WO2011122418A1 - 水素製造装置及び燃料電池システム - Google Patents

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康嗣 橋本
晃 後藤
加藤　恵美
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Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen production apparatus and a fuel cell system.
  • an apparatus including a selective oxidation reaction unit that selectively oxidizes carbon monoxide in a reformed gas generated by reforming raw fuel such as hydrocarbon is known (for example, , See Patent Document 1).
  • an external heater such as a heater is usually used.
  • water for generating steam at a position adjacent to the inner peripheral side of the cylindrical selective oxidation reaction unit is used.
  • the temperature of the selective oxidation reaction unit can be controlled by the water temperature supplied to the water evaporation unit without using a heater.
  • the selective oxidation reaction section since the flow path through which water or water vapor flows is provided at a position adjacent to the selective oxidation reaction section, when the water temperature in the flow path is low, the selective oxidation reaction section The temperature of the selective oxidation catalyst is lowered. When the temperature of the selective oxidation catalyst becomes too low, there is a problem in that the selective oxidation catalyst is oxidized and deteriorated and the life of the catalyst is shortened. On the other hand, when an appropriate cooling structure for the selective oxidation reaction section is not provided, the temperature of the selective oxidation catalyst is increased so that the methanation reaction of carbon monoxide and carbon dioxide proceeds and the temperature exceeds the heat resistance temperature of the member. There was a problem that risend. From the above, it has been required to keep the temperature of the selective oxidation reaction part at an optimum temperature.
  • a hydrogen production apparatus includes a selective oxidation reaction unit that selectively oxidizes carbon monoxide in a reformed gas containing hydrogen, an evaporation channel that circulates water to generate water vapor, and a gas channel that circulates the reformed gas
  • the gas flow path is disposed between the selective oxidation reaction section and the evaporation flow path, and the reformed gas flows through the gas flow path and then flows into the selective oxidation reaction section.
  • a gas flow path through which the reformed gas flows is disposed between the evaporation flow path for flowing water to generate water vapor and the selective oxidation reaction section.
  • the selective oxidation reaction unit can cause the gas flow channel to function as a heat medium without directly contacting the evaporation flow channel through which water flows. This can prevent the temperature of the selective oxidation catalyst in the selective oxidation reaction section from becoming too low.
  • the gas flow path can circulate the reformed gas supplied to the selective oxidation reaction unit, that is, the inlet gas of the selective oxidation reaction unit.
  • the reformed gas as the inlet gas of the selective oxidation reaction section is cooled by supplying heat to water and water vapor in the evaporation channel when the temperature is higher than necessary, but does not become lower than necessary. In addition, it is kept at an appropriate temperature by water or water vapor in the evaporation channel. As a result, the reformed gas that has flowed through the gas flow path is supplied to the selective oxidation reaction section at an optimum temperature.
  • the temperature of the selective oxidation reaction unit can be maintained at an optimum temperature with a simple structure without using an external heater such as a heater, and the life of the selective oxidation catalyst can be extended. Is possible.
  • the hydrogen production apparatus further includes an exhaust gas passage through which the exhaust gas of the burner used to generate the reformed gas flows, and the exhaust gas passage is disposed at a position adjacent to the evaporation passage on the opposite side of the gas passage. It may be. Since the exhaust gas flow channel is disposed at a position adjacent to the evaporation flow channel, the water in the evaporation flow channel can be efficiently evaporated by receiving heat from the high temperature exhaust gas. Furthermore, the evaporating channel can reliably maintain the reformed gas at the optimum temperature without overcooling the reformed gas in the gas channel.
  • a shift reaction unit that removes carbon monoxide in the reformed gas by a shift reaction
  • an air supply unit that supplies air to the reformed gas from the shift reaction unit toward the selective oxidation reaction unit
  • the shift reaction unit has an outlet through which the reformed gas after the shift reaction flows out, and the air supply unit opposes the flow of the reformed gas with respect to the reformed gas flowing out from the outlet. Air may be supplied from the direction.
  • the reformed gas from which carbon monoxide has been removed by the shift reaction is collected at the outlet when it flows out of the shift reaction section.
  • the air supply unit can supply air to the reformed gas collected at the outlet. Thereby, the air and the reformed gas can be mixed efficiently.
  • the air supply unit can supply air from the direction opposite to the flow of the reformed gas, the reformed gas and the air collide and are mixed more efficiently.
  • the fuel cell system includes the hydrogen production apparatus and a fuel cell stack that generates power using the reformed gas generated by the hydrogen production apparatus.
  • This fuel cell system also includes the above-described hydrogen production apparatus, and therefore the above-described effect that the temperature of the selective oxidation reaction section can be maintained at an optimum temperature with a simple structure without using an external heater such as a heater. Is played.
  • the present invention it is possible to keep the temperature of the selective oxidation reaction section at an optimum temperature with a simple structure without using an external heater such as a heater.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a configuration around a selective oxidation reaction unit shown in FIG. 2. It is a block diagram which shows the flow of the heat
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing a part of a fuel cell system according to an embodiment.
  • a hydrogen production apparatus (FPS: Fuel Processing System) 1 is used as a hydrogen supply source in a fuel cell system 100 for home use, for example.
  • the hydrogen production apparatus 1 here uses petroleum-based hydrocarbons as a raw fuel, and supplies a reformed gas containing hydrogen to a cell stack (fuel cell stack) 20.
  • alcohols, ethers, biofuels, natural gas, and city gas may be used as raw fuel.
  • petroleum-based hydrocarbons, naphtha, light oil, etc. can be used as raw fuel in addition to kerosene and LP gas.
  • various types such as a solid polymer type, an alkaline electrolyte type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, or a solid oxide type may be used.
  • FIG. 2 is a schematic front end view showing the hydrogen production apparatus of FIG.
  • the hydrogen production apparatus 1 includes a desulfurization part 2 having a cylindrical outer shape with a central axis as an axis G, and a main body part 3 with a cylindrical outer shape having a central axis as an axis G. These are accommodated in the housing 4. Further, in the casing 4, the surroundings of the desulfurization part 2 and the main body part 3 are filled with a powdery heat insulating material (not shown) to be insulated.
  • the desulfurization unit 2 may be installed outside the housing 4.
  • the desulfurization unit 2 desulfurizes raw fuel introduced from the outside with a desulfurization catalyst to remove sulfur, and supplies the raw fuel to a feed unit 5 described later.
  • the desulfurization part 2 is fixed to the side plate 4x of the housing 4 by a pipe 21 and is held so as to surround the upper part of the main body part 3 with a predetermined gap.
  • the main body 3 includes a feed unit 5, a reforming unit 6, a shift reaction unit 7, a selective oxidation reaction unit 8, and an evaporation unit 9, which are integrally configured.
  • the main body 3 is fixed and held on a floor plate 4 y of the housing 4 by a cylindrical stay 22.
  • the feed unit 5 mixes the raw fuel and steam (steam) desulfurized in the desulfurization unit 2 and supplies them to the reforming unit 6.
  • the feed unit 5 includes a mixing unit 5x that combines and mixes raw fuel and water vapor to generate a mixed gas (mixed fluid), and a mixed gas channel 5y that distributes the mixed gas to the reforming unit 6. , Including.
