JP2008159373A - 水素製造装置及び燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】オフガスに含まれる水蒸気が凝縮しても、凝縮水が加熱手段に達することを防ぐことができる水素製造装置を提供する。
【解決手段】炭化水素系燃料と水とから水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質部１と、改質ガスが供給される燃料電池２から返送されるオフガスを燃焼して改質部１を加熱する加熱手段３と、オフガスを加熱手段３に供給する燃料ガス供給管４と、燃焼用の空気を加熱手段３に供給する燃焼空気供給管５と、燃料ガス供給管４の途中に設けられ、オフガスに含まれる凝縮水を溜める水受け部６とを備える。燃料ガス供給管４を通過するオフガスに含まれる凝縮水を、水受け部６にトラップして溜めることができ、凝縮水が加熱手段３に達することを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを製造する水素製造装置および、水素製造装置で製造された改質ガスを利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池発電システムに関するものである。

燃料電池発電システムは、水素リッチな改質ガスを製造する水素製造装置と、製造された水素リッチな改質ガスを利用して発電する燃料電池とで主に構成されている。

水素製造装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料と水を用いた水蒸気改質反応によって、水素、メタン、一酸化炭素（１０％程度含有）、二酸化炭素、水蒸気を成分とする改質ガスを生成する改質部と、この改質部を加熱するためのバーナなどの加熱手段を備え、必要に応じて、燃料電池に対して被毒作用のある一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部から構成されている。そして水素製造装置で製造された改質ガスは燃料電池のアノードに供給され、燃料電池はこの改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させて発電をするようになっている。

ここで、燃料電池に供給された改質ガスのうち、燃料電池で消費されなかった水素を含む改質ガスはオフガスとして排出されるが、このオフガスは水素製造装置に返送され、加熱手段の燃料ガスとして使用されるようになっている。

このオフガスには通常、残留水素のほかに飽和状態にある水蒸気が含まれている。そしてオフガスに含まれるこの水蒸気が凝縮して水滴となって加熱手段に達すると、水滴を蒸発させるための蒸発潜熱分の熱量が消費されるために、改質部を加熱する温度が低下して水素製造装置の熱効率の低下を招くおそれがある。加えて、加熱手段の燃焼状態が不安定になって、排出される一酸化炭素量の増大や、ガス圧力の変動、火炎の失火などの問題を起こす可能性がある。

そこで、オフガスから水蒸気を凝縮分離し、水滴が加熱手段に達することを防ぐ方法が提案されている。例えば特許文献１では、燃料電池から排出されたオフガスを加熱手段に供給する前に熱交換部に通して冷却することによって、水蒸気を凝縮してオフガスから分離するようにしており、また特許文献２では、水蒸気を凝縮分離した後、オフガスを加熱することによって水滴が生成されることを一層防止するようにしている。
特開２００１−２２９９５２号公報 特開２００５−０５０７９８号公報

しかしながら、特許文献１のものでは、熱交換部を通過したオフガスの水蒸気は、依然として冷却後の温度に対して飽和状態にあり、熱交換部と加熱手段との間の経路を流れるオフガスの外部雰囲気への放熱等によってその温度が下がれば、飽和状態にある水蒸気が凝縮して水滴が再び発生するおそれがある。また特許文献２のものでは、水蒸気を分離した後の加熱が、制御上の問題や均一性の問題などで十分でなかったり、さらには水蒸気を分離した後の加熱部から加熱手段への経路で断熱が不十分であったり局所的に放熱があったりして、冷却されてしまうと、水蒸気の凝縮が発生することがある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮しても、凝縮水が加熱手段に達することを防ぐことができる水素製造装置および燃料電池発電システムを提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係る水素製造装置は、炭化水素系燃料と水とから水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質部１と、改質ガスが供給される燃料電池２から返送されるオフガスを燃焼して改質部１を加熱する加熱手段３と、オフガスを加熱手段３に供給する燃料ガス供給管４と、燃焼用の空気を加熱手段３に供給する燃焼空気供給管５と、燃料ガス供給管４の途中に設けられ、オフガスに含まれる凝縮水を溜める水受け部６とを備えて成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、燃料ガス供給管４を通過するオフガスに含まれる凝縮水を、水受け部６にトラップして溜めることができるものであり、凝縮水が加熱手段３に達することを確実に防止することができるものである。

