(57)【要約】【課題】蒸気発生器の下流側で硬質物等の不純物が析出したとしても、この不純物によってガス流路が閉塞されることを防止すると共に、この不純物を簡単に除去することができる水素生成装置を提供する。【解決手段】炭化水素系燃料と蒸気発生器２から生成された蒸気の合流部に不純物分離器６を設ける。この不純物分離器６は、円筒状又は角柱状の容器を横置きにした形状を有し、その一側面には蒸気発生器２より水蒸気が導入される蒸気導入口を設け、他の側面には炭化水素系燃料が導入される燃料導入口を設ける。また、筒状容器の上面には、該容器内で混合された炭化水素系燃料と水蒸気の混合ガスを改質器１に供給する混合ガス供給口を設ける。この不純物分離器６の容積は、径にして本来のガス流路より２倍程度大きく構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質反応に必要な水蒸気を生成するための蒸気発生器とを有する水素生成装置において、
前記炭化水素系燃料と前記蒸気発生器から出てきた水蒸気とが合流する箇所に、不純物分離器を配設したことを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記不純物分離器の内部に、フィルターを設置したことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記不純物分離器の内部に、伝熱プレートを設置したことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記不純物分離器内で析出した不純物を、該水素生成装置の外部に排出させる流路を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記不純物分離器は、該水素生成装置から着脱可能な構造とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記不純物分離器は、その上流側に第１の圧力センサーが設置されると共に、下流側に第２の圧力センサーが設置され、両者の圧力差によって、該不純物分離器内に析出した不純物の状況を監視するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する水素生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から用いられている炭化水素系燃料から改質ガスを生成する水素生成装置は、一般に、図７に示すように構成されている。すなわち、改質触媒を備え、その反応温度が６００℃〜７００℃位である改質器１と、その改質反応に必要な水蒸気を生成する蒸気発生器２と、また改質反応によって、改質器１から出てくる改質ガス中の１０％前後のＣＯを０．５％程度まで低減するＣＯ変成触媒を備えた動作温度領域が１５０℃〜３５０℃の範囲であるＣＯ変成器３と、さらに空気を導入してＣＯを選択的に酸化燃焼させＣＯ2にすることで１０ｐｐｍ程度まで除去するＣＯ選択酸化触媒を備えた動作温度が８０℃〜２００℃の範囲であるＣＯ除去器４と、各反応器の動作温度を所定の温度に調整するために各種熱交換器５や加温用のヒータなどを備えた構成になっている。
【０００３】
また、前記水素生成装置に改質水を供給するために用いられる水供給装置は、図７に示すように、水貯蔵タンク１０に水フィルター１１を介して改質水ポンプ１２が接続され、さらに改質水を浄化するためのイオン交換樹脂などが充填された水処理装置１３が配設されている。そして、この水処理装置１３を経た改質水が、前記水素生成装置に供給されるように構成されている。
【０００４】
なお、前記水貯蔵タンク１０には、改質ガスや燃焼排ガスの凝縮水や、電池アノード／カソードの排ガスの凝縮水および電池冷却水などが集められる（図中Ａ）。また、ここで集められた水は、電池冷却水と改質水に利用されるように構成されている。
【０００５】
ここで、改質水中に含まれる不純物は、基本的に前記水処理装置１３で除去され、水質を良好に保つ仕組みとなっている。良好な水質を維持するためには、定期的に水処理装置１３を交換する必要があるが、そのメンテナンスコストを下げるために、水貯蔵タンク１０の内部に脱イオン部を設けて、水処理装置１３の交換頻度を低減したり、あるいは、集められた凝縮水などをすべて一緒にするのではなく、中でも水質の良いものを水素生成装置に供給するなど、用途別にわけて、水処理装置１３の負荷を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−１８８８４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、定期的に水処理装置１３を交換したとしても、改質水中の不純物を完全に除去することは事実上不可能である。このため、改質水に含まれている不純物の中でも特に硬質系のもの、例えば、シリカは、蒸気発生器２で蒸発する際に、蒸発器内部にスケールとして付着し堆積していく。
【０００７】
通常は、この硬質物は蒸気発生器２で分離されるので、清浄な水蒸気が改質器１へ供給されることになるのだが、起動から発電運転に切り替わる際や急激な負荷変化などの過渡的な運転状態においては、一部の改質水が蒸気発生器２で完全に蒸気にならず、その下流に一部液相のまま流出する場合がある。その結果、改質水に含まれている硬質物も流出することになる。
【０００８】
