JPH0755803B2 - 燃料電池システムの燃料改質装置 - Google Patents

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Ａ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、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、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。

また更に本発明の目的は、燃料ガスの触媒反能率を向上
する燃料電池システムの燃料改質装置を提供することに
ある。

（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。

（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65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、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、燃料入口２から燃料ガス室９を
経て燃料ガスを導く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−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33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。これは、
面34を貫通孔33の延びる方向に斜めにすることで、この
面34に形成する触媒の表層と反応管内を流通するガスと
の接触面積を増大するためである。すなわち、第10図〜
第13図に示すように、ブロック体31が例えば縦41mm、横
40mm、高さ40mmの18面体で、該ブロック体31には直径8m
m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個計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31の18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のエッジ部をもって形成
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34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31は８面体以上
の多角形のハニカム構造として貫通孔33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く、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
必要はなく、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、11、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10は、第９図に示すように、
金網等の保持部材82の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10mm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82の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
84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の内部に空洞部
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11、
12、13についても同様である。

これらの表面燃焼バーナ10、11、12、13は反応管５、
６、７、８、９の周囲にその長手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31の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、セラミック繊維バーナからな
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9
0a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、凹面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、圧力損失が少なく接触面積の大きな
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。また
本発明の燃料電池システムの燃料改質装置によれば、反
応管内に多数のブロック体が充填され、このブロック体
の表面には触媒層が形成されているのであるが、この触
媒層を形成するブロック体の貫通孔の少なくとも一端側
の開口面が貫通孔の軸線方向に非直交に形成されている
ため、このブロック体を多数個反応管内に充填したとき
隣合うブロック体間に無秩序な隙間が形成できるため、
この隙間を通る流通ガスの拡散混合が促進され、触媒反
応が促進される。

しかも、この触媒層を形成するブロック体の貫通孔の少
なくとも一端側の開口面が貫通孔の軸線方向に「非直交
に」形成されている場合、ブロック体の貫通孔の少なく
とも一端側の開口面が貫通孔の軸線方向に「直交に」形
成されている場合に比べ、この開口面上の触媒層と流通
ガスとの接触面積が増大し、これに伴い流通ガスの触媒
反応が促進されるので、燃料ガスの改質反応率を向上す
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をあらわ
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一部切欠正面
図、第10図はブロック体の一例を示す斜視図、第11図は
その正面図、第12図は第11図のXII-XII矢視図である。 ５、６、７、８、９……反応管、10……凸状の表面燃焼
バーナ、31……ブロック体、32……隔壁、33……貫通
孔、34……貫通孔の軸線方向に直交しない面、36……連
通口、90……凹状表面燃焼バーナ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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。