JP5226390B2 - 燃料電池システム及び改質システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び改質システムに関する。

燃料電池システムでは、液体燃料等を原燃料とし、この液体燃料等を改質器において改質して水素を含む改質ガスを製造し、この改質ガスと酸素を含むガスとを反応させることで発電している。

ところで、液体燃料として灯油などの硫黄分を含むものを用いる場合、液体燃料中に存在する硫黄分に改質触媒がさらされることで、改質触媒が硫黄被毒し、寿命の短縮等の性能劣化が生じてしまう。そのため、改質触媒の劣化を防止するため、燃料電池システムは、一般に、液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器を備えている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２００４−２１３９４１号公報

ところで、脱硫触媒の性能を発現させるために、脱硫器内の温度を高温（例えば、２００℃程度）とすることが好ましい。また、このように脱硫器内が高温であると、気体（メタンガスや水素ガス等）が発生することで、供給する液体燃料（灯油）の流量が低下しやすくなったり、液体燃料（灯油）が気化してコーキング（脱硫触媒の表面に炭素が析出すること）が発生し、脱硫触媒の耐久性が低下しやすくなったりすることから、これらを抑制するために、脱硫器内の圧力を高圧（例えば、０．５ＭＰａ程度）とすることが好ましい。

しかしながら、脱硫器内を高温高圧にした場合、液体燃料の流量が大きくなってしまう。そのため、液体燃料をごく低流量（例えば、１ｋＷの燃料電池システムのときに１０ｇ／ｍｉｎ以下）で送液する必要がある小型の燃料電池システムでは、いかにして液体燃料の流量を低く制御するかが課題であった。このとき、低流量ポンプを利用することも考えられるが、低流量ポンプは非常に高価であり、現実的な選択肢ではなかった。

そこで、本発明は、低流量での液体燃料の送液を簡便に且つ低コストで実現することが可能な燃料電池システム及び改質システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、液体燃料を送り出すポンプと、ポンプの下流側に配置され、液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、脱硫器の下流側に配置され、脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料が通過するキャピラリチューブと、キャピラリチューブの下流側に配置され、脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料を用いて、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。

本発明に係る燃料電池システムでは、脱硫器の下流側にキャピラリチューブを配置している。そのため、キャピラリチューブの内径や長さを適宜選択することで、高価なポンプを用いることなく、脱硫器内の圧力及び液体燃料の流量を所望の大きさとすることができる。その結果、低流量での液体燃料の送液を簡便に且つ低コストで実現することが可能となる。

ところで、キャピラリチューブの代わりに、オリフィスやニードルバルブ等を利用することも考えられる。しかしながら、オリフィス部分の流路を長くするには限界があるので、脱硫器から排出された高圧の液体燃料の流量を小さくするためにはオリフィス部分の径を極めて小さくせざるを得ない。ここで、脱硫器においては脱硫触媒によって液体燃料の脱硫を行っているが、脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料の中に脱硫触媒が含まれている場合がある。そのため、オリフィスやニードルバルブ等を利用した場合、脱硫器から流出した脱硫触媒がオリフィス部分の流路に詰まってしまうことがある。

しかしながら、本発明に係る燃料電池システムでは、上記のようにキャピラリチューブを用いているので、キャピラリチューブの長さに応じて、キャピラリチューブの内径をある程度大きくすることができる。そのため、脱硫触媒による目詰まりが極めて起こりにくくなっている。

好ましくは、ポンプが定圧ポンプである。このようにすると、脱硫器内の圧力の管理が容易となる。

好ましくは、キャピラリチューブの内径が０．１ｍｍ〜０．７ｍｍである。キャピラリチューブの内径が０．１ｍｍ未満であると、脱硫触媒によってキャピラリチューブが目詰まりを起こしやすくなる傾向にある。キャピラリチューブの内径が０．７ｍｍを超えると、脱硫器内を高圧に維持しながら低流量で液体燃料の送液を行うために、必要なキャピラリチューブの全長が長くなってしまい、コンパクト化が困難となる傾向にある。

