JP5000092B2 - 燃料改質器 - Google Patents

Description

本発明は、触媒を担持したセラミックボールを多数備えた燃料電池用の燃料改質器に関する。

近年、各家庭または各事業所において燃料電池で発電を行なうシステムが開発されている。このシステムでは、都市ガス等の燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給し、燃料電池で水素を燃料として発電を行なうようになっている。

上記燃料ガスを改質する改質器は、例えば特許文献１に記載されているように、容器内に多数のセラミックボールを収容することにより構成されている。セラミックボールは多孔質をなし触媒を担持している。燃料ガスと水蒸気が改質器に供給されて、セラミックボールに担持された触媒を介して吸熱反応を起こし、主に水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含む改質ガスを生成する。
特開２００３−６３８０３号公報

上記改質器のセラミックボールは単一種で同一規格のものであり、同量の触媒を担持し、同レベルの触媒能力を有している。そのため、温度，設計条件，燃料ガス種に応じて最適または最適に近い改質を行なうためには、セラミックボールが担持する触媒の量を調節（触媒能力を異ならせる）必要があった。そのため、セラミックボールの製造コストが高くなり、ひいては改質器のコストが高くなる欠点があった。
また、触媒密度を低下させても最適または最適に近い改質が可能である場合には、セラミックボールが担持する触媒の量を低減させてコスト低下を図ることも考えられるが、特注品となるため実際にはコスト低下にならないこともあった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、容器内に燃料ガスと水蒸気を流して燃料電池に用いられる改質ガスを生成する燃料改質器において、上記容器の内部空間における少なくとも一部の領域に、所定量の触媒を担持した多数の第１セラミックボールと、触媒を担持しない多数の第２セラミックボールとを、所望混合比で均一に混合させて収容したことを特徴とする。

上記構成によれば、状況に応じて、所定量の触媒を担持した第１セラミックボールの混合比を調節することにより、触媒密度を調節することができるので、特注のセラミックボールを製造することなく、安価で最適または最適に近い改質効率を得ることができる。

本発明の一態様では、上記第１，第２のセラミックボールを上記内部空間の全域にわたって均一に混合して収容する。これによれば、簡易な構成により、改質器を一層安価にすることができる。

本発明の他の態様では、上記容器の内部空間は、燃料ガスの流れ方向に沿って並んだ複数の領域を有している。そして、隣接する領域において第１，第２のセラミックボールの混合比が互いに異ならせたり、少なくとも１つ領域を第１セラミックのみで構成したり、少なくとも１つ領域を第２セラミックのみで構成すれば、状況に応じてより一層良好な改質を行なうことができる。

本発明によれば、安価で最適または最適に近い改質効率を得ることができる。

以下、本発明の第１実施形態をなす燃料改質器について図１，図２を参照しながら説明する。図１に示すように、改質器は容器１０を有している。本実施形態では、容器１０は細長く形成されており、四辺が３０ｍｍ程度の断面矩形をなし、３４０ｍｍ程度の長さを有している。この容器１０の入口１０ａから例えば都市ガス等の燃料ガスと水蒸気が供給され、出口１０ｂから改質ガスが吐き出され、燃料電池、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）へ供給されるようになっている。

図２に示すように、上記容器１０の内部空間には、２種の多数の多孔質セラミックボール２１，２２が所望の混合比で均一に混合された状態で収容されている。

上記セラミックボール２１（第１セラミックボール）は、ニッケル系またはルテニウム系の触媒とアルミナとを燒結したものである。セラミックボール２１は同一規格のもので、互いに同量の触媒を担持し同レベルの触媒能力を有している。本実施形態ではセラミックボール２１は市販のものを用いており、約３ｍｍ径の球からなる。

他方、上記セラミックボール２２（第２セラミックボール）は触媒を担持せずアルミナを燒結したものである。本実施形態では、セラミックボール２２は、触媒を担持しない点を除いてセラミックボール２１と同規格である。

上記改質器は、燃料電池で発生する熱および燃料電池から放出される未燃ガスの燃焼熱により加熱されている。

都市ガスは、８８％のメタンガスを含んでおり、このメタンガスと水蒸気が触媒により吸熱反応を起こし、下記式に示すように水素と一酸化炭素，二酸化炭素を生じる。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
なお、上記反応で生じたＣＯの一部は水と反応して水素と二酸化炭素になる。

都市ガスにはメタンガスの他に、エタン，ブタン，プロパン等のガスを含むが、これらガスは水蒸気と吸熱反応を起こし、メタンガス，水素，一酸化炭素を生じる。これらメタン，一部の一酸化炭素は上記のように水素と二酸化炭素になる。

上述のようにして、改質器の出口１０ｂから水素と一酸化炭素と二酸化炭素とを含む改質ガスが燃料電池に供給され、燃料電池では水素を原料として発電が行なわれる。改質ガスには一酸化炭素も含まれるが、燃料電池がＳＯＦＣの場合には一酸化炭素が含まれていても発電を行なうことができるので、改質器からの改質ガスをそのまま燃料電池に供給しても支障はない。

上記改質器では、触媒を担持した第１セラミックボール２１において、上記吸熱反応が行なわれる。第２セラミックボール２２は、吸熱反応に寄与せず、第１セラミックボール２１の密度を調節する役割を担う。

