JP2011207705A - 水素製造装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で水素製造装置全体としての改質効率を向上させることが可能な水素製造装置及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水Ｗが流通する水蒸発流路３３と選択酸化反応部８との間には、改質ガスＲＧが流通する選択酸化反応出口ガス流路３４が配置される。また、選択酸化反応出口ガス流路３４は、選択酸化反応部８から流出した改質ガスＲＧ、すなわち選択酸化反応部８の出口ガスを流通させることができる。このような構成によれば、選択酸化反応部８の出口ガスとしての改質ガスＲＧは、水や水蒸気が流通する水蒸発流路３３に沿って選択酸化反応部８内を流通することが可能となる。従って、選択酸化反応部８の出口ガスとしての改質ガスＲＧは、別途熱交換器ＨＥＸを設けることなく、水蒸発流路３３内の水Ｗや水蒸気によって十分に冷却されることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、水素製造装置及び燃料電池システムに関する。

従来の水素製造装置としては、炭化水素等の原燃料を改質することによって生成された改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化反応部を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。選択酸化反応部の温度を制御するためには通常ヒータ等の外部加熱器が用いられるが、例えば筒状の選択酸化反応部の内周側に隣接する位置に、水蒸気を生成するための水蒸発部が配置されている水素製造装置では、水蒸発部に供給された水温により、加熱器を用いることなく、選択酸化反応部の温度を制御することが可能である。また、選択酸化反応部によって選択酸化された改質ガスは、選択酸化反応部に接続された出口配管を介して水素製造装置の外部へ供給される。

特開２００９−２８０４０８号公報

ここで、上述したような水素製造装置では、選択酸化反応部は、温度が高い状態で選択酸化後の改質ガスを出口配管を介して外部へ供給していた。従って、当該選択酸化反応部の出口ガスの熱を有効に利用（例えば、当該熱を改質部へ供給することで改質効率を向上させる）することで、水素製造装置全体としての改質効率を向上させることが求められていた。一方、選択酸化反応部の出口ガスに係る配管に熱交換器を設けた場合、装置が大きくなると共に構造が複雑になってしまうという問題がある。以上より、簡単な構造で水素製造装置全体としての改質効率を向上させることが要求されていた。

そこで、本発明は、簡単な構造で水素製造装置全体としての改質効率を向上させる水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る水素製造装置は、水素を含有する改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化反応部と、水を流通させて水蒸気を生成する蒸発流路と、改質ガスが流通するガス流路と、を備え、ガス流路は、選択酸化反応部と蒸発流路との間に配置されており、改質ガスは、選択酸化反応部から流出した後、ガス流路を流通することを特徴とする。

この水素製造装置では、水を流通させて水蒸気を生成する蒸発流路と選択酸化反応部との間には、改質ガスが流通するガス流路が配置される。また、ガス流路は、選択酸化反応部から流出した改質ガス、すなわち選択酸化反応部の出口ガスを流通させることができる。このような構成によれば、選択酸化反応部の出口ガスとしての改質ガスは、水や水蒸気が流通する蒸発流路に沿ってガス流路内を流通することが可能となる。従って、選択酸化反応部の出口ガスとしての改質ガスは、別途熱交換器を設けることなく、蒸発流路の水や水蒸気によって十分に冷却されることができる。蒸発流路の水や水蒸気は、ガス流路の改質ガスの熱を回収することが可能となり、これによってガス流路内の蒸発効率を向上させ、あるいはガス流路内の水蒸気の温度を上げることができる。このように効率良く改質ガスの熱を回収した水蒸気を例えば改質部へ供給することによって、水素製造装置全体としての改質効率を向上させることができる。本発明に係る水素製造装置では、選択酸化反応部と蒸発流路との間にガス流路を形成するだけの簡単な構成で、選択酸化反応部の出口ガスとしての改質ガスの熱を有効に利用することができる。これによって、別途熱交換器を設ける場合に比して、装置の大型化や構造の複雑化を防止することができる。また、選択酸化反応部と蒸発流路との間にガス流路を配置する構成によって、選択酸化反応部は、水が流通する蒸発流路と直接接触することなく、ガス流路を熱媒として機能させることができる。これによって、選択酸化反応部の選択酸化触媒の温度が低くなりすぎることを防止し、選択酸化反応部の反応効率を向上させることができる。以上によって、本発明に係る水素製造装置によれば、簡単な構造で水素製造装置全体としての改質効率を向上させることができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、改質ガスの生成に用いられるバーナの排ガスが流通する排ガス流路を更に備え、排ガス流路は、ガス流路の反対側で蒸発流路と隣接する位置に配置されていることが好ましい。排ガス流路が蒸発流路と隣接する位置に配置されているため、蒸発流路内の水は、高温の排ガスからの熱を受けて効率よく蒸発することができる。

