JP2008063193A

JP2008063193A - 水素生成装置及び燃料電池システム

Info

Publication number: JP2008063193A
Application number: JP2006243709A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yoshida; 豊吉田; Yuji Mukai; 裕二向井; Akira Maenishi; 晃前西; Takeshi Tomizawa; 猛富澤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】水素生成装置で低圧損でかつ熱交換率がよくコンパクトな蒸発器が望まれる。
【解決手段】本発明の水素生成装置は、水流路内筒と、外筒と、該内筒及び外筒の間の環状空間に設けられた流路規定部とを有する蒸発器と、前記内筒の内周側から前記蒸発器を加熱する燃焼器と、前記蒸発器で発生した水蒸気と原料との混合ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを発生する改質器と、を備え、前記環状空間と前記流路規定部とによって形成される流路の断面積が、該水流路の上流側より下流側で大きいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電装置に水素を供給する水素生成装置に係わるものであり、より詳細には水素生成装置内の蒸発器に関する。

燃料電池システム用の水素生成装置は、一般に都市ガス等の炭化水素を原料とする水蒸気改質反応が用いられる。この水素生成装置は蒸発器で蒸発した水蒸気と、炭化水素からなる原料ガスを６００〜８００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を変成反応により低減する変成器と、さらに一酸化炭素濃度を酸化反応により低減するＣＯ除去器からなる。

蒸発器の具体的な例としては、例えば、筒状の蒸発器内には流路抵抗部である丸棒が螺旋状に巻回されており、これにより螺旋状流路が形成されている。このように螺旋状に巻回されている丸棒に沿って水が移動するので、水が滞留している時間が長くなり、且つ滞留する水の周方向の分布が均一化される。これにより燃焼ガスからの伝熱量が増えるため、水蒸気改質反応に供される水蒸気量を増大させることができる。そのため、原料の転化率を高めることができ、水素含有ガス中の水素量を増大させることができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２５２６０４号公報

上記従来の水素生成装置は、蒸発器において、排気ガスとの熱交換を行うために周方向に螺旋棒等の流路規定部により流路が形成されているが、この流路の下流部分で水が水蒸気に変わり体積が膨張して流路圧損が大きくなる。流路圧損が大きくなると、水を供給するための水供給器の出力が影響を受けて水の供給量が不安定になり、改質器での水素生成量が目標値に対して変動してしまう。また、水の供給量が減少し過ぎると改質器で原料から炭素が析出して流路閉塞を起こし、運転が継続ができない状態になる可能性もある。

本発明は、蒸発器に形成された流路の下流部で水蒸気生成による体積膨張が生じても流路圧損に大きな変動が生じず、水供給器からの安定した水の供給が可能になる水素生成装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、第１の本発明の水素生成装置は、内筒と、外筒と、該内筒及び外筒の間の環状空間に設けられた流路規定部とを有する蒸発器と、内筒の内周側から蒸発器を加熱する燃焼器と、蒸発器で発生した水蒸気と原料との混合ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを発生する改質器と、を備え、環状空間と流路規定部とによって形成される流路の断面積を、水流路の上流側より下流側で大きくなることを特徴とする。このように構成すると下流部での流路圧損を緩和しつつ上流部では効率よく熱交換が行え、全体サイズも抑えることができる。

また、第２の本発明の水素生成装置は、流路規定部は螺旋状であることを特徴とする。これにより上流側から下流側まで連続的な水流路を構成することができ、より効率的に本発明の効果を引き出すことができる。

また、第３の本発明の水素生成装置は、流路規定部が、内筒及び外筒の少なくとも一方を加工して形成された突起部であることを特徴とする。前記内筒または外筒に加工を施すことにより流路規定部を設けることができるので新たに別部品として流路規定部を用意する必要がなくなり、コストダウンを図ることができ量産性を向上させることができる。

