水素生成装置、および燃料電池システム
【課題】 脱硫剤の充填量を増加する場合の適切な構成については、従来検討されていない。
【解決手段】 原料中の硫黄化合物を水添脱硫する水添脱硫器７と、水添脱硫器７を通過した原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器１と、水添脱硫器７は、原料が流れる第１の流路３と、第１の流路３に設けられた第１の脱硫剤３ａと、第１の流路３を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第２の流路４と、第２の流路４に設けられた第２の脱硫剤４ａとを備え、水添脱硫器７は、改質器１と熱交換するように改質器１に隣接するとともに、第２の流路４は、第２の脱硫剤４ａが第１の脱硫剤３ａと熱交換するように第１の流路３に隣接している。
【解決手段】 原料中の硫黄化合物を水添脱硫する水添脱硫器７と、水添脱硫器７を通過した原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器１と、水添脱硫器７は、原料が流れる第１の流路３と、第１の流路３に設けられた第１の脱硫剤３ａと、第１の流路３を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第２の流路４と、第２の流路４に設けられた第２の脱硫剤４ａとを備え、水添脱硫器７は、改質器１と熱交換するように改質器１に隣接するとともに、第２の流路４は、第２の脱硫剤４ａが第１の脱硫剤３ａと熱交換するように第１の流路３に隣接している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素含有ガスを生成させる脱硫装置を用いた水素生成装置、およびそれを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させることにより発電する発電システムである。また、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
一般的に、水素含有ガスのインフラストラクチャーが整備されていないことが多く、従来の燃料電池システムには、既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする都市ガス、又はＬＰＧ等を原料とし、Ｒｕ触媒、またはＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で水蒸気との改質反応させる改質部を備えた水素生成装置が配設されている。
インフラストラクチャーから供給される都市ガス、又はＬＰＧ等の原料には、原料漏れを検出させるため、ＤＭＳ、ＴＢＭ、ＴＨＴといった硫黄系の付臭剤が添加されている。また、原料由来の硫黄化合物も含まれる。それらの硫黄系の付臭剤、及び原料由来の硫黄化合物（総称して硫黄化合物とする）は、改質部等で用いられるＲｕ触媒、またはＮｉ触媒といった触媒を被毒させ、改質反応を阻害させる。
そこで、水素生成装置は、一般的に、改質部に導入する前の原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器を備える。脱硫器には、常温で硫黄化合物を物理吸着させる常温吸着脱硫器、及び硫黄化合物を常温よりも高い温度で水添反応させて硫化水素にし、その硫化水素を化学吸着する水添脱硫器が例示される。
水添脱硫器では、吸着容量は多いが、高温（２００〜４００℃程度）で反応させなければならないという特徴がある。加熱源を別途備える場合、放熱で熱損出が増加する、装置構成が複雑になる等の課題が発生する。そこで、環状の改質部の外側に、環状の水添脱硫器を設置して、改質部からの放熱を利用して水添脱硫器を加熱する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５８９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
原料中の硫黄化合物量は、供給される原料種や地域によって相異する。原料中に含まれる硫黄化合物濃度が高い場合には、水添脱硫器に充填する脱硫剤の量を増加することが必要になるが、上記特許文献１記載の水素生成装置において、脱硫剤の量を増加する場合の適切な構成については、従来検討されていない。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水添脱硫器に充填される脱硫剤の量を増加させた場合に適切に構成された水素生成装置、およびこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、鋭意検討した結果、以下の点に気づいた。
【０００６】
脱硫剤の充填量を増加させるため、特許文献１記載の発明において、水添脱硫器を原料が流れる向きと平行な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納すると、改質器からの放熱を利用できず低温になり、脱硫剤が適切な使用温度から外れる可能性がある。
【０００７】
一方、脱硫剤の充填量を増加させるため、水添脱硫器を、原料の流れる向きと垂直な方向に大きくして増加分の脱硫剤を収納すると水添脱硫器内で原料の流れ分布の不均一化が進む可能性がある。
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料中の硫黄化合物を水添脱硫する水添脱硫器と、前記水添脱硫器を通過した原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記水添脱硫器は、原料が流れる第１の流路と、前記第１の流路に設けられた第１の脱硫剤と、前記第１の流路を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第２の流路と、前記第２の流路に設けられた第２の脱硫剤とを備え、前記水添脱硫器は、前記改質器と熱交換するように前記改質器に隣接するとともに、前記第２の流路は、前記第２の脱硫剤が前記第１の脱硫剤と熱交換するように前記第１の流路に隣接している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、水添脱硫器を原料が流れる向きと平行な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、改質器の放熱の利用率が向上し、脱硫剤の低温化が抑制される。また、本発明は、水添脱硫器を原料が流れる向きと垂直な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、原料の流れ分布の不均一化が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図
【図２】実施例１の水素生成装置の概略構成を示す図
【図３】実施例２の水素生成装置の概略構成を示す図
