水素生成装置およびこれを用いた燃料電池システム
【課題】燃料電池システムの水素生成装置において、改質触媒が強度低下による割れや粉化することがある。前記改質触媒成分が改質器出口より低温度域にあると改質逆反応を起こし、転化率低下を引き起こすという課題があった。
【解決手段】改質触媒体１ａを備え、改質触媒体１ａを通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と、改質触媒体１ａの下方に設けられ、改質触媒体１ａを通過した水素含有ガスが衝突するとともに、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体を、水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路４外に排出するための排出口３ｂ及び排出口３ｂに導くガイド部３ａが設けられた端板３とを備え、ガス流路４は、水素含有ガスが、端板に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して改質器１の側方を流れるよう構成されている。
【解決手段】改質触媒体１ａを備え、改質触媒体１ａを通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と、改質触媒体１ａの下方に設けられ、改質触媒体１ａを通過した水素含有ガスが衝突するとともに、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体を、水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路４外に排出するための排出口３ｂ及び排出口３ｂに導くガイド部３ａが設けられた端板３とを備え、ガス流路４は、水素含有ガスが、端板に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して改質器１の側方を流れるよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素含有ガスを生成する水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、水素ガスの供給は一般的なインフラとして整備されていない。このため、大量に水素を必要とする機器、例えば分散型発電装置として開発され商品化が進められている燃料電池システムを動かす場合、機器設置場所で個別に、水素生成装置を併設する構成がとられることが多い。
水素生成装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素原料と改質反応させることによって、水素、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気を含む水素含有ガスを生成する改質器を備えて構成されている。
改質器には改質触媒を備え、所定の転化率になるよう適切な温度（例えば、６５０℃）に維持されている。また、改質触媒は、ガスの流通する孔を有する触媒支持板上に改質触媒粒子が充填されている。また、上記改質触媒粒子は、長時間の使用により劣化し、粉化することが知られている(例えば、特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６１８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のような水素生成装置では、運転時間の経過とともに改質反応の転化率が低下するという課題があり、従来は、この課題について検討されていない。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、従来に比べ、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下が抑制される水素生成装置及びこれを備える燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、鋭意検討した結果、以下の点に気づいた。
【０００６】
特許文献１の図５に記載のような水素生成装置では、運転時間の経過に伴い改質触媒粒子の粉化が進行し、触媒支持板の孔より排出された改質触媒の粉体が、底部に蓄積する。この底部に蓄積した改質触媒は、触媒支持板上に設けられた高温の改質触媒から離れた位置に存在するため、低温化する。この低温化した改質触媒の蓄積体に水素含有ガスが接触すると、下式に示す改質逆反応を起こし、転化率低下を引き起こす。
ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ（式１）
ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ（式２）
そこで、上記従来の課題を解決するため本発明の水素生成装置は、改質触媒体を備え、前記改質触媒体を通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質触媒体の下方に設けられ、該改質触媒体を通過した水素含有ガスが衝突するとともに、前記改質触媒体より脱離した改質触媒の粉体を、前記水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路外に排出するための排出口及び前記排出口に導くガイド部が設けられた端板とを備え、前記ガス流路は、前記水素含有ガスが、前記端板に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して前記改質器の側方を流れるよう構成されている。
