JP5047880B2 - 水素生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電装置に水素を供給する水素生成装置に関し、より詳細には水素生成装置内の断熱構造に関するものである。

燃料電池発電装置用の水素生成装置としては、一般に水蒸気改質反応方式のものが用いられる。この水素生成装置は、気化部で蒸発した改質水と炭化水素からなる原料ガスとを６００〜８００℃程度の高温で反応させることにより水素を主成分とした改質ガスを生成する改質部と、改質ガス中に含まれる一酸化炭素ガス濃度を変成反応により低減するシフト部と、さらに一酸化炭素ガス濃度を選択酸化反応により低減するＣＯ酸化部とを備えている。

従来、この種の水素生成装置において、その外周部に断熱性能の高い真空断熱を適用することで、熱漏洩量を抑えてエネルギ効率を高めることが知られている。

この真空断熱を適用した反応容器を有する水素生成装置の一例を図３に示す（特許文献１参照）。図３に示す水素生成装置は、原料供給部１から供給される改質原料と改質水とを混合させたものを気化させる気化部２と、気化した改質原料を改質反応によって改質する改質部３と、改質部３を通過したガスを冷却するための冷却部４と、冷却部４とシフト部６とを連絡する結合部５と、改質反応で生成された一酸化炭素を酸化させるシフト部６と、シフト部６を未反応で通過した一酸化炭素を酸化させるＣＯ酸化部７とを備えている。気化部２はバーナー部１１により加熱される。改質部３、シフト部６およびＣＯ酸化部７は化学反応部として機能する。化学反応部で生成された水素ガスは、水素ガス排出部８から排出される。

前記気化部２、改質部３、冷却部４、結合部５、シフト部６，ＣＯ酸化部７およびバーナー部１１は、ユニットとなっていて、これらで化学反応容器２０を構成している。この化学反応容器２０は、外装パネル１０によって被覆されている。そして、化学反応容器２０と外装パネル１０との間の空間には、セラミックス粒子などの充填材９が充填されている。更に充填材９が充填された空間は、真空状態に保たれている。
特開２００２−１６０９０３号公報

上記従来の構成は、化学反応容器と外装パネルとの間の空間に充填材を封入して密閉し、その密閉空間を真空排気して作製する真空二重容器構造の水素生成装置であるので、水素生成装置の形状自由度が低く、温度検出手段やガス供給配管の設置においてその構造が複雑化し、また充填材を均一に封入することが困難で、生産性やコストが大幅に悪化し実用化するのは難しいという問題があった。そして化学反応容器の外周より充填材を経由して大気圧が加わるため、水素生成装置の運転時に、加熱による膨張変形が拘束され、反応容器の溶接個所に加わる応力が大きくなり、構造体の寿命が懸念されるという問題もあった。

上記問題点に鑑み、上記真空二重容器構造のものに代えて、断熱部に真空断熱材を適用した水素生成装置が考えられるが、この場合にも、真空断熱材だけで反応容器を断熱するには、水素生成装置の形状が制限され、かつコストの高い真空断熱材を大量に使用するため実用性に劣るという問題があった。また、複数枚の真空断熱材にて断熱することや、真空断熱材を円筒状に成形して適用することも考えられるが、これらの場合においては、真空断熱材と真空断熱材との継ぎ目部分からの漏洩熱量が大きく、十分な省エネ効果が得られないという問題があった。

そして、放熱を極力低減させる為に、水素生成装置の外形状を円筒形状とした場合、その外周部に他の機器を有効に配置することが困難で、水素生成装置と他の機器との間にできる空間が有効利用できないという問題がある。利用されない空間に害虫やねずみ等の小動物が侵入して制御配線を断線させる場合も懸念され、円筒形状の水素生成装置を放熱低減のために小型化することは困難であった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水素生成装置に真空断熱材を適用する場合において、低コストでより効率的に漏洩熱量を抑制することができ、実用性の高い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は、炭化水素からなる原料ガスを水蒸気改質する反応により水素を生成する円筒状の化学反応容器と、前記化学反応容器と接続されかつ原料を化学反応容器に供給する原料供給部と、前記化学反応容器と接続されかつ前記化学反応容器で生成された水素を排出する水素ガス排出部と、前記化学反応容器を包囲する矩形筒状の外装パネルとを備え、前記化学反応容器の外周面全体に第１の非真空断熱材を配置し、前記外装パネルの側面内側と前記第１の非真空断熱材の外周面との間に形成される空間のうち間隔の狭い部位には真空断熱材が配置され、かつ、前記外装パネルの内側と前記化学反応容器の外周面との間に形成される空間のうち、前記第１の非真空断熱材及び前記真空断熱材が配置されている箇所以外の部位に前記第１の非真空断熱材とは材料が異なる第２の非真空断熱材を配置したことを特徴とする。

