JP2000185902A - 燃料電池用燃料処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 急速な負荷変化に追従でき、ＣＯ濃度を極め
て低くでき、短時間で起動でき、また、機器間の配管等
が少なく、小型（コンパクト）であり、かつ量産性が高
く低コトス化が可能な燃料電池用燃料処理装置を提供す
る。 【解決手段】 水蒸気を含む原料ガスを部分燃焼させ、
その発熱で原料ガスを水素を含む改質ガスに改質する部
分酸化改質器１２と、改質ガス又は原料ガスを部分燃焼
させて高温ガスを発生させる部分酸化予熱器１４と、改
質ガス中のＣＯガスを選択的に酸化させる選択酸化反応
器１６とを備え、予混合した水蒸気を含む原料ガスと空
気を部分酸化改質器に供給する。また部分酸化改質器１
２と部分酸化予熱器１４の間にガス温度をＣＯガスの選
択的酸化に適した温度まで冷却する間接熱交換器１３を
備える。更に、部分酸化改質器、間接熱交換器、部分酸
化予熱器、及び選択酸化反応器をこの順で同一の角形格
納容器２１内に格納する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体燃料を改質し
てＣＯ濃度の低い水素含有ガスにする燃料電池用燃料処
理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃料電池自動車の研究開発が活発
に行われており、特に、燃料電池としては作動温度が比
較的低い固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が有力であ
り、燃料としては、補給が容易でインフラ整備の必要性
が少ないメタノールが有力視されている。この場合、メ
タノールを水素に改質する改質器が必須となる。

【０００３】メタノールを改質する改質器としては、例
えば「メタノール改質器」（特開昭６３−５０３０２
号）が開示されている。この改質器は、中空円筒形の反
応管の内部に改質触媒を充填し、外部から燃焼排ガスで
加熱し、内部を流れる原料ガスを改質するものである。

【０００４】また、高いメタノール転化率を維持しつつ
ＣＯの生成を低くできる手段として、例えば、「水素含
有ガスの製造方法」（特開平６−２５６００１号、特開
平６−２７９００１号）が開示されている。この方法
は、メタノール、酸素、水を加熱した触媒に接触させて
反応させるものであり、燃料の一部を燃焼させる部分酸
化を利用している。

【０００５】更に、ＣＯ濃度が極めて低い水素含有ガス
を生成することができる「燃料改質装置」（特開平８−
１５７２０１号）が開示されている。この装置は、図３
に示すように改質器２、選択酸化部４、部分酸化部６、
及び制御装置８を備え、選択酸化部４で一酸化炭素のみ
を酸化し、部分酸化部６で残存の一酸化炭素を酸化する
ことで、ＣＯ濃度が極めて低い（数ｐｐｍ）水素含有ガ
スを生成し、ＰＥＦＣへの適用を可能にしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した特開昭６３−
５０３０２号の「メタノール改質器」は、自動車用に搭
載するには、大型で重く、起動に時間がかかり、
負荷変化への応答性が低く、発生した水素含有ガス中
のＣＯ濃度が高く、燃料電池の電極を劣化させる、等の
問題点があった。

【０００７】また、特開平６−２５６００１号及び特開
平６−２７９００１号の「水素含有ガスの製造方法」
は、触媒の予熱に時間がかかり、ＣＯ濃度を従来の
リン酸型燃料電池には適用可能な程度（約１％前後）ま
で下げることができるが、車載用に適した固体高分子型
燃料電池（ＰＥＦＣ）に適用するには依然としてＣＯ濃
度が高い問題点があった。

【０００８】更に、特開平８−１５７２０１号の「燃料
改質装置」は、複数の反応器が多くの配管で連結され
ているため、全体として大型となり、かつ量産性に乏
しく、更に改質器が特開昭６３−５０３０２号と同様の
間接加熱型であるため、起動に時間がかかり、負荷変化
への応答性が低い、等の問題点があった。

【０００９】すなわち、従来の間接加熱式の改質器はコ
ンパクト化しにくく、負荷応答性が低く、反応器の予熱
に時間がかかり起動が困難であり、特に典型的な円筒型
の改質反応器は設置時の容積効率が低かった。そのた
め、車載用としての厳しい要求（コンパクト、軽量、急
速な負荷変化、短時間起動、改質ガス中のＣＯ濃度低
減、低コスト、等）を満たす燃料電池用燃料処理装置が
強く要望されていた。

