(57)【要約】【課題】簡単かつコンパクトな構成で、所望の改質反応を良好に行うとともに、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することを可能にする。【解決手段】燃料ガス発生装置１０は、改質用燃料を改質して改質ガスを生成するためのオートサーマル方式の改質機構２０と、前記改質機構２０の出口側に接続され、前記改質ガスを冷却するための冷却機構２２と、前記冷却機構２２に直接連結され、所望の温度に冷却された前記改質ガスから不要物を除去して水素リッチな燃料ガスを生成するためのＰＳＡ機構２４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス発生装置であって、
前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質機構と、
前記改質機構に冷却機構を介して直接連結され、前記改質ガスから不要物を除去して前記燃料ガスを生成するＰＳＡ機構と、
を備え、
前記改質機構は、前記改質用燃料、水蒸気および酸素を供給して酸化反応と改質反応とを同時に行わせることを特徴とする燃料ガス発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料ガス発生装置において、前記炭化水素は、メタンであることを特徴とする燃料ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガス発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を備え、この電解質膜・電極構造体をセパレータによって挟持することにより単位セルとして構成している。通常、複数の単位セルを積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用等の種々の用途に採用されている。
【０００３】
この単位セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
そこで、従来より、天然ガス等の炭化水素燃料から水素含有ガスを生成し、この水素含有ガスを燃料電池スタックに供給する方式が行われている。例えば、図３に示すように、特許文献１に開示されている水素の製造システム１は、脱硫装置２、高温改質装置３、高温変成装置４およびＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置５を備えている。
【０００５】
脱硫装置２は、コバルト−モリブデン系水添触媒、酸化亜鉛等の吸着触媒を用いて原料の石油系炭化水素の硫黄分を略完全に除去する機能を有している。高温改質装置３は、ニッケル系触媒を充填した外熱式の反応管内で、加熱した水蒸気とともに高温水蒸気改質反応を行わせて、水素濃度の高い改質ガスを生成する機能を有している。
【０００６】
高温変成装置４は、改質ガス中の一酸化炭素を水素に転換させるため、酸化鉄等からなる高温変成触媒上においてＣＯ変成反応を行わせ、水素リッチな混合ガスを得る機能を有している。さらに、ＰＳＡ装置５は、水素リッチな混合ガス中の二酸化炭素、メタン、一酸化炭素を除去し、水素純度が高い高純度ガスを製造する機能を有している。
【０００７】
この場合、ＰＳＡ装置５は、水素以外の成分を高圧下で選択的に吸着し、減圧下で脱着する吸着剤を充填した複数の吸着塔を設けている。そして、各吸着塔にそれぞれ吸着−脱着−置換−昇圧からなるサイクリック運転を行わせることにより、製品水素を取り出して他の成分をパージガスとして排出するように構成されている。
【０００８】
その際、混合ガスの成分の中で一酸化炭素は、吸着し難い成分である。従って、ＰＳＡ装置５を経済的かつコンパクトに構成するために、このＰＳＡ装置５に入る混合ガス中の一酸化炭素の濃度を極力小さく抑えるべく、ＣＯ変成反応を行わせる高温変成装置４が、前記ＰＳＡ装置５の上流側に組み込まれている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−２２５３０２号公報（段落［０００２］〜［０００７］、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＯ変成反応は、製造システム１内における他の反応、例えば、改質反応と比較して反応速度が遅い。このため、高温変成装置４は、大容量を確保する必要があり、他の装置に比べて大きなものとなってしまい、製造システム１全体が相当に大型化するという問題がある。
【００１１】
さらに、ＣＯ変成触媒は、他の触媒、例えば、改質触媒と比較して耐久性が低い。従って、製造システム１全体の耐久性は、このＣＯ変成触媒の耐久性（寿命）に影響されてしまい、前記製造システム１が長期間にわたる連続使用に適さないという問題がある。
