JP2014009130A - 水素製造装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】起動時にＣＯ低減部を適切な温度に加熱することができ、しかも、定常運転時にＣＯ低減部を適切な温度に維持することができる水素製造装置、及びそのような水素製造装置を備える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、バーナ１０を用いて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改質部６と、改質部６で生成された改質ガスが含有する一酸化炭素の濃度を低下させるシフト反応部７及び選択酸化反応部８と、改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８の外側に配置され、バーナ１０の排ガスを流通させる排ガス流路Ｐ３と、排ガス流路Ｐ３の外側に配置され、排ガスの熱で水を気化させて水蒸気を生成する水蒸気発生部９と、を備えている。
【選択図】図２

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、バーナを用いて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改質部と、改質部で生成された改質ガスが含有する一酸化炭素の濃度を低下させるシフト反応部及び選択酸化反応部と、を備えるものが知られている。例えば、特許文献１には、バーナが配置された所定線を包囲するように、改質部、シフト反応部及び選択酸化反応部が内側から外側にこの順序で配置された水素製造装置が記載されている。また、特許文献２には、バーナが配置された所定線を包囲するように、改質部、シフト反応部及び選択酸化反応部が所定線に沿ってこの順序で配置された水素製造装置が記載されている。

特開２００３−３２１２０６号公報 特開２００７−１５９１１号公報

しかしながら、特許文献１記載の水素製造装置では、バーナの排ガスを流通させる排ガス流路が改質部の内側に配置されているものの、その排ガス流路がシフト反応部及び選択酸化反応部の内側又は外側に配置されていない。また、特許文献２記載の水素製造装置では、バーナの排ガスを流通させる排ガス流路が改質部、シフト反応部及び選択酸化反応部の内側に配置されているものの、排ガスの熱で水を気化させて水蒸気を生成する水蒸気発生部がシフト反応部及び選択酸化反応部と排ガス流路との間に配置されている。

したがって、特許文献１及び２記載の水素製造装置では、水素製造装置の起動時に、排ガスの熱でシフト反応部及び選択酸化反応部を適切な温度に加熱することが困難であり、そのため、シフト反応部及び選択酸化反応部を加熱するためのヒータ等を別途設ける必要がある。

そこで、本発明は、シフト反応部及び選択酸化反応部等のＣＯ低減部に専用のヒータ等を設けなくても、起動時にＣＯ低減部を適切な温度に加熱することができ、しかも、定常運転時にＣＯ低減部を適切な温度に維持することができる水素製造装置、及びそのような水素製造装置を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の水素製造装置は、バーナを用いて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改質部と、改質部で生成された改質ガスが含有する一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ低減部と、改質部及びＣＯ低減部の外側に配置され、バーナの排ガスを流通させる排ガス流路と、排ガス流路の外側に配置され、排ガスの熱で水を気化させて水蒸気を生成する水蒸気発生部と、を備える。

この水素製造装置では、バーナの排ガスを流通させる排ガス流路が改質部及びＣＯ低減部の外側に配置されており、排ガスの熱で水を気化させて水蒸気を生成する水蒸気発生部が排ガス流路の外側に配置されている。これにより、ＣＯ低減部に専用のヒータ等を設けなくても、水素製造装置の起動時には、排ガス流路を流通する排ガスの熱でＣＯ低減部を適切な温度に加熱することができる。そして、水素製造装置の定常運転時には、排ガスの熱が水蒸気発生部で用いられて排ガスの温度が低下するため、ＣＯ低減部を適切な温度に維持することができる。

また、ＣＯ低減部は、シフト反応部及び選択酸化反応部を含んでもよい。この構成によれば、改質ガスが含有する一酸化炭素の濃度を効率良く且つ安定的に低下させることができる。

また、改質部、シフト反応部及び選択酸化反応部は、所定線に沿って一方の側から他方の側に、改質部、シフト反応部、選択酸化反応部の順序で配置されており、排ガス流路では、一方の側から排ガスが導入され、他方の側から排ガスが導出されてもよい。この構成によれば、水素製造装置の起動時に、改質部で排ガスの熱が用いられ、その後に、改質部よりも反応温度が低いシフト反応部で排ガスの熱が用いられ、さらにその後に、シフト反応部よりも反応温度が低い選択酸化反応部で排ガスの熱が用いられることになる。このように、水素製造装置の起動時に、改質部、シフト反応部及び選択酸化反応部のそれぞれにおいて排ガスの熱を効率良く用いることができる。

