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KR20030077426A - 수소 생성 장치 및 그것을 구비하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

수소 생성 장치 및 그것을 구비하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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KR20030077426A
KR20030077426A KR10-2003-0018415A KR20030018415A KR20030077426A KR 20030077426 A KR20030077426 A KR 20030077426A KR 20030018415 A KR20030018415 A KR 20030018415A KR 20030077426 A KR20030077426 A KR 20030077426A
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KR
South Korea
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unit
reforming
water
evaporation
water supply
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR10-2003-0018415A
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English (en)
Inventor
우카이구니히로
다구치기요시
와키타히데노부
후지하라세이지
마에니시아키라
Original Assignee
마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 filed Critical 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

수소 생성 장치는, 개질 촉매에 의해 구성되는 개질부(1)와, 개질부(1)에 수증기를 공급하는 물의 증발부(4)와, 개질부(1)와 증발부(4)를 가열하는 가열부(3)와탄탄화수소화합물을 포함하는 원료를 증발부(4)를 거쳐 개질부(1)에 공급하는 원료 공급부(5)와, 유량 전환부(6a)를 갖고 개질부(1) 및 증발부(4)에 물을 공급하는 물 공급부(6)를 구비한다. 증발부(4)의 가열이 충분하지 않은 장치의 기동 초기에는, 개질 공급 경로(6b)를 통하여 물 공급부(6)로부터 개질부(1)에 직접 물이 공급되어, 개질부(1)에서 수증기화 된다. 한편, 증발부(4)가 충분히 가열된 정상 운전 시에는, 증발 공급 경로(6c)를 통하여 물 공급부(6)로부터 증발부(4)에 물이 공급되어, 증발부(4)에서 생성한 수증기가 개질부(1)에 공급된다.

Description

수소 생성 장치 및 그것을 구비하는 연료 전지 시스템{HYDROGEN GENERATION APPARATUS AND FUEL CELL SYSTEM HAVING IT}
본 발명은, 적어도 탄소 및 수소로부터 구성되는 화합물을 주성분으로 하는 연료를 개질(改質)하여 수소 가스를 생성하는 수소 생성 장치에 관한 것으로, 특히, 장치 기동 시의 장치 동작에 특징을 갖는 수소 생성 장치 및 그것을 구비하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
수소가 풍부한 가스를 생성시키는 방법으로서, 외부로부터 열을 가한 상태에서 유기 화합물계 연료와 물을 개질(改質) 촉매를 이용하여 반응시키는 수증기 개질법이 있다. 해당 수증기 개질법에서는 공급한 물을 연료와 반응시키기 위해서, 해당 물을 개질 촉매 중에서 수증기의 상태로 존재시킬 필요가 있다.
플랜트 규모를 갖는 수증기 개질법을 이용한 수소 생성 장치에서는, 보일러(boiler) 등을 이용한 수증기 공급부를 외부에 놓고, 해당 수증기 공급부에서 얻어진 수증기를 연료와 함께 개질 촉매 층에 공급하는 방법이 이용되는 것이 많다. 소규모의 수소 생성 장치에서는, 수증기 공급부를 장치 내부에 놓고, 여기서 얻어진 수증기를 이용하여 수증기 개질 반응을 진행시키는 구성의 것이 많다. 또한, 분산형 발전 장치로서, 수소 가스를 연료로 하는 인산형 연료 전지 발전 장치에서는, 연료 전지가 200∼250℃의 온도에서 작동하고 있기 때문에, 그 열을 이용하여 수증기를 발생시켜, 해당 수증기를 수소 생성 장치에 공급하는 구성이 취해지고 있다.
수소 생성 장치의 정상 운전 시에는, 개질 촉매에 이러한 열 부하가 일정하기 때문에 촉매 활성의 변화를 파악하기 쉽다. 한편, 장치 기동 시는, 열 부하 상태가 경시적으로 변화하기 때문에, 해당 열 부하 상태의 변화가 촉매 활성 저하의 큰 원인으로 된다. 그래서, 수증기 개질에 이용하는 개질 촉매의 촉매 활성을 보호하는 관점에서, 수증기를 개질 촉매 층에 미리 공급하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이 보일러 등의 수증기 공급부를 갖는 수소 생성 장치에서는, 수증기 공급부에서 수증기를 안정하게 발생시키고 나서 장치를 기동시키는 것으로 그 대응이 행하여지고 있다. 또한, 일본국 특허공개 평성 제5-275103호 공보에 개시되어 있는 분산형 발전 장치에서의 연료 전지 발전 장치에서는, 장치 내에 수증기 공급 수단이 마련되어 있고, 질소 가스를 병용하면서 미리 개질기에 해당 수증기 공급 수단에서 얻어진 수증기를 공급하면서 장치를 기동시키는 방법이 고안되어 있다.
그러나, 소규모인 수소 생성 장치, 예컨대, 고 분자형 연료 전지를 이용한 가정용 코제너레이션(cogeneration) 시스템에 있어서는, 수소 생성 장치에 보일러 등의 외부 열원의 수증기 공급 장치를 병용하는 구성으로 하면, 장치의 에너지 효율, 운전 시의 경제성, 비용 등이 비효율적으로 된다. 그래서, 소규모인 수소 생성 장치에 있어서는, 해당 장치가 개질 반응에 필요한 열을 공급하는 열원을 구비한 구성인 것을 활용하여, 해당 열원으로부터 얻어지는 열을 이용하여 수증기를 발생시키는 구성을 취하고 있는 것이 많다. 예컨대, 수소 생성 장치에서는, 천연 가스를 연료로 하는 경우, 통상, 650∼750℃의 온도의 개질 촉매 층 내에서 수증기 개질 반응을 진행시킨다. 또한, 다른 탄화수소계 연료에 있어서도, 개질 촉매 층이 천연 가스의 경우와 같은 온도가 되도록 가열이 행하여지고 있다. 이러한 고온에서 실행되는 개질 반응의 반응 후의 열 에너지를 유효하게 이용하기 위해서, 통상은, 개질 반응 후의 열을 이용하여 수증기를 발생시키도록 수증기 발생부가 구성된다. 이러한 수증기 발생부를 구비한 수소 생성 장치에서는, 정상 운전 시에, 개질 반응 후의 열 에너지를 유효하게 이용할 수 있다.
가정용의 시스템에 이용되는 수소 발생 장치에서는, 플랜트 규모가 대규모인 장치와 비교하여, 빈번히 장치의 기동 및 정지 동작을 행하는 운전 조건에 대응할 필요가 있다. 여기서, 장치의 기동 시에는, 열원으로부터 공급된 열 에너지는, 우선, 개질 촉매의 가열에 이용되고, 해당 개질 촉매가 가열된 후에, 수증기 발생부에서의 수증기 발생에 이용된다. 이와 같이, 수소 생성 장치의 기동 시에는 열 에너지가 개질 촉매의 가열에 우선적으로 이용되므로, 기동 시에 수증기 발생부에서 충분한 수증기를 생성하여 이것을 개질 촉매에 공급할 수가 없다는 우려가 있다. 그 결과, 장치 구성이나 가열 조건에 따라서는, 개질 촉매가 이상 가열되어 열 부하가 커져, 그에 의하여, 해당 촉매의 활성이 저하한다.
본 발명은, 상기 종래의 수소 생성 장치에 관한 상기 과제를 해결하는 것을목적으로 하고, 구체적으로는, 장치 기동 시에 있어서 개질 촉매로의 열 부하가 적고, 기동 및 정지 동작을 반복하는 운전에도 충분히 대응 가능한 수소 생성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명의 수소 생성 장치는, 개질 촉매체(觸媒體)를 이용하여 원료 및 수증기로부터 개질 반응에 의해 수소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 개질부와, 물을 증발시켜 상기 개질부에 상기 수증기를 공급하는 증발부와, 상기 개질 및 상기 증발을 위해, 각각, 상기 개질부 및 상기 증발부를 가열하는 가열부와, 직접 또는 상기 증발부를 거쳐서 상기 개질부에 상기 원료 가스를 공급하는 원료 공급부와, 상기 물을 공급하는 물 공급부와, 상기 물 공급부로부터 상기 물을 상기 증발부에 공급하기 위한 제 1 급수로와, 상기 물 공급부로부터 상기 물을 상기 개질부에 공급하기 위한 제 2 급수로를 구비한다.
