JP2002348101A

JP2002348101A - 水素発生装置

Info

Publication number: JP2002348101A
Application number: JP2001162216A
Authority: JP
Inventors: Akira Maenishi; 晃前西; Tomomichi Asou; 智倫麻生; Yutaka Yoshida; 豊吉田; Takeshi Tomizawa; 猛富澤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2002-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】改質部、ＣＯ除去部、改質部加熱用のバーナ
を有し、ＣＯ除去部から送出される生成ガスや燃料電池
からのオフガスをバーナに供給する構成の水素発生装置
において、生成ガスやオフガス中の成分や流量に激しい
変化が生じても、バーナでの安定した火炎形成を実現す
ることを目的とする。【解決手段】バーナの燃焼室内に、周囲から中央方向
に噴出する空気と燃料とが略直交するバーナ構成におい
て、燃料を噴出する燃料噴出孔を、燃料供給部から繋が
る第１の燃料噴出孔と、ＣＯ除去部からの生成ガスや燃
料電池からのオフガスが供給される第２の燃料噴出孔と
に分け、第１の燃料噴出孔の内側に第２の燃料噴出孔を
配置することにより、第２の燃料噴出孔からのガス状態
によらず、常にバーナでの安定した火炎形成を実現す
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、メタノール等の炭化水素
系物質を主原料とし、燃料電池等の水素利用機器に供給
するための水素リッチガスを発生させる水素発生装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】以下に、従来の水素生成器を組み込んだ
燃料電池システムの構成について図３を用いて説明す
る。

【０００３】１は改質反応させる原料を供給する原料供
給部、２は改質反応に必要な水を供給する水供給部であ
り、改質触媒を充填した改質反応部３に繋がり、改質反
応部３の周囲には改質反応部３からの放熱を抑えるため
断熱材４が設置されている。改質反応部３には、燃料供
給部５から供給された燃料を噴出する燃料噴出孔９と、
空気供給部６から供給された空気を燃料と略平行に噴出
する空気噴出孔１０からなる燃焼室７を有するバーナ８
が接続されており、燃焼室７で燃焼した燃焼ガスは改質
反応部３の内面を加熱しながら通過し、排気口１１から
排出される構成になっている。

【０００４】また、改質反応部３の下流にはＣＯ除去部
１２が接続され、さらにＣＯ除去部１２の下流には三方
バルブ１３が設置されている。三方バルブ１３の一方
は、燃料電池１４に繋がり、さらに燃料電池１４から送
出されるオフガスはバーナ５の燃料噴出孔９に繋がって
いる。三方バルブ１２のもう一方は、バーナ５の燃料噴
出孔９に繋がっている。

【０００５】上記構成において起動時には、三方バルブ
１３によりＣＯ除去部１２から送出する生成ガスをバー
ナ８の燃料噴出孔９に供給する構成とし、空気噴出孔１
０から燃焼用空気を燃焼室７に供給した状態で、点火装
置（図示せず）で点火動作を行いながら、燃料供給部５
からの燃料供給により燃料噴出孔９から燃料を噴出させ
て燃焼室内７に火炎を形成する。火炎の安定状態を確認
した後、原料供給部１より原料を供給することで、バー
ナ８では燃料供給部５から供給された燃料と、原料供給
部１から供給された原料が改質反応部３とＣＯ除去部１
２とを通過してきた生成ガスとが混合して燃焼し、改質
反応部３を加熱する。その後、燃料供給部５からの燃料
を減少させて停止することで、原料供給部１からの原料
供給だけで火炎を形成し、改質反応部３、ＣＯ除去部１
２を温度上昇させて最適な温度状態とすることで水素発
生装置を起動する。

