JP2000327304A - 水素発生装置 - Google Patents

水素発生装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭化水素系燃料と水とを改質反応させる方式
の水素発生装置装置において、装置としての熱効率の向
上を図り、簡単な構成によって装置からの放熱ロスを低
減し、廃熱を回収して有効に利用する。 【解決手段】 炭化水素系燃料の供給部と、前記燃料の
燃焼部と、水供給部と、前記燃料と前記水とを混合し被
改質ガスを作成するガス混合部と、改質触媒を充填した
改質部とを少なくとも具備し、前記改質触媒の触媒作用
により前記被改質ガスから水素を含有する改質ガスを発
生する水素発生装置であって、前記燃焼部で生成した燃
焼排ガスにより、前記ガス混合部または前記改質部の少
なくとも一方を加熱することを特徴とする水素発生装
置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガス、ＬＰ
Ｇ、ガソリン、ナフサ、灯油などの炭化水素系燃料と水
とを原料として、燃料電池などの水素利用機器に供給す
るための水素を発生する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】化石燃料に替わるエネルギー源の有力候
補の一つとして水素が注目されているが、その有効利用
のためには水素パイプラインなどのインフラストラクチ
ャーの整備が必要とされている。その一つの方法とし
て、天然ガス、化石燃料、アルコールなどのために既に
構築されている運送、搬送などのためのインフラストラ
クチャーを利用し、水素を必要とする場所でそれら燃料
を改質して水素を発生させる方法が検討されている。例
えば、中小規模でのオンサイト発電装置としての燃料電
池のための天然ガス（都市ガス）改質技術、自動車の動
力源用の燃料電池のためのメタノール改質技術などが様
々な形で提案されている。一方、近年固体高分子型燃料
電池の技術の進展が目覚しく、低温動作が可能であり、
立ち上がりが早く、熱ロスが小さいとの理由から、この
ような燃料電池は小型用途に適するとして、車用、家庭
用への展開が期待されている。これに対応して、固体高
分子用燃料電池に水素を供給するための小型の水素発生
装置の開発が各所で精力的に行われている。しかし、充
分にその要求を満たす装置はまだ上市されていないのが
現状である。
【０００３】ここで、天然ガスなどの炭化水素系燃料か
ら水素を発生させる方法としては、部分酸化法、水蒸気
改質法、およびこれら両者を併用する方法などが知られ
てるが、それぞれ一長一短があり、発生した水素を用い
る燃料電池を含むシステムなどの目的により選択され
る。一般に、水蒸気改質法は発生するガス中の水素濃度
が最も高く、燃料電池の発電効率を高く見積もることが
できる。また、それらの燃料を改質して水素を発生させ
るためには、いずれの方法においても高温での触媒反応
が用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の燃料
電池用の水素発生装置は、燃料電池の出力を数百ｋＷ以
上にできる程度の規模のものが普通であり、家庭用ある
いはポータブルユースに適した数百Ｗ〜数ｋＷレベルの
ものを製作するのが困難であった。この理由は、水素発
生装置の規模が小さくなるにしたがって装置の体積に対
する表面積の比率が大きくなり、装置表面からの放熱ロ
スの比率も大きくなり、熱効率が低下してしまうからで
ある。
【０００５】すなわち、水素発生装置部分における効率
低下は燃料電池を含むシステムとしての効率低下に直結
するため、燃料電池を含むシステムの小型化には、水素
発生装置の熱効率を改善する必要があるという問題があ
る。特に、天然ガスなどを燃料とした場合には反応温度
として７００℃程度の高温が必要であることから、熱利
用の観点から、放熱ロスを低減するための断熱構成、お
よび廃熱の回収利用方法が最大のポイントであると考え
られる。以上の事実に鑑み、本発明の目的は、簡単な構
成で、特に廃熱を回収して有効に利用し、熱効率を大幅
に改善した水素発生装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、炭化水素系燃
料の供給部と、前記燃料の燃焼部と、水供給部と、前記
燃料と前記水とを混合し被改質ガスを作成するガス混合
