JPH03109202A - 燃料電池システムの燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池システムの燃料改質装置に関するも
ので、特に燃料改質装置の加熱器に関するものである。

（従来の技術） 火力発電や原子力発電等は化石燃料の化学エネルギーを
熱エネルギーや核エネルギーに変えてから電気エネルギ
ーを得るのに対し、燃料電池は化学エネルギーから直接
電気エネルギーを得る。この燃料電池は、反応物が外部
から連続的に供給される化学電池であり、燃料電池本体
、燃料改質装置、電力変換装置が主な構成要素であって
、これらの構成要素に制御装置、排熱回収装置等が加わ
り燃料電池システムを構成する。

このうち燃料改質装置は、原料ガスとしての化石燃料ガ
スを水素リッチの改質ガスへ改質する装置であり、脱硫
原料ガスを水素と炭酸ガスと一酸化炭素にする改質器と
、改質ガス中の一酸化炭素を許容濃度以下にするＣＯ変
成器とから構成される。

例えば、第８図に示すように、燃料ガス人口５０から燃
料ガス室４１に流入した燃料ガスは、矢印へ方向から反
応管４２に入り、この反応管４２に充填されたペレット
状触媒４３で改質反応を起こした後、反応後の改質ガス
が流通管４４に入り、図示矢印Ｂ方向に流れ、燃料ガス
出口４６からＣＯ変成器に供給される。このとき、バー
ナ５２により生成される火炎によって加熱室５３が加熱
され、反応管４２内での改質反応が促進され、燃料ガス
が水素と炭酸ガスと一酸化炭素を含む改質ガスに変換さ
れる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の燃料電池システムの燃料改質装置
によると、改質反応に用いる触媒がペレット状触媒であ
るため、燃料ガスとの接触面積が小さく、均一加熱が困
難で、圧力損失が大きく、還元反応にもとづくススの発
生により反応管が目詰りを起こしやすいという問題があ
った。

本発明は、このような問題点を解決するためになされた
もので、特定構造をもつ接触面積の大きな第１の通路と
第２の通路を有するハニカム状ブロック（多孔体）を用
い、前記第１の通路または第２の通路のうちの一方の通
路に接触燃焼用触媒を担持し、他方の通路に改質用触媒
を担持することにより、触媒燃焼を利用して改質用触媒
を加熱し、燃料ガスの改質ガスへの改質反応を促進する
ようにした小型化可能な燃料電池システムの改質装置を
提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の第１の発明の燃料電池システムの燃料改質装置
は、隔壁より囲まれる多数のそれぞれ独立した貫通孔か
らなる第１の通路侮、この第１の通路から隔壁を介して
隔離され、互いに隣傍する隔壁を連結する連結壁により
区分形成される第２の通路と、前記第１の通路または第
２の通路のうちの一方の通路内壁に担持され、燃料ガス
を改質ガスに変換する改質用触媒と、前記第１の通路ま
たは第２の通路のうちの他方の通路内壁に担持され、接
触燃焼用ガスを接触燃焼させる接触燃焼用触媒とから成
るハニカム状多孔体を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の発明の燃料電池システムの燃料改質装置
は、第１の発明の燃料改質装置に加えて、前記改質用触
媒が担持される通路から流出される改質ガスから熱を奪
い該通路に流入する燃料ガスに熱を与える第１の熱交換
器と、前記接触燃焼用触媒と接触燃焼させる接触燃焼用
、Ｉｔスを供給する接触燃焼ガス供給源と、前記接触燃
焼用触媒が担持される通路から排出される接触燃焼排ガ
スから熱を奪い、前記改質用触媒が担持される通路に流
入する燃料ガスに熱を与える第２の熱交換器と、を備え
たことを特徴とする。

（作用） 本発明の燃料改質装置によると、前述した特定構造のハ
ニカム状多孔体を用いているため、この多孔体の有する
貫通孔を囲む隔壁のすべてを、熱伝達、物質移動等の接
触面として利用し、接触燃焼用ガスと燃料ガスとの異な
る流体がそれぞれ独立して流れる第１の通路と第２の通
路間の接触面積を増大させ、接触燃焼用触媒による・加
熱と改質用触媒による改質反応を圧力損失の少ないハニ
カム構造体にて同時に促進し、小型の改質器であっても
改質反応の効率を飛躍的に向上させられる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

