JP2012193097A

JP2012193097A - 水素生成器

Info

Publication number: JP2012193097A
Application number: JP2011060205A
Authority: JP
Inventors: Yuji Mukai; 裕二向井; Yoichi Kimura; 洋一木村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-10-11

Abstract

【課題】微粉体からなる高性能断熱材は水分を吸着しており、その表面の通気性がないと水素生成器の運転停止時に水分が凝縮して断熱材を濡らしてしまい、断熱性能が低下するという課題があった。
【解決手段】供給された原料ガスを改質することにより水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器１であって、改質反応が行われる触媒を収納している反応容器と、前記触媒を改質反応が行われる温度に加熱する加熱手段と、反応容器を覆うように配置されている断熱材１１と、断熱材１１の外表面を覆う保護シート１３とを備え、保護シート１３は通気性を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に水素を供給する水素生成器に関するものである。

燃料電池発電装置は、燃料電池と、燃料電池に水素を含んだ燃料ガスを供給する水素生成器と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力へ変換するインバーター回路、およびそれらを制御する制御装置などによって構成されている。燃料電池には種々の方式が用いられているが、現在、固体高分子形の燃料電池が普及段階にある。また、水素生成器にも幾つかの方式があるが、一般的には原料となる炭化水素化合物と水蒸気を高温で反応させる水蒸気改質反応によって水素を高濃度に含む改質ガスを生成する改質部と、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部から構成されるものが実用化されている。一酸化炭素低減部は一酸化炭素を水蒸気と反応させる変成反応により低減する変成部と、更に少量の一酸化炭素が残留した改質ガスに空気を反応させて一酸化炭素を選択的に燃焼除去する選択酸化部から構成される。これらの反応には各々に適した触媒が用いられる。例えば、改質部にはルテニウムや白金あるいはニッケルなどを坦持した改質触媒を用い、変成部には銅と亜鉛の酸化物を成型した変成触媒を用い、選択酸化部にはルテニウムなどを坦持した選択酸化触媒が用いられる。

水蒸気改質反応によって十分な量の水素を生成するには、反応原料と改質触媒を約６００℃以上の高温に加熱する必要がある。代表的な改質部は、例えば特許文献１に示されているように、中央に配置したバーナーの高温の燃焼ガスによって加熱される構成となっている。また、変成部はより効果的に変成反応を生じせしめるため２００℃から３００℃程度に維持され、更に、選択酸化部は選択酸化反応に適温な１５０℃から２００℃程度に維持されている。各反応部は保温のため断熱材で覆われている。

一方、燃料電池発電装置全体の発電効率は、発電装置を構成する燃料電池の発電効率（約５０％〜５５％程度）、水素生成器の水素生成効率（約７０％〜８０％程度）、インバーター回路による電力変換効率（約９０％〜９５％程度）などの積算値となる。このうち、燃料電池自身の効率向上は事実上困難であり、インバーター回路の効率も上限に達している。そこで、高い発電効率を得るには水素生成器の効率を高位に維持する必要がある。水素生成器の効率は、水素生成器が生成した水素量と、水素生成器へ供給した原料の発熱量の比で表される。ここで、水素生成器へ供給した原料には、改質部を含め水素生成器を所定の温度に維持するための熱量、すなわち改質部の中央に配置したバーナーで燃焼する燃料も含まれる。従って、水素生成器で高い効率で運転し、高効率の燃料電池発電装置を得るには、水素生成器へ供給する原料を低減して、原料をより有効に利用することが重要である。また、高効率の水素生成器の場合、バーナーにより発生する熱量のうち、改質部へ供給する水の加熱と蒸発に約４０％〜４５％、改質反応に約５０％が使用され、残りの５％〜１０％が水素生成器から大気への放熱損失となっている。一方、上述したように水素生成器の各部は高温に維持する必要があり、特に改質部は６００℃以上もの高温に維持する必要がある。このような高温の反応部を使用し、しかも放熱損失を１０％以下程度と低く抑えるには、各反応部を覆う断熱材に断熱性能の高いものを使用する必要がある。但し、この断熱材の断熱性能が低下すると、たちまちにして水素生成器の効率が低下し、同時に燃料電池発電装置の発電効率も低下してしまう。

