(57)【要約】【課題】水添脱硫器へのガス流路においてガス入口側の水添脱硫剤温度は室温と同等の温度で流入されるため低温になりに、ガス出口側の水添脱硫剤温度は改質触媒温度が内断熱材を介して昇温され高温になる。そのため、水添脱硫剤の全体の温度をほぼ均一な温度に維持することが出来ず水添脱硫剤の搭載量を増やすことになる。【解決手段】原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する水添脱硫触媒が充填された水添脱硫器と、硫黄化合物が除去された原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質器と、水素生成器と水添脱硫器との間に配置される内断熱材と、を備え、水添脱硫器は、原料ガスが供給される入口及び前記原料ガスを排出する出口を備え、内断熱材は、水添脱硫器の出口と改質器との間の部分に配置される出口断熱材の断熱性能より、水添脱硫器の入口と前記改質器との間の部分に配置される入口断熱材の断熱性能が、低くなるように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する水添脱硫触媒が充填された水添脱硫器と、
硫黄化合物が除去された前記原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器と前記水添脱硫器との間に配置される内断熱材と、
を備え、
前記水添脱硫器は、前記原料ガスが供給される入口及び前記原料ガスを排出する出口を備え、
前記水添脱硫器の入口と前記改質器との間の部分に配置される入口断熱材の断熱性能が、前記水添脱硫器の出口と前記改質器との間の部分に配置される出口断熱材の断熱性能より、低くなるように構成されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記内断熱材は、前記出口断熱材の厚みより前記入口断熱材の厚みが薄い、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記内断熱材は、前記入口断熱材が配置されていない、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記改質器は、円筒形状であり、
前記内断熱材は、前記改質器の周囲に配置されるリング形状であり、
前記水添脱硫器は、前記改質器の周囲に配置されるリング形状であり、前記原料ガスがその内部を円周方向に流れるように構成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記水添脱硫器の前記入口及び前記出口が、隣接して配置されている、請求項４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硫黄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、バ硫黄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硫黄化合物、あるいは原料中に元々含まれていた硫黄化合物が混入している。これらの硫黄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、原料中の硫黄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、硫黄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硫黄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、あるいは水素生成装置近傍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、水添脱硫器を断熱材を介して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】
このように水添脱硫器は昇温する必要があるものの、水添温度が高すぎると水添脱硫剤が熱劣化してしまい、逆に水添温度が低すぎると吸着容量が低下するため水添脱硫剤量が多く必要となってしまう。水添脱硫剤量を多量に搭載した水素生成装置は、容積が大きくなるばかりではなく、熱容量も大きくなるために昇温時間が長くなり起動時間が長くかかってしまうという問題がある。そこで水添脱硫剤の搭載量を極力少なくする必要があり、そのためには水添脱硫剤の全体の温度を上限に近いほぼ均一な温度に維持する必要がある。すなわち、上述の例では水添脱硫剤全体の温度を２５０℃から３００℃の温度差５０℃程度、あるいは可能であれば２７０℃から３００℃の温度差３０℃程度に維持することが
望ましい。
【０００７】
