水素含有ガス生成装置
【課題】装置の小型化及びコストの低減を図ることができながら、変成処理部が過熱状態となるのを防止することも可能とする。
【解決手段】装置本体１を形成する容器Ｂとして、予熱用流体にて水蒸気生成部３に供給する水を予熱する水予熱部Ｅ２を構成する水予熱部用の容器Ｂ７が備えられ、その水予熱部用の容器Ｂ７は、容器Ｂの並び方向Ｘにおいて変成処理部用の容器Ｂ６、Ｂ８に隣接して配置されている。
【解決手段】装置本体１を形成する容器Ｂとして、予熱用流体にて水蒸気生成部３に供給する水を予熱する水予熱部Ｅ２を構成する水予熱部用の容器Ｂ７が備えられ、その水予熱部用の容器Ｂ７は、容器Ｂの並び方向Ｘにおいて変成処理部用の容器Ｂ６、Ｂ８に隣接して配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を処理する処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて装置本体が形成され、その装置本体を形成する前記容器として、供給される水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部を構成する水蒸気生成部用の容器と、供給される炭化水素系の原燃料を前記水蒸気生成部にて生成した水蒸気により改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質部を構成する水蒸気改質部用の容器と、その水蒸気改質部にて生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部を構成する変成処理部用の容器とが備えられている水素含有ガス生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような水素含有ガス生成装置は、水蒸気生成部にて水から水蒸気を生成し、その生成された水蒸気を用いて水蒸気改質部にて原燃料を改質処理して改質ガスを生成しており、その生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを変成処理部にて二酸化炭素ガスに変成処理している（例えば、特許文献１参照。）。そして、この特許文献１に記載の装置では、変成処理部から排出された改質ガス中に残存している一酸化炭素ガスを除去する選択酸化部も備えており、この選択酸化部にて一酸化炭素ガス含有量の少ない水素含有ガスを生成し、その生成された水素含有ガスを燃料電池の燃料等に用いている。
【０００３】
特許文献１に記載の装置では、装置本体が、処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて形成されており、装置本体を形成する容器によって水蒸気生成部と水蒸気改質部と変成処理部と選択酸化部の夫々が構成されている。この特許文献１に記載の装置では、水蒸気生成部と水蒸気改質部と変成処理部と選択酸化部に加えて、炭化水素系の原燃料を脱硫処理する脱硫処理部と、燃焼用燃料を燃焼用空気にて燃焼させて水蒸気改質部を加熱する燃焼部とが備えられており、装置本体を形成する容器として、脱硫処理部を構成する脱硫処理部用の容器と燃焼部を構成する燃焼部用の容器も備えられている。また、特許文献１に記載の装置では、変成処理部から選択酸化部に供給される変成処理後の改質ガスにて水蒸気生成部に供給する水を予熱する水予熱器が備えられており、この水予熱器は、装置本体とは別に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１９９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の装置では、水予熱器が装置本体とは別に設けられているので、装置本体とは別に設置スペースが必要となり、装置の大型化を招くことになる。そして、装置本体とは別に水予熱器を設けた場合には、水予熱器自体や配管等からの放熱量が多くなり、水蒸気生成部に供給する水を十分に予熱できなくなる可能性も生じる。この為に、保温を強化する等、水予熱器自体や配管等からの放熱を抑制するための構成が必要となり、コストアップを招くことになる。
【０００６】
また、上記特許文献１に記載の装置では、燃焼部から排出される燃焼排ガスを水蒸気生成部に供給してその燃焼排ガスが有する熱にて水を加熱して水蒸気を生成しており、水蒸気生成部を通過して低温となった燃焼排ガスを変成処理部に供給している。そして、変成処理部での変成処理は、発熱反応であるので、供給される低温の燃焼排ガスにより変成処理部を冷却するようにしている。しかしながら、変成処理部を冷却するための熱媒体がガスであるため、熱容量が小さく、夏季等には運転条件によっては、冷却不足となって変成処理部が過熱状態となってしまう可能性があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、装置の小型化及びコストの低減を図ることができながら、変成処理部が過熱状態となるのを防止することも可能となる水素含有ガス生成装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明に係る水素含有ガス生成装置の特徴構成は、流体を処理する処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて装置本体が形成され、その装置本体を形成する前記容器として、供給される水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部を構成する水蒸気生成部用の容器と、供給される炭化水素系の原燃料を前記水蒸気生成部にて生成した水蒸気により改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質部を構成する水蒸気改質部用の容器と、その水蒸気改質部にて生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部を構成する変成処理部用の容器とが備えられている水素含有ガス生成装置において、
前記装置本体を形成する前記容器として、予熱用流体にて前記水蒸気生成部に供給する水を予熱する水予熱部を構成する水予熱部用の容器が備えられ、その水予熱部用の容器は、前記容器の並び方向において前記変成処理部用の容器に隣接して配置されている点にある。
【０００９】
本特徴構成によれば、水予熱部が水予熱部用の容器にて構成されており、その水予熱部用の容器が、水蒸気生成部用の容器、水蒸気改質部用の容器、及び、変成処理部用の容器と同様に構成されている。そして、その水予熱部用の容器を含む、水蒸気生成部用の容器、水蒸気改質部用の容器、及び、変成処理部用の容器等の複数の容器を密接状態に並べることで装置本体が形成されている。これにより、装置本体とは別に水予熱部の設置スペースが不要となることに加え、水予熱部を装置本体に一体的に備えさせることができるので、装置全体として小型化を図ることができる。また、水予熱部を装置本体に一体的に備えさせることで、水予熱部からの放熱を抑えることができ、保温を強化する等の構成を追加しなくても、水蒸気生成部に供給する水を十分に予熱することができる。
しかも、装置本体における容器の並び方向において、水予熱部用の容器を変成処理部用の容器に隣接して配置するので、水予熱部を通流する水にて変成処理部用の容器を冷却させて変成処理部の冷却を行うことができるとともに、その変成処理部の冷却を行うことで水予熱部を通流する水については予熱されることになる。
以上のことから、装置の小型化及びコストの低減を図ることができながら、水予熱部での水の予熱を十分に行うことができ、変成処理部が過熱状態となるのを防止することも可能となる。
【００１０】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の更なる特徴構成は、前記装置本体には、前記容器の並び方向において、前記水予熱部用の容器とその水予熱部用の容器に隣接して位置する別の前記容器との間にヒーターが配置されている点にある。
【００１１】
水素含有ガス生成装置の起動時には、例えば、ヒーターにより装置本体を形成する複数の容器を加熱することで、水蒸気生成部や変成処理部等の反応器の昇温を行う。ここで、水予熱部では水を通流させることから、容器の並び方向で水予熱部用の容器に隣接する容器では昇温させ難くなることが考えられる。そこで、本特徴構成によれば、ヒーターを容器の並び方向において水予熱部用の容器とその水予熱部用の容器に隣接して位置する別の容器との間に配置している。このような配置とすることで、容器の並び方向で水予熱部用の容器に隣接する容器の昇温も適切に行うことができ、起動時における反応器の昇温を適切に行うことができる。
