JP5535972B2 - 脱硫器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムにおける水素製造装置に用いられ、水素製造用の炭化水素系燃料から硫黄化合物を脱硫除去する脱硫器に関する。

燃料電池システムは、天然ガス由来の都市ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）、灯油、あるいはアルコール燃料等の水素含有燃料から水素（水素リッチな燃料ガス）を製造する水素製造装置と、この水素製造装置により製造した水素と空気中の酸素とを化学反応させることにより発電する燃料電池スタックと、を含んで構成される。

前記水素製造装置では、改質器により水素含有燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するが、これに先立って、脱硫器により、水素含有燃料に含まれる硫黄化合物を脱硫除去している。

脱硫器としては、特許文献１に示されるようなアップフロー構造のものがよく知られており、これは、縦置きにされる筒状の容器と、この容器内に充填された脱硫剤による脱硫剤層と、前記容器内の底部側に燃料を導入する燃料導入口と、前記容器内の上部側から脱硫された燃料を取出す燃料導出口と、を含んで構成される。

特開２００４−０５１８６５号公報

しかしながら、従来の脱硫器においては、液体燃料の場合、気体燃料に比べ、流量が少なく、拡散しにくいため、偏流が起こる。すなわち、燃料導入口による燃料導入位置からほぼ最短距離を通って出口側に向かう燃料の流れを生じ、この流れから外れた部位では燃料が滞留する。従って、滞留を生じる領域の脱硫剤を有効利用できず、燃料の流れを生じる領域の脱硫剤のみを使用するため、短期間で使用限界となり、脱硫器としての寿命が短い。

本発明は、このような実状に鑑み、灯油などの液体燃料から硫黄化合物を脱硫除去する脱硫器に関し、脱硫器の容器内での偏流を防止し、脱硫剤層の全域を有効利用できるようにすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、容器内の底部側に燃料を導入する燃料導入口を複数設け、これら複数の燃料導入口の位置を容器内の水平面内で異ならせたことを特徴とする。

尚、「水平面内で異ならせる」とは、平面視で、複数の燃料導入口の位置が重複せず、分散配置されることを意味しており、高さ方向の多少のバラツキの有無は問わない。

本発明によれば、燃料導入口を複数設けて、容器内の底部側の複数位置へ燃料を導入するため、容器内に複数の燃料の流れを作ることが可能となり、これにより偏流を防止して、脱硫剤層のほぼ全域に燃料を流すことが可能となる。よって、脱硫剤層のほぼ全域を有効利用でき、結果として脱硫器の寿命を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示す脱硫器の縦断面図 図１のＡ−Ａ断面図 同上一実施形態の要部斜視図 本発明の他の実施形態を示す脱硫器の縦断面図 図４のＢ−Ｂ断面図 同上他の実施形態の要部斜視図 仕切壁の変形態様１を示す図 仕切壁の変形態様２を示す図 外部ヒータ方式の要部斜視図

以下に本発明の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す脱硫器の縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は要部斜視図である。

脱硫器は、縦置きにされる筒状の容器１と、この容器１内に充填される脱硫剤による脱硫剤層２と、この脱硫剤層２の中心部に配置される電熱式のヒータ３と、このヒータ３から放射状に配置されて脱硫剤層２を仕切る複数の仕切壁４と、を含んで構成される。

容器１は、底板１ａと天板１ｂとを有する円筒状の容器である。但し、燃料電池システムの筐体内での収納スペースを有効利用するために、角筒状（直方体）としてもよい。また、容器１については、その周囲を断熱材で覆うことにより、保温性能を向上させることも可能である。

脱硫剤層２を形成する脱硫剤は、水素製造用の燃料に含まれる硫黄化合物を吸着する吸着剤、又は、脱硫触媒である。脱硫触媒としては、例えばニッケル系脱硫触媒が用いられる。ニッケル系脱硫触媒は、灯油中に含まれるナフテン類の脱水素反応によりＨ２を生成し、そのＨ２で水素化脱硫を行う。すなわち、硫黄化合物を硫化水素として分解し、硫化水素等の硫化物を吸着除去する。

ヒータ３は、脱硫剤層２を加熱するための棒状のシーズヒータであり、鞘管に収納して用いる。また、ヒータ３からは通電用の制御線ＣＬが外部に引出されている。

仕切壁４は、容器１内の中心部のヒータ３から放射状に配置され、容器１内の脱硫剤層２を互いに並列でそれぞれが底部側から上部側へ向かう複数の燃料通路５に仕切る。本実施例では、８枚の仕切壁４により、８分割の燃料通路５を形成している。

