JP4331578B2

JP4331578B2 - 水蒸気改質型水素製造装置

Info

Publication number: JP4331578B2
Application number: JP2003407353A
Authority: JP
Inventors: 浩一川本; 広美佐々木; 倫三三好; 元貴公野
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: JP2005162583A

Description

本発明は、中心部に燃焼空間を配置し、その周囲を同心円状に取り囲むように第１の改質ガス冷却用環状流路と第１の触媒充填環状流路を垂直方向下に連続して配置し、さらにその外側に、第２の触媒充填環状流路と第３の触媒充填環状流路を垂直方向下に連続して配置し、さらにその外側に燃焼ガスの流れる燃焼ガス流路を配置し、さらにその外側に蒸発器を配置した水蒸気改質型水素製造装置、および、中心部に燃焼空間を配置し、その周囲を同心円状に取り囲むように改質ガス冷却用環状流路を配置し、さらにその外側に触媒充填環状流路を配置し、さらにその外側に燃焼ガスの流れる燃焼ガス流路を配置し、さらにその外側に蒸発器を配置した水蒸気改質型水素製造装置に関する。

一般に、燃料電池における水素極に供給する水素は、例えば、天然ガスや灯油などの原燃料と水蒸気を反応させて触媒により水素を生成する水蒸気改質型水素製造装置により形成される。

このような水蒸気改質型水素製造装置おいては、改質装置の中心に改質触媒加熱用バーナーを設け、この改質触媒加熱用バーナーの周囲を取り巻くように、内側から外側に向かって同心円状に改質触媒を充填した原燃料ガス改質用の折り返し流路を有する反応管とから構成されるのが一般的である。

このような構成にすることによって、原燃料ガスと水蒸気から水素を生成するために必要な熱エネルギーを効率よく改質触媒層へ伝えることができる。

一方、改質ガスに熱エネルギーを与え、自らは熱エネルギーを失った燃焼ガスは、なお多くの熱エネルギーを保持しており、この排熱エネルギーを有効に回収して、燃料ガスの量を減らすための工夫が施された水蒸気改質型水素製造装置が考案されている。

このような水蒸気改質型水素製造装置としては、バーナーの周囲を取り巻くように内側から外側に向かって同心円状に改質触媒を充填した原燃料ガス改質用の折り返し流路を有する反応管をさらに取り巻くように、改質に必要な水蒸気や、燃焼用空気を予熱する予熱管を配置した水蒸気改質型水素製造装置というものがある（例えば特許文献１参照）。
特開平０２−１２９００１号公報

ところで、上述した特許文献１に記載の水蒸気改質型水素製造装置においては、原燃料ガスの予熱機能については特に記載がないが、システムを構成する上では、なんらかの形で予熱機能を組み込む必要がある。

そこで、例えば、固体高分子型燃料電池システムにおいて、上述した特許文献１に記載の水蒸気改質型水素製造装置を組み込んで使用する場合を考えると、予熱装置を別途設置する方法が考えられる。しかし、この場合システムを構成する機器数が増加し、システム全体として大きさが大きくなることが課題となる。

また、水蒸気改質型水素製造装置によって水素を製造する際に必要となる水蒸気は、従来、必要な蒸気量よりも多い量の水を蒸発器に供給して蒸発させ、気液二相流の状態で気液分離器に導き、蒸気と水を分離して蒸気量を調整してから原燃料と混合していた。しかしながら、このような固体高分子型燃料電池システムでは、気液分離器が大きくなることが多く、システム全体がコンパクト化できないことが課題であった。

本発明は、上述したような実情に鑑みてなされたものであり、原燃料ガスの予熱装置および水蒸気改質に必要な蒸気を発生させる蒸発器が一体となったコンパクトな水蒸気改質型水素製造装置を得ることを目的とする。

