JP6178979B2 - 燃料処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素を生成し、燃料電池システムに供給する燃料処理装置に関する。

燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガスから水素を生成する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された水素を利用して発電する燃料電池とを有する。

燃料処理装置は、原料ガスから硫黄化合物を除去する脱硫部と、水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、改質部を加熱する燃焼部と、改質部に水蒸気を供給する水蒸気生成部と、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有する。

改質ガスは、水素と一酸化炭素と水蒸気を主成分とし、水蒸気および原料から生成される。改質部において発生した一酸化炭素は、燃料電池を劣化させる性質があるため、十分に除去する必要がある。また、原料ガス中に含まれる硫黄化合物は改質部の性能を劣化させるため、十分に除去する必要がある。

脱硫部、改質部、一酸化炭素除去部は、ステンレス鋼などの金属の容器で構成され、その内部には触媒が封入されている。触媒によってガスの化学反応が促され、硫黄化合物の除去、改質ガスの生成、一酸化炭素の除去が効率よく行われる。

また、脱硫部、改質部、一酸化炭素除去部などの容器の構成については、皿状の板や平面状の板を接合させて一対の容器とし、それらを複数並べて構成する内容が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１７８００３号公報

特許文献１の流体処理装置は、複数の容器を並べ、全体を押し付つけて構成するものである。このような構成とすると、容器同士が並び方向と垂直な方向に相対移動することを許容するため、容器の間に発生する応力を緩和し、耐久性を高める可能性があるが、容器間の流路を繋ぐためのパイプを数多く必要とするため、圧力損失が大きくなるという問題が生じることになる。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、パイプを用いずにガスの流路を接続することでガスの圧力損失を低減させることが可能な、燃料処理装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、以下に示す燃料処理装置に関する。

〔１〕複数の貫通穴が形成される平面板と、屈曲部を有する複数の取付板と、を有し、複数の取付板は、平面板の一面において他の取付板に順々に覆い被さるように平面板上に配置され、かつ、各々の取付板の端部は平面板と接合し、平面板の他面においては、屈曲部を有する複数の補助板が接合し、補助板によって、隣合う取付板で包囲される第１の貫通穴と、第１の貫通穴とは異なる第２の貫通穴とのバイパス流路を形成する、燃料処理装置。

〔２〕上記〔１〕において、前記平面板と、前記複数の取付板とで、原料ガスおよび水蒸気から水素含有ガスを生成する改質部と、原料ガスから硫黄化合物を除去する脱硫部と、
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、原料ガスを予め加熱する原料ガス予熱部、各々の空間を形成し、改質部、脱硫部、一酸化炭素除去部、原料ガス予熱部の順で内側から構成され、平面板を介した改質部の反対側には燃焼部が形成されると共に、第１の補助板によって、原料ガス予熱部と前記脱硫部とをバイパスし、第２の補助板によって、改質部と一酸化炭素除去部とをバイパスした、燃料処理装置。

〔３〕上記〔２〕において、前記複数の補助板のうち１つは、水蒸気生成部を形成し、水蒸気を生成しながら前記脱硫部と前記改質部と接続する、燃料処理装置。

〔４〕上記〔２〕又は〔３〕において、前記平面板の改質部と同じ側に水供給部を備え、前記複数の補助板のうち１つによって、前記水供給部と前記改質部とを接続し、他の補助板によって、前記脱硫部と前記水供給部を接続する、燃料処理装置。

本構成のように、平面板の片側に複数の取付板を外側に向かって互いに覆い被さるように配置し、平面板の反対側にバイパス流路を設けることによって、パイプを用いることなく、これらの構成部の流路を接続することができる。