また、本発明に係る水素製造装置において、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により除去するシフト反応部と、シフト反応部から選択酸化反応部へ向かう改質ガスに対して空気を供給する空気供給部と、を更に備え、シフト反応部は、シフト反応後の改質ガスを流出させる出口を有し、空気供給部は、出口から流出する改質ガスに対して、当該改質ガスの流れに対向する方向から空気を供給することが好ましい。シフト反応により一酸化炭素が除去された改質ガスは、シフト反応部から流出する際に出口に集められる。このとき、空気供給部は、出口に集められた改質ガスに対して空気を供給することができる。これによって、空気と改質ガスとが効率よく混合することができる。更に、空気供給部は、改質ガスの流れに対向する方向から空気を供給することができるため、改質ガスと空気とが衝突し、一層効率よく混合される。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素製造装置と、水素製造装置によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする。

この燃料電池システムにおいても、上記水素製造装置を備えているため、簡単な構造で水素製造装置全体としての改質効率を向上させるという上記効果が奏される。

本発明によれば、簡単な構造で水素製造装置全体としての改質効率を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。 図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。 図２に示す選択酸化反応部周辺の構成の拡大図である。 図３に示す選択酸化反応部周辺の熱の流れを示すブロック図である。 図１の水素製造装置の他の例を示す概略正面端面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、図面の上下方向に対応するものであり便宜的なものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。図１に示すように、水素製造装置（ＦＰＳ：Fuel Processing System）１は、例えば家庭用の燃料電池システム１００において水素供給源として利用されるものである。ここでの水素製造装置１は、原燃料として石油系炭化水素が用いられ、水素を含有する改質ガスをセルスタック（燃料電池スタック）２０に供給する。

なお、原燃料としては、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料、天然ガス、都市ガスを用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスのほか、ナフサ、軽油などを原燃料として使用することができる。また、セルスタック２０としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いてもよい。

図２は、図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。図１，２に示すように、水素製造装置１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形の脱硫部２と、中心軸を軸Ｇとする円柱状外形の本体部３と、を備え、これらが筐体４に収容されている。また、筐体４内において脱硫部２及び本体部３の周囲には、粉状の断熱材（不図示）が充填されて断熱されている。脱硫部２は筐体４の外に設置されてもよい。

脱硫部２は、外部から導入された原燃料を脱硫触媒によって脱硫して硫黄分を除去し、この原燃料を後述のフィード部５へ供給する。脱硫部２は、筐体４の側板４ｘにパイプ２１で固定され、本体部３の上部を所定の隙間を有して囲繞するよう保持されている。本体部３は、フィード部５、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８及び蒸発部９を備え、これらが一体で構成されている。この本体部３は、筐体４の床板４ｙに筒状のステー２２により固定され保持されている。

フィード部５は、脱硫部２で脱硫した原燃料及び水蒸気（スチーム）を混合し、これらを改質部６に供給する。具体的には、フィード部５は、原燃料及び水蒸気を合流・混合させて混合ガス（混合流体）を生成する混合部５ｘと、混合ガスを改質部６へ流通させる混合ガス流路５ｙと、を含んでいる。

改質部（ＳＲ：Steam Reforming）６は、フィード部５により供給された混合ガスを改質触媒（改質触媒部）６ｘによって水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをシフト反応部７へ供給する。改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、脱硫部２の筒内に位置するよう本体部３の上端側に設けられている。この改質部６にあっては、水蒸気改質反応が高温を必要としかつ吸熱反応であるため、改質部６の改質触媒６ｘを加熱するための熱源としてバーナ１０を利用している。

