JP2007258182A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 脱硫器の脱硫性能の低下を防止して、改質器の劣化を抑制し、脱硫器の交換や再生といった早期メンテナンスを不要にし、脱硫器のメンテナンスフリー期間を長期化すること。
【解決手段】 燃料ガスとしての都市ガスに含まれている硫黄分を脱硫器１によって除去して改質原料として改質器に供給する燃料電池システムにおいて、前記脱硫器１が、熱交換部１０を備え、前記燃料電池システムで用いる流体である燃料改質用の水を冷媒として用いることにより、前記脱硫器１内に充填された物理吸着材１１を冷却するとともに、前記熱交換部１０が、燃料電池システム内における熱から前記物理吸着材１１を断熱するように構成されている燃料電池システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料ガスに含まれている硫黄分を脱硫器によって除去して、改質原料として改質器または燃料電池用燃料として燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、前記脱硫器が、前記燃料電池システムで用いる流体を冷媒として用いることにより、前記脱硫器内に充填された脱硫触媒を冷却する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいては、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油、ジメチルエーテル、ＧＴＬ（ガストゥーリキッド）等の炭化水素燃料やメタノール等のアルコール燃料と水蒸気を反応させて、水素を取り出す改質器が用いられている。

上記の燃料には、微量の硫黄成分が含まれている場合があるし、臭い付けのために硫黄成分を含ませる場合がある。この場合、ガス燃料、もしくは液体燃料をガス化して、燃料ガスとして改質器に投入する場合、そこで用いる触媒および反応器材料が、硫黄被毒により性能劣化するため、硫黄成分をｐｐｂオーダーに低減させる必要がある。水素貯蔵装置を使用して水素を主成分とする燃料ガスを燃料電池スタックに供給する燃料電池システムでは、燃料ガスに微量の硫黄成分を含ませて臭い付けする場合がある。この場合、燃料電池スタックの燃料極触媒が硫黄被毒により性能劣化するため、硫黄成分をｐｐｂオーダーに低減させる必要がある。

前述の硫黄成分を除去する方法は、燃料処理装置の上流側に金属酸化物を用いた化学吸着方法、または、活性炭やゼオライトを用いた物理吸着方式を利用した脱硫器を配置する。前者では、Ｈ_２ または、Ｈ_２Ｏを投入し、２００℃〜４００℃で一旦硫化水素としたあと、脱硫器中の上記酸化物と反応させ、金属硫化物として化学吸着により硫黄を除去する。後者では、有機硫黄成分を物理吸着、トラップさせる。

従来の燃料電池システム（特開２００１−２７０７０４、特開平１０−７４０２）においては、従来、以下の化１に示される化学吸着方式を利用した脱硫器が多く採用されてきた。

（燃料中の硫黄を含む成分に水素添加し一旦硫化水素を作る、その硫化水素を脱硫触媒のメタル成分、上記では亜鉛の硫化物として脱硫器にトラップする方式）この方式では、一旦、２００℃〜４００℃にする必要があったため、問題にならなかった。

従来の燃料電池システム（特開２００１−２８６７５３）のように、物理吸着を利用する際は、以下の化２に示されるような点に留意する必要がある。

（燃料中の硫黄を含む成分にゼオライト系触媒（上式で−Ｚｎの一部分）に化学変化は起こさないで、吸着する）

物理吸着方式では、図１１に示されるように低温で用いるほど、硫黄の吸着量が多く、それにともない単位触媒体積当りの燃料処理量（積算流量）が増加する。そのため、脱硫器をできるだけ低温で使用することが望ましい。

上記従来の物理吸着方式の燃料電池システム（特開２００１−２８６７５３）の運転時においては、燃料処理装置、燃料電池スタック、インバータ、およびその他補機部品が発熱するため、脱硫器は、常温よりも高い温度にさらされ、脱硫性能が落ちる。その結果、改質器の劣化を早めたり、脱硫器の交換や再生といった早期メンテナンスが必要になるという問題点があった。

そこで本発明者は、上述の物理吸着方式を利用した脱硫器を燃料電池システムに搭載する際は、脱硫器を出来るだけ低温にするため、積極的に冷却機構をもたせるようにする必要があるという知見に着目し、燃料ガスに含まれている硫黄分を脱硫器によって除去して、改質原料として改質器または燃料電池用燃料として燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、前記脱硫器が、前記燃料電池システムで用いる流体を冷媒として用いることにより、前記脱硫器内に充填された物理吸着材を冷却するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、前記脱硫器の脱硫性能の低下を防止して、改質器の劣化を抑制し、脱硫器の交換や再生といった早期メンテナンスを不要にし、脱硫器のメンテナンスフリー期間を長期化するという目的を達成する本発明に到達した。

