(57)【要約】      （修正有）【課題】従来よりも脱硫性能が向上された水素生成装置及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器４と、改質器から伝熱可能なように配設され、改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器３と、改質器と水添脱硫器との間に配設されて改質器から水添脱硫器への伝熱を緩衝する伝熱緩衝部５とを備え、伝熱緩衝部のうち、改質器における原料の流れの方向に対して、上流側部分よりも下流側部分の方が、伝熱緩衝性が高い。【選択図】図１
2013216524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器から伝熱可能なように配設され、前記改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記改質器と前記水添脱硫器との間に配設されて前記改質器から前記水添脱硫器への伝熱を緩衝する伝熱緩衝部とを備え、前記伝熱緩衝部のうち、前記改質器における原料の流れの方向に対して、上流側部分よりも下流側部分の方が、伝熱緩衝性が高い、水素生成装置。
【請求項２】
前記伝熱緩衝部に断熱材を備え、前記伝熱緩衝部のうち、前記上流側部分よりも前記下流側部分の方が、前記断熱材が厚い、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記断熱材が、テーパ状に配設されている、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記伝熱緩衝部のうち、前記上流側部分よりも前記下流側部分の方が、前記断熱材が段階的に厚くなっている、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記伝熱緩衝部に断熱材を備え、前記伝熱緩衝部のうち、前記上流側部分よりも前記下流側部分の方が、前記断熱材の熱伝導率が低い、請求項１または２記載の水素生成装置。
【請求項６】
請求項１−５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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素生成装置及び燃料電池システムに関する。より詳しくは、水添脱硫器を備えた水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、発電時の燃料として用いられる水素含有ガスが一般的な原料インフラとして整備されていないため、通常、一般的な原料インフラである天然ガスやＬＰＧから水素含有ガスを生成させる改質器を有する水素生成装置を備えている。
【０００３】
改質器では、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応は、例えば、原料となる都市ガスと水蒸気とをＮｉ系やＲｕ系といった貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスを生成するものである。
【０００４】
ところで、都市ガス等の原料ガスには硫黄化合物が含まれている場合がある。硫黄化合物は、特に、改質触媒を被毒するため、何らかの方法で除去する必要がある。除去方法として、水素を原料に添加し、触媒を用いて硫黄化合物を除去する水添脱硫を採用した水素生成装置が提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１は、同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１筒体１１、第２筒体１２及び第３筒体１３からなる複数の円筒体と、第１筒体１１と第２筒体１２により半径方向に区画された間隙に改質触媒を充填した改質触媒層１４を備え、改質触媒層１４の上方位置の第２筒体１２及び第３筒体１３間の間隙に順次ＣＯ変成触媒層１５及びＣＯ除去触媒層１６を備え、ＣＯ変成触媒層１５を、改質触媒層１４と軸方向の一端で流路方向を反転させた間隙内に形成してなる円筒式水蒸気改質器９０であり、当該円筒式水蒸気改質器における、第３筒体１３の外周のうち改質触媒層１４が位置する外周に断熱材層１７を配置し、当該断熱材層の外周に水添触媒層１８、第１吸着剤層１９及び第２吸着剤層２０からなる水添脱硫器２１を配置した、円筒式水蒸気改質器９０を開示する（要約）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
従来の水素生成装置では、十分に高い脱硫性能が得られない場合がある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、従来よりも脱硫性能を向上し得る水素生成装置及び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】
【０００９】
本発明の水素生成装置の一態様は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器から伝熱可能なように配設され、前記改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記改質器と前記水添脱硫器との間に配設されて前記改質器から前記水添脱硫器への伝熱を緩衝する伝熱緩衝部とを備え、前記伝熱緩衝部のうち、前記改質器における原料の流れの方向に対して、上流側部分よりも下流側部分の方が、伝熱緩衝性が高い。