また、第４の本発明の水素生成装置は、内筒の直径が上流側より下流側のほうが小さいことを特徴とする。

また、第５の本発明の水素生成装置は、外筒の直径が上流側より下流側のほうが大きいことを特徴とする。

また、第６の本発明の水素生成装置は、水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するＣＯ除去器を備え、ＣＯ除去器は、蒸発器の上流側の外周に設けられていることを特徴とする。これにより、水の入り口に近い蒸発器の上流側と熱交換させることにより、酸化反応部を反応するのに最適な温度に近づけることができる。

また、第７の本発明の水素生成装置は、水素含有ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成器を備え、変成器は、蒸発器の下流側の外周に設けられていることを特徴とする。これにより、変成器を反応するのに最適な温度に近づけることができる。

また、第８の本発明の燃料電池システムは、上記第１〜第７の本発明の水素生成装置と、水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備えることを特徴とする。

これにより、本発明の水素生成装置は、蒸発器に形成された流路の下流部で水蒸気生成による体積膨張が生じても流路圧損に大きな変動が生じず、水供給器からの安定した水の供給が可能になるとともに、安定した水素生成が可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態の水素生成装置の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の水素生成装置１００は、内筒８と、外筒９と、内筒８と外筒９との間の環状空間に設けられた螺旋状の流路規定部１０とによって構成された蒸発器７と、蒸発器７で発生した水蒸気１２と原料ガスとの混合ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを発生する改質器1と、改質器１から排出された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を変成反応により低減する変成器２と、変成器２から排出された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を酸化反応によりさらに低減するＣＯ除去器３と、蒸発器７と改質器１とを加熱するための燃焼器１５により構成されている。この燃焼器１５は、燃料と空気を用いて燃焼反応させるためのバーナ１３とバーナ１３からの燃焼ガスが放出される空間である燃焼筒１４より構成される。また、水素生成装置１００のＣＯ除去器３より排出された水素含有ガスは燃料電池４に供給される。燃料電池４で消費しきれなかった水素含有ガスの一部はオフガスとしてバーナ１３に戻り加熱用の燃料として使用される。バーナ１３で発生した高温の燃焼ガスは燃焼筒１４の内側から流出し、燃焼筒１４の外周を覆う燃焼ガス流路１８を流れ、改質器1と蒸発器７とを加熱した後に燃焼排気口１７から排出される。

ここで、蒸発器７へは、原料ガス供給口５より原料ガスが、水供給口６より水がそれぞれ供給される。蒸発器７の上流部では水１１はまだ蒸発されずに、螺旋状の流路規定部１０の上部を旋回しながら下降していく。内筒８の内周側を燃焼器１５により加熱されることにより、徐々に水温が上昇し、やがて水蒸気１２となっていく。水が水蒸気１２になることにより体積が増すので水流路の圧損が増えていき、水を供給するための水供給器出力が不安定になり、改質器１での水素生成が不安定になりやすくなる。特に、本実施の形態のように蒸発器７に原料供給器に原料を供給する場合は、原料供給も不安定になりやすく、水素生成量の与える影響はより大きくなる。それを避けるために、水が水蒸気１２となる蒸発器７の下流側では水蒸発による圧損の影響を受けない程度にまで流路の断面積を大きくしておく必要がある。具体的には、蒸発器７の下流側では、流路規定部の間隔を長くし、下流側の流路の断面積を大きくしている。一方、蒸発器７の上流側では、流路規定部１０の間隔を短くして水流路をより多く旋回（水流路長をより長く）させたほうが燃焼器１５との熱交換を効率よく行うことができ、結果として蒸発器７の高さも抑えることができる。本発明の実施の形態では、このように蒸発器７において内筒８と外筒９と流路規定部１０によって形成される流路の断面積が、蒸発器７における水もしくは水蒸気の流れに対して上流側より下流側で大きくなっている。また、流路規定部１０は螺旋状の丸棒である。螺旋状であることにより上流側から下流側まで連続的な水流路すなわち断面積のリニアな増加を実現することができるため、断面積の増加が不連続な場合に比べて圧力差の変動が小さく、圧力差による蒸発器７内の水もしくは水蒸気の脈動が抑制され、より安定的な水の供給が実現可能になる。なお、内筒８と外筒９と流路規定部１０で構成される蒸発器７は、量産性を考慮して外筒９の内周側に螺旋状の流路規定部材を設けた後、その内側から内筒８を挿入し、この内筒８を拡管する拡管工法によりつくられているが、内筒８の外周側に流路規定部材を設けた後、外筒９をその外側に配設後、内筒を拡管する方法であってもよい。また、その他、螺旋状の流路規定部材を内筒もしくは外筒に対して溶接やロー付けによる接合手段で形成し、その後内筒もしくは外筒を配設する方法を用いてもよい。

