JP4665385B2 - 燃料電池用灯油燃料気化装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用灯油燃料気化装置に関するものである。

一般に、燃料電池は、水の電気分解とは逆に水素と酸素を結合させて、その時に発生する電気と熱を取り出すものであり、その発電効率の高さや環境への適合性から、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムや燃料電池自動車としての開発が盛んに行われているが、そうした燃料電池の燃料となる水素は、ナフサ、灯油等の石油系燃料や都市ガス等を改質器で改質して製造される。

特に、灯油を燃料とする燃料電池では、灯油を気化させてから改質器の改質触媒層に導く必要があるが、灯油の場合、気化温度が低すぎると灯油が全部蒸発しきらずに改質触媒を傷める虞がある一方、気化温度が高すぎると灯油が熱分解して炭化し燃料供給管に詰りが生ずる虞があるため、こうしたトラブルの発生を回避することが実用化には不可欠となる。

従来においては、前述の如きトラブルの発生を回避するために、エジェクタを使用し、過熱した改質用水蒸気に灯油を混合することにより、水蒸気の熱を用いて安全な温度域で灯油を完全に気化させるようにしたものがある。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００２−５３３０５号公報

しかしながら、前述の如くエジェクタを使用して過熱した改質用水蒸気に灯油を混合するのでは、部分負荷時のように、燃料としての灯油の流量が減少し、少ない量の灯油がエジェクタから噴霧されるような場合、灯油が液状のままボタ落ちしてしまい、うまく蒸発させることができなくなり、この結果、使用できる負荷範囲が限定されるという問題を有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、エジェクタ等を使用することなく、全ての負荷範囲に亘って灯油を所望の気化温度で確実に気化させることができ、信頼性の向上並びにシステム全体としての発電効率の向上に貢献し得る燃料電池用灯油燃料気化装置を提供しようとするものである。

本発明は、原燃料として灯油を用いる改質器と、該改質器から排出される排ガスの熱により改質水を蒸発させて水蒸気を発生させ過熱する水蒸発・過熱器と、前記改質器で改質した改質ガスを灯油の気化温度より低い２００〜２５０［℃］に温度降下させＣＯとＨ ₂ ＯをＣＯ ₂ とＨ ₂ に変換する低温シフトコンバータと、該低温シフトコンバータを通過した改質ガスを冷却し酸化反応によってＣＯを除去し燃料電池へ導く選択酸化ＣＯ除去器とを燃料改質装置として一つのユニットにまとめ、該ユニットに対し、内筒と外筒との間に断熱層が形成される断熱容器を被せて覆うようにし、
前記内筒の内部における低温シフトコンバータの外側であって前記改質器から排出される排ガスが流れる空間に、伝熱面積を有する灯油供給管を配設して形成され、前記改質器から排出される排ガスと灯油とを熱交換させることにより、灯油を部分的に気化させる部分気化器と、
前記内筒の内部における低温シフトコンバータの外側であって前記改質器から排出される排ガスが流れる空間に配設され、前記部分気化器で部分的に気化された灯油に前記水蒸発・過熱器からの過熱蒸気を混合させることにより、灯油を完全に気化させ改質原燃料として前記改質器へ導く混合ヘッダと
を備えたことを特徴とする燃料電池用灯油燃料気化装置にかかるものである。

又、本発明は、原燃料として灯油を用いる改質器と、該改質器から排出される排ガスの熱により改質水を蒸発させて水蒸気を発生させ過熱する水蒸発・過熱器と、前記改質器で改質した改質ガスを灯油の気化温度より低い２００〜２５０［℃］に温度降下させＣＯとＨ ₂ ＯをＣＯ ₂ とＨ ₂ に変換する低温シフトコンバータと、該低温シフトコンバータを通過した改質ガスを冷却し酸化反応によってＣＯを除去し燃料電池へ導く選択酸化ＣＯ除去器とを燃料改質装置として一つのユニットにまとめ、該ユニットに対し、内筒と外筒との間に断熱層が形成される断熱容器を被せて覆うようにし、
前記内筒の内部における低温シフトコンバータの内側であって前記改質器で改質した改質ガスが流れる空間に、伝熱面積を有する灯油供給管を配設して形成され、前記灯油の気化温度より低い２００〜２５０［℃］の温度に制御される改質ガスと灯油とを熱交換させることにより、灯油を部分的に気化させる部分気化器と、
前記内筒の内部における低温シフトコンバータの外側であって前記改質器から排出される排ガスが流れる空間に配設され、前記部分気化器で部分的に気化された灯油に前記水蒸発・過熱器からの過熱蒸気を混合させることにより、灯油を完全に気化させ改質原燃料として前記改質器へ導く混合ヘッダと
を備えたことを特徴とする燃料電池用灯油燃料気化装置にかかるものである。

