JP2005330131A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 改質器に供給する水蒸気量の変動を抑制することにある。
【解決手段】 炭化水素系燃料と水蒸気を反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生させる改質触媒層１を有し、この改質触媒層１に供給する炭化水素系燃料と水蒸気が導入される原料供給室７を底部に有する改質器３と、原料供給室７に水蒸気を供給する蒸気発生器２３とを備えてなる水素製造装置において、蒸気発生器２３の蒸発管路３３の内面に熱的に結合された円筒状に形成された網状材４２を設けたことにより、水の膜沸騰が抑制されるから、水蒸気の発生を安定にでき、改質器３底部の原料供給室７に供給される水蒸気量の変動を抑制できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に供給する水素ガスを発生する水素製造装置に関する。

水素製造装置は、例えば、天然ガス、都市ガス、プロパンガス、メタノール、ナフサ、ガソリンなどの炭化水素系燃料と水蒸気（Ｈ２Ｏ）を反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生する改質触媒層を備えた改質器を有して構成される。炭化水素系燃料と水蒸気は改質器底部に設けられた原料供給室を介して改質触媒層に供給されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

この水蒸気は、蒸気発生器で発生されるようになっている。蒸気発生器は、例えば、改質ガスの流路中、あるいは改質ガスを供給した燃料電池のアノード排ガスを燃焼して生じた燃焼排ガスの流路中に、蒸発管路を鉛直方向に蛇行させて配置し、上端から水を供給し、発生した水蒸気を下端から原料供給室に供給するようになっている。

特開２００３−２４３０１８号公報（第７−８頁、第１図参照）

しかし、特許文献１に記載されたような従来技術の蒸気発生器は、蒸発管路内で水が膜沸騰をおこす場合について配慮されていないという問題がある。すなわち、高温に加熱された管路内面に水が接すると、水と管路内面との間に蒸気の膜が形成される場合がある。このような膜沸騰が生ずると、水蒸気の発生が不安定になり、改質器底部の原料供給室に供給される水蒸気の圧力が変動するという問題がある。また、管路内で蒸発しきれずに、水が玉状のまま原料供給室に流入すると、原料供給室内で水が蒸発して、改質触媒層に供給される水蒸気量が変動するおそれがある。このように、水蒸気圧力が変動したり、水蒸気の供給量が変動すると、炭化水素系燃料と水蒸気との比率が変動し、改質ガスの発生量が不安定になったり、改質ガス中のＣＯ濃度が増加したりするなどの問題が生じる。その結果、燃料電池の発電量が不安定になったり、燃料電池の性能が低下したりするおそれがある。

本発明の課題は、改質器に供給する水蒸気量の変動を抑制することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、炭化水素系燃料と水蒸気を反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生させる改質触媒層を有し、この改質触媒層に供給する炭化水素系燃料と水蒸気が導入される原料供給室を底部に有する改質器と、原料供給室に水蒸気を供給する蒸気発生器とを備えてなる水素製造装置において、蒸気発生器の蒸発管路の内面に熱的に結合された突起部を設けたことを特徴とする。

これによれば、蒸発管路内面の突起部により沸騰膜が形成するのを抑制でき、水蒸気を安定に発生させることができるから、改質器底部の原料供給室に供給される水蒸気量の変動を抑制することができる。

また、蒸発管路内面の突起部によって膜沸騰が抑制されるから、蒸発管路内の水が蒸発しきれずに玉状のまま原料供給室に流入することを防止できるので、原料供給室内で水が蒸発することによる水蒸気の供給量の変動を抑制できる。この結果、蒸発管路を、改質ガスの流路中あるいは改質ガスが供給される燃料電池のアノード排ガスを燃焼して生じた燃焼排ガスの流路中に鉛直方向に蛇行させて配置し、蒸発管路の上端に水供給手段を連結し、下端に原料供給室を連結した構成にできる。

また、突起部は、蒸発管路内に網状材を配置して形成することができ、少なくとも蒸発管路の水の入口部に設けるようにする。これによれば、蒸発管路に供給された水が毛細管現象により網状材の表面に広がり、膜沸騰を起こすことなく蒸発させることができるので好ましい。また、蒸発管路は、伝熱管を単に、曲げて形成することができる。また、薄板をプレス加工して半円形の蛇行溝を成形し、この薄板を２枚張り合わせて蒸発管路を形成することができる。この場合は蒸発管路内に突起部を容易に形成できるので好ましい。

