(57)【要約】本発明は、アノード部（５ａ）及びカソード部（５ｂ）を有する燃料電池スタック（５）と、アノード部で用いられる燃料を改質する改質器（３）と、改質器に燃料を供給する燃料タンク（１）と、を備える燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）に関する。燃料タンクの下流且つ改質器の上流に設けられた脱硫ユニット（２）は、タンクから改質器までの間で燃料の吸着脱硫を行う吸着器（２ａ）を有する。吸着器は、再生流体ライン（１２）によって、燃料電池システムのアノード部及びカソード部並びに／又は内燃機関（１１）と流体接続され、再生流体ライン（１２）によって加熱された流体は、アノード部及びカソード部並びに／又は内燃機関から、吸着器（２ａ）へと送られる。また、本発明は、脱硫吸着物質の熱再生方法と、本発明に係る燃料電池システムを備えた電動車両に関する。
2020515005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード部（５ａ）及びカソード部（５ｂ）を有する燃料電池スタック（５）と、
前記燃料電池スタック（５）の前記アノード部（５ａ）で用いられる燃料を改質する改質器（３）と、
前記改質器（３）に前記燃料を供給する燃料タンク（１）と、
脱硫ユニット（２）と、を備えた燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）であって、
前記脱硫ユニット（２）は、前記燃料タンク（１）の下流且つ前記改質器（３）の上流に設けられ、前記燃料タンク（１）から前記脱硫ユニット（２）を介して前記改質器（３）まで導かれる燃料の吸着脱硫を行う吸着器（２ａ）を有し、
前記吸着器（２ａ）は、再生流体ライン（１２）によって、前記燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）のアノード部（５ａ）及びカソード部（５ｂ）並びに／又は内燃機関（１１）と流体接続され、
前記再生流体ライン（１２）によって加熱された流体が、前記アノード部（５ａ）及びカソード部（５ｂ）並びに／又は前記内燃機関（１１）から、前記吸着器（２ａ）へと送られることを特徴とする燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）。
【請求項２】
前記吸着器（２ａ）は、前記燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）によって運転される少なくとも一つの補助電源ユニット（４）を介し、再生流体ライン（１２）によってアノード部（５ａ）及びカソード部（５ｂ）と流体接続されており、
前記再生流体ライン（１２）によって加熱された流体は、前記補助電源ユニット（４）を介して、前記アノード部（５ａ）及びカソード部（５ｂ）から前記吸着器（２ａ）へと送られることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム（１００ａ，１００ｃ）。
【請求項３】
前記補助電源ユニット（４）は、前記改質器（３）を加熱するように配置された排気ガスバーナーを有し、
前記排気ガスバーナー、特に第１排気ガスバーナーユニット（４ａ）は、前記再生流体ライン（１２）によって前記吸着器（２ａ）と流体接続されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム（１００ａ，１００ｃ）。
【請求項４】
前記排気ガスバーナー、特に第１排気ガスバーナーユニット（４ａ）は、カソード排気ガスを前記排気ガスバーナーに送るため、前記カソード部（５ｂ）の流体接続部と流体接続されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム（１００ａ，１００ｃ）。
【請求項５】
前記吸着器（２ａ）は、アノード部排気ガスを前記吸着器（２ａ）に送るため、前記再生流体ライン（１２）、好ましくは前記再生流体ライン（１２）及び前記アノード部再生流体ライン（１２ａ）によって前記アノード部（５ａ）の流体接続部と流体接続されることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）。
【請求項６】
前記吸着器に送られる加熱流体を加湿する加湿ユニット（６）を、前記補助電源ユニット（４）及び／又は前記内燃機関（１１）の下流且つ前記吸着器（２ａ）の上流において、前記再生流体ライン（１２）に配置することを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）。
【請求項７】
前記吸着器に送られる加熱流体をさらに加熱する追加バーナー（７）を、前記補助電源ユニット（４）及び／又は前記内燃機関（１１）の下流、特に前記加湿ユニット（６）の下流、且つ前記吸着器（２ａ）の上流において、前記再生流体ライン（１２）に配置することを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）。
【請求項８】
前記補助電源ユニット（４）、特に第２排気ガスバーナーユニット（４ｂ）を排気ガス流体ライン（１３）に配置し、前記吸着器（２ａ）の排気ガスを、前記吸着器（２ａ）の下流において前記燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）の周囲に排出することを特徴とする請求項２から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）において燃料の吸着脱硫による脱硫吸着物質の熱再生を行う方法であって、
