JP2007031185A

JP2007031185A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2007031185A
Application number: JP2005213998A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Nakanori; 孝博中野利
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】装置の小型化、簡素化および低コスト化を図り、かつ改質性能の安定化を図った燃料改質装置を提供する。
【解決手段】原燃料ガスを水素を主成分とする改質ガスに水蒸気改質する改質部３と、前記改質部加熱用のバーナ１４及び燃焼筒３２を有する燃焼部１５とを備える燃料改質装置において、前記燃焼部１５における燃焼筒３２を前記バーナ１４に対して、燃焼筒交換部３３において着脱自在に設けたものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料である炭化水素ガスを水蒸気改質する燃料改質装置、特に、燃料電池発電装置等で使用される燃料改質装置における燃焼部の構成に関する。

燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電池で起きる電気化学反応を表す式を示す。（１）はアノード側に於ける反応、（２）はカソード側に於ける反応を表し、燃料電池全体では（３）式に表す反応が進行する。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ………（１）
１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ ………（２）
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ ………（３）
燃料電池発電装置は、使用する電解質の種類により分類されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。

天然ガス等の炭化水素系の原燃料には、硫黄分が含まれているので、燃料改質器の前段に設けられた脱硫器に原燃料を流して含有する硫黄分を脱硫している。

改質装置は、脱硫された原燃料を改質器および一酸化炭素変成器において改質され燃料ガスを生成している。

式（４）は、改質器におけるメタンの改質反応について示したものである。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ_２＋２０６．１４ＫＪ／ｍｏｌ ……（４）
式（４）に示される通り、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにて粒状改質触媒を600〜700℃に保つことにより、水素に富む改質ガスを生成する。

改質器を出たこの改質ガスは、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために一酸化炭素変成器に供給され、所定の温度に制御された一酸化炭素変成器で一酸化炭素は1%以下に低減され、リン酸形燃料電池(PAFC)であれば、このガスを燃料電池へと導入して発電を行なうことが出来る。

一方、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、その動作温度が60〜80℃と低いために、改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、これが触媒毒となって性能が劣化することから、一酸化炭素をさらに低減するために改質ガスは所定の温度に制御された一酸化炭素除去器に供給され、ここで一酸化炭素が選択的に酸化され二酸化炭素となり一酸化炭素は10ppm以下に低減される。改質されたガスは、固体高分子形燃料電池(PEFC)に供給される。

前記の燃料電池発電システムで使用される燃料改質装置は、改質器の改質触媒温度を600℃〜700℃に保ち、一酸化炭素変成器の触媒温度を250℃前後、一酸化炭素除去器の触媒温度を150℃前後に保ち燃料改質反応を行っている。各反応器の温度を制御するため、それぞれを分離し個別に温度制御を行う燃料改質装置や、脱硫器、改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器等を１つのユニットとしてまとめてなる燃料改質装置で各反応器間に断熱層を設け、排ガスと熱交換することによって所定の温度に保つものが知られている（例えば、特許文献１および２参照）。

しかしながら、前記特許文献１に開示された燃料改質装置の場合には真空断熱層を備えていること、前記特許文献２の場合には多重円筒の部品点数が極めて多い等、複雑かつ高コストな構造となっている問題がある。そこで本願と同一出願人は、上記問題や改質性能の安定性などの燃料改質装置の諸課題を解決するするための改良した燃料改質装置の構成に関して、特願２００５−１７０６０４号により出願している。図２は、前記特願２００５−１７０６０４号の図１において開示した燃料改質装置の模式的概略構成図（一部、燃焼筒３２の部番を追記）であり、後述する本発明の燃料改質装置に係る図１のベースとなるものである。以下に、上記図２について述べる。

