(57)【要約】      （修正有）【課題】水添脱硫器において、水添脱硫剤の温度分布のばらつきおよび水添脱硫剤内部のガス流のばらつきを低減させる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器１と、空気と原料を用いて発電する燃料電池から構成されている。水添脱硫器は、筒状の内容器４と、内容器４の内部へ原料を導入する原料導入部６と、内容器４の内部から原料を排出する原料排出部８と、内容器４の内側面から突出し、内容器の主軸と交差する面を有するように設けられた突起１０と、水添脱硫剤を備えており、水添脱硫剤は、内容器４の内部において突起１０の上流側および下流側に充填され、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去するものである。外容器１４の内部には、脱硫部１２と、内容器４が備えられ、燃料電池から排出される排ガスをその内部に通流させることで、脱硫部１２が加熱されるように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去する水添脱硫器と、
空気と前記水添脱硫器を通過した原料とを用いて発電する燃料電池とを備え、
前記水添脱硫器は、
筒状の内容器と、
前記内容器の内部へ原料を導入する原料導入部と、
前記内容器の内部から前記原料を排出する原料排出部と、
前記内容器の内側面から突出し、前記内容器の主軸と交差する面を有するように設けられた突起と、
水添脱硫剤を備え、前記水添脱硫剤は、前記内容器の内部において前記突起の上流側および下流側に充填され、かつ、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去するものである、脱硫部と、
前記内容器の少なくとも一部を覆うと共に、前記燃料電池から排出される排ガスをその内部に通流させることで、前記脱硫部を加熱するように構成されている、外容器と、を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記突起は、前記内容器の全周において前記内容器の内側面から突出するように環状に構成されている、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記外容器は、前記内容器の全部を覆うように構成されている、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記突起は、前記内容器の周壁を内側に凹ませることで形成されている、
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記突起が、前記原料の流れに沿って複数個所に設けられている、請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記内容器の内部かつ前記突起の下流側に混合室を有し、前記混合室は、前記水添脱硫剤が配置されない空間をなすことで、その内部において前記原料を混合させる、請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記外容器は少なくとも前記内容器の上流側を覆うように構成され、
前記上流側において、前記内容器の内側面と、前記内容器の内部にあり前記内側面と対向する筒状の周面と、前記周面の下流側を封止する端面とが狭隘流路をなすことで、前記内側面と前記周面との間を通流する原料を前記排ガスで加熱するように構成された、熱交換部が形成されている、
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記熱交換部の下流側に、前記内容器の内側面から内側へと延びる触媒保持部を備え、
前記触媒保持部より上流側には前記水添脱硫剤が配置されない、
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水添脱硫器から供給される脱硫された原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器を備える、請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。より詳しくは、水添脱硫剤を用いて原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は小型でも発電効率が高くできるので、分散型の発電システムの発電部として用いられている。分散型発電システムとして機能させるには、発電時の燃料を安定的に供給する必要がある。一般的には、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天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ、ガソリン、灯油等を原料として、６００〜７００℃の温度でＲｕ触媒やＮｉ触媒等の改質触媒を用いて水蒸気との改質反応により水素含有ガス（改質ガス）が生成される。その水素含有ガスを燃料電池の燃料とするシステム構成がとられることが多い。
【０００３】
原料には、例えば都市ガスの漏れを検知するための付臭剤としての硫黄成分および原料由来の硫黄成分等が含まれる。改質触媒は、それらの硫黄成分で被毒して、改質反応性が低下する。そこで燃料電池では、原料中の硫黄成分を除去するための脱硫剤を備える脱硫部が設けられる。改質触媒に供給するまでの原料から、効果的に硫黄成分を除去、脱硫することは、燃料電池の安定運転実現のために重要である。なお、硫黄成分を除去するための脱硫剤には、温度依存性があるものがある。
【０００４】
特許文献１は、改質器および／または燃料電池スタックが配置される高温室を内部に形成する内壁と、内壁の外周を覆って当該内壁との間に断熱室を形成する外壁とを更に備え、断熱室内には脱硫器と断熱構造とが配置されていることを特徴とする、燃料電池システムを開示する。