また、本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、従来に比べ、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１の水素生成装置の概略構成の一例を示す図である。
【図２】実施の形態１及び実施例１−３の水素生成装置の端板の概略構成の一例を示す図である。
【図３】実施の形態２の水素生成装置の概略構成を示す図である。
【図４】比較例の水素生成装置の概略構成を示す図である。
【図５】実施の形態３の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施の形態１）
実施の形態１の水素生成装置は、改質触媒体を備え、改質触媒体を通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、改質触媒体の下方に設けられ、改質触媒体を通過した水素含有ガスが衝突するとともに、改質触媒体より脱離した改質触媒の粉体を、水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路外に排出するための排出口及び排出口に導くガイド部が設けられた端板とを備え、ガス流路は、水素含有ガスが、端板に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して改質器の側方を流れるよう構成されている。
【００１０】
かかる構成により、触媒支持板の排気口より排出された改質触媒の粉体が、排出口よりガス流路外に排出されるため、従来の水素生成装置よりも、触媒支持体の排気口より排出された水素含有ガスの低温化した改質触媒の粉体への接触が抑制される。従って、従来に比べ、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下が抑制される。
【００１１】
次に、本実施の形態の水素生成装置の一例について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態の水素生成装置の概略構成の一例を示す図である。
【００１３】
水素生成装置１００は、改質触媒体１ａを備える改質器１と、触媒支持体２と、ガイド部３ａ及び排出口３ｂを備える端板３と、ガス流路４と、受け部５とを備える。
【００１４】
改質器１は、改質触媒体１ａを有し、改質触媒体１ａにおいて原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する。料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含み、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。改質反応は、いずれの改質反応でもよく、具体的には、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応が例示される。本例では、水蒸気改質反応が用いられている。改質器１で生成された水素含有ガスは、水素供給路を介して水素利用機器へと供給される。水素利用機器としては、水素容器、燃料電池等が例示される。
【００１５】
なお、本実施の形態の水素生成装置１００は、改質器１の下流に反応器を設けない形態であるが、改質器１の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設ける形態であっても構わない。なお、ＣＯ低減器は、シフト反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器と、メタン化反応及び酸化反応の少なくともいずれか一方により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。
【００１６】
改質触媒体１ａは、通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成するための触媒である。改質触媒に含まれる活性元素は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、ＰｄおよびＮｉなどの金属元素が例示される。改質触媒の基材は、ハニカム形状、連通孔を有する発泡体形状の基材、及びペレット形状のいずれであってもよい。
【００１７】
触媒支持体２は、改質触媒体１ａを支持するとともに、水素含有ガスの排気口２ａを備える。
なお、本実施の形態では、改質触媒の基材がペレット形状またはコージェライトハニカムであり、改質触媒体１ａを支持する触媒支持体２が設けられているが、改質触媒の基材がメタルハニカムであれば、水素生成装置の構造体に溶接保持され、触媒支持体２を設けなくてもよい。
【００１８】
端板３は、改質触媒体１ａを通過した水素含有ガスが衝突するとともに、排出口３ｂ及びガイド部３ａを備える。
【００１９】
ガイド部３ａは、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体を排出口３ｂに導くよう構成されている。例えば、ガイド部３ａは、端板に設けられた下り勾配の傾斜部で構成される。これにより、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体は、排気口２ａを通じて排出され、端板３に落下した後、排出口３ｂへの移動が促進される。従って、水素含有ガスの低温化した改質触媒の粉体への接触が低減され、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下がより抑制される。また、傾斜部の勾配は、５°以上が好ましい。これにより、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体の排出口への移動がより促進される。
