(57)【要約】【課題】粒子状のガス処理剤を充填したガス処理装置の偏流を抑制する。【解決手段】上下方向のガス流路を形成する側壁７と、上下方向に間隔を開けてガス流路を上下に仕切るよう側壁７に配置される通気性の上仕切板８及び下仕切板９と、によって囲まれた空間内に、粒状のガス処理剤が充填されたガス処理剤層１０を有するガス処理装置であって、空間におけるガス処理剤層１０と上仕切板との間に、ガス処理剤よりも安息角の小さい充填粒子１１が、配置されており、充填粒子１１が、ガス処理剤層１０の上面の変化に応じて形成される凹部を埋めるので、ガス処理剤層１０中のガスの偏流を抑制できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向のガス流路を形成する側壁と、上下方向に間隔を開けて前記ガス流路を上下に仕切るよう前記側壁に配置される通気性の上仕切板及び下仕切板と、によって囲まれた空間内に、粒状のガス処理剤が充填されたガス処理剤層を有するガス処理装置であって、前記空間における前記ガス処理剤層と前記上仕切板との間に、前記ガス処理剤よりも安息角の小さい充填粒子が、配置されており、前記充填粒子が、前記ガス処理剤層の上面の変化に応じて形成される凹部を埋める、ガス処理装置。
【請求項２】
前記充填粒子が充填された充填粒子層の単位断面積における単位厚さあたりの圧力損失は、前記ガス処理剤層の単位断面積における単位厚さあたりの圧力損失よりも大きい、請求項１に記載のガス処理装置。
【請求項３】
前記充填粒子の粒子径は、前記上仕切板の通気孔よりも大きく、且つ、前記ガス処理剤よりも小さい、請求項２に記載のガス処理装置。
【請求項４】
前記空間における前記ガス処理剤と前記充填粒子との間に、柔軟性を有し前記ガス処理剤と前記充填粒子とを仕切る通気性シートが、配置されており、前記通気性シートが、前記ガス処理剤層の上面の変化に応じて上下方向に変形可能で、前記ガス処理剤層の上面に形成される凹部を埋めるように構成され、前記充填粒子が、前記通気性シートの上面に形成される凹部を埋める、請求項１から３のいずれか１項に記載のガス処理装置。
【請求項５】
前記ガス処理剤は、原料中の不純物を除去する不純物除去剤、原料中の硫黄を除去する脱硫剤、のいずれかである、請求項１から４のいずれか１項に記載のガス処理装置。
【請求項６】
請求項１から４のうちのいずれか１項に記載のガス処理装置を用いて水素を生成する水素生成装置であって、前記ガス処理剤は、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質触媒である、水素生成装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載のガス処理装置と、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、を備えた水素生成装置。
【請求項８】
前記ガス処理剤は、水素含有ガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減する変成触媒、水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により除去する選択酸化触媒、水素含有ガス中の一酸化炭素をメタン化反応により除去するメタン化触媒、のいずれかである、請求項７に記載の水素生成装置。
【請求項９】
請求項６から８のいずれか１項に記載の水素生成装置と、前記水素生成装置で生成された水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１から４のうちのいずれか１項に記載のガス処理装置と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備え、前記ガス処理剤は燃料電池の排ガスを燃焼する酸化触媒である、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、原料ガスの処理を行うガス処理装置、及びそれを用いた水素生成装置、並びにそれらを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が共に高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）が注目されている。
【０００３】
この燃料電池システムは、発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、固体高分子形燃料電池、或いは、固体電解質形燃料電池等が用いられる。
【０００４】
これらの燃料電池の内、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池（略称、ＰＥＦＣ）は、発電運転の際の動作温度が比較的低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池として好適に用いられる。特に、固体高分子形燃料電池は、リン酸形燃料電池と比べて、電極触媒の劣化が少なく、かつ電解質の逸散が発生しないため、携帯用電子機器や電気自動車等の用途において特に適に用いられる。
