(57)【要約】【課題】バイオマス原料の熱分解ガスのように固体成分を同伴する原料ガスを用いて水素を製造するため、原料ガス中の固体成分を除去することができる水素製造装置および燃料電池発電装置を提供すること。【解決手段】水を電気分解して水素を製造する水素製造装置１であって、原料ガスＧを改質して還元性ガスＤを製造する改質器２０と、還元性ガスＤと水Ｓを導入し電気分解により水素を製造する電解槽３０と、原料ガスＧ中の固体成分を除去する固体粒子除去部１０とを備える水素製造装置。上記記載の水素製造装置１と、水素製造装置１で製造された水素を導入し発電を行う燃料電池８０とを備える燃料電池発電装置５。【選択図】図１
2007270212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含有する原料ガスを用いて水素を製造する水素製造装置であって：
原料ガスを改質する改質器と；
前記原料ガス中の固体成分を除去する固体粒子除去部とを備える；
水素製造装置。
【請求項２】
前記改質器が、原料ガスを改質して還元性ガスを製造し；
前記還元性ガスと水を導入し、電気分解により水素を製造する電解槽をさらに備える；
請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記改質器は改質触媒が充填された触媒層を有し；
前記固体粒子除去部は、前記触媒層へ前記原料ガスを導入する位置に配置され、前記原料ガス中の固体成分を捕捉する捕捉部と、前記捕捉部で捕捉した固体成分を前記捕捉部から排除する排除機とを有する；
請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記固体粒子除去部が、前記原料ガスの流路断面積が変化する流路を有する；
請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記固体粒子除去部が、前記原料ガスの流れに対し並列に配置された、前記固体成分を捕捉する２以上のフィルタを有する；
請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の水素製造装置と；
前記製造された水素を導入し、発電を行う燃料電池とを備える；
燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素製造装置および燃料電池発電装置に関し、特に原料ガス中の固体成分を除去する装置を備えた水素製造装置および燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分散型発電システムとして開発が進められている燃料電池の多くは水素を燃料として発電している。燃料電池に用いる水素は、炭化水素系の原料を用いた改質反応により製造するのが一般的である。家庭用燃料電池などの場合は、炭化水素系の原料として都市ガスや灯油などを用いるので、原料ガスが固体成分の不純物を同伴しないことが一般的であり、原料ガス中に同伴される固体成分が問題となるケースは少なかった。しかし、都市ガスや灯油などの化石燃料を用いる原料ガスは、二酸化炭素排出による地球温暖化への影響等を有し、環境負荷が大きいという懸念がある。そこで、廃木材・生ゴミなどのバイオマス原料の熱分解ガスを原料ガスとして用い、高純度の水素を製造する方法が提案されている（特許文献−１参照）。
【特許文献１】特開２００４−６００４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなバイオマス原料を用いる場合、バイオマス原料に含まれるシロキサンが固体状シリカを析出させたり、バイオマス原料の固体粒子などが原料ガス中に不純物として同伴されたりすることがある。原料ガス中の固体粒子などが改質触媒層などに堆積すると、流路の閉塞が生じ、水素の製造効率が低下し、ひいては燃料電池の発電効率が低下するという問題を生ずる。そこで、本発明は、バイオマス原料の熱分解ガスのように固体成分を同伴する原料ガスを用いて水素を製造するため、原料ガス中の固体成分を除去することができる水素製造装置および燃料電池発電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】
【０００４】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る水素製造装置は、例えば図１に示すように、炭化水素を含有する原料ガスＧを用いて水素を製造する水素製造装置１であって：原料ガスＧを改質する改質器２０と；原料ガスＧ中の固体成分を除去する固体粒子除去部１０とを備える。なお、ここでいう水とは、水蒸気を含む広い意味での水である。
【０００５】