이러한 구성에 의하면, 탄화 수소계 연료 등의 원료를 수증기 개질하여 수소 주체의 개질 가스를 생성시키는 수소 생성 장치에 있어서, 증발부 및 개질부의 각각에 물을 공급하는 제 1 및 제 2 급수로를 마련하는 것에 의해, 장치의 기동 시에 있어서도 개질부에 수증기를 공급하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 장치 기동 시에 있어서 수증기 부족에 기인하여 발생하는 개질부의 개질 촉매의 활성 저하를 방지할 수 있다. 그러므로, 물의 증발을 장치 운전 동작에 있어서 적정화시키는 것이 가능해지고, 또한, 장치의 에너지 이용 효율을 향상시키는 운전이 가능해진다.
상기 원료 공급부로부터 상기 개질부로의 상기 원료 가스의 공급 개시에 따라, 상기 물 공급부로부터 상기 제 2 급수로를 통하여 상기 개질부에 물이 공급되어, 상기 공급 개시로부터 소정 시간 경과 후, 상기 물 공급부로부터 상기 제 1 급수로를 통하여 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에 상기 개질부로의 상기 물의 공급이 정지되더라도 좋다.
이러한 구성에 있어서는, 기동 시에, 온도가 충분히 상승하고 있지 않는 증발부가 아니라, 온도가 충분히 상승하여 수증기 반응 및 수증기 개질 반응이 실시 가능한 상태인 개질부에 직접 물을 공급하고, 또한, 소정 시간이 경과하여 장치가 정상 운전 상태로 되면, 온도가 충분히 상승하여 수증기 반응이 실시 가능해진 증발부에 물을 공급함과 동시에 개질부로의 물의 공급을 정지한다. 그에 의하여, 기동 시 및 정상 운전 시에 있어서, 개질부에 빠르고, 안정하게 수증기를 공급하는 것이 가능해지고 또한, 열 효율의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
상기 개질부는, 상기 개질 촉매체 또는 상기 개질부 내의 가스의 온도를 검출하는 개질 온도 측정부를 더 구비하여, 상기 개질 온도 측정부의 검출 온도 정보에 근거하여 상기 원료 공급부로부터의 상기 원료의 공급 및 상기 수증기 공급부로부터의 상기 물의 공급을 제어하더라도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 개질부의 온도에 근거하여 개질부 및 증발부로의 물 및 원료의 공급을 제어할 수 있기 때문에, 안정한 운전을 실현할 수 있고 또한 열 효율의 향상이 도모된 수소 생성 장치가 얻어진다.
상기 개질 온도 측정부의 검출 온도가 미리 설정한 기준 값보다 커졌을 때에, 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 개질부에 상기 물이 공급됨과 도시에, 상기 원료 공급부로부터 상기 개질부에 상기 원료가 공급되더라도좋다.
이러한 구성에 의하면, 확실하고, 충분히 가열되어 수증기 개질 반응을 실행할 수 있는 상태에 있는 개질부에 원료 및 물이 공급되기 때문에, 개질부 내에 있어서의 유로의 폐색이나 개질 촉매의 활성 저하 등이 발생하는 일없이, 신속하게 수증기 개질을 실행하는 것이 가능해진다.
상기 개질 온도 측정부의 검출 온도가 미리 설정한 제 1 기준 값보다 큰 때에는, 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 개질부에 상기 물이 공급됨과 동시에, 상기 원료 공급부로부터 상기 개질부에 상기 원료 가스가 공급되어, 상기 개질 온도 측정부의 검출 온도가, 미리 설정한, 상기 제 1 기준 값보다도 큰 제 2 기준 값보다도 큰 때에는, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에, 상기 개질부로의 상기 물의 공급이 정지되더라도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 확실하고 충분히 가열되어 개질 반응을 실행할 수 있는 상태의 개질부에 물 및 원료를 공급하여 신속하게 수증기 개질을 실행할 수 있고 또한, 증발부가 충분히 가열되어 물의 증발이 가능한 상태로 되면, 증발부에 물을 공급하여 여기서 수증기의 생성을 행하는 것이 가능해진다. 따라서, 개질부로의 수증기의 공급의 안정화가 도모되는 동시에, 열 효율의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
상기 증발부는, 해당 증발부 또는 해당 증발부 내의 가스의 온도를 검출하는 증발 온도 측정부를 더 구비하여, 상기 증발 온도 측정부의 검출 온도 정보에 근거하여 상기 물 공급부로부터 상기 개질부 및 상기 증발부로의 상기 물의 공급이 제어되더라도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 증발부의 온도에 근거하여 개질부 및 증발부로의 물의 공급을 제어할 수 있기 때문에, 안정하게 수증기의 공급을 할 수 있고 또한, 열 효율의 향상이 도모된 수소 생성 장치가 얻어진다.
상기 증발 온도 측정부의 검출 온도가 미리 설정한 기준 값보다 작을 때에는, 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 개질부에 상기 물이 공급되고, 또한, 상기 증발 온도 측정부의 검출 온도가 상기 기준 값보다 큰 때에는, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에 상기 개질부로의 상기 물의 공급이 정지되더라도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 확실하고, 충분히 가열되어 수증기 개질 반응을 실행할 수 있는 상태에 있는 증발부에 물이 공급되기 때문에, 증발부에서 신속하게 수증기 개질을 실행하여 안정하게 수증기의 공급을 행하는 것이 가능해진다.
상기 증발부는, 해당 증발부의 가열을 행하는 증발 가열부를 더 구비하더라도 좋다. 또한, 상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도에 근거하여 상기 증발 가열부가 제어되더라도 좋고, 상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도가 미리 설정한 기준 값 이하인 때에는, 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 개질부에 상기 물이 공급됨과 동시에 상기 증발 가열부가 동작하고, 상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도가 상기 기준 값보다 큰 때에는, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 증발부에 상기 물이 공급됨과 동시에 상기 증발 가열부가 정지되더라도 좋다. 또한, 상기 개질부의 온도가 미리 설정한 제 1 기준 값보다 큰 때에는, 상기 원료 공급부로부터 상기 개질부에 원료 가스가 공급됨과 동시에 상기 물 공급부로부터 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 개질부에 상기 물이 공급되고 또한, 상기 증발 가열부가 동작하여, 상기 개질부의 온도가, 미리 설정한 상기 제 1 기준 값보다도 큰 제 2 기준 값보다도 큰 때에는, 상기 물 공급부로부터 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에 상기 개질부로의 상기 물의 공급이 정지되고, 또한, 상기 증발 가열기가 정지되더라도 좋다.
또한, 물로부터 수증기를 생성시키는 기화부를 구비하여, 해당 기화부에서 생성된 수증기가 상기 개질부 및 상기 증발부 중 적어도 한쪽에 공급되더라도 좋고, 상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도에 근거하여 상기 기화부가 제어되더라도 좋다. 상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도가 미리 설정한 기준 값보다 큰 때에는, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 증발부에 상기 물이 공급됨과 동시에 상기 기화부를 정지시키더라도 좋다. 또한, 상기 개질부의 온도가 미리 설정한 제 1 기준 값보다 큰 때에는, 상기 원료 공급부로부터 상기 개질부에 상기 원료 가스가 공급됨과 동시에 상기 기화부가 동작하여 상기 개질부에 상기 수증기가 공급되어, 상기 개질부의 온도가, 미리 설정한 상기 제 1 기준 값보다도 큰 제 2 기준 값보다도 큰 때에, 상기 물 공급부로부터 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에 상기 기화부가 정지되더라도 좋다.
상기의 구성에 의하면, 증발 가열부나 기화부를 마련하는 것에 의해, 수증기의 생성을 촉진시키는 것이 가능해진다. 그것에 의하여, 보다 안정하게 수증기를개질부에 공급하는 것이 가능해진다. 또한, 개질부 또는 증발부의 온도에 근거하여 증발 가열부나 기화부의 동작을 제어하는 것에 의해, 안정한 수증기의 공급과 동시에 열 효율의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
상기 증발부는, 제 l 증발부와 제 2 증발부를 구비하며, 상기 제 1 증발부는, 상기 개질부에 접하여 배치되어 상기 개질부에 연통하고 또한, 적어도 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부에 연결되고, 적어도 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 개질부에 공급되는 상기 물이 해당 제 1의 증발부에서 증발하여 그 수증기가 상기 개질부에 공급되고 또한, 상기 제 2 증발부는, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부에 접속되어, 상기 물 공급부로부터 공급되는 상기 물을 증발시켜서 그 수증기를 상기 개질부에 공급하더라도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 제 1 증발부에서 생성한 수증기가 개질부에 공급되기 때문에, 수증기를 더욱 안정하게 생성 및 공급하는 것이 가능해진다.