図２に示す燃料改質装置の主要構成は、中心軸から外側に向かって順に、下向きのバーナ１４、下向きの燃焼空気流路１８、燃焼筒３２、上向きの燃焼排ガス流路１１、下向きの水蒸気流路（水蒸気発生部１２）、上向きの改質ガス流路１９、上向きの脱硫原燃料ガス流路（脱硫部２）とからなる。改質装置に供給された燃焼用の燃料ガス（電池オフガス）はバーナ１４で燃焼空気と混合、燃焼する。燃焼排ガスは、燃焼筒３２によって、燃焼部１５の下方に導かれ、改質部３の下部を加熱する。燃焼筒３２を出た燃焼排ガスは、燃焼筒３２と改質部３との間の、上向き燃焼排ガス流路１１を通りながら改質部３内の改質触媒２１を加熱する。

脱硫部２は改質装置１の外筒１０の外側に、脱硫触媒２０が250℃〜350℃となるように設置する。設置位置は制御温度350℃〜200℃の一酸化炭素変成部４の外周、あるいはさらに高温となる改質部３の外周に断熱層を介して設置する。通常、改質部３における反応器の温度は反応を維持するため、一定の温度に制御されている。このため、外筒１０の外側に設置した脱硫部２の温度は一定の温度に保たれる。原燃料ガス３１は、脱硫部２の脱硫部原燃料入口６に供給され脱硫部２に充填された脱硫触媒２０によって原燃料中の硫黄分が取り除かれ、改質装置１の原燃料ガス入口８から改質装置１に流入する。改質水３０は脱硫部２によって脱硫された原燃料ガス３１と混合され原燃料ガス入口８から改質装置１に供給されるか、あるいは図示していない改質水入口から供給される。供給された改質水は一酸化炭素変成部４、一酸化炭素除去部５等の反応部と燃焼排ガス流路１１にはさまれた水蒸気発生部１２を下方に向かって流れる。

水蒸気発生部１２にはラセン状の水保持機能を持った部品、たとえば針金等が設置され、改質水３０はこの水保持部品により水蒸気発生部１２を徐々に下に流れながら燃焼排ガスの熱と反応器の熱により加熱され気化していく。気化した改質水３０と原燃料ガス３１とは改質部３に供給され改質される。このような構成にすることによって、改質装置内で、水蒸発装置を備えることなく余剰の熱を利用し水蒸気を得ることができる。なお、実際の装置では、水蒸気発生部１２で気化しきれなかった改質水３０が直接、改質部３に流入しないように改質部３の原燃料ガス入口に図示していない仕切り(水受け)を設けることがある。

改質部３を加熱するバーナ１４は改質装置１の中心軸に下向きに設置する。燃焼排ガスはバーナ１４の下方の燃焼部１５の底部に流れ、底部で折返し、燃焼排ガス流路１１を上方へ流れる。燃焼部１５の底部と燃焼排ガス流路１１入口との間に空間を設け、燃焼排ガス中の水分が凝縮し底部にたまっても水が燃焼排ガス流路に流れ込まないようになっている。底部にたまった水は、燃焼部が十分加熱されると、気化され燃焼排ガスとともに外部に排出される。なおバーナ１４は上方に設置されているため、凝縮した水分や酸化スケールなどのごみでバーナ１４が閉塞しない構造となっている。

上記のような構成の改質装置とすることで、多重円筒内に収めたコンパクトで安定した一体型燃料改質装置を提供することができる。
特開２００３−１６０３０６号公報特開２００３−３２７４０５号公報

ところで、上記図２に示すような燃料改質装置の構成においても、下記のような問題があった。上記のような燃料改質装置においては、改質部３の温度を600℃から700℃の範囲に保ち水蒸気改質を行う為にバーナ４の燃焼排ガスで加熱している。バーナ４において燃焼された炭化水素ガスあるいは燃料電池からの燃料オフガスの火炎温度は1000℃を超え、また燃焼排ガス温度は700℃以上となっている。このため加熱炉を構成している部品は高温にさらされる。一方、前記改質装置を停止させたときには、炉内温度は室温まで低下することがあり、炉を構成する部品には加熱と冷却が繰り返される。このため、最も高温の火炎にさらされる燃焼筒３２は運転と停止を繰り返すことにより変形することがある。

