脱硫装置、その方法、燃料電池用燃料ガスの製造装置、および、燃料電池システム
【課題】液体燃料を安定し効率よく脱硫処理して供給できる脱硫装置を備えた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】脱硫器１２１に、脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを貯溜するバッファタンク１２３を接続する。バッファタンク１２３に設けた液面センサにて貯溜する液体燃料１１１Ａの液面位置を検出し、液面位置に対応する貯溜量を制御装置にて認識する。制御装置は、液体燃料供給手段１１０の液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を、貯溜量に応じた供給量で連続的に液体燃料貯溜タンクから供給する状態に制御する。脱硫器１２１内で液体燃料１１１Ａが滞留することによる気相分の液体燃料１１１Ａの生成を抑制でき、安定して脱硫処理でき、脈動無く供給できる。
【解決手段】脱硫器１２１に、脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを貯溜するバッファタンク１２３を接続する。バッファタンク１２３に設けた液面センサにて貯溜する液体燃料１１１Ａの液面位置を検出し、液面位置に対応する貯溜量を制御装置にて認識する。制御装置は、液体燃料供給手段１１０の液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を、貯溜量に応じた供給量で連続的に液体燃料貯溜タンクから供給する状態に制御する。脱硫器１２１内で液体燃料１１１Ａが滞留することによる気相分の液体燃料１１１Ａの生成を抑制でき、安定して脱硫処理でき、脈動無く供給できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を脱硫剤によって脱硫する脱硫装置、その方法、燃料電池用燃料ガスの製造装置、および、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば燃料電池で発電に利用する水素ガスを生成するために、液体燃料を脱硫する各種脱硫方法が知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
特許文献１に記載のものは、脱硫剤を内部に充填し脱硫処理する脱硫器からの原料を補助タンクへ供給し、この補助タンクから改質器へ原料を供給させ、起動時に脱硫器から発生する原料の蒸気を補助タンクに流し込んで溜め、改質器へ供給されることを防止し、改質触媒の劣化防止や停止時間を短縮させる構成が採られている。そして、補助タンクが空にならないように補助タンク内の原料レベルを検知し、原料タンクから脱硫器を介して必要量の原料を供給させている。
特許文献２に記載のものは、脱硫剤を内部に充填し脱硫処理する脱硫反応器の底部に液体燃料を導入し、所定の温度に昇温して脱硫剤と接触させて脱硫処理する。この後、脱硫反応器内での気液界面の部位より、液体成分と気体成分とが併存する状態の反応生成物で引き抜き、下流側の気化器ならびに改質反応器に移送し、水素ガスを生成させ、脱硫後に下流側へ移送する際の脈動を防止する構成が採られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５１６０８号公報
【特許文献２】特開２００４−５１８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載のような従来の脱硫方法では、補助タンクが空にならないように原料タンクから脱硫器を介して必要量の原料を供給する構成であり、補助タンクにある程度の原料が貯溜する場合に原料タンクからの供給を停止すると、脱硫器内で原料の流動が停止し、脱硫器内での原料の温度が上昇し、蒸気が発生することで、液相吸着法による脱硫処理を実施する脱硫剤の脱硫処理効率が変動するおそれがある。このため、安定した良好な脱硫処理のために十分な容積の脱硫器を用いる必要があり、装置が大型化するおそれがある。
また、特許文献２に記載のような従来の脱硫方法では、液相吸着法による脱硫処理を実施するための脱硫剤が利用されることから、脱硫反応器内に気体成分と液体成分とが生成することで、脱硫剤による脱硫処理効率が異なってしまうので、安定した良好な脱硫処理のために十分な容積の脱硫反応器を用いる必要があり、装置が大型化するおそれがある。また、例えば、発電処理を中断することにより、液体燃料の流通が停止すると、脱硫反応器内で気体成分がより生成し易くなる。このため、再起動する際に、気体成分と液体成分とが併存する状態で引き抜く制御が煩雑となるとともに、下流側への移送の際に脈動を生じるおそれがある。さらには、後段での気化器における水蒸気との混合による気化の際に、移送される反応生成物の気体成分と液体成分との割合が変動することで、後段での改質処理における水蒸気バランスが変動し、安定した改質処理が得られなくなるおそれもある。
【０００５】
本発明の目的は、このような点に鑑みて、液体燃料を安定し効率よく脱硫処理して供給できる脱硫装置、その方法、燃料電池用燃料ガスの製造装置、および、燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に記載の脱硫装置は、液体燃料を脱硫する脱硫装置であって、前記液体燃料を供給する液体燃料供給ポンプを有した液体燃料供給手段と、脱硫剤が内部に充填され前記液体燃料供給手段により供給される前記液体燃料を脱硫処理する脱硫器と、この脱硫器に接続され脱硫された前記液体燃料が流入される流入口およびこの流入口から流入されて貯溜する前記液体燃料を流出する流出口を有した貯溜タンクと、この貯溜タンクに貯溜する前記液体燃料の液量を検出する検出手段と、この検出手段にて検出する前記貯溜タンクに貯溜する液体燃料の液量に応じた供給量で前記液体燃料を前記脱硫器へ連続的に供給する状態に前記液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する制御手段と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、脱硫剤が内部に充填され供給される液体燃料を脱硫処理する脱硫器に、脱硫処理された液体燃料が流入口から流入されて貯溜しこの貯溜する液体燃料を流出口から流出する貯溜タンクを接続する。貯溜タンクに貯溜する液体燃料の液量を検出手段で検出し、制御手段により、検出手段で検出する液量に応じた供給量で液体燃料供給手段にて液体燃料を脱硫器へ連続的に供給する状態に液体燃料供給手段の液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する。
このことにより、液体燃料が脱硫器に連続して供給され、脱硫器内で液体燃料が滞留することによる液体燃料の気相分の生成が抑制され、脱硫剤による安定した脱硫処理が得られるとともに、液体分のみ貯溜タンクから供給することにより、気相および液相分の混合移送時の脈動も防止でき、脱硫処理後の液体燃料を安定して供給できる。
【０００７】
そして、本発明では、前記脱硫器は、前記液体燃料供給手段から供給される前記液体燃料を加熱させて前記脱硫剤にて脱硫処理させる加熱手段を備えた構成とすることが好ましい。
この発明では、脱硫器に設けた加熱手段により、液体燃料供給手段から供給される液体燃料を加熱させて脱硫剤にて脱硫処理させる。
このことにより、脱硫処理効率の向上のために加熱手段にて液体燃料を加熱して脱硫処理するので、加熱により液体燃料の気化が生じやすい構成において、特に有効である。
【０００８】
さらに、本発明では、前記制御手段は、前記検出手段で検出する前記貯溜タンクに貯留する前記液体燃料の液量に応じた供給量に対応して、前記加熱手段による加熱負荷を大小させる制御をする構成とすることが好ましい。
この発明では、制御手段により、検出手段で検出する貯溜タンクに貯留する液体燃料の液量に応じた液体燃料供給手段による液体燃料の供給量に対応して、加熱手段による加熱負荷を大小させる。
このことにより、脱硫処理時の液体燃料の加熱負荷が、貯溜タンクの液量に応じて液体燃料供給手段から供給される液体燃料の供給量に対応して可変するので、安定した脱硫処理が得られる。
【０００９】
そして、本発明では、前記脱硫器の温度またはこの脱硫器から流出する前記液体燃料の温度を検出する脱硫温度検出手段を具備し、前記制御手段は、前記脱硫温度検出手段により検出する温度が略一定となる状態に前記加熱手段の加熱状態を制御する構成とすることが好ましい。
この発明では、制御手段により、脱硫温度検出手段で検出する脱硫器の温度または脱硫器から流出する液体燃料の温度が略一定となる状態に、加熱手段の加熱状態を制御する。
このことにより、貯溜タンクの液量に応じて液体燃料供給手段から供給される液体燃料の供給量が変動しても、加熱手段での加熱状態を、脱硫器の温度あるいは脱硫器から流出する液体燃料の温度を略一定として安定した脱硫処理が得られるように制御するので、安定した脱硫処理が簡単な構成で容易に得られる。
【００１０】
また、本発明では、前記脱硫器および前記貯溜タンク間に設けられ、前記脱硫器から流出する脱硫処理された前記液体燃料と、前記液体燃料供給手段にて供給される前記液体燃料との熱交換により、前記供給される液体燃料を前記脱硫処理された液体燃料で加熱する熱交換手段を具備した構成とすることが好ましい。
この発明では、脱硫器および貯溜タンク間に設けた熱交換手段により、脱硫器から流出する脱硫処理された液体燃料と、液体燃料供給手段にて供給される液体燃料との熱交換により、供給される液体燃料を脱硫処理された液体燃料で加熱する。
このことにより、脱硫器で脱硫処理時に加熱手段にて加熱した熱量の有効利用が得られ、脱硫処理後の液体燃料の効率的な供給が得られる。
【００１１】
さらに、本発明では、前記検出手段は、前記貯溜タンクに貯溜される前記液体燃料の液面位置を検出する液面センサを備え、前記制御手段は、前記液面センサにて検出する液面位置に応じて前記液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する構成とすることが好ましい。
この発明では、検出手段の液面センサにて検出した貯溜タンクに貯溜された液体燃料の液面位置に応じて、液体燃料を連続的に供給する液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する。
このことにより、例えば液面位置と液体燃料供給ポンプの流量とを関連付けた制御用データなどを設けておく簡単な制御方法で、かつ液面を検出する簡単なセンサを用いる構成で、安定した脱硫処理が得られ脈動なく安定して脱硫処理後の液体燃料を供給する構成が得られる。
【００１２】
本発明に記載の脱硫方法は、液体燃料を脱硫器で脱硫する脱硫方法であって、前記液体燃料を前記脱硫器へ供給する液体燃料供給ポンプと、前記脱硫器に接続され脱硫処理された前記液体燃料を貯溜しこの貯溜する液体燃料の液量を検出する検出手段を備えた貯溜タンクとを用い、前記検出手段にて検出する前記貯溜タンクに貯溜する前記液体燃料の液量に応じた供給量で前記液体燃料を前記脱硫器へ連続的に供給させる状態に前記液体燃料供給ポンプの駆動を制御することを特徴とする。
この発明では、液体燃料を脱硫器へ供給する液体燃料供給ポンプと、脱硫器に接続され脱硫処理された液体燃料を貯溜しこの貯溜する液体燃料の液量を検出する検出手段を備えた貯溜タンクとを用いる。そして、検出手段にて検出する貯溜タンクに貯溜する液体燃料の液量に応じた供給量で液体燃料を脱硫器へ連続的に供給させる状態に、液体燃料供給ポンプの駆動を制御する。
このことにより、液体燃料が脱硫器に連続して供給され、脱硫器内で液体燃料が滞留することによる液体燃料の気相分の生成が抑制され、脱硫剤による安定した脱硫処理が得られるとともに、液体分のみ貯溜タンクから供給することにより、気相および液相分の混合移送時の脈動も防止でき、脱硫処理後の液体燃料を安定して供給できる。
【００１３】
本発明に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の脱硫装置と、この脱硫装置の貯溜タンクに接続され前記貯溜タンクに貯溜された液相の前記液体燃料を移送する移送経路と、この移送経路に接続され移送される前記液体燃料を原料ガスに気化する気化手段と、この気化手段で気化された前記原料ガスを改質し燃料ガスを生成する改質手段と、を具備したことを特徴とする。
この構成では、液体燃料の安定した脱硫処理および脱硫処理後の液体燃料の安定供給が得られる請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の脱硫装置の貯溜タンクに、貯溜する液相の液体燃料を移送する移送経路を介して、液体燃料を原料ガスに気化する気化手段を接続する。そして、気化手段で気化した原料ガスを改質手段で改質して燃料ガスを生成させる。
このことにより、安定して良好に脱硫処理された液体燃料が気化手段へ脈動無く安定して供給されるので、気化手段で例えば水蒸気を混合して気化させる際の水蒸気との混合バランスが安定し、後段の改質手段における安定した改質処理が得られ、安定した特性の燃料ガスを安定して供給できる。
【００１４】
そして、本発明では、前記改質手段は、バーナを備え、前記脱硫装置の貯溜タンクに接続され、前記貯溜タンクに貯溜する気相分を前記バーナの燃料として供給する燃料供給経路を具備した構成とすることが好ましい。
この発明では、脱硫装置の貯溜タンクに貯溜する気相分を、燃料供給経路を介して改質手段のバーナへ燃料として供給する。
このことにより、気相分が発生しても改質手段での改質処理のために加熱するバーナの燃料として有効利用するので、液体燃料を効率よく利用できる。
【００１５】
本発明に記載の燃料電池システムは、請求項８または請求項９に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記燃料電池用燃料ガスの製造装置の前記改質手段で改質された前記燃料ガスおよび前記酸素含有気体供給手段により供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、安定した特性の燃料ガスを安定して供給できる燃料電池用燃料ガスの製造装置からの燃料ガスと、酸素含有気体供給手段から供給される酸素含有気体とを利用して、燃料電池にて発電させる。
このことにより、燃料ガスと酸素含有気体との割合が安定し、効率よく良好に発電できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池システムに係る一実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態では、灯油を利用する燃料電池システムの構成を例示するが、例えば燃料電池に供給する燃料ガスを製造する製造装置などに適用できる。
図１は、本実施の一形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、脱硫装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１７】
〔燃料電池システムの構成〕
（全体構成）
