JP2011204484A

JP2011204484A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2011204484A
Application number: JP2010070916A
Authority: JP
Inventors: Norimune Yamazaki; 典宗山崎; Toru Saito; 徹齋藤; Shoichi Kashima; 昭一加島
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Eneos Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】脱硫時に生成される副生ガスを燃料電池排ガスと共に燃焼させて燃焼ガスとし、該燃焼ガスの熱を利用することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の液体燃料を触媒存在下で加熱して、脱硫液体燃料及び副生ガスを生成する脱硫装置１と、前記副生ガスを燃料電池排ガスと混合して混合ガスを形成させる混合手段２と、前記混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼装置３と、前記燃焼ガスから熱を回収する熱回収手段とを備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特には、脱硫時に生成される副生ガスを燃料電池排ガスと共に燃焼させて燃焼ガスとし、該燃焼ガスの熱を利用することが可能な燃料電池システムに関するものである。

従来、石油系液体炭化水素燃料中の硫黄分をｐｐｂレベルまで効果的に脱硫する方法としては、２００℃〜４００℃程度の温度で水素化脱硫する方法が知られている。しかしながら、この方法では、水素化するための水素源が必要となることから、小型の燃料電池システム、特に電池本体から７００℃〜１０００℃の高温の燃料オフガスが排出される固体酸化物形燃料電池システムには不向きの脱硫方法であった。

そこで、水素を使用しない脱硫方法として、１００℃以上の温度で硫黄分を吸着可能な脱硫剤を用いて燃料を脱硫する方法が提案されている（特許文献１〜１０（ニッケル系吸着剤）及び特許文献１１（ニッケル−銅系吸着剤）参照）。

しかしながら、灯油等の石油系液体炭化水素燃料を高温吸着脱硫により処理すると、脱硫された石油系液体炭化水素燃料の他、副生ガスが発生するため、脱硫処理により得られる生成物は、液相の脱硫石油系液体炭化水素燃料と、気相の副生ガスとが共存する気液混合の状態となる。従って、水蒸気等と混合するためのミキサーや改質ガスを生成するための改質装置に、該生成物を気液混合状態のまま供給すると、脈動が発生してしまい、脱硫石油系液体炭化水素燃料の供給量を安定させることができないおそれがある。

これに対し、気液混合状態にある流動体の安定な供給方法（即ち、脈動の発生を低減する方法）として、特許文献１２に記載されるように、気液混合状態の流動体を移送する配管に気体状流動体を滞留させる滞留部を設け、該滞留部に滞留した気体状流動体を液体状流動体に溶解させ、その後に減圧する方法や、特許文献１３に記載されるように、気液混合状態にある流動体を気体状流動体と液体状流動体とに分離し、分離された気体状流動体及び液体状流動体を別個の配管で移送し、それぞれ独立して減圧させる方法が提案されている。

特公平６−６５６０２号公報特公平７−１１５８４２号公報特公平７−１１５８４３号公報特開平１−１８８４０５号公報特開平２−２７５７０１号公報特開平２−２０４３０１号公報特開平５−７０７８０号公報特開平６−８０９７２号公報特開平６−９１１７３号公報特開平６−２２８５７０号公報特開平６−３１５６２８号公報特開２００８−０３６５２３号公報特開２００８−０４３８５５号公報

ところで、脱硫処理により生成される副生ガスには、硫黄酸化物が含まれる可能性があり、該副生ガスを脱硫石油系液体炭化水素燃料と共に改質装置へ供給すると、改質装置中に充填される改質触媒を被毒してしまい、改質触媒の寿命を低下させるおそれもある。

また、特許文献１２及び特許文献１３に記載の方法では、流動体の脈動を充分に抑制できないという懸念もある。ここで、改質原料を気液混合状態のまま改質装置に供給すると、改質原料の供給量が安定しないため、改質原料と水蒸気との混合比が変動して改質触媒のコーキングを発生させ、また、改質ガスの生成量も変動するため、延いては、改質ガスが供給される燃料電池の電位にも変動を来すことになる。