【図４】実施の形態２における燃料電池システムの概略構成の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１の水素生成装置は、原料中の硫黄化合物を水添脱硫する水添脱硫器と、水添脱硫器を通過した原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、水添脱硫器は、原料が流れる第１の流路と、第１の流路に設けられた第１の脱硫剤と、第１の流路を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第２の流路と、第２の流路に設けられた第２の脱硫剤とを備え、水添脱硫器は、改質器と熱交換するように改質器に隣接するとともに、第２の流路は、第２の脱硫剤が第１の脱硫剤と熱交換するように第１の流路に隣接している。
かかる構成により、水添脱硫器を原料が流れる向きと平行な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、改質器の放熱の利用率が向上し、脱硫剤の低温化が抑制される。さらに、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤とが熱交換するように構成されているため、第２の脱硫剤の低温化が抑制されるとともに、各脱硫剤を流れる原料が対向流となるため、第２の脱硫剤の下流の低温化が抑制される。また、水添脱硫器を原料が流れる向きと垂直な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、原料の流れる向きに対して垂直な流路断面の面積が低下するので、原料の流れ分布の不均一化が抑制される。
実施の形態１の水素生成装置は、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤とが同一の脱硫剤であってもよい。ここで、上記脱硫剤が同一であるとは、完全同一である場合だけでなく、略同一である場合も含む。
かかる構成により、第１の流路と第２の流路とが隣接していない場合に比べ、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤とが互いにより近接した温度で使用され、脱硫効率が向上する。
実施の形態１の水素生成装置は、水添脱硫器は、水素化触媒を備え、第１の脱硫剤及び第２の脱硫剤はともに、水素化触媒の下流に設けられた吸着剤であってもよい。
実施の形態１の水素生成装置は、改質器の外周に、第１のガス流路が配設され、第２のガス流路は、第１のガス流路の外周に配設されていてもよい。
実施の形態１の水素生成装置は、第１の流路の断面積と、第２の流路の断面積とが、同一となるように構成されていてもよい。ここで、上記流路断面積が同一であるとは、完全同一である場合だけでなく、略同一である場合も含む。
かかる構成により、第１の流路の断面積と第２の流路の断面積とが異なる場合に比べ、原料の流れ分布の不均一化が抑制される。
実施の形態１の水素生成装置は、水添脱硫器は、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤との間に、吸着剤が設置されない空間部が設けられ、空間部で原料の流れが転回されるように構成されていてもよい。
かかる構成により、空間部で原料が一度混合され、第２の脱硫剤に流入するので、空間部を設けない場合に比べ、第２の脱硫剤での脱硫量の増加が見込まれる。
実施の形態１の水素生成装置は、第１の脱硫剤及び第２の脱硫剤は、酸化亜鉛を含む吸着剤で構成されていてもよい。
次に、本実施の形態の水素生成装置の一例の詳細について説明する。
図１は、本実施の形態の水素生成装置の概略構成の一例を示す図である。
図１に示すように、水素生成装置１００は、改質器１と、燃焼器２と、水添脱硫器７とを備える。
改質器１は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含み、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。改質反応は、いずれの改質反応でもよく、具体的には、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応が例示される。本例では、水蒸気改質反応が用いられている。改質器１で生成された水素含有ガスは、水素供給路を介して水素利用機器へと供給される。水素利用機器としては、水素容器、燃料電池等が例示される。
【００１１】
なお、本実施の形態の水素生成装置１００は、改質器１の下流に反応器を設けない形態であるが、改質器１の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設ける形態であっても構わない。なお、ＣＯ低減器は、シフト反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器と、メタン化反応及び酸化反応の少なくともいずれか一方により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。
【００１２】
燃焼器２は、改質器１を加熱する。燃焼器２の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、改質器１より排出される水素含有ガスが用いられる。
水添脱硫器７は、原料中に含まれる硫黄化合物を水添脱硫により除去する。水添脱硫器７は、改質器１と熱交換するように改質器１に隣接する。ここで、「熱交換するように隣接する」とは、直接的に熱交換するように隣接する場合及び間接的に熱交換するように隣接する場合の少なくともいずれか一方を意味する。「直接的に熱交換するように隣接する」とは、具体的には、改質器１の外殻と水添脱硫器７の外殻とが直接接触するよう構成されていることを意味する。また、「間接的に熱交換するように隣接する」とは、改質器１の外殻と水添脱硫器７の外殻とがガス流路及び空間の少なくともいずれか一方を介して隣接するよう構成されていることを意味する。
水添脱硫器７は、第１の流路３と第２の流路４とを備える。第２の流路４は、第１の流路３を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる流路である。第２の流路４は、第２の脱硫剤４ａが第１の脱硫剤３ａと熱交換するように第１の流路３に隣接している。
本実施の形態の水素生成装置は、改質器１が筒体内部に形成され、水添脱硫器７が、改質器１の外周に設けられている。具体的には、図１に示すように第１の流路３が改質器１の外周に設けられ、第２の流路４が第１の流路３の外周に配設されている。
なお、上記構成は、一例であり、水添脱硫器７が、改質器１と熱交換可能なように隣接されていれば、いずれの構成であっても構わない。例えば、改質器１が中空構造を有しており、改質器１の内周に水添脱硫器７が隣接するよう構成されていても構わない。この場合、改質器１の内周に第１の流路３が設けられ、第１の流路３の内周に第２の流路４が設けられる。
第１の脱硫剤３ａと第２の脱硫剤４ａは、同一の脱硫剤である。具体的には、第１の脱硫剤３ａ及び第２の脱硫剤４ａが共に、硫黄化合物の水素化機能と硫化水素の吸着機能とを有する同一の脱硫剤（例えば、ＣｕＺｎ系脱硫剤）であってもよい。または、第１の脱硫剤３ａと第２の脱硫剤４ａが、共に同一の硫化水素の吸着剤（例えば、酸化銅、または酸化亜鉛）であってもよい。この場合、第１の脱硫剤の上流には、水素化触媒が配設される。なお、上記構成は、一例であり、第１の脱硫剤３ａ及び第２の脱硫剤４ａは、水添脱硫に用いられる脱硫剤であれば、いずれの脱硫剤でもよく、また、互いに異なる種類の脱硫剤であっても構わない。
