(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する改質ガスを生成する改質器に供給される改質原料を製造する改質原料製造装置であって、
前記改質原料となる水を気化させる水気化器と、
液相状態の前記水に浸漬されるように前記水気化器内に配置され、前記改質原料となる液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、
前記水気化器内の前記水の沸点が所定の温度となるように前記水気化器内の圧力を調整する圧力調整器と、を備えることを特徴とする改質原料製造装置。
【請求項２】
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液体燃料を気化させる液体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液体燃料気化器によって気化させられた前記液体燃料とは、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１記載の改質原料製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の改質原料製造装置と、
前記改質原料製造装置によって製造された改質原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器によって生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含有する改質ガスを生成する改質器に供給される改質原料を製造する改質原料製造装置、及びそのような改質原料製造装置を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、例えば、灯油等の液体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発電反応させるセルスタックと、を備えている。改質器に供給される液体燃料からは、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）。
【特許文献１】特開平５−３０４３号公報
【特許文献２】特開２００２−２０１４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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、液体燃料から硫黄分が十分に除去されないおそれがある。
【０００４】
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改質原料製造装置、及びそのような改質原料製造装置を備える燃料電池システム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】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る改質原料製造装置は、水素を含有する改質ガスを生成する改質器に供給される改質原料を製造する改質原料製造装置であって、改質原料となる水を気化させる水気化器と、液相状態の水に浸漬されるように水気化器内に配置され、改質原料となる液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、水気化器内の水の沸点が所定の温度となるように水気化器内の圧力を調整する圧力調整器と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
この改質原料製造装置では、改質原料となる水を気化させる水気化器内に、改質原料となる液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器が配置されているため、水の沸点近傍の温度に脱硫器内の脱硫剤が加熱される。このとき、圧力調整器によって水気化器内の圧力が調整されるため、水気化器内の水の沸点が所定の温度に調整される。以上により、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可能となる。
【０００７】
本発明に係る改質原料製造装置においては、水気化器内には、脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料を気化させる液体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液体燃料気化器によって気化させられた液体燃料とは、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。この場合、脱硫器だけでなく液体燃料気化器も水気化器内に配置されるため、改質原料製造装置の小型化を図ることができる。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、上記改質原料製造装置と、改質原料製造装置によって製造された改質原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、改質器によって生成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、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この燃料電池システムによれば、上記改質原料製造装置が設けられているため、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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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］
【００１２】
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、原燃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発電反応させる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）３と、改質器２に供給するために改質原料を製造する改質原料製造装置４と、を備えている。
【００１３】
改質原料製造装置４は、改質原料となる水を気化させる水気化器５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６と、水気化器５内の圧力を調整するオリフィス（圧力調整器）７と、脱硫器６によって硫黄分が除去された液体燃料を気化させる液体燃料気化器８と、を備えている。
【００１４】
