JPH0881202A

JPH0881202A - 燃料電池用メタノール改質器

Info

Publication number: JPH0881202A
Application number: JP6244652A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Negishi; 良昌根岸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1996-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】吸熱反応や放熱による低温部を迅速に解消し
て改質率を維持するとともに、これに要するエネルギー
の消費を低減する。【構成】燃料電池に水素ガスを供給するためにメタノ
ールの水蒸気改質反応を行う燃料電池用メタノール改質
器において、ヒートパイプ１１の凝縮部１１ｂが、メタ
ノールを改質して水素を発生させる改質反応部１０に配
設されるとともに、このヒートパイプ１１の蒸発部１１
ａが、前記燃料電池から排出される排出ガスの酸化熱に
より加熱される部分１９と、所定の温度に制御される電
気熱源部２０と接触する部分とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、触媒を用いて原料ガ
スを所望のガスに改質する改質反応器に関し、具体的に
は、メタノールから水素含有ガスを得るという吸熱作用
を伴う改質反応を促進させるために、熱エネルギーが供
給される構成の改質反応器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】騒音の低減や排気ガスの浄化等の点での
低公害化を図る車両として電気自動車の開発が進められ
ている。そのエネルギー源として蓄電池を用いる形式
と、燃料電池を用いる形式とが試みられているが、燃料
電池を用いる場合、熱量が大きくかつ燃焼によって生じ
る排気ガスがクリーンな水素ガスを燃料とすることが望
ましい。しかしながら、水素ガスをたとえボンベに詰め
てもそのまま車両に搭載することは困難であるから、最
近では、炭化水素、具体的にはメタノールを原料として
これを改質し、水素ガスを得ることが考えられている。

【０００３】メタノールを原料として水素ガスを得る水
蒸気改質反応は、２００〜３００℃においてＣu −Ｚn
系やＣu −Ｃr 系等の触媒部分にメタノールと水との混
合ガスを通して、水素と二酸化炭素を得る反応であり、
これは下記の式で表されるように進行する。

【０００４】ＣＨ₃ＯＨ＝２Ｈ₂＋ＣＯ−９０ kJ/mol ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝Ｈ₂＋ＣＯ₂＋４０ kJ/mol したがって、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＝３Ｈ₂＋ＣＯ₂−５０ kJ/mol これは吸熱反応であるから、触媒温度を所定の温度範囲
に維持するために加熱する必要があるが、改質反応の進
行度合いは触媒の全体に亘って必ずしも均一ではないか
ら、低温部分での改質率（供給したメタノールの量に対
する反応したメタノールの量の割合）が低下し、その結
果、微量の未反応のメタノールや一酸化炭素が水素ガス
と共に排出されることがある。水素ガスに含まれるこれ
らのメタノールや一酸化炭素は、燃料電池に悪影響を及
ぼすので、可及的に零にすることが望まれ、そのために
は触媒の全体の温度を改質反応に適した温度範囲に維持
することが有効である。

【０００５】一般に、上述した吸熱を伴う改質反応は、
触媒のうち原料ガスの供給側で多く進行し、未反応の原
料ガスが触媒中を流れるうちに次第に進行するので、触
媒のうちいわゆる入口側の温度が低下しやすく、また外
部への放熱の多い箇所の温度が低下しやすい。このよう
な温度の部分的な低下を抑制して改質率を高くする技術
として、従来、特開昭６２−１７００２号公報に記載さ
れた装置が知られている。

【０００６】これを図５を参照して簡単に説明すると、
この装置は、スチームドラム１と、メタノール気化器２
と、メタノール改質器３と、低温シフトコンバーター４
と、気水分離器５と、燃料電池６ならびに触媒燃焼器７
を備え、メタノール改質器３と触媒燃焼器７との間にヒ
ートパイプ８が配設されている。このヒートパイプ８
は、触媒燃焼器７側を蒸発部８ａ、メタノール改質器３
側を凝縮部８ｂとし、この蒸発部８ａには、温度調節器
９が設けられている。すなわち、この装置は、メタノー
ル改質反応部の加熱に、触媒燃焼器７における可燃性ガ
スの触媒酸化（燃焼）反応によって生じる熱がヒートパ
イプ８を介して輸送されて使用される。このとき、温度
調節器９では補助燃料を段階的に燃焼させることによ
り、ヒートパイプの蒸発部８ａの温度を制御している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の装置に
よれば、ヒートパイプの均温特性によって、改質触媒の
温度のバラツキを是正することができる。しかしなが
ら、この装置を変動運転させた場合、具体的にいうと、
燃料電池６での発電量を調節するため、メタノールの改
質量を変化させた場合、メタノール改質器３において熱
負荷が変化するので、前記補助燃料の量を調節しても、
直ちにヒートパイプの蒸発部８ａに与えられる燃焼熱量
が制御されないので、ヒートパイプの温度を適正な範囲
に維持することが困難となり、メタノールの改質率が低
下する等の不都合があった。

