(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素ガスの改質器を含む水素製造装置を連結した燃料電池発電システムであって、該改質器の前段に、炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用の吸着剤とインジケータ機能付き吸着剤を順次配置した脱硫器を備え、該インジケータ機能付き吸着剤の色相変化を基に該吸着剤の寿命を検知するようにしてなることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
炭化水素ガスの改質器を含む水素製造装置を連結した燃料電池発電システムであって、該改質器の前段に、炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用の吸着剤とインジケータ機能付き吸着剤を順次配置した脱硫器を着脱自在に備え、該インジケータ機能付き吸着剤の色相変化を基に該吸着剤の寿命を検知するようにしてなることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記インジケータ機能付き吸着剤が、ゼオライトにＡｇ及びＣｕから選ばれた１種又は２種の遷移金属をイオン交換により担持させてなるインジケータ機能付き吸着剤であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素ガスの改質器を含む水素製造装置を連結した燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、あるいは固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）といったものが知られている。中でもＰＥＦＣは、作動温度が８０〜１００℃程度という低温で、（１）出力密度が高く、小型化、軽量化が可能である、（２）電解質が腐食性でなく、しかも作動温度が低いため、耐食性の面から電池構成材料の制約がないか少ないので、コスト低減が容易である、（３）常温で起動できるため、起動時間が短い、といった優れた特長を有している。このためＰＥＦＣは、以上のような特長を活かして、業務用や産業用ばかりでなく、一般家庭用などへの適用、普及が期待されている。
【０００３】
それら燃料電池の燃料である水素は、水蒸気改質法や部分燃焼法（部分酸化法）により得られる。このうち水蒸気改質法は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、その他の炭化水素ガス（２種以上の炭化水素の混合ガスを含む）やアルコール類を水蒸気により改質して水素リッチな改質ガスを生成させる方法である。水蒸気改質法では改質器における接触反応によりそれら炭化水素ガスやアルコール類が水素リッチな改質ガスへ変えられる。
【０００４】
図１は水蒸気改質器を模式的に示す図である。概略、バーナあるいは白金等の燃焼触媒を配置した燃焼部（加熱部）と改質触媒を配置した改質部とにより構成される。改質部では炭化水素ガスやアルコール類が水蒸気と反応して水素リッチな改質ガスが生成される。改質部で起こる反応は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部から熱の供給が必要で、６００℃程度以上の温度が必要である。このため燃焼部での燃料ガスの空気による燃焼により発生した燃焼熱（ΔＨ）が改質部に供給される。改質触媒としてはＮｉ系、Ｒｕ系等の触媒が用いられる。
【０００５】
図２は、上記のような水蒸気改質器を用い、炭化水素ガス（原料ガス）からＰＥＦＣに至るまでの態様例を示す図である。都市ガスやＬＰガス等の炭化水素ガスには漏洩保安を目的とする付臭剤として、サルファイド類やチオフェン類、あるいはメルカプタン類などの硫黄化合物が含まれている。水蒸気改質法で用いられる改質触媒は、これら硫黄化合物により被毒し性能劣化を来してしまう。このため炭化水素ガス中のそれらの硫黄化合物は予め除去しておく必要があり、硫黄化合物を除去するために脱硫器へ導入される。次いで、別途設けられた水蒸気発生器（＝スチーム発生器）からの水蒸気を添加、混合して改質器へ導入し、改質器中での原料ガスの水蒸気による改質反応により水素リッチな改質ガスが生成される。
