JP2017039625A - 水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素生成装置の反応容器を外側から加熱するヒータと断熱材とのスキマを狭くかつできるだけ均一にする。【解決手段】水添脱硫器４の底面板２３の外周が、ヒータ２７を含む水添脱硫器４の筒状体２２の外径寸法よりも大きく、水添脱硫器４及びヒータ２７を囲む筒状の外断熱材３０の内側面の内径寸法よりも小さくなるように構成することにより、外断熱材３０の内側面は、底面板２３と接触することはあっても、ヒータ２７とは接触することはなくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素化合物を原料として水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池に燃料ガスを供給する水素生成装置に関するものである。

近年、小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池発電システムは、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。

そこで、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料を利用し、それらの原料と水蒸気（水）との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が併設される。

一般的に水素生成装置は、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。また、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部となる、一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させる変成部、および一酸化炭素を酸化させる選択酸化部を設ける構成がとられることが多い。

それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはＲｕ触媒やＮｉ触媒、変成部にはＣｕ−Ｚｎ触媒、選択酸化部にはＲｕ触媒等が用いられている。また、各反応部には適した温度があり、改質部は６５０℃程度、変成部は２００℃程度、選択酸化部は１５０℃程度で使用されることが多い。

なお、都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料には付臭剤として添加された硫黄化合物、あるいは原料中に元々含まれていた硫黄化合物が混入している。これらの硫黄化合物は改質器に使用される触媒を被毒し、その活性を奪ってしまう。そのため、原料中の硫黄化合物は改質器へ供給される前に脱硫装置によって除去する必要がある。

脱硫装置として現在、吸着脱硫方式と水添脱硫方式の２つの方式が用いられている。吸着脱硫方式は、硫黄化合物を吸着する吸着脱硫剤を充填した吸着脱硫器内に原料を通過させて脱硫するもので、常温で吸着脱硫を行うので取り扱いが非常に簡便であるという長所がある。

一方、水添脱硫方式は、原料に水素を加えて約２２０℃から３２０℃に昇温された水添脱硫触媒を充填した水添脱硫器に通過させることにより硫黄化合物を吸着されやすい硫化水素に変化させ、生成した硫化水素を吸着脱硫剤にて吸着除去するもので、吸着容量が大きいため長期間にわたって吸着脱硫剤の交換が不要であるという長所がある。

さて、改質器、ＣＯ低減器、水添脱硫器の各々を燃焼器の周りに同心円筒状に配設した水素生成装置では、燃焼器の燃焼排ガスで、改質器、ＣＯ低減器、水添脱硫器それぞれの容器に充填されている各触媒をそれぞれの適した温度に加熱するのが一般的である（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に開示された水素生成装置では、改質器、ＣＯ低減器、水添脱硫器それぞれの容器の外側には断熱材が設置されている。起動時に各触媒の加熱も燃焼器の燃焼排ガスで行うので、少しでも起動時間を短縮するためには各容器の外周部からの放熱を小さくす
る必要があるので、各容器と断熱材とはスキマがないように構成されている。

特許第５５３１１６８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、起動時に燃焼器の燃焼排ガスだけで全ての触媒を加熱する構成であるので、特に燃焼器から離れている水添脱硫容器内の触媒を所定の温度にまで加熱するには時間が長くかかり、起動に時間がかかるという課題を有していた。

そこで水添脱硫器にヒータを巻いて加熱する構成を検討したところ、従来の構成のように、水添脱硫器と断熱材とを接触させる構成ではヒータの熱が断熱材へ逃げてしまい、ヒータにより水添触媒を加熱する効率が低下するという課題が発生した。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水添脱硫器に巻いたヒータで水添触媒を加熱するときに、水添脱硫器及びヒータを囲む筒状の外断熱材の内側面とヒータとのスキマを、特別な部材を設けることなく簡単な方法で管理することができる水素生成装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、底面板と筒状体から構成される反応容器である水添脱硫器と、水添脱硫器を筒状体の外側から加熱するヒータと、ヒータの外径寸法よりも大きい内径の内側面で水添脱硫器及びヒータを囲む筒状の外断熱材と、水添脱硫器と接触して水添脱硫器の底面板を覆う底部断熱材と、を有し、底面板の外周が、ヒータを含む筒状体の外径寸法よりも大きく外断熱材の内側面の内径寸法よりも小さくなるように構成したものである。

