(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの流路に設けられ脱硫剤または触媒を収納する反応容器と、
前記反応容器内に配置され前記脱硫剤または触媒を下から支持し前記ガスが通過する底蓋と、
前記ガスが流通する少なくとも１つ以上のガス流通孔と傾斜部が設けられ前記底蓋の下方に前記底蓋と間隔をあけて前記反応容器内に配置される誘導部と、
前記傾斜部における傾斜方向の下側に前記脱硫剤または触媒の粉化物を溜める溜まり部と、
を備え、
前記ガス流通孔は前記傾斜部に設けられ、前記ガス流通孔を通過した前記ガスが前記底蓋に向かって流れるよう構成された、
水素生成装置。
【請求項２】
前記ガス流通孔を通過した前記ガスが前記脱硫剤または触媒の巾方向のほぼ中央に導流される請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記誘導部は、前記反応容器内を前記ガスの通路と前記溜まり部とに区画する区画部材の上方部に接続されている、
請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記溜まり部は、前記反応容器を構成する相対向する側壁のうち外部から加熱される方の側壁とは反対側の側壁に近接して設けられる、
請求項１から３いずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記反応容器は、中心軸が鉛直方向の略円筒状の第１壁と、前記第１壁の外周側に同心円状に配置される第２壁とを備え、前記第１壁と前記第２壁との間にあって、前記第１壁の内周側に、前記反応容器を加熱する加熱部を備えた、
請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項６】
請求項１から５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、炭化水素系の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とそれを備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池発電システムは、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。
【０００３】
そこで、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料を利用し、それらの原料と水蒸気（水）との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が併設される。
【０００４】
一般的に水素生成装置は、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。また、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部となる、一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させる変成部、および一酸化炭素を酸化させる選択酸化部を設ける構成が取られることが多い。
【０００５】
それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはＲｕ触媒やＮｉ触媒、変成部にはＣｕ−Ｚｎ触媒、選択酸化部にはＲｕ触媒等が用いられている。また、各反応部には適した温度があり、改質部は６５０℃程度、変成部は２００℃程度、選択酸化部は１５０℃程度で使用されることが多い。
【０００６】
なお、都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料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改質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改質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。
【０００７】
脱硫装置として現在、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脱硫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。
【０００８】
一方、水添脱硫方式は、原料に水素を加えて約２２０℃から３２０℃に昇温された水添脱硫触媒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脱硫剤にて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脱硫剤の交換が不要であるという長所がある。
【０００９】
さて、燃料電池発電システムを家庭用途で使用する場合、家庭での電力負荷に合わせ、日々起動停止運転を行うことで、高いエネルギー効率での運転が可能となる。ただ、起動停止運転は、燃料電池発電システムに大きな負担をかける。
【００１０】
特に、水素生成装置は、高温での運転と、常温への冷却が繰り返されるので、大きな熱ひずみが日々加わることになる。その結果、装置内の触媒が粉化し、粉塵を発生させてしまう。触媒が粉塵化することで反応器から流出し、触媒反応に寄与しなくなるのを防止す
るため、改質管にフィルターを設けて、その粉塵の流出を防止する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
また、反応部内の触媒の一部が圧壊し、改質反応ガス（水素含有ガス）の流路が閉塞気味になるのを防止するため、反応部に仕切部材を設けて、触媒の圧壊を防止する構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
