JP2016184549A - ガス製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率をより高めたガス製造装置を提供する。
【解決手段】原料ガスと純水から改質ガスを得る改質器１３と、改質器１３から得られた改質ガスから水素を分離し製品水素を得る水素分離部２０と、改質ガスから水素を分離した後の残渣ガス（オフガス）を燃焼させて改質器１３を加熱し、改質反応熱を供給するバーナ装置１４と、バーナ装置１４にて生じる燃焼排ガスが燃料極に供給され、空気極に空気が供給されて発電する固体酸化物形の燃料電池ＦＣとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料ガスを加熱して改質ガスを得る改質器と、燃料ガスを燃焼させて改質器を加熱する加熱手段とを有するガス製造装置に関する。

昨今、天然ガスや都市ガス等を原料ガスとして、水素を現場（オンサイト）で製造する水素製造装置の開発が行われている。このような水素製造装置は、工業用途として、鋼板等の金属の光輝焼鈍やガラス製造に利用される他、燃料電池自動車に水素を補給する水素ステーションとして各地に設置されている。

このような水素製造装置の一例として、圧送装置により圧送される原料ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫後の原料ガスを水蒸気との混合状態で加熱して改質ガスを得る改質器と、改質器からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素リッチガスを得るＣＯ変成器と、水素リッチガスから水素以外の不純物を分離して水素を精製する水素精製部（ＰＳＡ方式を用いた装置）とを備えたものが知られている（特許文献１）。

特開２０１５−３０６５５号公報

水素製造装置では改質器における改質反応の促進のため、バーナ装置でのガスの燃焼により改質器が高温に保たれる。またＰＳＡ方式を用いた水素精製部では、ガスの圧送・吸着塔からの吸引に電力が消費される。よって水素製造装置では更なるエネルギー効率の向上が求められている。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー効率をより高めたガス製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るガス製造装置の特徴構成は、原料ガスを加熱して改質ガスを得る改質器と、燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段と、前記加熱手段にて生じる燃焼排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有する点にある。

発明者らは鋭意検討の結果、改質器を加熱する加熱手段の燃焼排ガスに、燃料電池での発電反応に使用できる成分が含まれていることを見いだし、燃焼排ガスを用いて燃料電池にて発電することで装置全体のエネルギー効率を高めることに思い至った。

上記の特徴構成によれば、ガス製造装置が、原料ガスを加熱して改質ガスを得る改質器と、燃料ガスを燃焼させて改質器を加熱する加熱手段と、加熱手段にて生じる燃焼排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有するので、燃焼排ガスに残存している水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料電池での発電に使用可能な成分を無駄にすることなく電力に変換することができ、ガス製造装置のエネルギー利用効率を高めることができる。また固体酸化物形の燃料電池は、高効率であるが作動温度が高い。これをガス製造装置に適用すると、燃焼排ガスが有する熱を燃料電池の作動温度への加熱に用いることができるので、一層エネルギー利用効率を高めることとなり、極めて有益である。

本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記改質器と前記加熱手段とを内部に収納する改質炉と、前記改質炉から前記燃料電池へ前記燃焼排ガスを供給する燃焼排ガス路とを有する点にある。

上記の特徴構成によれば、改質器と加熱手段とを内部に収納する改質炉と、改質炉から燃料電池へ燃焼排ガスを供給する燃焼排ガス路とを有するので、改質炉の内部で加熱手段にて生じた燃焼排ガスを燃料電池へと適切に導くことができる。また、例えば燃焼排ガス路に熱交換器等を設けて燃焼排ガスの有する熱を活用したり、例えば燃焼排ガス路の途中にて燃焼排ガスの温度を調整し、燃焼排ガスの温度を固体酸化物形の燃料電池に適切な温度にすることも可能となるので、ガス製造装置への燃料電池の適用に好適な構成である。

本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記燃料電池に供給される酸素含有ガスと前記燃焼排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器を有する点にある。

上記の特徴構成によれば、燃料電池に供給される酸素含有ガスと燃焼排ガスとを熱交換させて酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器を有するので、燃焼排ガスが有する熱を有効に活用でき、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。

本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記燃料電池に供給される酸素含有ガスと前記燃料電池から排出される燃料電池排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器を有する点にある。

固体酸化物形の燃料電池は作動時に高温となるので、燃料電池から排出される燃料電池排ガスも高温となる。上記の特徴構成によれば、燃料電池に供給される酸素含有ガスと燃料電池から排出される燃料電池排ガスとを熱交換させて酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器を有するので、燃料電池からの燃料電池排ガスが有する熱を有効に活用でき、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めることができる。

