JP2014203663A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べ、硫黄検知器を設けずに、使用経過によって組成が変化する炭化水素原料中の硫黄濃度を簡易かつ適切に推定し得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１００は、使用経過によって組成が変化する炭化水素原料を供給する原料供給器１と、原料供給器１からの炭化水素原料中の硫黄を除去する硫黄除去器３と、硫黄除去器３からの炭化水素原料を改質することにより水素含有ガスを生成する改質器４と、炭化水素原料の組成を検知する原料組成検知器６と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池５と、炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を推定する制御器７と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

都市ガス等に付臭剤として添加される硫黄化合物は、改質器の改質触媒を被毒させる。よって、燃料電池が、都市ガス等を原料として発電する場合、原料中の硫黄を除去する脱硫器が必要である。脱硫には、いくつかの方法があるが、都市で配管を用いて供給される都市ガスの場合は、取扱が簡単な常温脱硫法、常温脱硫法に比べて硫黄の除去効率が高い水添脱硫法（例えば、特許文献１）を使用することがある。

一方、都市ガスのインフラが整備されていない地域はもちろん、イニシャルコストの安さ、災害時における対応優位性等の理由から、燃料電池の原料としてＬＰＧが注目されている。開発が進んでいる都市ガス用の燃料電池システムをそのまま、ＬＰＧを原料とするシステムとしても活用できるとよいが、それが困難なことがある。例えば、ＬＰＧと都市ガスとは、ガスの供給方法に違いがあることから、ＬＰＧボンベで原料を供給する場合、ＬＰＧボンベから流出する原料中の硫黄濃度が変化するという問題がある。

ＬＰＧボンベでは、原料の蒸気成分で上部から取ることが多い。よって、原料の沸点によって気化の程度が異なり、原料の蒸気成分の組成は、使用経過によって変化する。そして、原料ガス中の硫黄は、ＬＰＧボンベの底部に濃縮され、ガス残留が少なくなると高濃度の硫黄がＬＰＧボンベから排出される。

以上により、都市ガスは、その成分が比較的安定しているのに対して、ＬＰＧボンベでは、使用経過によってＬＰＧボンベから流出する原料中の硫黄濃度の変化が大きい。よって、ＬＰＧボンベを使用する場合、脱硫に工夫が必要となる。

そこで、ＬＰＧボンベは残量が少なくなった時に、ＬＰＧボンベからの原料中の硫黄濃度が急増するため、ＬＰＧボンベのガス残量で硫黄濃度を管理する方法が知られている。例えば、ＬＰＧボンベのガス残量の検知は、液面レベル計あるいはボンベ自体の残量を測定する重量計を使用する方法が提案されている(例えば、特許文献２−３参照)。

また、原料中の硫黄濃度によって色が変わる着色剤を使用する方法も提案されている(例えば、特許文献２−３参照)。

特許第３２４２５１４号公報 特開２００５−６０６７４号公報 特開２００５−６０４２２号公報

しかし、ＬＰＧボンベに残留する原料の成分は、使用温度、原料の流出速度、初期の原料組成等によって異なってくるので、ＬＰＧボンベのガス残量だけで、ＬＰＧボンベから流出する原料中の硫黄濃度を管理するのは精度が劣る。例えば、プロパン及びブタンが主成分の炭化水素原料の場合、ＬＰＧボンベに残留するプロパン及びブタンの成分比（炭化水素原料の組成）は、使用温度、炭化水素原料の流出速度、初期の炭化水素原料組成等の影響を受けて変化し、これにより、ＬＰＧボンベから流出する炭化水素原料中の硫黄濃度のプロファイルの立ち上がりがシフトすると考えられる。