このように構成すると、固体粒子除去部で原料ガス中の固体成分を除去するので、改質器に導入される原料ガスは固体成分を同伴しないガスとなり、改質器が固体成分により閉塞することが防止される。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明に係る水素製造装置は、例えば図１に示すように、請求項１に記載の水素製造装置１において、改質器２０が、原料ガスＧを改質して還元性ガスＤを製造し；還元性ガスＤと水Ｓを導入し、電気分解により水素を製造する電解槽３０をさらに備える。
【０００７】
このように構成すると、固体成分を同伴しない原料ガスを用いて改質器で還元性ガスに改質し、その還元性ガスを電解槽に導入して水の電気分解により水素を製造するので、改質器に固体成分が搬入されず、改質器が固体成分により閉塞することが防止されるとともに、電解槽にも固体成分が搬入されず、電解槽が固体成分により閉塞することも防止される。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明に係る水素製造装置は、例えば図１および図２に示すように、請求項１または請求項２に記載の水素製造装置１において、改質器２０（２０ａ）は改質触媒が充填された触媒層２８を有し；固体粒子除去部１０は、触媒層２８へ原料ガスＧを導入する位置に配置され、原料ガスＧ中の固体成分Ｘを捕捉する捕捉部１１と、捕捉部１１で捕捉した固体成分Ｘを捕捉部１１から排除する排除機１４とを有する。
【０００９】
このように構成すると、原料ガスを触媒層に導入する位置に配置された捕捉部で固体成分を捕捉するので、触媒層に固体成分が侵入することを防止でき、改質器が固体成分により閉塞することが防止される。また、捕捉部で捕捉した固体成分を排除機を用いて排除することにより、捕捉部が固体成分により閉塞されることがない。排除機とは、例えば、捕捉部の固体成分を除去するための加圧水蒸気供給機であり、捕捉部を振動させて固体成分を落とすためのハンマーであり、捕捉部に捕捉された固体成分を掻き落とすための掻取り装置である。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明に係る水素製造装置は、例えば図１および図５に示すように、請求項１または請求項２に記載の水素製造装置１において、固体粒子除去部１０（１１０）が、原料ガスＧの流路断面積が変化する流路を有する。
【００１１】
このように構成すると、流路断面積が変化するので、原料ガスの流速が変化し、流速が遅くなると固体成分を搬送する力が減少し、固体成分が原料ガスに搬送されなくなり、改質器が固体成分により閉塞することが防止される。よって、流路断面積が大断面積へと変化するところで、固体成分が原料ガスから除去される。また、固体成分を除去するのが、流路断面積の相対的に大きな部分であるので、固体成分が堆積したとしても、流路が閉塞されにくい。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明に係る水素製造装置は、例えば図１および図６に示すように、請求項１または請求項２に記載の水素製造装置１において、固体粒子除去部１０（１２０）が、原料ガスＧの流れに対し並列に配置された、固体成分Ｘを捕捉する２以上のフィルタ１２３、１２６を有する。
【００１３】
このように構成すると、原料ガスの流れに対し並列に配置されたフィルタで固体成分を捕捉するので、改質器に送られる原料ガスからは固体成分が除去され、改質器が固体成分により閉塞することが防止される。また、フィルタが原料ガスの流れに対し並列に配置されるので、一のフィルタで原料ガスから固体成分を除去しつつ、他のフィルタに堆積した固体成分を排除することができ、原料ガスから固体成分を除去するフィルタを交互に交換することにより、流路の閉塞を防止することができる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池発電装置は、例えば図１に示すように、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の水素製造装置１と；製造された水素を導入し、発電を行う燃料電池８０とを備える。
【００１５】
このように構成すると、固体成分を不純物として同伴する原料ガスを用いて、効率よく水素を製造し、製造した水素を用いて発電する燃料電池が提供される。よって、例えばバイオマス原料から得られた原料ガスを用いた燃料電池発電装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る炭化水素を含有する原料ガスＧを用いて水素を製造する水素製造装置によれば、原料ガスを改質する改質器と、原料ガス中の固体成分を除去する固体粒子除去部とを備えるので、固体粒子除去部で原料ガス中の固体成分を除去し、改質器に導入される原料ガスは固体成分を同伴しないガスである水素製造装置を提供できる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池発電装置によれば、上述の水素製造装置と、製造された水素を導入し発電を行う燃料電池とを備えるので、固体成分を不純物として同伴する原料ガスを用いて、効率よく水素を製造し、製造した水素を用いて発電する燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号あるいは類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１９】