図１において、１００は、燃料電池システムで、この燃料電池システム１００は、液体燃料を原料として水素を主成分とする燃料ガスに改質し、燃料電池１７０により発電させるシステムである。
この燃料電池システム１００は、液体燃料供給手段１１０と、脱硫手段１２０と、気化手段１３０と、改質手段１４０と、酸素含有気体供給手段１５０と、加湿器１６０と、燃料電池１７０と、などを備えている。
そして、液体燃料供給手段１１０と、脱硫手段１２０とにより、本発明における液体燃料を脱硫する脱硫装置２００が構成され、脱硫装置２００と、移送経路としての脱硫燃料経路１２４と、気化手段１３０と、改質手段１４０と、により、本発明における脱硫処理後の液体燃料１１１Ａから燃料電池１７０で発電させる原料となる水素ガスリッチの燃料ガスを製造する装置である燃料電池用燃料ガスの製造装置としての燃料ガス製造装置３００が構成される。
【００１８】
液体燃料供給手段１１０は、図１および図２に示すように、液体燃料貯溜タンク１１１と、液体燃料供給経路１１２と、を備えている。
液体燃料貯溜タンク１１１は、例えば灯油などの液体燃料１１１Ａを流出可能に貯溜する。ここで、液体燃料１１１Ａとしては、灯油に限らず、例えば軽油やナフサなど、各種液体燃料が利用できる。
液体燃料供給経路１１２は、液体燃料貯溜タンク１１１に接続され、液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを流通させる。この液体燃料供給経路１１２は、液体燃料供給ポンプとしての液体燃料ポンプ１１２Ａおよび燃料供給バルブ１１２Ｂを有し、一端が液体燃料貯溜タンク１１１に接続され他端が脱硫手段１２０に接続された液体燃料供給管１１２Ｃを備えている。そして、液体燃料供給経路１１２は、液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動により液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを脱硫手段１２０へ流通させる。
なお、液体燃料供給手段１１０としては、液体燃料貯溜タンク１１１を備えた構成に限られるものではなく、例えば、別途設けられた液体燃料貯溜タンク１１１に接続されこの液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを流通させる液体燃料供給経路１１２のみを備えた構成としてもよい。
【００１９】
脱硫手段１２０は、図１および図２に示すように、脱硫器１２１と、熱交換手段としての液体燃料熱交換器１２２と、貯溜タンクとしてのバッファタンク１２３と、などを備えている。
脱硫器１２１は、液体燃料貯溜タンク１１１から液体燃料供給経路１１２に液体燃料熱交換器１２２を介して例えば約３００［ｍｌ／時間］で供給される液体燃料１１１Ａを、液相吸着法により液体燃料１１１Ａ中に含有される硫黄化合物を吸着除去する脱硫処理を実施する。
この脱硫器１２１は、脱硫剤容器１２１Ａと、加熱手段としての図示しない脱硫加熱手段と、図示しない脱硫温度検出手段と、などを備えている。脱硫剤容器１２１Ａは、内部に脱硫剤１２１Ｂが充填された略円筒状に形成され、軸方向の一端に液体燃料供給経路１１２の液体燃料供給管１１２Ｃの他端が接続され液体燃料１１１Ａが流入される図示しない燃料流入口を有し、軸方向の他端にバッファタンク１２３に接続され脱硫剤１２１Ｂと接触して流通する液体燃料１１１Ａを流出させる図示しない燃料流出口を有している。そして、脱硫器１２１は、脱硫剤容器１２１Ａの軸方向が略鉛直方向に沿う状態で、かつ燃料流入口が鉛直方向の下方に向けて開口するとともに燃料流出口が鉛直方向の上方に向けて開口する状態に設置される。すなわち、脱硫器１２１は、脱硫剤容器１２１Ａの下部から液体燃料１１１Ａが流入され、鉛直方向の上方に向けて流通しつつ上部から流出させる状態に設置される。
脱硫加熱手段は、例えば脱硫剤容器１２１Ａの外面に螺旋状に配設されたシーズヒータなどの電気ヒータを備え、脱硫剤容器１２１Ａの外面側から流通する液体燃料１１１Ａを例えば２００℃程度に加熱して脱硫処理を促進させる。なお、脱硫器１２１の外面には、電気ヒータとともに脱硫剤容器１２１Ａの外面を被覆して断熱する断熱材が設けられる。また、電気ヒータは、螺旋状に配設する構成に限らず、例えば脱硫剤容器１２１Ａの長手方向に沿って折り返すように配設するなどしてもよい。
脱硫温度検出手段は、例えば脱硫剤容器１２１Ａに配設され、脱硫剤容器１２１Ａの温度を検出する温度センサを備えている。この温度センサは、検出した温度検出信号を後述する制御装置へ出力する。
【００２０】
液体燃料熱交換器１２２は、液体燃料貯溜タンク１１１から供給される液体燃料１１１Ａを、脱硫器１２１から流出する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａとの熱交換により加熱する。
具体的には、液体燃料熱交換器１２２には、流入経路１２２Ａと、流出経路１２２Ｂと、が接続されている。流入経路１２２Ａは、液体燃料供給経路１１２の液体燃料供給管１１２Ｃが接続されるとともに脱硫器１２１の燃料流入口に接続され、液体燃料供給管１１２Ｃから脱硫器１２１へ液体燃料１１１Ａを供給する。流出経路１２２Ｂは、脱硫器１２１の燃料流出口に接続されるとともにバッファタンク１２３に接続され、脱硫器１２１で脱硫処理されて流出する液体燃料１１１Ａをバッファタンク１２３へ流通する。なお、流出経路１２２Ｂの液体燃料熱交換器１２２より下流側には、流出バルブ１２２Ｂ１、ストレーナ１２２Ｂ２、放圧弁１２２Ｂ３が設けられている。
そして、液体燃料供給管１１２Ｃから流入され流入経路１２２Ａを流通する供給された液体燃料１１１Ａと、流出経路１２２Ｂを流通する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａとが熱交換され、供給された液体燃料１１１Ａがある程度加熱されて脱硫器１２１へ供給される。
【００２１】
バッファタンク１２３は、脱硫器１２１で脱硫処理され液体燃料熱交換器１２２を介して流出経路１２２Ｂから流入する液体燃料１１１Ａを一時的に貯溜するタンクである。すなわち、バッファタンク１２３は、上部に脱硫処理された液体燃料１１１Ａが流入される図示しない流入口と、気相分の液体燃料１１１Ａを排出する排出口とが設けられ、下部に貯溜する液相分の液体燃料１１１Ａを流出する図示しない流出口が設けられ、液体燃料１１１Ａを貯溜可能なタンク構成に形成されている。
また、バッファタンク１２３には、貯溜する液体燃料１１１Ａの液量を検出する図示しない検出手段としての液面センサが設けられている。
【００２２】
液面センサは、バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａの液面位置を検出し、この液面位置に関する検出信号を後述する制御装置へ出力する。本実施の形態では、バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａが非常に少ない量となる液面位置「ＬＬレベル」と、貯溜する液体燃料１１１Ａが比較的に少ない量となる液面位置「Ｌレベル」と、貯溜する液体燃料１１１Ａが比較的に多い量となる液面位置「Ｈレベル」と、貯溜する液体燃料１１１Ａが非常に多い量となる液面位置「ＨＨレベル」の４つの液面位置を検出する構成を例示する。
すなわち、液面センサは、例えば、液面位置が「Ｌレベル」および「Ｈレベル」間に位置する場合には、その旨の信号もしくは検出信号を出力しない。また、液面位置が「Ｌレベル」および「ＬＬレベル」間に位置する場合には、液面位置「Ｌレベル」に応じた検出信号を出力する。さらに、「Ｈレベル」および「ＨＨレベル」間に位置する場合には、液面位置「Ｈレベル」に応じた検出信号を出力する。また、液面位置が「ＬＬレベル」よりさらに低い、すなわち少ない貯溜量となる液面位置、および、液面位置が「ＨＨレベル」よりさらに高い、すなわち多い貯溜量となる液面位置では、異常である旨の検出信号を出力する。
なお、液面センサとしては、このような構成に限らず、連続的に液面位置を検出する構成、さらには液面に限らず、流入量および流出量の差分から液体燃料１１１Ａの液量を算出する構成など、バッファタンク１２３内に貯溜する液相の液体燃料１１１Ａの液量を検出できるいずれの構成が適用できる。また、異常である旨の検出信号として「ＬＬレベル」と「ＨＨレベル」とをそれぞれ異なる信号とし、制御装置でそれぞれ異なる制御をしてもよい。
【００２３】
そして、このバッファタンク１２３の下部には、脱硫燃料バルブ１２４Ａおよび脱硫燃料ポンプ１２４Ｂを有した脱硫燃料経路１２４が接続され、貯溜する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを気化手段１３０へ供給可能となっている。
また、バッファタンク１２３の上部には、逆火防止フィルタ１２５Ａを有し、気化した液体燃料１１１Ａを排出、例えば改質手段１４０で燃焼される燃焼ガスとして供給させる燃料供給経路としての燃焼ガス供給経路１２５が接続されている。
【００２４】
気化手段１３０は、図１に示すように、脱硫手段１２０の脱硫燃料経路１２４に接続され、脱硫手段１２０から供給される脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを気化させる。この気化手段１３０は、気化器１３１と、熱交換装置１３２と、給水経路１３３と、などを備えている。
気化器１３１は、脱硫燃料経路１２４に接続され液体燃料１１１Ａが供給されるとともに、熱交換装置１３２に接続され熱交換装置１３２から水蒸気が供給される。そして、気化器１３１は、液体燃料１１１Ａおよび水蒸気を適宜混合して気化、すなわち原料ガスである気化液体燃料を生成させる。この気化器１３１は、改質手段１４０に接続され、水蒸気が混合されて気化した液体燃料１１１Ａである気化液体燃料を改質手段１４０へ供給する。
熱交換装置１３２は、改質手段１４０に接続され、改質手段１４０から排気される排ガスを冷却させるとともに排ガスとの熱交換により水から水蒸気を生成させ、生成した水蒸気を気化器１３１へ供給させる。具体的には、熱交換装置１３２には、純水１３３Ａを貯溜する純水タンク１３３Ｂが搬送ポンプ１３３Ｃおよび搬送バルブ１３３Ｄを有した給水経路１３３を介して接続され、純水タンク１３３Ｂから純水１３３Ａが供給される。この純水１３３Ａが改質手段１４０からの排ガスと熱交換されて水蒸気として気化器１３１に供給される。なお、純水タンク１３３Ｂは、蒸留水などの不純物を含まない純水１３３Ａを貯溜し、例えば水道水などが浄化されて適宜給水される構成が設けられていてもよい。
【００２５】
改質手段１４０は、気化手段１３０により水蒸気が混合されて気化された気化液体燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する。この改質手段１４０は、改質器１４１と、ＣＯ変成器１４２と、ＣＯ選択酸化器１４３と、などを備えている。
改質器１４１は、内部に図示しないニッケル触媒などの改質触媒およびバーナ１４１Ａを備えている。バーナ１４１Ａには、液体燃料貯溜タンク１１１に接続され搬送ポンプ１４４Ａを有し液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを搬送する燃料搬送経路１４４が接続されている。また、バーナ１４１Ａには、送気ブロワ１４５Ａおよび送気バルブ１４５Ｂを有した送気経路１４５が接続され、送気ブロワ１４５Ａの駆動により燃焼用空気が供給される。さらに、バーナ１４１Ａには、詳細は後述する燃料電池１７０に接続され開閉バルブ１４６Ａを有し燃料電池１７０から排出される燃料ガスを排出する燃料ガス供給経路１４６が接続されている。また、バーナ１４１Ａには、燃焼ガス供給経路１２５が接続され、バッファタンク１２３に貯溜する気相の液体燃料１１１Ａが供給される。
そして、バーナ１４１Ａは、送気ブロワ１４５Ａから供給される空気により、燃料搬送経路１４４を介して供給された液相の液体燃料１１１Ａや燃焼ガス供給経路１２５を介して供給された気相の液体燃料１１１Ａ、および燃料ガス供給経路１４６を介して供給された燃料ガスを燃焼させ、改質器１４１に供給された気化液体燃料を水素リッチの燃料ガスに水蒸気改質する。このバーナ１４１Ａの燃焼による高温の排ガスは、気化手段１３０の熱交換装置１３２に供給され、純水１３３Ａとの熱交換により冷やされて外気中に排気される。
ＣＯ変成器１４２は、改質器１４１から流出する水素リッチの燃料ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を変成する。
ＣＯ選択酸化器１４３は、酸化ブロワ１４３Ａが接続されて空気が供給される。そして、ＣＯ選択酸化器１４３は、供給される空気中の酸素により、ＣＯ変成器１４２で変成されずに残留するＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去する。
なお、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３は、改質器１４１と一体構成としてもよい。また、これらＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の他、ＣＯを吸着除去するなどの装置を設けるなどしてもよい。
【００２６】
酸素含有気体供給手段１５０は、酸素含有気体として例えば空気を燃料電池１７０へ供給する。
具体的には、酸素含有気体供給手段１５０は、ブロワ１５１と、一端がブロワ１５１に接続され他端が加湿器１６０に接続された空気供給管１５２と、この空気供給管１５２に設けられた空気バルブ１５３と、を備えている。そして、ブロワ１５１の駆動により、空気供給管１５２を介して空気を加湿器１６０へ供給する。
【００２７】
加湿器１６０は、第１加湿部１６１と、第２加湿部１６２と、を有している。
第１加湿部１６１は、燃料ガスバルブ１６３Ａを有した燃料ガス流通経路１６３を介して改質手段１４０のＣＯ選択酸化器１４３に接続され、改質手段１４０で改質された水素リッチの燃料ガスを、例えば６０〜７０℃程度に調整しつつ例えば純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第１加湿部１６１は、加湿した燃料ガスを燃料電池１７０へ供給する。
第２加湿部１６２は、酸素含有気体供給手段１５０の空気供給管１５２が接続され、供給される空気を例えば６０〜７０℃に加熱しつつ純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第２加湿部１６２は、加湿した空気を燃料電池１７０へ供給する。
また、燃料ガス流通経路１６３は、燃料ガスバルブ１６３Ａより上流側の位置で、バイパス経路１６５が接続されている。このバイパス経路１６５は、切替バルブ１６５Ａを有し、燃料ガス供給経路１４６における開閉バルブ１４６Ａより下流側に接続されている。そして、バイパス経路１６５は、燃料ガス流通経路１６３を流通する燃料ガスを、燃料ガス供給経路１４６を介して改質器１４１のバーナ１４１Ａへ供給する。
【００２８】
