(57)【要約】【課題】シリカ濃度の高い地域に設置された燃料電池発電装置は、水素生成装置の水蒸発部にシリカが析出する。析出したシリカはやがて水蒸発部の流路を閉塞してしまい、水素生成装置の運転ができなくなってしまうという課題があった。【解決手段】炭化水素原料と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成する改質部４Ａと、水を蒸発させて改質部４Ａに供給する蒸発部１２を備え、蒸発部１２は、内筒１３と、外筒１４の円筒間の円環部に設けられた蒸発流路１６を有し、蒸発流路１６内を含む近傍に蒸発流路１６の断面形状を変化させる変形手段を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成する改質部と、
水を蒸発させて前記改質部に供給する蒸発部を備え、
前記蒸発部は、内筒と、外筒の円筒間の円環部に設けられた蒸発流路を有し、前記蒸発流路内を含む近傍に前記蒸発流路の断面形状を変化させる変形手段を設けた水素生成装置。
【請求項２】
前記変形手段は、温度によって変形する温度変形部材を有する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記変形手段は、一端が前記内筒もしくは前記外筒で形成される前記蒸発流路側面に固定され、他端が温度によって変形することにより、前記円環部を半径方向に変形する温度変形部材を有する請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記変形手段は、一端が前記内筒もしくは前記外筒で形成される蒸発流路側面に固定され、
他端が温度によって変形することにより、前記内筒の軸方法に位置を変形する温度変形部材を有する請求項２記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記変形手段は、一端が前記内筒もしくは前記外筒で形成される蒸発流路側面に固定され、
他端が温度によって変形することにより、前記内筒面の接線方法に位置を変形する温度変形部材を有する請求項２記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記変形手段は、蒸発流路の外部から蒸発流路内に挿入された長尺体であり、
前記長尺体を挿入方向への移動、もしくは前記長尺体の軸に対して回転、あるいは前記挿入方向への移動と前記長尺体の軸に対して回転の両方が可能とした請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記変形手段は、振動を付与する振動発生部材を有する請求項１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、炭化水素化合物原料を原料として発電する燃料電池発電装置に使用され、燃料電池発電装置に水素を供給する水素生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、燃料電池と、燃料電池に水素を含んだ燃料ガスを供給する水素生成装置と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力へ変換するインバーター回路、およびそれらを制御する制御装置によって構成されている。水素生成装置には幾つかの方式があるが、一般的にはルテニウムなどを坦持した触媒を用い水蒸気改質反応によって原料となる炭化水素化合物と水蒸気を高温で反応させて水素を高濃度に含む改質ガスを生成する改質部と、水を蒸発させて改質部へ供給する蒸発部と、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部からなる方法が用いられる。また、燃料電池にも種々の方式は用いられているが、高分子などの固体電解質の片面に貴金属触媒を坦持して供給された水素ガスを水素イオンへ変換し、反対面に酸素を供給して固体電解質内を拡散してきた水素イオンを燃焼消費することによって電荷の移動、すなわち電流を得る方式が一般的である。
【０００３】
蒸発部へ供給される水はイオン交換樹脂によりイオン成分を除去して用いられる。しかし、水素生成装置へ供給される水道水中には、イオン交換樹脂では除去し難いシリカ成分なども含まれており、このシリカ成分は蒸発部内で析出して凝固し、蒸発流路を閉塞してしまう。そのため、水道水を多く供給すると蒸発流路の圧力損失が増大してしまい燃料電池発電装置の運転ができなくなってしまうという課題があった。蒸発流路が閉塞した水素生成装置は交換せざるを得ず、燃料電池発電装置の運転再開には、大掛かりな交換作業と高額な交換費用が必要になってしまう。
【０００４】
そこで、この課題に対して、析出したシリカ成分を蒸発面より下に溜める方法が特許文献１に提案されている。また、特許文献２には、水中のシリカ成分を除去する純水器において、予め定めた水中のシリカ濃度と供給された水量から、純水器に蓄積されたシリカの積算量を算出して純水器のメンテナンス時期を知らせる方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９６８６６号公報
