JP4511956B2 - 燃料処理装置、前記燃料処理装置を用いた燃料処理方法、燃料処理装置を備えた燃料電池および燃料処理装置を備えた燃料電池への燃料供給方法 - Google Patents
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Description
気液分離器は、脱硫器で脱硫された液体燃料を、液相燃料と気相燃料に分離するものであり、
改質器には、気化部と改質反応部と燃焼部とが設けられていて、気液分離器で分離された気相燃料は、経路に設けられたポンプの吐出する空気によって、改質器の燃焼部に送られ燃焼されて、気化部と改質反応部を加熱するものであり、気液分離器で分離された液相燃料は、改質器の気化部に送られ、水と混合されて気化後改質反応部に送られ、水素に変換されるものである。
燃料処理装置には、燃料供給部と脱硫器と気液分離器と改質器とが備えられていて、
脱硫器は、燃料供給部から供給される液体燃料を脱硫するものであり、
気液分離器は、脱硫器で脱硫された液体燃料を、液相燃料と気相燃料に分離するものであり、
改質器には、気化部と改質反応部と燃焼部とが設けられていて、気液分離器で分離された気相燃料は、燃料電池から排出されるオフガスによって改質器の燃焼部に送られ燃焼されて、気化部と改質反応部を加熱するものであり、気液分離器で分離された液相燃料は、改質器の気化部に送られ、水と混合されて気化後改質反応部に送られ、水素に変換され、この水素は前記燃料電池に供給されるものである。
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。
図1は実施の形態1による燃料処理装置100を示すブロック図である。図において、燃料処理装置100は、燃料供給部10、脱硫器20、気液分離器30、改質器40を主要構成要素としている。燃料供給部10に内蔵するところの後述する燃料は、ポンプ1aによって、第1の配管2aを通り脱硫器20に供給され、また第2の配管2bを通り後述の改質器40に設けられた燃焼部41に供給される。脱硫器20と気液分離器30との間には第3の配管2cが設けられ、さらにこの第3の配管2cには、圧力調整弁3、熱交換器4が設けられている。気液分離器30には逆止弁5が設けられ、この気液分離器30と改質器40の間には、気相燃料が通る第4の配管2dと液相燃料が通る第5の配管2eが設けられ、気相燃料送出用ポンプ1b、液相燃料送出用ポンプ1dがそれぞれ備えられている。改質器40は、燃焼部41と気化部42、改質反応部43とが設けられており、燃焼部41には燃料供給部10からの第2の配管2bが接続されているとともに、気液分離器30からの第4の配管2dが接続されている。気化部42には気液分離器30からの第5の配管2eが接続され、さらに第6の配管2f、ポンプ1cが設けられ外部より水が供給される。
燃料供給部10には、大気圧下、常温で液相であるもの、たとえば、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油などの炭化水素系燃料、メタノール、エタノールなどのアルコール系燃料、又は比較的低圧の加圧(1MPa未満)により液相になるLPG(液化石油ガス)、DME(ジメチルエーテル)などの炭化水素もしくはエーテル系の燃料が投入される。ここでは、入手がし易く安価である灯油を一例として以下を説明する。
脱硫器20にて、改質器40内に充填された改質触媒の硫黄被毒を防止するため、原燃料中の硫黄成分を例えば0.05ppm程度以下まで除去する。このときの脱硫触媒は、例えば、Ni系やCu系の触媒や活性炭やゼオライト系等の触媒がある。このとき、脱硫器20内の触媒反応温度については、液体燃料留分の沸点以下の反応温度状態に圧力設定された条件で行うことが効率的である。
次に、例えば水蒸気改質反応にて水素生成を行う場合、改質器40の気化部42でポンプ1c、第6の配管2fから供給される水と原燃料を気化させて加熱する。このときの気化方法は、水と原燃料を混合後気化させて加熱する方法、それぞれを気化させた後に混合して加熱する方法、また一部気化した状態で混合させ、さらに気化させて加熱する方法などがある。気化・加熱された原燃料は、改質触媒が充填された改質反応部43にて触媒反応させる。このとき、スチームと原燃料中の炭素成分のモル比であるS/C比は、カーボン析出防止とシステム効率の関係から約2〜4程度に設定される。つまり、S/Cが低いと効率は良いが、カーボンが析出し易い状態になり、高いとその逆である。また、反応温度は例えば650〜800℃程度に加熱される。その結果、改質ガスは乾燥ガス換算で約70%以上の水素が得られる。ここで、使用する触媒は、例えばRu系、Ph系、Pt系や、Ni系、Co系などがあり、これらの単独もしくは組合せによって使用する。
