JP2008137832A - 水素生成装置、および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】酸化触媒に対して混合ガスをより均一に供給することが可能な水素生成装置を提供すること。
【解決手段】改質器と、変成器と、変成器から流出する水素含有ガスと空気供給口１４から供給される空気とを混合する混合器１９と、混合ガスを用いて水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための触媒８が環状に配置された触媒空間４０を有するＣＯ除去器とを備え、混合器１９は、変成器からの水素含有ガスと空気が合流する合流部４３を有する第１の環状空間２０と、第１の環状空間２０の下流に順に設けられた第２の環状空間２１と、第３の環状空間２２とを有し、合流部４３の混合ガスが第１の環状空間２０を半周以上回ってから第２の環状空間２１に供給され、第２の環状空間２１から第３の環状空間２２の全周に亘って供給されるとともに、第３の環状空間２２から触媒空間４０の全周に亘って供給されるように構成されている水素生成装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、改質反応により水素を生成する水素生成装置、および生成された水素を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池システムに用いられる水素生成装置は、さまざまなものが考案されて使用されており、例えば図５に示した従来技術の水素生成装置は非常にコンパクトであり、しかも高い水素生成効率を有している。この水素生成装置の動作について簡単に説明を行う（例えば、特許文献１参照）。

この水素生成装置１は、センタープラグ２を中心に、同心状に内筒３、中筒４、外筒５が配置されて構成されており、ルテニウムを主成分とする改質触媒６、銅と亜鉛を主成分とする変成触媒７、ルテニウムを主成分とする酸化触媒８が充填されている。又、改質器を加熱する燃料ガスの入口９と出口１０が設けられており、水素生成装置１は断熱材１１によって覆われている。

原料となる都市ガス等の炭化水素と水蒸気は、原料供給口１２から供給されて改質触媒６へ送られる。改質触媒６内で原料と水蒸気は水素を主成分とし、その他、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応のメタン、及び水蒸気を含む水素含有ガスとなる。この改質触媒６で生成された水素含有ガスは、燃料電池に有害となる一酸化炭素を１０〜１２％程度含んでいる。

この水素含有ガスは変成触媒７へ送られ、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素が水蒸気と反応してその濃度が０．５％程度にまで低減された水素含有ガスとなる。この水素含有ガスは配管１３を通って、空気供給口１４から供給された空気と混合されて酸化触媒８へ送られ、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下の燃料ガスとして燃料ガス出口管１５から燃料電池へ供給される。なお、図中に示すように変成触媒７が充填された空間と酸化触媒８が充填された空間との間を仕切るための仕切り板１６が設けられており、酸化触媒８上流にはヘッダー空間１７が設けられている。

通常、変成触媒７を通過した水素含有ガスと空気の混合が不十分であると酸化触媒８内での反応が不均一になってしまう。そうすると、酸化触媒８内で酸素濃度の高い箇所と低い箇所が存在することになり、酸素濃度の高い箇所では一酸化炭素のみならず余剰の酸素によって水素も酸化消費されてしまい過剰な酸化反応により触媒の劣化が促進され、逆に酸素濃度の低い箇所では一酸化炭素の除去が不十分になり、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が燃料電池に供給可能なレベルにまで十分に低減されない。

そこで、上記従来の水素生成装置１では変成触媒７を通過した水素含有ガスと空気を狭い配管１３内で混合させ、水素含有ガスと空気との混合性の向上を図っている。
特開２００４−２４７２４１号公報

しかしながら、酸化触媒８で一酸化炭素を効率的に除去するためには、上記従来の水素生成装置における変成触媒７を通過した水素含有ガスと空気の混合を均一化しただけでは十分ではない。

従来の水素生成装置１の酸化触媒８の上流部の温度分布を測定した結果を図６に示す。横軸のＡからＤは酸化触媒８の上流部の９０°間隔の位置を表しており、水素含有ガスと空気の混合ガスはＢとＣの中間位置から供給されている。ＡとＤに比べ、ＢとＣの温度が著しく高くなっており、環状に配置された酸化触媒８のうちＢとＣ方向に配置されている触媒に多くの混合ガスが流れて反応していることを表している。逆にＡとＤ方向には混合ガスがあまり流れていないことがわかる。

