JP2011207726A

JP2011207726A - 水素製造装置及び燃料電池システム

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Publication number: JP2011207726A
Application number: JP2010079234A
Authority: JP
Inventors: Akira Goto; 後藤　　晃; Shuhei Sakuma; 修平咲間
Original assignee: JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】原燃料及び水蒸気を充分に混合させることができる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】水素製造装置１は、改質ガスを生成する筒状の改質部６と、改質部６に混合ガスを供給するフィード部５と、を備え、フィード部５は、原燃料及び水蒸気を混合させて混合ガスを生成する混合部５ｘと、混合部５ｘで生成した混合ガスを改質部６へ流通させる混合ガス流路５ｙと、を有し、混合ガス流路５ｙは、軸Ｇ位置にて軸Ｇ方向に沿って延びる直線路３１と、直線路３１に接続され改質部６に隣接する空間としてのバッファ部３２と、を含んでいる。これにより、混合部５ｘで生成された混合ガスが、直線路３１によって軸Ｇ位置で軸Ｇ方向に沿って流通された後、バッファ部３２によって改質部６の手前で一時的に溜まるように流通されつつ好適に拡散（分散）されて混合され、そして、改質部６に供給される。
【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、バーナを用いて灯油や液化石油ガス等の原燃料を水蒸気改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する筒状の改質部と、改質部に原燃料及び水蒸気の混合流体を供給するフィード部と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような水素製造装置は、例えば燃料電池システムに用いられ、生成した改質ガスを燃料電池スタックに供給して発電を行う。

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、混合流体中の原燃料及び水蒸気の混合が不充分となり易く、場合によっては、改質部の改質触媒においてコーキング（触媒表面に炭素が析出すること）が発生してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、原燃料及び水蒸気を充分に混合させることができ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、バーナを用いて原燃料及び水蒸気を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する筒状の改質部と、改質部に原燃料及び水蒸気の混合流体を供給するフィード部と、を備え、フィード部は、原燃料及び水蒸気を混合させて混合流体を生成する混合部と、混合部で生成した混合流体を改質部へ流通させる混合流体流路と、を有し、混合流体流路は、改質部の中心軸位置にて軸方向に沿って延びる直線路と、直線路に接続され改質部に隣接する空間としてのバッファ部と、を含むことを特徴とする。

このような水素製造装置では、フィード部において混合部により生成された混合流体が、直線路により中心軸位置で軸方向に沿って流通される。その後、この混合流体は、バッファ部によって改質部の手前で一時的に溜まるよう流通されつつ好適に拡散（分散）されて混合され、そして、改質部に供給されることとなる。従って、原燃料及び水蒸気を充分に混合させることが可能となる。

また、バッファ部は、バーナの燃焼室に隣接していることが好ましい。この場合、バッファ部にてバーナの燃料による熱を好適に利用することができ、原燃料及び水蒸気を充分に気化させることができる。その結果、原燃料及び水蒸気を一層充分に混合させることが可能となる。

また、混合部は、原燃料を流通させる内管が水蒸気を流通させる外管の流路に沿って該外管内に突き出るよう挿設されて構成されていることが好ましい。これにより、原燃料として液体燃料を用いる場合、水蒸気の潜熱を利用して原燃料を確実に気化させることができる。加えて、水蒸気の流れに沿って原燃料が導入されて混合される（いわゆる、並行混合される）ことになるため、原燃料及び水蒸気を単純に合流した場合等に生じる原燃料の圧力変動をも抑制することが可能となる。

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し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、原燃料及び水蒸気を充分に混合させるという上記効果が奏される。

本発明によれば、原燃料及び水蒸気を充分に混合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１の水素製造装置のフィード部周辺を示す概略端面図である。本発明の他の例に係る水素製造装置のフィード部周辺を示す概略端面図である。本発明のさらに他の例に係る水素製造装置のフィード部周辺を示す概略端面図である。

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、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。このフィード部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、混合部５ｘに連続し混合ガスを改質部６へ流通させる混合ガス流路（混合流体流路）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段階に分けて行っており、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。

