(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜の一方の側に燃料ガス、他方の側に酸素含有ガス、をそれぞれ流通させて、該固体電解質膜の燃料側にて改質ガスを発生させる、固体電解質型改質器と、
前記改質ガスの一部を燃焼させて高温ガスを発生させる、燃焼器と、
前記燃焼器で発生した高温ガスから、前記固体電解質型改質器に導入前の燃料ガスへ熱移動させる、燃料高温熱交換器と、
前記固体電解質型改質器より排出される高温の酸素含有ガスから、前記改質器に導入前の酸素含有ガスへ熱移動させる、空気高温熱交換器と、
前記固体電解質型改質器から発生した改質ガスの一部を前記燃焼器へ送り、他の改質ガスを外部から導入する燃料ガスと共に流通させて、再び固体電解質型改質器に供給させる、燃料改質ガス循環ラインと、
を含むことを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
さらに加えて、前記固体電解質型改質器から排出される改質ガスから、前記燃料高温熱交換器の前流の燃料ガスへ熱移動させる、燃料再生熱交換器を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料改質システム。
【請求項３】
さらに加えて、前記燃料高温熱交換器から排出される高温ガスから、前記空気高温熱交換器の前流の空気含有ガスへ熱移動させる、空気低温熱交換器を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
さらに加えて、前記燃料改質ガス循環ラインから改質ガスを取り出す前段に、改質ガス中の水分を凝縮除去する、凝縮器を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記燃料改質ガス循環ラインに燃料再循環エジェクタを設けて、前記固体電解質型改質器直後にて発生した改質ガスの一部を、前記燃料高温熱交換器に送ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記酸素含有ガスの供給ラインに空気再循環エジェクタを設けて、前記固体電解質型改質器より排出された直後の酸素含有ガスの一部を、再び固体電解質型改質器に送ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項７】
前記燃焼器の後流にて高温ガスから、外部から導入する水へ熱移動する、排熱蒸気発生器を設け、発生した蒸気を燃料ガスと共に前記燃料改質ガス循環ラインに供給することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項８】
燃料ガスを水素含有ガスに改質してから燃料電池本体に供給する燃料電池システムであって、
請求項１〜７のいずれかに記載の燃料改質システムを用いて、燃料ガスを改質して水素含有ガスとした後、固体高分子膜型燃料電池本体の水素ガス供給部より該水素含有ガスを導入して発電を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質膜を用いた燃料改質システムに関し、特に、燃料電池システムの前段の改質システムとして好適に用いられ、メタン等の燃料から高効率に水素を製造するとともに、同時に発電することが可能な燃料改質システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおいては、燃料電池本体へ送る主要燃料である水素をどのような方法によって供給するかは、重要な問題である。燃料電池システムの原料として、水素ガスをそのまま用いることは、システムの運転上コストが膨大にかかってしまうので現実的でなく、炭化水素から改質ガスを製造して用いる方式が実用的である。
そして現在は、メタンやメタノール等を原料として、改質器によって水素を製造・供給する方法が最も有望である。これまで知られている改質用の化学反応装置の具体例を、図６に示す。
【０００３】
燃料から水素を製造するには、図６（ａ）のように部分酸化方式によって改質を行う方法がある。この方法では、メタンと空気を改質触媒２１に流通させて燃焼させることによって、部分酸化反応を進行させて、水素Ｈ2と一酸化炭素ＣＯを得る。しかしながら、この方法では、空気中の窒素Ｎ2も触媒上を流通することになり、そのまま後流に流れるので、改質ガス中には主に窒素ガスが含まれることとなる。よって、この方法では改質効率が悪化してしまう一方、製造された改質ガスの水素含有率は通常３４〜３９％程度と低いので、燃料電池の燃料ガスとして好ましいものとは言えない。
【０００４】