以上のように、本発明の燃料処理装置によれば、流路の接続に使用するパイプの数を削減することができるため、燃料処理装置に発生する圧力損失を抑制することができる。

本発明における燃料処理装置の構成要件とガスの流れを示す図 本発明における燃料処理装置の構成部材の一部を示す図 本発明に係る皿状の板の形状（斜視）を示す図 本発明に係る皿状の板の形状（断面）を示す図 図２のＢ部の拡大図 図２のＡから見た図 本発明の実施の形態１の構成を示す図 本発明の実施の形態２の構成を示す図

以下、本発明の実施の形態について説明する。

（全体構成要件とガスの流れについて）
本発明の燃料処理装置は、例えば、家庭用燃料電池システムにおいて、炭化水素系燃料を含む原料ガスと水蒸気とを水蒸気改質反応させ、燃料電池に供給する水素を生成するものである。

本発明の燃料処理装置１の構成要件と、燃料電池システム全体でのガスの流れを、図１を参照しながら説明する。なお、図１において、細い矢印はガスの流れを表し、太い矢印は熱の動きを表す。また、同図において、破線で囲まれた領域は燃料処理装置１を表している。

燃料処理装置１は、原料ガスを予め加熱する原料ガス予熱部２と、原料ガスから硫黄化合物を除去する脱硫部３と、水素を含有する改質ガス１３を生成する改質部５と、改質部５を加熱する燃焼部８と、改質部５に水蒸気を供給する水蒸気生成部４と、一酸化炭素を改質ガス１３から除去する一酸化炭素除去部６ａ，６ｂを有する。また、これらは主に、ステンレス鋼などの金属材料を用いた構成部材と、化学反応を促進するための触媒で構成される。

上述の燃料処理装置１において、まず、原料ガス１１が、原料ガス予熱部２に流入し、一酸化炭素除去部６ａからの伝熱によって加熱されたのち、脱硫部３へ流入する。脱硫部３においては、銅などの金属を含む触媒によって、原料ガス１１に含まれる硫黄化合物が分解され、分解された硫黄化合物が触媒に吸着する。このような過程によって、原料ガス１１に含まれる硫黄化合物が除去される。硫黄化合物は、改質部５の性能を劣化させる性質をもつため、その濃度を少なくとも１ｐｐｍ以下に低減させることが必要になる。

その後、原料ガス１１は水蒸気生成部４へと供給される。水蒸気生成部４には、原料ガス１１とともに水１２が供給される。水蒸気生成部４は、水１２を蒸発させて、水蒸気を生成し、原料ガス１１と水蒸気とを混合するための機構である。水蒸気生成部４は、燃焼部８、改質部５、一酸化炭素除去部６ａ，６ｂと熱交換し、水１２を蒸発させて、水蒸気を生成する。生成された水蒸気は水蒸気生成部４で原料ガス１１と混合される。

そして、原料ガス１１および水蒸気は、改質部５に流入する。改質部５は、ルテニウム系やニッケル系の触媒を含み、水蒸気生成部４から供給される原料ガス１１と水蒸気から、水蒸気改質反応によって、改質ガス１３を生成するための機構である。改質部５では以下の水蒸気改質反応により、原料ガス１１および水蒸気から水素と一酸化炭素を含む改質ガス１３が生成される。

ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
改質部５で生成された改質ガス１３は、一酸化炭素除去部に流入する。一酸化炭素除去部は複数の部分からなり、その上流側に存在する、一つあるいは複数の一酸化炭素除去部６ａでは、以下のシフト反応によって、改質部５で生成された改質ガスから、低濃度の一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。

ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
一酸化炭素除去部６ａでは、銅系の金属触媒が用いられる。また、下流側に存在する、一つあるいは複数の一酸化炭素除去部６ｂには、原料ガス１１とともに酸素が供給され、以下の酸化反応によって一酸化炭素の濃度を減少させる。

２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２
一酸化炭素除去部６ｂではルテニウム系の金属触媒が用いられる。一酸化炭素は燃料電池７の触媒を劣化させる性質があるため、一酸化炭素除去部６ａ，６ｂの過程を経て、１００ｐｐｍ以下の濃度に低減させる。