一方、炭化水素原料中の硫黄濃度によって色が変わる着色剤を使用する場合、変色した着色剤の再利用できないので、手間と費用がかかる。

なお、ＬＰＧボンベから流出する原料中の硫黄濃度を直接に検知する硫黄検知器を設置する場合、設置費用が嵩む。

本発明の一態様は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、硫黄検知器を設けずに、使用経過によって組成が変化する炭化水素原料中の硫黄濃度を簡易かつ適切に推定し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様の燃料電池システムは、使用経過によって組成が変化する炭化水素原料を供給する原料供給器と、前記原料供給器からの炭化水素原料中の硫黄を除去する硫黄除去器と、前記硫黄除去器からの前記炭化水素原料を改質することにより水素含有ガスを生成する改質器と、前記炭化水素原料の組成を検知する原料組成検知器と、前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記炭化水素原料の組成に基づいて前記炭化水素原料中の硫黄濃度を推定する制御器と、を備える。

本発明の一態様の燃料電池システムは、従来に比べ、硫黄検知器を設けずに、使用経過によって組成が変化する炭化水素原料中の硫黄濃度を簡易かつ適切に推定し得る。

図１は、炭化水素原料の組成及び炭化水素原料中の硫黄濃度の変化の一例をＬＰＧボンベの使用量との関係で示した図である。 図２は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。 図３は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。 図４は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。 図５は、第４実施形態の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。

本件発明者らは、炭化水素原料の組成及び炭化水素原料中の硫黄濃度間の対応関係について鋭意検討し、以下の知見を得た。

沸点が異なる複数種の炭化水素原料を密封するＬＰＧボンベが、燃料電池システムの原料供給源として用いられる場合がある。この場合、例えば、ブタン及びプロパンが主成分の炭化水素原料をＬＰＧボンベに密封し、上部の蒸気成分から炭化水素のガスを抜き取ると、低沸点のガスの方がリッチな成分となって、ＬＰＧボンベから流出する。本例の場合、低沸点のプロパン（沸点：−４２℃）の方が、高沸点のブタン（沸点：０℃）よりも成分比が高い混合ガスが、ＬＰＧボンベから流出する。そして、ＬＰＧボンベ内に残留する炭化水素は、ＬＰＧボンベのガス使用量が多い程、つまり、ＬＰＧボンベ中のガス残量が少なくなる程、ブタンの成分比が高くなる。

例えば、図１には、４０％のプロパン及び６０％のブタンの炭化水素原料をＬＰＧボンベに密閉した場合の炭化水素原料の組成の変化が、ＬＰＧボンベのガス使用量との関係で示されている。

炭化水素原料の元々の組成比は、プロパンが４０％であり、ブタンが６０％であるにも拘わらず、図１に示すように、ＬＰＧボンベのガス使用直後は、低沸点のプロパンの方が、高沸点のブタンよりも６０％以上の高い割合でＬＰＧボンベから流出していることが分かる。そして、ＬＰＧボンベのガス使用量が、約７０％に到達したとき、ＬＰＧボンベから流出するプロパン及びブタンの成分比が逆転し、ＬＰＧボンベ中の混合ガス残量が少なくなる程、ブタンの成分比が高くなることが分かる。つまり、ＬＰＧボンベのガス使用直後は、プロパンが先に気化しプロパンリッチのガスがＬＰＧボンベから流出し、ＬＰＧボンベ内は、ブタンの成分比が徐々に高くなる。そして、ＬＰＧボンベから流出するガスは、炭化水素原料の使用経過によってプロパンリッチなガスからブタンリッチなガスへと変化する。

ここで、図１に、ＬＰＧボンベから流出する炭化水素原料中の硫黄濃度をプロットしたところ、硫黄はＬＰＧボンベのガス使用量が少ない段階では、ＬＰＧボンベから殆ど流出せず、ＬＰＧボンベ中のガス残量が少なくなった段階で、硫黄濃度が急激に増加している。そして、本件発明者らは、このような炭化水素原料中の硫黄濃度の変化は、ＬＰＧボンベから流出するブタンの成分比の変化に酷似していることを見出した。これは、以下の理由によると考えられる。

付臭剤として使用される、下記の表１の硫黄化合物は、プロパン及びブタンのような炭化水素に比べて蒸気圧が非常に低いため、ＬＰＧボンベのガス使用量が少ない段階では、ＬＰＧボンベから極めて流出しにくい。そして、ＬＰＧボンベ中のガス残量が少なくなった段階において、凝縮状態の硫黄化合物が、ブタンと同様に、ＬＰＧボンベから急激に流出し始める。

