JP2017077992A - 水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水添脱硫器に充填される脱硫剤全体を水添脱硫に好適な温度範囲に保つ。【解決手段】水添脱硫器４は、脱硫剤が充填される脱硫剤充填部４１と、原料ガス供給路１１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する方向に対して交差する方向に拡散させる原料ガス拡散部４２と、原料ガス拡散部４２と脱硫剤充填部４１との間の伝熱を抑制する伝熱抑制部４３を備えることにより、原料ガス供給路１１から水添脱硫器４へ供給される低温の原料ガスによって、脱硫剤充填部４１が冷却されることを抑制でき、脱硫剤充填部４１は水添脱硫に好適な均一な温度を保つことになるので、脱硫剤の搭載量を削減することができる。【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に関するものである。

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。

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。

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。

ただし、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。

水添脱硫器を小型化、低コスト化するためには、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に維持する必要がある。つまり、脱硫剤全体の温度を２５０℃から３００℃の温度範囲に維持することが望ましい。

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、中心に配置された燃焼器の外周部に、改質器、水添脱硫器の順で配置される。改質器には、改質部、一酸化炭素変成部、一酸化炭素除去部を備えている。

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。改質ガスには副生成物として一酸化炭素が含まれる。

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以下程度であり、これを超えると電池性能が著しく劣化する。この一酸化炭素は一酸化炭素変成部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部での一酸化炭素選択酸化反応により濃度１０ｐｍｍ以下程度にまで除去される。

これら改質部、一酸化炭素変成部、一酸化炭素除去部はそれぞれ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。水素が添加された原料ガスは、原料ガス供給路から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、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。

特開２０１０−５８９９５号公報

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室温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２００℃〜３００℃、に比べて、低い温度で原料ガスが流入することになる。

そのため、水添脱硫器は原料ガス供給路との接続部付近が過度に冷やされ、水添脱硫器の原料ガス供給路の接続部付近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。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。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、脱硫剤の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、脱硫剤の搭載量を抑制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。

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、原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器からの伝熱で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する方向に対して交差する方向に拡散させる原料ガス拡散部と、原料ガス拡散部と脱硫剤充填部との間の伝熱を抑制する伝熱抑制部を備えるように構成したものである。

これにより、水添脱硫器へ原料ガスを供給する原料ガス供給路の出口付近の低温部によって脱硫剤充填部が過度に冷やされることを抑制でき、脱硫剤充填部を水添脱硫に好適な均一な温度とすることができる。

本発明の水素生成装置は、脱硫剤を水添脱硫に好適な均一な温度とすることで、脱硫剤の搭載量を抑制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。

本発明の実施の形態１〜３における水素生成装置の概略構成図 本発明の実施の形態１における水添脱硫器の構成図 本発明の実施の形態２における水添脱硫器の構成図 本発明の実施の形態３における水添脱硫器の構成図 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの概略構成図 本発明の実施の形態４における水添脱硫器の構成図

第１の発明は、原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器からの伝熱で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、水添脱硫器が、脱硫剤が充填される脱硫剤充填部と、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する方向に対して交差する方向に拡散させる原料ガス拡散部と、原料ガス拡散部と脱硫剤充填部との間の伝熱を抑制する伝熱抑制部を備える水素生成装置である。

これにより、水添脱硫器へ原料ガスを供給する原料ガス供給路の出口付近の低温部から脱硫剤充填部への伝熱が抑制され、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、脱硫剤の搭載量を抑制することができ、水素生成装置を小型化、低コスト化することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明における改質器が、円筒状であり、水添脱硫器が、改質器の外周に配置された環状の円筒形状であり、脱硫剤へ供給される原料ガスは脱硫剤内を軸方向に流れるように構成したものである。

これにより、水添脱硫器へ原料ガスを供給する原料ガス供給路の出口付近の低温部から脱硫剤への伝熱が抑制され、脱硫剤の内部通流する原料ガスの流れの垂直方向となる周方向の温度が均一となる。この結果、水添剤の温度が水添脱硫に好適な均一な温度となり、脱硫剤の搭載量を抑制することができ、水素生成装置を小型化、低コスト化することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の水素生成装置と、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。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。

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。

（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１は、それぞれ円筒状の燃焼器２、改質器３、水添脱硫器４を主な構成要素とし、原料ガス供給路１１と、水供給路１２と、改質ガス経路１４、可燃ガス経路１
６と接続されている。

