JP5050662B2

JP5050662B2 - 燃料改質装置および燃料電池システム

Info

Publication number: JP5050662B2
Application number: JP2007144780A
Authority: JP
Inventors: 幸宗可児; 英延脇田; 誠二藤原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: JP2008297155A

Description

本発明は、原料中の硫黄化合物の脱硫部を有し、その原料と水の改質反応により水素含有ガスを生成させる燃料改質装置と、その水素含有ガスを用い発電する燃料電池システムに関する。

小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電装置として開発が進められている。発電時の燃料となる水素ガスは、一般的なインフラとして整備されていないので、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料を利用し水素含有ガスを生成させる燃料改質装置が併設される。既存のインフラで供給される都市ガスやプロパンガスは、インフララインの配管等からの漏れを検知するため、例えばＣＨ_３ＳＣＨ_３や（ＣＨ_３）_３ＣＳＨ等の硫黄化合物に代表される付臭剤が、概ね数ｐｐｍ程度の体積濃度で添加されている。しかし、硫黄化合物である付臭剤は、燃料改質装置に用いる触媒の被毒成分となる。従って、燃料改質装置に用いる触媒の硫黄被毒の影響を最小限に抑えるには、硫黄化合物を除去する事が必要になる。

そこで、例えば脱硫部としてゼオライト系吸着除去剤を用いた吸着脱硫部により、原料中の硫黄化合物を除去する方法が考案されている（例えば、特許文献１参照）。吸着脱硫部は常温から硫黄化合物を吸着除去できるので、加熱が必要な水添型脱硫部と比較して、燃料改質装置の起動性を良好にする、装置構成を簡素化できる等のメリットがある。しかし、原料中の硫黄化合物は常に供給され、使用時間に伴い吸着脱硫部の吸着除去能力が低下するので、硫黄化合物の除去性能を維持するには、長期使用時には吸着脱硫部の交換が必要となる。そこで、吸着脱硫部の交換時期が容易に判定できるように、インジケーター機能を有する吸着脱硫部を使用する装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、燃料使用量から硫黄量化合物の流通量を想定して吸着除去剤の寿命を演算し、吸着脱硫部の交換時期を表示または外部のメンテナンス端末に送信する装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。また、吸着脱硫部の余寿命が一定時間になった場合に警報表示を行い、警報表示から一定期間の間に交換等の対応を行わない場合、自動的に装置を停止させる装置も提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００４−２２８０１６号公報特開２００２−３５８９９２号公報特開２００４−３６２８５６号公報特開２００２−２９８８９２号公報

しかしながら、吸着脱硫部は、特別の配慮を行わない限り、交換時に内部に空気が混入する。あるいは、製造時に用いる窒素等の不活性ガスが残留する場合がある。吸着脱硫部内に空気もしくは不活性ガスが混入した状態で、燃料改質装置を起動させて燃焼部にて着火動作を行った場合、吸着脱硫部内の空気や不活性ガスが燃料に押し出されて燃焼部に供給される。また、供給された燃料の一部も吸着脱硫部により吸着される可能性がある。す
なわち、不活性ガスの供給や燃焼状態の希薄化により、燃焼部での燃焼が失火する可能性があった。

本発明は、燃料改質装置および燃料電池システムに関しての上記課題を解決するものであり、吸着脱硫部を交換した直後の装置起動に、燃料改質装置における燃焼部の着火性を向上させる装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、原料中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する吸着脱硫部と、吸着脱硫部を通過させた原料から水素含有ガスを生成する改質部と、改質部を加熱する燃焼部と、運転制御部とを有し、少なくとも停止時に装置経路内が前記原料でパージされる燃料改質装置であって、運転制御部は、吸着脱硫部の交換信号が入力される脱硫部交換信号入力部と、燃焼部での燃焼を開始させる着火部と、燃焼部における燃焼状態を検出する燃焼検知部とを備え、脱硫部交換信号入力部から吸着脱硫部の交換信号が入力された直後の装置起動において、前記着火部の動作を開始させて、前記吸着脱硫部を通過させた原料を前記燃焼部で燃焼させ、前記燃焼検知部で燃焼状態を検知してから非燃焼状態となる所定の期間後に、再度前記着火部を動作させて、前記燃焼検知部で再度燃焼状態を検知した後、通常の起動動作に移行させる燃料改質装置とする。

