JP2018123021A - 水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器を備えた水素生成装置において、突沸の発生を抑制し、水素を安定に生成する。【解決手段】水素生成装置１００は、原料ガスと水蒸気から水素含有ガスを生成する改質器２と、改質水を蒸発させて水蒸気を発生させる蒸発器１と、蒸発器１に供給される原料ガス及び改質水のどちらか一方の流れの中にどちらか他方を流入させて、改質水の中に原料ガスの気泡を発生させる混合器１０と、を備えた。混合器１０は、原料ガスの泡を発生させ、泡が残存した状態の改質水を蒸発器１に供給する。改質水が温度上昇し沸点に到達した時点で、残存した泡が沸騰の起点となり、円滑に沸騰状態となることで突沸が抑制され、安定に水素を生成できる。【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとして、水素含有ガスを作る水素生成装置と、その水素含有ガスを用いて発電する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池の発電時の燃料として用いる水素含有ガスは、一般的なインフラガスとして整備されていない。このため、燃料電池システムは、通常、改質器を有する水素生成装置を備えている。

改質器では、一般的なインフラである都市ガス、天然ガス、あるいはＬＰＧから、水素含有ガスを、改質反応により生成する。改質反応としては、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では、原料となる都市ガス等の炭化水素と水蒸気とを、Ｎｉ系またはＲｕ系等の貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素含有ガスを生成している。また、改質器を水蒸気改質反応に必要な温度にするために、燃焼器で改質器を加熱している。

起動時は、水素生成装置を通流した原料ガスを燃焼器に戻して燃焼させ、燃料電池に水素含有ガスを供給している時は、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼器で燃焼させる方法が一般的である。

また、改質器では副反応として一酸化炭素（ＣＯ）を生成するため、ＣＯが燃料電池を被毒して電圧を低下させる場合（特に、固体高分子形燃料電池の場合）は、ＣＯ除去器を改質器の下流側に備える。ＣＯ除去器では、ＣＯと水蒸気を反応させＣＯを低減するＣＯ変成触媒と、ＣＯと微量に加えた酸素を反応させてＣＯを酸化除去する選択酸化触媒を備える。

水素生成装置は、一般的に、水蒸気改質に用いる水蒸気を得るため、改質用の水を蒸発させる蒸発器を有するが、蒸発器内では、水が沸点を超えても蒸発しにくい状態となり、その後、一度に蒸発する突沸と言う現象が発生し易い。突沸が発生すると、蒸気の流量が変動し、水素の生成量が不安定になる課題があった。

蒸発器での突沸発生を抑制する従来技術としては、特許文献１で提案されたものがあった。図１１は、特許文献１に開示された従来の蒸発器の断面図を示している。

図１１に示すように、特許文献１で提案された従来の蒸発器３０では、蒸発器３０内の水流路を扁平にして、沸騰を促進する充填物を設けることで、蒸発器３０での突沸発生を抑制している。

特開２００４−２９２１８３号公報

しかしながら、特許文献１で提案された水素生成装置の蒸発器３０は、水の流路を狭くしているので、蒸発によるスケールの堆積などにより、流路の閉塞や、圧力損失の増加によって運転が停止し、水素の生成ができなくなる等の課題を生じていた。

そこで、本発明は、スケールの堆積などによる流路の閉塞や、圧力損失の増加を生じることなく、安定して蒸気を改質器に供給できる水素生成装置を提供することを目的としている。

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、原料ガスと水蒸気から水素含有ガスを生成する改質器と、改質水を蒸発させて水蒸気を発生させる蒸発器と、改質水を蒸発器に供給する改質水供給経路とを備え、原料ガス供給経路に、改質水の中に原料ガスの気泡を発生させる、混合器を備えている。

これにより、混合器において、改質水中に原料ガスの泡が生じ、原料ガスの泡が残留した状態の改質水が、蒸発器に供給される。その結果、原料ガスの泡によって沸騰核が生じ易くなり、温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。

これにより、蒸発器において、水流路を扁平にしたり、沸騰を促進する充填物を設けたりする等によって、水の流路を狭くすることなく、突沸が生じ難くすることができる。この結果、スケールの堆積などによる流路の閉塞や、圧力損失の増加を生じることなく、安定して蒸気を改質器に供給し、改質器において、水素を安定して発生させ、供給することができるようになる。

