JP2012006774A - 改質器ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 原料ガス供給管の上流側への水蒸気の流入を抑制可能であるとともに、原料ガス供給管が水封されることを防止可能な技術を提供する。
【解決手段】 水蒸気と原料ガスを反応させて水素ガスを生成する改質器ユニット１０であって、改質器１２と、改質器１２内に水蒸気を発生させる水蒸気発生手段２０、１４と、改質器１２に原料ガスを供給する原料ガス供給管３０と、原料ガス供給管３０に介装されているドレンポット４０を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は水蒸気と原料ガスを反応させて水素ガスを生成する改質器ユニットに関する。

特許文献１には、水蒸気と原料ガス（炭化水素系ガス）を反応させて水素ガスを生成する改質器ユニットが開示されている。生成された水素ガスを燃料電池に送ることで、燃料電池を動作させることができる。

一般に、改質器ユニットの起動直後においては、改質触媒への炭素の析出を防止するために、改質器に原料ガスを供給しないで改質器内に水蒸気を発生させる水蒸気発生運転が行われる。その後、改質器の温度が安定したところで、改質器に原料ガスを供給するとともに改質器内に水蒸気を発生させ、原料ガスと水蒸気を反応させて改質ガスを生成する改質運転が行われる。水素ガスは、改質運転中に生成される。水蒸気発生運転中においては、水蒸気が原料ガス供給管内に流入し、原料ガス供給管内で結露が生じる場合がある。結露した水が原料ガス供給管に設置された流量センサや弁等に付着すると、これらが誤作動を起こす場合がある。

特許文献１の改質器ユニットでは、原料ガス供給管の途中にＵ字状部が設けられている。Ｕ字状部内で水蒸気が冷却されて結露が生じる。結露により生じた水は、Ｕ字状部の底に向かって流れ、底部に溜まる。このため、結露した水がセンサや弁に付着することが防止される。

特開２００７−１９１３８６号公報

上述したように、特許文献１の技術では、結露した水が原料ガス供給管のＵ字状部の底に溜まる。このため、結露した水の量が多い場合には、Ｕ字状部が水封されてしまう。Ｕ字状部が水封されると、改質運転で原料ガスを適切に供給することができない。

上述した実情に鑑み、本明細書では、原料ガス供給管の上流側への水蒸気の流入を抑制可能であるとともに、原料ガス供給管が水封されることを防止可能な技術を提供する。

本明細書が開示する改質器ユニットは、水蒸気と原料ガスを反応させて水素ガスを生成する。この改質器ユニットは、改質器と、改質器内に水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、改質器に原料ガスを供給する原料ガス供給管と、原料ガス供給管に介装されているドレンポットを備えている。

なお、上記のドレンポットは、上流側の原料ガス供給管と下流側の原料ガス供給管とを接続する容器であって、上流側の原料ガス供給管との接続部及び下流側の原料ガス供給管との接続部の何れよりも下方に広がる空間を有するものである。
また、上記の水蒸気発生手段は、改質器内で水を蒸発させることで改質器内に水蒸気を発生させるものであってもよいし、外部から改質器内に水蒸気を供給するものであってもよい。

この改質器ユニットでは、原料ガス供給管にドレンポットが介装されているので、改質器から原料ガス供給管内に流入した水蒸気の多くがドレンポット内で結露する。これによって、水蒸気がドレンポットよりも上流側の原料ガス供給管に流れることが抑制される。また、結露した水は、ドレンポット内の下部（原料ガス供給管との接続部よりも下方の空間）に溜まる。このため、原料ガス供給管が水封されることが防止される。

上述した改質器ユニットは、改質器に原料ガスを供給しないで改質器内に水蒸気を発生させる水蒸気発生運転と、水蒸気発生運転後に改質器に原料ガスを供給しながら改質器内に水蒸気を発生させ、原料ガスと水蒸気を反応させて改質ガスを生成する改質運転を実行するように構成されていることが好ましい。そして、ドレンポットの容量が、水蒸気発生運転中に改質器に供給される水の量よりも大きいことが好ましい。

なお、ここでいう「水の量」は、改質器に水を供給して改質器内で水蒸気を発生させるタイプの水蒸気発生手段を採用している場合には、改質器に供給される水の総量（体積）を意味する。また、改質器に水蒸気を供給するタイプの水蒸気発生手段を採用している場合には、改質器に供給される水蒸気の総量を液化させたときの液体の水の体積を意味する。

