容量%以下であり、10容量%以
下であることが好ましく、5容量%以下であることがよ
り好ましく、3容量%以下であることが最も好ましい。
いこと、CO2 発生量当たりの発電量が多いこと、燃料
電池システム全体としての燃費が良いこと、排出ガス中
のTHCが少ないこと、システムの起動時間が短いこ
と、改質触媒の劣化が小さく初期性能が長時間持続でき
ることなどから、10容量%以下であり、5容量%以下
であることが好ましく、3容量%以下であり、1容量%
以下であることが最も好ましい。
と、CO2 発生量当たりの発電量が多いこと、燃料電池
システム全体としての燃費が良いこと、排出ガス中のT
HCが少ないこと、システムの起動時間が短いこと、貯
蔵安定性に優れることなどから、5容量%以下であり、
1容量%以下であることが好ましく、1容量%以下であ
ることがより好ましく、0.5容量%以下であることが
最も好ましい。
−Ar)、V(2−Ar)、V(3−Ar)、及びV
(O)は、全てJPI−5S−49−97に定めるHP
LC法により測定される値である。
ては何ら制限はないが、改質触媒、水性ガスシフト反応
触媒、一酸化炭素除去触媒、燃料電池スタック等、燃料
電池システムの劣化が小さく初期性能が長時間持続でき
ることなどから、燃料全量基準で、500質量ppm以
下であることが好ましく、300質量ppm以下である
ことがより好ましく、50質量ppm以下であることが
さらにより好ましく、10質量ppm以下であることが
さらにより好ましく、1質量ppm未満であることが最
も好ましい。
特定の組成の好ましい範囲が二つながらに満足すること
が、改質触媒、水性ガスシフト反応触媒、一酸化炭素除
去触媒、燃料電池スタック等、燃料電池システムの劣化
が小さく初期性能が長時間持続できることから、最も好
ましい。
場合、JIS K 2541「原油及び石油製品−硫黄
分試験方法」により測定される硫黄分を、1質量ppm
未満の場合、ASTM D4045−96 「Standard
Test Method for Sulfur inPetroleum Products by Hy
drogenolysis and Rateometric Colorimetry 」により
測定される硫黄分を意味している。
留点が130℃以上である点を除いて何ら制限されない
が、蒸留初留点が130℃以上であることが好ましく、
130℃以上250℃以下がより好ましく、145℃以
上250℃以下が最も好ましい。
また蒸発ガス(THC)が発生し易くなり、取扱性に問
題がある。上記規定値より低いと、引火性が高くなり、
また蒸発ガス(THC)が発生し易くなり、取扱性に問
題がある。
蒸留初留点以外の蒸留性状は、10容量%留出温度(T
10)が140℃以上290℃以下が好ましく、50容量
%留出温度(T50)が210℃以上300℃以下がより
好ましく、90容量%留出温度(T90)が240℃以上
390℃以下が好ましく、240℃以上360℃以下が
より好ましく、240℃以上330℃以下がさらにより
好ましく、240℃以上310℃以下が最も好ましく、
95容量%留出温度(T95)が250℃以上400℃以
下が好ましく、250℃以上380℃以下がより好まし
く、250℃以上320℃以下が最も好ましく、蒸留終
点が260℃以上410℃以下が好ましく、260℃以
上390℃以下がより好ましく、260℃以上340℃
以下が最も好ましい。10容量%留出温度(T10)が低
いと、引火性が高くなり、また蒸発ガス(THC)が発
生し易くなり、取扱性に問題がある。
容量%留出温度(T95)及び蒸留終点の上限値は、重量
当りの発電量が多い、CO2 発生量当たりの発電量が多
い、燃料電池システム全体としての燃費が良い、排出ガ
ス中のTHCが少ない、システムの起動時間が短い、改
質触媒の劣化が小さく初期性能が持続できるなどの点か