まず本発明の燃料改質装置を用いたリン酸型燃料電池シ
ステムについて説明する。

第９図に示すように、リン酸型燃料電池システムは、燃
料電池本体６１、燃料改質装置６２、電流変換装置６３
、排熱回収装置６４が主な構成要素である。

燃料電池本体６１は、リン酸水溶液からなる電解質溶液
にアノード６５とカソード６６が接触され、アノード６
５側に導かれる水素リッチガス中の水素とカソード６６
側に導かれる空気中の酸素とを例えば白金を触媒として
電気化学的に反応させて発電する。

燃料改質装置６２は、化石燃料ガスを水素リッチガスに
改質する装置であって、化石燃料ガス中の硫黄化合物を
除去する脱硫器７５と、脱硫原料ガスを水素と炭酸ガス
と一酸化炭素とにする改質器７６と、−酸化炭素を許容
濃度以下にするＣＯ変換器７７とから構成される。ＣＯ
変換器７７で改質された改質ガスは水素リッチガスとし
て燃料電池本体６１のアノード６５に送られる。なお、
電流変換装置６３は燃料電池本体６１で発電された直流
電流を実用的な交流電流に変換するものである。

以上の如（構成されたリン酸型燃料電池システムの燃料
改質器７６は、第１図、第２図および第３図に示すよう
な改質器本体（多孔体）３０を有している。燃料改質器
７６は、第２図に示すように多数個の改質器本体３ｏが
積層されて直方体状に形成されている。この改質器本体
３ｏは第２図で示す矢印六方向からＢ方向に貫通する貫
通孔からなる第１の通路と、この第１の通路から隔離さ
れ図示矢印Ｃ，Ｅ方向から図示矢印り、Ｆ方向に連通さ
れる第２の通路とからなる。この場合、図示矢印六方向
から接触燃焼用ガス（混合気）が第１の通路に入り、そ
の燃焼排ガスが図示矢印Ｂ方向から外部に排出されると
ともに、図示矢印ＣまたはＥ方向から燃料ガスが入り第
２の通路を通って図示矢印りまたはＦ方向に改質反応後
の改質ガスが流出される。

接触燃焼用ガスに用いられる混合気は、ＬＮＧ、ＬＰＧ
等の炭化水素燃料と予熱空気とを流量制御装置３３．３
４により流量調整した混合器３５により所定の空燃比に
なるよう混合して用いる。このような混合気が流入され
る改質器本体３０の第１の通路の内壁表面には接触燃焼
用触媒が担持される。接触燃焼用触媒としては、白金、
パラジウム、ロジウム、コバルト等の少なくとも一種を
用い、ハニカム構造体からなる改質器本体の表面にγ−
Ａ２□Ｑ３、Ｚｒ０ｉ等を担持させたうえでこれらの接
触燃焼用触媒を付着させることが好ましい。

この改質器本体３０の具体的な構成は、例えば第４図お
よび第５図に示すハニカム状多孔体からなる。第４図、
第５図に記載するように多孔体の端面Ｘから端面Ｘ°へ
向かって、独立した多数の貫通孔１０からなる第１の通
路が貫いており、端面ｘ、ｘ’の貫通孔１０（第１の通
路）を除（部分１１は外壁１２と一体的に気密に連結封
止されている。そして端面ｘ、ｘ’　と異なるＹ面には
外壁１２外に開口する開口１３があり、２面には別の開
口１３’、Ｙ″面には開口１＜’　　Ｚ’面には開口１
４がそれぞれ設けられている。

そして、端面Ｘに多数存在する貫通孔１０の開口に接触
燃焼用ガスを矢印Ａのように流入させ、接触触媒燃焼さ
せて矢印Ｂ方向に燃焼排ガスを流出させる。一方Ｙ面の
開口１３から２面の開口１３゛へ、同様にＺ°面の開口
１４からＹ°面の開口１４°へ矢印Ｃ％Ｄ％Ｅ％Ｆのよ
うに燃料ガス（低温の熱交換目的流体）を流し、前記接
触燃焼用ガス（高温の伝熱媒体）と熱交換を行う。次に
、第４図に示す多孔体のＭ−Ｍ’での切断断面を第６図
に示す。

すなわち、第６図に示すように、第４図の端面Ｘに開口
する独立した多数の貫通孔１０は、各貫通孔１０が隔壁
１５によって囲まれた独立貫通孔となっているものであ
って、その独立した貫通孔１０を区分する隔壁１５が隣
接する他の独立した貫通孔１０の隔壁１５と、同様に隔
壁１５が外壁１２とそれぞれ連結壁１６で連結されてい
る。その結果、各貫通孔ｌＯの周囲に隔壁１５、外壁１
２および連結壁１６により連続した第２の通路１７が区
分形成され、その第２の通路１７が開口１３．１３°お
よび開口１４．１４°に連通されて外壁１２外に開口し
ている構造より成っている。

