(57)【要約】【課題】温度センサーは、容易にかつ短時間で交換できるようにする必要がある。温度検出部の管は外装容器を貫通させておけば断熱材は外装容器から抜かずに交換することが可能となる。しかしこのとき外装容器には貫通管を通す穴を設ける必要があり、この穴から断熱材の粉が外部へ流出してしまう。断熱材の粉が外部へ流出すると、外装容器内の断熱材が減少し十分な断熱特性が得られなくなるという課題と、流出した粉が燃料電池機器内の部品に付着し機器の誤作動を引き起こすという課題がある。【解決手段】外装容器と、外装容器を貫通する貫通管との間の隙間を封止し、断熱材の流出を防止する封止部材を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含んでいる原燃料を改質して、水素を含んでいる改質ガスを生成するための改質部を有する反応器と、
前記反応器を内部に収容する外装容器と、
前記外装容器と前記反応器との間の少なくとも一部に充填される断熱材と、
前記反応器の外面に形成されており、前記外装容器を貫通している貫通管と、
前記貫通管の内部に配置され、前記反応器の外側より前記反応器の温度を検出する温度検出器と、
前記貫通管と前記外装容器との間の隙間を封止し、前記断熱材の流出を防止する封止部材と、
を備えている水素生成装置。
【請求項２】
前記断熱材は、顆粒状断熱材である、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記断熱材は、ブロック状断熱材である、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記貫通管は、前記外装容器の下部底面に対して垂直に貫通するように配置される、
請求項１〜３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記貫通管と前記外装容器とは、熱膨張係数の異なる材料で構成される、
請求項２記載の水素生成装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素生成装置と、
前記水素生成装置が生成した改質ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
少なくとも前記水素生成装置と前記燃料電池とを収納している筐体と、
を備えている燃料電池システムであって、
前記水素生成装置は、長手方向が鉛直方向になるように、かつ、前記長手方向の中心より高い位置が固定されるように前記筐体内に配置されており、
前記封止部材は、前記外装容器の下部底面に固定されるとともに前記貫通管が貫通する孔が形成されている金属製板部材である、
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】
燃料電池発電装置は、燃料電池と、燃料電池に水素を含む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、表面に貴金属触媒を坦持した高分子などの固体電解質の片面に水素ガスを供給し、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。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触媒を用い、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とからなる反応容器部と、この反応容器部の外周を覆って断熱する断熱材から構成される。
【０００３】
改質部で生成され得る最大の水素量は、反応平衡によって定まる反応転化率によって決定される。反応転化率は反応温度により強く影響され、反応温度が高いほど反応転化率が高くなり多くの水素を生成することができる。そこで、反応転化率の高い水素生成装置を得るには、改質部の温度を高温に維持することが不可欠であり、そのためには改質部の放熱を極力抑制することが必要である。従って、反応容器部の外周を覆う断熱材の断熱性能は水素生成装置の性能に大きく影響する。
【０００４】
断熱材は、ブロック状のものが一般的であるが、特許文献１や特許文献２に示すように外周にケースを設けて顆粒状のものを使用している例もある。顆粒状の断熱材を使用するメリットは主に二つあり、一つは複雑な配管が存在する空間や狭い空間等にも充填することができるので部分的に断熱材を配置できない理由で断熱特性が低下するという現象を防げる。もう一つは、断熱材をあらかじめブロック状に加工しておく必要がないので、施工コストを低く抑えることができる可能性がある。
【０００５】
また、設計どおりの反応転化率を得るために改質部の温度は６００〜７００℃、変成部の温度は２１０〜３００℃にそれぞれ制御する必要があり、特許文献３のように改質温度検出部、変成温度検出部が設けられている。それぞれの温度検出部は鞘形状の管とし、鞘の形状の管の内部に温度センサーを差し込むことにより、各触媒部の温度を容易に検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０９６５９７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３５４２７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】
しかしながら、水素生成装置は１０年間以上使用されるのに対して、６００〜７００℃の温度を検知する温度センサーは１０年以内に劣化する可能性がある。温度センサーを交
