JP5534900B2 - 水素製造装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素製造装置及び燃料電池システムに関する。

従来の水素製造装置としては、バーナを用いて都市ガスやＬＰＧ等のガス状の原燃料や液体状の原燃料を改質することにより、水素を主成分とする改質ガスを生成する筒状の改質部を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような水素製造装置では、バーナの排ガスが流通する排ガス流路が改質部に隣接して設けられている。また、原燃料は、改質部に供給される前に脱硫されている。

特開２００９−２８０４０８号公報

ここで、上述したような水素製造装置では、改質部の上流側に脱硫器を配置し、液体状の原燃料では、150〜300℃にヒータなどで加熱され、圧力をかけて加熱脱硫されていた。また、その脱硫器は水素製造装置とは別の容器として配置されていた。脱硫器に充填される脱硫触媒として、例えばＮｉや、Ｃｕなどが使用されていた。しかしながら、このような脱硫容器では、脱硫触媒を加熱するための熱が必要でヒートロスを発生したり、脱硫容器の設置スペースが必要であったり、製造コストが上がってしまうという問題があった。一方、改質部は排ガス流路を流通する排ガスによって加熱されるため高温となるが、発明者らは、当該改質部の周辺構造においてヒートロスが生じていることを見出した。

そこで、本発明は、製造コストを低減することができると共に、脱硫触媒を適温化でき、装置のヒートロスを低減することのできる水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る水素製造装置は、加熱脱硫触媒によって液体状の原燃料を脱硫する脱硫部と、脱硫部によって脱硫された原燃料を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する筒状の改質部と、を備え、脱硫部は、筒状に構成されており、改質部を取り囲むように配置されることを特徴とする。

本発明に係る水素製造装置では、脱硫部は、加熱脱硫触媒によって、液体状の原燃料を脱硫することができる。加熱脱硫触媒を用いる場合、常温吸着脱硫触媒よりも安価なものを適用することができるため、装置の製造コストを低減することができる。また、脱硫部は、筒状に構成されており、改質部を取り囲むように配置されている。脱硫部は、改質部からの熱によって脱硫触媒の温度を脱硫に適温化でき、原燃料を加熱脱硫することができる。改質部周辺構造の熱を脱硫部で有効に利用することで、装置のヒートロスを低減することができる。特に、脱硫部は、筒状に構成されて改質部を取り囲むため、筒状の改質部の全周から熱を受けることができる。これによって、脱硫部は、改質部からの熱をヒートロスなく効率よく受けることができる。以上によって、本発明によれば、製造コストを低減することができると共に、装置のヒートロスを低減することができる。特に、液体状の原燃料を加熱脱硫触媒によって脱硫する場合、気体状の原燃料に比して脱硫し難いため、多量の加熱脱硫触媒が必要となる。ここで、加熱脱硫触媒を用いて脱硫を行う場合、脱硫部に取り付けられたヒータで加熱することによって脱硫を行っていた。しかしながら、液体状の原燃料を脱硫するには多量の加熱脱硫触媒が必要であるため、ヒータで加熱し続けた場合は、電力消費量が大きくなってしまうという問題がある。本発明に係る水素製造装置では、脱硫部が改質部からの熱によって原燃料を加熱脱硫することができるため、ヒータを用いて脱硫部を加熱する場合に比して、システム全体としてのエネルギーのロスを大幅に低減することができる。さらに、水素製造装置と脱硫容器を一体化することにより、燃料電池システムのサイズを小さくすることが可能となる。

また、本発明に係る水素製造装置において、改質部の内周側に配置され、改質部を加熱するバーナと、バーナの排ガスを流通させる排ガス流路と、を更に備え、排ガス流路は、筒状に構成されて改質部を取り囲むように配置されており、脱硫部と改質部との間を通っていることが好ましい。バーナの排ガスは高温であり、当該排ガスが脱硫部と改質部との間の排ガス流路を通過することができる。従って、改質部を取り囲む脱硫部は、排ガス流路からも効率よく熱を受けることができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、脱硫部を通過する前の原燃料と、脱硫部を通過した後の原燃料との間で熱交換を行う熱交換部を備え、熱交換部は、脱硫部を通過する前の原燃料を流通させる第一配管と、脱硫部を通過した後の原燃料を流通させる第二配管と、を有し、第一配管と第二配管のうち、一方の配管は、他方の配管の内部に配置されることが好ましい。加熱脱硫が行われた原燃料は、脱硫が行われていない原燃料に比して高温である。第一配管と第二配管のうち、一方の配管が他方の配管の内部に配置されているため、脱硫が行われていない原燃料は、脱硫が行われた原燃料の配管の内部または外部に沿って流れることができる。これによって、脱硫が行われていない原燃料と脱硫が行われた原燃料との間の熱交換が効率よく行われる。