本発明によれば、改質器に供給する水蒸気量の変動を抑制できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本実施形態の蒸気発生器の一実施形態を示す図である。図２は、本実施形態の水素製造装置を適用してなる燃料電池システムの一実施形態を示す図である。

本実施形態の水素製造装置は、図２に示すように、例えば、天然ガス、都市ガス、プロパンガス、メタノール、ナフサ、ガソリンなどの炭化水素系燃料と水蒸気を反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生する改質触媒層１を有する改質器３を備えて構成されている。炭化水素系燃料、水蒸気および空気は、それぞれ管路２７、２８、３９を介してバーナ５に供給される。バーナ５は、改質器３の底部の原料供給室７内に設けられており、バーナ５に供給された炭化水素系燃料、水蒸気および空気は、燃焼触媒層９を介して改質触媒層１に導入される。この燃焼触媒層１では、炭化水素系燃料の一部が空気で燃焼され（次式（１））、改質反応に必要な熱を供給する。
ＣＨ４＋２Ｏ２ → ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ （１）

式（１）の燃焼により加熱された炭化水素系燃料と水蒸気は、改質触媒層１に流入して改質反応によりＣＯとＨ２に変換され（次式（２））、さらにＣＯは水蒸気と反応してＣＯ２と水素に変換される（次式（３））。

ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ＋３Ｈ２ （２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ←→ ＣＯ２＋Ｈ２ （３）

改質器３から排出される改質ガスは、蒸気発生器１１によりＣＯシフト触媒の活性温度に冷却されてＣＯ変成器１３に供給される。蒸気発生器１１は、改質ガスの流路中に配設された伝熱管を有してなり、電磁ポンプ４６から供給される水を改質ガスにより加熱して蒸気を発生させて、管路２８を介して改質器３のバーナ５に供給するようになっている。ＣＯ変成器１３では、改質ガス中のＣＯがＣＯ２に変換される（次式（４））。

ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ （４）

ＣＯ変成器１３から排出される改質ガスは、水冷式の冷却器１５によりＣＯ選択酸化器１７の活性温度に冷却されてＣＯ選択酸化器１７に流入される。ＣＯ選択酸化器１７では、改質ガス中のＣＯが酸化されてＣＯ２に変換される（次式（５））。

ＣＯ＋１／２Ｏ２ → ＣＯ２ （５）

ＣＯ選択酸化器１７から排出された改質ガスは、燃料電池１９の燃料極（アノード）に導かれて発電に利用される。燃料電池１９から排出される未反応の水素を含むアノード排ガスは、燃焼器２１で燃焼される。この燃焼排ガスの流路に蒸気発生器２３と空気加熱器２５が配設されている。空気加熱器２５は、排ガスが通流する流路内に伝熱管を配置して構成され、伝熱管の一端に接続された空気供給装置３１から供給される空気を加熱して、管路２７を介して改質器３のバーナ５に供給するようになっている。蒸気発生器２３は、燃焼器２１の燃焼排ガスの流路内に伝熱管を配置して構成され、伝熱管の一端に接続された電磁ポンプ３８から管路３６を介して供給される水を加熱して蒸気を発生させる。また、蒸気発生器２３は、燃料供給装置３７から管路３４を介して供給される燃料を加熱して、蒸気とともに管路３９を介して改質器３のバーナ５に供給するようになっている。

このように構成される本実施形態の特徴部である蒸気発生器１１、２３の詳細構成を図１を用いて説明する。図１は、一例として、蒸気発生器２３の伝熱管の詳細構成図を示している。図示のように、伝熱管は、蒸発管路３３が形成された伝熱部材３５を有して構成されている。伝熱部材３５は、図３に示すように、例えば、厚さ０．６ｍｍの２枚のＳＵＳ製の薄板４１をプレス加工して、蒸発管路３３に対応する断面半円状の溝を蛇行させて形成し、それらを張り合わせて蒸発管路３３を形成するようになっている。この蒸発管路３３は、図１に示すように、排ガスの流れ方向、すなわち鉛直方向に蛇行させて設けられている。蒸発管路３３の上部の一端は、管路３４を介して燃料供給装置３７に連結されるとともに、分岐管路３６を介して水を供給する電磁ポンプ３８に連結されている。蒸発管路３３の下部の他端は、管路３９を介して改質器３のバーナ５に連結されている。

特に、蒸発管路３３の上部の水平方向に延在された部分の内部に、円筒状の網状材４２が装着されている。この網状材４２は、例えば、ＳＵＳ製の金網を円筒形に形成したものである。この網状材４２によって、蒸発管路３３の内面に突起部が形成される。