【０００６】起動完了後の発電時には、三方バルブ１３
によりＣＯ除去部１２から送出する生成ガスを燃料電池
１４に送り、燃料電池１４からのオフガスを燃料噴出孔
９に供給する構成とする。同時に、燃料電池１４からの
オフガスで足りない熱量は、燃料供給部５から供給し、
燃料電池１４からのオフガスと混合して燃料噴出孔９か
ら噴出させて燃焼室７で燃焼させ、改質反応部３やＣＯ
除去部１２の温度状態を適温に維持し、ＣＯのほとんど
含まない水素を発生させる水素発生装置として実現して
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】起動時、燃料供給部５
より供給された燃料により燃焼室７に火炎が形成されて
いる状態において、原料供給部１より原料を供給する。
ここで、改質反応部３やＣＯ除去部１２内には、前回の
運転停止時に行った窒素パージの窒素や停止時に周囲よ
り巻き込んだ空気が貯まっている。この状態で原料を供
給すると、燃料噴出孔９に改質反応部３とＣＯ除去部１
２内に貯まった窒素や空気が押し出されてくる。そのた
め、燃料噴出孔９から燃焼室７へは窒素や空気により希
釈された燃料が供給されることになる。従って、燃焼室
７内の火炎は、燃料と空気との混合割合や、流速と反応
速度とのバランスが乱れた不安定な状態になりやすいと
いう課題があった。

【０００８】また、改質反応部３とＣＯ除去部１２内の
窒素や空気が全て押し出された直後は、燃料噴出孔９か
らは改質反応部３とＣＯ除去部１２を通ってきた原料と
燃料供給部５からの燃料の混合ガスが瞬間的に噴出し始
める。この場合、空気供給部６からの空気供給量が混合
ガス中の可燃性ガス流量に対応して精度良く制御されな
ければ、燃料と空気との混合割合が乱れ、火炎が不安定
になりやすいという課題があった。

【０００９】さらに、発電時の燃料噴出孔９には、燃料
電池１４からのオフガスと、燃料供給部５からの燃料が
混合供給されているが、燃料電池１４からのオフガスは
燃料電池１４での発電量に応じて可燃性ガス成分である
水素量が変化する。従って、燃料電池１４での発電量が
急激に変化した時には、可燃性ガス流量と空気との割合
が乱れ、燃焼室７内の火炎が不安定になる可能性があっ
た。

【００１０】本発明はそれらの課題を解決するものであ
り、改質反応部を加熱するバーナの火炎を常に安定して
形成させるもので、操作性に優れる水素発生装置を提供
することを目的としたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するため、本発明は改質反応させる原料を供給する原料
供給部と、改質触媒を充填した改質反応部と、可燃性の
燃料を供給する燃料供給部と、燃焼用空気を供給する空
気供給部と、前記改質反応部を加熱するバーナを少なく
とも備えた水素発生装置であって、前記バーナは前記燃
料供給部から供給された燃料を噴出する第１の燃料噴出
孔と、前記水素発生装置から送出される生成ガスおよび
／または水素利用部から送出される未利用の水素を含む
オフガスを噴出する第２の燃料噴出孔と、前記空気供給
部から供給される空気を噴出する空気噴出孔を有するこ
と特徴とする水素発生装置である。

【００１２】また、本発明は空気噴出孔から噴出する空
気と、少なくとも第１の燃料噴出孔から噴出する燃料が
略直交するように、前記空気噴出孔を配置したことを特
徴とするものである。

【００１３】また、本発明は空気噴出孔を周囲から中央
方向に向かって空気を噴出する構成としたことを特徴と
するものである。

【００１４】また、本発明は第２の燃料噴出孔を第１の
燃料噴出孔の内側に配置したことを特徴とするものであ
る。

【００１５】また、本発明は空気噴出孔から噴出する空
気と、少なくとも第１の燃料噴出孔から噴出する燃料が
略対向するように、前記空気噴出孔を配置したことを特
徴とするものである。

【００１６】また、本発明は燃料と空気とが混合して燃
焼する燃焼室内の燃焼ガス流れの上流部近傍に第１の燃
料噴出孔を設置し、前記第１の燃料噴出孔よりも下流側
に第２の燃料噴出孔を設置したことを特徴とするもので
ある。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。

【００１８】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１における水素発生装置の構成図であり、同図におい
て１は原料供給部、２は水供給部であり、内部に改質触
媒を充填した改質反応部３に接続している。原料供給部
１により供給された原料は改質反応部３を通り、改質部
出口１５から流出してＣＯ除去用の触媒を充填したＣＯ
除去部１２に流入する。そしてＣＯ除去部１２から流出
するガスは、水素発生装置からの生成ガスとして三方バ
ルブ１３を通り、一方は燃料電池１４を通ってオフガス
としてバーナ８の第２の燃料噴出孔１７へ、また一方は
燃料電池１４を通らずに第２の燃料噴出孔１７に導くよ
うに流路を構成している。

