JP2009234864A - 水素製造装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を図ることなく、水素の製造効率を向上させることができる水素製造装置を提供する。
【解決手段】底部３８に、筒体３１ｂの先端部３１ｃへ向かって突出する突出部４３を設け、燃焼筒３１の筒体３１ｂにより底部３８へ向けてガイドされた排ガスＥを、筒体３１ｂの先端部３１ｃ側で突出部４３によって分岐し、スムーズに排ガス流路３３の下端開口部３３ａへ流れ込ませる。これによって、排ガス流路３３に効率よく排ガスＥを通過させ、燃焼筒３１を大きくすることなく改質部３２に十分な熱量を供給する。また、排ガスＥを排ガス流路３３の下端開口部３３ａへスムーズに流れ込ませて、底部３８付近に溜まってしまうことを防止することで、一酸化炭素除去装置２２へ伝達される熱量を減少させ、これによって、一酸化炭素除去装置２２の温度制御を容易とすると共に、一酸化炭素除去効率の低下を抑制する。
【選択図】図３

Description

この発明は、例えば灯油等の水素製造原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置、及びこれを備えた燃料電池システムに関する。

従来の水素製造装置として、バーナ（燃焼部）からの火炎及び排ガスを下方へ向かってガイドする燃焼円筒体（燃焼筒）、燃焼円筒体を囲むように配置されて改質ガスを生成する改質部、及び燃焼円筒体と改質部との間に形成される燃焼ガス流路（排ガス流路）を有する高温ユニット（改質装置）と、改質ガス中の一酸化炭素を低減する低温ユニット（一酸化炭素除去装置）と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１）。このような水素製造装置においては、燃焼円筒体によってガイドされた排ガスが高温ユニットの底部へ向かった後にその底部付近で方向転換し、上方へ向かって燃焼ガス流路に流れ込むことによって改質部を熱している。
特開２００３−３００７０３号公報

ここで、上記水素製造装置にあっては、燃焼ガス流路を通過する排ガスの熱量が不十分で改質効率が悪くなるため、結果として水素の製造効率が低下してしまうおそれがあり、一方、改質部に供給する熱量を増加させるためにバーナや燃焼円筒体を大きくして発生する排ガスを増加させた場合にあっては、装置が大型化してしまうという問題があった。また、燃焼円筒体からの排ガスがスムーズに燃焼ガス流路へ流れ込まずに底部付近に高温の排ガスが溜まってしまい、その熱量が低温ユニットに伝達されてしまう場合があった。そのため、低温ユニットの温度制御が困難になると共に一酸化炭素の除去効率が悪くなり、結果として水素の製造効率が低下してしまうという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、装置の大型化を図ることなく、水素の製造効率を向上させることができる水素製造装置及び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、本発明に係る水素製造装置は、燃焼部と該燃焼部からの火炎及び排ガスを下方へ向けてガイドする筒体とを有する熱源としての燃焼筒、燃焼筒を囲むように配置されると共に水素製造用原料を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質部、及び燃焼筒と改質部との間に形成されると共に、筒体の下側の先端部からの排ガスを通過させる排ガス流路を有する改質装置と、改質装置と底部を介して連結され、改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去装置と、を備え、改質装置の底部には、筒体の先端部へ向かって突出する突出部が設けられていることを特徴とする。

