JP2008117652A - 燃料電池発電用脱硫器 - Google Patents

Abstract

【課題】脱硫剤の有効利用を可能にして脱硫器のメンテナンス周期を延長できる燃料電池発電用脱硫器を提供する。
【解決手段】燃料ガスに含まれる硫黄化合物を吸着するための脱硫剤４０が充填されかつ燃料ガスＦＧが流通するガス流通路ＳＰを備える脱硫器本体２１、ガス流通路ＳＰ内に設けられて脱硫剤４０に接触する接触壁面５１ａ〜５１ｈを備える仕切板５０等から構成され、脱硫剤４０が充填されたガス流通路ＳＰを流通する燃料ガスＦＧの流れの偏りを抑制する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池発電用脱硫器に関する。

燃料電池発電装置は、燃料ガスを水蒸気改質して水素を取り出し、取り出した水素と空気中の酸素とを化学反応させることにより発電する。上記のような燃料ガスには、液化された天然ガスを家庭用に調整しガス化した都市ガスや、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の燃料ガスが用いられる。都市ガス、ＬＰＧ等の燃料ガスには、着臭剤として、ジメチルサルファイド、ターシャリーブチルメルカプタンなどの硫黄化合物が添加されており、これらの硫黄化合物は、水素を生成するための改質触媒の被毒物質となる。このため、燃料ガスを水蒸気改質する前に、脱硫器を通じて燃料ガスに含まれる硫黄化合物を脱硫器を用いて、予め除去する必要がある。

燃料ガスの脱硫方法は、種々提案されているが、例えば、特許文献１及び特許文献２は、燃料ガス中の硫黄化合物の常温で除去する技術を開示している。具体的には、活性炭、金属酸化物、ゼオライト等の脱硫剤（吸着剤）に燃料ガスを通すことで硫黄化合物を吸着させて除去する方法である。吸着剤による方法では、加熱することにより吸着能力を増加させる方法もあるが、常温で吸着させるほうが装置構成を簡素化でき、特に、家庭用の固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料として用いる改質ガスの生成に用いる燃料ガス中の硫黄化合物の除去に適用するのに好適である。また、活性炭、金属酸化物、ゼオライト等の吸着剤を用いて燃料ガス中の硫黄化合物を除去する方法では、吸着剤がこれに吸着された硫黄化合物で飽和してしまうと燃料ガス中の硫黄化合物を除去できなくなるので、脱硫剤の再生や交換が必要である。
特開２００３−２０４８９号公報 特開２００４−９９８２６号公報

ところで、家庭用の燃料電池発電装置に上記したような吸着剤を用いた脱硫器を適用する場合、簡易な構造で低コストであることが要求される。
簡易な構造で低コストな脱硫器として、例えば、円筒状の容器に吸着剤を充填し、燃料ガスを充填した吸着剤の中を流通させる構造のものが知られている。
しかしながら、脱硫器として、円筒状容器に吸着剤を充填した構造を採用した場合、円筒状容器の内壁面付近では内壁面の影響により燃料ガスが通過し得る空隙が円筒状容器の内部に存在する空隙よりも大きいため、円筒状容器の内壁面付近に燃料ガスの流れが偏る現象（壁面側に燃料ガスが多く流れる現象であり、以下、壁面効果と呼ぶ）が発生し、円筒状容器の中心部にいくほど燃料ガスが流通しにくくなる。このため、円筒状容器の中心領域を含む内部領域に存在する吸着剤が有効に利用されず、内部領域に存在する吸着剤が吸着余力を残したまま、脱硫器の出口の燃料ガスに含有される硫黄化合物の濃度が所定濃度を超えてしまうことがあった。すなわち、吸着剤の充填量に相応した硫黄化合物の吸着能力が得られないという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、簡易な構造で低コストを実現しつつ、硫黄化合物の吸着能力が向上した燃料電池発電用脱硫器を提供することにある。

本発明に係る燃料電池発電用脱硫器は、燃料ガスに含まれる硫黄化合物を吸着するための脱硫剤が充填されかつ燃料ガスが流通するガス流通路を備える脱硫器であって、脱硫剤が充填されたガス流通路を流通する燃料ガスの流れの偏りを抑制する偏流抑制機構をガス流通路内に備えることを特徴としている。
この構成によれば、偏流抑制機構により燃料ガスの流れの偏り（偏流）が抑制されることにより、ガス流通路の内壁面近傍だけでなく内部領域に存在する脱硫剤が有効利用される。

