(57)【要約】【課題】高効率、コンパクトで、長寿命かつ運転条件の範囲を拡大可能な水素製造装置および燃料電池システムを提供する。【解決手段】炭化水素油を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質管、改質管を加熱するバーナ、水蒸気改質に必要な水蒸気を発生するスチーム発生器、改質ガス中のＣＯ濃度をシフト反応により低減するＣＯ変成器、および改質ガス中のＣＯ濃度を選択酸化反応によりさらに低減する選択酸化器を有する水素製造装置において、鉛直円柱状の領域である第１領域、その外周側に環状の第２領域、その外周側に環状の第３領域、その外周側に環状の第４領域を有し、第２〜４領域は第１領域と同心であり、第１領域にバーナを、第２領域に改質管を、第３領域にスチーム発生器を、第４領域にＣＯ変成器および選択酸化器を有する。この装置を有する燃料電池システム。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素油を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質管、該改質管を加熱するバーナ、該水蒸気改質に必要な水蒸気を発生するスチーム発生器、該改質ガス中のＣＯ濃度をシフト反応により低減するＣＯ変成器、および該ＣＯ変成器でＣＯ濃度が低減された改質ガス中のＣＯ濃度を選択酸化反応によりさらに低減する選択酸化器を有する水素製造装置において、
鉛直円柱状の領域である第１領域と、該第１領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第２領域と、該第２領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第３領域と、該第３領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第４領域とを有し、
該第１領域に該バーナを有し、
該第２領域に該改質管を有し、
該第３領域に該スチーム発生器を有し、
該第４領域に該ＣＯ変成器および該選択酸化器を有する
ことを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記第１領域、第２領域および第３領域が、一つの密閉可能な容器内に形成され、前記第４領域は該容器とは別の密閉可能な容器内に形成された請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記第１領域、第２領域、第３領域および第４領域が一つの密閉可能な容器内に形成された請求項１記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記バーナの燃焼ガスにより前記改質管、スチーム発生器、ＣＯ変成器および選択酸化器をこの順に加熱するための燃焼ガス流路を有する請求項１記載の水素製造装置。
【請求項５】
さらに、前記第３領域に、かつ前記燃焼ガス流路内に、炭化水素油を脱硫する脱硫器を有する請求項４記載の水素製造装置。
【請求項６】
さらに、前記第１領域、第２領域、第３領域および第４領域のいずれも形成されない密閉可能な容器に脱硫剤が充填された脱硫器を有し、
前記改質管、スチーム発生器、ＣＯ変成器および選択酸化器を加熱した燃焼ガスにより、該脱硫器を加熱するための流路を有する請求項４記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記バーナが鉛直下向きに配され、かつ燃焼筒を有する請求項４記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記第４領域において、ＣＯ変成器と選択酸化器とが、鉛直方向に並べられた請求項１記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記第４領域において、ＣＯ変成器と選択酸化器とが、周方向に並べられた請求項１記載の水素製造装置。
【請求項１０】
前記スチーム発生器で発生した水蒸気により、前記ＣＯ変成器および選択酸化器を冷却する冷却ラインを有する請求項１記載の水素製造装置。
【請求項１１】
前記スチーム発生器に、５００ｋＰａ〜１０００ｋＰａの圧力の水が供給される請求項１記載の水素製造装置。
【請求項１２】
炭化水素油を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質管、該改質管を加熱するバーナ、該水蒸気改質に必要な水蒸気を発生するスチーム発生器、該改質ガス中のＣＯ濃度をシフト反応により低減するＣＯ変成器、および該ＣＯ変成器でＣＯ濃度が低減された改質ガス中のＣＯ濃度を選択酸化反応によりさらに低減する選択酸化器を有する水素製造装置と、該水素製造装置で製造された改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
該水素製造装置が、鉛直円柱状の領域である第１領域と、該第１領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第２領域と、該第２領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第３領域と、該第３領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第４領域とを有し、該第１領域に該バーナを有し、該第２領域に該改質管を有し、該第３領域に該スチーム発生器を有し、該第４領域に該ＣＯ変成器および該選択酸化器を有する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第２領域に燃焼触媒が配され、かつ、
