JP2010030801A - 燃料電池用改質器 - Google Patents

Abstract

【課題】灯油などの重質の液体燃料を利用する燃料電池発電装置において、常に改質反応に適切な改質触媒の入口温度を維持し、安定運転を行わせる燃料電池用改質器を提供することを目的とする。
【解決手段】改質ガス冷却用流路の流れ方向の長さを触媒充填流路の長さより短くしたことと、原燃料ガス予熱流路を触媒充填流路の入口部に設置したことにより、原燃料ガスの改質触媒への入口温度を改質反応に適切な温度以上にでき、さらに原燃料ガスの予熱用の電気ヒータを設置したことにより、起動時や原燃料ガスの流量変化時においても改質触媒への入口温度を常に改質反応に適切な温度以上にできるので、安定運転を行わせる燃料電池用改質器。
【選択図】 図２

Description

本発明は、原燃料として例えば灯油のような炭素数が５から１５の燃料を改質できる燃料電池用改質器に関する。

燃料電池用改質器は触媒を用いて炭化水素系燃料から水蒸気改質、部分改質またはオートサーマル等の化学反応により水素リッチガスを生成する装置で、燃料電池発電装置の水素供給に用いられている。

近年、固体高分子型燃料電池発電装置においては家庭用や小規模の業務用として数１００Ｗから１０ｋＷ程度の発電出力のものが開発され、燃料電池用改質器においても高効率、小型軽量化を目的として熱交換器やＣＯ変成器（一酸化炭素変成器）、ＣＯ選択酸化器（一酸化炭素選択酸化器）などと共に一体化や複合化を行ったものが提案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

これらの燃料電池用改質器は改質が容易なメタンを主成分とする都市ガスやプロパンを主成分とするＬＰガスなどの気体燃料を用いており、気体燃料は容積当りのエネルギー密度が低く、貯蔵に大きな体積を有するためパイプラインの未発達な地域においては、エネルギー密度が高く、貯蔵や取扱いが容易な灯油などの液体燃料が使用できる燃料電池用改質器の開発が望まれている。
再公表 ＷＯ２００２／０２５７６２ 特開２００２−１８７７０５公報

炭素数が５から１５の液体燃料から水素ガスへの改質は、炭素数が１から４の都市ガスやＬＰガスの気体燃料に比較して、その反応条件が厳しく、特に炭素数が１０から１５の灯油を燃料とする場合、改質触媒の入口温度が４５０℃以下の条件では触媒上に炭素析出や水素ガスへの転換率低下、さらには未反応の液化成分が改質触媒出口より流出し下流のＣＯ変成触媒や燃料電池本体を劣化させる問題が生じていた。

本発明は、貯蔵や取扱いが容易な灯油などの液体燃料を使用でき、触媒上に析出する炭素を少なくでき、水素燃料への転換率を高くでき、さらには未反応の液化成分が改質触媒出口より流出するのを防ぐことができ、安定運転を行うことが可能な燃料電池用改質器を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、中心部に燃料を燃焼させる燃焼器を備えた筐体内部に、前記燃焼器の燃料を燃焼させるための燃焼空間を形成し、前記燃焼空間の外周側に同心状に環状の触媒充填流路を形成し、前記触媒充填流路の外周側に同心状に環状の改質燃料冷却用流路を形成し、前記改質燃料冷却用流路の外周側に同心状に原燃料を予熱するための原燃料予熱器を形成した燃料電池用改質器において、前記改質燃料冷却用流路における前記原燃料の流れ方向の長さを、前記触媒充填流路における前記原燃料の流れ方向の長さより短くしたことを特徴とする燃料電池用改質器である。

前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、中心部に燃料を燃焼させる燃焼器を備えた筐体内部に、前記燃焼器の燃料を燃焼させるための燃焼空間を形成し、前記燃焼空間の外周側に非の触媒充填流路を形成し、前記触媒充填流路の外周側に非の改質燃料冷却用流路を形成し、前記改質燃料冷却用流路の外周側に非の原燃料を予熱するための原燃料予熱器を形成した燃料電池用改質器において、前記改質燃料冷却用流路における前記原燃料の流れ方向の長さを、前記触媒充填流路における前記原燃料の流れ方向の長さより短くしたことを特徴とする燃料電池用改質器である。

本発明によれば、貯蔵や取扱いが容易な灯油などの液体燃料を使用でき、触媒上に析出する炭素を少なくでき、水素燃料への転換率を高くでき、さらには未反応の液化成分が改質触媒出口より流出するのを防ぐことができ、安定運転を行うことが可能燃料電池用改質器を提供できる。

