JP3955017B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料として用いられる水素リッチガスを超臨界水による改質反応を利用して炭化水素から生成する改質装置を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、電極反応によって燃料ガス（水素など）が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すものである。特に、固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ＦｕｅｌＣｅｌｌ：「ＰＥＦＣ」）は、固体高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ）の両面に燃料極と酸化剤極とが配されたセルと、セルを挟持する一対のリブ付きセパレータなどから構成され、このセパレータのリブ間に構成されるガス通路（燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路）を介して、燃料極と酸化剤極にそれぞれポンプにより水素ガス（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）を供給し、水素と空気中の酸素が酸化還元反応を生ずることで電力を発生させるものである（特許文献１参照。）。

この場合、燃料極には、水素リッチガスを供給する必要があるため、一般の燃料ガス又は液体燃料などの原料ガスを改質する必要がある。天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの原料ガス又は液体燃料から水素ガス（燃料ガス）を改質生成する場合、原料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器と、この改質器からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器からの未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器とを備えた改質装置が使用される。

上記改質器はバーナーを有し、燃料ガスと内部の熱交換器で水蒸気化した水蒸気とを混合して予熱し、触媒で活性化することによって改質ガスを生成する。この水蒸気を作る水はポンプにより改質器に供給される。また、ＣＯ除去器にはＣＯ変成器を経た改質ガスと空気が混合されて供給される。そして、この混合された改質ガスは熱交換器で冷却された後、触媒によって改質ガス中の一酸化炭素が選択酸化反応により二酸化炭素に転換され、改質ガス中の一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度に低減される。この場合に改質ガスに混合する空気もポンプによってＣＯ除去器に供給される（特許文献２参照。）。

しかしながら、従来の改質装置では、上述した如き改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器の３つの装置を備える必要があるため、装置が大型化する問題があった。そこで、装置の小型化を図るため、直接、液体燃料を用いる燃料電池システムなどが開発されている。

他方、改質装置の大型化を解消するため、超臨界水による改質反応を利用して炭化水素により構成される液体燃料から水素を生成する水素生成機構が開発されている（特許文献３参照。）。係る従来の水素発生機構は、液体燃料（液体炭化水素）と、水とを混合した原燃料液を所定の圧力２２．０４ＭＰａ以上に加圧し、加熱部（プラグ）において臨界温度である３７４．１℃以上に加熱し、液体炭化水素と混合されている水を超臨界状態とするものである。そして、この有機物を分解する分解能が高い超臨界水を用いて液体炭化水素を低分子化合物、即ち、水素及び炭素に分解する。そして、得られた水素及び炭素を、冷却部における冷却水によって冷却した後、ろ過フィルタを介して水素ガスのみを燃料電池に供給する構成とされている。
特開２００１−１８５１７０号公報 特開２００１−１８０９１１号公報 特開２００１−８０９０３号公報

しかしながら、上述した如き水素発生機構では、加熱部と冷却部とが完全に独立した構成とされているため、それぞれに熱源が必要となり、熱効率が悪いという問題があった。そのため、装置の大型化や、ランニングコストの高騰が否めないという問題があった。更に、上記従来技術では、液体燃料が混合された水を超臨界状態とするものであるため、反応時間を十分に確保する必要があり、当該反応時間の促進が要望されていた。

本発明の燃料電池システムは、改質装置において改質処理された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えたものであって、改質装置は、液体燃料と水との混合液を水の臨界圧力以上の圧力まで加圧する加圧手段と、混合液を水の臨界温度以上の温度まで加熱し、改質液を生成する加熱手段と、当該加熱手段の前段の混合液と加熱手段の後段の改質液との熱交換を行う熱交換器と、当該熱交換器の後段において改質液の冷却を行う冷却手段と、当該冷却手段により冷却された改質液から改質ガスと水を分離する分離手段とを備えているものである。

請求項２の発明の燃料電池システムは、上記発明において、改質装置には、加熱手段にて加熱されて混合液の改質を促進する触媒を備えるものである。

請求項３の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、冷却手段の後段であって、分離手段の前段に、改質液を減圧する減圧手段を備えると共に、混合液は、加圧手段の前段に供給するものである。

請求項４の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、分離手段は、不純物排出機構を備えるものである。

