JP2017077980A - 水素生成装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設置される地域に応じて必要な脱硫剤を反応容器に充填した場合に、脱硫剤量が少なくても良い地域において、脱硫剤の充填長が設計の下限値よりも短くならず、脱硫剤量が多く必要な地域において、脱硫剤の全部を反応容器に充填できる水素生成装置を提供する。
【解決手段】下流側仕切板４４が配置される箇所の側壁４２の流路断面積が、上流側仕切板４３が配置される箇所の流路断面積よりも小さくなるように形成され、脱硫剤５の充填量が少ない時には上流側仕切板４３を下流側に、脱硫剤５の充填量が多い時には上流側仕切板４３を上流側にそれぞれ配置するので、必要な脱硫剤量が異なっても、水添脱硫器４の寸法を共通にでき、水素生成装置１を低コスト化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素化合物を原料として水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池に燃料ガスを供給する水素生成装置と及びその製造方法に関するものである。

近年、小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池発電システムは、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。そこで、都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料を利用し、それらの原料と水蒸気（水）との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が併設される。

一般的に水素生成装置は、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。また、水素含有ガス中のＣＯを低減させるＣＯ低減部となる、ＣＯと水蒸気を水性ガスシフト反応させる変成部、およびＣＯを酸化させる選択酸化部を設ける構成がとられることが多い。

それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはＲｕ触媒やＮｉ触媒、変成部にはＣｕ−Ｚｎ触媒、選択酸化部にはＲｕ触媒等が用いられている。また、各反応部には適した温度があり、改質部は６５０℃程度、変成部は２００℃程度、選択酸化部は１５０℃程度で使用されることが多い。

なお、都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料には付臭剤として添加された硫黄化合物、あるいは原料中に元々含まれていた硫黄化合物が混入している。これらの硫黄化合物は改質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、原料中の硫黄化合物は改質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、硫黄化合物を吸着する吸着脱硫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、原料に水素を加えて約２２０℃から３２０℃に昇温された水添触媒を充填した水添脱硫器に通過させることにより硫黄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脱硫剤にて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脱硫剤の交換が不要であるという長所がある。

さて、改質器、ＣＯ低減器、水添脱硫器の各々を燃焼器の周りに同心円筒状に配設する水素生成装置において、改質器、ＣＯ低減器、水添脱硫器は、それぞれの内筒と外筒との間に形成される円筒状空間内に設計上必要な量の触媒が充填されている（例えば、特許文献１参照）。

水添脱硫器に充填する脱硫剤量は、その水素生成装置を搭載した燃料電池ユニットが設置される地域における原料中に含まれる付臭剤として添加された硫黄化合物、あるいは原料中に元々含まれていた硫黄化合物の濃度に応じて決まる。

特開２０１４−１８１１５１号公報

しかしながら、上記従来の構成では、燃料電池ユニットが設置される地域に応じて必要な脱硫剤量を寸法が共通の水添脱硫器へ充填したときに、脱硫剤量が少なくても良い地域においては脱硫剤の充填長が短くなり、設計の下限値を下回るという課題を有していた。逆に脱硫剤量が多く必要な地域においては、脱硫剤の充填長が長くなり、必要な脱硫剤が水添脱硫器に入りきら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、脱硫剤量が少なくても良い地域においては、脱硫剤の充填長が設計の下限値よりも短くならず、逆に脱硫剤量が多く必要な地域においては、脱硫剤の充填長が長くなることを抑制して必要な脱硫剤全量を水添脱硫器へ充填することができる。脱硫剤量が少ない地域でも多い地域でも、水添脱硫器の寸法は共通である水素生成装置を、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、本発明の水素生成装置は、ガス流路に脱硫剤を収納する反応容器を備え、反応容器は、ガス流路を形成する側壁と、ガスの流れ方向に間隔を開けてガス流路を上流側と下流側とに仕切るように側壁にそれぞれ配置される通気性の上流側仕切板及び下流側仕切板と、で構成され、側壁は、下流側仕切板が配置される箇所の側壁の流路断面積が、上流側仕切板が配置される箇所の側壁の流路断面積よりも小さくなるように形成され、反応容器に収納する脱硫剤の充填量に応じて上流側仕切板の配置位置を変更可能なように構成したものである。

