JP2014139125A - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】リサイクルガス流路の詰まりを防止して、安定して運転できる水素生成装置及び発電システムを提供すること。
【解決手段】改質器１と、水添脱硫器２と、水素含有ガス流路３と、リサイクルガス流路４とを備え、リサイクルガス流路４は、その上流側の端部が接続箇所から水素含有ガス流路側に突出するように形成される。これにより、突出したリサイクルガス流路４への、水素含有ガス流路壁面に付着した凝縮水流入や、水素含有ガス流路３を流れるガスによって保温されたリサイクルガス流路４の端部への凝縮水による水詰まりすることを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素生成装置及び発電システム、特に水添脱硫により原料中の硫黄化合物を除去する水素生成装置及び発電システムに関する。

近年、発電システムの一つである燃料電池を用いた燃料電池システムに対して、幅広い需要が見込まれている。燃料電池システムは発電する際に、燃料電池システムの発電部の本体である燃料電池スタック（以下、燃料電池）に、水素含有ガスと空気（酸化剤ガス）とが供給される。燃料電池では供給された水素含有ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とを用いた電気化学反応により発電が行われ、さらに反応により生じた熱を回収して湯水として有効利用するものもある。しかしながら、発電時に用いられる水素は一般的にインフラ整備されていないため、通常、一般的に整備されている天然ガスや都市ガスから水素を生成させる改質器を有する水素生成装置が燃料電池システムに備えられている。

その水素生成装置の改質器では、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応は、例えば、原料ガスとなる都市ガスと水蒸気とを改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスを生成するものである。

ところで、都市ガス等の原料ガスには硫黄化合物が含まれており、この硫黄化合物は、特に、改質触媒の被毒物質であるので除去する必要がある。除去方法としては、原料ガスに水素を添加して化学的吸着により硫黄成分を除去する水添脱硫方式がある。原料ガスに添加させる水素は、水素生成装置で生成した水素を戻す方式が一般的である。

従来の水素生成装置としては、水素含有ガスを戻すためのリサイクルガス流路を有するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１０は、特許文献１に記載された従来の水素生成装置を用いた燃料電池システムを示すもので、リサイクルガス流路を通流する水素含有ガス（以下、リサイクルガス）中の水分を除去する水分除去手段を備えている。図１０に示す燃料電池システムは、改質器１、水添脱硫器２、水素含有ガス流路３、リサイクルガス流路４、熱交換器６、水分除去手段７から構成されている。水添脱硫を行うためには、水添脱硫器２の触媒に適正濃度の水素を原料ガスに添加する必要がある。そのために、適切なリサイクルガス流量が流れるようなリサイクルガス流路４の構成をしなければならない。一般的には、水素含有ガス流路３からリサイクルガス流路４へ分流される水素含有ガスの流量を所定の割合にするガス分流方式が用いられる。この方式は、リサイクルガス流路４の断面積が水素含有ガス流路３の断面積に対して小さくなるように構成される。水分除去手段７はリサイクルガス流路４に設けられ、この水分除去手段７によってリサイクルガス中の水分は除去され、ドレンとして排出される。これにより、リサイクルガス流路の配管内でリサイクルガス中の水分が凝縮し配管詰まりを起こすことを防止する。その結果、適切な水素量の水素含有ガスを水添脱硫器に供給できるため、脱硫性能低下を防止することができる。

特開２００２―９７００１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、リサイクルガス流路４に水分除去手段７を設けているため、水分除去手段７の上流では水分が除去されず、断面積の小さいリサイクルガス流路４への凝縮水の流入により、凝縮水によってガスの流れが阻害され、リサイクルガス流路４が詰まる恐れがあるという課題があった。さらに、前記従来の構成では、例えば改質器内に配置されている触媒が粉化した場合に、触媒粉を含む凝縮水が水素含有ガス流路内を移動し、リサイクルガス流路４への触媒粉を含む凝縮水の流入が起こり、リサイクルガス流路４がより詰まり易くなるという課題があった。

そこで本発明は、前記従来の課題を解決するものであって、リサイクルガス流路への触媒粉を含む凝縮水の流入を抑制して、リサイクルガス流路の詰まりを抑制することができる。そのため、水添脱硫器で安定した水添脱硫反応を行なうことができ、安定して運転できる水素生成装置及び発電システムを提供することができる。

