JP3789677B2

JP3789677B2 - 燃料電池用改質装置

Info

Publication number: JP3789677B2
Application number: JP09316199A
Authority: JP
Inventors: 丈俊黄木; 彰雄河上; 収田島; 昭藤生
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000281312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器で加熱された触媒下で燃料及び水蒸気を水蒸気改質反応させて水素を生成する燃料電池用改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、炭化水素系燃料から水素を生成して、この水素と空気中の酸素を用いて発電を行う燃料電池発電システムが知られており、この燃料電池発電システムでは炭化水素系燃料を水素に変換するために改質装置（燃料電池用改質装置）が用いられる。
【０００３】
図４において、符号１００は従来の燃料電池システムの改質装置を示し、この改質装置１００は改質器本体１０１とこの改質器本体１０１に水蒸気を供給する別体の水蒸気発生機１０２とを備える。
【０００４】
改質器本体１０１は円筒体１１１を備え、この円筒体１１１の端部にはバーナ１１２が内蔵され、また円筒体１１１には送風機１１３が設けられる。バーナ１１２には燃焼用燃料ガス管１１６と燃料電池未反応ガス管１１７とが接続され、それぞれを通じて燃焼用燃料ガスと燃料電池未反応ガスとがバーナ１１２に供給される。
【０００５】
また、円筒体１１１には多重仕切壁を有する熱交換円筒体１１４が取り付けられ、この熱交換円筒体１１４は４重筒壁構造になっており、内側から第１の筒壁１２１、第２の筒壁１２２、第３の筒壁１２３、第４の筒壁１２４を備え、第２の筒壁１２２と第３の筒壁１２３の間には改質触媒が充填されて触媒層１３１が形成される。また、熱交換円筒体１１４には、燃焼排ガス管１２５、改質ガス管１２６、混合ガス管１２７が接続される。混合ガス管１２７は途中で燃料ガス管１２８と水蒸気管１２９とに分岐され、水蒸気管１２９には前記水蒸気発生機１０２に接続される。符号１３０は水蒸気発生機１０２に水を供給する水管を示す。
【０００６】
バーナ１１２で燃焼が行われている時には、この燃焼によって発生した燃焼ガスが点線矢印方向に移動する。すなわち、燃焼ガスは円筒体１１１の内部、円筒体１１１と第１の筒壁１２１の間、第３の筒壁１２３と第４の筒壁１２４の間、燃焼排ガス管１２５の内部を移動して燃焼ガスは外部に導かれる。
【０００７】
また、水蒸気発生機１０２には水管１３０を通じて水が供給され、この水は水蒸気発生機１０２で水蒸気に変換され、この水蒸気は水蒸気管１２９に供給され、この水蒸気管１２９の水蒸気と燃料ガス管１２８からの燃料ガスとが合流して混合ガスとなる。燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、混合ガス管１２７を通じて改質装置１００に供給され、この改質装置１００では、混合ガスは第１の筒壁１２１と第２の筒壁１２２の間を通り、ここで混合ガスは燃焼ガスによって予熱される。そして、この予熱された混合ガスは、触媒層１３１を通るときには適切な反応温度（例えば６００〜７００℃）にまで昇温されて水蒸気改質され、水素と一酸化炭素を含む改質ガスに転換される。その後、改質ガスは、改質ガス管１２６を通じて例えば一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成装置（図示せず）に送られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の改質装置１００では、改質器本体１０１に水蒸気を供給するために、改質器本体１０１とは別体の水蒸気発生機１０２が設けられているので、改質装置１００が大型化するという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、小型化が可能な燃料電池用改質装置を提供することにある。
【００１２】
請求項１記載の発明は、改質触媒が充填された触媒層を有する筒体と、この筒体内に燃焼ガスを供給する燃焼器とを備え、この燃焼器からの燃焼ガスにより前記触媒層を昇温し、この昇温した触媒層に燃料と水蒸気を導いて水素を生成する燃料電池用改質装置において、前記筒体の燃焼ガス供給部の近くに当該燃焼ガスの熱により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成室を設け、この水蒸気生成室に前記筒体の燃焼ガス排出部側から前記触媒層を貫通して延びる導入管を通じて前記燃料と水との混合物を導いて、この水蒸気生成室から燃料と水蒸気との混合物を導出し、この水蒸気と燃料との混合物を前記触媒層に導いて水素を生成する構成としたことを特徴とするものである。
