(57)【要約】【課題】空気が通流して水添脱硫器を冷却する冷却経路と設けたとき、冷却経路に配置された弁は樹脂で構成されるので、冷却経路と弁との接続部は樹脂の耐熱温度以下に下げておく必要がある。しかし、運転中であっても冷却経路での空気の流通が停止することがあるのでバーナの燃焼熱によって冷却経路が加熱され、弁が高温状態となり熱劣化する。【解決手段】水添脱硫器を冷却する冷却部と弁との間の流路に、放熱部が形成されるように構成されている。【選択図】図１
2014189410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器に原料を供給する原料供給器と、
原料又は改質ガスである燃焼用ガスと空気とを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器で改質した改質ガスを排出する改質ガス流路と、
前記改質ガス流路を流れる改質ガスの熱によって加熱されるよう配置され、原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、
空気が通流して前記水添脱硫器を冷却する冷却経路と、
前記冷却経路に空気を供給する空気供給器と、
前記改質器及び前記水添脱硫器の外側に配置された断熱材と、
前記冷却経路に配置された弁と、
を備え、
前記冷却経路のうちの前記水添脱硫器を冷却する冷却部と前記弁との間の流路に、放熱部が形成され、
前記弁と前記放熱部とが前記断熱材の外部に配置されている、
水素生成装置。
【請求項２】
前記弁は、前記冷却経路のうちの前記冷却部より上流側の流路に配置され、
前記放熱部は、前記冷却経路のうちの前記冷却部より上流側の流路に形成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記空気供給器から前記燃焼器に空気を供給する空気流路をさらに備え、
前記冷却経路は、前記空気流路から分岐し、前記空気供給器から供給される空気の一部が前記水添脱硫器を冷却し、前記空気流路に合流し、前記燃焼器に供給されるよう構成され、
前記弁は、前記冷却経路のうちの前記冷却部より上流側の流路に配置され、
前記放熱部は、前記冷却経路のうちの前記冷却部より下流側の流路に形成されている、請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素化合物原料を原料として発電する燃料電池発電装置に関し、より詳細には原料中に含まれ、水素生成装置に有害なイオウ化合物を除去する水添脱硫器を有する水素生成装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、燃料電池と、燃料電池に水素を含んだ燃料ガスを供給する水素生成装置と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力へ変換するインバーター回路、およびそれらを制御する制御装置などによって構成されている。燃料電池には種々の方式が用いられているが、現在は固体高分子形の燃料電池が普及段階にある。また、水素生成装置に用いる水素生成器にも幾つかの方式があるが、原料となる炭化水素化合物と水蒸気を高温で触媒反応させて水素を得る水蒸気改質方式が高効率であるために主流となっている。なお、原料としては天然ガスからなる都市ガスや、ＬＰガス、灯油、バイオガスなどが使用されるが、これらの中には付臭剤として添加されたイオウ化合物、あるいは原料中に元々含まれていたイオウ化合物が混入している。これらのイオウ化合物は水素生成器に使用される触媒を被毒し、その活性を奪ってしまう。そのため、原料中のイオウ化合物は水素生成器へ供給される前に脱硫装置によって除去する必要がある。
【０００３】
脱硫装置としては現在、吸着脱硫方式と水添脱硫方式の２つの方式が用いられている。吸着脱硫方式とは、イオウ化合物を吸着する吸着剤を充填した吸着脱硫器内に原料を通過させて脱硫するもので、常温で吸着脱硫を行うので取り扱いが非常に簡便であるという長所がある。一方、水添脱硫方式は、例えば特許文献１に示されているように、原料に水素を加えて約２００℃から３００℃に昇温された水添脱硫剤を充填した水添脱硫器に通過させることによりイオウ化合物を吸着されやすい硫化水素に変化させ、生成した硫化水素を吸着剤に吸着除去するもので、吸着容量が大きいため長期間にわたって吸着剤の交換が不要であるという長所がある。
【０００４】
水添脱硫方式では水添脱硫剤を昇温する必要がある。そこで水添脱硫器を水素生成装置内に配置することによって，水素生成装置の熱により水添脱硫器を動作温度まで加熱する構成が採用されている。例えば，特許文献１に開示された技術では，水添脱硫器を改質部の周囲に配置することによって水添脱硫器を加熱昇温している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０５８９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水添脱硫器では，水添温度が高すぎると水添脱硫剤が熱劣化してしまうので，水添脱硫剤の温度を３００℃以下に維持する必要がある。