以下、本発明に係わる燃料電池用改質器の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１の燃料電池用改質器は、概略、上部壁面中心部に燃料を燃焼させる燃焼器１を備えた筐体２の内部の中央部に、燃焼器１のバーナ燃料をバーナ空気により燃焼させるための燃焼空間２３を形成し、燃焼空間２３の外周側に同心状に環状の触媒充填流路３を形成し、触媒充填流路３の外周側に同心状に環状の改質燃料冷却用流路４を形成し、改質燃料冷却用流路４の外周側に同心状に原燃料を予熱するための環状の原燃料予熱器５を形成したものにおいて、改質燃料冷却用流路４における原燃料の流れ方向の長さを、触媒充填流路３における原燃料の流れ方向の長さより短くしたものである。この結果、原燃料として炭素数が５から１５の灯油のような燃料例えば原燃料ガスを改質できる。

筐体２は、有底円筒部と、有底円筒部の開口部を閉塞する閉塞部からなり、かつ有底円筒部及び閉塞部の内壁面に保温材２４が設けられている。筐体２の内部の燃焼空間２３は、
円筒部材３１と、円筒部材３１の両端部に接合する蓋部材２５及び底部材２６とにより構成され、蓋部材２５及び筐体２の上壁部（閉塞部）には燃焼器１が貫通するように設けられ、また底部材２６及び筐体２の下壁部（底部）を貫通するように蒸気発生器９が設けられている。

蒸気発生器９は、燃焼器１で生じる燃焼ガスを筐体外部に排出する燃焼ガス出口１０１を有し、底部材２６及び筐体２を貫通するように設けられた円筒状の燃焼ガス排出管９１
と、燃焼ガス排出管９１の外周側に螺旋状に配設され、外部から導入する水を水蒸気とすして外部に排出する水蒸気管９３と、水蒸気管９３の外周側及び燃焼ガス排出管９１の上部側空間を包囲するように設けられたセンタプラグ９２からなっている。この場合、燃焼器１により燃焼された燃焼ガスは、燃焼空間２３内の上部側（燃焼器１側）に存在する輻射伝熱部２１を経て、燃焼空間２３内の下部側のセンタプラグ９２の外周側と円筒部材３１が対向する位置に存在する対流伝熱部２２を経て、センタプラグ９２の内部で水蒸気管の外周に存在する空間を経て燃焼ガス排出管９１から外部排出されるようになっている。

触媒充填流路３は、円筒部材３１の外周面に対して間隔を存して配設され、円筒部材３１の軸方向長さとは短い触媒充填路を構成する円筒状の流路構成部材３２と、流路構成部材３２と円筒部材３１の間にできる空間内に、改質触媒３３が充填可能であって改質触媒３３内部に原燃料ガスが流通するように流路構成部材３２の上下端部であって円筒部材３１の外周面に固定された仕切り部材３４、３５とからなっている。

以上のような構成において、触媒充填流路３の外周側の流路構成部材３２の外周面と筐体２の上半部内壁面とが対向する空間において、改質燃料冷却流路４及び原燃料予熱器５並びに原燃料予熱器５が形成されるように、筐体２の上部壁の内側に垂直方向に垂下する円筒状の隔壁４１が設けられている。この場合、隔壁４１の内周面と触媒充填流路３の流路構成部材３２の外周面の対向する空間を改質燃料冷却流路４と呼び、改質燃料冷却流路４における原燃料の流れ方向の長さとは、隔壁４１の内周面の軸方向長さと、これと対向する触媒充填流路３の流路構成部材３２の外周面の軸方向長さが一致した部分を指している。

原燃料予熱器５は、隔壁４１の外周側と筐体２の間の空間に螺旋状に配設された原燃料予熱管５１と、原燃料予熱管５１の一端に接続した原燃料ガスを供給するために筐体２の壁面を貫通した原燃料入口管６と、原燃料予熱管５１の他端と触媒充填流路の一端を接続した連絡管７と、連絡管７の内部を加熱するために連絡管７の外周面又は連絡管７の内部に設けた電気ヒータ１０からなっている。

有底円筒部と、有底円筒部の開口部を閉塞する閉塞部からなる筐体２であって、筐体２の内壁面には保温材２４が設けられ、この内部空間にはている。触媒充填流路３の内側両端部は蓋部材２５及び底部材２６により閉塞され、燃焼空間２３を形成している。触媒充填流路３の円筒状の内側隔壁３１と円筒状の外側隔壁３２の間に改質触媒３３が充填されている。改質触媒３３は仕切り３４、３５により保持され、改質触媒３３の中を原燃料ガスが流通できるようになっている。

