JP2011098840A - 燃料電池用水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で簡単な構成の選択酸化空気混合器を提供する。選択酸化空気の混合性能が低いと、水素生成装置および燃料電池発電装置の効率が低くなってしまうという課題があった。
【解決手段】水素含有の改質ガスを生成する改質部６と、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を低減して変成ガスを生成する変性部７と、変成ガスと選択酸化空気を混合して混合ガスを生成する混合器１と、前記混合ガス中に残留する一酸化炭素を除去する選択酸化部９と、を備え、混合器１は、選択酸化空気を供給する内菅１２と、内菅１２の外側に配置され変成ガスが供給される外菅１４と、変成ガスの供給部の下流に、内管１２の同一円周上に選択酸化空気が通過可能な開口部を備え、前記開口部の下流に環状流路を備えたことを特徴とする水素生成装置２。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭化水素化合物原料と水を反応させて水素含有ガスを生成する燃料電池用水素生成装置に関し、特に水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を燃焼除去するための選択酸化空気を混合する混合器に関する。

水素生成装置は、原料供給部と改質部と変成部と選択酸化空気供給部と選択酸化部とを備えている。

改質部は、炭化水素化合物と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素・二酸化炭素・一酸化炭素および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスを生成するものであり、この改質ガス中には，燃料電池に有害となる一酸化炭素が１０〜１２％程度含まれている。

変成部は、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を反応させて０．５％程度以下にまで低減した変成ガスを生成する。

選択酸化部は、変成ガスに選択酸化空気を混合して一酸化炭素を選択的に燃焼除去することにより、一酸化炭素を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する。このようにして生成された燃料ガスが燃料電池へ供給され発電に使用される。

この際，変成ガスと選択酸化空気の混合が不十分であると選択酸化部での燃焼反応が不均一になってしまう。具体的に説明すると、混合が不均一なために選択酸化部内に酸素濃度の高い箇所と低い箇所が存在すると、酸素濃度の高い箇所では一酸化炭素のみならず余剰の酸素によって水素も燃焼により消費されてしまい、逆に酸素濃度の低い箇所では一酸化炭素の除去が不十分になり、燃料ガス中に高濃度の一酸化炭素が残留してしまう。このような場合には，一酸化炭素を十分に除去するために選択酸化空気を多めに供給する必要がある。当然、水素の消費量も増えてしまうため、燃料電池が発電に必要とする水素量を生成するためには原料供給量を増やす必要がある。すなわち水素生成装置の効率が低下し、燃料電池発電装置の発電効率も低下してしまう。

そこで、変成ガスと選択酸化空気を十分に混合するために種々の混合器が提案されてきた（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１の技術は変成ガスと選択酸化空気を単一の穴を通過させることにより混合を促進しようとするものである。また、特許文献２の技術は変成ガスと選択酸化空気を混合後にステップ状の絞り部を有するものである。

特開２００２−１８７７０５号公報 特開２００３−２２６５０４号公報

しかしながら、特許文献１の変成ガスと空気を単一の穴を通過させる構成では、混合に有効な時間は穴を通過する一瞬の時間でしかなく、混合促進効果が不十分であった。また、特許文献２のステップ状の絞り部を有する構成は、ステップ状の絞り部によって乱流を発生させて混合作用を発揮するものであるが、これも乱流域を通過する短時間では十分な混合が得られないという課題があった。選択酸化空気の混合性能が不十分であると、前述
したように水素生成装置の効率、ひいては燃料電池発電装置の発電効率も低下してしまう。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、変成ガスと空気を十分に接触させ混合することができる混合器を有し，効率の高い水素生成装置を提供することを目的とする。

上記の従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用水素生成装置は、改質反応部と、変性反応部と、前記変成ガスと選択酸化空気を混合して混合ガスを生成する空気混合器と、選択酸化反応部を備え、前記空気混合器は、前記選択酸化空気を供給する内菅と、前記内菅の外側に配置され前記変成ガスが供給される外菅と、前記変成ガスの供給部の下流に、前記内管の同一円周上に前記選択酸化空気が通過可能な開口部を備え、前記開口部の下流に環状流路を有したことを特徴とする。