前記燃料電池用灯油燃料気化装置においては、改質器関連機器が、改質器で改質した改質ガスをおよそ２００〜２５０［℃］前後に温度降下させＣＯとＨ₂ＯをＣＯ₂とＨ₂に変換する低温シフトコンバータであるようにすることができる。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

灯油は原燃料として部分気化器へ導かれるが、本発明の場合、該部分気化器は、灯油の気化温度より低い所要温度に制御される改質器関連機器としての低温シフトコンバータの外側或いは内側に、所要の伝熱面積を有する灯油供給管を配設することにより形成してあるため、改質器から排出される排ガス或いは改質ガスと灯油とが熱交換することにより、灯油が部分的に気化される形となり、部分気化器の灯油供給管内を高速で流れ、未蒸発分もミスト状となって混合ヘッダに導かれ、該混合ヘッダにおいて、気液二層流の状態で過熱蒸気と混合されることにより、完全に気化され、改質原燃料として改質器へ導かれ、改質が行われる。

即ち、前記改質器関連機器としての低温シフトコンバータ等の温度制御が正常に行われている限り、気化温度が低すぎて灯油が全部蒸発しきらずに改質触媒を傷めてしまうような心配は全くなくなる一方、気化温度が高すぎて灯油が熱分解して炭化し部分気化器の灯油供給管に詰りが生じてしまうような心配も全くなくなるため、長期に亘って信頼性の高い運転を行うことが可能となる。

又、従来のようにエジェクタを使用して過熱した改質用水蒸気に灯油を混合するのとは異なり、部分負荷時に改質原燃料としての灯油の流量が減少したとしても、灯油は液状のままボタ落ちしてしまうことなく、混合ヘッダ内に確実に噴霧され、うまく蒸発させることが可能となり、この結果、使用できる負荷範囲が限定されなくなる。

更に又、灯油の気化に必要な熱は全て、改質器から排出される排ガス或いは改質ガスの熱を回収することで賄われ、電気ヒータ等の外部の熱源を使用しないため、発電効率の高いシステムになる。

本発明の燃料電池用灯油燃料気化装置によれば、エジェクタ等を使用することなく、全ての負荷範囲に亘って灯油を所望の気化温度で確実に気化させることができ、信頼性の向上並びにシステム全体としての発電効率の向上に貢献し得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の一例であって、１は改質器、２は改質器１から排出される排ガスの熱により改質水を蒸発させて水蒸気を発生させ更に約３５０［℃］程度に過熱する水蒸発・過熱器、３は前記排ガスの熱により原燃料としての灯油を部分気化させる部分気化器、４は部分気化器３で部分的に気化された灯油に水蒸発・過熱器２からの過熱蒸気を混合させることにより、灯油を完全に気化させ改質原燃料として改質器１へ導く混合ヘッダ、５は改質器１で改質した改質ガスをプロセス冷却水で所要温度（およそ２００〜２５０［℃］前後）に温度降下させＣＯとＨ₂ＯをＣＯ₂とＨ₂に変換する低温シフトコンバータ、６は低温シフトコンバータ５を通過した改質ガスをプロセス冷却水で冷却し酸化反応によってＣＯを除去する選択酸化ＣＯ除去器、７は選択酸化ＣＯ除去器６を通過した改質ガスを加湿する加湿器、８はカソード８ａとアノード８ｂを有する固体高分子型の燃料電池である。

又、２ａは改質器１から排出される排ガスの熱により改質水を予熱して水蒸発・過熱器２へ導く給水予熱器、９は改質器１へ供給する原燃料並びに改質熱源燃料としての灯油の脱硫を行う脱硫器である。

