JP5534901B2 - 水素製造装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素製造装置及び燃料電池システムに関する。

従来の水素製造装置としては、バーナを用いて灯油や液化石油ガス、都市ガス等の原燃料を水蒸気改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する筒状の改質部と、改質部に原燃料及び水蒸気の混合流体を供給するフィード部と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような水素製造装置は、例えば燃料電池システムに用いられ、生成した改質ガスを燃料電池スタックに供給して発電を行う。

特開２００９−２８０４０８号公報

ここで、上述したような水素製造装置では、例えば水蒸発器において水が安定して蒸発し難く、水と水蒸気とを混合する混合器に対する水蒸気の供給が安定しないため、又は混合器の性能不良のため、混合流体中の原燃料及び水蒸気の混合が不充分となり易い。このことから、場合によっては、改質部の改質触媒においてコーキング（触媒表面に炭素が析出すること）が発生してしまうおそれがある。

また、上述したような水素製造装置では、例えば原燃料用の供給ポンプに悪影響が及ぶのを防ぐため、水蒸発器の圧力変動に伴う原燃料の供給圧力の変動を抑制することが望まれている。

そこで、本発明は、原燃料及び水蒸気を充分に混合させることができ、且つ原燃料の供給圧力の変動を抑制することが可能となる水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る水素製造装置は、バーナを用いて原燃料及び水蒸気を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する筒状の改質部と、改質部に原燃料及び水蒸気の混合流体を供給するフィード部と、を備え、フィード部は、改質部の軸に沿う柱状空間である第１バッファ部と、第１バッファ部に隣接するよう設けられ、改質部の軸に沿う柱状空間である第２バッファ部と、を有しており、第１及び第２バッファ部を仕切る仕切壁の中心部には、混合流体が流通する流通口が設けられ、第２バッファ部内には、原燃料及び水蒸気を混合させて混合流体を生成する混合部が配設され、混合部は、軸に沿って設けられ第２バッファ部に接続された外管と、外管内にて軸に沿って設けられ第２バッファ部内に所定長突出する内管と、を含んでおり、外管を流通した水蒸気に内管を流通した原燃料を合流させることで混合流体を生成し、内管の端部には、フランジ部が形成されていることを特徴とする。

この水素製造装置では、混合流体が第２バッファ部によって好適に拡散（分散）されて混合された後、第１バッファ部によっても好適に拡散されて混合され、そして、この混合流体が改質部に供給される。このとき、混合流体は、流通口で一度縮小された後、第１バッファ部で膨張されることから、好適に乱れ且つ拡散されて混合される。従って、原燃料及び水蒸気を充分に混合させることが可能となる。加えて、混合部が第２バッファ部内に配設されていることから、原燃料及び水蒸気が混合される際の水蒸気の圧力変動（蒸発振動）が第２バッファ部で吸収されて緩和されるため、かかる圧力変動の悪影響が原燃料へ及ぶのを抑制することができる。従って、原燃料の供給圧力の変動を抑制することが可能となる。また、内管の端部には、フランジ部が形成されているので、第２バッファ部において水蒸気がすぐに第１バッファ部へと流通してしまうことを抑制できる（つまり、水蒸気を第２バッファ部に一時的に滞留し易くできる）。よって、原燃料及び水蒸気を一層充分に混合させることが可能となる。また、水蒸気のみを大きな空間に一度供給した後に、次の空間で原燃料を供給し混合するため、水蒸発の圧力変動の影響を原燃料に対して小さくできる。

また、改質部に囲繞されるよう設けられ、改質部の軸に沿う柱状空間であるバーナ燃焼室を備え、第１バッファ部は、燃焼室に隣接するよう設けられていることが好ましい。この場合、バーナ燃焼室に第１バッファ部が隣接していることから、第１バッファ部及び第２バッファ部でバーナの燃料熱を好適に利用することができ、原燃料及び水蒸気を一層充分に気化させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素製造装置と、水素製造装置によって生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする。