【０００５】
特許文献２は、都市ガスやＬＰＧ等の原燃料を改質して水素濃度の高い改質ガスを得る燃料改質装置で、少なくとも、原燃料を脱硫層に流通して脱硫する脱硫器と、脱硫した原燃料と水蒸気を燃焼排ガスにより加熱された改質層に導いて水蒸気改質する改質器とを備える燃料改質装置において、脱硫器の脱硫層の壁面と改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面との間に燃焼排ガスから脱硫層へと熱を伝達する伝熱手段を備え、かつ、改質層を流通した後の加熱された改質ガスが脱硫器の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫層を加熱するように構成されていることを特徴とする燃料改質装置を開示する。
【０００６】
特許文献３は、燃料電池に用いられる被改質ガスの脱硫を行う脱硫装置において、脱硫触媒を収容可能な筒状の容器と、容器の軸方向の両端近傍にそれぞれ設けられる被改質ガスの流入口および流出口と、流入口から流入した被改質ガスが、容器の内部空間において軸を含む面を境界とする第１領域と第２領域とを行き来しつつ軸方向に流れて流出口から流出するように、被改質ガスの流路を形成するガス流路形成手段とを有することを特徴とする脱硫装置を開示する。
【０００７】
特許文献４は、都市ガスやＬＰＧ等の原燃料を改質して水素濃度の高い改質ガスを得る燃料改質装置で、少なくとも、原燃料を脱硫層に流通して脱硫する脱硫器と、脱硫した原燃料と水蒸気を燃焼排ガスにより加熱された改質層に導いて水蒸気改質する改質器とを備える燃料改質装置において、脱硫器の脱硫層の壁面と改質器の燃焼排ガスの流通管の壁面との間に燃焼排ガスから脱硫層へと熱を伝達する伝熱手段を備え、かつ、改質層を流通した後の加熱された改質ガスが脱硫器の脱硫層の外面に接して流通し、脱硫層を加熱するように構成されていることを特徴とする燃料改質装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２７２３３３号公報
【特許文献２】特開２００７−５５８６８号公報
【特許文献３】特開２００７−２７３１４２号公報
【特許文献４】特開２０１２−２０１７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、燃料電池システムにおいて、水添脱硫器の脱硫効率を向上させることを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による燃料電池システムの一態様は、
原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去する水添脱硫器と、
空気と前記水添脱硫器を通過した原料とを用いて発電する燃料電池とを備え、
前記水添脱硫器は、
筒状の内容器と、
前記内容器の内部へ原料を導入する原料導入部と、
前記内容器の内部から前記原料を排出する原料排出部と、
前記内容器の内側面から突出し、前記内容器の主軸と交差する面を有するように設けられた突起と、
水添脱硫剤を備え、前記水添脱硫剤は、前記内容器の内部において前記突起の上流側および下流側に充填され、かつ、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去するものである、脱硫部と、
前記内容器の少なくとも一部を覆うと共に、前記燃料電池から排出される排ガスをその内部に通流させることで、前記脱硫部を加熱するように構成されている、外容器と、
を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、燃料電池システムにおいて、水添脱硫器の脱硫効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１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ブロック図である。
【図２】図２は、第１実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態にかかる水添脱硫器の突起の概略構成の一例を示す平面図である。
【図４】図４は、第１実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す拡大断面図である。
【図５】図５は、第１実施形態の第１変形例にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。
【図６】図６は、第１実施形態の第２変形例にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。
【図７】図７は、第２実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。
【図８】図８は、第３実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。
【図９】図９は、第４実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、第４実施形態の第１変形例にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
燃料電池システムにおいて、水添脱硫器の脱硫効率を向上させる方法につき鋭意検討が加えられた。その結果、以下の知見が得られた。
【００１４】
水添脱硫器の内部には水添脱硫剤が配置される。水添脱硫剤の水添脱硫機能を有効に機能させるためには、水添脱硫剤を所定の温度に加熱する必要がある。水添脱硫器内部の温度分布が不均一となると、部分的に十分に機能しない水添脱硫剤が発生しうる。水添脱硫剤を有効に利用するためには、水添脱硫剤を均一に加熱することが有効と考えられる。