【００１２】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の更なる特徴構成は、前記水予熱部用の容器は、皿形状の一対の容器形成用部材を、それらの間に平板状の仕切り部材を位置させた状態で溶接接続し、２つの前記処理空間を備えるように構成され、２つの前記処理空間の一方には前記水蒸気生成部に供給する水を通流させ、且つ、他方には前記予熱用流体として、前記変成処理部にて変成処理された改質ガス、又は、燃焼用燃料を燃焼用空気にて燃焼させて前記水蒸気改質部を加熱する燃焼部から排出される燃焼排ガスを前記水蒸気生成部に供給してその水蒸気生成部から排出される燃焼排ガスを通流させている点にある。
【００１３】
本特徴構成によれば、皿形状の一対の容器形成用部材と平板状の仕切り部材とから２つの処理空間を備えた水予熱部を適切に構成することができる。そして、２つの処理空間の他方に、変成処理部にて変成処理された改質ガスを通流させることで、改質ガスが有する熱を活用して水蒸気生成部に供給する水の予熱を行うことができる。また、２つの処理空間の他方に燃焼排ガスを通流させる場合には、燃焼部から排出される燃焼排ガスを水蒸気生成部に供給してその燃焼排ガスが有する熱を活用して水蒸気を生成させるとともに、更に水蒸気生成部から排出される燃焼排ガスが有する熱を活用して水蒸気生成部に供給する水の予熱を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】水素含有ガス生成装置における装置本体の断面図
【図２】装置本体を形成する容器の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
この水素含有ガス生成装置の装置本体１は、図１に示すように、流体を処理する処理空間を形成する容器Ｂを密接状態に複数並べて形成されている。装置本体１は、水素ガスを主成分とする改質ガスを生成するための複数の反応器（脱硫処理部２、水蒸気生成部３、燃焼部４、水蒸気改質部５、変成処理部６、選択酸化部７）を備えており、それら複数の反応器の夫々が装置本体１を形成する容器Ｂにて構成されている。図１は、装置本体１の断面図を示している。
【００１６】
まず、脱硫処理部２から選択酸化部７に至るガスの流路について説明する。
図１に示すように、脱硫処理部２に原燃料ガス供給路２１を接続しており、原燃料ガス供給路２１を通して原燃料ガスを脱硫処理部２に供給している。原燃料ガス供給路２１には、第１制御弁Ｓ１が備えられており、その第１制御弁Ｓ１の開度を制御することで、脱硫処理部２への原燃料ガスの供給を断続自在であり且つその供給量も調整自在に構成されている。そして、脱硫処理部２、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１の被改質ガス通流部１１、水蒸気改質部５、保温用通流部１２、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１の改質ガス通流部１３、変成処理部６、原料水予熱用熱交換器Ｅ２の変成処理後改質ガス通流部１６の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路２２で接続している。原料水予熱用熱交換器Ｅ２の変成処理後改質ガス通流部１６に変成処理後改質ガス排出路２３を接続しており、変成処理後改質ガス通流部１６を通流した変成処理後の改質ガスを変成処理後改質ガス排出路２３にて装置本体１の外部に排出している。また、選択酸化部７に変成処理後改質ガス流入路２４を接続して、装置本体１の外部に排出された変成処理後の改質ガスを変成処理後改質ガス流入路２４にて選択酸化部７に供給している。
【００１７】
脱硫処理部２は、供給される都市ガス等の炭化水素系の原燃料ガス（炭化水素系の原燃料）を脱硫処理する。水蒸気生成部３は、燃焼部４から排出された燃焼排ガスを通流させる水蒸気生成用加熱通流部１４と、供給される原料水を水蒸気生成用加熱通流部１４による加熱にて蒸発させる蒸発部１５とを備えている。燃焼部４は、燃焼用燃料ガス（燃焼用燃料）を燃焼用空気にて燃焼させて燃焼熱を発生させる。燃焼用燃料ガスとしては、燃料電池Ｎから排出された排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）を用いることができ、必要に応じて原燃料ガスを追加することができる。水蒸気改質部５は、燃焼部４で発生された燃焼熱を利用して原燃料ガスを水蒸気にて改質処理して改質ガスを生成する。具体的には、水蒸気改質部５には、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。そして、水蒸気改質部５に被改質ガス（脱硫原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを水素と一酸化炭素と二酸化炭素とを含む改質ガスに改質する。原燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガスである場合、水蒸気改質部５では、燃焼部４によって例えば６５０℃〜７５０℃程度の加熱下でメタンと水蒸気とが下記の〔化１〕及び〔化２〕の反応式にて改質反応して、水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含むガスに改質処理される。
【００１８】
〔化１〕
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
〔化２〕
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ2
【００１９】
変成処理部６は、水蒸気改質部５にて生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するように処理する。具体的には、変成処理部６においては、改質処理ガス中の一酸化炭素と水蒸気とが、例えば２００℃〜３００℃程度の反応温度で下記の〔化３〕の反応式にて変成反応して、一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理される。
【００２０】
〔化３〕
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００２１】
選択酸化部７は、変成処理部６から排出される変成処理後の改質ガス中に残留している一酸化炭素を除去する。具体的には、選択酸化部７においては、ルテニウムや白金、パラジウム、ロジウム等の触媒作用によって、１００℃〜２００℃程度の反応温度で変成処理後の改質ガス中に残っている一酸化炭素が、添加された空気中の酸素によって酸化される。その結果、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）、水素リッチな燃料ガスが生成される。
【００２２】
生成された燃料ガスは、燃料ガス路２５を通じて燃料電池Ｎに供給される。本実施形態では、選択酸化部７から排出された選択酸化処理ガス（燃料電池Ｎに供給される燃料ガス）の温度は１００℃〜２００℃程度であり、例えば固体高分子型の燃料電池の動作温度は７０℃〜８０℃程度である。そこで、燃料ガス路２５には、選択酸化部７から排出された選択酸化処理ガスを、燃料電池Ｎの動作温度付近にまで冷却する燃料ガス冷却用熱交換器（図示せず）が設けられている。
【００２３】
また、燃料電池Ｎから排出される排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）は、排燃料ガス路２６及び原燃料ガス供給路２１から分岐された原燃料ガス分岐路２７を通じて一対のパイプバーナ４１に燃焼用燃料ガスとして供給される。
【００２４】
〔水蒸気生成部への原料水の供給経路〕
次に、水蒸気生成部３の蒸発部１５への原料水（水）の供給経路について説明する。
原料水予熱用熱交換器Ｅ２の原料水通流部１７に原料水供給路２８を接続して、原料水ポンプ４２により原料水を原料水供給路２８にて原料水予熱用熱交換器Ｅ２に供給する。原料水通流部１７と水蒸気生成部３の蒸発部１５とを原料水処理用流路２９にて接続しており、原料水予熱用熱交換器Ｅ２にて予熱された原料水を原料水処理用流路２９にて水蒸気生成部３の蒸発部１５に供給している。
【００２５】
