(57)【要約】【課題】脱硫器の保温性能を高める。【解決手段】脱硫器２１に、外容器である真空容器１７と、脱硫触媒１１を収納した円筒状の内容器１２と、脱硫触媒１１を加熱する電気ヒーター１４などの加熱器と、粒状保温材１３とを備える。真空容器１７の上面には、開口部が形成されている。内容器１２には、真空容器１７の開口部を通過する未脱硫燃料導入管１６および脱硫済燃料排出管１５が接続されていて、真空容器１７の内部に配置されている。電気ヒーター１４は、内容器１２と真空容器１７との間に設けられている。粒状保温材１３は、内容器１２と真空容器１７との間に充填されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる液体燃料を脱硫する脱硫器において、
上面に開口部が形成された外容器と、
前記開口部を通過する未脱硫燃料導入管および前記開口部を通過する脱硫済燃料排出管が接続されて前記外容器の内部に配置されて脱硫触媒を収納した円筒状の内容器と、
前記内容器と前記外容器との間に設けられて前記脱硫触媒を加熱する加熱器と、
前記内容器と前記外容器との間に充填された粒状保温材と、
を有することを特徴とする脱硫器。
【請求項２】
前記粒状保温材は前記内容器の上部を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の脱硫器。
【請求項３】
前記外容器は真空容器であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脱硫器。
【請求項４】
前記内容器は、前記外容器の底面に接していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の脱硫器。
【請求項５】
前記加熱器は、前記内容器の外面に回巻された電気ヒーターであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の脱硫器。
【請求項６】
前記加熱器は、燃焼ガス導入管および燃焼ガス排出管が接続されて前記燃焼ガス導入管から導入された燃焼ガスで前記脱硫触媒を加熱可能な位置に設けられた加熱ジャケットであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の脱硫器。
【請求項７】
固体高分子形燃料電池発電装置と、
上面に開口部が形成された外容器と、前記開口部を通過する未脱硫燃料導入管および前記開口部を通過する脱硫済燃料排出管が接続されて前記外容器の内部に配置されて脱硫触媒を収納した円筒状の内容器と、前記内容器と前記外容器との間に設けられて前記脱硫触媒を加熱する加熱器と、前記内容器と前記外容器との間に充填された粒状保温材と、を備えた脱硫器と、
前記脱硫器から排出された前記脱硫済液体燃料を用いて水蒸気改質反応で水素リッチガスを生成して前記固体高分子形燃料電池発電装置に供給する改質装置と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を脱硫する脱硫器およびそれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
灯油など硫黄分を含む液体燃料を用いる固体高分子型燃料電池システムでは、液体燃料から水素を精製する改質反応を行う際、改質触媒が液体燃料中の硫黄分で被毒し、寿命などの性能が劣化する。改質触媒の硫黄被毒を防止するためには、改質触媒に液体燃料を導入する前段階で、脱硫触媒を用いて液体燃料の硫黄濃度を２０ｐｐｂ程度以下にまで低減する必要がある。
【０００３】
たとえば特許文献１や特許文献２には、Ｎｉを含む脱硫触媒を用いて温度を高温にして脱硫性能を確保し、液体燃料が高温でも蒸発しないように高圧状態を保って脱硫を行うことで、脱硫しにくい環状サルファイドも脱硫可能となる方法が開示されている。また、このような脱硫方法を行う脱硫器が、たとえば特許文献３ないし特許文献６に開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１７５９６６号公報
【特許文献２】特開２００５−１４６０５５号公報
【特許文献３】特開２００４−２６３１１８号公報
【特許文献４】特開２００７−３３２３１８号公報
【特許文献５】特開２００７−２６２１４９号公報
【特許文献６】特開２００８−６３４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献３ないし特許文献６に開示された脱硫器では、保温方法によっては脱硫触媒を２００℃程度の温度に保つために必要なエネルギー量が多くなり、固体高分子型燃料電池システムの発電効率が低下する可能性がある。特に電気ヒーターを用いて温度を保つ場合は、直接的に固体高分子型燃料電池システムの発電量が低下するため、放熱による損失を最小限に抑える必要がある。
【０００５】