【０００５】
さて、燃料電池の多く、例えば、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池は、発電運転の際に水素を燃料として用いる。しかし、それらの燃料電池において発電運転の際に必要となる水素の供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。
【０００６】
従って、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムにより電力を得るためには、その燃料電池システムの設置場所において、燃料としての水素を生成する必要がある。燃料電池に供給する水素を生成する方法としては、改質反応が一般的に用いられている。
【０００７】
改質反応は、例えば原料となる炭化水素と水蒸気とをＮｉ系やＲｕ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。
【０００８】
改質器によって生成した水素含有ガスは、一酸化炭素を数十％含むため、固体高分子形燃料電池に供給する場合には一酸化炭素を低減する必要がある。そこで、水素生成装置にはシフト触媒を充填し水性ガスシフト反応により一酸化炭素を低減する変成器、または選択酸化触媒、あるいはメタン化触媒を充填し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除去器などが備えられる。
【０００９】
通常、水素生成装置に供給する原料ガスは硫黄化合物を含む。具体的には、都市ガス（市街地において、ガス会社のガス供給基地から地下のガス管等を通じて家庭等に供給されるガス）や液化石油ガス中には、原料由来の硫黄分のほか、漏洩検知のための付臭剤として、サルファイド類、メルカプタン類等の硫黄化合物が添加される。
【００１０】
しかし、水素生成装置に搭載される改質触媒は通常、硫黄化合物により被毒され、活性が低下するため、原料中の硫黄化合物を除去する必要がある。
【００１１】
原料ガスに含まれる硫黄化合物の除去方法として、水添脱硫法や吸着脱硫法が知られている。水添脱硫法は、燃料ガスに水素を添加し、Ｃｕ−Ｚｎ触媒等の触媒の存在下、硫黄化合物を硫化水素に分解させ、分解生成物である硫化水素を吸着させて除去する脱硫する方法であり、この場合水素の添加や加熱が必要である。
【００１２】
一方、吸着脱硫法は、活性炭、金属酸化物、あるいはゼオライト等を主成分とする吸着脱硫剤に燃料ガスを通過させることにより、硫黄化合物を吸着させて除去する脱硫法である。水素生成装置には通常、上記のような脱硫法により原料中の硫黄を除去する脱硫器が備えられている。
【００１３】
上記の様に水素生成装置や脱硫器などのガス処理装置には改質触媒、変成触媒などの触媒、及び脱硫剤などの複数のガス処理剤が使用されているが、これらのガス処理剤はガス処理装置の小型化のために粒子状のものが使用されていることが多い。
【００１４】
しかしながら、粒子状のガス処理剤は充填時の圧力や衝撃、あるいは移送時の振動などにより割れることがあり、その場合にはガス処理剤が容器下部に落ちる事により、ガス処理剤層の上面に凹みが発生する。
【００１５】
また、ガス処理剤が割れた場合、あるいはガス処理剤層の充填密度が設計時の想定値より大きかった場合などには、ガス処理剤層上面と充填容器の間に隙間が発生することがある。ガス処理剤層の上面に隙間が発生すると、例えばガス処理装置を横倒しで輸送し、使用時に立てた場合などにガス処理剤層の上面が斜めに偏ってしまう。
【００１６】
これらの凹みや偏り（以下、凹部と記す）がガス処理剤層上面に発生した結果、ガス処理剤層の充填厚さが断面方向で変わってしまう。ガスはガス処理剤層中を流れる場合、ガス処理剤層の薄い部分を選択的に流れる為、このような充填厚さの差異があると、ガス処理剤層の内部を通過するガスの偏流が発生する。
【００１７】
ガスの偏流が発生すると、例えば、ガス処理剤が発熱反応を伴う触媒であった場合、触媒の一部が反応熱により過熱されることで劣化が促進され、また、触媒層中のガス流が不均一であり、有効に使用される触媒量が減少するため、必要な触媒量が増加する。
【００１８】
また、ガス処理剤が脱硫剤などの不純物除去剤であった場合は、不純物除去剤の一部に接触するガス量が減少する為、有効に使用される不純物除去剤量が減少し、また、偏流部のガスの流速が速くなる為、反応部が伸長し、処理後のガス中の不純物濃度が増加する。その為、これらを抑制する為にガス処理剤の搭載量を増量する必要が生じていた。
【００１９】
これに対し、ガス処理剤層上面に多孔構造の蓋を設置し、スプリングによって多孔構造の蓋を常時ガス処理剤層上面側に押圧する圧力を加えることが提案された（例えば、特許文献１や特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特許第２５２３２８４号公報
