(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱硫器により脱硫された液体燃料を改質して水素リッチなガスを精製する液体燃料処理装置において、
断熱材により囲まれその内側にバーナ部及び改質触媒層が設けられた改質器と、
この改質器の外側に放熱を低減するために設けられた、蒸発部を含む低温反応器と、
外部から供給される液体燃料を予熱し前記脱硫器に導入するための液体燃料予熱器とを備え、
前記液体燃料予熱器は、
前記改質器の前記バーナ部の燃焼空間に面する部材の外側面に配置され、前記部材からの放熱を前記外部から供給される液体燃料へ回収することと、前記改質器の前記改質触媒層での反応に必要な熱量および前記蒸発部での蒸気生成のための熱量を供給した後のバーナ燃焼排ガスと前記外部から供給される液体燃料との熱交換を行なうこととにより、前記外部から供給される液体燃料を予熱するように構成されていることを特徴とする燃料電池発電システムの液体燃料処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱硫器により脱硫された液体燃料を改質して水素リッチなガスを精製する多重円筒構造あるいは矩形状積層構造の燃料電池発電システムの液体燃料処理装置において、バーナ部及び改質器から外部ら放出される熱量を回収して脱硫器へ供給する液体燃料を所定の温度範囲内に保持するようにした燃料電池発電システムの液体燃料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の固体高分子型燃料電池システムにおいては、原燃料に都市ガス、プロパンなどの炭化水素系気体燃料を使用し、改質された水素を用いて発電を行っている例が多い。
【０００３】
一方、灯油などの石油系液体燃料は、その低コスト性や貯蔵性、安全性の利点から燃料電池の原燃料として注目を浴びている。
【０００４】
この灯油などの石油系液体燃料は、その中に硫黄分を含んでいるので、そのまま原燃料として使用した場合、水素を精製する改質反応を行う改質触媒が液体燃料中の硫黄分に晒されて硫黄被毒し、性能の劣化により寿命が短くなる。したがって、改質触媒の硫黄被毒を防止するためには、改質触媒に液体燃料を導入する前段階で脱硫器により液体燃料中の硫黄を除去する必要がある。
【０００５】
一般に、常温のまま液体燃料の脱硫を行うと脱硫触媒の寿命が短くなるため、高温にして脱硫性能を確保している。しかし、液体燃料を高温にすると液体燃料の一部が気化して流量制御が不安定になるため、脱硫器内を液体燃料が気化しないように高圧状態に保つ必要がある。
【０００６】
ところで、脱硫器を高温に保つ方法としては、脱硫器そのものを電気ヒータで加熱したり、バーナ燃焼排ガスを用いて脱硫器を昇温したりして液体燃料を高温に維持するようにしたものがある（例えば、特許文献１）。
【０００７】
また、脱硫器の前段階に設けた液体燃料予熱器を電気ヒータやバーナ燃焼排ガスで加熱し、脱硫器に供給する液体燃料を高温に維持する方法がある。例えば、液体燃料が流れる配管を脱硫器の外周に巻き、電気ヒータあるいは過熱された水蒸気で脱硫器と共に予熱するようにしたものがある（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００５―２５５８９６号公報
【特許文献２】特開２００４―２６３１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように電気ヒータで脱硫器を加熱あるいは脱硫器の前段階に設けた液体燃料予熱器を加熱する方法は、燃料電池システムの効率を低下させる結果となり、また過熱水蒸気を熱源として利用する場合も負荷上昇や負荷下降などの過渡時における燃料電池の運転状態によっては、温度が著しく変動するため、期待できる交換熱量が不安定であり、仮に熱量が不足した場合は電気ヒータで補償し、また逆に加熱し過ぎた場合は脱硫器の温度が上昇し、流量制御不能や十分な脱硫性能が得られないという問題がある。
【０００９】
