JP2000323162A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置全体の小型化とＣＯ除去性能の向上を両
立させる。 【解決手段】 熱交換器２６に改質ガスの冷却機能だけ
でなく、改質ガスとＣＯ酸化用空気の攪拌機能も与え
た。すなわち、３パス方式とされたシェルチューブタイ
プの熱交換器２６に外部から空気を供給することによ
り、改質ガスと空気を混合させる。空気の供給位置は、
混合気が少なくとも１回流路折返部を経由することので
きる第１流路折返部３２ａとした。これにより、改質ガ
スと空気の混合気は、第２流路折返部３２ｂで流方向を
変える際にミキシングされ、均一な混合度を得ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池本体に発
電燃料として供給される水素リッチな改質ガスを生成す
る燃料改質装置に係わり、特に、改質ガスとこれに含ま
れる一酸化炭素の酸化に必要なエアの均一混合に有効な
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、固体電解質型の燃料電池システ
ムは、固体高分子電解質膜をアノード及びカソードで挟
持したセルを積層させて構成したスタックセルを具備し
てなる燃料電池本体に、燃料改質装置で生成された水素
リッチな改質ガスとエア（酸素）を供給することによ
り、電気化学反応を起こして発電するシステムであり、
近年、自動車の駆動用電源に用いられてきている。

【０００３】この燃料改質装置は、炭化水素と水との触
媒反応により、目的生成物たる水素を生成する改質器を
備えているが、この改質器では、不可避的に起こる炭化
水素の分解反応により、水素以外に微量の一酸化炭素が
生成されてしまう。この一酸化炭素は、燃料電池本体の
触媒被毒を招き、発電効率を低下させるとともに、電池
寿命を短くする。

【０００４】このため、燃料改質装置は、燃料電池本体
に供給される改質ガスから一酸化炭素を予め除去する目
的で、改質器よりも下流側にＣＯ除去器を備えている。
このＣＯ除去器は、改質器で生成された水素リッチな改
質ガスを選択酸化触媒に通すことにより、改質ガスに含
まれる一酸化炭素を選択的に酸化して除去するものであ
る。

【０００５】ＣＯ除去器でのＣＯ選択酸化反応には、当
然のことながら酸素を必要とするため、通常は、改質ガ
スに空気を混合し、この混合気を選択酸化触媒に通す手
法が採られている。そして、従来は、選択酸化触媒に通
じる配管の途中に空気を供給する手法が採られていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＣＯ除去器
でのＣＯ除去性能は、改質ガスと空気の混合均一度に影
響されるため、最小限の触媒量で一酸化炭素を高効率に
除去するとともに、改質ガス中のＣＯ濃度を充分に低く
するためには、選択酸化触媒の上流側で改質ガスと空気
を極力均一に混合しておく必要がある。

【０００７】しかしながら、触媒上流側の配管途中に空
気供給通路を設けた構造において、空気と改質ガスとを
充分均一に混合するには、配管にある程度の長さが必要
になるため、従来の構造では、燃料改質装置の大型化、
ひいては燃料電池システム全体の大型化を招来するとい
うデメリットがあった。逆に、従来構造において配管長
を短くすれば、触媒上流側での混合が充分に行われず、
ＣＯ除去性能を最大限に引き出せない。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、装置全体の小型化
とＣＯ除去性能の向上を両立させることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、燃料電池本体に発電燃料として供給され
る水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置であっ
て、炭化水素を含む原燃料ガスを改質して水素リッチな
改質ガスを生成する改質器と、前記改質器を出た改質ガ
スを冷却する熱交換器と、前記熱交換器を出た改質ガス
から一酸化炭素を選択的に酸化して除去するＣＯ除去器
とを備えるとともに、前記熱交換器は、前記改質器を出
た一酸化炭素を含む水素リッチな改質ガスとその一酸化
炭素の酸化に必要な酸素リッチな空気の導入部（エア供
給孔，内空部，エア導入孔），及びこれら改質ガスと空
気の攪拌機能を有していることを特徴としており、装置
全体を小型化しつつ、改質ガスと空気の均一な混合を可
能にするものである。

【００１０】例えば、改質器と熱交換器が配管を介して
相互接続された構造では、その配管に改質ガスを酸化す
るための空気を供給するものとし、また、改質器と熱交
換器が一体結合された構造では、熱交換器本体（シェ
ル）の入口部（入口ヘッダ部）に空気を供給するものと
する。すなわち、改質ガスと空気の混合を熱交換器内の
改質ガス流路（チューブ）を利用して行えるため、改質
器と熱交換器を接続する配管を不要または短くしつつ、
均一な混合が可能となる。

