(57)【要約】【課題】φ１〜φ１．５の触媒を使用するためには棚段の開口穴の最短部を１ｍｍ未満にする必要がある。一方、棚段を量産を想定してプレス加工で作製するとき、板厚より小さな穴を開けることはできないので、板厚を１ｍｍ未満にせざるを得ない。棚段の板厚を１ｍｍ未満にすると、棚段が強度不足に陥り、耐久的に変形して触媒が落下し、通路閉塞により運転が停止する懸念がある。【解決手段】触媒よりも小さな穴を開けることができる板厚が小の第１支持板５１と、隙間をあけて強度を保つための板厚が大なる第２支持板５２を設ける。第１支持板５１で触媒の脱落を防止し、第２支持板５２で棚段としての強度を保つことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状の触媒を収納する反応容器と、
前記反応容器の内部に配置されており、複数の開口が形成されており、前記粒状の触媒を支持する第１支持板と、
前記第１支持板を支持しており、複数の開口が形成されている第２支持板と、
を備えており、
前記第１支持板は、前記第１支持板の重力方向上側に前記第２支持板と隙間を空けて配置されており、前記第２支持板より厚さが小さく、前記第１支持板の開口が前記第２支持板の開口より小さくなるように構成されている、
水素生成装置。
【請求項２】
前記第２支持板は、重力方向上側に向かって凸となる前記第１支持板を支持するための突起部が形成されている、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記第１支持板と前記第２支持板との距離は、前記第１支持板および前記第２支持板の両方の板厚より大きくなるように構成されている、
請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記第１支持板の開口の穴径は、前記触媒の粒径より小さくなるように構成されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記第２支持板の開口の穴径は、前記触媒の粒径より大きくなるように構成されている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記第１支持板は、前記反応容器の内壁と隙間を空けて配置されており、
前記第２支持板は、一端が前記反応容器に固定されており、
前記触媒は、炭化水素を含む原料ガスを水蒸気と反応させて改質を行うことにより水素を含む燃料ガスを生成する改質触媒であり、
前記反応容器は上部から下部に前記触媒で反応する原料ガスが流れるように構成されている、
請求項１〜５のいずれか１項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、炭化水素化合物を原料として水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池に燃料ガス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】
燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させることにより発生した化学的エネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。また、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
【０００３】
一般的に、水素含有ガスのインフラストラクチャーが整備されていないことが多く、従来の燃料電池システムには、改質ガス（水素含有ガス）を生成させる改質部を備えた水素生成装置が配置されている。水素生成装置では、水と既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする都市ガス、またはＬＰＧなどを原料とし、Ｒｕ触媒や、Ｎｉ触媒を用いて６００℃〜７００℃の温度で改質反応させ改質ガスを生成させる。特に、改質部を高温に加熱するために、改質部にはバーナ等の燃焼部が設けられている。また、改質反応により得られる改質ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれ、その濃度が高いと、燃料電池の発電特性を低下させる。そこで、水素生成装置には、改質部のほかに、２００℃〜３５０℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて、一酸化炭素を低減させる、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒を備える変成部、および１００℃〜２００℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させて更に一酸化炭素を低減させる選択酸化部や、一酸化炭素を選択的にメタン化させて低減させるメタン化除去部等の選択除去部といった反応部が設けられることが多い。
【０００４】
