JP2009140777A

JP2009140777A - 液体燃料の燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009140777A
Application number: JP2007316393A
Authority: JP
Inventors: Masanori Yabuki; 正徳矢吹
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-06-25

Abstract

【課題】本発明は、窒素ボンベ等定期的に交換する必要のある機器を設置することなくパージを行い、高価な貴金属系のＣＯ変成触媒の使用を不要にすることを目的とする。
【解決手段】原燃料タンク２１と、脱硫器２６，改質器バーナを有した改質器３２，ＣＯ変成器３３，ＣＯ除去器３４，蒸気発生器３０及び気化器２９を備えた燃料処理システム２２と、燃料電池スタック２３と、冷却水・水処理系２４と、空気供給系２５とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、前記燃料処理システムは、前記脱硫器出口に圧力制御弁を介装したラインを介して脱硫燃料を気相と液相に分離する加圧タンクを配置するとともに、この加圧タンクの気相部分と前記改質器を接続する，遮断弁を介装したパージラインを配置し、さらに減圧弁を介装したラインを介して前記加圧タンクの液相部分と接続する脱硫燃料タンクを配置したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体燃料の燃料電池システムに関する。

近年、省エネルギー、ＣＯ_２排出量削減等への関心の高まりから、燃料電池発電装置が開発され、車載用、定置分散電源への適用が進んできている。これらの燃料電池発電システムは、燃料として、純水素を直接用いる場合や、都市ガス、プロパンガス等の気体燃料あるいは、メタノール、ガソリン、灯油等の液体燃料を改質し、水素を取り出して発電を行う。

一般的に、燃料電池システムには燃料処理システムあるいは、水素生成装置として組み込まれており、これらの原燃料を水素リッチなガスへ改質する改質器、水素リッチなガス中の一酸化炭素濃度を低下させるＣＯ変成器、及びＣＯ除去器から構成されている。

これら改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器の触媒は、触媒表面への凝縮水の付着や、酸素による酸化などにより特性が著しく劣化し、燃料電池システムの寿命を低下させる原因となっていた。そのため、停止時には窒素などの不活性ガスによるパージが行われていた。

最近は、窒素などの不活性ガスをボンベで設置することを不要とするために、水蒸気と原燃料ガスによるパージ方法（例えば特許文献１）、水蒸気と空気によるパージ方法（例えば特許文献２）などが提案されている。

図４は、従来の液体燃料の燃料電池システムのブロック構成図を示す。
燃料電池システムは、主に、原燃料タンク１と、燃料処理システム２と、燃料電池スタック３と、冷却水・水処理系４と、空気供給系５からなる。燃料処理システム２は、脱硫器６と、気化器７と、蒸気発生器８と、改質器バーナ９を供えた改質器１０と、ＣＯ変成器１１と、ＣＯ除去器１２を備えている。原燃料は、原燃料タンク１からポンプ１３により加圧され、脱硫器６へ供給される。改質器出口ライン１４は、ＣＯ変成器１１とＣＯ除去器１２を通り、燃料電池スタック３へ接続されている。

燃料電池スタック３は、燃料極１５と、空気極１６と、冷却部１７からなる。空気極１６へは、空気供給系５から空気供給ブロワ１８により空気が供給される。冷却部１７は、冷却水・水処理系４との間を循環しており、空気極出口ガスが接続され、水の回収を行う。更に、蒸気発生器８への水供給ラインを持つ。なお、図中の符番１９はポンプ、符番２０ａ，２０ｂは遮断弁を示す。
特開２００３−２８２１１４号公報特開２００４−２０７１４９号公報

灯油などの常温において液体である原燃料を用いた燃料電池システムにおいては、停止後の温度低下により、燃料処理システム内において原燃料が凝縮するため、原燃料ガスによるパージは実施できない。また、空気によるパージを実施するためには、ＣＯ変成触媒として、酸化に対して比較的耐性がある高価な貴金属系触媒を使用する必要があるなどの課題があった。

本発明は、液体燃料を用いた燃料電池システムの停止時において、窒素ボンベなど定期的に交換する必要のある機器を設置することなくパージを行い、高価な貴金属系のＣＯ変成触媒の使用が不要な液体燃料の燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の様態による液体燃料の燃料電池システムは、原燃料タンクと、脱硫器，改質器バーナを有した改質器，ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，蒸気発生器及び気化器を備えた燃料処理システムと、燃料電池スタックと、冷却水・水処理系と、空気供給系とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、前記燃料処理システムは、前記脱硫器出口に圧力制御弁を介装したラインを介して脱硫燃料を気相と液相に分離する加圧タンクを配置するとともに、この加圧タンクの気相部分と前記改質器を接続する，遮断弁を介装したパージラインを配置し、さらに減圧弁を介装したラインを介して前記加圧タンクの液相部分と接続する脱硫燃料タンクを配置したことを特徴とする。