燃料電池１７０は、水素と酸素とを反応させて直流電力を発生させる。この燃料電池１７０は、例えば固体高分子型燃料電池で、正極１７１と、負極１７２と、正極１７１および負極１７２間に配設された図示しない高分子電解質膜と、を備えている。そして、正極１７１側には、加湿器１６０で加湿された空気が供給され、負極１７２側には加湿器１６０で加湿された水素リッチの燃料ガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と空気中の酸素とが反応して水（純水１３３Ａ）が生成されるとともに、正極１７１および負極１７２間に直流電力が発生する。
そして、負極１７２側は、上述したように改質器１４１のバーナ１４１Ａに燃料ガス供給経路１４６を介して接続され、余った水素分をバーナ１４１Ａの燃料として供給する。また、正極１７１側には、分離器１７５が接続されている。この分離器１７５には、正極１７１側から反応に利用された空気が供給され、気相分の空気と液相分の水（純水１３３Ａ）とに分離する。なお、分離した空気は、外気に排気される。そして、分離器１７５には、純水タンク１３３Ｂが接続され、分離した水（純水１３３Ａ）を純水タンク１３３Ｂへ供給する。
また、燃料電池１７０には、冷却装置１７７が設けられている。この冷却装置１７７は、燃料電池１７０に付設された熱回収装置１７７Ａが設けられている。この熱回収装置１７７Ａには、冷却水循環ポンプ１７８Ａおよび熱交換器１７８Ｂを備えた冷却水循環経路１７８を介して純水タンク１３３Ｂが接続されている。そして、冷却装置１７７は、冷却水循環ポンプ１７８Ａの駆動により、熱回収装置１７７Ａと純水タンク１３３Ｂとの間で冷却水となる純水１３３Ａを冷却水循環経路１７８で循環させ、発電に伴って発熱する燃料電池１７０を冷却させるとともに熱を回収する。熱交換器１７８Ｂは、循環され熱回収装置１７７Ａで熱を回収した純水１３３Ａと、例えば水道水などと熱交換させる。この熱交換により温められた水道水は、例えばお風呂などの他の設備に直接供給されて有効利用される。なお、水道水との熱交換の他、熱交換により得られる熱から発電させるなど、他の設備などに有効利用してもよい。
【００２９】
そして、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御する図示しない制御装置を備えている。
この制御装置は、液体燃料１１１Ａの流量制御、脱硫器１２１の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器１４１のバーナ１４１Ａの燃焼制御、熱交換装置１３２で水蒸気を生成させるための純水１３３Ａの供給量制御や温度管理、発電量の管理、起動・停止時のパージ処理などを実施する。
また、制御装置は、脱硫装置２００のバッファタンク１２３の液面センサにて検出する貯溜する液体燃料１１１Ａの流量、すなわち液面位置に応じて、液体燃料供給経路１１２にて液体燃料貯溜タンク１１１から所定の供給量で液体燃料１１１Ａを供給させる状態に液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を制御する。
さらに、制御装置は、脱硫装置２００の温度センサから出力される温度検出信号に基づいて、脱硫処理時の温度を認識し、脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御する。すなわち、温度センサが脱硫処理時の好適な所定の温度で略一定とように、電気ヒータへの電力を制御し、電気ヒータの加熱負荷である脱硫処理の加熱状態を制御する。なお、この加熱負荷の制御の際、上述した液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態に応じて、すなわち供給する液体燃料１１１Ａの供給量に対応して加熱負荷を大小させる制御を合わせて実施するとよい。具体的には、供給量が多くなるように液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を制御する際には、合わせて電気ヒータへ供給する電力量を増大させる。また、供給量が少なくなるように液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を制御する際には、合わせて電気ヒータへ供給する電力量を減少させる。
【００３０】
具体的には、制御装置は、液面センサからの検出信号を取得して液面位置を認識し、液面位置に応じた駆動状態で液体燃料ポンプ１１２Ａを駆動制御する。
例えば、液面センサからの検出信号を認識しない場合には、液面位置が「Ｌレベル」と「Ｈレベル」との間にある定常状態と判断し、液体燃料ポンプ１１２Ａを通常の例えば約３００［ｍｌ／時間］で液体燃料１１１Ａを連続的に供給、すなわちオンオフ制御ではなく連続して脱硫器１２１へ流入させる駆動状態に制御する。
また、「Ｌレベル」である旨の検出信号を取得した場合には、貯溜する液体燃料１１１Ａの液量が比較的に少ないと判断して、液体燃料ポンプ１１２Ａを比較的に多くの液体燃料１１１Ａを連続的に供給、すなわちオンオフ制御ではなく連続して脱硫器１２１へ流入させる駆動状態に制御する。また、「Ｈレベル」である旨の検出信号を取得した場合には、貯溜する液体燃料１１１Ａの液量が比較的に多いと判断し、液体燃料ポンプ１１２Ａを比較的に少なく液体燃料１１１Ａを連続的に供給する駆動状態に制御する。
なお、制御装置は、異常である旨の検出信号を取得した場合には、改質手段１４０へ液相で供給する液体燃料１１１Ａがほとんど貯溜されておらず、燃料電池１７０へ供給する燃料ガスの生成ができず燃料電池システム１００の安定した稼働状態が得られなくなる異常事態、あるいは、流出経路１２２Ｂからバッファタンク１２３へ流入する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａがオーバーフローして燃焼ガス供給経路１２５に流れ込むなどの異常事態として、液体燃料ポンプ１１２Ａの稼働を停止させる。
【００３１】
〔燃料電池システムの動作〕
次に、上述した燃料電池システム１００における動作について、図面を参照して説明する。
【００３２】
まず、制御装置は、発電要求に関する信号を取得すると、暖気工程を実施する。なお、発電要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の開始あるいは電力消費の増大などに伴う信号、低下蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
具体的には、制御装置は、図示しない起動用ヒータを動作させてバーナ１４１Ａを加熱する。また、制御装置は、送気経路１４５の送気バルブ１４５Ｂを開状態にするとともに送気ブロワ１４５Ａを駆動させ、改質器１４１のバーナ１４１Ａに燃焼用空気を供給させる。さらに、制御装置は、冷却水循環経路１７８の冷却水循環ポンプ１７８Ａを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯溜する純水１３３Ａを、冷却装置１７７、熱交換器１７８Ｂおよび純水タンク１３３Ｂで循環させる。
【００３３】
この暖気工程の後、制御装置は、バーナ１４１Ａの温度状態を確認する。そして、制御装置は、バーナ１４１Ａがある程度の温度に暖まったことを認識すると、燃料搬送経路１４４の搬送ポンプ１４４Ａを駆動させて液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａをバーナ１４１Ａへ供給したり、燃焼ガス供給経路１２５を介してバッファタンク１２３に貯留する気化した液体燃料１１１Ａをバーナ１４１Ａへ供給したりするとともに、バーナ１４１Ａの図示しない点火器を動作させ、液体燃料１１１Ａを燃焼させて改質器１４１を加熱する。
さらに、制御装置は、バーナ１４１Ａの火炎の温度を検知する。そして、制御装置は、バーナ１４１Ａの火炎検知温度が所定の温度に達したことを認識すると、改質手段１４０の改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の各温度が所定の温度に達したか否かを検出する。この後、制御装置は、改質手段１４０がそれぞれ所定の温度に達したことを認識すると、改質工程を実施する。
【００３４】
この改質工程では、制御装置は、給水経路１３３の搬送バルブ１３３Ｄを開状態とするとともに、気化手段１３０の給水経路１３３の搬送ポンプ１３３Ｃを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯溜する純水１３３Ａを熱交換装置１３２へ供給する。この純水１３３Ａの供給により、熱交換装置１３２で改質器１４１からの排ガスとの熱交換により水蒸気が生成されて気化器１３１へ供給される。
また、制御装置は、脱硫手段１２０の脱硫燃料経路１２４の脱硫燃料バルブ１２４Ａを開状態とするとともに脱硫燃料ポンプ１２４Ｂを駆動させ、脱硫手段１２０のバッファタンク１２３に貯溜する脱硫処理された液体燃料１１１Ａを気化手段１３０の気化器１３１へ供給させる。この気化器１３１への液体燃料１１１Ａの供給により、熱交換装置１３２から気化器１３１へ供給される水蒸気と混合されて気化され気化液体燃料として改質手段１４０の改質器１４１へ供給される。
さらに、制御装置は、液体燃料供給経路１１２の燃料供給バルブ１１２Ｂを開状態とするとともに、液面検出センサからの検出信号に基づいてバッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａの液量に応じた供給量となる駆動状態に液体燃料ポンプ１１２Ａを駆動させ、液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを脱硫手段１２０の脱硫器１２１へ液体燃料供給管１１２Ｃを介して供給させる。この液体燃料１１１Ａの脱硫器１２１への供給により、液体燃料１１１Ａは、脱硫剤１２１Ｂとの接触により含有される硫黄化合物が吸着除去され、バッファタンク１２３へ流入される。
そしてさらに、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを開状態とし、気化器１３１から気化液体燃料として供給され改質手段１４０で改質処理されて流出するガスをバイパス経路１６５および燃料ガス供給経路１４６を介して改質器１４１のバーナ１４１Ａへ供給する。すなわち、改質手段１４０における気化液体燃料の不安定な改質処理状態で処理された燃料ガスは、改質器１４１の安定加熱のための燃焼に利用される。
【００３５】
この改質工程の後、制御装置は、改質手段１４０における改質処理のための改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の各温度などの条件を確認する。そして、改質処理の条件が満たされたことを認識すると、酸化ブロワ１４３Ａを駆動させてＣＯ選択酸化器１４３へ空気を供給する。この空気の供給により、ＣＯ変成器１４２で変成されずに残留するＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去させる。
そして、改質処理条件の確認後、改質手段１４０が安定したか否か、例えば安定する時間が経過したか否かを判断する。そして、改質手段１４０の安定時間が経過したことを認識すると、発電工程を実施する。
【００３６】
発電工程では、制御装置は、酸素含有気体供給手段１５０の空気バルブ１５３を開状態とするとともにブロワ１５１を駆動させ、空気を加湿器１６０の第２加湿部１６２へ供給させる。さらに、加湿器１６０の第２加湿部１６２で空気を例えば６０〜７０℃に加熱しつつ純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第２加湿部１６２で加湿した空気を燃料電池１７０の正極１７１へ供給させる。
さらに、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを閉状態とするとともに、燃料ガス流通経路１６３の燃料ガスバルブ１６３Ａを開状態とし、改質手段１４０で改質された水素リッチの燃料ガスを、加湿器１６０の第１加湿部１６１へ供給させる。さらに、加湿器１６０の第１加湿部１６１で燃料ガスを例えば６０〜７０℃に調整しつつ純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第１加湿部１６１で加湿した燃料ガスを燃料電池１７０の負極１７２へ供給させる。
これら加湿器１６０からの加湿された空気および燃料ガスの供給により、燃料電池１７０では供給された燃料ガスの水素と供給された空気中の酸素とが反応して水（純水１３３Ａ）を生成させるとともに、正極１７１および負極１７２間に直流電力を発生させる。そして、制御装置は、燃料電池１７０で発生する直流電力の電圧を確認し、発生した直流電力を制御装置の図示しないインバータを介して交流電力に変換させ、電力負荷へ供給させる。具体的には、外部からの商用交流電源を供給する状態から燃料電池システム１００から家庭用電力として供給させる状態に切り替える。
このようにして、定常運転処理に移行する。すなわち、バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａの貯溜量に応じた液体燃料１１１Ａの流量制御、脱硫器１２１の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器１４１のバーナ１４１Ａの燃焼制御、熱交換装置１３２で水蒸気を生成させるための純水１３３Ａの供給量制御や温度管理、発電量の管理など、燃料電池システム１００全体の運転状態を制御する。
【００３７】
ここで、脱硫器１２１内に液体燃料１１１Ａが滞留した場合について、図３を参照して説明する。
図３は、脱硫装置２００での液体燃料１１１Ａの滞留と液体燃料１１１Ａの気化との関係を示すグラフである。そして、この図３は、脱硫装置２００における脱硫器１２１の構成として、平均的な家庭用における消費電力に対応する燃料電池システム１００として、灯油を十分に脱硫処理すなわち脱硫処理後の硫黄濃度を推奨値の０．０５ｐｐｍ以下にするために必要な脱硫剤容積となる５００ｍｌとし、製造性および構造強度を考慮して円筒形の脱硫剤容器１２１Ａを用いた。また、脱硫処理では、液体燃料１１１Ａとして灯油とし、脱硫加熱手段により１９０℃〜２３０℃に加熱して処理する構成とした。そして、この脱硫器１２１における灯油の滞留時間と気化（ガス化）した液体燃料１１１Ａの量とを測定し、図３のグラフとした。
この図３に示すように、滞留時間が長くなるに従って液体燃料１１１Ａが気化し、脱硫器１２１内に気化した液体燃料１１１Ａが次第に蓄積することがわかる。
このように、制御装置は、脱硫器１２１内で液体燃料１１１Ａを滞留させずに連続的に流通させ、かつ脱硫器１２１より下流側で発電に必要な水素ガスを生成させるための原料となる所量の液体燃料１１１Ａを供給させる供給量で、液体燃料ポンプ１１２Ａを駆動させる必要がある。
そして、脱硫処理された液体燃料１１１Ａは、バッファタンク１２３に一旦貯溜されるので、液体燃料ポンプ１１２Ａの供給量と液体燃料１１１Ａの処理量とのバランスは、バッファタンク１２３にて調整されることとなる。また、仮に、燃料電池システム１００の起動・停止時、あるいは処理バランスなどにより液体燃料１１１Ａが気化しても、バッファタンク１２３にて回収するので、後段の気化手段１３０へは液相の液体燃料１１１Ａのみを供給できる。
【００３８】
〔燃料電池システムの作用効果〕