バーナ１０では、外部から原燃料がバーナ燃料として供給されて燃焼される。このバーナ１０は、本体部３の上端部に設けられ軸Ｇを中心軸とする燃焼筒１１に、バーナ１０による火炎が取り囲まれるよう取り付けられている。なお、バーナ１０においては、脱硫部２で脱硫した原燃料の一部が、バーナ燃料として供給されて燃焼される場合もある。

シフト反応部７は、改質部６から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるためのものであり、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。ここでのシフト反応部７は、シフト反応を２段階に分けて行うことも可能であり、高温（例えば４００°Ｃ〜６００°Ｃ）でのシフト反応である高温シフト反応を行う高温シフト反応部（ＨＴＳ：High Temperature Shift）１２と、高温シフト反応の温度よりも低温（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部（ＬＴＳ：LowTemperature Shift）１３と、を有している。ただし、高温シフト反応部１２は、必ずしも設けなくともよい。

高温シフト反応部１２は、改質部６から供給された改質ガス中の一酸化炭素を高温シフト触媒１２ｘによって高温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。高温シフト反応部１２は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、高温シフト触媒１２ｘが改質触媒６ｘの下端部を囲繞するよう改質部６の径方向外側に隣接配置されている。この高温シフト反応部１２は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを低温シフト反応部１３へ供給する。

低温シフト反応部１３は、高温シフト反応部１２で高温シフト反応させた改質ガス中の一酸化炭素を低温シフト触媒１３ｘによって低温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端側に配設されている。この低温シフト反応部１３は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを改質ガス配管１４ｘを介して選択酸化反応部８へ供給する。

選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential Oxidation）８は、低温シフト反応部１３で低温シフト反応させた改質ガス中のＣＯ濃度をさらに低下させる。これは、セルスタック２０に高濃度の一酸化炭素を供給すると、セルスタック２０の触媒が被毒して大きく性能低下するためである。この選択酸化反応部８は、具体的には、改質ガス中の一酸化炭素と空気配管１５を介して導入される空気とを選択酸化触媒８ｘで反応させて改質ガス中の水素を酸化させることなく、一酸化炭素を選択的に酸化し、二酸化炭素に転換する。選択酸化反応部８は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端から所定長上端側に該本体部３の最外周側を構成するよう配設されている。この選択酸化反応部８は、ＣＯ濃度をさらに低下させた改質ガスを、改質ガス配管１４ｙを介して外部へ導出する。

蒸発部９は、水配管１７ｘから供給された水を内部に貯留させると共に、この水を低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８から移動させた（低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８を冷却して得た）熱、及びバーナ１０の排ガスの熱で気化させて水蒸気を生成する。蒸発部９は、ジャケット型のものであり、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈している。この蒸発部９は、高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３の径方向外側で且つ選択酸化反応部８の径方向内側（つまり、シフト反応部７と選択酸化反応部８との間）に位置するよう配設されている。この蒸発部９は、生成した水蒸気をフィード部５の混合部５ｘに水蒸気配管１７ｚを介して供給する。

このような水素製造装置１では、まず、バーナ燃料及びセルスタック２０からのオフガス(セルスタック２０で反応に使用されない残ガス)の少なくとも一方と空気とがバーナ１０に供給されて燃焼され、かかる燃焼によって改質触媒６ｘが加熱される。そして、バーナ１０の排ガスが排ガス流路Ｌ１及びガス配管１８を流通して外部へ排気される。

これと共に、脱硫部２で脱硫された原燃料と蒸発部９からの水蒸気とが混合部５ｘで混合され、混合ガスが生成される。この混合ガスは、混合ガス流路５ｙを介して改質部６に供給されて改質触媒６ｘで水蒸気改質され、これにより、改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスは、シフト反応部７によってその一酸化炭素濃度が例えば数千ｐｐｍ程度まで低下され、選択酸化反応部８によってその一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ程度以下まで低下された後、冷却されて後段のセルスタック２０へ導出される。

なお、本実施形態においては、例えば各触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘにて触媒反応を好適に行うため、次のように各部位の温度が設定されている。すなわち、改質部６に流入する混合ガスの温度が約３００〜５５０℃とされ、改質部６から流出する改質ガスの温度が５５０℃〜８００℃とされ、高温シフト反応部１２に流入する改質ガスの温度が４００℃〜６００℃とされ、高温シフト反応部１２から流出する改質ガスの温度が３００℃〜５００℃とされている。また、低温シフト反応部１３に流入する改質ガスの温度が１５０℃〜３５０℃とされ、低温シフト反応部１３から流出する改質ガスの温度が１５０℃〜２５０℃とされ、選択酸化反応部８に流入する改質ガスの温度が９０℃〜２１０℃（１２０℃〜１９０℃）とされている。