また、図６（ｂ）のように水蒸気改質法によって改質を行う方法がある。この方法では、メタンと水を、Ｎｉ等の改質触媒２１に流通させて高温で燃焼させることによって、水蒸気改質反応を進行させて、水素と一酸化炭素を得る。
しかしながら、この改質法を行うには燃料を約１０００℃付近にまで高温にする必要があり、温度制御などに伴って装置が大型化してしまうとともに、触媒および耐蝕金属が必要になるという問題点があった。また、製造された改質ガスの水素含有率は通常５０〜６０％程度であり、燃料電池の燃料ガスとして未だ十分なレベルではない。さらに、熱ヒーター等を用いて燃料を高温にするシステムでは、運転費が嵩み現実的ではなく、システム中で発生する熱エネルギーの有効利用が難しく、効率的な方法ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記問題点に鑑み、水蒸気改質法や部分酸化法における改質触媒装置に比べて、改質システムのエネルギーロスが少なく、燃料電池の燃料となる高濃度の改質ガスを生成すると同時に、発電効率を向上することができる燃料改質方法を開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、固体電解質膜を有する改質器を用いるとともに、システム中で発生する熱エネルギーを効果的に利用して、導入する燃料ガスを高温にするシステムによって、上記問題点が解決されることを見い出した。本発明では、改質器によって生成した改質ガスの一部を、燃料の温度上昇のための燃焼用に利用することによって、発生する熱エネルギーを有効に利用して、極めて効率的かつ連続的に改質ガスを生成できる。また、本システムを用いて燃料改質を行えば、水素と酸素を電池本体に供給して電気を取り出す燃料電池システムにおいて、その前段部で発電も行えるので、発電効率を大きく向上させることができる。本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、固体電解質膜の一方の側に燃料ガス、他方の側に酸素含有ガス、をそれぞれ流通させて、固体電解質膜の燃料側にて改質ガスを発生させる、固体電解質型改質器と、改質ガスの一部を燃焼させて高温ガスを発生させる、燃焼器と、燃焼器で発生した高温ガスから、固体電解質型改質器に導入前の燃料ガスへ熱移動させる、燃料高温熱交換器と、固体電解質型改質器より排出される高温の酸素含有ガスから、改質器に導入前の酸素含有ガスへ熱移動させる、空気高温熱交換器と、固体電解質型改質器から発生した改質ガスの一部を燃焼器へ送り、他の改質ガスを外部から導入する燃料ガスと共に流通させて、再び固体電解質型改質器に供給させる、燃料改質ガス循環ラインと、を含むことを特徴とする燃料改質システムを提供するものである。
燃焼器においては、改質ガスの一部を導入するとともに、酸素含有ガスを導入して燃料させる。この際、空気高温熱交換器により冷却された改質器から排出された酸素含有ガスを用いることが、システム全体の効率の上からは好ましい。
【０００７】
ここで改質ガスを水素含有製品として得る場合には、上記システム内にさらに加えて、燃料高温熱交換器の前段にて、固体電解質型改質器から排出される改質ガスから燃料ガスへ熱エネルギーを移動する、燃料再生熱交換器を含むことが好ましい。これによって、燃料改質ガス循環ラインから改質ガスを製品として取り出す場合、取り出される改質ガスの温度は十分に冷却することが可能であり、また、その際の熱エネルギーを燃料ガスを新たに加えて温度低下した燃料改質ガスの温度上昇に利用できる。なお、高温の改質ガスをそのまま利用する場合、例えば燃料電池システムと接続して上記燃料改質システムを用いる際には、このような燃料再生熱交換器をシステム内に組み込む必要はなく、高温の改質ガスをそのまま後段の燃料電池本体に流下させるのがよい。
本発明では、上記システムにさらに加えて、燃料高温熱交換器から排出される高温ガスから、空気高温熱交換器にて高温になる前流の空気含有ガスへ熱移動させる、空気低温熱交換器を含むことができる。また、同様にさらに加えて、燃料改質ガス循環ラインから改質ガスを取り出す前段に、改質ガス中の水分を凝縮除去する、凝縮器を含むことができる。
【０００８】
また、本発明は、燃料ガスを水素含有ガスに改質してから燃料電池本体に供給する燃料電池システムであって、上記いずれかの燃料改質システムを用いて、燃料ガスを改質して水素含有ガスとした後、固体高分子膜型燃料電池本体の水素ガス供給部より該水素含有ガスを導入して発電を行うことを特徴とする燃料電池システムをも提供するものである。
