JP2001106513A

JP2001106513A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2001106513A
Application number: JP28896799A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Matsui; 伸樹松井; Shuji Ikegami; 周司池上; Yasunari Okamoto; 康令岡本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2001-04-17

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料改質装置の熱損失を低減させると共に、
そのコンパクト化を図る。【解決手段】燃料改質装置６０を、上部の燃料改質器
５と下部の燃焼器１９との間に予熱用の電気ヒータ２６
を組み込んで、一つの容器２５内に設ける。燃料改質器
の部位には原料ガス改質用の触媒２７を装填する。燃焼
器１９の部位は、容器を外管とし、原料ガス入口３１か
ら延びる原料ガス通路２９を内管とする二重管によって
形成する。容器と原料ガス通路との間には燃焼触媒２８
を充填する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料改質装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水素は炭化水素又はメタノールを改質す
ることによって生成することができ、このような改質に
よって水素を生成する燃料改質装置は、燃料電池、水素
エンジン等に使用することができる。

【０００３】例えば、特開平１１−６７２５６号公報に
は、燃料改質器と燃焼器とにより構成された燃料改質装
置を有する燃料電池システムが記載されている。上記燃
料改質器は原料ガスの部分酸化反応を行うようになって
おり、この燃料改質器内には、部分酸化反応に対して活
性を呈する触媒が充填されている。一方、燃焼器は上記
触媒が活性を呈する温度となるように、上記燃料改質器
に導入する空気を加熱するために備えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の公報
に記載された燃料改質装置では、燃料改質器とは別に燃
焼器を設けており、燃料改質器と燃焼器との間の距離が
長くなってしまって熱損失が大きくなってしまうという
不都合がある。また、システム自体が大型化してしまう
と共に、配管構造も複雑になってしまうという不都合が
ある。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、燃料改質装置
の熱損失を低減させると共に、そのコンパクト化を図る
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は、燃料改質器と燃焼器とを一体に構成す
る点に着目し、その一体化を最適な形態とする点に鑑み
て本発明を完成するに至ったものである。

【０００７】具体的に、第１の発明は、炭化水素系の原
燃料と、少なくとも酸素及び水蒸気を含む気体とによる
原料ガスから水素を生成する燃料改質器と、燃焼用ガス
を燃焼させ、その燃焼熱によって上記原料ガスが上記燃
料改質器に流入する前に、この原料ガスを予熱する燃焼
器とを備えたものとし、上記燃焼器で予熱された原料ガ
スがこの燃焼器から上記燃料改質器に直接流入するよう
に上記燃料改質器と燃焼器とを一体に形成することを特
定事項とするものである。

【０００８】また、第２の発明は、炭化水素系の原燃料
と、少なくとも酸素及び水蒸気を含む気体とによる原料
ガスから水素を生成する燃料改質部と、燃焼用ガスを燃
焼させ、その燃焼熱によって上記原料ガスが上記燃料改
質部に流入する前に、この原料ガスを予熱する燃焼部と
を備えたものとし、上記燃料改質部と燃焼部とを一つの
容器内に設けることを特定事項とするものである。

【０００９】ここで、「燃料改質器」または「燃料改質
部」としては、例えば部分酸化反応と水性ガスシフト反
応とを逐次的に進行させるように構成してもよい。

【００１０】すなわち、上記逐次反応を式で表せば次の
ようになる。

【００１１】ＣnＨm＋(n/2)Ｏ₂→nＣＯ＋(m/2)Ｈ₂ ……（１）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ ……（２）（１）式が部分酸化反応であり、この反応によって目的
とする水素が得られるとともに、同時に生ずるＣＯが
（２）式の水性ガスシフト反応によって酸化され、その
際に水素が発生する。また、このとき原料ガスとして水
蒸気を添加することにより、（１）式の部分酸化反応に
おける燃料転化率には大きな影響を与えないが、その転
化により（２）式の水性ガスシフト反応を生じ易くなる
（平衡が生成側に傾く）から、水素の収率が高くなる。

【００１２】そして、第１の発明の場合、燃料改質器と
燃焼器とを一体にすることによって、燃焼器によって予
熱された原料ガスが燃料改質器に直接流入するようにな
り、熱損失の低減化が図られる。また、上記両者を一体
化させることによって、燃料改質器と燃焼器との間の配
管が省略されて配管構造が簡易になる。しかも、両者を
一体化させることにより装置のコンパクト化が図られ
る。

