JP5400425B2 - 水素製造装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置、及びそのような水素製造装置を備える燃料電池システムに関する。

灯油やガソリンなどの水素製造用原料を水蒸気改質して改質ガスを生成し、生成した改質ガスを燃料電池スタックに供給する水素製造装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の水素製造装置は、改質触媒を収容する改質器を備えている。改質器内には、燃料ガスと水蒸気とが導入される。改質器内の改質触媒は、バーナなどによって所定の温度まで加熱される。燃料ガス及び水蒸気は、所定の温度まで加熱された改質触媒によって水蒸気改質が促進される。改質器で生成された改質ガス中には、被毒によって発電効率を低下させる一酸化炭素が含まれている。そのため、水素製造装置には、水性シフト反応によって一酸化炭素を低減するシフト反応部と、選択酸化反応によって一酸化炭素を更に低減する選択酸化反応部とが設けられている。

特開２００４−１７５６２１号公報

しかしながら、このような水素製造装置では、選択酸化反応部が存在しているため、装置のコンパクト化を容易に図ることができず、装置の構造が複雑になりコスト高となる問題があった。

本発明は、コンパクト化及び低コスト化を容易且つ確実に図ることのできる構成を有する水素製造装置、及びこれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る水素製造装置は、液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、脱硫器により硫黄分を除去された液体燃料を改質して改質ガスを生成する改質反応部と、改質反応部からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により除去するシフト反応部と、改質反応部とシフト反応部との間に接続され、シフト反応部にシフト水を導入するシフト水ラインと、を備えていることを特徴とする。

本発明にかかる水素製造装置では、シフト水ラインにより、シフト反応部にシフト水が導入されるため、シフト反応部における水性シフト反応の反応効率が向上して、一酸化炭素の除去がより一層促進されることとなる。この結果、従来必要とされていた、選択酸化反応によって一酸化炭素を更に低減する選択酸化反応部が不要となり、水素製造装置のコンパクト化及び低コスト化を容易且つ確実に図ることができる。

好ましくは、シフト水ラインの途中に設けられ、脱硫器及び改質反応部の少なくとも一方を熱源としてシフト水を昇温する昇温部を更に備えている。この場合、水性シフト反応の反応効率をより一層向上させて一酸化炭素の除去効率を更に向上させることができる。

本発明に係る燃料電池システムは、上記水素製造装置と、シフト反応部によって一酸化炭素が除去された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、上記水素製造装置を備えているため、燃料電池システムのコンパクト化及び低コスト化を容易且つ確実に図ることができる。

本発明によれば、コンパクト化及び低コスト化を容易且つ確実に図ることのできる構成を有する水素製造装置、及びこれを備えた燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの一実施形態の概略構成図である。 排熱回収水分岐ラインに設けられた電磁バルブの制御動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの一実施形態の概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、原燃料として液体燃料又はガス燃料を用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、入手が容易であり且つ独立して貯蔵可能であるという観点から液体燃料である灯油が用いられている。

図１に示されるように、燃料電池システム１は、水素製造装置としての燃料処理システム（ＦＰＳ）２と、燃料電池として固体高分子形燃料電池（以下「ＰＥＦＣ」とする）スタック３、及びインバータ４を備えている。

燃料処理システム２は、脱硫器５、改質反応部６及びシフト反応部７を有している。脱硫器５は、導入された液体燃料を脱硫するものである。脱硫器５には、脱硫触媒及びヒータが設けられている。脱硫触媒は、ヒータにより例えば２２０℃〜２３０℃まで加熱されて脱硫に用いられる。脱硫器５の上流側の流路には、燃料タンク８から脱硫器５へ液体燃料を送入するポンプ９が設けられている。ポンプ９は、液体燃料を加圧しながら脱硫器５に送入できるものであり、例えば、定流量型の電磁ポンプを用いることができる。脱硫器５内の液体燃料が加圧されることで、脱硫触媒を比較的高温にしても液体燃料が気化されに難くなる。このため、液体燃料を安定して液状に保ちながら、加熱された脱硫触媒に接触させることができる。定流量型の電磁ポンプを用いることで、脱硫器５に送入する液体燃料の圧力を安定化させることができるので、安定して脱硫することができる。

脱硫器５にて脱硫された液体燃料は、液体燃料ラインＬ１を通して改質反応部６へ供給される。改質反応部６は、脱硫器５から供給された液体燃料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質器及びバーナ燃焼器（いずれも、図示せず）を有している。改質器は、脱硫された液体燃料と水蒸気とを水蒸気改質反応させて、水素を含有する水蒸気改質ガスを生成する。

