JP2000302409A

JP2000302409A - 水素発生装置

Info

Publication number: JP2000302409A
Application number: JP11278799A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Ukai; 邦弘鵜飼; Takeshi Tomizawa; 猛富澤; Kiyoshi Taguchi; 清田口; Toshiyuki Shono; 敏之庄野; Koichiro Kitagawa; 浩一郎北河
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2000-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】日常的に起動停止を想定した水素発生装置に
おいて、簡単な構成でかつ短時間に、各反応部の触媒温
度を安定化できる水素発生装置を提供すること。【解決手段】燃料を水蒸気改質する改質触媒体を有す
る改質部、前記改質部に燃料および水を供給する原料供
給部、前記改質触媒体を加熱するための加熱部、水と一
酸化炭素をシフト反応させる変成触媒体を有する変成
部、白金属系触媒からなる浄化触媒体を有する浄化部、
ならびに空気供給部を具備し、前記改質部において得ら
れる改質ガスを前記変成部、ついで前記浄化部に供給す
る装置であって、燃料および水を加熱された前記改質部
に供給し、前記変成部に導入される前記改質ガス、なら
びに前記変成部において得られ、前記浄化部に導入され
る変成ガスに空気を混合させ、前記改質ガスおよび前記
変成ガスの少なくとも一部を酸化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料である炭化水
素などと水とを原料として、燃料を水蒸気改質して水素
ガスを得る水素発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素の生成方法として、燃料を水蒸気改
質させる方法がある。この方法においては、天然ガス、
ＬＰＧなどの炭化水素、メタノールなどのアルコールま
たはナフサなどの燃料と水を原料として、改質触媒を設
けた改質部で燃料を水蒸気改質反応させて水素を発生さ
せる。そして、この水蒸気改質反応では一酸化炭素が副
成分として生成するため、従来から水と一酸化炭素をシ
フト反応させる変成部が併用されている。

【０００３】また、燃料電池、特に固体高分子型燃料電
池に水素を供給するために水蒸気改質法が用いられる場
合、変成部を経た変成ガス中の一酸化炭素をさらに除去
するため、一酸化炭素酸化法またはメタン化法などを利
用した浄化部が設けられている。そして、前記改質部、
変成部および浄化部にはそれぞれの反応に対応した触媒
が設けられ、触媒によって反応温度が相違することか
ら、安定して水素を発生させるためには、それぞれの触
媒をそれぞれの反応温度にまで加熱する必要がある。

【０００４】このような水素発生装置においては、上流
に位置する改質部にのみ加熱部が設けられていることか
ら、改質部の温度が最も高く、改質ガスが流れ込む変成
部、変成ガスが流れ込む浄化部の順で温度が低下する。
したがって、改質部からの熱、例えば改質ガスの保有す
る熱または加熱部の余剰熱で、変成部および浄化部を順
次加熱する構成が用いられていた。

【０００５】しかし、このような構成では、各反応部
（改質部、変成部および浄化部）の触媒温度が安定する
まで時間がかかる。確かに、プラントなどで用いられる
連続運転を前提とした水素発生装置では、起動時間を想
定して運転することができるため、特に問題はない。と
ころが、起動停止が頻繁で、かつ短期間で安定に水素を
発生させることが必要な水素発生装置においては好まし
くない。

【０００６】これに対し、改質部および浄化部のそれぞ
れに対して専用の加熱部を設け、装置起動の触媒加熱時
に加熱部を作動させることで起動時間の短縮をする方法
も用いられている。しかし、この方法では、加熱部を装
置に組み込むために構成が複雑になったり、または装置
価格が上昇するといった問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のような事実に鑑
み、本発明は、日常的に起動停止を想定した水素発生装
置において、簡単な構成でかつ短時間に、各反応部の触
媒温度を安定化できる水素発生装置を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述のような
問題を解決するため、燃料を水蒸気改質する改質触媒体
を有する改質部、前記改質部に燃料および水を供給する
原料供給部、前記改質触媒体を加熱するための加熱部、
水と一酸化炭素をシフト反応させる変成触媒体を有する
変成部、白金族系触媒からなる浄化触媒体を有する浄化
部、ならびに空気供給部を具備し、前記改質部において
得られる改質ガスを前記変成部、ついで前記浄化部に供
給する装置において、燃料および水を加熱された前記改
質部に供給し、前記変成部に導入される前記改質ガス、
ならびに前記変成部において得られ、前記浄化部に導入
される変成ガスに前記空気供給部からの空気を混合さ
せ、前記改質ガスおよび前記変成ガスの少なくとも一部
を酸化するという構成をとる。

