JP2004031025A - 燃料電池発電装置用脱硫器の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】早期に起動が完了し、かつ起動時に生じる脱硫の不十分な液体燃料による次段以降の改質触媒の硫黄被毒が回避される運転方法を得る。
【解決手段】灯油タンク１より取り出された灯油を、改質器６のバーナー６ａとの熱交換およびＣＯ変成器７の熱交換器７ａとの熱交換により加熱して、脱硫器８Ａへ導入するとともに、起動時には、脱硫器８Ａより排出される灯油を灯油タンク１に戻して循環させ、脱硫の不十分な灯油の改質器６等への流入を阻止する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリンや灯油等の液体燃料を燃料ガスの原料として用いる燃料電池発電装置の液体燃料の脱硫器の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池自動車や定置型燃料電池発電装置に対して期待が集まっている。燃料電池自動車では、水素を燃料電池本体に供給する手段が必要となり、その手段として高圧水素ボンベの搭載や水素吸蔵合金の搭載、あるいは液体燃料を燃料改質する方式が考えられている。このうち、高圧水素ボンベは危険性が高いという難点があり、また水素吸蔵合金を用いる場合には航続距離を伸ばすと大きさが過大となる欠点がある。これに対して、従来のガソリン車と同様に、取扱いが容易で、かつインフラ整備の進んでいるガソリンを用い、これを燃料改質する方式と、液体燃料の中では比較的改質が容易なメタノールを搭載して、これを燃料改質する方式が実用性の高い方式と期待されている。
【０００３】
一方、定置型燃料電池発電装置においては、ライフラインとして整備されている都市ガスを燃料改質する方式の開発が先行しているが、燃料単価が安く、家庭用暖房機の燃料として広く使用されている石油系炭化水素を水素に生成する原燃料として用いる方式も検討されている。この石油系炭化水素の代表である灯油は、常温常圧で液体であり、保管および取扱いが容易である上、供給、販売システムが整備されている点からも、その適用が期待されている。灯油を用いる場合も水蒸気改質反応や部分酸化改質反応によって水素を生成させることができるが、灯油の場合には、メタノールや都市ガスに比べて、油中に含まれる硫黄成分の含有量が極めて多いという問題点があり、貴金属系触媒を代表とする改質触媒が灯油中の硫黄成分によって硫黄被毒を受けて触媒性能が低下するので、灯油を原燃料として用いる場合には脱硫処理を行うことが必要となる。
【０００４】
図３は、灯油を原燃料として用いた従来の燃料電池発電装置のガス系、水系のフロー図、図４は、図３の燃料電池発電装置に用いられている従来の脱硫器の構成を示す縦断面図である。
図３に見られるように、本構成では、灯油タンク１に貯えられた灯油は、灯油ポンプ２により熱交換器７ａを介して脱硫器８へと送られて脱硫され、次いで気化器１２で水蒸気と混合されたのち、改質器６に送られて水蒸気改質される。改質器６で得られた改質ガスは、改質器６の外側に一体に配されたＣＯ変成器７に送られて変成反応によってＣＯ濃度が低減され、さらにＣＯ除去器１８において選択酸化反応によってＣＯ濃度を極微量に抑制されたのち、燃料ガスとして燃料電池本体２０の燃料極へと供給される。なお、改質器６を所定の温度に保持するために、燃料極から排出される燃料極オフガス、灯油燃焼ポンプ３によって灯油タンク１から送られる灯油、ならびにブロア４によって取込まれる燃焼空気が改質器６のバーナー６ａへと供給され、燃焼される。また、電池冷却水系の純水タンク３０に貯えられた純水の一部を、ポンプ２４によってＣＯ除去器１８に供給して冷却に用いた後、蒸気発生器１６においてバーナー６ａの燃焼排ガスと熱交換させて蒸気とし、さらに改質器６の冷却に用いて温度上昇した水蒸気を、気化器１２において灯油と混合させる水蒸気として使用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、灯油を原燃料として用いる場合には脱硫処理を行うことが必要であり、脱硫器８で脱硫処理が行われる。常温常圧において液体である灯油の硫黄分を吸着除去するには、脱硫器８の脱硫剤の温度を所定の脱硫温度に昇温、維持する必要がある。このため、図４に見られるように、脱硫器８は、脱硫剤８１を充填した筒状容器の外周にヒーター８２を巻回して構成されており、ヒーター８２で脱硫剤８１を加熱、昇温するとともに、熱交換器７ａで予め加熱した灯油を下端の導入口８４より供給し、脱硫剤８１中を通流させて上端の排出口８５より排出することによって脱硫操作を行っている。なお、図４に見られる８３は、脱硫剤８１の温度監視用の温度計の挿入用鞘管である。
