JP2001302207A

JP2001302207A - 水素発生装置の起動方法

Info

Publication number: JP2001302207A
Application number: JP2000115600A
Authority: JP
Inventors: Akira Maenishi; 晃前西; Tomomichi Asou; 智倫麻生; Masataka Ozeki; 正高尾関; Takeshi Tomizawa; 猛富澤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2020-04-17
Also published as: JP3856423B2

Abstract

(57)【要約】【課題】改質部、変成部および浄化部を有し、起動時
に浄化部より流出する可燃性ガスを有効に利用する水素
発生装置において、原料供給時や水供給時において不安
定になりやすい改質部用バーナの燃焼状態を安定化させ
る。【解決手段】起動時には水素発生装置からの流出ガス
を燃料供給部に供給してバーナでの燃料として使用する
構成をとり、原料供給時の原料供給量を少なくしたり、
原料が供給される前に燃料供給量と燃焼空気量を増加さ
せる。また、水供給による水素発生量に対応した燃焼空
気量を供給するため、改質部温度に応じて空気量を制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガス、ＬＰ
Ｇ、ガソリン、ナフサ、灯油またはメタノールなどの炭
化水素系物質を主原料とし、燃料電池などの水素利用機
器に水素を供給するために水素リッチガスを生成する水
素発生装置の起動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】昨今、脱化石燃料の有力候補として水素
エネルギーが注目されているが、その生成コスト、貯蔵
および運搬などの点において様々な問題があるため、水
素エネルギーは、一般的、特に民生用としてはほとんど
利用されていない。水素エネルギーの利用を早期に実現
するためには、既存の産業インフラストラクチャを利用
し、必要なところで必要なだけ水素を生成することが有
力な手段となる。例えば、中小規模のオンサイト型燃料
電池には都市ガスを原料として用い、また、燃料電池自
動車にはメタノールを原料として用い、触媒反応を利用
した水蒸気改質方法、部分酸化方法または両者を組み合
わせたオートサーマル方法などで水素を生成することが
考えられる。

【０００３】しかし、改質反応は高温で進行するため、
水素以外の副生成物として一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化
炭素が生成される。したがって、生成した水素リッチガ
スを燃料電池に供給するとき、特に高分子型燃料電池に
おいては、副生成物であるＣＯが燃料電池の電極を被毒
してその性能を著しく劣化させるため、水素中に含有さ
れるＣＯのの濃度を極力低くしておかなければならな
い。これに対し、水素発生装置において、改質反応を行
う改質部、その下流側に変成反応を行う変成部、さらに
その下流にＣＯ除去を行う浄化部を設置し、各部の温度
を触媒が良好な活性を有する温度に設定することによ
り、水素中のＣＯ濃度を数十ｐｐｍ以下にすることがで
き、燃料電池への供給を可能としている。ここで、水素
発生装置からの水素リッチガス中のＣＯ濃度を数十ｐｐ
ｍ以下にするには、改質部、変成部および浄化部が充分
機能を発揮する温度（例えば、改質部：７００℃、変成
部：３００℃、浄化部：２００℃）としなければならな
い。所定の温度に昇温するためには、最も温度を高くし
なければならない改質部近傍にバーナを設置し、変成部
や浄化部は、改質部でバーナにより加熱された高温ガス
を流すことで昇温させている。

【０００４】

【発明が解決しょうとする課題】しかし、改質部、変成
部および浄化部には触媒が充填されているため、熱容量
が大きく、水素発生装置全体を昇温させて安定した温度
状態とするためには、ある程度の時間が必要とされる。
したがって、その間は、水素発生装置が作る生成ガスに
は数十ｐｐｍ以上のＣＯがあり、これを燃料電池にはそ
のまま供給できずこのガスは排気するしかなかった。ま
た、起動時の水素発生装置から送出されるガスをバーナ
に戻して燃料として利用する場合には、原料供給部から
改質部に原料を供給し始めた瞬間に、水素発生装置内に
存在しているガスが押し出されてバーナから噴出する。
ここで、水素発生装置内には、前回の運転終了時に供給
したＮ₂、または運転停止時に周囲より流れ込んだ空気
が存在している。そのため、原料を改質部に供給するこ
とより、押されたこれらの不可燃性ガスを瞬間的にバー
ナに供給すると、バーナに形成されている火炎に外乱を
与えて火炎が不安定になったり、時には火炎が吹き消え
てしまう可能性があった。