【特許文献２】特開２００９−０３７８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術は、蒸発部内で蒸発して生じた水蒸気が重力方向に対して上方に流れ出る構成の場合は有効であるが、蒸発部内で水が重力方向に流下しながら蒸発する構成の場合には対応できないという課題があった。また特許文献２の技術は、純水器で処理される水中のシリカ濃度を予め把握しておく必要があり、この濃度よりも高いシリカ濃度の水が処理され続けると純水器でシリカを処理できなくなり、水素生成装置にシリカを含んだ水が供給されてしまうという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、蒸発部内で析出したシリカによる蒸発流路の閉塞によって水素生成装置の運転ができなくなってしまう事態を防止することができる水素生成装置を提供することを目的とする。より具体的には、蒸発流路を閉塞した析出
物を破壊して、蒸発流路の閉塞を解消するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、炭化水素原料と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成する改質部と、水を蒸発させて前記改質部に供給する蒸発部を備え、前記蒸発部は、内筒と、外筒の円筒間の円環部に設けられた蒸発流路を有し、前記蒸発流路内を含む近傍に前記蒸発流路の断面形状を変化させる変形手段を設けたものである。これによって、蒸発流路の断面形状の変形により、蒸発流路内を閉塞するまで溜まった析出物が破壊され、閉塞を解消することができる。
【０００９】
また、変形手段として蒸発流路内に配置した温度によって変形する変形部材を用いる。これによって、蒸発流路内の温度は、水素生成装置の運転と停止により大きく変化する。すなわち、停止中は雰囲気温度程度であるが、運転中は水が存在している箇所で１００℃程度、水の蒸発が完了している箇所ではおよそ２００℃から３００℃程度になっている。この温度変化を利用して、例えば、バイメタルなどのように温度によって変形する温度変形部材を蒸発流路内のシリカなどが析出する箇所に配置しておくと、水素生成装置の運転と停止によって温度変形部材が変形し、析出物が固着した析出物を破壊して蒸発流路の閉塞を防止することができる。なお、温度変形部材の変形方向は、内筒や外筒の半径方向、軸方向、および接線方向のどの方向でも良い。
【００１０】
また、変形手段として蒸発流路の外部から蒸発流路内に挿入された長尺体を用い、前記長尺体を挿入方向への移動、もしくは前記長尺体の軸に対して回転、あるいは前記挿入方向への移動と前記長尺体の軸に対して回転の両方が可能とする。この構成により、長尺体の周囲に析出した析出物を破壊して蒸発流路の閉塞を防止することができる。
【００１１】
また、変形手段として振動を付与する振動発生部材を用いる。この構成により、蒸発部を構成する内筒や外筒を振動変形させて、筒面に付着した析出物を破壊して蒸発流路の閉塞を防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水素生成装置によれば、蒸発部へのシリカなどが析出して蒸発流路を閉塞してしまい、水素生成装置の運転ができなくなることを防止できる。そのため、シリカ成分濃度の高い水を使用せざるを得ない地域であっても、蒸発流路の閉塞により水素生成装置を交換する必要もなく、長期間にわたって水素生成装置を使用し続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１における温度変形部材変形前の蒸発部の概略構成図
【図３】本発明の実施の形態１における温度変形部材変形後の蒸発部の概略構成図
【図４】本発明の実施の形態２における温度変形部材変形前の蒸発部の概略構成図
【図５】本発明の実施の形態２における温度変形部材変形後の蒸発部の概略構成図
【図６】本発明の実施の形態３における温度変形部材変形前の蒸発部の概略構成図
【図７】本発明の実施の形態３における温度変形部材変形後の蒸発部の概略構成図
【図８】本発明の実施の形態４における水素生成装置の概略構成図
【図９】本発明の実施の形態４における流路閉塞時の蒸発部の概略構成図
【図１０】本発明の実施の形態４における流路閉塞解消後の蒸発部の概略構成図
【図１１】本発明の実施の形態５における流路閉塞時の蒸発部の概略構成図
【図１２】本発明の実施の形態５における流路閉塞解消後の蒸発部の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、炭化水素原料と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成する改質部と、水を蒸発させて前記改質部に供給する蒸発部を備え、前記蒸発部は、内筒と、外筒の円筒間の円環部に設けられた蒸発流路を有し、前記蒸発流路内を含む近傍に前記蒸発流路の断面形状を変化させる変形手段を設けたものである。