上述したように、上記実施の形態の燃料電池システム１００では、脱硫剤１２１Ｂが内部に充填され供給される液体燃料１１１Ａを脱硫処理する脱硫器１２１に、脱硫処理された液体燃料１１１Ａが流入口から流入されて貯溜しこの貯溜する液体燃料１１１Ａを流出口から流出するバッファタンク１２３を接続する。バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａの液量を検出する液面センサを設け、制御装置により、液面センサで検出する貯溜量に対応した貯溜された液体燃料１１１Ａの液面位置に応じた供給量で液体燃料供給手段１１０にて液体燃料１１１Ａを脱硫器１２１へ連続的に供給する状態に、液体燃料供給手段１１０の液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を制御している。
このため、液体燃料１１１Ａが脱硫器１２１に連続して供給され、脱硫器１２１内で液体燃料１１１Ａが滞留することによる気相分の液体燃料１１１Ａの生成を抑制でき、脱硫剤１２１Ｂと液相の液体燃料１１１Ａとの接触状態が安定し、安定した脱硫処理が得られる。さらには、液相分のみバッファタンク１２３から供給しているので、気相分および液相分の混合移送時の脈動も防止でき、脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを後工程へ安定して供給できる。したがって、後段の気化器１３１での水蒸気との混合状態がほぼ一定にでき、安定した性状の水素リッチの燃料ガスを安定して生成でき、燃料電池１７０における安定した発電状態が得られる。
【００３９】
そして、脱硫器１２１に設けた脱硫加熱手段により、液体燃料供給手段１１０から供給される液体燃料１１１Ａを加熱させて脱硫剤１２１Ｂにて脱硫処理させる構成に適用している。
このため、脱硫処理効率の向上のために脱硫加熱手段にて液体燃料１１１Ａを加熱して脱硫処理する構成であることから、加熱により液体燃料１１１Ａの気化が生じやすい構成でも、特に有効である。
【００４０】
また、制御装置により、液面センサで検出するバッファタンク１２３に貯留する液体燃料１１１Ａの液量に応じた液体燃料ポンプ１１２Ａで供給する液体燃料１１１Ａの供給量に対応して、脱硫加熱手段の電気ヒータによる加熱負荷を大小させる。すなわち、電気ヒータへの供給電力を大小させる。
このため、脱硫処理時の液体燃料１１１Ａの加熱負荷が、バッファタンク１２３の液量に応じて液体燃料ポンプ１１２Ａで供給する液体燃料１１１Ａの供給量に対応して可変するので、供給量が変動しても液体燃料１１１Ａへ供給する熱量を一定とすることができ、安定した脱硫処理が得られる。
【００４１】
さらに、制御装置により、脱硫温度検出手段の温度センサで検出する脱硫器１２１Ａの温度が略一定となる状態に、脱硫加熱手段の電気ヒータの加熱状態を制御する。
このため、バッファタンク１２３の液量に応じて液体燃料ポンプ１１２Ａで供給する液体燃料１１１Ａの供給量が変動しても、電気ヒータでの加熱状態を、脱硫器１２１Ａの温度を略一定として安定した脱硫処理が得られるように制御するので、安定した脱硫処理が簡単な構成で容易に得られる。
【００４２】
また、脱硫器１２１およびバッファタンク１２３間に設けた液体燃料熱交換器１２２により、脱硫器１２１から流出する脱硫処理された液体燃料１１１Ａと、液体燃料供給手段１１０にて供給される液体燃料１１１Ａとの熱交換により、供給される液体燃料１１１Ａを脱硫処理された液体燃料１１１Ａで加熱している。
このため、脱硫器１２１で脱硫処理時に脱硫加熱手段にて加熱した熱量の有効利用ができ、脱硫加熱手段による加熱のためのエネルギを低減でき、脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを効率よく供給できる。
【００４３】
さらに、液面センサにて検出したバッファタンク１２３に貯溜された液体燃料１１１Ａの液面位置に応じて、液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動を制御している。
このため、例えば液面センサにて検出する液面位置と液体燃料ポンプ１１２Ａの流量とを関連付けた制御用データなどを設けておく簡単な制御方法で、かつ液面を検出する簡単なセンサを用いる構成で、安定した脱硫処理が得られ脈動なく安定して脱硫処理後の液体燃料を供給できる構成を提供でき、安定した燃料電池１７０用の燃料ガスの生成や、安定した燃料電池１７０における発電を提供できる。
【００４４】
また、制御装置にて統括制御、すなわち燃料電池システム１００全体の動作制御をしている。
このため、温度、流量、バルブの開閉タイミング、ポンプの駆動停止タイミングなど、比較的に容易に制御でき、例えばソフトウェアによるプログラム制御などにて不活性ガスのパージおよび循環制御の構築も容易で、特に停止・起動が比較的に頻繁に実施される家庭用のシステムとしても、自動制御も容易にできる。
なお、制御装置としては、複数の回路基板にて構成されるなど、１個体の形態に限らず、複数の制御回路がネットワークとして構築されたものなど、各種形態が適用できる。
【００４５】
〔実施の形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。
【００４６】
すなわち、本発明の燃料電池システムとしては、制御装置で統括して運転制御する構成に限らず、例えば脱硫手段１２０や気化手段１３０、改質手段１４０などの構成毎に制御する構成としてもよい。
また、統括制御としてソフトウェアによる信号制御にてバルブの開閉やポンプあるいはブロワの駆動制御を実施する構成としたり、各構成のハードウェアで制御する構成としたりするなど、制御構成としてはいずれの構成が適用できる。
【００４７】
そして、液体燃料１１１Ａを加熱して脱硫する構成としたが、例えば加熱することなく常温で脱硫処理する構成を適用することもできる。このような構成では、加熱のためのエネルギ消費も削減でき、より効率よく脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを供給できる。
また、液体燃料１１１Ａの気化としては、水蒸気混合のみならず、例えば改質手段１４０からの排ガスとの熱交換により直接的に気化させて別途水蒸気を混合したり、エゼクタを用いたりするなど、各種気化装置を用いることができる。
さらに、改質手段１４０として、改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の構成で説明したが、液体燃料から水素リッチガスを生成させるいずれの構成が適用できる。
また、燃料電池１７０は、固体高分子型に限らず、他の各種構成が適用できる。
【００４８】
そして、燃料電池システム１００の構成を例示したが、燃料電池１７０に供給する燃料ガスを製造する製造装置、さらには液体燃料１１１Ａの製造装置や精製装置、供給装置など、液体燃料１１１Ａを脱硫処理して供給する各種構成に適用できる。
また、バッファタンク１２３に燃焼ガス供給経路１２５を接続し、気化した液体燃料１１１Ａをバーナ１４１Ａに供給する構成を例示したが、この限りではない。例えば、他の燃焼系へ供給したり、液体燃料貯溜タンク１１１へ返送したり、液化装置で気相分を液化してバッファタンク１２３へ戻したりするなど、各種利用・供給ができる。
さらに、バッファタンク１２３に貯溜する液相の液体燃料１１１Ａの液量を検出する構成としては、液面センサに限らず、上述した各種構成が適用できる。
【００４９】
そして、液面位置に応じて供給する流量を制御する制御方法としては、いずれの方法が適用できる。例えば、貯溜タンクとしてのバッファタンク１２３の液面位置の変化スピードや、改質処理の負荷の大きさ、あるいは改質器１４１へ供給する供給流量などを液面センサや流量センサなどにて検出し、液面位置の変化スピードや流量などに応じて、液体燃料１１１Ａの供給量を制御するなどが例示できる。そして、バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料の液量を検出する構成は、検出方法によりバッファタンク１２３に設ける構成に限られない。例えば、流量センサであれば流路に設けるなどすればよい。
すなわち、バッファタンク１２３の液量を検出する構成としても、直接バッファタンク１２３に設けた液面センサに限らず、流量センサなどを流路中に設けるなどして間接的に検出するなど、設置位置およびその検出構成については、各種構成が適用できる。
また、制御装置の制御プログラムとしては、例えば記録媒体に記録したりネットワークを介して配信するなど、独立して流通させるなどしてもよい。
さらに、燃料電池システム１００における運転停止時において、例えばバッファタンク１２３の液面位置が所定の位置に達してから、全停止してもよい。このような構成によれば、再起動時から安定した液体燃料１１１Ａの供給ができ、良好な運転が得られる。
【００５０】
さらに、加熱手段として、脱硫剤容器１２１Ａの外部から電気ヒータにより加熱する構成に限らず、例えば脱硫剤容器１２１Ａ内に配設するなどしてもよい。また、シーズヒータなどの電気ヒータに限らず、各種ヒータやバーナによる加熱など、各種加熱方法を利用することができる。
また、加熱手段としては、脱硫剤容器１２１Ａに直接配設する構成に限らず、例えば液体燃料熱交換器１２２および脱硫剤容器１２１Ａ間の流入経路１２２Ａや流出経路１２２Ｂなどに、脱硫剤容器１２１Ａに伝熱ヒータや改質手段１４０のバーナ１４１Ａの排熱による加熱器などを配設するなど、配設位置や構成は適宜設定できる。
すなわち、脱硫温度検出手段としては、脱硫器１２１Ａに配設した温度センサに限らず、例えば脱硫器１２１Ａ内に配設したり、脱硫器１２１Ａに接続する流出経路１２２Ｂに配設したり、赤外線センサなどにて温度を検出したりするなど、脱硫器１２１Ａ内や脱硫器１２１Ａから流出する液体燃料の温度を検出可能ないずれの配設位置および検出構成を適用できる。
【００５１】
その他、本発明の実施における具体的な構造および形状などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、灯油などの液体燃料を原料として発電させる燃料電池システムに利用できる他、燃料電池の原料となる燃料ガスを製造する装置、さらには、液体燃料を脱硫処理する脱硫装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】前記一実施形態における脱硫装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】前記一実施形態における脱硫装置での液体燃料の滞留と液体燃料の気化との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１００……燃料電池システム
１１０……液体燃料供給手段
１１１Ａ…液体燃料
１１２Ａ…液体燃料供給ポンプとしての液体燃料ポンプ
１２１……脱硫器
１２１Ｂ…脱硫剤
１２２……熱交換手段としての液体燃料熱交換器
１２３……貯溜タンクとしてのバッファタンク
１２４……移送経路としての脱硫燃料経路
１２５……燃料供給経路としての燃焼ガス供給経路
１３０……気化手段
１４０……改質手段
１４１Ａ…バーナ
１５０……酸素含有気体供給手段
１７０……燃料電池
２００……脱硫装置
３００……燃料電池用燃料ガスの製造装置としての燃料ガス製造装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を脱硫剤によって脱硫する脱硫装置、その方法、燃料電池用燃料ガスの製造装置、および、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば燃料電池で発電に利用する水素ガスを生成するために、液体燃料を脱硫する各種脱硫方法が知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
特許文献１に記載のものは、脱硫剤を内部に充填し脱硫処理する脱硫器からの原料を補助タンクへ供給し、この補助タンクから改質器へ原料を供給させ、起動時に脱硫器から発生する原料の蒸気を補助タンクに流し込んで溜め、改質器へ供給されることを防止し、改質触媒の劣化防止や停止時間を短縮させる構成が採られている。そして、補助タンクが空にならないように補助タンク内の原料レベルを検知し、原料タンクから脱硫器を介して必要量の原料を供給させている。
特許文献２に記載のものは、脱硫剤を内部に充填し脱硫処理する脱硫反応器の底部に液体燃料を導入し、所定の温度に昇温して脱硫剤と接触させて脱硫処理する。この後、脱硫反応器内での気液界面の部位より、液体成分と気体成分とが併存する状態の反応生成物で引き抜き、下流側の気化器ならびに改質反応器に移送し、水素ガスを生成させ、脱硫後に下流側へ移送する際の脈動を防止する構成が採られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５１６０８号公報
【特許文献２】特開２００４−５１８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載のような従来の脱硫方法では、補助タンクが空にならないように原料タンクから脱硫器を介して必要量の原料を供給する構成であり、補助タンクにある程度の原料が貯溜する場合に原料タンクからの供給を停止すると、脱硫器内で原料の流動が停止し、脱硫器内での原料の温度が上昇し、蒸気が発生することで、液相吸着法による脱硫処理を実施する脱硫剤の脱硫処理効率が変動するおそれがある。このため、安定した良好な脱硫処理のために十分な容積の脱硫器を用いる必要があり、装置が大型化するおそれがある。
また、特許文献２に記載のような従来の脱硫方法では、液相吸着法による脱硫処理を実施するための脱硫剤が利用されることから、脱硫反応器内に気体成分と液体成分とが生成することで、脱硫剤による脱硫処理効率が異なってしまうので、安定した良好な脱硫処理のために十分な容積の脱硫反応器を用いる必要があり、装置が大型化するおそれがある。また、例えば、発電処理を中断することにより、液体燃料の流通が停止すると、脱硫反応器内で気体成分がより生成し易くなる。このため、再起動する際に、気体成分と液体成分とが併存する状態で引き抜く制御が煩雑となるとともに、下流側への移送の際に脈動を生じるおそれがある。さらには、後段での気化器における水蒸気との混合による気化の際に、移送される反応生成物の気体成分と液体成分との割合が変動することで、後段での改質処理における水蒸気バランスが変動し、安定した改質処理が得られなくなるおそれもある。
【０００５】