【００１０】本発明はかかる要望に答えるために創案さ
れたものである。すなわち、本発明の主目的は、急速な
負荷変化に追従でき、ＣＯ濃度を極めて低くでき、短時
間で起動できる燃料電池用燃料処理装置を提供すること
にある。また、本発明の別の目的は、容易に自動車等の
車両に搭載できるように、機器間の配管等が少なく、小
型（コンパクト）であり、かつ量産性が高く低コトス化
が可能な燃料電池用燃料処理装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、水蒸気
を含む原料ガスを部分燃焼させ、その発熱で原料ガスを
水素を含む改質ガスに改質する部分酸化改質器（１２）
と、改質ガス又は原料ガスを部分燃焼させて高温ガスを
発生させる部分酸化予熱器（１４）と、改質ガス中のＣ
Ｏガスを選択的に酸化させる選択酸化反応器（１６）と
を備え、予混合した水蒸気を含む原料ガスと空気が部分
酸化改質器に供給される、ことを特徴とする燃料電池用
燃料処理装置が提供される。

【００１２】本発明のこの構成によれば、部分酸化改質
器（１２）で原料ガスの一部を部分燃焼させ、この燃焼
で発生した高温ガスにより原料ガス（炭化水素燃料）を
直接加熱し改質反応により水素を含む改質ガスに改質す
ることができる。従って、予混合した水蒸気を含む原料
ガスと空気を部分酸化改質器に供給することにより、そ
の量に比例した部分酸化と改質を行うことができ、急速
な負荷変化に追従させることができる。また、選択酸化
反応器（１６）により、改質ガス中のＣＯガスを選択的
に酸化させることにより、改質ガス中のＣＯ濃度を極め
て低くできる。更に、部分酸化改質器（１２）の起動自
体は、燃焼・改質触媒に原料ガスと空気を供給すること
による自己発熱で短時間にでき、かつ部分酸化予熱器
（１４）による高温ガスで選択酸化反応器（１６）を予
熱することができるので、選択酸化反応器（１６）の起
動も短時間でできる。

【００１３】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
部分酸化改質器、部分酸化予熱器、及び選択酸化反応器
の順で同一の格納容器内に格納される。この構成によ
り、燃料処理装置に必要な３つの反応器を同一の格納容
器内に格納でき、かつ各反応器間の配管を省略できるの
で、機器間の配管等を大幅に削減でき、小型（コンパク
ト）化することができる。また、気密性が必要な各反応
器を単一の格納容器で置き換えることができるので、量
産性を高め低コトス化が可能となる。

【００１４】また、前記部分酸化改質器と部分酸化予熱
器の間にガス温度をＣＯガスの選択的酸化に適した温度
まで冷却する間接熱交換器（１３）を備える。この構成
により、改質反応により高温（例えば約２００℃）にな
った改質ガスをＣＯ選択酸化に適した温度（例えば約１
５０℃）まで冷却することができる。

【００１５】前記部分酸化改質器（１２）は、燃焼・改
質触媒が充填された燃焼・改質触媒部（１２ａ）と、燃
焼・改質触媒部の中間部に部分燃焼用２次空気を供給す
る２次空気供給管（１２ｂ）とを備え、部分燃焼後の改
質により温度低下した原料ガスを２次空気による部分燃
焼で再加熱する。この構成により、燃焼・改質触媒の耐
熱温度が比較的低い（例えば約４００℃）場合でも、２
段燃焼により触媒温度を耐熱温度以下に保ことができ、
高い改質効率と触媒の長寿命化を両立できる。

【００１６】前記部分酸化予熱器（１４）は、改質ガス
又は原料ガスが通過する位置に燃焼触媒が充填された燃
焼触媒部（１４ａ）と、燃焼触媒部に部分燃焼用空気を
供給する燃焼空気供給管（１４ｂ）とを備え、改質ガス
又は原料ガスを部分燃焼させて高温ガスを発生させ、こ
れにより選択酸化反応器（１６）を予熱する。この構成
により、燃焼空気供給管（１４ｂ）からの供給空気量で
燃焼触媒部（１４ａ）における発熱量を制御することが
でき、選択酸化反応器（１６）を必要時に短時間に最適
温度に予熱することができる。