【０００６】
上記付臭剤すなわち硫黄化合物は、具体的には、サルファイド類としてジメチルサルファイド（本明細書中ＤＭＳと略称する）やエチルメチルサルファイドやジエチルサルファイド、チオフェン類としてテトラヒドロチオフェン（同じくＴＨＴと略称する）、メルカプタン類としてターシャリーブチルメルカプタン（同じくＴＢＭと略称する）やイソプロピルメルカプタンやノルマルプロピルメルカプタンやターシャリーアミルメルカプタンやターシャリーヘプチルメルカプタンやメチルメルカプタンやエチルメルカプタンなどである。
【０００７】
一般に添加される付臭剤としてはＤＭＳ、ＴＨＴ及びＴＢＭが多く用いられ、その濃度はいずれも数ｐｐｍである。とりわけ、都市ガスにおいてはＤＭＳ及びＴＢＭの両方を用いるケースがほとんどである。
【０００８】
従来、水蒸気改質法の原料ガスである炭化水素ガスに含まれる硫黄化合物の除去方法としては、水添脱硫法や吸着剤による方法が知られている。ＰＡＦＣなどを用いる比較的規模の大きい燃料電池システムでは、脱硫方式として水添脱硫法が用いられている。一方、ＰＥＦＣなどを用いる一般家庭向けなどの小型の燃料電池システムにおいては常温で簡易に脱硫できることが要求され、吸着剤による方法が用いられている。
【０００９】
吸着剤による方法は、活性炭、金属酸化物、あるいはゼオライトなどの吸着剤に炭化水素ガスを通過させることにより、硫黄化合物を吸着させて除去する方法である。代表的な吸着剤としては、活性炭（特開平９−２６２２７３号）、金属化合物（特公平５−５８７６８号）、ゼオライト（特開平１０−２３７４７３号）等が知られている。吸着剤による方法では、加熱することで吸着能力を増加させる方法もあるが、常温で吸着させる方がそのためのシステムがより簡易になるので望ましい。
【００１０】
吸着剤を用いて常温で硫黄化合物を除去する方法は、水添脱硫法や加熱吸着法のように熱や水素等を必要としないため簡易な脱硫方法である。しかし、吸着剤が硫黄化合物で飽和されてしまうとガス中の硫黄化合物を除去することができなくなるので、交換（取り換え）や再生が必要である。
ところが、上記のような吸着剤は色相変化等のインジケータ機能を有していないため、その寿命については被処理ガス量や吸着剤充填量から寿命を予測して使用するほかはなかった。しかし、今後普及が期待される家庭用燃料電池においては、使用者（一般家庭の人々）がその寿命を予測することは実質的に困難であると考えられる。このため、使用条件によっては、吸着性能を残したまま交換したり、吸着性能をオーバーしてしまうという問題が起こり得る。
【００１１】
この点、浄水、あるいは除湿や生活臭の除去などを目的とした吸着剤や吸着装置には、その色相変化により寿命を正確に知ることができるインジケータ機能に関する技術が報告されている。例えば、特許第２６４７８５４号では浄水器について、特開平７−１７５８２号では除湿剤について、特開平９−６１４号、特公平７−３２８６０号、特開平６−７１１３７号では脱臭剤や脱臭フィルタ等について報告されている。しかし、炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用吸着剤については未だこのような技術は報告されていない。
【００１２】
本発明者等は、都市ガスやＬＰガス等の炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用吸着剤として、疎水性ゼオライトにＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから選ばれた１種又は２種以上の遷移金属をイオン交換により担持させてなることを特徴とする炭化水素ガス中の硫黄化合物吸着剤を先に開発している（特願２０００−２３９５５）。この吸着剤は、炭化水素ガスからの硫黄化合物除去用として、炭化水素ガス中の水分濃度に関わらず、有効に機能する新規且つ有用な硫黄化合物除去用吸着剤である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、上記のような吸着剤に関連する各種吸着剤についてさらに多方面から追求し、その一環として全く偶然にも、ゼオライトに特定の遷移金属をイオン交換により担持させてなる吸着剤が硫黄化合物の吸着に伴い鮮明な色相変化を示し、それ自体インジケータ機能を有していることを見い出した。
