JP4499701B2 - 移動可能な熱源を有する燃料改質システム及びこれを備えた燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、改質燃料としてブタンを使用して水素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質システム及びこれを備えた燃料電池システムに関し、より詳しくは、ブタンから水素を主成分とする改質ガスを生成する反応帯域に、熱エネルギーを提供するための熱源が移動可能に提供された燃料改質システム及びこれを備えた燃料電池システムに関する。
一般的に、燃料電池システムは、水素と酸素、またはメタノール、エタノールなどのアルコール系燃料；メタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素系燃料、または液化天然ガスなどの天然ガス系燃料のような水素含有燃料から得られる水素に富む改質ガスと酸素とを、化学反応により電気エネルギーに変える発電装置であって、電力需要の増加に伴う電源確保の困難と日増しに増加する地球環境問題を解決できる代案として研究開発されている。
燃料電池システムは、使用される電解質の種類に応じて、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ ａｃｉｄ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ；ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ；ａｌｋａｌｉｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）などに分類される。また、燃料電池システムは、その種類に応じて使用される燃料の種類とともに、作動温度、出力範囲などに応じて移動電源用、輸送用、分散発電用といった多様な応用分野に適用されることができる。
最近では、規格品として市販されている携帯用ブタン容器を燃料供給源として使用するための燃料電池システムが開発されており、このような燃料電池システムの一例として、特許文献１には、燃料電池発電システム（図６参照）が開示されている。本特許文献によると、燃料電池発電システムは、ブタン燃料ガスを収納する携帯用圧力容器と、前記圧力容器内に収容されたブタンガスの一部を燃料ガスとして使用し、前記ブタンガスの残りを水と反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置と、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素とを使用して電気を生成する燃料電池と、ブタンガスの量を調節するための装置と、ブタンガスの流量を調節するための装置とを備えている。
しかし、前述の携帯用燃料電池発電システムの改質装置において、ブタンガスから水素に富む改質ガスを得るための反応帯域を効果的に加熱することができず、改質効率の向上には限界があった。
また、特許文献１には、熱源から直接反応熱を受けて改質燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成させる原料改質部と、熱源からの伝熱により間接加熱されるシフト反応部とＣＯ酸化部とを備えた改質装置（図７参照）が開示されている。
しかし、このような改質装置において、シフト反応部を間接加熱して反応工程に必要な熱を供給するためには、相対的に長い時間が費やされるという問題があった。
大韓民国特許出願公開第２０００−２２５４６号明細書
本発明は、前記のような従来の問題を解決するために提案されたもので、本発明の目的は、ブタンガスから水素に富む改質ガスを得るための燃料改質部とシフト反応部とを熱源から直接加熱した後に、シフト反応部が触媒活性化温度まで上昇すると、燃料改質部のみを直接加熱するように前記熱源を移動させて改質効果を向上することができる燃料改質システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、燃料改質部とシフト反応部のそれぞれの反応帯域が熱エネルギーを提供する熱源により加熱される間、シフト反応部の反応帯域が所定の触媒活性化温度まで加熱されると、熱源が燃料改質部の反応帯域のみを加熱するように移動することができる燃料改質システムを備え、発電効率を向上することができる燃料電池システムを提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明によると、燃料改質システムは、水素含有燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成させるための改質触媒を有する改質部と、前記改質ガスから一酸化炭素を除去するＣＯ除去部と、前記改質部とＣＯ除去部とに熱エネルギーを供給するための熱源と、前記熱源を前記改質部とＣＯ除去部との間で移動させるための移動手段とからなることを特徴とする。