前記吸着器（２ａ）は、再生流体ライン（１２）によって、前記燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）のアノード部（５ａ）及びカソード部（５ｂ）並びに／又は内燃機関（１１）と流体接続され、
前記脱硫吸着物質の熱再生のために、前記再生流体ライン（１２）によって加熱された流体を、前記アノード部（５ａ）及びカソード部（５ｂ）並びに／又は前記内燃機関（１１）から前記吸着器（２ａ）に送り当該吸着器（２ａ）を加熱することを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記吸着器（２ａ）は、前記燃料電池システム（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）によって運転される少なくとも一つの補助電源ユニット（４）を介し、再生流体ライン（１２）によって前記アノード部（５ａ）及び前記カソード部（５ｂ）と流体接続され、
前記脱硫吸着物質の熱再生のために、前記再生流体ライン（１２）によって加熱された流体を、前記アノード部（５ａ）及びカソード部（５ｂ）から前記補助電源ユニット（４）を介して前記吸着器（２ａ）に送ることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記補助電源ユニット（４）は、前記改質器（３）を加熱するように配置された排気ガスバーナーを有し、
前記排気ガスバーナー、特に第１排気ガスバーナーユニット（４ａ）は、前記再生流体ライン（１２）によって前記吸着器（２ａ）と流体接続され、
前記脱硫吸着物質の熱再生のため、前記再生流体ライン（１２）によって加熱された流体を前記排気ガスバーナーから前記吸着器（２ａ）へと送ることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記吸着器（２ａ）は、アノード部排気ガスを前記吸着器（２ａ）に送るため、前記再生流体ライン（１２）によって前記アノード部（５ａ）の流体接続部と流体接続され、
酸素含有環境下における前記吸着器の吸着剤の活性度を表す活性値を検出し、
前記活性値が所定閾値未満であると判断されると、前記脱硫吸着物質の熱再生の一部として、前記再生流体ライン（１２）を介してアノード部排気ガスを前記排気ガスバーナーに送ることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
加湿ユニット（６）を、前記補助電源ユニット（４）及び／又は前記内燃機関（１１）の下流且つ前記吸着器（２ａ）の上流に配置し、
前記加熱流体を、前記吸着器（２ａ）に送るより前に、前記吸着器（２ａ）の上流において前記加湿ユニット（６）によって加湿することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
追加バーナー（７）を、前記補助電源ユニット及び／又は前記内燃機関（１１）の下流、特に前記加湿ユニット（６）の下流で、且つ前記吸着器（２ａ）の上流に配置し、
前記吸着器（２ａ）の上流において前記再生流体ライン（１２）で前記加熱流体の温度を検出し、
前記検出した加熱流体の温度が所定閾値未満であると判断されると、前記吸着器（２ａ）の上流の前記加熱流体を、前記吸着器に送るよりも前に、前記追加バーナー（７）を用いてさらに加熱することを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記脱硫吸着物質の熱再生の範囲において以下のステップを実行することを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法：
−前記アノード部（５ａ）と前記カソード部（５ｂ）及び／又は前記補助電源ユニット（４）から、並びに／又は前記内燃機関（１１）からの加熱流体を用いて、前記吸着器（２ａ）の吸着剤を第１温度まで加熱するステップ、
−前記第１温度よりも高い第２温度で、前記燃料の吸着成分を分解し、前記分解した成分を蒸発させるステップ、
−前記第２温度よりも高い第３温度で、中間生成物を分解し、前記吸着剤を再生するステップ、及び
−前記吸着剤及び／又は前記吸着器（２ａ）を、前記第１温度よりも低い第４温度まで冷却するステップ。
【請求項１６】
前記第１温度が１００℃〜３５０℃の範囲、特に約１５０℃〜約３００℃の範囲、前記第２温度が３５０℃〜４５０℃の範囲、特に約４２０℃〜約４４０℃の範囲、及び／又は前記第３温度が４５０℃〜５５０℃の範囲、特に約４８０℃〜約５３０℃の範囲であることを特徴とする請求項１５に係る方法。
【請求項１７】
請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備え、
請求項９から１６のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されることを特徴とする電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モバイル用途（特に電動車両の燃料電池システム）において燃料の吸着脱硫から生じる脱硫吸着物の熱再生方法に関する。また、本発明は、当該方法を行う燃料電池システムを備えた電動車両及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