【特許文献２】特開２００９−０２９９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、ガス処理装置が改質器や変成器、水添脱硫器である場合、これらのガス処理剤は高温で反応するために、ガス処理装置の起動停止に伴い、ガス処理剤を充填して
いる容器が温度変化により膨張、収縮する。
【００２２】
その為、従来の構成では、加熱時に膨張した容器にガス処理剤が押し込まれ、冷却時には収縮した容器によりガス処理剤が押されることにより、ガス処理装置の起動停止に伴ってガス処理剤の割れが促進されるという課題を有していた。
【００２３】
本発明は、従来の課題を解決するもので、ガス処理剤の割れを抑制するとともに、ガス処理剤層上面に凹部が発生し、ガス処理剤層の厚さが不均一になった場合にも、ガス処理剤層中のガスの偏流を抑制できるガス処理装置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】
【００２４】
従来の課題を解決する為に、本発明のガス処理装置は、上下方向のガス流路を形成する側壁と、上下方向に間隔を開けてガス流路を上下に仕切るよう側壁に配置される通気性の上仕切板及び下仕切板と、によって囲まれた空間内に、粒状のガス処理剤が充填されたガス処理剤層を有するガス処理装置であって、空間におけるガス処理剤層と上仕切板との間に、ガス処理剤よりも安息角の小さい充填粒子が、配置されており、充填粒子が、ガス処理剤層の上面の変化に応じて形成される凹部を埋めるものである。
【００２５】
これにより、充填時や輸送時にガス処理剤粒子が割れ、ガス処理剤層の上面に凹部が発生したとしても、安息角の小さい充填粒子がガス処理剤層上面を覆う為、ガス処理剤層と充填粒子から構成される充填層において、充填層の上面凹部を小さくすることができる。これにより、充填層の厚さを均一にすることが出来るので、ガス処理剤層中のガスの偏流を抑制できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のガス処理装置は、ガス処理剤層の上面に凹部が発生したとしても、ガス処理剤層中のガスの偏流を抑制できるので、ガス処理剤層中のガスの流れを均一にでき、ガス処理剤の局所過熱、及び反応部の伸長を抑制でき、ガス処理剤の長寿命化、及びガス処理剤量の低減が可能となる。また、ガス処理剤層の充填密度がばらついた場合にもガス処理剤の充填容積を変化させる必要がなくなるため、ガス処理剤の充填工程が簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における不純物除去器の概略構造を示す縦断面図
【図３】本発明の実施の形態１における不純物除去器のガス処理剤層上面に凹部が発生した場合の内部粒子の状態を示す縦断面模式図
【図４】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を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態２における排ガス浄化器の概略構造を示す縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
第１の発明は、上下方向のガス流路を形成する側壁と、上下方向に間隔を開けてガス流路を上下に仕切るよう側壁に配置される通気性の上仕切板及び下仕切板と、によって囲まれた空間内に、粒状のガス処理剤が充填されたガス処理剤層を有するガス処理装置であって、空間におけるガス処理剤層と上仕切板との間に、ガス処理剤よりも安息角の小さい充填粒子が、配置されており、充填粒子が、ガス処理剤層の上面の変化に応じて形成される凹部を埋めるものである。
【００２９】
これにより、ガス処理剤層の上面に凹部が発生したとしても安息角の小さい充填粒子が
ガス処理剤層上面を覆う為、ガス処理剤層と充填粒子から構成される充填層において、充填層上面の凹部を小さくすることができる。よって、充填層の流れ方向厚さを均一にすることが出来るので、ガス処理剤層中のガスの偏流を抑制できる。
【００３０】
第２の発明は、特に第１の発明において、充填粒子が充填された充填粒子層の単位断面積における単位厚さあたりの圧力損失が、ガス処理剤層の圧力損失よりも大きいものである。
【００３１】
これにより、ガス処理剤層上面の凹部の発生による圧力損失の偏りを、少量の充填粒子により均一化でき、流れを均一化できる。その為、ガス処理剤層と充填粒子を合わせた充填層を小型化でき、さらにはガス処理装置を小型化できる。
【００３２】
第３の発明は、特に第２の発明における充填粒子の粒子径が、上仕切板の通気孔よりも大きく、且つ、ガス処理剤よりも小さいものである。
【００３３】