好ましくは、キャピラリチューブが螺旋状に巻回されている。このようにすると、キャピラリチューブの全長が長い場合であっても、嵩張り難くなる。

一方、本発明に係る改質システムは、液体燃料を送り出すポンプと、ポンプの下流側に配置され、液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、脱硫器の下流側に配置され、脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料が通過するキャピラリチューブと、キャピラリチューブの下流側に配置され、脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料を用いて、水素を含有する改質ガスを生成する改質器とを備えることを特徴とする。

本発明に係る改質システムでは、脱硫器の下流側にキャピラリチューブを配置している。そのため、キャピラリチューブの内径や長さを適宜選択することで、高価なポンプを用いることなく、脱硫器内の圧力及び液体燃料の流量を所望の大きさとすることができる。その結果、低流量での液体燃料の送液を簡便に且つ低コストで実現することが可能となる。

ところで、キャピラリチューブの代わりに、オリフィスやニードルバルブ等を利用することも考えられる。しかしながら、オリフィス部分の流路を長くするには限界があるので、脱硫器から排出された高圧の液体燃料の流量を小さくするためにはオリフィス部分の径を極めて小さくせざるを得ない。ここで、脱硫器においては脱硫触媒によって液体燃料の脱硫を行っているが、脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料の中に脱硫触媒が含まれている場合がある。そのため、オリフィスやニードルバルブ等を利用した場合、脱硫器から流出した脱硫触媒がオリフィス部分の流路に詰まってしまうことがある。

しかしながら、本発明に係る改質システムでは、上記のようにキャピラリチューブを用いているので、キャピラリチューブの長さに応じて、キャピラリチューブの内径をある程度大きくすることができる。そのため、脱硫触媒による目詰まりが極めて起こりにくくなっている。

好ましくは、ポンプが定圧ポンプである。このようにすると、脱硫器内の圧力の管理が容易となる。

好ましくは、キャピラリチューブの内径が０．１ｍｍ〜０．７ｍｍである。キャピラリチューブの内径が０．１ｍｍ未満であると、脱硫触媒によってキャピラリチューブが目詰まりを起こしやすくなる傾向にある。キャピラリチューブの内径が０．７ｍｍを超えると、脱硫器内を高圧に維持しながら低流量で液体燃料の送液を行うために、必要なキャピラリチューブの全長が長くなってしまい、コンパクト化が困難となる傾向にある。

好ましくは、キャピラリチューブが螺旋状に巻回されている。このようにすると、キャピラリチューブの全長が長い場合であっても、嵩張り難くなる。

本発明によれば、低流量での液体燃料の送液を簡便に且つ低コストで実現することが可能な燃料電池システム及び改質システムを提供することができる。

本発明に係る燃料電池システム１の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

燃料電池システム１は、図１に示されるように、水素を含有する改質ガスを生成する改質装置２と、改質装置２に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫装置３と、改質装置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。なお、燃料電池システム１のうち燃料電池スタック４を除いた部分（改質装置２、脱硫装置３及び後述するポンプ１６，２２，２４等）によって改質システムＲが構成されている。

改質装置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内に収容された改質触媒を加熱するバーナ６と、を有している。バーナ６は、水蒸気改質反応を促進する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では、脱硫装置３から導入された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。

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、改質装置２で得られた改質ガスを用いて発電を行う。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。

脱硫装置３は、定圧ポンプ７によって導入された液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器８と、脱硫器８から排出された液体燃料及びガス（メタンガスや水素ガス等）を貯留する気液分離容器９と、を有している。気液分離容器９内には、ガスの量を検知するために液体燃料の液面を検出するフロートスイッチ１１が設置されている。気液分離容器９は、脱硫器８よりも上方に配置されており、液体燃料及びガスが流通する液体燃料・ガス流通ライン１２は、一端が脱硫器８の底壁に接続され、他端が気液分離容器９の底壁に接続されている。これにより、脱硫器８から排出されたガスを気液分離容器９内に確実に導入することができる。なお、図示はしていないが、脱硫器８によって硫黄分が除去された液体燃料の中に含まれる脱硫触媒を除去する目的で、液体燃料・ガス流通ライン１２にフィルタを設けている。本実施形態においては、例えば、目開きが０．０２６ｍｍ程度のフィルタを用いることができる。