上記構成において、偏流抑制機構は、ガス流通路内の燃料ガスの流通方向に沿って設けられた脱硫剤に接触する接触壁面を備える壁面部材を有する構成を採用できる。
この構成によれば、壁面部材をガス流通路に設けることにより、燃料ガスの流量がガス流通路の内壁面側だけでなく、新たに設けた壁面部材の壁面効果により、接触壁面側でも増えるので、その結果、燃料ガスの流れがガス流通路の内壁面側に偏るのを抑制できる。

上記構成において、壁面部材は、ガス流通路を複数に仕切る仕切部材からなる構成を採用でき、また、仕切部材は、板状体又は筒状体からなる構成を採用できる。
この構成によれば、接触壁面による壁面効果に加えて、ガス流通路が複数に仕切られるので、燃料ガスの流れがさらに分散化され、燃料ガスの流れの偏りが一層抑制される。

上記構成において、壁面部材は、棒状体からなり、かつ、ガス流通路の中心領域に配置されている構成を採用できる。
この構成によれば、棒状体の接触壁面の存在により燃料ガスの流れの偏りを抑制できると共に、棒状体をガス流通路の中心領域に配置することにより燃料ガスの流れにくい中心領域には脱硫剤が存在しなくなるので、燃料ガスの流れの偏りを抑制できる。

上記構成において、偏流抑制機構は、ガス流通路の燃料ガス供給側の隔壁からガス流通路へ向けて突出して燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を有する構成を採用でき、また、燃料ガス供給部は、ガス流通路の中心領域に配置されている、構成を採用でき、さらに、燃料ガス供給部は、先端部が閉塞した筒状に形成され、かつ、少なくともその側壁部に燃料ガスを供給するための複数の通気孔が形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、ガス流通路に充填された脱硫剤の内部領域、特に、中心領域に燃料ガスが直接的に供給されるので、ガス流通路に充填された脱硫剤の中心領域に燃料ガスが流通しやすくなり、燃料ガスの流れの偏りを抑制できる。

本発明によれば、簡易な構造で低コストを実現しつつ、燃料ガスに含まれる硫黄化合物の吸着能力が向上した燃料電池発電用脱硫器が得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は本発明の一実施形態に係る燃料電池発電用脱硫器（以下、脱硫器という）を示す図であって、図１は透視図であり、図２は流通方向Ｃを横断する向きの断面図である。
脱硫器２０は、燃料ガスＦＧが流通するガス流通路ＳＰを備える容器２１、容器２１のガス流通路ＳＰ内に設けられた壁面部材及び仕切部材としての仕切板５０、容器２１のガス流通路ＳＰに充填された脱硫剤４０等から構成されている。尚、仕切板５０が偏流抑制機構を構成している。
この脱硫器２０は、容器２１の底部から上部に向かう流通方向Ｃに燃料ガスＦＧが流通するいわゆるアップフロータイプの脱硫器であり、例えば、家庭用の固体高分子形燃料電池発電装置に適用される。
また、燃料ガスＦＧには、都市ガス、ＬＰガス等が用いられる。都市ガスやＬＰガス等の燃料ガスには、漏洩保安を目的とする着臭剤として、サルファイド類、チオフェン類、メルカプタン類等の硫黄化合物が含まれている。

容器２１は、円筒状に形成されてその円筒状の内壁面２１ａによりガス流通路ＳＰを画定していると共に、燃料ガスＦＧを供給するためのガス供給管２５が接続されていると共に底部を閉塞する底板２２、脱硫処理後の燃料ガスＦＧを図示しない改質器へ導くためのガス排出管２６が接続されていると共に上部を閉塞する上板２３、ガス流通路ＳＰ内に底板２２に対向して設けられて脱硫剤４０を充填する充填空間の下側を画定すると共に脱硫剤４０を支持する下部隔壁３０Ａ、ガス流通路ＳＰ内に上板２３に対向して設けられて脱硫剤４０を充填する充填空間の上側を画定する上部隔壁３０Ｂ等を備えている。

容器２１は、その直径をＤ、流通方向Ｃの脱硫剤４０の充填距離をＬとすると、Ｌ／Ｄが、ガス流通路ＳＰを流れる燃料ガスＦＧの流れの偏りと線速度とを考慮して最適化されており、例えば、Ｌ／Ｄが１〜５程度になるように設計される。

下部隔壁３０Ａ及び上部隔壁３０Ｂは、図１に示すように、燃料ガスＦＧを流通させるための多数の通気孔３１が形成されている。この通気孔３１は、脱硫剤４０の粒径よりも小さい径の孔で形成されており、通気孔３１を通じてガス流通路ＳＰへの燃料ガスＦＧの供給及びガス流通路ＳＰからの燃料ガスＦＧの排出が行われる。

