JP2010018465A - 脱硫装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 液体燃料の気化を防止することができる脱硫装置、及びそのような脱硫装置を備える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システムの脱硫装置３においては、温度計１３によって測定される温度、すなわち脱硫器７内の液体燃料の温度が所定の温度となり、圧力計１４によって測定される圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力が所定の温度における液体燃料の飽和蒸気圧以上且つ脱硫器の耐圧以下の所定の圧力となるように、制御部１５が、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。従って、脱硫器７内の液体燃料の温度を上昇させても、液体燃料が気化するのを防止することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体燃料から硫黄分を除去する脱硫装置、及びそのような脱硫装置を備え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、改質器によって、水素を含有する改質ガスが生成され、燃料電池スタックによって、その改質ガスが用いられて発電が行われる。このような燃料電池システムには、改質原料として灯油等の液体燃料が改質器に供給される場合に改質触媒の劣化を防止するために、液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器を設ける必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３２３２８５号公報

ところで、脱硫器においては、触媒反応を促進させるために脱硫触媒を加熱することが必要となるが、それに伴う温度上昇によって液体燃料が気化してしまい、効率の良い脱硫が困難となるばかりか、脱硫触媒を劣化させるおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、液体燃料の気化を防止することができる脱硫装置、及びそのような脱硫装置を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る脱硫装置は、水素を含有する改質ガスを生成する改質器に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫触媒を収容する脱硫器と、脱硫触媒を加熱する加熱手段と、脱硫器内に液体燃料を導入させる液体燃料導入手段と、脱硫器内から液体燃料を導出させる液体燃料導出手段と、脱硫器内の液体燃料の温度を測定する温度測定手段と、脱硫器内の液体燃料の圧力を測定する圧力測定手段と、加熱手段、液体燃料導入手段及び液体燃料導出手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、温度測定手段によって測定される温度が所定の温度となり、圧力測定手段によって測定される圧力が所定の温度における液体燃料の飽和蒸気圧以上且つ脱硫器の耐圧以下の所定の圧力となるように、加熱手段、液体燃料導入手段及び液体燃料導出手段を制御することを特徴とする。

この脱硫装置では、加熱手段、液体燃料導入手段及び液体燃料導出手段が制御手段によって制御されることで、温度測定手段によって測定される温度、すなわち脱硫器内の液体燃料の温度が、例えば脱硫触媒の触媒反応を促進させ得る所定の温度とされる。そして、圧力測定手段によって測定される圧力、すなわち脱硫器内の液体燃料の圧力が、所定の温度における液体燃料の飽和蒸気圧以上且つ脱硫器の耐圧以下の所定の圧力とされる。従って、脱硫器内の液体燃料の温度を上昇させても、液体燃料が気化するのを防止することができる。なお、硫黄分とは、硫黄や硫黄化合物を含む意味である。また、脱硫器の耐圧とは、脱硫触媒を収容する容器が耐え得る内圧の最大値を意味する。

本発明に係る脱硫装置においては、制御手段は、圧力測定手段によって測定される圧力を上昇させる場合には、液体燃料導入手段による液体燃料の導入量を増加させると共に液体燃料導出手段による液体燃料の導出量を減少させ、圧力測定手段によって測定される圧力を低下させる場合には、液体燃料導入手段による液体燃料の導入量を減少させると共に液体燃料導出手段による液体燃料の導出量を増加させることが好ましい。この構成によれば、圧力測定手段によって測定される圧力、すなわち脱硫器内の液体燃料の圧力を、迅速に且つ確実に上昇又は低下させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上記脱硫装置と、脱硫装置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。

この燃料電池システムによれば、上記脱硫装置を備えているため、脱硫器内の液体燃料の温度を上昇させても、液体燃料が気化するのを防止することができる。

本発明によれば、液体燃料の気化を防止することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、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。

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。

図２は、図１の燃料電池システムが備える脱硫装置の構成図である。図２に示されるように、脱硫装置３は、改質器５に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫触媒７ａを収容する脱硫器７を有している。脱硫触媒７ａは、ヒータ（加熱手段）８によって所定の温度に加熱される。脱硫器７の上流側には、脱硫器７内への液体燃料の導入量を調節する入口弁（液体燃料導入手段）９が設けられている。更に、入口弁９の上流側には、脱硫器７内に液体燃料を圧送するポンプ（液体燃料導入手段）１１が設けられている。一方、脱硫器７の下流側には、脱硫器７内からの液体燃料の導出量を調節する出口弁（液体燃料導出手段）１２が設けられている。

また、脱硫器７には、脱硫器７内の液体燃料の温度を測定する温度計（温度測定手段）１３が設けられている。更に、脱硫器７と入口弁９との間には、脱硫器７内の液体燃料の圧力を測定する圧力計（圧力測定手段）１４が設けられている。制御部（制御手段）１５は、温度計１３によって測定された温度及び圧力計１４によって測定された圧力に基づいて、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。

