JP5060851B2 - 水素分離膜型ｌｐガス改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、改質反応により炭化水素化合物から水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質システムに関し、特に液化石油ガス(ＬＰガス)を改質したガスから水素を選択的に透過する水素分離膜を用いて水素ガスを取り出す水素分離膜型ＬＰガス改質装置に関する。

燃料ガスとなる水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池では、改質反応により炭化水素化合物及び水から生成された水素を燃料ガスとして利用する方法がある。このように改質反応により炭化水素化合物及び水から水素を生成する従来の燃料改質システムとして、水蒸気改質反応を行う改質器と、その改質反応で得られた生成物から水素を分離して取り出す水素分離膜を備えたものが提供されている。
特開２００５-３３６００３号公報

しかし、前述の燃料改質システムでは、炭化水素化合物を水蒸気改質する改質器から導出された水素含有改質ガスを水素分離膜を装着した反応器に供給することで、水素含有改質ガス中の水素ガスと、反応器内で水素含有改質ガスから生成した水素ガスとを分離回収するようにしているが、反応器内の上下方向で加熱温度にばらつきが生じ、水素回収効率を充分高く得ることができないという課題があった。

本発明は、このような点に着目して、小型で高濃度の水素ガスを効率よく得ることのできる水素分離膜型ＬＰガス改質装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、ケーシング内に炭化水素を燃料として水蒸気改質を行う改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中の水素を選択的に透過する水素分離膜を有する反応器を備えた水素分離膜型ＬＰガス改質装置において、燃焼バーナを取り囲む状態で筒状の改質器を配置し、この改質器の外側で改質器中心軸を軸芯とする同心円上に複数の反応器を位置させて配置し、筒状に形成された改質器の上端開口部を反応器の高さ方向中間位置に開口させるとともに、改質器の上端開口部の上側に邪魔板を所定の間隔を隔てて配置し、炭化水素源として液化石油ガスを使用したことを特徴としている。

請求項２に記載の本発明は、請求項１の発明において、筒状に形成された改質器の高さをその外周に配置した反応器の高さに対して１／３〜２／３の範囲の高さに形成したものであり、請求項３に記載の本発明は、請求項１または２に記載の発明において、改質器の上端開口部と邪魔板との間隔寸法が、改質器の開口部直径に対して１／４程度の寸法を有していることを特徴とし、請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれかに記載の発明において、邪魔板の形状を中央部に孔を有する円盤、笠状、皿状のいずれかに形成したことを特徴としている。

請求項５に記載の本発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、改質器と反応器とを収容しているケーシングの外側を外構体で包皮し、ケーシングと外構体との間を二次燃焼用空気通路に形成するとともに、外構体の外面に断熱材を配置したことを特徴とし、請求項６に記載の本発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、改質器に液化石油ガスとともに供給する水蒸気を、反応器から排出されるオフガス、反応器から導出される水素ガス、燃焼バーナからの燃焼排ガスとそれぞれ熱交換することで過熱水蒸気にすることを特徴としている。

請求項１に記載の本発明では、燃焼バーナを取り囲む状態で筒状の改質器を配置し、この改質器の外側で改質器中心軸を軸芯とする同心円上に複数の反応器を位置させて配置し、筒状に形成された改質器の上端開口部を反応器の高さ方向中間位置に開口させるとともに、改質器の上端開口部の上側に邪魔板を所定の間隔を隔てて配置してあることから、燃焼排ガスを水素分離膜を備えた反応器の中間位置に作用させることができ、水素分離膜を備えた反応器での上下方向での温度差を縮小できる。これにより、反応器内での二次改質を効率よく行うことができるうえ、反応器内での水素分離膜による水素分離効率が高まり、高い取出し効率で水素を取り出すことができる。

さらに、炭化水素源として液化石油ガスを使用していることから、液化石油ガスの気化圧を水素の透過に必要な圧力をコンプレッサ等の与圧装置を使用することなく確保することができ、装置の全体としての構成を簡素化することができる。

請求項２に記載の発明のように、改質器の高さをその外周に配置した反応器の高さに対して１／３〜２／３の範囲の高さに形成した場合には、反応器の上下方向中央部から上下方向に燃焼排ガスを作用させることができることから、反応器での上下方向での温度差をより少なくすることができる。

