JP2015065117A - 燃料処理装置および燃料処理装置を含む燃料電池システム。 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡素なシステム構成で燃料電池に対する水素の供給効率を向上させること。
【解決手段】改質触媒が充填された第1流路4と、第1流路4を加熱する加熱手段3と、第1流路4に接して設けられ水素ガスを選択的に透過させる第1水素分離手段8aと、第1流路4の下流に設けられ第1水素分離手段8aを透過しなかった未透過ガスが流通する第2流路6と、第2流路6に接して設けられ水素ガスを選択的に透過させる第2水素分離手段8bと、第1水素分離手段8aおよび第2水素分離手段8bを透過した水素ガスが流通する第3流路7と、第1流路4と第2流路6の間に設けられ第2流路6に流通する未透過ガス中の水蒸気を凝縮させる第1水蒸気凝縮手段5と、第3流路7に水蒸気を供給する第1水蒸気供給手段9と、第3流路7の下流に設けられ第3流路7に流通する水素ガス中の水蒸気を凝縮させる第2水蒸気凝縮手段10とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】改質触媒が充填された第1流路4と、第1流路4を加熱する加熱手段3と、第1流路4に接して設けられ水素ガスを選択的に透過させる第1水素分離手段8aと、第1流路4の下流に設けられ第1水素分離手段8aを透過しなかった未透過ガスが流通する第2流路6と、第2流路6に接して設けられ水素ガスを選択的に透過させる第2水素分離手段8bと、第1水素分離手段8aおよび第2水素分離手段8bを透過した水素ガスが流通する第3流路7と、第1流路4と第2流路6の間に設けられ第2流路6に流通する未透過ガス中の水蒸気を凝縮させる第1水蒸気凝縮手段5と、第3流路7に水蒸気を供給する第1水蒸気供給手段9と、第3流路7の下流に設けられ第3流路7に流通する水素ガス中の水蒸気を凝縮させる第2水蒸気凝縮手段10とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は炭化水素系燃料等の原料を改質して水素を製造するための燃料処理装置および燃料処理装置を含む燃料電池システムに関するものである。
燃料電池システム、とりわけ近年発展著しい固体高分子形燃料電池(PEFC)システムにおいては、炭化水素系燃料等の原料を改質して水素を得るための燃料処理装置が用いられる。
例えば固体高分子形燃料電池においては、一酸化炭素は電池性能に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、燃料極に供給する燃料中のCO濃度を低下させるために、改質器の下流にシフト反応器、CO選択酸化反応器等が設けられていた。しかしながら、シフト反応器およびCO選択酸化反応器を備えたシステムでは、システムの構成が複雑で高価なものになってしまうという欠点があった。
例えば固体高分子形燃料電池においては、一酸化炭素は電池性能に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、燃料極に供給する燃料中のCO濃度を低下させるために、改質器の下流にシフト反応器、CO選択酸化反応器等が設けられていた。しかしながら、シフト反応器およびCO選択酸化反応器を備えたシステムでは、システムの構成が複雑で高価なものになってしまうという欠点があった。
そこで、下記特許文献1には、炭化水素系燃料と水を原料として水素リッチな改質ガスに改質する改質器と、改質ガス中の水素を選択的に透過させる水素分離膜ユニットとして、少なくとも第1の水素分離膜ユニットと、その下流に位置して、第1の水素分離膜ユニットから排出された未透過ガスが導入される第2水素分離膜ユニットを備え、前記第1の水素分離膜ユニットと第2の水素分離膜ユニットとの間に水分低減手段を配置した構成が提案されている。
しかしながら、前記特許文献1に提案されているシステムにおいては、未だ水素の供給効率を改善するには不十分であった。特許文献1では、改質ガス(以下水素透過膜の1次側ということがある。)の水素分圧を高くするために、水蒸気を凝縮し水素分圧を高くすることが提案されている。しかしながら、水素透過膜の1次側と水素透過膜の2次側の水素分圧差をより大きくし、水素透過量を向上させるためには、水素透過膜の2次側の水素分圧を低減させる必要性があった。
そこで本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、より簡素なシステム構成で燃料電池に対する水素の供給効率を更に向上させることのできる燃料処理装置及び燃料処理装置を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
