JP2016130192A - 水素生成装置及び燃料電池システムとそれらの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水添脱硫器へ供給される原料ガスの温度を水添脱硫に好適な温度に予熱し、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】原料ガスと水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器５と、原料中に含まれる硫黄化合物を除去する水添脱硫器６を備える水素生成装置１００において、第１予熱流路９０１と第２予熱流路９０２から構成され水添脱硫器６へ原料ガスの少なくとも一部を予熱して供給するる予熱部９を備え、原料ガスの供給量に応じて第１予熱流路９０１と第２予熱流路９０２を流れる原料ガスの通流を制御することにより、水添脱硫器６へ供給される原料ガスの温度を水添脱硫に好適な温度に予熱し、水添脱硫剤全体の温度を均一化する。
【選択図】図１

Description

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とその運転方法に関するものである。

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。

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成分は、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。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る。

水添脱硫に用いる水添脱硫剤は、ＣｕＺｎ系、Ｎｉ系、ＣｏＭｏ系、ＺｎＯ系などが用いられ、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が、水添脱硫剤は、脱硫に適した温度、例えば２５０〜３００℃程度の高温状態に保つ必要がある。

このような水添脱硫器を備えた水素生成装置の一例として、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、改質器の上方に一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器の順で配置されている。

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、改質反応により水素を含有した改質ガスを生成する。改質ガスには副生成物として一酸化炭素が含まれるが、一酸化炭素は燃料電池の電池性能を著しく低下させるため、燃料電池へ供給する水素中の一酸化炭素の許容濃度は１０ｐｐｍ以下程度とする必要がある。

そのため、改質ガス中の一酸化炭素は、一酸化炭素変成器でのシフト反応により濃度１％程度以下にまで低減され、さらに一酸化炭素除去器での一酸化炭素選択酸化反応により濃度１０ｐｍｍ以下程度にまで低減、除去される。

これら改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器は、それぞれの触媒反応に適した温度となるように、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。

水添脱硫剤は水添脱硫に好適な温度、例えば２５０〜３００℃程度の温度、がある。水添脱硫剤の温度が好適な温度より高い場合は、水添脱硫剤が劣化して寿命が短くなる。また、水添脱硫剤の硫黄成分の吸着容量は温度と関係があり、その吸着容量は温度低下に伴い低下し、ある温度から急激に低下する。このため、水添脱硫剤の温度分布が広い程、必要な脱硫性能を維持するには、水添脱硫剤の搭載量を増加させる必要がある。

水添脱硫剤の温度を脱硫に好適な温度に保つには、水添脱硫器に供給される原料ガスは
脱硫に好適な温度に予熱された後、水添脱硫器へ送る必要がある。さらに、燃料電池を負荷変動させる場合には、負荷変動に対応して原料ガスの流量は変化するが、原料ガスの流量が変化する時にも水添脱硫器が脱硫に好適な温度に保つ必要がある。

燃料電池の負荷変動に対応して水添脱硫器の温度を制御する方法の一例として、例えば特許文献２に示される脱硫器の温度制御装置がある。図５は特許文献２に示される脱硫器の温度制御装置の改質器周りの構成を示すブロック図である。

図５に示すように、原燃料（原料ガス）は、原燃料供給系１２に設けられる原燃料予熱器９にて燃料改質器１から送出される改質ガスにより加熱され、脱硫器６へ供給される。また、原燃料供給系１２から分岐し、原燃料予熱器９をバイパスして原燃料供給系１２に合流するバイパス原燃料供給系２１を設け、流量調節弁２０によりバイパス原燃料供給系２１の原燃料の流量を調整している。

流量調節弁２０の制御は、脱硫器６に設けられた温度検出器２２での検出温度と脱硫に適切な所定温度の目標値の偏差から、温度調節器２３により制御され、原燃料予熱器９で昇温した原燃料と原燃料予熱器９をバイパスした原燃料とが混合して流入する脱硫器６の脱硫触媒の温度を、脱硫に適切な所定温度に制御している。

特開２０１０−５８９９５号公報 特開平９−７６１７号公報

しかしながら、従来の水素生成装置では、以下のような課題があった。すなわち、原料ガスの供給量が変動する場合においても、水添脱硫器に供給される原料ガスを水添脱硫に好適な一定の温度に予熱することである。

特許文献２に例示される水添脱硫器の温度制御装置では、水添脱硫器に設けられた温度検出器により検出された温度により、予熱器を通流する原料および予熱器をバイパスする原料の流量を調整し、水添脱硫器の温度が一定の範囲に収まるように制御しているが、水添脱硫器に流入する原料の温度を一定になるように制御していない。