상기 물 공급부는, 상기 개질부 및 상기 증발부 중 어느 하나에 물이 공급되는 물의 공급지를 전환하는 물 공급 전환부를 더 구비하더라도 좋다. 상기 물 공급 전환부는, 상기 개질부에 공급되는 물의 유량 및 상기 증발부에 공급되는 물의 유량을 조정할 수 있게 구성되어도 좋고, 또한, 상기 물 공급 전환부는, 상기 제 1 급수로 및 상기 제 2 급수로 중 어느 하나를 통해서 물을 공급하는 급수로의 전환이 가능하게 구성되더라도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 개질부 및 증발부로의 물의 공급을 전환할 수 있는 구성이 용이하게 실현된다.
상기 개질부로의 상기 원료 가스의 공급 개시 시에 있어서, 상기 개질부 및 상기 증발부의 적어도 한쪽에, 물 및 수증기 중 적어도 하나가 존재하더라도 좋다.
이러한 구성에 의하면, 장치의 기동 시에, 이미 물 또는 수증기가 개질부 및 증발부의 수증기 반응 공간이나 경로 등에 존재하기 때문에, 보다 빠르게 수증기를 개질부에 공급하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 본 발명에 따른 수소 생성 장치와, 산화제 및 상기 수소 생성 장치로부터 공급되는 수소를 이용하여 발전하는 연료 전지를 구비한 것이다.
이러한 구성에 의하면, 본 발명에 따른 수소 생성 장치로부터 열 효율적으로 안정하게 수소가 연료 전지에 공급되기 때문에, 신뢰성이 높은 안정한 발전을 높은 열 효율로 실행하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 수소 생성 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 수소 생성 장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 수소 생성 장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예 4에 있어서의 수소 생성 장치의 구성도,
도 5는 도 4의 수소 생성 장치의 기화부의 구성을 나타내는 모식도,
도 6은 도 4의 수소 생성 장치의 기화부의 구성의 다른 예를 나타내는 모식도,
도 7은 본 발명의 실시예 5에 있어서의 개질부의 상세한 구성도,
도 8은 도 1의 수소 생성 장치를 구비한 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 개질부 2 : 개질 온도 측정부
3 : 가열부4 : 증발부
5 : 원료 공급부6 : 물 공급부
7 : 제어부
이하, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 여기서는, 본 발명의 수소 생성 장치를, 연료 전지를 이용한 가정용 발전 시스템에 적용하는 경우에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명에 따른 수소 생성 장치의 용도는 이것에 한정되는 것이 아니다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 수소 생성 장치의 구성을 나타내는모식도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이 수소 생성 장치는, 개질부(1)와, 가열부(3)와, 개질부(1)로 원료 가스를 공급하기 위한 원료 공급부(5)와, 개질부(1)에 물을 공급하기 위한 물 공급부(6)와, 물 공급부(6)로부터 공급된 물을 증발시켜 수증기를 생성하는 증발부(4)와, 제어부(7)를 구비한다.
수소 발생 장치에서는, 본체(15)의 내부에 개질부(1)와 증발부(4)가 배치되고, 개질부(1)와 증발부(4)를 가열하기 위한 가열부(3)가 본체(15)의 아래쪽에 배치되어 있다. 증발부(4)는, 혼합 원료 공급 경로(16)를 통하여 개질부(1)에 접속되어 있다. 또한, 개질부(1)에는, 수증기 개질 반응에 의해 얻어진 개질 가스를 외부로 이끄는 개질 가스 경로(8)가 접속되어 있다. 증발부(4)는, 본체(15)의 외부에 배치된 원료 공급부(5)에 원료 공급 경로(5a)를 통하여 접속되고 또한, 물 공급부(6)에, 증발 공급 경로(6c)를 통하여 접속되어 있다. 또한, 물 공급부(6)는, 개질 공급 경로(6b)를 통하고 개질부(1)에 접속되어 있다. 원료 공급부(5) 및 물 공급부(4)는, 각각 제어부(7)에 의해 제어된다.
개질부(1)에서는, 원료 공급부(5)로부터 공급된 원료, 구체적으로는, 천연 가스, LPG 등의 탄화수소 성분이나, 메탄올 등의 알콜 성분, 또는 나프타 성분 등의 탄화수소계 화합물로 예시되는 바와 같이 적어도 탄소 및 수소로부터 만들어지는 화합물을 주성분으로 포함하는 원료와, 물 공급부(6)로부터 공급된 물을 증발시켜 얻어진 수증기를 이용하여, 수증기 개질 반응이 주로 행하여진다. 개질부(1)에는, 개질 반응을 진행시키기 위한 개질 촉매, 예컨대, 루테늄 촉매를 알루미나 담체에 담지(擔持)한 것 등이 배치되어 구성된 개질 반응부가 형성되어 있다. 또한,여기서는, 개질부(1) 내부의 상세한 설명 및 도시는 생략한다. 개질부(1)에는, 개질부 내의 온도를 측정하기 위한 개질 온도 측정부(2)가 배치되어 있다. 여기서, 개질부(1)의 온도는, 개질 촉매의 온도 또는 개질부(1) 내의 가스의 온도이다. 개질 온도 측정부(2)는, 열전쌍이나 써미스터 등을 가지고 구성되고, 그 배치 위치는, 개질부(1)의 온도 변화가 측정 가능한 개소 및 분위기이면 임의이다. 개질부(1)에 있어서의 수증기 개질 반응에 의해 얻어진 수소 가스 주체의 개질 가스는, 개질 가스 경로(8)를 통하여 외부로 공급된다. 또한, 수소 생성 장치는, 개질 가스를 공급 목적지의 장치의 특성에 따라 처리하는 처리부가 개질부(1)의 하류에 마련된 구성이더라도 좋다. 예컨대, 도 8에 나타내는 연료 전지 시스템의 연료 전지에 공급하는 수소 가스를 생성하는 수소 생성 장치(150)에서는, 연료 전지(151)에 공급하는 수소 가스 중에 일산화탄소가 포함되면, 연료 전지(151)의 기능 저하를 야기하기 때문에, 일산화탄소 농도가 낮은 가스를 생성할 필요가 있다. 이 때문에, 개질 가스 중의 일산화탄소를 저감시키는 일산화탄소 변성부(152)나, 일산화탄소 선택 산화부(153) 등이 개질부(1)의 하류에 마련되는 구성이더라도 좋다. 이렇게 하는 것으로, 일산화탄소가 저감된 수소 가스와 산소를 포함하는 산화제를 이용하여, 연료 전지(151)는 안정적으로 발전하는 것이 가능해진다.
가열부(3)는, 수증기 개질 반응에 필요한 열을 개질부(1)에 공급하는 것을 주된 기능으로서 배치되는, 장치의 구성으로부터, 증발부(4)에도 열을 공급할 수 있다.
즉, 가열부(3)로부터 얻어지는 열의 흐름에 대하여, 빠르게 열을 받는 상류측에 개질부(1)가 배치되고, 하류 측에 증발부(4)가 배치되어 있다. 가열부(3)는, 원료 공급부(5)로부터 공급되는 원료 가스의 일부, 또는, 수소 생성 장치로 얻어진 수소 가스의 공급 목적지로부터 되돌려진 잉여 가스(예컨대, 연료 전지 발전 장치로부터 얻어지는 오프 가스 등)를 연소시키는 화염 버너를 구비한다. 화염 버너는, 예컨대, 연소 공기 공급용의 서라코 팬(sirocco fan)(3a)(상세히 도시하지 않음)을 이용한다.
증발부(4)는, 물 공급부(6)로부터 공급된 물을 가열부(3)로부터의 열을 이용하여 증발시켜 수증기를 발생시키는 부분이며, 여기서 얻어진 수증기는, 원료 공급부(5)로부터 공급된 원료 가스와 혼합되어 혼합 원료 유로(16)를 통하여 개질부(1)에 공급된다. 또한, 여기서는, 증발부(4)가, 물의 증발뿐만 아니라, 원료 공급부(5)로부터 공급된 원료 가스의 예열도 실행할 수 있도록 구성되어 있다.
원료 공급부(5)는, 원료 가스를 개질부(1)로 공급하는 것이다. 여기서는, 원료 가스로서 천연 가스가 이용되고 있다. 상세히 도시하고 있지만, 원료 공급부(5)는, 천연 가스의 공급 압력을 증가시키는 부스터(booster)를 갖고 또한, 천연 가스 중의 유황 성분을 저감하는 탈황부 및 천연 가스 중의 냄새 성분을 제거하는 제로라이트(Zeolite) 흡착제를 구비하고 있다.
