(57)【要約】【課題】液体燃料気化の技術において、加熱用電力などの投入エネルギーを削減し、気化器の構成を単純化すること。【解決手段】脱硫器の昇温開始と同時に、脱硫済み灯油タンク１に設けた電気ヒータなどの加熱機構２を作動させ、温度センサ４の出力値をもとに加熱出力を調整することにより、タンク内の温度を７０℃から８０℃程度に加熱する。タンク内の温度が設定温度に到達すると、制御バルブ７ａ、７ｂを開とし、空気ブロワＢを起動して、タンク１内に空気を流す。この空気は灯油蒸気と混合して、３０℃程度の温度となり、灯油の低沸点成分と混合して、燃焼器Ｎへ流れる。このように流れてきた低沸点成分のみの灯油蒸気と空気の混合気に、図示しない点火プラグで着火する。【選択図】図１
2009140686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池システムの改質器に用いる、液体燃料気化器であって、灯油タンクに、少なくとも、
その灯油タンクを加熱する加熱手段と、
その灯油タンクの温度を測定する温度測定手段と、
その灯油タンクに空気を導入する空気導入配管と、
その灯油タンクから灯油を排出する灯油排出配管と、
その灯油タンクから灯油蒸気と前記空気の混合物を排出する配管と、
を有することを特徴とする液体燃料気化器。
【請求項２】
請求項１に記載の液体燃料気化器を用いる液体燃料気化システムにおいて、
灯油タンクへの前記導入に係る前記空気を遮断する弁を前記空気導入配管に設けたことを特徴とする液体燃料気化システム。
【請求項３】
請求項１に記載の液体燃料気化器を用いる液体燃料気化システムにおいて、
前記空気導入配管に逆流防止弁を設けたことを特徴とする液体燃料気化システム。
【請求項４】
請求項１に記載の液体燃料気化器と、燃焼器と、を用いる液体燃料気化システムにおいて、
前記液体燃料気化器と前記燃焼器との接続配管に、逆流防止弁を設けたことを特徴とする液体燃料気化システム。
【請求項５】
請求項１に記載の液体燃料気化器と、燃焼器と、を用いる液体燃料気化システムにおいて、
前記液体燃料気化器と前記燃焼器との接続配管に、遮断弁を設けたことを特徴とする液体燃料の気化システム。
【請求項６】
液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池システムの改質器に用いる、液体燃料気化器であって、灯油タンクに少なくとも、加熱手段と、温度測定手段と、空気導入配管と、灯油排出配管と、混合気排出用配管と、各部を制御する制御手段と、を有する液体燃料気化器を用いる液体燃料気化方法であって、
固体高分子型燃料電池システムの起動時に、
前記制御手段により、前記灯油タンクについて、前記温度測定手段に温度を測定させつつ、前記加熱手段で加熱させることで略７０℃から８０℃に加熱させ、
前記空気導入配管で空気を導入するとともに、灯油蒸気と前記空気の混合物を前記混合気排出用配管から排出する
ことを特徴とする液体燃料気化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、灯油などの石油系液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池システムにおける水蒸気改質装置の起動昇温に用いる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素などの燃料と酸素などの酸化剤の電気化学反応で電力を得る燃料電池の開発が進み、燃料電池は、その開発段階などに応じ複数の種類が存在する。そのうち、灯油などの比較的高沸点の炭化水素の混合物である液体燃料を用いる水蒸気改質装置を含む固体高分子型燃料電池システムでは、通常運転時には、主成分が水素の燃料極排出ガスを燃焼させて、液体燃料を水蒸気改質するための熱源とすることが多い。
【０００３】
また、起動時には、改質触媒層を昇温するための熱源として、液体燃料を燃焼させることが多く、とりわけ、改質装置のコンパクト化のため、水素も液体燃料も燃焼可能な一体型燃焼器を用いることが一般的である。
【０００４】