〔燃焼部への燃料ガス及び燃焼用空気の供給経路〕
燃焼部４には、一対のパイプバーナ４１が備えられており、一方のパイプバーナ４１から燃焼用燃料ガスを噴出させ、他方のパイプバーナ４１から燃焼用燃料ガスに衝突させるように燃焼用空気を噴出させて、火炎を形成する状態で燃焼させている。
【００２６】
一方のパイプバーナ４１への燃料ガスの供給経路について説明する。
上述の如く、パイプバーナ４１に供給する燃焼用燃料ガスとしては、燃料電池Ｎから排出された排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）を用いることができ、必要に応じて原燃料ガスを追加することができる。原燃料ガス供給路２１から分岐された原燃料ガス分岐路２７をパイプバーナ４１に接続して、原燃料ガスを原燃料ガス供給路２１及び原燃料ガス分岐路２７にてパイプバーナ４１に供給している。原燃料ガス分岐路２７には、第２制御弁Ｓ２が備えられ、第２制御弁Ｓ２の開度を制御することで、パイプバーナ４１への原燃料ガスの供給を断続自在で且つその供給量も調整自在に構成されている。排燃料ガス路２６には、その途中部位に逆止弁Ｇが備えられており、原燃料ガス分岐路２７の途中部位に接続されている。これにより、燃料電池Ｎから排出された排燃料ガスを排燃料ガス路２６及び原燃料ガス分岐路２７にてパイプバーナ４１に供給している。
【００２７】
他方のパイプバーナ４１への燃焼用空気の供給経路について説明する。
図１において一点鎖線矢印にて示すように、燃焼用空気供給路３０をパイプバーナ４１に接続して、燃焼用空気を燃焼用空気ブロア４３から燃焼用空気供給路３０にてパイプバーナ４１に供給している。燃焼用空気ブロア４３を作動させるか否か及び燃焼用空気ブロア４３の回転速度を制御することで、パイプバーナ４１への燃焼用空気の供給を断続自在で且つその供給量を調整自在に構成されている。
【００２８】
〔装置本体を通流するガスの熱交換〕
次に、装置本体１を通流するガスの熱交換について説明する。
装置本体１には、水蒸気改質部５から排出された高温の改質ガスを通流させて、水蒸気改質部５を保温する保温用通流部１２と、高温の改質ガスにより水蒸気改質部５に供給される被改質ガスを加熱する被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１と、変成処理部６にて変成処理された改質ガスにより水蒸気生成部３に供給する原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器Ｅ２（水予熱部に相当する）とが備えられている。また、図示は省略するが、変成処理部６及び選択酸化部７を冷却する冷却用ファンも設けられている。
【００２９】
被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１では、保温用通流部１２から排出された改質ガスを通流させる改質ガス通流部１３と、水蒸気改質部５に供給する被改質ガスを通流させる被改質ガス通流部１１との間で熱交換が行われる。
原料水予熱用熱交換器Ｅ２では、変成処理部６にて変成処理された改質ガスを通流させる変成処理後改質ガス通流部１６と、原料水供給路２８にて供給される原料水を通流させる原料水通流部１７との間で熱交換が行われる。
【００３０】
〔水蒸気と原燃料ガスとの混合〕
原燃料ガス供給路２１から供給される原燃料ガスを脱硫処理部２で脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスと水蒸気路３１からの水蒸気とを混合する。具体的には、図１に示すように、蒸発部１５にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路３１を、脱硫処理部２と被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１の被改質ガス通流部１１とを接続するガス処理用流路２２に接続する。これにより、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気が混合される。
【００３１】
〔燃焼部から排出される燃焼排ガスの利用形態〕
図１において、破線矢印にて示すように、燃焼部４から排出された燃焼排ガスを、水蒸気生成部３の水蒸気生成用加熱通流部１４に供給して通流させた後、装置本体１の外部に排出するように、燃焼部４と水蒸気生成用加熱通流部１４とが燃焼排ガス路３２により接続されている。そして、水蒸気生成用加熱通流部１４においては、燃焼排ガスによって蒸発部１５を加熱している。
【００３２】
〔装置本体の構成〕
図１及び図２に示すように、装置本体１に備えられる複数の反応器（脱硫処理部２、水蒸気生成部３、燃焼部４、水蒸気改質部５、変成処理部６、選択酸化部７）は、上記改質ガスの生成処理工程で用いられる処理空間を内部に備えた平板型モジュールとしての容器Ｂを用いて構成されている。図２は、平板型モジュールとしての容器Ｂについての斜視図である。また、装置本体１には、上述の複数の反応器だけでなく、熱交換器（被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１、原料水予熱用熱交換器Ｅ２）も備えられており、これらの熱交換器も平板型モジュールとしての容器Ｂを用いて構成されている。
【００３３】
容器Ｂ（平板型モジュール）については、図２に示すように、基本的には、どの容器Ｂも同様に構成されており、皿形状の容器形成用部材ｂ１と板状の仕切り部材ｂ２とから構成されている。そして、容器Ｂは、一対の容器形成用部材ｂ１の間に仕切り部材ｂ２を位置させた状態で溶接接続して、２つの処理空間を備えるように構成されている。このような容器Ｂを並列に密着して複数並べることで装置本体１を形成している。複数の容器Ｂを並べるに当たっては、上述したような伝熱させる必要のあるもの同士は互いに密着させた状態で並べ、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間に伝熱量調節用の断熱材１８を介在させた状態で並べてある。
【００３４】
図１に示すように、本実施形態では、容器Ｂの並び方向Ｘにおいて左側から順に第１容器Ｂ１〜第９容器Ｂ９の９つの容器Ｂを密接状態で並べるように配置して装置本体１を形成している。第１容器Ｂ１、第３〜第６容器Ｂ３〜Ｂ６、第８容器Ｂ８、及び、第９容器Ｂ９については、図２（ａ）にて示した容器Ｂと同一の構成となっている。第２容器Ｂ２は、詳細な図示は省略するが、一対の容器形成用部材ｂ１の間に仕切り部材ｂ２を位置させた状態で溶接接続するとともに、一方の容器形成用部材ｂ１の外側に更に別の容器形成用部材ｂ１を溶接接続して、合計３つの処理空間を備えるように構成されている。第７容器Ｂ７は、図２（ｂ）に示すように、一対の容器形成用部材ｂ１の間に仕切り部材ｂ２を位置させた状態で溶接接続して、２つの処理空間を備える構成となっているが、一方の処理空間は、容器Ｂの横幅方向の一方側から他方側に向けて流体を通流させ、容器Ｂの横幅方向の他端部にてその通流方向を反転させて、容器Ｂの横幅方向の他方側から一方側に向けて流体を通流させる千鳥の流路状に形成されている。
【００３５】
第１容器Ｂ１では、２つの処理空間の一方にて水蒸気生成用加熱通流部１４が構成され、他方の処理空間にて蒸発部１５が構成されており、第１容器Ｂ１は、水蒸気生成部３を構成する水蒸気生成部用の容器となっている。第２容器Ｂ２では、３つの処理空間のうち、容器Ｂの並び方向Ｘで左側の処理空間にて燃焼部４が構成されており、容器Ｂの並び方向Ｘで中央の処理空間にて水蒸気改質部５が構成されており、容器Ｂの並び方向Ｘで右側の処理空間にて保温用通流部１２が構成されている。これにより、第２容器Ｂ２は、燃焼部４を構成する燃焼部用の容器と水蒸気改質部５を構成する水蒸気改質部用の容器とを兼用している。
【００３６】
第３容器Ｂ３は、２つの処理空間の一方にて改質ガス通流部１３が構成され、他方の処理空間にて被改質ガス通流部１１が構成されており、第３容器Ｂ３は、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１を構成する被改質ガス予熱用熱交換器用の容器となっている。第４容器Ｂ４及び第５容器Ｂ５では、２つの処理空間の両方が脱硫処理部２として構成されており、第４容器Ｂ４及び第５容器Ｂ５は、脱硫処理部２を構成する脱硫処理部用の容器となっている。第６容器Ｂ６では、２つの処理空間の一方にて脱硫処理部２が構成され、他方の処理空間にて変成処理部６が構成されており、第６容器Ｂ６は、脱硫処理部用の容器と変成処理部用の容器とを兼用している。
