JP2004075407A - 水素発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】筒型容器に加熱器11Bを付設し、この加熱器11Bに水素と酸素との反応を促す白金を担持した燃焼触媒を収納し、筒型容器より小さな十字形容器に第2改質触媒を収納するとともに、第2改質触媒を活性開始温度まで昇温するバーナー26を備えた熱容量の小さな小型改質器12と、外部空気供給手段とにより水素及び空気を起動時に燃焼触媒へ供給する。
【効果】起動時に、部分酸化反応による発熱で熱容量の小さな小型改質器内の第2改質触媒の温度をすばやく昇温でき、迅速に水素を生成して加熱器内の燃焼触媒へ供給できる。更に、加熱器内での触媒燃焼による高い発熱量で筒型容器内の第1改質触媒を加熱でき、第1改質触媒における常温から改質温度までの昇温時間をより一層短縮できて、水素発生装置の起動時間を短縮でき、また、筒型容器のための特別な加熱装置を必要としない。
【選択図】図1
【効果】起動時に、部分酸化反応による発熱で熱容量の小さな小型改質器内の第2改質触媒の温度をすばやく昇温でき、迅速に水素を生成して加熱器内の燃焼触媒へ供給できる。更に、加熱器内での触媒燃焼による高い発熱量で筒型容器内の第1改質触媒を加熱でき、第1改質触媒における常温から改質温度までの昇温時間をより一層短縮できて、水素発生装置の起動時間を短縮でき、また、筒型容器のための特別な加熱装置を必要としない。
【選択図】図1
Description
【特許請求の範囲】
【請求項1】筒型容器に第1改質触媒を収納し、この第1改質触媒を700℃程度の改質温度に高め、そこへ炭化水素又は脂肪族アルコールからなる原料ガスを接触させることで水素に改質する水素発生装置において、
前記筒型容器に加熱器を付設し、この加熱器に水素と酸素との反応を促す白金を担持した燃焼触媒を収納し、筒型容器より小さな小型容器に第2改質触媒を収納するとともに、この第2改質触媒を活性開始温度まで昇温する小型加熱器を備えた熱容量の小さな小型水素発生器と、外部空気供給手段とにより水素及び空気を起動時に前記燃焼触媒へ供給することで、加熱器で前記第1改質触媒を改質温度まで昇温させることができるようにしたことを特徴とする水素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、起動時間を短縮するとともに、小型化が図れる水素発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
新しい発電手法とし、燃料電池の実用化が急ピッチで行われている。燃料電池は水素と酸素とを反応させることで電気エネルギーを発生させる機器であるため、水素と酸素との供給が必須となる。酸素は大気(空気)から得ることができるが、水素は大規模には水素発生プラント設備、小規模には改質器と称する小型水素発生装置が必要となる。
【0003】
例えば、炭化水素(イソブタン)を原料として水素を生成するには、炭化水素を水、空気と共に改質触媒に接触させて水素を得る。このときの反応を反応式に表すと、以下のようになる。
【0004】
【化1】
【0005】
上記の式(1)及び式(2)は、イソブタンと水蒸気とを改質触媒に接触させて反応させる水蒸気改質反応を示し、式(3)及び式(4)は、イソブタンと酸素とを改質触媒に接触させて反応させる部分酸化反応を示し、式(5)及び式(6)は、イソブタンと水蒸気と酸素とを改質触媒に接触させて反応させて、上記の水蒸気改質反応と部分酸化反応とを組み合わせた併用改質反応を示すものであり、各反応も水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を生成する。
【0006】
上記の改質反応では改質触媒の酸化活性温度である700℃程度まで昇温する必要があり、改質を始めるときに改質触媒をバーナーや電気ヒーターで加熱しなければならない。
【0007】
このような水素発生装置としては、例えば、1)特開平11−130405号公報「改質反応装置、触媒装置、それらに用いる発熱・触媒体、及び改質反応装置の運転方法」、2)特開2002−29705公報「改質装置」、3)特開2002−50386公報「燃料電池用水素製造装置」、4)特開2002−160902公報「水素発生装置」に記載されたものが知られている。
【0008】
上記公報1)の図1を以下の図9で説明する。なお、符号は振り直した。
図9は従来の水素発生装置(従来例1)の説明図であり、触媒体110と、この触媒体110を加熱するヒーターユニット111とを缶体112内に収納した水素発生装置としての改質反応装置が記載されている。
【0009】
上記公報2)の図1を以下の図10で説明する。なお、符号は振り直した。
図10は従来の水素発生装置(従来例2)の説明図であり、筒体121〜125を内側から順に同心状に配置し、筒体121,123,125の各下端に閉塞板126を取付け、筒体122,124の各上端に閉塞板127を取付けることで、ガスが流れる連絡流路128,131,132,133を形成し、筒体121と筒体122との間に触媒層134を設け、筒体122と筒体123との間に触媒層135を設け、筒体121の下端部に連絡通路128,131,132,133内のガスの温度を高める改質バーナ136を設けた水素発生装置としての改質装置が記載されている。
【0010】
上記公報3)の図1を以下の図11で説明する。なお、符号は振り直した。
図11は従来の水素発生装置(従来例3)の説明図であり、燃焼炉141の外周側に内側の筒体と外側の筒体とを設け、燃焼炉141と内側の筒体との間に燃焼触媒142及び改質触媒143を収納し、燃焼炉141の底部側に上記の燃焼触媒142及び改質触媒143を加熱するバーナ144を配置した水素発生装置としての燃料電池用水素製造装置が記載されている。
【0011】
上記公報4)の図1を以下の図12で説明する。なお、符号は振り直した。
図12は従来の水素発生装置(従来例4)の説明図であり、内部に改質触媒を充填した改質部151の近傍に、改質部151を加熱するバーナ152を配置した水素発生装置が記載されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記した各水素発生装置全体の熱容量が大きくなれば、従来例1のヒーターユニット111、従来例2の改質バーナ136、従来例3のバーナ144、従来例4のバーナ152による改質触媒の昇温に多くの時間が掛かって、加熱開始から水素を生成し始めるまでの時間、即ち水素発生装置の起動時間が長くなり、生産性が低下する。
【0013】
また、例えば、水素発生装置の改質触媒の昇温に、触媒燃焼による発熱を利用できれば、発熱量が高められるとともに、特別な加熱装置が不要になり、水素発生装置の小型化も図れる。
【0014】
