JP2013086992A - 水素生成装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造工数を減らし、低コストで製造可能な水素生成装置を提供すること。
【解決手段】 深さが異なる複数の容器を、順次深さが浅くなるように重ね合わせることにより、隣接する容器の底部間に形成された１つ以上の反応室を備え、前記反応室の少なくとも１つに触媒が収容され、前記複数の容器の開口周縁部を接合したことを特徴とする、炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、水素生成装置およびその製造方法に関する。

従来、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する水素生成装置は、改質触媒を収容する改質器と、その改質反応に必要な水蒸気を生成する蒸気発生器と、また改質反応によって改質器から出てくる改質ガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変成触媒を収容するＣＯ変成器と、さらに空気を導入してＣＯを選択的に酸化燃焼させてＣＯ_２にすることでＣＯを除去するＣＯ選択酸化触媒を収容するＣＯ除去器と、各反応器の動作温度を所定の温度に調整するために各種熱交換器や加温用のヒータなどを備える構成を有している。

このような水素生成装置では、各触媒反応器や熱交換器は、できるだけ共用できる構造にするとコストダウン化を図ることができるために、反応器ごとに必要な処理空間が違っても容器自体は同じ形状にし、その容器をいくつ用意するかで処理空間を調整し、各々の容器を配管等で接続することも提案されている。

しかし、このように同形状の容器を重ね合わせ、接合して装置を製造する場合、接合箇所が多く、水素生成装置を低コストで製造することが困難であった。

特開２０００−１７８００３号公報

本発明が解決しようとする課題は、コンパクトな構造を有し、低コストで製造可能な水素生成装置及びその製造方法を提供することである。

実施形態の水素生成装置は、深さが異なる複数の容器を、順次深さが浅くなるように重ね合わせることにより、隣接する容器の底部間に形成された１つ以上の反応室を備え、前記反応室の少なくとも１つに触媒が収容され、前記複数の容器の開口周縁部を接合したことを特徴とする。

一実施形態に係る水素生成装置の反応装置の構成を示す概略図である。 図１に示す反応装置の上面を示す概略図である。 図１に示す反応装置の上面を示す概略図である。 図１に示す反応装置の容器のフランジを示す図である。 図１に示す反応装置の容器の切り欠き及び配管の接合を示す図である。 図１に示す反応装置の製造方法を工程順に示す概略図である。 図１に示す反応装置の製造方法を工程順に示す概略図である。 図１に示す反応装置が適用される水素生成装置を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る燃料電池システムの水素生成装置は、図１に示すような、深さが異なる４枚の容器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ及び１枚のプレート１ｅを重ね合わせ、隣接する２つの容器等の間に４つの空間２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを形成する反応装置１を備えている。これら４つの空間は、その中に触媒３ａ，３ｂ，３ｃを収容することにより、触媒反応室２ａ，２ｃ，２ｄを構成し、伝熱促進体４を収容することにより、熱交換室２ｂを構成する。

容器１ａ，１ｂ，１ｃ及び１枚のプレート１ｅを重ね合わせることにより触媒反応室２ａ，２ｃ及び熱交換室２ｂを構成するためには、プレート１ｅの一方の側の容器１ａ，１ｂ，１ｃの深さは、それらが入れ子状態になって、それらの間に所定の空間を形成するように、容器１ａの深さ＞容器１ｂの深さ＞容器１ｃの深さの関係にある必要がある。また、隣接する容器の深さの差は、形成する空間に触媒又は伝熱促進体を充填する量に応じて適宜選定される。

具体的には、必要とされる触媒の量から、最も深い容器１ａの深さは、例えば、４０〜５０ｍｍ程度とすることができる。容器１ｂ及び１ｃの深さは、充填される伝熱促進体及び触媒の量に応じて、容器１ａの深さよりも浅い深さに適宜選定される。また、プレート１ｅの他方の側の容器１ｄの深さは、容器１ａ，１ｂ，１ｃの深さに係わらず、必要とされる触媒量に応じて選定される。

容器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄまたはプレート１ｅには、必要に応じて、隣り合う触媒充填空間（反応室）あるいは伝熱促進体充填空間（熱交換室）との間でガスを通ずるための開口部が設けられていてもよい。開口部の形状については、図２に示すように、ガスの流れを阻害しないよう大きな開口面積を有するスリット状の開口５ａとすることも可能であるし、また充填した触媒などが隣接した部屋間での移動を抑止したいのであれば、図３のように触媒径よりも小さい孔５ｂを複数個設けることも可能である。なお、図２及び図３では、上面図、底面図、側面図も示されている。参照符号７は、後述する切り欠きを示す。