燃料電池のアノードオフガスを該燃焼触媒に導くラインを有する請求項１２記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記バーナが燃料電池のアノードオフガスと炭化水素油とを燃焼可能な混焼バーナであり、燃料電池のアノードオフガスを該バーナに導くラインを有する請求項１２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は灯油等の炭化水素油から、水素を製造するための水素製造装置に関する。また、水素製造装置を備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境に優しいエネルギー変換技術として燃料電池が注目されている。固体高分子形など、多くのタイプの燃料電池において、燃料電池の燃料極で実際に電極反応するのは水素である。しかし、水素よりも灯油等の炭化水素油の方が供給体制や取り扱いにおいて優れる面があるため、灯油等の炭化水素油を改質して水素を含む改質ガスを製造し、これを燃料電池の燃料極に供給する燃料電池システムが開発されている。
【０００３】
例えば固体高分子形燃料電池においては、一酸化炭素が電池性能に悪影響を及ぼすため、燃料極に供給する燃料中のＣＯ濃度を低下させる必要があり、改質器の下流にＣＯ変成器と選択酸化器が設けられる。また、改質に水蒸気を用いる場合には水蒸気発生器が設けられ、さらに硫黄が改質触媒などの被毒物質となるため、炭化水素油中の硫黄を除去するための脱硫器が設けられる場合も多い。
【０００４】
このように、炭化水素油から、燃料極に供給するに適した水素含有ガスを製造するためにはいくつもの機器が必要となる。
【０００５】
特許文献１には、改質反応管を同心状の内管、外管及び中間管とからなり、内管と中間管の間に原料ガスが導入される第１の環状部と触媒層が形成され、中間管と外管の間に形成され改質ガスが流通する第２の環状部と第１の環状部と第２の環状部とを連通し、触媒層から流出する改質ガスを第２の環状部に流入させるためのエンドキャップからなる改質反応管が示される。
【０００６】
特許文献２には、二重管式の複数の反応管を円筒状の反応装置に同心円状に配置する多管式反応装置が示される。この装置では、円筒状の容器内に同心円状に二重管式の複数の反応管が配置され、外管と内管の間に改質触媒が充填され、改質ガスは内管を流通して流出する。原料ガスはそれぞれ原料ガス集合管からそれに連結した原料連結管により各反応管に導入され、改質ガスは各反応管より改質ガス連結管に連結した改質ガス集合管に集合される。
【０００７】
しかしながら、燃料電池システムはコンパクトかつ軽量であることが求められることが多いが、上記のような従来技術では水素製造のための装置はコンパクトさにおいて優れるとはいえず、一層の小型化が望まれていた。また燃料電池システムは高効率であることも求められ、従って、水素製造装置も高効率であることが求められるが、この点においても一層の改善が望まれていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２９２５０２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７４８０７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、炭化水素油から水素含有ガスを製造するための水素製造装置において、熱効率を向上させ、占有体積を減らし、長寿命かつ運転条件の範囲を拡大できる水素製造装置を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、効率の高い、コンパクトな燃料電池システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明により、炭化水素油を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質管、該改質管を加熱するバーナ、該水蒸気改質に必要な水蒸気を発生するスチーム発生器、該改質ガス中のＣＯ濃度をシフト反応により低減するＣＯ変成器、および該ＣＯ変成器でＣＯ濃度が低減された改質ガス中のＣＯ濃度を選択酸化反応によりさらに低減する選択酸化器を有する水素製造装置において、
鉛直円柱状の領域である第１領域と、該第１領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第２領域と、該第２領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第３領域と、該第３領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第４領域とを有し、
該第１領域に該バーナを有し、
該第２領域に該改質管を有し、
該第３領域に該スチーム発生器を有し、
該第４領域に該ＣＯ変成器および該選択酸化器を有する
ことを特徴とする水素製造装置が提供される。
【００１２】