また、水素生成装置の運転時間が長くなるにつれ、徐々に蒸気発生器２に析出した硬質物が伝熱面を覆ってしまうことにより、熱交換性能が低下し、一部の改質水は蒸気発生器２で完全に蒸気にならず、一部液相の状態で下流に流出する可能性が高くなる。この場合、蒸気発生器２の下流で炭化水素系燃料と混合される合流部分は周囲温度が高く、且つ、炭化水素系燃料も予熱され、１５０〜３００℃程度の温度雰囲気になっているため、仮に改質水水蒸気が液相を含んでいたとしてもここで蒸発し、液中に含まれていた硬質物が析出する傾向にある。
【０００９】
このように蒸気発生器２の下流で炭化水素系燃料と混合される合流部分において硬質物の析出が継続し、硬質物が堆積していくと、いずれはガス流路を閉塞させてしまい、水素生成装置の運転継続が不可能になり、ひいては燃料電池発電装置の運転を停止せざるを得ない状況となるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、蒸気発生器の下流側で硬質物等の不純物が析出したとしても、この不純物によってガス流路が閉塞されることを防止すると共に、この不純物を簡単に除去することができる水素生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質反応に必要な水蒸気を生成するための蒸気発生器とを有する水素生成装置において、前記炭化水素系燃料と前記蒸気発生器から出てきた水蒸気とが合流する箇所に、不純物分離器を配設したことを特徴とするものである。
【００１２】
上記のような構成を有する請求項１に記載の発明によれば、蒸気発生器から出てきた水蒸気に一部液相部分が含まれていた場合でも、炭化水素系燃料と蒸気発生器から出てきた水蒸気とが合流する箇所に設置された不純物分離器の内部で、予熱された炭化水素系燃料と混合されることで液相部分が蒸発し、硬質物等の不純物が析出する。析出した硬質物等の不純物は、不純物分離器の容器の下方に堆積するため、本来のガスの流れを阻害することを防止できる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の水素生成装置において、前記不純物分離器は、その上流側に第１の圧力センサーが設置されると共に、下流側に第２の圧力センサーが設置され、両者の圧力差によって、該不純物分離器内に析出した不純物の状況を監視するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
上記のような構成を有する請求項６の発明によれば、不純物分離器の前後に設置した圧力センサー１４ａ、１４ｂの検出値の差（圧力差）を監視することにより、この圧力差が大きくなり、異常であることが確認できた段階で、直ちに不純物除去作業を実施することできるので、メンテナンスコストを低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のような本発明によれば、蒸気発生器の下流側で硬質物等の不純物が析出したとしても、この不純物によってガス流路が閉塞されることを防止すると共に、簡単に不純物を除去することができる水素生成装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る水素生成装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態の水素生成装置においては、図１に示すように、炭化水素系燃料と蒸気発生器２から生成された蒸気の合流部に不純物分離器６が設けられている。この不純物分離器６は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、円筒状又は角柱状の容器を横置きにした形状を有し、その一側面には前記蒸気発生器２より水蒸気が導入される蒸気導入口６１が設けられ、他の側面には炭化水素系燃料が導入される燃料導入口６２が設けられている。また、筒状容器の上面には、該容器内で混合された炭化水素系燃料と水蒸気の混合ガスを改質器１に供給する混合ガス供給口６３が設けられている。なお、この不純物分離器６の容積は、径にして本来のガス流路より２倍程度大きく構成されている。
【００１８】
（１−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態の水素生成装置においては、炭化水素系燃料と蒸気発生器２より発生した蒸気は不純物分離器６内で混合された後、熱交換器５を通り、改質器１へ導入される。通常は、改質水は蒸気発生器２で完全に蒸気となるので、改質水中に含まれている硬質物は蒸気発生器２の内部に析出していくが、水素生成装置の運転状態の中で、例えば、起動から発電運転に切り替わる際や急激な負荷変化などの過渡的な状況においては、一部の改質水が蒸気発生器２で完全に蒸気にならず、その下流に位置している不純物分離器６に流出する場合がある。
【００１９】
また、運転時間が長くなるにつれ、徐々に蒸気発生器２に析出した硬質物が伝熱面を覆ってしまうことにより、熱交換性能が低下し、改質水が蒸発しきれず、一部が液相の状態で不純物分離器６に流入する場合もある。
【００２０】
このように液相を伴う改質水水蒸気は、不純物分離器６の内部で、予熱された炭化水素系燃料と混合されることで液相部分が蒸発し、硬質物７が析出する。この場合、本実施形態においては、不純物分離器６は本来のガス流路よりも大きな容積を有しているため、図２（Ｄ）に示したように、たとえ硬質物７が析出したとしても、硬質物７は容器の下方に堆積するため、本来のガスの流れを阻害することはなく、圧力増加要因にはならない。
【００２１】
