JP5486989B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、原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、改質器で生成された改質ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池と、改質器の上流側において原燃料の脱硫を行う脱硫器と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２７５７９号公報

上述したような燃料電池システムにおいては、何らかの原因によって脱硫器で除去し切れなかった硫黄分（硫黄化合物）が改質ガスと共に燃料電池に到達すると、燃料電池の活性及び耐久性が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、硫黄分に起因した燃料電池の信頼性及び耐久性の低下を防止することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原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、改質器で生成された改質ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池と、改質器の上流側において原燃料の脱硫を行う第１の脱硫部と、改質器の下流側かつ燃料電池の上流側において改質ガスの脱硫を行う第２の脱硫部と、を備えることを特徴とする。

この燃料電池システムでは、第１の脱硫部が改質器の上流側において原燃料の脱硫を行い、更に、第２の脱硫部が改質器の下流側かつ燃料電池の上流側において改質ガスの脱硫を行う。よって、この燃料電池システムによれば、改質ガスと共に燃料電池に到達する硫黄分を確実に除去して、硫黄分に起因した燃料電池の信頼性及び耐久性の低下を防止することができる。

ここで、第１の脱硫部は、原燃料が含有する硫黄分を吸着する常温吸着脱硫方式で原燃料の脱硫を行うことが好ましい。この構成では、第１の脱硫部が常温で原燃料の脱硫を行うので、第１の脱硫部を加熱するための熱源が不要となる。更に、第１の脱硫部に対する水素の供給も不要となる。従って、この構成によれば、原燃料の脱硫を効率良く実施することができる。

また、第２の脱硫部は、改質ガスが含有する硫黄分を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式で改質ガスの脱硫を行うことが好ましい。水素化脱硫方式で改質ガスの脱硫を行うときには、固体酸化物形の燃料電池から排出される未反応改質ガス及び未反応酸化剤ガスの燃焼熱、及び改質ガスが含有する水素を利用することができる。よって、この構成によれば、改質ガスから硫黄分を効果的に除去することができる。

このとき、第２の脱硫部は、銅−亜鉛−アルミニウム系の脱硫剤により水素化脱硫方式で改質ガスの脱硫を行うことが好ましい。この構成によれば、脱硫剤の耐熱性（耐シンタリング性）を向上させることができる。

また、改質ガスを燃料電池の各部に分配して導入するための改質ガス流路を有するマニホールドを更に備え、第２の脱硫部は、改質ガス流路に脱硫剤が充填されることにより構成されている。この構成によれば、マニホールドの改質ガス流路に充填された脱硫剤によって圧力損失の効果を奏するので、燃料電池の各部に改質ガスをより均一に導入させることができる。

このとき、改質ガス流路は、改質ガスの流通方向に略垂直な断面積が当該流通方向における下流になるに従って減少するように形成されていることがより好ましい。この構成によれば、燃料電池の各部に導入される改質ガスの流量の、より一層の均一化を図ることができる。

本発明によれば、硫黄分に起因した燃料電池の信頼性及び耐久性の低下を防止することができる燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態の燃料電池システムの構成図である。 図１の燃料電池システムのマニホールド周辺の断面図である。 本発明の第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。 図３の燃料電池システムのマニホールド周辺の断面図である。 本発明の他の実施形態の燃料電池システムのマニホールド周辺の断面図である。

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１の実施形態］

図１に示されるように、燃料電池システム１は、改質器２と、固体酸化物形の燃料電池３と、を備えている。改質器２は、原燃料を用いて水素を含有する改質ガスを生成する。燃料電池３は、改質器２で生成された改質ガスを用いて発電する。なお、改質器２及び燃料電池３は、筐体４内に収容されている。筐体４は、内壁４ａと外壁４ｂとの間に断熱部材４ｃが配置されることで構成されている。これにより、筐体４内の保温性が高められている。

改質器２は、例えばロジウム系触媒等の改質触媒を用いた水蒸気改質反応により、原燃料を改質して改質ガスを生成する。水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２は、後述する燃焼熱によって加熱され得るように燃料電池３の上側に配置されている。すなわち、燃料電池３の燃料極側に導入された改質ガスのオフガス（未反応改質ガス）は、空気極等の酸化剤極側に導入された空気等の酸化剤ガスのうちの未反応酸素（未反応酸化剤ガス）と共に燃焼させられ、改質器２は、この燃焼熱によって加熱される。なお、原燃料としては、例えばＬＰＧ（液化石油ガス）や都市ガス等の炭化水素系燃料が用いられる。

燃料電池３は、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称される複数のセルの積層体を有している。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と酸化剤極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなり、６００℃〜１０００℃の温度で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、空気中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。