原料ガス供給路１１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１へ供給する配管から構成される経路である。水供給路１２は、水供給源（図示せず）から供給される水を水素生成装置１へ供給する配管から構成される経路であり、改質器３の蒸発部５の上流側に位置する流路へ接続されている。

可燃ガス経路１６は、可燃ガス源（図示せず）から燃焼器２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。

燃焼器２は、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３及び改質器３を介して水添脱硫器４を加熱する機器である。燃焼器２は、水素生成装置１の中心軸上に配置され、改質器３は燃焼器２の外周に配置され、燃焼器２は改質器３の中央部分に挿入され、燃焼器２と改質器３は一体化されている。

燃焼器２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２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２１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。

改質器３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５、改質部６、一酸化炭素低減部７を備える。

改質触媒を充填される改質部６は燃焼器２の外周に配置され、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る蒸発部５は改質部６の上流側となる改質部６の上且つ燃焼器２の上部外周の空間に配置され、一酸化炭素低減触媒を充填される一酸化炭素低減部７は改質部６の下流側となる蒸発部５の外周に配置される。

水添脱硫器４は、原料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する機器であり、改質器３の改質部６の外周に、内断熱材８を間に介して配置される。

水添脱硫器４は、脱硫剤が充填された脱硫剤充填部４１と、原料ガス供給路１１から供給される原料ガスを脱硫剤充填部４１の原料ガスの進行する方向に対して交差する方向に拡散させ、脱硫剤充填部４１に均一な流れで流入させる原料ガス拡散部４２と、原料ガス拡散部４２と脱硫剤充填部４１との間の伝熱を抑制する伝熱抑制部４３を備える。

また、外断熱材９は燃焼器２、改質器３、水添脱硫器４全体を覆うように配置される、燃焼器２、改質器３、水添脱硫器４を保温する断熱材である。

脱硫ガス経路１３は、水添脱硫器４により脱硫された原料ガス（以下、脱硫ガス）を改質器３へ供給する経路であり、水添脱硫器４と改質器３の間を接続する配管である。

燃焼器２、改質器３、水添脱硫器４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８及び外断熱材９はセラミック粉末を固形化した断熱材である。

改質部６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７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４に充填される脱硫剤は、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｏ−Ｍ
ｏ、ＺｎＯなどを主成分とした脱硫剤である。

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。

水素を添加された原料ガスは、原料ガス供給路１１より水添脱硫器４へ供給される。水添脱硫器４は、高温となる改質器３の改質部６の外周に、内断熱材８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４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する。

脱硫ガスは、脱硫ガス経路１３を通じて、改質器３へ供給される。改質器３へ流入した脱硫ガスは、水供給路１２から供給された水と混合され、蒸発部５へ送られる。蒸発部５は燃焼器２により加熱され、蒸発部５へ送られた水は、燃焼ガス流路２１を流れる燃焼ガスと熱交換して、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６へ供給される。

燃焼器２により高温に加熱された改質部６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６の温度は、改質反応に適した温度、例えば４００〜６５０℃となるように燃焼器２により調整される。

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７に送られ、一酸化炭素低減部７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７は、一酸化炭素変成触媒に適した温度、例えば２００〜３００℃、に保持されるように蒸発部５の外周に配置される。

一酸化炭素濃度を低減された改質ガスは、改質ガス経路１４より改質器３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へ供給される。

次に、水添脱硫器について、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。

図２において、水添脱硫器４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３及びその周囲に配置された内断熱材８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と通気性の上仕切り板５０ａと下仕切り板５０ｂの間の脱硫剤が充填された領域である。原料ガス拡散部４２は、水添内筒４５と、水添外筒４６と、隔壁４７の下の空間から構成される。原料ガス供給路１１は、原料ガス拡散部４２へ接続される。

伝熱抑制部４３は、コの字形の隔壁４７と、隔壁４７と水添外筒４６により囲まれる隔壁内空間４８から構成される。予熱流路４９は、水添内筒４５と隔壁４７の間の空間から構成される。脱硫ガス経路１３は、水添脱硫器４と、上仕切り板５０ａの上部空間に接続される。

以上のように構成された水添脱硫器４について、以下その動作、作用を説明する。

まず、原料ガス供給路１１は、水添脱硫器４の原料ガス拡散部４２へ原料ガスを供給する。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る。そのため、原料ガス拡散部４２の原料ガス供給路１１との接続部付近は、原料ガス供給路１１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。

