JP6539054B2

JP6539054B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6539054B2
Application number: JP2015012228A
Authority: JP
Inventors: 達也三木; 福田　徹; 徹福田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: JP2016137419A; DE102016200523A1; DE102016200523B4

Description

本発明は、燃料に含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器を組み込む燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

ＳＯＦＣでは、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）を改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成している。このため、原燃料を改質する前に、都市ガス中に含有されている付臭剤中の硫黄化合物を除去する必要があり、脱硫器が使用されている。

脱硫器として、例えば、特許文献１に開示されている脱硫装置が知られている。この脱硫装置は、脱硫触媒を収容可能な筒状の容器を備えている。容器の軸方向の両端近傍には、それぞれ被改質ガスの流入口及び流出口が設けられている。そして、流入口から流入した被改質ガスが、容器の内部空間において軸を含む面を境界とする第１領域と第２領域とを行き来しつつ軸方向に流れて流出口から流出するように、前記被改質ガスの流路を形成するガス流路形成手段を有している。

従って、被改質ガスは、流入口から流出口まで直線的に通過するのではなく、第１領域と第２領域とを蛇行しつつ進行するので、脱硫触媒と触れ合う距離及び時間が長くなり、脱硫効果が高まる、としている。

特開２００７−２７３１４２号公報

ところで、燃料電池システムを、例えば、家庭用コージェネレーションユニットとして用いる場合、特に設置面積を小さくすることが望まれている。しかしながら、上記の特許文献１では、脱硫触媒を収容する比較的大きな部品である筒状容器を備えている。このため、狭小な収容スペースに脱硫装置の設置場所を確保することが困難であるという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、レイアウトの自由度が高く、狭小なスペースにも確実に収容することが可能な脱硫器を組み込む燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、脱硫器、燃料電池モジュール及び補機類を収容する筐体を備え、前記筐体は、いずれか１面のみが開閉可能な開閉扉であり、前記脱硫器は、前記開閉扉とは反対側の面に隣接して配置されている。脱硫器は、燃料に含まれる硫黄成分を除去する。この脱硫器は、脱硫剤が充填される複数個のケース部材を備え、各ケース部材は、燃料の出入りを許容する２つの連通口を有し、少なくとも重力方向又は水平方向に、それぞれ任意の個数の前記ケース部材が配列されている。

１つのケース部材の１つの連通口は、燃料を脱硫器に導入する燃料供給口を構成する一方、他の１つの前記ケース部材の１つの前記連通口は、脱硫後の前記燃料を該脱硫器から導出する燃料排出口を構成している。そして、燃料供給口及び燃料排出口以外の連通口は、互いに異なるケース部材の前記連通口同士が連結通路により連通されることにより、全ての前記ケース部材が、燃料流れ方向に沿って直列に連結されている。

また、この脱硫器では、ケース部材は、直方体形状を有することが好ましい。このため、ケース部材同士を重力方向や水平方向に密着して配置させることができ、レイアウトの自由度が有効に向上する。

さらに、この脱硫器では、ケース部材の内部には、ケース内上面から重力方向下方に延在し、下端部とケース内下面との間に隙間を形成する複数枚の仕切り板が配置されることが好ましい。従って、ケース部材内の脱硫流路長が長尺化され、脱硫剤を効率的に使用することが可能になる。

さらにまた、この脱硫器では、少なくとも２種類の外形寸法の異なるケース部材を備えることが好ましい。これにより、脱硫器のレイアウトの自由度が一層向上し、他の部品の隙間等に容易に設置することができる。

本発明によれば、脱硫器は、複数個のケース部材を備えており、任意の個数の前記ケース部材を少なくとも重力方向又は水平方向に配列させることができる。このため、脱硫器のレイアウトの自由度が良好に向上し、狭小なスペースにも確実に収容することが可能になる。

また、本発明によれば、脱硫器は、メンテナンスが不要であり、メンテナンス面である開閉扉から離間した位置に配置されている。従って、メンテナンス等の必要性が高い部品を優先的に開閉扉の近傍に設置することが可能になる。

