JP2004018357A - 改質反応器システム - Google Patents

Abstract

【課題】改質反応器における改質効率を向上させる。
【解決手段】改質反応器１の加熱室１１の下流に燃焼触媒１３を担持させ、燃料電池スタック４のアノードオフガスの一部を、燃焼器６をバイパスするバイパス通路１６を介して改質反応器１の加熱室１１に供給するようにした。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素化合物を水素リッチな燃料ガスに改質する改質反応器システムに関し、特に、改質反応器の改質触媒層の加熱に好適な改質反応器システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から改質反応器の改質触媒層を加熱するため、燃焼器を作動させる方法が提案されており、例えば、特開２００１−２２３０１６号公報に記載されたものがある。
【０００３】
これは、改質反応器により水素の豊富な燃料ガスを生成し、燃料ガスの一部は燃料電池スタックで消費され、スタックから排出されて燃焼器に供給される。燃焼器には、さらに、炭化水素の燃料と、燃料電池スタックへ供給される水素の豊富な燃料ガスとが供給される。燃焼器への水素の豊富な燃料ガスの量は、改質反応器の温度に従って調整するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、改質反応器、シフト反応器および酸化反応器等の反応チャンバ内における層状通路に燃焼器からの燃焼ガスを供給するものであるため、燃焼ガスは反応チャンバ内の層状通路を進むに連れて顕熱が消費されて温度低下するものであった。このため、例えば、改質反応器に改質反応のための熱を均等に供給できず、改質反応器内の温度分布が大きくなり、十分に燃料転化率を上昇させることが難しいものであった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、改質反応器における改質効率向上に好適な改質反応器システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、原燃料を改質触媒内に通過させて水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質触媒層と、燃料電池スタックの排ガスを燃焼させる燃焼器の燃焼ガスを通過させて改質触媒層を加熱する加熱室とからなる改質反応器の加熱室の下流に燃焼触媒を担持させ、燃料電池スタックのアノードオフガスの一部を、燃焼器をバイパスするバイパス通路を介して改質反応器の加熱室に供給するようにした。
【０００７】
【発明の効果】
したがって、本発明では、改質反応器の加熱室の下流に燃焼触媒を担持させ、燃料電池スタックのアノードオフガスの一部を、燃焼器をバイパスするバイパス通路を介して改質反応器の加熱室に供給するようにした。このため、改質反応器の改質触媒層の上流では、加熱室上流に流れ込む高温の燃焼ガスにより水蒸気改質が進み、水蒸気改質が進むと吸熱も進むため改質触媒内の温度も下流に行くに連れて下がり改質が進み難くなる。しかしながら、加熱室下流に担持した燃焼触媒が燃焼ガスと共に供給されたアノードオフガスを燃焼させ、改質触媒の下流において再度温度が上昇して改質が継続される。このため、改質原料の未反応分が発生せず、改質効率が向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の改質反応器システムを各実施形態に基づいて説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
図１〜３は、本発明を適用した第１の実施形態の改質反応器システムを示し、図１は改質反応器システムのシステム構成図、図２は改質反応器の改質触媒層内の温度分布を示すグラフ、図３は改質反応器システムの変形例を示すシステム構成図である。
【００１０】