さらに、請求項３に記載の発明のように、改質器の上端開口部と邪魔板との間隔寸法が、改質器の開口部直径に対して１／４程度の寸法とした場合には、改質器の開口面積と改質器と邪魔板とで形成される隙間の周面積とが略等しくなることから、燃焼排ガスの流れを乱すことなく、反応器方向に排ガスを流すことができるから、排ガスの保有熱量を効率よく反応器に伝達することができる。

請求項５に記載の本発明では、改質器と水素分離膜を備えた反応器とを収容しているケーシングの外側を外構体で包皮し、ケーシングと外構体との間を二次燃焼用空気通路に形成するとともに、外構体の外面に断熱材を配置していることから、改質装置としての輻射放熱を極力減少させて、熱の有効利用を図ることができる。

また、請求項６に記載の発明のように、改質器に液化石油ガスとともに供給する水蒸気を、反応器から排出されるオフガス、反応器から導出される水素ガス、燃焼バーナからの燃焼排ガスとそれぞれ熱交換することで過熱水蒸気とするようにした場合には、熱の有効利用をさらに図ることができる。

図面は本発明の一実施形態を示し、図１は装置全体の概略構成図、図２は筒型改質器と邪魔板との関係を示す説明図である。
この改質装置(１)は、改質触媒(２)を充填した筒型改質器(３)と、この筒型改質器(３)の内周壁で形成される空間(４)に配置されている燃焼バーナ(５)と、筒型改質器(３)の外側空間に筒型改質器(３)を取り囲む状態で２基の反応器(６)を筒状改質器(３)の中心軸を軸芯とする同心円上に位置させて配置し、これら燃焼バーナ(５)、筒型改質器(３)、両反応器(６)を上から覆う内側隔壁(７)と、上部に燃焼排ガス排出筒(８)を有し内側隔壁(７)の外周に位置するケーシング(９)と、このケーシング(９)の外側に所定の間隔を隔てて配置した外構体(10)とで炉体としている。
なお、反応器(６)は膜厚５μｍ以下のパラジウム合金からなる水素分離膜(11)で内部を区画し、筒状改質器(３)に連通する側の区画室には改質触媒が充填してある。

内側隔壁(７)とケーシング(９)との間に形成される空間は、内側隔壁(７)の下端部で内側隔壁(７)の内部空間と連通しており、燃焼排ガス流路(12)に形成してある。また、外構体(10)の上部には燃焼二次空気の取り入れ口(13)が開設してあり、ケーシング(９)と外構体(10)との間の空間を燃焼二次空気の流通路(14)に形成してある。そして、この燃焼二次空気の流通路(14)は筒型改質器(３)の下端部通して筒型改質器(３)の内周壁で形成される空間(４)に連通させてある。なお、外構体(10)の外面には断熱材(図示略)が張設してあり、輻射放熱を抑制している。

筒型改質器(３)は、その上端開口が、反応器(６)の高さ方向での１／３〜２／３の位置で開口するように形成してあり、筒型改質器(３)の開口部の上側に邪魔板(15)が所定寸法隔てて配置してある。この邪魔板(15)はその中央部に燃焼排ガスの一部を抜き出す小径のガス抜き孔(16)を形成した環状平板で形成してあり、その直径は筒型改質器(３)の開口部全体を覆う大きさに形成してある。

また、筒型改質器(３)と邪魔板(15)とは、筒型改質器(３)の開口面積(Ｓ１)と筒型改質器(３)の開口端と邪魔板(15)との間の隙間で形成される周面積(Ｓ２)とが等しくなるように筒型改質器(３)の上端面と邪魔板(15)の下面との離隔寸法(ｈ)を設定してある。このように、筒型改質器(３)の開口面積(Ｓ１)と筒型改質器(３)の開口端と邪魔板(15)との間の隙間で形成される周面積(Ｓ２)とを等しくなるように設定すると、筒型改質器(３)の内筒で形成される空間(４)内からの燃焼排ガスの流出が確実となる。
すなわち、筒型改質器(３)の開口部の直径を(Ｄ)とした時、
Ｓ１＝(πＤ^２)／４ , Ｓ２＝πＤｈ
であるから、
ｈ ＝ Ｄ／４
でとなり、その隔離寸法(ｈ)は開口部の直径(Ｄ)の１／４となる。

このような構成からなる改質装置(１)では、燃焼バーナ(５)に助燃用ＬＰガスと後述するオフガスとを供給して燃焼させる。このとき、燃焼に必要な空気は助燃用ＬＰガスとともに供給した一次燃焼空気と、ケーシング(８)と外構体(10)との間に形成した燃焼二次空気流通路(14)から供給した燃焼二次空気でまかなう。

