水素生成装置及び燃料電池システム
【課題】従来の水素生成装置及び燃料電池システムに比べ、転化率を向上させる。
【解決手段】改質触媒１と、改質触媒を加熱する燃焼器２と、燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路３と、改質触媒より下方に設けられ、粉化した改質触媒をトラップするトラップ器４とを備え、トラップ器４は、燃焼排ガス経路３を構成する壁を介して、改質触媒１を加熱する前の燃焼排ガス、及び、改質触媒を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている、水素生成装置。
【解決手段】改質触媒１と、改質触媒を加熱する燃焼器２と、燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路３と、改質触媒より下方に設けられ、粉化した改質触媒をトラップするトラップ器４とを備え、トラップ器４は、燃焼排ガス経路３を構成する壁を介して、改質触媒１を加熱する前の燃焼排ガス、及び、改質触媒を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている、水素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素生成装置及び燃料電池システムに関する。より詳しくは、改質触媒を備える水素生成装置、及び、かかる水素生成装置を備えた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。
【０００３】
水素生成装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素原料と水蒸気とを水蒸気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、水蒸気を成分とする水素含有ガスを生成する改質部を備える。改質部には、改質触媒が配設されている。
【０００４】
特許文献１は、改質触媒が充填された改質部を備え、水素含有ガスの顕熱を有効に回収して原料ガスの温度を上昇させると共に水素含有ガスの出口温度を下げるようにした燃料電池用改質装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
上記特許文献１に記載のように改質触媒が充填された改質反応部を設けた水素生成装置では、転化率が十分に高くない場合があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、従来の水素生成装置よりも改質反応の転化率が向上する水素生成装置及びかかる水素生成装置を備えた燃料電池システム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】
【０００８】
本発明者らは、改質触媒を備える水素生成装置において、改質効率を向上させるべく、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【０００９】
水素生成装置において、高温の原料ガスを改質触媒に通流させると、炭素が析出し、結果として流路が閉塞したり、触媒の活性が低下したりする。また、水素生成装置の起動停止による構造体の熱伸縮により、ペレット状、粒状、ハニカム状等に形成された改質触媒の強度が低下し、割れたり、粒径が小さくなったり、粉状になったりすることもある。以下、改質触媒が割れたり、粒径が小さくなったり、粉状になったりすることを、総称して「粉化」という。
【００１０】
粉化した改質触媒が、改質器から脱落すると、改質器よりも低温となる部位に堆積する。低温において、改質触媒は、次式に示す改質逆反応を起こし、転化率低下を引き起こす。
【００１１】
ＣＯ＋３Ｈ２ → ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ
ＣＯ２＋Ｈ２ → ＣＯ＋Ｈ２Ｏ
例えば、特許文献１に開示された構成では、粉化した改質触媒が、触媒支持板を通じて落下すれば、改質反応部よりも低温となる上流側に堆積し、改質逆反応が発生し、転化率が低下する可能性がある。ここで、転化率は、原料にメタンを用いる場合、（水素含有ガス中のＣＯ＋ＣＯ２のモル濃度）／（水素含有ガス中のＣＯ＋ＣＯ２＋ＣＨ４のモル濃度）と定義される。
【００１２】
そこで本発明者らは、改質触媒より下方に、粉化した改質触媒をトラップするトラップ器を備え、トラップ器を十分に加熱することにより、改質逆反応を抑制しうることに想到した。
【００１３】
すなわち本発明の水素生成装置は、改質触媒と、前記改質触媒を加熱する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、前記改質触媒より下方に設けられ、粉化した前記改質触媒をトラップするトラップ器とを備え、前記トラップ器は、前記燃焼排ガス経路を構成する壁を介して、前記改質触媒を加熱する前の燃焼排ガス、及び、前記改質触媒を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムは、前記水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される前記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】
【００１５】
本発明の水素生成装置及び燃料電池システムは、従来の水素生成装置及び燃料電池システムに比べ、改質反応の転化率が向上されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態の実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態の比較例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態の第１変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図５】図５は、第１実施形態の第２変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図６】図６は、第１実施形態の第３変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図７】図７は、第２実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図８】図８は、第２実施形態の変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図９】図９は、第３実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図１０】図１０は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す側方断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
第１実施形態の水素生成装置は、改質触媒と、改質触媒を加熱する燃焼器と、燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、改質触媒より下方に設けられ、粉化した改質触媒をトラップするトラップ器とを備え、トラップ器は、燃焼排ガス経路を構成する壁を介して、改質触媒を加熱する前の燃焼排ガス、及び、改質触媒を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている。
【００１８】
かかる構成では、従来の水素生成装置に比べ、改質反応の転化率が向上される。
【００１９】
下方とは、水素生成装置の使用状態において、鉛直方向における下方である。
【００２０】
本実施形態の水素生成装置において、トラップ器の容積が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない大きさに設定されていてもよい。
【００２１】
かかる構成では、水素生成装置の寿命が満了するまで運転しても、流路が塞がれにくくなる。
【００２２】
本実施形態の水素生成装置において、粉化していない改質触媒の下端とトラップ器との距離が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない長さに設定されていてもよい。
【００２３】
かかる構成では、水素生成装置の寿命が満了するまで運転しても、流路が塞がれにくくなる。
【００２４】
「粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない」とは、水素生成装置の寿命が満了するときまでに粉化して脱落する量の改質触媒がトラップ器に供給されても、粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることがないことをいう。水素生成装置の寿命は、例えば、１０年としうるが、それぞれの水素生成装置に応じて適宜に定められるものであって特に限定されない。
【００２５】
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００２６】
図１に示す例において、本実施形態の水素生成装置１００は、改質触媒１と、燃焼器２と、燃焼排ガス経路３と、トラップ器４と、壁５とを備える。
【００２７】
改質触媒１は、改質反応を進行させ、原料から水素含有ガスを生成するための触媒である。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。
【００２８】
改質触媒１には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。