本発明の水素生成装置および燃料電池システムは、混合器によって改質水中に原料ガスの泡を発生させることにより、蒸発器において、改質水が温度上昇した際に速やかに沸騰する。これにより突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、安定した水素の供給および発電ができるようになる。

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 本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発器の詳細の構成を示す概略縦断面図 本発明の実施の形態１における水素生成装置の混合器の詳細を示す縦断面図 本発明の実施の形態１の実施例１における水素生成装置の混合器の詳細を示す縦断面図 本発明の実施の形態１の実施例２における水素生成装置の混合器の詳細を示す縦断面図 本発明の実施の形態１の実施例３における水素生成装置の混合器の詳細を示す縦断面図 本発明の実施の形態１の実施例４における水素生成装置の混合器の詳細を示す縦断面図 本発明の実施の形態１の実施例５における水素生成装置の混合器の詳細を示す縦断面図 本発明の実施の形態１の実施例６における水素生成装置の混合器の詳細を示す縦断面図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図 特許文献１に記載の従来の蒸発器の縦断面図

第１の発明は、原料ガスと水蒸気から水素含有ガスを生成する改質器と、改質水を蒸発させて水蒸気を発生させる蒸発器と、蒸発器に供給される原料ガス及び改質水のどちらか一方の流れの中にどちらか他方を流入させて、改質水の中に原料ガスの気泡を発生させる混合器とを備える水素生成装置である。

これにより、改質水中に、発生した原料ガスの泡によって沸騰核が生じ易くなり、温度上昇時に速やかに沸騰する。この結果、蒸発器において突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、水素を安定して供給することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の水素生成装置において、混合器が、改質水を蒸発器に供給する改質水供給経路と、改質水供給経路に原料ガスを供給する原料ガス供給経路とで構成され、原料ガス供給経路の出口が改質水供給経路の改質水の水中になるように配置される構成としたものである。

これにより、原料ガスが改質水中を確実に通過し、原料ガスの泡を効率良く生じさせることができる。この結果、発生した気泡によって沸騰核が生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。これにより、蒸発器において、突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、水素を安定して供給することができる。

第３の発明は、特に第２の発明の水素生成装置において、原料ガス供給経路の出口に、複数の原料ガスの噴出孔を有する構成としたものである。

これにより、より多数の原料ガスの泡を、改質水中に発生させることができるようになる。この結果、発生した気泡によって沸騰核が、より生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。これにより、蒸発器において突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、水素を安定して供給することができる。

第４の発明は、特に第１の発明の水素生成装置において、混合器が、改質水を蒸発器に供給する改質水供給経路と、改質水供給経路に原料ガスを供給する原料ガス供給経路とで構成され、原料ガス供給経路の出口に、改質水供給経路の改質水に対して原料ガスが吹き込まれるように配置されたノズルを備える構成としたものである。

これにより、改質水の水面の位置が変化した場合にも、確実に原料ガスを改質水中に侵入させることができるようになる。この結果、発生した気泡によって沸騰核が生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。これにより、蒸発器において突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、水素を安定して供給することができる。

第５の発明は、特に第１の発明の水素生成装置において、混合器が、原料ガスを蒸発器に供給する原料ガス供給経路と、原料ガス供給経路に改質水を供給する改質水供給経路とで構成され、改質水供給経路の出口が原料ガス供給経路内の底面に略対向し底面に対して上方に所定間隔離れた位置に配置される構成としたものである。

これにより、より簡単な構成で、改質水中に原料ガスの泡を発生させることができ、この結果、発生した気泡によって沸騰核が生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。これにより、蒸発器において突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、水素を安定して供給することができる。

第６の発明は、特に第５の発明の水素生成装置において、混合器が、原料ガスを蒸発器
に供給する原料ガス供給経路と、原料ガス供給経路に改質水を供給する改質水供給経路とで構成され、改質水供給経路の出口が原料ガス供給経路内の天井面に略対向し天井面に対して下方に所定間隔離れた位置に配置される構成としたものである。

これにより、より簡単な構成で、改質水中に原料ガスの泡を発生させることができ、この結果、発生した気泡によって沸騰核が生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。これにより、蒸発器において突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、水素を安定して供給することができる。