図１に、水素製造装置１の構成を説明するブロック図を示す。なお、図１は、燃料電池８０も含み、燃料電池発電装置５の構成を説明するブロック図でもあるが、燃料電池８０および燃料電池発電装置５は後で説明することにする。水素製造装置１は、系外のガス化装置９０でガス化された原料ガスＧから固体成分を除去する固体粒子除去部１０と、原料ガスＧを改質反応して還元性ガスＤを製造する改質器２０と、水蒸気Ｓと還元性ガスＤとを導入して電気分解により水素Ｈ２を含む水素ガスｈを製造する電解槽３０と、電解槽３０から排出される排気ガスＥおよび水素ガスｈから熱を回収する熱交換器４２、４４とを、この順序で備える。ガス化装置９０は、廃木材・生ゴミなどバイオマスを原料とし、熱分解により可燃性ガスを製造する装置であるが、例えばメタン発酵等、他の原料からあるいは他のプロセスにより可燃性ガスを製造する装置であってもよい。または、原料ガスＧを他の装置等から搬入してもよい。原料ガスＧは、可燃性ガスであるのが一般的であり、典型的には、炭化水素、一酸化炭素、水素などを含有するガスである。
【００２０】
固体粒子除去部１０は、原料ガスＧ中に同伴される固体成分を除去する装置である。バイオマスを原料とし熱分解により製造された原料ガスＧは、固体成分を同伴していることが多い。固体成分とは、例えば、原料中に含まれていた炭素系粒子、熱分解の際に高温環境下で生成した炭素粒子、シロキサンが高温で酸化することにより発生した固体状シリカの粒子や、ガス化装置や配管系などの破片や腐食物、あるいは、微粉化した触媒などである。これらの固体成分は、たとえ原料ガスＧと同一の原料から生じても、原料ガスＧとは区別して固体成分とする。固体成分は、下流の改質器２０において、改質触媒中に滞留し、原料ガスＧの触媒中の流通を妨げ、その結果、改質効率の低下を導く。また、下流の電解槽３０において、電解質膜を閉塞し、電解槽３０での水素製造効率の低下を導く。そのため、改質器２０に送られる原料ガスGから固体粒子である固体成分を除去することは有益である。
【００２１】
改質器２０は、原料ガスＧと水蒸気Ｓとを導入し、不図示の改質触媒を用いた改質反応により炭化水素を分解し、軽質化（小炭素数化）し、また一酸化炭素ＣＯや水素Ｈ２に転換し、還元性ガスＤとする。炭化水素が軽質化されることにより、原料ガスＧは炭素析出反応などが生じにくくなる。還元性ガスＤの主な成分は、例えば、メタンＣＨ４、一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ２などである。改質反応は、例えば４００℃〜７００℃の高温で行われる反応である。
【００２２】
電解槽３０は、還元性ガスＤをアノード室３４に、水蒸気Ｓをカソード室３６に導入し、水蒸気Ｓを電気分解して、水素ガスｈを製造する装置である。カソード室３６の水蒸気Ｓは、電気分解することにより水素Ｈ２と酸素イオンＯ２−とに分解される。酸素イオンＯ２−は、アノード室３４とカソード室３６との間に配置された固体電解質膜３２を浸透して、アノード室３４に至る。アノード室３４において、酸素イオンＯ２−は還元性ガスＤと酸化反応を生じ、還元性ガスＤを酸化して排ガスＥとなる。例えば、還元性ガスＤとしてのメタンＣＨ４と反応して二酸化炭素ＣＯ２と水Ｈ２Ｏとになり、還元性ガスＤとしての一酸化炭素ＣＯと反応して二酸化炭素ＣＯ２になり、還元性ガスＤとしての水素Ｈ２と反応して水Ｈ２Ｏになる。固体電解質膜３２のイオン伝導性は高温になるほど良くなるので、電解槽３０は、例えば５００℃〜１１００℃の高温で使用される。このように酸素イオンＯ２−がカソード室３６からアノード室３４に固体電解質膜３２を浸透し移動するので、電解槽３０のアノードとカソードに印加する電解電圧を小さくすることができ、低電圧・低電力消費量で効率よく水素を製造することができる。なお、電解槽３０は、上述の固体電解質膜３２を隔膜とするタイプでなく、如何なるタイプの電解槽であってもよい。
【００２３】
アノード室３４には熱交換器４２が接続し、カソード室３６には熱交換器４４が接続する。２つの熱交換器４２、４４は、電解槽３０から高温のまま排出される排ガスＥおよび水素ガスｈの熱を回収する装置で、プレート型熱交換器が好適に用いられるが、シェルアンドチューブ型熱交換器、二重管型熱交換器等、如何なる熱交換器であっても良い。熱交換器４２、４４で回収した熱は、水蒸気Ｓを加熱する加熱源、ガス化装置９０を加熱する加熱源あるいは原料ガスＧを加熱する加熱源として用いるのが一般的である。しかし、回収した熱を他の用途に用いても良く、あるいは、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）用の燃料とするなど水素ガスｈを高温環境で利用する場合などには、熱交換器４２あるいは熱交換器４４は備えていなくてもよい。
