JP2010272333A

JP2010272333A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2010272333A
Application number: JP2009122738A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Takeda; 充範竹田; Norimune Yamazaki; 典宗山崎
Original assignee: JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: JP5507119B2

Abstract

【課題】高温のセルスタックや改質器から排出される排熱を原燃料の脱硫に有効に利用した、熱利用効率が高い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫器１０と、脱硫器１０に原燃料を供給する原燃料供給手段と、脱硫原燃料を改質して改質ガスを製造する改質器３と、脱硫器１０から改質器３へ脱硫原燃料を供給する脱硫原燃料供給手段と、固体酸化物形燃料電池用セルを複数組み合わせた燃料電池スタック４と、改質器３から燃料電池スタック４へ改質ガスを供給する改質ガス供給手段とを備える燃料電池システム１であって、改質器３および／または燃料電池スタック１が配置される高温室６を内部に形成する内壁５と、内壁５の外周を覆って内壁５との間に断熱室８を形成する外壁７とを更に備え、断熱室８内には脱硫器１０と断熱構造とが配置されていることを特徴とする、燃料電池システム１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱利用効率を高めた燃料電池システムに関し、特には、セルスタックや改質器から排出される排熱を炭化水素系原燃料の脱硫に有効に利用することで熱利用効率を高めることを可能にした固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムに関するものである。

従来、燃料電池システムにおいて改質触媒の存在下で炭化水素原料などの原燃料を改質して水素ガスを製造するに際しては、原燃料中の硫黄分による改質触媒の被毒を防止するため、脱硫処理を行った原燃料（以下、「脱硫原燃料」と称する）を改質して水素を製造している。そして、原燃料を脱硫する方法としては、例えば、燃料電池装置用の炭化水素系原燃料の硫黄含有量を低減（例えば５０ｐｐｂ以下に）する方法として、吸着脱硫剤を充填した脱硫装置を用いて水素無添加状態で炭化水素原料の脱硫を行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、上記のような脱硫装置において脱硫性能を高めるためには、所定の温度、例えば１００〜３００℃の温度条件下で脱硫を行う必要がある。これに対し、所定の温度条件下で原燃料の脱硫を行う方法としては、原燃料を予備加熱してから脱硫器に導入する方法（例えば、特許文献２参照）、脱硫器を外部から電気ヒータ等で加熱する方法（例えば、特許文献３参照）および脱硫器を内部から電気ヒータ等で加熱する方法（例えば、特許文献４参照）等が考案されている。

一方、特に固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）等の高温で運転する燃料電池システムにおいては、発電効率を高めるために熱利用効率を向上させることが求められている。

特開２００８−１１５２２９号公報特開２００４−２１３９４１号公報特開２００８−１２０９１３号公報特開２００５−３４３９５０号公報

しかしながら、燃料電池システムの脱硫装置を所定の温度で運転するために上述したような電気ヒータ等の加熱手段を用いる場合、発電した電力の一部が該加熱手段で消費されてしまうという問題があった。即ち、燃料電池システム全体としての発電効率が低下してしまうという問題があった。

そこで、高温のセルスタックや改質器から排出される排熱を原燃料の脱硫に有効利用した、熱利用効率が高い燃料電池システムが求められていた。

本発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の燃料電池システムは、原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫器と、当該脱硫器に前記原燃料を供給する原燃料供給手段と、前記脱硫原燃料を改質して改質ガスを製造する改質器と、前記脱硫器から前記改質器へ前記脱硫原燃料を供給する脱硫原燃料供給手段と、固体酸化物形燃料電池用セルを複数組み合わせた燃料電池スタックと、前記改質器から前記燃料電池スタックへ前記改質ガスを供給する改質ガス供給手段とを備える燃料電池システムであって、前記改質器および／または前記燃料電池スタックが配置される高温室を内部に形成する内壁と、前記内壁の外周を覆って当該内壁との間に断熱室を形成する外壁とを更に備え、前記断熱室内には前記脱硫器と断熱構造とが配置されていることを特徴とする。このように、改質器と燃料電池スタックとの少なくとも一方が配置されて例えば６００〜９００℃の高温となる高温室を内部に形成する内壁と、当該内壁を覆う外壁との間に形成される断熱室内に脱硫器を配置すれば、燃料電池スタックや改質器から排出される輻射熱および伝熱等の排熱を脱硫器での原燃料の脱硫反応に利用することができる。また、断熱室内の一部に脱硫器が設置されて断熱構造としての役割を果たしているので、断熱構造を断熱室全体に配置する必要がなく、脱硫器を断熱室に設置しない場合と比較して断熱構造（断熱材等）の使用量を低減することができる。更に、脱硫器を断熱室内に設置することにより燃料電池システムのコンパクト化を図ることができ、システム全体の表面積を低減することにより、放熱量を低下させることができる。このため、システム全体として発生した熱量に対する利用できる熱量の比である熱利用効率を向上することができる。従って、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの熱利用効率を向上することができる。

