JP2007103078A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】脱硫剤の性能が低下しても、燃料電池システムを停止することなく継続的に運転可能とするとともに、スタックから排出されたアノードオフガスの有効利用を図る。
【解決手段】脱硫器を複数備え、一の脱硫器10aを燃料の脱硫用、他の脱硫器10bを脱硫剤の再生用とする。一の脱硫器10aで硫黄分が除去された燃料は、改質器20へ送られ、ここで水素が取り出される。この取り出された水素と空気中の酸素とがスタック30で電気化学的に反応して発電する。この発電の際に発生したアノードオフガスが、他の脱硫器10bへ送られ、脱硫剤の再生に利用される。
【選択図】図1

Description

本発明は、脱硫器で硫黄分が除去された原料から水素を取り出し、この取り出した水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電する燃料電池システムに関し、特に、脱硫器内の脱硫剤の性能が低下しても、その交換のためにシステム全体を停止する必要がなく、継続的な運転を可能する燃料電池システムに関する。
近年、環境問題の観点から、空気汚染物質を排出しないクリーンな発電システムとして、燃料電池が注目されている。
この燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムの一般的な構成について、図4を参照して説明する。
同図に示すように、燃料電池システム100−1は、脱硫器110と、改質器120と、スタック(燃料電池本体)130とを備えている。
ここで、脱硫器110は、燃料(水素製造用原料、例えば、同図においてはLPG(液化石油ガス))から硫黄分を除去して改質器120へ送る。
改質器120は、その硫黄分が除去された燃料を改質して水素を取り出す。この取り出された水素(改質ガス)は、スタック130へ送られる。
スタック(燃料電池本体)130は、改質器120からの水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。この発電された電力は、住居や店舗などへ供給される。また、スタック130から排出された残留水素(アノードオフガス)は、改質器120のバーナ121へ送られて燃焼される。
ところで、それらのうち、脱硫器110は、内部に脱硫剤(吸着剤)が充填されている。
脱硫剤は、硫黄化合物を吸着することで、燃料から硫黄化合物を除去する。ただし、飽和状態に達するともはや硫黄化合物を吸着できなくなる。この場合は、作業員により、新しい脱硫器と交換される。
ここで、図4に示すように、脱硫器が一つだけ取り付けられている場合には、その脱硫器の交換に際し、燃料電池システム100−1の運転を一旦停止しなければならない。そうすると、燃料電池システムを継続的かつ安定的に運転し続けることができなくなるという問題が生じていた。
そこで、例えば、脱硫器を複数備えた燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1、2参照。)。
この提案は、例えば、図5に示すように、燃料電池システム100−2が脱硫器110を二つ備え、一の脱硫器110aを燃料の脱硫用とし、他の脱硫器110bを脱硫剤の再生用とする。
脱硫剤の再生は、例えば、加熱した再生用ガスを脱硫器110の内部に通すことにより、脱硫剤から硫黄分を除去する。再生用ガスの加熱には、例えば熱交換器やラインヒータなどが用いられる。熱交換器には、脱硫剤が再生されて脱硫器110から排出された排ガスが通される。これにより、再生用ガスに熱量が与えられる。一方、ラインヒータには、アノードガス搬送管路が配置されている。このアノードガス搬送管路内を搬送するアノードガスにより、再生用ガスは加熱される。
このように、脱硫器を複数備えることとすれば、それら脱硫器間で、吸着工程と脱着工程とが交互に繰り返されるので、たとえ、脱硫剤の性能が低下したとしても、燃料電池システムを停止することなく、継続的かつ安定的に運転させることができる。
なお、このような技術は、例えばPSA法(圧力スイング吸着法)として知られている。
特開平10−251668号公報 特公平6−078530号公報
しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、脱硫剤再生用の脱硫器で使用される再生用ガスを外部から引き込むこととしていたため、その引き込み専用管路を設ける必要があった。このことから、設備コストが高くなるとともに、プロセスが複雑となっていた。
また、スタックから排出されるアノードオフガスは、再生用ガスを加熱するための熱源として用いられていた。これは、アノードオフガスが非常に高温な状態で排出されるためであった。ところが、本来アノードオフガスは、スタックの発電効率や耐久性の確保を理由に、スタックに供給された水素の一部が排出されたものである。すなわち、アノードオフガスは、水素を多く含有している。このため、熱源としての利用だけでなく、その水素について有効利用を図る手法の提案が望まれていた。
本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであり、燃料電池システムの設備コストの低減やプロセスの簡略化を可能とするとともに、アノードオフガスの有効利用を図ることができる燃料電池システムの提供を目的とする。
この目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、硫黄分が除去された燃料から水素を取り出す改質器と、この改質器からの水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電するスタックとを備えた燃料電池システムであって、スタックから排出されたアノードオフガスを脱硫器へ送るアノードオフガス用管路を備えるとともに、脱硫器を複数備え、これら複数の脱硫器のうちの一部の脱硫器は、燃料から硫黄分を除去するために使用し、他の脱硫器は、アノードオフガス用管路から送られてきたアノードオフガスを再生用ガスとして用いて、当該他の脱硫器に充填された脱硫剤を再生する構成としてある。
燃料電池システムをこのような構成とすると、脱硫器が複数備えられるため、それら脱硫器間で、吸着工程と脱着工程とを交互に繰り返し行うことができる。
例えば、脱硫器Aにおける脱硫剤の性能が低下したときは、その脱硫器Aにおいては脱着工程により脱硫剤の再生を行い、他の脱硫器Bにおいては燃料の脱硫を行うようにする。次に、脱硫器Bにおける脱硫剤の性能が低下したときには、その脱硫器Bにおいては脱着工程により脱硫剤の再生を行い、脱硫器Aにおいては燃料の脱硫を行うようにする。このように吸着工程と脱着工程とを入れ換え可能とすることで、燃料の脱硫を常に高性能で行うことができる。したがって、燃料電池システムを停止させることなく継続的かつ安定的に運転させることができる。
さらに、再生用ガスとしてアノードオフガスを用いることにより、再生用ガスを外部から引き込むための管路を備える必要がなくなる。したがって、燃料電池システムの設備コストを低減できるとともに、プロセスを簡略化できる。
加えて、アノードオフガスは、水素を多く含有していることから、再生用ガスとして脱硫器に通すことにより脱硫剤から硫黄分を除去できる。したがって、アノードオフガスの有効利用を図ることができる。
また、本発明の燃料電池システムは、他の脱硫器を通って放出された再生用ガスを改質器のバーナへ送る再生用ガス管路と、この再生用ガス管路に備えられて再生用ガスから硫黄分を除去するトラップとを備え、バーナは、再生用ガスを助燃ガスとして燃焼する構成としてある。
燃料電池システムをこのような構成とすれば、脱硫器を通って放出された再生用ガスの有効利用を図ることができる。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料が、LPG又は灯油を含む構成としてある。
燃料電池システムをこのような構成とすれば、燃料としてLPGや灯油が用いられた燃料電池システムにおいても、燃料電池システムの設備コストの低減やプロセスの簡略化を可能とするとともに、アノードオフガスの有効利用を図ることができる。
以上のように、本発明によれば、脱硫器が複数備えられるため、燃料から硫黄分を除去する吸着工程と脱硫剤から硫黄分を脱着する脱着工程とを、各脱硫器間で交互に繰り返し行うことができる。このことから、脱硫剤の性能が低下したとしても、燃料電池システムを停止させることなく、継続的かつ安定的に運転させることができる。
