JP2011102223A - 水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用の水素生成装置において、加熱部の外側に配される内筒底板の熱変形を防止すること。
【解決手段】燃焼ガスを生成するバーナーと、第１の底板６を有すると共に前記加熱部の外側に配される内筒５と、第２の底板８を有すると共に前記内筒の外側に配される中筒７と、前記内筒５と前記中筒７との間で形成される空間に保持された改質触媒２０と、を備えた水素生成装置１において、前記第１の底板６の前記加熱部と対向する位置に断熱材４０を配することにより、底板６への熱伝導が遮断され熱変形が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、改質触媒を用いて、原料と水蒸気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発電システムは、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、それらの原料と水蒸気（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。

一般的に水素生成装置は、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して、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、および一酸化炭素を酸化させる選択酸化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、選択酸化部にはＲｕ触媒等が用いられている。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、選択酸化部は１５０℃程度で使用されることが多い。

さて、水素生成装置において、触媒は内筒と外筒で形成された円筒状容器内に充填され、触媒を加熱するためにバーナーで燃焼させた高温の燃焼排ガスが燃焼筒内を通った後に、触媒が充填されている内筒部に当てる構成をとることが考えられる（例えば、特許文献１参照）。図４は、前記公報に記載された従来の水素生成装置を示すものである。図４に示すように、加熱部２と、燃焼筒３０と、内筒５と、内筒底部６と、中筒７と、改質触媒部２０から構成されている。

特開２００６−３２１７５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃焼排ガスは高温化（８５０℃〜９５０℃）させて内筒にあてるため、内筒は燃焼ガスの熱により高温化し長時間使用すると熱変形する可能性がある。特に改質触媒が充填されていない部分は、改質触媒の吸熱反応により熱を奪われることがないので、より高温化し熱変形の傾向が顕著となる。内筒が熱変形すると、内筒を構成する金属が破壊し、内筒を境にして圧力の高い側の改質ガスが燃焼排ガス経路側に噴出すこととなる。こうなると噴出した改質ガスが燃焼排ガス経路内で水素燃焼し、燃焼排ガス出口部より火炎を噴出す等の現象が現れ極めて危険な状態になるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、内筒の熱変形を防ぎ安全な水素生成装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するため、本発明の水素生成装置は、燃焼用燃料と燃焼用空気との混合流体を燃焼して燃焼ガスを生成する加熱部と、第１の底板を有すると共に前記加熱
部の外側に配される内筒と、第２の底板を有すると共に前記内筒の外側に配される中筒と、少なくとも前記内筒と前記中筒との間で形成される空間に保持された改質触媒と、前記第１の底板と前記第２の底板との間で形成される空間に前記改質触媒により反応した水素含有ガスが流通する水素生成装置であって、前記第１の底板の前記加熱部と対向する位置に断熱材を配したものである。

これによって、内筒の中にあって特に改質触媒がなく高温化しやすい部分に対して断熱材を置くことにより、高温の燃焼排ガスをあてないようにすることができる。

本発明の水素生成装置は、内筒の熱変形を防ぎ、改質ガスが燃焼排ガス経路内に噴出す危険な状態を回避することができる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置１の概略構成図 本発明の実施の形態２における断熱材付近の要部断面を示す図 本発明の実施の形態３における断熱材付近の要部断面を示す図 従来の水素生成装置を示す図

第１の発明は、燃焼用燃料と燃焼用空気との混合流体を燃焼して燃焼ガスを生成する加熱部と、第１の底板を有すると共に前記加熱部の外側に配される内筒と、第２の底板を有すると共に前記内筒の外側に配される中筒と、前記内筒と前記中筒との間で形成される空間に保持された改質触媒と、前記第１の底板と前記第２の底板との間で形成される空間に前記改質触媒により反応した水素含有ガスが流通する水素生成装置であって、前記第１の底板の前記加熱部と対向する位置に断熱材を配したことを特徴とする水素生成装置とすることにより、内筒の中にあって特に改質触媒がなく高温化しやすい部分に対して、燃焼排ガスをあてないようにすることができ、熱変形する温度以下にすることができる。