これにより、ガス処理剤層表面の凹凸をガス処理剤より小径の充填粒子により埋めることができるので、ガス処理剤層と充填粒子を合わせた充填層の充填密度が向上し、結果として充填層のサイズを小型化できる。またガス処理剤層と充填粒子の界面において断面方向の連通孔の発生を抑制できるので、連通孔による偏流を抑制でき、充填粒子による偏流抑制効果を高めることができる。
【００３４】
第４の発明は、特に第１から第３の発明に加えて、空間におけるガス処理剤層と充填粒子との間に、柔軟性を有しガス処理剤層と充填粒子とを仕切る通気性シートが、配置されており、通気性シートが、ガス処理剤層の上面の変化に応じて上下方向に変形可能で、ガス処理剤層の上面に形成される凹部を埋めるように構成され、充填粒子が、通気性シートの上面に形成される凹部を埋めるものである。
【００３５】
これにより、ガス処理剤と充填粒子との混合を抑制することが出来る。繰り返しガス処理装置を横倒す、あるいは振動を加えると、次第にガス処理剤と充填粒子が混合するが、本発明により混合を抑制できる。ガス処理剤と充填粒子が混合するとガス処理剤層の上面を覆うことができなくなるため、偏流の抑制効果が得られなくなるが、それを抑制することが出来る。
【００３６】
第５の発明は、特に第１から第４の発明のガス処理剤が、原料中の不純物を除去する不純物除去剤、原料中の硫黄を除去する脱硫剤、のいずれかであるものである。
【００３７】
これにより、不純物除去剤層、あるいは脱硫剤層中のガスの偏流が抑制できる為、不純物除去剤、あるいは脱硫剤とガスが均一に接触し、不純物除去剤、あるいは脱硫剤が有効に使用される、また、偏流による反応部の伸長を抑制できる。その結果、処理後のガス中の不純物濃度増加を抑制することができ、必要な脱硫剤量を低減することができる。
【００３８】
第６の発明は、特に第１から第４の発明のいずれか１つのガス処理装置を用いて水素を生成する水素生成装置であって、ガス処理剤が、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質触媒であるものである。
【００３９】
これにより、改質触媒中のガスの偏流を抑制できる。改質触媒層中でのガスの偏流を抑制することで、有効に使用される改質触媒量が増加するため、必要な改質触媒量が低減できる。また、ガス中の被毒物質が偏流部の触媒に偏析することを抑制できるため、改質触媒の劣化を抑制できる。
【００４０】
第７の発明は、特に第１から第５の発明のいずれか１つのガス処理装置と、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、を備えた水素生成装置である。
【００４１】
これにより、ガス処理剤の劣化を抑制し、ガス処理剤の搭載量を削減できるガス処理装置を使用できるので、安価な水素生成装置を提供することができる。
【００４２】
第８の発明は、特に第７の発明のガス処理剤が、水素含有ガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減する変成触媒、水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により除去する選択酸化触媒、水素含有ガス中の一酸化炭素をメタン化反応により除去するメタン化触媒、のいずれかであるものである。
【００４３】
これにより、触媒層中のガスの偏流を抑制できる。これらの触媒は反応により発熱するので、ガスの偏流の抑制により、触媒の局所過熱が抑制でき、触媒の劣化を抑制することができる。また、有効に使用される触媒量の減少を抑制することができ、触媒の搭載量を削減することが可能となる。
【００４４】
第９の発明は、特に第６から第８の発明のいずれか１つの水素生成装置と、水素生成装置で生成された水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システムである。
【００４５】
これにより、燃料電池システムの水素生成装置内のガス処理剤の劣化を抑制することが出来、また、ガス処理剤量を削減することができるので、長時間運転できる燃料電池システムを安価、かつ小型に構成することができる。
【００４６】
第１０の発明は、特に第１から第４の発明のガス処理装置と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備え、前記ガス処理剤は燃料電池の排ガスを燃焼する酸化触媒である燃料電池システムである。
【００４７】
これにより、酸化触媒層中のガスの偏流を抑制でき、反応による局所過熱が抑制できるため、酸化触媒の劣化を抑制することが可能となる。また、有効に使用される触媒量の減少を抑制する事ができるため、触媒量の削減が可能となる。よって、長時間運転できる燃料電池システムを安価、かつ小型に構成することができる。
【００４８】
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、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。