【０００５】さらに、改質触媒が活性を有する温度とな
れば改質部に水を供給して改質反応を行わせるが、この
ときの水の供給により生じた水素の体積は、改質部に供
給される原料の体積の数倍であるため、水素が生成され
た瞬間に水素発生装置内のガスが数倍の流量で押し出さ
れることになる。そうすると、水素発生装置内のガスは
大部分が可燃性ガスであるため、バーナにはそれまでの
数倍量の可燃性ガスが急に供給されることになり、極端
な空気不足の状態となる。そのため、バーナの燃焼状態
が不安定となり、時には失火する可能性を有する。ま
た、改質触媒の温度が高くなると触媒の反応性が高くな
って水素生成量が多くなる。この場合にも、バーナへと
押し出される可燃性ガスの量がさらに多くなるため、上
記と同様の理由により空気不足の状態となり得る。した
がって、本発明の目的は上述のような問題点を解決する
ことにあり、起動時に水素発生装置から流出するガスを
有効に利用しながら安定した起動を実現するもので、操
作性および利便性に優れる水素発生装置の起動方法を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上のような問題点を解
消すべく、本発明は、原料供給部と、水供給部と、加熱
用燃料供給部および空気供給部を有するバーナとを具備
する改質部、前記改質部からの改質ガスを変成するため
の変成部、および前記変成部からの変成ガスを浄化する
ための浄化部を有し、水素リッチガスを生成する水素発
生装置において、起動時に、前記水素発生装置から送出
されるガスを前記バーナに導く流路を構成し、前記ガス
と前記燃料供給部からの燃料とにより前記バーナに火炎
を形成した後、前記原料供給部から原料の一部を前記改
質部に供給することにより起動することを特徴とする水
素発生装置の起動方法を提供する。さらに、本発明は、
原料供給部と、水供給部と、加熱用燃料供給部および空
気供給部を有するバーナとを具備する改質部、前記改質
部からの改質ガスを変成するための変成部、および前記
変成部からの変成ガスを浄化するための浄化部を有し、
水素リッチガスを生成する水素発生装置において、起動
時に、前記水素発生装置から送出されるガスを前記バー
ナに導く流路を構成し、前記ガスと前記燃料供給部から
の燃料とにより前記バーナに火炎を形成した後、前記燃
料供給部および前記空気供給部から前記バーナへの燃料
供給量および空気供給量を増加させ、その後、前記原料
供給部から前記改質部に原料を供給することを特徴とす
る水素発生装置の起動方法も提供する。

【０００７】上記起動方法においては、前記原料供給部
から前記改質部に原料を供給した後、一定時間経過後に
前記空気供給部から前記バーナへの空気供給量を増加さ
せるのが有効である。また、前記原料供給部から前記改
質部に原料を供給した後、一定時間経過後に前記原料供
給部から前記改質部への原料供給量と前記空気供給部か
ら前記バーナへの空気供給量を増加させるのも有効であ
る。この場合、前記空気供給部から前記バーナへの空気
供給量を増加させた後、前記原料供給部から前記改質部
への原料供給量と前記空気供給部から前記バーナへの空
気供給量を増加させるのが有効である。

