JP4878466B2 - 燃料電池用燃料改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用燃料改質装置に関する。

燃料電池は周知のごとく発電装置の一つであって、燃料として水素を供給すると共に酸素(又は空気)を供給し、電解質を介して電気化学反応を生じさせることで発電を行うものである。燃料として用いる水素は、水素ボンベから水素ガスを直接燃料電池に供給する場合もあるが、天然ガス等の炭素系原燃料を燃料改質装置により水素を主体とした改質ガスに改質し、この改質ガスを燃料電池に供給する場合が多い。

上記燃料改質装置は、通常脱硫器と改質器とCO変成器とCO除去器とを備え、炭素系原燃料ガスを脱硫器に送り込んで脱硫した後、改質器で水蒸気改質して水素主体の改質ガスに改質し、この改質ガス中には濃度の高いCOが含まれているため、CO変成器でCO_２に変成し、更にCO除去器により選択酸化してCO濃度を減少させる工程を行う。改質ガス中に濃度の高いCOが含まれていると、燃料電池の電極部における触媒を被毒し、電池性能を低下させるのでCO濃度を低減する必要がある。

燃料電池を組み込んだ例えば家庭用の熱電併給システムにおいては、燃料電池と燃料改質装置とを組み込んだ定置型ケースと、この定置型ケースとは別置きの貯湯タンクが用意される。定置型ケースは設置スペースの関係で小型であることが好ましく、ケース内部に組み込まれる燃料改質装置は小型コンパクト化が要求される。このため、燃料改質装置のうち改質器とCO変成器とCO除去器とを多重筒体状の構造で一体化したものが従来知られている(例えば、特許文献１)。
特開２００５−１５２９２号公報

上記従来の燃料改質装置は、筒形断熱容器の内部に改質器が配設されると共に、その筒形断熱容器の下部にバーナを配置し、このバーナを燃焼させて上向き方向に火炎を発生させ、改質器内に充填されている改質触媒を加熱する構成にしてある。改質触媒は通常７００℃〜７５０℃の温度領域で反応するため起動時にバーナを燃焼して昇温させ、且つ吸熱反応のため作動中もバーナの燃焼を続行して加熱しなければならない。この場合、バーナの火炎は上記筒形断熱容器内に位置しているが、バーナを組み込んだケースは筒形断熱容器外に位置している。このため、バーナケースからの放熱が外部に逃げてしまい、有効利用できないことから熱効率の低下を来たす問題があった。

本発明は、このような従来技術における問題を解決するためになされ、バーナを含む燃焼装置からの放熱を有効利用することにより熱効率を向上させるようにした燃料電池用燃料改質装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の燃料電池用燃料改質装置は、炭素系原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、この改質器で改質された改質ガスをCO変成するCO変成器とが多重筒体状に一体化されてユニットが形成され、ユニットの上部にハウジングによって中央空間領域と外周空間領域とに仕切られた空間部を設けるとともに、ユニットの下部にバーナを含む燃焼装置が前記ユニットに組み込まれて内蔵されている構造を有する燃料電池用燃料改質装置であって、
前記外周空間領域に前記燃焼装置で生じた燃焼ガスと熱交換して水から水蒸気を発生させる第１の熱交換器を配設するとともに、前記中央空間領域に前記改質器で改質された改質ガスを合流して流入させ、この改質ガスと前記第１の熱交換器で発生させた水蒸気とを熱交換するための、前記第１の熱交換器に連結された第２の熱交換器を配設し、第１の熱交換器と第２の熱交換器を経て発生した水蒸気と前記炭素系原燃料ガスを混合してこの混合ガスを前記改質器へ供給し、
この改質ガスをCO変成する前記CO変成器に流入することを特徴とする。

請求項２の燃料電池用燃料改質装置は、請求項１の燃料電池用燃料改質装置において、前記バーナを含む燃焼装置は、前記CO変成器の内側に断熱材を介して配置されていることを特徴とする。