本発明に係るガス製造装置の別の特徴構成は、前記改質器と前記加熱手段と前記燃料電池とを内部に収納する改質炉を有する点にある。

上記の特徴構成によれば、改質器と加熱手段と燃料電池とを内部に収納する改質炉を有するので、改質炉に充満する燃焼排ガスの有する熱を、外部への散逸を極力少なくして燃料電池に与えることができるので、ガス製造装置のエネルギー利用効率を更に高めると共に、燃料電池を有するガス製造装置の構成を簡略化することができる。

第１実施形態に係る水素製造装置の概略図 第２実施形態に係る水素製造装置の概略図

＜第１実施形態＞
以下、ガス製造装置の一例としての水素製造装置１００について図１を参照しながら説明する。水素製造装置１００は、改質部１０と、水素分離部２０と、燃料電池ＦＣと、それらを制御する制御装置３０等を有する。

〔改質部〕
改質部１０は、炭化水素を含む原料ガス（例えば、メタンを主成分とする都市ガス１３Ａ）を改質して水素を含有する改質ガスを得る。改質部１０は、圧縮機１１にて圧縮された原料ガスを脱硫する脱硫器１２と、脱硫後の原料ガスに水蒸気（純水）を混合し加熱して改質ガスを得る改質器１３と、改質器１３からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させるＣＯ変成器１７とを備える。

脱硫器１２には、Ｎｉ−Ｍｏ系、ＺｎＯ系等の脱硫触媒が充填されており、その脱硫触媒により、原料ガス中の付臭剤等の硫黄成分を除去している。これにより、原料ガスを、改質器１３に充填された改質触媒を劣化させにくい性状としている。

改質器１３は、改質器１３に充填される改質触媒（例えば、ニッケル系触媒）を触媒活性温度に維持するべく、供給されるガス（燃料ガス）を燃焼させて改質触媒を加熱するバーナ装置１４（加熱手段）を備えている。バーナ装置１４には、後述する水素分離部２０で生じるオフガスが燃料ガスとして供給される。そして改質器１３とバーナ装置１４とが、改質炉１３ａの内部に配置されている。バーナ装置１４でのオフガスの燃焼により、約９００℃の燃焼排ガスが生じる。なおバーナ装置１４では供給されたオフガスと燃焼用空気とが混合されて、適切な空燃比とされて燃焼する。

改質器１３に原料ガスを供給する流通路Ｌ２には、純水をその排ガスの熱により加熱する熱交換器１５にて加熱され気化した水蒸気と原料ガスとを混合する混合部１６が設けられており、原料ガスへの水蒸気の混合を促進している。

ＣＯ変成器１７には、一酸化炭素変成触媒が充填され、改質ガス中の一酸化炭素が水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変換される。一酸化炭素変成触媒としては、高温用、中温用、低温用があり、運転温度に応じて適当なものが使用される。運転温度が３００〜４５０℃の高温用触媒としては、例えば、鉄−クロム系触媒が挙げられ、運転温度が１８０〜４５０℃の中温用触媒、及び、１９０〜２５０℃の低温用触媒としては、例えば、銅−亜鉛系触媒が挙げられる。また、これら高温用、中温用、低温用の触媒は、２種以上を組み合わせて用いることができる。

ＣＯ変成器１７での反応により、改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素およびメタンを含むと共に、その水素濃度が６４〜９６体積％の混合ガスとなり、約３００℃程度でＣＯ変成器１７より排出され、熱交換器１８にて冷却水と熱交換して降温した後、気液分離部１９にて水蒸気等が除去された後、水素分離部２０に導かれる。

即ち水素製造装置１００にあっては、原料ガスが、図１に示すように、バルブＶ１を通過した後、圧縮機１１にて圧送され、流通路Ｌ１を通流して脱硫器１２に導かれ脱硫され、水蒸気を混合する混合部１６が設けられる流通路Ｌ２を介して改質器１３に導かれて改質され、流通路Ｌ３を通流してＣＯ変成器１７で変成され、熱交換器１８が配設される流通路Ｌ４を介して気液分離部１９に導かれた後、流通路Ｌ５を介して水素分離部２０に導かれる。

バーナ装置１４でのオフガスの燃焼により生じた燃焼排ガスは、流通路Ｌ１３（燃焼排ガス路）を通じて改質炉１３ａから排出され、後述する燃料電池ＦＣへ送られる。燃焼排ガスは、燃料電池ＦＣでの発電に利用可能な水素、一酸化炭素、炭化水素等を含有する。

ところで水素製造装置１００において、水素分離部２０に圧力スイング式吸着法を行う構成を採用し、水素分離部２０で生じるオフガスをバーナ装置１４で燃焼するように構成した場合、水素分離部２０からバーナ装置１４へのオフガスの供給量に若干の変動が生じ、バーナ装置１４での空燃比が変動する場合がある。そこで従来は、燃焼排ガス中の一酸化炭素の発生を抑制するために、バーナ装置１４は空燃比を比較的高めすなわち燃料が薄い状態（リーン）に設定されている。