また、本発明に係る水素製造装置において、脱硫部に巻回されたヒータを更に備えることが好ましい。水素製造装置の始動時は、改質部が高温となっていないため、ヒータで脱硫部を加熱することができる。これによって、水素製造装置の始動時においても脱硫部が加熱脱硫を行うことができる。一方、改質部が高温となった後はヒータをオフとしておくことにより、消費電力量を抑えることができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、脱硫部は、加熱脱硫触媒が充填される内部空間に対して原燃料を流入させる入口と、内部空間から原燃料を流出させる出口を有し、入口は、軸方向における一方側に配置され、出口は、軸方向における他方側に配置されると共に、軸方向から見て当該軸を挟んで入口の反対側に配置されていることが好ましい。これによって、脱硫部の入口と出口は、脱硫部の中心点を挟んで対角位置に配置される構成となる。このような構成により、入口から流入した原燃料は、内部空間内において、軸周りを大きく旋回しながら当該軸方向の一方から他方へ向かって移動する。これによって、原燃料は、内部空間内を広い範囲にわたって通過し、加熱脱硫触媒によって効率よく脱硫されることができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、脱硫部は、加熱脱硫触媒が充填される内部空間において軸線方向に沿って延び、内部空間を軸線周りの方向に仕切る複数の仕切板を備え、内部空間は、複数の仕切板によって、軸線周りに複数の領域に仕切られ、原燃料は、複数の領域のそれぞれに供給されることが好ましい。例えば、内部空間に何も仕切りが設けられていない筒状の脱硫部の場合、内部空間内の原燃料は、脱硫部の入口と出口との間を最短距離で通過するように流れる。この場合、脱硫部内の場所により、原燃料が通過し易い脱硫触媒と、原燃料が通過し難い脱硫触媒とが存在してしまう。これによって、脱硫触媒の場所によって、脱硫触媒の寿命にムラが生まれる可能性がある。一方、本発明に係る脱硫部は、内部空間を複数の領域に仕切ることのできる仕切板を備えている。更に、原燃料は、仕切られた複数の領域のそれぞれに供給される。これによって、内部空間内をまんべんなく原燃料が通過することができる。これによって、配置場所によって加熱脱硫触媒の寿命にムラが生まれることを抑制できる。また、内部空間内の全領域の加熱脱硫触媒を用いることで、原燃料を十分に脱硫することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素製造装置と、水素製造装置によって生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする。

この燃料電池システムも、上記水素製造装置を備えているため、製造コストを低減することができると共に、脱硫触媒を適温化でき、装置のヒートロスを低減することができる。

本発明によれば、製造コストを低減することができると共に、脱硫触媒を適温化でき、装置のヒートロスを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。 図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。 図１の水素製造装置の改質部及び脱硫部周辺を示す断面斜視図である。 脱硫部の内部構成を示す概略構成図である。 変形例に係る脱硫部の内部構成を示す概略構成図である。 変形例に係る脱硫部の内部構成を示す概略構成図である。 変形例に係る脱硫部の構成を示す概略構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、図面の上下方向に対応するものであり便宜的なものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。図１に示すように、水素製造装置（ＦＰＳ：Fuel Processing System）１は、例えば家庭用の燃料電池システム１００において水素供給源として利用されるものである。ここでの水素製造装置１は、水素を含有する改質ガスをセルスタック（燃料電池スタック）２０に供給する。本実施形態に係る水素製造装置１に対する原燃料としては、液体状の原燃料が用いられる。液体状の燃料として、灯油、軽油、ナフサ、アルコール類、バイオ燃料、メタノールあるいはブタンなどを用いることができる。なお、セルスタック２０としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いてもよい。

図２は、図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。図１，２に示すように、水素製造装置１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形の脱硫部２と、中心軸を軸Ｇとする円柱状外形の本体部３と、を備え、これらが筐体４に収容されている。また、筐体４内において脱硫部２及び本体部３の周囲には、粉状の断熱材（不図示）が充填されて断熱されている。

脱硫部２は、外部から導入された原燃料を脱硫触媒によって脱硫して硫黄分を除去し、この原燃料を後述のフィード部５へ供給する。脱硫部２は、筐体４の側板４ｘにパイプ２１で固定され、本体部３の上部を所定の隙間を有して囲繞するよう保持されている。脱硫部２の上方には、熱交換部３０が配置されている。熱交換部３０は、脱硫部２を通過する前の未脱硫原燃料と、脱硫部２を通過した後の脱硫原燃料との間で熱交換を行う機能を有している。脱硫部２及び熱交換部３０の構成の詳細な説明は、後述する。本体部３は、フィード部５、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８及び蒸発部９を備え、これらが一体で構成されている。この本体部３は、筐体４の床板４ｙに筒状のステー２２により固定され保持されている。

フィード部５は、脱硫部２で脱硫した原燃料及び水蒸気（スチーム）を混合し、これらを改質部６に供給する。具体的には、フィード部５は、原燃料及び水蒸気を合流・混合させて混合ガス（混合流体）を生成する混合部５ｘと、混合ガスを改質部６へ流通させる混合ガス流路５ｙと、を含んでいる。

改質部（ＳＲ：Steam Reforming）６は、フィード部５により供給された混合ガスを改質触媒６ｘによって水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをシフト反応部７へ供給する。改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、脱硫部２の筒内に位置するよう本体部３の上端側に設けられている。この改質部６にあっては、水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、改質部６の改質触媒６ｘを加熱するための熱源としてバーナ１０を利用している。

バーナ１０では、外部から原燃料がバーナ燃料として供給されて燃焼される。このバーナ１０は、本体部３の上端部に設けられ軸Ｇを中心軸とする燃焼筒１１に、バーナ１０による火炎が取り囲まれるよう取り付けられている。なお、バーナ１０においては、脱硫部２で脱硫した原燃料の一部が、バーナ燃料として供給されて燃焼される場合もある。