上記請求項１の発明によれば、炭素系原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、この改質器で改質された改質ガスをCO変成するCO変成器とが多重筒体状に一体化されてユニットが形成され、ユニットの上部にハウジングによって中央空間領域と外周空間領域とに仕切られた空間部を設けるとともに、ユニットの下部にバーナを含む燃焼装置が前記ユニットに組み込まれて内蔵されている構造を有する燃料電池用燃料改質装置であって、
前記外周空間領域に前記燃焼装置で生じた燃焼ガスと熱交換して水から水蒸気を発生させる第１の熱交換器を配設するとともに、前記中央空間領域に前記改質器で改質された改質ガスを合流して流入させ、この改質ガスと前記第１の熱交換器で発生させた水蒸気とを熱交換するための、前記第１の熱交換器に連結された第２の熱交換器を配設し、第１の熱交換器と第２の熱交換器を経て発生した水蒸気と前記炭素系原燃料ガスを混合してこの混合ガスを前記改質器へ供給し、
この改質ガスをCO変成する前記CO変成器に流入する構造であるため、燃焼装置からの放熱を外部に逸散させないで有効利用することができ、また、前記改質器で改質された改質ガスの顕熱も有効利用することができ、これにより、熱効率の向上が図れるという顕著な効果を奏する。

上記請求項２の発明によれば、バーナを含む燃焼装置がCO変成器の内側に断熱材を介して配置されているため、燃焼装置からの放熱を断熱材の内側と外側の温度差によりCO変成器側に熱移動させることができる。これにより、起動時においてCO変成器を燃焼装置からの放熱により加熱し、CO変成触媒を反応温度領域まで昇温することで運転開始時間の短縮を図ることができる。

次に、本発明に係る燃料電池用燃料改質装置の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る燃料電池用燃料改質装置の実施形態を示す概略縦断面図である。図１において、１は改質器２とCO変成器３とが多重筒体状に一体化されると共に、バーナを含む燃焼装置４等が組み込まれたユニットである。

上記改質器２は、ユニット１の中心部に配設され、内筒２aと外筒２bとの間に改質触媒Aが一定量充填されている。改質触媒Aとしては、例えばニッケル触媒を使用することができる。この改質触媒Aが充填されている触媒収納部の底部は、網板等の底板２cが取り付けられて改質触媒Aの落下を防いでいる。改質器２における内筒２aの上端部には仕切板２dが取り付けられ、この仕切板２dの上方に小孔を設けた覆板２eを取り付けることで原燃料ガスの導入口５が形成されている。又、外筒２bの上端部は天板２fが取り付けられ、この天板２fと前記覆板２eを貫通して原燃料ガス供給管６が取り付けられ、その下端部が前記導入口５内に開口している。

改質器２の下方には前記燃焼装置４が配設されており、その上部に立設された燃焼筒４aは改質器２の内部空間内に突入されている。改質器２の外周部には燃焼ガス通路７が設けられている。この燃焼ガス通路７は、内筒７aと外筒７bとから構成され、外筒７bの底部には底板７cが取り付けられ、内筒７aの底部には中央部に丸孔をあけた底板７dが取り付けられている。そして、前記燃焼筒４aは底板７cを貫通すると共に、底板７dの丸孔を通って改質器２の内部空間内に突出している。又、底板７dに対して改質器２の内筒２aの底縁部が丸孔の縁部に取り付けられている。更に、燃焼ガス通路７の内筒７bと改質器２の外筒２bとの間には隙間があけられて改質ガス第１通路８が形成されている。

上記燃焼ガス通路７の外周部には円筒隔壁９が設けられ、この円筒隔壁９と燃焼ガス通路７の外筒７bとの間に断熱材１０が介在されている。この断熱材１０は、前記燃焼装置４におけるケース４bの底部を除く外周部全体及び燃焼筒４aの下端部近傍を被覆している。尚、ケース４bの底部も断熱材１０で被覆すると好ましい。断熱材１０としては、例えばワッカーケミー社製高機能断熱材（ＷＤＳ）からなるものを使用することができる。

上記円筒隔壁９の外周部には前記CO変成器３が配置されている。このCO変成器３は、内筒３aと外筒３bとから構成され、これらの間にCO変成触媒Bが一定量充填されている。改質触媒Bとしては、例えば鉄系触媒、銅系触媒を使用することができる。このCO変成触媒Bが充填されている触媒収納部の底部は、網板等の底板３cが取り付けられてCO変成触媒Bの落下を防いでいる。又、CO変成器３の内筒３aと前記円筒隔壁９との間に隙間をあけて改質ガス第２通路１１が形成されている。尚、CO変成器３の外周部は断熱材(図略)を巻いて被覆するのが一般的である。

前記ユニット１の上部にはハウジングによって空間部１aが設けられ、この空間部１a内に熱交換器１２が配設されており、この熱交換器１２における管路の始端部には給水管１３が接続されると共に、管路の終端部は前記原燃料ガス供給管６に接続されている。又、熱交換器１２における管路の中間部には連結管１２aが取り付けられている。

