(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水蒸気を用いて改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器と、
水素含有ガス中のＣＯをシフト反応により低減する変成器と、
前記変成器の上流側と熱交換するように隣接して設けられ、水を蒸発させる蒸発器と、
前記変成器の下流側と熱交換するように隣接して設けられ、原料中の硫黄化合物を水添脱硫反応により除去する水添脱硫器と、を備える水素生成装置。
【請求項２】
さらに、前記変成器を通過した水素含有ガス中のＣＯを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低減するＣＯ除去器を備え、
前記変成器は、前記上流側に位置する第１変成器と、前記下流側に位置する第２変成器とを備え、
前記第１変成器を通過した水素含有ガスが、前記蒸発器、及び前記ＣＯ除去器とこの順で熱交換し、その後、前記第２変成器を通過す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３】
前記第１変成器を通過した水素含有ガスが、前記ＣＯ除去器、及び前記ＣＯ除去器に入る前の水素含有ガスとこの順で熱交換し、その後、前記第２変成器を通過す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４】
前記第１変成器を通過した水素含有ガスが、前記蒸発器、前記ＣＯ除去器、及び前記ＣＯ除去器に入る前の水素含有ガスとこの順で熱交換し、その後、前記第２変成器を通過す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５】
さらに、加熱器を備え、
前記水添脱硫器は、前記加熱器と前記第２変成器の間に位置するように配置されている、請求項１−４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記水添脱硫器は環状に構成され、
前記加熱器は前記水添脱硫器の内周側に配設され、
前記第２変成器は前記水添脱硫器の外周側に配設される、請求項５に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記第２変成器は環状に構成され、
前記第２変成器の外周側に前記第２変成器を通過した後の水素含有ガスが流れる流路が配設されている、請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項８】
請求項１−７のいずれか１項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素生成装置および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、発電時の燃料として用いられる水素含有ガスが一般的な原料インフラとして整備されていないため、通常、一般的な原料インフラである天然ガスやＬＰＧから水素含有ガスを生成させる改質器を有する水素生成装置を備えている。【０００３】
一般的な原料インフラである天然ガスやＬＰＧ中には、付臭剤としての硫黄化合物を添加する場合があるとともに、元来硫黄化合物を含有することがある。それら硫黄化合物は水素含有ガスを生成する触媒を被毒することが多いため、吸着脱硫触媒や水添脱硫触媒を水素含有ガスを生成する触媒の上流に設けて、硫黄化合物を除去する。その際、吸着容量が大きくメンテナンスフリーを実現可能とする水添脱硫触媒を水素生成装置に備えることが多い。【０００４】
天然ガスやＬＰＧから水素含有ガスを生成させるには、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応は、例えば、原料となる都市ガスと水蒸気とをＮｉ系やＲｕ系といった貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスを生成するものである。【０００５】
水素含有ガス中にはＣＯ（一酸化炭素）が含まれ、そのＣＯは燃料電池を被毒し電圧を低下させるため、改質触媒の下流に、例えばＣｕ系の変成触媒を設けて、水性ガスシフト反応によりＣＯを低減させる。さらにＣＯを低減するためには、Ｒｕ系、Ｐｔ系からなる選択酸化触媒あるいはＮｉ系、Ｒｕ系からなるメタン化触媒を設けて、数百ｐｐｍから数ｐｐｍレベルまで低減させる。【０００６】
