(57)【要約】【課題】原料ガス中の酸素濃度が変動しても、従来の水素生成装置に比べ、水添脱硫器の脱硫性能の低下を抑制することができる、水素生成装置を提供することを目的とする。【解決手段】原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する水素生成器１と、原料ガスを水素生成器１に供給するように構成された原料ガス流路５１と、原料ガス流路５１に設けられ、原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器２と、原料ガス流路５１の水添脱硫器２の上流に設けられ、原料ガス中の酸素を燃焼反応により除去する酸素除去器３と、酸素除去器３及び酸素除去器３から水添脱硫器２までの記原料ガス流路５１の少なくともいずれか一方を冷却し、冷却量を制御可能な冷却器４と、を備える、水素生成装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する水素生成器と、
前記原料ガスを前記水素生成器に供給するように構成された原料ガス流路と、
前記原料ガス流路に設けられ、前記原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、
前記原料ガス流路の前記水添脱硫器の上流に設けられ、前記原料ガス中の酸素を燃焼反応により除去する酸素除去器と、
前記酸素除去器及び前記酸素除去器から前記水添脱硫器までの前記原料ガス流路の少なくともいずれか一方を冷却し、冷却量を制御可能な冷却器と、を備える、水素生成装置。
【請求項２】
前記原料ガス中の酸素濃度に応じて、前記冷却器による前記酸素除去器の冷却量を制御するように構成された制御器を備える、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記水素生成器で生成された水素を前記原料ガスに供給するように構成されたリサイクル流路を備え、
前記酸素除去器は、前記原料ガス中の酸素と前記リサイクル流路を介して供給された前記水素とを用いて燃焼する機器である、請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記酸素除去器は、前記原料ガス中の酸素と前記原料ガスとを燃焼する機器である、請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記水素生成器に改質反応のための熱を供給するように構成された燃焼器と、
前記燃焼器に燃焼空気を供給する空気供給器と、を備え、
前記冷却器は、前記酸素除去器及び前記酸素除去器から前記水添脱硫器までの前記原料ガス流路の少なくともいずれか一方を前記燃焼空気により冷却する機器である、請求項１〜４のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記水素生成器に前記改質反応のための水を供給する水供給器を備え、
前記冷却器は、前記酸素除去器及び前記酸素除去器から前記水添脱硫器までの前記原料ガス流路の少なくともいずれか一方を前記水により冷却する機器である、請求項１〜４のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記水素生成装置の排熱を回収した第１熱媒体を貯える第１蓄熱器を備え、
前記冷却器は、前記酸素除去器及び前記酸素除去器から前記水添脱硫器までの前記原料ガス流路の少なくともいずれか一方を前記第１熱媒体により冷却する機器である、請求項１〜４のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記水素生成器に改質反応のための熱を供給するように構成された燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス流路と、
第１熱媒体が通流する第１熱媒体流路と、
前記燃焼排ガスと前記第１熱媒体とが熱交換するように構成された第１熱交換器と、
前記水素生成装置の排熱を回収した前記第１熱媒体を貯える第１蓄熱器と、を備え、
前記冷却器は、前記第１熱媒体流路の前記第１熱交換器の下流に設けられ、前記酸素除去器及び前記酸素除去器から前記水添脱硫器までの前記原料ガス流路の少なくともいずれか一方を前記第１熱媒体により冷却する機器である、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか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た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。
【請求項１０】
前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスが通流するオフ燃料ガス流路と、
第２熱媒体が通流する第２熱媒体流路と、
前記オフ燃料ガスと前記第２熱媒体とが熱交換するように構成された第２熱交換器と、
前記燃料電池システムの排熱を回収した前記第２熱媒体を貯える第２蓄熱器と、を備え、
前記冷却器は、前記第２熱媒体流路の前記第２熱交換器の下流に設けられ、前記酸素除去器及び該酸素除去器から前記水添脱硫器までの前記原料ガス流路の少なくともいずれか一方を前記第２熱媒体により冷却する機器である、請求項９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、原料ガスと水を反応させることにより水素含有ガスを生成する水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池は、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は、一般的なインフラとして整備されていないので、例えば、天然ガスやＬＰガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料ガスを利用し、原料ガスと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。