この燃料電池システムにおいても、上記水素製造装置を備えているため、原燃料及び水蒸気を充分に混合させ且つ原燃料の供給圧力の変動を抑制するという上記効果が奏される。

本発明によれば、原燃料及び水蒸気を充分に混合させることができ、且つ原燃料の供給圧力の変動を抑制することが可能となる。

一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。 図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。 図１の水素製造装置のフィード部周辺を拡大して示す概略正面端面図である。 図１の水素製造装置の変形例におけるフィード部周辺を拡大して示す概略正面端面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、図面の上下方向に対応するものであり便宜的なものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。図１に示すように、水素製造装置（ＦＰＳ：Fuel Processing System）１は、例えば家庭用の燃料電池システム１００において水素供給源として利用されるものである。ここでの水素製造装置１は、原燃料として石油系炭化水素が用いられ、水素を含有する改質ガスをセルスタック（燃料電池スタック）２０に供給する。

なお、原燃料としては、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料、天然ガス、都市ガスを用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスのほか、ナフサ、軽油などを原燃料として使用することができる。また、セルスタック２０としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いてもよい。

図２は、図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。図１，２に示すように、水素製造装置１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形の脱硫部２と、中心軸を軸Ｇとする円柱状外形の本体部３と、を備え、これらが筐体４に収容されている。また、筐体４内において脱硫部２及び本体部３の周囲には、粉状の断熱材（不図示）が充填されて断熱されている。

脱硫部２は、外部から導入された原燃料を脱硫触媒によって脱硫して硫黄分を除去し、この原燃料を後述のフィード部５へ供給する。脱硫部２は、筐体４の側板４ｘにパイプ２１で固定され、本体部３の上部を所定の隙間を有して囲繞するよう保持されている。なお、脱硫部２は、本体部３に固定されてもよい。本体部３は、フィード部５、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８及び蒸発部９を備え、これらが一体で構成されている。この本体部３は、筐体４の床板４ｙに筒状のステー２２により固定され保持されている。

フィード部５は、脱硫部２で脱硫した原燃料及び水蒸気（スチーム）を合流・混合させて混合ガス（混合流体）を生成する混合部５ｘを有しており、生成した混合ガスを改質部６に供給する。改質部（ＳＲ：Steam Reforming）６は、フィード部５により供給された混合ガスを改質触媒（改質触媒部）６ｘによって水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをシフト反応部７へ供給する。

この改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、脱硫部２の筒内に位置するよう本体部３の上端側に設けられている。また、改質部６は、水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、改質部６の改質触媒６ｘを加熱するための熱源としてバーナ１０を利用している。

バーナ１０では、外部から原燃料がバーナ燃料として供給されて燃焼される。このバーナ１０は、本体部３の上端部に設けられ軸Ｇを中心軸とする燃焼筒１１に、バーナ１０による火炎が取り囲まれるよう取り付けられている。なお、バーナ１０においては、脱硫部２で脱硫した原燃料の一部が、バーナ燃料として供給されて燃焼される場合もある。

シフト反応部７は、改質部６から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるためのものであり、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。ここでのシフト反応部７は、低温（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部（ＬＴＳ：Low Temperature Shift）１３を有している。

低温シフト反応部１３は、改質部６から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低温シフト触媒１３ｘによって低温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端側に配設されている。この低温シフト反応部１３は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを改質ガス配管１４ｘを介して選択酸化反応部８へ供給する。

選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential Oxidation）８は、低温シフト反応部１３で低温シフト反応させた改質ガス中のＣＯ濃度をさらに低下させる。これは、セルスタック２０に高濃度の一酸化炭素を供給すると、セルスタック２０の触媒が被毒して大きく性能低下するためである。この選択酸化反応部８は、具体的には、改質ガス中の一酸化炭素と空気配管１５を介して導入される空気とを選択酸化触媒８ｘで反応させて選択的に酸化し、二酸化炭素に転換する。

この選択酸化反応部８は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端から所定長上端側に該本体部３の最外周側を構成するよう配設されている。この選択酸化反応部８は、ＣＯ濃度をさらに低下させた改質ガスを、改質ガス配管１４ｙを介して外部へ導出する。