【００１３】また、第２の発明の場合、熱損失の低減化
が図られると共に、上記燃料改質部及び燃焼部の構造が
より一層簡素化され、コストダウンが図られる。

【００１４】上記燃焼器または燃焼部としては、例えば
請求項３記載の如く、燃焼用ガスを触媒燃焼させる燃焼
触媒を充填するようにしてもよい。この場合、例えばバ
ーナを設けた燃焼器または燃焼部とは異なり、より一層
のコンパクト化が図られる。それと共に、燃焼器または
燃焼部において完全燃焼がなされることからＮＯxの生
成が防止される。

【００１５】そして、上記第２の発明のように、燃料改
質部と燃焼部とを一つの容器内に設ける場合には、例え
ば請求項４記載の如く、燃焼部として内管を備えたもの
とし、上記内管内を原料ガスの通路に構成する一方、上
記内管と容器との間に燃焼触媒を充填するようにしても
よい。

【００１６】さらに、これとは逆に、例えば請求項５記
載の如く、内管内に燃焼触媒を充填する一方、上記内管
と容器との間を原料ガスの通路に構成するように、燃焼
部に内管を備えるようにしてもよい。この場合、燃焼部
の構造がより一層簡素化される。

【００１７】ところで、上記燃料改質装置を燃料電池シ
ステムに適用する場合には、例えば燃焼部の燃焼用ガス
として、燃料電池の水素極及び酸素極の排ガスを用いる
ようにしてもよい。この場合、燃料電池システムの始動
直後は、上記排ガスが発生していないため、原料ガスの
予熱を燃焼器とは別のものによって行う必要がある。

【００１８】請求項６記載の発明は、上記の観点からな
されたものであり、具体的には、燃料改質部と燃焼部と
を一つの容器内に設けたものにおいて、燃料改質部と燃
焼部との間の原料ガス通路に、電気ヒータを配設するこ
とを特定事項とするものである。この場合、例えば燃料
電池システムの始動直後は、電気ヒータによって原料ガ
スの予熱を行う一方、その後、排ガスが生成されれば、
燃焼部による加熱を行う。このように燃料改質部及び燃
焼部のみならず、電気ヒータも一つの容器内に設けるこ
とによって、より一層のコンパクト化が図られる。

【００１９】なお、上記炭化水素系の原燃料としては、
上記メタンの他、プロパン、天然ガス（ＬＮＧを含
む）、ナフサ、灯油、液化石油ガス（ＬＰＧ）、都市ガ
ス等を採用することができる。

【００２０】また、上記「燃料改質器」または「燃料改
質部」は、部分酸化反応に対して活性を呈する触媒によ
り構成してもよい。この触媒金属としては、ロジウム及
びルテニウムが好ましい。これらの触媒金属は、担体
（サポート）に対して金属単体の形で担持させても合金
の形で担持させても、化合物、例えば酸化物の形で担持
させたものであってもよい。また、２種以上の触媒金属
（例えばロジウムとルテニウムの２種）を同じ担体に担
持させたものであっても、それぞれ別個の担体に担持さ
れた２種以上の触媒金属の混合物であってもよい。

【００２１】担体としては、比表面積の大きな無機多孔
質体が好ましく、例えばアルミナが好ましい。

【００２２】上記担体に触媒金属を担持させてなる触媒
は、球状、柱状、もしくはラシヒリング状の成形体で燃
料改質器に充填することができ、また、バインダによっ
てモノリス担体、例えばハニカム状のものに担持させる
ようにすることができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明における燃
料改質装置によれば、燃料改質器と燃焼器とを一体に設
けることにより、または燃料改質部と燃焼部とを一つの
容器内に設けることにより、熱損失の低減化を図ること
ができると共に、その構造やその配管構造を簡素化する
ことができる。

【００２４】また、燃焼器、もしくは燃焼部に燃焼触媒
を充填することにより、より一層のコンパクト化を図る
ことができ、さらにＮＯxの生成を防止することができ
る。

【００２５】さらに、燃焼部に内管を設けて、内管内、
及びこの内管と容器との間のいずれか一方を原料ガスの
通路に構成し、他方に燃焼触媒を充填することにより、
燃焼部の構造をより一層簡素化することができる。

【００２６】加えて、燃料改質部と燃焼部との間の原料
ガス通路に、電気ヒータを配設することにより、特に燃
料電池システムにおいて、その始動をスムースに行うこ
とができると共に、燃料改質装置のより一層のコンパク
ト化を図ることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。この実施形態は本発明に係る燃料
改質装置を燃料電池システムに適用したものである。