本発明は、このようなインジケータ機能を有する吸着剤を利用することにより、都市ガスやＬＰガスなどの炭化水素ガスを原料ガスとし、これを改質して燃料電池の燃料として利用する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は（１）炭化水素ガスの改質器を含む水素製造装置を連結した燃料電池発電システムであって、該改質器の前段に、炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用インジケータ機能付き吸着剤を配置した脱硫器を備え、その色相変化を基に該吸着剤の寿命を検知するようにしてなることを特徴とする燃料電池発電システムを提供する。
【００１５】
本発明は（２）炭化水素ガスの改質器を含む水素製造装置を連結した燃料電池発電システムであって、該改質器の前段に、炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用の吸着剤とインジケータ機能付き吸着剤を順次配置した脱硫器を備え、該インジケータ機能付き吸着剤の色相変化を基に該吸着剤の寿命を検知するようにしてなることを特徴とする燃料電池発電システムを提供する。
【００１６】
本発明は（３）炭化水素ガスの改質器を含む水素製造装置を連結した燃料電池発電システムであって、該改質器の前段に、炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用インジケータ機能付き吸着剤を配置した脱硫器を着脱自在に備え、その色相変化を基に該吸着剤の寿命を検知するようにしてなることを特徴とする燃料電池発電システムを提供する。
【００１７】
本発明は（４）炭化水素ガスの改質器を含む水素製造装置を連結した燃料電池発電システムであって、該改質器の前段に、炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用の吸着剤とインジケータ機能付き吸着剤を順次配置した脱硫器を着脱自在に備え、該インジケータ機能付き吸着剤の色相変化を基に該吸着剤の寿命を検知するようにしてなることを特徴とする燃料電池発電システムを提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、炭化水素ガスの改質器を含む水素製造装置を連結した燃料電池発電システムに関する。そして該改質器の前段に、少なくとも炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用インジケータ機能付き吸着剤を配置した脱硫器を備えることを基本的特徴とする。これにより、該インジケータ機能付き吸着剤の色相変化を基に吸着剤の寿命を検知するようにしてなる。脱硫器には（１）硫黄化合物除去用インジケータ機能付き吸着剤のみを配置してもよく、（２）他の硫黄化合物吸着剤と硫黄化合物除去用インジケータ機能付き吸着剤を順次配置してもよい。
【００１９】
本脱硫器は、図２に示すように改質器の前段に配置される。本発明で用いる改質器は水蒸気改質法による改質器でも部分燃焼法（部分酸化法）による改質器でもよいが、好ましくは水蒸気改質法による改質器が用いられる。図３はスチーム発生器等の補機や配管系統を含めて示した図であり、さらに図４は本燃料電池発電システムを実機として構成する態様例を示す図である。本脱硫器は、これら図３〜４中で脱硫器として示す箇所に配置される。
【００２０】
原料ガスである炭化水素ガス（図３〜４では一例として都市ガスを示している）は、昇圧機、脱硫器（本脱硫器）を経て改質器に導入される。ここで改質ガスとなり、変成器（ＣＯ変化成器）、ＣＯ除去器を経て燃料電池（図３では一例としてＰＥＦＣを示している）に供給される。燃料電池での電力は直流として得られるが、一般家庭などで在来の商業電力と共用する場合には、インバータにより適宜交流に変換して利用される。改質器（燃焼部）からの排ガスはスチーム発生器での熱源として利用され、燃料電池の燃料極オフガスは温水生成用に利用され、電池冷却水は温水として利用される。温水は貯湯槽に貯えられ必要に応じて使用される。