図１において、本実施形態の改質反応器システムは、プレートフインタイプの熱交換型反応器からなる改質反応器１と、改質反応器１よりの改質ガスのＣＯ濃度を低下させるＣＯ選択酸化器２と、ＣＯ選択酸化器２よりの改質ガス中の水素とエアコンプレッサ３よりの空気中の酸素との電気化学的反応により電力を取出す燃料電池スタック４とを備える。また、前記改質反応器１の改質触媒層１０に気化された原燃料と水と供給する蒸発器５と、蒸発器５を加熱すると共に燃焼ガスを改質反応器１の加熱室１１に供給する燃焼器６と、原燃料タンク７および水タンク８から夫々原燃料および水をプリヒートして気化された原燃料と水を発生させ蒸発器５に供給する熱交換器９とを備える。
【００１１】
前記改質反応器１は、蒸発器５より供給された気化された原燃料および水を、内蔵する改質触媒１２による水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質触媒層１０と、改質触媒層１０の水蒸気改質反応に必要な熱を供給する加熱室１１とを交互に複数組積層して備える。加熱室１１はガス流れ方向中間部より下流側位置にのみに燃焼触媒１３を担持して備える。加熱室１１は燃焼器６より燃焼ガス通路１４を経由して供給される燃焼ガスの熱により改質触媒層１０を加熱する一方、下流側位置に担持した燃焼触媒１３により燃焼ガス等の未燃焼成分を燃焼させて改質触媒層１０の下流側を引続き加熱するようにしている。加熱室１１を通過した燃焼ガスは前記熱交換器９を残余の熱で加熱する。加熱室１１には、燃料電池スタック４の排ガスを燃焼器６に供給するアノードオフライン１５を分岐して燃焼器６をバイパスするバイパス通路１６を経由してアノードオフガスを導入可能としている。導入したアノードオフガスは前記燃焼触媒１３により燃焼させる。アノードオフガスの導入量はバイパス通路１６に挿入された流量制御バルブ１７により制御する。
【００１２】
前記ＣＯ選択酸化器２は、図示しないシフト反応器とＰｒＯｘ反応器とを備え、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。即ち、シフト反応器において一酸化炭素と水を反応させて、二酸化炭素と水素に生成し、引続き、ＰｒＯｘ反応器において改質ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化し、その濃度を低減させる。
【００１３】
前記燃料電池スタック４は、ＣＯ選択酸化器２よりの改質ガス中の水素とエアコンプレッサ３よりの空気中の酸素との電気化学的反応から電力を取出し、図示しない自動車のモータ若しくはバッテリに供給する。燃料電池スタック４の排ガスは（アノードオフガスおよびカソードオフガス）夫々のオフライン１５、１８を経由して前記燃焼器６に供給して燃焼器６内で燃焼させる。アノードオフガスは、燃焼器６に供給する他、バイパス通路１６および流量制御バルブ１７を経由して改質反応器１の加熱室１１にも供給し、加熱室１１の燃焼触媒１３によって燃焼させる。
【００１４】
前記燃焼器６は、前記アノードオフガスおよびカソードオフガスの未燃焼ガスを燃焼させてその燃焼ガスを改質反応器１の加熱室１１に供給する。燃焼器６は、また、蒸発器５を加熱して熱交換器９でプリヒートされた原燃料および水を蒸発器５で気化させて改質反応器１の改質触媒層１０に供給させる。
【００１５】
以上の構成になる改質反応器システムの作動について説明する。
【００１６】
改質反応器１の改質触媒層１０には、蒸発器５により気化された原燃料と水との混合物が投入される一方、改質反応器１の加熱室１１には燃焼器６の燃焼ガスとバイパス通路１６および流量制御バルブ１７を経由したアノードオフガスとの混合ガスが供給される。
【００１７】
改質触媒層１０では、原燃料が先ず最上流部分から水蒸気改質され始め、順次改質されながら下流に向かって流れる。加熱室１１では、混合ガスがその顕熱を改質触媒層１０に供給しつつ下流に流れ、担持した燃焼触媒１３を通過する際には混合ガス中の未燃焼成分を含むアノードオフガスが燃焼される。
【００１８】