このように生成された改質ガスは、一酸化炭素除去部６ｂから流出し、燃料電池７の負極に供給される。燃料電池７は、改質ガス１３に含まれる水素と、大気から供給される空気１５など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電する。

燃料電池で水素を消費したガス（オフガス１７）は、再び燃料処理装置１に輸送される。 ここでオフガス１７は大気から供給される空気１８と混合され、燃焼部８で燃焼することで改質部５を加熱する。燃焼部８は火炎を形成できるのであれば特に限定されず、例えばバーナである。また燃焼部８から排出される燃焼排ガス１９は水蒸気生成部４を加熱した後、大気へと放出される。

以上が本発明の燃料処理装置における全体的なガスの流れである。

図１に示すように、原料ガス１１および改質ガス１３は、一連の構成要素を通過しながら化学反応を起こし、燃料処理装置１から取り出される。原料ガス１１はファンなどの駆動装置によって流される。ここで、流路全体に発生する圧力損失が大きくなると、駆動装置はより出力の大きなものが必要になり、駆動装置の大型化やコストアップにつながる。

また、強い出力によって原料ガスを流すと、原料ガス１１や改質ガス１３が、本来流れるべきでない流路（水１２を供給する流路や、空気１４を供給する流路）に流れ込み、燃料電池システム全体が誤作動を起こす可能性がある。従って、燃料処理装置の圧力損失は、より少ないことが望ましい。

（パイプに発生する圧力損失について）
圧力損失は、断面積の小さい、流路で発生する。具体的には流路を接続するパイプで大きな圧力損失が生じる。

家庭用燃料電池システムにおける燃料処理装置は、近年の市場における小型化の要望から、縦、横、奥行きの長さがそれぞれ８０ｃｍ以内のものが主流となりつつある。構成部材の大きさの関係上、パイプは内径が３〜６ｍｍ程度のものが用いられ、パイプ内部流路の断面積分は７〜２９平方ミリメートル程度となる。このようなサイズのパイプに発生する圧力損失は大きく、例えば径４ｍｍの１本のパイプに毎時０．５４ｋｇ（家庭用燃料電池システムにおいて７００Ｗ発電時にながれる改質ガス流量と同等の値）程度のガスが流れた場合、２００Ｐａを超える圧力損失が発生するため、パイプの本数が多くなるほどガスが流れにくくなり、より出力の高い駆動装置が必要となる。したがって使用するパイプの本数は極力少ないことが望ましい。

＜本発明における特徴について＞
本発明の燃料処理装置は、パイプによる流路の接続を少なくすることで、圧力損失を低減することを特徴とする。

以下では、圧力損失の低減を実現するための構成について説明する。図２は、本発明における燃料処理装置の構成部材の一部を表す断面図である。

一枚の平面板２１の片側に、皿状の板２２が次々と覆いかぶさるように配置（つまり、一枚の平面板２１の一方の面において、他の取付板に順々に覆い被さるように平面板２１上に配置されることを意味する。）され、皿状の板２２は、各々、その端部で平面板２１と接合されている。接合方法は、例えば溶接などが用いられる。また、前記の平面板２１と皿状の板２２の間に形成された層のうちの幾つかには触媒が封入され、脱硫部、改質部、一酸化炭素除去部が配置される。なお、皿状の板２２とは、屈曲部を有する板を意味し、以降、皿状の板２２を「取付板」と表現する場合もある。

そして、平面板２１の反対側は、皿状の板２３が平面板２１に接合され、ガスの流路を接続するためのバイパス流路９が複数形成されている。なお、皿状の板２３とは、屈曲部を有する板を意味し、以降、皿状の板２３を「補助板」と表現する場合もある。