本発明（請求項１に記載の第１発明）の燃料電池システムは、
燃料ガスに含まれる硫黄分を脱硫器によって除去して、改質原料として、バーナからの燃焼排ガスにより蒸発部により加熱された水または水蒸気と合流して改質器に供給され、シフト反応部およびＣＯ浄化部を介して燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、
物理吸着剤が充填されている前記脱硫器が、前記燃料電池システムのパッケージ内であって、前記燃料電池スタック用のエアブロワの吸気側の上流側に配置され、システムのエア取込口と燃料電池スタック用エアブロアとの間にエアの流れ方向に直列に配置されるとともに、燃料電池システムの稼働に応じてシステムのエア取込口から吸入されるエアによって、脱硫器が冷却される
ものである。

本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃料電池システムは、
前記第１発明において、
前記脱硫器が、エアの流れ方向に直交する方向の幅の大小関係において前記システムのエア取込口より小さい
ものである。

本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃料電池システムは、
前記第１発明において、
前記脱硫器が、前記システムのエア取込口と燃料電池スタック用エアブロアを結ぶ領域内に収まるように配置されている
ものである。

上記構成より成る第１発明の燃料電池システムは、燃料ガスに含まれる硫黄分を脱硫器によって除去して、改質原料として、バーナからの燃焼排ガスにより蒸発部により加熱された水または水蒸気と合流して改質器に供給され、シフト反応部およびＣＯ浄化部を介して燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、物理吸着剤が充填されている前記脱硫器が、前記燃料電池システムのパッケージ内であって、前記燃料電池スタック用のエアブロワの吸気側の上流側に配置され、システムのエア取込口と燃料電池スタック用エアブロアとの間にエアの流れ方向に直列に配置されるとともに、燃料電池システムの稼働に応じてシステムのエア取込口から吸入されるエアによって、脱硫器が冷却されるので、前記脱硫器の脱硫性能の低下を防止して、改質器の劣化を抑制し、脱硫器の交換や再生といった早期メンテナンスを不要にし、脱硫器のメンテナンスフリー期間を長期化するとともに、燃料電池システム稼働時に自動的に脱硫器を常温に保持し、システムを簡素化できるという効果を奏する。

上記構成より成る第２発明の燃料電池システムは、前記第１発明において、前記脱硫器が、エアの流れ方向に直交する方向の幅の大小関係において前記システムのエア取込口より小さいので、前記脱硫器の両側面を吸気エアが通過し、脱硫器全体にわたり常温程度に保持され、燃料電池システム稼働時の脱硫器全体にわたる温度が安定しやすく、触媒性能の低下を抑制できるという効果を奏する。

上記構成より成る第３発明の燃料電池システムは、前記第１発明において、前記脱硫器が、前記システムのエア取込口と燃料電池スタック用エアブロアを結ぶ領域内に収まるように配置されているので、前記脱硫器の両側面を吸気エアが通過し、脱硫器全体にわたり常温程度に保持され、燃料電池システム稼働時の脱硫器全体にわたる温度が安定しやすく、触媒性能の低下を抑制できるという効果を奏する。

以下本発明の最良の実施の形態につき実施例に基づき、図面を用いて説明する。

本第１実施例の燃料電池システムは、図１ないし図３および図１０に示されるように燃料ガスとしての都市ガスに含まれている硫黄分を脱硫器１によって除去して改質原料として改質器または燃料電池用燃料として燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、前記脱硫器１が、熱交換部１０を備え、前記燃料電池システムで用いる流体である燃料改質用の水を冷媒として用いることにより、前記脱硫器１内に充填された物理吸着材１１を冷却するとともに、前記熱交換部１０が、燃料電池システム内における熱から前記物理吸着材１１を断熱するように構成されているものである。

前記熱交換部１０が、図１に示されるように前記脱硫器１内に充填された前記物理吸着材１１を包囲するように配設されている。すなわち前記熱交換部１０が、前記脱硫器１の外周部に環状に形成され、前記冷媒が軸方向に供給される環状部１０１によって構成され、該環状部１０１の内部に活性炭やゼオライトを用いた物理吸着方式の前記物理吸着材１１が充填されているものである。

また前記熱交換部１０は、また図３に示されるように前記脱硫器１の外周部に環状に形成され、前記冷媒が軸方向に供給される環状部１０１によって構成され、該環状部１０１が、内壁の軸方向の複数箇所において連通する連通路１０２を備えており、前記環状部１０１の内部に前記物理吸着材１１が充填されているものを採用することが出来る。