【００１３】
この発明によれば、筒体内に燃焼ガスの熱により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成室を設けたので、燃料電池用改質装置の小型化が可能となる。また、導入管が触媒層を貫通するので、導入管内の燃焼ガスと水が予熱されて熱交換率が向上する。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記筒体の燃焼ガス排出部に熱交換室を形成し、前記導入管は、この熱交換室を通して、前記触媒層を貫通させることを特徴とするものである。
【００１５】
この発明によれば、導入管が燃焼ガス排出部の熱交換室に通されるので、導入管内の燃料ガス及び水が予熱されて燃焼ガスと燃料ガス及び水との熱交換率が向上する。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記筒体内に上部隔壁と下部隔壁とで仕切られた室を形成し、この室に前記触媒層及び前記水蒸気生成室を設け、上部隔壁と触媒層と下部隔壁とを貫通して延びる複数のチューブを設け、前記燃焼ガス供給部に供給される燃焼ガスを、複数のチューブを通して、前記燃焼ガス排出部に導くことを特徴とするものである。
【００１７】
この発明によれば、触媒層を貫通する複数のチューブに燃焼ガスが通されるので、燃焼ガスと触媒層との熱交換率が向上し、外部に排出される熱損失を減少させることができる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の発明において、前記水蒸気生成室内に複数の金属粒を設けたことを特徴とするものである。
【００１９】
この発明によれば、水蒸気生成室内に設けられた複数の金属粒によって当該金属粒と水との接触面積が大きくなり、また金属粒は熱伝導率が高いので、水を速やかに昇温して気化させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１において、符号Ｓは燃料電池発電システムを示し、この燃料電池発電システムＳでは、天然ガス、都市ガス、ナフサ等の燃料ガスから水素が生成され、この生成された水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電が行われる。この燃料電池発電システムＳは、燃料ガスが供給される配管９１に接続された脱硫装置１と、この脱硫装置１に配管９２を介して接続された改質装置（燃料電池用改質装置）２と、この改質装置２に配管９３を介して接続された一酸化炭素変成装置３と、この一酸化炭素変成装置３に配管９４を介して接続された一酸化炭素除去装置４と、この一酸化炭素除去装置４に配管９５を介して接続された固体高分子型の燃料電池本体５と、この燃料電池本体５に行き水管９６ａ及び戻り水管９６ｂを介して接続された水タンク６とを備える。前記燃料電池本体５は、燃料極（アノード）５ａ、空気極（カソード）５ｂ、冷却部５ｃを備える。
【００２２】
運転が開始されると、燃料ガスが配管９１を通じて脱硫装置１に送られ、この脱硫装置１で燃料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫された燃料ガスには配管９２で水が混入されて改質装置２に送られ、改質装置２では、燃料ガスに混入された水が気化されて水蒸気が生成され、この水蒸気と燃料ガスとから水蒸気改質反応により水素と一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この生成された改質ガスは配管９３を通じて一酸化炭素変成装置３に送られ、一酸化炭素変成装置３では改質ガス中に含まれる一酸化炭素が水蒸気改質されて二酸化炭素に変成され、改質ガスの一酸化炭素濃度は１％程度に低減される。この改質ガスには空気が混入され、配管９４を通じて一酸化炭素除去装置４に送られる。一酸化炭素除去装置４では空気が混合された改質ガスに含まれる一酸化炭素が選択酸化反応により二酸化炭素に転換され、この改質ガスの一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度に低減される。この改質ガスは配管９５を通じて燃料電池本体５の燃料極５ａに送られ、燃料電池本体５では燃料極５ａに導入された改質ガス中の水素と空気極５ｂに導入された空気中の酸素との間で電気化学反応が行われて発電される。この燃料電池本体５における反応は発熱反応であるため、水タンク６の水が往き水管９６ａを通じて冷却部５ｃに送られて燃料電池本体５を冷却し、この冷却によって昇温した水は戻り水管９６ｂを介して水タンク６に戻る。
