(57)【要約】【課題】  炭素析出を抑制し、必要な熱を適切な温度で供給して、気化した燃料と水蒸気の凝縮を生じ難くし、ＦＰＳ効率を可能な限り高くする。【解決手段】  原燃料供給系において、液体燃料１０１は、液体燃料加熱器９で燃焼排ガス１２３の熱により加熱された後、脱硫器１０により脱硫され、合流配管１２で燃料蒸気と水蒸気との混合ガス１０３となり、燃料予熱器２で水素リッチガス１１０の熱により予熱された後に、改質器１に供給される。水蒸気供給系において、水１０２は、ＣＯ選択酸化器出口冷却器８とＣＯ選択酸化器入口冷却器６で水素リッチガスの熱により順次加熱された後、水蒸気発生器１１で燃焼排ガスの熱により水蒸気１０２ａとなる。水蒸気は、水蒸気過熱器であるＣＯ変成器中間冷却器４で水素リッチガスの熱により、液体燃料との混合後の温度が混合ガスの露点以上となるように過熱された後、原燃料供給系に供給される。【選択図】  図１
2006117468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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
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、前記改質ガスまた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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項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
を用いて液体燃料を改質する方法において、
水蒸気過熱器により、前記改質ガスまた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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムにおいて液体燃料から水素を製造する液体燃料改質システムと方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池発電システムにおいては、原燃料として、天然ガス、プロパンガス等のガス状燃料を用いることが一般的であったため、ガス状燃料を改質して水素を製造する改質システムが使用されてきた。これに対して、最近では、平常時は天然ガスなどのガスを使い、かつ、非常時に液体燃料を用いるために、ガス状燃料の改質システムに、液体燃料の加熱装置を付加することにより、天然ガスだけでなく液体燃料からも水素を製造可能としたデュアルフュエルシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、液体燃料を加熱するための熱源としては、空気極の排ガスを用いる手法（例えば、特許文献２参照）や、電池冷却水の熱を利用する手法（例えば、特許文献３参照）、燃料電池燃料極排ガスや液体燃料を燃焼させてその熱を利用する手法（例えば、特許文献４参照）など、各種の熱源を使用する手法が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１９８３０９
【特許文献２】特開平９−２１９２０９
【特許文献３】特開平１０−６９９１９
【特許文献４】特開２００１−５２７３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のように、従来の燃料電池発電システムにおいては、原燃料として、天然ガス、プロパンガス等のガス状燃料を用いることが一般的であったが、これらのガス状燃料は、単位発熱量あたりの価格が灯油に代表される石油系液体燃料よりも高いため、発電単価が高くなり、燃料電池発電システムの普及を阻害する原因のひとつとなっている。特に、灯油は単位発熱量あたりの価格が安いため、経済性の観点から、灯油を原燃料とする燃料電池発電システムの開発が期待されている。
【０００６】
しかしながら、灯油などの石油系液体燃料は、沸点が高く、炭素含有率も高いため、水素を製造する改質技術に課題がある。具体的には、以下のようないくつかの課題が存在している。
【０００７】
［高スチームカーボン比・高温度条件に伴う発電効率の低下］
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。
【０００８】
