(57)【要約】【課題】脱硫剤の搭載量を低減して、水素生成装置を小型化、低コスト化する。【解決手段】水添脱硫器４０は、脱硫剤充填部４１と、原料ガス供給路６１から供給される原料ガスを脱硫剤充填部４１における原料ガスの進行方向に対して交差する方向に分配するとともに、原料ガスを改質器からの伝熱により加熱して脱硫剤充填部４１へ供給する第２予熱流路４４を備え、第２予熱流路４４内を脱硫剤充填部４１における原料ガスの進行方向に流れる原料ガスの流量は、脱硫剤充填部４１における原料ガスの進行方向に対して直交する方向に変化し、原料ガス供給路６１との接続部近傍が少なくなるように構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器からの伝熱により加熱され前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に原料ガスを供給する原料ガス供給路と、を備え、前記水添脱硫器は、脱硫剤が充填される脱硫剤充填部と、前記原料ガス供給路と接続され、前記原料ガス供給路から供給される原料ガスを前記脱硫剤充填部における原料ガスの進行方向に対して交差する方向に分配するとともに、前記原料ガス供給路から供給される原料ガスを前記改質器からの伝熱により加熱して前記脱硫剤充填部へ供給する予熱部と、を備え、前記予熱部内を流れる原料ガスの流量は、前記脱硫剤充填部における原料ガスの進行方向に対して直交する方向に変化し、前記原料ガス供給路との接続部近傍が少なくなるように構成した水素生成装置。
【請求項２】
前記予熱部は、前記改質器からの熱を前記予熱部内に流れる原料ガスに伝える予熱部第１壁と、前記予熱部第１壁と対向し、前記予熱部第１壁よりも前記改質器から離れて設けられた予熱部第２壁との間を、原料ガスが流れるように構成され、前記原料ガス供給路との接続部近傍の前記予熱部第１壁と前記予熱部第２壁との間隔は、前記原料ガス供給路との接続部近傍より、前記脱硫剤充填部における原料ガスの進行方向に対して直交する方向に離れた部分の間隔が広くなっている、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記改質器は、円筒状であり、前記水添脱硫器は、前記改質器の外周に配置された環状の円筒形状であり、前記脱硫剤充填部と前記予熱部は、軸方向に隣接し、前記水添脱硫器へ供給される原料ガスは前記予熱部および前記脱硫剤充填部内を軸方向に流れる、請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記予熱部第１壁と前記予熱部第２壁は、共に円筒状であり、前記予熱部第１壁の中心軸と前記予熱部第２壁の中心軸とが重ならない、請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱硫器を備えた水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素を含有する改質ガスを製造する水素生成装置と、水素生成装置で生成された水素を利用して発電する燃料電池を主たる要素として構成されている。水素生成装置は、燃料電池へ燃料である水素を供給する装置であり、原料ガスを改質して水素含有ガスを生成するものである。
【０００３】
原料ガスには、都市ガス、ＬＰガス、及び天然ガスなどのメタンを主成分とする炭化水素系ガスを用いるが、付臭成分として硫黄化合物を含んでいることが多い。硫黄化合物に含まれる硫黄は、水蒸気改質反応に用いられるＮｉ系やＲｕ系などの改質触媒の活性を低下させることが知られている。この硫黄成分を除去するため、水素生成装置は、一般に脱硫器を備える。
【０００４】
このような脱硫器の一例として、水添脱硫器がある。水添脱硫は、原料ガスに水素を混合したガスから硫黄成分を硫化水素に変換し、吸着剤に吸着させて除去する脱硫方法であり、脱硫剤としてＣｕＺｎ系、Ｎｉ系、ＺｎＯ系などが用いられる。水添脱硫に用いる脱硫剤は、硫黄成分の吸着容量が大きいため、長期間でも交換する必要がないという特徴がある。
【０００５】
ただし、水添脱硫では、脱硫剤は脱硫に適した温度、例えば２００〜３００℃程度の高温状態に加熱する必要がある。脱硫剤の温度が高すぎると脱硫剤が熱劣化し、逆に温度が低すぎると脱硫剤の硫黄成分の吸着容量が低下するため水添脱硫器に搭載する脱硫剤の量が多く必要となるためである。
【０００６】
水添脱硫器を小型化して、低コスト化するには、脱硫剤の搭載量を少なくする必要があるが、そのためには脱硫剤の全体の温度を上限に近いほぼ均一な温度、例えば２５０〜３００℃、とすることが望ましい。
【０００７】
このような水添脱硫器を備えた水素生成装置として、例えば、円筒状の改質器の外周に水添脱硫器を備えた水素生成装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この水素生成装置では、径方向の中心に燃焼器が配置され、その外周部に改質器、水添脱硫器の順で配置されている。
【０００８】
改質器には、改質部、一酸化炭素低減部を備えている。改質器には水添脱硫器により脱硫された原料ガスと改質水が供給され、改質部において改質反応により水素を含有した改質ガスを生成する。