次に、本実施形態における低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８の周辺構成について、より詳細に説明する。

図３は、図２に示す選択酸化反応部周辺の構成の拡大図である。図３に示すように、本実施形態に係る水素製造装置１の一酸化炭素除去構造は、軸Ｇ側から外周側へ向かって、低温シフト反応部１３、シフト反応入口ガス流路３１、排ガス流路３２、水蒸発流路３３、選択酸化反応出口ガス流路３４、選択酸化反応部８を、この順番で備えている。低温シフト反応部１３、シフト反応入口ガス流路３１、排ガス流路３２、水蒸発流路３３、選択酸化反応出口ガス流路３４、選択酸化反応部８は、いずれも軸Ｇを中心軸とする円筒状をなしており、径方向に互いに隣接するようにそれぞれ配置されている。

低温シフト反応部１３は、周壁４１、周壁４２、下端壁４３、パンチング板４４、パンチング板４５及び低温シフト触媒１３ｘを備えている。周壁４１及び周壁４２は、中心軸を軸Ｇとする円筒状（円管状）を呈している。周壁４１と周壁４２との間には、低温シフト触媒１３ｘを充填するための隙間が形成されている。下端壁４３は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁４１及び周壁４２それぞれの下端に連続して低温シフト反応部１３の下方側を閉塞する。周壁４２は、周壁４１よりも更に上方へ延びている。パンチング板４４は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、下端壁４３から上方へ離間する位置に、周壁４１と周壁４２との間に設けられている。パンチング板４５は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁４１の上端側の位置に、周壁４１と周壁４２との間に設けられている。低温シフト触媒１３ｘは、周壁４１、周壁４２、パンチング板４４、パンチング板４５で構成される空間に充填される。また、低温シフト反応部１３は、シフト反応後の改質ガスを流出させる出口５２を有している。なお、低温シフト反応部１３は、パンチング板を用いない構成としてもよい。この低温シフト反応部１３の下方側には、シフト反応後の改質ガスと空気とを効率よく混合するための混合構造５０が設けられている。

混合構造５０は、内部空間５１、出口５２、改質ガス配管１４ｘ、空気配管（空気供給部）１５によって構成されている。内部空間５１は、下端壁４３とパンチング板４４との間に形成される円環状の空間である。内部空間５１は、シフト反応後の改質ガスを効率よく出口５２へ集めることができる。出口５２は、低温シフト反応部１３の下端壁４３に形成された貫通孔である。出口５２は、下端壁４３に一箇所のみ形成されているため、シフト反応後の改質ガスを一箇所に集めることができる。改質ガス配管１４ｘは、出口５２に接続された配管である。改質ガス配管１４ｘは、シフト反応後の改質ガスを選択酸化反応出口ガス流路３４へ流通させる。改質ガス配管１４ｘは、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈し、低温シフト反応部１３の下方から上方へ延び、出口５２に接続される管部１４ａを備えている。空気配管１５は、先端部分が改質ガス配管１４ｘの内部に挿入されている。空気配管１５の先端部分は、改質ガス配管１４ｘの管部１４ａの内部で当該管部１４ａと同軸上に配置され、出口５２へ向かって上方へ延びている。

このような構成によって、出口５２は、シフト反応後の改質ガスを一箇所に集めると共に、当該改質ガスを改質ガス配管１４ｘの管部１４ａ内へ下方に向けて流すことができる。一方、空気配管１５は、出口５２を通過する改質ガスに対して、下方から上方へ向かって（すなわち、改質ガスの流れに対向する方向から）空気を供給することができる。これによって、混合構造５０は、シフト反応後の改質ガスと空気とを出口５２付近で効率よく混合することができる。なお、改質ガスと空気との混合位置は、特に限定されず、管部１４ａ以外の位置でもよいが、出口５２に近い方が改質ガスの流速が高く混合効率が良いので好適である。