シフト反応部７は、改質部６から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるためのものであり、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。ここでのシフト反応部７は、シフト反応を１段階で行っており、低温（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部（ＬＴＳ：Low Temperature Shift）１３を有している。

低温シフト反応部１３は、改質部６から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低温シフト触媒１３ｘによって低温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端側に配設されている。この低温シフト反応部１３は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを改質ガス配管１４ｘを介して選択酸化反応部８へ供給する。

選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential Oxidation）８は、低温シフト反応部１３で低温シフト反応させた改質ガス中のＣＯ濃度をさらに低下させる。これは、セルスタック２０に高濃度の一酸化炭素を供給すると、セルスタック２０の触媒が被毒して大きく性能低下するためである。具体的には、選択酸化反応部８は、改質ガス中の一酸化炭素と空気配管１５を介して導入される空気とを選択酸化触媒８ｘで反応させて選択的に酸化し、二酸化炭素に転換する。選択酸化反応部８は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端から所定長上端側に該本体部３の最外周側を構成するよう配設されている。

この選択酸化反応部８は、ＣＯ濃度をさらに低下させた改質ガスを、熱交換部１６が設けられた改質ガス配管１４ｙを介して外部へ導出する。熱交換部１６は、改質ガス配管１４ｙ内を流通する改質ガスと、外部から水配管１７ｘを介して導入された水との間で熱交換を行うと共に、この水を蒸発部９に水配管１７ｙを介して供給する。

蒸発部９は、熱交換部１６から供給された水を内部に貯留させると共に、この水を低温シフト反応部１３、選択酸化反応部８及び排ガス流路から移動させた（低温シフト反応部１３、選択酸化反応部８及び排ガスを冷却して得た）熱で気化させて水蒸気を生成する。蒸発部９は、ジャケット型のものであり、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈している。この蒸発部９は、低温シフト反応部１３の径方向外側で且つ選択酸化反応部８の径方向内側（つまり、シフト反応部７と選択酸化反応部８との間）に位置するよう配設されている。この蒸発部９は、生成した水蒸気をフィード部５の混合部５ｘに水蒸気配管１７ｚを介して供給する。

このような水素製造装置１では、まず、バーナ燃料及びセルスタック２０からのオフガス(セルスタック２０で反応に使用されない残ガス)の少なくとも一方と空気とがバーナ１０に供給されて燃焼され、かかる燃焼によって改質触媒６ｘが加熱される。そして、バーナ１０の排ガスが排ガス流路Ｌ１及びガス配管１８を流通して外部へ排気される。

これと共に、脱硫部２で脱硫された原燃料と蒸発部９からの水蒸気とが混合部５ｘで混合され、混合ガスが生成される。この混合ガスは、混合ガス流路５ｙを介して改質部６に供給されて改質触媒６ｘで水蒸気改質され、これにより、改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスは、シフト反応部７によってその一酸化炭素濃度が例えば数１０％程度まで低下され、選択酸化反応部８によってその一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下まで低下された後、熱交換部１６で冷却され、後段のセルスタック２０へ導出される。

なお、本実施形態においては、例えば各触媒６ｘ，１３ｘ，８ｘにて触媒反応を好適に行うため、次のように各部位の温度が設定されている。すなわち、改質部６に流入する混合ガスの温度が約３００〜５５０℃とされ、改質部６から流出する改質ガスの温度が５５０℃〜８００℃とされている。また、低温シフト反応部１３に流入する改質ガスの温度が１５０℃〜３５０℃とされ、低温シフト反応部１３から流出する改質ガスの温度が１５０℃〜２５０℃とされ、選択酸化反応部８に流入する改質ガスの温度が９０℃〜２１０℃（１２０℃〜１９０℃）とされている。

また、本実施形態に係る水素製造装置１は、原燃料として液体状の原燃料を用いるため、次のような構成を備えている。水素製造装置１は、圧力調整部１１０、オーバーフロータンク１１１、安全弁１１２、ポンプ１１３を備えている。液体状の原燃料が脱硫部２で加熱脱硫される場合、原燃料が高温になって沸騰する。従って、当該沸騰を抑えるために圧力調整部１１０は、脱硫部２内の原燃料に圧力を付与する。原燃料に付与される圧力は０．２〜１．０ＭＰａである。オーバーフロータンク１１１は、脱硫された原燃料を貯留することができる。このオーバーフロータンクは、液体状の原燃料のオーバーフローを防止することができる。安全弁１１２は、原燃料に過剰な圧力が付与されたときに開くことによって、圧力を開放することができる。ポンプ１１３は、オーバーフロータンク１１１に貯留されている液体状の原燃料をフィード部５へ供給することができる。また、液体状の原燃料を用いる場合、ガスが発生する場合があるため、脱硫部２の上方には、ガス処理装置（不図示）が設けられる。ガス処理装置は、タンクで液体とガスとを分離させ、ガスを除くと共に液体状の原燃料のみを下流側へ流通させることができる。

次に、本実施形態において脱硫部２及び改質部６の周辺構成について、より詳細に説明する。

図３は、図１の水素製造装置の脱硫部及び改質部周辺を示す断面斜視図である。図３に示すように、改質部６は、軸Ｇを中心軸とする円筒状の収容筒１９内に収容されている。改質部６の外囲は、例えばステンレス等からなる板部材としての内周壁６１、外周壁６２及び上端壁６３により構成されている。