【００２４】
続いて、図１を参照して水素製造装置１の作用について説明する。バイオマスなどの原料をガス化装置９０で、例えば５００℃の高温で熱分解し、炭化水素を含有する可燃性ガスとしての原料ガスＧを製造する。原料ガスＧには、原料中にあった炭素系粒子等の固体成分が同伴されている。原料ガスＧは、ガス化装置９０から例えば５００℃の高温のまま排出される。原料ガスＧは、固体粒子除去部１０に導かれ、そこで原料ガスＧに同伴された固体成分が除去される。固体成分を除去された原料ガスＧは、改質器２０に送られる。改質器２０では、高温下での原料ガスＧと水蒸気Ｓとの改質触媒を用いた改質反応により、原料ガスＧに含まれる炭化水素の炭素量が小さくなった還元性ガスＤが製造される。すなわち、ガス化装置９０から排出された原料ガスＧから固体成分は除去するものの温度を低下せずに、原料ガスＧを高温で改質反応が行われる改質器２０に送るので、熱を無駄にせずエネルギー効率を低下させることがない。
【００２５】
還元性ガスＤは、改質器２０から電解槽３０のアノード室３４に高温のまま送られる。電解槽３０のカソード室３６には、水蒸気Ｓが導入される。カソード室３６に導入される水蒸気Ｓは、改質器２０で用いられる水蒸気Ｓと同じものであってもよい。同じ水蒸気を用いることにより、水蒸気発生装置、配管などが共用でき、温度や圧力を変化させるための装置、例えばオリフィス等が不要となるので、装置を簡略化できる。水蒸気Ｓは、電解槽３０で電気分解され、水素Ｈ２を生成する。水蒸気Ｓの電気分解により生じた酸素イオンＯ２−は固体電解質の隔膜３２を浸透し、還元性ガスＤを酸化する。カソード室３６からは、電気分解された水素Ｈ２と残留する水蒸気Ｓとが、水素ガスｈとして搬出され、アノード室３４からは、酸化された還元性ガスを含む排ガスＥが搬出される。ここで、カソード室３６の水素ガスｈを搬出する経路に、水素Ｈ２だけを透過する水素分離膜（不図示）を配設してもよい。水素分離膜を備えることにより、電解槽３０から排出される水素ガスｈの水素濃度が極めて高くなると共に、カソード室３６に導入された水蒸気Ｓがほぼ１００％水素Ｈ２を製造するのに消費され、水蒸気Ｓの使用効率が高まる。
【００２６】
電解槽３０を出た水素ガスｈは、熱交換器４４で熱を回収され後段の装置に送られる。また、電解槽３０を出た排ガスＥは、熱交換器４２で熱を回収され、大気に開放され、あるいは、後段の排ガス処理装置に送られる。水素製造装置１によれば、原料ガスＧ中の固体成分を固体粒子除去部１０で除去した後、改質器２０へ送り還元性ガスＤを製造し、還元性ガスＤを電解槽３０に送り、水素ガスｈを製造する。したがって、原料ガスＧが、バイオマスを原料として熱分解されたガスで、固体成分を同伴していても、改質器２０の上流で原料ガスＧから固体成分が除去されるので、改質触媒において固体成分により原料ガスＧ（還元性ガスＤ）の流路が閉塞することが防止され、また、電解槽３０の固体電解質の隔膜３２が固体成分により閉塞することも防止される。
【００２７】
これまでの説明では、水素製造装置１は、改質器２０で原料ガスGを改質して還元性ガスＤとし、電解槽３０で還元性ガスＤと水蒸気Ｓとを導入し電気分解により水素Ｈ２を製造する高温水蒸気電解による水素製造装置として説明したが、水蒸気改質により水素Ｈ２を製造しもよい。水蒸気改質により水素Ｈ２を製造する水素製造装置では、改質器２０で水蒸気改質することにより水素を多く含有する水素ガスｈが製造され、電解槽３０は不要となる。水蒸気改質による水素製造装置であっても、固体粒子除去装置１０により固体成分が除去された原料ガスＧが改質器２０に供給されることで、改質器２０の改質触媒中に固体成分が滞留することが防止され、原料ガスＧの触媒中の流通が妨げられず、改質効率の低下を防ぐことができる。
【００２８】
次に、図２〜図６を参照して、固体粒子除去部１０（図１参照）の実施例を詳細に説明する。図２〜図６中の上下は、実際に固体粒子除去部１０等を設置する上下方向に対応している。図２は、改質器２０ａの触媒層２８で固体成分Ｘを捕捉し、加圧水蒸気Ｐで捕捉された固体成分Ｘを排除する、改質器２０ａと組み合わされた固体粒子除去部１０を説明する断面図である。改質器２０ａは、容器２２と、容器２２の鉛直下側から原料ガスＧを導入する導入流路２４と、改質された改質ガスＤを容器２２の鉛直上側に排出する排出流路２６とを備え、容器２２の上部に改質触媒が充填された触媒層２８を有する。容器２２の触媒層２８の下部は、空間となっている。触媒層２８は、改質触媒をスクリーン（不図示）で支えており、改質触媒は典型的にはアルミナＡｌ２Ｏ３にルテニウムＲｕやニッケルＮｉを担持した粒径２〜５ｍｍ程度のほぼ球形の粒子で、スクリーンは触媒の粒径以下で触媒が脱落しない程度の荒さを持つステンレス製メッシュである。なお、スクリーンはさらに目の細かなメッシュを使用し、原料ガスＧ中の固体成分Ｘが通過することがないようにしてもよい。また、スクリーンはメッシュでなく、改質触媒を支持し、かつ、原料ガスＧが流通できる他の構成、例えば多孔質板であってもよい。