改質器は、脱硫された液体燃料及び原料水を気化させるための気化器と、改質触媒とを有している。改質器の気化器には、液体燃料ラインＬ１と、水蒸気改質に用いる水（原料水）を水タンク１０から改質器に導入するための改質水ラインＬ２とが連結されている。改質水ラインＬ２には、水タンク１０から水を送るポンプ１１が設けられている。

気化された原燃料ガス及び水蒸気が改質触媒に接触しながら流通することで、水蒸気改質反応が進行して水蒸気改質ガスがされる。改質触媒としては、例えば、ニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の金属をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが挙げられる。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、改質触媒が７００℃程度となるようにバーナ燃焼器で加熱されている。バーナ燃焼器は、ＰＥＦＣスタック３で使用されずに排出された改質ガスの余剰分であるオフガスなどを燃焼させる。

改質反応部６（改質器）で生成された水蒸気改質ガスは、改質ガスラインＬ３を通してシフト反応部７へ供給される。シフト反応部７は、改質反応部６から供給された水蒸気改質ガスを水性シフト反応させて、一酸化炭素の濃度を低下させた発電反応に用いられる改質ガスを生成するためのものであり、シフト触媒（図示せず）を有している。シフト反応部７を用いることで、一酸化炭素の濃度が１０００ｐｐｍ以下の改質ガスが生成される。シフト触媒としては、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｒ等をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが挙げられる。シフト触媒による水性シフト反応が活性化される温度範囲は、触媒の種類により異なるものの、凡そ２００〜５００℃の範囲である。

改質ガスラインＬ３には、水性シフト反応に用いるシフト水（原料水）を水タンク１０からシフト反応部７に導入するためのシフト水ラインＬ４が連結されている。すなわち、シフト水ラインＬ４は、改質反応部６とシフト反応部７との間に接続されている。シフト水ラインＬ４には、水タンク１０から水を送るポンプ１２と、シフト水を昇温する昇温部１３とが設けられている。昇温部１３は、脱硫器５及び改質反応部６の少なくとも一方を熱源としてシフト水ラインＬ４を流れるシフト水を昇温する。すなわち、シフト反応部７には、昇温部１３にて昇温されたシフト水が供給されることとなる。

改質ガスラインＬ３には、改質反応部６からの改質ガスの温度を調節する熱交換部１４が設けられている。熱交換部１４は、改質ガスラインＬ３を流れる水蒸気改質ガスと、排熱回収水ラインＬ５から分岐した排熱回収水分岐ラインＬ６を流れる排熱回収水との間で熱交換する。排熱回収水ラインＬ５は、両端部が貯湯槽１５に接続されている。貯湯槽１５内の排熱回収水はポンプ（図示せず）を駆動することで排熱回収水ラインＬ５に供給され、熱交換部１４を含む複数の熱交換部で熱交換により排熱回収をすることで加熱されて貯湯槽１５内に返送され、貯湯槽１５内の湯水を加熱する。熱交換部１４以外の熱交換部としては、アノードオフガスと排熱回収水との間で熱交換する熱交換部、カソードオフガスと排熱回収水との間で熱交換する熱交換部、及び、改質反応部６のバーナ燃焼器からの燃焼排ガスと排熱回収水との間で熱交換する熱交換部などが設けられる。

排熱回収水分岐ラインＬ６には、排熱回収水分岐ラインＬ６を流れる排熱回収水の量を調整する電磁バルブ１６が設けられている。電磁バルブ１６の作動は、制御部１７により制御される。制御部１７は、シフト反応部７に設けられ且つシフト反応部７の温度を測定する温度計１８によって測定された温度に基づいて、電磁バルブ１６の作動を制御する。

ここで、制御部１７による電磁バルブ１６の制御について説明する。図２は、排熱回収水分岐ラインに設けられた電磁バルブの制御動作を示すフローチャートである。

図２に示されるように、電磁バルブ１６の制御が開始されると、温度計１８によって測定されたシフト反応部７の温度が「Ａ」以上であるか否かを判断する（Ｓ１０１）。閾値となる「Ａ」は、シフト触媒による水性シフト反応が活性化される温度範囲を考慮して、例えば、４５０℃程度に設定することができる。

制御部１７は、ステップＳ１０１にて、シフト反応部７の温度が「Ａ」以上でないと判断すると、電磁バルブ１６を閉じるように制御し（Ｓ１０３）、ステップＳ１０１の判断に戻る。これにより、排熱回収水分岐ラインＬ６を通して熱交換部１４に向かう排熱回収水の流れが遮断され、熱交換部１４における水蒸気改質ガスと排熱回収水との間での熱交換は行われない。したがって、水蒸気改質ガスは、熱交換部１４にて降温されることなく、シフト反応部７に供給され、シフト反応部７での水性シフト反応が促進される。

