JP2018104232A - 水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱材を設けることなく改質触媒の過昇温を抑制し、低コストな水素生成装置を提供する。【解決手段】水素生成装置１は、燃焼器２の外側に燃焼筒３０と、燃焼筒３０の外側に内筒５と、内筒５の外側に外筒７と、燃焼筒３０と内筒５との間に燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路３１と、内筒５と外筒７との間に燃焼排ガス流路３１の熱により加熱され、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器２０とを備え、原料ガスが、内筒５と外筒７との間を略下向きに流れ、燃焼排ガスが、燃焼排ガス流路３１を略上向きに流れ、燃焼排ガス流路３１の入口側の燃焼筒３０の上流側端部が、改質器２０の下流側端部と対向し、改質触媒下流部への伝熱を抑制するように燃焼排ガスの一部を改質触媒に対向する位置に噴出する燃焼筒噴出孔５０を設けたのである。【選択図】図１

Description

本発明は、水素生成装置に関するものである。

従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が共に高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）が注目されている。

この燃料電池システムは、発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、固体高分子形燃料電池、或いは、固体電解質形燃料電池等が用いられる。

これらの燃料電池の内で、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池（略称、「ＰＥＦＣ」）は、発電運転の際の動作温度が比較的低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池として好適に用いられる。特に、固体高分子形燃料電池は、リン酸形燃料電池と比べて、電極触媒の劣化が少なく、かつ電解質の逸散が発生しないため、携帯用電子機器や電気自動車等の用途において特に好適に用いられる。

さて、燃料電池の多く、例えば、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池は、発電運転の際に水素を燃料として用いる。しかし、それらの燃料電池において発電運転の際に必要となる水素の供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。

従来の燃料電池システムには、改質ガス（水素含有ガス）を生成させる改質器を備えた水素生成装置が配設されている。水素生成装置では、水と既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする都市ガス、又はＬＰＧ等を原料とし、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で改質反応させ改質ガスを生成させる。

改質器を高温に加熱するために、改質器にはバーナー等の燃焼器が設けられている。また、改質反応により得られる改質ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれ、その濃度が高いと、燃料電池の発電特性を低下させる。

そこで、水素生成装置には、改質器の他に、２００℃〜３５０℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて一酸化炭素を低減させる、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒を備えるＣＯ低減器、および１００℃〜２００℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させて更に一酸化炭素を低減させる選択酸化反応や、一酸化炭素を選択的にメタン化させて低減させるメタン化除反応等を用いたＣＯ除去器が設けられることが多い。

さて、水素生成装置において、触媒は、内筒と外筒で形成された円筒状容器内に充填され、触媒を加熱するためにバーナーで燃焼させた高温の燃焼排ガスが燃焼筒内を通った後に、触媒が充填されている内筒部に当てる構成をとることが考えられる。

加熱される触媒の温度は、原料ガスの流入する入口部から、改質反応により生成した改質ガスが流出する出口部に向かって、温度が徐々に上昇するような温度分布を生じる。

一方で、改質触媒部を通過中のガスの転化率は、温度が上昇すると共にその上限値が上昇していく特性があり、水素生成装置は、燃料電池システムから要求される水素ガス量を生成するため、改質触媒部から流出する改質ガスの転化率が、必要となる第１転化率（例
えば８５％）となるよう、改質触媒出口の温度を第１温度（例えば６００℃）に調整して運転される。

このとき、改質触媒部での反応進行の速度は、通過するガスの流速に対して十分に速いため、改質触媒部から流出する改質ガスの転化率は、ほぼ温度に対する上限値となっている。

水素生成装置の小型化、低コスト化の要求に応じる方法として、改質触媒の量を少なくすることが考えられるが、改質触媒の量を少なくした場合には、燃料電池システムより要求される水素ガス量の生成に応じた、改質ガスの転化率に対し、改質器の温度が従来よりも高い方向にずれ、改質触媒が過昇温する恐れがあるという課題を有していた。

上記課題を解決するために、高温となる改質触媒の下流部分へ、伝熱を抑制する様に断熱材を配する（特許文献１参照）方法が提案されている。図３は、特許文献１に記載の従来の水素生成装置の概略縦断面図である。

図３に示すように、水素生成装置１は、燃焼器２と、燃焼筒３０と、円筒状の燃焼筒３０の外側には、内筒底板６を備えた有底円筒状の内筒５が配置されている。内筒５の外側には、外筒底板８を備えた有底円筒状の外筒７が配置されている。内筒５と外筒７との間の空間に改質器２０が備えられている。