また、仕切壁４は、ヒータ３に熱的に接しており、ヒータ３の熱を脱硫剤層２の半径方向外側へ伝達する伝熱フィンを兼ねる。本実施形態では、各仕切壁４は、平板状で、内側の端部がヒータ３の鞘管に固着され、外側の端部は容器１の内壁に固着されるか、当接若しくは近接している。

また、容器１内の上部側（容器１の天板１ｂと脱硫剤層２との間）には上部空間６が形成される。

ここにおいて、容器１内の底部側に燃料を導入する燃料導入口７と、容器１内の上部側から脱硫された燃料を取出す燃料導出口８と、が設けられる。

燃料導入口７は、容器１の底板１ａに一体的に取付けて容器１内の底部側に開口させた管状体の内側端部により形成してある。また、この管状体は底板１ａの内側へわずかに突出させて、燃料導入口７を脱硫剤層２内に配置しているが、突出させずに、燃料導入口７を底板１ａと面一に配置してもよい。尚、この管状体の外側端部には燃料供給源からの配管（分岐配管）が接続される。

また、燃料導入口７は複数設けられ、これら複数の燃料導入口７の位置（燃料導入位置）を容器１内の水平面内で異ならせ、本実施形態では特に容器１内の水平面内で周方向に異ならせ、各燃料通路５に配置してある。このとき、複数の燃料導入口７の位置の高さ方向の多少のバラツキの有無は問わない。

言い換えれば、燃料導入口７は、隣り合う仕切壁４、４間の燃料通路５ごとに少なくとも１つ以上設けられる。従って、本実施形態では、燃料導入口７は８個設けられているが、１つの燃料通路５に燃料導入口７を２個ずつ、容器１全体で合計１６個の燃料導入口７を設けるなどしてもよい。

尚、本実施形態では、燃料導入口７は、容器１の底部側の脱硫剤層２内に開口しているが、容器１内の仕切壁４、４間の底部側（容器１の底板１ａと脱硫剤層２との間）に下部空間を設け、燃料導入口７をこの下部空間に開口させるようにしてもよい。

燃料導出口８は、容器１の天板１ｂに一体的に取付けて容器１内の上部側（上部空間６）に開口させた管状体の内側端部に形成してある。燃料導出口８が開口する上部空間６は、仕切壁４により仕切られていなければ、脱硫剤が充填されていてもよい。尚、この管状体の外側端部には改質器への配管が接続される。

次に作用を説明する。
灯油などの水素製造用の燃料は、図示しない燃料供給源から、分岐配管を介し、複数の燃料導入口７により、容器１内の脱硫剤層２の底部側の複数位置に導入される。詳しくは、複数の仕切壁４により仕切られる複数の燃料通路５のそれぞれ底部側に導入される。

従って、導入された燃料は、それぞれの燃料通路５を通って、底部側から上部側へ上向きに流れ、各燃料通路５の脱硫剤層２を通過する過程で、硫黄化合物が除去される。
そして、脱硫された燃料は、上部空間６を介して燃料導出口７より導出され、図示しない改質器に供給される。

このように、燃料が複数の燃料導入口７から脱硫剤層２の底部側の複数位置に導入され、しかも、それぞれ、複数の仕切壁４により仕切られる複数の燃料通路５を流れることで、偏流が防止され、脱硫剤層２のほぼ全域を燃料が流れるようになる。これにより、脱硫剤層２のほぼ全域を有効利用することができ、結果として脱硫器の寿命を向上させることができる。

また、アップフロー構造であるので。脱硫剤との接触時間を長くすることができ、脱硫性能を向上させることができる。

また、容器１内（脱硫剤層２）の中心部にヒータ３を備えると共に、ヒータ３の熱を電熱フィンを兼ねる仕切壁４により脱硫剤層２の半径方向外側に伝えるので、脱硫剤層２のほぼ全域を所定の反応温度に加熱昇温させることができる。しかも、ヒータ３の発生熱が分散して脱硫剤層２に伝わるので、ヒータ３近傍の脱硫剤に加わる熱ストレスが小さくなり、これにより脱硫剤粒子のシンタリング、粉化などの熱劣化を防ぐことができる。

本実施形態によれば、容器１内の底部側に燃料を導入する燃料導入口７を複数設け、これら複数の燃料導入口７の位置を容器１内の水平面内で異ならせたことにより、容器１内に複数の流れを作ることが可能となり、これにより偏流を防止して、脱硫剤層２のほぼ全域に燃料を流すことができ、脱硫剤層２のほぼ全域を有効利用することができる。

