JP2003112903A

JP2003112903A - 燃料改質器及び燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003112903A
Application number: JP2001306250A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hiyama; 清志檜山; Masahiro Komachiya; 昌宏小町谷; Kazushige Kono; 一重河野; Yuichi Kamo; 友一加茂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2003-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】燃焼触媒部で発生した熱を水蒸気改質触媒部へ
効率的に伝達し、水蒸気改質触媒部での改質ガスの発生
を向上すると共に、小型化した燃料改質器を提供するも
のである。【解決手段】本発明の燃料改質器は、燃焼触媒部３と水
蒸気改質触媒部４とが接触する接触面５３を、水蒸気改
質触媒部４の縦断面積の周辺部５１から中心部５２に行
くに従い縦断面積の軸方向寸法Ｈが順次短くなるような
円錐形状を形成し、燃焼触媒部３の反応熱をより効率的
に水蒸気改質触媒部４へ伝達できるようになり、改質ガ
スの発生が向上した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は炭化水素、空気、水
から水素を含むガスを製造する燃料改質器に係る。ま
た、当該燃料器を具備する燃料電池システムに係る。

【０００２】

【従来の技術】高分子固体電解質型燃料電池（以下ＰＥ
ＦＣと略記）は他の燃料電池と比較して、室温起動が可
能で、高出力密度が得られるという特長を有し、電気自
動車用電源、あるいは家庭用、ビル用の小型のコジェネ
レーションシステムとして開発が進められている。この
ＰＥＦＣは、水素を含有する燃料ガスを燃料極側に供給
し、酸素を含有する酸化ガスを酸素極側に供給し、以下
に示す電気化学反応によって起電力を得ている。

【０００３】燃料極側反応：Ｈ₂⇒２Ｈ⁺＋２ｅ …（１）酸素極側反応：（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ⇒Ｈ₂Ｏ …（２）電池全体：Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂⇒Ｈ₂Ｏ …（３）ここで、酸化ガスには、空気が用いられるが、燃料ガス
にはメタノールや天然ガス等の炭化水素を改質して生成
した水素リッチガスを用いる。そのため、ＰＥＦＣを備
える発電システムには、燃料改質器が設けられている。
主な改質方式について原料をメタノールに取って以下に
説明する。

【０００４】水蒸気改質：メタノール（炭化水素）と水
蒸気の反応により水素を製造する方法で水蒸気からも水
素を取り出せるが、吸熱反応であるため、反応を進行さ
せるために熱の供給が必要である。通常、この熱供給の
ため、改質反応器はバーナーやヒーターで外部加熱され
る。

【０００５】ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ⇒３Ｈ₂＋ＣＯ₂―６１（ｋＪ／ｍｏｌ）…（４）部分酸化：メタノール（炭化水素）と酸素の反応により
水素を製造する方法で水蒸気改質に比較すると効率が低
い。ただし、発熱反応なので外部加熱を要しない。

【０００６】ＣＨ₃ＯＨ＋（１／２）ＣＯ₂⇒２Ｈ₂＋ＣＯ₂＋１８４（ｋＪ／ｍｏｌ）…（５）併用改質：同じ改質反応器の中で、発熱反応である
（５）を行わせ、その際発生する熱を利用して水蒸気改
質反応（４）を進行させる。

【０００７】このような併用改質反応は、既述した外部
加熱を行う方法に比較し、放熱により失われるエネルギ
ー量を減少でき、より高いエネルギー効率を実現でき
る。また、外部加熱装置を必要としないため、燃料改質
器の構成を簡素化でき、システム全体を小型化できる。
また、水素への変換効率としては、部分酸化よりも高く
なる。

【０００８】この併用改質方式においては、発熱反応で
発生した熱を効率的に、いかに水蒸気改質部へ伝達する
かが重要となる。特開平１１−９２１０２号公報では、
上流側部分酸化（発熱）部をハニカムで構成する各セル
の横断面積の総和を下流側水蒸気改質部のハニカムより
も小さくし、発熱部の改質原料ガス流速を速くすること
で、発熱部で発生した熱が充分に下流側の水蒸気改質部
へ運ばれるようにすることが開示されている。