【０００９】また、本発明の水素発生装置に、前記変成
触媒体の温度を測定する変成触媒温度測定部を設け、前
記改質ガスに混合させる空気量を調節することによって
変成触媒温度を制御するのが好ましい。また、前記浄化
触媒体の温度を測定する浄化触媒温度測定部を設け、前
記変成ガスに混合させる空気量を調節することよって浄
化触媒温度を制御するのが好ましい。また、前記原料供
給部からの燃料および水に、前記空気供給部からの空気
を混合させるのが好ましい。この場合、前記改質触媒体
の温度を測定する改質触媒温度測定部を設け、前記燃料
および水に混合させる空気量を調節することによって改
質触媒温度を制御するのが好ましい。

【００１０】前記改質触媒および／または前記変成触媒
は、少なくとも白金族系触媒を含むのが好ましい。ま
た、前記改質触媒、変成触媒および浄化触媒は、白金を
主成分とする触媒であるのが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】理解の容易のため、本発明を以下
に示す実施の形態に代表させて図面を参照しながら説明
する。

【００１２】実施の形態１まず、本発明に係る水素発生装置の一実施の形態を説明
する。図１は、本発明の一実施の形態に係る水素発生装
置の構成を示す概略縦断面図である。図１において、原
料供給部１から水蒸気改質反応の原料となる炭化水素な
どの燃料および水を供給する。

【００１３】改質部２には、水蒸気改質反応の改質触媒
２ａを収容する改質触媒部２ｂが設けられており、燃料
を水蒸気改質する。ここでは、改質触媒２ａとして、例
えば白金族系貴金属から調製した触媒などを用いる。改
質触媒温度測定部３は、改質触媒２ａの温度を検出す
る。加熱部４は、燃料を水蒸気改質する際に改質部２を
加熱するためのものであり、ここでは例えば火炎バーナ
を用いる。

【００１４】変成部６は、変成触媒６ａを収容してお
り、改質部２で得られた改質ガス中の一酸化炭素をシフ
ト反応させる。また、変成触媒６ａの温度を検出する変
成触媒温度測定部部７が設けられている。ここでは、変
成触媒６ａとして、例えば白金族系貴金属から調製した
触媒または少なくとも銅を含む触媒を用いる。

【００１５】浄化部１０は、例えば白金族系酸化触媒な
どの浄化触媒１０ａを内部に設け、変成部６で得られた
変成ガス中の一酸化炭素を酸化および／または水素化
し、変成ガスを浄化する。また、浄化触媒温度測定部１
１を設けている。

【００１６】原料供給部１から改質部２には原料供給経
路５を設け、改質部２から改質ガスを変成部６に供給す
るために改質ガス供給経路８を設けている。さらに、変
成部６から変成ガスを浄化部１０に供給するために変成
ガス供給経路９を設けている。そして、浄化部１０で得
た浄化ガス（水素）を水素排気経路１２から排気する。

【００１７】また、空気供給部１３からは、第一空気供
給経路１３ａを経て改質ガス供給経路８に空気を供給
し、第二空気供給経路１３ｂを経て変成ガス供給経路９
に空気を供給する。

【００１８】つぎに、実施の形態１に係る水素発生装置
について、本発明の特徴部分である水素発生時の装置の
動作について説明する。本発明の水素発生装置は、最上
流の改質部２にのみ加熱部４を設け、この加熱部４を作
動させて改質触媒２ａを加熱する。そして、原料である
炭化水素などの燃料および水を、原料供給部１より原料
供給経路５を通して加熱されている改質触媒２ａに接触
させ、水蒸気改質反応を進行させる。そして、前述のよ
うに、改質部を経たガス（改質ガス）は、改質ガス供給
経路８を経て変成部６に導入させ、ついで変成部６で得
られる変成ガスを変成ガス供給経路１２より浄化部１０
に導入させる。さらに、浄化部で得られる浄化ガス（水
素）は、水素排気経路９より外部に排気し、例えば燃料
電池などの水素供給に供する。