なお、ここでは水蒸気改質反応を示したが、それ以外にも部分酸化方式やオートサーマル方式などもある。
実際に脱硫器20の特性を調べるために、図1に準ずる構成で予備試験を実施した。つまり、円筒形容器にφ3mmのアルミナ球を入れて、灯油を満たした状態で容器を加熱し、内圧を650kPaGになるように圧力調整弁3を調節した。また同時に、その燃料は圧力調整弁3の手前では約30℃になるように冷却した。このとき排出される気相と液相の体積流量比を調べた結果、円筒容器内の温度が250℃では約2、200℃では約0.3、150℃では約0.1であった。次にこの燃料を気化部42に供給してその圧力を測定すると、250℃では、気化部42の入口の平均圧力に対して±約35%の変動が見られた。また、150℃でも約±20%の変動が見られた。すなわち、液体燃料から効率よく脱硫反応をさせて、安定に水素を生成するには、この気相成分の処理が重要である。
液体原燃料である灯油は、燃料供給部10からポンプ1aによって第1の配管2aを通り脱硫器20に供給される。脱硫触媒が充填された脱硫器20では、脱硫剤の脱硫機能が発揮できる温度にすることが必要である。たとえば、Ni系脱硫触媒3では、150℃〜300℃以下に加温される。脱硫触媒に効率よく硫黄を吸着させるには、原燃料と脱硫触媒の接触時間を長くすればよく、原燃料の一部又は全部が、液相の状態で行うことが望ましい。原燃料の一部又は全部を液相にするには、上記の脱硫触媒の性能が発揮できる温度において、原燃料の気化を抑制するため、脱硫器20内を0.1MPa〜1.0MPa未満に加圧する。脱硫器20から排出され、約50ppb程度まで脱硫された原燃料は、熱交換器4にて大気温度付近まで冷却された後、圧力調整弁3にて大気圧付近まで減圧され第3の配管2cを通り気液分離器30に導入される。
ここで、気化部42については、燃料ならびに水の気化方法や混合方法に特に順序や状態ならびに手法を限定するものではない。なお、図示省略している熱交換器4に供給する低温側の流体は改質反応に利用する水を供給してもよい。例えば第6の配管2fより熱交換器4を経由する構成としてもよい。
図3は実施の形態2による燃料処理装置100のブロック図である。この実施の形態2は、前記実施の形態1で説明した改質器40の構成から、燃焼部41を不必要とするよく知られているオートサーマル式の改質器40aとしたものである。この改質器40aに供給される気液分離器30からの液体燃料は、実施の形態1と同様である。改質器40aに供給された液体燃料と水が気化部42aで気化されて改質反応部43aに供給される。またポンプ1bから排出され、気液分離器30の気相燃料を含んだ空気が第4の配管を通って改質反応部43aに供給され、ここで気化部42aを通過してきた燃料と酸化反応および改質反応を行って水素を生成する。水素生成に必要な反応熱は、この空気と燃料の酸化反応熱から供給される。
また、改質反応の異なる燃料処理装置にも同様の効果が実現できる。
図4は実施の形態3による燃料処理装置100を備えた燃料電池200を示すブロック図である。この実施の形態3は、前記実施の形態1による燃料処理装置100によって生成された水素が第12の配管2mによって燃料電池200に供給される構成を示す。すなわち改質器40によって生成された水素が第12の配管2mを通り燃料電池200に供給され、また燃料電池200から排出されたオフガスが第8の配管2hを通り気液分離器30を経由して改質器40の燃焼部41に供給されるように構成されたものである。そして実施の形態1に設けている第4の配管2dのポンプ1bは設けてない。またこの実施の形態3では燃焼部41に外部よりポンプ1eから空送管2を介し送気している。その他の構成は実施の形態1と同様である。
燃料電池200において、通常供給された水素のうち約70〜85%が電池反応に使用される。一方、残りの燃料は燃料電池200よりオフガスとして排出される。このオフガスが、第8の配管2hを通って気液分離器30における気相燃料を随伴しながら第4の配管2dを通って改質器40の燃焼部41に供給される。これによって、燃料電池200からのオフガスの有効利用のみならず、燃料供給部10から燃焼部41へ送出される燃料を低減できるという効果がある。