【００２８】図１に示す燃料電池システム構成におい
て、１は触媒電極である酸素極（カソード）２と同じく
触媒電極である水素極（アノード）３とを有する固体高
分子電解質型の燃料電池であり、酸素極２には空気圧縮
機４が空気供給管１０によって接続され、水素極３には
燃料改質器５が改質ガス供給管２０によって接続されて
いる。改質ガス供給管２０には、第１熱交換器６、ＣＯ
高温変成器７、第２熱交換器８、ＣＯ低温変成器９、第
３熱交換器１１、ＣＯ選択酸化反応器１２及び第４熱交
換器１３が、燃料電池１に向かって順に設けられてい
る。

【００２９】燃料改質器５には原燃料源（都市ガス）１
４が原料ガス供給管３０によって接続されている。この
原料ガス供給管３０にはガス圧縮機１５及び脱硫器１６
が燃料改質器５に向かって順に設けられている。また、
燃料改質器５には、上記空気圧縮機４から部分酸化反応
用の空気を供給すべく上記空気供給管１０から分岐した
管が接続されているとともに、水性ガスシフト反応用の
水蒸気を得るための水を噴霧供給すべく水タンク１７が
供給管４０によって接続されている。水供給管４０には
ポンプ１８が設けられている。

【００３０】原燃料源１４からの原燃料、空気圧縮機４
からの空気及び水タンク１７からの水蒸気は燃焼器１９
によって加熱して燃料改質器５に供給できるようになっ
ている。また、改質ガス供給管２０の第１熱交換器６の
上流部位には水性ガスシフト反応用の水蒸気を得るため
の水を噴霧供給すべく上記水供給管４０から分岐した管
が接続されている。改質ガス供給管２０の第３熱交換器
１１の上流部位には選択酸化反応器１２のための空気を
供給すべく上記空気供給管１０から分岐した管が接続さ
れている。

【００３１】燃料電池１の酸素極２の排ガス及び水素極
３の排ガスは、気水分離器２１，２２に通した後に合流
させて燃焼用ガスとしてガス管５０により燃焼器１９に
送るように構成されている。酸素極２の排ガスは弁２３
によって大気に適宜排出できるようになっている。上記
ガス管５０は、上記第４熱交換器１３、第３熱交換器１
１及び第２熱交換器８を順に通るように配管されてお
り、排ガスは各熱交換器における改質ガスとの熱交換に
よって加熱されて燃焼器１９に供給されるようになって
いる。従って、改質ガスは逆に各熱交換器で冷却されて
燃料電池１に送られることになる。第１熱交換器６には
別の冷却水管２４が通されていて、改質ガスはその冷却
水との熱交換によって冷却されるようになっている。

【００３２】図２は燃料改質器（燃焼改質部）５と燃焼
器（燃焼部）１９とを一体にした燃料改質装置６０を示
す。この燃料改質装置６０は、上部の燃料改質器５と下
部の燃焼器１９との間に電気ヒータ２６が組み込まれて
構成されており、一つの容器２５によって形成されてい
る。上記燃料改質器５の部位にはハニカム状のモノリス
担体に触媒を担持させたハニカム触媒２７が装填されて
いる。一方、燃焼器１９の部位は、上記容器２５を外管
とし、その下端の原料ガス入口３１から電気ヒータ２６
の配設部に向かって延びる原料ガス通路２９を内管とす
る二重管によって形成されている。そして、上記容器２
５と原料ガス通路２９との間には燃焼触媒２８が充填さ
れている。また、同図において、３２は改質ガスの出
口、３３は燃料電池１からの排ガス（燃焼用ガス）の入
口、３４は燃焼排ガスの出口である。なお、上記電気ヒ
ータ２６は原料ガスの予熱用に用いられるようになって
いる。

【００３３】上記燃料改質器５には部分酸化反応に活性
を呈する触媒（Ｒｕ又はＲｈをＡｌ ₂Ｏ₃に担持させてな
る触媒）が充填され、ＣＯ高温変成器７には高温（４０
０℃前後）での水性ガスシフト反応に活性を呈する触媒
が充填され、ＣＯ低温変成器９には低温（１８０℃前
後）での水性ガスシフト反応に活性を呈する触媒が充填
され、ＣＯ選択酸化反応器１２にはＣＯの選択酸化反応
に活性を呈する触媒が充填され、燃焼器１９には燃焼触
媒２８が充填されている。

