JP2010275164A - 水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素生成装置の起動時に、変成触媒全体を、速やかに活性化する温度まで加熱して、起動時間の短縮化を図る。
【解決手段】水素生成装置１は、改質触媒を用いて燃料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成する改質部７と改質触媒の外周方向に重ならないように外筒３と仕切り筒４との間に配置された変成触媒を用いて改質部７で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成部８と、外筒３における変成触媒の外周方向に位置する部分に設けられ起動時に変成触媒を加熱する変成ヒーター１０とを備え、変成ヒーター１０の加熱量は変成部８における水素含有ガスの上流側が下流側よりも大きくなるように構成されている。その結果、変成部全体が、効率的に加熱され、変成触媒全体を均一に加熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させ、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部を備える水素生成装置に関するものである。

小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。そこで、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料を利用し、それらの原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が併設される。

その水素生成装置は、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。また、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部となる、一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させる変成部を設ける構成がとられることが多い。それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはＲｕ触媒やＮｉ触媒、変成部にはＣｕ−Ｚｎ触媒が用いられている。また、各反応部には適した温度があり、改質部は６５０℃程度、変成部は２００℃程度で使用されることが多い。

燃料電池発電システムを家庭用途で使用する場合、家庭の電力負荷に対応して、負荷の小さな夜間、システムを停止する起動停止運転に対応させることが、高いエネルギー効率を得るための望ましい運転方法となる。

水素生成装置も、その運転方法に対応する必要があり、起動時に速やかに水素含有ガスを供給するため、起動時に、改質触媒および変成触媒を、それぞれ活性化できる温度にまで加熱する必要がある。

そこで、一酸化炭素低減部である変成部の外壁に、変成触媒を加熱するヒーターを設け、そのヒーターに接触するように、変成部全体を覆うように断熱材が設けられる構成が検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−０１５２９２号公報

特許文献１に記載のような従来の構成では、ヒーターでの発熱が、変成部の外壁を通した熱伝導により、変成触媒に伝わることになる。すなわち、ヒーターが設置されている外壁面近傍の変成触媒は、加熱されやすいに構成となっている。しかし、ヒーターが設置されていない外壁面近傍の変成触媒の昇温が遅くなる。従って、変成触媒全体が、活性化する温度まで加熱されるまで、所定の一酸化炭素低減効果が得られず、さらなる起動時間の短縮化が望まれている。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、変成部を、速やかに活性温度に加熱する水素生成装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の水素生成装置は、加熱筒と、中心軸が加熱筒の中心軸と重なり加熱筒の外側に配置された外筒と、中心軸が加熱筒の中心軸と重なり加熱筒と外筒の間に配置され加熱筒との間の空間と外筒との間の空間とを用いて途中で反対方向に折り返すガスの流路を形成する仕切り筒と、加熱筒と仕切り筒との間でガスの流路の折り返し部とは反対側に原料ガスを供給する原料供給部と、加熱筒と仕切り筒との間でガスの流路の折り返し部とは反対側に水を供給する水供給部と、加熱筒と仕切り筒との間でガスの流路の折り返し部近傍に配置された改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成する改質部と改質触媒の外周方向に重ならないように外筒と仕切り筒との間に配置された変成触媒を用いて改質部で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成部と、加熱筒の内側に配置され改質部を加熱する燃焼部と、外筒における変成触媒の外周方向に位置する部分に設けられ起動時に変成触媒を加熱する変成ヒーターと、外筒における変成触媒の外周方向に位置する部分との間に風路となる空間をあけて外筒の外側に設けられる断熱壁と、空間における変成触媒を流れる水素含有ガスの流れの上流側と連通する空気取入口と、空間における変成触媒を流れる水素含有ガスの流れの下流側と連通する空気取出口と、起動時に外部の空気が空気取入口から空間に入り前記空気取出口から出るように空気を供給する空気供給手段とを備え、変成ヒーターの加熱量は変成部における水素含有ガスの上流側が下流側よりも大きくなるように構成されている。

本発明の水素生成装置は、変成部全体が水素含有ガスの上流側が下流側よりも大きくなる加熱量の変成ヒーターにより加熱され、風路となる空間での空気対流により変成部全体を効果的に加熱することができ、変成触媒を速やかに活性温度に加熱することができる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置を示す概略構成図 本発明の実施の形態２における水素生成装置を示す概略構成図 本発明の実施の形態３における変成ヒーターの概略構成図