【０００８】さらに上記起動方法においては、前記改質
部に含まれる改質触媒の温度が所定値になったときに前
記水供給部から前記改質部への水の供給を開始し、前記
改質触媒の温度に応じて前記空気供給部から前記バーナ
への空気供給量を変化させるのが有効である。この場
合、前記水供給部から水の供給を開始するとき、水の供
給量を初めは少なく、その後徐々に増加させるのが有効
である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は上記問題点を解決するた
めに、起動時には水素発生装置からの流出ガスを燃料供
給部に供給してバーナでの燃料として使用する構成をと
り、可燃性ガスである水素発生装置からのガスを有効に
利用するものである。その構成においてバーナの燃焼の
安定性を高めるため、バーナに供給される原料の量を少
なくしたり、原料が供給される前に燃料供給量と燃焼空
気量を増加させるものである。また、水供給後には水素
発生量に対応した量の燃焼空気を供給するため、改質部
温度に応じて空気量を制御することとなり、さらに、水
供給時の水素発生装置からバーナへの可燃ガス量の極端
な増加を抑えるため、水の供給量を徐々に増加させる。

【００１０】ここで、本発明の起動方法を用いることの
できる水素発生装置の一実施の形態について、図面を参
照しながら説明する。図１は、本発明に係る起動方法を
実施するための水素発生装置の概略構成図である。ま
ず、この水素発生装置内のガスの流路の構成を説明す
る。図１に示すように、この水素発生装置においては、
原料供給部１および水供給部２が、内部に改質触媒（図
示せず。）を充填した改質部３に接続されている。原料
供給部１により供給された原料は改質部３において改質
され、そこから流出した改質ガスは変成触媒（図示せ
ず。）を充填した変成部４に流入する。さらに変成部４
において変成された変成ガスは、ＣＯ除去触媒（図示せ
ず。）を充填した浄化部５に流入する。そして、浄化部
５において浄化された浄化ガスは、三方バルブ６を通
り、一方において水素発生装置からの水素リッチガスと
して例えば燃料電池７に供給され、また、他方において
可燃ガスとして改質部３の近傍に設置されたバーナ８中
に導かれる。

【００１１】つぎに、バーナ８には燃焼用燃料を供給す
る燃料供給部９と燃焼用空気を供給する空気供給部１０
が設置されており、バーナ８における燃焼ガスは改質部
３に設けられた排気口１１から排気される。ここで、原
料供給部１および燃料供給部９から供給される原料およ
び燃料は、例えば天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧなどの
気体状炭化水素燃料、またはガソリン、灯油、メタノー
ルなどの液体状炭化水素系燃料である。ただし、液体状
燃料を用いるときには、燃料気化部が必要となるが、改
質部３やバーナ８からの伝導熱や燃焼排気ガス中の顕熱
などを利用して燃料を気化させる構成することも可能で
ある。

【００１２】また、原料供給部１、燃料供給部９および
空気供給部１０の流量を調整する方法としては、ポンプ
もしくはファンなどを利用して流量を制御する方法、ポ
ンプもしくはファンなどの下流側にバルブなどの流量調
整器を設置して流量を制御する方法などがあげられる。
図１においては、かかる流量調整手段を図示してはいな
いが、それぞれの供給部は流量調節手段を具備している
ものとし、矢印は原料物質、反応物質および燃料物質な
どの流れの方向を示している。さらに、改質部３には内
部に充填された改質触媒の温度を測る温度検知器１２が
設置され、検出した温度に応じて空気供給部１０や水供
給部２により空気供給量や水供給量を制御できる構成と
なっている。温度検知器１２としては、例えば熱電対ま
たは高温型サーミスタなどを用いることができる。以下
に、図１に示す水素発生装置を用いて、本発明に係る水
素発生装置の起動方法を実施する場合について説明す
る。

