JP2015164886A - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エジェクタ内の詰まりを防止し、さらに、脈流を防止することで安定して運転できる水素生成装置及び燃料電池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、原料ガス流路３、水素含有ガス流路４と、リサイクルガス流路５、エジェクタ１００とを備え、エジェクタ１００は、原料ガスと水素含有ガスが混合する混合部１０１と、混合部１０１より下流側に配置されたスロート部１０２とを有し、スロート部１０２は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配である。【選択図】図２

Description

本発明は、水素生成装置及び燃料電池システム、特に水添脱硫により原料ガス中の硫黄化合物を除去する水素生成装置及び燃料電池システムに関する。

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。燃料電池システムでは、燃料を有効に利用するために、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを、再び燃料電池に戻して循環させる手段としてエジェクタを備えたものが様々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すもので、燃料電池で反応に使用されずに排出される、水素ガスを新たな水素ガスに混在させて未使用の水素ガスを燃料電池の反応に再利用するために、エジェクタを備えている。図７に示す燃料電池システムは、水素タンク８、気液分離器９、水素供給路１１、水素循環路１２、エジェクタ１００、燃料電池３００から構成されている。水素タンク８からエジェクタ１００へ水素ガスが供給され、エジェクタ１００を経由した水素ガスは、燃料電池３００へ供給され、発電反応に用いられる。発電反応に使用されずに燃料電池３００から排出される水素ガスは、水素循環路１２を経由し、エジェクタ１００へ供給される。エジェクタ１００は、ノズル入口部１０４が下方に向かい且つディフューザ出口部１０６が上方に向かって配置される。吸入部１０７は水素循環経路１２を構成し重力方向に延在する垂直配管部１３に連通するとともに、垂直配管部１３内には、重力上方向に流通する水素ガス中の水分を除去するために、突出する邪魔板が配置される。垂直配管部１３に沿って下方から上方へ流れる水素ガスは、水分（凝縮水）が、自重によって除去されるとともに、邪魔板によって凝縮水がさらに除去されている。これにより、燃料電池３００に凝縮水が浸入することを防止することができるため、発電機能を向上することができる。

特開２０１１―２０４５０１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池３００で反応に使用されずに排出される水素ガスの中には水蒸気が含まれているため、エジェクタ１００内で、燃料電池３００で反応に使用されずに排出される水素ガスと、水素タンク８から供給される新たな水素ガスが混合した下流で、凝縮水が発生し、エジェクタ１００が水詰まりする課題があった。また、重力方向に流れようとする凝縮水と重力方向上向きに流れるガスが釣合い、液体内を気体が流れるため、ガスの流量が一定にならない脈流を生じさせ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、エジェクタ内での水詰まりと脈流を防止して、安定して運転できる水素生成装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

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、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、原料ガス流路を経由した原料ガスと、水素含有ガス流路を経由した水素含有ガスを混合し、水添脱硫器へ供給するエジェクタと、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エジェクタに供給するリサイクルガス流路とを備えている。そして、エジェクタは、原料ガスと水素含有ガスが混合する混合部と、混合部より下流側に配置されたスロート部とを有し、スロート部は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配である。これにより、エジェクタ内の水詰まりや、脈流を防止することができる。

本発明の水素生成装置及び燃料電池システムによれば、エジェクタ内の水詰まりや、脈流を防止することにより、水添脱硫器での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要部断面説明図 実施の形態２における水素生成装置の要部断面説明図 実施の形態３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４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５における燃料電池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、原料ガス流路を経由した原料ガスと、水素含有ガス流路を経由した水素含有ガスを混合し、水添脱硫器へ供給するエジェクタと、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エジェクタに供給するリサイクルガス流路とを備えている。そして、エジェクタは、原料ガスと水素含有ガスが混合する混合部と、混合部より下流側に配置されたスロート部とを有し、スロート部は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配である。

