JP2013032249A - 燃料処理装置、燃料電池発電システムおよび燃料処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応器に対して過度な温度上昇を防ぎ、かつ、運転中の発電出力への影響を低減する。
【解決手段】改質器２は、改質触媒を備え、可燃性の原燃料ガスと空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを改質触媒により生成する。複合反応器９（反応器１および３〜６）は、改質燃料ガス中の一酸化炭素を除去して一酸化炭素除去改質燃料ガスを生成して燃料電池スタック２０に供給する。電気ヒーター７１〜７５は、それぞれ、反応器１および３〜６に設けられた発熱部８を備え、システムの起動時に発熱部８を発熱して反応器１および３〜６の温度を反応器１および３〜６に設定された設定温度まで上昇させる。ここで、発熱部８は、発熱部８の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する材質が用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気ヒーターが設けられた燃料処理装置、燃料電池発電システムおよび燃料処理方法に関する。

燃料電池発電システムにおいて、燃料処理装置は、改質器と複合反応器により、水素を含む改質燃料ガスを生成し、その改質燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給する。複合反応器は複数の反応器を含んでいる。複数の反応器の温度がそれぞれ複数の反応器に設定された設定温度以下にならないように、複数の反応器の近傍にはそれぞれ個別に電気ヒーターが設けられている。複数の電気ヒーターは、それぞれ、複数の反応器をジュール熱で外側から加熱する（外部加熱方式）。

複数の反応器は、たとえば、第１の水蒸気発生器、一酸化炭素（以下、ＣＯ）変成器、ＣＯ除去器、第２の水蒸気発生器および熱交換器である。

この場合、第１の水蒸気発生器は、水を取り入れて、改質触媒の反応に必要な水蒸気を生成する。熱交換器は、原燃料ガスと、第１の水蒸気発生器からの水蒸気とを取り入れて、改質器に供給する。

改質器は、改質触媒を備え、その反応温度が６００℃〜７００℃くらいである。改質器は、熱交換器からの可燃性の原燃料ガスおよび水蒸気と、空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを改質触媒により生成する。

ＣＯ変成器は、ＣＯ変成触媒を備え、その動作温度が１２０℃〜３５０℃の範囲である。この動作温度の範囲をＣＯ変成器に設定された設定温度と称する。ＣＯ変成器は、改質器で生成された改質燃料ガス中の１０％前後のＣＯをＣＯ変成触媒により０．５％程度まで低減して、ＣＯ変成改質燃料ガスを生成する。

第２の水蒸気発生器は、水を取り入れて、ＣＯ選択酸化触媒の反応に必要な水蒸気を生成してＣＯ除去器に供給する。

ＣＯ除去器は、ＣＯ選択酸化触媒を備え、その動作温度が８０℃〜１８０℃の範囲である。この動作温度の範囲をＣＯ除去器に設定された設定温度と称する。ＣＯ除去器は、ＣＯ変成器により生成されたＣＯ変成改質燃料ガスと、第２の水蒸気発生器からの水蒸気と、空気とを取り入れて、ＣＯ選択酸化触媒によりＣＯを選択的に酸化燃焼させて二酸化炭素にすることにより、ＣＯを１０ｐｐｍ程度まで除去したＣＯ除去改質燃料ガスを生成する。このＣＯ除去改質燃料ガスは燃料電池スタックのアノード極に供給される。

複数の電気ヒーターは、それぞれ、複数の反応器（第１の水蒸気発生器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器、第２の水蒸気発生器および熱交換器）の近傍に設けられた発熱部を備えている。複数の電気ヒーターは、それぞれ、システムの起動時に発熱部を発熱して複数の反応器を外側から加熱し、複数の反応器の温度を複数の反応器に設定された設定温度まで上昇させる。

一方、複数の電気ヒーターは、システムの運転中に複数の反応器（第１の水蒸気発生器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器、第２の水蒸気発生器および熱交換器）の温度がそれぞれ複数の反応器に設定された設定温度以下にならないように、システムの保護のためにも使われる。しかし、基本的にはシステム内部の熱バランスによりヒーター入力がないように設計されているので、ヒーター容量はそれほど大きくなくてもよい。

一般的に、発熱部の電気抵抗体として、従来からニクロムが使用されている。ニクロムは、高価な金属材質ではあるが、周囲の温度が変化してもヒーター出力が一定であることと、高温においても劣化しにくく、耐熱性に優れていること、という特徴がある。