ら規定される。
10容量%留出温度(T10)、50容量%留出温度(T
50)、90容量%留出温度(T90)、95容量%留出温
度(T95)、及び蒸留終点は、JIS K 2254
「石油製品−蒸留試験方法」によって測定される蒸留性
状である。
ないが、重量当りの発電量が多く、CO2 発生量当たり
の発電量が多く、燃料電池システム全体としての燃費が
良いこと、排出ガス中のTHCが少ないこと、システム
の起動時間が短いことなどから、改質触媒の劣化が小さ
く初期性能が長時間持続できるなどの点から、15℃で
0.89g/cm3 以下のものが好ましく、0.87g
/cm3 以下のものがより好ましく、0.85g/cm
3 以下のものがさらにより好ましく、0.83g/cm
3 以下のものが最も好ましい。なお、15℃での密度
は、JIS K 2249「原油及び石油製品の密度試
験方法並びに密度・質量・容量換算表」により測定され
る。
はないが、引火性の点から、20℃以上であるものが好
ましく、45℃以上であるものがより好ましく、60℃
以上であるものがより好ましい。なお、引火点は、JI
S K 2265の「原油及び石油製品−引火点試験方
法」によって測定される。
については何ら制限はないが、重量当りの発電量が多い
こと、CO2 発生量当たりの発電量が多いこと、燃料電
池システム全体としての燃費が良いこと、排出ガス中の
THCが少ないこと、システムの起動時間が短いこと、
改質触媒の劣化が小さく初期性能が長時間持続できるこ
となどから、セタン指数は30以上であるものが好まし
く、45以上であるものがより好ましく、50以上であ
るものがさらに好ましく、55以上であるものが最も好
ましい。また、セタン価は20以上であるものが好まし
く、46以上であるものがより好ましく、50以上であ
るものが最も好ましい。なお、セタン指数、及びセタン
価は、JIS K 2280「セタン価試験方法、セタ
ン指数の算出方法」によって測定・算出される。
制限はないが、改質触媒の劣化が小さく初期性能が長時
間持続できることなどから、10%残油残留炭素分が
1.0%以下であるものが好ましく、0.10%以下で
あるものがより好ましく、0.05%以下であるものが
最も好ましい。なお、残留炭素分は、JIS K 22
70「残留炭素分試験方法」によって測定される。
はないが、30℃での動粘度が1.5〜8.0cstで
あるものが好ましく、1.5〜5.0cstであるもの
が最も好ましい。なお、動粘度は、JIS K 228
3「動粘度試験方法」によって測定される。
制限はないが、取り扱い性などから、曇り点は+10℃
以下であるものが好ましく、+5℃以下であるものがよ
り好ましく、0℃以下であるものがさらに好ましく、−
5℃以下であるものが更に好ましく、−10℃以下であ
るものが最も好ましい。また、流動点は+5℃以下であ
るものが好ましく、−2.5℃以下であるものがより好
ましく、−7.5℃以下であるものがさらに好ましく、
−20℃以下であるものが更に好ましく、−30℃以下
であるものが最も好ましい。また、目詰まり点は+10
℃以下であるものが好ましく、−1℃以下であるである
ものがより好ましく、−5℃以下であるものが更に好ま
しく、−12℃以下であるものが更に好ましく、−19
℃以下であるものが最も好ましい。
269「曇り点試験方法、流動点試験方法」によって測
定され、目詰まり点は、JIS K 2288「目詰ま
り点試験方法」によって測定される。
いては何ら制限はないが、燃料電池システム全体として
の燃費が良いことから、液体で、1気圧、15℃におけ
る熱容量が、2.5kJ/kg・℃以下が好ましい。
ついては何ら制限はないが、燃料電池システム全体とし
ての燃費が良いことから、蒸発潜熱が、350kJ/k
g以下が好ましい。
氷熱量計、真空熱量計、断熱熱量計等の熱量計によって