一般的に起動時のエジェクタ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ガス露点が高く、エジェクタからの冷熱で冷やされることにより、エジェクタ内で水分が凝縮する。凝縮した水分（凝縮水）は、混合部やスロート部内に留まり、水詰まりを生じさせたり、脈流を生じさせる。スロート部は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配であるため、たとえスロート部内で水分が凝縮した場合でも重力方向に流れていく凝縮水に対してスロート部を流れるガスの流れの方向は同じになるため、スロート部内に凝縮水が滞留することや、脈流を防ぐことができる。なお、ディフューザ部は、スロート部の軸中心と同じ軸中心を有しているため、自ずとディフューザ部内の凝縮水の滞留や脈流を防ぐことができる。

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と接続される吸入部から前記混合部までの流路は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配である。これによって、リサイクルガス流路からの冷熱で冷やされることにより、水分が凝縮し、生成された凝縮水が吸入部からエジェクタに浸入するが、エジェクタに進入した凝縮水は、吸入部から混合部までの流路が重力方向に対して下り勾配であるため、吸入部から混合部までの流路を流れるガスの流れの方向と凝縮水が流れる方向が同じとなり、吸入部から混合部までの流路で水が滞留することや、脈流を防ぐことができる。なお、スロート部においても、重力方向に対して下り勾配であるため、吸入部から混合部までの流路を流れた凝縮水が、スロート部内に浸入しても、スロート部内で水が滞留する
ことや、脈流を防ぐことができる。なお、スロート部においても、重力方向に対して下り勾配であるため、吸入部から混合部までの流路を流れた凝縮水が、スロート部内に水が滞留することや、脈流を防ぐことができる。

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、スロート部とエジェクタの出口との間に位置するディフューザ部、及び、エジェクタと水添脱硫器とを接続する流路の少なくとも一方が、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配である。これによって、ディフューザ部、及び、エジェクタと水添脱硫器とを接続する流路で、凝縮水が滞留することや、脈流を防ぐことができる。なお、スロート部においても、ディフューザ部の軸中心と同じ軸中心を有しているため、自ずとスロート部内の凝縮水の滞留や脈流を防ぐことができる。

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、エジェクタと水添脱硫器との間に配置された水分除去器を備えている。これによって、エジェクタ、もしくは、エジェクタと水添脱硫器とを接続する流路を流れ水分除去器に運ばれる凝縮水は水分除去器内で除去されるため、凝縮水を水添脱硫器へ供給することを防止することができる。

第５の発明は、第１〜４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発電装置とを備える。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２００は、改質器１と、水添脱硫器２と、原料ガス流路３、水素含有ガス流路４と、リサイクルガス流路５と、エジェクタ１００とを備える。なお、水素生成装置２００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。

原料ガス流路３は、エジェクタ１００へ原料ガスを流すための流路である。

水素含有ガス流路４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４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４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５は、水素含有ガス流路４を流れる水素含有ガスの一部を水添脱硫器２よりも上流のエジェクタ１００に供給するための流路である。リサイクルガス流路５の上流端は、水素含有ガス流路４の経路の途中に接続されている。リサイクルガス流路５を流れるリサイクルガスの流量は、リサイクルガス流路５の断面積に応じて変更することが可能である。

エジェクタ１００は、原料ガス流路３を経由した原料ガスと、水素含有ガス流路４を経由した水素含有ガスを混合し、水添脱硫器２へ供給する。エジェクタ１００について図２を用いて説明する。

図２は、実施の形態１における水素生成装置２００の要部断面説明図である。図２に示すように、エジェクタ１００は、原料ガスと水素含有ガスが混合する混合部１０１と、混合部１０１より下流側に配置されたスロート部１０２とを有し、スロート部１０２は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配に配置される。

ノズル部１０３は、ノズル入口部１０４を有し、原料ガス流路３を経由した原料ガスがノズル入口部１０４からエジェクタ１００へ流れる。ノズル部１０３は、その内部が円筒状をしており、その内部の円周面は、ノズル部１０３の先端側（混合部１０１との接続側）に向かって漸次連続的に縮径する部分を有する。

ディフューザ部１０５は、その内部が円筒状をしており、その内部の円周面は、上流側から順に、流路断面積が漸次連続的に拡径するテーパー状の部分を有する。ディフューザ部１０５は、スロート部１０２とエジェクタ１００の出口との間に位置し、エジェクタ１００の出口は、水添脱硫器２に接続される。このように形成されたディフューザ部１０５は、一般的にノズル部１０３の軸中心と、スロート部１０２の軸中心と、ディフューザ部１０５の軸中心の３つが互いに一致されるように位置している。ただし、スロート部１０２の軸中心とディフューザ部１０５の軸中心が互いに一致されていればよく、ノズル部１０３の軸中心とスロート部１０２の軸中心が互いに一致していなくてもよい。