また、通常、灯油などの高沸点の液体燃料はそのままでは着火せず、気化したのちにはじめて燃焼に用いることが可能となる。固体高分子型燃料電池システムにおいてこのような液体燃料と燃料極排出ガスをともに燃焼させることが可能な一体化燃焼器の一例として、例えば、壁面気化方式の液体燃料気化器を用いる燃焼器が近年数多く提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このような壁面気化方式の液体燃料気化器では、壁面温度が上昇しすぎると重合反応、いわゆるコーキング反応が起こり、炭素が析出して燃料ノズルを閉塞してしまう可能性があった。また、壁面温度が低すぎると、低沸点成分のみが蒸発し、高沸点成分が気化せず、液のまま燃焼器に流入して点火器に付着し着火を妨げるなどの問題があった。
【０００６】
このような問題の解決策として、気化部に冷却機構を設ける提案が存在する（例えば、特許文献２参照）。また、気化部の温度が安定しなくても、燃焼を継続する工夫として、バーナーマットを用いた燃焼と、通常の予混合燃焼を行う２段階の燃焼を行う提案も存在する（例えば、特許文献３参照）。また、一般に起動時に燃焼させる液体燃料の流量に比べて、運転時に改質器の効率を高めるために実施するいわゆる混焼のための灯油の流量は少なく、同一ポンプでの制御は難しいという問題があった。
【特許文献１】特開２００６−１０５４８２号
【特許文献２】特開２００６−１２５９３号
【特許文献３】特開２００６−１０５４８０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、灯油などの炭化水素系液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池システムの脱硫・改質システムは、少なくとも図３のシステムフローに示す基本構成をとることが多い。すなわち、システム外にある灯油タンク（システム内のタンクとの区別のため「灯油主タンク」と呼ぶこととする）から、灯油ポンプ１０ａを用いて脱硫器に灯油を送出し、調圧弁の作用によって０．６ＭＰａＧの高圧に保った状態で、脱硫器の図示しない加熱機構によって２３０度の状態を保って、脱硫を行う。
【０００８】
脱硫器を通過した灯油は一旦、脱硫済み灯油タンク（単に「灯油タンク」とも呼ぶこととする）１１に溜まり、その液面を液面センサ６で検知して、灯油ポンプ１０ａで送出する灯油量を調節する制御を行う。同時に、灯油タンク１１に蓄えられた脱硫済み灯油を、灯油ポンプ１０ｂによって改質器へ送出すると、灯油は、途中の配管で蒸発器を出た高温の水蒸気と混合して蒸発する。この水蒸気と灯油の混合蒸気を、触媒層に流すと、水蒸気改質反応が生じ、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンの混合ガスとなって、図示しないＣＯ除去装置へと流れる。
【０００９】
このＣＯ除去装置で一酸化炭素を除去したのち、図示しない燃料電池の燃料極（アノード）で水素を消費したうえ、発電に使われなかった水素（Ｈ２）、および燃料電池の反応と無関係な二酸化炭素（ＣＯ２）とメタン（ＣＨ４）は、改質器へ戻り、空気ブロワによって送出された２次空気中の酸素と燃焼器で反応して拡散燃焼し、改質触媒層や蒸発器に熱を供給する。
【００１０】
起動時には、灯油ポンプ１０ｃによって、燃焼器へ未脱硫の灯油を送り、気化器で蒸発させて、空気ブロワで送出した１次空気と予混合して着火し、同時に２次空気を流して、燃焼温度を調整する。灯油の燃焼によって得られた熱で、触媒層や蒸発器の温度が上昇する。
【００１１】
しかしながら、特許文献１、特許文献２、および特許文献３に代表される壁面気化式の液体燃料燃焼方式では、起動時には電気ヒータを用いて必要な液体燃料を加熱するが、灯油などの石油系液体燃料の場合は完全に蒸発させるために必要な温度と、コーキング反応が生じる温度とにあまり差がないため、冷却機構を設けるなどして温度を極めて精密にコントロールする必要があった。
【００１２】
そして、このような冷却機構があることにより、起動時にさらに多くの電力を電気ヒータに供給する必要があり、また気化器の構造が複雑になるなどの課題が存在した。また、起動時の燃焼用燃料として気化した液体燃料を用いていたため、着火するまでの未燃灯油は、一時的に燃焼室内に滞留するが、燃焼による温度上昇によって再び蒸発するため燃料過多の状態になり、着火前後の短時間の間、未燃灯油が排ガス中に混ざって排出し、白煙が生じる問題もあった。
【００１３】
