JP2011046541A

JP2011046541A - 水素生成装置

Info

Publication number: JP2011046541A
Application number: JP2009194015A
Authority: JP
Inventors: Masaru Fukuda; 勝福田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2009-08-25
Publication date: 2011-03-10

Abstract

【課題】水素生成装置の起動時に、一酸化炭素低減触媒全体を、速やかに活性化する温度まで加熱して、起動時間の短縮化を図る。
【解決手段】水素生成装置１は、原料供給経路４と、水供給経路３と、原料供給経路４から供給される原料と水供給経路３から供給される水との改質反応により、水素含有ガスを生成させる改質部２０と、改質反応に必要な熱を改質部に供給する加熱部２と、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、改質部２０および一酸化炭素低減部の外側に設けられる断熱部３０とを備え、一酸化炭素低減部と断熱部３０との間であって押さえ板により一酸化炭素低減部の外側に当接させたヒーター２７、２８を構成される。その結果、一酸化炭素低減部全体が、効率的に加熱され、一酸化炭素低減触媒全体を効果的に加熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させ、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部を備える水素生成装置に関するものである。

近年、小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。そこで、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料を利用し、それらの原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が併設される。

その水素生成装置は、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。また、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部となる、一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させる変成部、および一酸化炭素を酸化させる選択酸化部を設ける構成がとられることが多い。それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはＲｕ触媒やＮｉ触媒、変成部にはＣｕ−Ｚｎ触媒、選択酸化部にはＲｕ触媒等が用いられている。また、各反応部には適した温度があり、改質部は６５０℃程度、変成部は２００℃程度、選択酸化部は１５０℃程度で使用されることが多い。

燃料電池発電システムを家庭用途で使用する場合、家庭の電力負荷に対応して、負荷の小さな夜間、システムを停止する起動停止運転に対応させることが、高いエネルギー効率を得るための望ましい運転方法となる。

水素生成装置も、その運転方法に対応する必要があり、起動時に速やかに水素含有ガスを供給するため、起動時に、改質触媒および一酸化炭素低減触媒を、それぞれ活性化できる温度にまで加熱する必要がある。

そこで、一酸化炭素低減部である変成部や選択酸化部の外壁に、一酸化炭素低減触媒を加熱するヒーターを設け、そのヒーターに接触するように、一酸化炭素低減部全体を覆うように断熱材が設けられる構成が検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−０１５２９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のような従来の構成では、ヒーターでの発熱が、変成部や選択酸化部の外壁を通した熱伝導により、一酸化炭素低減触媒に伝わることになる。すなわち、ヒーターが設置されている外壁面近傍の一酸化炭素低減触媒は、加熱されやすい構成となっている。しかし、ヒーターが設置されていない外壁面近傍の一酸化炭素低減触媒の昇温が遅くなる。従って、一酸化炭素低減触媒全体が、活性化する温度まで加熱されるまで、所定の一酸化炭素低減効果が得られず、さらなる起動時間の短縮化が望まれている。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、一酸化炭素低減部を、速やかに活性温度に加熱する水素生成装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料供給経路と、水供給経路と、前記原料供給経路から供給される原料と前記水供給経路から供給される水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を改質部に供給する加熱部と、前記改質部によって生成された前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減部の外側に設けられる断熱部と、前記一酸化炭素低減部と前記断熱部との間であって押え板により前記一酸化炭素低減部の外側に当接させたヒーターとを備えたものである。

これによって、一酸化炭素低減部全体を効果的に加熱することができるので、一酸化炭素低減部に納められる一酸化炭素低減触媒を、活性温度にまで加熱する時間を短縮することができる。

本発明の水素生成装置は、押え板で当接させたヒーターにより、一酸化炭素低減部全体を効果的に加熱することができるので、一酸化炭素低減部に納められる一酸化炭素低減触媒を、活性温度にまで加熱する時間を短縮することができる。その結果、起動時に必要な消費エネルギーを減らすことができる。また、一酸化炭素低減触媒全体を有効利用できるので、その触媒量を低減することができる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略断面図本発明の実施の形態１における水素生成装置の要部を示す模式図本発明の実施の形態１における水素生成装置の要部を示す模式図