内周壁６１は、円筒状（円管状）を呈し、その上端から中央部に至る領域で燃焼筒１１を覆うよう軸Ｇ方向に延在している。内周壁６１は、燃焼筒１１に対し径方向に隙間が形成され、且つ収容筒１９の上端壁１９ｘに対し軸Ｇ方向に隙間が形成される位置に配設されている。

外周壁６２は、円筒状（円管状）を呈し、軸Ｇ方向に延在している。外周壁６２は、収容筒１９の外周壁１９ｙに対し径方向に隙間が形成され、且つ収容筒１９の上端壁１９ｘに対し軸Ｇ方向に隙間が形成される位置に配設されている。上端壁６３は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、内周壁６１及び外周壁６２それぞれの上端に連続して改質部６の上方側を閉塞する。

また、この改質部６は、その内部に円筒状（円管状）の板部材としての仕切壁６４を有している。仕切壁６４は、外周壁６２に対し径方向に隙間が形成される位置に配設されている。この仕切壁６４と内周壁６１との間には、軸Ｇを中心軸とする筒状の改質触媒６ｘが配設されている。

これにより、改質部６では、下方側から導入され上方に向けて流通する混合ガスが改質触媒６ｘにより改質されて改質ガスが生成され、この改質ガスは、外周壁６２及び仕切壁６４間を通って折り返すように下方へ向けて流通し、シフト反応部７へ供給される。つまり、改質部６には、改質ガスの折返し部Ｒ１が形成されることとなる。

また、改質部６と隣接する位置には、排ガス流路Ｌ１が設けられている。具体的には、排ガス流路Ｌ１は、燃焼筒１１及び内周壁６１間で画設されていると共に、上端壁１９ｘ，６３間、外周壁１９ｙ，６２間で画設されている。つまり、収容筒１９が、改質部６との間で排ガス流路Ｌ１を画設するように改質部６を囲繞している。これにより、排ガス流路Ｌ１には、内周壁６１に沿って上方側へ流通させた排ガスを、上端壁６３に沿って径方向外側へ流通させた後に外周壁６２に沿って下方側へ流通させる折返し部Ｒ２が形成されることとなる。排ガス流路Ｌ１は、改質部６に対して径方向外側に隣接するように配置されている。すなわち、排ガス流路Ｌ１は、改質部６と脱硫部２との間における、改質部６寄りに配置されている。従って、排ガス流路１は、主に改質部６に対して熱を供給しつつ、ヒートロスとなりうる熱を脱硫部２へ供給することができる。

脱硫部２は、円筒状の脱硫器２００によって構成されている。脱硫器２００は、例えばステンレス等からなる板部材としての内周壁４１、外周壁４２及び上端壁４３、下端壁４４により構成されている。脱硫器２００は、その中心軸線が軸Ｇと一致しており、本体部３の上端側の領域を取り囲むことによって、改質部６を取り囲むように配置されている。脱硫器２００の内周壁４１は、円筒状（円管状）を呈し、収容筒１９の外周壁１９ｙを覆うよう軸Ｇ方向に延在している。外周壁４２は、円筒状（円管状）を呈し、内周壁４１を取り囲むよう軸Ｇ方向に延在している。上端壁４３は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、内周壁４１及び外周壁４２それぞれの上端に連続して脱硫部２の上方側を閉塞する。下端壁４４は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、内周壁４１及び外周壁４２それぞれの下端に連続して脱硫部２の下方側を閉塞する。上端壁４３は、改質部６の上端壁６３よりも上方に配置され、下端壁４４は、改質部６の下端壁６６よりも下方に配置される。これによって、脱硫器２００は、軸Ｇ方向において、改質部６を完全に覆う構成となる。脱硫器２００は、内周壁４１、外周壁４２、上端壁４３、及び下端壁４４によって取り囲まれる内部空間４６を有する。また、内部空間４６には、加熱脱硫触媒２ｘが充填される。

脱硫器２００は、液体状の原燃料を加熱吸着脱硫によって脱硫するタイプの脱硫器である。また、脱硫器２００の加熱脱硫触媒２ｘとして、例えば、加熱脱硫用Ｎｉ脱硫剤を用いることができる。この加熱脱硫用Ｎｉ脱硫剤を用いた脱硫器２００は、例えば銀担持ゼオライトなどを利用した常温吸着脱硫器よりも安価に適用することができる。液体状の原燃料は、気体状の原燃料に比して、必要とする加熱脱硫触媒２ｘが多くなる。

脱硫器２００は、改質部６を取り囲むように配置されているため、改質のために使用される熱の一部によって加熱される。脱硫器２００と本体部３との間の距離Ｄ１、及び内周壁４１と外周壁４２との間の距離Ｄ２は、断熱材の熱伝達係数と、脱硫器２００において必要とされる最適温度に基づいて設定することができる。断熱材の熱伝達係数は、外周壁１９ｙと脱硫器２００との間に配置される断熱材の種類によって設定される。断熱材として、例えば、シリカ(ＳｉＯ_２)、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、マグネシア（ＭｇＯ）、シリカフューム、石灰灰、消石灰を少なくとも一つ含むものを用いることができる。脱硫器２００の最適温度は、加熱脱硫触媒２ｘと原燃料の種類によって設定される。最適温度における最高温度は、原燃料のコーキングの可能性を考慮して設定することができる。最適温度における最低温度は、脱硫の反応温度を考慮して設定することができる。内部空間４６においては、内周壁４１側の温度が高くなり、外周壁４２側の温度が低くなる。従って、内周壁４１の径（つまり距離Ｄ１）は最適温度の最高温度によって定めることができ、外周壁４２の径（つまり距離Ｄ２）は最適温度の最低温度によって定めることができる。