本発明の第２の様態による液体燃料の燃料電池システムは、原燃料タンクと、脱硫器，改質器バーナを有した改質器，ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，蒸気発生器及び気化器を備えた燃料処理システムと、燃料電池スタックと、冷却水・水処理系と、空気供給系とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、前記燃料処理システムは、前記脱硫器出口に圧力制御弁を介装したラインを介して脱硫燃料を気相と液相に分離する加圧タンクを配置するとともに、この加圧タンクの気相部分と前記改質器を接続する，第１の遮断弁を介装したラインを介してメタン貯留タンクを配置し、このメタン貯留タンクと前記改質器を接続する，第２の遮断弁を介装したパージラインを配置し、さらに減圧弁を介装したラインを介して前記加圧タンクの液相部分と接続する脱硫燃料タンクを配置したことを特徴とする。

本発明の第３の様態による液体燃料の燃料電池システムは、原燃料タンクと、脱硫器，改質器バーナを有した改質器，ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，蒸気発生器及び気化器を備えた燃料処理システムと、燃料電池スタックと、冷却水・水処理系と、空気供給系とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの空気極出口ガスを貯留する貯留タンクを備え、更にこの貯留タンク内の貯留ガスにより前記燃料処理システムをパージするパージラインを有することを特徴とする。

本発明によれば、液体燃料を用いた燃料電池システムの停止時において、窒素ボンベなど定期的に交換する必要のある機器を設置することなくパージを行い、高価な貴金属系のCO変成触媒の使用が不要な液体燃料の燃料電池システムが得られる。

以下、この発明の実施の形態に係る液体燃料の燃料電池システムについて詳細に説明する。
次に、本発明の具体的な実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）（請求項１対応）
図１を用いて本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムついて説明する。
燃料電池システムは、主に、原燃料タンク２１と、燃料処理システム２２と、燃料電池スタック２３と、冷却水・水処理系２４と、空気供給系２５とからなる。
燃料処理システム２２は、脱硫器２６と、加圧タンク２７、脱硫燃料タンク２８、気化器２９と、蒸気発生器３０と、改質器バーナ３１を備えた改質器３２と、ＣＯ変成器３３と、ＣＯ除去器３４を備えている。改質器出口ラインは、ＣＯ変成器３３とＣＯ除去器３４を通り、燃料電池スタック２３へ接続されている。

原燃料タンク２１と脱硫器２６は、ポンプ３５aを介装したライン３６aにより接続されている。これにより、原燃料タンク２１から液体燃料がポンプ３５ａにより加圧され、脱硫器２６へ供給される。脱硫器２６と加圧タンク２７は、所定の圧力以上で開動作する圧力制御弁３７を介装したライン３６ｂにより接続されている。加圧タンク２７は所定の圧力まで加圧される。加圧タンク２７の気相部と改質器３２は、第１の遮断弁３８ａを介装したパージライン３９により接続されている。加圧タンク２７の液相部と脱硫燃料タンク２８は、所定の圧力以上で開動作する減圧弁４０を介装したライン３６ｃにより接続されている。脱硫燃料タンク２８と気化器２９は、ポンプ３５ｂ，第２の遮断弁３８ｂを介装したライン３６ｄにより接続されている。これにより、脱硫燃料タンク２８内の脱硫燃料は気化器２９へ供給される。気化器２９と蒸気発生器３０は、第３の遮断弁３８ｃを介装したライン３６ｅにより接続されている。気化器２９では蒸気発生器３０で発生した水蒸気と脱硫燃料が混合され、液体燃料が気化され、改質器３２へ導入される。

燃料電池スタック２３は、燃料極４１と、空気極４２と、冷却部４３を備えている。燃料極４１の出口ラインは、改質器バーナ３１へ導入されている。空気極４２へは、空気供給系２５から空気ブロワ４４により空気が供給される。同時に、改質器バーナ３１及びＣＯ除去器３４へも空気を供給している。冷却部４３は、冷却水・水処理系２４との間を循環しており、空気極出口ガスが接続され、水の回収を行う。更に、蒸気発生器３０への水供給ラインを持つ。なお、図中の符番３５ｃ〜３５ｅは夫々ポンプ、３２ａは改質触媒、符番３３ａはＣＯ変性触媒、符番３４ａはＣＯ除去触媒を示す。また、３６ｆは原燃料タンク２１と改質器バーナ３１を結ぶライン、３６ｈは空気ブロワ４４と空気極４２を結ぶライン、３６ｉはＣＯ変成器３３とＣＯ除去器３４を結ぶラインと空気ブロワ４４を結ぶライン、３６ｊは空気ブロワ４４と改質器バーナ３１を結ぶラインを示す。