加熱室１１の混合ガスの温度は、図２に示すように、最上流で高く、下流に移るに連れて改質触媒層１０での改質反応のために消費されて温度が低下してゆく。そして、混合ガスが加熱室１１の後半部分に担持した燃焼触媒１３に達すると、未燃焼成分を含むアノードオフガスが燃焼されて混合ガスの温度は再び上昇され、以後、下流に移るに連れて改質触媒層１０での改質反応のために消費されて温度が低下してゆく。このため、加熱室１１の温度が低下してしまい、改質触媒層１０へ顕熱を供給できない事態が避けられ、改質触媒層１０での原燃料の水蒸気改質は、改質触媒層１０の最上流から最下流まで万遍なく継続される。従って、従来のように、改質されずに未反応状態で排出されてしまう原料がなくなり、改質の効率が上昇して、自動車システムとしては、燃費の向上や改質器システム自体の小型化ができるという特徴を発揮する。
【００１９】
図３は本実施形態の改質反応器システムの変形例を示すものであり、燃焼器６の燃焼ガスを改質反応器１の加熱室１１に供給する燃焼ガス通路１４に燃焼ガスの流量を調整可能な流量制御バルブ１９を追加したものである。
【００２０】
この変形例によれば、改質反応器１の加熱室１１に供給する混合ガスは、燃焼器６の燃焼ガスとアノードオフガスとの混合割合を調節することで、最上流温度および中流温度を任意に調節することができる。このため、改質反応の負荷に応じて加熱条件を調整することができる。
【００２１】
本実施形態においては、下記に記載した効果を奏することができる。
【００２２】
（ア）原燃料を内蔵した改質触媒１２内を通過させて水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質触媒層１０と、燃料電池スタック４の排ガスを燃焼させる燃焼器６の燃焼ガスを通過させて改質触媒層１０を加熱する加熱室１１とからなる改質反応器１において、改質反応器１の加熱室１１の下流に燃焼触媒１３を担持させ、燃料電池スタック４のアノードオフガスの一部を、燃焼器６をバイパスするバイパス通路１６を介して改質反応器１の加熱室１１に供給するようにしている。このため、改質反応器１の改質触媒層１０の上流では、加熱室１１上流に流れ込む高温の燃焼ガスにより水蒸気改質が進み、水蒸気改質が進むと吸熱も進むため改質触媒内の温度も下流に行くに連れて下がり改質が進み難くなる。しかしながら、加熱室１１下流に担持した燃焼触媒１３が燃焼ガスと共に供給されたアノードオフガスを燃焼させ、改質触媒１２の下流において再度温度が上昇して改質が継続される。従って、改質原料の未反応分が発生せず、改質効率が向上する。
【００２３】
（イ）図３に示す改質反応器システムでは、燃焼器６から改質反応器１に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路１４とバイパス通路１６とに、夫々の流量を調整する流量制御バルブ１７、１９を設けているので、加熱室１１に投入する燃焼器６の燃焼ガスと燃料電池４のアノードオフガスとの比を自由に変更させることができ、加熱室１１上流と加熱室１１下流との温度分布を調整することができ、運転負荷に応じて常に最適な温度分布を実現することができる。
【００２４】
（第２実施形態）
図４〜６は、本発明を適用した第２の実施形態の改質反応器システムを示し、改質反応器１の改質ガスを燃料電池スタック４に供給する経路に、ＣＯ選択酸化器を経由させることに代えて水素分離器２０を経由させるようにしたものである。図４は改質反応器システムのシステム構成図、図５は第２実施形態の改質反応器システムの第１の変形例のシステム構成図、図６は第２、３の変形例を示すシステム構成図である。なお、第１の実施形態と同一部品には同一符号を付して説明を簡略化し、新規な部分について詳細に説明する。
【００２５】