【０００９】また、同出願には流路面積を変える手段と
して反応器の内径自体を流れ方向で変えることが記され
ている。更に、特開２０００−２０３８０２号公報には
反応管中心に発熱反応、周囲部に水蒸気改質反応を局在
化させるよう改質原料を供給することで、熱の伝達を改
良することが開示されている。

【００１０】特開平１１−９２１０２号公報の方法で
は、改質原料供給量（水素製造量）が変わると温度ピー
クの位置（水蒸気改質触媒からの距離）が変わるので、
小供給量の場合は水蒸気改質触媒層から遠い位置に温度
ピークが発生し熱伝達が悪くなると予想される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、燃焼
触媒部で発生した反応熱を水蒸気改質触媒部へ効率的に
伝達し、水蒸気改質触媒部での改質ガスの発生を向上さ
せると共に、小型化した燃料改質器を提供するものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明の燃料改質器は、燃焼触媒部と水蒸気改質
触媒部とが接触する接触面を、水蒸気改質触媒部の縦断
面積の周辺部から中心部に行くに従い縦断面積の軸方向
寸法が順次短くなるような円錐形状を形成することを特
徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】即ち、本発明の燃料改質器は炭化
水素と水蒸気及び空気を含む原料を反応させて水素を主
成分とする改質ガスを製造する。炭化水素としてメタノ
ールを用いた場合は、先に示した前述（４）の水蒸気改
質反応と（５）の部分酸化反応を改質管内において、同
時進行させて水素を主成分とする改質ガスを作ることに
なる。

【００１４】この際、反応器に充填する触媒は反応器の
上流側に貴金属の燃焼触媒例えばアルミナ担持白金触
媒、下流側に銅−亜鉛系触媒、ニッケル系触媒等の改質
触媒を配置することが望ましい。反応器上流側に燃焼触
媒を具備することにより、コールドスタート時に低温で
の着火性に優れ、かつ運転時に水蒸気改質反応速度が速
い反応器が得られる。改質触媒としてはメタノールには
銅−亜鉛系触媒、メタン等の炭素と水素からなる炭化水
素にはニッケル系触媒が適する。

【００１５】本発明の燃料改質器では、上流側の燃焼用
貴金属触媒を中心が窪んだ円錐状に配置することで、反
応器の断面積を変えることなく燃焼触媒部と水蒸気改質
触媒部との接触面積が増加でき、燃焼部の反応熱を下流
側水蒸気改質部に効率的に伝達するようにしている。つ
まり、燃焼触媒部と水蒸気改質触媒部との接触面積が増
加することで、発熱を効率的に吸熱できるため燃焼部の
温度上昇が抑制されるので、高発熱量の改質ガスが供給
でき、下流側水蒸気改質部の温度が上昇し、改質率を向
上できる。

【００１６】或いは、中心に改質原料の流入口があり、
そこから水平方向へ渦状に外へ向かったあと折り返して
逆周りで中心近傍に戻り、そこに下流側の改質触媒部へ
の供給口がある流路を形成し、その流路に燃焼触媒を充
填することでも、燃焼触媒部で発生した熱を水蒸気改質
部に効率的に伝達することができる。

【００１７】つまり、燃焼反応が非常に速いため燃焼部
で流速が遅いと局部的な発熱が生じ、高発熱量組成の改
質原料供給が制限されるのが、上記構造の適用により改
質原料ガス流速が増加するため燃焼触媒部のピーク温度
が低下されるので、高発熱量組成の改質原料を供給でき
るようになり、下流の水蒸気改質部への熱供給量を増加
できる。

【００１８】本発明は、特開平１１−９２１０２号公報
に比較し、流路面積を狭めるだけのわずかなデッドスペ
ースの増加を伴うだけなので、装置の小型化の上で有効
である。また、特開平１１−９２１０２号公報の方法で
は、改質原料供給量（水素製造量）が変わると温度ピー
クの位置（水蒸気改質触媒からの距離）が変わるので、
小供給量の場合は水蒸気改質触媒層から遠い位置に温度
ピークが発生し熱伝達が悪くなると予想されるが、本方
法を用いれば、低流量側でも比較的水蒸気改質反応部近
傍で発熱を実現できることから水蒸気改質部への熱伝達
改良に有効である。

