JP5373327B2 - 脱硫装置及び燃料電池システム - Google Patents

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２００４−３２３２８５号公報

ところで、脱硫器内においては、液体燃料の温度の低下に伴って圧力が低下する。例えば、運転停止時には、通常運転時よりも圧力が約２０％程度低下する。このとき、液体燃料が気化してしまい、脱硫触媒を劣化させるおそれがある。また、脱硫器内の圧力が負圧になると、脱硫器の破損や運転再開時における脱硫器への空気の混入等といった問題も生じ得る。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧力低下に起因する脱硫器への悪影響を防止することができる脱硫装置、及びそのような脱硫装置を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、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脱硫器と、脱硫器内に液体燃料を導入させる液体燃料導入手段と、脱硫器内から液体燃料を導出させる液体燃料導出手段と、脱硫器内の液体燃料の温度を測定する温度測定手段と、脱硫器内の液体燃料の圧力を測定する圧力測定手段と、液体燃料導入手段及び液体燃料導出手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、温度測定手段によって測定される温度が通常運転時の温度よりも低い所定の温度以下になった場合には、圧力測定手段によって測定される圧力が正圧である所定の圧力となるように、液体燃料導入手段及び液体燃料導出手段を制御することを特徴とする。

この脱硫装置では、温度測定手段によって測定される温度、すなわち脱硫器内の液体燃料の温度が通常運転時の温度（例えば２００℃）よりも低い所定の温度（例えば１００℃）以下になった場合に、液体燃料導入手段及び液体燃料導出手段が制御手段によって制御されることで、圧力測定手段によって測定される圧力が正圧（負圧以上）である所定の圧力とされる。従って、例えば運転停止時に、液体燃料の温度の低下に伴って圧力が低下したとしても、正圧である所定の圧力が維持されるので、圧力低下に起因する例えば液体燃料の気化や脱硫器の破損等といった脱硫器への悪影響を防止することができる。なお、硫黄分とは、硫黄や硫黄化合物を含む意味である。

本発明に係る脱硫装置においては、制御手段は、圧力測定手段によって測定される圧力を上昇させる場合には、液体燃料導入手段による液体燃料の導入量を増加させると共に液体燃料導出手段による液体燃料の導出量を減少させ、圧力測定手段によって測定される圧力を低下させる場合には、液体燃料導入手段による液体燃料の導入量を減少させると共に液体燃料導出手段による液体燃料の導出量を増加させることが好ましい。この構成によれば、圧力測定手段によって測定される圧力、すなわち脱硫器内の液体燃料の圧力を、迅速に且つ確実に上昇又は低下させることができる。

また、本発明に係る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。

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ため、液体燃料の温度の低下に伴って圧力が低下しても、それに起因する脱硫器への悪影響を防止することができる。

本発明によれば、圧力低下に起因する脱硫器への悪影響を防止することができる。

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。

図１は、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。

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２は、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。図２に示されるように、脱硫装置３は、改質器５に供給するための液体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内への液体燃料の導入量を調節する入口弁（液体燃料導入手段）９が設けられている。更に、入口弁９の上流側には、脱硫器７内に液体燃料を圧送するポンプ（液体燃料導入手段）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内からの液体燃料の導出量を調節する出口弁（液体燃料導出手段）１２が設けられている。

また、脱硫器７には、脱硫器７内の液体燃料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。更に、脱硫器７と入口弁９との間には、脱硫器７内の液体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。制御部（制御手段）１５は、温度計１３によって測定された温度及び圧力計１４によって測定された圧力に基づいて、ヒータ８、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。

図１に示されるように、脱硫装置３には、硫黄分が除去された液体燃料が流通する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、液体燃料は、まず脱硫装置３の脱硫器７に導入され、高温・高圧の状態で脱硫触媒７ａ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。

次に、脱硫装置３の動作について説明する。図３は、図２の脱硫装置における運転停止時の温度と圧力との関係を示す表であり、図４は、図２の脱硫装置の動作を示すフローチャートである。

図３に示されるように、制御部１５は、停止時における温度範囲毎に、脱硫器７内の圧力の下限値（目標値）をデータテーブルとして記憶している。圧力の下限値は、例えば１５０℃以上では、２００ｋＰａであり、１００℃〜１５０℃では、１００ｋＰａである。また、例えば１００℃以下では、５ｋＰａである。通常運転時の温度よりも低い１００℃（所定の温度）以下における圧力は、正圧（負圧以上）である所定の圧力となるように設定されている。

