JP2001199703A - 改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体高分子型燃料電池システムに使用する水
素を原料ガスと水蒸気との反応改質によって得る改質器
の構成部材として、特殊な構造材を用いることにより、
耐久性、熱効率及び信頼性等を向上させた改質器１を提
供する。 【解決手段】 改質触媒に反応熱を与える加熱管３が改
質原料ガスの入口側に凸状の曲面及び円筒部からなる器
状の上部構造部材２１と、これに突き合わせ溶接された
円筒部材２２とから構成され、該加熱管３内に燃焼器８
を有しているものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池等に使用
される水素を得るために、触媒反応により、炭化水素ガ
ス等を水素成分の多いガスに改質する改質器に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池システムは、水素
の有している化学エネルギーを電気エネルギーに変換す
るものであり、実業的には比較的容易かつ安価に入手で
きる天然ガス、ナフサ等の炭化水素ガスやメタノール等
のアルコール類の改質原料ガス（以下改質原料ガスとい
うと水蒸気とを混合して改質器で改質することにより高
い純度の水素ガスを得て、その水素成分を燃料電池本体
の電極（燃料極）に供給して発電をしている。

【０００３】一方、改質原料ガスから水素を得る固体高
分子型燃料電池システムの改質器の構造は、円筒とこの
円筒の頂部、又は底部を（円板状の）塞ぐ平板によっ
て、加熱管、触媒管や改質管等が形成されている。

【０００４】このような改質器においては、バーナで高
温に加熱された改質用触媒層に改質原料ガスを通過させ
て改質反応を行う際に、改質器を構成する燃焼管は高温
の燃焼ガスに直接に接して触媒を加熱し、触媒管は高温
度に加熱された触媒を内蔵して改質原料ガスを改質し、
改質管は高温の触媒層を経て改質された改質ガスを導出
して次の工程に送る部材であり、それぞれが高温にさら
され、熱的な歪みに伴う変形応力を繰り返し受け、熱的
な損傷や偏った触媒反応を生じて改質機能を低下させる
おそれがある。

【０００５】更に、従来の改質器は、円盤状の平板と円
筒とを組み合わせた構造によって触媒管等が作られ、円
筒と円盤状平板との溶接部において集中的に上述のよう
な繰り返し応力を受け、耐久性に影響を及ぼす課題を有
している。

【０００６】また、触媒層の入口付近の改質原料ガスの
流れと、燃焼ガス等からの触媒への熱供給を併せて考え
ると、触媒管の近傍の触媒層外側では、ガスの流速が速
く吸熱量が多いが、この部分へは燃焼ガスから遠く供給
熱量が少ないために、触媒層の温度は低くなる。一方、
触媒層の内側になる加熱管の近傍の側では、ガスの流速
が遅く吸熱量が少ないが、この部分へは燃焼ガスからの
供給熱量が多いために、触媒層の温度は高くなり、触媒
層の入口付近では、触媒層の内側と外側とで温度差を生
じることは避け難い課題を有していた。

【０００７】この対策として、特開平７−３３４０２号
においては、改質器内部のガスの偏流を低減するために
攪拌用のガイドフィンを備えたものが示されているが、
かかる課題を解決するようなものではない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの問
題点を解決するものであり、新しく創出された構造材を
用いた構成の改質器とすることにより、大幅な構造の変
更を行わずに、応力が集中しやすい溶接個所を低減し、
かつ、改質原料ガスの流れおよび触媒温度分布を改善
し、改質器の熱効率と耐久性や信頼性とを向上させ、製
造コストを低減した改質器を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、改質触媒に反応熱を与える
加熱管が改質原料ガスの入口側に凸状の曲面及び円筒部
からなる器状の上部構造部材と、これに突き合わせ溶接
された円筒部材から構成され、該加熱管内に燃焼器を有
しているものである。