このような構成によれば、水蒸気発生運転中にドレンポットが満水となることが防止される。

上述した改質器ユニットは、ドレンポット内に原料ガスが流れると、ドレンポット内の水が蒸発し、その水蒸気が原料ガスと共に改質器に送られることが好ましい。

このような構成によれば、改質器に原料ガスを供給するときに、ドレンポット内の水が蒸発して改質器に送られるので、ドレンポット内の水位が減少する。このため、ドレンポットに溜まった水を排出する作業を行う必要がなく、メンテナンスの負担が軽減される。

改質器ユニット１０を有する燃料電池ユニット１００のブロック図。 ドレンポット４０の縦断面図。

図１は、実施形態に係る改質器ユニット１０が組み込まれた燃料電池ユニット１００の概略構成を示している。なお、図１中の各矢印は、ガスや水の流れを示している。図１に示すように、燃料電池ユニット１００は、改質器ユニット１０と、燃料電池１１０と、給水装置１２０と、原料ガス供給装置１３０と、制御装置１５０を備えている。

給水装置１２０は、給水タンク１２２と給水ポンプ１２４を備えている。給水タンク１２２は、脱イオン水（以下では、単に水という）を貯留している。給水タンク１２２は、改質器ユニット１０の給水管２０に接続されている。給水ポンプ１２４は、給水タンク１２２内の水を給水管２０に送り出す。

原料ガス供給装置１３０は、ガス管１３４を備えている。ガス管１３４の上流端は、図示しない外部のガス管（本実施例では、都市ガスのガス管）に接続されている。外部のガス管からガス管１３４に、炭化水素系の原料ガスが供給される。例えば、メタンを主成分とするガスを原料ガスに用いることができる。ガス管１３４は、下流側が２つに分岐している。分岐した一方のガス管１３４ａは、電磁弁１３６と比例弁１３８を介して改質器ユニット１０の原料ガス供給管３０に接続されている。電磁弁１３６は、ガス管１３４ａを開閉する。比例弁１３８は、ガス管１３４ａから原料ガス供給管３０に流れる原料ガスの流量を調節する。分岐した他方のガス管１３４ｂは、電磁弁１４０と比例弁１４２を介してバーナ用ガス供給管３２に接続されている。電磁弁１４０は、ガス管１３４ｂを開閉する。比例弁１３８は、ガス管１３４ｂからバーナ用ガス供給管３２に流れる原料ガスの流量を調節する。なお、ガス管１３４には、その他にも流量センサ等の種々の部品が設置されている。

改質器ユニット１０は、改質器１２と、バーナ１８と、給水管２０と、原料ガス供給管３０と、改質ガス供給管３４を有している。改質器１２の内部には、蒸発器１４が設置されている。また、改質器１２の内部には、反応室１６が形成されている。改質器１２には、給水管２０と、原料ガス供給管３０と、改質ガス供給管３４が接続されている。給水管２０は、蒸発器１４に接続されている。蒸発器１４は、給水管２０から供給される水を蒸発させて、反応室１６内に水蒸気を発生させる。原料ガス供給管３０と改質ガス供給管３４は、反応室１６に接続されている。原料ガス供給管３０は、反応室１６内に原料ガスを供給する。反応室１６内には触媒が設置されており、触媒によって水蒸気と原料ガスとの反応（改質反応）が促進される。反応室１６内では、水蒸気と原料ガスが反応することで改質ガス（水素を主成分とするガス）が生成される。生成された改質ガスは、改質ガス供給管３４から燃料電池１１０に送られる。バーナ１８には、バーナ用ガス供給管３２が接続されている。バーナ１８には、バーナ用ガス供給管３２から原料ガスが供給される。また、バーナ１８は、燃料電池１１０上に隣接して設置されている。バーナ１８と燃料電池１１０は、オフガス流路３６により接続されている。オフガス流路３６を介して、燃料電池１１０からバーナ１８にオフガスが供給される。オフガスは、燃料電池１１０から排出されるガスである。オフガスには、燃料電池１１０で消費されなかった改質ガスが含まれる。バーナ１８は、原料ガスまたはオフガスを燃焼させて、改質器１２を加熱する。

改質器ユニット１０の原料ガス供給管３０の途中には、ドレンポット４０が介装されている。図２は、ドレンポット４０の拡大断面図を示している。図２に示すように、ドレンポット４０は密閉された容器である。ドレンポット４０には、上流側の原料ガス供給管３０ａと下流側の原料ガス供給管３０ｂが接続されている。上流側の原料ガス供給管３０ａは、ドレンポット４０の底面を貫通してドレンポット４０内に延設されている。原料ガス供給管３０ａはドレンポット４０内を鉛直上方に向かって伸びており、その端部はドレンポット４０の内側上面近傍に開口している。下流側の原料ガス供給管３０ｂは、ドレンポット４０に向かって鉛直下方に伸びている位置でドレンポット４０の上面に接続されている。下流側の原料ガス供給管３０ｂの端部は、ドレンポット４０の内側上面に開口している。原料ガス供給管３０ａの端部と原料ガス供給管３０ｂの端部は、横方向に互いにずれた位置に配置されている。