第７の発明は、特に第５または第６の発明の水素生成装置において、改質水供給経路の出口に、複数の改質水の噴出孔を有する構成としたものである。

これにより、より多数の原料ガスの泡を、改質水中に発生させることができるようになる。この結果、発生した気泡によって沸騰核が、より生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。これにより、蒸発器において突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、水素を安定して供給することができる。

第８の発明は、第１から第７のいずれか１つの発明の水素生成装置と、酸素を含む酸化ガスと水素生成装置から供給される生成ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムである。

これにより、改質水中に、原料ガスの泡が発生させることができ、改質水は発生した気泡によって沸騰核が生じ易くなり、温度上昇時に速やかに沸騰する。この結果、蒸発器において突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができる。これにより、水素生成装置において安定して水素を生成でき、安定して発電のできる燃料電池システムを構成することができる。

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、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に示すように、実施の形態１の水素生成装置１００は、蒸発器１、改質器２、燃焼器３、改質水供給器４、原料供給器５および、混合器１０を備える。

図２は、実施の形態１における水素生成装置の蒸発器の詳細の構成を示す縦断面図である。図２に示すように、蒸発器１は内筒２２と外筒２３で構成される筒状であり、内筒２２と外筒２３の間に金属棒２９が螺旋状に挟み込まれており、螺旋状の水ガス流路２５を構成している。また内筒２２の内側に燃焼器３が配置される。

蒸発器１は、水および原料ガスの供給を受け、水を蒸発させて蒸気と原料ガスの混合ガスを発生させる。ここで原料ガスには、炭化水素化合物からなる都市ガスを用いる。蒸発器１の水ガス流路２５は、スケール発生によって流路閉塞を起こさない十分な流路幅を持つもので、ここでは１０ｍｍの流路幅である。

改質器２は、内部にＲｕをアルミナに担持した改質触媒を備える。燃焼器３は、蒸発器１および改質器２に隣接して設置され、燃料と空気の供給を受けて燃料を燃焼させ、排気ガスを排出する。燃焼器３の燃料には、改質器２より排出される生成ガスが用いられる。原料供給器５は、都市ガスを蒸発器１に供給するもので、ここでは昇圧器である。改質水
供給器４は、改質反応に用いる水を蒸発器１に供給するもので、ここではポンプである。

以上のように構成された水素生成装置１００について、以下、その動作、作用を説明する。以下の動作は、制御器（図示せず）が水素生成装置１００を制御することによって行われる。

水素生成装置１００の運転時には、燃料である生成ガスと空気の燃焼によって燃焼器３で発生する燃焼熱により、改質器２が加熱される。原料供給器５から供給される都市ガスと、改質水供給器４から供給される水は、混合器１０で混合される。

混合された都市ガスと改質水は、蒸発器１を通じて改質器２に供給され、改質器２で水素が生成する。こうして、水素生成装置１００で生成された水素含有ガスは、生成ガス出口１１から排出される。

図３は、実施の形態１における水素生成装置の混合器の詳細を示す縦断面図である。

図３に示すように、混合器１０は都市ガスを流入させる原料ガス供給経路６と、改質水を流入させる改質水供給経路９を備え、原料ガス供給経路６より流出する都市ガスと、改質水供給経路９から供給される改質水とが混合する。

混合器１０において、原料ガス供給経路６より流出する都市ガスと、改質水供給経路９から供給される改質水とが混合する際、混合した都市ガスの一部は改質水中に溶解し、一部は微小な泡となって改質水中に残留する。改質水中に溶解した都市ガスは、蒸発器１において改質水が加熱され、溶解度が下がることで、再び水中に泡となって現れる。

このように改質水中に発生、残留した都市ガスの泡は、改質水の温度が、沸点まで上昇した際に、沸騰の起点である沸騰核を生じやすくし、改質水が円滑に沸騰状態となるように作用する。

以上のように、本発明によれば、改質水中に都市ガスの泡を発生させることで、発生した都市ガスの泡によって沸騰核が生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰させることができる。これにより、蒸発器において突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、水素を安定して供給することができるようになる。