図４（ａ）に示すように、各容器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、開口端部にフランジ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが形成されており、その長さが、プレート１ｅより外側に位置する容器のフランジほど小さく形成されている。なお、プレート１ｅの端部が最も長く、フランジから突出している。そのため、容器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ及びプレート１ｅを組合せた場合のフランジの端部は、段違いになり、露出している。

従って、図４（ｂ）に示すように、この露出部に接合処理を施して、接合部８を形成することにより、容器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ及びプレート１ｅの接合を容易に行うことが可能である。また、一度の接合で、各空間の気密性を保持した反応装置を製造することが可能である。接合処理としては、溶接、ろう付け、はんだ付け、拡散接合、接着剤を用いた接着等を挙げることが出来る。

また、図５(ａ)に示すように、各容器には、外部との間でガスを流通させる配管９を取り付けるための切欠き７が設けられている。これら切欠き７についても、外側の容器の切欠き７ほど大きく形成することで、各容器を組合せた際に接合部が段違いになるので、図５(ｂ)に示すように、フランジの露出部とともに切欠き７の周辺の各容器の露出部に溶接等を施すことにより、一度の接合で各容器の切欠き７と配管９とを接合することができ、容器内の気密性も持たせることができる。

なお、一般に、反応装置では、反応室内間を流れるガスが偏流しないようにガス分散板を設置し、ガス拡散を積極的に実施する必要がある。また、圧損が大きくならないように容器の出入口にバッファ要素を備える必要があり、容器そのものをコンパクト化できない要因となっている。

これに対し、本実施形態に係る反応装置では、隣接する反応室又は熱交換室間の容器の底部に開口５ａ，５ｂを設けることにより、ガスの偏流がなくなり、ガス分散板などの部品点数を削減することができる。また、容器に切り欠き７を設けて配管９と接合することにより、容器間を接続する配管の本数を減らすことができる。

なお、容器１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのフランジ及びプレート１ｅの端部の露出部６、及び切欠き７の周辺の各容器の露出部の合わせ目の寸法差ｄ（図４（ａ）に示す）は、２ｍｍ以下であることが望ましい。ｄが２ｍｍを超えると、露出部の合わせ目の隙間が大きくなり過ぎて、一度に接合処理を施すことが困難となる。

次に、本実施形態に係る水素生成装置の製造方法について、図６及び図７を参照して説明する。

図１に示すような４つの部屋からなる反応器を製造する場合について説明する。まず、図６（ａ）示すように、一番容器が深い容器１ａ内に触媒３ａを収容した後、その上に容器１ｂを重ね（図６（ｂ））、その中に伝熱促進体４を収容する。次いで、その上に容器１ｃを重ね（図６（ｃ））、その中に触媒３ｂを充填した後、その上にプレート１eを重ねる（図６（ｄ））。

次に、同様に、図７（ａ）に示すように、プレート１e上に触媒３ｃを収容する容器１ｄを重ねる。最後に、図７（ｂ）に示すように、容器１ａ〜１ｄのフランジおよびプレート１eの周縁部を全周にわたって溶接し、接合部８を形成し、また、必要に応じて配管を取付けた後に、配管９と切り欠き７の周囲の溶接を行うことで、容器外部へ気密性はもちろん、隣接した容器間についてはガス流路のための開口部以外の箇所での気密性を、同時に得ることができる。

なお、以上の実施形態では、プレート１e上に１つの容器１ｅのみを重ねているが、１つに限らず、その中に触媒又は伝熱促進体を収容する複数の容器を重ねることも可能である。

また、図１に示した反応器の構成は、あくまでもその一例であり、容器の枚数を更に増やしたり、触媒や伝熱促進体を収容する容器の組み合わせを変えたりするなど、自由に構成することができる。

次に、以上説明した反応器を用いることができる水素生成装置について、図８を参照して説明する。

図８に示すように、水素生成装置１１は、脱硫器１２と、改質器１３と、水蒸気発生器１４と、ＣＯ変成器１５と、ＣＯ除去器１６とを備えている。このような水素生成装置１１において、原燃料、例えば炭化水素系ガスが脱硫器１２において脱硫された後、熱交換器を経て、水蒸気発生器１４から供給された水蒸気と混ざり、改質器１３に導入される。改質器１３内には改質触媒が収容されており、水素と一酸化炭素に改質する。なお、水蒸気発生器１４では、起動時はヒータにより昇温させるが、運転中は燃焼排ガスの熱交換により加熱して水蒸気を発生させ、改質器１３に送る。