また、高温の燃焼器と改質器の周辺に放熱を低減するために、低温のＣＯ変成器、ＣＯ除去器あるいは蒸発器などを配置する多重円筒構造あるいは矩形状積層構造の燃料処理装置とした場合、高温の燃焼器及び改質器の周囲を構造上、低温反応器ですべて囲むことが難しく、また低温反応器で囲まれていない部分からの放熱を利用できないため、燃料処理装置の性能低下につながるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解消するためになされたもので、電気ヒータなど燃料電池の出力に直接影響を及ぼす外部からの熱量を与えることなく、これまで燃焼器及び改質器から大気へ放出していた熱量を効率良く回収することができ、且つ脱硫器へ供給する液体燃料の温度を最適に保つことができる燃料電池発電システムの液体燃料処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するため、脱硫器により脱硫された液体燃料を改質して水素リッチなガスを精製する液体燃料処理装置において、断熱材により囲まれその内側にバーナ部及び改質触媒層が設けられた改質器と、この改質器の外側に放熱を低減するために設けられた、蒸発部を含む低温反応器と、外部から供給される液体燃料を予熱し前記脱硫器に導入するための液体燃料予熱器とを備え、前記液体燃料予熱器は、前記改質器の前記バーナ部の燃焼空間に面する部材の外側面に配置され、前記部材からの放熱を前記外部から供給される液体燃料へ回収することと、前記改質器の前記改質触媒層での反応に必要な熱量および前記蒸発部での蒸気生成のための熱量を供給した後のバーナ燃焼排ガスと前記外部から供給される液体燃料との熱交換を行なうこととにより、前記外部から供給される液体燃料を予熱するように構成されているものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃焼器及び改質器から大気へ放出していた熱量を効率良く回収することができ、且つ脱硫器へ供給する液体燃料の温度を最適に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は本発明による燃料電池発電システムの液体燃料処理装置の第１の実施形態を示すシステム構成図であり、図２は図１の液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図である。
【００１５】
本実施形態の液体燃料処理装置は、図１に示すように液体燃料予熱器１、脱硫器２、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５及び熱交換器６からなり、各々の反応器を複合化した構造となっている。
【００１６】
上記改質器３は、図２（ａ）に示すように多重円筒構造で、断熱材からなる有底円筒状の胴体９の中心に燃料と空気が供給される断熱材１３で覆われたバーナ部１２、その外側に液体燃料を改質して水素リッチなガスを精製する改質触媒層１０、そして胴体９の最外周に改質に必要な水蒸気を生成するための蒸発部１１から構成されている。
【００１７】
また、バーナ部１２の下方に有する胴体９の底部側より改質触媒層１０の外周と胴体９の内周との間に触媒層側排ガス流路が形成され、この触媒層側排ガス流路の上部をＵターンさせて胴体９の外周と蒸発部１１の内周との間に蒸発部側排ガス流路が形成されている。
【００１８】
さらに、胴体９の底部の外側面に設けられた図示しない金属（メタル）体に密着させ、且つ蒸発部側排ガス流路に連通させて液体燃料予熱器１が設けられ、この液体燃料予熱器１の下面側及び周囲部が覆われるように断熱材１８が設けられる。
【００１９】
このような構成の改質器３にあっては、その最外周が蒸発部１１なので、この部分の温度は１００〜２００℃程度で比較的低く放熱量が少ないが、胴体９の底部の外側面に設けられたメタルの温度は、バーナ部１２で火炎に晒される断熱材１３の下方の燃焼排ガスからの放熱により、４００〜５００℃と高い状態となる。
【００２０】