図３は、皿状の板２２、２３の形状を示す鳥瞰図である。皿状の板２２、２３は、角に発生する応力を軽減する目的で、図４のように丸みを帯びたフィレット形状を有していてもよい。図５は、図２のＢ部を拡大したものである。図５に示すように、ガスはある層から、平面板２１に空けられた貫通穴２４を介してバイパス流路９に流れ込み、そこから別の層へと流入する。

図６は、図２のＡからみたものである。図６に示すように、貫通穴２４は層の形状にあわせて、長穴形状をとることができ、貫通穴２４を通過する際に発生する圧力損失が大きくならない程度に貫通穴２４の面積を調節することができる。図６における層の幅Ｘが４ｍｍ程度であれば、貫通穴２４の面積は４０平方ミリメートル程度にすることができ、内径４ｍｍのパイプを使用した際の流路断面積１２．６平方ミリメートルにくらべて大きな面積を確保することができるため、圧力損失が低減すると考えられる。

また、バイパス流路９は平面板２１と皿状の板２３で形成されるため、ガスの流路としてはパイプよりも大きい断面積をとることができ、圧力損失の少ない流路を形成することが可能である。

上記のバイパス流路９を形成することにより、改質部、脱硫部、一酸化炭素除去部が内側からどのような順番で配置されていても、貫通穴２４の位置を適切に設けることで、自由自在に流路を接続することができる。

（実施の形態１）
上述の構成部材の形態を踏まえた上で、改質部、脱硫部、一酸化炭素除去部や、その他の要素の配置構成をふくめた具体的な実施の形態を、図７を参照しながら説明する。

図７は実施の形態１における、燃料処理装置の全体構成を示す図である。

一枚の平面板２１の片側では、内側から改質部５、改質ガス往復流路３１、脱硫部３、温度調節層３２、一酸化炭素除去部６ａ，６ｂ、原料ガス予熱部２が形成されている。また、平面板２１の反対側には、原料ガス予熱部２と脱硫部３を接続するバイパス流路９ａ、脱硫部３と改質部５を接続するバイパス流路９ｂ、改質ガス往復流路３１と一酸化炭素除去部６ａを接続するバイパス流路９ｃ、 燃焼部８が形成されている。

バイパス流路９ｂには、水１２が供給され、その水１２が燃焼排ガス１９や一酸化炭素除去部６ａ，６ｂによって加熱されて水蒸気を発生するため、バイパス流路９ｂは水蒸気生成部としての機能をもつ。すなわち、バイパス流路９ｂは脱硫部３と改質部５を接続しながら、改質部５へ水蒸気を供給する機関となっている。

燃焼部８は、改質部５を効率よく加熱出来るよう、平面板２１を介して改質部５の裏側に配置されている。改質部の後方には、改質ガス往復流路３１が設けられ、ここを流れるガスが改質部５の温度や脱硫部３の温度を適切に保つ働きをもつ。また、脱硫部の外側には温度調節層３２が設けられている。この温度調節層３２には原料ガス１１や改質ガス１３が流れることはなく、例えば空気や窒素ガスなどが封入される。温度調節層３２は、脱硫部３と一酸化炭素除去部６ａの間で行われる熱交換を適正化し、それぞれの触媒の温度を適度に保つ働きをもつ。

本形態における燃料処理装置においては、燃焼部８で発生した火炎が改質部５を加熱し、改質部５の熱が、外側に向かって、改質ガス往復流路３１、脱硫部３、温度調節層３２、一酸化炭素除去部６ａ、原料ガス予熱部２へと伝わることで、触媒の温度が適切に保たれ、効率的に化学反応が行われる。

また、上記のような配置構成において、パイプを用いることなくガスの流路が接続されているため、圧力損失を抑制することが出来る。また、バイパス流路９ｂと水蒸気生成部を共用化することで、部品点数の削減を実現し、低コストで燃料処理器を製造することを可能にしている。