本発明によれば、吸着脱硫部の交換直後の装置起動時においても、吸着脱硫部やその配管中を原料で確実にパージできるので、燃料改質装置の燃焼部における失火を未然に防ぐことができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
〈燃料電池システムの構成〉
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気の改質反応を主に進行させ、水素含有ガスを生成させる燃料改質装置１と、燃料改質装置１から水素ガス供給経路１２から供給される水素含有ガスにより発電を行う、固体高分子型の燃料電池８とで構成される。なお、原料の供給源にはガスインフラライン６を用い、そのガスインフラライン６に接続部７を介して吸着脱硫部５が接続されている。燃料改質装置１には、水を供給する水供給部３と、原料供給経路１０を介して脱硫除去部７通過後の原料を供給する原料供給部４が接続されている。また、燃料改質装置１には、改質反応に必要な反応熱を供給するためのバーナーである燃焼部２が設けられている。水素ガス供給経路１２にはガスの流れを調節するガス切り替え部９が設けられ、ガス切り替え部９には原料供給経路１０からのバイパス経路となる燃料改質装置バイパス経路１１と接続されている。燃料電池８には発電時に未使用となる水素オフガスを排出するオフガス経路１４が設けられ、燃料電池バイパス経路１３とともに燃焼ガス供給経路１５に接続され、その燃焼ガス供給経路１５は燃焼部２に接続されている。なお、本実施の形態では、ガスインフラライン６として都市ガスのガスインフララインとする。また、水供給部３は、流量調節機能を有するポンプとし、燃料電池システム内で回収され、活性炭及びイオン交換樹脂で浄化される水を供給する構成とする。また、吸着脱硫部５には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着するゼオライトが充填されており、吸着脱硫部５の前後に設けられる接続部７で着脱可能に接続されている。また、原料供給部４から供給する原料の供給量や水供給部３から供給する水の供給量等を制御し、燃料改質装置１の水素生成動作や燃料電池８の発電動作を制御する、運転制御部１６が設けられている。なお、運転制御部１６は、半導体メモリー、ＣＰＵ等を用い装置の運
転動作方法や原料積算流通量などを記憶し、適切な動作条件を演算し、各構成に指示する構成（指示動作の詳細説明は省略する）とするとともに、脱硫部交換の信号等を入力するための入力部１７が接続されている。

なお、燃料電池８の発電時に余剰になった水素オフガスは、オフガス経路１４と燃焼ガス供給経路１５を通じて燃料改質装置１の燃焼部２に供給する。また、燃料電池８に水素含有ガスを供給する前の燃料改質装置１の起動時には、ガス切り替え部９を動作させて、燃料改質装置１からの水素含有ガスを水素ガス供給経路９から燃料電池バイパス経路１３と燃焼ガス供給経路１５を通り、燃焼部２へ直接供給される。また、燃料改質装置バイパス経路１１を通り、燃料改質装置１を経ることなく燃焼部２や燃料電池８へ原料を供給できる構成となっている。

〈燃料改質装置１の構成〉
図２に、本発明の実施の形態１における燃料改質装置１の構成図を示す。燃料改質装置１は、Ｒｕ系の改質触媒を充填した改質部２０と、改質部２０で生成させた水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させるＣｕ−Ｚｎ系変成触媒を設けた変成部２４と、変成部２４通過後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を主に酸化させて低減させるＲｕ系触媒を設けた選択酸化部２６とで構成される。なお、本実施の形態では、改質部２０と、変成部２４と、選択酸化部２６と、燃焼部２とが一体化されて装置中に構成されている。また、変成部２４後の水素含有ガスに、選択酸化部２６の酸化反応に必要な空気を供給するため、空気供給部２５が接続されている。燃焼部２には、燃焼に必要な空気を供給用するための燃焼ファン２３、着火部であるイグナイター２１、燃焼部２での燃焼状態を検知する燃焼検知部としてフレームロッド（ＦＲ）２２を備えている。