【０００９】
改質ガスには副生成物として一酸化炭素が含まれるが、一酸化炭素は電池性能を劣化させるため、燃料電池へ供給する水素中の一酸化炭素を低減する必要がある。一酸化炭素低減部は、一酸化炭素シフト反応や一酸化炭素選択酸化反応により、改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する。
【００１０】
これら改質部、一酸化炭素低減部はそれぞれの化学反応に適した温度があり、改質反応に適した温度は、例えば４００〜６５０℃、一酸化炭素シフト反応に適した温度は、例え
ば２００〜３００℃、となるように、燃焼器の周囲に配置されている。水添脱硫器は、水添脱硫に適した温度となるように、改質器の外周に断熱材を間に介して配置されている。
【００１１】
水添脱硫器の反応容器は同心二重円筒形状であり、脱硫剤は反応容器の上下に配した仕切り板の間に充填されている。脱硫剤を挟んで反応容器内の上側には上面板と脱硫剤との間に上側空間が形成され、また下側には底面板と脱硫剤との間に下側空間が形成されている。そして、上側空間には、脱硫済の原料ガスを排出する原料ガス排出路が接続され、下側空間には水素を添加した原料ガスを供給する原料ガス供給路が接続されている。
【００１２】
水素が添加された原料ガスは、原料ガス供給路から脱硫剤の下側空間に導入され、脱硫剤への流入部に導入される。原料ガスは脱硫剤内を上昇する過程で原料ガス中の硫黄化合物が水素との脱硫反応により除去される。硫黄化合物が除去された原料ガスは、脱硫剤の上側空間に達し原料ガス排出路を通って改質器へ供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−５８９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来の水素生成装置では、原料ガス供給路に流れる原料ガスは、原料ガス供給路から外部環境の温度に近い温度で水添脱硫器に供給されるため、水添脱硫器の原料ガス供給路との接続部付近では、水添脱硫に好適な温度、例えば２５０〜３００℃に比べて、低い温度で原料ガスが流入することになる。
【００１５】
そのため、水添脱硫器の原料ガス供給路との接続部付近は低温の原料ガスにより冷やされ、水添脱硫器の原料ガス供給路との接続部に近い部分では、原料ガス供給路との接続部と離れた部分に較べ、原料ガスは低温のまま脱硫剤充填部に流入し、水添脱硫器の原料ガス供給路との接続部に近い部分の脱硫剤の温度が低くなり、脱硫剤全体の温度が不均一となる。
【００１６】
その結果、脱硫剤全体を水添脱硫に好適な温度に保つことができず、脱硫剤の搭載量を削減できないという課題を有していた。
【００１７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、脱硫剤全体の温度を均一化させ、従来の水素生成装置に比べ好適な温度で水添脱硫を行うことにより、脱硫剤の搭載量を低減した水素生成装置及びそれを用いた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】
【００１８】
上記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、改質器からの伝熱により加熱され、改質器に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器に原料ガスを供給する原料ガス供給路と、を備え、水添脱硫器は、脱硫剤が充填される脱硫剤充填部と、原料ガス供給路と接続され、原料ガス供給路から供給される原料ガスを脱硫剤充填部における原料ガスの進行方向に対して交差する方向に分配するとともに、原料ガス供給路から供給される原料ガスを改質器からの伝熱により加熱して脱硫剤充填部へ供給する予熱部と、を備え、予熱部内を流れる原料ガスの流量は、脱硫剤充填部における原料ガスの進行方向に対して直交する方向に変化し、原料ガス供給路との接続部近傍が少なくなるように構成したものである。
【００１９】
これにより、水添脱硫器の予熱部において、原料ガスの流路長は、原料ガス供給路の接
続部近傍が、原料ガス供給路の接続部との反対側より短くなるが、予熱部にて流量が少ない原料ガス供給路の接続部近傍の流路では、流量が多い原料ガス供給路との接続部の反対側の流路より流路長当たりの原料ガスの温度上昇は大きくなるため、原料ガス供給路の接続部近傍とその反対側に流れる原料ガスの予熱後の温度差を低減することができ、脱硫剤充填部全体が水添脱硫に好適な温度とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の水素生成装置は、脱硫剤を水添脱硫に好適な温度とすることで、脱硫剤の搭載量を低減することができるため、水素生成装置を小型化、低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１、３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１における水添脱硫器の構成を示す縦断面図
【図３】本発明の実施の形態１における水添脱硫器予熱部の図２におけるＡ−Ａ断面図
