JP4492882B2 - 二重バーナーを備えた水素生成装置及び駆動方法 - Google Patents

二重バーナーを備えた水素生成装置及び駆動方法 Download PDF

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Description

本発明は、二重バーナーを備えた水素生成装置及び当該二重バーナーを備えた水素生成装置の駆動方法に関する。
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系列の物質内に含まれている水素と酸素との化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。燃料電池は、液体水素を使用する装置と水素ガスを使用する装置とに大別される。
水素ガスを使用する燃料電池は、燃料電池スタックと燃料処理装置(Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ)とを備える。
上記燃料電池スタックは、燃料電池の本体を形成し、膜−電極接合体(ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ)とセパレータとからなる単位セルが数個〜数十個に渡り積層された構造を有する。
図１は、燃料電池システムの概略的な構成を示す説明図である。
図１を参照すれば、水素原子を含む燃料は、燃料処理装置で水素ガスに改質され、水素ガスは、燃料電池スタックに供給される。
燃料電池スタックでは、水素が供給されて、酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。
燃料処理装置は、脱硫装置と水素生成装置とを備える。さらに、水素生成装置は、改質器とシフト反応器とを備える。
上記脱硫装置は、上記改質器とシフト反応器の触媒が硫黄化合物により被毒されないように、燃料から硫黄を除去する。
上記改質器は、炭化水素を改質して水素を生成するだけでなく、二酸化炭素及び一酸化炭素も生成する。
上記一酸化炭素は、燃料電池スタックの電極に使われる触媒に触媒毒として作用するため、改質された燃料を直ちにスタックに供給してはならず、上記一酸化炭素を除去する装置であるシフト反応器を必要とする。上記シフト反応器は、排出される一酸化炭素の含有量を１０ｐｐｍ以内に減少させることが望ましい。
従来では、一酸化炭素を除去するために、下記反応式１〜反応式３のようなシフト反応／メタン化反応／ＰＲＯＸ反応を利用してきた。
Figure 0004492882
Figure 0004492882
Figure 0004492882
一方、上記のようなシフト反応を利用して、一酸化炭素を１０ｐｐｍ以下に除去するためには、上記シフト反応器の温度が２００℃以上になる必要があるが、シフト反応器の温度を２００℃まで上昇させるためには、１時間程度がかかる。
特開２００４−３１２８０号公報 特開２００１−３５４４０４号公報
しかしながら、電気エネルギーを使用するために１時間を待つということは、必要に応じて直ちに使用できるという電気エネルギーの長所を深刻に損なってしまうため、これに対する改善要求が高かった。
上記特許文献１には、一つのバーナーで改質器及びシフト反応器を順次に加熱する装置について記載されている。改質器を加熱するバーナーによりシフト反応器を加熱する場合、上記バーナーから離隔されたシフト反応器の温度を稼働温度に上昇させるために多くの時間がかかる、という問題がある。
上記特許文献２には、別途の電気ヒーターによりシフト反応器を加熱するシステムについて記載されている。このようなシステムでは、電気的エネルギーの消費が多い、という問題がある。
したがって、簡単な構造でシフト反応器の温度を迅速に上昇させることが可能な水素生成装置の開発が望まれている。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、シフト反応器の始動時間を短縮することが可能な、新規かつ改良された水素生成装置及び水素生成装置の駆動方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、二重バーナーを備えた水素生成装置が提供される。上記水素生成装置は、ハウジングと、上記ハウジングを第１室と第２室とに分割する隔壁と、上記第１室に設置された改質器と、上記改質器を加熱する第１バーナーと、上記第２室に設置されたシフト反応器と、上記隔壁に設置されて上記シフト反応器を加熱する第２バーナーと、上記第１バーナー及び第２バーナーをそれぞれ点火する第１及び第２点火器と、を備えることを特徴としている。
