JP2010013302A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オフガスに含まれる水蒸気が凝縮すること無く加熱手段に達する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を含む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、オフガスが燃焼して発生する排気ガスが通過する排気ガス通路５を有する構成において、燃料ガス供給管４と排気ガス通路５の一部を接触して配置する。
【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を含む改質ガスを製造する水素製造装置に関するものである。

燃料電池発電システムは、水素を含む改質ガスを製造する水素製造装置と、製造された水素を含む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。

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ように、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構成、および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構成が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。
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の構成では、熱交換部を通過したオフガスの水蒸気が、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の構成では、オフガスを加熱するために専用の熱交換器用いるので、構成が複雑な上、さらに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すると、冷却されてしまい、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の凝縮を確実に防ぐことができる水素製造装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、オフガスを加熱手段に供給する燃料ガス供給管と、オフガスが燃焼して発生する排気ガスが通過する排気ガス通路を有する構成において、燃料ガス供給管と排気ガス通路の一部を接触し配置するものである。

本発明によれば、燃料ガス供給管を通過するオフガスを安定して加熱することにより、水蒸気の凝縮を防ぎ凝縮水が加熱手段に達することを確実に防ぐことができるとともに、排気ガス中の熱量を有効に活用できるものである。

第１の発明は、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を含む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、オフガスが燃焼して発生する排気ガスが通過する排気ガス通路を有する構成において、燃料ガス供給管と排気ガス通路の一部を接触し配置したことを特徴とするものである。

この発明によれば、燃料ガス供給管を通過するオフガスを加熱し確実にオフガスの温度を露点以上に高めることによりオフガスに含まれる水蒸気の凝縮を確実に防ぐことができるものである。

また第２の発明は、第１の発明において、燃料ガス供給管内のオフガスの流れと前記排気ガス通路内の排気ガスの流れが対向する方向に配置したことを特徴とするものである。

この発明によれば、オフガスと排気ガスが対向して流れる事により排気ガスからオフガスへの熱交換の効率が高まることにより安定してオフガスに含まれる水蒸気の凝縮を確実に防ぐことができるものである。

また第３の発明は、第１の発明において、燃料ガス供給管と排気ガス通路との接触する箇所の下端が改質部の上端より上方に配置したことを特徴とするものである。

この発明によれば、加熱部で発生したエネルギーは排気ガス通路より改質部と熱交換した後、燃料ガス供給管と熱交換する事により改質部１に必要な熱量を確実に伝えるとともに、オフガスの過加熱を防ぐ、あるいは熱量の有効活用ができるものである。

また第４の発明は、第１の発明において、燃料ガス供給管と排気ガス通路との接触箇所近傍の空間に熱伝導率が高い伝熱部材を充填配置したことを特徴とするものである。

この発明によれば、排気ガス通路から燃料ガス供給管への熱交換の効率を高めることにより安定してオフガスに含まれる水蒸気の凝縮を確実に防ぐことができるものである。

また第５の発明は、第１の発明において、燃料ガス供給管と排気ガス通路との接触箇所近傍を除く燃料ガス供給管の表面を覆う断熱材を配置したことを特徴とするものである。

この発明によれば、排気ガス通路から燃料ガス供給管への熱交換の効率を高めることにより安定してオフガスに含まれる水蒸気の凝縮を確実に防ぐことができるものである。

また第６の発明は、第１の発明において、加熱手段のオフガス燃焼が下向きで、改質部より上方に配置されたことを特徴とするものである。

この発明によれば、加熱部を水素製造装置の中央部に配置できるためコンパクトな構成が可能であるとともに、水素製造装置からの放熱を抑えることができる
以下、本発明を実施の形態を説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は本発明の実施の形態の一例を示し、水素製造装置８は軸方向が縦の内筒９と外筒１０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９の内側に同心円状に燃焼筒１１を配置して設けてある。

燃焼筒１１の下部内には、燃焼筒１１内を上下に仕切るように燃焼板１２が設けてある。燃焼板１２の中央は上方へ凸屈曲した燃焼部１３として形成してあり、燃焼部１３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１４が取り付けてある。

燃焼部１３には上下に貫通して形成される複数の燃焼空気供給口１５が形成してある。燃焼ノズル１４には燃焼部１３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１６に接続した燃焼空気供給管１７が燃焼部１３の上側において燃焼筒１１内に差し込んである。燃焼空気供給管１７の下端は空気吐出口として開口させてある。

上記の燃焼空気供給口１５を有する燃焼部１３と燃焼ノズル１４によってバーナなどの加熱手段３が形成される。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１４の下端のノズル口から燃焼部１３の下方へ噴出され、また送風ファン１６から燃焼空気供給管１７を通して供給された空気は空気吐出口から吐出された後に、燃焼空気供給口１５を通過して燃焼部１３の下方へ供給され（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１３から下方へ炎が噴出する燃焼が行なわれる。