【００１０】請求項２記載の発明は、改質触媒を内蔵す
る円筒状の触媒管と、前記改質触媒に反応熱を与える円
筒部を備えた加熱管と、改質された改質ガスを導く筒状
の改質管とを、前記各円筒の中心線が同心になるように
組み合せた改質器において、前記各円筒の頂部又は底部
を円筒に連なる曲面加工により形成された頂底部を有す
る構造部材で構成し、該構造部材と加熱管等の円筒部と
を突き合わせ溶接で接合したものである。

【００１１】請求項３記載の発明は、改質触媒に反応熱
を与える加熱管が改質原料ガスの入口側に凸状の曲面及
び円筒部からなる器状の上部構造部材と、これに突き合
わせ溶接された円筒部材から構成され、該加熱管内には
加熱管の中心軸と同心に取り付けられた中心軸を有する
燃焼筒を有し、同じく加熱管外には触媒管が前記加熱管
の外周を囲んで取り付けられ、前記触媒管と加熱管との
間には、改質原料ガスの改質触媒が充填されているもの
である。

【００１２】本発明では、改質触媒により、改質原料ガ
スである炭化水素化合物ガスを水素ガスに改質する改質
器において、加熱管や触媒管などを形成する円筒部とそ
の頂部の上板又は底部の下板とを金属板の絞り加工等で
一体に形成することにより、改質器を構成するこれらの
加熱管や触媒管の構造部材が直角に接して溶接される個
所を低減し、改質器の信頼性を向上させるものである。

【００１３】また、加熱管の頂部を改質原料ガスの入口
側に凸状の曲面を有する器状の上部構造部材と円筒の構
造材（断面が逆Ｕ字状の形）にすることによって、改質
器に導入された改質原料ガスが曲面状の加熱管上板に衝
突する際に、上板の曲面に沿って触媒層の内側に流れ込
み、触媒層の内側でのガス流速が、触媒層の外側のガス
流速に比較して速くなり、かつ、この内側では、燃焼室
から十分な反応熱が供給されるようにし、触媒層の温度
の下がり過ぎを防ぎ、触媒層の入口付近における内側と
外側との温度差を低減し、改質の反応性能が向上される
ようにしたものである。

【００１４】また、改質器を構成する円筒部とその頂部
の上板、又は底部の下板とが相互に接する部分での応力
集中が分散される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面に基づいて説明する。

【００１６】一般に、固体高分子型燃料電池システム
は、アノード側に水素、カソード側に酸素を投入するこ
とにより、電気化学反応により電気を生じる機構を有し
ている。このようなシステムで使用される酸素は、大気
中に存在する酸素を使用することができるが、アノード
側で使われる水素には水素ボンベ等からの供給或いは、
炭化水素化合物を改質した水素濃度の濃いガス又はこの
ようなガスから分離して取り出した水素を使用してい
る。

【００１７】例えば、改質原料ガスである炭化水素ガス
にメタンを使用した水蒸気改質方式では、その反応過程
で水素の他に一酸化炭素（ＣＯ）も生成され、その出口
ガスの組成は水素濃度が７５〜８０％、一酸化炭素濃度
が１０〜１５％、二酸化炭素濃度が１０％程度になる。

【００１８】図１はこのような改質器の基本的な構造を
模式的に示す端面図である。

【００１９】図１において、改質器１は、燃焼加熱室２
を形成する円筒状の加熱管３と、該加熱管３の外側の円
筒状の触媒管４及び改質管５並びに触媒管４と加熱管３
との間に形成された反応容器に充填された改質触媒層６
等から構成されている。

【００２０】燃焼室７は、下部に設けられたガスバーナ
等の燃焼器８、及び、この燃焼器８が燃焼用の空気を空
気口９から取入れ、燃料管１０から供給されるＬＰＧや
都市ガス等の燃料を燃焼させることにより発生した高温
の燃焼ガスを燃焼室７の上方に導く燃焼案内筒１１並び
にこの燃焼ガスが加熱管３の内周に沿って流下した後、
改質管５の底部下板１２及び改質管５の外周の排気室１
３を経て排気口１４から排ガスを排出させる構造を有し
ている。

