JP5277014B2 - 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

ところで、脱硫器においては、触媒反応を促進させるために脱硫触媒を加熱することが必要となる。しかしながら、脱硫触媒の加熱に伴う温度上昇によって、液体燃料の熱膨張や液体燃料の気化によるガス発生量の増加が生じ、脱硫器内の圧力が過度に上昇して、脱硫器の信頼性や耐久性が低下してしまう懼れがある。

本発明は、脱硫器の信頼性や耐久性が低下してしまうのを抑制することが可能な脱硫装置及び燃料電池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触媒を収容する脱硫器と、脱硫触媒を加熱する加熱手段と、脱硫器内の液体燃料の圧力を測定する圧力測定手段と、加熱手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、脱硫器内の液体燃料の圧力が脱硫器の耐圧以下の所定圧力となるように、圧力測定手段によって測定される圧力に基づいて加熱手段を制御することを特徴とする。

本発明に係る脱硫装置では、加熱手段が制御手段によって制御されることで、脱硫器内の液体燃料の圧力が脱硫器の耐圧以下の所定圧力とされる。したがって、脱硫器内の液体燃料の温度が上昇しても、脱硫器内の圧力が過度に上昇するようなことはなく、脱硫器の信頼性や耐久性が低下するのを抑制することができる。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、脱硫器の耐圧とは、脱硫触媒を収容する容器が耐え得る内圧の最大値を意味する。

好ましくは、脱硫器内の液体燃料の温度を測定する温度測定手段を更に備え、制御手段は、液体燃料の温度が所定温度範囲となるように、温度測定手段によって測定される温度に基づいて加熱手段を更に制御し、温度測定手段によって測定される温度に基づいて圧力測定手段によって測定される圧力に基づく制御と温度測定手段によって測定される温度に基づく制御とを切り替える。この場合、加熱手段が制御手段によって制御されることで、脱硫器内の液体燃料の圧力が脱硫器の耐圧以下の所定圧力とされつつ、脱硫器内の液体燃料の温度が所定温度範囲とされる。この結果、脱硫触媒の触媒反応を促進することができると共に、脱硫器の信頼性や耐久性の低下を抑制することができる。ここで、所定温度範囲とは、脱硫触媒の触媒反応を促進させ得る温度範囲である。

好ましくは、制御手段は、温度測定手段によって測定される温度が所定温度範囲内にあるとき、圧力測定手段によって測定される圧力が所定の閾値よりも高い場合に、脱硫触媒の加熱を抑制するように加熱手段を制御し、圧力測定手段によって測定される圧力が所定の閾値よりも低い場合に、脱硫触媒を加熱するように加熱手段を制御する。
この場合、脱硫器内の液体燃料の温度が所定温度範囲内にあっても、圧力測定手段によって測定される圧力が所定の閾値よりも高い場合には、脱硫触媒の加熱が抑制されることとなり、脱硫器内の液体燃料の圧力を確実に脱硫器の耐圧以下の所定圧力とできる。ここで、所定の閾値とは、脱硫器の耐圧以下の圧力である。

好ましくは、制御手段は、温度測定手段によって測定される温度が所定温度範囲外にあるとき、温度測定手段によって測定される温度が所定の閾値よりも高い場合に、脱硫触媒の加熱を抑制するように加熱手段を制御し、温度測定手段によって測定される温度が所定の閾値よりも低い場合に、脱硫触媒を加熱するように加熱手段を制御する。この場合、脱硫触媒の触媒反応を確実に促進することができる。

好ましくは、脱硫器から導出された液体燃料を貯留する貯留容器と、貯留容器に貯留された液体燃料の量を測定する貯留量測定手段と、を更に備え、制御手段は、貯留量測定手段によって測定される貯留量が所定量に達した場合に、圧力測定手段によって測定される圧力に基づいて加熱手段を制御する。この場合、貯留量測定手段によって測定される貯留量が所定量に達している場合でも、脱硫器内の液体燃料の圧力を脱硫器の耐圧以下の所定圧力とできる。

