(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
源燃料と水蒸気から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを冷却する熱交換器と、熱交換器で冷却された改質ガス中の水を分離する気液分離器と、改質器に供給する水を貯留すると共に気液分離器で分離された水を回収する水タンクとを具備して形成され、気液分離器と水タンクの間に気液分離器で分離された水を返送する水返送配管を設けると共に改質ガスから分離されて気液分離器に収容される水の量と、水返送配管を通して気液分離器から水タンクに返送される水の量とがほぼ等しくなるように調整するための絞り機構を水返送配管に設けて成ることを特徴とする改質ガス製造装置。
【請求項２】
絞り機構としてバルブを水返送配管に設けて成ることを特徴とする請求項１に記載の改質ガス製造装置。
【請求項３】
絞り機構として細管を水返送配管に設けて成ることを特徴とする請求項１に記載の改質ガス製造装置。
【請求項４】
水タンクに改質ガス分離器を設けて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の改質ガス製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の源燃料から水素リッチな改質ガスを製造する改質ガス製造装置に関するものであり、詳しくは改質器で生成された改質ガス中の余分な水分を改質ガスから分離して回収する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素系燃料やアルコール系燃料など、各種の源燃料から水素リッチな改質ガスを製造する改質ガス製造装置は従来から種々のものが提供されており、源燃料と水蒸気を改質触媒の作用で水蒸気改質反応させることによって、改質ガスを生成させる改質器を具備するものが一般的である。そしてこのように製造された改質ガスは各分野で種々利用されているが、燃料電池の燃料として用いる場合が代表的である。
【０００３】
このように改質ガスを燃料電池の燃料として用いる場合、改質ガス中に水分が余分に混在すると、燃料電池の内部に水滴として導入され、発電時に各種の弊害をもたらすことが知られている。このために、改質ガス中の余分な水分を除去することは必須の事項であり、例えば図４に示すようにして改質ガス中の余分な水分を除去して回収するようにしている。
【０００４】
すなわち、改質器１には水タンク４内の水２１がポンプ１２で供給されるようにしてあり、改質器１に別途供給される源燃料とこの水の蒸気とを水蒸気改質反応させて、水素リッチな改質ガスが改質器１で生成されるようになっている。このように改質器１で生成された改質ガスは改質ガス排出配管１７を通じて改質器１から排出され、熱交換器２で冷却された後、気液分離器３に導入される。改質ガスを熱交換器２で冷却することによって、過飽和の水分は凝縮して水となり、改質ガスが気液分離器３内に導入されると、改質ガス中の凝縮した水２１は改質ガスから分離される。分離された水２１は気液分離器３内に一旦収容されるようになっていると共に、水分をこのように分離して除去した改質ガスは改質ガス供給配管１３から燃料電池等へ供給される。また気液分離器３の底部と水タンク４の上部の間には水返送配管５が接続してあり、水返送配管５には排水ポンプ１４が設けてある。さらに気液分離器３には水位センサ１５が設けてあり、水位センサ１５の検知信号に基づいて排水ポンプ１４の作動を制御する制御回路１６が水位センサ１５と排水ポンプ１４の間に電気的に接続してある。
【０００５】
そして、改質ガスから分離されて気液分離器３内に収容された水２１の水位は水位センサ１５によって検出されており、水位センサ１５の上限検知部１５ａで水位の上限が検知されると、制御回路１６からの指令で排水ポンプ１４が作動し、気液分離器３内の水２１は水返送配管５を通して水タンク４に返送され、水タンク４内にこの水２１が回収されるようになっている。また水位センサ１５の下限検知部１５ｂで水位の下限が検知されると、制御回路１６からの指令で排水ポンプ１４の作動が停止し、気液分離器３内の水２１がこれ以上、水タンク４に返送されないようになっている。
【０００６】