물 공급부(6)는 플런저(plunger) 펌프를 구비하고, 이온 교환(ion exchange)한 물을 해당 펌프를 이용하여, 개질부(1) 및 증발부(4)에 공급한다. 물 공급부(6)에는, 유량 전환부(6a)가 마련되어 있고, 해당 유량 전환부(6a)에 의해서 개질부(1) 및 증발부(4)로의 물의 공급량을 조정할 수 있는 구성으로 되어있다.
제어부(7)는, 원료 공급부(5) 및 물 공급부(6)를 제어하여, 개질부(1) 및 증발부(4)에 공급되는 원료 및 물의 공급량을 제어한다. 또한, 물 공급부(6)의 공급량 전환부(6a)를 제어하여, 물의 공급 목적지를 선택한다.
제어부(7)는, 개질 온도 측정부(2)에서 측정한 온도로부터 개질부(1)의 상태를 파악하는 온도 데이터 처리부를 갖고, 해당 처리부에서 얻어진 처리 정보에 근거하여 원료 공급부(5) 및 물 공급부(6)의 제어를 행하여, 원료, 공기, 얼음의 공급량을 조정한다. 또한, 제어부(7)는, 반도체를 이용한 기억부(상세히는 도시하지 않음)를 갖고, 개질부(1)의 온도 상태를 해당 기억부에서 기억한다.
본 실시예의 수소 생성 장치는, 장치 운전 시의 에너지 이용 효율 향상의 관점에서, 전술한 바와 같이, 가열부(3)를 작동시켜서 먼저 개질부(1)를 가열하고, 그리고 나서, 개질부(1) 가열 후의 잉여 열을 이용하여 증발부(4)를 가열하는 구성으로 되어있다. 해당 구성으로 한 것은, 개질부(1)에서의 수증기 개질 반응은 흡열 반응이고, 고 반응 수율(高反應收率)을 얻기 위해서는, 탄화수소계의 원료에서는 650∼800℃, 알콜계 원료에서도 300℃ 이상의 고온으로 개질부(1)를 유지할 필요가 있고, 그러므로, 가열부(3)로부터 얻어지는 질이 높은 열 에너지를, 먼저 개질부(1)에서 우선적으로 이용하는 것이 바람직하기 때문이다. 또한, 장치의 정상 운전 시에 있어서는, 가열부(3)로부터의 열 에너지를 증발부(4)에서의 물의 증발에 이용하는 것으로 낭비없이 열 회수를 행하여, 장치 전체에 있어서의 에너지 이용 효율을 향상시키는 구성으로 하는 것이 바람직하기 때문이다.
그러나, 전술한 바와 같이, 증발부(4)보다도 개질부(1)의 가열이 우선되면,장치 구성이나, 가열 조건에 의해서, 장치 기동 시에 증발부(4)에서의 수증기의 발생이 지체되어, 그 결과, 개질부(1)에 충분한 수증기가 공급되지 않기 때문에 개질 촉매가 이상 가열되는 경우가 상정된다. 개질 촉매가 이상 가열되면, 촉매의 비표 면적이 감소하여 촉매 활성이 저하한다. 또한, 수증기가 충분하지 않은 상태에서, 고온의 개질 촉매에 원료 가스(여기서는 천연 가스)가 공급되면, 원료로부터 탄소 성분의 석출(析出)이 발생할 가능성이 커진다. 그래서, 본 실시예의 수소 생성 장치에서는, 이하와 같이 하여 장치 기동 시에 빠르게 수증기를 발생시키고, 그것에 의하여, 종래의 수소 생성 장치의 기동 시에 일어나는 전술한 바와 같은 개질 촉매로의 열 부하를 저감하는 동작이 행하여진다.
이하, 본 실시예의 수소 생성 장치에 있어서의 장치 기동 동작에 대해서, 그 효과와 함께 설명한다.
우선, 정지 상태의 장치를 기동시키는 때에는, 가열부(3)를 작동시켜 장치의 본체(15)를 가열한다. 여기서는, 가열부(3)로부터의 열에 의해, 개질부(1)가 우선적으로 가열된다. 다음에, 원료 가스인 천연 가스를 원료 공급부(5)로부터 원료 공급 경로(5a)를 통하여 증발부(4)에 공급하고, 또한, 혼합 원료 공급로(16)를 통하여 개질부(1)에 공급한다. 한편, 수증기 개질 반응에 이용되는 수증기의 기초가 되는 물을 물 공급부(6)로부터 개질부(1)에 공급하지만, 여기서는, 개질 공급 경로(6b) 및 증발 공급 경로(6c) 중 어느 쪽의 경로를 통하여 개질부(1)에 공급하는지가, 유량 전환부(6a)를 이용한 공급 경로의 전환에 의해 적절히 선택된다.
예컨대, 장치 기동 시(즉 가열 초기)에, 물 공급부(6)로부터 증발 공급경로(6c)를 통하여 증발부(4)에 일단 물을 공급하고, 증발부(4)에서 물을 증발시켜 얻은 수증기를 원료 가스와 함께 혼합 원료 공급 경로(16)를 통하여 개질부(1)에 공급한 경우에는, 개질부(1)에 공급되는 혼합 원료 가스에 있어서, 원료 가스(구체적으로는 천연 가스)의 비율이 수증기의 비율에 비교하여 높아지는 우려가 있다. 이것은, 이하의 이유에 의한다. 즉, 장치의 기동 시에 가열부(3)를 작동시키면, 전술한 바와 같이 가열부(3)로부터의 열이 개질부(1)의 가열에 우선적으로 사용되고, 그것에 의하여, 장치의 크기나 구성 부재의 배치 등에 의해 그 상태는 균일하지는 않지만, 개질부(1)의 열 용량에 따라 증발부(4)의 온도 상승에 지체가 발생한다. 이와 같이 온도가 충분히 상승하고 있지 않은 증발부(4)를 거쳐 개질부(1)로의 물의 공급을 행하면, 증발부(4)에서 물이 충분히 증발하지 않기 때문에, 충분한 수증기를 얻을 수 없어 천연 가스만이 개질부(1)에 공급되어 버린다. 이러한 얼음의 증발이 충분하지 않은 상태, 즉, 개질부(1)에 충분한 수증기가 공급되지 않는 상태에서 개질부(1)가 가열되어, 해당 개질부(1) 중의 개질 촉매의 온도가 상승하면, 천연 가스의 열 분해에 의해, 개질 촉매 상 및 개질부 내에서 탄소 석출이 일어난다. 그 결과, 개질 촉매의 활성의 저하 및 개질부 내의 유로의 폐색 등이 진행해 버린다. 또한, 개질부(1)에 있어서의 수증기 개질 반응은 흡열 반응이기 때문에, 개질 촉매 중에서 수증기 개질 반응이 진행하지 않으면, 개질부(3)로부터 인가된 열이 소비되지 않기 때문에 개질 촉매의 온도가 고온이 되기 쉽고, 그 결과, 촉매 활성이 저하하는 것이 생각된다. 그래서, 이와 같은 개질 촉매의 활성의 저하 등을 방지하기 위해서, 본 실시예의 장치에서는, 이하와 같이 하여, 가열 초기에 있어서개질부(1)로의 충분한 수증기의 공급을 행한다.
즉, 본 실시예의 장치에서는, 물 공급부(6)에 개질 공급 경로(6b)와 증발 공급 경로(6c)가 마련되는 것에 의해, 개질부(1) 및 증발부(4)의 각각에 물을 공급할 수 있고, 또한, 각 공급 경로(6b, 6c)에 공급되는 물의 량을 유량 전환부(6a)에 의해서 조정 하는 것으로, 개질부(1) 및 증발부(4)로의 물의 공급량을 제어할 수 있는 구성이 실현되어 있다. 이 때문에, 전술한 바와 같이 기동 직후에 증발부(4)의 가열이 충분하지 않고, 그 때문에, 증발부(4)에서 물이 충분히 증발하지 않는 기간에 있어서는, 물 공급부(6)로부터 개질 공급 경로(6b)에 물이 공급되도록 유량 전환부(6a)를 조정하여, 해당 경로(6b)를 통하여 개질부(1)에 직접 물을 공급한다. 이와 같이 개질부(1)에 직접 물을 공급하면, 우선적으로 가열되어 빨리 온도가 상승하고 있는 개질부(1)에서 물의 수증기 반응이 행하여진다. 그 결과, 기동 시에 있어서도, 개질부(1) 내에서 신속하고, 안정하게 수증기를 존재시킬 수가 있다. 그러므로, 전술한 바와 같은 원료 가스의 열 분해에 의한 탄소 석출이 일어나는 확률이 거의 없어진다. 또한, 이와 같이 개질부(1)에 수증기 및 원료 가스가 존재하는 상태에서는, 개질 촉매의 온도 상승에 따라, 개질 촉매 상에 흡열 반응인 수증기 개질 반응이 진행한다. 이 때문에, 전술한 바와 같이 개질 촉매의 이상 가열이 방지된다.
