水素製造装置及び燃料電池システム
【課題】ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができる水素製造装置及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水蒸発流路３１は、選択酸化反応部８に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて選択酸化触媒層Ａ８から熱を回収して水蒸気を生成するように構成されている。また、選択酸化触媒層Ａ８と水蒸発流路３１との間に断熱部３２が配置されている。この断熱部３２は、選択酸化反応部８を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有している。これによって、水蒸発流路３１と選択酸化反応部８とを並設させる構造とした場合であっても、選択酸化反応部８の選択酸化触媒層Ａ８の温度が低くなりすぎてしまうことを防止できる。更に、水蒸発流路３１と選択酸化触媒層Ａ８との間に断熱部３２を配置するだけの簡便な構造で温度低下を抑制することができる。
【解決手段】水蒸発流路３１は、選択酸化反応部８に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて選択酸化触媒層Ａ８から熱を回収して水蒸気を生成するように構成されている。また、選択酸化触媒層Ａ８と水蒸発流路３１との間に断熱部３２が配置されている。この断熱部３２は、選択酸化反応部８を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有している。これによって、水蒸発流路３１と選択酸化反応部８とを並設させる構造とした場合であっても、選択酸化反応部８の選択酸化触媒層Ａ８の温度が低くなりすぎてしまうことを防止できる。更に、水蒸発流路３１と選択酸化触媒層Ａ８との間に断熱部３２を配置するだけの簡便な構造で温度低下を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素製造装置としては、炭化水素等の原燃料を改質することによって生成された改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化反応部を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。選択酸化反応部の温度を制御するためには通常ヒータ等の外部加熱器が用いられるが、例えば、筒状の選択酸化反応部の内周側に隣接する位置に、水蒸気を生成するための水蒸発部が配置されている水素製造装置では、水蒸発部に供給された水温により、加熱器を用いることなく、選択酸化反応部の温度を制御することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８０４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述したような水素製造装置では、水または水蒸気が流通する流路が、選択酸化反応部に隣接する位置に設けられているため流路中の水温が低い場合、選択酸化反応部の選択酸化触媒の温度が低下してしまう。選択酸化触媒の温度が低くなりすぎた場合、選択酸化触媒の酸化劣化が生じ触媒の寿命が短くなるという問題があった。選択酸化反応部に対する適切な冷却構造が設けられていない場合は、選択酸化触媒の温度が高くなることにより、一酸化炭素および二酸化炭素のメタン化反応が進行し部材の耐熱温度以上に温度が急上昇するという問題があった。更に、選択酸化反応部周辺の改質ガスの流路の構造を工夫することによって、選択酸化触媒層の温度の最適化を図る場合、流路の構造が複雑になるという問題があった。以上より、簡便な構成で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことが要求されていた。
【０００５】
そこで、本発明は、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができる水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素製造装置は、水素を含有する改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒層で選択酸化する選択酸化反応部と、選択酸化反応部に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて選択酸化触媒層から熱を回収して水蒸気を生成する蒸発流路と、選択酸化触媒層と蒸発流路との間に配置され、選択酸化反応部を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有する断熱部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この水素製造装置では、蒸発流路は、選択酸化反応部に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて選択酸化触媒層から熱を回収して水蒸気を生成するように構成されている。これによって、選択酸化反応部の選択酸化触媒層を冷却することが可能となり、別途冷却構造を設けることなく選択酸化触媒の温度の上昇を抑制することができる。このような構造において、選択酸化触媒層と蒸発流路との間に断熱部が配置されている。この断熱部は、選択酸化反応部を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有している。従って、断熱部は、蒸発流路と選択酸化触媒層との間において、選択酸化触媒層の熱が蒸発流路に過剰に伝わってしまうことを防止することができる。これによって、蒸発流路と選択酸化反応部とを並設させる構造とした場合であっても、選択酸化反応部の選択酸化触媒の温度が低くなりすぎてしまい、選択酸化触媒の酸化劣化が生じ触媒の寿命が短くなることを防止することができる。更に、蒸発流路と選択酸化触媒層との間に断熱部を配置するだけの簡便な構造で温度低下を抑制することができる。よって、例えば、外部に選択酸化反応部に対する温度調節用の機器を設けることによって選択酸化触媒層の温度低下を抑制する場合や、選択酸化反応部周辺の流路の構造を工夫することによって選択酸化触媒層の温度低下を抑制する場合に比して、本発明は、大幅に簡便な構造とすることができる。以上によって、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができる。
【０００８】
また、本発明に係る水素製造装置において、蒸発流路は、互いに向かい合う一対の筒状の周壁の間の空間によって構成されており、選択酸化反応部は、周壁の軸に沿う筒状に構成されると共に、周壁の一方に取り付けられており、断熱部は、選択酸化反応部が取り付けられた周壁と、選択酸化触媒層との間に形成された空間によって構成されていることが好ましい。蒸発流路及び選択酸化反応部は筒状に構成されており、選択酸化反応部は蒸発流路を構成する周壁に取り付けられている。また、断熱部は、蒸発流路を構成する周壁と選択酸化触媒層との間に空間を形成するだけで構成することができる。従って、少なくとも選択酸化触媒層の部分のみは周壁と接触しないような構成とされた筒状の選択酸化反応部を準備し、このような選択酸化反応部を蒸発流路の外周側または内周側に嵌め込むだけの簡単な作業で、容易に断熱部を構成することができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素製造装置と、水素製造装置によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この燃料電池システムにおいても、上記水素製造装置を備えているため、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができるという上記効果が奏される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。