底板２２及び上板２３は、それぞれ下部隔壁３０Ａ及び上部隔壁３０Ｂと協働して拡散空間ＳＰ１及び拡散空間ＳＰ２を形成している。この拡散空間ＳＰ１，ＳＰ２は、ガス流通路ＳＰを流通方向Ｃに流通する燃料ガスＦＧの流れに偏りが発生するのを抑制するために設けられている。

仕切板５０は、図２に示すように、ガス流通路ＳＰの断面を中心軸線に関して略４等分する十文字状に配置された板状体で形成されている。この仕切板５０は、下部隔壁３０Ａから上部隔壁３０Ｂまで伸びており、ガス流通路ＳＰ内に充填された脱硫剤４０に接触する接触する複数（８つ）の接触壁面５１ａ〜５１ｈを備えており、これら接触壁面５１ａ〜５１ｈは、ガス流通路ＳＰの中心部から放射状に伸びて容器２１の内壁面２１ａまで達している。

脱硫剤４０としては、例えば、活性炭、金属酸化物、ゼオライト等の、硫黄化合物を常温にて吸着可能な吸着剤が用いられる。脱硫剤４０は、所定範囲の粒径の粒状に形成されており、粒間や粒と壁面間に形成される空隙を燃料ガスＦＧを流通し、その際に、燃料ガスＦＧに含まれる硫黄化合物を吸着する。また、脱硫剤４０は、これに吸着された硫黄化合物で飽和してしまうと燃料ガスＦＧ中の硫黄化合物を除去できなくなるため、一定量の硫黄化合物を吸着した後には交換又は再生の必要がある。

上記構成の脱硫器２０では、燃料ガスＦＧが所定の線速度、例えば、１５ｃｍ／ｓ以内となるようにガス供給管２５から供給される。供給された燃料ガスＦＧは、図１に示した拡散空間ＳＰ１において拡散し、下部隔壁３０Ａに形成された多数の通気孔３１を通過して、充填された脱硫剤４０中に流れ込む。

脱硫剤４０中に流れ込んだ燃料ガスＦＧは、図２に示したように、仕切板５０で４分割されたガス流通路ＳＰに略均等な量が流れ込み、脱硫剤４０中を移動し、壁面効果により容器２１の内壁面２１ａに加えて接触壁面５１ａ〜５１ｈ付近にも多く流れるようになる。
接触壁面５１ａ〜５１ｈは、ガス流通路ＳＰの中心部から内壁面２１ａにかけて存在するので、ガス流通路ＳＰの内部、特に、中心領域に存在する脱硫剤４０にも燃料ガスＦＧが流通しやすくなる。この結果、ガス流通路ＳＰに充填された脱硫剤４０が内壁面２１ａ付近だけではなく内部領域においても有効に使用され、脱硫器２０の硫黄化合物の吸着能力が向上する。

図３は、脱硫器２０の硫黄化合物の吸着能力の試験結果を示すグラフであり、
図３において、縦軸は脱硫器を通過した燃料ガスに含有する硫黄化合物の平均濃度を示しており、横軸は脱硫器の出口の硫黄化合物の平均濃度が所定値を越える状態となるのに要する時間を相対的に表した相対時間である。また、比較例は、脱硫器２０と同じ容積をもち、かつ、仕切板５０を備えていない脱硫器ついての試験結果である。
図３から分かるように、本実施形態の脱硫器２０を通過した燃料ガスに含まれる硫黄化合物の濃度が所定値を超えるまでに要する相対時間は、仕切板５０を備えていない脱硫器と比較して２５％程度長くなっている。すなわち、仕切板５０を備えることにより、仕切板５０が無い場合に比べて、脱硫器２０が長寿命化されたのが分かる。

図４及び図５は本発明に係る脱硫器の他の実施形態を示す図であって、図４は脱硫器の構造を示す透視図、及び図５はガス流通路を横切る向きの断面図である。尚、図４及び図５において、上記した脱硫器２０と同一構成部分については同一の符号を使用している。
脱硫器２０Ａは、仕切部材及び壁面部材として、仕切板５０の代わりに仕切筒６０を備えた点で上記した脱硫器２０と異なり、その他の構成は同じである。尚、仕切筒６０は偏流抑制機構を構成している。