本発明の実施形態に係る脱硫器が組み込まれる燃料電池システムの概略斜視説明図である。前記燃料電池システムの背面からの説明図である。前記脱硫器の一方からの要部斜視説明図である。前記脱硫器の他方からの要部斜視説明図である。前記脱硫器の内部を示す斜視説明図である。前記脱硫器を構成するケース部材の内部説明図である。前記ケース部材の他の配列状態を示す説明図である。前記ケース部材の別の配列状態を示す説明図である。前記ケース部材のさらに他の配列状態を示す説明図である。前記ケース部材のさらに別の配列状態を示す説明図である。前記ケース部材のその他の配列状態を示す説明図である。前記ケース部材のさらにまた別の配列状態を示す説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る脱硫器１０は、燃料電池システム１２に組み込まれる。

燃料電池システム１２は、筐体１４を備え、前記筐体１４の１面、例えば、正面は、開閉可能に開閉扉１６であり、前記開閉扉１６とは反対側の面は、裏面１８である。筐体１４内には、脱硫器１０、燃料電池モジュール２０及び後述する補機類（周辺機器）が収容される。

燃料電池モジュール２０は、図示しないが、燃料電池スタック、改質器、空気予熱器、排ガス燃焼器及び蒸発器等を備える。燃料電池スタックは、燃料ガス（例えば、水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する。改質器は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを水蒸気改質し、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する。

空気予熱器は、燃焼排ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを発生させる。蒸発器には、水と原燃料とが供給され、水が蒸発して生成された水蒸気と原燃料との混合ガスは、改質器に供給される。

補機類としては、水を貯留する純水タンク２２、前記水のイオン交換を行うイオン交換装置２４、純水ポンプ２６、燃料ポンプ２８、燃料圧力スイッチ３０、ブレーカ３２及び外部配管３４等がある。筐体１４内では、特にイオン交換装置２４、燃料圧力スイッチ３０、ブレーカ３２及び外部配管３４が、開閉扉１６に隣接して配置される（図１参照）。

脱硫器１０は、筐体１４内で裏面１８に隣接して配置される。図３及び図４に示すように、脱硫器１０は、脱硫剤（図示せず）が充填され、少なくとも重力方向又は水平方向に、例えば、水平方向に配列される複数個、例えば、４個のケース部材３６ａ、３６ｂ、３６ｃ及び３６ｄを備える。

ケース部材３６ａ〜３６ｄは、例えば、直方体形状を有するとともに、取り付け板３８ａ、３８ｂにより一体に固定される。ケース部材３６ａ、３６ｂとケース部材３６ｃ、３６ｄとは、少なくとも２種類の異なる外形寸法に設定される。ケース部材３６ｃ、３６ｄの高さ方向の寸法は、ケース部材３６ａ、３６ｂの高さ方向の寸法の略半分に設定され、それぞれの上面は、連続する平面に設定される。

ケース部材３６ａの長手方向両端には、原燃料の出入りを許容する２つの連通口４０ａ、４２ａが設けられる。ケース部材３６ｂの長手方向両端には、原燃料の出入りを許容する２つの連通口４０ｂ、４２ｂが設けられる。ケース部材３６ｃとケース部材３６ｄの長手方向両端には、同様に２つの連通口４０ｃ、４２ｃと２つの連通口４０ｄ、４２ｄが設けられる。

本実施形態では、図３に示すように、ケース部材３６ａ（１つのケース部材）の連通口４０ａ（１つの連通口）は、原燃料を脱硫器１０に導入する原燃料供給口４４ａを構成する。ケース部材３６ｂ（他の１つのケース部材）の連通口４２ｂ（１つの連通口）は、脱硫後の原燃料を脱硫器１０から導出する原燃料排出口４４ｂを構成する。

図４に示すように、ケース部材３６ａの連通口４２ａとケース部材３６ｄの連通口４０ｄとは、外部の連結配管（通路）４６ａにより接続される。図３に示すように、ケース部材３６ｄの連通口４２ｄとケース部材３６ｃの連通口４０ｃとは、外部の連結配管４６ｂにより接続される。