第２の発明は、前記改質触媒の下流部の温度と、前記第１の底板と前記第２の底板との間で形成される空間の温度が略同一となるように前記断熱材を形成し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により、改質触媒の下流部の温度を測定するときに前記第１の底板と前記第２の底板との間で形成される空間の温度を測定すればよいことになるので、容易に改質触媒の下流部の温度を検出することができる。

第３の発明は、前記改質触媒より下流部に位置する前記内筒側面の内側部分に断熱材を配したことを特徴とする請求項２に記載の水素生成装置とすることにより、改質触媒より下流部に位置する断熱材がない内筒側面が高温化することによる熱変形を防ぐことができる。

第４の発明は、前記断熱材の周囲が前記加熱部の方向に突出する突出部を有することを特徴とする請求項３に記載の水素生成装置とすることにより、第一の底板と、内筒の改質触媒のない部分の両方を合理的に覆うことができ、前記第１の底板と前記第２の底板との間で形成される空間の温度を略同一とすることができる。

第５の発明は、前記断熱材の厚さが前記燃焼ガスによる温度の伝達方向に略均一であることを特徴とする請求項３または４に記載の水素生成装置とすることにより、前記第１の底板と前記第２の底板との間で形成される空間の温度が略同一となるように合理的な形態を実現することができる。

第６の発明は、前記断熱材の厚みが８ｍｍ〜１０ｍｍとなることを特徴とする請求項５に記載の水素生成装置とすることにより、第１の底板の温度が熱変形する温度以下に保つことができることに加え、第１の底板からの放熱により水素生成装置起動時に前記第１の底板と前記第２の底板との間で形成される空間の温度上昇が促進され、前記改質触媒の下流部の温度が適正温度に達したことをいち早く知ることができる。

第７の発明は、前記中筒の第２の底板に形成された貫通孔と、前記貫通孔に配され前記水素含有ガスの温度を検出する温度センサーを備えたことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の水素生成装置とすることにより、前記中筒より外側から改質触媒下流部と同じ温度を容易に検出することができる。

第８の発明は、前記中筒の第２の底板に形成された貫通孔は、前記水素含有ガスを流通可能とすることを特徴とする請求項７に記載の水素生成装置とすることにより、前記水素含有ガスが内筒と中筒で構成される通路と、中筒と外筒で構成される通路との連通部に温度センサーを設けることができるので、より容易に改質触媒の下流部の温度を検出することができる。

第９の発明は、前記断熱材を固定する固定部を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の水素生成装置とすることにより、振動が加わっても断熱材の位置ずれを防止することができる。なお、高温時に固定部が膨張しても断熱材の位置ずれを防止することができる。

以下、本発明の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、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置１の要部断面を示す図である。図１において、水素生成装置１は、第１の底板６を備えた内筒５、内筒５の外側に第２の底板８を備えた中筒７が配置されている。内筒５と、中筒７とが略同心円形状に配置されている。

内筒５と中筒７との間で形成される空間に改質触媒が配置される。加熱部２により発生した燃焼排ガスは内筒５にあたる。第１の底板６には、加熱部２と対向する位置に断熱材４０を配置している。断熱材４０は、セラミックファイバーからなり、１０００℃以下の温度に耐えられる性質を備えている。

水素生成装置１の基本的な構成とガスの流れについてさらに詳細を説明する。

水素生成装置１は、水供給経路３から供給される水を蒸発させるとともに、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する予熱部２３を備える。また、原料供給経路４から供給される原料と、水蒸気との改質反応を進行させる改質触媒部２０と、改質触媒部２０で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる変成部２５を有している。また、変成部２５を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給部１９から変成部２５を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部２６を有している。なお、変成部２５、選択酸化部２６により、一酸化炭素低減部が構成されている。

改質触媒部２０には、球状形状（約φ３ｍｍ）を有するＲｕ系の改質触媒が設けられている。具体的には、内筒５と中筒７の側面で構成される空間であって、中筒７の側面部分に、改質触媒の大きさよりも小さな孔径（約φ２ｍｍ）を有するパンチングメタルで構成
される棚段１３上に、改質触媒が設置されている。また、変成部２５には、約φ３ｍｍで高さ３ｍｍの円筒形状を有するＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒、選択酸化部２６には、約φ３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている。改質触媒部２０のへ改質ガスが流れ込む側を上流、流れ出る側を下流とし、流れ出る下流部を改質触媒下流部２０ａとする。

