JP5337556B2

JP5337556B2 - 脱硫装置及び燃料電池システム

Info

Publication number: JP5337556B2
Application number: JP2009084633A
Authority: JP
Inventors: 拓雄西山; 淳秋本; 康和田
Original assignee: JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010235380A

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２００７−３３２３１８号公報

上記特許文献１の脱硫器には、脱硫処理を促進させるための加熱手段として、シーズヒータ等の電気ヒータが設けられている。具体的には、隣り合う巻線の間隔が一定の、螺旋状となるように、電気ヒータが脱硫器の外周面に巻かれている。そのため、脱硫器内の液体燃料は、脱硫器の軸方向において均等に加熱されることとなる。この場合、脱硫器の軸方向における中央部分（脱硫器の入口側と出口側との間の部分）では、他の部分と比較して熱が逃げにくいため、脱硫器内の液体燃料のうち中央部分が最も高温となる。

ところが、脱硫器の入口側と出口側とでは脱硫反応が異なり、入口側では高温であるほど反応が起こりやすく、出口側ではそれほど高温でなくとも反応が生じる傾向にある。そのため、上記特許文献１の脱硫器では、入口側で液体燃料が相対的に低温となってしまい、液体燃料が十分に脱硫されないことがあると共に、中央部分で液体燃料が相対的に高温となってしまい、脱硫剤（脱硫触媒）が必要以上に加熱されて脱硫触媒の寿命が短くなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、脱硫反応の促進を図りつつ、脱硫触媒の寿命低下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、筒状の脱硫器と、脱硫器内の前記液体燃料を加熱するための第１及び第２のヒータと、第１のヒータに通電する第１の電源と、第２のヒータに通電する第２の電源と、制御部とを備え、脱硫器は、前記脱硫器の外周のうち前記液体燃料の入口側の入口領域を有し、第１のヒータは、螺旋状となるように入口領域の外周に巻かれ、第２のヒータは、螺旋状となるように、脱硫器の外周のうち入口領域よりも後段に巻かれており、制御部は、第１のヒータの発熱量が第２のヒータの発熱量よりも大きくなるように、第１及び第２の電源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、第１及び第２のヒータが、螺旋状となるように脱硫器の外周にそれぞれ巻かれ、第１のヒータが入口領域に配置され、第２のヒータが脱硫器の外周のうち入口領域よりも後段に配置されており、第１のヒータの発熱量が第２のヒータの発熱量よりも大きくなるように、制御部が第１及び第２の電源を制御している。そのため、脱硫器の入口側で液体燃料が相対的に高温となりやすくなる。その結果、脱硫器の入口側における脱硫反応を促進することが可能となる。また、脱硫器の入口側よりも後段で液体燃料が相対的に低温となりやすくなるので、脱硫触媒が必要以上に加熱されることがなくなる。その結果、脱硫触媒の寿命低下を抑制することが可能となる。さらに、脱硫器の入口側よりも後段における第２のヒータの発熱量が相対的に少なくなることにより、脱硫装置全体としての消費電力を低減することが可能となる。

好ましくは、脱硫器内の液体燃料を加熱するための第３のヒータと、第３のヒータに通電する第３の電源とを備え、脱硫器は、脱硫器の外周のうち液体燃料の出口側の出口領域と、脱硫器の外周のうち入口領域と出口領域との間の中央領域とを有し、第２のヒータは、螺旋状となるように出口領域に巻かれ、第３のヒータは螺旋状となるように、中央領域に巻かれており、制御部は、第２のヒータの発熱量が第１のヒータの発熱量よりも小さく且つ第３のヒータの発熱量よりも大きくなるように、第１〜第３の電源を制御する。このようにすると、脱硫器の入口側、出口側、中央部分の順で、液体燃料が加熱されやすくなる（液体燃料の加熱されやすさ：入口側＞出口側＞中央部分）。ここで、脱硫器の中央部分（脱硫器の入口側と出口側との間の部分）では、他の部分と比較して熱が逃げにくい。従って、最も加熱されにくい脱硫器の中央部分、最も加熱されやすい脱硫器の入口側、及び、加熱されやすさが相対的に中間的な脱硫器の出口側のいずれにおいても、液体燃料の温度が略等しくなる。その結果、脱硫器内の液体燃料の温度分布をほぼ一様にすることが可能となる。また、脱硫器の中央領域及び出口領域において第２及び第３のヒータの発熱量が相対的に少なくなることにより、脱硫装置全体としての消費電力を低減することが可能となる。