【０００８】そこで、熱授受に伴う温度制御が困難な燃
焼熱を利用せずに、比較的簡単に制御することができる
電気ヒーターを用いて、ヒートパイプの蒸発部を加熱す
ることも考えられるが、燃料電池で発電した電力、すな
わち発生させた電気エネルギーを使用することになるの
で、この燃料電池装置全体としての発電効率の低下を招
くという不都合があった。

【０００９】この発明は、上記の事情を背景としてなさ
れたもので、改質触媒の温度を均一にして良好な改質率
を維持するとともに、システム全体の効率を低下させる
ことがない改質反応器を提供することを目的とするもの
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載された発明は、水素ガスと酸素ガ
スとの電気化学反応を行う燃料電池に水素ガスを供給す
るためにメタノールの水蒸気改質反応を行う燃料電池用
メタノール改質器において、メタノールを改質して水素
を発生させる改質反応部と、酸化熱によって発熱する化
学熱源部とが、作動流体の蒸発潜熱によって熱を輸送す
るヒートパイプによって連結されるとともに、前記化学
熱源部を補助する電気熱源部が、前記ヒートパイプと熱
授受可能に取り付けられていることを特徴とするもので
ある。

【００１１】請求項２に記載された発明は、前記改質反
応部が、メタノールを改質させる改質触媒を内蔵し、か
つ略Ｕ字状に形成された改質反応管から構成されるとと
もに、前記ヒートパイプの内部に配設されていることを
特徴とするものである。

【００１２】請求項３に記載された発明は、前記電気熱
源部が、ＰＴＣセラミックスから構成されていることを
特徴とするものである。

【００１３】

【作用】請求項１に記載された発明によると、メタノー
ルの改質反応部と化学熱源部とが、均温特性を有するヒ
ートパイプを介して連結されているため、化学熱源部で
発生する酸化（燃焼）熱が、改質反応部の各部位を均温
にするよう熱輸送される。そしてヒートパイプには、化
学熱源部を補助する電気熱源部が取り付けられているた
め、この改質反応器では、常時、良好な改質率が維持さ
れる。具体的にいうと、燃料電池での発電量を増大させ
るためにメタノールの改質量を増大させた場合、前記改
質反応部において、多くの吸熱作用を伴う改質反応が生
じ、改質反応部の温度が低下しようとするが、温度制御
が容易かつ温度応答性が良好な電気熱源部により、改質
反応部の温度が迅速に所定の温度に保持されるため、改
質反応器において良好な改質率が維持され続ける。つま
り、電気熱源部が、改質反応器における良好な改質率を
維持するための補助熱源として使用され、この電気熱源
部が改質反応部の温度を調整するだけなので、この電気
熱源部で消費する電気エネルギー量が著しく低減され
る。

【００１４】請求項２に記載された発明によると、略Ｕ
字状に形成された改質反応管の内部でメタノールの改質
反応がなされ、改質反応管はその外部から吸熱する。こ
の改質反応管はヒートパイプの内部に配設されているた
め、改質反応管の外周部がこのヒートパイプの凝縮部と
して機能する。そのため、この改質反応管は、ヒートパ
イプの均温特性により、均一な温度になるよう加熱され
る。したがって、この改質反応部は良好な改質率を維持
し続ける。

【００１５】請求項３に記載された発明によると、ＰＴ
Ｃ（Ｐositive Ｔemperture Ｃoefficient）セラミック
スは、通電によって発熱し、温度の上昇に従って電気抵
抗が増大する特性を有するセラミックスであるから、抵
抗値が所定の温度（スイッチング温度）で切り替わるよ
う材料を適宜選択することによって、このＰＴＣセラミ
ックスと熱授受するヒートパイプの部分が、迅速かつ正
確に、所定の温度に保持される。したがって、この改質
反応部は良好な改質率を保持し続ける。

