JP2012056805A

JP2012056805A - 水素生成装置

Info

Publication number: JP2012056805A
Application number: JP2010202584A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kimura; 洋一木村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】燃料電池発電設備の触媒反応部（一酸化炭素変成器）の円筒に巻かれる加熱用ヒータの熱伝導を良くするとともに放熱量の少ない触媒反応部を設け、短時間で起動して熱効率のよい水素生成装置を提供する。
【解決手段】円筒状の内管３と、内管３の外側に該内管と同軸状に配され、かつ、内管３の方向に窪んだ螺旋状の溝部２０を有する円筒状の外管２と、内管３と外管２との間に形成された筒状の空間に配された触媒層と、外管２の螺旋状の溝部２０に配され触媒層を加熱するヒータ６と、外管２の外側に配された断熱材１９とを備え、ヒータ６の外周位置６Ａを外管２の外径位置２Ａ以下にすることで、断熱材１９と外管２の間に空間がなく取付けできるので、断熱材１９と外管２の間に空気対流が発生することがなく放熱を小さくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水蒸気改質反応によって炭化水素を有する原料を水素リッチな水素含有ガスに改質する改質部を有する水素生成装置に関するものである。

従来、この種水素生成装置は触媒反応部を予熱するためのヒータが設けられている。そして、起動時に、ヒータを通電して加熱することにより、触媒反応部を短時間で昇温して、触媒部の反応効率を向上させる例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池発電設備を示すものである。
図５に示すように、燃料電池発電設備の触媒反応部（一酸化炭素変成器）は、同心二重の円筒内壁２２と円筒外壁２３によって形成される両壁の間に触媒粒子を充填した触媒層２４を形成している。

円筒外壁２３の外側には、触媒層２４を加熱する加熱用ヒータ２５が巻かれ、外側には断熱保温材２６を設けて触媒反応部（一酸化炭素変成器）全体を保温している。

上記構成によって、燃料電池発電設備の触媒反応部（一酸化炭素変成器）の触媒を反応に適した温度になるように所定の温度に上げており、特に、起動時や低負荷運転時には、加熱用ヒータ２５によって温度を上昇させている。この場合、あまり高い温度にすると、触媒が速く劣化する等の問題があって、常に、触媒は一定の温度範囲に保つ制御を行っている。

特開平０７−１８３０４３号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池発電設備の触媒反応部（一酸化炭素変成器）の円筒外壁２３に巻かれる加熱用ヒータ２５の多くは円筒状のシーズヒータやマイクロヒータで形成されているため、円筒外壁２３に加熱用ヒータ２５を螺旋状に巻き付けた時に加熱用ヒータ２５の外径部が円筒外壁２３の外径より大きくなるので断熱保温材２６と円筒外壁２３の間に空間２７が生じ、この空間２７で空気対流が発生し放熱が大きくなり熱効率が悪くなる。

さらに、加熱用ヒータ２５と円筒外壁２３とが点接触で接触して熱伝導しているため熱伝達性能が悪く、このために起動時に所定温度まで加熱するまで時間を要し起動が遅くなり、また、熱効率が低いので全体的な発電効率が低下す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、燃料電池発電設備の触媒反応部（一酸化炭素変成器）の放熱量を少なくし、外管に巻かれる加熱用ヒータの熱伝導を良くして、短時間で起動して熱効率が高く全体的な発電効率のよい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に、本発明の水素生成装置は、円筒状の内管と、内管の
外側に該内管と同軸状に配され、かつ、内管の方向に窪んだ螺旋状の溝部を有する円筒状の外管と、内管と外管との間に形成された筒状の空間に配された触媒層と、外管の螺旋状の溝部に配され触媒層を加熱するヒータと、外管の外側に配された断熱材とを備え、ヒータの外周位置が外管の外径位置以下になるようにしたものである。

これによって、外管とヒータは溝部に面接触して取付けられるので熱伝導性能を向上できる。また、ヒータの外周位置が外管の外径位置より小さくなるので外管の外側を覆う断熱材と外管の間に空間が生じないように取付けられるので、断熱材と外管の間に空気対流が発生することがなく放熱が小さくすることができる。

また、本発明の水素生成装置は、外管の螺旋状の溝部に配されたヒータに対向する位置で断熱材の内側に配された伝熱板をさらに設け、伝熱板は外管の外周面に密着固定したものである。

