JP5148164B2 - 液体燃料処理装置および燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、脱硫装置および改質器を有する液体燃料処理装置、およびそれを利用する燃料電池発電システムに関する。

灯油など硫黄分を含む液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池発電システムの脱硫装置は、改質触媒に液体燃料を導入する前段階で脱硫処理を行い、液体燃料中の硫黄分を許容濃度以下まで除去する必要がある。この脱硫処理を行わないと、水素を精製する改質反応を行う改質触媒が液体燃料中の硫黄分にさらされ硫黄被毒を生じ、改質性能が劣化し寿命が短くなる。

一般に、脱硫処理には適切な作動温度範囲があり、脱硫剤を、この温度範囲まで加熱する。さらに、この温度範囲では、液体燃料の一部が気化して液体燃料の流量制御が不安定になるため、気化しないように加圧し、高圧状態を保持する必要がある。

脱硫容器を適正な温度範囲に保つ方法として、脱硫容器そのものを電気ヒータで加熱する方法や、特許文献１に開示されているように、バーナ燃焼排ガスを用いて脱硫容器を加熱して、適正な温度範囲を維持する方法が提案されている。

また、液体燃料が脱硫容器に流通する前に、液体燃料の予熱器を電気ヒータやバーナ燃焼排ガスで加熱し、脱硫容器に供給することで液体燃料を適正な温度範囲に保持している。例えば、特許文献２では、液体燃料が流れる配管を、脱硫容器を取り囲むように取り付けて、電気ヒータあるいは加熱された水蒸気で、脱硫容器とともに予熱する方法が提案されている。
特開２００５−２５５８９６号公報 特開２００４−２６３１１８号公報

脱硫装置の脱硫容器は、その脱硫性能を向上させるために、運転時、高温高圧の状態を維持する必要がある。従来は、電気ヒータや改質器のバーナ排ガスなどで加熱されている。

電気ヒータで、直接、液体燃料脱硫容器を加熱する方法は、脱硫容器内に温度分布がつきやすく、局所的に適正な温度範囲よりも温度が上昇した場合、脱硫反応の副生成物として、水素やメタンなどの気体が生成し、脱硫された液体の灯油との二相状態となる。これが、改質器に流入される前で減圧されると水素やメタンなどの気体が膨張し、液体燃料の流量が変動してしまうため、流量制御が不安定になり安定して運転することが困難となってしまうことがある。

また燃料電池発電システムの改質装置からの排ガスなどで加熱する場合は、温度分布が均一化されるが、燃料電池発電システムを起動させる時などのような、常温から脱硫装置の適正な作動温度にまで加熱するには、熱量が不足するため、長時間を要してしまう。

また電気ヒータで排ガスを加熱することで脱硫容器の温度を上げる方法もあるが、従来排出していた排ガス温度よりも、高温の排ガスが最終的に排出されることになるので、エネルギー効率が悪くなる。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、液体燃料の流量制御がより安定した状態で運転でき、かつエネルギー効率に優れた液体燃処理装置およびその液体燃料処理装置を利用した燃料電池発電システムを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る液体燃料処理装置は、液体燃料を脱硫する脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された燃料を水素リッチに改質する改質器とを有する液体燃料処理装置において、前記脱硫装置は、液体燃料に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫剤を収容する脱硫部と、前記脱硫部の上流側に配置されて前記液体燃料を予熱する電気ヒータを具備し、前記脱硫部と一体に形成された予熱部と、前記脱硫容器の少なくとも前記脱硫部を包囲するように配置され前記脱硫部を加熱するための加熱媒体を流通させる加熱容器と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る液体燃料処理装置は、液体燃料を脱硫する脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された燃料を水素リッチに改質する改質器とを有する液体燃料処理装置において、前記脱硫装置は、液体燃料に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫剤を収容する脱硫部と、前記脱硫部の上流側に配置されて前記液体燃料を予熱する電気ヒータを具備する予熱部と、前記脱硫部および予熱部をまとめて収容する脱硫容器と、前記脱硫容器の少なくとも前記脱硫部を包囲するように配置され前記脱硫部を加熱するための加熱媒体を流通させる加熱容器と、を有し、前記加熱容器が前記予熱部を包囲し、前記加熱媒体が前記液体燃料を予熱するように構成されて、前記脱硫部が前記予熱部を包囲するように配置されていること、を特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池発電システムは、液体燃料を脱硫する脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された燃料を水素リッチに改質する改質器と、前記改質器で改質された燃料が供給される燃料電池本体と、を有する燃料電池発電システムにおいて、前記脱硫装置は、液体燃料に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫剤を収容する脱硫部と、前記脱硫部の上流側に配置されて前記液体燃料を予熱する電気ヒータを具備し、前記脱硫部と一体に形成された予熱部と、前記脱硫部および予熱部をまとめて収容する脱硫容器と、前記脱硫容器の少なくとも前記脱硫部を包囲するように配置され前記脱硫部を加熱するための加熱媒体を流通させる加熱容器と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、脱硫部内の温度分布が均一化され、流量変動の原因となる副生成物の生成を抑制できるため、液体燃料の流量制御がより安定した運転が可能となる。

