JP2010275117A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発部に設けた螺旋部に沿って一酸化炭素除去部が冷却され温度分布が発生しＣＯ除去特性が不安定になる。
【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、改質ガスより一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去部２と前記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１を加熱するバーナ部３と、バーナ部３で発生する燃焼排気ガスが通る排気ガス通路６と水を排気ガス経路からの熱により水蒸気に変える螺旋状の通路からなる蒸発部３と、一酸化炭素除去部を加熱する螺旋状のヒーター５を有し、バーナ部３を中心に排気ガス通路６、蒸発部４、一酸化炭素除去部２ヒーター５の順番に周囲方向に向け円筒状に配置し蒸発部４の螺旋状通路の始点とヒーター５の螺旋の始点を一致して配置している。
【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。

このとき、改質ガスの一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部がその効果を発揮するには一酸化炭素除去部を一定範囲の温度に保つ必要がある。燃料電池発電システムが安定して運転している場合は改質ガスとともに運ばれる熱により必要な温度になっているが、システムが起動した直後は一酸化炭素除去部への熱の供給が不足し一酸化炭素除去部の温度が低くなり一酸化炭素を除去出来ない問題を起こす可能性がある。

そこで、システム起動時に一酸化炭素除去部を外部より加熱する手段が提案されている。例えば特許文献１では、水を蒸発させる蒸発部に螺旋形状を構成しその内側に構成された排気ガス通路より熱を奪い、水を蒸発させているが、逆に水により一酸化炭素除去部が冷却されるとの課題に関しては述べられていない。

また特許文献２では、容器外部に設けられた電気ヒーター部により一酸化炭素除去部が所定の温度に昇温する構成が記載されているが、触媒部内部に設けられた蒸発部との関係は述べられていない。

特開２００８−１９１５９号公報 特開２００５−１５２９２号公報

一酸化炭素除去部の内側に設けられた蒸発部において水は上方より螺旋状に下方に流れその内側に位置する排気経路の排気ガスと熱交換を行うため、次第に温度が上昇する。

一酸化炭素除去部はこの水により熱を奪われるため、上部の温度が低く、下部が高いとの温度分布に加え、水は螺旋状の経路の底部に沿って水が流れるため、螺旋状経路に沿っ
て冷やされるとの温度分布が発生する。

しかしながら、特許文献１のものでは、起動時に一酸化炭素除去部の温度が低い場合十分に性能を発揮できないまた、水の冷却作用による一酸化炭素除去部の上下方向の温度バラツキ発生を抑える事が出来ない。また特許文献２も外部にヒーターを設け触媒を加熱する構成を設けてはいるが、内部の水の冷却による温度バラツキをヒーターにより補正する機能を有していない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、起動時の一酸化炭素除去部を最適な温度分布とすることにより改質ガス中の一酸化炭素を安定して除去する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。

前記従来の課題を解決するために、本発明の水素製造装置は、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と、前記改質ガスより一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去部と前記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バーナ部と、前記バーナ部で発生する燃焼排気ガスが通る排気ガス通路と前記水を前記排気ガス経路からの熱により水蒸気に変える螺旋状の通路からなる蒸発部と、一酸化炭素除去部を加熱する螺旋状のヒーターを有し、前記バーナ部を中心に前記排気ガス通路、前記蒸発部、前記一酸化炭素除去部、前記ヒーターの順番に周囲方向に向け円筒状に配置し前記蒸発部の螺旋状通路の始点と前記ヒーターの螺旋の始点を一致させたものである。

この構成によって、水により冷却されやすい一酸化炭素除去部上部の温度を持ち上げることを可能とするものである。

本発明によれば、螺旋状のヒーターを適切な位置、ピッチで配置することにより、起動時の一酸化炭素除去部を最適な温度分布とし改質ガス中の一酸化炭素を安定して除去することができるものである。

本発明の実施の形態１における水素製造装置を示す概略断面図 本発明の実施の形態１における水素製造装置を示しヒーターと一酸化炭素除去部と蒸発部間の熱の分布を示す部分断面図

