JP3663653B2

JP3663653B2 - 水素発生装置

Info

Publication number: JP3663653B2
Application number: JP03879095A
Authority: JP
Inventors: 原保雄桑; 岡晃松
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: JPH08231201A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水素発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来技術としては、水蒸気改質法及び部分酸化改質法を用いた装置が知られている。
【０００３】
前者の水蒸気改質法は、反応管内にメタノールと水を混入して、反応管に熱を加えることによって両者を下式の如く反応させ、水素を得るものである。
【０００４】
ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ → ＣＯ2 ＋３Ｈ2
上記水蒸気改質法の長所としては、得られる改質ガス中の水素濃度が高いことが挙げられるが、短所として▲１▼水の貯蔵手段及び加熱手段が必要であるため構造が複雑であり小型化が困難であること、▲２▼吸熱反応であるために加熱が必要であること、が挙げられる。このため、装置の搭載性（装置が大型化する）、始動性（始動開始から十分な水素が得られるまでに時間が掛かる）、応答性（発生される水素量を一時的に増大させたい場合に必要量が発生されるまでに時間が掛かる）が悪いという問題点があった。
【０００５】
このような問題点から後者の部分酸化改質法が提案されている。この方法を用いた装置としては、特開昭６２−５９５０１号公報に開示されるような装置が知られている。これは、メタノールと酸素（空気）の混合物を触媒が収納されたハウジング内に供給管を通じて流入させることによって、両者を下式の如く反応させ、水素を得るものである。
【０００６】
ＣＨ3 ＯＨ＋ 1/2Ｏ2 → ＣＯ2 ＋２Ｈ2
上記部分酸化改質法の長所としては、▲１▼構造がシンプルであるために装置を小型化できること、▲２▼発熱反応であるために反応を起こさせるための熱源が不要であること、が挙げられる。このため、装置の搭載性（即ち、小型化）、始動性、応答性を良好なものとすることができる。
【０００７】
又、特開昭６２−５９５０１号公報に開示される水素発生装置では、一部不完全な反応により生じる一酸化炭素を低減するために、メタノール中に水を混入させて、水と一酸化炭素とを下式の如く反応させることにより低減させる方法が採用されている。
【０００８】
Ｈ2 Ｏ＋ＣＯ → ＣＯ2 ＋Ｈ2
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記した水と一酸化炭素とは、低温度（１５０℃程度）の方が反応が促進されるが、上記したようにメタノールに水を混入する方法では、ホットスポット領域（メタノールと酸素とが活発に反応する領域であり、通常作動時は３００℃〜４００℃のとなっている）にて水と一散化炭素とが反応されるために、一酸化炭素の低減効果が小さい。
【００１０】
本発明は、一酸化炭素の低減効果が大きい水素発生装置の提供を技術的課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した技術的課題を解決するため請求項１の発明において講じた技術的手段は、内部空間内に触媒が充満されているハウジングと、内部空間内の上流側に開口した第１供給管と、内部空間内で反応して発生される改質ガスが内部空間から流れ出るための吹き出し管と、第１供給管に接続されたメタノール供給手段と、第１供給管に接続された酸素供給手段とを備えた水素発生装置において、内部空間内の下流側に開口した第２供給管と、第２供給管に水を供給する水供給手段とを備えたことである。
【００１２】
一酸化炭素の低減効果を更に向上させるために、請求項２の発明において講じた技術的手段は、第２供給管の前記開口部を、第１供給管の開口部に対向した位置に配設したことである。
【００１３】
一酸化炭素の低減効果を維持するために、請求項３の発明において講じた技術的手段は、内部空間内の下流側に配設され触媒の温度を低下させる熱交換手段を備えたことである。
【００１４】
【作用】
請求項１の発明においては、メタノール供給手段と酸素供給手段より第１供給管に供給されたメタノールと酸素は、第１供給管の開口から触媒中に吹き出される。メタノールと酸素の混合流体は、ホットスポット領域（第１供給管の開口部近傍）において触媒に接触することによって反応する。この反応によって発生した改質ガス（二酸化炭素と水素の混合ガス）は、吹き出し管より順次吹き出される。