この水素製造装置によれば、燃焼筒には、燃焼部からの排ガスを下方へ向けてガイドする筒体が設けられており、燃焼筒と改質部との間には、筒体の下側の先端部からの排ガスを通過させる排ガス流路が設けられており、また、底部には、筒体の先端部へ向かって突出する突出部が設けられている。したがって、燃焼筒の筒体により下方へ向けてガイドされた排ガスは、筒体の先端部側で突出部によって分岐されるため、スムーズに排ガス流路へ流れ込むことができる。これによって、排ガス流路に効率よく排ガスを通過させ、燃焼筒を大きくすることなく改質部に十分な熱量を供給することができる。また、排ガスを排ガス流路へスムーズに流れ込ませて、底部付近に溜まってしまうことを防止することで、一酸化炭素除去装置へ伝達される熱量を減少することができ、これによって、一酸化炭素除去装置の温度制御を容易とすると共に、一酸化炭素除去効率の低下を抑制することができる。以上によって、装置の大型化を図ることなく、水素の製造効率を向上させることができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、突出部は、底部から筒体の先端部へ向かって先細となることが好ましい。この水素製造装置によれば、突出部が底部から筒体へ向かって先細となっているため、筒体からの排ガスを分岐し易くなると共に、その傾斜面で排ガスを側方へガイドすることが可能となり、これによって一層スムーズに排ガス流路へ流れ込ませることができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、突出部は、中空であることが好ましい。この水素製造装置によれば、中空とすることによって突出部の断熱性を向上させ、一酸化炭素除去装置へ伝達される熱量を一層減少することができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、突出部の内部に断熱部材を配置することが好ましい。この水素製造装置によれば、突出部の内部に断熱部材を配置することによって、一酸化炭素除去装置へ伝達される熱量を一層減少することができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、改質装置の底部と一酸化炭素除去装置との間に断熱部材を設けることが好ましい。この水素製造装置によれば、底部と一酸化炭素除去装置との間に設けられた断熱部材によって、一酸化炭素除去装置へ伝達される熱量を一層減少することができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、改質装置の底部と一酸化炭素除去装置との間に空気層を設けることが好ましい。この水素製造装置によれば、底部と一酸化炭素除去装置との間に設けられた空気層によって、一酸化炭素除去装置へ伝達される熱量を一層減少することができる。

本発明に係る燃料電池システムは、上述した水素製造装置を備えている。この燃料電池システムによれば、上述の水素製造装置を備えていることから、装置の大型化を図ることなく、水素の製造効率を向上させ、効率よく電力を発生させることができる。

本発明によれば、装置の大型化を図ることなく、水素の製造効率を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図、図２は本発明の一実施形態に係る水素製造装置を示す概略構成図である。燃料電池システム１は、水素製造用原料を用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、水素製造用原料としては、水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に入手できる水素製造用原料の好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの炭化水素油を挙げることができる。なかでも液体燃料であると好ましく、特に灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。

図１に示すように、燃料電池システム１は、水素製造装置（ＦＰＳ）２、脱硫器３、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）スタック４、インバータ５、及びこれらを収容する筐体６を備えている。

脱硫器３は、外部から導入された水素製造用原料を脱硫するものである。この脱硫器３には、ヒータ（図示せず）が設けられており、これにより、脱硫器３は、例えば水素製造用原料を１１０℃〜１３０℃まで加熱するようになっている。

水素製造装置２は、水素製造用原料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質装置２１と一酸化炭素除去装置２２を有している。改質装置２１は、水素製造用原料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを製造するものであり、燃焼筒３１及び改質部３２を有している。また、一酸化炭素除去装置２２は、改質ガス中の一酸化炭素を低減するものであり、シフト部２３及び選択酸化部２５を有している。

改質装置２１の改質部３２は、脱硫器３から脱硫された水素製造用原料を供給されると共に、外部から水蒸気（水）を供給される。そして、脱硫された水素製造用原料と水蒸気（水）とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。また、改質装置２１の燃焼筒３１は、改質部３２の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。なお、燃焼筒３１の燃料として、装置の起動時には脱硫器３からの水素製造用原料を用い、運転中は、ＰＥＦＣスタック４からのオフガスを用いることが好ましい。

一酸化炭素除去装置２２のシフト部２３は、改質部３２で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度（ＣＯ）を低減するため、一酸化炭素を水と反応させ、水性シフト反応により水素と二酸化炭素に転換するためのものである。また、選択酸化部２５は、シフト部２３で処理された改質ガスの一酸化炭素濃度を更に低減させるため、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化することにより二酸化炭素にするものである。

ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（図示せず）が積み重ねられて構成されており、水素製造装置２で得られた改質ガスを用いて発電して直流（ＤＣ）電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された固体高分子である電解質とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。

インバータ５は、出力されたＤＣ電流を交流（ＡＣ）電流に変換する。筐体６は、その内部に水素製造装置２、脱硫器３、ＰＥＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容する。

図２は、水素製造装置２の具体的な構成を示す概略構成図である。図２に示すように、水素製造装置２の改質装置２１は、バーナ（燃焼部）３１ａとバーナ３１ａからの火炎及び排ガスＥを下方へ向けてガイドする筒体３１ｂとを有する熱源としての燃焼筒３１と、燃焼筒３１を囲むように配置され、水素製造用原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部３２と、改質部３２と燃焼筒３１との間に設けられた排ガス流路３３と、改質部３２に導入される改質用水が通る上部水路３４と、底部３８に設けられた突出部４３とを有している。この改質装置２１では、燃焼筒３１を同軸的に取り囲むように、内周側から排ガス流路３３、改質部３２、上部水路３４の順番で外形が略円柱状に配置されている。