前記ＣＯ除去部は、前記改質ガスの水性シフト反応によりＣＯの濃度を低減させるシフト反応部と、ＣＯを選択的に酸化させて除去するＣＯ酸化部とからなり、前記熱源は、前記シフト反応部がシフト触媒の活性化温度まで加熱されると移動する。
燃料改質システムは、改質部とＣＯ除去部とを収容するための収容空間を有するハウジングをさらに含み、ハウジングの収容空間で熱源は、その火炎が改質部に向かうようにシフト反応部の後方に位置する。また、ハウジングの収容空間には、火炎の進行方向において改質部の前方に気化器が提供される。
また、本発明によると、燃料電池システムは、炭化水素を主成分とする水素含有燃料を供給する供給源と、前記供給源から供給される水素含有燃料を改質して水素を生成する改質器と、前記改質器の水素と酸化剤との電気化学反応により電気を生成する発電部とを含み、前記改質器は、水素含有燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成させる改質部と、前記改質ガスから一酸化炭素を除去するＣＯ除去部と、前記改質部とＣＯ除去部とに直接熱エネルギーを供給するための熱源と、前記熱源を移動させるための移動手段とからなることを特徴とする。
前記供給源は、ブタンガス圧力源であり、ＣＯ除去部は、前記改質ガスの水性シフト反応によりＣＯの濃度を低減させるシフト反応部と、ＣＯを選択的に酸化させて除去するＣＯ酸化部とからなり、前記熱源は、前記シフト反応部がシフト触媒の活性化温度まで加熱されると移動する。
本発明によると、ブタンガスから水素に富む改質ガスを得るための燃料改質部とシフト反応部とを熱源から直接加熱した後に、シフト反応部が触媒活性化温度まで上昇すると、燃料改質部のみを直接加熱するように前記熱源を移動させることにより、燃料改質システムの改質効果を向上することができる。
また、本発明は、燃料改質部とシフト反応部のそれぞれの反応帯域が熱エネルギーを提供する熱源により加熱される間、シフト反応部の反応帯域が所定の触媒活性化温度まで加熱されると、熱源が燃料改質部の反応帯域のみを加熱するように移動させることにより、燃料電池システムの発電効率を向上することができる。
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
本明細書において、これに限るものではないが、ブタンを主成分とする水素含有燃料が使用され、このような水素含有燃料の一部は、水とともに使用される改質しようとする改質燃料として使用され、他の一部は、改質反応部とＣＯ除去部をそれぞれの触媒活性化温度まで加熱するために、熱エネルギーを供給するための燃焼燃料として使用される。また、酸化剤は、別の貯蔵手段に貯蔵された純酸素または酸素含有空気を使用することができるが、以下では、外気に含まれた酸素を使用する。
まず、図１を参照すると、燃料電池システムは、ブタンを主成分とする水素含有燃料を供給する供給源１０と、供給源１０から供給される水素含有燃料を改質して水素を生成する改質器２０と、改質器２０の水素と酸化剤との電気化学反応により電気を生成するスタック３０とを有する。説明していない参照番号４０は、スタック３０だけでなく、熱源２８と選択的酸化部２６とに空気のような酸化剤を供給するための空気供給部であり、説明していない参照番号５０は、スタック３０で発生する水を回収するための回収タンクである。
供給源１０として、汎用性の高いブタンガス圧力容器１０’（図３参照）を使用することができる。好ましくは、供給源１０は、前記ブタンガス圧力容器１０’から供給されるブタンを気化させるための気化器１２（図３参照）を含む。気化器１２は、減圧によりブタンを気化させるか、または以下に説明する熱源２８からの熱エネルギーにより気化することができる。
改質器２０は、供給源１０から供給される改質燃料から水素成分が主成分である改質ガスを生成する改質反応部２２と、改質反応部２２に流体連通可能に連結され、改質ガスに含まれている一酸化炭素を除去するＣＯ除去部と、改質反応部２２及び前記ＣＯ除去部のそれぞれに熱エネルギーを供給するための熱源２８とを含む。
改質反応部２２には、改質触媒２２ａが提供される。