【００３７】
第７容器Ｂ７では、２つの処理空間の一方にて変成処理後改質ガス通流部１６が構成され、他方の処理空間にて原料水通流部１７が構成されており、第７容器Ｂ７が原料水予熱用熱交換器Ｅ２を構成する原料水予熱用熱交換器用の容器となっている。このように、２つの処理空間の一方には水蒸気生成部３に供給する原料水（水）を通流させ、且つ、他方には予熱用流体として変成処理部６にて変成処理された改質ガスを通流させている。これにより、原料水予熱用熱交換器Ｅ２では、変成処理部６にて変成処理された改質ガスが有する熱を有効に活用して原料水の予熱を行うようにしている。そして、第７容器Ｂ７については、図２（ｂ）に示すように、千鳥の流路状に形成された処理空間にて変成処理後改質ガス通流部１６が構成されており、変成処理後の改質ガスが変成処理後改質ガス通流部１６を通流する距離を極力長くして、変成処理後の改質ガスにて原料水の予熱を十分に行えるようにしている。
【００３８】
第８容器Ｂ８では、２つの処理空間の両方が変成処理部６として構成されており、第８容器Ｂ８は、変成処理部６を構成する変成処理部用の容器となっている。第９容器Ｂ９では、２つの処理空間の一方にて選択酸化部７が構成されており、第９容器Ｂ９は、選択酸化部７を構成する選択酸化部用の容器となっている。
【００３９】
このようにして、本実施形態では、装置本体１を形成する容器Ｂとして、原燃料水予熱用熱交換器用の容器（水予熱部用の容器に相当する）である第７容器Ｂ７が備えられており、原料水予熱用熱交換器Ｅ２（水予熱部に相当する）を装置本体１に一体的に備えさせている。そして、原燃料水予熱用熱交換器用の容器（水予熱部用の容器に相当する）である第７容器Ｂ７は、容器Ｂの並び方向Ｘにおいて変成処理部用の容器である第６容器Ｂ６及び第８容器Ｂ８に隣接して配置されている。これにより、変成処理部用の容器にて原燃料水予熱用熱交換器用の容器を挟み込むように配置させており、第７容器Ｂ７を通流する原料水にて第６容器Ｂ６及び第８容器Ｂ８を冷却させて変成処理部６の冷却を行うことができるとともに、その変成処理部６の冷却を行うことで第７容器Ｂ７を通流する原料水の予熱を行うこともできる。
【００４０】
装置本体１には、容器Ｂの並び方向Ｘにおいて、水蒸気生成部３と燃焼部４との間、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１と脱硫処理部２との間、変成処理部６と原料水予熱用熱交換器Ｅ２との間、及び、変成処理部６と選択酸化部７との間の夫々には、燃焼部４及び水蒸気改質部５を除く複数の反応器、及び、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１を加熱する板状のヒーターＨが備えられている。そして、変成処理部６と原料水予熱用熱交換器Ｅ２との間に配置されているヒーターＨについては、原燃料水予熱用熱交換器用の容器（水予熱部用の容器に相当する）である第７容器Ｂ７と、その第７容器Ｂ７に隣接して位置する第６容器Ｂ６及び第８容器Ｂ８との間にヒーターＨが配置されている。このような配置とすることで、容器Ｂの並び方向Ｘで第７容器Ｂ７に隣接する第６容器Ｂ６及び第８容器Ｂ８の昇温を適切に行うことができ、起動時等における変成処理部６の昇温を適切に行うことができる。
【００４１】
本実施形態では、水素含有ガス生成装置の運転を制御する制御部Ｃが備えられている。制御部Ｃは、第１制御弁Ｓ１及び第２制御弁Ｓ２の開度を制御するとともに、原料水ポンプ４２及び燃焼用空気ブロア４３の作動状態を制御するように構成されている。そして、水素含有ガス生成装置の運転中には、制御部Ｃが、第１制御弁Ｓ１の開度を制御することで、原燃料ガスの供給量を調整するとともに、第２制御弁Ｓ２の開度及び燃焼用空気ブロア４３の回転速度を制御することで、パイプバーナ４１への燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給量を調整している。また、水素含有ガス生成装置を起動させる場合には、制御部ＣがヒーターＨを作動させることで、複数の反応器を昇温させることができるようになっている。
【００４２】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、原料水予熱用熱交換器用の容器である第７容器Ｂ７の一方の処理空間に、予熱用流体として、変成処理部６にて変成処理された改質ガスを通流させるようにしているが、この改質ガスに代えて、水蒸気生成部３から排出される燃焼排ガスを通流させて、その燃焼排ガスが有する熱を活用して原料水の予熱を行うこともできる。
【００４３】
（２）上記実施形態では、脱硫処理部２や選択酸化部７等の反応器についても装置本体１を形成する容器Ｂにて構成するようにしているが、例えば、装置本体１とは別に、脱硫処理部２や選択酸化部７を設けることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、流体を処理する処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて装置本体が形成され、その装置本体を形成する前記容器として、供給される水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部を構成する水蒸気生成部用の容器と、供給される炭化水素系の原燃料を前記水蒸気生成部にて生成した水蒸気により改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質部を構成する水蒸気改質部用の容器と、その水蒸気改質部にて生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部を構成する変成処理部用の容器とが備えられ、装置の小型化及びコストの低減を図ることができながら、変成処理部が過熱状態となるのを防止することも可能となる各種の水素含有ガス生成装置に適応可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 装置本体
３ 水蒸気生成部
４ 燃焼部
５ 水蒸気改質部
６ 変成処理部
Ｂ 容器
Ｂ１ 第１容器（水蒸気生成用の容器）
Ｂ２ 第２容器（水蒸気改質部用の容器）
Ｂ６ 第６容器（変成処理部用の容器）
Ｂ７ 第７容器（原料水予熱用熱交換器用の容器、水予熱部用の容器）
Ｂ８ 第８容器（変成処理部用の容器）
ｂ１ 容器形成用部材
ｂ２ 仕切り部材
Ｅ２ 原料水予熱用熱交換器（水予熱部用の容器）
Ｈ ヒーター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を処理する処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて装置本体が形成され、その装置本体を形成する前記容器として、供給される水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部を構成する水蒸気生成部用の容器と、供給される炭化水素系の原燃料を前記水蒸気生成部にて生成した水蒸気により改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質部を構成する水蒸気改質部用の容器と、その水蒸気改質部にて生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部を構成する変成処理部用の容器とが備えられている水素含有ガス生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような水素含有ガス生成装置は、水蒸気生成部にて水から水蒸気を生成し、その生成された水蒸気を用いて水蒸気改質部にて原燃料を改質処理して改質ガスを生成しており、その生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを変成処理部にて二酸化炭素ガスに変成処理している（例えば、特許文献１参照。）。そして、この特許文献１に記載の装置では、変成処理部から排出された改質ガス中に残存している一酸化炭素ガスを除去する選択酸化部も備えており、この選択酸化部にて一酸化炭素ガス含有量の少ない水素含有ガスを生成し、その生成された水素含有ガスを燃料電池の燃料等に用いている。
【０００３】
