JP4307502B2 - 水素生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも硫黄化合物と炭化水素とを含有する原料から、水素リッチの改質ガスを生成する水素生成装置を含む水素生成システムに関する。

燃料電池などへ供給する水素としては、Ｎｉ系またはＲｕ系などの改質触媒で炭化水素原料の水蒸気改質を行う水素生成装置を用い、生成した水素リッチの改質ガスが一般に利用されている。炭化水素原料としては、例えば天然ガスを主成分とした都市ガス、ＬＰＧ、ナフサおよび灯油などが用いられるが、これらの炭化水素には通常付臭剤または元々の含有成分として硫黄化合物が含まれている。例えば、天然ガスを原料とする都市ガスおよびＬＰＧには、付臭剤として硫黄化合物が数ｐｐｍの濃度で混合されている。水素を生成するための原料に硫黄化合物が含まれていると、改質触媒が硫黄化合物によって被毒され触媒活性が低下する。したがって、炭化水素原料の前処理として、吸着式脱硫器を用いて脱硫を行うのが一般的である。

吸着式脱硫器では、原料を通過させていると、やがて吸着剤が飽和状態となり破過に達する。吸着剤が破過に達すると原料中に含まれている硫黄化合物が充分には除去されず、漏れ出してくる。その結果、改質触媒が被毒され触媒活性が低下するなどの弊害を招いてしまう。したがって、吸着式脱硫器では、吸着剤が破過に達した場合、あるいは破過に達する前に定期的に新しい吸着剤と交換するか、熱や圧力によって再生処理を行う必要がある。

また、一般に吸着式脱硫器に用いられる吸着剤は水を吸着しやすい。水が吸着剤に吸着すると、脱硫器の処理能力が低下してしまう。したがって、脱硫器内部への空気中の水分の流入を充分に防止する必要がある。

そこで、本発明は、原料供給停止時に、脱硫器への水分の流入を確実に防止することのできる水素生成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明は、硫黄化合物を吸着する吸着剤が内部に充填され、硫黄化合物と炭化水素とを含有する原料から硫黄化合物を除去した原料を供給する脱硫部と、前記脱硫部が供給する硫黄化合物を除去した原料と水分とを改質反応させる水素発生部とを備える水素生成装置において、制御器と、前記脱硫部に原料を供給する流路に設けられた第１原料遮断弁と、前記脱硫部から前記水素発生部に原料を供給する流路に設けられた第２原料遮断弁と、を備え、前記制御器が、原料供給時に前記第１原料遮断弁および前記第２原料遮断弁を同時に開き、原料供給停止時に前記第１原料遮断弁および前記第２原料遮断弁を同時に閉じるように制御する水素生成装置を提供する。

前記水素発生部において前記水分は、改質反応の可能な状態となるまで加熱されることがよい。ここで、前記水分の改質反応の可能な状態とは水蒸気となった状態である。また、前記脱硫部と前記水素発生部とを連絡する流路に、前記脱硫部を当該流路に着脱自在に接続する接続手段が設けられているのもよい。

以上のように、本発明によれば、脱硫部に原料を供給する流路および脱硫部から水素発生部に原料を供給する流路にそれぞれ第１原料遮断弁、第２原料遮断弁を設け、原料供給時に第１原料遮断弁および第２原料遮断弁を同時に開き、原料供給停止時に第１原料遮断弁および第２原料遮断弁を同時に閉じるように制御することで、原料供給停止時における脱硫部内部への水の流入を確実に防止でき、脱硫部に充填した吸着剤を長期間安定して使用できるような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、少なくとも硫黄化合物と炭化水素とを含有する原料を供給する原料供給部と、原料供給部の下流側に設けた脱硫部と、脱硫部の下流側に設けられ、改質反応によって前記炭化水素から水素を発生させる水素発生部を具備し、原料供給部より脱硫部を経て水素発生部に原料を供給する水素生成装置において、脱硫部の上流側および下流側に、自動開閉弁をそれぞれ内蔵した一対のソケットとプラグから構成される自閉式着脱継手を設けたことを特徴とするものである。まず、本発明において用いる自閉式着脱継手について説明する。図１は、本発明における自閉式着脱継手の構造を示す概略断面図である。本発明の自閉式着脱継手は、内部に流路１’または流路２’を有する一対の円筒状のソケット１および円筒状のプラグ２からなり、ソケット１およびプラグ２は、バネ３に接続された弁４からなる自動開閉弁を有する。図１はソケット１とプラグ２が接続されている状態を示し、２つの弁４の有する突起部分が互いに押し合って開口部６との間に間隙を形成し、流路１’と流路２’とを連通させている。