そこで、本発明の目的は、水素発生装置の起動時間を短縮するとともに、水素発生装置の小型化を図ることにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1は、筒型容器に第1改質触媒を収納し、この第1改質触媒を700℃程度の改質温度に高め、そこへ炭化水素又は脂肪族アルコールからなる原料ガスを接触させることで水素に改質する水素発生装置において、筒型容器に加熱器を付設し、この加熱器に水素と酸素との反応を促す白金を担持した燃焼触媒を収納し、筒型 容器より小さな小型容器に第2改質触媒を収納するとともに、この第2改質触媒を活性開始温度まで昇温する小型加熱器を備えた熱容量の小さな小型水素発生器と、外部空気供給手段とにより水素及び空気を起動時に燃焼触媒へ供給することで、加熱器で第1改質触媒を改質温度まで昇温させることができるようにしたことを特徴とする。
【0016】
起動時に、熱容量の小さな小型水素発生器に原料ガスと空気とを供給すれば、部分酸化反応による発熱で熱容量の小さな小型水素発生器内の第2改質触媒の温度をすばやく昇温させることができるから、迅速に水素を生成して加熱器内の燃焼触媒へ供給することができる。
更に、加熱器内での触媒燃焼による高い発熱量で筒型容器内の第1改質触媒を加熱することができ、第1改質触媒における常温から700℃程度の改質温度までの昇温時間をより一層短縮することができて、水素発生装置の起動時間を短縮することができる。
また、第1改質触媒の昇温に特別な加熱装置を必要とせず、水素発生装置の小型化を図ることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1は本発明に係る水素発生装置の系統図であり、水素発生装置10は、改質器本体11と、この改質器本体11に水素を供給して触媒燃焼させるための小型水素発生器としての小型改質器12とからなり、小型改質器12を改質器本体11よりも小型にした装置である。
【0018】
改質器本体11は、改質部11Aと、この改質部11Aの上部に付設することで改質部11Aを加熱する加熱器としての加熱部11Bとからなる。
改質部11Aは、内部に後述する改質触媒を備え、この改質部11Aに外部から原料ガスとしての炭化水素、空気及び水をそれぞれバルブ14,15,16を介在させた配管17,18,19にて供給する。なお、22は改質後の水素及び他のガスの出口となるガス出口である。
【0019】
加熱部11Bは、内部に水素と酸素との反応を促す燃焼触媒を備え、前述の小型改質器12に接続する。なお、23は改質部11A内の改質触媒の温度及び加熱部11B内の燃焼触媒の温度を測定する温度測定装置である。
【0020】
小型改質器12は、内部に改質触媒を備えるとともに小型加熱器としてのバーナー26を備えた装置であり、この小型改質器12に外部から炭化水素、空気及び水をそれぞれバルブ27,28,29を介在させた配管32,33,34にて供給する。
【0021】
ここで、36は小型改質器12内の改質触媒の温度を測定する温度測定装置、37は改質後の水素及び他のガスを取り出すとともにバルブ38を介して加熱部11Bに供給する連結配管、41は配管32のバルブ27より上流側から分岐させて先端を連結配管37のバルブ38より下流側に連結することにより炭化水素を加熱部11Bに直接供給する第1バイパス配管、42は第1バイパス配管41に介在させたバルブ、43は配管33のバルブ28より上流側から分岐させて先端を連結配管37のバルブ38より下流側に連結することにより空気を加熱部11Bに直接供給する第2バイパス配管、44は第2バイパス配管43に介在させたバルブである。
上記した第2バイパス配管43及びバルブ44は、外部空気供給手段を構成する。
【0022】
図2は本発明に係る改質器本体の断面図であり、改質器本体11の改質部11Aは、筒型容器51と、この筒型容器51の上部に間隔を開けて取付けた上多孔板52及び下多孔板53と、筒型容器51の上部鏡板54、上多孔板52間に形成するガス分散室56内に設けたラッシリング(粒体、金網等)57と、上多孔板52、下多孔板53間に形成する改質スペース58内に充填した第1改質触媒としての改質触媒61と、下多孔板53の下方の筒型容器51内に空間62を介して上から下へ順に設けたCO変成触媒63(上段変成触媒63a及び下段変成触媒63bからなる)及びCO除去触媒64とからなる。
【0023】
筒型容器51は、例えば内径120mm、外径124mm、板厚2mmのSUS316ステンレス板で構成し、同材の上部鏡板54及び下部鏡板65で塞いだ耐食・耐熱性密封容器である。
ラッシリング57は、ガス分散室56内のガスの流れの偏りを防止する部材である。
【0024】
改質触媒61は、例えば、各粒子が外径φ3の球状のアルミナにルテニウム(Ru)を担持したものである。
CO変成触媒63については、上段変成触媒63aは鉄−クロム(Fe−Cr)系触媒、下段変成触媒63bは銅−亜鉛(Cu−Zn)系触媒が適当である。
CO除去触媒64としては、ルテニウム系触媒が望ましい。
【0025】
配管17,18,19は上部鏡板54に取付けたものであり、ガス出口22は筒型容器51の下部鏡板65に取付けたものである。
温度測定装置23は、改質触媒61内に挿入したセンサ66と、後述する燃焼触媒71内に挿入したセンサ67と、これらのセンサ66,67からの信号に基づいて温度を算出し表示する温度表示部68とからなる。センサ66の先端66a、センサ67の先端67aが測温部分であり、先端66aは改質スペース58の中央に位置する。
【0026】
加熱部11Bは、筒型容器51の上部に取付けた環状容器70と、この環状容器70内に充填した燃焼触媒71とからなり、環状容器70に連結配管37を接続する。
【0027】
燃焼触媒71は、例えば、各粒子が外径φ3の球状のアルミナに白金(Pt)を担持したものであり、その量は200cm3である。
このように、燃焼触媒71として白金を用いることで、水素と酸素との反応を促し、水素を常温から触媒燃焼させることができる。なお、70aは加熱部11B内のガスの出口となる加熱部ガス出口である。
【0028】
温度測定装置23のセンサ67の先端67aは、環状容器70の断面の中央に位置する。
【0029】
図3は図2の3−3線断面図であり、改質部11Aの筒型容器51の外側に加熱部11Bの環状容器70を配置し、この環状容器70内に燃焼触媒71を充填することで、改質部11Aの改質触媒61を加熱部11Bの燃焼触媒71で加熱可能な構造にしたことを示す。
小型改質器12(図1参照)、第1バイパス配管41(図1参照),第2バイパス配管43(図1参照)から供給されたガスは連結配管37から環状容器70内に流入して矢印のように燃焼触媒71に接しながら流れ、加熱部ガス出口70aから流出する。
【0030】
図4は図1の4−4線断面図であり、小型改質器12は、矩形の四つの角をそれぞれ円弧状に切欠いてほぼ十字状の箱とした十字形容器72と、この十字形容器72内に配置したラッシリング74、第2改質触媒としての改質触媒76、ラッシリング77とからなり、ラッシリング74は、十字形容器72の前辺73側に配置し、改質触媒76は、ラッシリング74に対してガスの流れの下流側に配置するとともにガスの流れに直交するように長く配置し、ラッシリング77は、改質触媒76に対してガスの流れの下流側に配置したものである。なお、78は前述の連結配管37を取付けるために十字形容器72に設けた後辺である。