第１の流路３の断面積と第２の流路４の断面積は、同一となるように構成されているが、異なる面積であっても構わない。
なお、上記実施の形態では、第２の流路４を通過した原料が、改質器１に供給されるよう構成されているが、第２の流路４を通過した原料が流れの向きを再度転回後に流れる第３の流路（図示せず）を設けても構わない。また、この第３の流路には、第３の脱硫剤（図示せず）が設けられ、第３の脱硫剤は、第１の脱硫剤３ａ及び第２の脱硫剤４ａと同一の脱硫剤であってもよい。
【００１３】
ここで、第３の流路は、第１の流路３及び第２の流路４と断面積が同一になるよう構成されていてもよい。また、水添脱硫器７は、第２の流路４と第３の流路（図示せず）との間に空間部が設けられ、この空間部で原料の流れが転回されるように構成されても構わない。
［実施例１］
図２は、水素生成装置１００の実施例１の概略構成を示す図である。
本実施例の水素生成装置は、改質器１、変成器２１、及びＣＯ除去器２２を備える水素生成器を備える。
改質器１は、第１筒体２７、第２筒体２８及びその両方の筒体の間に形成される環状空間に設けられた、改質触媒２０ａを備える。改質触媒２０ａは、いずれの触媒であっても構わないが、本例では、Ｒｕ系改質触媒、及びＮｉ系改質触媒の少なくともいずれか一方が用いられる。
蒸発器１３は、原料供給路１２及び水供給路１１より供給された原料及び水から原料及び水蒸気の混合ガスを生成する。生成された混合ガスは、改質器１に供給される。
変成器２１は、第２筒体２８、第３筒体２９、及びその両方の筒体の間に形成される環状空間に設けられた、変成触媒２１ａを備える。変成触媒２１ａは、いずれの触媒であっても構わないが、本例では、Ｃｕ−Ｚｎ系変成触媒が用いられる。
ＣＯ除去器２２は、第２筒体２８、第３筒体２９、及びその両方の筒体の間に形成される環状空間に設けられた、ＣＯ除去触媒２２ａを備える。ＣＯ除去触媒２２ａは、いずれの触媒であっても構わないが、本例では、Ｒｕ系ＣＯ除去触媒が用いられる。
【００１４】
また、水素生成器には、酸素の供給源となる空気供給路２４が設けられており、変成器２１を通過後の水素含有ガスに空気を供給して、ＣＯ除去器２２で酸化反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する構成となっている。
【００１５】
ＣＯ除去器２２を通過した、水素含有ガスは、水素供給路１０を流れ、水素利用機器に水素含有ガスを供給する。
水添脱硫器７は、水添脱硫容器３１の内部に、原料の流れに対して水素化触媒６ｂと、第１の吸着剤３ｂ、第２の吸着剤４ｂ、第３の吸着剤５ｂが設けられている。第１の吸着剤３ｂ、第２の吸着剤４ｂ、及び第３の吸着剤５ｂは、同一の硫化水素の吸着剤であり、例えば、銅亜鉛系の吸着剤が用いられる。
水添脱硫器７は、水添脱硫容器３１の内部に、筒状の第１分離体３２と第２分離体３３とを備えている。第１分離体３２は、第２分離体３３よりも改質器１に近い側に配設されている。そして、水添脱硫容器３１と第１分離体３２との間に第１の流路３が形成され、第１分離体３２と第２分離体３３との間に第２の流路４が形成され、第２分離体３３と水添脱硫容器３１との間に第３の流路５が形成される。
第１の流路３には、第１の吸着剤３ｂが設けられ、第２の流路４には、第２の吸着剤４ｂが設けられ、第３の流路５には、第３の吸着剤５ｂが設けられている。
なお、水添脱硫器７は、筒状の改質器１の外壁（第２筒体２８）と変成器２１に流入する前の水素含有ガスが流れるガス流路及び第３筒体２９と水添脱硫容器３１との間の空間を介して隣接するように配設されている。つまり、水添脱硫器７は、改質器１と間接的に熱交換するよう隣接している。
なお、水添脱硫器７（例えば、第１の流路３）を流れる原料の向きは、改質器１を流れるガスの向きと平行に流れるように構成されている。
本実施の形態では、水添脱硫器７に関する構成が大きな特徴となる。以下、その特徴について、さらに説明する。
上述の通り、水添脱硫器７は、第１の流路３、第２の流路４及び第３の流路５が設けられている。
これらの流路は、いずれも間接的ではあるが、改質器１と熱交換するように隣接しているので、水添脱硫器を原料が流れる向きと平行な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、改質器１の放熱の利用率が向上する。
また、通常、原料の流れの下流ほど放熱により温度が低下し、硫化水素の高い吸着能が発揮される温度域（例えば、２００℃〜３５０℃）から外れやすくなる。
しかしながら、水添脱硫器７は、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤とが熱交換するように構成されるとともに、第２の脱硫器剤と第３の脱硫剤とが熱交換するように構成されているので、第２の脱硫剤及び第３の脱硫剤の低温化が抑制され、第２の脱硫剤及び第３の脱硫剤の吸着能が向上する。
また、第１の流路３及び第２の流路４のそれぞれを流れる原料の向きは対向するとともに、第２の流路４及び第３の流路５をそれぞれ流れる原料の向きは対向するよう構成されている。これにより、例えば、相対的に高温である第１の吸着剤３ｂの上流側の熱が、相対的に低温である第２の吸着剤４ｂの下流側に伝熱することで、第２の吸着剤４ｂの下流側の温度が上昇し、第２の吸着剤４ｂの吸着能が向上する。
【００１６】
また、第３の吸着剤５ｂについても同様に下流側の温度が第２の吸着剤４ｂの上流側からの伝熱により上昇し、第３の吸着剤５ｂの吸着能が向上する。従って、水添脱硫に使用される脱硫剤の量を増加させる場合にも、本実施例の水添脱硫器７を使用することで、必要以上に水添脱硫器が大型化することがなくなる。
また、水添脱硫器７の第１の流路３においては、第１の吸着剤３ｂの上流に配設された水添脱硫器７水素化触媒６ｂも改質器１と熱交換するよう隣接しており、水素化触媒６ｂの使用温度（２５０℃〜３５０℃）に維持するのに改質器１の放熱が有効に利用されている。
【００１７】
また、本実施例では、第１の流路３、第２の流路４、及び第３の流路５が、この順に改質器１の外側に向かって配設されているので、水添脱硫器７内を流れる原料は、改質器１に対して外側に向かって流れる。そして、第３の流路５の外壁面（水添脱硫容器３１の外周面）が、放熱面となるので、改質器１からの放熱を低減でき、熱の有効利用が可能な水添脱硫器７構成を備えた水素生成装置１００を構成できる。
また、本実施例の水素生成装置は、各吸着剤の間に、空間部３４が設けられ、空間部３４で原料の流れが転回されるように構成されている。この空間部３４で、上流の吸着剤（例えば、第１の吸着剤３ｂ）を通過後の原料が一度混合し、下流の他の吸着剤（例えば、第２の吸着剤４ｂ）に流入するので、流入した吸着剤での吸着量の増加が見込まれる。
また、本実施例の水素生成装置は、第１の流路３、第２の流路４、及び第３の流路５の流路断面積（原料の流れる方向に対して垂直な流路断面の面積）が、同一となるよう構成されている。このように構成することで、各吸着剤を流れる原料の流速が、ほぼ同一とすることができ、各吸着剤で同等の吸着性能を確保することができる。ここで、上記流路断面積が同一であるとは、完全同一である場合だけでなく、略同一である場合も含む。
【００１８】
なお、硫化水素の吸着剤を設ける流路は、水添脱硫器７に設ける吸着剤の量に応じて、さらに、第３の流路の外周側に増設しても構わない。