改質反応部２２は、これに限るものではないが、水蒸気改質方式（ＳＲ：ｓｔｅａｍ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、自己熱改質方式（ＡＴＲ：ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）及び部分酸化方式（ＰＯＸ：ｐａｒｔｉａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）を用いて水素含有燃料を改質させる。部分酸化方式と自己熱改質方式は、初期始動及び負荷変動による応答特性に優れている反面、水蒸気改質方式は、水素生産効率の側面から優れているという長所がある。
水蒸気改質方式は、触媒上で水素含有燃料と水蒸気との化学反応、すなわち、吸熱反応により水素を主成分とする改質ガスを得る。このような水蒸気改質方式において、前記吸熱反応を行うために外部からの多量のエネルギーを要するが、改質ガスの供給が安定的で、相対的に高濃度の水素を得ることができるため、最も普遍的に使用される。
したがって、改質反応部２２が、例えば、水蒸気改質方式を採用している場合に、供給源１０から供給される改質燃料、すなわちブタンを主成分とする水素含有燃料が、回収装置５０から回収されて供給される水とともに、改質触媒２２ａで下記反応式１の水蒸気改質反応を行うことにより、水素に富む改質ガスが生成される。
［反応式１］
ｎ−Ｃ４Ｈ１０ ＋ ８Ｈ２Ｏ ←→ ４ＣＯ２ ＋ １３Ｈ２
ΔＨ２９８ ＝ ４８５．３ＫＪ／ｍｏｌ
改質触媒２２ａとしては、担体に金属を担持したものを例示することができる。担持金属は、ルテニウム、ロジウム、ニッケルなどがある。担体としては、二酸化ジルコニウム、アルミナ、シリカゲル、活性アルミナ、二酸化チタン、ゼオライト、活性炭などが使用されることができる。前述の改質ガスとしては、水素とともに、微量の二酸化炭素、メタンガス及び一酸化炭素も生成される。一酸化炭素は、特に、スタック３０の電極として一般的に使用される白金触媒を被毒して燃料電池システムの性能を低下させるため、これを除去する必要がある。
したがって、一酸化炭素を除去するためのＣＯ除去部は、水性ガス切替触媒反応と選択的酸化触媒反応がそれぞれ行なわれる水性ガス切替部２４と選択的酸化部２６とを含む。水性ガス切替部２４には、シフト触媒２４ａが提供され、選択的酸化部２６には、酸化触媒２６ａが提供される。選択的酸化部２６には、選択的酸化反応に必要な酸素のような酸化剤が空気供給部４０により供給される。水性ガス切替触媒反応と選択的酸化触媒反応を反応式で表すと、それぞれ下記の反応式２及び反応式３の通りである。
［反応式２］
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ２ ＋ Ｈ２
ΔＨ２９８ ＝ −４１．１ＫＪ／ｍｏｌ
［反応式３］
ＣＯ ＋ １／２Ｏ２ ←→ ＣＯ２
ΔＨ２９８ ＝ −２８４．１ＫＪ／ｍｏｌ
この時、改質器２０において、供給源１０から供給されるブタンを燃焼燃料として使用する熱源２８が提供される。熱源２８には、空気供給部４０から酸素のような酸化剤が供給される。熱源２８は、改質器２０の改質反応部２２、水性ガス切替部２４及び選択的酸化部２６をそれぞれの触媒活性化温度まで加熱するために必要な熱エネルギーを供給するように提供される。
図３を参照すると、改質器２０は、所定大きさの収容空間を有するハウジング２０ａを含み、前記収容空間には、改質反応部２２と水性ガス切替部２４とが順次収容される。熱源２８は、前記収容空間に向かって火炎２８ａを放出できるように水性ガス切替部２４の後方に位置する。好ましくは、供給源１０と改質反応部２２との間には、供給源、例えば、ブタンガス圧力容器１０’から供給される改質燃料を気化させるための気化器１２が流体連通可能に提供される。熱源２８において、燃焼反応は、下記反応式４で表される。
［反応式４］
ｎ−Ｃ４Ｈ１０ ＋ ６．５Ｏ２ ←→ ４ＣＯ２ ＋ ５Ｈ２Ｏ
ΔＨ２９８ ＝ −２６５８．５ＫＪ／ｍｏｌ
これを詳述すると、ブタンガス圧力容器１０’からのブタンガスの一部は、燃焼燃料として熱源２８に供給され、残りのブタンガスは、改質燃料として気化器１２に供給される。この時、熱源２８には、空気供給部４０から酸素が供給され、気化器１２には、水が供給される。熱源２８に供給されたブタンガスの一部、すなわち、燃焼燃料は、上記反応式４の反応により燃焼され、この時発生する熱エネルギーは、改質反応部２２と水性ガス切替部２４とに伝達される。特に、熱源２８の火炎２８ａが水性ガス切替部２４に直接接触して熱エネルギーが直接伝達されるようにする。
この時、熱源２８の火炎２８ａにより水性ガス切替部２４がシフト触媒２４ａ、例えば、銅−亜鉛系触媒の活性化温度まで加熱され、このような加熱状態が第２温度センサ２４ｂにより感知されると、第２温度センサ２４ｂは、図５に示されるように、水性ガス切替部２４の加熱状態を制御部に提供する。その後、前記制御部は、駆動モータを起動させて熱源２８が改質反応部２２側に移動するようにする。このように水性ガス切替部２４が熱源２８の火炎２８ａにより直接加熱されるので、水性ガス切替部２４をシフト触媒２４ａの活性化温度まで加熱するための加熱時間を短縮することができる。
