JP5062028B2 - 水素発生装置および燃料電池発電装置 - Google Patents

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、高濃度の水素が含まれた生成ガスをつくる水素発生装置およびその水素発生装置および水素発生装置でつくられた水素を利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池発電装置に関するものである。

燃料電池発電装置は、高濃度の水素を含む生成ガスをつくる水素発生装置と、水素発生装置でつくられた水素を利用して発電する燃料電池とを主たる要素として構成されている。

水素発生装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとし、原料ガスと水蒸気とを改質触媒を用いて水蒸気改質反応させることによって、水素やメタン、一酸化炭素（１０〜１５％程度）、二酸化炭素や水蒸気を成分とする改質ガスを生成する改質部と、燃料電池に対する被毒作用のある一酸化炭素を改質ガス中から除去する一酸化炭素除去部とを備えて形成されている。

ここで、燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いる場合、改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度にまで除去する必要があるため、一酸化炭素除去部は、変成触媒を用いたシフト反応により一酸化炭素を０．５％程度まで除去する変成部と、選択酸化触媒を用いて酸素と混合することで選択酸化反応により一酸化炭素を酸化させてＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する選択酸化部の、２段階の構成部で形成されるのが一般的である。

水素発生装置として、小型化、高効率化、起動性向上、運転の安定性向上、そして構造のシンプル化による低コスト化の観点から種々の装置が従来から提案されているが、小型で高効率な水素発生装置のために、改質部や一酸化炭素除去部を一体構造とするだけでなく、水蒸発部も外部に設置するのではなく触媒層に隣接一体化させた構成とし、装置内の熱を最大限利用しながら最適な熱バランス状態と運転の安定化をはかることで構造の小型化を実現し、水素発生装置のコストを低減している。

そこで、シンプルな小型の構成において水蒸発部を触媒層に隣接一体化させるため、水蒸発部に吸水部材を螺旋状に設置することで吸水部材内を流れる水を周囲の触媒層からの熱により蒸発させる構成が提案されている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
特開２００７−５５８９２号公報 特開２００８−６３１９３号公報

しかしながら、上記従来の構成では、水蒸発部内を螺旋状に隔壁を持った流路を形成しているわけではなく、水蒸発部内を同時に流れる原料ガスは吸収部材には関係なく最短流路で下流に設置した改質触媒層に向かって流れるため、蒸発した水蒸気と原料ガスの混合が促進されないだけでなく、水蒸発部内に偏った流れが生じ、周囲の触媒層との熱交換に偏りが生じて触媒温度にムラができ、安定した特性が確保できない可能性がある。

また、特許文献２は、二重の円筒で螺旋の棒材を挟み込む構成により棒材で仕切られた流路を形成することで水蒸発部としているが、製造時の条件（例えば拡管製造におけるジグ形状や拡管条件など）出しをきっちりと行わなければ、押しつけられた状態で気密性を維持している丸棒と円筒の関係が微妙に崩れて隙間が生じる可能性がある。

隙間が生じて気密性が崩れると本来の流れとは異なった短絡した流れが生じ、水蒸発部を螺旋状に流れながら周囲から受ける熱が十分に受けられずに蒸発が充分行われなかったり、周囲の触媒から奪う熱のムラが生じ、触媒に温度分布が生じて触媒特性が乱れたりする可能性があった。

本願発明は水蒸発部内の水や原料ガスの流路を明確に形成し、かつ周囲に配置した触媒層から局所的に熱を奪わずに触媒温度の安定化を図ることで、安定運転を実現する水素発生装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明にかかる水素発生装置は、原料ガスを供給する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料供給部から供給される原料ガスと前記水供給部から供給される水とを混合し、その混合ガスに含まれる水を水蒸気とする水蒸発混合部と、前記水蒸発混合部から供給される混合ガスから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層と、前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する変成触媒層と、前記変成触媒層から送出される変成ガスの一酸化炭素濃度を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒層と、を有し、前記水蒸発部は二重の円筒と前記二重の円筒にはさまれる螺旋パイプにより構成され、前記混合ガスは前記螺旋パイプ内に供給されるものとし、前記二重の円筒の内側にはバーナからの燃焼排ガスが、前記螺旋パイプ内の混合ガス流れに向流する方向に流れるものとし、前記変成触媒層と前記選択酸化触媒層とが前記水蒸発部の外側に位置し、かつ、前記変成触媒層は前記螺旋パイプ下流側に、前記選択酸化触媒層は前記螺旋パイプ上流側に位置するものである。

本発明によれば、水蒸発部内の水や原料ガスの流路を明確に形成することができるため、水蒸発部内に確実に水を導いて蒸発させ、かつ同時に原料ガスも同じ流路を流れることで蒸発した水蒸気と原料ガスの混合を促進することができる。