【００２１】
本発明で用いるインジケータ機能付き吸着剤は、炭化水素ガス中の硫黄化合物を吸着するに伴い色相変化をするものであればいずれも使用できるが、好ましくはゼオライトにＡｇ及びＣｕから選ばれた１種又は２種の遷移金属をイオン交換により担持させてなるインジケータ機能付き吸着剤を用いることができる。この吸着剤は、本発明者等が先に開発し、出願している（特願２０００−１２３５２７）。
【００２２】
この吸着剤は、その基材としてゼオライトが用いられる。好ましいゼオライトはＹ型、β型及びＸ型のゼオライトである。そして、ゼオライトにＡｇ及びＣｕから選ばれた１種又は２種の遷移金属をイオン交換により担持させる。すなわち、ゼオライトに対して、上記Ａｇ及びＣｕから選ばれた遷移金属のうちの一方又は両方をイオン交換法により担持させる。
【００２３】
より具体的には、それら金属の化合物を水に溶解して水溶液とし、イオン交換法によりゼオライトに担持させる。各金属の化合物としては、ゼオライトの陽イオンとイオン交換させる必要があるため、水に溶解し、その水溶液中、金属が金属イオンとして存在し得る金属化合物が用いられる。この水溶液をゼオライトと図５に示すように▲１▼撹拌法、▲２▼含浸法、▲３▼流通法等により接触させることにより、ゼオライト中の陽イオンをこれら金属イオンと交換させる。次いで、水等で洗浄した後、乾燥、焼成することにより得られる。
【００２４】
こうして構成されたインジケータ機能付き吸着剤は、炭化水素ガス中の硫黄化合物を吸着するに伴い変色し、視覚的に鮮明な色相変化が起こる。すなわち、各種炭化水素ガス、特に都市ガスやＬＰガス等に含まれる前述サルファイド類、チオフェン類及びメルカプタン類のうちの１種又は２種以上の硫黄化合物を吸着し、その吸着に伴い変色する。本発明においては、このような吸着剤を用いて炭化水素ガス中の硫黄化合物を吸着するとともに、その色相変化を基にその寿命を検知する。
【００２５】
上記ゼオライトにＡｇ及びＣｕから選ばれた１種又は２種の遷移金属をイオン交換により担持させてなる吸着剤は、インジケータ機能に加えて、それ自体硫黄化合物の吸着能も有している。このため、この吸着剤は、（１）それ自体を硫黄化合物の吸着剤として用い、自らの寿命を判定できるインジケータ機能付き吸着剤として用いることができるだけでなく、（２）他の硫黄化合物吸着剤の寿命を判定するインジケータとしても用いることができる。（２）の場合にもインジケータとしての役割に加え、硫黄化合物の吸着剤としての役割も行うことは勿論である。
【００２６】
上記（１）〜（２）からして、脱硫器には（１）硫黄化合物除去用インジケータ機能付き吸着剤のみを配置してもよく、（２）他の硫黄化合物吸着剤と硫黄化合物除去用インジケータ機能付き吸着剤を順次配置してもよい。（２）の場合には、他の硫黄化合物吸着剤とインジケータ付き吸着剤は被処理ガスすなわち炭化水素ガスの流れ方向に順次配置される。これら吸着剤は粒状その他適宜の形で用いられる。他の硫黄化合物吸着剤としては、インジケータ機能は有しないが、硫黄化合物を吸着する吸着剤が用いられ、その例としては活性炭、金属化合物、ゼオライトなど従来知られた吸着剤を用いることができる。
【００２７】
前述のとおり、従来の硫黄化合物吸着剤は色相変化等のインジケータ機能を有していないため、その寿命については被処理ガス量や吸着剤充填量から寿命を予測して使用するほかはなかった。このため、使用条件によっては、吸着性能を残したまま交換したり、吸着性能をオーバーしてしまうという問題があったが、本発明によれば、脱硫器に上記のようなインジケータ機能付き吸着剤を配置しておくことにより、その寿命を目視により容易に検知し、それを基に脱硫器を容易に取り換えることができるものである。
【００２８】
