特許 5738317 脱硫装置及び燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5738317

(24)【登録日】2015年5月1日

(45)【発行日】2015年6月24日

(54)【発明の名称】脱硫装置及び燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/06 20060101AFI20150604BHJP

   H01M 8/04 20060101ALI20150604BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20150604BHJP

   C10L 3/10 20060101ALI20150604BHJP

   C10G 25/00 20060101ALI20150604BHJP

   H01M 8/10 20060101ALN20150604BHJP

   H01M 8/12 20060101ALN20150604BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/06 G

   H01M8/04 N

   C01B3/38

   C10L3/10

   C10G25/00

   !H01M8/10

   !H01M8/12

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-550901(P2012-550901)

(86)(22)【出願日】2011年12月22日

(86)【国際出願番号】JP2011079836

(87)【国際公開番号】WO2012090864

(87)【国際公開日】20120705

【審査請求日】2013年12月27日

(31)【優先権主張番号】特願2010-289943(P2010-289943)

(32)【優先日】2010年12月27日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004444

【氏名又は名称】ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128381

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 義憲

(74)【代理人】

【識別番号】100169454

【弁理士】

【氏名又は名称】平野 裕之

(74)【代理人】

【識別番号】100161425

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 鉄平

(72)【発明者】

【氏名】咲間 修平

【審査官】 東 勝之

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−２９８２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０７９１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０５１８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１８８４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７２３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１６５９１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１８１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２７５２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６４−０５４６０９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００４−０８２１１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４− ８／０６

Ｈ０１Ｍ ８／１０− ８／１２

Ｃ０１Ｂ ３／３８

Ｃ１０Ｇ ２５／００

Ｃ１０Ｌ ３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素含有燃料を用いてセルスタックにより発電するとともに熱媒体を用いて前記セルスタックの排熱を回収する燃料電池システムに用いられる脱硫装置であって、
脱硫触媒を収容した脱硫流路を有し、前記水素含有燃料を流体入口から流体出口まで延びる前記脱硫流路に流通させて脱硫する脱硫部と、
前記脱硫部の側方を覆うように配置され、前記セルスタックの排熱を回収した後の前記熱媒体を流通させて前記熱媒体と前記脱硫部とを熱交換させる熱媒体流路を有する熱交換部と、を備え、
前記熱媒体流路の流体流通方向及び前記脱硫流路の流体流通方向が対向流となるように形成されており、
前記脱硫流路の内部において、前記流体入口側及び前記流体出口側に前記流体の流れを変更する邪魔板が設けられ、
前記流体入口側の前記邪魔板は、前記流体入口から離間して、前記脱硫触媒が収容されている部分の内部に配置され、
前記流体出口側の前記邪魔板は、前記流体出口から離間して、前記脱硫触媒が収容されている部分の内部に配置されており、
前記脱硫流路には、前記流体入口から一方側へ流通する前記水素含有燃料を一方側とは反対の他方側へ流通させる折返し部が形成され、前記流体入口から前記折返し部までの前記脱硫流路が、前記熱媒体流路と隣接するように配置されており、
前記流体入口から前記折返し部までの前記脱硫流路の流体流通方向と、前記熱媒体流路の流体流通方向及び前記折返し部から前記流体出口までの前記脱硫流路の流体流通方向とが、対向流となるように形成され、
前記脱硫流路の内部において、前記折返し部に前記流体の流れを変更する邪魔板が設けられていること、を特徴とする脱硫装置。

【請求項2】

前記流体入口から前記折返し部までの前記脱硫流路は、前記脱硫部の外周壁及び前記脱硫部の内部に設けられた内壁によって画成され、
前記折返し部から前記流体出口までの前記脱硫流路は、前記内壁によって画成され、
前記内壁は、前記流体入口から前記折返し部までの前記脱硫流路と、前記折返し部から前記流体出口までの前記脱硫流路とが同一の体積となるように設けられている請求項１に記載の脱硫装置。