【００１９】
また、第３の流路５及び第３の吸着剤５ｂを設けなくてもよい。
［実施例２］
次に、実施例２の水素生成装置１００について説明する。
図３は、実施例２の水素生成装置１００の概略構成を示す図である。
水添脱硫器７図３に示すように、水添脱硫器７は、第３の流路５の下流に第４の流路８を備える。第４の流路８には、酸化銅を含む深度脱硫剤８ｂが設けられている。第４の流路８は、第３の流路５を通過した原料が転回し、改質器１に向けて流れるよう構成されている。
深度脱硫剤８ｂは、第４の流路８においての第４の流路８の下流側に配設され、水素含有ガスが流れる流路と熱交換するよう隣接されている。そして、深度脱硫剤８ｂは、その使用温度（例えば、２５０℃）に維持される。
なお、第４の流路８は、原料が改質器１に向けて流れるように構成されているが、本構成に限定されるものではなく、深度脱硫剤８ｂを配設可能であれば、いずれの構成であっても構わない。
また、第４の流路８は、第３の流路５の下流に設けられているが、第３の流路５を設けず、第２の流路４の下流に設けられるよう構成されても構わない。つまり、第４の流路８は、第２の流路４を通過した原料が流入するよう構成されていれば、いずれの構成であっても構わない。
また、第４の流路８は、その流路断面積が、第３の流路５の流路断面積よりも小さくなるよう構成されていてもよい。これは、深度脱硫剤８ｂ内を流れる原料の流ればらつきを小さくできるからである。
また、図２に示す第１の吸着剤３ｂ、第２の吸着剤４ｂ、及び第３の吸着剤５ｂに代えて、深度脱硫剤８ｂを設置する構成としても、実施の形態１に示す効果と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
また、深度脱硫剤が、水素化触媒として機能する場合、水素化触媒６ｂにこれを用いても構わない。
なお、上記実施の形態１、実施例１及び実施例２のいずれかの水素生成装置は、起動時に原料中の硫黄化合物を常温で吸着脱硫する常温吸着脱硫器を備えても良い。
（実施の形態２）
実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１、実施例１及び実施例２のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
【００２１】
図４は、実施の形態２の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。
【００２２】
図４に示す例では、本実施形態の燃料電池システム２００は、第１実施形態の水素生成装置１００と、燃料電池５１とを備える。
【００２３】
燃料電池５１は、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池である。燃料電池５１は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池等を用いることができる。
【００２４】
発電運転時において、燃料電池システム２００は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明にかかる水素生成装置、および燃料電池システムは、水添脱硫器に充填される脱硫剤の量を増加させた場合に適切に構成され、水素生成装置、およびこれを備える燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００２６】
１ 改質器
２ 燃焼器
３ 第１の流路
３ａ 第１の脱硫剤
３ｂ 第１の吸着剤
４ 第２の流路
４ａ 第２の脱硫剤
４ｂ 第２の吸着剤
５ 第３の流路
５ｂ 第３の吸着剤
６ｂ 水素化触媒
７ 水添脱硫器
８ 第４の流路
８ｂ 深度脱硫剤
１０ 水素供給路
１１ 水供給路
１２ 原料供給路
２０ａ 改質触媒
２１ 変成器
２１ａ 変成触媒
２２ ＣＯ除去器
２２ａ ＣＯ除去触媒
２４ 空気供給路
２７ 第１筒体
２８ 第２筒体
２９ 第３筒体
３１ 水添脱硫容器
３２ 第１分離体
３３ 第２分離体
３４ 空間部
５１ 燃料電池
１００ 水素生成装置
２００ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素含有ガスを生成させる脱硫装置を用いた水素生成装置、およびそれを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させることにより発電する発電システムである。また、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
一般的に、水素含有ガスのインフラストラクチャーが整備されていないことが多く、従来の燃料電池システムには、既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする都市ガス、又はＬＰＧ等を原料とし、Ｒｕ触媒、またはＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で水蒸気との改質反応させる改質部を備えた水素生成装置が配設されている。
インフラストラクチャーから供給される都市ガス、又はＬＰＧ等の原料には、原料漏れを検出させるため、ＤＭＳ、ＴＢＭ、ＴＨＴといった硫黄系の付臭剤が添加されている。また、原料由来の硫黄化合物も含まれる。それらの硫黄系の付臭剤、及び原料由来の硫黄化合物（総称して硫黄化合物とする）は、改質部等で用いられるＲｕ触媒、またはＮｉ触媒といった触媒を被毒させ、改質反応を阻害させる。
そこで、水素生成装置は、一般的に、改質部に導入する前の原料中の硫黄化合物を除去する脱硫器を備える。脱硫器には、常温で硫黄化合物を物理吸着させる常温吸着脱硫器、及び硫黄化合物を常温よりも高い温度で水添反応させて硫化水素にし、その硫化水素を化学吸着する水添脱硫器が例示される。
水添脱硫器では、吸着容量は多いが、高温（２００〜４００℃程度）で反応させなければならないという特徴がある。加熱源を別途備える場合、放熱で熱損出が増加する、装置構成が複雑になる等の課題が発生する。そこで、環状の改質部の外側に、環状の水添脱硫器を設置して、改質部からの放熱を利用して水添脱硫器を加熱する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５８９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
原料中の硫黄化合物量は、供給される原料種や地域によって相異する。原料中に含まれる硫黄化合物濃度が高い場合には、水添脱硫器に充填する脱硫剤の量を増加することが必要になるが、上記特許文献１記載の水素生成装置において、脱硫剤の量を増加する場合の適切な構成については、従来検討されていない。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水添脱硫器に充填される脱硫剤の量を増加させた場合に適切に構成された水素生成装置、およびこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、鋭意検討した結果、以下の点に気づいた。
【０００６】
