JP2010202469A - 脱硫システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの改質性能の低下を防止すると共に、システム全体の制御負荷及びコストの増加を抑制することのできる脱硫システムを提供する。
【解決手段】脱硫器１３で脱硫された液体燃料を貯油槽１４で減圧することによって改質装置２へ流入させる液体燃料の流量を確実に制御して、燃料電池システム１００の改質性能の低下を防止する。また、貯油槽１４の上限位置ＦＴに一端部が連結されたオーバーフローライン１６と、オーバーフローライン１６の他端部が連結され、貯油槽１４からオーバーフローした液体燃料を貯留する液体燃料貯油槽１１とを備えることで、上限位置ＦＴにセンサを取り付けて液面検知することによって流量制御を行わなくとも、貯油槽１４内の液面が一定以上に達するとオーバーフローライン１６を介してオーバーフローした液体燃料を液体燃料貯油槽１１へ溜めることを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料から硫黄分を除去して液体燃料を生成する脱硫システムに関する。

脱硫システムは燃料電池システムにおいて用いられるものであり、脱硫システムが適用される燃料電池システムとして、例えば特開２００４−２１３９４１号公報に記載されたものが知られている。この燃料電池システムでは、液体燃料等を改質して水素を含む改質ガスを製造し、この改質ガスと酸素を含むガスとを反応させることで発電している。燃料電池システムに投入する原燃料として灯油などの硫黄分を含むものを用いる場合、改質触媒は、原燃料中の硫黄分にさらされることで、硫黄被毒し改質性能が劣化する。このため、脱硫システムによって改質反応の前に原燃料から硫黄分が除去される。

特開２００４−２１３９４１号公報

ところで、原燃料に含まれている硫黄濃度が比較的高い場合、硫黄分を十分に除去するために、硫黄器内の圧力を大気圧より高い圧力にして硫黄反応を促進させることが考えられることが考えられる。しかしながら、脱硫器内を高圧にした場合、この脱硫器より後段の改質器内に高圧の液体燃料が流入することになる。この場合、高圧の液体燃料の流量を制御することは困難であり、改質性能が低下し、燃料電池システムとしての性能が低下する。また、脱硫器内を高圧にすると、後段の配管、応答容器、ポンプ等の設備を高圧に対応したものにする必要があり、コストが高くなる。従って、脱硫器の下流側に貯油槽を設けることによって高温高圧となった液体燃料を常温常圧とすることが考えられるが、この場合、貯油槽の貯油量を制御しなくてはならなくなるためシステム全体の制御の負荷が増加してしまうと共にコストが増加してしまう。

そこで、本発明は、燃料電池システムの改質性能の低下を防止すると共に、システム全体の制御負荷及びコストの増加を抑制することのできる脱硫システムを提供することを目的とする。

本発明に係る脱硫システムは、大気圧より高い圧力下で液体の原燃料から硫黄分を除去して液体燃料を生成する脱硫器と、脱硫器で脱硫された液体燃料を貯留して減圧する第一貯油槽と、第一貯油槽の所定の高さ位置に一端部が連結されたオーバーフローラインと、オーバーフローラインの他端部が連結され、第一貯油槽からオーバーフローした液体燃料を貯留する第二貯油槽と、を備えることを特徴とする。

この脱硫システムでは、脱硫器で脱硫された液体燃料を第一貯油槽で貯留して減圧することによって改質器へ流入させる液体燃料の流量を確実に制御できるため、燃料電池システムの改質性能の低下を防止できる。ここで、システム内に貯油槽を適用する場合は、貯油槽の液面の下限位置を検知するためのセンサと上限位置を検知するためのセンサが取り付けられる。しかし、本発明に係る脱硫システムでは、第一貯油槽の所定の高さ位置に一端部が連結されたオーバーフローラインと、オーバーフローラインの他端部が連結され、第一貯油槽からオーバーフローした液体燃料を貯留する第二貯油槽とを備えている。従って、上限位置にセンサを取り付けて液面検知することによって流量制御を行わなくとも、第一貯油槽内の液面が一定以上に達するとオーバーフローラインを介してオーバーフローした液体燃料を第二貯油槽へ溜めることが可能となる。これによって、オーバーフローラインと第二貯油槽を設けるだけの簡単な構成を採用することで、上限位置のセンサを不要とすると共に上限側の液面監視に伴う流量制御の負荷を低減することができる。以上によって、燃料電池システムの改質性能の低下を防止すると共に、システム全体の制御負荷及びコストの増加を抑制することができる。

また、脱硫システムにおいて、第二貯油槽は、第一貯油槽の所定の高さ位置よりも下側に配置されていることが好ましい。第二貯油槽を第一貯油槽の所定の高さ位置よりも下側に配置することによって、ポンプなどを別途設けることなく、オーバーフローした液体燃料を重力によって第二貯油槽へ供給することができる。また、第二貯油槽全体を第一貯油槽の下側に配置することで、第二貯油槽の全容積を第一貯油槽のオーバーフロー用の槽として用いることができる。

