(57)【要約】      （修正有）【課題】硫黄成分の除去性能を向上させることが可能な燃料改質器を提供する。【解決手段】燃料改質器１は、水添脱硫剤１０および改質触媒２０を備える。水添脱硫剤には、少なくとも炭化水素を含む原燃料３０と、炭化水素を水蒸気改質するための改質水５０と、が導入される。改質触媒は、水添脱硫剤よりも下流側に設けられ、水蒸気改質を促進して水素を主成分とする改質ガス６０を生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも炭化水素を含む原燃料と、前記炭化水素を水蒸気改質するための改質水と、が導入される水添脱硫剤と、
前記水添脱硫剤よりも下流側に設けられ、前記水蒸気改質を促進して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質触媒と、
を備える燃料改質器。
【請求項２】
前記原燃料および前記改質水は、混合された状態で前記水添脱硫剤に導入される、請求項１に記載の燃料改質器。
【請求項３】
前記改質水は、前記原燃料よりも下流側で前記前記水添脱硫剤に導入される、請求項１に記載の燃料改質器。
【請求項４】
前記水添脱硫剤が、前記原燃料が導入される第１水添脱硫剤と、前記第１水添脱硫剤と前記改質触媒との間に設けられ、前記改質水が導入される第２水添脱硫剤と、を有する、請求項１に記載の燃料改質器。
【請求項５】
前記第２水添脱硫剤および前記改質触媒が同じ容器に収容されている、請求項４に記載の燃料改質器。
【請求項６】
前記水添脱硫剤の主成分は、銅亜鉛である、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項７】
前記水添脱硫剤の温度が２００〜３５０℃である、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項８】
少なくとも炭化水素を含む原燃料と、前記炭化水素を水蒸気改質するための改質水と、を水添脱硫剤に導入し、
前記水添脱硫剤よりも下流側に設けられた改質触媒で、前記水蒸気改質を促進して水素を主成分とする改質ガスを生成する、
燃料改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料改質器および燃料改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の原燃料には、炭化水素を含むガス、例えば都市ガスやＬＰガスが使用される場合がある。この場合、炭化水素を水蒸気改質反応によって水素に変換する燃料改質器が用いられる。燃料改質器に導入される原燃料には、一般的に、硫黄化合物が付臭剤として含まれている。この硫黄化合物は、水蒸気改質反応を促進する改質触媒の被毒成分となる。そのため、燃料改質器は、脱硫剤を備えている。また、水蒸気改質反応に必要な改質水は、例えばイオン交換樹脂などで不純物を除去した後、燃料改質器に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４６９４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような燃料改質器では、不純物の除去手段（イオン交換樹脂）が劣化すると、有機硫黄化合物が改質水に混入されることが懸念される。このような硫黄成分を含んだ改質水硫黄化合物が改質触媒に導入されると、改質触媒の被毒を招いてしまう。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、硫黄成分の除去性能を向上させることが可能な燃料改質器および燃料改質方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態に係る燃料改質器は、水添脱硫剤および改質触媒を備える。水添脱硫剤には、少なくとも炭化水素を含む原燃料と、炭化水素を水蒸気改質するための改質水と、が導入される。改質触媒は、水添脱硫剤よりも下流側に設けられ、水蒸気改質を促進して水素を主成分とする改質ガスを生成する。
【発明の効果】
【０００７】
本実施形態によれば、硫黄成分の除去性能を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。
【図２】比較例１に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。
【図３】比較例２に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。
【図５】第３実施形態に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。
【図６】第４実施形態に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。図１に示す燃料改質器１は、水添脱硫剤１０および改質触媒２０を備える。水添脱硫剤１０は、例えば銅亜鉛を主成分とする脱硫剤である。本実施形態では、水添脱硫剤１０は、容器（不図示）内で２００〜３００℃に加熱される。具体的には、水添脱硫剤１０は、容器内に設けられた配管内で上記温度に加熱される。水添脱硫剤１０を収容した容器には、原燃料３０、リサイクル水素４０、および改質水５０の混合ガスが、導入される。