上記第２バーナーは、上記シフト反応器に対応する領域の上記隔壁に形成された複数のホールを備える。
上記第２バーナーのホールは、それぞれ３ｍｍ以下の直径を有することが望ましい。
また、上記隔壁には、上記第１バーナーから発生した燃焼ガスが通過するガス出入口がさらに設置されることが望ましい。
また、上記第２点火器は、点火プラグである。
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、二重バーナーを備えた水素生成装置の駆動方法が提供される。上記水素生成装置の駆動方法は、上記第１バーナーに供給された燃料を上記第２バーナーで燃焼させて上記シフト反応器を加熱する第１段階と、上記シフト反応器の温度が所定温度以上に加熱されれば、上記第１バーナーを点火して上記改質器を加熱する第２段階と、を含み、上記第２バーナーは、上記第２段階で燃料の供給が中断されて消火されることを特徴としている。
上記第１段階は、上記隔壁に形成された上記ガス出入口を閉じる段階を含み、上記第２段階は、上記ガス出入口を開く段階を含む。
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、ハウジングと；上記ハウジングを第１室と第２室とに分割する隔壁と；上記第１室に設置された改質器と；少なくとも上記改質器を加熱する第１バーナーと；上記第２室に設置されたシフト反応器と；上記隔壁に形成されて上記シフト反応器を加熱する第２バーナーと；上記第１バーナーを点火する第１点火器と；上記第２バーナーを点火する第２点火器とを備え、上記第２バーナーは、上記第１バーナーに供給される燃料によって上記シフト反応器を加熱することを特徴としている。
本発明によれば、第２バーナーが直接にシフト反応器に対して加熱し、シフト反応器が所定温度到達した後、第１バーナーの燃焼により改質器とシフト反応器とを加熱する。かかる構成によれば、従来のバーナーが１個の場合よりも水素発生装置の始動時間を短縮させることができる。また、第２バーナーは、第１バーナーに供給される燃料を用いてシフト反応器を加熱するため、かかる構成により、第１バーナーと第２バーナーのための燃料供給ラインが一元化でき、水素発生装置の構成を単純化し小型化することが可能となる。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の二重バーナーを備えた水素発生装置の駆動方法が提供される。上記水素発生装置の駆動方法は、上記第１バーナーに供給された燃料を上記第２バーナーで燃焼させて、上記シフト反応器を加熱する第１段階と；上記シフト反応器の温度が所定温度以上に加熱されれば、上記第１バーナーを点火して上記改質器を加熱する第２段階と；を含み、上記第２バーナーは、上記第２段階で燃料の供給が中断されて消火されることを特徴としている。
上記第１段階は、上記隔壁に形成された上記ガス出入口を閉じる段階をさらに含み、上記第２段階は、上記ガス出入口を開く段階をさらに含むように構成してもよい。
以上説明したように、本発明によれば、水素発生装置の始動時間を短縮させることができる。また、水素発生装置内の隔壁を含むホールを備えたシフト反応器用のバーナーは、改質器用のバーナーに供給される燃料及び酸素を使用するので、二つのバーナーのための燃料供給ラインが一つとなるので、その構造が単純になる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付することにより、重複説明を省略する。
ここで、図２は、本実施の形態に係る二重バーナーを備えた水素生成装置の概略的な構成を示す説明図である。
図２を参照すると、ハウジング１０の内部に改質器３０及びシフト反応器６０が配置されている。改質器３０及びシフト反応器６０の内部には、それぞれ改質及びシフト反応に必要な触媒(図示せず。)が設置されている。
改質器３０の一側(図２に示す改質器３０下部)には、第１バーナー２０が設置されている。第１バーナー２０には、外部から炭化水素ガス、例えばメタンガスと、空気または酸素を豊富に含む空気とが供給される。また、第１バーナー２０を点火させる第１点火器２２が第１バーナー２０の側部に設置される。
なお、上記第１点火器２２は、図２に示すように、第１バーナー２０の右側部に備わっているが、かかる例に限定されず、例えば、第１バーナー２０の左側部又は上部等に第１点火器２２が備わってもよい。