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、その取り扱いも容易なため、好ましい。
【００１５】
脱硫後の液体燃料中の硫黄濃度は、改質装置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。
【００１６】
脱硫に供す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。
【００１７】
ＳＯＦＣスタック３は、改質ガス導入ライン１１を介して改質器２と接続され、空気導入ライン１２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１２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（図示せず）が設けられている。ＳＯＦＣスタック３や空気予熱器は、筐体１３内に収容されている。
【００１８】
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ている。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１１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１２を介して空気が導入される。これにより、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。
【００１９】
水気化器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、ＳＯＦＣスタック３からオフガスを排出するためのオフガス排出流路１４内に配置されている。水気化器５内の下側部分に貯留された液相状態の水Ｌは、オフガス排出流路１４内を流通するオフガス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５内の上側部分に充満する。
【００２０】
水気化器５の底壁５ａには、水（液相状態の水Ｌ）を水気化器５内に導入するための水導入部１５が設けられている。水導入部１５は、水供給ライン１６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１６には、水タンクから水気化器５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５の側壁５ｂの上部には、水蒸気（気相状態の水Ｖ）を水気化器５外に導出するための水蒸気導出部１７が設けられている。水蒸気導出部１７は、水蒸気供給ライン１８及び改質原料供給ライン２５を介して改質器２と接続されている。水気化器５内の圧力を調整するオリフィス７は、水蒸気供給ライン１８に設けられている。
【００２１】
脱硫器６は、その内部に脱硫剤が設けられたものであり、液相状態の水Ｌに浸漬されるように水気化器５内に配置され、水気化器５の底壁５ａに固定されている。脱硫器６内に導入された液体燃料は、水気化器５内に貯留された液相状態の水Ｌとの熱交換で水の沸点近傍の温度に加熱された脱硫剤によって硫黄分を除去され、脱硫器６外に導出される。
【００２２】
脱硫剤としては、収着型脱硫剤など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。
【００２３】
脱硫剤形状としては、特に限りはないが、円柱、三つ葉、四葉などの押し出し成型体、円柱、ドーム状の錠剤成型体、球状成型体が好ましい。
【００２４】
脱硫器６の底壁には、液体燃料を脱硫器６内に導入するための液体燃料導入部２１が設けられている。液体燃料導入部２１は、液体燃料供給ライン２２を介して液体燃料タンク（図示せず）と接続されており、液体燃料供給ライン２２には、液体燃料タンクから脱硫器６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６の天井壁には、硫黄分が除去された液体燃料を脱硫器６外に導出するためのパイプ状の液体燃料導出部２３が設けられている。液体燃料導出部２３は、水気化器５の天井壁５ｃを気密に貫通しており、液体燃料供給ライン２４及び改質原料供給ライン２５を介して改質器２と接続されている。脱硫器６によって硫黄分が除去された液体燃料を気化させる液体燃料気化器８は、液体燃料供給ライン２４に設けられている。
【００２５】
脱硫剤に対する液体燃料の供給量は、装置サイズ、経済性および脱硫速度の観点から、ＬＨＳＶ（液空間速度）で０．０５ｈｒ-1以上５．０ｈｒ-1以下が好ましく、０．１ｈｒ-1以上３．０ｈｒ-1以下がより好ましく、０．５ｈｒ-1前後が特に好ましい。
【００２６】
改質原料製造装置４は、水蒸気供給ライン１８と液体燃料供給ライン２４とが合流する改質原料供給ライン２５を介して改質器２に改質原料を供給する。改質原料は、水気化器５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６によって硫黄分が除去され且つ液体燃料気化器８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。
【００２７】
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の近傍にオフガスバーナが設けられたりする。
【００２８】
以上のように構成された燃料電池システム１の改質原料製造装置４においては、ＳＯＦＣスタック３から排出されたオフガスとの熱交換で液相状態の水Ｌを加熱して気化させる水気化器５内に、液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器６が液相状態の水Ｌに浸漬されるように配置されている。そのため、水気化器５内に貯留された液相状態の水Ｌとの熱交換で液相状態の水Ｌの沸点近傍の温度に脱硫器６内の脱硫剤が加熱される。ここで、脱硫剤は、その脱硫能及び寿命の観点から、１００℃〜２００℃の温度に加熱されることが望ましい。そこで、水蒸気供給ライン１８に設けられたオリフィス７によって、例えば、水気化器５内の気相状態の水Ｖの圧力（水蒸気圧力）が０．４７ＭＰａとなるように調整されることで、水気化器５内の液相状態の水Ｌの沸点が１５０℃程度となる。これにより、脱硫器６内の脱硫剤を１００℃〜２００℃という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。
【００２９】
また、脱硫器６が水気化器５内に配置されているため、改質原料製造装置４、延いては燃料電池システム１の小型化を図ることができる。しかも、脱硫器６が水気化器５の底壁５ａに固定されているため、液相状態の水Ｌの液面が多少変化しても、脱硫器６が液相状態の水Ｌに確実に浸漬されるように容易に設計することができる。
【００３０】