この水素製造装置において、前記第１領域、第２領域および第３領域が、一つの密閉可能な容器内に形成され、前記第４領域は該容器とは別の密閉可能な容器内に形成された形態がある。
【００１３】
また、前記第１領域、第２領域、第３領域および第４領域が一つの密閉可能な容器内に形成された形態がある。
【００１４】
水素製造装置が、前記バーナの燃焼ガスにより前記改質管、スチーム発生器、ＣＯ変成器および選択酸化器をこの順に加熱するための燃焼ガス流路を有することが好ましい。
【００１５】
さらに、前記第３領域に、かつ前記燃焼ガス流路内に、炭化水素油を脱硫する脱硫器を有することができる。
【００１６】
あるいは、さらに、前記第１領域、第２領域、第３領域および第４領域のいずれも形成されない密閉可能な容器に脱硫剤が充填された脱硫器を有し、
前記改質管、スチーム発生器、ＣＯ変成器および選択酸化器を加熱した燃焼ガスにより、該脱硫器を加熱するための流路を有することができる。。
【００１７】
前記バーナが鉛直下向きに配され、かつ燃焼筒を有することが好ましい。
【００１８】
前記第４領域において、ＣＯ変成器と選択酸化器とが、鉛直方向に並べられた形態がある。
【００１９】
あるいは、前記第４領域において、ＣＯ変成器と選択酸化器とが、周方向に並べられた形態がある。
【００２０】
前記スチーム発生器で発生した水蒸気により、前記ＣＯ変成器および選択酸化器を冷却する冷却ラインを有することが好ましい。
【００２１】
前記スチーム発生器に、５００ｋＰａ〜１０００ｋＰａの圧力の水が供給されることが好ましい。
【００２２】
本発明により、炭化水素油を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを得る改質管、該改質管を加熱するバーナ、該水蒸気改質に必要な水蒸気を発生するスチーム発生器、該改質ガス中のＣＯ濃度をシフト反応により低減するＣＯ変成器、および該ＣＯ変成器でＣＯ濃度が低減された改質ガス中のＣＯ濃度を選択酸化反応によりさらに低減する選択酸化器を有する水素製造装置と、該水素製造装置で製造された改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
該水素製造装置が、鉛直円柱状の領域である第１領域と、該第１領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第２領域と、該第２領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第３領域と、該第３領域の外周側に位置し該第１領域と同心の環状領域である第４領域とを有し、該第１領域に該バーナを有し、該第２領域に該改質管を有し、該第３領域に該スチーム発生器を有し、該第４領域に該ＣＯ変成器および該選択酸化器を有する
ことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００２３】
この燃料電池システムにおいて、前記第２領域に燃焼触媒が配され、かつ、
燃料電池のアノードオフガスを該燃焼触媒に導くラインを有する形態がある。
請求項１２記載の燃料電池システム。
【００２４】
あるいは、前記バーナが燃料電池のアノードオフガスと炭化水素油とを燃焼可能な混焼バーナであり、燃料電池のアノードオフガスを該バーナに導くラインを有する形態がある。
【００２５】
【発明の実施の形態】
〔炭化水素油〕
水素製造の原料としては、２５℃、０．１０１ＭＰａで液体であり、分子中に炭素と水素を有する化合物を含み、水蒸気改質反応により水素を生成しうる有機化合物を用いることができる。例えば、石油から得られる、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの石油系炭化水素油を用いることができる。また、液化石油ガスも用いることができる。
【００２６】
〔脱硫〕
硫黄は水蒸気改質触媒を不活性化させる作用があるため、水蒸気改質反応器に供給される炭化水素油中の硫黄濃度はなるべく低いことが好ましい。好ましくは５０質量ｐｐｍ以下、より好ましくは２０質量ｐｐｍ以下である。このため、必要であれば水蒸気改質の前に炭化水素油を脱硫することができる。本発明の水素製造装置に供給する前に予め脱硫された炭化水素油を用いても良いし、水素製造装置内に脱硫器を設けても良い。脱硫器を設ける場合、脱硫器に供給する炭化水素油は、脱硫器において例えば上記硫黄濃度まで脱硫できるものであれば使用することができる。
【００２７】
脱硫方法としては、システムの簡素化、制御方法の簡便さ、および触媒の前処理の容易さの観点から、適当な収着型脱硫触媒の存在下硫黄分を収着させる方法が好ましい。収着型脱硫触媒は吸着および／または吸収によって硫黄分を除去するもので、例えば、硫黄の吸着容量の観点からＺｎ／ＺｎＯ、Ｃｕ／ＣｕＯ、Ｎｉ／ＮｉＯなどを含むものが好ましい。
【００２８】
収着型脱硫触媒を用いる場合、脱硫触媒を良好に機能させる観点から、脱硫温度は１００〜３５０℃が好ましい。
【００２９】
また、脱硫触媒が、収着脱硫のみならず炭化水素油の分解反応を促進するものであってもよい。この場合脱硫器が、炭化水素油を一部分解するプレリフォーマーを兼ねる形態となる。
【００３０】
〔改質管〕
水蒸気改質反応を行う改質管では、炭化水素油と水が反応して一酸化炭素と水素が得られる。この反応は大きな吸熱を伴うため、外部からの加熱が必要である。このため、本発明の水素製造装置にはバーナーが設けられ、燃焼熱により、改質管を外部から加熱する。