しかし、脱硫器には、加熱・保温のために設けられる電気ヒーターや加熱ジャケットや、灯油および加熱媒体の出入口配管などの小さな突起部が多数ある。したがって、単に保温材を配置しても、保温材と脱硫剤を充填した容器との間に隙間ができてしまう。このため、熱伝導率の低い高性能の保温材を用いても、本来保温材が持つ保温性能を引き出せないことが多かった。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池システムの脱硫器の保温性能を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池に用いられる液体燃料を脱硫する脱硫器において、上面に開口部が形成された外容器と、前記開口部を通過する未脱硫燃料導入管および前記開口部を通過する脱硫済燃料排出管が接続されて前記外容器の内部に配置されて脱硫触媒を収納した円筒状の内容器と、前記内容器と前記外容器との間に設けられて前記脱硫触媒を加熱する加熱器と、前記内容器と前記外容器との間に充填された粒状保温材と、を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、燃料電池システムにおいて、固体高分子形燃料電池発電装置と、上面に開口部が形成された外容器と、前記開口部を通過する未脱硫燃料導入配管および前記開口部を通過する脱硫済燃料排出配管が接続されて前記外容器の内部に配置されて脱硫触媒を収納した円筒状の内容器と、前記内容器と前記外容器との間に設けられて前記脱硫触媒を加熱する加熱器と、前記内容器と前記外容器との間に充填された粒状保温材と、を備えた脱硫器と、前記脱硫器から排出された前記脱硫済液体燃料を用いて水蒸気改質反応で水素リッチガスを生成して前記固体高分子形燃料電池発電装置に供給する改質装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池システムの脱硫器の保温性能を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る脱硫器の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る脱硫器の第１の実施の形態における立断面を示す、図２および図３のＩ−Ｉ矢視図である。図２は、図１のII−II矢視横断面図である。図３は、図１のIII−III矢視上面図である。
【００１２】
脱硫器２１は、真空容器１７と、内容器１２と、電気ヒーター１４と、粒状保温材１３とを有している。真空容器１７は、上面に開口部が形成された容器である。真空容器１７は、内壁と外壁の間の空間があり、排気口１８が設けられて円筒状に形成された２重容器である。真空容器１７の内壁と外壁との間の気体を排気口１８から排出し、排気口１８を密閉することにより、真空容器１７の内壁と外壁との間の空間は負圧の状態で保持される。内壁と外壁の間の負圧の空間は、真空容器１７の側面だけでなく、下面にも形成されている。真空容器１７は、たとえばステンレス鋼で形成される。
【００１３】
内容器１２は、円筒状に形成された容器である。内容器１２の内部には、脱硫触媒１１が収納されている。内容器１２は、たとえばステンレス鋼で形成される。脱硫触媒１１は、粒子状に形成されていて、内容器１２の軸方向に離れた２つの整流板１９の間に配置されている。整流板１２は、円環状に加工したステンレス鋼金網や、多孔板などである。
【００１４】
内容器１２には、未脱硫燃料導入管１６および脱硫済燃料排出管１５が接続されている。未脱硫燃料導入管１６は、たとえば内容器１２の上面、２つの整流板１９および脱硫触媒１１を貫通して、下側の整流板１９の下方で開口している。脱硫済燃料排出管１５は、たとえば内容器１２の上面に接続されている。内容器１２は、外容器である真空容器１７の内部に配置されており、未脱硫燃料導入管１６および脱硫済燃料排出管１５はいずれも真空容器１７の上面の開口部を通過している。
【００１５】
電気ヒーター１４は、内容器１２の外面にたとえばらせん状に回巻されている。また、脱硫触媒１１の温度および電気ヒーター１４の温度を測定するために、２つの熱電対１０が設けられている。粒状保温材１３は、粒子状に形成された保温材であって、内容器１２と真空容器１７との間に、たとえば真空容器１７の開口部の位置まで充填されている。このため、内容器１２の上面、ならびに、真空容器１７の開口部を通過する位置よりも下側の未脱硫燃料導入管１６および脱硫済燃料排出管１５の外面は粒状保温材１３で囲まれている。保温材が粒状なので、単に流し込むだけでも、容易に隙間に入り込む。必要であれば、粒状保温材１３を充填した後に、多少振動を加えて、隙間へより入り込みやすくしてもよい。
【００１６】
粒状保温材１３は、内容器１２および電気ヒーター１４などの加熱器が形成する凹凸に比べて小さな粒状に形成された保温材であれば、どのようなものでも用いることができる。たとえば、微細な多孔構造を持つシリカで形成された断熱材粒子を粒状保温材１３として用いることができる。さらに、微細な気泡の大きさが空気の平均自由工程よりも小さなものを用いることにより、より高い保温性能を得ることができる。
【００１７】
環状サルファイドを含む総硫黄濃度が１０ｐｐｍ程度の未脱硫市販灯油など未脱硫の燃料は、ポンプなどの作用によって未脱硫燃料導入管１６の上方から内容器１２へ流入する。なお、未脱硫市販灯油以外であっても、硫黄を含む液体燃料の脱硫であればよい。未脱硫燃料は、未脱硫燃料導入管１６を流下する間に脱硫触媒１１と熱の授受を行いつつ、温度２００℃程度となって内容器１２の下側の整流板１９よりも下部の空間へと流入する。
【００１８】
下部空間に流入した未脱硫燃料は、整流板１９を通過して円環断面上に速度が均一化された後、脱硫触媒１１に下方から流入する。脱硫触媒１１を通過する間に触媒反応の作用により硫黄分が減少した脱硫済の燃料は脱硫触媒１１の上端に到達し、上部の整流板１９を通過して、内容器１２の上側の整流板１９よりも上部の空間へと流入する。この脱硫済燃料は、脱硫済燃料排出管１５から脱硫器２１の外部へ流出する。