これによって、充填する脱硫剤が少ない場合には、流路断面積が小さい部分の空間と、流路断面積が大きい部分の空間のうち、上流側仕切板の位置を下流側に調整することで得られる空間に充填することにより、脱硫剤は主に流路断面積が小さい部分の空間に充填されるので、脱硫剤の充填長が設計の下限値よりも短くなることを防ぐことができる。

逆に充填する脱硫剤が多い場合には、流路断面積が小さい部分の空間と、流路断面積が大きい部分の空間のうち、上流側仕切板の位置を上流側に調整することで得られる空間に充填することにより、脱硫剤は主に流路断面積が大きい部分の空間に充填されるので、多くの脱硫剤量を充填しても、上流側仕切板の移動量は小さくなり、充填長が長くなることを抑制することができる。

その結果、脱硫剤量が少ない地域でも多い地域でも、反応容器である水添脱硫器の寸法は共通である水素生成装置を、提供することができる。

本発明の水素生成装置は、設置される地域により原料中に含まれる付臭剤として添加された硫黄化合物、あるいは原料中に元々含まれていた硫黄化合物の濃度が異なり搭載する脱硫剤量が異なっても、脱硫剤を充填する反応容器である水添脱硫容器は共通にできるので、水添脱硫容器を含む水素生成装置のコストを低減できる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略縦断面図 本発明の実施の形態１における水素生成装置で脱硫剤が少ない場合の概略縦断面図 本発明の実施の形態１における水素生成装置で脱硫剤が多い場合の概略縦断面図

第１の発明は、ガス流路に脱硫剤または触媒を収納する反応容器を備えた水素生成装置であって、反応容器は、ガス流路を形成する側壁と、ガスの流れ方向に間隔を開けてガス流路を上流側と下流側とに仕切るように側壁にそれぞれ配置される通気性の上流側仕切板及び下流側仕切板と、で構成され、側壁は、下流側仕切板が配置される箇所の側壁の流路断面積が、上流側仕切板が配置される箇所の側壁の流路断面積よりも小さくなるように形成され、反応容器に収納する脱硫剤または触媒の充填量に応じて上流側仕切板の配置位置を変更可能に構成されている、水素生成装置としたものである。

これによって、充填する脱硫剤の量が少ない場合には、流路断面積が小さい部分の空間と、流路断面積が大きい部分の空間のうち、上流側仕切板の位置を下流側に調整することで得られる空間に充填することにより、触媒は主に流路断面積が小さい部分の空間に充填されるので、脱硫剤の充填長が設計の下限値よりも短くなることを防ぐことができる。

また、逆に、充填する脱硫剤の量が多い場合には、流路断面積が小さい部分の空間と、流路断面積が大きい部分の空間のうち上流側仕切板の位置を上流側に調整したときに得られる空間に充填することにより、脱硫剤は主に流路断面積が大きい部分の空間に充填されるので、多くの脱硫剤量を充填しても、上流側仕切板の移動量が小さくなり、充填長が長くなることを抑制して必要な脱硫剤全量を充填することができる。

その結果、設置地域によらず反応容器である水添脱硫器の寸法を共通にできるので、水添脱硫器を含む水素生成装置のコストを低減できる。

第２の発明は、ガス流路に脱硫剤または触媒を収納する反応容器を備え、反応容器を、ガス流路を形成する側壁と、ガスの流れ方向に間隔を開けてガス流路を上流側と下流側とに仕切るように側壁にそれぞれ配置される通気性の上流側仕切板及び下流側仕切板と、で構成した、水素生成装置の製造方法であって、側壁は、下流側仕切板が配置される箇所の側壁の流路断面積が、上流側仕切板が配置される箇所の側壁の流路断面積よりも小さくなるように形成し、反応容器に収納する脱硫剤または触媒の充填量に応じて、充填量が相対的に多い場合の上流側仕切板の配置位置を、充填量が相対的に少ない場合の上流側仕切板の配置位置よりもガスの流れ方向の上流側にする、水素生成装置の製造方法である。

この方法により、充填する脱硫剤の量が少ない場合には、流路断面積が小さい部分の空間と、流路断面積が大きい部分の空間のうち、上流側仕切板の位置を下流側に調整することで得られる空間に充填することにより、脱硫剤は主に流路断面積が小さい部分に充填されるので、脱硫剤の充填長が設計の下限値よりも短くなることを防ぐことができる。