【００１９】このとき、空気供給部１３から第一空気供
給経路１３ａおよび第二空気供給経路１３ｂを経て、改
質ガスおよび変成ガスに空気を供給して混合する。これ
により、改質部２にのみ加熱部４を設け、変成部６およ
び浄化部１０に加熱部を設けなくても、変成部６および
浄化部１０における触媒温度を上昇させ、安定化するこ
とができる。

【００２０】室温状態の水素発生装置を起動させ、一酸
化炭素量の少ない（浄化ガス）水素を安定に供給するた
めには、改質部２、変成部６および浄化部１０の触媒を
反応に適正な温度にする必要がある。そこで、本発明に
係る水素発生装置は、加熱部を改質部２のみに設けるに
もかかわらず、改質ガスおよび変成ガスの熱を有効に利
用し、短時間に各反応部の触媒温度を安定化するのであ
る。すなわち、本発明に係る水素発生装置は、一酸化炭
素を酸化させて低減する浄化部に導入される変成ガスだ
けでなく、変成部に導入される改質ガスにもあらかじめ
空気を供給、混合することを特徴とする。

【００２１】つぎに、このような構成をとる本発明の水
素発生装置において、各反応部における触媒温度が如何
に安定化されるかについてより詳細に説明する。改質部
２を加熱部４により加熱し、改質触媒部２ｂの温度を速
やかに上昇させる。改質触媒２ａによって改質された燃
料は改質ガスとなり、ついで変成部６において変成され
て変成ガスとなる。ついで、変成ガスは浄化部１０にお
いて、含有する一酸化炭素を浄化する。

【００２２】本発明においては、変成部６に導入される
前の改質ガスおよび浄化部１０に導入される前の変成ガ
スに、空気供給部からの空気を供給、混合する。これに
より、供給した空気中の酸素と改質ガスおよび変成ガス
中の一部が、それぞれ変成部６および浄化部１０で酸化
反応をし、酸化熱を発生する。そして、その熱により、
変成部６および浄化部１０の触媒を速やかに反応に適し
た温度に加熱するのである。

【００２３】本発明においては、変成触媒６ａおよび浄
化触媒１０ａ上での発熱を利用するため、供給する空気
量により発熱量を制御することができ、触媒温度の制御
も容易となる。さらに、炭化水素などの燃料の水蒸気改
質反応により改質ガス中には水素が多量に含まれるた
め、変成部および浄化部の触媒が起動直後の低温状態に
おいても、酸化反応を容易に進行させることができる。

【００２４】本発明の実施の形態１によれば、各反応部
を個別に加熱できるため、改質ガスの保有する熱のみ
で、変成部および浄化部を順次加熱する構成よりも短期
間に各反応部触媒を適正な温度に加熱することができ
る。また、空気供給部１３を追加するだけという、比較
的単純な構成をとることが可能とする。

【００２５】なお、本実施の形態では、供給する原料
（燃料および水）の流量が変化する場合にも適切な対応
をとることが可能である。供給する原料が少量の場合、
改質ガスの保有する熱の絶対量は減少するため、変成部
および浄化部では温度が低下する傾向がある。そこで、
その温度低下に応じて供給する空気量を調節することに
より、各反応部で発熱させ温度維持が可能となるからで
ある。

【００２６】実施の形態２つぎに、本発明に係る水素発生装置の別の実施の形態を
説明する。図２は、本発明の一実施の形態に係る水素発
生装置の構成を示す概略縦断面図である。基本的に、図
２に示す水素発生装置は、図１に示す水素発生装置と同
様の構成をとり、同様の動作を行う。ここでは、両者の
同一部分の説明は省略し、相違点のみを説明する。

【００２７】相違点は、空気供給部１３に第三供給経路
１３ｃを設け、第三空気供給経路より改質部２に導入さ
れる前の原料（燃料および水）に空気を供給する点であ
る。改質部２の改質触媒についても、起動時には、反応
に適した温度まで速やかに加熱する必要がある。そこ
で、本実施の形態では、改質部２導入前の原料に空気を
供給し、原料の一部を改質触媒で酸化させることで改質
触媒の加熱を行うという構成をとる。

【００２８】これにより、各反応部でそれぞれの反応に
適した温度まで触媒を加熱することができ、水素を安定
して供給するまでに必要な時間をさらに短縮できる。な
お、各反応部に空気を供給することで、供給する水素の
絶対量は減少することとなるため、供給する空気量を低
減させるという観点から、各反応部およびガス供給経路
には充分な放熱防止対策を施すのが好ましい。