【００１９】このようにして生成されたガスには副生成
物の一酸化炭素がかなり含まれている。燃料電池では改
質ガス中に含まれる一酸化炭素が触媒を被毒してセル電
圧を低下させることが知られている。高分子膜を電解質
とするＰＥＦＣでは１０ｐｐｍ程度以下に一酸化炭素濃
度を低下させなければならない。

【００２０】そこで、Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ⇒Ｈ₂＋ＣＯ₂＋３９（ｋＪ／ｍｏｌ） …（６）なるシフト反応により二酸化炭素と水素に変換する。こ
の場合の触媒として前記の銅−亜鉛系触媒や白金系の触
媒があるが、低温活性が高い銅−亜鉛系の方が有効であ
る。

【００２１】このシフト反応部を２００℃程度にするこ
とにより、（６）の反応が右側に進行し、一酸化炭素濃
度を１％程度まで低下させることができるが、さらに、
低下させるために後述する選択酸化器により一酸化炭素
を二酸化炭素にして除去し１０ｐｐｍ以下にする必要が
ある。

【００２２】また、改質部及びシフト反応部に熱を供給
するための燃焼器が配している。この燃焼器では燃料電
池から排出される低濃度水素含有ガスが燃焼させられ、
改質反応器に熱を供給する。改質反応器内では、前述の
（４）〜（６）の反応熱、燃焼器から供給される熱、改
質反応器からの放熱による熱損失、及び必要に応じて液
体で供給される炭化水素及び水の気化熱及び反応温度ま
で昇温するための顕熱をバランスさせて一定温度で運転
する。

【００２３】運転温度は触媒が動作する温度で決定さ
れ、炭化水素として例えばメタノールを用いる場合には
２００〜４００℃、ＬＮＧ等の場合には７００〜９００
℃で運転する。温度の制御は、炭化水素、水及び空気の
比率を調節して、部分酸化反応と水蒸気改質反応の比率
を調節することにより行う。

【００２４】次に、本発明の燃料改質器の応用システム
について説明する。本発明の燃料改質器で製造した改質
ガス中には１％程度の一酸化炭素が含まれている。ＰＥ
ＦＣへ供給する燃料ガスとしては１０ｐｐｍ以下にしな
ければならないので、選択的に燃焼させて除去する選択
酸化器を通し、改質ガスを脱一酸化炭素する。

【００２５】選択酸化器は、改質ガス中一酸化炭素流量
に応じた空気を供給し、可燃成分である水素と一酸化炭
素の内、一酸化炭素を選択的に燃焼する。脱一酸化炭素
した改質ガスをＰＥＦＣの燃料ガスとして供給する。

【００２６】ＰＥＦＣでは改質ガス中の水素のうち、７
０〜８０％が反応で消費され、電力、水、及び熱を発生
する。ＰＥＦＣからは水素が５〜１０％程度の濃度とな
ったオフガスが排出され、これを本発明の燃料改質器内
の燃焼器で燃焼し、改質反応器の熱源とする。

【００２７】燃料改質器の温度を触媒作動温度に保つた
めには、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させた
時の熱量及び燃料改質器の温度を検出し、負荷要求に対
して適正な炭化水素、水、及び空気の量をコントローラ
ーで算出、制御を行う。熱量を求めるためにはオフガス
の水素濃度及び流量を検出すればよい。熱量が高い時及
び燃料改質器の温度が高い時には水蒸気改質反応の比率
を高める。

【００２８】即ち、水の流量を高く、炭化水素及び空気
の量を低く設定する。逆に、熱量が低い時及び燃料改質
器の温度が低い時には部分酸化反応の比率を高める。即
ち水の流量を低く、炭化水素及び空気の量を高く設定す
る。コントローラーでは上記の制御を適当な時間間隔毎
に、例えばＰＩＤ制御のような方式により制御し、燃料
改質器を動作温度に保ちながら、水素負荷の変動に追従
させる。

【００２９】しかし、燃料電池システムが追従しきれな
い負荷変動にたいしては、二次電池システムや畜熱シス
テムを具備させて対応することになる。

【００３０】このようなシステムを、停止、負荷変動が
頻繁であり、エネルギー密度の高い炭化水素が用いられ
る電気自動車の様な移動体電源に用いる場合は、炭化水
素としてメタノールを用いることが望ましい。