本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するもので、その目的は、液体燃料気化の技術において、加熱用電力の投入エネルギーを削減し、気化器の構成を単純化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するため、本発明の一態様は、液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池システムの改質器に用いる、液体燃料気化器であって、灯油タンクに、少なくとも、その灯油タンクを加熱する加熱手段と、その灯油タンクの温度を測定する温度測定手段と、その灯油タンクに空気を導入する空気導入配管と、その灯油タンクから灯油を排出する灯油排出配管と、その灯油タンクから灯油蒸気と前記空気の混合物を排出する配管と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、灯油タンクを温度測定しながら加熱しつつ空気を通し低沸点成分による優れた燃焼性の気体を得ることにより、高温を要さず加熱用電力などのエネルギーを節約し、構成の簡易化も実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の実施形態について、図面にそって説明する。なお、背景技術や課題での説明と共通の前提事項については、適宜省略する。
【００１７】
（構成）
本実施形態は、液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池システムの改質器に用い、液体燃料の燃焼器Ｎを稼動させるための液体燃料気化器について、液体燃料として灯油を用いた場合を挙げて例示するものである。ここで、図１は、本実施形態において、固体高分子型燃料電池システムの脱硫・改質システムのシステムフローの一部を示したものである。
【００１８】
まず、本実施形態では、図３に示した従来の構成に対して、図１に示すように、気化器をなくす一方、一次空気を脱硫済み灯油タンク（以下単に「灯油タンク」や「タンク」とも呼ぶ）１に導入し、また、灯油タンク１には、灯油タンク１を加熱する加熱手段すなわち加熱機構２を設けるとともに、その灯油タンク１の温度を測定する温度測定手段として温度センサ４を取り付け、また、停止中の圧力異常を検知するため圧力を測定する手段として圧力センサー８を取り付けた構成とした。
【００１９】
ここで、図２は、図１に示した本実施形態において、液体燃料気化器を兼ねる灯油タンク１の構成を示す概念図である。すなわち、本実施形態では、脱硫済み灯油タンク１については、液体燃料を部分的に気化させる液体燃料気化器の役割をもたせ（以下「気化器１」のようにも呼ぶこととする）、図２に示すように、容器２０に液面センサ６を設ける点は従来に準ずるが、さらに、容器２０外周に電気ヒータに代表される加熱機構２と、温度センサ４を設けている。
【００２０】
また、灯油タンク１には、脱硫器Ｄから灯油を供給する配管Ｐ１の他に、灯油タンク１に空気を導入する空気導入配管である一次空気配管Ｐ２と、灯油タンク１から灯油を排出する灯油排出配管Ｐ３と、灯油タンク１から灯油蒸気と前記空気の混合物を排出する混合気排出用配管Ｐ４と、を接続している。
【００２１】
さらに、灯油タンク１へ向かう一次空気配管Ｐ２の途中に、灯油タンク１に導入する空気を遮断する弁である制御バルブ７ａと、逆流防止弁すなわち逆止弁５ａを設け、また、脱硫済み灯油タンク１と燃焼器Ｎとを接続する接続配管Ｐ４に、遮断弁である制御バルブ７ｂと、逆流防止弁すなわち逆止弁５ｂを設けた。
【００２２】
これら加熱機構、各センサ、バルブなどの各部は、マイコンなどの制御手段２０で制御するが、図１において、制御手段２０に関する破線矢印は、情報や制御の信号のうち代表的な一部だけを示したものである。なお、脱硫器Ｄは温度センサＡ１と圧力センサＡ２を有する。
【００２３】
（作用）
次に、上記のように構成した本実施形態における液体燃料気化器の動作の一例について、図１を用いて説明する。動作の要点は、固体高分子型燃料電池システムの起動時に、制御手段２０により、灯油タンク１について、温度センサ４で温度を測定しつつ、加熱機構２により加熱することで略７０℃から８０℃に加熱し、一次空気配管Ｐ２で空気を導入するとともに、灯油蒸気と前記空気の混合物を混合気排出用配管Ｐ４から排出することである。以下、具体的に説明する。
【００２４】
まず、図示しない加熱機構を用いて脱硫器Ｄを起動し、昇温を開始する。このとき、脱硫器Ｄの圧力センサＡ２が０．６ＭＰａ以下にならないように、灯油ポンプ１０ａを断続的に運転する。
【００２５】