原料ガス拡散部４２と脱硫剤充填部４１の間に設けられた伝熱抑制部４３により、原料ガス拡散部４２から脱硫剤充填部４１への熱伝導による伝熱は抑制され、また、原料ガス供給路１１から原料ガス拡散部４２へ流入した原料ガスが、直接的に隣接した脱硫剤充填部４１へ流入することはできないため、低温の原料ガスが低温のまま脱硫剤充填部４１へ流入することによる伝熱も抑制されている。

次に、原料ガスは原料ガス拡散部４２内を通流して周方向に拡散し、内断熱材８を介して高温の改質器３からの伝熱により加熱さる。原料ガス拡散部４２内で拡散した原料ガスは、水添内筒４５と隔壁４７の間の空間から構成される予熱流路４９へ流入する。原料ガスは、予熱流路４９内を軸方向へ流れ、内断熱材８を介して高温の改質器３からの伝熱により加熱され、水添脱硫に好適な温度である２５０〜３００℃程度まで昇温される。

水添脱硫に適した温度にまで昇温された原料ガスは、脱硫剤充填部４１へ流入し、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。脱硫ガスは、脱硫ガス経路１３より水添脱硫器４から流出し、改質器３へ供給される。

以上のように、本実施の形態においては、原料ガス拡散部４２と脱硫剤充填部４１との間の伝熱を抑制する伝熱抑制部４３を構成することにより、水添脱硫器４へ原料ガスを供給する原料ガス供給路１１の出口付近の低温部によって脱硫剤充填部４１が過度に冷やされることが抑制できる。

また、原料ガス拡散部４２から予熱流路４９を通過する原料ガスは、内断熱材８を介して高温の改質器３からの伝熱により加熱され、水添脱硫に好適な温度である２５０〜３００℃程度まで昇温される。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、脱硫剤の搭載量を抑制することができる。この結果、水素生成装置１を低コスト、小型化することができる。

なお、本実施の形態では、伝熱抑制部４３は、隔壁４７と、隔壁４７と水添外筒４６により囲まれる隔壁内空間４８から構成したが、伝熱抑制部４３は原料ガス拡散部４２と脱硫剤充填部４１の伝熱を抑制するものであればよい。

例えば、隔壁内空間４８に気体の対流による伝熱を抑制する断熱材を充填してもよく、また、伝熱抑制部４３を構成する構造体部分に、セラミック等熱伝導率の低い断熱性の高い材料を用いてもよい。これにより、伝熱抑制部４３の断熱性を高めることができ、伝熱抑制部４３を小型化することができる。

なお、本実施の形態においては、水素生成装置１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３や水添脱硫器４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、及び筒状などの形状を挙げることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の水素生成装置の構成は、実施の形態１と同じであり、実施の形
態２の水素生成装置の構成は図１に示し、その重複する説明を省略する。

図３は、本発明の実施の形態２における水添脱硫器の構成図である。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。

図２との違いは、図３において、水添脱硫器４ｂの外周側を構成する壁部分が水添外筒４６ａと、コの字形の隔壁４７ｂ、水添外筒４６ｂとから構成され、また、伝熱抑制部４３ｂが、コの字形の隔壁４７ｂと、隔壁４７ｂの外側に配置される流入部断熱材５１から構成されることである。ここで、流入部断熱材５１は、セラミック粉末を固形化した断熱材から構成される。

水添脱硫器４ｂの外周側を構成する壁部分を、水添外筒４６ａと水添外筒４６ｂに分離し、コの字形の隔壁４７ｂを介して構成することにより、実施の形態１の様に水添外筒４６ａと水添外筒４６ｂを直接接続する場合に比べ、外筒部分の熱伝導による伝熱を抑制することができる。

さらに、隔壁４７ｂの外側に流入部断熱材５１を配することにより、コの字形の隔壁４７ｂの下面から上面への空気の対流による伝熱と熱放射による伝熱を抑制することができる。

つまり、原料ガス供給路１１から供給される低温の原料ガスにより低温となる原料ガス供給路１１との接続部付近の原料ガス拡散部４２から脱硫剤充填部４１への熱伝導による伝熱は抑制され、また、原料ガス供給路１１から原料ガス拡散部４２へ流入した低温の原料ガスが、直接的に隣接した脱硫剤充填部４１へ流入することはできないため、低温の原料ガスが低温のまま脱硫剤充填部４１へ流入することによる伝熱も抑制される。

以上のように、本実施の形態においては、原料ガス拡散部４２と脱硫剤充填部４１との間の伝熱を抑制する伝熱抑制部４３ｂを構成することにより、水添脱硫器４ｂへ原料ガスを供給する原料ガス供給路１１の出口付近の低温部によって脱硫剤充填部４１が過度に冷やされることが抑制できる。