  • the reforming section (SR: Steam Reforming) 6 steam-reforms the mixed gas supplied from the feed section 5 with a reforming catalyst (reforming catalyst section) 6x to generate a reformed gas.
  • the reforming part 6 has a cylindrical outer shape with the central axis as the axis G, and is provided on the upper end side of the main body part 3 so as to be located in the cylinder of the desulfurization part 2.
  • the burner 10 is used as a heat source for heating the reforming catalyst 6x of the reforming section 6.
  • raw fuel is supplied as burner fuel from the outside and burned.
  • the burner 10 is attached to a combustion cylinder 11 provided at the upper end of the main body 3 and having the axis G as a central axis so that a flame by the burner 10 is surrounded.
  • a part of the raw fuel desulfurized in the desulfurization unit 2 may be supplied as burner fuel and burned.
  • the shift reaction unit 7 is for lowering the carbon monoxide concentration (CO concentration) of the reformed gas supplied from the reforming unit 6, and shifts the carbon monoxide in the reformed gas to generate hydrogen and Convert to carbon dioxide.
  • the shift reaction section 7 can perform the shift reaction in two stages, and performs a high temperature shift reaction that is a shift reaction at a high temperature (for example, 400 ° C. to 600 ° C.).
  • HTS High Temperature Shift
  • LTS LowTemperature Shift 13 for performing a low temperature shift reaction that is a shift reaction at a temperature lower than the temperature of the high temperature shift reaction (for example, 150 ° C to 350 ° C).
  • the high temperature shift reaction unit 12 is not necessarily provided.
  • the high temperature shift reaction unit 12 causes the carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming unit 6 to undergo a high temperature shift reaction with the high temperature shift catalyst 12x, thereby reducing the CO concentration of the reformed gas.
  • the high temperature shift reaction section 12 has a cylindrical outer shape with the central axis as the axis G, and is disposed adjacent to the radially outer side of the reforming section 6 so that the high temperature shift catalyst 12x surrounds the lower end of the reforming catalyst 6x. ing.
  • the high temperature shift reaction unit 12 supplies the reformed gas having a reduced CO concentration to the low temperature shift reaction unit 13.
  • the low temperature shift reaction unit 13 causes the carbon monoxide in the reformed gas subjected to the high temperature shift reaction in the high temperature shift reaction unit 12 to undergo a low temperature shift reaction by the low temperature shift catalyst 13x, thereby reducing the CO concentration of the reformed gas.
  • the low temperature shift reaction part 13 has a cylindrical outer shape with the central axis as the axis G, and is disposed on the lower end side of the main body part 3.
  • the low temperature shift reaction unit 13 supplies the reformed gas having a reduced CO concentration to the selective oxidation reaction unit 8 via the reformed gas pipe 14x.
  • a selective oxidation reaction unit (PROX) 8 further reduces the CO concentration in the reformed gas subjected to the low temperature shift reaction in the low temperature shift reaction unit 13. This is because if a high concentration of carbon monoxide is supplied to the cell stack 20, the catalyst of the cell stack 20 is poisoned and the performance is greatly reduced. Specifically, the selective oxidation reaction section 8 reacts carbon monoxide in the reformed gas with air introduced through the air pipe 15 by the selective oxidation catalyst 8x, thereby converting hydrogen in the reformed gas. Without oxidizing, carbon monoxide is selectively oxidized and converted to carbon dioxide.
  • the selective oxidation reaction portion 8 has a cylindrical outer shape with the central axis as the axis G, and is disposed so as to constitute the outermost peripheral side of the main body portion 3 from the lower end of the main body portion 3 to the upper end side of a predetermined length. .
  • the selective oxidation reaction unit 8 guides the reformed gas whose CO concentration is further reduced to the outside through the reformed gas pipe 14y provided with the heat exchange unit 16.
  • the heat exchanging unit 16 exchanges heat between the reformed gas flowing through the reformed gas pipe 14y and the water introduced from the outside through the water pipe 17x, and supplies the water to the evaporator 9 Supply via the pipe 17y.
  • the evaporation unit 9 stores the water supplied from the heat exchange unit 16 and moves the water from the low temperature shift reaction unit 13 and the selective oxidation reaction unit 8 (the low temperature shift reaction unit 13 and the selective oxidation reaction unit). Steam is generated by vaporizing with heat (obtained by cooling 8) and heat of exhaust gas from the burner 10.
  • the evaporator 9 is of a jacket type and has a cylindrical shape with the central axis as the axis G.
  • the evaporation unit 9 is located radially outside the high temperature shift reaction unit 12 and the low temperature shift reaction unit 13 and inside the selective oxidation reaction unit 8 (that is, between the shift reaction unit 7 and the selective oxidation reaction unit 8). It is arranged to be located.
  • the evaporation unit 9 supplies the generated water vapor to the mixing unit 5x of the feed unit 5 via the water vapor pipe 17z.
  • the raw fuel desulfurized in the desulfurization unit 2 and the water vapor from the evaporation unit 9 are mixed in the mixing unit 5x to generate a mixed gas.
  • This mixed gas is supplied to the reforming unit 6 via the mixed gas flow path 5y and steam reformed by the reforming catalyst 6x, thereby generating a reformed gas.
  • the generated reformed gas has its carbon monoxide concentration lowered to, for example, about several thousand ppm by the shift reaction unit 7, and after its carbon monoxide concentration has been lowered to about 10 ppm or less by the selective oxidation reaction unit 8. Then, it is cooled by the heat exchange unit 16 and led out to the cell stack 20 at the subsequent stage.
  • the temperature of each part is set as follows in order to suitably perform the catalytic reaction with the respective catalysts 6x, 12x, 13x, and 8x. That is, the temperature of the mixed gas flowing into the reforming unit 6 is set to about 300 to 550 ° C., and the temperature of the reformed gas flowing out of the reforming unit 6 is set to 550 ° C. to 800 ° C. and flows into the high temperature shift reaction unit 12 The temperature of the reformed gas is 400 to 600 ° C., and the temperature of the reformed gas flowing out from the high temperature shift reaction unit 12 is 300 to 500 ° C. Further, the temperature of the reformed gas flowing into the low temperature shift reaction unit 13 is set to 150 ° C.
  • the temperature of the reformed gas flowing out from the low temperature shift reaction unit 13 is set to 150 ° C. to 250 ° C.
  • the temperature of the reformed gas flowing into 8 is set to 90 ° C. to 210 ° C. (120 ° C. to 190 ° C.).
  • FIG. 3 is an enlarged view of the configuration around the selective oxidation reaction section shown in FIG.
  • the carbon monoxide removal structure of the hydrogen production apparatus 1 has a low-temperature shift reaction unit 13, a shift reaction inlet gas flow path 31, an exhaust gas flow from the axis G side toward the outer peripheral side.
  • the channel 32, the water evaporation channel 33, the selective oxidation reaction inlet gas channel 34, and the selective oxidation reaction unit 8 are provided in this order.
