(57)【要約】【課題】水素含有ガス出口通路で発生する結露水による一酸化炭素低減部の濡れを、抑制する。【解決手段】水素生成装置１００は、原料供給経路４と、水供給経路３と、原料供給経路４から供給される原料と、水供給経路３から供給される水とを流通させて、原料と水を予熱する予熱部２３と、予熱部２３で予熱された原料と水との改質反応により、水素含有ガスを生成させる水蒸気改質部２０と、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、予熱部２３と熱交換可能に設けられる、一酸化炭素低減部後の水素含有ガスの導出部１２と、水素含有ガスを装置外部に放出する水素含有ガス出口通路４０とを備え、水素含有ガス出口通路４０が下方に傾斜していることにより結露水は外部へ放出されるので、一酸化炭素低減部に結露水が逆流することを防止できる。【選択図】図１
2011184215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料供給経路と、水供給経路と、前記原料供給経路から供給される原料と前記水供給経路から供給される水とを流通させて前記原料と前記水を予熱する予熱部と、前記予熱部で予熱された前記原料と前記水との改質反応により、水素含有ガスを生成させる改質部と、前記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、前記一酸化炭素低減部を通流した前記水素含有ガスの導出部と、前記導出部の前記水素含有ガスを装置外部に放出する水素含有ガス出口通路とを備え、前記水素含有ガス出口通路は下方に傾斜していることを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記水素含有ガス出口通路は、水素生成装置を収納する燃料電池本体パッケージの設置基準角度以上に傾斜している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】
前記水素含有ガス出口通路は、パイプで構成されていることを特徴とする請求項１または２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、原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させ、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を備える水素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池は、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。一方、発電時の燃料となる水素ガスまたは水素含有ガスは、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、プロパンガスなど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を併設して、燃料電池発電システムを構成している。
【０００３】
ここで、水素生成装置は、一般に、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ている。そして、通常、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して、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多い。このとき、改質部は、例えばＲｕ触媒やＮｉ触媒を備え６５０℃程度で使用され、変成部は、例えばＣｕ−Ｚｎ触媒を備え２５０℃程度で使用され、選択酸化部は、例えばＲｕ触媒などを備え１５０℃程度で使用される。
【０００４】
また、近年、水素生成装置は、水素含有ガスを生成させるエネルギー効率を向上させるために、装置内の熱を有効に利用する構成の水素生成装置の開発が進められている。例えば、一酸化炭素低減部の余剰熱や発生熱を、予熱部における原料の予熱や水の蒸発に用いるために、予熱部と一酸化炭素低減部後の水素含有ガス流路（水素含有ガスの導出経路）とを熱交換可能に構成する例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、燃料電池発電システムを家庭用途で使用する場合、家庭の電力負荷に対応して、負荷の小さな夜間に、燃料電池発電システムを停止する起動停止運転に対応させて、エネルギー効率を高めることが要望されている。そのため、水素生成装置にも、起動停止運転に対応する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１９１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の構成では、水素生成装置の停止時には、改質部や一酸化炭素低減部などの温度は低下している。そのため、温度が低下した状態で、原料および水を供給して水素生成装置を起動させた場合、温度の低い部分で、水の結露が発生する。このとき、一酸化炭素低減部である変成部のＣｕ−Ｚｎ触媒や選択酸化部のＲｕ触媒などは、結露した水により濡れると、触媒活性が低下すしＣＯを十分に低減できない。
【０００８】
特に、特許文献１に示す水素生成装置のように、予熱部と一酸化炭素低減部後の水素含有ガス流路とを熱交換可能に構成した場合、水素含有ガスが予熱部により冷却されて水が結露し、その結露水が一酸化炭素低減部に逆流して、各触媒の活性を低下させる可能性がある。また、水素生成装置の停止時にも、水素含有ガスが予熱部により冷却され、水素含