第１の発明は、加熱筒と、中心軸が加熱筒の中心軸と重なり加熱筒の外側に配置された外筒と、中心軸が加熱筒の中心軸と重なり加熱筒と外筒の間に配置され加熱筒との間の空間と外筒との間の空間とを用いて途中で反対方向に折り返すガスの流路を形成する仕切り筒と、加熱筒と仕切り筒との間でガスの流路の折り返し部とは反対側に原料ガスを供給する原料供給部と、加熱筒と仕切り筒との間でガスの流路の折り返し部とは反対側に水を供給する水供給部と、加熱筒と仕切り筒との間でガスの流路の折り返し部近傍に配置された改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成する改質部と改質触媒の外周方向に重ならないように外筒と仕切り筒との間に配置された変成触媒を用いて改質部で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成部と、加熱筒の内側に配置され改質部を加熱する燃焼部と、外筒における変成触媒の外周方向に位置する部分に設けられ起動時に変成触媒を加熱する変成ヒーターと、外筒における変成触媒の外周方向に位置する部分との間に風路となる空間をあけて外筒の外側に設けられる断熱壁と、空間における変成触媒を流れる水素含有ガスの流れの上流側と連通する空気取入口と、空間における変成触媒を流れる水素含有ガスの流れの下流側と連通する空気取出口と、起動時に外部の空気が空気取入口から空間に入り前記空気取出口から出るように空気を供給する空気供給手段とを備え、変成ヒーターの加熱量は変成部における水素含有ガスの上流側が下流側よりも大きくなるように構成されている。変成部全体が水素含有ガスの上流側が下流側よりも大きくなる加熱量の変成ヒーターにより加熱され、風路となる空間での空気対流により、変成部全体を均一に加熱することができる。

第２の発明では、変成触媒の温度を検出する変成触媒温度検出部を変成部における水素
含有ガスの上流側部分に設けられているので、変成触媒を活性温度まで加熱する時間を短縮することが可能である。

第３の発明では、空気取入口から空間に入った空気が螺旋状に流れて空気取出口から出るように空間に仕切り部を設けられているので、空間を流れる空気対流空間を確実に構成することができる。

第４の発明では、変成触媒より水素含有ガスの下流側で外筒と仕切り筒との間に設置された選択酸化触媒を用いて変成部を通過した水素含有ガスの一酸化炭素を低減する選択酸化部と、外筒における選択酸化触媒の外周方向に位置する部分に設けられ起動時に選択酸化触媒を加熱する選択酸化ヒーターを備え、空間は外筒における選択酸化触媒の外周方向に位置する部分まで延びているので、選択酸化部全体を均一に加熱することが可能である。

第５の発明では、変成ヒーターは、螺旋状に巻かれており、変成部における水素含有ガスの上流側のピッチが下流側よりも密であるので、水素含有ガスの上流側が下流側よりも大きくなる加熱量の変成ヒーターを構成することができ、変成部全体を均一に加熱することができる。

以下、本発明を実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施に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における水素生成装置を示す概略構成図である。

図１において、水素生成装置１は略円筒状の多重筒構成になっており、加熱筒２を中心にその外側に仕切り筒４、さらに外側に外筒３が配置されている。仕切り筒４は加熱筒２との空間と外筒３との空間を用いて途中で反対方向（図１では下方から上方）に折り返すガスの流路を形成している。また、仕切り筒４のガス折り返し部（図１では下方）の反対側（図１では上方）に原料ガスを供給する原料供給部５と水を供給する水供給部６を備える。また、改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素生成ガスを生成する改質部７と変成触媒を用いて改質部７で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成部８を備える。改質部７は加熱筒２と仕切り筒４との間で、変成部８は仕切り筒４と外筒３との間に外周方向に重ならないように位置している。

改質部７にはＲｕ系の改質触媒、変成部８にはＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒が設けられている。また、改質部７における改質触媒（あるいは水素含有ガス）の温度（反応温度）を検出する改質温度検出部１５、変成部８における変成触媒（あるいは原料と水蒸気の混合ガス）の温度を検出する変成触媒温度検出部１４を備えている。

また、水素生成装置１は、加熱筒２の内部に改質部７における改質反応に必要な反応熱を供給するための加熱部となる、燃焼部９を備えている。燃焼部９は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナーであり、燃焼部９の燃焼状態を検知するフレームロッドである燃焼検出部１６、及び燃焼部９に燃料用空気を供給する、燃焼空気供給部となる燃焼ファン１７を有している。燃焼部９で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路（図示せず）を介して燃焼部９に供給される。水素生成装置１によって生成された水素含有ガスは、水素ガス供給経路１８を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。なお、フレームロッドは、火炎が形成される時に発生するイオンに電圧を印加し、その時に流れるイオン電流値を測定するデバイスである。また、燃焼部９で発生させた燃焼排ガスは、図面右上の排出口から、水素生成装置１の外部へ排気される。