測定される。
制限はない。具体的には例えば、原油を蒸留して得られ
る軽油留分を脱硫した脱硫軽油、原油を蒸留して得られ
る重質軽油、天然ガス等を一酸化炭素と水素に分解した
後にF−T(Fischer-Tropsch )合成で得られるGTL
(Gas to Liquids)軽油、減圧留出油等を水素化脱硫
・分解して得られる軽油相当留分、減圧留出油を水素化
脱硫・分解して得られる水素化分解軽油、重油・残油等
を直接脱硫の後に得られる重油直接脱硫軽油、残油・減
圧留出油等を接触分解して得られる接触分解軽油、等の
基材を1 種または2種以上を用いて製造される。
として好ましいものとしては、脱硫灯油、脱硫軽油、G
TL軽油、水素化分解軽油等が挙げられる。
温流動性の改善のために流動性向上剤、セタン価の向上
のためにセタン価向上剤、潤滑性の向上のために潤滑性
向上剤等の添加剤を添加することもできる。
維持できることから、流動性向上剤は1000ppm以
下が好ましく、500ppm以下がより好ましく、30
0ppm以下がより好ましく、200ppm以下が最も
好ましい。同様の理由により、セタン価向上剤は500
0ppm以下が好ましく、3000ppm以下がより好
ましく、1000ppm以下が最も好ましい。同様の理
由により潤滑性向上剤は200ppm以下が好ましく、
100ppm以下がより好ましく、50ppm以下が最
も好ましい。
として用いられる。本発明でいう燃料電池システムに
は、燃料の改質器、一酸化炭素浄化装置、燃料電池等が
含まれるが、本発明の燃料は如何なる燃料電池システム
にも好適に用いられる。
の燃料である水素を得るためのものである。改質器とし
ては、具体的には、例えば、(1)加熱気化した燃料と
水蒸気を混合し、銅、ニッケル、白金、ルテニウム等の
触媒中で加熱反応させることにより、水素を主成分とす
る生成物を得る水蒸気改質型改質器、(2)加熱気化し
た燃料を空気と混合し、銅、ニッケル、白金、ルテニウ
ム等の触媒中または無触媒で反応させることにより、水
素を主成分とする生成物を得る部分酸化型改質器、
(3)加熱気化した燃料を水蒸気及び空気と混合し、
銅、ニッケル、白金、ルテニウム等の触媒層前段にて、
(2)の部分酸化型改質を行ない、後段にて部分酸化反
応の熱発生を利用して、(1)の水蒸気型改質を行なう
ことにより、水素を主成分とする生成物を得る部分酸化
・水蒸気改質型改質器、等が挙げられる。
で生成されたガスに含まれ、燃料電池の触媒毒となる一
酸化炭素の除去を行なうものであり、具体的には、
(1)改質ガスと加熱気化した水蒸気を混合し、銅、ニ
ッケル、白金、ルテニウム等の触媒中で反応させること
により、一酸化炭素と水蒸気より二酸化炭素と水素を生
成物として得る水性ガスシフト反応器、(2)改質ガス
を圧縮空気と混合し、白金、ルテニウム等の触媒中で反
応させることにより、一酸化炭素を二酸化炭素に変換す
る選択酸化反応器等が挙げられ、これらを単独または組
み合わせて使用される。
固体高分子型燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池
(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固
体酸化物型燃料電池(SOFC)等が挙げられる。
は、電気自動車、従来エンジンと電気のハイブリッド自
動車、可搬型電源、分散型電源、家庭用電源、コージェ
ネレーションシステム等に用いられる。
(軽油)の性状等を表1に示す。
2及び表3に示す。
発ガス試験、貯蔵安定性試験を行なった。
填し電気ヒーターで所定の温度に維持した改質器に導
き、水素分に富む改質ガスを発生させた。改質器の温度
は、試験の初期段階において改質が完全に行なわれる最
低の温度(改質ガスにTHCが含まれない最低温度)と