【図４】本発明の実施の形態１における水添脱硫器内の原料ガスの流れを示した概略斜視図
【図５】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示す概略縦断面図
【図６】本発明の実施の形態２における水添脱硫器の構成を示す縦断面図
【図７】本発明の実施の形態２における水添脱硫器予熱部の図６におけるＢ−Ｂ断面図
【図８】本発明の実施の形態２における水添脱硫器内の原料ガスの流れを示した概略斜視図
【図９】本発明の実施の形態３における水添脱硫器の構成を示す縦断面図
【図１０】本発明の実施の形態３における水添脱硫器予熱部の分配板を示す平面図
【図１１】本発明の実施の形態３における水添脱硫器内の原料ガスの流れを示した概略斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
第１の発明は、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、改質器からの伝熱により加熱され、改質器に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器に原料ガスを供給する原料ガス供給路とを備え、水添脱硫器は、脱硫剤が充填される脱硫剤充填部と、原料ガス供給路と接続され、原料ガス供給路から供給される原料ガスを脱硫剤充填部における原料ガスの進行方向に対して交差する方向に分配するとともに、原料ガス供給路から供給される原料ガスを改質器からの伝熱により加熱して脱硫剤充填部へ供給する予熱部と、を備え、予熱部内を流れる原料ガスの流量は、脱硫剤充填部における原料ガスの進行方向に対して直交する方向に変化し、原料ガス供給路との接続部近傍が少なくなるように構成した水素生成装置である。
【００２３】
これにより、水添脱硫器の予熱部において、原料ガス供給路の接続部近傍とその反対側に流れる原料ガスの流路長は、原料ガス供給路の接続部近傍が短く、接続部の反対側は長くなるが、原料ガス供給路の接続近傍の予熱部での原料ガスの流量を接続部の反対側より少なくすることにより、原料ガスの流量が少ない原料ガス供給路の接続部近傍の流路の温度上昇は、原料ガス供給路の接続部の反対側の流路より大きくなるため、原料ガス供給路の接続近傍とその反対側に流れる原料ガスの予熱後の温度差を低減することができる。この結果、脱硫剤充填部の温度が水添脱硫に好適な温度となり、脱硫剤の搭載量を低減することができる。
【００２４】
第２の発明は、特に、第１の発明の水添脱硫器の予熱部を、改質器からの熱を予熱部内に流れる原料ガスに伝える予熱部第１壁と、予熱部第１壁と対向し、予熱部第１壁よりも
改質器から離れて設けられた予熱部第２壁との間を、原料ガスが流れるように構成し、原料ガス供給路との接続部近傍の予熱部第１壁と予熱部第２壁との間隔は、原料ガス供給路との接続部近傍より、脱硫剤充填部における原料ガスの進行方向に対して直交する方向に離れた部分の間隔が広くしたものである。
【００２５】
これにより、原料ガス供給路の接続部近傍の予熱部第１壁と予熱部第２壁との間に流れる原料ガスの受ける流路抵抗は、原料ガス供給路の接続部より離れた部分より大きくなるため、予熱部第１壁と予熱部第２壁との間に流れる原料ガスの流量は、原料ガス供給路の接続部近傍が少なく、原料ガス供給路の接続部の反対側が多くなる。この結果、第１の発明と同様に原料ガス供給路の接続部近傍とその反対側に流れる原料ガスの予熱後の温度の差を低減することができるため、脱硫剤充填部の温度が水添脱硫に好適な均一な温度となり、脱硫剤の搭載量を低減することができる。
【００２６】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の改質器を、円筒状とし、水添脱硫器の脱硫剤充填部は、改質器の外周に配置された環状の円筒形状であり、脱硫剤充填部と予熱部は、軸方向に隣接し、水添脱硫器へ供給される原料ガスは予熱部および脱硫剤充填部内を軸方向に流れるように構成したものである。
【００２７】
これにより、予熱されて脱硫剤充填部へ供給される原料ガスの周方向の温度差は低減され、脱硫剤充填部の温度が水添脱硫に好適な温度となり、脱硫剤の搭載量を低減することができる。
【００２８】
第４の発明は、特に、第３の発明における予熱部第１壁と予熱部第２壁を、共に円筒状とし、予熱部第１壁の中心軸と予熱部第２壁の中心軸とが重ならないように構成したものである。
【００２９】
これにより、簡便な構成で水添脱硫器の予熱部第１壁と予熱部第２壁の間隔を変え、原料ガス供給路の接続部近傍の予熱部第１壁と予熱部第２壁との間に流れる原料ガスの流量を、原料ガス供給路の接続部の反対側より少なくすることができ、第３の発明と同様に、原料ガス供給路の接続部近傍とその反対側に流れる原料ガスの予熱後の温度の差を低減することができるため、脱硫剤充填部の温度が水添脱硫に好適な温度となり、脱硫剤の搭載量を低減することができる。
【００３０】
第５の発明は、特に、第１から第４のいずれか１つの発明の水素生成装置と、この水素生成装置から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た燃料電池システムである。