特許文献１は、高温（例えば４００°Ｃ〜６００°Ｃ）でのシフト反応である高温シフト反応を行う高温シフト反応部と、高温シフト反応の温度よりも低温（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部とを備えるシフト反応部を開示する（段落００２３）。低温シフト反応部では、その外周部の上方から供給された改質ガスを、外周部において下部まで流通させた後、内周部を通って廻り込むよう上部まで戻し、低温シフト触媒部に導入させている（段落００３７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２０７７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の水素生成装置では、変成器における高温部の熱の利用および低温部の熱の利用に関しては十分な検討がなされておらず、特に脱硫器として水添脱硫触媒を用いる場合には、熱の利用が必ずしも考慮されてはいなかった。【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、従来の水素生成装置に比べ、効率的に水素を生成することができる水素生成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料と水蒸気を用いて改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガス中のＣＯをシフト反応により低減する変成器と、変成器の上流側と熱交換するように隣接して設けられ、水を蒸発させる蒸発器と、変成器の下流側と熱交換するように隣接して設けられ、原料中の硫黄化合物を水添脱硫反応により除去する水添脱硫器とを備える。【００１１】
また本発明の燃料電池システムは、上記水素生成装置と、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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様は、上記のような特徴を備えることにより、水添脱硫器が、従来よりも、温度勾配が緩やかになり、適温に維持され易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図。
【図２】図２は、第２実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図。
【図３】図３は、第２実施形態の変形例１にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図。
【図４】図４は、第２実施形態の変形例２にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図。
【図５】図５は、第３実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図。
【図６】図６は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（本発明に至った知見）
変成器は、上記従来技術に記載の通り、上流が高温で、下流が低温となるような温度勾配を有するため、変成器と水添脱硫器との間で熱交換を行う場合には、変成器と熱交換する水添脱硫器も温度勾配が生じ易い。水添脱硫器において温度勾配が生じると、水添脱硫触媒が適温から外れ、水添脱硫器を通過した原料ガス中の硫黄化合物の濃度が上昇し易くなる。
【００１５】
変成器は、高温の上流側では反応速度が大きいこと、及び水素含有ガス中のＣＯ濃度が高くシフト反応量が多いことからＣＯの多くがシフト反応するため、発熱量が多く温度勾配も大きくなる。低温の下流側では反応速度は相対的に小さく、水素含有ガス中のＣＯ濃度も低いためＣＯのシフト反応量は少なく、発熱量も少ないため温度勾配が緩やかになる。
【００１６】
ここで、変成器と水添脱硫器との熱交換において、水添脱硫器を主に変成器の下流側と熱交換するよう構成することで、水添脱硫器の温度勾配が緩やかになり、水添脱硫器が、従来の水素生成装置よりも適温に維持され易くなる。
【００１７】
一方、発熱量の多い変成器の上流側について冷却機構を介した熱量調整が行われないと、必要以上に高温の水素含有ガスが変成器の上流側から変成器の下流側に流入し、これが、変成器の下流側で温度勾配を生じる要因となり得る。ここで、少なくとも変成器の上流側と蒸発器とを熱交換させることで、変成器の上流側の熱が、温度勾配について考慮する必要のない蒸発器の加熱に有効に利用されるとともに、変成器の下流側で温度勾配が生じることが抑制される。
【００１８】
以下の実施形態はかかる知見に基づいて見出されたものである。