【００３１】一方、コジェネレーションの様な定置型の
システムでは、都市ガス、プロパンガス等の流通が容易
な天然ガス系の炭化水素を用いることが望ましい。

【００３２】以下、本発明の具体的な第１の実施形態に
ついて、図１ないし図２を参照して説明する。図１は本
発明の燃料改質器を示す構成図である。改質反応器１は
その外周側に６本の燃焼器２を配置している。燃焼器２
は対称性の観点から３本以上を改質反応器１の周囲に配
することが望ましいが、本実施例では６本とした。

【００３３】改質反応器１にはブロワを用いて空気を供
給する空気供給用の空気配管５を配置し、空気配管５に
は電磁式の開閉弁６を設けている。空気の供給量はブロ
ワの回転数等を調節することで行なった。炭化水素とし
てはメタノールを用いた。メタノールは配管７にポンプ
にて供給し、流量はポンプを制御することで調節した。
配管７には電磁式開閉弁８を設置している。水の供給も
同様にポンプで配管９に供給し、電磁式開閉弁１０を設
けている。

【００３４】反応器出口にはクラッキング圧０．０７ｋ
ｇ／ｃｍ²の逆止弁１２を取り付けた。改質反応器１は
内径６０ｍｍ、長さ１６０ｍｍとし、上流に層高１０ｍ
ｍのアルミナ担持白金触媒を中央が窪んだ円錐状に配置
し、残りの下流部分に銅−亜鉛系触媒を充填した。この
両者の触媒は直径３ｍｍのペレットの複数で形成した燃
焼触媒部３と水蒸気改質触媒部４である。

【００３５】即ち、改質反応器１内には図２(Ａ)に示す
ように燃焼触媒部３と水蒸気改質触媒部４とを備え、燃
焼触媒部３は炭化水素と水蒸気及び空気とを有する原料
のうち炭化水素と空気との発熱反応により改質ガスを発
生させる。水蒸気改質触媒部４は発熱反応と燃焼器２か
らの燃焼熱により改質反応器１を暖めた改質熱とにより
新たな改質ガスを発生させる。

【００３６】燃焼触媒部３及び水蒸気改質触媒部４は直
径３ｍｍの複数ペレットで形成している。燃焼触媒部３
と水蒸気改質触媒部４とが接触する接触面５０を、前記
水蒸気改質触媒部の縦断面積の周辺部５１から中心部５
２に行くに従い前記縦断面積の軸方向寸法Ｈが順次短く
なるような円錐形状を形成している。

【００３７】この実施例によれば、燃焼触媒部３と水蒸
気改質触媒部４とが接触する接触面５３が傾斜面５３Ａ
になるよう形成したので、燃焼触媒部３と水蒸気改質触
媒部４とが接触する接触面が増加でき、燃焼触媒部３の
反応熱を下流側の水蒸気改質触媒部４に効率的に伝達で
きるようになった。つまり、燃焼触媒部３と水蒸気改質
触媒部４の接触面積が増加した分だけ、燃焼触媒部３の
発熱を水蒸気改質触媒部４で効率的に吸熱できるため、
水蒸気改質触媒部４で効率よく改質ガスを発生すること
ができる。

【００３８】又、この実施例では水蒸気改質触媒部４の
縦断面積の周辺部５１から中心部５２に行くに従い前記
縦断面積の軸方向寸法Ｈが順次短くなるような傾斜面５
３Ａを形成しているので、例えば燃焼触媒部３と水蒸気
改質触媒部４との接触面が水平面５４を形成しているの
に比べて、傾斜面５３Ａにすれば図２(Ｂ)のように温度
勾配が均一化する。

【００３９】この結果、燃焼触媒部３及び水蒸気改質触
媒部４は、従来のように中心部５２付近が激しく消耗す
るのに比べて、この実施例では平均的に消耗するので、
燃焼触媒部３及び水蒸気改質触媒部４の寿命が長くな
り、燃焼触媒部３を交換する回数を減少することができ
る。