脱硫剤の充填量を増加させるため、特許文献１記載の発明において、水添脱硫器を原料が流れる向きと平行な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納すると、改質器からの放熱を利用できず低温になり、脱硫剤が適切な使用温度から外れる可能性がある。
【０００７】
一方、脱硫剤の充填量を増加させるため、水添脱硫器を、原料の流れる向きと垂直な方向に大きくして増加分の脱硫剤を収納すると水添脱硫器内で原料の流れ分布の不均一化が進む可能性がある。
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料中の硫黄化合物を水添脱硫する水添脱硫器と、前記水添脱硫器を通過した原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記水添脱硫器は、原料が流れる第１の流路と、前記第１の流路に設けられた第１の脱硫剤と、前記第１の流路を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第２の流路と、前記第２の流路に設けられた第２の脱硫剤とを備え、前記水添脱硫器は、前記改質器と熱交換するように前記改質器に隣接するとともに、前記第２の流路は、前記第２の脱硫剤が前記第１の脱硫剤と熱交換するように前記第１の流路に隣接している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、水添脱硫器を原料が流れる向きと平行な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、改質器の放熱の利用率が向上し、脱硫剤の低温化が抑制される。また、本発明は、水添脱硫器を原料が流れる向きと垂直な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、原料の流れ分布の不均一化が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図
【図２】実施例１の水素生成装置の概略構成を示す図
【図３】実施例２の水素生成装置の概略構成を示す図
【図４】実施の形態２における燃料電池システムの概略構成の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１の水素生成装置は、原料中の硫黄化合物を水添脱硫する水添脱硫器と、水添脱硫器を通過した原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、水添脱硫器は、原料が流れる第１の流路と、第１の流路に設けられた第１の脱硫剤と、第１の流路を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第２の流路と、第２の流路に設けられた第２の脱硫剤とを備え、水添脱硫器は、改質器と熱交換するように改質器に隣接するとともに、第２の流路は、第２の脱硫剤が第１の脱硫剤と熱交換するように第１の流路に隣接している。
かかる構成により、水添脱硫器を原料が流れる向きと平行な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、改質器の放熱の利用率が向上し、脱硫剤の低温化が抑制される。さらに、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤とが熱交換するように構成されているため、第２の脱硫剤の低温化が抑制されるとともに、各脱硫剤を流れる原料が対向流となるため、第２の脱硫剤の下流の低温化が抑制される。また、水添脱硫器を原料が流れる向きと垂直な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、原料の流れる向きに対して垂直な流路断面の面積が低下するので、原料の流れ分布の不均一化が抑制される。
実施の形態１の水素生成装置は、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤とが同一の脱硫剤であってもよい。ここで、上記脱硫剤が同一であるとは、完全同一である場合だけでなく、略同一である場合も含む。
かかる構成により、第１の流路と第２の流路とが隣接していない場合に比べ、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤とが互いにより近接した温度で使用され、脱硫効率が向上する。
実施の形態１の水素生成装置は、水添脱硫器は、水素化触媒を備え、第１の脱硫剤及び第２の脱硫剤はともに、水素化触媒の下流に設けられた吸着剤であってもよい。
実施の形態１の水素生成装置は、改質器の外周に、第１のガス流路が配設され、第２のガス流路は、第１のガス流路の外周に配設されていてもよい。
実施の形態１の水素生成装置は、第１の流路の断面積と、第２の流路の断面積とが、同一となるように構成されていてもよい。ここで、上記流路断面積が同一であるとは、完全同一である場合だけでなく、略同一である場合も含む。
かかる構成により、第１の流路の断面積と第２の流路の断面積とが異なる場合に比べ、原料の流れ分布の不均一化が抑制される。
実施の形態１の水素生成装置は、水添脱硫器は、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤との間に、吸着剤が設置されない空間部が設けられ、空間部で原料の流れが転回されるように構成されていてもよい。
かかる構成により、空間部で原料が一度混合され、第２の脱硫剤に流入するので、空間部を設けない場合に比べ、第２の脱硫剤での脱硫量の増加が見込まれる。
実施の形態１の水素生成装置は、第１の脱硫剤及び第２の脱硫剤は、酸化亜鉛を含む吸着剤で構成されていてもよい。
次に、本実施の形態の水素生成装置の一例の詳細について説明する。
図１は、本実施の形態の水素生成装置の概略構成の一例を示す図である。
図１に示すように、水素生成装置１００は、改質器１と、燃焼器２と、水添脱硫器７とを備える。
改質器１は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含み、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。改質反応は、いずれの改質反応でもよく、具体的には、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応が例示される。本例では、水蒸気改質反応が用いられている。改質器１で生成された水素含有ガスは、水素供給路を介して水素利用機器へと供給される。水素利用機器としては、水素容器、燃料電池等が例示される。
【００１１】
なお、本実施の形態の水素生成装置１００は、改質器１の下流に反応器を設けない形態であるが、改質器１の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設ける形態であっても構わない。なお、ＣＯ低減器は、シフト反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器と、メタン化反応及び酸化反応の少なくともいずれか一方により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。
【００１２】