上述した従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記改質器で生成された水素含有ガスを流す水素含有ガス流路と、前記水素含有ガス流路から分岐し、前記水素含有ガス流路を流れる水素含有ガスの一部を前記水添脱硫器に供給するリサイクルガス流路と、備え、前記リサイクルガス流路と前記水素含有ガス流路の分岐部において、前記リサイクルガス流路の上流側の端部が前記水素含有ガス流路の内部に突出するように形成されている。

これにより、水素含有ガス流路の壁面に付着した凝縮水が粉化した触媒とともにリサイクルガス流路へ流入することを抑制でき、リサイクルガス流路が触媒粉を含む凝縮水により詰まることを抑制できる。

本発明の水素生成装置及び燃料電池システムによれば、リサイクルガス流路の詰まりを抑制することにより、水添脱硫器で安定した水添脱硫反応を行なうことができる。

実施の形態１における水素生成装置の構成を示すブロック図 実施の形態１における水素生成装置の水素含有ガス流路を分岐しているリサイクルガス流路を示す拡大図 実施の形態１における水素生成装置のリサイクル流路の分岐部の第１変形例を示すブロック図 実施の形態１における水素生成装置のリサイクル流路の分岐部の第２変形例を示す図３のＡ−Ａ断面示す断面図 実施の形態２における水素生成装置の水素含有ガス流路を示した図 実施の形態３における水素生成装置の水素含有ガス流路を示した図 実施の形態４における水素生成装置の水分除去手段の位置を示した図 実施の形態４における水素生成装置の水分除去手段の位置の拡大図 実施の形態５における発電システムの構成を示すブロック図 従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図

第１の発明の水素生成装置は、原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、改質器で生成された水素含有ガスを流す水素含有ガス流路と、水素含有ガス流路から分岐し、水素含有ガス流路を流れる水素含有ガスの一部を水添脱硫器に供給するリサイクルガス流
路とを備えている。そして、リサイクルガス流路と水素含有ガス流路の分岐部において、リサイクルガス流路の上流側の端部が水素含有ガス流路の内部に突出するように形成される。

一般的に起動時の水素含有ガス流路は、周囲環境温度に近い温度になっており、そこを流れる水素含有ガスは水素含有ガス流路からの冷熱で、水素含有ガス流路の壁面で水分が凝縮する。この壁面に付着している凝縮水は水素含有ガスの流れ方向に運ばれていく。リサイクルガス流路は、その上流側の端部が接続箇所から水素含有ガス流路側に突出するように形成されているため、この壁面に付着した凝縮水がリサイクルガス流路に流入し水詰まりすることを防止することができる。

また、水素生成装置の運転中、接続箇所から水素含有ガス流路側に突出している端部は、水素含有ガス流路を流れるガスによって保温されるため、端部で水が凝縮するのを防ぎ、水詰まりを防止することができる。

第２の発明は、特に、第１の本発明の水素生成装置において、リサイクルガス流路が絞り部を有し、絞り部が、水素含有ガス流路の内に配置された構成とする。これにより、リサイクル流路の上流端の断面積を小さくすることができ、粉化した触媒が凝縮水とともにリサイクル経路に流入することを抑制でき、リサイクルガス流路の詰まりを抑制できる。

第３の発明は、特に、第１または第２の本発明の水素生成装置において、絞り部は、その上流から下流にかけて下り勾配となる構成とする。これによって、絞り部内で水分が凝縮したした場合でも重力方向に流れていく水分に対して絞り部を流れるガスの流れは同じ方向になるため、触媒粉を含む凝縮水が絞り部に滞留することによって、リサイクル経路が詰まることを防止することができる。

第４の発明は、第１〜３の発明のいずれか１つの水素生成装置において、水素含有ガス流路は、改質器から下流方向にかけて下り勾配である構成とする。これによって、水素含有ガスの流路で生成された触媒粉を含む凝縮水がその場で滞留せず重力方向に排出され、突出したリサイクルガス流路に水が流入し、リサイクル経路が詰まることを防止できる。

第５の発明は、第１〜３の発明のいずれか１つの水素生成装置において、水素含有ガス流路は、改質器から下流方向にかけて上り勾配である構成とする。これによって、水素含有ガスの流路で生成された触媒粉を含む凝縮水がその場で滞留せず重力方向にある改質器に排出され、改質器内で蒸発するので、突出したリサイクルガス流路に水が流入し、リサイクル経路が詰まることを防止できる。