また、内筒底板６と改質器２０の下流部を覆うように断熱材４０が設けられており、燃焼器２で生成された燃焼排ガスは、燃焼筒３０の内側を下降し、断熱材４０に当たって折り返し、燃焼排ガス流路３１を通り、改質器２０を加熱している。このとき、断熱材４０は、燃焼排ガスから改質器２０の下流部への伝熱を抑制するように構成されている。

国際公開第２０１５／１１５０７１号

しかしながら、前記従来の構成では、改質触媒の過昇温を抑制するために、改質触媒の下流部に断熱材を設ける必要があり、水素生成装置が高コストになるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、断熱材を設けることなく改質触媒の過昇温を抑制し、低コストな水素生成装置を提供することを目的とする。

前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、可燃ガスを燃焼して燃焼排ガスを発生させる燃焼器と、燃焼器の外側に配置される燃焼筒と、燃焼筒の外側に配置される内筒と、内筒の外側に配置される外筒と、燃焼筒と内筒との間に構成され、燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、内筒と外筒との間に構成され、燃焼排ガス流路の熱により加熱され、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、を備えた水素生成装置であって、原料ガスは、内筒と外筒との間を鉛直方向の略下向きに流れ、燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路を鉛直方向の略上向きに流れ、燃焼排ガス流路の入口側の燃焼筒の上流側端部は、改質器の下流側端部と対向するように構成され、改質触媒下流部への伝熱を抑制するように燃焼排ガスの一部を改質触媒に対向する位置に噴出する燃焼筒噴出孔を設けたものである。

これにより、改質触媒の燃焼筒噴出孔の対向する位置より下流部に供給される燃焼排ガスの量を低減することができ、改質触媒下流部への伝熱が低減される。したがって、改質触媒下流部に断熱材を設ける必要がなく、改質触媒下流部の過昇温を抑制することができる。

本発明の水素生成装置は、改質触媒下流部への伝熱を抑制するように燃焼筒噴出孔を設けることで、改質触媒下流部の過昇温を抑制することができる。そのため、簡素な構成で改質触媒の過昇温による劣化を抑制することができ、低コストかつ高耐久な水素生成装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略縦断面図 本発明の実施の形態１における改質器の温度分布を説明するための説明図 特許文献１に記載の従来の水素生成装置の概略縦断面図

第１の発明は、可燃ガスを燃焼して燃焼排ガスを発生させる燃焼器と、燃焼器の外側に配置される燃焼筒と、燃焼筒の外側に配置される内筒と、内筒の外側に配置される外筒と、燃焼筒と内筒との間に構成され、燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、内筒と外筒との間に構成され、燃焼排ガス流路の熱により加熱され、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、を備えた水素生成装置であって、原料ガスは、内筒と外筒との間を鉛直方向の略下向きに流れ、燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路を鉛直方向の略上向きに流れ、燃焼排ガス流路の入口側の燃焼筒の上流側端部は、改質器の下流側端部と対向するように構成され、改質触媒下流部への伝熱を抑制するように燃焼排ガスの一部を改質触媒に対向する位置に噴出する燃焼筒噴出孔を設けたことを特徴とする、水素生成装置である。

これにより、改質触媒の燃焼筒噴出孔の対向する位置より下流部に供給される燃焼排ガスの量を低減することができ、改質触媒下流部への伝熱が低減される。したがって、改質触媒下流部の過昇温を抑制することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置において、燃焼筒噴出孔が、改質器の改質触媒の使用上限温度となる位置の略対向する位置に配置されるものである。

これにより、改質触媒の使用上限温度となる位置より下流側に供給される燃焼排ガスの量を低減させ、改質触媒の温度が使用上限温度を超えないようにすることができる。したがって、改質触媒の過昇温による劣化を抑制することができ、水素生成装置の耐久性を向上させることができる。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の水素生成装置において、燃焼筒噴出孔の面積が、改質触媒の温度が使用上限温度未満となるように設定されるものである。

これにより、燃焼筒噴出孔から噴出する燃焼排ガスの量は燃焼筒噴出孔の面積により決められるため、精度よく燃焼筒噴出孔から出る燃焼排ガスの量を決めることができ、改質触媒の過昇温を確実に抑制することができる。