燃料電池１１０には、改質ガス供給管３４が接続されている。燃料電池１１０は、改質ガス供給管３４から供給される改質ガスを酸素と反応させることによって発電する。燃料電池１１０は、発電反応に使用したガスをオフガス流路３６に排出する。排出されるガス（すなわち、オフガス）には、発電時に反応しなかった改質ガスが含まれる。

制御装置１５０は、改質器ユニット１０と、燃料電池１１０と、給水装置１２０と、原料ガス供給装置１３０に電気的に接続されており、これらの動作を制御する。

次に、燃料電池ユニット１００の動作について説明する。燃料電池ユニット１００を起動させると、制御装置１５０が、以下に説明する水蒸気発生運転と改質運転と停止運転を順に実行する。

（水蒸気発生運転）
燃料電池ユニット１００を起動させると、制御装置１５０は、最初に水蒸気発生運転を行う。水蒸気発生運転では、制御装置１５０は、電磁弁１４０を開いてバーナ１８に原料ガスを供給するとともに、バーナ１８を点火する。これによって、改質器１２を加熱する。また、制御装置１５０は、給水ポンプ１２４を作動させて、蒸発器１４に水を供給する。改質器１２が加熱されているので、蒸発器１４で水が蒸発して反応室１６内に水蒸気が発生する。また、水蒸気発生運転では、制御装置１５０は、電磁弁１３６を閉じている。このため、反応室１６には原料ガスが供給されない。反応室１６内に発生した水蒸気の大部分は、改質ガス供給管３４を通って燃料電池１１０へ送られる。水蒸気発生運転は、改質器１２の温度が安定するまで行われる。

水蒸気発生運転中に、反応室１６内に発生した水蒸気の一部は、原料ガス供給管３０ｂ内に流入する。このため、原料ガス供給管３０ｂ内で結露が生じる。原料ガス供給管３０ｂは鉛直下方に伸びる位置でドレンポット４０に接続されているので、原料ガス供給管３０ｂ内で結露した水は、ドレンポット４０内に滴下する。また、原料ガス供給管３０ｂを通過した水蒸気は、ドレンポット４０内に流入する。このとき、原料ガス供給管３０ｂの開口と原料ガス供給管３０ａの開口との位置が横方向にオフセットしており、これらの間の縦方向の距離が短いので、水蒸気が原料ガス供給管３０ｂから原料ガス供給管３０ａに直接流入することはない。水蒸気は、図２の矢印２００に示すように原料ガス供給管３０ｂからドレンポット４０内に流入する。ドレンポット４０内に流入した水蒸気は、ドレンポット４０内を滞留している間に冷却される。このため、ドレンポット４０内でも水蒸気が凝結して水となり、ドレンポット４０内に水が溜まる。このように、原料ガス供給管３０ｂ内及びドレンポット４０内で水蒸気が凝結するので、上流側の原料ガス供給管３０ａ内に水蒸気が流入することが抑制される。これによって、水蒸気が比例弁１３８や電磁弁１３６に到達して、結露によりこれらに水滴が付着することが抑制される。このため、比例弁１３８や電磁弁１３６の誤動作や故障を防止することができる。また、ドレンポット４０の内部空間が原料ガス供給管３０ａ、３０ｂの開口よりも下側に広がっているので、原料ガス供給管３０が水封されない状態でドレンポット４０内に多くの水を溜めることができる。水蒸気発生運転中に給水管２０から改質器１２に供給される水の総量は、ドレンポット４０の容積より小さい。したがって、水蒸気発生運転中にドレンポット４０が満水となることはない。

（改質運転）
水蒸気発生運転により改質器１２の温度が安定したら、制御装置１５０は、改質運転を行う。改質運転では、制御装置１５０は、水蒸気発生運転と同様にして反応室１６内に水蒸気を発生させながら、電磁弁１３６を開く。このため、原料ガス供給管３０から反応室１６に原料ガスが供給される。これによって、反応室１６内で水蒸気と原料ガスが反応し、改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、改質ガス供給管３４を通って燃料電池１１０へ送られる。燃料電池１１０は、供給された改質ガスを用いて発電する。燃料電池１１０が発電をすると、オフガスがオフガス流路３６を通ってバーナ１８に供給される。したがって、バーナ１８は、供給されたオフガスを燃焼させるようになる。このため、改質運転では、制御装置１５０が比例弁１４２を制御して、バーナ用ガス供給管３２からバーナ１８に供給される原料ガスを徐々に減少させる。このため、改質運転では、バーナ１８は、主にオフガスを燃焼させて改質器１２を加熱する。

