JP2005067975A

JP2005067975A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2005067975A
Application number: JP2003302323A
Authority: JP
Inventors: Isao Nakagawa; 功夫中川
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】燃料改質装置全体をコンパクトにしつつ、メタネーション反応を抑止する。
【解決手段】原燃料ガスを水素リッチな改質ガスに転化する改質器１と、改質器にて改質された改質ガス中のＣＯを低減させるＣＯ変成器３とを連結するための改質ガス用連通管６と、改質ガスを冷却するための冷媒を流通させる冷媒流通管とを燃料改質装置に設け、改質ガス用連通管６と、冷媒流通管とを二重円筒管構造により構成する。好ましくは、例えば、二重円筒管の内側の管に改質ガスを流通させ、二重円筒管の外側の管に冷媒として純水を流通させる。更に好ましくは、外側の管を通過した純水が、改質器３に供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば都市ガス、ＬＰＧのような原燃料ガスを水素リッチな改質ガスに転化（水蒸気改質）する改質器と、その改質器にて改質された改質ガス中のＣＯを低減させるＣＯ変成器とを連結するための改質ガス用連通管と、改質ガスを冷却するための冷媒を流通させる冷媒流通管とを具備する燃料改質装置に関し、特には、燃料改質装置全体をコンパクトにしつつ、メタネーション反応を抑止することができる燃料改質装置に関する。

従来、固体高分子形燃料電池システム用の燃料改質装置における改質器およびＣＯ変成器では、ＣＯ変成器の発熱反応熱を触媒層内部で除熱する構造や、ＣＯ変成器の外壁部に冷却構造を取り付けたもの、あるいは、改質器とＣＯ変成器との間に熱交換器を設置することにより、ＣＯ変成部での温度を調整していた。

図５は従来のシステムの概要を示した図である。図５において、１は改質器、２は改質触媒層、３はＣＯ変成器、４はＣＯ変成触媒層、５はＣＯ除去器である。図５に示すように、従来のシステムにおいては、都市ガスと改質用水（純水）とを予め混合した原燃料が、改質器１に供給される。その原燃料は、改質触媒層２において水素リッチな改質ガスに変換される。改質ガスは、通常４００℃〜６００℃の温度で改質器１から排出される。ＣＯ変成触媒層４においてメタネーション反応が起こらない３５０℃程度まで改質ガスの温度を下げるために、従来においては、熱交換器（１）あるいは熱交換器（２）が設けられ、それらにより、改質ガスの温度とＣＯ変成触媒層４の温度とが制御されていた。

また、近年、家庭用の燃料電池では、システム全体の窒素パージレス化に向けて、ＣＯ変成触媒として貴金属系触媒を採用するケースが増加している。ＣＯ変成触媒として採用される貴金属系触媒の例としては、例えばＰｔ系触媒が知られている。Ｐｔ系触媒が用いられる場合には、高温の改質ガスが冷却されることなくそのまま触媒層内に流通せしめられると、改質ガス中のＣＯとＨ_２とによってメタネーション反応（ＣＯ＋３Ｈ_２→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ）が促進されてしまう。メタネーション反応においては、ＣＯ変成反応と同様に、ＣＯを低減することができるものの、Ｈ_２が消費されてＣＨ_４が生成されてしまう。つまり、改質器において改質して得られた改質ガス中のＨ_２がＣＨ_４のような炭化水素に再び変えられてしまう。つまり、改質器における改質反応が無駄になってしまう。そのため、メタネーション反応の発生を回避する必要がある。更に、メタネーション反応は大きな発熱反応であるため、一旦発生したメタネーション反応を停止するには、原燃料の供給を停止し、発電装置全体の運転を停止することが必要になってしまう。メタネーション反応を抑止する方法としては、例えば特開２００３−３４５０５号公報に記載されたものがある。特開２００３−３４５０５号公報に記載された方法では、触媒層の充填構造および触媒種を工夫することにより、メタネーションの発生が抑止されている。

また、従来、原燃料ガスを水素リッチな改質ガスに転化する改質器と、その改質器にて改質された改質ガス中のＣＯを低減させるＣＯ変成器とを連結するための改質ガス用連通管と、改質ガスを冷却するための冷媒を流通させる冷媒流通管とを具備する燃料改質装置を有する燃料電池発電装置が知られている。この種の燃料電池発電装置の例としては、例えば特開２００１−１８０９１１号公報に記載されたものがある。