また、再生用ガスとしてアノードオフガスを用いることとしたため、再生用ガスを外部から引き込むための専用管路や再生用ガスを加熱するための熱交換器などを備える必要がなくなる。これにより、燃料電池システムの設備コストを低減でき、しかもプロセスの簡略化が可能となる。
さらに、アノードオフガスの水素分を利用して脱硫剤の再生が行われるため、アノードオフガスの有効利用を図ることができる。
以下、本発明に係る燃料電池システムの好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本発明の燃料電池システムの実施形態について、図1を参照して説明する。
同図は、本実施形態の燃料電池システムの構成を示す概略図である。
同図に示すように、本実施形態の燃料電池システム1は、第一脱硫器10aと、第二脱硫器10bと、改質器20と、スタック30と、アノードオフガス用管路40と、バルブ50a〜50iと、再生用ガス管路60と、硫化水素トラップ70と、逆止弁80とを備えている。
ここで、第一脱硫器10aと第二脱硫器10bとは、いずれも内部に脱硫剤(図示せず)が充填されており、燃料から硫黄分を除去する機能を有している。
また、第一及び第二脱硫器10a、10bは、アノードオフガス用管路40から送られてきたアノードオフガスを用いて脱硫剤を再生する機能を有している。
この脱硫剤の再生は、アノードオフガスに存在する水素により、脱硫剤に吸着した硫黄の水素化を行い、硫化水素として離脱(脱着)させるものである。
これを化学式で表すと次式のようになる。
M−S + H → M + HS ・・・(式1)
ただし、Mは、脱硫剤中の金属成分である。
このように、第一及び第二脱硫器10a、10bは、いずれも燃料の脱硫を行うことができ、また、脱硫剤の再生を行うこともできる。ただし、燃料電池システム1の運転中は、一方が燃料脱硫用、他方が脱硫剤再生用として使用される。
このため、脱硫器10aと脱硫器10bとの間で吸着工程と脱着工程とを交互に繰り返し行うことができる。このことから、脱硫剤の性能が低下したとしても、燃料電池システムを停止させることなく、継続的かつ安定的に運転させることができる。
なお、燃料脱硫用の脱硫器10から排出された燃料(硫黄分が除去された燃料)は、改質器20へ送られる。一方、脱硫剤再生用の脱硫器10から排出された再生用ガス(アノードオフガス)は、脱硫剤から脱着した硫黄分すなわちHSを含んで、再生用ガス管路60を通り硫化水素トラップ70へ送られる。
また、図1に示す第一及び第二脱硫器10a、10bにおいて、上方を燃料流入側といい、下方を再生用ガス流入側という。
改質器20は、第一又は第二脱硫器10a、10bから送られてきた燃料(硫黄分が除去された後の燃料)を改質して水素を取り出す。この取り出された水素(改質ガス)は、スタック30へ送られる。
この改質器20は、内部に熱源として用いられるバーナ21を有している。
このバーナ21は、アノードオフガス用管路40を通って送られてきたアノードオフガス及び再生用ガス管路60を通って送られてきた再生用ガスを燃焼するとともに、燃焼量が足りない場合には燃焼用燃料(LPGなど)を助燃ガスとして燃焼する。
スタック(燃料電池本体)30は、改質器20から送られてきた水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する。
このスタック30は、アノード(図示せず)からアノードオフガス(残留水素、H+CO)を排出する。
アノードオフガス用管路40は、スタック30から排出されたアノードオフガスを、改質器20(バーナ21)へ送る。また、アノードオフガス用管路40は、そのアノードオフガスを、第一脱硫器10a又は第二脱硫器10bのうち脱硫剤再生用として使用されている方へ送る。
バルブ50aは、燃料の受け入れ口(燃料供給口)と第一脱硫器10aの燃料流入側との間に備えられており、第一脱硫器10aを燃料脱硫用として使用するときに開けられる。これにより、第一脱硫器10aに燃料が送られる。
また、バルブ50aは、第一脱硫器10aを脱硫剤再生用として使用するときには閉められる。これにより、第一脱硫器10aから排出された再生用ガスが燃料供給口へ流れ出すのを防止できる。
バルブ50bは、燃料供給口と第二脱硫器10bの燃料流入側との間に備えられており、第二脱硫器10bを燃料脱硫用として使用するときに開けられる。これにより、第二脱硫器10bに燃料が送られる。