【００２９】
改質触媒の下端１１、すなわちスクリーンの下の位置で、容器２２の側壁に排除機としての加圧水蒸気ノズル１４が配設される。加圧水蒸気ノズル１４は不図示の加圧水蒸気生成装置に連接し、加圧水蒸気Ｐを改質触媒の下端１１に噴射する構成となっている。また、導入流路２４は、ガス化装置等から改質器２０ａの設置された位置まで水平方向に配設され、容器２２の直下から鉛直上方に曲折し、容器２２の下端に接続する。導入流路２４が容器２２の直下で上方に曲折する曲がり部にはＴ字管が用いられ、Ｔ字管の他端は、鉛直下方を向き、その下で固体粒子回収箱１２に連接する。
【００３０】
続いて、改質器２０ａと組み合わされた固体粒子除去部の作用を説明する。原料ガスＧは、導入流路２４を水平に、そして鉛直上方に流れ、容器２２に下端から流入する。原料ガスＧは、容器２２中を上昇し、不図示の水蒸気ノズルから導入される水蒸気Ｓ（図１参照）と混合し、触媒層２８に至る。原料ガスＧが、触媒層２８に流入しようとすると、原料ガスＧ中の固体成分Ｘは充填された改質触媒の隙間に入り込むことができず、触媒層２８の下端１１にて捕捉される。すなわち、触媒層２８の下端１１が捕捉部となる。固体成分Ｘを同伴しなくなったまたは固体成分Ｘの同伴が大幅に減少された原料ガスＧは、触媒層２８に流入し、水蒸気Ｓと共に改質触媒の下で改質反応し、還元性ガスＤとなる。還元性ガスＤは、触媒層２８を上方に通過し、容器２２の上端の排出流路２６から流出する。
【００３１】
上記の運転において、触媒層２８の下端１１、すなわち捕捉部１１で、固体成分Ｘはスクリーンあるいは改質触媒の粒子の間を通過することができず、堆積する。固体成分Ｘの堆積量が多くなると、捕捉部１１において原料ガスＧおよび水蒸気Ｓが流れにくくなる。あるいは、流路が閉塞される。そこで、ある程度固体成分Ｘが堆積すると、原料ガスＧや水蒸気Ｓの導入を止め、加圧水蒸気ノズル１４から捕捉部１１に加圧水蒸気Ｐを噴射する。加圧水蒸気ノズル１４は、図２に示すように容器２２の側壁に固定したノズルでもよいが、ノズル先端が捕捉部１１の下部を移動し、加圧水蒸気Ｐを噴射する位置を変えることができる構成としてもよい。加圧水蒸気Ｐの噴射を受けると、堆積した固体成分Ｘは加圧水蒸気Ｐの急速な流れと共に捕捉部１１から容器２２の触媒層２８の下部の空間に飛散する。飛散した固体成分Ｘは、自重により落下する。固体成分Ｘは触媒層２８の下部の空間で落下することにより、導入流路２４の鉛直方向に配設された部分に落ち込む。固体成分Ｘは、Ｔ字管の部分でもそのまま落下し、導入流路２４の水平方向に配設された方向ではなく、鉛直に配設された固体粒子回収箱１２に収納される。固体粒子回収箱１２に収納された固体成分Ｘは、その後に導入流路２４から原料ガスＧが送られるようになっても、固体粒子回収箱１２中から出ることはなく、固体成分Ｘを原料ガスＧから排除することができる。
【００３２】
図２に示す実施例では、上記説明から分かるように、固体粒子除去部１０（図１参照）は、捕捉部１１、加圧水蒸気ノズル１４（および加圧水蒸気生成装置、配管）並びに固体粒子回収箱１２を備えている。この場合、捕捉部１１が、触媒層２８へ原料ガスＧを導入する位置である触媒層２８の下端であるので、固体粒子除去部１０が触媒層２８へ原料ガスＧを導入する位置に配置されていることになる。上記の説明では、捕捉部１１に堆積した固体成分Ｘを排除するのに加圧水蒸気Ｐを噴射するものとして説明した。加圧水蒸気Ｐを用いると、加圧水蒸気Ｐが容器２２内に残留しても、改質反応に用いられる水蒸気Ｓと一緒になり改質反応に用いられるので好適である。しかし、噴射する気体は加圧水蒸気Ｐ以外の気体であってもよく、例えば、窒素等の不活性なガスは、容器２２内に残留した気体が改質反応、あるいは、還元性ガスＤの酸化反応に影響することがないので、好適に用いられる。
【００３３】