【００４０】更に燃焼触媒部と水蒸気改質触媒部とが接
触する接触面が、水蒸気改質触媒部の縦断面積の周辺部
から中心部に行くに従い縦断面積の軸方向寸法Ｈが順次
短くなるような傾斜面をなす円錐形状を形成すると共
に、改質ガス及び炭化水素などを通過し得る孔を有する
仕切板を燃料改質器内に設置しても良い。仕切板を使用
する場合には、燃焼触媒部と水蒸気改質触媒部とはペレ
ットを使用する。

【００４１】次に本発明の具体的な第２の実施形態につ
いて、図３ないし図５を参照して説明する。図３は本発
明の燃料改質器を示す構成図であり、(図４に示す流路
形状を有する燃焼触媒部３Ａを使用する。)燃焼器２へ
は、低濃度水素ガスと空気の混合ガスをそれぞれの燃焼
器２に分配して供給した。燃焼器へのガス供給は図中改
質反応器１の下から上に流れるガス流れとした。改質反
応器内では水蒸気改質反応と比較して部分酸化反応の方
が、反応速度が速いため、上流側で発熱量が多く、下流
側で吸熱量が多くなる。

【００４２】燃焼器２からの熱供給を下流側が優先する
ようにし、反応器の温度分布を小さくするため燃焼器内
ガス流れを反応器と逆にしたのである。燃焼器の直径は
２０ｍｍ、長さは１６０ｍｍとした。燃焼器へ充填する
燃焼触媒部３Ａは３ｍｍペレットのアルミナ担持白金触
媒とした。燃焼触媒部３Ａをハニカム状触媒とすること
が可能である。

【００４３】本発明の燃料改質器１を示す第２の構成図
を図３に示す。１は改質反応器であり、２が燃焼器であ
る。燃焼器２を改質反応器１の周囲に６本配置した。反
応管にはブロワを用いて空気を供給した。炭化水素とし
てはメタノールを用いた。メタノールは７の配管にポン
プにて供給した。水の供給も同様にポンプで配管９に供
給した。

【００４４】反応器出口にはクラッキング圧０．０７ｋ
ｇ／ｃｍ²の逆止弁１２を取り付けた。反応器は内径８
０ｍｍ、長さ１００ｍｍとし、上流に層高１０ｍｍのア
ルミナ担持白金触媒層中に巾１０ｍｍの渦巻き状流路を
もうけた。触媒はこの両者とも直径３ｍｍのペレットで
ある。また、ハニカム形状の燃焼触媒部３Ａを使用する
ことも可能である。

【００４５】燃焼器２へは、低濃度水素ガスと空気の混
合ガスをそれぞれの燃焼器２に分配して供給した。燃焼
器へのガス供給は図中の下から上に流した。燃焼器の直
径は２０ｍｍ、長さは１００ｍｍとした。燃焼器へ充填
する燃焼触媒部３Ａは３ｍｍペレットのアルミナ担持白
金触媒とした。燃焼触媒部もハニカム状触媒とすること
が可能である。

【００４６】即ち、厚さ３Ｔが均一な成形体よりなる板
状の燃焼触媒部３Ａには図４及び図５に示すように、原
料を導入する中央の入口孔１６と、入口孔１６からの原
料を周辺部３Ｂに流通し、周辺部３Ｂから再び入口孔１
６方向に流し水蒸気改質触媒部４に流出させる出口孔１
７とを備えてなる渦巻き状の流路１５を形成している。
渦巻き状の流路１５は貫通孔よりなり、貫通孔の端部の
夫々は入口孔１６及び出口孔１７である。薄い鉄板の溶
接により、図４の形状の流路を形成し、それに触媒を充
填するこのように前述の渦巻き状の流路１５は原料を実
線で示す矢印方向の入口孔１６から周辺部３Ｂに流し、
周辺部３Ｂから鎖線で示す矢印方向の出口孔１７に流
し、出口孔１７から水蒸気改質触媒部４に改質ガス、水
蒸気などを流出させる。

【００４７】この結果、入口孔１６及び出口孔１７と周
辺部３Ｂとの間で燃焼触媒部３Ａの発熱反応がピーク値
になっても、ピーク温度は直ぐに水蒸気改質触媒部４に
伝達されるから、燃焼触媒部３Ａで発生した熱を水蒸気
改質触媒部４に効率的に伝達することができる。