ところが、特開２００１−１８０９１１号公報に記載された燃料電池発電装置では、冷媒流通管の一部によって比較的複雑な構成の熱交換器が形成され、その熱交換器内を改質ガスが通過せしめられている。つまり、特開２００１−１８０９１１号公報に記載された燃料電池発電装置では、改質ガスを冷却するために、比較的複雑で大型の熱交換器を設けられている。そのため、燃料改質装置、ひいては、燃料電池発電装置全体が大型化してしまっている。

特開２００３−３４５０５号公報特開２００１−１８０９１１号公報

前記問題点に鑑み、本発明は、燃料改質装置全体をコンパクトにしつつ、メタネーション反応を抑止することができる燃料改質装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、原燃料ガスを水素リッチな改質ガスに転化する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガス中のＣＯを低減させるＣＯ変成器とを連結するための改質ガス用連通管と、改質ガスを冷却するための冷媒を流通させる冷媒流通管とを具備する燃料改質装置において、前記改質ガス用連通管と、前記冷媒流通管とを二重円筒管構造により構成したことを特徴とする燃料改質装置が提供される。
好ましくは、二重円筒管構造の改質ガス用連通管と冷媒流通管とがステンレスにより形成される。

請求項２に記載の発明によれば、前記二重円筒管構造を構成する内側の管に改質ガスを流通させ、前記二重円筒管構造を構成する外側の管に冷媒として純水を流通させることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、前記外側の管を通過した純水が、前記改質器に供給されることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置が提供される。

請求項４に記載の発明によれば、前記外側の管を通過した純水が、前記ＣＯ変成器に供給されることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置が提供される。

請求項５に記載の発明によれば、前記二重円筒管構造を構成する内側の管に改質ガスを流通させ、前記二重円筒管構造を構成する外側の管に冷媒として空気を流通させることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置が提供される。

請求項６に記載の発明によれば、前記外側の管を通過した空気が、前記改質器のバーナに燃焼用空気として供給されることを特徴とする請求項５に記載の燃料改質装置が提供される。

請求項７に記載の発明によれば、前記内側の管を通過する改質ガスの向きと、前記外側の管を通過する冷媒の向きとを同一にしたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の燃料改質装置が提供される。
あるいは、内側の管を通過する改質ガスの向きと、外側の管を通過する冷媒の向きとを逆向きにすることも可能である。

請求項１に記載の燃料改質装置では、改質器とＣＯ変成器とを連結するための改質ガス用連通管と、改質ガスを冷却するための冷媒を流通させる冷媒流通管とが、二重円筒管構造により構成されている。つまり、特開２００１−１８０９１１号公報に記載された燃料改質装置のように、冷媒流通管の一部によって比較的複雑で大型の熱交換器が形成され、その熱交換器内を改質ガスが通過せしめられるのではなく、代わりに、改質ガス用連通管と冷媒流通管とによってコンパクトな二重円筒管構造が形成されている。そのため、改質ガスを冷却するために複雑で大型の熱交換器を設ける必要性を排除しつつ、メタネーション反応を抑止することができる。すなわち、燃料改質装置全体をコンパクトにしつつ、メタネーション反応を抑止することができる。

請求項２及び３に記載の燃料改質装置では、二重円筒管構造を構成する内側の管に改質ガスが流通せしめられ、二重円筒管構造を構成する外側の管に冷媒として純水が流通せしめられる。詳細には、例えば、外側の管を通過した純水が、改質器に供給される。つまり、改質ガスによって熱交換された純水が、原燃料の一部として改質器に供給される。すなわち、原燃料が所定のスチームカーボン比に調整されて改質器に供給される。そのため、熱交換されていない比較的低温の純水が原燃料の一部として改質器に供給される場合よりも、改質器における改質反応を促進することができる。

請求項４に記載の燃料改質装置では、外側の管を通過した純水が、ＣＯ変成器に供給される。つまり、改質ガスによって熱交換された純水が、ＣＯ変成器に供給される。そのため、熱交換された純水がＣＯ変成器に供給されない場合よりも、ＣＯ変成器における水蒸気分圧を増加させることができ、ＣＯ変成器のＣＯ変成触媒層の温度を低下させることができ、ＣＯ変成器におけるＣＯ変成反応を促進することができる。

