JPH03109934A - 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触媒および加熱器に関するも
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、燃料ガス入口５０から燃
料ガス室４１に流入した燃料ガスは、矢印へ方自から反
応管４２に入り、この反応管４２に充填されたベレット
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Ｃ○変成器に供給される。このとき、水蒸
気改質法であるから、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ベレット状触媒であ
るため、燃料ガスとの接触面積が小さ（、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、接触流体の圧力損失が極めて少なく接触面積の
大きな多数個のハニカム状ブロック体に担持した触媒（
以下、「ハニカム触媒」という）を燃料電池システムの
燃料改質装置の反応管に充填し、かつ表面燃焼バーナに
よる反応管の均一加熱により燃料ガスを改質するように
した燃料電池システムの燃料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） 本発明の燃料電池システムの燃料改質装置は、燃料ガス
を流通させる反応管と、この反応管を加熱する表面燃焼
バーナと、前記反応管内に充填され、隔壁により区画さ
れた多数の平行な貫通孔を有するブロック体と、このブ
ロック体の表層に担持される改質用触媒とを備え、かつ
、前記ブロック体の貫通孔の開口に面する少な（とも一
端面を該貫通孔の軸線方向に直交しない面に形成してな
ることを特徴とする。

（作用） 本発明の燃料改質装置によると、反応管内に触媒を担持
する多数の前記ブロック体を充填するため、燃料ガスと
触媒との接触面積が大きく、圧力損失が少なく、目詰り
を起こしにくいので、燃料電池本体からの要求に応じた
改質反応を迅速に行ない、しかも強度、耐久性の面で燃
料改質装置の寿命を長くする。そして、ブロック体を収
納する反応管は表面燃焼バーナにより加熱されるので、
触媒反応の初期立上がりを速め、触媒による改質反応の
応答性を高められる。

（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。

本発明の第１の実施例は、燃料改質装置にセラミック繊
維バーナからなる凸状表面燃焼バーナを用いた例である
。

まずこ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３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ヂガスに
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、改質ガス中の一酸
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。

以上の如く構成されたリン酸型燃料電池システムの改質
器７６は、第１図および第２図に示すような燃料改質装
置３０を有している。

この燃料改質装置３０は、燃料人口２から燃料ガス室９
を経て燃料ガスを導（有底筒状の底部が半球状に閉じた
反応管５．６．７．８．９を有する。これらの反応管５
．６．７．８．９の内部にそれぞれ第１０図〜第１２図
に示すようなハニカム状のブロック体３１が充填されて
いる。

このブロック体３１は、隔壁３２により区画された多数
の平行な貫通孔３３を有する外形が多角形のハニカム構
造多面体である。該ブロック体３１はムライト、アルミ
ナ、シリカ、コージェライト等のセラミックス材、また
は、鉄、銅、アルミニウムー鉄合金、ステンレス、チタ
ン、ボイラー銅板等の金属材量よりなり、前記貫通孔３
３の開口に面する複数の端面のうち少なくと一端面は該
貫通孔３３の軸線方向に直交しない面３４に形成されて
いる。すなわち、第１０図〜第１３図に示すように、ブ
ロック体３１が例えば［４１ｍｍ、横４０ｍｍ、高さ４
０ｍｍの１８面体で、該ブロック体３１には直径８ｍｍ
の断面円形の貫通孔３３が１２個均等に配設され、該貫
通孔３３の開口に面する１０個の端面のうち上下の対向
位置にある２個は該貫通孔３３の軸線方向に直交する面
３５に形成されている。各面３５に続く各４細針８個の
端面は該貫通孔３３の軸線方向に対し約４５度傾斜させ
て前記貫通孔３３の軸線方向に直交しない面３４に形成
され、各面３４は前記面３５より面積が大きいものとさ
れている。さらに該ブロック体３１０１８面のうち隔壁
３２の表面をもって形成される４つの側面とこの側面間
に隔壁３２のエツジ部をもって形成される４つの側面は
いずれも貫通孔３３の軸線方向に平行する面と、この面
はいずれも前記した貫通孔３３の軸線方向に直交しない
面３４より面積を小さいものとしている。