改質触媒が充填された第1の流路4と、第1の流路4を加熱する加熱手段3と、第1の流路4に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第1の水素分離手段8aと、第1の流路4の下流に設けられ、第1の水素分離手段8aを透過しなかった未透過ガスが流通する第2の流路6と、第2の流路6に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第2の水素分離手段8bと、第1の水素分離手段8aおよび前記第2の水素分離手段8bを透過した水素ガスが流通する第3の流路7と、第1の流路4と第2の流路6の間に設けられ、第2の流路6に流通する未透過ガス中の水蒸気を凝縮させる第1の水蒸気凝縮手段5と、第3の流路7に水蒸気を供給する水蒸気供給手段9と、第3の流路7の下流に設けられ、第3の流路7に流
通する水素ガス中の水蒸気を凝縮させる第2の水蒸気凝縮手段10と、を備えることを特徴とする。
通する水素ガス中の水蒸気を凝縮させる第2の水蒸気凝縮手段10と、を備えることを特徴とする。
特に、第1の流路4と第2の流路6の間に設けられ、第2の流路6に流通する未透過ガス中の水蒸気を凝縮させる第1の水蒸気凝縮手段5により、第2の流路6に流通する未透過ガス中の水素分圧を上昇させる。そして、第3の流路7に水蒸気を供給する水蒸気供給手段9を設けることにより、第3の流路7に流通する未透過ガス中の水素分圧を低下させる。即ち、第2の流路6に流通する未透過ガス中の水素分圧と、第3の流路7に流通する水素ガス中の水素分圧との差を大きくさせることによって、第2の水素分離手段8bにおける水素透過量を更に向上させることができる。
また、水素ガスを選択的に透過させる第1の水素分離手段8a及び第2の水素分離手段8bは、各々、第1の流路4及び第2の流路6に接して設けられているので、システム構成をより小型化、簡素化が可能となる。
また、水素ガスを選択的に透過させる第1の水素分離手段8a及び第2の水素分離手段8bは、各々、第1の流路4及び第2の流路6に接して設けられているので、システム構成をより小型化、簡素化が可能となる。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料処理装置の構成を示す模式図である。
図1において2は例えば、C4H10及びH2Oを含む原燃料を供給するための原燃料供給手段である。原燃料供給手段2からライン100を経由して、第1の流路4にC4H10及びH2Oを含む原燃料が供給される。
第1の流路4には改質触媒が充填されており、以下の反応により水素が生成される。
改質反応:C4H10 + 4H2O → 4CO + 9H2 ・・・(1)
改質反応:C4H10 + 4H2O → 4CO + 9H2 ・・・(1)
また、生成した水素および一酸化炭素は以下の平衡反応が生じ、二酸化炭素やメタンが生成する。
シフト反応: CO + H2O ⇔ H2 + CO2 ・・・(2)
メタン化反応: CO + 3H2 ⇔ CH4 + H2O ・・・(3)
シフト反応: CO + H2O ⇔ H2 + CO2 ・・・(2)
メタン化反応: CO + 3H2 ⇔ CH4 + H2O ・・・(3)
前記改質反応に使用される触媒として、約500〜700℃で高い触媒活性を有するルテニウム(Ru)、Ptなどの貴金属触媒や、ニッケル(Ni)触媒が好適に使用できる。
前記反応式(1)により生成した水素が、第1の流路4に接して設けられた水素ガスH2を選択的に透過させる第1の水素分離手段8aを透過して、第3の流路7に到達する。尚、第1の水素分離手段8aとして、例えば、厚み約10〜50μmのパラジウム膜やパラジウム合金膜を使用することができる。
一方、前記反応式(1)により生成した一酸化炭素CO、前記第1の水素分離手段8aを透過しきれなかった水素ガスH2、前記の反応により反応しきれなかったブタンガスC4H10、水蒸気H2O、前記反応式(2)および(3)により生成した二酸化炭素CO2及びメタンCH4(以下未透過ガスということがある。)は、ライン101を経由して、第1の流路4と第2の流路6との間に設けられた第1の水蒸気凝縮手段5に到達する。そして
、第1の水蒸気凝縮手段5により、水蒸気H2Oを気体から液体に凝縮させることによって、結果として、水素ガスH2の分圧が上昇する。
、第1の水蒸気凝縮手段5により、水蒸気H2Oを気体から液体に凝縮させることによって、結果として、水素ガスH2の分圧が上昇する。
第1の水蒸気凝縮手段5により、水素ガスH2の分圧が上昇した未透過ガスは、ライン102を経由して、第2の流路6に到達する。そして、前記第2の流路6に接して設けられた水素ガスを選択的に透過させる第2の水素分離手段8bにより、前記未透過ガス中の水素ガスが第3の流路7に透過する。尚、第2の水素分離手段8bとして、厚み約10〜50μmのパラジウム膜やパラジウム合金膜を使用することができる。
ここで、第2の流路6は、改質触媒等が充填されていない空間となっている。その理由は以下のように考えられる。
第2の流路6は第1の水蒸気凝縮手段5の下流側に位置しているので、第2の流路6に流通する未透過ガスの水分量は小さくなる。未透過ガスの水分量が小さい状態で、改質触媒と反応すると、炭素が析出し、改質触媒や水素透過膜を覆うことで、触媒性能および水素透過性能が低下する。
従って、第2の流路6は改質触媒が充填されていない空間であることが好適である。