【0031】
ラッシリング74,77は、十字形容器72内のガスの流れの偏りを防止する部材である。
改質触媒76は、例えば、各粒子が外径φ3の球状のアルミナにルテニウムを担持したものであり、その量は50cm3である。
【0032】
温度測定装置36は、改質触媒76内に挿入したセンサ81と、このセンサ81からの信号に基づいて温度を算出し表示する温度表示部82とからなる。センサ81の先端81aが測温部分であり、改質触媒76の中央に位置する。
【0033】
以上に述べた水素発生装置10の作用を次に説明する。
図5は本発明に係る水素発生装置の改質要領を示すフローであり、この図5と図1との両方で説明する。なお、図5におけるST××はステップ番号を示す。
ST01……小型改質器12、詳しくは改質触媒76(図4参照)を2kWのバーナー26で200℃まで加熱し昇温させる。この温度200℃は改質触媒76の酸化活性温度であり、この温度以上で反応が促進する。
【0034】
ST02……配管32のバルブ27及び配管33のバルブ28を開け、小型改質器12に以下の原料ガスを供給し、改質触媒76を600℃まで昇温させる。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 500cm3/min(気体)
空気の量 :15600cm3/min(気体)
【0035】
ST03……改質触媒76の温度が600℃に達したら、配管34のバルブ29をも開いて小型改質器12に以下の原料ガスを供給する。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 500cm3/min(気体)
空気の量 :4800cm3/min(気体)
水の量 : 3cm3/min(液体)
【0036】
この結果、以下の生成ガスを得た。
生成ガスの組成:
水素の量 :2800cm3/min
メタンの量 : 200cm3/min
二酸化炭素の量:1200cm3/min
一酸化炭素の量: 500cm3/min
窒素の量 :3800cm3/min
【0037】
ST04……小型改質器12で生成したガス(水素、メタン、二酸化炭素、一酸化炭素及び窒素)及び空気6800cm3/minを連結配管37のバルブ38と第2バイパス配管43のバルブ44とを開いて加熱部11Bに供給し、加熱部11B内で触媒燃焼させ、燃焼触媒71(図2参照)を200℃まで昇温させる。この温度200℃は燃焼触媒71の酸化活性温度であり、この温度以上で反応が促進する。
【0038】
ST05……第1バイパス配管41のバルブ42及び第2バイパス配管43のバルブ44を開け、加熱部11Bに以下の原料ガスを供給し、燃焼触媒71を800℃まで昇温させる。このとき改質部11A内の改質触媒61は改質に必要な改質温度である700℃まで昇温する。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 2000cm3/min(気体)
空気の量 :60000cm3/min(気体)
【0039】
ST06……燃焼触媒71の温度が800℃(改質触媒61の温度が700℃)に達したら、配管17のバルブ14及び配管19のバルブ16を開いて改質部11Aに以下の原料ガスを供給して改質触媒61で水蒸気改質反応(前述の式(1)及び式(2)参照)を行わせる。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 1500cm3/min(気体)
水の量 : 15cm3/min(液体)
このとき、小型改質器12への炭化水素、空気及び水の供給を停止するためにバルブ27,28,29を閉め、小型改質器12から改質部11Aへの生成ガスの供給を停止するためにバルブ38を閉め、バーナー26への燃料の供給を停止する。
【0040】
この結果、以下のような改質ガスを得た。
改質ガスの組成:
水素の量 :15200cm3/min
メタンの量 : 200cm3/min
二酸化炭素の量: 2600cm3/min
一酸化炭素の量: 3500cm3/min
【0041】
この後、引き続き、CO変成触媒63(図2参照)で以下の式(7)の反応を起こさせることで一酸化炭素の約90%を水素と二酸化炭素とに変化させ、更に、CO除去触媒64(図2参照)で以下の式(8)の反応を起こさせることで一酸化炭素濃度を10ppm程度まで低減する。
【0042】
【化2】
【0043】
【化3】
【0044】
上記したバーナー26で小型改質器12の加熱を開始して、改質触媒76が常温から200℃まで昇温する時間は5秒、改質触媒76が200℃から600℃まで昇温する時間は5秒、加熱部11Bの燃焼触媒71が常温から200℃まで昇温する時間は15秒、燃焼触媒71が200℃から800℃まで昇温する時間は30秒であり、以上の時間を合計すると、55秒となる。これが、本実施の形態の水素発生装置10における、小型改質器12の始動開始から改質器本体11での水素生成可能な改質温度700℃に達するまでの、いわゆる起動時間である。
【0045】
図6(a),(b)は加熱部を備えた水素発生装置の比較例を示す断面図であり、(a)は比較例1、(b)は比較例2を示す。なお、図1及び図2に示した実施の形態と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。また、図2の温度測定装置23は省略した。
(a)の比較例1において、水素発生装置200は、改質部11Aと、加熱部11Bと、この加熱部1Bを加熱する電気ヒーター201とからなり、図1に示した水素発生装置10の小型改質器12は備えない。なお、202は加熱部11Bに後述する原料ガスを供給する配管、203は配管202に介在させたバルブである。
【0046】
(b)の比較例2において、水素発生装置210は、改質部11Aと、加熱部11Bと、この加熱部11Bを加熱するバーナー211,211とからなる。
【0047】
以上に述べた比較例1及び比較例2の作用を次に説明する。
図7は比較例1の水素発生装置の作用を示すフローであり、この図7と図6(a)との両方で説明する。なお、以下のSTXXはステップ番号を示す。
ST11……加熱部11B、詳しくは燃焼触媒71(図6(a)参照)を500Wの電気ヒーター201で200℃まで加熱し昇温させる。
【0048】
ST12……配管202のバルブ203を開け、加熱部11Bに以下の原料ガスを供給し、燃焼触媒71を800℃まで昇温させる。このとき改質部11A内の改質触媒61は改質に必要な改質温度である700℃まで昇温する。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 2000cm3/min(気体)