仕切筒６０は、円筒状に形成されており、ガス流通路ＳＰの中心領域に設けられている。
また、仕切筒６０は、図４に示すように、下部隔壁３０Ａから上部隔壁３０Ｂまで伸びており、図５に示すように、容器２１の内壁面２１ａで画定されるガス流通路を断面形状が環状のガス流通路ＳＰＡとこのガス流通路ＳＰＡの内側に位置する断面形状が円形のガス流通路ＳＰＢとに分割している。
さらに、仕切筒６０は、ガス流通路ＳＰＡとガス流通路ＳＰＢとに充填された脱硫剤４０とそれぞれ接触する、外周面からなる接触壁面６１ａと内周面からなる接触壁面６１ｂとを備えている。

脱硫器２０Ａでは、ガス流通路がガス流通路ＳＰＡとガス流通路ＳＰＢとに分割されているため、拡散空間ＳＰ１を通じて供給された燃料ガスＦＧは、ガス流通路ＳＰＡとガス流通路ＳＰＢとに分けられる。そして、ガス流通路ＳＰＡとガス流通路ＳＰＢに導入された燃料ガスＦＧは、内壁面２１ａに加えて、仕切筒６０の接触壁面６１ａ，６１ｂの壁面効果により、接触壁面６１ａ，６１ｂの近傍にも多く流れるようになる。これにより、内壁面２１ａの近傍だけでなく、中心領域を含む内部領域に存在する脱硫剤４０にも燃料ガスＦＧが流通しやすくなる。この結果、脱硫器２０Ａの硫黄化合物の吸着能力が向上する。

図６は本発明に係る脱硫器のさらに他の実施形態を示す断面図である。尚、図６において、上記の脱硫器２０Ａと同一構成部分については同一符号を使用している。
図６に示す脱硫器２０Ｂは、上記した脱硫器２０Ａの仕切筒６０に代えて、ガス流通路ＳＰの中心領域に配置された断面形状が円形の棒状体からなる心棒７０を備えている。この、心棒７０の存在により、脱硫器２０Ｂのガス流通路ＳＰの断面形状は環状とると共に、ガス流通路ＳＰの中心領域には脱硫剤４０が存在しない。

脱硫器２０Ｂでは、心棒７０の外周面からなる接触壁面７１の壁面効果により、内壁面２１ａに加えて、接触壁面７１側にも燃料ガスＦＧが多く流れるようになる。この結果、内壁面２１ａの近傍だけでなく、ガス流通路ＳＰの内部領域に存在する脱硫剤４０にも燃料ガスＦＧが流通しやすくなる。また、ガス流通路ＳＰの中心領域には脱硫剤４０が存在しないので、燃料ガスＦＧの流れの偏りをより一層抑制できる。
尚、本実施形態では、棒状体として断面形状が円形の心棒７０を例に挙げて説明したが、これ以外にも、棒状体として断面形状が四角形等の角棒を用いることも可能である。

図７及び図８は本発明に係る脱硫器のさらに他の実施形態を示す図であって、図７は脱硫器の構造を示す透視図、及び図８は図７に示す脱硫器の中心軸線方向の要部断面図である。尚、図７及び図８において、図１及び図２において説明した脱硫器２０と同一構成部分については同一の符号を使用している。
この脱硫器２０Ｃは、上記した下部隔壁３０Ａに代えて脱硫剤４０を支持する下部隔壁３０Ｃと、この下部隔壁３０Ｃから脱硫剤４０が充填されたガス流通路ＳＰへ向けて突出して燃料ガスＦＧを供給する燃料ガス供給部８０とを備える点で上記した脱硫器２０と異なる。尚、燃料ガス供給部８０が偏流抑制機構を構成している。

下部隔壁３０Ｃは、円盤状の板材からなり、図８に示すように、拡散空間ＳＰ１に供給された燃料ガスＦＧを脱硫剤４０側へ導くためのガス導入孔３２がその中心部に形成されている。
燃料ガス供給部８０は、円筒状に形成された側壁部８３、側壁部８３の先端部を閉塞する閉塞部８１、及び側壁部８３に形成された多数の通気孔８４を備えており、下部隔壁３０Ｃのガス導入孔３２に側壁部８３が接続される。

ガス導入孔３２を通じて燃料ガス供給部８０に流入した燃料ガスＦＧは、通気孔８４から脱硫剤４０へ向けて供給される。燃料ガス供給部８０は、ガス流通路ＳＰの中心領域に設けられているため、ガス流通路ＳＰの内部領域の脱硫剤４０にも燃料ガスＦＧが供給されやすくなり、内壁面２１ａ側に燃料ガスＦＧの流れが偏るのを抑制できる。
また、側壁部８３に多数の通気孔８４を形成して燃料ガスＦＧをガス流通路ＳＰの中心領域から内壁面２１ａに向かう方向に供給することにより、ガス流通路ＳＰに充填された脱硫剤４０全体に燃料ガスＦＧを満遍なく行き渡らせることができる。