脱硫器２００の外周壁４２における外周面には、ヒータ５０が螺旋状に巻回されている。このヒータ５０は、水素製造装置１の始動時において、脱硫器２００を加熱する機能を有している。燃料電池システム１の運転開始時は、ヒータ５０の熱と、バーナの燃焼熱の伝熱により脱硫器２００は加熱される。脱硫器２００へ本体部３から十分な熱が供給される状態となった後は、ヒータ５０をオフとすることが好ましい。これによって、ヒータ５０の電力消費量を低減することができる。燃料電池システム１の発電が停止し、待機状態の際は、ヒータ５０を用いて脱硫器２００の温度を保持することもできるようにし、再度燃料電池システム１の発電を再度開始した際に原料の脱硫をすぐに開始できるようにすることもできる。また、脱硫器２００の外周壁４２には、当該脱硫器２００を筐体４に固定するためのパイプ２１が取り付けられている。パイプ２１は、軸Ｇ方向から見て、複数セット設けられている。例えば、パイプ２１は、軸Ｇを中心として、互いに１２０°をなすように、三セット設けることができる。なおパイプの本数やセット数は特に限定されない。

脱硫器２００の上端壁４３の上方には、熱交換部３０が配置される。熱交換部３０は、脱硫器２００を通過する前の未脱硫原燃料Ｆ１と、脱硫器２００を通過した後の脱硫原燃料Ｆ２との間で熱交換を行う機能を有している。熱交換部３０は、二重構造の配管を螺旋状に巻くことによって構成されている。具体的には、熱交換部３０は、未脱硫原燃料Ｆ１を通過させる第一配管３１と、脱硫原燃料Ｆ２を通過させる第二配管３２とを有している。第一配管３１は、第二配管３２の内部に配置される。未脱硫原燃料Ｆ１は、内側の第一配管３１を通過し、脱硫原燃料Ｆ２は、外側の第二配管３２を通過する。すなわち、第一配管３１を通過する未脱硫原燃料Ｆ１の回りを脱硫原燃料Ｆ２が通過する構成となる。脱硫原燃料Ｆ２は、脱硫器２００内で加熱されているため、未脱硫原燃料Ｆ１よりも温度が高い。これによって、熱交換部３０は、脱硫原燃料Ｆ２の熱を未脱硫原燃料Ｆ１へ供給することができる。第一配管３１の上流側の入口配管３１ａは、第二配管３２の管壁を貫通して上方へ延びている。第一配管３１の下流側の出口配管３１ｂは、第二配管３２の管壁を貫通して、下方へ延びている。出口配管３１ｂは、脱硫器２００の内周壁４１の下端側に接続されている。本実施形態では、当該接続位置が、脱硫器２００の入口２００ａを構成する。第二配管３２の上流側の入口配管３２ａは、下方へ延びて脱硫器２００の上端壁４３へ接続されている。本実施形態では、当該接続位置が、脱硫器２００の出口２００ｂを構成する。第二配管３２の下流側の出口配管３２ｂは、上方へ延びている。なお、脱硫器２００の入口２００ａ及び出口２００ｂの場所は特に限定されず、適宜変更することができる。また、熱交換部３０が設けられていなくともよい。

次に、脱硫器２００の内部構造について説明する。図４は、実施形態に係る脱硫器２００の内部構造を示す概略構成図である。なお、図４に示す脱硫器２００は、説明を明確にするために壁同士の寸法や原燃料の出口・入口の位置や向きが適宜変更されている。図４に示すように、脱硫器２００は、加熱脱硫触媒が充填される内部空間４６に対して未脱硫原燃料Ｆ１を流入させる入口と、内部空間４６から脱硫原燃料Ｆ２を流出させる出口を有している。未脱硫原燃料Ｆ１の入口は、脱硫器２００の下側（軸方向における一方側）に配置され、脱硫原燃料Ｆ２の出口は、脱硫器２００の下側（軸方向における他方側）に配置される。また、出口は、軸方向から見て当該軸を挟んで入口の反対側、すなわち軸周りに入口に対して１８０°程度の位相をなす位置に配置されている。脱硫器２００の内部空間４６には、下端壁４４と対向する環状仕切板５１が設けられている。環状仕切板５１は、内周壁４１と外周壁４２に連結されている。環状仕切板５１は、内部空間４６の下端側に配置されている。また、環状仕切板５１には、複数の貫通孔５２が形成されている。このような構成によって、脱硫器２００に流入した未脱硫原燃料Ｆ１は、環状仕切板５１と下端壁４４との間の空間において周方向に広がり、複数の貫通孔５２のそれぞれを通過して上方へ向かう。各貫通孔５２を通過した原燃料は、脱硫触媒によって脱硫され、脱硫原燃料Ｆ２として脱硫器２００から流出する。このように、複数の貫通孔５２を通過させることで、内部空間４６内における脱硫反応を場所によらず均一にすることができる。なお、環状仕切板５１が設けられていない脱硫器２００を適用してもよい。