【００１５】
水添脱硫剤を均一に加熱するためには、水添脱硫剤の容器周囲の一部または全部を高温のガスで覆うことが有効となる。ガスの温度分布は均一になりやすく、高温のガスによれば水添脱硫剤を均一に加熱できるからである。
【００１６】
しかしながら、実際に上記構成を用いて水添脱硫器を構成してみると、必ずしも水添脱硫剤の温度分布が充分に均一化されないことが判明した。その要因を検討した結果、水添脱硫剤内部のガス流にばらつきが生じていることが原因の一つと推定された。より具体的に言えば、水添脱硫器の容器内部において、水添脱硫剤は流れに対する抵抗となる。このため、水添脱硫器の内部に導入されたガスは、その多くが、水添脱硫剤内部を通過せず、水添脱硫剤と容器との境界部分を通過してしまう。その結果、水添脱硫剤の温度分布は不均一となる。また、水添脱硫剤が十分に機能しない結果、水添脱硫剤の利用効率も低下する。
【００１７】
すなわち、水添脱硫器において脱硫効率を向上させるには、水添脱硫剤の温度分布のばらつきおよび水添脱硫剤内部のガス流のばらつきを低減させる必要がある。そのためには、水添脱硫剤と容器との境界部分を通過しやすいガスの流れを変化させることが有効と考えられる。
【００１８】
以上の知見に基づき、本発明者らは、以下のような構成に想到した。すなわち、筒状の内容器の内部に水添脱硫剤を配置し、内容器を少なくとも一部を覆うように外容器を形成し、外容器と内容器との間の空間に燃料電池から排出される排ガスを通流させることで、水添脱硫剤を加熱する。そして、内容器の内部に、内側面から突出し、内容器の主軸と交差する面を有するように設けられた突起を形成する。
【００１９】
かかる構成によれば、水添脱硫剤と容器との境界部分を通過するガスの流れが、突起によって内容器の内部へと曲げられることで、水添脱硫剤内部のガス流のばらつきが低減されると共に、水添脱硫剤の温度分布のばらつきも低減される。
【００２０】
実際に上記構成の水添脱硫器を製作して試験したところ、水添脱硫剤の温度分布は飛躍的に均一化され、脱硫効率を向上させることができることが判明した。
【００２１】
すなわち上記課題を解決すべく、本発明の燃料電池システムは、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去する水添脱硫器と、空気と前記水添脱硫器を通過した原料とを用いて発電する燃料電池とを備え、前記水添脱硫器は、筒状の内容器と、前記内容器の内部へ原料を導入する原料導入部と、前記内容器の内部から前記原料を排出する原料排出部と、前記内容器の内側面から突出し、前記内容器の主軸と交差する面を有するように設けられた突起と、水添脱硫剤を備え、前記水添脱硫剤は、前記内容器の内部において前記突起の上流側および下流側に充填され、かつ、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去するものである、脱硫部と、前記内容器の少なくとも一部を覆うと共に、前記燃料電池から排出される排ガスをその内部に通流させることで、前記脱硫部を加熱するように構成されている、外容器と、を備える。
【００２２】
以下、添付図面を参照しつつ、各実施形態について説明する。各実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
【００２３】
（第１実施形態）
第１実施形態の燃料電池システムは、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去する水添脱硫器と、空気と前記水添脱硫器を通過した原料とを用いて発電する燃料電池とを備え、前記水添脱硫器は、筒状の内容器と、前記内容器の内部へ原料を導入する原料導入部と、前記内容器の内部から前記原料を排出する原料排出部と、前記内容器の内側面から突出し、前記内容器の主軸と交差する面を有するように設けられた突起と、水添脱硫剤を備え、前記水添脱硫剤は、前記内容器の内部において前記突起の上流側および下流側に充填され、かつ、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去するものである、脱硫部と、前記内容器の少なくとも一部を覆うと共に、前記燃料電池から排出される排ガスをその内部に通流させることで、前記脱硫部を加熱するように構成されている、外容器と、を備える。
【００２４】
かかる構成では、燃料電池システムにおいて、水添脱硫器の脱硫効率を向上させることができる。
【００２５】
上記燃料電池システムにおいて、突起は、前記内容器の全周において前記内容器の内側面から突出するように環状に構成されていてもよい。
【００２６】
上記燃料電池システムにおいて、外容器は、前記内容器の全部を覆うように構成されていてもよい。
【００２７】
上記燃料電池システムにおいて、水添脱硫器から供給される脱硫された原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器を備えてもよい。
【００２８】
かかる構成では、改質触媒の劣化をより効果的に防止できる。
【００２９】
図１は、第１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ブロック図である。図２は、第１実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。図３は、第１実施形態にかかる水添脱硫器の突起の概略構成の一例を示す平面図である。図４は、第１実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す拡大断面図である。以下、図１〜３を参照しつつ、第１実施形態にかかる燃料電池システム１００について説明する。
【００３０】