【００１９】
（第１実施形態）
第１実施形態の水素生成装置は、原料と水蒸気を用いて改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガス中のＣＯをシフト反応により低減する変成器と、変成器の上流側と熱交換するように隣接して設けられ、水を蒸発させる蒸発器と、変成器の下流側と熱交換するように隣接して設けられ、原料中の硫黄化合物を水添脱硫反応により除去する水添脱硫器と、を備える。
【００２０】
また、第１実施形態の水素生成装置は、原料と水蒸気を用いて改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガス中のＣＯをシフト反応により低減する変成器と、変成器の少なくとも上流側と熱交換するように変成器に隣接して設けられ、水を蒸発させる蒸発器と、変成器との熱交換において変成器の下流側と主に熱交換するように変成器に隣接して設けられ、原料中の硫黄化合物を水添脱硫反応により除去する水添脱硫器と、を備えてもよい。
【００２１】
図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置１００の概略構成の一例を示す概念図である。
【００２２】
第１実施形態にかかる水素生成装置１００は、原料と水蒸気を用いて改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器１３０と、水素含有ガス中のＣＯをシフト反応により低減する変成器１４０と、変成器１４０の上流側と熱交換するように変成器１４０に隣接して設けられ、水を蒸発させる蒸発器１２０と、変成器１４０の下流側と熱交換するように変成器１４０に隣接して設けられ、原料中の硫黄化合物を水添脱硫反応により除去する水添脱硫器１１０とを備える。
【００２３】
かかる構成により、水添脱硫器が、従来の水素生成装置よりも、温度勾配が緩やかになり、適温に維持され易くなる。
【００２４】
ここで、「変成器１４０の上流側」とは、変成器１４０を通過する原料の流れに対して上流側をいい、「変成器１４０の下流側」とは変成を通過する原料の流れに対して下流側をいう。
【００２５】
すなわち、本実施の形態においては、蒸発器１２０と変成器１４０の上流側とを隣接して設けている。
【００２６】
これによって、変成器１４０でのシフト反応により生じた熱を蒸発器１２０に伝えることができ、効率的に水素を生成することができる。つまり、変成器１４０内でのシフト反応による反応熱を蒸発器中における水の蒸発に使うことができるため、水素生成装置の熱効率を向上させることができる。
【００２７】
また、本実施の形態においては、変成器１４０の下流側と水添脱硫器１１０とを隣接して設けている。前述の通り、水添脱硫器１１０を適温に維持するためには、水添脱硫器１１０は、温度勾配の小さな媒体と熱交換を行う必要がある一方、変成器１４０は、変成器１４０の上流側では温度勾配が大きくなり、下流側では温度勾配が緩やかになる。したがって、変成器１４０の下流側と水添脱硫器１１０とを隣接して設けることで、水添脱硫器１１０は、温度勾配の小さな媒体と熱交換を行うことができ、これにより、水添脱硫器１１０を適温に維持することができる。
【００２８】
なお、第１実施形態にかかる水素生成装置１００は、原料と水蒸気を用いて改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器１３０と、水素含有ガス中のＣＯをシフト反応により低減する変成器１４０と、変成器１４０の少なくとも上流側と熱交換するように変成器１４０に隣接して設けられ、水を蒸発させる蒸発器１２０と、変成器１４０との熱交換において変成器１４０の下流側と主に熱交換するように変成器１４０に隣接して設けられ、原料中の硫黄化合物を水添脱硫反応により除去する水添脱硫器１１０とを備えてもよい。
【００２９】
ここで、「変成器１４０との熱交換において変成器１４０の下流側と主に熱交換するように変成器１４０に隣接して設けられ」るとは、水添脱硫器１１０が変成器１４０に熱交換するよう隣接している表面積が変成器１４０よりの上流側よりも変成器１４０の下流側に対して相対的に大きいことを意味する。
【００３０】
次に、第１実施形態にかかる水素生成装置１００の一例について説明する。
［装置構成］
図１に示すように、第１実施形態にかかる水素生成装置１００は、水添脱硫器１１０と、蒸発器１２０と、改質器１３０と、変成器１４０とを備える。
【００３１】