また、本実施形態によれば、容器１内を互いに並列でそれぞれが底部側から上部側へ向かう複数の燃料通路５に仕切る仕切壁４を備え、複数の燃料導入口７を、複数の燃料通路５のそれぞれに対応させて設けることにより、燃料の流れを複数の燃料通路５により強制的に誘導して、脱硫剤層５のほぼ全域に燃料をより確実に流すことができ、脱硫剤層２のほぼ全域をより確実に有効利用することができる。

また、本実施形態によれば、容器１内の中心部にヒータ３を備え、仕切壁４をヒータ３に熱的に接して放射状に配置することにより、ヒータ３の熱を脱硫剤層２の外周部側へ伝達し、脱硫剤層２における中心部〜外周部の温度差を解消することで、外周側の脱硫剤を有効利用し、これによっても寿命向上を図ることができる。すなわち、脱硫剤は温度が低くなると急激に脱硫能力が低下するため、ヒータ３を設けるが、ヒータ３が中心部に配置されて外周部との間に温度差があると、外周側の脱硫剤を有効利用できず、脱硫剤としての寿命が短くなる。この点、仕切壁４を伝熱フィンとして機能させることで、中心部〜外周部の温度差を解消し、寿命を改善することができる。

図４は本発明の他の実施形態を示す脱硫器の縦断面図、図５は図４のＢ−Ｂ断面図、図６は要部斜視図である。尚、図１〜図３の実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略し、異なる要素について説明する。

本実施形態では、燃料導入口７の設置構造を異ならせてある。すなわち、容器１の天板１ｂ側から、上部空間６、及び、脱硫剤層２の大部分を貫通する燃料導入管１０を設け、その端部を容器１の底部側の脱硫剤層２内に開口させて、燃料導入口７を形成してある。

従って、複数の仕切壁４により区画される複数の燃料通路５のそれぞれに少なくとも１本以上の燃料導入管１０が設けられ、その端部に燃料導入口７が形成されることになる。尚、容器１内の仕切壁４、４間の底部側（容器１の底板１ａと脱硫剤層２との間）に下部空間を設け、燃料導入管１０の端部（燃料導入口７）をこの下部空間に開口させるようにしてもよい。

特に本実施形態によれば、燃料導入口７が、容器１の上部側から容器１内の脱硫剤層２を貫通してその端部が容器１の底部側に開口する燃料導入管１０の開口端部として形成されることにより、アップフロー構造でありながら、脱硫器への燃料配管（燃料供給源からの配管及び改質器への配管）の接続部を容器１の天板１ｂ側とした状態での、縦置きを可能とすることができる。

更に他の実施形態について説明する。
図７は仕切壁（伝熱フィン）４の変形態様１を示す斜視図である。
図７の仕切壁（伝熱フィン）４は、波板状に（波形に湾曲させた板状体により）形成され、外側の端部で容器１の内壁と弾性的に接するようにしてある。

これによれば、ヒータ３の使用による熱膨張によって、仕切壁４の端部と容器１の内壁との間で熱膨張差を生じても、波形の板状体の弾性変形により吸収でき、また、波形であれば、仕切壁４の端部が容器１の内壁に沿ってスライドして逃げることもできる。

仕切壁４の端部と容器１の内壁との間に予め空隙を設けておき、熱膨張によって接するようにした場合は、接する際に、脱硫剤を挟み込んで、脱硫剤の粉化による脱硫性能の低下を招くが、上記のような熱膨張吸収構造とすることで、予め接するようにして、脱硫剤の挟み込みによる粉化を防止できる。

図８は仕切壁（伝熱フィン）４の変形態様２を示す斜視図である。
図８の仕切壁（伝熱フィン）４は、外側の端部にて、Ｌ字状又はコ字状（本実施形態ではコ字状）に屈曲し、屈曲面で容器１の内壁と接するようにしてある。

このようにして、仕切壁（伝熱フィン）４と容器１の内壁との接触面を大きくとることで、ヒータ３からの熱を容器１の内壁へ確実に伝え、容器１の内壁を介して、脱硫剤層２の半径方向外側の温度を上昇させることができる。これにより、半径方向の温度差を解消し、中心部から外周部まで脱硫剤を有効に利用でき、結果として脱硫器の寿命を向上させることができる。

図９はヒータの配置に関する他の実施形態を示す図である。
本実施形態では、脱硫剤層２昇温用のヒータとして、容器１の外壁に装着される外部ヒータ２０を使用する。ここで示す外部ヒータ２０は、いわゆる外巻きヒータであり、ヒータをコイル状に成形して、容器１の外壁に巻付けて装着してある。但し、これに限るものではない。