本発明の目的は、このような点に鑑みて、液体燃料を安定し効率よく脱硫処理して供給できる脱硫装置、その方法、燃料電池用燃料ガスの製造装置、および、燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に記載の脱硫装置は、液体燃料を脱硫する脱硫装置であって、前記液体燃料を供給する液体燃料供給ポンプを有した液体燃料供給手段と、脱硫剤が内部に充填され前記液体燃料供給手段により供給される前記液体燃料を脱硫処理する脱硫器と、この脱硫器に接続され脱硫された前記液体燃料が流入される流入口およびこの流入口から流入されて貯溜する前記液体燃料を流出する流出口を有した貯溜タンクと、この貯溜タンクに貯溜する前記液体燃料の液量を検出する検出手段と、この検出手段にて検出する前記貯溜タンクに貯溜する液体燃料の液量に応じた供給量で前記液体燃料を前記脱硫器へ連続的に供給する状態に前記液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する制御手段と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、脱硫剤が内部に充填され供給される液体燃料を脱硫処理する脱硫器に、脱硫処理された液体燃料が流入口から流入されて貯溜しこの貯溜する液体燃料を流出口から流出する貯溜タンクを接続する。貯溜タンクに貯溜する液体燃料の液量を検出手段で検出し、制御手段により、検出手段で検出する液量に応じた供給量で液体燃料供給手段にて液体燃料を脱硫器へ連続的に供給する状態に液体燃料供給手段の液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する。
このことにより、液体燃料が脱硫器に連続して供給され、脱硫器内で液体燃料が滞留することによる液体燃料の気相分の生成が抑制され、脱硫剤による安定した脱硫処理が得られるとともに、液体分のみ貯溜タンクから供給することにより、気相および液相分の混合移送時の脈動も防止でき、脱硫処理後の液体燃料を安定して供給できる。
【０００７】
そして、本発明では、前記脱硫器は、前記液体燃料供給手段から供給される前記液体燃料を加熱させて前記脱硫剤にて脱硫処理させる加熱手段を備えた構成とすることが好ましい。
この発明では、脱硫器に設けた加熱手段により、液体燃料供給手段から供給される液体燃料を加熱させて脱硫剤にて脱硫処理させる。
このことにより、脱硫処理効率の向上のために加熱手段にて液体燃料を加熱して脱硫処理するので、加熱により液体燃料の気化が生じやすい構成において、特に有効である。
【０００８】
さらに、本発明では、前記制御手段は、前記検出手段で検出する前記貯溜タンクに貯留する前記液体燃料の液量に応じた供給量に対応して、前記加熱手段による加熱負荷を大小させる制御をする構成とすることが好ましい。
この発明では、制御手段により、検出手段で検出する貯溜タンクに貯留する液体燃料の液量に応じた液体燃料供給手段による液体燃料の供給量に対応して、加熱手段による加熱負荷を大小させる。
このことにより、脱硫処理時の液体燃料の加熱負荷が、貯溜タンクの液量に応じて液体燃料供給手段から供給される液体燃料の供給量に対応して可変するので、安定した脱硫処理が得られる。
【０００９】
そして、本発明では、前記脱硫器の温度またはこの脱硫器から流出する前記液体燃料の温度を検出する脱硫温度検出手段を具備し、前記制御手段は、前記脱硫温度検出手段により検出する温度が略一定となる状態に前記加熱手段の加熱状態を制御する構成とすることが好ましい。
この発明では、制御手段により、脱硫温度検出手段で検出する脱硫器の温度または脱硫器から流出する液体燃料の温度が略一定となる状態に、加熱手段の加熱状態を制御する。
このことにより、貯溜タンクの液量に応じて液体燃料供給手段から供給される液体燃料の供給量が変動しても、加熱手段での加熱状態を、脱硫器の温度あるいは脱硫器から流出する液体燃料の温度を略一定として安定した脱硫処理が得られるように制御するので、安定した脱硫処理が簡単な構成で容易に得られる。
【００１０】
また、本発明では、前記脱硫器および前記貯溜タンク間に設けられ、前記脱硫器から流出する脱硫処理された前記液体燃料と、前記液体燃料供給手段にて供給される前記液体燃料との熱交換により、前記供給される液体燃料を前記脱硫処理された液体燃料で加熱する熱交換手段を具備した構成とすることが好ましい。
この発明では、脱硫器および貯溜タンク間に設けた熱交換手段により、脱硫器から流出する脱硫処理された液体燃料と、液体燃料供給手段にて供給される液体燃料との熱交換により、供給される液体燃料を脱硫処理された液体燃料で加熱する。
このことにより、脱硫器で脱硫処理時に加熱手段にて加熱した熱量の有効利用が得られ、脱硫処理後の液体燃料の効率的な供給が得られる。
【００１１】
さらに、本発明では、前記検出手段は、前記貯溜タンクに貯溜される前記液体燃料の液面位置を検出する液面センサを備え、前記制御手段は、前記液面センサにて検出する液面位置に応じて前記液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する構成とすることが好ましい。
この発明では、検出手段の液面センサにて検出した貯溜タンクに貯溜された液体燃料の液面位置に応じて、液体燃料を連続的に供給する液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する。
このことにより、例えば液面位置と液体燃料供給ポンプの流量とを関連付けた制御用データなどを設けておく簡単な制御方法で、かつ液面を検出する簡単なセンサを用いる構成で、安定した脱硫処理が得られ脈動なく安定して脱硫処理後の液体燃料を供給する構成が得られる。
【００１２】
本発明に記載の脱硫方法は、液体燃料を脱硫器で脱硫する脱硫方法であって、前記液体燃料を前記脱硫器へ供給する液体燃料供給ポンプと、前記脱硫器に接続され脱硫処理された前記液体燃料を貯溜しこの貯溜する液体燃料の液量を検出する検出手段を備えた貯溜タンクとを用い、前記検出手段にて検出する前記貯溜タンクに貯溜する前記液体燃料の液量に応じた供給量で前記液体燃料を前記脱硫器へ連続的に供給させる状態に前記液体燃料供給ポンプの駆動を制御することを特徴とする。
この発明では、液体燃料を脱硫器へ供給する液体燃料供給ポンプと、脱硫器に接続され脱硫処理された液体燃料を貯溜しこの貯溜する液体燃料の液量を検出する検出手段を備えた貯溜タンクとを用いる。そして、検出手段にて検出する貯溜タンクに貯溜する液体燃料の液量に応じた供給量で液体燃料を脱硫器へ連続的に供給させる状態に、液体燃料供給ポンプの駆動を制御する。
このことにより、液体燃料が脱硫器に連続して供給され、脱硫器内で液体燃料が滞留することによる液体燃料の気相分の生成が抑制され、脱硫剤による安定した脱硫処理が得られるとともに、液体分のみ貯溜タンクから供給することにより、気相および液相分の混合移送時の脈動も防止でき、脱硫処理後の液体燃料を安定して供給できる。
【００１３】
本発明に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の脱硫装置と、この脱硫装置の貯溜タンクに接続され前記貯溜タンクに貯溜された液相の前記液体燃料を移送する移送経路と、この移送経路に接続され移送される前記液体燃料を原料ガスに気化する気化手段と、この気化手段で気化された前記原料ガスを改質し燃料ガスを生成する改質手段と、を具備したことを特徴とする。
この構成では、液体燃料の安定した脱硫処理および脱硫処理後の液体燃料の安定供給が得られる請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の脱硫装置の貯溜タンクに、貯溜する液相の液体燃料を移送する移送経路を介して、液体燃料を原料ガスに気化する気化手段を接続する。そして、気化手段で気化した原料ガスを改質手段で改質して燃料ガスを生成させる。
このことにより、安定して良好に脱硫処理された液体燃料が気化手段へ脈動無く安定して供給されるので、気化手段で例えば水蒸気を混合して気化させる際の水蒸気との混合バランスが安定し、後段の改質手段における安定した改質処理が得られ、安定した特性の燃料ガスを安定して供給できる。
【００１４】
そして、本発明では、前記改質手段は、バーナを備え、前記脱硫装置の貯溜タンクに接続され、前記貯溜タンクに貯溜する気相分を前記バーナの燃料として供給する燃料供給経路を具備した構成とすることが好ましい。
この発明では、脱硫装置の貯溜タンクに貯溜する気相分を、燃料供給経路を介して改質手段のバーナへ燃料として供給する。
このことにより、気相分が発生しても改質手段での改質処理のために加熱するバーナの燃料として有効利用するので、液体燃料を効率よく利用できる。
【００１５】
本発明に記載の燃料電池システムは、請求項８または請求項９に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記燃料電池用燃料ガスの製造装置の前記改質手段で改質された前記燃料ガスおよび前記酸素含有気体供給手段により供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、を具備したことを特徴とする。
この発明では、安定した特性の燃料ガスを安定して供給できる燃料電池用燃料ガスの製造装置からの燃料ガスと、酸素含有気体供給手段から供給される酸素含有気体とを利用して、燃料電池にて発電させる。
このことにより、燃料ガスと酸素含有気体との割合が安定し、効率よく良好に発電できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池システムに係る一実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態では、灯油を利用する燃料電池システムの構成を例示するが、例えば燃料電池に供給する燃料ガスを製造する製造装置などに適用できる。
図１は、本実施の一形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、脱硫装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１７】
〔燃料電池システムの構成〕
（全体構成）
図１において、１００は、燃料電池システムで、この燃料電池システム１００は、液体燃料を原料として水素を主成分とする燃料ガスに改質し、燃料電池１７０により発電させるシステムである。
この燃料電池システム１００は、液体燃料供給手段１１０と、脱硫手段１２０と、気化手段１３０と、改質手段１４０と、酸素含有気体供給手段１５０と、加湿器１６０と、燃料電池１７０と、などを備えている。
そして、液体燃料供給手段１１０と、脱硫手段１２０とにより、本発明における液体燃料を脱硫する脱硫装置２００が構成され、脱硫装置２００と、移送経路としての脱硫燃料経路１２４と、気化手段１３０と、改質手段１４０と、により、本発明における脱硫処理後の液体燃料１１１Ａから燃料電池１７０で発電させる原料となる水素ガスリッチの燃料ガスを製造する装置である燃料電池用燃料ガスの製造装置としての燃料ガス製造装置３００が構成される。
【００１８】
液体燃料供給手段１１０は、図１および図２に示すように、液体燃料貯溜タンク１１１と、液体燃料供給経路１１２と、を備えている。
液体燃料貯溜タンク１１１は、例えば灯油などの液体燃料１１１Ａを流出可能に貯溜する。ここで、液体燃料１１１Ａとしては、灯油に限らず、例えば軽油やナフサなど、各種液体燃料が利用できる。
液体燃料供給経路１１２は、液体燃料貯溜タンク１１１に接続され、液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを流通させる。この液体燃料供給経路１１２は、液体燃料供給ポンプとしての液体燃料ポンプ１１２Ａおよび燃料供給バルブ１１２Ｂを有し、一端が液体燃料貯溜タンク１１１に接続され他端が脱硫手段１２０に接続された液体燃料供給管１１２Ｃを備えている。そして、液体燃料供給経路１１２は、液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動により液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを脱硫手段１２０へ流通させる。
なお、液体燃料供給手段１１０としては、液体燃料貯溜タンク１１１を備えた構成に限られるものではなく、例えば、別途設けられた液体燃料貯溜タンク１１１に接続されこの液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを流通させる液体燃料供給経路１１２のみを備えた構成としてもよい。
【００１９】
脱硫手段１２０は、図１および図２に示すように、脱硫器１２１と、熱交換手段としての液体燃料熱交換器１２２と、貯溜タンクとしてのバッファタンク１２３と、などを備えている。
脱硫器１２１は、液体燃料貯溜タンク１１１から液体燃料供給経路１１２に液体燃料熱交換器１２２を介して例えば約３００［ｍｌ／時間］で供給される液体燃料１１１Ａを、液相吸着法により液体燃料１１１Ａ中に含有される硫黄化合物を吸着除去する脱硫処理を実施する。
この脱硫器１２１は、脱硫剤容器１２１Ａと、加熱手段としての図示しない脱硫加熱手段と、図示しない脱硫温度検出手段と、などを備えている。脱硫剤容器１２１Ａは、内部に脱硫剤１２１Ｂが充填された略円筒状に形成され、軸方向の一端に液体燃料供給経路１１２の液体燃料供給管１１２Ｃの他端が接続され液体燃料１１１Ａが流入される図示しない燃料流入口を有し、軸方向の他端にバッファタンク１２３に接続され脱硫剤１２１Ｂと接触して流通する液体燃料１１１Ａを流出させる図示しない燃料流出口を有している。そして、脱硫器１２１は、脱硫剤容器１２１Ａの軸方向が略鉛直方向に沿う状態で、かつ燃料流入口が鉛直方向の下方に向けて開口するとともに燃料流出口が鉛直方向の上方に向けて開口する状態に設置される。すなわち、脱硫器１２１は、脱硫剤容器１２１Ａの下部から液体燃料１１１Ａが流入され、鉛直方向の上方に向けて流通しつつ上部から流出させる状態に設置される。
脱硫加熱手段は、例えば脱硫剤容器１２１Ａの外面に螺旋状に配設されたシーズヒータなどの電気ヒータを備え、脱硫剤容器１２１Ａの外面側から流通する液体燃料１１１Ａを例えば２００℃程度に加熱して脱硫処理を促進させる。なお、脱硫器１２１の外面には、電気ヒータとともに脱硫剤容器１２１Ａの外面を被覆して断熱する断熱材が設けられる。また、電気ヒータは、螺旋状に配設する構成に限らず、例えば脱硫剤容器１２１Ａの長手方向に沿って折り返すように配設するなどしてもよい。
脱硫温度検出手段は、例えば脱硫剤容器１２１Ａに配設され、脱硫剤容器１２１Ａの温度を検出する温度センサを備えている。この温度センサは、検出した温度検出信号を後述する制御装置へ出力する。
【００２０】
液体燃料熱交換器１２２は、液体燃料貯溜タンク１１１から供給される液体燃料１１１Ａを、脱硫器１２１から流出する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａとの熱交換により加熱する。
具体的には、液体燃料熱交換器１２２には、流入経路１２２Ａと、流出経路１２２Ｂと、が接続されている。流入経路１２２Ａは、液体燃料供給経路１１２の液体燃料供給管１１２Ｃが接続されるとともに脱硫器１２１の燃料流入口に接続され、液体燃料供給管１１２Ｃから脱硫器１２１へ液体燃料１１１Ａを供給する。流出経路１２２Ｂは、脱硫器１２１の燃料流出口に接続されるとともにバッファタンク１２３に接続され、脱硫器１２１で脱硫処理されて流出する液体燃料１１１Ａをバッファタンク１２３へ流通する。なお、流出経路１２２Ｂの液体燃料熱交換器１２２より下流側には、流出バルブ１２２Ｂ１、ストレーナ１２２Ｂ２、放圧弁１２２Ｂ３が設けられている。