これによって、外管と接触していない部分から放熱される加熱用ヒータの熱を伝熱板を介して外管に熱伝導で伝達できるので熱伝導性能を向上できる。

また、本発明の水素生成装置は、ヒータは自身の弾性力で外管の螺旋状の溝部の方向に押圧されているものである。

これによって、固定具を使用しないでヒータの取付けが可能となり、加熱に効率的な取付け位置にヒータを確実に取り付けることができるので熱伝導性能を向上できる。

また、本発明の水素生成装置は、外管の螺旋状の溝部のピッチが触媒層を流れる媒体の流路方向における入り口側が密となるように構成したしたものである。

これによって、温度の低い入口側の媒体を加熱する熱量が多くなり温度が上昇した後の出口側を加熱する熱量が小さくなるので触媒層の温度を均一にできるので熱効率を高めるとともに触媒の温度制御が容易にできる。

本発明の水素生成装置は、触媒層の断熱材と外管の間の放熱量を少なくし、外管に巻かれる加熱用ヒータの熱伝導を良くして、熱効率が高く全体的な発電効率をよくすることができ起動時に触媒層を所定温度まで加熱するまで時間を短くし起動を早めることができる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成を示す要部断面模式図本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成を示す要部拡大断面模式図本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成を示す要部断面模式図本発明の実施の形態３における水素生成装置の概略構成を示す要部断面拡大模式図従来の燃料電池発電設備の概略構成を示す要部断面拡大模式図

第１の発明は、円筒状の内管と、内管の外側に該内管と同軸状に配され、かつ、内管の方向に窪んだ螺旋状の溝部を有する円筒状の外管と、内管と外管との間に形成された筒状
の空間に配された触媒層と、外管の螺旋状の溝部に配され触媒層を加熱するヒータと、外管の外側に配された断熱材とを備え、ヒータの外周位置が外管の外径位置以下にすることで、外管とヒータは一部面接触になり熱伝導性能を向上できるとともに、ヒータの外周位置が外管の外径位置以下であるので断熱材と外管の間に空間が生じないので、断熱材と外管の間に空気対流が発生することがなく放熱が小さくすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の外管の螺旋状の溝部に配されたヒータに対向する位置で断熱材の内側に配された伝熱板をさらに設け、伝熱板は外管の外周面に密着固定することで、外管と接触していない部分から放熱される加熱用ヒータの熱を外管に熱伝導で伝達できるので熱伝導性能を向上できる。

第３の発明は、特に、第１の発明のヒータは自身の弾性力で外管の螺旋状の溝部の方向に押圧することで、固定具を使用しないでヒータの取付けが可能となり、加熱に効率的な取付け位置にヒータを確実に取り付けることができるので熱伝導性能を向上できる。

第４の発明は、特に、第１の発明の外管の螺旋状の溝部のピッチが触媒層を流れる媒体の流路方向における入り口側が密となるように構成することで、温度の低い入口側の媒体を加熱する熱量が多くなり温度が上昇した後の出口側を加熱する熱量が小さくなるので触媒層の温度を均一にできるので触媒の温度制御が容易にできる。

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、この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、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図を示すもの、図２は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成を示す要部拡大模式図である。

図１および図２において、改質装置は、燃焼器１と、少なくとも外管２と内管３との２重管構造を有する反応管４と、改質水、原料ガスや空気などの流体を供給する流体供給部５ａ、５ｂと、反応管４の外管２に密着して巻かれたヒータ６とから、少なくとも構成されている。なお、以下では、流体供給部として、原料ガスを供給する原料ガス供給部と改質水を供給する改質水供給部を例に説明する。

ここで、燃焼器１は、ガス弁７から供給される都市ガス（またはＬＰＧ）や燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）あるいは都市ガスとオフガスを混合した燃料ガスと、送風機８から燃焼用空気とを燃焼させて高温の燃焼ガスを反応管４に放出する。

また、反応管４は、複数の同心円状の２重管形状を有し、内側から順に、燃焼器１からの燃焼ガスが放出される第１筒９と、第２筒１０と、内管３および外管２から構成されている。そして、第１筒９と第２筒１０との環状空間により燃焼ガス流路１１が形成されている。

さらに、第２筒１０と内管３との環状空間により蒸発部１２が形成され、蒸発部１２の下流側に改質触媒層１３が設けられている。また、内管３と外管２との環状空間には、変成触媒層１４と選択酸化触媒層１５などの触媒層が設けられている。