上記液体燃料予熱器１は、図２（ｂ）に示すようにケース１ａ内に液体燃料供給管１ｂを蛇腹状に屈曲させて配置したもので、その液体燃料流入口は液体燃料ポンプ７を介して液体燃料タンク１６に接続され、液体燃料流出口は脱硫器２の底部に有する入口に接続される。また、ケース１ａには排ガス入口と排ガス出口とが互いに対峙させて設けられ、排ガス入口より前記蒸発部側排ガス流路を通して排出される排ガスをケース内に導入し、ケース内を流れた排ガスを排ガス出口より流出させている。
【００２１】
この場合、液体燃料予熱器１のケース１ａ内を流れる排ガスの流通方向と液体燃料供給管１ｂを通して流れる液体燃料の流通方向とを逆方向にして熱交換率が上がるようにしている。
【００２２】
上記脱硫器２は、内部に脱硫触媒２ａが充填され、液体燃料予熱器１で温められた液体燃料が底部入口より流入する液体燃料中の硫黄分を除去するもので、この硫黄分が除去された液体燃料は、圧力制御弁８を介して改質器３側の蒸発部１１で生成された蒸気と共に、改質器３の触媒層１０に供給される。また、脱硫器２の容器の周りには、加熱用ジャケット１７が設けられ、この加熱用ジャケット１７内に液体燃料予熱器１で液体燃料と熱交換した後の排ガスが導入される。
【００２３】
改質器３は、脱硫された液体燃料と蒸気とを改質触媒層１０を通すことで水素リッチなガス（以下改質ガスと称する）を精製し、この改質ガスはＣＯ変成器４に導入される。
【００２４】
上記ＣＯ変成器４は、改質ガスに含まれるＣＯ濃度を低減させるものであり、また熱交換器６は、後段のＣＯ除去器５へ流入する改質ガスの温度を所定値に低下させるものであり、さらにＣＯ除去器５はその前段階で外部から混入された空気との選択酸化反応により、ＣＯ濃度を数ppm程度まで低減して燃料電池の燃料極に供給するものである。
【００２５】
この場合、熱交換器６は改質水を熱交換媒体として使用し、ここで改質ガスとの熱交換により温度上昇した改質水は改質器３の蒸発部１１に供給される。
【００２６】
次にこのように構成された液体燃料処理装置の作用を述べる。
【００２７】
液体燃料ポンプ７により液体燃料タンク１６から灯油などの石油系の液体燃料が液体燃料予熱器１に送給されると、詳細を後述するバーナ排ガスの熱により液体燃料が予熱されて脱硫器２に導入される。この場合、脱硫器２で脱硫性能を維持するために液体燃料は高温になっても気化しない程度に液体燃料ポンプ７により加圧される。
【００２８】
この脱硫器２に導入された液体燃料はその中に含まれている硫黄分が脱硫触媒２ａにより脱硫される。この脱硫器２により脱硫された液体燃料は、圧力制御弁８により常圧まで減圧された後、改質器３の蒸発部１１より供給される蒸気と混合されて改質器３に導入され、改質触媒層１０を通る過程で水素リッチなガスが精製される。
【００２９】
この改質器２で精製された改質ガスは、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５によりガス中に含まれるＣＯ濃度を数ppmまで低減した後、燃料電池へ供給される。
【００３０】
ここで、上記改質器３において、バーナ部１２で燃焼した排ガスは、断熱材からなる胴体９の下方より触媒層側排ガス流路を通して改質触媒層１０を加熱しながら上方に抜け、これよりＵターンして蒸発部側排ガス流路を通して液体燃料予熱器１の燃焼排ガス入口を通してケース１ａ内に流入し、液体燃料供給管１ｂを流れる液体燃料と熱交換した後、脱硫器２の加熱用ジャケット１７に流入する。
【００３１】
この場合、液体燃料予熱器１を流れる液体燃料は、改質器３の改質触媒層１０で反応に必要な熱量と蒸発部１１で蒸気生成のための熱量を改質水側に供給した後のバーナ燃焼排ガスと熱交換され、且つ胴体９の底部の外面に存するメタルから放熱される熱量を回収することで、２００℃〜２６０℃ぐらいの温度となって脱硫器２に流入する。
【００３２】
また、液体燃料予熱器１と熱交換したバーナ燃焼排ガスは、主に脱硫器からの放熱を低減するために脱硫器２の周りに設けた加熱用ジャケット１７の中を流れた後、外部に排出される。
【００３３】