また請求項２の発明は、請求項１において、燃料ガス供給管４を加熱手段３に上方から接続すると共に燃焼空気供給管５を加熱手段３の上方に配置して上側から加熱手段３に空気を供給することによって、加熱手段３の燃焼部７から火炎が下向きに噴出されるように形成し、水受け部６を、加熱手段３の発熱によって加熱される燃料ガス供給管４の、オフガスの露点温度以上の温度に加熱される箇所に設けて成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、水受け部６を加熱手段３の燃焼の際の発熱でオフガスの露点温度以上の温度に加熱することができ、水受け部６に溜まる凝縮水をこの露点温度以上の加熱で水蒸気に戻すことができるものであり、水受け部６から凝縮水があふれ出て加熱手段３に達することを防ぐことができるものである。

また請求項３の発明は、請求項１において、燃料ガス供給管４を加熱手段３に上方から接続すると共に燃焼空気供給管５を加熱手段３の上方に配置して上側から加熱手段３に空気を供給することによって、加熱手段３の燃焼部７から火炎が下向きに噴出されるように形成し、水受け部６を、加熱手段３の発熱によって加熱される燃料ガス供給管４の最も高い温度に加熱される箇所に設けて成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、水受け部６を加熱手段３の燃焼の際の発熱でオフガスの露点温度よりも高い温度に加熱することができ、水受け部６に溜まる凝縮水をこの高温の加熱で水蒸気に戻すことができるものであり、水受け部６から凝縮水があふれ出て加熱手段３に達することを防ぐことができるものである。

また請求項４の発明は、請求項２又は３において、水受け部６の下端が加熱手段３の燃焼部７から５００ｍｍ以下の高さの位置になるように、水受け部６を加熱手段３の上方に配置して成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、加熱手段３の燃焼による放熱によって水受け部６を効率良く加熱することができるものである。

また請求項５の発明は、請求項１において、燃料ガス供給管４を加熱手段３に上方から接続すると共に燃焼空気供給管５を加熱手段３の上方に配置して上側から加熱手段３に空気を供給することによって、加熱手段３の燃焼部７から火炎が下向きに噴出されるように形成し、水受け部６の下端が、燃焼空気供給管５の空気吐出口８より上方１００ｍｍと下方５０ｍｍの間の高さの位置になるように、水受け部６を配置して成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、水受け部６の底が燃焼空気供給管５の空気吐出口８から吐出される燃焼用空気によって局所的に冷やされることを防ぐことができ、水受け部６に溜まる凝縮水を水蒸気にすることが妨げられることを防止できるものである。

本発明の請求項６に係る燃料電池発電システムは、請求項１乃至５のいずれかに記載の水素製造装置Ａと、この水素製造装置Ａから供給される改質ガスを用いて発電する燃料電池２とを備えて成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、燃料電池２のオフガスを利用して加熱手段３を燃焼させることができ、オフガスを有効利用することができるものである。

本発明によれば、燃料ガス供給管４を通過するオフガスに含まれる凝縮水を、水受け部６にトラップして溜めることができ、凝縮水が加熱手段３に達することを確実に防止することができるものであり、また改質部１を加熱するための加熱手段３からの熱を利用して、水受け部６に溜まる凝縮水を加熱して水蒸気に戻し、凝縮水が加熱手段３に達することを確実に防ぐことができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、水素製造装置Ａは軸方向が縦の内筒１５と外筒１６を同心円状に配置した二重筒で全体を形成し、さらに内筒１５の内側に同心円状に燃焼筒１７を配置して設けてある。