一方、ハウジング１０には、ハウジング１０の空間を第１室と第２室とに分割する隔壁４０が形成されている。上記隔壁４０の中央部には、第２バーナー５０が設置されている。上記第１室には改質器３０が設置され、第２室にはシフト反応器６０が設置される。
シフト反応器６０は、第２バーナー５０の上部に設置されている。第２バーナー５０は、シフト反応器６０の初期加熱に使われる。
第２バーナー５０の一側部には、第２バーナー５０を点火させる第２点火器５２、例えば点火プラグが設置される。また、上記隔壁４０には、ガス出入口４４が形成されている。なお、図２に示すように、第２点火器５２は、第２バーナー５０の表面右側に設けられているが、かかる例に限定されず、例えば、第２点火器５２は、第２バーナー５０の表面左側や裏面右側、裏面左側などに設けられる場合でもよい。
上記第２バーナー５０は、上記隔壁４０または別途の部材に複数のホール４２が形成されたものである。上記ホール４２は、約３ｍｍ以下の直径に形成されることが望ましい。逆火を防止するためである。
さらに、上記水素生成装置には、図２に示すように、外部から改質器３０に炭化水素ガス、例えばメタンガスと水が供給される第１パイプ７０と、上記改質器３０からシフト反応器６０に改質された水素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気を移送する第２パイプ８０と、上記シフト反応器６０から水素ガスをハウジング１０外部に排出する第３パイプ９０とが設置される。
第１パイプ７０と第３パイプ９０とは、第１熱交換器７２と接続しており、第１パイプ７０と第２パイプ８０とは、第２熱交換器７４と接続している。これらの熱交換器７２、熱交換器７４は、多様な形態に実施されうる。例えば、第１パイプ７０が第２パイプ８０及び第３パイプ９０に形成されたチャンバ(図示せず)を通過するように形成されることもある。
上記ハウジング１０には、第１バーナー２０及び第２バーナー５０の排ガスが排出される排出口１４が形成されている。
第１バーナー２０からの排ガスは、シフト反応器６０、第１パイプ７０、及び第２パイプ８０の予熱に使われる。
上記ハウジング１０、上記隔壁４０、上記第２バーナー５０は、耐火性でかつ熱伝導度の低い材質から製造されうる。
図３は、本実施の形態に係る２個のバーナーを備えた水素発生装置のシフト反応器６０の温度（図３に示す２バーナー）と、従来に係る１個のバーナーを備えた水素発生装置のシフト反応器の温度（図３に示す１バーナー）を経時的に示すグラフである。
図３を参照すると、２個のバーナーを備えた本実施の形態に係る水素発生装置は、約３５分経過時、シフト反応器６０の温度が稼働条件である２００℃に到達した。一方、従来に係る１個のバーナーを備えた水素発生装置では、３５分経過時、シフト反応器６０の温度が１００℃以下であり、２００℃に到達するまでに６０分以上かかった。
このように、本実施の形態に係る二重バーナーを備えた水素発生装置は、始動時間を短縮させることができる。また、本実施の形態に係る水素発生装置は、改質器３０用の第１バーナー２０を通じて第２バーナー５０に燃料及び酸素を供給するので、第２バーナー５０のための別途の燃料供給ラインを必要としない。
以下では、本実施の形態に係る二重バーナーを備えた水素発生装置の作動方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、隔壁４０に形成されたガス出入口４４が閉じられた状態で、第１バーナー２０に連結された燃料管及び空気管を介して第１室内に燃料ガス及び空気（図２に示すＣＨ４とＡｉｒ）を流す。
第１室に供給された燃料ガス及び空気は、第２バーナー５０のホール４２を通じて第２室に移動する。この時、第２点火器５２を点火すれば、第２バーナー５０が点火され、したがって、シフト反応器６０は加熱される。
次に、上記第２バーナー５０による加熱でシフト反応器６０が約１００℃に到達すると、第１バーナー２０を第１点火器２２で点火する。第１バーナー２０の点火と同時に、または、第１バーナー２０の点火後少し時間が経過した後にガス出入口４４を開放する。
第１バーナー２０からの燃焼されたガス(ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ａｉｒなど)は、ガス出入口４４と第２バーナー５０とを通過して第２室に入り、第２バーナー５０は、消火されて第１バーナー２０からの燃焼排ガスの通路となる。なお、第１バーナー２０にて燃焼が始まるため第２バーナー５０に供給される燃料が途絶え、第２バーナー５０が消化する。