【００１６】

【実施例】つぎに、この発明の実施例につき説明する。
以下に説明するヒートパイプは、いずれも脱気した密閉
容器の内部に目的とする温度範囲で蒸発および凝縮する
凝縮性の作動流体Ｗを封入し、入熱のある部分で作動流
体Ｗが蒸発するとともにその蒸気が放熱部分に流れたの
ち、熱を奪われて凝縮することにより主に作動流体Ｗの
蒸発潜熱として熱を輸送するものである。

【００１７】まず、第１実施例につき図１および図２を
参照しながら説明する。この第１実施例の改質反応器
は、メタノールの改質触媒を担持する改質反応部１０
と、複数のウイック式ヒートパイプ１１と、このヒート
パイプ１１を加熱する熱源部１２とを備えている。そし
て、ヒートパイプ１１の蒸発部１１ａが熱源部１２に配
設されるとともに、凝縮部が改質反応部１０に配設され
ている。ここで、ウイック式ヒートパイプとは、毛細管
作用を有するウイックによって、凝縮した液相の作動流
体Ｗを蒸発部に還流させる方式のヒートパイプのことを
いい、蒸発部と凝縮部とを比較的自由に配設できるもの
である。

【００１８】改質反応部１０は、Ｃu −Ｚn 系の改質触
媒を厚さ３０〜８０μｍで担持している金属製のハニカ
ム１３が、それぞれのヒートパイプ１１の外周に、ろう
付や拡散溶接等により巻き付けられるように接合されて
形成された改質流路１４を備えている。そして、図２に
示すように、断面が略正六角形のケース１５の内部に、
複数の改質流路１４が千鳥状に配設されている。これら
改質流路１４同士の間や改質流路１４とケース１５との
間には、断熱材１６が詰められている。このとき、この
断熱材１６の代わりに真空断熱を行うよう構成しても良
い。そして、ケース１５には、改質流路１４と連通する
ガス流路１７，１８が設けられ、このガス流路１７，１
８の一方の流路１７から、改質原料ガスすなわちメタノ
ールガスと水蒸気とが供給され、他方の流路１８から、
燃料ガスとしての水素ガスと副生成物としての二酸化炭
素ガスとを燃料電池（図示せず）に供給するよう構成さ
れている。

【００１９】また、ヒートパイプ１１の蒸発部１１ａが
配設される熱源部１２は、酸化熱源部１９と電気熱源と
しての電気ヒーター２０とを備えている。この酸化熱源
部１９は、前記燃料電池の排気口と連通し、未利用の水
素ガスと空気（空気中の酸素）とが流入する導入口２１
が設けられるとともに、酸化後のガスが排出される排出
口２２が設けられている。そして、この酸化熱源部１９
の内部に配設されるヒートパイプ１１の蒸発部１１ａに
は、フィン２３がろう付けされ、フィン２３および蒸発
部１１ａの表面に、酸化（燃焼）触媒、例えばＰt 系触
媒が３０〜８０μｍの厚さで担持されている。なお、酸
化触媒を設けず、点火装置を備えたバーナーによる燃焼
方式でも良い。また、電気ヒーター２０は、全てのヒー
トパイプ１１の蒸発部１１ａに接触するよう配設され、
この蒸発部１１ａに設けられた温度センサー（図示せ
ず）からの指示により、この蒸発部１１ａを所定の温度
を保持するよう構成されている。なお、電気ヒーター２
０は、ＰＴＣセラミックスに所定の電圧を印加するよう
構成することもできる。