変形が生ずることにより、改質装置の温度分布が大きくなり、改質性能が低下したり、あるいは燃焼状態が不安定となることがあった。従来、この変形を防止するため、高価な耐熱材料を使用したり、部品の厚さを厚くあるいは、補強材を組み込み変形しないような対策を取っていた。しかしながら、このような構造の場合、コストが大となる問題がある。特に、小型のPEFC用改質装置の場合、装置の小型化、軽量化、低コスト化を図るためには、高価な耐熱材料を用いることなく、また簡素化した形状とする必要があった。

この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、装置の小型化、簡素化および低コスト化を図り、かつ改質性能の安定化を図った燃料改質装置を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、少なくとも、原燃料ガスを水素を主成分とする改質ガスに水蒸気改質する改質部と、前記改質部加熱用のバーナ及び燃焼筒を有する燃焼部とを備える燃料改質装置において、前記燃焼部における燃焼筒を前記バーナに対して着脱自在に設けたことを特徴とする（請求項１）。

また、原燃料ガスを水素を主成分とする改質ガスに水蒸気改質する改質部、前記改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成させる一酸化炭素変成部、および前記変成後の改質ガス中の一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変える一酸化炭素除去部の各反応部と、前記水蒸気改質用水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、バーナ及び燃焼筒を有する燃焼部とを多重円筒内に備える燃料改質装置において、前記燃焼部における燃焼筒を前記バーナに対して着脱自在に設けたことを特徴とする（請求項２）。

上記請求項１または２の発明の要点は、改質装置の燃焼バーナの先にバーナ部分と分離可能な燃焼ガスを導くための燃焼筒を取り付けることである。このように最も高温となる燃焼筒を着脱自在とし交換可能とすることで、改質装置の起動停止を繰り返す運転や、連続運転によって最も高温となる燃焼筒が、熱のために変形することがあっても、改質装置全体を交換することなく、変形しやすい燃焼筒だけを交換するのみで、改質装置の運転を続けることができる。

また、燃焼筒の交換は、システムの定期点検の際に行うか、改質装置の各部の温度の変化や、あるいは改質によって得られたガスの成分の変化、あるいは運転圧力の変化、あるいは改質ガスを消費している燃料電池の性能低下が計測されたときに行う。

さらに、小型燃料電池システムに搭載される本発明の小型のPEFC用改質装置のバーナの場合には、一般的なガスコンロ等と同様に定期的な点検が行われるため、その際に、交換可能な燃焼筒の点検あるいは交換を行うことで、改質装置を交換することなく運転を続けることができる。

また、上記請求項２の発明の実施態様としては、改質装置全体の小型化、簡素化および低コスト化並びに改質性能の安定化を図る観点から、下記請求項３の発明が好ましい。即ち、前記請求項２に記載の燃料改質装置において、前記多重円筒の中央円筒から径方向外側に向かって順に、バーナ用燃焼空気流路、燃焼排ガス流路、水蒸気流路、および改質ガス流路が形成され、隣接する前記各流路を流れる流体が互いに対向する方向に流通する構成を備えたことを特徴とする（請求項３）。

この発明によれば、装置の小型化、簡素化および低コスト化を図り、かつ改質性能の安定化を図った燃料改質装置を提供することができる。

次に、この発明の実施形態に関して、図１に基いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置の模式的概略構成図である。前述のように、図１に示す燃料改質装置は図２をベースとしているが、図２における脱硫器２を別置方式として省略し、かつその他一部の構成を変更している。変更した部分に関し、本発明の要旨と比較的関係が少ない部分（主に、部番を付さずに部材名称のみを記載している部分）については、ここでは説明を省略する。なお、図１において、図２に示した部材と同一機能を有する部材には同一番号を付して示す。

