JP2008044831A - 燃料改質器、燃料改質器の運用方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ウォーミングアップ構造を改善し、ＣＯ除去ユニットの初期加熱時間を大幅に短縮することができる燃料改質器、燃料改質器の運用方法及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本願発明が提供する燃料改質器１００は、燃料源を水と反応させて水素ガスを抽出するリフォーマ１２０と、リフォーマ１２０を水素抽出反応に適した温度に加熱するバーナ１３０と、リフォーマ１２０における水素抽出反応中に生成した一酸化炭素を除去するＣＯシフト器１５１と、リフォーマ１２０で熱を吸熱してＣＯシフト器１５１で放熱するための熱交換媒体の移動ライン１９０と、を備える。これにより、初期スタート時に水蒸気の熱交換を利用したＣＯシフト器の急速加熱が可能であるので、燃料改質器の正常稼働までかかる時間を大幅短縮させうる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に供給される燃料を使用可能に改質する燃料改質器、燃料改質器の運用方法及び燃料電池システムに関し、特に、ＣＯ除去ユニットのウォーミングアップ構造が改善された燃料改質器、燃料改質器の運用方法及び燃料電池システムに関する。

一般的に、燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを化学反応によって直接電気エネルギーに変える装置であって、燃料が供給されるかぎり、継続して電気を作り出せる一種の発電装置である。

図１に、このような燃料電池のエネルギー転換構造を概略的に示す。図１は、一般的な燃料電池の電気生成原理を説明するための説明図である。

図１に示すように、カソード１に酸素を含む空気が、アノード３に水素を含有した燃料が供給されれば、水の電気分解とは逆の反応が進められつつ電気が発生する。しかし、通常的に、このような単位セルの一つで発生する電気は、有効に使用するには、その電圧が高くないため、複数のセル４を直列に連結したスタックの形態で使用する。

一方、このようなスタックに水素を供給するための燃料源としては、天然ガスのような炭化水素系列の物質が利用され、図２に示したような燃料改質器１０でその燃料源から水素を抽出してスタック２０に供給する。図２は、燃料電池に供給される燃料を改質する燃料改質器の一般的な構成を説明するための説明図である。

この燃料改質器１０の細部構成としては、脱硫器１１と、リフォーマ１２と、バーナ１３と、水供給用ポンプ１６と、第１熱交換器１４ａ及び第２熱交換器１４ｂと、ＣＯシフト器１５ａ及びＣＯ除去器１５ｂを含むＣＯ除去ユニット１５と、が備えられており、水素抽出過程は、このリフォーマ１２で進められる。すなわち、燃料タンク１７から供給される燃料源としての炭化水素系列のガスと、水タンク１８から水供給用ポンプ１６の動作によって供給される水蒸気とが、バーナ１３によって加熱されたリフォーマ１２内で、下記の化学式１のような反応を起こしつつ水素を生成する。

しかし、この際に副産物として二酸化炭素のみが生成されるのであれば、何らの問題はないが、実際には、一酸化炭素も共に生成される。一酸化炭素１０ｐｐｍ以上が混合した燃料がスタック２０に供給されれば、電極が被毒されて燃料電池の性能を急激に低下させうる。従って、リフォーマ１２の出側にＣＯシフト器１５ａとＣＯ除去器１５ｂとを配置して一酸化炭素の含有量を１０ｐｐｍ以下に統制する。

このＣＯシフト器１５ａでは、下記の化学式２に示すような反応が進められ、ＣＯ除去器１５ｂでは、化学式３、化学式４及び化学式５に示すような反応が進められる。ＣＯシフト器１５ａを通過した燃料では、一酸化炭素の含有量が５，０００ｐｐｍ以下となり、この燃料がＣＯ除去器１５ｂまで通過した後には、一酸化炭素の含有量が１０ｐｐｍ下に落ちる。