次に、本実施形態に係る水素製造装置１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る水素製造装置１では、脱硫器２００は、加熱脱硫触媒２ｘによって、液体状の原燃料を脱硫することができる。加熱脱硫触媒２ｘを用いる場合、常温吸着脱硫触媒（例えば銀担持ゼオライトなど）よりも安価なもの（例えば加熱脱硫用Ｎｉ脱硫剤）を適用することができるため、装置の製造コストを低減することができる。また、脱硫器２００は、筒状に構成されており、改質部６を取り囲むように配置されている。脱硫器２００は、改質部６からの熱によって加熱脱硫することができ、ヒータなしで加熱脱硫触媒２ｘを脱硫反応を行うのに適正な温度にすることが可能となる。改質部６周辺構造の熱を脱硫器２００で有効に利用することで、装置のヒートロスを低減することができる。特に、脱硫器２００は、筒状に構成されて改質部６を取り囲むため、筒状の改質部６の全周から熱を受けることができる。これによって、脱硫器２００は、改質部６からの熱をヒートロスなく効率よく受けることができる。以上によって、本実施形態に係る水素製造装置１によれば、製造コストを低減することができると共に、装置のヒートロスを低減することができる。

また、脱硫器２００が改質部６を取り囲む構成によって、加熱脱硫触媒２ｘは、脱硫器２００内における位置によらず均等に加熱されることができる。例えば、加熱される加熱脱硫触媒２ｘが脱硫器２００内の特定の位置に偏ってしまった場合、当該位置における加熱脱硫触媒２ｘが早期に劣化してしまい、脱硫器２００の寿命、あるいは水素製造装置１の寿命が短くなってしまう場合がある。本実施形態に係る水素製造装置１では、脱硫器２００内の加熱脱硫触媒２ｘが均等に加熱されるため、特定の位置における加熱脱硫触媒２ｘだけが早期に劣化してしまうことを抑制でき、脱硫器２００あるいは水素製造装置１の寿命が短くなることを抑制できる。

特に、液体状の原燃料を加熱脱硫触媒２ｘによって脱硫する場合、気体状の原燃料に比して脱硫し難いため、多量の加熱脱硫触媒２ｘが必要となる。ここで、従来の脱硫器は、加熱脱硫触媒２ｘを用いて脱硫を行う場合、脱硫器に取り付けられたヒータ５０で加熱し続けることによって脱硫を行っていた。しかしながら、液体状の原燃料を脱硫するには多量の加熱脱硫触媒が必要であるため、システム始動時のみならず通常運転中もヒータ５０で加熱し続けた場合は、電力消費量が大きくなってしまうという問題がある。一方、本実施形態に係る水素製造装置１では、脱硫器２００が改質部６からの熱によって原燃料を加熱脱硫することができるため、ヒータ５０を用いて脱硫器２００を加熱し続ける場合に比して、システム全体としてのエネルギーのロスを大幅に低減することができる。さらに、水素製造装置１と脱硫容器を一体化することにより、燃料電池システム１００のサイズを小さくすることが可能となる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１００も、水素製造装置１を備えているため、製造コストを低減することができると共に、装置のヒートロスを低減することができる。

また、本実施形態に係る水素製造装置１において、改質部６の内周側には、当該改質部６を加熱するバーナ１０が配置され、バーナ１０の排ガスが流通する排ガス流路Ｌ１が、改質部６と脱硫部２との間を通るように設けられている。バーナ１０の排ガスは高温であり、当該排ガスが改質部６と脱硫部２との間の排ガス流路Ｌ１を通過することができる。従って、改質部６を取り囲む脱硫器２００は、排ガス流路Ｌ１からも効率よく熱を受けることができる。

また、本実施形態に係る水素製造装置１は、脱硫器２００を通過する前の未脱硫原燃料Ｆ１と、脱硫器２００を通過した後の脱硫原燃料Ｆ２との間で熱交換を行う熱交換部３０を備えている。この熱交換部３０は、未脱硫原燃料Ｆ１を通過させる第一配管３１と、脱硫原燃料Ｆ２を通過させる第二配管３２とを有している。また、第一配管３１は、第二配管３２の内部に配置されている。加熱脱硫が行われた脱硫原燃料Ｆ２は、未脱硫原燃料Ｆ１に比して高温である。第一配管３１が第二配管３２の内部に配置されているため、未脱硫原燃料Ｆ１は、脱硫原燃料Ｆ２が流れる第二配管３２の内部に沿って流れることができる。これによって、未脱硫原燃料Ｆ１と脱硫原燃料Ｆ２との間の熱交換が効率よく行われる。