一方、制御部１７は、ステップＳ１０１にて、シフト反応部７の温度が「Ａ」以上であると判断すると、電磁バルブ１６を開くように制御し（Ｓ１０５）、ステップＳ１０１の判断に戻る。これにより、排熱回収水分岐ラインＬ６を通して熱交換部１４に排熱回収水が供給され、熱交換部１４における水蒸気改質ガスと排熱回収水との間での熱交換が行われる。したがって、水蒸気改質ガスは、熱交換部１４にて降温された後に、シフト反応部７に供給され、シフト反応部７での水性シフト反応が抑制される。この結果、シフト反応部７の温度が過度に昇温するのを防ぐことができる。

再び、図１を参照する。ＰＥＦＣスタック３は、複数の電池セル（図示せず）が積み重ねられて構成されており、燃料処理システム２で得られた水素リッチな改質ガスを用いて発電してＤＣ電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された固体酸化物である電解質とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。ＰＥＦＣスタック３は、通常、７０℃程度の温度で作動する。

インバータ４は、出力されたＤＣ電流をＡＣ電流に変換する。脱硫器５、燃料処理システム２（改質反応部６及びシフト反応部７）、ＰＥＦＣスタック３、及びインバータ４は、筐体（図示せず）に収容されて、モジュール化されている。

以上のように、本実施形態では、シフト水ラインＬ４により、シフト反応部７にシフト水が導入されるため、シフト反応部７における水性シフト反応の反応効率が向上して、一酸化炭素の除去がより一層促進されることとなる。この結果、従来必要とされていた選択酸化反応部が不要となり、燃料処理システム２（燃料電池システム１）のコンパクト化及び低コスト化を容易且つ確実に図ることができる。

本実施形態では、脱硫器５及び改質反応部６の少なくとも一方を熱源としてシフト水を昇温する昇温部１３が、シフト水ラインＬ４の途中に設けられている。これにより、水性シフト反応の反応効率をより一層向上させて一酸化炭素の除去効率を更に向上させることができる。

本実施形態では、改質反応部６には改質水ラインＬ２を通して改質水が供給され、シフト反応部７にはシフト水ラインＬ４を通してシフト水が供給されている。すなわち、改質反応部６及びシフト反応部７には原料水がそれぞれ供給されている。このため、改質反応部６には、水蒸気改質反応に適した量の原料水（改質水）を供給することができると共に、シフト反応部７には、水性シフト反応に適した量の原料水（シフト水）を供給することができる。したがって、改質反応部６における水蒸気改質反応及びシフト反応部７における水性シフト反応をそれぞれ安定して効率的に行わせることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

例えば、ＰＥＦＣスタック３は、固体高分子形燃料電池スタックに限定されず、固体酸化物形燃料電池スタック等であってもよい。

例えば、改質反応部６の改質器は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質や自己熱改質するものであってもよい。改質器による改質方法は、灯油の他、ガソリン、ナフサ、軽油、メタノール、エタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、バイオマスを利用したバイオ燃料等、液体燃料の特性に応じたものとされる。

１…燃料電池システム、２…燃料処理システム、５…脱硫器、６…改質反応部、７…シフト反応部、８…燃料タンク、１０…水タンク、１３…昇温部、Ｌ１…液体燃料ライン、Ｌ２…改質水ライン、Ｌ３…改質ガスライン、Ｌ４…シフト水ライン。

Claims (3)

1. 液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、
   前記脱硫器により硫黄分を除去された液体燃料を改質して改質ガスを生成する改質反応部と、
   前記改質反応部からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を水性シフト反応により除去するシフト反応部と、
   水タンクに接続され、該水タンクから改質水を前記改質反応部に導入する改質水ラインと、
   前記水タンクに接続されると共に前記改質反応部と前記シフト反応部との間に接続され、前記水タンクから前記シフト反応部にシフト水を導入するシフト水ラインと、
   前記シフト水ラインの途中に設けられ、前記脱硫器及び前記改質反応部の少なくとも一方を熱源としてシフト水を昇温する昇温部と、を備え、
   前記改質反応部には、前記改質水として、前記水タンクからの水が供給され、
   前記シフト反応部には、前記シフト水として、前記水タンクから送られ前記昇温部により昇温された水が供給されることを特徴とする水素製造装置。
2. 前記シフト水ラインには、前記水タンクから水を送るポンプが設けられており、
   前記ポンプは、前記昇温部よりも上流側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
3. 請求項１又は２に記載の水素製造装置と、
   前記シフト反応部によって一酸化炭素が除去された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。

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