また、原料ガス拡散部４２から予熱流路４９を通過する原料ガスは、内断熱材８を介して高温の改質器３からの伝熱により加熱され、水添脱硫に好適な温度である２５０〜３００℃程度まで昇温される。

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、脱硫剤の搭載量を抑制することができる。この結果、水添脱硫器４ｂを低コスト、小型化することができるので、水添脱硫器４ｂを構成要素とする水素生成装置を低コスト、小型化することができる。

なお、本実施の形態では、隔壁４７ｂの外側に流入部断熱材５１を配しているが、流入部断熱材５１を配さず、空気層としてもよい。

この場合、コの字形の隔壁４７ｂの下面から上面への空気の対流による伝熱と熱放射による伝熱を抑制することができないが、水添脱硫器４ｂの外周側を構成する壁部分を、水添外筒４６ａと水添外筒４６ｂに分離し、コの字形の隔壁４７ｂを介して構成することにより、実施の形態１の様に水添外筒４６ａと水添外筒４６ｂを直接接続する場合に比べ、外筒部分の熱伝導による伝熱を抑制することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の水素生成装置の構成は、実施の形態１と同じであり、実施の形態３の水素生成装置の構成は図１に示し、その重複する説明を省略する。

図４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４において、前述の図２および図３と同じ構成要素には同じ符号を付与する。

図２および図３との違いは、伝熱抑制部４３ｃが、円盤状の隔壁４７ｃと隔壁４７ｃの上部に備えられる流入部断熱材５１ｃから構成されることである。

隔壁４７ｃを伝熱抑制部４３ｃの底面にのみに配置し、隔壁４７ｃの上部に流入部断熱材５１ｃを配置することにより、隔壁４７ｃによる原料ガス拡散部４２から脱硫剤充填部４１への熱伝導による伝熱は抑制される。さらに、原料ガス拡散部４２と脱硫剤充填部４１の間に設けられた流入部断熱材５１ｃにより、原料ガス拡散部４２から脱硫剤充填部４１への熱伝導による伝熱は抑制される。

また、原料ガス供給路１１から原料ガス拡散部４２へ流入する低温の原料ガスが、円盤状の隔壁４７ｃにより、直接的に隣接した脱硫剤充填部４１へ流入することはできないため、原料ガスが低温のまま脱硫剤充填部４１へ流入することによる伝熱も抑制される。

つまり、原料ガス供給路１１から供給される低温の原料ガスにより低温となる原料ガス供給路１１との接続部付近の原料ガス拡散部４２から脱硫剤充填部４１への熱伝導による伝熱は抑制され、また、原料ガス供給路１１から原料ガス拡散部４２へ流入した低温の原料ガスが、直接的に隣接した脱硫剤充填部４１へ流入することはできないため、低温の原料ガスが低温のまま脱硫剤充填部４１へ流入することによる伝熱も抑制される。

以上のように、本実施の形態においては、原料ガス拡散部４２と脱硫剤充填部４１との間の伝熱を抑制する伝熱抑制部４３ｃを構成することにより、水添脱硫器４ｃへ原料ガスを供給する原料ガス供給路１１の出口付近の低温部によって脱硫剤充填部４１が過度に冷やされることが抑制できる。

また、原料ガス拡散部４２から予熱流路４９を通過する原料ガスは、内断熱材８を介して高温の改質器３からの伝熱により加熱され、水添脱硫に好適な温度である２５０〜３００℃程度まで昇温される。

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、脱硫剤の搭載量を抑制することができる。この結果、水添脱硫器４ｃを低コスト、小型化することができるので、水添脱硫器４ｃを構成要素とする水素生成装置を低コスト、小型化することができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４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。

図１に示した水素生成装置１と、図５に示す本発明の実施の形態４の燃料電池システムにおける水素生成装置１ｄは、水添脱硫器４ｄ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。

図１に示した水素生成装置１と図５に示す燃料電池システムにおける水素生成装置１ｄとの違いは、図５において、水添脱硫器４ｄの原料ガス拡散部４２ｄが改質器３の外周のみではなく、底面を覆うように構成されていることである。

また、図５において、燃料電池システム１００は、水素生成装置１ｄと燃料電池１０を備える。燃料電池１０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。水素生成装置１ｄと燃料電池１０は改質ガス経路１４により接続される。