触媒充填流路３の外側隔壁３２の外周側に、同心円状の改質燃料冷却用流路４が形成されており、改質燃料冷却用流路４の軸方向の長さは、改質触媒３３の軸方向の長さ、すなわち原燃料ガスの流れる流路長さより例えば６０パーセントと短くなっている。

改質燃料冷却用流路４の外周側に設置された原燃料予熱器４は、改質ガス冷却用流路４からの改質ガスが流れる予熱器冷却流路５２と、この予熱器冷却流路５２の内部に螺旋状に連続するように配設された原燃料予熱管５１より構成されている。原燃料予熱器５の改質ガス冷却流路５２を流れる燃料改質された改質燃料すなわち水素ガスは、改質ガス冷却流路５２に連結された改質ガス出口管８から取り出せるようになっている
原燃料予熱器５の原燃料予熱管５１の一端部には、改質器の外部から原燃料ガスを供給する原燃料入口管６と連結され、原燃料予熱管５１の他端部に、連絡管７の一端部が連結され、連絡管７の他端部が触媒充填流路３の下端部に導かれるようになっている。連絡管７の内部または外周面に円環状の加熱手段例えば電気ヒータ１０が設置されている。

燃焼空間２３内には、隔壁９１、円筒状のセンタープラグ９２、水蒸気管９３からなる蒸気発生器９が配設されている。具体的には、底部材２６に隔壁９１の一端部が当設接合されており、燃焼空間２３内の燃焼ガスが隔壁９１を介して燃焼ガスが改質器外部に取り出せるようになっている。隔壁９１の外周側に、これとの間に所定の空間を形成するようにセンタープラグ９２が配設され、このセンタープラグ９２内には螺旋状に水蒸気管９３が配設され、水蒸気管９３の一方の端部から水が導入され、水蒸気管９３内で生成される水蒸気が外部に排出されるようになっている。

次に、以上の様な構成の燃料電池用改質器の作用について説明する。１００℃から１５０℃の気化した液体燃料と水蒸気の混合した原燃料ガスは、原燃料入口管６と、原燃料予熱管５１と、連絡管７を順次経て触媒充填流路３の入口側に供給され、これは触媒充填流路３の改質触媒３３内の相互の隙間を通り、原燃料ガスは触媒充填流路３の出口側から改質燃料冷却用流路４と、予熱器冷却流路５２と、改質ガス出口管８を順次経て筐体２の外部に排出される。

このように原燃料ガスは、原燃料予熱器５の原燃料予熱管５１に供給され、予熱器冷却流路５２からの熱エネルギーを受けて４５０℃以上に加熱され、原燃料ガスは連絡管７を通り、触媒充填流路３に流入する。そして、触媒充填流路３に流入した原燃料ガスは、燃焼空間の対流伝熱部２２から熱エネルギーを受けて、例えば５００℃程度に温度が高められるとともに、改質触媒３３の作用により水蒸気改質反応を起こして、原燃料ガスの一部が水素と一酸化炭素と二酸化炭素に改質され水素濃度の高い混合ガスになる。

さらに燃焼ガスの輻射伝熱部２１と改質燃料冷却用流路４から熱エネルギーを受けて同様の水蒸気改質反応を起こし、所定の水素濃度を持つ改質ガスへと改質される。このときの混合ガスは例えば７００℃程度まで温度が高められる。

そして、触媒充填流路３を出た改質ガスは、改質燃料冷却用流路４に流入し、触媒充填流路３に熱エネルギーを与えて、例えば５００℃まで温度が低下する。改質燃料冷却用流路４を出た改質ガスは、燃料予熱器５の予熱器冷却流路５２に流入し、原燃料予熱管５１に熱エネルギーを与えて例えば２８０℃まで温度が低下し改質ガス出口管８より排出され図示しないＣＯ変成器やＣＯ選択酸化器へ供給される。

一方、バーナ燃料とバーナ空気は燃焼器(バーナ)１で燃焼し、１２００℃から１３００℃程度の燃焼ガスになり、輻射伝熱部２１に流れ触媒充填流路３に熱エネルギーを与えて温度が低下し、例えば８００℃程度になって、対流伝熱部２２に流入する。さらに燃焼ガスは対流伝熱部２２を流れるうちに触媒充填流路３に熱エネルギーを与えて例えば４５０℃まで温度が低下する。その後燃焼ガスはセンタープラグ９２内に流入し、螺旋管で構成された水蒸気管９３へ熱エネルギーを与え、１００℃程度まで冷却されて、燃焼ガス出口１０１より図示しない熱回収熱交換器へ供給される。蒸気発生器９に流入する水分は、センタープラグ９２内の燃焼ガスからの熱エネルギーを受けてその全部もしくは一部が蒸発し水蒸気となり、原燃料ガスの水蒸気として使用される。

