JP2013203615A - 水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で水添脱硫剤の全体の温度を均一化させ、水添脱硫剤の搭載量を最小限に抑えることができる水素生成装置を提供する。
【解決手段】水素生成器と内断熱材との間、及び、水添脱硫器と内断熱材との間、及び、水添脱硫器と外断熱材との間のうち少なくとも一つの間に気体が対流する対流部を設けることで、対流部内の気体は上下方向のみではなく周方向にも自由に対流することが可能となり、水添脱硫器の周方向の温度も均一化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料中に含まれ、水素生成装置に有害なイオウ化合物を除去する水添脱硫器を有する水素生成装置に係るものである。

燃料電池発電装置は、燃料電池と、燃料電池に水素を含んだ燃料ガスを供給する水素生成装置と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力へ変換するインバーター回路、およびそれらを制御する制御装置などによって構成されている。燃料電池には種々の方式が用いられているが、現在は固体高分子形の燃料電池が普及段階にある。また、水素生成装置に用いる水素生成器にも幾つかの方式があるが、原料となる炭化水素化合物と水蒸気を高温で触媒反応させて水素を得る水蒸気改質方式が高効率であるために主流となっている。なお、原料としては天然ガスからなる都市ガスや、ＬＰガス、灯油、バイオガスなどが使用されるが、これらの中には付臭剤として添加されたイオウ化合物、あるいは原料中に元々含まれていたイオウ化合物が混入している。これらのイオウ化合物は水素生成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、原料中のイオウ化合物は水素生成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。

脱硫装置としては現在、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、イオウ化合物を吸着する吸着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。一方、水添脱硫方式は、例えば特許文献１に示されているように、原料に水素を加えて約２００℃から３００℃に昇温された水添脱硫剤を充填した水添脱硫器に通過させることによりイオウ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剤に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剤の交換が不要であるという長所がある。

ここで、水添脱硫方式では水添脱硫剤を昇温する必要がある。そこで、水添脱硫器を水素生成装置内、あるいは水素生成装置近傍に配置することによって、水素生成装置で発生する熱により水添脱硫器を適切な動作温度まで加熱する構成が採用されている。例えば、特許文献１に開示された技術では、水添脱硫器を断熱材を介して改質部の周囲に配置することによって水添脱硫器を加熱昇温している。

特開２０１０−０５８９９５号公報

しかしながら、このような水添脱硫器では、昇温する際に水添温度が高すぎると水添脱硫剤が熱劣化してしまい、逆に水添温度が低すぎると吸着容量が低下するため水添脱硫剤量が多く必要となってしまう。上述の例では水添脱硫剤全体の温度を２５０℃から３００℃の温度差５０℃程度、あるいは可能であれば２７０℃から３００℃の温度差３０℃程度に維持する必要がある。

上記従来技術では改質触媒を流出して変成触媒へ流入する改質ガスの流路の周囲に水添脱硫器を配置しているが、各触媒層は反応に最適な温度に保持されているので、改質触媒を流出する改質ガスの温度は６００℃以上であり、変成触媒へ流入する改質ガスの温度は
３００℃以下となる。そのため改質触媒から変成触媒までの流路を流れる改質ガスの温度は、約６００℃以上から３００℃以下まで低下することになる。すなわち水添脱硫器は、断熱材を介して３００℃程度の温度差のある流路の周囲に配置されており、その結果として、改質触媒流出側の高温の改質ガス流路側の水添脱硫剤温度は高温になり、変成触媒流入側の低温の改質ガス流路側の水添脱硫剤温度は低温となる。そのために水添脱硫剤の全体の温度を上記のほぼ均一な温度に維持することができず、水添脱硫剤の搭載量を増やさざるを得ないという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で水添脱硫剤の全体の温度を均一化させ、水添脱硫剤の搭載量を最小限に抑えることができる水素生成装置を提供するものである。

上述の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、原料ガスから水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、前記原料ガスに含まれる硫黄化合物を水添脱硫により除去する水添脱硫剤を充填した水添脱硫器と、前記水素生成器と前記水添脱硫器を覆う外断熱材と、前記水素生成器と前記水添脱硫器との間に配置される内断熱材を備えている。そして、特に、前記水素生成器と前記内断熱材との間、及び、前記水添脱硫器と前記内断熱材との間、及び、前記水添脱硫器と前記外断熱材との間のうち少なくとも一つの間に気体が対流する対流部を設ける。

これにより、水素生成器の熱を水添脱硫器へ伝えて水添脱硫器の加熱昇温を行う際に、水素生成器の上流部と下流部との間で生じる温度差を対流部において緩和することができるため、水添脱硫器の全体の温度を均一化することができる。また、水添脱硫器の上部と下部で生じる温度差を対流部内の気体の対流によって緩和することができるため、水添脱硫器の全体の温度を均一化することができる。

