(57)【要約】【課題】気化液体燃料を効率よく改質できる改質装置を備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】脱硫手段１２０で脱硫処理後に気化手段１３０で気化した気化液体燃料を供給する気化液体燃料供給経路１３５と、気化液体燃料を改質処理して水素ガスを生成させる改質触媒を充填した改質器１４２Ａとの間に、改質器１４２Ａからのバーナ１４２Ａ１の排ガスによる熱にて、気化液体燃料の少なくとも一部を改質処理する改質触媒を充填した前処理手段１４１を着脱可能に設ける。排ガスの熱を有効利用でき、着脱可能に前処理手段１４１を設ける簡単な構成で、バーナ１４２Ａ１を備え構成が比較的に複雑で改質触媒の交換が比較的に煩雑となる改質器１４２Ａの改質触媒の寿命を向上でき、効率よく改質処理できる。【選択図】図１
2007332002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が脱硫手段で脱硫処理され気化手段で気化されて供給される気化液体燃料を改質して水素ガスを生成させる改質装置であって、
前記気化液体燃料を供給する供給経路と、
前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を改質処理し前記水素ガスを生成させる改質触媒が充填された改質器と、
前記供給経路および前記改質器間に着脱可能に設けられ、前記供給経路から供給される前記気化液体燃料の少なくとも一部を改質処理する改質触媒が充填され、改質処理した前記気化液体燃料を前記改質器へ供給する前処理手段と、
を具備したことを特徴とした改質装置。
【請求項２】
請求項１に記載の改質装置であって、
前記改質器は、加熱手段を備え、この加熱手段の加熱により前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を加熱して改質し前記水素ガスを生成させ、
前記前処理手段は、前記加熱手段の加熱により前記改質器から排気される排ガスが供給され、この排ガスの熱により前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を加熱して少なくとも一部を改質する
ことを特徴とした改質装置。
【請求項３】
液体燃料が脱硫手段で脱硫処理され気化手段で気化されて供給される気化液体燃料を改質して水素ガスを生成させる改質装置であって、
前記気化液体燃料を供給する供給経路と、
加熱手段を備え、この加熱手段の加熱により前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を加熱して改質処理し前記水素ガスを生成させる改質触媒が充填された改質器と、
前記供給経路および前記改質器間に設けられ、前記加熱手段の加熱により前記改質器から排気される排ガスが供給され、この排ガスの熱により前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を加熱して少なくとも一部を改質処理する改質触媒が充填され、改質処理した前記気化液体燃料を前記改質器へ供給する前処理手段と、
を具備したことを特徴とした改質装置。
【請求項４】
請求項３に記載の改質装置であって、
前記前処理手段は、前記供給経路および前記改質器間に着脱可能に配設された
ことを特徴とした改質装置。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の改質装置であって、
前記前処理手段に接続され前記排ガスを流出し前記気化手段へ供給する排ガス流出経路を具備した
ことを特徴とした改質装置。
【請求項６】
請求項５に記載の改質装置であって、
前記排ガス流出経路は、前記気化手段における前記脱硫処理された液体燃料に混合して気化させる水蒸気を熱交換により生成させる熱交換装置に接続され、前記排ガスを前記熱交換装置へ供給して水との熱交換により前記水蒸気を生成させる
ことを特徴とした改質装置。
【請求項７】
請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の改質装置であって、
前記改質器は、前記加熱手段のバーナが配設された燃焼室と、この燃焼室に隣接し前記供給経路から前記前処理手段を介して供給される前記気化液体燃料が流入される前記改質触媒が充填された改質室と、前記燃焼室に隣接するとともに前記改質室に連通しこの改質室で改質処理された前記気化液体燃料が流入され混入する一酸化炭素を変成する変成触媒が充填された変成室と、前記燃焼室に隣接するとともに前記変成室に連通しこの変成室で処理された前記気化液体燃料が流入され混入する一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる選択酸化触媒が充填された選択酸化室と、を備えた一体構成である
ことを特徴とした改質装置。
【請求項８】
前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、
脱硫剤が内部に充填され前記液体燃料供給手段により供給される前記液体燃料を脱硫処理する脱硫手段と、
この脱硫手段で脱硫処理された前記液体燃料を気化して気化液体燃料を生成する気化手段と、
この気化手段で生成された前記気化液体燃料が供給される請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の改質装置と、
を具備したことを特徴とした燃料電池用燃料ガスの製造装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置と、
酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、
前記燃料電池用燃料ガスの製造装置の改質装置で生成された水素ガスおよび前記酸素含有気体供給手段により供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、