以下、実施の形態１における実施例について説明する。

（実施例１）
図４は、実施の形態１の実施例１における混合器の詳細を示す縦断面図である。

図４に示すように、混合器１０は都市ガスを流入させる原料ガス供給経路６を備え、原料ガス供給経路６は、下流端が改質水の水中となるように配置される。

以上のように構成された混合器１０について、以下その動作、作用を説明する。

原料ガス供給経路６より流出する都市ガスは、改質水中を通過し、一部は改質水中に溶解し、一部は微小な泡となって改質水中に残留する。これによって、発生した気泡によって生じる沸騰核も増加し、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。これにより突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができる。

（実施例２）
図５は、実施の形態１の実施例２における混合器の詳細を示す縦断面図である。

図５に示すように、混合器１０に設けられた原料ガス供給経路６は、下流端に多孔板７を備える。

以上のように構成された混合器１０について、以下その動作、作用を説明する。

原料ガス供給経路６は、下流端に多孔板７を供えることで、改質水中に都市ガスを侵入させる流入孔の数が増加し、より多くの泡を改質水中に発生させることができる。これによって、発生した気泡によって生じる沸騰核も増加し、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。これにより、突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができる。

（実施例３）
図６は、実施の形態１の実施例３における混合器の詳細を示す縦断面図である。

図６に示すように、混合器１０に設けられた原料ガス供給経路６は、下流端にノズル８を備える。

以上のように構成された混合器１０について、以下その動作、作用を説明する。

原料ガス供給経路６の下流端に設けられたノズル８は、改質水面に向けて設置されており、ノズルより噴出す改質ガスは、高い流速で改質水中に吹き込まれる。これにより、改質水の水位が変動した場合にも、安定して都市ガスを改質水中に侵入させ、泡を発生させることができるようになる。

これによって、発生した気泡によって沸騰核が生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰できるようになる。これにより突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができる。

（実施例４）
図７は、実施の形態１の実施例４における混合器の詳細を示す縦断面図である。

図７に示すように、混合器１０は、原料ガス供給経路６と、改質水を流入させる改質水供給経路９で構成され、改質水供給経路９は、下流端が、原料ガス供給経路６の底面に対して落差を持った位置に配置される。

以上のように構成された混合器１０について、以下その動作、作用を説明する。

改質水供給経路９より流出した改質水は、改質水供給経路９の下流端から落下し、原料ガス供給経路６の底面に衝突する。改質水が原料ガス供給経路６の底面に衝突する際、周囲の都市ガスが改質水中に巻き込まれ、泡が発生する。

これによって、より簡単な構成で改質水中に都市ガスの泡を発生させることができ、これによって沸騰核が生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰し、安定して蒸気を得ることができる。

（実施例５）
図８は、実施の形態１の実施例５における混合器の詳細を示す縦断面図である。

図８に示すように、混合器１０は、原料ガス供給経路６と、改質水供給経路９で構成され、改質水供給経路９は、下流端に多孔板７を備える。

以上のように構成された混合器１０について、以下その動作、作用を説明する。

改質水供給経路９を流出する改質水は、多孔板７を通過することで、複数の水流となって原料ガス供給経路６の底面と衝突し、周囲の都市ガスを改質水中に巻き込む。

これによって、より多数の都市ガスの泡を、改質水中に発生させることができるようになる。この結果、発生した気泡によって沸騰核が、より生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰し、安定して蒸気を得ることができる。

（実施例６）
図９は、実施の形態１の実施例６における混合器の詳細を示す縦断面図である。

図９に示すように、混合器１０は、原料ガス供給経路６と、改質水供給経路９で構成され、改質水供給経路９は、改質水の流出方向が鉛直上向きとなるように設置される。

以上のように構成された混合器１０について、以下その動作、作用を説明する。

改質水供給経路９より流出した改質水は、上向きに吹き上げられて都市ガスと接触した後、原料ガス供給経路６の底面に落下する。このように構成することで、改質水と都市ガスとの接触時間を長くすることができ、より多くの都市ガスを、改質水中に巻き込み、泡を発生させることができる。

これによって、より簡単な構成で、改質水中に都市ガスの泡を発生させることができ、これによって沸騰核が生じ易くなり、改質水の温度上昇時に速やかに沸騰し、安定して蒸気を得ることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における燃料電池システムについて、図１０を用いて説明する。