気液分離器３内の水が総て水タンク４に返送されて無くなると、気液分離器３の底部において水返送配管５の開口が露出し、気液分離器３に導入された改質ガスが水返送配管５を通して水タンク４に送られることになり、改質ガスが水タンク４から大気中に放出されて改質ガスの損失になると共に引火の危険が発生するおそれがある。このために、上記のように、気液分離器３に水位センサ１５を設けて気液分離器３内の水位を検知すると共に制御回路１６で排水ポンプ１４の作動を制御し、気液分離器３内の水２１が総て水タンク４に返送されて無くならないようにしているのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の図４の装置では、気液分離器３から水タンク４への水２１の返送を制御するために、水位センサ１４、制御回路１６、排水ポンプ１４を設ける必要があり、またこれらに給電するための電源や各種の補器類が必要であり、しかもこれらの点検が必要であって、装置が複雑になると共にランニングコストが高くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、装置が複雑になることなく、またランニングコストを必要とすることなく、改質ガスから分離した水を水タンクに回収することができる改質ガス製造装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る改質ガス製造装置は、源燃料と水蒸気から水素リッチな改質ガスを生成する改質器１と、改質器１で生成された改質ガスを冷却する熱交換器２と、熱交換器２で冷却された改質ガス中の水を分離する気液分離器３と、改質器１に供給する水を貯留すると共に気液分離器３で分離された水を回収する水タンク４とを具備して形成され、気液分離器３と水タンク４の間に気液分離器３で分離された水を返送する水返送配管５を設けると共に改質ガスから分離されて気液分離器３に収容される水の量と、水返送配管５を通して気液分離器３から水タンク４に返送される水の量とがほぼ等しくなるように調整するための絞り機構６を水返送配管５に設けて成ることを特徴とするものである。
【００１０】
また請求項２の発明は、絞り機構６としてバルブ７を水返送配管５に設けて成ることを特徴とするものである。
【００１１】
また請求項３の発明は、絞り機構６として細管８を水返送配管５に設けて成ることを特徴とするものである。
【００１２】
また請求項４の発明は、水タンク４に改質ガス分離器９を設けて成ることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、改質器１にはポンプ１２を介して水タンク４が接続してある。水タンク４には市水の水道配管１８が接続してあり、水２１が供給されるようにしてある。この水タンク４は大気に開放されており、水位より上の部分は大気圧になっている。また改質器１には改質ガス排出配管１７の一端が接続してあり、改質ガス排出配管１７の途中には熱交換器２が接続してある。この改質ガス排出配管１７の他端は気液分離器３の上部又は一部に接続してある。気液分離器３は密閉容器として形成してあり、気液分離器３の上部に改質ガス供給配管１３が導出して接続してある。改質ガス排出配管１７と改質ガス供給配管１３はそれぞれ気液分離器３内の水位よりも上方位置において気液分離器３に接続されるものである。
【００１５】
また、気液分離器３の底部と水タンク４の上部の間には水返送配管５が接続してあり、この水返送配管５には絞り機構６が設けてあって、水返送配管５内の流路が部分的に狭くなるように絞ってある。図１の実施の形態では、絞り機構６としてバルブ７を用いるようにしてある。精密な絞りを行なう場合には、ニードルバルブなどを用いるようにするのが好ましい。
【００１６】
上記のように形成される改質ガス製造装置にあって、水タンク４内は大気圧であるので、水タンク４内の水はポンプ１２で加圧しながら改質器１に供給される。また改質器１には別途の経路で源燃料が供給されており、改質器１内に充填した改質触媒の作用でこの源燃料と水タンク４から供給された水の水蒸気とを水蒸気改質反応させ、水素リッチな改質ガスが改質器１で生成される。改質器１で生成された改質ガスは改質ガス排出配管１７から送り出され、熱交換器２を通過する際に熱交換して冷却される。このように改質ガスが冷却されると、改質ガス中に含まれる水分は凝縮される。そしてこの冷却された改質ガスが気液分離器３内の上部の空間に導入されると、凝縮している水２１は改質ガスから分離されて気液分離器３の下部に溜められる。また気液分離器３内で水分がこのように分離して除去された改質ガスは、改質ガス供給配管１３から燃料電池等へ供給されるようになっている。