図６を用いて、水添脱硫器に供給される原料ガスの温度が原料ガスの供給量により変化する場合の予熱流路から水添脱硫器中の原料ガスの温度変化を説明する。図６は従来の構成による水添脱硫器へ供給される原料ガスの温度変化を示す特性図である。

図６において、Ｔ１は原料ガスの供給量が少ない場合の原料ガスの温度分布であり、Ｔ２は原料ガスの供給量が多く、Ｔ１と同じ予熱流路を用いた場合の原料ガスの温度分布である。

Ｔ１に示すように、発電量が少なく、原料ガスの供給量が少ない状態で、脱硫剤の温度が好適な温度の上限に付近に保たれるように水添脱硫器を構成した場合は、Ｔ２に示すように、発電量が多く、原料ガスの供給量が多い状態では、原料ガスの供給量が少ない状態と同じ予熱流路を用いて予熱されると、原料ガスの供給量の増加分に相当する加熱量を与えることができず、水添脱硫器に供給される原料ガスの温度は低くなる。

水添脱硫器へ供給される原料ガスが低温の場合、水添脱硫器は供給される原料ガスより
高温でバランスがとれるように構成させているため、水添脱硫器の内部で原料ガスの温度は上昇し、水添脱硫器内で温度分布を持つことになる。このように水添脱硫器内の原料ガスの温度は原料ガスの供給量により変動することになる。

特許文献２に水添脱硫器の温度が一定となるように制御する方法が示されるが、図６中Ｔ３は特許文献２に示される制御方式により、原料ガスの供給量が多いケースに脱硫器の温度をほぼ一定となるように制御した場合の、予熱流路から脱硫器中の原料ガスの温度分布の一例である。

Ｔ３に示すように、脱硫器中の温度検出位置の温度が一定になるように制御しても、流入部等の原料ガスの温度は原料ガスの供給量により異なる温度となり、脱硫器内の温度は原料ガスの供給量により分布を持つことになる。

また、脱硫器に設けた温度検出器により検出された温度により、脱硫器の温度を制御するため、発電量の変動時には、先ず原料流量の変化が先行し、脱硫器へ供給される原料ガスの予熱温度が変化する。その後、脱硫器へ供給される原料ガスの温度変化により、脱硫器の温度が変化する。

よって、脱硫器の温度変化は原料流量の変化に対し時間遅れを生じる。脱硫器内の温度は制御遅れによる温度ばらつきを生じ、好適な温度範囲を超えた領域が生じ、原料ガスが十分に脱硫されずに改質器へ供給されることによる改質触媒の被毒や脱硫剤の劣化が促進される可能性がある。

以上のように、水添脱硫器に供給される原料の温度が一定でないため、脱硫剤全体の温度をより好適な均一の温度に維持することができず、水添脱硫器は脱硫剤の温度ばらつきを考慮した脱硫剤の量を搭載する必要があり、脱硫剤の容量を削減できないという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、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ができる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。

上記従来の課題を解決するために、本発明は、原料ガス及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器と、前記脱硫器へ前記原料ガスの少なくとも一部を予熱して供給する予熱部と、前記予熱部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給路と、前記予熱部と熱交換するように構成された予熱源と、制御器と、を備え、前記予熱部は、前記原料ガス供給路から分岐した複数の予熱流路から構成され、前記複数の予熱流路に流れる前記原料ガスの流量を変え、前記原料ガスが前記予熱部で加熱される加熱量を調整する流量調整部を備え、前記制御器は、前記原料ガスの供給量に応じて前記予熱部で加熱された原料ガスの温度が一定となるように前記複数の予熱流路への前記原料ガスの流量を調整するように水素生成装置を構成したのである。

このように、原料ガスの供給量に応じて複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整することにより、脱硫器へ供給する原料ガスの温度を調整することができ、脱硫器へ供給される原料ガスの温度を原料ガスの供給量の変化によらず一定とすることにより、脱硫器の温度を脱硫に適した温度に保つことができる。

本発明によれば、原料ガスの供給量の変動がある場合でも水添脱硫器へ適切な温度に予熱された原料ガスを水添脱硫器へ供給することができるため、水添脱硫剤はより均一で好適な温度に保たれ、脱硫剤の搭載量を最小限に抑えることができる。

本発明の実施の形態１による水素生成装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２による水素生成装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３による燃料電池システムの構成を示すブロック図 本発明による水添脱硫器へ供給される原料ガスの温度変化を示す特性図図 従来の脱硫器の温度制御装置の改質器周りの構成を示すブロック図 従来の構成による水添脱硫器へ供給される原料ガスの温度変化を示す特性図