また、水蒸発部内で短絡した流れが生じることもなく、予定外の箇所での触媒との熱交換による触媒温度の乱れを防止し、安定運転する水素発生装置を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における水素発生装置を示すものである。燃料ガス供給部１より供給された燃料ガスと空気ファン３から供給されて空気流路２を経た空気とを混合して火炎を形成するバーナ４を有しており、バーナ４で生じた燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路１７を流れ、排気口１４より装置外に排気される。

燃焼排ガス流路１７の外側には、原料ガス供給部５からの原料ガスと水供給部６からの水が供給される螺旋パイプ８が密着した円筒９により構成された水蒸発混合部７が設けられている。水蒸発混合部７から送出される原料と水蒸気の混合ガスは、燃焼排ガス流路１７の外側で水蒸発混合部７の下部に位置する改質触媒層１０に供給される。

改質触媒層１０から送出される改質ガスは、水蒸発混合部７の外側に配置した変成触媒層１１に供給され、さらに変成触媒層１１から送出される変成ガスは、水蒸発混合部７の外側で変成触媒層１１の上部に位置する選択酸化触媒層１２に選択酸化空気供給部１５からの空気と混合された後、供給される。選択酸化触媒層１２を出た生成ガスは生成ガス出口１３より水素発生装置から一酸化炭素１０ｐｐｍ以下の高濃度の水素を含有する生成ガ
スとして送出される。

ここで、バーナ４に供給する燃料ガスや空気、水蒸発混合部７に供給する原料ガスや水、変成触媒層１１からの変成ガスに供給する選択酸化空気は、燃料ガス供給部１や空気ファン３、原料ガス供給部５、水供給部６や選択酸化空気供給部１５において制御部１６からの信号によりコントロールすることができるようになっている。

なお、燃料ガス供給部１や空気ファン３、原料ガス供給部５、水供給部６や選択酸化空気供給部１５は各々の供給物（燃料ガス、原料ガス、水、オフガスなどの可燃性ガスや空気）の流量が調整可能に構成されており、供給物の吐出流量を変更可能な供給ポンプ（駆動手段）であっても良く、また供給物の供給源と下流側の流路に設けられた供給物の流量調整用バルブとを組み合わせた流体制御機構であっても良い。

なお、バーナ４の燃焼熱を有効に利用するため、機器全体が断熱材１８で覆われている。

次に、上記構成において水素発生装置の各部動作を説明する。

バーナ４では、燃料ガスと空気との混合が行われ、その混合ガスに高電圧の放電を行う（構成を図示せず）ことで火炎を形成し、高温の燃焼排ガスをつくり出して燃焼排ガス流路１７に供給している。

水と原料が供給された水蒸発混合部７は、水蒸発混合部７の内側を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて水の蒸発が行われ、同時に水蒸発混合部７の同じ流路内を流れる原料ガスとの混合が行われ、混合ガスとして改質触媒層１０に供給される。

改質触媒層１０は内側を流れる高温の燃焼排ガスにより高温化（一般に６００〜７００℃）されており、原料ガスと水蒸気との混合ガスが供給されることで、水蒸気改質反応により水素や一酸化炭素、二酸化炭素などを含んだ改質ガスを生成する。

変成触媒層１１は内側に隣接する水蒸発混合部７との熱交換によりシフト反応に最適な温度（１５０〜３００℃）に維持され、改質ガス中の高濃度の一酸化炭素（１０〜１５％）を二酸化炭素に変えることで一酸化炭素の低濃度（０．５％前後）化を行っている。

選択酸化触媒層１２も内側に隣接する水蒸発混合部７との熱交換により選択酸化反応に最適な温度（１５０℃前後）に維持され、変成ガスに選択酸化空気供給部１５からの空気を混合することで変成ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により１０ｐｐｍ以下の極低濃度の状態を実現している。

ここで、水蒸発混合部７は螺旋パイプ８とその外に配置し螺旋パイプと密着設置した円筒９とにより構成されている。原料ガスと水が流れる流路がパイプで構成されているため、確実に所定箇所に導かれて流れ、蒸発の安定化と混合の促進を実現する事ができる。

また、螺旋パイプ８と変成触媒層１１や選択酸化触媒層１２の間に円筒９を設置することで、各触媒層から螺旋パイプ８近傍が局所的に熱を奪うのではなく、円筒９内の熱伝導を介して広い範囲の触媒から熱を奪う事ができるため、変成触媒層１１や選択酸化触媒層１２が局所的に冷やされることなく、触媒層全体を適正な温度に制御することが可能となる。