このように第１の実施形態では、断熱材からなる有底円筒状の胴体９の中心に断熱材１３で覆われたバーナ部１２、その外側に改質触媒層１０、胴体９の最外周に改質に必要な水蒸気を生成するための蒸発部１１から構成され、且つバーナ部１２の下方に有する胴体９の底部側より燃焼排ガスを流通させる触媒層側排ガス流路及び蒸発部側排ガス流路がそれぞれ形成された多重円筒構造の改質器３を構成し、胴体９の底部の外側面に液体燃料予熱器１を配置して蒸発部側排ガス流路を通して流入するバーナ燃焼排ガスとの熱交換及び改質器３の底部側からの放熱の回収により液体燃料を予熱して脱硫器２に導入するようにしたので、バーナ部１２で燃焼した排ガスを改質器３から液体燃料予熱器１に効率良く回収することが可能となり、脱硫器２に供給する液体燃料の温度を最適に保つことができる。また、液体燃料予熱器１は低温反応器が設けられていない改質器３の底部側に設置されているので、外部から燃料電池の出力に直接影響を及ぼす熱量が与えられることもなくなる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図３は本発明による液体燃料処理装置の第２の実施形態における液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図を示すもので、図２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。
【００３５】
第２の実施形態は、図３に示すように多重円筒構造の改質器３において、胴体９の底部の外側面に設けられた図示しない金属（メタル）体に密着させて液体燃料流入口及び液体燃料流出口を有する円型のケース２１ａからなる液体燃料予熱器２１を配置し、この液体燃料予熱器２１の下面及び周囲部側を高性能の断熱材１８で覆うようにして胴体９の底部からの放熱を回収するようにしたものである。この場合、蒸発部側排ガス流路を流れる燃焼排ガスは、燃焼排ガス出口より脱硫器２の加熱用ジャケット１７に直接導入される。
【００３６】
このような構成の液体燃料処理装置において、運転時、改質器３の断熱材からなる胴体９の底部の外側面に設けられたメタル部分は、バーナ部１２が高温断熱材１３で覆われているので、直接火炎に曝されることはないものの、その表面温度が４００〜５００℃になる。また、液体燃料予熱器２１の下面及び周囲部側を高性能の断熱材１８で覆うことにより、外部への放熱を大幅に削減することができる。
【００３７】
したがって、胴体９の底部の外側面にケース２１ａからなる液体燃料予熱器２１を配置してケース２１ａ内に常温の液体燃料を流通させることにより、従来のように外部へ排出していた熱量を回収することが可能となり、脱硫器２に供給する液体燃料の温度を最適に保つことができる。
【００３８】
また、液体燃料予熱器２１は、ケース２１ａ単体から構成されているので、胴体９の底部の外側面に設置されるケースの位置を調節することで、熱量の回収率を変えることが可能となり、脱硫器２に流入する液体燃料の温度を調節することができ、バーナ燃焼排ガスを利用しなくても最適な温度に予熱することができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
図４は本発明による液体燃料処理装置の第３の実施形態における液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図を示すもので、図２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。
【００４０】
第３の実施形態は、図４（ａ）に示すように多重円筒構造の改質器３において、胴体９の底部の外側面に設けられた図示しない金属（メタル）体に密着させて同図（ｂ）に示すように液体燃料供給管２２ａを蛇腹状に屈曲させ、これを液体燃料予熱器２２として配置すると共に、この液体燃料予熱器２２の下面及び周囲部側を高性能の断熱材１８で覆うようにして胴体９の底部からの放熱を回収するようにしたものである。
【００４１】
この場合、蒸発部側排ガス流路を流れる燃焼排ガスは、燃焼排ガス出口より脱硫器２の加熱用ジャケット１７に直接導入される。
【００４２】
したがって、このような構成とすれば、胴体９の底部の外側面に液体燃料供給管２２ａからなる液体燃料予熱器２２を配置して液体燃料供給管２２ａに常温の液体燃料を流通させることにより、従来のように外部へ排出していた熱量を効率良く回収することができる。
