JP2014009129A - 水素製造装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を回避しつつ、改質触媒への伝熱の均一性を向上できる水素製造装置及びこれを用いた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素製造装置１では、改質触媒６ｘの内部に第１の流路６１と反対の方向に排ガスを流通させる断面円形の筒状の第２の流路６２が複数設けられている。このため、改質触媒６ｘ自体の軸Ｇ方向の長さを変えずとも、改質触媒６ｘ中を通る排ガスの流路を折り返しによって十分に長くすることができる。また、改質触媒６ｘを第１の流路６１の壁部側と第２の流路６２の壁部側とから加熱できる。したがって、装置の大型化を回避しつつ、改質触媒６ｘへの伝熱の均一性を向上できる。伝熱の均一性を向上することで、改質触媒６ｘの全体で水蒸気改質反応が得られ、改質器としての効率を十分に確保できる。
【選択図】図２

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、例えば特許文献１に記載の装置がある。この従来の装置では、水素製造装置の中心部にバーナを設置し、バーナ燃焼部を囲うように改質層を配置している。これにより、バーナの燃料排ガスによって改質層を内壁部側から加熱している。また、例えば特許文献２に記載の装置では、改質層と水蒸気発生室とを一体化すると共に、バーナ燃焼部に連結した円筒状の改質層に複数の燃焼ガス配管を通している。

特開２０１１−２０７７１１号公報 特開２０００−２８１３１２号公報

上述のような水素製造装置では、改質層における改質触媒の水蒸気改質反応が強い吸熱反応を示すため、改質触媒への伝熱の均一性が重要となる。改質触媒への伝熱が不十分になると、触媒の一部で水蒸気改質反応が不十分となり、改質器としての効率が本来の性能に比べて低下するという問題が生じるためである。改質触媒への伝熱の均一性を高めるためには、改質触媒を薄くすることも考えられるが、単純に薄くしていくと、十分な水蒸気改質反応を得るためには改質触媒を長くする必要が生じ、装置の大型化を招くことになる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、装置の大型化を回避しつつ、改質触媒への伝熱の均一性を向上できる水素製造装置及びこれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、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改質部を備えた水素製造装置であって、改質部は、中空筒状をなすと共に当該中空部分がバーナからの排ガスを流通させる第１の流路とされた改質触媒を有し、改質触媒の内部には、第１の流路と反対の方向に排ガスを流通させる筒状の第２の流路が第１の流路周りに複数設けられていることを特徴としている。

この水素製造装置では、改質触媒の内部に第１の流路と反対の方向に排ガスを流通させる筒状の第２の流路が複数設けられている。このため、改質触媒自体の長さを変えずとも改質触媒中を通る排ガスの流路を十分に長くすることができる。また、改質触媒を第１の流路の壁部側と第２の流路の壁部側とから加熱できる。したがって、装置の大型化を回避しつつ、改質触媒への伝熱の均一性を向上できる。

また、第２の流路は、第１の流路の周りに等間隔で設けられていることが好ましい。このような第２の流路の配置により、改質触媒への伝熱の均一性を一層高めることが可能となる。

また、第１の流路は、バーナの燃焼室を構成することが好ましい。これにより、装置の一層の省スペース化が図られる。

また、改質触媒に、改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させる中空筒状のシフト触媒が連結され、シフト触媒の内部に第２の流路が延伸していることが好ましい。この場合、装置起動時に排ガスの熱をシフト触媒に供給できる。また、第２の流路を流通する排ガスの温度を制御することでシフト触媒の温度を制御することが可能となる。

また、改質触媒に、改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させる中空筒状の選択酸化触媒が連結され、選択酸化触媒の内部に第２の流路が延伸していることが好ましい。この場合、装置起動時に排ガスの熱を選択酸化触媒に供給できる。また、第２の流路を流通する排ガスの温度を制御することで選択酸化触媒の温度を制御することが可能となる。

また、改質触媒の内部には、第２の流路と反対の方向に排ガスを流通させる第３の流路が設けられていることが好ましい。この場合、第３の流路の壁部側からも改質触媒を加熱できるので、改質触媒への伝熱の均一性を更に向上できる。