【請求項3】

前記脱硫部は、円筒を呈し、前記脱硫部の半径と前記脱硫部に収容される所定の触媒量とに基づいて求まる表面積が最小値となるように設定された半径を有する請求項１又は２に記載の脱硫装置。

【請求項4】

請求項１〜３の何れか一項に記載の脱硫装置を備え、脱硫後の水素含有燃料を用いて発電する燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の種々の側面及び実施形態は、燃料電池システムに採用される脱硫装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料電池システムに採用される脱硫装置として、水素含有燃料の脱硫を行う脱硫部を備えているものが知られている。このような脱硫部として、脱硫触媒の反応温度となるように加熱されるものが開示されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。特許文献１記載の脱硫部は、改質器を流通した後の加熱された改質ガスが脱硫部内部へ導かれることで加熱される。特許文献２記載の脱硫部は、外容器内部に配置されており、外容器に収容された燃焼触媒の反応熱を用いて加熱される。特許文献３記載の脱硫部は、改質触媒に供給されて受熱された水を用いて加熱される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−５５８６８号公報

【特許文献2】特開２０１０−２４４０２号公報

【特許文献3】特開２００９−２３４８３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１〜３記載の脱硫装置にあっては、脱硫部を加熱させる加熱媒体の温度が高温となる。このため、脱硫部の保温温度によっては加熱媒体の温度と脱硫部の保温温度との差が著しく大きくなり、効率的な保温ができないおそれがある。本技術分野では、脱硫部をエネルギー効率良く保温することができる脱硫装置及び当該脱硫装置を備える燃料電池システムが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一側面に係る脱硫装置は、水素含有燃料を用いてセルスタックにより発電するとともに熱媒体を用いてセルスタックの排熱を回収する燃料電池システムに用いられる脱硫装置である。この脱硫装置は、脱硫部及び脱硫系熱交換部を備える。脱硫部は、脱硫触媒を収容した脱硫流路を有し、水素含有燃料を流体入口から流体出口まで延びる脱硫流路に流通させて脱硫する。脱硫系熱交換部は、脱硫部の側方を覆うように配置され、セルスタックの排熱を回収した後の熱媒体を流通させて熱媒体と脱硫部とを熱交換させる。脱硫系熱交換部の流体流通方向及び脱硫流路の流体流通方向は、対向流となるように形成されており、脱硫流路の内部において、流体入口側及び流体出口側に流体の流れを変更する邪魔板が設けられ、流体入口側の邪魔板は、流体入口から離間して、脱硫触媒が収容されている部分の内部に配置され、流体出口側の邪魔板は、流体出口から離間して、脱硫触媒が収容されている部分の内部に配置されており、脱硫流路には、流体入口から一方側へ流通する水素含有燃料を一方側とは反対の他方側へ流通させる折返し部が形成され、流体入口から前記折返し部までの脱硫流路が、熱媒体流路と隣接するように配置されており、流体入口から折返し部までの脱硫流路の流体流通方向と、熱媒体流路の流体流通方向及び折返し部から流体出口までの脱硫流路の流体流通方向とが、対向流となるように形成され、脱硫流路の内部において、折返し部に流体の流れを変更する邪魔板が設けられている。