〈燃料電池システムの動作〉
次に、本実施の形態１における燃料電池システムの通常時の起動および停止運転動作を説明する。停止状態から燃料電池システムを起動させる場合、まず、燃料電池システム内のガス流路に設置されているバルブ等（詳細は図示せず）を適宜閉め、各ガス流路等からのガス漏れの有無をチェックする動作を行う。ガス漏れがない場合は、燃料改質装置１の起動に進む。運転制御部１６からの指令により、燃焼部２のイグナイター２１を動作させ、燃焼ファン２３から燃焼部２へ燃焼用空気の供給を開始する。同時に、原料を原料供給部４から燃料改質装置１を経由させ燃焼部２に供給し着火させる。この時、燃料改質装置１の触媒層、特に改質部２０の改質触媒温度が上昇した時点で、水供給部３を動作させ、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態１では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水の供給量は、供給都市ガスの平均分子式中の炭素原子数1モルに対して３モル程度の水蒸気を存在させる量を供給する（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。改質部２０で水蒸気改質反応、変成部２４で水性ガスシフト反応、選択酸化部２６で一酸化炭素の選択酸化反応を進行させ、一酸化炭素濃度を約２０ｐｐｍ以下まで低減させた水素含有ガスの生成を行う。次に、燃料改質装置１の改質部２０、変成部２４、選択酸化部２６の各触媒温度情報から、一酸化炭素濃度約２０ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下の水素含有ガスが生成できていると判断して、水素含有ガスを水素ガス供給経路１２から燃料電池８に供給し、発電を行う。燃料電池システムの発電運転を停止させる場合は、まず原料と水の供給を停止させ、燃料改質装置１内の改質部２０、変成部２４、選択酸化部２６の各触媒層の温度を低下させる。各触媒層の温度が設定温度まで低下させた後、燃料改質装置１に原料を供給し、燃料改質装置１のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する。この時、燃料改質装置１内部から置換される水素含有ガスは、燃焼部２に通気して燃焼させる。なお、燃料電池８のガス経路内部に残留する水素含有ガスは、燃料改質装置１と同様に原料で置換する動作を行う。

〈燃料電池システムの特徴的な動作〉
次に、本実施の形態１における燃料電池システムの特徴的な動作について説明する。特徴的な動作は、運転制御部１６にて、吸着脱硫部５交換後の燃料電池システム起動時に、イグナイター２１の動作を開始させて、吸着脱硫部５を通過させた原料を燃焼部２で燃焼させ、フレームロッド２２で２回以上の燃焼状態を検知して、通常の起動動作に移行させる点である。

吸着脱硫部５は、特別の配慮を行わない限り、交換時に内部に空気が混入する。あるいは、製造時に用いる窒素等の不活性ガスが残留する。また、供給された燃料の一部も脱硫部により吸着される可能性があるので、通常の起動動作では、吸着脱硫部５を交換した直後の起動時に、燃焼部２で失火する可能性があり、燃焼部２で失火すると燃焼部２の動作を異常と判断して、燃料電池システムの起動動作が停止される。しかし、吸着脱硫部５交換後の燃料電池システム起動時に、上記の本実施の形態１に示す特徴的な動作を行うことで燃料電池システムのスムーズな起動が実現できることになる。

なお、イグナイター２１は、２回目の着火確認まで連続的に動作させる、あるいは非燃焼状態となる期間一時停止させ、原料が再度燃焼部２に送られる時間を想定して再度動作させることとなる。また、吸着脱硫部５交換後に発生する燃焼部２での失火は、基本的に１回であるが、吸着脱硫部５以外に空気混入等があり失火する可能性があれば、２回目以上の着火確認後に通常の起動動作に移行するシーケンスとしてもよい。

なお、吸着脱硫部５交換後の上記制御は、入力部１７より運転制御部１６に吸着脱硫部５が交換されたことを示す信号が入力されることで、実施される。また、入力部１７で吸着脱硫部５の交換を入力する形態ではなく、例えば、接続部７に吸着脱硫部５の交換を機械的な接点スイッチで検知する脱硫部交換検知部を設けても良いし、ＩＣタグ等を用いて吸着脱硫部５脱の交換を検出する脱硫剤交換検知部を設けても良い。

なお、本実施の形態は、空気が入っている吸着脱硫部５を交換する場合の起動動作について記載したが、例えば、空気以外に不活性ガスが充填されている吸着脱硫部５を交換する場合でも、燃焼部２における初期失火を防止する同様の効果が得られる。また、燃焼部２で着火・失火するタイミングは、装置構成、使用する吸着脱硫剤の種類やその量により相違するので、運転制御部１６における装置制御の各パラメーターは、燃料電池システム毎に適宜決める必要があることは言うまでもない。

なお、２回目以上の着火確認後に移行する通常の起動動作とは、燃料電池システムでの発電動作まで行う動作を主に示す。しかし、発電が不要な場合は、２回目以上の着火確認後に装置の起動動作を停止させ、次回起動において通常の起動動作を行うことも含む。