次に、図３は、改質器２０ｂの触媒層２８の下端の捕捉部１１で固体成分Ｘを捕捉し、容器２２を振動させることにより捕捉した固体成分Ｘを排除する、改質器２０ｂと組み合わされた固体粒子除去部１０（図１参照）を説明する断面図である。容器２２、触媒層２８および改質触媒、スクリーン並びに導入流路２４、固体成分回収箱１２、排出流路２６は、図２に示した実施例と同様であるので、重複する説明は省略し、相違点のみを説明する。改質器２０ｂでは、容器２２に加圧水蒸気ノズル１４が配設されず、容器２２に衝撃力を与え、容器２２全体を振動させる振動励起器としてのハンマー１６を備えている。ハンマー１６は、容器２２に振動を与え、容器２２が振動することによって、触媒層２８が振動し、その結果、触媒層２８の下端の捕捉部１１が振動することにより、捕捉部１１に堆積した固体成分Ｘを揺り落とすための器具である。典型的には、原料ガスＧを流通しながら、周期的にハンマー１６で容器２２を打撃することにより、固体成分１１の捕捉部１１への堆積を防止する。あるいは、固体成分Ｘが捕捉部１１に大量に堆積し、原料ガスＧの流通が悪くなったときに、原料ガスＧの導入を一時的に停止し、ハンマー１６で容器２２を打撃し、その結果生ずる捕捉部１１の振動により、堆積した固体成分Ｘを落下させてもよい。落下した固体成分は、触媒層２８の下部の空間に飛散する。飛散した固体成分Ｘが、導入流路２４を逆流し、Ｔ字管で鉛直下方に落下し、固体成分回収箱１２に収納されるのは、図２に示した実施例と同じである。
【００３４】
図３では、ハンマー１６として、ハンマーヘッドを下方にしたハンマー１６が揺動して容器２２の側壁を打撃し、振動を励起するように示されている。ハンマー１６を揺動する手段は、周知の技術を用いることができる。なお、ハンマー１６で容器２２を打撃し振動を励起するのは、他の構成であってもよい。また、振動を励起する振動励起器は、ハンマー１６ではなく、例えばバネの付勢を解放することによりバネの一端が容器２２の側壁を打撃して振動を励起する構成でもよく、電磁エネルギーにより容器２２に振動を励起してもよい。図３に示す実施例では、上記説明から分かるように、固体粒子除去部１０（図１参照）は、捕捉部１１および固体成分回収箱１２と排除機としてのハンマー１６とを備えている。
【００３５】
次に、図４は、改質器２０ｃの触媒層２８の下端の捕捉部１１で固体成分Ｘを捕捉し、捕捉部１１に堆積した固体成分Ｘを掻き落とすための掻き取り装置１８を用いた固体粒子除去部１０（図１参照）を説明する断面図である。容器２２、触媒層２８および改質触媒、スクリーン並びに導入流路２４、固体成分回収箱１２、排出流路２６は、図２に示した実施例と同様であるので、重複する説明は省略し、相違点のみを説明する。改質器２０ｃでは、容器２２に加圧水蒸気ノズル１４が配設されず、捕捉部１１に堆積した固体成分を機械的に掻き取る掻き取り装置１８を備える。掻き取り装置１８は、捕捉部１１の直下に配置され、捕捉部１１を、具体的にはスクリーンの下面を掻く爪を有する。爪は、爪を移動するアーム（不図示）あるいはレールを走行する移動具（不図示）に保持され、捕捉部１１の略全面を移動する。爪の形状は、捕捉部１１に堆積した固体成分Ｘを掻き取れる構造であればよく、１枚のヘラのような形状であっても、熊手のように複数の細い爪を有していてもよい。捕捉部１１に固体成分Ｘが堆積すると、掻き取り装置１８の爪が捕捉部１１の面に沿って移動しながら、固体成分Ｘを掻き取る。掻き取られることにより、堆積した固体成分Ｘは落下し、触媒層２８の下部の空間に飛散する。飛散した固体成分Ｘは、導入流路２４を逆流し、Ｔ字管で鉛直下方に落下し、固体成分回収箱１２に収納されるのは、図２に示した実施例と同じである。
【００３６】
上記の説明では、堆積した固体成分Ｘを爪で掻き取るものとして説明し、爪は掻き取りに適するように、例えば金属製の剛な構造であるのが一般的である。しかし、例えばブラシあるいは刷毛のように、柔軟性を有するもので、捕捉部１１に堆積した固体成分Ｘを掻き取り、あるいは、捕捉部１１をなでることにより、固体成分Ｘを落下させてもよく、このような構成も、掻き取り装置１８の範疇に含まれるものとする。ブラシや刷毛のように柔軟性のあるもので固体成分Ｘを落下させると、スクリーンを爪で痛めることがない。しかし、剛な爪で掻き取ることにより、硬く堆積した固体成分Ｘも排除することができるので、排除する能力は高くなる。また、捕捉部１１を掻き取るのは、固体成分Ｘの堆積した後でなく、連続的にあるいは短周期で掻き取ってもよい。特に刷毛のような柔らかい素材で掻き取るときには、固体成分Ｘが捕捉部１１で堆積し固化する前に掻き取るのがよい。図４に示す実施例では、上記説明から分かるように、固体粒子除去部１０（図１参照）は、捕捉部１１および固体成分回収箱１２と排除機としての掻き取り装置１８とを備えている。
【００３７】