【００１５】
一方、反応が一部不完全により発生した一酸化炭素は、水供給手段から第２供給管を通って内部空間内に流入した水と下流側の低温領域（１５０℃程度）にて反応し、二酸化炭素と水素になって吹き出し管より順次吹き出される。これにより、一酸化炭素が低減される。
【００１６】
請求項２の発明においては、第２供給管の開口部が第１供給管の開口部の対向した位置に配設されているために、メタノールと酸素が反応して発生した改質ガスの下流域（一酸化炭素の濃度が低い）で高濃度の水による高い反応確率が得られ、一酸化炭素の低減効果を更に向上させることができる。
【００１７】
請求項３の発明においては、内部空間の下流側の触媒にホットスポット領域の熱が伝わり、内部空間下流側の触媒の温度が上がり過ぎるのを、熱交換手段が内部空間下流側の触媒の温度を奪うことにて防止することができるために、内部空間の下流側の触媒温度を水と一酸化炭素が活発に反応する温度領域に保つことができ、一酸化炭素の低減効果を維持することができる。
【００１８】
【実施例】
本発明に係る実施例を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明に係る第１実施例の水素発生装置の構成図である。同図において、ハウジング１０の内部空間１０ａ内には、触媒１１が充満されている。触媒１１には、銅系触媒、ニッケル系触媒、貴金属系触媒等が用いられる。
【００２０】
ハウジング１０の図中上面には、開口部１２ａがハウジングの内部空間１０ａ内に開口した第１供給管１２が挿入されている。この第１供給管１２の開口部１２ａは内部空間１０ａの図中上部（上流側）に位置している。
【００２１】
第１供給管１２は、後述するメタノール供給手段及び酸素供給手段に接続されている。メタノール供給手段は、液体のメタノールを貯えるメタノールタンク２０と、このメタノールタンク２０内に貯えられているメタノールを第１供給管１２に順次供給するためのメタノールポンプ２１と、液体のメタノールを気化するための気化器２２とから構成されている。酸素供給手段は、酸素（空気）を取り入れる取り入れ口３０と、この取り入れ口３０から吸い込んだ酸素のゴミを取り除くフィルター３１と、酸素を第１供給管１２に順次供給するためのエアポンプ３２とから構成されている。
【００２２】
一方、ハウジング１０の図中下面には、ハウジング１０内で反応して発生する改質ガスが流れだすための吹き出し管１４が取り付けられている。この吹き出し管１４を流れる改質ガスは、例えば燃料電池に供給されて電力の発生源として利用される。
【００２３】
吹き出し管１４内には、水供給手段に接続される第２供給管１５が挿通されている。第２供給管１５の開口部１５ａは、内部空間１０ａの下方で且つ第１供給管１２の開口部１２ａに対向した位置に配設されている。
【００２４】
水供給手段は、水を貯える水タンク４０と、この水タンク４０内に貯えられている水を第２供給管１５に順次供給するウォータポンプ４１と、水を気化して水蒸気とするための気化器４２とから構成されている。
【００２５】
尚、メタノールポンプ２１、エアポンプ３２、ウォータポンプ４１の作動制御は、図示しない制御装置により成される。
【００２６】
上記した第１実施例の水素発生装置の作用を説明する。
【００２７】
制御装置によりメタノールポンプ２１、エアポンプ３２、ウォータポンプ４１が作動されると、第１供給管１２よりメタノールと酸素の混合流体が内部空間１０ａに供給されると共に、第２供給管１５より水蒸気が内部空間に供給される。
【００２８】
第１供給管より供給される混合流体は、ホットスポット領域ＨＳにて触媒に接触することにより反応して、水素と二酸化炭素とからなる改質ガスを発生する。
【００２９】
このとき、一部不完全な反応により生じる一酸化炭素は、内部空間１０ａ内の図中下方（下流）にて、第２供給管１５より図中上方に向けて吹き出される水蒸気（水）と反応して二酸化炭素と水素になる。
【００３０】
上記第１実施例の水素発生装置においては、一酸化炭素と水は内部空間１０ａの下流側の低温領域（１５０℃程度）にて反応されるために、水と一酸化炭素との反応が促進されて一酸化炭素の低減効果が大きいものである。
【００３１】
又、第１実施例の水素発生装置においては、第２供給管１５の開口部１５ａが第１供給管１２の開口部１２ａの対向した位置に配設されているために、改質ガスと供給された水蒸気の流れが対向し、改質ガス下流域の一酸化炭素濃度の低い領域で高い密度の高い水蒸気が当たることになり、一酸化炭素の低減効果を更に向上させることができる。
【００３２】
図２は本発明に係る第２実施例の水素発生装置のハウジングとその周辺の構成図である。同図において、上記第１実施例の水素発生装置との相違点についてのみ説明する。