【００１３】《実施の形態１》まず、水素発生装置の起
動時に浄化部５からの流出（可燃性）ガスをバーナ８に
供給する構成とするために、三方バルブ６により流路が
バーナ８側につながるようにしておく。そして、バーナ
８に空気供給部１０から燃焼用空気を供給した状態で、
点火装置（図示せず。）で点火動作を行いながら、燃料
供給部９より燃料を供給してバーナ８に火炎を形成す
る。このとき、安全性の面から、確実にかつ瞬間的に火
炎が形成されるように燃料供給量および空気供給量を制
御する必要がある。この点火時の制御は、当業者であれ
ばバーナ８の構成に応じて適宜行うことができる。つい
で、火炎の安定状態を確認した後、改質部３に原料供給
部１より原料を供給する。このとき、非常に少ない量の
原料を改質部３に供給することを第１の特徴とする。

【００１４】原料を改質部３に供給した瞬間、その流量
に応じて水素発生装置内部にあるガスは押し出され、バ
ルブ６を経てバーナ８から噴出する。ここで、水素発生
装置停止時には、水素発生装置内部に可燃性ガス（水素
や炭化水素系ガス）が残留するのを防ぐため、Ｎ₂ガス
を供給して内部を置換するのが一般的である。したがっ
て、起動直後の水素発生装置内部には前回の運転停止時
に供給したＮ₂ガスや運転停止中に周囲より流れ込んだ
空気が存在している。すなわち、原料供給開始時にバー
ナ８より噴出するガスはＮ₂ガスや空気である。そのた
め、限られた条件下で火炎を形成する点火時において
は、この噴出ガス量が多いとバーナ８に形成されている
火炎に、不可燃性ガスを供給することになるため、燃焼
が不安定となり失火しやすくなる。そこで、改質部３に
対する原料の供給量を少なくすることによってバーナ８
の火炎に対する外乱の量を少なくし、バーナ８の燃焼の
安定化を図るのである。

【００１５】《実施の形態２》ここでは、上記実施の形
態１とほぼ同様の操作を行うことによって水素発生装置
を起動するが、以下の点で異なる操作を行う。まず、図
１に示す水素発生装置において、実施の形態１と同様に
バーナ８の火炎の安定状態を確認した後、バーナ８への
燃料供給部９からの燃料供給量と空気供給部１０からの
空気供給量を増加させる。ついで、原料供給部１から改
質部３に原料を供給する。このように、原料を改質部３
に供給する前にバーナ８に供給される燃料と空気の量を
増加させておけば、原料が改質部３に供給されて水素発
生装置から押し出された残留（不可燃性）ガスがバーナ
８から噴出しても、火炎に対する外乱としての影響が小
さくなる。したがって、改質部３への原料の供給量を少
なくすることなくバーナ８の火炎の安定性を確保するこ
とができる。

【００１６】《実施の形態３》ここでは、上記実施の形
態１および実施の形態２とほぼ同様の操作を行うことに
よって水素発生装置を起動するが、以下の点で異なる操
作を行う。本実施の形態は、図１に示す水素発生装置に
おいて、実施の形態１または実施の形態２と同様にして
原料供給部１から改質部３に原料を供給しはじめた後、
所定時間が経過してから空気供給部１０からバーナ８に
供給する空気量を増加させることに特徴を有する。ここ
で、「所定時間」とは、原料供給部１から改質部３に供
給された原料が、改質部３、変成部４および浄化部５を
経て、可燃性ガスとなってバーナ８に到達するまでの時
間より少し短い時間のことである。このように、原料が
可燃性ガスとしてバーナ８に到達する前に、バーナ８に
おける燃焼に寄与する空気量を増やしておけば、可燃性
ガスである原料がバーナに供給されても、空気不足によ
る燃焼の不安定さを引き起こすことなく安定した燃焼状
態を維持することができる。ただし、増加させる空気量
を多くしすぎると形成されている火炎が希薄状態となり
不安定になるので、安定に燃焼する範囲内で空気供給量
を増加する必要がある。