換する場合、容易にかつ短時間で交換できるようにする必要がある。温度検出部の管は外装容器を貫通させておけば断熱材を外装容器から出さずに温度センサーを交換することが可能となる。しかしこのとき外装容器には貫通管を通す穴を設ける必要があり、この穴から断熱材が外部へ流出してしまう。特に製品の輸送時においては、顆粒状断熱材を採用した場合には輸送振動により顆粒状の断熱材粉が多量に流出する。ブロック状断熱材を採用した場合であっても、輸送振動により温度検出部の管がブロック状断熱材を削り取り、削り取られたブロック断熱材の粉が流出する。水素生成装置の外部へ流出すると、外装容器内の断熱材の量が減少し十分な断熱特性が得られなくなるという課題と、流出した断熱材の粉が燃料電池機器内の部品に付着し機器の誤作動を引き起こすという課題がある。
【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、炭化水素を含んでいる原燃料を改質して、水素を主成分とする改質ガスを生成するための改質部を有する反応器と、前記反応器を内部に収容する外装容器と、前記外装容器及び前記反応容器の間の少なくとも一部に充填される断熱材と、前記反応器の外面に形成されており、前記外装容器を貫通する貫通管と、前記貫通管の内部に配置され、外部より前記反応容器の温度を検出する温度検出部と、前記貫通管と前記外装容器との間の隙間を封止し、前記断熱材の流出を防止する封止部材とを備えている。この構成により、前記断熱材の流出を防止することができる。
【０００９】
また、前記貫通管は、前記外装容器の下部底面に対して垂直に貫通するように配置されるように構成されている。この構成により、前記断熱材の流出が発生しやすい位置においても精度良く断熱材の流出を防止することができる。
【００１０】
また、前記貫通菅と前記外装容器とは、熱膨張係数の異なる材料で構成されるものである。この構成により、反応器が熱膨張により貫通管が下に伸びようとしたときに内部応力の発生を抑制することができ、外装容器を破損することを防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の水素生成装置によれば、温度センサーを容易に交換することができる。輸送振動が加わっても断熱材の粉の流出を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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断面図
【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの要部構成図
【図４】本発明の実施の形態３における水素生成装置の要部断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（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の要部断面図である。
【００１４】
図１において、水素生成装置１は、炭化水素系の原燃料を改質して水素を主成分とする改質ガスを生成するための改質部２０を有する反応器３１と、反応器３１を内部に収容する外装容器３２と、反応器３１の外部を断熱するための顆粒状断熱材３３とで構成されている。
【００１５】
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）。
【００１６】
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。
【００１７】
改質部２０には、約φ３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の改質触媒が設けられている。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）。
【００１８】
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から、水素生成装置１の外部へ排気される。
【００１９】
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。
【００２０】
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）。
【００２１】
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２１、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。
【００２２】
改質温度検出部２１および変成温度検出部２４は、貫通管３４の内部に設けてあり、それぞれの温度検出手段として、改質温度センサー３６、変成温度センサー３７が設置される。
【００２３】
貫通管３４は、外装容器通し穴３８から、外装容器３２を貫通しており、先端が外装容器３２の外部に露出する。これにより、改質温度センサー３６、変成温度センサー３７の交換が容易となる。
【００２４】
外装容器通し穴３８から顆粒状断熱材３３が流出することを防ぐために、封止部材３５を設置し、封止部材押え具３９で封止部材３５を固定している。
【００２５】
外装容器３２内では反応器３１が存在しない部分には、顆粒状断熱材３３が全て充填されている。
【００２６】
外装容器３２と反応器３１とは上部で固定されている。
【００２７】
また、運転中は反応器３１の温度は３００〜７００℃、外装容器の温度は４０〜８０℃程度であるため、反応器３１は熱膨張により下部に移動する。反応器３１と溶接で一体となっている貫通管３４は、外装容器３２の下部に配置されるので、外装容器の３２の通し穴部を移動する。よって外装容器３２の破損を防止することができる。
【００２８】
また、貫通管３４は反応器３１と溶接で一体となっているため、反応器３１の熱を伝導により受けるので封止部材３５は耐熱性材料を用いないと熱劣化してシール性を損なう。封止部材は、耐熱性の材料、例えばセラミックファイバー等で構成される。
【００２９】
本実施の形態では、貫通管３４を改質部２０の上部の温度を測定するように配置したが、これに限られるものではなく、変成部２５や選択酸化部２６の温度を測定するように配置しても良い。
【００３０】
