JP5538283B2 - 不純物除去装置、それを含む燃料改質システムおよびその運転方法、ならびに燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、不純物除去装置、それを含む燃料改質システムおよびその運転方法、ならびに燃料電池システムに関する。

家庭用燃料電池発電システムは、省エネ性および環境性の観点から普及が期待されている。その原燃料としては、プロパンガスを主成分とするＬＰガスの他、メタンガスを主成分とする都市ガスあるいは天然ガスが使われている。原燃料は、燃料改質システムにおいて触媒反応により水素リッチガスに変換され、燃料電池スタックへ供給される。

都市ガスとしては、液化天然ガス（ＬＮＧ）が使われることが多い。液化天然ガスに含まれる酸素は０．０１％以下であり、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族化合物は１ｐｐｍ以下である。一方、国産天然ガスや、海外においてパイプラインで供給される天然ガスには、酸素が最大３％程度、芳香族化合物が最大１０００ｐｐｍ程度含まれることがある。

酸素が多く含まれる燃料を燃料電池システムの原燃料として使用すると、燃料を脱硫するための脱硫器が水添脱硫器の場合、水添脱硫器に充填された水添触媒が燃料中の酸素により酸化され、触媒の性能が低下するという問題が生じる。また、芳香族化合物が多く含まれる燃料を燃料電池システムの原燃料として使用すると、芳香族化合物の作用により、前記水添触媒の表面に炭素が析出し、その性能が低下するという問題が生じる。水添脱硫器の後段に配置される改質器に充填された改質触媒においても、芳香族化合物による上記同様の問題が生じ得る。従って、燃料が水添触媒および改質触媒に接する前に、燃料に含まれる酸素および芳香族化合物を除去することが望まれる。

原燃料に含まれる酸素を除去するために、例えば、脱硫器の前段に酸素除去用の燃焼触媒を配置することが提案されている。しかし、原燃料に含まれる芳香族化合物を除去するための有効な対策は提案されておらず、燃料電池発電システムの普及を妨げる要因の１つとなっている。

特許第４２６４７９１号公報

本発明が解決しようとする課題は、酸素、芳香族化合物および硫黄化合物を不純物として含む燃料を原燃料として使用する燃料電池システムにおいて、燃料改質のための触媒の機能低下を抑制し、長期間にわたって安定した運転を可能にすることである。

実施形態によれば、酸素、芳香族化合物および硫黄化合物を不純物として含む燃料を原燃料として使用する燃料電池システムにおける不純物除去装置が提供される。前記不純物除去装置は、燃料に含まれる酸素を酸化反応により除去するための第１の触媒と、燃料に含まれる芳香族化合物を水素添加反応により飽和炭化水素に変換するための第２の触媒と、燃料に含まれる硫黄化合物を水素添加反応により硫化水素に変換するための第３の触媒と、前記第３の触媒により生成した硫化水素を除去するための第４の触媒とを備える。

図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す図である。 図２は、実施形態に係る不純物除去装置を示す断面図である。 図３は、第２の実施形態に係る燃料電池システムを示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す図である。

図１に示す燃料電池システム１００は、原燃料を燃料電池の燃料として使用可能な組成に改質する燃料改質システム７０と、実際に発電を行う燃料電池５０とを含む。燃料改質システム７０は、第１の不純物除去器１０と、改質器２０と、ＣＯ変成器３０と、ＣＯ除去器４０とが、この順で連結された構成を有する。ＣＯ変成器３０の燃料導出部分と第１の不純物除去器１０の燃料導入部分とは、リサイクルライン６０により連結される。

第１の不純物除去器１０は、酸素、芳香族化合物および硫黄化合物を不純物として含む原燃料からこれら不純物を除去するための装置である。図２は、実施形態に係る第１の不純物除去器を示す断面図である。

第１の不純物除去器１０は、燃料に含まれる酸素を除去するための第１の触媒を含む層１（以下、第１の触媒層とも称する）と、燃料に含まれる芳香族化合物を飽和炭化水素に変換するための第２の触媒を含む層２（以下、第２の触媒層とも称する）と、燃料に含まれる硫黄化合物に水素を添加して硫化水素を生成するための第３の触媒を含む層３（以下、第３の触媒層とも称する）と、第３の触媒層で生成された硫化水素を除去するための第４の触媒を含む層４（以下、第４の触媒層とも称する）とを備える。これらの触媒は、図２に示すように、第１の不純物除去器１０の燃料導入口５から燃料導出口６に向かって、第１の触媒層１、第２の触媒層２、第３の触媒層３、第４の触媒層４の順に層状に配置されることが好ましい。

不純物を含む原燃料は、リサイクルライン６０からの水素含有ガス（以下、改質ガスとも称する）と共に、燃料導入口５から第１の不純物除去器１０に導入される。図１において示したように、リサイクルライン６０を介して第１の不純物除去器１０へ導入される改質ガスは、ＣＯ変成器３０から導出される改質ガスの一部である。第１の不純物除去器１０へ導入された燃料は、まず、第１の触媒層１を通過する。その際、原燃料に含まれる酸素と原燃料に含まれる炭化水素との酸化反応、あるいは原燃料に含まれる酸素とリサイクルラインから供給される水素含有ガスとの酸化反応により、原燃料から酸素が除去される。第１の触媒には、少なくとも白金またはパラジウムが含まれるが、上記のような酸化反応機能を有する物質であれば特に限定されない。