このように、配管１３を介してヘッダー空間１７に供給された混合ガスをそのまま酸化触媒８に供給すると、酸化触媒８の周方向に供給されるガス量が配管１３とヘッダー空間１７との接続口に近い方（Ｂ及びＣ）に偏り、不均一になってしまう。そのため、ガス流量の多いＢとＣ方向の触媒に反応の負荷が偏ってしまい、一酸化炭素を十分に除去することが出来ない場合や、触媒の劣化が促進されて触媒寿命が短くなる場合があるという課題がある。また、特許文献１における狭流路を変形した他の実施形態の上記水素生成装置についても１箇所の通過穴を介して狭流路とヘッダー空間とが連通するように構成されているため同様の課題が生じることが推測される（例えば、特許文献１の図４参照）。

本発明は、従来の水素生成装置の課題を考慮し、酸化触媒に対して混合ガスをより均一に供給することが可能な水素生成装置、及びそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の本発明は、
原料から水素含有ガスを生成する改質器と、
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ための変成器と、
前記変成器から流出する水素含有ガスに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器と、
前記変成器から流出する水素含有ガスと前記酸化ガスとを混合する混合器と、
前記混合器から流出する水素含有ガスと前記酸化ガスとの混合ガスを用いて水素含有ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減するための触媒が環状に配置された触媒空間を有するＣＯ除去器とを備え、
前記混合器は、
前記変成器からの水素含有ガスと前記酸化ガス供給器からの酸化ガスが合流する合流部を有する第１の環状空間と、
前記第１の環状空間の下流に設けられた第２の環状空間と、
前記第２の環状空間の下流に設けられた第３の環状空間とを有し、
前記合流部の前記水素含有ガス及び前記酸化ガスの混合ガスは、前記第１の環状空間を半周以上回ってから前記第２の環状空間に供給され、前記第２の環状空間の前記混合ガスは、前記第２の環状空間から前記第３の環状空間の全周に亘って供給されるとともに、前記第３の環状空間の前記混合ガスは前記第３の環状空間から前記触媒空間の全周に亘って供給されるように構成されている、水素生成装置である。

又、第２の本発明は、
前記第１の環状空間と前記第２の環状空間とを接続する第１の連通口と、
前記第２の環状空間と前記第３の環状空間を接続する複数の第２の連通口と、
前記第３の環状空間と前記触媒空間とを接続する複数の第３の連通口とを備え、
前記第１の連通口は、前記合流部と反対側に設けられ、
前記複数の第２の連通口は、前記第３の環状空間の全周に亘って設けられ、
前記第３の連通口は、前記触媒空間の全周に亘って設けられている、第１の本発明の水素生成装置である。

又、第３の本発明は、
前記第２の環状空間は、前記第１の環状空間の内周側に設けられている、第１の本発明の水素生成装置である。

又、第４の本発明は、
前記第２の連通口は、前記第３の連通口の数よりも少ない数、配置されている、第２の本発明の水素生成装置である。

又、第５の本発明は、
前記第１の連通口が、近接した状態で複数設けられている、第２の本発明の水素生成装置である。

又、第６の本発明は、
第１〜５のいずれか一つ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た、燃料電池システムである。

本発明によれば、酸化触媒に対して混合ガスをより均一に供給することが可能な水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムを提供することが可能である。

以下、本発明にかかる実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明にかかる実施の形態１における水素生成装置１８の概略構成図である。図１に示すように、本実施の形態１の水素生成装置１８は、前述の従来技術の水素生成装置１と基本的な構成は同じであり、同等の構成要素には同じ符号を付している。また燃料ガスを生成する動作も同じであるため説明は省略する。

始めに、本発明にかかる実施の形態１の水素生成装置の構成について説明する。

本実施の形態１の水素生成装置１８は筒形状であり、センタープラグ２と、センタープラグ２を中心に同心状に配置された内筒３、中筒４、外筒５を備えている。このような構成により、原料供給口１２から、内筒３と中筒４の間の環状空間を上方から下方へと通り、中筒４と外筒５の間の環状空間を下方から上方へと通って燃料ガス出口管１５まで続く流路が形成されている。又、センタープラグ２と内筒３との間の環状空間の燃焼ガス流路に燃焼ガスを供給するための燃焼ガス入口９と、燃焼ガス流路を通流した排気ガスが排出される燃焼ガス出口１０が設けられている。

又、ルテニウムを主成分とする改質触媒６は、内筒３と中筒４の間の環状空間に配置されており、銅と亜鉛を主成分とする変成触媒７と、ルテニウムを主成分とする酸化触媒８は、中筒４と外筒５の間の環状空間に配置されている。この変成触媒７が設けられている環状の変成触媒用空間４１（以下、空間４１という）と、酸化触媒８が設けられている環状の酸化触媒用空間４０（以下、空間４０という）の間には、変成触媒７を通過した水素含有ガスと酸化ガスとしての空気を混合するための混合器１９が設けられている。この混合器１９に本発明の酸化ガス供給器としての空気供給器（図示せず）から酸化ガスとしての空気を送り込むための空気供給口１４が設けられている。