なお、ブロック体３１の材質や形状、大きさや隔壁３２
の厚さあるいは貫通孔３３の軸線方向に直交しない面３
４の該軸線方向に対する傾斜度は特に限定されものでは
ない。貫通孔３３の軸線方向に直交しない面３４の数も
１個より複数個あることが好ましいので、ブロック体３
１は８面体以上の多角形のハニカム構造として貫通孔３
３の軸線方向に対する面３４の傾斜度も３０〜７０度程
度好ましくは４５度前後とするのがよい。３６は相隣る
貫通孔３３．３３を連通させるために前記隔壁３２に設
けられる連通口であって、該連通口３６はこの実施例に
示すように、スリット状としても図示しない円孔として
もそれ以外の形状としてもよ（、また、スリット状とす
る場合でも隔壁３２の一端から他端に亘り連続させるよ
うに形成しても途中まで形成してもよく、要は相隣る貫
通孔３３．３３を連通させるものであればよい。なお、
連通口３６は必ずしも全ての隔壁３２に設ける必要はな
（、耐圧強度等を考慮して必要なだけ設ければよい。

このブロック体３１の表面にはニッケルを主成分とする
触媒の表層が形成されている。触媒の成分はニッケル質
に限定されるものではない。

そしてハニカム状充填体３１を収納する反応管５．６．
７．８．９の間の加熱室３２にそれぞれ凸状の表面燃焼
バーナ１０．１）．１２．１３が該反応管の長手方向と
ほぼ平行に上向きに設けられている。

この凸状の表面燃焼バーナｌＯは、第９図に示すように
、金網等の保持部材８２０表面に積層された凸状燃焼面
形成用の多孔質母材８１と該多孔質母材８１の上層に形
成された多孔質表面層８３とからなる。多孔質母材８１
は、例えばアルミナ系またはジルコニア系のセラミック
質からなる耐熱性繊維である。この耐熱性繊維は長さ１
〜５ｍｍのセラミック単繊維を使用すると良い。多孔質
母材８１は６０〜９０％の気孔率を有し、その内部にニ
ッケル、アルミニウム等の卑金属触媒あるいは白金、パ
ラジウム等の貴金属触媒が担持されることが好ましい。

一方、多孔質表面層８３は長さが１０ｍ、ｍ以上のセラ
ミック長繊維と無機質結合材からなるものであって、そ
の気孔率を多孔質母材８１の気孔率よりも５％以上大き
くしたものである。多孔質表面層８３の厚さは多孔質母
材８１の厚さの２０〜６０％程度が望ましい。多孔質表
面層８３は成形性に優れている多孔質母材８１をまず保
持部材８２０表面に積層した上でその上層に耐熱性繊維
と無機質結合材との混在物を塗布することにより多孔質
母材８１と多孔質表面層８３とが二層に積層された燃焼
部を有する円筒状の表面燃焼バーナが得られる。なお８
４は混合気供給管、８５は混合気供給管８４の基部に形
成されたガスケット層、８６は保持部材８２の内部の空
洞部を示す。

このように構成された凸状の表面燃焼バーナ１０は、炭
化水素系ガスと空気との混合気を混合気供給管８４から
供給しつつ着火すれば、混合気は保持部材８２の内部の
空洞部８６から多孔質母材８１の全体に均一に拡散し、
多孔質母材８１の内部を通過した上その表面ないしは多
孔質母材８１の上面に形成された多孔質表面層８３の内
部において炎を生じることなく表面燃焼をする。他の凸
状表面バーナ１）．１２．１３についても同様である。

これらの表面燃焼バーナ１０，１）．１２．１３は反応
管５．６．７．８．９の周囲にその長平方向に沿って配
設されるため、反応管５．６．７．８．９の内部に充填
されたブロック体３１を均一かつ迅速に加熱するので、
そのハニカム状のブロック体３１０表層に担持される触
媒（ハニカム触媒）による改質反応の応答性を高めるこ
とができる。

