JP4786162B2 - 液体燃料改質システムと方法 - Google Patents
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Description
天然ガスなどの水蒸気改質では、原燃料と水蒸気の混合物のスチームカーボン比を2.8以上、かつ、改質触媒層入口温度を300℃程度にすることによって、炭素析出を抑えることができる。しかし、灯油などの炭素含有率の高い液体燃料の場合は、スチームカーボン比3.0以上、かつ、改質触媒層入口温度を450℃以上にする条件を満たされなければ、炭素析出を抑えることができない。
また、液体燃料の気化のための熱源として、特許文献2に記載の空気極排ガスや、特許文献3に記載の電池冷却水を用いる手法は、主にメタノールなど、沸点の低い液体燃料を対象としており、特に、固体高分子型燃料電池の場合、空気極排ガスや、電池冷却水温度が低いため、灯油など沸点の高い液体燃料の気化には使うことができない。また、特許文献4に記載の手法は、液体燃料として主にメタノールを対象とした部分酸化反応型の改質に関するものであり、灯油などの炭素含有率の高い燃料の水蒸気改質にそのまま適用することができない。
また、水蒸気改質の場合には、液体燃料と水蒸気を混合する際に、いずれも凝縮性のガスであることから、混合配管での放熱などの影響で、燃料、水蒸気ともに凝縮する可能性がある。
また、灯油などの炭素含有率の高い液体燃料の水蒸気改質においては、天然ガスなどの水蒸気改質に比べて、より多くの水蒸気を必要とするため、FPS効率(燃料電池で消費される水素のエネルギー量を原燃料のエネルギー量で割った値であり、改質装置の性能を表わす指標)は、本質的に低くなる。よって、FPS効率をできるだけ高くするためには、天然ガス用の改質システム以上に、より効率的な熱回収を行う必要がある。
[構成]
図1は、本発明を適用した第1の実施形態における固体高分子型燃料電池用の液体燃料改質システムの構成を示すブロック図である。
以下には、液体燃料として沸点が145℃程度、露点が300℃程度の灯油を用いる場合を例にして、本実施形態の液体燃料改質システムの作用を、バーナ燃焼・燃焼ガス排出、燃料供給・改質反応、水素リッチガスのCO除去・熱利用、水蒸気供給、の順に説明する。
まず、改質器1のバーナ1aには、燃料として図示していない燃料電池の燃料極排ガス(以下には、バーナ燃料と称す)121が、酸化剤として空気(以下には、バーナ空気と称す)122が、それぞれ供給される。バーナ1aでの燃焼により断熱燃焼温度1200℃程度の高温の燃焼ガスが発生すると、この燃焼ガスは、改質触媒層1cに熱を与えて、650℃程度まで温度が下がる。
灯油などの液体燃料101は、液体燃料加熱器9で燃焼排ガス123の熱により200℃程度まで加熱されて気液二相状態となる。気液二相状態の灯油は、脱硫器10で脱硫された後、合流配管12でCO変成器中間冷却器4から送出される240℃程度に過熱された水蒸気102aと混合される。なお、改質触媒の制約から、水蒸気の量は灯油の量の少なくとも4倍以上とされている。4倍以上の量の水蒸気と混合された灯油は、その分圧が下がって、凝縮している灯油の高沸点成分も蒸発して灯油蒸気となるため、灯油蒸気と水蒸気の混合ガス103が生成される。この混合ガス103は、230℃程度の温度になり、燃料予熱器2に入る。この場合、混合ガス103の露点は140℃程度であるため、配管での放熱があっても凝縮が生じ難い。
改質によって生じた水素リッチガス110は、改質器1から出て燃料予熱器2に入り、灯油蒸気と水蒸気の混合ガス103に熱を与え、280℃程度まで温度が低下する。燃料予熱器2を出た水素リッチガス110は、1段目CO変成器3に入り、シフト反応(発熱反応)により温度が上昇し、330℃程度の温度となって、1段目CO変成器3を出る。CO変成器3を出た水素リッチガス110は、CO変成器中間冷却器4に入り、水蒸気102aに熱を与えて、220℃程度まで温度が低下する。
水蒸気102aを生成するための水102は、固体高分子型燃料電池システムの図示しない熱利用系から供給される60℃程度の水である。この60℃程度の水102は、まず、CO選択酸化器出口冷却器8で、CO選択酸化器7から送出される水素リッチガス110から熱を受け取って蒸発し、飽和温度110℃程度の気液二相状態となる。二相状態となった水102は、次に、CO選択酸化器入口冷却器6で、2段目CO変成器5を出た水素リッチガス110から熱を受け取り、乾き度を増した後、CO選択酸化器入口冷却器6を出る。