【図２】図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。
【図３】図２に示す選択酸化反応部周辺の構成の拡大図である。
【図４】図１の水素製造装置の他の例を示す概略正面端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、図面の上下方向に対応するものであり便宜的なものである。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。図１に示すように、水素製造装置（ＦＰＳ：Fuel Processing System）１は、例えば家庭用の燃料電池システム１００において水素供給源として利用されるものである。ここでの水素製造装置１は、原燃料として石油系炭化水素が用いられ、水素を含有する改質ガスをセルスタック（燃料電池スタック）２０に供給する。
【００１５】
なお、原燃料としては、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料、天然ガス、都市ガスを用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスのほか、ナフサ、軽油などを原燃料として使用することができる。また、セルスタック２０としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いてもよい。
【００１６】
図２は、図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。図１，２に示すように、水素製造装置１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形の脱硫部２と、中心軸を軸Ｇとする円柱状外形の本体部３と、を備え、これらが筐体４に収容されている。また、筐体４内において脱硫部２及び本体部３の周囲には、粉状の断熱材（不図示）が充填されて断熱されている。脱硫部２は筐体４の外に設置されてもよい。
【００１７】
脱硫部２は、外部から導入された原燃料を脱硫触媒によって脱硫して硫黄分を除去し、この原燃料を後述のフィード部５へ供給する。脱硫部２は、筐体４の側板４ｘにパイプ２１で固定され、本体部３の上部を所定の隙間を有して囲繞するよう保持されている。本体部３は、フィード部５、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８及び蒸発部９を備え、これらが一体で構成されている。この本体部３は、筐体４の床板４ｙに筒状のステー２２により固定され保持されている。
【００１８】
フィード部５は、脱硫部２で脱硫した原燃料及び水蒸気（スチーム）を混合し、これらを改質部６に供給する。具体的には、フィード部５は、原燃料及び水蒸気を合流・混合させて混合ガス（混合流体）を生成する混合部５ｘと、混合ガスを改質部６へ流通させる混合ガス流路５ｙと、を含んでいる。
【００１９】
改質部（ＳＲ：Steam Reforming）６は、フィード部５により供給された混合ガスを改質触媒（改質触媒部）６ｘによって水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをシフト反応部７へ供給する。改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、脱硫部２の筒内に位置するよう本体部３の上端側に設けられている。この改質部６にあっては、水蒸気改質反応が高温を必要としかつ吸熱反応であるため、改質部６の改質触媒６ｘを加熱するための熱源としてバーナ１０を利用している。
【００２０】
バーナ１０では、外部から原燃料がバーナ燃料として供給されて燃焼される。このバーナ１０は、本体部３の上端部に設けられ軸Ｇを中心軸とする燃焼筒１１に、バーナ１０による火炎が取り囲まれるよう取り付けられている。なお、バーナ１０においては、脱硫部２で脱硫した原燃料の一部が、バーナ燃料として供給されて燃焼される場合もある。
【００２１】
シフト反応部７は、改質部６から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるためのものであり、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。ここでのシフト反応部７は、シフト反応を２段階に分けて行うことも可能であり、高温（例えば４００°Ｃ〜６００°Ｃ）でのシフト反応である高温シフト反応を行う高温シフト反応部（ＨＴＳ：High Temperature Shift）１２と、高温シフト反応の温度よりも低温（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部（ＬＴＳ：Low Temperature Shift）１３と、を有している。ただし、高温シフト反応部１２は、必ずしも設けなくともよい。
【００２２】
高温シフト反応部１２は、改質部６から供給された改質ガス中の一酸化炭素を高温シフト触媒１２ｘによって高温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。高温シフト反応部１２は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、高温シフト触媒１２ｘが改質触媒６ｘの下端部を囲繞するよう改質部６の径方向外側に隣接配置されている。この高温シフト反応部１２は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを低温シフト反応部１３へ供給する。
【００２３】
低温シフト反応部１３は、高温シフト反応部１２で高温シフト反応させた改質ガス中の一酸化炭素を低温シフト触媒１３ｘによって低温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端側に配設されている。この低温シフト反応部１３は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを改質ガス配管１４ｘを介して選択酸化反応部８へ供給する。
【００２４】
選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential Oxidation）８は、低温シフト反応部１３で低温シフト反応させた改質ガス中のＣＯ濃度をさらに低下させる。これは、セルスタック２０に高濃度の一酸化炭素を供給すると、セルスタック２０の触媒が被毒して大きく性能低下するためである。この選択酸化反応部８は、具体的には、改質ガス中の一酸化炭素と空気配管１５を介して導入される空気とを選択酸化触媒８ｘで反応させて、改質ガス中の水素を酸化させることなく、一酸化炭素を選択的に酸化し、二酸化炭素に転換する。選択酸化反応部８は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端から所定長上端側に該本体部３の最外周側を構成するよう配設されている。
【００２５】
この選択酸化反応部８は、ＣＯ濃度をさらに低下させた改質ガスを、熱交換部１６が設けられた改質ガス配管１４ｙを介して外部へ導出する。熱交換部１６は、改質ガス配管１４ｙ内を流通する改質ガスと、外部から水配管１７ｘを介して導入された水との間で熱交換を行うと共に、この水を蒸発部９に水配管１７ｙを介して供給する。
【００２６】
蒸発部９は、熱交換部１６から供給された水を内部に貯留させると共に、この水を低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８から移動させた（低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８を冷却して得た）熱、及びバーナ１０の排ガスの熱で気化させて水蒸気を生成する。蒸発部９は、ジャケット型のものであり、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈している。この蒸発部９は、高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３の径方向外側で且つ選択酸化反応部８の径方向内側（つまり、シフト反応部７と選択酸化反応部８との間）に位置するよう配設されている。この蒸発部９は、生成した水蒸気をフィード部５の混合部５ｘに水蒸気配管１７ｚを介して供給する。