ところが、ニクロムは、発熱部の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加しない金属材質である。このため、ヒーター容量が大きい場合、温度がオーバーシュートし、設定温度を大きく超えてしまう状態になったり、一時的に発電出力が大きく低下することにより、安定した運転ができなくなったりする可能性がある。

特開平１１−１３０４０５号公報

そこで、発熱部の電気抵抗体として、システムの起動時と運転時とでヒーター容量の違うものを設置し、これらをシステムの起動時と運転時とで切り替えることも可能である。その場合、ヒーター容量の違うものを用意する必要があったり、これらを切り替える制御も必要になったりする。このため、システムの大型化やコストアップになり、有効的ではない。

また、なるべく温度のオーバーシュートを抑え、起動時間を短縮させるために、通電可能なハニカム構造のヒーターを反応器の内部に入れ、直接通過するガスを加熱する方法（内部加熱方式）もある。しかし、反応器の構造が複雑になったり、ヒーターの不具合が生じたときに交換ができなくなったりするという問題点がある。

本発明が解決しようとする課題は、反応器に対して過度な温度上昇を防ぎ、かつ、運転中の発電出力への影響を低減することにある。

実施形態の燃料処理装置は、水素を含む一酸化炭素除去改質燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給する燃料電池発電システムの燃料処理装置において、改質触媒を備え、可燃性の原燃料ガスと空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを前記改質触媒により生成する改質器と、前記改質燃料ガス中の一酸化炭素を除去して前記一酸化炭素除去改質燃料ガスを生成する反応器と、前記反応器に設けられた発熱部を備え、システムの起動時に前記発熱部を発熱して前記反応器の温度を前記反応器に設定された設定温度まで上昇させる電気ヒーターと、を具備し、前記発熱部は、前記発熱部の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する材質が用いられる、ことを特徴とする。

また、実施形態の燃料電池発電システムは、前記燃料処理装置と、前記燃料処理装置に接続された燃料電池スタックと、を具備することを特徴とする。

また、実施形態の燃料処理方法は、改質器と、反応器と、前記反応器に設けられた発熱部を備えた電気ヒーターとを具備し、水素を含む一酸化炭素除去改質燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給する燃料電池発電システムの燃料処理方法において、前記電気ヒーターの前記発熱部に、前記発熱部の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する材質を用いるステップと、前記電気ヒーターが、システムの起動時に前記発熱部を発熱して前記反応器の温度を前記反応器に設定された設定温度まで上昇させるステップと、前記改質器が、可燃性の原燃料ガスと空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを改質触媒により生成するステップと、前記反応器が、前記改質燃料ガス中の一酸化炭素を除去して前記一酸化炭素除去改質燃料ガスを生成するステップと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、反応器に対して過度な温度上昇を防ぎ、かつ、運転中の発電出力への影響を低減することができる。

実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。 発熱部の電気抵抗体として従来の金属材質（ニクロム）および本実施形態の金属材質（ステンレス鋼；ＳＵＳ３０４）を例にしたときの温度と抵抗値との関係図である。 従来のヒーター（ニクロム）および本実施形態のヒーター（ステンレス鋼）を例にしたときのシステムの起動から運転（発電運転）までの温度変化とヒーター出力とを表すタイミングチャートである。

以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態に係る燃料電池発電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、一実施形態に係る燃料電池発電システムは、燃料処理装置１０と、燃料電池スタック２０と、を具備している。燃料処理装置１０は、改質器２と、複合反応器９と、複数の電気ヒーター７１〜７５と、を具備している。

複合反応器９は複数の反応器１および３〜６を含んでいる。複数の反応器１および３〜６は、たとえば、第１の水蒸気発生器１、一酸化炭素（以下、ＣＯ）変成器３、ＣＯ除去器４、第２の水蒸気発生器５および熱交換器６である。

この場合、第１の水蒸気発生器１は、水を取り入れて、改質触媒の反応に必要な水蒸気を生成する。熱交換器６は、原燃料ガスと、第１の水蒸気発生器１からの水蒸気とを取り入れて、改質器２に供給する。

改質器２は、改質触媒を備え、その反応温度が６００℃〜７００℃くらいである。改質器２は、熱交換器６からの可燃性の原燃料ガスおよび水蒸気と、空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを改質触媒により生成する。