つぎに、図２に脱着したソケット１の概略断面図を示し、図３に脱着したプラグ２の概略断面図を示す。図２に示すように、ソケット１が脱着された状態では、バネ３に押されている弁４が、Ｏリング５を介して開口部６を閉じている。また、ソケット１の端部外周部分の表面に設けられたスリーブ７は、バネ８を介してソケット１の端部外周面を、流路方向にスライドさせることができる構造となっている。また、図２に示すように、ソケット１の端部外周部分には孔９’が設けられており、通常は、バネ８に押されているスリーブ７によってボール９が孔９’にはめ込まれている。このスリーブ７を、矢印の方向にスライドさせると、ボール９が孔９’から解放される仕組みになっている。図３に示すプラグ２もソケット１と同じ機構を備えた弁４を有する。

つぎに、図４に、ソケット１とプラグ２を接続する方法を説明するための模式図を示す。まず、図４の（ａ）に示すように、ソケット１のスリーブ７をスライドさせる。このとき、スリーブ７に力をかけてスライドさせることにより、ボール９は自由に動くことができるため、プラグ２はボール９に妨げられることなくソケット１に挿入させることができる。そして、図４の（ｂ）に示すように、プラグ２の端面とソケット１の端面が接するまで、プラグ２をソケット１内に挿入する。このとき、２つの弁４の突起部分が互いに押し合ってバネ３を収縮させ、Ｏリング５と開口部６との間に間隙を形成する。

ついで、図４の（ｃ）に示すように、プラグ２の端面とソケット１の端面が接したときにスリーブ７にかけていた力を解放すると、バネ８によってスリーブ７が押されてプラグ２側にスライドし、孔９’にあるボール９がプラグ２の溝１０にはめ込まれ、スリーブ７によって固定される。これにより、ソケット１とプラグ２の接続が完了する。このとき、ソケット１とプラグ２の間はＯリング５’によってシールされており、流路１’および流路２’を流れるガスが漏れないようになっている。逆に、ソケット１とプラグ２を脱着したい場合には、スリーブ７をソケット１側にスライドさせてボール９を溝１０から自由にした後、ソケット１とプラグ２を分離すればよい。上述のような自閉式着脱継手は、一般のガス機器の配管接続用に使用されているものと同様な構造を有し、工具を用いることなく迅速かつ容易に接続あるいは取り外しが可能である。したがって、本発明においては、市販の自閉式着脱継手を用いることができる。

つぎに、本発明の水素生成装置は、原料供給部から脱硫部に原料を供給する流路および脱硫部から水素発生部に原料を供給する流路にそれぞれ第一原料遮断弁、第二原料遮断弁を設け、原料供給時に第一原料遮断弁および第二原料遮断弁を同時に開き、原料供給停止時に第一原料遮断弁および第二原料遮断弁を同時に閉じるように制御することが有効である。このとき、脱硫部の上流側に設けた自閉式着脱継手と原料供給部との間に第一原料遮断弁を設け、脱硫部の下流側に設けた自閉式着脱継手と水素発生部との間に第二原料遮断弁を設けることも有効である。このとき、原料遮断弁のうち脱硫部の下流側に設けられた一つと水素発生部の間の流路に、不活性ガスを供給する不活性ガス供給部を設けることも有効である。また、脱硫部が、硫黄化合物を吸着する吸着剤を内部に充填した構造であって、吸着剤がゼオライトを主成分とすることも有効である。以下、本発明に係る水素生成装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