【００１１】前記熱交換器は、複数に分配された改質ガ
ス流路（チューブ）の前段（入口ヘッド部）に空気を供
給するエア供給部（インジェクタ，エア供給孔，内空
部，エア導入孔）を備えることを特徴としており、この
場合には、改質ガスと空気の混合気がＣＯ除去器に到達
する前に乱流要素を通過するので、ミキシングが促進さ
れる。また、改質ガス流路に分配された混合気が再び合
流する際にもミキシングが促進され、さらに、改質ガス
流路内に流路折返部（第１，第２流路折返部）を備えて
いれば、改質ガスと空気の混合気が流路折返部で流方向
を変える際にもミキシングが促進される。

【００１２】前記熱交換器は、改質ガス流路（チュー
ブ）の流路折返部（第１，第２流路折返部）前半に空気
を供給するエア供給部（インジェクタ，エア供給孔，内
空部，エア導入孔）を備えることを特徴としており、こ
の場合にも、改質ガスと空気の混合気が流路折返部で流
方向を変える際にミキシングが促進される。さらに、以
上の構成において、改質ガスと空気の混合気が流路折返
部を２回以上経由すれば、混合気が流路折返部で流方向
を変える都度、ミキシングの促進が図られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施の形態について説明する。図１は、燃料電池本体１０
と、該燃料電池本体１０に発電燃料として供給される水
素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置２０とを具
備した燃料電池システムの全体構成図を示している。

【００１４】この燃料改質装置２０は、メタノール（炭
化水素）と水の混合液を気化して原燃料ガスを生成する
蒸発器２１と、該蒸発器２１の暖機および前記混合液の
気化に利用される燃焼ガスを発生させる燃焼器２２と、
前記原燃料ガスを改質触媒層に通して水素を含む改質ガ
スを生成する改質器２３と、前記改質ガスを選択酸化触
媒層に通して改質ガス中の一酸化炭素を選択的に除去す
るＣＯ除去器２４と、前記改質器２３およびＣＯ除去器
２４の暖機に利用される燃焼ガスを発生させる始動燃焼
器２５とを主たる構成要素としている。

【００１５】燃焼器２２には、燃焼状態を持続させるた
めの燃焼用触媒と、着火源である電気ヒータとが収納さ
れているとともに、器内に始動用燃料（例えば、メタノ
ール）および空気を供給するためのノズルが取り付けら
れている。また、燃焼器２２には、始動から定常運転に
至るまでの間に生成された改質ガス，及び定常運転時に
燃料電池本体１０から排出された未反応水素を含むガス
（以下、これらをオフガスという。）を燃焼用燃料とし
て器内に戻すためのオフガス管が接続されている。

【００１６】始動燃焼器２５は、燃焼器２２と略同様の
構成を有している。すなわち、器内に燃焼状態を持続さ
せるための燃焼用触媒と、着火源であるグロープラグと
が収納されているとともに、始動用燃料（例えば、メタ
ノール）および空気を供給するためのノズルが取り付け
られてなる。

【００１７】蒸発器２１には、器内にメタノールと水の
混合液からなる液体原燃料を供給するためのノズルが取
り付けられている。そして、このノズルから噴霧された
液体原燃料は、燃焼器２２から器内に供給された燃焼ガ
スにより気化される。

【００１８】改質器２３には、ハニカム構造体の表面に
Ｎi，Ｒu，Ｒh，Ｃu−Ｚn系等の触媒がコーティングさ
れてなる改質触媒層が設けられている。

【００１９】この改質器２３に蒸発器２１を出た原燃料
ガスが供給されると、以下のオートサーマル改質反応に
より、水素リッチな改質ガスが生成される。 ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２ ＋ＣＯ２ …（１） ＣＨ３ＯＨ＋２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２ …（２）

【００２０】反応式（１）は、メタノールと水による改
質反応であり、この反応により目的物たる水素が生成さ
れる。また、反応式（２）は、メタノールの酸化反応で
あり、吸熱反応である反応式（１）に必要な熱量は、こ
の酸化反応時の酸化熱により補給される。