ユニット１の空間部１aと前記CO変成器３の触媒収納部とを連結する連結管１４が、その一端を空間部１a側に固定し、他端をユニット１のフランジ部分に貫通固定することにより取り付けられている。これにより改質ガス第１通路８からユニット１の空間部１a内に流入する改質ガスは、連結管１４を通ってCO変成器３の触媒収納部に流入する。又、ユニット１のフランジ部分には改質ガス吐出管１５が固定され、その下端部は前記改質ガス第２通路１１の上部合流空間に連通している。これにより、改質ガス第２通路１１を通る改質ガスを改質ガス吐出管１５から外部に吐出させることができる。尚、CO変成器３の上端部には、パンチングメタル板３dが取り付けられている。

ユニット１の空間部１aは、円筒隔壁１bによって中央空間領域と外周空間領域とに仕切られており、前記燃焼ガス通路７の上端部は空間部１aのうち外周空間領域に連通している。又、空間部１aの外周空間領域の上端部には燃焼排ガス管１６が取り付けられている。そして、前記熱交換器１２の管路の一部は空間部１aの外周空間領域内に位置しており、この外周空間領域において前記給水管１３から供給される水と高温の燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、水は水蒸気となって前記原燃料ガス供給管６内に入り、燃焼排ガスは冷やされて燃焼排ガス管１６から外部に排気される。

ユニット１の上端部近傍には前記空間部１aを形成するハウジングにフランジ１dが取り付けられ、これに対応するフランジ９aが前記円筒隔壁９の上端に取り付けられており、これらのフランジはシール材を挟んで溶接又はボルト等により固定される。ユニット１の下端部には円筒隔壁９の下端にフランジ９bが取り付けられ、このフランジ９bとユニットの底板１eとの間にシール材を挟んで溶接又はボルト等により固定される。尚、前記燃焼装置４には燃料管４c、オフガス管４d、燃焼用空気管４eがそれぞれ接続される。又、本実施形態では、CO除去器はユニット１内に組み込まずユニット１とは別体に形成する。

上記のように構成された本実施形態に係る燃料電池用燃料改質装置は、起動時に前記燃料管４cから炭素系原燃料ガスを供給すると共に、燃焼用空気管４eから空気を送り込んでバーナ(図略)を点火する。バーナが燃焼すると前記燃焼筒４aの内部に火炎が立ち登り、その燃焼ガスは改質器２の内部空間内に流入して改質器２を内側から加熱し、燃焼ガスは燃焼筒４aと内筒２aとの間を下降して前記燃焼ガス通路７内に流入すると共に、この燃焼ガス通路７内を上昇してユニット１の空間部１aにおける外周空間領域内に流入する。そして、燃焼ガスは空間部１aの外周空間領域に取り付けられている前記燃焼排ガス管１６から外部に排気される。これにより、改質器２の改質触媒Aはバーナの燃焼熱により昇温され、例えば約７００℃になるまで加熱が続行される。

本実施形態では、前記のように燃焼装置４の外周部が断熱材１０により被覆されているため、燃焼装置４におけるケース４bからの放熱が外部に逃げない。断熱材１０の下部層では、燃焼装置４のケース４b側に対向する内側の温度は高く、前記CO変成器３側に対向する外側の温度は低い。この温度差によりケース４bからの放熱が断熱材１０を介して
ケース４b側からCO変成器３側に熱移動する。又、断熱材１０の中部層及び上部層では、前記燃焼ガス通路７内を高温の燃焼ガスが上昇移動するため、燃焼ガス通路７側に対向する内側の温度は高く、CO変成器３側に対向する外側の温度は低い。この温度差により燃焼ガス通路７側からの放熱が断熱材１０を介してCO変成器３側に熱移動する。これにより、CO変成器３のCO変成触媒Bは昇温され、例えば２５０℃〜３００℃になるまで加熱が続行される。このようにして、燃焼装置４からの放熱をCO変成器３を加熱する熱源として有効利用することができる。起動時において、CO変成器３を燃焼装置４からの放熱により加熱し、CO変成触媒Bを反応温度領域まで昇温することで運転開始時間の短縮を図ることができる。

改質器２の改質触媒A、及びCO変成器３のCO変成触媒が所定の温度まで昇温したら、図示しない脱硫器を通して脱硫した炭素系原燃料ガスを前記原燃料ガス供給管６から供給すると共に、給水管１３から水を供給する。給水管１３から供給された水は、前記熱交換器１２の管路を通過する途中で前記ユニット１の空間部１aにおける外周空間領域内にて燃焼ガスとの間で熱交換が行われて水蒸気に変化する。この水蒸気は熱交換器１２の管路を進行して管路の終端部から原燃料ガス供給管６に流入する。これにより、原燃料ガス供給管６において、原燃料ガスと水蒸気とが混合して前記原燃料ガスの導入口５に供給される。