反応部には、粒状の触媒を充填して構成し、原料を通過させることで各反応を行うことができる。改質部、変成部、選択酸化部はそれぞれ鉛直方向に設置され、各粒状の触媒はそれぞれの反応部の下部に設置される棚段によって保持されている。棚段にはガスを流通させるための穴を開口させておく必要があるが、特許文献１では、棚段の穴は触媒粒径よりも小さくし、触媒が棚段の開口穴から脱落しないようにしている。特許文献２では棚段は網目体等の支持板を用いている。特許文献３では具体的に、触媒の粒径はφ３ｍｍであり、棚段は触媒の大きさよりも小さな孔径（約φ２ｍｍ）を有するパンチングメタルで構成すると記載されている。
【０００５】
一方、燃料電池システムを家庭用機器として本格普及させるためには、設置スペースとコスト面から小型化させることが必要であり、反応部を含めた各部を極限まで小型化する開発がすすめられている。
【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２０１０−１１３９７０号公報
【特許文献３】特開２０１１−００６２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開発者は、従来は一般的な粒径であるφ３ｍｍの触媒を選定し、棚段は触媒の大きさが少々下にばらついても触媒が棚段を通過しないように、棚段の開口穴は最短部が１ｍｍを下回らないように機器を設計していた。水素生成装置を小型化するためには触媒の容量も減らす必要があり、単位容積あたりの触媒活性量をあげるために、より小さな粒径の触媒を採用することを考えた。触媒径をφ１〜１．５ｍｍ程度にするためには、棚段の開口穴は、触媒が脱落しないようにするために最短部は１ｍｍ未満（たとえば０．７〜０．８ｍｍ）にする必要がある。しかしながら、棚段には常に触媒の重量を支える役目と、かつ機器の起動と停止の繰り返しにより反応器の熱変形による膨張と収縮の繰り返しにより触媒か下部へ押し下げられていく力に耐えるだけの強度が求められる。そのため棚段の板厚は最低１ｍｍ以上必要であることを実験的に把握していた。１ｍｍの板厚の棚段をプレス加工により量産するためには、その開口孔については、プレス加工時における金型の破損や金型の消耗が激しくなることを考慮すると、板厚よりも小さな開口穴にはできない。このように、φ１〜φ１．５の触媒を使用するためには棚段の開口穴の最短部を１ｍｍ未満にする必要があり、棚段の板厚を１ｍｍ未満にせざるを得ない。棚段の板厚を１ｍｍ未満にすると、棚段が強度不足に陥り、耐久的に変形して触媒が落下し、通路閉塞により運転が停止する懸念がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、
粒状の触媒を収納する反応容器と、
前記反応容器の内部に配置されており、複数の開口が形成されており、前記粒状の触媒を支持する第１支持板と、
前記第１支持板を支持しており、複数の開口が形成されている第２支持板と、
を備えており、
前記第１支持板は、前記第１支持板の重力方向上側に前記第２支持板と隙間を空けて配置されており、前記第２支持板より厚さが小さく、前記第１支持板の開口が前記第２支持板の開口より小さくなるように構成されている。
【０００９】
この構成により、触媒の通過は第１支持板で防ぐことができ、棚段としての強度は第２支持板で保つことができる。
【００１０】
また、前記第２支持板は、重力方向上側に向かって凸となる前記第１支持板を支持するための突起部が形成されている。この構成により、第１支持板と第２支持板は常に一定の隙間を保つことができる。また、突起部をプレス加工で形成すると第２支持板のリブの役割を果たし強度を上げることができる。
【００１１】
また、前記第１支持板と前記第２支持板との距離は、前記第１支持板および前記第２支持板の両方の板厚より大きくなるように構成されている。この構成により、第１支持板の開口穴と第２の支持板の開口穴とが重なり合うことなく、支持板を２枚重ねにしてもガスの流路面積が狭くなることを回避でききる。
【００１２】
このように、φ１〜φ１．５の触媒を使用するときに、触媒が棚段の開口穴から脱落することの防止と、棚段の板厚を１ｍｍ以上確保することにより、棚段が変形して触媒が落下し通路閉塞により運転が停止することの防止という二つの課題を満足させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素生成装置は、棚段の板厚よりも小さな粒径の触媒を使用することができる。また、プレス加工で突起部を設けることに棚段強度を増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の要部断面図
【図２】本発明の実施の形態２における水素生成装置の要部拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置１の要部断面図、図２は図１の中の一部拡大図である。
【００１７】
反応器３１は、内筒底板６を備えた内筒５の外側に、中筒底板８を備えた中筒７が配置されている。その中筒７の外側には、外筒底板１６を備えた外筒１５が配置されている。内筒５と、中筒７と、外筒１５が略同心円形状に配置されている。中筒底板８には、その中央部分に、中筒底板貫通孔９を備える。なお、内筒５と、中筒７と、外筒１５の上方部分は、それぞれが適切に接続され、略円筒形状に構成されている（上方部分の、詳細な接続関係の説明は、省略する）。