一方、筒型改質器(３)には、液化石油ガス貯蔵容器(図示略)からの液化石油(ＬＰ)ガスを気化・脱硫させることで得た原料ガスと水蒸気とが導入される。そして、前述の燃焼バーナ(５)での燃焼熱を利用して加熱された筒型改質器(３)内の改質触媒に導入されたＬＰガスと水蒸気とを作用させて、改質ガスを生成する。

筒型改質器(３)で改質された一次改質ガスは、改質ガス導出路(17)で反応器(６)に案内される。反応器(６)に案内された改質ガスは、反応器(６)内で二次改質され、改質ガス中にさらに水素が生成される。そして、反応器(６)内の水素分離膜で水素ガスとオフガスとに分離され水素ガスを取り出す。このとき反応器(６)には筒型改質器(３)の上端面と邪魔板(15)との間の隙間から放出される燃焼排ガスがその上下方向中間部分に作用し、反応器(６)の外周面に沿って上下に流れることになるから、反応器(６)内での上下方向での温度差が小さくなり、反応器(６)内に収容されている改質触媒での改質反応効率及び水素分離膜での水素分離効率を高めることができる。

反応器(６)を加熱した後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路(12)を通って燃焼排ガス排出筒(８)から外部に放出される。燃焼排ガスはこの燃焼排ガス流路(12)を流れる間に、燃焼排ガス流路(12)の壁面を構成しているケーシング(９)を介して燃焼二次空気流通路(14)を流れる燃焼二次空気と熱交換して、燃焼二次空気を加熱する。このとき、筒型改質器(３)や反応器が(６)が配置されている内側隔壁(７)の内側空間と燃焼排ガス流路(12)とを連通する連通口は内側隔壁(７)下端部であり、燃焼排ガス排出筒(８)はケーシング(９)の上部に形成されていることから、燃焼排ガス流路(12)内を流れる燃焼排ガスは上昇流となる。一方、燃焼二次空気流通路(14)はその上部に燃焼二次空気の取り入れ口(13)を有し、筒型改質器(３)の底部に燃焼二次空気を供給するように形成してあることから、燃焼二次空気流通路(14)を流れる燃焼二次空気は下降流となる。この結果、燃焼排ガスと燃焼二次空気とは向流となることから確実に熱交換して燃焼二次空気を加熱することができる。

反応器(６)から取り出されたオフガスには、メタンや一酸化炭素等の可燃性成分が残留していることから、このオフガスを気液分離器(18)で気液分離した後、前記したように、助燃用ＬＰガス、一次燃焼空気とともに燃焼バーナ(５)へ送給する。

また、反応器(６)から取り出されたオフガスや水素ガスはそれぞれ大きな熱量を保有していることから、オフガス導出路(19)での気液分離器(18)よりも上流側と、水素ガス取出路(20)とにそれぞれ熱交換器(21)(22)をそれぞれ配置するとともに、燃焼排ガス流路(12)内にも熱交換器(23)を配置し、水蒸気改質用の原料水をオフガス導出路(19)での熱交換器(21)、水素ガス取出路(20)での熱交換器(22)、燃焼排ガス流路(12)での熱交換器(23)に通して熱交換することで過熱水蒸気を得るようにしてある。なお、各熱交換器(21)(22)(23)の形式にはこだわらない。

なお、上記実施形態では、筒型改質器(３)の開口部の上側に配置した邪魔板(15)として、環状平板で形成したが、邪魔板(15)の形状としては、中央に孔のある笠状(へ字型)、皿状(Ｖ字型)であってもよい。

また、上記実施形態では、２基の反応器(６)をバーナ(５)を中心とする同心円上に配置しているが、必要な透過水素量に応じて反応器(６)は３基以上配置するようにしてもよい。

［実施例１］
一般に１kW級の固体高分子型燃料電池を用いた発電においては、インバータ効率を入れた発電効率で４２％(ＨＨＶ)を見通すには、濃度９５〜１００％の水素が６７０NL／hr以上(１００％換算)必要とされる。
システムの起動性を確認するため、燃料としてＬＰガスのみの燃焼による運転試験を行った。筒型改質器(３)の高さを反応器(６)の高さの半分とし、原料としてＬＰガスを１９０ｇ／hr、Ｓ／Ｃ＝２.８、反応圧力０.５３ＭＰａ・Ｇにて筒型改質器(３)に導入し、燃料としてＬＰガスのみ１,１００kcal／hrを用いて空燃比２.４で燃焼させると、