以上の現象から、本件発明者らは、炭化水素原料の組成に基づいて、ＬＰＧボンベから流出する炭化水素原料中の硫黄濃度を推定し得ると判断している。そして、本硫黄濃度の推定法は、炭化水素原料及び硫黄の蒸気圧という物性に基づいて現れる不変な現象を利用しているので、その精度は高いと判断している。

なお、上記の炭化水素原料のガス種及び成分比等は、例示であって、本実施形態は、本例に限定されるものではない。例えば、ここでは、プロパン及びブタンについて説明したが、他の炭化水素原料（例えば、メタン）でも、同様に硫黄濃度を推定できると考えられる。

よって、本発明の第１の態様の燃料電池システムは、使用経過によって組成が変化する炭化水素原料を供給する原料供給器と、原料供給器からの炭化水素原料中の硫黄を除去する硫黄除去器と、硫黄除去器からの炭化水素原料を改質することにより水素含有ガスを生成する改質器と、炭化水素原料の組成を検知する原料組成検知器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を推定する制御器と、を備える。

上記の構成によると、従来に比べ、硫黄検知器を設けずに、使用経過によって組成が変化する炭化水素原料中の硫黄濃度を簡易かつ適切に推定し得る。

また、本発明の第２の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、硫黄除去器は水添脱硫器を備え、制御器は、上記硫黄濃度に基づいて水添脱硫器に供給する水素の量を制御する。

上記の構成によると、炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を簡易かつ適切に推定し得るので、水添脱硫器への水素の量を適切に制御し得る。
また、本発明の第３の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、硫黄除去器は、複数の脱硫器を備え、制御器は、上記硫黄濃度に基づいて脱硫器の切替を制御する。

上記の構成によると、炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を簡易かつ高精度に推定し得るので、この硫黄濃度に応じて脱硫器の切替を適切に制御し得る。例えば、低硫黄濃度用の脱硫器と、高硫黄濃度用の脱硫器とを併設する場合、これらの脱硫器を炭化水素原料中の硫黄濃度に応じて適宜、切替ることができる。

また、本発明の第４の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、原料供給器は、炭化水素原料を貯蔵する複数の容器を備え、制御器は、上記硫黄濃度に基づいて、容器の切替を制御する。

上記の構成によると、炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を簡易かつ適切に推定し得るので、この硫黄濃度に応じて炭化水素原料の供給を適切に制御し得る。例えば、炭化水素原料の組成に基づいて高濃度の硫黄が容器から流出するタイミングを把握できる。よって、高濃度の硫黄が容器から流出する直前で新品の容器に切替ると、高濃度の硫黄が容器から流出することを抑制できる。

以下、実施形態の具体例について図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。

（第１実施形態）
［装置構成］
図２は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。

図２に示す例では、燃料電池システム１００は、原料供給器１と、第１切替器２と、硫黄除去器３と、改質器４と、燃料電池５と、原料組成検知器６と、流量調整器８と、リサイクル流路９と、制御器７とを備える。

原料供給器１は、使用経過によって組成が変化する炭化水素原料を供給する。炭化水素原料は、原料供給源より供給される。原料供給源は、所定の供給圧を備え、例えば、ガスボンベ１Ａが例示される。

原料供給器１は、炭化水素原料を貯蔵する複数の容器１Ａを備え、容器１Ａがそれぞれ、ＬＰＧボンベ１Ａであってもよい。

図１に示すように、本実施形態では、原料供給器１は、ＬＰＧボンベ１Ａが第１切替器２を介して２本連結されていて、第１切替器２の切替操作により原料供給源として機能するＬＰＧボンベ１Ａを択一的に選択できるように構成されている。第１切替器２として、例えば、三方弁が例示される。