気液分離容器９の天壁には、気液分離容器９内において上方に貯留されたガスを気液分離容器９から排出するためのガス排出ライン１３の一端が接続されている。ガス排出ライン１３の他端は、改質器５の改質触媒を加熱するバーナ６に接続されている。ガス排出ライン１３には、ガスの流通を開放及び閉鎖する電磁弁１４が設けられている。電磁弁１４は、気液分離容器９と協働して、液体燃料からガスを除去するデガッサＤを構成している。更に、ガス排出ライン１３における電磁弁１４の下流側には、ガスの流通を阻害するキャピラリチューブ１５が設けられている。なお、ガス排出ライン１３におけるキャピラリチューブ１５の下流側には、バーナ６に空気を導入するためのポンプ１６が設けられた空気流通ライン１７が接続されている。

一方、気液分離容器９の底壁には、気液分離容器９内において下方に貯留された液体燃料を気液分離容器９から排出するための液体燃料排出ライン１８の一端が接続されている。液体燃料排出ライン１８の他端は、気液分離容器９よりも上方に配置された貯留容器１９の側壁に接続されている。液体燃料排出ライン１８には、液体燃料の流通を阻害するキャピラリチューブ２１が設けられている。

ここで、キャピラリチューブ２１は、極細管が螺旋状に巻回されたものである。定圧ポンプによって決まる圧力下で、液体燃料の流量が低流量（例えば、１ｋＷの燃料電池システムのときに１０ｇ／ｍｉｎ以下）となるように、キャピラリチューブ２１の内径及び巻回されたときの直径が設定される。具体的には、キャピラリチューブ２１は、その内径が０．１ｍｍ〜０．７ｍｍ程度であることが好ましく、直径が１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度となるように巻回されていると好ましい。キャピラリチューブ２１の全長は、本実施形態においては６００ｍｍ程度であるが、必要な流量、必要な脱硫器８内の圧力、キャピラリチューブ２１の内径及びキャピラリチューブ２１を巻回したときの直径を考慮して設定することができる。上記のように、液体燃料・ガス流通ライン１２にはフィルタが設けられているものの、目開きよりも小さな粒径の脱硫触媒はフィルタを通過してしまうことから、キャピラリチューブ２１の内径が０．１ｍｍ未満であると、脱硫触媒によってキャピラリチューブ２１が目詰まりを起こしやすくなる傾向にある。一方、キャピラリチューブ２１の内径が０．７ｍｍを超えると、脱硫器８内を高圧に維持しながら低流量で液体燃料の送液を行うために、必要なキャピラリチューブ２１の全長が長くなってしまい、コンパクト化が困難となる傾向にある。なお、キャピラリチューブ２１の巻回されたときの直径の大きさに応じて、圧損を調整することができる。

貯留容器１９の底壁には、貯留容器１９内において下方に貯留された液体燃料を改質器５に導入するためのポンプ２２が設けられた液体燃料流通ライン２３、及び同液体燃料をバーナ６に導入するためのポンプ２４が設けられた液体燃料流通ライン２５が接続されている。このように、貯留容器１９に液体燃料を一旦貯留することで、ポンプ２２による改質器５への液体燃料の供給、及びポンプ２４によるバーナ６への液体燃料の供給を安定化させることができる。

以上のように構成された燃料電池システム１においては、液体燃料は、まず脱硫器８に導入され、脱硫器８では、高温・高圧の状態で脱硫触媒によって液体燃料から硫黄分が除去される。脱硫器８から排出された液体燃料及びガスは、気液分離容器９に貯留され、液体燃料は、液体燃料排出ライン１８、貯留容器１９及び液体燃料流通ライン２３を介して改質器５に導入される。このとき、バーナ６には、液体燃料排出ライン１８、貯留容器１９及び液体燃料流通ライン２５を介して液体燃料が導入されると共に、空気流通ライン１７を介して空気が導入される。これにより、改質器５では、燃焼するバーナ６によって改質触媒が加熱され、液体燃料が用いられて改質ガスが生成される。改質器５で生成された改質ガスは、燃料電池スタック４に導入され、燃料電池スタック４では、改質ガスが用いられて発電が行われる。