次に、図５および図６を参照して、改質器２０（図１参照）とは別体に構成された固体粒子除去部１０（図１参照）の実施例を説明する。図５は、原料ガスＧの流路断面積が変化する流路で固体を除去する固体粒子除去部１１０の断面図である。固体粒子除去部１１０では、固体成分Ｘを同伴する原料ガスＧが、細い流路１１２から太い流路１１４へ流れる。細い流路１１２から太い流路１１４へ至ることにより、流路断面積が急激に大きくなり、原料ガスＧの流速は急激に低下する。流速が低下することにより、原料ガスＧが固体成分Ｘを搬送する能力が低下し、その結果、固体成分Ｘは原料ガスＧに同伴せず、太い流路１１４で落下する。太い流路１１４を水平に配置することにより、原料ガスＧに同伴せず落下した固体成分Ｘは、太い流路１１４の管底に堆積することになる。太い流路１１４では、管底に固体成分Ｘが堆積しても、断面積の減少は微々たるものであり、原料ガスＧの流速に及ぼす影響はほとんどない。なお、太い流路１１４を水平ではなく、下流側に向けて下方に傾斜させ、流路断面積が変化する位置の近傍にだけ固体成分Ｘが堆積するのを防止してもよい。また、流路断面積が変化する位置の近傍の管底に、あるいは、下流側の管底に固体成分回収箱１２（図２参照）を連接し、固体成分回収箱１２で管底へ落下した固体成分Ｘを収納し、管底への固体成分Ｘの堆積を低減させてもよい。
【００３８】
図５では、細い流路１１２と太い流路１１４とが同心（コンセントリック）に接続されているが、異心（エクセントリック）に接続されてもよい。異心に接続されるときには細い流路１１２は、太い流路１１４の上半分、好ましくは管断面の上端付近に接続するのがよい。細い流路１１２が太い流路１１４の管断面の上端付近に接続することにより、太い流路１１４に固体成分Ｘが堆積しても、流路を狭め、一旦堆積した固体成分Ｘが狭められた流路を原料ガスＧが流速を速めて流れることにより、再度原料ガスＧに同伴されてしまうことが防ぎ易い。また、細い流路１１２と太い流路１１４との管底の段差が大きければ、段差の位置に固体成分回収箱１２（図２参照）を連接することもできる。なお、これまでの説明では、太い流路１１２と細い流路１１４とは管路として説明したが、ダクトあるいはコンジットで構成してもよい。また太い流路１１４は、その間で原料ガスＧ中に同伴される固体成分Ｘが除去される長さを有していればよく、その先で再び細い流路となってもよい。図５では管自体の断面が変化しているが、均一の断面の管において、じゃま板等を設置することにより流路を狭める構成としてもよい。
【００３９】
次に、図６は、原料ガスＧの流路に並列に配置された２つのフィルタ１２３、１２６で固体成分Ｘを捕捉し、原料ガスＧから固体成分Ｘを除去する固体粒子除去部１２０の構成断面図である。改質器２０に原料ガスＧを導入する流路２５が２本の並列する流路１２２、１２５に分かれている。２本の流路１２２、１２５にはそれぞれフィルタ１２３、１２６が配設されている。フィルタ１２３、１２６には、原料ガスＧは通過するが、同伴されている固体成分Ｘは通過できないフィルタ要素１２４、１２７が流路断面に備えられている。２本の並列する流路１２３、１２６にそれぞれ閉止弁（不図示）を設置し、あるいは、導入流路２５が２本の並列する流路１２３、１２６に分岐するところに三方弁（不図示）を設置し、２本の並列する流路１２３、１２６のうちいずれかの流路にのみ原料ガスＧが流れるようにする。固体成分Ｘを同伴している原料ガスＧは、２つのフィルタ１２３、１２６のうちいずれかを通過する際に、固体成分Ｘがフィルタ要素１２４、１２７に捕捉され、改質器２０には固体成分Ｘが除去された原料ガスＧが導入される。なお、図６では、触媒層２８が改質器２０の容器２２の下方に形成されているが、触媒層２８は容器の中段あるいは上部に形成されてもよく、あるいは、容器２２中の総てが改質触媒で充填された触媒層２８であってもよい。
【００４０】
フィルタ要素１２４、１２７に固体成分Ｘが捕捉され堆積すると、原料ガスＧの流れ抵抗が増大する。そこで、２つのフィルタ１２３、１２６の内、原料ガスＧが流れていない方のフィルタのフィルタ要素１２４、１２７に堆積した固体成分Ｘを排除する。例えば、フィルタ１２３、１２６の上流側と下流側とに閉止弁（不図示）を設置し、流路１２２、１２５と絶縁した後、フィルタ１２３、１２６を流路１２２、１２５から取り外して、フィルタ要素１２４、１２７を掃除することによりあるいは交換することにより、堆積した固体成分Ｘを排除してもよい。この場合、フィルタ１２３、１２６の上流側と下流側との閉止弁は、２本の並列する流路１２３、１２６のうちいずれかの流路にのみ原料ガスＧが流れるようにするために設置された閉止弁と同一でよい。あるいは、流路１２２、１２５に例えば排ガスＥ（図１参照）などを逆流するように配管（不図示）を接続し、フィルタ１２３、１２６中を排ガスＥを逆流させて、フィルタ要素１２４、１２７に堆積した固体成分Ｘをフィルタ１２３、１２６から流路１２２、１２５に逆流させてもよい。この場合には、流路１２２、１２５を逆流する排ガスＥと固体成分Ｘとを原料ガスＧと混ぜることなく、別の配管（不図示）に流出させる。途中に固体成分回収箱１２（図２参照）を備えて固体成分を収納してもよい。
【００４１】