【００２０】
なお、ガイド部３ａは、排出口３ｂに改質触媒の粉体を導くよう構成されていればよく、上記傾斜部に限定されるものではない。また、傾斜部の勾配も５℃未満であっても構わない。
【００２１】
排出口３ｂは、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体を、水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路４外に排出する。
【００２２】
ガス流路４は、改質触媒体１ａを通過した水素含有ガスが端板３に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して改質器１の側方を流れるよう構成されている。
【００２３】
受け部５は、排出口３ｂから排出された改質触媒の粉体を受けるよう構成されている。受け部５は、水素生成装置１００外部に水素含有ガスが流出しないよう気密に構成されている。
【００２４】
受け部５は、その容積が改質触媒体の体積の５０％以下である。これにより、受け部５を設けることによる、放熱を抑制しながら、粉化した改質触媒を収納することができる。なお、受け部５は、改質触媒体積の５０％より大きくてもよい。
【００２５】
次に、水素生成装置１００の端板３の概略構成の一例について説明する。
【００２６】
図２は、水素生成装置１００の端板３の概略構成の一例を示す図である。
【００２７】
図２（ａ）に示すように排出口３ｂは、単一であってもよいし、図２（ｂ）に示すように複数であってもよいし、または、図２（ｃ）に示すように網目状であってもよい。
【００２８】
なお、図２（ａ）−（ｃ）のいずれも、排出口３ｂの面積は、端板３の面積の４０％以下である。これにより、排出口３ｂを介して受け部５へ流入する水素含有ガス量が抑制され、改質反応の逆反応が進行する水素含有ガス量を低減する。
【００２９】
排出口３ｂは、端板３の面積に対する排出口の面積の比率が同じである場合、複数の方が、単一よりも、圧力損失が増加するため、排出口３ｂを介して受け部５へ水素含有ガスの流入量が低減される。従って、改質反応の逆反応が進行する水素含有ガスの量が低減する。また、排出口３ｂは、形状が網状であれば、より排出口３ｂの圧力損失が増加するため、受け部５への水素含有ガスの流入量が低減される。
【００３０】
なお、上述の排出口３ｂの面積及び形状は例示であって、上記に限定されるものではない。例えば、排出口３ｂの面積比率は、４０％よりも大きくても構わない。
（実施の形態２）
実施の形態２の水素生成装置１００について詳細に説明する。
【００３１】
図２は、本実施の形態の水素生成装置１００の概略構成を示す図である。
【００３２】
図２に示すように、本実施の形態の水素生成装置１００は、燃焼器６、燃焼排ガス流路７、変成器８、変成触媒体８ａ、ＣＯ除去器９、ＣＯ除去触媒体９ａ、及び空気供給路１０を備える。なお、上記以外の図１と同一の符号を付した構成については、実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。
【００３３】
燃焼器６は、改質器１を加熱するための機器である。燃焼器６の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、改質器１より排出される水素含有ガスが用いられる。
【００３４】
燃焼排ガス流路７は、燃焼器６によって生成された燃焼排ガスが流れる。燃焼排ガス流路７を流れる燃焼排ガスにより改質触媒体１ａは加熱される。
【００３５】
変成器８は、シフト反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する。
【００３６】
変成触媒体８ａは、シフト反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための触媒である。変成触媒に含まれる活性元素は、Ｃｕ、Ｚｎ、及びＰｔなどの金属元素が例示できる。
【００３７】
ＣＯ除去器９は、少なくとも酸化反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する。ＣＯ除去触媒に含まれる活性元素は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、ＰｄおよびＮｉなどの金属元素が例示される。
空気供給路１０は、上記酸化反応のための空気が供給される流路である。
【００３８】
ここで、本実施の形態の水素生成装置１００において、図２（ａ）−（ｃ）に示す形状の端板３を備えた各実施例について水素生成運転を実施した結果について説明する。
［実施例１］
実施例１の水素生成装置は、図２（ａ）に示す形状の端板３を備えている。つまり、単一の排出口３ｂを備える端板３を備える。排出口３ｂは、端板３と同心円状の円形であり、端板３の直径の２０％とした。また、端板３には、傾斜部を設けており、傾斜部の最低傾斜は５°とした。改質器１に改質触媒４００ｃｃを充填した。受け部５の容積は、２００ｃｃとし、ここに、１００ｃｃの改質触媒粉体を配設した。
上記水素生成装置において、スチームカーボン比（以下、Ｓ／Ｃ）＝２．８、改質器１の制御温度６２０℃で都市ガス１３Ａの水蒸気改質反応を行った。
この場合、受け部５の温度は、５６０℃であり、改質反応におけるメタン転化率は８２．０％を示し、改質器１の制御温度から算出される平衡転化率８２．４％とほぼ一致した。
［実施例２］
本実施例２の水素生成装置は、図２（ｂ）に示す形状の端板３を備えている。つまり、４つの排出口３ｂを備える端板３を備えている。排出口３ｂは円形であり、その直径は端板３の直径の１０％とし、端板３と同心円の円周上に配設した。また、端板３には、傾斜部を設けており、傾斜部の最低傾斜は５°とした。改質器１に改質触媒４００ｃｃを充填した。受け部５の容積は、２００ｃｃとし、ここに、１００ｃｃの改質触媒粉体を配設した。