また、本実施形態に係る水素製造装置１は、脱硫器２００に巻回されたヒータ５０を更に備えている。水素製造装置１の始動時は、改質部６が高温となっていないため、ヒータ５０で脱硫器２００を加熱することができる。これによって、水素製造装置１の始動時においても脱硫器２００が加熱脱硫を行うことができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る水素製造装置は、実施形態に係る上記水素製造装置１に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、脱硫器の内部構成を図５に示すようなものにすることができる。図５は、変形例に係る脱硫器の内部構成を示す概略構成図である。図５に示すように、脱硫器３００は、内部空間４６を軸線周りの方向に複数の領域に仕切る仕切板７１〜７６を備えている。具体的に、仕切板７１〜７６は、内部空間４６において軸線方向に沿って延びており、軸線周りに互いに６０°の位相をなすように配置される。これによって、仕切板７１〜７６は、内部空間４６を軸線周りの方向に均等に六つの領域に仕切ることができる。仕切板７１は、内周壁４１、外周壁４２、及び下端壁４４と連結されており、上端壁４３から離間している。また、未脱硫原燃料Ｆ１の入口は、六つの領域の全てに対して設けられている。すなわち、脱硫器３００に供給される未脱硫原燃料Ｆ１は、六つの流路に分岐され、仕切板７１と仕切板７２との間の領域、仕切板７２と仕切板７３との間の領域、仕切板７３と仕切板７４との間の領域、仕切板７４と仕切板７５との間の領域、仕切板７５と仕切板７６との間の領域、仕切板７６と仕切板７１との間の領域にそれぞれ供給される。脱硫原燃料Ｆ２の出口は、上端壁４３に一箇所設けられている。従って、内部領域４６の各領域に供給された未脱硫原燃料Ｆ１は、各領域内を上方へ移動し、上端壁４３と各仕切板７１〜７６との間の隙間を通過することで軸線周りの方向に移動し、脱硫原燃料Ｆ２として脱硫器３００の外部で流出する。

ここで、原燃料の脱硫の程度は、原燃料の流路の断面積Ｄに対する原燃料の流路の距離Ｌによって定められる（すなわち、Ｌ／Ｄで表される）。すなわち、原燃料が脱硫器３００内を移動する距離が長いほど、脱硫器３００の脱硫性能が向上する。例えば、仕切板７１〜７６が設けられておらず、原燃料の入口と出口がそれぞれ一つである脱硫器を用いた場合、流入した原燃料は、脱硫器の入口と出口との間を短い距離で流れる。この場合、脱硫器は原燃料を十分に脱硫できず、脱硫器自体のサイズを大きくする必要が生じる可能性がある。また、脱硫器内の場所により、原燃料が流れ易い脱硫触媒と、原燃料が流れ難い脱硫触媒とが存在してしまう。これによって、配置場所によって、脱硫触媒の寿命にムラが生まれる可能性がある。一方、図５に示す脱硫器３００においては、原燃料は、内部空間４６の複数の領域に対し、複数の流路に分岐されて流入する。また、分岐された原燃料は、各領域内を通過することができる。これによって、原燃料が脱硫部の内部空間を移動する距離は全体として長くなり、原燃料が十分に脱硫される。また、図５に示す脱硫器３００によれば、原燃料は、脱硫器３００内の内部空間４６における各領域をまんべんなく通過することができる。これによって、配置場所によって加熱脱硫触媒２ｘの寿命にムラが生まれることを抑制できる。なお、脱硫器３００内の仕切板の枚数は特に限定されない。また、仕切板と脱硫器の端壁との間の隙間に代えて、完全に内部空間４６を仕切る仕切板に貫通孔を形成してもよい。また、未脱硫原燃料Ｆ１を内部空間４６の各領域に対して複数の流路に分岐させる位置は特に限定されず、例えば、熱交換部３０を通過させた後に分岐させてもよい。

また、脱硫器の内部構成を図６に示すようなものにすることができる。図６は、変形例に係る脱硫器の内部構成を示す概略構成図である。図６に示すように、脱硫器４００は、上端壁４３及び下端壁４４と平行な第一環状仕切板８１、第二環状仕切板８２、第三環状仕切板８３を下から順に備えている。各環状仕切板８１，８２，８３は、内部空間４６を軸線方向に仕切っており、内周壁４１と外周壁４２に連結されている。また、脱硫器４００は、内部空間４６を軸線周りの方向に完全に仕切る仕切板８４を備えている。仕切板８４は、内周壁４１、外周壁４２、上端壁４３、及び下端壁４４の全てと連結されている。環状仕切板８１，８２，８３は、仕切板８４付近に貫通孔８１ａ，８２ａ，８３ａを有している。未脱硫原燃料Ｆ１の流入口と、貫通孔８１ａ，８２ａ，８３ａと、脱硫原燃料Ｆ２の流出口は、仕切板８４に対して互い違いに配置される。具体的には、図６に示すように、脱硫器４００の軸線周りの一方を方向Ｒ１とし、他方を方向Ｒ２とした場合、未脱硫原燃料Ｆ１の流入口は仕切板８４の方向Ｒ２側に配置され、第一環状仕切板８１の貫通孔８１ａは仕切板８４の方向Ｒ１側に配置され、第二環状仕切板８２の貫通孔８２ａは仕切板８４の方向Ｒ２側に配置され、第三環状仕切板８３の貫通孔８３ａは仕切板８４の方向Ｒ１側に配置され、脱硫原燃料Ｆ２の流出口は仕切板８４の方向Ｒ２側に配置される。