燃焼筒１７の下部内には、燃焼筒１７内を上下に仕切るように燃焼板１９が設けてある。燃焼板１９の中央は上方へ凸屈曲した燃焼部７として形成してあり、燃焼部７の中央部に上側から貫通して、先端にノズル口を有する燃焼ノズル２０が取り付けてある。燃焼部７には上下に貫通して形成される複数の燃焼空気供給口２１が形成してある。燃焼ノズル２０には燃焼部７より上側において燃料ガス供給管４が接続してあり、また送風ファン２３に接続した燃焼空気供給管５が燃焼部７の上側において燃焼筒１７内に差し込んである。燃焼空気供給管５の下端は空気吐出口８として開口させてある。

上記の燃焼空気供給口２１を有する燃焼部７と燃焼ノズル２０によってバーナなどの加熱手段３が形成されるものである。そして燃料ガス供給管４から加熱手段３に供給された燃料ガスは、燃焼ノズル２０の下端のノズル口から燃焼部７の下方へ噴出され、また送風ファン２３から燃焼空気供給管５を通して供給された空気は空気吐出口８から吐出された後に、燃焼空気供給口２１を通過して燃焼部７の下方へ供給されるものであり（燃焼用の空気の流れを図１に細破線矢印で示す）、この燃料ガスと空気とが混合されて、燃焼部７から下方へ炎が噴出する燃焼が行なわれるものである。この燃焼は凸屈曲した形状の燃焼部７の下面凹部内の全体で火炎が生じるように行なわれる。燃焼筒１７と内筒１５の間には燃焼ガス流路２２が形成してあり、加熱手段３の燃焼部７での燃焼によって発生した高温の燃焼ガスは、燃焼筒１７の下端の開口からこの燃焼ガス流路２２を通過した後に排出されるようになっている（燃焼ガスの流れを図１に一点鎖線矢印で示す）。

一方、上記の内筒１５と外筒１６の間の上下は閉塞してあり、この内筒１５と外筒１６の間の閉塞された空間内はこれらと同心円の仕切り筒２４で内外に仕切ってある。仕切り筒２４は上部が小径筒部２４ａ、下部が大径筒部２４ｂとして形成してあり、大径筒部２４ｂと内筒１５との間に改質触媒を充填して改質部１が形成してある。また小径筒部２４ａと外筒１６の間には一酸化炭素除去触媒を充填して一酸化炭素除去部２５が形成してある。一酸化炭素除去部２５は図１の実施の形態では、ＣＯ変成触媒を充填したＣＯ変成部２５ａと、ＣＯ選択酸化触媒を充填したＣＯ選択酸化部２５ｂとで形成してある。また、内筒１５と小径筒部２４ａの間の空間部は導入流路２６として形成されるものであり、大径筒部２４ｂと外筒１６の間の空間部は移行流路２７として形成されるものである。図１において２８はＣＯ選択酸化部２５ｂにＣＯ選択酸化反応用の空気を供給する空気供給部、２９は改質温度検出センサー、３０は変成温度検出センサー、３１はＣＯ選択酸化温度検出センサーである。

導入流路２６には原料供給部３４と水供給部３５が接続してあり、原料供給部３４から都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料が、水供給部３５から水が、混合された状態で導入流路２６に供給されるようになっている。このように炭化水素系燃料と水が導入流路２６に供給されると、燃焼ガス流路２２を流れる高温の燃焼ガスによる加熱と、一酸化炭素除去部２５においてＣＯ変成反応やＣＯ選択酸化反応で発生する反応熱との熱交換による加熱によって、炭化水素系燃料と水蒸気との混合ガスが生成される。この混合ガスは改質部１に供給され、炭化水素系燃料と水が水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、上記のように加熱手段３の燃焼部７での燃焼で発生した高温の燃焼ガスを燃焼ガス流路２２に通し、改質部１を加熱して６００〜７００℃程度の改質反応温度に維持するものである。

