JP2001010804A - 燃料改質器及びこれを具えた燃料電池システム - Google Patents
燃料改質器及びこれを具えた燃料電池システムInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 触媒層４が形成された反応室１９と、該反応
室を加熱する燃焼ガスを発生させるバーナ３とを具え、
改質の対象とする原燃料を反応室１９に導入して改質を
施す燃料改質器において、外部に蒸気発生器を設ける必
要のない簡易な構成の燃料改質器を提供する。 【解決手段】 本発明に係る燃料改質器においては、反
応室１９に、原燃料が導入される共に液体の水が供給さ
れ、反応室１９の内部には、触媒層４よりも原燃料の流
れの上流側に、蒸気発生層５が形成されている。蒸気発
生層５は、熱伝導率の高い粒状体を反応室に充填して形
成され、前記燃焼ガスによって加熱されて、透過する水
に気化熱を与える。
室を加熱する燃焼ガスを発生させるバーナ３とを具え、
改質の対象とする原燃料を反応室１９に導入して改質を
施す燃料改質器において、外部に蒸気発生器を設ける必
要のない簡易な構成の燃料改質器を提供する。 【解決手段】 本発明に係る燃料改質器においては、反
応室１９に、原燃料が導入される共に液体の水が供給さ
れ、反応室１９の内部には、触媒層４よりも原燃料の流
れの上流側に、蒸気発生層５が形成されている。蒸気発
生層５は、熱伝導率の高い粒状体を反応室に充填して形
成され、前記燃焼ガスによって加熱されて、透過する水
に気化熱を与える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池等に供給
すべき炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する
燃料改質器と、燃料改質器を具えた燃料電池システムに
関するものである。
すべき炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する
燃料改質器と、燃料改質器を具えた燃料電池システムに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、高いエネルギー変換効率が実現可
能であって、然も大気汚染や熱汚染などの環境問題を引
き起こす虞れも低いクリーンなエネルギー源として、燃
料電池が注目を浴びている。
能であって、然も大気汚染や熱汚染などの環境問題を引
き起こす虞れも低いクリーンなエネルギー源として、燃
料電池が注目を浴びている。
【０００３】図６は燃料電池(２)の発電原理を説明する
ものであって、アノード(21)とカソード(22)の間に電解
質層(23)が介在し、アノード(21)の外側には水素室(2
4)、カソード(22)の外側には空気室(25)が形成されてい
る。アノード(21)には燃料として水素が供給されると共
に、カソード(22)には酸化剤として空気(酸素)が供給さ
れる。アノード(21)では、水素ガスから水素イオンと電
子が生成され、水素イオンは電解質層(23)を通ってカソ
ード(22)へ向かい、電子は外部回路(26)に流れる。カソ
ード(22)では、外部回路(26)から流入した電子と、空気
中の酸素と、電解質層(23)から供給される水素イオンと
が反応して、水を生じる。この様に、電池全体として、
水素と酸素から水が生成されると共に、起電力が発生す
るのである。
ものであって、アノード(21)とカソード(22)の間に電解
質層(23)が介在し、アノード(21)の外側には水素室(2
4)、カソード(22)の外側には空気室(25)が形成されてい
る。アノード(21)には燃料として水素が供給されると共
に、カソード(22)には酸化剤として空気(酸素)が供給さ
れる。アノード(21)では、水素ガスから水素イオンと電
子が生成され、水素イオンは電解質層(23)を通ってカソ
ード(22)へ向かい、電子は外部回路(26)に流れる。カソ
ード(22)では、外部回路(26)から流入した電子と、空気
中の酸素と、電解質層(23)から供給される水素イオンと
が反応して、水を生じる。この様に、電池全体として、
水素と酸素から水が生成されると共に、起電力が発生す
るのである。
【０００４】実際の燃料電池システムにおいては、燃料
として、一般に天然ガス等の炭化水素系燃料が用いら
れ、炭化水素系燃料を水蒸気改質することによって、水
素リッチな改質ガスを得て、この改質ガスを燃料電池に
供給することが行なわれている。
として、一般に天然ガス等の炭化水素系燃料が用いら
れ、炭化水素系燃料を水蒸気改質することによって、水
素リッチな改質ガスを得て、この改質ガスを燃料電池に
供給することが行なわれている。
【０００５】炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改
質する燃料改質器の１つとして、図５に示す二重円筒型
の燃料改質器(８)が知られている。該燃料改質器(８)
は、第１筒体(81)の中央空間(88)の入口にバーナ(32)を
具えると共に、第１筒体(81)の外側に配置した第２筒体
(82)との間に、断面環状の筒状反応室(87)を形成し、該
反応室(87)には、多数の粒状触媒(41)が充填されてい