特許文献１には、断熱材としてけい酸カルシウム等のシリカ系やロックウール系の材料を用い、その補強と高温の反応器からの輻射熱を反射するため、断熱材表面にアルミニウムや銅等の金属製の被覆シートを巻き、この被覆シートの高温部から低温部への熱伝導を
抑制するために、被覆シートに熱伝導防止構造を有する技術が提案されている。

一方、高性能な断熱材として、非晶質シリカの微細粒子による微細なセル状構造からなり、しかもセルを空気分子の平均自由工程より小さな構造とした断熱性能の極めて高い高性能な断熱材（日本マイクロサーム株式会社製の商標名「マイクロサーム」、や独ワッカーケミー株式会社製の商標名「ＷＤＳ」）が市販されている。これらは熱伝導度が静止している空気よりも小さいとされている極めて高性能な断熱材である。これらの高性能断熱材を使用することにより、水素生成器の放熱量を大きく低減でき、小型でしかも効率の高い水素生成器を得ることができる。しかも燃料電池発電装置は要求発電量に応じて起動と停止を繰り返すが、高温で運転する水素生成器を短時間で起動するには水素生成器の熱容量を小さくする必要がある。そのためには断熱材自身の使用量を少なくする必要があり、この点からも高性能の断熱材の使用が不可欠となる。

特開２００５−３１７２８５号公報

上述の高性能断熱材はその欠点として、非常に脆く崩れやすいことが挙げられる。そこで、本発明者らは高性能断熱材の表面を覆う被覆シートについて適切な素材の検討を行った。その際、テフロン（登録商標）フィルムなど通気性のない素材で断熱材を覆うと、一昼夜程度水素生成器を運転した際に、テフロン（登録商標）フィルムの内面に水滴が生じ、断熱材を濡らしていることを発見した。微粉体を成型してなる断熱材中には水分が吸着されているが、水素生成器を運転することにより断熱材が昇温し吸着された水分が脱離して水蒸気となり、この水蒸気が温度の低い断熱材表面で結露したのである。一方、上述の高性能断熱材は水に濡れると微細なセル構造を潰してしまい、断熱材性能が低下してしまうという問題点がある。

そこで、特許文献１に記載の技術に上述の高性能断熱材を使用すると、上記のテフロン（登録商標）フィルムの場合と同様に通気性のない金属性被覆シートの内面で断熱材中の水分が凝縮して断熱材を濡らしてしまうという課題があった。そのため、特許文献１に記載の技術では水素生成器の起動と停止を繰り返すうちに、断熱材の断熱性能が徐々に低下し、その結果、水素生成器の効率および燃料電池発電装置の発電効率が徐々に低下してしまうという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、微細なセル状構造を有する断熱材の結露水による断熱性能の低下を防止するものである。

上記の従来の課題を解決するために、本発明の水素生成器は、供給された原料ガスを改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器であって、改質反応が行われる触媒を収納している反応容器と、触媒を改質反応が行われる温度に加熱する加熱手段と、反応容器を覆うように配置されている断熱材と、断熱材の外表面を覆う保護シートとを備え、保護シートは、通気性を有する構成とする。

これにより、断熱材中に吸着された水分が加熱されて脱離して水蒸気となっても、この水蒸気は前記保護シートを通過して外気へ放散されるので、水素生成器の運転を停止して温度が低下しても前記保護シートの内面で凝縮して断熱材を濡らしてしまうことを避けることができる。

また、通気性の前記保護シートは、断熱材の内表面も覆う構成としてもよい。

前記微粒子状の断熱物質が圧縮されて固められてなる断熱材は強度が弱いため、露出面に触れると容易に崩れや欠けが生じてしまう。水素生成器を製造する段階でも断熱材の内面に触れると崩れや欠けが生じてしまうので、断熱材の内面にも保護シートが不可欠である。この内面の保護シート面にも断熱材中の水蒸気が凝縮する可能性があるため、内面を覆う保護シートにも通気性が必要となる。

