JP4090234B2 - 水素含有ガス生成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部と、
加熱部にて加熱されて、前記脱硫処理部から供給される脱硫処理ガスを水蒸気にて水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理する改質処理部と、
前記改質処理ガスを前記改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理ガスに変成処理する変成処理部と、
前記変成処理ガスを前記変成処理ガス中の一酸化炭素を選択酸化することにより選択酸化処理ガスに選択酸化処理する選択酸化処理部とを備え、前記選択酸化処理ガスを水素含有ガスとして排出する水素含有ガス生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような水素含有ガス生成装置は、脱硫処理部にて炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理し、その脱硫処理ガスを改質処理部にて水蒸気により水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理し、その改質処理ガスを変成処理部にて改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理ガスに変成処理し、その変成処理ガスを選択酸化処理部にて変成処理ガス中の一酸化炭素を選択酸化することにより選択酸化処理して、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するものであり、生成水素含有ガスは、例えば、燃料電池における発電反応用の燃料ガスとして用いる。
【０００３】
そして、このように構成された水素含有ガス生成装置の運転中は、脱硫処理部と改質処理部と変成処理部と選択酸化処理部とのそれぞれを、脱硫処理に適正な温度（以下、脱硫処理温度と記載する場合がある）、改質処理に適正な温度（以下、改質処理温度と記載する場合がある）、変成処理に適正な温度（以下、変成処理温度と記載する場合がある）、選択酸化処理に適正な温度（以下、選択酸化処理温度と記載する場合がある）に維持する必要がある。ちなみに、例えば、改質処理温度は６００〜７００℃の範囲、脱硫処理温度は例えば２００〜３５０℃の範囲、変成処理温度は例えば１５０〜３００℃の範囲、選択酸化処理温度は８０〜１２０℃の範囲である。
【０００４】
そこで、従来の水素含有ガス生成装置は、脱硫処理部と改質処理部と変成処理部と選択酸化処理部を、それぞれ脱硫処理温度、改質処理温度、変成処理温度、選択酸化処理温度に維持するように運転するために、例えば、脱硫処理部を加熱する脱硫処理部加熱手段、変成処理部を加熱する変成処理部加熱手段及び変成処理部を冷却する変成処理部冷却手段、並びに、選択酸化処理部を加熱する選択酸化処理部加熱手段及び選択酸化処理部を冷却する選択酸化処理部冷却手段を設けて、脱硫処理部を脱硫処理温度に維持するように、脱硫処理部加熱手段の加熱能力を調節し、改質処理部を改質処理温度に維持するように、改質処理部加熱手段の加熱能力を調節し、変成処理部を変成処理温度に維持するように変成処理部加熱手段の加熱能力及び変成処理部冷却手段の冷却能力を調節し、並びに、選択酸化処理部を選択酸化処理温度に維持するように、選択酸化処理部加熱手段の加熱能力及び選択酸化処理部冷却手段の冷却能力を調節していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来の水素含有ガス生成装置においては、脱硫処理部と改質処理部と変成処理部と選択酸化処理部をそれぞれ脱硫処理温度、改質処理温度、変成処理温度、選択酸化処理温度に維持するために、脱硫処理部、改質処理部、変成処理部及び選択酸化処理部それぞれの温度を各別に制御するというように、複雑な制御を必要とし、改善が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、脱硫処理部と改質処理部と変成処理部と選択酸化処理部の夫々を、余分なエネルギを消費することなく適正な温度に維持することができる水素含有ガス生成装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項１に記載したごとく、複数の筒状体を径方向及び軸心方向に且つ同軸心上に備え、
前記複数の筒状体間に形成された筒状の空間が、前記各部及び前記各部に接続される各流路として構成され、
前記筒状体の軸心方向に沿って、前記改質処理部、前記脱硫処理部、前記変成処理部、及び前記選択酸化処理部が、記載の順に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
〔作用効果〕
即ち、本発明の発明者らは、改質処理温度、脱硫処理温度、変成処理温度及び選択酸化処理温度においては、改質処理温度が最も高く、選択酸化処理温度が最も低く、脱硫処理温度と変成処理温度は、改質処理温度と選択酸化処理温度との間にあるということに鑑みて、水素含有ガス生成装置の構造を簡略化すべく鋭意研究した。
そして、改質処理部、脱硫処理部、変成処理部及び選択酸化処理部を、最も高温に維持する必要のある改質処理部と、最も低温に維持する必要のある選択酸化処理部との間に、それら改質処理部の温度と選択酸化処理部の温度との間の温度に維持する必要のある脱硫処理部及び変成処理部が位置し、且つ、隣接するもの同士で伝熱可能なように設け、そのように改質処理部、脱硫処理部、変成処理部及び選択酸化処理部を設けた状態で、隣接するもの同士の伝熱状態と、選択酸化処理部及びその他の筒状体の部位から外部への放熱状態を適宜設定することにより、余分なエネルギを消費することなく、改質処理部を適正な温度を制御するだけで、その他の処理部は温度を制御することなくそれぞれに適正な温度に維持することができるということを見出した。
【０００９】
さらに、本構成の水素含有ガス生成装置は、上記のように夫々の処理部を適正な温度に維持することができる上に、各部及び各部に接続される各流路が複数の筒状体間に形成された筒状の空間により構成されているので、管材等により特別に流路を構成する必要がなくコンパクト化が可能で、且つ偏平な筒状の流路を形成することができるので、筒状体を介して隣接する空間との熱交換を良好に行なうことができる。さらに、各流路や各部の外部への放熱を抑制する場合には、その流路又は処理部の外側の筒状体を囲むように断熱材を設けるだけでよいので、断熱材の体積が少なくて済み、断熱材設置による装置拡大を抑制することができる。
【００１０】
〔構成２〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記改質処理ガスが流通する改質処理ガス流路として構成された前記空間と、前記原燃料ガスが流通する原燃料ガス流路として構成された前記空間とが前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記改質処理ガスと前記原燃料ガスとの間で熱交換を行なう第１処理ガス熱交換部を設けたことを特徴とする。
【００１１】
〔作用効果〕
つまり、脱硫処理部へ供給される原燃料ガスは例えば常温に近い温度であり、その原燃料ガスが供給される脱硫処理部の温度との差が大きく、一方、改質処理部から排出された状態の改質処理ガスは例えば改質処理温度に近い温度であり、その改質処理ガスが供給される変成処理部との温度差が大きい。
そこで、脱硫処理部又は脱硫処理部へ供給される原燃料ガスと改質処理部から排出された改質処理ガスとを第１処理ガス熱交換部にて筒状体を介して熱交換させることにより、原燃料ガスを予熱するために余分なエネルギを消費することなく、且つ、改質処理ガスを冷却するために熱を捨てることなく、原燃料ガスを予熱して脱硫処理温度との温度差を小さくした状態で脱硫処理部に供給することができると共に、改質処理ガスを冷却して変成処理温度との温度差を小さくした状態で変成処理部に供給することができるようになる。