る。該反応室(87)には、改質の目的とする天然ガス等の
原燃料が導入されると共に、蒸気発生器(９)からの水蒸
気が供給される。第２筒体(82)の外側には第３筒体(83)
が配備され、両筒体(82)(83)の間に、反応室(87)から得
られる改質ガスを改質ガス供給管(86)へ導くための第１
筒状空間(89)が形成されている。又、第３筒体(83)の外
側には第４筒体(84)が配備され、両筒体(83)(84)の間
に、中央空間(88)を通過した燃焼排ガスを排気管(85)へ
導くための第２筒状空間(90)が形成されている。
質する燃料改質器の１つとして、図５に示す二重円筒型
の燃料改質器(８)が知られている。該燃料改質器(８)
は、第１筒体(81)の中央空間(88)の入口にバーナ(32)を
具えると共に、第１筒体(81)の外側に配置した第２筒体
(82)との間に、断面環状の筒状反応室(87)を形成し、該
反応室(87)には、多数の粒状触媒(41)が充填されてい
る。該反応室(87)には、改質の目的とする天然ガス等の
原燃料が導入されると共に、蒸気発生器(９)からの水蒸
気が供給される。第２筒体(82)の外側には第３筒体(83)
が配備され、両筒体(82)(83)の間に、反応室(87)から得
られる改質ガスを改質ガス供給管(86)へ導くための第１
筒状空間(89)が形成されている。又、第３筒体(83)の外
側には第４筒体(84)が配備され、両筒体(83)(84)の間
に、中央空間(88)を通過した燃焼排ガスを排気管(85)へ
導くための第２筒状空間(90)が形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
改質器を具えた燃料電池システムにおいては、改質器の
外部に蒸気発生器を設置すると共に、該蒸気発生器から
改質器へ水蒸気を導くための配管を敷設する必要がある
ため、配管の取り回しやシステム構成が複雑になる問題
があった。
改質器を具えた燃料電池システムにおいては、改質器の
外部に蒸気発生器を設置すると共に、該蒸気発生器から
改質器へ水蒸気を導くための配管を敷設する必要がある
ため、配管の取り回しやシステム構成が複雑になる問題
があった。
【０００７】そこで本発明の目的は、改質器の外部に蒸
気発生器を設ける必要のない簡易な構成の燃料改質器、
及び燃料電池システムを提供することである。
気発生器を設ける必要のない簡易な構成の燃料改質器、
及び燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】本発明に係る燃料改質器
は、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質するた
めの触媒層が形成された反応室と、該反応室を加熱する
加熱装置とを具え、反応室には、原燃料が導入されると
共に液体の水が供給され、反応室の内部には、触媒層よ
りも原燃料の流れの上流側に、蒸気発生層が形成され、
該蒸気発生層は、原燃料及び水を透過させることが可能
な多孔質層、即ち複数の空隙を有する層であって、前記
加熱装置を熱源として、透過する水に気化熱を与えるも
のである。
は、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質するた
めの触媒層が形成された反応室と、該反応室を加熱する
加熱装置とを具え、反応室には、原燃料が導入されると
共に液体の水が供給され、反応室の内部には、触媒層よ
りも原燃料の流れの上流側に、蒸気発生層が形成され、
該蒸気発生層は、原燃料及び水を透過させることが可能
な多孔質層、即ち複数の空隙を有する層であって、前記
加熱装置を熱源として、透過する水に気化熱を与えるも
のである。
【０００９】上記本発明の燃料改質器において、反応室
に、原燃料とともに液体の水が供給されると、原燃料及
び水は、先ず蒸気発生層へ導入されて、蒸気発生層を透
過した後、触媒層へ供給される。ここで、蒸気発生層は
加熱装置によって加熱されており、透過する水に気化熱
を与えて、水蒸気を発生させる。蒸気発生層から流出す
る原燃料は水蒸気ともに触媒層へ供給され、加熱装置に
よって加熱された触媒層によって、水蒸気改質が施され
る。これによって得られる改質ガスは、燃料電池へ燃料
ガスとして供給される。
に、原燃料とともに液体の水が供給されると、原燃料及
び水は、先ず蒸気発生層へ導入されて、蒸気発生層を透
過した後、触媒層へ供給される。ここで、蒸気発生層は
加熱装置によって加熱されており、透過する水に気化熱
を与えて、水蒸気を発生させる。蒸気発生層から流出す
る原燃料は水蒸気ともに触媒層へ供給され、加熱装置に
よって加熱された触媒層によって、水蒸気改質が施され
る。これによって得られる改質ガスは、燃料電池へ燃料
ガスとして供給される。
【００１０】具体的には、蒸気発生層は、熱伝導率の高
い粒状体を反応室に充填して形成されている。これによ
って、蒸気発生層には、単位体積当たりに広い伝熱面が
形成されて、蒸気発生層を透過する水に充分な気化熱が
与えられる。
い粒状体を反応室に充填して形成されている。これによ
って、蒸気発生層には、単位体積当たりに広い伝熱面が
形成されて、蒸気発生層を透過する水に充分な気化熱が
与えられる。
【００１１】又、反応室には、蒸気発生層に水を導くた