以上のように、本実施形態によれば、水蒸気102aが、CO変成器中間冷却器4により、灯油との混合後の温度が混合ガス103の露点以上となるように過熱されているので、100℃程度の過熱していない水蒸気に比べて、灯油に混合して灯油蒸気と水蒸気の混合ガス103となった後に混合配管での放熱があっても凝縮が生じ難いため、FPS効率を高くすることができる。また、燃料予熱器2入口での灯油蒸気と水蒸気の混合ガス103の温度が高くなるので、燃料予熱器2において、少ない熱交換量で改質触媒層1cの入口温度を450℃以上とすることができ、改質器1での炭素析出を抑制できる。
図3は、本発明を適用した第2の実施形態における固体高分子型燃料電池システム用の液体燃料改質システムの構成を示すブロック図である。この図3に示すように、本実施形態の液体燃料改質システムは、第1の実施形態の構成に、液体燃料加熱器9を出た燃焼排ガス123との熱交換によりバーナ燃料121とバーナ空気122をそれぞれ予熱するバーナ燃料予熱器31とバーナ空気予熱器32を追加したものである。なお、他の部分の構成は、第1の実施形態と同様である。
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。例えば、前記実施形態においては、水蒸気を240℃程度に過熱する場合について説明したが、本発明における水蒸気の過熱温度は、燃料蒸気との混合物の露点に応じて適宜変更可能である。すなわち、本発明において、液体燃料と水蒸気の混合後の温度が混合物の露点以上となるように水蒸気を過熱できる限り、実際の過熱温度は自由に選択可能である。
1a…バーナ
1b…再生室
1c…改質触媒層
2…燃料予熱器
3…1段目一酸化炭素(CO)変成器
4…一酸化炭素(CO)変成器中間冷却器(水蒸気過熱器)
5…2段目一酸化炭素(CO)変成器
6…一酸化炭素(CO)選択酸化器入口冷却器
7…一酸化炭素(CO)選択酸化器
8…一酸化炭素(CO)選択酸化器出口冷却器
9…液体燃料加熱器
10…脱硫器
11…水蒸気発生器
12…合流配管
21…一酸化炭素(CO)変成器中間冷却器(水蒸気発生器)
22…水蒸気過熱器
31…バーナ燃料予熱器
32…バーナ空気予熱器
101…液体燃料
102…水
102a…水蒸気
103…(燃料蒸気と水蒸気の)混合ガス
110…水素リッチガス(改質ガス)
111…空気
121…燃料極排ガス(バーナ燃料)
122…空気(バーナ空気)
123…燃焼排ガス
Claims (9)
- 液体燃料を気化した燃料蒸気と水蒸気をバーナの燃焼熱により改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成するように構成され、且つ前記バーナと改質触媒層を一体的に設けた改質器と、
前記液体燃料を加熱する液体燃料加熱器と、加熱した液体燃料と前記水蒸気を混合して前記燃料蒸気と水蒸気の混合物を生成する合流手段と、混合物を予熱する燃料予熱器を含み、予熱した混合物を前記改質器に供給する原燃料供給系と、
水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気発生器を含み、生成した水蒸気を前記原燃料供給系に供給する水蒸気供給系と、
前記改質ガスを使用先に供給する改質ガス供給系と、
を備えた液体燃料改質システムにおいて、
前記水蒸気供給系は、前記改質ガスおよび前記バーナの燃焼排ガスの一方からの熱を利用して、前記水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、前記改質ガスおよび前記バーナの燃焼排ガスの他方からの熱を利用して、前記液体燃料と前記水蒸気の混合後の温度が混合物の露点以上となるように水蒸気を過熱する水蒸気過熱器を含む
ことを特徴とする液体燃料改質システム。 - 前記改質ガス供給系は、前記改質器から流出する前記改質ガス中の一酸化炭素を除去する第1の一酸化炭素除去器と、第1の一酸化炭素除去器から流出する改質ガス中の一酸化炭素を除去する第2の一酸化炭素除去器を含み、
前記水蒸気過熱器は、前記第1の一酸化炭素除去器から流出して前記第2の一酸化炭素除去器に流入する前記改質ガスを冷却する改質ガス冷却器である
ことを特徴とする請求項1に記載の液体燃料改質システム。 - 前記第1の一酸化炭素除去器は、前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により二酸化炭素に変える一酸化炭素変成器であり、