更に又、１０は燃料電池８から交流電力を取り出すインバータ、１１はカソード８ａから排出される水の排熱を回収してコージェネ用給水を温める排熱回収器、１２は燃料電池８を冷却して温度上昇した冷却水の熱を利用して前記排熱回収器１１で温められたコージェネ用給水を更に加熱し温水を得るための熱交換器、１３は燃料電池８を冷却して温度上昇した冷却水を必要に応じて冷却するラジエータ、１４はカソード８ａから排出される水に含まれる排気を分離する気水分離器、１４’は気水分離器１４で排気が分離された水並びに給水が貯留される水タンクである。

ここで、前記改質器１と、その改質器関連機器としての給水予熱器２ａ、水蒸発・過熱器２、部分気化器３、混合ヘッダ４、低温シフトコンバータ５、及び選択酸化ＣＯ除去器６は、図２に示す如く、燃料改質装置として一つのユニットにまとめてあり、該ユニットに対し、内筒１５ａと外筒１５ｂとの間に真空の断熱層１５ｃが形成される真空断熱容器１５を被せて覆うようにしてある。

本図示例の場合、前記真空断熱容器１５の内筒１５ａ自体を改質器１の一部として利用するようにし、該内筒１５ａの内部における中心部に、燃焼器１６から噴射される燃焼ガスが流通する炉筒１７を配置すると共に、該炉筒１７と前記内筒１５ａとの間に燃焼ガスの流路１８を形成し、該流路１８内に、内部に改質触媒（図示せず）が装填され原料ガスを流通させてその改質を行うための複数（図３の例では六本）の改質管１９を並設し、改質器１を構成するようにしてある。尚、前記改質管１９は、内管１９ａと外管１９ｂとからなる二重管構造としてあり、原料ガスを内管１９ａと外管１９ｂとの間に形成される外側の空間内に充填した改質触媒層を上昇させて前記燃焼ガスと熱交換させて水素リッチガスに改質した後、その上端で折り返して内管１９ａの内側の空間内を下降させるようにしてある。

前記改質器１の炉筒１７は、燃料処理装置底板２０から立設されたベース内筒２１の上端部に連結配置してあり、燃料処理装置底板２０の外周端縁から立ち上がる長さの短いベース外筒２２の上端部に対し、前記真空断熱容器１５の下端部を図示していないボルト・ナット等の締結手段により着脱自在となるよう気密に接続し、前記燃料処理装置底板２０とベース内筒２１とベース外筒２２と真空断熱容器１５の内筒１５ａとで画成され且つ前記燃焼ガスの流路１８に連通する筒状の空間２３内に、前記改質器１の改質器関連機器としての給水予熱器２ａ、水蒸発・過熱器２、部分気化器３、混合ヘッダ４、低温シフトコンバータ５、及び選択酸化ＣＯ除去器６を配設するようにしてある。

前記ベース内筒２１の内部には、前記燃焼器１６へ空気を供給するための空気流路２４を形成すると共に、前記燃焼器１６へアノードオフガスを供給するためのアノードオフガス供給流路２５を形成し、又、前記燃焼器１６には、改質熱源燃料としての灯油を供給するようにしてあり、これにより、前記アノードオフガスだけでは改質器１で不足する熱量を、前記改質熱源燃料としての灯油で賄うことができる。

一方、図２に示す如く、前記部分気化器３は、灯油の気化温度（およそ３００［℃］前後）より低い所要温度（およそ２００〜２５０［℃］前後）に制御される改質器関連機器としての低温シフトコンバータ５の外側に、所要の伝熱面積を有する灯油供給管３ａを配設することにより形成し、改質器１から排出され流路１８を経て筒状の空間２３内を流れる排ガスと灯油とを熱交換させることにより、灯油を部分的に気化させるようにしてある。尚、前記低温シフトコンバータ５の外側ではなくその内側に所要の伝熱面積を有する灯油供給管３ａを配設して部分気化器３を形成し、改質器１から排出され且つ灯油の気化温度より低い所要温度に制御される改質ガスと灯油とを熱交換させることにより、灯油を部分的に気化させるようにすることも可能である。