【００４８】本発明の燃料改質器１を示す第３の実施例
を図６に示す。改質反応器１の外周を燃焼器２Ａにより
包囲する二重管構造とし、図１に比べて構造を簡素化し
た。２重管の内管の直径を６０ｍｍ、外管の直径を８０
ｍｍとした。

【００４９】以上のように、３種類の改質反応器１及び
燃焼管に反応式上８Ｌ／ｍｉｎの水素製造が可能な改質
原料と電池模擬オフガス（燃料利用率７０％を想定し、
水素を窒素で希釈して模擬）を供給した。なお、改質原
料組成は燃焼触媒下部温度が約３００℃となるようにそ
れぞれの燃料改質器で変えた。

【００５０】現状型質器（図１で燃焼触媒／改質触媒界
面が平坦なもの）では、メタノール、水及び空気がそれ
ぞれ５．７９ｃｃ／ｍｉｎ，２．０６ｃｃ／ｍｉｎ，
３．８１Ｌ／ｍｉｎであり、６．９Ｌ／ｍｉｎの水素が
製造できた。

【００５１】それに対し、実施例１ではメタノール、水
及び空気をそれぞれ５．８６ｃｃ／ｍｉｎ，１．９６ｃ
ｃ／ｍｉｎ，４．０９Ｌ／ｍｉｎ供給し７．２Ｌ／ｍｉ
ｎの水素製造という改良が見られた。

【００５２】実施例２ではメタノール、水及び空気をそ
れぞれ５．９ｃｃ／ｍｉｎ，１．８９ｃｃ／ｍｉｎ，
４．２８Ｌ／ｍｉｎ供給し７．４Ｌ／ｍｉｎの水素製造
という改良が見られた。

【００５３】実施例３では２ではメタノール、水及び空
気をそれぞれ５．８１ｃｃ／ｍｉｎ，２．０２ｃｃ／ｍ
ｉｎ，３．９Ｌ／ｍｉｎ供給し７．４Ｌ／ｍｉｎの水素
製造という改良が見られた。

【００５４】図１ないし図６に示した燃料改質器１の構
造は金属ブロックを機械加工により、削り出して作製し
たり、鋳造により一体化した部品として作製することも
できる。また、燃料改質器内の温度分布を小さくするた
めには、改質反応器１と燃焼器２（２Ａ）との間の熱伝
導が高い方が望ましいので、比較的低温で改質可能なメ
タノール改質においては、アルミニウム等の使用が有効
である。また、反応器の形状は円筒形に限らず、熱伝導
に優れ、体積効率の高い構造が望ましい。

【００５５】図７は本発明の燃料改質器１の応用システ
ムを示す構成図である。燃料は燃料ポンプ１０１、水は
水ポンプ１０２、空気は空気ブロワ１０３により、気化
器１０４を通じて本発明の燃料改質器１の改質反応器１
０５に供給される。燃料として、例えば都市ガス或はＬ
ＰＧの様に加圧ガスを用いる場合には、燃料ポンプ１０
１の代わりに流量コントローラを用いる。気化器１０４
は燃料改質器と別途に設けることも可能であるが、改質
反応器１０５に水及び液体燃料を供給して内部で気化さ
せることも可能である。

【００５６】改質反応器１０５で生成された改質ガスは
一酸化炭素除去器１０６で一酸化炭素を酸化して二酸化
炭素とする。一酸化炭素酸化の酸化剤は空気であり、一
酸化炭素除去器用空気ブロワ１０７から供給される。一
酸化炭素除去器１０６は可燃成分の水素及び一酸化炭素
の内、一酸化炭素を選択的に酸化する触媒を充填した反
応器である。一酸化炭素除去した改質ガスは燃料極ガス
用加湿器１０８で加湿されて燃料電池１１０に供給され
る。

【００５７】燃料極ガス用加湿器１０８は燃料加湿用水
ポンプ１０９で水が供給される。燃料電池１１０の酸素
極には酸素極用空気ブロワ２０１から酸素極用加湿器２
０３を介して加湿された空気が供給される。酸素極用加
湿器には酸素極加湿用水ポンプ２０２より水が供給され
る。