従って、脱硫処理部及び変成処理部のそれぞれの温度を余分なエネルギを消費することなく一層適正なものに維持することができる。
【００１２】
〔構成３〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項３に記載したごとく、上記構成２の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記変成処理ガスが流通する変成処理ガス流路として構成された前記空間と、前記原燃料ガス流路の前記第１処理ガス熱交換部の上流側として構成された前記空間とが、前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記変成処理ガスと前記原燃料ガスとの間で熱交換を行なう第２処理ガス熱交換部を設けたことを特徴とする。
【００１３】
〔作用効果〕
つまり、変成処理部から排出された状態の変成処理ガスは、変成処理温度に近い温度であり、その変成処理ガスが供給される選択酸化処理部の温度との差が大きく、一方、第１処理ガス熱交換部に供給される前の状態の原燃料ガスは常温に近い温度であり、その原燃料ガスが供給される脱硫処理部との温度差が大きい。そこで、変成処理部から排出された変成処理ガスと原燃料ガスとを第２処理ガス熱交換部にて筒状体を介して熱交換させることにより、原燃料ガスを予熱するために余分なエネルギを消費することなく、且つ、変成処理ガスを冷却するために熱を捨てることなく、原燃料ガスを予熱して脱硫処理温度との温度差を小さくした状態で脱硫処理部に供給することができると共に、変成処理ガスを冷却して選択酸化処理部との温度差を小さくした状態で選択酸化処理部に供給することができるようになる。
さらに、原燃料ガス流路を流通する原燃料ガスを、第２処理ガス熱交換部で変成処理温度に近い変成処理ガスとの熱交換により予熱した後に、第１処理ガス熱交換部で変成処理温度よりも高い温度の改質処理ガスとの熱交換により予熱して、脱硫処理温度程度で脱硫処理部に流入させることができ、改質処理ガス及び変成処理ガスの熱を有効に利用して、原燃料ガスの予熱を行なうことができる。
従って、脱硫処理部及び選択酸化処理部のそれぞれの温度を余分なエネルギを消費することなく一層適正なものに維持することができる。
【００１４】
〔構成４〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項４に記載したごとく、上記構成２又は３の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記改質処理ガス流路の前記第１処理ガス熱交換部の上流側として構成された前記空間と、前記脱硫処理ガスが流通する脱硫処理ガス流路として構成された前記空間とが、前記脱硫処理部の内側において前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記改質処理ガスと前記脱硫処理ガスとの間で熱交換を行なう第３処理ガス熱交換部を設けたことを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
つまり、脱硫処理部から排出された状態の脱硫処理ガスは、脱硫処理温度に近い温度であり、その脱硫処理ガスが供給される改質処理部の温度との差が大きく、一方、改質処理部から排出され第１処理ガス熱交換部に供給される前の状態の改質処理ガスは、改質処理温度に近い温度であり、その改質処理ガスが供給される変成処理部との温度差が大きい。
そこで、脱硫処理部から排出された脱硫処理ガスと改質処理部から排出された改質処理ガスとを第３処理ガス熱交換部にて筒状体を介して熱交換させることにより、脱硫処理ガスを予熱するために余分なエネルギを消費することなく、且つ、改質処理ガスを冷却するために熱を捨てることなく、脱硫処理ガスを予熱して改質処理温度との温度差を小さくした状態で改質処理部に供給することができると共に、改質処理ガスを冷却して変成処理温度との温度差を小さくした状態で変成処理部に供給することができるようになる。
しかも、第３処理ガス熱交換部の温度は、改質処理温度と脱硫処理温度との間の範囲内か、あるいはその範囲に近い温度であるので、第３処理ガス熱交換部を、改質処理部に隣接する脱硫処理部の内側に配置することにより、脱硫処理部、及び第３処理ガス熱交換部の温度をそれぞれ適正なものに維持し易くなる。
さらに、改質処理ガス流路を流通する改質処理ガスを、第３処理ガス熱交換部で脱硫処理温度に近い脱硫処理ガスとの熱交換により冷却した後に、第１処理ガス熱交換部で脱硫処理温度よりも低い温度の原燃料ガスとの熱交換により冷却して、変成処理温度程度で変成処理部に流入させることができ、改質処理ガスの熱を有効に利用することができる。
従って、改質処理部及び変成処理部、さらには脱硫処理部のそれぞれの温度を余分なエネルギを消費することなく一層適正なものに維持することができる。
【００１６】
〔構成５〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項５に記載したごとく、上記構成１から４の何れかの水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記加熱部が燃料ガス流路から供給された燃料ガスを燃焼用空気流路から供給された燃焼用空気を利用して燃焼させて前記改質処理部を加熱し燃焼排ガス流路へ燃焼排ガスを排出する燃焼部として構成されていると共に、
前記燃焼排ガス流路として構成された前記空間と水が供給される水流路として構成された空間とが前記筒状体を介して隣接して配置され、前記水流路を流通する水を前記燃焼排ガス流路を流通する燃焼排ガスとの熱交換により加熱して、前記改質処理部へ供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部を設けたことを特徴とする。
【００１７】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成装置によれば、加熱部を燃料ガスを燃焼させる燃焼部として構成すると共に上記水蒸気生成部を設けることで、この水蒸気生成部にて、供給される水を燃焼部から排出される燃焼排ガスにて加熱して、改質処理部における改質処理用の水蒸気を生成するので、余分なエネルギを消費することなく、改質処理用の水蒸気を生成することができる。
【００１８】
〔構成６〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項６に記載したごとく、上記構成５の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記燃料ガス流路及び前記燃焼用空気流路の少なくとも一方として構成された前記空間と、前記燃焼排ガス流路の前記水蒸気生成部の下流側として構成された空間とが、前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記燃料ガス及び前記燃焼用空気の少なくとも一方と前記燃焼排ガスとの間で熱交換を行なう予熱部を設けたことを特徴とする。
【００１９】
〔作用効果〕
即ち、前述の水蒸気生成部から排出された燃焼排ガスの温度は少なくとも水蒸気の温度以上であるので、その燃焼排ガスの熱を有効利用できれば、エネルギ効率を向上することができる。
そこで、本構成の水素含有ガス生成装置によれば、上記予熱部を設けることで、この予熱部にて、燃焼部に供給される燃料ガス及び燃焼用空気の少なくとも一方を、水蒸気温度以上の燃焼排ガスとの熱交換により予熱することで、エネルギの再生が可能となり、エネルギ効率を向上することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の実施の形態について、図１〜３に基づいて説明する。
尚、図１は水素含有ガス生成装置の縦断面図であり、図２は水素含有ガス生成装置の改質処理部を横断する横断面図であり、図３は水素含有ガス生成装置の処理フローを示すブロック図である。
【００２１】
