JP5368848B2 - 脱硫装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、原燃料から硫黄分を除去するための脱硫装置、及びこの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、改質器に灯油等の原燃料が供給される場合、改質触媒の劣化を防止するために、原燃料から硫黄分を除去するための脱硫装置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、このような脱硫装置においては、脱硫触媒反応を促進させるために、脱硫触媒を加熱すると共に、脱硫触媒を収容する脱硫器内の原燃料を加圧する必要がある。しかしながら、脱硫触媒の温度及び脱硫器内の原燃料の圧力を一定に保っていても、月日の経過と共に脱硫装置の脱硫効率が低下する場合がある。

そこで、本発明は、脱硫効率の低下を抑制可能な脱硫装置、及びこ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。

本発明者は、鋭意研究の結果、原燃料に含まれる硫黄分を所定の効率で除去するために必要な脱硫触媒の温度及び脱硫器内の原燃料の圧力は、脱硫触媒の劣化度の増加に伴って上昇する、という知見を見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。即ち、本発明に係る脱硫装置は、改質ガスを生成する改質器に供給するための原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、脱硫器内に原燃料を導入させる原燃料導入手段と、脱硫器内から原燃料を導出させる原燃料導出手段と、脱硫触媒の温度を測定する温度測定手段と、脱硫器内の原燃料の圧力を測定する圧力測定手段と、脱硫触媒の劣化度に対応する数値を取得する取得手段と、加熱手段、原燃料導入手段及び原燃料導出手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、取得手段が取得した数値の増加に応じて、温度測定手段が測定した温度及び圧力測定手段が測定した圧力の少なくとも一つが上昇するように、加熱手段、原燃料導入手段及び原燃料導出手段の少なくとも一つを制御することを特徴とする。

この脱硫装置においては、制御手段の制御により、脱硫触媒の劣化度に対応する数値の増加に応じて、脱硫触媒の温度及び脱硫器内の原燃料の圧力を上昇させることができる。したがって、脱硫効率の低下を抑制可能である。

また、本発明の脱硫装置においては、劣化度に対応する数値は、脱硫触媒の累積使用時間であることが好ましい。この脱硫装置によれば、脱硫触媒の劣化度に対応する数値を、脱硫触媒の累積使用時間として、容易に取得することができる。

また、本発明の脱硫装置においては、劣化度に対応する数値は、脱硫器に導入された原燃料の累積導入量であることが好ましい。この脱硫装置によれば、脱硫触媒の劣化度に対応する数値を、脱硫器に導入される原燃料の累積導入量として、容易に取得することができる。

また、本発明の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原燃料を用いて、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ので、脱硫効率の低下が抑制可能である。

本発明によれば、脱硫効率の低下を抑制することができる。

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が備える脱硫装置の構成図である。 累積使用時間に関するデータを示す図表である。 累積導入量に関するデータを示す図表である。

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。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態について説明する。図１は、第一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。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に供給するための原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、原燃料として灯油が用いられている。なお、燃料電池システム１においては、原燃料として、例えば、ＬＰＧや都市ガス等を用いてもよい。

改質装置２は、原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過熱することで、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から導入された原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には、硫黄分が除去された原燃料が流通する原燃料流通ライン１６の一端が接続されており、原燃料流通ライン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原燃料を改質器５に導入するためのポンプ２２が設けられた原燃料流通ライン２３、及び同原燃料をバーナ６に導入するためのポンプ２４が設けられた原燃料流通ライン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に原燃料を一旦貯留することにより、ポンプ２２による改質器５への原燃料の供給、及びポンプ２４によるバーナ６への原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、原燃料は、まず脱硫装置３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。脱硫装置３から導出された原燃料は、原燃料流通ライン１６を介して貯留容器１９に貯留される。貯留容器１９に貯留された原燃料は、原燃料流通ライン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、原燃料流通ライン２５を介して原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過熱され、原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、図２を参照して、脱硫装置３について詳細に説明する。図２は、図１の燃料電池システム１が備える脱硫装置３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に供給するための原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内への原燃料の導入量を調節する入力弁（原燃料導入手段）９が設けられている。さらに、入口弁９の上流側には、脱硫器７内に原燃料を圧送するポンプ（原燃料導入手段）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内からの原燃料の導出量を調節する出口弁（原燃料導出手段）１２が設けられている。

また、脱硫器７には、脱硫触媒７ａ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。さらに、脱硫器７と入口弁９との間には、脱硫器７内の原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。また、脱硫器７と圧力計１４との間には、脱硫器７に導入される原燃料の累積導入量を測定して取得する流量計（取得手段）１７が設けられている。タイマ（取得手段）１８は、脱硫触媒７ａの累積使用時間（脱硫装置３の累積運転時間）を測定して取得する。制御部１５は、温度計１３によって測定された温度と、圧力計１４によって測定された圧力と、脱硫触媒７ａの劣化度に対応する数値と、に基づいて、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。ここで、脱硫触媒７ａの劣化度に対応する数値とは、流量計１７が取得する累積導入量及びタイマ１８が取得する累積使用時間等である。