蒸発部９は、熱交換部１６から供給された水を内部に貯留させると共に、この水を低温シフト反応部１３、選択酸化反応部８及び排ガス流路Ｌ１から移動させた（低温シフト反応部１３、選択酸化反応部８及び排ガスを冷却して得た）熱で気化させて水蒸気を生成する。蒸発部９は、ジャケット型のものであり、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈している。この蒸発部９は、低温シフト反応部１３の径方向外側で且つ選択酸化反応部８の径方向内側（つまり、シフト反応部７と選択酸化反応部８との間）に位置するよう配設されている。蒸発部９は、生成した水蒸気をフィード部５の混合部５ｘに水蒸気配管１７ｚを介して供給する。

このような水素製造装置１では、まず、バーナ燃料及びセルスタック２０からのオフガス(セルスタック２０で反応に使用されない残ガス)の少なくとも一方と空気とがバーナ１０に供給されて燃焼され、かかる燃焼によって改質触媒６ｘが加熱される。そして、バーナ１０の排ガス（排気ガス）が排ガス流路Ｌ１及びガス配管１８を流通して外部へ排気される。

これと共に、脱硫部２で脱硫された原燃料と蒸発部９からの水蒸気とが混合部５ｘで混合され、混合ガスが生成される。この混合ガスは、改質部６に供給されて改質触媒６ｘで水蒸気改質され、これにより、改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスは、シフト反応部７によってその一酸化炭素濃度が例えば１％以下程度まで低下され、選択酸化反応部８によってその一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下まで低下された後、熱交換部１６で冷却され、後段のセルスタック２０へ導出される。

次に、本実施形態のフィード部５の周辺構成について、より詳細に説明する。

図３は、図１の水素製造装置のフィード部周辺を拡大して示す概略正面端面図である。図３に示すように、フィード部５は、改質部６において混合ガスの導入口側である下方側へと該混合ガスを供給する。

改質部６は、その外囲を構成するものとして、円筒状（円管状）の内筒壁６１及び外筒壁６２を有している。内筒壁６１は、燃焼筒１１を覆うよう軸Ｇ方向に延在し、外筒壁６２は、内筒壁６１の径方向外側で軸Ｇ方向に延在している。これら内筒壁６１及び外筒壁６２の間には、円筒状の中間筒壁６３が設けられている。中間筒壁６３と内筒壁６１との間には、軸Ｇを中心軸とする円筒状の改質触媒６ｘが配設されている。

これにより、図２，３に示すように、改質部６においては、下方側から供給され上方に向けて流通された混合ガスが改質触媒６ｘにより改質されて改質ガスが生成され、そして、この改質ガスは、下方へ向けて折り返され、外筒壁６２及び中間筒壁６３の間を流通される。

ここで、本実施形態のフィード部５は、第１バッファ部４１及び第２バッファ部４２を有している。図３に示すように、第１バッファ部４１は、軸Ｇを中心軸とする略円柱形状のスペース部であって、改質部６の筒内で且つバーナ燃焼室１９の下方側（軸Ｇ方向の一方側）に隣接配置されている。バーナ燃焼室１９は、バーナ１０（図２参照）の燃焼空間を構成するものであり、軸Ｇを中心軸とする円柱状空間とされ、改質部６に囲繞されるよう該改質部６の筒内に配設されている。

この第１バッファ部４１の上部は、円板状壁３３により画設されている。円板状壁３３は、改質部６の内筒壁６１の下端に該内筒壁６１の筒内を閉塞するように設けられている。なお、この内筒壁６１の筒内における円板状壁３３で閉塞された空間が、上記バーナ燃焼室１９を構成する。一方、第１バッファ部の下部は，円板状壁３４により画設されている。円板状壁３４は、改質部６の中間壁６３に、該中間壁６３の筒内を閉塞するように設けられている。これにより、第１バッファ部４１は、その外周部が改質部６の下端部と連通される。

第２バッファ部４２は、軸Ｇを中心軸とする略円柱形状のスペース部であって、第１バッファ部４１の下方側に隣接配置されている。この第２バッファ部４２の上部は、上記円板状壁３４により画設されている。つまり、上記円板状壁３４は、第１及び第２バッファ部４１，４２を仕切る仕切壁を構成する。一方、第２バッファ部４２の下部は、円板状壁３５により画設されている。円板状壁３５は、中間壁６３に該中間壁６３の筒内を閉塞するように設けられている。