このとき、水蒸気発生部では、他方の側から水が導入され、一方の側から水蒸気が導出されてもよい。この構成によれば、水素製造装置の定常運転時に、水蒸気発生部において他方の側から一方の側に渡って排ガスの熱が用いられて、排ガス流路における排ガスの温度が他方の側ほど低くなる。そのため、シフト反応部、及びシフト反応部よりも他方の側に配置され且つ反応温度が低い選択酸化反応部のそれぞれを適切な温度に維持することができる。

また、改質部、シフト反応部及び選択酸化反応部は、所定線を包囲するように筒状に形成されており、排ガス流路は、改質部、シフト反応部及び選択酸化反応部を包囲するように筒状に形成されていてもよい。この構成によれば、構造の単純化及び装置の小型化、並びに排ガスの熱の利用効率の向上を図ることができる。

このとき、水蒸気発生部は、排ガス流路を包囲するように筒状に形成されていてもよい。この構成によれば、この構成によれば、構造の単純化及び装置の小型化、並びに排ガスの熱の利用効率の向上をより一層図ることができる。

本発明の燃料電池システムは、上記水素製造装置と、水素製造装置で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備える。

この燃料電池システムによれば、上記水素製造装置を備えているので、起動時にＣＯ低減部を適切な温度に加熱することができ、しかも、定常運転時にＣＯ低減部を適切な温度に維持することができる。

本発明によれば、起動時にＣＯ低減部を適切な温度に加熱することができ、しかも、定常運転時にＣＯ低減部を適切な温度に維持することができる水素製造装置、及びそのような水素製造装置を備える燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明の一実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１の水素製造装置の本体部を示す概略正面図である。 図１の水素製造装置の変形例の本体部を示す概略正面図である。

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の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示されるように、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を用いて、水素を含有する改質ガスを生成し、その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。セルスタック２０は、水素製造装置１で生成された改質ガスを用いて発電を行う。

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、都市ガス等を使用することができる。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスの他、ナフサ、軽油等を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、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適用することができる。

水素製造装置１は、脱硫部２と、本体部３と、を備えている。脱硫部２及び本体部３は、筐体４に収容されている。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、その原燃料を本体部３に供給する。

図２は、図１の水素製造装置の本体部を示す概略正面図である。図１及び２に示されるように、本体部３は、フィード部５と、改質部６と、シフト反応部（ＣＯ低減部）７と、選択酸化反応部（ＣＯ低減部）８と、水蒸気発生部９と、を備えている。

フィード部５は、脱硫部２で脱硫された原燃料及び水蒸気を合流・混合させて混合ガスを生成し、その混合ガスを改質部６に供給する。改質部６は、フィード部５によって供給された混合ガスを改質触媒６ｘによって水蒸気改質（ＳＲ：Steam Reforming）して改質ガスを生成し、その改質ガスをシフト反応部７に供給する。

改質部６は、水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、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は、バーナ燃料としてオフガス(セルスタック２０で未反応に終わった残ガス)が供給されて燃焼する。なお、バーナ１０には、原燃料、脱硫部２で脱硫された原燃料、原燃料をオフガスに混合したもの、或いは脱硫部２で脱硫された原燃料をオフガスに混合したもの等がバーナ燃料として供給される場合もある。

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る。シフト反応部７は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト触媒７ｘによってシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換し、ＣＯ濃度が低下した改質ガスを選択酸化反応部８に供給する。ここでのシフト反応部７は、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：Low Temperature Shift）である。

選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential Oxidation）８は、シフト反応部７から供給された改質ガスのＣＯ濃度をさらに低下させるためのものである。選択酸化反応部８は、空気配管（不図示）を介して導入される空気を用いて改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒８ｘによって選択酸化反応させて二酸化炭素に転換し、ＣＯ濃度がさらに低下した改質ガスをセルスタック２０に供給する。

このように、シフト反応部７及び選択酸化反応部８によって、改質ガスが含有するＣＯ濃度を効率良く且つ安定的に低下させることができる。これは、セルスタック２０に高濃度の一酸化炭素が供給されると、セルスタック２０の触媒が被毒して（ＣＯ被毒）、セルスタック２０の性能が大きく低下するためである。

水蒸気発生部９は、外部から供給された水を内部に貯留させつつ、その水をバーナ１０の排ガスの熱で気化させて水蒸気を生成する。水蒸気発生部９は、生成した水蒸気をフィード部５に供給する。

以上のように構成された水素製造装置１では、上述したようにオフガスと空気とがバーナ１０に供給されてバーナ１０が燃焼し、これにより、改質部６が加熱される。バーナ１０の排ガスは、水蒸気発生部９に熱を奪われた後、外部に排気される。なお、水素製造装置１の起動時には、原燃料、或いは脱硫部２で脱硫された原燃料と空気とがバーナ１０に供給されてバーナ１０が燃焼する場合もある。