上記水素生成装置において、Ｓ／Ｃ＝２．８、改質器１の制御温度６２０℃で都市ガス１３Ａの水蒸気改質反応を行った。
この場合、受け部５の温度は、５６０℃であり、改質反応におけるメタン転化率は８２．３％を示し、改質器１の制御温度から算出される平衡転化率８２．４％とほぼ一致した。
［実施例３］
本実施例３の水素生成装置は、図２（ｃ）に示す形状の端板３を備えている。つまり、網状の排出口を備える端板３を備えている。排出口３ｂは円形であり、その直径は端板３の直径の２０％とし、排出口３ｂは、目が□１ｍｍの網にて形成した。また、端板３には、傾斜部を設けており、傾斜部の最低傾斜は５°とした。改質器１に改質触媒４００ｃｃを充填した。受け部５の容積は、２００ｃｃとし、ここに、１００ｃｃの改質触媒粉体を配設した。
上記水素生成装置において、Ｓ／Ｃ＝２．８、改質器１の制御温度６２０℃で、都市ガス１３Ａの水蒸気改質反応を行った。
この場合、受け部５の温度は、５６０℃であり、改質反応におけるメタン転化率は８２．２％を示し、改質器１の制御温度から算出される平衡転化率８２．４％とほぼ一致した。
［比較例］
図５は、比較例の水素生成装置の概略構成の一例を示す図である。
図５に示すように、比較例の水素生成装置は、端板３に傾斜部及び排出口３ｂを設けない。それ以外の図４と同じ符号を付された構成については、実施の形態２と同様であるのでその説明を省略する。
本比較例の水素生成装置は、改質器１に改質触媒４００ｃｃを充填し、端板３で形成される底部に１００ｃｃの改質触媒粉体を配設した。
この水素生成装置において、Ｓ／Ｃ＝２．８、改質器１の制御温度６２０℃で、都市ガス１３Ａの水蒸気改質反応を行った。
この場合、端板３の温度は、５８０℃であり、改質反応におけるメタン転化率は７２．３％示し、改質器１の制御温度から算出される平衡転化率８２．４％より大きく低下した。
上記実施例１−３及び比較例の結果より、端板３にガイド部３ａ及び排出口３ｂを設けた水素生成装置の方が、転化率の低下が抑制されることが明らかである。
これは、実施例１−３の水素生成装置１００では、改質器１を通過した水素含有ガスが受け部５に配設された改質触媒の粉体にほぼ接触することなく、ガス流路４に流入する流入するためであると推定される。
一方、比較例の水素生成装置では、改質器１を通過し、ガス流路４に流入する前の水素含有ガスの一部が底部に配設された改質触媒の粉体と接触し、改質反応の逆反応が進行していると推定される。
（実施の形態３）
実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態１、実施の形態２及び実施例１−３のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
【００３９】
図５は、実施の形態３の燃料電池システム２００の概略構成の一例を示す図である。
【００４０】
図５に示す例では、本実施の形態の燃料電池システム２００は、水素生成装置１００と、燃料電池１１とを備える。
【００４１】
燃料電池１１は、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池である。燃料電池１１は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池等を用いることができる。
【００４２】
発電運転時において、燃料電池システム２００は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する。
【００４３】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、従来に比べ、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下が抑制され、水素生成装置及び燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 改質器
１ａ 改質触媒体
２ 触媒支持体
２ａ 排気口
３ 端板
３ａ ガイド部
３ｂ 排出口
４ ガス流路
５ 受け部
６ 燃焼器
７ 燃焼排ガス流路
８ 変成器
８ａ 変成触媒体
９ ＣＯ除去器
９ａ ＣＯ除去触媒体
１０ 空気供給路
１１ 燃料電池
１００ 水素生成装置
２００ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素含有ガスを生成する水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、水素ガスの供給は一般的なインフラとして整備されていない。このため、大量に水素を必要とする機器、例えば分散型発電装置として開発され商品化が進められている燃料電池システムを動かす場合、機器設置場所で個別に、水素生成装置を併設する構成がとられることが多い。
水素生成装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素原料と改質反応させることによって、水素、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気を含む水素含有ガスを生成する改質器を備えて構成されている。