  • the low temperature shift reaction section 13, the shift reaction inlet gas flow path 31, the exhaust gas flow path 32, the water evaporation flow path 33, the selective oxidation reaction inlet gas flow path 34, and the selective oxidation reaction section 8 all have the axis G as the central axis. It has a cylindrical shape and is arranged so as to be adjacent to each other in the radial direction.
  • the low temperature shift reaction unit 13 includes a peripheral wall 41, a peripheral wall 42, a lower end wall 43, a punching plate 44, a punching plate 45, and a low temperature shift catalyst 13x.
  • the peripheral wall 41 and the peripheral wall 42 have a cylindrical shape (circular tube shape) having the axis G as a central axis.
  • a gap for filling the low temperature shift catalyst 13x is formed between the peripheral wall 41 and the peripheral wall 42.
  • the lower end wall 43 has a disk shape extending along the radial direction, and blocks the lower side of the low temperature shift reaction unit 13 continuously from the lower ends of the peripheral wall 41 and the peripheral wall 42.
  • the peripheral wall 42 extends further upward than the peripheral wall 41.
  • the punching plate 44 has a disk shape extending along the radial direction, and is provided between the peripheral wall 41 and the peripheral wall 42 at a position spaced upward from the lower end wall 43.
  • the punching plate 45 has a disk shape extending along the radial direction, and is provided between the peripheral wall 41 and the peripheral wall 42 at a position on the upper end side of the peripheral wall 41.
  • the low temperature shift catalyst 13x is filled in a space formed by the peripheral wall 41, the peripheral wall 42, the punching plate 44, and the punching plate 45.
  • the low temperature shift reaction part 13 has the exit 52 which flows out the reformed gas after shift reaction.
  • the low temperature shift reaction part 13 is good also as a structure which does not use a punching board.
  • a mixing structure 50 for efficiently mixing the reformed gas and the air after the shift reaction is provided below the low temperature shift reaction unit 13.
  • the mixing structure 50 includes an internal space 51, an outlet 52, a reformed gas pipe 14x, and an air pipe (air supply unit) 15.
  • the internal space 51 is an annular space formed between the lower end wall 43 and the punching plate 44.
  • the internal space 51 can efficiently collect the reformed gas after the shift reaction at the outlet 52.
  • the outlet 52 is a through hole formed in the lower end wall 43 of the low temperature shift reaction unit 13. Since the outlet 52 is formed only at one place on the lower end wall 43, the reformed gas after the shift reaction can be collected at one place.
  • the reformed gas pipe 14 x is a pipe connected to the outlet 52. The reformed gas pipe 14 x allows the reformed gas after the shift reaction to flow to the selective oxidation reaction inlet gas channel 34.
  • the reformed gas pipe 14 x includes a pipe portion 14 a that extends upward from below the low temperature shift reaction portion 13 with the axis G as the central axis and is connected to the outlet 52.
  • the tip of the air pipe 15 is inserted into the reformed gas pipe 14x.
  • the distal end portion of the air pipe 15 is disposed coaxially with the pipe portion 14 a inside the pipe portion 14 a of the reformed gas pipe 14 x and extends upward toward the outlet 52.
  • the outlet 52 can collect the reformed gas after the shift reaction in one place and flow the reformed gas downward into the pipe portion 14a of the reformed gas pipe 14x.
  • the air pipe 15 can supply air to the reformed gas passing through the outlet 52 from the lower side to the upper side (that is, from the direction facing the flow of the reformed gas).
  • the mixing structure 50 can efficiently mix the reformed gas and air after the shift reaction in the vicinity of the outlet 52.
  • the mixing position of the reformed gas and air is not particularly limited, and may be a position away from the outlet 52, but the position closer to the outlet 52 is preferable because the flow rate of the reformed gas is high and the mixing efficiency is good.
  • the shift reaction inlet gas channel 31 is a channel through which the inlet gas to the low temperature shift reaction unit 13 circulates, and includes a peripheral wall 42 and a peripheral wall 61.
  • the peripheral wall 61 has a cylindrical shape (circular tube shape) having the axis G as a central axis.
  • the shift reaction inlet gas flow path 31 is constituted by a gap between the peripheral wall 41 and the peripheral wall 61.
  • the peripheral wall 61 is connected to a lower end wall 62 arranged so as to be spaced downward from the lower end wall 43 of the low temperature shift reaction unit 13.
  • the reformed gas flowing through the shift reaction inlet gas channel 31 flows so as to wrap around the lower end wall 43 and the peripheral wall 41 of the low temperature shift reaction unit 13 and is supplied to the low temperature shift reaction unit 13 from above.
  • the reformed gas supplied to the low temperature shift reaction unit 13 is not limited to such a flow, and may be supplied to the low temperature shift reaction unit 13 through any flow path. Therefore, the shift reaction inlet gas flow path 31 may not be provided in such an arrangement.
  • the exhaust gas channel 32 is a channel through which the exhaust gas from the burner is circulated, and includes a peripheral wall 61, a peripheral wall 63, a lower end wall 64, and an outer peripheral wall 66.
  • the peripheral wall 63 has a cylindrical shape (circular tube shape) having the axis G as a central axis.
  • the exhaust gas flow path 32 is configured by a gap between the peripheral wall 61 and the peripheral wall 63.
  • a lower end portion of the peripheral wall 63 is connected to an annular lower end wall 64 spaced upward from the lower end wall 62. Further, the outer peripheral end portions of the lower end wall 64 and the lower end wall 62 are closed by a cylindrical outer peripheral wall 66.
  • the exhaust gas flow channel 32 circulates the exhaust gas from the reforming unit 6 side from above to below.
  • the water evaporation channel 33 is a channel through which water or water vapor of the evaporation unit 9 is circulated, and includes a peripheral wall 63, a lower end wall 64, a peripheral wall 67, and an upper end wall 68.
  • the peripheral wall 67 has a cylindrical shape (circular tube shape) having the axis G as a central axis.
  • the water evaporation channel 33 is constituted by a gap between the peripheral wall 63 and the peripheral wall 67.
  • a lower end portion of the peripheral wall 67 is connected to the lower end wall 64.
  • the lower end wall 64 has a disk shape extending in the radial direction, and closes the lower side of the water evaporation channel 33 continuously to the lower ends of the peripheral wall 63 and the peripheral wall 67.
  • the upper end wall 68 has a disk shape extending in the radial direction, and continuously closes the upper ends of the peripheral wall 63 and the peripheral wall 67 and closes the upper side of the water evaporation channel 33. Near the lower end of the peripheral wall 67, a water pipe 17x is connected.
  • the water evaporation channel 33 circulates the water supplied from the water pipe 17x from below to above. Since water evaporates in the water evaporation channel 33, the water evaporation channel 33 has a lower water layer and an upper steam layer.
  • the position of the water surface in the water evaporation channel 33 is not particularly limited, but is preferably at least above the upper end position of the selective oxidation catalyst 8x. Further, the upper end of the water evaporation channel 33, that is, the position of the upper end wall 68 is not particularly limited, and may be arranged at a position higher than the position shown in the figure.
  • the selective oxidation reaction inlet gas flow path 34 is a flow path for circulating the inlet gas to the selective oxidation reaction portion 8 and is constituted by a peripheral wall 67, a peripheral wall 69, a lower end wall 71, and an upper end wall 72.