その一方で、脱硫部２で脱硫された原燃料と水蒸気発生部９で生成された水蒸気とがフィード部１５で混合されて混合ガスが生成される。生成された混合ガスは、加熱された改質部６で水蒸気改質され、これにより、改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、シフト反応部７でＣＯ濃度が例えば１％以下程度にまで低下させられ、さらに、選択酸化反応部８でＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下程度にまで低下させられた後、セルスタック２０に供給される。

次に、水素製造装置１の各構成の配置について説明する。図２に示されるように、バーナ１０及びその火炎を包囲する燃焼筒１１は、軸線（所定線）Ｌを中心線として下向きに配置されている。改質部６は、軸線Ｌを中心線として燃焼筒１１を包囲するように円筒状に形成されている。シフト反応部７は、改質部６の下方において、軸線Ｌを中心線として円筒状に形成されている。選択酸化反応部８は、シフト反応部７の下方において、軸線Ｌを中心線として円筒状に形成されている。つまり、改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８は、軸線Ｌに沿って上側（一方の側）から下側（他方の側）に、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８の順序で配置されている。

シフト反応部７及び選択酸化反応部８の径方向内側には、原燃料及び水蒸気の混合ガスを流通させる原燃料流路Ｐ１が配置されている。原燃料流路Ｐ１は、軸線Ｌ上を下側から上側に延在している。原燃料及び水蒸気の混合ガスは、バーナ１０に対向する位置で拡径された原燃料流路Ｐ１の上端部から改質部６に導入される。

改質部６とシフト反応部７との間、及びシフト反応部７と選択酸化反応部８との間には、改質ガスを流通させる改質ガス流路Ｐ２が設けられている。改質ガス流路Ｐ２は、軸線Ｌを中心線として円筒状に形成されており、軸線Ｌを中心線として上側から下側に延在している。改質ガスは、改質ガス流路Ｐ２の下端部から導出されてセルスタック２０に供給される。改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８は、それぞれ、改質触媒６ｘ、シフト触媒７ｘ及び選択酸化触媒８ｘが改質ガス流路Ｐ２の所定の領域に配置されることで形成されている。

改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８の径方向外側には、バーナ１０の排ガスを流通させる排ガス流路Ｐ３が配置されている。排ガス流路Ｐ３は、改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８を包囲するように円筒状に形成されている。排ガス流路Ｐ３では、燃焼筒１１と改質部６との間に設けられた間隙を介してバーナ１０の排ガスが上側から導入され、その排ガスが下側から導出される。

水蒸気発生部９は、排ガス流路Ｐ３の径方向外側に配置されている。水蒸気発生部９は、ジャケット型の構造を有しており、排ガス流路Ｐ３を包囲するように円筒状に形成されている。水蒸気発生部９では、下側から水が導入され、上側から水蒸気が導出される。

以上説明したように、燃料電池システム１００が備える水素製造装置１では、排ガス流路Ｐ３が改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８の径方向外側に配置されており、水蒸気発生部９が排ガス流路Ｐ３の径方向外側に配置されている。これにより、シフト反応部７及び選択酸化反応部８に専用のヒータ等を設けなくても、水素製造装置１の起動時には、排ガス流路Ｐ３を流通する排ガスの熱でシフト反応部７及び選択酸化反応部８を適切な温度（例えば、シフト触媒７ｘの温度は１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ、選択酸化触媒８ｘの温度は１００℃〜２００℃）に加熱することができる。そして、水素製造装置１の定常運転時には、水蒸気発生部９で水を水蒸気に気化させるために排ガスの熱が用いられて、排ガスの温度が下流側ほど低下することになる。これにより、シフト反応部７及び選択酸化反応部８で発熱反応により生じる熱を排ガスに移動させて、シフト反応部７及び選択酸化反応部８を適切な温度に維持することができる。

上述したように、水素製造装置１では、シフト反応部７及び選択酸化反応部８の加温と蒸気発生部の加熱との両方に排ガスの熱を利用することができ、その結果、シフト反応部７及び選択酸化反応部８に専用のヒータを別途設ける必要がないため、起動エネルギーの削減、構造の簡略化、制御点の削減を図ることが可能となる。また、水素製造装置１の起動時にシフト反応部７及び選択酸化反応部８が迅速に昇温されるため、水素製造装置１の起動時におけるシフト反応部７及び選択酸化反応部８の結露対策、セルスタック２０のＣＯ被毒の防止が可能となる。