【０００３】
水素生成装置に供給する原料ガスには、通常、硫黄化合物が含まれている。具体的には、天然ガスやＬＰガス中には、原料由来の硫黄分のほかに、サルファイド類、メルカプタン類等の硫黄化合物を漏洩検知の目的で、付臭剤として添加している。一方、こうした硫黄化合物は、水蒸気改質反応に用いられているＮｉ系やＲｕ系等の改質触媒を被毒し、触媒を劣化させることが知られている。
【０００４】
このため、天然ガスやＬＰガスのような硫黄化合物を含むガスを原料ガスとして用いる場合、これらのガスを水素生成装置に供給する前に適切な脱硫処理を行う。脱硫処理の方法としては、ゼオライトの様な吸着剤を用い、常温での吸着によって硫黄化合物を除去する方法と、原料中に含まれる硫黄化合物を、水添触媒を用いて３００℃〜４００℃程度で水素とともに反応させて硫化水素に変換した後、吸着触媒を用いて２００℃〜３５０℃程度で硫化水素を吸着し、原料中の硫黄分を取り除く方法と、が知られている。
【０００５】
ところで、天然ガスやＬＰガスには、発熱量や比重等を調整するために、酸素が含まれている場合がある。そして、水添脱硫器を用いた方法では、天然ガス等の原料ガスに含まれる酸素により、脱硫性能が低下するという課題があった。
【０００６】
このような課題を解決するために、水添脱硫器よりも上流側に酸素除去器（燃焼触媒器）を設けて、水素化脱硫を行う前に酸素を除去する燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１乃至特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２７３３７号公報
【特許文献２】特開平９−２７３３８号公報
【特許文献３】特許第４２６４７９１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、特許文献１乃至特許文献３に開示されている燃料電池発電システムでは、酸素除去器で、原料ガス中に含まれる酸素を除去するときに発生する熱を回収しないように構成されている。このため、酸素除去器から排出される原料ガスの温度が、酸素除去器に供給される原料ガスの温度よりも高くなる。したがって、原料ガス中の酸素濃度が変動する場合には、酸素除去器から排出される原料ガスの温度が変動し、酸素除去器の下流に配設された水添脱硫器の温度が変動する。そして、水添脱硫器の温度によっては、原料ガス中の硫黄化合物が、充分に脱硫されない（除去されない）可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、原料ガス中の酸素濃度が変動しても、従来の水素生成装置に比べ、水添脱硫器の脱硫性能の低下を抑制することができる、水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する水素生成器と、前記原料ガスを前記水素生成器に供給するように構成された原料ガス流路と、前記原料ガス流路に設けられ、前記原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記原料ガス流路の前記水添脱硫器の上流に設けられ、前記原料ガス中の酸素を燃焼反応により除去する酸素除去器と、前記酸素除去器及び前記酸素除去器から前記水添脱硫器までの前記原料ガス流路の少なくともいずれか一方を冷却し、冷却量を制御可能な冷却器と、を備える。
【００１１】
これにより、原料ガス中の酸素濃度が変動しても、従来の水素生成装置に比べ、水添脱硫器の脱硫性能の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムは、原料ガス中の酸素濃度が変動しても、従来の水素生成装置に比べ、水添脱硫器の脱硫性能の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、本変形例１の水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】図３は、本変形例２の水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態４に係る水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、具体的に図面を参照しながら例示する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００１５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る水素生成装置は、水素生成器と、原料ガス流路と、前記原料ガス流路に設けられ、水添脱硫器と、酸素除去器と、冷却器と、を備え、冷却器が酸素除去器を冷却する様態を例示するものである。
【００１６】
［水素生成装置の構成］
図１は、本実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態１に係る水素生成装置１００は、水素生成器１、原料ガス流路５１、水添脱硫器２、酸素除去器３、及び冷却器４を備え、冷却器４は、冷却量を制御することができ、かつ、酸素除去器３を冷却するように構成されている。これにより、原料ガス中の酸素濃度が変動しても、酸素除去器３を通流した後の原料ガスの温度を所定の温度に保つことができ、従来の水素生成装置に比べ、水添脱硫器２の脱硫性能の低下を抑制することができる。