なお、炭化水素原料は、例えば、ブタン及びプロパン等の少なくとも炭素水素から構成される有機化合物を含む。

硫黄除去器３は、原料供給器１からの炭化水素原料中の硫黄を除去する。硫黄除去器３として、例えば、常温脱硫器又は水添脱硫器が例示される。常温脱硫器は、炭化水素原料中の硫黄を常温で除去する。水添脱硫器は、容器に水添脱硫剤が充填される。水添脱硫剤は、例えば、硫黄を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、炭化水素原料中の硫黄を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成してもよい。
硫黄除去器３に水添脱硫器を用いる場合、水添脱硫器に供給する水素量を、炭化水素原料中の硫黄濃度に適合するように制御できる。これにより、ＬＰＧボンベ１Ａの如く初期使用段階と最終使用段階で硫黄濃度の差が何倍〜何百倍となる場合でも、常温脱硫法では除去できない硫黄化合物（例えば、ＣＯＳ；carbonyl sulfide）が存在する場合でも、炭化水素原料の脱硫を適切に行うことができる。つまり、ＬＰＧの如く、炭化水素原料中の硫黄濃度が大幅に変化する炭化水素原料に対して、水添脱硫法は、極めて有効な脱硫法である。

そして、本実施形態では、硫黄除去器３に水添脱硫器を用いる場合、上記の炭化水素原料中の硫黄濃度の推定により、水添脱硫器に過剰に水素を添加せずに済み、燃料電池システム１００の効率低下を抑制できる。

よって、以下、硫黄除去器３に水添脱硫器３Ａを用いる場合について説明する。

改質器４は、水添脱硫器３Ａからの炭化水素原料を改質することにより水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器４において、炭化水素原料が改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器４を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、燃料電池システム１００には、さらに、改質器４に空気を供給する空気供給器が設けられる。

燃料電池５は、水素含有ガスを用いて発電する。具体的には、燃料電池５において、空気経路からの空気中の酸素と上記水素含有ガス中の水素とが化学反応し、発電及び発熱が行われる。燃料電池５は、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。

原料組成検知器６は、炭化水素原料の組成を検知する。ＬＰＧの如く組成変化がある炭化水素原料を水蒸気改質する場合、炭化水素原料の組成は、水蒸気改質に必要な水及び空気の添加量を制御するための必須な情報である。このため、炭化水素原料の組成の検知は、ＬＰＧを水蒸気改質する際に必ず行われる。よって、炭化水素原料の組成の検知のための特別の機器を導入せずに硫黄濃度を推定できるので、効率的な燃料電池システム１００を構築できる。

ここで、以下のとおり、原料組成検知器６として、改質器４の温度を測定する温度検知器が例示される。

プロパン及びブタンが主成分の炭化水素原料の場合、プロパン及びブタンのそれぞれを、燃焼器で燃焼させる場合の燃焼量が異なる。よって、プロパン及びブタンが主成分の炭化水素原料を燃料として燃焼器で燃焼させて改質器４を加熱する場合、温度検知器６により改質器４の温度上昇値を検知すると、この検知データに基づいて炭化水素原料の組成を推定できる。つまり、改質器４の温度上昇値と炭化水素原料組成との間の対応関係を示すデータから、現時点の炭化水素原料の組成を特定可能である。温度上昇値と炭化水素原料組成との間の対応関係を示すデータとして、例えば、温度上昇値と単位量当たりの炭化水素原料中の炭素量との関係を表したテーブル等が例示される。

なお、上記の炭化水素原料組成の推定方法は、例示であって、本実施形態は、本例に限定されるものではない。

リサイクル流路９は、改質器４より送出される水素含有ガスを水添脱硫器３Ａよりも上流の炭化水素原料に供給するための流路である。リサイクル流路９の上流端は、改質器４より送出された水素含有ガスが流れる流路であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。

流量調整器８は、リサイクル流路９上に配されている。これにより、流量調整器８を用いてリサイクル流路９を流れる水素含有ガス（リサイクルガス）の量を調整できる。流量調整器８として、例えば、流量調整弁又はポンプが例示される。