ここで、螺旋パイプは原料ガスと水、さらに水が蒸発した水蒸気が流れるため、ある程
度の断面積が必要（例えば、φ１０〜３０の断面積）である。しかし、円環のパイプのままでは、φ３０のパイプを円筒状の水素装置内に設置しようとすると、装置の半径方向への自由度が取れずに径が大きな水素発生装置となる可能性がある。

また螺旋パイプ８の外側の円筒９との密着性も線接触となるため、伝熱面積が非常に狭い状態となり、熱交換性の悪い状態となる。したがって、円筒９の内側に円環の螺旋パイプを配置した状態で、内側から力を加えて円環の螺旋パイプ８を円筒９に押しつけながら変形させて螺旋パイプ８の断面形状を、円筒９の軸方向の長さより、円筒９の半径方向の長さが短くなるようにすれば、ほぼ円形のときと同じぐらいの断面積を有し、また円筒９との密着性を向上させた螺旋パイプ８が形成される。

なお、螺旋パイプ８と円筒９との密着性をさらに向上させるため、ロウ付けや溶接を用いて螺旋パイプ８と円筒９を接合しても良い。
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における水素発生装置を示すものである。実施の形態１における水蒸発混合部７の構成が異なっている。

水蒸発混合部２０は、円筒９の軸方向の長さより、円筒９の半径方向の長さが短くなるようにした螺旋パイプ８が円筒９と円筒１９にはさまれた構成となっている。この構成では、水蒸発混合部２０を製造するとき、円筒１９に円環のパイプを引っ張って変形させながら円筒１９に螺旋状に巻き付けたり、円筒１９の外側に螺旋パイプを配置して外側から力を加えて円筒１９に円環のパイプを変形させたりして押しつけ、その後、触媒層との隔壁となる円筒９を螺旋パイプ８の外側に密着配置することができる。

内側の円筒１９に沿って燃焼排ガスが流れるため、燃焼排ガスの流れに乱れが生じにくく、かつ変成触媒層１１および選択酸化触媒層１２に面する外側の円筒９に燃焼排ガスが直接触れるのを防止することができる。

螺旋パイプ８への円筒９の密着方法は、円筒９を高温化して大きくして螺旋パイプ８へはめ込む焼き嵌めや、螺旋パイプ８にロウ材を置いた状態で円筒９を配置して高温化してロウ付けする方法などが考えられる。

実施の形態１、実施の形態２のどちらを採用するかは、水素発生装置の水蒸発混合部周辺の構成やサイズ、製造力等に応じて、より良い方を選択すれば良い。

本発明の水素発生装置は、水の蒸発と混合の促進することにより、水素の安定した供給を小型で高効率、低コストで提供できる機器を実現するもので、例えば、家庭用の燃料電池システムへの水素含有の生成ガスを供給する装置として有用である。

本発明の実施形態１における水素発生装置の概略構成図 本発明の実施形態２における水素発生装置の概略構成図

１ 燃料ガス供給部
２ 空気流路
３ 空気ファン
４ バーナ
５ 原料ガス供給部
６ 水供給部
７ 水蒸発混合部
８ 螺旋パイプ
９ 円筒
１０ 改質触媒層
１１ 変成触媒層
１２ 選択酸化触媒層
１３ 生成ガス出口
１４ 排気口
１５ 選択酸化空気供給部
１６ 制御部
１７ 燃焼排ガス流路
１８ 断熱材
１９ 円筒
２０ 水蒸発混合部

Claims (3)

1. 原料ガスを供給する原料供給部と、
   水を供給する水供給部と、
   前記原料供給部から供給される原料ガスと前記水供給部から供給される水とを混合し、その混合ガスに含まれる水を水蒸気とする水蒸発混合部と、
   前記水蒸発混合部から供給される混合ガスから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層と、
   前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する変成触媒層と、
   前記変成触媒層から送出される変成ガスの一酸化炭素濃度を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒層と、
   を有し、
   前記水蒸発部は二重の円筒と前記二重の円筒にはさまれる螺旋パイプにより構成され、前記混合ガスは前記螺旋パイプ内に供給されるものとし、
   前記二重の円筒の内側にはバーナからの燃焼排ガスが、前記螺旋パイプ内の混合ガス流れに向流する方向に流れるものとし、
   前記変成触媒層と前記選択酸化触媒層とが前記水蒸発部の外側に位置し、かつ、前記変成触媒層は前記螺旋パイプ下流側に、前記選択酸化触媒層は前記螺旋パイプ上流側に位置する水素発生装置。
2. 前記螺旋パイプは、その断面形状が、前記円筒の軸方向の長さより、前記円筒の半径方向の長さが短い請求項１記載の水素発生装置。
3. 請求項１または２に記載の水素発生装置を搭載した燃料電池発電装置。