【００３１】
例えば、改質管内に改質触媒を充填して形成した改質触媒層に、炭化水素油とスチームを供給し、改質管の外部から改質触媒層を加熱することができる。
【００３２】
水蒸気改質反応は、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応を行うことができる。
【００３３】
反応温度は４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で行うことができる。
【００３４】
改質反応の圧力は、適宜設定できるが、好ましくは大気圧〜２０ＭＰａ、より好ましくは大気圧〜５ＭＰａ、さらに好ましくは大気圧〜１ＭＰａの範囲である。
【００３５】
反応系に導入するスチームの量は、炭化水素油に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは０．５〜１０、より好ましくは１〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。この時の液空間速度（ＬＨＳＶ）は炭化水素燃料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ−１、より好ましくは０．１〜１０ｈ−１、さらに好ましくは０．２〜５ｈ−１の範囲で設定される。
【００３６】
改質管の形態としては、熱バランスの観点から、二重管型反応器が好ましい。二重管型反応器においては、二重管の外環部に改質触媒が充填され、内管には触媒は充填されない。改質の原料は外環部に導入され、触媒層を通過する際に水蒸気改質反応を起こし、導入された側とは反対の端部で折り返し、内管を通過して原料が導入される側の端部から排出される。
【００３７】
〔バーナー〕
バーナーの燃焼のために供給される燃料としては、可燃物を適宜用いることができる。例えば、水素製造の原料として用いる炭化水素油を燃焼用に用いることが、水素製造装置あるいはその付帯設備の簡素化の観点から好ましい。また、水素製造装置を燃料電池システムに用いる場合には、燃料電池のアノード（燃料極）から排出されるアノードオフガスを用いることが、エネルギー効率の観点から好ましい。
【００３８】
バーナーの燃焼最高温度は、改質管材料の耐熱温度の観点から８００〜１０００℃とすることが好ましい。
【００３９】
〔ＣＯ変成器〕
改質管で発生する改質ガスは水素の他に一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気を含む。水素濃度を高めるため、また一酸化炭素は触媒毒となることもあるので一酸化炭素濃度を低減するため、一酸化炭素を水と反応させ水素と二酸化炭素に転換するのがＣＯ変成器である。Ｆｅ−Ｃｒの混合酸化物、Ｚｎ−Ｃｕの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒を用い、一酸化炭素含有量（ドライベースのモル％）を好ましくは２％以下、より好ましくは１％以下、さらに好ましくは０．５％以下までに落とすことができる。
【００４０】
シフト反応を二段階で行うこともでき、この場合ＣＯ変成器を二つに分ける。一方は相対的に高い定格運転温度を持つ高温ＣＯ変成器であり、他方は相対的に低い定格運転温度を持つ低温ＣＯ変成器である。高温ＣＯ変成は３００〜５００℃を好適な使用温度とする高温ＣＯ変成触媒を用いて行うことができ、低温ＣＯ変成は１００〜３００℃を好適な使用温度とする低温ＣＯ変成触媒を用いて行うことができる。改質ガスの流れに対し、上流から、高温ＣＯ変成器、低温ＣＯ変成器の順に設置する。
【００４１】
ＣＯ変成はガス空間速度ＧＨＳＶ（１５℃、０．１０１ＭＰａ換算）８００〜３０００ｈ−１で行うことが好ましい。
【００４２】
〔高温ＣＯ変成器〕
高温ＣＯ変成器には、３００〜５００℃でシフト反応活性を有する触媒である高温ＣＯ変成触媒を用いることができる。
【００４３】
高温ＣＯ変成触媒としては、３００〜５００℃におけるシフト反応活性の観点から、硫黄の他に、鉄、クロムおよび銅から選ばれる少なくとも一種の金属を含むものが好ましい。例えば、高温変成触媒の酸化物基準での質量組成としては、硫黄を含み、かつ鉄を６０〜９５％、クロムを１〜３０％、銅を０．１〜１０％含むものが好ましい。形状は球状，円柱状、塊状、リング状のものが好ましく、成型法はどのような方法でも構わないが、錠剤成型および押し出し成型が好ましい。
【００４４】
高温ＣＯ変成工程において、ＧＨＳＶが２００〜１００００ｈｒ−１であることが好ましい（ＧＨＳＶは１５℃、０．１０１ＭＰａ換算のガス空間速度を表す。以下同様。）。２００ｈｒ−１以上とすることでガス処理能力および経済性を良好にすることができ、１００００ｈｒ−１以下であればＣＯ濃度低減能に優れる。
【００４５】
〔低温ＣＯ変成器〕
低温ＣＯ変成器には、１００〜３００℃でシフト反応活性を有する触媒である低温ＣＯ変成触媒を用いることができる。
【００４６】
低温変成触媒としては、シフト反応活性の観点から、銅、亜鉛、ニッケル、鉄、マンガン、白金、金、ルテニウム、ロジウムおよびレニウムから選ばれる少なくとも一種の金属を含むものが好ましい。含有する総金属量は酸化物基準で５〜９０質量％が好ましく，形状は球状，円柱状、塊状、リング状のものが好ましく、成型法はどのような方法でも構わないが、錠剤成型および押し出し成型が好ましい。触媒調製法は特に限定しないが、共沈法、ゲル混練法、含浸法が好ましい。