このように本実施形態によれば、蒸気発生器の下流側に設置された不純物分離器６の内部で硬質物等の不純物が析出したとしても、この不純物によってガス流路が閉塞されることを防止することができる。
【００２２】
（２）第２実施形態
本実施形態は上記第１実施形態の変形例であって、図３に示すように、前記不純物分離器６の内部にフィルター８を設置したものであり、これにより、不純物分離器６の内部に析出した硬質物７が改質器１へ流出するのを防ぐことができるように構成されている。なお、前記フィルター８は、前記蒸気導入口６１及び燃料導入口６２より上部に設置されている。
【００２３】
上記のような構成を有する本実施形態においては、不純物分離器６に蒸気発生器２から硬質物を含む改質水が流れ込み、該不純物分離器６内で予熱された炭化水素系燃料と混合されることにより改質水が蒸発し、硬質物が不純物分離器６の底部に析出する。この場合、本実施形態においては、改質水中の硬質物は、析出し固形物を形成した後は、不純物分離器６内に設置されたフィルター８をすり抜けることができないため、常に不純物分離器６内にトラップされ、改質器１へ流出することがなくなる。
【００２４】
このように本実施形態によれば、蒸気発生器の下流側に設置された不純物分離器６の内部で硬質物等の不純物が析出したとしても、この不純物は常に不純物分離器６内にトラップされ、改質器１へ流出することがなくなる。その結果、不純物によってガス流路が閉塞されることを防止することができる。
【００２５】
（３）第３実施形態
本実施形態の水素生成装置は、図４に示すように、不純物分離器６の内部、水蒸気が流入する側に伝熱プレート９を斜め下方に向けて設置したものである。この伝熱プレート９の材質はステンレスが好ましく、加熱温度は約３００℃が好ましい。なお、ステンレス以外の材質として、耐熱性があり、且つ材質中の不純物が水蒸気中に溶け出さないものであれば良い。
【００２６】
上記のような構成を有する本実施形態の水素生成装置においては、不純物分離器６の内部に伝熱プレート９を設置することにより、一部液相を含む改質水水蒸気と予熱された炭化水素系燃料の熱交換特性をさらに向上させることができる。その結果、一部液相を含む改質水水蒸気を完全に蒸発させることができるので、析出した硬質物を不純物分離器６内に確実にトラップさせることができる。
【００２７】
（４）第４実施形態
本実施形態の水素生成装置は、図５に示すように、不純物分離器６に不純物除去ライン１００を接続し、そのラインの両端部を水素生成装置の外側まで延長させたものである。
【００２８】
上記のような構成を有する本実施形態の水素生成装置は、以下のように作用する。すなわち、通常、水素生成装置の運転中には前記不純物除去ライン１００は閉止されているが、そのラインの両端部は水素生成装置の外側に引き出されているため、定期的にワイヤブラシなどで内部を洗浄し、内部に析出した硬質物７を強制的に排出することができる。あるいは、不純物分離器６そのものを水素生成装置内の比較的取外しやすい位置に設置することにより、不純物分離器６自体を簡単に交換することもできる。
【００２９】
このように本実施形態によれば、比較的安易な作業で硬質物の除去が可能となるので、水素生成装置の長寿命化を図ることができる。
【００３０】
（５）第５実施形態
本実施形態の水素生成装置は、図６に示すように、不純物分離器６と蒸気発生器２の間に第１の圧力センサー１４ａを設置すると共に、前記不純物分離器６の下流側に第２の圧力センサー１４ｂを設置し、水素生成装置の稼動中は常にその圧力を監視することができるように構成したものである。そして、これらの圧力センサー１４ａ、１４ｂの検出値に基づいて、その圧力損失差から不純物分離器６内で析出した硬質物７の状況を検知することができるように構成したものである。
【００３１】
上記のような構成を有する本実施形態の水素生成装置においては、前記圧力センサー１４ａ、１４ｂの検出値の差（圧力差）が大きくなり、異常であることが確認できた段階で、不純物除去作業を実施することできるので、メンテナンスコストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る水素生成装置の第１実施形態の構成を示す概略図。
【図２】不純物分離器の構成を示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）・（Ｃ）は斜視図、（Ｄ）は不純物分離器内に硬質物などの不純物が堆積した状態を示す側断面図。
【図３】本発明に係る水素生成装置の第２実施形態に用いられる不純物分離器の構成を示す図であって、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）・（Ｃ）は斜視図。
【図４】本発明に係る水素生成装置の第３実施形態に用いられる不純物分離器の構成を示す側断面図。
【図５】本発明に係る水素生成装置の第４実施形態の構成を示す概略図。
【図６】本発明に係る水素生成装置の第５実施形態の構成を示す概略図。
【図７】従来の水素生成装置の構成を示す概略図。
【符号の説明】
【００３３】
１…改質器
２…蒸気発生器
３…ＣＯ変成器
４…ＣＯ除去器
５…熱交換器
６…不純物除去器
７…硬質物
８…フィルター
９…伝熱プレート
１０…水貯蔵タンク
１１…水フィルター
１２…改質水ポンプ
１３…水処理装置
１４…圧力センサー
１００…不純物除去ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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