この構成により、環状流路内で変成ガスと空気が層状に接触して流れ、拡散により両者が混合される。

また、前記開口部は、前記内菅の同一円周上の全周に連続して形成されたことを特徴とする。

この構成により、環状流路の全周で変成ガスと空気が層状に接触して流すことができ，混合効果を高めることができる。

また、前記開口部は前記内菅の軸方向に複数列配されると共に、前記複数列配された前記開口部の開口方向が円周方向に交互に半ピッチずらして配置されたことを特徴とする。

この構成により、環状流路のほぼ全周で変成ガスと空気が層状に接触して流すことができる。

また、前記開口部は、前記内菅の同一円周方向に伸びた長開口であることを特徴とする。

この構成によっても、環状流路のほぼ全周で変成ガスと空気が層状に接触して流すことができる。

また、前記開口部は、前記内菅の外周に拡大される段部を有することを特徴とする。

この構成により、段部を流れる際に流れに乱れを生じさせ、この部分での混合をより効果的に行うことができるので、混合器をより小型化することができる。

本発明の水素生成装置によれば、選択酸化空気の高い混合性能を得ることができるため、最低限の空気量で一酸化炭素を効果的に除去できる。そのため、燃料電池発電装置の要求する水素量を生成する必要原料量を少なくすることができ、水素生成装置の効率、ひいては燃料電池発電装置の発電効率を向上することができる。

本発明の実施の形態１における混合器を有する水素生成装置の概略構成図 本発明の実施の形態１における混合器の概略構成図 本発明の実施の形態１における混合器内の流れと拡散混合状態の説明図 本発明の実施の形態２における混合器の概略構成図 本発明の実施の形態２における混合器内の流れと拡散混合状態の説明図 本発明の実施の形態３における混合器の概略構成図 本発明の実施の形態３における環状流路内の空気の分布の説明図 本発明の実施の形態４における混合器の概略構成図 本発明の実施の形態４における環状流路内の空気の分布の説明図 本発明の実施の形態５における混合器の概略構成図

第１の発明は、炭化水素と水を原料として水素含有の改質ガスを生成する改質反応部と、前記改質ガス中に含まれる一酸化炭素を変成反応により低減して変成ガスを生成する変性反応部と、前記変成ガスと選択酸化空気を混合して混合ガスを生成する空気混合器と、前記混合ガス中に残留する一酸化炭素を選択酸化反応により除去する選択酸化反応部を有し、前記空気混合器は、前記選択酸化空気を供給する内菅と、前記内菅の外側に配置され前記変成ガスが供給される外菅と、前記変成ガスの供給部の下流に、前記内管の同一円周上に前記選択酸化空気が通過可能な開口部を備え、前記開口部の下流に環状流路を有したことを特徴とする水素生成装置とすることで、選択酸化空気と変成ガスを、狭環状流路に層状に流すことにより、小型で混合性能の高い混合器を形成している。

第２の発明は、前記開口部は、前記内菅の同一円周上の全周に連続して形成されたことを特徴とする混合器を有する請求項１に記載の水素生成装置とすることで、選択酸化空気と変成ガスを、狭環状流路の周方向に均一に流すことにより、小型で混合性能の高い混合器を形成している。

第３の発明は、前記開口部は前記内菅の軸方向に複数列配されると共に、前記複数列配された前記開口部の開口方向が円周方向に交互に半ピッチずらして配置されたことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置とすることで、良好な空気混合特性を得ることができ、製造を容易にした混合器である。

第４の発明は、前記開口部は、前記内菅の同一円周方向に伸びた長開口であることを特徴とする請求項１または３に記載の水素生成装置とすることで、流通した選択酸化空気濃度の周方向分布を低減することができ、製造を容易にした混合機である。

第５の発明は、前記開口部は、前記内菅の外周に拡大される段部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成装置とすることで、製造を容易にするとともに混合器内の流れを一部乱すことによって、より小型で混合性能の高い混合器を形成している。

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における燃料電池用水素生成装置、およびそれに使用する空気混合器について、図１から図３を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における混合器１を使用した水素生成装置２の概略構成図である。図１において、中心に位置するバーナー３は、原料供給部４から供給される改質反応に必要な原料である都市ガスと水を蒸発部５内で加熱蒸発するための熱源となるものである。蒸発した水蒸気と都市ガスはルテニウム触媒を充填した改質部６内で水蒸気改質反応によって、およそ水素７０〜７５ｄｒｙ％、二酸化炭素１０〜１２ｄｒｙ％、一酸化炭素１０〜１２ｄｒｙ％、残り未反応のメタンを含んだ改質ガスとなる。この改質ガスは銅−亜鉛触媒を充填した変成部７内で、変成反応により一酸化炭素濃度が約０．５％程度まで低減された変成ガスとなる。この変成ガスに、選択酸化空気供給部８から供給され
た空気を混合器１内で混合する。この空気混合ガスはルテニウム触媒を充填した選択酸化部９内で一酸化炭素が選択的に燃焼除去され、残留一酸化炭素が１０ｐｐｍ以下程度まで低減された燃料ガスとなって生成ガス出口部から燃料電池（図示せず）へ供給される。なお、図中の１１は燃焼ガスが排気される排気部である。