図１及び図３に示すように、水素含有ガス生成装置１００は、天然ガス系都市ガス１３Ａ等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部３４と、水流路１６に供給された水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部２８と、加熱部としての燃焼部４５と、燃焼部４５により加熱されて脱硫処理部３４から供給される脱硫処理ガスを水蒸気生成部２８で生成された水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理する改質処理部３６と、改質処理部３６から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成処理部３８と、その変成処理部３８から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを外部から供給される選択酸化用空気を用いて選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化処理部４０と備え、他に、水素含有ガス生成装置１００の運転を制御する制御部（図示せず）等を備えて構成されている。そして、選択酸化処理部４０から水素含有ガス流路１０を介して排出される水素含有ガスは、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスとなる。
【００２２】
脱硫処理部３４においては、例えば２００〜３５０℃の範囲の脱硫処理温度で、脱硫触媒にて、原燃料ガス流路２を介して供給された原燃料ガス中の硫黄化合物を水素化し、その水素化物を酸化亜鉛に吸着させて脱硫する。ちなみに、脱硫処理部３４における脱硫反応は発熱反応である。脱硫処理部３４には、ニッケル−モリブデン系、クロム−モリブデン系などの水素化脱硫触媒の粒状成型体の多数が充填されている。
また、脱硫処理部３４において脱硫処理された脱硫処理ガスは脱硫処理ガス流路４に排出される。
【００２３】
改質処理部３６においては、脱硫処理ガス流路４から脱硫処理ガスが供給され、メタンガスを主成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質触媒の触媒作用により、例えば６００〜７００℃の範囲の改質処理温度の下で、メタンガスと水蒸気とが下記の反応式［化１］にて改質反応させ、水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理する。ちなみに、改質処理部３６における改質反応は吸熱反応である。また、上記改質用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、改質処理部３６には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
また、改質処理部３６で改質処理された改質処理ガスは改質処理ガス流路６に排出される。
【００２４】
【化１】
【００２５】
燃焼部４５は、燃料電池Ｇから排出されたオフガス（燃料ガスの一例）がオフガス流路１２を介して供給されると共に、燃焼用空気流路１４に供給された燃焼用空気が供給され、そのオフガスをその燃焼用空気により先混合式に燃焼させて、その燃焼熱により改質処理部３６を加熱するように構成されている。
さらに、燃焼部４５は、混合気流路４７を介して都市ガス１３Ａである燃料ガスと燃焼用空気との混合気が供給され、起動時やオフガス量の不足時に、その混合気を燃焼させることができるように構成されており、この混合気の流量等を調整することにより改質処理部３６の改質処理温度が適正な温度に維持される。また、燃焼部４５には、起動時に供給された混合気を着火するイグナイタ４６が設けられている。
また、燃焼部４５から排出される燃焼排ガスは燃焼排ガス流路２０を介して外部に排出される。
【００２６】
変成処理部３８においては、改質処理ガス流路６から供給された改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと、後述する水蒸気生成部２８の水流路１６から供給された水蒸気とを、酸化鉄又は銅亜鉛の変成触媒の触媒作用により、例えば１５０〜３００℃の範囲の変成処理温度の下で、下記の反応式［化２］にて変成反応させ、一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する。
ちなみに、変成処理部３８における変成反応は発熱反応である。変成処理部５には、粒状成型体の多数が充填されている。
また、変成処理部３８で変成処理された変成処理ガスは変成処理ガス流路８に排出される。
【００２７】
【化２】
【００２８】
選択酸化処理部４０においては、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系の選択酸化触媒の触媒作用によって、例えば８０〜１２０℃の範囲の選択酸化処理温度の下で、変成処理ガス流路８から供給された変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスを、外部から変成処理ガス流路８に供給された選択酸化用空気を用いて、下記の反応式［化３］にて選択酸化する。ちなみに、選択酸化処理部４０における酸化反応は発熱反応である。また、上記選択酸化用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、選択酸化処理部４０には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
また、選択酸化処理部４０で選択酸化処理された水素含有ガスは水素含有ガス流路１０に排出される。
【００２９】
【化３】
【００３０】
そして、水素含有ガス生成装置１００にて生成された水素含有ガスは、水素含有ガス流路１０を介して燃料電池Ｇに供給される。燃料電池Ｇは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、水素含有ガス生成装置１００から供給される水素含有ガス中の水素と、ブロア（図示せず）から供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成してある。
【００３１】
次に、水素含有ガス生成装置１００の特徴構成について説明する。
水素含有ガス生成装置１００は、図１及び図２に示すように、複数の筒状体を径方向及び軸心Ｉ方向に且つ同軸心上に備えた多重筒構造に構成されており、径方向において互いに隣接する筒状体間に形成される複数の筒状の空間が、前述の各処理部３４，３６，３８，４０、夫々の処理部３４，３６，３８，４０に接続される各流路２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，２０、燃焼部４５及びそれに接続された混合気流路４７等として構成されている。そして、このように構成された水素含有ガス生成装置１００は、流路を構成するための管材等が不要となるのでコンパクト化が可能である。
また、筒状体間に形成された筒状の空間の夫々は、適宜、筒状体を横断する面に沿った円状又はリング状の仕切部材を設けることにより、軸心Ｉ方向において仕切られ、さらに、筒状体の径方向において互いに隣接する筒状の空間は、適宜、筒状の空間の間にある筒状体と上記仕切部材とに隙間を設けることにより、その隙間において折り返す空間として接続されている。
【００３２】
さらに、水素含有ガス生成装置１００は、この筒状体の軸心Ｉ方向に沿って、下方から、改質処理部３６、脱硫処理部３４、変成処理部３８、及び選択酸化処理部４０が、記載の順に配置されている。
【００３３】
即ち、水素含有ガス生成装置１００は、最も高温に維持する必要のある改質処理部３６が最も下方に配置された燃焼部４５の直上に配置されていると共に、最も低温に維持する必要のある選択酸化処理部４０が最も上方に配置され、さらに、改質処理部３６と選択酸化処理部４０との間に、それら改質処理部３６の温度と選択酸化処理部４０の温度との間の温度に維持する必要のある脱硫処理部３４と変成処理部３８とが温度の高い順に改質処理部３６側から配置されており、隣接する各処理部間において筒状体を介して伝熱可能となっている。