また、円板状壁３４の中心部（軸Ｇ位置）には、混合ガスが流通するものとして、断面円形状を呈する流通口Ｏが形成されている。これにより、第１及び第２バッファ部４１，４２が互いに連通されている。

さらに、第２バッファ部４２内には、混合部５ｘが配設されている。混合部５ｘは、軸Ｇに沿って設けられ第２バッファ部４２に接続された上記水蒸気配管（外管）１７ｚと、この水蒸気配管１７ｚ内で軸Ｇに沿って設けられた上記燃料配管（内管）３７と、を含んでいる。燃料配管３７は、第２バッファ部４２内に所定長突出するように設けられ、その端部には、径方向外側に突出するフランジ部３６が形成されている。この混合部５ｘにおいては、水蒸気配管１７ｚを流通した水蒸気に燃料配管３７を流通した原燃料が合流されて混合ガスが生成される。

以上のように構成された本実施形態のフィード部５では、まず、水蒸気配管１７ｚによって水蒸気が第２バッファ部４２に供給されると共に、燃料配管３７によって原燃料が第２バッファ部４２に供給される。これにより、水蒸気及び原燃料が互いに合流されて混合され、混合ガスが生成される。このとき、水蒸気配管１７ｚから流出する水蒸気は、フランジ部３６に沿って流れる（周方向内側から外側へ流れた後、内側に折り返して流れる）ため、第１バッファ部４１にすぐに流入されないようになっている。また、燃料配管３７から流出する原燃料が液体燃料の場合には、水蒸気の潜熱を利用して確実に気化される。そして、この混合ガスは、第２バッファ部４２内にて拡散（分散）されて混合される。

その後、混合ガスは、流通口Ｏを介して第１バッファ部４１に流入される。このように流通口Ｏを介して第１バッファ部４１に混合ガスを流入させる場合、一部に水蒸気及び原燃料を集合させる効果と、混合ガスが一度縮小された後に膨張される効果とにより、混合ガスが好適に乱れ且つ拡散されて混合される。

そして、この混合ガスにあっては、第１バッファ部４１内において、軸Ｇ位置から径方向外側に放射線状に拡がって流れてさらに拡散されて混合された後、改質部６の下端側に供給される。このとき、第１バッファ部４１がバーナ燃焼室１９に隣接していることから、第１バッファ部４１内でバーナ１０の燃料熱が利用され、原燃料及び水蒸気が充分に気化される。

以上、本実施形態では、上述したように、第１及び第２バッファ部４１，４２によって混合ガスを好適に拡散させて混合できると共に、流通口Ｏによる混合ガスの縮小及び膨張によって該混合ガスを好適に乱れ且つ拡散できる。さらに、第１バッファ部４１内で燃料熱を利用し、混合ガス中の原燃料及び水蒸気を充分に気化できる。従って、原燃料及び水蒸気を充分に混合させることが可能となり、ひいては、改質触媒６ｘの高寿命化、及び均一な改質ガスの生成を実現できる。

加えて、混合部５ｘが第２バッファ部４２内に配設されていることから、原燃料及び水蒸気が混合される際、水蒸気の圧力変動（蒸発振動）が第２バッファ部４２によって吸収されて緩和される。そのため、かかる圧力変動の悪影響が原燃料へ及ぶのを抑制することができ、原燃料の供給圧力の変動を抑制することが可能となる。その結果、フィードポンプ等の原燃料供給ポンプの損傷を防止することができる。

また、本実施形態では、上述したように、燃料配管３７の端部にフランジ部３６が形成されていることから、第２バッファ部４２において水蒸気がすぐに第１バッファ部４１へと流通してしまうことを抑制でき（つまり、水蒸気を第２バッファ部４１に一時的に滞留し易くでき）、原燃料及び水蒸気を一層充分に混合させることが可能となる。