空気の量 :60000cm3/min(気体)
【0049】
ST13……燃焼触媒71の温度が800℃(改質触媒61の温度が700℃)に達したら、バルブ14,16を開けて、改質部11Aにイソブタン及び水を供給して水蒸気改質反応を行わせ、水素、メタン、二酸化炭素及び一酸化炭素を生成した。
【0050】
上記した電気ヒーター201で加熱部11Bの加熱を開始して、燃焼触媒71が常温から200℃まで昇温する時間は200秒、燃焼触媒71が200℃から800℃まで昇温する時間は30秒であり、以上の時間を合計すると、230秒となる。これが、比較例1の水素発生装置200の起動時間である。
【0051】
図8は比較例2の水素発生装置の作用を示すフローであり、この図8と図6(b)との両方で説明する。なお、以下のSTXXはステップ番号を示す。
ST21……加熱部11B、詳しくは燃焼触媒71(図6(b)参照)を合計2kWのバーナー211、211で200℃まで加熱し昇温させる。
【0052】
ST22……配管202のバルブ203を開け、加熱部11Bに以下の原料ガスを供給し、燃焼触媒71を800℃まで昇温させる。このとき改質部11A内の改質触媒61は改質に必要な改質温度である700℃まで昇温する。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 2000cm3/min(気体)
空気の量 :60000cm3/min(気体)
【0053】
ST23……燃焼触媒71の温度が800℃(改質触媒61の温度が700℃)に達したら、バルブ14,16を開けて、改質部11Aにイソブタン及び水を供給して水蒸気改質反応を行わせ、水素、メタン、二酸化炭素及び一酸化炭素を生成した。
【0054】
上記したバーナー211,211で加熱部11Bの加熱を開始して、燃焼触媒71が常温から200℃まで昇温する時間は120秒、燃焼触媒71が200℃から800℃まで昇温する時間は50秒であり、以上の時間を合計すると、170秒となる。これが、比較例2の水素発生装置210の起動時間である。
【0055】
以上の図1及び図2で説明したように、本発明は第1に、筒型容器51に改質触媒61を収納し、この改質触媒61を700℃程度の改質温度に高め、そこへ炭化水素又は脂肪族アルコールからなる原料ガスを接触させることで水素に改質する水素発生装置10において、筒型容器51に加熱器11Bを付設し、この加熱器11Bに水素と酸素との反応を促す燃焼触媒71を収納し、起動時に、燃焼触媒71へ小型改質器12及び第2バイパス配管43、バルブ44により水素及び空気を供給することで、加熱器11Bで改質触媒61を改質温度まで昇温させることができるようにしたことを特徴とする。
【0056】
加熱器11Bに燃焼触媒71を収納し、起動時に、燃焼触媒71へ水素及び空気を供給することで、加熱器11Bで改質触媒61を改質温度まで昇温させることができるようにしたことで、触媒燃焼71による高い発熱量で改質温度までの昇温時間を短縮することができ、水素発生装置10の起動時間を短縮することができる。また、改質触媒61の昇温にバーナーや電気ヒーター等の特別な加熱装置を必要とせず、水素発生装置10の小型化を図ることができる。
【0057】
本発明は第2に、燃焼触媒71を、白金にしたことを特徴とする。
燃焼触媒71として白金を用いることで、水素を常温から触媒燃焼させることができる。従って、他の触媒を用いた場合のような、触媒を常温から触媒燃焼する温度まで加熱するための加熱装置が不要になる。
【0058】
本発明は第3に、図4に示したように、外部水素供給手段は、筒型容器51(図2参照)より小さな十字形容器72に改質触媒76を収納するとともに、改質触媒76を活性開始温度まで昇温するバーナー26を備えた小型改質器12であることを特徴とする
【0059】
外部水素供給手段としてバーナー26を備えた小型改質器12を用いることで、改質に用いる原料ガスと空気とを小型改質器12に供給すれば、部分酸化反応による発熱で熱容量の小さな小型改質器12内の改質触媒76の温度をすばやく昇温させることができるから、迅速に水素を生成して加熱部11B内の燃焼触媒71へ供給することができる。従って、加熱器11B内での触媒燃焼71により筒型容器51内の改質触媒61を加熱して、改質触媒61における常温から700℃程度の改質温度までの昇温時間をより一層短縮することができる。
【0060】
尚、本発明の加熱部に充填する燃焼触媒としては、白金を含むものが望ましい。
また、改質原料としては、LPG、カセットコンロ用燃料、都市ガス、ナフサ、ガソリン、軽油、灯油などの軽質炭化水素でもよい。更に、脂肪族アルコールについても特に限定せず、メタノール、エタノールを含む。
更に、炭化水素を改質させる改質触媒としては、8族〜10族の金属(Fe、Co、Ni、Ru、Pd、Ptなど)を含有するものが望ましく、Ni、Ru、Rhを担持した触媒又はNiO含有触媒が特に望ましい。
【0061】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項1の水素発生装置は、筒型容器に加熱器を付設し、この加熱器に水素と酸素との反応を促す白金を担持した燃焼触媒を収納し、筒型容器より小さな小型容器に第2改質触媒を収納するとともに、この第2改質触媒を活性開始温度まで昇温する小型加熱器を備えた熱容量の小さな小型水素発生器と、外部空気供給手段とにより水素及び空気を起動時に燃焼触媒へ供給することで、加熱器で第1改質触媒を改質温度まで昇温させることができるようにしたので、起動時に、熱容量の小さな小型水素発生器に原料ガスと空気とを供給 すれば、部分酸化反応による発熱で熱容量の小さな小型水素発生器内の第2改質触媒の温度をすばやく昇温させることができるから、迅速に水素を生成して加熱器内の燃焼触媒へ供給することができる。
更に、加熱器内での触媒燃焼による高い発熱量で筒型容器内の第1改質触媒を加熱することができ、第1改質触媒における常温から700℃程度の改質温度までの昇温時間をより一層短縮することができて、水素発生装置の起動時間を短縮することができる。
また、第1改質触媒の昇温に特別な加熱装置を必要とせず、水素発生装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る水素発生装置の系統図
【図2】本発明に係る改質器本体の断面図
【図3】図2の3−3線断面図
【図4】図1の4−4線断面図
【図5】本発明に係る水素発生装置の改質要領を示すフロー
【図6】加熱部を備えた水素発生装置の比較例を示す断面図
【図7】比較例1の水素発生装置の作用を示すフロー
【図8】比較例2の水素発生装置の作用を示すフロー
【図9】従来の水素発生装置(従来例1)の説明図
【図10】従来の水素発生装置(従来例2)の説明図
【図11】従来の水素発生装置(従来例3)の説明図
【図12】従来の水素発生装置(従来例4)の説明図
【符号の説明】