また、改質処理部３６の外側には、断熱材が充填されて断熱材部５０として構成される筒状の空間が形成され、さらに、その断熱材部５０の外側に配置された後述の水蒸気生成部２８の外側には、断熱材が充填されて断熱材部５２として構成される筒状の空間が形成されている。
さらに、脱硫処理部３４と変成処理部３８との外側には、断熱材が充填されて断熱材部５４として構成される筒状の空間が形成されている。そして、これら断熱材部５０，５２，５４により各処理部等の放熱が抑制されている。
そして、上記各処理部間における伝熱状態と、選択酸化処理部４０の上方への放熱状態と、及び断熱部材５０，５２，５４の放熱抑制状態等が適宜設定されているので、余分なエネルギを消費することなく、燃焼部４５の燃焼量を調整して、改質処理部３６を適正な温度を制御するだけで、その他の処理部３４，３８，４０の温度を適正な温度に維持することができる。
また、選択酸化処理部４０の放熱を促進するための、選択酸化処理部４０の上方外側に放熱を促進するためのフィンや、フィン間に気流を発生させるファン等を設けても構わない。
【００３４】
水素含有ガス生成装置１００は、各処理ガス間において熱交換を行なう第１〜３処理ガス熱交換部２２，２４，２６と、燃焼排ガスとの熱交換により水を加熱して水蒸気を生成するための水蒸気生成部２８と、燃焼排ガスとの熱交換により燃焼部４５に供給されるオフガス及び燃焼用空気を予熱するための予熱部３０とが設けられており、以下に各部の詳細について説明する。
【００３５】
第１処理ガス熱交換部２２は、変成処理部３８の外側において、改質処理ガス流路６として構成された筒状の空間と原燃料ガス流路２として構成された筒状の空間とを、筒状体を介して隣接して配置して構成され、改質処理ガス流路６を流通する改質処理ガスと原燃料ガス流路２を流通する原燃料ガスとの間で熱交換を行なう。
そして、この第１処理ガス熱交換部２２により、原燃料ガスを予熱して脱硫処理温度との温度差を小さくした状態で脱硫処理部３４に供給することができると共に、改質処理ガスを冷却して変成処理温度との温度差を小さくした状態で変成処理部３８に供給することができる。
【００３６】
第２処理ガス熱交換部２４は、断熱材部５４の外側において、変成処理ガス流路８として構成された筒状の空間と、原燃料ガス流路２の第１処理ガス熱交換部２２の上流側として構成された筒状の空間とが、筒状体を介して隣接して配置して構成され、変成処理ガスが流通する変成処理ガスと第１処理ガス熱交換部２２に流入する前の原燃料ガスとの間で熱交換を行なう。
そして、この第２処理ガス熱交換部２４により、原燃料ガスを予熱して脱硫処理温度との温度差を小さくした状態で第１処理ガス熱交換部２２に供給することができると共に、変成処理ガスを冷却して選択酸化処理温度との温度差を小さくした状態で選択酸化処理部４０に供給することができる。
【００３７】
第３処理ガス熱交換部２６は、脱硫処理部３４の内側において、改質処理ガス流路６の第１処理ガス熱交換部２２の上流側として構成された筒状の空間と、脱硫処理ガス流路４として構成された筒状の空間とが、筒状体を介して隣接して配置して構成され、第１処理ガス熱交換部２２に流入する前の改質処理ガスと脱硫処理ガス流路４を流通する脱硫処理ガスとの間で熱交換を行なう。
そして、この第３処理ガス熱交換部２６により、脱硫処理ガスを予熱して改質処理温度との温度差を小さくした状態で改質処理部３６に供給することができると共に、改質処理ガスを冷却して変成処理温度との温度差を小さくした状態で変成処理部３８に供給することができる。
【００３８】
水蒸気生成部２８は、断熱材部５０と断熱材部５２との間において、燃焼排ガス流路２０として構成された筒状の空間と、水が供給される水流路１６として構成された筒状の空間とが、筒状体を介して隣接して配置して構成され、水を燃焼排ガスとの熱交換により加熱して、水蒸気を生成し、生成した水蒸気を脱硫処理ガス流路４に供給する。
そして、この水蒸気生成部２８により、余分なエネルギを消費することなく、改質処理部３６に供給される水蒸気を生成することができる。
【００３９】
予熱部３０は、断熱材部５２の外側において、オフガス流路１２及び燃焼用空気流路１４として構成された筒状の空間と、燃焼排ガス流路２０の水蒸気生成部２８の下流側として構成された筒状の空間とが、筒状体を介して隣接して配置して構成され、水蒸気生成部２８から排出された比較的高温の燃焼排ガスとの熱交換により、燃焼部４５に供給されるオフガス及び燃焼用空気を予熱する。
そして、この予熱部３０により、燃焼排ガスのエネルギの再生が可能となり、エネルギ効率を向上することができる。
【００４０】
また、オフガス流路１２及び燃焼用空気流路１４は、図２に示すように、１つの筒状の空間を、軸心Ｉにおいて１２０°の角度をなす２つの面により１：２（オフガス流路１２：燃焼用空気流路１４）の割合で分割して形成されている。そして、このように燃焼排ガス流路２０に隣接する１つの筒状の空間にオフガス流路１２及び燃焼用空気流路１４の両方を形成することで、オフガス及び燃焼用空気の両方を燃焼排ガスにより良好に予熱することができる。
【００４１】
また、予熱部３０は、燃焼排ガス流路２０の内側に、水蒸気生成部２８に供給される前の水が流通する水流路１６として構成された筒状の空間が配置されており、水蒸気生成部２８に供給される水を燃焼排ガスとの熱交換によりある程度予熱しておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 水素含有ガス生成装置の縦断面図
【図２】 水素含有ガス生成装置の改質処理部を横断する横断面図
【図３】 水素含有ガス生成装置の処理フローを示すブロック図
【符号の説明】
２ 原燃料ガス流路
４ 脱硫処理ガス流路
６ 改質処理ガス流路
８ 変成処理ガス流路
１０ 水素含有ガス流路
１２ オフガス流路
１４ 燃焼用空気流路
１６ 水流路
２０ 燃焼排ガス流路
２２ 第１処理ガス熱交換部
２４ 第２処理ガス熱交換部
２６ 第３処理ガス熱交換部
２８ 水蒸気生成部
３０ 予熱部
３４ 脱硫処理部
３６ 改質処理部
３８ 変成処理部
４０ 選択酸化処理部
４５ 燃焼部（加熱部）
４６ イグナイタ
４７ 混合気流路
５０ 断熱材部
５２ 断熱材部
５４ 断熱材部
１００ 水素含有ガス生成装置
Ｇ 燃料電池
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部と、
加熱部にて加熱されて、前記脱硫処理部から供給される脱硫処理ガスを水蒸気にて水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理する改質処理部と、
前記改質処理ガスを前記改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理ガスに変成処理する変成処理部と、
前記変成処理ガスを前記変成処理ガス中の一酸化炭素を選択酸化することにより選択酸化処理ガスに選択酸化処理する選択酸化処理部とを備え、前記選択酸化処理ガスを水素含有ガスとして排出する水素含有ガス生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような水素含有ガス生成装置は、脱硫処理部にて炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理し、その脱硫処理ガスを改質処理部にて水蒸気により水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理し、その改質処理ガスを変成処理部にて改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理ガスに変成処理し、その変成処理ガスを選択酸化処理部にて変成処理ガス中の一酸化炭素を選択酸化することにより選択酸化処理して、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するものであり、生成水素含有ガスは、例えば、燃料電池における発電反応用の燃料ガスとして用いる。
【０００３】
