(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底板を備える内筒と、
貫通孔が設けられる底板を備え、前記内筒の外側に配される中筒と、
底板を備え、前記中筒の外側に配される外筒と、
少なくとも前記内筒と前記中筒との間で構成される空間に、原料と水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成させる改質触媒が保持されており、
前記改質触媒の粉塵が、重力により前記内筒の底板と前記中筒の底板との間で構成される空間に落下する水素生成装置であって、
前記内筒の底板と前記中筒の底板との間で構成される空間に、前記水素含有ガスの流路となる前記貫通孔よりも前記水素含有ガスの上流側で前記粉塵を捕塵する捕塵部を設けた水素生成装置。
【請求項２】
前記捕塵部は、前記中筒の底板に設けられ、前記内筒の底板方向に凸形状を有する突起部で構成される請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記突起部は、前記改質触媒が保持されている方向に向けてフランジ部を備える請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記捕塵部は、前記中筒の底板に設けられるリブで構成される請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記リブは、前記内筒の底板に向けて凸となるように構成される請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記捕塵部は、前記内筒の底板に向けて凸となるように、前記貫通孔に設けられるバーリング部で構成される請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記バーリング部は、前記改質触媒が保持されている方向に向けてフランジ部を備える請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記捕塵部と前記内筒の底板との間で、前記内筒の底板と前記中筒の底板との間で構成される空間における狭隘部が構成され、前記狭隘部での前記水素含有ガスの通過断面積が、前記貫通孔での前記水素含有ガスの通過断面積より大きくなるように、前記捕塵部が設けられている請求項１から７のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記捕塵部は、前記中筒の底板の全周方向に連続して設けられる請求項１から８のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記内筒と、前記中筒と、前記外筒は、略同心円形状に配置される請求項１から９のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
少なくとも前記改質触媒を加熱する加熱部を備え、前記加熱部は、前記内筒の内側に設けられる請求項１から１０のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記内筒および前記中筒の少なくとも一方の側面に設けられる棚段により、前記改質触媒が保持されている請求項１から１１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、改質触媒を用いて、原料と水蒸気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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池発電システムは、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、それらの原料と水蒸気（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。
【０００３】
一般的に水素生成装置は、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。
【０００４】
さて、燃料電池発電システムを家庭用途で使用する場合、家庭での電力負荷に合わせ、日々起動停止運転を行うことで、高いエネルギー効率での運転が可能となる。ただ、起動停止運転は、燃料電池発電システムに大きな負担をかける。特に、水素生成装置は、高温での運転と、常温への冷却が繰り返されるので、大きな熱ひずみが日々加わることになる。その結果、装置内の触媒が粉化し、粉塵を発生させてしまう。粉塵化することで反応器から流出し、触媒反応に寄与しなくなるのを防止するため、改質管にフィルターを設けて、その粉塵の流出を防止する構成が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、反応部内の触媒の一部が圧壊し、改質反応ガス（水素含有ガス）の流路が閉塞気味になるのを防止するため、反応部に仕切部材を設けて、触媒の圧壊を防止する構成が考案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−７６７７５号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／４０１４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記従来の改質管にフィルターを設けて、その粉塵の流出を防止する構成では、粉塵の流出を防止できる。しかし、フィルターが目詰まりして、水素含有ガスの流路が閉塞することには、対応できない。また、仕切部材を設けた構成でも、完全には触媒の圧壊を防止することができず、粉塵が発生して、水素含有ガスの流路を閉塞する可能性がある。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、起動停止に伴い水素生成装置で発生する触媒の粉塵を、効果的に捕塵して、粉塵による流路閉塞を抑制する水素生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明は、底板を備える内筒と、貫通孔が設けられる底板を備え、内筒の外側に配される中筒と、底板を備え、中筒の外側に配される外筒と、少なくとも内筒と中筒との間で構成される空間に、原料と水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成させる改質触媒が保持されており、改質触媒の粉塵が、重力により内筒の底板と中筒の底板との間で構成される空間に落下する水素生成装置であって、内筒の底板と中筒の底板との間で構成される空間に、水素含有ガスの流路となる貫通孔よりも水素含有ガスの上流側で粉塵を捕塵する捕塵部を設けたのである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水素生成装置は、内筒の底板と中筒の底板との間で構成される空間に、水素含有ガスの流路となる貫通孔よりも水素含有ガスの上流側で粉塵を捕塵する捕塵部を設けたことにより、捕塵部から水素含有ガスの下流側に粉塵が流出することを抑制して、中筒の底板に設けられる貫通孔近傍での粉塵の堆積を低減でき、相対的に水素含有ガスの通過断面積が小さくなる貫通孔近傍で、水素含有ガスの流路が閉塞する可能性を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の要部断面図