有ガス出口通路で結露水が発生する場合もある。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水素生成装置でのエネルギーを有効に利用するとともに、水素含有ガス出口通路で発生する結露水による一酸化炭素低減部の濡れ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】
【００１０】
上記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料供給経路と、水供給経路と、前記原料供給経路から供給される原料と前記水供給経路から供給される水とを流通させて前記原料と前記水を予熱する予熱部と、前記予熱部で予熱された前記原料と前記水との改質反応により、水素含有ガスを生成させる改質部と、前記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、前記一酸化炭素低減部を通流した前記水素含有ガスの導出部と、前記導出部の前記水素含有ガスを装置外部に放出する水素含有ガス出口通路とを備え、前記水素含有ガス出口通路は下方に傾斜している。これによって、結露水が発生しても、装置外部に放出されるので、一酸化炭素低減部への結露水の逆流することなく、一酸化炭素低減部の結露水による特性低下を抑制できる。その結果、長期間に亘って安定に動作する水素生成装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の水素生成装置は、予熱部と導出部を流れる水素含有ガスとが熱交換し、水素含有ガス出口通路で結露水が発生しても、装置外部に放出されるので、一酸化炭素低減部に結露水が逆流することを防止できる。その結果、一酸化炭素低減部に設けられる触媒が、結露水による特性低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】同実施の形態１における水素生成装置の水素含有ガス出口通路の拡大断面図
【図３】本発明の実施の形態２における水素生成装置の配置を示す模式図
【図４】同実施の形態２における水素生成装置の位置関係を示す模式図
【図５】本発明の実施の形態３における水素生成装置の構造図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、原料供給経路と、水供給経路と、前記原料供給経路から供給される原料と前記水供給経路から供給される水とを流通させて前記原料と前記水を予熱する予熱部と、前記予熱部で予熱された前記原料と前記水との改質反応により、水素含有ガスを生成させる改質部と、前記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、前記一酸化炭素低減部を通流した前記水素含有ガスの導出部と、前記導出部の前記水素含有ガスを装置外部に放出する水素含有ガス出口通路とを備え、前記水素含有ガス出口通路は下方に傾斜していることにより、結露水が発生しても、自重により装置外部に流れて放出されるので、一酸化炭素低減部への結露水の逆流を防止し、一酸化炭素低減部に設けられる触媒の結露水の濡れによる特性低下を抑制できる。その結果、長期間に亘って安定に動作する水素生成装置を実現できる。
【００１４】
第２の発明は、水素生成装置を収納する燃料電池本体パッケージの中において、特に第１の発明の水素含有ガス出口通路は、前記燃料電池本体パッケージの設置基準角度以上に下方に傾斜していることにより、前記本体パッケージが設置基準角度以下の設置面のどこに置かれても、下方に傾斜することになるので、結露水が発生しても、自重により装置外部に流れて放出されるので、一酸化炭素低減部への結露水の逆流を防止して、一酸化炭素低減部に設けられる触媒の結露水の濡れによる特性低下を抑制できる。その結果、長期間に亘って安定に動作する水素生成装置を実現できる。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の水素生成装置の水素含有ガス出口通路を、パイプで構成していることによって、結露水が発生したときに、結露水はパイプ内の最下部に集まり、下方へ流れやすくなる。これにより、確実に装置外部に流れて放出させることができる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（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１００の要部断面図を示すものである。図２は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置１００の水素含有ガス出口通路の拡大断面図である。
【００１８】
図１において、本実施の形態の水素生成装置１００は、略円筒形状の反応器から構成され、予熱部２３と、改質部２０と、一酸化炭素低減部とを、少なくとも有している。このとき、一酸化炭素低減部は、変成部２５や選択酸化部２６により構成されている。
【００１９】
ここで、予熱部２３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。また、改質部２０は、Ｒｕ系の改質触媒を備え、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。また、一酸化炭素低減部である変成部２５は、Ｃｕ−Ｚｎ系の変成触媒を備え、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。さらに、一酸化炭素低減部である選択酸化部２６は、Ｒｕ系の選択酸化触媒を備え、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。
【００２０】
また、水素生成装置１００は、改質部２０の改質触媒（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と、変成部２５の変成触媒（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検出部２４を備えている。