本実施形態に係る水素製造装置１００では、バーナ装置１４で生じた燃焼排ガスを燃料電池ＦＣで発電に用いるので、燃焼排ガス中に一酸化炭素が発生したとしても、燃料電池ＦＣにて処理することができる。これにより改質部１０のバーナ装置１４にて、空燃比を比較的低めすなわち燃料が濃い状態（リッチ）に設定することができ、改質部１０の効率を改善することができる。

〔水素分離部〕
水素分離部２０（ガス精製部）は、改質部１０にて改質された改質ガスから水素以外の不純物を分離すべく、圧力スイング式吸着法（以下、ＰＳＡ法と略称することがある）を実行可能な構成を採用している。水素分離部２０は、複数（本実施形態では３つ）の吸着塔２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、オフガスタンク２１とを備えている。

各吸着塔２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、吸着材としてゼオライト系吸着材、活性炭、シリカゲルなどを組み合わせたものが充填されている。各吸着塔２０ａ、２０ｂ、２０ｃでは、吸着工程、減圧工程、パージ工程、及び昇圧工程のプロセスを、複数の吸着塔２０ａ、２０ｂ、２０ｃで位相を異ならせて実行することにより、水素リッチガスを製品水素（製品ガス）として供給可能に構成されている。詳細な説明は省略するが、上述のプロセスは、流通路に設けられる複数のバルブ（図示略）の開閉により、順次実行される。水素分離部２０にて精製された、水素濃度が９５〜９８体積％の水素リッチガスは、流通路Ｌ６のバルブＶ５を介して、製品水素として供給される。

一方、水素分離部２０で水素が分離された後のオフガスは、各吸着塔２０ａ、２０ｂ、２０ｃにバルブＶ２を介して接続されたオフガスタンク２１に一時貯留される。オフガスタンク２１に貯留されたオフガスは、水素、メタン等の可燃性ガスを含むため、流通路Ｌ８を介してバーナ装置１４へ導かれ、改質器１３を加熱するための燃料ガスとして用いられる。

〔燃料電池〕
燃料電池ＦＣは、バーナ装置１４（加熱手段）にて生じる燃焼排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池である。本実施形態では燃焼排ガスは、流通路Ｌ１３を通じて改質炉１３ａから燃料電池ＦＣに供給される。

本実施形態で用いられる燃料電池ＦＣは固体酸化物形であって、酸化物イオン伝導性をもつ固体酸化物の緻密体からなる電解質膜の一方面側に、酸化物イオンおよび電子伝導性の多孔体からなる空気極を接合し、他方面側に電子伝導性の多孔体からなる燃料極を接合してなる単セルを複数積層してなる。そして、空気極に空気（酸素含有ガス）を供給し、燃料極に水素、一酸化炭素、炭化水素等の燃料を含んだガスを供給し、７００℃程度の作動温度で動作させる。すると、空気極において酸素分子Ｏ₂が電子ｅ^-と反応して酸素分子イオンＯ^2-が生成され、その酸素分子イオンＯ^2-が電解質膜を通って燃料極に移動し、燃料極において供給された燃料の分子が酸素分子イオンＯ^2-と反応することで、燃料極と空気極との間に起電力Ｅが発生し、その起電力Ｅを外部に取り出し利用することができる。

燃料電池ＦＣの燃料極には、流通路Ｌ１３を通じて、改質器１３の改質炉１３ａから、バーナ装置１４でのオフガスの燃焼により生じた燃焼排ガスが供給される。燃焼排ガスには、バーナ装置１４で燃焼されずに残存した水素、一酸化炭素、炭化水素等が含まれており、もって上述した燃料電池ＦＣでの発電が可能となっている。

改質炉１３ａにてバーナ装置１４により生じる燃焼排ガスの温度は９００℃程度であり、燃焼排ガスの有する熱によって燃料電池ＦＣが作動温度（７００℃程度）まで加熱される。また燃焼排ガスの有する熱は、燃料電池ＦＣの空気極に供給される空気の熱交換器２６における加熱にも用いられる。

すなわちバーナ装置１４で生じた燃焼排ガスは、熱交換器２６で空気を加熱し、流通路Ｌ１３を通じて燃料電池ＦＣの燃料極に供給され、流通路Ｌ１４を通じてアノード排ガスとして排出される。燃料電池ＦＣは、燃料電池ＦＣに供給される空気（酸素含有ガス）と燃焼排ガスとを熱交換させて空気を加熱する熱交換器２６（酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器）を有している。