한편, 상기한 바와 같이 개질부(1)에 직접 물을 공급하여 개질부(1)에서 물의 증발(수증기 반응)을 행한 경우에는, 가열부(3)로부터 개질부(1)에 인가되는 열 중의 일부가 수증기 반응에 이용되기 때문에, 가열부(3)로부터의 열이 수증기 반응에 이용되지 않는 경우, 즉 미리 생성된 수증기가 개질부(1)에 직접 공급되는 경우와 비교하여, 같은 공급 열량에서는 수증기 반응에 사용된 열만큼 개질부(1)의 온도가 낮게 된다. 그러므로, 개질부(1)를 수증기 개질 반응에 적합한 온도로 유지하기 위해서는, 수증기 반응에 열이 이용되지 않는 경우에 비교하여, 보다 많은 열량을 가열부(3)로부터 공급할 필요가 있다. 이것으로부터, 개질부(1)에 직접 물을 공급하면, 수증기 개질 반응의 열 효율의 저하가 발생하기 쉽다.
그래서, 본 실시예에서는, 상기한 바와 같은 열 효율의 저하를 억제하기 위하여, 장치의 기동으로부터 소정 시간이 경과하여 증발부(4)가 충분히 가열되어, 해당 증발부(4)에서 물의 증발을 충분히 실행할 수 있는 상태(즉 정상 운전 시)인 때에는, 유량 전환부(6a)를 제어하여 개질 공급 경로(6b)로부터 증발 공급 경로(6c)로 경로를 전환한다. 그리고, 증발 공급 경로(6c)를 통하여 증발부(4)에 물을 공급한다. 이러한 공급 경로의 전환은, 유량 전환부(6a)를 제어부(7)가 타이머 제어하는 것으로 실시된다. 증발부(4)에 공급된 물은, 증발부(4)에서의 수증기 반응에 의해 수증기로 된다. 그리고, 해당 수증기가, 혼합 원료 유로(16)를 통하여, 원료 가스와 함께 개질부(1)에 공급된다. 이와 같이 동작시킴으로써 정상 운전 시에는, 개질부(1)에 있어서, 수증기 반응에 필요한 열량의 손실이 발생하지 않고 가열부(3)로부터의 열을 수증기 개질 반응에 효율 좋게 이용할 수 있다. 또한, 증발부(4)에서는, 가열부(3)로부터의 열을 효율 좋게 이용하여 수증기를 발생시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예의 장치에서는, 가열 초기에 전술한 바와 같이 개질부(1)에서 직접 수증기 반응을 행하는 것에 의해, 개질부(1) 내에서의 수증기 부족을 방지하고, 그것에 의하여, 개질부(1)에서의 이상 가열 및 탄소 석출을 방지할 수 있고, 또한, 정상 운전 시에는, 가열부(3)로부터의 열을 증발부(4)에서 유효하게 이용하여 수증기를 생성할 수 있기 때문에, 개질부(1)에서의 수증기 개질 반응의 열 효율을 향상시키는 것이 가능해진다. 따라서, 열 효율의 향상이 도모됨과 동시에 안정하게 수소를 생성할 수 있는 수소 생성 장치를 실현하는 것이 가능해진다.
또한, 가열 초기 및 정상 운전 시에 있어서 개질부(1)에 공급하는 물의 량은, 개질부(1)에 있어서의 반응 온도, 촉매 용적 등의 사용 조건을 고려하여, 원료 가스(여기서는 천연 가스) 중의 탄소 원자수가 바람직하게는 2배 이상이 되는 량을 목표로 하여 미리 설정한다. 예컨대, 본 실시예에서는, 2. 5배를 목표로 공급했다.
또한, 장치의 기동 시에 있어서의 원료 가스 및 물의 공급 개시 시에 있어서는, 개질 온도 측정부(2)에 의해 검출된 개질부(1)의 온도에 근거하여, 제어부(7)가 원료 공급부(5) 및 물 공급부(6)의 제어를 행하여 원료 및 물의 개질부(1)로의 공급 개시를 제어한다. 예컨대, 개질 온도 측정부(2)에 있어서의 검출 온도에 기준 값이 마련되고 있고, 해당 검출 온도가 기준 값보다 커진 경우에, 제어부(7)가 원료 공급부(5) 및 물 공급부(6) 및 유량 전환부(6a)를 제어하여 원료 가스 및 물의 공급을 시작시키는 본 실시예에서는, 해당 기준 값이 200℃로 설정되어 있다. 이것에 의해, 원료 가스 및 물의 공급 개시의 타이밍의 격차를 억제할 수 있고 또한, 장치 기동 시에 개질부(1)에 있어서 물의 증발을 빠르게 또한 안정하게 진행시켜개질부(1)의 이상 가열을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 온도가 낮은 상태의 개질부(1)에 물을 대량으로 공급하면, 증발하지 않은 물에 의해 개질부(1) 중에서 가스 유로의 폐색이 일어날 가능성이 있지만, 상기한 바와 같이 개질부(1)의 온도가 기준 값보다 커진 것을 확인하고 나서 공급함으로써, 이러한 사태도 회피할 수 있다. 또한, 기준 값이 되는 온도는, 개질부(1)의 온도와 수증기 개질 반응의 반응성과의 관계, 또는, 개질부(1)의 온도와 물의 증발 상태와의 관계를 미리 상관시켜 결정할 필요가 있다. 따라서, 해당 기준 값은, 장치의 크기나 상정하는 운전 조건 등에 의해 값이 상이한 것으로, 여기서는 기준 값을 200℃로 했지만, 기준 값의 값은 이것에 한정되는 것이 아니다. 해당 기준 값은, 하한 값은 물이 증발하는 온도, 상한 값은 개질 촉매의 내열 온도를 참고로 하여 미리 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기에 있어서는, 유량 전환부(6a)를 타이머 제어하는 것에 의해 물의 공급 경로가 개질 공급 경로(6b)로부터 증발 공급 경로(6c)로 전환하는 구성이지만, 이러한 타이머 제어에서는, 장치의 크기나 동작 조건을 고려하여, 개질 촉매의 온도 및 물의 증발 상태가 알맞게 되도록 미리 시간 설정이 되어진다.
또한, 타이머 제어 이외의 방법에 의해 물의 공급의 전환이 행하여지더라도 좋다. 예컨대, 본 실시예의 변형예로서, 물의 증발을 보다 최적화하기 위해서, 개질부(1)의 온도에 근거하여 물의 공급 전환을 행하는 구성이더라도 좋다. 구체적으로는, 개질 온도 측정부(2)의 검출 온도에, 원료 가스 및 물의 공급 개시에 관련한 전술의 기준 값(이것을 제 1 기준 값이라고 부른다)과는 다른 기준 값(이것을제 2 기준 값이라고 부른다)을 마련하고, 해당 제 2의 기준 값에 근거하여 제어부(7)가 유량 전환부(6a)를 제어한다. 제 2 기준 값은, 개질부(1)의 온도 상태와 증발부(4)의 가열 상태의 상관에 근거하여 설정되어, 충분히 가열되어 수증기 반응이 가능해진 증발부(4)의 상태에 대응하는 개질부(1)의 온도, 예컨대 여기서는 700℃로 설정된다. 또한, 제 2 기준 값은, 장치의 크기나 상정 운전 조건에 의해서 미리 적절히 설정되는 것으로, 그들의 조건에 따라 값이 상이하다.