【００５８】燃料電池１１０から排出される燃料極排ガ
ス１１０Ａは燃焼器用ブロワ１１１から供給される空気
と混合されて燃焼器２で燃焼して、改質反応器１０５の
熱源となる。燃料電池１１０から排出される酸素極排ガ
ス１１０Ａは気水分離器２０４で気水分離し、水は水ポ
ンプ１０２，１０９，２０２に供給され、気体は排ガス
となる。

【００５９】改質反応器１０５へ供給する燃料、空気、
及び水の量の負荷要求は、改質反応器１０５に設けた温
度測定手段である温度計３０２により改質反応器１０５
内の温度測定値及びセンサ３０１で測定した水素流量に
より、改質反応器１０５及び燃焼器２に供給する燃料及
び空気と前記排ガスとの供給量を、供給通路に設けた開
閉弁１０１Ａの開閉を制御するコントローラー３０３に
より決定される。

【００６０】燃料電池１１０の電気出力は燃料電池用直
交変換器２５１を介して交流負荷２５２に接続される。
交流負荷２５２に対して、燃料電池用直交変換器２５１
と並列に電力貯蔵手段用直交変換器２５４を介して電力
貯蔵手段２５３が接続される。

【００６１】燃料電池１１０の冷却のためには、冷却水
循環用水ポンプ２７１、燃料電池１１０内熱交換器２７
３、及び熱負荷２７３から構成される冷却系が具備され
ている。

【００６２】例えば、電気自動車用電源のように電力負
荷が主体で、負荷変動が激しい用途においては、電力貯
蔵手段２５３及び電力貯蔵手段用直交変換器２５１を具
備することが望ましく、熱負荷２７３は例えばラジエー
タの様な冷却装置となる。

【００６３】小型コジェネレーションシステムの場合に
は、上記のようなシステム構成で熱負荷２７３を給湯用
の熱源として使うことが考えられる。また、系統電源に
接続して用いるような場合には、電力貯蔵手段２５３及
び電力貯蔵手段用直交変換器２５１を具備する必要がな
くなる。系統電源に接続されるコジェネレーションシス
テムにおいては電力負荷に応答して動作させる方法と熱
負荷に応答さて動作させる方法があるが、電力系統で接
続される系全体のエネルギー効率を考えると、熱負荷に
応答させて動作させる方が、エネルギー効率が高くな
る。

【００６４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、燃焼触
媒部の反応熱をより効率的に水蒸気改質部へ伝達できる
ようにして、改質ガスの発生を向上すると共に、燃料改
質器を小型化することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例として示した燃料改質器の断面
図。

【図２】図１に使用した燃料改質器を説明するための
図。

【図３】本発明の他の実施例として示した燃料改質器の
断面図。

【図４】図３のＡ―Ａ線より断面した燃焼触媒部の断面
図。

【図５】図３及び図４に使用した燃焼触媒部の斜視図。

【図６】本発明の他の実施例として示した燃料改質器の
断面図。

【図７】本発明の他の実施例として示した燃料電池シス
テムの系統図。

【符号の説明】

１…改質反応器、２，２Ａ…燃焼器、３…燃焼触媒部、
４…水蒸気改質触媒部、５…空気用配管、６…空気用開
閉弁、７…炭化水素用配管、８…炭化水素用開閉弁、９
…水用配管、１０…水用開閉弁、１１…改質ガス用配
管、１２…逆止弁、１３…排ガス用配管、１４…ガス供
給配管、１５…流路、１６…入口孔、１７…出口孔、１
０１…燃料ポンプ、１０２…水ポンプ、１０３…空気ブ
ロワ、１０４…気化器、１０５…改質反応器、１０６…
一酸化炭素除去器、１０７…一酸化炭素除去器用空気ブ
ロワ、１０８…燃料極ガス用加湿器、１０９…燃料極ガ
ス加湿用水ポンプ、１１０…燃料電池、１１１…燃焼器
用ブロワ、１１２…燃焼器、２０１…酸素極用空気ブロ
ワ、２０２…酸素極空気加湿用水ポンプ、２０３…酸素
極用加湿器、２０４…気水分離器、２５１…燃料電池用
直交変換器、２５２…交流負荷、２５３…電力貯蔵手
段、２５４…電力貯蔵手段用直交変換器、２７１…冷却
水循環用水ポンプ、２７２…燃料電池１１０内の熱交換
器、２７３…熱負荷、３０１…センサ、３０２…温度
計、３０３…コントローラー。