そして、このように構成された水素含有ガス生成装置の運転中は、脱硫処理部と改質処理部と変成処理部と選択酸化処理部とのそれぞれを、脱硫処理に適正な温度（以下、脱硫処理温度と記載する場合がある）、改質処理に適正な温度（以下、改質処理温度と記載する場合がある）、変成処理に適正な温度（以下、変成処理温度と記載する場合がある）、選択酸化処理に適正な温度（以下、選択酸化処理温度と記載する場合がある）に維持する必要がある。ちなみに、例えば、改質処理温度は６００〜７００℃の範囲、脱硫処理温度は例えば２００〜３５０℃の範囲、変成処理温度は例えば１５０〜３００℃の範囲、選択酸化処理温度は８０〜１２０℃の範囲である。
【０００４】
そこで、従来の水素含有ガス生成装置は、脱硫処理部と改質処理部と変成処理部と選択酸化処理部を、それぞれ脱硫処理温度、改質処理温度、変成処理温度、選択酸化処理温度に維持するように運転するために、例えば、脱硫処理部を加熱する脱硫処理部加熱手段、変成処理部を加熱する変成処理部加熱手段及び変成処理部を冷却する変成処理部冷却手段、並びに、選択酸化処理部を加熱する選択酸化処理部加熱手段及び選択酸化処理部を冷却する選択酸化処理部冷却手段を設けて、脱硫処理部を脱硫処理温度に維持するように、脱硫処理部加熱手段の加熱能力を調節し、改質処理部を改質処理温度に維持するように、改質処理部加熱手段の加熱能力を調節し、変成処理部を変成処理温度に維持するように変成処理部加熱手段の加熱能力及び変成処理部冷却手段の冷却能力を調節し、並びに、選択酸化処理部を選択酸化処理温度に維持するように、選択酸化処理部加熱手段の加熱能力及び選択酸化処理部冷却手段の冷却能力を調節していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来の水素含有ガス生成装置においては、脱硫処理部と改質処理部と変成処理部と選択酸化処理部をそれぞれ脱硫処理温度、改質処理温度、変成処理温度、選択酸化処理温度に維持するために、脱硫処理部、改質処理部、変成処理部及び選択酸化処理部それぞれの温度を各別に制御するというように、複雑な制御を必要とし、改善が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、脱硫処理部と改質処理部と変成処理部と選択酸化処理部の夫々を、余分なエネルギを消費することなく適正な温度に維持することができる水素含有ガス生成装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項１に記載したごとく、複数の筒状体を径方向及び軸心方向に且つ同軸心上に備え、
前記複数の筒状体間に形成された筒状の空間が、前記各部及び前記各部に接続される各流路として構成され、
前記筒状体の軸心方向に沿って、前記改質処理部、前記脱硫処理部、前記変成処理部、及び前記選択酸化処理部が、記載の順に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
〔作用効果〕
即ち、本発明の発明者らは、改質処理温度、脱硫処理温度、変成処理温度及び選択酸化処理温度においては、改質処理温度が最も高く、選択酸化処理温度が最も低く、脱硫処理温度と変成処理温度は、改質処理温度と選択酸化処理温度との間にあるということに鑑みて、水素含有ガス生成装置の構造を簡略化すべく鋭意研究した。
そして、改質処理部、脱硫処理部、変成処理部及び選択酸化処理部を、最も高温に維持する必要のある改質処理部と、最も低温に維持する必要のある選択酸化処理部との間に、それら改質処理部の温度と選択酸化処理部の温度との間の温度に維持する必要のある脱硫処理部及び変成処理部が位置し、且つ、隣接するもの同士で伝熱可能なように設け、そのように改質処理部、脱硫処理部、変成処理部及び選択酸化処理部を設けた状態で、隣接するもの同士の伝熱状態と、選択酸化処理部及びその他の筒状体の部位から外部への放熱状態を適宜設定することにより、余分なエネルギを消費することなく、改質処理部を適正な温度を制御するだけで、その他の処理部は温度を制御することなくそれぞれに適正な温度に維持することができるということを見出した。
【０００９】
さらに、本構成の水素含有ガス生成装置は、上記のように夫々の処理部を適正な温度に維持することができる上に、各部及び各部に接続される各流路が複数の筒状体間に形成された筒状の空間により構成されているので、管材等により特別に流路を構成する必要がなくコンパクト化が可能で、且つ偏平な筒状の流路を形成することができるので、筒状体を介して隣接する空間との熱交換を良好に行なうことができる。さらに、各流路や各部の外部への放熱を抑制する場合には、その流路又は処理部の外側の筒状体を囲むように断熱材を設けるだけでよいので、断熱材の体積が少なくて済み、断熱材設置による装置拡大を抑制することができる。
【００１０】
〔構成２〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記改質処理ガスが流通する改質処理ガス流路として構成された前記空間と、前記原燃料ガスが流通する原燃料ガス流路として構成された前記空間とが前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記改質処理ガスと前記原燃料ガスとの間で熱交換を行なう第１処理ガス熱交換部を設けたことを特徴とする。
【００１１】
〔作用効果〕
つまり、脱硫処理部へ供給される原燃料ガスは例えば常温に近い温度であり、その原燃料ガスが供給される脱硫処理部の温度との差が大きく、一方、改質処理部から排出された状態の改質処理ガスは例えば改質処理温度に近い温度であり、その改質処理ガスが供給される変成処理部との温度差が大きい。
そこで、脱硫処理部又は脱硫処理部へ供給される原燃料ガスと改質処理部から排出された改質処理ガスとを第１処理ガス熱交換部にて筒状体を介して熱交換させることにより、原燃料ガスを予熱するために余分なエネルギを消費することなく、且つ、改質処理ガスを冷却するために熱を捨てることなく、原燃料ガスを予熱して脱硫処理温度との温度差を小さくした状態で脱硫処理部に供給することができると共に、改質処理ガスを冷却して変成処理温度との温度差を小さくした状態で変成処理部に供給することができるようになる。
従って、脱硫処理部及び変成処理部のそれぞれの温度を余分なエネルギを消費することなく一層適正なものに維持することができる。
【００１２】
〔構成３〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項３に記載したごとく、上記構成２の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記変成処理ガスが流通する変成処理ガス流路として構成された前記空間と、前記原燃料ガス流路の前記第１処理ガス熱交換部の上流側として構成された前記空間とが、前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記変成処理ガスと前記原燃料ガスとの間で熱交換を行なう第２処理ガス熱交換部を設けたことを特徴とする。
【００１３】
〔作用効果〕
つまり、変成処理部から排出された状態の変成処理ガスは、変成処理温度に近い温度であり、その変成処理ガスが供給される選択酸化処理部の温度との差が大きく、一方、第１処理ガス熱交換部に供給される前の状態の原燃料ガスは常温に近い温度であり、その原燃料ガスが供給される脱硫処理部との温度差が大きい。そこで、変成処理部から排出された変成処理ガスと原燃料ガスとを第２処理ガス熱交換部にて筒状体を介して熱交換させることにより、原燃料ガスを予熱するために余分なエネルギを消費することなく、且つ、変成処理ガスを冷却するために熱を捨てることなく、原燃料ガスを予熱して脱硫処理温度との温度差を小さくした状態で脱硫処理部に供給することができると共に、変成処理ガスを冷却して選択酸化処理部との温度差を小さくした状態で選択酸化処理部に供給することができるようになる。