本発明は、中心部に燃焼空間を配置し、その周囲を同心円状に取り囲むように第１の改質ガス冷却用環状流路と第１の触媒充填環状流路を垂直方向下に連続して配置し、さらにその外側に第２の触媒充填環状流路と第３の触媒充填環状流路を垂直方向下に連続して配置し、さらにその外側に燃焼ガスの流れる燃焼ガス流路を配置し、さらにその外側に蒸発器を配置した水蒸気改質型水素製造装置において、上記第２の触媒充填環状流路の上に配置された原燃料の予熱用環状流路と、その予熱用環状流路の内側に隣接し、上記第１の改質ガス冷却用環状流路の垂直方向上に配置された第２の改質ガス冷却用環状流路と、前記第１の改質ガス冷却用環状流路と燃焼空間との間及び前記第２の改質ガス冷却用環状流路と前記燃焼空間での燃焼を行う燃焼用バーナの外側との間にそれぞれ配置された保温材とを備え、原燃料を上記予熱用環状流路、上記第２の触媒充填環状流路、上記第３の触媒充填環状流路、上記第１の触媒充填環状流路、上記第１の改質ガス冷却用環状流路、上記第２の改質ガス冷却用環状流路の順に流すようにしたものである。

また、中心部に燃焼空間を配置し、その周囲を同心円状に取り囲むように改質ガス冷却用環状流路を配置し、さらにその外側に触媒充填環状流路を配置し、さらにその外側に燃焼ガスの流れる燃焼ガス流路を配置し、さらにその外側に蒸発器を配置した水蒸気改質型水素製造装置において、上記蒸発器は、燃焼ガスの流れる環状流路と、環状流路内部に設置される螺旋管とにより構成されるものである。

また、中心部に燃焼空間を配置し、その周囲を同心円状に取り囲むように改質ガス冷却用環状流路を配置し、さらにその外側に触媒充填環状流路を配置し、さらにその外側に燃焼ガスの流れる燃焼ガス流路を配置し、さらにその外側に蒸発器を配置した水蒸気改質型水素製造装置において、上記燃焼ガス流路と上記蒸発器との間に設けた保温材を備えたものである。

また、中心部に燃焼空間を配置し、その周囲を同心円状に取り囲むように改質ガス冷却用環状流路を配置し、さらにその外側に触媒充填環状流路を配置し、さらにその外側に燃焼ガスの流れる燃焼ガス流路を配置し、さらにその外側に蒸発器を配置した水蒸気改質型水素製造装置において、上記蒸発器は、水が満たされる環状流路と、当該環状流路内部に敷設された燃焼ガスの流れる螺旋管流路とによって構成されるものである。

また、中心部に燃焼空間を配置し、その周囲を同心円状に取り囲むように改質ガス冷却用環状流路を配置し、さらにその外側に触媒充填環状流路を配置し、さらにその外側に燃焼ガスの流れる燃焼ガス流路を配置し、さらにその外側に蒸発器を配置した水蒸気改質型水素製造装置において、上記蒸発器は、水が満たされる環状流路と、当該環状流路の内側に隣接して敷設され上記燃焼ガスが流れる燃焼ガス環状流路とによって構成されるものである。

本発明によれば、温度の低い予熱用環状流路を温度の高い第２の改質ガス冷却用環状流路の外側に配置しているので、外部への放熱を削減することができるという効果を得る。

また、第２の改質ガス冷却用環状流路は、改質ガスを冷却したい温度レベルに近い燃焼用バーナーに隣接して設置されているので、内部からの加熱を受けにくく効果的に改質ガスを所定温度まで冷却することができる効果を得る。

また、燃焼空間と第１の改質ガス冷却用環状流路の間に保温材が設置されているので、燃焼空間から第１の改質ガス冷却用環状流路へと流入し、改質ガス温度を下げる機能を阻害する原因となる熱エネルギーの量を削減することができるという効果も得る。

また、燃焼ガス流路に螺旋管を設置することにより、蒸発器を装置筺体内に一体化して設けることができ、装置を小型化することができるという効果も得る。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例にかかる固体高分子型燃料電池システムを示している。