図４に示すように、ケース部材３６ｃの連通口４２ｃとケース部材３６ｂの連通口４０ｂとは、外部の連結配管４６ｃにより接続される。４個（全て）のケース部材３６ａ、３６ｄ、３６ｃ及び３６ｂは、原燃料供給口４４ａから原燃料排出口４４ｂまで、燃料流れ方向に沿って直列に連結される（図５参照）。

図６に示すように、ケース部材３６ａの内部には、ケース内上面３６ａｕから重力方向下方に延在し、下端部とケース内下面３６ａｄとの間に隙間Ｓを形成する複数枚、例えば、２枚（又は３枚以上）の仕切り板４８ａが配置される。なお、図５に示すように、ケース部材３６ｂ〜３６ｄの内部には、ケース部材３６ａの内部と同様に、それぞれ２枚以上の仕切り板４８ｂ〜４８ｄが配置されており、その詳細な説明は省略する。

このように構成される脱硫器１０の動作について、燃料電池システム１２との関連で、以下に説明する。

図１に示すように、燃料電池モジュール２０の運転時には、空気予熱器に空気が供給されるとともに、前記空気予熱器には、排ガス燃焼器からの燃焼ガスが供給される。このため、空気は、燃焼ガスにより加熱（熱交換）され、高温になった前記空気は、燃料電池スタックの酸化剤ガス系流路に供給される。

一方、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料は、脱硫器１０を通って脱硫された後、水とともに蒸発器に供給される。具体的には、図３〜図５に示すように、脱硫器１０を構成するケース部材３６ａ内には、原燃料供給口４４ａから原燃料が供給され、前記ケース部材３６ａの長手方向に流通しながら、図示しない脱硫剤により脱硫処理される。原燃料は、ケース部材３６ａの連通口４２ａから連結配管４６ａを通って連通口４０ｄからケース部材３６ｄの内部に導入される。

原燃料は、ケース部材３６ｄの長手方向に流通して脱硫処理された後、連通口４２ｄから連結配管４６ｂを通って連通口４０ｃを設けるケース部材３６ｃの内部に供給される。原燃料は、ケース部材３６ｃの長手方向に流通して脱硫処理された後、連通口４２ｃに接続された連結配管４６ｃを通って連通口４０ｂからケース部材３６ｂの内部に導入される。ケース部材３６ｂの長手方向に流通した原燃料は、連通口４２ｂに接続された原燃料排出口４４ｂから蒸発器に供給される。

蒸発器には、燃焼排ガスが供給されるため、水が蒸発して水蒸気が生成され、この水蒸気と原燃料との混合ガスは、改質器に供給される。改質器では、混合ガスが水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。改質ガスは、燃料電池スタックの燃料ガス系流路に供給される。従って、燃料電池スタックでは、酸素と空気との化学反応により発電が行われる。

この場合、本実施形態では、脱硫器１０は、複数個、例えば、４個のケース部材３６ａ〜３６ｄを備えており、前記ケース部材３６ａ〜３６ｄの任意の個数を少なくとも重力方向又は水平方向に配列させることができる。具体的には、図３及び図４では、ケース部材３６ａ〜３６ｄが、水平方向に配列されている。

一方、図７に示すように、脱硫器１０では、ケース部材３６ａ、３６ｃ、３６ｂ及び３６ｄの順に水平方向に配列することができる。また、図８に示すように、脱硫器１０では、ケース部材３６ａ、３６ｂ間にケース部材３６ｃ、３６ｄを挟んで水平方向に配列することができる。

さらに、図９に示すように、脱硫器１０では、ケース部材３６ａ、３６ｂが水平方向に配列されるとともに、前記ケース部材３６ａには、ケース部材３６ｃ、３６ｄが重力方向に配列して配置することができる。さらにまた、図１０に示すように、脱硫器１０では、ケース部材３６ａ、３６ｂが重力方向に配列され、且つ、ケース部材３６ｃ、３６ｄが重力方向に配列されるとともに、これらを水平方向に配置することができる。