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。

本発明に係る燃料電池システムでは、上記脱硫装置を備えているため、脱硫器内の液体燃料の温度が上昇しても、脱硫器内の圧力が過度に上昇するようなことはなく、脱硫器の信頼性や耐久性が低下するのを抑制することができる。

本発明によれば、脱硫器の信頼性や耐久性が低下してしまうのを抑制することが可能な脱硫装置及び燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態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が備える脱硫装置の構成図である。 図２の脱硫装置におけるヒータの制御動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態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。

図２は、図１の燃料電池システムが備える脱硫装置の構成図である。図２に示されるように、脱硫装置３は、改質器５に供給するための液体燃料から硫黄分を除去する脱硫触媒７ａを収容する脱硫器７を有している。脱硫触媒７ａは、ヒータ（加熱手段）８によって所定の温度に加熱される。脱硫器７の上流側には、脱硫器７内への液体燃料の導入量を調節する入口弁９が設けられている。更に、入口弁９の上流側には、脱硫器７内に液体燃料を圧送するポンプ１１が設けられている。一方、脱硫器７の下流側には、脱硫器７内からの液体燃料の導出量を調節する出口弁１２が設けられている。

また、脱硫器７には、脱硫器７内の液体燃料の温度を測定する温度計（温度測定手段）１３が設けられている。更に、脱硫器７と入口弁９との間には、脱硫器７内の液体燃料の圧力を測定する圧力計（圧力測定手段）１４が設けられている。制御部（制御手段）１５は、温度計１３によって測定された温度及び圧力計１４によって測定された圧力に基づいて、ヒータ８を制御している。説明を省略するが、制御部１５は、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２も制御している。

図１に示されるように、脱硫装置３には、硫黄分が除去された液体燃料が流通する液体燃料流通ライン１６の一端が接続されており、液体燃料流通ライン１６の他端は、脱硫装置３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。貯留容器１９には、図２に示されるように、貯留された液体燃料の液面の高さを測定する液面センサ（貯留量測定手段）２０が設けられている。制御部１５は、液面センサ２０によって測定された液体燃料の液面の高さに基づいても、ヒータ８を制御する。

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。なお、バーナ６には、バーナ６に空気を導入するためのポンプ２６が設けられた空気流通ライン２７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、まず脱硫装置３の脱硫器７に導入され、高温・高圧の状態で脱硫触媒７ａによって硫黄分が除去される。脱硫器７から導出された液体燃料は、液体燃料流通ライン１６を介して貯留容器１９に貯留される。貯留容器１９に貯留された液体燃料は、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２７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。

次に、脱硫装置３におけるヒータ８の制御について説明する。図３は、図２の脱硫装置におけるヒータの制御動作を示すフローチャートである。

図３に示されるように、脱硫装置３におけるヒータ８の制御が開始されると、液面センサ２０によって測定された液体燃料の液面の高さが所定高さに達しているか否かを制御部１５が判断する（Ｓ１０１）。所定高さは、例えば、貯留容器１９が満杯のときの液面の高さに設定することができる。この場合、制御部１５は、液面センサ２０によって測定された液体燃料の液面の高さに基づいて、貯留容器１９に貯留された液体燃料の量が満杯に達している否かを判断することとなる。

制御部１５は、ステップＳ１０１にて、貯留容器１９に貯留された液体燃料の量が満杯に達していないと判断すると、温度計１３によって測定された温度、すなわち脱硫器７内の液体燃料の温度が「Ａ」よりも低く且つ「Ｂ」よりも高い温度範囲内であるか否かを判断する（Ｓ１０３）。ここで、「Ａ」よりも低く且つ「Ｂ」よりも高い温度範囲とは、脱硫触媒の触媒反応を促進させ得る温度範囲であり、例えば、「Ａ」は２００℃程度に、「Ｂ」は１９０℃程度に設定することができる。

制御部１５は、ステップＳ１０３にて、脱硫器７内の液体燃料の温度が「Ａ」よりも低く且つＢよりも高い温度範囲内でないと判断すると、温度計１３によって測定された温度、すなわち脱硫器７内の液体燃料の温度が「Ａ」以上であるか否かを判断する（Ｓ１０５）。