そして、液体燃料供給管１１２Ｃから流入され流入経路１２２Ａを流通する供給された液体燃料１１１Ａと、流出経路１２２Ｂを流通する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａとが熱交換され、供給された液体燃料１１１Ａがある程度加熱されて脱硫器１２１へ供給される。
【００２１】
バッファタンク１２３は、脱硫器１２１で脱硫処理され液体燃料熱交換器１２２を介して流出経路１２２Ｂから流入する液体燃料１１１Ａを一時的に貯溜するタンクである。すなわち、バッファタンク１２３は、上部に脱硫処理された液体燃料１１１Ａが流入される図示しない流入口と、気相分の液体燃料１１１Ａを排出する排出口とが設けられ、下部に貯溜する液相分の液体燃料１１１Ａを流出する図示しない流出口が設けられ、液体燃料１１１Ａを貯溜可能なタンク構成に形成されている。
また、バッファタンク１２３には、貯溜する液体燃料１１１Ａの液量を検出する図示しない検出手段としての液面センサが設けられている。
【００２２】
液面センサは、バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａの液面位置を検出し、この液面位置に関する検出信号を後述する制御装置へ出力する。本実施の形態では、バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａが非常に少ない量となる液面位置「ＬＬレベル」と、貯溜する液体燃料１１１Ａが比較的に少ない量となる液面位置「Ｌレベル」と、貯溜する液体燃料１１１Ａが比較的に多い量となる液面位置「Ｈレベル」と、貯溜する液体燃料１１１Ａが非常に多い量となる液面位置「ＨＨレベル」の４つの液面位置を検出する構成を例示する。
すなわち、液面センサは、例えば、液面位置が「Ｌレベル」および「Ｈレベル」間に位置する場合には、その旨の信号もしくは検出信号を出力しない。また、液面位置が「Ｌレベル」および「ＬＬレベル」間に位置する場合には、液面位置「Ｌレベル」に応じた検出信号を出力する。さらに、「Ｈレベル」および「ＨＨレベル」間に位置する場合には、液面位置「Ｈレベル」に応じた検出信号を出力する。また、液面位置が「ＬＬレベル」よりさらに低い、すなわち少ない貯溜量となる液面位置、および、液面位置が「ＨＨレベル」よりさらに高い、すなわち多い貯溜量となる液面位置では、異常である旨の検出信号を出力する。
なお、液面センサとしては、このような構成に限らず、連続的に液面位置を検出する構成、さらには液面に限らず、流入量および流出量の差分から液体燃料１１１Ａの液量を算出する構成など、バッファタンク１２３内に貯溜する液相の液体燃料１１１Ａの液量を検出できるいずれの構成が適用できる。また、異常である旨の検出信号として「ＬＬレベル」と「ＨＨレベル」とをそれぞれ異なる信号とし、制御装置でそれぞれ異なる制御をしてもよい。
【００２３】
そして、このバッファタンク１２３の下部には、脱硫燃料バルブ１２４Ａおよび脱硫燃料ポンプ１２４Ｂを有した脱硫燃料経路１２４が接続され、貯溜する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを気化手段１３０へ供給可能となっている。
また、バッファタンク１２３の上部には、逆火防止フィルタ１２５Ａを有し、気化した液体燃料１１１Ａを排出、例えば改質手段１４０で燃焼される燃焼ガスとして供給させる燃料供給経路としての燃焼ガス供給経路１２５が接続されている。
【００２４】
気化手段１３０は、図１に示すように、脱硫手段１２０の脱硫燃料経路１２４に接続され、脱硫手段１２０から供給される脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを気化させる。この気化手段１３０は、気化器１３１と、熱交換装置１３２と、給水経路１３３と、などを備えている。
気化器１３１は、脱硫燃料経路１２４に接続され液体燃料１１１Ａが供給されるとともに、熱交換装置１３２に接続され熱交換装置１３２から水蒸気が供給される。そして、気化器１３１は、液体燃料１１１Ａおよび水蒸気を適宜混合して気化、すなわち原料ガスである気化液体燃料を生成させる。この気化器１３１は、改質手段１４０に接続され、水蒸気が混合されて気化した液体燃料１１１Ａである気化液体燃料を改質手段１４０へ供給する。
熱交換装置１３２は、改質手段１４０に接続され、改質手段１４０から排気される排ガスを冷却させるとともに排ガスとの熱交換により水から水蒸気を生成させ、生成した水蒸気を気化器１３１へ供給させる。具体的には、熱交換装置１３２には、純水１３３Ａを貯溜する純水タンク１３３Ｂが搬送ポンプ１３３Ｃおよび搬送バルブ１３３Ｄを有した給水経路１３３を介して接続され、純水タンク１３３Ｂから純水１３３Ａが供給される。この純水１３３Ａが改質手段１４０からの排ガスと熱交換されて水蒸気として気化器１３１に供給される。なお、純水タンク１３３Ｂは、蒸留水などの不純物を含まない純水１３３Ａを貯溜し、例えば水道水などが浄化されて適宜給水される構成が設けられていてもよい。
【００２５】
改質手段１４０は、気化手段１３０により水蒸気が混合されて気化された気化液体燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する。この改質手段１４０は、改質器１４１と、ＣＯ変成器１４２と、ＣＯ選択酸化器１４３と、などを備えている。
改質器１４１は、内部に図示しないニッケル触媒などの改質触媒およびバーナ１４１Ａを備えている。バーナ１４１Ａには、液体燃料貯溜タンク１１１に接続され搬送ポンプ１４４Ａを有し液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを搬送する燃料搬送経路１４４が接続されている。また、バーナ１４１Ａには、送気ブロワ１４５Ａおよび送気バルブ１４５Ｂを有した送気経路１４５が接続され、送気ブロワ１４５Ａの駆動により燃焼用空気が供給される。さらに、バーナ１４１Ａには、詳細は後述する燃料電池１７０に接続され開閉バルブ１４６Ａを有し燃料電池１７０から排出される燃料ガスを排出する燃料ガス供給経路１４６が接続されている。また、バーナ１４１Ａには、燃焼ガス供給経路１２５が接続され、バッファタンク１２３に貯溜する気相の液体燃料１１１Ａが供給される。
そして、バーナ１４１Ａは、送気ブロワ１４５Ａから供給される空気により、燃料搬送経路１４４を介して供給された液相の液体燃料１１１Ａや燃焼ガス供給経路１２５を介して供給された気相の液体燃料１１１Ａ、および燃料ガス供給経路１４６を介して供給された燃料ガスを燃焼させ、改質器１４１に供給された気化液体燃料を水素リッチの燃料ガスに水蒸気改質する。このバーナ１４１Ａの燃焼による高温の排ガスは、気化手段１３０の熱交換装置１３２に供給され、純水１３３Ａとの熱交換により冷やされて外気中に排気される。
ＣＯ変成器１４２は、改質器１４１から流出する水素リッチの燃料ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を変成する。
ＣＯ選択酸化器１４３は、酸化ブロワ１４３Ａが接続されて空気が供給される。そして、ＣＯ選択酸化器１４３は、供給される空気中の酸素により、ＣＯ変成器１４２で変成されずに残留するＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去する。
なお、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３は、改質器１４１と一体構成としてもよい。また、これらＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の他、ＣＯを吸着除去するなどの装置を設けるなどしてもよい。
【００２６】
酸素含有気体供給手段１５０は、酸素含有気体として例えば空気を燃料電池１７０へ供給する。
具体的には、酸素含有気体供給手段１５０は、ブロワ１５１と、一端がブロワ１５１に接続され他端が加湿器１６０に接続された空気供給管１５２と、この空気供給管１５２に設けられた空気バルブ１５３と、を備えている。そして、ブロワ１５１の駆動により、空気供給管１５２を介して空気を加湿器１６０へ供給する。
【００２７】
加湿器１６０は、第１加湿部１６１と、第２加湿部１６２と、を有している。
第１加湿部１６１は、燃料ガスバルブ１６３Ａを有した燃料ガス流通経路１６３を介して改質手段１４０のＣＯ選択酸化器１４３に接続され、改質手段１４０で改質された水素リッチの燃料ガスを、例えば６０〜７０℃程度に調整しつつ例えば純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第１加湿部１６１は、加湿した燃料ガスを燃料電池１７０へ供給する。
第２加湿部１６２は、酸素含有気体供給手段１５０の空気供給管１５２が接続され、供給される空気を例えば６０〜７０℃に加熱しつつ純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第２加湿部１６２は、加湿した空気を燃料電池１７０へ供給する。
また、燃料ガス流通経路１６３は、燃料ガスバルブ１６３Ａより上流側の位置で、バイパス経路１６５が接続されている。このバイパス経路１６５は、切替バルブ１６５Ａを有し、燃料ガス供給経路１４６における開閉バルブ１４６Ａより下流側に接続されている。そして、バイパス経路１６５は、燃料ガス流通経路１６３を流通する燃料ガスを、燃料ガス供給経路１４６を介して改質器１４１のバーナ１４１Ａへ供給する。
【００２８】
燃料電池１７０は、水素と酸素とを反応させて直流電力を発生させる。この燃料電池１７０は、例えば固体高分子型燃料電池で、正極１７１と、負極１７２と、正極１７１および負極１７２間に配設された図示しない高分子電解質膜と、を備えている。そして、正極１７１側には、加湿器１６０で加湿された空気が供給され、負極１７２側には加湿器１６０で加湿された水素リッチの燃料ガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と空気中の酸素とが反応して水（純水１３３Ａ）が生成されるとともに、正極１７１および負極１７２間に直流電力が発生する。
そして、負極１７２側は、上述したように改質器１４１のバーナ１４１Ａに燃料ガス供給経路１４６を介して接続され、余った水素分をバーナ１４１Ａの燃料として供給する。また、正極１７１側には、分離器１７５が接続されている。この分離器１７５には、正極１７１側から反応に利用された空気が供給され、気相分の空気と液相分の水（純水１３３Ａ）とに分離する。なお、分離した空気は、外気に排気される。そして、分離器１７５には、純水タンク１３３Ｂが接続され、分離した水（純水１３３Ａ）を純水タンク１３３Ｂへ供給する。
また、燃料電池１７０には、冷却装置１７７が設けられている。この冷却装置１７７は、燃料電池１７０に付設された熱回収装置１７７Ａが設けられている。この熱回収装置１７７Ａには、冷却水循環ポンプ１７８Ａおよび熱交換器１７８Ｂを備えた冷却水循環経路１７８を介して純水タンク１３３Ｂが接続されている。そして、冷却装置１７７は、冷却水循環ポンプ１７８Ａの駆動により、熱回収装置１７７Ａと純水タンク１３３Ｂとの間で冷却水となる純水１３３Ａを冷却水循環経路１７８で循環させ、発電に伴って発熱する燃料電池１７０を冷却させるとともに熱を回収する。熱交換器１７８Ｂは、循環され熱回収装置１７７Ａで熱を回収した純水１３３Ａと、例えば水道水などと熱交換させる。この熱交換により温められた水道水は、例えばお風呂などの他の設備に直接供給されて有効利用される。なお、水道水との熱交換の他、熱交換により得られる熱から発電させるなど、他の設備などに有効利用してもよい。
【００２９】
そして、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御する図示しない制御装置を備えている。
この制御装置は、液体燃料１１１Ａの流量制御、脱硫器１２１の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器１４１のバーナ１４１Ａの燃焼制御、熱交換装置１３２で水蒸気を生成させるための純水１３３Ａの供給量制御や温度管理、発電量の管理、起動・停止時のパージ処理などを実施する。
また、制御装置は、脱硫装置２００のバッファタンク１２３の液面センサにて検出する貯溜する液体燃料１１１Ａの流量、すなわち液面位置に応じて、液体燃料供給経路１１２にて液体燃料貯溜タンク１１１から所定の供給量で液体燃料１１１Ａを供給させる状態に液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を制御する。
さらに、制御装置は、脱硫装置２００の温度センサから出力される温度検出信号に基づいて、脱硫処理時の温度を認識し、脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御する。すなわち、温度センサが脱硫処理時の好適な所定の温度で略一定とように、電気ヒータへの電力を制御し、電気ヒータの加熱負荷である脱硫処理の加熱状態を制御する。なお、この加熱負荷の制御の際、上述した液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態に応じて、すなわち供給する液体燃料１１１Ａの供給量に対応して加熱負荷を大小させる制御を合わせて実施するとよい。具体的には、供給量が多くなるように液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を制御する際には、合わせて電気ヒータへ供給する電力量を増大させる。また、供給量が少なくなるように液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を制御する際には、合わせて電気ヒータへ供給する電力量を減少させる。
【００３０】
具体的には、制御装置は、液面センサからの検出信号を取得して液面位置を認識し、液面位置に応じた駆動状態で液体燃料ポンプ１１２Ａを駆動制御する。
例えば、液面センサからの検出信号を認識しない場合には、液面位置が「Ｌレベル」と「Ｈレベル」との間にある定常状態と判断し、液体燃料ポンプ１１２Ａを通常の例えば約３００［ｍｌ／時間］で液体燃料１１１Ａを連続的に供給、すなわちオンオフ制御ではなく連続して脱硫器１２１へ流入させる駆動状態に制御する。
また、「Ｌレベル」である旨の検出信号を取得した場合には、貯溜する液体燃料１１１Ａの液量が比較的に少ないと判断して、液体燃料ポンプ１１２Ａを比較的に多くの液体燃料１１１Ａを連続的に供給、すなわちオンオフ制御ではなく連続して脱硫器１２１へ流入させる駆動状態に制御する。また、「Ｈレベル」である旨の検出信号を取得した場合には、貯溜する液体燃料１１１Ａの液量が比較的に多いと判断し、液体燃料ポンプ１１２Ａを比較的に少なく液体燃料１１１Ａを連続的に供給する駆動状態に制御する。
なお、制御装置は、異常である旨の検出信号を取得した場合には、改質手段１４０へ液相で供給する液体燃料１１１Ａがほとんど貯溜されておらず、燃料電池１７０へ供給する燃料ガスの生成ができず燃料電池システム１００の安定した稼働状態が得られなくなる異常事態、あるいは、流出経路１２２Ｂからバッファタンク１２３へ流入する脱硫処理後の液体燃料１１１Ａがオーバーフローして燃焼ガス供給経路１２５に流れ込むなどの異常事態として、液体燃料ポンプ１１２Ａの稼働を停止させる。