第１の発明は、原料ガス及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器と、脱硫器へ原料ガスの少なくとも一部を予熱して供給する予熱部と、予熱部に原料ガスを供給する原料ガス供給路と、予熱部と熱交換するように構成された予熱源と、制御器と、を備え、予熱部は、原料ガス供給路から分岐した複数の予熱流路から構成され、複数の予熱流路に流れる原料ガスの流量を変え、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量を調整する流量調整部を備え、制御器は、原料ガスの供給量に応じて、複数の予熱流路への原料ガスの流量を調整する水素生成装置である。

このように、原料ガスの供給量に応じて複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、脱硫器部へ供給される原料ガスへの加熱量を調整することにより、脱硫器へ供給する原料ガスの温度を調整することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の制御器が、原料ガスの供給量が増加する場合は、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量が大きくなるように流量調整部を制御し、原料ガスの供給量が減少する場合は、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量が小さくなるように流量調整部を制御する、水素生成装置である。

このように、原料ガスの供給量に応じて複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整し、原料ガスの供給量が増加する場合は、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量を大きくし、原料ガスの供給量が減少する場合は、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量を小さくすることにより、原料ガスの供給量による脱硫器へ供給される原料ガスの温度変化を少なくすることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明いずれか１つの発明の制御器が、予熱部で加熱された原料ガスの温度が一定となるように流量調整部を制御する、水素生成装置である。

このように、原料ガスの供給量に応じて複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整することにより、脱硫器へ供給される原料ガスの温度を原料ガスの供給量の変化によらず一定とすることが可能となる。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明のいずれか１つの発明において、複数の予熱流路が、予熱源との熱交換量が異なるように構成された水素生成装置である。

このように、原料ガスの供給量に応じて複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、予熱源との熱交換量が異なるように構成することにより、それぞれの予熱流路で予熱される原料
ガスの温度の調整が容易になり、最小限の予熱流路の数で原料ガスの供給量の幅広い増減に対応して、脱硫器へ供給される原料ガスの加熱量を原料ガスの供給量により調整することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４の発明のいずれか１つの発明において、複数の予熱流路が、複数の予熱源と熱交換可能なように構成された水素生成装置である。

このように、複数の予熱流路をそれぞれ異なる予熱源と熱交換するように配置することにより、各予熱流路を通過後の原料ガスの温度上昇を容易に調整することができるため、原料ガスの供給量により、脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整することができる。

第６の発明は、特に、第１〜５の発明いずれか１つの発明において、複数の予熱流路の少なくとも一部が改質器の周囲に沿って配置された水素生成装置である。

このように、複数の予熱流路の少なくとも一部は改質器の周囲に沿って配置し、改質器を予熱源とすることにより、脱硫器へ供給される原料ガスは高温状態の改質器との熱交換により予熱し、原料ガスの供給量により、脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整することができる。

第７の発明は、特に、第１〜６の発明のいずれか１つの発明の水素生成装置と、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燃料電池システムである。

このように、水素生成装置の脱硫器へ搭載される脱硫剤の量を削減することができるため、小型低コストの燃料電池システムを構築することができる。

第８の発明は、原料ガス及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器と、脱硫器へ原料ガスの少なくとも一部を予熱して供給する予熱部と、予熱部に原料ガスを供給する原料ガス供給路と、予熱部と熱交換するように構成された予熱源と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、制御器と、を備え、予熱部は、原料ガス供給路から分岐した複数の予熱流路から構成され、複数の予熱流路に流れる原料ガスの流量を変え、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量を調整する流量調整部を備え、制御器は、燃料電池の発電量または原料ガスの供給量に応じて、複数の予熱流路への原料ガスの流量を調整する燃料電池システムである。

このように、燃料電池の発電量に応じて複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整することにより、脱硫器へ流入する原料ガスの温度を調整することができる。

第９の発明は、特に、第８の発明において、制御器は、燃料電池の発電量が所定の発電量以上の場合は、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量が大きくなるように流量調整部を制御し、燃料電池の発電量が所定の発電量未満の場合は、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量が小さくなるように流量調整部を制御する燃料電池システムである。

このように、燃料電池の発電量に応じて複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整し、燃料電池の発電量が増加し原料ガスの供給量が増加する場合は、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量が大きくなり、燃料電池の発電量が減少し原料ガスの供給量が減少する場合は、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量が小さくなるため、原料ガスの供給量による脱硫器へ供給される原料ガスの温度変化を少な
くすることができる。

第１０の発明は、特に、第８または第９の発明のいずれか１つの発明において、制御器が、予熱部で加熱された原料ガスの温度が一定となるように流量調整部を制御する燃料電池システムである。