したがって、特許文献１に示されているような方法、すなわち、天然ガスなどのガス状燃料に対して最適化されたシステムに液体燃料加熱器を付加するという方法を、灯油などの石油系液体燃料にそのまま適用した場合には、改質触媒層入口温度を４５０℃以上、かつ、スチームカーボン比３．０以上、という条件を満足することができない。すなわち、このような高スチームカーボン比・高温度条件を満足するためには、過剰な燃料を投入する、または、電気ヒータ等で補助的に熱を加える、などの必要が生じ、結果として、燃料電池発電システムの発電効率が低下することになる。
【０００９】
このような、液体燃料の高スチームカーボン比・高温度条件に伴う発電効率の低下は、非常時のみ液体燃料で運転するデュアルフュエルシステムでは、あまり問題とならないが、常時液体燃料を用いる場合は、発電効率の低下は、環境性、運用コストの面から大きな問題となる。
【００１０】
［沸点・炭素含有率の高い液体燃料の改質の困難性］
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。
【００１１】
［水蒸気改質による凝縮の可能性］
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。
【００１２】
［炭素含有率の高い液体燃料のＦＰＳ効率低下］
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。
【００１３】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、灯油などの炭素含有率の高い液体燃料において、炭素析出を抑制し、液体燃料の気化熱などの必要な熱を適切な温度で供給して、気化した燃料と水蒸気の凝縮が生じ難く、ＦＰＳ効率を可能な限り高くできる固体高分子型燃料電池用の液体燃料改質システムと方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記のような目的を達成するために、水蒸気を過熱してから液体燃料と混合して燃料蒸気と水蒸気の混合物を生成することにより、灯油などの炭素含有率の高い液体燃料を使用した場合に、燃料蒸気と水蒸気の高温の混合物を生成して凝縮し難くしたものである。
【００１５】
すなわち、本発明の液体燃料改質システムは、基本的に、改質器、原燃料供給系、水蒸気供給系、改質ガス供給系を備えている。ここで、改質器は、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手段である。原燃料供給系は、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。水蒸気供給系は、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。改質ガス供給系は、前記改質ガスを使用先に供給する。
【００１６】
本発明の液体燃料改質システムは、このような基本的なシステム構成において、水蒸気供給系がさらに水蒸気過熱器を含むことを特徴としている。ここで、水蒸気過熱器は、前記改質ガスまた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手段である。
【００１７】
また、本発明の液体燃料改質方法は、上記のような液体燃料改質システムの特徴を方法の観点から把握したものである。
【００１８】
以上のような本発明によれば、水蒸気が、液体燃料との混合後の温度が混合物の露点以上となるように過熱されているので、過熱していない水蒸気に比べて、燃料蒸気に混合した後に混合配管での放熱があっても凝縮が生じ難い。また、燃料予熱器入口での燃料蒸気と水蒸気の混合物の温度が高くなるので、燃料予熱器において、少ない熱交換量で改質触媒層入口温度を必要な温度とすることができ、改質器での炭素析出を抑制できる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、水蒸気を過熱してから液体燃料と混合して燃料蒸気と水蒸気の混合物を生成することにより、灯油などの炭素含有率の高い液体燃料において、炭素析出を抑制し、液体燃料の気化熱などの必要な熱を適切な温度で供給して、気化した燃料と水蒸気の凝縮が生じ難く、ＦＰＳ効率を可能な限り高くできる固体高分子型燃料電池用の液体燃料改質システムと方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下には、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
［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。
【００２２】