さらに、原燃料ガス流路を流通する原燃料ガスを、第２処理ガス熱交換部で変成処理温度に近い変成処理ガスとの熱交換により予熱した後に、第１処理ガス熱交換部で変成処理温度よりも高い温度の改質処理ガスとの熱交換により予熱して、脱硫処理温度程度で脱硫処理部に流入させることができ、改質処理ガス及び変成処理ガスの熱を有効に利用して、原燃料ガスの予熱を行なうことができる。
従って、脱硫処理部及び選択酸化処理部のそれぞれの温度を余分なエネルギを消費することなく一層適正なものに維持することができる。
【００１４】
〔構成４〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項４に記載したごとく、上記構成２又は３の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記改質処理ガス流路の前記第１処理ガス熱交換部の上流側として構成された前記空間と、前記脱硫処理ガスが流通する脱硫処理ガス流路として構成された前記空間とが、前記脱硫処理部の内側において前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記改質処理ガスと前記脱硫処理ガスとの間で熱交換を行なう第３処理ガス熱交換部を設けたことを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
つまり、脱硫処理部から排出された状態の脱硫処理ガスは、脱硫処理温度に近い温度であり、その脱硫処理ガスが供給される改質処理部の温度との差が大きく、一方、改質処理部から排出され第１処理ガス熱交換部に供給される前の状態の改質処理ガスは、改質処理温度に近い温度であり、その改質処理ガスが供給される変成処理部との温度差が大きい。
そこで、脱硫処理部から排出された脱硫処理ガスと改質処理部から排出された改質処理ガスとを第３処理ガス熱交換部にて筒状体を介して熱交換させることにより、脱硫処理ガスを予熱するために余分なエネルギを消費することなく、且つ、改質処理ガスを冷却するために熱を捨てることなく、脱硫処理ガスを予熱して改質処理温度との温度差を小さくした状態で改質処理部に供給することができると共に、改質処理ガスを冷却して変成処理温度との温度差を小さくした状態で変成処理部に供給することができるようになる。
しかも、第３処理ガス熱交換部の温度は、改質処理温度と脱硫処理温度との間の範囲内か、あるいはその範囲に近い温度であるので、第３処理ガス熱交換部を、改質処理部に隣接する脱硫処理部の内側に配置することにより、脱硫処理部、及び第３処理ガス熱交換部の温度をそれぞれ適正なものに維持し易くなる。
さらに、改質処理ガス流路を流通する改質処理ガスを、第３処理ガス熱交換部で脱硫処理温度に近い脱硫処理ガスとの熱交換により冷却した後に、第１処理ガス熱交換部で脱硫処理温度よりも低い温度の原燃料ガスとの熱交換により冷却して、変成処理温度程度で変成処理部に流入させることができ、改質処理ガスの熱を有効に利用することができる。
従って、改質処理部及び変成処理部、さらには脱硫処理部のそれぞれの温度を余分なエネルギを消費することなく一層適正なものに維持することができる。
【００１６】
〔構成５〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項５に記載したごとく、上記構成１から４の何れかの水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記加熱部が燃料ガス流路から供給された燃料ガスを燃焼用空気流路から供給された燃焼用空気を利用して燃焼させて前記改質処理部を加熱し燃焼排ガス流路へ燃焼排ガスを排出する燃焼部として構成されていると共に、
前記燃焼排ガス流路として構成された前記空間と水が供給される水流路として構成された空間とが前記筒状体を介して隣接して配置され、前記水流路を流通する水を前記燃焼排ガス流路を流通する燃焼排ガスとの熱交換により加熱して、前記改質処理部へ供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部を設けたことを特徴とする。
【００１７】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成装置によれば、加熱部を燃料ガスを燃焼させる燃焼部として構成すると共に上記水蒸気生成部を設けることで、この水蒸気生成部にて、供給される水を燃焼部から排出される燃焼排ガスにて加熱して、改質処理部における改質処理用の水蒸気を生成するので、余分なエネルギを消費することなく、改質処理用の水蒸気を生成することができる。
【００１８】
〔構成６〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項６に記載したごとく、上記構成５の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記燃料ガス流路及び前記燃焼用空気流路の少なくとも一方として構成された前記空間と、前記燃焼排ガス流路の前記水蒸気生成部の下流側として構成された空間とが、前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記燃料ガス及び前記燃焼用空気の少なくとも一方と前記燃焼排ガスとの間で熱交換を行なう予熱部を設けたことを特徴とする。
【００１９】
〔作用効果〕
即ち、前述の水蒸気生成部から排出された燃焼排ガスの温度は少なくとも水蒸気の温度以上であるので、その燃焼排ガスの熱を有効利用できれば、エネルギ効率を向上することができる。
そこで、本構成の水素含有ガス生成装置によれば、上記予熱部を設けることで、この予熱部にて、燃焼部に供給される燃料ガス及び燃焼用空気の少なくとも一方を、水蒸気温度以上の燃焼排ガスとの熱交換により予熱することで、エネルギの再生が可能となり、エネルギ効率を向上することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の実施の形態について、図１〜３に基づいて説明する。
尚、図１は水素含有ガス生成装置の縦断面図であり、図２は水素含有ガス生成装置の改質処理部を横断する横断面図であり、図３は水素含有ガス生成装置の処理フローを示すブロック図である。
【００２１】
図１及び図３に示すように、水素含有ガス生成装置１００は、天然ガス系都市ガス１３Ａ等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部３４と、水流路１６に供給された水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部２８と、加熱部としての燃焼部４５と、燃焼部４５により加熱されて脱硫処理部３４から供給される脱硫処理ガスを水蒸気生成部２８で生成された水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理する改質処理部３６と、改質処理部３６から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成処理部３８と、その変成処理部３８から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを外部から供給される選択酸化用空気を用いて選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化処理部４０と備え、他に、水素含有ガス生成装置１００の運転を制御する制御部（図示せず）等を備えて構成されている。そして、選択酸化処理部４０から水素含有ガス流路１０を介して排出される水素含有ガスは、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスとなる。
【００２２】
脱硫処理部３４においては、例えば２００〜３５０℃の範囲の脱硫処理温度で、脱硫触媒にて、原燃料ガス流路２を介して供給された原燃料ガス中の硫黄化合物を水素化し、その水素化物を酸化亜鉛に吸着させて脱硫する。ちなみに、脱硫処理部３４における脱硫反応は発熱反応である。脱硫処理部３４には、ニッケル−モリブデン系、クロム−モリブデン系などの水素化脱硫触媒の粒状成型体の多数が充填されている。
また、脱硫処理部３４において脱硫処理された脱硫処理ガスは脱硫処理ガス流路４に排出される。