又、前記選択酸化ＣＯ除去器６と低温シフトコンバータ５の内部には、図２に示す如く、プロセス冷却水を通過させて気化させ、その気化熱により選択酸化ＣＯ除去器６と低温シフトコンバータ５を冷却するようにし、該選択酸化ＣＯ除去器６と低温シフトコンバータ５を冷却した後のプロセス冷却水は、混合ヘッダ４において過熱蒸気と混合されて完全に気化された灯油と一緒に改質管１９内へ導入するようにしてある。

次に、上記図示例の作用を説明する。

灯油は脱硫器９で脱硫された後、原燃料として部分気化器３へ導かれるが、本図示例の場合、該部分気化器３は、灯油の気化温度（およそ３００［℃］前後）より低い所要温度（およそ２００〜２５０［℃］前後）に制御される改質器関連機器としての低温シフトコンバータ５の外側に、所要の伝熱面積を有する灯油供給管３ａを配設することにより形成してあるため、改質器１から排出され流路１８を経て筒状の空間２３内を流れる排ガスと灯油とが熱交換することにより、灯油が部分的に気化された状態となる。尚、前記低温シフトコンバータ５の外側ではなくその内側に所要の伝熱面積を有する灯油供給管３ａを配設して部分気化器３を形成した場合には、改質器１から排出され且つ灯油の気化温度より低い所要温度に制御される改質ガスと灯油とが熱交換することにより、灯油が部分的に気化される形となる。

ここで、灯油の気化温度（およそ３００［℃］前後）より低い所要温度（およそ２００〜２５０［℃］前後）では、灯油はおよそ半分が蒸発するため、部分気化器３の灯油供給管３ａ内を高速で流れ、未蒸発分もミスト状となって混合ヘッダ４に導かれ、同時に、改質水は、給水予熱器２ａにおいて改質器１から排出される排ガスの熱により予熱されて水蒸発・過熱器２へ導かれ、該水蒸発・過熱器２において、改質器１から排出される排ガスの熱により蒸発し更に約３５０［℃］程度に過熱され過熱蒸気となり、前記混合ヘッダ４へ導かれる。

前記混合ヘッダ４において、部分気化器３で部分的に気化された灯油は、気液二層流の状態で、水蒸発・過熱器２からの過熱蒸気と混合されることにより、完全に気化され、改質原燃料として改質器１へ導かれ、改質が行われる。尚、前記改質器１で改質された改質ガスは、低温シフトコンバータ５と選択酸化ＣＯ除去器６を通過した後、加湿器７を介して燃料電池８のアノード８ｂへ導かれると共に、空気が加湿器７を介して前記燃料電池８のカソード８ａへ導かれ、発電が行われ、インバータ１０により燃料電池８から交流電力が取り出され、又、前記アノード８ｂから排出され電力発生用として使い切られずに残ったアノードオフガスは、改質器１の燃焼器１６へ導かれ燃料ガスとして再利用される一方、前記カソード８ａから排出される水は、排熱回収器１１でコージェネ用給水を温め、気水分離器１４で排気が分離された後、給水が貯留される水タンク１４’に集められ、選択酸化ＣＯ除去器６と低温シフトコンバータ５それぞれのプロセス冷却水、並びに改質水の一部として用いられる。

即ち、前記低温シフトコンバータ５の温度制御が正常に行われている限り、気化温度が低すぎて灯油が全部蒸発しきらずに改質触媒を傷めてしまうような心配は全くなくなる一方、気化温度が高すぎて灯油が熱分解して炭化し部分気化器３の灯油供給管３ａに詰りが生じてしまうような心配も全くなくなるため、長期に亘って信頼性の高い運転を行うことが可能となる。

又、従来のようにエジェクタを使用して過熱した改質用水蒸気に灯油を混合するのとは異なり、部分負荷時に改質原燃料としての灯油の流量が減少したとしても、灯油は液状のままボタ落ちしてしまうことなく、混合ヘッダ４内に確実に噴霧され、うまく蒸発させることが可能となり、この結果、使用できる負荷範囲が限定されなくなる。

