(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改質原料を供給する改質原料供給装置であって、
脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料を、前記改質原料として前記改質器に供給する液体燃料供給系と、
前記改質器の改質触媒を加熱する加熱器から受熱した後、前記脱硫器の脱硫触媒に給熱した水を、前記改質原料として前記改質器に供給する水供給系と、を備え、
前記水供給系には、前記脱硫触媒を加熱する水の圧力を上昇させて、前記脱硫触媒を加熱する水を液相状態に保つ昇圧器が設けられていることを特徴とする改質原料供給装置。
【請求項２】
前記昇圧器は、前記脱硫器の下流側且つ前記改質器の上流側に位置し、当該昇圧器の上流側の水の圧力を上昇させることを特徴とする請求項１記載の改質原料供給装置。
【請求項３】
前記脱硫器には、前記脱硫触媒を加熱する電気ヒータが設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の改質原料供給装置。
【請求項４】
前記加熱器は、前記液体燃料を用いて燃焼するバーナであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の改質原料供給装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項記載の改質原料供給装置と、
前記改質原料供給装置によって供給された液体燃料及び水を改質原料として用いて、水素を含有する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改質原料を供給する改質原料供給装置、及びそのような改質原料供給装置を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野における従来の改質原料供給装置として、脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料を改質器に供給する液体燃料供給系と、水を改質器に供給する水供給系と、脱硫器の脱硫触媒を加熱するために、水を気化させて水蒸気を循環させる水蒸気循環系と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３２３２８５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、上述したような改質原料供給装置には、脱硫器の脱硫触媒を加熱するために、水供給系とは別系統の水蒸気循環系や、水を気化させるバーナが必要になるなど、構造が複雑化し、脱硫触媒の加熱効率が低下するという問題がある。
【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、脱硫器の脱硫触媒を簡便な構成で効率良く加熱することができる改質原料供給装置、及びそのような改質原料供給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供給装置は、水素を含有する改質ガスを生成する改質器に改質原料を供給する改質原料供給装置であって、脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料を、改質原料として改質器に供給する液体燃料供給系と、改質器の改質触媒を加熱する加熱器から受熱した後、脱硫器の脱硫触媒に給熱した水を、改質原料として改質器に供給する水供給系と、を備え、水供給系には、脱硫触媒を加熱する水の圧力を上昇させて、前記脱硫触媒を加熱する水を液相状態に保つ昇圧器が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この改質原料供給装置では、改質原料として改質器に供給される水が、改質器の改質触媒を加熱する加熱器から受熱した後、脱硫器の脱硫触媒に給熱する。つまり、改質原料として改質器に供給される水が加熱器から熱を奪ってその熱を脱硫触媒に与える。これにより、脱硫器の脱硫触媒を簡便な構成で効率良く加熱することが可能となる。更に、脱硫触媒を加熱する水を液相状態に保つことができる。そのため、水蒸気の場合に比べ、水から脱硫触媒への伝熱効率を高い状態に維持することが可能となる。また、水から脱硫触媒に伝えるべき熱が気化熱として散逸するのを防止することが可能となる。なお、硫黄分とは、硫黄や硫黄化合物を含む意味であり、水とは、液相状態の水や気相状態の水（水蒸気）を含む意味である。
【０００８】
本発明に係る改質原料供給装置においては、脱硫器には、脱硫触媒を加熱する電気ヒータが設けられていることが好ましい。この場合、電気ヒータを補助熱源として用いて、脱硫触媒を所定の温度に確実に加熱することができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記改質原料供給装置と、改質原料供給装置によって供給された液体燃料及び水を改質原料として用いて、水素を含有する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。