改質器には改質触媒を備え、所定の転化率になるよう適切な温度（例えば、６５０℃）に維持されている。また、改質触媒は、ガスの流通する孔を有する触媒支持板上に改質触媒粒子が充填されている。また、上記改質触媒粒子は、長時間の使用により劣化し、粉化することが知られている(例えば、特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６１８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のような水素生成装置では、運転時間の経過とともに改質反応の転化率が低下するという課題があり、従来は、この課題について検討されていない。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、従来に比べ、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下が抑制される水素生成装置及びこれを備える燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、鋭意検討した結果、以下の点に気づいた。
【０００６】
特許文献１の図５に記載のような水素生成装置では、運転時間の経過に伴い改質触媒粒子の粉化が進行し、触媒支持板の孔より排出された改質触媒の粉体が、底部に蓄積する。この底部に蓄積した改質触媒は、触媒支持板上に設けられた高温の改質触媒から離れた位置に存在するため、低温化する。この低温化した改質触媒の蓄積体に水素含有ガスが接触すると、下式に示す改質逆反応を起こし、転化率低下を引き起こす。
ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ（式１）
ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ（式２）
そこで、上記従来の課題を解決するため本発明の水素生成装置は、改質触媒体を備え、前記改質触媒体を通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質触媒体の下方に設けられ、該改質触媒体を通過した水素含有ガスが衝突するとともに、前記改質触媒体より脱離した改質触媒の粉体を、前記水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路外に排出するための排出口及び前記排出口に導くガイド部が設けられた端板とを備え、前記ガス流路は、前記水素含有ガスが、前記端板に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して前記改質器の側方を流れるよう構成されている。
また、本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、従来に比べ、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１の水素生成装置の概略構成の一例を示す図である。
【図２】実施の形態１及び実施例１−３の水素生成装置の端板の概略構成の一例を示す図である。
【図３】実施の形態２の水素生成装置の概略構成を示す図である。
【図４】比較例の水素生成装置の概略構成を示す図である。
【図５】実施の形態３の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施の形態１）
実施の形態１の水素生成装置は、改質触媒体を備え、改質触媒体を通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、改質触媒体の下方に設けられ、改質触媒体を通過した水素含有ガスが衝突するとともに、改質触媒体より脱離した改質触媒の粉体を、水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路外に排出するための排出口及び排出口に導くガイド部が設けられた端板とを備え、ガス流路は、水素含有ガスが、端板に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して改質器の側方を流れるよう構成されている。
【００１０】
かかる構成により、触媒支持板の排気口より排出された改質触媒の粉体が、排出口よりガス流路外に排出されるため、従来の水素生成装置よりも、触媒支持体の排気口より排出された水素含有ガスの低温化した改質触媒の粉体への接触が抑制される。従って、従来に比べ、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下が抑制される。
【００１１】
次に、本実施の形態の水素生成装置の一例について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態の水素生成装置の概略構成の一例を示す図である。
【００１３】
水素生成装置１００は、改質触媒体１ａを備える改質器１と、触媒支持体２と、ガイド部３ａ及び排出口３ｂを備える端板３と、ガス流路４と、受け部５とを備える。
【００１４】
改質器１は、改質触媒体１ａを有し、改質触媒体１ａにおいて原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する。料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含み、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。改質反応は、いずれの改質反応でもよく、具体的には、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応が例示される。本例では、水蒸気改質反応が用いられている。改質器１で生成された水素含有ガスは、水素供給路を介して水素利用機器へと供給される。水素利用機器としては、水素容器、燃料電池等が例示される。
【００１５】