このように構成された水素生成器において、本願発明の選択酸化空気の混合器１の詳細を図２、図３を用いて以下に説明する。

図２には実施の形態１における混合器１の構成を図示している。混合器１は二重管構成となっており、１２は内管となる選択酸化空気の供給管で，図１の選択酸化空気供給部８へ接続されている。また，１３は円柱部品、１４はこれらの外側に配置された外管であり、選択酸化部へ混合ガスを送り出すためにＬ型に曲がった出口管１４を接続している。選択酸化空気供給管１２と円柱部品１３の外径は等しく構成され、外管１４との間に環状流路１５を構成している。この環状流路１５の流路幅は０．２ｍｍと狭く構成されている。この狭い環状流路が本願発明の重要な構成要素である。変成ガスは選択酸化空気供給管１２と外管１４の間の供給部１６から環状流路１５へ流入する。一方、選択酸化空気供給管１２から供給された空気は選択酸化空気供給管１２と円柱部品１３の間の隙間１７から環状流路１５へ流出する。

この流出部１８近傍の拡大図を図３に示す。図３において、図２と同一の構成要素には同一の番号を付与している。変成ガスと選択酸化空気は図中の矢印のように供給されるが、それらが合流した後は、乱れることなく層流のように層状に重なって流れる。図中には流線１９も記入しているが狭流路であるため流れが乱れることはない。また図中には層状に重なる変成ガスと空気との境界面２０を破線で図示している。境界面２０では流れと直角方向に空気と変成ガスの相互の拡散が生じる。特に変成ガス中に大量に含まれる水素は拡散しやすいため、空気と変成ガスは境界面２０を越えて速やかに拡散する。一方、前述したように、環状流路１５は流路幅が０．２ｍｍと狭いため、空気と変成ガスは短距離の拡散によって混合が終了する。図２に示した環状流路１５の長さＬは、この拡散による混合時間を確保できる長さであれば良い。

このように、本発明の混合器は乱れのない層状の流れであっても、狭い環状流路を通過させることによって拡散により速やかに混合を行うものである。本実施例の混合器を用いることにより、変成ガスと選択酸化空気を十分に混合することができるので、供給する選択酸化空気量を最低限に抑えることができ、水素生成装置、およびそれを使用した燃料電池発電装置の効率を高めることができる。

なお、本発明の混合器では、選択酸化空気供給管１２と円柱部品１３と外管１４の中心軸が同一線上にあり，環状流路１５の流路幅が周方向、および長さ方向で均一であることが重要である。そのため、本実施例では選択酸化空気供給管１２と円柱部品１３の表面に高さ０．２５ｍｍの突起（図示せず）を複数設け、外管１４内へ圧入することによって環状流路１５を構成している。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における空気混合器１’について、図４と図５を用いて説明する。なお、図４と図５において、実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付与している。また，環状流路１５の幅も実施の形態１と同じ０．２ｍｍである。

本実施の形態では、選択酸化空気が環状流路１５へ流出する箇所に、段部２１を有している点に特長がある。流出部１８’近傍の拡大図を図５に示す。図３に示した実施の形態１の場合と異なり、段部２１で流線１９に乱れが生じる。この流れの乱れは変成ガスと選
択酸化空気の混合を促進する効果を発揮する。そのため図４の環状流路１５の長さＬ’は、図２に示した長さＬよりも短くて済み、混合器１’をより小型化することが可能となる。

（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における混合器２２について、図６と図７を用いて詳細に説明する。なお、これらの図においても、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。

本実施の形態の混合器２２は、先端を封止した選択酸化空気供給管２３の長さ方向に４列の空気通過部２４Ａから２４Ｄを設け、この選択酸化空気供給管２３を外管２５内に挿入して構成している。各列の空気通過部には各々周方向に９０度ずつ４個の空気通過穴と、実施の形態２と同様の段部を設けている。また、選択酸化空気供給管２３と外管２５の間の環状流路の幅は前述の実施の形態と同じく０．２ｍｍとしている。