【００１０】
本発明の燃料電池システムの一態様は、上記水素生成装置と、上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。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、従来よりも脱硫性能を向上し得る水素生成装置及び燃料電池システムを提供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実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、第１実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、第２実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。
【図４】図４は、第３実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。
【図５】図５は、第４実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。
【図６】図６は、第２実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。
【図７】図７は、第３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８】図８は、特許文献１に開示された水素生成装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
第１実施形態の水素生成装置は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から伝熱可能なように配設され、改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、改質器と水添脱硫器との間に配設されて改質器から水添脱硫器への伝熱を緩衝する伝熱緩衝部とを備え、伝熱緩衝部のうち、改質器における原料の流れの方向に対して、上流側部分よりも下流側部分の方が、伝熱緩衝性が高い。
【００１４】
かかる構成により、改質器と水添脱硫器との間の伝熱緩衝部の伝熱緩衝性について考慮されておらず、伝熱緩衝性が均一であると推定される従来の水素生成装置に比べて、水添脱硫器の温度ばらつきは低減され、触媒温度を適正温度範囲に収めやすくなる。つまり、本実施形態の水素生成装置は、同量の水添脱硫触媒であっても、従来の水素生成装置に比べ、脱硫性能を向上し得る。
【００１５】
上記水素生成装置において、伝熱緩衝部に断熱材を備え、伝熱緩衝部のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材が厚くてもよい。
【００１６】
上記水素生成装置において、断熱材が、テーパ状に配設されていてもよい。
【００１７】
上記水素生成装置において、伝熱緩衝部のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材が段階的に厚くなっていてもよい。
【００１８】
かかる構成により、断熱材の厚さで伝熱緩衝部の伝熱熱緩衝性を変化させることができる。改質器は、相対的に上流になるほど、低温になる。かかる相対的に上流側に位置する部分に対応する断熱材を薄くすることで伝熱緩衝性は低くなる。一方、改質器は相対的に下流になるほど、高温になる。かかる相対的に下流側に位置する部分に対応する断熱材を厚くすることで伝熱緩衝性が高くなる。これにより改質器から水添脱硫器への伝熱量が均一化されて、水添脱硫器の温度ばらつきが低減され、水添脱硫器の触媒温度を適正温度範囲に収めやすくなる。つまり、同量の水添脱硫触媒であっても、従来の水素生成装置に比べ、脱硫性能を向上し得る。
【００１９】
上記水素生成装置において、伝熱緩衝部に断熱材を備え、伝熱緩衝部のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材の熱伝導率が低くてもよい。
【００２０】
改質器は、相対的に上流側になるほど、低温になる。かかる相対的に上流側に位置する部分に対応して、熱伝導率の高い（断熱性の低い）断熱材を配設することで、伝熱緩衝性は低くなる。改質器は、相対的に下流側になるほど、高温になる。かかる相対的に下流側に位置する部分に対応して、熱伝導率の低い（断熱性の高い）断熱材を配設することで伝熱緩衝性が高くなる。これにより改質器から水添脱硫器への伝熱量が均一化されて水添脱硫器の温度ばらつきが低減され、水添脱硫器の触媒温度を適正温度範囲に収めやすくなる。つまり、同量の水添脱硫触媒であっても、従来の水素生成装置に比べ、脱硫性能を向上し得る。
【００２１】
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。
【００２２】
本実施形態の水素生成装置１００は、改質器４と、水添脱硫器３と、伝熱緩衝部５とを備える。
【００２３】