ＣＯ変成器３は、ＣＯ変成触媒を備え、その動作温度が１２０℃〜３５０℃の範囲である。この動作温度の範囲をＣＯ変成器３に設定された設定温度と称する。ＣＯ変成器３は、改質器２で生成された改質燃料ガス中の１０％前後のＣＯをＣＯ変成触媒により０．５％程度まで低減して、ＣＯ変成改質燃料ガスを生成する。

第２の水蒸気発生器５は、水を取り入れて、ＣＯ選択酸化触媒の反応に必要な水蒸気を生成してＣＯ除去器４に供給する。

ＣＯ除去器４は、ＣＯ選択酸化触媒を備え、その動作温度が８０℃〜１８０℃の範囲である。この動作温度の範囲をＣＯ除去器４に設定された設定温度と称する。ＣＯ除去器４は、ＣＯ変成器３により生成されたＣＯ変成改質燃料ガスと、第２の水蒸気発生器５からの水蒸気と、空気とを取り入れて、ＣＯ選択酸化触媒によりＣＯを選択的に酸化燃焼させて二酸化炭素にすることにより、ＣＯを１０ｐｐｍ程度まで除去したＣＯ除去改質燃料ガスを生成する。このＣＯ除去改質燃料ガスは燃料電池スタック２０のアノード極に供給される。

燃料電池スタック２０は、カソード極に供給される酸化剤ガスとアノード極に供給される改質燃料ガスとが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。

複数の電気ヒーター７１〜７５は、それぞれ、複数の反応器１および３〜６（第１の水蒸気発生器１、ＣＯ変成器３、ＣＯ除去器４、第２の水蒸気発生器５および熱交換器６）の近傍に設けられた発熱部８を備えている。複数の電気ヒーター７１〜７５は、それぞれ、システムの起動時に発熱部８を発熱して複数の反応器１および３〜６を外側から加熱し、複数の反応器の温度をそれぞれ複数の反応器に設定された設定温度まで上昇させる。

一方、複数の電気ヒーター７１〜７５は、システムの運転中に複数の反応器１および３〜６の温度がそれぞれ複数の反応器１および３〜６に設定された設定温度以下にならないように、システムの保護のためにも使われる。しかし、基本的にはシステム内部の熱バランスによりヒーター入力がないように設計されているので、ヒーター容量はそれほど大きくなくてもよい。

その複数の電気ヒーター７１〜７５の発熱部８の電気抵抗体には、ステンレス鋼が用いられる。ステンレス鋼は、発熱部８の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する金属材質である。このステンレス鋼としては、ＪＩＳ規格（日本工業規格；Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）でＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼や、ＪＩＳ規格でＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼が例示される。

図２は、発熱部８の電気抵抗体として従来の金属材質（ニクロム）および本実施形態の金属材質（ステンレス鋼；ＳＵＳ３０４）を例にしたときの温度と抵抗値との関係を示している。

例えば、周囲の温度が常温（２０℃）であるような環境において、ニクロムおよびステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を発熱部８の電気抵抗体とし、それらを同じ抵抗値で設計したものとする。この場合、図２に示されるように、４００℃のような環境では、発熱部８の電気抵抗体がニクロムの場合では、その電気抵抗値が常温時のわずか２％の増加であるが、発熱部８の電気抵抗体がステンレス鋼の場合では、その電気抵抗値が約４０％も増加する。その結果、発熱部８の電気抵抗体がステンレス鋼の場合では、発熱部８にかかる電圧を一定とすると電流が４０％低下するため、ヒーター出力が４０％低下することになる。

図３は、従来のヒーター（ニクロム）および本実施形態のヒーター（ステンレス鋼）を例にしたときのシステムの起動から運転（発電運転）までの温度変化とヒーター出力とを表すタイミングチャートである。ここで、上述の設定温度を設定温度Ｔと称する。

図３に示されるように、発熱部８の電気抵抗体として、ニクロムを用いる場合では、システムが起動してから反応器の温度が設定温度Ｔに近くなっても、ヒーター出力は、出力値Ｗａのまま変わらない。このため、反応器の温度は、このまま設定温度Ｔを超えて、設定温度Ｔよりもはるかに高い温度Ｔａまでオーバーシュートする。