部と、改質触媒を充填した改質部とを少なくとも具備
し、前記改質触媒の触媒作用により前記被改質ガスから
水素を含有する改質ガスを発生する水素発生装置であっ
て、前記燃焼部で生成した燃焼排ガスにより、前記ガス
混合部または前記改質部の少なくとも一方を加熱するこ
とを特徴とする水素発生装置に関する。このとき、水供
給部とガス混合部との間に前記水の蒸発部を設け、燃焼
部で生成した燃焼排ガスにより、前記蒸発部を加熱する
のが好ましい。また、燃焼部の燃焼熱により前記燃焼に
加える空気を加熱することが好ましい。また、炭化水素
系燃料または燃焼に加える空気の少なくとも一方を加熱
する予備加熱部を、前記燃料の燃焼部の周囲に設けるの
が好ましい。また、燃焼排ガスの流れる方向と、被改質
ガスの流れる方向とが相対する向きであるのが好まし
い。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明者らは、水素発生装置の各
構成要素の配置を種々検討することにより、熱効率を大
幅に向上した水素発生装置を発明するに至った。以下
に、本発明の水素発生装置を、実施の形態に代表させて
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。
【０００８】第１の実施の形態 本発明の第１の実施の形態を、図１を参照しながら説明
する。図１は本発明に係る水素発生装置の一実施の形態
の構成を示す概略縦断面図である。図１に示すように、
本発明の水素発生装置は、炭化水素系燃料供給部１、水
供給部３、水蒸発部８、前記炭化水素系燃料および前記
水を混合して原料混合物を得る混合部１１、前記原料混
合物の過熱部７、改質触媒を充填した改質部６、前記改
質部を加熱するための燃焼部４、燃焼により発生して外
部に放出される燃焼排ガスが通過する燃焼室５とを具備
する炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素含有改
質ガスを発生する装置において、少なくとも前記改質部
６および水蒸発部８が、前記燃焼室５内にまたは前記燃
焼室５に接して設け、かつ前記燃焼排ガスの流れ方向
と、前記原料混合物の流れ方向が対向するように構成さ
れている。
【０００９】炭化水素系燃料としては、水素を発生させ
るために用いられるものであれば特に制限はないが、例
えばメタン、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯
油、メタノールなどがあげられる。ここでは、天然ガス
を主体とした都市ガスを用いた場合について説明する。
【００１０】都市ガス中には付臭剤として硫化物が数ｐ
ｐｍ混入しており、硫化物は通常改質触媒の被毒物質と
なるので、ここでは原料（燃料）ガス通路１５の途中に
吸着式の脱硫部１８を設置している。もう一方の原料で
ある水は水供給部３から供給する。燃焼部４により改質
部６を加熱し、燃料供給部１から供給される都市ガスを
空気供給部２から供給される空気で燃焼させる。また、
燃焼部４には燃料の都市ガスと燃焼用空気の混合部（図
示せず）も含む。
【００１１】燃焼部４で燃焼した後の燃焼排ガスは燃焼
室５を通って排気口９から機外に排気される。燃焼室５
中には、改質部６とともに過熱部７、混合部１１、水蒸
発部８を設置している。断熱部１０は燃焼室５をからの
放熱を防止し、例えば耐熱性のセラミック系ファイバー
材料などを用いて燃焼室５全体を覆うように構成すれば
よい。また、混合部１１へ燃料ガスを供給するための燃
料ガス供給口１２、原料水供給口１３、改質ガス出口１
４、燃料ガス通路１５、燃焼用の燃料ガス通路１６、お
よび燃焼用空気の通路１７を具備している。
【００１２】改質部６には改質触媒層が設けられるが、
ここで用いる改質触媒層は、例えばペレット状の改質触
媒を充填するなど、常法により設ければよい。改質触媒
は原料となる炭化水素系燃料の種類または水素発生装置
の操作条件により、ルテニウムなどの貴金属系またはニ
ッケルなどの金属系などの中から適宜選択すればよい。
水蒸発部８中には、水の蒸発面積および熱交換面積を増
加して水の蒸発を促進するために耐熱性多孔材を充填す
るのが好ましい。通常は金属またはセラミック系のファ
イバー材、焼結材などの中から選ぶことができる。ま
た、過熱部７、混合部１１の中にもそれぞれの目的性能
を促進するために、蒸発部８中に設けたものと同様の材
料を充填しておくのが有利である。水供給部３にはポン
