JPWO2014112351A1 - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

原料中の硫黄化合物を除去する、筒状の第１壁を有する水添脱硫器と、水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、第１壁と対向するように第１壁と同軸に設けられた筒状の第２壁と、第１壁と第２壁との間隙に、第１壁の軸方向に延びる部分を有し、第１壁の軸方向において折り返しながら環状に設けられた電気ヒータと、を備える、水素生成装置。

Description

本発明は、水素生成装置及び燃料電池システムに関する。より詳しくは、水添脱硫器を備えた水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
特許文献１は、燃料ガスから硫黄分を除去する脱硫器と、水素を生成する改質器と、一酸化炭素を二酸化炭素に変える一酸化炭素変成器と、燃料電池本体を含む燃料電池発電設備において、同心二重の円筒容器を設け、この円筒容器の内側容器に前記脱硫器を収納する一方、外側容器に前記一酸化炭素変成器を収納すると共に、間隙に保温材を充填し、かつ、前記外側容器と前記内側容器との相対向する両側壁に加熱用ヒータを取り付けたことを特徴とする燃料電池発電設備を開示する。
図１４は、特許文献１の第１実施例にかかる一酸化炭素変成器の概略構成を示す断面図である。一酸化炭素変成器１０は、同心二重の円筒内壁１６ａと円筒外壁１６ｂによって形成される両壁の間に触媒粒子を充填した触媒層１１を形成し、脱硫器１７は、同心二重の円筒外壁２０と脱硫器出口配管２４とによって形成される両壁の間に触媒層を設けてこれに触媒を充填している。
円筒内壁１６ａの内側及び円筒外壁１６ｂの外側には、触媒層１１を加熱する加熱用ヒータ１４ａ，１４ｂが螺旋状に巻かれ、その内側と外側には断熱保温材１５を設けて一酸化炭素変成器１０全体を保温している。
特開平７−１８３０４３号公報
前記従来の構成では、脱硫器を加熱する性能が不十分であった。本発明は、脱硫器を備えた水素生成装置及び燃料電池システムにおいて、脱硫器を加熱する性能を従来よりも向上させることを目的の一つとする。
本発明による水素生成装置の一態様は、原料中の硫黄化合物を除去する、筒状の第１壁を有する水添脱硫器と、前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記第１壁と対向するように前記第１壁と同軸に設けられた筒状の第２壁と、前記第１壁の軸方向に延びつつ前記第１壁の軸方向に折り返しながら、前記第１壁と前記第２壁との間隙に環状に設けられた電気ヒータと、を備える。
本発明による燃料電池システム一態様は、上記の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
本発明の一態様によれば、脱硫器を備えた水素生成装置及び燃料電池システムにおいて、脱硫器を加熱する性能を従来よりも向上させることができるという効果を奏する。
図１Ａは、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す鉛直断面模式図である。 図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 図２は、第１実施形態における電気ヒータの概略構成の一例を示す斜視図である。 図３は、第１実施形態における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。 図４は、第１実施形態の第１実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す水平断面模式図である。 図５Ａは、第１実施形態の第１実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す概念図である。 図５Ｂは、第１実施形態の第１実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。 図６Ａは、第１実施形態の第２実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す鉛直断面模式図である。 図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ’線断面図及び線Ｂ−Ｂ’線断面図である。 図７Ａは、第１実施形態の第２実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す概念図である。 図７Ｂは、第１実施形態の第２実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。 図８Ａは、第１実施形態の第３実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す鉛直断面模式図である。 図８Ｂは、図８ＡのＡ−Ａ’線断面図及び線Ｂ−Ｂ’線断面図である。 図９Ａは、第１実施形態の第３実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す概念図である。 図９Ｂは、第１実施形態の第３実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。 図１０は、第１実施形態の第４実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す水平断面模式図である。 図１１Ａは、第１実施形態の第４実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す概念図である。 図１１Ｂは、第１実施形態の第４実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。 図１２Ａは、第１実施形態の第５実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す水平断面模式図である。 図１２Ｂは、第１実施形態の第５実施例における電気ヒータの作用メカニズムを示す概念図である。 図１３は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図１４は、特許文献１の第１実施例にかかる一酸化炭素変成器の概略構成を示す断面図である。