【００４７】
低温ＣＯ変成器に供給するガスは、高温ＣＯ変成触媒への負担が大きくなるのを防止して劣化を防止する観点からＣＯ濃度（ドライベースのモル％）が２％以上であることが好ましく、低温ＣＯ変成触媒の負担が大きくなるのを防止して触媒劣化を防止する観点からＣＯ濃度（ドライベースのモル％）が２０％以下であることが好ましい。従って、高温ＣＯ変成器において、この範囲までＣＯ濃度を低減することが好ましい。
【００４８】
低温変ＣＯ変成器に供給されるガスについては、ＧＨＳＶが２００〜５００００ｈｒ−１であることが好ましい。２００ｈｒ−１以上とすることでガス処理能力および経済性を良好にすることができ、５００００ｈｒ−１以下であればＣＯ濃度低減能に優れる。
【００４９】
〔選択酸化器〕
例えば固体高分子形燃料電池システムでは、さらに一酸化炭素濃度を低減させることが好ましく、このためにＣＯ変成器の出口ガスを選択酸化器で処理することができる。選択酸化器ではＣＯが選択的に酸化されて二酸化炭素となる。
【００５０】
この反応には、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、銅、銀、金などを含有する触媒を用い、残存する一酸化炭素モル数に対し好ましくは０．５〜１０倍モル、より好ましくは０．７〜５倍モル、さらに好ましくは１〜３倍モルの酸素を添加することで一酸化炭素を選択的に二酸化炭素に転換することにより一酸化炭素濃度を好ましくは１０ｐｐｍ以下に低減させる。この場合、一酸化炭素の酸化と同時に共存する水素と反応させメタンを生成させることで一酸化炭素濃度の低減を図ることもできる。酸素源としては例えば空気を用いることができる。
【００５１】
選択酸化は、１００〜２００℃を好適な使用温度とする選択酸化触媒を用いて行うことができる。供給する酸素とＣＯのモル比（Ｏ２／ＣＯ比）は１．０〜２．０が好ましく、またＧＨＳＶ（１５℃、０．１０１ＭＰａ換算）で７０００〜１００００ｈ−１が好ましい。
【００５２】
〔水／蒸気系〕
水蒸気改質に必要な水蒸気を供給するために、水素製造装置は水蒸発器を備える。また、安定運転の観点から、水蒸発器は発生した水蒸気を過熱するスーパーヒート部を有することが好ましい。
【００５３】
水素製造装置に供給する水の温度については、特に加熱することなく常温の水を用いることができ、あるいは例えば３５〜６０℃とすることができる。その圧力は適宜設定できるが、熱回収の促進による熱効率向上の観点から５００ｋＰａ〜１０００ｋＰａが好ましい。
【００５４】
発生させる水蒸気は例えば圧力に応じた飽和蒸気圧でもよいが、これをスーパーヒートして例えば２５０〜４５０℃とすることができる。
【００５５】
〔配置〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の水素製造装置の一形態について詳細に説明する。
【００５６】
図１には、水素製造装置の概略を模式的に示す。水素製造装置は４つの領域を有する。第１領域１は鉛直に配置される円柱状の領域であり、第２領域２はその外周に配される環状の領域であり、第３領域３はさらにその外周に配される環状の領域であり、第４領域４はさらにその外周に配される環状の領域である。
【００５７】
第１領域にはバーナが、第２領域には改質管が、第３領域にはスチーム発生器が、第４領域にはＣＯ変成器および選択酸化器が設けられる。
【００５８】
第１から第４の全ての領域が一つの密閉可能な容器内に形成されていてもよい。この場合、容器は円筒状の容器を用いることができる。この形態では、全領域を一つの容器に収め、その外側を保温材で覆うこと及び／または容器外壁を真空断熱構造とすることなどして、容器全体を保温することができ、熱効率の観点および断熱材スペース低減の観点から好ましい。真空断熱構造は、容器壁を内壁と外壁の二重構造とし、内壁と外壁の間を真空とするものである。
【００５９】
また、全ての領域が一つの容器内にある必要はなく、例えば、第１から第３までの領域が一つの密閉可能な容器内に形成され、第４の領域がこの容器とは独立した密閉可能な容器に形成されていることもできる。この場合、前者の容器は円筒状とし、後者の容器は環状とし、両容器を間隔をあけて設置し、両容器を繋ぐ流路を設けることができる。両容器ともそれぞれ外壁を真空断熱構造とすることが好ましい。この形態は、例えば第４領域にあるＣＯ変成器および選択酸化器の過熱を避けるため、第３領域と第４領域の間で直接熱伝導しない方が良い場合に好適に採用される。このとき、両容器をまとめて一体的に保温することが熱効率の観点および断熱材スペース低減の観点から好ましい。
【００６０】
〔第１の形態〕
水素製造装置の一形態につき、図２に垂直断面を模式的に、また図３に模式的水平断面を示す。なお以降の各図は説明のための図であって、必ずしも厳密に装置を表すものではない。この形態では、第１から第３領域までが一つの円筒状容器１０１内に隣接して形成され、第４領域は独立した環状の容器１０２に形成され、第３領域と第４領域とを接続する接続部１０３を有する。全ての領域の中心軸は一致する。
【００６１】
第１領域１にはバーナ１１が容器１０１の上面を貫通して下向きに設けられ、燃焼時には火炎１２が形成される。バーナが下向きであると、液だれを効果的に防止できるため好ましい。また燃焼筒１３を有し、燃焼筒により第１領域と第２領域とが区画される。燃焼筒は容器底面に達するが、下端近傍に開口１４を有し、バーナの燃焼ガスは開口を通って隣接する第２領域２へと流れる。バーナは全ての領域の中心軸に沿う位置に設けられている。