第１の発明は、原料供給経路と、水供給経路と、前記原料供給経路から供給される原料と前記水供給経路から供給される水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を改質部に供給する加熱部と、前記改質部によって生成された前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減部の外側に設けられる断熱部と、前記一酸化炭素低減部と前記断熱部との間であって押え板により前記一酸化炭素低減部の外側に当接させたヒーターとを備えたものであり、押え板で当接させたヒーターにより一酸化炭素低減部全体を加熱でき、一酸化炭素低減部内に納められる一酸化炭素低減触媒を均一に加熱することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、押え板が一定のピッチ間隔をもったヒーター位置決め部を備えているので、一酸化炭素低減部全体を加熱でき、一酸化炭素低減部内に納められる一酸化炭素低減触媒を確実に均一に加熱することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、押え板がヒーター全周に設けられるので、ヒーターの加熱と押え板からの熱伝導により一酸化炭素低減部全体を効率的、速やかに加熱することができ、一酸化炭素低減部内に納められる一酸化炭素低減触媒を確実に均一に加熱することができる。

以下、本発明を実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施に形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略断面図である。

図１において、水素生成装置１は、水供給経路３から供給される水を蒸発させるとともに、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する水蒸気発生部２３を備える。また、原料供給経路４から供給される原料と、水蒸気との改質反応を進行させる水蒸気改質部２０と、水蒸気改質部２０で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる変成部２５を有している。また、変成部２５を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給部１９から変成部２５を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部２６を有している。なお、変成部２５、選択酸化部２６により、一酸化炭素低減部が構成されている。

水蒸気改質部２０にはＲｕ系の改質触媒、変成部２５にはＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒、選択酸化部２６にはＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている。また、水蒸気改質部２０における改質触媒（あるいは水素含有ガス）の温度（反応温度）を検出する改質温度検出部２１、変成部２５における変成触媒（あるいは原料と水蒸気の混合ガス）の温度を検出する変成温度部２４を備えている。

また、水素生成装置１は、水蒸気改質部２０における改質反応に必要な反応熱を供給するための加熱部となる、燃焼部２を備えている。燃焼部２は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナーであり、燃焼部２の燃焼状態を検知するフレームロッドである燃焼検出部２２、及び燃焼部２に燃料用空気を供給する、燃焼空気供給部となる燃焼ファン１８を有している。燃焼部２で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路（図示せず）を介して燃焼部２に供給される。水素生成装置１によって生成された水素含有ガスは、水素ガス供給経路１２を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。なお、フレームロッド２２は、火炎が形成される時に発生するイオンに電圧を印加し、その時に流れるイオン電流値を測定するデバイスである。また、水蒸気改質部２０と水蒸気発生部２３は、燃焼部２で発生させた燃焼排ガスから、燃焼部２との水素生成装置１の壁面を介して供給される構成となっている。また、燃焼排ガスは、排出口１３から、水素生成装置１の外部へ排気される。

水供給経路３には、水供給部（図示せず）が接続されている。原料供給経路４には、原料供給部が接続されている。原料供給経路４から供給される原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等である。ここでは、原料の供給源として都市ガスのガスインフララインを用い、そのガスインフラライン（図示せず）に、原料中の不臭成分である硫黄化合物を除去する脱硫部が接続されている。例えば脱硫部は、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤を用いることができる。なお、水供給部３および原料供給部４は、ブースターポンプを用いることができ、例えば入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、供給する水の流量、原料の流量を調節する機能を有している（詳細は図示せず）。

水素生成装置１には、水蒸気改質部２０の外側の外壁面に密着するように、また変成部２５、選択酸化部２６である一酸化炭素低減部には、外壁面との間に隙間を設けられた断熱部３０が設けられている。

変成部２５および選択酸化部２６の外壁には、変成ヒーター２７および選択酸化ヒーター２８が螺旋状に配されると共に、押え板３１により一定のピッチ間隔で一酸化炭素低減部の外側に密着させて設けられている。

ここで、押え板３１は、図２に示すように、一定のピッチ間隔をもったヒーター位置決
め部３３を備えている押え板３２としても良い。さらに、押え板３１は、図３に示すように、ヒーター全周に設けられている押え板３４としても良い。

〈水素生成装置１の運転動作〉
次に、水素生成装置１の起動動作、通常時の運転動作、及び停止動作を、水素生成装置１の動作を中心にして説明する。

停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、運転制御部（図示せず）からの指令により、原料供給部４から水素生成装置バイパス経路（図示せず）を通し、封止部（図示せず）を経て燃料電池バイパス経路（図示せず）を通して、原料を燃焼部２に供給し、燃焼部２で原料に着火して水素生成装置１の加熱を開始する。