【００３１】
これにより、水素生成装置を低コスト、小型化することができ、低コストで小型な燃料電池システムを実現することができる。
【００３２】
以下、本発明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、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。
【００３３】
（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の概略構成図である。図１において、水素生成装置１０は、それぞれ円筒状の燃焼器２０、改質器３０、水添脱硫器４０を主な構成要素とし、原料ガス供給路６１と、水供給路６２と、改質ガス経路６４、可燃ガス経路６６と接続されている。
【００３４】
原料ガス供給路６１は、原料ガス源（図示せず）から水素が添加された原料ガスを水素
生成装置１０へ供給する配管から構成される経路である。水供給路６２は、水供給源（図示せず）から供給される水を水素生成装置１０へ供給する配管から構成される経路であって、改質器３０の蒸発部３１の上流側に位置する流路へ接続されている。
【００３５】
可燃ガス経路６６は、可燃ガス源（図示せず）から燃焼器２０へ燃焼に供される可燃ガスを供給する配管から構成される経路である。
【００３６】
燃焼器２０は、バーナ２１および燃焼ガス流路２２から構成される。可燃ガスの燃焼による発熱及び燃焼により生じた燃焼ガスにより、改質器３０及び改質器３０を介して水添脱硫器４０を加熱する機器である。燃焼器２０は改質器３０の中央部分に挿入され、燃焼器２０と改質器３０は一体化されている。
【００３７】
燃焼器２０は中央部に下向きの火炎を形成するように構成され、供給された可燃ガスを燃焼し、燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼器２０の内部において、下向きから上向きへと流れを折返し、燃焼ガス流路２２を通じて、外部（大気）と連通した燃焼ガス排出口（図示せず）から排気される。
【００３８】
改質器３０は、原料ガスから水素を含有する改質ガスを生成する機器であり、蒸発部３１、改質部３２、一酸化炭素低減部３３を備える。改質部３２には改質触媒が充填され、燃焼器２０の外周に配置される。
【００３９】
蒸発部３１は、丸棒などの棒材をらせん状にした流路などから構成され、改質部３２の上流側となる改質部３２の上部の燃焼器２０の外周の空間に配置される。一酸化炭素低減部３３には、一酸化炭素低減触媒が充填され、改質部３２の下流側に、蒸発部３１の外周に配置される。
【００４０】
水添脱硫器４０は、改質器３０及びその周囲に配置された内断熱材３５の外周に配置される。水添脱硫器４０の詳細な説明は後述する。
【００４１】
また、外断熱材３６は燃焼器２０、改質器３０、水添脱硫器４０全体を覆うように配置され、燃焼器２０、改質器３０、水添脱硫器４０を保温する断熱材である。
【００４２】
脱硫ガス経路６３は、水添脱硫器４０により脱硫された原料ガス（以下、脱硫ガス）を改質器３０へ供給する経路であり、水添脱硫器４０と改質器３０の間を接続する配管である。
【００４３】
燃焼器２０、改質器３０、水添脱硫器４０の構造体部分は、金属、セラミックス等の耐熱性及び強度を有する材料で構成され、本実施の形態では、これらはステンレスで構成され、内断熱材３５及び外断熱材３６はセラミック粉末を固形化した断熱材により構成される。
【００４４】
改質部３２に充填される改質触媒は、水蒸気改質反応により水蒸気と炭化水素を反応させ水素を生成するＲｕを含有する触媒であり、一酸化炭素低減部３３に充填される一酸化炭素低減触媒は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減するＣｕ−Ｚｎを含有する一酸化炭素変成触媒である。水添脱硫器４０に充填される脱硫剤は、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｏ−Ｍｏ、ＺｎＯなどを主成分とした脱硫剤である。
【００４５】
以上のように構成された水素生成装置１０について、以下その動作、作用を説明する。
【００４６】
水素を添加された原料ガスは、原料ガス供給路６１より水添脱硫器４０へ供給される。
水添脱硫器４０は、高温となる改質器３０の改質部３２の外周に、内断熱材３５を間に介して配置され、脱硫剤充填部４１は、水添脱硫に適した温度である２５０〜３００℃の範囲に保持される。水添脱硫器４０では、供給された原料ガスから硫黄成分を硫化水素に変換し、化学吸着させて除去し、脱硫ガスを生成する。
【００４７】
脱硫ガスは、脱硫ガス経路６３を通じて、改質器３０へ供給される。改質器３０へ流入した脱硫ガスは、水供給路６２から供給された水と混合され、蒸発部３１へ送られる。蒸発部３１は燃焼器２０により加熱され、蒸発部３１へ送られた水は、燃焼ガス流路２２を流れる燃焼ガスと熱交換し、水蒸気へとなる。脱硫ガスと水蒸気との混合ガスは改質部３２へ供給される。
【００４８】