【００１７】《実施の形態４》ここでは、上記実施の形
態１および実施の形態２とほぼ同様の操作を行うことに
よって水素発生装置を起動するが、以下の点で異なる操
作を行う。本実施の形態は、図１に示す水素発生装置に
おいて、実施の形態１または実施の形態２と同様にして
原料供給部１から改質部３に原料を供給しはじめた後、
所定時間が経過してから、原料供給部１から改質部３へ
の原料供給量と空気供給部１０からバーナ８への空気供
給量を増加させることに特徴を有する。ここで、「所定
時間」とは、上記と同様に、原料供給部１から改質部３
に供給された原料が、改質部３、変成部４および浄化部
５を経て、可燃性ガスとなってバーナ８に到達するまで
の時間より少し短い時間のことである。

【００１８】燃料供給部９からの燃料により形成された
火炎に対して、原料供給部１からの原料供給量の割合が
小さいときには、実施の形態３に示したように空気供給
部１０からの空気量を増加させなくてもバーナ８の火炎
状態の安定性が確保される。さらに、その状態で、改質
部３への原料供給量とバーナ８への空気供給量を増加さ
せると、バーナ８に形成される火炎の安定状態を保った
まま改質部３の燃焼量（加熱量）を大きくすることがで
き、改質部３の温度上昇を速くすることができる。ま
た、改質部３で加熱された原料は、変成部４および浄化
部５を通過するので、原料供給量の増加により変成部４
と浄化部５への伝熱量を増やすことができ、変成部４と
浄化部５の温度上昇も速くすることができる。よって、
本実施の形態によれば、水素発生装置の起動時間を短く
することができる。上述の操作は、実施の形態３におけ
るように原料を供給した後、所定時間経過してから空気
供給量を増加させ、バーナ８の火炎の安定性を確保した
後に原料供給部１から改質部３への原料供給量を増加し
ても同様の効果が得られる。

【００１９】《実施の形態５》ここでは、図１に示す水
素発生装置において、温度検知器１２で改質部３中に設
置される改質触媒の温度をモニターし、改質触媒の温度
が所定値になれば水供給部２から改質部３に水を供給し
始め、その後改質触媒の温度に応じて空気供給部１０か
らの空気量を変化させることを特徴としている。ここ
で、水素発生装置の起動直後から改質部３への水の供給
を始めると、水は改質部３では一旦蒸発したとしても、
温度の低い変成部４や浄化部５で結露し、流路などを閉
塞してしまう可能性がある。また、高温状態となった改
質触媒に炭化水素系原料を供給すると、熱分解や重合に
より炭素やタール状の残さが析出する可能性がある。ま
た、低級炭化水素の場合には、一般に５００〜６００℃
以上となれば炭素やタール状残さが析出しやすくなる。
よって、改質触媒がそれらの間の温度（３００〜４００
℃）で水を供給し始めれば、結露水や炭素、タール状物
質による流路閉塞を防止することができる。

【００２０】さらに、改質触媒の温度が上昇するにつれ
改質反応が促進され、供給した炭化水素系原料から水素
への転換率が高くなる。改質反応において１モルの炭化
水素は数モルの水素に転換されるため、改質反応が起こ
れば原料ガスは数倍の体積に膨張することになる。した
がって、改質触媒の温度が上昇して転換率が高くなって
いくと、原料供給量に対して生成した水素量が大幅に増
加していくことになり、生成した多量の水素は変成部４
に供給される。そのため、変成部４や浄化部５に貯まっ
ている炭化水素原料や生成された水素などの可燃性ガス
が、その流量を増加させながらバーナ８から噴出するこ
とになる。そこで、この転換率を改質触媒温度で予測
し、バーナ８から噴出される可燃性ガス量に対応した空
気を空気供給部１０から供給すれば、噴出する可燃性ガ
ス量増加による空気量不足を引き起こすこともなく、燃
焼ガス特性が良好な状態で安定した燃焼を維持すること
ができる。