改質器２の上流側には、原燃料の脱硫を行う脱硫部（第１の脱硫部）５が設けられている。脱硫部５は、原燃料が含有する硫黄分を吸着する常温吸着脱硫方式で原燃料の脱硫を行う。常温吸着脱硫方式は常温（ここでは、−１０℃〜６０℃）での脱硫であるため、脱硫部５は、筐体４外に配置されている。脱硫部５の脱硫剤（脱硫触媒）としては、例えば、ゼオライト系脱硫剤、ニッケル系脱硫剤、銀ゼオライト系脱硫剤等が用いられる。なお、銀ゼオライト系脱硫剤は、ゼオライト系脱硫剤よりも脱硫性能（単位体積当たりの硫黄分の除去量）が優れている。また、銀ゼオライト系脱脱硫剤には、Ｘ型とＹ型とがある。

一例として、ゼオライト系脱硫剤は、天然ガスやＬＰＧ等が含有する低級メルカプタン類（メチルメルカプタン、エチルメルカプタン、イソプロピルメルカプタン、Ｔ−ブチルメルカプタン等）や低級スルフィド類（ジメチルスルフィド等）を吸着する。ニッケル系脱硫剤は、ＬＰＧ等が含有するジスルフィド類（硫化カルボニル等）を吸着する。銀ゼオライト系脱硫剤は、低級メルカプタン類や低級スルフィド類も、ジスルフィド類も吸着する。

改質器２で生成された改質ガスは、改質ガス流通管６を介してマニホールド７に導入される。マニホールド７は、燃料電池３の下側に配置されており、改質ガスを燃料電池３の各部に分配して導入するための改質ガス流路８を有している。

マニホールド７の改質ガス流路８には、銅−亜鉛−アルミニウム系の（少なくとも銅、亜鉛及びアルミニウムを含む）脱硫剤（脱硫触媒）１１が充填されており、これにより、脱硫部（第２の脱硫部）９が構成されている。脱硫部９は、改質ガスが含有する硫黄分を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式で改質ガスの脱硫を行う。このように、脱硫部９は、改質器２の下流側かつ燃料電池３の上流側において水素を用いて改質ガスの脱硫を行う。水素化脱硫方式は高温（例えば２５０℃〜５００℃）での脱硫であるため、脱硫部９は、筐体４内に配置されている。

ここで、マニホールド７の構成について、より詳細に説明する。図２に示されるように、水平方向におけるマニホールド７の一端部には、改質ガス流通管６が接続された改質ガス導入口７ａが設けられている。改質ガス導入口７ａは、水平方向におけるマニホールド７の一端部から他端部に向かって延在する改質ガス流路８と連通している。図２には示されていないが、燃料電池３は、上側に開口する溝状の改質ガス流路８を覆うようにマニホールド７の上側に配置されている。これにより、改質ガス流路８を流通する改質ガスは、燃料電池３の各部（各セル）に分配されて導入される。上述した脱硫部９の脱硫剤１１は、この改質ガス流路８に充填されているため、改質ガス流路８を流通する改質ガスは、脱硫剤１１の隙間を通ることになる。なお、改質ガス流路８に上壁が形成され、この上壁に、燃料電池３の各部（各セル）対応するように複数の改質ガス導出口が設けられてもよい。

改質ガス流路８の下面は、水平方向におけるマニホールド７の一端部から他端部に向かって徐々に高くなるように傾斜している。そのため、改質ガスの流通方向に略垂直な改質ガス流路８の断面積（流路断面積）は、当該流通方向における下流に行くに従って漸減することになる。これにより、改質ガス流路８から燃料電池３の各部に導入される改質ガスの導入量の均一化が図られている。

以上のように構成された燃料電池システム１では、脱硫部５が改質器２の上流側において原燃料の脱硫を行い、更に、脱硫部９が改質器２の下流側かつ燃料電池３の上流側において改質ガスの脱硫を行う。よって、燃料電池システム１によれば、改質ガスと共に燃料電池３に到達する硫黄分を確実に除去して、硫黄分に起因した燃料電池３の信頼性及び耐久性の低下を防止することができる。なお、改質ガスにおいては硫黄濃度が例えば２０ｐｐｂ以下に低減されていることから、改質ガスの脱硫を行う脱硫部９の脱硫剤の量は、原燃料の脱硫を行う脱硫部５の脱硫剤の量よりも少なくてよい。