そして、図２及び４に示すように、熱源２８が改質反応部２２側に移動した後、熱源２８の火炎２８ａは、改質反応部２２に直接接触して加熱する。改質反応部２２に提供された第１温度センサ２２ｂは、改質反応部２２の温度をリアルタイムで測定する。
改質反応部２２が改質触媒２２ａの活性化温度まで加熱され、このような加熱状態が第１温度センサ２２ｂにより制御部に提供されると、制御部は、燃焼燃料の供給量を減少させて熱源２８の火炎２８ａの大きさを減少する。
一方、熱源２８が改質反応部２２に移動した後、水性ガス切替部２４の加熱状態は、ハウジング２０ａの内壁に沿って後方に排出される熱により維持される。また、第２温度センサ２４ｂにより測定された水性ガス切替部２４の温度がシフト触媒２４ａの活性化温度以下に維持されていると、制御部は、駆動モータを起動させて熱源２８が水性ガス切替部２４側に移動するようにする。
熱源２８により改質反応部２２と水性ガス切替部２４がそれぞれの触媒活性化温度まで加熱された状態で、ブタンガス圧力容器１０’から供給されるブタンガス、すなわち、改質燃料は、水とともに、気化器１２を通過しながら気化する。気化した改質燃料は、改質反応部２２を通過しながら上記反応式１の反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する。
このような改質ガスが水性ガス切替部２４を通過する間、上記反応式２の反応により改質ガスに含まれている一酸化炭素が除去され、結果として、改質ガスに含まれている一酸化炭素の含有量が一次減少する。そして、改質ガスに含まれている一酸化炭素の含有量を最終目標、例えば、少なくとも１０ｐｐｍ以下に減少させるために、水性ガス切替部２４の後段には、選択的酸化部２６が流体連通可能に連結される。
選択的酸化部２６には、酸化触媒２６ａが提供される。酸化触媒２６ａは、例えば、白金系触媒またはルテニウム系触媒などで構成され、これらは、固形質形態または多孔性形態で提供されることができる。これにより、水性ガス切替部２４を通過した改質ガスが選択的酸化部２６の酸化触媒２６ａを通過する間、上記反応式３の反応により一酸化炭素が除去され、ほぼ純粋な高純度の水素を生成する。
このような高純度の水素は、スタック３０に供給される。すなわち、スタック３０のアノード電極とカソード電極に高純度の水素と空気がそれぞれ供給されると、水素酸化反応により生成される電気は、集電体（図示せず）を介して外部回路に通電される。
これを詳述すると、改質器２０の選択的酸化部２６から生成された高純度の水素は、スタック３０のアノード電極（図示せず）に供給され、空気供給部４０からの酸素含有空気は、スタック３０のカソード電極（図示せず）に供給される。スタック３０のＭＥＡ（図示せず）を介した水素イオンの伝達の結果、水素と酸素との化学反応により電気が生成される。そして、スタック３０内での化学反応の結果生成される水は、回収タンク５０に回収された後にリサイクルされる。
上記の内容は、本発明の好ましい実施例を単に例示したものであり、本発明の属する技術分野における当業者は、添付された請求範囲に記載の本発明の思想及び要旨を逸脱することなく、本発明に対する修正及び変更を加えることができるということを認識しなければならない。
本発明による燃料改質システムを有する燃料電池システムの図である。 図１の燃料電池システムにおける熱源の移動状態を示す図である。 本発明による燃料改質システムの構成図である。 図３の燃料改質システムにおける熱源の移動状態を示す図である。 熱源を移動するための移動手段の構成を概略的に示す図である。 従来の一実施例による燃料電池発電システムの図である。 従来の他の実施例による改質装置の図である。
符号の説明
１０ 燃料供給部
２０ 改質器
２２ 改質反応部
２４ 水性ガス切替部
２６ 選択的酸化部
２８ 熱源
３０ スタック
４０ 空気供給部
５０ 回収タンク

Claims (20)

  1. 水素含有燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成させるための改質部と、
    前記改質ガスから一酸化炭素を除去するＣＯ除去部と、
    前記改質部とＣＯ除去部とに熱エネルギーを供給するための熱源と、
    前記熱源を前記改質部とＣＯ除去部との間で移動させるための移動手段とからなることを特徴とする燃料改質システム。
  2. 前記移動手段は、前記熱源を移動させるための駆動モータと、前記駆動モータの動作を制御するための制御部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