この動作にとともに、変成ヒーター２７および選択酸化ヒーター２８に通電して、変成温度検知部２４で検出される温度に基いて、変成部２５および選択酸化部２６の加熱を行う。なお、一酸化炭素除去部の加熱動作を、燃焼部２の着火動作に先立って、実施させてもよい。

燃焼部２での加熱開始後に、原料供給経路４を通して水素生成装置１における水蒸気改質部２０に原料を供給するとともに、水供給経路３から水素生成装置１に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供給部３からの水の供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように制御される（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。

水素生成装置１では、水蒸気改質部２０で水蒸気改質反応、変成部２５で変成反応、選択酸化部２６で一酸化炭素の選択酸化反応を進行させる。生成させた水素含有ガスは、一酸化炭素濃度を所定濃度（本実施の形態では、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）に低減できるまで、封止部（図示せず）を経て燃料電池バイパス経路（図示せず）を通して燃焼部２に供給される。この時、改質温度検出部２１で検出される温度に基づいて、水蒸気改質部２０、変成部２５、選択酸化部２６が各反応に適した温度になるように、燃焼部２の燃焼を制御する。

変成部２５、選択酸化部２６が、反応に適切な温度となり、一酸化炭素濃度を所定濃度まで低減させた後、封止部（図示せず）を動作させ、水素ガス供給経路（図示せず）を通して水素含有ガスを、例えば、燃料電池等に供給を開始する。

装置停止時は、原料と水の供給を停止させ、水素生成装置１内の水蒸気改質部２０、変成部２５、選択酸化部２６の各触媒層の温度を低下させる。このとき、燃焼部２の基本動作は停止させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させ後、原料を水素生成装置１に流通させ、水素生成装置１のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する動作を行い、適宜水素生成装置１を封止する動作を行う。

〈水素生成装置１の構成の特徴〉
（１）本実施の形態１の水素生成装置１では、押え板３１により一酸化炭素低減部の外側に当接させたヒーター２７、２８が一酸化炭素低減部全体を加熱するように構成されていることで、特に起動時において一酸化炭素低減部全体を速やかに加熱でき、一酸化炭素低減部内に納められる一酸化炭素低減触媒を均一に加熱することを特徴としている。

なお、水素生成装置１で生成させる水素含有ガス中の一酸化炭素に要求される濃度によっては（高い濃度で許容される場合）、選択酸化部２６は必ずしも水素生成装置１の必須
構成とする必要としない。具体例としては、選択酸化部２６を持たない水素生成装置１がＣＯ耐性の高い固体高分子型燃料電池やリン酸型等に接続して使用される場合である。

（２）また、押え板３２が一定のピッチ間隔をもったヒーター位置決め部３３を備えているので、変成ヒーター２７、選択酸化ヒーター２８が一酸化炭素低減部外側に指定の位置に当接され一酸化炭素低減部全体を効率的に加熱できる構成になっている。

（３）また、押え板３４がヒーター全周に設けられるので、一酸化炭素低減部はヒーター２７、２８の加熱と押え板３４からの熱伝導により一酸化炭素低減部全体を効率的、速やかに加熱することができる。

本発明は、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部を有する水素生成装置について有用である。

１水素生成装置
２燃焼部
３水供給経路
４原料供給経路
１８燃焼空気供給部
１９空気供給部
２０水蒸気改質部
２１改質温度検出部
２２フレームロッド
２３水蒸気発生部
２４変成温度検出部
２５変成部
２６選択酸化部
２７変成ヒーター
２８選択酸化ヒーター
３０断熱部
３１押え板
３２押え板
３３ヒーター位置決め部
３４押え板

Claims

原料供給経路と、水供給経路と、前記原料供給経路から供給される原料と前記水供給経路から供給される水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を改質部に供給する加熱部と、前記改質部によって生成された前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減部の外側に設けられる断熱部と、前記一酸化炭素低減部と前記断熱部との間であって押え板により前記一酸化炭素低減部の外側に当接させたヒーターとを備える水素生成装置。
前記押え板は一定のピッチ間隔をもったヒーター位置決め部を備える請求項１に記載の水素生成装置。
前記押え板は前記ヒーター全周に設けられる請求項１または２に記載の水素生成装置。