具体的には、燃料電池システム１によって、以下の課題が解決される。すなわち、脱硫が不十分な場合、改質器２の反応サイトに硫黄分が吸着し、反応サイトの減少による活性低下を引き起こすと共に、原燃料に含有されている炭素が析出することにより、反応サイトの減少及びガス流路の閉塞を引き起こす。更に、微量の硫黄成分は、改質器２の後段に直結されている燃料電池３のセルに到達すると、例えば主成分がニッケルとイットリア安定化ジルコニアのサーメット電極上に吸着し、アノード側の活性を低下させ、電池電圧を低下し、所定の出力が得られなくなる。燃料電池システム１によって、以上の課題が解決される。

また、脱硫部５は、原燃料が含有する硫黄分を吸着する常温吸着脱硫方式で原燃料の脱硫を行う。つまり、脱硫部５が常温で原燃料の脱硫を行うので、脱硫部５を加熱するための熱源が不要となる。更に、脱硫部５に対する水素の供給も不要となる。従って、原燃料の脱硫を効率良く実施することができる。

また、脱硫部９は、改質ガスが含有する硫黄分を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式で改質ガスの脱硫を行う。水素化脱硫方式で改質ガスの脱硫を行うときには、固体酸化物形の燃料電池３から排出される未反応改質ガス及び未反応酸化剤ガスの燃焼熱、及び改質ガスが含有する水素を利用することができる。よって、この構成によれば、改質ガスから硫黄分を効果的に除去することができる。より具体的には、脱硫部９は、銅−亜鉛−アルミニウム系の脱硫剤１１により水素化脱硫方式で改質ガスの脱硫を行う。この構成によれば、脱硫剤１１の耐熱性（耐シンタリング性）を向上させることができる。

また、脱硫部９は、マニホールド７の改質ガス流路８に脱硫剤１１が充填されることにより構成されている。この構成によれば、マニホールド７の改質ガス流路８に充填された脱硫剤１１によって圧力損失の効果が奏されるので、燃料電池３の各部に改質ガスをより均一に導入させることができる。

このとき、改質ガス流路８は、改質ガスの流通方向に略垂直な断面積が当該流通方向における下流になるに従って減少するように形成されている。この構成によれば、燃料電池の各部に導入される改質ガスの流量の、より一層の均一化を図ることができる。
［第２の実施形態］

第２の実施形態の燃料電池システムは、改質器と燃料電池との上下関係が逆である点で、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと主に相違している。すなわち、図３に示されるように、燃料電池システム１０においては、改質器２が燃料電池３の下側に配置されており、マニホールド７が燃料電池３の上側に配置されている。脱硫部９は、脱硫剤１１が充填された反応器として構成されており、マニホールド７とは別体でマニホールド７の上側に配置されている。

図４に示されるように、水平方向における脱硫部９の一端部には、改質ガス流通管６が接続された改質ガス導入口９ａが設けられている。水平方向における脱硫部９の他端部には、改質ガス流通管１２が接続された改質ガス導出口９ｂが設けられている。改質ガス導入口９ａから脱硫部９に導入された改質ガスは、脱硫剤１１の隙間を通って改質ガス導出口９ｂから改質ガス流通管１２に導出される。

水平方向におけるマニホールド７の他端部には、改質ガス流通管１２が接続された改質ガス導入口７ａが設けられている。改質ガス導入口７ａは、水平方向におけるマニホールド７の他端部から一端部に向かって延在する改質ガス流路８と連通している。図４には示されていないが、燃料電池３は、下側に開口する溝状の改質ガス流路８を覆うようにマニホールド７の下側に配置されている。これにより、改質ガス流路８を流通する改質ガスは、燃料電池３の各部（各セル）に分配されて導入される。なお、改質ガス流路８に下壁が形成され、この下壁に、燃料電池３の各部（各セル）対応するように複数の改質ガス導出口が設けられてもよい。

改質ガス流路８の上面は、水平方向におけるマニホールド７の他端部から一端部に向かって徐々に低くなるように傾斜している。そのため、改質ガスの流通方向に略垂直な改質ガス流路８の断面積は、当該流通方向における下流に行くに従って漸減することになる。これにより、改質ガス流路８から燃料電池３の各部に導入される改質ガスの導入量の均一化が図られている。

以上のように構成された燃料電池システム１０では、脱硫部５で脱硫が行われた原燃料が改質器２に導入されると、改質器２で改質ガスが生成される。改質器２で生成された改質ガスは、改質ガス流通管６を介して脱硫部９に導入される。そして、脱硫部９で脱硫が行われた改質ガスは、改質ガス流通管１２を介してマニホールド７に導入され、燃料電池３の各部に分配されて導入される。