【００１５】
これによって、蒸発流路の断面形状の変形により、蒸発流路内を閉塞するまで溜まった析出物が破壊され、閉塞を解消することができる。
【００１６】
第２の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置の変形手段として蒸発流路内に配置した温度によって変形する温度変形部材を用いたものである。
【００１７】
第３ないし第５の発明は、特に、第２の発明の温度変形部材の変形方向は、内筒や外筒の半径方向、軸方向、および接線方向のどの方向でも良いものとしたものである。
【００１８】
これによって、蒸発流路内の温度は、水素生成装置の運転と停止により大きく変化する。すなわち、停止中は雰囲気温度程度であるが、運転中は水が存在している箇所で１００℃程度、水の蒸発が完了している箇所ではおよそ２００℃から３００℃程度になっている。この温度変化を利用して、例えば、バイメタルなどのように温度によって変形する温度変形部材を蒸発流路内のシリカなどが析出する箇所に配置しておくと、水素生成装置の運転と停止によって温度変形部材が変形し、析出物が固着した析出物を破壊して蒸発流路の閉塞を防止することができる。
【００１９】
第６の発明は、変形手段として蒸発流路の外部から蒸発流路内に挿入された長尺体を用い、前記長尺体を挿入方向への移動、もしくは前記長尺体の軸に対して回転、あるいは前記挿入方向への移動と前記長尺体の軸に対して回転の両方が可能としたものである。
【００２０】
この構成により、長尺体の周囲に析出した析出物を破壊して蒸発流路の閉塞を防止することができる。
【００２１】
第７の発明は、変形手段として振動を付与する振動発生部材を用いる。
【００２２】
この構成により、蒸発部を構成する内筒や外筒を振動変形させて、筒面に付着した析出物を破壊して蒸発流路の閉塞を防止することができる。
【００２３】
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。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図を示すものである。
【００２５】
図１において、水素生成装置１の動作は、先ず改質部４Ａによって炭化水素化合物と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスを生成し、次に一酸化炭素低減部によって燃料電池に有害となる一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを用いて燃料電池が発電を行うものである。
【００２６】
水蒸気改質反応に必要な水蒸気は、水を改質部４Ａの上流に位置する蒸発部１２で蒸発して得る。その際、蒸発に要する熱源としては、通常は燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを燃焼して得られる燃焼ガスの保有熱を用いる。
【００２７】
図１の中心に位置する水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給するバーナ２の燃料は、燃料電池３から排出される未使用の燃料ガスが用いられる。ルテニウムを主成分とする改質触媒４は、原料と水蒸気の混合ガスを水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスへと反応させる。一酸化炭素は変成触媒５によって改質ガス中の水蒸気と反応して濃度が１％以下程度にまで低減される。改質ガスは更に空気供給口６から供給された空気と混合されて、選択酸化触媒７によって一酸化炭素が選択的に燃焼除去される。生成された燃料ガスは、燃料ガス出口８から燃料電池３へ送られる。なお、９は水素生成装置全体を断熱する断熱材、１０はバーナ２の燃焼ガスの排気口、１１は原料となる炭化水素と水は原料供給口である。
【００２８】
水は蒸発部１２内で、バーナ２で燃焼した燃焼ガスによって加熱されて水蒸気となり、原料と混合して改質触媒４へ送られる。蒸発部１２は、内筒１３と外筒１４と、それらに挟まれたらせん体１５とから構成され、原料と水はらせん体１５によって区切られたらせん状の蒸発流路１６を流下しながら加熱される。このように蒸発部１２は改質反応に必要な水を蒸発するための部品であり、蒸発に十分な伝熱面積を確保するためにらせん体１５を配置している。なお、蒸発流路１６の幅、すなわち内筒１３と外筒１４の間隔は４ｍｍとしている。
【００２９】
水は蒸発部１２の上部で速やかに１００℃まで加熱され、下部まで流下する間に徐々に蒸発し、蒸発部１２の下端では３００℃程度に過熱されて改質触媒４へ送られる。一方、バーナ２の燃焼ガスから水素生成に使用される熱量のうち、半分程度は水の蒸発と加熱に使用される。水素生成装置を高効率で運転するには、水の蒸発と加熱に使用する熱量を抑える必要がある。すなわち、高効率で運転している水素生成装置では、水は蒸発部１２の最下端部で蒸発が終了している。そのため、水中に含まれるシリカ成分は蒸発部１２の最下端部の１周から２周程度の箇所に析出する。なお、図中、１７は析出して蒸発流路１６を閉塞したシリカである。