【００２１】なお、改質器２３では、反応式（１），
（２）の他に、不可避的に起こる以下のメタノール分解
反応により、微量ではあるが一酸化炭素が生成される。 ＣＨ３ＯＨ→２Ｈ２＋ＣＯ …（３） この一酸化炭素は、燃料電池本体１０内のＰt触媒を被
毒して、発電効率を低下させるとともに電池寿命を短く
するため、下流に配置されたＣＯ除去器２４で除去され
る。

【００２２】改質器２３とＣＯ除去器２４の間には、改
質器２３から出た改質ガスを冷却し、ＣＯ除去器２４内
の選択酸化触媒を熱破損から保護する目的で、熱交換器
２６が設けられている。

【００２３】本実施形態では、これら改質器２３，ＣＯ
除去器２４，及び熱交換器２６は、熱交換器２６を改質
器２３とＣＯ除去器２４の間に挟んで一体的に結合した
構造となっている。図２は、本実施形態に係る熱交換器
２６の縦断面図であり、この熱交換器２６は、シェル３
１内に２箇所の流路折返部３２ａ，３２ｂを有する、い
わゆる３パス方式のシェルチューブタイプとされてい
る。

【００２４】すなわち、シェル３１内には、改質ガスの
入口（上流）側および出口（下流）側に配設された大径
円盤状隔壁３３ａ，３３ｂによって、水を通過させる冷
媒流路３４が中央部に形成され、さらに、これら大径円
盤状隔壁３３ａ，３３ｂに立設された円筒状隔壁３５
ａ，３５ｂ，並びに円筒状隔壁３５ａ，３５ｂの上端に
それぞれ配設されたリング状隔壁３６ａ及び小径円盤状
隔壁３６ｂによって、シェル入口側には、入口ヘッダ部
３７ａ及び第２流路折返部３２ｂが形成され、また、シ
ェル出口側には、出口ヘッダ部３７ｂ及び第１流路折返
部３２ａが形成されている。

【００２５】シェル３１内において、冷媒流路３４を挟
んで相対する入口ヘッダ部３７ａと第１流路折返部３２
ａ，第１流路折返部３２ａと第２流路折返部３２ｂ，及
び第２流路折返部３２ｂと出口ヘッダ部３７ｂは、いず
れも冷媒流路３４内に配設された複数本のチューブ（改
質ガス流路）４１によって相互に連通している。小径円
盤状隔壁３６ｂには、その周方向に間隔をおいて複数
（例えば、８箇所）のエア導入孔４２が形成されてお
り、これらエア導入孔４２は、第１流路折返部３２ａに
おけるチューブ４１の再流入口４１ａよりも上流側に開
口する。

【００２６】シェル３１の下流端には、エア供給通路用
のフランジ４３がネジ止めされており、このフランジ４
３には、外部から第１流路折返部３２ａへと空気を供給
するためのエア供給孔４４と、混合気を出口ヘッダ部３
７ｂからＣＯ除去器２４へと流出させる流出孔４５とが
形成されている。エア供給孔４４は、フランジ４３の外
周から内周側に向かって延びた後、径方向中央において
上流面側に開口しており、このフランジ上流面には、小
径円盤状隔壁３６ｂとの間に内空部４６を形成するため
の凹部４７が形成されている。

【００２７】このエア供給孔４４へは、供給エア量制御
用のインジェクタ（図示略）によって空気が供給される
ようになっており、本実施形態では、このインジェク
タ，エア供給孔４４，内空部４６，及びエア導入孔４２
によりエア供給部が構成されている。他方、流出孔４５
は、フランジ４３の周方向に相互に間隔を隔てて１２箇
所形成されている。

【００２８】ＣＯ除去器２４には、ハニカム構造体の表
面にＰt，Ｒu系等の触媒がコーティングされてなる酸化
選択触媒層が設けられている。

【００２９】このＣＯ除去器２４に、熱交換器２６を通
して冷却された改質ガスと空気の混合気が供給される
と、以下のＣＯ選択酸化反応により、改質ガスに含まれ
ていた一酸化炭素が除去される。 ２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ …（４）

【００３０】ＣＯ除去器２４と燃料電池本体１０間に
は、熱交換器２７が設置されている。この熱交換器２７
は、改質器２３とＣＯ除去器２４間に設置された熱交換
器２６と同様に、ＣＯ除去器２４から出た改質ガスを冷
却し、燃料電池本体１０内のＰt触媒を熱破損から保護
する目的で設置されたものである。