第１の触媒層１を通過した燃料は、続いて第２の触媒層２に入る。第２の触媒層２では、燃料に含まれる芳香族化合物に水素を添加して、シクロヘキサン等の飽和炭化水素に変換する。原燃料に含まれる芳香族化合物としては、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。第２の触媒としては、例えば、アルミナまたはシリカを担体とし、これら担体にニッケルを担持させた触媒を使用することができるが、芳香族化合物の水素添加反応機能を有する物質であれば特に限定されない。

第２の触媒層２を通過した燃料は、続いて第３の触媒層３に入る。第３の触媒層３では、燃料に含まれる硫黄化合物に水素を添加して、硫化水素を生成する。第３の触媒としては、コバルト−モリブデン系触媒、ニッケル−モリブデン系触媒、または銅系触媒を使用することができるが、硫黄化合物の水素添加反応機能を有する物質であれば特に限定されない。

第３の触媒層３を通過した燃料は、最後に第４の触媒層に入る。第４の触媒層４では、第３の触媒層で生成した硫化水素を除去する。硫化水素の除去は、例えば、以下に示す反応により行うことができる。

ＺｎＯ＋Ｈ_２Ｓ → ＺｎＳ＋Ｈ_２Ｏ
第４の触媒としては、例えば、酸化亜鉛、銅系触媒等を使用することができるが、硫化水素を除去することができる触媒であれば特に限定されない。第３の触媒と第４の触媒は、同一の触媒であってもよい。

上記のような不純物除去器によれば、原燃料に含まれる酸素、芳香族化合物および硫黄化合物を効率的に除去することができる。上記で説明したように、酸素は、燃料に含まれる硫黄化合物に水素を添加するための触媒（本実施形態の第３の触媒に相当）を酸化し、その性能を低下させる。これに対して本実施形態の不純物除去器では、第３の触媒層に燃料が到達する前に第１の触媒層において燃料から酸素を除去するため、第３の触媒の性能低下を抑制することができる。また、芳香族化合物は、燃料に含まれる硫黄化合物に水素を添加するための触媒（本実施形態の第３の触媒に相当）および燃料を改質するための改質触媒（図１における改質器２０に充填される）の表面に炭素を析出させ、これら触媒の性能を低下させる。これに対して本実施形態の不純物除去器では、第３の触媒および改質触媒よりも前段にある第２の触媒層において燃料から芳香族化合物をシクロヘキサンなどの改質触媒の表面に炭素析出を起こさせない成分に変換して無害化するため、第３の触媒および改質触媒の性能低下を抑制することができる。

従って、本実施形態の不純物除去器を燃料改質システム中に使用することにより、燃料改質システムの耐久性が向上する。さらに、このような燃料改質システムを燃料電池システムにおいて使用することにより、長期間にわたって安定した運転が可能な燃料電池システムを提供するができる。

不純物除去器１０で処理された燃料は、水蒸気と混合され、改質器２０へと導入される。改質器２０には改質触媒が充填されており、導入された燃料は、燃料中の炭化水素と水蒸気との水蒸気改質反応により、水素、一酸化炭素および二酸化炭素を含む改質ガスに変換される。

改質ガスは、続いてＣＯ変成器３０へと導入される。ＣＯ変成器３０にはＣＯ変成触媒が充填されており、改質ガスに含まれる１０％程度の一酸化炭素が、水蒸気との反応により１％以下に低減される。ＣＯ変成器３０において一酸化炭素の一部が除去された改質ガスは、外部から導入した空気（図示せず）と混合された後、ＣＯ除去器４０に導入される。ＣＯ除去器４０にはＣＯ選択酸化触媒が含まれ、その作用により、改質ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍ程度以下に低減される。ＣＯ除去器４０において一酸化炭素が除去された改質ガスは、燃料電池５０のアノード極に導入され、発電に利用される。

リサイクルライン６０は、ＣＯ変成器３０から導出される改質ガスの一部を第１の不純物除去器１０に導入するための導管である。上述したように、リサイクルライン６０を通ったガスは、原燃料と混合され、第１の不純物除去器１０へと導入される。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る燃料電池システムを示す図である。
本実施形態における燃料電池システム１００は、第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、第１の不純物除去器１０の前段に第２の不純物除去器１１を配置したものである。第２の不純物除去器１１は、常温で原燃料中の硫黄化合物および芳香族化合物を除去することができるゼオライト等の吸着剤と、自らが酸化することにより原燃料中の酸素を除去する銅系触媒またはニッケル系触媒とを備える。

