(57)【要約】【課題】効率を向上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。【解決手段】水素製造装置１は、バーナ１０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６と、改質部６で生成した改質ガスをシフト反応させる筒状の高温シフト反応部１２と、を備えている。この高温シフト反応部１２は、改質部６と同軸で且つ改質部６の径方向外側に隣接するよう配置され、高温シフト触媒１２ｘは、改質触媒６ｘの少なくとも一部を囲繞している。これにより、改質反応が吸熱反応である一方で高温シフト反応が発熱反応であることから、高温シフト触媒１２ｘでの発熱が効率よく改質触媒６ｘへ熱伝達されて利用されることとなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記改質部で生成した前記改質ガスをシフト反応させる筒状のシフト反応部と、を備え、
前記シフト反応部は、前記改質部の軸に沿って且つ前記改質部の径方向外側に隣接するよう配置され、
前記シフト反応部のシフト触媒部は、前記改質部の改質触媒部の少なくとも一部を囲繞することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記シフト触媒部は、前記改質触媒部において前記原燃料が流入する流入部を囲繞することを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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と、改質部で生成した改質ガスを高温シフト反応させる筒状の高温シフト部と、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は、例えば燃料電池システムに用いられ、生成した改質ガスをセルスタックに供給して発電を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８０４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、省エネルギーの要求等が益々高まっており、上述したような水素製造装置においては、さらなる効率の向上が強く望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、効率を向上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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、改質部で生成した改質ガスをシフト反応させる筒状のシフト反応部と、を備え、シフト反応部は、改質部の軸に沿って且つ改質部の径方向外側に隣接するよう配置され、シフト反応部のシフト触媒部は、改質部の改質触媒部の少なくとも一部を囲繞することを特徴とする。
【０００７】
この水素製造装置では、改質部による改質反応が吸熱反応である一方でシフト反応部によるシフト反応が発熱反応であることから、シフト触媒部での発熱を効率よく改質触媒部へ熱伝達させて利用することができ、水素製造装置の効率を向上することが可能となる。
【０００８】
また、シフト触媒部は、改質触媒部において原燃料が流入する流入部を囲繞することが好ましい。一般的に、改質触媒部においては、その流入部で改質反応が最も顕著に生じる。よって、シフト触媒部が改質触媒部の流入部を囲繞することにより、シフト触媒部での発熱を改質触媒部で特に効果的に利用することができる。
【０００９】
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。
【００１０】
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、水素製造装置における効率を向上するという上記効果が奏される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水素製造装置における効率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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２】図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。このフィード部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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
高温シフト反応部（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（シフト触媒部）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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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Ｌ１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、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈しており、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
以上のように構成された本実施形態においては、上述したように、高温シフト反応部１２が改質部６の径方向外側に隣接配置されている。そして、高温シフト触媒１２ｘが、改質触媒６ｘの少なくとも一部を接するように囲繞している（つまり、近接して覆っている）。これにより、改質反応が吸熱反応である一方で高温シフト反応が発熱反応であることから、高温シフト触媒１２ｘでの発熱が、容器隔壁を介して効率よく改質触媒６ｘへ熱伝達されて利用されることなる。その結果、本実施形態によれば、熱損失を低減することができ、水素製造装置１の効率を向上することが可能となる。
【００３１】
ここで、一般的に、改質触媒６ｘにおいては、混合ガス（原燃料）が流入する流入部である下端部３１で改質反応が最も顕著に生じる。この点、本実施形態では、上述したように、高温シフト触媒１２ｘが改質触媒６ｘの下端部３１を囲繞している。具体的には、高温シフト触媒１２ｘにおいて上端から略中央部に至る部位でもって、改質触媒６ｘの下端から略中央部に至る部位を覆っている。よって、高温シフト触媒１２ｘでの発熱を改質触媒６ｘで特に効果的に利用することが可能となる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、蒸発部９の上端が高温シフト触媒１２ｘの下端よりも上方に位置しており、蒸発部９が高温シフト触媒１２ｘの下端部を覆うように配置されている。よって、高温シフト触媒１２ｘでの発熱が冷却ジャケット８内を流通する水によっても回収されて利用される。その結果、熱損失を一層低減することができ、水素製造装置１の効率を一層向上することが可能となる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
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、１２…高温シフト反応部（シフト反応部）、１２ｘ…高温シフト触媒（シフト触媒部）、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、３１…下端部（流入部）、１００…燃料電池システム、Ｇ…軸。
【図１】
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【図２】
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