を具備したことを特徴とした燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質触媒によって気化された燃料を改質処理する改質装置、この改質装置を備えた燃料電池用燃料ガスの製造装置、および、この燃料電池用燃料ガスの製造装置にて製造された水素ガスを利用して発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば燃料電池で発電に利用する水素ガスを生成するために、液体燃料を脱硫して水蒸気にて気化した後に改質する燃料電池システムの構成が知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
特許文献１に記載のものは、脱硫剤を内部に充填し脱硫処理する脱硫器からの原料を補助タンクへ供給し、この補助タンクから改質器へ原料を供給させ、起動時に脱硫器から発生する原料の蒸気を補助タンクに流し込んで溜め、改質器へ供給されることを防止し、改質触媒の劣化防止や停止時間を短縮させる構成が採られている。そして、補助タンクが空にならないように補助タンク内の原料レベルを検知し、原料タンクから脱硫器を介して必要量の原料を供給させている。
特許文献２に記載のものは、脱硫剤を内部に充填し脱硫処理する脱硫反応器の底部に液体燃料を導入し、所定の温度に昇温して脱硫剤と接触させて脱硫処理する。この後、脱硫反応器内での気液界面の部位より、液体成分と気体成分とが併存する状態の反応生成物で引き抜き、下流側の気化器ならびに改質反応器に移送し、水素ガスを生成させ、脱硫後に下流側へ移送する際の脈動を防止する構成が採られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５１６０８号公報
【特許文献２】特開２００４−５１８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、気化した液体燃料から水素ガスを生成させる改質処理では、例えばバーナの燃焼により数百℃と比較的に高い温度で改質触媒により改質した後に、副生成物である一酸化炭素（ＣＯ）を変成して選択的に二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化する構成が採られている。そして、これら変成や選択的酸化の処理に際しても所定の温度雰囲気で実施されることから、改質、変成、選択的酸化の処理が一連に実施される１つの装置形態に構築している。
このことにより、上述した特許文献１および特許文献２に記載のような従来の燃料電池システムの構成では、長期間の稼働により改質触媒を交換するなどの場合には、装置全体を分解するなど、非常に煩雑となる。
【０００５】
本発明の目的は、このような点に鑑みて、気化された液体燃料を効率よく改質処理できる改質装置、燃料電池用燃料ガスの製造装置、および、燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に記載の改質装置は、液体燃料が脱硫手段で脱硫処理され気化手段で気化されて供給される気化液体燃料を改質して水素ガスを生成させる改質装置であって、前記気化液体燃料を供給する供給経路と、前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を改質処理し前記水素ガスを生成させる改質触媒が充填された改質器と、前記供給経路および前記改質器間に着脱可能に設けられ、前記供給経路から供給される前記気化液体燃料の少なくとも一部を改質処理する改質触媒が充填され、改質処理した前記気化液体燃料を前記改質器へ供給する前処理手段と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、液体燃料が脱硫手段で脱硫処理され気化手段で気化された気化液体燃料を供給する供給経路と、この供給経路から供給される気化液体燃料を改質処理して水素ガスを生成させる改質触媒が充填された改質器と、の間に、供給経路から供給される気化液体燃料の少なくとも一部を改質処理する改質触媒が充填された前処理手段を着脱可能に設け、この前処理手段で改質処理した気化液体燃料を改質器へ供給させる。
このことにより、着脱可能に前処理手段を設ける簡単な構成で、前処理手段で気化液体燃料をある程度分解して改質器で改質処理することによる改質器における改質処理負荷が低減し、改質器の改質触媒の寿命が向上する。したがって、前処理手段のみを取り外して改質触媒を交換することで、例えばバーナなどを備え構成が比較的に複雑で改質触媒の交換が比較的に煩雑となりやすい改質器でも、改質触媒の交換頻度が低減し、効率よく改質処理でき、水素ガスを長期間安定して生成できる構成が容易に得られる。
【０００７】
そして、本発明では、前記改質器は、加熱手段を備え、この加熱手段の加熱により前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を加熱して改質し前記水素ガスを生成させ、前記前処理手段は、前記加熱手段の加熱により前記改質器から排気される排ガスが供給され、この排ガスの熱により前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を加熱して少なくとも一部を改質する構成とすることが好ましい。
この発明では、気化液体燃料を改質する際に加熱する例えばバーナなどの加熱手段を改質器に設け、この改質器の加熱により改質器から排気される排ガスの熱により、供給経路から供給される気化液体燃料を前処理手段で加熱して改質させる。
このことにより、改質器から排気される加熱手段の加熱による排ガスの熱を有効利用できるとともに、前処理手段に加熱手段を設けることなく改質処理を進行させることができ、効率よく改質処理でき、前処理手段の構成も簡略化でき、前処理手段を着脱可能に設ける構成が容易に得られる。
【０００８】
本発明に記載の改質装置は、液体燃料が脱硫手段で脱硫処理され気化手段で気化されて供給される気化液体燃料を改質して水素ガスを生成させる改質装置であって、前記気化液体燃料を供給する供給経路と、加熱手段を備え、この加熱手段の加熱により前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を加熱して改質処理し前記水素ガスを生成させる改質触媒が充填された改質器と、前記供給経路および前記改質器間に設けられ、前記加熱手段の加熱により前記改質器から排気される排ガスが供給され、この排ガスの熱により前記供給経路から供給される前記気化液体燃料を加熱して少なくとも一部を改質処理する改質触媒が充填され、改質処理した前記気化液体燃料を前記改質器へ供給する前処理手段と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、液体燃料が脱硫手段で脱硫処理され気化手段で気化された気化液体燃料を供給する供給経路と、この供給経路から供給される気化液体燃料を改質処理して水素ガスを生成させる改質触媒が充填された改質器と、の間に、改質器に設けた加熱手段の改質処理の際の加熱により排気される排ガスが供給され、この排ガスの熱により供給経路から供給される気化液体燃料の少なくとも一部を改質触媒で改質処理する前処理手段を設け、この前処理手段で改質処理した気化液体燃料を改質器へ供給させる。