水添脱硫器１１０は、変成器１４０の下流側と熱交換するように隣接して設けられ、原料中の硫黄化合物を水添脱硫反応により除去する。水添脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄化合物吸着剤であるＺｎＯ系触媒、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成してもよい。
【００３２】
水添脱硫器１１０を通過した原料ガスは水と混合し、蒸発器１２０を通過してもよい。原料ガスは、蒸発器１２０を通過した後に、改質器１３０を通過してもよい。
【００３３】
蒸発器１２０は、単なる空間であってもよいが、より熱交換面積を大きくするために、螺旋構成をとってもよい。また、アルミナ球、シリカ球など原料ガスと水との反応に直接寄与しない充填物を設置することによって、より熱交換面積を大きくするようにしてもよい。
【００３４】
改質器１３０は、原料ガスから水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器１３０内の改質触媒において、原料ガスと水による水蒸気改質反応が進行して、水素含有ガスが生成される。改質触媒としては、一般的にＮｉ系やＲｕ系またはＰｔ系の触媒が用いられうる。改質反応は、原料及び水蒸気を用いる改質反応であれば、いずれの形態でもよく、例えば、水蒸気改質反応及びオートサーマル反応が例示される。改質反応が、オートサーマル反応であれば、水素生成装置１００には、さらに、改質器１３０に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられる。
【００３５】
なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。
【００３６】
改質器１３０の下流には、改質器１３０で生成された水素含有ガス中のＣＯを低減するための変成器１４０を設けている。変成触媒は、例えば、ＣｕＺｎ系触媒が用いられ、水素含有ガス中のＣＯと水蒸気との反応によるシフト反応を進行させ、ＣＯを低減する。変成触媒は、本例に限定されるものではなく、Ｆｅ系の触媒や貴金属系触媒で構成してもよい。
【００３７】
なお、蒸発器１２０と変成器１４０の上流側との間に空間を設けてもよい。その場合においても、空間を通じて、変成器１４０の上流側からの熱を蒸発器１２０に伝えることができるため、水素生成装置の熱効率を向上させる効果を有する。なお、本空間には、変成器１４０の上流側および蒸発器１２０を流れる流体よりも高温の流体が流れても良い。その場合においても本空間からの熱を変成器１４０および蒸発器１２０に流れる流体に伝えることができるため、効率的に熱を利用することが可能となる。
【００３８】
また一般的に、変成器１４０で起こるシフト反応は、水添脱硫器１１０に比べ発熱量が大きい。特に、水添脱硫器１１０の温度低下量が大きい場合には、変成器１４０の下流部における反応熱が、水添脱硫器１１０における反応熱よりも大きくなるよう構成してもよい。変成器１４０における反応熱は、例えば、変成器内の触媒量を調整するなどして適宜設計できる。
【００３９】
なお、図１に示す水素生成装置１００では、蒸発器１２０は、変成器１４０の上流側のみと熱交換するよう構成されている。しかしながら、変成器１４０の少なくとも上流側と熱交換するように変成器１４０に隣接して設けられていればよく、例えば、変成器１４０の上流側のみならず変成器１４０の下流側とも熱交換するよう構成されていても構わない。
【００４０】
また、図１に示す水素生成装置１００では、水添脱硫器１１０は、変成器１４０の下流側とのみ熱交換するよう変成器１４０に隣接して設けられている。しかしながら、変成器１４０との熱交換において変成器１４０の下流側と主に熱交換するように構成されていれば、水添脱硫器１１０は、変成器１４０の下流側だけでなく、変成器１４０の上流側の一部と熱交換するよう変成器１４０に隣接して設けられていてもよい。また、この場合、水添脱硫器１１０は、変成器１４０の上流側のうち、水添脱硫器で原料から炭素析出が生じるような温度（例えば、３００℃）となる部分とは熱交換しないよう構成してもよい。また、この場合、水添脱硫器１１０は、変成器１４０の上流側のうち、水添脱硫器でリサイクルガス中の一酸化炭素または二酸化炭素のメタン化反応が進行するような温度（例えば、３５０℃）となる部分とは熱交換しないよう構成してもよい。
【００４１】
（第２実施形態）