更に、本発明の水素生成器は、保護シートに接触して水素生成器を固定する保持部材をさらに備え、保持部材は保護シートに接触する面に通気孔を有する構成としてもよい。

上述したように高性能の断熱材は強度が弱いため、燃料電池発電装置の輸送時など水素生成器が振動して断熱材の表面に周囲の構造物が物が触れないように、燃料電池発電装置の筐体内で水素生成器を固定しておく必要がある。その際、水素生成器を固定する保持部材で、断熱材表面に分散して力がかかるようにしないと断熱材が欠けてしまう。そのために断熱材の保護シートに触れる保持部材の面積はある程度大きくしておく必要があるが、保護シートに触れる保持部材の面に通気性がないと、この保持部材の表面で断熱材中の水蒸気が凝縮し、断熱材を濡らしてしまう。そのために本発明では、保護シートに接触する保持部材の面に通気孔を設けている。

更に、本発明の水素生成器は、保護シートに接触して水素生成器を固定する保持部材をさらに備え、保持部材は通気性部材を介して保護シートに接触する構成としてもよい。

この構成により、保持部材に固定された箇所の断熱材中の水蒸気は通気性部材を通って大気中へ放散することができるため、凝縮して断熱材を濡らしてしまうことはない。

本発明によれば、高性能な断熱材の性能低下を抑えることができ、長期間にわたって水素生成器の高い効率を維持することができる。

本発明の実施の形態１における水素生成器の概略構成図本発明の実施の形態１における水素生成器の概略構成図

（実施の形態１）
以下、本発明に係る水素生成器の実施の形態について、図１を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における水素生成器１の概略構成図である。

水素生成器１は、供給された原料ガスを改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する。また、水素生成器１は、改質反応が行われる改質触媒などの触媒を収納している反応容器２２と、触媒を改質反応が行われる温度に加熱するバーナー６などの加熱手段と、反応容器２２を覆うように配置されている第１断熱材１１と、第１断熱材１１の外表面を覆う保護シート１３と、を備え、保護シート１３は通気性を有している。

また、水素生成器１の動作は、先ず改質触媒を充填した改質部２によって炭化水素化合物と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素、二酸化炭素、および一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスを生成し、次に一酸化炭素低減部３によって
燃料電池２１に有害となる一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを用いて燃料電池２１が発電を行うものである。一酸化炭素低減部３は、一酸化炭素を水蒸気と反応させて低減する変成部４と、なおも残留する一酸化炭素に空気を供給して燃焼除去させる選択酸化部５からなる。また、簡単な構造で高効率の水素生成器を実現するため、水素生成器１のように、改質部２と一酸化炭素低減部３を一体化して上下に並べて配置している。

図１において、中心に位置するバーナー６（加熱手段）は水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給するもので、燃料電池２１から排出されるオフガスを燃料としている。原料供給口７から供給された原料と水は、らせん状に流路が構成された蒸発器８内でバーナー６の燃焼排ガスによって加熱され、蒸発混合してルテニウムを主成分とする改質触媒を充填した改質部２へ送られる。改質部２内で原料と水蒸気の混合ガスは燃焼排ガスによって６００から７００℃程度に加熱され、水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスへと反応する。一酸化炭素は２００℃から３００℃の変成部４内で改質ガス中の水蒸気と反応して濃度が１％以下にまで低減される。改質ガスは更に空気供給口９から供給された空気と混合されて、１５０℃から２００℃の選択酸化部５によって一酸化炭素が選択的に燃焼除去される。このようにして一酸化炭素を除去した燃料ガスは、燃料ガス出口１０から燃料電池２１へ送られる。なお、高性能な第１断熱材１１は高温な改質部２と変成部４の周囲を断熱する高性能な断熱材（商標名「マイクロサーム」）である。第２断熱材１２は比較的低温な選択酸化部５の周囲を断熱するための安価なグラスファイバーからなる断熱材である。第１断熱材１１の周囲はセラミック繊維を織ってなる保護シート１３（破線で図示）で内面と外面の全体を覆っている。この保護シート１３には、第１断熱材１１から発生した水蒸気を外気中へ放散させるために、通気性の良い布状のものを用いている。なお、燃焼ガスの排気口１４と固定板１５は水素生成器１と共に一体化されている。