  • the lower end wall 71 has a disk shape extending along the radial direction, and is provided on the outer peripheral surface of the peripheral wall 67.
  • the lower end wall 71 is disposed above the connection position of the water pipe 17x.
  • the upper end wall 72 has a disk shape extending along the radial direction, and is provided on the outer peripheral surface of the peripheral wall 67.
  • the peripheral wall 69 has a cylindrical shape (circular tubular shape) with the axis G as the central axis, and extends between the lower end wall 71 and the upper end wall 72.
  • the lower end of the peripheral wall 69 is separated from the lower end wall 71, and the upper end of the peripheral wall 69 is separated from the upper end wall 72.
  • the selective oxidation reaction inlet gas channel 34 is formed by a gap between the peripheral wall 67 and the peripheral wall 69.
  • the outer peripheral end of the lower end wall 71 and the outer peripheral end of the upper end wall 72 are connected by a peripheral wall 73.
  • the peripheral wall 73 has a cylindrical shape (circular tube) with the axis G as the central axis on the outer peripheral side of the peripheral wall 69.
  • a reformed gas pipe 14 x is connected near the lower end of the peripheral wall 73.
  • the selective oxidation reaction inlet gas flow path 34 allows the reformed gas supplied from the reformed gas pipe 14x to flow from below to above.
  • the positions of the upper end and the lower end of the selective oxidation reaction inlet gas channel 34, that is, the positions of the upper end wall 72 and the lower end wall 71 are not limited to the positions shown in the figure.
  • the selective oxidation reaction section 8 includes a peripheral wall 69, a peripheral wall 73, a punching plate 74, a punching plate 76, a lower end wall 77, and a selective oxidation catalyst 8x.
  • a gap for filling the selective oxidation catalyst 8x is formed between the peripheral wall 69 and the peripheral wall 73.
  • the punching plate 74 has a disk shape extending in the radial direction, and is provided between the peripheral wall 69 and the peripheral wall 73 at a position on the lower end side of the peripheral wall 69.
  • the punching plate 76 has a disk shape extending along the radial direction, and is provided between the peripheral wall 69 and the peripheral wall 73 at a position on the upper end side of the peripheral wall 69.
  • the selective oxidation catalyst 8x is filled in a space constituted by the peripheral wall 69, the peripheral wall 73, the punching plate 74, and the punching plate 76.
  • the lower end wall 77 has a disk shape extending along the radial direction, and closes the lower side of the selective oxidation reaction unit 8 continuously from the lower end of the peripheral wall 69 and the inner peripheral surface of the peripheral wall 73.
  • a reformed gas pipe 14 y is connected to the peripheral wall 73 at a position between the lower end wall 77 and the punching plate 74. Note that the selective oxidation reaction unit 8 may be configured not to use a punching plate.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the heat flow around the selective oxidation reaction unit 8 shown in FIG.
  • the reformed gas RG flows through the shift reaction inlet gas flow path 31 and is supplied to the low temperature shift reaction unit 13.
  • the reformed gas RG whose carbon monoxide concentration has been reduced by the low temperature shift catalyst 13x is collected at one location in the internal space 51 toward the outlet 52.
  • the temperature of the reformed gas RG flowing out from the low temperature shift reaction unit 13 is 150 ° C. to 250 ° C. as described above.
  • the reformed gas RG collected at the outlet 52 flows downward toward the pipe portion 14a of the reformed gas pipe 14x.
  • the reformed gas RG collides with the air supplied upward from the air pipe 15 and is efficiently mixed with the air.
  • the reformed gas RG mixed with air flows through the reformed gas pipe 14 x and is supplied to the selective oxidation reaction inlet gas channel 34.
  • the reformed gas RG supplied to the selective oxidation reaction inlet gas channel 34 flows through the selective oxidation reaction inlet gas channel 34 from below to above. At this time, the reformed gas RG exchanges heat with water (or water vapor) in the water evaporation channel 33 adjacent to the inner peripheral side of the selective oxidation reaction inlet gas channel 34. As a result, when the reformed gas RG is hotter than necessary, the reformed gas RG is cooled by supplying heat to the water evaporation channel 33, but is maintained at an appropriate temperature so as not to become unnecessarily low. That is, the selective oxidation reaction inlet gas channel 34 can function as a heat exchange part A that performs heat exchange with the water evaporation channel 33. The temperature of the reformed gas RG is kept at 100 to 200 ° C. immediately before flowing into the selective oxidation reaction unit 8.
  • Carbon monoxide is removed from the reformed gas RG flowing into the selective oxidation reaction unit 8 by the selective oxidation catalyst 8x.
  • the selective oxidation reaction is an exothermic reaction, heat is generated from the selective oxidation catalyst 8x.
  • the selective oxidation reaction unit 8 can exchange heat with the water evaporation channel 33 via the selective oxidation reaction inlet gas channel 34. Thereby, it is possible to prevent the vicinity of the inlet of the selective oxidation reaction unit 8 from becoming unnecessarily high.
  • the selective oxidation reaction inlet gas channel 34 can function as a heat exchange unit B that performs heat exchange between the selective oxidation reaction unit 8 and the water evaporation channel 33.
  • the temperature of the reformed gas RG is set to 100 to 180 ° C. immediately after flowing out of the selective oxidation reaction unit 8.
  • the reformed gas RG flowing out from the selective oxidation reaction unit 8 is heat-exchanged with the water supplied to the water evaporation channel 33 by the heat exchange unit 16.
  • the heat exchange part 16 functions as the heat exchange part C shown in FIG.
  • the reformed gas RG is finally set to 80 to 130 ° C.
  • the selective oxidation reaction inlet gas flow channel 34 can function as the two heat exchange parts A and B while being a single flow channel.
  • Water W is supplied from the water pipe 17 x and receives heat from the reformed gas RG by the heat exchange unit 16.
  • the water W heat-exchanged by the heat exchange part 16 flows into the water evaporation flow path 33, and flows upward from the bottom.
  • the water W can receive heat from the exhaust gas EG in the exhaust gas channel 32 adjacent to the water evaporation channel 33 on the inner peripheral side.
  • the water W can receive the heat of the reformed gas RG from the selective oxidation reaction inlet gas flow path 34 that functions as the heat exchange part A.
  • the water W can receive heat from the selective oxidation reaction from the selective oxidation reaction inlet gas flow path 34 functioning as the heat exchange part B.
  • the temperature of the water W is 80 to 500 ° C. in the region in contact with the selective oxidation reaction inlet gas flow path 34, and particularly 100 to 300 ° C. near the inlet of the selective oxidation reaction unit 8. .
  • the water W evaporates while flowing upward, becomes steam, and goes to the reforming unit 6.
  • a selective oxidation reaction inlet gas flow path 34 through which the reformed gas RG flows is disposed between the selective oxidation reaction unit 8 and the water evaporation flow path 33.
  • the selective oxidation reaction unit 8 can cause the selective oxidation reaction inlet gas flow path 34 to function as a heat medium without directly contacting the water evaporation flow path 33 through which water or water vapor flows. Thereby, it is possible to prevent the temperature of the selective oxidation catalyst 8x of the selective oxidation reaction unit 8 from becoming too low.