そして、外管２の外周面には、流体供給部５ａ、５ｂ、温度検知用ポート１６、選択酸化空気ポート１７と改質ガスパイプ１８が設けられている。ここで、流体供給部５ａ、５ｂは水蒸気改質反応に必要な原料ガスと改質水を供給し、選択酸化空気ポート１７は水素
含有ガスに含まれる一酸化炭素選択酸化反応に必要な空気を供給する。また、温度検知用ポート１６は、例えば熱電対やサーミスタからなる温度センサが取り付けられ、改質触媒層１３、変成触媒層１４や選択酸化触媒層１５などの触媒層の温度を検出する。

そして外管２の外側には外管２との間に空間を設けることなく断熱材１９を設けて改質装置全体を保温している。

図の矢印は、燃焼ガス、燃焼燃料、燃焼空気、原料、水、改質ガスそれぞれの流れを示すものである。

図２に示すように外管２の外周面は、さらに、内管３の方向に窪んだ螺旋状の溝部２０を備え、触媒層を加熱するヒータ６が、外管２の螺旋状の溝部２０にヒータ６の外周位置６Ａが外管２の外径位置２Ａ以下になるように溝部２０の凹寸法とヒータ６の螺旋内径とヒータ６の直径を最適化されて配されて密着固定されている。

以上のように構成された水素生成装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、改質装置の起動時において、燃焼器１で、ガス弁７から供給される都市ガス（またはＬＰＧ）や燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）あるいは都市ガスとオフガスを混合した燃料ガスと、送風機８から燃焼用空気とを燃焼させて発生した高温（例えば、１０００℃）の燃焼ガスを燃焼ガス流路１１を通過させて、その熱で各々の触媒層を加熱して昇温する。

さらに、燃焼ガス流路１１の下流側にある温度の上がりにくい変成触媒層１４や選択酸化触媒層１５の温度を早く昇温するためにヒータ６を通電して外管２外側から加熱する。つまりヒータ６の加熱により、変成触媒層１４や選択酸化触媒層１５の触媒層の昇温時間が短縮される。

そして、温度センサで検出した変成触媒層１４や選択酸化触媒層１５の温度が、改質水による水濡れが回避できる温度や触媒にダメージを与えない適度な温度、例えば１２０℃〜２００℃になるとヒータ６への通電を止めて、加熱を停止する。

さらに水蒸気改質反応に必要な温度まで燃焼器１から供給される高温（例えば、１０００℃）の燃焼ガスが燃焼ガス流路１１を通過する時の熱で改質触媒層１３を加熱する。

つぎに、改質触媒層１３が水蒸気改質反応に必要な温度まで昇温すると、流体供給部５ａから水蒸気改質反応に必要な改質水と、流体供給部５ｂから原料ガスなどの流体が蒸発部１２に供給される。

このとき、原料ガスや改質水などの流体は、燃焼器１で燃焼した燃焼ガスが蒸発部１２の内壁面の燃焼ガス流路１１を通過する時に、例えば第２筒１０に伝えられた熱により、原料ガスの加熱あるいは改質水を蒸発させて水蒸気にする。

そして、加熱された原料ガスと蒸発した改質水などの流体は、改質触媒層１３に供給され、改質触媒との水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する。

つぎに、生成した水素含有ガスを、さらに変成触媒層１４を通過させることにより、水性変成反応により、改質反応で発生した一酸化炭素を二酸化炭素に変化させる。

さらに、変成触媒層１４を通過した水素含有ガスに選択酸化空気ポート１７から供給さ
れた空気を混合させて選択酸化触媒層１５を通過させることにより、一酸化炭素選択酸化反応によりさらに一酸化炭素を二酸化炭素に変化させて、水素含有ガスの一酸化炭素を５０ｐｐｍ程度まで低減させて改質ガスパイプ１８から燃料電池（図示せず）の発電セルに供給される。

この後、燃焼器１での燃焼ガス量やヒータ６の加熱量を調整して各触媒の温度が反応に適した温度に維持しながら運転を継続する。

このように特に、起動時には、ヒータ６によって変成触媒層１４や選択酸化触媒層１５を所定の温度に上昇させている。

このとき、外管２とヒータ６の熱伝達性能が悪い場合やさらに外管２と断熱材１９と円筒の間に空間が生じている場合には、この空間で空気対流が発生し放熱が大きくて熱効率が悪くなり、そのために、起動時は、変成触媒層１４と選択酸化触媒層１５を所定温度まで加熱するまで時間を要し起動が遅くなる場合がある。