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、熱交換部１６が設けられた改質ガス配管１４ｙを介して外部へ導出する。熱交換部１６は、改質ガス配管１４ｙ内を流通する改質ガスと、外部から水配管１７ｘを介して導入された水との間で熱交換を行うと共に、この水を蒸発部９に水配管１７ｙを介して供給する。

蒸発部９は、熱交換部１６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、選択酸化反応部８及び排ガス流路Ｌ１から移動させた（低温シフト反応部１３、選択酸化反応部８及び排ガスを冷却して得た）熱で気化させて水蒸気を生成する。蒸発部９は、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈しており、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１％以下程度まで低下され、選択酸化反応部８によってその一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下まで低下された後、熱交換部１６で冷却され、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、本実施形態のフィード部５について、より詳細に説明する。

図３は、図１の水素製造装置のフィード部周辺を示す概略端面図である。図３に示すように、フィード部５の混合ガス流路５ｙは、直線路３１と、直線路３１及び改質部６に接続された空間としてのバッファ部３２と、を含んで構成されている。直線路３１は、軸Ｇ方向に沿って延びる配管であり、軸Ｇ位置において本体部３の下端部から中央部に亘って長尺状に設けられている。

バッファ部３２は、軸Ｇを中心軸とする略円柱形状のスペース部であって、直線路３１の流路面積よりも大きい流路面積を有している。このバッファ部３２は、改質部６及び燃焼室１９の下方側に隣接配置されている。燃焼室１９は、バーナ１０の燃焼空間として画設された円柱状の空間であり、改質部６で囲まれるように該改質部６の筒内に配置されている。

このバッファ部３２は、円板状の上壁３３及び下壁３４により画設され、その外周部が改質部６の下端部と連通している。上壁３３は、改質部６における円筒状（円管状）の内周壁６１の下端に、該内周壁６１内を閉塞するように設けられている。なお、この内周壁６１の筒内における上壁３３で閉塞された空間が、上記燃焼室１９を構成している。一方、下壁３４は、改質部６における円筒状の外周壁６２の下端に、該外周壁６２を閉塞するように設けられている。

このバッファ部３２の下壁３４において軸Ｇ位置には、直線路３１が接続されていると共に、直線路３１の内径よりも小さい流入口３５が形成されている。これにより、混合ガスの流路において直線路３１とバッファ部３２との間には、絞り部３６が形成されることになる。

また、フィード部５の混合部５ｘは、水蒸気と原燃料を合流させて混合するものであり、本体部３の下端側に位置している。この混合部５ｘは、脱硫部２で脱硫した原燃料を流通させる燃料配管（内管）３７が、蒸発部９から供給された水蒸気を流通させる水蒸気配管（外管）１７ｚの流路に沿って該水蒸気配管１７ｚ内に突き出るよう挿設されて構成されている。

具体的には、混合部５ｘでは、水平方向に沿って延びる水蒸気配管１７ｚが、本体部３の下方側における軸Ｇ中心位置にて、屈曲部３９を介して上方に向けて延びている。そして、水蒸気配管１７ｚより小径で且つ上方に延びる燃料配管３７が、水蒸気配管１７ｚの屈曲部３９に挿入され、水蒸気配管１７ｚ内で上方に所定長だけ突き出るようになっている。これにより、混合部５ｘでは、水蒸気の流れに沿って水蒸気に原燃料が導入・合流されて混合（いわゆる、並行混合）される。

以上のように構成された本実施形態のフィード部５では、混合部５ｘにおいて、水蒸気配管１７ｚを流通する水蒸気に燃料配管３７から原燃料が導入されてこれらが混合され、混合ガスが生成される。このとき、燃料配管３７から流出する原燃料は、水蒸気の潜熱を利用して確実に気化される。

この混合ガスは、直線路３１により軸Ｇ位置にて上方に向けて流通し、絞り部３６を介してバッファ部３２に流入される。このように絞り部３６を介してバッファ部３２に混合ガスを流入させると、混合ガスの流路面積が一度縮小された後に拡大されるため、混合ガスが好適に乱れ且つ拡散（分散）されて混合される。