そして、リフォーマ１２の入側に配置された脱硫器１１は、燃料源に含まれた硫黄成分を除去する役割を担う。この硫黄成分は、１０ｐｐｂ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｂｉｌｌｉｏｎ）以上がスタック２０に流入した場合、電極を被毒させる危険が非常に高い物質であるため、脱硫器１１を通過させつつ硫黄成分を吸着除去する。

このような燃料改質器１０が作動されれば、まず、燃料タンク１７から天然ガスのような燃料源が脱硫器１１を経由してリフォーマ１２に供給され、燃料源の一部は、バーナ１３を作動させる燃料として使われる。そして、リフォーマ１２では、第１熱交換器１４ａ及び第２熱交換器１４ｂを通じて入った水蒸気と脱硫された燃料源と、が反応して水素が生成され、このように生成された水素燃料は、ＣＯシフト器１５ａとＣＯ除去器１５ｂとを経つつ、一酸化炭素の含有量を１０ｐｐｍ以下に減少された後にスタック２０に供給される。

特開２００３−２４３０１８号公報 特開２００３−０７７５１１号公報 大韓民国特許公開第２００３−００２１０８０号明細書

しかし、このように燃料改質器１０の稼働を開始する際に、リフォーマ１２やＣＯシフト器１５ａは、常温に冷却されていた状態である。従って、リフォーマ１２及びＣＯシフト器１５ａは、直ちに正常作動することができず、ある程度加熱される時間が経過した後に、正常的な機能を発揮する。

この際、リフォーマ１２は、バーナ１３によって直接加熱されるため、短い時間内に温度上昇が誘導されうるが、ＣＯシフト器１５ａは、リフォーマ１２で加熱された燃料が入りつつ間接的に加熱されて温度が上昇するため、正常作動温度に到達するまで長時間を必要とする。よって、リフォーマ１２よりもＣＯシフト器１５ａの正常作動の遅延が一層問題となる。

例えば、通常、リフォーマ１２の正常作動温度は、約７００℃、ＣＯシフト器１５ａの正常作動温度は、約２００℃である。よって、リフォーマ１２が初めてスタートして７００℃に到達するまでは、約２０分しかかからないが、ＣＯシフト器１５ａが２００℃に到達するまでは、約１時間かかると測定されている。したがって、たとえリフォーマ１２が速く正常状態に到達するとしても、ＣＯシフト器１５ａが正常状態に到達するまでは、燃料改質器１０が正常稼働できず、待機せねばならないという問題がある。言い換えれば、燃料改質器１０をスタートしてから２０分ほど過ぎれば、リフォーマ１２により正常的に水素燃料を生産することできるが、その中に含まれたＣＯ成分を５，０００ｐｐｍ以下に低下させようとすれば、約１時間近く待たねばならない。

したがって、燃料改質器１０において、スタートしてから正常稼働時までにかかる時間を短縮するためには、特に、ＣＯシフト器１５ａに対するさらに速い初期加熱方案が要求されている。

本発明は、前記必要性を勘案して創出されたものであって、できるように燃料改質器及びそれを運用する方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ウォーミングアップ構造を改善し、ＣＯ除去ユニットの初期加熱時間を大幅に短縮可能な、新規かつ改良された燃料改質器及び燃料改質器の運用方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料源を水と反応させて水素ガスを抽出するリフォーマと、リフォーマを水素抽出反応に適した温度に加熱するバーナと、リフォーマにおける水素抽出反応中に生成した一酸化炭素を除去するＣＯシフト器と、リフォーマで熱を吸熱してＣＯシフト器で放熱するための熱交換媒体の移動ラインと、を備えることを特徴とする、燃料改質器が提供される。