特許文献１に記載の装置では、装置本体が、処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて形成されており、装置本体を形成する容器によって水蒸気生成部と水蒸気改質部と変成処理部と選択酸化部の夫々が構成されている。この特許文献１に記載の装置では、水蒸気生成部と水蒸気改質部と変成処理部と選択酸化部に加えて、炭化水素系の原燃料を脱硫処理する脱硫処理部と、燃焼用燃料を燃焼用空気にて燃焼させて水蒸気改質部を加熱する燃焼部とが備えられており、装置本体を形成する容器として、脱硫処理部を構成する脱硫処理部用の容器と燃焼部を構成する燃焼部用の容器も備えられている。また、特許文献１に記載の装置では、変成処理部から選択酸化部に供給される変成処理後の改質ガスにて水蒸気生成部に供給する水を予熱する水予熱器が備えられており、この水予熱器は、装置本体とは別に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１９９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の装置では、水予熱器が装置本体とは別に設けられているので、装置本体とは別に設置スペースが必要となり、装置の大型化を招くことになる。そして、装置本体とは別に水予熱器を設けた場合には、水予熱器自体や配管等からの放熱量が多くなり、水蒸気生成部に供給する水を十分に予熱できなくなる可能性も生じる。この為に、保温を強化する等、水予熱器自体や配管等からの放熱を抑制するための構成が必要となり、コストアップを招くことになる。
【０００６】
また、上記特許文献１に記載の装置では、燃焼部から排出される燃焼排ガスを水蒸気生成部に供給してその燃焼排ガスが有する熱にて水を加熱して水蒸気を生成しており、水蒸気生成部を通過して低温となった燃焼排ガスを変成処理部に供給している。そして、変成処理部での変成処理は、発熱反応であるので、供給される低温の燃焼排ガスにより変成処理部を冷却するようにしている。しかしながら、変成処理部を冷却するための熱媒体がガスであるため、熱容量が小さく、夏季等には運転条件によっては、冷却不足となって変成処理部が過熱状態となってしまう可能性があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、装置の小型化及びコストの低減を図ることができながら、変成処理部が過熱状態となるのを防止することも可能となる水素含有ガス生成装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明に係る水素含有ガス生成装置の特徴構成は、流体を処理する処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて装置本体が形成され、その装置本体を形成する前記容器として、供給される水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部を構成する水蒸気生成部用の容器と、供給される炭化水素系の原燃料を前記水蒸気生成部にて生成した水蒸気により改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質部を構成する水蒸気改質部用の容器と、その水蒸気改質部にて生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部を構成する変成処理部用の容器とが備えられている水素含有ガス生成装置において、
前記装置本体を形成する前記容器として、予熱用流体にて前記水蒸気生成部に供給する水を予熱する水予熱部を構成する水予熱部用の容器が備えられ、その水予熱部用の容器は、前記容器の並び方向において前記変成処理部用の容器に隣接して配置されている点にある。
【０００９】
本特徴構成によれば、水予熱部が水予熱部用の容器にて構成されており、その水予熱部用の容器が、水蒸気生成部用の容器、水蒸気改質部用の容器、及び、変成処理部用の容器と同様に構成されている。そして、その水予熱部用の容器を含む、水蒸気生成部用の容器、水蒸気改質部用の容器、及び、変成処理部用の容器等の複数の容器を密接状態に並べることで装置本体が形成されている。これにより、装置本体とは別に水予熱部の設置スペースが不要となることに加え、水予熱部を装置本体に一体的に備えさせることができるので、装置全体として小型化を図ることができる。また、水予熱部を装置本体に一体的に備えさせることで、水予熱部からの放熱を抑えることができ、保温を強化する等の構成を追加しなくても、水蒸気生成部に供給する水を十分に予熱することができる。
しかも、装置本体における容器の並び方向において、水予熱部用の容器を変成処理部用の容器に隣接して配置するので、水予熱部を通流する水にて変成処理部用の容器を冷却させて変成処理部の冷却を行うことができるとともに、その変成処理部の冷却を行うことで水予熱部を通流する水については予熱されることになる。
以上のことから、装置の小型化及びコストの低減を図ることができながら、水予熱部での水の予熱を十分に行うことができ、変成処理部が過熱状態となるのを防止することも可能となる。
【００１０】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の更なる特徴構成は、前記装置本体には、前記容器の並び方向において、前記水予熱部用の容器とその水予熱部用の容器に隣接して位置する別の前記容器との間にヒーターが配置されている点にある。
【００１１】
水素含有ガス生成装置の起動時には、例えば、ヒーターにより装置本体を形成する複数の容器を加熱することで、水蒸気生成部や変成処理部等の反応器の昇温を行う。ここで、水予熱部では水を通流させることから、容器の並び方向で水予熱部用の容器に隣接する容器では昇温させ難くなることが考えられる。そこで、本特徴構成によれば、ヒーターを容器の並び方向において水予熱部用の容器とその水予熱部用の容器に隣接して位置する別の容器との間に配置している。このような配置とすることで、容器の並び方向で水予熱部用の容器に隣接する容器の昇温も適切に行うことができ、起動時における反応器の昇温を適切に行うことができる。
【００１２】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の更なる特徴構成は、前記水予熱部用の容器は、皿形状の一対の容器形成用部材を、それらの間に平板状の仕切り部材を位置させた状態で溶接接続し、２つの前記処理空間を備えるように構成され、２つの前記処理空間の一方には前記水蒸気生成部に供給する水を通流させ、且つ、他方には前記予熱用流体として、前記変成処理部にて変成処理された改質ガス、又は、燃焼用燃料を燃焼用空気にて燃焼させて前記水蒸気改質部を加熱する燃焼部から排出される燃焼排ガスを前記水蒸気生成部に供給してその水蒸気生成部から排出される燃焼排ガスを通流させている点にある。
【００１３】
本特徴構成によれば、皿形状の一対の容器形成用部材と平板状の仕切り部材とから２つの処理空間を備えた水予熱部を適切に構成することができる。そして、２つの処理空間の他方に、変成処理部にて変成処理された改質ガスを通流させることで、改質ガスが有する熱を活用して水蒸気生成部に供給する水の予熱を行うことができる。また、２つの処理空間の他方に燃焼排ガスを通流させる場合には、燃焼部から排出される燃焼排ガスを水蒸気生成部に供給してその燃焼排ガスが有する熱を活用して水蒸気を生成させるとともに、更に水蒸気生成部から排出される燃焼排ガスが有する熱を活用して水蒸気生成部に供給する水の予熱を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】水素含有ガス生成装置における装置本体の断面図
【図２】装置本体を形成する容器の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る水素含有ガス生成装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
この水素含有ガス生成装置の装置本体１は、図１に示すように、流体を処理する処理空間を形成する容器Ｂを密接状態に複数並べて形成されている。装置本体１は、水素ガスを主成分とする改質ガスを生成するための複数の反応器（脱硫処理部２、水蒸気生成部３、燃焼部４、水蒸気改質部５、変成処理部６、選択酸化部７）を備えており、それら複数の反応器の夫々が装置本体１を形成する容器Ｂにて構成されている。図１は、装置本体１の断面図を示している。
【００１６】
まず、脱硫処理部２から選択酸化部７に至るガスの流路について説明する。