【００２１】また、上記動作において、水を供給し始め
るときの水量を初めは少なくして、その後徐々に増加さ
せるようにすれば、水を供給した直後に生成される水素
量を極力少なくすることができる。したがって、水供給
によるバーナ８からの噴出ガス量の急激な増加をできる
だけ抑え、燃焼の不安定性を引き起こす要因を小さくす
ることができ、燃焼の安定性を充分確保することができ
る。

【００２２】

【発明の効果】上記のように、本発明の水素発生装置の
起動方法は、起動時には水素発生装置からの流出ガスを
燃料供給部に供給してバーナでの燃料として使用するこ
とで、起動時の水素発生装置からの流出ガスを有効利用
するものである。また、原料供給開始時の原料供給量を
少なくしたり、原料の供給開始前に燃料供給量と燃焼空
気量を増加させることで、原料供給開始時における燃焼
の安定性を確保するものである。さらに、水供給後、改
質触媒温度によって水素生成量が換わることより、改質
触媒温度に応じて供給空気量を制御することで、バーナ
での安定燃焼を実現するものである。したがって、本発
明によれば、水素発生装置において短時間で効率の高い
起動を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水素発生装置の起動方法を実施す
るための水素発生装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１原料供給部２水供給部３改質部４変成部５浄化部６三方バルブ７燃料電池８バーナ９燃料供給部１０空気供給部１１排気口１２温度検知部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者尾関正高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)発明者富澤猛大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB03 EB12 EB31 EB32 EB43 EB44 EB45 5H026 AA06 5H027 AA02 AA06 BA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料供給部と、水供給部と、加熱用燃料
供給部および空気供給部を有するバーナとを具備する改
質部、前記改質部からの改質ガスを変成するための変成
部、および前記変成部からの変成ガスを浄化するための
浄化部を有し、水素リッチガスを生成する水素発生装置
において、起動時に、前記水素発生装置から送出されるガスを前記
バーナに導く流路を構成し、前記空気供給部からの空気
と前記燃料供給部からの燃料とにより前記バーナに火炎
を形成した後、前記原料供給部からの原料の一部を前記
改質部に供給することを特徴とする水素発生装置の起動
方法。
【請求項２】原料供給部と、水供給部と、加熱用燃料
供給部および空気供給部を有するバーナとを具備する改
質部、前記改質部からの改質ガスを変成するための変成
部、および前記変成部からの変成ガスを浄化するための
浄化部を有し、水素リッチガスを生成する水素発生装置
において、起動時に、前記水素発生装置から送出されるガスを前記
バーナに導く流路を構成し、前記空気供給部からの空気
と前記燃料供給部からの燃料とにより前記バーナに火炎
を形成した後、前記燃料供給部および前記空気供給部か
ら前記バーナへの燃料供給量および空気供給量を増加さ
せ、その後、前記原料供給部から前記改質部に原料を供
給することを特徴とする水素発生装置の起動方法。
【請求項３】前記原料供給部から前記改質部に原料を
供給した後、所定時間経過後に前記空気供給部から前記
バーナへの空気供給量を増加させ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の起動方法。
【請求項４】前記原料供給部から前記改質部に原料を
供給した後、所定時間経過後に前記原料供給部から前記
改質部への原料供給量と前記空気供給部から前記バーナ
への空気供給量を増加させ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の起動方法。
【請求項５】前記空気供給部から前記バーナへの空気
供給量を増加させた後、前記原料供給部から前記改質部
への原料供給量と前記空気供給部から前記バーナへの空
気供給量を増加させることを特徴とする請求項３記載の
水素発生装置の起動方法。
【請求項６】前記改質部に含まれる改質触媒の温度が
所定値になったときに、前記水供給部から前記改質部へ
の水の供給を開始し、前記改質触媒の温度に応じて前記
空気供給部から前記バーナへの空気供給量を変化させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水素
発生装置の起動方法。
【請求項７】前記水供給部から水の供給を開始すると
き、水の供給量を初めは少なく、その後徐々に増加させ
ることを特徴とする請求項６記載の水素発生装置の起動
方法。