また、熱交換媒体は、リフォーマに供給される水であり、移動ラインは、リフォーマの水素移送ラインから分岐してＣＯシフト器の内部を経由してもよい。

また、移動ラインの出口側とＣＯシフト器の出口側とにそれぞれ開閉用弁が設置され、当該２つの弁が開放と閉鎖とを交互に行ってもよい。

また、ＣＯシフト器と共に一酸化炭素を除去するＣＯ除去器をさらに備えてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、バーナによって加熱されるリフォーマにおいて燃料源と水とを反応させてスタックに供給する水素を抽出し、ＣＯシフト器でその水素抽出過程中に生成した一酸化炭素成分を除去する燃料改質器の運用方法において、リフォーマにおいて熱を吸熱してＣＯシフト器において放熱するための熱交換媒体の移動ラインを設けるステップと、初期スタートモード時に、バーナにおいてリフォーマを加熱して、当該リフォーマが適正温度に到達した際に、ＣＯシフト器の出口側の弁を閉じ、移動ラインの出口側の弁を開放した状態で、リフォーマに水を供給するステップと、移動ラインを通じた熱交換によって、ＣＯシフト器の温度が適正温度まで上昇した際に、ＣＯシフト器の出口側の弁を開き、移動ラインの出口側の弁を閉じた状態で、リフォーマに水と共に燃料源を供給して、正常作業モードに転換するステップと、を含むことを特徴とする、燃料改質器の運用方法が提供される。

また、リフォーマの適正温度は、１００℃以上であってもよい。

また、ＣＯシフト器の適正温度は、１００℃以上であってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記発明に記載の燃料改質器を採用した燃料電池システムが提供される。

以上説明したように本発明によれば、ウォーミングアップ構造を改善し、ＣＯ除去ユニットの初期加熱時間を大幅に短縮することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず、図３を参照して、本発明の一実施形態に係る燃料改質器１００の構造について説明する。図３は、本発明の一実施形態による燃料改質器１００の全体構成を説明するための説明図である。

図３に示すように、燃料改質器１００の基本的な構成は、従来の燃料改質器と同様に、脱硫器１１０、リフォーマ１２０と、バーナ１３０と、ＣＯシフト器１５１及びＣＯ除去器１５２を有するＣＯ除去ユニット１５０と、を含む。

すなわち、燃料タンク１７０から天然ガスのような燃料源が供給されれば、脱硫器１１０でその燃料源に含まれた硫黄成分を吸着除去し、リフォーマ１２０で、その燃料源を、ポンプ１６０によって水タンク１８０から供給された水蒸気と反応させて、スタック２０に供給する水素ガスを抽出する。この過程で作られた一酸化炭素は、ＣＯシフト器１５１を通過した後に０.５％以下に除去され、ＣＯ除去器１５２を通過した後には、１０ｐｐｍ以下に除去される基本構造である。１４１と１４２とは、リフォーマ１２０に供給される水を予熱するための第１及び第２熱交換器を表す。

しかし、このように基本的な要素の配置構成は、既存と類似しているが、本実施形態では、燃料改質器１００を開始する際に、正常稼働状態に速く到達可能にするためのＣＯシフト器１５１の急速加熱構造がさらに備えられている。

このＣＯシフト器１５１の急速加熱のための構造について、図４を参照して、説明する。図４は、図３の燃料改質器１００のうち、リフォーマ１２０とＣＯシフト器１５１との連結構造を説明するための説明図である。

図４に示したように、リフォーマ１２０からＣＯシフト器１５１に燃料源が供給される燃料ライン１９１と別途に、両側（リフォーマ１２０側及びＣＯシフト器１５１側）の熱交換のための媒体が移動する移動ライン１９０が設けられる。初期起動時には、図面に点線で表示されたように、この移動ライン１９０に沿って熱交換媒体が通過しつつ、この熱交換媒体は、リフォーマ１２０では熱を吸収し、ＣＯシフト器１５１ではその吸収した熱を放熱して、ＣＯシフト器１５１の初期温度を急速に上昇させる。