さらに、粉塵化し堆積する改質触媒粉を効果的に捕塵して、粉塵による流路閉塞を抑制する構成（例えば、特許文献３参照）や、粉塵化し脱落する変成触媒に対して凹部を設けて反応に悪影響を及ぼさない構成（例えば、特許文献４参照）も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平５−７６７７５号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／４０１４６号
【特許文献３】特開２０１１−６２８９号公報
【特許文献４】特開２０１２−２０１５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
燃料電池発電システムを小型化かつ低コスト化するためには、水素生成装置を小型化することが必要であり、そのためには水素生成装置に搭載する脱硫剤や触媒の量を必要最低量としておくことが必要となる。
【００１５】
脱硫剤や触媒の量を必要最低量にするためには、脱硫剤または触媒の全量を有効に反応させる必要があり、水素生成装置に搭載された脱硫剤層や触媒層の上流部面に対してガスを均一に当てる必要がある。
【００１６】
その手段として、脱硫剤または触媒よりも上流部に数箇所のガス流通孔を設けて、この流通孔から脱硫剤層または触媒層の上流部面へガスを噴出させる構成が有効となる。脱硫剤層または触媒層の重力方向の下から上へ向かってガスが通過する構成においては、脱硫剤または触媒層よりも下部に流通孔を設置せざるを得ないが、その構成では脱硫剤または触媒が粉化し脱落し流通孔を塞ぐ場合がある。流通孔が塞がれるとガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなる。
【００１７】
そこで、本発明は、脱硫剤または触媒からの粉化物によって流通孔が閉塞されることによりガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなることを防止できる水素生成装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記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、ガスの流路に設けられ脱硫剤または触媒を収納する反応容器と、前記反応容器内に配置され前記脱硫剤または触媒を下から支持し前記ガスが通過する底蓋と、前記ガスが流通する少なくとも１つ以上のガス流通孔と傾斜部が設けられ前記底蓋の下方に前記底蓋と間隔をあけて前記反応容器内に配置される誘導部と、前記傾斜部における傾斜方向の下側に前記脱硫剤または触媒の粉化物を溜める溜まり部とを備え、前記ガス流通孔は前記傾斜部に設けられ、前記ガス流通孔を通過した前記ガスが前記底蓋に向かって流れるよう構成されたものである。
【００１９】
これによって、脱硫剤または触媒の重力方向の下から上へガスを流通させる構成において、脱硫剤または触媒の粉化物が下部に脱落しても、粉化物は傾斜部を滑り落ちるので、
流通孔部には留まらず、溜まり部に溜まっていく。
【００２０】
また、本発明の水素生成装置は、前記溜まり部は、前記反応容器を構成する相対向する側壁のうち外部から加熱される方の側壁とは反対側の側壁に近接して設けられるように構成されたものである。
【００２１】
これによって、脱硫剤または触媒の粉化物が溜まり部に溜まっても、反応容器外部の加熱部から反応容器への加熱量が影響を受けることは、ほとんどない。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の水素生成装置は、脱硫剤または触媒よりも下部に流通孔が設置されても、脱硫剤または触媒からの粉化物によって流通孔が閉塞されることによりガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなるという事態になることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成を示す概略縦断面図
【図２】本発明の実施の形態２の水素生成装置における水添脱硫器の構成を示す概略縦断面図
【図３】本発明の実施の形態３の水素生成装置における水添脱硫器の構成を示す概略縦断面図
【図４】本発明の実施の形態４の水素生成装置における水添脱硫器の構成を示す概略縦断面図
【図５】本発明の実施の形態５の水素生成装置における水添脱硫器の構成を示す概略縦断面図
【図６】本発明の実施の形態６における水素生成装置の構成を示す概略縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の発明は、ガスの流路に設けられ脱硫剤または触媒を収納する反応容器と、反応容器内に配置され脱硫剤または触媒を下から支持しガスが通過する底蓋と、ガスが流通する少なくとも１つ以上のガス流通孔と傾斜部が設けられ底蓋の下方に底蓋と間隔をあけて反応容器内に配置される誘導部と、傾斜部における傾斜方向の下側に脱硫剤または触媒の粉化物を溜める溜まり部とを備え、ガス流通孔は傾斜部に設けられ、ガス流通孔を通過したガスが底蓋に向かって流れるよう構成された水素生成装置である。
【００２５】
これにより、脱硫剤または触媒の重力方向の下から上へガスを流通させる構成において脱硫剤または触媒よりも下部に粉化物が脱落しても、粉化物は傾斜部を滑り落ちるので、流通孔部には留まらず、溜まり部に溜まっていくので、流通孔が閉塞されガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなるという事態になることを防止できる。
【００２６】
第２の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置における、ガス流通孔を通過したガスを、脱硫剤または触媒の巾方向のほぼ中央に導流させたのである。
【００２７】
これにより、水素生成装置に搭載された脱硫剤層や触媒層の上流部面に対してガスを均一に当たることとなり、脱硫剤や触媒の全部分で性能を発揮でき、脱硫剤や触媒の使用量を必要最低量に設計することができる。
【００２８】
第３の発明は、特に第１の発明または第２の発明の水素生成装置における、誘導部を、反応容器内をガスの通路と溜まり部とに区画する区画部材の上方部に、接続させたのである。
