JP5090875B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、改質器によって改質原料が用いられて改質ガスが生成され、燃料電池スタックによって改質ガスが用いられて発電が行われる燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、例えば、灯油等の燃料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質ガス及び空気を電気化学的に反応させて発電を行うセルスタックと、を備えている。改質器に供給される燃料からは、改質器内の改質触媒が被毒されるのを防止するために、脱硫器内の脱硫剤によって硫黄分（硫黄や硫黄化合物等）が除去される。そして、脱硫器の加熱は、改質器を加熱するバーナから排出される燃焼ガスよって行われる場合がある（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平５−３０４３号公報 特開２００２−２０１４７８号公報

しかしながら、改質器を加熱するバーナから排出される燃焼ガスよって脱硫器の加熱が行われる場合、燃焼ガスの熱量が変化して、脱硫器内の脱硫剤が適正な温度に維持されず、燃料から硫黄分が十分に除去されないおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、脱硫器内の脱硫剤を適正な温度に容易且つ確実に維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、改質器によって改質原料が用いられて改質ガスが生成され、燃料電池スタックによって改質ガスが用いられて発電が行われる燃料電池システムであって、改質原料となる水を気化させる水気化器と、改質原料となる燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、水気化器内の温度よりも高い温度を有する高温機器と、高温機器が熱的に接続された高温側部分及び水気化器が熱的に接続された低温側部分を有する熱伝導部材と、を備え、脱硫器は、熱伝導部材における高温側部分と低温側部分との間の所定の部分と熱的に接続されていることを特徴とする。

この燃料電池システムでは、高温機器が熱伝導部材の高温側部分と熱的に接続されており、水気化器が熱伝導部材の低温側部分と熱的に接続されているため、熱伝導部材によって高温機器から水気化器に熱が伝えられ、加熱された水気化器によって改質原料となる水が気化させられる。このとき、脱硫器が、熱伝導部材における高温側部分と低温側部分との間の所定の部分と熱的に接続されているので、高温機器の温度よりも低く且つ水気化器内の温度よりも高い所定の温度に脱硫器内の脱硫剤が加熱される。以上により、この燃料電池システムによれば、脱硫器内の脱硫剤を適正な温度に容易且つ確実に維持することが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、脱硫器は、水気化器内に配置されていることが好ましい。更に、燃料が液体燃料である場合には、水気化器内には、脱硫器によって硫黄分が除去された燃料を気化させる燃料気化器が配置されており、水気化器によって気化させられた水と燃料気化器によって気化させられた燃料とは、水気化器内おいて混合されて改質原料とされることが好ましい。これらによれば、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、高温機器は、燃料電池スタックや、燃料電池スタックに供給される空気を予熱する空気予熱器であることが好ましい。燃料電池スタックや空気予熱器は、高温であるばかりか熱容量も大きいため、略一定の温度に維持される。一方、水気化器内も、水の沸点近傍の温度に維持される。従って、燃料電池スタックや空気予熱器の温度よりも低く且つ水気化器内の温度よりも高い所定の温度に脱硫器内の脱硫剤を維持することが可能となる。

本発明によれば、脱硫器内の脱硫剤を適正な温度に容易且つ確実に維持することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］

図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、改質原料を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器２と、改質器２によって生成された改質ガス及び空気を電気化学的に反応させて発電を行う固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）スタック（燃料電池スタック、高温機器）３と、を備えている。更に、燃料電池システム１は、改質原料となる水を気化させる水気化器４と、改質原料となる液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器５と、脱硫器５によって硫黄分が除去された液体燃料を気化させる燃料気化器６と、ＳＯＦＣスタック３に供給される空気を予熱する空気予熱器７と、を備えている。

液体燃料としては、ガソリン、ナフサ、灯油等の石油系燃料、メタノール等のアルコール等、常温、常圧（２５℃、０．１ＭＰａ）で液体である炭化水素系の燃料、或いは液化石油ガスを用いることができる。なかでも灯油は、工業用としても民生用としても入手容易であり、その取扱いも容易であるため、好ましい。