ここで、本発明の燃料電池システムは、加熱用ガスまたは冷却用ガスを前記脱硫器の周囲に流すガス流通手段と、前記加熱用ガスまたは冷却用ガスの流量を調節して当該脱硫器内の温度を１００℃以上３００℃以下に調整する脱硫器温度制御手段とを備えることが好ましい。断熱室における脱硫器の設置位置の調整等のみで脱硫器の温度を制御することは困難であるところ、ガス流通手段および脱硫器温度制御手段を設ければ、脱硫器の温度を原燃料の脱硫に適した温度（１００〜３００℃）とすることができるからである。

また、本発明の燃料電池システムは、前記脱硫器の外周を覆うジャケットを設けると共に、当該ジャケットと脱硫器の外周面との間の空間に金属製のフィンを設け、前記ガス流通手段で前記空間に前記加熱用ガスまたは冷却用ガスを流通することが好ましい。このようにすれば、脱硫器と加熱用ガスまたは冷却用ガスとの間の熱交換を効率的に行うことができるからである。

そして、本発明の燃料電池システムは、前記原燃料供給手段と前記脱硫器との接続部、前記脱硫原燃料供給手段と前記脱硫器との接続部および前記空間と前記ガス流通手段との接続部にバルブを設けて前記脱硫器を燃料電池システムから取り外し可能とすることが好ましい。このようにすれば、脱硫器の交換を容易に行うことができるからである。

本発明の燃料電池システムによれば、熱利用効率が高い燃料電池システムを提供することができる。

本発明の燃料電池システムの一例を示す説明図である。図１に示す燃料電池システムに用いられている脱硫装置のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明の燃料電池システムの一例を示す説明図である。

図１に示す固体酸化物形燃料電池システム１は、原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫装置２と、脱硫原燃料を改質して改質ガスを製造する改質器３と、固体酸化物形燃料電池用セル（図示せず）を複数組み合わせた燃料電池スタック４とを備えている。なお本発明には、様々な固体酸化物形燃料電池用セルを使用することができ、セルの形状および構造は限定されない。そして、この燃料電池システム１では、金属製の内壁５内の高温室６に改質器３および燃料電池スタック４が配置されており、内壁５の外周を覆う金属製の外壁７と内壁５との間の断熱室８には脱硫装置２が配置されている。なお、断熱室８内の脱硫装置２が設置されている部分以外の空間は断熱構造となっている。ここで、この断熱構造としては、例えば真空断熱構造や、グラスウールまたはセラミックファイバー等の断熱材を用いた断熱構造、あるいはこれらを組み合わせた構造を用いることができる。

ここで、原燃料としては、例えば、軽油、ナフサ、灯油、ガソリンなどの炭化水素、並びに、メタノール、エタノールおよびプロパノールなどの低級アルコール類を用いることができる。そして、原燃料は原燃料供給手段としての原燃料ポンプ（図示せず）および原燃料供給ライン９を用いて脱硫装置２の脱硫器１０へと供給される。なお、原燃料は、断熱室８内を通る間に気化することなく、好適脱硫温度近くまで加熱されてから脱硫器１０へと供給されるのが好ましい。なお、好適脱硫温度とは、脱硫剤の種類に応じて決まる脱硫反応に適した温度であり、好適脱硫温度近くとは、好適脱硫温度から好適脱硫温度より２０℃低い温度までの範囲、より好ましくは、好適脱硫温度から好適脱硫温度より１０℃低い温度までの範囲である。