上述したように、改質運転中においては、原料ガス供給管３０内に原料ガスが流れる。このとき、ドレンポット４０内では、図２の矢印２０２に示すように、原料ガスが上流側の原料ガス供給管３０ａからドレンポット４０を経由して下流側の原料ガス供給管３０ｂに向けて流れる。すなわち、ドレンポット４０内の水面より上方の空間に原料ガスが流れる。原料ガスは乾いているので、ドレンポット４０内の水は蒸発する。蒸発した水蒸気は原料ガスとともに下流側の原料ガス供給管３０ｂに送られ、ドレンポット４０内には上流側の原料ガス供給管３０ａから新たに乾燥した原料ガスが供給される。このため、ドレンポット４０内の水が蒸発し続ける。これによって、改質運転中にドレンポット４０内の水位が徐々に低下する。制御装置１５０は、水蒸気発生運転中にドレンポット４０内に溜まった水の全てが改質運転中に蒸発するのに十分な時間に亘って改質運転を行うようにプログラムされている。このため、改質運転中にドレンポット４０内の水が無くなる。このように、改質運転中にドレンポット４０内の水が無くなるので、ドレンポット４０内に溜まった水を外部に排出する等のメンテナンスを行う必要がない。

（停止運転）
改質運転後に、制御装置１５０は、停止運転を実行する。停止運転では、まず、制御装置１５０は、電磁弁１３６を閉じることによって、反応室１６への原料ガスの供給を停止する。このとき、制御装置１５０は、バーナ１８を継続して動作させ、蒸発器１４に継続して水を供給する。したがって、反応室１６内に原料ガスが供給されることなく水蒸気が発生する状態となり、水蒸気発生運転と同様にして、原料ガス供給管３０内に水蒸気が流入する。しかしながら、ドレンポット４０内で水が凝結するので、上流側の原料ガス供給管３０ａ内に水蒸気が流入することが抑制される。原料ガスの供給を停止してから一定時間経過後に、制御装置１５０は、給水ポンプ１２４を停止して水の供給を停止するとともに、バーナ１８を停止する。

なお、上述した実施例では、改質器１２に液体の水を供給したが、改質器１２に水蒸気を供給してもよい。

また、上述した実施例では、下流側の原料ガス供給管３０ｂがドレンポット４０の内側上面に開口しており、上流側の原料ガス供給管３０ａがドレンポット４０の底面を貫通してドレンポット４０内の内側上面近傍に開口していた。しかしながら、ドレンポットには、種々の形状を採用することができる。少なくとも、ドレンポットは、上流側の原料ガス供給管３０ａの開口と下流側の原料ガス供給管３０ｂの開口の何れよりも低い方に広がる空間（水が溜まる空間）を有している形状であればよい。より好ましくは、上述した実施例のように、下流側の原料ガス供給管３０ｂからドレンポットに流入する水蒸気が上流側の原料ガス供給管３０ａに流入し難い形状とすることができる。このような形状とすることで、水蒸気をドレンポット内により長時間滞留させることができ、より多くの水蒸気をドレンポット内で凝結させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：改質器ユニット
１２：改質器
１４：蒸発器
１６：反応室
１８：バーナ
２０：給水管
３０：原料ガス供給管
３２：バーナ用ガス供給管
３４：改質ガス供給管
３６：オフガス流路
４０：ドレンポット
１００：燃料電池ユニット
１１０：燃料電池
１２０：給水装置
１２２：給水タンク
１２４：給水ポンプ
１３０：原料ガス供給装置
１３４：ガス管
１３６：電磁弁
１３８：比例弁
１４０：電磁弁
１４２：比例弁
１５０：制御装置

Claims (3)

1. 水蒸気と原料ガスを反応させて水素ガスを生成する改質器ユニットであって、
   改質器と、
   改質器内に水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、
   改質器に原料ガスを供給する原料ガス供給管と、
   原料ガス供給管に介装されているドレンポット、
   を備えている改質器ユニット。
2. 改質器に原料ガスを供給しないで改質器内に水蒸気を発生させる水蒸気発生運転と、水蒸気発生運転の後に、改質器に原料ガスを供給しながら改質器内に水蒸気を発生させ、原料ガスと水蒸気を反応させて改質ガスを生成する改質運転を実行し、
   ドレンポットの容量が、水蒸気発生運転中に改質器に供給される水の量よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の改質器。
3. ドレンポット内に原料ガスが流れると、ドレンポット内の水が蒸発し、その水蒸気が原料ガスと共に改質器に送られることを特徴とする請求項１に記載の改質器ユニット。

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