【００４９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【００５０】
図１において、燃料電池システム１１０は、不純物除去器１と、改質器２と、ＣＯ低減器３と、ＣＯ除去器４と、を備える水素生成装置１００と、燃料電池５と、排ガス浄化器６と、を備え、原料ガスである天然ガスから水素含有ガスを生成し、これを用いて発電する燃料電池システムである。
【００５１】
さらに、図２を用いて燃料電池システム１１０の不純物除去器１の構造を説明する。図２は、本実施の形態における不純物除去器の概略構造を示す縦断面図である。
【００５２】
図２は、図１に示した不純物除去器１の詳細な構成を示すものであり、不純物除去器１は、側壁７と、上仕切板８と、下仕切板９と、ガス処理剤層１０と、充填粒子１１と、通
気性シート１２と、から構成されている。
【００５３】
不純物除去器１は、原料ガス中の不純物を除去するガス処理装置であり、本実施の形態においては吸着反応により原料ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫器である。不純物除去器１は、本実施の形態ではガス処理剤としてＡｇをイオン交換したゼオライトが使用される。
【００５４】
改質器２は、原料ガス中の炭化水素を改質し、水素含有ガスを生成するガス処理装置であり、本実施の形態においては原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する水蒸気改質器である。
【００５５】
図１には示されていないが、改質反応において必要となる機器は適宜設けられ、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る。改質器２は不純物除去器１と同様の構造となっており、本実施の形態ではガス処理剤としてＮｉを含む改質触媒が充填される。この改質触媒により、原料ガスが水蒸気改質反応して、水素含有ガスが生成される。
【００５６】
ＣＯ低減器３は、内部に変成触媒が充填されており、水素含有ガス中のＣＯを水性ガスシフト反応により低減するガス処理装置である。ＣＯ低減器３は不純物除去器１と同様の構造となっており、本実施の形態ではガス処理剤としてＣｕ，Ｚｎを含む変成触媒が充填される。
【００５７】
ＣＯ除去器４は、ＣＯ低減器３で処理された水素含有ガス中のＣＯをさらに低減するガス処理装置である。ＣＯ除去器４は不純物除去器１と同様の構造となっており、本実施の形態ではガス処理剤として、Ｒｕを含む選択酸化触媒が充填される。この選択酸化触媒により、酸素含有ガスとの酸化反応により一酸化炭素を除去する。また、図１には示されていないが、酸化反応に必要な酸素含有ガス供給器が設けられる。
【００５８】
燃料電池５は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する固体高分子形燃料電池である。
【００５９】
排ガス浄化器６は、燃料電池５で使用されなかった水素含有ガス中の可燃成分を、酸化触媒により酸化するガス処理装置である。排ガス浄化器６は不純物除去器１と同様の構造となっており、本実施の形態ではガス処理剤として、Ｐｔ、Ｐｄをふくむ酸化触媒が充填される。
【００６０】
側壁７は、上下方向へのガス流路を形成する壁であり、本実施の形態においてはステンレススチールで構成されている。
【００６１】
上仕切板８は、充填粒子１１を保持し、ガス流路を仕切る為の板であり、充填粒子１１の上側に配置される。上仕切板８は充填粒子１１より小径の孔が開いた板であり、充填粒子１１の流出を抑制する。本実施の形態ではステンレススチールで構成され、側壁７に溶接により固定されている。
【００６２】
下仕切板９は、ガス処理剤層１０を保持し、ガス流路を仕切る為の板であり、ガス処理剤層１０の下側に配置される。下仕切板９はガス処理剤より小径の孔が開いた板であり、ガスを通過させつつ、ガス処理剤の流出を抑制する。本実施の形態ではステンレススチールで構成され、側壁７に溶接により固定されている。
【００６３】
ガス処理剤層１０は、不純物除去器１に流入するガス中の成分に対し、吸着、あるいは
触媒反応により、不純物の除去を行う粒子状のガス処理剤を充填した層であり、本実施の形態においては、Ａｇをイオン交換したゼオライトが使用され、ガス中の硫黄化合物を吸着、除去する。
【００６４】
充填粒子１１は、通気性シート１２の上に配されており、ガス処理剤より安息角が小さい粒子であり、不純物除去器１を使用時の方向で立てた際に上方向に配置される。本実施の形態においてはガス処理剤より粒子径が小さく、充填粒子１１により形成された充填粒子層の圧力損失が、ガス処理剤層１０より大きいα−アルミナ粒子である。
【００６５】
充填粒子１１により形成された充填粒子層の圧力損失は、ガス処理剤層１０のものより大きく、これにより充填粒子１１の搭載量が少ない場合でも、ガス処理剤層１０中のガスの偏流を均一化できるので、ガス処理剤層１０と充填粒子１１を合わせた充填層を小型化でき、その結果、不純物除去器１を小型化できる。