という結果を得ることができ、システムの立ち上げ時も問題なく必要な量の水素製造が行われることが確認できた。そして、反応器の上部と中央部との間の温度差は１０℃、反応器の上部と下部との温度差は７５℃(中央部と下部との温度差は８５℃)であった。

［実施例２］
システムの定格運転を想定して、オフガスをリサイクル燃焼させた運転試験を行った。
筒型改質器(３)の高さを反応器(６)の高さの半分とし、原料としてＬＰガスを２１０ｇ／hrに増量し、Ｓ／Ｃ＝２.８、反応圧力０.５３ＭＰａ・Ｇにて筒型改質器(３)に導入し、燃料として実オフガス１,０１４kcal／hrを用いて空燃比１.４で燃焼させると、

という結果を得ることができ、１kW級の燃料電池を用いた発電に必要な水素量を確保することができた。そして、反応器の上部と中央部との間の温度差は１２℃、反応器の上部と下部との温度差は６７℃(中央部と下部との温度差は７９℃)であった。

［比較例１］
筒型改質器(３)の高さを反応器(６)より高くし、原料としてのＬＰガスを１９０ｇ／hr、Ｓ／Ｃ＝２.８、反応圧力０.５３ＭＰａ・Ｇ、にて筒型改質器(３)に導入し、燃料としてＬＰガスのみを用いて空燃比２.０で燃焼させると、

という結果を得た。そしてこの場合、反応器の上部と中央部との間の温度差は７５℃、反応器の上部と下部との間の温度差は１３０℃(中央部と下部との温度差は５５℃)であった。

本発明に係る水素分離膜型ＬＰガス改質装置は、燃料電池の水素供給源として使用することができる。

一実施形態での装置全体の概略構成図である。 図１での筒型改質器と邪魔板との関係を示す説明図である。

符号の説明

３…改質器、５…燃焼バーナ、６…反応器、９…ケーシング、10…外構体、11…水素分離膜、14…二次燃焼用空気通路、15…邪魔板、16…ガス抜き孔、Ｄ…改質器の開口部直径、ｈ…改質器と邪魔板との間隔寸法。

Claims (6)

1. ケーシング(９)内に炭化水素を燃料として水蒸気改質を行う改質器(３)と、前記改質器(３)で生成された水素含有改質ガス中の水素を選択的に透過する水素分離膜(11)を有する反応器(６)を備えた水素分離膜型ＬＰガス改質装置において、
   燃焼バーナ(５)を取り囲む状態で筒状の改質器(３)を配置し、この改質器(３)の外側で改質器中心軸を軸芯とする同心円上に複数の反応器(６)を位置させて配置し、筒状に形成された改質器(３)の上端開口部を反応器(６)の高さ方向中間位置に開口させるとともに、改質器(３)の上端開口部の上側に邪魔板(15)を所定の間隔を隔てて配置し、炭化水素源として液化石油ガスを使用したことを特徴とする水素分離膜型ＬＰガス改質装置。
2. 改質器(３)の上端開口部の位置が、反応器(６)の高さの１／３〜２／３の範囲にある請求項１に記載した水素分離膜型ＬＰガス改質装置。
3. 改質器(３)の上端開口部と邪魔板(15)との間隔寸法(ｈ)が、改質器(３)の開口部直径(Ｄ)に対して１／４程度の寸法を有している請求項１または２に記載した水素分離膜型ＬＰガス改質装置。
4. 邪魔板(15)が中央部にガス抜き孔(16)を有する円盤、笠状、皿状のいずれかである請求項１〜３のいずれか１項に記載した水素分離膜型ＬＰガス改質装置。
5. ケーシング(９)の外側を外構体(10)で包皮し、ケーシング(９)と外構体(10)との間を二次燃焼用空気通路(14)に形成するとともに、外構体(10)の外面に断熱材を配置した請求項１〜４のいずれか１項に記載した水素分離膜型ＬＰガス改質装置。
6. 改質器(３)に液化石油ガスとともに供給する水蒸気を、反応器(６)から排出されるオフガス、反応器(６)から導出される水素ガス、燃焼バーナ(５)からの燃焼排ガスとそれぞれ熱交換することで過熱水蒸気にする請求項１〜５のいずれか１項に記載した水素分離膜型ＬＰガス改質装置。

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