一方、気液分離容器９に貯留されたガスは、ガス排出ライン１３を介してバーナ６に導入され、液体燃料と共に、バーナ６の燃料として用いられる。このように、脱硫器８から液体燃料と伴に排出されたガスをバーナ６の燃料として有効に利用することができる。なお、電磁弁１４は、ガスの流通を閉鎖している場合において、フロートスイッチ１１によって検知された気液分離容器９内のガスの量が所定の量を超えたときに、複数回に分けてガスの流通を開放する。

以上のような本実施形態においては、脱硫器８の下流側にキャピラリチューブ２１を配置している。そのため、キャピラリチューブ２１の内径や長さを適宜選択することで、高価なポンプを用いることなく、脱硫器８内の圧力及び液体燃料の流量を所望の大きさとすることができる。その結果、低流量での液体燃料の送液を簡便に且つ低コストで実現することが可能となる。

ところで、キャピラリチューブ２１の代わりに、オリフィスやニードルバルブ等を利用することも考えられる。しかしながら、オリフィス部分の流路を長くするには限界があるので、脱硫器８から排出された高圧の液体燃料の流量を小さくするためにはオリフィス部分の径を極めて小さくせざるを得ない。ここで、脱硫器８においては脱硫触媒によって液体燃料の脱硫を行っているが、脱硫器８によって硫黄分が除去された液体燃料の中に脱硫触媒が含まれている場合がある。そのため、オリフィスやニードルバルブ等を利用した場合、脱硫器８から流出した脱硫触媒がオリフィス部分の流路に詰まってしまうことがある。

しかしながら、本実施形態に係る燃料電池システム１では、上記のようにキャピラリチューブ２１を用いているので、キャピラリチューブ２１の長さに応じて、キャピラリチューブ２１の内径をある程度大きくすることができる。そのため、脱硫触媒による目詰まりが極めて起こりにくくなっている。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。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。

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。

また、定圧ポンプ７の代わりに定流量ポンプを用いてもよい。ただし、脱硫器８内の圧力の管理の観点からは、定圧ポンプ７を用いることが好ましい。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…脱硫装置、４…燃料電池スタック、５…改質器、６…バーナ、７…定圧ポンプ、８…脱硫器、１２…液体燃料・ガス流通ライン、１８…液体燃料排出ライン、２１…キャピラリチューブ、Ｒ…改質システム。

Claims (6)

1. 液体燃料を送り出す定圧ポンプと、
   前記ポンプの下流側に配置され、前記液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、
   前記脱硫器から排出された前記液体燃料及びガスを貯留する気液分離器と、
   前記気液分離器から前記液体燃料を排出するための液体燃料排出ラインと、
   前記液体燃料排出ラインに設けられ、前記脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料が通過するキャピラリチューブと、
   前記キャピラリチューブの下流側に配置され、前記脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料を用いて、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、
   前記気液分離器から前記ガスを排出するためのガス排出ラインと、
   前記ガス排出ラインに設けられ、前記ガスの流通を開放及び閉鎖する開閉弁とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記キャピラリチューブの内径が０．１ｍｍ〜０．７ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記キャピラリチューブが螺旋状に巻回されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載された燃料電池システム。
4. 液体燃料を送り出す定圧ポンプと、
   前記ポンプの下流側に配置され、前記液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、
   前記脱硫器から排出された前記液体燃料及びガスを貯留する気液分離器と、
   前記気液分離器から前記液体燃料を排出するための液体燃料排出ラインと、
   前記液体燃料排出ラインに設けられ、前記脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料が通過するキャピラリチューブと、
   前記キャピラリチューブの下流側に配置され、前記脱硫器によって硫黄分が除去された液体燃料を用いて、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
   前記気液分離器から前記ガスを排出するためのガス排出ラインと、
   前記ガス排出ラインに設けられ、前記ガスの流通を開放及び閉鎖する開閉弁とを備えることを特徴とする改質システム。
5. 前記キャピラリチューブの内径が０．１ｍｍ〜０．７ｍｍであることを特徴とする、請求項４に記載された改質システム。
6. 前記キャピラリチューブが螺旋状に巻回されていることを特徴とする、請求項４又は５に記載された改質システム。

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