【０００６】
このように脱硫器８は加熱、昇温して用いられているが、脱硫剤８１の吸着能力は大きくないので、脱硫器８を脱硫剤８１が交換可能なカートリッジタイプに構成しても脱硫剤８１の所要容積は大きくなる。このため、脱硫器８を起動して脱硫剤の温度を所定の脱硫温度に昇温させるには、ヒーター８２によって多大な電気エネルギーを投入する必要があり、かつ、多大な電気エネルギーを投入しても所定の脱硫温度に到達するまでには長時間を要する。したがって、この間、脱硫剤の温度が低く、十分に脱硫されない灯油が改質システムの次段以降に導入され、改質触媒が硫黄被毒を受けて触媒性能が低下する危険性が高い。また、このように起動操作に長時間を要するので、この種の燃料電池発電装置の構成要素の中で、脱硫器８の起動完了が最も遅くなり、装置の効率的な運転を図る上で問題点となる。
【０００７】
本発明は、このような灯油を原燃料とする従来の燃料電池発電装置の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、脱硫器の脱硫剤が効果的に加熱、昇温されて、早期に起動操作が進行し、かつ改質システムの次段以降の改質触媒の硫黄被毒が回避される燃料電池発電装置用脱硫器の運転方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
脱硫器と改質器とＣＯ変成器とを含む改質システムによって液体燃料を脱硫、改質し、得られた改質ガスを燃料ガスして用いる燃料電池発電装置の前記脱硫器の運転方法において、
（１）液体燃料タンクから送られた液体燃料を上記の改質器の加熱用バーナーとの熱交換および上記のＣＯ変成器との熱交換により加熱して脱硫器に導入し、かつ脱硫器の起動の際には、脱硫器の温度が規定温度に達するまで、脱硫器より排出される液体燃料を上記の液体燃料タンクへ戻して循環させることとする。
【０００９】
（２）また、さらに、改質器の加熱用バーナーから排出される燃焼排ガスにより脱硫器を加熱して運転することとする。
上記の（１）のごとく、液体燃料タンクから送られた液体燃料を、ＣＯ変成器との熱交換により加熱するばかりでなく、高温の加熱用バーナーとの熱交換により加熱すれば、液体燃料はより効果的に加熱されるので、より速やかに温度上昇させることができる。また、起動時には脱硫器より排出される液体燃料を液体燃料タンクへ戻して循環させることとすれば、脱硫の不十分な灯油が次段以降の改質システムへ流入するのが防止されるので、これらの改質システムの改質触媒が硫黄被毒を受けて触媒性能が低下する危険性が回避される。
【００１０】
さらに、上記の（２）のごとく、改質器の加熱用バーナーから排出される燃焼排ガスにより脱硫器を加熱して運転することとすれば、脱硫器は高温の燃焼排ガスにより効果的に加熱されるので、従来システムに備えられていたような電気ヒーターでの加熱が不要となり、熱効率に優れた運転が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池発電装置用脱硫器の運転方法が適用される灯油を原燃料として用いる燃料電池発電装置のガス系および水系のフロー図である。また、図２は、図１の燃料電池発電装置に用いられている脱硫器の構成を示す縦断面図である。
【００１２】
図１に示した燃料電池発電装置のガス系の第１の特徴は、灯油タンク１より灯油ポンプ２によって取出された灯油が、改質器６のバーナー６ａとの熱交換，およびＣＯ変成器７の熱交換器７ａでの熱交換により加熱されたのち脱硫器８Ａへ導入されていることにある。また、第２の特徴は、脱硫器８Ａの出口配管に切替バルブ１０が配され、脱硫処理後の灯油を脱硫器８Ａから気化器１２へ導く回路と、脱硫器８Ａから灯油タンク１に戻して再び循環させる回路とのいずれかを選択できるよう構成されている点にある。本構成の燃料電池発電装置では、脱硫器８Ａの触媒層の温度が所定の動作温度に達するまでの起動時には、脱硫器８Ａから出た灯油が灯油タンク１に戻って再び循環するように切替バルブ１０を切替えて運転し、脱硫器８Ａの触媒層の温度が所定の動作温度に達した後、脱硫処理後の灯油を脱硫器８Ａから気化器１２へと導いて改質が行われる。したがって、本構成とすれば、導く灯油が改質器６のバーナー６ａとの熱交換，およびＣＯ変成器７の熱交換器７ａでの熱交換により加熱されて脱硫器８Ａへと導入されるので、脱硫器８Ａの触媒層が効果的に加熱され、短時間で所定の動作温度に達することとなるが、触媒層の温度が所定の動作温度に達するまでのこの起動時には、脱硫器８Ａより排出された灯油は灯油タンク１に戻されて再循環するので、処理温度が低く脱硫が不十分な灯油が排出されても、これらの硫黄分を含む灯油が改質器６やＣＯ変成器７等に導かれる恐れはなく、したがって、これらの機器の改質触媒の硫黄被毒による触媒性能の低下は回避されることとなる。