また、逆に、充填する脱硫剤の量が多い場合には、流路断面積が小さい部分の空間と、流路断面積が大きい部分の空間のうち上流側仕切板の位置を上流側に調整したときに得られる空間に充填することにより、脱硫剤は主に流路断面積が大きい部分の空間に充填されるので、多くの脱硫剤量を充填しても、上流側仕切板の移動量が小さくなり、充填長が長くなることを抑制して必要な脱硫剤全量を充填することができる。

その結果、設置地域によらず反応容器である水添脱硫器の寸法を共通にできるので、コストを低減した水素生成装置を製造することが可能となる。

以下、本発明に係る水素生成装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する
が、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。

（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縦断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における水素生成装置で脱硫剤が少ない場合の概略縦断面図である。また、図３は、本発明の実施の形態１における水素生成装置で脱硫剤が多い場合の概略縦断面図である。

本実施の形態の水素生成装置１において、流量調節して供給された原料ガスは、配管３を通じて、水素添加配管２から添加される少量の水素とともに、脱硫剤５が充填された反応容器である水添脱硫器４へ供給される。

水添脱硫器４によって硫黄化合物が除去された原料ガスは、第２配管６を通って、水配管７から供給された改質水と混合され、混合配管８を通って蒸発器９へ送られる。原料ガスと水蒸気との混合ガスは改質器１０内の高温に加熱された改質触媒層１１によって水蒸気改質反応を生じて、水素とＣＯとＣＯを含む改質ガスに変化する。

この改質ガスは改質ガス流路１２を通って、ＣＯ低減器１３内のＣＯ低減触媒層１４に入り、一酸化炭素濃度が低減されて燃料ガスとして燃料配管１７から取り出されて、水素生成装置１の外部へ出で行く。水素生成装置１から出た燃料ガスは燃料電池（図示せず）へ供給される。

燃料電池で消費されなかった水素はオフガスとして再び水素生成装置１に戻り、燃焼器２０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。燃焼器２０で燃焼した排ガスは、排ガス配管２１を通じて排気される。

水添脱硫器４は、改質器１０の外側に設けられ、ガス流路４１を形成する側壁４２と、ガスの流れ方向に間隔を開けてガス流路４１を上流側と下流側とに仕切るように側壁４２にそれぞれ配置される通気性の上流側仕切板４３及び下流側仕切板４４、及び下部と上部のそれぞれの蓋で構成される。

脱硫剤５は、ガス流路４１途中における、下流側仕切板４４と上流側仕切板４３との間に充填されている。改質器１０及び水添脱硫器４の外郭部にはブロック状の外断熱材３０が設置されている。

本実施の形態の水素生成装置１は、ガス流路４１に脱硫剤５を収納する反応容器としての水添脱硫器４を備え、水添脱硫器４は、ガス流路４１を形成する側壁４２と、ガスの流れ方向に間隔を開けてガス流路４１を上流側と下流側とに仕切るように側壁４２にそれぞれ配置される通気性の上流側仕切板４３及び下流側仕切板４４と、で構成される。

側壁４２は、下流側仕切板４４が配置される箇所の側壁４２の流路断面積が、上流側仕切板４３が配置される箇所の側壁４２の流路断面積よりも小さくなるように形成され、水添脱硫器４に収納する脱硫剤５の充填量に応じて上流側仕切板４３の配置位置を変更可能に構成されている。

以上のように構成された水素生成装置１について、以下その動作、作用を説明する。

まず、水添脱硫器４内の脱硫剤５は、上流側仕切板４３と下流側仕切板４４の間に充填される。

側壁４２は、下流側仕切板４４が配置される箇所の側壁４２の流路断面積が、上流側仕切板４３が配置される箇所の側壁４２の流路断面積よりも小さくなるように形成され、水添脱硫器４に充填する脱硫剤５の充填量に応じて上流側仕切板４３の配置位置を変更することができる。

図２に示すように、充填する脱硫剤５の量が少ない場合には、水添脱硫器４内の流路断面積が小さい部分の空間と、流路断面積が大きい部分の空間のうち、上流側仕切板４３の位置を下流側に調整することで得られる空間に充填することができる。従って、脱硫剤５は主に流路断面積が小さい部分の空間に充填されるので、脱硫剤の充填長が設計の下限値よりも短くなることを防ぐことができる。

図３に示すように、充填する脱硫剤５の量が多い場合には、流路断面積が小さい部分の空間と、流路断面積が大きい部分の空間のうち、上流側仕切板４３の位置を上流側に調整したときに得られる空間に充填することができる。従って、脱硫剤５は主に流路断面積が大きい部分に充填されるので、多くの脱硫剤量を充填しても、上流側仕切板の移動量が小さくなり充填長が長くなることを抑制して必要な脱硫剤全量を充填することができる。