第６の発明は、第１〜３の発明のいずれか１つの水素生成装置において、水を除去する水分除去手段と、水素含有ガス流路から分岐し、水素含有ガス流路内部の水を水分除去手段へと流す水分除去流路とを備え、水分除去流路の上流側の端部は、水素含有ガス流路の最下点近傍に配置される構成とする。これによって、水素含有ガスの流路で生成された触媒粉を含む凝縮水が水素含有ガス流路の最下点で滞留せず、水分除去手段から排出されるので、突出したリサイクルガス流路に水が流入し、リサイクル経路が詰まることを防止できる。

第７の発明は、第１〜６の発明のいずれか１つの水素生成装置と、水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備え、前記水素含有ガス流路は、前記改質器と前記燃料電池とを接続するよう構成される。このような構成にすると、水素生成装置は適量の水素含有ガスを触媒へ供給することができるため、安定した水添脱硫を行うことができる。水添脱硫が安定して行われると、発電装置の燃料である水素を安定して
供給することができるため、長期間安定した発電を継続することができる。

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における水素生成装置の構成を示すブロック図である。図１において、水素生成装置１００は、改質器１と、水添脱硫器２と、水素含有ガス流路３と、リサイクルガス流路４とを備える。なお、水素生成装置１００で生成した水素は燃料電池などの燃料として利用することができる。

改質器１は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器１内の改質触媒部（図示せず）において、原料ガスが改質反応して、水素含有ガスが生成される。原料ガスを水蒸気と反応させて、一酸化炭素と水素にする水蒸気改質方式を例に挙げると、図１には示されていないが、改質触媒部を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。なお、水蒸気改質方式の改質器を用いて説明したが、この限りではなく、酸素と原料ガスの一部を反応させて一酸化炭素と水素を得る部分酸化方式や水蒸気改質方式と部分酸化方式を組み合わせたオートサーマル方式の改質器を用いても構わない。

水添脱硫器２は、改質器１に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器２は、容器に水添脱硫用の脱硫剤が充填され構成される。水添脱流用の脱硫剤は、例えば、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成される。なお、水添脱硫用の脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒のみで構成されても構わない。

水素含有ガス流路３は、改質器１で生成された水素含有ガスを外部の装置（例えば、燃料電池）に流すための流路である。例えば、改質器１の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設けた場合、水素含有ガス流路３の上流端は、改質器１とＣＯ低減器との間の流路に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器の下流に接続されていてもよい。なお、ＣＯ低減器が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減するＣＯ除去器とを備える場合、水素含有ガス流路３の上流端を変成器とＣＯ除去器との間の流路に接続するよう構成しても構わない。

リサイクルガス流路４は、水素含有ガス流路３を流れる水素含有ガスの一部を水添脱硫器２よりも上流の原料ガスに供給するための流路である。リサイクルガス流路４の上流端は、水素含有ガス流路３の経路の途中に接続されている。リサイクルガス流路４を流れるリサイクルガスの流量は、リサイクルガス流路４の断面積に応じて変更することが可能である。

図２は、実施の形態１における水素生成装置の水素含有ガス流路３を分岐しているリサイクルガス流路４を示す拡大図である。図２において、リサイクルガス流路４はその上流側の端部が接続箇所から水素含有ガス流路３側に突出するように形成される。なお、本実施の形態においては、水素含有ガス流路３内で温度が一番高い領域であることを意図して、突出しているリサイクルガス流路４の高さは水素含有ガス流路３の直径の５０％とした。一般的に起動時の水素含有ガス流路３は、周囲環境温度に近い温度になっており、そこ
を流れる水素含有ガスは水素含有ガス流路３からの冷熱で冷やされることにより、水素含有ガス流路３の壁面で水分が凝縮する。この壁面に付着している凝縮水は水素含有ガスの流れ方向に運ばれていく。

ところが、本実施の形態における水素生成装置１００の構成をとると、リサイクルガス流路４は、その上流側の端部が接続箇所から水素含有ガス流路３側に突出するように形成されているため、水素含有ガス流路３の壁面に付着している凝縮水がリサイクルガス流路４に流入することを防止するので、リサイクルガス流路４の水詰まりを防止することができる。

また、水素含有ガス流路３に突出しているリサイクルガス流路４は、水素含有ガスが凝縮しない温度である領域に配置されるため、端部で水が凝縮するのを防ぎ、水詰まりを防止することができる。なお、図２では突出高さを水素含有ガス流路３の直径の５０％としたが、その限りではなく、水素含有ガスが凝縮しない温度であればよく、例えば、改質器１から導出される水素含有ガスのガス温度が８０℃で露点が７０℃の場合、相対湿度７５％未満の空間を満たす配管断面内の領域であればよい。