図２には、流路規定部が、内筒８１を加工して突起部を形成したときの蒸発器を、図３には流路規定部が、外筒９２を加工して突起部を形成したときの蒸発器をそれぞれ示している。いずれも蒸発器以外は実施例１と同じ構成であるのでここでは省略する。図２において、内筒８１は突起のない円筒状態から転造加工により内側から外側へと紐状に連続的に張り出されている。外筒９１を高温にし、焼きばめにより内筒８１と外筒９１がはめ合わされている。この構成により、流路既定部を形成するために流路規定部材を別途用いる必要がなくなり、コストを抑えた構成となる。また、上述のように、流路規定部材を内筒もしくは外筒に設けたときと異なり、内筒８と流路規定部１０との間のリークの心配がなくなり、燃焼器との熱交換に際して周方向により均一に確実に行うことが可能となる。

図３において、外筒９２は突起のない円筒状態から転造加工により外側から内側へと紐状に連続的に張り出されている。内筒８２を低温にし、冷やしばめにより内筒８２と外筒９２がはめ合わされている。この構成により、流路既定部を形成するために流路規定部材を別途用いる必要がなくなり、量産性の高い構成となる。また、上述のように、流路規定部材を内筒もしくは外筒に設けたときと異なり、外筒９と流路規定部１０との間のリークの心配がなくなり、燃焼器との熱交換に際して周方向により均一に行うことが可能となる。内筒と外筒の両方に突起部を設けても勿論同等の効果が得られるのは言うまでもない。なお、上記転造加工に代えてバルジ加工を用いて同様に内筒もしくは外筒に突起部を形成しても構わない。

図４には、内筒と外筒と流路規定部によって形成される流路の断面積が、蒸発器における水もしくは水蒸気流れに対して上流側より下流側で大きくなる蒸発器の構成の一例を示す。本構成においては、図に示す通り、蒸発器の内筒の径が水もしくは水蒸気の流れに対して上流側より下流側のほうが小さくなるよう構成されており、これにより蒸発器の水もしくは水蒸気の流路の上流側より下流側で流路の断面積が大きくなる。

図５は、内筒と外筒と流路規定部によって形成される流路の断面積が、蒸発器における水もしくは水蒸気流れに対して上流側より下流側で大きくなる蒸発器の構成の他の例を示す。本構成において、図に示す通り、蒸発器の外筒の径が上流側より下流側のほうが大きくなるよう構成されており、これにより蒸発器の水もしくは水蒸気の流路の上流側より下流側で流路の断面積が大きくなる。また、いずれの例においても蒸発器以外は図１に示す構成と同じ構成であるのでここでは省略する。

図４において、内筒８３は逆円錐形状であり直径が水もしくは水蒸気流れに対して上流側より下流側のほうが小さい。これにより内筒８３と外筒９３と流路規定部１０１Ａ、１０２Ａ、１０３Ａ、１０４Ａとによって形成される水もしくは水蒸気の流路の断面積は水もしくは水蒸気の流れに対して上流側から下流側へいくに従って大きくなる。流路規定部の数は本構成例では４個のみ設けているが、所定の性能を満足させるための適当な数が選択される。各々の流路規定部はドーナツ状であり、開口部が設けられており、開口部から順次下流側の流路規定部により形成される下流側の流路へと水もしくは水蒸気と原料ガスが移動していく。