改質器４は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。具体的には、例えば、改質器４において、原料ガスが改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質器４で生成された水素含有ガスは、水素供給経路を介して図示されない水素利用機器へと供給される。改質器４の外殻は、例えば、ステンレススチール等の金属からなるのが好ましい。
【００２４】
原料は、例えば、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有する原料である。原料として、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。
【００２５】
改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応等が挙げられる。改質反応として水蒸気改質反応を用いる場合、改質反応は吸熱反応であり、改質触媒を高温（例えば、６００〜７００℃）にする必要がある。
【００２６】
図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器４を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられてもよい。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置１００には、さらに、改質器４に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられてもよい。
【００２７】
改質器４の下流に改質器４で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ低減器を設けても構わない。ＣＯ低減器は、例えば、シフト反応により一酸化炭素を低減させる変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減させるＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備えてもよい。
【００２８】
水添脱硫器３は、改質器４から伝熱可能なように配設され、改質器４に供給される原料中の硫黄化合物を除去する。
【００２９】
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。
【００３０】
水添脱硫器３は、改質器４と熱交換可能に構成されてもよい。水添脱硫器３は、改質器４と隣り合うように配設されることで、改質器４から伝熱可能とされてもよい。伝熱のメカニズムは、熱伝導でもよいし、放射でもよいし、対流でもよいし、それらの組合せでもよい。水添脱硫器３と改質器４との間には、隔壁が１枚のみ存在してもよい。水添脱硫器３と改質器４との間には、複数の隔壁とその間に形成された流路等の空間とが存在してもよい。水添脱硫器３の動作に必要な熱は、全部が改質器４から供給される必要は必ずしもなく、例えば、補助的な伝熱ヒータ等が設けられてもよい。
【００３１】
水添脱硫器３は、例えば、改質器４の外周に伝熱緩衝部５を介して環状に配設され、原料中の硫黄化合物を水添反応により除去する。改質器４が筒状の形状の場合には、水添脱硫器３は、例えば、改質器４を取り囲むように改質器４と同軸に配置された、中空の筒状としうる。水添脱硫器３は、改質器４を取り囲んでいる必要は必ずしもない。水添脱硫器３は、改質器４の全部から伝熱可能なように配設されてもよいし、改質器４の一部のみから伝熱可能なように配設されてもよい。
【００３２】
水添脱硫器３は、例えば、容器に水添脱硫剤が充填され構成されうる。容器の外殻は、例えば、ステンレススチール等の金属で構成されてもよい。水添脱硫剤は、例えば、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系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、例えば、原料中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、変換された硫化水素を吸着する吸着剤であるＺｎＯ系触媒及びＣｕＺｎ系触媒の少なくともいずれか一方とで構成されてもよい。
【００３３】
水添脱硫触媒が脱硫性能を発揮するための条件のひとつとして触媒温度がある。最適な温度（例えば、２５０〜３００℃）は触媒の種類によって異なるため、使用する触媒に応じて、温度範囲が適正になるように、伝熱緩衝部５の性能を調整する必要がある。水添脱硫器３の外殻は、例えば、ステンレススチール等の金属からなるのが好ましい。
【００３４】
水添脱硫器３には、水添脱硫に必要な水素が供給される。水素源としては、例えば、改質器４から排出される水素含有ガス、改質器４から排出される水素含有ガスを利用する水素利用機器から排出された未利用の水素を含有するガス、水素ボンベ等を用いうる。
【００３５】
伝熱緩衝部５は、改質器４と水添脱硫器３との間に配設されて改質器４から水添脱硫器３への伝熱を緩衝する。伝熱緩衝部５のうち、改質器３における原料の流れの方向に対して、上流側部分よりも下流側部分の方が、伝熱緩衝性が高い。伝熱緩衝部５は、熱源である改質器４から水添脱硫器３への伝熱を緩衝することで水添脱硫器３を触媒の動作に適正な温度にしうる。伝熱緩衝部５は、例えば、６００〜７００℃の高温に耐える高性能断熱材の成形材等からなるのが好ましい。