プ、空気供給部２には送風機を用いればよい。
【００１３】なお、本発明の水素発生装置は、燃料およ
び水の供給量をコンピュータなどを用いて自動制御して
運転するのが好ましいが、図１中ではそれら制御装置は
省略してある。
【００１４】本実施の形態では、原料である炭化水素系
燃料および水は図１中の上方より供給され下方に向かっ
て流れ、一方燃焼排ガスは下部に設けた燃焼部４から燃
焼室５中を下方から上方に向かって流れる。このとき燃
焼排ガスの流れ方向と原料の流れ方向は対向することに
なり、熱交換はそれぞれの部分の配置にしたがって順次
段階的に効果的に行われることになる。最も高い温度の
要求される改質部６は燃焼部に最も近い場所に配置さ
れ、最も温度の低い原料の導入部、特に水の蒸発部は最
も温度を低くすることが要求される燃焼排ガス通路の最
下流側に配置されることになり、それぞれの流れの間で
効果的な熱交換が行われることになる。また、本実施の
形態においては、改質部６、蒸発部８などは燃焼室５内
に設置しているが、熱交換が可能な位置に配置すればこ
の限りではなく、例えば燃焼室５を囲むように燃焼室５
に接して構成しても同様な効果が発揮できる。
【００１５】つぎに本実施の形態に係る水素発生装置の
操作について説明する。通常は、装置の起動に先立って
燃料供給部１に不活性ガスを流しながら燃焼部４を動作
させ改質部６の加熱を開始する。つぎに、改質部６中の
改質触媒が充分な活性を発揮できる温度になった時点で
燃料供給部１より原料（ここでは都市ガス）を脱硫部１
８を経由させて脱硫した後に混合部１１へ、水供給部３
から水を蒸発部８へ供給する。蒸発部８で蒸発して生成
した水蒸気は混合部１１で都市ガスと混合して過熱部７
でさらに予熱されて温度を上げ、改質部６へ供給され改
質触媒上で反応し、水素リッチな改質ガスが生成され
る。改質ガスは改質ガス出口１４から排出され次の工程
に送られる。
【００１６】また、改質部の温度を検出することなどに
より、水蒸気改質に好ましい温度になったことを確認で
きる適切な時間に不活性ガスの供給を停止する。このと
き、燃焼部４で発生した燃焼熱は燃焼排ガスに移動し、
ついで燃焼排ガスは、改質部６、過熱部７、混合部１１
および水蒸発部８を順次加熱して、熱交換によりその温
度が低下し、排気口９より装置外に排出される。
【００１７】改質部６中の改質触媒は通常約７００℃程
度に加熱する必要があるため、断熱部１０の構成が重要
であるとともに、改質部６の下流側における燃焼排ガス
の保有する熱をいかに回収するかが装置の熱効率を向上
させるために重要になる。この観点から、水の蒸発部８
を燃焼排ガスの最下流側に位置させるのが最も得策とな
る。すなわち、水の温度は原料の中でも特に低く、また
蒸発をともなう熱移動は熱伝達係数を高く見積もれるた
めに熱交換に有利となるからである。つまり上流側の熱
交換により、やや温度が下がった燃焼排ガスでも水の蒸
発用として充分な熱を供給する。この結果、排気口９か
ら排出される燃焼排ガスは充分な熱交換によって低い温
度を有して排出されるため、装置の熱効率が向上すると
ともに、安全性という面からも有効である。
【００１８】また、ここでは、水蒸発部８、混合部１
１、過熱部７を別個に順次構成しているが、これらのう
ちの複数を機能的または構成的に一体化することも可能
である。ただし、その場合でも水蒸発部を燃焼排ガスの
流れ最下流側に位置させることが最も有効である。
【００１９】第２の実施の形態 図２は本発明の第２の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と重複する部分に
ついては同一番号で示し、その説明は省略する。図２に
示す水素発生装置は、原料混合物予熱部２１を具備し、
燃料ガス供給口２２から燃料ガスが供給され、水供給口
２３より原料の水が供給される。したがって原料混合物
予熱部２１は各原料の混合部を兼ねる構成となる。ここ
で混合された原料混合物は、水蒸発部８に送られ、原料
混合物中の水が蒸発される。その後、過熱部７を経由し
て改質部６に送られ、改質触媒上で改質反応が進行し、
得られる水素リッチの改質ガスは改質ガス出口１４から
つぎの工程に送られる。ここで、排気ガス流路において
水蒸発部８よりもさらに下流側に原料混合物予熱部２１
を設けることにより、燃焼排ガスの保有熱はさらに熱交
換により移動し、さらに有効に利用される。すなわち、