次に、上記構成の燃料電池システムの作用について説明する。
(1) 燃料電池起動時
燃料電池起動時は、燃料処理システム２２を、バーナ、電気ヒータなどにより昇温し、改質触媒等の各触媒を適正な運転温度まで昇温し、昇温が完了した時点で原燃料を原燃料タンク２１から脱硫器２６に導入する。脱硫器２６は、脱硫触媒の活性が高い反応温度、反応圧力で運用され、圧力調節弁３７の出口において常温程度まで冷却されると、加圧タンク２７内において、脱硫反応によって生じたメタンと、常温では液体である燃料へ分離することができる。

加圧タンク２７の底面から脱硫燃料タンク２８へは液体の燃料が送られ、メタンは加圧状態のまま加圧タンク２７内にとどまる。脱硫燃料タンク２８へ脱硫燃料が貯まった時点で、液体燃料を気化器２９において水蒸気と混合して改質器３２へ導入する。脱硫燃料は水蒸気改質され、水素リッチなガスとなる。改質ガス中の一酸化炭素は、ＣＯ変成器３３及びＣＯ除去器３４を通して、一酸化炭素濃度を低下させて、燃料電池スタック２３の燃料極４１へ供給される。燃料電池スタック２３では、改質ガス中の水素と空気極４２に供給された空気中の酸素が電気化学反応により、直流電力と水が発生する。

直流電力は、図示しない電力変換装置により交流電力へ変換され、電力として利用される。燃料電池スタック２３で消費されなかった水素は、燃料極出口ラインを通して、改質器バーナ３１へ供給され、改質反応に必要な熱源として利用される。直流電力発生の電気化学反応時に発生する熱は、冷却部４３を循環する冷却水を通して、冷却水・水処理系２４において回収され、図示しない貯湯槽などに蓄えられ利用される。

(2) 燃料電池停止時
燃料電池停止時は、燃料ポンプを停止するとともに遮断弁３８ｂを閉じ、脱硫燃料の供給を停止する。その後しばらくは、蒸気発生器３０から発生する水蒸気の供給を続け、水蒸気によるパージを行う。パージ時間は燃料処理システム２２内の燃料、及び改質ガスをパージするのに必要な量の水蒸気が流れる時間、好ましくは燃料処理システム２２の容量の２倍〜３倍の量の水蒸気が流れる時間である。

パージ完了後は、遮断弁３８ｃを閉じて水蒸気の供給を停止する。このパージにより、停止時に未改質であった残燃料も改質され、水蒸気により燃料処理システム２２から排出される。燃料電池停止後、改質器３２、ＣＯ変成器３３、ＣＯ除去器３４の温度が徐々に低下する。しかし、改質触媒３２ａの温度がメタンの熱分解する温度より低下したところで遮断弁３８ａを開いて、パージライン３９を通して燃料処理システム２２をメタンによりパージし、燃料処理系内に存在する水蒸気を排出する。

このとき必要なメタン量は、燃料処理システム容量と同程度で充分であるが、好ましくは２倍程度である。このとき、メタンは加圧状態で加圧タンク２７に存在している為、加圧タンク２７の容量は燃料処理システム２２に対しての５分の１以下程度の体積とすることが可能である。なお、このとき改質器３２の下流に存在するＣＯ変成触媒３３ａの温度及びＣＯ除去触媒３４ａの温度は、停止後の水蒸気パージの結果温度が上昇しているため、メタンによるパージ開始前に水蒸気が凝縮する温度まで低下することは無い。

第１の実施形態によれば、燃料電池停止時に、脱硫器２６で発生したメタンを用いて、燃料処理システム２２をパージすることができ、酸素による触媒の酸化劣化を防止することができる。また、メタンによるパージを開始する時は、改質触媒３２ａによるメタンの熱分解温度以下であるため、改質触媒３２ａの炭素析出による改質特性の劣化を防止することができる。さらに、ＣＯ変成器３３、ＣＯ除去器３４の触媒温度が水蒸気の凝縮する温度以上でメタンによるパージを開始するため、水蒸気凝縮による触媒の劣化を防止することができる。

（第２の実施形態）（請求項２対応）
図２を用いて本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムついて説明する。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。
燃料電池システムは、第１の実施形態と同様、主に、原燃料タンク２１と、燃料処理システム２２と、燃料電池スタック２３と、冷却水・水処理系２４と、空気供給系２５とからなるが、燃料処理システム２２の構成が異なる。