【００１８】
ここで、原料ガスは、炭化水素成分、酸素、及び硫黄化合物を含んでいればよく、例えば、天然ガスやＬＰガス等を用いることができる。
【００１９】
また、硫黄化合物とは、サルファイド類、メルカプタン類等の付臭剤や硫化水素等の天然ガス等の原料由来の硫黄成分をいう。
【００２０】
さらに、冷却器４は、酸素除去器３を冷却することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、冷却媒体を供給する冷却媒体供給器（例えば、ポンプ）と、酸素除去器３と熱交換する熱交換部（例えば、フィン）と、を有していてもよい。本実施の形態１においては、冷却器４は、酸素除去器３を囲むように、熱交換部が設けられていて、冷却媒体供給器により冷却媒体が熱交換部に供給されることにより、酸素除去器３を冷却するように構成されている。また、冷却器４は、冷却媒体供給器の操作量を変動することにより、その冷却量を変動（制御）することができる。
【００２１】
原料ガス流路５１の上流端は、原料ガス供給源（例えば、天然ガス等のガスインフラ）に接続されていて、その下流端は、水素生成器１の改質器１Ａに接続されている。原料ガス流路５１の途中には、酸素除去器３及び水添脱硫器２がこの順で配設されている。
【００２２】
また、原料ガス流路５１の酸素除去器３よりも上流側には、リサイクル流路５３の下流端が接続されている。リサイクル流路５３は、水素生成器１で生成された水素を酸素除去器３に供給するように構成されている。また、リサイクル流路５３の途中には、第１弁５が設けられている。第１弁５としては、リサイクル流路５３内の水素含有ガスの通流を許可／遮断する電磁弁等の開閉弁を用いてもよく、また、リサイクル流路５３を通流する水素含有ガスの流量を調整する流量調整弁を用いてもよく、開閉弁と流量調製弁の両方を用いてもよい。
【００２３】
さらに、原料ガス流路５１の途中には、原料ガス供給器が設けられている（図示せず）。原料ガス供給器は、原料供給源から、水素生成器１の改質器１Ａにその流量を調整しながら原料を供給するように構成されている。原料ガス供給器としては、例えば、流量調整弁単体で構成されていてもよく、また、ブースターポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。なお、原料ガス供給器は、原料ガス流路５１におけるリサイクル流路５３の下流端の接続部よりも下流側の部分、かつ、酸素除去器３の配設部よりも上流側の部分に設けられていることが好ましい。
【００２４】
酸素除去器３は、原料ガス流路５１を通流する原料ガスに含まれる酸素を燃焼反応により除去するように構成されている。具体的には、例えば、酸素除去器３は、燃焼触媒を有していて、該燃焼触媒により、原料ガスや水素等の可燃ガスと原料ガスに含まれる酸素を燃焼する。なお、燃焼触媒としては、例えば、Ｐｔ系触媒等を用いることができる。
【００２５】
水添脱硫器２は、原料に含まれる硫黄化合物を硫化水素に変換し、変換した硫化水素を吸着する（以下、水添脱硫という）ことができれば、どのような構成であってもよい。水添脱硫器２は、例えば、水素化脱硫触媒として、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、その下流に硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ、ＣｕＺｎ系触媒を用いていてもよい。
【００２６】
なお、水添脱硫器２は３００〜４００℃前後の比較的高い温度で脱硫性能を示すことが知られており、本実施の形態１に係る水素生成装置１００では、水添脱硫器２が水素生成器１と熱交換可能に構成されている。具体的には、水添脱硫器２は、例えば、改質器１Ａにおいて生成された水素含有ガスからの伝熱により加熱されるように構成されている。また、水添脱硫器２は、水素生成器１からの伝熱に加え、電気ヒータ等の加熱器を別途設けて、該加熱器により水添脱硫器２を加熱するように構成されていてもよい。
【００２７】
水素生成器１は、改質器１Ａと燃焼器１Ｂを有している。改質器１Ａでは水添脱硫器２で脱硫された原料ガスと別途、供給された水（水蒸気）との改質反応により、水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガスは、水素含有ガス供給路５２を介して、水素利用機器（例えば、燃料電池や水素貯蔵タンク）１０１に供給される。なお、水素含有ガス供給路５２の途中には、リサイクル流路５３の上流端が接続されている。
【００２８】
燃焼器１Ｂには、燃焼燃料（例えば、原料、改質器１Ａから排出された水素含有ガスや水素利用機器１０１で使用されなかった水素含有ガス）と燃焼空気が供給され、これらが燃焼して、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、改質器１Ａ等を加熱した後、燃焼排ガス流路（図１では図示せず）を通流して水素生成装置１００外に排出される。
【００２９】
