(57)【要約】【課題】車両においてエネルギー発生源に供給される外気から硫黄を除去することができる脱硫装置を提供する。【解決手段】外気を用いた反応により車両の駆動エネルギーを得るエネルギー発生源（燃料電池40）を備える車両用の脱硫装置である。この脱硫装置は、前記エネルギー発生源（燃料電池40）への外気の供給経路の途中で、発生源（燃料電池40）よりも上流側に脱硫室30を備える。この脱硫室30には、硫黄成分を除去する脱硫剤が配されている【選択図】図１
2009185792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外気を用いた反応により車両の駆動エネルギーを得るエネルギー発生源を備えた車両用の脱硫装置であって、
前記発生源への外気の供給経路の途中で、発生源よりも上流側に脱硫室を備え、
この脱硫室には、硫黄成分を除去する脱硫剤が配されていることを特徴とする脱硫装置。
【請求項２】
前記脱硫剤が銀、金、白金、パラジウム又はこれらの合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の脱硫装置。
【請求項３】
前記脱硫剤に含まれる金属が微粒子で、その微粒子の一次粒径が200nm以下であることを特徴とする請求項２に記載の脱硫装置。
【請求項４】
前記脱硫室の上流側又は下流側の少なくとも一方に吸引部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の脱硫装置。
【請求項５】
前記発生源が燃料電池であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の脱硫装置。
【請求項６】
前記発生源が内燃機関であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の脱硫装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に用いられる脱硫装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に対応するため、燃料電池の開発が進められている。この燃料電池は、燃料（水素）極と空気（酸素）極とを備え、燃料極に水素を、空気極に酸素を供給し、水素と酸素を反応させることで電気を発生させる。燃料電池で利用される水素は、例えばメタノールや液化天然ガスなどの炭化水素を改質器で改質することで得られる。また、酸素は外気（空気）を利用している。
【０００３】
ところで、燃料電池の電極や改質器には触媒が用いられており、電池に供給される反応気体に硫黄成分が含有されていると、この触媒が被毒される。一般に、原燃料となる液化天然ガスなどには一定量の硫黄が含有されており、この原燃料を改質器に導入する前に脱硫装置で脱硫することが行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７６７２１号公報  0019〜0021及び図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の技術では、改質器に導入される炭化水素中の硫黄量を低減することはできるが、水素と反応する酸素、つまり外気中に含まれている硫黄を除去することはできない。そのため、燃料電池に供給される反応気体には、結局硫黄が含まれることになり、十分な硫黄の除去ができているとは言い難い。特に、温泉地などでは、空気中の硫黄量が多いと考えられ、このような地域を車両が走行する際には、反応気体中の硫黄の存在が障害となる懸念がある。
【０００６】
また、内燃機関の場合、外気とガソリンなどの燃料とを混合してシリンダ内で燃焼させ、排ガスを三元触媒にて清浄化している。この場合も、外気中に硫黄の含有量が多いと、排ガス中にも硫化物が含まれ、三元触媒が被毒される虞がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、車両においてエネルギー発生源に供給される外気から硫黄を除去することができる脱硫装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の脱硫装置は、外気を用いた反応により車両の駆動エネルギーを得るエネルギー発生源を備える車両用に用いられる。この装置は、前記発生源への外気の供給経路の途中で、発生源よりも上流側に脱硫室を備え、この脱硫室には、硫黄成分を除去する脱硫剤が配されていることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、発生源に外気を供給する経路の途中に脱硫室を設けることで、外気中の硫黄成分を効果的に低減することができる。