脱硫後の液体燃料中の硫黄濃度は、改質器２に液体燃料を供給する場合に改質触媒の被毒を抑制する観点から、好ましくは０．１質量ｐｐｍ以下、より好ましくは５０質量ｐｐｂ以下とする。脱硫に供される液体燃料中の硫黄濃度には特に制限はなく、脱硫工程において上記硫黄濃度に転換できる液体燃料であれば使用することができる。ただし、脱硫剤の寿命の観点からは、液体燃料の硫黄濃度は、１５０質量ｐｐｍ以下が好ましく、５０質量ｐｐｍ以下がより好ましい。

ＳＯＦＣスタック３は、改質ガス導入ライン８を介して改質器２と接続され、空気導入ライン９を介して空気ブロア（図示せず）と接続されている。空気導入ライン９には、空気の導入量を調整する電磁バルブ（図示せず）や空気予熱器７が設けられている。ＳＯＦＣスタック３や空気予熱器７は、ステンレス鋼等の金属からなる筐体（図示せず）内に収容されている。

ＳＯＦＣスタック３は、複数の単セルスタック３ａが積層されて構成されたスタック本体、単セルスタック３ａの積層方向においてスタック本体の両側に配置された１対のエンドプレート３ｂ、及びスタック本体と各エンドプレート３ｂとの間に配置された絶縁シート３ｃを有している。エンドプレート３ｂは、ステンレス綱等の金属からなり、絶縁シート３ｃは、アルミナ等の電気絶縁性を有する材料からなる。

単セルスタック３ａは、アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、アノードとカソードとの間に配置された電解質と、アノード及びカソードの外側にそれぞれ配置されたセパレータと、を有している。アノードには、改質器２から改質ガス導入ライン８を介して改質ガスが導入され、カソードには、空気ブロアから空気導入ライン９を介して空気が導入される。ＳＯＦＣスタック３から電流を取り出すことにより、各単セルスタック３ａにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。

ＳＯＦＣスタック３は、ロッド状の熱伝導部材１１の基端部分（高温側部分）１１ａと熱的に接続されている。具体的には、ＳＯＦＣスタック３の一方のエンドプレート３ｂに、熱伝導部材１１の基端部分１１ａが溶接されている。熱伝導部材１１は、ステンレス鋼、インコネル（クロム及び鉄を含むニッケル系合金の商標名）、ニッケルといった金属等、熱伝導率及び耐熱温度が高い材料からなる。なお、スタック本体とエンドプレート３ｂとの間には絶縁シート３ｃが介在されているため、熱伝導部材１１を介したＳＯＦＣスタック３からの漏電を防止することができる。

水気化器４は、ステンレス鋼等の金属からなる円筒状の容器である。水気化器４は、熱伝導部材１１の先端部分（低温側部分）１１ｂと熱的に接続されている。具体的には、熱伝導部材１１が、水気化器４の天井壁４ａを気密且つ液密に貫通しており、熱伝導部材１１の先端部分１１ｂが、水気化器４内の下側部分に貯留された液相状態の水Ｌに浸漬させられている。水気化器４内の下側部分に貯留された液相状態の水Ｌは、ＳＯＦＣスタック３によって加熱された熱伝導部材１１との熱交換で加熱され、気化して気相状態の水Ｖとなる。気相状態の水Ｖは、水気化器４内の上側部分に充満する。

上述した熱伝導部材１１の形状は、水気化器４への伝熱量等の条件に応じて適宜設計することができる。特に、熱伝導部材１１の断面積が大きくなるほど熱抵抗が小さくなるため、熱伝導部材１１は、熱の流れる方向に向かって（ここでは、ＳＯＦＣスタック３から水気化器４に向かって）断面積が大きくなるような形状を有していることが好ましい。また、熱伝導部材１１の本数は、所定の水蒸気量を安定して改質器２に供給するために必要となる伝熱面積が確保されるように適宜設計することができる。更に、熱伝導部材１１は、熱膨張及び熱収縮による熱応力を緩和するために、ポーラスメタルやメタルフォームと称される金属多孔体等の弾性率が低い部材を有することが好ましい。