更に又、灯油の気化に必要な熱は全て、改質器１から排出される排ガス或いは改質ガスの熱を回収することで賄われ、電気ヒータ等の外部の熱源を使用しないため、発電効率の高いシステムになる。

こうして、エジェクタ等を使用することなく、全ての負荷範囲に亘って灯油を所望の気化温度で確実に気化させることができ、信頼性の向上並びにシステム全体としての発電効率の向上に貢献し得る。

一方、改質熱源燃料としての灯油に関しても、改質原燃料としての灯油と同様に部分的に気化させて、改質器１の燃焼器１６へ供給するよう構成すれば、燃焼器１６として設計の容易な気化式バーナを適用でき、より実用的な燃料電池発電システムを構築することが可能となる。

尚、本発明の燃料電池用灯油燃料気化装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例の全体系統図である。 本発明を実施する形態の一例における改質器及び改質器関連機器を一つのユニットにまとめた燃料改質装置を示す側断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

符号の説明

１ 改質器
２ 水蒸発・過熱器
３ 部分気化器
３ａ 灯油供給管
４ 混合ヘッダ
５ 低温シフトコンバータ
６ 選択酸化ＣＯ除去器
８ 燃料電池
８ａ カソード
８ｂ アノード

Claims (2)

1. 原燃料として灯油を用いる改質器と、該改質器から排出される排ガスの熱により改質水を蒸発させて水蒸気を発生させ過熱する水蒸発・過熱器と、前記改質器で改質した改質ガスを灯油の気化温度より低い２００〜２５０［℃］に温度降下させＣＯとＨ ₂ ＯをＣＯ ₂ とＨ ₂ に変換する低温シフトコンバータと、該低温シフトコンバータを通過した改質ガスを冷却し酸化反応によってＣＯを除去し燃料電池へ導く選択酸化ＣＯ除去器とを燃料改質装置として一つのユニットにまとめ、該ユニットに対し、内筒と外筒との間に断熱層が形成される断熱容器を被せて覆うようにし、
   前記内筒の内部における低温シフトコンバータの外側であって前記改質器から排出される排ガスが流れる空間に、伝熱面積を有する灯油供給管を配設して形成され、前記改質器から排出される排ガスと灯油とを熱交換させることにより、灯油を部分的に気化させる部分気化器と、
   前記内筒の内部における低温シフトコンバータの外側であって前記改質器から排出される排ガスが流れる空間に配設され、前記部分気化器で部分的に気化された灯油に前記水蒸発・過熱器からの過熱蒸気を混合させることにより、灯油を完全に気化させ改質原燃料として前記改質器へ導く混合ヘッダと
   を備えたことを特徴とする燃料電池用灯油燃料気化装置。
2. 原燃料として灯油を用いる改質器と、該改質器から排出される排ガスの熱により改質水を蒸発させて水蒸気を発生させ過熱する水蒸発・過熱器と、前記改質器で改質した改質ガスを灯油の気化温度より低い２００〜２５０［℃］に温度降下させＣＯとＨ ₂ ＯをＣＯ ₂ とＨ ₂ に変換する低温シフトコンバータと、該低温シフトコンバータを通過した改質ガスを冷却し酸化反応によってＣＯを除去し燃料電池へ導く選択酸化ＣＯ除去器とを燃料改質装置として一つのユニットにまとめ、該ユニットに対し、内筒と外筒との間に断熱層が形成される断熱容器を被せて覆うようにし、
   前記内筒の内部における低温シフトコンバータの内側であって前記改質器で改質した改質ガスが流れる空間に、伝熱面積を有する灯油供給管を配設して形成され、前記灯油の気化温度より低い２００〜２５０［℃］の温度に制御される改質ガスと灯油とを熱交換させることにより、灯油を部分的に気化させる部分気化器と、
   前記内筒の内部における低温シフトコンバータの外側であって前記改質器から排出される排ガスが流れる空間に配設され、前記部分気化器で部分的に気化された灯油に前記水蒸発・過熱器からの過熱蒸気を混合させることにより、灯油を完全に気化させ改質原燃料として前記改質器へ導く混合ヘッダと
   を備えたことを特徴とする燃料電池用灯油燃料気化装置。

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