【００４３】
また、液体燃料予熱器２２は、液体燃料供給管２２ａを胴体９の底部の外側面に収まるように蛇腹状に屈曲させるだけの加工により構成できるので、より簡単且つ安価な構造で液体燃料を効率良く予熱することが可能となり、脱硫器２の入口温度を最適に保つことができる。
【００４４】
（第４の実施形態）
図５は本発明による液体燃料処理装置の第４の実施形態における液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図を示すもので、図２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。
【００４５】
第４の実施形態は、図５に示すように多重円筒構造の改質器３において、胴体９の底部の外側面に設けられた図示しない金属（メタル）体に密着させて蛇腹状に屈曲させた第１の液体燃料供給管２３ａを配置し、その下部に断熱材１９を挟んで蛇腹状に屈曲させた第２の液体燃料供給管２３ｂを配置し、これら第１の液体燃料供給管２３ａ及び第２の液体燃料供給管２３ｂの両端を共通にして、その一方を液体燃料入口管に接続すると共に、他方を液体燃料出口管に接続して液体燃料予熱器２３を構成し、この液体燃料予熱器２３に胴体９の底部からの放熱を回収するようにしたものである。
【００４６】
この場合、胴体９の底部の外側面に近い第１の液体燃料供給管２３ａに流れる液体燃料は胴体９の底部からの熱量が回収されて予熱され、またその下方に位置する第２の液体燃料供給管２３ｂに流れる液体燃料は胴体９の底部からの熱量の回収量は上記に比べて少ないが、予熱することができる。
【００４７】
そして、第２の液体燃料供給管２３ｂの液体燃料入口側に制御弁１５を設け、また第１の液体燃料供給管２３ａ及び第２の液体燃料供給管２３ｂが共通にして接続された液体燃料出口管に温度センサ１４を設け、この温度センサ１４の検出信号を制御器２０に与えることで、この制御器２０により液体燃料の温度が予め設定された温度値になるように制御弁１５を開閉制御するようにしてある。
【００４８】
このような構成の液体燃料処理装置において、運転時、液体燃料予熱器２３の出口側に設けられた温度センサ１４の検出値が設定温度のときには、第２の液体燃料供給管２３ｂの液体燃料入口側に設けられた制御弁１５は開となって第１の液体燃料供給管２３ａ及び第２の液体燃料供給管２３ｂの両方に液体燃料が流れるが、温度センサ１４の検出値が設定温度よりも低いときは、制御弁１５が閉じる。これにより、液体燃料は胴体９の底部に近く、第２の液体燃料供給管２３ｂよりも高温雰囲気にある第１の液体燃料供給管２３ａの方に流れることで、熱量を多く回収することが可能となり、液体燃料の温度を設定温度に高めることができる。
【００４９】
したがって、このような構成としても、改質器から外部へ排出される熱量を効率良く回収することができ、脱硫器２の入口温度を最適に保つことができる。
【００５０】
なお、上記では制御弁１５を第２の液体燃料供給管２３ｂの液体燃料入口側に設けたが、第２の液体燃料供給管２３ｂの液体燃料出口側に設けてもよい。
【００５１】
（第５の実施形態）
図６は本発明による液体燃料処理装置の第５の実施形態における液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図を示すもので、図２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。
【００５２】
第５の実施形態では、図６に示すように多重円筒構造の改質器３において、胴体９の底部の中央部を貫通させて適宜大きさの穴を設け、この穴部に上部開口端が閉塞された断熱材からなる筒体２５をその長手方向をバーナ部１２の下方に存する空間に向けて設置し、この筒体２５の下部開口端より筒体内部にコイル状に加工した配管２４ａを挿入すると共に、液体燃料供給側の配管２４ｂをコイル状の配管２４ａの下端部に接続し、液体燃料排出側の配管２４ｃをコイル状の配管２４ａの上端部に接続して液体燃料予熱器２４を構成し、その下面側及び周囲部を覆うように断熱材１８を設ける。