燃焼筒３１は、筒状の筒体３１ｂの上端部にバーナ（燃焼部）３１ａを取り付けることによって構成される。この燃焼筒３１は、バーナ３１ａから下方へ火炎Ｆを噴射することによって排ガスＥを発生させ、筒体３１ｂによって、バーナ３１ａからの火炎Ｆ及び排ガスＥを下方へガイドする。また、筒体３１ｂの下側の先端部は開口すると共に自由端部とされている。なお、バーナ３１ａが筒体３１ｂの上端部に取り付けられ下向きに配置されているため、液だれなどの入り込みを防止することができる。

改質部３２は、その内部に改質反応を行うための改質触媒を有し、燃焼筒３１との間に隙間が設けられるように、燃焼筒３１を取り囲んで配置される。改質部３２は、上端側から水素製造用原料である灯油と水蒸気を取り込み、下端側の出口から改質ガスを出す。改質部３２と燃焼筒３１との間には、排ガスＥを通過させるための排ガス流路３３が設けられ、改質部３２の下端側には改質ガスを一酸化炭素除去装置２２へガイドするための改質ガス流路４２が設けられ、改質部３２の外周側には改質部３２へ供給するための水蒸気をガイドするための上部水路３４が設けられる。

このように構成された改質装置２１においては、外部からの灯油と上部水路３４を通過する水蒸気とが、改質部３２へ供給され、改質触媒で水蒸気改質反応された後、改質ガスとして改質部３２の下端側から改質ガス流路４２へ供給される。このとき、バーナ３１ａの燃焼によって発生した排ガスＥが、筒体３１ｂの先端部側から改質部３２の下部内側面に供給され、改質部３２を加熱しながら排ガス流路３３内を上方に向かって通過し、外部へ排気される。なお、このとき、改質部３２の上端部側は４００℃程度まで加熱され、下端部側は７００℃程度まで加熱される。

上述のように、改質装置２１においては、燃焼筒３１に直接改質部３２が接するのではなく、その間に排ガス流路３３が設けられているため、改質部３２が燃焼筒３１の熱により直接炙られることがなく、改質部３２の触媒へのダメージを低減することができる。また、改質部３２は、その下部に改質ガスの出口を有し、燃焼筒３１からの排ガスは改質部３２下部の内側面に供給されてから、排ガス流路３３を通って上方に抜けるため、改質ガスの出口付近に熱を集中させ改質を促進させて、未改質ガスの流出を抑えることができる。

一酸化炭素除去装置２２は、改質装置２１で生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去するものである。一酸化炭素除去装置２２は、改質装置２１とその底部３８側で連結されており、縦型の水素製造装置２が構成されている。このように、熱供給が必要な改質装置２１を上部に配置する一方、冷却が必要な一酸化炭素除去装置２２を下部に配置したので、改質装置２１の周りを一酸化炭素除去装置が同軸に取り囲む構成とする場合と比べて熱効率を上げることができると共に、スリムな構成とすることができる。

一酸化炭素除去装置２２は、略円柱状の第１領域Ｓ１と、第１領域Ｓ１の外周側に位置し、第１領域Ｓ１と同軸の環状領域である第２領域Ｓ２と、第２領域Ｓ２の外周側に位置し、第１領域Ｓ１と同軸の環状領域である第３領域Ｓ３と、第３領域Ｓ３の外周側に位置し、第１領域Ｓ１と同軸の環状領域である第４領域Ｓ４を備えている。

