(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料過濃領域でも火炎の吹き消えがなく、安定した燃焼を維持し、より多くの水素を発生する燃焼器と燃焼ガス中の水素だけを選択的に抽出する水素透過装置を提供し、更に、燃焼ガスのエネルギーを電気として回収できるオンサイト型の簡便な水素発生装置を得る。【解決手段】燃焼器の主バーナーの下流側に複数個の燃料過濃ポートを有することで、空気比で０．６以下の超燃料過濃燃焼でも安定して燃焼を維持し、より多くの水素を発生する。また、燃焼ガス中の水素だけを選択的に抽出する水素透過装置を主バーナーの下流側に配置し、ガス圧縮機の吸引側に接続する。更に、高温、高圧の燃焼ガスでガスタービンを回し、発電機を駆動し、電気として回収することでオンサイト型の簡便な水素発生装置を提供する。【選択図】        図１
2004277187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
都市ガスタービン等の高圧連続燃焼器において、主バーナとは別で該主バーナの下流側に配置された複数個の燃料過濃ポートより、都市ガスを噴出させ、空気比で１．０以下の燃料過濃燃焼をさすことにより、燃焼ガス中の水素発生を促すことを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
請求項１の水素発生装置において、前記主バーナの下流側にあって、燃焼ガスと満遍なく接触する位置に配置された複数個の中空配管と該配管の集合部で構成され、燃焼ガス中の水素成分のみを選択的に透過さすことを特徴とする水素透過装置を有する水素発生装置。
【請求項３】
請求項２の水素発生装置において、前記水素透過装置の前記集合部をガス圧縮機の吸引側に接続する構成とし、該水素透過装置の透過効果を促進することを特徴とする水素発生装置。
【請求項４】
請求項２の水素発生装置において、前記水素透過装置の下流側に位置し、高温高圧の前記燃焼ガスにより駆動されるガスタービン発電機を備え、該ガスタービンの圧縮機から吐出される空気を前記水素発生装置の燃焼用空気として使用する構成する水素発生装置
【請求項５】
請求項２の水素発生装置において、前記水素透過装置の材質はニッケル・クロムを含む耐熱合金で、高温高圧で低分子量の水素を透過することを特徴とする水素透過装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
水素製造装置に関するものであり、製造過程の中で生ずる燃焼排気ガスでガスタービン発電機を駆動し、有効に資源を利用する装置であり、水素燃料電池車のガススタンド用水素ガス供給装置として利用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素を製造する装置の一つである水蒸気改質（スチームリフォーミング）は、天然ガス、ナフサなどの軽質の炭化水素を担持ニッケル触媒を用い、水蒸気／炭素比３、反応温度８００℃程度、圧力約２０気圧の反応条件で製造される。また、水の電気分解で水素を製造するものもあるが、いずれも多くのエネルギーを使用して水素を製造する工場で生産されている。
また、最近、実用化された燃料電池車の殆どは燃料として水素ガスが必要であり、これらの燃料電池車の普及にあたり、水素ガスを供給するガススタンドの整備が不可欠である。しかしながら、現状のガススタンドは前記水素製造工場から高圧ボンベでデリバリーされた高圧水素ボンベを保管する広く安全なストックヤードを有しなければならない。
このようにしてユーザに供給される水素ガスは、製造費とストック費がかさみガソリン以上の価格となり、燃料電池車の普及の大きな障害となっていた。
【０００３】
安価に水素を製造できるオンサイト型の水素発生装置ができれば、水素製造工場からボンベでデリバリーすることもなく、各ガススタンドはこのような装置を設置して、必要な時に必要分運転してエンドユーザに水素ガスを供給することが可能となり、広いストックヤードを持つ必要もなくなる。結果、水素ガスが安価に供給されて、公害に良い燃料電池車が普及することとなる。
このようなオンサイト型で且つ安価に水素を製造できる水素発生装置を提供するものである。
【０００４】
一般的な都市ガスを燃料とするガスタービン発電機は燃焼着火時は空気比１付近の燃料リッチで運転を開始し、着火後は空気比を２〜４の燃料希薄状態を維持して、その高圧（０．４Ｍｐａ程度）高温（約８００℃〜１０００℃）の燃焼ガスでガスタービンを回し、発電機を駆動している。基本的には燃料に対し空気を十分供給した完全燃焼を目指している。
しかしながら、燃料に対する空気量（空気比で１以下）を減らし、不完全燃焼領域持っていくと、燃焼温度は空気比０．８でピークとなり、この熱で都市ガスが分解して、多くの水素を発生することが実験的に明らかとなった。実際には、空気比が０．６以下の燃焼状態にするとより多くの水素を発生するが、通常の燃焼器では空気不足のために火炎が吹き消えるという課題がある。
また、折角発生した多くの水素ガスを他の燃焼ガス（窒素、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素）から分離精製しなければ、純度の高い水素の利用が望めない。幸いにも不完全燃焼した燃焼ガス成分には残存酸素がわずかしか存在しないことも実験的に確認されている。このため発生した水素ガスは燃焼せずに残存するという利点がある。