このように、固体粒子除去部１２０では原料ガスを流す２本の並列した流路１２２、１２５と、流路１２２、１２５にそれぞれ配設されたフィルタ１２３、１２６とを備えることにより、一のフィルタ１２３、１２６で原料ガスＧから固体成分Ｘを除去しながら、他のフィルタ要素１２４、１２７に堆積した固体成分Ｘを排除することができるので、原料ガスＧの流れを止めることなく、すなわち、水素製造装置１の運転を停止することなく、フィルタ要素１２４、１２７に堆積した固体成分Ｘを排除できるので、運転効率が高くなる。なお、図６では、原料ガスＧが下方から上方に流れるように図示されているが、固体粒子除去部１２０では原料ガスＧの流れ方向は、上向きでなくてもよく、水平、あるいは下向きであってもよい。
【００４２】
続いて、図１を参照して、これまで説明した水素製造装置１で製造された水素ガスｈを用いて発電を行う燃料電池発電装置５について説明する。なお、水素製造装置１については、既に説明しているので、重複する説明は省略する。水素製造装置１で製造された水素ガスｈが燃料電池８０の燃料極８４に送られる。燃料電池８０の空気極８６には、酸化剤ガスとしての空気Ｏが送られる。燃料電池８０は、燃料極８４と空気極８６との間に高分子電解質膜８２を備えており、燃料極８４の水素ガスｈの水素Ｈ２と、空気極８６の空気Ｏ中の酸素Ｏ２との間の電気化学的反応により、発電が行われる。高分子電解質膜８２を用いた、いわゆる固体高分子型燃料電池は、典型的には８０℃〜１００℃で運転されるので、たとえば５００℃で反応する電解槽３０から排出される水素ガスｈを熱交換器４４で、８０℃〜１００℃に冷却する。さらに、空気Ｏを８０℃〜１００℃に加温するため、水素ガスｈと空気Ｏとの熱交換を行う熱交換器（不図示）を備えてもよい。また、燃料電池として高温域で運転される固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を利用する場合には、熱交換器による冷却を不要とすることができる。
【００４３】
燃料電池発電装置５では、水素製造装置１を備えているので、バイオマスなどを原料とし、バイオマスを熱分解した熱分解ガスのように固体成分を同伴する原料ガスＧから水素ガスｈを製造し、水素ガスｈを用いて燃料電池８０で発電することができるので、カーボンニュートラルなバイオマスを原料とした、環境に優しく、かつ、効率のよい発電装置となる。なお、上記の説明では、酸化剤ガスとして空気Ｏを用いて説明したが、酸化剤ガスは空気Ｏに限られず、水素ガスｈ中の水素Ｈ２を酸化する酸素Ｏ２を含有するガスであればよく、酸素ガス等も好適に用いられる。さらに、上記の説明では、燃料電池８０は、固体高分子型燃料電池として説明したが、燃料電池は他のいかなるタイプの燃料電池であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による水素製造装置の構成と、水素製造装置で製造された水素を用いて発電を行う燃料電池発電装置を説明するブロック図である。
【図２】改質器の触媒層で固体成分を捕捉し、加圧水蒸気で捕捉された固体成分を排除する、改質器と組み合わされた固体粒子除去部を説明する断面図である。
【図３】改質器の触媒層で固体成分を捕捉し、容器を振動させることにより捕捉した固体成分を排除する、改質器と組み合わされた固体粒子除去部を説明する断面図である。
【図４】改質器の触媒層で固体成分を捕捉し、捕捉部に堆積した固体成分を掻き落とすための掻き取り装置を用いた固体粒子除去部を説明する断面図である。
【図５】原料ガスの流路断面積が変化する流路で固体を除去する固体粒子除去部の断面図である。
【図６】原料ガスの流路に並列に配置された２つのフィルタで固体成分を捕捉し、原料ガスから固体成分を除去する固体粒子除去部の構成断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  水素製造装置
５  燃料電池発電装置
１０、１１０、１２０  固体粒子除去部
１１  捕捉部（固体粒子除去部）
１２  固体粒子回収箱（固体粒子除去部）
１４  加圧水蒸気ノズル（排除機、固体粒子除去部）
１６  ハンマー（排除機、固体粒子除去部）
１８  掻き取り装置（排除機、固体粒子除去部）
２０、２０ａ〜ｃ  改質器
２２  容器
２４  導入流路
２６  排出流路
２８  触媒層
３０  電解槽
３４  アノード室
３６  カソード室
８０  燃料電池
８２  高分子電解質膜
８４  燃料極
８６  空気極
１１２  細い流路
１１４  太い流路
１２２、１２５  並列な流路
１２３、１２６  フィルタ
１２４、１２７  フィルタ要素
D  還元性ガス
G  原料ガス
ｈ  水素ガス（水素）
Ｏ  空気（酸化剤）
Ｐ  加圧水蒸気
Ｓ  水蒸気（水）
Ｘ  固体成分
【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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【図６】
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