【００３４】つぎに、上記燃料電池システムの運転につ
いて説明する。

【００３５】上記燃料電池システムにおいては、その起
動時には燃料改質器５の温度が低いために電気ヒータ２
６が作動されて触媒が活性を呈する温度になるまで、例
えば４６０℃程度まで加熱される。起動後は電気ヒータ
２６は停止され、原料ガス（原燃料、空気及び水蒸気の
混合ガス）が燃焼器１９で予熱されるだけになる。原料
ガスは、Ｈ₂Ｏ／Ｃ比が０．５〜３になるように、Ｏ₂
／Ｃ比が０．４５〜０．７５になるように、原燃料、空
気及び水蒸気の供給量が調整され、また、燃料改質器５
の出口ガス温度は８００℃以上に上昇しないように別途
調整される。最も好ましい操作条件は、上記Ｈ₂Ｏ／Ｃ
比が１．０、Ｏ₂／Ｃ比が０．５２〜０．６０（好まし
くは０．５６）、燃料改質器５の出口ガス温度が７２０
℃、燃料改質器５の出口ガスのＣＯ₂／ＣＯ比が０．４
というものである。

【００３６】原燃料は脱硫された後に空気及び噴霧水と
共に電気ヒータ２６又は燃焼器１９によって加熱されて
燃料改質器５の触媒に供給される。この加熱によって噴
霧水は水蒸気になる。燃料改質器５の触媒上では原燃料
の部分酸化反応が起こり、水素とＣＯとが生成する
（（１）式参照）。この燃料改質器５内には水蒸気が存
在するため、同時に水性ガスシフト反応が起こって水素
と二酸化炭素とが生成し、ＣＯ濃度が低下する（（２）
式参照）。

【００３７】燃料改質器５を出た改質ガスは、第１熱交
換器６によって４００℃程度まで温度が下がってＣＯ高
温変成器７へ送られ、そこの触媒上で生ずる水性ガスシ
フト反応によってさらにＣＯ濃度が低下する。ＣＯ高温
変成器７を出た改質ガスは第２熱交換器８によって１８
０℃程度まで温度が下がってＣＯ低温変成器９へ送ら
れ、そこの触媒上で生ずる水性ガスシフト反応によって
さらにＣＯ濃度が低下する。ＣＯ低温変成器９を出た改
質ガスは第３熱交換器１１によって１４０℃程度まで温
度が下がってＣＯ選択酸化反応器１２へ送られ、そこの
触媒上で生ずるＣＯの選択酸化反応によってＣＯ濃度が
さらに低下する。ＣＯ選択酸化反応器１２を出た改質ガ
スは第４熱交換器１３によって８０℃程度まで温度が下
がって燃料電池１の水素極３に入る。

【００３８】燃料電池１では水素極３の電極表面で２Ｈ
₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^-、酸素極２の電極表面でＯ₂＋４Ｈ⁺＋
４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏの電池反応を起こす。従って、酸素極２
の排ガスには電池反応に使われなかった余剰空気と電池
反応によって生じた水蒸気とが含まれる。一方、水素極
３の排ガスには電池反応に使用されなかった水素、未改
質の原燃料、空気及び水蒸気が含まれる。

【００３９】酸素極２及び水素極３の各排ガスは気水分
離器２１，２２を通って合流し、第４熱交換器１３、第
３熱交換器１１及び第２熱交換器８によって熱交換によ
り加熱されて燃焼器１９に送られる。この排ガスには含
まれている水素及び酸素は、燃焼器１９において燃焼触
媒の作用によって反応し、その反応熱が原料ガスの予熱
源となり、また、この排ガスに含まれている未改質の原
料も同時に燃焼して予熱源となる。

【００４０】つぎに、本実施形態の作用・効果について
説明する。

【００４１】上記燃料改質装置６０は、図２に示すよう
に、燃料改質器５と燃焼器１９とを一つの容器内に設け
ることによって、燃焼器１９により予熱された原料ガス
を冷却されることなく燃料改質器５に直接供給すること
が可能となり熱損失の低減化を図ることができるように
なる。また、上記両者５，１９を一体化させることによ
って、燃料改質器５と燃焼器１９との間の配管が省略さ
れて配管構造を簡易にすることができるようになる。し
かも、上記燃料改質器５及び燃焼器１９、さらに電気ヒ
ータ２６を一体化させることにより装置のコンパクト化
を図ることができるようになる。