【００２９】
改質触媒１の担持体としては、活性成分を高分散状態で担持できるものであれば、特に限定されない。担持体としては、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、マグネシア、ジルコニア、チタニア、ゼオライトからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。
【００３０】
改質触媒１の基材としては、触媒と反応室中のガスとの接触面積を充分に確保できるものが用いられる。基材としては、ハニカム形状、連通孔を有する発泡体形状の基材などが好ましく、ペレット形状でもよい。触媒の保持方法としては、基材がペレット形状もしくはコージェライトハニカムであれば、触媒充填位置の下部に網状もしくは開口部を有する触媒保持板１４を設置し、保持してもよい。基材がメタルハニカムであれば、水素生成装置１のステンレス構造体に溶接し、保持してもよい。
【００３１】
原料は、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等の炭化水素が例示される。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。原料供給源として、原料のインフラストラクチャ、及び、原料を貯蔵するボンベ等が例示される。
【００３２】
水素生成装置１００の水素生成運転において、改質触媒１の温度は例えば、摂氏６００度以上かつ摂氏７００度以下に制御される。
【００３３】
図１の例では、改質触媒１が粒状に形成され、触媒保持板８によって保持されている。ただし触媒保持板８は必須ではなく、例えば、改質触媒１がハニカム構造をなすように構成されているような場合には、触媒保持板８が設けられなくてもよい。
【００３４】
燃焼器２は、改質触媒を加熱する。燃焼器２としては、例えばバーナが用いられる。燃焼器２が燃焼させる燃料は、原料であってもよいし、水素生成装置１００から排出される水素含有ガスであってもよいし、水素生成装置１００に接続される水素利用機器から排出される使用済みの水素含有ガスであってもよい。水素利用機器としては、例えば、燃料電池、水素貯蔵装置等が挙げられる。
【００３５】
燃焼排ガス経路３は、燃焼器２からの燃焼排ガスが流れる。壁５は、燃焼排ガス経路を構成する。燃焼排ガス経路３は、燃焼器２と対向する底面の縁から立ち上がる筒状の壁５と、壁５よりも内側にあって、壁５よりも径の小さな筒状をなす、燃焼器２の側壁とにより形成されている。燃焼器２から排出された燃焼排ガスは、燃焼器２の下方において燃焼器２と対向する底面に衝突して折り返し、燃焼排ガス経路３を通過して、水素生成装置１００の外部へと排出される。
【００３６】
トラップ器４は、改質触媒より下方に設けられ、粉化した改質触媒をトラップする。トラップ器４は、燃焼排ガス経路３を構成する壁５を介して、改質触媒１を加熱する前の燃焼排ガス、及び、改質触媒１を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている。
【００３７】
トラップ器４は、摂氏６００度以上に加熱される部位に配置されるのが好ましい。トラップ器４は、摂氏６００度以上かつ摂氏７００度以下に加熱される部位に配置されるのがさらに好ましい。
【００３８】
トラップ器と改質器、すなわち改質触媒が充填された流路、との間は、通気孔が設けられてていてもよいし、例えば、所定の間隔で、全周に亘って通気孔が設けられていてもよい。通気孔の形状は、例えば、スリット状であってもよい。
【００３９】
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。
【００４０】
変成器には、変成触媒が充填される。変成触媒としては、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｔなどの金属が例示できる。
【００４１】
ＣＯ除去器には、メタン化触媒及び酸化触媒の少なくともいずれか一方が充填される。酸化触媒としては、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。メタン化触媒としては、Ｒｕ等が好適に用いられる。
【００４２】
水素生成装置１００の水素生成運転時において、変成器の温度は例えば、摂氏１６０度以上かつ摂氏３２０度以下であり、ＣＯ除去器の温度は例えば、摂氏１２０度以上かつ摂氏２４０度以下である。
【００４３】
図１の例では、トラップ器４が、底面と、底面の縁から立ち上がる側壁６とを備え、底面と側壁６とで粉化した改質触媒１を保持するように構成されている。ただし、トラップ部は、本構成に限定されるものではなく、粉化した改質触媒をトラップ可能であれば、いずれの構成であっても構わない。例えば、トラップ器４が壁５から斜め上方に延びる斜面をなすように構成されていてもよい。また図１の例では、トラップ器４が壁５により支持されているが、他の部位によって支持されていてもよい。
【００４４】
図１の例では、改質器は、筒状の壁５と、壁５の外側にあって、壁５よりも径の大きな筒状をなす外壁と、の間に形成されている。改質器を通過した水素含有ガスは、水素含有ガス流路７へと供給される。本例においては、改質器を通過した水素含有ガスは、該側壁とトラップ器４の側壁６との間に設けられた隙間を通じて水素含有ガス流路７に流入する。水素含有ガス流路７は、改質器の外壁と、改質器の外壁の外周に設けられた筒状の外壁とにより形成されている。水素含有ガスは、水素含有ガス流路７を通過して、水素生成装置１００の外部へと排出される。
【００４５】
図１の例では、トラップ器４は、壁５を介して、改質触媒１を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱される。改質触媒１を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４を加熱することで、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、改質反応の転化率が向上する。
【００４６】
トラップ器４は、壁５を介して、改質触媒１を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱されてもよい。他の反応器を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４が加熱されるので、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、改質反応の転化率が向上する。
【００４７】
トラップ器４の容積は、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない大きさに設定されているのが好ましい。また、粉化していない改質触媒１の下端とトラップ器４との距離が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒１の下方の流路が塞がれることのない長さに設定されているのが好ましい。図１の例において、粉化していない改質触媒１の下方の流路とは、触媒保持板８の鉛直下方にある流路である。図１の例において、該流路は、改質器の外側壁とトラップ器４の側壁６との間に設けられた隙間を含む。
【００４８】
［実施例］
図２は、第１実施形態の実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００４９】
本実施例の水素生成装置１１０は、水素含有ガス流路７に変成触媒９と酸化触媒１０とを備える。本実施例では、変成触媒９が変成器を構成し、酸化触媒１０がＣＯ除去器を構成する。変成器とＣＯ除去器との間には、酸化空気供給口１１が設けられている。酸化空気供給口１１を通じて、酸化触媒１０における酸化反応に必要な空気が供給される。
【００５０】
水素生成装置１１０において、その他の構成要素は、図１の水素生成装置１００と同様とすることができる。よって、図１と図２とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００５１】
水素含有ガス流路７へと供給された水素含有ガスは、変成器とＣＯ除去器とを通過することで、ＣＯ濃度が低減され、その後、水素生成装置１００の外部へと排出される。
【００５２】
本実施例の構成では、改質触媒１を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４が加熱されるので、後述する比較例の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、改質反応の転化率が向上する。
【００５３】
［比較例］
図３は、第１実施形態の比較例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００５４】
本比較例の水素生成装置１２０は、水素生成装置１１０においてトラップ器４を省略したものである。水素生成装置１２０において、その他の構成要素は、図２の水素生成装置１１０と同様とすることができる。よって、図２と図３とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００５５】
本比較例では、トラップ器４が設けられていない。このため、粉化した改質触媒１は、触媒保持板８を通過して、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部１２へと落下し、堆積する。底部１２の温度は、トラップ器４よりも低い。低温の底部１２において改質触媒１と水素含有ガスとが接触すると、改質逆反応が進行し、転化率の低下を引き起こす。
【００５６】