次に、本発明にかかる実施の形態１における混合器１９の構成について説明する。

混合器１９の構成は図２において拡大して図示されている。図１と図２において、水素含有ガスと空気を混合する混合器１９は、下方から上方に向けて順に配置された４枚の環状の仕切り板２３、２４、２５、２６を有している。この仕切り板２３、仕切り板２４、中筒４及び外筒５によって環状の第１の空間２０が形成されている。この第１の空間２０の下流側には、仕切り板２４、仕切り板２５、中筒４及び外筒５によって環状の第２の空間２１が形成されている。この第２の空間２１の下流側には、仕切り板２５、仕切り板２６、中筒４及び外筒５によって環状の第３の空間２２が形成されている。

仕切り板２３には空気供給口１４の近傍に、空間４１と第１の空間２０を接続するための孔２７が１個設けられている。変成触媒７を通過した後、孔２７を通った水素含有ガスと空気の流れが、合流部４３でぶつかり合って２つの気体の混合が促進されるように構成されている。又、仕切り板２４には、混合器１９の中心軸１９ａを基準に空気供給口１４の反対側に、第１の空間２０と第２の空間２１を接続する孔２８が３個設けられている。仕切り板２５には、第２の空間２１と第３の空間２２を接続する孔２９が全周に亘って複数設けられている。第２の空間２１の混合ガスは、この複数の孔２９によって周方向に等分に分配されて第３の空間２２へと供給される。更に、仕切り板２６は多孔板にて構成されており、多孔板の孔４２によって第３の空間２２と、酸化触媒８が配置されている空間４１が接続されている。仕切り板２６は多孔板であるため、仕切り板２５と同様に全周に亘って孔４２が設けられており、仕切り板２５に設けられている孔２９よりも数多く形成されている。

尚、本発明の改質器の一例は、本実施の形態の改質触媒６に相当し、本発明の変成器の一例は、本実施の形態の変成触媒７に相当する。又、本発明のＣＯ除去器の一例は、本実施の形態の酸化触媒８に相当する。又、本発明の触媒空間の一例は、本実施の形態の空間４０に相当する。

又、本発明の第１の環状空間の一例は、本実施の形態の第１の空間２０に相当し、本発明の第２の環状空間の一例は、本実施の形態の第２の空間２１に相当し、本発明の第３の環状空間の一例は、第３の空間２２に相当する。

又、本発明の第１の連通口の一例は、本実施の形態の孔２８に相当し、本発明の第２の連通口の一例は、本実施の形態の孔４２に相当する。又、本発明の第３の連通口の一例は、本実施の形態の孔２９に相当する。

次に、本実施の形態１の混合器１９における水素含有ガスと空気との混合ガスの流れについて説明する。

空気供給口１４から供給された空気と、孔２７を通って第１の空間２０に入った水素含有ガスが合流部４３でぶつかり、２つの気体の混合が促進される。続いて、水素含有ガスと空気の混合ガスは、第１の空間２０を通ってほぼ半周し、仕切り板２４に設けられた３個の孔２８を通って第２の空間２１へ供給される。混合ガスは第１の空間２０内を流れるうちに更に混合し組成が均一化される。

組成が均一化された混合ガスは、孔２９を通って第２の空間２１から第３の空間２２へ周方向に等分に分配される。そして、第３の空間２２へ供給された混合ガスは、多孔板である仕切り板２６に形成された孔４２を通り、更に等分に分配されて空間４０に配置されている酸化触媒８へと供給される。

以上のように、本実施の形態の混合器１９では、水素含有ガスと空気は均一に混合され、しかも孔４２を介して第２の空間２１から第３の空間２２へ周方向に偏りの少ない均一なガス流れが形成され、酸化触媒８の周方向の各部分へ等しく供給することができるため、酸化触媒８において燃料電池に有害な一酸化炭素を効果的に除去することができる。そのため、酸化触媒８の一部の劣化が促進されて触媒寿命が短くなるという問題も解決でき、燃料電池システムを長期間にわたって安定に運転することができる。

なお、上記説明では孔２７を１個、孔２８を３個としたが、これらの孔数はガスの混合性や圧力損失を考慮して適宜最適化することが出来る。

また、本実施の形態では、孔２９の個数を孔４２の個数よりも少なくなるよう設置している。これは、孔２９の個数が増加すると混合ガスが第２の空間２１から第３の空間２２へ流れる際の圧力損失が減少し、第１の空間２０から第２の空間２１に導入された混合ガスの周方向の偏りが解消されない状態で、第２の空間２１から第３の空間２２へ混合ガスが導入される可能性があるが、これを防止するためである。