【００２７】
このような水素製造装置１では、まず、バーナ燃料及びセルスタック２０からのオフガス(セルスタック２０で反応に使用されない残ガス)の少なくとも一方と空気とがバーナ１０に供給されて燃焼され、かかる燃焼によって改質触媒６ｘが加熱される。そして、バーナ１０の排ガスが排ガス流路Ｌ１及びガス配管１８を流通して外部へ排気される。
【００２８】
これと共に、脱硫部２で脱硫された原燃料と蒸発部９からの水蒸気とが混合部５ｘで混合され、混合ガスが生成される。この混合ガスは、混合ガス流路５ｙを介して改質部６に供給されて改質触媒６ｘで水蒸気改質され、これにより、改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスは、シフト反応部７によってその一酸化炭素濃度が例えば数千ｐｐｍ程度まで低下され、選択酸化反応部８によってその一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ程度以下まで低下された後、熱交換部１６で冷却され、後段のセルスタック２０へ導出される。
【００２９】
なお、本実施形態においては、例えば各触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘにて触媒反応を好適に行うため、次のように各部位の温度が設定されている。すなわち、改質部６に流入する混合ガスの温度が約３００〜５５０℃とされ、改質部６から流出する改質ガスの温度が５５０℃〜８００℃とされ、高温シフト反応部１２に流入する改質ガスの温度が４００℃〜６００℃とされ、高温シフト反応部１２から流出する改質ガスの温度が３００℃〜５００℃とされている。また、低温シフト反応部１３に流入する改質ガスの温度が１５０℃〜３５０℃とされ、低温シフト反応部１３から流出する改質ガスの温度が１５０℃〜２５０℃とされ、選択酸化反応部８に流入する改質ガスの温度が９０℃〜２１０℃（１２０℃〜１９０℃）とされている。
【００３０】
次に、本実施形態における選択酸化反応部８及び蒸発部９の周辺構成について、より詳細に説明する。
【００３１】
図３は、図２に示す選択酸化反応部周辺の構成の拡大図である。図３に示すように、本実施形態に係る水素製造装置１の選択酸化反応部８周辺の構造は、蒸発部９に選択酸化反応部８を取り付けると共に、選択酸化触媒層Ａ８と水蒸発流路３１との間に断熱部３２を配置することによって構成されている。選択酸化触媒層Ａ８周辺の構造は、軸Ｇ側から外周側へ向かって、水蒸発流路３１、断熱部３２、選択酸化触媒層Ａ８を、この順番で備えている。水蒸発流路３１、断熱部３２、選択酸化触媒層Ａ８は、いずれも軸Ｇを中心軸とする円筒状をなしており、径方向に互いに隣接するようにそれぞれ配置されている。
【００３２】
水蒸発流路３１は、蒸発部９内の流路を構成しており、水を流通させることによって、選択酸化触媒層Ａ８から熱を回収して水蒸気を生成する流路である。水蒸発流路３１（すなわち蒸発部９）は、選択酸化反応部８に隣り合うように並設されている。水蒸発流路３１は、周壁４１、及び周壁４２によって構成されている。これらの水蒸発流路３１を構成する壁部材は、ステンレスや炭素鋼などで構成されている。周壁４１は、軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。また、周壁４２は、周壁４１を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁４１と周壁４２は、径方向において互いに向かい合うように配置されている。水蒸発流路３１は、周壁４１と周壁４２との間の隙間によって構成されている。周壁４２の下端付近には、水配管１７ｘが接続されている（図２参照）。水蒸発流路３１は、水配管１７ｘから供給された水を下方から上方へ向けて流通させる。このとき、水蒸発流路３１の水は、選択酸化触媒層Ａ８の熱を回収すると共に、低温シフト反応部１３やバーナ１０からの排ガスの熱を回収することも可能である。なお、水は水蒸発流路３１内で蒸発するため、水蒸発流路３１は下側の水層と上側のスチーム層を有している。水蒸発流路３１内の水の水面の位置は特に限定されないが、少なくとも選択酸化触媒層Ａ８の上端位置よりも上方であることが好ましい。また、水蒸発流路３１の上端や下端位置は特に限定されず、図２に示す位置より更に高い位置や低い位置に配置してよい。
【００３３】
選択酸化反応部８は、水蒸発流路３１を構成する周壁４２の軸Ｇに沿う円筒状に構成されると共に、周壁４２の外周面４２ａに直接取り付けられている。また、選択酸化反応部８は、選択酸化触媒層Ａ８の部分のみが外周面４２ａから外周側へ離間するように構成され、全体的な形状として、選択酸化触媒層Ａ８の部分が外周側へ張り出したような構成となる。具体的に、選択酸化反応部８は、周壁４２の外周面４２ａの一部、周壁４３、上壁４４、周壁４６、下壁４７、周壁４８、上壁４９、周壁５０、下壁５１、及び選択酸化触媒層Ａ８によって構成されている。これらの選択酸化反応部８を構成する壁部材は、ステンレスや炭素鋼などで構成されている。周壁４３は、周壁４２を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁４８は、周壁４３と同じ径を有すると共に当該周壁４２よりも下側に配置されており、周壁４２を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁４６は、周壁４３及び周壁４８よりも大きな径を有すると共に上下方向において当該周壁４３と周壁４８との間に配置されており、周壁４２を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。上壁４４は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁４３の下端と周壁４６の上端を閉塞するように設けられている。下壁４７は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁４８の上端と周壁４６の下端を閉塞するように設けられている。周壁５０は、周壁４２より大きく周壁４６より小さな径を有すると共に上壁４４と下壁４７との間に配置され、周壁４２を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁５０は、周壁４６との間で選択酸化触媒８ｘを充填して選択酸化触媒層Ａ８を形成するための隙間を構成する。また、周壁５０は、周壁４２との間で断熱部３２を形成するための空間６０を構成する。上壁４９は、上壁４４から下方へ離間して径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁５０の上端と周壁４２と接続されて、空間６０の上端壁を構成している。下壁５１は、下壁４７から上方へ離間して径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁５０の下端と周壁４２と接続されて、空間６０の下端壁を構成している。
【００３４】
なお、上述の壁構造をどのように実現するかは、特に限定されない。例えば、水蒸発流路３１と選択酸化反応部８との間の周壁４２を一枚の板によって構成し、選択酸化触媒層Ａ８に対応する位置のみに上壁４９、周壁５０、及び下壁５１を取り付ける構成としてもよい。あるいは、周壁４２を、蒸発部９の外周壁と選択酸化反応部８の内周壁とを重ね合わせた二枚の板によって構成し、選択酸化反応部８の内周壁の一部を外周側へ張り出させることで上壁４９、周壁５０、及び下壁５１を形成する構成としてもよい。
【００３５】