【００２３】
図２において、符号２０は前述した改質装置２の改質器本体を示し、この改質器本体２０は円筒体２１を備え、この円筒体２１の下端部にはバーナ２２が内蔵される。このバーナ２２には燃焼用燃料ガスを当該バーナ２２に導く燃焼用燃料ガス管２３と前記燃料電池本体５の燃料極５ａで使用されなかった水素を含む改質ガス（燃料電池未反応ガス）を導く未反応ガス管２４とが接続される。
【００２４】
また、円筒体２１の下部には燃焼室３０ａを有する燃焼ガス供給部３０が形成されると共に円筒体２１の上部には熱交換室３１ａを有する燃焼ガス排出部３１が形成され、燃焼室３０ａと熱交換室３１ａの間には一対の下部隔壁３２ａ及び上部隔壁３２ｂで仕切られた円筒形状の反応室（室）３３が形成される。この反応室３３には下部隔壁３２ａから上部隔壁３２ｂに向けて延びる複数のチューブ３４が設けられ、各チューブ３４の内部空間は燃焼室３０ａ及び熱交換室３１ａに連通している。また、反応室３３のチューブ外側空間は、複数の孔を有する一対の下部多孔仕切板（例えばパンチングメタル）３５ａ及び上部多孔仕切板３５ｂで仕切られ、下部多孔仕切板３５ａから上方に延びる導入管３６ａが下部多孔仕切板３５ａ及び前記上部隔壁３２ｂを貫通している。導入管３６ａ及び複数のチューブ３４は、図３に示すように、円筒体２１内にほぼ等間隔で並置される。また、下部多孔仕切板３５ａ及び上部多孔仕切板３５ｂの間には改質触媒が充填されて触媒層３７が形成される。上部多孔仕切板３５ｂと上部隔壁３２ｂとの間にはガス合流室３８が形成され、このガス合流室３８は触媒層３７に該下部多孔仕切板３５ｂの孔を介して連通する。下部多孔仕切板３５ａと下部隔壁３２ａとの間には複数のステンレス粒（金属粒）４１が収納された水蒸気生成室４２が形成され、この水蒸気生成室４２は触媒層３７に下部多孔仕切板３５ａの孔を介して連通すると共に前記導入管３６内に連通している。
【００２５】
導入管３６は燃焼ガス排出部３１内に形成された熱交換室３１ａまで延びており、この熱交換室３１ａ内の導入管３６ｂは円筒体２１の内面に沿って螺旋状に巻回されている。この導入管３６ｂは、熱交換室３１ａから円筒体２１を貫通して改質器本体２１外部の前記配管９２（図１）に接続されている。
【００２６】
燃料電池発電システムＳの運転時には、燃焼用燃料ガスが燃焼用燃料ガス管２３を通じてバーナ２２に供給されてバーナ２２で燃焼が行われる。この燃焼ガスは、点線矢印方向に移動する。
【００２７】
すなわち、燃焼ガスは、燃焼ガス供給部３０の燃焼室３０ａを通って反応室３３のチューブ３４内部に導かれ、水蒸気生成室４２、この水蒸気生成室４２内の複数のステンレス粒４１、触媒層３７、ガス合流室３８等を加熱した後、燃焼ガス排出部３１内の熱交換室３１ａに導かれ、螺旋状の導入管３６ｂを加熱して改質器本体２０の外部に導かれる。
【００２８】
一方、燃料ガスと水の混合物が配管９２を通じて改質器本体２０に導入されて、実線矢印方向に移動する。
【００２９】
すなわち、燃料ガスと水の混合物は、螺旋状の導入管３６ｂ内に導かれ、この螺旋状の導入管３６ｂで燃焼室３１ａを流れる燃焼ガスによって予熱され、反応室３３の導入管３６ａ内で燃焼ガスによって加熱された触媒層３７から更に予熱される。この予熱された混合物は水蒸気生成室４２に導かれ、燃焼ガスによって加熱された水蒸気生成室４２の内壁やこの水蒸気生成室４２に収納されたステンレス粒４１により昇温して混合物に含まれる水が気化されて水蒸気が発生し、この発生した水蒸気と燃料ガスとの混合ガスは燃焼ガスによって加熱（６００〜７００℃）された触媒層３７に導入される。この触媒層３７の触媒下で水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに転換される。尚、触媒層３７に導入される混合ガスは十分に予熱されているので、吸熱反応である水蒸気改質反応が活発に行われる触媒層３７の混合ガス入口部３７ａの温度低下が防止され、触媒層３７における水蒸気改質効率の低下を防止できる。そして、改質ガスはガス合流室３８を介して配管９３に導かれ、この配管９３を通じて前記一酸化炭素変成装置３（図１）に送られる。
【００３０】