このことにより、改質器から排気される加熱手段の加熱による排ガスの熱を有効利用できるとともに、前処理手段に加熱手段を設けることなく改質処理を進行させることができ、前処理手段で気化液体燃料をある程度分解して改質器で改質処理することによる改質器における改質処理負荷が低減し、効率よく改質処理でき、前処理手段の構成も簡略化でき、小型化が容易に図れる。
【０００９】
そして、本発明では、前記前処理手段は、前記供給経路および前記改質器間に着脱可能に配設された構成とすることが好ましい。
この発明では、前処理手段を供給経路および改質器間に着脱可能に配設する。
このことにより、着脱可能に前処理手段を設ける簡単な構成で、前処理手段のみを取り外して改質触媒を交換することで、水素ガスを長期間安定して生成できる構成が容易に得られる。
【００１０】
また、本発明では、前記前処理手段に接続され前記排ガスを流出し前記気化手段へ供給する排ガス流出経路を具備した構成とすることが好ましい。
この発明では、前処理手段から流出する排ガスを気化手段へ供給させる排ガス流出経路を前処理手段に接続する。
このことにより、前処理手段における改質処理で利用した排ガスの熱をさらに気化手段における液体燃料の気化に有効利用でき、より効率よく水素ガスの生成が得られる。
【００１１】
さらに、本発明では、前記排ガス流出経路は、前記気化手段における前記脱硫処理された液体燃料に混合して気化させる水蒸気を熱交換により生成させる熱交換装置に接続され、前記排ガスを前記熱交換装置へ供給して水との熱交換により前記水蒸気を生成させる構成とすることが好ましい。
この発明では、脱硫処理された液体燃料に混合して気化させる水蒸気を熱交換により生成させる気化手段の熱交換装置に排ガス流出経路を接続し、前処理手段から流出する排ガスを熱交換装置へ供給して水との熱交換により水蒸気を生成させる。
このことにより、液体燃料の気化および改質処理としての水蒸気改質のために混合する水蒸気を生成させる気化手段の熱交換装置に、前処理手段からの排ガスを供給して熱の有効利用をしているので、液体燃料から水素ガスを生成させる処理の効率化が得られる。
【００１２】
そして、本発明では、前記改質器は、前記加熱手段のバーナが配設された燃焼室と、この燃焼室に隣接し前記供給経路から前記前処理手段を介して供給される前記気化液体燃料が流入される前記改質触媒が充填された改質室と、前記燃焼室に隣接するとともに前記改質室に連通しこの改質室で改質処理された前記気化液体燃料が流入され混入する一酸化炭素を変成する変成触媒が充填された変成室と、前記燃焼室に隣接するとともに前記変成室に連通しこの変成室で処理された前記気化液体燃料が流入され混入する一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させる選択酸化触媒が充填された選択酸化室と、を備えた一体構成である構成に適用することが好ましい。
この発明では、改質器として、燃焼室に隣接して、気化液体燃料が順次流通して処理する改質室、変成室および選択酸化室を一体に設けている。そして、供給経路から前処理手段を介して供給される気化液体燃料は、改質器を流通する際に、改質室で改質処理され、変成室で混入する一酸化炭素が変成され、選択酸化室で一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させ、例えば燃料電池に利用される水素ガスリッチの燃料ガスに改質される。
このことにより、改質器としてバーナが配設されるとともに改質室、変成室および選択酸化室を備えた一体構成としているので、バーナの燃焼による改質処理の際の熱を変成および選択酸化にも有効利用でき、効率よく改質できるとともに、改質室の改質触媒の交換作業が比較的に煩雑化する一体構成でも、前処理手段で前処理しているので改質触媒の負荷が低減して改質器における改質触媒の寿命が向上し、改質器の長期間安定した処理が得られ、保守管理が容易となる。
【００１３】
本発明に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置は、前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、脱硫剤が内部に充填され前記液体燃料供給手段により供給される前記液体燃料を脱硫処理する脱硫手段と、この脱硫手段で脱硫処理された前記液体燃料を気化して気化液体燃料を生成する気化手段と、この気化手段で生成された前記気化液体燃料が供給される請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の改質装置と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、液体燃料供給手段から供給される液体燃料を脱硫手段の脱硫剤にて脱硫処理した後、気化手段にて気化して気化液体燃料を生成させる。この生成した気化液体燃料を、効率よく気化液体燃料を改質処理できる請求項１ないし請求項７に記載の改質装置にて改質処理する。
このことにより、液体燃料を原料として、燃料電池用の燃料ガスである水素ガスを効率よく生成できる。
【００１４】
本発明に記載の燃料電池システムは、請求項８に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記燃料電池用燃料ガスの製造装置の改質装置で生成された水素ガスおよび前記酸素含有気体供給手段により供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、請求項８に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置にて液体燃料から効率よく生成された水素ガスと、酸素含有気体供給手段から供給される酸素含有気体とを利用して、燃料電池にて発電する。