した。改質ガスを水蒸気と共に一酸化炭素処理装置(水
性ガスシフト反応)に導き、改質ガス中の一酸化炭素を
二酸化炭素に変換した後、生成したガスを固体高分子型
燃料電池に導き発電を行なった。評価に用いた水蒸気改
質型の燃料電池システムのフローチャートを図1に示
す。
金属系触媒を充填し電気ヒーターで1250℃に維持し
た改質器に導き、水素分に富む改質ガスを発生させた。
改質ガスを水蒸気と共に一酸化炭素処理装置(水性ガス
シフト反応)に導き、改質ガス中の一酸化炭素を二酸化
炭素に変換した後、生成したガスを固体高分子型燃料電
池に導き発電を行なった。評価に用いた部分酸化型の燃
料電池システムのフローチャートを図2に示す。
2 、CO、CO2 、THC量について測定を行った。同
じく、評価試験開始直後に一酸化炭素処理装置から発生
する改質ガス中のH2 、CO、CO2 、THC量につい
て測定を行った。評価試験開始直後および開始24時間
後の燃料電池における発電量、燃料消費量、並びに燃料
電池から排出されるCO2 量について測定を行なった。
各燃料を所定の改質器温度にまで導くために要する熱量
(予熱量)は、熱容量、蒸発潜熱から計算した。また、
これら測定値・計算値および燃料発熱量から、改質触媒
の性能劣化割合(試験開始24時間後の発電量/試験開
始直後の発電量)、熱効率(試験開始直後の発電量/燃
料発熱量)、予熱量割合(予熱量/発電量)を計算し
た。
行なった。各測定値・計算値を表4に示す。
化水素化合物からなる燃料を燃料電池に用いることによ
り、性能劣化割合の少ない電気エネルギーを高出力で得
ることができる他、燃料電池用として各種性能を満足す
る燃料であることが分る。
いた水蒸気改質型燃料電池システムのフローチャート。
いた部分酸化型燃料電池システムのフローチャート。
Claims (11)
- 【請求項1】 飽和分が50容量%以上、芳香族分が5
0容量%以下、1環芳香族が30容量%以下、2環芳香
族が15容量%以下、3環以上芳香族が10容量%以
下、オレフィン分が5容量%以下であり、蒸留初留点が
130℃以上の炭化水素化合物からなる燃料電池システ
ム用燃料。 - 【請求項2】 硫黄分含有量が500質量ppm以下で
ある請求項1記載の燃料電池システム用燃料。 - 【請求項3】 蒸留初留点が130℃以上250℃以
下、10容量%留出温度が140℃以上290℃以下、
90容量%留出温度が240℃以上390℃以下、95
容量%留出温度が250℃以上400℃以下、蒸留終点
が260℃以上410℃以下の蒸留性状である請求項1
または2に記載の燃料電池システム用燃料。 - 【請求項4】 15℃での密度が、0.89g/cm3
以下である請求項1〜3何れかに記載の燃料電池システ
ム用燃料。 - 【請求項5】 引火点が20℃以上である請求項1〜4
何れかに記載の燃料電池システム用燃料。 - 【請求項6】 セタン指数が30以上、セタン価が20
以上である請求項1〜5何れかに記載の燃料電池システ
ム用燃料。 - 【請求項7】 10%残油残留炭素分が1.0%以下で
ある請求項1〜6何れかに記載の燃料電池システム用燃
料。 - 【請求項8】 30℃での動粘度が1.5〜8.0cs
tである請求項1〜7何れかに記載の燃料電池システム
用燃料。 - 【請求項9】 曇り点が+10℃以下、流動点が+5℃
以下、目詰まり点が+10℃以下である請求項1〜8何
れかに記載の燃料電池システム用燃料。 - 【請求項10】 液体で、1気圧、15℃における熱容
量が、2.5kJ/kg・℃以下である請求項1〜9何
れかに記載の燃料電池システム用燃料。 - 【請求項11】 蒸発潜熱が、350kJ/kg以下で
ある請求項1〜10何れかに記載の燃料電池システム用
燃料。
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