また、第３の流路は、第２の流路の周りに等間隔で複数設けられていることが好ましい。このような第３の流路の配置により、改質触媒への伝熱の均一性を一層高めることが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上記の水素製造装置と、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、を備えたことを特徴としている。

この燃料電池システムでは、改質触媒の内部に第１の流路と反対の方向に排ガスを流通させる第２の流路が設けられている。このため、改質触媒自体の長さを変えずとも改質触媒中を通る排ガスの流路を十分に長くすることができる。また、改質触媒を第１の流路の壁部側と第２の流路の壁部側とから加熱できる。したがって、装置の大型化を回避しつつ、改質触媒への伝熱の均一性を向上できる。

本発明によれば、装置の大型化を回避しつつ、改質触媒への伝熱の均一性を向上できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示すブロック図である。 図１に示した燃料電池システムにおける水素製造装置を示す概略図である。 図２に示した水素製造装置の改質部の構成を示す斜視図である。 変形例に係る水素製造装置の改質部周辺の構成を示す概略図である。 別の変形例に係る水素製造装置の改質部周辺の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る水素製造装置及び燃料電池システム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、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」等の語は、図面の方向に対応する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主要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。水素製造装置１では、原燃料として例えば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。

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、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図である。図１及び図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とが筐体４に収容されて構成されている。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、パイプ２１によって筐体４の側板４ｘに固定され、本体部３の上部を所定の隙間を有して囲うように保持されている。なお、脱硫部２は、本体部３に固定されてもよい。また、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、これらが一体的となって構成されている。この本体部３は、筒状のステー２２によって筐体４の床板４ｙに固定されている。

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、生成した混合ガスを改質部６に供給する。改質部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６ｘによって水蒸気改質（ＳＲ：Steam Reforming）して改質ガスを生成する。そして、改質部６は、生成した改質ガスをシフト反応部７に供給する。

改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状の外形を呈し、本体部３の上端側に設けられている。改質部６では、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が導入されている。バーナ１０では、バーナ燃料としてオフガス（セルスタック２０で未反応に終わった残ガス）が供給されて燃焼する。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。バーナ１０においては、原燃料或いは脱硫部２で脱硫した原燃料の一部をバーナ燃料として供給してもよい。

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（ＬＴＳ：Low Temperature Shift）を行う低温シフト反応部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、改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状の外形を呈しており、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、一酸化炭素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一酸化炭素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が低下してしまうためである。具体的には、選択酸化反応部８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とする円筒状の外形を呈しており、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。選択酸化反応部８は、一酸化炭素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（不図示）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、例えばジャケット型のものが用いられ、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、すなわち、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、水蒸気配管１７ｚを介し、生成した水蒸気をフィード部５の混合部５ｘに供給する。

以上のような構成を有する水素製造装置１では、セルスタック２０からのオフガスと空気とがバーナ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。なお、起動時には、原燃料或いは脱硫部２で脱硫された原燃料と空気とがバーナ１０に供給されてバーナ１０が燃焼する場合もある。

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、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によって一酸化炭素濃度が例えば１％以下程度まで低下され、更に選択酸化反応部８によって一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下まで低下された後、熱交換部で冷却され、後段のセルスタック２０へ導出される。

続いて、水素製造装置１の改質部６の構成について、更に詳細に説明する。

図３は、図２に示した水素製造装置の改質部の構成を示す斜視図である。図２及び図３に示すように、改質部６は、中空の円筒状の改質触媒６ｘを有している。改質触媒６ｘにおける断面円形の中空部分５１は、バーナ１０の燃焼筒１１を配置可能な径を有しており、中空部分５１の上端側に燃焼筒１１の先端が配置されることで、バーナ燃料が燃焼するバーナ燃焼室１９が構成されている。また、改質触媒６ｘの内部には、中空部分５１よりも小径の断面円形の中空部分５２が中空部分５１周りに等間隔で複数（本実施形態では例えば１２本）環状に設けられている。