【００２１】
また、水素生成装置１００は、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を備えている。そして、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構成され、燃焼部２の燃焼状態を検知するフレームロッドからなる燃焼検出部２２、および燃焼部２に燃料用空気を供給する燃焼ファンなどからなる燃焼空気供給部１８を有している。このとき、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。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して燃焼状態を検知するデバイスである。
【００２２】
また、水素生成装置１００の水蒸気改質部２０と予熱部２３には、燃焼部２で発生させた燃焼排ガスが、燃焼部２との水素生成装置１００の壁面を介して供給される。そして、燃焼排ガスは、図１の右上の排出口から、水素生成装置１００の外部へ排気される。
【００２３】
また、水素生成装置１００の予熱部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（共有）にし、一酸化炭素低減部から導出部１２に流れる水素含有ガス、選択酸化部２６の選択酸化触媒および変成部２５の変成触媒と熱交換可能に構成されている。このとき、導出部１２においては、水素生成装置１００から導出される水素含有ガスと水素生成装置１００に供給される温度の低い原料および水とが
熱交換される。
【００２４】
また、水素生成装置１００の水供給経路３には水供給部（図示せず）が接続され、原料供給経路４には原料供給部（図示せず）が接続されている。なお、水供給部および原料供給部は、ブースターポンプが用いられ、例えば入力する電流パルス、入力電力などを制御することにより、供給する水の流量や原料の流量を調節することができる。また、原料供給経路４から供給される原料は、炭化水素などの少なくとも炭素およ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などである。このとき、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る場合、そのガスインフララインに、原料中の付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。そして、脱硫部には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、例えばゼオライト系吸着除去剤が用いられる。
【００２５】
また、水素生成装置１００は、水蒸気改質部２０の外側の外壁面に密着するように改質断熱部３０が設けられ、変成部２５や選択酸化部２６である一酸化炭素低減部には、外壁面との間に隙間を設けて一酸化炭素除去断熱部３１が設けられている。このとき、本実施の形態１の改質断熱部３０および一酸化炭素除去断熱部３１は、例えば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から構成されている。
【００２６】
また、水素生成装置１００の変成部２５および選択酸化部２６の外壁には、変成ヒータ２７が、密着させて設けられている。
【００２７】
そして、上記構成を有する水素生成装置１００によって生成された水素含有ガスは、導出部１２を介して、水素含有ガス出口通路４０から、外部に設置される燃料電池（図示せず）などに供給され、燃料電池の発電に使用される。
【００２８】
以下に、水素生成装置１００の起動動作、通常時の運転動作および停止動作について、水素生成装置１００の動作を中心にして説明する。
【００２９】
はじめに、停止状態から水素生成装置１００を起動させる起動動作と通常時の運転動作について、説明する。
【００３０】
まず、停止状態から水素生成装置１００を起動させる場合、運転制御部（図示せず）の指令により、原料を燃焼部２に供給する。そして、燃焼部２で、供給された原料に着火して水素生成装置１００の加熱を開始する。このとき、変成ヒータ２７に通電して、変成温度検出部２４で検出される温度に基づいて、変成部２５の加熱を行う。なお、一酸化炭素低減部である変成部２５の加熱動作を、燃焼部２の着火動作に先立って、実行してもよい。
【００３１】
つぎに、燃焼部２での加熱を開始した後、原料供給経路４を通して水素生成装置１００（改質部２０）に原料を供給する。同時に、水供給経路３から水素生成装置１００に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。なお、本実施の形態では、原料としてメタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を用いる。このとき、水供給経路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）。
【００３２】
上記により、水素生成装置１００では、改質部２０で水蒸気改質反応、変成部２５で変成反応、選択酸化部２６で一酸化炭素の選択酸化反応が進行する。
【００３３】
そして、変成部２５と選択酸化部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（例えば、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、燃料電池などに供給を開始する。これにより、通常の運転動作が開始される。
【００３４】
以下、水素生成装置１００を停止させる停止動作について、説明する。
【００３５】