燃焼器２は、改質器１を加熱する。燃焼器２の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、改質器１より排出される水素含有ガスが用いられる。
水添脱硫器７は、原料中に含まれる硫黄化合物を水添脱硫により除去する。水添脱硫器７は、改質器１と熱交換するように改質器１に隣接する。ここで、「熱交換するように隣接する」とは、直接的に熱交換するように隣接する場合及び間接的に熱交換するように隣接する場合の少なくともいずれか一方を意味する。「直接的に熱交換するように隣接する」とは、具体的には、改質器１の外殻と水添脱硫器７の外殻とが直接接触するよう構成されていることを意味する。また、「間接的に熱交換するように隣接する」とは、改質器１の外殻と水添脱硫器７の外殻とがガス流路及び空間の少なくともいずれか一方を介して隣接するよう構成されていることを意味する。
水添脱硫器７は、第１の流路３と第２の流路４とを備える。第２の流路４は、第１の流路３を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる流路である。第２の流路４は、第２の脱硫剤４ａが第１の脱硫剤３ａと熱交換するように第１の流路３に隣接している。
本実施の形態の水素生成装置は、改質器１が筒体内部に形成され、水添脱硫器７が、改質器１の外周に設けられている。具体的には、図１に示すように第１の流路３が改質器１の外周に設けられ、第２の流路４が第１の流路３の外周に配設されている。
なお、上記構成は、一例であり、水添脱硫器７が、改質器１と熱交換可能なように隣接されていれば、いずれの構成であっても構わない。例えば、改質器１が中空構造を有しており、改質器１の内周に水添脱硫器７が隣接するよう構成されていても構わない。この場合、改質器１の内周に第１の流路３が設けられ、第１の流路３の内周に第２の流路４が設けられる。
第１の脱硫剤３ａと第２の脱硫剤４ａは、同一の脱硫剤である。具体的には、第１の脱硫剤３ａ及び第２の脱硫剤４ａが共に、硫黄化合物の水素化機能と硫化水素の吸着機能とを有する同一の脱硫剤（例えば、ＣｕＺｎ系脱硫剤）であってもよい。または、第１の脱硫剤３ａと第２の脱硫剤４ａが、共に同一の硫化水素の吸着剤（例えば、酸化銅、または酸化亜鉛）であってもよい。この場合、第１の脱硫剤の上流には、水素化触媒が配設される。なお、上記構成は、一例であり、第１の脱硫剤３ａ及び第２の脱硫剤４ａは、水添脱硫に用いられる脱硫剤であれば、いずれの脱硫剤でもよく、また、互いに異なる種類の脱硫剤であっても構わない。
第１の流路３の断面積と第２の流路４の断面積は、同一となるように構成されているが、異なる面積であっても構わない。
なお、上記実施の形態では、第２の流路４を通過した原料が、改質器１に供給されるよう構成されているが、第２の流路４を通過した原料が流れの向きを再度転回後に流れる第３の流路（図示せず）を設けても構わない。また、この第３の流路には、第３の脱硫剤（図示せず）が設けられ、第３の脱硫剤は、第１の脱硫剤３ａ及び第２の脱硫剤４ａと同一の脱硫剤であってもよい。
【００１３】
ここで、第３の流路は、第１の流路３及び第２の流路４と断面積が同一になるよう構成されていてもよい。また、水添脱硫器７は、第２の流路４と第３の流路（図示せず）との間に空間部が設けられ、この空間部で原料の流れが転回されるように構成されても構わない。
［実施例１］
図２は、水素生成装置１００の実施例１の概略構成を示す図である。
本実施例の水素生成装置は、改質器１、変成器２１、及びＣＯ除去器２２を備える水素生成器を備える。
改質器１は、第１筒体２７、第２筒体２８及びその両方の筒体の間に形成される環状空間に設けられた、改質触媒２０ａを備える。改質触媒２０ａは、いずれの触媒であっても構わないが、本例では、Ｒｕ系改質触媒、及びＮｉ系改質触媒の少なくともいずれか一方が用いられる。
蒸発器１３は、原料供給路１２及び水供給路１１より供給された原料及び水から原料及び水蒸気の混合ガスを生成する。生成された混合ガスは、改質器１に供給される。
変成器２１は、第２筒体２８、第３筒体２９、及びその両方の筒体の間に形成される環状空間に設けられた、変成触媒２１ａを備える。変成触媒２１ａは、いずれの触媒であっても構わないが、本例では、Ｃｕ−Ｚｎ系変成触媒が用いられる。
ＣＯ除去器２２は、第２筒体２８、第３筒体２９、及びその両方の筒体の間に形成される環状空間に設けられた、ＣＯ除去触媒２２ａを備える。ＣＯ除去触媒２２ａは、いずれの触媒であっても構わないが、本例では、Ｒｕ系ＣＯ除去触媒が用いられる。
【００１４】
また、水素生成器には、酸素の供給源となる空気供給路２４が設けられており、変成器２１を通過後の水素含有ガスに空気を供給して、ＣＯ除去器２２で酸化反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する構成となっている。
【００１５】
ＣＯ除去器２２を通過した、水素含有ガスは、水素供給路１０を流れ、水素利用機器に水素含有ガスを供給する。
水添脱硫器７は、水添脱硫容器３１の内部に、原料の流れに対して水素化触媒６ｂと、第１の吸着剤３ｂ、第２の吸着剤４ｂ、第３の吸着剤５ｂが設けられている。第１の吸着剤３ｂ、第２の吸着剤４ｂ、及び第３の吸着剤５ｂは、同一の硫化水素の吸着剤であり、例えば、銅亜鉛系の吸着剤が用いられる。
水添脱硫器７は、水添脱硫容器３１の内部に、筒状の第１分離体３２と第２分離体３３とを備えている。第１分離体３２は、第２分離体３３よりも改質器１に近い側に配設されている。そして、水添脱硫容器３１と第１分離体３２との間に第１の流路３が形成され、第１分離体３２と第２分離体３３との間に第２の流路４が形成され、第２分離体３３と水添脱硫容器３１との間に第３の流路５が形成される。
第１の流路３には、第１の吸着剤３ｂが設けられ、第２の流路４には、第２の吸着剤４ｂが設けられ、第３の流路５には、第３の吸着剤５ｂが設けられている。
なお、水添脱硫器７は、筒状の改質器１の外壁（第２筒体２８）と変成器２１に流入する前の水素含有ガスが流れるガス流路及び第３筒体２９と水添脱硫容器３１との間の空間を介して隣接するように配設されている。つまり、水添脱硫器７は、改質器１と間接的に熱交換するよう隣接している。
なお、水添脱硫器７（例えば、第１の流路３）を流れる原料の向きは、改質器１を流れるガスの向きと平行に流れるように構成されている。
本実施の形態では、水添脱硫器７に関する構成が大きな特徴となる。以下、その特徴について、さらに説明する。
上述の通り、水添脱硫器７は、第１の流路３、第２の流路４及び第３の流路５が設けられている。
これらの流路は、いずれも間接的ではあるが、改質器１と熱交換するように隣接しているので、水添脱硫器を原料が流れる向きと平行な方向に伸ばして増加分の脱硫剤を収納する場合に比べ、改質器１の放熱の利用率が向上する。
また、通常、原料の流れの下流ほど放熱により温度が低下し、硫化水素の高い吸着能が発揮される温度域（例えば、２００℃〜３５０℃）から外れやすくなる。
しかしながら、水添脱硫器７は、第１の脱硫剤と第２の脱硫剤とが熱交換するように構成されるとともに、第２の脱硫器剤と第３の脱硫剤とが熱交換するように構成されているので、第２の脱硫剤及び第３の脱硫剤の低温化が抑制され、第２の脱硫剤及び第３の脱硫剤の吸着能が向上する。