【００１９】
このように脱硫された液体燃料は、改質装置に送られて、水蒸気改質反応で水素リッチガスが生成される。水素リッチガスは、固体高分子形燃料電池発電装置に供給されて発電反応に用いられる。
【００２０】
脱硫触媒１１は、電気ヒーター１４によって内容器１２の側面から加熱される。このとき、電気ヒーター１４への通電量は、脱硫触媒１１の温度が１８０℃から２３０℃になるように調整される。粒状保温材１３と真空容器１７の作用によって、脱硫触媒１１からの放熱が抑えられるため、電気ヒーター１４に投入される電力は最小限に抑えられる。
【００２１】
内容器１２の内部の圧力は、液体燃料が蒸発しないように、たとえば０．６ＭＰａ程度の高圧に保たれている。このため、内容器１２は一般的な圧力容器と同様に円筒状に形成されている。また、内容器１２の内部の脱硫触媒１１を加熱するために電気ヒーター１４などの加熱器が必要である。脱硫触媒１１の寿命は、燃料電池システム全体の寿命よりも短いため、脱硫触媒１１は定期的に交換する必要がある。このため、脱硫触媒１１の加熱器は脱硫触媒１１を収納する容器の外部に設けることが好ましい。
【００２２】
脱硫触媒１１を加熱する加熱器を、脱硫触媒１１を収納する内容器１２の外部に設けると、どうしても加熱ヒーター１４などの加熱器と内容器１２との間に隙間が形成されてしまう。しかし、本実施の形態のように、粒子状の保温材を用いることにより、たとえばらせん状に巻かれている電気ヒーター１４の間隙に入り込むことができる。そのため、保温材と内容器１２の間に隙間ができることを抑制でき、隙間内で空気が流動して保温性能が低下する作用を防止することができる。したがって、保温材の持つ本来の保温性能で保温することが可能となり、脱硫器２１の保温性能を高めることができる。
【００２３】
また、未脱硫燃料導入管１６と脱硫済燃料排出管１５とを、内容器１２の上部の粒状保温材の内部に埋設する形で配置している。このため、保温材と配管との間に隙間がなく、上部への放熱を最小限に抑えることができる。さらに外容器を真空容器１７にすることにより、粒状保温材のみを用いて保温構造を形成した場合に比べて、全体として径を小さくすることができる。このため、脱硫器２１自体をコンパクトにでき、かつ放熱面積も小さくすることが可能となる。内容器１２の下面には、電気ヒーター１４や配管を配置していない。このため、真空容器１７の内壁の上面と内容器１２の下面に粒状保温材１３を介在させることなく直接接触させて設置することができ、脱硫器２１全体の容積を小さくできる。
【００２４】
上述の通り、脱硫触媒１１は定期的に交換の必要がある。脱硫触媒１１を交換する際には、内容器１２を引き抜いて、脱硫触媒１１を交換することになる。この際、粒状保温材１３も抜き出しておく。脱硫触媒１１を交換した後、内容器１２を外容器である真空容器１７の内部に配置した後に、粒状保温材１３を流し込むことにより、容易に脱硫触媒１１の交換前の保温構造を再現することができる。
【００２５】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明に係る脱硫器の第２の実施の形態における立断面図である。
【００２６】
本実施の形態の脱硫器２２は、第１の実施の形態における電気ヒーター１４（図１参照）の代わりに、加熱ジャケット４１を設けている。加熱ジャケット４１には、燃焼ガス導入管４２および燃焼ガス排出管４３が接続されている。
【００２７】
燃焼ガス導入管４２から、たとえば２００℃以上の温度の燃焼ガスが加熱ジャケット４１の内部に導入され、内容器１２の側壁を介して脱硫触媒１１へ熱を伝えた後、温度が低下した燃焼ガスは燃焼ガス排出管４３から排出される。脱硫触媒１１の温度は、燃焼ガス温度よりも低い温度となるが、粒状保温材１３と真空容器１７の作用により放熱が抑えられ、加熱ジャケット４１での燃焼ガス温度の低下は抑制される。
【００２８】
このような脱硫器２２であっても、保温材が粒状であるため、加熱ジャケット４１と燃焼ガス導入管４２、真空容器１７と燃焼ガス排出管４３などが形成する複雑な隙間にも保温材が入り込むことができる。このため、隙間内で空気が流動することによる保温性能の低下を抑制することができる。したがって、保温材の持つ本来の保温性能で保温することが可能となり、脱硫器２２の保温性能を高めることができる。
【００２９】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る脱硫器の第１の実施の形態における立断面を示す、図２および図３のＩ−Ｉ矢視図である。
【図２】図１のII−II矢視横断面図である。
【図３】図１のIII−III矢視上面図である。
【図４】本発明に係る脱硫器の第２の実施の形態における立断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…熱電対、１１…脱硫触媒、１２…内容器、１３…粒状保温材、１４…電気ヒーター、１５…脱硫済燃料排出管、１６…未脱硫燃料導入管、１７…真空容器、１８…排気口、１９…整流板、２１…脱硫器、２２…脱硫器、４１…加熱ジャケット、４２…燃焼ガス導入管、４３…燃焼ガス排出管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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