選択酸化触媒層Ａ８は、水蒸発流路３１（すなわち蒸発部９）を外側から取り囲むように、周壁４２の軸Ｇに沿う円筒状に構成されている。選択酸化触媒層Ａ８の内周面Ａ８ａと接触する周壁５０は、断熱部３２介して水蒸発流路３１の外側の周壁４２から外周側へ離間している。選択酸化触媒層Ａ８は、周壁５０、周壁４６、パンチング板５２、及びパンチング板５３で取り囲まれる空間に、選択酸化触媒８ｘを充填することによって構成されている。選択酸化触媒層Ａ８に対しては、図３においてＲＧ１に示すルートを通過するように改質ガスが供給される。すなわち、改質ガスは、周壁４２と周壁４８との間の流路、及び下壁５１と下壁４７との間の流路を通過して選択酸化触媒層Ａ８に下方から流入し、選択酸化が行われる。このとき、選択酸化触媒層Ａ８は、断熱部３２を介して水蒸発流路３１内の水によって熱を回収される。ＣＯを除去された改質ガスは、上壁４４と上壁４９との間の流路、及び周壁４２と周壁４３との間の流路を通過するように選択酸化触媒層Ａ８から流出する。なお、改質ガスの流れる方向は限定されず、図３においてＲＧ２で示すような上方から下方へ流れるルートとしてもよい。
【００３６】
断熱部３２は、選択酸化触媒層Ａ８と水蒸発流路３１との間に配置されており、選択酸化反応部８を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有している。具体的には、断熱部３２は、周壁４２、周壁５０、上壁４９及び下壁５１によって取り囲まれる空間６０によって構成されている。空間６０には空気が存在している。空間６０に存在している空気は、選択酸化反応部８を構成する壁部材である周壁４２、周壁４３、上壁４４、周壁４６、下壁４７、周壁４８、上壁４９、周壁５０、下壁５１よりも低い熱伝導率を有している。断熱部３２は、上下方向において、選択酸化触媒層Ａ８と同じ大きさに構成されているため、選択酸化触媒層Ａ８は、上下方向の全領域において水蒸発流路３１の周壁４２から離間している。なお、断熱部３２の上下方向の大きさは特に限定されず、図３に示すものより大きく構成してもよい。更に、断熱部３２は、空間６０にガラスウールやロックウールなどの断熱材を充填することによって構成されていてもよい。すなわち、断熱部３２は、水蒸発流路３１と選択酸化触媒層Ａ８との間に選択酸化反応部８の壁部材より熱伝導性の低い物質が配置されて構成されていればよい。
【００３７】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１及び燃料電池システム１００の作用・効果について説明する。
【００３８】
本実施形態に係る水素製造装置１では、水蒸発流路３１は、選択酸化反応部８に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて選択酸化触媒層Ａ８から熱を回収して水蒸気を生成するように構成されている。これによって、選択酸化反応部８の選択酸化触媒層Ａ８を冷却することが可能となり、別途冷却構造を設けることなく選択酸化触媒層Ａ８の温度の上昇を抑制することができる。このような構造において、選択酸化触媒層Ａ８と水蒸発流路３１との間に断熱部３２が配置されている。この断熱部３２は、選択酸化反応部８を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有している。従って、断熱部３２は、水蒸発流路３１と選択酸化触媒層Ａ８との間において、選択酸化触媒層Ａ８の熱が水蒸発流路３１に過剰に伝わってしまうことを防止することができる。これによって、水蒸発流路３１と選択酸化反応部８とを並設させる構造とした場合であっても、選択酸化反応部８の選択酸化触媒層Ａ８の温度が低くなりすぎてしまい、選択酸化触媒層Ａ８の酸化劣化が生じ触媒の寿命が短くなることを防止することができる。更に、水蒸発流路３１と選択酸化触媒層Ａ８との間に断熱部３２を配置するだけの簡便な構造で温度低下を抑制することができる。よって、例えば、外部に選択酸化反応部８に対する温度調節用の機器を設けることによって選択酸化触媒層Ａ８の温度低下を抑制する場合や、選択酸化反応部８周辺の流路の構造を工夫することによって選択酸化触媒層Ａ８の温度低下を抑制する場合に比して、本実施形態に係る水素製造装置１を大幅に簡便な構造とすることができる。以上によって、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部８の温度を最適な温度に保つことができる。
【００３９】
また、本実施形態に係る水素製造装置１において、水蒸発流路３１は、互いに向かい合う一対の円筒状の周壁４１と周壁４２との間の空間によって構成されている。また、選択酸化反応部８は、周壁４２の軸に沿う円筒状に構成されると共に、周壁４２に取り付けられている。更に、断熱部３２は、選択酸化反応部８が取り付けられた周壁４２と、選択酸化触媒層Ａ８との間に形成された空間６０によって構成されている。水蒸発流路３１及び選択酸化反応部８は円筒状に構成されており、選択酸化反応部８は水蒸発流路３１を構成する周壁４２に取り付けられている。また、断熱部３２は、水蒸発流路３１を構成する周壁４２と選択酸化触媒層Ａ８との間に空間６０を形成するだけで構成することができる。従って、少なくとも選択酸化触媒層Ａ８の部分のみは周壁４２と接触しないように外周側へ張り出すような構成とされた円筒状の選択酸化反応部８を準備し、このような選択酸化反応部８を水蒸発流路３１の外周側に嵌め込むだけの簡単な作業で、容易に断熱部３２を構成することができる。
【００４０】
また、本発明に係る燃料電池システム１００は、上記水素製造装置１を備えているため、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部８の温度を最適な温度に保つことができるという上記効果が奏される。
【００４１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る水素製造装置及び燃料電池システムは、実施形態に係る上記水素製造装置１及び上記燃料電池システム１００に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４２】
例えば、上記実施形態で示された水素製造装置の構成は、一例であり、選択酸化反応部８、水蒸発流路３３、断熱部３１の位置関係を除く部分の構成は、特に限定されず、各流路や配管や構成要素の位置関係や構成を適宜変更してもよい。例えば、改質部６は、原燃料及び水蒸気を改質するものであればよく、構造が異なるものを採用してもよい。また、脱硫部２がなくともよい。
【００４３】
また、上記実施形態は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものとして高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３を備えているが、図４に示すように、低温シフト反応部１３のみ備えていてもよい。
【００４４】
ちなみに、上記の「筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや、円筒状及び多角筒状の部分を少なくとも含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。
【符号の説明】
【００４５】