以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を説明する。

原料ガス供給路１１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を水素生成装置１ｄへ供給され、水供給路１２から、水供給源（図示せず）から供給される水を水素生成装置１ｄへ供給される。水素生成装置１ｄ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１４より燃料電池１０へ供給される。燃料電池１０は、供給された改質ガスを燃料として発電する。

次に、本発明の実施の形態４おける水素生成装置の水添脱硫器について図６を用いて詳細に説明する。図６は、本発明の実施の形態４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。

図６において、水添脱硫器４ｄの原料ガス拡散部４２ｄは、水添外筒４６と、水添外筒底板４６ｃ、水添内筒底板４５ａ、隔壁４７に囲まれる円盤状の空間から構成される。これ以外の構成は、前述の図２と同じである。

以上のように構成された水添脱硫器４ｄについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、原料ガス供給路１１は水添脱硫器４ｄの原料ガス拡散部４２ｄへ水素を添加された原料ガスを供給する。原料ガス拡散部４２ｄの原料ガス供給路１１との接続部付近は、原料ガス供給路１１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。

ここで、原料ガス拡散部４２ｄと脱硫剤充填部４１の間に設けられた伝熱抑制部４３により、原料ガス拡散部４２ｄによって脱硫剤充填部４１が過度に冷却されることが抑制される。

また、原料ガス供給路１１から供給される低温の原料ガスは、円環状の原料ガス拡散部４２ｄ内で拡散し、水添内筒４５と隔壁４７の間の空間において、内断熱材８ｄを介して改質器３の底面からの伝熱により加熱され、予熱流路４９へ流入する。さらに、原料ガスは予熱流路４９内を軸方向へ流れ、内断熱材８ｄを介して高温の改質器３の側部からの伝熱により加熱され、水添脱硫に好適な温度である２５０〜３００℃程度まで昇温される。

以上のように、本実施の形態においては、原料ガス拡散部４２ｄと脱硫剤充填部４１との間の伝熱を抑制する伝熱抑制部４３を構成することにより、水添脱硫器４ｄへ原料ガスを供給する原料ガス供給路１１の出口付近の低温部によって脱硫剤充填部４１が過度に冷却されることが抑制できる。

また、原料ガスは原料ガス拡散部４２ｄ及び予熱流路４９において加熱され、水添脱硫に好適な温度である２５０〜３００℃程度まで昇温される。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、脱硫剤の搭載量を抑制することができる。

この結果、水添脱硫器４ｄを低コスト、小型化することができるので、水添脱硫器４ｄを構成要素とする水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムを低コスト、小型化することができる。

なお、本実施の形態における燃料電池システムに用いる水素生成装置は、図５、図６に示す構成としたが、それに限定されるものではなく、実施の形態１〜３で述べたいずれかの水素生成装置でもよい。

なお、本実施の形態における燃料電池システムに用いる燃料電池は、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。

本発明の水素生成装置は、脱硫剤を水添脱硫に好適な均一な温度とすることができるので、改質器からの伝熱で加熱される水添脱硫器を備えた、家庭用燃料電池システム用の水素生成装置に適用できる。

１，１ｄ 水素生成装置
２ 燃焼器
３ 改質器
４，４ｂ，４ｃ，４ｄ 水添脱硫器
５ 蒸発部
６ 改質部
７ 一酸化炭素低減部
８，８ｄ 内断熱材
９ 外断熱材
１０ 燃料電池
１１ 原料ガス供給路
１２ 水供給路
１３ 脱硫ガス経路
１４ 改質ガス経路
１６ 可燃ガス経路
２１ 燃焼ガス流路
４１ 脱硫剤充填部
４２，４２ｄ 原料ガス拡散部
４３，４３ｂ，４３ｃ 伝熱抑制部
４５ 水添内筒
４６，４６ａ，４６ｂ 水添外筒
４７，４７ｂ，４７ｃ 隔壁
４８ 隔壁内空間
４９ 予熱流路
５０ａ 上仕切り板
５０ｂ 下仕切り板
５１、５１ｃ 流入部断熱材
１００ 燃料電池システム

Claims (3)

1. 原料ガスを用いて改質反応により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で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する方向に対して交差する方向に拡散させる原料ガス拡散部と、前記原料ガス拡散部と前記脱硫剤充填部との間の伝熱を抑制する伝熱抑制部を備えることを特徴とする水素生成装置。
2. 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、前記脱硫剤へ供給される原料ガスは前記脱硫剤内を軸方向に流れる、請求項１に記載の水素生成装置。
3. 請求項１または２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。

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