第２の実施の形態に係る水素発生装置の熱効率は、第１
の実施の形態に係る水素発生装置に比して、さらに向上
されることになる。
【００２０】第３の実施の形態 図３は本発明の第３の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および２と重複す
る部分については同一番号で示し、その説明は省略す
る。本実施の形態に係る水素発生装置には、装置の外周
に燃焼用空気予熱部３１を設けている。このような態様
によれば、装置の最外周に設けることにより装置の外周
温度を下げて、装置からの熱放散を防止して熱効率を向
上させる効果を大きくすることができる。また、安全性
の観点からも推奨できるものである。さらに、このよう
な構成にすることで、燃焼排ガスからの熱ロスも、装置
外壁からの熱ロスも同時に低減することが可能となり、
装置の熱効率はさらに向上させることが可能となる。
【００２１】なお、燃焼用空気予熱部３１は断熱部１０
の外側に設けているが、断熱部１０の内側、または水蒸
発器８の下流側などの場所に設けることも可能である。
また、図１〜図３に示した本発明の実施の形態は、本発
明の思想の範囲内で適宜組み合わせることも可能であ
る。例えば、図３に示す燃焼用空気予熱部３１を原料で
ある炭化水素系燃料または水の予熱部として適用するこ
となども可能である。
【００２２】
【発明の効果】本発明によれば、改質部、水蒸発部など
を燃焼室内にまたは燃焼室に接して配置し、原料の流れ
方向と燃焼排ガスの流れ方向とを対向させることによ
り、有効な熱交換が可能となり、熱効率の高い水素発生
装置の提供が可能となる。また、外壁から放散する熱を
回収して空気などの予熱に利用する構成をとり、装置の
外壁温度を低下させることにより、さらに熱効率、安全
性、および操作性に優れた水素発生装置の提供が可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の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２】本発明の第２の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３】本発明の第３の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。
【符号の説明】
１ 燃料供給部 ２ 空気供給部 ３ 水供給部 ４ 燃焼部 ５ 燃焼室 ６ 改質部 ７ 過熱部 ８ 水蒸発部 １１ 混合部 ２１ 原料混合物予熱部 ３１ 空気予熱部
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 EA03 EA06 EB03 EB12 EB43 EB44 5H027 AA06 BA01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭化水素系燃料の供給部と、前記燃料の
    燃焼部と、水供給部と、前記燃料と前記水とを混合し被
    改質ガスを作成するガス混合部と、改質触媒を充填した
    改質部とを少なくとも具備し、前記改質触媒の触媒作用
    により前記被改質ガスから水素を含有する改質ガスを発
    生する水素発生装置であって、前記燃焼部で生成した燃
    焼排ガスにより、前記ガス混合部または前記改質部の少
    なくとも一方を加熱することを特徴とする水素発生装
    置。
  2. 【請求項２】 水供給部とガス混合部との間に前記水の
    蒸発部を設け、燃焼部で生成した燃焼排ガスにより、前
    記蒸発部を加熱することを特徴とする請求項１記載の水
    素発生装置。
  3. 【請求項３】 燃焼部の燃焼熱により前記燃焼に加える
    空気を加熱することを特徴とする請求項１または２記載
    の水素発生装置。
  4. 【請求項４】 炭化水素系燃料または燃焼に加える空気
    の少なくとも一方を加熱する予備加熱部を、前記燃料の
    燃焼部の周囲に設けたことを特徴とする請求項１〜３の
    いずれかに記載の水素発生装置。
  5. 【請求項５】 燃焼排ガスの流れる方向と、被改質ガス
    の流れる方向とが相対する向きであることを特徴とする
    請求項１〜４のいずれかに記載の水素発生装置。
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