即ち、第２の実施形態の燃料電池システムは、第１の実施形態と比べ、燃料処理システム２２において、加圧タンク２７の気相部と改質器３２を結ぶパージライン３９が、加圧タンク２７側から順に第４の遮断弁３８ｄ，メタン貯留タンク５０及び第５の遮断弁３８ｅを介装している点が異なる。

こうした構成の燃料電池システムにおいて、メタン貯留タンク５０には所定の圧力以上のメタンが貯留され、燃料電池停止時に、改質触媒３２ａの温度がメタンの熱分解する温度より低下したところで遮断弁３８ｅを開いて、パージライン３９を通して燃料処理システムをメタンによりパージし、燃料処理系内に存在する水蒸気を排出する。

第２の実施形態によれば、燃料停止時に、脱硫器２６で発生したメタンを用いて、燃料処理システム２２をパージすることができ、酸素による触媒の酸化劣化及び水蒸気による特性劣化を防止することができる。また、加圧タンク２７の液面位置によらず、一定のパージメタンを貯留することが可能であり、燃料処理系を確実にパージすることができる。

（第３の実施形態）（請求項３対応）
図３を用いて本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムついて説明する。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。
燃料電池システムは、第１の実施形態と同様、主に、原燃料タンク２１と、燃料処理システム２２と、燃料電池スタック２３と、冷却水・水処理系２４と、空気供給系２５とからなる。

しかし、第３の実施形態の燃料電池システムは、第１の実施形態と比べ、燃料処理システム２２及びその他の点で異なる。燃料処理システム２２においては、脱硫器２６と気化器２９が遮断弁３８ｂのみを介装したライン３６ｄで接続されている点が異なる。更に、燃焼処理システム２２以外では次の点が異なる。

図中の符番５１は、冷却水・水処理系２４の出口に設けられた三方弁を示す。また、符番５２は空気供給系２５の出口に設けられた三方弁を示す。両三方弁５１，５２は、第６の遮断弁３８ｆ、貯留タンク５３及び第７の遮断弁３８ｇを介装したライン３６ｇにより接続されている。前記ライン３６ｈ，３６ｉ，３６ｊ、及び空気ブロワ４４と改質器３２を結ぶライン３６ｋには、夫々第８の遮断弁３８ｈ，第９の遮断弁３８ｉ，第１０の遮断弁３８ｊ，第１１の遮断弁３８ｋが介装されている。

こうした構成の燃料電池システムにおいて、空気極４２の出口ラインは冷却水・水処理系２４に接続され、空気極出口ガス中の水蒸気を凝縮して水を回収する。空気極出口ガスは、三方弁５１により、排気、または遮断弁３８ｆを介装したライン３６ｇの貯留タンク５２のどちらかへ導入される。三方弁５２により、空気供給系２５からの空気と、貯留タンク５２からの空気極出口ガスとを切替えて空気ブロワ４４へ供給する。空気ブロワ４４により加圧された空気は、前記各ライン３６ｈ，３６ｉ，３６ｊ，３６ｋに供給される。

次に、上記構成の燃料電池システムの作用について説明する。
(1) 燃料電池発電時
空気ブロワ４４により加圧された空気は、遮断弁３８ｊを介して改質器バーナ燃焼空気として改質器バーナ３１と、遮断弁３８ｉを介してＣＯ除去器３４の反応空気として、及び遮断弁３８ｈを介して空気極４２の反応空気として供給される。空気極４２の出口ガスは、冷却水・水処理系２４へ導入され、水蒸気を恐縮して水回収した後、三方弁５１を介してシステム外へ排気される。

(2) 燃料電池停止時
燃料電池停止後は改質器３２が蒸気パージされ、改質器３２内に残っている未反応燃料の改質反応が継続する。その結果、改質された水素リッチなガスは、ＣＯ変成器３３及びＣＯ除去器３４を通ることによりＣＯ濃度が低下し、燃料電池スタック２３の燃料極４１への供給が継続する。この状態で、遮断弁３８ｈを開き、遮断弁３８ｉ，３８ｊを閉じて、ブロワ４４を運転して空気極４２へ空気を導入する。セルスタック２３は、図示しない電力変換装置や、負荷抵抗などにより発電を継続させ、燃料極４１を流れる水素と、空気極４２を流れる空気中の酸素を電気化学反応により消費させる。