本発明によれば、改質装置において改質処理された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、改質装置は、液体燃料と水との混合液を水の臨界圧力以上の圧力まで加圧する加圧手段と、混合液を水の臨界温度以上の温度まで加熱し、改質液を生成する加熱手段と、当該加熱手段の前段の混合液と加熱手段の後段の改質液との熱交換を行う熱交換器と、当該熱交換器の後段において改質液の冷却を行う冷却手段と、当該冷却手段により冷却された改質液から改質ガスと水を分離する分離手段とを備えているので、小型の装置によって超臨界水による改質反応を用いて液体燃料から水素リッチな改質ガスを生成することができるようになる。これにより、当該燃料電池システムにおける改質装置の寸法を小型化することにより、システム全体の小型化を実現することができるようになる。

特に、本発明によれば、上記に加えて、加熱手段の前段の混合液と加熱手段の後段の改質液との熱交換を行う熱交換器を備えているので、加熱手段の前段の混合液を加熱手段の後段の改質液によって予備加熱することができると共に、加熱手段の後段の改質液を加熱手段の前段の混合液によって予備冷却することができる。これにより、改質装置全体の熱効率の向上を図ることができ、加熱手段及び冷却手段における負荷を減縮することができる。このため、加熱手段及び冷却手段における装置を小型化することができると共に、ランニングコストの低減を図ることができるようになる。

請求項２の発明によれば、上記発明において、改質装置には、加熱手段にて加熱されて混合液の改質を促進する触媒を備えているので、超臨界水により改質反応を促進することができるようになり、反応時間の短縮を図ることができるようになる。

請求項３の発明によれば、上記各発明において、冷却手段の後段であって、分離手段の前段に、改質液を減圧する減圧手段を備えると共に、混合液は、加圧手段の前段に供給するので、減圧した後、分離手段により改質液の改質ガスと水との分離を行うことができるようになる。このため、分離手段の構成を簡素化することができると共に、燃料電池への改質ガスの供給量の制御を容易に行うことができるようになる。また、混合液は、加圧手段の前端に供給するため、高圧下に直接混合液を供給する場合に比して、著しく容易に混合液の供給を行うことができるようになる。

請求項４の発明によれば、上記各発明において、分離手段は、不純物排出機構を備えるので、改質ガス中に不純物が混入する不都合を回避することができるようになると共に、分離後の水を再び超臨界水として使用する場合において、当該水中に不純物が混入する不都合を回避することができるようになる。これにより、より一層、液体燃料中の不純物、特に硫黄化合物が改質ガスと共に燃料電池に送給され、当該燃料電池において不具合が発生する不都合を回避することができるようになる。

本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、超臨界水による改質反応を用いて液体燃料から水素リッチな改質ガスを生成することが可能な小型の改質装置を備えた燃料電池システムを提供する。図１は本発明を適用した燃料電池システムＳの概略構成図、図２は本発明の改質装置１３の概略構成図を示す。

本実施例における燃料電池システムＳは、固体高分子形燃料電池（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル：ＰＥＦＣ装置）を用いた発電システムであり、例えば、図示しない家屋の軒下などに設置されるものである。この燃料電池システムＳは、上記ＰＥＦＣ装置の他に燃料電池システムＳの発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムの形態を採用しているため、熱回収装置として貯湯タンク７を有している。

燃料電池システムＳでは、ガソリンや軽油などの液体炭化水素により構成された液体燃料の供給源である燃料供給源１と、水道管を介して供給される市水などの水供給源２と、本発明の改質装置１３と、固体高分子形の燃料電池６とを備える。改質装置１３は、超臨界水による改質反応を利用して液体燃料の改質を行うものであり、詳細は後述する。

燃料電池６は、改質装置１３からの一酸化炭素が除去された後の水素（燃料ガス）と空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、燃料極（アノード）６ａと、酸化剤極（カソード）６ｂと、冷却部６ｃとを備えている。

前記水供給源２から供給された市水は水処理装置８により純水とされ、混合液貯溜タンク２１に貯留される。尚、水処理装置８にて純水とされた水は、この他にも、ポンプ４４により各配管９、１０を介して水タンク１１及び１２に搬送される。また、水道管４７を通じて市水は、貯湯タンク７にも供給されているものとする。他方、前記燃料供給源１から燃料配管１７が延出され、この燃料配管１７には電磁開閉弁１８を介して混合液貯溜タンク２１に接続される。