（実施例１）
次に、空気を容器内に混入させた吸着脱硫部５を用い、本実施の形態１における燃料電池システムの特徴的な動作を行った実施例について説明する。容器内に混入させた吸着脱硫部５を燃料電池システムに取り付け、入力部１７から吸着脱硫部５の交換信号を運転制御部１６に入力した。その信号の入力により、運転制御部１６からの制御例を図３に示す動作シーケンスに移行させ、燃料電池システムを起動させた。燃焼ファン６を動作させて燃焼部２へ燃焼用空気の供給を開始し、燃焼部２のイグナイター２１を動作させた。この動作とともに、原料を原料供給部４から燃料改質装置１に供給して、燃焼部２に供給し燃焼部２で着火させた。まず、燃料改質装置１の配管内に残留する原料が燃焼部２へ供給されて着火するので、フレームロッド２２で燃焼が検知される（信号Ａ）。その後、供給した原料により吸着脱硫部５内の空気が燃焼部２に押し出されるので燃焼部２で失火し、フレームロッド２２で燃焼が検知されなくなる（信号Ｂ）。しかし、原料供給が継続されて
吸着脱硫部５からの空気排出が終わり、原料が再び燃焼部に供給されて再着火するので、再度フレームロッド２２で燃焼が検知される（信号Ｃ）。この時のフレームロッド出力の変遷を、図４に示す。なお、続いて、通常の起動動作に移行させて燃料電池システムを起動させたところ、燃焼部２の失火によるエラー停止が起こらず、問題なく起動することを確認できた。

（比較例１）
次に、吸着脱硫部５を交換した直後に、通常の起動動作を行った場合について説明する。運転制御部１６への吸着脱硫部５の交換信号の入力がないので、図５に示す通常の起動シーケンスに移行し、燃焼部２の着火動作を行った。この着火動作におけるフレームロッド２２における出力（一回目の着火時のフレームロッド２２の出力）の変遷を、図６に示す。１回目の着火動作の初期段階で着火できているものの、それ以降は燃焼判定の閾値を越えず（フレームロッド２２の出力は図６に記載せず）着火判定する段階までに失火した。失火後に着火動作が繰り返し行われたが、最大５回の再着火を繰り返しても着火できず、エラー停止する結果となった。これは、原料供給の開始に伴い燃料改質装置バイパス経路１３に残存する原料が燃焼部２に押し出されて一時着火するが、その後、吸着脱硫部５内に残留する空気が燃焼部２に押し出されるので、燃焼部２で失火が発生し、その失火を燃焼部２の動作が異常と判断したためである。なお、その後の再着火動作で着火できなかったのは、吸着脱硫部５からの空気排出が終わらず、燃焼部２に原料が到達しないためである。

本発明は、原料中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する脱硫部を備えた燃料改質装置と、その燃料改質装置で生成させた水素含有ガスを用いる燃料電池システムに有用である。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図本発明の実施の形態１における燃料改質装置の構成図本発明の実施例１における制御シーケンス図本発明の実施例１におけるフレームロッド出力図本発明の比較例１における制御シーケンス図本発明の比較例１におけるフレームロッド出力図

符号の説明

１燃料改質装置
２燃焼部
３水供給部
４原料供給部
５吸着脱硫部
６ガスインフラライン
７接続部
８燃料電池
９ガス切り替え部
１０原料供給経路
１１燃料改質装置バイパス経路
１２水素ガス供給経路
１３燃料電池バイパス経路
１４オフガス経路
１５燃焼ガス供給経路
１６運転制御部
１７入力部
２０改質部
２１イグナイター
２２フレームロッド
２３燃焼ファン
２４変成部
２５空気供給部
２６選択酸化部

Claims

原料中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する吸着脱硫部と、
前記吸着脱硫部を通過させた原料から水素含有ガスを生成する改質部と、
前記改質部を加熱する燃焼部と、
運転制御部とを有し、
少なくとも停止時に装置経路内が前記原料でパージされる燃料改質装置であって、
前記運転制御部は、
前記吸着脱硫部の交換信号が入力される脱硫部交換信号入力部と、
前記燃焼部での燃焼を開始させる着火部と、
前記燃焼部における燃焼状態を検出する燃焼検知部とを備え、
前記脱硫部交換信号入力部から前記吸着脱硫部の交換信号が入力された直後の装置起動において、
前記着火部の動作を開始させて、前記吸着脱硫部を通過させた原料を前記燃焼部で燃焼させ、
前記燃焼検知部で燃焼状態を検知してから非燃焼状態となる所定の期間後に、再度前記着火部を動作させて、
前記燃焼検知部で再度燃焼状態を検知した後、
通常の起動動作に移行させる燃料改質装置。
前記脱硫部交換信号入力部は、前記吸着脱硫部が交換される信号を検知する脱硫部交換検知部である請求項１に記載の燃料改質装置。
請求項１または２に記載の燃料改質装置と、
前記燃料改質装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。