そこで、本発明の目的は、脱硫時に生成される副生ガスを脱硫液体燃料と共に改質原料として改質装置へ供給するのではなく、該副生ガスを燃料電池排ガスと共に燃焼させて燃焼ガスとし、該燃焼ガスの熱を利用することが可能な燃料電池システムを提供するものである。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、脱硫時に生成される副生ガスを燃料電池排ガスと混合して燃焼させ、該燃焼ガスから回収される燃焼熱の少なくとも一部を、燃料電池のカソード用酸素含有ガスの加熱、水蒸気の発生、燃料電池のアノード用燃料の加熱等に利用できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明の燃料電池システムは、炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の液体燃料を触媒存在下で加熱して、脱硫液体燃料及び副生ガスを生成する脱硫装置と、前記副生ガスを燃料電池排ガスと混合して混合ガスを形成させる混合手段と、前記混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼装置と、前記燃焼ガスから熱を回収する熱回収手段とを備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムの好適例においては、更に、前記脱硫液体燃料と前記副生ガスとを気液分離する気液分離装置を備える。

本発明の燃料電池システムの他の好適例においては、前記熱回収手段が、水蒸発装置である。

本発明の燃料電池システムの他の好適例においては、前記熱回収手段が、燃料電池のカソードに供給する酸素含有ガスを加熱するための熱交換器である。

本発明の燃料電池システムの他の好適例においては、前記熱回収手段が、燃料電池のアノードに供給する燃料を加熱するための熱交換器である。

本発明の燃料電池システムの他の好適例においては、更に、固体酸化物形燃料電池を備える。

本発明によれば、脱硫時に生成される副生ガスを燃料電池排ガスと混合して混合ガスを形成させる混合手段、該混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼装置、及び該燃焼ガスから熱を回収する熱回収手段とを備えることで、脱硫時に生成される副生ガスを燃料電池のカソード用酸素含有ガスの加熱、水蒸気の発生、燃料電池のアノード用燃料の加熱等に利用することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明の燃料電池システムの一例の概略図である。

以下に、図を参照しながら本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池システムの一例の概略図である。本発明の燃料電池システムは、図１に示されるように、炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の液体燃料を触媒存在下で加熱して、脱硫液体燃料及び副生ガスを生成する脱硫装置１と、上記副生ガスを燃料電池排ガスと混合して混合ガスを形成させる混合手段２と、上記混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼装置３と、上記燃焼ガスから熱を回収する熱回収手段とを備えることを特徴とする。

図示例の燃料電池システムにおいて、脱硫装置１は、液体燃料中に含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、内部に吸着脱硫剤を充填した脱硫器と、該脱硫器を加熱する熱交換器やヒーター等の加熱手段とを備える。ここで、液体燃料は、炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の液体燃料であり、炭化水素としては、軽油、ガソリン、ナフサ、灯油等の石油系液体炭化水素燃料を用いることができ、脂肪族アルコールとしては、メタノール、エタノール等を用いることができる。また、吸着脱硫剤としては、従来脱硫用に用いられている吸着脱硫剤を用いることができ、例えば、ニッケル系脱硫剤、アルミナ系脱硫剤等を用いることが好ましい。なお、脱硫条件としては、例えば、原料供給量（ＬＨＳＶ）：０．１〜５．０ｈｒ^−１、反応圧力：０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満、反応温度：１００℃以上３００℃以下であることが好ましい。そして、この脱硫装置１では、液体燃料を吸着脱硫剤存在下で加熱することで、液体燃料中の硫黄分が吸着脱硫剤に吸着され、脱硫した液体燃料と、副生ガスとを生成する。なお、図示例の燃料電池システムにおいて、上記液体燃料は、液体燃料供給ライン４及び液体燃料ポンプ５を用いて液体燃料タンク６から脱硫装置１の脱硫器へ供給される。

上記脱硫液体燃料及び副生ガスは、通常、気液混合状態の混合物として得られるため、本発明の燃料電池システムにおいては、図１に示されるように、脱硫液体燃料と副生ガスとの混合物を気液分離する気液分離装置７を備えることが好ましい。ここで、図示例の気液分離装置７は、脱硫装置１の下流側に位置しており、脱硫装置１で生成した脱硫液体燃料と副生ガスとを分離するものであり、気液分離装置７としては、例えば、脱硫液体燃料と副生ガスとの混合物を槽内で滞留させて自然分離させる気液分離槽を用いることができる。なお、気液分離装置７で分離された副生ガスには、例えばメタンが９４〜９８体積％、水素が１〜５体積％、エタンが０．２〜１体積％の割合で含まれている。また、図示例の燃料電池システムにおいては、脱硫装置１から気液分離装置７へ脱硫液体燃料と副生ガスとの混合物を供給する混合物供給手段として、混合物供給ライン８を用いることができる。