制御部１５は、ステップＳ１０５にて、脱硫器７内の液体燃料の温度が「Ａ」以上でないと判断すると、ヒータ８を作動させ（Ｓ１０７）、ステップＳ１０１の判断に戻る。これにより、ヒータ８は、制御部１５により、脱硫触媒７ａを加熱するように制御されることとなる。一方、制御部１５は、脱硫器７内の液体燃料の温度が「Ａ」以上であると判断すると、ヒータ８を停止させ（Ｓ１０９）、ステップＳ１０１の判断に戻る。これにより、ヒータ８は、制御部１５により、脱硫触媒７ａの加熱を抑制するように制御されることとなる。

制御部１５は、ステップＳ１０１にて、貯留容器１９に貯留された液体燃料の量が満杯に達していると判断すると、圧力計１４によって測定された圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」よりも低いか否かを制御部１５が判断する（Ｓ１１１）。ここで、「Ｃ」は、脱硫器７の耐圧以下であり且つ液体燃料の上記温度範囲における飽和蒸気圧以上の範囲内の値に設定されており、例えば、４５０ｋＰａ程度に設定することができる。

制御部１５は、ステップＳ１１１にて、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」よりも低いと判断すると、ステップＳ１０７に移行し、ヒータ８を作動させる。一方、制御部１５は、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」よりも低くない、すなわち、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」以上であると判断すると、ステップＳ１０９に移行し、ヒータ８を停止させる。

また、制御部１５は、ステップＳ１０３にて、脱硫器７内の液体燃料の温度がＡよりも低く且つＢよりも高い温度範囲内であると判断すると、ステップＳ１１１に移行し、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」よりも低いか否かを制御部１５が判断する。制御部１５は、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」よりも低いと判断すると、ステップＳ１０７に移行し、ヒータ８を作動させる。一方、制御部１５は、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」よりも低くない、すなわち、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」以上であると判断すると、ステップＳ１０９に移行し、ヒータ８を停止させる。

以上のように、本実施形態では、ヒータ８が制御部１５によって制御されることで、脱硫器７内の液体燃料の圧力が脱硫器７の耐圧以下の所定圧力とされる。したがって、脱硫器７内の液体燃料の温度が上昇しても、脱硫器７内の圧力が過度に上昇するようなことはなく、脱硫器７の信頼性や耐久性が低下するのを抑制することができる。

本実施形態では、制御部１５は、ヒータ８の制御に関し、温度計１３によって測定される温度に基づいて、圧力計１４によって測定される圧力に基づいた制御と、温度計１３によって測定される温度に基づいた制御とを切り替えている。これにより、脱硫器７内の液体燃料の圧力が脱硫器７の耐圧以下の所定圧力とされつつ、脱硫器７内の液体燃料の温度が所定温度範囲とされる。この結果、脱硫触媒７ａの触媒反応を促進することができると共に、脱硫器７の信頼性や耐久性の低下を抑制することができる。

そして、制御部１５は、温度計１３によって測定された温度が「Ａ」以上である場合には、脱硫触媒７ａの加熱を抑制するようにヒータ８を制御し、温度計１３によって測定された温度が「Ｂ」以下である場合には、脱硫触媒７ａを加熱するようにヒータ８を制御している。これにより、脱硫触媒７ａの触媒反応を確実に促進することができる。

更に、制御部１５は、温度計１３によって測定された温度が「Ａ」よりも低く且つ「Ｂ」よりも高い温度範囲内にあるとき、圧力計１４によって測定される圧力が「Ｃ」以上である場合に、脱硫触媒７ａの加熱を抑制するようにヒータ８を制御し、圧力計１４によって測定される圧力が「Ｃ」よりも低い場合に、脱硫触媒７ａを加熱するようにヒータ８を制御している。これにより、脱硫器７内の液体燃料の温度が上記温度範囲内にあっても、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」以上である場合には、脱硫触媒７ａの加熱が抑制されることとなり、脱硫器７内の液体燃料の圧力を確実に脱硫器７の耐圧以下の圧力とできる。また、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」よりも低い場合には、脱硫触媒７ａの触媒反応を促進して、効率の良い脱硫を行なうことができる。