10…水素発生装置、11B…加熱器(加熱部)、12…小型水素発生器(小型改質器)、26…小型加熱器(バーナー)、43,44…外部空気供給手段(第2バイパス配管、バルブ)、51…筒型容器、61…第1改質触媒(改質触媒)、71…燃焼触媒、72…小型容器(十字形容器)、76…第2改質触媒(改質触媒)。
【請求項1】筒型容器に第1改質触媒を収納し、この第1改質触媒を700℃程度の改質温度に高め、そこへ炭化水素又は脂肪族アルコールからなる原料ガスを接触させることで水素に改質する水素発生装置において、
前記筒型容器に加熱器を付設し、この加熱器に水素と酸素との反応を促す白金を担持した燃焼触媒を収納し、筒型容器より小さな小型容器に第2改質触媒を収納するとともに、この第2改質触媒を活性開始温度まで昇温する小型加熱器を備えた熱容量の小さな小型水素発生器と、外部空気供給手段とにより水素及び空気を起動時に前記燃焼触媒へ供給することで、加熱器で前記第1改質触媒を改質温度まで昇温させることができるようにしたことを特徴とする水素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、起動時間を短縮するとともに、小型化が図れる水素発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
新しい発電手法とし、燃料電池の実用化が急ピッチで行われている。燃料電池は水素と酸素とを反応させることで電気エネルギーを発生させる機器であるため、水素と酸素との供給が必須となる。酸素は大気(空気)から得ることができるが、水素は大規模には水素発生プラント設備、小規模には改質器と称する小型水素発生装置が必要となる。
【0003】
例えば、炭化水素(イソブタン)を原料として水素を生成するには、炭化水素を水、空気と共に改質触媒に接触させて水素を得る。このときの反応を反応式に表すと、以下のようになる。
【0004】
【化1】
【0005】
上記の式(1)及び式(2)は、イソブタンと水蒸気とを改質触媒に接触させて反応させる水蒸気改質反応を示し、式(3)及び式(4)は、イソブタンと酸素とを改質触媒に接触させて反応させる部分酸化反応を示し、式(5)及び式(6)は、イソブタンと水蒸気と酸素とを改質触媒に接触させて反応させて、上記の水蒸気改質反応と部分酸化反応とを組み合わせた併用改質反応を示すものであり、各反応も水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を生成する。
【0006】
上記の改質反応では改質触媒の酸化活性温度である700℃程度まで昇温する必要があり、改質を始めるときに改質触媒をバーナーや電気ヒーターで加熱しなければならない。
【0007】
このような水素発生装置としては、例えば、1)特開平11−130405号公報「改質反応装置、触媒装置、それらに用いる発熱・触媒体、及び改質反応装置の運転方法」、2)特開2002−29705公報「改質装置」、3)特開2002−50386公報「燃料電池用水素製造装置」、4)特開2002−160902公報「水素発生装置」に記載されたものが知られている。
【0008】
上記公報1)の図1を以下の図9で説明する。なお、符号は振り直した。
図9は従来の水素発生装置(従来例1)の説明図であり、触媒体110と、この触媒体110を加熱するヒーターユニット111とを缶体112内に収納した水素発生装置としての改質反応装置が記載されている。
【0009】
上記公報2)の図1を以下の図10で説明する。なお、符号は振り直した。
図10は従来の水素発生装置(従来例2)の説明図であり、筒体121〜125を内側から順に同心状に配置し、筒体121,123,125の各下端に閉塞板126を取付け、筒体122,124の各上端に閉塞板127を取付けることで、ガスが流れる連絡流路128,131,132,133を形成し、筒体121と筒体122との間に触媒層134を設け、筒体122と筒体123との間に触媒層135を設け、筒体121の下端部に連絡通路128,131,132,133内のガスの温度を高める改質バーナ136を設けた水素発生装置としての改質装置が記載されている。
【0010】
上記公報3)の図1を以下の図11で説明する。なお、符号は振り直した。
図11は従来の水素発生装置(従来例3)の説明図であり、燃焼炉141の外周側に内側の筒体と外側の筒体とを設け、燃焼炉141と内側の筒体との間に燃焼触媒142及び改質触媒143を収納し、燃焼炉141の底部側に上記の燃焼触媒142及び改質触媒143を加熱するバーナ144を配置した水素発生装置としての燃料電池用水素製造装置が記載されている。
【0011】
上記公報4)の図1を以下の図12で説明する。なお、符号は振り直した。
図12は従来の水素発生装置(従来例4)の説明図であり、内部に改質触媒を充填した改質部151の近傍に、改質部151を加熱するバーナ152を配置した水素発生装置が記載されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記した各水素発生装置全体の熱容量が大きくなれば、従来例1のヒーターユニット111、従来例2の改質バーナ136、従来例3のバーナ144、従来例4のバーナ152による改質触媒の昇温に多くの時間が掛かって、加熱開始から水素を生成し始めるまでの時間、即ち水素発生装置の起動時間が長くなり、生産性が低下する。
【0013】
また、例えば、水素発生装置の改質触媒の昇温に、触媒燃焼による発熱を利用できれば、発熱量が高められるとともに、特別な加熱装置が不要になり、水素発生装置の小型化も図れる。
【0014】
そこで、本発明の目的は、水素発生装置の起動時間を短縮するとともに、水素発生装置の小型化を図ることにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1は、筒型容器に第1改質触媒を収納し、この第1改質触媒を700℃程度の改質温度に高め、そこへ炭化水素又は脂肪族アルコールからなる原料ガスを接触させることで水素に改質する水素発生装置において、筒型容器に加熱器を付設し、この加熱器に水素と酸素との反応を促す白金を担持した燃焼触媒を収納し、筒型 容器より小さな小型容器に第2改質触媒を収納するとともに、この第2改質触媒を活性開始温度まで昇温する小型加熱器を備えた熱容量の小さな小型水素発生器と、外部空気供給手段とにより水素及び空気を起動時に燃焼触媒へ供給することで、加熱器で第1改質触媒を改質温度まで昇温させることができるようにしたことを特徴とする。
【0016】
起動時に、熱容量の小さな小型水素発生器に原料ガスと空気とを供給すれば、部分酸化反応による発熱で熱容量の小さな小型水素発生器内の第2改質触媒の温度をすばやく昇温させることができるから、迅速に水素を生成して加熱器内の燃焼触媒へ供給することができる。
更に、加熱器内での触媒燃焼による高い発熱量で筒型容器内の第1改質触媒を加熱することができ、第1改質触媒における常温から700℃程度の改質温度までの昇温時間をより一層短縮することができて、水素発生装置の起動時間を短縮することができる。