（変形例１）
図３は、実施の形態１における水素生成装置１００のリサイクルガス流路４の分岐部の第１変形例を示すブロック図である。リサイクルガス流路４が絞り部５を有し、絞り部５が、水素含有ガス流路３の内に配置されている点が図２に示すリサイクルガス流路４と異なる。

一般的にリサイクルガス流量を適切な流量にするために、分流方式を用いられる。この分流方式は、リサイクルガス流路４に絞り部５を設けることで行われる。通常、水素含有ガスの温度は約８０℃〜９０℃で露点が約７０℃であるため、リサイクルガス流路４を流れることで冷やされると、ガス中の水分は凝縮する。断面積の小さい絞り部５では、その上流で生成された凝縮水が詰まりやすい。

本実施の形態における水素生成装置１００に対して、本変形例における絞り部５が、水素含有ガス流路３の内に配置される構成をとると、リサイクルガス流路４において水詰まりしやすい絞り部５は、水素含有ガス流路３を流れる水素含有ガスによって温められ、リサイクルガス流路４の絞り部５上流での水分凝縮を防ぎ、水詰まりを防止することができる。絞り部５は、径が絞られ細くなる入口部を指し、凝縮水が詰まる程度の径を有するものである。起動時には、絞り部５の入口部は停止中に周囲環境温度に近い温度まで冷やされ、水分が凝縮し詰まっていることがあるが、リサイクルガス流路４に水素含有ガスが流れ始める前に、水素含有ガスにより十分に温められ蒸発するため起動時の詰まりは解消される。

なお、図３ではリサイクルガス流路４は途中で絞り部５を有しているが、リサイクルガス流路４の入口部が絞り部５であっても構わない。

（変形例２）
図４は、実施の形態１における水素生成装置１００のリサイクルガス流路４の分岐部の第２変形例を示す図３のＡ−Ａ断面示す断面図である。リサイクルガス流路４が、その上流から下流にかけて下り勾配に配置されている点が図２に示すリサイクルガス流路４と異なる。このような構成にすると、たとえ絞り部５内で水分が凝縮した場合でも重力方向に流れていく水分に対して絞り部５を流れるガスの流れは同じ方向になるため、水分が絞り部５内に凝縮水が滞留することを防ぐことができる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２における水素生成装置の水素含有ガス流路は、改質器から下流方向にかけて下り勾配であることを示した図である。図５に示す水素生成装置１００においては、水素含有ガス流路３の下流側の流路が、改質器１から下流方向にかけて下り勾配である点で実施の形態１と異なっている。

本実施の形態における水素生成装置１００を構成する各機器の動作は、実施の形態１と同様であるため説明を省略するが、水素含有ガス流路３に水が滞留するのを防ぐため、凝縮水を水素生成装置１００外に排出させる動作が異なる。

本実施の形態における水素生成装置１００の構成をとると、水素含有ガス流路３で生成された凝縮水がその場で滞留せず重力方向に流れ、水素生成装置１００外に排出されることにより、リサイクルガス流路４に水が流入し水詰まりすることを防止できる。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３における水素生成装置の水素含有ガス流路は、改質器から下流方向にかけて上り勾配であることを示した図である。図６に示す水素生成装置１００においては、水素含有ガス流路３の下流側の流路が、改質器１から下流にかけて上り勾配である点で実施の形態１及び２と異なっている。

本実施の形態における水素生成装置１００を構成する各機器の動作は、実施の形態１と同様であるため説明を省略するが、水素含有ガス流路３に水が滞留するのを防ぐため、凝縮水を改質器１へ排出させる動作が異なる。

本実施の形態における水素生成装置１００の構成をとると、水素含有ガス流路３で生成された凝縮水がその場で滞留せず重力方向にある改質器１に排出され、排出された凝縮水は改質器１内で蒸発するので、突出したリサイクルガス流路４に水が流入し水詰まりすることを防止できる。

（実施の形態４）
図７は、実施の形態４における水素生成装置に水分除去手段を備えた図である。図７に示す水素生成装置１００においては、水を除去する水分除去手段７と、水素含有ガス流路３から分岐し、水素含有ガス流路３内部の水を水分除去手段７へと流す水分除去流路８とを備えた点で実施の形態１〜３と異なっている。