【００２９】
これにより、粉化物は重力によって確実に溜まり部に溜まらせることができるので、粉化物が機器の性能に悪影響を及ぼすことを防止できる。
【００３０】
第４の発明は、特に第１〜第３の発明の水素生成装置における、溜まり部を、反応容器を構成する相対向する側壁のうち外部から加熱される方の側壁とは反対側の側壁に、近接して設けたのである。
【００３１】
これにより、溜まり部に粉化物が溜まっても、反応容器外部から反応容器への加熱量が低減されることはなく、水素生成装置の性能への影響はなくなる。
【００３２】
第５の発明は、特に、第１〜第４の発明の水素生成装置における、反応容器が、中心軸が鉛直方向の略円筒状の第１壁と、第１壁の外周側に同心円状に配置される第２壁とを備え、第１壁と第２壁との間にあって、第１壁の内周側に、反応容器を加熱する加熱部を備えたのである。
【００３３】
これにより、脱硫剤や触媒層の全体に亘り、より均一にガスが流通され易くなり、かつ流通孔を含む誘導部や溜まり部が円筒状なので、容易に加工成形し易くなる。
【００３４】
第６の発明は、第１〜第４の発明の水素生成装置と、この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である。
【００３５】
以下、本発明の水素生成装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置１の構成を示す概略縦断面図を示すものである。
【００３７】
図１において、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を通じて反応容器である水添脱硫器４へ供給される。ここで水添脱硫器４は、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。
【００３８】
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ＣＯ低減触媒層１４に入り、一酸化炭素濃度が低減されて、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。
【００３９】
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。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。
【００４０】
次に、本実施の形態の水素生成装置１における、都市ガスが配管３から脱硫剤５へ供給されるまでの構成部について、さらに詳細に説明する。
【００４１】
脱硫剤５の下部には、脱硫剤５を下から支持し都市ガスが通過する底蓋４１と、都市ガスが流通する少なくとも１つ以上のガス流通孔４２と、傾斜部４３とが、それぞれ設置さ
れる。また、底蓋４１の下方には、底蓋４１と間隔をあけて誘導部４４と、傾斜部４３における傾斜方向の下側に脱硫剤５の粉化物を溜める溜まり部４５とが、それぞれ備えられている。
【００４２】
図１では、ガス流通孔４２は傾斜部４３に設けられ、ガス流通孔４２を通過した都市ガスが底蓋４１に向かって流れるよう構成されている。ここで、都市ガスは、ガス流通孔４２で一旦絞り、その後に脱硫剤５へガスを分散させる構成としている。
【００４３】
ガス流通孔４２を通過した都市ガスは、脱硫剤５の巾方向のほぼ中央に導流される構成としていることにより、脱硫剤５は全量が有効に反応することができるので、必要最小量として設計されている。誘導部４４は、水添脱硫器４内を都市ガスの通路と溜まり部４５とに区画する区画部材４６の上方部に、接続されている。
【００４４】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１について、以下その動作、作用を説明する。
【００４５】
水素生成装置１、高温での運転と、常温への冷却が繰り返されるので、大きな熱ひずみが日々加わることになる。その結果、脱硫剤５が粉化し、下部に脱落してしまうことがある。また、機器設置前の輸送時に水素生成装置１に上下左右の振動が加わることによっても脱硫剤５が粉化し下部に脱落してしまうことがある。
【００４６】
そして、脱硫剤５が粉化し下部に脱落してしまうと、粉化物によってガス流通孔４２が塞がれてしまう懸念が発生するが、粉化物は、傾斜部４３を滑り落ちるので、ガス流通孔４２には留まらず、溜まり部４５に移動する。したがって脱硫剤５からの粉化物によってガス流通孔４２が閉塞されることによりガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなるという事態になることを防止できる。
【００４７】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の水素生成装置１における水添脱硫器４の構成を示す概略縦断面図を示すものである。本発明の実施の形態１の水素生成装置１の水添脱硫器４と異なる点は、傾斜部４３の角度を９０度とし、ガス流通孔４２を水平としたことであり、その他の構成は実施の形態１の水素生成装置１と同様である。
【００４８】
実施の形態２の水素生成装置１における水添脱硫器４は、ガス流通孔４２を水平にしているので、脱硫剤５からの粉化物によってガス流通孔４２が閉塞されることによりガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなるという事態になることを防止できる。
【００４９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の水素生成装置１における水添脱硫器４の構成を示す概略縦断面図を示すものである。本発明の実施の形態１の水素生成装置１の水添脱硫器４とと異なる点は、傾斜部４３の角度を９０度を超える角度とし、ガス流通孔４２を斜め下向きとしたことであり、その他の構成は実施の形態１の水素生成装置１と同様である。
【００５０】