めの棒状部材が鉛直に配備され、該棒状部材の上端部に
水が供給される。棒状部材の上端部に供給された水は、
重力の作用により、棒状部材の表面を伝わって流下し、
蒸気発生層に至る。この際、棒状部材の表面を流れる水
は、途切れることなく連続して流れ、蒸気発生層へ一定
流量で供給される。従って、蒸気発生層から発生する水
蒸気の量は一定となり、この結果、燃料改質器から流出
する改質ガスの圧力が一定に保たれる。
めの棒状部材が鉛直に配備され、該棒状部材の上端部に
水が供給される。棒状部材の上端部に供給された水は、
重力の作用により、棒状部材の表面を伝わって流下し、
蒸気発生層に至る。この際、棒状部材の表面を流れる水
は、途切れることなく連続して流れ、蒸気発生層へ一定
流量で供給される。従って、蒸気発生層から発生する水
蒸気の量は一定となり、この結果、燃料改質器から流出
する改質ガスの圧力が一定に保たれる。
【００１２】更に具体的には、棒状部材の表面には、水
の濡れ性を向上させるための表面処理が施されており、
例えば水との接触角が６０゜以下に抑えられている。こ
れによって、棒状部材の表面を流れる水は、低流量であ
っても、途切れることなく連続して流れ、蒸気発生層へ
一定の流量で供給される。
の濡れ性を向上させるための表面処理が施されており、
例えば水との接触角が６０゜以下に抑えられている。こ
れによって、棒状部材の表面を流れる水は、低流量であ
っても、途切れることなく連続して流れ、蒸気発生層へ
一定の流量で供給される。
【００１３】又、本発明に係る燃料電池システムは、炭
化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する燃料改質
器と、燃料改質器から得られる燃料と酸化剤の供給を受
けて発電を行なう燃料電池とを具え、燃料改質器とし
て、上記本発明に係る燃料改質器を装備している。該燃
料電池システムによれば、燃料改質器の触媒層へ供給す
べき水蒸気が、蒸気発生層から発生するので、燃料改質
器の外部に蒸気発生器を設ける必要はない。
化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する燃料改質
器と、燃料改質器から得られる燃料と酸化剤の供給を受
けて発電を行なう燃料電池とを具え、燃料改質器とし
て、上記本発明に係る燃料改質器を装備している。該燃
料電池システムによれば、燃料改質器の触媒層へ供給す
べき水蒸気が、蒸気発生層から発生するので、燃料改質
器の外部に蒸気発生器を設ける必要はない。
【００１４】
【発明の効果】本発明にかかる燃料改質器及びこれを具
えた燃料電池システムによれば、触媒を加熱するために
装備されている加熱装置の熱を利用して、燃料改質器の
内部で水蒸気を発生させるので、外部に蒸気発生器を配
備する必要がなく、これによって配管系及びシステム構
成を簡易化することが出来る。
えた燃料電池システムによれば、触媒を加熱するために
装備されている加熱装置の熱を利用して、燃料改質器の
内部で水蒸気を発生させるので、外部に蒸気発生器を配
備する必要がなく、これによって配管系及びシステム構
成を簡易化することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を二重円筒型の燃料
改質器及び該燃料改質器を具えた燃料電池システムに実
施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
改質器及び該燃料改質器を具えた燃料電池システムに実
施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
【００１６】図１に示す如く、本発明に係る燃料改質器
(１)は、内筒(11)と外筒(15)を同軸上に配備すると共
に、内筒(11)と外筒(15)との間には、第１中間筒(12)、
第２中間筒(13)、及び第３中間筒(14)を配備し、第１中
間筒(12)と第２中間筒(13)の間の筒状空間から第１中間
筒(12)の天井壁(12a)の上方空間にかけて、反応室(19)
を形成している。又、内筒(11)の底部にはバーナ(３)を
上向きに配備している。反応室(19)の天井壁(19a)に
は、原燃料供給管(16)が接続されている。又、第３中間
筒(14)には改質ガス排出管(17)が接続され、外筒(15)に
は燃焼ガス排出管(18)が接続されている。
(１)は、内筒(11)と外筒(15)を同軸上に配備すると共
に、内筒(11)と外筒(15)との間には、第１中間筒(12)、
第２中間筒(13)、及び第３中間筒(14)を配備し、第１中
間筒(12)と第２中間筒(13)の間の筒状空間から第１中間
筒(12)の天井壁(12a)の上方空間にかけて、反応室(19)
を形成している。又、内筒(11)の底部にはバーナ(３)を
上向きに配備している。反応室(19)の天井壁(19a)に
は、原燃料供給管(16)が接続されている。又、第３中間
筒(14)には改質ガス排出管(17)が接続され、外筒(15)に
は燃焼ガス排出管(18)が接続されている。
【００１７】原燃料供給管(16)には、液体の水を供給す
るための給水管(20)が接続されて、該給水管(20)の先端
が原燃料供給管(16)の内部へ貫入している。原燃料供給