ここで、熱交換媒体は、水タンク１８０から供給される水であり、移動ライン１９０は、ＣＯシフト器１５１内で接触面積が広がるようにコイル形状に巻取られて形成される。

また、正常作業時には、図面に実線で表示されたように、リフォーマ１２０で水と燃料源とが反応して生成された水素ガスが燃料ライン１９１に沿って移動して、ＣＯシフト器１５１とＣＯ除去器１５２とを経た後に、一酸化炭素が十分に除去された状態でスタック２０に供給される。

この移動ライン１９０の出口側とＣＯシフト器１５１の出口側とには、それぞれ弁１９２，１９３が設置されており、この二つの弁１９２，１９３の開閉によって初期急速加熱を行う初期スタートモードと、それ以後の正常的な作業が進められる正常作業モードと、を切換えることができる。ここで、初期スタートモードとは、燃料改質器１００の動作をスタートさせた際に実行される動作モードであり、正常作業モードとは、燃料改質器１００がスタック２０に水素燃料を供給する機能を正常に発揮する際に実行される正常な動作モードである。

このような構成の燃料改質器１００は、次のように運用することができる。

一旦、初期に燃料改質器１００をスタートする時には、リフォーマ１２０やＣＯシフト器１５１などが何れも常温に冷えた状態であるので、急速加熱のための初期スタートモードで運転を開始する。

まず、バーナ１３０を点火してリフォーマ１２０の内部温度を上昇させる。リフォーマ１２０は、バーナ１３０によって直接加熱されるため、前述したように、正常稼働温度である７００℃までも約２０分ほどで十分に到達することができる。

しかし、７００℃に到達するまで待機し続けず、加熱が進みリフォーマ１２０の内部温度が約１００℃に到達すれば、次の過程において、移動ライン１９０の出口側の弁１９２を開き、燃料ライン１９１と通じるＣＯシフト器１５１出口側の弁１９３は閉じた状態で、ポンプ１６０を稼動して、図４に点線で表示したように、リフォーマ１２０に水タンク１８０の水を熱交換媒体として供給する。

このとき、リフォーマ１２０に、燃料源である炭化水素ガスはまだ供給せず、水のみを供給する。これにより、バーナ１３０によって、リフォーマ１２０は加熱されつつ温度が上昇し続け、その中に入った水は、熱を吸収した高温の水蒸気に変わる。その後、吸熱状態の水蒸気は、移動ライン１９０に沿ってＣＯシフト器１５１の内部を経由しつつ、熱交換を行い、これにより、ＣＯシフト器１５１の内部が急速に昇温する。すなわち、バーナ１３０によって加熱された熱を吸収した高温の水蒸気がＣＯシフト器１５１の内部を通過しつつ、その熱を放熱してＣＯシフト器１５１の温度を急上昇させる。そして、ＣＯシフト器１５１を通過した放熱後の水蒸気は、外気に排出される。

このようなＣＯシフト器１５１の水蒸気の放熱による加熱が進められてＣＯシフト器１５１の内部温度が約１００℃に到達すれば、正常作業モードに切換える。もちろん、ＣＯシフト器１５１の正常稼働温度である約２００℃まで待ってモードを切換えることもできるが、一旦、１００℃に到達した後には、燃料源を供給してリフォーマ１２０で生成された水素ガスがＣＯシフト器１５１の内部を加熱させても無難な運転となりうるため、ＣＯシフト器１５１の内部温度が約１００℃に到達際に、モードの切換えをおこなうことができる。したがって、さらに迅速なスタートのためには、約１００℃でモードを切換えることが望ましい。しかし、このとき、モードを切り換えた直後に、１００％の負荷で運転するのは無理なので、例えば、モード切換えの初期には、燃料源と水とを何れも正常作業時の５０％の量のみを供給しつつ、正常作業モードを進めることが望ましい。