触媒充填流路３に流入する原燃料ガスの加熱は原燃料予熱器５で行われ、原燃料ガス入口管６からの低温の原燃料ガスは改質冷却用流路４からの高温の改質ガスより熱エネルギーを得て加熱される。改質触媒３３への入口温度を４５０℃以上にする場合は、原燃料予熱器５の原燃料ガスの出口温度を４５０℃以上に加熱する必要があり、加熱用の熱源である改質燃料冷却用流路４の改質ガスの出口温度も少なくとも４５０℃以上にする必要がある。

改質燃料冷却用流路４の改質ガスの出口温度は改質ガス冷却用流路４と触媒充填流路３の接触面積により変化し、改質燃料冷却用流路４と触媒充填流路３の流れ方向の長さが同じ場合は接触面積が大きいため、改質燃料冷却用流路４を流れる改質ガスから触媒充填流路３を流れる混合ガスへの熱交換も過大になり、改質ガス冷却用流路４の改質ガスの出口温度が４５０℃以下になる。

本実施形態では改質燃料冷却用流路４の流れ方向の長さを触媒充填流路３の長さより短くし、改質ガスから混合ガスへの熱交換量を適切に設定することにより、改質燃料冷却用流路４の改質ガスの出口温度を５００℃程度、原燃料予熱器５の原燃料ガスの出口温度および改質触媒３３への入口温度を４５０℃以上にしている。

また、起動時や原燃料ガスの流量変化時に原燃料予熱器５の原燃料ガスの出口温度が４５０℃以下になった場合は、連絡管７に配設されている電気ヒータ１０により原燃料ガスを４５０℃以上に加熱している。

以上の様な構成を有する実施形態によれば、貯蔵や取扱いが容易な灯油などの液体燃料を使用でき、触媒上に析出する炭素を少なくでき、水素燃料への転換率を高くでき、さらには未反応の液化成分が改質触媒出口より流出するのを防ぐことができ、安定運転を行うことが可能な燃料電池用改質器を提供できる。

因みに、改質燃料冷却用流路４の流れ方向の長さを触媒充填流路３の長さより短くすることにより、改質ガスから混合ガスへの熱交換量を適切に設定することができるので、原燃料ガスの原燃料予熱器５から改質触媒３３への入口温度を４５０℃以上にすることができ、さらに連絡管７に電気ヒータ１０を設置し原燃料ガスの予熱機能を付加したので、起動時や原燃料ガスの流量変化時においても改質触媒３３への入口温度を常に４５０℃以上にできるので、常に改質反応に適切な改質触媒３３への入口温度を維持し、安定運転を行うことが可能となる。

（第２の実施形態）
図２を参照して第２の実施形態を具体的に説明する。図２中、図１と同一の部材については同一符号を付し、説明は省略する。

第２の実施形態は触媒充填流路３の入口部に原燃料(原燃料ガス)予熱流路１０２が設置されている。原燃料予熱流路１０２の内部にはセラミックまたは金属でできた粒子または繊維状の伝熱促進材１０３が充填されている。また、触媒充填流路３と原燃料予熱流路１０２の間には固定または遊動できる多孔仕切り板１０４が設置されている。また、原燃料予熱流路１０２の外側の隔壁には電気ヒータ１０５が設置されている。これ以外の点は、図１と同一である。

以上の様な構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。原燃料予熱器５から出た原燃料ガスは連絡管７を通り、原燃料予熱流路１０２に流入する。原燃料予熱流路１０２に流入する原燃料ガスの温度が４５０℃未満であっても、伝熱促進材１０３を充填した原燃料予熱流路１０２を流れるうちに燃焼ガスの対流伝熱部２２から熱エネルギーを受けて、４５０℃以上に加熱されて触媒充填流路３に流入する。また、多孔仕切り板１０４により触媒充填流路３の改質触媒３３と原燃料予熱流路１０２の伝熱促進材１０３は混合しない。

さらに、起動時や原燃料ガスの流量変化時に原燃料予熱流路１０２の原燃料ガスの出口温度が４５０℃以下になった場合は、原燃料予熱流路１０２の外側の隔壁に配設されている電気ヒータ１０５により原燃料ガスを４５０℃以上に加熱する。

以上の様な構成を有する本実施形態の効果は以下の通りである。

原燃料予熱流路１０２を触媒充填流路３の入口部に設置し、原燃料ガスの予熱機能を付加したので、原燃料予熱器５の原燃料ガスの出口温度が４５０℃未満でも改質触媒３３の入口温度を４５０℃以上にすることが可能となる。

