JP4956976B2 - 脱硫器の前処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器、およびこの脱硫器を備えた燃料電池発電装置、および脱硫器の前処理方法に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。

この種の燃料電池発電装置では、都市ガス、ＬＰガス等の炭化水素系燃料ガスを水素に改質する改質器と、改質器からの改質ガス（水素）によって発電する燃料電池とを備えている。
一方、この燃料電池発電装置に燃料ガスとして供給する都市ガスやＬＰガス等には、ガス漏れ等を臭いで察知できるよう、硫黄化合物を含む付臭剤が添加されている。ところが、この硫黄化合物は改質器内の改質触媒を被毒して触媒反応の活性を低下させてしまうため、従来より、燃料電池発電装置においては、改質器の上流側に脱硫器を設け、外部より供給される燃料ガス中の硫黄成分をこの脱硫器で除去した後に改質器に供給するようにしている。

この脱硫器には、ステンレスやガラス等の容器に硫黄成分を吸着するための吸着剤（活性炭や金属担持ゼオライト等）が充填されており、燃料ガスが容器内を通過することにより、燃料ガス中の硫黄成分が吸着剤に吸着される（脱硫）というものである（特許文献１参照）。
特開平８−２９３３１５号公報

ところが、燃料電池発電装置に未使用の脱硫器（吸着剤）を組み込むと、脱硫器の使用開始（燃料ガス導入）より一定時間、脱硫器において燃料ガス中の硫黄成分と共に燃料ガス成分（例えば、メタン、プロパン、ブタン）も吸着されてしまうため、下流側の改質器に燃料ガス成分が十分供給されないという問題があった。これは、吸着剤へ燃料成分の一定量が吸着されるため、使用開始当所、吸着量がその一定量に到達するまでは、脱硫器に供給される燃料成分が吸着されてしまうためである。
改質器に十分な燃料ガス成分が供給されないと、改質器において水素が生成されず、その間、外部より燃料ガスを供給しても燃料電池に水素が供給されなくなっており、発電が行われない状態が継続されることになる。

本発明は、このような問題に鑑み成されたもので、運転開始と同時に脱硫された燃料ガスが得られる前処理方法、およびこの前処理を施した脱硫器、およびこの脱硫器を備えた燃料電池発電装置を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の脱硫器の前処理方法は、吸着剤中に燃料ガスを流通させて前記吸着剤に燃料ガス中の燃料成分を予め飽和状態に吸着させるとともに、前記吸着剤の重量増加率が１０％に達した時に前記燃料成分が飽和したものと判断して前処理を完了させ、前記燃料成分が飽和状態に吸着された前記吸着剤中に前記燃料ガスを再度流通させることにより脱硫された当該燃料ガスを改質器に導入することを特徴としている。

本発明によれば、脱硫器の吸着剤に燃料成分を飽和状態に吸着させる前処理を施すことにより、脱硫器の使用開始（燃料ガス導入）と同時に脱硫器において脱硫された燃料成分主体の燃料ガスを得ることができるため、運転開始直後より改質器にて発電可能な十分な水素を生成して燃料電池に供給することが可能となり、安定した発電を行うことができる。
また、燃料電池を長期間にわたって連続的に運転する場合には、発電を停止せずに脱硫器のみを交換するという操作が考えられるが、この操作においても、本発明を用いることにより、交換直後から安定した発電を継続することができる。

以下、本発明の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１は本発明が適用された燃料電池発電装置の構成を示し、図２は本発明に係る脱硫器の構成を示し、図３は脱硫器の前処理による吸着剤の重量増加率を示している。

図１に示すように、燃料電池発電装置は、都市ガスやＬＰガス等の炭化水素系燃料ガス（原燃料）中の硫黄成分を除去する脱硫器２と、脱硫器２にて脱硫された燃料ガスを水素に改質するための水蒸気改質触媒を充填した改質器６と、改質器６からの改質ガス（水素）によって発電を行う燃料電池モジュール１０（例えば、固体酸化物形燃料電池スタック１）とを備える。
尚、本実施形態では２基の脱硫器２、２が装備されており、それぞれ上流側の燃料配管１３と下流側の燃料配管１４に設けた各切替弁３、４（電磁開閉弁）にて何れか一方の脱硫器２に切替接続されて使用可能な状態になっている。

燃料電池モジュール１０の内部には、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層の両側に燃料極層（アノード）と空気極層（カソード）を配した発電セル（図示せず）を多数積層して構成した燃料電池スタック１と、上記した改質器６等が配設されている。燃料電池スタック１に燃料ガス（水素）と空気を導入することにより発電反応が生じ、直流出力電力が得られる。

上記脱硫器２は、ステンレス、樹脂、或いはガラス等で成る円筒状の容器２０を備え、この筒状容器２０内が、容器内の上部付近および下部付近に設けた２枚の金属、或いは樹脂製のメッシュ材７、７にて上部空間２０ａと充填部２０ｂと下部空間２０ｃとに区画されている。
上部空間２０ａの容器側面には原燃料が導入されるガス導入口１１が設けられ、下部空間２０ｃの容器側面には脱硫された燃料ガスが排出されるガス排出口１２が設けられ、上述のメッシュ材７、７にて区画形成された容器中央の充填部２０ｂには、吸着剤８（硫黄吸着剤）が充填されている。吸着剤８としては、活性炭や金属（Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ等）担持ゼオライト等を用いることができる。尚、メッシュ材７のメッシュは、上記吸着剤８の粒子が通り抜けできない程に微細である。