なお、本実施の形態１に係る水素生成装置１００では、改質器１Ａで生成された水素含有ガスが、水素利用機器１０１に送出される構成としたが、これに限定されない。例えば、水素生成装置１００は、水素生成器１内に改質器１Ａより送出された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための変成触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）を有する変成器や、酸化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）や、メタン化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）を有する一酸化炭素除去器を有していて、これらの機器を通過した後の水素含有ガスが水素利用機器１０１に送出される構成を採用してもよい。
【００３０】
さらに、水素生成装置１００は、制御器２０を有している。制御器２０は、水素生成装置１００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよく、例えば、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器２０は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む水素生成装置１００に関する各種の制御を行う。
【００３１】
なお、制御器２０は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して水素生成装置１００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器２０は、マイクロコンピュータで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
【００３２】
なお、本実施の形態１においては、水素含有ガス供給路５２を通流する水素含有ガスを水添脱硫器２に供給する形態を採用したが、これに限定されない。水添脱硫器２には、水素を含有するガスが供給されればよい。このため、例えば、水素生成装置１００に改質器１Ａで生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器等が設けられている場合、変成器等を通過した後のガスを水添脱硫器２に供給する形態を採用してもよい。また、水素利用機器１０１で使用されなかった水素含有ガスを水添脱硫器２に供給する形態を採用してもよい。
【００３３】
［水素生成装置の動作］
次に、本実施の形態１に係る水素生成装置１００の動作について、図１を参照しながら説明する。
【００３４】
まず、制御器２０に水素生成装置１００の起動指令が入力されると、制御器２０は、水素生成装置１００を構成する各機器に起動開始指令を出力する。なお、水素生成装置１００の起動指令としては、例えば、水素生成装置１００の使用者が、図示されないリモコンを操作して、水素生成装置１００を起動させるように指示した場合や予め設定された水素生成装置１００の運転開始時刻になった場合等が挙げられる。
【００３５】
具体的には、
制御器２０は、燃焼器１Ｂに燃焼燃料（例えば、原料ガス）と燃焼空気を供給させる。そして、燃焼器１Ｂでは、供給された燃焼燃料と燃焼空気が燃焼して、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路（図１では図示せず）を通流する間に、改質器１Ａ等を加熱して、水素生成装置１００外に排出される。燃焼排ガスによって加熱された改質器１Ａ（水素生成器１）は、その伝熱により、水添脱硫器２を加熱する。
【００３６】
次に、制御器２０は、図示されない原料ガス供給器を作動させ、原料ガス流路５１に原料ガスを通流させる。また、制御器２０は、第１弁５を開放させる。これにより、水素含有ガス供給路５２やリサイクル流路５３に残存している水素含有ガスが、原料ガス流路５１に供給され、原料ガス流路５１を通流する原料ガスと混合される。そして、水素含有ガスが供給された（混合された）原料ガスは、原料ガス流路５１を通流して、酸素除去器３に供給される。
【００３７】
酸素除去器３では、酸素除去器３に充填された燃焼触媒により、水素と原料ガスに含まれる酸素が燃焼して、原料ガスに含まれる酸素濃度が低減される。このとき、水素と酸素の燃焼により、熱が発生し、原料ガスが加熱される。そして、加熱された原料ガスが、水添脱硫器２に供給されると、水添脱硫器２の温度が変動して、水添脱硫器２で原料ガス中の硫黄化合物が充分に除去されないおそれがある。
【００３８】
しかしながら、本実施の形態１に係る水素生成装置１００では、制御器２０が、冷却器４を作動させることにより、酸素除去器３を冷却することができる。また、制御器２０は、原料ガス中の酸素濃度が増加すると、冷却量を増加するように（冷却媒体供給器の操作量を増加するように）、冷却器４を制御し、原料ガス中の酸素濃度が減少すると、冷却量を減少するように（冷却媒体供給器の操作量を減少するように）、冷却器４を制御する。これにより、酸素除去器３を通流する原料ガスを、所定の温度に保つことができる。このため、水添脱硫器２の温度を、容易に水添脱硫するのに適した温度に保つことができ、従来の水素生成装置に比べ、水添脱硫器２の脱硫性能の低下を抑制することができる。
【００３９】
なお、原料ガス中の酸素濃度は、直接的に酸素濃度を検知してもよく、また、間接的に酸素濃度を検知してもよい。直接的に酸素濃度を検知する方法としては、例えば、ガス検知器を用いる方法が挙げられる。また、間接的に酸素濃度を検知する方法としては、例えば、温度検知器により、酸素除去器３の温度を検知する方法が挙げられる。
【００４０】