【００３６】
改質器４が筒状の形状の場合には、伝熱緩衝部５は、例えば、改質器４を取り囲むように改質器４と同軸に配置された、中空の筒状としうる。伝熱緩衝部５は、改質器４を取り囲んでいる必要は必ずしもない。
【００３７】
伝熱緩衝性とは、改質器４から水添脱硫器３への伝熱を和らげる性質をいう。伝熱緩衝性が高いと、改質器４から水添脱硫器３への伝熱量が小さくなる、すなわち伝熱効率が低くなる。伝熱緩衝性が低いと、改質器４から水添脱硫器３への伝熱量が大きくなる、すなわち伝熱効率が高くなる。伝熱効率は、例えば、単位面積あたりの熱流束ｑ［Ｊ／ｍ２・ｓ］として定量的に評価することができる。
【００３８】
原料供給路（図示せず）は、水添脱硫器３に供給される原料が流れる流路である。原料供給路は、水添脱硫器３の原料入口に接続されている。原料供給路は、例えば、ステンレススチール等の金属からなるのが好ましい。原料供給路には、水素が添加される。例えば、水素生成装置１００の図示されないＣＯ低減器から排出された水素含有ガスが添加されてもよい。
【００３９】
原料排出路（図示せず）は、水添脱硫器３から排出された原料が流れる流路であって、一端が水添脱硫器３の端面に設けられた原料出口に接続され、他端が改質器４に接続されている。なお、原料出口は、原料入口が設けられた端面、あるいは、原料入口が設けられた端面の反対側の端面のいずれに設けられていてもよい。図１では、改質器４の原料入口と同じ側（図面上方）から、原料と水素とが水添脱硫器３へと供給されているが、改質器４の原料入口と反対側（図面下方）から、原料と水素とが水添脱硫器３へと供給されてもよい。原料と水素とが水添脱硫器３の側面から水添脱硫器３へと供給されてもよい。
【００４０】
水添脱硫触媒を効率よく動作させるためには、水添脱硫器の温度を適正な範囲（例えば，２５０℃〜３００℃）に保つ必要がある。適正温度範囲をはずれると触媒の活性が下がり脱硫性能が低下する。所望の脱硫性能を確保するためには、搭載する触媒量を増やさなければならず、コスト高、容器の大型化を招く。
【００４１】
高温（例えば，３５０℃〜６５０℃）になる改質器からの伝熱により触媒反応に必要な温度を維持するように構成された水添脱硫器では、改質器の温度ばらつきがそのまま水添脱硫器の温度に反映される。その結果、水添脱硫器にも温度ばらつきができて水添脱硫触媒の一部が適正温範囲からはずれてしまう。
【００４２】
具体的には例えば、改質器の温度は、内部の原料の流れ方向に対して、上流で低く（例えば，約３５０℃）、下流で高く（例えば、約６５０℃）なる。水添脱硫器の温度も同様に、改質器の上流に近い部分では低くなり、下流に近い部分では高くなる。そのため、水添脱硫器の温度範囲が広くなり（例えば、２００℃〜３００℃）、触媒の適正温度範囲（例えば、２５０℃〜３００℃）からはずれる温度帯（２００℃〜２５０℃）の部分ができる。
【００４３】
本実施形態では、伝熱緩衝部５が、改質器４と水添脱硫器３との間に配設されて改質器４から水添脱硫器３への伝熱を緩衝するように設けられ、伝熱緩衝部５のうち、改質器３における原料の流れの方向に対して、上流側部分よりも下流側部分の方が、伝熱緩衝性が高い。かかる構成では、改質器４の中でもより高温になっている部分、すなわち相対的により下流側にある部分、からの伝熱が抑制される一方、改質器４の中でもより低温になっている部分、すなわち相対的により上流側にある部分、からの伝熱は効率的に進行する。よって、水添脱硫器内部の温度分布が従来よりも均一化され、水添脱硫触媒を適正温度範囲内に維持しやすくなる。
【００４４】
［動作］
以下、水添脱硫装置１００の動作の一例について図１を用いて説明する。
【００４５】
原料供給路には、図示されない原料供給源から、原料が供給される。原料供給路の内部を通流する原料に、水素として、改質器４から排出された水素含有ガスの一部が添加される。水素が添加された原料は、原料入口を通じて水添脱硫器３の内部に供給される。原料は水添脱硫器３の内部において、水添脱硫触媒との反応によって原料中の硫黄化合物が除去される。その後、脱硫済みの原料は、原料出口と原料排出路とを介して、改質器４へと供給される。改質器４内部において、原料は矢印の方向に流れる。その過程で改質反応により原料から水素含有ガスが生成される。改質器４で生成された水素含有ガスは、原料に添加される分を除き、図示されない水素利用機器へと供給される。
【００４６】
（第１実施例）
第１実施例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、伝熱緩衝部に断熱材を備え、伝熱緩衝部のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材が厚い。断熱材は、テーパ状に配設されている。
【００４７】
図２は、第１実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。本実施例の水素生成装置１１０は、伝熱緩衝部５の構成が更に特定されている点を除けば、図１に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、図１と図２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。
