(57)【要約】【課題】水素生成装置の起動停止により、改質触媒が破壊され、水素生成装置の寿命が短くなるという課題があった。【解決手段】燃料を燃焼して燃焼ガスを発生するバーナ２と、バーナ２の燃焼ガスにより加熱される内筒１４と、内筒１４の外側に配置された外筒１５と、供給された原料ガスを改質して改質ガスを生成する改質触媒４を有し、内筒と外筒の間に配置されている改質触媒層１６と、を備え、改質触媒層１６の内筒の径が、原料ガスの流れの上流側に比べて下流側の方が大きくなるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼して燃焼ガスを発生するバーナと、
前記バーナの燃焼ガスにより加熱される内筒と、
前記内筒の外側に配置された外筒と、
供給された原料ガスを改質して改質ガスを生成する改質触媒を有し、前記内筒と前記外筒の間に配置されている改質触媒層と、
を備え、
前記改質触媒層の前記内筒の径が、前記原料ガスの流れの上流側に比べて下流側の方が大きくなるように構成されている水素生成装置。
【請求項２】
前記内筒の上流側と下流側との間の前記内筒の径は、少なくとも前記上流側の径と同等以上の径に構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記改質触媒層を形成している部分の前記内筒の径は、原料ガスの流れにおける上流より下流の方が常に拡大するように構成されており、
前記内筒の径の拡大の割合は、原料ガスの流れにおける上流側より下流側の方が大きくなるように構成されている請求項１から２のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記改質触媒層を形成している部分の前記外筒の径は、原料ガスの流れにおける上流側に比べて下流側の方が大きくなるように構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載されている水素生成装置を備えている燃料電池システム。
【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関し、燃料電池に水素を供給する水素生成装置に使用する触媒の破壊防止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などによって構成されている。燃料電池には種々の方式が用いられているが、現在、固体高分子形の燃料電池が普及段階にある。また、水素生成装置にも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改質触媒を用い、原料となる炭化水素化合物と水蒸気を反応させる水蒸気改質反応によって水素を高濃度に含む改質ガスを生成する改質部と、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などから構成される。
【０００３】
水蒸気改質反応によって十分な量の水素を生成するには、反応原料と改質触媒を６００℃以上の高温に加熱する必要がある。代表的な改質部は、例えば特許文献１に示されているように、内筒と外筒からなる二重管の環状空間に粒状改質触媒を充填し、この内筒の内面を加熱源となる高温の燃焼ガスによって加熱する構成となっている。
【０００４】
燃料電池発電装置は電力負荷に応じて起動と停止を繰り返すので、水素生成装置もそれに応じて起動と停止を繰り返す。そのため、改質触媒や内筒と外筒は室温から６００℃以上に繰り返し加熱冷却される。この加熱冷却により改質触媒が割れてしまい、改質性能の低下や改質触媒粉による流路の閉塞が発生するなどの課題があった。そこで特許文献１では改質触媒層内に複数の仕切板を設けることによって触媒の破壊を防止する技術が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２には内筒や外筒の改質触媒と接触する面に発泡金属などの弾性シートを配置することにより、触媒の破壊を防止する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２０８２０２号公報
【特許文献２】特開２００７−２１０８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術は、改質触媒の破壊をある程度抑制することはできるものの、その効果は十分なものではなく、また構造が複雑であるために、製造に非常に手間がかかるという課題があった。一方、特許文献２の技術は、弾性シートが室温と高温との熱サイクルにさらされるうちに弾性を失い、その効果が得られなくなるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で効果が持続する触媒破壊防止策を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、
燃料を燃焼して燃焼ガスを発生するバーナと、
前記バーナの燃焼ガスにより加熱される内筒と、
前記内筒の外側に配置された外筒と、
供給された原料ガスを改質して改質ガスを生成する改質触媒を有し、前記内筒と外筒の間に配置されている改質触媒層と、を備え、
前記改質触媒層の前記内筒の径が、前記原料ガスの流れの上流側に比べて下流側の方が大きくなるように構成する。
また、前記内筒の上流側と下流側との間の前記内筒の径は、少なくとも前記上流側の径と同等以上の径に構成する。
【００１０】
また、前記改質触媒層を形成している部分の前記内筒の径は、原料ガスの流れにおける上流より下流の方が常に拡大するように構成されており、