第２領域Ｓ２には、改質ガス中の一酸化炭素を水と二酸化炭素とに転化する水性シフト反応によって一酸化炭素を低減するシフト部２３が設けられている。シフト部２３は、高温シフト部２３ａと低温シフト部２３ｂとを有しており、それぞれ異なる温度領域で活性化するシフト触媒が設けられている。改質装置２１からの改質ガスは、７００°Ｃ程度の非常に高い温度であり、高温シフト部２３ａには、高温での水性シフト反応の促進に有利なシフト触媒が収容されている。シフト触媒としては、例えばＦｅ−Ｃｒの混合酸化物が挙げられる。低温シフト部２３ｂには、高温シフト部２３ａのシフト触媒よりも低い温度での水性シフト反応の促進に有利なシフト触媒が収容されている。シフト触媒としては、例えばＺｎ−Ｃｕの混合酸化物が挙げられる。このシフト部２３による水性シフト反応により、改質ガス中に含まれるＣＯ濃度は１％程度にまで軽減される。なお、シフト部２３の入口には、改質装置２１からの改質ガスを入口全体に亘って分散させる分散板４９が設けられている。この分散板４９は、例えば複数の穴が空けられたパンチングメタルであり、ガス流量を制限することで、改質ガスを周方向に分散する。

第１領域Ｓ１には、シフト部２３からの改質ガスが流れる中央ガス流路５１と、中央ガス流路５１からの改質ガスと酸素含有ガスとしての空気とを混合するチャンバ５２とが設けられている。なお、中央ガス流路５１には細径の空気導入パイプ５３が設けられており、ＦＰＳ２外部から空気導入パイプ５３を通してチャンバ５２に空気が導入されるようになっている。

第３領域Ｓ３には、チャンバ５２からの混合ガスが流れる混合ガス流路２６と、混合ガス流路２６で冷却された混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部２５とが設けられている。選択酸化部２５では、ＣＯ濃度は１０ppm以下にまで低減される。選択酸化部２５の下部には、図２に示すように、高純度の水素ガスを含む改質ガスが流出する改質ガス流出部５８が設けられている。この改質ガス流出部５８への導出口５９から、改質ガスが導出される。

第４領域Ｓ４には、チャンバ５２からの混合ガスを冷却する冷却部が設けられている。この冷却部は、第３領域と第４領域とを区画する内側筒体６０とこれを囲む外側筒体６１との間の改質用水流路２７として構成されている。この冷却部としての改質用水流路２７を改質用水が流れることで、混合ガス流路２６の部位で改質用水と混合ガスとが熱交換し、混合ガスが冷却される。なお、改質用水流路２７は混合ガス流路２６の下方に設けられた選択酸化部２５の下部まで延びており、選択酸化部２５をも冷却する。

改質装置２１と一酸化炭素除去装置２２とは、改質ガスの流路を構成する連絡流路４１と、改質装置２１の上部水路３４と一酸化炭素除去装置２２の改質用水流路２７とを連結して改質用水の流路を構成する連絡流路６２とから構成されている。

また、改質装置２１と一酸化炭素除去装置２２との間、具体的には、底部３８の下面側には空気層４４と断熱部材４５が設けられている。

次に、水素製造装置２の改質装置２１の底部３８付近の構成について説明する。図３は、図２のＡ部の拡大断面図である。図３に示すように、改質装置２１の底部３８には、燃焼筒３１の筒体３１ｂの先端部３１ｃと対向するように離間して、突出部４３が設けられている。この突出部４３は、底部３８から筒体３１ｂの先端部３１ｃへ向かって先細となるように突出する略ドーム状の中空体によって構成されている。この突出部４３は、ステンレス鋼やインコネル（登録商標）などで形成される。この突出部４３の内部では、底部３８の上面にセラミクスなどから形成される断熱部材４６が配置されている。底部３８の下面側には、セラミクスなどから形成される断熱部材４５が設けられることによって、底部３８の下面側の断熱性が高められている。更に、この断熱部材４５が底部３８の下面から離間配置されることによって、断熱部材４５と底部３８との間に空気層４４が形成される。このように、断熱部材４６、４５や空気層４４を設けることによって底部３８の断熱性を向上させ、改質装置２１から一酸化炭素除去装置２２へ伝達される熱量を減少することができる。

以上によって、本実施形態に係る水素製造装置２によれば、底部３８に、筒体３１ｂの先端部３１ｃへ向かって突出する突出部４３が設けられているため、燃焼筒３１の筒体３１ｂにより下方へ向けてガイドされた排ガスＥは、筒体３１ｂの先端部３１ｃ側で突出部４３によって分岐されるため、スムーズに排ガス流路３３の下端開口部３３ａへ流れ込むことができる。これによって、排ガス流路３３に効率よく排ガスＥを通過させ、燃焼筒３１を大きくすることなく改質部３２に十分な熱量を供給することができる。また、排ガスＥを排ガス流路３３の下端開口部３３ａへスムーズに流れ込ませて、底部３８付近に溜まってしまうことを防止することで、一酸化炭素除去装置２２へ伝達される熱量を減少させることができ、これによって、一酸化炭素除去装置２２の温度制御を容易とすると共に、一酸化炭素除去効率の低下を抑制することができる。以上によって、装置の大型化を図ることなく、水素の製造効率を向上させることができる。