【図２】本発明の実施の形態１における狭隘部の構成の変形例の概観図
【図３】本発明の実施の形態１における狭隘部の構成の変形例の概観図
【図４】本発明の実施の形態１における狭隘部の構成の変形例の概観図
【図５】本発明の実施の形態１における狭隘部の構成の変形例の概観図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、底板を備える内筒と、貫通孔が設けられる底板を備え、前記内筒の外側に配される中筒と、底板を備え、前記中筒の外側に配される外筒と、少なくとも前記内筒と前記中筒との間で構成される空間に、原料と水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成させる改質触媒が保持されており、前記改質触媒の粉塵が、重力により前記内筒の底板
と前記中筒の底板との間で構成される空間に落下する水素生成装置であって、前記内筒の底板と前記中筒の底板との間で構成される空間に、前記水素含有ガスの流路となる前記貫通孔よりも前記水素含有ガスの上流側で前記粉塵を捕塵する捕塵部を設けたのである。
【００１３】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記捕塵部は、前記中筒の底板に設けられ、前記内筒の底板方向に凸形状を有する突起部で構成される。
【００１４】
第３の発明は、特に、第２の発明において、前記突起部は、前記改質触媒が保持されている方向に向けてフランジ部を備える。
【００１５】
第４の発明は、特に、第１の発明において、前記捕塵部は、前記中筒の底板に設けられるリブで構成される。
【００１６】
第５の発明は、特に、第４の発明において、前記リブは、前記内筒の底板に向けて凸となるように構成される。
【００１７】
第６の発明は、特に、第１の発明において、前記捕塵部は、前記内筒の底板に向けて凸となるように、前記貫通孔に設けられるバーリング部で構成される。
【００１８】
第７の発明は、特に、第６の発明において、前記バーリング部は、前記改質触媒が保持されている方向に向けてフランジ部を備える。
【００１９】
第８の発明は、特に、第１から７のいずれか１つの発明において、前記捕塵部と前記内筒の底板との間で、前記内筒の底板と前記中筒の底板との間で構成される空間における狭隘部が構成され、前記狭隘部での前記水素含有ガスの通過断面積が、前記貫通孔での前記水素含有ガスの通過断面積より大きくなるように、前記捕塵部が設けられている。
【００２０】
第９の発明は、特に、第１から８のいずれか１つの発明において、前記捕塵部は、前記中筒の底板の全周方向に連続して設けられる。
【００２１】
第１０の発明は、特に、第１から９のいずれか１つの発明において、前記内筒と、前記中筒と、前記外筒は、略同心円形状に配置される。
【００２２】
第１１の発明は、特に、第１から１０のいずれか１つの発明において、少なくとも前記改質触媒を加熱する加熱部を備え、前記加熱部は、前記内筒の内側に設けられる。
【００２３】
第１２の発明は、特に、第１から１１のいずれか１つの発明において、前記内筒および前記中筒の少なくとも一方の側面に設けられる棚段により、前記改質触媒が保持されている。
【００２５】
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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置の要部断面図である。
【００２７】
図１において、水素生成装置１は、内筒底板６を備えた内筒５の外側に、中筒底板８を備えた中筒７が配置されている。その中筒７の外側には、外筒底板１６を備えた外筒１５が配置されている。内筒５と、中筒７と、外筒１５が略同心円形状に配置されている。中筒底板８には、その中央部分に、貫通孔９を備える。また、中筒７の側面からその貫通孔９にいたる中筒底板８に、内筒の底板方向に凸形状を有し、全周方向に連続した形状で、円筒状の突起部１０が設けられている。その突起部１０と、内筒底板６との間で、内筒底板６と中筒底板８との空間における狭隘部１１が構成されている。なお、内筒５と、中筒７と、外筒１５の上方部分は、それぞれが適切に接続され、略円筒形状の反応器が構成されている（上方部分の、詳細な接続関係の説明は、省略する）。
【００２８】
その水素生成装置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予熱部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。
【００２９】
水蒸気改質部２０には、約φ３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の改質触媒が設けられている。具体的には、内筒５と中筒７の側面で構成される空間であって、中筒７の側面部分に、改質触媒の大きさよりも小さな孔径（約φ２ｍｍ）を有するパンチングメタルで構成される棚段１３上に、改質触媒が設置されている。また、変成部２５には、約φ３ｍｍで高さ３ｍｍの円筒形状を有するＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒、選択酸化部２６には、約φ３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている（設置に関する詳細な説明
は、省略する）。
【００３０】
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。
【００３１】
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、内筒５の内側に備えている。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、導出部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と予熱部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、図面右上上の排出口から、水素生成装置１の外部へ排気される。
【００３２】