図１に示す例において、第１実施形態の燃料電池システム１００は、水添脱硫器１と、燃料電池２（燃料電池ユニット）とを備えている。
【００３１】
水添脱硫器１は、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去する。水素は、例えば、改質器（図示せず）および燃料電池等から排出されるガスに含まれる水素を利用しうる。具体的には例えば、改質器から排出された水素含有ガスが、改質器と燃料電池２のアノードとを結ぶアノードガス供給流路から分岐するリサイクルガス流路と、該リサイクルガス流路に設けられてリサイクルガスの供給量を調整するリサイクルガス供給ユニットとを経由して、原料供給流路へと供給されてもよい。
【００３２】
原料は、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの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むガス、灯油、及びメタノール、エタノール等のアルコールとすることができる。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭などに供給されるガスをいう。
【００３３】
硫黄化合物は、付臭成分として人為的に原料へ添加されるものであってもよいし、原料自体に由来する天然の硫黄化合物であってもよい。具体的には、ターシャリブチルメルカプタン（ＴＢＭ：tertiary-butylmercaptan）、ジメチルスルフィド（ＤＭＳ：dimethyl sulfide）、テトラヒドロチオフェン（ＴＨＴ：Tetrahydrothiophene）、硫化カルボニル（ＣＯＳ：carbonyl sulfide）、硫化水素（hydrogen sulfide）等が例示される。
【００３４】
燃料電池２は、空気と水添脱硫器１を通過した原料とを用いて発電する。燃料電池２はいずれの種類であってもよく、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池２が、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質器と燃料電池とが１つの容器内に内蔵されるよう構成されてもよい。
【００３５】
水添脱硫器１を通過した原料は、燃料電池２に直接的に供給されてもよいし、改質器（図示せず）等において水素含有ガス等に改質されて間接的に供給されてもよい。すなわち、燃料電池２は、水添脱硫器１を通過した原料を直接的に用いて発電してもよいし、水添脱硫器１を通過した原料を間接的に用いて発電してもよい。
【００３６】
改質器を備える構成では、例えば、改質ガスである水素含有ガスを生成させるための改質触媒、その改質触媒へ必要な反応熱を供給する加熱構成、水の蒸発構成等を備えうる。加熱構成への熱源として、燃料電池２のアノードから排出されるアノードオフガスを利用してもよい。また、改質反応に水が必要な場合には、水供給ラインから供給されうる。なお、改質器は例えば公知の構成を採用しうるので、各部の詳細な構成の説明は省略する。
【００３７】
図２に示す例において、水添脱硫器１は、内容器４と、原料導入部６と、原料排出部８と、突起１０と、脱硫部１２と、外容器１４と、を備えている。
【００３８】
内容器４は、筒状の容器である。筒状とは、円筒形状でもよいし、角筒形状でもよい。断面は、円でもよいし、楕円でもよいし、三角形でもよいし、四角形でもよいし、それ以上の多角形でもよい。筒状は、中空であってもよい。すなわち、例えば同軸で半径の異なる２つの円筒で挟まれた形状を有していてもよい。筒状とは、単一の軸方向に延びる形状であってもよい。
【００３９】
内容器４は、例えば、ステンレススチールにより構成されうる。原料導入部６は、内容器４の内部へ原料を導入する。原料排出部８は、内容器４の内部から原料を排出する。原料導入部６と原料排出部８とは、例えば、内容器４に形成された孔および流路等とすることができる。原料導入部６と原料排出部８とには、水添脱硫剤が内容器４の外部へ流出しないように、メッシュ等のフィルター構成を備えてもよい。フィルター構成としては、公知の構成を採用しうるので、詳細な説明を省略する。
【００４０】
突起１０は、内容器４の内側面から突出し、内容器４の主軸と交差する面を有するように設けられている。突起１０は、容器４の内部に設けられ、原料導入部６から原料排出部８に至る原料の流れに対する障害となり原料の流線を曲げることで内容器４内を流れる原料を混合する混合部をなしてもよい。
【００４１】
突起１０の具体的構成は特に限定されない。例えば、突起１０を内容器４とは別部材として構成し、溶接等により内容器４に取り付けてもよい。あるいは、突起１０が内容器４と一体に形成されてもよい。内容器４は、突起１０のある部分において、内径が小さくなっている。換言すれば、突起１０は内容器４において狭隘部１６をなす。
【００４２】
突起１０は、図３に例示するように、内容器４の全周において内容器４の内側面から突出するように環状に構成されていてもよい。突起１０は、内容器４の内周の一部において内容器４の内側面から突出するように環状（リング状）に構成されていてもよい。突起１０は、例えば、ステンレススチールにより構成されうる。
【００４３】
なお、突起１０の設置性を向上させるためにリングの一部を欠損させる構成、および、狭隘部側を波うたせる構成等、内容器４の内側に原料を導く構成もとることができる。
【００４４】
脱硫部１２は、水添脱硫剤１７を備え、水添脱硫剤１７は、内容器４の内部において突起１０の上流側および下流側に充填され、かつ、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去するものである。
【００４５】