脱硫器を備えた水素生成装置及び燃料電池システムにおいて、脱硫器を加熱する性能を従来よりも向上させる方法が鋭意検討され、以下の知見が得られた。
燃料電池システムは、発電時の燃料として用いられる水素含有ガスが一般的な原料インフラとして整備されていない場合に、一般的な原料インフラである天然ガスやＬＰＧから水素含有ガスを生成させる改質器を有する水素生成装置を備えうる。
改質器では、例えば、水蒸気改質反応が典型的に用いられる。水蒸気改質反応は、例えば、原料となる都市ガスと水蒸気とをＮｉ系やＲｕ系といった貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスを生成する。
ところで、都市ガス等の原料ガスには硫黄化合物が含まれている場合がある。硫黄化合物は、触媒、とりわけ改質触媒、を被毒するため、何らかの方法で除去すべき場合が多い。
硫黄化合物の除去方法として、水素を原料に添加し、触媒を用いた化学反応により硫黄化合物を除去する水添脱硫がある。水添脱硫により効率よく硫黄化合物を除去するには、触媒を反応に最適な温度、例えば２００℃から３００℃程度の高温に保つ必要がある。このため、装置の起動時には、触媒を外部から加熱する必要がある。該加熱の手段として、水添脱硫器の外側に電気ヒータが設けることが考えられる。
ここで、特許文献１のように、電気ヒータが脱硫器の周囲に螺旋状に巻きつけられた構成では、電気ヒータと脱硫器との密着性が不十分となりやすく、そのために脱硫器を加熱する性能も不十分となりやすいことが判明した。その理由としては、１）螺旋形状の電気ヒータがなす曲線と脱硫器の壁のなす曲面の曲率が精度よく一致しなければヒータと壁とが密着できないこと、２）螺旋形状の電気ヒータでは脱硫器の径方向における伸縮能力がほとんどないため、電気ヒータが脱硫器の壁に接触するように変形しにくいこと、等が考えられた。
そして、電気ヒータを、脱硫器が有する筒状の壁の軸方向に延びつつ軸方向に折り返しながら、該筒状の壁とこれに対向する他の筒状の壁との間隙に環状に設ける態様が着想された。かかる構成では、電気ヒータと脱硫器との密着性が向上し、脱硫器を加熱する性能を従来よりも向上させることができる。すなわち、電気ヒータは、軸方向に延びつつ軸方向に折り返しながら環状に形成されているために、径方向に伸縮する能力が高く、脱硫器の壁に接触するように変形しやすい。従って、仮に、環状の電気ヒータが脱硫器の筒状の壁と精度よく密着するよう形成されていなくても、対向する他の筒状の壁により脱硫器の壁と接触するように変形して密着性が向上することが期待される。
以下、実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。なお、各図に示されている、各構成物の形状、大きさ、及び、位置関係は、あくまで例であって、それらは図示された態様に限定されるものではない。
実施形態の記載において、便宜的に、筒状に形成された第１壁の中心軸方向を上下方向とするが、水素生成装置が現実に設置される場合における第１壁と鉛直方向との関係は特に限定されない。
以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本発明を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
（第１実施形態）
第１実施形態の水素生成装置は、原料中の硫黄化合物を除去する、筒状の第１壁を有する水添脱硫器と、水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、第１壁と対向するように第１壁と同軸に設けられた筒状の第２壁と、第１壁の軸方向に延びつつ第１壁の軸方向に折り返しながら、第１壁と第２壁との間隙に環状に設けられた電気ヒータと、を備える。
かかる構成では、脱硫器を加熱する性能を従来よりも向上させることができる。
上記水素生成装置において、加熱を必要とする反応器（reactor）を備え、第２壁は反応器の壁であってもよい。
かかる構成では、間隙に設けられた電気ヒータにより、水添脱硫器と加熱を必要とする反応器の両方を加熱することができる。
［装置構成］
図１Ａは、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す鉛直断面模式図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線断面図である。なお、図１Ｂにおいて上半分は図示を省略している。
図１に示す例では、第１実施形態の水素生成装置１００は、第１壁２１を有する水添脱硫器３と、改質器４と、第２壁２２と、電気ヒータ６と、を備える。
水添脱硫器３は、原料中の硫黄化合物を除去する。より具体的には、水添脱硫器３は、原料中の硫黄化合物を水添反応により除去する。水添脱硫器３は、容器に水添脱硫触媒が充填され構成されうる。水添脱流触媒は、例えば、原料中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられて、変換された硫化水素を吸着する吸着剤であるＺｎＯ系触媒及びＣｕＺｎ系触媒の少なくともいずれか一方とで構成されうる。水添脱硫触媒は、本例に限定されるものではなく、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒のみで構成されてもよい。
図１に示す例では、水添脱硫器３は、改質器４の外周に環状に伝熱可能なように配設されている。水添脱硫器３の外殻は、例えば、ステンレススチール等の金属で構成されてもよい。
水添脱硫器３には、水添脱硫に必要な水素が供給される。水素源としては、例えば、改質器４から排出される水素含有ガス、改質器４から排出される水素含有ガスを利用する水素利用機器から排出された未利用の水素を含有するガス、水素ボンベ等を用いうる。