管(16)の内部には、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６製の直径
３ｍｍの棒状部材(31)が鉛直姿勢で配備され、該棒状部
材(31)の上端部は給水管(20)の先端開口部に接触し、下
端部は、第１中間筒(12)の天井壁(12a)の近傍まで伸び
ている。尚、棒状部材(31)の表面には、図４に示す如く
ブラスト処理が施されており、これによって水の漏れ性
を向上させ、水との接触角を１０゜程度としている。
るための給水管(20)が接続されて、該給水管(20)の先端
が原燃料供給管(16)の内部へ貫入している。原燃料供給
管(16)の内部には、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６製の直径
３ｍｍの棒状部材(31)が鉛直姿勢で配備され、該棒状部
材(31)の上端部は給水管(20)の先端開口部に接触し、下
端部は、第１中間筒(12)の天井壁(12a)の近傍まで伸び
ている。尚、棒状部材(31)の表面には、図４に示す如く
ブラスト処理が施されており、これによって水の漏れ性
を向上させ、水との接触角を１０゜程度としている。
【００１８】反応室(19)は、図３に示す如く、金属製の
多孔性仕切板(40)によって上下に仕切られており、仕切
板(40)の下方には、粒状触媒(41)を充填してなる触媒層
(４)が形成されている。又、仕切板(40)の上方には、外
径３ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３１６製の多数の球体(5
1)を充填してなる蒸気発生層(５)が形成されており、該
蒸気発生層(５)は、第１中間筒(12)と第２中間筒(13)の
間の筒状空間から第１中間筒(12)の天井壁(12a)の上部
まで拡がっており、該上層部に対して、前記棒状部材(3
1)の下端部が差し込まれている。尚、蒸気発生層(５)の
高さ寸法は、触媒層(４)及び蒸気発生層(５)の全体の高
さ寸法の約１／４になっている。
多孔性仕切板(40)によって上下に仕切られており、仕切
板(40)の下方には、粒状触媒(41)を充填してなる触媒層
(４)が形成されている。又、仕切板(40)の上方には、外
径３ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３１６製の多数の球体(5
1)を充填してなる蒸気発生層(５)が形成されており、該
蒸気発生層(５)は、第１中間筒(12)と第２中間筒(13)の
間の筒状空間から第１中間筒(12)の天井壁(12a)の上部
まで拡がっており、該上層部に対して、前記棒状部材(3
1)の下端部が差し込まれている。尚、蒸気発生層(５)の
高さ寸法は、触媒層(４)及び蒸気発生層(５)の全体の高
さ寸法の約１／４になっている。
【００１９】触媒層(４)を構成する粒状触媒(41)として
は、例えばニッケルや、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｔ等の貴金属
を、セラミックス製の球体に担持させたものを採用する
ことが出来る。蒸気発生層(５)を構成する球体の材質と
しては、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６に限らず、耐熱性、
耐高温腐食性及び耐湿食性を有し、且つ熱伝導率が１０
Ｗｍ− １Ｋ−１(３００Ｋ)以上の熱伝導体であれば、種
々の材質を採用することが出来、例えば、ニッケル、イ
ンコネル、インコロイ等を採用することが可能である。
は、例えばニッケルや、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｔ等の貴金属
を、セラミックス製の球体に担持させたものを採用する
ことが出来る。蒸気発生層(５)を構成する球体の材質と
しては、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６に限らず、耐熱性、
耐高温腐食性及び耐湿食性を有し、且つ熱伝導率が１０
Ｗｍ− １Ｋ−１(３００Ｋ)以上の熱伝導体であれば、種
々の材質を採用することが出来、例えば、ニッケル、イ
ンコネル、インコロイ等を採用することが可能である。
【００２０】棒状部材(31)の材質としては、ステンレス
鋼ＳＵＳ３１６に限らず、耐熱性、耐高温腐食性及び耐
湿食性を有する材質、例えばインコネル、インコロイ、
鋼鉄などを採用することが出来る。又、棒状部材(31)の
直径は、原燃料供給管(16)を塞がないことを条件として
任意に決定することが出来る。又、金属製の多孔性仕切
板(40)としては、インコネル、インコロイ、鋼鉄等から
なる耐熱性の薄板(厚さ１〜３ｍｍ程度)に、粒状触媒(4
1)や球体(51)の直径よりも小径の孔が開孔率１０％以上
で多数に開設されたものを用いることが出来る。
鋼ＳＵＳ３１６に限らず、耐熱性、耐高温腐食性及び耐
湿食性を有する材質、例えばインコネル、インコロイ、
鋼鉄などを採用することが出来る。又、棒状部材(31)の
直径は、原燃料供給管(16)を塞がないことを条件として
任意に決定することが出来る。又、金属製の多孔性仕切
板(40)としては、インコネル、インコロイ、鋼鉄等から