図１に示すように、脱硫処理部２に原燃料ガス供給路２１を接続しており、原燃料ガス供給路２１を通して原燃料ガスを脱硫処理部２に供給している。原燃料ガス供給路２１には、第１制御弁Ｓ１が備えられており、その第１制御弁Ｓ１の開度を制御することで、脱硫処理部２への原燃料ガスの供給を断続自在であり且つその供給量も調整自在に構成されている。そして、脱硫処理部２、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１の被改質ガス通流部１１、水蒸気改質部５、保温用通流部１２、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１の改質ガス通流部１３、変成処理部６、原料水予熱用熱交換器Ｅ２の変成処理後改質ガス通流部１６の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路２２で接続している。原料水予熱用熱交換器Ｅ２の変成処理後改質ガス通流部１６に変成処理後改質ガス排出路２３を接続しており、変成処理後改質ガス通流部１６を通流した変成処理後の改質ガスを変成処理後改質ガス排出路２３にて装置本体１の外部に排出している。また、選択酸化部７に変成処理後改質ガス流入路２４を接続して、装置本体１の外部に排出された変成処理後の改質ガスを変成処理後改質ガス流入路２４にて選択酸化部７に供給している。
【００１７】
脱硫処理部２は、供給される都市ガス等の炭化水素系の原燃料ガス（炭化水素系の原燃料）を脱硫処理する。水蒸気生成部３は、燃焼部４から排出された燃焼排ガスを通流させる水蒸気生成用加熱通流部１４と、供給される原料水を水蒸気生成用加熱通流部１４による加熱にて蒸発させる蒸発部１５とを備えている。燃焼部４は、燃焼用燃料ガス（燃焼用燃料）を燃焼用空気にて燃焼させて燃焼熱を発生させる。燃焼用燃料ガスとしては、燃料電池Ｎから排出された排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）を用いることができ、必要に応じて原燃料ガスを追加することができる。水蒸気改質部５は、燃焼部４で発生された燃焼熱を利用して原燃料ガスを水蒸気にて改質処理して改質ガスを生成する。具体的には、水蒸気改質部５には、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。そして、水蒸気改質部５に被改質ガス（脱硫原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを水素と一酸化炭素と二酸化炭素とを含む改質ガスに改質する。原燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガスである場合、水蒸気改質部５では、燃焼部４によって例えば６５０℃〜７５０℃程度の加熱下でメタンと水蒸気とが下記の〔化１〕及び〔化２〕の反応式にて改質反応して、水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含むガスに改質処理される。
【００１８】
〔化１〕
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
〔化２〕
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ2
【００１９】
変成処理部６は、水蒸気改質部５にて生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するように処理する。具体的には、変成処理部６においては、改質処理ガス中の一酸化炭素と水蒸気とが、例えば２００℃〜３００℃程度の反応温度で下記の〔化３〕の反応式にて変成反応して、一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理される。
【００２０】
〔化３〕
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００２１】
選択酸化部７は、変成処理部６から排出される変成処理後の改質ガス中に残留している一酸化炭素を除去する。具体的には、選択酸化部７においては、ルテニウムや白金、パラジウム、ロジウム等の触媒作用によって、１００℃〜２００℃程度の反応温度で変成処理後の改質ガス中に残っている一酸化炭素が、添加された空気中の酸素によって酸化される。その結果、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）、水素リッチな燃料ガスが生成される。
【００２２】
生成された燃料ガスは、燃料ガス路２５を通じて燃料電池Ｎに供給される。本実施形態では、選択酸化部７から排出された選択酸化処理ガス（燃料電池Ｎに供給される燃料ガス）の温度は１００℃〜２００℃程度であり、例えば固体高分子型の燃料電池の動作温度は７０℃〜８０℃程度である。そこで、燃料ガス路２５には、選択酸化部７から排出された選択酸化処理ガスを、燃料電池Ｎの動作温度付近にまで冷却する燃料ガス冷却用熱交換器（図示せず）が設けられている。
【００２３】
また、燃料電池Ｎから排出される排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）は、排燃料ガス路２６及び原燃料ガス供給路２１から分岐された原燃料ガス分岐路２７を通じて一対のパイプバーナ４１に燃焼用燃料ガスとして供給される。
【００２４】
〔水蒸気生成部への原料水の供給経路〕
次に、水蒸気生成部３の蒸発部１５への原料水（水）の供給経路について説明する。
原料水予熱用熱交換器Ｅ２の原料水通流部１７に原料水供給路２８を接続して、原料水ポンプ４２により原料水を原料水供給路２８にて原料水予熱用熱交換器Ｅ２に供給する。原料水通流部１７と水蒸気生成部３の蒸発部１５とを原料水処理用流路２９にて接続しており、原料水予熱用熱交換器Ｅ２にて予熱された原料水を原料水処理用流路２９にて水蒸気生成部３の蒸発部１５に供給している。
【００２５】
〔燃焼部への燃料ガス及び燃焼用空気の供給経路〕
燃焼部４には、一対のパイプバーナ４１が備えられており、一方のパイプバーナ４１から燃焼用燃料ガスを噴出させ、他方のパイプバーナ４１から燃焼用燃料ガスに衝突させるように燃焼用空気を噴出させて、火炎を形成する状態で燃焼させている。
【００２６】
一方のパイプバーナ４１への燃料ガスの供給経路について説明する。
上述の如く、パイプバーナ４１に供給する燃焼用燃料ガスとしては、燃料電池Ｎから排出された排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）を用いることができ、必要に応じて原燃料ガスを追加することができる。原燃料ガス供給路２１から分岐された原燃料ガス分岐路２７をパイプバーナ４１に接続して、原燃料ガスを原燃料ガス供給路２１及び原燃料ガス分岐路２７にてパイプバーナ４１に供給している。原燃料ガス分岐路２７には、第２制御弁Ｓ２が備えられ、第２制御弁Ｓ２の開度を制御することで、パイプバーナ４１への原燃料ガスの供給を断続自在で且つその供給量も調整自在に構成されている。排燃料ガス路２６には、その途中部位に逆止弁Ｇが備えられており、原燃料ガス分岐路２７の途中部位に接続されている。これにより、燃料電池Ｎから排出された排燃料ガスを排燃料ガス路２６及び原燃料ガス分岐路２７にてパイプバーナ４１に供給している。
【００２７】
他方のパイプバーナ４１への燃焼用空気の供給経路について説明する。
図１において一点鎖線矢印にて示すように、燃焼用空気供給路３０をパイプバーナ４１に接続して、燃焼用空気を燃焼用空気ブロア４３から燃焼用空気供給路３０にてパイプバーナ４１に供給している。燃焼用空気ブロア４３を作動させるか否か及び燃焼用空気ブロア４３の回転速度を制御することで、パイプバーナ４１への燃焼用空気の供給を断続自在で且つその供給量を調整自在に構成されている。
【００２８】
〔装置本体を通流するガスの熱交換〕
次に、装置本体１を通流するガスの熱交換について説明する。
装置本体１には、水蒸気改質部５から排出された高温の改質ガスを通流させて、水蒸気改質部５を保温する保温用通流部１２と、高温の改質ガスにより水蒸気改質部５に供給される被改質ガスを加熱する被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１と、変成処理部６にて変成処理された改質ガスにより水蒸気生成部３に供給する原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器Ｅ２（水予熱部に相当する）とが備えられている。また、図示は省略するが、変成処理部６及び選択酸化部７を冷却する冷却用ファンも設けられている。