水素と一酸化炭素を含む改質ガスは、ＣＯ変成触媒を収容するＣＯ変成器１５に送られ、そこで改質ガス中のＣＯ量が低減される。このＣＯ変成器１５では、改質ガス中の１０％前後のＣＯが０．５％程度まで低減される。ＣＯ量が低減された改質ガスは、ＣＯ除去器１６に送られる。ＣＯ除去器１６にはＣＯ選択酸化触媒が収容されていて、ＣＯ除去器１６に空気を導入することにより、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化燃焼してＣＯ_２にすることで、改質ガスからＣＯを除去する。このＣＯ除去器１６では、改質ガス中のＣＯは、１０ｐｐｍ程度にまで除去される。

なお、改質器の動作温度は６００℃〜７００℃程度、ＣＯ変成器１５の動作温度は１５０℃〜３５０℃、ＣＯ除去器１６の温度は１２０℃〜２００℃である。各反応装置をこれらの温度に加熱又は冷却するために、熱交換器が用いられる。

このようにして、ＣＯを含まない水素濃度の高い改質ガスが得られ、回収された改質ガスは、燃料電池へ供給される。

以上説明した図８に示す水素生成装置において、内部に触媒を収容する反応装置、例えばＣＯ変成器１５及びＣＯ除去器１６に、上記実施形態に係る反応装置の反応室２ａ，２ｃを適用することが可能である。また、触媒反応に必要な温度に反応物質を加熱又は冷却するための熱交換器に、上記実施形態に係る反応装置の熱交換室２ｂを適用することが可能である。

なお、改質器１２は、６００℃〜７００℃程度の動作温度を維持するため、バーナ燃焼により運転中、高温に曝される。また起動停止の熱サイクルにより過大な応力が局所的に容器に発生するため、改質器１３に上記反応室２ａ，２ｃ，２ｄを適用することは困難である。

また、熱交換室２ｂ内に収容される伝熱促進体４としては、アルミナボールやステンレス製のウール状のような充填物や、板金加工でガス流路を形成した邪魔板を用いることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、深さが異なる複数枚の容器やプレートを重ね合わせて、それらの開口周縁部を接合することにより、一度の接合処理で、各部の気密性を保持した水素生成装置を、低コストで製造することができる。また、容器に切り欠きを設けて配管と接合することにより、容器間を接続する配管を減らし、ガス偏流もなくなるので、ガス分散板など部品点数を削減することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…反応装置、１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…容器、１ｃ…プレート、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…空間（触媒反応室、熱交換室）、３ａ，３ｂ，３ｃ…空間、４…伝熱促進体、５ａ…スリット状開口、５ｂ…孔、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ…フランジ、７…切り欠き、８…接合部、９…配管。

Claims (5)

1. 深さが異なる複数の容器を、順次深さが浅くなるように重ね合わせることにより、隣接する容器の底部間に形成された１つ以上の反応室を備え、
   前記反応室の少なくとも１つに触媒が収容され、
   前記複数の容器の開口周縁部を接合したことを特徴とする、炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置。
2. 前記複数の容器は３つ以上であり、前記触媒を収容する反応室に隣接して、他の触媒又は伝熱促進体を収容する他の反応室を具備し、前記隣接する反応室間にガスを通ずるための開口部を前記隣接する反応室間の容器の底部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記複数の容器の開口周縁にフランジが設けられており、これらフランジの外縁の大きさが、容器を重ねる方向に順次小さく又は大きく形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水素生成装置。
4. 前記フランジに、反応室内にガスを流通させるための配管を通るための切り欠きが設けられており、これら切り欠きのサイズが、容器を重ねる方向に順次小さく又は大きく形成されていることを特徴とする請求項３に記載の水素生成装置。
5. 少なくとも１つに触媒を収容する、深さが異なる複数の容器を、順次深さが浅くなるように重ね合わせる工程、及び
   前記複数の容器の開口周縁部を接合し、隣接する容器の底部間に、触媒を収容する１つ以上の反応室を形成する工程
   を具備することを特徴とする、炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置の製造方法。

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