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。

（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概略縦断面図である。

図１に示されるように、水素生成装置１は、燃料を燃焼する燃焼器２の下方に円筒状の燃焼筒３０が設けられている。燃焼筒３０の側壁に１６個の燃焼筒噴出孔５０が周方向に均等に配置されている。

円筒状の燃焼筒３０の外側には、内筒底板６を備えた有底円筒状の内筒５が配置されている。内筒５の外側には、外筒底板８を備えた有底円筒状の外筒７が配置されている。外筒７の外側には、最外筒底板１６を備えた有底円筒状の最外筒１５が配置されている。

燃焼筒３０、内筒５、外筒７、および最外筒１５は、平面視したときに実質的に同心円状に配置されている。内筒５、外筒７、および最外筒１５のそれぞれの部分が接続されて実質的に円筒形状の反応器が構成されている。

外筒底板８の中央部分には、貫通孔９が形成されている。外筒７は内筒５との空間、および、最外筒１５との空間とを用いて貫通孔９で反対方向に折り返すガスの流路を形成している。

また、水素生成装置１におけるガスの折り返し部側の反対側の水素生成装置１の外壁面には、外部のガス配管に接続されるとともに、水素生成装置１に原料ガスを供給する原料供給流路４が設けられている。原料供給流路４から供給される原料は、メタンを主成分とする都市ガスである。また、水素生成装置１の外壁面には、外部の水配管に接続されるとともに、水素生成装置１に水を供給する水供給流路３が設けられている。

内筒５と外筒７との間の空間における、予熱部２３の下流側には、改質器２０が設けられている。改質器２０には、直径約３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の改質触媒が設けられている。

外筒７と最外筒１５との間の空間に、ＣＯ低減器２５が設けられている。ＣＯ低減器２５には、直径約３ｍｍで高さ３ｍｍの円柱形状を有すＣｕ−Ｚｎ系のＣＯ変成触媒が設けられている。

外筒７と最外筒１５との間の空間における、ＣＯ低減器２５の下流側には、ＣＯ除去器２６が設けられている。ＣＯ除去器２６には、直径約３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている。

最外筒１５のＣＯ低減器２５とＣＯ除去器２６の間にＣＯ除去器２６に選択酸化用空気を供給する空気供給流路１９が設けられている。

最外筒１５のＣＯ除去器２６の上部に導出部１２が設けられ、外部の燃料電池等の水素利用機器に接続されている。

予熱部２３は、導出部１２、ＣＯ低減器２５、ＣＯ除去器２６のそれぞれと片側壁面を同一にして構成されている。

また、改質器２０における改質反応に必要な反応熱を供給するための燃焼器２を、内筒５の内側に備えている。

燃焼排ガス流路３１は、燃焼筒３０と内筒５との空間に形成される。燃焼排ガス流路３
１の入口部となる燃焼筒３０の先端は、改質器２０の下流側端部と対向する位置に配置される。

燃焼器２は、燃焼器２に燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部１８を備えている。燃焼空気供給部１８は、燃焼ファンで構成される。

また、水素生成装置１は、改質器２０における改質触媒の温度を検出し、運転制御するための改質器温度検出器２１、ＣＯ低減器２５におけるＣＯ変成触媒の温度を検出するＣＯ低減器温度検出器２４を備えている。改質器温度検出器２１は、熱電対で構成される。ＣＯ低減器温度検出器２４は、サーミスタで構成される。

なお、図１には示していないが、水素生成装置１には、最外筒１５および最外筒底板１６に密着するように、マイクロポーラス系断熱材が設けられている。

以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１において、以下その動作・作用を説明する。

水素生成装置１は、水供給流路３から供給される水を蒸発させるとともに、原料供給流路４から供給される都市ガスと水蒸気の混合ガスを予熱部２３において予熱し、都市ガスと水蒸気との改質反応を進行させる改質器２０へと導入する。改質器２０を通過した改質ガスは、貫通孔９を通り、外筒底板８と最外筒１５の間に構成される流路で折り返し、外筒７および最外筒１５の間に構成される流路を通過して、ＣＯ低減器２５へ導入される。

ＣＯ低減器２５は、改質器２０で生成した改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、改質ガスの、一酸化炭素濃度を低減させる。また、ＣＯ低減器２５を通過した後の水素含有ガスは、ＣＯ除去器２６に導入され、水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給流路１９から供給される空気を用いて選択酸化反応により、一酸化炭素濃度をさらに低減させる。