スロート部１０２は、混合部１０１で混合された原料ガスと水素含有ガスの混合ガスをディフューザ部１０５に圧力損失少なく流す流路である。スロート部１０２の内径は、ノズル部１０３の最小内径と同等、もしくはノズル部１０３の最小内径より大きく形成される。

吸入部１０７は、リサイクルガス流路５と接続される。

このように構成された水素生成装置２００について、以下に詳細に説明する。

原料ガス流路３を経由した原料ガスはノズル部１０３内を通り水素含有ガスと合流した後、スロート部１０２を経由しディフューザ部１０５内に導入される。このとき、ノズル部１０３から噴射された原料ガスが高速で流れることにより、ノズル部１０３の縮径した部分の近傍において負圧が発生し、この負圧によりリサイクルガス流路５を経由した水素含有ガスが、混合部１０１に吸い込まれる。そして、水素含有ガスは、ノズル部１０３から噴射された原料ガスと合流し、混合されて、ディフューザ部１０５を通り、水添脱硫器２へ供給される。

水添脱硫器２へ供給された水素含有ガスは改質器１に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去するために使用される。硫黄化合物が除去された原料ガスは、改質器１へ供給され、改質器１で水素含有ガスとなる。生成された水素含有ガスは一部が、エジェクタ１００を介して循環するようになっている。

一般的に起動時のエジェクタ１００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ガス露点が高く（例えば、水素含有ガス露点が８０℃で露点が７０℃）、
エジェクタ１００からの冷熱で冷やされることにより、エジェクタ１００内で水分が凝縮する。凝縮した水分（凝縮水）は、混合部１０１やスロート部１０２内に留まり、水詰まりを生じさせる。さらに、水素生成装置２００は、改質器１にさらに高い高露点の水素含有ガスを生成させる運転を行うことがあり、このような場合、水分が凝縮しやすい。また、ノズル部１０３内に導入される原料ガスのガス温度が低く、吸入部１０７から導入される水素含有ガスと混合部１０１で合流した混合ガスの温度が、混合ガスのガス露点より低い場合、水分が凝縮し、水詰まりや脈流を生じさせる。なお、図２において、ノズル部１０３の軸中心と、スロート部１０２の軸中心と、ディフューザ部１０５の軸中心は互いに一致されるように配置されるが、それに限らず、スロート部１０２が、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配に配置されればよく、このときノズル部１０３は水平に配置されていてもよい。

ところが、本実施の形態における水素生成装置２００の構成をとると、スロート部１０２は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配であるため、たとえスロート部１０２内で水分が凝縮した場合でも重力方向に流れていく凝縮水に対してスロート部１０２を流れるガスの流れの方向は同じになる。このため、スロート部１０２内に凝縮水が滞留することや、脈流を防ぐことができる。なお、ディフューザ部１０５は、スロート部１０２の軸中心と同じ軸中心を有しているため、自ずとディフューザ部１０５内の凝縮水の滞留や脈流を防ぐことができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２における水素生成装置のエジェクタにおいて、リサイクルガス流路と接続される吸入部から混合部までの流路は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配であることを示した図である。図３に示す水素生成装置２００においては、リサイクルガス流路５と接続される吸入部１０７から混合部１０１までの流路が、その上流から下流にかけて重力方向に対し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２００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。