当該技術分野において、燃料電池システム用の脱硫燃料（desulphuring fuels）、特に液体燃料に関する種々の装置及び方法が知られている。通常、水酸化脱硫処理（hydrogenating desulphurization）と吸着脱硫処理（adsorptive desulphurization）とは区別されるところ、周知の水酸化脱硫方法では、吸着脱硫方法よりも相当高い温度で脱硫化が行われる。
【０００３】
欧州特許第２９８５８３０号公報に開示される燃料電子システムは、水酸化脱硫処理を行う。水酸化脱硫方法の一部として、カソード排気ガスが脱硫ユニットの熱交換器に導入される。また、アノード排気ガスは、熱及び水素を導入するため、脱硫触媒に直接送られる。このため、水素供給ユニットは別体として設けられる。欧州特許第２９８５８３０号公報によれば、触媒法により、硫黄の原料が熱によって分解され、水素及びアノード排気ガスと混合されて硫化水素を形成し吸着される。しかし、当該水酸化脱硫処理は、処理後の余韻が長く、高温高圧での処理を必要とするため、静的な用途にのみ適している。
【０００４】
したがって、モバイル用途においては、吸着脱硫処理が一つの選択肢となり得る。しかしながら、吸着脱硫処理の場合、モバイル用途で実行するのが困難であり、複雑な構造及び高いコストの要因となる溶媒又は熱再生に依存する再生手段が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、少なくとも部分的に、上述した問題に対処することにある。即ち、本発明の目的は、モバイル用途に簡易且つ省スペースで適用でき、効果的で費用対効果の高い燃料電池システム用燃料の脱硫処理を用いた、燃料電池システム、方法及び電動車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、特許請求の範囲の記載により解決される。即ち、上記目的は、請求項１に係る燃料電池システム、請求項８に係る方法、及び請求項１５に係る電動車両により解決される。また、本発明の更なる利点は、従属項、明細書、及び図面から得られる。本燃料電池システムに関連して記載される特徴及び詳細は、本発明に係る方法や電動車両にも当然に適用され、その逆もそれぞれ成立する。したがって、本発明の態様の開示に際しては、各態様を随時相互に参照することができる。
【０００７】
本発明の第１の態様に関し、燃料電池システムが開示される。当該燃料電池システムは、アノード部及びカソード部を有する燃料電池スタックを備える。燃料電池システムは、さらに燃料電池スタックのアノード部で用いられる燃料を改質する改質器を備える。また、燃料電池システムは、改質器に燃料を供給する燃料タンクを備える。燃料タンクの下流且つ改質器の上流には、吸着器を備えた脱硫ユニットが配置され、当該吸着器は、燃料タンクから当該脱硫ユニットを介して改質器へと導かれる燃料を吸着脱硫する。吸着器は、流体再生ラインによって、燃料電池システムのアノード部とカソード部及び／又は内燃機関と流体接続される。流体再生ラインによって加熱された流体は、アノード部とカソード部から、及び／又は内燃機関から、吸着器へと送られる。
【０００８】
本発明の別の態様においては、吸着器が、燃料電池システムによって運転される少なくとも１つの補助電源ユニットを介し、再生流体ラインによってアノード部及びカソード部と流体接続される。再生流体ラインによって加熱された流体は、アノード部とカソード部から補助電源ユニットを介して吸着器へと送られる。上記の通り、再生流体ラインによって加熱された流体は、補助電源ユニットから及び／又は（例えば、ハイブリッド車の内燃機関を含む燃料電池システムの用途において）内燃機関から吸着器又は該吸着器の吸着剤へと送られるため、燃料電池システムにおいて既存の熱エネルギを用いて加熱をすることができる。このため、吸着器及びその吸着剤を効果的に加熱して熱再生することができる。電気抵抗を用いた加熱装置のような、追加の装置を必要としないため、当該燃料電池システムは、特に省スペースでも利用することができる。本発明に係る燃料電池システムを用いることで、続いての再生処理が非常に重要となる吸着脱硫も、効率的且つ低コストで実行することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、特に硫黄成分に対する高い耐性を持つＳＯＦＣ系（Solid Oxide Fuel Cell：固体酸化物燃料電池）を含むあらゆる燃料電池システムに対して悪影響を与える燃料中の硫黄成分を、実質瞬時に、効率的且つ効果的に除去することができる。したがって、モバイル用途での燃料電池システムを、基本的にはあらゆる燃料で運転することができる。
【００１０】
燃料は、再生燃料として燃料電池スタックのアノード部に供給され、化学反応の一部として電気エネルギを生成するものである。即ち、アノード部での燃料使用は、燃料電池スタックを用いて電気エネルギを生成するためのものである。かかる目的のため、燃料タンクには液体として燃料を保管しておくことが好ましい。したがって、脱硫装置は、特に液体燃料の脱硫化用途に適している。