燃焼器２０により高温に加熱された改質部３２では、供給された原料ガスと水蒸気との混合ガスから、水蒸気改質反応により、水素を含有する改質ガスを生成する。改質部３２の温度は、改質反応に適した温度、４００〜６５０℃、となるように燃焼器２０により調整される。
【００４９】
改質ガスには、水蒸気改質反応の副生成物として生じる二酸化炭素と一酸化炭素が含まれる。改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するため、改質ガスは、一酸化炭素低減部３３に送られ、一酸化炭素低減部３３では、一酸化炭素変成反応により一酸化炭素濃度が１％以下程度に低減される。一酸化炭素低減部３３は、一酸化炭素変成触媒に適した温度、２００〜３００℃、に保持されるように蒸発部３１の外周に配置される。
【００５０】
一酸化炭素濃度を低減された改質ガスは、改質ガス経路６４より改質器３０の外部へ流出し、水素利用機器や改質ガスに含まれる水素を貯める水素貯蔵タンク等（図示せず）へ供給される。
【００５１】
次に、水添脱硫器４０について、図２を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１における水添脱硫器の構成図であり、図２において、前述の図１と同じ構成要素には同じ符号を付与する。
【００５２】
図２において、水添脱硫器４０は、同心円状に配置された水添内筒４５と、水添外筒４６と、その間を覆う上下面を外壁として構成され、改質器３０及びその周囲に配置された内断熱材３５の外周に配置されている。脱硫剤充填部４１は、水添内筒４５と水添外筒４６と通気性の仕切り板５０ａと仕切り板５０ｂの間の脱硫剤が充填された領域である。
【００５３】
予熱部は、第１予熱流路４３および第２予熱流路４４、第３予熱流路５１から構成される。
【００５４】
第１予熱流路４３は、水添内筒４５と水添外筒４６との間の、筒状壁４７の下の空間から構成される。第２予熱流路４４は、予熱部第１壁を形成する水添内筒４５と予熱部第２壁を形成する円筒状の筒状壁４７の間の空間から構成される。第３予熱流路５１は、水添内筒４５と水添外筒４６との間の、上下方向は仕切り板５０ｂと筒状壁４７の間の空間から構成される。
【００５５】
原料ガス供給路６１は、第１予熱流路４３へ水添脱硫器４０の外周側面である水添外筒４６から接続され、脱硫ガス経路６３は水添脱硫器４０と、仕切り板５０ａの上部空間に接続される。
【００５６】
図３は、本発明の実施の形態１における水添脱硫器予熱部の断面図であり、図２に示す水添脱硫器４０のＡ−Ａ断面を表す。図３において、前述の図２と同じ構成要素には同じ
符号を付与する。
【００５７】
図３に示すように、筒状壁４７は水添内筒４５および水添外筒４６に対しての中心軸が重ならないように偏心し、筒状壁４７と水添内筒４５の間隔が原料ガス供給路６１との接続側が狭くなるように構成される。
【００５８】
以上のように構成された水添脱硫器４０について、その動作、作用を、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態１における水添脱硫器内の原料ガスの流れを示す図であり、図４において、前述の図２と同じ構成要素には同じ符号を付与し、その重複する説明を省略する。
【００５９】
まず、原料ガス供給路６１から水添脱硫器４０の第１予熱流路４３へ原料ガスが供給されるが、供給される原料ガスの温度は周囲環境と同等の温度であり、第１予熱流路４３の原料ガス供給路６１との接続部近傍は、原料ガス供給路６１から供給される原料ガスにより冷却され、周囲に比べ低温となる。
【００６０】
次に、原料ガスは、第１予熱流路４３内を通流して周方向に分配される。第１予熱流路４３内で周方向に供給された原料ガスは、水添内筒４５と筒状壁４７の間の空間から構成される第２予熱流路４４へ流入する。第２予熱流路４４の流路幅は周方向に変化し、原料ガス供給路６１との接続側が狭いため、第２予熱流路４４に流れる原料ガスの量は、原料ガス供給路６１との接続側が少なくなる。
【００６１】
また、原料ガスは、水添内筒４５の内側に配置された高温の改質器（図示せず）からの伝熱により水添内筒４５を介して加熱される。第１予熱流路４３内で原料ガス供給路６１との接続部から第２予熱流路４４へ流入する原料ガスの流路長は、原料ガス供給路６１近傍は短く、原料ガス供給路６１から離れるに従い長くなる。
【００６２】
第２予熱流路４４へ流入する原料ガスへの加熱量は、原料ガス供給路６１から離れるに従い多くなるため、第２予熱流路４４へ流入する原料ガスの温度は、原料ガス供給路６１近傍は低く、原料ガス供給路６１から離れるに従い高くなる。
【００６３】
第２予熱流路４４内に流入した原料ガスは軸方向に通流し、水添内筒４５の内側に配置された高温の改質器（図示せず）からの伝熱により水添内筒４５を介して加熱される。第２予熱流路４４内での原料ガスの温度上昇は、通流する原料ガスの量が少ない原料ガス供給路６１との接続部近傍が大きくなる。
【００６４】
このように、原料ガス供給路６１との接続近傍の原料ガスは低温で第２予熱流路４４に流入するが、第２予熱流路４４内で原料ガス供給路６１と反対側の第２予熱流路４４を通過した原料ガスより温度上昇が大きいため、第２予熱流路４４を通過後の原料ガスの周方向の温度差は低減され、水添脱硫に好適な温度である２５０〜３００℃とすることができる。