図４において、本実施形態の改質反応器システムは、水素分離器２０を経由して改質反応器１の改質ガスを燃料電池スタック４に供給するようにしている。前記水素分離器２０は、水素分離膜２１により区画して一次側２２と二次側２３との室を備え、いずれか一方の水素分圧が他方の水素分圧より高い場合に、水素分圧の低い側へ水素を選択的に透過させて水素分圧をバランスさせるよう機能する。この実施形態の水素分離器２０は、一次側２２に改質反応器１の改質ガスを供給し、二次側２３の水素分圧に対して一次側２２の水素分圧が上昇するとき水素分離膜２１を透過させて一次側２２の水素を二次側２３へ移動させるよう作動する。
【００２６】
また、燃料電池スタック４のアノードオフガスは、循環ポンプ２５を経由して水素分離器２０の一次側２２に戻され、循環ポンプ２５により水素分離器２０の一次側２２は高圧となる。さらに、水素分離器２０の一次側２２はガス流路１５Ａを介して燃焼器６およびバイパス通路１６を介して改質反応器１の加熱室１１に供給される。
【００２７】
以上の構成においては、改質反応器１により改質された改質ガスは水素分離器２０の一次側２２に送られ、その改質ガス中の水素は水素分離膜２１を透過して二次側２３に移動し、アノードガスとして燃料電池スタック４に供給される。燃料電池スタック４のアノードオフガスは循環ポンプ２５で水素分離器２０の一次側２２に戻される。循環ポンプ２５で高圧となった一次側２２のガスは、上記のように再度水素分離膜２１により二次側２３に水素を透過させる一方、ガス流路１５Ａを介して燃焼器６に供給され、燃焼ガス流路１４、バイパス通路１６および流量調整弁１７、１９を経由して改質反応器１の加熱室１１に混合ガスとして供給される。
【００２８】
燃焼器６及び改質反応器１の加熱室１１に供給する水素分離器２０の一次側２２のガスは、循環ポンプ２５により高圧となっており、過渡応答時には、瞬時に一次側２２のガスおよび燃焼器６からの燃焼ガスを加熱室１１に供給でき、改質触媒層１０を瞬時に加熱することができ、改質反応器システムとして、応答性を向上できる。また、一次側２２のガスは、燃料電池スタック４を経由しないで直接供給されるため、その分の経路が短く、応答性を向上できる。
【００２９】
図５に示す第１の変形例は、図４の実施形態の改質反応器システムにおいて、改質反応器１の加熱室１１の燃焼触媒１３の最上流に温度センサ２６を設け、燃焼触媒１３が触媒活性化温度未満である場合には、燃焼ガス通路１４の流量調整弁１９は開弁したまま、バイパス通路１６の流量調整弁１７を閉弁させるようにしたものである。
【００３０】
この第１の変形例では、起動時等において、温度センサ２６による燃焼触媒１３の温度が触媒活性化温度未満である場合には、バイパス通路１６の流量調整弁１７を閉弁させる一方、燃焼ガス通路１４の流量調整弁１９は開弁させ、温度センサ２６による燃焼触媒１３の温度が触媒活性化温度に達した場合には、バイパス通路１６の流量調整弁１７を設定した開度に開弁させる一方、燃焼ガス通路１４の流量調整弁１９は通常開度に開弁させる。このため、もし、燃焼触媒１３が活性化温度に達しないうちに、水素分離膜２１の一次側２２のガスを改質反応器１の加熱室１１に投入してしまうと、燃焼触媒１３でのガス燃焼が発生せずに、排気されてしまうことを防止できる。
【００３１】
図６に示す第２の変形例は、図４の実施形態の改質反応器システムにおいて、改質反応器１の加熱室１１の最上流に温度センサ２７を設け、燃料電池４の定常低負荷運転時には、温度センサ２７が所定の温度になるように、燃焼ガス通路１４の流量調整弁１９は開弁したまま、バイパス通路１６の流量調整弁１７を閉弁させるようにしたものである。
【００３２】
この第２の変形例では、定常低負荷運転時において、温度センサ２７による加熱室１１の温度が改質触媒層１０での改質が得られる温度未満である場合には、バイパス通路１６の流量調整弁１７を閉弁させる一方、燃焼ガス通路１４の流量調整弁１９は開弁させ、温度センサ２７による温度が改質温度に達した場合には、バイパス通路１６の流量調整弁１７を設定した開度に開弁させる一方、燃焼ガス通路１４の流量調整弁１９を通常開度に開弁させる。水素分離器２０の一次側２２の排気ガスはすべて燃焼器６へ供給でき、燃焼ガスによって加熱室１１の上流を加熱できる。このため、改質反応器１の加熱室１１での加熱量に対する放熱の割合が大きく改質温度が確保しにくい定常低負荷運転においても、十分な改質性能を維持できる。