【００１１】
本発明の一変形例にあっては、燃料電池システムはＳＯＦＣ系として構成される。吸着器が燃料電池の内燃機関と流体接続された実施形態では、上述の通り、ハイブリッド電動車両のハイブリッドシステムとして燃料電池システムを構成することができる。内燃機関により加熱された流体は内燃機関からの排気ガスとなるが、これまでの燃料電池システムにおいて、当該排気ガスは大部分が使用されることなく大気に放出されてきた。そこで、内燃機関からの排気ガスを本発明に係る脱硫ユニットや吸着器に再循環させることで、補助電源ユニットの加熱流体を用いる場合に比して、既存の熱源を効率的且つ低コストで吸着器やその吸着剤の再生に利用することができる。
【００１２】
加熱流体は再生流体ラインを介して吸着器（の内部）に導入され、脱硫吸着物質の熱再生のために吸着器及びその吸着剤が加熱される。加熱流体を吸着器に導入することで、吸着器の吸着剤に対して特に効率的な熱入力を行うことができる。また、脱硫吸着物質を吸着器から効率的に除去することができる。
【００１３】
本燃料電池システムの発明において必須な特徴は、従来の燃料電池システムにも容易に適用することができることにある。即ち、アノード部及びカソード部、及び／又は少なくとも１つの補助電源ユニット、及び／又は内燃機関から吸着器までの再生流体ラインのみを既存の燃料電池システムに配管し、各要素への必要な接続のみ行えばよい。かかる変更は、低コスト且つ少ないスペースで実現することができる。
【００１４】
吸着剤にはAg-Al2O3を用いるのが好ましい。本発明の範囲における種々の試験により、かかる吸着剤を本燃料電池システムに用いることの有用性、特にベンゾチオフェン（ＢＴ）及びジベンゾチオフェン（ＤＢＴ）並びにこれらの誘導体等の吸着に非常に適していることが示されている。
【００１５】
再生流体ラインは、複数の流体接続部を有していてもよい。複数の流体接続部は、交差していても良く、バルブによって切り替えられたり分離されていたりしてもよい。また、流体接続部は１つ以上のユニット（例えば、燃料電池システムにより運転される少なくとも１つ以上の補助電源ユニット）によって分けられていてもよい。
【００１６】
燃料電池システムによって運転される（又は運転可能な）少なくとも１つの補助電源ユニットとは、燃料電池システムの動作によってのみ起動又は完全に起動される、当該燃料電池システムの機能ユニットを意味する。
【００１７】
本発明の他の実施形態では、燃料電池システムの補助電源ユニットが、再生器加熱用に再生器に設けられた排気ガスバーナーを備える。当該排気ガスバーナー（具体的には、第１排気ガスバーナーユニット）は、再生流体ラインにより吸着器と流体接続している。本発明の開発中に行われた試験では、吸着器の吸着剤の加熱・再生には、当該吸着剤との効率的且つ安全な化学反応という面で、排気ガスバーナーから出た加熱流体が特に適していることが示されている。排気ガスバーナーは、再生器の周りにリング状に設けられることが好ましく、本発明のある変形例においては、フロー技術の面で互いに分離した第１排気ガスバーナーユニット及び第２排気ガスバーナーユニットを有し、例えば、それぞれ半環状に構成される。これにより、可能な限り広い接触面積を確保しながら再生器を加熱することが可能になる。また、燃料電池システムに対し、省スペース化を実現しつつ可能な限り大きな排気ガスバーナーを設けることができる。即ち、吸着器の吸着剤を加熱・再生するため、可能な限り多くの加熱流体を供給することができる。なお、流体接続は、簡易且つ省スペース化された方法で、排気ガスバーナーと吸着器との間で実現される。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、排気ガスバーナー（特に、第１排気ガスバーナーユニット）をカソード部の流体接続部と流体接続させ、再生流体ラインを介してカソード部排気ガスを排気ガスバーナーに送るようにすることができる。即ち、排気ガスバーナーは、カソード部から排気ガスバーナーへと送られるカソード部排気ガスを、特にアノード排気ガスの濃縮によって、少なくとも一部変換させるものとして理解することができる。かかる目的のため、排気ガスバーナーは、カソードガスを（好ましくは炎を出さずに）燃焼・加熱する触媒を有する。始動バーナーも排気ガスバーナーに設けても良く、これにより、特に燃料電池システムの始動時に、排気ガスバーナー及びその内部を通る排気ガスを加熱することができる。カソード排気ガスを用いることにより、既に加熱されている流体を、排気ガスバーナーによってさらに加熱することができる。よって、吸着器の吸着剤を効率的に再生することができる。
【００１９】
さらに、本発明の燃料電池システムにあっては、アノード部排気ガスを再生流体ライン（好ましくは、再生流体ライン及びアノード再生流体ライン）を介して吸着器に送るために、吸着器とアノード部の流体接続部とが流体接続されていることが好ましい。これにより、吸着剤が用いられている場合に、酸素含有雰囲気下で活性しておらず、低減環境下における活性の必要のある吸着器にアノード排気ガスを供給することができる。再生流体ラインの当該独創的な実施形態により、吸着剤を用いる際の高い柔軟性を確保できる。即ち、燃料電池システムを柔軟に利用することができる。スペースを必要とする複雑な追加要素も不要である。
【００２０】