原料は、例えば、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含有する原料である。原料として、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。
硫黄化合物は、付臭成分として人為的に原料へ添加されるものであってもよいし、原料自体に由来する天然の硫黄化合物であってもよい。具体的には、ターシャリブチルメルカプタン（ＴＢＭ：tertiary-butylmercaptan）、ジメチルスルフィド（ＤＭＳ：dimethyl sulfide）、テトラヒドロチオフェン（ＴＨＴ：Tetrahydrothiophene）、硫化カルボニル（ＣＯＳ：carbonyl sulfide）、硫化水素（hydrogen sulfide）等が例示される。
第１壁２１は筒状である。筒状とは、必ずしも完全に閉じた筒状である必要はなく、一部が欠けていてもよい。具体的には、第１壁２１は、図１に示す例では、円筒状である。第１壁２１は、角筒状であってもよい。第１壁２１は、例えば、ステンレススチール等の伝熱性の高い金属で構成されうる。水添脱硫器３が筒状であってもよい。具体的には例えば、水添脱硫器３が円筒状であってもよいし、角筒状であってもよい。筒状の水添脱硫器３の中心軸に沿って、水添脱硫器３の内側に、改質器及び変成器等の他の部材が配置されていてもよい。この場合、水添脱硫器３は環状とも呼びうる。第１壁２１は、水添脱硫器の内部と水添脱硫器の外部とを隔てる壁としうる。
改質器４は、水添脱硫器３から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する。具体的には、例えば、改質器４において、原料ガスが改質反応して水素含有ガスが生成される。改質器４で生成された水素含有ガスは、水素供給経路を介して図示されない水素利用機器へと供給される。改質器４の外殻は、例えば、ステンレススチール等の金属で構成されていてもよい。
改質反応は、いずれの改質反応でもよく、具体的には、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応が例示される。改質反応として水蒸気改質反応を用いる場合、改質反応は吸熱反応であり、改質触媒を高温（例えば、６００〜７００℃）にする必要がある。
第２壁２２は筒状であって、第１壁２１と対向するように第１壁２１と同軸に設けられている。同軸とは、必ずしも中心軸が完全に一致している必要はなく、筒状の第１壁２１と筒状の第２壁２２とが各部位において互いに向かい合う構成になっていれば足りる。筒状とは、必ずしも完全に閉じた筒状である必要はなく、一部が欠けていてもよい。第１壁２１と第２壁２２とは、一方が他方を取り囲むように構成されてもよい。すなわち、第２壁２２が第１壁２１の周囲を取り囲むように構成されてもよいし、第１壁２１が第２壁２２の周囲を取り囲むように構成されてもよい。
具体的には、第２壁２２は、図１に示す例では、円筒状である。第２壁２２は、角筒状であってもよい。第２壁２２は、例えば、ステンレススチール等の伝熱性の高い金属で構成されうる。図１に示す例では、第２壁２２は変成器５の壁である。第２壁２２は、加熱を必要とする反応器の壁であってもよい。加熱を必要とする反応器としては、例えば、変成器、改質器、ＣＯ低減器等が挙げられる。すなわち、第２壁２２は、変成器、改質器、ＣＯ低減器からなる群より選ばれる少なくとも一つの反応器の壁であってもよい。第２壁２２は、加熱を必要とする反応器の内部と該反応器の外部とを隔てる壁としうる。
電気ヒータ６は、第１壁２１の軸方向に延びつつ第１壁２１の軸方向に折り返しながら、第１壁２１と第２壁２２との間隙７に環状に設けられている。図１に示す例では、軸方向とはＺ−Ｚ’軸に平行な方向である。間隙７の大きさは、例えば、３ｍｍ〜１０ｍｍとしうる。電気ヒータ６は、ある部分において第１壁２１及び第２壁２２の両方に接触していてもよいし、第１壁２１及び第２壁２２のいずれか一方にのみ接触していてもよいし、第１壁２１及び第２壁２２のいずれにも接触していなくてもよい。
電気ヒータ６は、例えば、水素生成装置１００の外部から電力が供給されることで発熱し、水添脱硫器３を加熱するように構成されている。図１に示す例では、電気ヒータ６は、水添脱硫器３を加熱すると同時に、変成器５も加熱する。
第１壁２１の軸方向は、水添脱硫器３の軸方向であってもよい。水素生成装置１００が全体として筒状であってもよく、この場合、第１壁２１の軸方向が水素生成装置１００の軸方向であってもよい。第１壁２１の軸方向に延びる部分は、直線状であってもよい。電気ヒータ６は、水添脱硫器３を取り巻くように構成されていてもよい。電気ヒータ６は、例えば、線材で構成されていてもよい。該線材の断面は特に限定されず、円形でもよいし、楕円形でもよいし、環状でもよいし、矩形でもよい。電気ヒータ６は、例えば、シースヒータとしうる。電気ヒータ６の太さは、例えば、１ｍｍ〜５ｍｍとしうる。図１に示す例では、電気ヒータ６は第１壁２１を一周しているが、電気ヒータ６が第１壁２１を複数回周回してもよい。
図２は、第１実施形態における電気ヒータの概略構成の一例を示す斜視図である。図３は、第１実施形態における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。
図２に示す例では、電気ヒータ６が、環状の水添脱硫器３の外側の壁をなす第１壁２１と、環状の変成器５の内側の壁をなす第２壁２２との間隙７に配設されている。水添脱硫器３及び変成器５は、上端面及び下端面がそれぞれ同一平面をなしている。電気ヒータ６は、水素生成装置１００の上方から間隙７に入り、そのまま下方へ直線状に延び、水添脱硫器３の下端部で上方へと折り返し、上方へ直線状に延び、水添脱硫器３の上端部で下方へ折り返すように構成されている。電気ヒータ６は、水添脱硫器３の下端部と上端部とで上下に折り返しを繰り返し、最後に間隙７から上方へ向けて延びるように出てくる。