また、水素生成装置１は、改質触媒部２０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２を、内筒５の内側に備えている。加熱部２は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナー、加熱部２の燃焼状態を検知するフレームロッドを備えた燃焼検出部２２、及び加熱部２に燃料用空気を供給する燃焼ファン１８を備えている。加熱部２で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路（図示せず）を介して加熱部２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、導出部１２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、改質触媒部２０と予熱部２３は、加熱部２で発生させた燃焼排ガスから、加熱部２との水素生成装置１の壁面を介して熱を供給される構成となっている。燃焼排ガスは加熱部２から燃焼筒３０の内部を通り、高温状態で内筒５の下部と第１の底板６にあたり、燃焼筒３０の外側と内筒５の内側で形成される通路を通り、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。

ここで、燃焼排ガスは高温化（８５０℃〜９５０℃）させて内筒にあてるため、内筒５及び第１の底板６は燃焼ガスの熱により高温化し長時間使用すると熱変形する可能性がある。特に改質触媒が充填されていない部分は、改質触媒の吸熱反応により熱を奪われることがないので、より熱変形の傾向が顕著となる。内筒５または第１の底板６が熱変形すると、内筒５または第１の底板６を構成する金属が破壊し、内筒５または第１の底板６を境にして圧力の高い側の改質ガスが燃焼排ガス経路側に噴出すこととなる。こうなると噴出した改質ガスが燃焼排ガス経路内で水素燃焼し、燃焼排ガス出口部より火炎を噴出す等の現象が現れ極めて危険な状態になる。

本発明の実施例では第１の底板６には、加熱部２と対向する位置に断熱材４０を配置しているので第１の底板６及び内筒５のうち特に改質触媒が入っていない部分の高温化を防ぐことができる。なお、安全のため第１の底板６及び内筒５はニッケル割合が多く高温熱変形に強いＳＵＳ３１０Ｓ材を使用している。

また、改質触媒部２０における改質触媒の温度を検出し運転制御するための改質温度検出部２１、変成部２５における変成触媒の温度を検出する変成温度部２４を備えている。

ここで、改質触媒部２０が適正温度に達しているか否かの判断は、改質触媒下流部２０ａの触媒温度を以って判断するが、この温度を直接測定するのは困難である。温度検出部を設置するために、新たに中筒と外筒の２枚の板を貫通させる必要があるためである。

本発明の実施例では、改質触媒下流部２０ａの温度と、第１の底板６と第２の底板８との間で形成される空間の温度とが略同一となるように断熱材４０を形成しているので、第１の底板６と第２の底板８との間で形成される空間部分に改質温度検出部２１を設定することにより改質触媒下流部２０ａの温度を測定することができる。第１の底板６と第２の底板８との間で形成される空間部分の温度は、図１のように第３の底板部を貫通させ貫通口９に温度検出部を設けることで測定できるので構成が容易になる。

ここで、第１の底板６と第２の底板８との間で形成される空間の温度とが略同一となる
断熱材４０の形態として、改質触媒より下流部に位置する前記内筒側面の内側部分に断熱材を配している。これにより、内筒５の側面下部（改質触媒下流部と接触した内筒部）と内筒５の改質触媒のない部分と第１の底板６の温度が略均一になり、改質触媒下流部２０ａ温度と改質温度検出部２１の改質ガス温度をほぼ同一にすることができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態を示す図であり、図１の水素生成装置１の断熱材４０付近の要部断面を示す図である。前記断熱材の周囲が前記加熱部の方向に突出する突出部４１を有することにより、第一の底板６と、内筒５の改質触媒のない側面の両方を合理的に覆うことができる。なお、突出部４１は断熱材４０と同一の材料で構成しても良いし、別の材料で構成しても良い。

また、断熱材４０は厚さが前記燃焼ガスによる温度の伝達方向に略均一としている。この構成により断熱材４０の合理的な製造を行うことができる。

ここで、断熱材４０の厚さは８ｍｍ〜１０ｍｍであることが望ましい。なぜなら、断熱材４０の厚みが８ｍｍより小さくなると、内筒の温度が高温になり熱変形を起こす恐れが生じる。また、断熱材４０の厚みが１０ｍｍより大きくなると、水素生成装置起動時において断熱材４０からの熱伝達量が小さくなり、改質触媒下流部２０ａと改質温度検出部２１の温度差が大きくなる。これにより、装置起動時に温度検出部２１で起動制御するのに時間がかかってしまう恐れがある。