次に、水素生成装置１の運転動作について説明する。
【００３１】
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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。
【００３４】
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２
５、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。
【００３５】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における水素生成装置の要部断面図である。
【００３６】
図１と異なる部分は、反応器３１の外部断熱材として、顆粒状断熱材３３とブロック状断熱材４１を併用している点である。特に、内筒５と外筒１５との間のうち、高温となる下部にブロック状断熱材４１を設置している。
【００３７】
併用するメリットは以下の３点である。（１）反応器３１と外装容器３２を上部で固定したとき、輸送振動等で反応器３１の下部が振れて、外装容器通し穴３８と接触して貫通管３４が破損することを防止できる。（２）顆粒状断熱材３３に比べてブロック状断熱材４１のほうが断熱特性が数％良くなるので、高温部である改質部２０が位置する下部にブロック状断熱材４１を使用することにより全体の断熱特性を良くすることができる。（３）下部にブロック状断熱材４１を設置することにより、外装容器通し穴３８から顆粒状断熱材３３の流出を抑えることできる。
【００３８】
（実施の形態３）
図３は、水素生成装置が搭載される燃料電池システムの要部構成図を示す。反応器３１の外部断熱材は、すべてブロック状断熱材４１を用い、外装容器３２はブロック状断熱材４１に巻いたクロス材で形成されている。水素生成装置１が生成した改質ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池４３と、少なくとも水素生成装置１と燃料電池４３とを収納している筐体４４と、を備えた燃料電池システム４５内にあって、水素生成装置１は長手方向が鉛直方向になるように、かつ、長手方向の中心より高い位置にある固定部４６で固定されるように筐体４４内に配置されている。
【００３９】
輸送振動時には、水素生成装置１は固定部４６では筐体４４と同じように振動するが、固定部４６より下部に位置している貫通管３４は振動による揺れが大きくなり、ブロック状断熱材４１の下部を削り取るとともにクロスで形成している外装容器通し穴３８を拡げて、断熱材を流出させやすくなる。
【００４０】
図４は本発明の本発明の第３の実施の形態における水素生成装置の要部断面図である。封止部材３５は金属製板部材であり、外装容器３２の下部底面に固定されるとともに、貫通管３４が貫通する封止部材孔４２が形成されている。封止部材孔４２は、外装容器通し穴３８とは位置が一致しており、封止部材孔４２の孔径は、貫通管３４の外径より２ｍｍ以内の大きさである。この構成により、輸送振動時に貫通管３４が振れたときに、貫通管３４の外周部が金属製である封止部材３５の封止部材孔４２の内周部に当たるので、それ以上は振れない。外装容器通し穴３８は封止部材孔４２より大きくはならないので、断熱材の流出を防ぐことができる。
【００４１】
次に水素生成装置の製造方法についてポイントを説明する。
【００４２】
断熱材にブロック断熱が使用されている図４に示されているように、ブロック状断熱材４１には予めクロス材を巻いて外装容器３２を形成する。水素生成装置１はブロック状断熱材４１の上部開口部より挿入する。その時点で貫通管３４は外装容器通し穴３８から外部に出ている。外装容器３２には、水素生成装置１を挿入する前あるいは挿入後に、金属板である封止部材３５を固定する。
【００４３】
なお、断熱材に顆粒断熱材を用いた場合は、まず、水素生成装置１は外装容器３２の上部開口部より挿入して、外装容器３２の上部に固定する。その時点で貫通管３４は外装容器通し穴３８から外部に出ている。外装容器通し穴３８の貫通管３４との隙間部を封止部材３５で封止し、封止部材３５が外れないように封止部材押え具３９で封止部材３５を固定する。その後、水素生成装置１と外装容器３２は振動させながら、顆粒断熱材充填口から顆粒断熱材を充填する。
【００４４】
なお、本発明の実施の形態１では断熱材を顆粒断熱材とし、実施の形態３では断熱材をブロック断熱材として説明しているが、それぞれ断熱材が顆粒断熱材およびブロック断熱材に限定されないことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
断熱材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、温度センサーの交換が容易で輸送振動が加わっても断熱材の粉の流出を防止することが可能な、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】
【００４６】
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  改質温度検出部
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
３１  反応器
３２  外装容器
３３  顆粒状断熱材
３４  貫通管
３５  封止部材
３６  改質温度センサー
３７  変成温度センサー
３８  外装容器通し穴
３９  封止部材押え具
４１  ブロック状断熱材
４２  封止部材孔
４３  燃料電池
４４  筐体
４５  燃料電池システム
４６  固定部
【図１】
2013082603.tif 000003
【図２】
2013082603.tif 000004
【図３】
2013082603.tif 000005
【図４】
2013082603.tif 000006