一方、上記従来技術では水添脱硫器へのガス流路においてガス入口側の水添脱硫剤温度は室温と同等の温度で流入されるため低温になりに、ガス出口側の水添脱硫剤温度は改質触媒温度が内断熱材を介して昇温され高温になる。そのため、水添脱硫剤の全体の温度をほぼ均一な温度に維持することが出来ず水添脱硫剤の搭載量を増やさざるを得ないという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で水添脱硫剤の全体の温度を均一化させ、水添脱硫剤の搭載量を最小限に抑えることができ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】
【０００９】
上記従来技術の課題を解決するため、本発明の水素生成装置は、原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する水添脱硫触媒が充填された水添脱硫器と、硫黄化合物が除去された原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器と水添脱硫器との間に配置される内断熱材とを備え、水添脱硫器は、原料ガスが供給される入口及び原料ガスを排出する出口を備える。
【００１０】
そして、水添脱硫器の出口と改質器との間の部分に配置される出口断熱材の断熱性能より、水添脱硫器の入口と改質器との間の部分に配置される入口断熱材の断熱性能が、低くなるように構成されている。これにより、水素生成器の熱を水添脱硫器へ伝えて水添脱硫器の加熱昇温を行う際に水添脱硫器出口側よりも入口側が断熱性能が低いため、水添脱硫器の出口側よりも入口側に改質器の熱を伝えることができるため、水添脱硫器内の温度分布のバラツキを低減することができる。
【００１１】
また、改質器は、円筒形状とし、内断熱材は、改質器の周囲に配置されるリング形状であり、水添脱硫器は、改質器の周囲に配置されるリング形状であり、原料ガスがその内部を円周方向に流れるように構成されている。これにより、水素生成器の熱を水添脱硫器へ伝えて水添脱硫器の加熱昇温を行う際に水添脱硫器出口側よりも入口側のほうが断熱性能が低いため、水添脱硫器の出口側よりも入口側に改質器の熱を伝えることができるため、水添脱硫器内の温度分布のバラツキを低減することができる。
【００１２】
また、水添脱硫器の入口側及び出口側が、隣接して配置されているとする。これにより、水添脱硫器の出口側の熱を入口側へ伝えることができるため、水添脱硫器内の温度分布のバラツキを低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素生成装置は、水素生成器と水添脱硫器との間に配置される内断熱材において、水添脱硫器出口側よりも入口側の内断熱材の方が断熱性能を低くするように構成されているため、改質器の熱は、より入口側の水添脱硫剤に伝わりやすくなり、水添脱硫器内の入口側と出口側の温度分布のバラツキを低減することができる。これにより、水添脱硫剤の搭載量を最小限に抑えることができ、水添脱硫剤の昇温時間を短縮することによる発電までの起動時間の短縮、水素生成装置の小型化、コスト削減ができ、小型化で低コストの燃料電池装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成装置のＡＡ断面図
【図３】本発明の実施の形態１における水素生成装置のＡＡ断面図
【図４】本発明の実施の形態１における水素生成装置のＡＡ断面図
【図５】本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成図
【図６】本発明の実施の形態２における水素生成装置のＡＡ断面図
【図７】本発明の実施の形態２における水素生成装置のＡＡ断面図
【図８】本発明の実施の形態２における水素生成装置のＡＡ断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１６】
（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について、図１〜図４を用いて説明する。
【００１７】
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、原料ガス入口２を通じて水添脱硫器３へ供給される。ここで水添脱硫器３は、外壁３Ａとその内側にある隔壁２０によって区切られた空間に、酸化銅と酸化亜鉛からなる水添脱硫剤１９が充填されて構成されている。水添脱硫器３によって脱硫された原料は原料出口２Ａを通じて配管４から供給された改質水と混合され、配管５を通って蒸発部６へ送られる。原料と水蒸気との混合ガスは高温に加熱された改質触媒層７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。この改質ガスは折り返し流路８を通って変成触媒層９に入り、変成反応によって一酸化炭素濃度が低減される。その後、配管１０から供給された空気と混合され、選択酸化触媒層１１内で一酸化炭素が燃焼され、燃料ガスとして配管１２から取り出されて燃料電池１３へ供給される。
【００１８】