  • the selective oxidation reaction inlet gas flow path 34 can flow the reformed gas RG supplied to the selective oxidation reaction unit 8, that is, the inlet gas of the selective oxidation reaction unit 8.
  • the reformed gas RG as the inlet gas of the selective oxidation reaction section 8 is cooled by supplying heat to water and water vapor in the water evaporation channel 33 when the temperature is higher than necessary, but more than necessary.
  • the temperature is kept at an appropriate temperature by water or water vapor in the water evaporation channel 33 so that the temperature is not low.
  • the reformed gas RG flowing through the selective oxidation reaction inlet gas flow path 34 is supplied to the selective oxidation reaction unit 8 in a state where the reformed gas RG is at an optimum temperature.
  • the temperature of the selective oxidation reaction unit 8 can be maintained at an optimum temperature with a simple structure without using an external heater such as a heater. It is possible to extend the life of the catalyst.
  • the exhaust gas flow channel 32 is disposed at a position adjacent to the water evaporation flow channel 33 on the opposite side of the selective oxidation reaction inlet gas flow channel 34. Since the exhaust gas flow path 32 is disposed at a position adjacent to the water evaporation flow path 33, the water in the water evaporation flow path 33 can be efficiently evaporated by receiving heat from the high temperature exhaust gas EG. Furthermore, the water evaporation channel 33 can reliably keep the reformed gas RG at the optimum temperature without overcooling the reformed gas RG in the selective oxidation reaction inlet gas channel 34.
  • the low temperature shift reaction unit 13 has an outlet 52 through which the reformed gas RG after the shift reaction passes.
  • the air pipe 15 can supply air to the reformed gas RG passing through the outlet 52 from the direction facing the flow of the reformed gas RG.
  • the reformed gas RG is collected at the outlet 52 when it flows out of the low temperature shift reaction unit 13.
  • the air pipe 15 can supply air to the reformed gas RG collected at the outlet 52.
  • air and the reformed gas RG can be mixed efficiently.
  • the air pipe 15 can supply air from the direction opposite to the flow of the reformed gas RG, the reformed gas RG and the air collide and are mixed more efficiently.
  • the temperature of the selective oxidation reaction unit 8 can be maintained at an optimum temperature with a simple structure without using an external heater such as a heater. The above effect is exhibited.
  • the hydrogen production apparatus and the fuel cell system according to the present invention are not limited to the hydrogen production apparatus 1 and the fuel cell system 100 according to the embodiment.
  • the gist described in the claims may be modified within a range not changing, or applied to other things.
  • the configuration of the hydrogen production apparatus shown in the above embodiment is an example, and the configuration of the portion excluding the positional relationship of the selective oxidation reaction unit 8, the selective oxidation reaction inlet gas flow channel 34, and the water evaporation flow channel 33 is as follows.
  • the positional relationship and configuration of each flow path, pipe, and component may be changed as appropriate.
  • one having a different structure of the reforming part may be adopted, and the desulfurization part 2 may not be provided.
  • the said embodiment is equipped with the high temperature shift reaction part 12 and the low temperature shift reaction part 13 as what carries out the shift reaction of the carbon monoxide in reformed gas, as shown in FIG. You may have only.
  • tubular shape includes not only a substantially cylindrical shape but also a substantially polygonal tubular shape.
  • substantially cylindrical shape and the substantially polygonal cylindrical shape mean a cylindrical shape and a polygonal cylindrical shape in a broad sense such as those substantially equal to the cylindrical shape and the polygonal cylindrical shape, and those including at least a cylindrical shape and a polygonal cylindrical shape. ing.
  • the present invention can be used for a hydrogen production apparatus and a fuel cell system.
  • SYMBOLS 1 Hydrogen production apparatus, 10 ... Burner, 20 ... Cell stack (fuel cell stack), 8 ... Selective oxidation reaction part, 13 ... Shift reaction part, 15 ... Air piping (air supply part), 32 ... Exhaust gas flow path, 33 ... water evaporation channel (evaporation channel), 34 ... selective oxidation reaction inlet gas channel (gas channel), 52 ... outlet, 100 ... fuel cell system, G ... axis.