制御器７は、炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を推定する。具体的には、制御器７は、原料組成検知器６の検知データを取得し、この検知データを元に、炭化水素原料中の硫黄濃度を導き得る。例えば、プロパン及びブタンが主成分の炭化水素原料の場合、上記の図１に示す如く、炭化水素原料の組成と炭化水素原料中の硫黄濃度との間の対応関係から、炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を推定し得る。また、制御器７は、炭化水素原料中の硫黄濃度に基づいて、ＬＰＧボンベ１Ａの切替を制御する。本切替は第１切替器２を用いて行われる。

なお、制御器７は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。制御器７は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

以上により、炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を推定できるので、この硫黄濃度が所定量に到達した適時で、第１切替器２を用いてＬＰＧボンベ１Ａの切替を適切に制御できる。

例えば、炭化水素原料中の硫黄濃度が２０ｐｐｍ以下のＬＰＧのみを使用するように制御できる。これにより、水添脱硫器３Ａに供給する水素量（リサイクルガス量）を、２０ｐｐｍの硫黄濃度に合わせて固定できる。そして、上記の硫黄濃度の推定値が２０ｐｐｍに達した時に、第１切替器２を用いて使用中のＬＰＧボンベ１Ａから新品のＬＰＧボンベ１Ａが切替られ、新品のＬＰＧボンベ１Ａが原料供給源として新たに使用される。この場合、図１で例示すると、ＬＰＧボンベ１Ａのガス使用量は約７０％である。しかし、常時、低硫黄濃度の炭化水素原料のみを水添脱硫器３Ａに供給できるので、水添脱硫器３Ａの水添脱硫剤の量を少なくできるというメリットがある。また、リサイクル流路９を流れる水素含有ガス量（リサイクルガス量）を少量にできるというメリットもある。

一方、水添脱硫器３Ａの費用（主には水添脱硫剤の材料費）とＬＰＧ料金（例えば、ＬＰＧボンベ１Ａの価格から算出）との比較から、経済性に適ったＬＰＧボンベ１Ａの使用量でＬＰＧボンベ１Ａの切替を行うと、有利な運転コストで燃料電池システム１００を運転できる。

更に、非常時又は第１切替器２の故障時等、炭化水素原料の供給の切替が円滑に行われない状況においては、切替時に新品のＬＰＧボンベ１Ａを準備できない。しかし、本実施形態では、使用中のＬＰＧボンベ１Ａ中のＬＰＧを最後まで使い切る状況においても、ＬＰＧボンベ１Ａから流出する炭化水素原料中の硫黄濃度の増加に合わせて、流量調整器８により水添脱硫器３Ａに供給する水素量を適量にまで増やすことができる。よって、炭化水素原料の供給の切替が円滑に行われない状況でも、炭化水素原料中の硫黄が改質器４まで流れ込むことを抑制でき、燃料電池システム１００の信頼性が向上する。

［動作］
制御器７は、原料組成検知器６によって検知された炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を推定する。そして、この硫黄濃度の推定値に基づいて第１切替器２及び流量調整器８を制御する。例えば、上記のとおり、制御器７は、炭化水素原料中の硫黄濃度の推定値が２０ｐｐｍに達した時に（つまり、ＬＰＧボンベ１Ａのガス使用量を、約７０％程度のとき）、使用中のＬＰＧボンベ１Ａから新品のＬＰＧボンベ１Ａに切替るように第１切替器２を制御する。そして、このとき、制御器７は、水添脱硫器３Ａに供給する水素量（リサイクルガス量）を２０ｐｐｍの硫黄濃度に合わせて固定するように流量調整器８を制御する。なお、原料供給源が、新品のＬＰＧボンベ１Ａに切替られた後、今まで使用していたＬＰＧボンベ１Ａは、新品のＬＰＧボンベに取り替える。

一方、水添脱硫器３Ａの費用とＬＰＧ料金との比較から、ＬＰＧボンベ１Ａのガス使用量を、例えば、約８５％程度に高くする方が、燃料電池システム１００の運転コスト的に有利な場合がある。この場合、炭化水素原料中の硫黄濃度は最大２００ｐｐｍまで増加するので、制御器７は、水添脱硫器３Ａに供給する水素量（リサイクルガス量）を硫黄濃度の増加に合わせて可変可能なように流量調整器８を制御する。
なお、上記のＬＰＧボンベ１Ａのガス使用量等は、例示であって、本実施形態は、本例に限定されるものではない。

