JP5657403B2 - 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、都市ガス、液化天然ガス（ＬＰＧ）、灯油、アルコール燃料等から水素（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、改質器により炭化水素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、容器内に脱硫剤を充填した脱硫器を通すことにより、炭化水素系燃料に含まれる硫黄化合物を脱硫除去している。

ここで、脱硫器の脱硫効率を高めるためには、燃料を脱硫器内全体に分散させて脱硫剤全体に満遍なく、かつ、時間を掛けて接触させることが望ましい。
このため、特許文献１に記載される脱硫器では、燃料入・出口配管を脱硫器の長手方向に対して交差して接続しており、特に、円筒容器の円形断面接線方向に接続して、燃料を容器内で旋回させつつ進行させている。

また、特許文献２では、脱硫器内に燃料分散用部品を設け、また、燃料・入出口と脱硫剤充填層との間に、燃料分散用空間を設けるなどしている。

特開２００５−２５９５８４号公報 特開２００８−１１７６５２号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、脱硫器が円筒容器でない場合は燃料が旋回しにくく、また、燃料供給圧力が低い場合も十分に旋回させることが困難である。
また、特許文献２に記載の技術では、燃料分散部品を別途要するためコスト高につき、また、燃料分散空間の設置によって、容器が大型化する。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、簡易な構成にして、燃料の分散性をよくして脱硫効率を高めることができる脱硫器を提供することを目的とする。

このため本発明に係る脱硫器は、燃料入口穴と燃料出口穴を有する容器と、燃料導入用のコネクタと燃料導出用のコネクタによって構成される。当該脱硫器は、燃料入口穴及び燃料出口穴にそれぞれコネクタを連結することにより、燃料導入部及び燃料導出部が形成される。燃料導入部及び燃料導出部の少なくとも一方には、対応するコネクタの内部空間と前記容器の内部空間とを隔てる部位において、その中央部に閉塞部と、該閉塞部の外周に前記導入用コネクタの内部空間から前記容器の内部空間に燃料を流入させ、又は前記容器の内部空間から前記導出用コネクタの内部空間に燃料を流出させる円弧状の開口部とが形成され、
前記容器の内部空間を満たして前記開口部まで近接して脱硫剤が充填されていることを特徴とする。これにより、燃料の流出入時に、流路中央部での流速の増大を抑えつつ周辺部への燃料の分散性を高めることができる。

本発明に係る脱硫器の閉塞部及び開口部は、脱硫剤を充填する容器に形成されていることを更に特徴としてもよい。容器の加工時に開口部を同時に形成することができるため、製造容易性の観点からメリットがある。
一方、閉塞部及び開口部は、コネクタ側に形成されていることを特徴としてもよい。燃料入口穴等とコネクタとの軸心の位置合わせが不要となり、製造容易性の観点からメリットがある。

本発明に係る脱硫器の開口部は、円弧状であることを更に特徴としてもよい。円弧状にすることにより、燃料の流出入の流速をより均一にすることができる。
本発明に係る脱硫器の円弧状の開口部は、径方向に二重に形成されていることを更に特徴としてもよい。
本発明に係る脱硫器の容器形状は、多角柱状であることを更に特徴としてもよい。元来、多角柱状の容器は角部の脱硫剤が有効活用され難い問題点があるが、本発明により分散性を高めることができるため、脱硫性能を落とすことなく脱硫器のコンパクト化を図ることができる。

本発明に係る脱硫器の容器形状は、仕切り壁で２分され、流路が折り返し構造であることを更に特徴としてもよい。元来、折り返し構造は燃料の偏流を起こしやすいが、本発明を用いることで比較的上流側で燃料を分散させることができるため偏流の発生が低減し、脱硫剤を有効活用することができる。