【００２９】

【実施例】以下に、実施例を用いて本発明をより具体的
に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるもので
はない。

【００３０】《実施例１》前記実施の形態１に係る水素
発生装置を実際に作動させた。まず、装置起動時の動作
を示す。加熱部４を作動させて改質部２の加熱を開始し
た。続いて原料である燃料として炭化水素であるメタン
ガスを用い、メタンガス１モルに対して２モル以上の水
を付加して、改質部２の改質触媒２ａ（白金系貴金属か
ら調製した触媒）に供給した。加熱部４の加熱熱量を、
改質触媒温度を約７００℃となるように制御し、水蒸気
改質反応を進行させた。

【００３１】ついで、得られた改質ガスを、白金族系貴
金属触媒を充填した変成部６に供給した。変成部６で
は、改質ガス中の一酸化炭素の含有量を、水とのシフト
反応により低下させる。変成触媒６ａは、シフト反応を
進行させるために、約２００〜３５０℃の温度に速やか
に加熱する必要がある。そこで、改質ガスに空気を供給
し、改質ガス成分の一部を変成触媒６ａで酸化反応し、
触媒を反応に適した温度に加熱した。ここで供給する空
気量は、変成触媒温度測定部検出温度をもとに、本実施
例では３５０℃が上限温度となるように制御した。

【００３２】つぎに、変成部６で得られた変成ガスを、
空気を供給、混合させて浄化部１０に導入させた。浄化
部１０では、一酸化炭素を酸素で酸化除去する。浄化部
１０においても、変成部６と同様に、変成ガス成分の一
部を浄化触媒１０ａ（白金族系酸化触媒）で酸化反応
し、触媒を反応に適した温度に加熱する。本実施例で
は、浄化触媒温度測定部検出温度が１００〜２００℃の
温度となるように、供給空気量を制御した。

【００３３】なお、変成部６および浄化部１０に供給す
る空気量は、発生させる水素量に応じて設定する必要が
ある。上記のように本実施例では、変成部６および浄化
部１０に空気を供給し各反応部を加熱する構成とするこ
とで、各反応部触媒温度が反応に適した温度になるまで
の時間を、本実施例の構成で空気を供給しない場合と比
較して約１／４とすることができた。

【００３４】つぎに、水素装置装置を動作させて定常状
態とした。改質触媒温度が約７００℃となるように加熱
部４の加熱動作を制御して、安定して水蒸気改質反応を
進行させた。この定常状態では、改質ガスの保有熱によ
り変成部６の温度が維持できる流量で空気の供給を停止
した。このとき、浄化部１０では、１００〜２００℃の
温度にとなった場合でも、変成ガス中の一酸化炭素量の
少なくとも１／２の酸素を含む空気を供給することで、
一酸化炭素を酸化浄化することができた。

【００３５】また、供給する原料供給量を変化させた場
合にも速やかに対応できた。原料供給量を３倍にまで変
化させると、触媒温度に応じて空気を供給しなかったと
ころ、触媒温度が大幅に変化した。その結果、浄化部１
０出口の一酸化炭素濃度は定常運転時の約１０倍の値を
示した。一方、触媒温度に応じて空気を供給した場合、
ほぼ定常運転時の一酸化炭素濃度が維持できることを確
認した。

【００３６】なお、本実施例においては、空気供給量
を、各触媒温度測定部の検出温度に代表される触媒温度
で制御したが、装置稼働条件が明確であれば、その条件
に応じて供給する空気量を設定していてもよい。また、
酸素を含む気体として空気を供給したが、酸素を含む気
体であればどのようなものでも構わない。また、加熱部
４として火炎バーナーを用いたが、改質触媒を加熱でき
るものであれば、どのような加熱手段でもよい。

【００３７】《実施例２》つぎ、前記実施の形態２に係
る水素発生装置を作動させた。起動時に改質部２に導入
させる前の原料に空気を供給し、改質部２で原料の一部
を酸化する点以外は、前記実施例１と同様にして作動さ
せた。改質部２導入前の原料に空気を供給することで、
実施例１と比較して、改質部２での触媒温度はより早く
設定温度に達することを確認した。