本実施形態によれば、蒸発管路３３の入口部の内面に突起部が形成されていることから、電磁ポンプ３８から供給された水の膜沸騰を抑制できる。つまり、高温に加熱された蒸発管路３３の内面に水が供給されると、水と管路内面との間に蒸気の膜が形成されて膜沸騰が生ずる場合がある。膜沸騰が生ずると、水蒸気の発生が不安定になり、改質器３のバーナ５に供給される水蒸気の圧力が変動することになる。この点、本実施形態によれば、網状材４２の毛細管現象により水が表面に広がるので膜沸騰を抑制できる。

このように本実施形態によれば、膜沸騰を抑制して水蒸気を安定に発生させることができ、改質器３のバーナ５が設けられた原料供給室７に供給される水蒸気量および圧力の変動を抑制できる。その結果、改質器の圧力変動、水蒸気供給量の変動を抑制して、炭化水素系燃料と水蒸気との比率を保持できるから、改質ガスの発生量を安定化でき、改質ガス中のＣＯ濃度の増加を抑制できる。

ここで、本実施形態の効果を実測例に基づいて説明する。図４は、本実施形態の水素製造装置の改質器３の内部圧力と、改質器３の出口のCO濃度を示した図である。図５は、網状材４２が設けられていない従来例の改質器３の内部圧力と、改質器３の出口のCO濃度を示した図である。いずれも横軸は時間を示し、１目盛１分を表している。本発明の実施形態によれば、従来例に比べて改質器３内部の圧力変動が抑えられ、改質器３の出口の改質ガス中のCO濃度も安定して１０ｐｐｍ以下に推移していることが分かる。このように、本実施形態によれば、改質器３内の圧力変動を抑制することができることから燃料電池の発電量を安定させることができ、かつ、ＣＯ濃度も安定して１０ｐｐｍ以下に維持できるので、燃料電池の性能の低下を抑制できる。

また、上記実施形態では、２枚の薄板４１を張り合わせて蒸発管路３３を形成したことから、網状材４２を容易に装着することができる。本発明の蒸気発生器の蒸発管路は、伝熱管を単に曲げて形成してもよい。また、蒸発管路３３の、横方向に延在する部分を下向きに傾斜（例えば、１ないし３度）させれば、蒸発管路３３内部に水が溜まることを防止できるので好ましい。

また、円筒状の網状材４２に代えて、図６に示すように、蒸発管路３３の内面に、例えば深さ０．０５〜０．１ｍｍの溝４８を形成して突起部を構成してもよい。すなわち、本発明は、蒸発管路３３内で水の膜沸騰を抑制する突起部を形成できればよく、例えば、ＳＵＳ製のウールなどを装着してもよい。この突起部は、入口部分に限らず、複数箇所に設けてもよい。

なお、蒸気発生器１１の蒸発管路内において、電磁ポンプから供給された水が膜沸騰をおこすおそれが少ない場合は、突起部を省略できることはいうまでもない。

本実施形態の蒸気発生器の一実施形態を示す図である。 本実施形態の水素製造装置を適用してなる燃料電池システムの一実施形態を示す図である。 図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 本実施形態の水素製造装置による改質器の内部圧力と出口CO濃度の変化を示した図である。 従来の改質器３の内部圧と出口CO濃度の変化を示した図である。 本発明の蒸気発生器の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 改質触媒層
３ 改質器
５ バーナ
７ 原料供給室
９ 燃焼触媒層
１１、２３ 蒸気発生器
１３ ＣＯ変成器
１７ ＣＯ選択酸化器
１９ 燃料電池
２１ 燃焼器
３３ 蒸発管路
３５ 伝熱部材
４２ 網状材

Claims (3)

1. 炭化水素系燃料と水蒸気を反応させて水素ガスを含む改質ガスを発生させる改質触媒層を有し、前記改質触媒層に供給する前記炭化水素系燃料と前記水蒸気が導入される原料供給室を底部に有する改質器と、前記原料供給室に前記水蒸気を供給する蒸気発生器とを備えてなる水素製造装置において、前記蒸気発生器の蒸発管路の内面に熱的に結合された突起部を設けてなることを特徴とする水素製造装置。
2. 前記蒸発管路は、前記改質ガスの流路中あるいは前記改質ガスが供給される燃料電池のアノード排ガスを燃焼して生じた燃焼排ガスの流路中に鉛直方向に蛇行させて配置され、上端が水供給手段に連結され、下端が前記原料供給室に連結されてなることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記突起部は、前記蒸発管路内の少なくとも水の入口部に網状材を配置して形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
   

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