ところで、例えば、外気温が低下することにより、ガスインフラのパイプラインに供給される天然ガス等の原料ガスの圧力が下がる場合がある。そして、原料ガスの圧力低下を補うために、原料ガスの主成分となる炭化水素（例えば、メタン）と異なる種類の炭化水素（例えば、プロパン）と酸素を補充する場合がある。このような場合に、制御器２０は、原料ガス流路５１に圧力検知器を設けておき、原料ガス流路５１を通流する原料ガスの圧力が一旦低下して、その後、圧力が上昇した（もとの圧力に戻った）場合に、冷却量を増加させるように、冷却器４を制御してもよい。
【００４１】
また、外気温が低下して、プロパンと酸素を補充した後に、外気温が上昇すると、炭化水素と酸素の補充を停止する場合には、原料ガス流路５１を通流する原料ガスの圧力が一旦低下して、その後、圧力が上昇する（もとの圧力に戻る）。このため、制御器２０は、冷却器４の冷却量を増加させた後に、圧力検知器が原料ガス流路５１の圧力変動を検知した場合に、冷却量を低下させるように、冷却器４を制御してもよい。
【００４２】
さらに、プロパンを補充することで、原料ガスの成分が変わることになるので、燃焼器１Ｂに原料ガス組成検知器（フレームロッド）を設けておき、制御器２０は、フレームロッドが検知する原料ガスの組成が変わると、冷却器４の冷却量を変動させてもよい。すなわち、制御器２０は、フレームロッドで、プロパンが検知されると、酸素が補充されたと判断して、冷却器４の冷却量を増加させ、プロパンが検知されなくなると、酸素の補充が停止されたと判断して、冷却器４の冷却量を低下させてもよい。
【００４３】
そして、酸素除去器３を通流した原料ガスは、水添脱硫器２に供給される。水添脱硫器２では、原料ガスに含まれる硫黄化合物が、水素と反応して硫化水素に変換され、変換された硫化水素は触媒により吸着されて、原料ガス中から除去される。このようにして、原料ガス中の硫黄化合物は脱硫される。なお、原料ガス中の酸素は、酸素除去器３で充分に低減されているため、本実施の形態１に係る水素生成装置１００は、水添脱硫器２の脱硫性能の低下を充分に低減することができる。
【００４４】
水添脱硫器２で脱硫された原料ガス（以下、脱硫後原料ガスという）は、原料ガス流路５１を通流して、水素生成器１の改質器１Ａに供給される。また、改質器１Ａには、水供給器（図１では図示せず）から水（水蒸気）が供給される。改質器１Ａに供給された脱硫後原料ガスと水蒸気は改質反応して、水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガスは、水素含有ガス供給路５２に供給される。
【００４５】
水素含有ガス供給路５２に供給された水素含有ガスは、水素含有ガス供給路５２を通流して水素利用機器１０１に供給される。また、水素含有ガス供給路５２を通流する水素含有ガスの一部は、リサイクル流路５３を通流して、原料ガス流路５１から酸素除去器３や水添脱硫器２に供給される。
【００４６】
このように構成された本実施の形態１に係る水素生成装置１００では、原料ガス中の酸素濃度が変動しても、水添脱硫器２へ供給される原料ガスを所定の温度に維持することができる。このため、水添脱硫器２を所定の温度に維持することができ、従来の水素生成装置に比べ、水添脱硫器の脱硫性能の低下を抑制することができる。
【００４７】
［変形例１］
次に、本実施の形態１に係る水素生成装置１００の変形例１について説明する。
【００４８】
本実施の形態１における変形例１の水素生成装置は、冷却器が酸素除去器から水添脱硫器までの原料ガス流路に設けられている形態を例示するものである。
【００４９】
図２は、本変形例１の水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００５０】
図２に示すように、本変形例１の水素生成装置１００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と基本的構成は同じであるが、冷却器４が、原料ガス流路５１における酸素除去器３と水添脱硫器２の間に設けられている点が異なる。具体的には、冷却器４は、例えば、原料ガス流路５１を構成する配管を囲むように、熱交換部が設けられている。そして、熱交換部を冷却媒体が通流することにより、原料ガス流路５１を通流する原料ガスと熱交換して、原料ガスを冷却する。
【００５１】
本変形例１の水素生成装置１００では、加熱された原料ガスが、酸素除去器３から原料ガス流路５１に排出されるが、酸素除去器３と水添脱硫器２の間に配設された冷却器４により、原料ガスが冷却される。これにより、原料ガスは、所定の温度に保たれるため、水添脱硫器２を容易に適温に保つことができる。このため、本変形例１の水素生成装置１００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と同様の作用効果を奏する。
【００５２】
［変形例２］
次に、本実施の形態１に係る水素生成装置１００の変形例２について説明する。
【００５３】
本実施の形態１における変形例２の水素生成装置は、酸素除去器が、原料ガスと原料ガス中の酸素を燃焼するように構成されている形態を例示するものである。
【００５４】
ここで、「原料ガスと原料ガスに含まれる酸素を燃焼する」とは、原料ガス中の可燃ガスである、メタン等の炭化水素と、原料ガス中の酸素と、を燃焼することをいう。
【００５５】
図３は、本変形例２の水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００５６】
図３に示すように、本変形例２の水素生成装置１００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と基本的構成は同じであるが、酸素除去器３が、原料ガスと原料ガス中の酸素を燃焼するように構成されている点が異なる。具体的には、リサイクル流路５３の下流端が、原料ガス流路５１における酸素除去器３と水添脱硫器２の間に接続されている点が異なる。