図５において、外筒９４は円錐形状であり水もしくは水蒸気の流れに対して直径が上流側より下流側のほうが大きい。これにより内筒８４と外筒９４と流路規定部１０１Ｂ、１０２Ｂ、１０３Ｂ、１０４Ｂとによって形成される水もしくは水蒸気の流路の断面積は上流側から下流側へいくに従って大きくなる。流路規定部の数は本構成例では４個のみ設けているが、所定の性能を満足させるための適当な数が選択される。各々の流路規定部はドーナツ状であり、開口部が設けられており、開口部から順次下流側の流路規定部により形成される下流側の流路へと水もしくは水蒸気と原料ガスが移動していく。

次に、図１に示す水素生成装置及び燃料電池システムの構成例において、変成器２およびＣＯ除去器３と、蒸発器７との位置関係について説明する。前述したように、蒸発器７へは、原料ガス供給口５より原料ガスが、水供給口６より水がそれぞれ供給される。蒸発器７の上流部では水はまだ蒸発されずに温度が低く、具体的には常温から１００℃の間である。ＣＯ除去器３では酸化触媒が酸化反応をするが、その活性を十分に発現するための温度は約８０℃から２００℃程度である。ＣＯ除去器３を蒸発器７の上流側の外周部に設けて熱交換させることによりこの温度に保持することができる。また、蒸発器７では上流側から下流側へいくにつれて燃焼ガス流路１８内の燃焼ガスからの伝熱により徐々に温度が上昇し、最終的には水が完全に蒸発しさらにその水蒸気が加熱されており、具体的な温度は約１００℃から３００℃の間である。変成器２では変成触媒が変成反応を行うが、その活性を十分に発現するための温度は約１５０℃から４００℃程度である。ここで、変成器２を蒸発器７の下流側の外周部に設けて熱交換させることによりこの温度に保持することができる。ここで述べた蒸発器７の上流部及び下流部のそれぞれの温度は、機器の構成やシステムの違いにより、もしくは触媒種の相違による変成触媒もしくは酸化触媒の活性温度の違い等を考慮して、適宜適切な温度になるよう設計される。

本発明にかかる水素生成装置は、蒸発器に形成された流路の下流部で水蒸気生成による体積膨張が生じても流路圧損に大きな変動が生じず、水供給器からの安定した水の供給が可能になるとともに、安定した水素生成が可能になり、家庭用の燃料電池コジェネシステム用の水素生成装置等に有用である。

本発明の実施形態の水素生成装置の構成を模式的に示す断面図本発明の水素生成装置における蒸発器の一例を模式的に示した断面図本発明の水素生成装置における蒸発器の一例を模式的に示した断面図本発明の水素生成装置における蒸発器の一例を模式的に示した断面図本発明の水素生成装置における蒸発器の一例を模式的に示した断面図

符号の説明

１改質器
２変成器
３ＣＯ除去器
４燃料電池
５原料ガス供給口
６水供給口
７蒸発器
８内筒
９外筒
１０流路規定部
１１水
１２水蒸気
１３バーナ
１４燃焼筒
１５燃焼器
１７燃焼排気口
１８燃焼ガス流路
１００水素生成装置

Claims

内筒と、外筒と、該内筒及び外筒の間の環状空間に設けられた流路規定部とを有する蒸発器と、前記内筒の内周側から前記蒸発器を加熱する燃焼器と、前記蒸発器で発生した水蒸気と原料との混合ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを発生する改質器と、を備え、前記環状空間と前記流路規定部とによって形成される流路の断面積が、該水流路の上流側より下流側で大きくなることを特徴とする水素生成装置。
前記流路規定部は螺旋状であることを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。
前記流路規定部が、前記内筒及び外筒の少なくとも一方を加工して形成された突起部であることを特徴とする請求項１または２に記載の水素生成装置。
前記内筒の直径が上流側より下流側のほうが小さいことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
前記外筒の直径が上流側より下流側のほうが大きいことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
前記水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するＣＯ除去器を備え、前記ＣＯ除去器は、前記蒸発器の上流側の外周に設けられていることを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。
前記水素含有ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成器を備え、前記変成器は、前記蒸発器の下流側の外周に設けられていることを特徴とする請求項１または４に記載の水素生成装置。
請求項１〜７に記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。