【００１７】
ここで、水蒸気改質反応は吸熱反応であって、改質器１内は加熱されており、改質器１内で生成される改質ガスの圧力は大気圧よりも高い状態にある。従ってこの改質ガスが導入される密閉された気液分離器３内は大気圧より圧力が高い状態にある。一方、水タンク４は大気に開放されているので水タンク４内の圧力は大気圧である（このために、水タンク４内の水２１はポンプ１２で加圧して改質器１に供給するようになっている）。このように、気液分離器３内の圧力は大気圧よりも高く、水タンク４内の圧力は大気圧であり、気液分離器３と水タンク４の間には圧力差があり、この圧力差で気液分離器３内に収容された水２１は水返送配管５を通じて水タンク４に搬送されることになり、改質ガスから分離されて気液分離器３に収容された水２１は自動的に水タンク４に返送されるようになっている。このように水タンク４に返送された水２１は再度改質器１に供給して水蒸気改質反応に使用される。
【００１８】
しかし、単に気液分離器３と水タンク４を水返送配管５で接続しているだけでは、気液分離器３と水タンク４の間の圧力差で、改質ガスから分離されて気液分離器３に収容される水２１の量よりも多くの量の水２１が水返送配管５を通して気液分離器３から水タンク４に返送されるおそれがある。このときには気液分離器３内の水２１が総て水タンク４に返送されてしまって、気液分離器３内の水２１がなくなり、気液分離器３の底部に水返送配管５の開口が露出し、気液分離器３に導入された改質ガスが水返送配管５を通して水タンク４に送られることになる。そして水タンク４は大気に開放されているので、改質ガスが水タンク４から大気中に放出され、改質ガスの損失になると共に引火の危険が発生するおそれがある。
【００１９】
そこで本発明では、バルブ７などの絞り機構６を水返送配管５に設けて、水返送配管５内の流路が部分的に狭くなるようにしてあり、改質ガスから分離されて気液分離器３に収容される水２１の量と、気液分離器３と水タンク４の間の圧力差で水返送配管５を通して気液分離器３から水タンク４に返送される水２１の量とが、ほぼ等しくなるようにしてある。従って、気液分離器３内の水２１の総てが水タンク４に返送されて、気液分離器３内の水２１がなくなることを防ぐことができ、気液分離器３の底部に水返送配管５の開口が露出して気液分離器３に導入された改質ガスが水返送配管５を通して水タンク４に送られることを防止できるものであり、改質ガスが水タンク４から大気中に放出されることを未然に防止することができるものである。ここで、図１の実施の形態のように、絞り機構６をバルブ７で形成すれば、気液分離器３と水タンク４の間の圧力差で気液分離器３から水タンク４に返送される水２１の量が、改質ガスから分離されて気液分離器３に収容される水２１の量とほぼ等しくなるように、改質ガス製造装置の運転条件に併せて任意に調整することが可能になるものである。
【００２０】
図２の実施の形態では、絞り機構６として細管８を用いるようにしてある。すなわち、水返送配管５の一部に、水返送配管５の内径よりも内径が小さい細管８を設けるようにしてある。その他の構成は図１のものと同じである。細管８としては、気液分離器３と水タンク４の間の圧力差で水返送配管５を通して気液分離器３から水タンク４に返送される水２１の量が、改質ガスから分離されて気液分離器３に収容される水２１の量とほぼ等しくなるように、内径や長さが調整されたものを用いるものである。図１の実施の形態のように絞り機構６としてバルブ７を用いる場合には、バルブ７の開閉部の漏れや、操作ミス等によってトラブルが発生する可能性があるが、細管８は構造が極めて簡単で稼動部や操作部もないので、このようなトラブルが発生するおそれはない。
【００２１】