【００３３】
図７に示す第３の変形例は、図４の実施形態の改質反応器システムにおいて、改質反応器１の加熱室１１と燃焼触媒１３との両者の最上流に温度センサ２６、２７を設ける。そして、燃料電池４の高負荷運転時には、予め改質効率が最も良くなる温度条件を図示しないコントローラに記憶させ、温度センサ２６、２７の温度が記憶した温度条件と一致するよう燃焼ガス通路１４とバイパス通路１６とに配置した流量調整弁１７、１９の各開度を調整するようにしたものである。
【００３４】
本来、高負荷運転時においては、改質反応器１の改質触媒層１０の温度は入口部で高いが改質が進む下流において低下して改質が進まなくなり、原料が未反応の状態で多く排出される。
【００３５】
しかしながら、この第３の変形例では、改質反応器１の加熱室１１の下流に坦持させた燃焼触媒１３により、燃焼ガスと同時に供給された水素分離器２０の一次側２２のガスを再度燃焼させて、改質触媒層１０の下流での温度を再度上昇させて改質反応が継続される。そして、改質反応器１の改質触媒層１０の温度分布が予め改質効率が最も良くなる温度条件となるよう各温度センサ２６、２７の計測温度に基づき燃焼ガス通路１４とバイパス通路１６との流量調整弁１７、１９の各開度を調整するため、改質原料の未反応分が発生せず、改質効率を向上できる。
【００３６】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて、下記に記載する効果を奏することができる。
【００３７】
（ウ）改質反応器１の改質ガスは、二次側２３が燃料電池スタック４のアノードに連通される水素分離膜２１の一次側２２に供給され、燃料電池スタック４のアノードオフガスを水素分離膜２１の一次側２２に循環させ、一次側２２から燃焼器６およびバイパス通路１６に供給するため、燃焼器６および加熱室１１に高圧で水素分離膜２１の一次側２２の改質ガスを供給でき、過渡応答時に瞬時に一次側２２の改質ガス（アノードオフガス）および燃焼器６の燃焼ガスを加熱室１１に供給して改質触媒１２を早急に加熱することができ、改質器システムとして、応答性が向上する。しかも、一次側２２の改質ガス（アノードオフガス）は燃料電池スタック４を経由することなく供給できるため、経路が短く応答性を向上できる。
【００３８】
（エ）図５に示す改質反応器システムにおいては、加熱室１１の燃焼触媒１３を担持している範囲で最も上流側に温度センサ２６を設け、起動時には、温度センサ２６からの温度が触媒活性化温度に上がるまで、バイパス通路１６の流量制御バルブ１７を閉とし、燃焼ガス通路１４の流量制御バルブ１９を開とするため、燃焼室１１内の燃焼触媒１３が活性化温度に達しないうちに水素分離膜２１の一次側２２の排ガスを燃焼室１１に投入してしまうことに起因して、燃焼触媒１３での排ガス燃焼が行われずに排気されてしまうことが防止できる効果を有する。
【００３９】
（オ）図６に示す改質反応器システムにおいては、加熱室１１の上流側の入口部分に温度センサ２７を設け、定常低負荷時においては、温度センサ２７が所定の温度になるように、バイパス通路１６の流量制御バルブ１７を閉じ、燃焼ガス通路１４の流量制御バルブ１９を開とする。このため、通常低負荷運転においては、改質反応器１の加熱室１１での加熱量に対する放熱の割合が大きく、改質温度が確保しにくいが、温度センサ２７により十分な改質温度が得られるように、水素分離膜２１からの排気ガスはすべて燃焼器６へ供給して加熱室１１上流を加熱して、低負荷時においても十分な改質性能を維持できる。
【００４０】