請求項５及び６に記載の燃料改質装置では、二重円筒管構造を構成する内側の管に改質ガスが流通せしめられ、二重円筒管構造を構成する外側の管に冷媒として空気が流通せしめられる。詳細には、例えば、外側の管を通過した空気が、改質器に供給される。つまり、改質ガスによって熱交換された空気が、改質器の燃焼バーナ用酸化剤として改質器に供給される。そのため、熱交換されていない比較的低温の空気が改質器の燃焼バーナ用酸化剤として改質器に供給される場合よりも、改質器における燃焼効率を向上させることができる。

詳細には、請求項１〜７に記載の燃料改質装置では、改質器とＣＯ変成器とを繋ぐ連通管に二重円筒管を採用し、内管内側に改質ガスを流通させ、内管外側に純水または空気を流通させることにより、高温の改質ガスと純水とを熱交換させて改質ガスの温度を所定温度まで低下させ、例えばＰｔ系ＣＯ変成触媒が充填されたＣＯ変成器にその改質ガスを導入する。それにより、Ｐｔ系ＣＯ変成触媒におけるメタネーションの発生を防止することができる。

図１は本発明の燃料改質装置の第１の実施形態を模式的に表した概略構成図である。図１において、１は改質器、２は改質触媒層、３はＣＯ変成器、４はＣＯ変成触媒層、５はＣＯ除去器、６は連通管である。第１の実施形態では、図１に示すように、都市ガスと改質用水（純水）とを予め混合した原燃料が、改質器１に供給される。その原燃料は、改質触媒層２において水素リッチな改質ガスに変換される。改質ガスは、通常４００℃〜６００℃の温度で改質器１から排出される。ＣＯ変成触媒層４においてメタネーション反応が起こらない３５０℃程度まで改質ガスの温度を下げるために、第１の実施形態の燃料改質装置では、連通管６が設けられている。詳細には、改質器１とＣＯ変成器３とを連結するための改質ガス用連通管６と、改質ガスを冷却する冷媒としての純水を流通させる冷媒流通管とによって、二重円筒管（図１中の破線部分）が構成されている。

つまり、第１の実施形態の燃料改質装置では、改質ガスが、二重円筒管（図１中の破線部分）において冷媒流通管内の純水と熱交換された後、ＣＯ変成器３に導入される。一方、二重円筒管（図１中の破線部分）において連通管６内の改質ガスと熱交換された純水は、改質用の水蒸気として改質器１の原燃料ラインに循環せしめられる。それにより、原燃料が所定のスチームカーボン比に調整されて改質器１に供給される。そのため、熱交換されていない比較的低温の純水が原燃料の一部として改質器に供給される場合よりも、改質器における改質反応を促進することができる。

第１の実施形態の燃料改質装置では、図１に示すように、改質ガスの流れと純水の流れとが対向流とされている、つまり、改質ガスの流れの向きと純水の流れの向きとが逆向きに設定されているが、機能を損なわなければ、代わりに、改質ガスの流れの向きと純水の流れの向きとを同一にすることも可能である。

第１の実施形態の燃料改質装置では、例えば、改質器１において水素リッチにされた改質ガスのＣＯ濃度が、例えばＰｔ系触媒層のような耐熱性の高い貴金属系ＣＯ変成触媒層４において０．５％以下まで低減せしめられ、次いで、その改質ガスがＣＯ除去器５に導入される。この際、ＣＯ変成器３の出口ガス温度は通常１８０℃程度まで下げられる。

図１に示したように、第１の実施形態の燃料改質装置では、二重円筒管（図１中の破線部分）において、連通管６内の改質ガスが、冷媒流通管内の純水と熱交換せしめられる。それにより、改質ガスの温度が３５０℃以下まで低下せしめられる。そのため、ＣＯ変成触媒層４におけるメタネーション反応を抑制することができる。

更に、第１の実施形態の燃料改質装置では、連通管６と冷媒流通管とによって二重円筒管（図１中の破線部分）が構成されている。そのため、改質ガスを冷却するために複雑で大型の熱交換器を設ける必要性を排除しつつ、メタネーション反応を抑止することができる。すなわち、燃料改質装置全体をコンパクトにしつつ、メタネーション反応を抑止することができる。このような構成によれば、改質器１からの放熱量を最小限に抑えることができ、熱効率を向上させることができる。