【００３１】
〔燃料電池システムの動作〕
次に、上述した燃料電池システム１００における動作について、図面を参照して説明する。
【００３２】
まず、制御装置は、発電要求に関する信号を取得すると、暖気工程を実施する。なお、発電要求に関する信号としては、利用者によるスイッチの切替操作などの入力操作、現在時刻を計時する計時手段があらかじめ設定された時刻になったことを認識するタイマ制御、電力負荷における電力消費の開始あるいは電力消費の増大などに伴う信号、低下蓄電池の蓄電量の低下に伴う信号などが例示できる。
具体的には、制御装置は、図示しない起動用ヒータを動作させてバーナ１４１Ａを加熱する。また、制御装置は、送気経路１４５の送気バルブ１４５Ｂを開状態にするとともに送気ブロワ１４５Ａを駆動させ、改質器１４１のバーナ１４１Ａに燃焼用空気を供給させる。さらに、制御装置は、冷却水循環経路１７８の冷却水循環ポンプ１７８Ａを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯溜する純水１３３Ａを、冷却装置１７７、熱交換器１７８Ｂおよび純水タンク１３３Ｂで循環させる。
【００３３】
この暖気工程の後、制御装置は、バーナ１４１Ａの温度状態を確認する。そして、制御装置は、バーナ１４１Ａがある程度の温度に暖まったことを認識すると、燃料搬送経路１４４の搬送ポンプ１４４Ａを駆動させて液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａをバーナ１４１Ａへ供給したり、燃焼ガス供給経路１２５を介してバッファタンク１２３に貯留する気化した液体燃料１１１Ａをバーナ１４１Ａへ供給したりするとともに、バーナ１４１Ａの図示しない点火器を動作させ、液体燃料１１１Ａを燃焼させて改質器１４１を加熱する。
さらに、制御装置は、バーナ１４１Ａの火炎の温度を検知する。そして、制御装置は、バーナ１４１Ａの火炎検知温度が所定の温度に達したことを認識すると、改質手段１４０の改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の各温度が所定の温度に達したか否かを検出する。この後、制御装置は、改質手段１４０がそれぞれ所定の温度に達したことを認識すると、改質工程を実施する。
【００３４】
この改質工程では、制御装置は、給水経路１３３の搬送バルブ１３３Ｄを開状態とするとともに、気化手段１３０の給水経路１３３の搬送ポンプ１３３Ｃを駆動させ、純水タンク１３３Ｂに貯溜する純水１３３Ａを熱交換装置１３２へ供給する。この純水１３３Ａの供給により、熱交換装置１３２で改質器１４１からの排ガスとの熱交換により水蒸気が生成されて気化器１３１へ供給される。
また、制御装置は、脱硫手段１２０の脱硫燃料経路１２４の脱硫燃料バルブ１２４Ａを開状態とするとともに脱硫燃料ポンプ１２４Ｂを駆動させ、脱硫手段１２０のバッファタンク１２３に貯溜する脱硫処理された液体燃料１１１Ａを気化手段１３０の気化器１３１へ供給させる。この気化器１３１への液体燃料１１１Ａの供給により、熱交換装置１３２から気化器１３１へ供給される水蒸気と混合されて気化され気化液体燃料として改質手段１４０の改質器１４１へ供給される。
さらに、制御装置は、液体燃料供給経路１１２の燃料供給バルブ１１２Ｂを開状態とするとともに、液面検出センサからの検出信号に基づいてバッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａの液量に応じた供給量となる駆動状態に液体燃料ポンプ１１２Ａを駆動させ、液体燃料貯溜タンク１１１に貯溜する液体燃料１１１Ａを脱硫手段１２０の脱硫器１２１へ液体燃料供給管１１２Ｃを介して供給させる。この液体燃料１１１Ａの脱硫器１２１への供給により、液体燃料１１１Ａは、脱硫剤１２１Ｂとの接触により含有される硫黄化合物が吸着除去され、バッファタンク１２３へ流入される。
そしてさらに、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを開状態とし、気化器１３１から気化液体燃料として供給され改質手段１４０で改質処理されて流出するガスをバイパス経路１６５および燃料ガス供給経路１４６を介して改質器１４１のバーナ１４１Ａへ供給する。すなわち、改質手段１４０における気化液体燃料の不安定な改質処理状態で処理された燃料ガスは、改質器１４１の安定加熱のための燃焼に利用される。
【００３５】
この改質工程の後、制御装置は、改質手段１４０における改質処理のための改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の各温度などの条件を確認する。そして、改質処理の条件が満たされたことを認識すると、酸化ブロワ１４３Ａを駆動させてＣＯ選択酸化器１４３へ空気を供給する。この空気の供給により、ＣＯ変成器１４２で変成されずに残留するＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去させる。
そして、改質処理条件の確認後、改質手段１４０が安定したか否か、例えば安定する時間が経過したか否かを判断する。そして、改質手段１４０の安定時間が経過したことを認識すると、発電工程を実施する。
【００３６】
発電工程では、制御装置は、酸素含有気体供給手段１５０の空気バルブ１５３を開状態とするとともにブロワ１５１を駆動させ、空気を加湿器１６０の第２加湿部１６２へ供給させる。さらに、加湿器１６０の第２加湿部１６２で空気を例えば６０〜７０℃に加熱しつつ純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第２加湿部１６２で加湿した空気を燃料電池１７０の正極１７１へ供給させる。
さらに、制御装置は、バイパス経路１６５の切替バルブ１６５Ａを閉状態とするとともに、燃料ガス流通経路１６３の燃料ガスバルブ１６３Ａを開状態とし、改質手段１４０で改質された水素リッチの燃料ガスを、加湿器１６０の第１加湿部１６１へ供給させる。さらに、加湿器１６０の第１加湿部１６１で燃料ガスを例えば６０〜７０℃に調整しつつ純水タンク１３３Ｂから供給される純水１３３Ａにて加湿する。そして、第１加湿部１６１で加湿した燃料ガスを燃料電池１７０の負極１７２へ供給させる。
これら加湿器１６０からの加湿された空気および燃料ガスの供給により、燃料電池１７０では供給された燃料ガスの水素と供給された空気中の酸素とが反応して水（純水１３３Ａ）を生成させるとともに、正極１７１および負極１７２間に直流電力を発生させる。そして、制御装置は、燃料電池１７０で発生する直流電力の電圧を確認し、発生した直流電力を制御装置の図示しないインバータを介して交流電力に変換させ、電力負荷へ供給させる。具体的には、外部からの商用交流電源を供給する状態から燃料電池システム１００から家庭用電力として供給させる状態に切り替える。
このようにして、定常運転処理に移行する。すなわち、バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａの貯溜量に応じた液体燃料１１１Ａの流量制御、脱硫器１２１の脱硫加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器１４１のバーナ１４１Ａの燃焼制御、熱交換装置１３２で水蒸気を生成させるための純水１３３Ａの供給量制御や温度管理、発電量の管理など、燃料電池システム１００全体の運転状態を制御する。
【００３７】
ここで、脱硫器１２１内に液体燃料１１１Ａが滞留した場合について、図３を参照して説明する。
図３は、脱硫装置２００での液体燃料１１１Ａの滞留と液体燃料１１１Ａの気化との関係を示すグラフである。そして、この図３は、脱硫装置２００における脱硫器１２１の構成として、平均的な家庭用における消費電力に対応する燃料電池システム１００として、灯油を十分に脱硫処理すなわち脱硫処理後の硫黄濃度を推奨値の０．０５ｐｐｍ以下にするために必要な脱硫剤容積となる５００ｍｌとし、製造性および構造強度を考慮して円筒形の脱硫剤容器１２１Ａを用いた。また、脱硫処理では、液体燃料１１１Ａとして灯油とし、脱硫加熱手段により１９０℃〜２３０℃に加熱して処理する構成とした。そして、この脱硫器１２１における灯油の滞留時間と気化（ガス化）した液体燃料１１１Ａの量とを測定し、図３のグラフとした。
この図３に示すように、滞留時間が長くなるに従って液体燃料１１１Ａが気化し、脱硫器１２１内に気化した液体燃料１１１Ａが次第に蓄積することがわかる。
このように、制御装置は、脱硫器１２１内で液体燃料１１１Ａを滞留させずに連続的に流通させ、かつ脱硫器１２１より下流側で発電に必要な水素ガスを生成させるための原料となる所量の液体燃料１１１Ａを供給させる供給量で、液体燃料ポンプ１１２Ａを駆動させる必要がある。
そして、脱硫処理された液体燃料１１１Ａは、バッファタンク１２３に一旦貯溜されるので、液体燃料ポンプ１１２Ａの供給量と液体燃料１１１Ａの処理量とのバランスは、バッファタンク１２３にて調整されることとなる。また、仮に、燃料電池システム１００の起動・停止時、あるいは処理バランスなどにより液体燃料１１１Ａが気化しても、バッファタンク１２３にて回収するので、後段の気化手段１３０へは液相の液体燃料１１１Ａのみを供給できる。
【００３８】
〔燃料電池システムの作用効果〕
上述したように、上記実施の形態の燃料電池システム１００では、脱硫剤１２１Ｂが内部に充填され供給される液体燃料１１１Ａを脱硫処理する脱硫器１２１に、脱硫処理された液体燃料１１１Ａが流入口から流入されて貯溜しこの貯溜する液体燃料１１１Ａを流出口から流出するバッファタンク１２３を接続する。バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料１１１Ａの液量を検出する液面センサを設け、制御装置により、液面センサで検出する貯溜量に対応した貯溜された液体燃料１１１Ａの液面位置に応じた供給量で液体燃料供給手段１１０にて液体燃料１１１Ａを脱硫器１２１へ連続的に供給する状態に、液体燃料供給手段１１０の液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動状態を制御している。
このため、液体燃料１１１Ａが脱硫器１２１に連続して供給され、脱硫器１２１内で液体燃料１１１Ａが滞留することによる気相分の液体燃料１１１Ａの生成を抑制でき、脱硫剤１２１Ｂと液相の液体燃料１１１Ａとの接触状態が安定し、安定した脱硫処理が得られる。さらには、液相分のみバッファタンク１２３から供給しているので、気相分および液相分の混合移送時の脈動も防止でき、脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを後工程へ安定して供給できる。したがって、後段の気化器１３１での水蒸気との混合状態がほぼ一定にでき、安定した性状の水素リッチの燃料ガスを安定して生成でき、燃料電池１７０における安定した発電状態が得られる。
【００３９】
そして、脱硫器１２１に設けた脱硫加熱手段により、液体燃料供給手段１１０から供給される液体燃料１１１Ａを加熱させて脱硫剤１２１Ｂにて脱硫処理させる構成に適用している。
このため、脱硫処理効率の向上のために脱硫加熱手段にて液体燃料１１１Ａを加熱して脱硫処理する構成であることから、加熱により液体燃料１１１Ａの気化が生じやすい構成でも、特に有効である。
【００４０】
また、制御装置により、液面センサで検出するバッファタンク１２３に貯留する液体燃料１１１Ａの液量に応じた液体燃料ポンプ１１２Ａで供給する液体燃料１１１Ａの供給量に対応して、脱硫加熱手段の電気ヒータによる加熱負荷を大小させる。すなわち、電気ヒータへの供給電力を大小させる。
このため、脱硫処理時の液体燃料１１１Ａの加熱負荷が、バッファタンク１２３の液量に応じて液体燃料ポンプ１１２Ａで供給する液体燃料１１１Ａの供給量に対応して可変するので、供給量が変動しても液体燃料１１１Ａへ供給する熱量を一定とすることができ、安定した脱硫処理が得られる。
【００４１】
さらに、制御装置により、脱硫温度検出手段の温度センサで検出する脱硫器１２１Ａの温度が略一定となる状態に、脱硫加熱手段の電気ヒータの加熱状態を制御する。
このため、バッファタンク１２３の液量に応じて液体燃料ポンプ１１２Ａで供給する液体燃料１１１Ａの供給量が変動しても、電気ヒータでの加熱状態を、脱硫器１２１Ａの温度を略一定として安定した脱硫処理が得られるように制御するので、安定した脱硫処理が簡単な構成で容易に得られる。
【００４２】
また、脱硫器１２１およびバッファタンク１２３間に設けた液体燃料熱交換器１２２により、脱硫器１２１から流出する脱硫処理された液体燃料１１１Ａと、液体燃料供給手段１１０にて供給される液体燃料１１１Ａとの熱交換により、供給される液体燃料１１１Ａを脱硫処理された液体燃料１１１Ａで加熱している。
このため、脱硫器１２１で脱硫処理時に脱硫加熱手段にて加熱した熱量の有効利用ができ、脱硫加熱手段による加熱のためのエネルギを低減でき、脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを効率よく供給できる。
【００４３】
さらに、液面センサにて検出したバッファタンク１２３に貯溜された液体燃料１１１Ａの液面位置に応じて、液体燃料ポンプ１１２Ａの駆動を制御している。
このため、例えば液面センサにて検出する液面位置と液体燃料ポンプ１１２Ａの流量とを関連付けた制御用データなどを設けておく簡単な制御方法で、かつ液面を検出する簡単なセンサを用いる構成で、安定した脱硫処理が得られ脈動なく安定して脱硫処理後の液体燃料を供給できる構成を提供でき、安定した燃料電池１７０用の燃料ガスの生成や、安定した燃料電池１７０における発電を提供できる。
【００４４】
また、制御装置にて統括制御、すなわち燃料電池システム１００全体の動作制御をしている。
このため、温度、流量、バルブの開閉タイミング、ポンプの駆動停止タイミングなど、比較的に容易に制御でき、例えばソフトウェアによるプログラム制御などにて不活性ガスのパージおよび循環制御の構築も容易で、特に停止・起動が比較的に頻繁に実施される家庭用のシステムとしても、自動制御も容易にできる。
なお、制御装置としては、複数の回路基板にて構成されるなど、１個体の形態に限らず、複数の制御回路がネットワークとして構築されたものなど、各種形態が適用できる。
【００４５】
〔実施の形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状などとしても問題はない。
【００４６】
すなわち、本発明の燃料電池システムとしては、制御装置で統括して運転制御する構成に限らず、例えば脱硫手段１２０や気化手段１３０、改質手段１４０などの構成毎に制御する構成としてもよい。
また、統括制御としてソフトウェアによる信号制御にてバルブの開閉やポンプあるいはブロワの駆動制御を実施する構成としたり、各構成のハードウェアで制御する構成としたりするなど、制御構成としてはいずれの構成が適用できる。
【００４７】
そして、液体燃料１１１Ａを加熱して脱硫する構成としたが、例えば加熱することなく常温で脱硫処理する構成を適用することもできる。このような構成では、加熱のためのエネルギ消費も削減でき、より効率よく脱硫処理後の液体燃料１１１Ａを供給できる。