【００６６】
なお、充填粒子層の圧力損失ΔＰは、ガス処理剤の安息角が∠α、充填粒子１１の安息角が∠β、ガス処理剤層の圧力損失がΔＰ１であった場合、（数１）で表される。
【００６７】
【数１】
2017077530.tif 000003
また、充填粒子１１は、ガス処理剤より粒子径が小さく、上仕切板８の通機構より大きい。これにより、ガス処理剤層１０表面の凹凸をガス処理剤より小径の充填粒子１１により埋めることができるので、ガス処理剤層１０と充填粒子１１を合わせた充填層の充填密度が向上し、充填層のサイズを小型化でき、その結果、不純物除去器１を小型化できる。
【００６８】
また、ガス処理剤層１０と充填粒子１１の界面においてガス流に対し横方向の連通孔の発生を抑制できるので、充填粒子１１による偏流抑制効果を高めることができる。
【００６９】
充填粒子１１の体積Ｖは、使用時においてガス処理剤層１０上面を覆う量であり、ガス処理剤の安息角が∠α、充填粒子１１の安息角が∠β、側壁７間の最大長さがＬ、充填層の使用時における水平方向の断面積がＳである場合、（数２）で表される。
【００７０】
【数２】
2017077530.tif 000004
これにより、最小限の量の充填粒子１１によりガス処理剤層１０を覆うことができるので、不純物除去器１の圧損を最小限に抑えることができる。
【００７１】
通気性シート１２は、柔軟性を有し、ガス処理剤層１０と充填粒子１１とを仕切るように配され、ガス処理剤層１０と充填粒子１１との混合を抑制する、通気性を有するシートであり、本実施の形態では柔軟な金網である。通気性シート１２はガス処理剤層１０の上面の変化に応じて上下方向に変形可能で、ガス処理剤層１０上面に形成される凹部を埋めるように構成されている。
【００７２】
図３は、本発明の実施の形態１における不純物除去器のガス処理剤層上面に凹部が発生した場合の内部粒子の状態を示す縦断面模式図である。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し、その重複する説明を省略する。
【００７３】
充填時の圧力や衝撃、あるいは、移送時の振動などによりガス処理剤に割れが発生すると、ガス処理剤が沈み、ガス処理剤層１０上面に凹部が形成される。ガス処理剤層１０上面に凹部が形成されると、ガス処理剤層１０上面の凹部は∠α１で安定する。その上面の凹部は柔軟性を持つ通気性シート１２が覆い、さらに充填粒子１１が通気性シート１２の上面の凹部を覆い、充填粒子１１の上面は∠α１より小さい∠β１で安定する。
【００７４】
この∠α１、∠β１は、ガス処理剤、充填粒子１１の安息角∠α、∠βより小さいが、∠α＞∠βの関係は保たれるので、ガス処理剤を単独で充填した場合に比べ、充填粒子１１とガス処理剤層１０を合わせた充填層の上面の凹部は小さくなる。
【００７５】
これにより、充填層の厚さはガス処理剤を単独で充填した場合に比べ、均一になり、偏流を抑制できる。また、充填粒子１１により形成された充填粒子層はガス処理剤層１０に比べ圧損が大きいので、ガス処理剤層１０の上面の凹部による偏流を少量の充填粒子１１で均一化することができる。
【００７６】
以上により、ガス処理剤層１０の上面に凹部が発生したとしても、ガス処理剤層１０中のガスの偏流を抑制できる。
【００７７】
これにより、ガス処理剤が不純物除去剤である不純物除去器１では、不純物除去剤量の低減が可能となる。不純物除去剤層中のガスの偏流を抑制できると、不純物除去剤に均一にガスが接触し、有効に使用されない不純物除去剤が減少する為、不純物除去器１の寿命の減少を抑制できる。
【００７８】
また、ガスの流速が均一化される為、偏流部における反応部の伸長を抑制でき、処理ガス中の不純物濃度の増加を抑制することができる。このため、不純物除去剤の搭載量を削減することができる。
【００７９】
また、不純物除去器１と同様の構造に構成された改質器２では、ガス処理剤である改質触媒の劣化抑制と改質触媒量の低減が可能となる。改質触媒は、原料中に微量に含まれる硫黄化合物により劣化するが、改質触媒層中のガスの偏流を抑制することにより、一部の改質触媒のみに硫黄化合物が偏析することが抑制される。
【００８０】
改質触媒の性能低下は硫黄化合物の蓄積量が一定以上に到達した際に影響が現れる為、改質触媒への硫黄化合物の偏析を抑制することにより、触媒の劣化を抑制することができる。また、改質触媒層中のガス流が均一化され、有効に使用される改質触媒量が増加するため、改質触媒量を低減することが可能となる。
【００８１】
また、不純物除去器１と同様の構造に構成されたＣＯ低減器３、ＣＯ除去器４、排ガス浄化器６では、ガス処理剤である触媒の劣化を抑制することが可能となる。これらの触媒は反応時に発熱するため、触媒層中のガスの偏流を抑制することにより、触媒層へのガスの流入が均一化され、触媒の局所過熱が抑制できる。
【００８２】