好ましくは、脱硫器は、脱硫器の外周のうち液体燃料の出口側の出口領域と、脱硫器の外周のうち入口領域と出口領域との間の中央領域とを有し、第２のヒータは、螺旋状となるように中央領域に巻かれており、出口領域には、ヒータが巻かれていない。このようにすると、脱硫器の入口側、中央部分、出口側の順で、液体燃料が加熱されやすくなる（液体燃料の加熱されやすさ：入口側＞中央部分＞出口側）。従って、脱硫器内の液体燃料の温度は、脱硫器の出口側から入口側に向かうに従って高くなる。その結果、脱硫反応の促進を図りつつ、脱硫触媒の寿命低下を抑制することが可能となると共に、脱硫器の出口領域にヒータを巻かないことにより、脱硫装置全体としての消費電力を低減することが可能となる。

好ましくは、脱硫器は、脱硫器の外周のうち液体燃料の出口側の出口領域を有し、第２のヒータは、螺旋状となるように出口領域に巻かれている。このようにすると、脱硫器の入口側、出口側の順で、液体燃料が加熱されやすくなる（液体燃料の加熱されやすさ：入口側＞出口側）。従って、脱硫器内の液体燃料の温度は、脱硫器の出口側から入口側に向かうに従って高くなる。その結果、脱硫反応の促進を図りつつ、脱硫触媒の寿命低下を抑制することが可能となると共に、脱硫器の出口領域における第２のヒータの発熱量が相対的に少なくなることにより、脱硫装置全体としての消費電力を低減することが可能となる。

一方、本発明に係る燃料電池システムは、上記いずれかの脱硫装置と、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によれば、上記いずれかの脱硫装置を備えているため、脱硫反応の促進を図りつつ、脱硫触媒の寿命低下を抑制することが可能となる。

本発明によれば、脱硫反応の促進を図りつつ、脱硫触媒の寿命低下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。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムが備える脱硫装置の例（第１の例）を概略的に示す図である。図３は、本実施形態に係る燃料電池システムが備える脱硫装置の例（第２の例）を概略的に示す図である。図４は、本実施形態に係る燃料電池システムが備える脱硫装置の例（第３の例）を概略的に示す図である。図５は、本実施形態に係る燃料電池システムが備える脱硫装置の例（第４の例）を概略的に示す図である。

本発明に係る燃料電池システム１の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。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。

燃料電池システム１は、図１に示されるように、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。

脱硫装置３は、脱硫器７と、ヒータ８Ａ〜８Ｃ（第１〜第３のヒータ）と、電源９Ａ〜９Ｃ（第１〜第３の電源）と、制御部１５とを有している。脱硫器７は、円筒形状を呈しており、脱硫器７の内部には、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（図示せず）と、熱電対等の温度計１３Ａ〜１３Ｃとが設けられている。

図１及び図２に示されるように、本実施形態においては、脱硫器７の下端から脱硫器７内に液体燃料が供給され、硫黄分が除去された液体燃料が、脱硫器７の上端に接続された液体燃料流通ライン１６を通って貯留容器１９へと流れるように構成されている（いわゆるアップフロー）。そのため、図２に示されるように、脱硫器７は、脱硫器７の外周のうち液体燃料の入口側に位置する入口領域Ａと、脱硫器７の外周のうち液体燃料の出口側に位置する出口領域Ｂと、脱硫器７の外周のうち液体燃料の入口領域Ａと出口領域Ｂとの間に位置する中央領域Ｃとを有している。なお、本実施形態において、脱硫器７の軸方向における入口領域Ａの長さと、脱硫器７の軸方向における中央領域Ｃの長さと、脱硫器７の軸方向における出口領域Ｂの長さとは、いずれも略等しくなるように設定されている。

ヒータ８Ａ〜８Ｃは、シーズヒータ等の電気ヒータであり、いずれも脱硫器７の外周に設けられている。具体的には、図１及び図２に示されるように、ヒータ８Ａは、脱硫器７の外周のうち入口領域Ａにおいて螺旋状に巻回されており、ヒータ８Ｂは、脱硫器７の外周のうち出口領域Ｂにおいて螺旋状に巻回されており、ヒータ８Ｃは、脱硫器７の外周のうち中央領域Ｃにおいて螺旋状に巻回されている。これにより、脱硫器７は外面側からヒータ８Ａ〜８Ｃによって加熱され、液体燃料の脱硫処理が促進されることとなる。なお、本実施形態では、いずれのヒータ８Ａ〜８Ｃにおいても隣り合う巻線の間隔が略同一となっており、また、いずれのヒータ８Ａ〜８Ｃにおいても巻数が略同一となっている。つまり、ヒータ８Ａ〜８Ｃは、いずれも略同一の構成を有している。