また、バルブ50bは、第二脱硫器10bを脱硫剤再生用として使用するときには閉められる。これにより、第二脱硫器10bから排出された再生用ガスが燃料供給口へ流れ出すのを防止できる。
バルブ50cは、第一脱硫器10aの燃料流入側と硫化水素トラップ70との間に備えられており、第一脱硫器10aを燃料脱硫用として使用するときには閉められる。これにより、燃料が硫化水素トラップ70へ流れるのを防止できる。
また、バルブ50cは、第一脱硫器10aを脱硫剤再生用として使用するときに開けられる。これにより、第一脱硫器10aから排出された再生用ガスを硫化水素トラップ70へ送ることができる。
バルブ50dは、第二脱硫器10bの燃料流入側と硫化水素トラップ70との間に備えられており、第二脱硫器10bを燃料脱硫用として使用するときには閉められる。これにより、燃料が硫化水素トラップ70へ流れるのを防止できる。
また、バルブ50dは、第二脱硫器10bを脱硫剤再生用として使用するときに開けられる。これにより、第二脱硫器10bから排出された再生用ガスを硫化水素トラップ70へ送ることができる。
バルブ50eは、第一脱硫器10aの再生用ガス流入側とスタック30との間に備えられており、第一脱硫器10aを燃料脱硫用として使用するときには閉められる。これにより、脱硫後の燃料がスタック30へ逆流するのを防止できる。
また、バルブ50eは、第一脱硫器10aを脱硫剤再生用として使用するときに開けられる。これにより、スタック30から排出されたアノードオフガスを再生用ガスとして第一脱硫器10aへ送ることができる。
バルブ50fは、第二脱硫器10bの再生用ガス流入側とスタック30との間に備えられており、第二脱硫器10bを燃料脱硫用として使用するときには閉められる。これにより、脱硫後の燃料がスタック30へ逆流するのを防止できる。
また、バルブ50fは、第二脱硫器10bを脱硫剤再生用として使用するときに開けられる。これにより、スタック30から排出されたアノードオフガスを再生用ガスとして第二脱硫器10bへ送ることができる。
バルブ50gは、第一脱硫器10aの再生用ガス流入側と改質器20との間に備えられており、第一脱硫器10aを燃料脱硫用として使用するときに開けられる。これにより、脱硫後の燃料が改質器20へ送られる。
また、バルブ50gは、第一脱硫器10aを脱硫剤再生用として使用するときには閉められる。これにより、スタック30から排出されたアノードオフガスが改質器20へ流れるのを防止できる。
バルブ50hは、第二脱硫器10bの再生用ガス流入側と改質器20との間に備えられており、第二脱硫器10bを燃料脱硫用として使用するときに開けられる。これにより、脱硫後の燃料が改質器20へ送られる。
また、バルブ50hは、第二脱硫器10bを脱硫剤再生用として使用するときには閉められる。これにより、スタック30から排出されたアノードオフガスが改質器20へ流れるのを防止できる。
バルブ50iは、スタック30から改質器20へアノードオフガスを送るアノードオフガス用管路40の経路上に備えられている。このバルブ50iを開けることにより、アノードオフガスが改質器20のバーナ21へ送られる。一方、閉めることにより、バーナ21へのアノードオフガスの供給を止めることができる。
再生用ガス管路60は、第一脱硫器10a又は第二脱硫器10bから排出された再生用ガスを改質器20のバーナ21へ送るための管路である。この再生用ガス管路60には、硫化水素トラップ70及び逆止弁80が備えられている。
硫化水素トラップ70は、再生用ガス管路60により送られてきた再生用ガスから硫黄分を除去する。
この硫化水素トラップ70では、例えば、次の化学式に示す反応により、硫化水素を酸化亜鉛に吸着させる。
S + ZnO → ZnS + HO ・・・(式2)
すなわち、脱硫器10の脱硫剤から脱着した硫黄成分は、その多くがHSとなるが、硫化水素トラップ70にてZnOに吸着され、ここでZnSとHOとなる。
また、硫化水素トラップ70を通過したガス(硫黄分が除去されたガス)は、改質器20のバーナ21へ送られ、燃焼される。
逆止弁80は、バーナ21へ送られるアノードオフガスが硫化水素トラップ70へ流れ込むのを防止するために備えられる。
なお、アノードオフガスをバーナ21へ送らない場合には、逆止弁80の設置を要しない。