【００１７】前記選択酸化反応器（１６）は、選択酸化
触媒が充填された選択酸化触媒部（１６ａ）と、選択酸
化触媒部に選択酸化用空気を供給する選択酸化空気供給
管（１６ｂ）とを備え、改質ガス中のＣＯガスを選択的
に酸化させる。この構成により、選択酸化空気供給管
（１６ｂ）からの供給空気量で選択酸化触媒部（１６
ａ）における選択酸化を制御し、かつ触媒の過熱を抑制
することができる。

【００１８】前記選択酸化触媒部（１６ａ）は、選択酸
化触媒の温度を選択酸化に適した温度まで冷却する間接
熱交換器（１７）を内蔵する。この構成により選択酸化
触媒をその最適温度範囲（例えば、１２０〜１８０℃）
に制御することができる。

【００１９】前記選択酸化反応器（１６）は、複数段が
直列接続されている。２段又は３段以上の選択酸化反応
器（１６）を直列接続することにより、改質ガス中のＣ
Ｏガスを順次選択的に酸化させ、固体高分子型燃料電池
（ＰＥＦＣ）に適した極めて低いＣＯ濃度まで低減する
ことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本発
明の模式的構成図である。この図に示すように、本発明
の燃料電池用燃料処理装置１０は、部分酸化改質器１
２、間接熱交換器１３、部分酸化予熱器１４及び選択酸
化反応器１６からなる。

【００２１】図２は、本発明の実施形態を示す構造図で
ある。この図において、（Ａ）は上蓋を外した燃料電池
用燃料処理装置の平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ線における断
面図である。この図に示すように、部分酸化改質器１
２、間接熱交換器１３、部分酸化予熱器１４及び選択酸
化反応器１６は、同一の格納容器２１内に格納され、上
蓋２２により気密に密閉されている。また、この格納容
器２１には、ガス供給口２１ａとガス排出口２１ｂが設
けられ、予混合した水蒸気を含む原料ガス（好ましくは
メタノールガス）と空気がガス供給口２１ａから部分酸
化改質器１２に供給され、間接熱交換器１３、部分酸化
予熱器１４、選択酸化反応器１６は、この順でガスが流
れ、ガス排出口２１ｂから図示しない燃料電池（好まし
くは、固体高分子型燃料電池）に水素ガスを含む改質ガ
スが供給されるようになっている。更に、上蓋２２に
は、後述する複数の空気供給管１２ｂ，１４ｂ，１６ｂ
に空気を供給する内部マニホールド２２ａ，２２ｂが設
けられている。

【００２２】図１及び図２において、部分酸化改質器１
２は、燃焼・改質触媒が充填された燃焼・改質触媒部１
２ａと、燃焼・改質触媒部の中間部に部分燃焼用２次空
気を供給する２次空気供給管１２ｂとを備え、ガス供給
口２１ａから供給された予混合ガス（水蒸気を含む原料
ガスと空気の混合ガス）をそれに含まれる空気で部分燃
焼させ、次いで、部分燃焼後の改質により温度低下した
原料ガスを２次空気供給管１２ｂから供給する２次空気
で部分燃焼させて再加熱し、再度その発熱で原料ガスを
水素を含む改質ガスに改質するようになっている。ま
た、この部分酸化改質器１２の下流側部分には部分酸化
反応触媒が充填され、改質ガス中のＣＯガスをシフト反
応により水素と炭酸ガスに転換するようになっている。
この構成により、空気を含む予混合ガスの量に比例した
部分酸化と改質を行うことができ、自動車等の車両に搭
載した場合の急速な負荷変化に追従させることができ
る。また、空気を含む予混合ガスを単に部分酸化改質器
１２に供給するだけで、燃焼・改質触媒の作用により原
料ガスを触媒燃焼させ、この自己発熱で短時間に部分酸
化改質器１２の起動ができる。更に、燃焼・改質触媒の
耐熱温度が比較的低い（例えば約４００℃）場合でも、
２段燃焼により耐熱温度以下で改質反応時間を延ばすこ
とができ、改質効率を高めることができる。更にまた、
改質ガス中のＣＯガスをシフト反応により水素と炭酸ガ
スに転換することにより、ＣＯガスを低減することがで
きる。