なお、水素生成装置１２０が、ＣＯ低減器を備える場合、上記底部１２は、改質器を通過した水素含有ガスがＣＯ低減器に流入するまでの水素含有ガス流路を形成する外壁の底部として定義される。
【００５７】
［第１変形例］
図４は、第１実施形態の第１変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００５８】
図４に示すように、第１変形例の水素生成装置１３０は、改質触媒１と、燃焼器２と、燃焼排ガス経路３と、トラップ器４と、壁５とを備える点では図１の水素生成装置１００と同様であるが、ガスの流れる向きが水素生成装置１００に対して上下逆になっている。
【００５９】
改質触媒１については、水素生成装置１００について説明したものと同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００６０】
燃焼器２は、水素生成装置１００では下方に開放されていたが、水素生成装置１３０では上方に開放されている。その他の点は水素生成装置１００について説明したものと同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００６１】
燃焼排ガス経路３は、燃焼器２と対向する上面の縁から垂下する筒状の壁５と、壁５よりも内側にあって、壁５よりも径の小さな筒状をなす、燃焼器２の側壁とにより形成されている。燃焼器２から排出された燃焼排ガスは、燃焼器２の上方において燃焼器２と対向する上面に衝突して折り返し、燃焼排ガス経路３を通過して、水素生成装置１００の外部へと排出される。
【００６２】
トラップ器４は、改質触媒１より下方に設けられ、粉化した改質触媒をトラップする。トラップ器４は、燃焼排ガス経路３を構成する壁５を介して、改質触媒１を加熱した後かつ他の反応器である蒸発器１５を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱されるよう構成されている。
【００６３】
図４の例では、トラップ器４が、底面と、底面の縁から立ち上がる側壁６とを備え、底面と側壁６とで粉化した改質触媒１を保持するように構成されている。ただし底面や側壁６は必須ではなく、例えば、トラップ器４が壁５から斜め上方に延びる斜面をなすように構成されていてもよい。また図４の例では、トラップ器４が壁５により支持されているが、他の部位によって支持されていてもよい。
【００６４】
図４の例では、改質器は、筒状の壁５と、壁５の外側にあって、壁５よりも径の大きな筒状をなす側壁と、の間に形成されている。蒸発器１５は、トラップ器４の下方において、壁５と、該側壁との間に形成されている。原料と水とは、蒸発器１５に供給され、蒸発器１５において原料と水蒸気とが混合され、該側壁とトラップ器４の側壁６との間に設けられた隙間を通じて改質器へと供給される。水素含有ガス流路７は、改質器の外側壁と、水素生成装置１００の側壁とにより形成されている。改質触媒１の上端から排出された水素含有ガスは、改質触媒１の上端と対向する上面に衝突して折り返し、水素含有ガス流路７を通過して水素生成装置１００の外部にある水素利用機器へと供給される。
【００６５】
図４の例では、トラップ器４は、壁５を介して、改質触媒１を加熱した後かつ他の反応器である蒸発器１５を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱される。蒸発器１５を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４が加熱されるので、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００６６】
トラップ器４の容積は、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない大きさに設定されているのが好ましい。また、粉化していない改質触媒１の下端とトラップ器４との距離が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒１の下方の流路が塞がれることのない長さに設定されているのが好ましい。図４の例において、粉化していない改質触媒１の下方の流路とは、触媒保持板８の下方の流路であり、改質器の外側壁とトラップ器４の側壁６との間に設けられた隙間を含む。
【００６７】
［第２変形例］
図５は、第１実施形態の第２変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００６８】
本変形例の水素生成装置１４０は、触媒保持板８を備えず、トラップ器４の内部に改質触媒１が充填されている。
【００６９】
水素生成装置１４０において、その他の構成要素は、図１の水素生成装置１００と同様とすることができる。よって、図１と図５とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００７０】
本変形例の構成でも、トラップ器４により、粉化して落下する改質触媒が保持される。トラップ器４は、壁５を介して、改質触媒１を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱される。改質触媒１を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４を加熱することで、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００７１】
なおここでいう「改質触媒１を加熱する前」とは、水素生成装置１４０のように、改質触媒１とトラップ器４とが一部重複しており、改質触媒１の加熱とトラップ器４の加熱とが同時に進行する場合を含む。
【００７２】
［第３変形例］
図６は、第１実施形態の第３変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００７３】
本変形例の水素生成装置１５０は、触媒保持板８を備えず、トラップ器４の内部に改質触媒１が充填されている。
【００７４】
水素生成装置１５０において、その他の構成要素は、図４の水素生成装置１３０と同様とすることができる。よって、図６と図４とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００７５】
本変形例の構成でも、トラップ器４により、粉化して落下する改質触媒が保持される。トラップ器４は、壁５を介して、蒸発器１５を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱される。蒸発器１５を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４を加熱することで、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００７６】
［第１実験例］
第１実験例では、実施例（図２）に相当する構成で実験を行った。
【００７７】
改質触媒にはペレット状に調整したＲｕ触媒を４００ｃｃ、変成触媒にはＣｕＺｎ系触媒を２４００ｃｃ、ＣＯ除去触媒にはＲｕ触媒を２００ｃｃ使用した。
【００７８】
改質触媒とトラップ器の間に、水素含有ガスが水素含有ガス流路へ流れ出すための通気孔を、全周にわたってスリット状に開口させた。トラップ器は水素生成装置１と同心円状の二重円筒形とした。トラップ器の外側の直径は、改質部の外側の直径と同じ２００ｍｍとした。トラップ器の内側の直径は、改質部の内側の直径と同じ１９０ｍｍとした。トラップ器の深さは、３５ｍｍとした。
【００７９】
トラップ器は、バーナ部および燃焼部と同軸となるように設置し、燃焼排ガス経路の外筒を介して燃焼器から加熱されるようにした。燃焼排ガスは、トラップ器を加熱した後、改質器を加熱し、変成器、ＣＯ除去器を順次加熱する構成とした。
【００８０】
トラップ器の体積は１００ｃｃとした。改質器に、粒径を３ｍｍに調整したペレット状の改質触媒４００ｃｃを充填した。改質触媒が粉化し触媒保持板を通過した場合をシミュレーションすべく、トラップ器に、ペレット状の改質触媒を砕いて得られた粉末の改質触媒５０ｃｃを配置した。
【００８１】
運転条件として、原料は都市ガス（１３Ａガス）とし、Ｓ／Ｃ＝２．８とし、改質器の出口の温度が６２０℃となるように水素生成装置を運転した。
【００８２】
その結果、トラップ器の温度は６２５℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は８２．３％を示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％とほぼ等しい。よって、改質逆反応による転化率低下を抑制することができたと考えられる。
【００８３】
［第２実験例］
第２実験例では、第２変形例（図５）に相当する構成で実験を行った。装置構成は、触媒保持板を省略し、改質器からトラップ器まで連続的にペレット状の改質触媒が充填されている点以外は、第１実験例と同様とした。運転条件は第１実験例と同様とした。
【００８４】
その結果、トラップ器の温度は６２７℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は８２．５％を示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％とほぼ等しい。よって、改質逆反応による転化率低下を抑制することができたと考えられる。
【００８５】
［第３実験例：比較例］
第３実験例では、比較例（図３）に相当する構成で実験を行った。装置構成は、トラップ器を省略し、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部に、ペレット状の改質触媒を砕いて得られた粉末の改質触媒５０ｃｃを配置した点以外は、第１実験例と同様とした。運転条件は第１実験例と同様とした。
