JP2002293502A

JP2002293502A - 改質装置

Info

Publication number: JP2002293502A
Application number: JP2001096828A
Authority: JP
Inventors: Osamu Fujishiro; 修藤城; Masahiko Watanabe; 聖彦渡辺; Kazuhiko Yoshida; 一彦吉田; Tetsuo Nagami; 哲夫永見
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒の劣化を防止しつつ、始動時の暖機を短
時間で行うことができる改質装置を提供する。【解決手段】筒状の容器体２内に改質触媒層３を設
け、改質触媒層３の上流に設けたガス導入路２３に改質
原料ガスを導入して改質反応を生起するとともに、ガス
導入路２３内に助燃エアノズル４を設けて、助燃エアを
導入し、改質原料ガスの一部に燃焼反応を生起して必要
な熱を発生させる。暖機時には、さらに、暖機補助エア
ノズル５を作動させて、凝縮した水蒸気がたまって他の
部分より低温となりやすい改質触媒層３の下部に、より
多くの助燃ガスを供給し、発熱量を多くして早期に触媒
を活性化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に用いられる改質装置の暖機補助機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素と酸素を燃料として発電を行う燃料
電池では、燃料となる水素を改質装置を用いて生成して
いる。改質装置は、メタノール等の炭化水素燃料と水蒸
気を改質原料ガスとし、触媒を充填した改質層に供給し
て改質反応させることによって水素を発生させるもので
ある。この改質反応は吸熱反応であるため、外部から熱
を供給して触媒を所定温度以上に保つ必要があり、例え
ば、バーナやヒータ等を設置することで、必要な熱量を
得ている。

【０００３】また、改質原料ガス中の燃料の一部を燃焼
させて、発生する熱を利用する部分酸化併用型の改質装
置が知られている。この装置は、筒状の容器体内に触媒
を充填して改質層となし、容器体の一端側に設けたガス
導入路に、改質原料ガスとともに少量の酸素（通常、空
気）を導入して、炭化水素燃料の一部を燃焼させるよう
に構成されている。この時に発生する熱で、改質層の触
媒を昇温させることができ、改質反応を進行させること
ができる。改質反応の生成ガスは、容器体の他端側に設
けたガス導出路から、燃料電池へ送出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記装置を
特に横置き姿勢で用いた場合（容器体の軸方向が左右方
向となるように設置された場合）、始動時において常温
から暖機する時に、改質原料ガス中の水蒸気が凝縮し
て、改質層の下部に溜まりやすいことが判明した。この
ために、改質層の触媒が濡れて、活性温度（例えば、２
００℃）に達するのに長い時間がかかる問題があった。
凝縮した水分を再び蒸発させるには、例えば、発熱量を
増やすことが考えられるが、この方法で暖機時間の短縮
を図ろうとすると、水に濡れていない触媒の温度が上が
りすぎて、触媒が劣化してしまう不具合があった。

【０００５】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、触媒の劣化を防止しつつ、始動時の暖
機を短時間で行うことができる改質装置を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明請求項１の改質装置は、筒状の容器体内に改
質触媒層を設け、上記改質触媒層の上流に設けたガス導
入路に改質原料ガスを導入して改質反応を生起すること
により水素を生成するもので、上記ガス導入路内に酸素
を含む助燃ガスを供給して上記改質原料ガスの一部に燃
焼反応を生起する助燃ガス供給手段を設けている。さら
に、暖機補助手段を設けて、暖機時に他の部分より低温
となる上記改質触媒層の一部に、上記他の部分より多く
の助燃ガスを供給するようになしてある。

【０００７】上記構成によれば、上記暖機補助手段によ
り、暖機時に他の部分より低温となる部分、例えば水分
が凝縮しやすい上記改質触媒層の下部に、他の部分より
多くの助燃ガスが供給されるので、この部分における燃
焼反応が促進され、発生する熱によって、改質触媒の温
度を上昇させることができる。よって、触媒の劣化を防
止しつつ、上記改質触媒層全体を早期に活性化すること
ができ、暖機時間を短縮できる。

【０００８】請求項２のように、具体的には、上記助燃
ガス供給手段として、上記ガス導入路内に開口する多数
の吐出口を有して上記改質触媒層の全面に略均等に助燃
ガスを供給する助燃エアノズルを設けることができる。
そして、上記暖機補助手段として、上記ガス導入路の底
部となる上記容器体の筒壁に開口する暖機補助エアノズ
ルを設けて、上記改質触媒層の下部に助燃ガスを供給す
るようにすれば、上記改質触媒層の下部に供給される助
燃ガス量を他の部分より多くすることができ、上記効果
が容易に得られる。