改質部１で生成された改質ガスは、移行流路２７を通して一酸化炭素除去部２５に供給されるものであり、ＣＯ変成部２５ａでＣＯ変成反応により改質ガス中の一酸化炭素が低減され、さらにＣＯ選択酸化部２５ｂでＣＯ選択酸化反応によりさらに改質ガス中の一酸化炭素が除去される。このように一酸化炭素が除去された改質ガスは、燃料電池２に送り出される（図１に混合ガス及び改質ガスの流れを実線矢印で示す）。

燃料電池２はアノード３６とカソード３７を備えて形成されるものであり、上記のように水素製造装置Ａで製造された改質ガスはアノード３６に供給される。このようにアノード３６に改質ガスが供給されると、カソード３７に供給される空気中の酸素と改質ガス中の水素とが電気化学的反応をして発電するものである。

燃料電池２のアノード３６からは発電に消費されなかった水素を含む改質ガスがオフガスとして排出されるが、アノード３６には上記の燃料ガス供給管４が接続してあり、アノード３６から排出されたオフガスは燃料ガス供給管４を通して水素製造装置Ａに返送されるようにしてある。そしてオフガスは燃料ガス供給管４を通して加熱手段３の燃焼ノズル２０に供給され、オフガスを燃焼ガスとして加熱手段３の燃焼部７で燃焼されるものである（オフガスの流れを太破線矢印で示す）。尚、燃料ガス供給管４には原料供給部３４から炭化水素系燃料も供給されるようになっており、水素製造装置Ａの運転立ち上げ時や、オフガスの返送量が不足するときには、炭化水素系燃料を燃料ガスとして加熱手段３で燃焼されるものである。

本発明において、上記の燃料ガス供給管４には水受け部６が設けてある。オフガスには燃料電池２で消費されなかった残留水素の他に飽和状態にある水蒸気が含まれているが、この水蒸気が凝縮して水滴ができても、凝縮水は水受け部６に受けられて滞留し、燃料ガス供給管４から加熱手段３の燃焼ノズル２０に水滴が達しないようにしてある。従って、凝縮水が加熱手段３の燃焼ノズル２０に達して失火が起こったり、燃焼ノズル２０から噴出されるオフガスの圧力変動が起こったりすることを防ぐことができるものであり、加熱手段３を安定して燃焼させることができ、水素製造装置Ａを安定して運転することができるものである。

図２（ａ）は水受け部６の一例を示すものであり、上下方向に配置される燃料ガス供給管４の途中に燃料ガス供給管４の管径より大きなタンク４１を設けて水受け部６を形成するにあたって、燃料ガス供給管４の上流側の下端部４ａを水受け部６の上端に接続し、燃料ガス供給管４の下流側の上端部４ｂを水受け部６の下端に接続するようにしてある。そして燃料ガス供給管４の上流側の下端部４ａと下流側の上端部４ｂとを水平方向で位置をずらすようにしてあり、また燃料ガス供給管４の下流側の上端部４ｂを水受け部６の底面よりも上方に突出させて堰３９が形成されるようにしてある。このものでは、燃料ガス供給管４の上流側の下端部４ａから水受け部６に流入する凝縮水が、燃料ガス供給管４の下流側の上端部４ｂに直接入ってしまうことを、位置ずれによって防ぐことができ、凝縮水が加熱手段３に達することを防ぐことができるものである。また水受け部６内の凝縮水は堰３９を越える量が滞留しない限り、燃料ガス供給管４の下流側の上端部４ｂに流入することはない。

図２（ｂ）は水受け部６の他の一例を示すものであり、このものでは、燃料ガス供給管４の上流側の下端部４ａと下流側の上端部４ｂは上下方向で同一線上に位置しているが、水受け部６内において燃料ガス供給管４の上流側の下端部４ａと下流側の上端部４ｂの間に遮蔽板４０が設けてある。従ってこのものも、燃料ガス供給管４の上流側の下端部４ａから水受け部６に流入する凝縮水が、燃料ガス供給管４の下流側の上端部４ｂに直接入ってしまうことを、遮蔽板４０によって防ぐことができるものであり、凝縮水が加熱手段３に達することを防ぐことができるものである。このものでは、遮蔽板４０という部材で部品点数が増加するが、燃料ガス供給管４の上流側の下端部４ａと下流側の上端部４ｂの位置をずらす必要がないので、水受け部６を小さく形成することができるものである。