第２実施形態の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置において、さらに、変成器を通過した水素含有ガス中のＣＯを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低減するＣＯ除去器を備え、変成器は、上流側に位置する第１変成器と、下流側に位置する第２変成器とを備え、第１変成器を通過した水素含有ガスが、蒸発器、及びＣＯ除去器とこの順で熱交換し、その後、第２変成器を通過するように構成されている。
【００４２】
図２は、第２実施形態にかかる水素生成装置２００の概略構成の一例を示す概念図である。
【００４３】
第２実施形態にかかる水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置に加え、さらに、変成器１４０を通過した水素含有ガス中のＣＯを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低減するＣＯ除去器１５０を備える。変成器は、上流側に位置する第１変成器１４０ａと、下流側に位置する第２変成器１４０ｂとを備え、第１変成器１４０ａを通過した水素含有ガスが、蒸発器１２０、及びＣＯ除去器１５０とこの順で熱交換し、その後、第２変成器１４０ｂを通過するように構成されている。
【００４４】
かかる構成により、水素生成装置において、安定的にＣＯを低減することが容易になるとともに、水素生成装置の起動時間を短くすることができる。
【００４５】
すなわち、本実施形態では変成器は、上流側に位置する第１変成器１４０ａと、下流側に位置する第２変成器１４０ｂとに分割されている。
【００４６】
かかる構成により、上流側の第１変成器１４０ａをより高温にすることで反応速度を大きくするとともに、下流側の第２変成器１４０ｂをより低温にすることで化学平衡的にＣＯ濃度を低くするように温度分布をつけることができる。これにより、水素生成装置２００は、安定的にＣＯを低減することが容易になる。
【００４７】
また、本実施形態では、ＣＯ除去器１５０は水素生成装置２００の最下流に位置するため、特に水素生成装置の起動時には、ＣＯ除去器１５０中に充填されているＣＯ除去触媒が反応に適する温度まで上昇するのに時間がかかる。一方、第１変成器１４０ａはＣＯ除去器１５０に比べ、より温度が上昇しやすく、また、より高温になる。そこで、第１変成器１４０ａを通過した水素含有ガスの熱をＣＯ除去触媒へ伝えることで、水素生成装置２００の起動時間を短縮することができる。
【００４８】
［装置構成］
第２実施形態にかかる水素生成装置２００は、水添脱硫器１１０と、蒸発器１２０と、改質器１３０と、第１変成器１４０ａと、第２変成器１４０ｂと、ＣＯ除去器１５０とを備える。
【００４９】
第１変成器１４０ａ及び第２変成器１４０ｂは前述した変成器１４０と同様に構成されうる。なお、第１変成器１４０ａと第２変成器１４０ｂに充填する変成触媒は異なる触媒種を分けて用いてもよい。
【００５０】
ＣＯ除去器１５０は、選択酸化触媒およびメタン化触媒の少なくともいずれか一方からなる触媒を設けている。一般的に、変成器を通過した水素含有ガス中のＣＯ濃度は数千ｐｐｍ程度であるため、さらにＣＯを低減し、数百から数ｐｐｍにすることができる。
【００５１】
選択酸化触媒としては、Ｒｕ系またはＰｔ系からなる触媒を用い、第２変成器１４０ｂとＣＯ除去器１５０との間に空気を供給する空気供給器（図示せず）を設けて構成してもよい。水素含有ガス中のＣＯと供給された空気中の酸素との反応を進行させ、ＣＯ濃度を数百から数ｐｐｍに低減してもよい。メタン化触媒としては、Ｒｕ系またはＮｉ系からなる触媒を用いてもよい。空気供給器は必要でなく、水素含有中のＣＯと水素との反応により、ＣＯ濃度を数百から数ｐｐｍに低減してもよい。
【００５２】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【００５３】
（変形例１）
変形例１にかかる水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置において、第１変成器を通過した水素含有ガスが、ＣＯ除去器、及びＣＯ除去器に入る前の水素含有ガスとこの順で熱交換し、その後、第２変成器を通過するように構成されている。
【００５４】
図３は、変形例１にかかる水素生成装置３００の概略構成の一例を示す概念図である。
【００５５】
変形例１にかかる水素生成装置３００は、第２実施形態の水素生成装置２００と異なり、第１変成器１４０ａを通過した水素含有ガスが、ＣＯ除去器１５０、及びＣＯ除去器１５０に入る前の水素含有ガスとこの順で熱交換し、その後、第２変成器１４０ｂを通過するように構成されている。
【００５６】