フロントページの続き (72)発明者河野一重茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者加茂友一茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EA07 EB23 EB46 EC01 5H027 AA02 BA01 BA09 KK42 MM12 MM13 MM14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質反応器内に供給した炭化水素と空気
との反応熱により改質ガスを発生させる燃焼触媒部と、
前記反応熱と燃焼器からの燃焼熱とにより炭化水素と水
蒸気とを反応させて新たな改質ガスを発生させる水蒸気
改質触媒部とを備え、前記燃焼触媒部と前記水蒸気改質
触媒部とが接触する接触面を、前記水蒸気改質触媒部の
縦断面積の周辺部から中心部に行くに従い前記縦断面積
の軸方向寸法が順次短くなるような円錐形状を形成して
いることを特徴とする燃料改質器。
【請求項２】前記燃焼触媒部と前記水蒸気改質触媒部
とが接触する接触面が、前記水蒸気改質触媒部の縦断面
積の周辺部から中心部に行くに従い前記縦断面積の軸方
向寸法が順次短くなるような円錐形状をなすと共に、前
記改質ガス及び炭化水素などが通過し得る孔を有する仕
切板を燃料改質器内に設置することを特徴とする請求項
１記載の燃料改質器。
【請求項３】改質反応器内に供給した炭化水素と空気
との反応熱により改質ガスを発生させる燃焼触媒部と、
前記反応熱と燃焼器からの燃焼熱とにより炭化水素と水
蒸気とを反応させて新たな改質ガスを発生させる水蒸気
改質触媒部とを備え、板状に形成した前記燃焼触媒部に
は前記炭化水素と空気を中央部の一端から周辺部に流通
し、前記周辺部から再び中央部の他端に流す貫通孔から
なる渦巻き状の流路を形成し、前記流路の端部の夫々に
炭化水素と空気などを流入する入口孔と前記水蒸気改質
触媒部に改質ガスと水蒸気などを流出させる出口孔とを
設けることを特徴とする燃料改質器。
【請求項４】前記改質反応器の外周を前記燃焼器によ
り包囲する二重管構造とすることを特徴とする請求項１
から３のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項５】前記改質反応器の原料入口側に貴金属触
媒を、出口側に銅及び亜鉛又はニッケルを含む改質触媒
を配置することを特徴とする請求項１から４のいずれか
１項に記載の燃料改質器。
【請求項６】前記炭化水素がメタノールであることを
特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料
改質器。
【請求項７】炭化水素と空気及び水蒸気とを反応させ
て水素を主成分とする改質ガスを燃料改質器で製造し、
前記改質ガスの一部に含有する一酸化炭素を選択酸化器
により燃焼し、一酸化炭素を除去した前記改質ガスと加
湿空気との夫々を燃料電池の電極に供給し、前記燃料電
池により電力及び水と排ガスを発生する燃料電池システ
ムにおいて、前記燃料改質器は燃焼触媒部と水蒸気改質
触媒部とを備え、前記燃焼触媒部と水蒸気改質触媒部と
の接触面は前記燃焼触媒部の反応熱が効率良く前記水蒸
気改質触媒部に伝達する形状を有し、前記水蒸気改質触
媒部を暖める燃焼器に前記排ガスを供給することを特徴
とする燃料電池システム。
【請求項８】前記燃料改質器に温度測定手段を設け、
前記温度測定手段の測定結果により前記燃料改質器及び
前記燃焼器に供給する前記炭化水素と水蒸気及び空気と
を有する原料及び前記排ガスの供給量を、供給通路に設
けた開閉弁の開閉制御器で制御することを特徴とする請
求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】前記炭化水素がメタノールであることを
特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】前記燃料改質器をモーターを搭載した
電気自動車に使用することを特徴とする請求項７から９
のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】前記炭化水素が天然ガスであることを
特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の燃
料電池システム。