図３に示す例では、電気ヒータ６が、複数の軸方向に延びる部分６４と、複数の軸方向に折り返す部分６５とを備えている。軸方向に延びる部分６４と軸方向に折り返す部分６５とが交互に繰り返しつつ連続して形成されることで、１枚のシート状の電気ヒータ６が構成されうる。得られたシート状の電気ヒータ６は、丸めて環状にされ、間隙７の内部に挿入されうる。電気ヒータ６は、シート状に形成された後に丸められてもよいし、最初から環状に形成されてもよい。図３に示す例では、電気ヒータ６はサーペンタイン状に形成されているとも言いうる。
電気ヒータ６が折り返す部分は、必ずしも水添脱硫器３の下端部及び上端部でなくてもよい。電気ヒータ６は複数設けられていてもよい。例えば、電気ヒータ６が２個設けられ、一方が水添脱硫器３の上半分に対応して配置され、他方が水添脱硫器３の下半分に対応して配置されてもよい。あるいは例えば、電気ヒータ６が２個設けられ、一方が水添脱硫器３の右半分に対応して配置され、他方が水添脱硫器３の左半分に対応して配置されてもよい。図２及び図３に示す例では、電気ヒータ６は９回折り返しているが、折り返しの回数は特に限定されない。電気ヒータ６は、１個であってもよい。
図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器が適宜設けられてもよい。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられてもよい。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置１００には、さらに、改質器に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられてもよい。
改質器４の下流に改質器４で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ低減器が設けられてもよい。ＣＯ低減器は、シフト反応により一酸化炭素を低減させる変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減させるＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備えていてもよい。
図１に示す例では、ＣＯ低減器として、変成器５が設けられている。変成器５は、水添脱硫器３の外周に設けられ、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する。図１に示す例では、変成器５は、水添脱硫器３の外周に環状に伝熱可能なように配設され、改質器４で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する。
変成器５には変成触媒が充填される。変成触媒としては、例えば、ＣｕＺｎ系触媒を用いることができる。変成器５の外殻は、例えば、ステンレススチール等の金属で構成されてもよい。変成器５の下流に、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素をさらに低減させるＣＯ除去器を備えてもよい。図１に示す例では、第２壁２２は変成器５の壁である。なお、本実施形態において変成器５は必須ではない。
図１に示す例では、最も中心に改質器４が配置され、改質器４の周囲に水添脱硫器３が配置され、水添脱硫器３のさらに周囲に変成器５が配置されている。しかしながら、いずれの構成要素を内側に配置し、いずれの構成要素を外側に配置するかは特に限定されない。具体的には例えば、水添脱硫器を円筒形状として最も内側に配置し、水添脱硫器の周囲に変成器が配置されてもよい。あるいは、変成器を円筒形状として最も内側に配置し、変成器の周囲に水添脱硫器が配置されてもよい。
図１に示す構成では、水添脱硫器３及び変成器５の２つの反応器と電気ヒータ６とが、主として軸方向で直線状に接触する。よって、電気ヒータを螺旋状に巻いた場合と比較して、各反応器と電気ヒータとの密着性が向上し、熱伝導による熱利用効率を向上させることができる。
さらに、同一の電気ヒータで水添脱硫器３及び変成器５の２つの反応器を同時に加熱することができる。よって、容器ごとにヒータを設ける必要がなく、電気ヒータにかかる製造コストを低減することができる。
［動作］
以下、水素生成装置１００の動作の一例について図１を用いて説明する。なお、本実施形態の水素生成装置１００の動作は、本実施形態の第１実施例、第２実施例、第３実施例、第４実施例、及び第５実施例のいずれにも適用可能である。
水添脱硫器３には、図示されない原料供給路から原料が供給される。原料供給路の内部を通流する原料に、改質器４から排出された水素含有ガスの一部が添加される。水素が添加された原料は、水添脱硫器３の内部に供給され、水添脱硫触媒存在下での反応によって原料中の硫黄化合物が除去される。その後、脱硫済みの原料は、図示されない原料排出路を介して改質器４へと供給される。改質器４内部において、改質反応により原料から水素含有ガスが生成される。改質器４で生成された水素含有ガスは、原料に添加される分を除き、変成器５へ供給される。変成器５では、シフト反応により水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素が低減される。その後、一酸化炭素が低減された水素含有ガスは、図示されない水素利用機器へと供給される。
水添脱硫器３と変成器５の間隙７に配設された電気ヒータは、水素生成装置１００の起動時に作動し、水添脱硫器３と変成器５とを、水添脱硫触媒及び変成触媒が作用する適正温度（例えば、２５０℃〜３００℃）まで昇温する。
［第１実施例］
第１実施例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、加熱を必要とする反応器を備え、第２壁は反応器の壁であり、電気ヒータは、第１壁に接するように構成された第１部分と、第２壁に接するように構成された第２部分と、を備える。
上記水素生成装置において、電気ヒータは、第１部分と第２部分とが切替わる箇所において第１壁の中心軸から電気ヒータまでの距離が変わるように構成されていてもよい。
なお、本実施例では、反応器の一例として、変成器を挙げ、説明する。