この場合、改質用触媒の担持されたハニカム状のブロッ
ク体３１はその構造体の特性上強度に優れ、圧力損失が
少なく、貫通孔３３、連通口３６等を流通する燃料ガス
との接触面積が広いので、触媒による改質反応が促進さ
れる。

第４図および第５図は、本発明の第２の実施例の燃料改
質装置を示すもので、表面燃焼バーナに凹状表面燃焼バ
ーナを用いた例である。

第４図および第５図において第１図および第２図と実質
的に同一の構成部分については同一符号を付し、その説
明を省略する。

凹状表面燃焼バーナ９０は、セラミック繊維バナからな
り、表層部の構成は第９図に示す切欠部分に示す構成と
同様である。凹状表面燃焼バーナ９０は第９図のものと
異なり多孔質表面層９０ａが凹面状に形成されている。

凹面９０ａによって反応管５．６．７．８．９の外壁を
包囲するように凹状表面燃焼バーナ９０を設けているた
め、ハニカム状のブロック体３１を経て触媒の加熱を促
進する。

この場合、四面９０ａによって反応管５．６．７．８．
９の周りが隙間を介して全体的に取り囲まれた状態とな
っていることから、均一の加熱が行なえ、熱効率が極め
て良好であるという効果がある。したがって、燃料電池
システムの制御に応じて燃焼ガスの改質反応をより迅速
に行なうことができる。

第６図および第７図は、本発明の第３の実施例の燃料改
質装置を示すもので、第２の実施例に加え、第１の熱交
換器９５、第２の熱交換器９６を加えたものである。燃
料ガス室９に導かれる燃料ガスは、第１の熱交換器９５
および第２の熱交換器９６によって加熱昇温されて燃料
ガス室９に導入される。このとき、第１の熱交換器９５
で燃料ガスが改質ガスから熱を奪い、さらに第２の熱交
換器９６では凹状表面バーナ９０の燃焼排ガスから燃料
ガスが熱を奪って加熱される。これにより、燃料ガスの
昇温を速めるとともに、さらに凹状表面燃焼バーナ９０
の加熱により改質反応を促進し、改質応答性を良好にす
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、圧力損失が少な（接触面積の大きな
ハニカム状のブロック体に担持する触媒と、この触媒を
充填する反応管を加熱する表面燃焼バーナとを設ける構
成にしたため、表面燃焼バーナによりハニカム状充填体
の均一加熱が可能となり、ハニカム状充填体に担持され
る触媒と燃料ガスとの接触面積が大きく、圧力損失も少
なく高強度のハニカム状充填体に担持される触媒によっ
て、改質反応を迅速に行なえ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をあられ
す概略断面図、第２図はその概略配置構成図、第３図は
リン酸型燃料電池システムの回路構成を表わす回路図、
第４図は本発明の第２の実施例の燃料改質装置を表わす
概略断面図、第５図はその概略配置構成図、第６図は本
発明の第３の実施例の燃料改質装置を表わす概略断面図
、第７図はその概略配置構成図、第８図は従来例の燃料
改質装置を表わす概略断面図、第９図は本発明の第１の
実施例に用いた表面燃焼バーナを表わす部切欠正面図、
第１０はブロック体の一例を示す斜視図、第１）図はそ
の正面図、第１２図は第１）図の■−■矢視図である。 ５、 ０ １ ２ ３ ４ ６ ０ ６．７．８．９　・・・反応管、 ・・・凸状の表面燃焼バーナ、 ・・・ブロック体、 ・・・隔壁、 ・・・貫通孔、 ・・貫通孔の軸線方向に直交しない面、・・・遠道口、 ・・・凹状表面燃焼バーナ。 ５ ｄ 門 δ　迫　″ Ｕ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料ガスを流通させる反応管と、この反応管を加
   熱する表面燃焼バーナと、前記反応管内に充填され、隔
   壁により区画された多数の平行な貫通孔を有するブロッ
   ク体と、このブロック体の表層に担持される改質用触媒
   とを備え、かつ、前記ブロック体の貫通孔の開口に面す
   る少なくとも一端面を該貫通孔の軸線方向に直交しない
   面に形成してなることを特徴とする燃料電池システムの
   燃料改質装置。