【０００９】請求項３のように、上記助燃ガス供給手段
が、上記ガス導入路内に開口する多数の吐出口を有して
上記改質触媒層の全面に助燃ガスを供給する助燃エアノ
ズルである場合に、上記暖機補助手段として、上記改質
触媒層の下部に助燃ガスを供給する上記吐出口の数を多
くし、あるいは上記吐出口の径を大きくすることもでき
る。このようにしても、上記改質触媒層の下部に供給さ
れる助燃ガス量を他の部分より多くすることができ、よ
り簡単な構成で上記効果が容易に得られる。

【００１０】請求項４のように、上記改質触媒層の前面
に、ヒータ層および触媒層のうちの少なくとも１つを設
けることもできる。ヒータ層または触媒層を設けること
によって、これを通過する上記改質原料ガスの燃焼反応
が促進されるので、必要な熱を確実に得ることができ
る。

【００１１】請求項５のように、上記改質触媒層を複数
設けることもできる。そして、各改質触媒層の上流側
に、それぞれ上記助燃ガス供給手段と上記暖機補助手段
を配置することにより、触媒容量の大きい改質装置全体
を容易に活性化して、暖機時間を短縮することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図２により本発明の
改質装置の第１の実施の形態について説明する。図１
（ａ）は、燃料電池システムにおいて燃料電池の燃料ガ
スとなる水素を生成するために用いられる、改質装置１
の概略構造を示す図である。図中、改質装置１は、円筒
状の容器体２内に、改質触媒３１を充填した改質触媒層
３を有しており、容器体２の左端開口部には、改質原料
ガスである炭化水素燃料（ＨＣ）と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を
導入するためのガス導入口２１が設けられている。容器
体２の右端開口部には、改質反応の生成ガスである水素
（Ｈ₂）と二酸化炭素（ＣＯ₂）を外部へ導出するため
のガス導出口２２が設けられている。このように、本実
施の形態では、改質装置１を横置き姿勢で使用してお
り、容器体２内を左右方向にガスが流れる。改質反応の
生成ガスは、ガス導出口２２から図略の通路を経て燃料
電池へ送出される。

【００１３】改質触媒３１としては、例えば、銅、亜
鉛、クロム等の触媒金属を触媒担体に担持させてハニカ
ム状に形成したものが使用される。本実施の形態では、
２個の改質触媒３１を容器体２内に直列に配設して、改
質触媒層３を形成しており、各改質触媒３１は外周面が
容器体２内壁にそれぞれ固定されている。なお、改質触
媒３１の形状は、ハニカム状に限定されるものではな
く、また、触媒担体を用いず、触媒金属からなる金属細
線または金属箔を充填することもできる。

【００１４】容器体２の左端部の、ガス導入口２１と改
質触媒層３の間の空間は、ガス導入路２３としてあり、
ガス導入路２３内には、図１（ｃ）に示すように、略Ｃ
字状のパイプよりなる助燃ガス供給手段としての助燃エ
アノズル４が配設されている。助燃エアノズル４は、容
器体２の内径よりやや小径で、その一端は、ガス導入路
２２の底部を貫通して外部へ延びるエア供給路４１に連
結している。エア供給路４１には、酸素を含む助燃ガス
である助燃エアが供給されるようになっている。助燃エ
アノズル４の改質触媒層３側の表面には、周方向に、多
数のエアの吐出口４２が形成されている。各吐出口４２
は同一形状（同径）で、ほぼ等間隔に形成され、対向す
る改質触媒層３の全面にほぼ均等に助燃エアを供給す
る。

【００１５】本実施の形態では、さらに、助燃エアノズ
ル４の下流側に、暖機運転時に使用される暖機補助手段
としての暖機補助エアノズル５を設置する。暖機補助エ
アノズル５は、図１（ｂ）に示すように、ガス導入路２
３の底部となる筒壁に開口して、ガス導入路２３の下部
側に助燃エアを供給する。従って、改質触媒３１の下部
に水分がたまりやすい暖機運転時に、助燃エアノズル４
に加えて暖機補助エアノズル５を作動させると、ガス導
入路２３下部に供給される助燃エアの量が増加する。こ
のようにして、改質触媒３１下部における酸素濃度を高
くし、改質触媒３１下部の発熱反応を活発にして、改質
触媒３１の早期活性化を可能にする。

【００１６】上記構成の改質装置１の作動を説明する。
通常運転時には、暖機補助エアノズル５は作動させず、
助燃エアノズル４のみを作動させる。この時、改質装置
１のガス導入路２３には、ガス導入口２１から改質原料
ガスが導入される一方、助燃エアノズル４の多数の吐出
口４２から、助燃エアがガス導入路２３内に均等に導入
され、改質原料ガスと混合しながら、下流の改質触媒層
３に導入される。