上記のように、触媒を担持しない第２セラミックボール２２を混ぜると、触媒を担持した第１セラミックボール２１の密度が低下するが、第２セラミックボールによる伝熱効果により、第１セラミックボール２１が高温に維持されるので、上記吸熱反応が効率良く行なわれ、触媒密度の低下と相殺される。

図３は、第１セラミックボール２１の混合比（触媒充填率）が１００％の場合と５０％の場合をシミュレーションした結果である。この図から明らかなように、５０％充填でも改質率の低下が小さく、許容レベルであることが判明した。なお、燃料ガス温度に関しては、充填率１００％の場合と５０％の場合で異なるが、図３では概略的にリニアに変化するものと仮定して示した。

本実施形態では、主として高価な第１セラミックボール２１の混合比を減少させて改質器のコストの低下を図っているが、加熱条件，燃料ガスの流量，容器１０の寸法形状，燃料ガス種（ガス組成）等に応じて最適の改質が行なわれるように、あるいは安価でありながら最適に近い改質が行なわれるように、セラミックボール２１，２２の混合比を調節し、ひいては容器１０内の触媒密度を調節するようにしてもよい。本発明の改質器は、触媒担持量を調節した単一種の特注のセラミックボールだけを使用する場合に比べて、低コストで所望の触媒密度にすることができる。

次に、本発明の第２実施形態について図４を参照しながら説明する。この実施形態では、第１実施形態と同様の容器１０およびセラミックボール２１，２２が用いられる。容器１０の内部空間１０ｃは、長手方向すなわち燃料ガスの流れ方向に沿って区分けされた複数の領域１１，１２，１３を有している。入口１０ａに近い領域１１には第１セラミックボール２１のみが充填されている。中間領域１２には第２セラミックボール２２のみが充填されている。出口１０ｂに近い領域１３には第１，第２のセラミックボール２１，２２が均一に混在している。

上記第２実施形態では、第１実施形態より領域１１で燃料ガス温度が低くなる。第２セラミックボール２２による伝熱効果が無いからである。これによれば領域１１において、燃料ガス中のエタン，ブタン，プロパンと水蒸気の吸熱反応が生じる際に、炭素の析出をより一層確実に防止できる。

中間領域１２では第２セラミックボール２２のみが充填されるため、吸熱反応は生じず、外部からの熱が燃料ガスに良好に伝達され、燃料ガスの温度は第１実施形態より上昇する。そのため、次の混合領域１３で、最適の吸熱反応がなされる。

本発明の第３実施形態では、上記第２実施形態の領域１１〜１３の全領域でセラミックボール２１，２２を混合させ、その混合比を異ならせる。例えば、第１セラミックボール２１の混合比を、領域１１で高く、領域１２で低く、領域１３で中程度にすれば、第２実施形態と同様の作用効果が得られる。

上記第２，第３の実施形態のように、複数の領域に異なる態様でセラミックボール２１，２２を充填させる構成では、加熱条件，燃料ガスの流量，容器１０の寸法形状，燃料ガス種（ガス組成）等に応じて、きめ細かく燃料ガスの改質条件を設定できる。

本発明は上記実施形態に制約されず、さらに種々の態様が可能である。例えば、上記実施形態では１つの改質器しか用いないが、複数段階の改質器を用いる場合はいずれか一方または両方に本発明を適用することができる。両方の改質器に適用する場合には、両改質器における第１，第２のセラミックボールの混合比を変えてもよい。
本発明は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）のための燃料改質器にも適用することができる。この場合、改質器からの改質ガスは変成器を介して燃料電池に送られる。変成器では改質ガスに含まれる一酸化炭素が除去される。

本発明の第１実施形態をなす燃料改質器の概略図である。 同燃料改質器に収容された２種のセラミックボールを誇張して示す要部拡大断面図である。 同燃料改質器における燃料ガスの改質状況を、触媒担持のセラミックボールの充填率１００％の場合と、５０％の場合を比較して示すグラフである。 本発明の第２実施形態をなす燃料改質器の概略図である。

符号の説明

１０ 容器
１０ａ 入口
１０ｂ 出口
１０ｃ 内部空間
１１〜１３ 領域
２１ 第１セラミックボール
２２ 第２セラミックボール

Claims (3)

1. 加熱された容器内に燃料ガスと水蒸気を流し、吸熱反応により燃料電池に用いられる改質ガスを生成する燃料改質器において、
   所定量の触媒を担持した多数の第１セラミックボールと、触媒を担持しない多数の第２セラミックボールとを備え、
   上記容器の内部空間が、燃料ガスの流れ方向に沿って順に並んだ第１、第２、第３の３つの領域を有し、
   上記第１領域には、上記第１セラミックボールだけを収容するか、上記第１セラミックボールの混合比を上記３つの領域で最も高くして上記第１、第２セラミックボールを均一に混合して収容し、
   上記第２領域には、上記第２セラミックボールだけを収容するか、上記第１セラミックボールの混合比を上記３つの領域で最も低くして上記第１、第２セラミックボールを均一に混合して収容し、
   上記第３領域には、上記第１セラミックボールの混合比を上記第１領域より低く上記第２領域より高い所望の混合比にして、上記第１、第２のセラミックボールを均一に混合して収容したことを特徴とする燃料改質器。
2. 上記燃料ガスにエタン、ブタンまたはプロパンが含まれることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質器。
3. 上記燃料ガスが都市ガスであることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質器。

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