JP5171384B2 - 脱硫装置及び燃料電池システム - Google Patents

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

しかしながら、脱硫器からは、メタンガスや水素ガス等のガスが液体燃料と伴に排出されるため、改質器に対する液体燃料の定量的な供給が阻害されるなど、脱硫器の後段に悪影響を及ぼすおそれがある。

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、後段への悪影響を防止しつつ、液体燃料から硫黄分を確実に除去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器と、脱硫器から排出された液体燃料及びガスを貯留する気液分離容器と、気液分離容器から液体燃料を排出するための液体燃料排出ラインと、気液分離容器からガスを排出するためのガス排出ラインと、ガス排出ラインに設けられ、ガスの流通を開放及び閉鎖する開閉弁と、開閉弁の下流側においてガス排出ラインに設けられ、ガスの流通を阻害する絞りと、を備え、開閉弁は、ガスの流通を閉鎖している場合において、気液分離容器内のガスの量が所定の量を超えたときに、複数回に分けてガスの流通を開放することを特徴とする。

この脱硫装置では、脱硫器から液体燃料と伴に排出されたガスは、気液分離容器で液体燃料と分離されて、ガス排出ラインを介して気液分離容器から排出される。そのため、ガスが混入した液体燃料が脱硫装置の後段に供給されることが防止される。更に、ガス排出ラインには、ガスの流通を開放及び閉鎖する開閉弁の下流側に、ガスの流通を阻害する絞りが設けられている。そのため、ガス排出ラインを介して気液分離容器からガスを排出するために開閉弁によってガスの流通が開放されても、絞りによって脱硫器内の圧力の低下が抑制される。従って、この脱硫装置によれば、後段への悪影響を防止しつつ、液体燃料から硫黄分を確実に除去することが可能となる。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、ガス排出ラインを介して気液分離容器からガスを排出するために開閉弁によってガスの流通が開放された際における脱硫器内の圧力の低下をより確実に抑制することができる。

本発明に係る脱硫装置においては、開閉弁は、ガスの流通を閉鎖している場合において、気液分離容器内の液体燃料の液面の検出により気液分離容器内のガスの量が所定の量を超えたと検知されたときに、ガスの流通を開放してもよい。

本発明に係る脱硫装置においては、ガス排出ラインは、改質器の改質触媒を加熱するバーナと接続されていることが好ましい。この構成によれば、脱硫器から液体燃料と伴に排出されたガスをバーナの燃料として有効に利用することができる。

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、脱硫装置の後段への悪影響を防止しつつ、液体燃料から硫黄分を確実に除去することが可能となる。

本発明によれば、脱硫装置の後段への悪影響を防止しつつ、液体燃料から硫黄分を確実に除去することができる。

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。

脱硫装置３は、ポンプ７によって導入された液体燃料から硫黄分を除去する脱硫器８と、脱硫器８から排出された液体燃料及びガス（メタンガスや水素ガス等）を貯留する気液分離容器９と、を有している。気液分離容器９内には、ガスの量を検知するために液体燃料の液面を検出するフロートスイッチ１１が設置されている。気液分離容器９は、脱硫器８よりも上方に配置されており、液体燃料及びガスが流通する液体燃料・ガス流通ライン１２は、一端が脱硫器８の底壁に接続され、他端が気液分離容器９の底壁に接続されている。これにより、脱硫器８から排出されたガスを気液分離容器９内に確実に導入することができる。

気液分離容器９の天壁には、気液分離容器９内において上方に貯留されたガスを気液分離容器９から排出するためのガス排出ライン１３の一端が接続されている。ガス排出ライン１３の他端は、改質器５の改質触媒を加熱するバーナ６に接続されている。ガス排出ライン１３には、ガスの流通を開放及び閉鎖する電磁弁（開閉弁）１４が設けられている。電磁弁１４は、気液分離容器９と協働して、液体燃料からガスを除去するデガッサＤを構成している。更に、ガス排出ライン１３における電磁弁１４の下流側には、ガスの流通を阻害するキャピラリ（絞り）１５が設けられている。なお、ガス排出ライン１３におけるキャピラリ１５の下流側には、バーナ６に空気を導入するためのポンプ１６が設けられた空気流通ライン１７が接続されている。

一方、気液分離容器９の底壁には、気液分離容器９内において下方に貯留された液体燃料を気液分離容器９から排出するための液体燃料排出ライン１８の一端が接続されている。液体燃料排出ライン１８の他端は、気液分離容器９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。液体燃料排出ライン１８には、液体燃料の流通を阻害するキャピラリ２１が設けられている。