このように、燃料電池の発電量に応じて複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整し、脱硫器へ供給される原料ガスの温度を原料ガスの供給量の変化によらず一定とすることにより、脱硫器の温度が脱硫に適した温度に保つことができる。

第１１の発明は、特に、第８〜１０の発明のいずれか１つの発明において、複数の予熱流路は、予熱源との熱交換量が異なるように構成した燃料電池システムである。

このように、燃料電池の発電量により複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、予熱源との熱交換量が異なるように構成することにより、それぞれの予熱流路で予熱される原料ガスの温度の調整が容易になり、最小限の予熱流路の数で原料ガスの供給量の幅広い増減に対応して、脱硫器へ供給される原料ガスの加熱量を原料ガスの供給量により調整することができる。

第１２の本発明は、特に、第８〜１１の発明のいずれか１つの発明において、複数の予熱流路が、複数の予熱源と熱交換可能なように構成された燃料電池システムである。

このように、複数の予熱流路をそれぞれ異なる予熱源と熱交換するように配置することにより、各予熱流路を通過後の原料ガスの温度上昇を容易に調整することができるため、原料ガスの供給量により、脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整することができる。

第１３の発明は、特に、第８〜１２の発明のいずれか１つの発明において、複数の予熱流路の少なくとも一部が改質器の周囲に沿って配置された燃料電池システムである。

このように、複数の予熱流路の少なくとも一部は改質器の周囲に沿って配置し、改質器を予熱源とすることにより、脱硫器へ供給される原料ガスは高温状態の改質器との熱交換により予熱することができる。

第１４の発明は、原料ガス及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器と、脱硫器へ原料ガスを予熱して供給する予熱部と、予熱部に原料ガスを供給する原料ガス供給路と、予熱部と熱交換するように構成された予熱源と、を備える水素生成装置の運転方法であって、予熱部は、原料ガス供給路から分岐した複数の予熱流路から構成され、原料ガスの供給量に応じて、複数の予熱流路に流れる原料ガスの流量を変え、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量を調整する水素生成装置の運転方法である。

このように、原料ガスの供給量により複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、原料ガスの供給量に応じて脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整することにより、脱硫器へ流入する原料ガスの温度を調整することができる。

第１５の発明は、原料ガス及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器と、脱硫器へ原料ガスを予熱して供給する予熱部と、予熱部に原料ガスを供給する原料ガス供給路と、予熱部と熱交換す
るように構成された予熱源と、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の運転方法であって、予熱部は、原料ガス供給路から分岐した複数の予熱流路から構成され、燃料電池の発電量または原料ガスの供給量に応じて、複数の予熱流路に流れる原料ガスの流量を変え、原料ガスが予熱部で加熱される加熱量を調整する燃料電池システムの運転方法である。

このように、燃料電池の発電量または原料ガスの供給量により複数の予熱流路へ原料ガスを分配させ、原料ガスの供給量に応じて脱硫器へ供給される原料ガスへの加熱量を調整することにより、脱硫器へ流入する原料ガスの温度を調整することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。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。

（実施の形態１）
炭化水素成分を含む原料ガスから水素を含有する改質ガスを生成する本発明による水素生成装置を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１による水素生成装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、水素生成装置１００は、可燃ガスを燃焼して発熱する燃焼器４と、燃焼器４により加熱され硫黄成分を脱硫された原料ガスと水蒸気の混合ガスを改質反応させて水素を含有した改質ガスを生成する改質器５と、改質器５により生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素低減器７と、改質器５に供給される原料ガスから硫黄成分を水添脱硫する水添脱硫器６と、原料ガスの少なくとも一部を予熱して水添脱硫器６へ供給する予熱部９と、原料ガス供給経路１２に配置された流量計２１により検知された原料ガスの供給量から予熱部９での原料ガスの加熱量を調整する予熱制御器２０から構成される。

予熱部９は、原料ガス供給経路１２から分岐した第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２から構成され、第２予熱流路９０２の上流に、第２予熱流路９０２を流れる原料ガスの流量を調整する流量調整弁９０３を備える。予熱制御器２０は、流量計２１により検出された原料ガスの供給量に応じて、流量調整弁９０３により第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２へ通流する原料ガスの流量を調整する。

図１の燃焼器４と改質器５、改質器５と水添脱硫器６、改質器５と予熱部９を結ぶ波線は、水素生成装置１００における熱の流れを表している。

改質器５は、可燃ガス経路１４から供給された可燃ガスを燃焼する燃焼器４により加熱され、水素生成に適した温度、例えば４００〜６００℃以上となるように、燃焼器４の周辺に配置される。