【００３３】
図２において、第１供給管１２のメタノール通路１２ｂは、ハウジング１０の図中下方より挿通されていて、触媒１１中の熱を第１供給管１２に効率よく伝達させるためにフィン状を呈した熱交換部材（熱交換手段）５０が複数設けられている。一方、第１供給管１２の酸素通路１２ｃは、ハウジング１０の下方より内部空間１０ａ内に挿通されて内部空間１０ａの内周面に沿って螺旋状に配設されている。そして、内部空間１０ａの中央付近にてメタノール通路１２ｂと酸素通路１２ｃの両者は接続され、更にその開口部１２ａは図中上方に向けて開口している。
【００３４】
次に、第２実施例の水素発生装置の作用について説明する。
【００３５】
メタノールポンプ２１及び酸素ポンプ３２から供給されるメタノールと酸素は、それぞれの通路１２ｂ、１２ｃを通って混合され、第１供給管１２の開口部１２ａから内部空間１０ａに供給される。第１供給管１２より供給される混合流体は、ホットスポット領域ＨＳにて触媒に接触することにより反応して、水素と二酸化炭素とからなる改質ガスを発生する。
【００３６】
第２実施例においては、内部空間１０ａ内に配設されている第１供給管１２のメタノール通路１２ｂは熱交換部材５０を介して触媒１１の熱を吸収し、酸素通路１２ｃは直接触媒１１の熱を吸収して、下流側に位置する触媒１１の熱を奪う構成となっている。このため、内部空間１０ａの下流側の触媒１１に、ホットスポット領域ＨＳの熱が伝わり、内部空間１０ａの下流側の触媒１１の温度が上がり過ぎるのを、熱交換部材５０及び酸素通路１２ｃが内部空間１０ａ下流側の触媒１１の温度を奪うことにて防止することができるために、内部空間１０ａの下流側の触媒温度を水と一酸化炭素が活発に反応する温度領域に保ことがができ、一酸化炭素の低減効果を維持することができる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の発明においては、ハウジング内部空間の下流側に水が供給され、水と一酸化炭素とは下流側の低温領域にて反応されるために、水と一酸化炭素との反応が促進されて一酸化炭素の低減効果が大きいものである。
【００３８】
請求項２の発明においては、第２供給管の開口部が第１供給管の開口部の対向した位置に配設されているために、改質ガスと供給された水蒸気の流れが対向し、改質ガス下流域の一酸化炭素濃度の低い領域で高い密度の高い水蒸気が当たることになり、一酸化炭素の低減効果を更に向上させることができる。
【００３９】
請求項３の発明においては、内部空間の下流側の触媒にホットスポット領域の熱が伝わり、内部空間下流側の触媒の温度が上がり過ぎるのを、熱交換手段が内部空間下流側の触媒の温度を奪うことにて防止することができるために、内部空間の下流側の触媒温度を水と一酸化炭素が活発に反応する温度領域に保つことができ、一酸化炭素の低減効果を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施例の水素発生装置の構成図を示す。
【図２】本発明に係る第２実施例の水素発生装置のハウジングとその周辺の構成図を示す。
【符号の説明】
１０・・・ハウジング
１０ａ・・・内部空間
１１・・・触媒
１２・・・第１供給管
１４・・・吹き出し管
１５・・・第２供給管
２０・・・メタノールタンク（メタノール供給手段）
２１・・・メタノールポンプ（メタノール供給手段）
２２・・・気化器（酸素供給手段）
３０・・・吸い込み口（酸素供給手段）
３１・・・フィルター（酸素供給手段）
３２・・・酸素ポンプ（酸素供給手段）
４０・・・水タンク（水供給手段）
４１・・・ウォータポンプ（水供給手段）
４２・・・気化器
５０・・・熱交換部材（熱交換手段）

Claims

内部空間内に触媒が充満されているハウジングと、
前記内部空間内の上流側に開口した第１供給管と、
前記内部空間内で反応して発生される改質ガスが前記内部空間から流れ出るための吹き出し管と、
前記第１供給管に接続されたメタノール供給手段と、
前記第１供給管に接続された酸素供給手段と
を備えた水素発生装置において、
前記内部空間内の下流側に開口した第２供給管と、
該第２供給管に水を供給する水供給手段と
を備えたことを特徴とする水素発生装置。
前記第２供給管の前記開口部を、前記第１供給管の前記開口部に対向した位置に配設したことを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
前記内部空間内の下流側に配設され前記触媒の温度を低下させる熱交換手段を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の水素発生装置。