同図において、原燃料は、気液分離器１から排出される水蒸気と混合されたのち、燃焼用燃料と後述する固体高分子型燃料電池で使われなかった水素とを燃焼することによって得られた熱で改質され水素リッチ（高濃度水素）な改質ガスとなり、周知のシフト反応器や部分酸化反応器などから構成されるＣＯ除去器４に送られる。また、水蒸気改質型水素製造装置３から排出される燃焼排ガスは、水蒸気発生器５へ送られる。

ＣＯ除去器４では、水蒸気改質型水素製造装置３から排出される改質ガスから、不純物である一酸化炭素が除去されたのち、固体高分子型燃料電池６へと送られ、固体高分子型燃料電池６は、ＣＯ除去器４から受け入れた水素ガスと、空気を利用して発電し、それによって得られた電力が出力される。また、固体高分子型燃料電池６のアノード排ガス（余剰水素）は、水蒸気改質型水素製造装置３へ送られて、燃焼用燃料とともに燃焼される。

一方、水蒸気改質型水素製造装置３を出た燃焼排ガスは、蒸発器５で水に熱を伝えたのち、システム外部へ廃棄される。また、蒸発器５で発生した蒸気は、気液二相状態で気液分離器１に送られ、この気液分離器１によって水蒸気と水に分離され、水蒸気は原燃料と混合される経路に送り出される。

ここで、ＣＯ除去器４に用いられるシフト反応器は、水蒸気改質型水素製造装置３を出たあとの水素リッチな改質ガスが含む一酸化炭素を、水蒸気と反応させて、二酸化炭素と水素に変成し、一酸化炭素濃度を低減する機能をもっている。

このシフト反応器の動作温度は、用いられる触媒によって異なるが、通常１５０°Ｃ〜３００°Ｃ程度であり６００°Ｃ〜７００°Ｃの水素リッチな改質ガスは温度を下げる必要があるため、水蒸気改質型水素製造装置は折り返し流路を有しており、改質触媒に熱を回収しつつ自らは温度を低下するための工夫がなされる。

図２は、本発明の一実施例にかかる水蒸気改質型水素製造装置の一例を示している。この水蒸気改質型水素製造装置は、全体として円筒形状をなしており、各構成要素は、同心円的に並ぶ環状に概略形成されている。

この水蒸気改質型水素製造装置は、保温素材からなる略円筒形状の筺体１０に収容されており、原燃料ガスと水蒸気の混合物が流れる予熱用環状流路１１と、その下部に接続された原燃料ガスを水素に転換する触媒粒子が充填されている触媒充填環状流路１２と、触媒充填環状流路１２の下部に接続された触媒充填環状流路１３と、触媒充填環状流路１３に折り返し部１４を介して接続される触媒充填環状流路１５と、触媒充填環状流路１５の上部に接続された改質ガス冷却用環状通路１６と、改質ガス冷却用環状流路１６の上部に接続された改質ガス冷却用環状流路１７とを備えている。

また、予熱用環状流路１１の内面と改質ガス冷却用環状流路１７の外面、触媒充填環状流路１２の内面と改質ガス冷却用環状流路１６の外面、および、触媒充填環状流路１３の内面と触媒充填環状流路１４の外面とが、それぞれ隔壁を隔てて隣接して設置されている。

また、改質ガス冷却用流路１７の内側に配置された燃焼用バーナー１８と、改質ガス冷却用環状流路１６と保温材１９を介して隣接する燃焼空間２０と、触媒充填環状流路１５と隔壁をへだてて隣接し、燃焼空間２０で燃焼したガスが通流する輻射伝熱部２１と、触媒充填環状流路１２、および、触媒充填環状流路１３の外側に隔壁を隔てて隣接し、輻射伝熱部２１を通過した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路２２が設けられている。