（カ）図７に示す改質反応器システムにおいては、加熱室１１の燃焼触媒１３の上流端と加熱室１１入口部分とに夫々温度センサ２６、２７を設け、高負荷運転時においては、夫々の温度センサ２６、２７による温度が、改質触媒１２の耐熱上限温度に近くなるように、バイパス通路１６と燃焼ガス通路１４との流量制御バルブ１７、１９の開度を制御する。本来、高負荷運転時においては、改質触媒１２の入口部は高いが改質が進むと下流においては温度が下がり、改質が進まなくなるため、原料が未反応の状態で多く排出される。しかし、本改質反応器システムでは、加熱室１１の下流に燃焼触媒を１３坦持し、燃焼ガスと同時に供給された水素分離膜２１の一次側２２の排ガスがそこで再度燃焼して改質触媒１２の下流で再度温度を上昇させて改質が継続される。従って、改質原料の未反応分が発生せず、改質効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す改質反応器システムの概略構成図。
【図２】同じく改質反応器の改質触媒層内の温度分布を示すグラフ。
【図３】第１実施形態の変形例を示す改質反応器システムの概略構成図。
【図４】本発明の第２実施形態の改質反応器システムの概略構成図。
【図５】第２実施形態の変形例を示す改質反応器システムの概略構成図。
【図６】第２実施形態の第２の変形例を示す改質反応器システムの概略構成図。
【図７】第２実施形態の第３の変形例を示す改質反応器システムの概略構成図。
【符号の説明】
１　改質反応器
２　ＣＯ選択酸化器
４　燃料電池スタック
５　蒸発器
６　燃焼器
１０　改質触媒層
１１　加熱室
１３　燃焼触媒
１４　燃焼ガス通路
１５　アノードオフライン
１５Ａ　ガス流路
１６　バイパス通路
１７、１９　流量制御弁
２０　水素分離器
２１　水素分離膜
２２　一次側
２５　循環ポンプ
２６、２７　温度センサ

Claims (6)

1. 燃料電池スタックのアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼させて得られる燃焼ガスを改質反応器に供給する燃焼器と、供給された原燃料を改質触媒に通過させて水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質触媒層および前記燃焼ガスを通過させて改質触媒層を加熱する加熱室からなる改質反応器とを備えた改質反応器システムにおいて、
   前記改質反応器の加熱室の下流に燃焼触媒を担持させ、
   前記燃焼器に供給するアノードオフガスの一部を、燃焼器をバイパスするバイパス通路を介して改質反応器の加熱室に供給することを特徴とする改質反応器システム。
2. 前記燃焼器から改質反応器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス通路とバイパス通路とに、夫々の流量を調整する流量制御バルブを設けたことを特徴とする請求項１に記載の改質反応器システム。
3. 改質反応器の改質ガスは、二次側が燃料電池スタックのアノード側に連通する水素分離膜の一次側に供給され、燃料電池スタックのアノードオフガスを水素分離膜の一次側に循環させ、一次側から燃焼器およびバイパス通路に供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の改質反応器システム。
4. 加熱室は、燃焼触媒を担持している範囲で最も上流側に温度センサを備え、
   起動時には、温度センサからの温度が触媒活性化温度に上がるまで、バイパス通路の流量制御バルブを閉とし、燃焼ガス通路の流量制御バルブを開とすることを特徴とする請求項３に記載の改質反応器システム。
5. 加熱室は、上流側の入口部分に温度センサを備え、
   定常低負荷時においては、温度センサが所定の温度になるように、バイパス通路の流量制御バルブを閉じ、燃焼ガス通路の流量制御バルブを開とすることを特徴とする請求項３に記載の改質反応器システム。
6. 加熱室は、燃焼触媒の上流端と加熱室入口部分とに夫々温度センサを備え、
   高負荷運転時においては、夫々の温度センサによる温度が、改質触媒の耐熱上限温度に近くなるように、バイパス通路と燃焼ガス通路との流量制御バルブの開度を制御することを特徴とする請求項３に記載の改質反応器システム。

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