（第２実施形態）
［装置構成］
図３は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。

図３に示す例では、燃料電池システム１００は、原料供給器１と、水添脱硫器３Ａと、改質器４と、燃料電池５と、原料組成検知器６と、流量調整器８と、リサイクル流路９と、制御器７とを備える。

水添脱硫器３Ａ、改質器４、燃料電池５、原料組成検知器６、流量調整器８及びリサイクル流路９については第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
本実施形態では、原料供給器１は、炭化水素原料を貯蔵する単一のＬＰＧボンベ１Ａを備える。よって、本実施形態では、第１実施形態で述べた第１切替器２を配置していない。

［動作］
制御器７は、原料組成検知器６によって検知された炭化水素原料の組成に基づいて炭化水素原料中の硫黄濃度を推定する。そして、この硫黄濃度の推定値に基づいて流量調整器８の動作を制御する。

例えば、ＬＰＧボンベ１Ａから流出する炭化水素原料中の硫黄濃度が一定の低濃度の場合、制御器７は、水添脱硫器３Ａに供給する水素量（リサイクルガス量）を硫黄濃度に合わせて低量に固定するように流量調整器８を制御する。これにより、水添脱硫器３Ａでの水素の消費量を抑制でき、燃料電池システム１００の運転を効率的に行うことができる。
一方、上記の硫黄濃度が急に増加する場合、制御器７は、水添脱硫器３Ａに供給する水素量（リサイクルガス量）を硫黄濃度の増加に合わせて可変可能なように流量調整器８を制御する。これにより、炭化水素原料中の硫黄濃度が急に増加した場合でも、硫黄が改質器４まで流れ込むことを抑制でき、燃料電池システム１００の信頼性が向上する。

（第３実施形態）
［装置構成］
図４は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。

図４に示す例では、燃料電池システム１００は、原料供給器１と、第１切替器２と、硫黄除去器３と、改質器４と、燃料電池５と、原料組成検知器６と、流量調整器８と、リサイクル流路９と、第２切替器１０と、制御器７とを備える。

原料供給器１、第１切替器２、改質器４、燃料電池５、原料組成検知器６、流量調整器８及びリサイクル流路９については第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

本実施形態では、硫黄除去器３は、複数の脱硫器を備える。具体的には、硫黄除去器３は、常温脱硫器３Ｂと、水添脱硫器３Ａとを備える。そして、原料供給器１からの炭化水素原料を常温脱硫器３Ｂに通すか否かの切替は、第２切替器１０で行われる。第２切替器１０として、例えば、三方弁が例示される。

［動作］
燃料電池システム１００の起動時は、水添脱硫器３Ａの温度が、水添反応が起こる適温にまで上昇しておらず、水添脱硫器３Ａにおいて十分な脱硫機能を発揮できない。よって、この場合、制御器７は、炭化水素原料が、常温脱硫器３Ｂを通るように第２切替器１０を切替る。このとき、ＬＰＧボンベ１Ａのガス残量が少ないと、高濃度の硫黄が、常温脱硫器３Ｂに流入する可能性がある。すると、常温脱硫器３Ｂにおいて、十分な脱硫機能を発揮できなくなる恐れがあるので、制御器７は、原料供給源を、使用中のＬＰＧボンベ１Ａから新品のＬＰＧボンベ１Ａにするように第１切替器２を一時的に切替る。

そして、水添脱硫器３Ａの温度が、水添反応が起こる適温にまで上昇したとき、制御器７は、炭化水素原料が、常温脱硫器３Ｂを通らずに直接、水添脱硫器３Ａに流入するように、第２切替器１０を切替る。また、原料供給源を、本来使用予定のＬＰＧボンベ１Ａに戻すように第１切替器２を切替る。