また、本発明の脱硫器は、着脱自在に配置しておくことにより、その寿命を目視により容易に検知し且つ容易に取り換えることができる。この場合、脱硫器の着脱自在の配置は、例えばワンタッチコネクタなど適宜の手段を介して行うことができる。本発明の燃料電池発電システムは、業務用や産業用としてだけでなく、一般家庭用としても適用されるが、脱硫器を特に着脱自在に配置しておくことにより、一般家庭においてもその寿命を目視により容易に検知し且つ別途スパナー等の道具を使うことなく容易に取り換えることができるので実用上も非常に有用である。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例により制限されないことは勿論である。
【００３０】
《実施例１〜４》〈インジケータ機能付き吸着剤の調製〉
ゼオライトとして、▲１▼Ｈ−β型ゼオライト〔東ソー社製、商品名：ＨＳＺー９３０ＨＯＤ、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝２７．４（モル比）〕、▲２▼Ｎａ−Ｙ型ゼオライト〔東ソー社製、商品名：ＨＳＺー３２０ＮＡＤ、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝５．７（モル比）〕、▲３▼Ｎａ−Ｘ型ゼオライト〔東ソー社製、商品名：Ｆ９ーＨＡ、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝２．５（モル比）〕を用いた。これらはいずれも円柱形のペレット（直径１．５ｍｍ、長さ＝３〜４ｍｍ）に成形したものである。一方、酢酸銅、硝酸銀の各金属塩を蒸留水に溶解して、これら各金属塩の水溶液を調製した。
【００３１】
これら各金属塩水溶液を用いて、図５に示す各種イオン交換法により、上記各ゼオライト中の水素イオンやナトリウムイオンをこれら金属イオンと交換させた。表１にこれに用いた各条件等をまとめて示している。その後、１００ｍＬ蒸留水にて５回洗浄し、次いで乾燥、焼成した。表１中、吸着剤名の欄には略号「元素記号（Ｃｕ等）−β」で示しているが、同欄中、例えば「Ｃｕ−β」とはβ型ゼオライトにＣｕをイオン交換により担持させたものの意味であり、Ａｇ−β、Ｃｕ−Ｘ、Ａｇ−Ｙについても同様である。なお、乾燥及び焼成条件は各吸着剤とも同じであり、乾燥は空気中において１００℃で１日行い、焼成は乾燥窒素中において４００℃で２時間行った。こうして、上記各ゼオライトに各金属Ｃｕ、Ａｇをイオン交換により担持させた各供試吸着剤を得た。
【００３２】
【表  １】
0004008210.tif 000002
【００３３】
〈インジケータ機能付き吸着剤による吸着試験及び寿命判定試験〉
図６に示す装置を用いてインジケータ機能付き吸着剤による硫黄化合物の吸着試験及び寿命判定試験を実施した。図６中、吸着管は、内径＝２８．４ｍｍφの円筒状アクリル樹脂製透明管で、これに上記で得た各供試吸着剤を充填し、それぞれについて硫黄化合物の吸着試験及び色相変化による寿命判定試験を実施した。また、比較例として従来の吸着剤を用いて同様の試験を実施した。
【００３４】
試験条件は以下のとおりとした。各供試吸着剤の充填量：４０ｃｃ（２８．４ｍｍφ×６３．２ｍｍｈ）、試験ガス：都市ガス（１３Ａ）、試験ガス中の硫黄化合物濃度：４．４ｍｇ−Ｓ/Ｎｍ3（ＤＭＳ＝５０ｗｔ％、ＴＢＭ＝５０ｗｔ％、これはＤＭＳ＝１．８ｐｐｍ、ＴＢＭ＝１．２ｐｐｍに相当する）、ガス流量：３４０Ｌ／ｈ、ＬＶ（ガスの線速度）＝１５ｃｍ／ｓｅｃ、ＳＶ（空間速度）＝８５００ｈ-1、温度：室温、圧力：常圧。本試験は比較例を含めてすべて同一装置、同一条件で実施した。
【００３５】
表２は上記試験の結果である。表２には、各供試吸着剤に加え、比較例として市販のゼオライト（Ｈ−β＝比較例１、Ｎａ−Ｘ＝比較例２）及び市販の金属酸化物（＝比較例３）、活性炭（＝比較例４）について、上記と同じく試験を行った結果も示している。表２中の試験前の欄に、本試験を実施する前、すなわち硫黄吸着性能がある状態（脱硫性能あり）の剤の色相を示し、試験後の欄に、本試験を実施した後、すなわち硫黄を飽和吸着し硫黄吸着性能がなくなった状態（脱硫性能なし）の剤の色相を示している。
【００３６】
【表  ２】
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【００３７】