水供給部６には、水供給経路（図示せず）が接続されている。原料供給部５には、原料供給経路（図示せず）が接続されている。原料供給部５から供給される原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等である。ここでは、原料の供給源として都市ガスのガスインフラライン（図示せず）を用い、そのガスインフラライン（図示せず）に、原料中の不臭成分である硫黄化合物を除去する脱硫部（図示せず）が接続されている。例えば脱硫部は、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤を用いることができる。なお、水供給部６および原料供給部５は、ブースターポンプを用いることができ、例えば入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、供給する水の流量、原料の流量を調節する機能を有している（詳細は図示せず）。

また、外筒３の外側には断熱壁１１を備える。断熱壁１１には外筒３との間の空気対流空間１９へ空気を取り入れるために空気取入口１２が設けられている。また、空気対流空間１９から空気を排出するための空気取出口１３が設けられている。空気は空気供給手段（図示せず）を介して空気取入口１２に供給される。また、空気対流空間１９に変成触媒の外周方向の外筒３に変成ヒーターが密着させて設けられている。変成ヒーター１０は水素含有ガスの上流側（図１では下方）が下流側よりも加熱量が大きくなるように構成されている。

また、変成触媒温度検出部１４は水素含有ガスの上流側（図１では下方）に設けられている。

また、空気対流空間１９に螺旋状に空気の通路を構成する仕切り部２０が設けられている。

〈水素生成装置１の運転動作〉
次に、水素生成装置１の起動動作、通常時の運転動作、及び停止動作を、水素生成装置１の動作を中心にして説明する。

停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、運転制御部（図示せず）からの指令により、原料を燃焼部９に供給し、燃焼部９で原料に着火して水素生成装置１の加熱を開始する。

この動作にとともに、変成ヒーター１０に通電して、変成温度検知部１４で検出される温度に基いて、変成部８の加熱を行う。なお、変成部８の加熱動作を、燃焼部９の着火動作に先立って、実施させてもよい。

燃焼部９での加熱開始後に、原料供給部５を通して水素生成装置１に原料を供給するとともに、水供給部６から水素生成装置１に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供給部３からの水の供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように制御される（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。

水素生成装置１では、改質部７で水蒸気改質反応、変成部８で変成反応を進行させる。生成させた水素含有ガスは、一酸化炭素濃度を所定濃度（本実施の形態では、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）に低減できるまで、封止部（図示せず）を経て燃料電池バイパス経路（図示せず）を通して燃焼部９に供給される。この時、改質温度検出部１５で検出される温度に基づいて、改質部７、変成部８が各反応に適した温度になるように、燃焼部
９の燃焼を制御する。

変成部８が反応に適切な温度となり、一酸化炭素濃度を所定濃度まで低減させた後、封止部（図示せず）を動作させ、水素ガス供給経路（図示せず）を通して水素含有ガスを、例えば、燃料電池等に供給を開始する。

装置停止時は、原料と水の供給を停止させ、水素生成装置１内の改質部７、変成部８の各触媒層の温度を低下させる。このとき、燃焼部９の基本動作は停止させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させ後、原料を水素生成装置１に流通させ、水素生成装置１のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する動作を行い、適宜水素生成装置１を封止する動作を行う。

〈水素生成装置１の構成の特徴〉
（１）本実施の形態１の水素生成装置１では、特に起動時において変成部８全体を速やかに加熱でき変成部８に納められる変成触媒を均一に加熱することを特徴としている。空気対流空間１９を設けることで、空気対流空間１９に空気の流れが発生する。変成部８を加熱する変成ヒーター１０が外筒３に密着させて空気対流空間１９に設けられているので空気対流空間１９を流れる空気の流れによってヒーターの熱が変成部８全体に伝えられる。変成ヒーター１０の加熱量が上流側で大きい値に構成されているので、起動時に変成触媒を流れる水素生成ガスは上流側でより早く温度上昇する。上流側の熱が水素生成ガスの流れによって下流側へ熱が運ばれる。すなわち、変成部８全体を加熱でき変成部８内に納められる変成触媒を均一に加熱することができる。

（２）また、変成触媒検出部１５が変成触媒内の水素含有ガスの上流側に設けることにより、上流側の温度をより早く検知して変成ヒーター１０の通電時間を短くし、起動時に必要な消費エネルギーを減らすことができる。

（３）また、空気対流空間１９に螺旋状に仕切り部２０を設けることにより、空気取入口１２からの空気が空間を安定して流れ変成ヒーター１０が効果的に変成触媒を加熱することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。