【００１９】燃料供給部５からの燃料は第１の燃料噴出
孔１６から燃焼室７に噴出し、燃焼用の空気は空気供給
部６から供給されて空気噴出孔１０から中央方向に噴出
し、バーナ８の燃焼室７内で可燃性ガス成分が燃焼す
る。ここで、第１の燃料噴出孔１６と第２の燃料噴出孔
１７から噴出するガスは、空気噴出孔１０から噴出する
空気と略直交するように構成されて、第２の燃料噴出孔
１７は第１の燃料噴出孔１６の内側に位置するように構
成されている。バーナ８での燃焼ガスは改質反応部３の
内面を加熱しながら通過し、排気口１１から排気され
る。

【００２０】ここで、原料供給部１および燃料供給部５
から供給される原料および燃料は、天然ガス（都市ガ
ス）、ＬＰＧ等の気体状炭化水素燃料、あるいはガソリ
ン、灯油、メタノール等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の気化部
が必要となるが、改質反応部３やバーナ８周囲からの伝
導熱や燃焼排気ガス中の顕熱などを利用した気化部を構
成することが可能である。また、原料供給部１、水供給
部２、燃料供給部５および空気供給部６の流量調整は、
ポンプやファン等を利用して、その動作を制御する方法
や、ポンプやファンなどの下流側にバルブ等の流量調整
器を設置する方法などがあるが、本説明ではそれらを含
めてそれぞれの供給部として示している。

【００２１】また、図中の矢印は原料物質や反応物質、
燃料物質等の流れの方向を示している。さらに改質反応
部３には改質触媒の温度を測定する改質温度検知部（図
示せず）を設置し、検出した温度に応じて空気供給部６
により空気供給量を制御できる構成となっている。

【００２２】上記構成において、水素発生装置の動作に
ついて説明する。

【００２３】起動時には、水素発生装置から送出する生
成ガスをバーナ８に供給する構成とするために、三方バ
ルブ１３の出口は、燃料電池１４を通らずにバーナ８の
第２の燃料噴出孔１７に繋がるようにしている。

【００２４】空気供給部６から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５より燃料を供給して第１の燃料噴出孔１６から燃
料を噴出させ、燃焼室７内の第１の燃料噴出孔１６付近
に火炎を形成する。

【００２５】この状態で原料供給部１より原料を供給す
る。この時、改質反応部３やＣＯ除去部１２内には、前
回の運転停止時に行った窒素パージの窒素や停止時に周
囲より巻き込んだ空気が貯まっている。よって、原料の
供給により、第２の燃料噴出孔１７に改質反応部３とＣ
Ｏ除去部１２内に貯まった窒素や空気が押し出されてく
る。そのため、第２の燃料噴出孔１７から燃焼室７へは
窒素や空気が供給される。

【００２６】ここで、燃料供給部５からの燃料を噴出孔
させる第１の燃料噴出孔１６と第２の燃料噴出孔１７は
分離されているので、従来例のように窒素や空気により
燃料が希釈されることはなく、第１の燃料噴出孔１６近
傍に安定した火炎を形成することができる。

【００２７】また、原料を供給した瞬間、第２の燃料噴
出孔１７より窒素や空気が突然噴出しても、第１の燃料
噴出孔１６からの燃料と第２の燃料噴出孔１７からのガ
スは略平行であるため、お互いの燃料が干渉し難くなっ
ている。また、第１の燃料噴出孔１６の方が周囲側、つ
まり空気噴出孔１０に近い側にあるので、第２の燃料噴
出孔１７から噴出するガスにより、火炎形成に関与して
いる空気が遮られたり、乱されたりする事もない。よっ
て、原料供給部１からの原料供給時に、第１の燃料噴出
孔１６からの燃料によって安定した火炎を燃焼室７内に
形成することができる。

【００２８】原料供給部１からの原料により、改質反応
部３とＣＯ除去部１２内の窒素や空気が全て押し出され
た後は、第２の燃料噴出孔１７からは改質反応部３やＣ
Ｏ除去部１２を通ってきた原料ガスが噴出する。この
時、改質反応部３はある程度温度が上がっているため、
供給された原料は多少改質反応を行い、水素を含むガス
として第２の燃料噴出孔１７から噴出する。