【００１０】
本発明の脱硫装置において、前記脱硫剤には銀、金、白金、パラジウム又はこれらの合金を含むものが利用できる。
【００１１】
これらの脱硫剤は、外気中の硫黄成分の除去に好適である。
【００１２】
本発明の脱硫装置において、脱硫剤に含まれる金属は微粒子とし、その微粒子の一次粒径が200nm以下であることが好ましい。
【００１３】
このような微粒の金属を脱硫剤に用いることで、その金属をイオン化しやすくし、一層硫黄と結合させやすくできる。それにより、外気中の硫黄の除去を一層効果的にする。
【００１４】
本発明の脱硫装置において、前記脱硫室の上流側又は下流側の少なくとも一方に吸引部を備えることが好ましい。
【００１５】
脱硫室内を外気が通過する際、圧損が生じる。そのため、脱硫室の上流側又は下流側の少なくとも一方に吸引部を設けることで、外気をエネルギー発生源に供給する際の圧損を補償することができる。特に、脱硫室の下流側に脱硫室内を吸気する吸引部を設けることがさらに好ましい。
【００１６】
本発明の脱硫装置は、前記発生源を燃料電池とすることが挙げられる。
【００１７】
燃料電池は、一般に、空気極に外気を供給する構成であるため、この外気から硫黄を除去すれば、電極の触媒の被毒を効果的に低減できる。
【００１８】
本発明の脱硫装置は、前記発生源を内燃機関とすることが挙げられる。
【００１９】
ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの内燃機関は、一般に、燃料と空気の混合気を燃焼させる構成である。そのため、外気中の硫黄を除去すれば、排ガス中の硫化物量を低減し、三元触媒の被毒を緩和することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の脱硫装置は、車両におけるエネルギー発生源に供給される外気から硫黄成分を効果的に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
＜実施形態１＞
燃料電池車に本発明の脱硫装置を適用した実施形態を図１、図２に基づいて説明する。
【００２２】
この燃料電池車は、図１に示す水素生成装置10、空気供給装置20、脱硫室30および燃料電池40を備える。いずれの構成要素も、車両に搭載され、水素生成装置10で生成した水素と、空気供給装置20及び脱硫室30を経た外気が燃料電池40に供給される。燃料電池40で発電された電力は、図示しないバッテリに蓄電され、バッテリから放電された直流電流を電力変換装置50（インバータ）を介して交流に変換出力し、図示しない走行用モータの駆動に利用する。
【００２３】
水素生成装置10は、原燃料から水素を生成する。より詳しくは、水素生成装置10は、原燃料の導入される脱硫器11、原燃料を水素に改質する改質器12、水素のＣＯ濃度を調整するＣＯ変性器13を備える。
【００２４】
原燃料は水素を生成できるものであれば特に問わない。例えば、ガソリン、灯油、軽油、液化天然ガス、アルコール、エーテル、ナフサ、バイオフューエル等から選ばれる１種、又はこれらの混合物が挙げられる。
【００２５】
脱硫器11は、原燃料内の硫黄成分を低減する。この脱硫器11には、公知の脱硫器が利用できる他、後述する金属微粒子を脱硫剤とする脱硫器11を用いても良い。脱硫器11内には、硫黄と化合物を生成する脱硫剤が収納されている。
【００２６】
改質器12は、脱硫器11で硫黄成分が低減された原燃料を改質して水素を生成する。例えば、水蒸気改質やオートサーマル改質を行って水素を製造する。この改質器12には、公知の構成が利用できる。
【００２７】
改質器12を経て生成された水素は、ＣＯ変性器13に導入され、ＣＯ濃度が燃料電池の特性に影響を及ぼさない程度まで低減される。水素生成装置10で得られた水素リッチガスは、燃料電池40に導入される。
【００２８】