上記固体電解質型改質器では、燃料ガスの改質に伴い発電を行うことが可能であるため、燃料電池本体での発電による電力とは別に、改質段階で発電することができる。よって、燃料電池本体の前段に、上記燃料改質システムを設けることにより、燃料電池本体での発電と合わせた２段階の発電が可能であり、燃料電池システム全体としての発電効率を著しく向上させることができる。
【０００９】
このように本発明のシステムによれば、水素を含有する改質ガスとして燃料電池の燃料ガスを製造可能であり、かつ、電気も発電できる。
対象とする燃料としては、メタン、プロパン、ブタン等の炭化水素、あるいは、メタノール、エタノール等のアルコール、などを含むガスが好適に挙げられる。これらを固体電解質型改質器で改質して、燃料電池本体の発電原料となる水素ガスを生成する。
【００１０】
本発明では、図５に示すように、固体電解質隔膜２０を用いて、一方の側にメタン等の燃料ガスを流通させ、他方の側に空気等の酸素含有ガスを流通させることにより、燃料ガスと酸素が反応して水素ガスを得る。
すなわち本発明の固体電解質改質器１内には、固体電解質隔膜２０が備えられており、この膜２０はイオンが移動しやすいような導電性が必要である。
固体電解質膜２０としては、例えばイットリアを３〜１０モル％添加して結晶を安定化したジルコニア膜が挙げられる。その特徴は、酸素イオン(Ｏ2-)のみを透過させることである。つまり、導入される空気は約８０％の窒素および約２０％の酸素からなっているが、図５に示すように、窒素については膜２０を全く透過せずに、酸素だけイオンとなって透過する。透過する酸素の割合は固定電解質膜２０の導電性で決定され、運転中はその膜の有効面積と温度条件によって決定される。温度が低下すると、酸素イオンの透過速度が減少してしまうので好ましくなく、通常約８００℃以上１３００℃以下、好ましくは約９００〜１１００℃の範囲であることがよい。その透過した活性化状態にある酸素が、燃料側から供給されたメタンＣＨ4等の燃料と反応して、目的とする水素Ｈ2が生成する。得られる燃料側の改質ガス中の水素量は通常６０％以上であり、約６６％程度の高濃度の水素含有ガスが得られる。
【００１１】
酸素含有ガスとして空気を用いる場合には、窒素ガスが大部分であるため、電解質膜２０を用いずに反応させてしまうと、窒素ガスが主成分となる改質ガスしか製造できない。そこで本発明では、固体電解質型改質器１内において電解質膜２０を用いることによって、メタン等を流通させる燃料側に、選択的に酸素のみを透過させる。そして、膜２０の燃料側にて、膜を透過してきた酸素と燃料とを燃焼反応させることによって、窒素ガスが含まれない水素リッチな改質ガスを得ることができる。
【００１２】
また、燃料であるメタンＣＨ4と酸素Ｏ2との燃焼反応には、以下のように部分酸化反応（不完全燃焼反応）と完全燃焼反応が併存する。
２ＣＨ4＋Ｏ2→２ＣＯ＋４Ｈ2（部分酸化反応）
ＣＨ4＋２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ〔２ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→２ＣＯ＋６Ｈ2〕（完全燃焼反応）
本発明では固体電解質膜２０を用いるので、上記したように透過する酸素量は限られており、この限られた酸素量から出来るだけ多量の水素ガスを発生させる反応が好ましい。例えば、限られた酸素量に合わせてメタンの量を減少させると、完全燃焼反応が生じるが、同じ水素量を得るのに部分酸化反応に比べて多量の酸素が必要となるので好ましくない。よって、透過する酸素量に合わせて、メタンの流量を常に多めに制御することによって、選択的に部分酸化反応が進行するようにする。
【００１３】
このようなことから固体電解質改質器１内では、膜２０の一方の側が燃料側となり、他方の側が空気（酸素含有ガス）側となるが、空気側では反応は起こらず、空気中の酸素分が一定割合、燃料側へ透過する作用を有するのみである。通常、改質器１中における電解質膜２０の両側には電極が接続されており、酸素が乖離して酸素イオンとなって透過する。この燃料側に透過した酸素イオンは、酸素分子に戻った活性状態の酸素分子として燃料と反応する。
それと同時に、固体電解質膜２０内ではイオンの移動が生じているので、外部を線で導通させてあることによって、発電を行うことができる。電流制御を行う場合には、透過する酸素イオンの量を増減させることによって行う。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面等を参考にしながら、実施の形態に基づいて詳細に説明する。
実施の形態（その１）