水気化器４の底壁４ｂには、水（液相状態の水Ｌ）を水気化器４内に導入するための水導入部１２が設けられている。水導入部１２は、水供給ライン１３を介して水タンク（図示せず）と接続されており、水供給ライン１３には、水タンクから水気化器４に水を圧送するためのポンプ（図示せず）が設けられている。また、水気化器４の側壁４ｃの上部には、水蒸気（気相状態の水Ｖ）を水気化器４外に導出するための水蒸気導出部１４が設けられている。水蒸気導出部１４は、水蒸気供給ライン１５及び改質原料供給ライン１６を介して改質器２と接続されている。

脱硫器５は、ステンレス鋼等の金属からなる円筒状の容器であり、その内部には、脱硫剤が充填されている。脱硫器５は、熱伝導部材１１における基端部分１１ａと先端部分１１ｂとの間の中間部分（所定の部分）１１ｃと熱的に接続されている。具体的には、熱伝導部材１１が、脱硫器５の天井壁５ａ及び底壁５ｂを気密且つ液密に貫通しており、熱伝導部材１１の中間部分１１ｃが、脱硫器５内の脱硫剤と接触させられている。脱硫器５内に導入された液体燃料は、ＳＯＦＣスタック３によって加熱された熱伝導部材１１との熱交換で加熱された脱硫剤によって硫黄分を除去され、脱硫器５外に導出される。

脱硫剤としては、収着型脱硫剤等、公知の脱硫剤を用いればよいが、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＦｅから選ばれる少なくとも１種類の金属を含み、担体にシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア及びその複合酸化物から選ばれる少なくとも一種を用いたもの、又はこれらの成分を共沈で生成したものを使用することができる。なかでも少なくともＮｉを含有する収着剤が触媒寿命の観点から好ましい。また、脱硫剤の形状としては、特に限りはないが、円柱、三つ葉、四葉等の押出成型体、円柱、ドーム状の錠剤成型体、球状成型体が好ましい。

脱硫器５の側壁５ｃの下部には、液体燃料を脱硫器５内に導入するための燃料導入部１７が設けられている。燃料導入部１７は、燃料供給ライン１８を介して燃料タンク（図示せず）と接続されており、燃料供給ライン１８には、燃料タンクから脱硫器５に液体燃料を圧送するためのポンプ（図示せず）が設けられている。また、脱硫器５の側壁５ｃの上部には、硫黄分が除去された液体燃料を脱硫器５外に導出するための燃料導出部１９が設けられている。燃料導出部１９は、燃料供給ライン２１及び改質原料供給ライン１６を介して改質器２と接続されている。脱硫器５によって硫黄分が除去された液体燃料を気化させる燃料気化器６は、燃料供給ライン２１に設けられている。

なお、水気化器４、脱硫器５、及び熱伝導部材１１において水気化器４及び脱硫器５から露出した部分は、断熱材（図示せず）によって覆われている。なお、脱硫剤に対する液体燃料の供給量は、装置サイズ、経済性及び脱硫速度の観点から、ＬＨＳＶ（液空間速度）で０．０５ｈｒ^-1〜５．０ｈｒ^-1が好ましく、０．１ｈｒ^-1〜３．０ｈｒ^-１がより好ましく、０．５ｈｒ^-1前後が特に好ましい。

改質原料は、水蒸気供給ライン１５と燃料供給ライン２１とが合流する改質原料供給ライン１６を介して改質器２に供給される。改質原料は、水気化器４によって気化させられた水蒸気（液相状態の水Ｌが気化させられたもの：気相状態の水Ｖ）と、脱硫器５によって硫黄分が除去され且つ燃料気化器６によって気化させられた燃料ガス（液体燃料が気化させられたもの）との混合ガスである。

改質器２は、改質原料中の水蒸気及び燃料ガスを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する。水蒸気改質反応は非常に大きな吸熱反応であり、反応温度が５５０〜７５０℃程度と比較的高いので、高温の熱源が必要となる。そのため、ＳＯＦＣスタック３からの輻射熱を受熱することができる位置に改質器２が配置されたり、改質器２の近傍にＳＯＦＣスタックオフガスバーナが設けられたりする。