【００１１】
原燃料３０は、炭化水素を含んだガスである。原燃料３０には、例えば、メタンガスを主成分とする都市ガス、または天然ガスやプロパンガスを主成分とするＬＰガスなどを用いることができる。リサイクル水素４０は、改質触媒２０の触媒反応によって生成された水素の一部である。
【００１２】
改質水５０は、原燃料３０に含まれた炭化水素を水蒸気改質するために用いられる。本実施形態では、改質水５０は、燃料電池システム内の水処理システムに設けられたイオン交換樹脂等で不純物を除去した後、水添脱硫剤１０に導入される。水添脱硫剤１０の温度は上述したように２００〜３００℃であるため、改質水５０は、水蒸気となる。なお、改質水５０は、燃料改質器１内に設けられた蒸発器（不図示）で加熱されて水蒸気の状態で水添脱硫剤１０に導入されてもよい。本明細書では、改質水５０とは、水の状態も水蒸気の状態も含むこととする。
【００１３】
改質触媒２０は、原燃料３０と改質水５０との化学反応、すなわち水蒸気改質を促進する。これにより、水素を主成分とする改質ガス６０が生成される。改質ガス６０の一部は、リサイクル水素４０として原燃料３０と混合される。
【００１４】
本実施形態では、改質触媒２０は、筒状の容器（不図示）に収容されている。容器の中央部には、熱源（不図示）が設けられている。改質触媒２０は、この熱源の周囲に配置される。また、本実施形態では、水添脱硫剤１０を収容した容器、および改質触媒２０を収容した容器は、断熱性の筐体内に収容される。そのため、上記熱源の熱が、水添脱硫剤１０にも伝わることによって、水添脱硫剤１０は、２００〜３００℃に加熱される。なお、改質触媒２０を収容する容器は、筒状以外の形状であってもよい。
【００１５】
上記のように構成された燃料改質器１では、原燃料３０が、リサイクル水素４０と混合された後、原燃料３０とは別の導入口から供給された改質水５０とも混合される。原燃料３０、リサイクル水素４０、および改質水５０から成る混合ガスは、水添脱硫剤１０で硫黄化合物が除去され、その後、改質触媒２０へと導かれる。改質触媒２０の触媒反応によって、改質ガス６０が生成される。この改質ガス６０の大部分は、燃料電池スタック（不図示）に供給されて発電に用いられる。
【００１６】
（比較例）
図２は、比較例１に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。また、図３は、比較例２に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。図２および図３では、図１に示す燃料改質器１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００１７】
図２に示すように、比較例１では、原燃料３０は、常温脱硫器１０１を経由して燃料改質器１００に導入される。常温脱硫器１０１は、例えば、遷移金属酸化物、ゼオライト、活性炭などを含んでいる。常温脱硫器１０１では、原燃料３０に含まれた硫黄化合物の大部分が除去されるが、数ｐｐｂオーダーで硫黄化合物がリークする場合がある。
【００１８】
続いて、燃料改質器１００に導入された原燃料３０は、原燃料３０とは別の導入口から供給された改質水５０と混合され、改質触媒２０の上流に設けられたガード触媒２１に送られる。ガード触媒２１では、常温脱硫器１０１で除去しきれずリークした極微量の硫黄化合物が除去される。その後、改質触媒２０では、水蒸気改質が促進され、改質ガス６０が生成される。
【００１９】
上述した比較例１では、原燃料３０に含まれた硫黄成分を除去するために、燃料改質器１００の上流側に設けられた常温脱硫器１０１と、改質触媒２０の上流側に設けられたガード触媒２１という２つの脱硫手段が必要になり、その配置が複雑になる可能性がある。また、イオン交換樹脂の劣化などにより、有機硫黄化合物が改質水５０に混入され得る。そのため、ガード触媒２１にかかる負荷が増加する可能性がある。
【００２０】
一方、図３に示す燃料改質器２００では、原燃料３０は、リサイクル水素４０と混合された後、水添脱硫剤１０に導入される。水添脱硫剤１０では、原燃料３０に含まれた硫黄化合物が除去される。その後、原燃料３０とリサイクル水素４０とから成る混合ガスは、原燃料３０とは別の導入口から供給された改質水５０と混合された後、改質触媒２０へ送られる。
【００２１】
上述した比較例２では、原燃料３０に含まれた硫黄成分の脱硫手段が水添脱硫剤１０のみであるため、装置構成が簡略化される。しかし、燃料改質器２００では、改質水５０は、水添脱硫剤１０を介さずに改質触媒２０へ導入される。そのため、改質水５０に混入した硫黄化合物を除去できないため、改質触媒２０の被毒が発生する可能性が高くなる。
【００２２】
これに対し、本実施形態に係る燃料改質器１では、図１に示すように、原燃料３０および改質水５０が、混合された状態で水添脱硫剤１０に導入される。そのため、原燃料３０に含まれた硫黄化合物だけでなく、改質水５０に含まれた硫黄化合物も除去することができる。したがって、本実施形態によれば、硫黄成分の除去性能を向上させることが可能となる。