本実施形態では、伝熱フィンを兼ねる仕切壁４は、容器１の中心部から放射状に配置され、その外側の端部が容器１の壁部を介して外部ヒータ２０と熱的に接することになる。
従って、外部ヒータ２０の熱が、容器１の壁部を介して伝熱フィンを兼ねる仕切壁４に伝わり、この仕切壁４は脱硫剤層２の外周部から中心部までこれらを結ぶ方向に延在しているので、外部ヒータ２０の熱が中心部を含む全域に効率良く伝わる。

従って、このような外部ヒータ２０を用いても、外周部〜中心部の温度差を解消し、中心部を含む全域の脱硫剤を有効に利用でき、結果として脱硫器の寿命を向上させることができる。

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 容器
１ａ 底板
１ｂ 天板
２ 脱硫剤層
３ ヒータ
４ 仕切壁（伝熱フィンを兼ねる）
５ 燃料通路
６ 上部空間
７ 燃料導入口
８ 燃料導出口
１０ 燃料導入管
２０ 外部ヒータ

Claims (12)

1. 液体燃料から硫黄化合物を脱硫除去する脱硫器であって、
   縦置きにされる筒状の容器と、この容器内に充填された脱硫剤による脱硫剤層と、前記容器内の底部側に開口させた管状体の内側端部により形成されて、前記容器内の底部側に液体燃料を導入する燃料導入口と、前記容器内の上部側から脱硫された液体燃料を取出す燃料導出口と、を含んで構成され、
   前記管状体を複数設け、これら複数の管状体により形成される複数の燃料導入口の位置を前記容器内の水平面内で異ならせたことを特徴とする脱硫器。
2. 前記液体燃料は、灯油であることを特徴とする請求項１記載の脱硫器。
3. 前記容器内を互いに並列でそれぞれが底部側から上部側へ向かう複数の燃料通路に仕切る仕切壁を備え、
   前記複数の燃料通路のそれぞれに少なくとも１つ以上の燃料導入口を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の脱硫器。
4. 前記容器内の中心部にヒータを備え、
   前記仕切壁は、前記ヒータに熱的に接して放射状に配置されていることを特徴とする請求項３記載の脱硫器。
5. 前記容器の外壁にヒータを備え、
   前記仕切壁は、前記容器内の中心部から放射状に配置され、その外側の端部が前記容器の壁部を介して前記ヒータと熱的に接していることを特徴とする請求項３記載の脱硫器。
6. 前記仕切壁は、その外側の端部で、前記容器の内壁と弾性的に接していることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の脱硫器。
7. 前記仕切壁は、その外側の端部にて屈曲し、屈曲面で前記容器の内壁と接していることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の脱硫器。
8. 前記燃料導入口は、前記容器の上部側から前記容器内の脱硫剤層を貫通してその端部が前記容器の底部側に開口する管状体である燃料導入管の開口端部として形成されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の脱硫器。
9. 縦置きにされる筒状の容器と、この容器内に充填された脱硫剤による脱硫剤層と、前記容器内の底部側に燃料を導入する燃料導入口と、前記容器内の上部側から脱硫された燃料を取出す燃料導出口と、を含んで構成される脱硫器であって、
   前記容器内を互いに並列でそれぞれが底部側から上部側へ向かう複数の燃料通路に仕切る仕切壁を備え、
   前記燃料導入口を複数設け、これら複数の燃料導入口の位置を前記容器内の水平面内で異ならせて、前記複数の燃料通路のそれぞれに少なくとも１つ以上の燃料導入口を設け、
   前記容器内の中心部にヒータを備え、
   前記仕切壁は、前記ヒータに熱的に接して放射状に配置されていることを特徴とする脱硫器。
10. 縦置きにされる筒状の容器と、この容器内に充填された脱硫剤による脱硫剤層と、前記容器内の底部側に燃料を導入する燃料導入口と、前記容器内の上部側から脱硫された燃料を取出す燃料導出口と、を含んで構成される脱硫器であって、
    前記容器内を互いに並列でそれぞれが底部側から上部側へ向かう複数の燃料通路に仕切る仕切壁を備え、
    前記燃料導入口を複数設け、これら複数の燃料導入口の位置を前記容器内の水平面内で異ならせて、前記複数の燃料通路のそれぞれに少なくとも１つ以上の燃料導入口を設け、
    前記容器の外壁にヒータを備え、
    前記仕切壁は、前記容器内の中心部から放射状に配置され、その外側の端部が前記容器の壁部を介して前記ヒータと熱的に接していることを特徴とする脱硫器。
11. 前記仕切壁は、その外側の端部で、前記容器の内壁と弾性的に接していることを特徴とする請求項９又は請求項１０記載の脱硫器。
12. 前記仕切壁は、その外側の端部にて屈曲し、屈曲面で前記容器の内壁と接していることを特徴とする請求項９又は請求項１０記載の脱硫器。