水素分子はガスの中で最も小さく軽いため、高温高圧下では金属壁から容易に透過することが知られている。このような透過を防止するために管壁にセラミックのコーティングを施したりする例がある。幸いにも燃料過濃では燃焼温度は高く、また、ガスタービン燃焼器の場合には高圧燃焼である。このため、水素透過という面では良い条件が揃っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は燃料過濃領域でも火炎が吹き消えしなく、燃焼を維持し、より多くの水素を発生する燃焼器と燃焼ガス中に存在する水素だけを選択的に抽出する水素透過装置を提供し、更に、燃焼排ガスでガスタービンを回し、発電機を駆動し、電気として回収できる水素発生装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一般的なガスタービン燃焼器の主バーナの下流側に別の燃料過濃ポートを配置し、通常燃焼で安定燃焼させた後、前記燃料ポートより、燃料を増量し、火炎の吹き消えなく超燃料過濃な燃焼を維持する。
また、燃焼器の主バーナの下流側にあって、燃焼ガスと満遍なく接触する位置に複数個の中空配管を配置構成する。ガスタービン過濃燃焼下の高温と高圧の好条件で燃焼ガス中の水素成分のみが前記中空配管の壁から管内部に容易に透過する。一層この透過を促進さすために前記中空配管を集合し、該一端をガスボンベ充填用ガス圧縮機の吸引側に接続すると更に水素ガスの透過を加速する面でより効果的である。
該中空管の材質は、ニッケル・クロム等を含む耐食性に優れた耐熱材料が良い。更に、水素ガスが抽出された後の高温高圧燃焼ガスはガスタービンを回し、発電機を駆動し、電力として回収される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は超燃料過濃を達成し、多くの水素を発生する燃焼器と燃焼ガス中に他のガスと混在する水素ガスのみを選択的に抽出する水素透過装置および電気エネルギーとして回収するガスタービンからなる水素発生装置であり、以下その構成を説明する。
【０００８】
【実施例】
図１は、本発明装置の１実施例の断面図であって、１は本発明の水素発生装置を示し、大きくは燃料過濃燃焼器２、水素透過装置３、ガスタービン１４、水素ガス供給装置２０から構成されている。
前記燃料過濃燃焼器２は、燃焼筒７で密閉状態で囲われており、内部に燃焼室６が形成されている。該燃焼室６には燃焼用空気を噴出するバーナタイル２１、都市ガスが噴出する主バーナ４、および燃料を過濃ならしめる燃料過濃ポート５が配置されている。通常の燃焼は都市ガス通路１２を通して前記主バーナ４から都市ガス燃料が供給され、前記ガスタービン１４から空気通路１３を通してバーナタイル２１から燃焼用空気が供給され、燃焼室６内で空気比１〜４で混合し、燃焼している。
このような安定した燃焼状態を確保した段階で燃料過濃ポート５から多量の都市ガスが噴出されるが、火炎が吹き消えを起こさず、空気比０．６以下の超燃料過濃状態を維持して燃焼が安定して行われる。この時の燃焼室６内の燃焼ガス温度は約１５００℃まで達し、圧力は約０．４Ｍｐａに達している。結果として図２に示すごとく燃焼ガス中に存在する水素ガスの体積比率は３０％超えることが実験的に明らかとなっている。
前記水素透過装置３は複数個の選択的透過管８と集合部９から構成され、該選択透過管は管壁８ａと管内ｂから構成され、前記燃焼室６の中に存在する分子量の最も小さい水素ガスだけが前記管壁８ａの内外の圧力差により前記管壁８ａの金属組織を透過して前記管内８ｂに入る。水素ガスの透過量は図３に示すような量が期待できる。そして、各選択的透過管８から集まった水素ガスは集合管９で合流する。
水素ガス供給装置２０はガス圧縮機１０とガスボンベ１１から構成され、該ガス圧縮機１０の吸入側は前記選択的透過管８の集合管９と接続され、効果的に水素ガスを吸引する構成となっている。
また、ガスタービン１４は前記燃焼室６の下流側に位置し、タービン１５、圧縮機１６、シャフト１７、発電機１８および排気ダクト１９から構成されている。前記選択的透過管８を通過した殆ど水素ガスを含まない燃焼ガスはタービン１５で膨張し、仕事をする。その動力で圧縮機１６が駆動され、圧縮空気が前記空気通路１３を介してに燃焼用空気が前記燃焼室６に供給される。一方、前記タービン１５と圧縮機１６の動力の差分の仕事量が発電機１８の電気出力として利用される。
【０００９】
【発明の効果】
より簡単に燃料過濃燃焼を可能とすることで多量の水素ガスを発生させ、また、燃料過濃燃焼という条件での高温を活かした高圧下での水素透過現象の利用により、燃焼ガス中から水素のみを抽出が可能となる。更に、抽出される側をガス圧縮機で強制的に吸引することでより水素抽出を効果的に行うことができる。また、燃焼ガスでガスタービンを回し、回収された電気出力の一部でガス圧縮機を駆動することで投入エネルギーを必要としないオンサイト型水素発生装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である水素ガス発生装置を示す。
【図２】都市ガス燃焼での空気比に対する燃焼ガス温度と発生水素ガスの体積比率の実験結果を示す。
【図３】水素ガスの温度および圧力に対する分当たりの透過割合の実験結果を示す。
【符号の説明】
１水素発生装置、２燃料過濃燃焼器、３水素透過装置１４ガスタービン２０水素供給装置
【図１】
2004277187.tif 000003
【図２】
2004277187.tif 000004
【図３】
2004277187.tif 000005