【００２９】第２の燃料噴出孔１７は第１の燃料噴出孔
１６の内側、つまり空気噴出孔１０より離れた位置にあ
るが、第２の燃料噴出孔１７からのガス中には、燃焼速
度の速い水素が含まれているので、第１の燃料噴出孔１
６近傍の火炎により空気噴出孔１０からの空気が乱さ
れ、第２の燃料噴出孔１７からのガスと空気との混合性
が多少悪くても、容易に火炎を形成することができる。

【００３０】また、第２の燃料噴出孔１７からのガス中
の成分が、窒素や空気から原料が改質反応部３とＣＯ除
去部１２を通ってきた可燃性ガスを多量に含むガスに瞬
間的に換わって空気供給部６からの空気量が精度良く制
御されなくても、第１の燃料噴出孔１６近傍では安定し
た火炎が形成されている。

【００３１】さらに、第２の燃料噴出孔１７からの可燃
性ガスの成分や流量の変化により火炎が多少不安定とな
っても、同様に、第１の燃料噴出孔１６による安定した
火炎により、バーナ８では確実に火炎を形成させ続ける
ことができる。その上、万が一、何らかの要因で第２の
燃料噴出孔１７での火炎が瞬間的に失火しても、周囲の
第１の燃料噴出孔１６からの安定した火炎が着火源とな
り、容易に再度火炎を形成することができる。

【００３２】発電時には、第２の燃料噴出孔１７から噴
出する燃料電池１４からのオフガスと、第１の燃料噴出
孔１６から噴出する燃料供給部５からの燃料により燃焼
室７内に火炎を形成している。ここで、第２の燃料噴出
孔１７からのオフガスは、燃料電池１４での発電量に応
じて可燃性ガス成分である水素量が変化する。この水素
量の変化が急激に起こった場合も、上記と同様に、第１
の燃料噴出孔１６での火炎は常に安定しているので、第
２の燃料噴出孔１７での火炎が一時的に不安定になった
としても、第１の燃料噴出孔１６の火炎により、バーナ
８では安定した火炎を形成し続けることができる。

【００３３】（実施の形態２）図２は本発明の実施の形
態２における水素発生装置の構成図であり、図１に示し
た実施の形態１の水素発生装置と同様の構成部品には同
一番号を付して示している。

【００３４】実施の形態２は実施の形態１と比べて、バ
ーナ８の燃料噴出孔の構成のみが異なっている。つま
り、燃料供給部５から繋がる第１の燃料噴出孔１８から
の燃料と、水素発生装置からの生成ガスや燃料電池１４
からのオフガスが供給される第２の燃料噴出孔１９から
の燃料が、空気噴出孔１０から中央方向に噴出する空気
と略対向する位置関係にあり、その上、第１の燃料噴出
孔１８は燃焼室７内の上流部近傍に位置し、第２の燃料
噴出孔１９は第１の燃料噴出孔１８よりも燃焼室７内の
下流側に位置している。

【００３５】上記構成において、第１の燃料噴出孔１８
や第２の燃料噴出孔１９からのガスと、空気噴出孔１０
からの空気は略対向するように構成されていることによ
り、燃料と空気との対向衝突によりかき乱され、燃料と
空気との混合性が向上し、また、対向衝突領域で混合ガ
ス速度が遅くなるので火炎が形成されやすくなる。その
ため、高い安定性を有する火炎を得ることができる。

【００３６】また、実施の形態１と同様、起動時には、
第１の燃料噴出孔１８からの燃料により第１の燃料噴出
孔１８近傍に火炎が形成されている状態において、原料
供給部１から原料が供給され、水素発生装置内の窒素や
空気が第２の燃料噴出孔から燃焼室７内に噴出する。こ
こで、第２の燃料噴出孔１９は第１の燃料噴出孔１８の
下流側に位置するため、第２の燃料噴出孔１９からのガ
スは燃焼室７内を下流方向に向かって流れて行く。従っ
て、第２の燃料噴出孔１９からの窒素や空気は、上流側
にはほとんど影響を及ぼさないので、第１の燃料噴出孔
１８近傍に形成されている火炎は安定した状態を維持す
ることができる。