一方、燃料電池40は、燃料極と空気極とを備える公知の構成が利用できる。燃料極には、水素生成装置10で得られた水素が導入される。また、空気極には、次述する空気供給装置20から送られてきた外気が導入される。これら燃料極及び空気極には、各々触媒が用いられている。
【００２９】
空気供給装置20は、外気を取り込み、その外気を燃料電池40側に送り出す。空気供給装置20には、エアブロアなどが利用できる。
【００３０】
ここで、空気供給装置20と燃料電池40との間に脱硫室30が設けられている。この脱硫室30は、図２(A)に示すように、例えば、一端に吸気口、他端に排気口を備える筒状の容器を備え、その内部に脱硫剤31が収納されている。この脱硫室30の容器には、ステンレスなどの金属が好適に利用できる。また、脱硫剤31には、金属微粒子が好適に利用できる。具体的には、銀、金、白金、パラジウム又はこれらの合金が利用でき、とりわけ、銀の微粒子が好ましい。また、金属微粒子のサイズは、微粒子の一次粒径を200nm以下とすることが好ましい。このような微細な金属粒子を用いることで、イオン化しやすく、金属イオンを硫黄に結合しやすくできる。より好ましい金属微粒子の一次粒径は1〜100nmである。この金属微粒子は、例えば、特開2005-248204号公報に記載されているように、水中で金属イオンを還元して析出させることで得ることができる。吸気口から脱硫室30内に導入された外気は、脱硫剤31の粒子の隙間を通って、排出口から排出される。この脱硫剤31を外気（空気）が透過する間に、微粒子を構成する金属元素と化合物を形成して、外気中の硫黄成分が除去される。また、脱硫室30内において、吸気口、排気口の近傍には、各々フィルタ32が設けられている。各フィルタ32は、不織布などが好適に利用でき、外気が脱硫室30を通過する際に、脱硫剤31が脱硫室30から流出することを抑制する。
【００３１】
その他、脱硫剤31の具体的な形態として、液状としてもよい。例えば、一次粒径が200nm以下の金属微粒子と、分子量が200〜30000の分散剤と、分散媒としての水との混合溶媒を含んでいる金属コロイド溶液とする。一次粒径が200nm以下の金属微粒子は金属コロイド溶液中での分散性に優れる。分散剤の分子量が200未満又は30000を超える場合には、金属微粒子を安定に分散させる効果が得られない。好適な分散剤としては、例えば、ポリエチレンイミン、ポリビニルピロリドン等のアミン系の高分子分散剤や、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース等の分子中にカルボン酸基を有する炭化水素系の高分子分散剤、ポバール（ポリビニルアルコール）、或いは１分子中にポリエチレンイミン部分とポリエチレンオキサイド部分とを有する共重合体等の高分子分散剤が挙げられる。分散剤の配合割合は、金属微粒子100重量部当り2〜30重量部が好ましい。配合割合が2重量部未満では、金属微粒子を金属コロイド溶液中に均一に分散させる効果が十分に得られない虞があり、逆に、30重量部を超えると、粘度が高くなりすぎる虞がある。脱硫剤31を液状とした場合、例えば外気を多孔質の散気部材で微細な気泡として金属コロイド溶液中を通すことで脱硫が行える。この液状の脱硫剤を用いる場合、分散媒の水には、不凍液を加えることが好ましい。
【００３２】
その他、脱硫剤31として、金属微粒子を担体に担持させて利用しても良い。担体には、多孔質の無機酸化物や不織布が好適に利用できる。担体の具体例としては、ゼオライト、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、チタニア、珪藻土又は活性炭などが挙げられる。金属微粒子の担体への担持は、金属コロイド溶液を担体に含浸・乾燥させることや、不織布に金属微粒子を接着させることなどが利用できる。
【００３３】
また、図２(B)に示すように、脱硫室30の下流で燃料電池40までの間に、ターボポンプ60（吸引部）を設けても良い。脱硫室30内を外気が通過する際、圧損を生じるため、脱硫室30の下流側からターボポンプ60で脱硫室30内を吸気することにより、この圧損を補償することができ、脱硫室30から燃料電池40への外気の導入を円滑にすることができる。同様のターボポンプを、脱硫室30の下流側のターボポンプ60に代えて、又は下流側のターボポンプ60に加えて、脱硫室30の上流側に設けても良い。その場合、外気の流れを上流側（図の左側）から下流側（図の右側）に付勢するようにターボポンプを設ける。さらに、必要に応じて、ターボポンプ60と燃料電池40との間にエアーフィルタ70を設けても良い。このエアーフィルタ70により、外気中の異物を除去することができる。