したがって、第７図に示すとおり、このハニカム状多孔
体は、それぞれ独立した貫通孔１０を囲む隔壁１５の４
辺ａ％ｂ％Ｃ％ｄの方向のすべての面で貫通孔ｌＯと異
なる第２の通路１７と接しており、熱交換体として使用
する場合の伝熱面積、接触面積が通常のハニカム構造体
に比べてかなり大きく、したがって熱交換効率、触媒反
応等の効率が格段に向上する多孔体になっている。

また、この多孔体は各貫通孔１０がそれぞれ独立して存
在し、各貫通孔１０を区分形成する隔壁１５も独立して
いて、隣接する貫通孔１０の隔壁１５と隔壁を共有せず
、しかも、独立している各隔壁１５が連結壁１６によっ
て連結されているため、熱応力による変形が調節でき、
熱的に柔軟な構造となっている。

なお第４図に示す多孔体は隔壁１５と隔壁１５とを結ぶ
連結壁１６が第６図〜第７図に示すように貫通孔１０に
対して対称位置に接続されているが、必ずしも対称であ
る必要ではない。また第４図〜第５図は各貫通孔１０か
らなる第１の通路の周囲の連続した第２の通路１７の開
口を１３．１３°　　１４．１４°を４個所に設けたが
、第２の通路１７の開口を開口１３．１４のみとしても
もちろんよい。

この多孔体を形成する材料としては、緻密な材料を任意
に選ぶことができるが、具体的には金属質、セラミック
質、ガラス質等の材料またはその複合材料がよい。

中でも耐火物、陶磁器、ガラ・ス、炭素材料などの無機
材料または金属材料が好ましく、この無機材料は例えば
カーボン、ムライト、コージェライト、シリカ、ジルコ
ン、シリカ−アルミナ、シリマナイト、ジルコニア、ジ
ルコンムライト、スピネル、ジルコニア−スピネル、チ
タニア、アルミナ、粘土、ベリリア、アルミナ−チタネ
ート、ムライト−アルミナチタネート、マグネシア−ア
ルミナチタネート、ゼオライト、バイコールガラス、炭
化ケイ素、窒化ケイ素、ＬａＣｏ０為、Ｌａ−５ｒ−Ｃ
ｏｏｓ　　、５ｒ−Ｃｅ−Ｙ−０，５ｒ−Ｃｅ−Ｚｎ−
０、ＢａＴｉ０ｚ　　、ＧａＡｓ％　Ｚｒ０−Ｃａ０％
　ＺｎＯ５Ｓ　ｎ　Ｏｉ　　、Ｆ　ｅ　＊　　Ｏｓ　　
ｓ　　５ｒＴｉｏｚ　　、ＰｂＯ−Ｚｒ０ｉ　　−Ｔｉ
Ｏａ　　、ＬｉＴａｇｓ　　、ＬａＣｒ０ｚ　　、Ｇａ
Ｐ％　ＣＢＮ％　Ｚｒ０％　ＺｒＯ＊　　−Ｙ＊　　Ｏ
３、ＴａＣ，ＧａＡｓＰ。

Ｌ　ａ　Ｂ　ａ等およびこれらの組み合せより成る材料
、また、金属材料はアルミニウム、銅、鉄などが、押出
成形によって比較的容易にこの多孔体を一体的に製造で
きるので、好ましい材料である。

またこの多孔体の貫通孔の断面形状はどのような形状で
もよいが、特に円、楕円、三角形、四角形、五角形、六
角形等が好ましい。

前述した第２の通路の内壁にはニッケルを主成分とする
改質用触媒の表層が形成されている。改質用触媒の成分
はニッケル質に限定されるものではない。

このような燃料改質器７６は、第１図に示すように通路
２１から改質ガスを排出し、その改質ガスのもつ熱を第
１の熱交換器２２に、て燃料ガスに与え、熱を奪われた
改質ガスがＣＯ変成器７７に送られる。一方、第１の熱
交換器２２にて改質ガスのもつ熱を奪った燃料ガスは、
通路２０を経て第２の熱交換器２３に流入される。そし
て燃料ガスは改質器本体３０の第１の通路から排出され
た燃料排ガスから熱を奪い、昇温した状態で通路２４よ
り改質器本体３０に送られる。一方第２の熱交換器２３
にて熱を奪われた燃料排ガスは通路２５から外部に排出
される。