続いて、制御部１５によるヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２の制御について詳細に説明する。制御部１５は、累積使用時間に関するデータを示す累積時間テーブルＴ１を保持している。累積使用時間テーブルＴ１においては、図３に示されるように、累積使用時間（ｈ）に対して、脱硫触媒７ａの設定温度（℃）及び脱硫器７内の原燃料の設定圧力（ｋＰａ）が対応付けられている。設定温度及び設定圧力は、各累積使用時間において、原燃料に含まれる硫黄分を所定の効率で除去するために必要な、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を示している。例えば、累積使用時間テーブルＴ１において、累積使用時間の「０」に対しては、設定温度及び設定圧力の「１８５」及び「４５０」がそれぞれ対応付けられており、これは、累積使用時間が０時間以上１００００時間未満である場合においては、原燃料に含まれる硫黄分を所定の効率で除去するために必要な脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力が、それぞれ１８５℃及び４５０ｋＰａであることを示している。

制御部１５は、タイマ１８が取得した累積使用時間の増加に応じて、温度計１３が測定した温度及び圧力計が測定した圧力がそれぞれ上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。具体的には、例えば、タイマ１８が取得した累積使用時間が０時間以上１００００時間未満の値であった場合には、制御部１５は、温度計１３が測定した温度及び圧力計が測定した圧力が、累積使用時間テーブルＴ１において累積使用時間０時間に対応付けられた設定温度１８５℃及び設定圧力４５０ｋＰａまでそれぞれ上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。そして、脱硫装置３の運転を続け、タイマ１８が取得した累積使用時間が１００００時間以上２００００時間未満の値まで増加した場合、制御部１５は、温度計１３が測定した温度及び圧力計が測定した圧力が、累積使用時間テーブルＴ１において累積使用時間１００００時間に対応付けられた設定温度１９０℃及び設定圧力４６０ｋＰａまでそれぞれ上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。ここで、脱硫器７内の原燃料の圧力を上昇させる場合には、制御部１５は、入口弁９から単位時間当たりに導入される原燃料の導入量が、出口弁１２から単位時間当たりに導出される原燃料の導出量に比べて大きくなるように、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。

以上説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システム１の脱硫装置３においては、制御部１５が、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御することにより、累積使用時間の増加に応じて、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を上昇させることができる。したがって、脱硫効率の低下が抑制可能である。さらに、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、脱硫触媒７ａの累積使用時間に応じて、脱硫触媒７ａの温度を、原燃料に含まれる硫黄分を所定の効率で除去するために必要十分な値に設定することが可能であるので、脱硫触媒７ａの寿命を向上させることができる。

なお、脱硫装置３においては、制御部１５は、累積使用時間の増加に応じて、温度計１３が測定した温度及び圧力計１４が測定した圧力が上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御するとしたが、これに限らず、制御部１５は、累積使用時間の増加に応じて、温度計１３が測定した温度及び圧力計１４が測定した圧力のいずれか一方が上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御してもよい。

また、制御部１５は、累積使用時間の増加に応じて、累積使用時間テーブルＴ１に基づき、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を段階的に上昇させるように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御するとしたが、これに限らず、累積使用時間の増加に応じて、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を連続的に上昇させるようにヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御してもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成と同様の構成を有している。第２実施形態に係る燃料電池システム１の脱硫装置３の制御部１５は、累積使用時間テーブルＴ１に替えて、脱硫器に導入される原燃料の累積導入量に関するデータである累積導入量テーブルＴ２を保持している。

累積導入量テーブルＴ２においては、図４に示されるように、累積導入量（Ｌ）に対して、設定温度（℃）及び設定圧力（ｋＰａ）が対応付けられている。設定温度及び設定圧力は、各累積導入量において、原燃料に含まれる硫黄分を所定の効率で除去するために必要な、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を示している。例えば、累積導入量テーブルＴ２において、累積導入量の「０」に対しては、設定温度及び設定圧力の「１８５」及び「４５０」がそれぞれ対応付けられており、これは、累積導入量が０Ｌ以上２０００Ｌ未満である場合においては、原燃料に含まれる硫黄分を所定の効率で除去するために必要な脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力が、それぞれ１８５℃及び４５０ｋＰａであることを示している。