（実施の形態２）
実施の形態２における構成を図８に示す。

実施の形態１と同様に一枚の平面板２１の片側では、内側から改質部５、ガス往復流路３１、脱硫部３、温度調節層３２、酸化炭素除去部（６ａ、６ｂ）、原料ガス予熱部２が形成され、平面板２１の反対側には、原料ガス予熱部と脱硫部を接続するバイパス流路９ａ、ガス往復流路３１と一酸化炭素除去部を接続するバイパス流路９ｃ、燃焼部８が形成されている。

本実施の形態と実施の形態１との違いは、平面板２１に対して改質部５と同じ側に、皿状の板で形成された水供給部１０を持つこと、そしてその反対側に、脱硫部３と水供給部１０を接続するバイパス流路９ｄと、水供給部１０と改質部５を接続しつつ水蒸気を生成するバイパス流路９ｅを持つことである。バイパス流路９ｅは水蒸気生成部としての機能をもつ。

バイパス流路９ｅでは原料ガス１１と水蒸気が長い流路にわたって混合するため、改質部５にはよく混合されたガスが供給され、改質部５における改質反応がより良好に行われる。長い混合流路を確保するためには、バイパス流路９ｅよりも上流で原料ガス１１と水１２を合流させることが重要であり、本形態においてはバイパス流路９ｅの上流に水供給部１０を設けて、原料ガス１１と水１２を合流させている。

また、バイパス流路９ｄを設けることで、原料ガス１１と水１２が、バイパス流路９ｅよりも上流で合流ことを可能にしている。

上述のように、原料ガス１１と水１２を十分に混合させるためには、脱硫部３から水供給部１０への流路、或いは、水供給部１０から改質部５への流路のような、長く複雑な流路を設ける必要がある。しかし、これらをバイパス流路９ｄ、９ｅで形成することにより、パイプを用いることなく流路を接続できるため、圧力損失を抑制することが可能である。

本発明の燃料処理装置を活用することで、圧力損失の小さい燃料電池システムを構成できる。このため本発明の燃料処理装置は、家庭用コージェネレーションシステムや、移動体通信の基地局の電源システムなどの燃料電池システムに有用である。

１ 燃料処理装置
９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ バイパス流路
２２，２３ 皿状の板

Claims (4)

1. 複数の貫通穴が形成される平面板と、屈曲部を有する複数の取付板と、で構成され、
   前記複数の取付板は、前記平面板の一方の面において、他の取付板に順々に覆い被さるように平面板上に配置され、かつ、各々の取付板の端部は前記平面板と接合され、
   前記平面板の他方の面においては、屈曲部を有する複数の補助板が接合され、補助板によって、隣合う取付板で包囲される第１の貫通穴と、前記第１の貫通穴とは異なる第２の貫通穴とのバイパス流路を形成すること、
   を特徴とする、燃料処理装置。
2. 前記平面板と、前記複数の取付板とで、
   原料ガスおよび水蒸気から水素含有ガスを生成する改質部と、
   原料ガスから硫黄化合物を除去する脱硫部と、
   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、
   原料ガスを予め加熱する原料ガス予熱部、各々の空間を形成し、前記改質部、前記脱硫部、前記一酸化炭素除去部、前記原料ガス予熱部の順で内側から構成され、
   前記平面板を介した前記改質部の反対側には燃焼部が形成されると共に、第１の補助板によって、前記原料ガス予熱部と前記脱硫部とをバイパスし、第２の補助板によって、前記改質部と前記一酸化炭素除去部とをバイパスした、請求項１記載の燃料処理装置。
3. 前記複数の補助板のうち１つは、水蒸気生成部を形成し、水蒸気を生成しながら前記脱硫部と前記改質部と接続する、
   請求項２記載の燃料処理装置。
4. 前記平面板の改質部と同じ側に水供給部を備え、
   前記複数の補助板のうち１つによって、前記水供給部と前記改質部とを接続し、他の補助板によって、前記脱硫部と前記水供給部を接続する、
   請求項２記載の燃料処理装置。

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