このことにより、液体燃料を原料として効率よく発電できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の燃料電池システムに係る一実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態では、灯油を利用する燃料電池システムの構成を例示するが、例えば燃料電池に供給する燃料ガスを製造する製造装置などに適用できる。
図１は、本実施の一形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【００１６】
〔燃料電池システムの構成〕
（全体構成）
図１において、１００は、燃料電池システムで、この燃料電池システム１００は、液体燃料を原料として水素を主成分とする燃料ガスに改質し、燃料電池１７０により発電させるシステムである。
この燃料電池システム１００は、液体燃料供給手段１１０と、脱硫手段１２０と、気化手段１３０と、改質装置１４０と、酸素含有気体供給手段１５０と、加湿器１６０と、燃料電池１７０と、などを備えている。
そして、液体燃料供給手段１１０と、脱硫手段１２０と、気化手段１３０と、改質装置１４０と、により、本発明における液体燃料１１１Ａから燃料電池１７０で発電させる原料となる水素ガスリッチの燃料ガスを製造する装置である燃料電池用燃料ガスの製造装置としての燃料ガス製造装置３００が構成される。
【００１７】
液体燃料供給手段１１０は、液体燃料貯溜タンク１１１と、液体燃料供給経路１１２と、を備えている。
液体燃料貯溜タンク１１１は、例えば灯油などの液体燃料１１１Ａを流出可能に貯溜する。ここで、液体燃料１１１Ａとしては、灯油に限らず、例えば軽油やナフサなど、各種液体燃料が利用できる。
液体燃料供給経路１１２は、液体燃料貯溜タンク１１１に接続され、液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを流通させる。この液体燃料供給経路１１２は、液体燃料供給ポンプとしての液体燃料ポンプ１１２Ａおよび燃料供給バルブ１１２Ｂを有し、一端が液体燃料貯溜タンク１１１に接続され他端が脱硫手段１２０に接続された液体燃料供給管１１２Ｃを備えている。そして、液体燃料供給経路１１２は、液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動により液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを脱硫手段１２０へ流通させる。
なお、液体燃料供給手段１１０としては、液体燃料貯溜タンク１１１を備えた構成に限られるものではなく、例えば、別途設けられた液体燃料貯溜タンク１１１に接続されこの液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを流通させる液体燃料供給経路１１２のみを備えた構成としてもよい。
【００１８】
脱硫手段１２０は、脱硫器１２１と、図示しないバッファタンクと、などを備えている。
脱硫器１２１は、液体燃料貯溜タンク１１１から液体燃料供給経路１１２を介して例えば約３００［ｍｌ／時間］で供給される液体燃料１１１Ａを、液相吸着法により液体燃料１１１Ａ中に含有される硫黄化合物を吸着除去する脱硫処理を実施する。この脱硫器１２１は、図示しない、脱硫剤容器と、脱硫加熱手段と、などを備えている。脱硫剤容器は、内部に脱硫剤が充填された略円筒状に形成され、軸方向の一端に液体燃料供給経路１１２の液体燃料供給管１１２Ｃの他端が接続され液体燃料１１１Ａが流入される図示しない流入口を有し、軸方向の他端にバッファタンクに接続され脱硫剤と接触して流通する液体燃料１１１Ａを流出させる図示しない流出口を有している。そして、脱硫器１２１は、脱硫剤容器の軸方向が略鉛直方向に沿う状態で、かつ流入口が鉛直方向の下方に向けて開口するとともに流出口が鉛直方向の上方に向けて開口する状態に設置される。すなわち、脱硫器１２１は、脱硫剤容器の下部から液体燃料１１１Ａが流入され、鉛直方向の上方に向けて流通しつつ上部から流出させる状態に設置される。脱硫加熱手段は、脱硫剤容器の外面に螺旋状に配設された例えばシーズヒータなどの電気ヒータを備え、脱硫剤容器の外面側から流通する液体燃料１１１Ａを例えば２００℃程度に加熱して脱硫処理を促進させる。なお、脱硫器１２１の外面には、電気ヒータとともに脱硫剤容器の外面を被覆して断熱する断熱材が設けられる。
バッファタンクは、脱硫器１２１で脱硫処理された液体燃料１１１Ａを一時的に貯溜するタンクである。バッファタンクには、貯溜する液体燃料１１１Ａの液量を検出する液量センサが設けられている。この液量センサは、バッファタンクに所定量が貯溜される状態に、液体燃料供給経路１１２の液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動制御のために液量に関する信号を出力する。そして、このバッファタンクの下部には、脱硫燃料バルブ１２４Ａおよび図示しない脱硫燃料ポンプを有した脱硫燃料経路１２４が接続され、貯溜する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを気化手段１３０へ供給可能となっている。また、バッファタンクの上部には、気化した液体燃料１１１Ａを排出、例えば改質装置１４０で燃焼される燃焼ガスとして供給させる図示しない燃焼ガス供給経路が接続されている。
【００１９】
気化手段１３０は、脱硫手段１２０の脱硫燃料経路１２４に接続され、脱硫手段１２０から供給される脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを気化させる。この気化手段１３０は、気化器１３１と、熱交換装置１３２と、給水経路１３３と、などを備えている。
気化器１３１は、脱硫燃料経路１２４に接続され液体燃料１１１Ａが供給されるとともに、熱交換装置１３２に接続され熱交換装置１３２から水蒸気が供給される。そして、気化器１３１は、液体燃料１１１Ａおよび水蒸気を適宜混合して気化させる。この気化器１３１は、供給経路としての気化液体燃料供給経路１３５を介して改質装置１４０に接続され、水蒸気が混合されて気化した液体燃料１１１Ａを改質装置１４０へ供給する。
