JP2012138265A - 燃料電池システム及び脱硫装置 - Google Patents

Abstract

【課題】脱硫部をエネルギー効率良く保温することができる燃料電池システム及び当該燃料電池システムに用いられる脱硫装置を提供する。
【解決手段】水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部４と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタック５と、を備える燃料電池システム１であって、水素発生部４に供給される水素含有燃料を脱硫する脱硫部２と、熱媒体を用いてセルスタック５の排熱を回収する熱回収系と、熱回収後の熱媒体と脱硫部２とを熱交換させる脱硫系熱交換部８２と有して構成することで、熱媒体を用いて脱硫部２を加熱し保温することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及び脱硫装置に関する。

従来、燃料電池システムとして、水素含有燃料の脱硫を行う脱硫部を備えているものが知られている。このような脱硫部として、脱硫触媒の反応温度となるように加熱されるものが開示されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。特許文献１記載の脱硫部は、改質器を流通した後の加熱された改質ガスが脱硫部内部へ導かれることで加熱される。特許文献２記載の脱硫部は、外容器内部に配置されており、外容器に収容された燃焼触媒の反応熱を用いて加熱される。特許文献３記載の脱硫部は、改質触媒に供給されて受熱された水を用いて加熱される。

特開２００７−５５８６８号公報 特開２０１０−２４４０２号公報 特開２００９−２３４８３７号公報

しかしながら、特許文献１〜３記載の燃料電池システムにあっては、脱硫部を加熱させる加熱媒体の温度が高温となる。このため、脱硫部の保温温度によっては加熱媒体の温度と脱硫部の保温温度との差が著しく大きくなり、効率的な保温ができないおそれがある。

そこで、本発明はこのような技術課題を解決するためになされたものであって、脱硫部をエネルギー効率良く保温することができる燃料電池システム及び当該燃料電池システムに用いられる脱硫装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、前記水素発生部に供給される前記水素含有燃料を脱硫する脱硫部と、熱媒体を用いて前記セルスタックの排熱を回収する熱回収系と、熱回収後の前記熱媒体と前記脱硫部とを熱交換させる脱硫系熱交換部と、を有することを特徴として構成される。

本発明に係る燃料電池システムでは、セルスタックの排熱を回収した熱媒体が脱硫系熱交換部と熱交換する。熱媒体は、セルスタックの排熱によって加熱されるため、改質ガスの温度、改質触媒に供給されて受熱された水の温度、及び燃焼触媒の反応温度に比べて、低い温度となる。このため、比較的低い温度で保温されるべき脱硫部をエネルギー効率良く保温することができる。

ここで、前記脱硫系熱交換部は、前記セルスタック又は前記セルスタックのオフガスから受熱した前記熱媒体を用いて前記脱硫部に熱を与えてもよい。また、前記熱回収系は、貯湯槽の貯留水を前記熱媒体とし、前記脱硫系熱交換部と熱交換した前記熱媒体を前記貯湯槽へ供給する循環流路を有してもよい。このように構成することで、既存のコジェネレーションシステムの循環流路を利用して、簡易な構成で脱硫部を保温することができる。

また、本発明に係る脱硫装置は、水素含有燃料を用いてセルスタックを発電させるとともに熱媒体を用いて前記セルスタックの排熱を回収する燃料電池システムに用いられる脱硫装置であって、前記水素含有燃料を脱硫する脱硫部と、前記セルスタックの排熱を回収した後の前記熱媒体と前記脱硫部とを熱交換させる脱硫系熱交換部と、を備えて構成される。

本発明に係る脱硫装置では、セルスタックの排熱を回収した熱媒体が脱硫系熱交換部と熱交換する。熱媒体は、セルスタックの排熱によって加熱されるため、改質ガスの温度、改質触媒に供給されて受熱された水の温度、及び燃焼触媒の反応温度に比べて、低い温度となる。このため、比較的低い温度で保温される脱硫装置をエネルギー効率良く保温することができる。

本発明によれば、エネルギー効率良く脱硫部を保温することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの熱回収系を説明するブロック図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

最初に燃料電池の基本構成について概説する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。

水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。

水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガス（水素含有ガス）を発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。

セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。

オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。

水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。

パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。

制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。

ここで、燃料電池システム１は、セルスタック５が発生する熱を用いて水を温水に変え、その温水を貯湯槽に貯えて利用する熱回収系を備えている。すなわち、燃料電池システム１は、いわゆるコジェネレーションシステムを備えている。以下、燃料電池システム１における熱回収系を概説する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２では、熱回収系に関係のない部分は一部省略している。図２に示されるように、燃料電池システム１の熱回収系は、セルスタック５の排熱を回収するものであって、貯湯槽８１、熱交換器８０、脱硫系熱交換部８２及び循環流路８３を備えている。貯湯槽８１、熱交換器８０及び脱硫系熱交換部８２は、循環流路８３によって順に接続されている。また、脱硫部２及び脱硫系熱交換部８２を備えて脱硫装置が構成されている。