水添脱硫剤１７としては、例えば、水添反応により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（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ系触媒、及び、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｆｅ系触媒等）を用いることができる。水添脱硫剤１７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。水添脱硫剤は、所定の温度まで加熱されて用いられる。
【００４６】
外容器１４は、内容器４の少なくとも一部を覆う。外容器１４は、内容器４の全部を覆うように構成されてもよい。外容器１４は、燃料電池２から排出される排ガスをその内部に通流させることで、脱硫部１２を加熱するように構成されている。図２に示す例では、排ガスは、外容器１４の壁と内容器４の壁とで構成される空間１８の内部を通流する。外容器１４は、例えば、ステンレススチールにより構成されうる。
【００４７】
図２に示す例では、外容器１４には、排ガス導入部２０と排ガス排出部２２とが形成されている。排ガス導入部２０は、外容器１４の内部へ排ガスを導入する。排ガス排出部２２は、外容器１４の内部から排ガスを排出する。図２に示す例では、排ガス排出部２２が原料導入部６の近傍に配置され、かつ、排ガス導入部２０が原料排出部８の近傍に配置されている。別の言い方をすれば、排ガス排出部２２と原料導入部６とは、筒状の水添脱硫器１の一方の端部に配置され、排ガス導入部２０と原料排出部８とは、筒状の水添脱硫器１の他方の端部に配置される。かかる構成では、水添脱硫器１の内部において、原料ガスと排ガスとが対向流をなすことから、より効率的に排ガスで原料ガスを加熱できる。
【００４８】
加熱源となる、燃料電池２から排出される排ガスには、カソードから排出されるカソードオフガス、アノードから排出されるアノードオフガス、カソードオフガスとアノードオフガスとの混合ガス、および、アノードオフガスを燃焼させることで得られる燃焼排ガス等を用いることができる。
【００４９】
図４に示す例において、突起１０は板状の部材からなり、上面および下面において水添脱硫剤１７と接している。図３に示す例では、突起１０が水添脱硫剤１７に覆われている。水添脱硫剤１７は、例えばペレット状に構成されていてもよい。この場合、ペレットが内容器４の内部に充填されることで、脱硫部１２が構成されうる。水添脱硫剤１７は、例えばハニカム形状を有していてもよい。この場合、ハニカムが内容器４の内部に充填されることで、脱硫部１２が構成されうる。
【００５０】
脱硫部１２は、排ガスの熱を利用して、水添脱硫反応に適した温度まで加熱され、原料中の硫黄成分を除去する。より詳細に説明すれば以下の通りである。
【００５１】
水添脱硫剤１７は、使用する触媒種によるが、２００〜４００℃の温度範囲に加熱されることにより、原料中の硫黄成分と原料に添加された改質ガス中の水素とを反応させて硫化水素とする。水添脱硫剤１７はさらに、該硫化水素を吸着除去および／または反応除去することで原料を脱硫する。加熱源としては、例えば、燃料電池２から排出されるカソードオフガスを用いる。
【００５２】
固体酸化物型燃料電池を用いる場合には、燃料電池２が高温で作動するため、カソードオフガスを高温で取り出すことができる。詳細な構成の記載はしないが、例えば、カソードオフガスは燃料電池２内で発電に用いる前のカソードガスと反応に適する温度（例えば約３００℃）となるように熱交換して排気され、カソードオフガスラインを通して水添脱硫器１に供給される。
【００５３】
カソードオフガスは、外容器１４と内容器４との間に構成される空間１８に流すことで、内容器４の外壁面を通してカソードオフガスの熱を水添脱硫剤１７に伝熱して、水添脱硫剤１７を加熱する。
【００５４】
本実施形態の脱硫部１２は、例えば、内容器４を円筒形状とし、内容器４の外壁面を覆うように、円筒状の外容器１４を配置する。かかる構成では、内容器４の外壁面全体を排ガスからの熱を授受する熱交換面として利用できる。よって、外壁面で水添脱硫剤１７をより均一に加熱できる。
【００５５】
なお、伝熱面の面積を、水添脱硫剤１７の加熱に必要な分だけ取れる場合は、内容器４の外壁面の一部を覆うように外容器１４を配置し、その外容器１４と内容器４の間の空間１８にカソードオフガスを流す構成としてもよい。
【００５６】
なお、脱硫部１２の加熱減となる排ガスは、燃料電池２からのカソードオフガス以外にも、改質器から排出される燃焼排ガス（アノードオフガスを燃焼したもの）、燃料電池２での燃焼排ガス等、水添脱硫反応に適した温度域となる気体を用いることができ、脱硫部１２を均一に加熱できる構成がとれる。
【００５７】
原料は、原料導入部６から内容器４の内部へと導入され、脱硫部１２の内部を流れる。水添脱硫剤１７は、脱硫部１２と内容器４との境界部分、すなわち内容器４の内側面近傍で充填密度が小さくなる。その結果、原料は、脱硫部１２と内容器４との境界部分を流れやすくなる。水添脱硫剤１７は、伝熱面である内容器４の内側面近傍でより加熱されやすい。一方で、内側面近傍では、水添脱硫剤１７の充填性が壁面の存在によって悪くなり、内容器４の中心付近に比べ、原料と水添脱硫剤１７との接触割合が少なくなる。よって、内側面近傍と、中心付近とで、脱硫性能がアンバランスとなり、脱硫器としての脱硫性が低下する。
【００５８】
本実施形態では、原料の流れは、突起１０によって阻害され、原料の流れる方向が曲げられ、混合される。よって、突起１０を通過した後の原料の偏流は、突起１０を通過する前の原料の偏流よりも軽減されている。
【００５９】
その結果、水添脱硫剤の温度分布のばらつきおよび水添脱硫剤内部のガス流のばらつきが軽減され、水添脱硫器における脱硫効率が向上する。
【００６０】