図４は、第１実施形態の第１実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す水平断面模式図である。図５Ａは、第１実施形態の第１実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す概念図である。図５Ｂは、第１実施形態の第１実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。図５Ａは、図５ＢのＡ−Ａ’線断面図となっている。
本実施例の水素生成装置１１０は、電気ヒータ６の構成が更に特定されている点を除けば、図１から図３に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、図１から図３と図４、図５とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。
本実施例では、第１壁２１の軸方向に延びつつ第１壁２１の軸方向に折り返しながら、第１壁２１と第２壁２２との間隙７に環状に設けられた電気ヒータ６において、ヒータの直線部分が第１壁２１に接する第１部分６１と、第２壁２２に接する第２部分６２とを備えている。図４に示す例のように、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合、第１部分６１の径Ｒ１は、第２部分６２の径Ｒ２よりも小さくなるように構成されている。換言すれば、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合には、第１壁２１の中心軸から第１部分６１までの距離Ｒ１は、第１壁２１の中心軸から第２部分６２までの距離Ｒ２よりも小さい。
第１部分６１と第２部分６２とは交互に配置されていてもよい。この場合、第１部分６１の数と第２部分６２の数とは等しくてもよい。かかる構成では、電気ヒータ６が第１壁２１と第２壁２２とを等しく加熱する。図４に示す例では、第１壁２１が水添脱硫器３の壁であり、第２壁が変成器５の壁であるため、電気ヒータ６は、水添脱硫器３と変成器５とを等しく加熱する。
本実施例では、第１部分６１と第２部分６２とが切替わる切替箇所６３において、環状の電気ヒータ６の径が変わるように構成されている。換言すれば、第１部分６１と第２部分６２とが切替わる切替箇所６３において第１壁２１の中心軸から電気ヒータ６までの距離が変わるように構成されている。図４に示す例では、第１部分６１と第２部分６２とは、いずれも、軸方向に延びる部分６４となっている。
かかる構成では、電気ヒータ６は、例えば金属製のパイプで構成されている場合に、第１部分６１と第２部分６２とが切替わる切替箇所６３に弾性（バネ性）を有するようになる。この弾性（バネ性）を利用して、図４に例示する構成では、第１部分６１を水添脱硫器３の外周面に、第２部分６２を変成器５の内周面に押し付けることができる。その結果、電気ヒータ６と各容器との密着性をさらに高めることができ、熱利用効率が向上する。
なお、図５Ｂに示す例では、切替箇所６３が図４で示した軸方向に折り返す部分６５と一致しているが、後述するように、切替箇所６３は軸方向に折り返す部分６５と一致していなくてもよい。
さらに、２つの容器の間隙７を電気ヒータ太さ（直径）よりも大きくした場合には、組み立て時に間隙７への電気ヒータ６の挿入が容易になり作業効率が向上する。また、間隙７の大きさに多少のばらつきがあっても、電気ヒータ６自体が弾性（バネ性）を有することで、電気ヒータ６と各反応器との密着性を確保することができる。よって、熱利用効率が向上するとともに、間隙７の寸法を管理する手間が省ける。
本実施例においても、第１実施形態で示したものと同様の変形が可能である。
［第２実施例］
第２実施例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、加熱を必要とする反応器を備え、第２壁は反応器の壁であり、電気ヒータは、第１壁に接するように構成された第１部分と、第２壁に接するように構成された第２部分と、を備える点、及び、電気ヒータは、第１部分と第２部分とが切替わる箇所において第１壁の中心軸から電気ヒータまでの距離が変わるように構成されうる点については、第１実施例と同様である。
本実施例では、第１部分と第２部分とが単一の軸方向に延びる部分６４に形成されている点が、図４、図５に示した第１実施例とは異なっている。
なお、本実施例では、第1実施例と同様、反応器が変成器である場合を例として説明する。
図６Ａは、第１実施形態の第２実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す鉛直断面模式図である。図６Ｂは、左側が図６ＡのＡ−Ａ’線断面図（右側部分は省略）であり、右側が図６Ａの線Ｂ−Ｂ’線断面図（左側部分は省略）である。図７Ａは、第１実施形態の第２実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す概念図である。図７Ｂは、第１実施形態の第２実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。図７Ａは、図７ＢのＡ−Ａ’線断面図となっている。
本実施例の水素生成装置１２０は、電気ヒータ６の構成が更に特定されている点を除けば、図１から図３に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、図１から図３と図６、図７とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。
本実施例では、第１壁２１の軸方向に延びつつ第１壁２１の軸方向に折り返しながら、第１壁２１と第２壁２２との間隙７に環状に設けられた電気ヒータ６において、電気ヒータ６の直線部分（軸方向に延びる部分６４）が、第１壁２１に接する第１部分６１と、第２壁２２に接する第２部分６２とを備えている。図１０に示す例のように、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合、第１部分６１の径Ｒ１は、第２部分６２の径Ｒ２よりも小さくなるように構成されている。換言すれば、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合には、第１壁２１の中心軸から第１部分６１までの距離Ｒ１は、第１壁２１の中心軸から第２部分６２までの距離Ｒ２よりも小さい。