본 예에 있어서의 공급 경로의 전환 동작은, 우선, 제 2 기준 값보다도 개질 온도 측정부(2)의 검출 온도가 커진 때, 즉 증발부(4)가 충분히 가열되어 수증기 반응에 적합한 상태로 되면, 제어부(7)가 유량 전환부(6a)를 제어하여, 물의 공급 경로를 개질 공급 경로(6b)부터 증발 공급 경로(6c)로 전환한다. 그것에 의하여, 전술한 바와 같이 개질 공급 경로(6b)를 통하여 직접 개질부(1)에 공급되어 있던 물이, 증발 공급 경로(6c)를 통하여 증발부(4)를 거쳐 개질부(1)에 공급된다. 이와 같이, 개질부(1)의 온도로부터 증발부(4)의 상태를 파악하여 물의 공급의 전환을 행함으로써 전환을 빠르게 행할 수 있고, 또한, 전환 시에 있어서 개질부(1)에서의 수증기 부족을 확실히 회피할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 증발부(4)를 거쳐서 원료 공급부(5)로부터 개질부(1)에 원료 가스를 공급하고 있지만, 증발부(4)를 거치지 않고서 개질부(1)에 직접 원료 가스를 공급하는 구성이더라도 좋다. 또한, 상기한 바와 같이 증발부(4)를 거쳐서 공급하는 경우에는, 증발부(4)에 의해 미리 원료 가스를 가열하는 것이 가능해져, 열 효율의 향상이 도모된다.
또한, 본 실시예에서는, 장치의 기동 시에 있어서, 개질부(1)의 가열을 행한 후에 원료 가스와 물을 동시에 개질부(1)에 공급하고 있지만, 개질부(1)에 먼저 물을 공급한 후에 원료 가스를 공급하더라도 좋다. 또한, 예컨대, 충분히 가열되기 전의 상태의 개질부(1) 및 증발부(4)에 있어서, 가스 유로 폐색 등의 폐해가 일어나지 않는 량의 물을 수증기 반응의 실시 부분에 미리 공급하더라도 좋다. 이 경우에 있어서도, 본 실시예에 나타내는 효과가 방해되는 것은 아니다. 이와 같이 미리 개질부(1)나 증발부(4)에 물을 공급하는 것에 의해, 가열 초기에 수증기를 빠르게 발생시키는 것이 가능해 지고, 그에 따라, 개질부(1)의 가열 초기에 있어서 개질 촉매의 열 열화, 탄소 석출 등의 방지를 보다 효과적으로 실행하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예에 있어서, 유량 전환부(6a)에 의한 물의 공급 경로의 전환은, 예컨대, 물 공급부(6)로부터 개질 공급 경로(6b) 및 증발 공급 경로(6c)에 각각 공급되는 물의 량을, 공급 펌프의 동작 조건을 조정하는 등으로 제어하더라도 좋고, 또한, 해당 경로(6b, 6c)에 전자 밸브를 마련하고 그 개폐를 조정하는 것에 의해 제어하더라도 좋다. 또한, 전환은, 개질부(1) 및 증발부(4)의 각각으로의 공급량을 서서히 변화시켜 단계적으로 행하더라도 좋고, 또한, 예컨대, 각 공급 경로(6b, 6c)에 마련한 전자 밸브를 한번에 전개(全開) 및 전폐(全閉)하는 것에 의해 공급 경로의 전환을 행하여, 개질부(1)로부터 증발부(4)로 한번에 전환을 하더라도 좋다.
(실시예 2)
다음에, 본 발명에 있어서의 제 2 실시예에 대하여 설명한다. 도 2는 본 실시예에 있어서의 수소 생성 장치의 구성도이다. 본 실시예의 장치는, 실시예 1에 나타내는 장치와 거의 동일한 구성을 갖고 있고, 상위점은, 증발부(4) 또는 증발부(4) 내의 가스 온도를 검출하는 증발 온도 측정부(9)가 마련된다는 점에 있다.
본 실시예의 장치의 동작은, 실시예 1의 장치의 동작과 마찬가지이기 때문에, 그 상세 설명은 생략하고 상위점만에 대하여 설명한다. 증발부(4)에 증발 온도 측정부(9)가 마련된 본 실시예의 장치에서는, 증발 온도 측정부(9)에서 검출되는 온도에 기준 값을 마련하고, 검출 온도가 해당 기준 값보다도 커진 경우에, 실시예 1과 같이 유량 전환부(6a)에 의해 물의 공급 목적지를 개질부(1)로부터 증발부(4)로 전환한다. 해당 기준 값은, 장치의 운전 조건으로부터 증발부(4)에서의 수증기의 발생 상태를 고려하여, 예컨대 200℃로 설정한다. 또한, 해당 기준 값은, 장치의 크기나 물의 공급량 등의 운전 조건에 의해 상이하기 때문에, 그들의 조건에 따라 미리 적절히 설정한다.
본 실시예에서는, 개질 온도 측정부(2)에 의해 검출된 개질부(1)의 온도로부터 간접적으로 증발부(4)의 가열 상태를 파악하는 실시예 1의 경우와는 다르게, 증발부(4)의 온도를 증발 온도 측정부(9)에 의해 직접 측정하기 때문에, 물의 증발에 적합한 상태로 가열된 증발부(4)에 의해 확실히 타이밍을 일치시켜 물을 공급할 수 있다. 따라서, 물 공급 전환 시에 있어서도 수증기의 발생이 빠르게 또한 안정하게 행하여져, 물의 증발을 보다 최적화할 수 있다. 그러므로, 전환 시에 있어서 개질부(1)에서의 수증기 부족을 회피할 수 있다.
(실시예 3)
다음에, 본 발명에 있어서의 제 3 실시예에 대하여 설명한다. 도 3은 본 실시예에 있어서의 수소 생성 장치의 구성도이다. 본 실시예의 장치는, 실시예 2에 있어서의 장치와 거의 동일의 구성을 갖지만, 실시예 2와의 상위점은, 증발부(4)에, 증발부(4) 또는 증발부(4) 내의 가스를 가열하는 증발 가열부(4a)가 마련된 점이다. 여기서는 상세한 도시를 생략하고 있지만, 증발 가열부(4a)는, 시즈 히터(sheathed heater)로 구성되어 있고, 해당 히터를 증발부(4)의 하류 면에 마련하는 것에 의해, 증발부(4)의 상류 면으로부터 공급되는 물을 증발부(4)에서 증발시키는 구성을 갖는다.
본 실시예의 장치의 동작은, 실시예 l의 장치의 동작과 마찬가지이기 때문에 그 상세 설명은 생략하고, 상위점만에 대하여 설명한다. 즉, 본 실시예의 장치에서는, 기동 시에 있어서 증발 가열부(4a)를 작동시켜, 증발부(4)가 빠르게 가열되어 수증기 반응을 할 수 있는 상태가 되도록, 증발부(4)를 직접 가열한다. 실시예 1에서 전술한 바와 같이, 기동 직후는 증발부(4)의 온도가 상승하기 어렵고, 증발부(4)를 물이 증발하는 상태까지 가열하기 위해서는 시간이 필요하지만, 본 실시예와 같이 증발 가열부(4a)를 마련하여 증발부(4)를 직접 가열하는 것에 의해, 보다 빠르게 증발부(4)에서 물을 증발시키는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 기동 직후에 증발부(4)에 물을 공급하더라도 빠르고 안정하게 수증기를 발생시킬 수 있다. 또한, 본 실시예의 구성에 의하면, 기동 시에 있어서, 만일, 증발부(4)에만 물이 공급되었다고 해도, 증발부(4)에서 수증기를 발생시킬 수 있기 때문에, 개질부(1)에서의 수증기 부족을 회피하는 것이 가능해진다.
또, 증발 가열부(4a)의 동작은, 증발부(4)가 가열부(3)에 의한 가열만에 의해서 충분히 수증기 반응 가능한 상태가 되면 정지시킨다. 이러한 증발 가열부(4a)의 정지 동작의 판단은, 개질 온도 측정부(2) 또는 증발 온도 측정부(9)의 검출 온도에 근거하여 실행하는 것이 바람직하다. 그것에 의하여, 열 효율의 향상을 도모하면서 물의 증발을 최적화할 수 있다. 구체적으로는, 예컨대, 증발부(4)가 충분한 수증기를 발생시킬 수 있는 상태에 있는 때의 개질부(1) 또는 증발부(4)의 온도를, 기준 값으로서 미리 개질 온도 측정부(2) 또는 증발 온도 측정부(9)의 검출 온도로 설정한다. 여기서는, 개질 온도 측정부(2)에 700℃로 기준 값을 설정한다. 그리고, 해당 기준 값보다 검출 온도가 크게 되면, 제어부(7)가 증발 가열부(4a)를 정지시킨다. 또한, 기준 값은, 장치의 크기나 운전 조건에 따라 설정되는 값이며, 이들의 조건에 따라 적절히 설정되는 것이다.