なお、突起１０が金属等の熱伝導性の高い材料で構成される場合には、内容器４を通じて外部から供給される熱をさらに効率よく、内側にある水添脱硫剤１７へと輸送することが可能となる。すなわち、突起１０により水添脱硫剤１７を効率よく、均一に加熱することが可能となる。
【００６１】
よって、脱硫部内の脱硫剤を有効活用して、効果的に原料中の硫黄成分を除去し、安定的に発電動作する燃料電池を提供することが可能となる。
【００６２】
本実施形態では、内容器と外容器との間に高温の排ガスを流すことで、内容器の内部に納められている脱硫剤が加熱される。この時、内容器の内側全周に沿うように設けられる突起から内容器の内部に向かって脱硫剤に熱を伝えることで、内容器内部に位置する脱硫剤も加熱される。また、内容器の内壁面に沿って流れる原料が、内容器の内側全周に沿うように設けられる突起部分で、内容器の内部に位置する脱硫剤の方向へ流れることになり、脱硫部内で流れの均一化と温度の均一化を促進する。その結果、効果的に硫黄成分を除去できる。よって、改質触媒の反応性低下が抑制され、安定して発電可能な燃料電池システムを提供できる。
【００６３】
［第１変形例］
第１実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、突起が、内容器の周壁を内側に凹ませることで形成されているものである。かかる構成では、突起が内容器から脱離しにくくなり、かつ、容易に突起を形成することができる。また、排ガスと内容器の壁材との接触面積を大きくでき、より効果的に脱硫部を加熱できる。
【００６４】
図５は、第１実施形態の第１変形例にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。図５に例示するように、第１変形例の燃料電池システムが備える水添脱硫器１０１は、突起１１（ビード）を備えている。
【００６５】
突起１１は、内容器４の周壁を内側に凹ませることで形成されている。突起１１の加工方法は特に限定されず、例えば、絞り加工、プレス加工、押し出し成型等を用いることができる。
【００６６】
第１変形例にかかる燃料電池システムは、上記の点を除き、図１〜４に示す第１実施形態の燃料電池システム１００と同様の構成とすることができる。よって、図１〜４と図５とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００６７】
本変形例においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【００６８】
［第２変形例］
第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、突起が、原料の流れに沿って複数個所に設けられているものである。かかる構成では、水添脱硫剤の温度分布のばらつきおよび水添脱硫剤内部のガス流のばらつきがさらに軽減され、原料と水添脱硫剤との接触割合が改善され、水添脱硫器における脱硫効率がさらに向上する。
【００６９】
図６は、第１実施形態の第２変形例にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。図６に例示するように、第２変形例の燃料電池システムが備える水添脱硫器１０２は、複数の突起１０を備えている。
【００７０】
突起１０は、原料の流れに沿って複数個所に設けられている。このため、内容器４の内部を流れる原料は、それぞれの突起１０にぶつかるたびに内容器４の内側へと流れを曲げられ、混合される。その結果、水添脱硫剤の温度分布のばらつきおよび水添脱硫剤内部のガス流のばらつきが好適に軽減される。
【００７１】
複数の突起１０は、それぞれ、同一の材料および形状で構成されていてもよいし、材料および形状の一方もしくは両方が互いに異なっていてもよい。
【００７２】
第２変形例にかかる燃料電池システムは、上記の点を除き、図１〜４に示す第１実施形態の燃料電池システム１００と同様の構成とすることができる。よって、図１〜４と図６とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００７３】
本変形例においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【００７４】
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、内容器の内部かつ突起の下流側に混合室を有し、該混合室は、水添脱硫剤が配置されない空間をなすことで、その内部において原料を混合させるように構成されている。
【００７５】
図７は、第２実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。図７に例示するように、第２実施形態の燃料電池システムが備える水添脱硫器１０３は、混合室２６を有する。
【００７６】
混合室２６は、内容器４の内部かつ突起１０の下流側に配置されている。混合室２６は、水添脱硫剤が配置されない空間をなす。混合室２６は、その内部において原料を混合させる。
【００７７】
図７に示す例では、混合室２６の下端面において、突起１０がなす狭隘部に、触媒押さえ部材２４が配置されている。触媒押さえ部材２４により、水添脱硫剤が突起１０の下方から混合室２６の内側へと侵入することが抑制される。混合室２６の上端面にも、触媒押さえ部材２４’が配置されている。触媒押さえ部材２４’により、水添脱硫剤がその上方から混合室２６の内側へと侵入することが抑制される。触媒押さえ部材２４’は、例えば、水添脱硫剤１７を通さない大きさの目を有する、金属メッシュ、パンチングメタル等で構成されうる。
【００７８】
第２実施形態にかかる燃料電池システムは、上記の点を除き、図１〜４に示す第１実施形態の燃料電池システム１００と同様の構成とすることができる。よって、図１〜４と図７とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００７９】