《参考の形態１》
図５は、本発明の参考の形態１に係る水素生成装置の構成を示す模式図である。図５に示す水素生成装置は、少なくとも硫黄化合物と炭化水素とを含有する原料を供給する原料供給部１１、硫黄化合物を吸着する吸着剤１３を内部に充填した脱硫部１２、水と炭化水素から改質反応により水素リッチの改質ガスを発生させる改質触媒１５と、改質触媒１５を改質温度にまで加熱する加熱部１６から構成される水素発生部１４からなる。水素発生部１４の上流側には、水素発生部１４に水を供給する水供給部１７が設けられている。原料供給部１１より供給された原料は、まず脱硫部１２に導入され、脱硫部１２の内部に充填された吸着剤１３によって硫黄化合物を除去した後に、水供給部１７より供給される水とともに水素発生部１４に供給される。原料と水は、加熱部１６によって所定の改質温度にまで加熱された改質触媒１５によって水素リッチの改質ガスに改質される。生成した改質ガスは改質ガス出口１８から外部に供給される。

１９ａおよび１９ｂは自動開閉弁をそれぞれ内蔵した一対のソケットとプラグから構成される自閉式着脱継手である。自閉式着脱継手１９ａおよび１９ｂは、一般のガス機器の配管接続用に使用されているものと同様な構造を有している物で、工具を用いることなく迅速かつ容易に接続あるいは取り外しが可能である。ソケットとプラグのどちらにも自動開閉弁が内蔵されており、ソケットとプラグを接続した場合には自動開閉弁が開き、取り外した場合には自動開閉弁が閉じる。脱硫部１２に充填された吸着剤１３は、原料を通過させているとやがて飽和状態となり破過に達する。吸着剤１３が破過に達すると原料中に含まれている硫黄化合物が十分除去されず、漏れ出してくる。その結果、改質触媒１５が被毒され触媒活性が低下するなどの弊害を招く。したがって、脱硫部１２は定期的に交換、あるいは熱や圧力によって再生処理を行う必要がある。

従来、脱硫部１２は、ねじ式の配管継手などによって接続されており、着脱には工具が必要であり、時間と労力を必要としていた。また、水が吸着剤１３に吸着すると脱硫部１２の処理能力が低下してしまう。吸着剤１２は水を吸着しやすい性質を有しており、脱硫部１２の交換作業や再生処理作業においても、脱硫部１２への空気中の水分の流入を充分に防止する必要がある。さらに従来、脱硫部１２の着脱作業中における脱硫部１２の内部への水分の流入を防ぐためには、脱硫部１２の原料入口および原料出口に手動式の遮断弁を設け、脱硫部１２を取り外す際には手動で遮断弁を閉じていたわけであるが、操作が煩雑であること、および遮断弁の開閉を忘れる恐れがあることなどの問題があった。

本発明の水素生成装置では、自閉式着脱継手１９ａおよび１９ｂを設けることで、工具を用いることなく、脱硫部１２の交換あるいは再生処理作業時に、迅速かつ容易に脱硫部１２の着脱を行うことができる。自閉式着脱継手１９ａおよび１９ｂを構成しているソケットとプラグには自動開閉弁が内蔵されているため、脱硫部１２を取り外した際には自動的に脱硫部１２を密閉することができ、脱硫部の１２内部への水分の流入を確実に防止することができる。同時に、水素生成装置側の配管も自動的に閉止されるため、可燃ガスの存在する水素生成装置系内への空気の進入を防止でき、安全上も好ましい。なお、脱硫部１２に充填する吸着剤１３として、ゼオライトを主成分としたものを使用することが好ましい。

《実施の形態１》
図６は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を示す模式図である。本実施の形態では参考の形態１の構成に加えて、制御器２１と、原料供給部１１から脱硫部１２に原料を供給する流路および脱硫部１２から水素発生部１４に原料を供給する流路にそれぞれ第一原料遮断弁２０ａ、第二原料遮断弁２０ｂを設けたものであり、作用効果の大部分は参考の形態１と類似である。したがって、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。原料として水と炭化水素を用いるため、水素発生部１４および水素発生部１４近傍の流路には常に水が存在しており、そのため原料供給停止時には、拡散してきた水分が脱硫部１２に流入する可能性がある。一方、脱硫部１２に充填した吸着剤１３は水を吸着しやすい。そのため脱硫部１２の内部に水が流入した場合には、水が吸着剤１３に吸着する結果、硫黄化合物を吸着できる容量が減少し、破過に達する時間が本来より著しく短くなり、短い使用期間で吸着剤１３を交換する必要が生じる。