【００１２】
しかも、ＣＯ変成触媒は、酸化および還元を繰り返すことにより発熱するため、起動時に加熱媒体として窒素ガスや水蒸気等の不活性なガスが必要であるとともに、停止時に可燃ガスをパージするために前記不活性なガスが必要である。その際、ＣＯ変成触媒は、酸化および還元を繰り返すことによって触媒劣化が進展する。これにより、燃焼用空気を直接高温変成装置４内に供給することができず、起動時間および起動エネルギを低減することが困難となっている。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつコンパクトな構成で、所望の改質反応を迅速に行うとともに、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能な燃料ガス発生装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料ガス発生装置では、改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質機構と、前記改質機構に冷却機構を介装して直接連結され、前記改質ガスから不要物を除去して前記燃料ガスを生成するＰＳＡ機構とを備えている。そして、改質機構では、改質用燃料、水蒸気および酸素が供給され、いわゆる、オートサーマル方式により、酸化反応と燃料改質反応とが同時に行われる。
【００１５】
具体的には、改質用燃料として、例えば、メタン（請求項２記載の発明）が供給されており、ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ（発熱反応）と、ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２（吸熱反応）とが同時に遂行される。
【００１６】
一方、通常の水蒸気改質方式では、ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２（吸熱反応）のみが行われるため、外部加熱機構が必要となっている。従って、オートサーマル方式の改質機構では、外部加熱機構が不要になって構成の簡素化が図られるとともに、水蒸気改質方式に比べて暖機時間が短縮され、迅速な始動が確実に行われる。
【００１７】
しかも、オートサーマル方式の改質機構では、水蒸気改質方式に比べて一酸化炭素濃度が有効に低減される。このため、改質ガスに対してＣＯ変成反応を行わなくても、ＰＳＡ機構を有効に小型化することができる。これにより、高温変成装置が不要になるとともに、簡単かつコンパクトなＰＳＡ機構を用いて所望の改質反応を良好に行うことが可能になり、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することができる。
【００１８】
さらに、冷却機構では、改質機構から排出される相当に高温の改質ガスが熱交換を行って前記改質ガスを所望の温度に冷却している。従って、熱交換により比較的大きな熱エネルギ（排熱）が発生し、この熱エネルギを利用して、例えば、コージェネレーションが有効に行われる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料ガス発生装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成図である。
【００２０】
燃料電池システム１２は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する本実施形態に係る燃料ガス発生装置１０と、この燃料ガス発生装置１０から前記燃料ガスが供給されるとともに、エアブロー１４を介し酸化剤ガスとして空気が供給され、前記燃料ガス中の水素ガスと前記空気中の酸素とにより発電を行う燃料電池スタック１６とを備える。なお、本実施形態では、炭化水素としてメタンが使用される。
【００２１】
燃料ガス発生装置１０は、改質用燃料を改質して改質ガスを生成するためのオートサーマル方式の改質機構２０と、前記改質機構２０の出口側に接続されて前記改質ガスを冷却するための冷却機構２２と、前記冷却機構２２に直接連結され、所望の温度に冷却された前記改質ガスから不要物を除去して水素リッチな燃料ガスを生成するためのＰＳＡ機構２４とを備える。
【００２２】
図２に示すように、改質機構２０は、水を蒸発させて水蒸気を発生させる蒸発器２６と、前記蒸発器２６に蒸発熱を供給する触媒燃焼器２８と、前記蒸発器２６から排出される水蒸気とともに改質用燃料および空気が供給されて水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器３０とを備える。
【００２３】