【００８６】
その結果、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部の温度は５６０℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は７３．５％示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％より大幅に低い。これは、改質器を出た水素含有ガスが、相対的に温度の低い底部を流通することで、改質逆反応が起こったためと考えられる。
【００８７】
（第２実施形態）
第２実施形態の水素生成装置は、第１実施形態及びその変形例のいずれかの水素生成装置において、トラップ器の側壁が、改質触媒を保持する側壁よりも外側に形成されている。
【００８８】
図７は、第２実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００８９】
図７に示すように、本実施形態の水素生成装置２００では、トラップ器４の側壁６が、改質触媒１を保持する側壁１３よりも外側に形成されている。
【００９０】
水素生成装置２００において、その他の構成要素は、図１の水素生成装置１００と同様とすることができる。よって、図１と図７とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００９１】
本実施形態の構成では、粉化した改質触媒が水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部に落下するためには、側壁６と側壁１３との間を上昇しなければならない。かかる現象は起こりにくく、結果として粉化した改質触媒の、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部への落下が抑制される。よって、底部において低温の改質触媒と水素含有ガスとが接触することによる改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００９２】
［変形例］
図８は、第２実施形態の変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００９３】
図８に示すように、本変形例の水素生成装置２１０では、トラップ器４の側壁６が、改質触媒１を保持する側壁１３よりも外側に形成されている。
【００９４】
水素生成装置２１０において、その他の構成要素は、図４の水素生成装置１３０と同様とすることができる。よって、図４と図８とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００９５】
本変形例の構成でも、粉化した改質触媒が水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部に落下するためには、側壁６と側壁１３との間を上昇しなければならない。かかる現象は起こりにくく、結果として粉化した改質触媒の、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部への落下が抑制される。よって、底部において低温の改質触媒と水素含有ガスとが接触することによる改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００９６】
［第４実験例］
第４実験例では、第２実施形態（図７）に相当する構成で実験を行った。装置構成は、トラップ器の外側の直径を２０２ｍｍとし、トラップ器の側壁が、改質触媒を保持する側壁よりも外側に設けられるようにした点以外は、第１実験例と同様とした。運転条件は第１実験例と同様とした。
【００９７】
その結果、トラップ器の温度は６２２℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は８２．４％を示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％と一致した。よって、改質逆反応による転化率低下を抑制することができたと考えられる。
【００９８】
（第３実施形態）
第３実施形態の水素生成装置は、第２実施形態の水素生成装置において、改質触媒を保持する側壁とトラップ器の側壁とで形成される流路を通過した後のガスを転回させトラップ器の側壁の外側を通過させるためのガイド部を備える。
【００９９】
図９は、第３実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【０１００】
ガイド部１４は、改質触媒１を保持する側壁１３とトラップ器４の側壁６とで形成される流路を通過した後のガスを転回させトラップ器４の側壁６の外側を通過させるように構成されている。
【０１０１】
水素生成装置３００において、その他の構成要素は、図７の水素生成装置２００と同様とすることができる。よって、図７と図９とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１０２】
本実施形態の構成では、側壁６とガイド部１４との間の空間によってトラップ器４が断熱されることから、トラップ器４がより高温に維持される。よって、改質逆反応がさらに抑制され、転化率が向上される。
【０１０３】
［第５実験例］
第５実験例では、第３実施形態（図９）に相当する構成で実験を行った。装置構成は、トラップ器の側壁のさらに外側に、直径が２０４ｍｍとなるようにトラップ器と同軸の側壁を形成すると共に、上端においてこれを改質触媒を保持する側壁に溶接した点以外は、第４実験例と同様とした。運転条件は第１実験例と同様とした。
【０１０４】
その結果、トラップ器の温度は６２２℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は８２．２％を示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％とほぼ等しい。よって、改質逆反応による転化率低下を抑制することができたと考えられる。
【０１０５】
（第４実施形態）
第４実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態、第２実施形態、及び第３実施形態のいずれかの水素生成装置と、該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
図１０は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す側方断面図である。
【０１０６】
本実施形態の燃料電池システム４００は、水素生成装置１００と、燃料電池２０とを備える。
【０１０７】
燃料電池２０は、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２０は、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。燃料電池２０は、いずれの種類の燃料電池であってもよいが、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、または溶融炭酸塩形燃料電池等を用いることができる。
【０１０８】
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】
【０１０９】
本発明の水素生成装置及び燃料電池は、従来の水素生成装置及び燃料電池システムに比べ、転化率が向上される水素生成装置及び燃料電池として有用である。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 改質触媒
２ 燃焼器
３ 燃焼排ガス経路
４ トラップ器
５ 壁
６ 側壁
７ 水素含有ガス流路
８ 触媒保持板
９ 変成触媒
１０ 酸化触媒
１１ 酸化空気供給口
１２ 底部
１３ 側壁
１４ ガイド部
１５ 蒸発器
２０ 燃料電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素生成装置及び燃料電池システムに関する。より詳しくは、改質触媒を備える水素生成装置、及び、かかる水素生成装置を備えた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。
【０００３】
水素生成装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素原料と水蒸気とを水蒸気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、水蒸気を成分とする水素含有ガスを生成する改質部を備える。改質部には、改質触媒が配設されている。
【０００４】
特許文献１は、改質触媒が充填された改質部を備え、水素含有ガスの顕熱を有効に回収して原料ガスの温度を上昇させると共に水素含有ガスの出口温度を下げるようにした燃料電池用改質装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
上記特許文献１に記載のように改質触媒が充填された改質反応部を設けた水素生成装置では、転化率が十分に高くない場合があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、従来の水素生成装置よりも改質反応の転化率が向上する水素生成装置及びかかる水素生成装置を備えた燃料電池システム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】
【０００８】