また、水添脱硫器６は、改質器５により加熱され、水添脱硫に適した温度、例えば２５０〜３００℃となるように、改質器５の周辺に配置される。原料ガスを予熱する第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２は、改質器５の周辺に配置され、高温の改質器５により加熱される。

原料ガス供給経路１２から供給された原料ガスは、予熱部９で水添脱硫に好適な温度となるように加熱され、水添脱硫器６へ供給される。水添脱硫器６は、原料ガスに付臭成分として含まれる硫黄化合物を除去し、脱硫された原料ガスは改質器５へ供給される。

改質器５は、水添脱硫器６により脱硫された原料ガスと改質水経路１７から供給された
改質水から、改質反応により水素を含有した改質ガスを生成する。改質ガスに副生成物として含まれる一酸化炭素は、燃料電池の性能を著しく劣化させるため、一酸化炭素低減器７により除去される。

供給される原料ガスの流量は、水素生成装置１００から供給された水素を用いて発電する燃料電池の出力範囲を満たす範囲で変動する。例えば、原料ガスの供給量が定格出力の３０〜１００％の範囲で変動するケースについて、以下に記載する。

第１予熱流路９０１は、原料ガスの供給量が負荷３０％相当時に、水添脱硫器６へ供給される原料ガスの温度が水添脱硫に好適な所定の温度となるように、改質器５と熱交換可能なように配置される。

第２予熱流路９０２は、原料ガスの供給量が負荷１００％相当時に、流量調整弁９０３を開放し、原料ガスが第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２を通流する時、水添脱硫器６の流入部での原料ガスの温度が水添脱硫に好適な所定の温度となるように、改質器５と熱交換可能なように配置される。

以上のように、原料ガスの少なくとも一部を予熱して水添脱硫器６へ供給する予熱部９が、原料ガス供給経路１２から分岐した第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２から構成され、第２予熱流路９０２の上流に、第２予熱流路９０２を流れる原料ガスの流量を調整する流量調整弁９０３を備え、予熱制御器２０は、流量計２１により検出された原料ガスの供給量に応じて、流量調整弁９０３により第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２へ通流する原料ガスの流量を調整する構成としたことにより、原料ガスの供給量が変動しても、流量調整弁９０３により第１予熱流路９０１、第２予熱流路９０２のそれぞれを通流する原料ガスの流量を調整することにより、水添脱硫器６の流入部での原料ガスの温度を制御することができる。

予熱制御器２０は、原料ガスの供給量と水添脱硫器の流入部での原料ガスの温度が水添脱硫に好適な所定の温度となる流量調整弁９０３の開度の関係を制御テーブルとして保持し、原料ガス供給経路１２に配置された流量計２１で検出された原料ガスの流量から予熱制御器２０は流量調整弁９０３の開度を制御する。

このように第１予熱流路９０１、第２予熱流路９０２を通流する原料ガスの流量を調整することにより、原料ガスの供給量が変動しても、水添脱硫器６の流入部での原料ガスの温度を水添脱硫に好適な所定の温度に保つことができる。

図６に従来の構成による水添脱硫器へ供給される原料ガスの温度変化を示したが、脱硫器中の温度検出位置の温度が一定になるように制御しても、流入部等の原料ガスの温度は原料ガスの供給量により異なる温度となり、脱硫器内の温度は原料ガスの供給量により分布を持つことになる。

図６において、Ｔ１は供給される原料ガスの流量が少ない場合の原料ガス温度、Ｔ２は供給される原料ガスの流量が多い場合の原料ガス温度、Ｔ３は供給される原料ガスの流量が多い場合に脱硫器の温度により温度制御した場合の原料ガス温度である。

Ｔ１に示すように、原料ガスの供給量が少ない状態で、脱硫剤の温度が好適な温度の上限に付近に保たれるように水添脱硫器を構成した場合は、Ｔ２に示すように、発電量が多く原料ガスの供給量が多い状態では、原料ガスの供給量が少ない状態と同じ予熱流路を用いて予熱されると、原料ガスの供給量の増加分に相当する加熱量を与えることができず、水添脱硫器に供給される原料ガスの温度は低くなる。

水添脱硫器へ供給される原料ガスが低温の場合、水添脱硫器は供給される原料ガスより高温でバランスがとれるように構成させているため、水添脱硫器の内部で原料ガスの温度は上昇し、水添脱硫器内で温度分布を持つことになる。このように水添脱硫器内の原料ガスの温度は原料ガスの供給量により変動する。

特許文献２に水添脱硫器の温度が一定となるように制御する方法が示されるが、図６中Ｔ３に示すように、脱硫器中の温度検出位置の温度が一定になるように制御しても、流入部等の原料ガスの温度は原料ガスの供給量により異なる温度となり、脱硫器内の温度は原料ガスの供給量により分布を持つことになる。