【００２０】上記のように構成された第１実施例の動作
につき説明する。改質原料ガスが、ガス流路１７を介し
て金属製ハニカム１３からなる改質流路１４に導入さ
れ、改質触媒と接触し水素ガスに改質される。燃料電池
では、この水素ガスが導入されて発電が行われるが、こ
の燃料電池に導入された水素ガスのうち約２０〜５０％
が、電気化学反応せずに未利用のまま排出される。この
未利用の水素ガスは、導入口２１を介して、酸化熱源部
１９に導入される。改質反応部１０では、改質反応に伴
う吸熱作用により、改質流路１４特に改質流路１４の入
口部分やヒートパイプ１１の凝縮部１１ｂひいては蒸発
部１１ａの温度を低下させようとする。このとき、ヒー
トパイプ１１の蒸発部１１ａ側では、燃焼熱源部１９に
導入された水素ガスが、蒸発部１１ａ等の表面で空気中
の酸素と酸化反応し酸化熱が発生し、この酸化熱は蒸発
部１１ａに直接伝導されるとともに、電気ヒーター２０
から発生するジュール熱が、ヒートパイプ１１の均温特
性により、凝縮部１１ｂならびに改質流路１４の全域を
所定の温度に保持するよう輸送される。

【００２１】ところで、改質反応部１０に導入される改
質原料ガス量は、定常運転時であっても僅かに変動して
いる。そのため、前記改質反応に伴う吸熱量も僅かに変
動している。そこで、この定常運転時における熱源部１
２から改質反応部１０に輸送される熱量のうち、例えば
５〜２０％を電気ヒーター２０によって得るよう構成す
れば、前記吸熱量の変動による蒸発部１１ａの温度の変
動に対応するよう、電気ヒーター２０が迅速に動作する
ため、凝縮部１１ｂならびに改質反応部１０の温度変動
が抑制され、改質反応部１０におけるメタノールの改質
率が変動すなわち悪化することがない。言い換えると、
電気ヒーター２０は、良好な改質率を維持するための補
助熱源として、改質反応部の温度を保持（調整）するだ
けであるため、この電気ヒーター２０が、燃料電池で発
電された電気エネルギーをあまり消費することがなくな
る。また、燃料電池の発電力を上限方向だけでなく、お
よそ５〜２０％の間で下限方向にも変動運転することが
できる。

【００２２】ここで、電気ヒーター２０をＰＴＣセラミ
ックスに所定の電圧を印加するよう構成した場合、この
ＰＴＣセラミックスヒーターは、通電により発熱し、温
度の上昇に従って電気抵抗が増大し、通電および発熱が
なされなくなるものであるから、所定の温度を保持する
よう動作する。すなわち、ＰＴＣセラミックスヒーター
およびこれと接触しているヒートパイプの蒸発部が、自
己温度の収束性を有するようになり、温度センサー等の
制御手段を必要としなくなる。また、改質反応部１０の
断面が略正六角形に形成されるとともに、ヒートパイプ
１１が千鳥状に配設されているので、改質反応器の大き
さに対する改質反応部１０、すなわち改質触媒の容積効
率が高く構成されるので、改質反応器の小型化を図るこ
とができるとともに、断熱材１６の配設量が削減され
る。

【００２３】つぎに、この発明の第２実施例につき図３
を参照しながら説明する。この第２実施例は、複数配設
させられていた蒸発部１１ａを一体に構成し、作動流体
Ｗの還流に重力を利用する熱サイフォン式ヒートパイプ
１１を用いたものである。第１実施例では、複数配設さ
れたヒートパイプ１１の蒸発部１１ａのうちいずれかに
温度低下が生じた場合、全ての蒸発部１１ａを加熱され
るよう構成されていたが、この第２実施例では、このよ
うな事態は発生せず、電気ヒーター２０で消費される電
気エネルギーの量が、第１実施例に比べさらに低減され
ている。また、熱サイフォン式ヒートパイプを使用して
いるため、ウイックを必要とせず、ヒートパイプ１１の
構造を簡単にすることができる。

【００２４】さらに、この発明の第３実施例につき図４
を参照しながら説明する。この第３実施例は、第２実施
例と同様、熱サイフォン式ヒートパイプ１１を用いたも
のである。このヒートパイプ１１の上側部分の径は、そ
の下側部分の径より大きくなるよう形成され、その内部
に複数のＵ字管２４が配設されている。さらに、前記上
側部分の周囲は、断熱材１６に被覆されている。また、
このヒートパイプ１１の下側部分が、酸化熱源部１９を
貫通するよう配設され、その突出部分の下端部に電気ヒ
ーター２０が接続されている。また、複数のＵ字管２４
の内部には、ペレット状の改質触媒が充填されており、
一方の管口が改質原料ガス流路１７と連結され、他方の
管口が燃料ガス流路１８と連結されている。