本実施形態によれば、筒体２１内に燃焼ガスの熱により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成室４２が設けられるので、改質装置２の小型化が可能となる。また、導入管３６ａが触媒層３７を貫通するので、導入管３６ａ内の燃焼ガスと水が高温の触媒層３７により予熱されて燃焼ガスと燃料ガス及び水との熱交換率を向上させることができる。また、螺旋状に形成された導入管３６ｂが燃焼ガス排出部３１の熱交換室３１ａ内に通されるので、導入管３６ｂ内の燃料ガス及び水が予熱されて燃焼ガスと燃料ガス及び水の熱交換率が向上し、外部に排出される熱損失を減少させることができる。また、触媒層３７を貫通する複数のチューブ３４に燃焼ガスが通されるので、燃焼ガスと触媒層３７との熱交換率が向上し、外部に排出される熱損失を減少させることができる。また、水蒸気生成室４２内に設けられた複数のステンレス粒４１によって当該ステンレス粒４１と水との接触面積が大きくなると共にステンレス粒４１は熱伝導率が高いので、水を速やかに昇温して気化させることができる。
【００３１】
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明らかである。本実施形態では、水蒸気生成室４２内に複数のステンレス粒４１が収納されるが、水蒸気生成室４２に例えば別の金属製の突起群を設けてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、筒体内に燃焼ガスの熱により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成室を設けたので、燃料電池用改質装置の小型化が可能となる。また、導入管が触媒層を貫通するので、導入管内の燃焼ガスと水が高温の触媒層により予熱されて燃焼ガスと燃料ガス及び水との熱交換率が向上する。
【００３４】
請求項２記載の発明によれば、導入管が燃焼ガス排出部の熱交換室に通されるので、導入管内の燃料ガス及び水が予熱されて燃焼ガスと燃料ガス及び水の熱交換率が向上する。
【００３５】
請求項３記載の発明によれば、触媒層を貫通する複数のチューブに燃焼ガスが通されるので、燃焼ガスと触媒層との熱交換率が向上し、外部に排出される熱損失を減少させることができる。
【００３６】
請求項４記載の発明によれば、水蒸気生成室内に設けられた複数の金属粒によって当該金属粒と水との接触面積が大きくなり、また金属粒は熱伝導率が高いので、水を速やかに昇温して気化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池発電システムを示すブロック図である。
【図２】本実施形態による改質装置を示す断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】従来の改質装置を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｓ燃料電池発電システム
２改質装置（燃料電池用改質装置）
２０改質器本体
２１円筒体（筒体）
２２バーナ（燃焼器）
３０燃焼ガス供給部
３０ａ燃焼室
３１燃焼ガス排出部
３１ａ熱交換室
３２ａ下部隔壁
３２ｂ上部隔壁
３４チューブ
３７触媒層
４２水蒸気生成室

Claims

改質触媒が充填された触媒層を有する筒体と、この筒体内に燃焼ガスを供給する燃焼器とを備え、この燃焼器からの燃焼ガスにより前記触媒層を昇温し、この昇温した触媒層に燃料と水蒸気を導いて水素を生成する燃料電池用改質装置において、前記筒体の燃焼ガス供給部の近くに当該燃焼ガスの熱により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成室を設け、この水蒸気生成室に前記筒体の燃焼ガス排出部側から前記触媒層を貫通して延びる導入管を通じて前記燃料と水との混合物を導いて、この水蒸気生成室から燃料と水蒸気との混合物を導出し、この水蒸気と燃料との混合物を前記触媒層に導いて水素を生成する構成としたことを特徴とする燃料電池用改質装置。
前記筒体の燃焼ガス排出部に熱交換室を形成し、前記導入管は、この熱交換室を通して、前記触媒層を貫通させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質装置。
前記筒体内に上部隔壁と下部隔壁とで仕切られた室を形成し、この室に前記触媒層及び前記水蒸気生成室を設け、上部隔壁と触媒層と下部隔壁とを貫通して延びる複数のチューブを設け、前記燃焼ガス供給部に供給される燃焼ガスを、複数のチューブを通して、前記燃焼ガス排出部に導くことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用改質装置。
前記水蒸気生成室内に複数の金属粒を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池用改質装置。