【００４８】
本実施例では、断熱材５１が、テーパ状に配設されている。
【００４９】
より具体的には、例えば、断熱材５１が、改質器４を取り囲むように改質器４と同軸に配置された、中空の筒状とされる。さらに、断熱材５１の厚み（改質器４の径方向の厚み、以下同様）が、下流側から上流側に向かって薄くなるように、断熱材５１がテーパ状に形成されている。このとき、断熱材５１の断面形状は、下流側が厚く、上流側に向かって連続的に薄くなるテーパ状となっている。あるいは例えば、断熱材は、厚みが下流側から上流側に向かって連続的に薄くなるように形成されていてもよい。
【００５０】
断熱材は、必ずしも伝熱緩衝部５の全長（改質器における原料の流れの方向に対する全長、以下同様）に亘って配設されている必要はなく、例えば、伝熱緩衝部５の上流側において断熱材が配設されていなくてもよい。すなわち、「断熱材が薄い」とは、断熱材が存在しない場合を含んでもよい。
【００５１】
本実施例では、水添脱硫器３と伝熱緩衝部５とを合わせた厚みが、改質器における原料の流れの方向に対して一定となっている。その結果、水添脱硫器３の厚みは、下流側から上流側に向かって厚くなっている。具体的には例えば、水添脱硫器３において、断熱材５１に接する内周側外郭面は、上流側端部の半径が小さく、下流側端部の半径が大きく、その間の半径は連続的に変化するテーパ状の円錐面になっていてもよい。水添脱硫器３の容器の断面形状は台形になっていてもよい。
【００５２】
断熱材５１としては、例えば、ロックウール、グラスファイバー、ケイ酸カルシウム、及びセラミックファイバー等を用いることができる。
【００５３】
本実施例では、伝熱緩衝部５のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材５１が厚い。かかる構成では、断熱材の厚みが相対的に厚くなっていることから、改質器４の中でもより高温になっている部分、すなわち相対的により下流側にある部分、からの伝熱が抑制される。一方、断熱材の厚みが相対的に薄くなっていることから、改質器４の中でもより低温になっている部分、すなわち相対的により上流側にある部分、からの伝熱は効率的に進行する。よって、水添脱硫器内部の温度分布が従来よりも均一化され、水添脱硫触媒を適正温度範囲内に維持しやすくなる。
【００５４】
（第２実施例）
第２実施例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、伝熱緩衝部に断熱材を備え、伝熱緩衝部のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材が厚い。本実施例でも、第１実施例と同様に、断熱材５１がテーパ状に配設されている。
【００５５】
図３は、第２実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。本実施例の水素生成装置１２０は、水添脱硫器３の形状が変更されている点を除けば、図２に示す第１実施例で説明した水素生成装置１１０と同様である。よって、図２と図３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。
【００５６】
本実施例では、水添脱硫器３の厚みが、改質器における原料の流れの方向に対して一定となっている。その結果、水添脱硫器３と伝熱緩衝部５とを合わせた厚みは、下流側から上流側に向かって薄くなっている。具体的には例えば、水添脱硫器３において、断熱材５１に接する内周側外郭面は、上流側端部の半径と下流側端部の半径とが等しく、その間の半径も一定であってもよい。水添脱硫器３の容器の断面形状は平行四辺形になっていてもよい。
【００５７】
第２実施例でも、第１実施例と同様の効果が得られる。
【００５８】
（第３実施例）
第３実施例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、伝熱緩衝部に断熱材を備え、伝熱緩衝部のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材が厚い。伝熱緩衝部のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材が段階的に厚くなっている。
【００５９】
図４は、第３実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。本実施例の水素生成装置１３０は、伝熱緩衝部５の構成が更に特定されている点を除けば、図１に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、図１と図４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。
【００６０】
本実施例では、伝熱緩衝部５のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材５２が段階的に厚くなっている。
【００６１】
より具体的には、例えば、断熱材５２が、改質器４を取り囲むように改質器４と同軸に配置された、径方向の厚みが軸方向に変化する中空の筒状とされる。断熱材５２の厚みは、例えば、下流側から上流側に向かって段状に薄くなるように形成されている。例えば、断熱材の厚みが、下流側から上流側に向かって不連続的に薄くなるように形成されている。断熱材は、必ずしも伝熱緩衝部５の全長に亘って配設されている必要はなく、例えば、伝熱緩衝部５の上流側において断熱材が配設されていなくてもよい。