運転停止時に燃料をパージするときや、起動時であっても第１の不純物除去器１０の温度が２００℃未満の場合は、第２の不純物除去器へ原燃料を選択的に導入し、第２の不純物除去器において原燃料中の不純物を除去する。第１の不純物除去器１０に含まれる触媒の反応温度は、２００〜３５０℃であるため、２００℃未満の場合には第１の不純物除去器１０に燃料を導入しても不純物を除去できない。従って、そのような場合には、常温でも不純物を除去することができる第２の不純物除去器１１を選択的に使用するようにする。一方、第１の不純物除去器１０の温度が２００〜３５０℃の場合には、第１の不純物除去器１０を選択的に使用するようにする。第２の不純物除去器１１の不純物除去能力は、第１の不純物除去器１０の能力と比較して非常に小さく、常温での不純物除去には多くの触媒が必要になる。従って、不純物の除去を第２の不純物除去器１１のみで行うことは好ましくない。そこで、上述したように装置の温度に応じて使用する不純物除去器を切り替えることにより、より効率的に燃料から不純物を除去することができる。

使用する不純物除去器の切り替えは、第２の不純物除去器１１の前段に配置した閉止弁１３、および第１の不純物除去器１０に選択的に燃料を導入するためのバイパスライン１２に配したバイパス弁１４により行う。第１の不純物除去器１０の温度が２００℃未満の場合には、閉止弁１３を開き、バイパス弁１４を閉じることにより、第２の不純物除去器１１に選択的に燃料を導入する。第２の不純物除去器１１において原燃料中の硫黄化合物、芳香族化合物、および酸素を除去したのち、不純物が除去された燃料を第１の不純物除去器１０へ導入する。第１の不純物除去器１０では触媒反応は生じないため、燃料は、第１の不純物除去器１０からそのまま導出される。一方、第１の不純物除去器１０の温度が２００〜３５０℃の場合には、閉止弁１３を閉じ、バイパス弁１４を開くことで、第２の不純物除去器１１をバイパスし、原燃料を第１の不純物除去器１０へ直接導入することができる。

上記第２の実施形態では、第１の不純物除去器１０の前段に第２の不純物除去器１１を配置した構成について説明したが、これらは改質部２０より上流側に位置すればよく、図３において第１の不純物除去器１０と第２の不純物除去器１１を入れ替えた構成であってもよい。

以上述べた少なくともひとつの実施形態によれば、酸素、芳香族化合物および硫黄化合物を不純物として含む燃料を原燃料として使用する燃料電池システムにおいて、燃料改質のための触媒の機能低下が抑制され、長期間にわたって安定した運転が可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…第１の触媒層、２…第２の触媒層、３…第３の触媒層、４…第４の触媒層、５…燃料導入口、６…燃料導出口、１０…第１の不純物除去器、１１…第１の不純物除去器、１２…バイパスライン、１３…閉止弁、１４…バイパス弁、２０…改質器、３０…ＣＯ変成器、４０…ＣＯ除去器、５０…燃料電池、６０…リサイクルライン、７０…燃料改質システム、１００…燃料電池システム。

Claims (5)

1. 燃料に含まれる酸素を酸化反応により除去するための第１の触媒と、
   燃料に含まれる芳香族化合物を水素添加反応により飽和炭化水素に変換するための第２の触媒と、
   燃料に含まれる硫黄化合物を水素添加反応により硫化水素に変換するための第３の触媒と、
   前記第３の触媒により生成した硫化水素を除去するための第４の触媒と
   を備え、燃料導入口側から燃料導出口側に向かって、前記第１の触媒、前記第２の触媒、前記第３の触媒、前記第４の触媒の順に層状に配置されることを特徴とする、酸素、芳香族化合物および硫黄化合物を不純物として含む燃料を原燃料として使用する燃料電池システムにおける不純物除去装置。
2. 請求項１に記載の不純物除去装置である第１の不純物除去器と、
   前記第１の不純物除去器に連結され、前記第１の不純物除去器において不純物が除去された燃料を、水素を含有する改質ガスに変換するための改質器と、
   前記改質器に連結され、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の一部を除去するためのＣＯ変成器と、
   前記ＣＯ変成器に連結され、前記一酸化炭素の残部を除去するためのＣＯ除去器と、
   前記ＣＯ変成器と前記第１の不純物除去器とを連結し、前記ＣＯ変成器から導出される改質ガスの一部を前記第１の不純物除去器に導入するためのリサイクルラインと
   を具備することを特徴とする燃料改質システム。
3. 前記改質器の前段に、常温で前記原燃料中の硫黄化合物および芳香族化合物を除去する吸着剤と、常温で前記原燃料中の酸素を除去する酸素除去触媒とを備える第２の不純物除去器をさらに具備することを特徴とする、請求項２に記載の燃料改質システム。
4. 前記第１の不純物除去器の温度が２００℃未満である場合には、前記第２の不純物除去器において前記原燃料に含まれる酸素、芳香族化合物および硫黄化合物を除去し、前記第１の不純物除去器の温度が２００℃〜３５０℃である場合には、前記第１の不純物除去器において前記原燃料に含まれる酸素、芳香族化合物および硫黄化合物を除去することを特徴とする、請求項３に記載の燃料改質システムの運転方法。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料改質システムと、
   前記燃料改質システムに連結され、前記燃料改質システムにより改質された燃料を利用して発電する燃料電池と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。

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