【００６５】
第２予熱流路４４を通流し第３予熱流路５１に流入した原料ガスは、第３予熱流路５１内で、軸方向の流量成分が周方向に均一となるように周方向に分配され、脱硫剤充填部４１へ流入する。
【００６６】
脱硫剤充填部４１内では、水添脱硫に適した温度にまで昇温された原料ガスは、水添脱硫に適した温度に保たれた脱硫剤の内部を通流し、脱硫される。脱硫された原料ガス（脱硫ガス）は、脱硫ガス経路６３より水添脱硫器４０から流出し、改質器（図示せず）へ供給される。
【００６７】
以上のように、本実施の形態においては、第２予熱流路４４の流路幅を周方向に変化させ、原料ガス供給路６１との接続側を狭くするように構成することにより、原料ガス供給路６１との接続部近傍に通流する原料ガスの流量を少なくして、原料ガス供給路６１の接続部近傍とその反対側に流れる原料ガスの予熱後の温度の差を低減することができる。これにより、脱硫剤の温度は水添脱硫に好適な均一な温度に保たれるため、脱硫剤の搭載量を低減することができ、水素生成装置１０を低コスト、小型化することができる。
【００６８】
なお、本実施形態においては、水素生成装置１０は円筒形に形成されているが、それに限定されるものではない。また、改質器３０や水添脱硫器４０も、改質反応や一酸化炭素変成反応、水添脱硫を効果的に引き起こすことができる形状であればよい。そのような例として、円筒状の他、角筒状などの形状を挙げることができる。
【００６９】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略構成図である。図５において、前述の図１と同じ構成要素には同じ符号を付与する。
【００７０】
図１に示した水素生成装置１０と、図５に示す本発明の実施の形態２における水素生成装置１０ｂは、水添脱硫器４０ｂの構成以外は同じ構成であり、その重複する説明を省略する。水添脱硫器４０ｂの詳細な説明については後述する。
【００７１】
また、図５において、燃料電池システム１００は、水素生成装置１０ｂと燃料電池１０１を備え、水素生成装置１０ｂと燃料電池１０１は改質ガス経路６４ｂにより接続され、燃料電池１０１と燃焼器２０はオフガス経路６７により接続される。燃料電池１０１は、水素を含有するガスを用いて発電する固体高分子型燃料電池である。
【００７２】
以上のように構成された燃料電池システム１００について、図５を用いて、その動作、作用を説明する。
【００７３】
原料ガス供給路６１から、原料ガス源（図示せず）から水素が添加された原料ガスが水素生成装置１０ｂへ供給され、水供給路６２から、水供給源（図示せず）から供給される水が水素生成装置１０ｂへ供給される。
【００７４】
水素生成装置１０ｂは、供給された原料ガスと水より改質ガスを生成し、改質ガスは、改質ガス経路６４ｂより燃料電池１０１へ供給される。燃料電池１０１は、供給された改質ガス中の水素を燃料として発電する。燃料電池１０１により発電に用いられなかった水素を含むオフガスは、オフガス経路６７から燃焼器２０へ供給され、燃焼器２０で可燃ガスとして用いられる。
【００７５】
次に、本発明の実施の形態２おける水添脱硫器４０ｂについて、図６を用いて詳細に説明する。図６は本発明の実施の形態２おける水添脱硫器の構成図である。図６において、前述の図２と同じ構成要素には同じ符号を付与する。
【００７６】
図６において、水添脱硫器４０ｂは、同心円状に配置された水添内筒４５と、水添外筒４６ｂと、水添内筒４５および水添外筒４６ｂに対して中心軸が偏心し、原料ガス供給路６１とのとの接続側が狭くなるように配置された筒状壁４７ｂを内外壁として構成され、改質器３０及びその周囲に配置された内断熱材３５の外周に配置される。
【００７７】
脱硫剤充填部４１は、水添内筒４５と水添外筒４６ｂと通気性の仕切り板５０ａと仕切り板５０ｂの間の脱硫剤が充填された領域である。
【００７８】
予熱部は、第１予熱流路４３ｂ、第２予熱流路４４ｂから構成される。第１予熱流路４３ｂは、予熱部第１壁を形成する水添内筒４５と予熱部第２壁を形成する円筒状の筒状壁４７ｂの間の空間から構成される。第２予熱流路４４ｂは、第１予熱流路４３ｂの下流に位置し、水添内筒４５と水添外筒４６ｂの間の、上下方向は筒状壁４７ｂと仕切り板５０ｂの間の空間から構成される。原料ガス供給路６１は、第１予熱流路４３ｂへ筒状壁４７ｂの側面から接続される。
【００７９】
図７は、本発明の実施の形態２における水添脱硫器予熱部の断面図であり、図６に示す水添脱硫器４０ｂのＢ−Ｂ断面を表す。図７において、前述の図６と同じ構成要素には同じ符号を付与する。
【００８０】
図７に示すように、筒状壁４７ｂは水添内筒４５に対しての中心軸が重ならないように偏心し、筒状壁４７ｂと水添内筒４５の間隔が原料ガス供給路６１との接続側が狭くなるように構成される。
【００８１】
以上のように構成された水添脱硫器４０ｂについて、その動作、作用を、図８を用いて説明する。
【００８２】
図８は、本発明の実施の形態２における水添脱硫器内の原料ガスの流れを示す斜視図であり、図８において、前述の図６と同じ構成要素には同じ符号を付与し、その重複する説明を省略する。
