JP6089210B2 - 水素生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭化水素化合物原料を原料として発電する燃料電池発電装置に関し、より詳細には原料中に含まれ、水素生成装置に有害なイオウ化合物を除去する水添脱硫器を有する水素生成装置に係るものである。

燃料電池発電装置は、燃料電池と、燃料電池に水素を含んだ燃料ガスを供給する水素生成装置と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力へ変換するインバーター回路、およびそれらを制御する制御装置などによって構成されている。燃料電池には種々の方式が用いられているが、現在は固体高分子形の燃料電池が普及段階にある。また、水素生成装置に用いる水素生成器にも幾つかの方式があるが、原料となる炭化水素化合物と水蒸気を高温で触媒反応させて水素を得る水蒸気改質方式が高効率であるために主流となっている。なお、原料としては天然ガスからなる都市ガスや、ＬＰガス、灯油、バイオガスなどが使用されるが、これらの中には付臭剤として添加されたイオウ化合物、あるいは原料中に元々含まれていたイオウ化合物が混入している。これらのイオウ化合物は水素生成器に使用される触媒を被毒し、その活性を奪ってしまう。そのため、原料中のイオウ化合物は水素生成器へ供給される前に脱硫装置によって除去する必要がある。

脱硫装置としては現在、吸着脱硫方式と水添脱硫方式の２つの方式が用いられている。吸着脱硫方式とは、イオウ化合物を吸着する吸着剤を充填した吸着脱硫器内に原料を通過させて脱硫するもので、常温で吸着脱硫を行うので取り扱いが非常に簡便であるという長所がある。一方、水添脱硫方式は、例えば特許文献１に示されているように、原料に水素を加えて約２００℃から３００℃に昇温された水添脱硫剤を充填した水添脱硫器に通過させることによりイオウ化合物を吸着されやすい硫化水素に変化させ、生成した硫化水素を吸着剤に吸着除去するもので、吸着容量が大きいため長期間にわたって吸着剤の交換が不要であるという長所がある。

水添脱硫方式では水添脱硫剤を昇温する必要がある。そこで水添脱硫器を水素生成装置内に配置することによって，水素生成装置の熱により水添脱硫器を動作温度まで加熱する構成が採用されている。例えば，特許文献１に開示された技術では，水添脱硫器を改質部の周囲に配置することによって水添脱硫器を加熱昇温している。

特開２０１０−０５８９９５号公報

従来の水素生成装置では、改質器及び水添脱硫器の金属外壁が物理的に接触して固定されている。作動温度域が高い改質器では、金属外壁の熱膨張による寸法変化が相対的に大きく、作動温度域が低い水添脱硫器では、金属外壁の熱膨張による寸法変化が相対的に小さくなる。そのため、改質器及び水添脱硫器が物理的に固定されていると、接続箇所への機械的応力がかかりやすく、起動停止を繰り返した場合に接続箇所が破損する恐れがあった。

また、改質器の寸法変化に合わせて、水添脱流器の位置が移動するため、水添脱硫器に接続されているガス配管に機械的応力がかかりやすく、起動停止を繰り返した場合に配管
が破損する恐れがあった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、改質器及び水添脱硫器との接続箇所にかかる機械的応力を小さくし、起動停止を繰り返した場合であっても接続箇所が破損することを防止する。また、水添脱硫器に接続されているガス配管にかかる機械的応力を小さくし、起動停止を繰り返した場合であっても配管が破損することを防止することができる水素生成装置を提供するものである。

上述の従来技術の課題を解決するために本発明の水素生成装置は、原料ガス中に含まれる硫黄成分を水素と反応させて除去する水添脱硫器と、硫黄成分が除去された原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器と、前記水添脱硫器に接続されており、前記水添脱硫器に前記原料ガスを供給するための第１配管と、前記水添脱硫器から前記改質器へ接続されており、前記改質器に前記原料ガスを供給するための第２配管と、を備え、前記水添脱硫器は、前記水添脱硫器の外壁が前記改質器の外壁に物理的に固定されないように、固定部を介して前記ＣＯ低減器の外壁に取り付けられて固定され、かつ、前記改質器の熱で前記水添脱硫器が均一に加熱されるよう前記改質器の近くに配置されている。

この構成により、水添脱硫器が、改質器の熱で均一に加熱されるよう改質器の近くに配置されているが、水添脱硫器の外壁が改質器の外壁に物理的に固定されないように、水添脱硫器が固定部を介してＣＯ低減器の外壁に取り付けられて固定されるため、改質器の寸法変化の影響を受けない。また、水添脱流器が取り付けられている固定部は水添脱硫器の作動温度域とは似ているため、水添脱流器と固定部の接続箇所にかかる機械的応力を低減でき、接続箇所が破損することを抑制できる。