かかる構成により、第２実施形態にかかる水素生成装置２００と同様の効果を奏することができる。
【００５７】
変形例１においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【００５８】
（変形例２）
変形例２にかかる水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置において、第１変成器を通過した水素含有ガスが、蒸発器、ＣＯ除去器、及びＣＯ除去器に入る前の水素含有ガスとこの順で熱交換し、その後、第２変成器を通過するように構成されている。
【００５９】
図４は、変形例２にかかる水素生成装置４００の概略構成の一例を示す概念図である。
【００６０】
変形例２にかかる水素生成装置４００は、第２実施形態の水素生成装置と異なり、第１変成器１４０ａを通過した水素含有ガスが、蒸発器１２０、ＣＯ除去器１５０、及びＣＯ除去器１５０に入る前の水素含有ガスとこの順で熱交換し、その後、第２変成器１４０ｂを通過するように構成されている。
【００６１】
かかる構成により、変成器からＣＯ除去器までのガス流路が保温されるので、このガス流路中の結露が低減し、起動時のＣＯ除去器の暖機がより速く完了する。従って、水素生成装置４００の起動時間を短くすることができる。また、第１変成器１４０ａを通過したガスと蒸発器１２０、ＣＯ除去器１５０、及びＣＯ除去器１５０に入る前の水素含有ガスとこの順で熱交換する構成をとるため、第２実施形態及び変形例１に記載された水素生成装置に比してさらに、熱効率を向上させることができる。
【００６２】
変形例２においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【００６３】
（第３実施形態）
第３実施形態にかかる水素生成装置は、第２実施形態の水素生成装置において、さらに、加熱器を備え、水添脱硫器は、加熱器と第２変成器の間に位置するように配置されている。
【００６４】
上記水素生成装置において、水添脱硫器は環状に構成され、加熱器は水添脱硫器の内周側に配設され、第２変成器は水添脱硫器の外周側に配設されてもよい。
【００６５】
上記水素生成装置において、第２変成器は環状に構成され、第２変成器の外周側に第２変成器を通過した後の水素含有ガスが流れる流路が配設されていてもよい。
【００６６】
図５は、第３実施形態にかかる水素生成装置５００の概略構成の一例を示す概念図である。
【００６７】
第３実施形態にかかる水素生成装置５００は、第２実施形態の水素生成装置２００と異なり、さらに、加熱器２１０を備え、水添脱硫器１１０は、加熱器２１０と第２変成器１４０ｂの間に位置するように配置されている。
【００６８】
かかる構成により、水素生成装置５００の熱効率を向上させることができるとともに、水添脱硫器１１０の硫黄化合物濃度の上昇を抑制することができる。
【００６９】
すなわち、本実施形態においては、水素生成装置５００は加熱器２１０を備え、蒸発器１２０は第１変成器１４０ａと熱交換できるように隣接して設けられている。したがって、蒸発器１２０は加熱器２１０の熱のみならず、第１変成器１４０ａにおける反応熱をも用いることができるため、加熱器２１０が生成する熱量を抑えることができ、水素生成装置５００の熱効率を向上させることができる。
【００７０】
また、本実施形態においては、水添脱硫器１１０は、加熱器２１０と第２変成器１４０ｂの間に位置するように配置される。これにより、水添脱硫器１１０の外周には加熱器２１０及び第２変成器１４０ｂが配置されることになるため、水添脱硫器１１０の温度が低下することを抑制できる。したがって、水添脱硫器１１０の反応効率低下、及び硫黄化合物濃度の上昇を抑制できる。
【００７１】
［装置構成］
第３実施形態にかかる水素生成装置２００は、水添脱硫器１１０と、蒸発器１２０と、改質器１３０と、第１変成器１４０ａと、第２変成器１４０ｂと、ＣＯ除去器１５０と、加熱器２１０を備える。
【００７２】
加熱器２１０は、例えば、バーナー、燃焼排ガス、反応器等とすることができる。なお、図５に示す例ではバーナーとしている。また、加熱器２１０は第２変成器よりも高温であってもよい。
【００７３】
なお、加熱器２１０は、蒸発器１２０および改質器１３０を加熱する。加熱器２１０の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、改質器１３０より排出される水素含有ガスが用いられる。
【００７４】