【００１８】
反応器３１は、水供給経路３から供給される水を蒸発させるとともに、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する予熱部２３を備える。また、原料供給経路４から供給される原料と、水蒸気との改質反応を進行させる改質部２０と、改質部２０で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる変成部２５を有している。また、変成部２５を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給部１９から変成部２５を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部２６を有している。なお、変成部２５、選択酸化部２６により、一酸化炭素低減部が構成されている。
【００１９】
改質部２０には、約φ１〜２ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の改質触媒２１が充填されている。改質触媒の下部には改質触媒２１の粒径よりも小さな複数の開口穴が形成された第１支持板５１が配置されている。第１支持板５１の下部には、隙間をあけて、棚段としての一定の強度を持つ第２支持板５２が設置されている。第２支持板５２にも複数の開口穴が形成されており、第２支持板５２の開口穴は最短部が１ｍｍ、第２支持板５２の板厚は１ｍｍ以上で構成されている。
【００２０】
第１支持板５１は第２支持板５２より厚さが小さく、第２支持板５２の開口穴より小さい開口穴が複数形成されている。
【００２１】
このように、触媒の脱落の防止は第１支持板５１で行い、棚段としての強度は第２支持板５２で保っている。
【００２２】
また改質触媒２１を充填する組立工程について説明する。組立時は反応器３１を鉛直方向逆向きにして台に固定し、内筒５と中筒７との間の部分に改質触媒２１を充填する。改質触媒２１の所定容量分の充填が終わると、第１支持板５１を内筒５と中筒７との間であって充填が終了した改質触媒２１の上部（即ち運転時には下部の位置）にのせる。その後、第２支持板５２を中筒７の内側面に溶接で取り付ける。
【００２３】
第２支持板５２には第１支持板５１向かって凸となる突起部５３が形成されている。この構成により、第２支持板５２を中筒７に溶接で取り付けるときに確実な位置決めを行うことができる。また運転時においては改質触媒２１の自重が第１支持板５１に加わるので、第１支持板５１と第２支持板５２は常に一定の隙間を保つことができる。
【００２４】
また、突起部５３をプレス加工で形成すると第１支持板５１に対するリブの役割を果たし強度を上げることができる。
【００２５】
また、第１支持板５１と第２支持板５２との距離は、第１支持板５１および第２支持板の両方の板厚より大きくなるように構成されている。これより短い距離であると、第２支持板５２の開口穴の上部の隙間が十分でないために、第１支持板５１を通過したガスが第２支持板５２の開口穴を通過するときに抵抗となり、実質の流路面積が狭くなってしまいブースターポンプで十分な量のガス量を供給できなくなってしまう懸念が生じる。
【００２６】
水素生成装置１の、その他の構成について引き続き説明する。
【００２７】
変成部２５には、約φ３ｍｍで高さ３ｍｍの円筒形状を有するＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒、選択酸化部２６には、約φ３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている（設置に関する詳細な説明は、省略する）。
【００２８】
また、水素生成装置１は、改質部２０における改質反応に必要な反応熱を供給するための加熱部となる、燃焼部２を備えている。燃焼部２は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナであり、燃焼部２の燃焼状態を検知するフレームロッドである燃焼検知部２２、及び燃焼部２に燃料用空気を供給する、燃焼空気供給部となる燃焼ファン１８を有している。燃焼部２で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路（図示せず）を介して燃焼部２に供給される。水素生成装置１によって生成された水素含有ガスは、導出部１２を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。なお、フレームロッドは、火炎が形成される時に発生するイオンに電圧を印加し、その時に流れるイオン電流値を測定するデバイスである。また、改質部２０と予熱部２３は、燃焼部２で発生させた燃焼排ガスから、燃焼部２との水素生成装置１の壁面を介して供給される構成となっている。また、燃焼排ガスは、図面右上上の排出口４４から、水素生成装置１の外部へ排気される。
【００２９】