図示例の燃料電池システムにおいて、混合手段２（以下、第一の混合手段ともいう）は、気液分離装置７で分離した副生ガスと燃料電池排ガスとを混合し、混合ガスを形成させるものであり、例えば、副生ガスが通過する配管と燃料電池排ガスが通過する配管とを合流させることで（具体的には、副生ガスが通過する配管と燃料電池排ガスが通過する配管と混合ガスが通過する配管とをＴ型に接続することで）第一混合手段を形成してもよいし、また、既知のミキサー等の混合装置を第一混合手段として用いることもできる。上述のように、副生ガスは、通常、酸素を含まないため、該副生ガスを燃焼させるためには、酸素を含むガスと混合させることが必要である。また、該副生ガスは、温度が低く、通常、気液分離装置７の下流では１０〜２００℃程度であるため、酸素を含む高温の燃料電池排ガスと混合することで、得られる混合ガスを効率よく燃焼させることが可能となる。なお、燃料電池排ガスとしては、酸素が必要であるため、燃料電池のアノードオフガスとカソードオフガスとを混合燃焼させた燃焼排ガス又は燃料電池のカソードオフガスを使用することが好ましく、燃料電池のカソードオフガスをアノードオフガスと混合して使用してもよい。該燃料電池排ガスの温度は、２５０〜６００℃の範囲が好ましい。そして、混合手段２には、例えば、気液分離装置７から混合手段２へ副生ガスを供給する副生ガス供給ライン９と、燃料電池１０から混合手段２へ燃料電池排ガスを供給する燃料電池排ガス排気ライン１１とが連結されている。

図示例の燃料電池システムにおいて、燃焼装置３は、混合手段２で混合した混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成させるものであり、例えば、内部に燃焼触媒を充填又は担持した触媒燃焼器を備える。ここで、触媒燃焼器としては、少なくとも一部に燃焼触媒を充填又は担持している限り、特に限定されず、任意の形状、寸法等とすることができる。また、触媒燃焼器の材質も、特に限定されず、セラミック系やステンレス等の種々の材質を使用することができる。更に、燃焼触媒としては、副生ガスと燃料電池排ガスとの混合ガスを燃焼させることができればよく、既知の酸化触媒を適宜選択することができるが、具体的には、高温で劣化し難いＰｔ、Ｐｄ等を、アルミナ、シリカ等の担体に担持した触媒が好ましい。なお、燃焼条件としては、例えば、原料供給量（ＧＨＳＶ）：１００００〜６００００ｈｒ^−１、反応圧力：１〜１００ＫＰａ、反応温度：２００〜６００℃であることが好ましい。そして、この燃焼装置３では、上記混合手段２で混合した混合ガスが燃焼触媒と接触して、燃焼ガスを生成する。なお、燃焼装置３には、例えば、混合手段２から燃焼装置３へ混合ガスを供給する混合ガス排気ライン１２が連結されている

本発明の燃料電池システムにおいて、熱回収手段は、上記燃焼装置３で発生した燃焼ガスから燃焼熱を回収し、回収した燃焼熱の少なくとも一部を利用するものであり、具体例としては、例えば、上記脱硫液体燃料との改質反応に用いるための水蒸気を発生させる水蒸発装置、燃料電池のカソードに供給する酸素含有ガスを加熱するための熱交換器１３（以下、第一の熱交換器ともいう）、燃料電池のアノードに供給する燃料を加熱するための熱交換器（以下、第二の熱交換器ともいう）等を用いることができる。なお、図示例の燃料電池システムにおいては、熱回収手段としての熱交換器１３が単独で使用されているが、本発明の燃料電池システムにおいては、熱回収手段の設置数は任意であり、これらの熱回収手段を複数組み合わせて使用してもよい。

上記熱回収手段として用いる水蒸発装置は、図示されないが、燃焼装置３の下流側に位置し、脱硫液体燃料との改質反応に用いるための水蒸気を発生させるものであり、例えば、図１に示す燃焼装置３と水蒸発装置１４の位置を入れ替えた場合の水蒸発装置を指す。また、上記水蒸発装置としては、既知の水蒸発器を用いることができ、該水蒸発装置には、水蒸気へ気化させるための水が通過する水供給ラインと、燃焼ガスが通過する燃焼ガス供給ラインとが連結され、水蒸発装置内を通過する水と燃焼ガスとの熱交換により、水を気化して水蒸気を発生させる。なお、水蒸発装置に供給される水の温度は、５〜８０℃であることが好ましく、一方、水蒸発装置に供給される燃焼ガスの温度は、１５０〜６５０℃であることが好ましい。

