JP2003217639A - 燃料電池用改質器 - Google Patents

燃料電池用改質器

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JP2003217639A
JP2003217639A JP2002012023A JP2002012023A JP2003217639A JP 2003217639 A JP2003217639 A JP 2003217639A JP 2002012023 A JP2002012023 A JP 2002012023A JP 2002012023 A JP2002012023 A JP 2002012023A JP 2003217639 A JP2003217639 A JP 2003217639A
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temperature
catalyst
fuel cell
reformer
particles
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Katsuki Yagi
克記 八木
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、触媒層の温度を測定し、もって反応
進行度の予測精度を向上しえることを課題とする。 【解決手段】加熱用高温ガス流路を有した筒状容器16
と、前記筒状容器16の内側に配置されたバーナ18
と、前記筒状容器16の長手方向に沿って筒状に配置さ
れた複数の触媒粒子19からなる触媒層20と、前記触
媒層20の外側に配置され、前記触媒層20を断熱する
ための断熱体を挟んでなる二重円筒11と、改質ガスの
出口近傍にある触媒粒子26の外表面あるいは内部の温
度を測定する温度測定素子とを具備することを特徴とす
る燃料電池用改質器。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に、炭化水素系
の原料ガスを、分散電源用燃料電池発電システムにおい
て使用される改質ガスに改質する燃料電池用改質器に関
する。
【0002】
【従来の技術】周知の如く、天然ガス等の炭化水素系ガ
スに水蒸気を添加した後、加熱された改質触媒により水
素リッチな改質ガスを生成する燃料電池用改質器が知ら
れている。なお、得られた改質ガスは、更に化学反応に
より一酸化炭素を除去された後、燃料電池へ供給され
る。従来、こうした燃料電池用改質器においては、改質
触媒を経た改質ガス温度を測定して反応進行度を制御し
ていた。
【0003】ところで、前記改質触媒における改質反応
は吸熱反応であり、また反応が触媒表面及び触媒内部で
生じているため、触媒温度は周囲ガス温度よりも低く、
周囲ガス温度を用いて算出される改質ガスの平衡組成と
ずれる問題があった。また、反応進行度はシステム全体
の運転条件を決定するための重要な制御パラメータであ
るが、周囲ガスの測定温度からの予測精度が悪いという
問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした事情
を考慮してなされたもので、改質ガスの出口近傍にある
触媒粒子の外表面あるいは内部の温度を測定する温度測
定素子を設置することにより、触媒層の温度を測定し、
もって反応進行度の予測精度を向上しえる燃料電池用改
質器を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、加熱用高温ガ
ス流路を有した筒状容器と、前記筒状容器の内側に配置
されたバーナと、前記筒状容器の長手方向に沿って筒状
に配置された複数の触媒粒子からなる触媒層と、前記触
媒層の外側に配置され、前記触媒層を断熱するための断
熱体を挟んでなる二重円筒と、改質ガスの出口近傍にあ
る触媒粒子の外表面あるいは内部の温度を測定する温度
測定素子とを具備することを特徴とする燃料電池用改質
器である。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、本発明について更に詳しく
説明する。本発明において、前記筒状容器としては、加
熱用高温ガス流路を有し,筒状の外側筒体とこの外側筒
体の内側に該外側筒体と間隔をあけて配置された筒状の
内側筒体とを有した二重円筒状の容器の場合(図1参
照)と、加熱用高温ガス流路を有し,筒状の外側筒体と
この外側筒体の内側に該外側筒体と間隔をあけて配置さ
れた筒状の内側筒体と前記外側筒体、内側筒体間に配置
された筒状の中間筒体とを有する三重円筒状の容器の場
合(図6参照)とがある。前者の場合は伝熱壁を挟んで
高温ガスは容器の内側寄りを通過し、後者の場合は伝熱
壁を挟んで高温ガスは容器の外側寄りを通過する。
【0007】本発明において、前記温度測定素子として
は、触媒粒子の表面に形成された貴金属製配線と、この
配線の両端子に夫々接続された導線とを有したものが挙
げられる。こうした構成の温度測定素子では、両端子間
の抵抗変化を測定することにより触媒層の温度を求め
る。前記配線の材料としては、例えばPt(白金)等の
貴金属が挙げられる。
【0008】また、温度測定素子としては、触媒反応を
起こすダミー用粒子を触媒粒子と混ぜ、前記ダミー用粒
子に前記温度測定素子を埋め込んで触媒層の温度を求め
ることもできる。ここで、ダミー用粒子の材質として
は、ニッケル(Ni)や、ルテニウム(Ru)等の貴金