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。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、まず脱硫器８に導入され、脱硫器８では、高温・高圧の状態で脱硫触媒によって液体燃料から硫黄分が除去される。脱硫器８から排出された液体燃料及びガスは、気液分離容器９に貯留され、液体燃料は、液体燃料排出ライン１８、貯留容器１９及び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、液体燃料排出ライン１８、貯留容器１９及び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１７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。

一方、気液分離容器９に貯留されたガスは、ガス排出ライン１３を介してバーナ６に導入され、液体燃料と共に、バーナ６の燃料として用いられる。このように、脱硫器８から液体燃料と伴に排出されたガスをバーナ６の燃料として有効に利用することができる。なお、電磁弁１４は、ガスの流通を閉鎖している場合において、フロートスイッチ１１によって検知された気液分離容器９内のガスの量が所定の量を超えたときに、複数回に分けてガスの流通を開放する。

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、脱硫器８から液体燃料と伴に排出されたガスは、気液分離容器９で液体燃料と分離されて、ガス排出ライン１３を介して気液分離容器９から排出される。そのため、ガスが混入した液体燃料が脱硫装置３の後段（例えば、ポンプ２２，２４や改質器５等）に供給されることが防止される。更に、ガス排出ライン１３には、ガスの流通を開放及び閉鎖する電磁弁１４の下流側に、ガスの流通を阻害するキャピラリ１５が設けられている。そのため、ガス排出ライン１３を介して気液分離容器９からガスを排出するために電磁弁１４によってガスの流通が開放されても、キャピラリ１５によって脱硫器８内の圧力の低下が抑制されて高圧の状態が維持される。従って、燃料電池システム１の脱硫装置３によれば、後段への悪影響を防止しつつ、液体燃料から硫黄分を確実に除去することが可能となる。

なお、液体燃料排出ライン１８に設けられたキャピラリ２１によっても、脱硫器８内の圧力の低下が抑制されて高圧の状態が維持される。つまり、キャピラリ１５，２１によって脱硫器８内の圧力が一定に維持されるため、ポンプ７に定圧ポンプを使用することが可能となる。

また、電磁弁１４は、ガスの流通を閉鎖している場合において、フロートスイッチ１１によって検知された気液分離容器９内のガスの量が所定の量を超えたときに、複数回に分けてガスの流通を開放する。これにより、ガス排出ライン１３を介して気液分離容器９からガスを排出するために電磁弁１４によってガスの流通が開放された際における脱硫器８内の圧力の低下をより確実に抑制することができる。

図２は、図１の燃料電池システムにおけるフロートスイッチ、電磁弁及び脱硫器の圧力の関係を示すグラフである。図２に示されるように、フロートスイッチ１１がＯＮとなっている間、すなわち、気液分離容器９内のガスの量が所定の量を超えている間（ここでは、１５秒間）に、所定の間隔（ここでは、５秒間隔）で複数回（ここでは、３回）電磁弁１４を短時間（ここでは、２００ｍ秒間）開放する。これにより、脱硫器８の入口及び出口の圧力は、少々の圧力低下（ここでは、１０〜２０ｋＰａの圧力低下）を生じるだけで、高圧に維持される。

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。

また、ガス排出ライン１３におけるガスの流通を阻害する絞りや、液体燃料排出ライン１８における液体燃料の流通を阻害する絞りは、キャピラリ１５，２１に限定されず、オリフィスやニードル弁等であってもよい。

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におけるフロートスイッチ、電磁弁及び脱硫器の圧力の関係を示すグラフである。

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、６…バーナ、８…脱硫器、９…気液分離容器、１３…ガス排出ライン、１４…電磁弁（開閉弁）、１５…キャピラリ（絞り）、１８…液体燃料排出ライン。

Claims (4)

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器と、
   前記脱硫器から排出された前記液体燃料及びガスを貯留する気液分離容器と、
   前記気液分離容器から前記液体燃料を排出するための液体燃料排出ラインと、
   前記気液分離容器から前記ガスを排出するためのガス排出ラインと、
   前記ガス排出ラインに設けられ、前記ガスの流通を開放及び閉鎖する開閉弁と、
   前記開閉弁の下流側において前記ガス排出ラインに設けられ、前記ガスの流通を阻害する絞りと、を備え、
   前記開閉弁は、前記ガスの流通を閉鎖している場合において、前記気液分離容器内の前記ガスの量が所定の量を超えたときに、複数回に分けて前記ガスの流通を開放することを特徴とする脱硫装置。
2. 前記開閉弁は、前記ガスの流通を閉鎖している場合において、前記気液分離容器内の前記液体燃料の液面の検出により前記気液分離容器内の前記ガスの量が所定の量を超えたと検知されたときに、前記ガスの流通を開放することを特徴とする請求項１記載の脱硫装置。
3. 前記ガス排出ラインは、前記改質器の改質触媒を加熱するバーナと接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の脱硫装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の脱硫装置と、
   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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