本実施の形態の水素生成装置では、制御器２１によって原料供給時に第一原料遮断弁２０ａおよび第二原料遮断弁２０ｂを同時に開き、原料供給停止時に第一原料遮断弁２０ａおよび第二原料遮断弁２０ｂを同時に閉じるように制御することで、原料供給停止時における脱硫部１２の内部への水分の流入を確実に防ぐことで、吸着剤１３の寿命短縮を回避でき、脱硫部１２を長期間安定して使用することができる。なお、図６に示す本実施の形態の構成では、原料供給部１１と自閉式着脱継手１９ａの間および自閉式着脱継手１９ｂと水素発生部１４の間に、それぞれ第一原料遮断弁２０ａおよび第二原料遮断弁２０ｂを設けたが、自閉式着脱継手１９ａと脱硫部１２の間および脱硫部１２と自閉式着脱継手１９ｂの間に、それぞれ第一原料遮断弁２０ａおよび第二原料遮断弁２０ｂを設けても何ら問題はなく、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。しかし、脱硫部１２の取り外し作業時における作業性の点から、図６に示す本実施の形態の構成が好ましい。

《実施の形態２》
図７は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の構成を示す模式図である。本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、原料遮断弁２０ｂの下流側に、不活性ガスを供給する不活性ガス供給部２２を接続した構成としたものであり、作用効果の大部分は参考の形態１および実施の形態１と類似である。したがって、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。水素生成装置の立ち上げ操作時において原料供給開始に先立ち、あるいは水素生成装置の停止操作時において原料供給停止後、不活性ガス供給部２２より不活性ガスを供給しパージを行う。このとき、原料遮断弁２０ｂは閉じた状態にあり、原料遮断弁２０ｂの下流に存在する水蒸気や結露水を水素発生部へ押し出すことができる。したがって、より確実に脱硫部１２の内部への水分の流入を防ぐことができる。

本発明における自閉式着脱継手の接続状態を示す概略断面図 本発明における自閉式着脱継手のソケットの概略断面図 本発明における自閉式着脱継手のプラグの概略断面図 本発明における自閉式着脱継手のソケットとプラグを接続する方法を説明するための概略断面図 本発明の参考の形態１に係る水素生成装置の構成を示す模式図 本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を示す模式図 本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の構成を示す模式図

符号の説明

１ ソケット
１’ 流路
２ プラグ
２’ 流路
３ バネ
４ 弁
５ Ｏリング
６ 開口部
７ スリーブ
８ バネ
９ ボール
９’ 孔
１０ 溝
１１ 原料供給部
１２ 脱硫部
１３ 吸着剤
１４ 水素発生部
１５ 改質触媒
１６ 加熱部
１７ 水供給部
１８ 改質ガス出口
１９ａ 自閉式着脱継手
１９ｂ 自閉式着脱継手
２０ａ 第一原料遮断弁
２０ｂ 第二原料遮断弁
２１ 制御器
２２ 不活性ガス供給部

Claims (4)

1. 硫黄化合物を吸着する吸着剤が内部に充填され、硫黄化合物と炭化水素とを含有する原料から硫黄化合物を除去した原料を供給する脱硫部と、
   前記脱硫部が供給する硫黄化合物を除去した原料と水分とを改質反応させる水素発生部とを備える水素生成装置において、
   制御器と、
   前記脱硫部に原料を供給する流路に設けられた第１原料遮断弁と、
   前記脱硫部から前記水素発生部に原料を供給する流路に設けられた第２原料遮断弁と、を備え、
   前記制御器が、原料供給時に前記第１原料遮断弁および前記第２原料遮断弁を同時に開き、原料供給停止時に前記第１原料遮断弁および前記第２原料遮断弁を同時に閉じるように制御する水素生成装置。
2. 前記水素発生部において前記水分は、改質反応の可能な状態となるまで加熱される請求項１記載の水素生成装置。
3. 前記水分の改質反応の可能な状態が水蒸気となった状態である請求項２記載の水素生成装置。
4. 前記脱硫部と前記水素発生部とを連絡する流路に、前記脱硫部を当該流路に着脱自在に接続する接続手段が設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の水素生成装置。

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