図４に示されるように、脱硫装置３の停止動作が開始されると、脱硫器７内に液体燃料の導入を停止させるために制御部１５がポンプ１１を停止させると共に入口弁９及び出口弁１２を閉じ（ステップＳ１１）、さらにヒータ８を停止させる（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２の処理の後、圧力計１４によって測定された圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力が圧力Ａ（例えば５ｋＰａ）よりも高いか否かを制御部１５が判断する（ステップＳ１３）。その結果、脱硫器７内の液体燃料の圧力が圧力Ａよりも高い場合には、ステップＳ１３の判断処理に戻る。一方、脱硫器７内の液体燃料の圧力が圧力Ａよりも低い場合には、脱硫器７内に液体燃料を導入させるために制御部１５がポンプ１１を作動させると共に入口弁９を開く（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４の処理の後、圧力計１４によって測定された圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力が圧力Ｂ（例えば４０ｋＰａ）よりも高いか否かを制御部１５が判断する（ステップＳ１５）。その結果、脱硫器７内の液体燃料の圧力が圧力Ｂよりも高い場合には、脱硫器７内への液体燃料の導入を停止させるために制御部１５がポンプ１１を停止させると共に入口弁９を閉じ（ステップＳ１６）、ステップＳ１３の判断処理に戻る。一方、脱硫器７内の液体燃料の圧力が圧力Ｂよりも高い場合には、ステップＳ１５の判断処理に戻る。

以上説明したように、燃料電池システム１の脱硫装置３においては、温度計１３によって測定される温度、すなわち脱硫器７内の液体燃料の温度が通常運転時の温度よりも低い所定の温度以下となった場合に、圧力計１４で測定される圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力が正圧である所定の圧力となるように、制御部１５が、入口弁９、ポンプ１１及び出口弁１２を制御する。従って、例えば運転停止時に、液体燃料の温度の低下に伴って圧力が低下したとしても、正圧である所定の圧力が維持されるので、圧力低下に起因する例えば液体燃料の気化や脱硫器７の破損等といった脱硫器７への悪影響を防止することができる。

また、圧力計１４によって測定される圧力を上昇させる場合には、制御部１５は、ポンプ１１を作動させると共に入口弁９を開いて液体燃料の導入量を増加させると共に、出口弁１２を閉じて液体燃料の導出量を減少させる。一方、圧力計１４によって測定される圧力を低下させる場合には、制御部１５は、ポンプ１１を停止させると共に入口弁９を閉じて液体燃料の導入量を減少させると共に、出口弁１２を開いて液体燃料の導出量を増加させる。これにより、圧力計１４によって測定される圧力、すなわち脱硫器７内の液体燃料の圧力を、迅速に且つ確実に上昇又は低下させることができる。なお、「入口弁９（或いは出口弁１２）を閉じる」とは、弁を完全に閉じて流量が０となる場合だけでなく、弁を不完全に閉じて流量が減少する場合も含む意味である。

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、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。

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。 図２の脱硫装置における運転停止時の温度と圧力との関係を示す表である。 図２の脱硫装置の停止動作を示すフローチャートである。

符号の説明

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、７ａ…脱硫触媒、９…入口弁（液体燃料導入手段）、１１…ポンプ（液体燃料導入手段）、１２…出口弁（液体燃料導出手段）、１３…温度計（温度測定手段）、１４…圧力計（圧力測定手段）、１５…制御部（制御手段）。

Claims (2)

1. 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脱硫器と、
   前記脱硫器内に前記液体燃料を導入させる液体燃料導入手段と、
   前記脱硫器内から前記液体燃料を導出させる液体燃料導出手段と、
   前記脱硫器内の前記液体燃料の温度を測定する温度測定手段と、
   前記脱硫器内の前記液体燃料の圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記液体燃料導入手段及び前記液体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、停止時における温度範囲毎に前記脱硫器内の圧力の目標値をデータテーブルとして記憶しており、停止動作が開始されて前記温度測定手段によって測定される温度と、前記データテーブルに基づいて、前記圧力測定手段によって測定される圧力が前記目標値で設定された正圧である所定の圧力となるように、前記液体燃料導入手段及び前記液体燃料導出手段を制御することを特徴とする脱硫装置。
2. 前記制御手段は、前記圧力測定手段によって測定される圧力を上昇させる場合には、前記液体燃料導入手段による前記液体燃料の導入量を増加させると共に前記液体燃料導出手段による前記液体燃料の導出量を減少させ、前記圧力測定手段によって測定される圧力を低下させる場合には、前記液体燃料導入手段による前記液体燃料の導入量を減少させると共に前記液体燃料導出手段による前記液体燃料の導出量を増加させることを特徴とする請求項１記載の脱硫装置。

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