【００２１】中心軸を一致させて組み立てられた円筒状
の触媒管４と加熱管３との間に形成されたる空間（反応
容器）１５は縦に細長い円筒形をしており、上面より少
し下の横断面に上部仕切板１６、下面より少し上の横断
面に下部仕切板１７が設けられ、この中に粒状の触媒が
収納されて触媒層６が形成されている。

【００２２】この上下部の仕切板１６、１７には金網や
多孔質の板が使用され、この仕切板の孔を通して触媒層
６の中にガスが出入りできるようになっている。この孔
の大きさは、触媒の粒の大きさよりも小さく触媒がこぼ
れないようになっている。１８は改質原料ガスを反応容
器１５に導入するガス導入管であり、このガス導入管１
８と上部仕切板１６との間には入口空間１９が形成され
ている。

【００２３】このように構成された改質器１において、
燃焼器８の運転を開始して高温の燃焼ガスにより燃焼管
３、反応容器１５の中の触媒６及び改質管５を加熱させ
つつ、ガス導入管１８から改質原料ガス及び水蒸気を流
入させると、触媒層６で炭化水素化合物と水蒸気とが反
応し、上述のように、水素ガスと一酸化炭素ガスと二酸
化炭素ガスとが発生する。

【００２４】すなわち、改質器１に導入された改質原料
ガスは、加熱管３の筒の頂部の上板２０に打ち付けら
れ、該表面に沿って四方に広がり、触媒管４の内壁に当
たり、触媒層６に流入する。このとき、触媒管４の内壁
（触媒層６の外周側）に沿って触媒層６に流れ込むガス
量が多いため、改質原料ガスの分布は、触媒層６の外周
側に多く行き渡り、触媒層６の外側（触媒管４壁の内周
近傍）の流速が大きく、触媒層６の内側（加熱管３の外
壁近傍）の流速が小さくなる傾向がある。

【００２５】水蒸気による炭化水素化合物の改質反応
は、吸熱反応であるため、改質触媒は燃焼加熱室２を流
れる高温の燃焼ガスから反応熱を受取る。すなわち、触
媒層６の内側では、燃焼加熱室２の燃焼ガスから炭化水
素化合物の改質反応に必要な熱が供給され、触媒層６の
外側は改質管５を経て流出する改質ガスから反応の熱の
供給を受ける構造になっている。

【００２６】燃焼案内筒１１に導かれて、加熱管３の頂
部上板２０に達した後、加熱管３の内壁に沿って流下
し、改質管５の底部下板１２に沿って排気室１３に流
れ、その後に排気口１４から排出される燃焼ガスの温度
は、例えば、加熱管３の頂部上板２０付近で１０００℃
以上になるため、頂部上板付近の触媒層６の内側（加熱
管３の管壁近傍）に対しては十分な熱量を供給できる
が、燃焼ガスの流れは下流になるに従って燃焼ガスの温
度が低下する。

【００２７】このとき、下部仕切板１７付近の触媒層６
（ガス出口）の温度は約７００℃に設定されているた
め、このような温度で流出する改質された後のガスから
熱を供給される触媒層６の外側（触媒管４の管壁近傍）
においては、触媒層６の内側が加熱管３から受ける程の
熱量は得られない。さらに、触媒管４の管壁に近い触媒
層６の外側ではガスの流速が速く吸熱能力が高いため
に、触媒層６の温度は更に低くなる傾向にある。

【００２８】また、改質原料ガスの炭化水素化合物にメ
タンを使用した水蒸気改質の場合、改質器１の出口ガス
組成は、水素濃度が７５〜８０％、一酸化炭素濃度が１
０〜１５％、二酸化炭素濃度が１０％程度であるが、触
媒層６の入口付近では、水素への改質反応が十分には進
んでいないので、残留メタンが多く存在し、一酸化炭素
の濃度が高くなっている。