【００２３】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。図４でも、図１に示す燃料改質器１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２４】
図４に示す本実施形態に係る燃料改質器２の構成は、図１に示す第１実施形態に係る燃料改質器１と同様である。ただし、燃料改質器２では、改質水５０は、原燃料３０よりも下流側で水添脱硫剤１０へ導入される。具体的には、原燃料３０は、配管に充填された水添脱硫剤１０の上流部分に導入され、改質水５０は、水添脱硫剤１０の中間部分に導入される。なお、改質水５０が導入される位置は、水添脱硫剤１０の中間部分に限定されず、改質水５０に含まれた硫黄成分の除去を確保できる位置であればよい。例えば、水添脱硫剤１０の全長の少なくとも１／１０以上の長さを有する下流部分に改質水５０を導入してもよい。
【００２５】
本実施形態では、原燃料３０は、リサイクル水素４０と混合された状態で水添脱硫剤１０へと送られる。一方、改質水５０は、上述したように、原燃料３０よりも下流側で水添脱硫剤１０に導入される。そのため、原燃料３０に含まれた硫黄化合物は、水添脱硫剤１０の上流部分で除去され、改質水５０に含まれた硫黄化合物は水添脱硫剤１０の下流部分で除去される。その後、硫黄成分が除去された原燃料３０および改質水５０は、改質触媒２０に導入される。改質触媒２０の触媒反応により、改質ガス６０が生成される。
【００２６】
以上説明した本実施形態においても、第１実施形態と同様に、水添脱硫剤１０において、原燃料３０に含まれた硫黄化合物および改質水５０に含まれた硫黄化合物が除去される。したがって、硫黄成分の除去性能を向上させることが可能となる。
【００２７】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。図５でも、図１に示す燃料改質器１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２８】
本実施形態に係る燃料改質器３は、図５に示すように、第１水添脱硫剤１１および第２水添脱硫剤１２を有する点で、第１実施形態に係る燃料改質器１と異なる。第１水添脱硫剤１１および第２水添脱硫剤１２は、それぞれ異なる容器内で、２００〜３５０℃に加熱される。
【００２９】
第１水添脱硫剤１１は、原燃料３０に含まれた硫黄化合物を除去する。第２水添脱硫剤１２は、第１水添脱硫剤１１と改質触媒２０との間に設けられ、改質水５０に含まれた硫黄化合物を除去する。原燃料３０および改質水５０にそれぞれ含まれた硫黄化合物が同じ場合には、第１水添脱硫剤１１および第２水添脱硫剤１２の材料は同じであってもよい。反対に、原燃料３０および改質水５０にそれぞれ含まれた硫黄化合物が異なる場合には、第１水添脱硫剤１１および第２水添脱硫剤１２は、各硫黄化合物の除去に適した材料であることが望ましい。
【００３０】
本実施形態では、原燃料３０は、リサイクル水素４０と混合された状態で第１水添脱硫剤１１へと送られる。第１水添脱硫剤１１は、原燃料３０に含まれた硫黄化合物を除去する。その後、原燃料３０は、原燃料３０とは別の導入口から供給された改質水５０と混合された状態で第２水添脱硫剤１２へと送られる。第２水添脱硫剤１２は、改質水５０に含まれた硫黄化合物を除去する。その後、硫黄成分が除去された原燃料３０および改質水５０が改質触媒２０に導入されると、改質触媒２０の触媒反応により、改質ガス６０が生成される。
【００３１】
以上説明した本実施形態では、原燃料３０に含まれた硫黄化合物および改質水５０に含まれた硫黄化合物を、それぞれ異なる水添脱硫剤で除去している。これにより、硫黄成分の除去性能を向上させることが可能となる。
【００３２】
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態に係る燃料改質器の概略的な構成を示す図である。図６では、上述した第３実施形態に係る燃料改質器３と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００３３】
本実施形態に係る燃料改質器４では、原燃料３０および改質水５０の経路は、上述した第３実施形態と同様である。その一方で、燃料改質器４では、第２水添脱硫剤１２と改質触媒２０が同じ容器に収容されている。具体的には、第２水添脱硫剤１２が容器の上部に充填され、改質触媒２０がその容器の下部に充填されている。
【００３４】
本実施形態によれば、第２水添脱硫剤１２と改質触媒２０が一体化されている。そのため、第３実施形態に比べて装置構成を簡素化することが可能となる。
【００３５】
以上、いくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要ことに含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００３６】
１〜４：燃料改質器、１０：水添脱硫剤、１１：第１水添脱硫剤、１２：第２水添脱硫剤、２０：改質触媒、３０：原燃料、５０：改質水、６０：改質ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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