また、本発明の燃料電池システムでは、吸着器に送られる加熱流体の加湿を行う加湿ユニットが、補助電源ユニット及び／又は内燃機関の下流で、且つ吸着器の上流において再生流体ライン上に設けられる。本発明の範囲において行われた実験では、補助電源ユニット（特に排気ガスバーナー）からの排気ガスが、脱硫吸着物質の再生に肯定的な効果を持つことが示された。
【００２１】
通常、排気ガスの成分は再生能力に多大な影響を及ぼす。例えば、ベンゾチオフェンを用いた試験では、再生された脱硫吸着物質の硫黄含有量が、（従前の空気の使用による）１．３ｍｇ／ｇから０．９ｍｇ／ｇまで減少することが確認された。また、同様の現象を様々な試験において確認することができた。かかる知見から、補助電源ユニットの排気ガス中における水分含有量の増加によって上記効果が導かれることが発見され、この発見はさらなる実験によって確認された。したがって、水又は水蒸気を加熱流体に添加することで脱硫吸着物質の再生に対して肯定的な効果を得ることができる。そして、本加湿ユニットによってかかる効果が得られる。また、加熱排気ガス中の水分含有量を増やすことで、吸着器への熱入力を増やすことができる。
【００２２】
本発明に係る燃料電池システムの場合、吸着器に送られる加熱流体をさらに加熱させる追加のバーナーを、補助電源ユニット及び／又は内燃機関の下流（特に加湿ユニットの下流であって）、且つ吸着器の上流において、再生流体ラインに設けることがさらに好適である。追加のバーナーは、燃料（及び吸着剤）の十分な加熱を確実に行うための緊急時用の手段である。これにより、脱硫吸着物質の再生を確実に行うことができる。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、吸着器の下流において、排気ガスを吸着器から燃料電池システムの大気中に放出するために、排気ガス流体ラインに補助電源ユニット（特に、第２排気ガスバーナーユニット）を設けることが好ましい。かかる構成により、脱硫吸着物質をより容易に除去すると共に、当該補助電源ユニットにおいてさらなる処理を施すことができる。補助電源ユニットは、改質器の周りに環状に配置された排気ガスバーナーを有するのが好ましい。本発明の変形例として、当該排気ガスバーナーは、フローとして互いに分離すると共に、例えばそれぞれ半環状に構成された第１排気ガスバーナーユニット及び第２排気ガスバーナーユニットとして構成される。当該排気ガスバーナー（特に、第１排気ガスバーナーユニット）は、再生流体ラインを介して吸着器の吸着器入口と流体接続される。第２排気ガスバーナーユニットは、排気ガス流体ラインを介して吸着器の吸着器出口と流体接続される。したがって、フロー技術の面において、脱硫ユニット上流の排気ガスバーナーユニットは、脱硫ユニット下流の排気ガスバーナーユニットと分離される。この結果、燃料電池システムを小型化することができる。
【００２４】
本発明の別の態様では、上記した燃料電池システムにおける燃料の吸着脱硫により脱硫吸着物質の熱再生を行う方法を提供する。既に述べたように、吸着器は、再生流体ラインにより、燃料電池システムのアノード部及びカソード部並びに／又は内燃機関と流体接続される。脱硫吸着物質の熱再生を行う上で、再生流体ラインで加熱された流体が、アノード部及びカソード部から、並びに／又は内燃機関から、吸着器に送られて当該吸着器を加熱する。
【００２５】
別の方法では、吸着器は、再生流体ラインにより、燃料電池システムによって運転される少なくとも１つの補助電源ユニットを介してアノード部及びカソード部と流体接続される。脱硫吸着物質の熱再生のために、再生流体ラインで加熱された流体は、アノード部及びカソード部から補助電源ユニットを介して吸着器へと送られる。
【００２６】
したがって、本発明に係る方法は、本発明に係る燃料電池システムに関して詳述したものと同様の利点を有する。本発明の範囲における種々の試験により、吸着脱硫用の吸着剤としてAg-Al2O3が特に適していることが示されている。したがって、本方法ではAg-Al2O3を用いるのが好ましい。上記の通り、燃料電池システム内に既存の加熱流体を用いることで、Ag-Al2O3の完全再生を効率的に実現できる。例えば、ベンゾチオフェン（ＢＴ）、ジベンゾチオフェン（ＤＢＴ）、又はこれらの誘導体の吸着後におけるAg-Al2O3の十分な熱再生を効率的に実現できる。
【００２７】
本発明の別の態様では、補助電源ユニットは、再生器を加熱するための排気ガスバーナーを備える。当該排気ガスバーナー（特に、第１排気ガスバーナーユニット）は、再生流体ラインを用いて吸着器と流体接続される。また、脱硫吸着物質の熱再生のために、再生流体ラインで加熱された流体が排気ガスバーナーから吸着器へと送られる。上記の如く、本発明の変形例にあっては、排気ガスバーナーは、フローとして互いに分離すると共にそれぞれ半環状に構成された第１排気ガスバーナーユニット及び第２排気ガスバーナーユニットを有する。これにより、対応する装置の特徴として既述した効果が得られる。
【００２８】
また、本方法発明において、アノード部排気ガスを吸着器に送るため、再生流体ラインを用いて吸着器とアノード部の流体接続部とを流体接続してもよい。そして、酸素含有環境下における吸着器の吸着剤の活性を示す活性値を検出し、活性値が所定閾値未満であると判断された場合、アノード部排気ガスを（例えば、排気ガスバーナーを介して）吸着器に送る。なお、アノード排気ガスの低減効果を最大限活用するためには、当該アノード排気ガスを吸着器に直接送るのが有利である。これにより、仮に硫黄を含む異なる燃料が用いられる場合であっても、燃料電池システムの安定的な運転と脱硫吸着物質の安定的な再生とを確保できる。活性値は適当なセンサ（具体的には、吸着剤の材料組成を測定する適当な材料センサ）を用いて検出できる。