シフト反応入口ガス流路３１は、低温シフト反応部１３に対する入口ガスを流通させる流路であり、周壁４２及び周壁６１によって構成されている。周壁６１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状（円管状）を呈している。シフト反応入口ガス流路３１は、周壁４１と周壁６１との間の隙間によって構成されている。周壁６１は、低温シフト反応部１３の下端壁４３から下方へ離間するように配置された下端壁６２に接続されている。シフト反応入口ガス流路３１を流通する改質ガスは、低温シフト反応部１３の下端壁４３と周壁４１の外側を回り込むように流れ低温シフト反応部１３へ上側から供給される。なお、本発明においては、低温シフト反応部１３へ供給される改質ガスはこのような流れに限定されず、どのような流路で低温シフト反応部１３へ供給されてもよい。従って、シフト反応入口ガス流路３１がこのような配置で設けられていなくてもよい。

排ガス流路３２は、バーナからの排ガスを流通させる流路であり、周壁６１、周壁６３、下端壁６４、外周壁６６によって構成されている。周壁６３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状（円管状）を呈している。排ガス流路３２は、周壁６１と周壁６３との間の隙間によって構成されている。周壁６３の下端部は、下端壁６２から上方へ離間した円環状の下端壁６４に接続されている。また、下端壁６４と下端壁６２の外周側の端部は円筒状の外周壁６６によって閉塞されている。排ガス流路３２は、改質部６側からの排ガスを上方から下方へ向けて流通させる。

水蒸発流路３３は、蒸発部９の水または水蒸気を流通させる流路であり、周壁６３、下端壁６４、周壁６７、上端壁６８によって構成されている。周壁６７は、中心軸を軸Ｇとする円筒状（円管状）を呈している。水蒸発流路３３は、周壁６３と周壁６７との間の隙間によって構成されている。周壁６７の下端部は、下端壁６４に接続されている。下端壁６４は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６３及び周壁６７それぞれの下端に連続して水蒸発流路３３の下方側を閉塞する。上端壁６８は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６３及び周壁６７それぞれの上端に連続して水蒸発流路３３の上方側を閉塞する。周壁６７の下端付近には、水配管１７ｘが接続されている。水蒸発流路３３は、水配管１７ｘから供給された水を下方から上方へ向けて流通させる。なお、水は水蒸発流路３３内で蒸発するため、水蒸発流路３３は下側の水層と上側のスチーム層を有している。水蒸発流路３３内の水の水面の位置は特に限定されないが、少なくとも選択酸化触媒８ｘの上端位置よりも上方であることが好ましい。また、水蒸発流路３３の上端、すなわち上端壁６８の位置は特に限定されず、図に示す位置より更に高い位置に配置してよい。

選択酸化反応出口ガス流路３４は、選択酸化反応部８に対する出口ガスを流通させる流路であり、周壁６７、周壁６９、下端壁７１、上端壁７２によって構成されている。下端壁７１は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６７の外周面に設けられている。下端壁７１は、水配管１７ｘの接続位置よりも上方に配置されている。上端壁７２は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６７の外周面に設けられている。周壁６９は、中心軸を軸Ｇとする円筒状（円管状）を呈し、下端壁７１と上端壁７２との間で延在している。周壁６９の下端は下端壁７１に接続され、周壁６９の上端は上端壁７２から離間している（あるいは改質ガスを流通させるための貫通孔が設けられている）。選択酸化反応出口ガス流路３４は、周壁６７と周壁６９との間の隙間によって構成されている。周壁６９の下端付近には、改質ガス配管１４ｙが接続されている。選択酸化反応出口ガス流路３４は、選択酸化反応部８から供給された改質ガスを上方から下方へ向かって流通させ、改質ガス配管１４ｙから流出させる。選択酸化反応出口ガス流路３４の上端及び下端の位置、すなわち上端壁７２及び下端壁７１の位置は、図に示す位置に限定されない。