【００２９】一方、触媒層６の内側（加熱管３の管壁近
傍）では、改質ガスの流速が遅く吸熱能力が低いために
触媒層６温度が高くなりがちであり、このようにして、
触媒層６の入口（入口空間１９）付近では、触媒層６の
外側と内側とで大きな温度差を生じる。

【００３０】改質器１の構造は、通常は、図５に示すよ
うに、円筒３０、３１、３２と円盤状の平板３３、３
４、３５、３６を組み合わせた構造であり、改質器１を
構成する加熱管３、触媒管４、改質管５の筒上体の頂部
上板３３、３４、底部下板３５、３６等の接合部は直角
に当接させて溶接されている。

【００３１】このため、加熱管３等の筒状体の頂部上板
３４、底部下板３５、３６等の接合部は改質器１の運転
中に改質器１の内部の温度が、例えば、加熱管３の上部
の燃焼ガスは１０００℃以上に達する一方、外側の反応
容器１５の温度は数百℃程度であり、この温度差によっ
て生じる熱膨張の差によって熱歪み応力が溶接部に集中
する。この熱歪みは、加熱管３の筒状部３０と上板３４
との接合部Ｙおよび触媒管４の筒状部３１と下板３５と
の接合部Ｙにおいて著しい。

【００３２】さらに、固体高分子型燃料電池システムの
運転を停止しているときには、改質器１全体の温度が室
温になるために、電池の運転と停止を繰り返すと上述の
ような溶接部分に繰り返し応力が集中してかかりやす
く、構造材の溶接部分の耐久性に大きな影響を及ぼしか
ねない。出力が数十ｋＷの固体高分子型燃料電池システ
ムでは一度運転を始めると運転停止をすることが殆ど無
いので、上述した大きな繰り返し応力が改質器に生じる
ことは殆ど無いが、出力が数ｋＷの固体高分子型燃料電
池システムの場合は、運転の起動と停止が頻繁に行われ
るので、改質器には大きな繰り返し応力がかかる可能性
が高い。

【００３３】本発明においては、改質器１の構造に図２
に示すような構造を用いることにより上述のような問題
の解決したものである。

【００３４】図２には改質器１のみを取り出して模式的
に改質器１の構造材の構成及び突き合わせ溶接個所Ｗ並
びにその他の溶接個所Ｘを示している。

【００３５】加熱管３の頂部上板２１の形状は、図５に
示す従来の改質器１のような円筒と平板との溶接Ｙによ
って製造した構造と異なり、改質原料ガスの流入側に凸
状の曲面（絞り）加工を施した、断面が逆Ｕ字型の構造
部材と円筒２２とを突き合わせ溶接Ｗによって作られて
いる。

【００３６】図２に示す改質器１は、触媒層６を形成す
る加熱管３及び触媒管４等の筒状の構造材の角部（図５
のＹ部分）を、従来のような金属板を直角に当てた溶接
部が存在しない構成にしているので、温度差があって
も、従来のような直角な溶接部分での応力集中は存在せ
ず、熱歪みによる応力を分散し改質器１を構成する構造
材での応力集中が少なくなる。さらに、従来の改質器と
比較して、溶接個所の低減により、改質器１の製造コス
トを下げつつ、溶接を原因とする改質器１のトラブルを
低減することができる。

【００３７】また、このような改質器１にすれば、新た
なガイドフィンや整流板を設けて構造を複雑にしたりコ
ストを上げることも無く、ガイドフィン等の部品を使用
したのと同様な原料ガス改質の効果を期待できるもので
ある。