【００２９】
被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１では、保温用通流部１２から排出された改質ガスを通流させる改質ガス通流部１３と、水蒸気改質部５に供給する被改質ガスを通流させる被改質ガス通流部１１との間で熱交換が行われる。
原料水予熱用熱交換器Ｅ２では、変成処理部６にて変成処理された改質ガスを通流させる変成処理後改質ガス通流部１６と、原料水供給路２８にて供給される原料水を通流させる原料水通流部１７との間で熱交換が行われる。
【００３０】
〔水蒸気と原燃料ガスとの混合〕
原燃料ガス供給路２１から供給される原燃料ガスを脱硫処理部２で脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスと水蒸気路３１からの水蒸気とを混合する。具体的には、図１に示すように、蒸発部１５にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路３１を、脱硫処理部２と被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１の被改質ガス通流部１１とを接続するガス処理用流路２２に接続する。これにより、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気が混合される。
【００３１】
〔燃焼部から排出される燃焼排ガスの利用形態〕
図１において、破線矢印にて示すように、燃焼部４から排出された燃焼排ガスを、水蒸気生成部３の水蒸気生成用加熱通流部１４に供給して通流させた後、装置本体１の外部に排出するように、燃焼部４と水蒸気生成用加熱通流部１４とが燃焼排ガス路３２により接続されている。そして、水蒸気生成用加熱通流部１４においては、燃焼排ガスによって蒸発部１５を加熱している。
【００３２】
〔装置本体の構成〕
図１及び図２に示すように、装置本体１に備えられる複数の反応器（脱硫処理部２、水蒸気生成部３、燃焼部４、水蒸気改質部５、変成処理部６、選択酸化部７）は、上記改質ガスの生成処理工程で用いられる処理空間を内部に備えた平板型モジュールとしての容器Ｂを用いて構成されている。図２は、平板型モジュールとしての容器Ｂについての斜視図である。また、装置本体１には、上述の複数の反応器だけでなく、熱交換器（被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１、原料水予熱用熱交換器Ｅ２）も備えられており、これらの熱交換器も平板型モジュールとしての容器Ｂを用いて構成されている。
【００３３】
容器Ｂ（平板型モジュール）については、図２に示すように、基本的には、どの容器Ｂも同様に構成されており、皿形状の容器形成用部材ｂ１と板状の仕切り部材ｂ２とから構成されている。そして、容器Ｂは、一対の容器形成用部材ｂ１の間に仕切り部材ｂ２を位置させた状態で溶接接続して、２つの処理空間を備えるように構成されている。このような容器Ｂを並列に密着して複数並べることで装置本体１を形成している。複数の容器Ｂを並べるに当たっては、上述したような伝熱させる必要のあるもの同士は互いに密着させた状態で並べ、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間に伝熱量調節用の断熱材１８を介在させた状態で並べてある。
【００３４】
図１に示すように、本実施形態では、容器Ｂの並び方向Ｘにおいて左側から順に第１容器Ｂ１〜第９容器Ｂ９の９つの容器Ｂを密接状態で並べるように配置して装置本体１を形成している。第１容器Ｂ１、第３〜第６容器Ｂ３〜Ｂ６、第８容器Ｂ８、及び、第９容器Ｂ９については、図２（ａ）にて示した容器Ｂと同一の構成となっている。第２容器Ｂ２は、詳細な図示は省略するが、一対の容器形成用部材ｂ１の間に仕切り部材ｂ２を位置させた状態で溶接接続するとともに、一方の容器形成用部材ｂ１の外側に更に別の容器形成用部材ｂ１を溶接接続して、合計３つの処理空間を備えるように構成されている。第７容器Ｂ７は、図２（ｂ）に示すように、一対の容器形成用部材ｂ１の間に仕切り部材ｂ２を位置させた状態で溶接接続して、２つの処理空間を備える構成となっているが、一方の処理空間は、容器Ｂの横幅方向の一方側から他方側に向けて流体を通流させ、容器Ｂの横幅方向の他端部にてその通流方向を反転させて、容器Ｂの横幅方向の他方側から一方側に向けて流体を通流させる千鳥の流路状に形成されている。
【００３５】
第１容器Ｂ１では、２つの処理空間の一方にて水蒸気生成用加熱通流部１４が構成され、他方の処理空間にて蒸発部１５が構成されており、第１容器Ｂ１は、水蒸気生成部３を構成する水蒸気生成部用の容器となっている。第２容器Ｂ２では、３つの処理空間のうち、容器Ｂの並び方向Ｘで左側の処理空間にて燃焼部４が構成されており、容器Ｂの並び方向Ｘで中央の処理空間にて水蒸気改質部５が構成されており、容器Ｂの並び方向Ｘで右側の処理空間にて保温用通流部１２が構成されている。これにより、第２容器Ｂ２は、燃焼部４を構成する燃焼部用の容器と水蒸気改質部５を構成する水蒸気改質部用の容器とを兼用している。
【００３６】
第３容器Ｂ３は、２つの処理空間の一方にて改質ガス通流部１３が構成され、他方の処理空間にて被改質ガス通流部１１が構成されており、第３容器Ｂ３は、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１を構成する被改質ガス予熱用熱交換器用の容器となっている。第４容器Ｂ４及び第５容器Ｂ５では、２つの処理空間の両方が脱硫処理部２として構成されており、第４容器Ｂ４及び第５容器Ｂ５は、脱硫処理部２を構成する脱硫処理部用の容器となっている。第６容器Ｂ６では、２つの処理空間の一方にて脱硫処理部２が構成され、他方の処理空間にて変成処理部６が構成されており、第６容器Ｂ６は、脱硫処理部用の容器と変成処理部用の容器とを兼用している。
【００３７】
第７容器Ｂ７では、２つの処理空間の一方にて変成処理後改質ガス通流部１６が構成され、他方の処理空間にて原料水通流部１７が構成されており、第７容器Ｂ７が原料水予熱用熱交換器Ｅ２を構成する原料水予熱用熱交換器用の容器となっている。このように、２つの処理空間の一方には水蒸気生成部３に供給する原料水（水）を通流させ、且つ、他方には予熱用流体として変成処理部６にて変成処理された改質ガスを通流させている。これにより、原料水予熱用熱交換器Ｅ２では、変成処理部６にて変成処理された改質ガスが有する熱を有効に活用して原料水の予熱を行うようにしている。そして、第７容器Ｂ７については、図２（ｂ）に示すように、千鳥の流路状に形成された処理空間にて変成処理後改質ガス通流部１６が構成されており、変成処理後の改質ガスが変成処理後改質ガス通流部１６を通流する距離を極力長くして、変成処理後の改質ガスにて原料水の予熱を十分に行えるようにしている。
【００３８】
第８容器Ｂ８では、２つの処理空間の両方が変成処理部６として構成されており、第８容器Ｂ８は、変成処理部６を構成する変成処理部用の容器となっている。第９容器Ｂ９では、２つの処理空間の一方にて選択酸化部７が構成されており、第９容器Ｂ９は、選択酸化部７を構成する選択酸化部用の容器となっている。
【００３９】
このようにして、本実施形態では、装置本体１を形成する容器Ｂとして、原燃料水予熱用熱交換器用の容器（水予熱部用の容器に相当する）である第７容器Ｂ７が備えられており、原料水予熱用熱交換器Ｅ２（水予熱部に相当する）を装置本体１に一体的に備えさせている。そして、原燃料水予熱用熱交換器用の容器（水予熱部用の容器に相当する）である第７容器Ｂ７は、容器Ｂの並び方向Ｘにおいて変成処理部用の容器である第６容器Ｂ６及び第８容器Ｂ８に隣接して配置されている。これにより、変成処理部用の容器にて原燃料水予熱用熱交換器用の容器を挟み込むように配置させており、第７容器Ｂ７を通流する原料水にて第６容器Ｂ６及び第８容器Ｂ８を冷却させて変成処理部６の冷却を行うことができるとともに、その変成処理部６の冷却を行うことで第７容器Ｂ７を通流する原料水の予熱を行うこともできる。
【００４０】