本発明者らは、改質触媒を備える水素生成装置において、改質効率を向上させるべく、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【０００９】
水素生成装置において、高温の原料ガスを改質触媒に通流させると、炭素が析出し、結果として流路が閉塞したり、触媒の活性が低下したりする。また、水素生成装置の起動停止による構造体の熱伸縮により、ペレット状、粒状、ハニカム状等に形成された改質触媒の強度が低下し、割れたり、粒径が小さくなったり、粉状になったりすることもある。以下、改質触媒が割れたり、粒径が小さくなったり、粉状になったりすることを、総称して「粉化」という。
【００１０】
粉化した改質触媒が、改質器から脱落すると、改質器よりも低温となる部位に堆積する。低温において、改質触媒は、次式に示す改質逆反応を起こし、転化率低下を引き起こす。
【００１１】
ＣＯ＋３Ｈ２ → ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ
ＣＯ２＋Ｈ２ → ＣＯ＋Ｈ２Ｏ
例えば、特許文献１に開示された構成では、粉化した改質触媒が、触媒支持板を通じて落下すれば、改質反応部よりも低温となる上流側に堆積し、改質逆反応が発生し、転化率が低下する可能性がある。ここで、転化率は、原料にメタンを用いる場合、（水素含有ガス中のＣＯ＋ＣＯ２のモル濃度）／（水素含有ガス中のＣＯ＋ＣＯ２＋ＣＨ４のモル濃度）と定義される。
【００１２】
そこで本発明者らは、改質触媒より下方に、粉化した改質触媒をトラップするトラップ器を備え、トラップ器を十分に加熱することにより、改質逆反応を抑制しうることに想到した。
【００１３】
すなわち本発明の水素生成装置は、改質触媒と、前記改質触媒を加熱する燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、前記改質触媒より下方に設けられ、粉化した前記改質触媒をトラップするトラップ器とを備え、前記トラップ器は、前記燃焼排ガス経路を構成する壁を介して、前記改質触媒を加熱する前の燃焼排ガス、及び、前記改質触媒を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムは、前記水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される前記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】
【００１５】
本発明の水素生成装置及び燃料電池システムは、従来の水素生成装置及び燃料電池システムに比べ、改質反応の転化率が向上されるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態の実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態の比較例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態の第１変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図５】図５は、第１実施形態の第２変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図６】図６は、第１実施形態の第３変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図７】図７は、第２実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図８】図８は、第２実施形態の変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図９】図９は、第３実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図１０】図１０は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す側方断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
第１実施形態の水素生成装置は、改質触媒と、改質触媒を加熱する燃焼器と、燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、改質触媒より下方に設けられ、粉化した改質触媒をトラップするトラップ器とを備え、トラップ器は、燃焼排ガス経路を構成する壁を介して、改質触媒を加熱する前の燃焼排ガス、及び、改質触媒を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている。
【００１８】
かかる構成では、従来の水素生成装置に比べ、改質反応の転化率が向上される。
【００１９】
下方とは、水素生成装置の使用状態において、鉛直方向における下方である。
【００２０】
本実施形態の水素生成装置において、トラップ器の容積が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない大きさに設定されていてもよい。
【００２１】
かかる構成では、水素生成装置の寿命が満了するまで運転しても、流路が塞がれにくくなる。
【００２２】
本実施形態の水素生成装置において、粉化していない改質触媒の下端とトラップ器との距離が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない長さに設定されていてもよい。
【００２３】
かかる構成では、水素生成装置の寿命が満了するまで運転しても、流路が塞がれにくくなる。
【００２４】
「粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない」とは、水素生成装置の寿命が満了するときまでに粉化して脱落する量の改質触媒がトラップ器に供給されても、粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることがないことをいう。水素生成装置の寿命は、例えば、１０年としうるが、それぞれの水素生成装置に応じて適宜に定められるものであって特に限定されない。
【００２５】
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００２６】
図１に示す例において、本実施形態の水素生成装置１００は、改質触媒１と、燃焼器２と、燃焼排ガス経路３と、トラップ器４と、壁５とを備える。
【００２７】
改質触媒１は、改質反応を進行させ、原料から水素含有ガスを生成するための触媒である。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。
【００２８】
改質触媒１には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。
【００２９】
改質触媒１の担持体としては、活性成分を高分散状態で担持できるものであれば、特に限定されない。担持体としては、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、マグネシア、ジルコニア、チタニア、ゼオライトからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。
【００３０】
改質触媒１の基材としては、触媒と反応室中のガスとの接触面積を充分に確保できるものが用いられる。基材としては、ハニカム形状、連通孔を有する発泡体形状の基材などが好ましく、ペレット形状でもよい。触媒の保持方法としては、基材がペレット形状もしくはコージェライトハニカムであれば、触媒充填位置の下部に網状もしくは開口部を有する触媒保持板１４を設置し、保持してもよい。基材がメタルハニカムであれば、水素生成装置１のステンレス構造体に溶接し、保持してもよい。
【００３１】
原料は、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等の炭化水素が例示される。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。原料供給源として、原料のインフラストラクチャ、及び、原料を貯蔵するボンベ等が例示される。
【００３２】
水素生成装置１００の水素生成運転において、改質触媒１の温度は例えば、摂氏６００度以上かつ摂氏７００度以下に制御される。
【００３３】
図１の例では、改質触媒１が粒状に形成され、触媒保持板８によって保持されている。ただし触媒保持板８は必須ではなく、例えば、改質触媒１がハニカム構造をなすように構成されているような場合には、触媒保持板８が設けられなくてもよい。
【００３４】
燃焼器２は、改質触媒を加熱する。燃焼器２としては、例えばバーナが用いられる。燃焼器２が燃焼させる燃料は、原料であってもよいし、水素生成装置１００から排出される水素含有ガスであってもよいし、水素生成装置１００に接続される水素利用機器から排出される使用済みの水素含有ガスであってもよい。水素利用機器としては、例えば、燃料電池、水素貯蔵装置等が挙げられる。
【００３５】
燃焼排ガス経路３は、燃焼器２からの燃焼排ガスが流れる。壁５は、燃焼排ガス経路を構成する。燃焼排ガス経路３は、燃焼器２と対向する底面の縁から立ち上がる筒状の壁５と、壁５よりも内側にあって、壁５よりも径の小さな筒状をなす、燃焼器２の側壁とにより形成されている。燃焼器２から排出された燃焼排ガスは、燃焼器２の下方において燃焼器２と対向する底面に衝突して折り返し、燃焼排ガス経路３を通過して、水素生成装置１００の外部へと排出される。
【００３６】
トラップ器４は、改質触媒より下方に設けられ、粉化した改質触媒をトラップする。トラップ器４は、燃焼排ガス経路３を構成する壁５を介して、改質触媒１を加熱する前の燃焼排ガス、及び、改質触媒１を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている。