また、脱硫システムにおいて、第二貯油槽は、脱硫器よりも上流側に設けられていることが好ましい。これによって、脱硫器の液体燃料貯留タンクを第一貯油槽のオーバーフロー用の槽として兼用することが可能となり、新たに第二貯油槽を設けることを不要とすることによってシステム全体のコストを低減することができる。

本発明によれば、燃料電池システムの改質性能の低下を防止すると共に、システム全体の制御負荷及びコストの増加を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る脱硫システムを適用した燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。 本発明の変形例に係る脱硫システムにおける貯油槽と液体燃料貯油槽との位置関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る脱硫システムの好適な実施形態について詳細に説明する。

まず、本発明の実施形態の脱硫システム１の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る脱硫システム１を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。図１に示されるように、燃料電池システム１００は、供給された液体燃料から硫黄分を除去する脱硫システム１と、脱硫システム１によって硫黄分が除去された液体燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置２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３と、を備えている。燃料電池システム１００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、原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水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質器内に収容された改質触媒を加熱するバーナとから構成されてる。バーナは、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。バーナの燃料は、主に、原燃料と酸素である。改質器では、脱硫システム１によって脱硫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３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、この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。

脱硫システム１は、液体燃料を貯留する液体燃料貯油槽（第二貯油槽）１１と、定圧ポンプ１２によって液体燃料貯油槽１１から導入された液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器１３と、脱硫器１３から排出された液体燃料を貯留して減圧する貯油槽（第一貯油槽）１４と、貯油槽１４と液体燃料貯油槽１１とを接続するオーバーフローライン１６とを有している。原燃料は、約８０ppm以下の硫黄や硫黄化合物等の硫黄分を含んでいる。脱硫器１３は、原燃料から硫黄分を除去して、硫黄濃度を約５０ｐｐｂ以下とした液体燃料を生成する。脱硫器１３内は高圧状態に保たれ、高圧状態で脱硫反応が進む。

貯油槽１４は、脱硫器１３で脱硫された高温高圧の液体燃料を貯留することによって常温常圧にする機能を有している。この貯油槽１４には天板側に図示されないガス抜孔が形成されて大気開放されることによって貯油槽１４内の圧力が大気圧に保たれる。従って、貯油槽１４中で液体燃料中に含まれたガスが分離し、分離されたガスはガス抜孔を介して改質装置２のバーナへ燃焼燃料として供給される。貯油槽１４に貯留されて常温常圧にされた液体燃料は、ポンプ１７によって改質装置２へ供給される。

貯油槽１４内の側面における底面側の位置には、液体燃料の液面ＦＬ１の下限位置に液面検知センサ２１が設けられている。一方、貯油槽１４内の側面における上面側の位置には、液面検知センサが設けられることなく、液面ＦＬ１の上限位置ＦＴに開口部１４ａが設けられており、当該開口部１４ａにはオーバーフローライン１６の一端部が連結されている。このオーバーフローライン１６は、貯油槽１４と液体燃料貯油槽１１とを接続する配管によって構成されており、貯油槽１４内において上限位置ＦＴの開口部１４ａからオーバーフローした液体燃料を液体燃料貯油槽１１へ供給する機能を有している。なお、貯油槽１４の下限位置の液面検知センサ２１は液面ＦＬ１が通過することによって液面の低下を検知すると、図示されない制御装置に電気信号を出力して、これによって制御装置はポンプ１７の供給量を抑えると共に定圧ポンプ１２による供給量を増加させることで、貯油槽１４内の液体燃料を増加させる。

液体燃料貯油槽１１は、貯油槽１４よりも低い位置に配置されており、その上面に開口部が設けられると共に、当該開口部にオーバーフローライン１６の他端部が連結されている。この液体燃料貯油槽１１は、脱硫器１３に供給するための液体燃料を貯留すると共に、貯油槽１４からオーバーフローした液体燃料をオーバーフローライン１６を介して貯留する機能を有している。この液体燃料貯油槽１１内の側面には、底面側の液面ＦＬ２の下限位置に液面検知センサ２２が設けられると共に、上面側の液面ＦＬ２の上限位置に液面検知センサ２３が設けられる。下限位置の液面検知センサ２２は液面ＦＬ２が通過することによって液面の低下を検知すると、図示されない制御装置に電気信号を出力して、これによって制御装置は定圧ポンプ１２の供給量を抑えると共に原燃料となる液体燃料の供給量を増加させて、液体燃料貯油槽１１内の液体燃料を増加させる。また、上限位置の液面検知センサ２３は液面ＦＬ２が通過することによって液面の上昇を検知すると、図示されない制御装置に電気信号を出力して、これによって制御装置は定圧ポンプ１２の供給量を増加させると共に原燃料となる液体燃料の供給量を抑えて、液体燃料貯油槽１１内の液体燃料を減少させる。