尚、側壁部８３に多数の通気孔８４を形成する場合について説明したが、閉塞部８１にも通気孔を形成して燃料ガスＦＧを上向きに供給することも可能である。また、燃料ガス供給部８０の高さ、通気孔８４の径及び数等は、燃料ガスＦＧの流れ等に応じて適宜変更できる。

上記実施形態では、仕切板５０によりガス流通路ＳＰを４分割した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるわけではなく、分割数は適宜増減できる。
また、仕切板５０は、中心部から容器２１の内壁面２１ａに達する場合について説明したが、仕切板５０が内壁面２１ａと離隔していてもその壁面効果による燃料ガスの偏流抑制効果は得られる。

上記実施形態の仕切板５０は、板状体を放射状に配置した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、例えば、板状体を並列に配置したり、格子状に配置することも可能であり、壁面効果が得られる態様であれば採用可能である。

上記実施形態では、単一の仕切筒６０を設けた場合を例に挙げて説明したが、例えば、径の異なる仕切筒を同心状に複数設けることも可能である。

上記実施形態では、アップフロータイプの脱硫器を例に挙げて説明したが、本発明は上側から下側に向けて燃料ガスを流すいわゆるダウンフロータイプの脱硫器にも適用できる。

上記実施形態では、脱硫剤として、常温において脱硫可能なものを例に挙げたが、これに限定されるわけではなく、加熱することにより吸着能力を増加させることができるものを使用することも可能である。

上記実施形態では、単一の燃料ガス供給部８０を設けた場合について説明したが、複数の燃料ガス供給部をガス流通路ＳＰに突出して設けることも可能である。

本発明の一実施形態に係る脱硫器の構造を示す透視図である。 図１に示す脱硫器のガス流通路を横切る向きの断面図である。 図１に示す脱硫器による脱硫性能の向上を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る脱硫器の構造を示す透視図である。 図４に示す脱硫器のガス流通路を横切る向きの断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る脱硫器の構造を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る脱硫器の構造を示す透視図である。 図７に示す脱硫器の要部の構造を示す断面図である。

符号の説明

２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…脱硫器
２１…容器
２１ａ…内壁面
３０Ａ、３０Ｃ…下部隔壁
３０Ｂ…上部隔壁
４０…脱硫剤
５０…仕切板（壁面部材、仕切部材）
５１ａ〜５１ｈ…接触壁面
６０…仕切筒（壁面部材、仕切部材）
６１ａ，６１ｂ…接触壁面
７０…心棒
７１…接触壁面
８０…燃料ガス供給部
ＦＧ…燃料ガス
Ｃ…流通方向
ＳＰ、ＳＰＡ，ＳＰＢ…ガス流通路
ＳＰ１，ＳＰ２…拡散空間

Claims (8)

1. 燃料ガスに含まれる硫黄化合物を吸着するための脱硫剤が充填されかつ燃料ガスが流通するガス流通路を有する脱硫器であって、
   前記脱硫剤が充填された前記ガス流通路を流通する燃料ガスの流れの偏りを抑制する偏流抑制機構を前記ガス流通路内に備えることを特徴とする燃料電池発電用脱硫器。
2. 前記偏流抑制機構は、前記ガス流通路内の燃料ガスの流通方向に沿って設けられた前記脱硫剤に接触する接触壁面を備える壁面部材を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電用脱硫器。
3. 前記壁面部材は、前記ガス流通路を複数に仕切る仕切部材からなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電用脱硫器。
4. 前記仕切部材は、板状体又は筒状体からなることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電用脱硫器。
5. 前記壁面部材は、棒状体からなり、かつ、前記ガス流通路の中心領域に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電用脱硫器。
6. 前記偏流抑制機構は、前記ガス流通路の燃料ガス供給側の隔壁から前記ガス流通路へ向けて突出して燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電用脱硫器。
7. 前記燃料ガス供給部は、前記ガス流通路の中心領域に配置されている、ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電用脱硫器。
8. 前記燃料ガス供給部は、先端部が閉塞された筒状に形成され、かつ、少なくともその側壁部に燃料ガスを供給するための複数の通気孔が形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電用脱硫器。

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