改質部６の下端側には、中空部分５１の下端側と中空部分５２の下端側とが連通するように円板状壁３３が設けられている。これにより、中空部分５１は、バーナ燃料が燃焼した後の排ガスが下方に向かって流通する第１の流路６１となっており、中空部分５２は、第１の流路６１とは反対に上方に向かって排ガスを流通させる第２の流路６２となっている。そして、第２の流路６２は、改質部６の上端側で排ガスを外部に向けて流通させる排ガス流路Ｌ１と接続されている。

以上説明したように、水素製造装置１では、改質触媒６ｘの内部に第１の流路６１と反対の方向に排ガスを流通させる断面円形の筒状の第２の流路６２が複数設けられている。このため、改質触媒６ｘ自体の軸Ｇ方向の長さを変えずとも、改質触媒６ｘ中を通る排ガスの流路を折り返しによって十分に長くすることができる。また、改質触媒６ｘを第１の流路６１の壁部側と第２の流路６２の壁部側とから加熱できる。

したがって、装置の大型化を回避しつつ、改質触媒６ｘへの伝熱の均一性を向上できる。伝熱の均一性を向上することで、改質触媒６ｘの全体で水蒸気改質反応が得られ、改質器としての効率を十分に確保できる。また、水素製造装置１の目標寿命を考慮した上で、改質部６における触媒充填量を削減することが可能となる。

また、水素製造装置１では、第１の流路６１がバーナ燃焼室１９を構成している。これにより、装置の一層の省スペース化が図られる。さらに、水素製造装置１では、第２の流路６２が第１の流路６１の周りに等間隔で複数設けられている。このような第２の流路６２の配置により、改質触媒６ｘへの伝熱の均一性を一層高めることが可能となる。なお、第２の流路６２が断面円形の筒状をなすことにより、排ガスの流れを均一化でき、改質触媒６ｘへの伝熱の均一化も図られる。また、第２の流路を第１の流路周りに断面リング状に形成する場合に比べて流路の形成が簡単であり、かつ長時間使用した場合の流路の変形も抑えられるという利点もある。

図４は、変形例に係る水素製造装置の改質部周辺の構成を示す概略図である。同図に示す例では、改質触媒６ｘの上端側にシフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘが一体的に連結されている点で、シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘが改質部６の下端側で別体に設けられている上記実施形態と異なっている。

より具体的には、この変形例に係る水素製造装置では、改質触媒６ｘの上端側に断熱部５５を介して中空の円筒状のシフト触媒１３ｘが連結されており、シフト触媒１３ｘの上端側に断熱部５６を介して中空の円筒状の選択酸化触媒８ｘが連結されている。そして、中空部分５１，５２は、同径を保ったまま断熱部５５、シフト触媒１３ｘ、断熱部５６、及び選択酸化触媒８ｘ中を延伸している。

このような構成においても、改質部６内にバーナ燃焼室１９が構成されるように選択酸化触媒８ｘ側からバーナ１０を中空部分５１内に配置し、中空部分５１の下端側と中空部分５２の下端側とを円板状壁３３によって連通させることで、改質触媒６ｘの内部に第１の流路６１と反対の方向に排ガスを流通させる第２の流路６２を形成できる。したがって、装置の大型化を回避しつつ、改質触媒６ｘへの伝熱の均一性を向上できる。

また、この構成では、第２の流路６２がシフト触媒１３ｘの内部及び選択酸化触媒８ｘの内部に延伸しているので、装置起動時に排ガスの熱をシフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘに供給できる。これにより、シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘの温度を反応に必要な所望の温度まで高めることができる。

本構成において、断熱部５５，５６に代えて熱交換部を配置してもよい。定常運転時では、シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘは発熱反応を示すので、起動時に排ガスによってシフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘの温度を反応に必要な所望の温度まで上昇させた後、熱交換部によって第２の流路６２を流通する排ガスの温度を制御することで、シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘの温度を制御することが可能となる。また、シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘに冷却部材を直接接続して温度制御を行うようにしてもよい。