さらに本実施例では、２個の軸方向に第２部分６２に挟まれた１個の軸方向に延びる部分６４において、上部に第１部分６１が形成され、下部に第２部分６２が形成されている。下部に第１部分６１が形成され、上部に第２部分６２が形成されていてもよい。第１部分６１と第２部分とは、切替箇所６３で接続されている。
図７Ｂに示す例では、電気ヒータ６の軸方向に延びる部分６４の全てにおいて、上部に第１部分６１が形成され、下部に第２部分６２が形成されているが、かかる構成に限定されるものではない。具体的には例えば、上部に第１部分６１が形成され、下部に第２部分６２が形成される部分と、下部に第１部分６１が形成され、上部に第２部分６２が形成される部分とが交互に形成されてもよい。
本実施例においても、第１実施形態で示したものと同様の変形が可能である。
［第３実施例］
第３実施例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、加熱を必要とする反応器を備え、第２壁は反応器の壁であり、電気ヒータは、第１壁に接するように構成された第１部分と、第２壁に接するように構成された第２部分と、を備える点、及び、電気ヒータは、第１部分と第２部分とが切替わる箇所において第１壁の中心軸から電気ヒータまでの距離が変わるように構成されうる点については、第１実施例と同様である。
第３実施例の水素生成装置は、第１部分と第２部分とが単一の軸方向に延びる部分６４に形成されている点では、第２実施例と同様である。
本実施例では、２個の第１部分と１個の第２部分とが単一の軸方向に延びる部分６４に形成されている点が、図６、図７に示した第２実施例とは異なっている。
なお、本実施例では、第1実施例と同様、反応器が変成器である場合を例として説明する。
図８Ａは、第１実施形態の第３実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す鉛直断面模式図である。図８Ｂは、左側が図８ＡのＡ−Ａ’線断面図（右側部分は省略）であり、右側が図８Ａの線Ｂ−Ｂ’線断面図（左側部分は省略）である。図９Ａは、第１実施形態の第３実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す概念図である。図９Ｂは、第１実施形態の第３実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。図９Ａは、図９ＢのＡ−Ａ’線断面図となっている。
本実施例の水素生成装置１３０は、電気ヒータ６の構成が更に特定されている点を除けば、図１から図３に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、図１から図３と図８、図９とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。
本実施例では、第１壁２１の軸方向に延びつつ第１壁２１の軸方向に折り返しながら、第１壁２１と第２壁２２との間隙７に環状に設けられた電気ヒータ６において、ヒータの直線部分（軸方向に延びる部分６４）が、第１壁２１に接する第１部分６１と、第２壁２２に接する第２部分６２とを備えている。図１０に示す例のように、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合、第１部分６１の径Ｒ１は、第２部分６２の径Ｒ２よりも小さくなるように構成されている。換言すれば、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合には、第１壁２１の中心軸から第１部分６１までの距離Ｒ１は、第１壁２１の中心軸から第２部分６２までの距離Ｒ２よりも小さい。
さらに本実施例では、２個の軸方向に折り返す部分６５に挟まれた１個の軸方向に延びる部分６４において、上部及び下部に第１部分６１が形成され、中央部に第２部分６２が形成されている。中央部に第１部分６１が形成され、上部及び下部に第２部分６２が形成されていてもよい。第１部分６１と第２部分とは、切替箇所６３で接続されている。
図７Ｂに示す例では、電気ヒータ６の軸方向に延びる部分６４の全てにおいて、上部及び下部に第１部分６１が形成され、中央部に第２部分６２が形成されているが、かかる構成に限定されるものではない。具体的には例えば、上部及び下部に第１部分６１が形成され、中央部に第２部分６２が形成される部分と、中央部に第１部分６１が形成され、上部及び下部に第２部分６２が形成される部分とが交互に形成されてもよい。あるいは例えば、第１実施例と第２実施例と第３実施例とを適宜に組合せてもよい。すなわち、電気ヒータ６において、いずれの部分を第１部分６１とし、いずれの部分を第２部分６２とするかは、適宜に調整可能である。
本実施例においても、第１実施形態で示したものと同様の変形が可能である。
［第４実施例］
第４実施例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、加熱を必要とする反応器を備え、第２壁は反応器の壁であり、電気ヒータは、第１壁に接するように構成された第１部分と、第２壁に接するように構成された第２部分と、を備える点、及び、電気ヒータは、第１部分と第２部分とが切替わる箇所において第１壁の中心軸から電気ヒータまでの距離が変わるように構成されうる点については、第１実施例と同様である。
本実施例の水素生成装置において、反応器は、水添脱硫器の外周に設けられ、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器である。
上記水素生成装置は、電気ヒータにおいて、第１部分が占める比率が、第２部分が占める比率よりも多くてもよい。
すなわち、水添脱硫器と変成器の熱容量に応じて、電気ヒータに占める第１部分の比率が、電気ヒータに占める第２部分の比率よりも大きくなるように構成されている。