昇温された燃料ガスが通路２４から改質器本体３０に第
２図または第３図に示す矢印ＣおよびＥ方向から流入さ
れると、第２の通路にて改質用触媒による改質反応を生
じ、改質ガスに変換されて矢印りおよびＦ方向から流出
し、通路２１から第１の熱交換器２２を経て次のＣＯ変
成器７７に送られる。

一方改質器本体３０の貫通孔１０からなる第１の通路を
矢印ＡからＢ方向に流通される接触燃焼用ガスは、燃料
供給源としての混合気３５から供給される。この接触燃
焼用ガスを供給するのは、改質器本体３０で生じる改質
反応が吸熱反応であり、多量の熱を必要とするからであ
る。

この実施例では、通常のハニカム構造体よりも熱移動、
物質移動等のための接触面積の広い前述した特種構造を
もつ多孔体を用いているため、熱交換効率、反応効率等
の効率を飛躍的に上昇させ、改質反応を促進する。これ
により、同一熱効率、同一反応効率を保持しつつ、燃料
改質装置７６の小型化を図ることができる。したがって
、小型な燃料改質装置であっても接触燃焼用触媒による
加熱作用と相俟って改質用触媒による改質能力は極めて
高いという効果がある。この実施例では、第１の熱交換
器２２および第２の熱交換器２３を用いて燃料ガスをあ
らかじめ昇温させた状態で改質器３ｏに流入させるとと
もに、発熱反応の熱を効率的に燃料ガスの昇温に用い、
改質反応を促進することができるという効果がある。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の燃料電池システムの燃料
改質装置によれば、改質反応により発生する改質ガスの
もつ熱を効率よく燃料ガスの昇温に用い、かつハニカム
構造多孔体からなる改質器中の触媒接触燃焼の燃焼ガス
のもつ熱により昇温された燃料ガスを接触面積の大きな
多孔体に効率よく改質触媒反応をさせるようにしたので
、燃料ガスを改質ガスへ効率よ（変換することができ、
改質装置の容量の小型化を図ることができるという効果
がある。しかも、バーナ加熱に比較して改質用触媒が等
温度にかつ迅速に加熱される。また、低い圧力損失であ
るため、ブロワな小型化することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の燃料改質装置の改質器
の積層状態を表わす概略構成図、第２図はその燃料改質
装置を表わす概略斜視図、第３図はその燃料改質装置の
燃料ガスの流路を表わすシステム図、第４図および第５
図は本発明の実施例における多孔体の具体例の外観を示
す説明図、第６図は第４図のＭ−Ｍ’の断面を示す説明
図、第７図は第６図の部分拡大断面図、第８図は従来の
燃料改質装置を表わす概略構成図、第９図は本発明を適
用したリン酸型燃料電池システムの回路構成を表わす回
路図である。 ａ！、料挿ガ叉 ０ ２ １３、 ５ ６ ７ ２ ３ ０ ６ ・・・貫通孔（第１の通路）、 ・・・外壁、 １４　・・・開口、 ・・・隔壁、 ・・・連結壁、 ・・・第２の通路、 ・・・第１の熱交換器、 ・・・第２の熱交換器、 ・・・改質器本体、 ・・・燃料改質器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）隔壁より囲まれる多数のそれぞれ独立した貫通孔
   からなる第１の通路と、 この第１の通路から隔壁を介して隔離され、互いに隣接
   する隔壁を連結する連結壁により区分形成される第２の
   通路と、 前記第１の通路または第２の通路のうちの一方の通路内
   壁に担持され、燃料ガスを改質ガスに変換する改質用触
   媒と、 前記第１の通路または第２の通路のうちの他方の通路内
   壁に担持され、接触燃焼用ガスを接触燃焼させる接触燃
   焼用触媒と、 から成るハニカム状多孔体を備えたことを特徴とする燃
   料電池システムの燃料改質装置。（２）前記改質用触媒
   が担持される通路から流出される改質ガスから熱を奪い
   、該通路に流入する燃料ガスに熱を与える第１の熱交換
   器と、 前記接触燃焼用触媒と接触燃焼させる接触燃焼用ガスを
   供給する接触燃焼ガス供給源と、前記接触燃焼用触媒が
   担持される通路から排出される接触燃焼排ガスから熱を
   奪い、前記改質用触媒が担持される通路に流入する燃料
   ガスに熱を与える第２の熱交換器と、 を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池シ
   ステムの燃料改質装置。