表２のとおり、β型ゼオライト（Ｈ型＝比較例１）では、試験前の吸着剤の色相は白色であり、試験後もこの色に変化はなかった。Ｘ型ゼオライト（Ｎａ型＝比較例２）では、試験前の吸着剤の色相は薄茶色であり、硫黄を吸着した試験後もこの色に変化はなかった。さらに、比較例３及び比較例４では、ともに試験前の吸着剤の色相は黒色であり、試験後もこの色に何の変化も認められなかった。これらの試験中、吸着管の出口からガスを経時的にサンプリングし、ガス中の硫黄化合物濃度をＧＣーＦＰＤにより連続的に測定したところ、試験開始からある一定時間経過後、硫黄化合物が検出され、破過が始まっていることが認められたが、上記のとおり吸着剤の色相変化は見られなかった。
【００３８】
これに対して、実施例１（Ｃｕ−β型ゼオライト）では、試験前の吸着剤の色相は青色であり、試験後は緑色に変化し、さらに茶色に変化した。実施例２（Ａｇ−β型ゼオライト）では試験前の吸着剤の色相は白色であり、試験後は茶色に変化した。実施例３（Ｃｕ−Ｘ型ゼオライト）では、試験前の吸着剤の色相は青緑色であり、試験後は茶色に変化した。実施例４（Ａｇ−Ｙ型ゼオライト）では、試験前の吸着剤の色相は白色であり、試験後は茶色に変化した。
【００３９】
また、実施例１〜４のいずれの場合にも、燃料ガス中の硫黄化合物の吸着の進行に合わせ、色相変化は吸着管の入口側から漸次出口側に向けて進み、試験開始から一定時間経過後、変化した色相の先端が吸着管の出口近傍に至ったことが観察された。同時に、これらの試験中、吸着管の出口から処理済ガスを経時的にサンプリングし、ガス中の硫黄化合物濃度をＧＣーＦＰＤにより連続的に測定した。この結果、実施例１〜４のいずれの場合にも、上記色相の変化が吸着管の出口に至った時点からしばらくして硫黄化合物が検出され、破過が始まっていることが認められた。
【００４０】
《実施例５》
図６に示す装置を使用し、その吸着管として後述図９（ｂ）に示すような透明管（円筒吸着管、内径＝２８．４ｍｍφ）を用いた。この透明管の入口側から３６ｃｃに従来の硫黄化合物吸着剤として比較例２で用いたのと同じＮａ−Ｘ型ゼオライトを充填し、これに続きインジケータ機能付き吸着剤として実施例１で用いたのと同じＣｕ−β型ゼオライトを４ｃｃ充填した。この点以外の試験条件は、前記〈インジケータ機能付き吸着剤による吸着試験及び寿命判定試験〉と同様に行った。その結果、試験開始からほぼ５０時間経過後、硫黄化合物吸着剤層に続くインジケータ機能付き吸着剤層に青色から緑色への変色相が観察され始めた。以降、インジケータ機能付き吸着剤層の色相変化の先端が漸次出口側へ移行し、上記色相の変化が吸着管の出口に至った時点からしばらくして硫黄化合物が検出され、破過が始まっていることが認められた。この間、硫黄化合物吸着剤層は薄茶色で、その色相に硫黄化合物の吸着前後で変化はなかった。
【００４１】
《実施例６》
図７〜８は、インジケータ機能付き吸着剤により硫黄化合物を吸着除去するとともに、吸着剤としての自らの寿命を判定する脱硫器を示す図である。本脱硫器は図２、図３、図４中脱硫器として示す箇所に配置されて使用される。
【００４２】
図７中、１は原料ガス（硫黄化合物含有炭化水素ガス）導入管、３はインジケータ機能付き吸着剤を充填した脱硫管、４は脱硫済原料ガスの導出管である。脱硫管３はガラス製やプラスチック製等の透明管で構成される。導入管１から導入される原料ガス中の硫黄化合物は脱硫管２で吸着除去され、脱硫済原料ガスとして導出管４から排出される。脱硫管２中のインジケータ機能付き吸着剤は硫黄化合物を吸着して変色し、変色相は脱硫管２中順次右方向へ進む。変色相の先端が脱硫管２の右端又はその近傍に近づくのを目視により観察することで、インジケータ機能付き吸着剤それ自体が取り換え時期又は再生時期であることが判定される。なお、色相変化は、目視に代えて、カメラ撮影により観察し、その判定を自動化することもできる。
【００４３】
図８（ａ）は、脱硫管のうち、都市ガス（硫黄化合物含有炭化水素ガスの一例）の入口側から所定部分を不透明管とし、その余の部分（その残りの部分）、すなわち脱硫済都市ガスの出口側近傍を透明管とした例である。不透明管はＳＵＳ鋼等の不透明な材料で構成する。この態様では、透明管の部分で色変化が出るのを観察することでインジケータ機能付き吸着剤それ自体が取り換え時期又は再生時期であることが判定される。図８（ｂ）は、脱硫管のうち、都市ガスの入口側から所定部分及び脱硫済都市ガスの出口側から所定部分を不透明管とし、その間の部分を透明管とした例である。この例では、透明管の部分での色変化が出るのを観察することで、インジケータ機能付き吸着剤それ自体の取り換え時期又は再生時期を予測することができる。