【００６２】
本実施例では、水添脱硫器３と伝熱緩衝部５とを合わせた厚みが、改質器における原料の流れの方向に対して一定となっている。その結果、水添脱硫器３の厚みは、下流側から上流側に向かって厚くなっている。具体的には例えば、水添脱硫器３において、断熱材５２に接する内周側外郭面は、上流側端部の半径が小さく、下流側端部の半径が大きく、その間の半径は段階的に変化する階段状の円筒面になっていてもよい。水添脱硫器３の容器の断面形状は階段形状になっていてもよい。図４では階段の段数は３段としたが、階段の段数は２段でもよいし、４段以上でもよい。階段の段数は２段以上でもよい。階段の段数は３段以上でもよい。階段の段数は４段以上でもよい。
【００６３】
第２実施例と同様、水添脱硫器３の厚みが、改質器における原料の流れの方向に対して一定となるように、水添脱硫器３を構成してもよい。
【００６４】
第３実施例でも、第１実施例と同様の効果が得られる。
【００６５】
（第４実施例）
第３実施例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、伝熱緩衝部に断熱材を備え、伝熱緩衝部のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材の熱伝導率が低い。
【００６６】
熱伝導率とは、熱伝導において、熱流束密度（単位時間に単位面積を通過する熱エネルギー）を温度勾配で割った物理量をいう。単位は例えば、Ｗ／（ｍ・Ｋ）とすることができる。
【００６７】
図５は、第４実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。本実施例の水素生成装置１４０は、伝熱緩衝部５の構成が更に特定されている点を除けば、図１に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、図１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。
【００６８】
断熱材の厚みは、伝熱緩衝部５の全長に亘って一定としてもよい。
【００６９】
本実施例では、伝熱緩衝部５のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材の熱伝導率が低い。例えば、断熱材は、改質器４を取り囲むように改質器４と同軸に配置された、中空の筒状とされる。図５に示す例において、断熱材は、第１断熱材５３ａと、第２断熱材５３ｂと、第３断熱材５３ｃとを備えている。第１断熱材５３ａは、最も上流側に配設されている。第２断熱材５３ｂは、第１断熱材５３ａの下流側に配設されている。第３断熱材５３ｃは、第２断熱材５３ｂの下流側に配設されている。
【００７０】
第３断熱材５３ｃの熱伝導率は、第２断熱材５３ｂの熱伝導率よりも低い。第２断熱材５３ｂの熱伝導率は、第１断熱材５３ａの熱伝導率よりも低い。別の言い方をすれば、第３断熱材５３ｃの断熱性は、第２断熱材５３ｂの断熱性よりも高い。第２断熱材５３ｂの断熱性は、第１断熱材５３ａの断熱性よりも低い。
【００７１】
第１断熱材５３ａを構成する材料としては、例えば、ケイ酸カルシウム（熱伝導率＝約０．０６Ｗ／（ｍ・Ｋ））とすることができる。第２断熱材５３ｂを構成する材料としては、例えば、グラスウール（熱伝導率＝約０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ））とすることができる。第３断熱材５３ｃを構成する材料としては、例えば、ロックウール（熱伝導率＝約０．０４Ｗ／（ｍ・Ｋ））とすることができる。
【００７２】
本実施例では、第１断熱材５３ａと、第２断熱材５３ｂと、第３断熱材５３ｃとは、いずれも、
第１断熱材５３ａと、第２断熱材５３ｂと、第３断熱材５３ｃとは、それぞれ全長が等しくてもよいし、異なっていてもよい。
【００７３】
かかる構成では、断熱材の熱伝導率が相対的に低くなっていることから、改質器４の中でもより高温になっている部分、すなわち相対的により下流側にある部分、からの伝熱が抑制される。一方、断熱材の熱伝導率が相対的に高くなっていることから、改質器４の中でもより低温になっている部分、すなわち相対的により上流側にある部分、からの伝熱は効率的に進行する。よって、水添脱硫器内部の温度分布が従来よりも均一化され、水添脱硫触媒を適正温度範囲内に維持しやすくなる。
【００７４】
本実施例は、第１実施例に適用してもよいし、第２実施例に適用してもよいし、第３実施例に適用してもよい。断熱材の厚みを、上流側から下流側にかけて厚くすると共に、断熱材の熱伝導率を上流側から下流側にかけて低くしてもよい。
【００７５】
（第２実施形態）
第２実施形態の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、伝熱緩衝部に断熱材を備え、伝熱緩衝部のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材の熱伝導率が低い。
【００７６】
図６は、第２実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す断面図である。
【００７７】