【００３１】次に、本実施形態に係る燃料改質装置２０
の動作例について説明する。まず、冷機始動時には、蒸
発器２１，改質器２３，及びＣＯ除去器２４の暖機を必
要とするため、燃焼器２２にメタノールを噴霧するとと
もに酸素リッチな空気を供給してメタノールを燃焼さ
せ、これにより発生した燃焼ガスを蒸発器２１へ送り、
蒸発器２１を暖機する。同様に、始動燃焼器２５にもメ
タノールおよび空気を供給し、発生した燃焼ガスを改質
器２３へ送り、改質器２３およびその下流に配備された
ＣＯ除去器２４を暖機する。

【００３２】そして、蒸発器２１がメタノールと水の混
合液を気化し得る温度に達し、かつ改質器２３およびＣ
Ｏ除去器２４内の改質触媒層３２および選択酸化触媒層
４２が活性化温度に達したところで、始動燃焼器２５へ
のメタノール噴霧を止めるとともに、メタノールと水の
混合液を蒸発器２１内に噴霧する。すると、蒸発器２１
では、燃焼器２２からの燃焼ガスによって混合液が気化
して原燃料ガスが生成され、この原燃料ガスは、改質器
２３へ供給される。

【００３３】改質器２３では、原燃料ガスを改質触媒層
に通すことにより、反応式（１），（２）による水素リ
ッチな改質ガスの生成が行われ、この改質ガスは、熱交
換器２６の入口ヘッダ部３７ａに供給される。熱交換器
２６では、まず、入口ヘッダ部３７ａに供給された改質
ガスが各チューブ４１に分配されて第１流路折返部３２
ａへ送られ、この第１流路折返部３２ａにおいて、イン
ジェクタからエア供給孔４４，内空部４６，及びエア導
入孔４２をこの順に通って供給された空気と改質ガスが
合流する。

【００３４】このとき、エア供給孔４４を出た空気は、
内空部４６で外周方向に拡散してから、エア導入孔４２
より第１流路折返部３２ａへと供給されるため、空気が
エア供給孔４４からそのまま第１流路折返部３２ａの径
方向中央部に供給される場合と比べて、改質ガスと空気
のより均一にミキシングされる。また、エア導入孔４２
は、第１流路折返部３２ａの前半、すなわちチューブ４
１の再流入口４１ａよりも上流側に開口するため、この
第１流路折返部３２ａでのミキシング効果も一部享受す
ることができる。さらに、第１流路折返部３２ａでは、
入口ヘッダ部３７ａで各チューブ４１に分配された混合
気が合流するため、チューブ４１間における混合度のば
らつきも解消される。

【００３５】そして、第１流路折返部３２ａにおける改
質ガスと空気の混合気は、再び各チューブ４１に分配さ
れ、第２流路折返部３２ｂを経由して出口ヘッダ部３７
ｂへ送られる。このとき、混合気は、第２流路折返部３
２ｂでリング状隔壁３６ａに衝突してＵターンさせられ
るため、その際に生じる混合気流の乱れにより、改質ガ
スと空気とのミキシングが促進される。また、第２流路
折返部３２ｂでは、第１流路折返部３２ａで各チューブ
４１に再分配された混合気が再合流するため、チューブ
４１間における混合度のばらつきも解消される。

【００３６】このようにして、シェル３１内に供給され
た約３００℃の改質ガスは、冷媒流路３４を流通する水
との間で熱交換を行いながら約１００℃に冷却され、同
時に、外部から供給された空気と均一に混合された状態
となって、フランジ４３の流出孔４５からＣＯ除去器２
４へ送られる。すなわち、本実施形態に係る熱交換器２
６は、改質ガスの冷却機能だけでなく、改質ガスと空気
の攪拌機能も有している。

【００３７】そして、ＣＯ除去器２４では、混合気を選
択酸化触媒層４２に通すことにより、反応式（４）によ
る一酸化炭素の除去が行われ、このＣＯ除去された改質
ガスは、熱交換器２７を通して約１８０℃から約８０℃
に冷却された後、燃料電池本体１０へ送られて発電に供
される。燃料電池本体１０から排出された未反応水素を
含むオフガスは、オフガス管を通って燃焼器２２へ戻さ
れ、燃焼用燃料として再利用される。

【００３８】以上説明したように、本実施形態の燃料改
質装置２０においては、ＣＯ除去器２４でのＣＯ選択酸
化反応に使用する空気を熱交換器２６内に供給すること
により、この熱交換器２６に改質ガスと空気の導入部お
よびこれらの攪拌機能を与えたので、改質器２３，熱交
換器２６，及びＣＯ除去器２４を一体化した構造とする
うえでミキシング促進のための配管延長が不要となり、
装置全体をコンパクトに構成しつつ効率的なミキシング
を行え、改質ガスと空気を均一に混合することができ
る。これにより、ＣＯ除去器２４において一酸化炭素を
高効率に除去することが可能になるから、不必要なエア
供給による消費エネルギーの無駄を削減することがで
き、システム全体のエネルギー効率を向上させることが
できる。