選択酸化反応部８は、周壁６９、周壁７３、上端壁７２、下端壁７７、パンチング板７４及び選択酸化触媒８ｘを備えている。周壁７３は、周壁６９よりも外周側で中心軸を軸Ｇとする円筒状（円管状）を呈している。周壁６９と周壁７３との間には、選択酸化触媒８ｘを充填するための隙間が形成されている。周壁７３の下端側の一部は、段差が形成されて径が小さくなった小径部７３ａとされている。下端壁７７は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６９の外周面と周壁７３の小径部７３ａの下端部に連続して選択酸化反応部８の下方側を閉塞する。パンチング板７４は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６９の段差部分の位置に、周壁６９と周壁７３との間に設けられている。選択酸化触媒８ｘは、周壁６９、周壁７３、パンチング板７４、及び上端壁７２で構成される空間に充填される。周壁７３の小径部７３ａには、改質ガス配管１４ｘが接続されている。なお、選択酸化反応部８は、パンチング板を用いない構成としてもよい。

次に、選択酸化反応部８周辺における改質ガスＲＧ、水（または水蒸気）Ｗ、排ガスＥＧの流れ、及び熱の流れについて図３及び図４を参照しながら説明する。図４は、図３に示す選択酸化反応部８周辺の熱の流れを示すブロック図である。

まず、改質ガスＲＧは、シフト反応入口ガス流路３１を流通し、低温シフト反応部１３へ供給される。低温シフト触媒１３ｘで一酸化炭素濃度が低下した改質ガスＲＧは、内部空間５１内で出口５２へ向かって一箇所に集められる。低温シフト反応部１３から流出する改質ガスＲＧの温度は、上述のように１５０℃〜２５０℃である。出口５２へ集められた改質ガスＲＧは、改質ガス配管１４ｘの管部１４ａへ向かって下方へ流通する。このとき、改質ガスＲＧは、空気配管１５から上方へ向かって供給された空気と衝突し、効率よく空気と混合される。空気と混合された改質ガスＲＧは、改質ガス配管１４ｘを流通して、選択酸化反応部８へ供給される。このとき、改質ガスＲＧは、改質ガス配管１４ｘを流通している間に改質ガス配管１４ｘを介して外部に放熱を行う。また、改質ガスＲＧは、周壁７３の小径部７３ａと周壁６９との間の隙間（すなわち選択酸化触媒８ｘの下方の空間）において、水蒸発流路３３との間で選択酸化反応出口ガス流路３４を介して熱交換を行う。これによって、改質ガスＲＧは、選択酸化反応部８へ流入する前に、適切な温度にされる。すなわち、改質ガス配管１４ｘ及び選択酸化反応出口ガス流路３４の一部は熱交換部Ａとして機能することができる。改質ガス配管１４ｘは、配管外部と熱交換を行い、選択酸化反応出口ガス流路３４は、水蒸発流路３３との間で熱交換を行う。改質ガス配管１４ｘは、温度調節のために適切な長さに設定することができる。改質ガスＲＧの温度は、選択酸化反応部８へ流入する直前では、８０〜１８０℃に保たれる。

選択酸化反応部８へ流入した改質ガスＲＧは、選択酸化触媒８ｘによって一酸化炭素が除去される。ここで、選択酸化反応は発熱反応であるため、選択酸化触媒８ｘから熱が生じる。このとき、選択酸化反応部８は、選択酸化反応出口ガス流路３４を介して水蒸発流路３３との間で熱交換をすることができる。これによって、選択酸化反応部８の入口付近が必要以上に高温となることを防止できる。このとき、選択酸化反応出口ガス流路３４は、選択酸化反応部８と水蒸発流路３３との間で熱交換を行う熱交換部Ｂとして機能することができる。改質ガスＲＧの温度は、選択酸化反応部８から流出した直後では、１１０〜１９０℃とされる。

選択酸化反応部８から流出して選択酸化反応出口ガス流路３４へ供給された改質ガスＲＧは、当該選択酸化反応出口ガス流路３４を上方から下方へ向かって流通する。このとき、改質ガスＲＧは、選択酸化反応出口ガス流路３４の内周側に隣接する水蒸発流路３３内の水（あるいは水蒸気）との間で熱交換を行う。これによって、改質ガスＲＧは、水蒸発流路３３に熱を供給することで冷却される。すなわち、選択酸化反応出口ガス流路３４は、水蒸発流路３３との間で熱交換を行う熱交換部Ｃとして機能することができる。改質ガスＲＧは、十分に冷却され、最終的に７０〜１００℃とされる。以上のように、選択酸化反応出口ガス流路３４は、一本の流路でありながら、三つの熱交換部Ａ，Ｂ，Ｃとして機能することができる。