燃料は、閉塞された中央部外側の開口部と、容器の内部空間を満たして該開口部まで近接して充填された脱硫剤との間で、流入、あるいは、流出するので、中央部での流速の増大を抑えつつ周辺部への燃料の分散性を高めることができ、その結果、燃料と脱硫剤との接触効率ひいては脱硫効率を増大させることができる。また、脱硫容器の設計自由度が高まり、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る脱硫器。 同上脱硫器の要部拡大図。 第一及び第四の実施形態に係る脱硫器における燃料入出口周辺の流速分布を、従来の脱硫器の流速分布と比較して示した図。 本発明の第二の実施形態に係る脱硫器の正面図。 同上脱硫器の側面図。 同上脱硫器の平面図。 本発明の第三の実施形態に係る脱硫器の要部拡大断面図。 本発明の第四の実施形態に係る脱硫器の開口部を示す図。 本発明の他の実施形態に係る脱硫器の開口部を示す図。 本発明の更に他の実施形態に係る脱硫器の開口部を示す図。

以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明の第一の実施形態に係る脱硫器を示す。尚、以下の実施形態では、液化天然ガス（ＬＰＧ）、都市ガス等の気体燃料の脱硫に適したものであるが、液体燃料の脱硫に使用することもできる。
脱硫器１００は、脱硫剤１が充填された円筒状の容器２、導入用コネクタ４、導出用コネクタ５を含んで構成される。

容器２は、平面である天板２１、底板２２を有し、天板２１は燃料入口穴（図示せず）を、底板２２は燃料出口穴（図示せず）をそれぞれ有する。
導入用コネクタ４及び導出用コネクタ５は、天板２１及び底板２２にそれぞれ当接させつつ、コネクタの外周縁部が燃料入口穴及び燃料出口穴をそれぞれ覆うように、天板２１及び底板２２にそれぞれ溶接して固定されることにより、脱硫器１００の燃料導入部及び燃料導出部が形成される。

燃料導入部及び燃料導出部は、脱硫剤充填層の近接部において、導入用コネクタ４及び導出用コネクタ５の内部空間と容器２の内部空間とを隔てる部位の中央部に入口閉塞部２３ａ及び出口閉塞部２４ａと、該閉塞部２３ａ，２４ａの外周に円弧状の２つの入口開口部２３ｂ及び出口開口部２４ｂがそれぞれ形成されている。
導入用コネクタ４には、燃料流入配管６が接続され、導出用コネクタ５には、燃料流出配管７が接続される。

かかる構成を有した脱硫器１００の作用を説明する。
液化天然ガス（ＬＰＧ）、都市ガス等の気体燃料は、燃料流入配管６から導入用コネクタ４、入口開口部２３ａを通過して容器２内に流入し、入口開口部２３ａまで近接して充填された脱硫剤１層を浸透し、圧力損失を生じて減速しながら周辺部に分散しつつ下方へ流動する。脱硫剤１と接触した燃料は、燃料中に含まれる硫黄化合物を脱硫剤１に吸着されて、脱硫される。容器２内空間の下端部に達した脱硫後の燃料は、出口開口部２４ａ及び導出用コネクタ５を通過して、燃料流出配管７へ流出し、図示しない改質器へ供給される。

図３（Ｂ）は、本第一実施形態における脱硫器１００における入口開口部２３ａ周辺の流速分布を示す。
燃料の流速域は、図示のＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆの順で大きくなっている。Ｆは、流速が略０の淀み部であり、実質的には、流速域Ｅが、燃料と脱硫剤とが十分長時間接触して良好な脱硫機能を確保しつつ流動できる良適な速度である。

したがって、導入用コネクタ４，導出用コネクタ５が接続される、それぞれの中心軸部で流速Ｄ以上の領域が下方に延びることは当然であるが、できるだけ、下方への延び量を少なく抑制しつつ外側へ分散し、また、流速域Ｅの領域が増大し、流速域Ｄ以上の領域及び淀み領域Ｆが減少することが望ましい。
ここで、燃料供給圧力と、入口開口部２３ａおよび出口開口部２４ａそれぞれの総開口面積と、を同一とした条件で、開口部の形状を相違させたものとの流速分布を比較する。