燃料電池１３で消費されなかった水素は配管１４を介してバーナー１５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。これらのうち、蒸発部６、改質触媒層７、折り返し流路８、変成触媒層９、選択酸化触媒層１１、バーナー１５の一体となった構成が水素生成器である。なお、バーナー１５で燃焼した排ガスは、配管１６を通じて排気される。図中、１７は水素生成装置１全体を覆う外断熱材、１８は改質器と水添脱硫器３の間に設けた内断熱材１８である。図中のＡ−Ａ’断面を図２に示した。
【００１９】
このように構成された水添脱硫器３の作用を以下に説明する。原料ガス入口２は室温に設けられているため原料ガス入口２の温度は室温と同等の温度になり水添脱硫剤１９も比較的低温になる。次に、原料ガスは水添脱硫器３の原料出口２Ａに向けて流れるが、その間、改質触媒層７を流出した改質ガスが保有する熱を内断熱材１８を介して伝えることになり水添脱硫器３出口側は高温度となる。このため、入口部と出口部に温度差が生じてしまい水添脱硫剤１９の充填量を増やさなければならない。
【００２０】
そこで、本発明では、内断熱材１８の断熱性能を出口部と改質部との間の出口部断熱材１８ｂより入口部断熱材１８ａのほうが低くなるように構成している。これにより、原料ガス入口２は入口部断熱材１８ａの断熱係数が低いため改質ガスの熱をより多く伝えやすくなり、水添脱硫器３の入口部の温度が上昇することになり入口部と出口部の温度差が低減する。
【００２１】
また、本発明では、内断熱材の断熱厚みは水添脱硫器３出口部の厚み１８ｄより入口部の厚み１８ｃのほうが薄くなるように構成している。これにより、原料ガス入口２は入口部断熱材の断熱係数が低いため改質ガスの熱をより多く伝えやすくなり、水添脱硫器３の入口部の温度が上昇することになり入口部と出口部の温度差が低減する。
【００２２】
また、本発明では、内断熱材が水添脱硫器３の入口部１８ｅに配置されていない。これにより、原料ガス入口２は入口部断熱材の断熱係数が低いため改質ガスの熱をより多く伝えやすくなり、水添脱硫器３の入口部の温度が上昇することになり入口部と出口部の温度差が低減する。
【００２３】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置について、図５、図６、図７、図８を参照しながら説明する。なお、図５において前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００２４】
実施の形態２と実施の形態１との違いは、改質器が円筒形状であり、内断熱材は改質器の周囲に配置されるリング状であり、水添脱硫器３は内断熱材の周囲に配置されるリング状であり、原料ガスは入口から出口へは内部を円周方向に流れるように構成されているという点である。
【００２５】
本発明では、内断熱材１８の断熱性能を出口部と改質部との間の出口部断熱材１８ｂより入口部断熱材１８ａのほうが低くなるように構成している。これにより、原料ガス入口２は入口部断熱材の断熱係数が低いため改質ガスの熱をより多く伝えやすくなり、水添脱硫器３の入口部の温度が上昇することになり入口部と出口部の温度差が低減する。
【００２６】
また、本発明では、内断熱材の断熱厚みは水添脱硫器３出口部の厚み１８ｄより入口部の厚み１８ｃのほうが薄くなるように構成している。これにより、原料ガス入口２は入口部断熱材の断熱係数が低いため改質ガスの熱をより多く伝えやすくなり、水添脱硫器３の入口部の温度が上昇することになり入口部と出口部の温度差が低減する。
【００２７】
また、本発明では、内断熱材が水添脱硫器３の入口部１８ｅに配置されていない。これにより、原料ガス入口２は入口部断熱材の断熱係数が低いため改質ガスの熱をより多く伝えやすくなり、水添脱硫器３の入口部の温度が上昇することになり入口部と出口部の温度差が低減する。
【００２８】
また、本発明では、水添脱硫器３はリング状であり、入口部と出口部が隣接して配置されている。これにより、改質器により昇温されて高温になる出口側の熱を入口側へ伝えることができ入口部と出口部の温度分布のバラツキをより低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明に係る水素生成装置は、水添脱硫剤全体の温度分布を小さくすることができるので、水添脱硫剤の使用量を最小限に抑えることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  水素生成装置
２  原料ガス入口
２Ａ  原料出口
３  水添脱硫器
６  蒸発部
７  改質触媒層
８  折り返し流路
９  変成触媒層
１１  選択酸化触媒層
１３  燃料電池
１５  バーナー
１７  外断熱材
１８  内断熱材
１９  水添脱硫剤
２０  隔壁
【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】
2014005163.tif 000008
【図７】
2014005163.tif 000009
【図８】
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