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リッチな改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガスより一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去部と前記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バーナ部と、前記バーナ部で発生する燃焼排気ガスが通る排気ガス通路と前記水を前記排気ガス経路からの熱により水蒸気に変える螺旋状の通路からなる蒸発部と、一酸化炭素除去部を加熱する螺旋状のヒーターを有し、前記バーナ部を中心に前記排気ガス通路、前記蒸発部、前記一酸化炭素除去部、前記ヒーターの順番に周囲方向に向け円筒状に配置し前記蒸発部の螺旋状通路の始点と前記ヒーターの螺旋の始点を一致させたものであり、この構成によって、水により冷却されやすい一酸化炭素除去部上部の温度を持ち上げることを可能とするものである。

第２の発明は、特に、第１の発明において、蒸発部の螺旋状通路ピッチと前記ヒーターの螺旋のピッチをほぼ同一に配置したものであり、一酸化炭素除去部が螺旋状経路に沿っ
て冷やされた箇所をほぼ同一ピッチに設けられたヒーターにより加熱することにより温度分布を低減することを可能とするものである。

第３の発明は、特に、第１の発明において、ヒーターの螺旋ピッチの始点部を密に配置したものであり、一酸化炭素除去部の上下に発生した熱分布をヒーターのピッチ粗密にすることにより温度分布を低減することを可能とするものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素製造装置を示す概略断面図である。

図１において、本実施の形態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、改質ガスより一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去部２と改質ガスが供給される燃料電池７から返送されるオフガスを燃焼して改質部１を加熱するバーナ部３と、バーナ部３で発生する燃焼排気ガスが通る排気ガス通路６と水を排気ガス経路６からの熱により水蒸気に変える螺旋状の通路からなる蒸発部４と、一酸化炭素除去部を加熱する螺旋状のヒーター５を有し、バーナ部３を中心に排気ガス通路６、蒸発部４、一酸化炭素除去部２、ヒーター５の順番に周囲方向に向け円筒状に配置し蒸発部４の螺旋状通路の始点とヒーター５の螺旋の始点を一致させたことを特徴とするものである。この実施の形態によれば、水により冷却されやすい一酸化炭素除去部上部の温度を持ち上げることを可能とするものである。

また、蒸発部４の螺旋状通路ピッチ９とヒーターの螺旋ピッチ８をほぼ同一に配置したことを特徴とするものである。この実施の形態によれば、一酸化炭素除去部が螺旋状経路に沿って冷やされた箇所をほぼ同一ピッチに設けられたヒーターにより加熱することにより温度分布を低減することを可能とするものである。

また、ヒーター５の螺旋ピッチ８を始点部は密に配置したことを特徴とするものである。この実施の形態によれば、一酸化炭素除去部の上下に発生した熱分布をヒーターのピッチ粗密にすることにより温度分布を低減することを可能とするものである。

以下、図１により本実施の形態を詳細に説明する。

図１において、水素製造装置１０は軸方向が縦の内筒１１と外筒１２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１１の内側に同心円状に燃焼筒１３を配置して設けてある。

燃焼筒１３の下部内には、燃焼筒１３内を上下に仕切るように燃焼板１４が設けてある。燃焼板１４の中央は上方へ凸屈曲した燃焼部３として形成してあり、燃焼部３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１５が取り付けてある。燃焼部３には上下に貫通して形成される複数の燃焼空気供給口１６が形成してある。燃焼ノズル１５には燃焼部３より上側において燃料ガス供給管１７が接続してあり、また送風ファン１８に接続した燃焼空気供給管１９が燃焼部３の上側において燃焼筒１３内に差し込んである。燃焼空気供給管１９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１６を有する燃焼部３と燃焼ノズル１５によってバーナなどの加熱手段が形成されるものである。そして燃料ガス供給管１７から供給された燃料ガスは、燃焼ノズル１５の下端のノズル口から燃焼部３の下方へ噴出され、また送風ファン１８から燃焼空気供給管１９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１６を通過
して燃焼部３の下方へ供給されるものであり、この燃料ガスと空気とが混合されて、燃焼部３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３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１３と内筒１１の間には排気ガス通路６が形成してあり、加熱手段の燃焼部３での燃焼によって発生した高温の排気ガスは、燃焼筒１３の下端の開口からこの排気ガス通路６を通過した後に排出されるようになっている。