制御部１５は、流量計１７が取得した累積導入量の増加に応じて、温度計１３が測定した温度及び圧力計が測定した圧力がそれぞれ上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。具体的には、例えば、流量計１７が取得した累積導入量が０Ｌ以上２０００Ｌ未満の値であった場合には、制御部１５は、温度計１３が測定した温度及び圧力計が測定した圧力が、累積導入量テーブルＴ２において累積導入量０Ｌに対応付けられた設定温度１８５℃及び設定圧力４５０ｋＰａまでそれぞれ上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。そして、脱硫装置３の運転を続け、流量計１７が取得した累積導入量が２０００Ｌ以上４０００Ｌ未満の値に増加した場合、制御部１５は、温度計１３が測定した温度及び圧力計が測定した圧力が、累積導入量テーブルＴ２において累積導入量２０００Ｌに対応付けられた設定温度１９０℃及び設定圧力４６０ｋＰａまでそれぞれ上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。

以上説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システム１の脱硫装置３においては、制御部１５が、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御することにより、累積導入量の増加に応じて、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を上昇させることができる。したがって、脱硫効率の低下が抑制可能である。さらに、第２実施形態に係る燃料電池システム１によれば、脱硫器７に導入される原燃料の累積導入量に応じて、脱硫触媒７ａの温度を、原燃料に含まれる硫黄分を所定の効率で除去するために必要十分な値に設定することが可能であるので、脱硫触媒７ａの寿命を向上させることができる。

なお、脱硫装置３においては、制御部１５は、累積導入量の増加に応じて、温度計１３が測定した温度及び圧力計１４が測定した圧力が上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御するとしたが、これに限らず、制御部１５は、累積導入量の増加に応じて、温度計１３が測定した温度及び圧力計１４が測定した圧力のいずれか一方が上昇するように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御してもよい。

また、制御部１５は、累積導入量の増加に応じて、累積導入量テーブルＴ２に基づき、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を段階的に上昇させるように、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御するとしたが、これに限らず、累積導入量の増加に応じて、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を連続的に上昇させるようにヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御してもよい。

さらに、燃料電池システム１は、脱硫器７と出口弁１２との間に流量計を設けることにより、脱硫器７から導出される原燃料の累積導出量を取得し、この累積導出量の増加に応じて、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力の少なくとも一つが上昇するように、制御部１５が脱硫装置３の各部を制御する構成としてもよい。即ち、脱硫触媒７ａの劣化度に対応する数値は、脱硫器７から導出される原燃料の累積導出量とすることができる。

ところで、原燃料に含まれる硫黄分を所定の濃度以下に脱硫するために必要な最低限の脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力は、月日の経過（脱硫触媒７ａの劣化度の増加、即ち累積導入量及び累積使用時間等の増加）に応じて変化（上昇する）する。このため、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を一定に制御して脱硫装置３を使用する場合、その使用初期においては、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力が過剰な状態となりエネルギーロスが大きくなってしまうという問題があり、その使用終期においては、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力が不足した状態となり脱硫装置３の脱硫性能が低下してしまうという問題がある。第１実施形態及び第２実施形態に係る燃料電池システム１の脱硫装置３によれば、累積導入量又は累積使用時間の増加に応じて、脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力が上昇するようにヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御することが可能であるので、脱硫装置３の使用初期においては脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を比較的低く設定すると共に、脱硫装置３の使用終期においては脱硫触媒７ａの温度及び脱硫器７内の原燃料の圧力を比較的高く設定することができる。したがって、第１実施形態及び第２実施形態に係る燃料電池システム１の脱硫装置３によれば、脱硫装置３の使用初期におけるエネルギーロスを抑制することができ、且つ、脱硫装置３の使用終期における脱硫性能の低下を抑制することができるので、上記の問題を解決することができる。

１…燃料電池システム、２…改質装置、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、９…入口弁、１１…ポンプ、１２…出口弁、１３…温度計、１４…圧力計、１５…制御部、１７…流量計、１８…タイマ。

Claims (3)

1. 改質ガスを生成する改質器に供給するための原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、
   前記脱硫器内に前記原燃料を導入させる原燃料導入手段と、
   前記脱硫器内から前記原燃料を導出させる原燃料導出手段と、
   前記脱硫触媒の温度を測定する温度測定手段と、
   前記脱硫器内の前記原燃料の圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記脱硫触媒の劣化度に対応する数値を取得する取得手段と、
   前記加熱手段、前記原燃料導入手段及び前記原燃料導出手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記取得手段が取得した前記数値の増加に応じて、前記温度測定手段が測定した前記温度及び前記圧力測定手段が測定した前記圧力が上昇するように、前記加熱手段、前記原燃料導入手段及び前記原燃料導出手段の少なくとも一つを制御することを特徴とする脱硫装置。
2. 前記劣化度に対応する前記数値は、前記脱硫触媒の累積使用時間であることを特徴とする請求項１記載の脱硫装置。
3. 請求項１又は２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原燃料を用いて、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。

Images