【００１７】改質原料ガスとしては、例えば、メタノー
ルと水蒸気の混合ガスが用いられ、予め、改質反応が可
能な所定の温度以上に加熱された状態で、改質装置１に
導入される。改質触媒層３では、下記式（１）に示す改
質反応が生起して、改質原料ガス中のメタノールと水蒸
気が触媒反応して水素を発生する。同時に、下記式
（２）に示す燃焼反応が生起して、メタノールの一部が
酸素と反応し、発熱する。改質反応：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂・・・（１）燃焼反応：ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂・・・（２）

【００１８】式（１）の改質反応は吸熱反応であるた
め、助燃エアノズル４から少量の酸素を供給して、メタ
ノールの一部に式（２）の燃焼反応を起こし、吸熱反応
に必要な熱量を発生させる。これにより、必要な熱を供
給して改質触媒３１を活性温度（通常、２００℃程度）
以上に保持し、改質反応を進行させることができるの
で、改質効率の悪化や水素生成量の減少を防止すること
ができる。

【００１９】一方、始動時に改質触媒３１を常温から暖
機する過程では、助燃エアノズル４と暖機補助エアノズ
ル５の両方を作動させる。すなわち、改質装置１のガス
導入路２３に、ガス導入口２１から改質原料ガスを導入
するとともに、助燃エアノズル４の多数の吐出口４２と
暖機補助エアノズル５から助燃エアを導入する。従っ
て、図１（ｃ）に示すように、ガス導入路２３に導入さ
れる助燃エア濃度は、暖機補助エアノズル５に近い下部
で高くなる。

【００２０】暖機過程では、改質触媒３１の温度が低い
ため、上記式（１）の改質反応は生じず、式（２）の燃
焼反応のみが生起する。ここで、改質触媒層３では、改
質触媒３１下部の酸素濃度が高い状態となっており、式
（２）の発熱反応は、改質触媒３１下部でより活発とな
る。本実施の形態のように横置き姿勢で使用した場合に
は、暖機過程で改質原料ガス中の水蒸気が凝縮して、改
質触媒３１下部にたまりやすくなるが、この部分の発熱
反応を活発化し、発熱量を大きくすることによって、凝
縮した水分を再び水蒸気とすることができる。このよう
にして、触媒を劣化させることなく、改質触媒層３全体
を早期に活性温度（通常、２００℃）まで昇温すること
ができる。また、構成が簡単であるので、コストを増大
させることもなく、経済的である。

【００２１】次に、本発明の効果を確認するために、暖
機補助エアノズル５の有無による改質触媒３１の活性化
時間の違いを調べた。図２（ａ）は、暖機補助エアノズ
ル５を有しない従来構造、図２（ｂ）は本発明構造の改
質装置１であり、それぞれ改質触媒層３の最下流部にお
ける、改質触媒３１の中央部および下部を測温点として
暖機時の触媒温度の変化を測定し、図２（ｃ）に示し
た。図２（ｃ）に明らかなように、図２（ａ）の従来構
造では、改質触媒３１の中央部と下部とで、活性温度に
到達するまでの時間に大きな差があるが、図２（ｂ）の
暖機補助エアノズル５を設けた構成では、改質触媒３１
の中央部と下部とで、触媒温度にほとんど変化がなく、
暖機時間を大幅に短縮できることがわかる。

【００２２】図３（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施
の形態を示すもので、本実施の形態では、暖機補助エア
ノズル５を設けず、これに代わる暖機補助手段として、
助燃エアノズル４形状、具体的には吐出口４２の配置を
変更している。すなわち、図２（ｂ）のように、改質触
媒層３の下部に対向する助燃エアノズル４の下部側で、
吐出口４２の間隔を他の部分より小さくし、吐出口４２
の数を多くしてある。吐出口４２の径はいずれも同じと
する。その結果、改質触媒３１の下部に導入される助燃
エアが多くなるので、酸素濃度が高くなり、発熱反応を
より活発にして、暖機時間を短縮する同様の効果が得ら
れる。なお、この構成では、通常運転時も改質触媒３１
の下部に助燃エアが多く導入されるので、発熱量が多く
なりすぎないように、吐出口４２の数や大きさを調整す
ることが望ましい。

【００２３】図４（ａ）、（ｂ）に示す本発明の第３の
実施の形態のように、助燃エアノズル４の底部におけ
る、吐出口４２の大きさを他の部分より大きくすること
によって、改質触媒３１の下部に助燃エアが多く導入さ
れるようにしてもよい。この場合、吐出口４２の間隔は
等しく形成する。このようにしても、上記第３の実施の
形態と同様の効果が得られる。