本変形例においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【００８０】
本実施形態の構成によれば、突起よりも上流側の第１の脱硫部において脱硫された原料が、狭隘部を通った後、混合室を通過する。その際、混合室の上流に位置する脱硫剤で生じる圧力差により、原料が混合室において混合されて均一化され、突起よりも下流側の第２の脱硫部に供給される。その結果、水添脱硫剤の温度分布のばらつきおよび水添脱硫剤内部のガス流のばらつきが軽減され、水添脱硫器における脱硫効率が向上する。
【００８１】
（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、外容器は少なくとも内容器の上流側を覆うように構成され、上流側において、内容器の内側面と、内容器の内部にあり内側面と対向する筒状の周面と、周面の下流側を封止する端面とが狭隘流路をなすことで、内側面と周面との間を通流する原料を排ガスで加熱するように構成された、熱交換部が形成されている。
【００８２】
上記燃料電池システムにおいて、熱交換部の下流側に、内容器の内側面から内側へと延びる触媒保持部を備え、触媒保持部より上流側には水添脱硫剤が配置されなくてもよい。
【００８３】
図８は、第３実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。図８に例示するように、第２実施形態の燃料電池システムが備える水添脱硫器１０４は、熱交換部２９を有する。
【００８４】
外容器１４は少なくとも内容器４の上流側を覆うように構成されている。図８に示す例では、外容器１４が内容器の全部を覆うように構成されているが、熱交換部２９を含む上流部分のみを覆う構成でもよい。
【００８５】
熱交換部２９は、水添脱硫器１０４の上流側（上流部分）に配置される。熱交換部２９では、内容器４の内側面２７と、内容器４の内部にあり内側面２７と対向する筒状の周面３０と、周面３０の下流側を封止する端面３２とが狭隘流路２８をなしている。狭隘流路２８のうち、内側面２７と周面３０との間を通流する原料は、空間１８を通流する排ガスにより効率的に加熱される。
【００８６】
原料導入後の水添脱硫剤温度は、水添脱硫剤に導入する原料温度の影響をうける。特に、原料が低い温度である場合、水添脱硫剤での水添反応性が低下する可能性がある。また、原料が高い温度である場合、水添脱硫剤で原料が熱分化して炭素析出を引き起こす可能性がでてくる。かかる構成では、水添脱硫剤に導入する原料を、水添脱硫剤温度に近い温度まで予熱することができる。特に、水添脱硫剤を加熱した排ガスと原料が対抗する流とすることで、原料温度が出口排ガス温度よりも高くなることがなく、かつ、内容器内の水添脱硫剤温度に近い温度に、効果的に原料を予熱できる。
【００８７】
第３実施形態にかかる燃料電池システムは、上記の点を除き、図１〜４に示す第１実施形態の燃料電池システム１００と同様の構成とすることができる。よって、図１〜４と図８とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００８８】
図８に示す例では、熱交換部２９の下流側に、内容器４の内側面から内側へと延びる触媒保持部３４を備え、触媒保持部３４より上流側には水添脱硫剤１７が配置されていない。図８に示す例では、触媒保持部３４の内側には触媒押さえ部材２４が配置されており、触媒保持部３４と触媒押さえ部材２４とで、水添脱硫剤１７が保持されている。かかる構成により、熱交換部２９では原料が効率的に混合しつつ加熱される。
【００８９】
触媒保持部３４は、例えば、突起１０、突起１１等と同様の構成としうる。触媒保持部３４により、原料の流れは内容器４の内側方向に曲げられ、脱硫部１２の内部での流の均一化と温度の均一化とを促進できる。触媒押さえ部材２４は、例えば、水添脱硫剤１７を通さない大きさの目を有する、金属メッシュ、パンチングメタル等で構成されうる。
【００９０】
かかる構成では、触媒保持部３４より上流側には水添脱硫剤１７が配置されていないことで、下流側に位置する水添脱硫剤が、原料流れに対しての圧損をもたらす。この圧損の存在により、触媒保持部３４より上流側には水添脱硫剤１７が配置されていない空間で、原料が混合される。内側面２７と周面３０との間を通流する原料を微視的にみると、周面３０に近い原料流れが排ガスからの熱を受けやすくなっており、内側面２７と周面３０との間で温度分布をもった原料の流れになっている。触媒保持部３４より上流側には水添脱硫剤１７が配置されていない空間で原料が混合されることで、水添脱硫剤に導入する前の原料が、より均一な温度になる。
【００９１】
本実施形態においても、第１実施形態、第２実施形態およびそれらの変形例と同様の変形が可能である。
【００９２】
（第４実施形態）
第４実施形態にかかる脱硫器は、第１実施形態、第２実施形態、およびそれらの変形例のいずれかの燃料電池システムであって、水添脱硫器の内容器の内部空間が内容器の軸方向に延びつつ内容器の軸方向に折り返すように形成されている。
【００９３】
上記燃料電池システムにおいて、内容器は、内容器の軸方向に延びる仕切り板によって複数の領域に仕切られ、複数の領域のそれぞれは、原料が複数の領域のそれぞれを順に通流できるように構成されていてもよい。
【００９４】
上記燃料電池システムにおいて、複数の領域のうち、互いに隣り合う領域は、内容器の両端のいずれか一方において互いに連通していてもよい。
【００９５】
図９は、第４実施形態にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。以下、図９を参照しつつ、第４実施形態にかかる水添脱硫器１０５について説明する。
【００９６】
図９に示す例において、第４実施形態の水添脱硫器１０５は、内容器４と、突起１０と、脱硫部１２とを備えている。