その結果、脱硫剤量が少ない地域でも多い地域でも、水添脱硫器４の寸法を共通にできるので、水添脱硫器４を製造する時の金型や冶具は数種類設ける必要はなくなり、水添脱硫器４の部品コストを抑えることができるとともに、水添脱硫器４の製造方法を標準化できるので水添脱硫器の製造コストを抑えることもできる。

また、水添脱硫器４の寸法が同じなので、水添脱硫器４の外側に構成される外断熱材３０の寸法も共通にすることができる。これにより、外断熱材３０の部品コストを抑えることができるとともに、水添脱硫器４及び外断熱材３０を含む水素生成装置１の製造方法を標準化できるので水素生成装置１の製造コストも抑えることができる。

また、本実施の形態の水素生成装置１は、脱硫剤５の充填量に応じて、充填量が相対的に多い場合の上流側仕切板４３の配置位置を、充填量が相対的に少ない場合の上流側仕切板４３の配置位置よりもガスの流れ方向の上流側に配置するといった単純な作業により、脱硫剤５の量を容易に変更することができる。

その結果、脱硫剤量が少ない地域向けであっても多い地域向けであっても、水添脱硫器４の寸法は共通である水素生成装置１を容易に製造することが可能となる。

なお、脱硫剤５は水添脱硫剤に限らず、吸着脱硫剤または脱硫触媒であっても良い。

また、脱硫剤５の充填量が少ない場合に上流側仕切板４３と下流側仕切板４４の両方とも流路断面積が小さい部分に配置する構成や、流路断面積が大きい部分の空間において断面積が段階的あるいは連続的に変化する構成であっても本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

以上のように、本発明の水素生成装置は、必要な脱硫剤量が異なる際に、脱硫容器の寸法を共通にできるので、水素生成装置を低コスト化することができ、脱硫容器を有する水素生成装置にだけではなく、一般に脱硫剤または触媒を有する機器全般に応用できる。また、本発明の水素生成装置は、家庭用燃料システム等の汎用性が求められる用途に最適である。

１ 水素生成装置
２ 水素添加配管
３ 配管
４ 水添脱硫器
５ 脱硫剤
６ 第２配管
７ 水配管
８ 混合配管
９ 蒸発器
１０ 改質器
１１ 改質触媒層
１２ 改質ガス流路
１３ ＣＯ低減器
１４ ＣＯ低減触媒層
１７ 燃料配管
２０ 燃焼器
２１ 排ガス配管
３０ 外断熱材
４１ ガス流路
４２ 側壁
４３ 上流側仕切板
４４ 下流側仕切板

Claims (2)

1. ガス流路に脱硫剤または触媒を収納する反応容器を備えた水素生成装置であって、前記反応容器は、前記ガス流路を形成する側壁と、ガスの流れ方向に間隔を開けて前記ガス流路を上流側と下流側とに仕切るように前記側壁にそれぞれ配置される通気性の上流側仕切板及び下流側仕切板と、で構成され、前記側壁は、前記下流側仕切板が配置される箇所の前記側壁の流路断面積が、前記上流側仕切板が配置される箇所の前記側壁の流路断面積よりも小さくなるように形成され、前記反応容器に収納する前記脱硫剤または触媒の充填量に応じて前記上流側仕切板の配置位置を変更可能に構成されている、水素生成装置。
2. ガス流路に脱硫剤または触媒を収納する反応容器を備え、前記反応容器を、前記ガス流路を形成する側壁と、ガスの流れ方向に間隔を開けて前記ガス流路を上流側と下流側とに仕切るように前記側壁にそれぞれ配置される通気性の上流側仕切板及び下流側仕切板と、で構成した、水素生成装置の製造方法であって、前記側壁は、前記下流側仕切板が配置される箇所の前記側壁の流路断面積が、前記上流側仕切板が配置される箇所の前記側壁の流路断面積よりも小さくなるように形成し、前記反応容器に収納する前記脱硫剤または触媒の充填量に応じて、充填量が相対的に多い場合の前記上流側仕切板の配置位置を、前記充填量が相対的に少ない場合の前記上流側仕切板の配置位置よりもガスの流れ方向の上流側にする、水素生成装置の製造方法。

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