本実施の形態における水素生成装置１００を構成する各機器の動作は、実施の形態１と同様であるため説明を省略するが、水素含有ガス流路３に水が滞留するのを防ぐため、凝縮水を水分除去手段７へ排出させる動作が異なる。

水分除去手段７は、水素含有ガス流路３内部の水を除去する手段であり、例えば、タンクのように水素含有ガス流路３内部の水を溜める手段でもよいし、電磁弁のように流路を閉止したり開放したりできる構成でも構わない。また、弁を用いる場合には電磁弁のように電力により駆動するものでもよいし、ガス圧により駆動するようなものでもよい。
水分除去流路８は、水素含有ガス流路３内部の水を水分除去手段７へと流す流路である。

本実施の形態における水素生成装置１００の構成をとると、水素含有ガス流路３で生成された凝縮水がその場で滞留せず水分除去手段７へと排出されることにより、リサイクルガス流路４に水が流入し水詰まりすることを防止できる。

図８は、実施の形態４における水素生成装置１００の水素含有ガス流路３が改質器１か
ら下流方向にかけて下り勾配の後、上り勾配を有する場合の水分除去手段７の設置位置を示した図である。水分除去手段７を水素含有ガス流路３の最下点を含む部分である最下点近傍９内に設置することにより、凝縮水が最下点近傍９で滞留し、リサイクルガス流路４に侵入し、水詰まりすることを防ぐことができる。なお、最下点を含む部分は、例えば、最下点近傍９であり、水素含有ガス流路３の流路径と勾配の角度によって決まる位置とすることができる。なお、図７では水分除去手段７は、水素含有ガス流路３から分岐しているリサイクルガス流路４の分岐点よりも下流側に設置されているが、リサイクルガス流路４の分岐点の上流側も設置されてあっても構わない。

（実施の形態５）
図９は、実施の形態５における発電システムの構成を示すブロック図である。図９において、発電システム２００は、実施の形態１から実施の形態４のいずれかの水素生成装置１００と、発電装置１０とを備える。

発電装置１０は、例えば、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池がある。燃料電池は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）または、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）等を用いることができる。

実施の形態１から実施の形態４のいずれかの水素生成装置１００は適量の水素含有ガスを触媒へ供給することができるため、安定した水添脱硫を行うことができる。

本実施の形態における発電システム２００の構成をとると、水添脱硫が安定して行われ、発電装置１０の燃料である水素を安定して供給することができるため、長期間安定した発電を継続することが可能となる。なお、燃料電池を例としているが、発電システムはガスエンジン等を用いても構わない。

本発明の水素生成装置及び燃料電池システムは、リサイクル流路の水詰まりを防止することにより安定した脱硫を行うことができるため、付臭剤などの硫黄化合物を含んだ原料ガスを使用する水素生成装置及び発電システムに有用である。

１ 改質器
２ 水添脱硫器
３ 水素含有ガス流路
４ リサイクルガス流路
５ 絞り部
６ 熱交換器
７ 水分除去手段
８ 水分除去流路
１０ 発電装置
１００ 水素生成装置
２００ 発電システム

Claims (7)

1. 原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、
   前記改質器で生成された水素含有ガスを流す水素含有ガス流路と、
   前記水素含有ガス流路から分岐し、前記水素含有ガス流路を流れる水素含有ガスの一部を前記水添脱硫器に供給するリサイクルガス流路と、
   を備え、
   前記リサイクルガス流路と前記水素含有ガス流路の分岐部において、前記リサイクルガス流路の上流側の端部が前記水素含有ガス流路の内部に突出するように形成された、水素生成装置。
2. 前記リサイクルガス流路は、絞り部を有し、前記絞り部が、前記水素含有ガス流路の内部に配置された、請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記リサイクルガス流路は、その上流から下流にかけて下り勾配である、請求項１または請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記水素含有ガス流路は、その下流方向にかけて下り勾配である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
5. 前記水素含有ガス流路は、その下流方向にかけて上り勾配である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
6. 水を除去する水分除去手段と、
   前記水素含有ガス流路から分岐し、前記水素含有ガス流路内部の水を前記水分除去手段へと流す水分除去流路と、
   を備え、
   前記水分除去流路の上流側の端部は、前記水素含有ガス流路の重力方向の最下点を含む部分から分岐する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の水素生成装置と、
   前記水素生成装置から供給された水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
   を備え、
   前記水素含有ガス流路は、前記改質器と前記燃料電池とを接続するよう構成された、
   燃料電池システム。

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