そして、燃焼ガス流路２２の外側に保温材２３を介して隣接する燃焼ガスが流れる環状流路２４が設けられ、この環状流路２４の内部には、内部に水、もしくは水と蒸気が二相流で流れる水蒸気発生器５を構成する螺旋管２５が敷設されている。また、排出口２６は、螺旋管２５を加熱した燃焼ガスを排出するためのものである。

したがって、このように構成された本実施の形態において、おおよそ１００°Ｃ〜１５０°Ｃの原燃料は予熱用環状流路１１で改質ガス冷却用環状流路１７からの熱エネルギーを受けて、例えば４００°Ｃ程度に予熱される。

予熱されたガスは、次に触媒充填環状流路１２に流入し、改質ガス冷却用環状流路１６から隔壁を通して伝わる熱エネルギーと燃焼ガス流路２２から隔壁を通じて伝わる熱エネルギーとを受けて、例えば５００°Ｃ程度に温度が高められるとともに、水蒸気改質反応を起こして、原燃料の一部が水素と一酸化炭素および二酸化炭素に改質され、水素濃度の高い混合ガスとなる。

このようにして、部分的に水素濃度の高いガスに改質された燃料は、次に触媒充填環状流路１３に流入し、燃焼ガス流路２２からの熱エネルギーを受けて、同様の水蒸気改質反応を起こして、さらに水素濃度の高い混合ガスへと改質される。このとき、例えば６００°Ｃ程度までさらに温度が高められる。

次に、水素濃度の高められた混合ガスは、触媒充填流路１５に流入し、輻射伝熱部２１からの熱エネルギーを受けて、同様の水蒸気改質反応を起こし、所定の水素濃度をもつ混合ガスへと改質される。このとき混合ガスは、例えば７００°Ｃ程度まで温度が高められる。

そして、触媒充填環状流路1５を出た水素濃度の高い混合ガスは、改質ガス冷却用環状流路１６に流入し、触媒充填環状流路１２に熱エネルギーを与えて、例えば４５０℃程度まで温度が低下する。このとき第１の改質ガス冷却用環状流路１６を通過する水素濃度の高い混合ガスは、燃焼空間２０から加熱されるが、保温材１９が介在しているので、燃焼空間２０から改質ガス冷却用環状流路１６へ伝わる熱量は少なく抑えられる。

改質ガス冷却用環状流路１６を出た混合ガスは、改質ガス冷却用環状流路１７に入り、予熱用環状流路１１に熱エネルギーを与え、例えば２８０°Ｃまで温度が低下する。

一方、バーナ１８を通過したあとの燃焼用燃料と空気は燃焼空間２０で燃焼して炎をなし、１２００℃〜１３００℃程度の燃焼ガスとなり、輻射伝熱部２１に流れ、触媒充填環状流路1５に熱エネルギーを与えて温度が低下し、例えば８００℃程度の温度となって、燃焼ガス流路２２へ流入する。

そして、燃焼ガスは、燃焼ガス流路２２を流れるうちに触媒充填環状流路１３、触媒充填環状流路１２へと熱エネルギーを供給し、４００°Ｃ〜５００°Ｃまで温度が低下する。

その後、燃焼ガスは、環状流路２４に流入し、螺旋管２５へ熱エネルギーを与え、１００°Ｃ程度にまで冷却されて、排出口より外部へ排出される。また、螺旋管１５に流入する水分は、環状流路２４からの熱を受け取ってその全部もしくは一部が蒸発し、蒸気となる。

このようにして、本実施例では、予熱用環状流路１１と改質ガス冷却流路１７は隣接して配置されることによって、原燃料ガスを水蒸気改質反応が起こる最低限の温度まで温度を増加させる機能と、改質ガスを冷却する機能を同時に果たすことができ、外部への放熱を削減することができる。

また、改質ガス冷却用環状流路１７は、改質ガスを冷却したい温度レベルに近い燃焼用バーナー１８に隣接して設置されているので、内部からの加熱を受けにくく効果的に改質ガスを所定温度まで冷却することができる。