なる耐熱性の薄板(厚さ１〜３ｍｍ程度)に、粒状触媒(4
1)や球体(51)の直径よりも小径の孔が開孔率１０％以上
で多数に開設されたものを用いることが出来る。
【００２１】上記燃料改質器(１)においては、原燃料供
給管(16)から反応室(19)の内部へ天然ガス等の原燃料が
導入される。これと同時に、給水管(20)から原燃料供給
管(16)の内部へ液体の水が供給され、給水管(20)から流
出する水は棒状部材(31)の外周面を伝わって流下し、蒸
気発生層(５)へ供給される。
給管(16)から反応室(19)の内部へ天然ガス等の原燃料が
導入される。これと同時に、給水管(20)から原燃料供給
管(16)の内部へ液体の水が供給され、給水管(20)から流
出する水は棒状部材(31)の外周面を伝わって流下し、蒸
気発生層(５)へ供給される。
【００２２】一方、バーナ(３)から発生する燃焼ガス
は、内筒(11)の内部を上方へ向かって流れ、次に内筒(1
1)と第１中間筒(12)の間を下方へ向かって流れ、更に第
３中間筒(14)と外筒(15)の間を上方へ向かって流れ、最
後に燃焼ガス排出管(18)から外部へ排出される。この燃
焼ガスによって、触媒層(４)及び蒸気発生層(５)が加熱
されることになる。
は、内筒(11)の内部を上方へ向かって流れ、次に内筒(1
1)と第１中間筒(12)の間を下方へ向かって流れ、更に第
３中間筒(14)と外筒(15)の間を上方へ向かって流れ、最
後に燃焼ガス排出管(18)から外部へ排出される。この燃
焼ガスによって、触媒層(４)及び蒸気発生層(５)が加熱
されることになる。
【００２３】反応室(19)に供給された水は、先ず蒸気発
生層(５)へ流入し、蒸気発生層(５)を透過する過程で蒸
気発生層(５)から熱を受けて気化され、水蒸気となって
触媒層(４)へ供給される。又、反応室(19)に供給された
原燃料は、蒸気発生層(５)を透過した後、上記水蒸気と
共に触媒層(４)へ供給される。
生層(５)へ流入し、蒸気発生層(５)を透過する過程で蒸
気発生層(５)から熱を受けて気化され、水蒸気となって
触媒層(４)へ供給される。又、反応室(19)に供給された
原燃料は、蒸気発生層(５)を透過した後、上記水蒸気と
共に触媒層(４)へ供給される。
【００２４】ここで触媒層(４)は、上記燃焼ガスによっ
て加熱されており、該触媒層(４)を原燃料が通過する過
程で、水蒸気と触媒の作用を受けて、水素リッチな燃料
に改質されることになる。触媒層(４)から流出する改質
ガスは、第２中間筒(13)と第３中間筒(14)の間の空間を
経て、改質ガス排出管(17)から外部へ排出される。
て加熱されており、該触媒層(４)を原燃料が通過する過
程で、水蒸気と触媒の作用を受けて、水素リッチな燃料
に改質されることになる。触媒層(４)から流出する改質
ガスは、第２中間筒(13)と第３中間筒(14)の間の空間を
経て、改質ガス排出管(17)から外部へ排出される。
【００２５】上記燃料改質器(１)において、蒸気発生層
(５)の高さ寸法は、触媒層(４)及び蒸気発生層(５)の全
体の高さ寸法の１／５〜１／３の範囲が好ましい。この
範囲よりも小さい場合は、供給された水が完全に気化せ
ずに液体のまま触媒層に供給されることとなり、この範
囲よりも大きい場合は、供給された水を完全に気化させ
るのに必要な大きさを越えて、改質器が大型となる問題
がある。
(５)の高さ寸法は、触媒層(４)及び蒸気発生層(５)の全
体の高さ寸法の１／５〜１／３の範囲が好ましい。この
範囲よりも小さい場合は、供給された水が完全に気化せ
ずに液体のまま触媒層に供給されることとなり、この範
囲よりも大きい場合は、供給された水を完全に気化させ
るのに必要な大きさを越えて、改質器が大型となる問題
がある。
【００２６】又、棒状部材(31)に対する表面処理として
は、サンドペーパーで表面に傷を付けたり、棒状部材の
外周面にステンレス鋼製の網を巻き付ける方法を採用す
ることも可能である。
は、サンドペーパーで表面に傷を付けたり、棒状部材の
外周面にステンレス鋼製の網を巻き付ける方法を採用す
ることも可能である。
【００２７】蒸気発生層(５)を構成する球体(51)の直径
は１ｍｍ〜６ｍｍの範囲が好ましい。この範囲よりも大
きい場合は、蒸気発生層(５)の単位体積当たりに占める
球体(51)の表面積、即ち水との接触面積が狭くなって、
水との熱交換が不十分となり、供給された水が完全に気
化せずに液体のまま触媒層に供給される虞れが生じる。
又、この範囲よりも小さい場合は、燃料及び水の流路が
狭くなって、蒸気発生層(５)の圧力損失が増大する問題
を生じる。
は１ｍｍ〜６ｍｍの範囲が好ましい。この範囲よりも大
きい場合は、蒸気発生層(５)の単位体積当たりに占める
球体(51)の表面積、即ち水との接触面積が狭くなって、
水との熱交換が不十分となり、供給された水が完全に気
化せずに液体のまま触媒層に供給される虞れが生じる。
又、この範囲よりも小さい場合は、燃料及び水の流路が
狭くなって、蒸気発生層(５)の圧力損失が増大する問題
を生じる。
【００２８】表１は、蒸気発生層(５)を構成する球体(5
1)の直径と、蒸気発生層(５)の最密充填時における単位
体積当たりに占める球体(51)の表面積との関係を表わし
ている。
1)の直径と、蒸気発生層(５)の最密充填時における単位