【００２４】図５（ａ）、（ｂ）に本発明の第４の実施
の形態を示す。本実施の形態では、上記第１の実施の形
態の構成に加えて、ガス導入路２３の暖機補助エアノズ
ル５の下流に、改質触媒層３に対向して電気ヒータ付き
酸化触媒層６を設置する。電気ヒータ付き酸化触媒層６
は、公知の構成のもので、例えば、ヒータを構成する金
属箔をハニカム状に形成してその表面に酸化触媒を担持
させてなる。酸化触媒はヒータに通電して発熱させるこ
とで活性化され、改質原料ガス中の燃料ガスの燃焼反応
を促進する。このように、電気ヒータ付き酸化触媒層６
を併用することで、活性化に要する時間をさらに短縮
し、改質反応の開始時間を早めることができる。

【００２５】図６に示す本発明の第５の実施の形態のよ
うに、改質触媒層３を複数設けて、各改質触媒層３の上
流に、助燃エアノズル４、暖機補助エアノズル５および
電気ヒータ付き酸化触媒層６を設置することもできる。
大容量の改質触媒３１を収容する改質装置１の場合に
は、このように、上記第４の実施の形態の構成を２段以
上積層した構成とすることで、改質触媒３１の暖機時間
を大幅に短縮する効果が得られる。

【００２６】なお、上記第４、第５の実施の形態の電気
ヒータ付き酸化触媒層６の代わりに、電気ヒータ等の加
熱手段を有しない酸化触媒層、あるいは逆に触媒を担持
していない電気ヒータを設置することもできる。また、
酸化触媒を担持するかわりに、改質触媒を担持した触媒
層を設けても、酸化性ガスの存在下で酸化反応が生起す
るので、その燃焼熱を下流側の改質触媒層３に供給する
ことができる。この触媒層に、電気ヒータを付設するこ
とももちろんできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、（ａ）は改
質装置の全体構成を示す概略断面図、（ｂ）は（ａ）の
Ａ−Ａ線断面図である。

【図２】（ａ）は従来の改質装置の概略断面図、（ｂ）
は本発明の改質装置の概略断面図、（ｃ）は従来と本発
明の改質装置の暖機時の触媒温度変化を示す図である。

【図３】（ａ）は本発明の第２の実施の形態における改
質装置の概略断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図
である。

【図４】（ａ）は本発明の第３の実施の形態における改
質装置の概略断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図
である。

【図５】（ａ）は本発明の第４の実施の形態における改
質装置の概略断面図である。

【図６】（ａ）は本発明の第５の実施の形態における改
質装置の概略断面図である。

【符号の説明】

１改質装置２容器体２１ガス導入口２２ガス導出口２３ガス導入路３改質触媒層３１改質触媒４助燃エアノズル（助燃ガス供給手段）５暖機補助エアノズル（暖機補助手段）６電気ヒータ付き酸化触媒層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺聖彦愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者吉田一彦愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者永見哲夫愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EB12 EB46 4G140 EA02 EA03 EA06 EB12 EB46 5H027 AA02 BA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状の容器体内に改質触媒層を設け、上
記改質触媒層の上流に設けたガス導入路に改質原料ガス
を導入して改質反応を生起することにより水素を生成す
る改質装置において、上記ガス導入路内に酸素を含む助
燃ガスを供給して上記改質原料ガスの一部に燃焼反応を
生起する助燃ガス供給手段を設けるとともに、暖機時に
他の部分より低温となる上記改質触媒層の一部に、上記
他の部分より多くの助燃ガスを供給する暖機補助手段を
設けたことを特徴とする改質装置。
【請求項２】上記助燃ガス供給手段が、上記ガス導入
路内に開口する多数の吐出口を有して上記改質触媒層の
全面に略均等に助燃ガスを供給する助燃エアノズルであ
り、上記暖機補助手段が、上記ガス導入路の底部となる
上記容器体の筒壁に開口してその下流に位置する上記改
質触媒層の下部に助燃ガスを供給する暖機補助エアノズ
ルである請求項１記載の改質装置。
【請求項３】上記助燃ガス供給手段が、上記ガス導入
路内に開口する多数の吐出口を有して上記改質触媒層の
全面に助燃ガスを供給する助燃エアノズルであり、上記
暖機補助手段として、上記改質触媒層の下部に助燃ガス
を供給する上記吐出口の数を多くし、あるいは上記吐出
口の径を大きくした請求項１記載の改質装置。
【請求項４】上記改質触媒層の前面に、ヒータ層およ
び触媒層のうちの少なくとも１つを設けた請求項１ない
し３のいずれか記載の改質装置。
【請求項５】上記改質触媒層を複数設けて、各改質触
媒層の上流側に、それぞれ上記助燃ガス供給手段および
上記暖機補助手段を設けた請求項１ないし４のいずれか
記載の改質装置。