【００３４】
以上の構成によれば、車載装置の一つとして、外気の脱硫室30を備えているため、燃料電池40の空気極に供給される外気の硫黄成分を効果的に低減することができる。特に、燃料電池40に外気を供給する直前に脱硫室30で硫黄成分の除去を行っているため、脱硫室30を通過後に再度外気に硫黄が混入される虞もない。その結果、燃料極、空気極の双方に供給される反応気体のいずれからも硫黄成分を十分に除去することができ、燃料電池40の電極に用いた触媒を硫黄の被毒から保護することができる。脱硫剤31は、通常、適宜な期間で交換する必要があるが、脱硫剤40に生成されたAg2Sなどの硫化物は、回収して硫黄を化学的に分離し、金属微粒子を再利用することができる。
【００３５】
なお、上記の実施形態において、水素生成装置10と燃料電池40との間にも別の脱硫室を設ければ、水素生成装置10を出た後の水素リッチガスからもさらに脱硫することができて一層好ましい。この別の脱硫室は、水素よりも硫黄に結合しやすい元素を脱硫剤に用いることが好適である。具体的には、銀、金、白金、パラジウム又はこれらの合金が挙げられる。
【００３６】
その他、水素の貯留タンクを備えている燃料電池車で、水素生成装置10を出た後の水素ガスからも脱硫する場合、タンク内又はタンク外でタンクに連通する水素供給路に脱硫室を設けても良い。タンク内に脱硫室があれば、タンク内の水素ガスからも容易に脱硫できる。また、タンク外の水素供給路に脱硫室を設ける場合、劣化した脱硫剤の交換を容易に行える。
【００３７】
＜実施形態２＞
次に、内燃機関において、本発明脱硫装置を適用した実施形態を図３に基づいて説明する。本実施形態は、ガソリンエンジン45により車両の走行用の動力を得ている点で実施形態１と相違しており、その相違に伴って、実施形態１の水素生成装置や改質器も備えていない。以下、実施形態１との相違点を主として説明する。
【００３８】
ここでは、原燃料のガソリンを図示しないキャブレータを介して霧化し、エアクリーナー25を経て供給される外気と混合気にしてエンジンのシリンダ内に供給する。その際、エアクリーナー25とエンジン45との間に脱硫室30を設けている。この脱硫室30は、実施形態1で示した構成と同様である。
【００３９】
この実施形態によっても、外気中の硫黄成分を脱硫室30で除去できるため、エンジン45に供給される外気に含まれる硫黄成分を低減することができる。それに伴い、エンジン45から排出される排ガスの硫黄化合物量も低減できるため、エンジン45の排ガスを浄化するための三元触媒（図示略）の硫黄による被毒を緩和することができる。本実施形態においても、図２(B)に示すように、ターボポンプやエアーフィルタを脱硫室30の下流に設けても良い。
【００４０】
なお、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の脱硫装置は、内燃機関の自動車のみならず、燃料電池車にも好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態1に係る本発明脱硫装置の説明図である。
【図２】図１の脱硫装置における脱硫室の構成図で、（A）は吸引部のない構成を、(B)は吸引部のある構成を示す。
【図３】実施形態2に係る本発明脱硫装置の説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
10  水素生成装置
11  脱硫器  12  改質器  13  ＣＯ変性器
20  空気供給装置  25  エアクリーナー
30  脱硫室
31  脱硫剤  32  フィルタ
40  燃料電池  45  ガソリンエンジン
50  電力変換装置
60  ターボポンプ
70  エアーフィルタ
【図１】
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【図２】
2009185792.tif 000004
【図３】
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