前述の実施の形態１の混合器の場合、外管１４の中に選択酸化空気供給管１２と円柱部品１３の３部品を、中心軸を揃えて配置する必要があったが、本実施の形態の場合は選択酸化空気供給管２３と外管２５の２部品で済むため、製造が簡単になるという特長がある。ただし選択酸化空気は各列あたり４個の空気通過穴から流出するので、環状流路１５の周方向には空気の流れている箇所と流れていない箇所が生じてしまう。この様子を、図７を用いて説明する。図７は、図６の混合器２２と同じものであるが、空気供給管２３の表面を表し、更に空気通過部２４Ａから２４Ｄを通過して環状流路１５に流出した選択酸化空気の濃度の濃い箇所を灰色で図示している。このように、環状流路１５の周方向に選択酸化空気の分布が生じてしまう。そこで本実施の形態では空気通過部を４列設け、１列ごとに空気通過穴の開口方向が円周方向に交互に半ピッチずらして配置している。このように構成することにより、混合器２２全体では周方向に平均すればほぼ均一な空気の分布を得ることができ、良好な空気混合特性を得ることができる。なお、本実施の形態では空気通過部２４Ａから２４Ｄに設けた空気通過穴の数を４個としたが、この穴数は空気の分布の均一性の点からは必要に応じて増やすことが望ましい。

（実施の形態４）
以下に、本発明の実施の形態４における混合器２２’について、図８と図９を用いて説明する。なお、これらの図においても、前述実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。また，環状流路１５の幅も前述の実施の形態と同じく０．２ｍｍである。

本実施の形態の混合器２２’は、空気通過部２４Ａ’から２４Ｄ’に設ける通過穴の形状を、円周方向に伸びた四角い長開口とした点に特長がある。このように構成することにより、空気通過穴から環状流路１５へ流出した選択酸化空気濃度の周方向分布を低減することができる。この様子を図９に示す。図９は前述の図７と同様のものであるが、灰色で示した空気の濃度の濃い箇所が周方向に広がっており、周方向分布が減少している。

（実施の形態５）
以下に、本発明の実施の形態５における空気混合器１’’について、図１０を用いて説明する。なお、これらの図においても、前述実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。また，環状流路１５の幅も前述の実施の形態と同じく０．２ｍｍである。

図２に示した実施の形態１では、外管１４の中に選択酸化空気供給管１２と円柱部品１３の３部品を、中心軸を揃えて配置する必要があった。しかし、図１０に示した本実施の形態の場合、中心軸を揃えて配置する部品は選択酸化空気供給管２６と外管１４の２部品で済むため、製造が簡単になるという特長がある。

本実施の形態では、選択酸化空気供給管２６の先端を部材２７によって封止して空気通過穴２８を形成し、円柱部品２９を嵌合することによって空気流路３０と空気流出部３１を形成している。空気流出部３１は円周方向全体に開口しているため、選択酸化空気を環状流路１５へ円周方向全体に流出することができ、環状流路１５内に周方向分布のない層状の空気層を形成することができる。そのため理想的な変成ガスと選択酸化空気の層状流れを狭い環状流路１５内に形成できるので，実施の形態１と同様の混合効果の高い混合器を得ることができる。

本発明の燃料電池用水素生成装置は、変成ガスと選択酸化空気の高い混合性能を有しているため、水素生成装置の効率、および燃料電池発電装置の高効率化に有用である。

１ 混合器
２ 水素生成装置
３ バーナー
４ 原料供給部
５ 蒸発部
６ 改質部
７ 変成部
８ 選択酸化空気供給部
９ 選択酸化部
１０ 生成ガス出口部
１１ 排気部
１２、２３、２６ 選択酸化空気供給管
１３ 円柱部品
１４、２５ 外管
１５ 環状流路
２４ 空気通過部
２８ 空気通過穴
３０ 空気流路
３１ 空気流出部

Claims (5)

1. 炭化水素と水を原料として水素含有の改質ガスを生成する改質反応部と、
   前記改質ガス中に含まれる一酸化炭素を変成反応により低減して変成ガスを生成する変性反応部と、
   前記変成ガスと選択酸化空気を混合して混合ガスを生成する空気混合器と、
   前記混合ガス中に残留する一酸化炭素を選択酸化反応により除去する選択酸化反応部と、を備え、
   前記空気混合器は、前記選択酸化空気を供給する内菅と、
   前記内菅の外側に配置され前記変成ガスが供給される外菅と、
   前記変成ガスの供給部の下流に、前記内管の同一円周上に前記選択酸化空気が通過可能な開口部を備え、
   前記開口部の下流に環状流路を備えたことを特徴とする水素生成装置。
2. 前記開口部は、前記内菅の同一円周上の全周に連続して形成されたことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記開口部は前記内菅の軸方向に複数列配されると共に、前記複数列配された前記開口部の開口方向が円周方向に交互に半ピッチずらして配置されたことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
4. 前記開口部は、前記内菅の同一円周方向に伸びた長開口であることを特徴とする請求項１または３に記載の水素生成装置。
5. 前記開口部は、前記内菅の外周に拡大される段部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成装置。