実施の形態３の水素生成装置１における水添脱硫器４は、ガス流通孔４２を斜め下向にしているので、脱硫剤５からの粉化物によってガス流通孔４２が閉塞されることによりガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなるという事態になることを防止できる。
【００５１】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４の水素生成装置１における水添脱硫器４の構成を示す概略縦断面図を示すものである。本発明の実施の形態１の水素生成装置１の水添脱硫器４と
異なる点は、傾斜部４３の角度を１８０度とし、ガス流通孔４２を下向きとしたことであり、その他の構成は実施の形態１の水素生成装置１と同様である。
【００５２】
実施の形態４の水素生成装置１における水添脱硫器４は、ガス流通孔４２を下向にしているので、脱硫剤５からの粉化物によってガス流通孔４２が閉塞されることによりガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなるという事態になることを防止できる。
【００５３】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５の水素生成装置１における水添脱硫器４の構成を示す概略縦断面図を示すものである。
【００５４】
本発明の実施の形態１の水素生成装置１の水添脱硫器４と異なる点は、傾斜部４３の角度を９０度とし、区画部材４６は、円筒状の２部品である区画部材４６Ａと区画部材４６Ｂとで構成されており、区画部材４６Ａと区画部材４６Ｂとの間で形成された空間に溜まり部４５が設置されることであり、その他の構成は実施の形態１の水素生成装置１と同様である。
【００５５】
実施の形態５の水素生成装置１における水添脱硫器４は、ガス流通孔４２を水平にしているので、脱硫剤５からの粉化物によってガス流通孔４２が閉塞されることによりガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなるという事態になることを防止できる。
【００５６】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６における水素生成装置１の構成を示す概略縦断面図を示すものである。
【００５７】
図６において、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を通じて水素生成装置１へ供給され、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。
【００５８】
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ＣＯ低減触媒層１４に入り、一酸化炭素濃度が低減されて、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。
【００５９】
改質器１０の外部には断熱材３０が配置される。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。
【００６０】
次に、本実施の形態の水素生成装置１における、改質ガスが改質ガス流路１２からＣＯ低減触媒層１４に入るまでの構成部について、さらに詳細に説明する。
【００６１】
ＣＯ低減触媒層１４の下部には、ＣＯ低減触媒層１４を下から支持し改質ガスが通過する底蓋４１と、改質ガスが流通する少なくとも１つ以上のガス流通孔４２と、傾斜部４３とが、それぞれ設置される。また、底蓋４１の下方には、底蓋４１と間隔をあけて誘導部４４と、傾斜部４３における傾斜方向の下側にＣＯ低減触媒の粉化物を溜める溜まり部４５とが、それぞれ備えられている。
【００６２】
図６では、ガス流通孔４２は傾斜部４３に設けられ、ガス流通孔４２を通過した改質ガ
スが底蓋４１に向かって流れるよう構成されている。ここで、改質ガスは、ガス流通孔４２で一旦絞り、その後にＣＯ低減触媒層１４へガスを分散させる構成としている。ガス流通孔４２を通過した改質ガスは、ＣＯ低減触媒層１４の巾方向のほぼ中央に導流される構成としている。
【００６３】
この構成により、ＣＯ低減触媒層１４のＣＯ低減触媒が粉化し下部に脱落してしまっても、粉化物は傾斜部４３を滑り落ちるので、ガス流通孔４２には留まらず、溜まり部４５に移動する。したがってＣＯ低減触媒層１４のＣＯ低減触媒からの粉化物によってガス流通孔４２が閉塞されることによりガス経路の圧力が上昇して運転が継続できなくなるという事態になることを防止できる。
【００６４】
なお、実施の形態１〜６のいずれかの水素生成装置１と、この水素生成装置１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１８とで、燃料電池システムを構成できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上のように、本発明にかかる水素生成装置は、脱硫剤または触媒層よりも下部にガス噴出孔を設置する構成であって脱硫剤または触媒が粉化し脱落しても、ガス噴出口は塞がれず、ガス経路の圧力が上昇することなく運転が継続できる構成であるので、水添脱硫器を有する水素生成装置にだけではなく一般に脱硫剤または触媒を有する機器全般に応用できる。
【符号の説明】
【００６６】
１  水素生成装置
２  原料供給器
３  配管
４  水添脱硫器
５  脱硫剤
６  第２配管
７  水配管
８  混合配管
９  蒸発器
１０  改質器
１１  改質触媒層
１２  改質ガス流路
１３  ＣＯ低減器
１４  ＣＯ低減触媒層
１７  燃料配管
１８  燃料電池
１９  オフガス配管
２０  燃焼器
２１  排ガス配管
３０  断熱材
４１  底蓋
４２  ガス流通孔
４３  傾斜部
４４  誘導部
４５  溜まり部
４６  区画部材
４６Ａ  区画部材
４６Ｂ  区画部材
【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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