図４は本発明による水添脱硫器６へ供給される原料ガスの温度変化を示す特性図を示している。図４に示すように、本発明により、原料ガスの供給量に依らず水添脱硫器６流入部での原料ガスの温度は一定となるように原料ガスの予熱温度を制御することにより、水添脱硫器６の温度を脱硫に適した温度に保つことができる。

以上のように、原料ガスの供給量が変化した場合でも水添脱硫器６に流入する原料ガスの温度が水添脱硫に好適な温度を保つことが可能となり、水添脱硫器６全体の温度を均一化することができる。これにより、脱硫剤の搭載量を最小限に抑えた水素生成装置１００とその運転方法を得ることができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における水素生成装置のブロック図である。実施の形態２は、実施の形態１と同様に水素を生成するものである。なお、図２において、前述の実施の形態１と同一構成には同一符号を付与している。

実施の形態２と実施の形態１との違いは、原料ガスの供給量が予め設定された複数の値に制限され、予熱制御器２０は制御弁９０４の開閉を制御し、第２予熱流路９０２の原料ガスの通流を制御する構成となることである。

例えば、原料ガスの供給量が定格出力の５０％と１００％の値となるケースについて、以下に記載する。

第１予熱流路９０１は、原料ガスの供給量が負荷５０％相当時に、予熱流路２を通過後の原料ガスの温度が水添脱硫に好適な所定の温度となるように配置される。第２予熱流路９０２は、原料ガスを第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２を通流させる時、水添脱硫器６の流入部での原料ガスの温度が水添脱硫に好適な所定の温度となるように配置される。

予熱制御器２０は、流量計２１で検出された原料ガスの流量が、原料ガスの供給量が定格出力の５０％と１００％の間の所定の流量以上の場合は、制御弁９０４を閉じ、原料ガスの供給量が定格出力の５０％と１００％の間の所定の流量未満の場合は、制御弁９０４を開く。

原料ガスの供給量が定格出力の５０％に相当する場合は、制御弁９０４は閉じた状態となり、原料ガスは第２予熱流路９０２を通流せず、第１予熱流路９０１のみを通流して予熱されるため、水添脱硫器６の原料ガス流入部での原料ガスの温度は水添脱硫に好適な所定の温度となる。

原料ガスの供給量が定格出力の１００％に相当する場合には、制御弁９０４は開いた状
態となり、原料ガスは第１予熱流路９０１と第２予熱流路９０２を通流して予熱されるため、水添脱硫器６の流入部での原料ガスの温度は水添脱硫に好適な所定の温度となる。

なお、実施の形態２において例示した原料ガスの供給量が定格出力の５０％と１００％の値となるケースでは、第１予熱流路９０１と第２予熱流路９０２の予熱源である改質器５との熱交換量は等しくなるように予熱流路は配置されるが、例えば原料ガスの供給量が定格出力の３０％と１００％の値となるケースでは、予熱流路通過後の原料ガスの温度が所定の温度となるように、第１予熱流路９０１と第２予熱流路９０２での予熱源との熱交換量は異なるように配置される。

また、２つ以上複数の原料ガスの供給量に対応するために、２つ以上の予熱流路を配置し、それぞれの予熱流路の原料ガスの通流を制御しても良い。

以上のように、原料ガスの少なくとも一部を予熱して水添脱硫器６へ供給する予熱部９が、原料ガス供給経路１２から分岐した第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２から構成され、第２予熱流路９０２の上流に、第２予熱流路９０２を開閉する制御弁９０４を備え、予熱制御器２０は、流量計２１により検出された原料ガスの供給量に応じて、制御弁９０４を開閉する構成としたことにより、原料ガスの供給量が変動しても、水添脱硫器６の流入部での原料ガスの温度が水添脱硫に好適な所定の温度に調整することが可能となり、水添脱硫器６全体の温度を水添脱硫に好適な所定の温度とすることができ、水添脱硫器６全体の温度を均一化することができる。これにより、脱硫剤の搭載量を最小限に抑えた水素生成装置１００とその運転方法を得ることができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における燃料電池システムについて、図３を用いて説明する。図３は実施の形態３における燃料電池システムを示すブロック図である。

図３に示すように、実施の形態３に係る燃料電池システム５００は、水素生成装置１００と、燃料電池４００を備える。

実施の形態３における水素生成装置１００と実施の形態１または実施の形態２の水素生成装置１００との違いは、予熱制御器２０が原料ガスの供給量ではなく、燃料電池４００の発電量に応じて、水添脱硫器６へ供給される原料ガスの温度を制御することである。