また、改質器の寸法変化に合わせて、水添脱流器の位置が移動することを防止できるため、水添脱硫器に接続されているガス配管にかかる機械的応力を低減でき、配管が破損することを抑制できる。

本発明の技術を用いることにより、起動停止を繰り返した場合であっても水添脱硫器接続箇所が破損することを防止する。また、水添脱硫器に接続されているガス配管が破損することを防止することができる。よって長寿命でかつ故障の少ない水添脱硫器一体型の水素生成装置を得ることができる。

実施の形態１における水素生成装置の要部断面図 実施の形態２における水素生成装置の要部断面図 実施の形態３における水素生成装置の要部断面図

本発明の水素生成装置は、原料ガス中に含まれる硫黄成分を水素と反応させて除去する水添脱硫器と、硫黄成分が除去された原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器と、前記水添脱硫器に接続されており、前記水添脱硫器に前記原料ガスを供給するための第１配管と、前記水添脱硫器から前記改質器へ接続されており、前記改質器に前記原料ガスを供給するための第２配管と、を備え、前記水添脱硫器は、前記水添脱硫器の外壁が前記改質器の外壁に物理的に固定されないように、固定部を介して前記ＣＯ低減器の外壁に取り付けられて固定され、かつ、前記改質器の熱で前記水添脱硫器が均一に加熱されるよう前記改質器の近くに配置されている。

この構成により、水添脱硫器が、改質器の熱で均一に加熱されるよう改質器の近くに配置されているが、水添脱硫器の外壁が改質器の外壁に物理的に固定されないように、水添脱硫器が固定部を介してＣＯ低減器の外壁に取り付けられて固定されるため、改質器の寸法変化の影響を受けない。また、水添脱流器が取り付けられている固定部は水添脱硫器の作動温度域とは似ているため、水添脱流器と固定部の接続箇所にかかる機械的応力を低減でき、接続箇所が破損することを抑制できる。

また、改質器の寸法変化に合わせて、水添脱流器の位置が移動することを防止できるため、水添脱硫器に接続されているガス配管にかかる機械的応力を低減でき、配管が破損することを抑制できる。

また、本発明の水素生成装置は、前記改質器が筒状であり、前記水添脱硫器は環状の形状であり、前記改質器の外側に配置されていてもよい。この構成により、改質器の熱を用いて、水添脱流器をより均一に加熱することができる。

また、本発明の水素生成装置は、前記水添脱硫器と前記ＣＯ低減器との間の隙間を埋めるように配置される断熱材をさらに備えていてもよい。この構成により、水添脱硫器とＣＯ低減器との間に断熱材を配置する場合に、改質器の寸法変化に合わせて、水添脱流器の位置が移動することにより水添脱硫器及び断熱材の間、又は、ＣＯ低減器及び断熱材の間に隙間ができることを抑制でき、改質器とＣＯ低減器との間の断熱性能を維持することができる。これにより、改質器の熱によって、ＣＯ低減器が過剰に加熱されることを防止できる。

また、本発明の水素生成装置は、前記固定部が、前記水添脱硫器と前記ＣＯ低減器とを着脱可能に構成されていてもよい。

この構成により、水添脱硫器を最後に改質器に取り付けることができるので水素生成装置の組み立てが容易となる。

（実施の形態１）
以下、本発明に係る水素生成装置の実施の形態１について、図１を用いて説明する。

図１は、都市ガスを原料として水蒸気改質反応により水素を生成する本発明の実施の形態１における水素生成装置１の概略構成図である。流量調節して供給された原料の都市ガスは、原料ガスを供給するための第１配管２を通じて水添脱硫器３へ供給される。ここで水添脱硫器３は，酸化銅と酸化亜鉛からなる水添脱硫剤１９が充填されて構成されている。水添脱硫器３によって硫黄が除去された原料は、第２配管３２を通って、水配管４から供給された改質水と混合され，混合配管５を通って蒸発器６へ送られる。原料と水蒸気との混合ガスは改質器３０内の高温に加熱された改質触媒層７によって水蒸気改質反応を生じて，水素と炭酸ガスと一酸化炭素を含む改質ガスに変化する。この改質ガスは折り返し流路８を通って、ＣＯ低減器３１内の変成触媒層９に入り，変成反応によって一酸化炭素濃度が低減される。その後，空気配管１０から供給された空気と混合され，選択酸化触媒層１１内で一酸化炭素が燃焼され，燃料ガスとして燃料配管１２から取り出されて燃料電池１３へ供給される。なお，燃料電池１３で消費されなかった水素はオフガス配管１４を介してバーナー１５へ供給され，水素生成装置１を加熱する熱源として利用される。なお
，バーナー１５で燃焼した排ガスは，排ガス配管１６を通じて排気される。また、バーナー１５は、一方の端部が火炎を形成するよう構成され、他方の端部がバーナー固定部を用いて水素生成装置１に固定されている。