ＰＳＡ機構２４は、ＰＳＡコンプレッサ３２にそれぞれ接続可能な、例えば、３塔式圧力スイング吸着装置を構成しており、吸着塔３４、３６および３８を備える。各吸着塔３４〜３８の出入口の一端には、弁４０ａ〜４０ｃが設けられるとともに、前記弁４０ａ〜４０ｃを介して前記吸着塔３４〜３８がオフガスタンク４２に選択的に接続される。このオフガスタンク４２は、流量調節弁４４を介して触媒燃焼器２８に接続される。
【００２４】
各吸着塔３４〜３８の出入口の他端には、弁４６ａ〜４６ｃが設けられるとともに、前記吸着塔３４〜３８は、弁４８を介して燃料電池スタック１６内の後述する燃料ガス流路６４に連通可能である。
【００２５】
燃料電池スタック１６は、複数の燃料電池５０を積層して構成されており、各燃料電池５０は、電解質膜・電極構造体５２と、前記電解質膜・電極構造体５２を挟持する第１および第２セパレータ５４、５６とを備える。電解質膜・電極構造体５２は、固体高分子電解質膜５８と、この固体高分子電解質膜５８を挟持するアノード側電極６０およびカソード側電極６２とを設ける。
【００２６】
第１セパレータ５４には、アノード側電極６０に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路６４が形成されるとともに、第２セパレータ５６には、カソード側電極６２に酸化剤ガス、例えば、空気を供給するための酸化剤ガス流路６６が形成される。酸化剤ガス流路６６の入口には、エアブロー１４を介して空気が供給される一方、この酸化剤ガス流路６６の出口は、弁６８を介して触媒燃焼器２８に接続可能である。なお、第１および第２セパレータ５４、５６間には、冷却媒体を供給するための流路が必要に応じて形成される。
【００２７】
このように構成される燃料ガス発生装置１０の動作について、燃料電池システム１２との関連で以下に説明する。
【００２８】
蒸発器２６に水が供給されるとともに、この蒸発器２６には、触媒燃焼器２８で発生した高温の燃焼ガスが供給され、前記水が蒸気化して水蒸気が生成される。この水蒸気は、メタンを含む改質用燃料および空気に混在して改質器３０に供給される。
【００２９】
この改質器３０では、改質用燃料中のメタン、空気中の酸素および水蒸気によって、酸化反応であるＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ（発熱反応）と、燃料改質反応であるＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２（吸熱反応）とが同時に行われる。
【００３０】
このように、本実施形態では、改質器３０内において、発熱反応により燃料改質反応に必要な熱が供給されるため、外部加熱機構が不要になって燃料ガス発生装置１０全体の構成が簡素化される。しかも、水蒸気改質方式に比べて暖機時間が短縮され、迅速な始動が確実に行われるという効果が得られる。
【００３１】
さらに、本実施形態では、オートサーマル方式の改質機構２０を用いることにより、水蒸気改質方式の改質機構に比べて改質器３０の出口成分中の一酸化炭素濃度が有効に低減される。
【００３２】
具体的には、本実施形態のオートサーマル方式の改質機構２０と、水蒸気改質方式の改質機構（図示せず）とを用いて、改質器３０の出口成分の割合を検出する実験を行った。その実験の条件としては、改質用燃料の圧力が３０ｋＰａ、メタンＳＶ（Ｓｐａｃｅ  Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が８０００（ＳＶ＝流量／触媒体積）（ｌ／ｈｒ）、およびＳ／Ｃ（Ｓｔｅａｍ  Ｃａｒｂｏｎ比）が３．０（ＣＨ４：Ｈ２Ｏ＝１：３）に設定された。さらに、反応温度が７００℃に設定された。その結果が表１に示されている。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
この実験結果によれば、オートサーマル方式（本実施形態）では、水蒸気改質方式に比べて出口成分中のＣＯ濃度が約半分に減少した。従って、改質ガスに対してＣＯ変成反応を行わなくても、ＰＳＡ機構２４を有効に小型化することができることが実証された。
【００３５】
これにより、従来の高温変成装置が不要になるとともに、簡単かつコンパクトなＰＳＡ機構２４を用いて、所望の改質反応を良好かつ迅速に行うことが可能になり、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することができる。
【００３６】
特に、高温変成装置を不要にすることによって、燃料ガス発生装置１０全体を大幅に小型化かつ簡素化するとともに、コストの削減が確実に図られるという効果がある。しかも、起動時や停止時に窒素ガスや水蒸気等の不活性ガスが不要になり、例えば、起動時には燃焼ガスを改質機構２０に直接供給することによって迅速な暖機が可能になる。一方、停止時には空気で加熱性ガスをパージすることができる。このため、始動時間および始動エネルギの大幅な低減が遂行されるという利点がある。