図１に、本実施の形態に係る電解質膜を有する固体電解質型改質器を備えた燃料改質システムの構成の一例を示す。ここでは先ず、燃料改質ガス循環ラインへの燃料導入段階から説明する。
都市ガス１３Ａ等の燃料は、通常室温にてシステムラインに導入されると、燃料再循環用ファン６に送られてから、燃料再生熱交換器４に送られて温度上昇する。そこから更に、図中の※１から燃料高温熱交換器７に送られて約９００〜１２００℃程度に温度上昇する。この高温になった燃料が、図１中の※２から固体電解質型改質器１に導入される。低温の燃料を固体電解質改質器１に導入すると、改質器１は動作しなくなるため、このように２段階の熱交換器を介すことによって高温にして流通させる方式が有効である。本発明では、システム中で発生する熱エネルギーを効果的に利用して、固体電解質膜を有する改質器１に導入される燃料ガス（メタン等）を高温（約１０００℃）にする。
【００１５】
固体電解質改質器１によって発生した水素および一酸化炭素を含有する改質ガスは、その一部が後流に設けられた燃焼器２に投入され、その他の改質ガスは、燃料再生熱交換器４に送られる。ここで燃焼器２に送られる改質ガスの割合は特に限定されず、燃焼に必要な分だけのガス量であればよいが、例えば発生した改質ガスの通常１〜１０容量％好ましくは４〜８容量％である。
燃料再生熱交換器４における熱交換によって冷却されたガスは、さらに後流の凝縮器５によって水分除去される。このように冷却された水素を含有する改質ガスの一部が、製品としてラインから取り出される。その他の改質ガスは、再び燃料改質ガス循環ラインに流されて、新たに投入された燃料とともに、燃料再循環用エジェクタ駆動ファン６に送られる。これは固体電解質型改質器１では、電解質膜２０を透過した酸素と反応する燃料の量に一定の限界があるので、一旦改質器１を流通したガスについても、再度流通させることにより、一定以上の割合で改質が行われた高濃度の水素含有ガスとして取り出すためである。
ここで、システムを流通するガスラインから生成品として取り出される改質ガスの割合は、燃料の種類や運転条件等によって任意に定められるものであり特に限定されるものではない。具体的には、メタン燃料で連続運転を行う場合、取り出される改質ガスの割合は流通する改質ガスの通常５〜３０容量％程度である。
【００１６】
次に、燃料改質ガス循環ラインから分岐して、燃焼器２へ導入される改質ガスについて説明する。
固体電解質改質器１によって発生した改質ガスの一部は、後流に設けられた燃焼器２に投入して燃焼されて、この燃焼器２で生じる熱エネルギーがシステム全体の熱源として利用される。燃焼器２に投入される改質ガスの一部は、空気側の排気されたガスと共に燃焼して高温になった後、燃料高温熱交換器７に送られて燃料ガスを温度上昇するために利用される。よって、燃焼器２に送られる改質ガスの割合は、改質器１から生成したガスの通常１〜１０容量％程度、好ましくは４〜８容量％程度である。燃焼器２から排出されるガスは、さらに空気低温熱交換器８に送られて、常温の空気を温度上昇するために利用されてから、排気設備９から大気中に放出される。
【００１７】
次に、固体電解質型改質器１に送られる空気等の酸素含有ガスの供給について説明する。
本実施の形態では上記燃料ガスと同様に、固体電解質膜２０を有する改質器１へ、通常約８００℃以上１３００℃以下、好ましくは９００〜１１００℃の高温にした空気を導入する。そのため、システム中で発生する熱エネルギーを効果的に利用して、固体電解質膜を有する改質器１に導入される空気へ熱移動させる。具体的には、空気ファン１０からシステム中の空気ラインに導入された空気は、空気低温熱交換器８にて廃熱を利用して温められる。次いで、空気高温熱交換器３へ導入されて、約８００℃以上１３００℃以下の高温ガスとした後、改質器１に導入される。改質器１において、膜を酸素分の一部、例えば０．０１〜５０容量％が透過して改質反応に用いられ、窒素分の全部と残りの酸素分とが改質器１から排気される。これらは、空気高温熱交換器３にて冷却された後、燃焼器２に導入される。
【００１８】
なお、上述したように本発明の改質システムでは、部分酸化反応を起こさせることが好ましいが、燃料ガスの流量調整や装置内の温度等との関係によって、水が生成すると燃料改質ガス循環ラインに流通して、改質器１では、生成した水がメタンと反応して水蒸気改質反応が生じる。
ＣＨ4＋３Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2＋２Ｈ2Ｏ