【００３９】なお、本実施形態では、熱交換器２６の第
１流路折返部３２ａに空気を供給しているが、入口ヘッ
ダ部３７ａに供給した場合には、改質ガスと空気の混合
気が入口ヘッダ部３７ａで生成されてから最終的にＣＯ
除去器２４に到達するまでの距離が図２の場合と比べて
長くなるうえに、ＣＯ除去器２４に到達する前に乱流要
素を通過することとなり、かつ第１流路折返部３２ａに
おいても第２流路折返部３２ｂと同程度のミキシング効
果が得られるため、改質ガスと空気の混合気が流れる流
路長の増大と、かかる混合気が流路折返部３２ａ，３２
ｂを経由する回数の増加により、更に均一な混合が可能
となる。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、以下の効果を得ることができる。 （ａ）熱交換器が改質器を出た一酸化炭素を含む水素リ
ッチな改質ガスとその一酸化炭素の酸化に必要な酸素リ
ッチな空気の導入部，及びこれら改質ガスと空気の攪拌
機能を有することにより、混合配管の廃止が可能とな
り、装置全体を小型化しつつ、改質ガスと空気の均一混
合が可能となる。また、改質ガスと空気の混合が均一と
なる結果、ＣＯ除去器でのＣＯ選択酸化反応も高効率に
行われるようになるから、不必要なエア供給による消費
エネルギーの無駄を削減することができ、システム全体
のエネルギー効率を向上させることができる。

【００４１】（ｂ）空気を熱交換器の複数に分配された
改質ガス流路の前段に供給することにより、改質ガスと
空気の混合気がＣＯ除去器に到達する前に乱流要素を通
過するので、より均一な混合が可能となる。しかも、改
質ガス流路に分配された混合気が再び合流する際にもミ
キシングが促進されるから、更なる均一混合が可能とな
る。

【００４２】（ｃ）空気を改質ガス流路の流路折返部前
半に供給することにより、改質ガスと空気の混合気が流
路折返部で流方向を変える際にミキシングが促進され、
均一な混合が可能となる。 （ｄ）同様に、改質ガスと空気の混合気に流路折返部を
少なくとも１回以上経由させることにより、混合気が流
路折返部で流方向を変える都度、ミキシングの促進が図
られ、均一な混合が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態に係る燃料改質装置
と、燃料電池本体とにより構成される燃料電池システム
を示す全体構成図である。

【図２】 図１に示す熱交換器の縦断面図である。

【図３】 図２に示すフランジの正面図である。

【符号の説明】

１０ 燃料電池本体 ２０ 燃料改質装置 ２３ 改質器 ２４ ＣＯ除去器 ２６ 熱交換器 ３２ａ 第１流路折返部 ３２ｂ 第２流路折返部 ３７ａ 入口ヘッダ部 ４１ チューブ ４２ エア導入孔 ４４ エア供給孔 ４６ 内空部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体に発電燃料として供給され
   る水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置であっ
   て、 炭化水素を含む原燃料ガスを改質して水素リッチな改質
   ガスを生成する改質器と、 前記改質器を出た改質ガスを冷却する熱交換器と、 前記熱交換器を出た改質ガスから一酸化炭素を選択的に
   酸化して除去するＣＯ除去器とを備えるとともに、 前記熱交換器は、前記改質器を出た一酸化炭素を含む水
   素リッチな改質ガスとその一酸化炭素の酸化に必要な酸
   素リッチな空気の導入部，及びこれら改質ガスと空気の
   攪拌機能を有していることを特徴とする燃料改質装置。
2. 【請求項２】 前記熱交換器は、複数に分配される改質
   ガス流路の前段に空気を供給するエア供給部を備えるこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
3. 【請求項３】 前記熱交換器は、改質ガス流路の流路折
   返部前半に空気を供給するエア供給部を備えることを特
   徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
4. 【請求項４】 前記熱交換器は、前記改質ガスと前記空
   気の混合気が改質ガス流路の流路折返部を少なくとも１
   回経由することを特徴とする請求項１から請求項３記載
   の燃料改質装置。