電源９Ａは、燃料電池スタック４から交流に変換された電力をヒータ８Ａに印加し、ヒータ８Ａへの通電を行う。電源９Ｂは、燃料電池スタック４から交流に変換された電力をヒータ８Ｂに印加し、ヒータ８Ｂへの通電を行う。電源９Ｃは、燃料電池スタック４から交流に変換された電力をヒータ８Ｃに印加し、ヒータ８Ｃへの通電を行う。

温度計１３Ａは、脱硫器７内で且つ入口領域Ａの下部に配置されており、脱硫器７内の脱硫触媒の温度を測定し、その温度を示す電気信号を制御部１５へと送信する。温度計１３Ｂは、脱硫器７内で且つ出口領域Ｂの下部に配置されており、脱硫器７内の脱硫触媒の温度を測定し、その温度を示す電気信号を制御部１５へと送信する。温度計１３Ｃは、脱硫器７内で且つ中央領域Ｃの下部に配置されており、脱硫器７内の脱硫触媒の温度を測定し、その温度を示す電気信号を制御部１５へと送信する。

制御部１５は、温度計１３Ａ〜１３Ｃによって測定された温度に基づいて、電源９Ａ〜９ＣのＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、制御部１５は、ヒータ８Ｂの発熱量がヒータ８Ａの発熱量よりも小さく且つヒータ８Ｃの発熱量よりも大きくなるように、電源９Ａ〜９Ｃを制御する。ヒータ８Ａ〜８Ｃの間で生じる発熱量を異ならせるための方法としては、例えば、印加する電力、電圧、電流を各ヒータ８Ａ〜８Ｃごとに異なる値に設定することが挙げあれる。

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１及び図２に示されるように、脱硫器７の上端には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、まず、液体燃料が、例えば３ｇ／ｍｉｎ〜１０ｇ／ｍｉｎ程度の流量にて脱硫装置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。

以上のような本実施形態においては、ヒータ８Ａ〜８Ｃが、螺旋状となるように脱硫器７の外周にそれぞれ巻かれ、ヒータ８Ａが入口領域Ａに配置され、ヒータ８Ｂが出口領域Ｂに配置されおり、ヒータ８Ｃが中央領域Ｃに配置されている。また、制御部１５が、ヒータ８Ｂの発熱量がヒータ８Ａの発熱量よりも小さく且つヒータ８Ｃの発熱量よりも大きくなるように、電源９Ａ〜９Ｃを制御している。そのため、各電源９Ａ〜９Ｃによって各ヒータ８Ａ〜８Ｃへの通電が行われた場合、脱硫器の入口領域Ａ、出口領域Ｂ、中央領域Ｃの順で、液体燃料が加熱されやすくなる（液体燃料の加熱されやすさ：入口領域Ａ＞出口領域Ｂ＞中央領域Ｃ）。ここで、脱硫器７の中央領域Ｃでは、他の部分と比較して熱が逃げにくい。従って、最も加熱されにくい脱硫器７の中央領域Ｃ、最も加熱されやすい脱硫器７の入口領域Ａ、及び、加熱されやすさが相対的に中間的な脱硫器７の出口側のいずれにおいても、液体燃料の温度が略等しくなる。その結果、脱硫器７内の液体燃料の温度分布がほぼ一様となるので、脱硫器７の入口側における脱硫反応を促進することが可能となる。また、脱硫器７の入口側よりも後段におけるヒータ８Ｂ，８Ｃの発熱量が相対的に少なくなることにより、脱硫装置３全体としての消費電力を低減することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、図３に示されるように、出口領域Ｂにヒータ８Ｂを巻かず、ヒータ８Ａの発熱量がヒータ８Ｃの発熱量よりも大きくなるように、制御部１５によって電源９Ａ〜９Ｃを制御してもよい。このようにすると、脱硫器７の入口領域Ａ、中央領域Ｃ、出口領域Ｂの順で、液体燃料が加熱されやすくなる（液体燃料の加熱されやすさ：入口領域Ａ＞中央領域Ｃ＞出口領域Ｂ）。従って、脱硫器７内の液体燃料の温度が脱硫器７の出口領域Ｂから入口領域Ａに向かうに従って高くなるので（脱硫器７の入口側よりも後段で液体燃料が相対的に低温となりやすくなるので）、脱硫触媒が必要以上に加熱されることがなくなる。その結果、脱硫反応の促進を図りつつ、脱硫触媒の寿命低下を抑制することが可能となると共に、脱硫器７の出口領域Ｂにヒータ８を巻かないことにより、脱硫装置３全体としての消費電力を低減することが可能となる。なお、図３においては、出口領域Ｂにヒータ８Ｂを巻いていないので、温度計１３Ｂは脱硫器７内に設けられていない。