本発明の要旨と密接に関係する部分に関わり図１と図２とが異なる点は、図１においては、燃焼部１５における燃焼筒３２をバーナ１４に対して着脱自在に設けるための燃焼筒交換部３３を設けた点である。図１に示す燃料改質装置の主要構成部材は、中心軸から外側に向かって順に、下向きバーナ１４、下向き燃焼空気流路１８、燃焼筒３２、上向き燃焼排ガス流路１１、下向き水蒸気流路（蒸発部１２）、上向き改質ガス流路１９であり、燃焼筒３２とバーナ１４とは燃焼筒交換部３３において締結されている。

燃焼筒３２とバーナ１４との着脱自在な締結構造としては、相互を複数個のネジを用いて着脱自在とする構造や、各部材の外周部に設けたネジ係合部を介して着脱自在にする構造等、種々の周知の構造が採用できる。

図１において、燃料改質装置に供給された燃焼用の燃料ガスはバーナ１４で空気と混合、燃焼する。燃焼排ガスは、燃焼筒３２によって、改質部３の下部に導かれ、燃焼筒３２を出た燃焼排ガスは、上向き燃焼排ガス流路１１を通りながら改質部３を加熱する。燃焼筒３２はバーナ１４からの最も高温の燃焼排ガスにさらされるため、腐食や変形しやすい部品であるが、この燃焼筒３２を交換可能とすることによって、改質装置全体を交換することなく、部分的なメンテナンスによって、燃焼状態を最適に保つことができる。なお、下向きバーナ１４と燃焼筒３２をあらかじめ組み立てたセット部品として、改質装置上方の「組み立て、固定用フランジ」部を介して組み込み、この部分を定期的に交換することもできる。

上記のように、燃焼筒３２を交換可能とすることによって、改質装置全体を交換することなく、部分的なメンテナンスによって、燃焼状態を最適に保つことができる。また、複雑な構成や高価な材料にする必要がないため、コストを低減できる。さらに、図１に示すような構成の改質装置とすることで、燃焼状態を最適に保つことができるコンパクトな燃料改質装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料改質装置の模式的概略構成図。先行出願に開示した図１のベースとなる燃料改質装置の模式的概略構成図。

符号の説明

１：改質装置、３：改質部、４：一酸化炭素変成部、５：一酸化炭素除去部、６：脱硫部原燃料入口、７：脱硫部原燃料出口、８：原燃料ガス入り口、９：改質水入口、１０：外筒、１１：燃焼排ガス流路、１２：水蒸気発生部、１３：電池オフガス入口、１４：バーナ、１５：燃焼部、１６：燃焼排ガス出口、１７：改質ガス出口、１８：燃焼空気流路、１９：上向き改質ガス流路、２１：改質触媒、２２：一酸化炭素変成触媒、２３：一酸化炭素除去触媒、３０：改質水、３１：原燃料ガス、３２：燃焼筒、３３：燃焼筒交換部。

Claims

少なくとも、原燃料ガスを水素を主成分とする改質ガスに水蒸気改質する改質部と、前記改質部加熱用のバーナ及び燃焼筒を有する燃焼部とを備える燃料改質装置において、前記燃焼部における燃焼筒を前記バーナに対して着脱自在に設けたことを特徴とする燃料改質装置。
原燃料ガスを水素を主成分とする改質ガスに水蒸気改質する改質部、前記改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成させる一酸化炭素変成部、および前記変成後の改質ガス中の一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変える一酸化炭素除去部の各反応部と、前記水蒸気改質用水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、バーナ及び燃焼筒を有する燃焼部とを多重円筒内に備える燃料改質装置において、前記燃焼部における燃焼筒を前記バーナに対して着脱自在に設けたことを特徴とする燃料改質装置。
請求項２に記載の燃料改質装置において、前記多重円筒の中央円筒から径方向外側に向かって順に、バーナ用燃焼空気流路、燃焼排ガス流路、水蒸気流路、および改質ガス流路が形成され、隣接する前記各流路を流れる流体が互いに対向する方向に流通する構成を備えたことを特徴とする燃料改質装置。