図１に示されるように、脱硫装置３には、硫黄分が除去された液体燃料が流通する液体燃料流通ライン１６の一端が接続されており、液体燃料流通ライン１６の他端は、脱硫装置３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。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。なお、バーナ６には、バーナ６に空気を導入するためのポンプ２６が設けられた空気流通ライン２７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、まず脱硫装置３の脱硫器７に導入され、高温・高圧の状態で脱硫触媒７ａによって硫黄分が除去される。脱硫器７から導出された液体燃料は、液体燃料流通ライン１６を介して貯留容器１９に貯留される。貯留容器１９に貯留された液体燃料は、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２７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。

次に、脱硫装置３の動作について説明する。図３は、図２の脱硫装置における脱硫器内の液体燃料の温度と圧力との関係を示すグラフであり、図４は、図２の脱硫装置の起動動作を示すフローチャートである。

図３に示されるように、制御部１５は、脱硫器７内の液体燃料の温度毎に、脱硫器７内の液体燃料の圧力の目標値をデータテーブルとして記憶している。この圧力の目標値は、各温度における液体燃料の飽和蒸気圧以上且つ脱硫器７の耐圧以下に設定されている。つまり、脱硫器７内の液体燃料の温度に応じて、脱硫器７内の液体燃料の圧力を目標値に維持すれば、液体燃料の気化が防止されることになる。

図４に示されるように、脱硫装置３の起動動作が開始されると、温度計１３によって測定された温度、すなわち脱硫器７内の液体燃料の温度がＡよりも高いか否かを制御部１５が判断する（ステップＳ１１）。その結果、脱硫器７内の液体燃料の温度がＡよりも低い場合には、脱硫器７内の脱硫触媒７ａを加熱するために制御部１５がヒータ８を作動させ（ステップＳ１２）、ステップＳ１１の判断処理に戻る。

ステップＳ１１の判断処理の結果、脱硫器７内の液体燃料の温度がＡよりも高い場合には、圧力計１４によって測定された圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力がＸよりも高いか否かを制御部１５が判断する（ステップＳ１３）。その結果、脱硫器７内の液体燃料の圧力がＸよりも低い場合には、脱硫器７内に液体燃料を導入させるために制御部１５がポンプ１１を作動させると共に入口弁９を開き（ステップＳ１４）、更にヒータ８を停止させ（ステップＳ１５）、ステップＳ１３の判断処理に戻る。

ステップＳ１３の判断処理の結果、脱硫器７内の液体燃料の圧力がＸよりも高い場合には、制御部１５がポンプ１１を停止させると共に入口弁９を閉じる（ステップＳ１６）。そして、温度計１３によって測定された温度、すなわち脱硫器７内の液体燃料の温度がＢ（＞Ａ）よりも高いか否かを制御部１５が判断する（ステップＳ１７）。その結果、脱硫器７内の液体燃料の温度がＢよりも低い場合には、脱硫器７内の脱硫触媒７ａを加熱するために制御部１５がヒータ８を作動させ（ステップＳ１８）、ステップＳ１７の判断処理に戻る。

ステップＳ１７の判断処理の結果、脱硫器７内の液体燃料の温度がＢよりも高い場合には、圧力計１４によって測定された圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力がＹ（＞Ｘ）よりも高いか否かを制御部１５が判断する（ステップＳ１９）。その結果、脱硫器７内の液体燃料の圧力がＹよりも低い場合には、脱硫器７内に液体燃料を導入させるために制御部１５がポンプ１１を作動させると共に入口弁９を開き（ステップＳ２０）、更にヒータ８を停止させ（ステップＳ２１）、ステップＳ１９の判断処理に戻る。

ステップＳ１９の判断処理の結果、脱硫器７内の液体燃料の圧力がＹよりも高い場合には、制御部１５がポンプ１１を停止させると共に入口弁９を閉じる（ステップＳ２２）。そして、温度計１３によって測定された温度、すなわち脱硫器７内の液体燃料の温度がＣ（＞Ｂ）よりも高いか否かを制御部１５が判断する（ステップＳ２３）。その結果、脱硫器７内の液体燃料の温度がＣよりも低い場合には、脱硫器７内の脱硫触媒７ａを加熱するために制御部１５がヒータ８を作動させ（ステップＳ２４）、ステップＳ２３の判断処理に戻る。

ステップＳ２３の判断処理の結果、脱硫器７内の液体燃料の温度がＣよりも高い場合には、圧力計１４によって測定された圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力がＺ（＞Ｙ）よりも高いか否かを制御部１５が判断する（ステップＳ２５）。その結果、脱硫器７内の液体燃料の圧力がＺよりも低い場合には、脱硫器７内に液体燃料を導入させるために制御部１５がポンプ１１を作動させると共に入口弁９を開き（ステップＳ２６）、更にヒータ８を停止させ（ステップＳ２７）、ステップＳ２５の判断処理に戻る。