また、図１１及び図１２に示すように、脱硫器１０では、同一の外形寸法を有する４個のケース部材３６ａ１、３６ａ２、３６ｂ１及び３６ｂ２を備えてもよい。図１１に示すように、脱硫器１０では、ケース部材３６ａ１、３６ａ２、３６ｂ１及び３６ｂ２は、重力方向に２個で且つ水平方向に２個ずつ配置されている。図１２に示すように、脱硫器１０では、重力方向に３個のケース部材３６ａ１、３６ｂ１及び３６ａ２が配置される一方、前記ケース部材３６ａ１には、ケース部材３６ｂ２が水平方向に配置されている。

このため、本実施形態では、脱硫器１０のレイアウトの自由度が良好に向上し、特に縦長な燃料電池システム１２の筐体１４内の狭小なスペースにも、確実に収容することが可能になるという効果が得られる。

さらに、図１に示すように、脱硫器１０は、メンテナンスが不要であり、メンテナンス面である開閉扉１６から離間した位置に配置されている。従って、メンテナンス等の必要性が高い部品を優先的に開閉扉１６の近傍に設置することが可能になる。

さらにまた、ケース部材３６ａ〜３６ｄは、直方体形状を有している。これにより、ケース部材３６ａ〜３６ｄ同士を重力方向及び水平方向に密着して配置させることができ、レイアウトの自由度が有効に向上する。

また、脱硫器１０では、図６に示すように、ケース部材３６ａの内部には、ケース内上面３６ａｕから重力方向下方に延在し、下端部とケース内下面３６ａｄとの間に隙間Ｓを形成する複数枚の仕切り板４８ａが配置されている。このため、ケース部材３６ａ内の脱硫流路長は、仕切り板４８ａがない場合に比べて長尺化され、脱硫剤を効率的に使用することが可能になる。

さらに、脱硫器１０では、少なくとも２種類の外形寸法の異なるケース部材３６ａ、３６ｂとケース部材３６ｃ、３６ｄとを備えている。従って、脱硫器１０のレイアウトの自由度が一層向上し、他の部品の隙間等に容易に設置することができる。

１０…脱硫器１２…燃料電池システム
１４…筐体１６…開閉扉
１８…裏面２０…燃料電池モジュール
２２…純粋タンク２４…イオン交換装置
２６…純水ポンプ２８…燃料ポンプ
３０…燃料圧力スイッチ３２…ブレーカ
３４…外部配管３６ａ〜３６ｄ…ケース部材
４０ａ〜４０ｄ、４２ａ〜４２ｄ…連通口
４４ａ…原燃料供給口４４ｂ…原燃料排出口
４６ａ〜４６ｃ…連結配管４８ａ〜４８ｄ…仕切り板

Claims

燃料に含まれる硫黄成分を除去するための脱硫器であって、脱硫剤が充填される複数個のケース部材を備え、各ケース部材は、前記燃料の出入りを許容する２つの連通口を有し、少なくとも重力方向又は水平方向に、それぞれ任意の個数の前記ケース部材が配列されるとともに、１つの前記ケース部材の１つの前記連通口は、前記燃料を脱硫器に導入する燃料供給口を構成する一方、他の１つの前記ケース部材の１つの前記連通口は、脱硫後の前記燃料を該脱硫器から導出する燃料排出口を構成し、前記燃料供給口及び前記燃料排出口以外の前記連通口は、互いに異なる前記ケース部材の前記連通口同士が連結通路により連通されることにより、全ての前記ケース部材が、燃料流れ方向に沿って直列に連結される脱硫器を、組み込む燃料電池システムであって、
前記脱硫器、燃料電池モジュール及び補機類を収容する筐体を備え、
前記筐体は、いずれか１面のみが開閉可能な開閉扉であり、
前記脱硫器は、前記開閉扉とは反対側の面に隣接して配置されることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記ケース部材は、直方体形状を有することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記ケース部材の内部には、ケース内上面から重力方向下方に延在し、下端部とケース内下面との間に隙間を形成する複数枚の仕切り板が配置されることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも２種類の外形寸法の異なる前記ケース部材を備えることを特徴とする燃料電池システム。