ガス導入口１１より導入された原燃料は、一旦、上部空間２０ａ内に充満した後、このメッシュ材７を通過して分散されながら充填部２０ｂに流入し、充填部２０ｂ内に充填された吸着剤８同士の僅かな隙間を縫うように上方より下方に向かって満遍なく流通し、流通過程で吸着剤８により燃料ガス中の付臭剤として添加された硫黄化合物が吸着され、燃料ガスから硫黄成分が除去される。硫黄成分を取り除かれた燃料ガスは下方のメッシュ材７を通過して下部空間２０ｃに流入し、下部空間２０ｃに充満した脱硫ガスは容器側面のガス排出口１２より排出される。

また、この筒状容器２０の底部に充填部２０ｂ内に充填されている吸着剤８の重量を計測するための重量計３０が配設されている。

ところで、燃料電池発電装置に未使用の脱硫器２（吸着剤８）を使用した場合は、運転開始（すなわち、燃料ガス導入）より一定時間、脱硫器２において燃料ガス中の硫黄成分と共に燃料ガス成分も吸着されてしまい、その間、脱硫器２より燃料ガス成分が得られず、発電が行われなくなるという不都合が生じることは既述の通りである。
そこで、本発明では、燃料電池発電装置に脱硫器２を組み込む場合は、予め吸着剤中に燃料ガスを十分流通させて吸着剤８に燃料ガス中の燃料成分を飽和状態に吸着させる前処理を施し、前処理を完了した吸着剤８が充填された脱硫器２を使用するようにした。

この脱硫器２の前処理は、上述した、図２に示した脱硫器２を単体で用いることにより行うことができる。
すなわち、脱硫器２内に燃料ガスを供給すると、先ず、燃料ガス中の吸収性の良い燃料ガス成分が主として吸着剤８により吸着される。燃料成分の吸着が進むに連れて、図３に示すように、その重量が徐々に増加していき、最終的に吸着剤中の燃料成分は飽和状態となり、重量は一定するようになる。本実施形態の前処理では、重量増加率１０％を飽和状態の目安にしている。この吸着剤８の重量変化は、上述した重量計３０の計測値の相対変化より得られる。
因みに、前処理時（燃料成分の飽和時間）は使用する燃料ガスの種類、供給量、流速等様々な要因で左右されるが、一般的に約１００ｈ程度である。

上記方法で前処理が施された脱硫器２は、別途、燃料電池発電装置に組み込まれ、脱硫器上部のガス導入口１１が上流側の燃料配管１３に接続され、脱硫器下部のガス排出口１２が下流側の燃料配管１４に接続される。

上記構成により燃料電池発電装置の運転が開始されると、燃料ガス（例えば、都市ガス）が燃料配管１３を通し、切替弁３、４にて切替接続された何れか一方の脱硫器２に導入される。
ここで、脱硫器２は既に前処理されており、内部の吸着剤８は燃料成分（メタン等）を飽和状態にまで吸着していることから、運転開始後に吸着剤８による燃料成分の吸着は殆ど生じず、主として燃料ガス中の硫黄成分が吸着されることになり、燃料ガスからは硫黄成分のみが除去される。脱硫された燃料ガスは燃料配管１４を通して燃料電池モジュール１０内の改質器６に導入され、外部供給水による水蒸気と混合されると共に、この混合ガスが改質器６内において改質触媒にて水蒸気改質され、水素豊富な燃料ガスが燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１では、この改質器６からの改質ガスと外部供給の空気とにより発電反応が生じ、安定した直流出力電力が得られる。

このように、本発明によれば、脱硫器２の吸着剤８に燃料成分を飽和状態に吸着させる前処理を施すことにより、脱硫器２においては、燃料電池発電装置の運転開始と同時に燃料ガスが脱硫された燃料成分主体の燃料ガスを得ることができるため、運転開始直後より改質器６にて発電可能な十分な水素を生成して燃料電池スタック１に供給することが可能となり、安定した発電を行うことができる。

また、脱硫器２内の吸着剤８は脱硫作用により徐々に消耗し、それに伴って脱硫効果が劣化してゆくため、脱硫器２は長期間使用すると交換しなければならないが、本実施形態の燃料電池発電装置では、常時２基の脱硫器２、２が組み込まれており、且つ、各々の脱硫器２が切替弁３、４にて切り換え可能であるから、脱硫器２の交換作業は発電を停止せずにいつでも行える。

燃料電池発電装置の構成を示す図。 脱硫器の構造を示す模式図。 脱硫器の前処理時における吸着剤の重量増加率を示す図。

符号の説明

２ 脱硫器
８ 吸着剤
３０ 計測手段（重量計）

Claims (1)

1. 吸着剤中に燃料ガスを流通させて前記吸着剤に燃料ガス中の燃料成分を予め飽和状態に吸着させるとともに、前記吸着剤の重量増加率が１０％に達した時に前記燃料成分が飽和したものと判断して前処理を完了させ、前記燃料成分が飽和状態に吸着された前記吸着剤中に前記燃料ガスを再度流通させることにより脱硫された当該燃料ガスを改質器に導入することを特徴とする脱硫器の前処理方法。

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