これによって、外断熱材内側面には、ヒータを含む筒状体の外径寸法よりも底面板の方が近接しているので、外断熱材内側面と底面板は接触することがあっても、外断熱材内側面とヒータとは接触することはなくなる。ヒータを含む筒状体の外径寸法と底面板の外径寸法との相対寸法管理、及び底板面の外径寸法と外断熱材内側面の内径との相対寸法管理とをそれぞれ行うことにより、ヒータを含む筒状体の外径と外断熱材内側面の内径とのスキマの管理を特別な部材を設けることなく行うことができる。

本発明の水素生成装置は、ヒータを用いて水添触媒を加熱するときに、特別な部品や特別な加工手段を用いることなく、ヒータが断熱材と接触しないように位置規制することが可能となり、ヒータが断熱材に接触して熱が逃げることによる放熱を抑制できるので、起動時間を短縮することができる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図 本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成図

第１の発明は、底面板と筒状体から構成される反応容器と、反応容器を筒状体の外側から加熱するヒータと、ヒータの外径寸法よりも大きい内径の内側面で反応容器及びヒータを囲む筒状の外断熱材と、反応容器と接触して反応容器の底面板を覆う底部断熱材と、を
有し、底面板の外周が、ヒータを含む筒状体の外径寸法よりも大きく外断熱材の内側面の内径寸法よりも小さくなるように構成する。

これにより、外断熱材内側には、ヒータよりも底面板の方が近接しているので、ヒータと外断熱材とは接触することはなくなるため、ヒータの熱が断熱材へ逃げにくくなり、ヒータにより反応容器を加熱する効率が低下することを抑制でき、反応容器を所定温度まで加熱する起動時間を短縮できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、反応容器の筒状体の下端を、外周方向に縁曲げし、これによって形成したフランジを一体的に備え、フランジの外径寸法は底面板の外径寸法と略同一であり、フランジと底面板とが重ねられた状態でフランジと底面板とが接合されて、へり継手部が構成されており、へり継手部の外径寸法は、ヒータを含む筒状体の外径寸法よりも大きく外断熱材の内側面の内径寸法よりも小さいように構成する。

これにより、外断熱材の内側には、ヒータよりもへり継手部の方が近接しているので、ヒータと外断熱材とは接触することはなくなるため、ヒータの熱が断熱材へ逃げにくくなり、ヒータにより反応容器を加熱する効率が低下することを抑制でき、反応容器を所定温度まで加熱する起動時間を短縮できる。さらにへり継手部を構成することにより、同時に反応容器の溶接信頼性を高めることができる。

第３の発明は、特に第１の発明または第２の発明において、反応容器の少なくとも一部の自重を底部断熱材にかけるように構成する。

これにより、反応容器の底面板は底部断熱材に圧接するようになり、水素生成装置を輸送する時に振動がかかったとしても、反応容器が底部断熱材から浮き上がりにくくなるため、反応容器が外断熱材に対して傾きそれが原因で反応容器の上部と外断熱材の内側とが接触してしまうことを防ぐことができヒータにより反応容器を加熱する効率が低下することを抑制でき、反応容器を所定温度まで加熱する起動時間を短縮できる。

第４の発明は、特に、第１〜第３の発明のいずれか１つの発明の水素生成装置の反応容器は水添脱硫器を構成し、ヒータは水添脱硫器を外側から加熱するように構成することにより、ヒータの熱が断熱材へ逃げにくくなり、ヒータにより水添脱硫器を加熱する効率が低下することを抑制でき、水添脱硫器を所定温度まで加熱する起動時間を短縮できる。

以下、本発明に係る水素生成装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、本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の水素生成装置の概略構成図を示すものである。

図１において、流量調節して供給された原料ガスは、配管３を通じて反応容器である水添脱硫器４へ供給される。ここで水添脱硫器４は、水添触媒５が充填されて構成されている。水添脱硫器４によって硫黄が除去された原料は、第２配管６を通って、水配管７から供給された改質水と混合され、混合配管８を通って蒸発器９へ送られる。

原料と水蒸気との混合ガスは改質器１０内の高温に加熱された改質触媒層１１によって水蒸気改質反応を生じて、水素と炭酸ガスと一酸化炭素を含む改質ガスに変化する。この改質ガスは改質ガス流路１２を通って、ＣＯ低減器１３内のＣＯ低減触媒層１４に入り、一酸化炭素濃度が低減されて燃料ガスとして燃料配管１７から取り出されて、水素生成装置１の外部へ出で行く。