第2の流路6は第1の水蒸気凝縮手段5の下流側に位置しているので、第2の流路6に流通する未透過ガスの水分量は小さくなる。未透過ガスの水分量が小さい状態で、改質触媒と反応すると、炭素が析出し、改質触媒や水素透過膜を覆うことで、触媒性能および水素透過性能が低下する。
従って、第2の流路6は改質触媒が充填されていない空間であることが好適である。
一方、第1の水蒸気凝縮手段5によって、回収された水は、ライン107、ガス流出防止手段12、ライン108を経由して、水タンク13に到達する。水タンク13に貯蔵された水はライン109を経由して、水蒸気供給手段9に供給したり、カソードに導入される空気を加湿するためにライン112を経由して加湿器14に供給したりすることができる。尚、水タンク13には、ライン117を経由して、外部より水を補給することもできる。
ここで、第1の水蒸気凝縮手段5では、未透過ガスの全圧が高く、第1の水蒸気手段5から水タンク13へ水を送る場合、水とともに高圧の未透過ガスが流出する恐れがある。このため、例えば、ガス流出防止手段12として、水の出口側を貯水部分の下方に設けるとともに、水位センサーを設けることにより、弁を閉じる機能を設けることができる。
第3の流路7に水蒸気供給手段9からライン104を経由して水蒸気H2Oが導入され、第3の流路7に流通する水素ガス中の水素分圧を低下させる。前記水蒸気供給手段9により、第2の流路6に流通する未透過ガス中の水素分圧が、第3の流路7に流通する水素ガス中の水素分圧よりも相対的に高くなるため、前記未透過ガス中の水素ガスが第3の流路7により透過しやすくなる。
一方、第2の流路6を通過した未透過ガスは、ライン103を経由して加熱手段3に到達し、加熱手段3の燃料ガスとして使用することができる。
加熱手段3は、炎を生成するガスバーナーや、触媒燃焼を行う燃焼触媒を好適に使用することができる。
加熱手段3により第1の流路4が加熱され、前記反応式(1)に好適な反応温度まで加熱することが可能である。
加熱手段3は、炎を生成するガスバーナーや、触媒燃焼を行う燃焼触媒を好適に使用することができる。
加熱手段3により第1の流路4が加熱され、前記反応式(1)に好適な反応温度まで加熱することが可能である。
第3の流路7に透過した水素ガスH2は、ライン105を経由して、第3の流路7の下流に設けられた第2の水蒸気凝縮手段10に到達する。このとき、第2の水蒸気凝縮手段10により、余剰の水蒸気H2Oを取り除き、燃料電池11に供給される所望の温度及び加湿された水素ガスH2を得ることができる。
ここで、第3の流路7に水蒸気H2Oが導入された後、第2の水蒸気凝縮手段10の温度を調整することで、新たに加湿器を設置せずに、加湿された水素ガスH2を燃料電池11に供給することができる。
第2の水蒸気供給手段10を通過した水素ガスH2は、ライン106を経由して、燃料電池11のアノード極(AN)に供給される。一方、ライン113、加湿器14を経由して空気が外部よりカソード極(CA)に供給される。
燃料電池11において、アノード極に供給された水素ガスH2とカソード極に供給された空気中の酸素ガスO2とが反応することにより、電力が取り出される。このとき、カソード極に生成水が生成する。この生成水をライン114を経由して水タンク13に供給することができる。一方、アノード極で消費しきれなかった水素ガスH2は、ライン115を経由して加熱手段3に到達し、加熱手段3の燃料ガスとして使用することができる。
例えば、原燃料をブタンとし、温度600℃、S(スチーム)/C(カーボン)比を2.5とし、圧力300kPaで第1の流路4に供給した場合、改質部である第1の流路4のガス組成は、H2:36.3%、CH4:11.5%、CO:3.3%、CO2:9.7%、H2O:39.1%となる。
改質部である第1の流路4に接するように水素透過膜を配置した時、水素透過膜の第1の流路4側(以下透過膜1次側ということがある。)の水素分圧は109kPa、水素透過膜の第3の流路7側(以下透過膜2次側ということがある。)の水素分圧は100kPaとなり、差圧は9kPaとなる。
ここで、第1の水蒸気凝縮手段5の温度を60℃(蒸気圧:19.9kPa)とすると、透過膜1次側の水素分圧は、167.2kPaと上昇し、差圧は67.2kPaとなる。
さらに水素分圧の差圧を大きくするための手段として、透過膜1次側の全圧を高くする手段が挙げられるが、その場合、ガスが流通する経路の耐圧性を高める必要がある。
特に、パラジウム系の水素透過膜は50μm以下であるため、水素透過膜の耐圧性を高めることは困難である。
特に、パラジウム系の水素透過膜は50μm以下であるため、水素透過膜の耐圧性を高めることは困難である。
そこで、全圧を高くせずに、水素分圧の差圧を大きくする手段として、透過膜2次側(第3の流路7側)に、水蒸気供給手段9により、水蒸気を導入する。
例えば、透過した水素と同量の水蒸気を導入した場合、透過膜2次側の水素分圧は50kPaとなり、差圧は117.2kPaとなる。
例えば、透過した水素と同量の水蒸気を導入した場合、透過膜2次側の水素分圧は50kPaとなり、差圧は117.2kPaとなる。
(実施の形態2)