【００１０】
この燃料電池システムによれば、上記改質原料供給装置を備えているため、脱硫器の脱硫触媒を簡便な構成で効率良く加熱することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る改質原料供給装置及び燃料電池システムにおいては、改質器の改質触媒を加熱する加熱器は、液体燃料を用いて燃焼するバーナであることが好ましい。この場合、改質触媒を加熱する加熱器を簡単に構成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、脱硫器の脱硫触媒を簡便な構成で効率良く加熱することができる。
【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。
【００１４】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一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、水素を含有する改質ガスを生成する水素製造装置２と、液体燃料及び水を改質原料として水素製造装置２に供給する改質原料供給装置３と、水素製造装置２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４と、を備えている。燃料電池システム１は、例えば、家庭用の電力供給源として利用されるものであり、容易に入手することができ且つ独立して貯蔵することができるという観点から、液体燃料として灯油が用いられている。
【００１５】
水素製造装置２は、液体燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器５と、改質器５の改質触媒を加熱するバーナ（加熱器）６と、改質器５から流出する改質ガス中の一酸化炭素を除去する変成器７及び選択酸化器８と、を有している。変成器７及び選択酸化器８によってＣＯ除去部９が構成されている。なお、水素製造装置２を通過した水は、水回収ユニット１１によって、改質ガスから分離され、更に、液体燃料等の油分が除去されて回収される。
【００１６】
改質器５には、水蒸気改質反応を促進する改質触媒が収容されている。バーナ６は、改質器５の改質触媒を加熱することで、触媒反応を効果的に発揮させるために必要な熱を改質触媒に供給する。改質器５には、改質原料供給装置３によって液体燃料及び水蒸気（水）が導入される。改質器５では、液体燃料が気化して原料ガスとなり、改質触媒によって、原料ガスと水蒸気（水）との水蒸気改質反応が促進されて、水素リッチな改質ガスが生成される。
【００１７】
ＣＯ除去部９においては、変成器７が上流側に配置されており、選択酸化器８が下流側に配置されている。変成器７は、改質器５で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度を低減するために、一酸化炭素を水と反応させて、水性シフト反応により水素及び二酸化炭素に転換する。選択酸化器８は、変成器７で処理された改質ガスの一酸化炭素濃度を更に低減させるために、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化して二酸化炭素に転換する。
【００１８】
燃料電池スタック４は、複数の電池セルが積み重ねられて構成された固体高分子形燃料電池スタックであり、水素製造装置２で得られた改質ガスを用いて発電を行い、ＤＣ電流を出力する。各電池セルは、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に配置された電解質である高分子のイオン交換膜と、を有している。各電池セルにおいては、アノードに改質ガスが導入されると共にカソードに空気が導入されて、電気化学的な発電反応が行われる。なお、燃料電池スタック４から出力されたＤＣ電流は、インバータ１２によってＡＣ電流に変換される。
【００１９】
改質原料供給装置３は、改質原料として液体燃料を改質器５に供給する液体燃料供給系２０と、改質原料として水を改質器５に供給する水供給系３０と、を備えている。液体燃料供給系２０は、液体燃料を貯留する液体燃料タンク２１と、液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器２２と、を有している。水供給系３０は、水を貯留する水タンク３１と、バーナ６を冷却する冷却ジャケット３２と、脱硫器２２の脱硫触媒２３を加熱する加熱ジャケット３３と、を有している。
【００２０】