【0006】

本発明の一側面に係る脱硫装置では、セルスタックの排熱を回収した熱媒体が脱硫部と熱交換する。熱媒体は、セルスタックの排熱によって加熱されるため、改質ガスの温度、改質触媒に供給されて受熱された水の温度、及び燃焼触媒の反応温度に比べて、低い温度となる。このため、比較的低い温度で保温されるべき脱硫部をエネルギー効率良く保温することができる。さらに、本発明の一側面に係る脱硫装置では、水素含有燃料の流通方向と熱媒体の流通方向とが対向流となるように形成されている。このため、脱硫部をエネルギー効率良く保温することができる。さらに、本発明の一側面に係る脱硫装置では、脱硫流路の内部において、流体入口側及び流体出口側に流体の流れを変更する邪魔板が設けられている。このように構成することで、脱硫流路内に生じる偏流を抑制することができる。さらに、本発明の一側面に係る脱硫装置では、脱硫流路には、流体入口から一方側へ流通する水素含有燃料を一方側とは反対の他方側へ流通させる折返し部が形成され、流体入口から折返し部までの脱硫流路が、熱媒体流路と隣接するように配置されており、流体入口から折返し部までの脱硫流路の流体流通方向と、熱媒体流路の流体流通方向及び折返し部から流体出口までの脱硫流路の流体流通方向とが、対向流となるように形成されている。このように構成されることで、流体入口から折返し部までの脱硫流路を流通する水素含有燃料と、熱媒体及び折返し部から流体出口までの脱硫流路を流通する水素含有燃料とが対向流とされる。すなわち、流体入口から折返し部までの脱硫流路を流通する水素含有燃料は、熱媒体から加熱されるとともに、折返し部から流体出口までの脱硫流路を流通する水素含有燃料によっても加熱される。このように、加熱される流体の流通方向と加熱元の流体の流通方向を対向流とすることで熱効率を向上させることできるので、エネルギー効率良く脱硫部を保温することが可能となる。さらに、本発明の一側面に係る脱硫装置では、脱硫流路の内部において、折返し部に流体の流れを変更する邪魔板が設けられていてもよい。このように構成することで、脱硫流路内に生じる偏流を抑制することができる。

【0010】

一実施形態では、流体入口から折返し部までの脱硫流路は、脱硫部の外周壁及び脱硫部内部に設けられた内壁によって画成され、折返し部から流体出口までの脱硫流路は、内壁によって画成され、内壁は、流体入口から折返し部までの脱硫流路と、折返し部から流体出口までの脱硫流路とが同一の体積となるように設けられていてもよい。このように構成することで、流体入口から折返し部までの脱硫流路、及び、折返し部から流体出口までの脱硫流路において、流体の流速が平均化され、偏流偏差を小さくすることができる。

【0011】

一実施形態では、脱硫部は、円筒を呈し、脱硫部の半径と脱硫部に収容される所定の触媒量とに基づいて求まる表面積が最小値となるように設定された半径を有してもよい。このように構成することで、脱硫装置９０の放熱を適切に抑制することができる。

【0012】

本発明の他の側面に係る燃料電池システムは、上述した脱硫装置を備え、脱硫後の水素含有燃料を用いて発電するように構成される。当該燃料電池システムは、上述した脱硫装置を備えているので、エネルギー効率良く脱硫部を保温することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明の種々の側面及び実施形態によれば、エネルギー効率良く脱硫部を保温することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

【図2】図１の燃料電池システムの熱回収系を説明するブロック図である。

【図3】実施形態に係る脱硫装置の斜視図である。

【図4】図３に示す脱硫装置のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

【図5】変形例に係る脱硫装置の上部の内部構造を説明するための概要図である。

【図6】変形例に係る脱硫装置の下部の内部構造を説明するための概要図である。

【図7】図５に示す脱硫装置のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

【0016】

最初に燃料電池の基本構成について概説する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。

【0017】

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

【0018】

酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

【0019】

脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。

【0020】

水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。

【0021】

水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガス（水素含有ガス）を発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。

【0022】

セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。

【0023】

オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。

【0024】

水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。

【0025】

パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。

【0026】

制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。

【0027】

ここで、燃料電池システム１は、セルスタック５が発生する熱を用いて水を温水に変え、その温水を貯湯槽に貯えて利用する熱回収系を備えている。すなわち、燃料電池システム１は、いわゆるコジェネレーションシステムを備えている。以下、燃料電池システム１における熱回収系を概説する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２では、熱回収系に関係のない部分は一部省略している。図２に示されるように、燃料電池システム１の熱回収系は、セルスタック５の排熱を回収するものであって、貯湯槽８１、熱交換器８０、脱硫系熱交換部８２及び循環流路８３を備えている。貯湯槽８１、熱交換器８０及び脱硫系熱交換部８２は、循環流路８３によって順に接続されている。また、脱硫部２及び脱硫系熱交換部８２を備えて脱硫装置が構成されている。