本実施の形態における水素生成装置２００の構成をとると、リサイクルガス流路５内を流れる水素含有ガスがリサイクルガス流路５からの冷熱で冷やされることにより、水分が凝縮し、生成された凝縮水が吸入部１０７からエジェクタ１００に浸入する。しかし、エジェクタ１００に進入した凝縮水は、吸入部１０７から混合部１０１までの流路が重力方
向に対して下り勾配であるため、吸入部１０７から混合部１０１までの流路を流れるガスの流れの方向と凝縮水が流れる方向が同じとなり、吸入部１０７から混合部１０１までの流路で水が滞留することや、脈流を防ぐことができる。なお、スロート部１０２においても、重力方向に対して下り勾配であるため、吸入部１０７から混合部１０１までの流路を流れた凝縮水が、スロート部１０２内に浸入しても、スロート部１０２内で水が滞留することや、脈流を防ぐことができる。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３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４に示す水素生成装置２００においては、スロート部１０２とエジェクタ１００の出口との間に位置するディフューザ部１０５、及び、エジェクタ１００と水添脱硫器２とを接続する流路の少なくとも一方が、その上流から下流にかけて重力方向に対して下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２００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。

本実施の形態における水素生成装置２００の構成をとると、ディフューザ部１０５、及び、エジェクタ１００と水添脱硫器２とを接続する流路内において重力方向に流れていく凝縮水に対してガスの流れの方向が同じになるため、ディフューザ部１０５、及び、エジェクタ１００と水添脱硫器２とを接続する流路で、凝縮水が滞留することや、脈流を防ぐことができる。なお、スロート部１０２においても、ディフューザ部１０５の軸中心と同じ軸中心を有しているため、自ずとスロート部１０２内の凝縮水の滞留や脈流を防ぐことができる。

（実施の形態４）
図５は、実施の形態４における水素生成装置に水分除去器を備えた図である。図５に示す水素生成装置２００においては、水を除去する水分除去器７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２００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、水添脱硫器２へ凝縮水が浸入することを防ぐため、凝縮水を水分除去器７へ排出させる動作が異なる。

水分除去器７は、エジェクタ１００と水添脱硫器２の間に配置される。水分除去器７は、例えば、水分除去器７へ排出された水分を気化する気化器でもよいし、水分除去器７へ供給されるガス中の水と気体とを分離する気液分離器でもよい。さらに、水添脱硫器２において、水添脱硫触媒を充填している空間以外で、水分が気化する程度の高温に加熱される空間でもよい。

本実施の形態における水素生成装置２００の構成をとると、エジェクタ１００、もしくは、エジェクタ１００と水添脱硫器２とを接続する流路を流れ水分除去器７に運ばれる凝縮水は水分除去器７内で除去されるため、凝縮水を水添脱硫器２へ供給することを防止することができる。

（実施の形態５）
図６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６において、燃料電池システム４００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２００と、燃料電池３００とを備える。

燃料電池３００は、水素生成装置２００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３００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２００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燃料電池システム４００の構成をとると、水添脱硫が安定して行われ、燃料電池３００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。

本発明の水素生成装置及び燃料電池システムは、エジェクタ内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燃料電池システムといった発電システムに有用である。

１ 改質器
２ 水添脱硫器
３ 原料ガス流路
４ 水素含有ガス流路
５ リサイクルガス流路
７ 水分除去器
８ 水素タンク
９ 気液分離器
１１ 水素供給路
１２ 水素循環路
１３ 垂直配管路
１００ エジェクタ
１０１ 混合部
１０２ スロート部
１０３ ノズル部
１０４ ノズル入口部
１０５ ディフューザ部
１０６ ディフューザ出口部
１０７ 吸入部
２００ 水素生成装置
３００ 燃料電池
４００ 燃料電池システム

Claims (5)

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、
   原料ガス流路を経由した原料ガスと、前記水素含有ガス流路を経由した水素含有ガスを混合し、前記水添脱硫器へ供給するエジェクタと、
   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エジェクタに供給するリサイクルガス流路と、を備え、
   前記エジェクタは、原料ガスと水素含有ガスが混合する混合部と、前記混合部より下流側に配置されたスロート部とを有し、
   前記スロート部は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配である、
   水素生成装置。
2. 前記エジェクタは、前記リサイクルガス流路と接続される吸入部から前記混合部までの流路は、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配である、請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記スロート部と前記エジェクタの出口との間に位置するディフューザ部、及び、前記エジェクタと前記水添脱硫器とを接続する流路の少なくとも一方が、その上流から下流にかけて重力方向に対して下り勾配である、
   請求項１または請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記エジェクタと前記水添脱硫器との間に配置された水分除去器を備えた、
   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. 請求項１〜請求項４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、
   を備えた燃料電池システム。

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