そして、この混合液貯溜タンク２１には、ポンプ４０が設けられた配管４１を介して改質装置１３に接続される。そして、改質装置１３は、ガス管２３を介して水タンク１１に接続され、この水タンク１１は、配管２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに接続される。この燃料極６ａは、配管３７を介して改質装置１３に接続されていると共に、配管３７には、ドレン水配管３８が接続されている。そして、水タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６ｃに接続され、冷却部６ｃは、熱回収用熱交換器２７が介設された配管２６を介して再び水タンク１１に接続されている。

他方、前記水タンク１２は、配管３１を介して空気ポンプ（空気供給源）３０と接続され、配管３２を介して燃料電池６の酸化剤極６ｂに接続される。この酸化剤極６ｂは、配管３４を介して熱回収用熱交換器３３に接続される。この熱回収用熱交換器３３には、排気ダクト３５及びドレン水配管３６が接続される。

また、上記貯湯タンク７は、ポンプ４５により温水配管４２を介して上述した熱回収用熱交換器２７と接続されていると共に、ポンプ４６により温水配管４３を介して上述した熱回収用熱交換器３３と接続されている。尚、５０は燃料電池６の発電を制御するコントローラ（制御手段）であり、上記各ポンプや弁などのシステム内機器を制御するものである。

次に、図２を参照して、改質装置１３の構成について説明する。この改質装置１３は、前記混合液貯溜タンク２１において貯留された液体燃料と水との混合液を水の臨界圧力、例えば２５ＭＰａ以上にまで加圧する昇圧ポンプ５１と、混合液を水の臨界温度以上の温度にまで加熱し、改質液を生成するバーナー（加熱手段）５２と、改質液の冷却を行う放熱器（冷却手段）５３と、放熱器５３により冷却された改質液から改質ガスと水とを分離する気液分離器（分離手段）５４とから構成される。これら昇圧ポンプ５１と、放熱器５３と気液分離器５４は、配管５５により環状に接続されていると共に、昇圧ポンプ５１と放熱器５３との間に位置してバーナー５２が設けられている。尚、この場合において、少なくともバーナー５２が設けられる位置に対応する配管５５は、直径３ｍｍ程度の細管により構成されているものとし、本実施例では、内部に棒状に形成された金属触媒５８が挿入されているものとする。また、上記昇圧ポンプ５１及びバーナー５２は、上述した如きコントローラ５０によって制御されるものとする。

また、昇圧ポンプ５１とバーナー５２との間には熱交換器５６が設けられていると共に、この熱交換器５６には、バーナー５２と放熱器５３との間の配管５５（高温側配管５５Ｂ）が前記昇圧ポンプ５１とバーナー５２との間の配管５５（低温側配管５５Ａ）と交熱的に配設されている。

前記気液分離器５４には、改質液から分離された改質ガスを前記水タンク１１を介して燃料電池６に送出するガス管２３が接続されると共に、改質液中の不純物、例えば炭素や硫黄成分などを排出する不純物排出機構５９が接続されている。ガス管２３には、高圧の改質ガスの圧力を調整する膨張弁６０及び改質ガス中に微量に含まれる一酸化炭素を除去するＣＯ除去器６１が順次設けられているものとする。尚、前記昇圧ポンプ５１に接続される配管５５には、改質液から改質ガス及び不純物が分離された水が還流する構成とされる。

以上の構成により、コントローラ５０が燃料電池システムＳの運転を開始すると、燃料供給源１から液体燃料が、電磁開閉弁１８を介して混合液貯溜タンク２１に入り、水処理装置８から純水とされた市水が混合液貯溜タンク２１に流入する。電磁開閉弁１８を制御することにより、混合液貯溜タンク２１内において液体燃料が所定の割合で水と混合され、混合液とされる。そして、ポンプ４０によって混合液貯溜タンク２１内の混合液が配管５５内に圧送される。配管５５内に圧送された混合液は、更に、昇圧ポンプ５１によって水の臨界圧力である２５ＭＰａ以上の圧力にまで昇圧されて、熱交換器５６の低温側配管５５Ａ内に圧送される。

低温側配管５５Ａ内に圧送された混合液は、高温側配管５５Ｂ内を流通する高温の改質液と熱交換することにより、当該熱交換器５６において予備加熱される。そして、予備加熱された後の混合液は、更に、バーナー５２が配設されている位置にまで圧送され、当該バーナー５２において、水の臨界温度以上の温度、例えば＋７５０℃にまで加熱される。