【００２９】
本発明の別の変形例では、補助電源ユニット及び／又は内燃機関の下流で、且つ吸着器の上流に加湿ユニットを設けてもよい。吸着器の上流の加熱流体は、吸着器に送られる前に加湿ユニットによって加湿される。上記の通り、所定高水分量を持つ加熱流体は、脱硫吸着物質の再生効率を驚くほど向上させる。また、例えば適当な湿度センサを用いて加熱流体の水分量を検出し、検出した水分量が所定閾値を下回る場合に加湿ユニットを用いて加熱流体を加湿するように構成してもよい。なお、加熱流体の水分量を所定水分量に調整するようにしてもよい。これにより、所望の方法で望ましい再生効果を得ることができる。本発明の範囲において行われた試験では、適度に加湿された加熱流体を用いることで、特に低温で所望の熱再生を実行できることが確認できた。即ち、加熱流体の水分量を増加させることで、再生に必要な動作温度を、例えば、およそ５２５℃から４５０℃に低下させることができる。これにより、脱硫吸着物質の再生をより効率的に実行できる。
【００３０】
また、本発明に係る方法では、補助電源ユニット及び／又は内燃機関の下流（特に、加湿ユニットの下流）で、且つ吸着器の上流に別のバーナーを設けることも好ましい。そして、吸着器上流の再生流体ラインにおいて加熱流体の温度を検出し、検出した加熱流体の温度が所定閾値を下回ると判断した場合、当該別のバーナーにより、加熱流体が吸着器に送られるよりも前に、吸着器上流の加熱流体をさらに加熱する。これにより、吸着器内の加熱流体を、常に所望の高温度に保つことができる。なお、温度は少なくとも一つの温度センサにより検出することができる。当該少なくとも一つの温度センサは、再生流体ライン及び／又は補助電源ユニットに設けることができる。また、吸着器内の加熱流体の温度又は再生温度を調整するために、内燃機関からの排気ガスを大気と混合させてもよい。例えば、加熱流体の温度が高すぎると判断された場合には、加熱流体を大気と混合させる。これにより、加熱流体の温度を、簡易で低コスト且つ省スペースな手段で制限できる。
【００３１】
さらに、本発明に係る方法では、脱硫吸着物質の熱再生中に以下の処理を施すことができる：
−アノード部とカソード部（５ｂ）及び／若しくは補助電源からの加熱流体、並びに／又は内燃機関からの加熱流体を用いて、吸着器の吸着剤を第１温度まで加熱する処理と、
−第１温度よりも高い第２温度で、燃料の吸着成分を分解すると共に分解した成分を蒸発する処理と、
−第２温度よりも高い第３温度で中間生成物を分解し吸着剤を再生する処理と、
−吸着剤及び／又は吸着器を第１温度よりも低い第４温度まで冷却する処理。
【００３２】
本アプローチの効果は、本発明の内容に沿って行われた実験により証明されている。本発明において加熱流体を用いて第３温度まで加熱することは対応する利点である。吸着剤の冷却は、好ましくは、吸着器を洗い流すための空気を用いて行われるため、コストパフォーマンスがよい。なお、空気による洗浄は、ブロワーを用いて行うのが好ましい。
【００３３】
本発明に係る方法では、第１温度の範囲を１００℃から３５０℃の間、特に約１５０℃から約３００℃の間とし、第２温度の範囲を３５０℃から４５０℃、特に約４２０℃から約４４０℃の間とし、及び／又は第３温度の範囲を４５０℃から５５０℃の間、特に４８０℃から５３０℃の間とすると有利である。これらの値は、脱硫吸着物質の効果的な再生に関する最善の結果を達成すべく行われた種々の実験結果に基づく。第３温度は、４５０℃から５３０℃の間、特に５００℃から５３０℃の間とするのが好ましい。加熱流体の湿度が所望の値にある場合、上述したように、第３温度は４５０℃から４６０℃の間が好ましい。
【００３４】
上記の通り、本発明の別の態様では、上述した方法を実行するように構成された、燃料電池システムを有する電動車両を提供する。したがって、本発明に係る電動車両においても、本発明に準ずる燃料電池システム及び本発明に準ずる方法に関して説明した上記利点が妥当する。内燃機関を用いる場合には、当該車両をハイブリッド車両として構成するのが好ましい。
【００３５】
本発明をさらに発展させる手法は、図示した本発明の種々の実施形態に関する以下の説明から得られる。特許請求の範囲、発明の詳細な説明、あるいは詳細な構造や空間配置を含む図面から得られる全ての特徴及び／又は利点は、本発明自身及びその種々の組み合わせにとって必須の要素であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る方法を説明するフローチャートである。
【図５】実施形態に係る方法を説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１から５において、同一の機能及び作用を持つ要素は同一の符号で示す。
【実施例】
【００３８】