そして、脱硫器Ｄの温度センサＡ１が２３０℃、圧力センサＡ２が０．６ＭＰａの状態になったら、脱硫済み灯油タンク１の液面センサ６と脱硫器Ｄの圧力センサＡ２の指示値に従って、灯油ポンプ１０ａを制御する。
【００２６】
すなわち、例えば、液面センサ６が所定の液面低位を示しているときは圧力センサＡ２の指示値によらず灯油ポンプ１０ａを４ｃｃ／ｍｉｎで一定運転し、液面センサ６が所定の液面高位を示している場合は、圧力センサＡ２が０．５ＭＰａ以上で灯油ポンプ１０ａを運転し、圧力センサーが０．６ＭＰａ以上で灯油ポンプ運転停止、という制御を行う。
【００２７】
上記脱硫器Ｄの昇温開始と同時に、脱硫済み灯油タンク１に設けた電気ヒータなどの加熱機構２を作動させ、温度センサ４の出力値をもとに加熱出力を調整することにより、タンク内の温度を７０℃から８０℃程度に加熱する。タンク内の温度が設定温度に到達すると、制御バルブ７ａ、７ｂを開とし、空気ブロワＢを起動して、灯油タンク１内に空気を流す。この空気は灯油蒸気と混合して、３０℃程度の温度となり、すなわち灯油の低沸点成分と混合した混合気となって、燃焼器Ｎへ流れる。このように流れてきた低沸点成分のみの灯油蒸気と空気の混合気に、図示しない点火プラグで着火する。
【００２８】
昇温中、気化器１内の灯油は、低沸点成分のみ蒸発して高沸点成分濃度が高くなるが、脱硫器Ｄから低沸点成分を含む灯油を供給するので、低沸点成分が尽きることはなく、燃焼を継続することができる。そして、昇温完了後、高沸点成分濃度の高まった灯油をタンク１より触媒層に供給すると同時に、制御バルブ７ａ、制御バルブ７ｂを閉止し、空気および、灯油の低沸点成分の供給を停止する。
【００２９】
これにより、しばらくは、燃焼器Ｎに燃料を供給しない状態となって、触媒層温度が低下するが、すぐに触媒層で発生した水素が、ＣＯ除去装置、燃料電池燃料極を通過して、燃焼器Ｎに戻ってくる。そして、アノード排出ガスの水素によって、再び燃焼が開始され、触媒層温度が上昇する。次に、制御バルブ７ｂのみを開放し、電気ヒータ２を好適な温度に調整することで、低沸点成分を必要流量だけ供給することで混焼を開始する。
【００３０】
（効果）
以上のように、本発明によれば、加熱機構２のはたらきにより、タンク１の温度を、適切な温度に調整できるので、灯油を単体で完全蒸発できる２９０℃以上の温度に上昇させる必要がなく、灯油の気化に必要な電力を削減できる。また、ブロワで流した一次空気をタンク１の灯油と直接接触して混合できるので、低沸点成分のみを燃焼用燃料として利用することができ、燃焼性を高めることができるので、起動時の未燃分を減少させることができる。
【００３１】
また、本実施形態では、気化器上流の空気導入配管に空気遮断用の制御バルブ７ａを設けることにより、予混合空気を昇温中にのみ供給し運転中は供給停止できるので、アノード排出ガス中の水素と空気の気化器内での混合による予期せぬ燃焼状態が回避でき安全性も向上する。また、本実施形態では、気化器と燃焼器Ｎとの間の接続配管について、遮断弁である制御バルブ７ｂを設けることにより、運転中の予期せぬ気体の通流が防止でき安定稼動が確保できる。
【００３２】
また、本実施形態では、逆止弁５ａ、５ｂの作用により、水素が気化器内に流入することや、灯油が空気ブロワに逆流することを防止でき、予期せぬ現象を未然防止し安全かつ安定した稼動が確保可能となる。
【００３３】
さらに、本実施形態では、起動時、混焼用に従来では必要であった灯油ポンプ１０ｃ（図３）が不要となる付帯的な効果を得ることもできる。さらに、本実施形態では、脱硫済み灯油を用いて燃焼するため、ＳＯｘの発生を抑えることができ、燃焼排ガス中の水分を凝縮回収して利用する固体高分子型燃料電池システムでは、イオン交換樹脂の負荷を低減できる付帯的な効果も得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態におけるプロセスフローを示す模式図。
【図２】本発明の実施形態における液体燃料気化器の構造を示す図。
【図３】従来の液体燃料改質・脱硫システムのプロセスフローを示す模式図。
【符号の説明】
【００３５】
１…液体燃料気化器兼脱硫済み灯油タンク
２…加熱手段
３…液体燃料
４…温度センサ
５ａ、５ｂ…逆止弁
７ａ、５ｂ…制御バルブ
Ｐ１〜Ｐ４…配管
【図１】
2009140686.tif 000003
【図２】
2009140686.tif 000004
【図３】
2009140686.tif 000005