以上のように構成された燃料電池システム１においては、ＳＯＦＣスタック３が５５０℃〜１０００℃の高温で作動させられる。ＳＯＦＣスタック３の熱は、熱伝導によって熱伝導部材１１の基端部分１１ａに伝わり、その熱は、熱伝導によって熱伝導部材１１の先端部分１１ｂに伝わる。先端部分１１ｂに伝わった熱は、熱伝達によって水気化器４内の液相状態の水Ｌに伝わり、これにより、液相状態の水Ｌは、気化させられて気相状態の水Ｖとなる。

ここで、熱の移動について説明する。熱の移動、すなわち伝熱の形態には、熱伝導、熱伝達（対流）、熱輻射（放射）の３つの基本形態がある。熱伝導は、１つの物体の内部に温度差があるとき、その物体内を高温側から低温側に熱が移動する伝熱の形態である。熱伝達は、固体表面と流体との間で熱が伝えられる伝熱の形態である。熱輻射は、高温物体から低温物体へ電磁波の形で熱エネルギーが伝えられる伝熱の形態である。上述した燃料電池システム１では、ＳＯＦＣスタック３の熱が熱伝導によって熱伝導部材１１の先端部分１１ｂに伝わり、その熱が熱伝達によって液相状態の水Ｌに伝わることにより、液相状態の水Ｌが気化させられる。

燃料電池システム１の作動中、ＳＯＦＣスタック３は、高温であるばかりか熱容量も大きいため、水気化器４内の温度よりも高い略一定の温度に維持される。一方、水気化器４内も、水の沸点近傍の温度に維持される。そのため、熱伝導部材１１の温度分布は、略一定の温度勾配を有するものとなる。このとき、熱伝導部材１１における基端部分１１ａと先端部分１１ｂとの間の中間部分１１ｃに脱硫器５が熱的に接続されているため、脱硫器５が熱的に接続される中間部分１１ｃの位置を調整することで、ＳＯＦＣスタック３の温度よりも低く且つ水気化器４内の温度よりも高い所定の温度に脱硫器５内の脱硫剤を加熱することができる。ここで、所定の温度としては、脱硫剤の脱硫能及び寿命の観点から、１００℃〜２００℃の温度が好ましい。以上により、燃料電池システム１によれば、脱硫器５内の脱硫剤を適正な温度に容易且つ確実に維持することができ、液体燃料から硫黄分を十分に除去することが可能となる。

なお、水気化器４内の下側部分に、熱伝導性の高い材料からなる粒子を複数充填すれば、液相状態の水Ｌが気化する際に生じ易い突沸の発生箇所を分散させ、複数の突沸が同時に発生する確率も低減させて、突沸による蒸発振動の振幅を大幅に小さくすることができる。これにより、液相状態の水Ｌの液面の変動を抑制することが可能となる。このような効果を奏する粒子の材質は、温度及び雰囲気に耐え得る材料から適宜選ぶことができ、例えば、アルミナやシリカ等のセラミックス、或いはステンレス鋼等の金属を挙げることができる。また、粒子の形状としては、球、円柱、楔、直方体等、様々な形状を適宜採用することができる。
［第２の実施形態］

図２は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態の構成図である。図２に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫器５及び燃料気化器６が水気化器４内に配置されている点で、第１の実施形態の燃料電池システム１と主に相違している。以下、この相違点について詳細に説明する。

脱硫器５及び燃料気化器６は、並設された状態で、水気化器４内の気相状態の水Ｖ中に配置されている。熱伝導部材１１は、燃料気化器６を貫通している。燃料導出部１９の一端は、燃料気化器６と接続されており、燃料導出部１９の他端は、水気化器４内の気相状態の水Ｖ中に開口している。

このような構成により、水気化器４内の上側部分では、水気化器４によって気化させられた水蒸気（液相状態の水Ｌが気化させられたもの：気相状態の水Ｖ）と、脱硫器５によって硫黄分が除去され且つ燃料気化器６によって気化させられた燃料ガス（液体燃料が気化させられたもの）とが混合されて、その混合ガスである改質原料が製造される。