予熱部２３は、導出部１２、一酸化炭素低減部（選択酸化部２６、変成部２５）と片側壁面を同一にして、導出部１２、一酸化炭素低減部を流れる水素含有ガス、選択酸化部２６、変成部２５に設けられる触媒と熱交換可能なように構成されている。特に、導出部１２とは、水素生成装置１から導出される水素含有ガスと、水素生成装置１に供給される温度の低い原料及び水とが熱交換される構成となっている。

水供給経路３には、水供給部が接続されている。原料供給経路４には、原料供給部が接続されている。原料供給経路４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６を用い、そのガスインフラライン６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、水供給部および原料供給部４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）。

なお、図１には示していないが、水素生成装置１には、外筒１５および外筒底板１６に密着するように、マイクロポーラス系断熱材（例えば商品名ＷＤＳ、マイクロサーム等の熱伝導率の低い材料の断熱材）が設けられている。

前記の断熱材４０の固定方法について説明する。図３は、本発明の第３の実施の形態を示す図であり、図１の水素生成装置１の断熱材４０付近の要部断面を示す図である。前記断熱材を固定する固定部５０を備えている。これにより、振動が加わっても断熱材の位置ずれを防止することができる。また、熱膨張による固定部の膨張が起きても断熱材のずれを防止することができる。

本発明に係る装置は、燃焼排ガス中の窒素酸化物量が少なく、燃焼排ガスの熱エネルギ
ーを有効に利用して水素生成が可能な、水素生成装置および燃料電池発電システムとして、産業上利用することが可能である。

１ 水素生成装置
２ 加熱部
３ 水供給経路
４ 原料供給経路
５ 内筒
６ 内筒底板
７ 中筒
８ 中筒底板
９ 貫通孔
１２ 導出部
１５ 外筒
１６ 外筒底板
１８ 燃焼空気供給部
１９ 空気供給経路
２０ 改質触媒部
２０ａ 改質触媒下流部
２１ 改質温度検出部
２２ 燃焼検出部
２３ 予熱部
２４ 変成温度検出部
２５ 変成部
２６ 選択酸化部
３０ 燃焼筒
４０ 断熱材
４１ 突出部
５０ 固定部

Claims (9)

1. 燃焼用燃料と燃焼用空気との混合流体を燃焼して燃焼ガスを生成する加熱部と、
   第１の底板を有すると共に前記加熱部の外側に配される内筒と、
   第２の底板を有すると共に前記内筒の外側に配される中筒と、
   前記内筒と前記中筒との間で形成される空間に保持された改質触媒と、を備え、
   前記第１の底板と前記第２の底板との間で形成される空間に前記改質触媒により反応した水素含有ガスが流通する水素生成装置であって、
   前記第１の底板の前記加熱部と対向する位置に断熱材を配したことを特徴とする水素生成装置。
2. 前記改質触媒の下流部の温度と、前記第１の底板と前記第２の底板との間で形成される空間の温度が略同一となるように前記断熱材を形成したことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記改質触媒より下流部に位置する前記内筒側面の内側部分に断熱材を配したことを特徴とする請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記断熱材の周囲が前記加熱部の方向に突出する突出部を有することを特徴とする請求項３に記載の水素生成装置。
5. 前記断熱材の厚さが前記燃焼ガスによる温度の伝達方向に略均一であることを特徴とする請求項３または４に記載の水素生成装置。
6. 前記断熱材の厚みが８ｍｍ〜１０ｍｍとなることを特徴とする請求項５に記載の水素生成装置。
7. 前記中筒の第２の底板に形成された貫通孔と、
   前記貫通孔に配され前記水素含有ガスの温度を検出する温度センサーと、
   を備えたことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の水素生成装置。
8. 前記中筒の第２の底板に形成された貫通孔は、前記水素含有ガスを流通可能とすることを特徴とする請求項７に記載の水素生成装置。
9. 前記断熱材を固定する固定部を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の水素生成装置。

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