脱硫装置２は、後段に設けられた改質器３中の改質触媒の劣化を防止するために原燃料中に含まれる硫黄分を除去（例えば５０ｐｐｂ以下まで）するものであり、脱硫装置２としては、例えば、内部に吸着脱硫剤を充填した略円筒状の脱硫器１０と、該脱硫器１０の外周を覆う略円筒状のジャケット１１とを備える装置を用いることができる。ここで、吸着脱硫剤としては、ニッケル系脱硫剤などの既知の吸着脱硫剤を用いることができ、脱硫条件としては、例えば、原燃料供給量（ＬＨＳＶ）：０．１〜５．０ｈｒ^−１、反応圧力：０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満、反応温度：１００℃以上３００℃以下を用いることができる。そして、この脱硫装置２の脱硫器１０では、原燃料と吸着脱硫剤とが接触することにより原燃料中の硫黄分が吸着脱硫剤に吸着され、脱硫原燃料が生成する。ここで、反応圧力については、原燃料が脱硫器内で気化すると、原燃料と脱硫剤との接触時間が短くなることから脱硫性能が十分に発揮されない可能性があるとともに、系内に脈動が発生して燃料電池システム自体の運転が不安定になる可能性があることから、脱硫反応温度において原燃料が気化しない圧力にする必要がある。なお、生成した脱硫原燃料は脱硫原燃料供給手段としての脱硫原燃料供給ライン１５を介して改質器３へと供給される。

ここで、断熱室８内での脱硫装置２の設置位置は任意の位置とすることができるが、燃料電池システム１の定常運転時の高温室６内の温度や、高温室６と脱硫装置２との間に配置されている断熱構造としての断熱材の断熱係数および厚さ等を考慮して脱硫器１０の加熱または冷却を行わなくても脱硫器１０内の温度が１００〜３００℃となる位置とすることが好ましい。また、脱硫装置２は、脱硫器１０内を原燃料が均一に流れるように、原燃料が脱硫器１０を上向流または下向流で流れるように断熱室８内に設置することが好ましい。なお、脱硫装置２の形状および大きさは断熱室８の形状および大きさに合わせて適宜変更することができ、例えば脱硫器およびジャケットの形状は円筒形直管、円筒形直管の両端に半球体または円錐体を結合した形、プレート形、プレート形の内部に仕切り板を設け複数の流路を連続または独立に設置した構造、直方体等とすることもできる。また、上述した円筒形、プレート形、直方体の脱硫器およびジャケットは、Ｌ字状、Ｕ字状等に屈曲させても良い。さらに、これらの脱硫器は原燃料供給および排出を行うマニホールドで連結して複数配置することもできる。

上述した脱硫装置２の脱硫器１０とジャケット１１との間の空間には、図２に示すようなハニカム状の金属製フィン１２が設置されている。そして、ジャケット１１の下部にはガス供給ライン１３が接続されており、上部にはガス排出ライン１４が接続されている。ここで、これらガス供給ライン１３およびガス排出ライン１４は本発明のガス流通手段に相当し、ガス供給ライン１３を介して加熱用または冷却用のガスが脱硫器１０とジャケット１１との間の空間に流入し、該空間を上向流で流れた後、ガス排出ライン１４から流出する。なお、フィンの形状は、脱硫器１０と加熱用または冷却用のガスとの伝熱効率を高めることができるものであればハニカム状、螺旋状、波状など任意の形状とすることができる。

ここで、加熱用または冷却用のガスは脱硫器１０内の温度を１００〜３００℃に制御するためのものであり、加熱用ガスとしては燃料電池から最終的に排出されるオフガス等をバーナーなどで燃焼した際に生じる燃焼排ガス（６００〜９００℃）を用いることができ、冷却用ガスとしては燃料電池スタック４へと供給する酸素含有ガス（例えば、燃料電池システム外からの取入温度が−３０〜７０℃の空気）を用いることができる。また、温度によって加熱用ガスまたは冷却用ガスの何れかとして用いることができるガスとしては、燃焼排ガスを熱交換器で熱交換した後の排ガス（７０〜６００℃）を挙げることができる。

そして、脱硫器１０とジャケット１１との間の空間に流す冷却用ガスおよび加熱用ガスの流量は、図示しない制御装置を用いて制御することができる。具体的には、例えば脱硫装置２の近傍または外周に温度計（図示せず）を設置して温度を測定し、脱硫器１０の温度が１００〜３００℃となるように制御装置で流通させるガス（冷却用ガスまたは加熱用ガス）の選択および流量の調整することができる。なお、ガス供給ライン１３を介して供給するガスの切り替えは、既知の流路切替バルブ等を用いて行うことができる。また、ガス排出ライン１４を介して排出するガスの送出先も既知の流路切替バルブ等を用いて切り替えることができ、例えば酸素含有ガスを流通させた場合には該酸素含有ガスが燃料電池セルスタック４へと供給されるようにし、燃焼排ガスまたは熱交換後の排ガスを流通させた場合には該燃焼排ガスまたは熱交換後の排ガスが熱交換器１６へと供給されるようにすることができる。