【００４４】
《実施例７》
図９はインジケータ機能付き吸着剤を他の吸着剤の寿命判定用インジケータとして用いるとともに、インジケータ機能付き吸着剤でも硫黄化合物の吸着除去を行う例である。他の吸着剤としては、活性炭、金属化合物、ゼオライトなどの硫黄化合物吸着剤が用いられる。図９中、１は原料ガス（硫黄化合物含有炭化水素ガス）導入管、２は他の硫黄化合物吸着剤（インジケータ機能付き吸着剤でない）を充填した管、３はインジケータ機能付き吸着剤を充填した脱硫管（透視管ないし透明管）であり、４は脱硫済原料ガス導出管である。少なくとも透視管３の部分は透明管で構成され、吸着管２の部分は透明管であっても不透明管であってもよい。図９（ｂ）は、そのうち吸着管２及び透視管３ともに透明管で構成した例である。
【００４５】
導入管１から導入される原料ガス中の硫黄化合物は、吸着管２で吸着除去され、透視管３中を通って、脱硫済原料ガスとして導出管４から排出される。吸着管２中の他の硫黄化合物吸着剤が硫黄化合物で飽和し又はこれに近づくと破過が始まるので、原料ガス中の硫黄化合物は透視管３に流れる。硫黄化合物はここでインジケータ機能付き吸着剤に吸着され、吸着に伴いインジケータ機能付き吸着剤が変色する。この色相変化部分の先端は漸次右方向に進み、やがて透視管の右端又はその近傍に至る。この時点を、吸着管２中の硫黄化合物吸着剤及び透視管３中のインジケータ機能付き吸着剤の取り換え時期又は再生時期であると判定し取り換える。
【００４６】
《実施例８》
図１０は他の脱硫器の例を示す図である。図１０（ａ）では、不透明管を、他の硫黄化合物吸着剤の充填部分からインジケータ機能付き吸着剤の充填部分の途中まで延長し、インジケータ機能付き吸着剤の充填部分のうちその残りの部分を透明管で構成している。この例では、透明管の部分での色変化が出るのを観察することで、他の硫黄化合物吸着剤及びインジケータ機能付き吸着剤が取り換え時期又は再生時期であると判定される。脱硫器中の他の硫黄化合物吸着剤は寿命に達し、インジケータ機能付き吸着剤は寿命あるいはほぼ寿命に達しているので、脱硫器自体を新品の（未使用の）脱硫器と取り換えるとよい。
【００４７】
図１０（ｂ）では、他の硫黄化合物吸着剤の充填部分を不透明管で構成し、インジケータ機能付き吸着剤の充填部分を透明管で構成している。この例では、透明管の部分で色相変化が出るのを観察することで、他の硫黄化合物吸着剤が取り換え時期又は再生時期であることが判定される。本発明においては、以上の例のほか、例えば図４中「脱硫器覗窓」として示すように、不透明管に観察用の透明窓（管長手方向の覗き窓）を設けるなど適宜の構成ができることは勿論である。
【００４８】
《実施例９》
図１１は、都市ガス（硫黄化合物含有炭化水素ガスの一例：以下同じ）導管に対して脱硫器を着脱自在に取り付ける例を示す図である。都市ガス導管はテフロン等で構成される。脱硫器は図１１（ａ）のように構成され、容器はその両端にガス導入管とガス導出管を備えた透明管で、その中にインジケータ機能付き硫黄化合物吸着剤が充填されている。使用前の脱硫器は該両導管の端部がキャップ等で塞いである。これを都市ガス導管に取り付ける場合、該キャップ等を取り外し、両導管の端部に凸継手を配置するとともに、これらに相対する都市ガス導管の先端に凹継手を配置する。そして、該各凹継手に対して各凸継手を嵌合させることにより取り付けられる。その際嵌合部にガス漏れ防止の配慮をすることは勿論であり、この点以下の実施例についても同じである。
脱硫器が、その中の吸着剤が寿命あるいはほぼ寿命に達すると、該脱硫器を新品の脱硫器と取り換える。その際には、先ず該各凹継手に対する各凸継手の嵌合を解き離した後、上記と同様にして新品の脱硫器を取り付ける。
【００４９】
《実施例１０》