熱交換装置１３２は、改質装置１４０に接続され、改質装置１４０から排気される排ガスを冷却させるとともに排ガスとの熱交換により水から水蒸気を生成させ、生成した水蒸気を気化器１３１へ供給させる。具体的には、熱交換装置１３２には、純水１３３Ａを貯溜する純水タンク１３３Ｂが搬送ポンプ１３３Ｃおよび搬送バルブ１３３Ｄを有した給水経路１３３を介して接続され、純水タンク１３３Ｂから純水１３３Ａが供給される。さらに、熱交換装置１３２には、改質装置１４０から排出される排ガスが供給される排ガス流出経路１４１Ｂが接続され、純水１３３Ａが改質装置１４０からの排ガスと熱交換されて水蒸気として気化器１３１に供給される。なお、純水タンク１３３Ｂは、蒸留水などの不純物を含まない純水１３３Ａを貯溜し、例えば水道水などが浄化されて適宜給水される構成が設けられていてもよい。
【００２０】
改質装置１４０は、気化手段１３０により水蒸気が混合されて気化された気化液体燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する。この改質装置１４０は、前処理手段１４１と、改質器１４２Ａと、ＣＯ変成器１４２Ｂと、ＣＯ選択酸化器１４２Ｃと、などを備えている。
【００２１】
前処理手段１４１は、気化器１３１に接続された気化液体燃料供給経路１３５に着脱可能に接続され、気化手段で気化された液体燃料１１１Ａである気化液体燃料が供給される。
この前処理手段１４１は、内部に改質器１４２Ａから排気される排ガスが流通される図示しない流通管を備え、この流通管の外面側に気化液体燃料供給経路１３５に連通するとともに改質触媒が充填される図示しない充填室を備えた容器構成に形成されている。そして、前処理手段１４１には、充填室に連通し、改質触媒により供給された気化液体燃料の少なくとも一部を改質処理した気化液体燃料を流出するガス流出経路１４１Ａが着脱可能に接続される。
また、前処理手段１４１には、排ガス流出経路１４１Ｂが着脱可能に接続され、流通管を流通した排ガスは、気化手段１３０の熱交換装置１３２に供給され、純水１３３Ａとの熱交換により冷やされて外気中に排気される。
【００２２】
改質器１４２Ａは、ガス流出経路１４１Ａに接続され、前処理手段１４１で少なくとも一部が改質処理された気化液体燃料が供給され、この供給された気化液体燃料を改質処理する。この改質器１４２Ａは、内部に図示しないニッケル触媒などの改質触媒および加熱手段としてのバーナ１４２Ａ１を備えている。
バーナ１４２Ａ１には、液体燃料貯溜タンク１１１に接続され搬送ポンプ１４４Ａを有し液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを搬送する燃料搬送経路１４４が接続されている。また、バーナ１４２Ａ１には、送気ブロワ１４５Ａおよび送気バルブ１４５Ｂを有した送気経路１４５が接続され、送気ブロワ１４５Ａの駆動により燃焼用空気が供給される。さらに、バーナ１４２Ａ１には、詳細は後述する燃料電池１７０に接続され開閉バルブ１４６Ａを有し燃料電池１７０から排出される燃料ガスを排出する燃料ガス供給経路１４６が接続されている。また、バーナ１４２Ａ１には、燃焼ガス供給経路が接続され、バッファタンクに貯溜する気相の液体燃料１１１Ａが供給される。
そして、バーナ１４２Ａ１は、送気ブロワ１４５Ａから供給される空気により、燃料搬送経路１４４を介して供給された液相の液体燃料１１１Ａや燃焼ガス供給経路を介して供給されたバッファタンク内の気相の液体燃料１１１Ａ、および燃料ガス供給経路１４６を介して供給された燃料ガスを燃焼させ、改質器１４２Ａに供給された気化液体燃料を水素リッチの燃料ガスに水蒸気改質する。
このバーナ１４２Ａ１の燃焼による高温の排ガスは、排ガス供給経路１４７を介してこの排ガス供給経路１４７に着脱可能な前処理手段１４１の流通管に供給される。
【００２３】
ＣＯ変成器１４２Ｂは、改質器１４２Ａから流出する水素リッチの燃料ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を変成する。
ＣＯ選択酸化器１４２Ｃは、酸化ブロワ１４３Ａが接続されて空気が供給される。そして、ＣＯ選択酸化器１４２Ｃは、供給される空気中の酸素により、ＣＯ変成器１４２Ｂで変成されたＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去する。
【００２４】
なお、ＣＯ変成器１４２ＢおよびＣＯ選択酸化器１４２Ｃは、改質器１４２Ａと一体構成としてもよい。すなわち、改質器１４２Ａのバーナ１４２Ａ１が配設される燃焼室と、この燃焼室に隣接し改質触媒が充填される改質器１４２Ａに対応した改質室と、燃焼室に隣接するとともに改質室に連通しＣＯ変成器１４２Ｂに対応した変成室と、燃焼室に隣接するとともに変成室に連通しＣＯ選択酸化器１４２Ｃに対応した選択酸化室とを区画形成する１つの容器にて改質器を構成してもよい。
さらには、改質器１４２Ａと、ＣＯ変成器１４２ＢおよびＣＯ選択酸化器１４２Ｃを一体構成とした処理器と、にて構成するなどしてもよい。その他、これらＣＯ変成器１４２ＢおよびＣＯ選択酸化器１４２Ｃの他、ＣＯを吸着除去するなどの装置を設けるなどしてもよい。
そして、改質器として、一体構成とすることで、バーナ１４２Ａ１の燃焼による改質処理の際の熱を変成および選択酸化にも有効利用でき、効率よく改質できるとともに、改質室の改質触媒の交換作業が比較的に煩雑化する一体構成でも、前処理手段１４１で前処理しているので改質触媒の負荷が低減して改質器における改質触媒の寿命を向上でき、改質器の長期間安定した処理が得られ、保守管理が容易となる。
【００２５】
酸素含有気体供給手段１５０は、酸素含有気体として例えば空気を燃料電池１７０へ供給する。
具体的には、酸素含有気体供給手段１５０は、ブロワ１５１と、一端がブロワ１５１に接続され他端が加湿器１６０に接続された空気供給管１５２と、この空気供給管１５２に設けられた空気バルブ１５３と、を備えている。そして、ブロワ１５１の駆動により、空気供給管１５２を介して空気を加湿器１６０へ供給する。
【００２６】
加湿器１６０は、第１加湿部１６１と、第２加湿部１６２と、を有している。