水Ｗは、水配管１７ｘから供給され、水蒸発流路３３へ流入し、下方から上方へ向かって流れる。このとき、水Ｗは、水蒸発流路３３と内周側で隣接する排ガス流路３２の排ガスＥＧから熱を受けることができる。また、水Ｗは、熱交換部Ａとして機能する選択酸化反応出口ガス流路３４から、選択酸化反応部８の入口ガスとしての改質ガスＲＧの熱を受けることができる。更に、水Ｗは、熱交換部Ｂとして機能する選択酸化反応出口ガス流路３４から、選択酸化反応による熱を受けることができる。また、水Ｗは、熱交換部Ｃとして機能する選択酸化反応出口ガス流路３４から、選択酸化反応部８の出口ガスとしての改質ガスＲＧによる熱を受けることができる。以上によって、水蒸発流路３３は、水蒸発流路３３を介して効率よく熱を受けることができるため、水Ｗの蒸発効率を大幅に向上させることができる。水Ｗ（または水蒸気）の温度は、選択酸化反応出口ガス流路３４と接している領域では１００〜５００℃とされ、特に、選択酸化反応部８の出口付近においては１１０〜３００℃にまで加熱されることが可能となる。水Ｗは、上方へ流通する間に蒸発することでスチームとなり、改質部６へ向かう。

次に、本実施形態に係る水素製造装置１及び燃料電池システム１００の作用・効果について説明する。

まず、比較のため、選択酸化反応出口ガス流路３４が設けられておらず、選択酸化反応部８による選択酸化反応後の改質ガスが、直ちに改質ガス配管１４ｙに供給される構成について考える。このような構成では、温度が高い状態で選択酸化反応後の改質ガスを装置外部へ供給することとなり、出口ガスとしての改質ガスの熱に無駄が生じる。一方、改質配管１４ｙに熱交換器（例えば図３においてＨＥＸで示される）を設け、水配管１７ｘからの水Ｗが、熱交換器ＨＥＸで熱交換されてから蒸発部９へ供給される構成とした場合、装置が大きくなると共に構造が複雑になってしまうという問題がある。

一方、本実施形態に係る水素製造装置１では、水Ｗが流通する水蒸発流路３３と選択酸化反応部８との間には、改質ガスＲＧが流通する選択酸化反応出口ガス流路３４が配置される。また、選択酸化反応出口ガス流路３４は、選択酸化反応部８から流出した改質ガスＲＧ、すなわち選択酸化反応部８の出口ガスを流通させることができる。このような構成によれば、選択酸化反応部８の出口ガスとしての改質ガスＲＧは、水や水蒸気が流通する水蒸発流路３３に沿って選択酸化反応部８内を流通することが可能となる。従って、選択酸化反応部８の出口ガスとしての改質ガスＲＧは、別途熱交換器ＨＥＸを設けることなく、水蒸発流路３３内の水Ｗや水蒸気によって十分に冷却されることができる。

水蒸発流路３３の水Ｗや水蒸気は、選択酸化反応出口ガス流路３４の改質ガスＲＧの熱を回収することが可能となり、これによって選択酸化反応出口ガス流路３４内の蒸発効率を向上させることができる（あるいは水蒸気の温度を上げることができる）。ここで、熱交換器ＨＥＸは選択酸化反応部８より一定距離離れた位置に配置する必要があるため、改質ガスＲＧが熱交換器ＨＥＸまで流れる間に熱のロスが生じる場合がある。一方、本実施形態では、水蒸発流路３３は、選択酸化反応部８から流出した直後の改質ガスＲＧから熱をロスなく回収することができる。このように効率良く改質ガスＲＧの熱を回収した水蒸気を改質部６へ供給することによって、水素製造装置１全体としての改質効率を向上させることができる。本実施形態に係る水素製造装置１では、選択酸化反応部８と水蒸発流路３３との間に選択酸化反応出口ガス流路３４を形成するだけの簡単な構成で、選択酸化反応部８の出口ガスとしての改質ガスＲＧの熱を有効に利用することができる。これによって、別途熱交換器ＨＥＸを設ける場合に比して、装置の大型化や構造の複雑化を防止することができる。