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００ａを示す。燃料電池システム１００ａは、アノード部５ａ及びカソード部５ｂを有する燃料電池スタック５を備える。また、燃料電池システム１００ａは、燃料電池スタック５のアノード部５ａで使用される燃料を改質させる改質器３を備える。さらに、燃料電池システム１００ａは、改質器３に燃料を供給する燃料タンク１を有する。燃料の吸着脱硫を行う吸着器２ａを有する脱硫ユニット２は、燃料タンク１の下流で改質器３の上流に設けられる。なお、燃料は、脱硫ユニット２を介して、燃料タンク１から改質器３へと流れる。
【００３９】
吸着器２ａは、再生流体ライン１２により、燃料電池システム１００ａにより運転される補助電源ユニット４に流体接続される。補助電源ユニット４は、排気ガスバーナー４ａ，４ｂを備えることから、再生流体ライン１２を通って補助電源ユニット４から吸着器２ａへと加熱流体が送られる。
【００４０】
破線で示される変形例では、アノード再生流体ライン１２ａによって吸着器２ａが追加的に（あるいは直接的に）燃料電池スタックに接続される。これにより、燃料電池スタック５のアノード排気ガスが吸着器２ａに送られる。また、カソード再生流体ライン１２ｂにより、燃料電池スタック５のカソード排気ガスが吸着器２ａに送られる。
【００４１】
排気ガスバーナー４ａ，４ｂは、改質器３を加熱するためにその周囲に環状に配置される。排気ガスバーナー４ａ，４ｂは、フロー技術の点において互いに分離した第１排気ガスバーナーユニット４ａ及び第２排気ガスバーナーユニット４ｂを有するように構成される。第１排気ガスバーナーユニット４ａ及び第２排気ガスバーナーユニット４ｂは、いずれも、例えば半環状に構成される。また、第１排気ガスバーナーユニット４ａも、再生流体ライン１２を通してカソード部排気ガスを排気ガスバーナーに送るために、カソード部５ｂと流体接続される。
【００４２】
図１に示す燃料電池システム１００ａでは、吸着器２ａは、アノード部排気ガスを吸着器２ａに送るため、再生流体ライン１２又はアノード再生流体ライン１２ａを用いてアノード部５ａの流体接続部と流体接続される。
【００４３】
また、吸着器に送られる加熱流体を加湿する加湿ユニット６が、補助電源ユニット４（特に、第１排気ガスバーナーユニット４ａ）の下流で、且つ吸着器２ａの上流において、再生流体ライン１２に設けられる。補助電源ユニット４（特に、第１排気ガスバーナーユニット４ａ）及び加湿ユニット６の下流で、吸着器２ａの上流には、吸着器に送られる加熱流体をさらに加熱する追加バーナー７が設けられる。
【００４４】
補助電源ユニット４（特に、第２排気ガスバーナーユニット４ｂ）は、吸着器２ａの排気ガスを大気、又は吸着器２ａの下流に設けられる燃料電池システム１００ａの出口１０へと排出する排気ガス流体ライン１３に設けられる。
【００４５】
また、燃料電池システム１００ａは、吸着器２ａを洗い流すためのブロワー８も吸着器２ａに流体接続されている。なお、ブロワー８は、カソード部５ｂを予熱するべくカソード部５ｂに流体接続された、予熱器９とも流体接続されている。
【００４６】
図２は、第２実施形態に係る燃料電池システム１００ｂを示す。図２に示す燃料電池システム１００ｂは、本質的には図１の燃料電池システム１００ａと変わらない。したがって、冗長な説明を省略するために、２つの実施形態間において相違する特徴のみ以下で説明する。
【００４７】
図２の燃料電池システム１００ｂは、内燃機関１１を有する。図示する燃料電池システム１００ｂは、ハイブリッド車両の駆動システムとして構成される。本実施形態にあっては、吸着器２ａは、再生流体ライン１２により内燃機関１１と流体接続され、当該再生流体ライン１２を用いて加熱流体が内燃機関１１から吸着器２ａへと送られる。
【００４８】
図３は、第３実施形態に係る燃料電池システム１００ｃを示す。図３に示す燃料電池システム１００ｃは、本質的には図１、図２の燃料電池システム１００ａ，１００ｂと変わらない。したがって、冗長な説明を省略するために、実施形態間で相違する特徴のみ以下で説明する。
【００４９】
図３の燃料電池システム１００ｃは、第２実施形態に係る燃料電池システム１００ｂ同様、内燃機関１１を有する。第３実施形態にあっては、吸着器２ａは、再生流体ライン１２により内燃機関１１及び補助電源ユニット４と流体接続され、再生流体ライン１２により加熱された流体は、内燃機関１１及び補助電源ユニット４から吸着器２ａへと送られる。加えて、アノード再生流体ライン１２ａ及びカソード再生流体ライン１２ｂを点線で示す。
【００５０】
図４を参照し、第１実施形態に係る燃料電池システム１００ａにおいて、燃料の吸着脱硫による脱硫吸着物質の熱再生を行う方法について説明する。吸着脱硫は、複素環式硫黄化合物と吸着剤表面との選択的相互作用に基づく。燃料の脱硫のためには、燃料を低流量（好ましくは、液空間速度（Liquid Hourly Space Velocity）ＬＨＳＶが１．７ｈ−１未満）で吸着器に送るだけでよい。吸着剤が充満している場合（即ち、例えば、１０ｐｐｍｗの硫黄が吸着器出口まで達している場合）は、吸着剤の交換又は再生が必要である。再生には、吸着器内の燃料を空にしなければならない。これにより、吸着剤１リットルあたり約０．８リットルの燃料が得られる。
【００５１】
以下、図４を示して説明する本方法では、脱硫吸着物質の熱再生のために、再生流体ラインで加熱された流体を補助電源ユニット４から脱硫ユニット２に送り、吸着器２ａを加熱する。
【００５２】