【００５７】
これにより、酸素除去器３には、水素生成器１で生成された水素含有ガス（水素）が供給されない。このため、酸素除去器３では、原料ガス中のメタン等の炭化水素と酸素が燃焼する。
【００５８】
このように構成された本変形例２の水素生成装置１００であっても、実施の形態１に係る水素生成装置１００と同様の作用効果を奏する。
【００５９】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る水素生成装置は、水素生成器に改質反応のための熱を供給するように構成された燃焼器と、燃焼器に燃焼空気を供給する空気供給器と、を備え、冷却器が、酸素除去器を燃焼空気により冷却するように構成されている態様を例示するものである。
【００６０】
図４は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００６１】
図４に示すように、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置１００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と基本的構成は同じであるが、水素生成器１の燃焼器１Ｂに燃焼空気を供給する空気供給器６を備え、冷却器４が、酸素除去器３を燃焼空気により冷却するように構成されている点が異なる。具体的には、空気供給器６は、燃焼空気供給路５４を介して、燃焼器１Ｂに接続されている。空気供給器６は、燃焼器１Ｂに燃焼空気の流量を調整して供給することができればどのような形態であってもよく、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を用いることができる。
【００６２】
また、燃焼空気供給路５４の途中には、冷却器４が配設されている。より詳細には、冷却器４の熱交換部が燃焼空気供給路５４の途中に配設されていて、冷却器４の熱交換部は、燃焼空気供給路５４を通流する空気が供給されるように構成されている。
【００６３】
すなわち、本実施の形態２に係る水素生成装置１００では、冷却器４の冷却媒体として、燃焼空気が用いられている。そして、空気供給器６が、冷却器４の冷却媒体供給器を兼ねるように構成されている。
【００６４】
これにより、空気供給器６が作動すると、燃焼空気が燃焼空気供給路５４を通流して、冷却器４（正確には、冷却器４の熱交換部）に供給される。冷却器４に供給された燃焼空気は、冷却器４を通流する間に、酸素除去器３を通流する原料ガスを冷却する。そして、冷却器４を通流した燃焼空気は、燃焼空気供給路５４を通流して、燃焼器１Ｂに供給される。
【００６５】
このように構成された本実施の形態２に係る水素生成装置１００であっても、実施の形態１に係る水素生成装置１００と同様の作用効果を奏する。
【００６６】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る水素生成装置は、水素生成器に改質反応のための水を供給する水供給器を備え、冷却器が、酸素除去器を水により冷却するように構成されている態様を例示するものである。
【００６７】
図５は、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００６８】
図５に示すように、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置１００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と基本的構成は同じであるが、水素生成器１の改質器１Ａに水を供給する水供給器７を備え、冷却器４が、酸素除去器３を水により冷却するように構成されている点が異なる。具体的には、水供給器７は、水供給路５５を介して、改質器１Ａに接続されている。水供給器７は、流量を調整しながら水を供給することができればどの様な形態であってもよく、例えば、流量調整弁単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。なお、改質器１Ａに供給される水は、燃焼器１Ｂで生成された燃焼排ガスの伝熱により加熱されて水蒸気として供給される。
【００６９】
また、水供給路５５の途中には、冷却器４が配設されている。より詳細には、冷却器４の熱交換部が水供給路５５の途中に配設されていて、冷却器４の熱交換部は、水供給路５５を通流する水が供給されるように構成されている。
【００７０】
すなわち、本実施の形態３に係る水素生成装置１００では、冷却器４の冷却媒体として、水が用いられている。そして、水供給器７が、冷却器４の冷却媒体供給器を兼ねるように構成されている。
【００７１】
これにより、水供給器７が作動すると、水が水供給路５５を通流して、冷却器４（正確には、冷却器４の熱交換部）に供給される。冷却器４に供給された水は、冷却器４を通流する間に、酸素除去器３を通流する原料ガスを冷却する。そして、冷却器４を通流した水は、水供給路５５を通流して、改質器１Ａに供給される。
【００７２】
このように構成された、本実施の形態３に係る水素生成装置１００であっても、実施の形態１に係る水素生成装置１００と同様の作用効果を奏する。
【００７３】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る水素生成装置は、水素生成器に改質反応のための熱を供給するように構成された燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス流路と、第１熱媒体が通流する第１熱媒体流路と、燃焼排ガスと第１熱媒体とが熱交換するように構成された第１熱交換器と、水素生成装置の排熱を回収した第１熱媒体を貯える第１蓄熱器と、を備え、冷却器が、第１熱媒体流路の第１熱交換器の下流に設けられ、酸素除去器を第１熱媒体により冷却するように構成されている態様を例示するものである。