貯湯槽８１は、水又は温水を貯留するユニットである。なお、「水」とは、その温度に関係なく液体状態である水のことであって、温水とは「水」に熱を加えたものである。貯湯槽８１の貯留水は、熱媒体として熱交換器８０へ供給される。なお、熱交換器８０への供給前にラジエータ等によって熱媒体が冷やされてもよい。

熱交換器８０は、循環流路８３を介して貯湯槽８１に接続されるとともに、セルスタック５の出力側に接続されている。熱交換器８０は、セルスタック５のオフガス（排ガス）と熱媒体とを熱交換させる。すなわち、熱交換器８０によってオフガスを加熱源として熱媒体が加熱される。熱媒体は、６０℃〜８０℃程度に加熱される。熱交換後の熱媒体は、循環流路８３を巡って脱硫部２の脱硫系熱交換部８２へ供給される。

脱硫系熱交換部８２は、循環流路８３を介して熱交換器８０に接続されるとともに、脱硫部２と熱的に接触されている。脱硫系熱交換部８２は、熱媒体と脱硫部２とを熱交換させる。すなわち、脱硫系熱交換部８２によって熱媒体を加熱源として脱硫部２が加熱される。熱交換後の熱媒体は、循環流路８３を巡って貯湯槽８１へ戻される。

以上、燃料電池システム１の熱回収系では、貯湯槽８１から低温の熱媒体が熱交換器８０へ供給されて加熱され、加熱された熱媒体が脱硫装置の脱硫系熱交換部８２へ供給されて脱硫部２を加熱する。

ところで、燃料電池システム１の改質ガスは、水素発生部４で生成されるものであり、６００℃〜７００℃程度の温度を有しているとされている。改質触媒に供給される改質水もまたスーパーヒートされ、水蒸気の状態であるため、かなり高温となっている。さらに、通常の燃焼触媒の触媒燃焼温度は６００℃程度である。このため、改質ガス、改質水又は燃焼触媒は、極めて高温であるため、比較的低温に保温すべき脱硫部２を保温しようとしてもエネルギーロスが大きいこととなる。このような低温の脱硫部２の一例としては、ゼオライト系の吸着脱硫部（保温温度６０℃〜８０℃）がある。

これに対して、本実施形態に係る燃料電池システム１又は脱硫装置によれば、熱媒体が、セルスタック５の排熱によって加熱されるため、改質ガスの温度、改質触媒に供給されて受熱された水の温度、及び燃焼触媒の反応温度に比べて、低い温度となる。このため、比較的低い温度で保温されるべき脱硫部２をエネルギー効率良く保温することができる。また、脱硫器２を加熱するためのヒータ等が不要となるので、コストも優れている。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１又は脱硫装置によれば、既存のコジェネレーションシステムの循環流路８３を利用して、簡易な構成で脱硫部２を保温することができる。

なお、上述した実施形態は本発明に係る燃料電池システム及び脱硫装置の一例を示すものである。本発明に係る燃料電池システム及び脱硫装置は、実施形態に係る燃料電池システム１及び脱硫装置に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、実施形態に係る燃料電池システム１及び脱硫装置を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上述した実施形態では、セルスタック５のオフガスから排熱を回収する例を説明したが、セルスタック５から発生する熱を直接回収してもよい。

１…燃料電池システム、２…脱硫部（脱硫装置）、４…水素発生部、５…セルスタック、６…オフガス燃焼部、１１…制御部、８０…熱交換器（熱交換系）、８１…貯湯槽（熱交換系）、８２…脱硫系熱交換部（脱硫装置、熱交換系）、８３…循環流路（熱交換系）。

Claims (4)

1. 水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、を備える燃料電池システムであって、
   前記水素発生部に供給される前記水素含有燃料を脱硫する脱硫部と、
   熱媒体を用いて前記セルスタックの排熱を回収する熱回収系と、
   熱回収後の前記熱媒体と前記脱硫部とを熱交換させる脱硫系熱交換部と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記脱硫系熱交換部は、前記セルスタック又は前記セルスタックのオフガスから受熱した前記熱媒体を用いて前記脱硫部に熱を与える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記熱回収系は、貯湯槽の貯留水を前記熱媒体とし、前記脱硫系熱交換部と熱交換した前記熱媒体を前記貯湯槽へ供給する循環流路を有する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 水素含有燃料を用いてセルスタックを発電させるとともに熱媒体を用いて前記セルスタックの排熱を回収する燃料電池システムに用いられる脱硫装置であって、
   前記水素含有燃料を脱硫する脱硫部と、
   前記セルスタックの排熱を回収した後の前記熱媒体と前記脱硫部とを熱交換させる脱硫系熱交換部と、
   を備えることを特徴とする脱硫装置。

Images