【００３７】さらに、原料供給部１からの原料により、
水素発生装置内の窒素や空気が全て押し出され、第２の
燃料噴出孔１９から改質反応部３やＣＯ除去部１２を通
ってきた原料が噴出する場合には、第２の燃料噴出孔１
９からのガスは空気と混合し、第２の燃料噴出孔１９近
傍やその下流側で燃焼して火炎を形成する。ここで、第
１の燃料噴出孔１８が第２の燃料噴出孔１９の上流側に
位置するため、第１の燃料噴出孔１８での火炎の燃焼ガ
スが第２の燃料噴出孔１９からのガスと空気との混合や
燃焼を阻害するように考えられるが、第２の燃料噴出孔
１９からのガス中には、燃焼速度の速い水素が含まれて
いることと、第１の燃料噴出孔１８近傍の火炎により第
２の燃料噴出孔１９からのガスや空気の温度は高くなっ
ているため、ガスと空気との混合性が多少悪くなってい
ても、第２の燃料噴出孔１９近傍やその下流側に火炎を
形成することができる。また、第２の燃料噴出孔１９か
らのガス中の成分が、窒素や空気から可燃性ガスを多量
に含むガスに瞬間的に換わって空気供給部６からの空気
量が精度良く制御されなくても、上記同様に、第１の燃
料噴出孔１８近傍の火炎により、バーナ８では安定した
火炎を形成し続けることができる。

【００３８】また、発電時に、燃料電池１４での発電量
が急激に変化し、オフガス中の可燃性ガス成分である水
素量が激しく変化しても、上記のように、第１の燃料噴
出孔１８近傍の安定した火炎と、第２の燃料噴出孔１９
からのガス中の水素の存在により、第２の燃料噴出孔１
９からのガスでも火炎を形成でき、燃焼室７内に安定し
て火炎を形成し続けることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明は、水素発生装置の
改質部加熱用バーナにおいて、燃料供給部からの燃料を
噴出する第１の燃料噴出孔と、水素発生装置からの生成
ガスや燃料電池からのオフガスを噴出する第２の燃料噴
出孔とを分けた構成とすることにより、第２の燃料噴出
孔から噴出するガスの成分や流量の変化が激しくても、
第１の燃料噴出孔での安定した火炎により、バーナでの
確実な火炎形成を実現させるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における水素発生装置の
構成図

【図２】本発明の実施の形態２における水素発生装置の
構成図

【図３】従来の水素発生装置の構成図

【符号の説明】

１原料供給部２水供給部３改質反応部４断熱材５燃料供給部６空気供給部７燃焼室８バーナ９燃料噴出孔１０空気噴出孔１１排気口１２ＣＯ除去部１３三方バルブ１４燃料電池１５改質部出口１６第１の燃料噴出孔１７第２の燃料噴出孔１８第１の燃料噴出孔１９第２の燃料噴出孔

フロントページの続き (72)発明者吉田豊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 EA03 EA06 EB04 EB14 5H027 AA02 BA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質反応させる原料を供給する原料供給
部と、改質触媒を充填した改質反応部と、可燃性の燃料
を供給する燃料供給部と、燃焼用空気を供給する空気供
給部と、前記改質反応部を加熱するバーナを少なくとも
備えた水素発生装置であって、前記バーナは前記燃料供
給部から供給された燃料を噴出する第１の燃料噴出孔
と、前記水素発生装置から送出される生成ガスおよび／
または水素利用部から送出される未利用の水素を含むオ
フガスを噴出する第２の燃料噴出孔と、前記空気供給部
から供給される空気を噴出する空気噴出孔を有すること
特徴とする水素発生装置。
【請求項２】前記空気噴出孔から噴出する空気と、少
なくとも前記第１の燃料噴出孔から噴出する燃料が略直
交するように、前記空気噴出孔を配置したことを特徴と
する請求項１記載の水素発生装置。
【請求項３】前記空気噴出孔を周囲から中央方向に向
かって空気を噴出する構成とした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。
【請求項４】前記第２の燃料噴出孔を前記第１の燃料
噴出孔の内側に配置したことを特徴とする請求項１から
３いずれかに記載の水素発生装置。
【請求項５】前記空気噴出孔から噴出する空気と、少
なくとも前記第１の燃料噴出孔から噴出する燃料が略対
向するように、前記空気噴出孔を配置したことを特徴と
する請求項１記載の水素発生装置。
【請求項６】燃料と空気とが混合して燃焼する燃焼室
内の燃焼ガス流れの上流部近傍に前記第１の燃料噴出孔
を設置し、前記第１の燃料噴出孔よりも下流側に前記第
２の燃料噴出孔を設置したことを特徴とする請求項３ま
たは５記載の水素発生装置。