また、脱硫容器を包囲するように配置した加熱容器に加熱媒体を流通させることにより、脱硫容器の外部への放熱量を低減するため、エネルギー効率に優れた液体燃料処理装置の提供が可能となる。

以下、図面を用いて本発明について実施形態を説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。なお、同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１は本発明に係る液体燃料処理装置の第１の実施形態を示す系統図であり、脱硫装置を含めた液体燃料処理装置の構成図である。

本実施形態の液体燃料処理装置は、灯油などの硫黄分を含む液体燃料１６を脱硫する脱硫装置１と、脱硫された液体燃料１６を水素リッチに改質する改質器７、および一酸化炭素を低減する一酸化炭素変成器８、一酸化炭素除去器９、そして熱交換器１０が主な構成要素である。

本実施形態の液体燃料１６の流路を以下に説明する。

液体燃料１６は、まず液体燃料タンク１２から供給され、液体燃料ポンプ１１により、脱硫に適した温度範囲に加熱されても気化しない０．３MPａ以上０．６MPａ以下で、加圧されながら脱硫容器２の予熱部３に入る。

予熱部３に取り付けられた電気ヒータ１４により脱硫に適した温度範囲に加熱されてから、脱硫部４に入る。なお、予熱部３と脱硫部４は一体化されているので、この間の放熱損はほとんどない。

脱硫部４で脱硫された液体燃料１６は、圧力調整弁１３を出た後、常圧まで減圧され水蒸気２０と混合し改質器７へ供給され、改質器７で水素リッチなガスに改質される。改質ガス１９は、一酸化炭素変成器８でシフト反応によりガス中に含まれる一酸化炭素を数％まで低減され、さらに空気を付加され、熱交換器１０で改質水１８によって冷却されて一酸化炭素除去器９に送られる。改質ガス１９は、一酸化炭素除去器９で選択酸化反応により一酸化炭素を数ｐｐｍ以下まで低減され、その後に燃料電池３０へ供給される。

改質水１８は、熱交換器１０で加熱され、改質器７の蒸発部（図示せず）でさらに加熱されて水蒸気２０として、液体燃料１６と混合して改質器７の改質触媒層（図示せず）へ送られる。

脱硫容器２の脱硫部４を包囲するように配置された加熱容器５は、加熱媒体を流通させることにより、脱硫剤６の作動温度を脱硫に適した温度範囲に保持し、脱硫装置１の外部への放熱を抑制する。

本実施形態では、加熱容器５に流通する加熱媒体として、改質器７の燃焼室（図示せず）から出てくるバーナ燃焼排ガス１７を使用する。

図２は、図１に示した脱硫装置１の構造をさらに詳しく示した概略縦断面図である。液体燃料１６は、液体燃料入口１６ａから予熱部３に入り、予熱部３に取り付けられた電気ヒータ１４により加熱され脱硫部４に入る。脱硫部４で脱硫された液体燃料１６は、液体燃料出口１６ｂから脱硫装置１の外部へ流通する。

脱硫装置１は、脱硫部４と予熱部３とが一体化された脱硫容器２と、脱硫容器２の少なくとも脱硫部４を包囲するように取り付けられており、加熱媒体の流路となる加熱容器５とを、主な構成要素としている。脱硫装置１の脱硫容器２の形状は円筒形状でも、角筒形状でもよい。本実施形態では、円筒形状を採用している。加熱媒体の流路は、加熱容器５の加熱媒体入口５ａから入り、加熱媒体出口５ｂから排気されるように形成される。

予熱部３には、予熱手段として電気ヒータ１４が取り付けられており、液体燃料ポンプ１１から送られてきた液体燃料１６は、脱硫容器２の予熱部３に取り付けられた温度測定用の熱電対１５が脱硫に適正な温度範囲である２００℃以上で２６０℃以下になるまで、電気ヒータ１４により加熱される。

［第２の実施形態］
図３は本発明に係る液体燃料処理装置の第２の実施形態を示す系統図であり、液体燃料処理装置の構成図である。

本実施形態の液体燃料処理装置は、液体燃料１６を脱硫する脱硫装置１と、脱硫された液体燃料１６を水素リッチに改質する改質器７、一酸化炭素変成器８、一酸化炭素除去器９が主な構成要素である。脱硫装置１は、第１の実施形態の図２に示す脱硫装置１を適用している。