より正確には、吸着器２ａを加熱して脱硫吸着物質の熱再生を行うため、第１ステップＳ１において、先ず加熱流体を補助電源ユニット４から再生流体ラインを通って吸着器２ａに向けて送る。即ち、加熱流体は、再生流体ライン１２を介して排気ガスバーナー（特に、第１排気ガスバーナーユニット４ａ）から吸着器２ａへと導かれる。
【００５３】
第２ステップＳ２ａでは、酸素含有環境下における吸着器の吸着剤の活性のために、活性値が判断される。活性値が所定閾値未満であると判断されると、本方法はステップ３ａに進む。そして、アノード部排気ガスが再生流体ライン１２を介して排気ガスバーナーへと送られる。一方、活性値が所定閾値以上であると判断されると、本方法は、直接ステップＳ４へと進む。
【００５４】
ステップＳ１に続くステップＳ２ｂでは、加熱流体の水分量が検出される。ステップＳ２ｂにおいて水分量が所定閾値未満であると判断されると、本方法はステップＳ３ｂへと進む。そして、加熱流体を吸着器２ａに送る前に、吸着器２ａの上流で、加湿ユニット６を用いて加熱流体を加湿する。一方、水分量が所定閾値以上であると判断されると、本方法は直接ステップＳ４へと進む。
【００５５】
ステップＳ１に続くステップＳ２ｃでは、吸着器２ａの上流で加熱流体の温度を検出する。ステップＳ２ｃにおいて、検出した温度が所定第１閾値未満であると判断されると、本方法はステップＳ３ｃへと進む。そして、加熱流体は、吸着器２ａの上流において、吸着器２ａに導かれる前に、追加バーナー７を用いてさらに加熱される。検出した温度が所定第１閾値よりも高い所定第２閾値以上であると判断されると、本方法はステップＳ３ｄに進む。そして、加熱流体は、温度を下げるために空気（特に大気）と混ぜ合わされる（図２にのみ示す）。検出された温度が所定第１閾値以上であり、且つ所定第２閾値未満であると判断されると、本方法は直接ステップＳ４に進む。
【００５６】
ステップＳ４において、加熱（必要に応じて事後処理された）流体が吸着器２ａに送られる。
【００５７】
図５に示すように、次いで本発明の別の実施形態に係る方法を説明する。具体的には、本方法では、脱硫化又は脱硫・再生化のための既定温度曲線が用いられる。
【００５８】
図５に示す方法にあっては、第１ステップＡにおいて、補助電源ユニット４及び／又は内燃機関１１からの加熱流体を用いて吸着器２ａの吸着剤を約１５０℃まで加熱する。
【００５９】
第２ステップＢでは、燃料の吸着成分が温度約３００℃で分解・蒸発される。本ステップでは、残余の液体燃料は気化する。
【００６０】
第３ステップＣでは、吸着成分が、さらに温度約４５０℃で分解・蒸発される。なお、ステップＢ及びＣは、単一のステップとして実行してもよい。
【００６１】
第４ステップＤでは、中間生成物が温度約５２５℃で分解され、吸着剤の再生が始まる。なお、加湿ユニット６を用いて水分や水蒸気を所望の方法で加える場合は、ステップＤで要求される温度を約４５０℃まで下げることができる。
【００６２】
オプションとなる第５ステップＥでは、種々のガス（具体的には、アノード部排気ガス）を用いて吸着剤を活性化させる。第５ステップＥは、少なくとも部分的に第４ステップＤと同時に実行してもよい。なお、第５ステップＥの温度は、用いられる吸着剤に依る。
【００６３】
最後の第６ステップでは、吸着剤（そして即ち吸着器２ａ）を空気で洗浄し、約２０℃となるまで冷やす。空気洗浄は間接的に行い、空気と吸着器２ａとが直接接触しないのが好ましい。
【００６４】
上記実施形態に加え、当然のことながら、本発明はその他の実施形態の原理も可能とする。例えば、少なくとも１つの補助電源ユニットが、代替的に又は追加的に、当該燃料システムにおいて稼働する始動バーナー及び／又はその他の熱源を有することとし、対象となる加熱流体を生成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１        燃料タンク
２        脱硫ユニット
２ａ      吸着器
３        改質器
４        補助電源ユニット（排気バーナー）
４ａ      第１排気ガスバーナーユニット
４ｂ      第２排気ガスバーナーユニット
５        燃料タンク
５ａ      アノード部
５ｂ      カソード部
６        加湿ユニット
７        追加バーナー
８        ブロワー
９        予熱器
１０      出口
１１      内燃機関
１２      再生流体ライン
１２ａ    アノード再生流体ライン
１２ｂ    カソード再生流体ライン
１３      排気ガス流体ライン
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ        燃料電池システム
【図１】
2020515005.tif 000003
【図２】
2020515005.tif 000004
【図３】
2020515005.tif 000005
【図４】
2020515005.tif 000006
【図５】
2020515005.tif 000007
【国際調査報告】
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2020515005.tif 000009
2020515005.tif 000010
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