また、改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８は、軸線Ｌに沿って上側から下側に、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８の順序で配置されており、排ガス流路Ｐ３では、上側から排ガスが導入され、下側から排ガスが導出される。これにより、水素製造装置１の起動時に、改質部６で排ガスの熱が用いられ、その後に、改質部６よりも反応温度が低いシフト反応部７で排ガスの熱が用いられ、さらにその後に、シフト反応部７よりも反応温度が低い選択酸化反応部８で排ガスの熱が用いられることになる。このように、排ガスの温度は下流側に行くにつれて低下するものの、水素製造装置１の起動時に、改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８のそれぞれにおいて排ガスの熱を効率良く用いることができる。

このとき、水蒸気発生部９では、下側から水が導入され、上側から水蒸気が導出される。これにより、水素製造装置１の定常運転時に、水蒸気発生部９において下側から上側に渡って全体的に排ガスの熱が用いられて、排ガス流路Ｐ３における排ガスの温度が下側ほど低くなる。そのため、シフト反応部７、及びシフト反応部７よりも下側に配置され且つ反応温度が低い選択酸化反応部８のそれぞれを適切な温度に維持することができる。

また、改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８は、軸線Ｌを包囲するように円筒状に形成されており、排ガス流路Ｐ３は、改質部６、シフト反応部７及び選択酸化反応部８を包囲するように円筒状に形成されている。さらに、水蒸気発生部９は、排ガス流路Ｐ３を包囲するように円筒状に形成されている。これにより、構造の単純化及び装置の小型化、並びに排ガスの熱の利用効率の向上を図ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の水素製造装置及び燃料電池システムは、上記実施形態の水素製造装置１及び燃料電池システム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、上記実施形態の水素製造装置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、特に限定されるものではない。また、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８、排ガス流路Ｐ３及び水蒸気発生部９等は、円筒状に限定されず、筒状であれば、略多角筒状等であってもよい。

また、上記実施形態の水素製造装置１では、シフト反応部７が低温シフト反応部であったが、低温シフト反応の温度よりも高温（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）をさらに備えていてもよい。

また、図３に示されるように、脱硫部２が水蒸気発生部９の径方向外側に配置され、その脱硫部２が軸線Ｌを中心線として円筒状に形成されていてもよい。この場合、脱硫部２の脱硫触媒２ｘを加熱するためのヒータを設ける必要がなくなり、ヒータ電力削減や、制御点の削減が可能となる。なお、脱硫部２の形状は、円筒形状に限定されず、図示しない部分に、円柱形状若しくは箱型の脱硫部２を配置してもよく、また、脱硫部２を交換型とすることも可能である。ただし、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。

１…水素製造装置、６…改質部、７…シフト反応部（ＣＯ低減部）、８…選択酸化反応部（ＣＯ低減部）、９…水蒸気発生部、１０…バーナ、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、１００…燃料電池システム、Ｇ…軸線（所定線）、Ｐ３…排ガス流路。

Claims (7)

1. バーナを用いて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改質部と、
   前記改質部で生成された前記改質ガスが含有する一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ低減部と、
   前記改質部及び前記ＣＯ低減部の外側に配置され、前記バーナの排ガスを流通させる排ガス流路と、
   前記排ガス流路の外側に配置され、前記排ガスの熱で水を気化させて前記水蒸気を生成する水蒸気発生部と、を備える、水素製造装置。
2. 前記ＣＯ低減部は、シフト反応部及び選択酸化反応部を含む、請求項１記載の水素製造装置。
3. 前記改質部、前記シフト反応部及び前記選択酸化反応部は、所定線に沿って一方の側から他方の側に、前記改質部、前記シフト反応部、前記選択酸化反応部の順序で配置されており、
   前記排ガス流路では、前記一方の側から前記排ガスが導入され、前記他方の側から前記排ガスが導出される、請求項２記載の水素製造装置。
4. 前記水蒸気発生部では、前記他方の側から前記水が導入され、前記一方の側から前記水蒸気が導出される、請求項３記載の水素製造装置。
5. 前記改質部、前記シフト反応部及び前記選択酸化反応部は、前記所定線を包囲するように筒状に形成されており、
   前記排ガス流路は、前記改質部、前記シフト反応部及び前記選択酸化反応部を包囲するように筒状に形成されている、請求項３又は４記載の水素製造装置。
6. 前記水蒸気発生部は、前記排ガス流路を包囲するように筒状に形成されている、請求項５記載の水素製造装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項記載の水素製造装置と、
   前記水素製造装置で生成され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、を備える、燃料電池システム。

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