【００９７】
内容器４は、筒状の形状を有し、かつ、内容器４の内部空間が内容器４の軸方向に延びつつ内容器４の軸方向に折り返すように形成されている。図９の例では、内容器４の内部空間が一度だけ内容器４の軸方向（図９の上下方向）に折り返している。かかる折り返しにより、内容器４の内部空間は、折り返し部の上流側の領域である第１領域４２と、折り返し部の下流側の領域である第２領域４４とに分けられる。
【００９８】
図９に示す例では、内容器４は、内容器４の軸方向に延びる仕切り板７によって２つの領域に仕切られている。すなわち、筒状の内容器４が、仕切り板７によって内容器４の軸方向と交差する方向に分割されている。該分割により、内容器４が第１領域４２と第２領域４４とに分けられる。
【００９９】
仕切り板７の材料は、内容器４の材料と同じであってもよいし、内容器４の材料と異なってもよい。仕切板７は内容器４を完全に区分する必要はない。例えば仕切り板７の一部に欠落部分が形成され、該欠落部分が折り返し部であってもよい。
【０１００】
第１領域４２と、第２領域４４とは、互いに隣り合う領域であり、内容器４の下端部において互いに連通している。第１領域４２の下流端と第２領域４４の上流端とは、原料導入部６が設けられている側の端部と反対側の端部に形成された折り返し部４０により連通されている。
【０１０１】
第１領域４２と第２領域４４とには、それぞれの中流部に、突起１０が形成されている。それぞれの突起１０の上流側および下流側には、水添脱硫剤１７の充填された脱硫部１２が形成されている。すなわち、脱硫部１２は、（１）原料導入部６から突起１０に至る第１領域４２に形成される部分、（２）突起１０から折り返し部４０に至る第１領域４２に形成される部分、（３）折り返し部４０から突起１０に至る第２領域４４に形成される部分、および、（４）突起１０から原料排出部８に至る第２領域４４に形成される部分、と４つのブロックに分かれている。原料導入部６を通じて内容器４の内部に導入された原料は、ブロック（１）とブロック（２）とブロック（３）とブロック（４）とをこの順に通過した後、原料排出部８を通じて内容器４の外部へと排出される。
【０１０２】
第４実施形態にかかる燃料電池システムは、上記の点を除き、図１〜４に示す第１実施形態の燃料電池システム１００と同様の構成とすることができる。よって、図１〜４と図９とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１０３】
本実施形態においても、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、およびそれらの変形例と同様の変形が可能である。
【０１０４】
［第１変形例］
図１０は、第４実施形態の第１変形例にかかる水添脱硫器の概略構成の一例を示す断面図である。
【０１０５】
第４実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムは、第４実施形態の燃料電池システムであって、突起は、内容器の内側面に沿って内容器の内部を取り囲むように環状に形成されている。第１変形例にかかる燃料電池システムは、上記の点を除き、図９に示す第４実施形態の水添脱硫器１０５およびこれを用いた燃料電池システムと同様の構成とすることができる。よって、図９と図１０とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１０６】
図１０に示すように、第１変形例の水添脱硫器１０６は、突起１０を備えている。突起１０は、内容器４の内側面に沿って内容器４の内部を取り囲むように環状に形成されている。ここで、内容器４の内側面は、仕切り板７の主面を含む。図１０に示す例では、内容器４が筒状の形状を有し、突起１０は、内容器４の軸方向（図１０の上下方向）と交差する方向（図１０の左右方向）に延びる面を有する。以上の点を除き、第１変形例の突起１０の構成は、第１実施形態の突起１０と同様の構成とすることができる。
【０１０７】
本変形例においても、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、およびそれらの変形例と同様の変形が可能である。
【０１０８】
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、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明の一態様は、水添脱硫器の脱硫効率を向上させることができる燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  水添脱硫器
２  燃料電池
４  内容器
６  原料導入部
７  仕切り板
８  原料排出部
１０  突起
１１  突起（ビード）
１２  脱硫部
１４  外容器
１６  狭隘部
１７  水添脱硫剤
１８  空間
２０  排ガス導入部
２２  排ガス排出部
２４  触媒押さえ部材
２６  混合室
２７  内側面
２８  狭隘流路
２９  熱交換部
３０  周面
３２  端面
３４  触媒保持部
４０  折り返し部
４２  第１領域
４４  第２領域
１００  燃料電池システム
１０１  水添脱硫器
１０３  水添脱硫器
１０４  水添脱硫器
１０５  水添脱硫器
１０６  水添脱硫器
【図１】
2015041417.tif 000003
【図２】
2015041417.tif 000004
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2015041417.tif 000009
【図９】
2015041417.tif 000010
【図１０】
2015041417.tif 000011
【図４】
2015041417.tif 000012