また、脱硫器１０と原燃料供給ライン９との接続部、脱硫器１０と脱硫原燃料供給ライン１５との接続部、ジャケット１１とガス供給ライン１３との接続部、ジャケット１１とガス排出ライン１４との接続部にはそれぞれバルブ１７，１８，１９，２０が設けられており、且つ、脱硫器１０およびジャケット１１（脱硫装置２）は、原燃料供給ライン９、脱硫原燃料供給ライン１５、ガス供給ライン１３およびガス排出ライン１４から取り外せるようにされている。従って、吸着脱硫剤の交換等が必要となった場合には、バルブ１７〜２０を閉めて脱硫装置２を取り外し、交換することができる。なお、脱硫装置２を取り外し可能とする機構としては、既知のフランジ構造などを採用することができる。

上述したような脱硫装置２により脱硫された原燃料（脱硫原燃料）は、ミキサー２１で水蒸気と混合されて気化した後、脱硫原燃料供給ライン１５を介して改質器３へと供給される。そして、脱硫原燃料は改質器３で改質されて水素を含有する改質ガスとなる。なお、この改質ガスは、改質ガス供給手段としての改質ガス供給ライン２２を介して燃料電池スタック４へと供給される。

このような燃料電池システム１によれば、運転時に６００〜９００℃の高温となる高温室６と、外壁７との間に断熱室８が設けられているので、放熱を抑制して熱利用効率を高めることができる。また、断熱室８中に脱硫装置２を設置しているので、セルスタックや改質器から排出される排熱を原燃料の脱硫反応に有効利用することができると共に、断熱構造の容量を低減することができる。更に、システムをコンパクト化して表面積を低減することにより放熱量を低下させることができる。また、脱硫器１０の冷却に燃料電池スタック４へと供給する酸素含有ガスを用いているので、酸素含有ガスの加熱に必要な熱量を低減して熱利用効率を高めることもできる。その他、脱硫装置２の交換を容易に行うことができる。

なお、本発明の燃料電池システムは上記一例に限定されることなく、適宜変更を加えることができる。具体的には、脱硫装置を改質器側の断熱室内に設置してもよい。あるいは、断熱室内に配管を設置して酸素含有ガス等を適温まで加熱するようにしても良い。また、複数の脱硫装置を断熱室内に設置しても良い。

１燃料電池システム
２脱硫装置
３改質器
４燃料電池スタック
５内壁
６高温室
７外壁
８断熱室
９原燃料供給ライン
１０脱硫器
１１ジャケット
１２フィン
１３ガス供給ライン
１４ガス排出ライン
１５脱硫原燃料供給ライン
１６熱交換器
１７バルブ
１８バルブ
１９バルブ
２０バルブ
２１ミキサー
２２改質ガス供給ライン

Claims

原燃料を脱硫して脱硫原燃料とする脱硫器と、当該脱硫器に前記原燃料を供給する原燃料供給手段と、前記脱硫原燃料を改質して改質ガスを製造する改質器と、前記脱硫器から前記改質器へ前記脱硫原燃料を供給する脱硫原燃料供給手段と、固体酸化物形燃料電池用セルを複数組み合わせた燃料電池スタックと、前記改質器から前記燃料電池スタックへ前記改質ガスを供給する改質ガス供給手段とを備える燃料電池システムであって、
前記改質器および／または前記燃料電池スタックが配置される高温室を内部に形成する内壁と、前記内壁の外周を覆って当該内壁との間に断熱室を形成する外壁とを更に備え、
前記断熱室内には前記脱硫器と断熱構造とが配置されていることを特徴とする、燃料電池システム。
加熱用ガスまたは冷却用ガスを前記脱硫器の周囲に流すガス流通手段と、
前記加熱用ガスまたは冷却用ガスの流量を調節して当該脱硫器内の温度を１００℃以上３００℃以下に調整する脱硫器温度制御手段と、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記脱硫器の外周を覆うジャケットを設けると共に、当該ジャケットと脱硫器の外周面との間の空間に金属製のフィンを設け、
前記ガス流通手段で前記空間に前記加熱用ガスまたは冷却用ガスを流通することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
前記原燃料供給手段と前記脱硫器との接続部、前記脱硫原燃料供給手段と前記脱硫器との接続部および前記空間と前記ガス流通手段との接続部にバルブを設けて前記脱硫器を燃料電池システムから取り外し可能としたことを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。