１…水素製造装置、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、８，１０８…選択酸化反応部、Ａ８…選択酸化触媒層、３１…水蒸発流路（蒸発流路）、３２，１３２…断熱部、４１，４２…周壁、６０，１６０…空間、１００…燃料電池システム、Ｇ…軸。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素製造装置としては、炭化水素等の原燃料を改質することによって生成された改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化反応部を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。選択酸化反応部の温度を制御するためには通常ヒータ等の外部加熱器が用いられるが、例えば、筒状の選択酸化反応部の内周側に隣接する位置に、水蒸気を生成するための水蒸発部が配置されている水素製造装置では、水蒸発部に供給された水温により、加熱器を用いることなく、選択酸化反応部の温度を制御することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８０４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述したような水素製造装置では、水または水蒸気が流通する流路が、選択酸化反応部に隣接する位置に設けられているため流路中の水温が低い場合、選択酸化反応部の選択酸化触媒の温度が低下してしまう。選択酸化触媒の温度が低くなりすぎた場合、選択酸化触媒の酸化劣化が生じ触媒の寿命が短くなるという問題があった。選択酸化反応部に対する適切な冷却構造が設けられていない場合は、選択酸化触媒の温度が高くなることにより、一酸化炭素および二酸化炭素のメタン化反応が進行し部材の耐熱温度以上に温度が急上昇するという問題があった。更に、選択酸化反応部周辺の改質ガスの流路の構造を工夫することによって、選択酸化触媒層の温度の最適化を図る場合、流路の構造が複雑になるという問題があった。以上より、簡便な構成で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことが要求されていた。
【０００５】
そこで、本発明は、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができる水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素製造装置は、水素を含有する改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒層で選択酸化する選択酸化反応部と、選択酸化反応部に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて選択酸化触媒層から熱を回収して水蒸気を生成する蒸発流路と、選択酸化触媒層と蒸発流路との間に配置され、選択酸化反応部を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有する断熱部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この水素製造装置では、蒸発流路は、選択酸化反応部に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて選択酸化触媒層から熱を回収して水蒸気を生成するように構成されている。これによって、選択酸化反応部の選択酸化触媒層を冷却することが可能となり、別途冷却構造を設けることなく選択酸化触媒の温度の上昇を抑制することができる。このような構造において、選択酸化触媒層と蒸発流路との間に断熱部が配置されている。この断熱部は、選択酸化反応部を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有している。従って、断熱部は、蒸発流路と選択酸化触媒層との間において、選択酸化触媒層の熱が蒸発流路に過剰に伝わってしまうことを防止することができる。これによって、蒸発流路と選択酸化反応部とを並設させる構造とした場合であっても、選択酸化反応部の選択酸化触媒の温度が低くなりすぎてしまい、選択酸化触媒の酸化劣化が生じ触媒の寿命が短くなることを防止することができる。更に、蒸発流路と選択酸化触媒層との間に断熱部を配置するだけの簡便な構造で温度低下を抑制することができる。よって、例えば、外部に選択酸化反応部に対する温度調節用の機器を設けることによって選択酸化触媒層の温度低下を抑制する場合や、選択酸化反応部周辺の流路の構造を工夫することによって選択酸化触媒層の温度低下を抑制する場合に比して、本発明は、大幅に簡便な構造とすることができる。以上によって、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができる。
【０００８】
また、本発明に係る水素製造装置において、蒸発流路は、互いに向かい合う一対の筒状の周壁の間の空間によって構成されており、選択酸化反応部は、周壁の軸に沿う筒状に構成されると共に、周壁の一方に取り付けられており、断熱部は、選択酸化反応部が取り付けられた周壁と、選択酸化触媒層との間に形成された空間によって構成されていることが好ましい。蒸発流路及び選択酸化反応部は筒状に構成されており、選択酸化反応部は蒸発流路を構成する周壁に取り付けられている。また、断熱部は、蒸発流路を構成する周壁と選択酸化触媒層との間に空間を形成するだけで構成することができる。従って、少なくとも選択酸化触媒層の部分のみは周壁と接触しないような構成とされた筒状の選択酸化反応部を準備し、このような選択酸化反応部を蒸発流路の外周側または内周側に嵌め込むだけの簡単な作業で、容易に断熱部を構成することができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素製造装置と、水素製造装置によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この燃料電池システムにおいても、上記水素製造装置を備えているため、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことができるという上記効果が奏される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部の温度を最適な温度に保つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。
【図２】図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。
【図３】図２に示す選択酸化反応部周辺の構成の拡大図である。
【図４】図１の水素製造装置の他の例を示す概略正面端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、図面の上下方向に対応するものであり便宜的なものである。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略ブロック図である。図１に示すように、水素製造装置（ＦＰＳ：Fuel Processing System）１は、例えば家庭用の燃料電池システム１００において水素供給源として利用されるものである。ここでの水素製造装置１は、原燃料として石油系炭化水素が用いられ、水素を含有する改質ガスをセルスタック（燃料電池スタック）２０に供給する。
【００１５】
なお、原燃料としては、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料、天然ガス、都市ガスを用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスのほか、ナフサ、軽油などを原燃料として使用することができる。また、セルスタック２０としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いてもよい。
【００１６】
図２は、図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。図１，２に示すように、水素製造装置１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形の脱硫部２と、中心軸を軸Ｇとする円柱状外形の本体部３と、を備え、これらが筐体４に収容されている。また、筐体４内において脱硫部２及び本体部３の周囲には、粉状の断熱材（不図示）が充填されて断熱されている。脱硫部２は筐体４の外に設置されてもよい。
【００１７】