かかる構成では、水添脱流器に対する加熱量が、変成器よりも大きくなる。変成器は反応による発熱を伴うが、水添脱流器は反応による発熱を伴わないため、電気ヒータによる加熱量を大きくすることで、効率よく昇温することができる。
図１０は、第１実施形態の第４実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す水平断面模式図である。図１１Ａは、第１実施形態の第４実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す概念図である。図１１Ｂは、第１実施形態の第４実施例における電気ヒータの概略構成の一例を示す展開図である。図１１Ａは、図１１ＢのＡ−Ａ’線断面図となっている。
本実施例の水素生成装置１４０は、電気ヒータ６の構成が更に特定されている点を除けば、図１から図３に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、図１から図３と図１０、図１１とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。
本実施例では、第１壁２１の軸方向に延びつつ第１壁２１の軸方向に折り返しながら、第１壁２１と第２壁２２との間隙７に環状に設けられた電気ヒータ６において、ヒータの直線部分が第１壁２１に接する第１部分６１と、第２壁２２に接する第２部分６２とを備えている。図１０に示す例のように、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合、第１部分６１の径Ｒ１は、第２部分６２の径Ｒ２よりも小さくなるように構成されている。換言すれば、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合には、第１壁２１の中心軸から第１部分６１までの距離Ｒ１は、第１壁２１の中心軸から第２部分６２までの距離Ｒ２よりも小さい。
さらに、第１壁２１側の反応器及び第２壁２２側の反応器の熱容量や温度条件に対応して、電気ヒータ６に占める第１部分６１の比率と、電気ヒータ６に占める第２部分６２の比率とが調整されている。図１０、図１１に示す例では、第１壁２１が水添脱硫器３の壁であり、第２壁２２が変成器５の壁であるため、水添脱硫器３及び変成器５の熱容量や温度条件に対応して、電気ヒータ６に占める第１部分６１の比率と、電気ヒータ６に占める第２部分６２の比率とを変えている。これにより、各反応器に対する加熱量を調整することができ、目的の温度に短い時間で昇温できるようになる。
図１０、図１１に示す例では、第１部分６１と第２部分６２との比率を２対１としているが、比率はこれに限定されるものではない。
本実施例においても、第１実施形態で示したものと同様の変形が可能である。
［第５実施例］
第５実施例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、加熱を必要とする反応器を備え、第２壁は反応器の壁であり、電気ヒータは、第１壁に接するように構成された第１部分と、第２壁に接するように構成された第２部分と、を備える点、及び、電気ヒータは、第１部分と第２部分とが切替わる箇所において第１壁の中心軸から電気ヒータまでの距離が変わるように構成されうる点については、第１実施例と同様である。
本実施例では、間隙は、第１部分からの輻射熱で反応器が加熱されるよう構成されていてもよい。
かかる構成では、電気ヒータの第１部分が水添脱硫器及び反応器の両方を加熱することができる。
本実施例では、間隙は、第２部分からの輻射熱で水添脱硫器が加熱されるよう構成されていてもよい。
かかる構成では、電気ヒータの第２部分が水添脱硫器及び変成器の両方を加熱することができる。
本実施例では、間隙は空気層を備えていてもよい。
なお、本実施例では、第１実施例と同様、反応器が変成器である場合を例として説明する。
図１２Ａは、第１実施形態の第５実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す水平断面模式図である。図１２Ｂは、第１実施形態の第５実施例における電気ヒータの作用メカニズムを示す概念図である。
本実施例の水素生成装置１１０は、間隙７の構成が更に特定されている点を除けば、図１から図３に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、図１から図３と図１２とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。
本実施例では、第１壁２１の軸方向に延びつつ第１壁２１の軸方向に折り返しながら、第１壁２１と第２壁２２との間隙７に環状に設けられた電気ヒータ６において、ヒータの直線部分が第１壁２１に接する第１部分６１と、第２壁２２に接する第２部分６２とを備えている。図１２に示す例のように、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合、第１部分６１の径Ｒ１は、第２部分６２の径Ｒ２よりも小さくなるように構成されている。換言すれば、第１壁２１が第２壁２２よりも内側にある場合には、第１壁２１の中心軸から第１部分６１までの距離Ｒ１は、第１壁２１の中心軸から第２部分６２までの距離Ｒ２よりも小さい。
さらに本実施例では、水添脱硫器３の外周に設けられ、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器５を備え、第２壁２１は変成器５の壁であり、間隙７は、第１部分６１からの輻射熱で変成器５が加熱されるよう構成されうる。より具体的には、例えば、間隙７において第１部分６１と第２壁２２との間に断熱材が設けられていなくてもよい。かかる構成では、第１部分６１と第２壁２２との間を赤外線等の輻射が透過できる。あるいは例えば、間隙７が空気層を備えてもよい。あるいは例えば、間隙７において第１部分６１と第２壁２２との間が空気層となっていてもよい。該空気層を通じて、第１部分６１からの輻射熱で変成器５が加熱されうる。