【００３７】
トラップ器４は、摂氏６００度以上に加熱される部位に配置されるのが好ましい。トラップ器４は、摂氏６００度以上かつ摂氏７００度以下に加熱される部位に配置されるのがさらに好ましい。
【００３８】
トラップ器と改質器、すなわち改質触媒が充填された流路、との間は、通気孔が設けられてていてもよいし、例えば、所定の間隔で、全周に亘って通気孔が設けられていてもよい。通気孔の形状は、例えば、スリット状であってもよい。
【００３９】
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。
【００４０】
変成器には、変成触媒が充填される。変成触媒としては、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｔなどの金属が例示できる。
【００４１】
ＣＯ除去器には、メタン化触媒及び酸化触媒の少なくともいずれか一方が充填される。酸化触媒としては、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。メタン化触媒としては、Ｒｕ等が好適に用いられる。
【００４２】
水素生成装置１００の水素生成運転時において、変成器の温度は例えば、摂氏１６０度以上かつ摂氏３２０度以下であり、ＣＯ除去器の温度は例えば、摂氏１２０度以上かつ摂氏２４０度以下である。
【００４３】
図１の例では、トラップ器４が、底面と、底面の縁から立ち上がる側壁６とを備え、底面と側壁６とで粉化した改質触媒１を保持するように構成されている。ただし、トラップ部は、本構成に限定されるものではなく、粉化した改質触媒をトラップ可能であれば、いずれの構成であっても構わない。例えば、トラップ器４が壁５から斜め上方に延びる斜面をなすように構成されていてもよい。また図１の例では、トラップ器４が壁５により支持されているが、他の部位によって支持されていてもよい。
【００４４】
図１の例では、改質器は、筒状の壁５と、壁５の外側にあって、壁５よりも径の大きな筒状をなす外壁と、の間に形成されている。改質器を通過した水素含有ガスは、水素含有ガス流路７へと供給される。本例においては、改質器を通過した水素含有ガスは、該側壁とトラップ器４の側壁６との間に設けられた隙間を通じて水素含有ガス流路７に流入する。水素含有ガス流路７は、改質器の外壁と、改質器の外壁の外周に設けられた筒状の外壁とにより形成されている。水素含有ガスは、水素含有ガス流路７を通過して、水素生成装置１００の外部へと排出される。
【００４５】
図１の例では、トラップ器４は、壁５を介して、改質触媒１を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱される。改質触媒１を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４を加熱することで、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、改質反応の転化率が向上する。
【００４６】
トラップ器４は、壁５を介して、改質触媒１を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱されてもよい。他の反応器を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４が加熱されるので、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、改質反応の転化率が向上する。
【００４７】
トラップ器４の容積は、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない大きさに設定されているのが好ましい。また、粉化していない改質触媒１の下端とトラップ器４との距離が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒１の下方の流路が塞がれることのない長さに設定されているのが好ましい。図１の例において、粉化していない改質触媒１の下方の流路とは、触媒保持板８の鉛直下方にある流路である。図１の例において、該流路は、改質器の外側壁とトラップ器４の側壁６との間に設けられた隙間を含む。
【００４８】
［実施例］
図２は、第１実施形態の実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００４９】
本実施例の水素生成装置１１０は、水素含有ガス流路７に変成触媒９と酸化触媒１０とを備える。本実施例では、変成触媒９が変成器を構成し、酸化触媒１０がＣＯ除去器を構成する。変成器とＣＯ除去器との間には、酸化空気供給口１１が設けられている。酸化空気供給口１１を通じて、酸化触媒１０における酸化反応に必要な空気が供給される。
【００５０】
水素生成装置１１０において、その他の構成要素は、図１の水素生成装置１００と同様とすることができる。よって、図１と図２とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００５１】
水素含有ガス流路７へと供給された水素含有ガスは、変成器とＣＯ除去器とを通過することで、ＣＯ濃度が低減され、その後、水素生成装置１００の外部へと排出される。
【００５２】
本実施例の構成では、改質触媒１を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４が加熱されるので、後述する比較例の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、改質反応の転化率が向上する。
【００５３】
［比較例］
図３は、第１実施形態の比較例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００５４】
本比較例の水素生成装置１２０は、水素生成装置１１０においてトラップ器４を省略したものである。水素生成装置１２０において、その他の構成要素は、図２の水素生成装置１１０と同様とすることができる。よって、図２と図３とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００５５】
本比較例では、トラップ器４が設けられていない。このため、粉化した改質触媒１は、触媒保持板８を通過して、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部１２へと落下し、堆積する。底部１２の温度は、トラップ器４よりも低い。低温の底部１２において改質触媒１と水素含有ガスとが接触すると、改質逆反応が進行し、転化率の低下を引き起こす。
【００５６】
なお、水素生成装置１２０が、ＣＯ低減器を備える場合、上記底部１２は、改質器を通過した水素含有ガスがＣＯ低減器に流入するまでの水素含有ガス流路を形成する外壁の底部として定義される。
【００５７】
［第１変形例］
図４は、第１実施形態の第１変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００５８】
図４に示すように、第１変形例の水素生成装置１３０は、改質触媒１と、燃焼器２と、燃焼排ガス経路３と、トラップ器４と、壁５とを備える点では図１の水素生成装置１００と同様であるが、ガスの流れる向きが水素生成装置１００に対して上下逆になっている。
【００５９】
改質触媒１については、水素生成装置１００について説明したものと同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００６０】
燃焼器２は、水素生成装置１００では下方に開放されていたが、水素生成装置１３０では上方に開放されている。その他の点は水素生成装置１００について説明したものと同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００６１】
燃焼排ガス経路３は、燃焼器２と対向する上面の縁から垂下する筒状の壁５と、壁５よりも内側にあって、壁５よりも径の小さな筒状をなす、燃焼器２の側壁とにより形成されている。燃焼器２から排出された燃焼排ガスは、燃焼器２の上方において燃焼器２と対向する上面に衝突して折り返し、燃焼排ガス経路３を通過して、水素生成装置１００の外部へと排出される。
【００６２】
トラップ器４は、改質触媒１より下方に設けられ、粉化した改質触媒をトラップする。トラップ器４は、燃焼排ガス経路３を構成する壁５を介して、改質触媒１を加熱した後かつ他の反応器である蒸発器１５を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱されるよう構成されている。
【００６３】
図４の例では、トラップ器４が、底面と、底面の縁から立ち上がる側壁６とを備え、底面と側壁６とで粉化した改質触媒１を保持するように構成されている。ただし底面や側壁６は必須ではなく、例えば、トラップ器４が壁５から斜め上方に延びる斜面をなすように構成されていてもよい。また図４の例では、トラップ器４が壁５により支持されているが、他の部位によって支持されていてもよい。
【００６４】
図４の例では、改質器は、筒状の壁５と、壁５の外側にあって、壁５よりも径の大きな筒状をなす側壁と、の間に形成されている。蒸発器１５は、トラップ器４の下方において、壁５と、該側壁との間に形成されている。原料と水とは、蒸発器１５に供給され、蒸発器１５において原料と水蒸気とが混合され、該側壁とトラップ器４の側壁６との間に設けられた隙間を通じて改質器へと供給される。水素含有ガス流路７は、改質器の外側壁と、水素生成装置１００の側壁とにより形成されている。改質触媒１の上端から排出された水素含有ガスは、改質触媒１の上端と対向する上面に衝突して折り返し、水素含有ガス流路７を通過して水素生成装置１００の外部にある水素利用機器へと供給される。