本実施形態の液体燃料１６の流路を以下に説明する。

液体燃料１６は、まず液体燃料タンク１２から供給され、液体燃料ポンプ１１により、脱硫に適した温度範囲に加熱されても気化しない０．３MPａ以上０．６MPａ以下で、加圧されながら脱硫容器２の予熱部３に入る。予熱部３に取り付けられた電気ヒータ１４により脱硫に適した温度範囲に加熱されてから、脱硫部４に入る。脱硫部４で脱硫された液体燃料１６は、圧力調整弁１３を出た後、常圧まで減圧され水蒸気２０と混合し改質器７へ供給され、改質器７で水素リッチなガスに改質される。この改質ガス１９は、一酸化炭素変成器８で一酸化炭素を数％まで低減され、脱硫装置１の加熱容器５に供給される。さらに空気を付加され一酸化炭素除去器９で選択酸化反応により一酸化炭素を数ｐｐｍ以下まで低減された後に燃料電池３０へ供給される。

本実施形態では、脱硫装置１に取り付けられた加熱容器５に流通する加熱媒体として、一酸化炭素変成器８の出口の例えば２００℃程度の改質ガス１９を使用する。

この場合、運転起動時は改質ガス１９が流れないため、液体燃料１６を予熱部３に取り付けられた電気ヒータ１４のみで、加熱する必要があるが、液体燃料処理装置の運転中は、脱硫に適した温度範囲を保持できる温度の改質ガス１９を流入できる。

また、改質ガス１９は、加熱容器５を通過した後では、加熱容器５内での熱回収により、加熱媒体として適用しなかった場合の改質ガス１９よりも、温度が下げられた状態で一酸化炭素除去器９に送られるため、一酸化炭素変成器８と一酸化炭素除去器９の間に設置した熱交換器１０（図１）を削除でき、省スペース化が可能となる。

［第３の実施形態］
図４は、本発明に係る液体燃料処理装置の第３の実施形態を示す系統図であり、液体燃料処理装置の構成図である。本実施形態の主な構成要素は、第１の実施形態と同様であって、脱硫装置１は、図２に示す脱硫装置１を適用している。

本実施形態の液体燃料１６の流路は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、脱硫装置１に取り付けられた加熱容器５に流通する加熱媒体として、改質器７から出てきた改質に必要な水蒸気２０を使用する。この水蒸気２０は、例えば２００℃程度の過熱蒸気である。

［第４の実施形態］
図５は、本発明に係る液体燃料処理装置の第４の実施形態における脱硫装置１を示す概略縦断面図である。本実施形態で示す脱硫装置１は、第１の実施形態の図１に示す系統図に組み込まれる。

加熱容器５を、予熱部３を包囲するように取り付けることにより、加熱媒体が液体燃料１６を予熱するように構成する。本実施形態では、加熱容器５の加熱媒体入口５ａから入り、加熱媒体出口５ｂから排気されるように加熱媒体の流路を形成し、脱硫部４を加熱した後に、予熱部３を加熱するように構成されている。

さらに予熱部３に取り付けられた電気ヒータ１４で加熱することにより、液体燃料１６の予熱効果を高めることも可能である。この場合、電気ヒータ１４のみの加熱に比べて、電気ヒータ１４の出力を低減させることが可能となる。

［第５の実施形態］
図６は、本発明に係る液体燃料処理装置の第５の実施形態における脱硫装置１を示す概略縦断面図である。図７は、図６におけるVII−VII線矢視平面図で、図８は、図６におけるVIII−VIII線矢視平断面図である。本実施形態で示す脱硫装置１は、第１の実施形態の図１に示す系統図に組み込まれる。

本実施形態における脱硫装置１では、脱硫部４は加熱容器５内で中空部２２を有する環状に形成されている。予熱部３には、脱硫部４の中空部２２内を通って脱硫部４に至るように液体燃料予熱配管２１が、配置されている。

液体燃料１６は、液体燃料入口１６ａから入り、液体燃料予熱配管２１を通り、脱硫部４に供給されて、液体燃料出口１６ｂから外部へ流通する。

加熱媒体の流路は、加熱媒体入口５ａから入り、脱硫部４の中空部２２を通って脱硫部４の外側の加熱容器５内を通り、加熱媒体出口５ｂから排気されるように形成されている。

本実施形態では、液体燃料１６を予熱部３に取り付けられた電気ヒータ１４により加熱した場合、その一部の熱量は、加熱媒体側へ回収されるが、脱硫部４の温度保持のために再度、利用できるので、加熱媒体が、加熱されたまま脱硫装置１の外部に排出されることがない。よって、脱硫部４の温度保持を効率よく実施することが可能となる。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、第４の実施形態で示す脱硫装置１（図５）は、図３、図４のいずれの系統にも利用できる。また、第５に実施形態で示す脱硫装置１（図６〜８）についても、図３、図４のいずれの系統にも利用できる。