図３（Ａ）は、開口部を単純円形状とした場合の流速分布を示し、本実施形態に比較し、流速域Ａ〜Ｄの各外縁が中心部下方に延び、特に、最も下側の流速域Ｄは下方に大きく延びている。また、流速域Ｄ以上の領域が大きく増大しており、特に、流速域Ｄの増大が顕著であるが、流速が最も大きく脱硫効率が特に低い領域Ａも明らかに増大している。さらに、流速が略０で脱硫後ガスの供給に殆ど関与せず結果的に脱硫効率を低下させる領域Ｆも増大している。

燃料入口の場合について説明すると、真円開口形状の燃料入口では、脱硫器内に入った燃料は、中央部で一本に纏まり大きな慣性によって脱硫剤充填剤層内を鉛直下向きに直進する。このため、外側への分散性が低く、上流（本実施形態においては容器上側）の脱硫剤との接触効率が低下する。燃料出口についても、中央部で一本に纏まって燃料出口に向かって流動するので同様である。

これに対し、本実施形態の開口部形状では、中央部外側の２つの入口開口部２３ａを介して、初めから外側に分散された慣性の小さい流れとなって流動する。このため、上記単一の真円開口形状と比較し、流速域Ａ〜Ｄの各外縁の中心部下方への延び量が抑えられる。また、流速Ｄ以上の領域が減少する。流速域Ｄの減少が顕著であるが、流速が最も大きく脱硫効率の低い領域Ａも明らかに減少する。さらに、流速略０で脱硫効率を低下させるＦ領域も減少する。そして、これら流速Ｄ以上の領域及びＦ領域が減少した分、脱硫効率を高める流速域Ｅ領域が増大した流速分布となる。

このように、本発明に係る開口形状を有する入口開口部２３ａ及び出口開口部２４ａとすれば、上記のような望ましい流速分布が得られることにより、燃料は脱硫器１００の容器２内を中央部から周辺部まで広範囲に分散しながら、脱硫剤１と時間を掛けて接触しつつ流動して脱硫効率を高めることができる。
以上の点を考察すると、燃料を可能な限り中心から離れた外側（コネクタ内周壁に近い側）で流動させることにより、分散性が高められると推察される。さらに、開口形状は、径方向の幅に比較して周方向に長い細長の形状、例えば円弧状であることがより好ましいと推察される。

また、分散性を向上させるためにパンチング板等の部品を別途要しないため、低コストで製造できる。また、容器２内に燃料分散空間を設置することなく、容器２内空間を満たして充填された脱硫剤１に近接させて入口開口部２３ａ及び出口開口部２４ａを配設できるため、容器２つまり脱硫器１００を可能な限り小型化できる。
なお、本実施形態では、容器２の上側から下側に向かって燃料を供給する方式について説明したが、容器２の下側から上側に向かって燃料を供給する方式においても、同様の効果を得ることができる。開口部については、本実施形態においては円弧状の２つの開口部を有する例について説明したが、図９または図１０のように開口部は１つまたは複数（３個以上）であっても同様の効果を得ることができる。容器２は、円筒状の他、多角柱であってもよい。

次に、本発明の第二の実施形態を図に基づいて説明する。
図４〜図７は、本発明の実施形態に係る脱硫器の正面図、側面図、平面図及び要部拡大平面図を示す。
脱硫器１００は、脱硫剤１が充填された箱状（直方体等）の容器２、導入用コネクタ４、導出用コネクタ５を含んで構成される。

容器２は、平面である天板２１を有し、容器２内は、上端が天板２１の容器２内側に固定され、下端部が容器２底壁との間に隙間をあけて両側に２分するように配設された仕切り板３を有する。
仕切り板３の下端には、分散板３Ａが容器２底壁と平行に該底壁との間に所定の隙間を有して溶接により固定されている。分散板３Ａは、仕切り板３で仕切られた各空間の中央部付近まで等長ずつ延び、両側縁が容器２内壁にも溶接により固定されている。