【００１３】
また、本構成の燃料電池発電装置のガス系の第３の特徴は、改質器６のバーナー６ａから排出される高温の燃焼排ガスの一部を脱硫器８Ａの加熱に用いている点にある。すなわち、図１の燃料電池発電装置に用いられている脱硫器８Ａにおいては、図２に見られるごとく、脱硫剤８１の充填層の外側にガス流路が備えられており、一端に設けられたガス導入口８６より改質器の燃焼排ガスを導入して脱硫剤８１を加熱し、他端に設けられたガス排出口から排出するよう構成されている。したがって、本構成では従来例に示した電気ヒーターのごとき加熱手段を別途備える必要はなく、熱効率の優れた運転が可能となる。
【００１４】
なお、脱硫器８Ａの加熱に用いられた燃焼排ガスの一部は、図１に見られるごとく、他の燃焼排ガスとともに、燃焼排ガス冷却器３４で冷却されたのち、排ガス冷却器／回収水タンク４０に送られ、含まれる燃焼生成水が回収される。また、燃料電池本体２０の空気極にはブロア４８によって反応空気が供給され、空気極より排出された空気極オフガスは、空気極オフガス冷却器２８で冷却されたのち、排ガス冷却器／回収水タンク４０に送られ、含まれる反応生成水が回収される。回収されたこれらの生成水の一部は水処理装置４６で純化処理されたのち、純水タンク３０に送られ、燃料電池本体２０の冷却水として用いられる。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
（１）脱硫器と改質器とＣＯ変成器とを含む改質システムによって液体燃料を脱硫、改質し、得られた改質ガスを燃料ガスして用いる燃料電池発電装置において、組込まれた脱硫器を請求項１に記載のごとき方法により運転することとしたので、脱硫器に充填された脱硫剤が効果的に加熱、昇温され、かつ脱硫の不十分な液体燃料の次段以降への供給が阻止されるので、早期に起動操作が進行し、かつ改質システムの次段以降の改質触媒の硫黄被毒が回避されることとなった。
【００１６】
（２）また、さらに請求項２に記載のごとき方法により運転することとすれば、脱硫器はより効率的に加熱、昇温されるので、早期に起動操作が進行し、かつ改質システムの次段以降の改質触媒の硫黄被毒が回避される燃料電池発電装置用脱硫器の運転方法として、より好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電装置用脱硫器の運転方法が適用される灯油を原燃料として用いる燃料電池発電装置のガス系および水系のフロー図
【図２】図１の燃料電池発電装置に用いられている脱硫器の構成を示す縦断面図
【図３】灯油を原燃料に用いた従来の燃料電池発電装置のガス系、水系のフロー図
【図４】図３の燃料電池発電装置に用いられている脱硫器の構成を示す縦断面図
【符号の説明】
１　　灯油タンク
２　　灯油ポンプ
３　　灯油燃焼ポンプ
６　　改質器
６ａ　　バーナー
７　　ＣＯ変成器
７ａ　　熱交換器（ＣＯ変成器）
８Ａ　　脱硫器
１０　　切替バルブ
１２　　気化器
１６　　蒸気発生器
１８　　ＣＯ除去器
２０　　燃料電池本体
３０　　純水タンク
４０　　排ガス冷却器／回収水タンク
４６　　水処理装置

Claims (2)

1. 脱硫器と改質器とＣＯ変成器とを含む改質システムによって液体燃料を脱硫、改質し、得られた改質ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池発電装置の前記脱硫器の運転方法で、
   液体燃料タンクから送られた液体燃料を前記改質器の加熱用バーナーとの熱交換および前記ＣＯ変成器との熱交換により加熱して脱硫器に導入し、かつ、脱硫器の起動の際には、脱硫器の温度が規定温度に達するまで、脱硫器より排出される液体燃料を前記の液体燃料タンクへ戻して循環させることを特徴とする燃料電池発電装置用脱硫器の運転方法。
2. 改質器の前記の加熱用バーナーから排出される燃焼排ガスにより脱硫器を加熱して運転することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置用脱硫器の運転方法。

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