原燃料予熱流路１０２の内部の伝熱促進材１０３により燃焼ガスから原燃料ガスへの熱伝達を良好にしているので、効率よく原燃料ガスの加熱をすることができる。

多孔仕切り板１０４により、原燃料と改質燃料が、改質触媒３３と原燃料予熱流路１０２において、混入することを防止しているので、改質触媒３３が原燃料ガス予熱流路１０２の内部で４５０℃以下の水蒸気改質反応を起こすことを防止できる。

さらに、原燃料予熱流路１０２の外側の隔壁に電気ヒータ１０５を設置し原燃料ガスの予熱機能を付加したので、起動時や原燃料ガスの流量変化時においても改質触媒３３への入口温度を常に４５０℃以上に維持できる。

(変形例)
前述の実施形態では、筐体内部の燃焼空間に、触媒充填流路、改質燃料冷却流路、原燃料予熱器は各々円環状であって、これらを同心円状に配置したものについて説明したが、これに限らず筐体内部の燃焼空間に、触媒充填流路、改質燃料冷却流路、原燃料予熱器は各々非環状例えば板状とし、これらを順次一方方向に並べて設けるようにしたものでもよい。

本発明に係る燃料電池用改質器の第１の実施形態を示す縦断面図。 本発明に係る燃料電池用改質器の第２の実施形態を示す縦断面図。

符号の説明

１…燃焼器、２…筐体、３…触媒充填流路、４…改質燃料冷却用流路、５…原燃料予熱器、６…原燃料入口管、７…連絡管、８…改質ガス出口管、９…蒸気発生器、１０…電気ヒータ、２１…輻射伝熱部、２２…対流伝熱部、２３…燃焼空間、２４…保温材、２５…蓋部材、２６…底部材、３１…円筒部材、３２…流路構成部材、３３…改質触媒、３４、３５…仕切り部材、４１…隔壁、５１…原燃料予熱管、５２…予熱器冷却流路、９１…燃焼ガス排出管、９２…センタプラグ、９３…水蒸気管、１０１…燃焼ガス出口、１０２…原燃料予熱流路、１０３…伝熱促進材、１０４…多孔仕切り板、１０５…電気ヒータ。

Claims (8)

1. 中心部に燃料を燃焼させる燃焼器を備えた筐体内部に、前記燃焼器の燃料を燃焼させるための燃焼空間を形成し、前記燃焼空間の外周側に同心状に環状の触媒充填流路を形成し、前記触媒充填流路の外周側に同心状に環状の改質燃料冷却用流路を形成し、前記改質燃料冷却用流路の外周側に同心状に原燃料を予熱するための環状の原燃料予熱器を形成した燃料電池用改質器において、
   前記改質燃料冷却用流路における前記原燃料の流れ方向の長さを、前記触媒充填流路における前記原燃料の流れ方向の長さより短くしたことを特徴とする燃料電池用改質器。
2. 前記触媒充填流路の原燃料の入口部に、伝熱促進材を充填した環状の改質燃料予熱流路をさらに形成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質器。
3. 前記触媒充填流路と前記改質燃料予熱流路の間に固定または遊動できる環状の多孔仕切り部材を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池用改質器。
4. 前記原燃料予熱器から前記触媒充填流路へ原燃料が流通する管路または改質燃料予熱流路に、加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池用改質器。
5. 中心部に燃料を燃焼させる燃焼器を備えた筐体内部に、前記燃焼器の燃料を燃焼させるための燃焼空間を形成し、前記燃焼空間の外周側に非環状の触媒充填流路を形成し、前記触媒充填流路の外周側に非環状の改質燃料冷却用流路を形成し、前記改質燃料冷却用流路の外周側に非環状の原燃料を予熱するための原燃料予熱器を形成した燃料電池用改質器において、
   前記改質燃料冷却用流路における前記原燃料の流れ方向の長さを、前記触媒充填流路における前記原燃料の流れ方向の長さより短くしたことを特徴とする燃料電池用改質器。
6. 前記触媒充填流路の原燃料の入口部に、伝熱促進材を充填した非環状の改質燃料予熱流路をさらに形成したことを特徴とする請求項５記載の燃料電池用改質器。
7. 前記触媒充填流路と前記改質燃料予熱流路の間に固定または遊動できる非環状の多孔仕切り部材を設けたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池用改質器。
8. 前記原燃料予熱器から前記触媒充填流路へ原燃料が流通する管路または改質燃料予熱流路に加熱手段を設けたことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の燃料電池用改質器。

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