【0028】

貯湯槽８１は、水又は温水を貯留するユニットである。なお、「水」とは、その温度に関係なく液体状態である水のことであって、温水とは「水」に熱を加えたものである。貯湯槽８１の貯留水は、熱媒体として熱交換器８０へ供給される。なお、熱交換器８０への供給前にラジエータ等によって熱媒体が冷やされてもよい。

【0029】

熱交換器８０は、循環流路８３を介して貯湯槽８１に接続されるとともに、セルスタック５の出力側に接続されている。熱交換器８０は、セルスタック５のオフガス（排ガス）と熱媒体とを熱交換させる。すなわち、熱交換器８０によってオフガスを加熱源として熱媒体が加熱される。熱媒体は、６０℃〜８０℃程度に加熱される。熱交換後の熱媒体は、循環流路８３を巡って脱硫部２の脱硫系熱交換部８２へ供給される。

【0030】

脱硫系熱交換部８２は、循環流路８３を介して熱交換器８０に接続されるとともに、脱硫部２と熱的に接触されている。脱硫系熱交換部８２は、熱媒体と脱硫部２とを熱交換させる。すなわち、脱硫系熱交換部８２によって熱媒体を加熱源として脱硫部２が加熱される。熱交換後の熱媒体は、循環流路８３を巡って貯湯槽８１へ戻される。

【0031】

以上、燃料電池システム１の熱回収系では、貯湯槽８１から低温の熱媒体が熱交換器８０へ供給されて加熱され、加熱された熱媒体が脱硫装置の脱硫系熱交換部８２へ供給されて脱硫部２を加熱する。ところで、燃料電池システム１の改質ガスは、水素発生部４で生成されるものであり、６００℃〜７００℃程度の温度を有しているとされている。改質触媒に供給される改質水もまたスーパーヒートされ、水蒸気の状態であるため、かなりの高温となっている。さらに、通常の燃焼触媒の触媒燃焼温度は６００℃程度である。このため、改質ガス、改質水又は燃焼触媒は、極めて高温であるため、比較的低温に保温すべき脱硫部２を保温しようとしてもエネルギーロスが大きいこととなる。このような低温の脱硫部２の一例としては、ゼオライト系の吸着脱硫部（保温温度６０℃〜８０℃）がある。燃料電池システム１では、熱媒体を用いるため、低温の脱硫部２を採用する場合にエネルギーロスの少ない保温をすることができる。

【0032】

次に、図３，４を用いて脱硫装置の構成を説明する。図３は、本実施形態に係る脱硫装置の斜視図、図４は、図３に示す脱硫装置のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

【0033】

図３，４に示されるように、脱硫装置９０は、略円筒状を呈し、脱硫部２及び脱硫系熱交換部８２を備えている。脱硫装置９０の上側には、脱硫処理前の水素含有燃料を脱硫部２へ導入する流体入口２０ａ、及び、脱硫処理後の水素含有燃料を脱硫部２から導出する流体出口２０ｂが形成されている。一方、脱硫装置９０の下側側部には、セルスタック５の排熱を回収した後の熱媒体を脱硫系熱交換部８２へ導入する流体入口２１ａが形成され、脱硫装置９０の上側側部には、流体入口２１ａから最も離れた位置に熱交換後の熱媒体を脱硫系熱交換部８２から導出する流体出口２１ｂが形成されている。

【0034】

脱硫部２は、外周壁２ａを側壁として略円筒状に形成されている。その内部には、脱硫触媒２１が収容されている。また、脱硫部２の上部内壁には、脱硫部２の下部内壁に向けて内周壁（内壁）２ｂが立設されている。内周壁２ｂは、外周壁２ａから離間した状態で外周壁２ａに沿って延在している。内周壁２ｂの先端側と脱硫部２の下部内壁との間には、空隙（折返し部２５）が設けられている。このため、脱硫部２の内部には、外周壁２ａ及び内周壁２ｂによって脱硫流路２３が画成され、内周壁２ｂの内部に脱硫流路２４が画成されている。脱硫流路は、脱硫部２の外側から内側へ向けて、脱硫流路２３及び脱硫流路２４の順に配置されている。また、脱硫部２の流体入口２０ａは、外周壁２ａ及び内周壁２ｂによって画成された脱硫流路２３に連通されている。脱硫部２の流体出口２０ｂは、内周壁２ｂの内部に画成された脱硫流路２４に連通されている。