ここで、燃料ガス供給管４に設けた水受け部６は、加熱手段３の上側において燃焼筒１７内に配置されているものである。燃焼筒１７内は加熱手段３の燃焼による熱で高温雰囲気になっており、水受け部６に滞留する凝縮水はこの熱でオフガスの露点温度以上の温度に加熱されると、再び水蒸気となって、オフガスと共に燃料ガス供給管４から加熱手段３へと流れるものであり、水受け部６内の凝縮水が堰３９からあふれ出て、加熱手段３に凝縮水が達するようなことを防ぐことができるものである。

このように加熱手段３の燃焼による熱で加熱される位置に水受け部６を設けるにあたって、燃焼筒１７内に配管される燃料ガス供給管４のうち、オフガスの露点温度以上の温度に加熱される位置に水受け部６を設けるのが好ましい。このようにオフガスの露点温度以上の温度に加熱される位置に水受け部６を設けることによって、水受け部６に溜まる凝縮水を加熱して水蒸気に戻すことができるものであり、水受け部６から凝縮水があふれ出て加熱手段３に達することを防ぐことができるものである。

また燃焼筒１７内に配管される燃料ガス供給管４のうち、燃料ガス供給管４の最も高温に加熱される位置に水受け部６を設けるのが好ましい。このように最も高温に加熱される位置に水受け部６を設けることによって、水受け部６内をオフガスの露点温度以上の温度に容易に加熱することができ、水受け部６に溜まる凝縮水を容易に水蒸気に戻すことができるものであり、水受け部６から凝縮水があふれ出て加熱手段３に達することを確実に防ぐことができるものである。

また、水受け部６を燃料ガス供給管４に設ける位置は、加熱手段３の燃焼部７の上面から５００ｍｍ以内の高さＨ_１に水受け部６の下端が位置するように設定するのが好ましい。尚、高さＨ_１は、加熱手段３の燃焼部７の上面から上限５００ｍｍであるが、燃焼部７の上側に燃焼ノズル２０を設けるだけの空間が必要であるので、この空間の高さが下限である。このように水受け部６の下端の位置が加熱手段３の燃焼部７から５００ｍｍ以内の高さＨ_１に配置することによって、加熱手段３の燃焼部７からの放熱で水受け部６の下端を効率良く加熱することができるものであり、水受け部６の底部に溜まる凝縮水を効率高く水蒸気に戻すことができ、水受け部６から凝縮水があふれ出て加熱手段３に達することを確実に防ぐことができるものである。

また上記のように燃焼空気供給管５の下端の空気吐出口８から空気を吐出することによって、加熱手段３への燃焼用空気の供給が行なわれるが、空気吐出口８から吐出される空気で水受け部６の底部が局所的に冷やされると、水受け部６の底部に溜まる凝縮水を水蒸気に戻すこと妨げられるおそれがある。このため、水受け部６の下端が、燃焼空気供給管５の空気吐出口８より上方１００ｍｍと下方５０ｍｍの間の高さＨ_２の位置になるように、水受け部６を配置して成るのが好ましい。尚、図１の実施の形態では水受け部６の下端が燃焼空気供給管５の空気吐出口８よりも上方となるように図示しているが、上記の高さＨ_２の範囲内であれば、水受け部６の下端が空気吐出口８と同じ高さとなる状態であっても、空気吐出口８より下方となる状態であってもよい。水受け部６をこの位置に配置することによって、水受け部６の底が燃焼用空気によって局所的に冷やされることを防ぐことができるものであり、水受け部６の底部に溜まる凝縮水を効率高く水蒸気に戻すことができ、水受け部６から凝縮水があふれ出て加熱手段３に達することを確実に防ぐことができるものである。