【００２３】間接熱交換器１３は、部分酸化改質器１２
と部分酸化予熱器１４の間に設けられた複数のフィン付
きチューブ１３ａを有し、上蓋２２に設けられたマニホ
ールド２２ａ，２２ｂを介してチューブ１３ａ内に冷却
媒体（油、水、空気等）を通し、チューブ１３ａを横切
って通過するガス温度（燃料ガス又は改質ガス）を冷却
するようになっている。この構成により、部分酸化改質
器１２における改質反応により高温（例えば約２００
℃）になった改質ガスをＣＯ選択酸化に適した温度（例
えば約１５０℃）まで冷却することができる。

【００２４】部分酸化予熱器１４は、間接熱交換器１３
の下流側、すなわち改質ガス又は原料ガスが通過する位
置に設けられ、燃焼触媒が充填された燃焼触媒部１４ａ
と、燃焼触媒部１４ａに上蓋２２のマニホールドを介し
て部分燃焼用空気を供給する燃焼空気供給管１４ｂとを
備える。この構成により、部分酸化予熱器１４で改質ガ
ス又は原料ガスを部分燃焼させて高温ガスを発生させ、
この高温ガスで選択酸化反応器１６を予熱できるので、
選択酸化反応器１６の起動時間を短縮することができ
る。また、燃焼空気供給管１４ｂからの供給空気量で燃
焼触媒部１４ａにおける発熱量を制御できるので、選択
酸化反応器１６を短時間に最適温度に調節することがで
きる。

【００２５】選択酸化反応器１６は、選択酸化触媒が充
填された選択酸化触媒部１６ａと、選択酸化触媒部に選
択酸化用空気を供給する選択酸化空気供給口１６ｂとを
備える。また、選択酸化触媒部１６ａは、選択酸化触媒
の温度を選択酸化に適した温度まで冷却するフィン付き
チューブ１３ａと同様の間接熱交換器１７を内蔵してい
る。更に、本発明の実施形態によれば、複数段（この例
では３段）の選択酸化反応器１６が直列に接続されてい
る。この構成により、選択酸化空気供給管１６ｂからの
供給空気量で選択酸化触媒部１６ａにおける選択酸化を
制御し、かつ触媒の過熱を抑制することができるばかり
でなく、選択酸化触媒をその最適温度範囲（例えば、１
２０〜１８０℃）に制御することができ、改質ガス中の
ＣＯガスを順次選択的に酸化させ、固体高分子型燃料電
池（ＰＥＦＣ）に適した極めて低いＣＯ濃度まで低減す
ることができる。

【００２６】上述した本発明の燃料電池用燃料処理装置
は、以下の特徴を有する。 （１）部分酸化と水蒸気改質を併用するので、改質部で
の間接熱交換が不要となる。これによりコンパクト化が
でき、かつ負荷変化速度を大きくできる。 （２）ＣＯ濃度の低減のため選択酸化法を適用し、更に
複数段を直列配置するので、極めて低いＣＯ濃度まで低
減することができる。 （３）部分酸化改質器、熱交換器、予熱器、３段のＣＯ
除去部を一体化し、最小距離でガスが流れるように配置
したのでコンパクト化できる。 （４）起動用の補助触媒燃焼器を備えるので、改質ガス
を燃焼させてＣＯ除去部を急速昇温できる。 （５）反応器全体を収容効率のよい箱型とし、コンパク
ト化と狭いスペースにも設置しやすい形状とした。 （６）反応器を鋳造で製造可能な構造とした。また、加
工面を上蓋に集約し生産性を高めた。

【００２７】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更でき
ることは勿論である。例えば、スタック蒸気発生器、空
気供給装置等も容器内に格納し、配管長さを最小限にす
ることができる。

【００２８】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、改質
部、熱交換部、多段のＣＯ除去部を一体化したことで、
コンパクトで熱損失が小さい装置となる。また、格納容
器が角型容器に隔壁を形成する構造なので、複数の機能
を持つ反応器を鋳造で一体成形でき、低コストで生産で
きる。また、急速な起動、負荷変化が可能で、改質ガス
中のＣＯ濃度を低くすることが可能である。加えて量産
性に優れた構造で低コスト化が可能である。

【００２９】従って、本発明の燃料電池用燃料処理装置
は、急速な負荷変化に追従でき、ＣＯ濃度を極めて低く
でき、短時間で起動でき、容易に自動車等の車両に搭載
できるように、機器間の配管等が少なく、小型（コンパ
クト）であり、かつ量産性が高く低コトス化が可能であ
る、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の模式的構成図である。