ここで、混合液中の水は臨界状態となり、超臨界水による改質反応を生じる。即ち、水の臨界点を越えた超臨界状態にある水は、有機物を分解する分解能力が高いことから、当該超臨界水に混合される液体燃料、即ち鎖式炭化水素は、多大な運動エネルギーにより分子同士で衝突が生じ、結合力の比較的弱い大きな分子から順に結合が切れ、低分子である水素と炭素にまで分解される。尚、この改質反応において、一部の炭素は、二酸化炭素や微量の一酸化炭素となる。

また、本実施例においては、バーナー５２が設けられる位置に対応する配管５５内には、混合液の改質反応を促進する金属触媒５８が挿入されていることから、効果的に改質反応の促進を図ることができ、反応時間の短縮を図ることができるようになる。更に、本実施例では、少なくともバーナー５２が設けられる位置に対応する配管５５は、上述した如き細管により構成されていることから、改質反応が生じる反応場の表面積を従来よりも減少させることが可能となり、熱効率の向上を図ることができると共に、反応速度を加速させることができるようになる。

そして、超臨界水により混合液は、水素ガス、水、炭素、二酸化炭素、一酸化炭素、その他、低分子化された不純物などを含む改質液とされ、当該改質液は、配管５５を介して熱交換器５６の高温側配管５５Ｂに圧送される。ここで、高温側配管５５Ｂ内に圧送された改質液は、低温側配管５５Ａ内を流通する低温の混合液と熱交換することにより、当該熱交換器５６において予備冷却される。そして、予備冷却された後の改質液は、放熱器５３にまで圧送され、当該放熱器５５において、所定温度、炭化水素の再合成に必要な温度以下まで急速に冷却される。尚、この放熱器５３は、空冷式、水冷式のどちらであってもよいものとする。

そして、放熱器５３によって冷却された改質液は、配管５５を介して気液分離器５４に導入される。この気液分離器５４において、改質液中の水素等の改質ガスは、膨張弁６０により、大気圧にまで降圧された後、ＣＯ除去器６１及びガス管２３を介して水タンク１１に供給される。尚、この場合において、改質ガスには、二酸化炭素や微量の一酸化炭素が含有されているが、このうち、燃料電池６に悪影響を及ぼす微量の一酸化炭素は、ＣＯ除去器６１において、除去される。

一方、気液分離器５４において、水素等の改質ガスが分離された改質液は、不純物排出機構５９によって、液中に含まれる炭素や硫黄成分などの不純物が除去された後、純水の状態で昇圧ポンプ５１により吸引され、超臨界水に供される水として配管５５内を循環する。

これにより、不純物排出機構５９によって、改質ガス中に不純物が混入する不都合を回避することができるようになると共に、分離後の水を再び超臨界水として使用する場合において、当該水中に不純物が混入する不都合を回避することができるようになる。そのため、より一層、液体燃料中の不純物、特に硫黄化合物が改質ガスと共に燃料電池６に送給され、当該燃料電池６において不具合が発生する不都合を回避することができるようになる。

上述した如き改質装置１３は、超臨界水による改質反応を用いて液体燃料から水素リッチな改質ガスを生成する構成とされているため、改質装置１３の小型化を実現することができるようになる。これにより、当該燃料電池システムＳにおける改質装置１３の寸法を小型化することにより、システム全体の小型化を実現することができる。

特に、上述した如き改質装置１３は、バーナー５２にて加熱する以前の混合液とバーナー５２にて加熱した後の改質液との熱交換を行う熱交換器５６が設けられていることから、バーナー５２にて加熱する以前の混合液を加熱後の改質液によって予備加熱することができると共に、バーナー５２にて加熱された後の改質液を加熱前の混合液によって予備冷却することができる。これにより、改質装置１３全体の熱効率の向上を図ることができ、バーナー５２及び放熱器５３における負荷を減縮することができる。このため、バーナー５２及び放熱器５３を小型化することができると共に、ランニングコストの低減を図ることができるようになる。

上記において、ガス管２３を介して水タンク１１に送出された水素リッチな改質ガスは、ガス管２４を介して固体高分子形の燃料電池６の燃料極６ａに供給される。他方、酸化剤極６ｂには、空気ポンプ３０から空気が供給された水タンク１２より空気が供給される。これにより、燃料極６ａに供給された改質ガスと、酸化剤極６ｂに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。