【０００７】
上記従来技術では改質触媒を流出して変成触媒へ流入する改質ガスの流路の周囲に水添脱硫器を配置している。各触媒層は反応に最適な温度に保持されているので，改質触媒を流出する改質ガスの温度は６００℃以上であり，変成触媒へ流入する改質ガスの温度は３００℃以下となるように水素生成装置は設計されている。水添脱硫器は，最高約６００℃以上である流路の周囲に配置されているので，水添脱硫剤温度を低下させるための冷却手段が必要となる。
【０００８】
ここで、空気が通流して水添脱硫器を冷却する冷却経路、及び、この冷却経路を流れる空気の流量を調整する弁を設けたとき、冷却経路に配置された弁は樹脂で構成されるので、冷却経路と弁との接続部は樹脂の耐熱温度以下（例えば１００℃以下）である必要がある。
【０００９】
しかしながら、冷却経路には水添脱硫器を冷却する時には空気を流すが、水添脱硫器がある一定の温度以下になれば、運転中であっても空気の流通を停止させる。空気の流通が停止中であっても、バーナの燃焼熱によって改質器及び水添脱硫器は加熱され、約２００℃〜３００℃である水添脱硫器によって冷却経路の金属配管が加熱され、冷却経路の金属配管を通した熱伝導により弁が高温状態になる。
【００１０】
さらに、改質器及び水添脱硫器の外側には断熱材が設置されるので、冷却経路の一部も断熱材の中に入り、断熱材の中は高温状態が保たれる。従って弁は断熱材の中には設置できない。断熱材の外部の限られた空間に弁を設置し、かつ冷却経路と弁との接続部は樹脂の耐熱温度以下にする必要がある。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、空気の流通が停止中において、バーナの燃焼熱によって改質器及び水添脱硫器が加熱されることにより約２００℃〜３００℃である水添脱硫器によって冷却経路の金属配管が加熱されても、弁が高温状態になり熱劣化することを防止する水素生成装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の従来技術の課題を解決するために本発明の水素生成装置は、炭化水素を含む原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、原料又は改質ガスである燃焼用ガスと空気とを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器で改質した改質ガスを排出する改質ガス流路と、前記改質ガス流路を流れる改質ガスの熱によって加熱されるよう配置され、原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、空気が通流して前記水添脱硫器を冷却する冷却経路と、前記冷却経路に空気を供給する空気供給器と、前記冷却経路に配置された弁と、を備え、前記冷却経路のうちの前記水添脱硫器を冷却する冷却部と前記弁との間の流路に、放熱部が形成されるように構成されている。
【００１３】
この構成により、冷却経路は、空気の流通が停止中であってバーナの燃焼熱によって冷却経路が加熱された場合であっても、放熱部にて放熱されるので、冷却経路に配置された弁との接続部では、弁で使用する樹脂の耐熱温度以下になっている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の技術を用いることにより、水添脱硫器の冷却経路の空気流通が停止中であって冷却経路が加熱されても弁の温度は低下するので、弁が熱劣化することを抑制できる。よって長寿命でかつ故障の少ない水添脱硫器一体型の水素生成装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１における水素生成装置の要部断面図
【図２】実施の形態２における水素生成装置の要部断面図
【図３】実施の形態３における水素生成装置の要部断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の水素生成装置は、炭化水素を含む原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、原料又は改質ガスである燃焼用ガスと空気