属、あるいは銅の表面にNiメッキしたもの、あるいは
SUSやFeにNiメッキ、蒸着したものが挙げられる
が、コストの点ではRuよりNiを利用することがが好
ましい。前記温度測定素子は2個以上用いることが、温
度を正確に測定する点で好ましい。
【0009】本発明において、温度測定素子は、改質ガ
スの出口近傍にある触媒粒子の外表面あるいは内部の温
度を測定するように配置する。この理由は、図4の点線
で示すように、一般に触媒層51を囲む内壁52及び外
壁53の温度分布を測定すると、外壁53から内壁52
に向うにつれて温度がなだらかに(カーブを描くよう
に)上昇し、内壁52の温度は外壁53に比べて高くな
るが、出口近傍の温度はそのカーブの平均温度に近いか
らである。
【0010】本発明において、温度測定素子により触媒
粒子の表面又は内部を測定するのは、下記式(4)によ
る計算の結果、吸熱による触媒表面と周囲ガス温度との
差が反応の激しい触媒層出口側付近で約6.7℃と大き
いからである。なお、触媒粒子内部の温度差は約0.2
℃となった。また、6.7℃の温度差による転化率のず
れは、±2%程度である。
【0011】次に、1kWe級燃料電池発電システムの
改質器を計算例として、触媒表面温度T(r)(但し、
rは方向を示す変数で、r=0は触媒粒子の中心を示
す)と周囲ガス温度Tgとの差を計算した(図5参
照)。図5において、Rは触媒粒子の半径を示す。但
し、反応による吸熱は触媒体積あたりの平均とし、粒子
内で一様にする。また、周囲ガスと触媒粒子との熱伝達
は対流によるもののみを考慮する。
【0012】熱伝導率λ、方向r、触媒温度T及び単位
体積あたりの吸熱速度Sとの関係は、次式(1)のよう
になる。
【0013】 (λ/r)・(d/dr)・{r・(dT/dr)}=−S …(1) 但し、境界条件は、 r=0 T=finite r=R λ・(dT/dr)=Nu・(λ/2R)・(T−T) 上式で 、 R=1.5×10−3[m] S=−11000[W/m]×(π×0.28)/{(π/4)・(0.3 −0.28)×0.6}[m/m] =1.8×10[W/m] λ(ガスの熱伝導率)=0.2[W/m/K], λ(触媒の熱伝導率)=4[W/m/K] T(ガスの温度)=600[℃],Nu(ヌッセルト数)=2 前記式(1)は、下記式(2)となる。 (d/dr)・{r・(dT/dr)}=−S・r2/λ …(2) 従って、 r・(dT/dr)=−S・r/3λ+C dT/dr=−S・r/3λ+C/r T=−S・r/6λ−C/r+C …(3) r=0でT=finiteよりC=0 従って、 C=T+SR/3λ+SR/6λ 従って、前記式(3)は、下記式(4)となる。 T=−S/6λ・(r−R)+SR/3λ+T …(4) 従って、T(r)=75000r+593.1 T(0)=593.1 T(R)=593.3 より、T(R)−T(0)=0.2℃ T−T(R)=6.7℃ このように、本発明においては、温度測定素子により改
質ガス出口近傍の触媒粒子の表面又は内部を測定するこ
とにより、改質ガス組成が測定温度における平衡組成と
ほぼ一致するため、反応進行度の予測精度が向上する。
また、正常時には平衡からのずれがほとんどない触媒の
劣化を検知することができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例に係る燃料電池用改質
器について図面を参照して説明する。 (実施例1)図1(A),(B)を参照する。ここで、
図1(A)は本実施例1に係る燃料電池用改質器の概略
的な断面図、図1(B)は図1(A)の要部の断面図を
示す。
【0015】図中の符番11は、外筒11aと内筒11
bからなり上部及び下部が夫々閉じられた二重円筒を示
す。この二重円筒11内には、断熱材(商品名:カオウ
ール、イソライト工業社製)12が収容されている。前
記二重円筒11の内側には、外側筒体13と、この外側
筒体13の内側に該外側筒体13と間隔をあけて配置さ
れた内側筒体14と、前記外側筒体13の底部を塞ぐ円
状の板部材15とから構成された二重円筒状の容器(筒
状容器)16が配置されている。
【0016】前記筒状容器16の内側筒体14の内側に
は、バーナ用保護筒17を介してバーナ18が配置され
ている。前記筒状容器16は、内部に図1(A)に示す
ように加熱用高温ガス流路aを有し,矢印(実線X)に
示すように高温ガスが流れるようになっている。前記二
重円筒11と外側筒体16との間の領域には、複数の粒
状粒子(改質触媒)19からなる触媒層20が形成され
ている。この触媒層20の下部には、ドーナツ状の底板
21が配置されている。
【0017】次に、図1(B)を参照して温度測定素子
について説明する。図1(B)に示すように、二重円筒
11の下部側の内筒1bの一部は開口され、その開口部
22に継ぎ板23が溶接されている。また、前記継ぎ板
23にはコンプレッションフィッティング24が溶接さ
れている。前記継ぎ板23及びコンプレッションフィッ
ティング24にはシース熱電対25が貫通され、その一
端は触媒層20の所定の触媒粒子(温度測定素子)26
に接続されている。ここで、触媒粒子26は、触媒層2
0の出口近傍に配置されている。なお、図中の符番27
は溶接部を示す。
【0018】触媒粒子26における温度測定素子の構成
は、図2に示すとおりである。図2中、符番28は、触
媒粒子26の表面に例えば蒸着により形成された貴金属
(例えばPt)からなる配線を示す。このPt製配線2