正常作業モードは、移動ライン１９０の出口側の弁１９２を閉じ、ＣＯシフト器１５１の出口側の弁１９３を開放した状態で、図４に実線で表示したように、脱硫器１１０を通過した燃料源と水タンク１８０の水とをリフォーマ１２０に共に供給しつつ進められる。そうすると、リフォーマ１２０で燃料源と水との反応によって水素ガスが生成され、これが、燃料ライン１９１に沿ってＣＯシフト器１５１に送られて一酸化炭素の除去過程を経る。このとき、加熱された状態の水素ガスによって、ＣＯシフト器１５１は加熱され続け、この結果、ＣＯシフト器１５１の温度は、目標値である約２００℃に到達できる。これ以後は、水と燃料源とを何れも正常稼働時の１００％の量で供給しつつ、燃料改質器１００を運転すればよい。すなわち、正常作業モードに転換されれば、リフォーマ１２０で水と燃料源とが反応して生成された水素ガスが、燃料ライン１９１に沿って移動してＣＯシフト器１５１とＣＯ除去器１５２とを経た後、一酸化炭素が十分に除去された状態でスタック２０に供給される正常的な燃料電池の稼動が進められる。

以上、本実施形態に係る燃料改質器１００について説明した。次に、図５を参照して、この燃料改質器１００によるリフォーマ１２０とＣＯシフト器１５１との内部温度の変化の測定例について説明する。図５は、このような方式で本実施形態の燃料改質器１００をスタートした時、リフォーマ１２０とＣＯシフト器１５１との内部温度の経時的な変化を測定したグラフである。

図５に示したように、リフォーマ１２０は、バーナ１３０の点火と共に急激に温度が上昇して、予想の通りに１５〜２０分内に７００℃を超え、ＣＯシフト器１５１は、バーナ１３０の点火後に水蒸気が供給される時点から温度が上昇し始めて、スタート後約３０分で２００℃を超え、約３５分後には２５０℃に到達することが確認できた。これは、従来の燃料改質器によれば、ＣＯシフト器１５１を２００℃に昇温させるまで１時間ほどがかかったのに比べて、初期加熱時間をほぼ半分近くにまで減少できていることを意味する。したがって、燃料改質器１００をスタートして正常作業に突入するまでの時間が、従来の燃料改質器に比べて非常に短縮できていることがわかる。

更に、図６を参照して、この燃料改質器１００によるＣＯシフト器１５１から放出される一酸化炭素の濃度変化の測定例について説明する。図６は、同じ方式で燃料改質器１００をスタートした時に、ＣＯシフト器１５１の出口側で感知される一酸化炭素の濃度変化を経時的に測定したグラフである。

図６に示すように、一酸化炭素の濃度は、燃料源が供給される時点から上昇したが、ＣＯシフト器１５１の温度が２００℃以上を維持しているので、一酸化炭素の濃度が低下し始めて燃料改質器の始動後４０分ほど経過したならば、次の工程であるＣＯ除去器１５２で十分に一酸化炭素の含有量を１０ｐｐｍ未満の濃度に低下させうる５，０００ｐｐｍ以下の濃度に降下して安定化させることができたことを確認できる。したがって、ＣＯシフト器１５１を通過した燃料における一酸化炭素の含有量は、５，０００ｐｐｍ以下となり、この燃料がＣＯ除去器１５２まで通過した後には、一酸化炭素の含有量は、１０ｐｐｍ以下に落ちて、スタック２０に供給してもよい一酸化炭素の濃度が維持される。

したがって、ＣＯシフト器１５１の昇温時間とそこから出るガスの一酸化炭素の含有量とを何れも考慮した場合、燃料改質器１００のスタート後約４０分経過した後に、スタック２０に通じる管路（弁１９３）を開放して水素ガスを供給しつつ、燃料電池を稼動させてもよい。すなわち、従来の燃料改質器がスタート後最小１時間が経過した後に初めて正常的な水素ガスの供給が可能であったのに比較すれば、待機時間を約２／３以下に減らすことができる。言い換えれば、スタート時間を大幅短縮させうる燃料改質器が具現された。