また、図４に示されるように、脱硫器７の外周を入口領域Ａ及び出口領域Ｂに二分割し、ヒータ８Ａの発熱量がヒータ８Ｂの発熱量よりも大きくなるように、制御部１５によって電源９Ａ，９Ｂを制御してもよい。このようにすると、脱硫器７の入口領域Ａ、出口領域Ｂの順で、液体燃料が加熱されやすくなる（液体燃料の加熱されやすさ：入口領域Ａ＞出口領域Ｂ）。従って、脱硫器７内の液体燃料の温度は、脱硫器７の出口領域Ｂから入口領域Ａに向かうに従って高くなるので（脱硫器７の入口側よりも後段で液体燃料が相対的に低温となりやすくなるので）、脱硫触媒が必要以上に加熱されることがなくなる。その結果、脱硫反応の促進を図りつつ、脱硫触媒の寿命低下を抑制することが可能となると共に、脱硫器７の出口領域Ｂにおけるヒータ８Ｂの発熱量が相対的に少なくなることにより、脱硫装置３全体としての消費電力を低減することが可能となる。なお、図４において、脱硫器７の軸方向における入口領域Ａの長さと、脱硫器７の軸方向における出口領域Ｂの長さとは、略等しくなるように設定されている。

また、本実施形態においては、脱硫器７の軸方向が略鉛直方向に沿う状態に設置するいわゆる縦置きとなる構成を例示したが、図５に示されるように、脱硫器７軸方向が略水平方向に沿う状態や、傾斜する状態に設置して利用してもよい。この場合、温度計１３Ａは、脱硫器７内で且つ入口領域Ａのうち脱硫器７の入口側に配置され、温度計１３Ｂは、脱硫器７内で且つ出口領域Ｂのうち脱硫器７の入口側に配置され、温度計１３Ｃは、脱硫器７内で且つ中央領域Ｃのうち脱硫器７の入口側に配置される。

また、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、本実施形態においては、脱硫器７の外周が、入口領域Ａと出口領域Ｂと中央領域Ｃとの３つの領域を有していたり（図２、図３及び図５参照）、入口領域Ａと出口領域Ｂとの２つの領域を有していたが（図４参照）、脱硫器の外周を４つ以上の領域に区分けして、液体燃料の入口側から第１領域、第２領域、第３領域、第４領域・・・などとしてもよい。この場合においても、第１領域に巻かれるヒータの発熱量は、他の領域に巻かれるヒータの発熱量よりも大きくなるように設定される。

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、８Ａ〜８Ｃ…ヒータ（第１〜第３のヒータ）、９Ａ〜９Ｃ…電源（第１〜第３の電源）、１５…制御部。

Claims

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、筒状の脱硫器と、
前記脱硫器内の前記液体燃料を加熱するための第１〜第３のヒータと、
前記第１のヒータに通電する第１の電源と、
前記第２のヒータに通電する第２の電源と、
前記第３のヒータに通電する第３の電源と、
制御部とを備え、
前記脱硫器は、前記脱硫器の外周のうち前記液体燃料の入口側の入口領域と、前記脱硫器の外周のうち前記液体燃料の出口側の出口領域と、前記脱硫器の外周のうち前記入口領域と前記出口領域との間の中央領域とを有し、
前記第１のヒータは、螺旋状となるように前記入口領域の外周に巻かれ、
前記第２のヒータは、螺旋状となるように、前記出口領域に巻かれ、
前記第３のヒータは、螺旋状となるように前記中央領域に巻かれており、
前記制御部は、前記第２のヒータの発熱量が前記第１のヒータの発熱量よりも小さく且つ前記第３のヒータの発熱量よりも大きくなるように、前記第１〜第３の電源を制御することを特徴とする脱硫装置。
請求項１に記載された脱硫装置と、
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。