これに対して、発熱部８の電気抵抗体として、発熱部８の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する金属材質を用いる場合では、システムが起動してから反応器の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加することにより、ヒーター出力は、出力値Ｗａから、出力値Ｗａよりも小さい出力値Ｗｂに変化する。このため、システムが起動してから反応器の温度が設定温度Ｔまで到達する時間は、発熱部８の電気抵抗体がニクロムの場合に比べて遅れるが、反応器の温度は、設定温度Ｔをほとんど超えない。仮に反応器の温度がオーバーシュートしても、設定温度Ｔよりも僅かに大きい温度Ｔｂ程度である。

このように、発熱部８の電気抵抗体として、発熱部８の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する金属材質を用いる場合では、過熱防止効果がある。

ただし、発熱部８の電気抵抗体として、発熱部８の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する金属材質を用いる場合では、反応器の温度が設定温度Ｔまで到達するときの電気抵抗値が、常温時における電気抵抗値の１５０％を超えて増加してしまうと、ヒーター出力の低下により、反応器の温度を設定温度Ｔに昇温するための時間がかかり過ぎてしまう。昇温時間を１時間以内とした場合、設定温度Ｔにおける電気抵抗値の変化は、常温における電気抵抗値に対して１５０％以内であることが望ましい。

逆に、設定温度Ｔにおける電気抵抗値の変化が常温における電気抵抗値に対して１１０％未満になると、温度上昇におけるヒーター出力の低下の効果が期待できず、設定温度Ｔに対して大きくオーバーシュートすることになる。

したがって、発熱部８は、反応器の温度を所定温度に上昇させるときに、その電気抵抗値が常温時における電気抵抗値の１１０％〜１５０％の範囲になる金属材質が用いられることが望ましい。その金属材質として、上述のように、ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼や、ＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼であることが好ましい。

また、発電運転中においては、基本的には、燃料処理装置１０は複数の電気ヒーター７１〜７５の出力による補助はいらなくなるが、発電移行直後や、負荷追従など燃料処理装置１０内が過渡的な状態であるとき、一時的に設定温度Ｔよりも低くなる場合がある。その際、複数の電気ヒーター７１〜７５により、複数の反応器１および３〜６の温度をそれぞれ複数の反応器１および３〜６に設定された設定温度Ｔ以下にならないように保持しようとする。

そこで、複数の電気ヒーター７１〜７５の各々の発熱部８にニクロムを使用した場合では、発熱部８の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加しないため、複数の電気ヒーター７１〜７５の出力はほぼ同じである。このため、反応器を必要以上に加熱してしまい、システムの発電電力への影響が大きい。

一方、複数の電気ヒーター７１〜７５の各々の発熱部８にステンレス鋼を使用した場合では、発熱部８の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加するため、複数の電気ヒーター７１〜７５の出力は低減される。たとえば、図２に示されるように、発熱部８の電気抵抗体がＳＵＳ３０４であり、温度が４００℃であるような雰囲気であれば、ヒーター出力が常温時の７０％程度に低減される。このため、システムの発電電力への影響を従来よりも小さくすることができる。

上述のように、複数の反応器１および３〜６のうちのＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４は、触媒を用いる反応器である。このため、複数の電気ヒーター７１〜７５の各々の発熱部８にステンレス鋼を使用した場合では、上述の効果に加えて、触媒を用いる反応器に対しても有効的である。

その理由として、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の温度が上がったときにヒーター出力が大きい場合、触媒が劣化してしまう。このため、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の温度が上がったときにヒーター出力が低下することが好ましい。したがって、ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４の近傍にそれぞれ電気ヒーター７２および７３を設置する場合、電気ヒーター７２および７３の発熱部８の金属材質として、ステンレス鋼が用いられることが好ましい。

複数の電気ヒーター７１〜７５の発熱部８の電気抵抗体をステンレス鋼にする際、ステンレス鋼の種類は、それぞれ、複数の反応器１および３〜６（第１の水蒸気発生器１、ＣＯ変成器３、ＣＯ除去器４、第２の水蒸気発生器５および熱交換器６）に設定される設定温度によって選択される。すなわち、用途にあわせてステンレス鋼の種類が選択される。