次に、上記第１バーナー２０による加熱で改質器３０の温度が２００℃以上に上昇すれば、第１パイプ７０で水を供給する。供給された水は、第１パイプ７０、第１熱交換器７２、第２熱交換器７４を通過して気化される。
シフト反応器６０は、改質器３０を通過した水蒸気と、第１バーナー２０の燃焼ガスとによって温度が、さらに上昇する。改質器３０の温度が６００℃以上であり、シフト反応器６０の温度が２００℃以上に到達した時に炭化水素ガスを水と共に第１パイプ７０に通過させる。
改質器３０の温度及びシフト反応器６０の温度は、燃料の量だけでなく第１パイプ７０に流入される水量によっても調節される。一方、第１熱交換器７２及び第２熱交換器７４は、第１パイプ７０を通過する水を予熱させる作用をすることが可能である。
第２室に引き込まれた燃焼ガスは、排出口１４を介して外部に排出される。排出口１４を通過するガスは、燃料電池スタック(図示せず。)の予熱に使われうる。第３パイプ９０を通過した水素ガスは、燃料電池スタックのアノード電極に供給されうる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、及び、均等の範疇内において、各種の変更例または修正例を想定し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、燃料電池関連の技術分野に適用可能である。
燃料電池システムの構成を概略的に示す説明図である。 本実施の形態に係る二重バーナーを備えた水素生成装置の概略的な構成を示す説明図である。 本実施の形態に係る２個のバーナーを備えた水素発生装置のシフト反応器の温度と、従来に係る１個のバーナーを備えた水素発生装置のシフト反応器の温度を経時的に示すグラフである。
符号の説明
１０ ハウジング
１４ 排出口
２０ 第１バーナー
２２ 第１点火器
３０ 改質器
４０ 隔壁
４２ ホール
４４ ガス出入口
５０ 第２バーナー
５２ 第２点火器
６０ シフト反応器
７０、８０、９０ パイプ
７２、７４ 熱交換器

Claims (7)

  1. ハウジングと；
    前記ハウジングを第１室と第２室とに分割する隔壁と；
    前記第１室に設置された改質器と；
    少なくとも前記改質器を加熱する第１バーナーと；
    前記第２室に設置されたシフト反応器と；
    前記隔壁に形成されて前記シフト反応器を加熱する第２バーナーと；
    前記第１バーナーを点火する第１点火器と；
    前記第２バーナーを点火する第２点火器と；
    を備え、
    前記第２バーナーは、前記第１バーナーに供給される燃料によって前記シフト反応器を加熱することを特徴とする、二重バーナーを備えた水素発生装置。
  2. 前記第２バーナーは、前記シフト反応器に対応する領域の前記隔壁に形成された複数のホールを備えることを特徴とする、請求項１に記載の水素発生装置。
  3. 前記第２バーナーのホールは、３ｍｍ以下の直径を有することを特徴とする、請求項２に記載の水素発生装置。
  4. 前記隔壁には、前記第１バーナーから発生した燃焼ガスが通過するガス出入口がさらに設置されたことを特徴とする、請求項１に記載の水素発生装置。
  5. 前記第２点火器は、点火プラグであることを特徴とする、請求項１に記載の水素発生装置。
  6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の二重バーナーを備えた水素発生装置の駆動方法において：
    前記第１バーナーに供給された燃料を前記第２バーナーで燃焼させて、前記シフト反応器を加熱する第１段階と；
    前記シフト反応器の温度が所定温度以上に加熱されれば、前記第１バーナーを点火して前記改質器を加熱する第２段階と；
    を含み、
    前記第２バーナーは、前記第２段階で燃料の供給が中断されて消火されることを特徴とする、二重バーナーを備えた水素発生装置の駆動方法。
  7. 前記第１段階は、前記隔壁に形成された前記ガス出入口を閉じる段階をさらに含み、
    前記第２段階は、前記ガス出入口を開く段階をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の水素発生装置の駆動方法。
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