【００２５】この第３実施例の動作につき説明すると、
改質原料ガスは、Ｕ字管に詰められたペレット状触媒の
中を通過して、燃料ガスに改質させられる。このとき、
Ｕ字管２４の内部では吸熱反応が行われ、Ｕ字管２４の
外表面の温度が低下しようとするが、ヒートパイプ１１
の上側全体、正確にいうと、Ｕ字管２４の外表面が凝縮
部となっているため、全てのＵ字管２４の各部位が所定
の温度になるよう加熱される。

【００２６】上記説明した第３実施例は、第１実施例お
よび第２実施例のように、金属製ハニカム１３を必要と
せず、金属製ハニカム１３の表面に改質触媒を担持させ
る必要もないので、改質反応器の構造が簡単になる。し
たがって、この改質反応器の生産性が向上する。また、
金属製ハニカム１３とヒートパイプ１１とが接触するこ
ともないので、これらの熱応力を考慮する必要もなくな
っている。さらに、第１実施例や第２実施例のように改
質ガス流路同士の間、すなわちＵ字管２４同士の間に断
熱材を配設する必要がないため、改質反応器の大きさに
対する改質反応部１０の容積効率すなわち改質触媒の利
用率が非常に高く構成され、この改質反応器をより小型
化することができる。

【００２７】なお、この発明は、最終的に改質反応部を
所定の温度に保持するための補助熱源として、温度制御
が容易で応答性が高い電気ヒーターを用いるものである
から、第１ないし第３実施例に示したように、電気ヒー
ターの配設場所は特に限定されず、また温度センサー
が、ヒートパイプの凝縮部や改質反応部に配設されても
好適である。当然、この発明は、均温特性を有するヒー
トパイプを利用すれば良いので、作動流体の還流方式、
すなわちウイック式もしくは熱サイフォン式を問わない
のは勿論である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載され
た発明によると、ヒートパイプの均温特性により、改質
反応部の各部位の温度が均一にされるとともに、温度制
御が容易かつ温度応答性が良好な電気熱源部により、改
質反応部が所定の温度に保持される。すなわち電気熱源
部が、改質反応部の温度を調整するだけなので、燃料電
池から発生する電気エネルギーを過剰に消費することが
ないため、燃料電池発電装置全体における発電効率が向
上する。また、改質反応部が迅速に所定の温度に保持さ
れ、改質触媒の利用率が低下することがないため、変動
運転を行う燃料電池用改質反応器を大型化する必要がな
くなる。

【００２９】特に請求項２に記載された発明によると、
改質反応部がハニカム構造を必要とせず、非常に簡単に
なるため、この燃料電池用改質反応器が安価になるとと
もに、生産効率が向上する。

【００３０】さらに請求項３に記載された発明による
と、改質反応部の温度を所定の温度に保持するための制
御装置が不要になるため、信頼性が向上するとともに、
生産効率が向上し、安価に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の燃料電池用メタノール改質器の第１
実施例を概略的に示す断面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

【図３】この発明の燃料電池用メタノール改質器の第２
実施例を概略的に示す断面図である。

【図４】この発明の燃料電池用メタノール改質器の第３
実施例を概略的に示す断面図である。

【図５】従来の燃料電池用メタノール改質器を概略的に
示す図である。

【符号の説明】

１０改質反応部１１ヒートパイプ１１ａ蒸発部１１ｂ凝縮部１２熱源部１９化学（酸化）熱源部２０電気熱源部（ヒーター）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応を
行う燃料電池に水素ガスを供給するためにメタノールの
水蒸気改質反応を行う燃料電池用メタノール改質器にお
いて、メタノールを改質して水素を発生させる改質反応部と、
酸化熱によって発熱する化学熱源部とが、作動流体の蒸
発潜熱によって熱を輸送するヒートパイプによって連結
されるとともに、前記化学熱源部を補助する電気熱源部
が、前記ヒートパイプと熱授受可能に取り付けられてい
ることを特徴とする燃料電池用メタノール改質器。
【請求項２】前記改質反応部が、メタノールを改質さ
せる改質触媒を内蔵し、かつ略Ｕ字状に形成された改質
反応管から構成されるとともに、前記ヒートパイプの内
部に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の
燃料電池用メタノール改質器。
【請求項３】前記電気熱源部が、ＰＴＣセラミックス
から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の
燃料電池用メタノール改質器。