【００７４】
図６は、本発明の実施の形態４に係る水素生成装置の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００７５】
図６に示すように、本実施の形態４に係る水素生成装置１００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と基本的構成は同じであるが、燃焼器１Ｂで生成された燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス流路５６、第１熱媒体流路５７、第１熱交換器８、及び貯湯タンク（第１蓄熱器）９を備えている点と、冷却器４が第１熱媒体により酸素除去器３を冷却するように構成されている点と、が異なる。
【００７６】
具体的には、燃焼器１Ｂには、燃焼排ガス流路５６が接続されている。燃焼排ガス流路５６は、燃焼器１Ｂで生成された燃焼排ガスを水素生成装置１００外に排出するように構成されている。また、燃焼排ガス流路５６の途中には、第１熱交換器８が設けられている。
【００７７】
貯湯タンク９は、本実施の形態４においては、鉛直方向に延びるように形成されていて、いわゆる積層沸き上げ型の貯湯タンクを用いている。貯湯タンク９には、第１熱媒体流路５７が接続されている。より詳細には、第１熱媒体流路５７の上流端が、貯湯タンク９の下部に接続されていて、第１熱媒体流路５７の下流端が、貯湯タンク９の上部に接続されている。
【００７８】
第１熱媒体流路５７の途中には、該第１熱媒体流路５７内の第１熱媒体を通流させるためのポンプ等の送出器が設けられている（図示せず）。また、第１熱媒体流路５７の途中には、第１熱交換器８が設けられている。すなわち、第１熱交換器８は、燃焼排ガス流路５６と第１熱媒体流路５７を跨ぐように設けられている。第１熱交換器８は、燃焼排ガス流路５６を通流する燃焼排ガスと、第１熱媒体流路５７を通流する第１熱媒体（ここでは、水）と、が熱交換するように構成されていれば、どのような構成であってもよい。第１熱交換器８としては、全熱交換器等の各種の熱交換器を用いることができる。
【００７９】
また、第１熱媒体流路５７の第１熱交換器８よりも下流側には、冷却器４が設けられている。より詳細には、冷却器４の熱交換部が第１熱媒体流路５７の途中に配設されていて、冷却器４の熱交換部は、第１熱媒体流路５７を通流する第１熱媒体が供給されるように構成されている。すなわち、本実施の形態４に係る水素生成装置１００では、冷却器４の冷却媒体として、第１熱媒体が用いられている。なお、送出器が、冷却器４の冷却媒体供給器を兼ねる。
【００８０】
これにより、貯湯タンク９の下部にある温度の低い第１熱媒体が、第１熱媒体流路５７を通流する間に、第１熱交換器８及び冷却器４で加熱されて、貯湯タンク９の上部に貯えられる。そして、冷却器４に供給された第１熱媒体は、冷却器４を通流する間に、酸素除去器３を通流する原料ガスを冷却する。
【００８１】
このように構成された、本実施の形態４に係る水素生成装置１００であっても、実施の形態１に係る水素生成装置１００と同様の作用効果を奏する。
【００８２】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムは、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、を備える態様を例示するものである。
【００８３】
図７は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムを模式的に示すブロック図である。
【００８４】
図７に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と、水素利用機器としての燃料電池１０１と、酸化剤ガス供給器１０２と、を備える。なお、燃料電池１０１は、高分子電解質形燃料電池、リン酸形燃料電池等の各燃料電池を用いることができる。酸化剤ガス供給器１０２としては、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を用いることができる。
【００８５】
また、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００は、オフ燃料ガス流路５９、第２熱媒体流路６１、第２熱交換器１１、及び貯湯タンク（第２蓄熱器）９を備えていて、
冷却器４が、第２熱媒体流路６１の第２熱交換器１１の下流に設けられ、酸素除去器３を熱媒体により冷却するように構成されている。
【００８６】
燃料電池１０１には、水素含有ガス供給路５２を介して、水素生成装置１００（水素生成器１）が接続されていて、燃料電池１０１のアノード（図示せず）に水素含有ガス（燃料ガス）が供給される。また、燃料電池１０１には、酸化剤ガス供給路５８を介して、酸化剤ガス供給器１０２が接続されていて、燃料電池１０１のカソード）（図示せず）に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給される。
【００８７】
そして、燃料電池１０１では、アノードに供給された水素含有ガスと、カソードに供給された酸化剤ガスと、が電気化学的に反応して、水が生成され、電気と熱が発生する。発生した電力は、電力制御器（図示せず）により、外部電力負荷（例えば、家庭で使用される電力機器）に供給される。