(실시예 4)
다음에, 본 발명에 있어서의 제 4 실시예에 대하여 설명한다. 도 4는 본 실시예에 있어서의 수소 생성 장치의 구성도이다. 본 실시예의 장치는, 실시예 2에 나타내는 장치와 거의 동일한 구성을 갖지만, 실시예 2의 장치와의 상위점은, 증발부(4)에 물을 공급하는 증발 공급 경로(6c) 중에 물의 기화부(10)가 마련된 점이다. 도 5는, 본 실시예의 기화부(10)의 구성의 일례를 나타내는 모식적인 요부 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이 본 실시예의 장치에서는, 물 공급부(6)와 증발부(4)를 잇는 증발 공급 경로(6c) 중에, 기화 장치(10') 가 배치되어 있다. 기화 장치(10')는, 물 공급구(10g)와 수증기 출구(10h)를 갖는 본체(10b)의 내부에, 시즈 히터 등의 전기 히터(l0a)와, 축열체(10c)와, 물 증발체(10d)와, 증발 공간(10f)을 포함하여 구성된다. 물 공급구(10g) 및 수증기 출구(10h)는, 각각 증기 공급 경로(6c)에 접속되어 있다. 또한, 본체(10b)의 외벽에는, 축열체 온도 측정부(10e)가 마련되어 있다.
기화 장치(10')에서는 물 공급부(6)로부터 증발 공급 경로(6c)를 통하여 공급된 물이, 물 공급구(10g)를 경유해 증발 공간(10f)에 도입된다. 여기서, 기화 장치(10')의 내부에서는, 전기 히터(10a)에 의해 발생한 열이, 축열체(10c)와, 물 증발을 안정화시키기 위해서 마련된 물 증발체(10d)(예컨대 발포(發泡) 메탈)를 거쳐서, 증발 공간(10f) 내의 물에 인가된다. 그것에 의하여, 물이 기화하여 수증기로 된다. 해당 수증기는, 수증기 출구(10h)로부터 증발 공급 경로(6c)를 통하여 증발부(4)에 공급된다. 또한, 여기서는, 축열체 온도 측정부(10e)에 의해 축열체(10c)의 온도가 측정되고 또한, 해당 검출 온도에 근거하여 하여 물의 기화가 제어되는 구성으로 되어있다. 따라서, 기화 장치(10')에서는, 안정하고 효율 좋게 물의 기화를 행하는 것이 가능해진다.
기화부(10)가 마련된 본 실시예의 수소 생성 장치의 동작은, 실시예 1의 장치의 동작과 마찬가지이기 때문에 그 상세 설명은 생략하고, 상위점만 설명한다. 즉, 본 실시예의 장치에서는, 기동 시에, 기화부(10)(기화 장치(10'))를 전술한 바와 같이 작동시켜, 기화부(10)에서 얻어진 수증기를 증발부(4)에 공급한다. 실시예 1에서 전술한 바와 같이, 장치의 기동 직후의 증발부(4)에서는, 물이 증발하는 상태까지 가열되는 데 시간이 필요하므로, 기화부(10)에서 수증기를 미리 생성하여 이것을 증발부(4)에 직접 공급하는 것에 의해, 기동 직후에도 증발부(4)로부터 개질부(1)에 수증기를 빠르게 또한 안정하게 공급할 수 있다.
기화부(10)의 동작은, 증발부(4)가 가열부(3)로부터의 열에 의한 가열만에 의해서 충분한 수증기 반응을 할 수 있는 상태에 도달하면 정지시킨다. 기화부(10)의 정지 동작의 판단은, 예컨대, 개질 온도 측정부(2) 또는 증발 온도 측정부(9)의 검출 온도에 근거하여 실행한다. 그것에 의하여, 물의 증발을 최적화하면서, 열 효율의 향상을 도모할 수 있다. 구체적으로는, 실시예 3에서 전술한 바와 같이, 예컨대, 증발부(4)로부터 충분한 수증기가 발생하는 상태에서 개질부(1) 또는 증발부(4)의 온도를 기준 값으로서 미리 개질 온도 측정부(2) 또는 증발 온도 측정부(9)의 검출 온도로 설정한다. 그리고, 해당 기준 값에 근거하여, 기화부(10)의 기동 및 정지 동작을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 기화부(10)는 상시 작동시켜 놓더라도 좋지만, 물의 기화에 필요한 에너지의 소비량을 고려하면, 가열부(3)로부터의 열에 의해 증발부(4)가 자립하여 수증기 발생을 할 수 있는 상태가 된 때에는, 기화부(10)의 동작을 정지시켜증발부(4)만으로 수증기를 발생시키는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 기화부(10)의 영향을 받지 않고 물 공급부(6)로부터 증발부(4)에 물을 공급할 수 있도록 증발 공급 경로(6c)를 구성할 필요가 있다.
또한, 상기에 있어서는, 기화부(10)가 도 5에 나타내는 기화 장치(10')에 의해 구성되는 경우에 대하여 설명했지만, 기화부(10)의 구성은, 이것에 한정되는 것이 아니다. 도 6(a), (b)는, 본 실시예의 장치에 이용되는 기화부(10)의 다른 구성예를 나타내는 모식적인 요부 단면도이다.
도 6(a)에 도시하는 바와 같이 기화부(10)는, 도 5와 같이 기화 장치(10')를 별개로 마련하는 것은 아니고, 증발 공급 경로(6c')를 구성하는 배관의 외주에 전기 히터 등의 가열원(10a)을 배치하는 것에 의해 구성되더라도 좋다. 또한, 도 6(b)에 도시하는 바와 같이 증발 공급 경로(6c')를 구성하는 배관의 내부가, 주방향벽(周方向壁)에 의해 구획된 이중 구조를 갖고, 물의 유로로 되는 공간을 둘러싸도록 전기 히터 등의 가열원(10a)이 배치된 가열원 내장형의 배관에 의해 기화부(10)가 구성되더라도 좋다.
또한, 기화부(10)는, 전기 히터 등의 전기적인 가열원에 의해서 가열되는 구성에 한정되지 않고, 다른 가열원, 예컨대 연소 열을 이용하여 가열을 하는 구성이더라도 좋다. 예컨대, 수소 발생 장치에서 생성한 수소 가스의 공급 목적지로부터 잉여분으로서 배출되는 수소 가스(예컨대, 연료 전지 애노드 오프 가스)나, 개질 반응에 이용되는 원료 가스의 일부를 이용하여 연소를 행하는 촉매 연소 장치나 화염 연소 장치 등의 일반적인 연소 기기를 가열원으로서 구비한 구성이더라도 좋다.
(실시예 5)
다음에, 본 발명에 있어서의 제 5의 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예의 장치는, 실시예 1에 나타내는 장치와 거의 동일의 구성을 갖지만, 상위점은, 개질부(1)에 개질 증발부(1a)가 마련된 점이다. 따라서, 본 실시예의 장치의 구성의 상세 설명은 생략하고, 실시예 1의 장치와의 상위점만을 설명한다.
도 7은, 실시예 5에 있어서 개질부(1)의 구성도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이 본 실시예에서는, 개질 공급 경로(6b)와 개질부(1)(구체적으로는, 개질 촉매를 포함하여 구성되는 개질 반응부(1b))와의 사이에, 개질 증발부(1a)가 마련되어 있다. 개질 증발부(1a)는, 가열부(3)(도 1)로부터의 열을 이용하여, 후술하는 바와 같이, 개질 공급 경로(6b)를 통하여 공급된 물을 수증기화 하도록 구성되어 있다. 개질 증발부(1a)는, 개질 공급 경로(6b) 및 혼합 원료 공급 경로(4b)에 접속되어 있고, 또한, 관통 구멍(17)을 통하여 개질부(1)에 연통하고 있다. 이와 같은 개질 증발부(1a)는, 정상 운전 시에 있어서, 개질부(1)의 개질 촉매체의 가열을 가능한 만큼 우선시키는 것이 가능하고, 또한, 장치 기동 시에 공급되는 물을 안정하게 증발시키는 것이 가능하도록 구성될 필요가 있다. 예컨대, 본 실시예에서는, 개질 반응부(1b)의 외주를 둘러싸고, 또한, 증발부(4)로부터의 혼합 원료 공급 경로(16)에서 개질 반응부(1b)의 상류 측에 배치되도록 개질 증발부(1a)가 배치되어 있다.