なお、本実施の形態の水素生成装置１００は、改質器１の下流に反応器を設けない形態であるが、改質器１の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設ける形態であっても構わない。なお、ＣＯ低減器は、シフト反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成器と、メタン化反応及び酸化反応の少なくともいずれか一方により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。
【００１６】
改質触媒体１ａは、通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成するための触媒である。改質触媒に含まれる活性元素は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、ＰｄおよびＮｉなどの金属元素が例示される。改質触媒の基材は、ハニカム形状、連通孔を有する発泡体形状の基材、及びペレット形状のいずれであってもよい。
【００１７】
触媒支持体２は、改質触媒体１ａを支持するとともに、水素含有ガスの排気口２ａを備える。
なお、本実施の形態では、改質触媒の基材がペレット形状またはコージェライトハニカムであり、改質触媒体１ａを支持する触媒支持体２が設けられているが、改質触媒の基材がメタルハニカムであれば、水素生成装置の構造体に溶接保持され、触媒支持体２を設けなくてもよい。
【００１８】
端板３は、改質触媒体１ａを通過した水素含有ガスが衝突するとともに、排出口３ｂ及びガイド部３ａを備える。
【００１９】
ガイド部３ａは、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体を排出口３ｂに導くよう構成されている。例えば、ガイド部３ａは、端板に設けられた下り勾配の傾斜部で構成される。これにより、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体は、排気口２ａを通じて排出され、端板３に落下した後、排出口３ｂへの移動が促進される。従って、水素含有ガスの低温化した改質触媒の粉体への接触が低減され、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下がより抑制される。また、傾斜部の勾配は、５°以上が好ましい。これにより、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体の排出口への移動がより促進される。
【００２０】
なお、ガイド部３ａは、排出口３ｂに改質触媒の粉体を導くよう構成されていればよく、上記傾斜部に限定されるものではない。また、傾斜部の勾配も５℃未満であっても構わない。
【００２１】
排出口３ｂは、改質触媒体１ａより脱離した改質触媒の粉体を、水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路４外に排出する。
【００２２】
ガス流路４は、改質触媒体１ａを通過した水素含有ガスが端板３に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して改質器１の側方を流れるよう構成されている。
【００２３】
受け部５は、排出口３ｂから排出された改質触媒の粉体を受けるよう構成されている。受け部５は、水素生成装置１００外部に水素含有ガスが流出しないよう気密に構成されている。
【００２４】
受け部５は、その容積が改質触媒体の体積の５０％以下である。これにより、受け部５を設けることによる、放熱を抑制しながら、粉化した改質触媒を収納することができる。なお、受け部５は、改質触媒体積の５０％より大きくてもよい。
【００２５】
次に、水素生成装置１００の端板３の概略構成の一例について説明する。
【００２６】
図２は、水素生成装置１００の端板３の概略構成の一例を示す図である。
【００２７】
図２（ａ）に示すように排出口３ｂは、単一であってもよいし、図２（ｂ）に示すように複数であってもよいし、または、図２（ｃ）に示すように網目状であってもよい。
【００２８】
なお、図２（ａ）−（ｃ）のいずれも、排出口３ｂの面積は、端板３の面積の４０％以下である。これにより、排出口３ｂを介して受け部５へ流入する水素含有ガス量が抑制され、改質反応の逆反応が進行する水素含有ガス量を低減する。
【００２９】
排出口３ｂは、端板３の面積に対する排出口の面積の比率が同じである場合、複数の方が、単一よりも、圧力損失が増加するため、排出口３ｂを介して受け部５へ水素含有ガスの流入量が低減される。従って、改質反応の逆反応が進行する水素含有ガスの量が低減する。また、排出口３ｂは、形状が網状であれば、より排出口３ｂの圧力損失が増加するため、受け部５への水素含有ガスの流入量が低減される。
【００３０】
なお、上述の排出口３ｂの面積及び形状は例示であって、上記に限定されるものではない。例えば、排出口３ｂの面積比率は、４０％よりも大きくても構わない。
（実施の形態２）
実施の形態２の水素生成装置１００について詳細に説明する。
【００３１】
図２は、本実施の形態の水素生成装置１００の概略構成を示す図である。
【００３２】
図２に示すように、本実施の形態の水素生成装置１００は、燃焼器６、燃焼排ガス流路７、変成器８、変成触媒体８ａ、ＣＯ除去器９、ＣＯ除去触媒体９ａ、及び空気供給路１０を備える。なお、上記以外の図１と同一の符号を付した構成については、実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。
【００３３】
燃焼器６は、改質器１を加熱するための機器である。燃焼器６の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、改質器１より排出される水素含有ガスが用いられる。