天板２１は、仕切り板３を隔てて燃料入口穴（図示せず）及び燃料出口穴（図示せず）を有する。
導入用コネクタ４及び導出用コネクタ５は、天板２１にそれぞれ当接させつつ、コネクタの外周縁部が燃料入口穴、燃料出口穴をそれぞれ覆うように、天板２１にそれぞれ溶接して固定することにより、脱硫器１００の燃料導入部及び燃料導出部が形成される。

燃料導入部及び燃料導出部は、脱硫剤充填層の近接部において、導入用コネクタ４及び導出用コネクタ５の内部空間と容器２の内部空間とを隔てる部位の中央部に入口閉塞部２３ａ及び出口閉塞部２４ａと、該閉塞部２３ａ，２４ａの外周に円弧状の２つの入口開口部２３ｂ及び出口開口部２４ｂがそれぞれ形成されている。
導入用コネクタ４には、燃料流入配管６が接続され、導出用コネクタ５には、燃料流出配管７が接続される。

かかる構成を有した脱硫器１００の作用を説明する。
液化天然ガス（ＬＰＧ）、都市ガス等の気体燃料は、燃料流入配管６から導入用コネクタ４、入口開口部２３ａを通過して容器２内の仕切り板３で仕切られた流入側空間８に流入し、入口開口部２３ａまで近接して充填された脱硫剤１層を浸透し、圧力損失を生じて減速しながら周辺部に分散しつつ下方へ流動する。脱硫剤１と接触した燃料は、燃料中に含まれる硫黄化合物を脱硫剤１に吸着されて、脱硫される。

流入側空間８の下端部に達した燃料は、分散板３Ａ下方の隙間を介して隣接する流出側空間９へ流動し、該流出側空間９内の脱硫剤１層を浸透しつつ脱硫されながら上方へ流動する。ここで燃料は、分散板３Ａによって流入側空間８及び流出側空間９の中央部付近で分散板３Ａ下方に流入および流出するように迂回させられることにより、分散性が向上する。ただし、簡易的には、分散板３Ａを省略してもよい。

流出側空間９の上端部に達した脱硫後の燃料は、出口開口部２４ａ及び導出用コネクタ５を介して、燃料流出配管７へ流出し、図示しない改質器へ供給される。
本発明によると、上記実施形態では、脱硫器の容器を箱状（直方体等）としたため、燃料電池システムのパッケージ内に隙間を少なくして収納することができ、パッケージのコンパクト化を促進できる。換言すれば、本発明にかかる燃料入口、燃料出口の開口形状とすれば、円筒状容器を用いなくても脱硫効率を高めることができるため、箱状容器を用いてパッケージのコンパクト化を促進できる。

また、上記実施形態では、容器２内を仕切り板３によって流入側空間８と流出側空間９とに仕切り、導入用コネクタ４及び導出用コネクタ５を容器２の同一面に設けて、燃料を容器内でＵターンさせる構造であって、元来は偏流が起きやすい構造であるが、比較的上流で燃料を分散させることができるため偏流の発生が低減し、コンパクトな容器構造にしつつ脱硫剤を有効に活用することができる。

なお、導入用コネクタ４及び導出用コネクタ５を相互に容器２の反対側端部に配設して、燃料を直線状に通過させる構造に適用できることは勿論である。
また、入口開口部２３ａ及び出口開口部２４ａは、上述の第一または第二の実施形態のように容器の天板２１や底板２２に形成することにより、容易に加工できる。
一方、第三の実施形態として、図７に示すように、片端に底部を有する入口コネクタ３１及び出口コネクタ３２に、上記実施形態と同様の入口閉塞部３１ａ及び出口閉塞部３２ａと、入口開口部３１ｂ及び出口開口部３２ｂと、を形成し、容器２の天板２１や底板２２に形成した燃料入口穴や燃料出口穴に入口コネクタ３１及び出口コネクタ３２の底部を嵌挿して固定するようにしてもよく、第一の実施形態と同様の機能が得られる。この実施形態によると、天板２１等の容器平面に開口部が形成された容器にコネクタを取り付ける場合と比較して、燃料入口穴等とコネクタとの軸心の位置合わせが不要となるため、製造が容易となる。なお、コネクタの底部はコネクタの筒部と一体に形成する他、底部と筒部とを別体に用意して組み立ててもよい。