【0035】

このため、流体入口２０ａから脱硫部２へ導入された水素含有燃料は、外周壁２ａ及び内周壁２ｂによって画成された脱硫流路２３を上側から下側（一方側）へ向かって流通し、折返し部２５で折り返して、内周壁２ｂの内部に画成された脱硫流路２４を一方側とは反対の方向である上側（他方側）へ流通して、脱硫後の水素含有燃料として流体出口２０ｂから導出される。

【0036】

脱硫部２の側方には、脱硫部２を覆うように脱硫系熱交換部８２が配置されている。脱硫系熱交換部８２は、その内部に熱媒体を流通させる熱媒体流路２２が設けられている。すなわち、脱硫部２の側方は、加熱された熱媒体、例えば温水による槽（ジャケット槽）が配置されている。流体入口２１ａから脱硫系熱交換部８２へ導入された熱媒体は、熱媒体流路２２を下側から上側へ向かって流通して流体出口２１ｂから導出される。

【0037】

このように、流体入口２０ａから折返し部２５までの脱硫流路２３が、熱媒体流路２２と隣接するように配置されており、熱媒体流路２２の流体流通方向及び脱硫流路２３の流体流通方向が対向流となるように形成されている。このため、熱媒体流路２２を流通する熱媒体から脱硫流路２３又は脱硫流路２３を流通する水素含有燃料へ効率的に熱を与えることができる。

【0038】

また、流体入口２０ａから折返し部２５までの脱硫流路２３の流体流通方向、及び折返し部２５から流体出口２０ｂまでの脱硫流路２４の流体流通方向が、対向流となるように形成されている。このため、脱硫流路２４を流通する水素含有燃料から、脱硫流路２３を流通する水素含有燃料へ効率的に熱を与えることができる。言い換えれば、既に加熱された水素含有燃料から、これから加熱する水素含有燃料へ効率的に熱を与えることができる。このように、自己熱回収される構成とされているので、脱硫部２の内部の熱の均一化が促進される。

【0039】

以上、本実施形態に係る脱硫装置９０又は燃料電池システム１によれば、セルスタック５の排熱を回収した熱媒体が脱硫部２と熱交換する。熱媒体は、セルスタック５の排熱によって加熱されるため、改質ガスの温度、改質触媒に供給されて受熱された水の温度、及び燃焼触媒の反応温度に比べて、低い温度となる。このため、比較的低い温度で保温されるべき脱硫部２をエネルギー効率良く保温することができる。また、脱硫部２を加熱するためのヒータ等が不要となるので、コストも優れている。

【0040】

また、本実施形態に係る脱硫装置９０又は燃料電池システム１によれば、水素含有燃料の流通方向と熱媒体の流通方向とが対向流となるように形成されているため、脱硫部２をエネルギー効率良く保温することができる。

【0041】

さらに、本実施形態に係る脱硫装置９０又は燃料電池システム１によれば、流体入口２０ａから折返し部２５までの脱硫流路２３を流通する水素含有燃料と、熱媒体及び折返し部２５から流体出口までの脱硫流路２４を流通する水素含有燃料とが対向流とされる。すなわち、流体入口２０ａから折返し部２５までの脱硫流路２３を流通する水素含有燃料は、熱媒体から加熱されるとともに、折返し部２５から流体出口２０ｂまでの脱硫流路２４を流通する水素含有燃料によっても加熱される。このように、加熱される流体の流通方向と加熱元の流体の流通方向を対向流とすることで熱効率を向上させることできるので、エネルギー効率良く脱硫部２を保温することが可能となる。