脱硫部２は、外部から導入された原燃料を脱硫触媒によって脱硫して硫黄分を除去し、この原燃料を後述のフィード部５へ供給する。脱硫部２は、筐体４の側板４ｘにパイプ２１で固定され、本体部３の上部を所定の隙間を有して囲繞するよう保持されている。本体部３は、フィード部５、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８及び蒸発部９を備え、これらが一体で構成されている。この本体部３は、筐体４の床板４ｙに筒状のステー２２により固定され保持されている。
【００１８】
フィード部５は、脱硫部２で脱硫した原燃料及び水蒸気（スチーム）を混合し、これらを改質部６に供給する。具体的には、フィード部５は、原燃料及び水蒸気を合流・混合させて混合ガス（混合流体）を生成する混合部５ｘと、混合ガスを改質部６へ流通させる混合ガス流路５ｙと、を含んでいる。
【００１９】
改質部（ＳＲ：Steam Reforming）６は、フィード部５により供給された混合ガスを改質触媒（改質触媒部）６ｘによって水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをシフト反応部７へ供給する。改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、脱硫部２の筒内に位置するよう本体部３の上端側に設けられている。この改質部６にあっては、水蒸気改質反応が高温を必要としかつ吸熱反応であるため、改質部６の改質触媒６ｘを加熱するための熱源としてバーナ１０を利用している。
【００２０】
バーナ１０では、外部から原燃料がバーナ燃料として供給されて燃焼される。このバーナ１０は、本体部３の上端部に設けられ軸Ｇを中心軸とする燃焼筒１１に、バーナ１０による火炎が取り囲まれるよう取り付けられている。なお、バーナ１０においては、脱硫部２で脱硫した原燃料の一部が、バーナ燃料として供給されて燃焼される場合もある。
【００２１】
シフト反応部７は、改質部６から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるためのものであり、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。ここでのシフト反応部７は、シフト反応を２段階に分けて行うことも可能であり、高温（例えば４００°Ｃ〜６００°Ｃ）でのシフト反応である高温シフト反応を行う高温シフト反応部（ＨＴＳ：High Temperature Shift）１２と、高温シフト反応の温度よりも低温（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部（ＬＴＳ：Low Temperature Shift）１３と、を有している。ただし、高温シフト反応部１２は、必ずしも設けなくともよい。
【００２２】
高温シフト反応部１２は、改質部６から供給された改質ガス中の一酸化炭素を高温シフト触媒１２ｘによって高温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。高温シフト反応部１２は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、高温シフト触媒１２ｘが改質触媒６ｘの下端部を囲繞するよう改質部６の径方向外側に隣接配置されている。この高温シフト反応部１２は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを低温シフト反応部１３へ供給する。
【００２３】
低温シフト反応部１３は、高温シフト反応部１２で高温シフト反応させた改質ガス中の一酸化炭素を低温シフト触媒１３ｘによって低温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端側に配設されている。この低温シフト反応部１３は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを改質ガス配管１４ｘを介して選択酸化反応部８へ供給する。
【００２４】
選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential Oxidation）８は、低温シフト反応部１３で低温シフト反応させた改質ガス中のＣＯ濃度をさらに低下させる。これは、セルスタック２０に高濃度の一酸化炭素を供給すると、セルスタック２０の触媒が被毒して大きく性能低下するためである。この選択酸化反応部８は、具体的には、改質ガス中の一酸化炭素と空気配管１５を介して導入される空気とを選択酸化触媒８ｘで反応させて、改質ガス中の水素を酸化させることなく、一酸化炭素を選択的に酸化し、二酸化炭素に転換する。選択酸化反応部８は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端から所定長上端側に該本体部３の最外周側を構成するよう配設されている。
【００２５】
この選択酸化反応部８は、ＣＯ濃度をさらに低下させた改質ガスを、熱交換部１６が設けられた改質ガス配管１４ｙを介して外部へ導出する。熱交換部１６は、改質ガス配管１４ｙ内を流通する改質ガスと、外部から水配管１７ｘを介して導入された水との間で熱交換を行うと共に、この水を蒸発部９に水配管１７ｙを介して供給する。
【００２６】
蒸発部９は、熱交換部１６から供給された水を内部に貯留させると共に、この水を低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８から移動させた（低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８を冷却して得た）熱、及びバーナ１０の排ガスの熱で気化させて水蒸気を生成する。蒸発部９は、ジャケット型のものであり、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈している。この蒸発部９は、高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３の径方向外側で且つ選択酸化反応部８の径方向内側（つまり、シフト反応部７と選択酸化反応部８との間）に位置するよう配設されている。この蒸発部９は、生成した水蒸気をフィード部５の混合部５ｘに水蒸気配管１７ｚを介して供給する。
【００２７】
このような水素製造装置１では、まず、バーナ燃料及びセルスタック２０からのオフガス(セルスタック２０で反応に使用されない残ガス)の少なくとも一方と空気とがバーナ１０に供給されて燃焼され、かかる燃焼によって改質触媒６ｘが加熱される。そして、バーナ１０の排ガスが排ガス流路Ｌ１及びガス配管１８を流通して外部へ排気される。
【００２８】
これと共に、脱硫部２で脱硫された原燃料と蒸発部９からの水蒸気とが混合部５ｘで混合され、混合ガスが生成される。この混合ガスは、混合ガス流路５ｙを介して改質部６に供給されて改質触媒６ｘで水蒸気改質され、これにより、改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスは、シフト反応部７によってその一酸化炭素濃度が例えば数千ｐｐｍ程度まで低下され、選択酸化反応部８によってその一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ程度以下まで低下された後、熱交換部１６で冷却され、後段のセルスタック２０へ導出される。
【００２９】
なお、本実施形態においては、例えば各触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘにて触媒反応を好適に行うため、次のように各部位の温度が設定されている。すなわち、改質部６に流入する混合ガスの温度が約３００〜５５０℃とされ、改質部６から流出する改質ガスの温度が５５０℃〜８００℃とされ、高温シフト反応部１２に流入する改質ガスの温度が４００℃〜６００℃とされ、高温シフト反応部１２から流出する改質ガスの温度が３００℃〜５００℃とされている。また、低温シフト反応部１３に流入する改質ガスの温度が１５０℃〜３５０℃とされ、低温シフト反応部１３から流出する改質ガスの温度が１５０℃〜２５０℃とされ、選択酸化反応部８に流入する改質ガスの温度が９０℃〜２１０℃（１２０℃〜１９０℃）とされている。
【００３０】