このため、触媒の劣化を抑制することが可能となる。また、触媒層中のガス流が均一化され、有効に使用される触媒量が増加するため、触媒量を低減することが可能となる。
【００８３】
本実施の形態における燃料電池システムは、上記の効果を持つ不純物除去器１、改質器２、ＣＯ低減器３、ＣＯ除去器４、排ガス浄化器６を備えている為、装置を輸送した際の振動で、ガス処理剤が割れた場合にもガスの偏流による影響が抑制される。
【００８４】
このため、ガス処理剤の劣化を抑制し、ガス処理剤の搭載量を削減できるので、長時間運転できる燃料電池システムを安価、かつ小型に構成することができる。さらに、ガス処理剤層１０の充填密度がバラついた場合においても、ガス処理剤と充填粒子１１を充填する充填部の容積を変化させる必要がなくなるため、製造工程が簡略化できる。
【００８５】
なお、本実施の形態では、上記の燃料電池システムの構成を用いたが、これに限るものでなく、下記のような構成を用いることができる。
【００８６】
原料ガスは、本実施の形態では天然ガスであるが、その他のガス、具体的には液化天然ガス、液化石油ガスなどであってもよい。
【００８７】
また、不純物除去器１は、本実施の形態では原料中の硫黄化合物を吸着、除去する脱硫器であるが、他の原料中の不純物を除去するものであっても良い。例えば、原料中の重質炭化水素を除去するため、活性炭をガス処理剤として用いた重質炭化水素除去器でも、原料中の酸素を除去する脱酸素剤を備えたガス処理剤として用いた脱酸素器であっても構わない。
【００８８】
また、不純物除去器１に必要な機器は適宜設けられる。例えば、ガス処理剤が、水素含有ガス中の水素と硫黄化合物を反応させて生成した硫化水素を吸着する水添脱硫剤である場合、水素含有ガスを供給する経路が設けられる。
【００８９】
また、改質器２は、本実施の形態では水蒸気改質反応を行う改質器２であるが、これに限るものではなく、例えば、オートサーマル反応や、部分酸化反応であっても構わない。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、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に加え、改質器に空気を供給する空気供給器が設けられる。
【００９０】
また、改質器２の内部の改質触媒は、本実施の形態ではＮｉを含む触媒であるが、水素含有ガスを生成する他の触媒でもよく、例えばＲｕ，Ｐｔ，Ｒｈなどを含む触媒を使用しても良い。
【００９１】
また、ＣＯ除去器４は、本実施の形態では酸素含有ガスとの酸化反応によりＣＯを除去する選択酸化触媒が充填されるが、ＣＯを除去できる触媒であれば良く、例えばメタン化反応によりＣＯを除去するメタン化触媒であってもよい。この場合、選択酸化触媒の場合に必要であった酸素含有ガス供給器は省略できる。
【００９２】
また、燃料電池５は、本実施の形態では固体高分子形燃料電池であったが、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、固体酸化物形燃料電池、またはリン酸形燃料電池であってもよい。
【００９３】
また、上仕切板８は、本実施の形態では、孔の開いたステンレススチールの板であったが、充填粒子１１より小さい孔が開いており、ガス処理剤の使用温度において溶けたり反応したりしない素材であれば良いので、例えば金網や樹脂スポンジなどを選択しても構わない。
【００９４】
また、下仕切板９は、本実施の形態では、孔の開いたステンレススチールの板であったが、ガス処理剤より小さな孔の開いた、ガス処理剤の使用温度において溶けたり反応したりしない素材を選択できる。また、ガス処理剤層１０を保持する為、使用条件下において変形しないものが好ましい。
【００９５】
また、充填粒子１１は、本実施の形態ではα−アルミナ粒子であるが、ガス処理剤と原料ガスの反応を阻害しない粒子であれば良く、石英粒、ステンレス球などが例示される。また、流通するガスの上流側、下流側のどちらに配置されてもよい。
【００９６】
また、充填粒子の圧損は（数１）で示したΔＰより大きい場合や小さい場合でも偏流抑制効果は得られるが、圧損がΔＰより大きい場合には、不純物除去器１の圧損が大きくなり、ΔＰより小さい場合には偏流抑制効果が小さくなるため、（数１）で示した条件に合致したものが好ましい。
【００９７】
また、充填粒子の搭載量が（数２）で示したＶより多い場合や少ない場合でも偏流抑制効果は得られるが、Ｖより多い場合は不純物除去器１の圧損が大きくなり、Ｖより少ない場合には偏流抑制効果が小さくなるため、搭載量は（数２）で示したＶであることが好ましい。
【００９８】
また、通気性シート１２は、本実施の形態では、柔軟な金網であるが、ガス処理剤の使用条件において、溶けたり反応したりしないものが選択可能であり、多孔性フッ素樹脂シートやセラミックペーパー、孔の開いたビニールシートであってもよい。また、通気性シート１２内を横方向にガスが流通することは好ましくない為、なるべく薄いものが好ましい。