【００６５】
図４の例では、トラップ器４は、壁５を介して、改質触媒１を加熱した後かつ他の反応器である蒸発器１５を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱される。蒸発器１５を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４が加熱されるので、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００６６】
トラップ器４の容積は、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒の下方の流路が塞がれることのない大きさに設定されているのが好ましい。また、粉化していない改質触媒１の下端とトラップ器４との距離が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない改質触媒１の下方の流路が塞がれることのない長さに設定されているのが好ましい。図４の例において、粉化していない改質触媒１の下方の流路とは、触媒保持板８の下方の流路であり、改質器の外側壁とトラップ器４の側壁６との間に設けられた隙間を含む。
【００６７】
［第２変形例］
図５は、第１実施形態の第２変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００６８】
本変形例の水素生成装置１４０は、触媒保持板８を備えず、トラップ器４の内部に改質触媒１が充填されている。
【００６９】
水素生成装置１４０において、その他の構成要素は、図１の水素生成装置１００と同様とすることができる。よって、図１と図５とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００７０】
本変形例の構成でも、トラップ器４により、粉化して落下する改質触媒が保持される。トラップ器４は、壁５を介して、改質触媒１を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱される。改質触媒１を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４を加熱することで、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００７１】
なおここでいう「改質触媒１を加熱する前」とは、水素生成装置１４０のように、改質触媒１とトラップ器４とが一部重複しており、改質触媒１の加熱とトラップ器４の加熱とが同時に進行する場合を含む。
【００７２】
［第３変形例］
図６は、第１実施形態の第３変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００７３】
本変形例の水素生成装置１５０は、触媒保持板８を備えず、トラップ器４の内部に改質触媒１が充填されている。
【００７４】
水素生成装置１５０において、その他の構成要素は、図４の水素生成装置１３０と同様とすることができる。よって、図６と図４とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００７５】
本変形例の構成でも、トラップ器４により、粉化して落下する改質触媒が保持される。トラップ器４は、壁５を介して、蒸発器１５を加熱する前の燃焼排ガスにより加熱される。蒸発器１５を加熱する前の高温の燃焼排ガスによってトラップ器４を加熱することで、従来の水素生成装置に比べ、改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００７６】
［第１実験例］
第１実験例では、実施例（図２）に相当する構成で実験を行った。
【００７７】
改質触媒にはペレット状に調整したＲｕ触媒を４００ｃｃ、変成触媒にはＣｕＺｎ系触媒を２４００ｃｃ、ＣＯ除去触媒にはＲｕ触媒を２００ｃｃ使用した。
【００７８】
改質触媒とトラップ器の間に、水素含有ガスが水素含有ガス流路へ流れ出すための通気孔を、全周にわたってスリット状に開口させた。トラップ器は水素生成装置１と同心円状の二重円筒形とした。トラップ器の外側の直径は、改質部の外側の直径と同じ２００ｍｍとした。トラップ器の内側の直径は、改質部の内側の直径と同じ１９０ｍｍとした。トラップ器の深さは、３５ｍｍとした。
【００７９】
トラップ器は、バーナ部および燃焼部と同軸となるように設置し、燃焼排ガス経路の外筒を介して燃焼器から加熱されるようにした。燃焼排ガスは、トラップ器を加熱した後、改質器を加熱し、変成器、ＣＯ除去器を順次加熱する構成とした。
【００８０】
トラップ器の体積は１００ｃｃとした。改質器に、粒径を３ｍｍに調整したペレット状の改質触媒４００ｃｃを充填した。改質触媒が粉化し触媒保持板を通過した場合をシミュレーションすべく、トラップ器に、ペレット状の改質触媒を砕いて得られた粉末の改質触媒５０ｃｃを配置した。
【００８１】
運転条件として、原料は都市ガス（１３Ａガス）とし、Ｓ／Ｃ＝２．８とし、改質器の出口の温度が６２０℃となるように水素生成装置を運転した。
【００８２】
その結果、トラップ器の温度は６２５℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は８２．３％を示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％とほぼ等しい。よって、改質逆反応による転化率低下を抑制することができたと考えられる。
【００８３】
［第２実験例］
第２実験例では、第２変形例（図５）に相当する構成で実験を行った。装置構成は、触媒保持板を省略し、改質器からトラップ器まで連続的にペレット状の改質触媒が充填されている点以外は、第１実験例と同様とした。運転条件は第１実験例と同様とした。
【００８４】
その結果、トラップ器の温度は６２７℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は８２．５％を示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％とほぼ等しい。よって、改質逆反応による転化率低下を抑制することができたと考えられる。
【００８５】
［第３実験例：比較例］
第３実験例では、比較例（図３）に相当する構成で実験を行った。装置構成は、トラップ器を省略し、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部に、ペレット状の改質触媒を砕いて得られた粉末の改質触媒５０ｃｃを配置した点以外は、第１実験例と同様とした。運転条件は第１実験例と同様とした。
【００８６】
その結果、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部の温度は５６０℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は７３．５％示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％より大幅に低い。これは、改質器を出た水素含有ガスが、相対的に温度の低い底部を流通することで、改質逆反応が起こったためと考えられる。
【００８７】
（第２実施形態）
第２実施形態の水素生成装置は、第１実施形態及びその変形例のいずれかの水素生成装置において、トラップ器の側壁が、改質触媒を保持する側壁よりも外側に形成されている。
【００８８】
図７は、第２実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００８９】
図７に示すように、本実施形態の水素生成装置２００では、トラップ器４の側壁６が、改質触媒１を保持する側壁１３よりも外側に形成されている。
【００９０】
水素生成装置２００において、その他の構成要素は、図１の水素生成装置１００と同様とすることができる。よって、図１と図７とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００９１】
本実施形態の構成では、粉化した改質触媒が水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部に落下するためには、側壁６と側壁１３との間を上昇しなければならない。かかる現象は起こりにくく、結果として粉化した改質触媒の、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部への落下が抑制される。よって、底部において低温の改質触媒と水素含有ガスとが接触することによる改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００９２】
［変形例］
図８は、第２実施形態の変形例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【００９３】
図８に示すように、本変形例の水素生成装置２１０では、トラップ器４の側壁６が、改質触媒１を保持する側壁１３よりも外側に形成されている。
【００９４】
水素生成装置２１０において、その他の構成要素は、図４の水素生成装置１３０と同様とすることができる。よって、図４と図８とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００９５】