次に、本実施形態における選択酸化反応部８及び蒸発部９の周辺構成について、より詳細に説明する。
【００３１】
図３は、図２に示す選択酸化反応部周辺の構成の拡大図である。図３に示すように、本実施形態に係る水素製造装置１の選択酸化反応部８周辺の構造は、蒸発部９に選択酸化反応部８を取り付けると共に、選択酸化触媒層Ａ８と水蒸発流路３１との間に断熱部３２を配置することによって構成されている。選択酸化触媒層Ａ８周辺の構造は、軸Ｇ側から外周側へ向かって、水蒸発流路３１、断熱部３２、選択酸化触媒層Ａ８を、この順番で備えている。水蒸発流路３１、断熱部３２、選択酸化触媒層Ａ８は、いずれも軸Ｇを中心軸とする円筒状をなしており、径方向に互いに隣接するようにそれぞれ配置されている。
【００３２】
水蒸発流路３１は、蒸発部９内の流路を構成しており、水を流通させることによって、選択酸化触媒層Ａ８から熱を回収して水蒸気を生成する流路である。水蒸発流路３１（すなわち蒸発部９）は、選択酸化反応部８に隣り合うように並設されている。水蒸発流路３１は、周壁４１、及び周壁４２によって構成されている。これらの水蒸発流路３１を構成する壁部材は、ステンレスや炭素鋼などで構成されている。周壁４１は、軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。また、周壁４２は、周壁４１を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁４１と周壁４２は、径方向において互いに向かい合うように配置されている。水蒸発流路３１は、周壁４１と周壁４２との間の隙間によって構成されている。周壁４２の下端付近には、水配管１７ｘが接続されている（図２参照）。水蒸発流路３１は、水配管１７ｘから供給された水を下方から上方へ向けて流通させる。このとき、水蒸発流路３１の水は、選択酸化触媒層Ａ８の熱を回収すると共に、低温シフト反応部１３やバーナ１０からの排ガスの熱を回収することも可能である。なお、水は水蒸発流路３１内で蒸発するため、水蒸発流路３１は下側の水層と上側のスチーム層を有している。水蒸発流路３１内の水の水面の位置は特に限定されないが、少なくとも選択酸化触媒層Ａ８の上端位置よりも上方であることが好ましい。また、水蒸発流路３１の上端や下端位置は特に限定されず、図２に示す位置より更に高い位置や低い位置に配置してよい。
【００３３】
選択酸化反応部８は、水蒸発流路３１を構成する周壁４２の軸Ｇに沿う円筒状に構成されると共に、周壁４２の外周面４２ａに直接取り付けられている。また、選択酸化反応部８は、選択酸化触媒層Ａ８の部分のみが外周面４２ａから外周側へ離間するように構成され、全体的な形状として、選択酸化触媒層Ａ８の部分が外周側へ張り出したような構成となる。具体的に、選択酸化反応部８は、周壁４２の外周面４２ａの一部、周壁４３、上壁４４、周壁４６、下壁４７、周壁４８、上壁４９、周壁５０、下壁５１、及び選択酸化触媒層Ａ８によって構成されている。これらの選択酸化反応部８を構成する壁部材は、ステンレスや炭素鋼などで構成されている。周壁４３は、周壁４２を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁４８は、周壁４３と同じ径を有すると共に当該周壁４２よりも下側に配置されており、周壁４２を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁４６は、周壁４３及び周壁４８よりも大きな径を有すると共に上下方向において当該周壁４３と周壁４８との間に配置されており、周壁４２を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。上壁４４は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁４３の下端と周壁４６の上端を閉塞するように設けられている。下壁４７は、径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁４８の上端と周壁４６の下端を閉塞するように設けられている。周壁５０は、周壁４２より大きく周壁４６より小さな径を有すると共に上壁４４と下壁４７との間に配置され、周壁４２を外周側で取り囲むように軸Ｇを中心軸とする円筒状（円管状）を呈している。周壁５０は、周壁４６との間で選択酸化触媒８ｘを充填して選択酸化触媒層Ａ８を形成するための隙間を構成する。また、周壁５０は、周壁４２との間で断熱部３２を形成するための空間６０を構成する。上壁４９は、上壁４４から下方へ離間して径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁５０の上端と周壁４２と接続されて、空間６０の上端壁を構成している。下壁５１は、下壁４７から上方へ離間して径方向に沿って延在する円板状を呈し、周壁５０の下端と周壁４２と接続されて、空間６０の下端壁を構成している。
【００３４】
なお、上述の壁構造をどのように実現するかは、特に限定されない。例えば、水蒸発流路３１と選択酸化反応部８との間の周壁４２を一枚の板によって構成し、選択酸化触媒層Ａ８に対応する位置のみに上壁４９、周壁５０、及び下壁５１を取り付ける構成としてもよい。あるいは、周壁４２を、蒸発部９の外周壁と選択酸化反応部８の内周壁とを重ね合わせた二枚の板によって構成し、選択酸化反応部８の内周壁の一部を外周側へ張り出させることで上壁４９、周壁５０、及び下壁５１を形成する構成としてもよい。
【００３５】
選択酸化触媒層Ａ８は、水蒸発流路３１（すなわち蒸発部９）を外側から取り囲むように、周壁４２の軸Ｇに沿う円筒状に構成されている。選択酸化触媒層Ａ８の内周面Ａ８ａと接触する周壁５０は、断熱部３２介して水蒸発流路３１の外側の周壁４２から外周側へ離間している。選択酸化触媒層Ａ８は、周壁５０、周壁４６、パンチング板５２、及びパンチング板５３で取り囲まれる空間に、選択酸化触媒８ｘを充填することによって構成されている。選択酸化触媒層Ａ８に対しては、図３においてＲＧ１に示すルートを通過するように改質ガスが供給される。すなわち、改質ガスは、周壁４２と周壁４８との間の流路、及び下壁５１と下壁４７との間の流路を通過して選択酸化触媒層Ａ８に下方から流入し、選択酸化が行われる。このとき、選択酸化触媒層Ａ８は、断熱部３２を介して水蒸発流路３１内の水によって熱を回収される。ＣＯを除去された改質ガスは、上壁４４と上壁４９との間の流路、及び周壁４２と周壁４３との間の流路を通過するように選択酸化触媒層Ａ８から流出する。なお、改質ガスの流れる方向は限定されず、図３においてＲＧ２で示すような上方から下方へ流れるルートとしてもよい。
【００３６】
断熱部３２は、選択酸化触媒層Ａ８と水蒸発流路３１との間に配置されており、選択酸化反応部８を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有している。具体的には、断熱部３２は、周壁４２、周壁５０、上壁４９及び下壁５１によって取り囲まれる空間６０によって構成されている。空間６０には空気が存在している。空間６０に存在している空気は、選択酸化反応部８を構成する壁部材である周壁４２、周壁４３、上壁４４、周壁４６、下壁４７、周壁４８、上壁４９、周壁５０、下壁５１よりも低い熱伝導率を有している。断熱部３２は、上下方向において、選択酸化触媒層Ａ８と同じ大きさに構成されているため、選択酸化触媒層Ａ８は、上下方向の全領域において水蒸発流路３１の周壁４２から離間している。なお、断熱部３２の上下方向の大きさは特に限定されず、図３に示すものより大きく構成してもよい。更に、断熱部３２は、空間６０にガラスウールやロックウールなどの断熱材を充填することによって構成されていてもよい。すなわち、断熱部３２は、水蒸発流路３１と選択酸化触媒層Ａ８との間に選択酸化反応部８の壁部材より熱伝導性の低い物質が配置されて構成されていればよい。
【００３７】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１及び燃料電池システム１００の作用・効果について説明する。
【００３８】