尚、上記改質装置１３において、用いられるバーナー５２には、配管３７を介して燃料極６ａを経た未反応水素がオフガスとして供給される。このとき、化学反応により生じ、燃料極６ａに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３のバーナー５２において生じたドレン水は、ドレン水配管３８により外部に排出される。

また、酸化剤極６ｂから配管３４に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク７の水が温水配管４３を介して循環する熱回収用熱交換器３３で熱回収された後、排気ダクト３５を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器３３での熱交換によって、貯湯タンク７の水が温度上昇する。他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器３３にて貯湯タンク７の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水としてドレン水配管３６より外部に排出される。

そして、この燃料電池６にて水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電された電力は、出力線４８を介して昇圧コンバータ１５に送られ、当該昇圧コンバータ１５を経て、インバータに必要な電圧にまで昇圧され、系統連系インバータ１６（昇圧コンバータ１５と系統連系インバータ１６を合わせて電力変換装置２０とする。）に送られ、ここから、単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図示しない家庭に供給される商用電力系統６７に接続される。

燃料電池６では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。このとき、燃料電池６の冷却部６ｃには、図示しないポンプにより、水タンク１１の水が供給され、当該冷却部６ｃを経た水は、配管２６を介して熱回収用熱交換器２７を通過し、再び水タンク１１に帰還する。尚、熱回収用熱交換器２７には、上記貯湯タンク７の水が温水配管４２を介して循環するため、貯湯タンク７の水が温度上昇し、水タンク１１の水の温度が低下する。

これにより、水タンク１１の水が冷却部６ｃを循環することにより、燃料電池６が冷却される。また、貯湯タンク７の水は発電の際に生じる熱を利用して温度上昇させることができるため、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水は、家庭において図示しない風呂やキッチンなどに供給することができる。

尚、上記実施例において用いられる改質装置１３は、気液分離器５４の後段に膨張弁６０が設けられ、昇圧ポンプ５１の後段から混合液の供給が行われているが、これ以外にも、図３に示す如く気液分離器５４の前段、即ち、放熱器５３と気液分離器５４との間に膨張弁６０を設け、昇圧ポンプ５１の前段から混合液の供給を行ってもよいものとする。

これにより、膨張弁６０によって改質液の減圧を行った後、気液分離器５４によって改質液の改質ガスと水との分離を行うことができるようになる。このため、気液分離器５４を格別に耐圧構成とする必要が無くなり、当該気液分離器５４の構成を簡素化することができる。また、大気圧の改質ガスをＣＯ除去器６１を介して水タンク１１に送出することから、当該改質ガスの供給量の制御を容易に行うことができるようになる。更に、混合液は、昇圧ポンプ５１の前段に供給することにより、高圧下に直接混合液を供給する場合に比して、著しく容易に混合液の供給を行うことができるようになる。

燃料電池システムの構成図である。 改質装置の構成図である。 他の実施例の改質装置の構成図である。

符号の説明

Ｓ 燃料電池システム
１ 燃料供給源
６ 燃料電池
６ａ 燃料極（アノード）
６ｂ 酸化剤極（カソード）
６ｃ 冷却部
１１、１２ 水タンク
１３ 改質装置
２１ 混合液貯溜タンク
５０ コントローラ
５１ 昇圧ポンプ
５２ バーナー
５３ 放熱器
５４ 気液分離器
５５ 配管
５５Ａ 低温側配管
５５Ｂ 高温側配管
５６ 熱交換器
５８ 触媒
５９ 不純物排出機構
６０ 膨張弁

Claims (4)

1. 改質装置において改質処理された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記改質装置は、液体燃料と水との混合液を水の臨界圧力以上の圧力まで加圧する加圧手段と、
   前記混合液を水の臨界温度以上の温度まで加熱し、改質液を生成する加熱手段と、
   当該加熱手段の前段の前記混合液と前記加熱手段の後段の前記改質液との熱交換を行う熱交換器と、
   当該熱交換器の後段において前記改質液の冷却を行う冷却手段と、
   当該冷却手段により冷却された前記改質液から改質ガスと水を分離する分離手段とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記改質装置には、前記加熱手段にて加熱されて前記混合液の改質を促進する触媒を備えることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
3. 前記冷却手段の後段であって、前記分離手段の前段に、前記改質液を減圧する減圧手段を備えると共に、
   前記混合液は、前記加圧手段の前段に供給することを特徴とする請求項１又は請求項２の燃料電池システム。
4. 前記分離手段は、不純物排出機構を備えることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の燃料電池システム。

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