たとえば、２００℃以下の設定温度が設定された反応器（第１の水蒸気発生器１、ＣＯ除去器４、第２の水蒸気発生器５および熱交換器６）の場合、その近傍に設置される電気ヒーター７１および７３〜７５の発熱部８の電気抵抗体をＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼にする。一方、２００℃を超える設定温度が設定された反応器（ＣＯ変成器３）の場合、その近傍に設置される電気ヒーター７２の発熱部８の電気抵抗体をＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼にする。このように、反応器に設定された設定温度に応じてステンレス鋼の種類を使い分けることもできる。

以上の説明により、本実施形態によれば、複数の電気ヒーター７１〜７５の発熱部８に対して、発熱部８の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する金属材質を用いることにより、複数の反応器１および３〜６の各々に対して過度な温度上昇を防ぎ、かつ、運転中の発電出力への影響を低減することができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更することができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ … 反応器（第１の水蒸気発生器）
２ … 改質器
３ … 反応器（ＣＯ変成器）
４ … 反応器（ＣＯ除去器）
５ … 反応器（第２の水蒸気発生器）
６ … 反応器（熱交換器）
８ … 発熱部
９ … 複合反応器
１０ … 燃料処理装置
２０ … 燃料電池スタック
７１ … 電気ヒーター
７２ … 電気ヒーター
７３ … 電気ヒーター
７４ … 電気ヒーター
７５ … 電気ヒーター

Claims (9)

1. 水素を含む一酸化炭素除去改質燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給する燃料電池発電システムの燃料処理装置において、
   改質触媒を備え、可燃性の原燃料ガスと空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを前記改質触媒により生成する改質器と、
   前記改質燃料ガス中の一酸化炭素を除去して前記一酸化炭素除去改質燃料ガスを生成する反応器と、
   前記反応器に設けられた発熱部を備え、システムの起動時に前記発熱部を発熱して前記反応器の温度を前記反応器に設定された設定温度まで上昇させる電気ヒーターと、
   を具備し、
   前記発熱部は、前記発熱部の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する材質が用いられる、
   ことを特徴とする燃料処理装置。
2. 前記発熱部は、前記反応器の温度を前記設定温度に上昇させるときに、その電気抵抗値が常温時における電気抵抗値の１１０％〜１５０％の範囲になる材質が用いられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料処理装置。
3. 前記反応器は、
   一酸化炭素変成触媒を備え、前記改質燃料ガス中の一酸化炭素を前記一酸化炭素変成触媒により低減して、一酸化炭素変成改質燃料ガスを生成する一酸化炭素変成器と、
   一酸化炭素選択酸化触媒を備え、前記空気と前記一酸化炭素変成改質燃料ガスとを取り入れて、前記一酸化炭素選択酸化触媒により一酸化炭素を選択的に酸化燃焼させ、前記一酸化炭素除去改質燃料ガスを生成する一酸化炭素除去器と、
   を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料処理装置。
4. 前記反応器は、
   水を取り入れて、前記改質触媒の反応に必要な水蒸気を生成して前記改質器に供給する第１の水蒸気発生器と、
   水を取り入れて、前記一酸化炭素選択酸化触媒の反応に必要な水蒸気を生成して前記一酸化炭素除去器に供給する第２の水蒸気発生器と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の燃料処理装置。
5. 前記反応器は、
   前記原燃料ガスと前記第１の水蒸気発生器から水蒸気とを取り入れて、前記改質器に供給する熱交換器と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項４に記載の燃料処理装置。
6. 前記発熱部の材質は、オーステナイト系ステンレス鋼である、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
7. 前記発熱部の材質は、フェライト系ステンレス鋼である、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料処理装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料処理装置と、
   前記燃料処理装置に接続された燃料電池スタックと、
   を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
9. 改質器と、反応器と、前記反応器に設けられた発熱部を備えた電気ヒーターとを具備し、水素を含む一酸化炭素除去改質燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給する燃料電池発電システムの燃料処理方法において、
   前記電気ヒーターの前記発熱部に、前記発熱部の温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加する材質を用いるステップと、
   前記電気ヒーターが、システムの起動時に前記発熱部を発熱して前記反応器の温度を前記反応器に設定された設定温度まで上昇させるステップと、
   前記改質器が、可燃性の原燃料ガスと空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを改質触媒により生成するステップと、
   前記反応器が、前記改質燃料ガス中の一酸化炭素を除去して前記一酸化炭素除去改質燃料ガスを生成するステップと、
   を具備することを特徴とする燃料処理方法。

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