図6は実施の形態4による燃料処理装置100を備えた燃料電池200を示すブロック図である。この実施の形態4は前記実施の形態3に脱硫部20から排出された燃料を冷却するために除去する熱を、原燃料の予熱に利用する機能を追加したものである。つまり、前記実施の形態3で示した図4における燃料供給部10と脱硫器20との間に設けた第1の配管2aに替わり、前記燃料供給部10から熱交換器4に至る第10の配管2kを設け、熱交換器4を介して加温された燃料供給部10からの原燃料を、脱硫器20に送出する第11の配管2lを設けたものである。その他の構成は、実施の形態3の図4と同様である。このように原燃料は、熱交換器4によって加温されて脱硫器20に供給されるので、脱硫器20内部の温度分布を均一化にすることができ、内部温度差によって発生する気液比率の変動を抑制することができ、より脈動が少なく熱効率のよい燃料処理装置100が実現できる。なおこの実施の形態4では燃料処理装置100を備えた燃料電池200の例を示しているが燃料処理装置100単独の場合であっても適用可能である。なお熱交換器4に供給する低温側の流体は、燃料電池200の図示省略の冷却用流体や燃料電池システムの熱回収用の流体を供給してもよい。この場合燃料電池システムの熱の有効利用がはかれる。
図7は実施の形態5による燃料処理装置100を備えた燃料電池200を示すブロック図である。この実施の形態5は、前記実施の形態4に脱硫器20の加熱を燃焼器40から排出された燃焼排ガスを利用して形成する機能を追加したものである。つまり前記実施の形態4で示した図6における脱硫部20に脱硫部20aと加熱部20bを分けて設けるとともに、燃焼部41からの放出燃焼ガスを導く第6の配管2gを前記加熱部20bに接続したものである。また、燃料供給部10からの原燃料は、第11の配管2lを通して前記脱硫部20aに導入される。その他の構成は、実施の形態4の図6と同様である。このように燃料電池200のオフガスは気液分離器30の気相燃料を随伴しながら燃焼部41に導入され、さらに燃焼部41から排出された燃焼排ガスは、第7の配管2gを通じて脱硫器20の加熱部20bに供給される。これによって、脱硫器20に設けられた脱硫部20aを所定の温度に加温するものである。なお、脱硫器20の温度を一定にするために、起動時や負荷変化時等に燃焼部41からの燃焼排ガスを高めになるように設定し、燃焼排ガス系統である第7の配管2gに冷却ガス(例えば空気)を混入して温度制御をしてもよい。
このように、燃焼部41の燃焼ガスを脱硫器20の加熱源に有効利用でき、脱硫器20が所定の温度に加温されるので水素を高い信頼性でかつ安定に生成できるとともに、より効率的な燃料処理装置100を備えた燃料電池200が実現できる。なお、この実施の形態5も燃料処理装置100を備えた燃料電池200の例を示しているが、燃料処理装置100単独の場合であっても適用可能である。
10 燃料供給部、20 脱硫器、20a 脱硫部、20b 加熱部、
30 気液分離器、40,40a 改質器、41 燃焼部、
42,42a 気化部、43,43a 改質反応部、100 燃料処理装置、
200 燃料電池。
Claims (10)
- 燃料供給部と脱硫器と気液分離器と改質器とを備えた燃料処理装置であって、
前記脱硫器は、前記燃料供給部から供給される液体燃料を脱硫するものであり、
前記気液分離器は、前記脱硫器で脱硫された液体燃料を、液相燃料と気相燃料に分離するものであり、
前記改質器には、気化部と改質反応部と燃焼部とが設けられていて、前記気液分離器で分離された気相燃料は、経路に設けられたポンプの吐出する空気によって、前記改質器の燃焼部に送られ燃焼されて、前記気化部と改質反応部を加熱するものであり、前記気液分離器で分離された液相燃料は、前記改質器の気化部に送られ、水と混合されて気化後前記改質反応部に送られ、水素に変換されることを特徴とする燃料処理装置。 - 燃料供給部と脱硫器と気液分離器と改質器とを備えた燃料処理装置であって、
前記脱硫器は、前記燃料供給部から供給される液体燃料を脱硫するものであり、
前記気液分離器は、前記脱硫器で脱硫された液体燃料を、液相燃料と気相燃料に分離するものであり、