【0042】

なお、上述した実施形態は本発明に係る脱硫装置及び燃料電池システムの一例を示すものである。本発明に係る脱硫装置及び燃料電池システムは、実施形態に係る脱硫装置９０及び燃料電池システム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、実施形態に係る脱硫装置９０及び燃料電池システム１を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

【0043】

例えば、上述した実施形態では、セルスタック５のオフガスから排熱を回収する例を説明したが、セルスタック５から発生する熱を直接回収してもよい。

【0044】

また、上述した実施形態では、脱硫部２の脱硫流路に折返し部２５を設ける場合を説明したが、折返し部２５を設けずに構成してもよい。

【0045】

また、上述した実施形態では、熱媒体及び水素含有燃料の流体入口及び流体出口について説明したが、上述した実施形態に示す取り付け位置及び取り付け方向に限定されるものではない。例えば、流体入口及び流体出口を逆方向にしてもよいし、熱媒体の流体入口及び流体出口を脱硫装置９０の側方ではなく、下部及び上部に設けてもよい。

【0046】

また、脱硫装置９０内部における水素含有燃料の偏流を抑制するために、邪魔板を設けてもよい。以下、変形例について図５〜７を用いて説明する。図５は、変形例に係る脱硫装置の上部の内部構造を説明するための概要図である。図６は、変形例に係る脱硫装置の下部の内部構造を説明するための概要図である。図７は、図５に示す脱硫装置のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。なお、変形例においては上記実施形態と重複する説明は省略し、相違点を中心に説明する。

【0047】

図５，７に示すように、脱硫処理前の水素含有燃料を脱硫部２へ導入する流体入口２０ａの下流側には、邪魔板９１が設けられている。邪魔板９１は、脱硫流路２３内部において、脱硫流路２３の上流側（流体入口２０ａから所定距離離間した位置）に設けられている。邪魔板９１は、矩形の板状部材である。なお、邪魔板９１の形状は矩形に限定されず、円形、楕円形であってもよい。邪魔板９１は、流体入口２０ａから流入する水素含有燃料の流れを変更するように設けられる。例えば、水素含有燃料の流れの方向と、邪魔板９１の主面とが直交するように、邪魔板９１は設けられる。ここでは、水素含有燃料の流れの方向が脱硫装置９０の軸線方向（すなわち鉛直方向）であるので、邪魔板９１は、その主面が脱硫装置９０の軸線方向と直交するように、（すなわち略水平となるように）配置される。邪魔板９１を設けることにより、脱硫流路２３に流入した水素含有燃料は、邪魔板９１にぶつかり、脱硫流路２３内部を脱硫装置９０の径方向へ拡散する。したがって、流体入口２０ａ近傍において生じる偏流を抑制し、脱硫流路２３内部において水素含有燃料を均一に流通させることができる。

【0048】

脱硫処理後の水素含有燃料を導出する流体出口２１ｂの上流側には、邪魔板９２が設けられている。邪魔板９２は、脱硫流路２４内部において、脱硫流路２４の下流側（流体出口２１ｂから所定距離離間した位置）に設けられている。邪魔板９２は、円形の板状部材である。邪魔板９２の中央には、厚さ方向に貫通する貫通孔９２ａが形成されている。なお、邪魔板９２の形状は円形に限定されず、矩形であってもよい。邪魔板９２は、流体出口２１ｂから流入する水素含有燃料の流れを変更するように設けられる。例えば、水素含有燃料の流れの方向と、邪魔板９２の主面とが直交するように、邪魔板９２は設けられる。ここでは、水素含有燃料の流れの方向が脱硫装置９０の軸線方向（すなわち鉛直方向）であるので、邪魔板９２は、その主面が脱硫装置９０の軸線方向と直交するように、（すなわち略水平となるように）配置される。邪魔板９２を設けることにより、脱硫後の水素含有燃料が導出される際に、水素含有燃料が邪魔板９２にぶつかり、脱硫流路２４内部を脱硫装置９０の径方向へ拡散する。従って、脱硫流路２４内部において流体出口２１ｂ近傍において生じる偏流を抑制することができる。さらに、貫通孔９２ａを設けることで、一部の水素含有燃料は邪魔板９２にぶつかることなく脱硫装置９０から導出される。よって、貫通孔９２ａを設けることで偏流の抑制度合いを調整することができる。