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Abstract

　水素製造装置１は、水素を含有する改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化反応部８と、水を流通させて水蒸気を生成する蒸発流路３３と、改質ガスが流通するガス流路３４と、を備え、ガス流路３４は、選択酸化反応部８と蒸発流路３３との間に配置されており、改質ガスは、ガス流路３４を流通した後、選択酸化反応部８へ流入する。

Description

水素製造装置及び燃料電池システム
　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、炭化水素等の原燃料を改質することによって生成された改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化反応部を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。選択酸化反応部の温度を制御するためには通常ヒータ等の外部加熱器が用いられるが、例えば、筒状の選択酸化反応部の内周側に隣接する位置に、水蒸気を生成するための水蒸発部が配置されている水素製造装置では、水蒸発部に供給された水温により、加熱器を用いることなく、選択酸化反応部の温度を制御することが可能である。
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、水または水蒸気が流通する流路が、選択酸化反応部に隣接する位置に設けられているため流路中の水温が低い場合、選択酸化反応部の選択酸化触媒の温度が低下してしまう。選択酸化触媒の温度が低くなりすぎた場合、選択酸化触媒の酸化劣化が生じ触媒の寿命が短くなるという問題があった。一方、選択酸化反応部に対する適切な冷却構造が設けられていない場合は、選択酸化触媒の温度が高くなることにより、一酸化炭素および二酸化炭素のメタン化反応が進行し部材の耐熱温度以上に温度が急上昇するという問題があった。以上より、選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことが要求されていた。
　そこで、本発明は、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができ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。
　水素製造装置は、水素を含有する改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化反応部と、水を流通させて水蒸気を生成する蒸発流路と、改質ガスが流通するガス流路と、を備え、ガス流路は、選択酸化反応部と蒸発流路との間に配置されており、改質ガスは、ガス流路を流通した後、選択酸化反応部へ流入する。
　この水素製造装置では、水を流通させて水蒸気を生成する蒸発流路と選択酸化反応部との間には、改質ガスが流通するガス流路が配置される。このような構成により、選択酸化反応部は、水が流通する蒸発流路と直接接触することなく、ガス流路を熱媒として機能させることができる。これによって、選択酸化反応部の選択酸化触媒の温度が低くなりすぎることを防止することができる。更に、ガス流路は、選択酸化反応部へ供給される改質ガス、すなわち選択酸化反応部の入口ガスを流通させることができる。これによって、選択酸化反応部の入口ガスとしての改質ガスは、必要以上に高温な場合は蒸発流路の水や水蒸気に熱を供給することで冷却されつつも、必要以上に低温とならないように蒸発流路の水や水蒸気によって適切な温度に保たれる。これによって、ガス流路を流通した改質ガスは、最適な温度にされた状態で選択酸化反応部へ供給される。以上によって、水素製造装置によれば、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができ、選択酸化触媒の寿命を長くすることが可能となる。
　また、水素製造装置において、改質ガスの生成に用いられるバーナの排ガスが流通する排ガス流路を更に備え、排ガス流路は、ガス流路の反対側で蒸発流路と隣接する位置に配置されていてもよい。排ガス流路が蒸発流路と隣接する位置に配置されているため、蒸発流路内の水は、高温の排ガスからの熱を受けて効率よく蒸発することができる。更に、蒸発流路は、ガス流路内の改質ガスを冷やしすぎることなく、確実に改質ガスを最適な温度に保つことができる。
　また、水素製造装置において、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により除去するシフト反応部と、シフト反応部から選択酸化反応部へ向かう改質ガスに対して空気を供給する空気供給部と、を更に備え、シフト反応部は、シフト反応後の改質ガスを流出させる出口を有し、空気供給部は、出口から流出する改質ガスに対して、当該改質ガスの流れに対向する方向から空気を供給してもよい。シフト反応により一酸化炭素が除去された改質ガスは、シフト反応部から流出する際に出口に集められる。このとき、空気供給部は、出口に集められた改質ガスに対して空気を供給することができる。これによって、空気と改質ガスとが効率よく混合することができる。更に、空気供給部は、改質ガスの流れに対向する方向から空気を供給することができるため、改質ガスと空気とが衝突し、一層効率よく混合される。
　また、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され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、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができるという上記効果が奏される。
　本発明によれば、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことが可能となる。
一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。 図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。 図２に示す選択酸化反応部周辺の構成の拡大図である。 図３に示す選択酸化反応部周辺の熱の流れを示すブロック図である。 図１の水素製造装置の他の例を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、一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。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は筐体４の外に設置されてもよい。
　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。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）を混合し、これらを改質部６に供給する。具体的には、フィード部５は、原燃料及び水蒸気を合流・混合させて混合ガス（混合流体）を生成する混合部５ｘと、混合ガスを改質部６へ流通させる混合ガス流路５ｙと、を含んでいる。
　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。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。この改質部６にあっては、水蒸気改質反応が高温を必要としかつ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、シフト反応を２段階に分けて行うことも可能であり、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）１２と、高温シフト反応の温度よりも低温（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：LowTemperature Shift）１３と、を有している。ただし、高温シフト反応部１２は、必ずしも設けなくともよい。
　高温シフト反応部１２は、改質部６から供給された改質ガス中の一酸化炭素を高温シフト触媒１２ｘによって高温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。高温シフト反応部１２は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、高温シフト触媒１２ｘが改質触媒６ｘの下端部を囲繞するよう改質部６の径方向外側に隣接配置されている。この高温シフト反応部１２は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを低温シフト反応部１３へ供給する。
　低温シフト反応部１３は、高温シフト反応部１２で高温シフト反応させ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、改質ガス中の水素を酸化させることなく、一酸化炭素を選択的に酸化し、二酸化炭素に転換する。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、熱交換部１６が設けられた改質ガス配管１４ｙを介して外部へ導出する。熱交換部１６は、改質ガス配管１４ｙ内を流通する改質ガスと、外部から水配管１７ｘを介して導入された水との間で熱交換を行うと共に、この水を蒸発部９に水配管１７ｙを介して供給する。