この燃焼は凸屈曲した形状の燃焼部１３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１１と内筒９の間には排気ガス通路５が形成してあり、加熱手段３の燃焼部１３での燃焼によって発生した高温の排気ガスは、燃焼筒１１の下端の開口からこの排気ガス通路５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９と外筒１０の間の上下は閉塞してあり、この内筒９と外筒１０の間の閉塞された空間内はこれらと同心円の仕切り筒１８で内外に仕切ってある。

仕切り筒１８は上部が小径筒部１８ａ、下部が大径筒部１８ｂとして形成してあり、大径筒部１８ｂと内筒９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１８ａと外筒１０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１９が形成してある。また、内筒９と小径筒部１８ａの間の空間部は導入流路２０として形成されるものであり、大径筒部１８ｂと外筒１０の間の空間部は移行流路２１として形成されるものである。

導入流路２０には原料供給部２２と水供給部２３が接続してあり、原料供給部２２から都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料が、水供給部２３から水が、混合された状態で導入流路２０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２０に供給されると、排気ガス通路５を流れる高温の排気ガス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を含む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１３での燃焼で発生した高温の排気ガスを排気ガス通路５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。

改質部１で生成された改質ガスは、移行流路２１を通して一酸化炭素除去部１９に供給され、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２４とカソード２５を備えて形成され、上記のように水素製造装置８で製造された改質ガスはアノード２４に供給される。このようにアノード２４に改質ガスが供給されると、カソード２５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。

燃料電池２のアノード２４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２４には上記の燃料ガス供給管４が接続してあり、アノード２４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８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１４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１３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）。

なお、燃料ガス供給管４には原料供給部２２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８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、燃料ガス供給管４と排気ガス通路５はそれぞれその内部に流れるオフガス及び排気ガスが対向する方向に流れる様に接触するとともに、その接触部の下端は改質部１の上端より上方に配置されている。

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、排気ガス通路５の熱により燃料ガス供給管４が加熱される事によりオフガス内の水蒸気が凝縮する温度に低下することを防いでいる。

従って、水蒸気が凝縮し凝縮水が加熱手段３の燃焼ノズル１４に達して失火が起こったり、燃焼ノズル１４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る。

また改質部１では炭化水素系燃料と水が排気ガス通路５を流れる高温の排気ガスにより加熱され、炭化水素系燃料と水蒸気との混合ガスが生成されるが、燃料ガス供給管４と排気ガス通路５の接触部の下端が改質部１の上端より上方に配置することにより改質部に必要な熱量が燃料ガス供給管４に奪はれることが無く、安定した改質反応をさせることができる。

また改質部１の上端より上方の排気ガス通路５を流れる排気ガスの温度は４００℃以下に低下しており、燃料ガス供給管４内のオフガスを過加熱しオフガスの燃焼速度が上昇することに起因する燃焼部１３の不安定を防ぎ加熱手段３を安定して燃焼させることができ、結果として水素製造装置８を安定して運転することができるものである。

更に改質部１で利用されなかった熱をオフガスの加熱に利用でき水素製造装置８の効率も高めることができるものである。

図２は燃料ガス供給管４と排気ガス通路５が接触配置されている箇所の断面図であり、本発明において排気ガス通路５の内側に燃料ガス供給管４が接触し配置されている。また燃料ガス供給管４と排気ガス通路５の接触部近傍に伝熱部材６が充填されるとともに伝熱部材６が充填されていない側の燃料ガス供給管４の外側には断熱材７が配置されている。

伝熱部材６を配置することにより排気ガス通路５から燃料ガス供給管４への熱伝達を高めるとともに、組み立て等のバラツキにより燃料ガス供給管４と排気ガス通路５との接触が不安定になった場合でも安定した熱伝達が可能である。また燃料ガス供給管４の外側には断熱材７を配置することによりの燃料ガス供給管４が燃焼空気通過部２６により冷却されることを防ぐことができる。

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を含む改質ガスを製造する水素製造装置およびそれを組み込んだ燃料電池システムに利用することが可能である。

本発明の実施の形態の一例における水素製造装置を示す概略断面図 同水素製造装置の要部断面図

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 排気ガス通路
６ 伝熱部材
７ 断熱材
８ 水素製造装置

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を含む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前記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、前記オフガスが燃焼して発生する排気ガスが通過する排気ガス通路を有する構成において、前記燃料ガス供給管と前記排気ガス通路の一部を接触し配置したことを特徴とする水素製造装置。
2. 前記燃料ガス供給管内のオフガスの流れと前記排気ガス通路内の排気ガスの流れが対向する方向に流れる配置としたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記燃料ガス供給管と前記排気ガス通路との接触する箇所の下端が前記改質部の上端より上方に配置することを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
4. 前記燃料ガス供給管と前記排気ガス通路との接触箇所近傍の空間に熱伝導率が高い伝熱部材を充填した請求項１に記載の水素製造装置。
5. 前記燃料ガス供給管と前記排気ガス通路との接触箇所近傍を除く前記燃料ガス供給管の表面を覆う断熱材を設けた請求項１に記載の水素製造装置。
6. 前記加熱手段のオフガス燃焼が下向きで、前記改質部より上方に配置された請求項１に記載の水素製造装置