予熱部２３は、導出部１２、一酸化炭素低減部（選択酸化部２６、変成部２５）と片側壁面を同一にして、導出部１２、一酸化炭素低減部を流れる水素含有ガス、選択酸化部２６、変成部２５に設けられる触媒と熱交換可能なように構成されている。特に、導出部１２とは、水素生成装置１から導出される水素含有ガスと、水素生成装置１に供給される温度の低い原料及び水とが熱交換される構成となっている。
【００３３】
水供給経路３には、水供給部が接続されている。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）。
【００３４】
なお、図１には示していないが、水素生成装置１には、外筒１５および外筒底板１６に密着するように、セラミックファイバー原綿と結合材を用いて、モールド化された成型断熱材が設けられている。
【００３５】
〈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、及び停止動作を説明する。
【００３６】
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（詳細は図示せず）の指令により、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。
【００３７】
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（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（１３
Ａ）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）。
【００３８】
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２４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。変成部２４，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（本実施の形態では、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）まで低減させた後、導出部１２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。
【００３９】
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た後、原料を水素生成装置１に流通させ、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。
【００４０】
〈水素生成装置１の構成の特徴〉
水素生成装置１を起動停止させると、その過程で内筒５の側面と中筒７の側面が、熱ひずみにより変形し、改質触媒の一部が圧壊し、触媒表面が削りとられて、粉塵を発生させる。発生した粉塵は、重力により落下して、水素含有ガス流路に堆積する。例えば、相対的に水素含有ガスの通過断面積が小さくなる、中筒の底板に設けられる貫通孔近傍での粉塵の堆積した場合、水素含有ガスの流路を閉塞する可能性がある。
【００４１】
上記課題に対応するため、本実施の形態１の水素生成装置１では、内筒底板６と中筒底板８との間で構成される空間に、中筒底板８に円筒状の突起部１０を設けることで、水素含有ガスの流通に対しての狭隘部１１を構成することを特徴としている。
【００４２】
上記構成により、水素含有ガスが狭隘部１１を通過する際、比較的大きな粉塵は、狭隘部１１を通過することができず、狭隘部１１近傍で改質触媒の粉塵を捕塵できる。また、突起部１０と、中筒底板８とで、捕塵部１４が構成されることになり、その結果、粉塵が、狭隘部１１から下流側へ流出することを、さらに抑制できることになる。
【００４３】
また、水素生成装置１の水素含有ガスの流れに対する圧力損失を小さくする観点から、狭隘部１１での水素含有ガスの通過断面積が、貫通孔９での水素含有ガスの通過断面積より大きくなるように、突起部１０を設けることが好ましい。
【００４４】
また、粉塵を効果的に捕塵する観点から、狭隘部１１は、本実施の形態１に示すように、中筒底板８の全周方向に連続して設けることが好ましい。
【００４５】
なお、狭隘部１１は、本実施の形態に示す構成だけでなく、図２〜５に示す狭隘部１１の変形例のような構成としても良い。
【００４６】
以下、図２〜５に示す狭隘部１１について説明する。
【００４７】
図２は、図１の突起部１０の内筒底板６側に、改質触媒が保持されている方向に向けて、円盤状のフランジ部１７を設けた構成として、狭隘部１１を構成した変形例となる。捕塵部１４が、ポケット状に構成されるので、捕塵部１４に捕塵した粉塵が、水素含有ガスの流れ下流側により、移動しにくい構成とすることができる。
【００４８】
図３は、貫通孔９に、突起部となるバーリング部２７を設けた構成として、狭隘部１１
を構成した変形例となる。貫通孔９を構成する際に、バーリング加工することでバーリング部２７を構成することができ、図１に示す突起部１０を設けるより、狭隘部１１を容易に構成することができる。
【００４９】
図４は、図３のバーリング部２７の内筒底板６側に、改質触媒が保持されている方向に向けて、円盤状のフランジ部１７を設けた構成として、狭隘部１１を構成した変形例となる。捕塵部１４が、ポケット状に構成されるので、捕塵部１４に捕塵した粉塵が、水素含有ガスの流れ下流側により、移動しにくい構成とすることができる。
【００５０】
図５は、中筒底板８に、内筒底板６に向けて凸となるようにリブ２８を設け、狭隘部１１を構成した変形例となる。中筒底板８に、リブ２８を設けることで、捕塵効果とともに、中筒底板８の熱変形を抑制する効果を、合わせて発揮できる構成となる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、起動停止を頻繁に行う、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる水素生成装置について有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１  水素生成装置
２  燃焼部
３  水供給経路
４  原料供給経路
５  内筒
６  内筒底板
７  中筒
８  中筒底板
９  貫通孔
１０  突起部
１１  狭隘部
１２  導出部
１３  棚段
１４  捕塵部
１５  外筒
１６  外筒底板
１７  フランジ部
１８  燃焼空気供給部
１９  空気供給経路
２０  水蒸気改質部
２１  改質温度検出部
２２  フレームロッド
２３  予熱部
２４  変成温度検出部
２５  変成部
２６  選択酸化部
２７  バーリング部
２８  リブ
【図１】
0005423180.tif 000002
【図２】
0005423180.tif 000003
【図３】
0005423180.tif 000004
【図４】
0005423180.tif 000005
【図５】
0005423180.tif 000006