一方、上記の内筒１１と外筒１２の間の上下は閉塞してあり、この内筒１１と外筒１２の間の閉塞された空間内はこれらと同心円の仕切り筒２０で内外に仕切ってある。
仕切り筒２０は上部が小径筒部２０ａ、下部が大径筒部２０ｂとして形成してあり、大径筒部２０ｂと内筒１１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２０ａと外筒１２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２が形成してある。また、内筒１１と小径筒部２０ａの間の空間部は蒸発部４として形成されるものであり、大径筒部２０ｂと外筒１２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。

蒸発部４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、混合された状態で蒸発部３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蒸発部３に供給されると、排気ガス通路６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、上記のように燃焼部３での燃焼で発生した高温の排気ガスを排気ガス通路６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２１を通して一酸化炭素除去部２に供給されるものであり、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７に送り出される。燃料電池７はアノード２４とカソード２５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ものである。

燃料電池７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２６を通して水素製造装置１０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１７を通して燃焼ノズル１５に供給され、オフガスを燃焼ガスとして燃焼部３で燃焼されるものである。尚、燃料ガス供給管２６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１０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燃焼されるものである。

本実施の形態において、蒸発部３はＳＵＳ線材２８を螺旋状の成型し、内筒１１と小径筒部２０ａの間に挟みこみ螺旋状の通路２７を形成している。更に一酸化炭素除去部２を挟み込む様にヒーター５は外筒１２の外面に螺旋形状に密着して巻きつけられ更にＳＵＳ線材２８とヒーター５の螺旋の上端は一致すると共にＳＵＳ線材２８とヒーター５の螺旋もほぼ同一ピッチとしている。

図２はヒーターと一酸化炭素除去部と蒸発部間の熱の分布を示す部分断面図で、本構成のＳＵＳ線材２８とヒーター５の螺旋の上端は一致させることにより、ＳＵＳ線材２８の
上面２９の水による一酸化炭素除去部２の上端近傍で熱を奪われた低温域３１をヒーター５による加熱域３０により温度の分布の均一化を図ることが出来る。またまたＳＵＳ線材２８とヒーター５の螺旋のピッチをほぼ同一とすることにより、ＳＵＳ線材２８に沿って発生する一酸化炭素除去部２の低温域にヒーター５より熱を供給し温度の分布を均一化することが出来る。またＳＵＳ線材２８の上面の水は排気ガス通路６より加熱され蒸発するため下方では熱を奪われ難くなる。そのためヒーター５の螺旋ピッチ８も上部で密に巻ワット密度を上げている。

以上のように、本発明によれば、螺旋状のヒーターを適切な位置、ピッチで配置することにより、起動時の一酸化炭素除去部を最適な温度分布とし改質ガス中の一酸化炭素を安定して除去することができるものであり、水素製造装置を備えた燃料電池発電システム等の用途にも利用可能である。

１ 改質部
２ 一酸化炭素除去部
３ バーナ部
４ 蒸発部
５ ヒーター
６ 排気ガス通路
７ 燃料電池

Claims (3)

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、前記改質ガスより一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去部と前記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バーナ部と、前記バーナ部で発生する燃焼排気ガスが通る排気ガス通路と前記水を前記排気ガス経路からの熱により水蒸気に変える螺旋状の通路からなる蒸発部と、一酸化炭素除去部を加熱する螺旋状のヒーターを有し、前記バーナ部を中心に前記排気ガス通路、前記蒸発部、前記一酸化炭素除去部、前記ヒーターの順番に周囲方向に向け円筒状に配置し前記蒸発部の螺旋状通路の始点と前記ヒーターの螺旋の始点を一致させたことを特徴とする水素製造装置。
2. 前記蒸発部の螺旋状通路ピッチと前記ヒーターの螺旋のピッチをほぼ同一に配置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. 前記ヒーターの螺旋ピッチの始点部を密に配置したことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。