また、第四の実施の形態として、図８に示すように、円弧状の開口部を径方向に２重に設けてもよい。図３（Ｃ）に示すように、流速域Ａ〜Ｄの中心部上方への延び量が抑えられ、かつ、流速Ｄ以上の領域及び流速略０の流速域Ｆが減少し、その分流速域Ｅが増大した流速分布となる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

なお、本発明に係る開口形状は、上記実施形態に示したように、燃料入口および燃料出口において、同一の流速分布となってそれぞれ脱硫効果を促進する機能を図れることから、燃料入口および燃料出口の双方に設けることが望ましいが、いずれか一方に設けるだけでも、それなりの効果が得られることは勿論である。

１…脱硫剤
２…容器
３…仕切り板
４…導入用コネクタ
５…導出用コネクタ
６…燃料流入配管
７…燃料流出配管
８…流入側空間
９…流出側空間
２１…天板
２２…底板
２３ａ…入口閉塞部
２３ａｂ…入口開口部
２４ａ…出口閉塞部
２４ａｂ…出口開口部
３１…導入用コネクタ
３２…導出用コネクタ
３１ａ…入口閉塞部
３１ｂ…入口開口部
３２ａ…出口閉塞部
３２ｂ…出口開口部
１００…脱硫器

Claims (7)

1. 脱硫剤を充填した容器内に燃料を通過させて燃料の脱硫を行う脱硫器であって、
   燃料入口穴と燃料出口穴を有する容器と、燃料導入用のコネクタと燃料導出用のコネクタとを有し、
   前記導入用コネクタ及び導出用コネクタは、前記容器に当接させつつ、各コネクタの外周縁部が前記燃料入口穴及び燃料出口穴をそれぞれ覆うように固定することによって、燃料導入部及び燃料導出部が形成され、
   前記燃料導入部及び燃料導出部の少なくとも一方には、対応するコネクタの内部空間と前記容器の内部空間とを隔てる部位において、その中央部に閉塞部と、該閉塞部の外周に前記導入用コネクタの内部空間から前記容器の内部空間に燃料を流入させ、又は前記容器の内部空間から前記導出用コネクタの内部空間に燃料を流出させる円弧状の開口部とが形成され、
   前記容器の内部空間を満たして前記開口部まで近接して脱硫剤が充填されていることを特徴とする脱硫器。
2. 前記閉塞部及び開口部は、前記容器の平面部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の脱硫器。
3. 前記開口部は、径方向に二重に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脱硫器。
4. 前記容器は、多角柱状であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の脱硫器。
5. 前記容器は、一端が容器の容器上壁の内側に固定され他端部が容器底壁の内側との間に隙間をあけて容器内を分割するように配設された仕切り板を更に有し、容器上壁に、仕切り板が配設された位置を隔てて前記燃料導入部と燃料導出部が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の脱硫器。
6. 前記仕切り板は、容器底壁と平行に該底壁との間に所定の隙間を有して固定された分散板を更に備え、該分散板は、前記仕切り板で仕切られた各空間の中央部付近まで等長ずつ延び、両側縁が容器内壁に固定されていることを特徴とする請求項５に記載の脱硫器。
7. 前記閉塞部及び開口部は、コネクタの片端部に形成されることを特徴とする請求項１または請求項３〜請求項６のいずれか１つに記載の脱硫器。