また、第1改質触媒の昇温に特別な加熱装置を必要とせず、水素発生装置の小型化を図ることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1は本発明に係る水素発生装置の系統図であり、水素発生装置10は、改質器本体11と、この改質器本体11に水素を供給して触媒燃焼させるための小型水素発生器としての小型改質器12とからなり、小型改質器12を改質器本体11よりも小型にした装置である。
【0018】
改質器本体11は、改質部11Aと、この改質部11Aの上部に付設することで改質部11Aを加熱する加熱器としての加熱部11Bとからなる。
改質部11Aは、内部に後述する改質触媒を備え、この改質部11Aに外部から原料ガスとしての炭化水素、空気及び水をそれぞれバルブ14,15,16を介在させた配管17,18,19にて供給する。なお、22は改質後の水素及び他のガスの出口となるガス出口である。
【0019】
加熱部11Bは、内部に水素と酸素との反応を促す燃焼触媒を備え、前述の小型改質器12に接続する。なお、23は改質部11A内の改質触媒の温度及び加熱部11B内の燃焼触媒の温度を測定する温度測定装置である。
【0020】
小型改質器12は、内部に改質触媒を備えるとともに小型加熱器としてのバーナー26を備えた装置であり、この小型改質器12に外部から炭化水素、空気及び水をそれぞれバルブ27,28,29を介在させた配管32,33,34にて供給する。
【0021】
ここで、36は小型改質器12内の改質触媒の温度を測定する温度測定装置、37は改質後の水素及び他のガスを取り出すとともにバルブ38を介して加熱部11Bに供給する連結配管、41は配管32のバルブ27より上流側から分岐させて先端を連結配管37のバルブ38より下流側に連結することにより炭化水素を加熱部11Bに直接供給する第1バイパス配管、42は第1バイパス配管41に介在させたバルブ、43は配管33のバルブ28より上流側から分岐させて先端を連結配管37のバルブ38より下流側に連結することにより空気を加熱部11Bに直接供給する第2バイパス配管、44は第2バイパス配管43に介在させたバルブである。
上記した第2バイパス配管43及びバルブ44は、外部空気供給手段を構成する。
【0022】
図2は本発明に係る改質器本体の断面図であり、改質器本体11の改質部11Aは、筒型容器51と、この筒型容器51の上部に間隔を開けて取付けた上多孔板52及び下多孔板53と、筒型容器51の上部鏡板54、上多孔板52間に形成するガス分散室56内に設けたラッシリング(粒体、金網等)57と、上多孔板52、下多孔板53間に形成する改質スペース58内に充填した第1改質触媒としての改質触媒61と、下多孔板53の下方の筒型容器51内に空間62を介して上から下へ順に設けたCO変成触媒63(上段変成触媒63a及び下段変成触媒63bからなる)及びCO除去触媒64とからなる。
【0023】
筒型容器51は、例えば内径120mm、外径124mm、板厚2mmのSUS316ステンレス板で構成し、同材の上部鏡板54及び下部鏡板65で塞いだ耐食・耐熱性密封容器である。
ラッシリング57は、ガス分散室56内のガスの流れの偏りを防止する部材である。
【0024】
改質触媒61は、例えば、各粒子が外径φ3の球状のアルミナにルテニウム(Ru)を担持したものである。
CO変成触媒63については、上段変成触媒63aは鉄−クロム(Fe−Cr)系触媒、下段変成触媒63bは銅−亜鉛(Cu−Zn)系触媒が適当である。
CO除去触媒64としては、ルテニウム系触媒が望ましい。
【0025】
配管17,18,19は上部鏡板54に取付けたものであり、ガス出口22は筒型容器51の下部鏡板65に取付けたものである。
温度測定装置23は、改質触媒61内に挿入したセンサ66と、後述する燃焼触媒71内に挿入したセンサ67と、これらのセンサ66,67からの信号に基づいて温度を算出し表示する温度表示部68とからなる。センサ66の先端66a、センサ67の先端67aが測温部分であり、先端66aは改質スペース58の中央に位置する。
【0026】
加熱部11Bは、筒型容器51の上部に取付けた環状容器70と、この環状容器70内に充填した燃焼触媒71とからなり、環状容器70に連結配管37を接続する。
【0027】
燃焼触媒71は、例えば、各粒子が外径φ3の球状のアルミナに白金(Pt)を担持したものであり、その量は200cm3である。
このように、燃焼触媒71として白金を用いることで、水素と酸素との反応を促し、水素を常温から触媒燃焼させることができる。なお、70aは加熱部11B内のガスの出口となる加熱部ガス出口である。
【0028】
温度測定装置23のセンサ67の先端67aは、環状容器70の断面の中央に位置する。
【0029】
図3は図2の3−3線断面図であり、改質部11Aの筒型容器51の外側に加熱部11Bの環状容器70を配置し、この環状容器70内に燃焼触媒71を充填することで、改質部11Aの改質触媒61を加熱部11Bの燃焼触媒71で加熱可能な構造にしたことを示す。
小型改質器12(図1参照)、第1バイパス配管41(図1参照),第2バイパス配管43(図1参照)から供給されたガスは連結配管37から環状容器70内に流入して矢印のように燃焼触媒71に接しながら流れ、加熱部ガス出口70aから流出する。
【0030】
図4は図1の4−4線断面図であり、小型改質器12は、矩形の四つの角をそれぞれ円弧状に切欠いてほぼ十字状の箱とした十字形容器72と、この十字形容器72内に配置したラッシリング74、第2改質触媒としての改質触媒76、ラッシリング77とからなり、ラッシリング74は、十字形容器72の前辺73側に配置し、改質触媒76は、ラッシリング74に対してガスの流れの下流側に配置するとともにガスの流れに直交するように長く配置し、ラッシリング77は、改質触媒76に対してガスの流れの下流側に配置したものである。なお、78は前述の連結配管37を取付けるために十字形容器72に設けた後辺である。
【0031】
ラッシリング74,77は、十字形容器72内のガスの流れの偏りを防止する部材である。
改質触媒76は、例えば、各粒子が外径φ3の球状のアルミナにルテニウムを担持したものであり、その量は50cm3である。
【0032】
温度測定装置36は、改質触媒76内に挿入したセンサ81と、このセンサ81からの信号に基づいて温度を算出し表示する温度表示部82とからなる。センサ81の先端81aが測温部分であり、改質触媒76の中央に位置する。
【0033】
以上に述べた水素発生装置10の作用を次に説明する。
図5は本発明に係る水素発生装置の改質要領を示すフローであり、この図5と図1との両方で説明する。なお、図5におけるST××はステップ番号を示す。
ST01……小型改質器12、詳しくは改質触媒76(図4参照)を2kWのバーナー26で200℃まで加熱し昇温させる。この温度200℃は改質触媒76の酸化活性温度であり、この温度以上で反応が促進する。