【００３７】
次いで、改質器３０で生成された改質ガスは、冷却機構２２を介して所望の温度に冷却された後、ＰＳＡ機構２４に供給される。その際、改質器３０から排出される改質ガスは、略７００℃の高温となっており、この改質ガスは冷却機構２２によって略４０℃まで冷却された後、ＰＳＡ機構２４に供給される。
【００３８】
これにより、冷却機構２２では、改質ガスの温度差が相当に大きくなって、熱交換により比較的大きな熱エネルギ（廃熱）が発生する。従って、この熱エネルギを利用することにより、例えば、燃料電池システム１２内でのコージェネレーションが有効に行われるという利点が得られる。
【００３９】
ところで、ＰＳＡ機構２４に改質ガスが供給されると、この改質ガスはＰＳＡコンプレッサ３２を介して吸着塔３４、３６および３８に選択的に供給される。その際、ＰＳＡ機構２４では、例えば、吸着塔３４で吸着工程、吸着塔３６で減圧工程、および吸着塔３８でパージ工程が行われる。このため、吸着塔３４内で水素以外の成分が吸着されて、高濃度の水素（水素リッチ）を含む燃料ガスが、燃料電池スタック１６を構成する各燃料電池５０の燃料ガス流路６４に供給される。
【００４０】
さらに、吸着塔３４で吸着工程、吸着塔３６で均圧工程、および吸着塔３８で均圧工程を経た後、前記吸着塔３４で吸着工程、前記吸着塔３６でブローダウン工程、および吸着塔３８で昇圧工程が実施される。従って、吸着塔３６でのブローダウン工程によるオフガスは、オフガスタンク４２に供給される一方、前記オフガスタンク４２内のオフガスは、触媒燃焼器２８の燃料として供給される。
【００４１】
上記のように、吸着塔３４、３６および３８では、吸着工程、減圧工程、パージ工程、均圧工程およびブローダウン工程が選択的に行われることにより、水素リッチな燃料ガスが、燃料電池スタック１６の燃料ガス流路６４に供給される。この燃料電池スタック１６では、エアブロー１４を介して各燃料電池５０の酸化剤ガス流路６６に空気が供給される。
【００４２】
これにより、電解質膜・電極構造体５２では、アノード側電極６０に供給される燃料ガスと、カソード側電極６２に供給される空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。なお、カソード側電極６２に供給されて消費された空気は、必要に応じて触媒燃焼器２８に供給される。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料ガス発生装置では、改質機構において、改質用燃料、水蒸気および酸素が供給され、いわゆる、オートサーマル方式により、酸化反応と燃料改質反応とが同時に行われる。このため、外部加熱機構が不要になって、構成の簡素化が図られるとともに、水蒸気改質方式に比べて暖機時間が短縮され、迅速な始動が確実に行われる。
【００４４】
しかも、一酸化炭素濃度が有効に低減されるため、改質ガスに対してＣＯ変成反応を行わなくても、ＰＳＡ機構を有効に小型化することができる。これにより、高温変成装置が不要になるとともに、簡単かつコンパクトなＰＳＡ機構を用いて所望の改質反応を良好に行うことが可能になり、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料ガス発生装置を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料ガス発生装置の要部構成説明図である。
【図３】特許文献１の概略系統図である。
【符号の説明】
１０…燃料ガス発生装置          １２…燃料電池システム
１４…エアブロー                １６…燃料電池スタック
２０…改質機構                  ２２…冷却機構
２４…ＰＳＡ機構                ２６…蒸発器
２８…触媒燃焼器                ３０…改質器
３２…ＰＳＡコンプレッサ        ３４〜３８…吸着塔
５０…燃料電池                  ５２…電解質膜・電極構造体
５４、５６…セパレータ          ６０…アノード側電極
６２…カソード側電極            ６４…燃料ガス流路
６６…酸化剤ガス流路
【図１】
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【図２】
2004277189.tif 000005
【図３】
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