　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及び選択酸化反応部８から移動させた（低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８を冷却して得た）熱、及びバーナ１０の排ガスの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、高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部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。この蒸発部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、混合ガス流路５ｙを介して改質部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数千ｐｐｍ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程度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。
　なお、本実施形態においては、例えば各触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘにて触媒反応を好適に行うため、次のように各部位の温度が設定されている。すなわち、改質部６に流入する混合ガスの温度が約３００～５５０℃とされ、改質部６から流出する改質ガスの温度が５５０℃～８００℃とされ、高温シフト反応部１２に流入する改質ガスの温度が４００℃～６００℃とされ、高温シフト反応部１２から流出する改質ガスの温度が３００℃～５００℃とされている。また、低温シフト反応部１３に流入する改質ガスの温度が１５０℃～３５０℃とされ、低温シフト反応部１３から流出する改質ガスの温度が１５０℃～２５０℃とされ、選択酸化反応部８に流入する改質ガスの温度が９０℃～２１０℃（１２０℃～１９０℃）とされている。
　次に、本実施形態における低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８の周辺構成について、より詳細に説明する。
　図３は、図２に示す選択酸化反応部周辺の構成の拡大図である。図３に示すように、本実施形態に係る水素製造装置１の一酸化炭素除去構造は、軸Ｇ側から外周側へ向かって、低温シフト反応部１３、シフト反応入口ガス流路３１、排ガス流路３２、水蒸発流路３３、選択酸化反応入口ガス流路３４、選択酸化反応部８を、この順番で備えている。低温シフト反応部１３、シフト反応入口ガス流路３１、排ガス流路３２、水蒸発流路３３、選択酸化反応入口ガス流路３４、選択酸化反応部８は、いずれも軸Ｇを中心軸とする円筒状をなしており、径方向に互いに隣接するようにそれぞれ配置されている。
　低温シフト反応部１３は、周壁４１、周壁４２、下端壁４３、パンチング板４４、パンチング板４５及び低温シフト触媒１３ｘを備えている。周壁４１及び周壁４２は、軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁４１と周壁４２との間には、低温シフト触媒１３ｘを充填するための隙間が形成されている。下端壁４３は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁４１及び周壁４２それぞれの下端に連続して低温シフト反応部１３の下方側を閉塞する。周壁４２は、周壁４１よりも更に上方へ延びている。パンチング板４４は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、下端壁４３から上方へ離間する位置に、周壁４１と周壁４２との間に設けられている。パンチング板４５は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁４１の上端側の位置に、周壁４１と周壁４２との間に設けられている。低温シフト触媒１３ｘは、周壁４１、周壁４２、パンチング板４４、パンチング板４５で構成される空間に充填される。また、低温シフト反応部１３は、シフト反応後の改質ガスを流出させる出口５２を有している。なお、低温シフト反応部１３は、パンチング板を用いない構成としてもよい。この低温シフト反応部１３の下方側には、シフト反応後の改質ガスと空気とを効率よく混合するための混合構造５０が設けられている。
　混合構造５０は、内部空間５１、出口５２、改質ガス配管１４ｘ、空気配管（空気供給部）１５によって構成されている。内部空間５１は、下端壁４３とパンチング板４４との間に形成される円環状の空間である。内部空間５１は、シフト反応後の改質ガスを効率よく出口５２へ集めることができる。出口５２は、低温シフト反応部１３の下端壁４３に形成された貫通孔である。出口５２は、下端壁４３に一箇所のみ形成されているため、シフト反応後の改質ガスを一箇所に集めることができる。改質ガス配管１４ｘは、出口５２に接続された配管である。改質ガス配管１４ｘは、シフト反応後の改質ガスを選択酸化反応入口ガス流路３４へ流通させる。改質ガス配管１４ｘは、軸Ｇを中心軸として低温シフト反応部１３の下方から上方へ延び、出口５２に接続される管部１４ａを備えている。空気配管１５は、先端部分が改質ガス配管１４ｘの内部に挿入されている。空気配管１５の先端部分は、改質ガス配管１４ｘの管部１４ａの内部で当該管部１４ａと同軸上に配置され、出口５２へ向かって上方へ延びている。
　このような構成によって、出口５２は、シフト反応後の改質ガスを一箇所に集めると共に、当該改質ガスを改質ガス配管１４ｘの管部１４ａ内へ下方に向けて流すことができる。一方、空気配管１５は、出口５２を通過する改質ガスに対して、下方から上方へ向かって（すなわち、改質ガスの流れに対向する方向から）空気を供給することができる。これによって、混合構造５０は、シフト反応後の改質ガスと空気とを出口５２付近で効率よく混合することができる。なお、改質ガスと空気との混合位置は、特に限定されず、出口５２から離れた位置でもよいが、出口５２に近い方が改質ガスの流速が高く混合効率が良いので好適である。
　シフト反応入口ガス流路３１は、低温シフト反応部１３に対する入口ガスを流通させる流路であり、周壁４２及び周壁６１によって構成されている。周壁６１は、軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。シフト反応入口ガス流路３１は、周壁４１と周壁６１との間の隙間によって構成されている。周壁６１は、低温シフト反応部１３の下端壁４３から下方へ離間するように配置された下端壁６２に接続されている。シフト反応入口ガス流路３１を流通する改質ガスは、低温シフト反応部１３の下端壁４３と周壁４１の外側を回り込むように流れ低温シフト反応部１３へ上側から供給される。なお、低温シフト反応部１３へ供給される改質ガスはこのような流れに限定されず、どのような流路で低温シフト反応部１３へ供給されてもよい。従って、シフト反応入口ガス流路３１がこのような配置で設けられていなくてもよい。
　排ガス流路３２は、バーナからの排ガスを流通させる流路であり、周壁６１、周壁６３、下端壁６４、外周壁６６によって構成されている。周壁６３は、軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。排ガス流路３２は、周壁６１と周壁６３との間の隙間によって構成されている。周壁６３の下端部は、下端壁６２から上方へ離間した円環状の下端壁６４に接続されている。また、下端壁６４と下端壁６２の外周側の端部は円筒状の外周壁６６によって閉塞されている。排ガス流路３２は、改質部６側からの排ガスを上方から下方へ向けて流通させる。
　水蒸発流路３３は、蒸発部９の水または水蒸気を流通させる流路であり、周壁６３、下端壁６４、周壁６７、上端壁６８によって構成されている。周壁６７は、軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。水蒸発流路３３は、周壁６３と周壁６７との間の隙間によって構成されている。周壁６７の下端部は、下端壁６４に接続されている。下端壁６４は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６３及び周壁６７それぞれの下端に連続して水蒸発流路３３の下方側を閉塞する。上端壁６８は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６３及び周壁６７それぞれの上端に連続して水蒸発流路３３の上方側を閉塞する。周壁６７の下端付近には、水配管１７ｘが接続されている。水蒸発流路３３は、水配管１７ｘから供給された水を下方から上方へ向けて流通させる。なお、水は水蒸発流路３３内で蒸発するため、水蒸発流路３３は下側の水層と上側のスチーム層を有している。水蒸発流路３３内の水の水面の位置は特に限定されないが、少なくとも選択酸化触媒８ｘの上端位置よりも上方であることが好ましい。また、水蒸発流路３３の上端、すなわち上端壁６８の位置は特に限定されず、図に示す位置より更に高い位置に配置してよい。
　選択酸化反応入口ガス流路３４は、選択酸化反応部８に対する入口ガスを流通させる流路であり、周壁６７、周壁６９、下端壁７１、上端壁７２によって構成されている。下端壁７１は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６７の外周面に設けられている。下端壁７１は、水配管１７ｘの接続位置よりも上方に配置されている。上端壁７２は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６７の外周面に設けられている。周壁６９は、軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈し、下端壁７１と上端壁７２との間を延在している。周壁６９の下端は下端壁７１から離間し、周壁６９の上端は上端壁７２から離間している。選択酸化反応入口ガス流路３４は、周壁６７と周壁６９との間の隙間によって構成されている。下端壁７１の外周側の端部と上端壁７２の外周側の端部とは、周壁７３で連結されている。周壁７３は、周壁６９よりも外周側で、軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁７３の下端付近には、改質ガス配管１４ｘが接続されている。選択酸化反応入口ガス流路３４は、改質ガス配管１４ｘから供給された改質ガスを下方から上方へ向かって流通させる。選択酸化反応入口ガス流路３４の上端及び下端の位置、すなわち上端壁７２及び下端壁７１の位置は、図に示す位置に限定されない。