図１０は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１０に示す実施の形態２の燃料電池システムにおいて、図１に示す実施の形態１の水素生成装置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１０に示すように、実施の形態２に係る燃料電池システム３００は、水素生成装置１００と、水素生成装置１００から供給される、水素を含有する生成ガスを用いて発電する燃料電池２００を備える。

以上のように構成された燃料電池システム３００について、以下その動作、作用を説明する。

水素生成装置１００は、改質水の中に原料ガスの気泡を発生させる混合器１０を備え、混合器１０において、原料ガスと改質水とが混合し、混合した原料ガスの一部が微小な泡となって改質水中に残留する。改質水中に発生、残留した原料ガスの泡は、改質水の温度が沸点まで上昇した際に、沸騰の起点である沸騰核を生じ易くし、改質水が円滑に沸騰状態となるように作用する。

これにより、蒸発器において突沸が生じ難くなり、安定して蒸気を得ることができ、水素を安定して供給することができるようになる。したがって、燃料電池２００は、水素生成装置１００から水素を含有する生成ガスが安定に供給されるので、安定した発電を行なうことができる。

以上のように、本発明によれば、安定して発電のできる燃料電池システムを得ることができる。

なお、燃料電池２００は、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池であれば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池など、いずれの燃料電池でも構わない。

以上のように、本発明にかかる水素生成装置および燃料電池システムは、蒸気発生量の変動を抑制し、安定に水素を生成する水素生成装置を提供することでき、燃料電池の安定動作を実現することができるので、例えば家庭用燃料電池コージェネレーションシステムの用途にも適用できる。

１ 蒸発器
２ 改質器
３ 燃焼器
４ 改質水供給器
５ 原料供給器
６ 原料ガス供給経路
７ 多孔板
８ ノズル
９ 改質水供給経路
１０ 混合器
１１ 生成ガス出口
２２ 内筒
２３ 外筒
２５ 水ガス流路
２９ 金属棒
１００ 水素生成装置
２００ 燃料電池
３００ 燃料電池システム

Claims (8)

1. 原料ガスと水蒸気から水素含有ガスを生成する改質器と、
   改質水を蒸発させて前記水蒸気を発生させる蒸発器と、
   前記蒸発器に供給される前記原料ガス及び前記改質水のどちらか一方の流れの中にどちらか他方を流入させて、前記改質水の中に前記原料ガスの気泡を発生させる混合器と、
   を備えた、
   水素生成装置。
2. 前記混合器は、前記改質水を前記蒸発器に供給する改質水供給経路と、前記改質水供給経路に前記原料ガスを供給する原料ガス供給経路と、で構成され、
   前記原料ガス供給経路の出口が前記改質水供給経路の前記改質水の水中になるように配置される、
   請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記原料ガス供給経路の出口に、複数の前記原料ガスの噴出孔を有する、
   請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記混合器は、前記改質水を前記蒸発器に供給する改質水供給経路と、前記改質水供給経路に前記原料ガスを供給する原料ガス供給経路と、で構成され、
   前記原料ガス供給経路の出口に、前記改質水供給経路の前記改質水に対して前記原料ガスが吹き込まれるように配置されたノズルを備える、
   請求項１に記載の水素生成装置。
5. 前記混合器は、前記原料ガスを前記蒸発器に供給する原料ガス供給経路と、前記原料ガス供給経路に前記改質水を供給する改質水供給経路と、で構成され、
   前記改質水供給経路の出口が前記原料ガス供給経路内の底面に略対向し前記底面に対して上方に所定間隔離れた位置に配置される、
   請求項１に記載の水素生成装置。
6. 前記混合器は、前記原料ガスを前記蒸発器に供給する原料ガス供給経路と、前記原料ガス供給経路に前記改質水を供給する改質水供給経路と、で構成され、
   前記改質水供給経路の出口が前記原料ガス供給経路内の天井面に略対向し前記天井面に対して下方に所定間隔離れた位置に配置される、
   請求項１に記載の水素生成装置。
7. 前記改質水供給経路の出口に、複数の前記改質水の噴出孔を有する、
   請求項５または６に記載の水素生成装置。
8. 請求項１から７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る水素を用いて発電する燃料電池と、
   を備える、
   燃料電池システム。

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