また、選択酸化反応部８と水蒸発流路３３との間に選択酸化反応出口ガス流路３４を配置する構成によって、選択酸化反応部８は、水Ｗが流れる水蒸発流路３３と直接接触することなく、選択酸化反応出口ガス流路３４を熱媒として機能させることができる。これによって、選択酸化反応部８の選択酸化触媒８ｘの温度が低くなりすぎることを防止し、選択酸化反応部８の反応効率を向上させることができる。また、選択酸化触媒８ｘの劣化を防ぐことができる。以上によって、本実施形態に係る水素製造装置１によれば、簡単な構造で水素製造装置１全体としての改質効率を向上させることができる。

また、本実施形態に係る水素製造装置１において、排ガス流路３２は、選択酸化反応出口ガス流路３４の反対側で水蒸発流路３３と隣接する位置に配置されている。排ガス流路３２が水蒸発流路３３と隣接する位置に配置されているため、水蒸発流路３３内の水は、高温の排ガスＥＧからの熱を受けて効率よく蒸発することができる。

また、本実施形態に係る水素製造装置１において、低温シフト反応部１３は、シフト反応後の改質ガスＲＧが通過する出口５２を有している。また、空気配管１５は、出口５２を通過する改質ガスＲＧに対して、当該改質ガスＲＧの流れに対向する方向から空気を供給することができる。改質ガスＲＧは、低温シフト反応部１３から流出する際は出口５２に集められる。このとき、空気配管１５は、出口５２に集められた改質ガスＲＧに対して空気を供給することができる。これによって、空気と改質ガスＲＧとが効率よく混合することができる。更に、空気配管１５は、改質ガスＲＧの流れに対向する方向から空気を供給することができるため、改質ガスＲＧと空気とが衝突し、一層効率よく混合される。

また、本発明に係る燃料電池システム１００は、上記水素製造装置１を備えているため、簡単な構造で水素製造装置１全体としての改質効率を向上させることができるという上記効果が奏される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る水素製造装置及び燃料電池システムは、実施形態に係る上記水素製造装置１及び上記燃料電池システム１００に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。例えば、改質部の構造が異なるものを採用してもよく、また、脱硫部２がなくともよい。

例えば、上記実施形態で示された水素製造装置の構成は、一例であり、選択酸化反応部８、選択酸化反応出口ガス流路３４、水蒸発流路３３の位置関係を除く部分の構成は、特に限定されず、各流路や配管や構成要素の位置関係や構成を適宜変更してもよい。

また、上記実施形態は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものとして高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３を備えているが、図５に示すように、低温シフト反応部１３のみ備えていてもよい。

ちなみに、上記の「筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや、円筒状及び多角筒状の部分を少なくとも含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。

１…水素製造装置、１０…バーナ、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、８…選択酸化反応部、１３…シフト反応部、１５…空気配管（空気供給部）、３２…排ガス流路、３３…水蒸発流路（蒸発流路）、３４…選択酸化反応出口ガス流路（ガス流路）、５２…出口、１００…燃料電池システム、Ｇ…軸。

Claims (4)

1. 水素を含有する改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化反応部と、
   水を流通させて水蒸気を生成する蒸発流路と、
   前記改質ガスが流通するガス流路と、を備え、
   前記ガス流路は、前記選択酸化反応部と前記蒸発流路との間に配置されており、
   前記改質ガスは、前記選択酸化反応部から流出した後、前記ガス流路を流通することを特徴とする水素製造装置。
2. 前記改質ガスの生成に用いられるバーナの排ガスが流通する排ガス流路を更に備え、
   前記排ガス流路は、前記ガス流路の反対側で前記蒸発流路と隣接する位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
3. 前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により除去するシフト反応部と、
   前記シフト反応部から前記選択酸化反応部へ向かう前記改質ガスに対して空気を供給する空気供給部と、を更に備え、
   前記シフト反応部は、シフト反応後の前記改質ガスを流出させる出口を有し、
   前記空気供給部は、前記出口から流出する前記改質ガスに対して、当該改質ガスの流れに対向する方向から前記空気を供給することを特徴とする請求項１または２記載の水素製造装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項記載の水素製造装置と、
   前記水素製造装置によって生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
   

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