燃料電池ＦＣの空気極には、流通路Ｌ１５を通じて、ブロア２４から、空気（酸素含有ガス）が供給される。そして燃料電池ＦＣでの反応に用いられた空気は、流通路Ｌ１６を通じてカソード排ガスとして排出される。カソード排ガスは燃料電池ＦＣにて加熱され高温となっているので、カソード排ガスの有する熱が流通路Ｌ１６に設けられた熱交換器２５にて空気極に供給される空気へと回収される。

すなわちブロア２４から供給された空気は、熱交換器２５でカソード排ガスにより加熱され、熱交換器２６で燃焼排ガスにより加熱され、流通路Ｌ１５を通じて燃料電池ＦＣに供給され、流通路Ｌ１６を通じてカソード排ガスとして排出される。燃料電池ＦＣは、燃料電池ＦＣに供給される空気（酸素含有ガス）と燃料電池ＦＣから排出されるカソード排ガス（燃料電池排ガス）とを熱交換させて空気を加熱する熱交換器２５（酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器）を有している。

＜第２実施形態＞
上述の第１実施形態では、燃料電池ＦＣは改質炉１３ａの外部に設けられ、バーナ装置１４にて生じる燃焼排ガスは流通路Ｌ１４を通じて燃料電池ＦＣへ供給される。第２実施形態では、燃料電池ＦＣは改質炉１３ａの内部に設けられる。以下、図２を参照して第２実施形態に係る水素製造装置１００について説明するが、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図２に示す通り、第２実施形態に係る水素製造装置１００の改質部１０は、改質器１３とバーナ装置１４（加熱手段）と燃料電池ＦＣとを内部に収納する改質炉１３ａを有する。改質炉１３ａの内部は、バーナ装置１４でのオフガス（燃料ガス）の燃焼により、改質器１３での改質反応に適した９００℃程度の温度とされ、オフガスの燃焼により生じた燃焼排ガスが充満している。改質炉１３ａの内部に配置された燃料電池ＦＣは、燃焼排ガスから熱を受けて燃料電池の反応に適した７００℃〜９００℃の温度となる。そして燃料電池ＦＣは、周囲の燃焼排ガスに含まれる燃料（水素、一酸化炭素、炭化水素等）と酸素とを利用して発電を行う。なお、改質炉１３ａに外部から空気を供給するノズルを設けて、燃料電池ＦＣでの発電に必要な酸素を補うように構成してもよい。

＜別実施形態＞
（１）第１実施形態では、熱交換器２５が流通路Ｌ１６に設けられて、ブロア２４から供給される空気が熱交換器２５にてカソード排ガスにより加熱されたが、熱交換器を流通路Ｌ１４に設けて、ブロア２４から供給される空気がアノード排ガス（燃料電池排ガス）により加熱されるよう構成してもよい。

（２）第１実施形態では、熱交換器２５および熱交換器２６を設けて燃焼排ガスおよびカソード排ガスからの排熱回収を行うように構成したが、これらの排熱回収を行わない構成も可能である。

（３）上述の実施形態では水素分離部２０の例としてＰＳＡ法による装置を説明したが、例えば水素分離膜を用いて改質ガスから水素以外の不純物を分離する装置にも適用可能である。

（４）上述の実施形態では水素製造装置に燃料電池を適用する例を説明したが、他のガスを製造する装置にも応用が可能である。

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

１３ ：改質器
１３ａ ：改質炉
１４ ：バーナ装置（加熱手段）
２５ ：熱交換器（酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器）
２６ ：熱交換器（酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器）
ＦＣ ：燃料電池
Ｌ１３ ：流通路（燃焼排ガス路）

Claims (5)

1. 原料ガスを加熱して改質ガスを得る改質器と、燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段と、前記加熱手段にて生じる燃焼排ガスを用いて発電する固体酸化物形の燃料電池とを有するガス製造装置。
2. 前記改質器と前記加熱手段とを内部に収納する改質炉と、前記改質炉から前記燃料電池へ前記燃焼排ガスを供給する燃焼排ガス路とを有する請求項１に記載のガス製造装置。
3. 前記燃料電池に供給される酸素含有ガスと前記燃焼排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃焼排ガス熱交換器を有する請求項２に記載のガス製造装置。
4. 前記燃料電池に供給される酸素含有ガスと前記燃料電池から排出される燃料電池排ガスとを熱交換させて前記酸素含有ガスを加熱する酸素含有ガス−燃料電池排ガス熱交換器を有する請求項２または３に記載のガス製造装置。
5. 前記改質器と前記加熱手段と前記燃料電池とを内部に収納する改質炉を有する請求項１に記載のガス製造装置。

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