【0034】
ST02……配管32のバルブ27及び配管33のバルブ28を開け、小型改質器12に以下の原料ガスを供給し、改質触媒76を600℃まで昇温させる。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 500cm3/min(気体)
空気の量 :15600cm3/min(気体)
【0035】
ST03……改質触媒76の温度が600℃に達したら、配管34のバルブ29をも開いて小型改質器12に以下の原料ガスを供給する。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 500cm3/min(気体)
空気の量 :4800cm3/min(気体)
水の量 : 3cm3/min(液体)
【0036】
この結果、以下の生成ガスを得た。
生成ガスの組成:
水素の量 :2800cm3/min
メタンの量 : 200cm3/min
二酸化炭素の量:1200cm3/min
一酸化炭素の量: 500cm3/min
窒素の量 :3800cm3/min
【0037】
ST04……小型改質器12で生成したガス(水素、メタン、二酸化炭素、一酸化炭素及び窒素)及び空気6800cm3/minを連結配管37のバルブ38と第2バイパス配管43のバルブ44とを開いて加熱部11Bに供給し、加熱部11B内で触媒燃焼させ、燃焼触媒71(図2参照)を200℃まで昇温させる。この温度200℃は燃焼触媒71の酸化活性温度であり、この温度以上で反応が促進する。
【0038】
ST05……第1バイパス配管41のバルブ42及び第2バイパス配管43のバルブ44を開け、加熱部11Bに以下の原料ガスを供給し、燃焼触媒71を800℃まで昇温させる。このとき改質部11A内の改質触媒61は改質に必要な改質温度である700℃まで昇温する。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 2000cm3/min(気体)
空気の量 :60000cm3/min(気体)
【0039】
ST06……燃焼触媒71の温度が800℃(改質触媒61の温度が700℃)に達したら、配管17のバルブ14及び配管19のバルブ16を開いて改質部11Aに以下の原料ガスを供給して改質触媒61で水蒸気改質反応(前述の式(1)及び式(2)参照)を行わせる。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 1500cm3/min(気体)
水の量 : 15cm3/min(液体)
このとき、小型改質器12への炭化水素、空気及び水の供給を停止するためにバルブ27,28,29を閉め、小型改質器12から改質部11Aへの生成ガスの供給を停止するためにバルブ38を閉め、バーナー26への燃料の供給を停止する。
【0040】
この結果、以下のような改質ガスを得た。
改質ガスの組成:
水素の量 :15200cm3/min
メタンの量 : 200cm3/min
二酸化炭素の量: 2600cm3/min
一酸化炭素の量: 3500cm3/min
【0041】
この後、引き続き、CO変成触媒63(図2参照)で以下の式(7)の反応を起こさせることで一酸化炭素の約90%を水素と二酸化炭素とに変化させ、更に、CO除去触媒64(図2参照)で以下の式(8)の反応を起こさせることで一酸化炭素濃度を10ppm程度まで低減する。
【0042】
【化2】
【0043】
【化3】
【0044】
上記したバーナー26で小型改質器12の加熱を開始して、改質触媒76が常温から200℃まで昇温する時間は5秒、改質触媒76が200℃から600℃まで昇温する時間は5秒、加熱部11Bの燃焼触媒71が常温から200℃まで昇温する時間は15秒、燃焼触媒71が200℃から800℃まで昇温する時間は30秒であり、以上の時間を合計すると、55秒となる。これが、本実施の形態の水素発生装置10における、小型改質器12の始動開始から改質器本体11での水素生成可能な改質温度700℃に達するまでの、いわゆる起動時間である。
【0045】
図6(a),(b)は加熱部を備えた水素発生装置の比較例を示す断面図であり、(a)は比較例1、(b)は比較例2を示す。なお、図1及び図2に示した実施の形態と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。また、図2の温度測定装置23は省略した。
(a)の比較例1において、水素発生装置200は、改質部11Aと、加熱部11Bと、この加熱部1Bを加熱する電気ヒーター201とからなり、図1に示した水素発生装置10の小型改質器12は備えない。なお、202は加熱部11Bに後述する原料ガスを供給する配管、203は配管202に介在させたバルブである。
【0046】
(b)の比較例2において、水素発生装置210は、改質部11Aと、加熱部11Bと、この加熱部11Bを加熱するバーナー211,211とからなる。
【0047】
以上に述べた比較例1及び比較例2の作用を次に説明する。
図7は比較例1の水素発生装置の作用を示すフローであり、この図7と図6(a)との両方で説明する。なお、以下のSTXXはステップ番号を示す。
ST11……加熱部11B、詳しくは燃焼触媒71(図6(a)参照)を500Wの電気ヒーター201で200℃まで加熱し昇温させる。
【0048】
ST12……配管202のバルブ203を開け、加熱部11Bに以下の原料ガスを供給し、燃焼触媒71を800℃まで昇温させる。このとき改質部11A内の改質触媒61は改質に必要な改質温度である700℃まで昇温する。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 2000cm3/min(気体)
空気の量 :60000cm3/min(気体)
【0049】
ST13……燃焼触媒71の温度が800℃(改質触媒61の温度が700℃)に達したら、バルブ14,16を開けて、改質部11Aにイソブタン及び水を供給して水蒸気改質反応を行わせ、水素、メタン、二酸化炭素及び一酸化炭素を生成した。
【0050】
上記した電気ヒーター201で加熱部11Bの加熱を開始して、燃焼触媒71が常温から200℃まで昇温する時間は200秒、燃焼触媒71が200℃から800℃まで昇温する時間は30秒であり、以上の時間を合計すると、230秒となる。これが、比較例1の水素発生装置200の起動時間である。
【0051】
図8は比較例2の水素発生装置の作用を示すフローであり、この図8と図6(b)との両方で説明する。なお、以下のSTXXはステップ番号を示す。
ST21……加熱部11B、詳しくは燃焼触媒71(図6(b)参照)を合計2kWのバーナー211、211で200℃まで加熱し昇温させる。
【0052】
ST22……配管202のバルブ203を開け、加熱部11Bに以下の原料ガスを供給し、燃焼触媒71を800℃まで昇温させる。このとき改質部11A内の改質触媒61は改質に必要な改質温度である700℃まで昇温する。
原料ガスの組成:
イソブタンの量: 2000cm3/min(気体)
空気の量 :60000cm3/min(気体)
【0053】
ST23……燃焼触媒71の温度が800℃(改質触媒61の温度が700℃)に達したら、バルブ14,16を開けて、改質部11Aにイソブタン及び水を供給して水蒸気改質反応を行わせ、水素、メタン、二酸化炭素及び一酸化炭素を生成した。
【0054】
上記したバーナー211,211で加熱部11Bの加熱を開始して、燃焼触媒71が常温から200℃まで昇温する時間は120秒、燃焼触媒71が200℃から800℃まで昇温する時間は50秒であり、以上の時間を合計すると、170秒となる。これが、比較例2の水素発生装置210の起動時間である。
【0055】
以上の図1及び図2で説明したように、本発明は第1に、筒型容器51に改質触媒61を収納し、この改質触媒61を700℃程度の改質温度に高め、そこへ炭化水素又は脂肪族アルコールからなる原料ガスを接触させることで水素に改質する水素発生装置10において、筒型容器51に加熱器11Bを付設し、この加熱器11Bに水素と酸素との反応を促す燃焼触媒71を収納し、起動時に、燃焼触媒71へ小型改質器12及び第2バイパス配管43、バルブ44により水素及び空気を供給することで、加熱器11Bで改質触媒61を改質温度まで昇温させることができるようにしたことを特徴とする。
【0056】
加熱器11Bに燃焼触媒71を収納し、起動時に、燃焼触媒71へ水素及び空気を供給することで、加熱器11Bで改質触媒61を改質温度まで昇温させることができるようにしたことで、触媒燃焼71による高い発熱量で改質温度までの昇温時間を短縮することができ、水素発生装置10の起動時間を短縮することができる。また、改質触媒61の昇温にバーナーや電気ヒーター等の特別な加熱装置を必要とせず、水素発生装置10の小型化を図ることができる。
【0057】
本発明は第2に、燃焼触媒71を、白金にしたことを特徴とする。
燃焼触媒71として白金を用いることで、水素を常温から触媒燃焼させることができる。従って、他の触媒を用いた場合のような、触媒を常温から触媒燃焼する温度まで加熱するための加熱装置が不要になる。
【0058】
本発明は第3に、図4に示したように、外部水素供給手段は、筒型容器51(図2参照)より小さな十字形容器72に改質触媒76を収納するとともに、改質触媒76を活性開始温度まで昇温するバーナー26を備えた小型改質器12であることを特徴とする
【0059】
外部水素供給手段としてバーナー26を備えた小型改質器12を用いることで、改質に用いる原料ガスと空気とを小型改質器12に供給すれば、部分酸化反応による発熱で熱容量の小さな小型改質器12内の改質触媒76の温度をすばやく昇温させることができるから、迅速に水素を生成して加熱部11B内の燃焼触媒71へ供給することができる。従って、加熱器11B内での触媒燃焼71により筒型容器51内の改質触媒61を加熱して、改質触媒61における常温から700℃程度の改質温度までの昇温時間をより一層短縮することができる。
【0060】
尚、本発明の加熱部に充填する燃焼触媒としては、白金を含むものが望ましい。
また、改質原料としては、LPG、カセットコンロ用燃料、都市ガス、ナフサ、ガソリン、軽油、灯油などの軽質炭化水素でもよい。更に、脂肪族アルコールについても特に限定せず、メタノール、エタノールを含む。
更に、炭化水素を改質させる改質触媒としては、8族〜10族の金属(Fe、Co、Ni、Ru、Pd、Ptなど)を含有するものが望ましく、Ni、Ru、Rhを担持した触媒又はNiO含有触媒が特に望ましい。
【0061】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項1の水素発生装置は、筒型容器に加熱器を付設し、この加熱器に水素と酸素との反応を促す白金を担持した燃焼触媒を収納し、筒型容器より小さな小型容器に第2改質触媒を収納するとともに、この第2改質触媒を活性開始温度まで昇温する小型加熱器を備えた熱容量の小さな小型水素発生器と、外部空気供給手段とにより水素及び空気を起動時に燃焼触媒へ供給することで、加熱器で第1改質触媒を改質温度まで昇温させることができるようにしたので、起動時に、熱容量の小さな小型水素発生器に原料ガスと空気とを供給 すれば、部分酸化反応による発熱で熱容量の小さな小型水素発生器内の第2改質触媒の温度をすばやく昇温させることができるから、迅速に水素を生成して加熱器内の燃焼触媒へ供給することができる。
更に、加熱器内での触媒燃焼による高い発熱量で筒型容器内の第1改質触媒を加熱することができ、第1改質触媒における常温から700℃程度の改質温度までの昇温時間をより一層短縮することができて、水素発生装置の起動時間を短縮することができる。
また、第1改質触媒の昇温に特別な加熱装置を必要とせず、水素発生装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る水素発生装置の系統図
【図2】本発明に係る改質器本体の断面図
【図3】図2の3−3線断面図
【図4】図1の4−4線断面図
【図5】本発明に係る水素発生装置の改質要領を示すフロー
【図6】加熱部を備えた水素発生装置の比較例を示す断面図
【図7】比較例1の水素発生装置の作用を示すフロー
【図8】比較例2の水素発生装置の作用を示すフロー
【図9】従来の水素発生装置(従来例1)の説明図
【図10】従来の水素発生装置(従来例2)の説明図
【図11】従来の水素発生装置(従来例3)の説明図
【図12】従来の水素発生装置(従来例4)の説明図
【符号の説明】
10…水素発生装置、11B…加熱器(加熱部)、12…小型水素発生器(小型改質器)、26…小型加熱器(バーナー)、43,44…外部空気供給手段(第2バイパス配管、バルブ)、51…筒型容器、61…第1改質触媒(改質触媒)、71…燃焼触媒、72…小型容器(十字形容器)、76…第2改質触媒(改質触媒)。
Claims (3)
- 筒型容器に改質触媒を収納し、この改質触媒を700℃程度の改質温度に高め、そこへ炭化水素又は脂肪族アルコールからなる原料ガスを接触させることで水素に改質する水素発生装置において、
前記筒型容器に加熱器を付設し、この加熱器に水素と酸素との反応を促す燃焼触媒を収納し、起動時に、前記燃焼触媒へ外部水素供給手段及び外部空気供給手段により水素及び空気を供給することで、加熱器で前記改質触媒を改質温度まで昇温させることができるようにしたことを特徴とする水素発生装置。 - 前記燃焼触媒は、白金であることを特徴とする請求項1記載の水素発生装置。
- 前記外部水素供給手段は、前記筒型容器より小さな小型容器に改質触媒を収納するとともに、改質触媒を活性開始温度まで昇温する小型加熱器を備えた小型水素発生器であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の水素発生装置。
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