なお、図示例の燃料電池システムにおいては、混合手段２の下流側で且つ燃焼装置３の上流側に設置された水蒸発装置１４を備える。かかる水蒸発装置１４は、上述の燃焼ガスから燃焼熱を回収する熱回収手段としての水蒸発装置と異なり、副生ガスと燃料電池排ガスとの混合ガスから熱を回収する熱回収手段であり、既知の水蒸発器を用いることができる。水を気化するのに必要な熱量は、副生ガスと燃焼電池排ガスとの混合ガスからも十分に確保できるため、水蒸発装置１４が燃焼装置３の上流側に設置されていても、脱硫時に生成される副生ガスを有効利用することが可能である。また、図示例の燃料電池システムにおいては、水蒸気へ気化させるための水が、水供給ライン１５及び水ポンプ１６を用いて水タンク１７から水蒸発装置１４へ供給され、一方、混合ガスは、混合ガス排気ライン１２を用いて混合手段２から水蒸発装置１４へ供給される。なお、水蒸発装置に供給される混合ガスの温度は、２５０〜６５０℃であることが好ましい。

上記熱回収手段として用いる第一の熱交換器１３は、燃料電池のカソードに供給する酸素含有ガスを加熱するためのものであり、例えば、既知の熱交換器を用いることができ、該第一熱交換器１３には、例えば、燃料電池のカソードへ供給する酸素含有ガスが通過する酸素含有ガス供給ライン１８と、燃焼ガスが通過する燃焼ガス排気ライン１９とが連結され、熱交換器１３内を通過する酸素含有ガスと燃焼ガスとの熱交換により、酸素含有ガスを加熱する。本発明における熱交換器の構造は任意である。なお、上記燃料電池のカソードに供給する酸素含有ガスは、例えば、空気ブロワ２０等の送風機を用いて酸素含有ガス供給ライン１８に導入され、また、熱が回収された燃焼ガスは、排ガスとして処理される。ここで、酸素含有ガスとしては、純酸素ガスも使用可能であるが、コスト等の観点から空気が好適である。なお、第一熱交換器に供給される酸素含有ガスの温度は、通常、大気温度であり、一方、第一熱交換器に供給される燃焼ガスの温度は、通常、１５０〜６００℃である。

上記熱回収手段として用いる第二の熱交換器は、図示されないが、燃料電池のアノードへ供給する燃料を加熱するためのものであり、例えば、既知の熱交換器を用いることができ、該第二熱交換器には、例えば、燃料電池のアノードへ供給する燃料が通過するアノード用燃料供給ラインと、燃焼ガスが通過する燃焼ガス排気ラインとが連結され、熱交換器内を通過する燃料と燃焼ガスとの熱交換により、アノード用燃料を加熱する。ここで、燃料電池のアノードへ供給する燃料とは、脱硫装置へ供給する液体燃料、気液分離装置へ供給する脱硫液体燃料と副生ガスとの混合物の他、後述の第二混合手段へ供給する脱硫液体燃料、改質装置へ供給する水蒸気混合ガス、燃料電池へ供給する改質ガス等が含まれる。なお、第二熱交換器へ供給される燃料及び燃焼ガスの温度は、燃料電池のアノードへ供給する燃料の種類に応じて選択される。

また、本発明の燃料電池システムは、通常、脱硫液体燃料と水蒸気とを混合する混合装置２１（以下、第二の混合手段ともいう）と、該混合装置２１で脱硫液体燃料と水蒸気とを混合して得られた水蒸気混合ガスを改質して改質ガスを生成する改質装置２２とを備える。