とを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器で改質した改質ガスを排出する改質ガス流路と、前記改質ガス流路を流れる改質ガスの熱によって加熱されるよう配置され、原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、空気が通流して前記水添脱硫器を冷却する冷却経路と、前記冷却経路に空気を供給する空気供給器と、前記改質器及び前記水添脱硫器の外側に配置された断熱材と、前記冷却経路に配置された弁と、を備え、前記冷却経路のうちの前記水添脱硫器を冷却する冷却部と前記弁との間の流路に、放熱部が形成され、前記弁と前記放熱部とが前記断熱材の外部に配置されている。
【００１７】
この構成により、水添脱硫器を冷却する場合に、冷却経路が水添脱硫器の熱で加熱され、断熱材の外部の限られた空間に弁が設置されていても、弁が熱伝導により加熱され、劣化することを抑制できる。
【００１８】
また、本発明の水素生成装置は、前記弁は、前記冷却経路のうちの前記冷却部より上流側の流路に配置され、前記放熱部は、前記冷却経路のうちの前記冷却部より上流側の流路に形成されている。
【００１９】
この構成により、冷却経路のうちの冷却部より上流側の部分は、水素生成装置の運転中は冷却経路を空気が流れるため、水添脱硫器の熱で加熱されにくい。そのため、弁が、水添脱硫器の熱で熱伝導により加熱され、劣化することを抑制できる。また、冷却経路で空気流通の停止中は、冷却経路のうちの冷却部より上流側の部分であっても、水添脱硫器の熱で熱伝導により加熱され、弁が劣化する恐れがあるが、放熱部が形成されているため、水添脱硫器の熱で熱伝導により加熱され、劣化することを抑制できる。
【００２０】
また、本発明の水素生成装置は、前記空気供給器から前記燃焼器に空気を供給する空気流路をさらに備え、前記冷却経路は、前記空気流路から分岐し、前記空気供給器から供給される空気の一部が前記水添脱硫器を冷却し、前記空気流路に合流し、前記燃焼器に供給されるよう構成され、前記弁は、前記冷却経路のうちの前記冷却部より上流側の流路に配置され、前記放熱部は、前記冷却経路のうちの前記冷却部より下流側の流路に形成されている。
【００２１】
この構成により、冷却経路が燃焼用の空気流路から分岐し、水添脱硫器を冷却し、その後合流する構成である場合に、水添脱硫器によってより加熱されやすい冷却経路のうちの冷却部より下流側の部分に放熱部が形成され、水添脱硫器によってより加熱されにくい冷却経路のうちの冷却部より上流側の部分に弁を配置することができる。この構成により、冷却経路のうちの冷却部より下流側の部分及び空気流路のうちの分岐部と合流部との間の部分を伝って、冷却経路のうちの冷却部より上流側に配置された弁が、水添脱硫器の熱で熱伝導により加熱され、劣化することを抑制できる。
【００２２】
（実施の形態１）
以下、本発明に係る水素生成装置の実施の形態１について、図１を用いて説明する。
【００２３】
図１は、都市ガスを原料として水蒸気改質反応により水素を生成する本発明の実施の形態１における水素生成装置１の概略構成図である。流量調節して供給された原料の都市ガスは、原料供給器２から配管３を通じて水添脱硫器４へ供給される。ここで水添脱硫器４は，酸化銅と酸化亜鉛からなる水添脱硫剤５が充填されて構成されている。水添脱硫器４によって硫黄が除去された原料は、第２配管６を通って、水配管７から供給された改質水と混合され，混合配管８を通って蒸発器９へ送られる。原料と水蒸気との混合ガスは改質器１０内の高温に加熱された改質触媒層１１によって水蒸気改質反応を生じて，水素と炭酸ガスと一酸化炭素を含む改質ガスに変化する。この改質ガスは改質ガス流路１２を通って、ＣＯ低減器１３内の変成触媒層１４に入り，変成反応によって一酸化炭素濃度が低減
される。改質器１０、水添脱硫器４、の外部には断熱材３０が配置される。その後，空気配管１５から供給された空気と混合され，選択酸化触媒層１６内で一酸化炭素が燃焼され，燃料ガスとして燃料配管１７から取り出されて燃料電池１８へ供給される。なお，燃料電池１８で消費されなかった水素はオフガス配管１９を介して燃焼器２０へ供給され，水素生成装置１を加熱する熱源として利用される。なお，燃焼器２０で燃焼した排ガスは，排ガス配管２１を通じて排気される。
【００２４】
水添脱硫器４では，水添温度が高すぎると水添脱硫剤５が熱劣化してしまうので，水添脱硫剤５の温度を３００℃以下に維持する必要がある。水添脱硫器４は改質ガス流路１２の周囲に配置している。改質触媒層１１部を流出する改質ガスの温度は６００℃以上であり，変成触媒層１４へ流入する改質ガスの温度は３００℃以下となるように水素生成装置１は設計されている。水添脱硫器４は，最高約６００℃以上である流路の周囲に配置されているので，水添脱硫剤５の温度を低下させるための冷却手段が必要となる。