【００３０】
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置について、図２と図３を用いて詳細に説明する。
【００３１】
図２（Ａ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の概略構成図である。図２（Ａ）において、図１と同一の構成要素には同一の番号を記して、説明を省略する。水は蒸発部１２の蒸発流路１６内を、図中、上から下へ流下しながら蒸発する。蒸発流路１６の下部にはシリカ析出物１７が析出して蒸発流路１６を閉塞している状態を示している。シリカ析出物１７は嵩密度が小さくて強度も小さく、触れると容易に破壊する程度の多孔質体である。しかし蒸発流路１６を閉塞してしまうと原料が流れなくなり、水素生成装置の運転ができなくなってしまう。１８は、温度によって変形する温度変形部材であり、蒸発部１２の下流部に設置している。この温度変形部材１８の斜視拡大図を図２（Ｂ）に示している。温度変形部材１８はマンガン−銅−ニッケル合金とアンバー合金からなるバイメタルで構成され、折り返し部１８Ａを蒸発部１２の内筒１３に溶接して固定している。板部１８Ｂの長手方向が内筒１３の軸方向に配されている。板部１８Ｂの長さＬは２０ｍｍとしている。なお、図２（Ａ）は水素生成装置が運転を停止している状態、すなわち蒸発部１２が低温の状態を示している。
【００３２】
水素生成装置１の運転中、蒸発部１２が高温に加熱されている場合の蒸発部１２の状態を図示したものが図３である。図３において、図３（Ａ）と図３（Ｂ）は、低温の図２（Ａ）と図２（Ｂ）が高温に加熱された状態を表したものである。加熱されると温度変形部材１８は図２から図３のように変形する。つまり、内筒１３面の接線方向に変形する。このとき、温度変形部材１８の変形により蒸発流路１６の断面形状が変化して、温度変形部材１８の周囲に析出し蒸発流路１６を閉塞したシリカ析出物１７を破壊する。上述したよ
うに、シリカ析出物１７の強度は小さいので、粉々に破壊され蒸発流路１６の閉塞が解消される。粉化したシリカ粉１９は、水蒸気や原料ガスの流れによってらせん体１５の上を下流側へと流される。
【００３３】
なお、図３（Ｂ）のＨで記した変形量は、長さ２０ｍｍの代表的なバイメタルで１００℃あたりおよそ０．５ｍｍ程度であり、温度変形部材１８が２００℃に加熱されると変形量は約１ｍｍ、３００℃に加熱されると変形量は約１．５ｍｍとなる。前述したように、シリカが析出する箇所は蒸発部１２の下流の蒸発が終了する箇所であり、蒸発が終了すると加熱により水蒸気温度は容易に２００℃から３００℃程度まで加熱される。すなわち、本発明の実施の形態のように温度変形部材１８を用いると、シリカが析出する箇所で温度変形部材１８の変形量が大きくなり、析出したシリカを効果的に破壊し粉化することができる。
【００３４】
なお、図２では作用をわかりやすくするために、蒸発流路１６が閉塞した図を示したが、水素生成装置の運転と停止のたびに温度変形部材１８は図２と図３のように変形を繰り返すため、析出したシリカは常に変形力を受け破壊される。そのため、図２のように蒸発流路が完全に閉塞することはない。
【００３５】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における水素生成装置について、図４と図５を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２における温度変形部材の変形前の蒸発部の概略構成図、図５は、本発明の実施の形態２における温度変形部材の変形後の蒸発部の概略構成図である。なお、両図において、実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付与して、説明を省略する。
【００３６】
本実施の形態は、実施の形態１の温度変形部材１８の向きを変えて、図４と図５に示すように温度変形部材２０として配置したものであり、温度により変形して蒸発流路１６の断面形状を変化させ、閉塞したシリカ析出物１７を破壊するという温度変形部材２０の作用は、実施の形態１と同様である。本実施の形態では蒸発流路１６の円周に沿って温度変形部材２０の板部２０Ｂの長手方向が配置されており、温度変形部材２０の板部２０Ｂは、内筒１３の軸方向に位置を変形するものである。本実施の形態では蒸発流路１６の円周に沿って温度変形部材２０を長く配置できるため、１つの温度変形部材２０で変形させ得る蒸発流路１６の空間を大きくできるという長所がある。すなわち、析出物によって閉塞される可能性のある空間をより小さくできるという長所がある。