水素生成器１は、燃料電池発電装置の筐体内に固定された水素生成器設置台である固定台１６に乗せられ、４本の保持部材１７に挟まれて固定される。なお、保持部材１７は固定板１５固定され、これにより水素生成器１は燃料電池２１の筐体にしっかりと固定される。このように固定することにより、燃料電池発電装置の輸送や設置時に振動が加わっても、水素生成器１が揺れて第１断熱材１１の表面に周囲の構造物などがぶつかることによる断熱材の損傷を防止することができる。

また、固定板１５と保持部材１７が第１断熱材１１の保護シート１３に触れる箇所には、多数の通気孔を設けている。第１通気孔１８は水素生成器１が乗る固定板１５の全面に複数設けられ、第２通気孔１９は保持部材１７の保護シート１３に触れる面の周方向と高さ方向に密に複数設けられている。これらの孔は、第１断熱材１１の内部に吸着した水分が加熱されて水蒸気となった際に、この水蒸気を外気中へ放散するためのものである。この第１通気孔１８、第２通気孔１９がないと、水素生成器１の運転が停止した際に水蒸気は早く温度が低下する第１断熱材１１の周囲面や底面で凝縮し、第１断熱材１１を濡らしてしまう。

なお、特許文献１に記した従来技術では金属製の保護シートに孔を周方向に１列に設ける構造が示されているが、本発明の第２通気孔１９は通気孔の機能を発揮するものであるので、周方向および高さ方向に多くの孔を設けている。

本発明では、第１断熱材１１の周囲を通気性のあるセラミック繊維を織ってなる保護シート１３で覆っているため、第１断熱材１１に含まれる水分が凝縮して第１断熱材１１を濡らしてしまうことを防止できる。また水素生成器１を設置する固定板１５やの保持部材１７に第１通気孔１８、第２通気孔１９を設けているため、第１断熱材１１に含まれる水
分は容易に外気中へ放散するので、凝縮して第１断熱材１１を濡らしてしまうことがない。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置について、図２を用いて説明する。なお、図２において、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
図２に図示した実施の形態と図１の実施の形態との違いは、固定板１５と保護シート１３の接触する面にセラミック繊維からなる通気性と弾性のあるフェルト状のスペーサー２３（通気性部材）を挟んでいることにある。

このフェルト状のスペーサー２３は固定板１５と保持部材１７を固定した際に圧縮されて、第１断熱材１１が圧縮されて破壊するのを防止すると共に、第１断熱材１１の底面から発生した水蒸気を透過して、固定板１５の第１通気孔１８から外気へ放散するためのものである。

本発明では水素生成器１の固定に弾性のあるスペーサー２３を用いているため、水素生成器１をよりしっかりと固定することができるという特徴を有する。

なお、本発明では、フェルト状のスペーサー２３は水素生成器１の下面に挟んで配置したが、当然、水素生成器１の側面と保持部材１７との間に挟んで配置しても良い。

本発明の燃料電池用水素生成器は、高性能断熱材の性能を低下させることがないため、水素生成器を高効率に使用し続けることができる。

１水素生成器
２改質部
３一酸化炭素低減部
４変成部
５選択酸化部
６バーナー（加熱手段）
７原料供給口
８蒸発器
９空気供給口
１０燃料ガス出口
１１第１断熱材（断熱材）
１２第２断熱材
１３保護シート
１４排気口
１５固定板
１６固定台
１７保持部材
１８第１通気孔
１９第２通気孔
２１燃料電池
２２筺体（反応容器）
２３スペーサー（通気性部材）

Claims

供給された原料ガスを改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器であって、
改質反応が行われる触媒を収納している反応容器と、
前記触媒を改質反応が行われる温度に加熱する加熱手段と、
前記反応容器を覆うように配置されている断熱材と、
前記断熱材の外表面を覆う保護シートと、
を備え、
前記保護シートは通気性を有している、
ことを特徴とする水素生成器。
通気性の前記保護シートは、前記断熱材の内表面も覆っていること、
を特徴とする請求項１に記載の水素生成器。
前記保護シートに接触して前記水素生成器を固定する保持部材をさらに備え、
前記保持部材は、前記保護シートに接触する面に通気孔を有している、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素生成器。
前記保護シートに接触して前記水素生成器を固定する保持部材をさらに備え、
前記保持部材は、通気性部材を介して前記保護シートに接触している、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素生成器。