しかし、本実施の形態によれば、ヒータ６の外周位置６Ａが外管２の外径位置２Ａ以下になるように配している。

これは例えば、溝部２０の凹寸法とヒータ６の螺旋内径とヒータ６の直径を最適化することにより実現できる。

このように配置することにより、溝部２０の凹形状部にヒータ６は面接触して取付けられることとなるのでヒータ６の外周位置６Ａが外管２の外径位置２Ａ以下になり外管２の外側には外管２との間に空間を設けることなく断熱材１９を設けて改質装置全体を保温できるので、断熱材１９と外管２の間に空気対流が発生することがなく放熱が小さくすることができる。

さらに、外管２とヒータ６は溝部２０の凹形状部に面接触して取付けられるので点接触の場合と比較して熱伝導性能を向上できる。

上述したように、本実施の形態によれば、以上のような構成により、触媒層の断熱材１９と外管２の間の放熱量を少なくし、外管２に巻かれるヒータ６の熱伝導を良くして、熱効率が高く全体的な発電効率をよくすることができ起動時に触媒層を所定温度まで加熱するまで時間を短くし起動できる水素生成装置を実現できる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成を示す要部拡大模式図である。

図３において、外管２の螺旋状の溝部２０に配されたヒータ６に対向する位置に配された伝熱板２１を断熱材１９の内側に設け、さらに伝熱板２１は外管２の外径位置２Ａに密着固定されている。なお、実施の形態１と同一の構成要素には同一符号を付与して説明を省略する。

以上のような構成により、外管２と接触していない部分から放熱されるヒータ６の熱を外管２に密着固定されている伝熱板２１で熱伝導できるので熱伝導性能を向上できる。

また、本発明の水素生成装置は、ヒータ６は自身の弾性力で外管２の螺旋状の溝部２０の方向に押圧されているものである。

以上のような構成により、固定具を使用しないでヒータ６の取付けが可能となり、加熱に効率的な取付け位置にヒータ６を確実に取り付けることができるので熱伝導性能を向上できる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の概略構成を示す要部拡大模式図である。

図４において、外管２の螺旋状の溝部２０のピッチが触媒層を流れる媒体の流路方向における入り口側が密となるように構成されている。なお、実施の形態１および２と同一の構成要素には同一符号を付与して説明を省略する。

以上のような構成により、温度の低い入口側の媒体を加熱する熱量が多くなり温度が上昇した後の出口側を加熱する熱量が小さくなるので触媒層の温度を均一にできるので熱効率を高めるとともに触媒の温度制御が容易にできる。

なお前記実施の形態において、外管２に温度検知用のポートや障害物があった場合には、この部分を避けて溝部２０を形成してもよい。

以上のように、本発明にかかる水素生成装置は、触媒層の外管２とヒータ６の熱伝導性能を向上するとともに、断熱材１９と外管２の間の放熱を小さくすることができるので、起動時に触媒層を所定温度まで加熱するまで時間を短くし起動を早めることができると共に触媒層の温度を均一にできるので熱効率を高めるとともに触媒の温度制御が容易にできるので、起動時に触媒層を所定温度まで加熱するまで時間を短くし起動を早めることが可能となるので、水蒸気改質反応以外の触媒反応装置や燃料電池システム等の用途にも適用できる。

１燃焼器
２外管
２Ａ外径位置
３内管
４反応管
５ａ流体供給部
５ｂ流体供給部
６ヒータ
６Ａ外周位置
７ガス弁
８送風機
９第１筒
１０第２筒
１１燃焼ガス流路
１２蒸発部
１３改質触媒層
１４変成触媒層
１５選択酸化触媒層
１６温度検知用ポート
１７選択酸化空気ポート
１８改質ガスパイプ
１９断熱材
２０溝部
２１伝熱板
２２円筒内壁
２３円筒外壁
２４触媒層
２５加熱用ヒータ
２６断熱保温材
２７空間

Claims

円筒状の内管と、
前記内管の外側に該内管と同軸状に配され、かつ、前記内管の方向に窪んだ螺旋状の溝部を有する円筒状の外管と、
前記内管と前記外管との間に形成された筒状の空間に配された触媒層と、
前記外管の螺旋状の前記溝部に配され前記触媒層を加熱するヒータと、
前記外管の外側に配された断熱材とを備え、
前記ヒータの外周位置が前記外管の外径位置以下であることを特徴とする水素生成装置。
前記外管の螺旋状の前記溝部に配された前記ヒータに対向する位置で前記断熱材の内側に配された伝熱板をさらに設け、前記伝熱板は前記外管の外周面に密着固定されていることを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。
前記ヒータは自身の弾性力で前記外管の螺旋状の前記溝部の方向に押圧されていることを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。
前記外管の螺旋状の前記溝部のピッチが前記触媒層を流れる媒体の流路方向における入り口側が密となるように構成したことを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。