【００３７】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における水素生成装置について、図６と図７を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態３における温度変形部材の変形前の蒸発部の概略構成図、図７は、本発明の実施の形態３における温度変形部材の変形後の蒸発部の概略構成図である。図６（Ａ）と図７（Ａ）には、図６（Ｂ）と図７（Ｂ）のａ−ａ断面図を示している。なお、両図において、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与している。
【００３８】
本実施の形態は、内筒１３の表面にバイメタル板２１を巻き付けたものである。バイメタル板２１には一部をスリット状に切り抜いて変形部２２を設けている。蒸発部１２の温度が上昇すると、変形部２２が蒸発流路１６内へ向かって変形する。換言すれば、変形部２２が内筒１３の半径方向へ向かって変形する。このとき、蒸発流路１６を閉塞したシリカ析出物１７を破壊し粉化して、閉塞を解消する。
【００３９】
本実施の形態は、１枚の板材からなるバイメタル板２１に変形部２２を切り抜いて内筒
１３に巻きつけたものであり、前述の実施の形態に比べて製造しやすいという長所がある。また、バイメタル板２１を、蒸発部１２の加熱面となる内筒１３に接触させているため、変形部２２の温度が上昇しやすく、変形部２２の変形量も大きくなって、よりシリカ析出物１７を破壊しやすいという長所がある。
【００４０】
（実施の形態４）
以下に、本発明の実施の形態４における燃料電池発電装置について、図８から図１０を用いて詳細に説明する。図８は、本発明の実施の形態４における水素生成装置の概略構成図、図９は、本発明の実施の形態４における流路閉塞時の蒸発部の概略構成図、図１０は、本発明の実施の形態４における流路閉塞解消後の蒸発部の概略構成図である。なお、これらの図においても、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し、説明を省略する。
【００４１】
図８は図１と同様に水素生成装置の全体図であり、本実施の形態は蒸発部１２内のらせん体１５に沿って配置した長尺体であるワイヤー２３に特徴がある。このワイヤー２３は水素生成装置上部のワイヤー取り出し管２４から、環状の蒸発流路１６の接線方向に引き出されている。なお、ワイヤー取り出し管２５の端部は弾性体２５により気密が確保されている。ワイヤー２３は蒸発部１２内に挿入されているだけなので、ワイヤー２３の端部２６を持ってワイヤー２３を挿入方向に押し引き可能であり、また端部２６をねじってワイヤー２３の回転が可能となっている。この蒸発部１２の拡大図を図９と図１０に示している。
【００４２】
蒸発部１２の下流部に位置するワイヤー２３には、更にらせんワイヤー２７が巻き付けて固定されている。水素生成装置を長期間運転して、シリカ析出物１７が蒸発流路１６を閉塞して原料を水素生成装置に送り込むことができなくなった際に、端部２６を持ってワイヤー２３を押し引きしたり回転したりすると、ワイヤー２３およびらせんワイヤー２７の移動によって蒸発流路１６の断面形状が変化し、閉塞したシリカ析出物１７が破壊され粉化する。粉化したシリカ粉１９は水蒸気や原料の流れによって蒸発部１２の更に下流側へ押し流される。ここで、ワイヤー２３を押し引きしたり回転したりすることの組み合わせは適時選択可能である。このようにして、本実施の形態の技術を用いると簡単な構成で蒸発部１２の閉塞を解消することができる。
【００４３】
（実施の形態５）
以下に、本発明の実施の形態５における燃料電池発電装置について、図１１と図１２を用いて詳細に説明する。図１１は、本発明の実施の形態５における流路閉塞時の蒸発部の概略構成図、図１２は、本発明の実施の形態５における流路閉塞解消後の蒸発部の概略構成図である。なお、これらの図においても、前述の実施の形態と同じ構成要素には同じ番号を付与し、説明を省略する。
【００４４】
本実施の形態は、外筒１４の表面に振動を付与する振動発生部材２８を配置した点に特長がある。蒸発流路１６をシリカ析出物１７が閉塞した際に振動発生部材２８を動作させると、蒸発流路１６の断面形状が微細に振動変化する。前述したように、シリカ析出物１７は強度が弱いので断面形状の微細な振動変化により容易に粉化して閉塞を解消できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の水素生成装置は、シリカの析出による蒸発部の閉塞を解消できるため、水中のシリカ成分濃度の高い地域に設置された場合でも、水素生成装置を長期間使用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  水素生成装置
１２  蒸発部
１３  内筒
１４  外筒
１５  らせん体
１６  蒸発流路
１７  シリカ析出物
１８、２０  温度変形部材
１９  シリカ粉
２１  バイメタル板
２３  ワイヤー
２７  らせんワイヤー
２８  振動発生部材
【図１】
2012056806.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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