水素生成装置１から出た改質ガスは燃料電池１８へ供給される。燃料電池１８で消費されなかった水素はオフガス配管１９を介して再び水素生成装置１に戻り、燃焼器２０へ供給され、水素生成装置１を加熱する熱源として利用される。また、燃焼器２０で燃焼した排ガスは、排ガス配管２１を通じて排気される。

水添脱硫器４は改質器１０の外側に設けられ、底面板２３と筒状体２２から構成され、水添触媒５が充填されている。筒状体２２の外周部には水添触媒５を加熱するためのヒータ２７が設置され、水添脱硫器４及びヒータ２７を囲むように筒状の外断熱材３０と底面板２３を覆う底部断熱材３１が設置され改質器１０及び水添脱硫器４から外部への放熱を抑制している。

以上のように構成された水素生成装置１について、以下その動作、作用を説明する。

改質器１０、ＣＯ低減器１３、水添脱硫器４は各々を燃焼器２０の周りに同心円筒状に配設し、燃焼器２０の燃焼排ガスで、改質器１０、ＣＯ低減器１３、水添脱硫器４それぞれの容器に充填されている各触媒を加熱して温度コントロールする。

起動時には、燃焼器２０の燃焼排ガスで、特に燃焼器２０から離れている水添脱硫器４内の水添触媒５を所定の温度にまで加熱するには時間が長くかかり、起動に時間がかるので、水添脱硫器４にはヒータ２７を巻いて加熱する構成としている。

水添脱硫器４と外断熱材３０とが接触するとヒータ２７の熱の一部が外断熱材３０へ逃げてしまい、ヒータ２７により水添触媒５を加熱する効率が低下し水添触媒５を所定温度（例えば２２０℃）まで加熱する時間が長くなる。一方、水添脱硫器４と外断熱材３０との間にスキマを設けると、外断熱材３０の外径寸法は守って設計するときに外断熱材の３０の厚み寸法が小さくなり外断熱材３０の断熱特性が悪化する。

そのために、水素生成装置１のヒータ２７と外断熱材３０とが接触しないようにスキマを設けるが、そのスキマを狭くかつ均一となるように構成する必要がある。スキマを狭くするとヒータ２７と外断熱材３０とが接触する部分と接触しない部分とが存在する現象が起こり易くなり、ヒータ２７と外断熱材３０が接触している箇所近傍の水添触媒５の加熱が遅くなる。

加熱され温度上昇が遅い水添触媒５が所定温度になってはじめて水添触媒５全体の加熱終了となるので、加熱時間を短縮するためにはヒータ２７と外断熱材３０とのスキマが狭くかつ、一部が接触することなくできるだけ均一に管理することが必要である。

本実施の形態では、底面板２３の外周径がヒータ２７を含む筒状体２２の外径寸法よりも大きく、かつ外断熱材３０の内側面の内径寸法よりも小さくなるようにしているので、外断熱材３０の内側面には、ヒータ２７よりも底面板２３が近接していることになる。これにより、ヒータ２７と外断熱材３０とのスキマは狭くても両者が接触することはなくなる。

以上のように、本実施の形態においては、底面板２３と筒状体２２から構成される水添脱硫器４と、水添脱硫器４を筒状体２２の外側から加熱するヒータ２７と、ヒータ２７の外径寸法よりもよりも大きい内径の内側面で水添脱硫器４及びヒータ２７を囲む筒状の外断熱材３０と、水添脱硫器４と接触して水添脱硫器４の底面板２３を覆う底部断熱材３１と、を有し、底面板２３の外周が、ヒータ２７を含む筒状体２２の外径寸法よりも大きく外断熱材３０の内側面の内径寸法よりも小さくなるように構成することにより、外断熱材
３０の内側には、ヒータ２７よりも底面板２３の方が近接しているので、底面板２３の外周部と外断熱材３０とが接触することはあっても、ヒータ２７と外断熱材３０とが接触することはなくなるので、ヒータ２７の熱の一部が外断熱材３０へ逃げにくくなり、ヒータ２７により水添脱硫器４を加熱する効率が低下することを抑制でき、水添脱硫器４を所定温度まで加熱する起動時間を短縮できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における水素生成装置について図２を用いて説明する。なお、実施の形態１と同じ構成については同一符号を付し、その説明を省略する。図２は、本発明の実施の形態２の水素生成装置の概略構成図を示すものである。