  3. 前記ＣＯ除去部は、前記改質ガスの水性シフト反応により一酸化炭素の濃度を低減させるためのシフト触媒を有するシフト反応部と、一酸化炭素を選択的に酸化させて除去するための酸化触媒を有するＣＯ酸化部とからなることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
  4. 前記改質部とシフト反応部とを収容するための収容空間を有するハウジングをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料改質システム。
  5. 前記熱源は、前記ハウジング内でその火炎が改質部側に向かうように前記シフト反応部の後方に位置することを特徴とする請求項４に記載の燃料改質システム。
  6. 前記熱源は、前記シフト反応部がシフト触媒の活性化温度まで加熱されると、前記改質部に向かって移動することを特徴とする請求項５に記載の燃料改質システム。
  7. 前記シフト反応部には、温度センサが提供されたことを特徴とする請求項６に記載の燃料改質システム。
  8. 前記ハウジングの収容空間には、前記火炎の進行方向において前記改質部の前方に前記水素含有燃料を気化させるための気化器が提供されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料改質システム。
  9. 前記改質部には、温度センサが提供されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
  10. 前記水素含有燃料は、液化ガス容器から供給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
  11. 水素含有燃料を供給する供給源と、
    前記供給源から供給される水素含有燃料を改質して水素を生成する改質器と、
    前記改質器の水素と酸化剤との電気化学反応により電気を生成する発電部とを含み、
    前記改質器は、水素含有燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成させるための改質部と、前記改質ガスから一酸化炭素を除去するＣＯ除去部と、前記改質部とＣＯ除去部とに熱エネルギーを供給するための熱源と、前記熱源を前記改質部とＣＯ除去部との間で移動させるための移動手段とからなることを特徴とする燃料電池システム。
  12. 前記移動手段は、前記熱源を移動させるための駆動モータと、前記駆動モータの動作を制御するための制御部とを含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記ＣＯ除去部は、前記改質ガスの水性シフト反応により一酸化炭素の濃度を低減させるためのシフト触媒を有するシフト反応部と、一酸化炭素を選択的に酸化させて除去するための酸化触媒を有するＣＯ酸化部とからなることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記改質部とシフト反応部とを収容するための収容空間を有するハウジングをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記熱源は、前記ハウジング内でその火炎が改質部側に向かうように前記シフト反応部の後方に位置することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 前記熱源は、前記シフト反応部がシフト触媒の活性化温度まで加熱されると、前記改質部に向かって移動することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記シフト反応部には、温度センサが提供されたことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記ハウジングの収容空間には、前記火炎の進行方向において前記改質部の前方に前記水素含有燃料を気化させるための気化器が提供されていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
  19. 前記改質部には、温度センサが提供されたことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
  20. 前記供給源は、液化ガス圧力容器であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
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