【図２】本発明の実施形態を示す構造図である。

【図３】従来の燃料電池用燃料処理装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

２ 改質器 ４ 選択酸化部 ６ 部分酸化部 ８ 制御装置 １０ 燃料電池用燃料処理装置 １２ 部分酸化改質器 １２ａ 燃焼・改質触媒部 １２ｂ ２次空気供給口 １３ 間接熱交換器 １３ａ フィン付きチューブ １４ 部分酸化予熱器 １４ａ 燃焼触媒部 １４ｂ 燃焼空気供給口 １６ 選択酸化反応器 １６ａ 選択酸化触媒部 １６ｂ 選択酸化空気供給口 １７ 間接熱交換器 ２１ 格納容器 ２１ａ ガス供給口 ２１ｂ ガス排出口 ２２ 上蓋 ２２ａ，２２ｂ マニホールド

フロントページの続き (72)発明者 水澤 実 東京都江東区豊洲３丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 高橋 浩 長野県松本市石芝１丁目１番１号 石川島 芝浦機械株式会社松本工場内 (72)発明者 池原 祐壮 長野県松本市石芝１丁目１番１号 石川島 芝浦機械株式会社松本工場内 (72)発明者 元森 信吾 長野県松本市石芝１丁目１番１号 石川島 芝浦機械株式会社松本工場内 Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA06 EB03 EB14 EB18 EB43 EB44 EC07 5H027 AA06 BA01 BA16

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水蒸気を含む原料ガスを部分燃焼させ、
   その発熱で原料ガスを水素を含む改質ガスに改質する部
   分酸化改質器（１２）と、改質ガス又は原料ガスを部分
   燃焼させて高温ガスを発生させる部分酸化予熱器（１
   ４）と、改質ガス中のＣＯガスを選択的に酸化させる選
   択酸化反応器（１６）とを備え、予混合した水蒸気を含
   む原料ガスと空気が部分酸化改質器に供給される、こと
   を特徴とする燃料電池用燃料処理装置。
2. 【請求項２】 前記部分酸化改質器、部分酸化予熱器、
   及び選択酸化反応器の順で同一の格納容器内に格納され
   る、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料
   処理装置。
3. 【請求項３】 前記部分酸化改質器と部分酸化予熱器の
   間にガス温度をＣＯガスの選択的酸化に適した温度まで
   冷却する間接熱交換器（１３）を備える、ことを特徴と
   する請求項１又は２に記載の燃料電池用燃料処理装置。
4. 【請求項４】 前記部分酸化改質器（１２）は、燃焼・
   改質触媒が充填された燃焼・改質触媒部（１２ａ）と、
   燃焼・改質触媒部の中間部に部分燃焼用２次空気を供給
   する２次空気供給管（１２ｂ）とを備え、部分燃焼後の
   改質により温度低下した原料ガスを２次空気による部分
   燃焼で再加熱する、ことを特徴とする請求項１乃至３に
   記載の燃料電池用燃料処理装置。
5. 【請求項５】 前記部分酸化予熱器（１４）は、改質ガ
   ス又は原料ガスが通過する位置に燃焼触媒が充填された
   燃焼触媒部（１４ａ）と、燃焼触媒部に部分燃焼用空気
   を供給する燃焼空気供給管（１４ｂ）とを備え、改質ガ
   ス又は原料ガスを部分燃焼させて高温ガスを発生させ、
   これにより選択酸化反応器（１６）を予熱する、ことを
   特徴とする請求項１乃至４に記載の燃料電池用燃料処理
   装置。
6. 【請求項６】 前記選択酸化反応器（１６）は、選択酸
   化触媒が充填された選択酸化触媒部（１６ａ）と、選択
   酸化触媒部に選択酸化用空気を供給する選択酸化空気供
   給管（１６ｂ）とを備え、改質ガス中のＣＯガスを選択
   的に酸化させる、ことを特徴とする請求項１乃至５に記
   載の燃料電池用燃料処理装置。
7. 【請求項７】 前記選択酸化触媒部（１６ａ）は、選択
   酸化触媒の温度を選択酸化に適した温度まで冷却する間
   接熱交換器（１７）を内蔵する、ことを特徴とする請求
   項６に記載の燃料電池用燃料処理装置。
8. 【請求項８】 前記選択酸化反応器（１６）は、複数段
   が直列接続されている、ことを特徴とする請求項６又は
   ７に記載の燃料電池用燃料処理装置。