装置本体１には、容器Ｂの並び方向Ｘにおいて、水蒸気生成部３と燃焼部４との間、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１と脱硫処理部２との間、変成処理部６と原料水予熱用熱交換器Ｅ２との間、及び、変成処理部６と選択酸化部７との間の夫々には、燃焼部４及び水蒸気改質部５を除く複数の反応器、及び、被改質ガス予熱用熱交換器Ｅ１を加熱する板状のヒーターＨが備えられている。そして、変成処理部６と原料水予熱用熱交換器Ｅ２との間に配置されているヒーターＨについては、原燃料水予熱用熱交換器用の容器（水予熱部用の容器に相当する）である第７容器Ｂ７と、その第７容器Ｂ７に隣接して位置する第６容器Ｂ６及び第８容器Ｂ８との間にヒーターＨが配置されている。このような配置とすることで、容器Ｂの並び方向Ｘで第７容器Ｂ７に隣接する第６容器Ｂ６及び第８容器Ｂ８の昇温を適切に行うことができ、起動時等における変成処理部６の昇温を適切に行うことができる。
【００４１】
本実施形態では、水素含有ガス生成装置の運転を制御する制御部Ｃが備えられている。制御部Ｃは、第１制御弁Ｓ１及び第２制御弁Ｓ２の開度を制御するとともに、原料水ポンプ４２及び燃焼用空気ブロア４３の作動状態を制御するように構成されている。そして、水素含有ガス生成装置の運転中には、制御部Ｃが、第１制御弁Ｓ１の開度を制御することで、原燃料ガスの供給量を調整するとともに、第２制御弁Ｓ２の開度及び燃焼用空気ブロア４３の回転速度を制御することで、パイプバーナ４１への燃焼用燃料及び燃焼用空気の供給量を調整している。また、水素含有ガス生成装置を起動させる場合には、制御部ＣがヒーターＨを作動させることで、複数の反応器を昇温させることができるようになっている。
【００４２】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、原料水予熱用熱交換器用の容器である第７容器Ｂ７の一方の処理空間に、予熱用流体として、変成処理部６にて変成処理された改質ガスを通流させるようにしているが、この改質ガスに代えて、水蒸気生成部３から排出される燃焼排ガスを通流させて、その燃焼排ガスが有する熱を活用して原料水の予熱を行うこともできる。
【００４３】
（２）上記実施形態では、脱硫処理部２や選択酸化部７等の反応器についても装置本体１を形成する容器Ｂにて構成するようにしているが、例えば、装置本体１とは別に、脱硫処理部２や選択酸化部７を設けることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、流体を処理する処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて装置本体が形成され、その装置本体を形成する前記容器として、供給される水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部を構成する水蒸気生成部用の容器と、供給される炭化水素系の原燃料を前記水蒸気生成部にて生成した水蒸気により改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質部を構成する水蒸気改質部用の容器と、その水蒸気改質部にて生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部を構成する変成処理部用の容器とが備えられ、装置の小型化及びコストの低減を図ることができながら、変成処理部が過熱状態となるのを防止することも可能となる各種の水素含有ガス生成装置に適応可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 装置本体
３ 水蒸気生成部
４ 燃焼部
５ 水蒸気改質部
６ 変成処理部
Ｂ 容器
Ｂ１ 第１容器（水蒸気生成用の容器）
Ｂ２ 第２容器（水蒸気改質部用の容器）
Ｂ６ 第６容器（変成処理部用の容器）
Ｂ７ 第７容器（原料水予熱用熱交換器用の容器、水予熱部用の容器）
Ｂ８ 第８容器（変成処理部用の容器）
ｂ１ 容器形成用部材
ｂ２ 仕切り部材
Ｅ２ 原料水予熱用熱交換器（水予熱部用の容器）
Ｈ ヒーター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を処理する処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて装置本体が形成され、その装置本体を形成する前記容器として、供給される水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部を構成する水蒸気生成部用の容器と、供給される炭化水素系の原燃料を前記水蒸気生成部にて生成した水蒸気により改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質部を構成する水蒸気改質部用の容器と、その水蒸気改質部にて生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部を構成する変成処理部用の容器とが備えられている水素含有ガス生成装置であって、
前記装置本体を形成する前記容器として、予熱用流体にて前記水蒸気生成部に供給する水を予熱する水予熱部を構成する水予熱部用の容器が備えられ、その水予熱部用の容器は、前記容器の並び方向において前記変成処理部用の容器に隣接して配置されている水素含有ガス生成装置。
【請求項２】
前記装置本体には、前記容器の並び方向において、前記水予熱部用の容器とその水予熱部用の容器に隣接して位置する別の前記容器との間にヒーターが配置されている請求項１に記載の水素含有ガス生成装置。
【請求項３】
前記水予熱部用の容器は、皿形状の一対の容器形成用部材を、それらの間に平板状の仕切り部材を位置させた状態で溶接接続し、２つの前記処理空間を備えるように構成され、２つの前記処理空間の一方には前記水蒸気生成部に供給する水を通流させ、且つ、他方には前記予熱用流体として、前記変成処理部にて変成処理された改質ガス、又は、燃焼用燃料を燃焼用空気にて燃焼させて前記水蒸気改質部を加熱する燃焼部から排出される燃焼排ガスを前記水蒸気生成部に供給してその水蒸気生成部から排出される燃焼排ガスを通流させている請求項１又は２に記載の水素含有ガス生成装置。
【請求項１】
流体を処理する処理空間を形成する容器を密接状態に複数並べて装置本体が形成され、その装置本体を形成する前記容器として、供給される水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部を構成する水蒸気生成部用の容器と、供給される炭化水素系の原燃料を前記水蒸気生成部にて生成した水蒸気により改質処理して水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質部を構成する水蒸気改質部用の容器と、その水蒸気改質部にて生成された改質ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部を構成する変成処理部用の容器とが備えられている水素含有ガス生成装置であって、
前記装置本体を形成する前記容器として、予熱用流体にて前記水蒸気生成部に供給する水を予熱する水予熱部を構成する水予熱部用の容器が備えられ、その水予熱部用の容器は、前記容器の並び方向において前記変成処理部用の容器に隣接して配置されている水素含有ガス生成装置。
【請求項２】
前記装置本体には、前記容器の並び方向において、前記水予熱部用の容器とその水予熱部用の容器に隣接して位置する別の前記容器との間にヒーターが配置されている請求項１に記載の水素含有ガス生成装置。
【請求項３】
前記水予熱部用の容器は、皿形状の一対の容器形成用部材を、それらの間に平板状の仕切り部材を位置させた状態で溶接接続し、２つの前記処理空間を備えるように構成され、２つの前記処理空間の一方には前記水蒸気生成部に供給する水を通流させ、且つ、他方には前記予熱用流体として、前記変成処理部にて変成処理された改質ガス、又は、燃焼用燃料を燃焼用空気にて燃焼させて前記水蒸気改質部を加熱する燃焼部から排出される燃焼排ガスを前記水蒸気生成部に供給してその水蒸気生成部から排出される燃焼排ガスを通流させている請求項１又は２に記載の水素含有ガス生成装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２０６９０４（Ｐ２０１２−２０６９０４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４５４５（Ｐ２０１１−７４５４５）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]