また、前記水素生成器を円筒形状とし、前記水添脱硫器は、前記円筒形状の水素生成器の外側に配置された円筒形状であり、前記内断熱材は、前記円筒形状の水素生成器と前記円筒形状の水添脱硫器との間に配置され、前記気体対流部は前記水素生成器を中心として周方向につながった円筒形状とする。これにより、対流部内の気体は上下方向のみではなく周方向にも自由に対流することが可能となり、水添脱硫器の周方向の温度も均一化することができる。

また、前記対流部内を対流する気体を、脱硫前後の原料ガス、もしくは空気とする。これにより、新たに対流装置を用いることなく、簡単な構成で対流部を形成することができる。

本発明の技術を用いることにより、簡単な構成で水添脱硫剤の上下及び周方向の全体にわたって温度を均一化することができる。これによって、水添脱硫剤の搭載量を最小限に抑えることができ、小型で低コストの水素生成装置を得ることができる。

実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成図 図１のＡ−Ａ’における断面図 実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成図 実施の形態３に係る水素生成装置の概略構成図 実施の形態４に係る水素生成装置の概略構成図 実施の形態５に係る水素生成装置の概略構成図 実施の形態６に係る水素生成装置の概略構成図 実施の形態７に係る水素生成装置の概略構成図

（実施の形態１）
以下、本発明に係る水素生成装置の実施の形態について、図１を用いて説明する。

図１は、都市ガスを原料として水蒸気改質反応により水素を生成する本発明の実施の形態１における水素生成装置１の概略構成図である。流量調節して供給された原料の都市ガスは、原料供給配管２を通じて水添脱硫器３へ供給される。ここで水添脱硫器３は、外円筒壁３Ａとその内側にある円筒形状の隔壁２０によって区切られた空間に、酸化銅と酸化亜鉛からなる水添脱硫剤１９が充填されて構成されている。水添脱硫器３によって脱硫された原料は配管４から供給された改質水と混合され、配管５を通って蒸発器６へ送られる。原料と水蒸気との混合ガスは高温に加熱された改質触媒層７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。この改質ガスは折り返し流路８を通って変成触媒層９に入り、変成反応によって一酸化炭素濃度が低減される。その後、配管１０から供給された空気と混合され、選択酸化触媒層１１内で一酸化炭素が燃焼され、燃料ガスとして配管１２から取り出されて燃料電池１３へ供給される。なお、燃料電池１３で消費されなかった水素は配管１４を介してバーナー１５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。これらのうち、蒸発器６、改質触媒層７、折り返し流路８、変成触媒層９、選択酸化触媒層１１、バーナー１５の一体となった構成が水素生成器である。なお、バーナー１５で燃焼した排ガスは、配管１６を通じて排気される。図中、１７は水素生成装置１全体を覆う外断熱材、１８は水素生成器と水添脱硫器３の間に設けた内断熱材である。水添脱硫器３と内断熱材１８の間に対流部２１が構成されている。図中のＡ−Ａ’断面を図２に示した。水添脱硫器３、水添脱硫剤１９、および対流部２１も円環状に構成されている。

このように構成された水添脱硫器３の作用を以下に説明する。改質触媒層７下流部は６００℃以上の高温に加熱されているため、改質触媒層７を流出した改質ガスの温度も６００℃以上の高温状態にある。一方、変成触媒層の動作温度は２００℃から３００℃であるため、改質ガスは折り返し流路８内で保有する熱を改質触媒層７へ与えて冷却される。例えば、図１の折り返し流路８内の点Ｂの温度はおよそ５００℃、点Ｃの温度はおよそ４００℃程度となり、上下方向に１００℃程度の温度差がある。そのため、折り返し流路８に対して内断熱材１８を介して対向する水添脱硫剤１９内の点ｂと点ｃの位置も１００℃程度の温度差が生じてしまい、水添脱硫剤１９の充填量を増やさなければならない。そこで、本発明では、内断熱材１８と水添脱硫剤１９の間に対流部２１を設けている。対流部２１内には脱硫前の原料ガスが溜まっているが、対流部２１内の上下の位置、例えば点βの位置と点γの位置では同様に１００℃程度の温度差が生じている。しかし点βの位置の高温の原料ガスは対流により上昇し、逆に点γの位置の比較的低温の原料ガスは下降する。この対流作用によって水添脱硫剤１９の上下方向の温度が均一化され点ｂと点ｃの位置の温度差は大きく低減する。また、図２に示したように、対流部２１は周方向につながっているので、水添脱硫剤１９の周方向の温度差も低減できる。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における水素生成装置について、図３を用いて説明する。なお、図３において、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し説明を省略する。