ここで、燃焼部７の上面からの高さ（Ｈ_１）と燃料ガス供給管４の内部温度との関係を図３に示す。図３において横軸に燃焼部７の上面からの高さを、縦軸に燃料ガス供給管４の温度を示す。尚、オフガスの露点温度は５５℃であり、燃焼空気供給管５の空気吐出口８は燃焼部７の上面から１５０ｍｍの高さに設定してある。図３の実線グラフにみられるように、燃焼部７の上面から５００ｍｍ以内の燃料ガス供給管４の温度は露点温度以上であることが確認されるものであり、また燃料ガス供給管４の温度のピークは燃焼部７の上面から１５０ｍｍの高さである。そしてこの１５０ｍｍの高さは、燃焼空気供給管５の空気吐出口８の高さの位置でもある。従って、燃料ガス供給管４に設ける水受け部６の位置は、水受け部６の下端が燃焼空気供給管５の空気吐出口８と一致する高さ（すなわちＨ_２＝０）に設定するのが好ましい。また、燃焼空気供給管５を設けなかった場合の燃焼部７の上面からの高さと燃料ガス供給管４の内部温度との関係を、図３に破線グラフで示す。このように燃焼空気供給管５を設けないと、燃料ガス供給管４を高い温度で加熱することができないものであった。

本発明の実施の形態の一例を示す概略断面図である。 同上の水受け部を示すものであり、（ａ）（ｂ）はそれぞれ実施の形態の一例を示す断面図である。 燃焼部の上面からの高さと燃料ガス供給管の内部温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 改質部
２ 燃料電池
３ 加熱手段
４ 燃料ガス供給管
５ 燃焼空気供給管
６ 水受け部
７ 燃焼部
８ 空気吐出口

Claims (6)

1. 炭化水素系燃料と水とから水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、改質ガスが供給される燃料電池から返送されるオフガスを燃焼して改質部を加熱する加熱手段と、オフガスを加熱手段に供給する燃料ガス供給管と、燃焼用の空気を加熱手段に供給する燃焼空気供給管と、燃料ガス供給管の途中に設けられ、オフガスに含まれる凝縮水を溜める水受け部とを備えて成ることを特徴とする水素製造装置。
2. 燃料ガス供給管を加熱手段に上方から接続すると共に燃焼空気供給管を加熱手段の上方に配置して上側から加熱手段に空気を供給することによって、加熱手段の燃焼部から火炎が下向きに噴出されるように形成し、水受け部を、加熱手段の発熱によって加熱される燃料ガス供給管の、オフガスの露点温度以上の温度に加熱される箇所に設けて成ることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
3. 燃料ガス供給管を加熱手段に上方から接続すると共に燃焼空気供給管を加熱手段の上方に配置して上側から加熱手段に空気を供給することによって、加熱手段の燃焼部から火炎が下向きに噴出されるように形成し、水受け部を、加熱手段の発熱によって加熱される燃料ガス供給管の最も高い温度に加熱される箇所に設けて成ることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
4. 水受け部の下端が加熱手段の燃焼部から５００ｍｍ以下の高さの位置になるように、水受け部を加熱手段の上方に配置して成ることを特徴とする請求項２又は３に記載の水素製造装置。
5. 燃料ガス供給管を加熱手段に上方から接続すると共に燃焼空気供給管を加熱手段の上方に配置して上側から加熱手段に空気を供給することによって、加熱手段の燃焼部から火炎が下向きに噴出されるように形成し、水受け部の下端が、燃焼空気供給管の空気吐出口より上方１００ｍｍと下方５０ｍｍの間の高さの位置になるように、水受け部を配置して成ることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の水素製造装置と、この水素製造装置から供給される改質ガスを用いて発電する燃料電池とを備えて成ることを特徴とする燃料電池発電システム。

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