この図１に示すように、液体燃料改質システムはまず、改質器１と燃料予熱器２を備えている。ここで、改質器１は、バーナ１ａ、再生室１ｂ、改質触媒層１ｃを備えており、液体燃料１０１を気化した燃料蒸気と水蒸気１０２ａをバーナ１ａの燃焼熱により高温化した改質触媒層１ｃ中で改質反応させて水素リッチガス（改質ガス）１１０を生成する。また、燃料予熱器２は、燃料蒸気と水蒸気の混合ガス１０３を水素リッチガス１１０との熱交換により予熱して改質器１に供給する。
【００２３】
また、改質器１のバーナ１ａは、図示していない燃料電池の燃料極排ガス１２１を燃料とし、空気１２２を酸化剤として、燃料極排ガス１２１を燃焼させるようになっており、燃焼によって生じた燃焼排ガス１２３は、後述するように液体燃料改質システム内の熱交換に利用される。
【００２４】
液体燃料改質システムはまた、改質器１で生成した水素リッチガス１１０を使用先である固体高分子型燃料電池に供給する改質ガス供給系を構成する一酸化炭素除去器および改質ガス冷却器として、１段目一酸化炭素（ＣＯ）変成器３、一酸化炭素（ＣＯ）変成器中間冷却器４、２段目一酸化炭素（ＣＯ）変成器５、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器入口冷却器６、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器７、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器出口冷却器８、を備えている。
【００２５】
ここで、１段目と２段目のＣＯ変成器３，５、およびＣＯ選択酸化器７は、改質器１から流出する水素リッチガス１１０中の一酸化炭素を順次除去する第１〜第３の一酸化炭素除去器である。そして、１段目と２段目のＣＯ変成器３，５は、水素リッチガス１１０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手段である。また、ＣＯ選択酸化器７は、改質ガスに導入した空気１１１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ことで改質ガス中の一酸化炭素濃度をｐｐｍレベルまで低下させる手段である。
【００２６】
一方、ＣＯ変成器中間冷却器４は、１段目ＣＯ変成器３から流出して２段目ＣＯ変成器５に流入する水素リッチガス１１０を冷却する第１の改質ガス冷却器であり、かつ、水素リッチガス１１０との熱交換により水蒸気１０２ａを２４０℃程度の設定温度に過熱する水蒸気過熱器である。さらに、ＣＯ選択酸化器入口冷却器６は、２段目ＣＯ変成器５から流出してＣＯ選択酸化器７に流入する水素リッチガス１１０を冷却するように配置されて水蒸気１０２ａになる前の水１０２を水素リッチガス１１０との熱交換により加熱する第２の改質ガス冷却器である。また、ＣＯ選択酸化器出口冷却器８は、ＣＯ選択酸化器７から流出する水素リッチガス１１０を冷却するように配置されてＣＯ選択酸化器入口冷却器６で加熱される前の水１０２を水素リッチガス１１０との熱交換により加熱する第３の改質ガス冷却器である。
【００２７】
液体燃料改質システムはまた、液体燃料１０１を加熱する液体燃料加熱器９、加熱した液体燃料１０１中の硫黄分を除去する脱硫器１０、ＣＯ選択酸化器入口冷却器６で加熱された水１０２をさらに加熱して水蒸気１０２ａを生成する水蒸気発生器１１、を備えている。このうち、液体燃料加熱器９と水蒸気発生器１１は、いずれも、改質器１のバーナ１ａからの燃焼排ガス１２３との熱交換を行う。
【００２８】
ここで、液体燃料加熱器９と脱硫器１０は、前述した燃料予熱器２と共に、燃料蒸気と水蒸気の混合ガス１０３を改質器１に供給する原燃料供給系を構成している。すなわち、液体燃料１０１が液体燃料加熱器９で燃焼排ガス１２３との熱交換により加熱されて気液二相状態となると、この気液二相状態の液体燃料１０１は、脱硫器１０により硫黄分を除去され、合流配管（合流手段）１２で過熱状態の水蒸気１０２ａと混合されて燃料蒸気と水蒸気の混合ガス１０３となり、燃料予熱器２で水素リッチガス１１０との熱交換により予熱された後に、改質器１に供給される。
【００２９】
また、水蒸気発生器１１は、前述したＣＯ変成器中間冷却器４、ＣＯ選択酸化器入口冷却器６、およびＣＯ選択酸化器出口冷却器８と共に、水蒸気１０２ａを合流配管１２により原燃料供給系に供給して液体燃料１０１と混合する水蒸気供給系を構成している。すなわち、水１０２が、ＣＯ選択酸化器出口冷却器８とＣＯ選択酸化器入口冷却器６で水素リッチガス１１０との熱交換により順次加熱された後、水蒸気発生器１１で燃焼排ガス１２３との熱交換により気化されて水蒸気１０２ａが生成されると、この水蒸気１０２ａは、さらに、水蒸気過熱器であるＣＯ変成器中間冷却器４で水素リッチガス１１０との熱交換により過熱された後、合流配管１２により原燃料供給系に供給され、液体燃料１０１と混合される。