また、改質ガス冷却用環状流路１６と触媒充填環状流路１２は隣接して配置されているので、原燃料ガスに水蒸気改質反応に必要な熱を供給する機能と、水蒸気改質反応を起こすために高められた改質ガス温度を下げる機能を同時に果たすことができる。

また、燃焼空間２０と改質ガス冷却用環状流路１６の間に保温材１９が設置されているので、燃焼空間２０から改質ガス冷却用環状流路１６へと流入し、改質ガス温度を下げる機能を阻害する原因となる熱エネルギーの量を削減することができる。

また、環状流路２４とその内部に設置された螺旋管流路２５とによって、４００°Ｃ〜５００°Ｃ程度の温度の燃焼排ガスから、螺旋管１５内部の水または、水と蒸気の混合物に熱エネルギーを伝えることができ、改質器と一体の機器で蒸発器としての機能を果たすことでき、蒸発器が一体となって小型の水蒸気改質型水素製造装置を提供することができる。例えば、発電出力が１Ｋｗ級の燃料電池へ水素を供給する場合、筺体１０の大きさとしては、直径が２００〜２５０（ｍｍ）で、高さが３５０〜４００（ｍｍ）程度の大きさに収めることができる。

また、環状流路２４と燃焼ガス流路２２の間に保温材２３が設置されているので、螺旋管２５と環状流路２４で構成される蒸発器の機能を有する部分へ、燃焼ガス流路１２から直接伝わる熱エネルギー量を削減でき、燃焼ガス流路２２から触媒充填環状流路１２への伝熱を阻害することなく、蒸気を発生させることができる。

図３は、本発明の他の実施例にかかる水蒸気改質型水素製造装置の一例を示している。なお、同図において、図２と同一部分および相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施例では、燃焼ガス流路２２の外側に保温材２３’を介して隣接して内部に水をプールすることができる環状流路２６と、環状流路２６の内部に敷設され、その内部を燃焼ガス流路２２を通過したあとの燃焼ガスが流れる螺旋管２７を備えている。

したがって、予熱用環状流路１１と改質ガス冷却用環状流路１７で燃料の予熱構造が構成され、環状流路２６とその内部に敷設された螺旋管２７とによって、蒸発器が構成されているので、図１に示した固体高分子型燃料電池システムにおいて、予熱器１、蒸発器５、および、気水分離器１の機能を水蒸気改質型水素製造装置３が兼ね備えることができるので、システム全体をコンパクト化することができる。

図４は、本発明のさらに他の実施例にかかる水蒸気改質型水素製造装置の一例を示している。なお、同図において、図３と同一部分および相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施例では、図３に示した実施例の上下を反転して設置した構造を持っている。

したがって、螺旋管２７の内部を燃焼ガスが下から上へと流れるので、環状流路２６の内にプールされた水の水位が低下した場合でも、高温のガスで水を加熱できるので、燃焼排ガスの熱を有効に蒸発のために使うことができる。

図５は、本発明のまたさらに他の実施例にかかる水蒸気改質型水素製造装置の一例を示している。なお、同図において、図２と同一部分および相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施例では、水をプールする環状流路３１を、燃焼ガスが流れる燃焼ガス環状流路３２に隣接して配置し、この環状流路３１および燃焼ガス環状流路３２により、蒸発器を構成している。

このような構成によっても、燃焼ガス環状流路３２を流れる、４００°Ｃ〜５００°Ｃ程度の温度の燃焼排ガスから、環状流路３１にプールされた水、または、水と蒸気の混合物に熱エネルギーを伝えることができ、改質器と一体の機器で蒸発器としての機能を果たすことでき、蒸発器が一体となって小型の水蒸気改質型水素製造装置を提供することができる。