第１加湿部１６１は、燃料ガスバルブ１６３Ａを有した燃料ガス流通経路１６３を介して改質装置１４０のＣＯ選択酸化器１４２Ｃに接続され、改質装置１４０で改質された水素リッチの燃料ガスを、例えば６０〜７０℃程度に加熱しつつ例えば純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第１加湿部１６１は、加湿した燃料ガスを燃料電池１７０へ供給する。
第２加湿部１６２は、酸素含有気体供給手段１５０の空気供給管１５２が接続され、供給される空気を例えば６０〜７０℃に加熱しつつ純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第２加湿部１６２は、加湿した空気を燃料電池１７０へ供給する。
また、燃料ガス流通経路１６３は、燃料ガスバルブ１６３Ａより上流側の位置で、バイパス経路１６５が接続されている。このバイパス経路１６５は、切替バルブ１６５Ａを有し、燃料ガス供給経路１４６における開閉バルブ１４６Ａより下流側に接続されている。そして、バイパス経路１６５は、燃料ガス流通経路１６３を流通する燃料ガスを、燃料ガス供給経路１４６を介して改質器１４２Ａのバーナ１４２Ａ１へ供給する。
【００２７】
燃料電池１７０は、水素と酸素とを反応させて直流電力を発生させる。この燃料電池１７０は、例えば固体高分子型燃料電池で、正極１７１と、負極１７２と、正極１７１および負極１７２間に配設された図示しない高分子電解質膜と、を備えている。そして、正極１７１側には、加湿器１６０で加湿された空気が供給され、負極１７２側には加湿器１６０で加湿された水素リッチの燃料ガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と空気中の酸素とが反応して水（純水１３３Ａ）が生成されるとともに、正極１７１および負極１７２間に直流電力が発生する。
そして、負極１７２側は、上述したように改質器１４２Ａのバーナ１４２Ａ１に燃料ガス供給経路１４６を介して接続され、余った水素分をバーナ１４２Ａ１の燃料として供給する。また、正極１７１側には、分離器１７５が接続されている。この分離器１７５には、正極１７１側から反応に利用された空気が供給され、気相分の空気と液相分の水（純水１３３Ａ）とに分離する。なお、分離した空気は、外気に排気される。そして、分離器１７５には、純水タンク１３３Ｂが接続され、分離した水（純水１３３Ａ）を純水タンク１３３Ｂへ供給する。
また、燃料電池１７０には、冷却装置１７７が設けられている。この冷却装置１７７は、燃料電池１７０に付設された熱回収装置１７７Ａが設けられている。この熱回収装置１７７Ａには、冷却水循環ポンプ１７８Ａおよび熱交換器１７８Ｂを備えた冷却水循環経路１７８を介して純水タンク１３３Ｂが接続されている。そして、冷却装置１７７は、冷却水循環ポンプ１７８Ａの駆動により、熱回収装置１７７Ａと純水タンク１３３Ｂとの間で冷却水となる純水１３３Ａを冷却水循環経路１７８で循環させ、発電に伴って発熱する燃料電池１７０を冷却させるとともに熱を回収する。熱交換器１７８Ｂは、循環され熱回収装置１７７Ａで熱を回収した純水１３３Ａと、例えば水道水などと熱交換させる。この熱交換により温められた水道水は、例えばお風呂などの他の設備に直接供給されて有効利用される。なお、水道水との熱交換の他、熱交換により得られる熱から発電させるなど、他の設備などに有効利用してもよい。
【００２８】
そして、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御する図示しない制御装置を備えている。
この制御装置は、液体燃料１１１Ａの流量制御、脱硫器１２１の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器１４２Ａのバーナ１４２Ａ１の燃焼制御、熱交換装置１３２で水蒸気を生成させるための純水１３３Ａの供給量制御や温度管理、発電量の管理、起動・停止時のパージ処理などを実施する。
【００２９】
〔燃料電池システムの動作〕
次に、上述した燃料電池システム１００における動作について、図面を参照して説明する。
【００３０】
まず、制御装置は、発電要求に関する信号を取得すると、暖気工程を実施する。なお、発電要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の開始あるいは電力消費の増大などに伴う信号、低下蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
制御装置は、送気経路１４５の送気バルブ１４５Ｂを開状態にするとともに送気ブロワ１４５Ａを駆動させ、改質器１４２Ａのバーナ１４２Ａ１に燃焼用空気を供給させる。さらに、制御装置は、冷却水循環経路１７８の冷却水循環ポンプ１７８Ａを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯溜する純水１３３Ａを、冷却装置１７７、熱交換器１７８Ｂおよび純水タンク１３３Ｂで循環させる。
【００３１】
この暖気工程の後、制御装置は、バーナ１４２Ａ１の温度状態を確認する。そして、制御装置は、バーナ１４２Ａ１がある程度の温度に暖まったことを認識すると、燃料搬送経路１４４の搬送ポンプ１４４Ａを駆動させて液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａをバーナ１４２Ａ１へ供給したり、燃焼ガス供給経路を介してバッファタンクに貯留する気化した液体燃料１１１Ａをバーナ１４２Ａ１へ供給したりするとともに、バーナ１４２Ａ１の図示しない点火器を動作させ、液体燃料１１１Ａを燃焼させて改質器１４２Ａを加熱する。
さらに、制御装置は、バーナ１４２Ａ１の火炎の温度を検知する。そして、制御装置は、バーナ１４２Ａ１の火炎検知温度が所定の温度に達したことを認識すると、改質装置１４０の前処理手段１４１、改質器１４２Ａ、ＣＯ変成器１４２ＢおよびＣＯ選択酸化器１４２Ｃの各温度が所定の温度に達したか否かを検出する。この後、制御装置は、改質装置１４０がそれぞれ所定の温度に達したことを認識すると、改質工程を実施する。
【００３２】
この改質工程では、制御装置は、給水経路１３３の搬送バルブ１３３Ｄを開状態とするとともに、気化手段１３０の給水経路１３３の搬送ポンプ１３３Ｃを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯溜する純水１３３Ａを熱交換装置１３２へ供給する。この純水１３３Ａの供給により、熱交換装置１３２で改質器１４２Ａから排気され前処理手段１４１の加熱に利用された排ガスとの熱交換により水蒸気が生成されて気化器１３１へ供給される。