また、突出部４３は、底部３８から筒体３１ｂの先端部３１ｃへ向かって先細となっているため、筒体３１ｂからの排ガスＥを分岐し易くなると共に、突出部４３の傾斜面４３ａで排ガスＥを側方へガイドすることが可能となり、これによって一層スムーズに排ガス流路３３の下端開口部３３ａへ流れ込ませることができる。

特に、灯油などの液体系炭化水素を原燃料とする水素製造装置２では、気体系炭化水素よりも改質装置２１に高い熱量を供給することが必要とされるため、改質装置２１側から一酸化炭素除去装置２２へ伝達される熱量を減少させることができる本発明は効果的である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではない。

例えば、上述した実施形態では、突出部４３としては、略ドーム状の中空体を用いたが、これに代えて、円錐状の中空体や円錐台状の中空体など、様々な形状を有していてもよい。あるいは先細となっていない円柱状の中空体を配置してもよく、このような形状でも排ガスＥを分岐させることができる。

また、突出部４３で分岐した排ガスＥを下端開口部３３ａ側から排ガス流路３３へ流入させているが、これに代えて、図４に示すように、排ガス流路３３に熱伝達媒体５０を充填すると共に、それらの熱伝達媒体５０を下端開口部３３ａにリング４８を固定することによって支持し、下端開口部３３ａの壁面に燃焼筒３１と排ガス流路３３とを連通する連通孔３１ｄを形成して、その連通孔３１ｄから排ガスＥを流入させる構成としてもよい。このような場合、連通孔３１ｄの高さまで突出する円錐台状の突出部４７を配置することによって、排ガスＥをガイドしてスムーズに連通孔３１ｄへ流入させることができる。この場合も突出部は円錐状、ドーム状、円柱状など様々な形状を有していてもよい。

また、突出部４３は、中空体とされ、その内部にセラミクスからなる断熱部材４６を配置する構成とされているが、これに代えて、突出部４３自体をセラミクスで形成し、断熱部材４６を配置しない構成としてもよい。また、突出部４３は中空でなくてもよい。

更に、スタックは、ＰＥＦＣスタックに限らず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形あるいは固体酸化物形などの他の形式のスタックであってもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る水素製造装置を示す概略構成図である。 図２中のＡの部分拡大断面図である。 変形例に係る水素製造装置の拡大断面図であり、図３に対応する図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…水素製造装置、２１…改質装置、２２…一酸化炭素除去装置、３１…燃焼筒、３１ａ…バーナ（燃焼部）、３１ｂ…筒体、３２…改質部、３１ｃ…先端部、３３…排ガス流路、３８…底部、４３…突出部、４６…断熱部材、４４…空気層、４５…断熱部材。

Claims (7)

1. 燃焼部と該燃焼部からの火炎及び排ガスを下方へ向けてガイドする筒体とを有する熱源としての燃焼筒、前記燃焼筒を囲むように配置されると共に水素製造用原料を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質部、及び前記燃焼筒と前記改質部との間に形成されると共に、前記筒体の下側の先端部からの前記排ガスを通過させる排ガス流路を有する改質装置と、
   前記改質装置の底部側に連結され、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去装置と、を備え、
   前記改質装置の前記底部には、前記筒体の前記先端部へ向かって突出する突出部が設けられていることを特徴とする水素製造装置。
2. 前記突出部は、前記底部から前記筒体の前記先端部へ向かって先細となることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
3. 前記突出部は、中空であることを特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
4. 前記突出部の内部に断熱部材を配置することを特徴とする請求項３記載の水素製造装置。
5. 前記改質装置の前記底部と前記一酸化炭素除去装置との間に断熱部材を設けることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の水素製造装置。
6. 前記改質装置の前記底部と前記一酸化炭素除去装置との間に空気層を設けることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の水素製造装置。
7. 請求項１〜６に記載の水素製造装置を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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