【００４２】また、上記燃焼器１９に燃焼触媒を充填し
て、触媒燃焼を行うことによって完全燃焼がなされ、Ｎ
Ｏxの生成を防止することができるようになる。＜燃料電池システムの別の実施形態＞図３には燃料電池
システムの別の実施形態が示されている。先のシステム
との相違点は、燃料改質器５に対して空気圧縮機４の空
気及び水タンク１７の水を導入することに代えて酸素極
２の排ガスを供給管３５によって供給する点、電気負荷
３６に対して燃料電池１と別の電源３７とを並列に接続
し、燃料電池１の出力電流値を調節する電力調節器３８
を設けた点、空気供給管１０から原料ガス供給管３０に
向かって延設した分岐管に流量調節弁３９を設けて空気
補給手段を構成した点である。

【００４３】すなわち、上述の如く酸素極２の排ガスに
は水蒸気及び未使用の空気が含まれているから、この排
ガスを燃料改質器５に原燃料改質用のガスとして用い、
この排ガスの組成を燃料改質に適するものにするために
電力調節器３８を設けたものである。電力調節器３８に
よる燃料電池１の出力電流値の調節により、この燃料電
池１の水素及び空気の利用率が変わり、酸素極２の排ガ
スの酸素濃度及び水蒸気濃度が変化することになる。こ
の調節によって不足する電力は別の電源３７によって補
われることになる。

【００４４】燃料電池１における水素の使用量が１Ｌ／
min.（０℃，１気圧）のときにその利用率が１００％で
あるとすると、そのときの出力電流値Ａは理論的には次
のようになる。

【００４５】Ａ＝２ｎＦ＝１４３（アンペア）（Ａ；Ｃ（クーロン）／sec，ｎ：モル／sec，Ｆ：ファ
ラデー定数）従って、出力電流値を上記理論値よりも下げると水素利
用率（燃料利用率）及び空気利用率が低下することにな
る。この場合、空気利用率は例えば０．４〜０．７５の
範囲で調節することになる。

【００４６】また、空気利用率を高めた場合に不足する
空気は空気圧縮機４からの空気を流量調節弁３９によっ
て導入して補うことになる。＜他の実施形態＞なお、本発明は上記実施形態に限定さ
れるものではなく、その他種々の実施形態を包含するも
のである。すなわち、上記実施形態では、二重管によっ
て形成された燃焼器１９の内管を原料ガス通路２９と
し、内管と外管としての容器２５との間に燃焼触媒２８
を充填するようにしているが、これとは逆に、例えば内
管内に燃焼触媒を充填し、内管と外管との間を原料ガス
通路に構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構
成図。

【図２】同システムの燃料改質装置の構造を示す断面
図。

【図３】本発明の別の実施形態に係る燃料電池システム
の構成図。

【符号の説明】

５燃料改質器（燃料改質部）１９燃焼器（燃焼部）２５容器２６電気ヒータ２８燃焼触媒２９原料ガス通路（内管）６０燃料改質装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本康令大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EA07 EB03 EB14 EB41 EC07 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09 BA10 BA16 BA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系の原燃料と、少なくとも酸素
及び水蒸気を含む気体とによる原料ガスから水素を生成
する燃料改質器と、燃焼用ガスを燃焼させ、その燃焼熱
によって上記原料ガスが上記燃料改質器に流入する前
に、この原料ガスを予熱する燃焼器とを備え、上記燃焼器で予熱された原料ガスがこの燃焼器から上記
燃料改質器に直接流入するように上記燃料改質器と燃焼
器とが一体に形成されていることを特徴とする燃料改質
装置。
【請求項２】炭化水素系の原燃料と、少なくとも酸素
及び水蒸気を含む気体とによる原料ガスから水素を生成
する燃料改質部と、燃焼用ガスを燃焼させ、その燃焼熱
によって上記原料ガスが上記燃料改質部に流入する前
に、この原料ガスを予熱する燃焼部とを備え、上記燃料改質部と燃焼部とが一つの容器内に設けられて
いることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項３】請求項１または請求項２において、燃焼器または燃焼部には、燃焼用ガスを触媒燃焼させる
燃焼触媒が充填されていることを特徴とする燃料改質装
置。
【請求項４】請求項２において、燃焼部は内管を備え、上記内管内が原料ガスの通路に構成される一方、上記内
管と容器との間に燃焼触媒が充填されていることを特徴
とする燃料改質装置。
【請求項５】請求項２において、燃焼部は内管を備え、上記内管内に燃焼触媒が充填される一方、上記内管と容
器との間が原料ガスの通路に構成されていることを特徴
とする燃料改質装置。
【請求項６】請求項２において、燃料改質部と燃焼部との間の原料ガス流路に、電気ヒー
タが配設されていることを特徴とする燃料改質装置。