また、フランジ部３６がバーナ燃焼室１９に対向するよう拡がっているため、バーナ燃焼室１９の熱が熱輻射によって低温シフト反応部１３側へと伝播してしまうのを抑制することも可能となる。

また、第２バッファ部４２の径方向外側には改質ガス流路Ｌ２が隣接していることから（図３参照）、水蒸気を第２バッファ部４１に一時的に滞留し易くできると、改質ガス流路Ｌ２を流通する改質ガスからの熱を好適に利用できるため、混合ガス中の原燃料及び水蒸気を一層充分に気化させることが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る水素製造装置及び燃料電池システムは、実施形態に係る上記水素製造装置１及び燃料電池システム１００に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、水素製造装置の配置構成については、上記水素製造装置１を上下反転したような配置構成（例えば、バーナ１０が下部に設置されて構成された水素製造装置）としてもよく、限定されるものではない。また、上記実施形態の水素製造装置１は、脱硫部２を備えない場合もある。また、改質部６は、原燃料及び水蒸気を改質するものであればよい。

また、上記実施形態は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものとして低温シフト反応部１３のみ備えているが、低温シフト反応の温度よりも高温（例えば４００°Ｃ〜６００°Ｃ）でのシフト反応である高温シフト反応を行う高温シフト反応部（ＨＴＳ：High Temperature Shift）をさらに備えていてもよい。高温シフト反応部を設ける場合、この高温シフト反応部は、改質触媒６ｘの少なくとも一部を囲繞するように改質部６の径方向外側に隣接配置されることが好ましい。

なお、上記実施形態では、改質触媒６ｘの入口側（下端側）が円環板状のパンチング板で閉塞されて流入口が構成されているが、これに限定されるものではない。図４に示すように、内筒壁６１が円板状壁３４に至るまで延び、この内筒壁６１に、改質触媒６ｘの流入口として、触媒が流通しない程度の大きさの複数の孔Ｈが形成されていてもよい。この場合、パンチング板を不要にして部品点数を削減することができ、ひいては、コストダウンを図ることが可能となる。

ちなみに、上記の「筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや、円筒状及び多角筒状の部分を少なくとも含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。また、上記実施形態は、好ましいとして、中心軸を軸Ｇとする同軸構成とされているが、本発明は、略同軸構成又は軸Ｇに沿った構成とされていてもよい。

１…水素製造装置、５…フィード部、５ｘ…混合部、６…改質部、１０…バーナ、１７ｚ…水蒸気配管（外管）、１９…バーナ燃焼室、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、３４…円板状壁（仕切壁）、３６…フランジ部、３７…燃料配管（内管）、４１…第１バッファ部、４２…第２バッファ部、１００…燃料電池システム、Ｇ…軸、Ｏ…流通口。

Claims (3)

1. バーナを用いて原燃料及び水蒸気を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する筒状の改質部と、
   前記改質部に前記原燃料及び前記水蒸気の混合流体を供給するフィード部と、を備え、
   前記フィード部は、
   前記改質部の軸に沿う柱状空間である第１バッファ部と、
   前記第１バッファ部に隣接するよう設けられ、前記改質部の軸に沿う柱状空間である第２バッファ部と、を有しており、
   前記第１及び第２バッファ部を仕切る仕切壁の中心部には、前記混合流体が流通する流通口が設けられ、
   前記第２バッファ部内には、前記原燃料及び前記水蒸気を混合させて前記混合流体を生成する混合部が配設され、
   前記混合部は、前記軸に沿って設けられ前記第２バッファ部に接続された外管と、前記外管内にて前記軸に沿って設けられ前記第２バッファ部内に所定長突出する内管と、を含んでおり、前記外管を流通した前記水蒸気に前記内管を流通した前記原燃料を合流させることで前記混合流体を生成し、
   前記内管の端部には、フランジ部が形成されていることを特徴とする水素製造装置。
2. 前記改質部に囲繞されるよう設けられ、前記改質部の軸に沿う柱状空間であるバーナ燃焼室を備え、
   前記第１バッファ部は、前記燃焼室に隣接するよう設けられていることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
3. 請求項１又は２記載の水素製造装置と、
   前記水素製造装置によって生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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