前記水添脱硫器３は、前記改質器３０以外の部分に取り付けられて固定されている。ここで前記改質器３０以外の部分とは、例えば、第１配管２、第２配管３２、混合配管５、蒸発器６、ＣＯ低減器３１、バーナー固定部、及び、水素生成装置の筐体のうちの少なくとも一つである。かつ、前記改質器３０の熱を用いて、均一に加熱され熱交換するように構成されている。

本実施例では前記水添脱硫器３は環状であり、かつ前記改質器３０は筒状であり、かつ前記水添脱硫器３は前記ＣＯ低減器３１に取り付けられたときを想定している。

このように作動温度域が高い前記改質器３０に取り付けられていないため、前記改質器３０の熱による寸法変化の影響を受けない。水添脱硫器３が取り付けられている前記ＣＯ低減器３１の作動温度域と前記水添脱硫器３の作動温度域とは似ているため、水添脱硫器３及び前記ＣＯ低減器３１の接続箇所にかかる機械的応力を低減でき、接続箇所が破損することを抑制できる。

また、前記改質器３０の寸法変化に合わせて、水添脱硫器３が移動することを防止できるため、前記水添脱硫器に接続されている前記第１配管２及び前記第２配管３２にかかる機械的応力を低減でき、前記第１配管２及び前記第２配管３２が破損することを抑制できる。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における水素生成装置について、図２を用いて説明する。なお、図２において、前述の実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付与している。

図２に図示した実施の形態２と前述の図１の実施の形態１との違いは、前記水添脱硫器３と前記ＣＯ低減器３１との間に断熱材３３を設置し、前記断熱材３３は前記水添脱硫器３と前記ＣＯ低減器３１の隙間を埋めるように構成されている点である。前記改質器３０の寸法変化に合わせて、水添脱硫器３の位置が移動することにより前記水添脱硫器３及び前記断熱材３３の間、又は、前記ＣＯ低減器３１及び前記断熱材３３の間に隙間ができることを抑制でき、前記改質器３０と前記ＣＯ低減器３１との間の断熱性能を維持することができる。この構成により、前記改質器３０の熱によって、前記ＣＯ低減器３１が過剰に加熱されることを防止できる。

（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における水素生成装置について、図３を用いて説明する。なお、図３において、前述の実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付与している。

図３に図示した実施の形態３と前述の図１の実施の形態１との違いは、前記水添脱硫器３を前記ＣＯ低減器３１に取り付けるための固定部３４を備えており、前記固定部３４は、前記水添脱硫器３と前記ＣＯ低減器３１とを着脱可能な構成を実現している。この構成により、前記水添脱硫器３を最後に前記改質器３０に取り付けることができるので水素生成装置の組み立てが容易となる。

なお、本実施例では、水添脱硫器環状であり、かつ改質器は筒状であり、かつ水添脱硫
器はＣＯ低減器に取り付けられたときを想定して説明したが、
水添脱硫器及び改質器がプレート状で構成されるときや、水添脱硫器及び改質器が一体のモジュール化されている構成であっても同様の効果が得られる。

水添脱硫器を有する水素生成装置全てについて有用である本発明の係る水素生成装置は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池を備える燃料電池発電システムに利用することが可能である。

１ 水素生成装置
２ 第１配管
３ 水添脱硫器
６ 蒸発器
７ 改質触媒層
９ 変成触媒層
１１ 選択酸化触媒層
１２ 燃料配管
１３ 燃料電池
１５ バーナー
１６ 排ガス配管
１９ 水添脱硫剤
３０ 改質器
３１ ＣＯ低減器
３２ 第２配管
３３ 断熱材
３４ 固定部

Claims (5)

1. 原料ガス中に含まれる硫黄成分を水素と反応させて除去する水添脱硫器と、
   硫黄成分が除去された原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、
   前記改質器から供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器と、
   前記水添脱硫器に接続されており、前記水添脱硫器に前記原料ガスを供給するための第１配管と、
   前記水添脱硫器から前記改質器へ接続されており、前記改質器に前記原料ガスを供給するための第２配管と、
   を備え、
   前記水添脱硫器は、前記水添脱硫器の外壁が前記改質器の外壁に物理的に固定されないように、固定部を介して前記ＣＯ低減器の外壁に取り付けられて固定され、かつ、前記改質器の熱で前記水添脱硫器が均一に加熱されるよう前記改質器の近くに配置されている、水素生成装置。
2. 前記改質器は筒状である、請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記水添脱硫器は環状の形状であり、前記改質器の外側に配置されている、請求項１または２に記載の水素生成装置。
4. 前記水添脱硫器と前記ＣＯ低減器との間の隙間を埋めるように配置される断熱材をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
5. 前記固定部は、前記水添脱硫器と前記ＣＯ低減器とを着脱可能に構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素生成装置。