また、第１の流路３及び第２の流路４のそれぞれを流れる原料の向きは対向するとともに、第２の流路４及び第３の流路５をそれぞれ流れる原料の向きは対向するよう構成されている。これにより、例えば、相対的に高温である第１の吸着剤３ｂの上流側の熱が、相対的に低温である第２の吸着剤４ｂの下流側に伝熱することで、第２の吸着剤４ｂの下流側の温度が上昇し、第２の吸着剤４ｂの吸着能が向上する。
【００１６】
また、第３の吸着剤５ｂについても同様に下流側の温度が第２の吸着剤４ｂの上流側からの伝熱により上昇し、第３の吸着剤５ｂの吸着能が向上する。従って、水添脱硫に使用される脱硫剤の量を増加させる場合にも、本実施例の水添脱硫器７を使用することで、必要以上に水添脱硫器が大型化することがなくなる。
また、水添脱硫器７の第１の流路３においては、第１の吸着剤３ｂの上流に配設された水添脱硫器７水素化触媒６ｂも改質器１と熱交換するよう隣接しており、水素化触媒６ｂの使用温度（２５０℃〜３５０℃）に維持するのに改質器１の放熱が有効に利用されている。
【００１７】
また、本実施例では、第１の流路３、第２の流路４、及び第３の流路５が、この順に改質器１の外側に向かって配設されているので、水添脱硫器７内を流れる原料は、改質器１に対して外側に向かって流れる。そして、第３の流路５の外壁面（水添脱硫容器３１の外周面）が、放熱面となるので、改質器１からの放熱を低減でき、熱の有効利用が可能な水添脱硫器７構成を備えた水素生成装置１００を構成できる。
また、本実施例の水素生成装置は、各吸着剤の間に、空間部３４が設けられ、空間部３４で原料の流れが転回されるように構成されている。この空間部３４で、上流の吸着剤（例えば、第１の吸着剤３ｂ）を通過後の原料が一度混合し、下流の他の吸着剤（例えば、第２の吸着剤４ｂ）に流入するので、流入した吸着剤での吸着量の増加が見込まれる。
また、本実施例の水素生成装置は、第１の流路３、第２の流路４、及び第３の流路５の流路断面積（原料の流れる方向に対して垂直な流路断面の面積）が、同一となるよう構成されている。このように構成することで、各吸着剤を流れる原料の流速が、ほぼ同一とすることができ、各吸着剤で同等の吸着性能を確保することができる。ここで、上記流路断面積が同一であるとは、完全同一である場合だけでなく、略同一である場合も含む。
【００１８】
なお、硫化水素の吸着剤を設ける流路は、水添脱硫器７に設ける吸着剤の量に応じて、さらに、第３の流路の外周側に増設しても構わない。
【００１９】
また、第３の流路５及び第３の吸着剤５ｂを設けなくてもよい。
［実施例２］
次に、実施例２の水素生成装置１００について説明する。
図３は、実施例２の水素生成装置１００の概略構成を示す図である。
水添脱硫器７図３に示すように、水添脱硫器７は、第３の流路５の下流に第４の流路８を備える。第４の流路８には、酸化銅を含む深度脱硫剤８ｂが設けられている。第４の流路８は、第３の流路５を通過した原料が転回し、改質器１に向けて流れるよう構成されている。
深度脱硫剤８ｂは、第４の流路８においての第４の流路８の下流側に配設され、水素含有ガスが流れる流路と熱交換するよう隣接されている。そして、深度脱硫剤８ｂは、その使用温度（例えば、２５０℃）に維持される。
なお、第４の流路８は、原料が改質器１に向けて流れるように構成されているが、本構成に限定されるものではなく、深度脱硫剤８ｂを配設可能であれば、いずれの構成であっても構わない。
また、第４の流路８は、第３の流路５の下流に設けられているが、第３の流路５を設けず、第２の流路４の下流に設けられるよう構成されても構わない。つまり、第４の流路８は、第２の流路４を通過した原料が流入するよう構成されていれば、いずれの構成であっても構わない。
また、第４の流路８は、その流路断面積が、第３の流路５の流路断面積よりも小さくなるよう構成されていてもよい。これは、深度脱硫剤８ｂ内を流れる原料の流ればらつきを小さくできるからである。
また、図２に示す第１の吸着剤３ｂ、第２の吸着剤４ｂ、及び第３の吸着剤５ｂに代えて、深度脱硫剤８ｂを設置する構成としても、実施の形態１に示す効果と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
また、深度脱硫剤が、水素化触媒として機能する場合、水素化触媒６ｂにこれを用いても構わない。
なお、上記実施の形態１、実施例１及び実施例２のいずれかの水素生成装置は、起動時に原料中の硫黄化合物を常温で吸着脱硫する常温吸着脱硫器を備えても良い。
（実施の形態２）
実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１、実施例１及び実施例２のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
【００２１】
図４は、実施の形態２の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。
【００２２】
図４に示す例では、本実施形態の燃料電池システム２００は、第１実施形態の水素生成装置１００と、燃料電池５１とを備える。
【００２３】
燃料電池５１は、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池である。燃料電池５１は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池等を用いることができる。
【００２４】
発電運転時において、燃料電池システム２００は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明にかかる水素生成装置、および燃料電池システムは、水添脱硫器に充填される脱硫剤の量を増加させた場合に適切に構成され、水素生成装置、およびこれを備える燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００２６】
１ 改質器
２ 燃焼器
３ 第１の流路
３ａ 第１の脱硫剤
３ｂ 第１の吸着剤
４ 第２の流路
４ａ 第２の脱硫剤
４ｂ 第２の吸着剤
５ 第３の流路
５ｂ 第３の吸着剤
６ｂ 水素化触媒
７ 水添脱硫器
８ 第４の流路
８ｂ 深度脱硫剤
１０ 水素供給路
１１ 水供給路
１２ 原料供給路
２０ａ 改質触媒
２１ 変成器
２１ａ 変成触媒
２２ ＣＯ除去器
２２ａ ＣＯ除去触媒
２４ 空気供給路
２７ 第１筒体
２８ 第２筒体
２９ 第３筒体
３１ 水添脱硫容器
３２ 第１分離体
３３ 第２分離体
３４ 空間部
５１ 燃料電池
１００ 水素生成装置
２００ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料中の硫黄化合物を水添脱硫する水添脱硫器と、
前記水添脱硫器を通過した原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
前記水添脱硫器は、原料が流れる第１の流路と、前記第１の流路に設けられた第１の脱硫剤と、前記第１の流路を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第２の流路と、前記第２の流路に設けられた第２の脱硫剤とを備え、
前記水添脱硫器は、前記改質器と熱交換するように前記改質器に隣接するとともに、
前記第２の流路は、前記第２の脱硫剤が前記第１の脱硫剤と熱交換するように前記第１の流路に隣接している水素生成装置。
【請求項２】