体積当たりに占める球体(51)の表面積との関係を表わし
ている。
【００２９】
【表１】
【００３０】例えば、球径３ｍｍの球体を面心立方格子
の配置で充填した場合、単位格子の面対角線の長さは６
ｍｍになる。従って、面辺長は４.２４ｍｍとなり、単
位格子の体積は０.０７６２３ｃｍ３となる。一方、単
位格子には、８個の１／８球体と６個の１／２球体が属
することになるので、その表面積は１.１３０４ｃｍ ２
となる。よって、単位体積当たりの表面積は１４.８ｃ
ｍ２／ｃｍ３となる。
の配置で充填した場合、単位格子の面対角線の長さは６
ｍｍになる。従って、面辺長は４.２４ｍｍとなり、単
位格子の体積は０.０７６２３ｃｍ３となる。一方、単
位格子には、８個の１／８球体と６個の１／２球体が属
することになるので、その表面積は１.１３０４ｃｍ ２
となる。よって、単位体積当たりの表面積は１４.８ｃ
ｍ２／ｃｍ３となる。
【００３１】表１の結果から明らかな様に、球直径が１
ｍｍ〜６ｍｍの範囲で、蒸気発生層(５)の単位体積当た
りに占める球体(51)の表面積が、約７ｃｍ２／ｃｍ３〜
４５ｃｍ２／ｃｍ３と充分に大きくなっており、この範
囲が好ましいと言える。
ｍｍ〜６ｍｍの範囲で、蒸気発生層(５)の単位体積当た
りに占める球体(51)の表面積が、約７ｃｍ２／ｃｍ３〜
４５ｃｍ２／ｃｍ３と充分に大きくなっており、この範
囲が好ましいと言える。
【００３２】図２は、上記燃料改質器(１)を用いた燃料
電池システムの概略構成を表わしている。該燃料電池シ
ステムにおいては、静圧２５０ｍｍＨ２Ｏ程度の都市ガ
スが、加圧ポンプ(71)によって約１ｋｇ／ｃｍ２まで加
圧されて、燃料改質器(１)へ供給されると共に、液体の
水が給水ポンプ(72)によって燃料改質器(１)へ供給され
る。この結果、都市ガスが水蒸気改質されて、水素リッ
チな燃料ガス(改質ガス)が生成される。尚、都市ガスの
圧力は、燃料改質器(１)、燃料電池(２)、及び配管系の
圧力損失を低減させることによって、１ｋｇ／ｃｍ２以
下の圧力に低下させることが可能である。
電池システムの概略構成を表わしている。該燃料電池シ
ステムにおいては、静圧２５０ｍｍＨ２Ｏ程度の都市ガ
スが、加圧ポンプ(71)によって約１ｋｇ／ｃｍ２まで加
圧されて、燃料改質器(１)へ供給されると共に、液体の
水が給水ポンプ(72)によって燃料改質器(１)へ供給され
る。この結果、都市ガスが水蒸気改質されて、水素リッ
チな燃料ガス(改質ガス)が生成される。尚、都市ガスの
圧力は、燃料改質器(１)、燃料電池(２)、及び配管系の
圧力損失を低減させることによって、１ｋｇ／ｃｍ２以
下の圧力に低下させることが可能である。
【００３３】燃料改質器(１)から得られる燃料ガスは、
転化器(７)へ供給されて、ガス中の一酸化炭素が二酸化
炭素に転化される。そして、転化器(７)から得られるＣ
Ｏ濃度の低い燃料ガスが燃料電池(２)へ供給される。燃
料電池(２)には、酸化剤となる空気が供給されると共
に、加湿水が循環ポンプ(73)によって循環されており、
水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素とによって発電反
応が行なわれる。
転化器(７)へ供給されて、ガス中の一酸化炭素が二酸化
炭素に転化される。そして、転化器(７)から得られるＣ
Ｏ濃度の低い燃料ガスが燃料電池(２)へ供給される。燃
料電池(２)には、酸化剤となる空気が供給されると共
に、加湿水が循環ポンプ(73)によって循環されており、
水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素とによって発電反
応が行なわれる。
【００３４】上記本発明の燃料電池システムによれば、
燃料改質器(１)の外部に蒸気発生器を配備する必要がな
いので、システム構成や配管系が簡易となり、システム
の小型化を実現することが出来る。
燃料改質器(１)の外部に蒸気発生器を配備する必要がな
いので、システム構成や配管系が簡易となり、システム
の小型化を実現することが出来る。
【００３５】
【実施例】本発明に係る燃料改質器の性能を確認するべ
く、図１に示す燃料改質器(１)から棒状部材(31)を省略
して、原燃料供給管(16)から原燃料及び水の両方を供給
する構成の実施例１と、図１に示す燃料改質器(１)の棒
状部材(31)に図４に示す表面処理が施されていない構成
の実施例２と、図１に示す燃料改質器(１)の棒状部材(3
1)に図４に示す表面処理を施した構成の実施例３とにつ
いて、天然ガスの改質試験を行なった。
く、図１に示す燃料改質器(１)から棒状部材(31)を省略
して、原燃料供給管(16)から原燃料及び水の両方を供給
する構成の実施例１と、図１に示す燃料改質器(１)の棒
状部材(31)に図４に示す表面処理が施されていない構成
の実施例２と、図１に示す燃料改質器(１)の棒状部材(3
1)に図４に示す表面処理を施した構成の実施例３とにつ
いて、天然ガスの改質試験を行なった。
【００３６】表２は、各実施例において負荷を変動させ
た場合の改質器出口での改質ガスの圧力を表わしてい
る。
た場合の改質器出口での改質ガスの圧力を表わしてい
る。
【００３７】
【表２】
【００３８】実施例１においては、組成がＨ２：７５.