본 실시예의 장치는, 실시예 1의 장치와 같은 동작을 하기 때문에, 그 상세한 설명은 생략하고, 상위점만에 대하여 설명한다. 즉, 본 실시예의 장치는, 개질공급 경로(6b)를 통하여 개질 반응부(1b)에 직접 물이 공급되는 실시예 1의 장치와는 달리, 물 공급부(6)로부터 개질 공급 경로(6b)를 통하여 먼저 개질 증발부(1a)에 물이 공급된다. 그리고, 개질 증발부(1a)에서, 물이 증발하여 수증기로 되고, 해당 수증기가 관통 구멍(17)을 통하여 개질 반응부(1b)에 공급된다. 이와 같이, 개질부(1)에 있어서, 개질 촉매체를 포함하여 개질 반응이 실시되는 개질 반응부(1b)와, 개질 반응에서 이용하는 수증기를 얻기 위해서 물을 증발시키는 개질 증발부(1a)를 분리하는 것에 의해, 장치 기동 직후의 수증기 발생의 더 큰 안정화를 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 정상 운전 시에 있어서, 증발부(4)에서 만일 물이 충분히 증발되지 않고서 물의 상태 그대로 개질부(1)에 공급되더라도, 개질 증발부(1a)가 마련되어 있기 때문에, 확실히 수증기를 개질 반응부(1b)에 공급할 수 있다. 따라서, 물의 증발에 변동이 적고 안정하게 수증기를 공급할 수 있어, 개질 반응의 안정화가 도모된다.
본 발명에 의해, 기동 초기에서도 신속히 개질부에 수증기를 공급할 수 있는 장치를 제공하는 것이 가능해지고, 그 결과, 종래의 수소 생성 장치의 기동 초기에 발생하는 열 부하에 의한 개질 촉매 활성의 저하 등의 문제점을 해결하는 것이 가능해진다. 또, 상기 설명으로부터, 당업자에게 있어서는, 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시예가 분명하다. 따라서, 상기 설명은, 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 당업자에 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본발명의 정신을 일탈하는 일 없이, 그 구조및 /또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.

Claims (21)

  1. 개질 촉매를 이용하여 원료 및 수증기로부터 개질 반응에 의해 수소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 개질부와,
    물을 증발시켜 상기 개질부에 상기 수증기를 공급하는 증발부와,
    상기 개질 및 상기 증발을 위해, 각각, 상기 개질부 및 상기 증발부를 가열하는 가열부와,
    직접 또는 상기 증발부를 거쳐서 상기 개질부에 상기 원료 가스를 공급하는 원료 공급부와,
    상기 물을 공급하는 물 공급부와,
    상기 물 공급부로부터 상기 물을 상기 증발부에 공급하기 위한 제 1 급수로와,
    상기 물 공급부로부터 상기 물을 상기 개질부에 공급하기 위한 제 2 급수로
    를 구비한 수소 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료 공급부로부터 상기 개질부로의 상기 원료 가스의 공급 개시에 따라, 상기 물 공급부로부터 상기 제 2 급수로를 통하여 상기 개질부에 물이 공급되고, 상기 공급 개시로부터 소정 시간 경과 후, 상기 물 공급부로부터 상기 제 1 급수로를 통하여 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에 상기 개질부로의 상기 물의 공급이 정지되는 수소 생성 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질부는, 상기 개질 촉매체 또는 상기 개질부 내의 가스의 온도를 검출하는 개질 온도 측정부를 더 구비하고,
    상기 개질 온도 측정부의 검출 온도 정보에 근거하여 상기 원료 공급부로부터의 상기 원료 가스의 공급 및 상기 물 공급부로부터의 상기 물의 공급이 제어되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 개질 온도 측정부의 검출 온도가 미리 설정한 기준 값보다 커졌을 때에, 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 개질부에 상기 물이 공급됨과 동시에, 상기 원료 공급부로부터 상기 개질부에 상기 원료 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 개질 온도 측정부의 검출 온도가 미리 설정한 제 1 기준 값보다 큰 때에, 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 개질부에 상기 물이 공급됨과 동시에, 상기 원료 공급부로부터 상기 개질부에 상기 원료 가스가 공급되고,
    상기 개질 온도 측정부의 검출 온도가, 미리 설정한, 상기 제 1 기준 값보다도 큰 제 2 기준 값보다도 큰 때에, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에, 상기 개질부로의 상기 물의 공급이 정지되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발부는, 해당 증발부 또는 해당 증발부 내의 가스의 온도를 검출하는 증발 온도 측정부를 더 구비하고,
    상기 증발 온도 측정부의 검출 온도 정보에 근거하여 상기 물 공급부로부터 상기 개질부 및 상기 증발부로의 상기 물의 공급이 제어되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 증발 온도 측정부의 검출 온도가 미리 설정한 기준 값보다 작은 때에는, 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 개질부로 상기 물이 공급되고, 또한, 상기 증발 온도 측정부의 검출 온도가 상기 기준 값보다 큰 때에는, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에 상기 개질부로의 상기 물의 공급이 정지되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발부는, 해당 증발부의 가열을 행하는 증발 가열부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도에 근거하여 상기 증발 가열부가 제어되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도가 미리 설정한 기준 값 이하인 때에는, 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 개질부에 상기 물이 공급됨과 동시에 상기 증발 가열부가 동작하고,
    상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도가 상기 기준 값보다 큰 때에는, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 증발부에 상기 물이 공급됨과 동시에 상기 증발 가열부가 정지되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 개질부의 온도가 미리 설정한 제 1 기준 값보다 큰 때에는, 상기 원료 공급부로부터 상기 개질부에 상기 원료 가스가 공급됨과 동시에 상기 물 공급부로부터 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 개질부에 상기 물이 공급되고, 또한, 상기 증발 가열부가 동작하며,
    상기 개질부의 온도가, 미리 설정한 상기 제 1 기준 값보다도 큰 제 2 기준 값보다도 큰 때에는, 상기 물 공급부로부터 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에 상기 개질부로의 상기 물의 공급이 정지되고, 또한, 상기 증발 가열부가 정지되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    물로부터 수증기를 생성시키는 기화부를 구비하며,
    해당 기화부에서 생성된 수증기가 상기 개질부 및 상기 증발부의 적어도 한쪽에 더 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도에 근거하여 상기 기화부가 제어되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 개질부 또는 상기 증발부의 온도가 미리 설정한 기준 값보다 큰 때에는, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부로부터 상기 증발부에 상기 물이 공급됨과 동시에 상기 기화부가 정지되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 개질부의 온도가 미리 설정한 제 1 기준 값보다 큰 때에는, 상기 원료 공급부로부터 상기 개질부에 상기 원료 가스가 공급됨과 동시에 상기 기화부가 동작하고,
    상기 개질부의 온도가, 미리 설정한 상기 제 1 기준 값보다도 큰 제 2 기준 값보다도 큰 때에, 상기 물 공급부로부터 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 증발부에 물이 공급됨과 동시에 상기 기화부가 정지되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발부는, 제 1 증발부와 제 2 증발부를 구비하고,
    상기 제 1 증발부는, 상기 개질부에 접하여 배치되어 상기 개질부에 연통하고 또한, 적어도 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부에 연결되어, 적어도 상기 제 2 급수로를 거쳐서 상기 개질부에 공급되는 상기 물이 해당 제 1의 증발부에서 증발되어 그 수증기가 상기 개질부에 공급되고 또한,
    상기 제 2 증발부는, 상기 제 1 급수로를 거쳐서 상기 물 공급부에 접속되고, 상기 물 공급부로부터 공급되는 상기 물을 증발시켜 그 수증기가 상기 개질부에 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 공급부는, 상기 개질부 및 상기 증발부 중 어느 하나에 물이 공급되는 물의 공급 목적지를 전환하는 물 공급 전환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 물 공급 전환부는, 상기 개질부에 공급되는 물의 유량 및 상기 증발부에 공급되는 물의 유량을 조정 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 물 공급 전환부는, 상기 제 1 급수로 및 상기 제 2 급수로 중 어느 하나를 통하여 물을 공급하는 급수로의 전환이 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질부로의 상기 원료 가스의 공급 개시 시에 있어서, 상기 개질부 및 상기 증발부의 적어도 한쪽에, 물 및 수증기의 적어도 한쪽이 존재하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 장치.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 기재된 수소 생성 장치와,
    산화제 및 상기 수소 생성 장치로부터 공급되는 수소를 이용하여 발전하는 연료 전지를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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