【００３０】
［作用］
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。
【００３１】
［バーナ燃焼・燃焼ガス排出］
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。
【００３２】
バーナ１ａの燃焼ガスは、その後、燃焼排ガス１２３として改質器１から排出され、水蒸器発生器１１に流入して熱交換により、水蒸気供給系の水１０２に蒸発用の熱を与えた後、２３０℃程度まで下がる。最後に、燃焼排ガス１２３は液体燃料加熱器１０に入り、灯油などの液体燃料１０１に熱を与えた後、１８０℃程度まで温度が下がり、図示しない燃料電池システムの熱利用系に排出される。
【００３３】
［燃料供給・改質反応］
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。
【００３４】
燃料予熱器２で、混合ガス１０３は、改質器１の再生室１ｂを出た水素リッチガス１１０から熱を受け取り、４５０℃程度となって改質触媒層１ｃに入る。改質触媒層１ｃ内で、混合ガス１０３は、バーナ１ａを出た燃焼ガスから熱を受け取ると同時に、再生室１ｂを流れる水素リッチガス１１０からも熱を受け取ることにより、水蒸気改質反応（吸熱反応）が進み、かつ、７００℃程度まで温度が上昇する。改質によって生じた水素リッチガス１１０は、再生室１ｂに入り、改質触媒層１ｃに熱を与えて、４８０℃程度まで温度が低下する。
【００３５】
［水素リッチガスのＣＯ除去・熱利用］
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。
【００３６】
ＣＯ変成器中間冷却器４を出た水素リッチガス１１０は、２段目ＣＯ変成器５に入り、シフト反応により温度がわずかに上昇する。次に、水素リッチガス１１０は、空気１１１を混入された後、ＣＯ選択酸化器入口冷却器６に入り、水蒸気１０２ａに熱を与えて１３０℃程度まで温度が低下した後、ＣＯ選択酸化器入口冷却器６を出る。ＣＯ選択酸化器入口冷却器６を出た水素リッチガス１１０は、ＣＯ選択酸化器７に入り、ＣＯ選択酸化反応（発熱反応）により温度が上昇した後、ＣＯ選択酸化器７を出る。ＣＯ選択酸化器７を出た水素リッチガス１１０は、最後に、ＣＯ選択酸化器出口冷却器８で水１０２に熱を与え、７０℃程度になった後、図示しない燃料電池の燃料極へ供給される。
【００３７】
［水蒸気供給］
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。
【００３８】
ＣＯ選択酸化器入口冷却器６を出た水１０２は、その後、水蒸気発生器１１で燃焼排ガス１２３から熱を受け取り、完全に蒸発する。蒸発した水蒸気１０２ａは、ＣＯ変成器中間冷却器４で、１段目ＣＯ変成器３を出た水素リッチガス１１０から熱を受け取り、２４０℃程度まで過熱される。過熱された水蒸気１０２ａは、脱硫器１０から送出される灯油と合流配管１２で混合される。
【００３９】
［効果］
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。
【００４０】
また、６０℃程度の水を単体の水蒸気発生器１１だけで蒸発させる場合、水蒸気発生器１１でかなりの熱量が必要となり、効率が悪いが、本実施形態においては、水蒸気発生器１１の前段で、ＣＯ選択酸化器出口冷却器８およびＣＯ選択酸化器入口冷却器６の２段階に亘って水１０２を加熱できるため、水蒸気発生器１１で利用する燃焼排ガス１２３の熱量を節約できる。そして、このように節約した分だけ、液体燃料加熱器９での液体燃料１０１の加熱に利用可能な燃焼排ガス１２３の熱量を増大でき、液体燃料１０１の加熱を効率よく行うことができる。
【００４１】
また、液体燃料加熱器９で灯油を気液二相状態とした後に脱硫器１０に送っているため、灯油の脱硫を効率よく行うことができ、硫黄分を除去した高品質の燃料を改質器１に供給可能となる。
【００４２】
なお、本実施形態の変形例として、図２に示すように、水蒸気過熱器を兼ねたＣＯ変成器中間冷却器４の代わりに、水蒸気発生器を兼ねたＣＯ変成器中間冷却器２１を使用し、水蒸気発生器１１の代わりに、燃焼排ガス１２３との熱交換により水蒸気１０２ａを過熱する水蒸気過熱器２２を使用する構成も可能であるが、以下の理由により、一般的には、図１に示すように、ＣＯ変成器中間冷却器４を水蒸気過熱器として用いることが望ましい。
【００４３】