液体燃料供給系２０においては、液体燃料タンク２１に貯留された液体燃料は、液体燃料供給ライン２４を介して、例えば１１０℃〜１４０℃に加熱された脱硫器２２の脱硫触媒２３中に導入される。液体燃料供給ライン２４には、液体燃料を圧送するためのポンプ２５が設けられている。脱硫器２２によって硫黄分が除去された液体燃料は、液体燃料供給ライン２６のメインライン２６ａを介して改質器５の改質触媒中に導入される。脱硫器２２には、脱硫触媒２３を加熱する電気ヒータ２７が設けられている。なお、液体燃料供給ライン２６のサブライン２６ｂはバーナ６に接続されており、バーナ６は、空気、及びサブライン２６ｂを介して導入された液体燃料を用いて燃焼する。
【００２１】
水供給系３０においては、水タンク３１に貯留された水は、水供給ライン３４を介して冷却ジャケット３２内に導入される。水供給ライン３４には、水を圧送するためのポンプ３５が設けられている。冷却ジャケット３２内に導入されてバーナ６から熱交換により受熱した水は、水供給ライン３６を介して加熱ジャケット３３内に導入される。加熱ジャケット３３内に導入されて脱硫器２２の脱硫触媒２３に熱交換により給熱した水は、水供給ライン３７を介して改質器５の改質触媒中に導入される。水供給ライン３７には、加熱ジャケット３３内の水の圧力を上昇させるオリフィス（昇圧器）３８が設けられている。なお、水タンク３１には、プロセス水、及び水回収ユニット１１から導入された水が貯留される。
【００２２】
以上のように構成された燃料電池システム１の改質原料供給装置３においては、改質原料として改質器５に供給される水が、改質器５の改質触媒を加熱するバーナ６から冷却ジャケット３２で受熱した後、脱硫器２２の脱硫触媒２３に加熱ジャケット３３で給熱する。つまり、改質原料として改質器５に供給される水がバーナ６から熱を奪ってその熱を脱硫触媒２３に与える。これにより、脱硫器２２の脱硫触媒２３を簡便な構成で効率良く加熱することが可能となる。
【００２３】
また、水供給系３０に、加熱ジャケット３３内の水の圧力を上昇させるオリフィス３８が設けられていることで、脱硫器２２の脱硫触媒２３を加熱する水を液相状態に保つことができる。そのため、水蒸気の場合に比べ、水から脱硫触媒２３への伝熱効率を高い状態に維持することが可能となる。また、水から脱硫触媒２３に伝えるべき熱が気化熱として散逸するのを防止することが可能となる。
【００２４】
また、脱硫器２２に、脱硫触媒２３を加熱する電気ヒータ２７が設けられているため、電気ヒータ２７を補助熱源として用いて、加熱ジャケット３３と伴に脱硫触媒２３を例えば１１０℃〜１４０℃に確実に加熱することができる。
【００２５】
更に、円筒状の加熱ジャケット３３の上部に対する水供給ライン３６の接続口、及び円柱状の脱硫器２２の下部に対する液体燃料供給ライン２６の接続口は、中心線ＣＬを基準として、加熱ジャケット３３の下部に対する水供給ライン３７の接続口、及び脱硫器２２の上部に対する液体燃料供給ライン２４の接続口の反対側に配置されている。これにより、加熱ジャケット３３内の水から脱硫器２２の脱硫触媒２３への伝熱効率を向上させることができる。
【００２６】
表１に、比較例１及び実施例１〜３の補機効率を示す。加熱ジャケット３３を有する実施例１〜３の補機効率は、加熱ジャケット３３を有しない比較例１の補機効率よりも高くなった。そして、実施例１〜３においては、電気ヒータ２７を有し、更にはオリフィス３８を有する場合に補機効率が高くなった。なお、脱硫触媒２３の温度は１１５℃とした。
【表１】
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【００２７】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
例えば、燃料電池スタック４は、固体高分子形燃料電池スタックに限定されず、固体酸化物形燃料電池スタック等であってもよい。
【００２９】
また、改質器５は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質や自己熱改質するものであってもよい。改質器５による改質方法は、灯油の他、ガソリン、ナフサ、軽油、メタノール、エタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、バイオマスを利用したバイオ燃料等、液体燃料の特性に応じものとされる。
【００３０】
また、加熱ジャケット３３内の水の圧力を上昇させる昇圧器は、オリフィス３８に限定されず、絞り弁等であってもよい。
【００３１】
また、改質器５の改質触媒を加熱する加熱器は、バーナ６に限定されず、電気ヒータや燃料電池スタック４らの排熱（例えばオフガス）を利用したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…燃料電池システム、２…水素製造装置、３…改質原料供給装置、４…燃料電池スタック、５…改質器、６…バーナ（加熱器）、２０…液体燃料供給系、２２…脱硫器、２３…脱硫触媒、２７…電気ヒータ、３０…水供給系、３８…オリフィス（昇圧器）。
【図１】
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