原燃料ガスの導入口５に供給された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、前記覆板２eの小孔を抜けて上方に移動する。この時、混合ガスは圧力損失が生じて拡散される。拡散された混合ガスは、改質器２の天板２fで反射して改質器２の触媒収納部に流入し、改質触媒A中を流下する。これにより、混合ガスは改質触媒Aにより水蒸気改質され、水素主体の改質ガスに改質される。

触媒収納部の下から出た改質ガスは、前記改質ガス第１通路８を上昇し、ユニット１の空間部１aを形成している前記ハウジングに立ち上げて設けられた合流管１cにて合流し、ユニット１の空間部１aにおける中央空間領域に流入する。更に、連結管１４を通ってCO変成器３の触媒収納部に流入する。CO変成器３の触媒収納部に流入した改質ガスは、CO変成触媒B中を流下する間にシフト反応によって改質ガス中に含まれているCOがCO_２に変成される。

CO変成器３の触媒収納部の下から出た改質ガスは、前記改質ガス第２通路１１を上昇してCO変成器３の上部空間内に流入し、前記改質ガス吐出管１５から外部に吐出される。外部に吐出された改質ガスは、未だCO濃度がかなり高いため、図示しないCO除去器に導入し選択酸化することによりCO濃度を約１０ppm以下に減少させる。そして、CO除去器から吐出される改質ガスは、図示しない燃料電池におけるスタックの燃料極に供給される。この場合、CO除去器はユニット１内に組み込んでいないため、CO除去器の触媒交換は容易にできることになる。

燃料電池においては、燃料極に供給される改質ガス中の水素ガスと、空気極に供給される例えば空気中の酸素ガスとにより、電解質を介して電気化学反応が生じることで発電が行われる。この発電中に燃料極で未反応に終わったオフガスは、前記オフガス管４dにより燃料装置４に供給され、バーナの燃焼用ガスとして利用される。改質器２での水蒸気改質は吸熱反応のため、発電中においてもバーナを燃焼させて改質触媒Aを反応温度に維持する必要がある。起動時には、オフガスが発生しないため前記燃料管４cから原燃料ガスを供給してバーナを燃焼させたが、発電中にはオフガスの供給に切り替えることが可能である。

本発明は、多重筒体形の燃料電池用燃料改質装置に利用することができ、改質器の下方に配設される燃焼装置は、CO変成器３の内側に断熱材１０を介して配置しユニットに内蔵させることにより、従来無駄になっていた燃焼装置からの放熱を有効利用することができる。特に、起動時において燃焼装置からの放熱をCO変成器の加熱用熱源として役立たせることができる。

本発明に係る燃料電池用燃料改質装置の実施形態を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１ ユニット
１a 空間部
２ 改質器
３ CO変成器
４ 燃焼装置
４a 燃焼筒
４b ケース
５ 導入口
６ 原燃料ガス供給管
７ 燃焼ガス通路
８ 改質ガス第１通路
９ 円筒隔壁
１０ 断熱材
１１ 改質ガス第２通路
１２ 熱交換器
１３ 給水管
１４ 連結管
１５ 改質ガス吐出管
１６ 燃焼排ガス管
A 改質触媒
B CO変成触媒

Claims (2)

1. 炭素系原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、この改質器で改質された改質ガスをCO変成するCO変成器とが多重筒体状に一体化されてユニットが形成され、ユニットの上部にハウジングによって中央空間領域と外周空間領域とに仕切られた空間部を設けるとともに、ユニットの下部にバーナを含む燃焼装置が前記ユニットに組み込まれて内蔵されている構造を有する燃料電池用燃料改質装置であって、
   前記外周空間領域に前記燃焼装置で生じた燃焼ガスと熱交換して水から水蒸気を発生させる第１の熱交換器を配設するとともに、前記中央空間領域に前記改質器で改質された改質ガスを合流して流入させ、この改質ガスと前記第１の熱交換器で発生させた水蒸気とを熱交換するための、前記第１の熱交換器に連結された第２の熱交換器を配設し、第１の熱交換器と第２の熱交換器を経て発生した水蒸気と前記炭素系原燃料ガスを混合してこの混合ガスを前記改質器へ供給し、
   前記改質器で改質された改質ガスをCO変成する前記CO変成器に流入することを特徴とする燃料電池用燃料改質装置。
2. 前記バーナを含む燃焼装置は、前記CO変成器の内側に断熱材を介して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料改質装置。

Images