【００２３】
改質処理部３６においては、脱硫処理ガス流路４から脱硫処理ガスが供給され、メタンガスを主成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質触媒の触媒作用により、例えば６００〜７００℃の範囲の改質処理温度の下で、メタンガスと水蒸気とが下記の反応式［化１］にて改質反応させ、水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理する。ちなみに、改質処理部３６における改質反応は吸熱反応である。また、上記改質用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、改質処理部３６には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
また、改質処理部３６で改質処理された改質処理ガスは改質処理ガス流路６に排出される。
【００２４】
【化１】
燃焼部４５は、燃料電池Ｇから排出されたオフガス（燃料ガスの一例）がオフガス流路１２を介して供給されると共に、燃焼用空気流路１４に供給された燃焼用空気が供給され、そのオフガスをその燃焼用空気により先混合式に燃焼させて、その燃焼熱により改質処理部３６を加熱するように構成されている。
さらに、燃焼部４５は、混合気流路４７を介して都市ガス１３Ａである燃料ガスと燃焼用空気との混合気が供給され、起動時やオフガス量の不足時に、その混合気を燃焼させることができるように構成されており、この混合気の流量等を調整することにより改質処理部３６の改質処理温度が適正な温度に維持される。また、燃焼部４５には、起動時に供給された混合気を着火するイグナイタ４６が設けられている。
また、燃焼部４５から排出される燃焼排ガスは燃焼排ガス流路２０を介して外部に排出される。
【００２６】
変成処理部３８においては、改質処理ガス流路６から供給された改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと、後述する水蒸気生成部２８の水流路１６から供給された水蒸気とを、酸化鉄又は銅亜鉛の変成触媒の触媒作用により、例えば１５０〜３００℃の範囲の変成処理温度の下で、下記の反応式［化２］にて変成反応させ、一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する。
ちなみに、変成処理部３８における変成反応は発熱反応である。変成処理部５には、粒状成型体の多数が充填されている。
また、変成処理部３８で変成処理された変成処理ガスは変成処理ガス流路８に排出される。
【００２７】
【化２】
選択酸化処理部４０においては、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系の選択酸化触媒の触媒作用によって、例えば８０〜１２０℃の範囲の選択酸化処理温度の下で、変成処理ガス流路８から供給された変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスを、外部から変成処理ガス流路８に供給された選択酸化用空気を用いて、下記の反応式［化３］にて選択酸化する。ちなみに、選択酸化処理部４０における酸化反応は発熱反応である。また、上記選択酸化用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、選択酸化処理部４０には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
また、選択酸化処理部４０で選択酸化処理された水素含有ガスは水素含有ガス流路１０に排出される。
【００２９】
【化３】
そして、水素含有ガス生成装置１００にて生成された水素含有ガスは、水素含有ガス流路１０を介して燃料電池Ｇに供給される。燃料電池Ｇは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、水素含有ガス生成装置１００から供給される水素含有ガス中の水素と、ブロア（図示せず）から供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成してある。
【００３１】
次に、水素含有ガス生成装置１００の特徴構成について説明する。
水素含有ガス生成装置１００は、図１及び図２に示すように、複数の筒状体を径方向及び軸心Ｉ方向に且つ同軸心上に備えた多重筒構造に構成されており、径方向において互いに隣接する筒状体間に形成される複数の筒状の空間が、前述の各処理部３４，３６，３８，４０、夫々の処理部３４，３６，３８，４０に接続される各流路２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，２０、燃焼部４５及びそれに接続された混合気流路４７等として構成されている。そして、このように構成された水素含有ガス生成装置１００は、流路を構成するための管材等が不要となるのでコンパクト化が可能である。
また、筒状体間に形成された筒状の空間の夫々は、適宜、筒状体を横断する面に沿った円状又はリング状の仕切部材を設けることにより、軸心Ｉ方向において仕切られ、さらに、筒状体の径方向において互いに隣接する筒状の空間は、適宜、筒状の空間の間にある筒状体と上記仕切部材とに隙間を設けることにより、その隙間において折り返す空間として接続されている。
【００３２】
さらに、水素含有ガス生成装置１００は、この筒状体の軸心Ｉ方向に沿って、下方から、改質処理部３６、脱硫処理部３４、変成処理部３８、及び選択酸化処理部４０が、記載の順に配置されている。
【００３３】
即ち、水素含有ガス生成装置１００は、最も高温に維持する必要のある改質処理部３６が最も下方に配置された燃焼部４５の直上に配置されていると共に、最も低温に維持する必要のある選択酸化処理部４０が最も上方に配置され、さらに、改質処理部３６と選択酸化処理部４０との間に、それら改質処理部３６の温度と選択酸化処理部４０の温度との間の温度に維持する必要のある脱硫処理部３４と変成処理部３８とが温度の高い順に改質処理部３６側から配置されており、隣接する各処理部間において筒状体を介して伝熱可能となっている。
また、改質処理部３６の外側には、断熱材が充填されて断熱材部５０として構成される筒状の空間が形成され、さらに、その断熱材部５０の外側に配置された後述の水蒸気生成部２８の外側には、断熱材が充填されて断熱材部５２として構成される筒状の空間が形成されている。
さらに、脱硫処理部３４と変成処理部３８との外側には、断熱材が充填されて断熱材部５４として構成される筒状の空間が形成されている。そして、これら断熱材部５０，５２，５４により各処理部等の放熱が抑制されている。
そして、上記各処理部間における伝熱状態と、選択酸化処理部４０の上方への放熱状態と、及び断熱部材５０，５２，５４の放熱抑制状態等が適宜設定されているので、余分なエネルギを消費することなく、燃焼部４５の燃焼量を調整して、改質処理部３６を適正な温度を制御するだけで、その他の処理部３４，３８，４０の温度を適正な温度に維持することができる。
また、選択酸化処理部４０の放熱を促進するための、選択酸化処理部４０の上方外側に放熱を促進するためのフィンや、フィン間に気流を発生させるファン等を設けても構わない。
【００３４】
水素含有ガス生成装置１００は、各処理ガス間において熱交換を行なう第１〜３処理ガス熱交換部２２，２４，２６と、燃焼排ガスとの熱交換により水を加熱して水蒸気を生成するための水蒸気生成部２８と、燃焼排ガスとの熱交換により燃焼部４５に供給されるオフガス及び燃焼用空気を予熱するための予熱部３０とが設けられており、以下に各部の詳細について説明する。
【００３５】
第１処理ガス熱交換部２２は、変成処理部３８の外側において、改質処理ガス流路６として構成された筒状の空間と原燃料ガス流路２として構成された筒状の空間とを、筒状体を介して隣接して配置して構成され、改質処理ガス流路６を流通する改質処理ガスと原燃料ガス流路２を流通する原燃料ガスとの間で熱交換を行なう。