燃料電池４００は、水素生成装置１００により生成された水素を含有する改質ガスと発電用空気供給経路１８から供給された空気から発電する。燃料電池４００から排出された発電に使用されなかった水素を含むオフガスは、オフガス供給経路１９より燃焼器４へ供給され、燃焼器４にて可燃ガスとして使用される。

燃料電池４００は、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池であれば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池など、いずれの燃料電池でも構わない。

水素生成装置１００の構成について、予熱制御器２０の制御方法以外は実施の形態１と同様のケースについて、以下に記載する。

原料ガスを予熱する予熱部９は、原料ガス供給経路１２から分岐した第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２から構成される。第２予熱流路９０２に流れる原料ガスの流量は流量調整弁９０３により調整可能であり、予熱制御器２０は、燃料電池４００の発電量に応じて流量調整弁９０３の開度を調整する。

水素生成装置１００に供給される原料ガスの流量は、燃料電池４００の出力範囲を満たす範囲で変動する。例えば、原料ガスの供給量が燃料電池４００の定格出力の３０〜１００％の範囲で変動するケースについて、以下に記載する。

予熱制御器２０は、燃料電池４００の発電量と水添脱硫器６の流入部での原料ガスの温度が水添脱硫に好適な所定の温度となる流量調整弁９０３の開度の関係を制御テーブルとして保持し、燃料電池４００の発電量から予熱制御器２０は、流量調整弁９０３の開度を調整する。

このように流量調整弁９０３により第１予熱流路９０１、第２予熱流路９０２を通流する原料ガスの流量を調整することにより、原料ガスの供給量が変動しても、水添脱硫器６の流入部での原料ガスの温度を水添脱硫に好適な所定の温度に保つことができる。

なお、本実施の形態３では予熱制御器２０は燃料電池４００の発電量の値を用いて、流量調整弁９０３を制御したが、本実施の形態１と同様に原料ガスの供給量から流量調整弁９０３を制御しても良い。

以上のように、原料ガスの少なくとも一部を予熱して水添脱硫器６へ供給する予熱部９が、原料ガス供給経路１２から分岐した第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２から構成され、第２予熱流路９０２の上流に、第２予熱流路９０２を流れる原料ガスの流量を調整する流量調整弁９０３を備え、予熱制御器２０は、燃料電池４００の発電量に応じて、流量調整弁９０３により第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２へ通流する原料ガスの流量を調整する構成としたことにより、燃料電池４００の発電量を変え、原料ガスの供給量が変化した場合でも水添脱硫器６に流入する原料ガスの温度が水添脱硫に好適な温度を保つこつが可能となる。

これにより、水添脱硫器６全体を水添脱硫に好適な所定の温度とすることができ、脱硫剤の搭載量を最小限に抑えた水素生成装置１００及びそれを用いた燃料電池システムとその運転方法を得ることができる。

なお、実施の形態１から実施の形態３では、予熱流路として第１予熱流路９０１および第２予熱流路９０２の２つの流路に分岐する構成を例示したが、予熱流路は２つ以上の複数の流路に分岐しても良く、これに限定されるものではない。

また、実施の形態１から実施の形態３では、原料ガスを予熱する予熱源として改質器５を用いる構成を例示したが、原料ガスの予熱源として改質器５から排出される排ガスを利用する等、複数の予熱源を用いても良く、これに限定されるものではない。

また、複数に分岐した予熱流路を通流する原料ガスは、水添脱硫器６に流入前に合流させ、合流した原料ガスの温度が脱硫に好適な温度に保つように制御できるため、複数の予熱流路の内、予熱源により原料ガスを加熱しない流路があっても良い。

また、本実施の形態での脱硫方式として、水添脱硫方式を用いて説明したが、脱硫器の温度を一定の範囲内に保つことが必要な脱硫方式であれば、これに限定されるものではない。

以上のように、本発明の水素生成装置は、原料ガスの供給量が変動しても、水添脱硫器の流入部での原料ガスの温度を水添脱硫に好適な所定の温度に保ち、脱硫剤全体の温度分布を小さくすることができるため、脱硫剤の搭載量を最小限に抑えることができる。した
がって、家庭用の燃料電池システムに好適である。

４ 燃焼器
５ 改質器
６ 水添脱硫器
７ 一酸化炭素低減器
９ 予熱部
１２ 原料ガス供給経路
１４ 可燃ガス経路
１７ 改質水経路
１８ 発電用空気供給経路
１９ オフガス供給経路
２０ 予熱制御器
２１ 流量計
９０１ 第１予熱流路
９０２ 第２予熱流路
９０３ 流量調整弁
９０４ 制御弁
１００ 水素生成装置
４００ 燃料電池
５００ 燃料電池システム