本実施形態に係る水素製造装置１では、水蒸発流路３１は、選択酸化反応部８に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて選択酸化触媒層Ａ８から熱を回収して水蒸気を生成するように構成されている。これによって、選択酸化反応部８の選択酸化触媒層Ａ８を冷却することが可能となり、別途冷却構造を設けることなく選択酸化触媒層Ａ８の温度の上昇を抑制することができる。このような構造において、選択酸化触媒層Ａ８と水蒸発流路３１との間に断熱部３２が配置されている。この断熱部３２は、選択酸化反応部８を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有している。従って、断熱部３２は、水蒸発流路３１と選択酸化触媒層Ａ８との間において、選択酸化触媒層Ａ８の熱が水蒸発流路３１に過剰に伝わってしまうことを防止することができる。これによって、水蒸発流路３１と選択酸化反応部８とを並設させる構造とした場合であっても、選択酸化反応部８の選択酸化触媒層Ａ８の温度が低くなりすぎてしまい、選択酸化触媒層Ａ８の酸化劣化が生じ触媒の寿命が短くなることを防止することができる。更に、水蒸発流路３１と選択酸化触媒層Ａ８との間に断熱部３２を配置するだけの簡便な構造で温度低下を抑制することができる。よって、例えば、外部に選択酸化反応部８に対する温度調節用の機器を設けることによって選択酸化触媒層Ａ８の温度低下を抑制する場合や、選択酸化反応部８周辺の流路の構造を工夫することによって選択酸化触媒層Ａ８の温度低下を抑制する場合に比して、本実施形態に係る水素製造装置１を大幅に簡便な構造とすることができる。以上によって、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部８の温度を最適な温度に保つことができる。
【００３９】
また、本実施形態に係る水素製造装置１において、水蒸発流路３１は、互いに向かい合う一対の円筒状の周壁４１と周壁４２との間の空間によって構成されている。また、選択酸化反応部８は、周壁４２の軸に沿う円筒状に構成されると共に、周壁４２に取り付けられている。更に、断熱部３２は、選択酸化反応部８が取り付けられた周壁４２と、選択酸化触媒層Ａ８との間に形成された空間６０によって構成されている。水蒸発流路３１及び選択酸化反応部８は円筒状に構成されており、選択酸化反応部８は水蒸発流路３１を構成する周壁４２に取り付けられている。また、断熱部３２は、水蒸発流路３１を構成する周壁４２と選択酸化触媒層Ａ８との間に空間６０を形成するだけで構成することができる。従って、少なくとも選択酸化触媒層Ａ８の部分のみは周壁４２と接触しないように外周側へ張り出すような構成とされた円筒状の選択酸化反応部８を準備し、このような選択酸化反応部８を水蒸発流路３１の外周側に嵌め込むだけの簡単な作業で、容易に断熱部３２を構成することができる。
【００４０】
また、本発明に係る燃料電池システム１００は、上記水素製造装置１を備えているため、ヒータ等の外部加熱器を用いることなく、簡便な構造で選択酸化反応部８の温度を最適な温度に保つことができるという上記効果が奏される。
【００４１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る水素製造装置及び燃料電池システムは、実施形態に係る上記水素製造装置１及び上記燃料電池システム１００に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４２】
例えば、上記実施形態で示された水素製造装置の構成は、一例であり、選択酸化反応部８、水蒸発流路３３、断熱部３１の位置関係を除く部分の構成は、特に限定されず、各流路や配管や構成要素の位置関係や構成を適宜変更してもよい。例えば、改質部６は、原燃料及び水蒸気を改質するものであればよく、構造が異なるものを採用してもよい。また、脱硫部２がなくともよい。
【００４３】
また、上記実施形態は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものとして高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３を備えているが、図４に示すように、低温シフト反応部１３のみ備えていてもよい。
【００４４】
ちなみに、上記の「筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや、円筒状及び多角筒状の部分を少なくとも含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。
【符号の説明】
【００４５】
１…水素製造装置、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、８，１０８…選択酸化反応部、Ａ８…選択酸化触媒層、３１…水蒸発流路（蒸発流路）、３２，１３２…断熱部、４１，４２…周壁、６０，１６０…空間、１００…燃料電池システム、Ｇ…軸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒層で選択酸化する選択酸化反応部と、
前記選択酸化反応部に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて前記選択酸化触媒層から熱を回収して水蒸気を生成する蒸発流路と、
前記選択酸化触媒層と前記蒸発流路との間に配置され、前記選択酸化反応部を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有する断熱部と、を備えることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記蒸発流路は、互いに向かい合う一対の筒状の周壁の間の空間によって構成されており、
前記選択酸化反応部は、前記周壁の軸に沿う筒状に構成されると共に、一対の前記周壁のうちの一方に取り付けられており、
前記断熱部は、前記選択酸化反応部が取り付けられた前記周壁と、前記選択酸化触媒層との間に形成された空間によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の水素製造装置と、
前記水素製造装置によって生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
水素を含有する改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒層で選択酸化する選択酸化反応部と、
前記選択酸化反応部に隣り合うように並設されると共に、水を流通させて前記選択酸化触媒層から熱を回収して水蒸気を生成する蒸発流路と、
前記選択酸化触媒層と前記蒸発流路との間に配置され、前記選択酸化反応部を構成する壁部材よりも低い熱伝導率を有する断熱部と、を備えることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記蒸発流路は、互いに向かい合う一対の筒状の周壁の間の空間によって構成されており、
前記選択酸化反応部は、前記周壁の軸に沿う筒状に構成されると共に、一対の前記周壁のうちの一方に取り付けられており、
前記断熱部は、前記選択酸化反応部が取り付けられた前記周壁と、前記選択酸化触媒層との間に形成された空間によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の水素製造装置と、
前記水素製造装置によって生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２０７７０７（Ｐ２０１１−２０７７０７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７８８０１（Ｐ２０１０−７８８０１）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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