予熱部２３は、導出部１２、一酸化炭素低減部（選択酸化部２６、変成部２５）と片側壁面を同一にして、導出部１２、一酸化炭素低減部を流れる水素含有ガス、選択酸化部２６、変成部２５に設けられる触媒と熱交換可能なように構成されている。特に、導出部１２とは、水素生成装置１から導出される水素含有ガスと、水素生成装置１に供給される温度の低い原料及び水とが熱交換される構成となっている。
【００３０】
水供給経路３には、水供給部が接続されている。原料供給経路４には、原料供給部が接続されている。原料供給経路４から供給される原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等である。ここでは、原料の供給源として都市ガスのガスインフララインを用い、そのガスインフララインに、原料中の不臭成分である硫黄化合物を除去する脱硫部が接続されている。例えば脱硫部は、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤を用いることができる。なお、水供給経路３および原料供給経路４は、ブースターポンプを用いることができ、例えば入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、供給する水の流量、原料の流量を調節する機能を有している（詳細は図示せず）。
【００３１】
改質部２０における改質触媒（あるいは水素含有ガス）の温度（反応温度）を検出する
改質温度検出部２７、変成部２５における変成触媒（あるいは原料と水蒸気の混合ガス）の温度を検出する変成温度検出部２４を備えている。
【００３２】
次に、水素生成装置１の運転動作について説明する。
【００３３】
停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、運転制御部（詳細は図示せず）の指令により、原料を燃焼部２に供給し、燃焼部２で原料に着火して水素生成装置１の加熱を開始する。
【００３４】
燃焼部２での加熱開始後に、原料供給経路４を通して水素生成装置１（水蒸気改質部２０）に原料を供給するとともに、水供給経路３から水素生成装置１に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供給経路３からの水の供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数の１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように制御される（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。
【００３５】
水素生成装置１では、改質部２０で水蒸気改質反応、変成部２５で変成反応、選択酸化部２６で一酸化炭素の選択酸化反応を進行させる。変成部２５，選択酸化部２６が、反応に適切な温度となり、一酸化炭素濃度を所定濃度（本実施の形態では、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）まで低減させた後、導出部１２を通して水素含有ガスを、例えば、燃料電池等に供給を開始する。
【００３６】
装置停止時は、原料と水の供給を停止させ、水素生成装置１内の改質部２０、変成部２５、選択酸化部２６の各触媒層の温度を低下させる。このとき、燃焼部２の基本動作は停止させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させ後、原料を水素生成装置１に流通させ、ガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する動作を行い、適宜、水素生成装置１を封止する動作を行う。
なお、本発明の実施の形態において、改質触媒２１について第１支持板５１、第２支持板５２を設置するとして説明しているが、粒状触媒すべてについて同様にあてはまることは言うまでも内ない。
また、第１支持板５１および第２支持板５２の開口穴は長穴を想定して、その長穴の短部という表現をしたが、長穴でなくφ穴にもあてはまることは言うまでもない。さらに第１支持板５１を網目体で形成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
粒状触媒を有する水素生成装置全てについて有用である本発明の係る装置は、棚段の板厚よりも小さな粒径の触媒を使用することができる、水素生成装置および燃料電池発電システムとして、産業上利用することが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  水素生成装置
２  燃焼部
３  水供給経路
４  原料供給経路
５  内筒
６  内筒底板
７  中筒
８  中筒底板
９  中筒底板貫通孔
１２  導出部
１５  外筒
１６  外筒底板
１８  燃焼ファン
１９  空気供給部
２０  改質部
２１  改質触媒
２２  燃焼検知部
２３  予熱部
２４  変成温度検出部
２５  変成部
２６  選択酸化部
２７  改質温度検出部
３１  反応器
４４  排出口
５１  第１支持板
５２  第２支持板
５３  突起部
【図１】
2013212968.tif 000003
【図２】
2013212968.tif 000004