水気化器４の側壁４ｃの上部には、改質原料を水気化器４外に導出するための改質原料導出部２２が設けられている。改質原料導出部２２は、改質原料供給ライン１６を介して改質器２と接続されている。これにより、水気化器４内の上側部分で製造された改質原料は、改質原料供給ライン１６を介して改質器２に供給されることになる。

以上のように構成された燃料電池システム１によれば、第１の実施形態の燃料電池システム１と同様に、脱硫器５内の脱硫剤を適正な温度に容易且つ確実に維持することができ、液体燃料から硫黄分を十分に除去することが可能となる。

また、脱硫器５だけでなく燃料気化器６も水気化器４内に配置されているため、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。

本発明は、上述した第１及び第２の実施形態に限定されるものではない。

例えば、ＳＯＦＣスタック３に代わって、空気予熱器（高温機器）７が熱伝導部材１１の基端部分１１ａと熱的に接続されてもよい。空気予熱器７は、ＳＯＦＣスタック３と同様に、高温であるばかりか熱容量も大きく、水気化器４内の温度よりも高い略一定の温度に維持されるからである。

また、水と共に改質原料となる燃料は、液体燃料に限定されず、気体燃料であってもよい。

また、燃料電池スタックは、ＳＯＦＣスタック３に限定されず、溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell：ＭＣＦＣ）スタック等であってもよい。

また、改質器２は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質するものや自己熱改質するもの（水蒸気改質及び部分酸化改質の双方を行うもの）であってもよい。

なお、改質器２から得られる改質ガスを、必要に応じて更に処理することができる。例えば、一酸化炭素濃度を低減して水素濃度を高めるためのシフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）、一酸化炭素濃度を低減するための選択酸化反応（２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂）、加湿又は除湿等の処理を行うことができる。従って、改質器から得られる水素含有ガスを用いて燃料電池スタックで発電を行う場合、改質器から得られる改質ガスを直接燃料電池スタックで用いてもよいし、改質ガスをシフト反応等の処理をした後に燃料電池スタックで用いてもよい。

また、燃料気化器６は、単なる空洞の容器であってもよいし、伝熱面積を確保するためのフィンをパイプの外面に複数設けたものであってもよい。

また、脱硫に供される液体燃料を脱硫器５に導入する前に予熱してもよい。この予熱にも燃料電池スタックから排出されるオフガスの熱量の一部を割り当ててもよい。また、高温で作動するＳＯＦＣスタックでは、筐体外壁に燃料供給ラインを張り巡らし、ＳＯＦＣスタックからの輻射熱の一部を割り当ててもよい。

本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態の構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…改質器、３…固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック（燃料電池スタック、高温機器）、４…水気化器、５…脱硫器、６…燃料気化器、７…空気予熱器（高温機器）、１１…熱伝導部材、１１ａ…基端部分（高温側部分）、１１ｂ…先端部分（低温側部分）、１１ｃ…中間部分（所定の部分）。

Claims (5)

1. 改質器によって改質原料が用いられて改質ガスが生成され、燃料電池スタックによって前記改質ガスが用いられて発電が行われる燃料電池システムであって、
   前記改質原料となる水を気化させる水気化器と、
   前記改質原料となる燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、
   前記水気化器内の温度よりも高い温度を有する高温機器と、
   前記高温機器が熱的に接続された高温側部分及び前記水気化器が熱的に接続された低温側部分を有する熱伝導部材と、を備え、
   前記脱硫器は、前記熱伝導部材における前記高温側部分と前記低温側部分との間の所定の部分と熱的に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記脱硫器は、前記水気化器内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料は、液体燃料であって、
   前記水気化器内には、前記脱硫器によって前記硫黄分が除去された前記燃料を気化させる燃料気化器が配置されており、
   前記水気化器によって気化させられた前記水と前記燃料気化器によって気化させられた前記燃料とは、前記水気化器内おいて混合されて前記改質原料とされることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記高温機器は、前記燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃料電池システム。
5. 前記高温機器は、前記燃料電池スタックに供給される空気を予熱する空気予熱器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃料電池システム。

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