本変形例の構成でも、粉化した改質触媒が水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部に落下するためには、側壁６と側壁１３との間を上昇しなければならない。かかる現象は起こりにくく、結果として粉化した改質触媒の、水素含有ガス流路７を形成する外壁の底部への落下が抑制される。よって、底部において低温の改質触媒と水素含有ガスとが接触することによる改質逆反応が抑制され、転化率が向上される。
【００９６】
［第４実験例］
第４実験例では、第２実施形態（図７）に相当する構成で実験を行った。装置構成は、トラップ器の外側の直径を２０２ｍｍとし、トラップ器の側壁が、改質触媒を保持する側壁よりも外側に設けられるようにした点以外は、第１実験例と同様とした。運転条件は第１実験例と同様とした。
【００９７】
その結果、トラップ器の温度は６２２℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は８２．４％を示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％と一致した。よって、改質逆反応による転化率低下を抑制することができたと考えられる。
【００９８】
（第３実施形態）
第３実施形態の水素生成装置は、第２実施形態の水素生成装置において、改質触媒を保持する側壁とトラップ器の側壁とで形成される流路を通過した後のガスを転回させトラップ器の側壁の外側を通過させるためのガイド部を備える。
【００９９】
図９は、第３実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【０１００】
ガイド部１４は、改質触媒１を保持する側壁１３とトラップ器４の側壁６とで形成される流路を通過した後のガスを転回させトラップ器４の側壁６の外側を通過させるように構成されている。
【０１０１】
水素生成装置３００において、その他の構成要素は、図７の水素生成装置２００と同様とすることができる。よって、図７と図９とで共通する構成については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１０２】
本実施形態の構成では、側壁６とガイド部１４との間の空間によってトラップ器４が断熱されることから、トラップ器４がより高温に維持される。よって、改質逆反応がさらに抑制され、転化率が向上される。
【０１０３】
［第５実験例］
第５実験例では、第３実施形態（図９）に相当する構成で実験を行った。装置構成は、トラップ器の側壁のさらに外側に、直径が２０４ｍｍとなるようにトラップ器と同軸の側壁を形成すると共に、上端においてこれを改質触媒を保持する側壁に溶接した点以外は、第４実験例と同様とした。運転条件は第１実験例と同様とした。
【０１０４】
その結果、トラップ器の温度は６２２℃となり、運転開始後６０分において、水素生成装置の出口の転化率は８２．２％を示した。この値は、改質出口温度から算出される平衡状態での転化率である８２．４％とほぼ等しい。よって、改質逆反応による転化率低下を抑制することができたと考えられる。
【０１０５】
（第４実施形態）
第４実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態、第２実施形態、及び第３実施形態のいずれかの水素生成装置と、該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
図１０は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す側方断面図である。
【０１０６】
本実施形態の燃料電池システム４００は、水素生成装置１００と、燃料電池２０とを備える。
【０１０７】
燃料電池２０は、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２０は、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。燃料電池２０は、いずれの種類の燃料電池であってもよいが、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、または溶融炭酸塩形燃料電池等を用いることができる。
【０１０８】
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】
【０１０９】
本発明の水素生成装置及び燃料電池は、従来の水素生成装置及び燃料電池システムに比べ、転化率が向上される水素生成装置及び燃料電池として有用である。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 改質触媒
２ 燃焼器
３ 燃焼排ガス経路
４ トラップ器
５ 壁
６ 側壁
７ 水素含有ガス流路
８ 触媒保持板
９ 変成触媒
１０ 酸化触媒
１１ 酸化空気供給口
１２ 底部
１３ 側壁
１４ ガイド部
１５ 蒸発器
２０ 燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒と、
前記改質触媒を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、
前記改質触媒より下方に設けられ、粉化した前記改質触媒をトラップするトラップ器とを備え、
前記トラップ器は、前記燃焼排ガス経路を構成する壁を介して、前記改質触媒を加熱する前の燃焼排ガス、及び、前記改質触媒を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記トラップ器の容積が、粉化して堆積した前記改質触媒により粉化していない前記改質触媒の下方の流路が塞がれることのない大きさに設定されている、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
粉化していない前記改質触媒の下端と前記トラップ器との距離が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない前記改質触媒の下方の流路が塞がれることのない長さに設定されている、請求項１または２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記トラップ器の側壁が、前記改質触媒を保持する側壁よりも外側に形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記改質触媒を保持する側壁と前記トラップ器の側壁とで形成される流路を通過した後のガスを転回させ前記トラップ器の側壁の外側を通過させるためのガイド部を備える、請求項４記載の水素生成装置。
【請求項６】
請求項１〜５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前記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】
改質触媒と、
前記改質触媒を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器からの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、
前記改質触媒より下方に設けられ、粉化した前記改質触媒をトラップするトラップ器とを備え、
前記トラップ器は、前記燃焼排ガス経路を構成する壁を介して、前記改質触媒を加熱する前の燃焼排ガス、及び、前記改質触媒を加熱した後かつ他の反応器を加熱する前の燃焼排ガス、の少なくともいずれか一方により加熱されるよう構成されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記トラップ器の容積が、粉化して堆積した前記改質触媒により粉化していない前記改質触媒の下方の流路が塞がれることのない大きさに設定されている、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
粉化していない前記改質触媒の下端と前記トラップ器との距離が、粉化して堆積した改質触媒により粉化していない前記改質触媒の下方の流路が塞がれることのない長さに設定されている、請求項１または２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記トラップ器の側壁が、前記改質触媒を保持する側壁よりも外側に形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記改質触媒を保持する側壁と前記トラップ器の側壁とで形成される流路を通過した後のガスを転回させ前記トラップ器の側壁の外側を通過させるためのガイド部を備える、請求項４記載の水素生成装置。
【請求項６】
請求項１〜５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前記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６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２３４１０（Ｐ２０１３−２３４１０Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９８０３（Ｐ２０１１−１５９８０３）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【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２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【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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