なお、本構成では、シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘの双方をシフト触媒６ｘに連結しているが、これらのいずれか一方のみを選択的にシフト触媒６ｘに連結する構成であってもよい。

図５は、変形例に係る水素製造装置の改質部周辺の構成を示す概略図である。同図に示す例では、中空部分５２の更に外側に複数の中空部分５３が等間隔で環状に配置されている点で、図２及び図３に示した実施形態と異なっている。

この変形例に係る水素製造装置では、改質部６の上端側に、中空部分５２の上端側と中空部分５３の上端側とが連通するように環状壁３４が設けられている。これにより、中空部分５３は、第２の流路５２とは反対に下方に向かって排ガスを流通させる第３の流路６３となっている。そして、第３の流路６３は、改質部６の下端側で排ガスを外部に向けて流通させる排ガス流路Ｌ１と接続されている。

このような構成によれば、改質触媒６ｘを第１の流路６１の壁部側と第２の流路６２の壁部側とから加熱できることに加え、第３の流路６３の壁部側からも改質触媒６ｘを加熱できる。したがって、改質触媒への伝熱の均一性を更に向上できる。

また、この構成では、改質触媒６ｘの外層側において、バーナ１０側から下方に向かって、中空の円筒状のシフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘが断熱部５７を介して順に設けられている。したがって、第３の流路６３の内壁は、中心側の略半分部分が改質触媒６ｘで構成され、外側の略半分部分がシフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘで構成されている。

この構成によれば、装置起動時に第３の流路６３を流通する排ガスの熱をシフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘに供給できる。これにより、シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘの温度を反応に必要な所望の温度まで高めることができる。また、図４に示した形態と同様に、断熱部５７に代えて熱交換部を配置してもよい。熱交換部によって第３の流路６３を流通する排ガスの温度を制御することで、シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘの温度を制御することが可能となる。また、シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘに冷却部材を直接接続して温度制御を行うようにしてもよい。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、第１の流路６１、第２の流路６２、及び第３の流路６３の断面形状を円形状としているが、三角形、矩形、その他の多角形状としてもよい。また、第２の流路６２及び第３の流路６３は、必ずしも第１の流路６１に対して平行である必要はない。第２の流路６２及び第３の流路６３は、直線状に限られず、蛇腹状や捻じれ状であってもよい。

なお、脱硫部２の形状は、円筒形状に限定されず、図示しない部分に、円柱形状若しくは箱型の脱硫部２を配置してもよく、また、脱硫部２を交換型とすることも可能である。ただし、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。

１…水素製造装置、６…改質部、６ｘ…改質触媒、８ｘ…選択酸化触媒、１３ｘ…シフト触媒、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）、５１，５２，５３…中空部分、６１…第１の流路、６２…第２の流路、６３…第３の流路、１００…燃料電池システム。

Claims (8)

1. バーナを用いて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改質部を備えた水素製造装置であって、
   前記改質部は、中空筒状をなすと共に当該中空部分が前記バーナからの排ガスを流通させる第１の流路とされた改質触媒を有し、
   前記改質触媒の内部には、前記第１の流路と反対の方向に前記排ガスを流通させる筒状の第２の流路が前記第１の流路周りに複数設けられていることを特徴とする水素製造装置。
2. 前記第２の流路は、前記第１の流路周りに等間隔で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. 前記第１の流路は、前記バーナの燃焼室を構成することを特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
4. 前記改質触媒に、前記改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させる中空筒状のシフト触媒が連結され、
   前記シフト触媒の内部に前記第２の流路が延伸していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の水素製造装置。
5. 前記改質触媒に、前記改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させる中空筒状の選択酸化触媒が連結され、
   前記選択酸化触媒の内部に前記第２の流路が延伸していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水素製造装置。
6. 前記改質触媒の内部には、前記第２の流路と反対の方向に前記排ガスを流通させる第３の流路が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の水素製造装置。
7. 前記第３の流路は、前記第２の流路の周りに等間隔で複数設けられていることを特徴とする請求項６記載の水素製造装置。
8. 請求項１〜７のいず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され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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