また、上記液体燃料処置装置は、燃料電池発電システム以外にも適用することが可能である。

本発明に係る液体燃料処理装置の第１の実施形態を示す系統図である。 図１における脱硫装置の第１の実施形態を示す概略縦断面図である。 本発明に係る液体燃料処理装置の第２の実施形態を示す系統図である。 本発明に係る液体燃料処理装置の第３の実施形態を示す系統図である。 本発明に係る液体燃料処理装置の第４の実施形態における脱硫装置を示す概略縦断面図である。 本発明に係る液体燃料処理装置の第５の実施形態における脱硫装置を示す概略縦断面図である。 図６におけるVII−VII線矢視平面図である。 図６におけるVIII−VIII線矢視平断面図である。

符号の説明

１…脱硫装置、２…脱硫容器、３…予熱部、４…脱硫部、５…加熱容器、５ａ…加熱媒体入口、５ｂ…加熱媒体出口、６…脱硫剤、７…改質器、８…一酸化炭素変成器、９…一酸化炭素除去器、１０…熱交換器、１１…液体燃料ポンプ、１２…液体燃料タンク、１３…圧力調整弁、１４…電気ヒータ、１５…熱電対、１６…液体燃料、１６ａ…液体燃料入口、１６ｂ…液体燃料出口、１７…バーナ燃焼排ガス、１８…改質水、１９…改質ガス、２０…水蒸気、２１…液体燃料予熱配管、２２…中空部、３０…燃料電池

Claims (8)

1. 液体燃料を脱硫する脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された燃料を水素リッチに改質する改質器とを有する液体燃料処理装置において、
   前記脱硫装置は、
   液体燃料に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫剤を収容する脱硫部と、
   前記脱硫部の上流側に配置されて前記液体燃料を予熱する電気ヒータを具備し、前記脱硫部と一体に形成された予熱部と、
   前記脱硫部および予熱部をまとめて収容する脱硫容器と、
   前記脱硫容器の少なくとも前記脱硫部を包囲するように配置され前記脱硫部を加熱するための加熱媒体を流通させる加熱容器と、
   を有すること、を特徴とする液体燃料処理装置。
2. 前記加熱容器が前記予熱部を包囲し、前記加熱媒体が前記液体燃料を予熱するように構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の液体燃料処理装置。
3. 前記脱硫部が前記予熱部を包囲するように配置されていること、を特徴とする請求項２に記載の液体燃料処理装置。
4. 液体燃料を脱硫する脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された燃料を水素リッチに改質する改質器とを有する液体燃料処理装置において、
   前記脱硫装置は、
   液体燃料に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫剤を収容する脱硫部と、
   前記脱硫部の上流側に配置されて前記液体燃料を予熱する電気ヒータを具備する予熱部と、
   前記脱硫部および予熱部をまとめて収容する脱硫容器と、
   前記脱硫容器の少なくとも前記脱硫部を包囲するように配置され前記脱硫部を加熱するための加熱媒体を流通させる加熱容器と、
   を有し、
   前記加熱容器が前記予熱部を包囲し、前記加熱媒体が前記液体燃料を予熱するように構成されて、
   前記脱硫部が前記予熱部を包囲するように配置されていること、
   を特徴とする液体燃料処理装置。
5. 前記改質器はバーナ燃焼を利用してバーナ燃焼排ガスを排出するものであって、前記加熱媒体は前記バーナ燃焼排ガスであること、を特徴とする請求項１または請求項４に記載の液体燃料処理装置。
6. 前記改質器で改質された燃料の一酸化炭素を減らすための一酸化炭素変成器をさらに有し、前記加熱媒体は前記一酸化炭素変成器を出た燃料であること、を特徴とする請求項１または請求項４に記載の液体燃料処理装置。
7. 前記改質器は過熱蒸気を利用し排出するものであって、前記加熱媒体は前記改質器から排出された過熱蒸気であること、を特徴とする請求項１または請求項４に記載の液体燃料処理装置。
8. 液体燃料を脱硫する脱硫装置と、前記脱硫装置で脱硫された燃料を水素リッチに改質する改質器と、前記改質器で改質された燃料が供給される燃料電池本体と、を有する燃料電池発電システムにおいて、
   前記脱硫装置は、
   液体燃料に含まれる硫黄分を脱硫する脱硫剤を収容する脱硫部と、
   前記脱硫部の上流側に配置されて前記液体燃料を予熱する電気ヒータを具備し、前記脱硫部と一体に形成された予熱部と、
   前記脱硫部および予熱部をまとめて収容する脱硫容器と、
   前記脱硫容器の少なくとも前記脱硫部を包囲するように配置され前記脱硫部を加熱するための加熱媒体を流通させる加熱容器と、
   を有すること、を特徴とする燃料電池発電システム。

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