【００６２】
燃焼筒には、例えばセラミック製の円筒を用いることができ、下部に開口部を有する。燃焼筒を用いることで燃焼ガスにより均一に第２領域の改質管を加熱できる。開口は、燃焼ガスが改質管を均等に加熱するように適宜設けることができるが、このために例えば燃焼筒長の下部３０％程度から下端までの間に複数の開口を設けることができる。また、第１領域の底面には、断熱材１５を設けることができる。
【００６３】
燃料電池システムにおいては、このバーナは、炭化水素油と燃料電池のアノードオフガスの両者を燃焼可能な混焼バーナであることができる。このようにすると、アノードオフガスの有効利用を図り、炭化水素油の消費量を削減でき、熱効率の観点から好ましい。
【００６４】
第２領域には下端が閉じられた二重管式の改質管２１が設けられ、改質管は燃焼ガスによって加熱される。一方、改質管の外環部には原料ガスマニホールド２２から炭化水素油と水蒸気が混合された原料ガスが供給され、外環部に設けられた改質触媒層２１ａにて改質反応が起こり改質ガスに転換され、改質ガスは改質管の内管部を上昇し、連通部２４を経て改質ガスマニホールド３６に至る。隔壁２３は第２領域と第３領域との間を区画する。隔壁は断熱材で形成することができる。
【００６５】
なお、容器１０１の第１領域および第２領域の底面には断熱材１１０を設けることが、熱効率の観点から好ましい。
【００６６】
また、改質管出口改質ガス流路に、オリフィスを取り付け、複数本の改質管の圧力損失を均一化し、安定性を図ることもできる。例えば、オリフィスを各改質管出口部（内管の出口部）につけることができる。オリフィス径はオリフィス部の差圧が触媒充填した改質管差圧の好ましくは５０％〜３００％程度、より好ましくは１００％〜１５０％程度となる径とする。オリフィスを取り付けることにより、複数の改質管への原料ガスの分布が均一となり、改質管温度のばらつきが少なくなるため、改質管温度制御が容易で、均質な改質ガスを得ることができる。
【００６７】
改質管は、バーナを取り囲むように、全領域の中心軸を中心とする円周に沿って複数設けられる。その本数は第二領域の大きさ及び原料ガスの流量分散性を考慮すると６〜１２本が好ましい。ここでは９本の改質管が設けられている。また、改質管の外表面にフィンを設けることもできる。これにより燃焼ガスの熱が改質管内部の触媒に、より伝わりやすくなり、好ましい。
【００６８】
第３領域には水蒸発器３１および原料ガス予熱器３２が設けられる。第２領域から供給される燃焼ガスは、原料ガス予熱器および水蒸気発生器にこの順に接し、これらを加熱し、燃焼ガス排出口３３から容器１０１外に排出される。一方、水供給管３４から供給された水が水蒸発器でスチームとされ、このスチームはスチーム供給管３５を経て、後述するように第４領域で選択酸化器およびＣＯ変成器を冷却するとともに自身は加熱され、混合器５１で原料と混合された上で原料ガス予熱器３２に供給される。原料ガス予熱器で加熱された原料ガスは、原料ガスマニホールド２２に供給され、改質に供される。なお図３では、説明のために第３領域を二つに分けて改質ガスマニホールド３６と水蒸発器３１が水平方向に並んでいるかのごとくに示してあるが、実際は図２に示されるようにこれらは上下に配置されている。
【００６９】
水蒸発器、原料ガス予熱器は、単管が第３領域の周方向にコイル状に巻かれた形態を有する。
【００７０】
さらに、熱効率向上のために、第３領域にバーナ燃焼用の空気を予熱する空気予熱器を設けることもできる。たとえば、第３領域の改質ガス流れに対して最も下流に、第３領域の周方向にコイル状に巻かれた単管を設け、ここに空気を流して改質ガスによって加熱した上でバーナに供給することができる。
【００７１】
第４領域の内部は垂直な隔壁によって周方向に区画され、各区画に必要に応じて触媒が充填されてなる高温ＣＯ変成器４１、改質ガス冷却器４２、低温ＣＯ変成器４３、第１の改質ガス空気混合器４４、第１の選択酸化器４５、第２の改質ガス空気混合器４６および第２の選択酸化器４７が周方向に並んでいる。接続部１０３を通して改質ガスマニホールド３６から供給された改質ガスは、まず高温ＣＯ変成触媒が充填された高温ＣＯ変成器４１内の高温ＣＯ変成触媒層４１ａにてシフト反応によりそのＣＯ濃度が低減される。このとき高温ＣＯ変成器内を貫通する冷却管４８を流れるスチームにより、高温ＣＯ変成器は冷却される。高温ＣＯ変成器を通過した改質ガスは、改質ガス冷却器４２（触媒は充填されない）にて冷却管を流れるスチームにより、低温ＣＯ変成に好適な温度まで冷却され、低温ＣＯ変成触媒が充填された低温ＣＯ変成器４３に供給される。ここで改質ガスは、シフト反応によりそのＣＯ濃度がさらに低減される。このとき低温ＣＯ変成器内を貫通する冷却管を流れるスチームにより、低温ＣＯ変成器は冷却される。低温ＣＯ変成器を出た改質ガスは、第１の改質ガス空気混合器４４（触媒は充填されない）にて、ＣＯ選択酸化のための空気と混合される。空気と混合された改質ガスは、選択酸化触媒が充填された第１の選択酸化器４５にて、ＣＯの酸化により、そのＣＯ濃度がさらに低減される。第１の選択酸化器を出た改質ガスは、さらに第２の改質ガス空気混合器４６（触媒は充填されない）にて、空気と混合され、選択酸化触媒が充填された第２の選択酸化器においてＣＯの酸化によりＣＯ濃度が低減され、低ＣＯ濃度の改質ガスとして改質ガス取り出し口５０から取り出される。なお、高温ＣＯ変成器４１と改質ガス冷却器４２の間を結ぶ改質ガス流路など、上記機器４１〜４７間をそれぞれ結ぶ改質ガス流路は図示を省略してある。