まず、原料と水の供給を停止して、水素生成装置１００内の改質部２０、変成部２５および選択酸化部２６の各触媒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。
【００３６】
つぎに、各触媒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１００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１００の封止動作を行う。
【００３７】
上記の各動作により、水素生成装置が運転される。
【００３８】
以下に、本実施の形態のポイントである水素含有ガス出口通路が下方に傾斜していることについての作用と効果について、具体的に説明する。
【００３９】
本実施の形態の水素生成装置１００は、予熱部２３を、導出部１２および一酸化炭素低減部（選択酸化部２６、変成部２５）と片側壁面を同一（共有）にして設けている。
【００４０】
通常、運転動作時において、水素生成装置１００の選択酸化部２６から通流した直後の水素含有ガスの温度は、１００−１５０℃である。しかし、導出部１２において、水素含有ガスの温度は、一部壁面を同一にしている予熱部２３に供給される原料および水と熱交換されるので、一酸化炭素低減部を通流した直後よりも低い温度となる。一般に、Ｓ／Ｃを３程度で水素生成装置を運転する場合、水素含有ガスの露点の温度は、６０−６５℃程度である。
【００４１】
そのため、水素含有ガスと、原料および水との熱の交換量が多くなり、水素含有ガスの温度が、導出部１２で露点近くまで下がり、さらにその下流側である水素含有ガス出口通路４０で放熱されるため、水素含有ガス出口通路４０において結露する可能性がでてくる。特に、水素含有ガスの量（外部へ供給する水素含有ガスの量）が少ない場合、一酸化炭素低減部の温度が低い装置起動時や予熱部２３への燃焼排ガスからの熱供給量が少なくなる装置停止時において結露しやすくなる。そのため、従来の水素含有ガス出口通路４０が下方に傾斜を設けない水素生成装置の構成では、水素含有ガス出口通路４０で発生した結露水が一酸化炭素低減部に逆流し、一酸化炭素低減部の触媒に濡れが発生する。その結果、触媒の活性が低下する。
【００４２】
しかし、本実施の形態の水素生成装置１００によれば、水素含有ガス出口通路４０が下方方向に傾斜を設けているので、結露水は水素生成装置１００の外部に放出されるので、結露水の一酸化炭素低減部への逆流を防ぐことができる。その結果、水の濡れによる、一酸化炭素低減部の触媒の活性の低下を抑制することができる。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態の水素生成装置の配置を示す模式図である。図３において、水素生成装置１００が燃料電池本体パッケージ２００の中に配置されている。図４は、本発明の第２の実施の形態の水素生成装置の位置関係を示す模式図である。水素生成装置１００と燃料電池本体パッケージ２００との位置関係を示している。なお、図３と図４における本実施の形態の水素生成装置１００は、実施の形態１で説明したものと同じ
であるので説明を省略する。
【００４４】
図３において、水素生成装置１００は燃料電池本体パッケージ２００内に水平に構成されている。燃料電池本体パッケージ２００の置かれる設置面は、できるだけ水平であることが望ましいが、設置面が傾斜地であるとき等においては、設置面を完全に水平にすることは現実困難である。そのために、あらかじめ運転に支障のない許容傾斜角度（設置基準角度）を設定して、その範囲に入るように設置される。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、燃料電池本体パッケージ２００がｂ°傾いて設置されても、水素生成装置１００の水素含有ガス出口通路４０は出口方向が上にあがるが、水素含有ガス出口通路４０には、図４（ｂ）に示すように、燃料電池本体パッケージ２００の設置基準角度以上であるａ°の傾きを、あらかじめ下方方向に設けているので、その状態でもＣ°下に傾いている。
【００４６】
（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態の水素生成装置の構造図である。図５における本実施の形態の水素生成装置１００は、実施の形態１で説明したものと同じであるので説明を省略する。水素含有ガス出口通路４０はパイプで構成されている。パイプで構成していることによって、結露水が発生したときに、結露水はパイプ内の最下部に集まり、下方へ流れやすくなる。これにより、結露水が多い場合でも、確実に装置外部に放出させることができ、一酸化炭素低減部の触媒への逆流を効果的に防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、一酸化炭素低減部へ結露水が浸入するのを防止することができるので、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の触媒の活性を長期に維持することが要望される水素生成装置などの技術分野において有用である。
【符号の説明】
【００４８】
２  燃焼部
３  水供給経路
４  原料供給経路
１２  導出部
１８  燃焼空気供給部
１９  空気供給部
２０  水蒸気改質部
２１  改質温度検出部
２２  フレームロッド（燃焼検出部）
２３  予熱部
２４  変成温度検出部
２５  変成部
２６  選択酸化部
２７  変成ヒータ
３０  改質断熱部
３１  一酸化炭素除去断熱部
４０  水素含有ガス出口通路
１００  水素生成装置
【図３】
2011184215.tif 000003
【図４】
2011184215.tif 000004
【図１】
2011184215.tif 000005
【図２】
2011184215.tif 000006
【図５】
2011184215.tif 000007