前記第2の一酸化炭素除去器は、前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により二酸化炭素に変える一酸化炭素変成器および改質ガスに導入した空気中の酸素を用いて改質ガス中の一酸化炭素を一酸化炭素選択酸化反応により二酸化炭素に変える一酸化炭素選択酸化器のいずれかであり、
前記改質ガス供給系は、第1の改質ガス冷却器となる前記水蒸気過熱器に加えて、前記第2の一酸化炭素除去器から流出する前記改質ガスを冷却してその熱により前記水蒸気供給系の前記水を加熱する第2の改質ガス冷却器を含み、
前記水蒸気発生器は、前記バーナからの燃焼排ガスとの熱交換により前記水を加熱して前記水蒸気を生成するように配置され、
前記水蒸気供給系は、前記水を前記第2の改質ガス冷却器で加熱した後、前記水蒸気発生器で加熱して前記水蒸気を生成し、生成した水蒸気を前記水蒸気過熱器で過熱するように構成される
ことを特徴とする請求項2に記載の液体燃料改質システム。 - 前記改質ガス供給系は、前記第1と第2の一酸化炭素除去器として、第1と第2の前記一酸化炭素変成器を含むと共に、第2の一酸化炭素除去器から流出する改質ガス中の一酸化炭素を除去する第3の一酸化炭素除去器として、前記一酸化炭素選択酸化器を含み、
前記改質ガス供給系は、前記第1の改質ガス冷却器となる前記水蒸気過熱器と前記第2の改質ガス冷却器に加えて、前記一酸化炭素選択酸化器から流出する改質ガスを冷却してその熱により前記水蒸気供給系の前記水を加熱する第3の改質ガス冷却器を含み、
前記水蒸気供給系は、前記水を前記第3の改質ガス冷却器および前記第2の改質ガス冷却器で順次加熱した後、前記水蒸気発生器で加熱して前記水蒸気を生成し、生成した水蒸気を前記水蒸気過熱器で過熱するように構成される
ことを特徴とする請求項3に記載の液体燃料改質システム。 - 前記原燃料供給系は、前記液体燃料中の硫黄分を除去する脱硫器を含み、
前記合流手段は、前記脱硫器から流出する前記液体燃料を前記水蒸気過熱器で過熱された前記水蒸気と混合して前記燃料予熱器に供給する位置に配置される
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の液体燃料改質システム。 - 前記液体燃料加熱器は、前記バーナからの燃焼排ガスの熱を利用して前記液体燃料を加熱するように構成され、
前記液体燃料加熱器から流出する前記燃焼排ガスの熱を利用して、前記バーナに供給するバーナ燃料およびバーナ空気をそれぞれ予熱するバーナ燃料予熱器およびバーナ空気予熱器を備えた
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の液体燃料改質システム。 - 前記液体燃料は灯油である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の液体燃料改質システム。 - 前記水蒸気過熱器は、前記混合物の温度が140℃以上となるように前記水蒸気を過熱する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の液体燃料改質システム。 - 液体燃料を気化した燃料蒸気と水蒸気をバーナの燃焼熱により改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成するように構成され、且つ前記バーナと改質触媒層を一体的に設けた改質器と、
前記液体燃料を加熱する液体燃料加熱器と、加熱した液体燃料と前記水蒸気を混合して前記燃料蒸気と水蒸気の混合物を生成する合流手段と、混合物を予熱する燃料予熱器を含み、予熱した混合物を前記改質器に供給する原燃料供給系と、
水を加熱して前記水蒸気を生成する水蒸気発生器を含み、生成した水蒸気を前記原燃料供給系に供給する水蒸気供給系と、
前記改質ガスを使用先に供給する改質ガス供給系と、
を用いて液体燃料を改質する方法において、
水蒸気発生器により、前記改質ガスおよび前記バーナの燃焼排ガスの一方からの熱を利用して、前記水蒸気を発生させ、
水蒸気過熱器により、前記改質ガスまたは前記バーナの燃焼排ガスの他方からの熱を利用して、前記液体燃料と前記水蒸気の混合後の温度が混合物の露点以上となるように水蒸気を過熱する
ことを特徴とする液体燃料改質方法。
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