本実施形態の水素生成装置２００は、改質器４と、水添脱硫器３と、伝熱緩衝部５と、加熱器１０とを備える。
【００７８】
本実施形態における水添脱硫器３は、第１実施形態と同様の構成とすることができるので、詳細な説明を省略する。
【００７９】
水素生成装置２００では、例えば、いずれも同軸に延びるようにステンレススチール等の金属材料で形成された第１筒と、第２筒と、第３筒とを備えている。第１筒の下端部は、ステンレススチール等の金属材料で形成された、筒の周面に垂直な平面状の第１壁面で閉塞されている。第３筒第１筒の外側に第２筒が形成され、第２筒の外側に第３筒が形成されている。第３筒の下端部は、ステンレススチール等の金属材料で形成された、筒の周面に垂直な平面状の第３壁面で閉塞されている。第１筒の内部に、加熱器１０が配設されている。第１筒と第２筒との間に、改質器４が配設されている。第３筒の外側に伝熱緩衝部５が配設されている。伝熱緩衝部５の外側に水添脱硫器３が配設されている。
【００８０】
加熱器１０は、例えば、燃焼器で構成される。加熱器１０は、その外側に配設された改質器４を加熱する。
【００８１】
改質器４には、原料入口を介して原料が供給される。原料は、改質器４の上端部から流入し、改質器４の内部を通流して水素含有ガスとなる。水素含有ガスは、改質器４の下端部から排出される。その後、水素含有ガスは第３壁面にぶつかって折り返し、第２筒と第３筒との間の空間を流れて水素含有ガス出口を介して流出する。改質器４と伝熱緩衝部５との間には、第２筒と第３筒との間の空間が存在する。
【００８２】
本実施形態では、伝熱緩衝部５のうち、上流側部分よりも下流側部分の方が、断熱材の熱伝導率が低い。図６に示す例において、断熱材は、第１断熱材５３ａと、第２断熱材５３ｂと、第３断熱材５３ｃとを備えている。第１断熱材５３ａと、第２断熱材５３ｂと、第３断熱材５３ｃとについては、第１実施形態の第４実施例とすることができるので、詳細な説明を省略する。
【００８３】
（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、第１実施形態の各実施例、及び第２実施形態のいずれかの水素生成装置と、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。
【００８４】
かかる構成により、従来の燃料電池システムよりも、脱硫性能を向上し得る。
【００８５】
図７は、第３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。
【００８６】
本実施形態の燃料電池システム３００は、水素生成装置１００と、燃料電池８とを備える。
【００８７】
水素生成装置１００は、図１に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、詳細な説明を省略する。なお、水素生成装置１００はあくまで一例である。水素生成装置１００は、第１実施形態の各実施例にかかる水素生成装置１１０、１２０、１３０、１４０、第２実施形態の水素生成装置２００であってもよい。
【００８８】
燃料電池８は、水素生成装置１００より供給された水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池としては、いずれの種類であっても良く、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、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池の場合は、水素生成装置と燃料電池とが１つの容器内に内蔵されるよう構成される。
【００８９】
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、その構造及び／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】
【００９０】
本発明の一態様は、従来よりも脱硫性能を向上し得るので、水素生成装置及び燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００９１】
３  水添脱硫器
４  改質器
５  伝熱緩衝部
８  燃料電池
１０  加熱器
１１  第１筒体
１２  第２筒体
１３  第３筒体
１４  改質触媒層
１５  ＣＯ変成触媒層
１６  ＣＯ除去触媒層
１７  断熱材層
１８  水添触媒層
１９  第１吸着剤層
２０  第２吸着剤層
２１  水添脱硫器
５１  断熱材
５２  断熱材
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ  断熱材
９０  円筒式水蒸気改質器
１００、１１０、１２０、１３０、１４０  水素生成装置
２００  水素生成装置
３００  燃料電池システム
【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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【図７】
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【図８】
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