図示例の燃料電池システムにおいて、混合装置２１は、気液分離装置７で分離した脱硫液体燃料と、水蒸発装置１４で製造した水蒸気とを混合するものであり、例えば、既知のミキサー等を用いることができる。具体的に、混合装置２１には、例えば、気液分離装置７から混合装置２１へ脱硫液体燃料を供給する脱硫液体燃料供給ライン２３と、水蒸発装置１４から混合装置２１へ水蒸気を供給する水蒸気供給ライン２４とが連結されている。なお、第二混合手段に供給される水蒸気の温度は、３００〜６００℃であることが好ましく、一方、第二混合手段に供給される脱硫液体燃料の温度は、１０〜１００℃であることが好ましい。

図示例の燃料電池システムにおいて、改質装置２２は、混合装置２１で脱硫液体燃料及び水蒸気を混合して得た水蒸気混合ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成するためのものであり、例えば、内部に既知の改質触媒を充填した改質器と、該改質器を加熱する熱交換器とを備える。具体的には、改質装置２２として、水蒸気改質装置や酸化自己熱型改質装置（ＡＴＲ）等の既知の改質装置を用いることができる。ここで、改質触媒としては、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｔ等をアルミナ、シリカ、ジルコニア等の担体に担持した触媒を用いることができる。また、改質条件としては、例えば、水蒸気混合ガス供給量（ＬＨＳＶ）：０．１〜１０ｈｒ^−１、反応圧力：常圧〜１．０ＭＰａ未満、反応温度：４００〜８００℃であることが好ましい。なお、図示例の燃料電池システムにおいて、上記水蒸気混合ガスは、水蒸気混合ガス供給ライン２５を用いて混合装置２１から改質装置２２へ供給され、改質ガスは、改質ガス供給ライン２６を用いて改質装置２２から燃料電池１０のアノードへ供給される。

本発明の燃料電池システムが備える燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池である限り、特に限定されるものではなく、公知の構造を持った固体酸化物形燃料電池を採用することができる。なお、通常、固体酸化物形燃料電池は、複数のセルを積層及び／又は連結して構成されるものが一般的である。また、固体酸化物形燃料電池は、通常、７００〜８００℃の高温で運転される。なお、燃料電池の酸素含有ガス利用率は一般に２０〜４０％であり、供給される酸素含有ガスの６０％程度はカソードオフガスとして排出されるため、本発明の燃料電池システムに用いる燃料電池排ガスを十分に確保することができる。また、燃料電池システムの燃料利用率は一般に６５〜８０％であり、燃料の２０％程度はアノードオフガスとして排出されるため、排熱利用効率を向上させる観点から、燃料電池のカソードオフガスをアノードオフガスと混合して燃焼させて使用することが好ましい。この燃焼排ガスは供給される酸素含有ガスの５０％程度を排ガス中に含むため、本発明の燃料電池システムに用いる燃料電池排ガスとして好適に使用することができる。なお、図示例の燃料電池システムにおいては、燃料電池１０がハウジング２７内に収納され、該ハウジング２７には、燃料電池排ガス排気ライン１１が連結されている。これにより、燃料電池のカソードオフガスとアノードオフガスとを容易に混合燃焼して使用することが可能となる。

１脱硫装置
２混合手段
３燃焼装置
４液体燃料供給ライン
５液体燃料ポンプ
６液体燃料タンク
７気液分離装置
８混合物供給ライン
９副生ガス供給ライン
１０燃料電池
１１燃料電池排ガス排気ライン
１２混合ガス排気ライン
１３熱交換器
１４水蒸発装置
１５水供給ライン
１６水ポンプ
１７水タンク
１８酸素含有ガス供給ライン
１９燃焼ガス排気ライン
２０空気ブロワ
２１混合装置
２２改質装置
２３脱硫液体燃料供給ライン
２４水蒸気供給ライン
２５水蒸気混合ガス供給ライン
２６改質ガス供給ライン
２７ハウジング

Claims

炭化水素及び脂肪族アルコールからなる群から選択される少なくとも一種の液体燃料を触媒存在下で加熱して、脱硫液体燃料及び副生ガスを生成する脱硫装置と、前記副生ガスを燃料電池排ガスと混合して混合ガスを形成させる混合手段と、前記混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼装置と、前記燃焼ガスから熱を回収する熱回収手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
更に、前記脱硫液体燃料と前記副生ガスとを気液分離する気液分離装置を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記熱回収手段が、水蒸発装置であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記熱回収手段が、燃料電池のカソードに供給する酸素含有ガスを加熱するための熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記熱回収手段が、燃料電池のアノードに供給する燃料を加熱するための熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
更に、固体酸化物形燃料電池を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。