ここで、水素生成装置１で発生させる改質ガスに含まれる水素ガスの量が適正な量に達しているか否かの判断は、改質器２０の改質触媒下流部の触媒温度によって判断するが、改質器２０の改質触媒下流部での転化率は、その温度に対する転化率の上限値とほぼ一致するため、検出温度によって、高精度に水素ガスの量を推定することができ、水素生成装置１を、高精度で制御することができるようになる。

水素生成装置１によって生成された水素含有ガスは、導出部１２を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。

燃焼器２で生成された燃焼排ガスは、燃焼筒３０の内部を通り、高温状態で内筒底板６にあたって折り返し、燃焼排ガス流路３１を通り、改質器２０を加熱して、図面右上の排出口から、水素生成装置１の外部へ排気される。

一部の燃焼排ガスは、燃焼筒３０の側壁に設けられた燃焼筒噴出孔５０から内筒５に対して噴出し、燃焼排ガス流路３１に流入し、内筒底板６にあたって折り返した燃焼排ガスと合流する。合流したガスは、改質器２０を加熱して図面右上の排出口から、水素生成装置１の外部へ排気される。

以上のように、本実施の形態においては、燃焼筒３０の側壁に燃焼筒噴出孔５０を配置し、改質触媒下流部に供給される燃焼排ガスの量を低減しているので、燃焼排ガスから改質器２０の下流部への熱量が過多になることを抑制でき、改質器２０が高温化し、改質触
媒の使用上限温度を超えて、改質触媒が劣化してしまうことを抑制できる。

以下、燃焼筒噴出孔５０の位置および面積の設定方法について詳しく説明する。

図２は、本発明の実施の形態１における改質器の温度分布を説明するための説明図である。図２において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その重複する説明を省略する。

図２に示すように、燃焼筒噴出孔５０が無い場合は、改質器２０の出口部に対向する位置にある燃焼排ガス流路３１の入口部に高温な燃焼排ガスが流入するため、改質器２０においては出口部に向かって改質触媒の温度が上昇する。

改質触媒の温度を使用上限温度未満に抑えるため、燃焼筒噴出孔５０の位置は、図２の位置Ａの位置に配置される。位置Ａは、改質触媒の使用上限温度７２０℃を超えないように７００℃となる位置に設けられる。

位置Ａより下流側での改質触媒の温度は、燃焼筒噴出孔５０がない場合に比べ改質触媒下流部への伝熱が低減されるため、燃焼筒噴出孔５０がない場合よりも低下する。

また、位置Ａより上流側の改質触媒においては、燃焼筒噴出孔５０が有る場合と無い場合とで、位置Ａより下流側の改質触媒における改質反応による吸熱量が同じであるとすると、燃焼排ガスから改質触媒の上流側に供給される熱量が同じとなるため、改質触媒の温度は同等となり上流側で改質触媒の使用上限温度を超えることはない。

燃焼筒噴出孔５０の面積は、改質器２０の改質触媒の温度が使用上限温度未満となるように設定される。燃焼筒噴出孔５０の位置に対向する改質器２０の位置より下流側にある改質触媒においては、燃焼筒３０の下端位置が燃焼排ガスの入口部にあたり最も高温化するので、改質器２０の下流端で改質触媒の温度が最高となる。

改質器２０の下流端の温度が改質触媒の使用上限温度７２０℃に到達しないように、燃焼筒噴出孔５０の面積が設定される。具体的には、燃焼筒３０の下側から噴出する燃焼排ガスの熱量と、燃焼筒噴出孔５０から噴出する燃焼排ガスの熱量の比を設定することで、改質器２０の改質触媒の温度が使用上限温度未満となるようにする。

燃焼筒３０の下側から噴出する燃焼排ガスの熱量と、燃焼筒噴出孔５０から噴出する燃焼排ガスの熱量との比は、燃焼排ガスの流量比で決まるため、燃焼筒３０の内側の断面積と、燃焼筒噴出孔５０の総面積の比で決まる。

