JP5513210B2 - 水素製造装置及び燃料電池システム - Google Patents

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は、バーナを用いて灯油や液化石油ガス等の原燃料を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筒状の改質部を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような水素製造装置では、バーナの排ガスが流通する排ガス流路が改質部に隣接して設けられている。

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、例えば排ガス流路を流通する排ガスによって改質部が加熱されると、この加熱時の熱伸び速度の差によって、改質部に座屈等の変形が生じてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、改質部の変形を抑制する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。

上記課題を解決するため、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筒状の改質部と、改質部に隣接するように設けられ、バーナの排ガスが流通する排ガス流路と、を備え、改質部の軸方向一方側の端部は、自由端とされていることを特徴とする。

この水素製造装置では、改質部の軸方向一方側の端部が自由端とされ、該端部が熱伸び方向である軸方向に対して非拘束となっている。そのため、排ガス流路を流通する排ガスによって改質部が加熱されても、熱伸び速度の差に起因して生じる応力を改質部から逃がすことができ、その結果、改質部における座屈等の変形を抑制することが可能となる。

ここで、上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、排ガス流路は、改質部の内周壁に沿って軸方向一方側へ流通する排ガスを改質部の外周壁に沿って軸方向他方側へ流通させる折返し部を有する構成が挙げられる。

また、改質部は、筒状の改質触媒部を有し、改質触媒部の内周壁、及び改質触媒部の外周壁の少なくとも一方には、改質触媒部の流入口又は流出口として、複数の孔が形成されていることが好ましい。通常、円環状のパンチング板が改質触媒部の軸方向両端に設けられ、このパンチング板に形成された複数の孔が改質触媒部の流入口又は流出口とされる。この点、本発明では、上記のように、改質触媒部の内周壁及び外周壁の少なくとも一方に、流入口又は流出口として複数の孔が直接設けられているため、パンチング板を不要にすることができる。その結果、部品点数を削減することが可能となり、コストダウンを図ることができる。

また、改質部の軸に沿って配置され、改質部を収容する収容筒を備え、収容筒は、改質部との間で排ガス流路を画設するように改質部を囲繞し、改質部の外周壁には、収容筒の内周面に当接され径方向外側に突出する凸部が形成されていることが好ましい。この場合、改質部の端部が自由端とされる場合においても、改質部の軸ずれを好適に抑制することができる。

また、本発明に係る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し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する。

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、改質部の変形を抑制するという上記効果が奏される。

本発明によれば、改質部の変形を抑制することが可能となる。

本発明の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１の水素製造装置の改質部周辺を示す断面斜視図である。 図１の水素製造装置の他の例を示す断面正面端面図である。 図４の水素製造装置の改質部周辺を示す断面斜視図である。 図１の水素製造装置のさらに他の例における改質部周辺を示す断面斜視図である。 図４の水素製造装置の他の例における改質部周辺を示す断面斜視図である。

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、本発明の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、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段階に分けて行っており、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。

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、選択酸化反応部８及び排ガス流路から移動させた（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、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１％以下程度まで低下され、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、本実施形態において改質部６の周辺構成について、より詳細に説明する。

図３は、図１の水素製造装置の改質部周辺を示す断面斜視図である。図３に示すように、改質部６は、軸Ｇを中心軸とする段付円筒状の収容筒１９内に収容されている。改質部６の外囲は、例えばステンレス等からなる板部材としての内周壁６１、外周壁６２及び上端壁６３により構成されている。

内周壁６１は、円筒状（円管状）を呈し、その上端から中央部に至る領域で燃焼筒１１を覆うよう軸Ｇ方向に延在している。内周壁６１は、燃焼筒１１に対し径方向に隙間が形成され、且つ収容筒１９の上端壁１９ｘに対し軸Ｇ方向に隙間が形成される位置に配設されている。

外周壁６２は、円筒状（円管状）を呈し、軸Ｇ方向に延在している。外周壁６２は、収容筒１９の外周壁１９ｙに対し径方向に隙間が形成され、且つ収容筒１９の上端壁１９ｘに対し軸Ｇ方向に隙間が形成される位置に配設されている。上端壁６３は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、内周壁６１及び外周壁６２それぞれの上端に連続して改質部６の上方側を閉塞する。

また、この改質部６は、その内部に円筒状（円管状）の板部材としての仕切壁６４を有している。仕切壁６４は、外周壁６２に対し径方向に隙間が形成され、且つ上端壁６３に対し軸Ｇ方向に隙間が形成される位置に配設されている。この仕切壁６４と内周壁６１との間には、軸Ｇを中心軸とする筒状の改質触媒６ｘが配設されている。改質触媒６ｘは、その上下端側のそれぞれに設けられた円環板状のパンチング板６５で閉塞されている。

これにより、改質部６では、下方側から導入され上方に向けて流通する混合ガスが改質触媒６ｘにより改質されて改質ガスが生成され、この改質ガスは、外周壁６２及び仕切壁６４間を通って折り返すように下方へ向けて流通し、高温シフト反応部１２へ供給される。つまり、改質部６には、改質ガスの折返し部Ｒ１が形成されることとなる。