冷却手段として、空気供給器２２から冷却経路２３内に空気を流し、冷却部２４で水添脱硫器４を冷却している。冷却経路２３には弁２５が配置されるが、弁２５は樹脂で構成されるので、冷却経路２３と弁２５との接続部は樹脂の耐熱温度以下（例えば１００℃以下）である必要がある。しかしながら，冷却経路２３は、冷却部２４を通るときに、水添脱硫器４の熱で加熱されるので，そのまま弁２５と接続すると、弁２５の樹脂は耐熱温度以上となり、熱劣化してしまう。これを避けるために、冷却経路２３のうちの水添脱硫器４を冷却する冷却部２４と弁２５との間の流路に、放熱部２６を設けている。冷却経路２３は、水添脱硫器４を冷却する時に水添脱硫器４の熱で加熱された場合であっても、放熱部２６にて放熱されるので温度が低下するので、冷却経路２３に配置された弁２５との接続部では弁で使用する樹脂の耐熱温度以下になっている。
【００２５】
冷却経路２３をより短くでき、冷却経路２３の圧力損失が増加することを抑制できる。
【００２６】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における水素生成装置について、図２を用いて説明する。なお、図２において、前述の実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００２７】
図２に図示した実施の形態２と前述の図１の実施の形態１との違いは、弁２５は、冷却経路２３のうちの冷却部２４より上流側の流路に配置され、放熱部２６は、冷却経路２３のうちの冷却部２４より上流側の流路に形成されている。
この構成により、冷却経路２３のうちの冷却部２４より上流側の部分は、水素生成装置１の運転中は冷却経路２３を空気が流れるため、水添脱硫器４の熱で加熱されにくい。そのため、弁２５が、水添脱硫器４の熱で熱伝導により加熱され、劣化することを抑制できる。また、冷却経路２３で空気流通の停止中は、冷却経路２３のうちの冷却部２４より上流側の部分であっても、水添脱硫器４の熱で熱伝導により加熱され、弁２５が劣化する恐れがあるが、放熱部２６が形成されているため、水添脱硫器４の熱で熱伝導により加熱され、劣化することを抑制できる。
【００２８】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における水素生成装置について、図３を用いて説明する。なお、図３において、前述の実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００２９】
図３に図示した実施の形態３と前述の図１の実施の形態１との違いは、空気供給器２２から燃焼器２０に空気を供給する空気流路２７をさらに備え、冷却経路２３は、空気流路２７から分岐し、空気供給器２２から供給される空気の一部が水添脱硫器４を冷却し、空
気流路２７に合流し、燃焼器２０に供給されるよう構成されている。弁２５は、冷却経路２３のうちの冷却部２４より上流側の流路に配置され、放熱部２６は、冷却経路２３のうちの冷却部２４より下流側の流路に形成されている。
【００３０】
この構成により、冷却経路２３が燃焼用の空気流路２７から分岐し、水添脱硫器４を冷却し、その後合流する構成である場合に、水添脱硫器４によってより加熱されやすい冷却経路２３のうちの冷却部２４より下流側の部分に放熱部２６が形成され、水添脱硫器４によってより加熱されにくい冷却経路２３のうちの冷却部２４より上流側の部分に弁２５を配置することができる。冷却経路２３のうちの冷却部２４より下流側の部分及び空気流路２７のうちの分岐部２８と合流部２９との間の部分を伝って、冷却経路２３のうちの冷却部２４より上流側に配置された弁２５が、水添脱硫器４の熱で熱伝導により加熱され、劣化することを抑制できる。
【００３１】
なお、本実施例では、水添脱硫器４は環状であり、かつ改質器１０は筒状であることを想定して説明したが、水添脱硫器４及び改質器１０がプレート状で構成されるときや、水添脱硫器４及び改質器１０が一体のモジュール化されている構成であっても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
水添脱硫器を有する水素生成装置全てについて有用である本発明の係る水素生成装置は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池を備える燃料電池発電システムに利用することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  水素生成装置
２  原料供給器
４  水添脱硫器
１０  改質器
１２  改質ガス流路
２０  燃焼器
２２  空気供給器
２３  冷却経路
２４  冷却部
２５  弁
２６  放熱部
２７  空気流路
３０  断熱材
【図１】
2014189410.tif 000003
【図２】
2014189410.tif 000004
【図３】
2014189410.tif 000005