Claims (15)

1. 原料ガス及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器と、
   前記脱硫器へ前記原料ガスの少なくとも一部を予熱して供給する予熱部と、
   前記予熱部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給路と、
   前記予熱部と熱交換するように構成された予熱源と、
   制御器と、
   を備え、
   前記予熱部は、前記原料ガス供給路から分岐した複数の予熱流路から構成され、前記複数の予熱流路に流れる前記原料ガスの流量を変え、前記原料ガスが前記予熱部で加熱される加熱量を調整する流量調整部を備え、
   前記制御器は、前記原料ガスの供給量に応じて、前記複数の予熱流路への前記原料ガスの流量を調整する、
   水素生成装置。
2. 前記制御器は、前記原料ガスの供給量が増加する場合は、前記原料ガスが前記予熱部で加熱される加熱量が大きくなるように前記流量調整部を制御し、前記原料ガスの供給量が減少する場合は、前記原料ガスが前記予熱部で加熱される加熱量が小さくなるように前記流量調整部を制御する、
   請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記制御器は、前記予熱部で加熱された原料ガスの温度が一定となるように前記流量調整部を制御する、
   請求項１または２に記載の水素生成装置。
4. 前記複数の予熱流路は、前記予熱源との熱交換量が異なるように構成された、
   請求項１から３のいずれか１つに記載の水素生成装置。
5. 前記複数の予熱流路は、複数の予熱源と熱交換可能なように構成された、
   請求項１から４のいずれか１つに記載の水素生成装置。
6. 前記複数の予熱流路の少なくとも一部は改質器の周囲に沿って配置された、
   請求項１から５のいずれか１つに記載の水素生成装置。
7. 請求項１から６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る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。
8. 原料ガス及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器と、
   前記脱硫器へ前記原料ガスの少なくとも一部を予熱して供給する予熱部と、
   前記予熱部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給路と、
   前記予熱部と熱交換するように構成された予熱源と、
   前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
   制御器と、
   を備え、
   前記予熱部は、前記原料ガス供給路から分岐した複数の予熱流路から構成され、前記複数の予熱流路に流れる前記原料ガスの流量を変え、前記原料ガスが前記予熱部で加熱される加熱量を調整する流量調整部を備え、
   前記制御器は、前記燃料電池の発電量に応じて、前記複数の予熱流路への前記原料ガスの流量を調整する、
   燃料電池システム。
9. 前記制御器は、前記燃料電池の発電量が所定の発電量以上の場合は、前記原料ガスが前記予熱部で加熱される加熱量が大きくなるように前記流量調整部を制御し、前記燃料電池の発電量が所定の発電量未満の場合は、前記原料ガスが前記予熱部で加熱される加熱量が小さくなるように前記流量調整部を制御する、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御器は、前記予熱部で加熱された原料ガスの温度が一定となるように前記流量調整部を制御する、
    請求項８または９に記載の燃料電池システム。
11. 前記複数の予熱流路は、前記予熱源との熱交換量が異なるように構成された、
    請求項８から１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
12. 前記複数の予熱流路は、複数の予熱源と熱交換可能なように構成された、
    請求項８から１１のいずれか１つ記載の燃料電池システム。
13. 前記複数の予熱流路の少なくとも一部は改質器の周囲に沿って配置された、
    請求項８から１２のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
14. 原料ガス及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器と、
    前記脱硫器へ前記原料ガスを予熱して供給する予熱部と、
    前記予熱部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給路と、
    前記予熱部と熱交換するように構成された予熱源と、
    を備える水素生成装置の運転方法であって、
    前記予熱部は、前記原料ガス供給路から分岐した複数の予熱流路から構成され、
    前記原料ガスの供給量に応じて、前記複数の予熱流路に流れる前記原料ガスの流量を変え、前記原料ガスが前記予熱部で加熱される加熱量を調整する、
    水素生成装置の運転方法。
15. 原料ガス及び水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器と、
    前記脱硫器へ前記原料ガスを予熱して供給する予熱部と、
    前記予熱部に前記原料ガスを供給する原料ガス供給路と、
    前記予熱部と熱交換するように構成された予熱源と、
    前記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の運転方法であって、
    前記予熱部は、前記原料ガス供給路から分岐した複数の予熱流路から構成され、
    前記燃料電池の発電量または前記原料ガスの供給量に応じて、前記複数の予熱流路に流れる前記原料ガスの流量を変え、前記原料ガスが前記予熱部で加熱される加熱量を調整する、
    燃料電池システムの運転方法。

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