【００３８】すなわち、図２のような改質器１の構造に
おける改質原料ガスの流れは、図３で模式的に示すよう
な流れになる。

【００３９】ガス導入管１８から改質器１に導入された
改質原料ガスは、曲面状の加熱管３の上板２１に打ち付
けられ、この曲面に沿って触媒層６の内側（加熱管３の
外側近傍）に主に流れ込む。このため、触媒層６の内側
でのガス流速が、触媒層６の外側のガス流速に比較して
速くなる。触媒層６の内側（加熱管３の外側近傍）で
は、吸熱反応が大きく多量の熱量が必要であるが、燃焼
加熱室２を流れる燃焼ガスには、この反応熱を補うのに
十分な熱量を有してその熱を触媒層６に供給できるため
に、上述のように触媒層６の内側（加熱管３の外側近
傍）に多量の改質原料ガスが流れても、加熱触媒の温度
が下がりすぎることはない。

【００４０】また、触媒層６の外側におけるガス流速
は、内側に比較して小さくなるために、改質管５を流れ
る温度の低い改質ガスからでも改質反応に充分な反応熱
が供給される。

【００４１】このようにして、触媒層６の入口付近にお
ける外側と内側との触媒温度の差が解消され、バーナに
よる必要以上の加熱も不要となり、改質器１における熱
ロスを低減させて、改質器１の熱効率を向上させること
ができる。

【００４２】実験例として図２及び図３で示した構成の
改質器１をＳＵＳ３１０Ｓで作り、触媒量を５００ｃ
ｃ、改質原料ガスにメタンを用い、触媒のガス出口温度
を７００℃に制御して試験した結果では、改質器の熱効
率は、同様な機能の改質器を図５のような構造で作った
ものと比較して、数％の熱効率の向上が確認された。こ
の効率の改善は、加熱管３の上板２１に相当する部分に
絞り加工によって曲面を形成した構造材を使用すること
によって触媒層６の内部での温度差が解消されたことに
起因して得られたものであると推測される。

【００４３】また、他の実験例として、図２のような構
成の改質器１をＳＵＳ３１０Ｓで作り、触媒量を５００
ｃｃ、改質原料ガスにメタンを用い、触媒のガス出口温
度を７００℃に制御して、室温の停止状態から、起動後
定常運転を５時間継続する運転、その後停止し再起動と
運転を繰り返すサイクル試験した結果では、図５のよう
な従来の構造では溶接部にクラックの成長の始まりが見
られたが、図２の構造の改質器１については、１００サ
イクルの後も溶接部の異常は認められなかった。

【００４４】図４は、このような発明による改質器１の
具体的な一実施例を示す断面図である。図の改質器１に
おいて、図１と同様な部分は同じ図番を付してその説明
を略す。

【００４５】改質器１は、断熱材からなる基板２３に取
り付けられ、燃焼器８は、高カロリーの燃料ガスと共
に、固体高分子型燃料電池システムの未反応ガスを燃焼
させるためにガスを供給する管路２４及び、改質原料ガ
ス（実線矢印）と改質ガス（点線矢印）とを熱交換して
熱効率を上げる熱交換器２５及びこの熱交換器全体を収
納して燃焼排ガスで加熱する予熱室２６を有しており、
これにより、一層効率の良い改質器１を実現させてい
る。

【００４６】なお、図中Ｗは、それぞれ、図２で説明し
たと同様な構造部材を用い、他の筒状部材と突き合わせ
溶接をした個所を示し、各溶接個所で分断される新しい
構造部材は、円筒部と頂部上板又は底部下板とを絞り加
工等で形成した金属部材である。

【００４７】なお、上記の発明の実施の形態の説明にお
いて、改質器１を形成する加熱管３、触媒管４、改質管
５等の部品名には説明の便宜上、管の文字を使用してい
るが、これは、いわゆる管に限定される意味ではない。
この表現は、管以外に、筒やそれ以外の同様な趣旨の構
造物も含むことは言うまでもない。