図２は、本発明の第２の実施の形態における水素生成装置を示す概略構成図である。

図２において、水素生成装置１０１は実施の形態１の水素生成装置１とほぼ同じ構成であり、ほぼ同じ動作を行う。相違点は、変成部８を通過した水素含有ガスの一酸化炭素を低減する選択酸化部２１を設け、選択酸化触媒の外周方向の外筒３に選択酸化ヒーター２２が密着させて設けられている。また、空気対流空間１９は選択酸化触媒の外周方向の位置まで延びている点である。選択酸化部２１に選択酸化ヒーター２２を備え、空気対流空間１９が選択酸化触媒の外周方向にある位置まで延びているため変成触媒と同様に選択酸化触媒を均一に加熱することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。

図３は、本発明の第３の実施の形態における変成ヒーターを示す概略構成図である。

図３において、本実施の形態の特徴は、変成ヒーター１０が螺旋状に外筒３に密着させ
て設けられ、上流側のピッチが下流側よりも密に構成される点である。例えば、上流側のピッチが１２ｍｍ、下流側が３６ｍｍである。尚、ピッチは段階的に密から疎に変化するも可である。変成ヒーター１０は螺旋状に巻かれており、上流側のピッチが下流側よりも密に構成されているため、上流側から加熱量の大きい熱が水素生成ガスの流によって下流側に伝導して、変成触媒を均一に加熱することができる。

本発明は、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる変成部を有する水素生成装置について有用である。

１ 水素生成装置
２ 加熱筒
３ 外筒
４ 仕切り筒
５ 原料供給部
６ 水供給経部
７ 改質部
８ 変成部
９ 燃焼部
１０ 変成ヒーター
１１ 断熱壁
１２ 空気取入口
１３ 空気取出口
１４ 変成触媒検出部
１５ 改質温度検出部
１６ フレームロッド
１７ ファン
１８ 水素ガス供給経路
１９ 空気対流空間
２０ 仕切り部
２１ 選択酸化部
２２ 選択酸化ヒーター

Claims (5)

1. 加熱筒と、中心軸が前記加熱筒の中心軸と重なり前記加熱筒の外側に配置された外筒と、中心軸が前記加熱筒の中心軸と重なり前記加熱筒と前記外筒の間に配置され前記加熱筒との間の空間と前記外筒との間の空間とを用いて途中で反対方向に折り返すガスの流路を形成する仕切り筒と、前記加熱筒と前記仕切り筒との間でガスの流路の折り返し部とは反対側に原料ガスを供給する原料供給部と、前記加熱筒と前記仕切り筒との間でガスの流路の折り返し部とは反対側に水を供給する水供給部と、前記加熱筒と前記仕切り筒との間でガスの流路の折り返し部近傍に配置された改質触媒を用いて前記原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成する改質部と前記改質触媒の外周方向に重ならないように前記外筒と前記仕切り筒との間に配置された変成触媒を用いて前記改質部で生成された前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成部と、前記加熱筒の内側に配置され前記改質部を加熱する燃焼部と、前記外筒における前記変成触媒の外周方向に位置する部分に設けられ起動時に前記変成触媒を加熱する変成ヒーターと、前記外筒における前記変成触媒の外周方向に位置する部分との間に風路となる空間をあけて前記外筒の外側に設けられる断熱壁と、前記空間における前記変成触媒を流れる前記水素含有ガスの流れの上流側と連通する空気取入口と、前記空間における前記変成触媒を流れる前記水素含有ガスの流れの下流側と連通する空気取出口と、起動時に外部の空気が前記空気取入口から前記空間に入り前記空気取出口から出るように空気を供給する空気供給手段とを備え、前記変成ヒーターの加熱量は前記変成部における前記水素含有ガスの上流側が下流側よりも大きい水素生成装置。
2. 前記変成触媒の温度を検出する変成触媒温度検出部を前記変成部における前記水素含有ガスの上流側部分に設けた請求項１記載の水素生成装置。
3. 前記空気取入口から前記空間に入った空気が螺旋状に流れて前記空気取出口から出るように前記空間に仕切り部を設けた請求項１または請求項２記載の水素生成装置。
4. 前記変成触媒より前記水素含有ガスの下流側で前記外筒と前記仕切り筒との間に設置された選択酸化触媒を用いて前記変成部を通過した前記水素含有ガスの一酸化炭素を低減する選択酸化部と、前記外筒における前記選択酸化触媒の外周方向に位置する部分に設けられ起動時に前記選択酸化触媒を加熱する選択酸化ヒーターを備え、前記空間は前記外筒における前記選択酸化触媒の外周方向に位置する部分まで延びている請求項１〜３のいずれか１項記載の水素生成装置。
5. 前記変成ヒーターは、螺旋状に巻かれており、前記変成部における前記水素含有ガスの上流側のピッチが下流側よりも密である請求項１〜４のいずれか１項記載の水素生成装置。