前記第１の脱硫剤と前記第２の脱硫剤とが同一の脱硫剤である、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記水添脱硫器は、水素化触媒を備え、前記第１の脱硫剤及び前記第２の脱硫剤はともに、前記水素化触媒の下流に設けられた吸着剤である、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記水添脱硫器は、前記第２の流路を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第３の流路と、前記第３の流路に設けられた第３の脱硫剤とを備え、前記第３の流路は、前記第３の脱硫剤が前記第２の脱硫剤と熱交換可能なように前記第２の流路に隣接している、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記改質器の外周に、前記第１のガス流路が配設され、前記第２のガス流路は、前記第２のガス流路の外周に配設されている請求項１または２記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記第１の流路の断面積と、前記第２の流路の断面積とが、同一となるように構成されている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記水添脱硫器は、前記第１の流路の断面積と、前記第２の流路の断面積と、前記第３の流路の断面積とが同一となるように構成されている請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記水添脱硫器は、前記第１の脱硫剤と前記第２の脱硫剤との間に、吸着剤が設置されない空間部が設けられ、前記空間部で前記原料の流れが転回されるように構成される請求項１または２記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記第１の脱硫剤及び前記第２の脱硫剤は、酸化亜鉛を含む吸着剤で構成される請求項１−８のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記第２の脱硫剤の下流側に、酸化銅を含む深度脱硫剤が設けられる請求項９に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記水添脱硫器は、前記第２の流路を通過した原料が、前記改質器に向けて流れる第４の流路を備え、前記第４の流路に前記深度脱硫剤が配設されている請求項１０に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記水添脱硫器は、前記第１の流路を流れる原料の向きと前記改質器を流れるガスの流れの向きが平行となるように配設されている請求項１−１１のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１３】
請求項１−１２のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
【請求項１】
原料中の硫黄化合物を水添脱硫する水添脱硫器と、
前記水添脱硫器を通過した原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
前記水添脱硫器は、原料が流れる第１の流路と、前記第１の流路に設けられた第１の脱硫剤と、前記第１の流路を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第２の流路と、前記第２の流路に設けられた第２の脱硫剤とを備え、
前記水添脱硫器は、前記改質器と熱交換するように前記改質器に隣接するとともに、
前記第２の流路は、前記第２の脱硫剤が前記第１の脱硫剤と熱交換するように前記第１の流路に隣接している水素生成装置。
【請求項２】
前記第１の脱硫剤と前記第２の脱硫剤とが同一の脱硫剤である、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記水添脱硫器は、水素化触媒を備え、前記第１の脱硫剤及び前記第２の脱硫剤はともに、前記水素化触媒の下流に設けられた吸着剤である、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記水添脱硫器は、前記第２の流路を流れる原料が流れの向きを転回後に流れる第３の流路と、前記第３の流路に設けられた第３の脱硫剤とを備え、前記第３の流路は、前記第３の脱硫剤が前記第２の脱硫剤と熱交換可能なように前記第２の流路に隣接している、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記改質器の外周に、前記第１のガス流路が配設され、前記第２のガス流路は、前記第２のガス流路の外周に配設されている請求項１または２記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記第１の流路の断面積と、前記第２の流路の断面積とが、同一となるように構成されている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記水添脱硫器は、前記第１の流路の断面積と、前記第２の流路の断面積と、前記第３の流路の断面積とが同一となるように構成されている請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記水添脱硫器は、前記第１の脱硫剤と前記第２の脱硫剤との間に、吸着剤が設置されない空間部が設けられ、前記空間部で前記原料の流れが転回されるように構成される請求項１または２記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記第１の脱硫剤及び前記第２の脱硫剤は、酸化亜鉛を含む吸着剤で構成される請求項１−８のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記第２の脱硫剤の下流側に、酸化銅を含む深度脱硫剤が設けられる請求項９に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記水添脱硫器は、前記第２の流路を通過した原料が、前記改質器に向けて流れる第４の流路を備え、前記第４の流路に前記深度脱硫剤が配設されている請求項１０に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記水添脱硫器は、前記第１の流路を流れる原料の向きと前記改質器を流れるガスの流れの向きが平行となるように配設されている請求項１−１１のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１３】
請求項１−１２のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２４６１７９（Ｐ２０１２−２４６１７９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１９０３９（Ｐ２０１１−１１９０３９）
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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