【００８８】
燃料電池１０１で使用されなかった燃料ガス（以下、オフ燃料ガスという）は、オフ燃料ガス流路５９を通流して、燃料電池システム２００外に排出される。また、燃料電池１０１で使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路６０を通流して、燃料電池システム２００外に排出される。なお、本実施の形態５においては、オフ燃料ガスを燃料電池システム２００外に排出するように構成したが、これに限定されず、オフ燃料ガスを燃焼器１Ｂに供給し、燃焼燃料として使用するように構成してもよい。また、オフ燃料ガス流路５９の途中には、第２熱交換器１１が設けられている。
【００８９】
貯湯タンク９は、本実施の形態５においては、鉛直方向に延びるように形成されていて、いわゆる積層沸き上げ型の貯湯タンクを用いている。貯湯タンク９には、第２熱媒体流路６１が接続されている。より詳細には、第２熱媒体流路６１の上流端が、貯湯タンク９の下部に接続されていて、第２熱媒体流路６１の下流端が、貯湯タンク９の上部に接続されている。
【００９０】
第２熱媒体流路６１の途中には、該第２熱媒体流路６１内の第２熱媒体を通流させるためのポンプ等の送出器が設けられている（図示せず）。また、第２熱媒体流路６１の途中には、第２熱交換器１１が設けられている。すなわち、第２熱交換器１１は、オフ燃料ガス流路５９と第２熱媒体流路６１を跨ぐように設けられている。第２熱交換器１１は、オフ燃料ガス流路５９を通流するオフ燃料ガスと、第２熱媒体流路６１を通流する第２熱媒体（ここでは、水）と、が熱交換するように構成されていれば、どのような構成であってもよい。第２熱交換器１１としては、全熱交換器等の各種の熱交換器を用いることができる。
【００９１】
また、第２熱媒体流路６１の第２熱交換器１１よりも下流側には、冷却器４が設けられている。より詳細には、冷却器４の熱交換部が第２熱媒体流路６１の途中に配設されていて、冷却器４の熱交換部は、第２熱媒体流路６１を通流する第２熱媒体が供給されるように構成されている。すなわち、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００では、冷却器４の冷却媒体として、第２熱媒体が用いられている。なお、送出器が、冷却器４の冷却媒体供給器を兼ねる。
【００９２】
これにより、貯湯タンク９の下部にある温度の低い第２熱媒体が、第２熱媒体流路６１を通流する間に、第２熱交換器１１及び冷却器４で加熱されて、貯湯タンク９の上部に貯えられる。そして、冷却器４に供給された第２熱媒体は、冷却器４を通流する間に、酸素除去器３を通流する原料ガスを冷却する。
【００９３】
また、制御器２０は、本実施の形態５においては、水素生成装置１００だけではなく、燃料電池システム２００を構成する他の機器を制御するように構成されている。そして、制御器２０が、燃料電池システム２００の動作において、水素生成装置１００の動作を実施の形態１に記載したように行うように構成されている。
【００９４】
このため、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と同様の作用効果を奏する。
【００９５】
なお、本実施の形態５に係る燃料電池システム２００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００を用いる形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態１の変形例１又は変形例２の水素生成装置１００、或いは実施の形態２乃至４に係る水素生成装置１００のいずれかの水素生成装置を用いる形態を採用してもよい。
【００９６】
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。したがって、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形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨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。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムは、原料ガス中の酸素濃度が変動しても、従来の水素生成装置に比べ、水添脱硫器の脱硫性能の低下を抑制することができるため、有用である。
【符号の説明】
【００９８】
１  水素生成器
１Ａ  改質器
１Ｂ  燃焼器
２  水添脱硫器
３  酸素除去器
４  冷却器
５  第１弁
６  空気供給器
７  水供給器
８  第１熱交換器
９  貯湯タンク
１１  第２熱交換器
２０  制御器
５１  原料ガス流路
５２  水素含有ガス供給路
５３  リサイクル流路
５４  燃焼空気供給路
５５  水供給路
５６  燃焼排ガス流路
５７  第１熱媒体流路
５８  酸化剤ガス供給路
５９  オフ燃料ガス流路
６０  酸化剤ガス排出路
６１  第２熱媒体流路
１００  水素生成装置
１０１  水素利用機器（燃料電池）
１０２  酸化剤ガス供給器
２００  燃料電池システム
【図１】
2012116666.tif 000003
【図２】
2012116666.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012116666.tif 000006
【図５】
2012116666.tif 000007
【図６】
2012116666.tif 000008
【図７】
2012116666.tif 000009