前記内筒の径の拡大の割合は、原料ガスの流れにおける上流側より下流側の方が大きくなるように構成されている。
【００１１】
これにより、水素生成装置の起動時の加熱開始時に前記改質触媒層に内筒から外筒への半径方向にかかる圧縮力を低減することができ、改質触媒の破壊を防止することができる。
更に、前記改質触媒層を形成している部分の前記外筒の径は、原料ガスの流れにおける上流側に比べて下流側の方が大きくなるように構成されている。
【００１２】
これにより、水素生成装置の停止時の改質部の温度低下時に前記改質触媒層に外筒から内筒への半径方向にかかる圧縮力を低減することができ、改質触媒の破壊を一層防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素生成装置によれば、水素生成装置の起動と停止を繰り返しても、改質触媒の破壊を大幅に低減できる水素生成装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明になる蒸発部を有する水素生成装置の概略構成図
【図２】本発明の原理説明図
【図３】本発明の原理説明図
【図４】本発明の実施の形態１における改質触媒層部の概略構成図
【図５】本発明の実施の形態１の別構成における改質触媒層部の概略構成図
【図６】本発明の実施の形態２における改質触媒層部の概略構成図
【図７】本発明の実施の形態３における改質触媒層部の概略構成図
【図８】本発明の実施の形態３の別構成における改質触媒層部の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る水素生成装置の実施の形態について、図１を用いて説明する。
水素生成装置１の動作は、先ず改質部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。
【００１６】
水蒸気改質反応に必要な水蒸気は、水を改質部の上流に位置する蒸発部で蒸発して得る。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を燃焼して得られる燃焼ガスの保有熱を用いる。
【００１７】
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。なお、未使用の燃料ガスのみではなく、別途燃料を供給する方式もある。改質触媒４は、直径が２から３ｍｍ程度の多孔質アルミナに触媒作用を有するルテニウム等の貴金属を坦持した粒子状や、ハニカム材の表面に貴金属を坦持したハニカム状のものが用いられる。この改質触媒４は、水蒸気改質反応によって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、断熱材９は水素生成装置の外側に配置され水素生成装置全体を断熱し、バーナ２の燃焼ガスの排気口１０、原料となる炭化水素と水の供給口１１が形成されている。供給された水は、らせん棒１２によってらせん状に形成された蒸発部１３内を流下する際に蒸発する。改質触媒４は、内筒１４と外筒１５から形成される環状空間部に配置されて、改質触媒層１６を形成している。また、１７は燃料ガス流路を形成する燃料ガス流路筒である。
【００１８】
なお、本発明は、改質触媒層を形成する内筒１４と外筒１５の形状に関わるものである。
【００１９】
（実施の形態１）
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１から図４を用いて詳細に説明する。
【００２０】
図２−Ａと図２−Ｂは、本発明の原理説明図である。先ず図２−Ａを用いて、従来の水素生成装置で改質触媒が破壊される原因を説明する。
【００２１】
図２−Ａは従来の円筒形状の内筒と外筒を用いるとともに改質触媒４を有している改質触媒層１６の一部を拡大したものである。従来の円筒形状の図２−Ａにおいては、内筒１４と外筒１５は単純な円筒状の筒である。水素生成装置の起動時に、図１のバーナ２が着火されて改質触媒層１６が加熱され始める。その時の改質触媒層１６の状態を図２−Ａに図示している。起動初期において、バーナ２の高温燃焼ガスによって、内筒１４は熱変形を生じるが、外筒１５はまだ熱が届いていないためほとんど熱変形してない。図１の水素生成装置では、改質触媒層１６全体は熱膨張によって下方向に伸びる。改質触媒層１６が加熱されはじめた初期において、例えば内筒１４の任意の領域ａの位置は、縦方向の伸びによって図中矢印Ｙ１に示したように、Ａ位置からＢ位置まで移動する。それと同時に円筒は加熱されると径が膨張するので、矢印Ｙ２に示したようにＢ位置からＣ位置へ移動する。その間、外筒１５は熱が届いていないためほとんど熱変形してない。そのため改質触媒４を充填している環状空間の幅は、図中のＬ１からＬ２へ縮まる。これによって改質触媒４の粒子は圧縮され破壊される。
【００２２】
そこで、本発明では、図２−Ｂに示したように、原料の流れ方向下流に向かって内筒１４の径を大きく構成している。水素生成装置の起動初期において、内筒の任意の領域ａの位置は、縦方向に矢印Ｙ１のように伸びて最初のＡ位置からＢ位置へ移動する。それと同時に、径が膨張して矢印Ｙ２に示したようにＢ位置からＣ位置へ移動する。すなわち領域ａはＡ位置からＣ位置まで移動するが、この位置は起動前から内筒１４の存在している位置であるので、改質触媒４の粒子には圧縮される力がかからず、改質触媒４は破壊されない。内筒１４の領域ａは、加熱と冷却により、矢印Ｙ３の方向に移動するのみで、改質触媒４に圧縮力を加えることはない。このように、触媒を配置する内筒１４の径を、原料の流れ方向に向かって大きくすることによって水素生成装置起動時の触媒の破壊を防止できる。なお、触媒は粒子状のものに限らず、ハニカム状のものでも破壊を防止できることは