【００７２】
改質ガスと空気とをより良く混合する観点から、第１および第２の改質ガス空気混合器内には、それぞれ邪魔板が配され、いわゆるスタティックミキサーが形成されることが好ましい。第１および第２の選択酸化器は、それぞれその内部を貫通する冷却管を流れるスチームにより冷却される。なお、改質ガス空気混合器内には冷却管は設けなくてよい。
【００７３】
ＣＯ選択酸化を一段で行うことも可能であるが、上に示したように２段階でＣＯ選択酸化を行うと、例えばＣＯ濃度（ドライベースのモル基準）を１％から１０ｐｐｍに容易に低減できるため好ましい。例えば第１のＣＯ選択酸化によりＣＯ濃度（ドライベースのモル基準）を１％から５０００ｐｐｍまで低減し、第２のＣＯ選択酸化により１０ｐｐｍまで低減することができる。
【００７４】
一方、水蒸発器３１で発生したスチームはスチーム供給管３５からスチームマニホールド４９ａに供給され、高温ＣＯ変成器４１、改質ガス冷却器４２、低温ＣＯ変成器４３、第１の選択酸化器４５、および第２の選択酸化器４７内に配される冷却管を通過する際に改質ガスを冷却するとともに自身は加熱され、スチームマニホールド４９ｂで集合し、混合器５１で脱硫された炭化水素油と混合される。冷却管はいわゆるシェルアンドチューブ型の熱交換器のように、鉛直方向に設けられた複数の管であり、図３では一部のみ示してある。
【００７５】
炭化水素油の脱硫は、容器１０１、１０２とは独立した不図示の脱硫器にて行われる。この脱硫器は燃焼ガス排出口３３から排出される燃焼ガスによって加熱される。この脱硫器の構造は、例えば、二重管式構造で外側が脱硫触媒層であり、原料が下部から上部に流れ、脱硫反応温度１００℃〜３００℃となるように、内管部を流れる燃焼ガスによって温度調節することができる。
【００７６】
〔第２の形態〕
図４に、本発明の水素製造装置の別の形態を示す。この形態は、第２領域に燃焼触媒層２５を有し、またこの燃焼触媒に燃料電池のアノードオフガスを供給するアノードオフガス供給管２６を有する。バーナは炭化水素油を燃焼させるだけでよく、混焼バーナである必要はない。酸素が残留するバーナの燃焼ガスと、アノードオフガスが燃焼触媒によって燃焼し、その燃焼ガスが第２領域に供給される。燃焼触媒層はバーナの燃焼ガスが全て燃焼触媒層を通るように設けることができる。例えば、改質管２１の周りに、バーナの燃焼ガス流路断面全域に設けることができる。
【００７７】
この形態は、改質管温度分布の均質化及び排ガス性状の改善の点において好ましい。
【００７８】
燃焼触媒は公知の燃焼触媒から適宜選ぶことができるが、例えばセラミックスや金属等のハニカム担体に、シリカ、アルミナ等の活性担体が担持され、かつその上にＰｔ、Ｐｄ等の貴金属或いは複合酸化物が担持された構成の触媒を用いることができる。
【００７９】
上記以外は、第１の形態と同様である。
【００８０】
〔第３の形態〕
図５に、本発明の水素製造装置のさらに別の形態を示す。この形態は、第１〜第４の全領域が一つの円筒状容器１０４内に隣接して形成される。脱硫器３７を容器１０４内に備える。また、第４領域の内部は水平な隔壁によって鉛直方向に区画され、各区画に必要に応じて触媒が充填されてなる高温ＣＯ変成器４１、低温ＣＯ変成器４３、第１の改質ガス空気混合器４４、第１の選択酸化器４５、第２の改質ガス空気混合器４６および第２の選択酸化器４７が鉛直方向に並べられる。容器１０４の第１〜第３領域の底面には断熱材１１１を有する。
【００８１】
第１領域は第２の形態と同様である。炭化水素油がバーナ１１で燃焼し、その燃焼ガスが第２領域に供給され、改質管２１を加熱する。燃焼触媒層２５においてはアノードオフガス供給管２６から供給されるアノードオフガスがバーナ燃焼ガスで燃焼され、この燃焼ガスがさらにその下流において改質管を加熱したのち、第３領域に供給される。
【００８２】
第３領域には、内側に水蒸発器３１が、外側に脱硫器３７が設けられ、それぞれ燃焼ガスによって加熱される。その下には原料予熱器３８が設けられ、水蒸発器および脱硫器を加熱した後の燃焼ガスにより、加熱される。燃焼ガスは、第３領域の容器底面に位置する燃料ガス排出口３３から容器１０４外に排出される。
【００８３】
水は水供給管３４ａから供給され、水蒸発器３１にてスチームとされ、原料・スチーム混合部３９に供給される。また水供給管３４ｂから供給された水は、第４領域に設けられたＣＯ変成器等を冷却するとともに自身は加熱され、スチームとなって原料・スチーム混合部３９に供給される。一方、原料である炭化水素油は原料供給管５２から原料予熱器３８に供給され、ここで予熱され、脱硫器３７にて脱硫される。脱硫された原料は原料・スチーム混合部３９に供給される。原料・スチーム混合部３９で形成された原料とスチームの混合気（原料ガス）は、原料ガスマニホールド２２から改質管２１の外環部に供給されて改質ガスとされ、改質管の内管部を上昇して改質ガスマニホールド３６を経て、高温ＣＯ変成器４１に供給される。改質ガスは、高温ＣＯ変成器でシフト反応によりＣＯ濃度が低減されたのち、低温ＣＯ変成器４３に供給され、ここでシフト反応によりさらにＣＯ濃度が低減される。この後、改質ガスは、第１の改質ガス空気混合器４４にてＣＯ選択酸化用の空気（外部から供給される）と混合され、第１の選択酸化器４５にてＣＯ選択酸化反応により、ＣＯ濃度が低減される。改質ガスはさらに第２の改質ガス空気混合器４６にてＣＯ選択酸化用の空気（外部から供給される）と混合され、第２の選択酸化器４７によりＣＯ濃度が低減され、低ＣＯ濃度の改質ガスとして改質ガス取り出し口５０から取り出される。