【００５３】
このような構成としても、改質器から外部へ排出される熱量を効率良く回収することができ、脱硫器２の入口温度を最適に保つことができる。また、液体燃料予熱器２４を改質器３のバーナ部１２の下方に存する胴体９内の空間部に設けているので、スペースを有効利用することができると共に、機器のコンパクト化を図ることができる。さらに、胴体９内の空間部に液体燃料予熱器２４を有し、燃料排ガス流路を狭くすることで、燃焼排ガスの流速を上げ、熱伝達率を高めることが可能となり、改質触媒層１０への伝熱量が大きくなり改質率を向上させることができる。
【００５４】
以上述べた本発明の第１の実施形態乃至第５の実施形態では、多重円筒構造の改質器を一例として述べたが、矩形積層構造の改質器の場合にも前述同様に適用実施することができる。この場合、バーナ部、改質器を低温のＣＯ変成器、蒸発部などで積層面に対して垂直方向に挟み込む構造となるが、その周囲に液体燃料予熱器を箱型として配置し、バーナ部からの燃焼排ガスの放熱のみを回収するようにすることで実現できる。
【００５５】
また、本発明の第１の実施形態乃至第５の実施形態では、バーナ部１２を改質器３の上部に設置し、液体燃料予熱器を胴体９の底部の外側面に配置する構成について述べたが、これとは配置構成を逆にして、バーナ部１２が改質器３の下部に設置し、液体燃料予熱器を胴体９の上底部の外側面に配置する構成としても前述同様に実施することができる。
【００５６】
さらに、本発明の第１の実施形態乃至第５の実施形態では、断熱材からなる胴体９の最外周に蒸発部１１を設ける構成について述べたが、胴体９の最外周にＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５等の低温反応器を設ける構成についても前述同様に実施できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による液体燃料処理装置の第１の実施形態を示すシステム構成図。
【図２】図１の液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図。
【図３】本発明による液体燃料処理装置の第２の実施形態における液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図。
【図４】本発明による液体燃料処理装置の第３の実施形態における液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図。
【図５】本発明による液体燃料処理装置の第４の実施形態における液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図。
【図６】本発明による液体燃料処理装置の第５の実施形態における液体燃料予熱器を含む改質器の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００５８】
１…液体燃料予熱器、１ａ…ケース、１ｂ…液体燃料供給管、２…脱硫器、２ａ…脱硫触媒、３…改質器、４…ＣＯ変成器、５…ＣＯ除去器、６…熱交換器、７…液体燃料ポンプ、８…圧力制御弁、９…胴体、１０…改質触媒層、１１…蒸発部、１２…バーナ部、１３…断熱材、１４…温度センサ、１５…制御弁、１６…液体燃料タンク、１７…加熱用ジャケット、１８…高性能断熱材、１９…筒体、２０…制御器、２１…液体燃料予熱器、２１ａ…ケース、２２…液体燃料予熱器、２２ａ…液体燃料供給管、２３…液体燃料予熱器、２３ａ…第１の液体燃料供給管、２３ｂ…第２の液体燃料供給管、２４…体燃料予熱器、２４ａ…コイル状に加工した配管、２４ｂ…液体燃料供給側の配管、２４ｃ…液体燃料排出側の配管、２５…断熱材からなる筒体
【図１】
0005618451.tif 000002
【図２】
0005618451.tif 000003
【図３】
0005618451.tif 000004
【図４】
0005618451.tif 000005
【図５】
0005618451.tif 000006
【図６】
0005618451.tif 000007