【００３４】
燃焼排ガス流路７は、燃焼器６によって生成された燃焼排ガスが流れる。燃焼排ガス流路７を流れる燃焼排ガスにより改質触媒体１ａは加熱される。
【００３５】
変成器８は、シフト反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する。
【００３６】
変成触媒体８ａは、シフト反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための触媒である。変成触媒に含まれる活性元素は、Ｃｕ、Ｚｎ、及びＰｔなどの金属元素が例示できる。
【００３７】
ＣＯ除去器９は、少なくとも酸化反応により水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する。ＣＯ除去触媒に含まれる活性元素は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、ＰｄおよびＮｉなどの金属元素が例示される。
空気供給路１０は、上記酸化反応のための空気が供給される流路である。
【００３８】
ここで、本実施の形態の水素生成装置１００において、図２（ａ）−（ｃ）に示す形状の端板３を備えた各実施例について水素生成運転を実施した結果について説明する。
［実施例１］
実施例１の水素生成装置は、図２（ａ）に示す形状の端板３を備えている。つまり、単一の排出口３ｂを備える端板３を備える。排出口３ｂは、端板３と同心円状の円形であり、端板３の直径の２０％とした。また、端板３には、傾斜部を設けており、傾斜部の最低傾斜は５°とした。改質器１に改質触媒４００ｃｃを充填した。受け部５の容積は、２００ｃｃとし、ここに、１００ｃｃの改質触媒粉体を配設した。
上記水素生成装置において、スチームカーボン比（以下、Ｓ／Ｃ）＝２．８、改質器１の制御温度６２０℃で都市ガス１３Ａの水蒸気改質反応を行った。
この場合、受け部５の温度は、５６０℃であり、改質反応におけるメタン転化率は８２．０％を示し、改質器１の制御温度から算出される平衡転化率８２．４％とほぼ一致した。
［実施例２］
本実施例２の水素生成装置は、図２（ｂ）に示す形状の端板３を備えている。つまり、４つの排出口３ｂを備える端板３を備えている。排出口３ｂは円形であり、その直径は端板３の直径の１０％とし、端板３と同心円の円周上に配設した。また、端板３には、傾斜部を設けており、傾斜部の最低傾斜は５°とした。改質器１に改質触媒４００ｃｃを充填した。受け部５の容積は、２００ｃｃとし、ここに、１００ｃｃの改質触媒粉体を配設した。
上記水素生成装置において、Ｓ／Ｃ＝２．８、改質器１の制御温度６２０℃で都市ガス１３Ａの水蒸気改質反応を行った。
この場合、受け部５の温度は、５６０℃であり、改質反応におけるメタン転化率は８２．３％を示し、改質器１の制御温度から算出される平衡転化率８２．４％とほぼ一致した。
［実施例３］
本実施例３の水素生成装置は、図２（ｃ）に示す形状の端板３を備えている。つまり、網状の排出口を備える端板３を備えている。排出口３ｂは円形であり、その直径は端板３の直径の２０％とし、排出口３ｂは、目が□１ｍｍの網にて形成した。また、端板３には、傾斜部を設けており、傾斜部の最低傾斜は５°とした。改質器１に改質触媒４００ｃｃを充填した。受け部５の容積は、２００ｃｃとし、ここに、１００ｃｃの改質触媒粉体を配設した。
上記水素生成装置において、Ｓ／Ｃ＝２．８、改質器１の制御温度６２０℃で、都市ガス１３Ａの水蒸気改質反応を行った。
この場合、受け部５の温度は、５６０℃であり、改質反応におけるメタン転化率は８２．２％を示し、改質器１の制御温度から算出される平衡転化率８２．４％とほぼ一致した。
［比較例］
図５は、比較例の水素生成装置の概略構成の一例を示す図である。
図５に示すように、比較例の水素生成装置は、端板３に傾斜部及び排出口３ｂを設けない。それ以外の図４と同じ符号を付された構成については、実施の形態２と同様であるのでその説明を省略する。
本比較例の水素生成装置は、改質器１に改質触媒４００ｃｃを充填し、端板３で形成される底部に１００ｃｃの改質触媒粉体を配設した。
この水素生成装置において、Ｓ／Ｃ＝２．８、改質器１の制御温度６２０℃で、都市ガス１３Ａの水蒸気改質反応を行った。
この場合、端板３の温度は、５８０℃であり、改質反応におけるメタン転化率は７２．３％示し、改質器１の制御温度から算出される平衡転化率８２．４％より大きく低下した。
上記実施例１−３及び比較例の結果より、端板３にガイド部３ａ及び排出口３ｂを設けた水素生成装置の方が、転化率の低下が抑制されることが明らかである。
これは、実施例１−３の水素生成装置１００では、改質器１を通過した水素含有ガスが受け部５に配設された改質触媒の粉体にほぼ接触することなく、ガス流路４に流入する流入するためであると推定される。
一方、比較例の水素生成装置では、改質器１を通過し、ガス流路４に流入する前の水素含有ガスの一部が底部に配設された改質触媒の粉体と接触し、改質反応の逆反応が進行していると推定される。
（実施の形態３）
実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態１、実施の形態２及び実施例１−３のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
【００３９】
図５は、実施の形態３の燃料電池システム２００の概略構成の一例を示す図である。
【００４０】
図５に示す例では、本実施の形態の燃料電池システム２００は、水素生成装置１００と、燃料電池１１とを備える。
【００４１】
燃料電池１１は、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池である。燃料電池１１は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池等を用いることができる。