また、液体燃料１１１Ａの気化としては、水蒸気混合のみならず、例えば改質手段１４０からの排ガスとの熱交換により直接的に気化させて別途水蒸気を混合したり、エゼクタを用いたりするなど、各種気化装置を用いることができる。
さらに、改質手段１４０として、改質器１４１、ＣＯ変成器１４２およびＣＯ選択酸化器１４３の構成で説明したが、液体燃料から水素リッチガスを生成させるいずれの構成が適用できる。
また、燃料電池１７０は、固体高分子型に限らず、他の各種構成が適用できる。
【００４８】
そして、燃料電池システム１００の構成を例示したが、燃料電池１７０に供給する燃料ガスを製造する製造装置、さらには液体燃料１１１Ａの製造装置や精製装置、供給装置など、液体燃料１１１Ａを脱硫処理して供給する各種構成に適用できる。
また、バッファタンク１２３に燃焼ガス供給経路１２５を接続し、気化した液体燃料１１１Ａをバーナ１４１Ａに供給する構成を例示したが、この限りではない。例えば、他の燃焼系へ供給したり、液体燃料貯溜タンク１１１へ返送したり、液化装置で気相分を液化してバッファタンク１２３へ戻したりするなど、各種利用・供給ができる。
さらに、バッファタンク１２３に貯溜する液相の液体燃料１１１Ａの液量を検出する構成としては、液面センサに限らず、上述した各種構成が適用できる。
【００４９】
そして、液面位置に応じて供給する流量を制御する制御方法としては、いずれの方法が適用できる。例えば、貯溜タンクとしてのバッファタンク１２３の液面位置の変化スピードや、改質処理の負荷の大きさ、あるいは改質器１４１へ供給する供給流量などを液面センサや流量センサなどにて検出し、液面位置の変化スピードや流量などに応じて、液体燃料１１１Ａの供給量を制御するなどが例示できる。そして、バッファタンク１２３に貯溜する液体燃料の液量を検出する構成は、検出方法によりバッファタンク１２３に設ける構成に限られない。例えば、流量センサであれば流路に設けるなどすればよい。
すなわち、バッファタンク１２３の液量を検出する構成としても、直接バッファタンク１２３に設けた液面センサに限らず、流量センサなどを流路中に設けるなどして間接的に検出するなど、設置位置およびその検出構成については、各種構成が適用できる。
また、制御装置の制御プログラムとしては、例えば記録媒体に記録したりネットワークを介して配信するなど、独立して流通させるなどしてもよい。
さらに、燃料電池システム１００における運転停止時において、例えばバッファタンク１２３の液面位置が所定の位置に達してから、全停止してもよい。このような構成によれば、再起動時から安定した液体燃料１１１Ａの供給ができ、良好な運転が得られる。
【００５０】
さらに、加熱手段として、脱硫剤容器１２１Ａの外部から電気ヒータにより加熱する構成に限らず、例えば脱硫剤容器１２１Ａ内に配設するなどしてもよい。また、シーズヒータなどの電気ヒータに限らず、各種ヒータやバーナによる加熱など、各種加熱方法を利用することができる。
また、加熱手段としては、脱硫剤容器１２１Ａに直接配設する構成に限らず、例えば液体燃料熱交換器１２２および脱硫剤容器１２１Ａ間の流入経路１２２Ａや流出経路１２２Ｂなどに、脱硫剤容器１２１Ａに伝熱ヒータや改質手段１４０のバーナ１４１Ａの排熱による加熱器などを配設するなど、配設位置や構成は適宜設定できる。
すなわち、脱硫温度検出手段としては、脱硫器１２１Ａに配設した温度センサに限らず、例えば脱硫器１２１Ａ内に配設したり、脱硫器１２１Ａに接続する流出経路１２２Ｂに配設したり、赤外線センサなどにて温度を検出したりするなど、脱硫器１２１Ａ内や脱硫器１２１Ａから流出する液体燃料の温度を検出可能ないずれの配設位置および検出構成を適用できる。
【００５１】
その他、本発明の実施における具体的な構造および形状などは、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、灯油などの液体燃料を原料として発電させる燃料電池システムに利用できる他、燃料電池の原料となる燃料ガスを製造する装置、さらには、液体燃料を脱硫処理する脱硫装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】前記一実施形態における脱硫装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】前記一実施形態における脱硫装置での液体燃料の滞留と液体燃料の気化との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１００……燃料電池システム
１１０……液体燃料供給手段
１１１Ａ…液体燃料
１１２Ａ…液体燃料供給ポンプとしての液体燃料ポンプ
１２１……脱硫器
１２１Ｂ…脱硫剤
１２２……熱交換手段としての液体燃料熱交換器
１２３……貯溜タンクとしてのバッファタンク
１２４……移送経路としての脱硫燃料経路
１２５……燃料供給経路としての燃焼ガス供給経路
１３０……気化手段
１４０……改質手段
１４１Ａ…バーナ
１５０……酸素含有気体供給手段
１７０……燃料電池
２００……脱硫装置
３００……燃料電池用燃料ガスの製造装置としての燃料ガス製造装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を脱硫する脱硫装置であって、
前記液体燃料を供給する液体燃料供給ポンプを有した液体燃料供給手段と、
脱硫剤が内部に充填され前記液体燃料供給手段により供給される前記液体燃料を脱硫処理する脱硫器と、
この脱硫器に接続され脱硫された前記液体燃料が流入される流入口およびこの流入口から流入されて貯溜する前記液体燃料を流出する流出口を有した貯溜タンクと、
この貯溜タンクに貯溜する前記液体燃料の液量を検出する検出手段と、
この検出手段にて検出する前記貯溜タンクに貯溜する液体燃料の液量に応じた供給量で前記液体燃料を前記脱硫器へ連続的に供給する状態に前記液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とした脱硫装置。
【請求項２】
請求項１に記載の脱硫装置であって、
前記脱硫器は、前記液体燃料供給手段から供給される前記液体燃料を加熱させて前記脱硫剤にて脱硫処理させる加熱手段を備えた
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項３】
請求項２に記載の脱硫装置であって、
前記制御手段は、前記検出手段で検出する前記貯溜タンクに貯留する前記液体燃料の液量に応じた供給量に対応して、前記加熱手段による加熱負荷を大小させる制御をする
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項４】
請求項２に記載の脱硫装置であって、
前記脱硫器の温度またはこの脱硫器から流出する前記液体燃料の温度を検出する脱硫温度検出手段を具備し、
前記制御手段は、前記脱硫温度検出手段により検出する温度が略一定となる状態に前記加熱手段の加熱状態を制御する
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の脱硫装置であって、
前記脱硫器および前記貯溜タンク間に設けられ、前記脱硫器から流出する脱硫処理された前記液体燃料と、前記液体燃料供給手段にて供給される前記液体燃料との熱交換により、前記供給される液体燃料を前記脱硫処理された液体燃料で加熱する熱交換手段を具備した
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の脱硫装置であって、
前記検出手段は、前記貯溜タンクに貯溜される前記液体燃料の液面位置を検出する液面センサを備え、
前記制御手段は、前記液面センサにて検出する液面位置に応じて前記液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項７】
液体燃料を脱硫器で脱硫する脱硫方法であって、
前記液体燃料を前記脱硫器へ供給する液体燃料供給ポンプと、前記脱硫器に接続され脱硫処理された前記液体燃料を貯溜しこの貯溜する液体燃料の液量を検出する検出手段を備えた貯溜タンクとを用い、
前記検出手段にて検出する前記貯溜タンクに貯溜する前記液体燃料の液量に応じた供給量で前記液体燃料を前記脱硫器へ連続的に供給させる状態に前記液体燃料供給ポンプの駆動を制御する
ことを特徴とする脱硫方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の脱硫装置と、
この脱硫装置の貯溜タンクに接続され前記貯溜タンクに貯溜された液相の前記液体燃料を移送する移送経路と、
この移送経路に接続され移送される前記液体燃料を原料ガスに気化する気化手段と、
この気化手段で気化された前記原料ガスを改質し燃料ガスを生成する改質手段と、
を具備したことを特徴とした燃料電池用燃料ガスの製造装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置であって、
前記改質手段は、バーナを備え、
前記脱硫装置の貯溜タンクに接続され、前記貯溜タンクに貯溜する気相分を前記バーナの燃料として供給する燃料供給経路を具備した
ことを特徴とした燃料電池用燃料ガスの製造装置。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置と、
酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、
前記燃料電池用燃料ガスの製造装置の前記改質手段で改質された前記燃料ガスおよび前記酸素含有気体供給手段により供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、
を具備したことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項１】
液体燃料を脱硫する脱硫装置であって、
前記液体燃料を供給する液体燃料供給ポンプを有した液体燃料供給手段と、
脱硫剤が内部に充填され前記液体燃料供給手段により供給される前記液体燃料を脱硫処理する脱硫器と、
この脱硫器に接続され脱硫された前記液体燃料が流入される流入口およびこの流入口から流入されて貯溜する前記液体燃料を流出する流出口を有した貯溜タンクと、
この貯溜タンクに貯溜する前記液体燃料の液量を検出する検出手段と、
この検出手段にて検出する前記貯溜タンクに貯溜する液体燃料の液量に応じた供給量で前記液体燃料を前記脱硫器へ連続的に供給する状態に前記液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とした脱硫装置。
【請求項２】
請求項１に記載の脱硫装置であって、
前記脱硫器は、前記液体燃料供給手段から供給される前記液体燃料を加熱させて前記脱硫剤にて脱硫処理させる加熱手段を備えた
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項３】
請求項２に記載の脱硫装置であって、
前記制御手段は、前記検出手段で検出する前記貯溜タンクに貯留する前記液体燃料の液量に応じた供給量に対応して、前記加熱手段による加熱負荷を大小させる制御をする
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項４】
請求項２に記載の脱硫装置であって、
前記脱硫器の温度またはこの脱硫器から流出する前記液体燃料の温度を検出する脱硫温度検出手段を具備し、
前記制御手段は、前記脱硫温度検出手段により検出する温度が略一定となる状態に前記加熱手段の加熱状態を制御する
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の脱硫装置であって、
前記脱硫器および前記貯溜タンク間に設けられ、前記脱硫器から流出する脱硫処理された前記液体燃料と、前記液体燃料供給手段にて供給される前記液体燃料との熱交換により、前記供給される液体燃料を前記脱硫処理された液体燃料で加熱する熱交換手段を具備した
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の脱硫装置であって、
前記検出手段は、前記貯溜タンクに貯溜される前記液体燃料の液面位置を検出する液面センサを備え、
前記制御手段は、前記液面センサにて検出する液面位置に応じて前記液体燃料供給ポンプの駆動状態を制御する
ことを特徴とした脱硫装置。
【請求項７】
液体燃料を脱硫器で脱硫する脱硫方法であって、
前記液体燃料を前記脱硫器へ供給する液体燃料供給ポンプと、前記脱硫器に接続され脱硫処理された前記液体燃料を貯溜しこの貯溜する液体燃料の液量を検出する検出手段を備えた貯溜タンクとを用い、
前記検出手段にて検出する前記貯溜タンクに貯溜する前記液体燃料の液量に応じた供給量で前記液体燃料を前記脱硫器へ連続的に供給させる状態に前記液体燃料供給ポンプの駆動を制御する
ことを特徴とする脱硫方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の脱硫装置と、
この脱硫装置の貯溜タンクに接続され前記貯溜タンクに貯溜された液相の前記液体燃料を移送する移送経路と、
この移送経路に接続され移送される前記液体燃料を原料ガスに気化する気化手段と、
この気化手段で気化された前記原料ガスを改質し燃料ガスを生成する改質手段と、
を具備したことを特徴とした燃料電池用燃料ガスの製造装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置であって、
前記改質手段は、バーナを備え、
前記脱硫装置の貯溜タンクに接続され、前記貯溜タンクに貯溜する気相分を前記バーナの燃料として供給する燃料供給経路を具備した
ことを特徴とした燃料電池用燃料ガスの製造装置。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の燃料電池用燃料ガスの製造装置と、
酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、
前記燃料電池用燃料ガスの製造装置の前記改質手段で改質された前記燃料ガスおよび前記酸素含有気体供給手段により供給される前記酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、
を具備したことを特徴とした燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−１０６１７２（Ｐ２００８−１０６１７２Ａ）
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９１２１０（Ｐ２００６−２９１２１０）
【出願日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【出願人】（０００１８３６４６）出光興産株式会社 (2,069)
【出願人】（００００００５３８）株式会社コロナ (753)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【出願人】（０００１８３６４６）出光興産株式会社 (2,069)
【出願人】（００００００５３８）株式会社コロナ (753)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]