このように、燃料電池システム１０では、脱硫部５が改質器２の上流側において原燃料の脱硫を行い、更に、脱硫部９が改質器２の下流側かつ燃料電池３の上流側において改質ガスの脱硫を行う。よって、燃料電池システム１０によれば、上述した燃料電池システム１と同様に、改質ガスと共に燃料電池３に到達する硫黄分を効果的に除去して、硫黄分に起因した燃料電池３の信頼性及び耐久性の低下を防止することができる。

以上、本発明の第１及び第２の実施形態について説明したが、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、改質器２は、水蒸気改質反応を利用するものに限定されず、他の改質反応を利用するものであってもよい。

また、水素化脱硫方式で改質ガスの脱硫を行う脱硫部９の脱硫剤１１は、銅−亜鉛−アルミニウム系以外の銅−亜鉛系の（少なくとも銅及び亜鉛を含む）脱硫剤や、ニッケル系の（少なくともニッケルを含む）脱硫剤（例えば、ニッケルを主成分とするアルミナ含有触媒）であってもよい。銅−亜鉛系の脱硫剤であれば、一酸化炭素を変成反応させて水素を生成する効果も奏される。

また、脱硫部９は、改質ガスが含有する硫黄分を水素と反応させて硫化水素に変換し、硫化水素を吸着する水素化脱硫方式（この方式は、水添吸着脱硫方式と称される場合もある）で改質ガスの脱硫を行うものであってもよい。この場合にも、改質ガスから硫黄分を確実に除去することができる。そして、改質ガスが含有する硫黄分を水素と反応させて硫化水素に変換する触媒としては、例えば、コバルト−モリブデン系の触媒やニッケル−モリブデン系の触媒等、ニッケル、コバルト及びモリブデンの少なくとも１つを含む触媒がある。これらの触媒の反応温度は３５０℃〜４００℃である。硫化水素を吸着する触媒としては、例えば酸化亜鉛触媒がある。この触媒の反応温度は２５０℃〜４００℃である。

また、改質器２の上流側において原燃料の脱硫を行う脱硫部５は、原燃料が含有する硫黄分を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式で原燃料の脱硫を行うものであってもよい。この場合には、脱硫部５を加熱する必要があることから、脱硫部５を筐体４内に配置すればよい。そして、改質器２で生成された改質ガスの一部（例えば１％〜１０％）を脱硫部５に導入すればよい。

また、第１の実施形態の燃料電池システム１においては、脱硫部９をマニホールド７と別体で設けてもよい。逆に、第２の実施形態の燃料電池システム１０においては、マニホールド７の改質ガス流路８に脱硫剤１１を充填することで脱硫部９を構成してもよい。これらは、燃料電池３から脱硫部９に与えられる熱量と脱硫部９の反応温度との関係に応じて決定すればよい。

また、図５に示されるように、マニホールド７においては、水平方向におけるマニホールド７の一端部から他端部に向かって改質ガス流路８の下面が略水平に形成されること等により、改質ガスの流通方向に略垂直な改質ガス流路８の断面積（流路断面積）が略一定であってもよい。この場合にも、改質ガス流路８に脱硫剤１１が充填されれば、圧力損失の効果により、燃料電池３の各部に導入される改質ガスの均一化を図ることができる。

１，１０…燃料電池システム、２…改質器、３…燃料電池、５…脱硫部（第１の脱硫部）、７…マニホールド、８…改質ガス流路、９…脱硫部（第２の脱硫部）、１１…脱硫剤。

Claims (5)

1. 原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、
   前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池と、
   前記改質器の上流側において前記原燃料の脱硫を行う第１の脱硫部と、
   前記改質器の下流側かつ前記燃料電池の上流側において前記改質ガスの脱硫を行う第２の脱硫部と、
   前記改質ガスを前記燃料電池の各部に分配して導入するための改質ガス流路を有するマニホールドと、
   を備え、
   前記第２の脱硫部は、前記改質ガス流路に脱硫剤が充填されることにより構成されており、
   前記改質器、前記燃料電池、及び前記第２の脱硫部は、共通の筐体に収容されており、
   前記第１の脱硫部は、前記筐体の外部に配置されている、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の脱硫部は、前記原燃料が含有する硫黄分を吸着する常温吸着脱硫方式で前記原燃料の脱硫を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記第２の脱硫部は、前記改質ガスが含有する硫黄分を前記水素と反応させて除去する水素化脱硫方式で前記改質ガスの脱硫を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記第２の脱硫部は、銅−亜鉛−アルミニウム系の脱硫剤により前記水素化脱硫方式で前記改質ガスの脱硫を行うことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記改質ガス流路は、前記改質ガスの流通方向に略垂直な断面積が当該流通方向における下流になるに従って減少するように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の燃料電池システム。

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