あるいは本実施例は、間隙７が、第２部分６２からの輻射熱で水添脱硫器３が加熱されるよう構成されうる。より具体的には、例えば、間隙７において第２部分６２と第１壁２１との間に断熱材が設けられていなくてもよい。かかる構成では、第２部分６２と第１壁２１との間を赤外線等の輻射が透過できる。あるいは例えば、間隙７が空気層を備えてもよい。あるいは例えば、間隙７において第２部分６２と第１壁２１との間が空気層となっていてもよい。該空気層を通じて、第２部分６２からの輻射熱で水添脱硫器３が加熱されうる。
図１２Ｂに示す例では、間隙７において、第１部分６１と第１壁２１とが物理的に接触している一方で、第１部分６１と第２壁２２との間には空気層が設けられている。また、間隙７において、第２部分６２と第２壁２２とが物理的に接触している一方で、第２部分６２と第１壁２１との間には空気層が設けられている。
かかる構成により、図１２Ｂに示す例では、電気ヒータ６の第１部分６１で発生した熱は、熱伝導により水添脱硫器３へと供給される一方で、輻射により変成器５に供給される。電気ヒータ６の第２部分６２で発生した熱は、熱伝導により変成器５へと供給される一方で、輻射により水添脱硫器３に供給される。したがって、電気ヒータ６で生じた熱を、効率的に、水添脱硫器３及び変成器５の両方へ供給することができる。
本実施例の構成では、電気ヒータ６の発熱が、熱伝導に加えて輻射によっても水添脱硫器３及び変成器５に伝わることで、よりいっそう熱利用効率が向上する。
本実施例においても、第１実施形態で示したものと同様の変形が可能である。本実施例を、第２実施例、第３実施例、及び、第４実施例のいずれかと組み合わせてもよい。
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態、その実施例、及びその変形例のいずれかの水素生成装置と、該水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
かかる構成では、脱硫器を加熱する性能を従来よりも向上させることができる。
図１３は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
本実施形態の燃料電池システム３００は、水素生成装置１００と、燃料電池８とを備える。水素生成装置１００は、図１に示す第１実施形態で説明した水素生成装置１００と同様である。よって、詳細な説明を省略する。なお、水素生成装置１００はあくまで一例である。水素生成装置１００は、第１実施形態の各実施例にかかる水素生成装置１１０、１２０、１３０、１４０等であってもよいし、それらの変形例であってもよい。
燃料電池８は、水素生成装置１００より供給された水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池としては、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池の場合は、水素生成装置と燃料電池とが１つの容器内に内蔵されるよう構成されてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の一態様は、脱硫器を加熱する性能を従来よりも向上させた水素生成装置及び燃料電池システムとして有用である。
３ 水添脱硫器
４ 改質器
５ 変成器
６ 電気ヒータ
７ 間隙
８ 燃料電池
１０ 一酸化炭素変成器
１１ 触媒層
１４ａ 加熱用ヒータ
１４ｂ 加熱用ヒータ
１５ 断熱保温材
１６ａ 円筒内壁
１６ｂ 円筒壁
１７ 脱硫器
２０ 円筒壁
２１ 第１壁
２２ 第２壁
２４ 脱硫器出口配管
６１ 第１部分
６２ 第２部分
６３ 切替箇所
６４ 軸方向に延びる部分
６５ 軸方向に折り返す部分
１００ 水素生成装置
１１０ 水素生成装置
１２０ 水素生成装置
１３０ 水素生成装置
１４０ 水素生成装置
３００ 燃料電池システム

Claims (10)

  1. 原料中の硫黄化合物を除去する、筒状の第１壁を有する水添脱硫器と、
    前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記第１壁と対向するように前記第１壁と同軸に設けられた筒状の第２壁と、
    前記第１壁の軸方向に延びつつ前記第１壁の軸方向に折り返しながら、前記第１壁と前記第２壁との間隙に環状に設けられた電気ヒータと、
    を備える、水素生成装置。
  2. 加熱を必要とする反応器を備え、
    前記第２壁は前記反応器の壁である、
    請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 前記電気ヒータは、
    前記第１壁に接するように構成された第１部分と、
    前記第２壁に接するように構成された第２部分と、を備える、
    請求項２に記載の水素生成装置。
  4. 前記電気ヒータは、前記第１部分と前記第２部分とが切替わる箇所において前記第１壁の中心軸から前記電気ヒータまでの距離が変わるように構成されている、請求項３に記載の水素生成装置。
  5. 前記間隙は、前記第１部分からの輻射熱で前記反応器が加熱されるよう構成されている、請求項３または４に記載の水素生成装置。
  6. 前記反応器は、前記水添脱硫器の外周に設けられ、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器である、
    請求項３ないし５のいずれかに記載の水素生成装置。
  7. 前記電気ヒータにおいて、前記第１部分が占める比率が、前記第２部分が占める比率よりも多い、請求項６に記載の水素生成装置。
  8. 前記間隙は、前記第２部分からの輻射熱で前記水添脱硫器が加熱されるよう構成されている、請求項３−７のいずれかに記載の水素生成装置。
  9. 前記間隙は空気層を備える、請求項５または８に記載の水素生成装置。
  10. 請求項１−９のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える、燃料電池システム。
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