空気極４２の出口ガスは、冷却水・水処理系２４で水蒸気を凝縮させて水回収した後、三方弁５１を貯留タンク５３側へ流れる様に開くとともに、遮断弁３８ｆを開き、空気極出口ガスを貯留タンク５３へ貯留する。これにより、改質器内の未反応燃料が無くなるとともにセルスタック２３での発電も停止する。その時点で、遮断弁３８ｈ，３８ｆを閉じ、ブロワ４４を停止し、三方弁５２を空気供給系２５から貯留タンク５３側へ切替える。改質触媒３２ａの温度が所定の温度まで低下し、かつＣＯ変性触媒３３ａの温度及びＣＯ除去触媒３４ａの温度が水蒸気の凝縮する温度まで低下する前に遮断弁３８ｋ，３８ｇを開き、貯留タンク５３内の空気極出口ガスを燃料処理系へ導入する。

第３の実施形態によれば、空気極４２で酸素が消費された低酸素濃度の空気極出口ガスを貯留タンク５３に貯留し、水蒸気が燃料処理系内で凝縮する前に、前記低酸素濃度の空気極出口ガスによりパージすることが可能である。その結果、触媒の酸化劣化及び凝縮水による劣化を防止することが可能である。

本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
具体的には、上記第１，２の実施形態においては、加圧タンクとするために圧力調節弁及び減圧弁を用いたが、タンクを膨張式のタンクとして、ガス放出時は大気圧によりメタンがタンクから放出される方式としても良い。また、第３の実施形態において、三方弁５１，５２を用いたが、三方弁５１（又は５２）の代わりに遮断弁を２つ用い、切り替える方式としても効果は同じである。その他、本発明の燃料処理システムは、燃料電池スタックの方式によらず、Ｏ_２とＨ_２で発電する電池であれば適用が可能である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る液体燃料の燃料電池システムのブロック図である。図２は、本発明の第２の実施形態に係る液体燃料の燃料電池システムのブロック図である。図３は、本発明の第３の実施形態に係る液体燃料の燃料電池システムのブロック図である。図４は、従来の液体燃料の燃料電池システムのブロック図である。

符号の説明

２１…原燃料タンク、２２…燃料処理システム、２３…燃料電池スタック、２４…冷却水・水処理系、２５…空気供給系、２６…脱硫器、２７…加圧タンク、２８…脱硫燃料タンク、２９…気化器、３０…蒸気発生器、３１…改質器バーナ、３２…改質器、３３…ＣＯ変成器、３４…ＣＯ除去器、３５ａ〜３５ｅ…ポンプ、３６ａ〜３６ｋ…ライン、３７…圧力制御弁、３８ａ〜３８ｋ…遮断弁、３９…パージライン、４１…燃料極、４２…空気極、４３…冷却部、４４…空気ブロワ、５０…メタン貯留タンク、５１，５２…三方弁、５３…貯留タンク。

Claims

原燃料タンクと、脱硫器，改質器バーナを有した改質器，ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，蒸気発生器及び気化器を備えた燃料処理システムと、燃料電池スタックと、冷却水・水処理系と、空気供給系とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、
前記燃料処理システムは、前記脱硫器出口に圧力制御弁を介装したラインを介して脱硫燃料を気相と液相に分離する加圧タンクを配置するとともに、この加圧タンクの気相部分と前記改質器を接続する，遮断弁を介装したパージラインを配置し、さらに減圧弁を介装したラインを介して前記加圧タンクの液相部分と接続する脱硫燃料タンクを配置したことを特徴とする液体燃料の燃料電池システム。
原燃料タンクと、脱硫器，改質器バーナを有した改質器，ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，蒸気発生器及び気化器を備えた燃料処理システムと、燃料電池スタックと、冷却水・水処理系と、空気供給系とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、
前記燃料処理システムは、前記脱硫器出口に圧力制御弁を介装したラインを介して脱硫燃料を気相と液相に分離する加圧タンクを配置するとともに、この加圧タンクの気相部分と前記改質器を接続する，第１の遮断弁を介装したラインを介してメタン貯留タンクを配置し、このメタン貯留タンクと前記改質器を接続する，第２の遮断弁を介装したパージラインを配置し、さらに減圧弁を介装したラインを介して前記加圧タンクの液相部分と接続する脱硫燃料タンクを配置したことを特徴とする液体燃料の燃料電池システム。
原燃料タンクと、脱硫器，改質器バーナを有した改質器，ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，蒸気発生器及び気化器を備えた燃料処理システムと、燃料電池スタックと、冷却水・水処理系と、空気供給系とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの空気極出口ガスを貯留する貯留タンクを備え、更にこの貯留タンク内の貯留ガスにより前記燃料処理システムをパージするパージラインを有することを特徴とする液体燃料の燃料電池システム。