【００９９】
（実施の形態２）
図４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を示すブロック図である。
【０１００】
図４において、燃料電池システム１１０は、燃料電池５と、排ガス浄化器６とを備え、原料ガスである純水素を用いて発電する燃料電池システムである。図４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し、その重複する説明を省略する。
【０１０１】
さらに、図５を用いて燃料電池システム１１０の排ガス浄化器６の構造を説明する。図５は、本発明の実施の形態２における排ガス浄化器の概略構造を示す縦断面図である。
【０１０２】
図５は、図４に示した排ガス浄化器６の詳細な構成を示すものであり、排ガス浄化器６は、側壁７と、上仕切板８と、下仕切板９と、ガス処理剤層１０と、充填粒子１１と、から構成されている。図５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。
【０１０３】
以上のように構成された燃料電池システム１１０について、以下その動作、作用を説明する。
【０１０４】
排ガス浄化器６は、上記のような構造に構成することにより、ガス処理剤層１０中の偏流を抑制できる為、ガス処理剤である酸化触媒の劣化を抑制することが可能となる。酸化触媒は反応時に発熱するため、触媒層中のガスの偏流を抑制することにより、触媒層へのガスの流入が均一化され、触媒の局所過熱が抑制できる。
【０１０５】
このため、触媒の劣化を抑制することが可能となる。また、触媒層中のガス流が均一化され、有効に使用される触媒量が増加するため、触媒量を低減することが可能となる。
【０１０６】
また、本実施の形態においては通気性シート１２を省略している。ガス処理剤層１０と充填粒子１１の充填密度のばらつきが小さく、充填粒子１１と上仕切板８との間の隙間が小さい場合、あるいは据え置き型の機器で横倒しや振動を受ける回数が少ない場合には、
ガス処理剤層１０と充填粒子１１とが混合する可能性が低いため、通気性シート１２を省略できる。
【０１０７】
通気性シート１２の柔軟性が不十分な場合、通気性シート１２とガス処理剤層１０、充填粒子１１とのそれぞれの界面に隙間が開くことがある。隙間が発生すると、ガスが隙間を通じて充填粒子１１の薄い部分に移動し偏流抑制効果が失われるが、通気性シート１２を省略することにより、この隙間の発生を抑制できる。
【０１０８】
これにより、偏流抑制効果を維持でき、同時にガス処理剤層１０と充填粒子１１を合わせた充填層の充填密度が向上し、充填層のサイズを小型化できる。また、構成部品が減少し、コストダウンが可能となる。
【０１０９】
本実施の形態における燃料電池システムは、上記の効果を持つ排ガス浄化器６を備えている為、装置を輸送した際の振動で、酸化触媒が割れた場合にもガスの偏流による影響を安価な構成で抑制できる。このため、酸化触媒の劣化を抑制し、ガス処理剤の搭載量を削減できるので、長時間運転できる燃料電池システムを安価、かつ小型に構成することができる。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、上記の燃料電池システムの構成を用いたが、これに限るものでなく、下記のような構成を用いることができる。
【０１１１】
原料ガスは、本実施の形態では、純水素であるが、その他の水素含有ガスであってもよい。また、原料ガスの漏洩を検知する為に水素含有ガス中に着臭成分が混合される場合など、燃料電池５の動作に影響する不純物が水素含有ガス中に含まれる場合、これを除去する為に、不純物除去器１を備えても良い。
【０１１２】
上記の説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の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】
【０１１３】
以上のように本発明におけるガス処理装置は、ガス処理剤の中を流れる流体の偏流の抑制が出来、ガス処理剤量を減少させることができ、また、寿命を延ばすことが可能となるので、燃料電池分野以外にも、脱臭フィルターなどのガスを流通させるもの、あるいは流体が液体である浄水器等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【０１１４】
１  不純物除去器
２  改質器
３  ＣＯ低減器
４  ＣＯ除去器
５  燃料電池
６  排ガス浄化器
７  側壁
８  上仕切板
９  下仕切板
１０  ガス処理剤層
１１  充填粒子
１２  通気性シート
１００  水素生成装置
１１０  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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