本第１実施例においては、図１０に示される燃料電池システムにおいて用いられる燃料改質用の水を冷媒として用い、脱硫器１に熱交換器１０を内蔵して熱交換機能を持たせることにより、前記物理吸着材１１を常温程度に保持する。

本第１実施例においては、図２に示されるように前記脱硫器１を通過した改質水は蒸発部２に入り、前記脱硫器１で加温されたのに続き、前記蒸発部２においてもバーナ３からの燃焼排ガスとの熱交換により、さらに加温され、お湯または、水蒸気となる。

一方、前記脱硫器１を通過した改質燃料は、前記蒸発部２を通過した水、もしくは水蒸気と合流した後、改質部４に入り、シフト反応部５およびＣＯ浄化部６を介して燃料電池のＦＣスタック７に供給される。

本第１実施例においては、燃料電池システム内で常温より高温の図１または図３に示される熱交換機能を備えた前記脱硫器を常温もしくは、それ以下の改質水で冷却、および高温となる燃料電池システムのパッケージ内の温度と断熱する。投入した改質水に近い温度に冷却する。これにより、燃料改質器４の硫黄被毒とそれによる触媒などの性能低下をできるだけ少なくし、かつ、前記脱硫器１のメンテナンスフリー期間を長期化するという効果を奏する。

本第２実施例の燃料電池システムは、図４に示されるようにブロワＢによりスタックのカソード（空気極）へ送り込むエアを冷媒として用いる点が、前記第１実施例との相違点であり、熱交換機能を持たせた脱硫器１に前記エアを供給することにより、物理吸着材を常温程度に保持するように構成されている。

本第２実施例においては、燃料電池システム内において常温より高温の図１または図３に示される熱交換機能をもつ前記脱硫器１において常温のシステム外から取り込まれ、ＦＣスタック７のカソードに供給されるエアによって物理吸着材を冷却することで、そのエアに近い温度に冷却されるとともにシステム内の熱から断熱されるものである。

本第２実施例においては、上述の作用により、改質部の硫黄被毒とそれによる触媒などの性能低下をできるだけ少なくするとともに、前記脱硫器１のメンテナンスフリー期間を長期化するという効果を奏する。

本第３実施例の燃料電池システムは、図５に示されるようにバーナでの支燃エアを冷媒として用いる点が、前記第１実施例との相違点であり、熱交換機能を持たせた脱硫器１に支燃エアを供給することにより、物理吸着材を常温程度に保持するように構成されている。

本第３実施例においては、燃料電池システム内において常温より高温の図１または図３に示される熱交換機能をもつ前記脱硫器１をバーナ燃焼部３に投入する前の支燃エアで冷却することで、その支燃エアに近い温度に前記物理吸着材が冷却されるとともにシステム内の熱から断熱されるものである。

本第３実施例においては、改質部（器）４の硫黄被毒とそれによる触媒などの性能低下をできるだけ少なくするとともに、前記脱硫器１のメンテナンスフリー期間を長期化するという効果を奏する。

本第４実施例の５料電池システムは、図６に示されるように脱硫器１を燃料電池システムのパッケージＰの外に出し、システムの燃料取込口Ｉの手前の上流側に配置して、バーナでの支燃エアを冷媒として用いる点が、前記第１実施例との相違点であり、熱交換機能を持たせた脱硫器１に前記支燃エアを供給することにより、物理吸着材を常温程度に保持するように構成されている。

本第４実施例においては、常温より高温の燃料電池システム内の外部に脱硫器１を配置し、常温に保持することにより、改質器の硫黄被毒とそれによる触媒などの性能低下をできるだけ少なくし、かつ脱硫器のメンテナンスフリー期間を長期化するという効果を奏する。

本第５実施例の燃料電池システムは、図７に示されるように燃料電池システムで用いるＦＣスタック用のエアブロワＥの吸気側の上流側に脱硫器１を配置して、通過する吸気エアにより結果として空冷して、物理吸着材を常温程度に保持する。

本第５実施例においては、燃料電池システム内で常温より高温の脱硫器１を、常温程度のシステム外部から取り込まれるエアがＦＣスタック用カソードエアブロワＥに吸気される際に、前記脱硫器１の付近を通過することにより、結果として空冷するものである。

本第５実施例においては、上述の作用により、改質器の硫黄被毒とそれによる触媒などの性能低下をできるだけ少なくし、かつ、脱硫器１のメンテナンスフリー期間を長期化するという効果を奏する。

上述の第１実施例ないし第５実施例における脱硫器の温度と燃焼器の温度との関係を示す図８から明らかなように、いずれの実施例も脱硫器の冷却を行わない場合に比べて、燃焼器の温度が低くなっており、特に中でも燃料改質用の水を用いる第１実施例における燃焼器の温度が最も低いものであった。