【００４２】
発電運転時において、燃料電池システム２００は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する。
【００４３】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、従来に比べ、運転時間の経過に伴う改質反応の転化率の低下が抑制され、水素生成装置及び燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 改質器
１ａ 改質触媒体
２ 触媒支持体
２ａ 排気口
３ 端板
３ａ ガイド部
３ｂ 排出口
４ ガス流路
５ 受け部
６ 燃焼器
７ 燃焼排ガス流路
８ 変成器
８ａ 変成触媒体
９ ＣＯ除去器
９ａ ＣＯ除去触媒体
１０ 空気供給路
１１ 燃料電池
１００ 水素生成装置
２００ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒体を備え、前記改質触媒体を通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質触媒体の下方に設けられ、該改質触媒体を通過した水素含有ガスが衝突するとともに、前記改質触媒体より脱離した改質触媒の粉体を、前記水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路外に排出するための排出口及び前記排出口に導くガイド部が設けられた端板とを備え、前記ガス流路は、前記水素含有ガスが、前記端板に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して前記改質器の側方を流れるよう構成されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記排出口から排出された前記改質触媒の粉体を受ける受け部を備える請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記受け部の容積が改質触媒体の体積の５０％以下である請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記排出口の面積は、前記端板の面積の４０％以下である請求項２記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記排出口が複数設けられている請求項２記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記排出口の形状が網状である請求項４記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記ガイド部は、前記端板に設けられた下り勾配の傾斜部である、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記傾斜部の勾配が５°以上である請求項７記載の水素生成装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
【請求項１】
改質触媒体を備え、前記改質触媒体を通過する原料を改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質触媒体の下方に設けられ、該改質触媒体を通過した水素含有ガスが衝突するとともに、前記改質触媒体より脱離した改質触媒の粉体を、前記水素含有ガスが水素利用機器に向けて流れるガス流路外に排出するための排出口及び前記排出口に導くガイド部が設けられた端板とを備え、前記ガス流路は、前記水素含有ガスが、前記端板に向けて流れた後、その流れの向きを上方に転回して前記改質器の側方を流れるよう構成されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記排出口から排出された前記改質触媒の粉体を受ける受け部を備える請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記受け部の容積が改質触媒体の体積の５０％以下である請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記排出口の面積は、前記端板の面積の４０％以下である請求項２記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記排出口が複数設けられている請求項２記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記排出口の形状が網状である請求項４記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記ガイド部は、前記端板に設けられた下り勾配の傾斜部である、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記傾斜部の勾配が５°以上である請求項７記載の水素生成装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２５０８７３（Ｐ２０１２−２５０８７３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２３９３１（Ｐ２０１１−１２３９３１）
【出願日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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