【００３８】なお、本実施例のように、改質部４、変成
部６および浄化部１０に白金族系触媒を使用すること
で、原料である燃料（炭化水素）および改質ガスの空気
による酸化を速やかに進行させることができる。特に、
白金を主たる成分とする触媒で統一して構成すること
で、触媒回収時に触媒のリサイクルが容易となる。ま
た、触媒の還元処理をする必要がなく、かつ装置停止後
の空気混入により触媒酸化が起きにくくなるため、メン
テナンスも容易となる。

【００３９】また、本発明の効果を損なわない範囲であ
れば、改質部４、変成部６および浄化部１０に、白金族
系触媒以外の触媒を使用してもよい。例えば改質部４に
はニッケル系触媒、変成部６には銅系触媒、浄化部１０
には金系触媒など、当業者であれば各反応に適した触媒
を適宜選択することができる。

【００４０】さらに、各反応部の触媒温度は、使用する
触媒の種類に応じて設定すればよく、また、原料の燃料
としては、メタンのほか、天然ガス、ＬＰＧなどの炭化
水素、メタノールなどのアルコール、またはナフサな
ど、一般に水蒸気改質の原料として用いられているもの
であればどのようなものでも構わない。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、供給した空気中の酸素
と原料あるいは改質ガスの一部を、改質部、変成部また
は浄化部の触媒で酸化反応させ、酸化熱を発生させる。
その熱により、各反応部の触媒を速やかに反応に適した
温度に加熱することを可能とする。また、改質、変成お
よび浄化触媒上で酸化熱を加熱に利用するため、供給す
る空気量により発熱量が制御でき、触媒温度を容易に制
御することができる。また、装置起動時に水素を安定に
供給させるまでに必要な時間を大幅に短縮させるととも
に、発生させる水素量の変化時における各反応部の触媒
温度変化にも適切に対応することができる。また、変成
部および浄化部に特別な加熱手段を必要としない比較的
単純な装置構成を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る水素発生装置の概
略縦断面図である。

【図２】本発明の実施の形態２に係る水素発生装置の概
略縦断面図である。

【符号の説明】

１原料供給部２改質部２ａ改質触媒２ｂ改質触媒部３改質触媒温度測定部４加熱部５原料供給経路６変成部６ａ変成触媒７変成触媒温度測定部８改質ガス供給経路９変成ガス供給経路１０浄化部１０ａ浄化触媒１１浄化触媒温度測定部１２水素排気経路１３空気供給部１３ａ第一空気供給経路１３ｂ第二空気供給経路１３ｃ第三空気供給経路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田口清大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者庄野敏之大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者北河浩一郎大阪府大阪市城東区今福西６丁目２番61号松下精工株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 FA02 FB04 FC07 FE01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料を水蒸気改質する改質触媒体を有す
る改質部、前記改質部に燃料および水を供給する原料供
給部、前記改質触媒体を加熱するための加熱部、水と一
酸化炭素をシフト反応させる変成触媒体を有する変成
部、白金族系触媒からなる浄化触媒体を有する浄化部、
ならびに空気供給部を具備し、前記改質部において得ら
れる改質ガスを前記変成部、ついで前記浄化部に供給す
る装置であって、燃料および水を加熱された前記改質部
に供給し、前記変成部に導入される前記改質ガスと、前
記変成部において得られ前記浄化部に導入される変成ガ
スに前記空気供給部からの空気を混合させ、前記変成部
および前記浄化部において前記改質ガスおよび前記変成
ガスそれぞれの少なくとも一部を酸化する水素発生装
置。
【請求項２】前記変成触媒体の温度を測定する変成触
媒温度測定部を有し、前記改質ガスに混合させる空気量
を調節することによって変成触媒温度を制御する請求項
１記載の水素発生装置。
【請求項３】前記浄化触媒体の温度を測定する浄化触
媒温度測定部を有し、前記変成ガスに混合させる空気量
を調節することよって浄化触媒温度を制御する請求項１
または２記載の水素発生装置。
【請求項４】前記原料供給部からの燃料および水に、
前記空気供給部からの空気を混合させる請求項１〜３の
いずれかに記載の水素発生装置。
【請求項５】前記改質触媒体の温度を測定する改質触
媒温度測定部を有し、前記燃料および水に混合させる空
気量を調節することによって改質触媒温度を制御する請
求項４記載の水素発生装置。
【請求項６】前記変成触媒体の変成触媒が少なくとも
白金族系触媒を一成分とする請求項１〜５のいずれかに
記載の水素発生装置。