実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、水添脱硫器４の筒状体２２の下端に外周方向に縁曲げによって形成したフランジ２４を一体的に備え、フランジ２４の外径寸法は底面板２３の外径寸法と略同一であり、フランジ２４と底面板２３とが重ねられた状態でフランジ２４と底面板２３とが接合されて、へり継手部２５が構成されており、へり継手部２５の外径寸法は、ヒータ２７を含む筒状体２２の外径寸法よりも大きく外断熱材３０の内側面の内径寸法よりも小さく構成されている点である。

これにより、外断熱材３０の内側面には、ヒータ２７よりもへり継手部２５が近接していることになるので、ヒータ２７と外断熱材３０とのスキマは狭くても両者が接触することはなくなる。

以上のように、本実施の形態においては、へり継手部２５の外径寸法は、ヒータ２７を含む筒状体２２の外径寸法よりも大きく外断熱材３０の内側面の内径寸法よりも小さいように構成することにより、外断熱材３０の内側には、ヒータ２７よりもへり継手部２５の方が近接しているのでヒータ２７と外断熱材３０とは接触することはなくなり、ヒータ２７の熱の一部が外断熱材３０へ逃げにくくなり、ヒータ２７により水添脱硫器４を加熱する効率が低下することを抑制でき、水添脱硫器４を所定温度まで加熱する起動時間を短縮できる。さらにへり継手部２５を構成することにより、水添脱硫器４の溶接信頼性を高めることができる。

また、本発明の実施の水添脱硫器４の少なくとも一部の自重を底部断熱材３１にかけることにより、水添脱硫器４の底面板２３は底部断熱材３１に圧接するようになり、水素生成装置１を輸送する時に振動がかかったとしても、水添脱硫器４が底部断熱材３１から浮き上がりにくくなるので、水添脱硫器４が外断熱材３０に対して傾きそれが原因で水添脱硫器４の上部と外断熱材３０の内側とが接触してしまうという事態を防ぐことができる。

以上のように、本発明にかかる水素生成装置は、ヒータを用いて触媒を加熱するのに、別の部品や別の加工手段を設けることなく、ヒータが断熱材と接触しないように位置規制することが可能となり、起動時間の短縮行うことが可能となるので、水添脱硫器を有する水素生成装置にだけではなく一般に脱硫剤または触媒を有する機器全般に応用できる。

１ 水素生成装置
３ 配管
４ 水添脱硫器
５ 水添触媒
６ 第２配管
７ 水配管
８ 混合配管
９ 蒸発器
１０ 改質器
１１ 改質触媒層
１２ 改質ガス流路
１３ ＣＯ低減器
１４ ＣＯ低減触媒層
１７ 燃料配管
１８ 燃料電池
１９ オフガス配管
２０ 燃焼器
２１ 排ガス配管
２２ 筒状体
２３ 底面板
２４ フランジ
２５ へり継手部
２７ ヒータ
３０ 外断熱材
３１ 底部断熱材

Claims (4)

1. 底面板と筒状体から構成される反応容器と、
   前記反応容器を前記筒状体の外側から加熱するヒータと、
   前記ヒータの外径寸法よりも大きい内径の内側面で前記反応容器及びヒータを囲む筒状の外断熱材と、
   前記反応容器と接触して前記反応容器の前記底面板を覆う底部断熱材と、
   を有し、
   前記底面板の外周が、前記ヒータを含む前記筒状体の外径寸法よりも大きく前記外断熱材の前記内側面の内径寸法よりも小さい、水素生成装置。
2. 前記反応容器の前記筒状体は、下端に外周方向に縁曲げによって形成したフランジを一体的に備え、
   前記フランジの外径寸法は前記底面板の外径寸法と略同一であり、
   前記フランジと前記底面板とが重ねられた状態で前記フランジと前記底面板とが接合されて、へり継手部が構成されており、
   前記へり継手部の外径寸法は、前記ヒータを含む前記筒状体の外径寸法よりも大きく前記外断熱材の前記内側面の内径寸法よりも小さい、請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記底部断熱材には前記反応容器の自重の少なくとも一部がかかり、前記底面板は前記底部断熱材に圧接している、請求項１または２に記載の水素生成装置。
4. 前記反応容器は水添脱硫器を構成し、
   前記ヒータは前記水添脱硫器を外側から加熱する、請求項１〜３に記載の水素生成装置。

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