なお、水添脱硫器３Ａの温度が、水添反応が起こる適温にまで上昇したとき、炭化水素原料が、常温脱硫器３Ｂ及び水添脱硫器３Ａの両方を通るように、第２切替器１０を設定しても構わない。但し、炭化水素原料中に硫黄濃度の推定値が急に増加する場合、炭化水素原料を常温脱硫器３Ｂに通すと、常温脱硫器３Ｂにおいて、十分な脱硫機能を発揮できなくなる恐れがある。この場合は、制御器７は、炭化水素原料が、常温脱硫器３Ｂを通らずに直接、水添脱硫器３Ａに流入するように、第２切替器１０を切替る。

（第４実施形態）
［装置構成］
図５は、第４実施形態の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。

図５に示す例では、燃料電池システム１００は、原料供給器１と、第１切替器２と、硫黄除去器３と、改質器４と、燃料電池５と、原料組成検知器６と、第２切替器１０と、制御器７とを備える。

原料供給器１、第１切替器２、改質器４、燃料電池５及び原料組成検知器６については第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

本実施形態では、硫黄除去器３は、複数の脱硫器を備える。具体的には、硫黄除去器３は、種類が異なる常温脱硫器３Ｂ_１及び常温脱硫器３Ｂ_２を備える。例えば、常温脱硫器３Ｂ_１が低硫黄濃度用の脱硫器であり、常温脱硫器３Ｂ_２が高硫黄濃度用の脱硫器であってもよい。ゼオライト担体に担持される触媒金属の量を調整することにより、上記の常温脱硫器３Ｂ_１及び常温脱硫器３Ｂ_２を得ることができる。そして、原料供給器１からの炭化水素原料を常温脱硫器３Ｂ_１に通すか、常温脱硫器３Ｂ_２に通すかの切替は、第２切替器１０で行われる。なお、本実施形態では、燃料電池システム１００は水添脱硫器を備えていないので、第１実施形態で述べた流量調整器８及びリサイクル流路９を配置していない。

［動作］
炭化水素原料中の硫黄濃度の推定値が急に増加する場合、制御器７は、炭化水素原料が、高硫黄濃度用の常温脱硫器３Ｂ_２を通るように第２切替器１０を切替る。

また、高硫黄濃度用の常温脱硫器３Ｂ_２の寿命が近づいてきて、交換が必要になったとき、制御器７は、炭化水素原料が、低硫黄濃度用の常温脱硫器３Ｂ_１を通るように第２切替器１０を切替るとともに、常温脱硫器３Ｂ_１に高硫黄濃度の炭素水素原料が流入することを防止すべく、原料供給源を、使用中のＬＰＧボンベ１Ａから新品のＬＰＧボンベ１Ａにするように第１切替器２を一時的に切替る。これにより、高硫黄濃度用の常温脱硫器３Ｂ_２を容易に交換でき、燃料電池システム１００のメンテナンス性が向上する。

本発明の一態様は、従来に比べ、硫黄検知器を設けずに、使用経過によって組成が変化する炭化水素原料中の硫黄濃度を簡易かつ適切に推定し得る。よって、本発明の一態様は、燃料電池システムに利用できる。

１ 原料供給器
２ 第１切替器
３ 硫黄除去器
４ 改質器
５ 燃料電池
６ 原料組成検知器
７ 制御器
８ 流量調整器
９ リサイクル流路
１０ 第２切替器

Claims (4)

1. 使用経過によって組成が変化する炭化水素原料を供給する原料供給器と、
   前記原料供給器からの炭化水素原料中の硫黄を除去する硫黄除去器と、
   前記硫黄除去器からの炭化水素原料を改質することにより水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記炭化水素原料の組成を検知する原料組成検知器と、
   前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記炭化水素原料の組成に基づいて前記炭化水素原料中の硫黄濃度を推定する制御器と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記原料供給器は、前記炭化水素原料を貯蔵する複数の容器を備え、前記制御器は、前記硫黄濃度に基づいて、前記容器の切替を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記硫黄除去器は水添脱硫器を備え、前記制御器は、前記硫黄濃度に基づいて前記水添脱硫器に供給する水素の量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記硫黄除去器は、複数の脱硫器を備え、前記制御器は、前記硫黄濃度に基づいて前記脱硫器の切替を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
   

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