図５に示す例では、ＣＯ除去器１５０は、筒状の形状を有している。また、水添脱硫器１１０は環状に構成され、加熱器２１０は水添脱硫器１１０の内周側に配設され、第２変成器１４０ｂは水添脱硫器１１０の外周側に配設されている。
【００７５】
また、図５に示す例では、第２変成器１４０ｂは環状に構成され、第２変成器１４０ｂの外周側に第２変成器１４０ｂを通過した後の水素含有ガスが流れる流路１４１が配設されるように構成されている。かかる構成とすることで、第２変成器１４０ｂの放熱を抑制することができ、変成器におけるＣＯ濃度の上昇を抑制することができる。
【００７６】
第３実施形態においても、第１〜２実施形態と同様の変形が可能である。第３実施形態と第２実施形態の変形例１とを組み合わせてもよい。第３実施形態と第２実施形態の変形例２とを組み合わせてもよい。
【００７７】
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態にかかる燃料電池システム６００の概略構成の一例を示す概略図である。
【００７８】
第４実施形態にかかる燃料電池システムは、第１実施形態から第３実施形態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。
【００７９】
かかる構成により、かかる構成により、従来よりも、水添脱硫器の温度勾配が緩やかになり、適温に維持され易くなるので、より安定的に運転できる燃料電池システムを提供することができる。
［システム構成］
第４実施形態にかかる燃料電池システム６００は、第１実施形態の水素生成装置１００と、燃料電池３１０とを備える。
【００８０】
燃料電池３１０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３１０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。
【００８１】
発電運転時において、燃料電池システム６００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。
【００８２】
第４実施形態においても、第１〜３実施形態と同様の変形が可能である。第４実施形態と第２実施形態とを組み合わせてもよい。第４実施形態と第２実施形態の変形例１とを組み合わせてもよい。第４実施形態と第２実施形態の変形例２とを組み合わせてもよい。第４実施形態と第３実施形態とを組み合わせてもよい。
【００８３】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。
従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【００８４】
例えば、上述の実施形態では水添脱硫器１１０と第２変成器１４０ｂとが接しているが、空間を介して隣接する構成でもよい。また、本空間には、変成器及び蒸発器１２０を流れる流体よりも、高温の流体が流れても良い。
【００８５】
また、上述の実施形態では水添脱硫器１１０を通過した原料ガスは水と混合し、その後、蒸発器１２０及び改質器１３０を通過することとしているが、水添脱硫器１１０を通過した原料ガスと蒸発器１２０を通過した水蒸気とを混合させ、その後、これらを改質器１３０に導入してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の一態様は、水添脱硫器が、従来よりも温度勾配が緩やかになり、適温に維持し易くなるため、水素生成装置及びこれを備える燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００８７】
１００、２００、３００、４００、５００  水素生成装置
１１０  水添脱硫器
１２０  蒸発器
１３０  改質器
１４０  変成器
１４０ａ  第１変成器
１４０ｂ  第２変成器
１４１  流路
１５０  ＣＯ除去器
２１０  加熱器
３１０  燃料電池
６００  燃料電池システム
【要約】
原料と水蒸気を用いて改質反応させ水素含有ガスを生成する改質器（１３０）と、水素含有ガス中のＣＯをシフト反応により低減する変成器（１４０）と、変成器（１４０）の上流側と熱交換するように隣接して設けられ、水を蒸発させる蒸発器（１２０）と、変成器（１４０の下流側と熱交換するように隣接して設けられ、原料中の硫黄化合物を水添脱硫反応により除去する水添脱硫器（１１０）と、を備える水素生成装置（１００）。【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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