また上述の第１実施例ないし第５実施例における脱硫性能を表す前記脱硫器１の物理吸着材の単位体積当たりの燃料積算流量と前記脱硫器１の出口ガス硫黄濃度との関係を示す図９から明らかなように、いずれの実施例も脱硫器の冷却を行わない場合に比べて、燃料積算流量が多くなっており、特に中でも燃料改質用の水を用いる第１実施例における燃料積算流量が最も多いものであった。

上記実施例における触媒（物理吸着材）は、粒状またはペレット状の触媒を所定容器に充填したものである。前記「単位体積当たり」は、触媒が充填されている容積の単位体積当たりという意味で、粒状またはペレット状の触媒自身の合計体積ではない。単位重量当たりとすると、粒状またはペレット状の触媒自身の重量当たりとなる。すなわち、この場合、触媒体積は触媒重量を比重で除したものではなく、さらに充填率で除したものである。

上述の実施例は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。

上述の第５実施例においては、一例として燃料電池システムで用いるＦＣスタック用のエアブロワＥの吸気側の上流側に脱硫器１を配置する例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、燃料電池システムで用いられるエアの吸気側または吐出側に脱硫器を配置し、通過する吸気エアにより、結果として空冷し常温程度に保持するものであれば、バーナでの支燃エア用ポンプ・ブロワや、ＣＯ浄化エア用ポンプ・ブロワや、冷却ファンの吸気側および吐出側に脱硫器を配置することが出来るものである。

上記実施例においては、燃料ガスの一例として都市ガスを利用する例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、硫黄分が含まれる燃料ガスに広く適用することが出来る。

燃料ガスとしての都市ガスに含まれている硫黄分を脱硫器によって除去して改質原料として改質器または燃料電池用燃料として燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池システムで用いるＦＣスタック用のエアブロワの吸気側の上流側に脱硫器を配置して、通過する吸気エアにより結果として空冷して、物理吸着材を常温程度に保持するもので、燃料電池システム内で常温より高温の脱硫器を、常温程度のシステム外部から取り込まれるエアがＦＣスタック用カソードエアブロワに吸気される際に、前記脱硫器の付近を通過することにより、結果として空冷するものである。改質器の硫黄被毒とそれによる触媒などの性能低下をできるだけ少なくし、かつ、脱硫器のメンテナンスフリー期間を長期化する用途にも適用できる。

本発明の第１実施例の燃料電池システムにおける一つの脱硫器を示す断面図である。 本第１実施例における燃料電池システムを示すシステムブロック図である。 本第１実施例の燃料電池システムにおけるその他の脱硫器を示す断面図である。 本発明の第２実施例における燃料電池システムを示すシステムブロック図である。 本発明の第３実施例における燃料電池システムを示すシステムブロック図である。 本発明の第４実施例における燃料電池システムを示すシステムブロック図である。 本発明の第５実施例における燃料電池システムを示すシステムブロック図である。 本発明の各実施例における脱硫器の温度と燃焼器の温度との関係を示す線図である。 本発明の各実施例における脱硫器の脱硫性能を表す前記脱硫器１の物理吸着材の単位体積当たりの燃料積算流量と前記脱硫器１の出口ガス硫黄濃度との関係を示す線図である。 本発明の各実施例における燃料電池システムを示すシステムブロック図である。 従来における脱硫器の脱硫性能を表す脱硫器の温度をパラメータとした物理吸着材の単位体積当たりの燃料積算流量と前記脱硫器１の出口ガス硫黄濃度との関係を示す線図である。

符号の説明

１ 脱硫器
１０ 熱交換部
１１ 物理吸着材

Claims (3)

1. 燃料ガスに含まれる硫黄分を脱硫器によって除去して、改質原料として、バーナからの燃焼排ガスにより蒸発部により加熱された水または水蒸気と合流して改質器に供給され、シフト反応部およびＣＯ浄化部を介して燃料電池スタックに供給する燃料電池システムにおいて、
   物理吸着剤が充填されている前記脱硫器が、前記燃料電池システムのパッケージ内であって、前記燃料電池スタック用のエアブロワの吸気側の上流側に配置され、システムのエア取込口と燃料電池スタック用エアブロアとの間にエアの流れ方向に直列に配置されるとともに、燃料電池システムの稼働に応じてシステムのエア取込口から吸入されるエアによって、脱硫器が冷却される
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、
   前記脱硫器が、エアの流れ方向に直交する方向の幅の大小関係において前記システムのエア取込口より小さい
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１において、
   前記脱硫器が、前記システムのエア取込口と燃料電池スタック用エアブロアを結ぶ領域内に収まるように配置されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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