８％、ＣＨ４：１.５％、ＣＯ：１４.９％。、ＣＯ２：
７.８％の改質ガスを得ることが出来た。負荷変動に伴
う改質器出口での改質ガスの圧力変動幅は、表２に示す
とおりであり、実用上問題のない範囲であった。
８％、ＣＨ４：１.５％、ＣＯ：１４.９％。、ＣＯ２：
７.８％の改質ガスを得ることが出来た。負荷変動に伴
う改質器出口での改質ガスの圧力変動幅は、表２に示す
とおりであり、実用上問題のない範囲であった。
【００３９】実施例２においては、組成がＨ２：７５.
６％、ＣＨ４：１.６％、ＣＯ：１４.３％、ＣＯ２：
８.５％の改質ガスを得ることが出来た。負荷変動に伴
う改質器出口での改質ガスの圧力変動幅は、表２に示す
とおりであり、実施例１に比べて、特に５０％以下の低
負荷時の変動幅が低減された。
６％、ＣＨ４：１.６％、ＣＯ：１４.３％、ＣＯ２：
８.５％の改質ガスを得ることが出来た。負荷変動に伴
う改質器出口での改質ガスの圧力変動幅は、表２に示す
とおりであり、実施例１に比べて、特に５０％以下の低
負荷時の変動幅が低減された。
【００４０】数キロワット級の燃料改質器においては、
改質反応に必要な水の量は数十ｃｃ／ｍｉｎであり、こ
の程度の量の水を、給水管(20)を通して原燃料供給管(1
6)から直接に蒸気発生層(５)へ供給した場合、特に低負
荷時に、水は滴となって不連続に落下することになり、
この結果、蒸気発生層(５)での蒸気発生量に乱れが生じ
る。実施例２では、棒状部材(31)を伝って水が流下する
ので、蒸気発生層(５)に対して水が連続して供給され、
この結果、特に低負荷時の蒸気発生量が安定するのであ
る。
改質反応に必要な水の量は数十ｃｃ／ｍｉｎであり、こ
の程度の量の水を、給水管(20)を通して原燃料供給管(1
6)から直接に蒸気発生層(５)へ供給した場合、特に低負
荷時に、水は滴となって不連続に落下することになり、
この結果、蒸気発生層(５)での蒸気発生量に乱れが生じ
る。実施例２では、棒状部材(31)を伝って水が流下する
ので、蒸気発生層(５)に対して水が連続して供給され、
この結果、特に低負荷時の蒸気発生量が安定するのであ
る。
【００４１】実施例３においては、組成がＨ２：７５.
９％、ＣＨ４：１.４％、ＣＯ：１４.１％、ＣＯ２：
８.６％の改質ガスを得ることが出来た。負荷変動に伴
う改質器出口での改質ガスの圧力変動幅は表２に示すと
おりであって、実施例２と比べて、低負荷時(５０％負
荷以下)における圧力変動幅が更に低減して、安定した
改質ガスの供給が実現された。これは、棒状部材(31)の
外周面の濡れ性が向上しているため、棒状部材(31)を伝
って流下する水が、棒状部材(31)の外周面に広く拡が
り、一定流量の安定した流れとなって、蒸気発生層(５)
へ供給されるためである。
９％、ＣＨ４：１.４％、ＣＯ：１４.１％、ＣＯ２：
８.６％の改質ガスを得ることが出来た。負荷変動に伴
う改質器出口での改質ガスの圧力変動幅は表２に示すと
おりであって、実施例２と比べて、低負荷時(５０％負
荷以下)における圧力変動幅が更に低減して、安定した
改質ガスの供給が実現された。これは、棒状部材(31)の
外周面の濡れ性が向上しているため、棒状部材(31)を伝
って流下する水が、棒状部材(31)の外周面に広く拡が
り、一定流量の安定した流れとなって、蒸気発生層(５)
へ供給されるためである。
【００４２】尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に
限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の
変形が可能である。例えば、蒸気発生層は、粒状体を充
填したものに限らず、例えばハニカム状の熱交換フィン
を配備して構成することも可能である。
限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の
変形が可能である。例えば、蒸気発生層は、粒状体を充
填したものに限らず、例えばハニカム状の熱交換フィン
を配備して構成することも可能である。
【図１】本発明を二重円筒型燃料改質器に実施した例を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】該燃料改質器を用いた燃料電池システムの系統
図である。
図である。
【図３】該燃料改質器の要部を拡大して示す断面図であ
る。
る。
【図４】表面処理が施された棒状部材の斜視図である。
【図５】従来の燃料改質器の断面図である。
【図６】燃料電池の発電原理を説明する図である。
(１) 燃料改質器 (16) 原燃料供給管 (20) 給水管 (19) 反応室 (３) バーナ (31) 棒状部材 (４) 触媒層 (５) 蒸気発生層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB14 EB23 EC08 4H060 AA02 BB08 BB12 CC18 FF02 GG02 5H027 BA01 BA17
Claims (5)
- 【請求項１】 炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に
改質するための触媒層が形成された反応室と、該反応室
を加熱する加熱装置とを具え、改質の対象とする原燃料
を反応室に導入して改質を施す燃料改質器において、反
応室には、原燃料が導入されると共に液体の水が供給さ
れ、反応室の内部には、触媒層よりも原燃料の流れの上
流側に、蒸気発生層が形成され、該蒸気発生層は、原燃
料及び水を透過させることが可能な多孔質層であって、
前記加熱装置を熱源として、透過する水に気化熱を与え
ることを特徴とする燃料改質器。 - 【請求項２】 前記蒸気発生層は、熱伝導率の高い粒状
体を反応室に充填して形成されている請求項１に記載の
燃料改質器。 - 【請求項３】 反応室には、蒸気発生層に水を導くため
の棒状部材が鉛直に配備され、該棒状部材の上端部に水
が供給される請求項１又は請求項２に記載の燃料改質
器。 - 【請求項４】 前記棒状部材の表面には、水の濡れ性を
向上させるための表面処理が施されている請求項３に記
載の燃料改質器。 - 【請求項５】 炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に
改質する燃料改質器と、燃料改質器から得られる燃料と
酸化剤の供給を受けて発電を行なう燃料電池とを具えた
燃料電池システムにおいて、燃料改質器は、触媒層が形
成された反応室と、該反応室を加熱する加熱装置とを具
え、反応室には、改質の対象とする原燃料が導入される
と共に液体の水が供給され、反応室の内部には、触媒層
よりも原燃料の流れの上流側に、蒸気発生層が形成さ
れ、該蒸気発生層は、原燃料及び水を透過させることが
可能な多孔質層であって、前記加熱装置を熱源として、
透過する水に気化熱を与えることを特徴とする燃料電池
システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17484199A JP3643729B2 (ja) | 1999-06-22 | 1999-06-22 | 燃料改質器及びこれを具えた燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17484199A JP3643729B2 (ja) | 1999-06-22 | 1999-06-22 | 燃料改質器及びこれを具えた燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001010804A true JP2001010804A (ja) | 2001-01-16 |
| JP3643729B2 JP3643729B2 (ja) | 2005-04-27 |
Family
ID=15985600
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17484199A Expired - Fee Related JP3643729B2 (ja) | 1999-06-22 | 1999-06-22 | 燃料改質器及びこれを具えた燃料電池システム |
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|---|---|
| JP (1) | JP3643729B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002326805A (ja) * | 2001-04-27 | 2002-11-12 | Daikin Ind Ltd | 改質装置及びこれを備える燃料電池システム |
| JP2005067990A (ja) * | 2003-08-28 | 2005-03-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 改質原料用蒸発器 |
| JP2011207726A (ja) * | 2010-03-30 | 2011-10-20 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 水素製造装置及び燃料電池システム |
| JP2014520750A (ja) * | 2011-07-07 | 2014-08-25 | デイヴィッド・ジェイ・エドランド | 水素発生アセンブリおよび水素純化デバイス |
| US9187324B2 (en) | 2012-08-30 | 2015-11-17 | Element 1 Corp. | Hydrogen generation assemblies and hydrogen purification devices |
| US9914641B2 (en) | 2012-08-30 | 2018-03-13 | Element 1 Corp. | Hydrogen generation assemblies |
| US10717040B2 (en) | 2012-08-30 | 2020-07-21 | Element 1 Corp. | Hydrogen purification devices |
| KR20210150154A (ko) * | 2020-06-03 | 2021-12-10 | 영산대학교산학협력단 | 증기 발생부가 구비된 개질기 |
| US11738305B2 (en) | 2012-08-30 | 2023-08-29 | Element 1 Corp | Hydrogen purification devices |
-
1999
- 1999-06-22 JP JP17484199A patent/JP3643729B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US11364473B2 (en) | 2011-07-07 | 2022-06-21 | Element 1 Corp | Hydrogen generation assemblies and hydrogen purification devices |
| US10391458B2 (en) | 2011-07-07 | 2019-08-27 | Element 1 Corp. | Hydrogen generation assemblies and hydrogen purification devices |
| US9656215B2 (en) | 2011-07-07 | 2017-05-23 | Element 1 Corp. | Hydrogen generation assemblies and hydrogen purification devices |
| US10166506B2 (en) | 2012-08-30 | 2019-01-01 | Element 1 Corp. | Hydrogen generation assemblies and hydrogen purification devices |
| US9914641B2 (en) | 2012-08-30 | 2018-03-13 | Element 1 Corp. | Hydrogen generation assemblies |
| US9616389B2 (en) | 2012-08-30 | 2017-04-11 | Element 1 Corp. | Hydrogen generation assemblies and hydrogen purification devices |
| US10702827B2 (en) | 2012-08-30 | 2020-07-07 | Element 1 Corp. | Hydrogen generation assemblies and hydrogen purification devices |
| US10710022B2 (en) | 2012-08-30 | 2020-07-14 | Element 1 Corp. | Hydrogen generation assemblies |
| US10717040B2 (en) | 2012-08-30 | 2020-07-21 | Element 1 Corp. | Hydrogen purification devices |
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| US11590449B2 (en) | 2012-08-30 | 2023-02-28 | Element 1 Corp | Hydrogen purification devices |
| US11738305B2 (en) | 2012-08-30 | 2023-08-29 | Element 1 Corp | Hydrogen purification devices |
| KR20210150154A (ko) * | 2020-06-03 | 2021-12-10 | 영산대학교산학협력단 | 증기 발생부가 구비된 개질기 |
| KR102397944B1 (ko) * | 2020-06-03 | 2022-05-13 | 영산대학교산학협력단 | 증기 발생부가 구비된 개질기 |
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