また、改質部６には、排ガス流路Ｌ１が隣接するように設けられている。具体的には、排ガス流路Ｌ１は、燃焼筒１１及び内周壁６１間で画設されていると共に、上端壁１９ｘ，６３間、外周壁１９ｙ，６２間で画設されている。つまり、収容筒１９が、改質部６との間で排ガス流路Ｌ１を画設するように改質部６を囲繞している。これにより、排ガス流路Ｌ１には、内周壁６１に沿って上方側へ流通させた排ガスを、上端壁６３に沿って径方向外側へ流通させた後に外周壁６２に沿って下方側へ流通させる折返し部Ｒ２が形成されることとなる。

このように構成された本実施形態の改質部６においては、その上方側の端部６６が自由端とされている。具体的には、改質部６は、その上方側の端部６６が軸Ｇ方向に非拘束とされ、端部６６が直接保持されない構造にされている。換言すると、改質触媒６ｘの高温側である上方側が、軸Ｇ方向にフリーな構造となっている。

従って、本実施形態では、排ガス流路Ｌ１を流通する排ガスによって改質部６が加熱されても、かかる加熱に応じて端部６６側が熱伸び方向である軸Ｇ方向に伸長又は縮小されるため、熱伸び速度の差に起因して生じる応力を改質部６から逃がすことができる。その結果、改質部６（特に、内周壁６１）の座屈等の変形を抑制することが可能となる。

また、改質部６における外周壁６２には、ダボ加工が施されてダボ（凸部）６７ｘが複数形成され、また、仕切壁６４には、ダボ加工が施されてダボ（凸部）６７ｙが複数形成されている。これらダボ６７ｘ，６７ｙは、径方向外側に向けて略円錐状に突出している。また、ダボ６７ｘは、その先端部が収容筒１９の外周壁１９ｙの内面に当接されており、ダボ６７ｙは、その先端部が改質部６の外周壁６２の内面に当接されている。

従って、本実施形態では、改質部６の軸ずれや熱膨張による偏心を好適に抑制すると共に、改質触媒６ｘの軸ずれや熱膨張による偏心を抑制することができる。特に、本実施形態のように改質部６の端部６６が自由端とされていると、改質部６の軸ずれ及び偏心が比較的生じ易いことから、かかる効果は顕著となる。

加えて、本実施形態においては、改質部６の熱を、ダボ６７ｘを介して収容筒１９に伝達することも可能となる。このダボ６７ｘにより、意図せずに容器温度差が生じてしまうのを防止できると共に、伝熱用のフィン等を設けることなく（部品点数を増やすことなく）温度の均一性を高めることができる。

なお、高温シフト反応部１２を構成する外周壁６８にも、上記ダボ６７ｘと同様なダボ６７ｚが形成されている。また、改質部６は、その下方側が他の板部材に対し固定され又は連続するよう構成されることで、収容筒１９内で保持されている。

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、改質部６は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであってもよい。また、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。

また、水素製造装置の配置構成については、上記水素製造装置１を上下反転したような配置構成（例えば、バーナ１０が下部に設置されて構成された水素製造装置）としてもよく、限定されるものではない。

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４，５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。

また、図６，７に示すように、改質触媒６ｘの内周壁を構成する内周壁６１、及び改質触媒部の外周壁を構成する仕切壁６４に、改質触媒６ｘの流入口及び流出口として、触媒が流通しない程度の大きさの複数の孔Ｈが形成されていてもよい。このような構成にすることで、変形を一層吸収できると共に、パンチング板６５（図３参照）を不要にして部品点数を削減することができ、ひいては、コストダウンを図ることが可能となる。

なお、この場合、内周壁６１のみに改質触媒６ｘの流入口として複数の孔Ｈを形成してもよいし、仕切壁６４のみに改質触媒６ｘの流出口として複数の孔Ｈを形成してもよい。また、孔Ｈの形状は限定されるものではなく、円形状でも矩形形状でもよいし、周方向に延びる形状でもよい。

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。また、上記実施形態は、好ましいとして、中心軸を軸Ｇとする同軸構成とされているが、本発明は、略同軸構成又は軸Ｇに沿った構成とされていてもよい。

１…水素製造装置、６…改質部、６ｘ…改質触媒（改質触媒部）、１０…バーナ、１９…収容筒、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、６１…改質部の内周壁（改質触媒部の内周壁）、６２…改質部の外周壁、６６…端部、６７ｘ…ダボ（凸部）、１００…燃料電池システム、Ｇ…軸、Ｈ…孔、Ｌ１…排ガス流路、Ｒ２…排ガス流路の折返し部。

Claims (5)

1. バーナを用いて原燃料を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筒状の改質部と、
   前記改質部に隣接するように設けられ、前記バーナの排ガスが流通する排ガス流路と、 前記改質部の軸に沿って配置され、前記改質部を収容する収容筒と、を備え、
   前記改質部の軸方向一方側の端部は、自由端とされ、
   前記収容筒は、前記改質部との間で前記排ガス流路を画設するように前記改質部を囲繞し、
   前記改質部の外周壁には、前記収容筒の内周面に当接され径方向外側に突出する凸部が形成されていることを特徴とする水素製造装置。
2. 前記凸部は、前記外周壁において周方向の異なる位置に複数形成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. 前記排ガス流路は、前記改質部の内周壁に沿って軸方向一方側へ流通する前記排ガスを前記改質部の外周壁に沿って軸方向他方側へ流通させる折返し部を有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. 前記改質部は、筒状の改質触媒部を有し、
   前記改質触媒部の内周壁、及び前記改質触媒部の外周壁の少なくとも一方には、前記改質触媒部の流入口又は流出口として、複数の孔が形成さ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。
5. 請求項１〜４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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