図１２は、都市ガス導管に対して脱硫器を着脱自在に取り付ける他の例を示す図である。脱硫器は、図１１（ａ）のように管状透明管で構成され、管内にインジケータ機能付き硫黄化合物吸着剤が充填されている。本脱硫器は、それを着脱自在に取り付けるための治具に載置されて取り付けられる。治具は脱硫器のガス導入管の外径に対応した円環状凹部を有し、該凹部の底部には都市ガス導入管の開口が臨ませてある。脱硫器を都市ガス導管に取り付ける場合、脱硫器のガス導入管を治具の円環状凹部に嵌合させる。また、脱硫器のガス導出管に都市ガス導管の先端に設けられた凹継手を嵌合させる。
脱硫器が、その中の吸着剤が寿命あるいはほぼ寿命に達すると、該脱硫器を新品の脱硫器と取り換える。その際には、脱硫器のガス導出管から都市ガス導管の先端に設けられた凹継手を引き離すとともに、脱硫器を治具から引き離して嵌合を解いた後、上記と同様にして新品の脱硫器を取り付ける。
【００５０】
《実施例１１》
図１３は、都市ガス導管に対して脱硫器を着脱自在に取り付ける他の例を示す図である。脱硫器は管状の透明管で構成され、その中央部にガス導出管が配置されている。透明管とガス導出管との間にインジケータ機能付き硫黄化合物吸着剤が充填されている。本脱硫器は、それを着脱自在に取り付けるための治具に載置されて取付けられる。脱硫器の一端にガス導入管とガス導出管の端部が凸状に出ている。使用前の脱硫器は、両導管の端部にシールテープを貼ってシールされている。治具は、脱硫器の該凸状両導管に対応した２個の凹部を有し、該両凹部にはそれぞれ都市ガス導入管と脱硫済都市ガス導出管が連なっている。脱硫器を治具に取り付ける場合、該凸状両導管を治具の該両凹部に嵌合させることにより取り付けられる。シールテープは嵌合前に取り外すが、嵌合時に破壊されるような仕組みを治具の該両凹部に設けておいてもよい。
脱硫器が、その中の吸着剤が寿命あるいはほぼ寿命に達すると、該脱硫器を新品の脱硫器と取り換える。その際には、該脱硫器を治具から引き抜いて取り外した後、上記と同様にして新品の脱硫器を治具に取り付ける。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、炭化水素ガスの改質器を含む水素製造装置を連結した燃料電池発電システムにおいて、該改質器の前段に、炭化水素ガス中の硫黄化合物除去用インジケータ機能付き吸着剤を配置した脱硫器を備えておくことにより、該吸着剤の寿命を容易に検知することができる。また、本脱硫器を着脱自在に配置しておくことにより、その寿命を目視により容易に検知し且つ容易に取り換えることができるなど、実用上も非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】水蒸気改質器を模式的に示す図
【図２】水蒸気改質器を用い、炭化水素ガスからＰＥＦＣに至るまでの態様例を示す図
【図３】スチーム発生器等の補機や配管系統を含めて示した図
【図４】本燃料電池発電システムを実機として構成する態様例を示す図
【図５】インジケータ機能付き吸着剤の製造過程例を示す図
【図６】実施例１で使用した試験装置の概略を示す図
【図７】インジケータ機能付き吸着剤により硫黄化合物を吸着除去するとともに、吸着剤としての自らの寿命を判定する脱硫器を示す図
【図８】インジケータ機能付き吸着剤により硫黄化合物を吸着除去するとともに、吸着剤としての自らの寿命を判定する脱硫器を示す図
【図９】インジケータ機能付き吸着剤を他の吸着剤の寿命判定用インジケータとして用いるとともに、インジケータ機能付き吸着剤でも硫黄化合物の吸着除去を行う例を示す図（実施例７）
【図１０】実施例８を示す図
【図１１】都市ガス導管に対して脱硫器を着脱自在に取り付ける例を示す図（実施例９）
【図１２】都市ガス導管に対して脱硫器を着脱自在に取り付ける他の例を示す図（実施例１０）
【図１３】都市ガス導管に対して脱硫器を着脱自在に取り付ける他の例を示す図（実施例１１）
【符号の説明】
１  硫黄化合物含有原料ガス導入管
２  他の硫黄化合物吸着剤を充填した管
３  インジケータ機能付き吸着剤を充填した管
４  脱硫済原料ガス導出管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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