また、制御装置は、脱硫手段１２０の脱硫燃料経路１２４の脱硫燃料バルブ１２４Ａを開状態とするとともに図示しない脱硫燃料ポンプを駆動させ、脱硫手段１２０のバッファタンクに貯溜する脱硫処理された液体燃料１１１Ａを気化手段１３０の気化器１３１へ供給させる。この気化器１３１への液体燃料１１１Ａの供給により、熱交換装置１３２から気化器１３１へ供給される水蒸気と混合されて気化され気化液体燃料として、気化液体燃料供給経路１３５を介して改質装置１４０の前処理手段１４１へ供給される。さらに、前処理手段１４１で少なくとも一部が改質処理された気化液体燃料は、ガス流出経路１４１Ａを介して改質器１４２Ａへ供給される。
さらに、制御装置は、液体燃料供給経路１１２の燃料供給バルブ１１２Ｂを開状態とするとともに、液量センサからの検出信号に基づいてバッファタンクに貯溜する液体燃料１１１Ａの液量に応じた供給量となる駆動状態に液体燃料ポンプ１１２Ａを駆動させ、液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを脱硫手段１２０の脱硫器１２１へ液体燃料供給管１１２Ｃを介して供給させる。この液体燃料１１１Ａの脱硫器１２１への供給により、液体燃料１１１Ａは、脱硫剤との接触により含有される硫黄化合物が吸着除去され、バッファタンクへ流入される。
さらに、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを開状態とし、気化器１３１から気化液体燃料として供給され改質装置１４０で改質処理されて流出するガスをバイパス経路１６５および燃料ガス供給経路１４６を介して改質器１４２Ａのバーナ１４２Ａ１へ供給する。すなわち、改質装置１４０における気化液体燃料の不安定な改質処理状態で処理された燃料ガスは、改質器１４２Ａの安定加熱のための燃焼に利用される。
【００３３】
この改質工程の後、制御装置は、改質装置１４０における改質処理のための改質器１４２Ａ、ＣＯ変成器１４２ＢおよびＣＯ選択酸化器１４２Ｃの各温度などの条件を確認する。そして、改質処理の条件が満たされたことを認識すると、酸化ブロワ１４３Ａを駆動させてＣＯ選択酸化器１４２Ｃへ空気を供給する。この空気の供給により、ＣＯ変成器１４２Ｂで変成されたＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去させる。
そして、改質処理条件の確認後、改質装置１４０が安定したか否か、例えば安定する時間が経過したか否かを判断する。そして、改質装置１４０の安定時間が経過したことを認識すると、発電工程を実施する。
【００３４】
発電工程では、制御装置は、酸素含有気体供給手段１５０の空気バルブ１５３を開状態とするとともにブロワ１５１を駆動させ、空気を加湿器１６０の第２加湿部１６２へ供給させる。さらに、加湿器１６０の第２加湿部１６２で空気を例えば６０〜７０℃に加熱しつつ純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第２加湿部１６２で加湿した空気を燃料電池１７０の正極１７１へ供給させる。
さらに、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを閉状態とするとともに、燃料ガス流通経路１６３の燃料ガスバルブ１６３Ａを開状態とし、改質装置１４０で改質された水素リッチの燃料ガスを、加湿器１６０の第１加湿部１６１へ供給させる。さらに、加湿器１６０の第１加湿部１６１で燃料ガスを例えば６０〜７０℃に加熱しつつ純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第１加湿部１６１で加湿した燃料ガスを燃料電池１７０の負極１７２へ供給させる。
これら加湿器１６０からの加湿された空気および燃料ガスの供給により、燃料電池１７０では供給された燃料ガスの水素と供給された空気中の酸素とが反応して水（純水１３３Ａ）を生成させるとともに、正極１７１および負極１７２間に直流電力を発生させる。そして、制御装置は、燃料電池１７０で発生する直流電力の電圧を確認し、発生した直流電力を制御装置の図示しないインバータを介して交流電力に変換させ、電力負荷へ供給させる。具体的には、外部からの商用交流電源を供給する状態から燃料電池システム１００から家庭用電力として供給させる状態に切り替える。
このようにして、定常運転処理に移行する。すなわち、バッファタンクに貯溜する液体燃料１１１Ａの貯溜量に応じた液体燃料１１１Ａの流量制御、脱硫器１２１の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器１４２Ａのバーナ１４２Ａ１の燃焼制御、熱交換装置１３２で水蒸気を生成させるための純水１３３Ａの供給量制御や温度管理、発電量の管理など、燃料電池システム１００全体の運転状態を制御する。
【００３５】
〔燃料電池システムの作用効果〕
上述したように、上記実施の形態の燃料電池システム１００では、液体燃料１１１Ａが脱硫手段１２０で脱硫処理され気化手段１３０で気化された気化液体燃料を供給する気化液体燃料供給経路１３５と、この気化液体燃料供給経路１３５から供給される気化液体燃料を改質処理して水素ガスを生成させる改質触媒が充填された改質器１４２Ａと、の間に、気化液体燃料供給経路１３５から供給される気化液体燃料の少なくとも一部を改質処理する改質触媒が充填された前処理手段１４１を着脱可能に設け、この前処理手段１４１で改質処理した気化液体燃料を改質器１４２Ａへ供給させている。
このため、着脱可能に前処理手段１４１を設ける簡単な構成で、前処理手段１４１で気化液体燃料をある程度分解して改質器１４２Ａで改質処理することによる改質器１４２Ａにおける改質処理負荷を低減でき、改質器１４２Ａの改質触媒の寿命を向上できる。したがって、前処理手段１４１のみを取り外して改質触媒を交換することで、例えば改質処理のために加熱するバーナ１４２Ａ１などを備え構成が比較的に複雑で改質触媒の交換が比較的に煩雑となりやすい改質器１４２Ａでも、改質触媒の交換頻度が低減し、効率よく改質処理でき、水素ガスを長期間安定して生成できる構成が容易に得られる。