次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について、図2、図3を参照して説明する。
図2は、第一脱硫器10aを燃料脱硫用、第二脱硫器10bを脱硫剤再生用として使用した場合の燃料やガス等の流れを示す動作説明図、図3は、第一脱硫器10aを脱硫剤再生用、第二脱硫器10bを燃料脱硫用として使用した場合の燃料やガス等の流れを示す動作説明図である。
まず、第一脱硫器10aを燃料脱硫用、第二脱硫器10bを脱硫剤再生用として使用した場合の燃料電池システムの動作について、図2を参照して説明する。
燃料電池システム1の運転にあたり、バルブ50a,50d,50f,50gを開、バルブ50b,50c,50e,50hを閉とする。なお、バルブ50iは、閉とすることもできるが、本実施形態においては開とする。
燃料(例えば、LPGなど)が、燃料供給口から供給され、バルブ50aを通って第一脱硫器10aの燃料流入側へ送られる。そして、この第一脱硫器10aの脱硫剤により硫黄分が除去される。
硫黄分が除去された燃料が、第一脱硫器10aから排出され、バルブ50gを通って改質器20に送られる。
改質器20にて、燃料から水素が取り出され、この水素(改質ガス)がスタック30へ送られる。
スタック30にて、改質器20からの水素と空気中の酸素とが電気化学的に反応して発電される。この発電により発生したアノードオフガスは、アノード(図示せず)から排出され、アノードオフガス用管路40により改質器20のバーナ21へ送られて燃焼される。また、アノードオフガスは、再生用ガスとして、アノードオフガス用管路40及びバルブ50fを通って第二脱硫器10bの再生用ガス流入側へ供給される。
第二脱硫器10bにて、再生用ガスを用いて、脱硫剤から硫黄分が脱着される。この脱着した硫黄分を含む再生用ガスが、第二脱硫器10bから排出され、再生用ガス管路60及びバルブ50dを通って硫化水素トラップ70へ送られる。
硫化水素トラップ70にて、その再生用ガスから硫黄分が除去され、このガスが改質器20のバーナ21へ送られる。
バーナ21にて、硫化水素トラップ70からのガスが燃焼される。
次に、第一脱硫器10aを脱硫剤再生用、第二脱硫器10bを燃料脱硫用として使用した場合の燃料電池システムの動作について、図3を参照して説明する。
燃料電池システム1の運転にあたり、バルブ50b,50c,50e,50hを開、バルブ50a,50d,50f,50gを閉とする。なお、バルブ50iは、閉とすることもできるが、本実施形態においては開とする。
燃料が、燃料供給口から供給され、バルブ50bを通って第二脱硫器10bの燃料流入側へ送られる。そして、この第二脱硫器10bの脱硫剤により硫黄分が除去される。
硫黄分が除去された燃料が、第二脱硫器10bから排出され、バルブ50hを通って改質器20に送られる。
改質器20にて、燃料から水素が取り出され、この水素(改質ガス)がスタック30へ送られる。
スタック30にて、改質器20からの水素と空気中の酸素とが電気化学的に反応して発電される。この発電により発生したアノードオフガスは、アノード(図示せず)から排出され、アノードオフガス用管路40により改質器20のバーナ21へ送られて燃焼される。また、アノードオフガスは、再生用ガスとして、アノードオフガス用管路40及びバルブ50eを通って第一脱硫器10aの再生用ガス流入側へ供給される。
第一脱硫器10aにて、再生用ガスを用いて、脱硫剤から硫黄分が脱着される。この脱着した硫黄分を含む再生用ガスが、第一脱硫器10aから排出され、再生用ガス管路60及びバルブ50cを通って硫化水素トラップ70へ送られる。
硫化水素トラップ70にて、その再生用ガスから硫黄分が除去され、このガスが改質器20のバーナ21へ送られる。
バーナ21にて、硫化水素トラップ70からのガスが燃焼される。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、脱硫器を複数備えて、そのうち一つの脱硫器を燃料の脱硫用とし、他の脱硫器を脱硫剤の再生用とする構成としたため、それら複数設置された脱硫器において吸着工程と脱着工程とを交互に繰り返し行わせることができる。このため、脱硫器内の脱硫剤の性能が低下しても、燃料電池システムを停止することなく、継続的な運転が可能となる。