又、本実施の形態の混合器１９では、孔２８は中心軸１９ａを挟んで孔２７の実質上反対側の位置に形成されているが、この位置に限らず、例えば中心軸１９ａを基準に孔２７から１８０度以上混合ガスが回転することが可能な位置であればいずれの箇所に設けられていてもよい。尚、本発明の半周以上とは、図２に示されている孔２８のように合流部４３から半周に少し満たないものも含む。要するに、孔２８の位置は、合流部４３で混合されたガスの組成の均一化を図ることが可能な位置であればよい。

（実施の形態２）
図３は、本発明にかかる実施の形態２における水素含有ガスと空気の混合器３０の拡大図である。本実施の形態２の混合器３０は、実施の形態１の混合器１９と基本的な構成は同じであるが、混合器３０を構成する第１の空間３１と第２の空間３２と第３の空間３３のうち、第２の空間３２を第１の空間３１の内周側に設けている点が異なっている。従って、本相違点を中心に説明する。尚、図３において、図２と同等の構成要素には同じ符号を付している。

本実施の形態２の混合器３０では、実施の形態１と異なり仕切り板２４、２５が設けられておらず、仕切り板２３と仕切り板２６の間に仕切り板３６が設けられている。又、仕切り板２３、仕切り板３６、外筒５、及び中筒４によって形成された環状の空間を、内周側の空間と外周側の空間に区切るための環状の隔壁３４が設けられている。この隔壁３４によって区切られた外周側の空間を第１の空間３１とし、内周側の空間を第２の空間３２とする。この隔壁３４の孔２７と反対側の位置には、第１の空間３１と第２の空間３２とを接続するための孔３５が形成されている。

又、仕切り板３６、仕切り板２６、中筒４及び外筒５によって環状の第３の空間３３が形成されている。この仕切り板３６には、第２の空間３２の上方位置に第３の空間３３と第２の空間３２を接続するための孔３７が全周に亘って形成されている。一方、仕切り板３６の、第１の空間３１の上方位置には孔が形成されていないため、第１の空間３１と第３の空間３３は接続されていない。

尚、本発明の第１の環状空間の一例は、本実施の形態の第１の空間３１に相当し、本発明の第２の環状空間の一例は、本実施の形態の第２の空間３２に相当し、本発明の第３の環状空間の一例は、第３の空間３３に相当する。

又、本発明の第１の連通口の一例は、本実施の形態の孔３５に相当し、本発明の第２の連通口の一例は、本実施の形態の孔４２に相当する。又、本発明の第３の連通口の一例は、本実施の形態の孔３７に相当する。

次に、本実施の形態２の混合器における水素含有ガスと空気の流れについて説明する。

空気供給口１４から供給された空気と、孔２７を通って第１の空間３１に入った水素含有ガスとが合流部４３でぶつかり、２つの気体の混合が促進される。

この混合ガスは第１の空間３１を通ってほぼ半周して、隔壁３４に設けられた孔３５を通って第２の空間３２へ供給される。

第２の空間３２内で混合ガスは周方向に移動するとともに、仕切り板３６の周方向に設けた複数の孔３７を通り、周方向に偏りの少ない均一なガスの流れが形成されて第３の空間３３へ供給される。仕切り板２６は多孔板にて構成されており、第３の空間３３に供給された混合ガスは、多孔体の孔４２を通り、酸化触媒８が配置されている空間４０へ更に周方向に偏りの少ない均一な状態で分配されて供給される。

上述した本実施の形態の混合器３０を用いた水素生成装置において、選択酸化上流部の温度分布を測定した結果を図４に示す。図６に示した従来技術の測定値と同様に、図４の横軸のＡからＤは酸化触媒の上流部の９０°間隔の位置を表している。水素含有ガスと空気の混合ガスはＢとＣの中間位置から供給されている。

図６の測定結果に比べると、本実施の形態の混合器３０を用いると酸化触媒の上流部の温度分布が大きく改善されていることが明らかである。

このように、本実施の形態の混合器では、水素含有ガスと空気は均一に混合され、しかも孔３７を介して第２の空間から第３の空間へ周方向に偏りの少ない均一なガス流れが形成され、酸化触媒８の各部分へ等しく供給することができる。更に本実施の形態２の混合器３０は、高さ方向の長さを短く構成でき、水素生成装置をコンパクトにできるという特徴がある。