図2は、本発明の他の実施形態に係る燃料処理装置の構成を示す模式図である。本実施の形態では、第1の水蒸気凝縮手段25、ガス流出防止手段32と水タンク33とが連結されずに、水蒸気供給手段29に直に連結されるという点が実施の形態1とは主たる相違点である。
図2は、本発明の他の実施形態に係る燃料処理装置の構成を示す模式図である。本実施の形態では、第1の水蒸気凝縮手段25、ガス流出防止手段32と水タンク33とが連結されずに、水蒸気供給手段29に直に連結されるという点が実施の形態1とは主たる相違点である。
他の相違点として、第2の水蒸気凝縮手段30で回収された水は、ライン218を経由して水蒸気供給手段29に到達するようにしている。上記相違点以外は、第1の実施例と同様である。
図2において、第1の水蒸気凝縮手段25で回収された水が、ライン207、ガス流出防止手段32、ライン208を経由して水蒸気供給手段29に直に連結されているため、より効率的に、第3の流路27に水蒸気を供給することができる。
また、ライン205を経由して、第2の水蒸気凝縮手段30に到達した水素ガスH2は、第2の水蒸気凝縮手段30により水素ガスH2中に含まれる余剰な水分が除去されるとともに、水素ガスH2を冷却することもできる。
そして、前記除去された水分が、ライン218を経由して水蒸気供給手段29に水を補給することができる。
前記実施の形態では、原燃料として、ブタンガスC4H10を使用したが、これに限らず、メタンガスCH4等、CmHnで表される炭化水素系燃料が好適に使用することができる。
前記実施の形態では、第1の水素分離手段8aと第2の水素分離手段8bに使用されるものとして、パラジウム膜やパラジウム合金膜を使用したが、それに限らず、約500℃で水素の高い選択的透過性を有し、表面にパラジウムなどの水素解離触媒がコーティングされたニオブ合金などから形成されたニオブ系水素透過膜や、バナジウム合金から形成されたバナジウム系水素透過膜も好適に使用することもできる。
1,20 燃料処理装置
3, 23 加熱手段
4, 24 第1の流路
5, 25 第1の水蒸気凝縮手段
6,26 第2の流路
7,27 第3の流路
8a,28a 第1の水素分離手段
8b,28b 第2の水素分離手段
9,29 水蒸気供給手段
10,30 第2の水蒸気凝縮手段
3, 23 加熱手段
4, 24 第1の流路
5, 25 第1の水蒸気凝縮手段
6,26 第2の流路
7,27 第3の流路
8a,28a 第1の水素分離手段
8b,28b 第2の水素分離手段
9,29 水蒸気供給手段
10,30 第2の水蒸気凝縮手段
Claims (5)
- 改質触媒が充填された第1の流路と、
前記第1の流路を加熱する加熱手段と、
前記第1の流路に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第1の水素分離手段と、
前記第1の流路の下流に設けられ、前記第1の水素分離手段を透過しなかった未透過ガスが流通する第2の流路と、
前記第2の流路に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第2の水素分離手段と、
前記第1の水素分離手段および前記第2の水素分離手段を透過した水素ガスが流通する第3の流路と、
前記第1の流路と前記第2の流路の間に設けられ、前記第2の流路に流通する未透過ガス中の水蒸気を凝縮させる第1の水蒸気凝縮手段と、
前記第3の流路に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記第3の流路の下流に設けられ、前記第3の流路に流通する水素ガス中の水蒸気を凝縮させる第2の水蒸気凝縮手段と、を備えることを特徴とする燃料処理装置。 - 前記第1の水蒸気凝縮手段又は前記第2の水蒸気凝縮手段で回収した水を前記水蒸気供給手段に送ることを特徴とする請求項1に記載の燃料処理装置。
- 前記第1の水蒸気凝縮手段の下流側にガス流出防止手段を、備えることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料処理装置。
- 前記第1の流路には改質触媒が充填されており、前記第2の流路には改質触媒が充填されていない空間であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料処理装置。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料処理装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
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JP2013199530A JP2015065117A (ja) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | 燃料処理装置および燃料処理装置を含む燃料電池システム。 |
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