8の両端子29a,29bには、夫々導線30a,30
bが接続されている。このように、温度測定素子31
は、Pt製配線28と端子29a,29bと導線30
a,30bとから構成されている。
【0019】実施例1に係る燃料電池用改質器によれ
ば、図1及び図2に示すように、改質ガスの出口近傍に
ある触媒粒子25の外表面に、Pt製配線28と端子2
9a,29bと導線30a,30bとから構成された温
度測定素子31を配置した構成となっているため、両端
子29a,29b間の抵抗変化を測定して触媒温度を求
めることにより、触媒層20の温度を直接測定し、もっ
て反応進行度の予測精度を向上することができる。
【0020】(実施例2)図3を参照する。本実施例2
は、触媒反応を起こすダミー用粒子32を触媒層の出口
近傍の触媒粒子と混ぜ、前記ダミー用粒子32に温度測
定素子33を埋め込んで触媒層の温度を求めることを特
徴とする。前記ダミー用粒子32は例えばNi製であ
る。前記温度測定素子33は、ステンレス製(SUS3
04)である。
【0021】実施例2によれば、温度測定素子33をダ
ミー用粒子32の内部に埋め込んだ構成となっているた
め、実施例1と同様、触媒層20の温度を直接測定し、
もって反応進行度の予測精度を向上することができる。
【0022】なお、上記実施例では、筒状容器が二重円
筒状の容器の場合(図1参照)について述べたが、これ
に限らず、図6に示すように筒状容器が三重円筒状の容
器の場合でもよい。図6において、符番41は断熱材1
1を収容した有底の二重円筒を示す。この二重円筒41
の内側に三重円筒状の容器(筒状容器)42が配置され
ている。
【0023】筒状容器42は、円筒状の外側筒体43
と、この外側筒体43の内側に該外側筒体43と間隔を
あけて配置された筒状の内側筒体44と、前記外側筒体
43、内側筒体44間に配置された筒状の中間筒体45
とから構成されている。前記内側筒体44と外側筒体4
5の底部にはドーナツ状の板部材46が溶接により固定
されている。
【0024】
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、改
質ガスの出口近傍にある触媒粒子の外表面あるいは内部
の温度を測定する温度測定素子を設置することにより、
触媒層の温度を測定し、もって反応進行度の予測精度を
向上しえる燃料電池用改質器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施例1に係る燃料電池用改質
器の説明図。
【図2】図2は図1の燃料電池用改質器における温度測
定素子の説明図。
【図3】図3は本発明の実施例2に係る燃料電池用改質
器に置ける温度測定素子の説明図。
【図4】図4は本発明の燃料電池用改質器における触媒
層の温度制御の説明図。
【図5】図5は本発明の温度測定素子による測定原理
図。
【図6】図6は図1の燃料電池用改質器とは別の燃料電
池用改質器の説明図。
【符号の説明】
11,41…二重円筒、 11a…内筒、 11b…外筒、 13…外側筒体、 14…内側筒体、 16、42…筒状容器、 17…バーナ用保護筒、 18…バーナ、 19,26…触媒粒子、 20…触媒層、 20,30…仕切り板、 22…開口部、 23…継ぎ板、 24…コンプレッションフィッティング、 25…シース熱電対、 27…溶接部、 43…外側筒体、 44…内側筒体、 45…中間筒体、 46…板部材。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加熱用高温ガス流路を有した筒状容器
    と、前記筒状容器の内側に配置されたバーナと、前記筒
    状容器の長手方向に沿って筒状に配置された複数の触媒
    粒子からなる触媒層と、前記触媒層の外側に配置され、
    前記触媒層を断熱するための断熱体を挟んでなる二重円
    筒と、改質ガスの出口近傍にある触媒粒子の外表面ある
    いは内部の温度を測定する温度測定素子とを具備するこ
    とを特徴とする燃料電池用改質器。
  2. 【請求項2】 前記温度測定素子は、触媒粒子の表面に
    形成された貴金属製配線と、この配線の両端子に夫々接
    続された導線とを有し、両端子間の抵抗変化を測定して
    触媒層の温度を求めることを特徴とする請求項1記載の
    燃料電池用改質器。
  3. 【請求項3】 触媒反応を起こすダミー用粒子を触媒粒
    子と混ぜ、前記ダミー用粒子に前記温度測定素子を埋め
    込んで触媒層の温度を求めることを特徴とする請求項1
    記載の燃料電池用改質器。
  4. 【請求項4】 前記温度測定素子を2個以上用いること
    を特徴とする請求項1乃至請求項3いずれか1項記載の
    燃料電池用改質器。
  5. 【請求項5】 前記ダミー用粒子は、ニッケル製である
    ことを特徴とする請求項3記載の燃料電池用改質器。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101213046B1 (ko) 2012-09-18 2012-12-18 국방과학연구소 연료 개질기의 제어 방법
KR20190056941A (ko) * 2017-11-17 2019-05-27 한국에너지기술연구원 원료 예열부 일체형 수증기 개질기

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