上記真空断熱材は、芯材と、芯材を覆う金属またはガスバリア性のラミネートフィルムからなる外被材とからなり、その内部圧力が１Ｐａ〜２０Ｐａとなるように減圧し、密閉封止したものである。前記芯材に使用する材料は、気相比率９０％前後の多孔体をシート状または板状に加工したものであり、工業的に利用できるものとして、発泡体、粉体、および繊維体等がある。これらは、その使用用途や必要特性に応じて公知の材料を使用することができる。前記外被材に使用する金属はステンレス薄板が望ましい。ガスバリア性のラミネートフィルムでも実施可能で、金属箔、或いは金属蒸着層を有するラミネートフィルムが望ましい。また、ラミネートフィルムは、金属箔を有するラミネートフィルムと金属蒸着層を有するラミネートフィルムの２種類のラミネートフィルムを組み合わせて適用しても良い。

上記非真空断熱材は、真空断熱材ではない断熱材を言う。この非真空断熱材としては、シート状のもの、あるいは成形されたものなどを用いることができる。非真空断熱材、特にシート状の非真空断熱材としては、柔軟性と圧縮性とを有する無機系断熱材を使用するのが好適である。この無機系断熱材としては、施工性と、優れた断熱特性の観点から繊維体が適用しやすく、その一例としては、グラスウール、グラスファイバー、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維、シリカ繊維、ロックウール等を挙げることができる。なお、シート状断熱材を積層して適用するのが、断熱効果の観点からは良好である。

上記構成によれば、化学反応容器と外装パネルとの間に形成される空間において、空間間隔の狭い部位と広い部位とが存在する場合、空間間隔の狭い部位には、少なくともその一部に真空断熱材を適用して、低コストでより効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ水素生成装置の省スペース化が図れるなど、実用性の高い水素生成装置が提供できる。

また真空断熱材を部分的に設置することにより水素生成装置の断熱厚みが低減でき、かつ化学反応容器が円筒形状であっても、断熱効果を維持した状態で外装パネルを矩形筒状に構成できるので、燃料電池コージェネレーションシステム内へ水素生成装置を容易に設置でき、利用されない空間が低減されて害虫や小動物の侵入を防げる。

本発明の水素生成装置によれば、コストの高い真空断熱材の使用量を抑えることで低コスト化が図れるとともに、非真空断熱材の適用部位は断熱材の厚みを増大することが可能となり、断熱性能の高い真空断熱材を使用する部分と同等の断熱性能を確保することができる。また真空断熱材を分割設置することにより水素生成装置の運転時に加熱による膨張変形が拘束されなくなる。

したがって、低コストでより効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ水素生成装置の省スペース化が図れ、長寿命化が図れるなど、実用性の高い水素生成装置が提供できる。

以下、本発明による実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

図１、図２に示す水素ガス生成装置は、原料供給部１から供給される改質原料に混合された改質水を気化させる気化部２と、気化した改質原料を改質反応によって改質する改質部３と、改質部３を通過したガスを冷却するための冷却部４と、冷却部４とシフト部６とを連絡する結合部５と、改質反応で生成された一酸化炭素を酸化させるシフト部６と、シフト部６を未反応で通過した一酸化炭素を酸化させるＣＯ酸化部７と、バーナー部１１とを備えている。改質部３、シフト部６及びＣＯ酸化部７は化学反応部として機能する。化学反応部で生成された水素ガスは、水素ガス排出部８から排出される。前記気化部２、改質部３、冷却部４、結合部５、シフト部６、ＣＯ酸化部７及びバーナー部１１は、ステンレス製の円筒形状の外筒７０内に収納され、これらで化学反応容器２０を構成している。

前記改質部３には、改質反応を促進する触媒が担持されている。改質触媒としては、白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属、あるいは、これらの合金を用いることができる。改質部３は、改質反応を行うためにバーナー部１１からの熱エネルギによって７００℃程度に維持されている。

シフト部６には、シフト反応を促進する触媒が担持されている。シフト触媒としては、銅系触媒などの低温触媒や、鉄系触媒などの高温触媒が知られており、これらを組み合わせることによって、効果的にシフト反応を促進することができる。シフト反応は３００℃程度で行われるため、改質部３を通過したガスは、冷却部４によって冷却される。

ＣＯ酸化部７には、一酸化炭素の選択酸化触媒が担持されている。この触媒としては、白金、ルテニウム、パラジウム、金、あるいは、これらを第１元素とした合金を用いることができる。ＣＯ酸化部７によって、ガス中の一酸化炭素濃度を数ｐｐｍ程度のまで低減することができる。

前記円筒状の化学反応容器２０を包囲するように矩形筒状（図示するものは正方形筒状）のステンレス製外装パネル６０が配設されている。化学反応容器２０と外装パネル６０との間の空間には、真空断熱材５０と、第１の非真空断熱材３０と、第２の非真空断熱材４０とが、充填されるようにして配設されている。