以上、本発明の一実施形態に係る燃料改質器１００について説明した。この燃料改質器１００によれば、初期スタート時に水蒸気の熱交換を利用したＣＯシフト器１５１の急速加熱が可能であるので、燃料改質器１００の正常稼働までかかる時間を大幅に短縮することができる。さらに、初期スタート時の待機時間を短縮できるため、例えば、整備などのために燃料改質器の稼動を停止させても再稼働に対する負担を減少させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、燃料電池関連の技術分野に適用可能である。

一般的な燃料電池の電気生成原理を説明するための説明図である。 燃料電池に供給される燃料を改質する燃料改質器の一般的な構成を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態に係る燃料改質器の全体構成を説明するための説明図である。 図３の燃料改質器のうち、リフォーマとＣＯシフト器との連結構造を説明するための説明図である。 図３の燃料改質器の稼動時に、リフォーマとＣＯシフト器との内部温度変化を示すグラフである。 図３の燃料改質器の稼動時に、ＣＯシフト器で出るガスのうち、一酸化炭素の含有量の変化を示すグラフである。

符号の説明

２０ スタック
１００ 燃料改質器
１１０ 脱硫器
１２０ リフォーマ
１３０ バーナ
１４１ 第１熱交換器
１４２ 第２熱交換器
１５０ ＣＯ除去ユニット
１５１ ＣＯシフト器
１５２ ＣＯ除去器
１６０ ポンプ
１７０ 燃料タンク
１８０ 水タンク
１９０ 移動ライン
１９１ 燃料ライン
１９２，１９３ 弁

Claims (8)

1. 燃料源を水と反応させて水素ガスを抽出するリフォーマと、
   前記リフォーマを水素抽出反応に適した温度に加熱するバーナと、
   前記リフォーマにおける水素抽出反応中に生成した一酸化炭素を除去するＣＯシフト器と、
   前記リフォーマで熱を吸熱して前記ＣＯシフト器で放熱するための熱交換媒体の移動ラインと、
   を備えることを特徴とする、燃料改質器。
2. 前記熱交換媒体は、前記リフォーマに供給される水であり、
   前記移動ラインは、前記リフォーマの水素移送ラインから分岐して前記ＣＯシフト器の内部を経由することを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質器。
3. 前記移動ラインの出口側と前記ＣＯシフト器の出口側とにそれぞれ開閉用弁が設置され、
   当該２つの弁が開放と閉鎖とを交互に行うことを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質器。
4. 前記ＣＯシフト器と共に一酸化炭素を除去するＣＯ除去器をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質器。
5. バーナによって加熱されるリフォーマにおいて燃料源と水とを反応させてスタックに供給する水素を抽出し、ＣＯシフト器でその水素抽出過程中に生成した一酸化炭素成分を除去する燃料改質器の運用方法において、
   前記リフォーマにおいて熱を吸熱して前記ＣＯシフト器において放熱するための熱交換媒体の移動ラインを設けるステップと、
   初期スタートモード時に、前記バーナにおいて前記リフォーマを加熱して、当該リフォーマが適正温度に到達した際に、前記ＣＯシフト器の出口側の弁を閉じ、前記移動ラインの出口側の弁を開放した状態で、前記リフォーマに水を供給するステップと、
   前記移動ラインを通じた熱交換によって、前記ＣＯシフト器の温度が適正温度まで上昇した際に、前記ＣＯシフト器の前記出口側の弁を開き、前記移動ラインの前記出口側の弁を閉じた状態で、前記リフォーマに水と共に燃料源を供給して、正常作業モードに転換するステップと、
   を含むことを特徴とする、燃料改質器の運用方法。
6. 前記リフォーマの適正温度は、１００℃以上であることを特徴とする、請求項５に記載の燃料改質器の運用方法。
7. 前記ＣＯシフト器の適正温度は、１００℃以上であることを特徴とする請、求項５に記載の燃料改質器の運用方法。
8. 請求項１に記載の燃料改質器を採用した燃料電池システム。

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