以上のように構成された脱硫システム１によれば、脱硫器１３で脱硫された液体燃料を貯油槽１４で貯留して減圧することによって改質装置２へ流入させる液体燃料の流量を確実に制御できるため、燃料電池システム１００の改質性能の低下を防止できる。ここで、システム内に貯油槽１４を適用する場合は、貯油槽１４の液面の下限位置を検知するための液面検知センサ２１と上限位置ＦＴを検知するための液面検知センサが取り付けられる。しかし、本実施形態に係る脱硫システム１では、貯油槽１４の上限位置ＦＴに一端部が連結されたオーバーフローライン１６と、オーバーフローライン１６の他端部が連結され、貯油槽１４からオーバーフローした液体燃料を貯留する液体燃料貯油槽１１とを備えている。従って、上限位置ＦＴにセンサを取り付けて液面検知することによって流量制御を行わなくとも、貯油槽１４内の液面が一定以上に達するとオーバーフローライン１６を介してオーバーフローした液体燃料を液体燃料貯油槽１１へ溜めることが可能となる。これによって、オーバーフローライン１６と貯油槽を設けるだけの簡単な構成を採用することで、上限位置ＦＴの液面検知センサを不要とすると共に上限側の液面監視に伴う流量制御の負荷を低減することができる。以上によって、燃料電池システム１００の改質性能の低下を防止すると共に、システム全体の制御負荷及びコストの増加を抑制することができる。

また、本実施形態に係る脱硫システム１において、貯油槽１４からオーバーフローした液体燃料を貯留する貯油槽が、脱硫器１３よりも上流側に設けられる構成となっている。これによって、脱硫器１３の液体燃料貯油槽１１を貯油槽１４のオーバーフロー用の槽として兼用することが可能となり、新たに貯油槽を設けることを不要とすることによってシステム全体のコストを低減することができる。

また、本実施形態に係る脱硫システム１において、液体燃料貯油槽１１が、貯油槽１４の上限位置ＦＴよりも下側に配置されているため、ポンプなどを別途設けることなく、オーバーフローした液体燃料を重力によって液体燃料貯油槽１１へ供給することができる。

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、上述の実施形態においては、液体燃料貯油槽１１は、槽全体が貯油槽１４よりも下側に配置されていたが、これに代えて、図２（ａ）に示すように、液体燃料貯油槽１１を貯油槽１４と同じ高さに配置してもよい。この場合であっても、液体燃料貯油槽１１の容積のうち一部でも液面ＦＬ１の上限位置ＦＴよりも低い位置に配置されていれば、オーバーフローライン１６を介して貯油槽１４をオーバーフローした液体燃料を貯留することができる。ただし、図２（ｂ）に示すように、液体燃料貯油槽１１が、本実施形態のように完全に貯油槽１４の下側に配置されていなくとも、少なくとも槽全体が液面ＦＬ１の上限位置ＦＴよりも下側に配置されていることがより好ましい。このように、液体燃料貯油槽１１を貯油槽１４の上限位置ＦＴよりも下側に配置することによって、液体燃料貯油槽１１の全容積を貯油槽１４のオーバーフロー用の槽として用いることができる。（ただし、液体燃料貯油槽１１としての機能も果たさなくてはならないので、実際は脱硫前の原燃料が貯留される分の容積はオーバーフロー用として用いることはできない）。

また、上述の実施形態においては、液体燃料貯油槽１１をオーバーフロー用の第二貯油槽として兼用していたが、液体燃料貯油槽１１とは独立してオーバーフロー用としての機能のみを備えた貯油槽を別途設けてもよい。

１…脱硫システム、１１…液体燃料貯油槽（第二貯油槽）、１３…脱硫器、１４…貯油槽（第一貯油槽）、１６…オーバーフローライン、ＦＴ…上限位置（所定の高さ位置）。

Claims (3)

1. 大気圧より高い圧力下で液体の原燃料から硫黄分を除去して液体燃料を生成する脱硫器と、
   前記脱硫器で脱硫された前記液体燃料を貯留して減圧する第一貯油槽と、
   前記第一貯油槽の所定の高さ位置に一端部が連結されたオーバーフローラインと、
   前記オーバーフローラインの他端部が連結され、前記第一貯油槽からオーバーフローした前記液体燃料を貯留する第二貯油槽と、を備えることを特徴とする脱硫システム。
2. 前記第二貯油槽は、前記第一貯油槽の前記所定の高さ位置よりも下側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の脱硫システム。
3. 前記第二貯油槽は、前記脱硫器よりも上流側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の脱硫システム。

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