【００４８】

【発明の効果】本発明は以上のように、改質触媒を内蔵
する円筒状の触媒管と、前記改質触媒に反応熱を与える
円筒部を備えた加熱管と、改質された改質ガスを導く改
質管とを、前記各円筒の中心線が同心になるように組み
合せた改質器において、前記各円筒の頂部又は底部を円
筒に連なる曲面加工により形成された頂底部を有する構
造部材で構成し、該構造部材と加熱管等の円筒部とを突
き合わせ溶接で接合しているので、改質器に大幅な設計
の変更を行うことなく、改質器の加熱管上板に絞り加工
を施したカップ状の部材を用いることにより、加熱管と
加熱管上板とが直角に接する溶接部がなくなり、製造コ
ストを低減できる。

【００４９】同様に、改質器１の構造部材に従来のよう
な円筒と円盤状平板を用いるのではなく、絞り加工を施
した部材の使用によって、溶接部位が少なくなり、か
つ、曲面加工を施した部材を効果的に組み合わせること
により、改質原料ガスのガスの流れを改善することがで
き、更には、改質器の熱効率が向上するものである。

【００５０】特にこのような絞り加工と突き合わせ溶接
等を自動加工機によって行い、改質器を製造するとき
は、改質器全体が精度良く均質で平均した機械的強度を
有する改質器として形成されるために原料ガスの流れ
や、触媒との反応において、ガスの流れの偏りや温度の
分布の非対象な偏りを生じるおそれが減少し、温度分布
が均一になるので改質ガスも均質になり触媒や改質器１
を構成する構造材及びこれらの溶接部への応力の集中を
減らし、耐久性と信頼性を向上した改質器を提供できる
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】改質器の構造を模式的に示す端面図である。

【図２】本発明による改質器の構造材の組立構成例を示
す模式図である。

【図３】本発明による改質器のガスの流れを説明する模
式図である。

【図４】本発明による改質器の実施例の構造を示す断面
図である。

【図５】改質器の基本的な構造を模式的に示す端面図で
ある。

【符号の説明】

１ 改質器 ２ 燃焼加熱室 ３ 加熱管 ４ 触媒管 ５ 改質管 ６ 触媒層 ７ 燃焼室 ８ 燃焼器 １２ 改質管の底部下板 １５ 反応容器 １６ 上部仕切板 １７ 下部仕切板 １８ 改質原料ガス導入管 ２０ 頂部上板 ２１ 上板（逆Ｕ字型構造部材） ２２ 円筒 Ｗ 突き合わせ溶接個所

フロントページの続き (72)発明者 上田 雅敏 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB14 EB24 EC07 5H027 AA06 BA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質触媒に反応熱を与える加熱管が改質
   原料ガスの入口側に凸状の曲面及び円筒部からなる器状
   の上部構造部材と、これに突き合わせ溶接された円筒部
   材から構成され、該加熱管内には燃焼器を有しているこ
   とを特徴とする改質器。
2. 【請求項２】 改質触媒を内蔵する円筒状の触媒管と、
   前記改質触媒に反応熱を与える円筒部を備えた加熱管
   と、改質された改質ガスを導く筒状の改質管とを、前記
   各円筒の中心線が同心になるように組み合せた改質器に
   おいて、前記各円筒の頂部又は底部を円筒に連なる曲面
   加工により形成された頂底部を有する構造部材で構成
   し、該構造部材と加熱管等の円筒部とを突き合わせ溶接
   で接合していることを特徴とする改質器。
3. 【請求項３】改質触媒に反応熱を与える加熱管が改質原
   料ガスの入口側に凸状の曲面及び円筒部からなる器状の
   上部構造部材と、これに突き合わせ溶接された円筒部材
   から構成され、該加熱管内には加熱管の中心軸と同心に
   取り付けられた中心軸を有する燃焼筒を有し、同じく加
   熱管外には触媒管が前記加熱管の外周を囲んで取り付け
   られ、前記触媒管と加熱管との間には、改質原料ガスの
   改質触媒が充填されていることを特徴とする改質器。