まず、ＣＯ変成器中間冷却器４は、定格負荷に合わせて設計されるため、部分負荷では水素リッチガス１１０から過剰に熱を奪うことになりやすい。したがって、一般的に、部分負荷では定格負荷に比べてＣＯ変成器中間冷却器４出口での水素リッチガスの温度は低下する。水素リッチガス１１０の温度が極端に低下した場合には、２段目ＣＯ変成器５での特性が悪化するため、部分負荷でのＣＯ変成器中間冷却器４出口の水素リッチガス温度低下はできるだけ少なくしなければならない。
【００４４】
これに対して、図２に示すように、ＣＯ変成器中間冷却器２１を水蒸気発生器として用いた場合には、冷却側の出口温度が定格負荷でも部分負荷でも一定のため、部分負荷では交換熱量を小さくしたいが、ＣＯ変成器中間冷却器２１出口での水素リッチガス１１０の温度が低下することでしか交換熱量は小さくならない。
【００４５】
一方、図１に示すように、ＣＯ変成器中間冷却器４を水蒸気過熱器として用いた場合は、冷却側の出口温度は負荷によって変わり、部分負荷では水蒸気出口温度が高くなることによっても交換熱量を減らすことができるので、水素リッチガス１１０の温度低下は少なくてすむことになる。
【００４６】
したがって、図１に示すように、ＣＯ変成器中間冷却器４を水蒸気発生器として使用することによって、ＣＯ変成器中間冷却器３１で水蒸気を発生させる図２の構成に比べて、部分負荷の時、ＣＯ変成器中間冷却器出口での水素リッチガス温度が低下するのを抑制することができる。
【００４７】
［第２の実施形態］
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。
【００４８】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、液体燃料加熱器９を出た燃焼排ガス１２３から熱を回収して改質器１のバーナ１ａに戻すことになるため、バーナ１ａの熱量を増加させることができ、その分だけ、バーナ１ａに供給するバーナ燃料すなわち燃料電池の燃料極排ガス１２１の量を低減することができる。この場合、燃料電池に供給しなければならない水素の量は負荷に応じて一定であるから、バーナ１ａに供給する燃料電池の燃料極排ガス１２１の量を低減することで、液体燃料改質システムに供給する灯油の流量を低減することができる。
【００４９】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、液体燃料改質システムに供給する灯油の流量を低減することができるため、ＦＰＳ効率をより高くすることができる、という効果が得られる。
【００５０】
［他の実施形態］
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。
【００５１】
また、前記実施形態においては、水を水素リッチガスの冷媒として使用する２つの冷却器で水を２段階に亘って加熱した後、水蒸気発生器で水蒸気とし、水蒸気過熱器で過熱する計４段階の加熱構成について説明したが、変形例として、水を冷媒とする１つの冷却器のみで水を加熱した後、水蒸気発生器で水蒸気とし、水蒸気過熱器で過熱する計３段階の加熱構成も可能である。さらに、水蒸気発生器と水蒸気過熱器のみを使用する計２段階の加熱構成も可能である。あるいは逆に、２つ以上の水蒸気過熱器を使用するか、あるいは、水を冷媒とする３つ以上の冷却器で水を加熱するなどの、計５段階以上の加熱構成とすることも可能である。
【００５２】
すなわち、本発明においては、少なくとも水蒸気発生器と水蒸気過熱器を含む限り、水蒸気供給系で使用する冷却器の数や具体的な構成は自由に変更可能である。また、これに関連して、改質ガス供給系において使用する一酸化炭素除去器の種類および数は何ら限定されるものではない。
【００５３】
また、本発明は、固体高分子型燃料電池用として好適であるが、他のタイプの燃料電池、あるいは、燃料電池以外の各種の水素燃料利用先にも同様に適用可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態における液体燃料改質システムの構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態の変形例を示すブロック図。
【図３】本発明を適用した第２の実施形態における液体燃料改質システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００５５】
１…改質器
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
【図１】
2006117468.tif 000003
【図２】
2006117468.tif 000004
【図３】
2006117468.tif 000005