図３に図示した実施の形態２と上述の図１の実施の形態１との違いは、隔壁２０−２によって隔てられた対流部２１−２内に滞留する原料ガスが脱硫後のものであるという点で
ある。図１の実施の形態では、対流部２１内に滞留する原料ガスが脱硫前のものであったが、対流部２１内のガスは新たに供給された原料ガスと幾分入れ替わり、対流部２１内に滞留していた原料ガスが水添脱硫剤１９へ供給される。その際、対流部２１内に滞留していた原料ガスは新たに供給された原料ガスよりも温度が高いため、水添脱硫剤１９へ供給されると水添脱硫剤１９内で温度分布を発生させてしまう。そこで、本実施の形態のように際、対流部２１内に滞留する原料ガスを脱硫後のものにすることによって、対流部２１内のガスが入れ替わってもその後、水添脱硫剤１９内へ供給されることがないので、水添脱硫剤１９内の温度分布を発生させてしまうという問題も生じない。

（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における水素生成装置について、図４を用いて説明する。図４においても、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し説明を省略する。

図４に図示した実施の形態３と前述の図１の実施の形態１との違いは、対流部２１−３内に滞留する気体を空気としたことである。対流部２１−３は水添脱硫器３の内筒２２と、この内筒２２よりも更に内側に設けた囲い板２３とによって囲まれた空間によって形成されている。このように構成することによって、前述の２つの実施の形態に比べて、水添脱硫器３の構成を簡単化することができる。

（実施の形態４）
以下に、本発明の実施の形態４における水素生成装置について、図５を用いて説明する。図５においても、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し説明を省略する。

図５に図示した実施の形態４と前述の図４の実施の形態３との違いは、図４の囲い板２３をなくし、対流部２１−４の空間を水添脱硫器３の内筒２２と内断熱材１８−２とに挟まれて形成された空間としたことである。なお、内断熱材１８−２は自立して形状を保持する整形された断熱材である。このように構成することによって、より一層構造を簡単化することができる。

（実施の形態５）
以下に、本発明の実施の形態５における水素生成装置について、図６を用いて説明する。図６においても、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し説明を省略する。

図６に図示した実施の形態５と前述の図５の実施の形態４との違いは、内断熱材１８−３の形状を、下方に厚く形成している点にある。これは、前述したように折り返し流路８内の温度は下方ほど高いことに対応して、下方ほど断熱効果を高くするための構成である。このように構成することによって、水添脱硫剤１９の下方の加熱を抑え、対流部２１−５による温度均一化効果と併せることによって、水添脱硫剤１９全体をより一層均一な温度とすることができる。

（実施の形態６）
以下に、本発明の実施の形態６における水素生成装置について、図７を用いて説明する。図７においても、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し説明を省略する。

図７に図示した実施の形態６と前述の図５の実施の形態４との違いは、対流部２１−６が水素生成器側に設けられている点である。対流部２１−６によって折り返し流路８内を
流れる改質ガスの温度が均一化され、それによって水添脱硫剤１９の温度も均一化される。

（実施の形態７）
以下に、本発明の実施の形態７における水素生成装置について、図８を用いて説明する。図８においても、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し説明を省略する。

図８に図示した実施の形態７と前述の図５の実施の形態４との違いは、対流部２１−７を水添脱硫剤１９と外断熱材１７の間に設けている点である。

対流部２１の位置は、図５の実施例４、図７の実施例６、および図８の実施例７のどの位置でも良く、またこれらを組み合わせた位置でも良い。

本発明の水素生成装置は、水添脱硫剤全体の温度分布を小さくすることができるので、水添脱硫剤の使用量を最小限に抑えることができる。

１ 水素生成装置
２ 原料供給配管
３ 水添脱硫器
６ 蒸発器
７ 改質触媒層
８ 折り返し流路
９ 変成触媒層
１１ 選択酸化触媒層
１３ 燃料電池
１５ バーナー
１７ 外断熱材
１８ 内断熱材
１９ 水添脱硫剤
２０ 隔壁
２１ 対流部

Claims (5)

1. 原料ガスから水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、
   前記原料ガスに含まれる硫黄化合物を水添脱硫により除去する水添脱硫剤を充填した水添脱硫器と、
   前記水素生成器と前記水添脱硫器を覆う外断熱材と、
   前記水素生成器と前記水添脱硫器との間に配置される内断熱材を備え、
   前記水素生成器と前記内断熱材との間、及び、前記水添脱硫器と前記内断熱材との間、及び、前記水添脱硫器と前記外断熱材との間、のうち少なくとも一つの間に気体が対流する対流部を設けた、
   水素生成装置。
2. 前記水素生成器は、円筒形状であり、
   前記水添脱硫器は、前記円筒形状の水素生成器の外側に配置された円筒形状であり、
   前記内断熱材は、前記円筒形状の水素生成器と前記円筒形状の水添脱硫器との間に配置され、
   前記対流部は前記水素生成器を中心として周方向につながった円筒形状である、
   請求項１記載の水素生成装置。
3. 前記対流部内を対流する気体が、脱硫前の原料ガスである、
   請求項１または２に記載の水素生成装置。
4. 前記対流部内を対流する気体が、脱硫後の原料ガスである、
   請求項１または２に記載の水素生成装置。
5. 前記対流部内を対流する気体が、空気である、
   請求項１または２に記載の水素生成装置。