図６に示す脱硫器４００の内部空間４６における原燃料の流れについて説明する。まず、脱硫器４００に流入した未脱硫原燃料Ｆ１は、下端壁４４と第一環状仕切板８１との間の空間を、方向Ｒ２周りに旋回するように流れる。仕切板８４まで流れた原燃料は、貫通孔８１ａを通過して、第一環状仕切板８１と第二環状仕切板８２との間の空間へ流れ、当該空間を方向Ｒ１周りに旋回するように流れる。仕切板８４まで流れた原燃料は、貫通孔８２ａを通過して、第二環状仕切板８２と第三環状仕切板８３との間の空間へ流れ、当該空間を方向Ｒ２周りに旋回するように流れる。仕切板８４まで流れた原燃料は、貫通孔８３ａを通過して、第三環状仕切板８３と上端壁４３との間の空間へ流れ、当該空間を方向Ｒ１周りに旋回するように流れ、脱硫原燃料Ｆ２として脱硫器４００外へ流出する。以上によって、図６に示す脱硫器４００によれば、原燃料は、軸線方向に分割された複数の空間のそれぞれにおいて旋回できる。すなわち、原燃料は、内部空間において、繰り返し旋回することができる。これによって、脱硫器４００は、内部空間４６を移動する原燃料の距離を長くすることができると共に、内部空間４６内における脱硫反応を場所によらず均一にすることができる。

また、脱硫器の内部構成を図７に示すようなものにすることができる。図７は、変形例に係る脱硫器の構成を示す斜視図である。図７に示すように、脱硫器５００は、長尺の管９１を螺旋状に巻回することによって、全体として筒型の形状に構成されている。脱硫器５００の中心部分に改質部６が配置される。管９１の内部空間９２には脱硫触媒が充填されている。未脱硫原燃料Ｆ１は、管９１の一端側から流入し、脱硫触媒と接触しながら管９１内を通過し、脱硫原燃料Ｆ２として他端側から流出する。このような構成により、脱硫器５００は、原燃料を中心軸線周りに繰り返し旋回させることができる。これによって、脱硫器５００は、同じ外形寸法を有する筒状の脱硫器に比べて、原燃料の距離を長くすることができると共に、脱硫反応を場所によらず均一にすることができる。なお、脱硫器５００の外周面には、管９１に合わせてヒータ５０が巻回されている。

また、筒状の脱硫部２が筒状の改質部６を取り囲む構成を除く部分の構成は、特に限定されず、各流路や構成要素の位置関係や構成も適宜変更可能である。

例えば、改質部６は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであってもよい。

また、水素製造装置の配置構成については、上記水素製造装置１を上下反転したような配置構成（例えば、バーナ１０が下部に設置されて構成された水素製造装置）としてもよく、限定されるものではない。

また、上記実施形態は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものとして低温シフト反応部のみ備えているが、高温シフト反応部及び低温シフト反応部を備えていてもよい。

ちなみに、上記の「筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや、円筒状及び多角筒状の部分を少なくとも含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。

１…水素製造装置、２…脱硫部、２ｘ…加熱脱硫触媒、６…改質部、１０…バーナ、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、３０…熱交換部、３１…第一配管、３２…第二配管、４６…内部空間、５０…ヒータ、７１〜７６…仕切板、１００…燃料電池システム、２００，３００，４００，５００…脱硫器（脱硫部）Ｇ…軸、Ｌ１…排ガス流路、Ｆ１…未脱硫原燃料、Ｆ２…脱硫原燃料。

Claims (6)

1. 加熱脱硫触媒によって液体状の原燃料を脱硫する脱硫部と、
   前記脱硫部によって脱硫された前記原燃料を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する筒状の改質部と、
   前記改質部の内周側に配置され、前記改質部を加熱するバーナと、
   前記バーナの排ガスを流通させる排ガス流路と、
   を備え、
   前記脱硫部は、筒状に構成されており、前記改質部を取り囲むように配置され、
   前記排ガス流路は、筒状に構成されて前記改質部を取り囲むように配置されており、前記脱硫部と前記改質部との間を通っていることを特徴とする水素製造装置。
2. 前記脱硫部を通過する前の前記原燃料と、前記脱硫部を通過した後の前記原燃料との間で熱交換を行う熱交換部を備え、
   前記熱交換部は、
   前記脱硫部を通過する前の前記原燃料を流通させる第一配管と、
   前記脱硫部を通過した後の前記原燃料を流通させる第二配管と、を有し、
   前記第一配管と前記第二配管のうち、一方の配管は、他方の配管の内部に配置されることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
3. 前記脱硫部に巻回されたヒータを更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の水素製造装置。
4. 前記脱硫部は、前記加熱脱硫触媒が充填される内部空間に対して前記原燃料を流入させる入口と、前記内部空間から前記原燃料を流出させる出口を有し、
   前記入口は、軸方向における一方側に配置され、
   前記出口は、前記軸方向における他方側に配置されると共に、前記軸方向から見て当該軸を挟んで前記入口の反対側に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の水素製造装置。
5. 前記脱硫部は、前記加熱脱硫触媒が充填される内部空間において軸線方向に沿って延び、前記内部空間を軸線周りの方向に仕切る複数の仕切板を備え、
   前記内部空間は、前記複数の仕切板によって、前記軸線周りに複数の領域に仕切られ、
   前記原燃料は、前記複数の領域のそれぞれに供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水素製造装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項記載の水素製造装置と、
   前記水素製造装置によって生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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