【００８３】
まず、原料ガス供給路６１から水添脱硫器４０ｂの第１予熱流路４３ｂへ原料ガスが供給される。供給される原料ガスの温度は周囲環境と同等の温度であり、第１予熱流路４３ｂの原料ガス供給路６１との接続部近傍は、原料ガス供給路６１から供給される原料ガスにより冷却され、周囲に比べ低温となる。
【００８４】
次に、原料ガスは第１予熱流路４３ｂ内を通流して周方向に分配されると同時に、水添内筒４５の内側に配置された高温の改質器（図示せず）により加熱される。
【００８５】
第１予熱流路４３ｂ内で原料ガス供給路６１との接続部から第２予熱流路４４ｂへ流入する原料ガスの流路長は、原料ガス供給路６１との接続部近傍は短く、原料ガス供給路６１との接続部から離れるに従い長くなり、第１予熱流路４３ｂ内での原料ガスへの加熱量は、原料ガス供給路６１との接続部近傍は少なく、原料ガス供給路６１との接続部から離れるに従い多くなる。
【００８６】
第１予熱流路４３ｂの流路幅は周方向に変化し、原料ガス供給路６１との接続部近傍が狭いため、第１予熱流路４３ｂから第２予熱流路４４ｂへ流れる原料ガスの量は、原料ガス供給路６１との接続部近傍は少なく、原料ガス供給路６１との接続部から離れるに従い多くなる。
【００８７】
第１予熱流路４３ｂから第２予熱流路４４ｂへ流入する原料ガスは、原料ガス供給路６１近傍では、加熱量は少ないが、流量も少なく、原料ガス供給路６１との接続部から離れるに従い加熱量は多くなるが、流量も多くなるため、第１予熱流路４３ｂから第２予熱流路４４ｂへ流入する原料ガスの温度は周方向に均温化され、水添脱硫に好適な温度である２５０〜３００℃とすることができる。
【００８８】
第１予熱流路４３ｂを通流し、第２予熱流路４４ｂに流入した原料ガスは、第２予熱流路４４ｂ内で軸方向の流量成分が周方向に均一となるように周方向に分配され、脱硫剤充
填部４１へ流入する。
【００８９】
脱硫剤充填部４１内では、水添脱硫に適した温度にまで昇温された原料ガスは、水添脱硫に適した温度に保たれた脱硫剤の内部を通流し、脱硫される。脱硫された原料ガス（脱硫ガス）は、脱硫ガス経路６３より水添脱硫器４０ｂから流出し、改質器（図示せず）へ供給される。
【００９０】
以上のように本実施の形態においては、第１予熱流路４３ｂの流路幅を周方向に変化させ、原料ガス供給路６１との接続部近傍を狭くするように構成することにより、原料ガス供給路６１との接続部近傍に通流する原料ガスの流量を少なくして、原料ガス供給路６１との接続側とその反対側に流れる原料ガスの予熱後の温度の差を低減することができる。
【００９１】
この結果、脱硫剤充填部４１全体の温度が水添脱硫に好適な温度とすることができるため、脱硫剤の搭載量を低減することができ、水素生成装置１０ｂを低コスト、小型化することができる。
【００９２】
なお、本実施形態における燃料電池システム１００に用いる燃料電池１０１は、水素を含有するガスを用いて発電する燃料電池であればよく、固体高分子型燃料電池の他、固体酸化物型燃料電池などでもよい。
【００９３】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の水素生成装置の概略構成は実施の形態１と同じであり、実施の形態３の水素生成装置の概略構成は図１に示し、その重複する説明を省略する。
【００９４】
図９は、本発明の実施の形態３における水添脱硫器の構成図である。図９において、図２に示される前述の実施の形態１における水添脱硫器と同じ構成要素には同じ符号を付与し、その重複する説明を省略する。
【００９５】
実施の形態１との違いは、図９に示すように、水添脱硫器４０ｃの予熱部が第１予熱流路４３ｃと第２予熱流路４４ｃから構成されることである。
【００９６】
第１予熱流路４３ｃ、第２予熱流路４４ｃは、共に水添内筒４５と水添外筒４６の間の空間から構成され、第１予熱流路４３ｃと第２予熱流路４４ｃの間に分配孔４９を設けた分配板４８が配置される。原料ガス供給路６１は、第１予熱流路４３ｃへ水添外筒４６の側面から接続される。
【００９７】
図１０は、本発明の実施の形態３における水添脱硫器予熱部の分配板を示す図である。図１０に示される分配板４８には、原料ガスを通過させる複数の分配孔４９が周方向に配置され、分配孔４９の径は、図中の右側となる原料ガス供給路６１との接続部側がその反対側に較べ小さくなるように構成している。
【００９８】
以上のように構成された水添脱硫器４０ｃについて、その動作、作用を、図１１を用いて説明する。
【００９９】
図１１は、本発明の実施の形態３における水添脱硫器内の原料ガスの流れを示す図である。図１１において、前述の図９と同じ構成要素には同じ符号を付与し、その重複する説明を省略する。
【０１００】
まず、原料ガス供給路６１から水添脱硫器４０ｃの第１予熱流路４３ｃへ原料ガスが供給される。供給される原料ガスの温度は周囲環境と同等の温度であり、第１予熱流路４３
ｃの原料ガス供給路６１との接続部近傍は、原料ガス供給路６１から供給される原料ガスにより冷却され、周囲に比べ低温となる。
【０１０１】
次に、原料ガスは第１予熱流路４３ｃ内を通流して周方向に分配されると同時に、水添内筒４５の内側に配置された高温の改質器（図示せず）により加熱される。