前記化学反応容器２０は、その側周面全体が一対の第１の非真空断熱材３０によって巻き込まれるようにして被覆されている。各第１の非真空断熱材３０は、図２に示すように、化学反応容器２０の外周に沿った半円形断面に成形されたものであり、一対の第１の非真空断熱材３０が組み合わされて円筒形となるものである。なお、図示例では２枚組み合わせで円筒形としたが、３枚以上の組み合わせで円筒形とすることもできる。

この第１の非真空断熱材３０は、無機材断熱材の一種であり、具体的には、耐熱性および断熱性を有するセラミック繊維やシリカの成形断熱材等を用いることができる。たとえば100nm以下のマイクロポア構造を有するフュームドシリカ(5〜30nm・球状)の成形体で、固体粒子が点接触で伝熱経路が最小であるとともに、マイクロポアで気体の対流・分子衝突を阻止する構造をもつもので、改質部外周の平均温度５００℃における熱伝導率は０．０３W/(m・k)のものを厚み２０ｍｍで外径１５０ｍｍである化学反応容器２０の外周に配しうるものに成形した。

前記外装パネル６０の側面内側と前記化学反応容器２０の外周面との間に形成される空間間隔の狭い部位の４箇所には、シート状の真空断熱材５０が配置されている。真空断熱材５０は、前記第１の非真空断熱材３０の外周に沿ってこれに接するよう、断面円弧状に配設され、その中央部外面が前記外装パネル６０に接している。各真空断熱材５０は、化学反応容器２０の周囲を４０〜７０度の範囲において覆っている。

前記真空断熱材５０の芯材は気相比率９０％前後の多孔体をシート状または板状に加工したものであり、工業的に利用できるものとして、粉体、および繊維体等がある。これらは、その使用用途や必要特性に応じて公知の材料を使用することができる。真空断熱材５０の内部は１〜２０Ｐａ程度の圧力に真空引きされていて、熱伝導率は０．００５W/(m・k)のものを厚み６ｍｍで前記第1の非真空断熱材３０の外周に配設することにより、第1の非真空断熱材３０のみで化学反応容器２０を断熱する場合と比べて断熱総厚みを半減できる。また前記真空断熱材５０の外被材に使用する金属は、ステンレス薄板が望ましいが、前記の第１の非真空断熱材３０で断熱された外側の低温部に配設されるので、ガスバリア性のラミネートフィルムを熱間シールしたものでも耐熱性は十分で、金属箔、或いは金属蒸着層を有するガスバリア性の高いラミネートフィルムが望ましい。また、ラミネートフィルムは、金属箔を有するラミネートフィルムと金属蒸着層を有するラミネートフィルムの２種類のラミネートフィルムを組み合わせて適用しても良い。

前記外装パネル６０の内側と前記化学反応容器２０の外周面との間に形成される空間の、前記第１の非真空断熱材３０及び前記真空断熱材５０が配置されている箇所以外の部位には、シート状の第２の非真空断熱材４０が多数枚積層状態で、前記部位を充填するようにして配置されている。従って、前記外装パネル６０の角部内側と前記化学反応容器２０の外周面との間に形成される前記空間の間隔の広い部位には、第１の非真空断熱材３０及び第２の非真空断熱材４０が配置されることになる。前記第2の非真空断熱材４０としては、５００℃における熱伝導率が０．１W/(m・k)のセラミックファイバー製で、耐熱温度１２００℃のものを用いた。

なお、第２の非真空断熱材４０として、グラスウール、グラスファイバーなどの自由に形状を設定できるものを用いると、前記部位に充填する作業が容易になるので、好適である。

本発明は、低コストで効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ省スペース化が図れるなど、実用性の高い水素生成装置に適用できる。

本発明の実施形態に係る水素生成装置の構成を模式的に示す縦断面図。 本発明の実施形態に係る水素生成装置の構成を模式的に示す横断面図。 従来の水素生成装置の構成を模式的に示す説明図。

符号の説明

１ 原料供給部
８ 水素ガス排出部
２０ 化学反応容器
３０、４０ 非真空断熱材
５０ 真空断熱材
６０ 外装パネル

Claims (1)

1. 炭化水素からなる原料ガスを水蒸気改質する反応により水素を生成する円筒状の化学反応容器と、
   前記化学反応容器と接続されかつ原料を化学反応容器に供給する原料供給部と、
   前記化学反応容器と接続されかつ前記化学反応容器で生成された水素を排出する水素ガス排出部と、
   前記化学反応容器を包囲する矩形筒状の外装パネルとを備え、
   前記化学反応容器の外周面全体に第１の非真空断熱材を配置し、
   前記外装パネルの側面内側と前記第１の非真空断熱材の外周面との間に形成される空間のうち間隔の狭い部位には真空断熱材が配置され、
   かつ、前記外装パネルの内側と前記化学反応容器の外周面との間に形成される空間のうち、前記第１の非真空断熱材及び前記真空断熱材が配置されている箇所以外の部位に前記第１の非真空断熱材とは材料が異なる第２の非真空断熱材を配置したことを特徴とする水素生成装置。

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