【００３６】
さらに、気化液体燃料を改質する際に加熱する例えばバーナ１４２Ａ１を改質器１４２Ａに設け、この改質器１４２Ａの加熱により改質器１４２Ａから排気される排ガスの熱により、気化液体燃料供給経路１３５から供給される気化液体燃料を前処理手段１４１で加熱して改質させている。
このため、改質器１４２Ａから排気されるバーナ１４２Ａ１の燃焼による排ガスの熱を有効利用できるとともに、前処理手段１４１に加熱手段を設けることなく改質処理を進行させることができ、効率よく改質処理でき、前処理手段１４１の構成も簡略化でき、前処理手段１４１を着脱可能に設ける構成が容易に得られる。
【００３７】
また、前処理手段１４１から流出する排ガスを気化手段１３０へ供給させる排ガス流出経路１４１Ｂを前処理手段１４１に接続する。
このため、前処理手段１４１における改質処理で利用した排ガスの熱をさらに気化手段１３０における液体燃料の気化、具体的には液体燃料に混合して気化させる水蒸気を生成させるための熱に有効利用でき、より効率よく水素ガスの生成が得られる。
【００３８】
さらに、脱硫処理された液体燃料に混合して気化させる水蒸気を熱交換により生成させる気化手段の熱交換装置１３２に排ガス流出経路１４１Ｂを接続し、前処理手段１４１から流出する排ガスを熱交換装置１３２へ供給して水との熱交換により水蒸気を生成させる。
このため、液体燃料の気化および改質処理としての水蒸気改質のために混合する水蒸気を生成させる気化手段１３０の熱交換装置１３２に、前処理手段１４１からの排ガスを供給して熱の有効利用をしているので、液体燃料から水素ガスを生成させる処理のより効率化が得られる。
【００３９】
また、制御装置にて統括制御、すなわち燃料電池システム１００全体の動作制御をしている。
このため、温度、流量、バルブの開閉タイミング、ポンプの駆動停止タイミングなど、比較的に容易に制御でき、例えばソフトウェアによるプログラム制御などにて不活性ガスのパージおよび循環制御の構築も容易で、特に停止・起動が比較的に頻繁に実施される家庭用のシステムとしても、自動制御も容易にできる。
なお、制御装置としては、複数の回路基板にて構成されるなど、１個体の形態に限らず、複数の制御回路がネットワークとして構築されたものなど、各種形態が適用できる。
【００４０】
〔実施の形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。
【００４１】
すなわち、本発明の燃料電池システムとしては、制御装置で統括して運転制御する構成に限らず、例えば脱硫手段１２０や気化手段１３０、改質装置１４０などの構成毎に制御する構成としてもよい。
また、統括制御としてソフトウェアによる信号制御にてバルブの開閉やポンプあるいはブロワの駆動制御を実施する構成としたり、各構成のハードウェアで制御する構成としたりするなど、制御構成としてはいずれの構成が適用できる。
【００４２】
そして、液体燃料１１１Ａを加熱して脱硫する構成としたが、例えば加熱することなく常温で脱硫処理する構成を適用することもできる。このような構成では、加熱のためのエネルギ消費も削減でき、より効率よく脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを供給できる。
また、液体燃料１１１Ａの気化としては、水蒸気混合のみならず、例えば改質装置１４０からの前処理手段１４１を介して排気される排ガスとの熱交換により直接的に気化させて別途水蒸気を混合したり、エゼクタを用いたりするなど、各種気化装置を用いることができる。
そして、本発明の気化液体燃料を供給する供給経路として、気化液体燃料供給経路１３５を例示したが、例えば液体燃料供給手段１１０からこの気化液体燃料供給経路１３５までの全体構成を供給経路とすることができる。すなわち、気化液体燃料を供給するいずれの構成を対象とすることができる。
さらに、改質装置１４０として、改質器１４２Ａ、ＣＯ変成器１４２ＢおよびＣＯ選択酸化器１４２Ｃの構成で説明したが、上述したように、液体燃料から水素リッチガスを生成させるいずれの構成が適用できる。
また、燃料電池１７０は、固体高分子型に限らず、他の各種構成が適用できる。
【００４３】
そして、燃料電池システム１００の構成を例示したが、燃料電池１７０に供給する燃料ガスを製造する製造装置、さらには液体燃料１１１Ａの製造装置や精製装置、供給装置など、液体燃料１１１Ａを脱硫処理して供給する各種構成に適用できる。
また、脱硫手段１２０として、バッファタンクを備えた構成に限られない。さらには、バッファタンクに燃焼ガス供給経路を接続し、気化した液体燃料１１１Ａをバーナ１４２Ａ１に供給する構成を例示したが、この限りではない。例えば、他の燃焼系へ供給したり、液体燃料貯溜タンク１１１へ返送したり、液化装置で気相分を液化してバッファタンクへ戻したりするなど、各種利用・供給ができる。
さらに、バッファタンクに貯溜する液相の液体燃料１１１Ａの液量を検出する構成としては、液面センサに限らず、上述した各種構成が適用できる。そして、液面位置に応じて供給する流量を制御する制御方法としては、いずれの方法が適用できる。
また、制御装置の制御プログラムとして独立して流通させるなどしてもよい。
【００４４】
その他、本発明の実施における具体的な構造および形状などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、灯油などの液体燃料を原料として発電させる燃料電池システムに利用できる他、燃料電池の原料となる燃料ガスを製造する装置、さらには、気化された液体燃料を改質処理する改質装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４７】
１００………燃料電池システム
１１０………液体燃料供給手段
１２０………脱硫手段
１３０………気化手段
１３２………熱交換装置
１３５………供給経路としての気化液体燃料供給経路
１４０………改質装置
１４１………前処理手段
１４１Ｂ……排ガス流出経路
１４２Ａ……改質器
１４２Ａ１…加熱手段としてのバーナ
１５０………酸素含有気体供給手段
１７０………燃料電池
３００………燃料電池用燃料ガスの製造装置としての燃料ガス製造装置
【図１】
2007332002.tif 000003