同様である。
【００２３】
一方、水素生成装置の運転を停止する状況について、改質触媒層１６の熱収縮を図３−Ａと図３−Ｂを用いて説明する。図３−Ａは外筒１５が単純な円筒形の場合について、停止状態の改質触媒層１６の状態を図示したものである。上述したように、内筒１４の任意の領域ａは、加熱と冷却により矢印Ｙ３の方向へ移動するのみで、改質触媒４を圧縮して破壊することはない。しかし、外筒１５の任意の領域ｂは、運転停止後の冷却により長さが矢印Ｙ１の方向に収縮してＡ位置からＢ位置へ移動し、更に径も矢印Ｙ２の方向へ収縮してＣ位置へ移動する。この収縮により改質触媒４は圧縮されて破壊される。
【００２４】
一方、本発明の図３−Ｂでは、外筒１５も内筒１４と同様に、原料の流れ方向に向かって径が大きくなるように構成している。図３−Ｂの外筒１５の任意の領域ｂの、運転停止時の動きは、冷却により長さが矢印Ｙ１の方向に収縮してＡ位置からＢ位置へ移動し、更に径も矢印Ｙ２の方向へ収縮してＣ位置へ移動するが、この位置は運転停止前から外筒１５の存在していた位置であり、改質触媒４に圧縮される力はかからないため、水素生成装置運転停止時の改質触媒４の圧縮破壊を防止することができる。
【００２５】
図４には本発明の具体的な構成を図示している。図４は図１に示した水素生成装置１の改質部分を取り出して図示したものである。図４において、図１と同等の構成要素には同じ番号を記している。図４の実施の形態では、内筒１４と外筒１５の径が、改質触媒層入口のＡ部から改質触媒層出口のＢ部まで全体的に、曲線的に大きくなるように構成している。この構成により、上述したように水素生成装置の起動停止時の改質触媒４の破壊を防止することができる。なお、図中１９は内筒１４の熱膨張と収縮による伸び縮みと径の増減による変形を吸収するために底板１９に設けた弾性部であり、円筒２０は最外部の生成ガス流路を構成する。
【００２６】
なお、内筒１４の上記変形を妨げないように構成した例を図５に示す。図５では内筒１４と円筒２０を接続し、燃料ガス流路筒１７の直下に断熱ブロック２１を配置している。このように構成することにより、内筒１４の下流端の膨張収縮による径の増減を妨げることなく変形を容易にしている。
【００２７】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置について、図６を用いて説明する。なお、図６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。
図４に図示した実施の形態に比べて、図６の実施の形態では内筒１４と外筒１５の径を原料の流れ方向に向かって直線的に大きくしている。このように構成することにより改質部の構造を簡単化することができ、製造をより容易にすることができる。
【００２８】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における燃料電池発電装置について、図７を用いて説明する。図７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ている。この実施の形態では内筒１４と外筒１５の径を改質触媒層入口のＡ部から途中のＣ部まで同じとし、Ｃ部から改質触媒層出口のＢ部まで徐々に大きく構成している。改質触媒層１６の上流部は温度が３００から４００℃程度と比較的低いため、この部分で改質触媒４が破壊されることはほとんどない。そのため改質触媒４が破壊される高温部のみ内筒１４と外筒１５の径を、原料の流れ方向に向かって大きく構成している。このように構成することにより、Ｃ部からＢ部までの流れ方向の径の大きさの変化割合を、定められた水素生成層と全体の径の範囲内で必要に応じてより大きく設計することができるので、改質触媒４の破壊をより効果的に防止することがきる。
【００２９】
なお、この実施の形態と図６の実施の形態を組み合わせ、図８のように、改質触媒層の途中のＣ部から下流の内筒１４と外筒１５の径を直線的に大きく構成することにより、改質部の構造を簡単化することができ、製造をより容易にすることができる。
【００３０】
また、実施の形態１〜３の水素生成装置は、燃料電池システムの水素生成装置に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の燃料電池用水素生成装置は、改質触媒の破壊を大幅に低減できるため、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】
【００３２】
１  水素生成装置
２  バーナ
３  燃料電池
４  改質触媒
５  変成触媒
７  選択酸化触媒
９  断熱材
１０  排気口
１１  供給口
１４  内筒
１５  外筒
１６  改質触媒層
２０  円筒
【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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【図７】
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【図８】
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