改質触媒下流部の温度を使用上限温度未満とするために、燃焼筒３０の内径が６４ｍｍで、燃焼筒噴出孔５０から噴出する燃焼排ガスの熱量と燃焼筒３０から噴出する燃焼排ガスの熱量を２：８の比で設定すれば良いことが実験的にわかっている。したがって、燃焼筒３０の内側の断面積は、３２１６ｍｍ^２であるので、燃焼筒噴出孔５０の１つの孔の直径を８ｍｍと設定し、燃焼筒噴出孔５０の総面積を８０４ｍｍ^２とした。

以上のように本実施の形態の水素生成装置１は、可燃ガスを燃焼して燃焼排ガスを発生させる燃焼器２と、燃焼器２の外側に配置される燃焼筒３０と、燃焼筒３０の外側に配置される内筒５と、内筒５の外側に配置される外筒７と、燃焼筒３０と内筒５との間に構成され、燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路３１と、内筒５と外筒７との間に構成され、燃焼排ガス流路３１の熱により加熱され、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器２０と、を備え、原料ガスが、内筒５と外筒７との間を鉛直方
向の略下向きに流れ、燃焼排ガスが、燃焼排ガス流路３１を鉛直方向の略上向きに流れ、燃焼排ガス流路３１の入口側の燃焼筒３０の上流側端部は、改質器２０の下流側端部と対向するように構成され、改質触媒下流部への伝熱を抑制するように燃焼排ガスの一部を改質触媒に対向する位置に噴出する燃焼筒噴出孔５０を設けたものである。

本実施の形態においては、燃焼筒噴出孔５０の位置を改質触媒の使用上限温度７２０℃に到達しないように、改質触媒の温度が７００℃となる位置に設置し、燃焼筒噴出孔５０の面積を改質触媒が使用上限温度７２０℃未満となるように８０４ｍｍ^２と設定することで、改質触媒の燃焼筒噴出孔５０の対向する位置より下流部に供給される燃焼排ガスの量を低減し、改質触媒下流部への伝熱が低減される。

したがって、改質触媒下流部の過昇温を抑制することができ、改質触媒下流部に断熱材を設ける必要がなく、改質触媒の過昇温による劣化を抑制することができる。

なお、燃焼筒噴出孔５０の位置は、本実施例では、同じ高さに１列に配置したが、高さ方向に対して多段に設置してもよい。

上記の説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の水素生成装置は、改質触媒下流部の過昇温を抑制することができ、簡素な構成で改質触媒の過昇温による劣化を抑制することができ、低コストかつ高耐久な水素生成装置を提供することができるので、家庭用燃料電池システム等の用途に最適である。

１ 水素生成装置
２ 燃焼器
３ 水供給流路
４ 原料供給流路
５ 内筒
６ 内筒底板
７ 外筒
８ 外筒底板
９ 貫通孔
１２ 導出部
１５ 最外筒
１６ 最外筒底板
１８ 燃焼空気供給部
１９ 空気供給流路
２０ 改質器
２１ 改質器温度検出器
２３ 予熱部
２４ ＣＯ低減器温度検出器
２５ ＣＯ低減器
２６ ＣＯ除去器
３０ 燃焼筒
３１ 燃焼排ガス流路
４０ 断熱材
５０ 燃焼筒噴出孔

Claims (3)

1. 可燃ガスを燃焼して燃焼排ガスを発生させる燃焼器と、
   前記燃焼器の外側に配置される燃焼筒と、
   前記燃焼筒の外側に配置される内筒と、
   前記内筒の外側に配置される外筒と、
   前記燃焼筒と前記内筒との間に構成され、前記燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、
   前記内筒と前記外筒との間に構成され、前記燃焼排ガス流路の熱により加熱され、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、
   を備えた水素生成装置であって、
   前記原料ガスは、前記内筒と前記外筒との間を鉛直方向の略下向きに流れ、
   前記燃焼排ガスは、前記燃焼排ガス流路を鉛直方向の略上向きに流れ、
   前記燃焼排ガス流路の入口側の燃焼筒の上流側端部は、前記改質器の下流側端部と対向するように構成され、
   前記改質触媒下流部への伝熱を抑制するように前記燃焼排ガスの一部を前記改質触媒に対向する位置に噴出する燃焼筒噴出孔を設けたことを特徴とする、水素生成装置。
2. 前記燃焼筒噴出孔は、前記改質器の前記改質触媒の使用上限温度となる位置の略対向する位置に配置される、請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記燃焼筒噴出孔の面積は、前記改質触媒の温度が使用上限温度未満となるように設定される、請求項１又は２に記載の水素生成装置。

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