【００８４】
水蒸気発生器、原料予熱器は、それぞれ第３領域の周方向に巻かれたコイル状の単管である。脱硫器３７は環状（ドーナツ状）の容器内に脱硫剤３７ａが充填されてなるものである。
【００８５】
第４領域では、高温ＣＯ変成器４１、低温ＣＯ変成器４３、第１および第２の選択酸化器４５および４７の内部を冷却管４８が貫通しており、冷却管内部で水が加熱され、途中で蒸発し、スーパーヒートされる。冷却管は一本の管が、コイル状に巻かれたものである。
【００８６】
また第４領域において、たとえば高温ＣＯ変成器と低温ＣＯ変成器との間を連通する、改質ガス流路は図示を省略してある。
【００８７】
〔燃料電池システム〕
本発明の燃料電池システムは、上述の水素製造装置と、この水素製造装置から得られる水素含有ガスを燃料極供給ガスとして用いる燃料電池とを備える。また、これ以外にも、カソードに空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池から電気を取り出すための手段、計装制御機器など、従来から燃料電池システムに備わる機器等として公知の機器等を適宜設けることができる。
【００８８】
燃料電池のアノードオフガスは、水素製造装置が混焼バーナを有する場合（例えば前述の第１の形態）、バーナで燃焼させることができる。水素製造装置が燃焼触媒を有する場合（例えば前述の第２および第３の形態）、燃焼触媒にて燃焼させることができる。このため、燃料電池システムは、アノードオフガスを混焼バーナに導くラインや、アノードオフガスを燃焼触媒に導くラインを有することができる。このラインは配管やバルブ等により適宜形成できる。
【００８９】
このような構成により、例えば、燃料電池システムの起動時には炭化水素油を燃焼させるが、定格運転時にはアノードオフガスのみを燃焼させ、燃焼用の炭化水素油の消費を抑えることができる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明により、水素製造に必要な改質器、ＣＯ変成器、選択酸化器などの反応器、水蒸発器、予熱器などの熱交換器類を一体的に構成することができ、また、それぞれの触媒の使用温度、空間速度等の反応条件が適正となるような装置構造及び機器配置等にすることで、触媒寿命により規定される寿命の長期化や運転条件範囲の拡大が達成できる。従って、コンパクトで熱効率に優れ、長寿命かつ運転条件の範囲が広い水素製造装置が提供された。
【００９１】
また本発明により、高効率かつコンパクト、長寿命かつ運転条件の範囲が広い燃料電池システムが提供された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素製造装置の一形態を示す概念図である。
【図２】本発明の水素製造装置の第１の形態につき、垂直方向断面を模式的に示す説明図である。
【図３】本発明の水素製造装置の第１の形態につき、水平垂直方向断面を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明の水素製造装置の第２の形態につき、垂直方向断面を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明の水素製造装置の第３の形態につき、垂直方向断面を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１    第１領域
２    第２領域
３    第３領域
４    第４領域
１１    バーナ
１２    火炎
１３    燃焼筒
１４    開口
１５    断熱材
２１    改質管
２１ａ  改質触媒層
２２    原料ガスマニホールド
２３    隔壁
２４    連通部
２５    燃焼触媒層
２６    アノードオフガス供給管
３１    水蒸発器
３２    原料ガス予熱器
３３    燃焼ガス排出口
３４    水供給管
３５    スチーム供給管
３６    改質ガスマニホールド
３７    脱硫器
３７ａ  脱硫剤層
３８    原料予熱器
３９    原料・スチーム混合部
４１    高温ＣＯ変成器
４１ａ  高温ＣＯ変成触媒層
４２    改質ガス冷却器
４３    低温ＣＯ変成器
４４    第１の改質ガス空気混合器
４５    第１の選択酸化器
４６    第２の改質ガス空気混合器
４７    第２の選択酸化器
４８    冷却管
４９ａ、ｂ    スチームマニホールド
５０    改質ガス取り出し口
５１    混合器
５２    原料供給管
１０１    第１から第３領域までを収める円筒状容器
１０２    第４領域を独立して収める環状容器
１０３    接続部
１０４    第１から第４領域までを収める円筒状容器
１１０    断熱材
１１１    断熱材
【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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