図３の実施の形態は、水タンク４に改質ガス分離器９を設けるようにしたものである。すなわち、図３（ｂ）に示すように、下端が開放され上端が閉塞された筒で改質ガス分離器９を形成し、この改質ガス分離器９はその下部を水タンク４内の水２１中に没して水位より下に配置すると共に、上部を水位より上に配置して、天井面から水タンク４内に差し込んで取り付けてある。水返送配管５は改質ガス分離器９の水位より上の上端部に接続してあり、また水返送配管５の水位より上の上端部から回収ガス供給配管２０が導出してあって、回収ガス供給配管２０は改質器１に接続してある。その他の構成は図１のものと同じである。
【００２２】
図１や図２の場合のように、気液分離器３から水２１を水タンク４に返送するにあたって、水２１とともに改質ガスが僅かながら水タンク４に戻ることがある。水タンク４に戻る改質ガスは量的には極めて少量ではあるが、水タンク４から大気中に放出されると、改質ガスの損失になると共に引火の危険が発生するおそれがある。そこで、図３の実施の形態では水タンク４に改質ガス分離器９を設けるようにしたものであり、水返送配管５を通して水２１とともに改質ガスが返送されても、改質ガスは改質ガス分離器９の水位よりも上方の空間内に留まって水２１と分離され、大気中には放出されない。そして改質ガス分離器９の上部空間内の改質ガスは回収ガス供給配管２０を通じて改質器１に供給され、再利用されるものである。このように、改質ガス分離器９で分離された改質ガスは大気中に放出されずに再利用されるので、改質ガスの損失になったり、引火の危険が発生したりすることがなくなるものである。
【００２３】
【発明の効果】
上記のように本発明は、源燃料と水蒸気から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを冷却する熱交換器と、熱交換器で冷却された改質ガス中の水を分離する気液分離器と、改質器に供給する水を貯留すると共に気液分離器で分離された水を回収する水タンクとを具備して形成される改質ガス製造装置において、気液分離器と水タンクの間に気液分離器で分離された水を返送する水返送配管を設けると共に改質ガスから分離されて気液分離器に収容される水の量と、水返送配管を通して気液分離器から水タンクに返送される水の量とがほぼ等しくなるように調整するための絞り機構を水返送配管に設けるようにしたので、改質ガスから分離されて気液分離器に収容される水の量と、水返送配管を通して気液分離器から水タンクに返送される水の量とが、ほぼ等しくなるように絞り機構で調整することができるものであり、電気系統で制御を行なう場合のような装置が複雑になることなく、またランニングコストを必要とすることなく、気液分離器内の水がなくなることを防ぐことができ、気液分離器の底部に水返送配管の開口が露出して気液分離器に導入された改質ガスが水返送配管を通して水タンクに送られることを防止できるものであり、この結果、改質ガスから分離した水を水タンクに回収することができるものである。
【００２４】
また請求項２の発明は、絞り機構としてバルブを水返送配管に設けるようにしたので、改質ガス製造装置の運転条件に併せて水返送配管の流路の絞り量を任意に調整することが可能になるものである。
【００２５】
また請求項３の発明は、絞り機構として細管を水返送配管に設けるようにしたので、細管は構造が極めて簡単で稼動部や操作部がなく、漏れや操作ミスのようなトラブルが発生することがなくなるものである。
【００２６】
また請求項４の発明は、水タンクに改質ガス分離器を設けるようにしたので、水とともに改質ガスが水タンクに返送されても、改質ガスを改質ガス分離器で分離して、大気中に放出させずに再利用することができ、改質ガスの損失になったり、引火の危険が発生したりすることがなくなるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の他の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は一部の拡大した概略断面図である。
【図４】従来例の概略断面図である。
【符号の説明】
１  改質器
２  熱交換器
３  気液分離器
４  水タンク
５  水返送配管
６  絞り機構
７  バルブ
８  細管
９  改質ガス分離器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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