前記改質器には、気化部と改質反応部とが設けられていて、前記気液分離器で分離された液相燃料は、前記改質器の気化部に送られ、水と混合されて気化後前記改質反応部に送られ、前記気液分離器で分離された気相燃料は、経路に設けられたポンプの吐出する空気によって、前記改質反応部に送られて、前記気化部から送られてきた液相燃料と酸化反応および改質反応を行って水素を生成することを特徴とする燃料処理装置。 - 燃料処理装置を備えた燃料電池であって、
前記燃料電池は、前記燃料処理装置で生成される水素を利用して電池反応を行うものであり、
前記燃料処理装置には、燃料供給部と脱硫器と気液分離器と改質器とが備えられていて、
前記脱硫器は、前記燃料供給部から供給される液体燃料を脱硫するものであり、
前記気液分離器は、前記脱硫器で脱硫された液体燃料を、液相燃料と気相燃料に分離するものであり、
前記改質器には、気化部と改質反応部と燃焼部とが設けられていて、前記気液分離器で分離された気相燃料は、前記燃料電池から排出されるオフガスによって前記改質器の燃焼部に送られ燃焼されて、前記気化部と改質反応部を加熱するものであり、前記気液分離器で分離された液相燃料は、前記改質器の気化部に送られ、水と混合されて気化後前記改質反応部に送られ、水素に変換され、該水素は前記燃料電池に供給されることを特徴とする燃料処理装置を備えた燃料電池。 - 燃料処理装置を備えた燃料電池であって、
前記燃料電池は、前記燃料処理装置で生成される水素を利用して電池反応を行うものであり、
前記燃料処理装置には、燃料供給部と脱硫器と気液分離器と改質器と、前記脱硫器と前記気液分離器とをつなぐ配管に設けられた熱交換器とが備えられていて、
前記燃料供給部から供給される液体燃料は前記熱交換器を通過して加温されて前記脱硫器に送られた後に脱硫され、前記気液分離器は、前記脱硫器で脱硫された液体燃料を、液相燃料と気相燃料に分離するものであり、
前記改質器には、気化部と改質反応部と燃焼部とが設けられていて、前記気液分離器で分離された気相燃料は、前記燃料電池から排出されるオフガスによって前記改質器の燃焼部に送られ燃焼されて、前記気化部と改質反応部を加熱するものであり、前記気液分離器で分離された液相燃料は、前記改質器の気化部に送られ、水と混合されて気化後前記改質反応部に送られ、水素に変換され、該水素は前記燃料電池に供給されることを特徴とする燃料処理装置を備えた燃料電池。 - 前記気液分離器で分離された気相燃料は、前記燃料電池から排出されるオフガスによって前記改質器の燃焼部に送られて燃焼され、前記気化部と改質反応部を加熱するとともに、前記燃焼部から排出される燃焼ガスは、前記脱硫器に設けられた加熱部に送られて、前記脱硫器に設けられた脱硫部を加熱することを特徴とする請求項3または請求項4のいずれか1項に記載の燃料処理装置を備えた燃料電池。
- 前記気液分離器には、気液分離部とドレン分離部とが設けられていることを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料処理装置を備えた燃料電池。
- 前記燃料供給部から供給される液体燃料は、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油などの炭化水素系燃料、メタノール、エタノールなどのアルコール系燃料、あるいは1MPa未満の加圧により液相となる液化石油ガス、ジメチルエーテルなどの水素もしくはエーテル系の燃料であることを特徴とする請求項1、請求項2のいずれか1項に記載の燃料処理装置。
- 前記燃料供給部から供給される液体燃料は、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油などの炭化水素系燃料、メタノール、エタノールなどのアルコール系燃料、あるいは1MPa未満の加圧により液相となる液化石油ガス、ジメチルエーテルなどの水素もしくはエーテル系の燃料であることを特徴とする請求項3、請求項4のいずれか1項に記載の燃料処理装置を備えた燃料電池。
- 請求項1あるいは請求項2のいずれか1項に記載の燃料処理装置を用いて、液体燃料の処理がなされることを特徴とする液体燃料の処理方法。
- 請求項3あるいは請求項4のいずれか1項に記載の燃料処理装置を用いて生成された燃料が燃料電池に供給されることを特徴とする燃料処理装置を備えた燃料電池への燃料供給方法。
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