尚、上記説明では孔２７と孔３５を各々１個ずつとしたが、これらの孔数はガスの混合性や圧力損失を考慮して適宜最適化すれば良い。

また、本実施の形態では、孔３７の個数を孔４２の個数よりも少なくなるよう設置している。これは、孔３７の個数が増加すると混合ガスが第２の空間３２から第３の空間３３へ流れる際の圧力損失が減少し、第１の空間３１から第２の空間３２に導入された混合ガスの周方向の偏りが解消されない状態で、第２の空間３２から第３の空間３３へ混合ガスが導入される可能性があるが、これを防止するためである。

又、本実施の形態の混合器３０では、孔３５は中心軸３０ａを挟んで孔２７の実質上反対側の位置に形成されているが、この位置に限らず、例えば中心軸３０ａを基準に孔２７から１８０度以上混合ガスが回転することが可能な位置であればいずれの箇所に設けられていてもよい。尚、本発明の半周以上とは、孔３５の位置を合流部４３から半周に少し満たない位置とした場合も含む。要するに、孔３５の位置は、合流部４３で混合されたガスの組成の均一化を図ることが可能な位置であればよい。

又、上述した実施の形態の水素生成装置を用いて生成された水素を燃料電池に供給することによって燃料電池システムを構成することが出来る。

本発明の水素生成装置は、酸化触媒に対して混合ガスをより均一に供給することが出来るという効果を有し、燃料電池システム等として有用である。

本発明にかかる実施の形態１における水素生成装置の概略構成図 本発明にかかる実施の形態１における混合器の拡大図 本発明にかかる実施の形態２における混合器の拡大図 本発明にかかる酸化触媒の上流部の温度分布のグラフを示す図 従来の水素生成装置の概略構成図 従来の水素生成装置における酸化触媒の上流部の温度分布のグラフを示す図

符号の説明

１ 従来の水素生成装置
２ センタープラグ
３ 内筒
４ 中筒
５ 外筒
６ 改質触媒
７ 変成触媒
８ 酸化触媒
９ 燃焼ガス入口
１０ 燃焼ガス出口
１１ 断熱材
１２ 原料供給口
１４ 空気供給口
１５ 燃料ガス出口管
１８ 水素生成装置
１９ 混合器
２０ 第１の空間
２１ 第２の空間
２２ 第３の空間
２３、２４、２５、２６ 仕切り板
２７、２８、２９ 孔
３０ 混合器
３１ 第１の空間
３２ 第２の空間
３３ 第３の空間
３４ 隔壁
３５ 孔
３６ 仕切り板
３７ 孔

Claims (6)

1. 原料から水素含有ガスを生成する改質器と、
   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ための変成器と、
   前記変成器から流出する水素含有ガスに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器と、
   前記変成器から流出する水素含有ガスと前記酸化ガスとを混合する混合器と、
   前記混合器から流出する水素含有ガスと前記酸化ガスとの混合ガスを用いて水素含有ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減するための触媒が環状に配置された触媒空間を有するＣＯ除去器とを備え、
   前記混合器は、
   前記変成器からの水素含有ガスと前記酸化ガス供給器からの酸化ガスが合流する合流部を有する第１の環状空間と、
   前記第１の環状空間の下流に設けられた第２の環状空間と、
   前記第２の環状空間の下流に設けられた第３の環状空間とを有し、
   前記合流部の前記水素含有ガス及び前記酸化ガスの混合ガスは、前記第１の環状空間を半周以上回ってから前記第２の環状空間に供給され、前記第２の環状空間の前記混合ガスは、前記第２の環状空間から前記第３の環状空間の全周に亘って供給されるとともに、前記第３の環状空間の前記混合ガスは前記第３の環状空間から前記触媒空間の全周に亘って供給されるように構成されている、水素生成装置。
2. 前記第１の環状空間と前記第２の環状空間とを接続する第１の連通口と、
   前記第２の環状空間と前記第３の環状空間を接続する複数の第２の連通口と、
   前記第３の環状空間と前記触媒空間とを接続する複数の第３の連通口とを備え、
   前記第１の連通口は、前記合流部と反対側に設けられ、
   前記複数の第２の連通口は、前記第３の環状空間の全周に亘って設けられ、
   前記第３の連通口は、前記触媒空間の全周に亘って設けられている、請求項１記載の水素生成装置。
3. 前記第２の環状空間は、前記第１の環状空間の内周側に設けられている、請求項１記載の水素生成装置。
4. 前記第２の連通口は、前記第３の連通口の数よりも少ない数、配置されている、請求項２記載の水素生成装置。
5. 前記第１の連通口が、近接した状態で複数設けられている、請求項２記載の水素生成装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一つ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た、燃料電池システム。

Images