また、水気化器５においては、側壁５ｂに対して底壁５ａが着脱自在となっているため、例えば脱硫剤の寿命が尽きた際に、脱硫器６を水気化器５内から取り出して、新たな脱硫剤を有する脱硫器６に交換することができる。
【００３１】
なお、水気化器５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、アルミナやシリカなどのセラミックス、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］
【００３２】
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、液体燃料導出部２３が水気化器５内において終端している点で、液体燃料導出部２３が水気化器５の天井壁５ｃを貫通している第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。
【００３３】
液相状態の水Ｌに浸漬されるように水気化器５内に配置され、水気化器５の底壁５ａに固定された脱硫器６の天井壁には、硫黄分が除去された液体燃料を脱硫器６外に導出するためのパイプ状の液体燃料導出部２３が設けられている。液体燃料導出部２３の一端は脱硫器６と接続されており、液体燃料導出部２３の他端は水気化器５内の上側部分（すなわち、気相状態の水Ｖが充満している領域）に開口している。脱硫器６によって硫黄分が除去された液体燃料を気化させる液体燃料気化器８は、液体燃料導出部２３に設けられている。
【００３４】
このような構成により、水気化器５内の上側部分では、水気化器５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６によって硫黄分が除去され且つ液体燃料気化器８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。
【００３５】
水気化器５の側壁５ｂの上部には、改質原料を水気化器５外に導出するための改質原料導出部２６が設けられている。改質原料導出部２６は、改質原料供給ライン２５を介して改質器２と接続されている。水気化器５内の圧力を調整するオリフィス７は、改質原料供給ライン２５に設けられている。これにより、水気化器５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２５を介して改質器２に供給されることになる。
【００３６】
以上のように構成された燃料電池システム１の改質原料製造装置４によれば、第１の実施形態の燃料電池システム１の改質原料製造装置４と同様に、脱硫器６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。
【００３７】
また、脱硫器６だけでなく液体燃料気化器８も水気化器５内に配置されているため、改質原料製造装置４、延いては燃料電池システム１のより一層の小型化を図ることができる。
【００３８】
また、水気化器５においては、側壁５ｂに対して底壁５ａが着脱自在となっており、更に、脱硫器６に設けられた液体燃料導出部２３が水気化器５内において終端しているため、例えば脱硫剤の寿命が尽きた際における脱硫器６の交換をより一層容易化することができる。
【００３９】
また、脱硫器６に設けられた液体燃料導出部２３が水気化器５内において終端していることから、液体燃料も加圧されるので、液体燃料が気化しない状態で液体燃料に対する脱硫を行うことができる。
【００４０】
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。
【００４１】
例えば、上記各実施形態では、燃料電池スタックがＳＯＦＣスタックであったが、燃料電池スタックは、これに限定されず、固体高分子形燃料電池（Polymer  Electrolyte  Fuel  Cell：ＰＥＦＣ）スタック等であってもよい。
【００４２】
また、上記各実施形態では、改質器が水蒸気改質するものであったが、改質器は、これに限定されず、部分酸化改質または自己熱改質（水蒸気改質と部分酸化改質との両者を行う）するものであってもよい。
【００４３】
改質器から得られる改質ガスを、必要に応じてさら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）、一酸化炭素濃度低減のための選択酸化反応（２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2）、加湿または除湿など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により発電を行う場合、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で用いてもよい。
【００４４】
また、水気化器内の圧力を調整する圧力調整器は、オリフィスに限定されず、その他の絞り弁や、圧力調整可能な圧力調整弁等であってもよい。圧力調整器が圧力調整弁である場合には、燃料電池スタックから排出されるオフガスの熱量が変化して液相状態の水の液面が変化しそうになっても、オフガスの熱量に応じて水気化器内の圧力を調整することにより、脱硫器を液相状態の水に確実に浸漬させておくことができる。
【００４５】
また、液体燃料気化器は、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。
【００４６】
また、液相状態の水よりも気相状態の水のほうが高温であることから、液体燃料が気化しない状態で液体燃料に対して脱硫を行うためには、脱硫器が液相状態の水に浸漬されることが好ましいが、脱硫器内において液体燃料が気化しなければ、脱硫器の一部が気相状態の水に晒されてもよい。
【００４７】
また、脱硫に供する液体燃料は、脱硫器に導入する前に予熱してもよい。この予熱にも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、高温で作動する固体酸化物形燃料電池では、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。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】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２】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】
【００４９】
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）、４…改質原料製造装置、５…水気化器、６…脱硫器、７…オリフィス（圧力調整器）、８…液体燃料気化器。
【図１】
0005129544.tif 000002
【図２】
0005129544.tif 000003