【0049】

さらに、図６，７に示すように、折返し部２５に邪魔板９３を設けてもよい。邪魔板９３は、脱硫部２の上部内壁から脱硫部２の下部内壁に向けて立設された内周壁２ｂの下端部に設けられている。邪魔板９３は、内周壁２ｂの端部において、内周壁２ｂの径方向内側へ突出するように配置される。邪魔板９３は、その中央に開口９３ａを有するリング状の部材である。邪魔板９３の外径は内周壁２ｂの外径又は内径とほぼ同一とされ、邪魔板９３の内径は、内周壁２ｂの内径よりも小さくされている。邪魔板９３は、折返し部２５において水素含有燃料の流れを変更するように設けられる。ここでは、邪魔板９３は、その主面が脱硫装置９０の軸線方向と直交するように、（すなわち略水平となるように）配置される。邪魔板９３を設けることにより、折返し部２５を流通する水素含有燃料は、邪魔板９３を回り込むように流通し、脱硫流路２４の径よりも小さい径を有する開口９３ａから脱硫流路２４へ流入する。このように、折返し部２５近傍において、より中央側から脱硫流路２４へ流入させることで、脱硫流路２４内部において水素含有燃料を均一に流通させることができる。

【0050】

また、脱硫流路２３内部を第１触媒槽、脱硫流路２４内部を第２触媒槽とすると、脱硫装置９０内部における水素含有燃料の偏流を抑制するために、第１触媒槽と第２触媒槽とを仕切る内周壁２ｂを、第１触媒槽及び第２触媒槽のそれぞれの触媒量が同一となるように設けてもよい。例えば、図７に示すように、第１触媒槽の半径をｒ_１、中心から第２触媒槽の外径までの長さをｒ_２とすると、以下式を満たす位置に内周壁２ｂを立設させる。

【数1】

【0051】

第１触媒槽及び第２触媒槽の何れかの流速が遅い場合には、流れが閉塞して流量偏差が大きくなり、偏流が発生する可能性が高まる。上記式を満たすように内周壁２ｂを設けることで、第１触媒槽及び第２触媒槽において水素含有燃料の流速が平均化され、偏流の発生を抑制することができる。

【0052】

また、脱硫装置９０の放熱はエネルギーロスになるため、円柱型の脱硫装置９０の円半径は、脱硫装置９０の表面積が最小値となるように設定されていてもよい。図７に示すように、第１触媒槽の半径をｒ_１、中心から第２触媒槽の外径までの長さをｒ_２とし、触媒量（体積V）が一定（所定値）であるとすると、脱硫装置９０の表面積Sは、以下式で表現することができる。

【数2】

【0053】

上記式において表面積Sが最小値となるｒ_２を設定する。このように設定することで脱硫装置９０の放熱を適切に抑制することができる。なお、上記式では、熱媒体流路２２の厚さを省略し、第２触媒槽の外径が脱硫装置９０の外径と等しいと仮定して説明した。すなわち、脱硫装置９０の表面積が脱硫部２の表面積と略同一であるとして説明した。これに対して、熱媒体流路２２の厚さを考慮して表面積Sを算出してもよい。

【符号の説明】

【0054】

１…燃料電池システム、２…脱硫部（脱硫装置）、２ａ…外周壁、２ｂ…内周壁、５…セルスタック、２０ａ…流体入口、２０ｂ…流体出口、２１…脱硫触媒、２１ａ…流体入口、２１ｂ…流体出口、２２…熱媒体流路、２３，２４…脱硫流路、２５…折返し部、８２…脱硫系熱交換部（脱硫装置）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】