このような反応が併発することは、製品として取り出される改質ガスの水素含有量を不安低下させる要因になるとともに、効率的な改質ができないこととなるので好ましくない。このため、必要に応じて本実施の形態のように、燃料改質ガス循環ラインから改質ガスを取り出す前段に、改質ガス中の水分を凝縮除去する、凝縮器５を備えることが好ましい。
【００１９】
また、固体電解質型改質器１としては固体電解質膜２０を１以上有する装置であれば、種々の形態の装置を用いることができ、特に限定されるものではないが、例えば平板を積層したもの、あるいは円筒状のもの、など燃料電池の分野で一般的な装置を使用することができる。このような改質器１においては、膜上あるいは膜近傍での改質反応によって水素を製造するとともに、空気側から酸素のみを選択的に透過させる。さらに、改質器１においても発電効率を向上させるために、２枚以上の固体電解質膜２０を積層させた構造、あるいは、固体電解質膜２０を並列に連結させた構造、等によって一定以上の電力を得るようにした態様も可能である。
【００２０】
実施の形態（その２）
図２に、本実施の形態に係る燃料改質システムの構成の他の一例を示す。
本実施の形態では、燃料改質ガス循環ラインに燃料再循環エジェクタ１１を設けて、固体電解質型改質器１にて発生した直後の改質ガスの一部を、燃料高温熱交換器７に送る。本形態は、燃料再循環エジェクタ１１を用いて、改質ガスを高温ガスの状態のまま循環させることにより、改質反応を促進する態様である。これによって、固体電解質型改質器１が一層高温状態を維持し易くなり、改質反応が進行しやすくなる。
【００２１】
実施の形態（その３）
図３に、本実施の形態に係る燃料改質システムの構成の他の一例を示す。
本実施の形態では、酸素含有ガスの供給ラインに空気再循環エジェクタ１２を設けて、固体電解質型改質器１より排出された直後の酸素含有ガスの一部を、再び固体電解質型改質器１に送る。本形態では、上記燃料再循環エジェクタ１１に加えて、さらに空気も高温ガスとして再循環させることにより、熱損失を低減するとともに、酸素の利用効率を高めたものである。
【００２２】
実施の形態（その４）
図４に、本実施の形態に係る燃料改質システムの構成の他の一例を示す。実施の形態（その３）のシステムに加えて、排ガス系統に排熱蒸気発生器１３を追加し、発生蒸気を燃料循環系に添加して改質効率を増加させた態様である。
本実施の形態では、燃焼器２の後流にて高温ガスから、外部から導入する水へ熱移動する、排熱蒸気発生器１３を設け、発生した蒸気を燃料ガスと共に燃料改質ガス循環ラインに供給する。蒸気の循環ラインへの投入時期は特に限定されないが、燃料再生熱交換器４の前段にて燃料ガスと混合して、共に２段の熱交換器にて温度上昇させる態様が好適である。
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び変更を加え得るものである。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、改質触媒に燃料を流通させる水蒸気改質法や部分酸化法に比べて、本発明の固体電解質膜を用いる方法によれば、生成する改質ガスの水素濃度を高く維持することができる。
水蒸気改質法を用いた改質装置等に比べて、装置をコンパクトにできる。
さらに、燃料電池システムの一部として用いた場合には、本改質システムからも電気を取り出して発電することができるので、同量の燃料ガスを用いた際の発電効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態（その１）に係るシステムの概略構成を示した図である。
【図２】  実施の形態（その２）に係るシステムの概略構成を示した図である。
【図３】  実施の形態（その３）に係るシステムの概略構成を示した図である。
【図４】  実施の形態（その４）に係るシステムの概略構成を示した図である。
【図５】  固体電解質膜を用いた場合の水素発生の原理を模式的に示した図である。
【図６】  改質触媒を用いた改質反応を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１  固体電解質型改質器
２  燃焼器
３  空気高温熱交換器
４  燃料再生熱交換器
５  凝縮器
６  燃料再循環用ファン
７  燃料高温熱交換器
８  空気低温熱交換器
９  煙突
１０  空気ファン
１１  燃料再循環エジェクタ
１２  空気再循環エジェクタ
１３  排熱蒸気発生器
２０  固体電解質膜
２１  改質触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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