また、アノードオフガスを再生用ガスとして用いることとしたため、外部から再生用ガスを取り込む必要がなくなる。このため、その取り込むための管路を備えることを要しないことから、燃料電池システムの設備コストを低減でき、しかも、プロセスを簡略化できる。
さらに、スタックから排出されたアノードオフガスを脱硫剤の再生に利用し、この再生により離脱した硫黄分を含むガスが、硫化水素トラップで硫黄分が除去されて改質器のバーナの助燃ガスとして使用される。このため、アノードオフガスの有効利用を図ることができる。
以上、本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る燃料電池システムは上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、脱硫器を二つ備えた構成としてあるが、脱硫器は二つに限るものではなく、三つ以上備えることもできる。
具体的には、例えば、脱硫器を三つ備え、それら三つの脱硫器のうちの一つを脱硫剤再生用とし、他の二つを燃料脱硫用とすることができる。そして、バルブの開閉操作により、脱硫剤再生用と燃料脱硫用とを順次切り替えることができる。これにより、脱硫器の性能が低下した場合に、その脱硫器を脱硫剤再生用とし、他の脱硫器を燃料脱硫用とすることができ、さらに、その後、他の脱硫器の性能が低下した場合には、その脱硫器を脱硫剤再生用とし、他の脱硫器を燃料脱硫用とすることができる。このように、一つの脱硫器が脱硫剤再生用とされた場合でも、他の脱硫器を燃料脱硫用とすることができるため、いずれかの脱硫器の性能が低下しても、燃料電池システムの運転を停止することなく、継続的かつ安定的に運転を行うことができる。
また、上述した実施形態では、燃料としてLPGを使用する構成としてあるが、燃料はLPGに限るものではなく、灯油や他の天然ガスなどを燃料とすることもできる。
本発明は、脱硫器を複数備えてその一部を再生用とし、さらにアノードオフガスを再生用ガスとして供給する発明であるため、脱硫器を備えた燃料電池システムに利用可能である。
本発明の燃料電池システムの構成を示す構成概略図である。 第一脱硫器を燃料脱硫用、第二脱硫器を脱硫剤再生用としたときの燃料電池システムの動作を示す動作説明図である。 第一脱硫器を脱硫剤再生用、第二脱硫器を燃料脱硫用としたときの燃料電池システムの動作を示す動作説明図である。 脱硫器を一つ備えた従来の燃料電池システムの構成を示す構成概略図である。 脱硫器を二つ備えた従来の燃料電池システムの構成を示す構成概略図である。
符号の説明
1 燃料電池システム
10a 第一脱硫器
10b 第二脱硫器
20 改質器
21 バーナ
30 スタック
40 アノードオフガス用管路
50a〜50i バルブ
60 再生用ガス管路
70 硫化水素トラップ
80 逆止弁

Claims (3)

  1. 燃料から硫黄分を除去する脱硫器と、前記硫黄分が除去された燃料から水素を取り出す改質器と、この改質器からの前記水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電するスタックとを備えた燃料電池システムであって、
    前記スタックから排出されたアノードオフガスを前記脱硫器へ送るアノードオフガス用管路を備えるとともに、
    前記脱硫器を複数備え、
    これら複数の脱硫器のうちの一部の脱硫器は、前記燃料から前記硫黄分を除去するために使用し、
    他の脱硫器は、前記アノードオフガス用管路から送られてきたアノードオフガスを再生用ガスとして用いて、当該他の脱硫器に充填された脱硫剤を再生する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記他の脱硫器を通って放出された再生用ガスを前記改質器のバーナへ送る再生用ガス管路と、
    この再生用ガス管路に備えられて前記再生用ガスから硫黄分を除去するトラップとを備え、
    前記バーナは、前記再生用ガスを助燃ガスとして燃焼する
    ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料が、LPG又は灯油を含む
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池システム。
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