本発明の一実施例にかかる固体高分子型燃料電池システムを示したブロック図。本発明の一実施例にかかる水蒸気改質型水素製造装置の一例を示した概略断面図。本発明の他の実施例にかかる水蒸気改質型水素製造装置の一例を示した概略断面図。本発明のさらに他の実施例にかかる水蒸気改質型水素製造装置の一例を示した概略断面図。本発明のまたさらに他の実施例にかかる水蒸気改質型水素製造装置の一例を示した概略断面図。

符号の説明

１１予熱用環状流路
１２触媒充填環状流路
１３触媒充填環状流路
１４折り返し部
１５触媒充填環状流路
１６改質ガス冷却用環状流路
１７改質ガス冷却用環状流路
１８燃焼用バーナー
１９保温材
２０燃焼空間
２１輻射伝熱部
２２燃焼ガス流路
２３保温材
２４，２６，３１環状流路
２５，１７螺旋管
３２燃焼ガス環状流路

Claims

中心部に燃焼空間を配置し、その周囲を同心円状に取り囲むように第１の改質ガス冷却用環状流路と第１の触媒充填環状流路を垂直方向下に連続して配置し、さらにその外側に第２の触媒充填環状流路と第３の触媒充填環状流路を垂直方向下に連続して配置し、さらにその外側に燃焼ガスの流れる燃焼ガス流路を配置し、さらにその外側に蒸発器を配置した水蒸気改質型水素製造装置において、
上記第２の触媒充填環状流路の上に配置された原燃料の予熱用環状流路と、
その予熱用環状流路の内側に隣接し、上記第１の改質ガス冷却用環状流路の垂直方向上に配置された第２の改質ガス冷却用環状流路と、
前記第１の改質ガス冷却用環状流路と燃焼空間との間及び前記第２の改質ガス冷却用環状流路と前記燃焼空間での燃焼を行う燃焼用バーナの外側との間にそれぞれ配置された保温材とを備え、
原燃料を上記予熱用環状流路、上記第２の触媒充填環状流路、上記第３の触媒充填環状流路、上記第１の触媒充填環状流路、上記第１の改質ガス冷却用環状流路、上記第２の改質ガス冷却用環状流路の順に流すことを特徴とする水蒸気改質型水素製造装置。
上記燃焼ガス流路と上記蒸発器との間に保温材を設けたことを特徴とする請求項１記載の水蒸気改質型水素製造装置。
上記蒸発器は、燃焼ガスの流れる環状流路と、この環状流路内部に設置される螺旋管とにより構成されることを特徴とする請求項１記載の水蒸気改質型水素製造装置。
上記蒸発器は、水が満たされる環状流路と、当該環状流路内部に敷設された燃焼ガスの流れる螺旋管流路とによって構成されることを特徴とする請求項１記載の水蒸気改質型水素製造装置。
上記蒸発器は、水が満たされる環状流路と、当該環状流路の内側に隣接して敷設され上記燃焼ガスが流れる燃焼ガス環状流路とによって構成されることを特徴とする請求項１記載の水蒸気改質型水素製造装置。
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の水蒸気改質型水素製造装置と、この水蒸気改質型水素製造装置により生成された水素リッチな改質ガスが入力され、該改質ガスに含まれる不純物である一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、このＣＯ除去器から受け入れた水素ガスと空気を利用して発電し、その電力を出力する固体高分子型燃料電池とを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
水蒸気と原燃料とを混合して予熱する予熱器と、この予熱器で予熱された水蒸気と原燃料の混合物から水素リッチな改質ガスを生成する請求項１乃至請求項５の何れかに記載の水蒸気改質型水素製造装置と、この水蒸気改質型水素製造装置により生成された水素リッチな改質ガスが入力され、該改質ガスに含まれる不純物である一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、このＣＯ除去器から受け入れた水素ガスと空気を利用して発電し、その電力を出力する固体高分子型燃料電池と、前記水蒸気改質型水素製造装置から排出される燃焼排ガスにより水蒸気を発生させる蒸発器と、この蒸発器より流入する水蒸気を気液分離し水蒸気を前記予熱器に送出して原燃料と混合させる気液分離器とを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。