【０１０２】
原料ガスは、第１予熱流路４３ｃから分配板４８上の複数の分配孔４９を通じて第２予熱流路４４ｃへ流入するが、分配孔４９の大きさは、原料ガス供給路６１との接続部側がその反対側に較べ小さいため、第１予熱流路４３ｃから第２予熱流路４４ｃへ流れる原料ガスの量は、原料ガス供給路６１との接続部側がその反対側に較べ少なくなる。
【０１０３】
第２予熱流路４４ｃに流入した原料ガスは、第２予熱流路４４ｃ内で軸方向の流量成分が周方向に均一となるように周方向に分配され、脱硫剤充填部４１へ流入する。また、第２予熱流路４４ｃ内の原料ガスは、水添内筒４５の内側に配置された高温の改質器（図示せず）により加熱される。
【０１０４】
原料ガス供給路６１との接続部から、第１予熱流路４３ｃから第２予熱流路４４ｃを通流し、仕切り板５０ｂから脱硫剤充填部４１へ流入する原料ガスの流路長は、原料ガス供給路６１との接続部近傍は短く、原料ガス供給路６１との接続部から離れるに従い長くなるため、第１予熱流路４３ｃから第２予熱流路４４ｃ内での原料ガスへの加熱量は、原料ガス供給路６１との接続部近傍は少なく、原料ガス供給路６１との接続部から離れるに従い多くなる。
【０１０５】
第１予熱流路４３ｃから第２予熱流路４４ｃへ流入する原料ガスは、原料ガス供給路６１近傍では、加熱量は少ないが、流量も少なく、原料ガス供給路６１との接続部から離れるに従い加熱量は多くなるが、流量も多くなるため、第１予熱流路４３ｃから第２予熱流路４４ｃへ流入する原料ガスの温度は周方向に均温化され、水添脱硫に好適な温度である２５０〜３００℃とすることができる。
【０１０６】
脱硫剤充填部４１内では、水添脱硫に適した温度にまで昇温された原料ガスは、水添脱硫に適した温度に保たれた脱硫剤の内部を通流し、脱硫される。脱硫された原料ガス（脱硫ガス）は、脱硫ガス経路６３より水添脱硫器４０ｃから流出し、改質器（図示せず）へ供給される。
【０１０７】
以上のように、本実施の形態においては、第１予熱流路４３ｃおよび第２予熱流路４４ｃからなる予熱部に通流する原料ガスの量を周方向に変化させ、原料ガス供給路６１との接続部近傍に通流する原料ガスの流量を少なくして、原料ガス供給路６１との接続部側とその反対側に流れる原料ガスの予熱後の温度の差を低減することができる。この結果、脱硫剤充填部４１全体の温度が水添脱硫に好適な温度とすることができるため、脱硫剤の搭載量を低減することができ、水素生成装置１０を低コスト、小型化することができる。
【０１０８】
なお、本実施の形態における水添脱硫器４０ｃの分配板４８には周方向に複数の分配孔４９が配置され、分配孔４９の径は、原料ガス供給路６１との接続部側がその反対側に較べ小さくなるように構成しているが、第１予熱流路４３ｃから第２予熱流路４４ｃへ通過させる原料ガスの量を原料ガス供給路６１との接続部側がその反対側に較べ少なくすることができる構成であればよい。
【０１０９】
そのような構成として、分配孔４９の径を一定として、分配孔４９の数を原料ガス供給路６１との接続部側がその反対側に較べて少なくなるように配置してもよく、さらに、分配孔４９の大きさを、原料ガス供給路６１との接続部側がその反対側に較べ小さくし、か
つ分配孔４９の数を、原料ガス供給路６１との接続部側がその反対側に較べ少なくしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明の水素生成装置は、脱硫剤を水添脱硫に好適な温度とすることで、脱硫剤の搭載量を低減して、水素生成装置を小型化、低コスト化することができるので、水素生成装置に脱硫器を備えた家庭用燃料電池システムに適用できる。
【符号の説明】
【０１１１】
１０，１０ｂ  水素生成装置
２０  燃焼器
２１  バーナ
２２  燃焼ガス流路
３０  改質器
３１  蒸発部
３２  改質部
３３  一酸化炭素低減部
３５  内断熱材
３６  外断熱材
４０、４０ｂ、４０ｃ  水添脱硫器
４１  脱硫剤充填部
４３、４３ｂ、４３ｃ  第１予熱流路
４４、４４ｂ、４４ｃ  第２予熱流路
４５  水添内筒
４６、４６ｂ  水添外筒
４７、４７ｂ  筒状壁
４８  分配板
４９  分配孔
５０ａ、５０ｂ  仕切り板
５１  第３予熱流路
６１  原料ガス供給路
６２  水供給路
６３  脱硫ガス経路
６４、６４ｂ  改質ガス経路
６６  可燃ガス経路
６７  オフガス経路
１００  燃料電池システム
１０１  燃料電池
【図１】
2017105646.tif 000003
【図２】
2017105646.tif 000004
【図３】
2017105646.tif 000005
【図４】
2017105646.tif 000006
【図５】
2017105646.tif 000007
【図６】
2017105646.tif 000008
【図７】
2017105646.tif 000009
【図８】
2017105646.tif 000010
【図９】
2017105646.tif 000011
【図１０】
2017105646.tif 000012
【図１１】
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