　選択酸化反応部８は、周壁６９、周壁７３、パンチング板７４、パンチング板７６、下端壁７７、及び選択酸化触媒８ｘを備えている。周壁６９と周壁７３との間には、選択酸化触媒８ｘを充填するための隙間が形成されている。パンチング板７４は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６９の下端側の位置に、周壁６９と周壁７３との間に設けられている。パンチング板７６は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６９の上端側の位置に、周壁６９と周壁７３との間に設けられている。選択酸化触媒８ｘは、周壁６９、周壁７３、パンチング板７４、及びパンチング板７６で構成される空間に充填される。下端壁７７は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁６９の下端と周壁７３の内周面に連続して選択酸化反応部８の下方側を閉塞する。周壁７３には、下端壁７７とパンチング板７４との間の位置に改質ガス配管１４ｙが接続されている。なお、選択酸化反応部８は、パンチング板を用いない構成としてもよい。
　次に、選択酸化反応部８周辺における改質ガスＲＧ、水（または水蒸気）Ｗ、排ガスＥＧの流れ、及び熱の流れについて図３及び図４を参照しながら説明する。図４は、図３に示す選択酸化反応部８周辺の熱の流れを示すブロック図である。
　まず、改質ガスＲＧは、シフト反応入口ガス流路３１を流通し、低温シフト反応部１３へ供給される。低温シフト触媒１３ｘで一酸化炭素濃度が低下した改質ガスＲＧは、内部空間５１内で出口５２へ向かって一箇所に集められる。低温シフト反応部１３から流出する改質ガスＲＧの温度は、上述のように１５０℃～２５０℃である。出口５２へ集められた改質ガスＲＧは、改質ガス配管１４ｘの管部１４ａへ向かって下方へ流通する。このとき、改質ガスＲＧは、空気配管１５から上方へ向かって供給された空気と衝突し、効率よく空気と混合される。空気と混合された改質ガスＲＧは、改質ガス配管１４ｘを流通して、選択酸化反応入口ガス流路３４へ供給される。
　選択酸化反応入口ガス流路３４へ供給された改質ガスＲＧは、当該選択酸化反応入口ガス流路３４を下方から上方へ向かって流通する。このとき、改質ガスＲＧは、選択酸化反応入口ガス流路３４の内周側に隣接する水蒸発流路３３内の水（あるいは水蒸気）との間で熱交換を行う。これによって、改質ガスＲＧは、必要以上に高温な場合は水蒸発流路３３に熱を供給することで冷却されつつも、必要以上に低温とならないように適切な温度に保たれる。すなわち、選択酸化反応入口ガス流路３４は、水蒸発流路３３との間で熱交換を行う熱交換部Ａとして機能することができる。改質ガスＲＧの温度は、選択酸化反応部８へ流入する直前では、１００～２００℃に保たれる。
　選択酸化反応部８へ流入した改質ガスＲＧは、選択酸化触媒８ｘによって一酸化炭素が除去される。ここで、選択酸化反応は発熱反応であるため、選択酸化触媒８ｘから熱が生じる。このとき、選択酸化反応部８は、選択酸化反応入口ガス流路３４を介して水蒸発流路３３との間で熱交換をすることができる。これによって、選択酸化反応部８の入口付近が必要以上に高温となることを防止できる。このとき、選択酸化反応入口ガス流路３４は、選択酸化反応部８と水蒸発流路３３との間で熱交換を行う熱交換部Ｂとして機能することができる。改質ガスＲＧの温度は、選択酸化反応部８から流出した直後では、１００～１８０℃とされる。選択酸化反応部８から流出した改質ガスＲＧは、熱交換部１６によって、水蒸発流路３３へ供給される水との間で熱交換が行われる。このとき、熱交換部１６は、図４に示す熱交換部Ｃとして機能する。改質ガスＲＧは、最終的に８０～１３０℃とされる。以上のように、選択酸化反応入口ガス流路３４は、一本の流路でありながら、二つの熱交換部Ａ，Ｂとして機能することができる。
　水Ｗは、水配管１７ｘから供給され、熱交換部１６によって改質ガスＲＧから熱を受ける。熱交換部１６で熱交換された水Ｗは、水蒸発流路３３へ流入し、下方から上方へ向かって流れる。このとき、水Ｗは、水蒸発流路３３と内周側で隣接する排ガス流路３２の排ガスＥＧから熱を受けることができる。また、水Ｗは、熱交換部Ａとして機能する選択酸化反応入口ガス流路３４から改質ガスＲＧの熱を受けることができる。更に、水Ｗは、熱交換部Ｂとして機能する選択酸化反応入口ガス流路３４から選択酸化反応による熱を受けることができる。水Ｗ（または水蒸気）の温度は、選択酸化反応入口ガス流路３４と接している領域では８０～５００℃とされ、特に、選択酸化反応部８の入口付近においては１００～３００℃とされる。水Ｗは、上方へ流通する間に蒸発することでスチームとなり、改質部６へ向かう。
　次に、本実施形態に係る水素製造装置１及び燃料電池システム１００の作用・効果について説明する。
　本実施形態に係る水素製造装置１では、選択酸化反応部８と水蒸発流路３３との間には、改質ガスＲＧが流通する選択酸化反応入口ガス流路３４が配置される。このような構成により、選択酸化反応部８は、水や水蒸気が流れる水蒸発流路３３と直接接触することなく、選択酸化反応入口ガス流路３４を熱媒として機能させることができる。これによって、選択酸化反応部８の選択酸化触媒８ｘの温度が低くなりすぎることを防止することができる。更に、選択酸化反応入口ガス流路３４は、選択酸化反応部８へ供給される改質ガスＲＧ、すなわち選択酸化反応部８の入口ガスを流通させることができる。これによって、選択酸化反応部８の入口ガスとしての改質ガスＲＧは、必要以上に高温な場合は水蒸発流路３３の水や水蒸気に熱を供給することで冷却されつつも、必要以上に低温とならないように水蒸発流路３３の水や水蒸気によって適切な温度に保たれる。これによって、選択酸化反応入口ガス流路３４を流通した改質ガスＲＧは、最適な温度にされた状態で選択酸化反応部８へ供給される。以上によって、本実施形態に係る水素製造装置１によれば、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部８の温度を最適な温度に保つことができ、選択酸化触媒の寿命を長くすることが可能となる。
　また、本実施形態に係る水素製造装置１において、排ガス流路３２は、選択酸化反応入口ガス流路３４の反対側で水蒸発流路３３と隣接する位置に配置されている。排ガス流路３２が水蒸発流路３３と隣接する位置に配置されているため、水蒸発流路３３内の水は、高温の排ガスＥＧからの熱を受けて効率よく蒸発することができる。更に、水蒸発流路３３は、選択酸化反応入口ガス流路３４内の改質ガスＲＧを冷やしすぎることなく、確実に改質ガスＲＧを最適な温度に保つことができる。
　また、本実施形態に係る水素製造装置１において、低温シフト反応部１３は、シフト反応後の改質ガスＲＧが通過する出口５２を有している。また、空気配管１５は、出口５２を通過する改質ガスＲＧに対して、当該改質ガスＲＧの流れに対向する方向から空気を供給することができる。改質ガスＲＧは、低温シフト反応部１３から流出する際は出口５２に集められる。このとき、空気配管１５は、出口５２に集められた改質ガスＲＧに対して空気を供給することができる。これによって、空気と改質ガスＲＧとが効率よく混合することができる。更に、空気配管１５は、改質ガスＲＧの流れに対向する方向から空気を供給することができるため、改質ガスＲＧと空気とが衝突し、一層効率よく混合される。
　また、燃料電池システム１００は、上記水素製造装置１を備えているため、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部８の温度を最適な温度に保つことができるという上記効果が奏される。
　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及び上記燃料電池システム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、上記実施形態で示された水素製造装置の構成は、一例であり、選択酸化反応部８、選択酸化反応入口ガス流路３４、水蒸発流路３３の位置関係を除く部分の構成は、特に限定されず、各流路や配管や構成要素の位置関係や構成を適宜変更してもよい。例えば、改質部の構造が異なるものを採用してもよく、また、脱硫部２がなくともよい。
　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高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３を備えているが、図５に示すように、低温シフト反応部１３のみ備えていてもよい。
　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。
　本発明は、水素製造装置及び燃料電池システムに利用可能である。
　１…水素製造装置、１０…バーナ、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、８…選択酸化反応部、１３…シフト反応部、１５…空気配管（空気供給部）、３２…排ガス流路、３３…水蒸発流路（蒸発流路）、３４…選択酸化反応入口ガス流路（ガス流路）、５２…出口、１００…燃料電池システム、Ｇ…軸。

Claims (4)

  1. 　水素を含有する改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化反応部と、
    　水を流通させて水蒸気を生成する蒸発流路と、
    　前記改質ガスが流通するガス流路と、を備え、
    　前記ガス流路は、前記選択酸化反応部と前記蒸発流路との間に配置されており、
    　前記改質ガスは、前記ガス流路を流通した後、前記選択酸化反応部へ流入することを特徴とする水素製造装置。
  2. 　前記改質ガスの生成に用いられるバーナの排ガスが流通する排ガス流路を更に備え、
    　前記排ガス流路は、前記ガス流路の反対側で前記蒸発流路と隣接する位置に配置さ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. 　前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により除去するシフト反応部と、
    　前記シフト反応部から前記選択酸化反応部へ向かう前記改質ガスに対して空気を供給する空気供給部と、を更に備え、
    　前記シフト反応部は、シフト反応後の前記改質ガスを流出させる出口を有し、
    　前記空気供給部は、前記出口から流出する前記改質ガスに対して、当該改質ガスの流れに対向する方向から前記空気を供給することを特徴とする請求項１または２記載の水素製造装置。
  4. 　請求項１～３の何れか一項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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