そして、混合ガスは、バッファ部３２において一時的に溜まるようにして軸Ｇ位置から径方向外側に放射線状に拡がって流れ、一層拡散（分散）されて混合された後、改質部６に供給されることとなる。

以上、本実施形態では、上述したように、フィード部５において混合部５ｘで生成された混合ガスが、バッファ部３２によって、改質部６の手前で一時的に溜まるよう流通されつつ好適に拡散されて混合される。よって、混合ガスにおける原燃料及び水蒸気を充分に混合させることが可能となる。

また、上述したように、バッファ部３２が燃焼室１９に隣接していることから、バッファ部３２内にてバーナ１０の燃焼による熱を好適に利用することができ、原燃料及び水蒸気を充分に気化させることができる。その結果、原燃料及び水蒸気を一層充分に混合させることが可能となる。

また、上述したように、混合部５ｘは、水蒸気配管１７ｚの流路に沿って該水蒸気配管１７ｚ内に突き出るように燃料配管３７が挿設されて構成されている。よって、本実施形態のように原燃料として灯油（液体燃料）を用いる場合、水蒸気の潜熱を利用して原燃料を確実に気化させることができる。その結果、混合ガス中に液滴（水や原燃料）が混在するまま該混合ガスが改質部６に供給されるのを防止できる。

加えて、水蒸気の流れに沿って（並行に）原燃料が導入されて混合されるため、原燃料及び水蒸気を単純に合流した場合に生じる原燃料の圧力変動をも抑制することができ、ひいては、原燃料用のポンプへの圧力影響を小さくすることが可能となる。さらには、改質部６へ流入する原燃料と水蒸気との混合比率の時間的変化を小さくすることができ、改質触媒６ｘを長寿命化することが可能となる。

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、水素製造装置の配置構成については、上記水素製造装置１を上下反転したような配置構成（例えば、バーナ１０が下部に設置されて構成された水素製造装置）としてもよく、限定されるものではない。また、上記実施形態の水素製造装置１は、脱硫部２を備えない場合もある。また、改質部６は、原燃料及び水蒸気を改質するものであればよい。

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、低温シフト反応部１３のみ備えていてもよい。

また、図４に示すように、上記燃料配管３７に代えて、下流端（上方端）がバッファ部３２に近接するまで水蒸気配管１７ｚに挿入された燃料配管（内管）４７を用い、混合ガスをバッファ部３２の直前で生成してもよい。この場合、水蒸気の流れと原燃料の流れとを互いに一層等しくすることができ、原燃料の圧力変動を一層抑制することができる。

また、図５に示すように、改質触媒６ｘの内周壁を構成する内周壁６１に、改質触媒６ｘの流入口及び流出口として、触媒が流通しない程度の大きさの複数の孔Ｈが形成されていてもよい。

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。また、上記実施形態は、好ましいとして、中心軸を軸Ｇとする同軸構成とされているが、本発明は、略同軸構成又は軸Ｇに沿った構成とされていてもよい。

１…水素製造装置、５…フィード部、５ｘ…混合部、５ｙ…混合ガス流路（混合流体流路）、６…改質部、１０…バーナ、１７ｚ…水蒸気配管（外管）、１９…燃焼室、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、３１…直線路、３２…バッファ部、３７，４７…燃料配管（内管）、１００…燃料電池システム、Ｇ…軸（中心軸）。

Claims

バーナを用いて原燃料及び水蒸気を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する筒状の改質部と、
前記改質部に前記原燃料及び前記水蒸気の混合流体を供給するフィード部と、を備え、
前記フィード部は、
前記原燃料及び前記水蒸気を混合させて前記混合流体を生成する混合部と、
前記混合部で生成した混合流体を前記改質部へ流通させる混合流体流路と、を有し、
前記混合流体流路は、
前記改質部の中心軸位置にて軸方向に沿って延びる直線路と、
前記直線路に接続され前記改質部に隣接する空間としてのバッファ部と、を含むことを特徴とする水素製造装置。
前記バッファ部は、前記バーナの燃焼室に隣接していることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
前記混合部は、前記原燃料が流通する内管が、前記水蒸気が流通する外管の流路に沿って該外管内に突き出るよう挿設されて構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
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。