ステップＳ２５の判断処理の結果、脱硫器７内の液体燃料の圧力がＺよりも高い場合には、制御部１５がポンプ１１を停止させると共に入口弁９を閉じる（ステップＳ２８）。そして、温度計１３によって測定された温度、すなわち脱硫器７内の液体燃料の温度がＤ（＞Ｃ）よりも高いか否かを制御部１５が判断する（ステップＳ２９）。その結果、脱硫器７内の液体燃料の温度がＤよりも低い場合には、脱硫器７内の脱硫触媒７ａを加熱するために制御部１５がヒータ８を作動させ（ステップＳ３０）、ステップＳ２９の判断処理に戻る。

ステップＳ２９の判断処理の結果、脱硫器７内の液体燃料の温度がＤよりも高い場合には、その温度で脱硫を行って、硫黄分が除去された液体燃料を改質装置２に供給するために、ポンプ１１を作動させると共に入口弁９及び出口弁１２を開いて、脱硫装置３の起動動作が終了となる。

以上説明したように、燃料電池システム１の脱硫装置３においては、温度計１３によって測定される温度、すなわち脱硫器７内の液体燃料の温度が所定の温度となり、圧力計１４によって測定される圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力が所定の温度における液体燃料の飽和蒸気圧以上且つ脱硫器の耐圧以下の所定の圧力（すなわち目標値）となるように、制御部１５が、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。これは、脱硫装置３の起動動作時だけでなく、脱硫装置３の定常動作時及び停止動作時においても同様である。従って、脱硫器７内の液体燃料の温度を上昇させても、液体燃料が気化するのを防止することができ、その結果、効率の良い脱硫、及び脱硫触媒７ａの劣化抑制を実現することが可能となる。

また、圧力計１４によって測定される圧力を上昇させる場合には、制御部１５は、ポンプ１１を作動させると共に入口弁９を開いて液体燃料の導入量を増加させると共に、出口弁１２を閉じて液体燃料の導出量を減少させる。一方、圧力計１４によって測定される圧力を低下させる場合には、制御部１５は、ポンプ１１を停止させると共に入口弁９を閉じて液体燃料の導入量を減少させると共に、出口弁１２を開いて液体燃料の導出量を増加させる。これにより、圧力計１４によって測定される圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力を、迅速に且つ確実に上昇又は低下させることができる。なお、「入口弁９（或いは出口弁１２）を閉じる」とは、弁を完全に閉じて流量が０となる場合だけでなく、弁を不完全に閉じて流量が減少する場合も含む意味である。

本発明は、上述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。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成図である。 図１の燃料電池システムが備える脱硫装置の構成図である。 図２の脱硫装置における脱硫器内の液体燃料の温度と圧力との関係を示すグラフである。 図２の脱硫装置の起動動作を示すフローチャートである。

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、７…脱硫器、７ａ…脱硫触媒、８…ヒータ（加熱手段）、９…入口弁（液体燃料導入手段）、１１…ポンプ（液体燃料導入手段）、１２…出口弁（液体燃料導出手段）、１３…温度計（温度測定手段）、１４…圧力計（圧力測定手段）、１５…制御部（制御手段）。

Claims (3)

1. 水素を含有する改質ガスを生成する改質器に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫触媒を収容する脱硫器と、
   前記脱硫触媒を加熱する加熱手段と、
   前記脱硫器内に前記液体燃料を導入させる液体燃料導入手段と、
   前記脱硫器内から前記液体燃料を導出させる液体燃料導出手段と、
   前記脱硫器内の前記液体燃料の温度を測定する温度測定手段と、
   前記脱硫器内の前記液体燃料の圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記加熱手段、前記液体燃料導入手段及び前記液体燃料導出手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記温度測定手段によって測定される温度が所定の温度となり、前記圧力測定手段によって測定される圧力が前記所定の温度における前記液体燃料の飽和蒸気圧以上且つ前記脱硫器の耐圧以下の所定の圧力となるように、前記加熱手段、前記液体燃料導入手段及び前記液体燃料導出手段を制御することを特徴とする脱硫装置。
2. 前記制御手段は、前記圧力測定手段によって測定される圧力を上昇させる場合には、前記液体燃料導入手段による前記液体燃料の導入量を増加させると共に前記液体燃料導出手段による前記液体燃料の導出量を減少させ、前記圧力測定手段によって測定される圧力を低下させる場合には、前記液体燃料導入手段による前記液体燃料の導入量を減少させると共に前記液体燃料導出手段による前記液体燃料の導出量を増加させることを特徴とする請求項１記載の脱硫装置。
3. 請求項１又は２記載の脱硫装置と、
   前記脱硫装置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、を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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