ところで、温度計１３によって測定される温度に基づいてのみヒータ８を制御している場合、温度計１３によって測定された温度が「Ａ」以上であるとして、脱硫触媒７ａの加熱を抑制するようにヒータ８を制御したとしても、ヒータ８の予熱により、脱硫器７内の液体燃料の温度が「Ａ」よりも過度に高くなってしまうことがある。この場合には、液体燃料の過度の温度上昇により、液体燃料の熱膨張や液体燃料の気化によるガス発生量の増加が生じ、脱硫器７内の圧力も過度に高くなってしまう懼れがある。しかしながら、本実施形態では、脱硫器７内の液体燃料の温度に係わらず、脱硫器７内の液体燃料の圧力が「Ｃ」以上である場合には、脱硫触媒７ａの加熱が抑制されるため、脱硫器７内の圧力が過度に高くなってしまうことはない。このように、本実施形態によれば、脱硫器７の信頼性や耐久性の低下を確実且つ適切に抑制することができる。

本実施形態では、貯留容器１９と液面センサ２０とが備えられ、制御部１５は、液面センサ２０によって測定される貯留量が貯留容器１９の満杯の量に達した場合に、圧力計１４によって測定される圧力に基づいてヒータ８を制御している。これにより、貯留容器１９が満杯である場合でも、脱硫器７内の液体燃料の圧力を脱硫器７の耐圧以下の所定圧力とできる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

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。

例えば、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たものとされる。

例えば、脱硫触媒７ａの加熱を抑制するためにヒータ８を停止させているが、ヒータ８を停止させることなく、ヒータ８の出力を下げることにより、脱硫触媒７ａの加熱を抑制してもよい。

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、７…脱硫器、７ａ…脱硫触媒、８…ヒータ、１３…温度計、１４…圧力計、１５…制御部、１９…貯留容器、２０…液面センサ。

Claims (6)

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触媒を収容する脱硫器と、
   前記脱硫触媒を加熱する加熱手段と、
   前記脱硫器内の液体燃料の圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記加熱手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記脱硫器内の液体燃料の圧力が前記脱硫器の耐圧以下の所定圧力となるように、前記圧力測定手段によって測定される圧力に基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする脱硫装置。
2. 前記脱硫器内の液体燃料の温度を測定する温度測定手段を更に備え、
   前記制御手段は、液体燃料の温度が所定温度範囲となるように、前記温度測定手段によって測定される温度に基づいて前記加熱手段を更に制御し、前記温度測定手段によって測定される温度に基づいて前記圧力測定手段によって測定される圧力に基づく制御と前記温度測定手段によって測定される温度に基づく制御とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の脱硫装置。
3. 前記制御手段は、前記温度測定手段によって測定される温度が所定温度範囲内にあるとき、前記圧力測定手段によって測定される圧力が所定の閾値よりも高い場合に、前記脱硫触媒の加熱を抑制するように前記加熱手段を制御し、前記圧力測定手段によって測定される圧力が所定の閾値よりも低い場合に、前記脱硫触媒を加熱するように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の脱硫装置。
4. 前記制御手段は、前記温度測定手段によって測定される温度が所定温度範囲外にあるとき、前記温度測定手段によって測定される温度が所定の閾値よりも高い場合に、前記脱硫触媒の加熱を抑制するように前記加熱手段を制御し、前記温度測定手段によって測定される温度が所定の閾値よりも低い場合に、前記脱硫触媒を加熱するように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の脱硫装置。
5. 前記脱硫器から導出された液体燃料を貯留する貯留容器と、
   前記貯留容器に貯留された液体燃料の量を測定する貯留量測定手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記貯留量測定手段によって測定される貯留量が所定量に達した場合に、前記圧力測定手段によって測定される圧力に基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の脱硫装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の脱硫装置と、
   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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