そして、この第１処理ガス熱交換部２２により、原燃料ガスを予熱して脱硫処理温度との温度差を小さくした状態で脱硫処理部３４に供給することができると共に、改質処理ガスを冷却して変成処理温度との温度差を小さくした状態で変成処理部３８に供給することができる。
【００３６】
第２処理ガス熱交換部２４は、断熱材部５４の外側において、変成処理ガス流路８として構成された筒状の空間と、原燃料ガス流路２の第１処理ガス熱交換部２２の上流側として構成された筒状の空間とが、筒状体を介して隣接して配置して構成され、変成処理ガスが流通する変成処理ガスと第１処理ガス熱交換部２２に流入する前の原燃料ガスとの間で熱交換を行なう。
そして、この第２処理ガス熱交換部２４により、原燃料ガスを予熱して脱硫処理温度との温度差を小さくした状態で第１処理ガス熱交換部２２に供給することができると共に、変成処理ガスを冷却して選択酸化処理温度との温度差を小さくした状態で選択酸化処理部４０に供給することができる。
【００３７】
第３処理ガス熱交換部２６は、脱硫処理部３４の内側において、改質処理ガス流路６の第１処理ガス熱交換部２２の上流側として構成された筒状の空間と、脱硫処理ガス流路４として構成された筒状の空間とが、筒状体を介して隣接して配置して構成され、第１処理ガス熱交換部２２に流入する前の改質処理ガスと脱硫処理ガス流路４を流通する脱硫処理ガスとの間で熱交換を行なう。
そして、この第３処理ガス熱交換部２６により、脱硫処理ガスを予熱して改質処理温度との温度差を小さくした状態で改質処理部３６に供給することができると共に、改質処理ガスを冷却して変成処理温度との温度差を小さくした状態で変成処理部３８に供給することができる。
【００３８】
水蒸気生成部２８は、断熱材部５０と断熱材部５２との間において、燃焼排ガス流路２０として構成された筒状の空間と、水が供給される水流路１６として構成された筒状の空間とが、筒状体を介して隣接して配置して構成され、水を燃焼排ガスとの熱交換により加熱して、水蒸気を生成し、生成した水蒸気を脱硫処理ガス流路４に供給する。
そして、この水蒸気生成部２８により、余分なエネルギを消費することなく、改質処理部３６に供給される水蒸気を生成することができる。
【００３９】
予熱部３０は、断熱材部５２の外側において、オフガス流路１２及び燃焼用空気流路１４として構成された筒状の空間と、燃焼排ガス流路２０の水蒸気生成部２８の下流側として構成された筒状の空間とが、筒状体を介して隣接して配置して構成され、水蒸気生成部２８から排出された比較的高温の燃焼排ガスとの熱交換により、燃焼部４５に供給されるオフガス及び燃焼用空気を予熱する。
そして、この予熱部３０により、燃焼排ガスのエネルギの再生が可能となり、エネルギ効率を向上することができる。
【００４０】
また、オフガス流路１２及び燃焼用空気流路１４は、図２に示すように、１つの筒状の空間を、軸心Ｉにおいて１２０°の角度をなす２つの面により１：２（オフガス流路１２：燃焼用空気流路１４）の割合で分割して形成されている。そして、このように燃焼排ガス流路２０に隣接する１つの筒状の空間にオフガス流路１２及び燃焼用空気流路１４の両方を形成することで、オフガス及び燃焼用空気の両方を燃焼排ガスにより良好に予熱することができる。
【００４１】
また、予熱部３０は、燃焼排ガス流路２０の内側に、水蒸気生成部２８に供給される前の水が流通する水流路１６として構成された筒状の空間が配置されており、水蒸気生成部２８に供給される水を燃焼排ガスとの熱交換によりある程度予熱しておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 水素含有ガス生成装置の縦断面図
【図２】 水素含有ガス生成装置の改質処理部を横断する横断面図
【図３】 水素含有ガス生成装置の処理フローを示すブロック図
【符号の説明】
２ 原燃料ガス流路
４ 脱硫処理ガス流路
６ 改質処理ガス流路
８ 変成処理ガス流路
１０ 水素含有ガス流路
１２ オフガス流路
１４ 燃焼用空気流路
１６ 水流路
２０ 燃焼排ガス流路
２２ 第１処理ガス熱交換部
２４ 第２処理ガス熱交換部
２６ 第３処理ガス熱交換部
２８ 水蒸気生成部
３０ 予熱部
３４ 脱硫処理部
３６ 改質処理部
３８ 変成処理部
４０ 選択酸化処理部
４５ 燃焼部（加熱部）
４６ イグナイタ
４７ 混合気流路
５０ 断熱材部
５２ 断熱材部
５４ 断熱材部
１００ 水素含有ガス生成装置
Ｇ 燃料電池
Claims (6)
- 炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部と、
加熱部にて加熱されて、前記脱硫処理部から供給される脱硫処理ガスを水蒸気にて水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質処理ガスに改質処理する改質処理部と、
前記改質処理ガスを前記改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理ガスに変成処理する変成処理部と、
前記変成処理ガスを前記変成処理ガス中の一酸化炭素を選択酸化することにより選択酸化処理ガスに選択酸化処理する選択酸化処理部とを備え、前記選択酸化処理ガスを水素含有ガスとして排出する水素含有ガス生成装置であって、
複数の筒状体を径方向及び軸心方向に且つ同軸心上に備え、
前記複数の筒状体間に形成された筒状の空間が、前記各部及び前記各部に接続される各流路として構成され、
前記筒状体の軸心方向に沿って、前記改質処理部、前記脱硫処理部、前記変成処理部、及び前記選択酸化処理部が、記載の順に配置されていることを特徴とする水素含有ガス生成装置。 - 前記改質処理ガスが流通する改質処理ガス流路として構成された前記空間と、前記原燃料ガスが流通する原燃料ガス流路として構成された前記空間とが前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記改質処理ガスと前記原燃料ガスとの間で熱交換を行なう第１処理ガス熱交換部を設けた請求項１に記載の水素含有ガス生成装置。
- 前記変成処理ガスが流通する変成処理ガス流路として構成された前記空間と、前記原燃料ガス流路の前記第１処理ガス熱交換部の上流側として構成された前記空間とが、前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記変成処理ガスと前記原燃料ガスとの間で熱交換を行なう第２処理ガス熱交換部を設けた請求項２に記載の水素含有ガス生成装置。
- 前記改質処理ガス流路の前記第１処理ガス熱交換部の上流側として構成された前記空間と、前記脱硫処理ガスが流通する脱硫処理ガス流路として構成された前記空間とが、前記脱硫処理部の内側において前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記改質処理ガスと前記脱硫処理ガスとの間で熱交換を行なう第３処理ガス熱交換部を設けた請求項２又は３に記載の水素含有ガス生成装置。
- 前記加熱部が燃料ガス流路から供給された燃料ガスを燃焼用空気流路から供給された燃焼用空気を利用して燃焼させて前記改質処理部を加熱し燃焼排ガス流路へ燃焼排ガスを排出する燃焼部として構成されていると共に、
前記燃焼排ガス流路として構成された前記空間と水が供給される水流路として構成された空間とが前記筒状体を介して隣接して配置され、前記水流路を流通する水を前記燃焼排ガス流路を流通する燃焼排ガスとの熱交換により加熱して、前記改質処理部へ供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部を設けた請求項１から４の何れか１項に記載の水素含有ガス生成装置。 - 前記燃料ガス流路及び前記燃焼用空気流路の少なくとも一方として構成された前記空間と、前記燃焼排ガス流路の前記水蒸気生成部の下流側として構成された空間とが、前記筒状体を介して隣接して配置されて、前記燃料ガス及び前記燃焼用空気の少なくとも一方と前記燃焼排ガスとの間で熱交換を行なう予熱部を設けた請求項５に記載の水素含有ガス生成装置。
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