以下、本発明の燃料改質装置の第２の実施形態について説明する。図２は本発明の燃料改質装置の第２の実施形態を模式的に表した概略構成図である。第２の実施形態の燃料改質装置では、図１に示した第１の実施形態の燃料改質装置と同様に、改質器１とＣＯ変成器３とを連結するための改質ガス用連通管６と、改質ガスを冷却する冷媒としての純水を流通させる冷媒流通管とによって、二重円筒管（図２中の破線部分）が構成されている。そのため、第１の実施形態の燃料改質装置と同様に、改質ガスを冷却するために複雑で大型の熱交換器を設ける必要性を排除しつつ、メタネーション反応を抑止することができる。すなわち、燃料改質装置、さらには、燃料電池発電装置全体をコンパクトにしつつ、メタネーション反応を抑止することができる。

図２に示すように、第２の実施形態の燃料改質装置では、図１に示した第１の実施形態の燃料改質装置とは異なり、二重円筒管（図２中の破線部分）の外側の管を通過した純水が、ＣＯ変成器３に供給される。つまり、改質ガスによって熱交換された純水が、ＣＯ変成器３に供給される。そのため、熱交換された純水がＣＯ変成器３に供給されない場合よりも、ＣＯ変成器３における水蒸気分圧を増加させることができ、ＣＯ変成器３のＣＯ変成触媒層４の温度を低下させることができ、ＣＯ変成器３におけるＣＯ変成反応を促進することができる。

第２の実施形態の燃料改質装置では、図２に示すように、改質ガスの流れと純水の流れとが並行流とされている、つまり、改質ガスの流れの向きと純水の流れの向きとが同一に設定されているが、機能を損なわなければ、代わりに、改質ガスの流れの向きと純水の流れの向きとを逆向きにすることも可能である。

以下、本発明の燃料改質装置の第３の実施形態について説明する。図３は本発明の燃料改質装置の第３の実施形態を模式的に表した概略構成図である。第３の実施形態の燃料改質装置では、図１に示した第１の実施形態の燃料改質装置と同様に、改質器１とＣＯ変成器３とを連結するための改質ガス用連通管６と、改質ガスを冷却する冷媒（第１の実施形態とは異なり、第３の実施形態では、冷媒として空気が用いられる。）を流通させる冷媒流通管とによって、二重円筒管（図３中の破線部分）が構成されている。そのため、第１の実施形態の燃料改質装置と同様に、改質ガスを冷却するために複雑で大型の熱交換器を設ける必要性を排除しつつ、メタネーション反応を抑止することができる。すなわち、燃料改質装置全体をコンパクトにしつつ、メタネーション反応を抑止することができる。

図３に示すように、第３の実施形態の燃料改質装置では、図１に示した第１の実施形態の燃料改質装置とは異なり、二重円筒管（図３中の破線部分）の内側の管に改質ガスが流通せしめられ、二重円筒管（図３中の破線部分）の外側の管に冷媒として空気が流通せしめられる。詳細には、外側の管を通過した空気が、改質器１に供給される。つまり、改質ガスによって熱交換された空気が、改質器１の燃焼バーナ用酸化剤として改質器１に供給される。そのため、熱交換されていない比較的低温の空気が改質器１の燃焼バーナ用酸化剤として改質器１に供給される場合よりも、改質器１における燃焼効率を向上させることができる。

第３の実施形態の燃料改質装置では、図３に示すように、改質ガスの流れと空気の流れとが対向流とされている、つまり、改質ガスの流れの向きと空気の流れの向きとが逆向きに設定されているが、機能を損なわなければ、代わりに、改質ガスの流れの向きと空気の流れの向きとを同一にすることも可能である。

図４は第１から第３の実施形態の燃料改質装置で用いられる二重円筒管（図１〜図３中の破線部分）の拡大模式図である。二重円筒管の内側の管に改質ガスが流通せしめられ、外側の管に冷媒としての純水または空気が流通せしめられる。改質ガスおよび冷媒の流通方向は並行流および対向流のいずれでもよい。

本発明の燃料改質装置の第１の実施形態を模式的に表した概略構成図である。本発明の燃料改質装置の第２の実施形態を模式的に表した概略構成図である。本発明の燃料改質装置の第３の実施形態を模式的に表した概略構成図である。第１から第３の実施形態の燃料改質装置で用いられる二重円筒管（図１〜図３中の破線部分）の拡大模式図である。従来のシステムの概要を示した図である。

符号の説明

１改質器
２改質触媒層
３ＣＯ変成器
４ＣＯ変成触媒層
５ＣＯ除去器
６連通管

Claims

原燃料ガスを水素リッチな改質ガスに転化する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガス中のＣＯを低減させるＣＯ変成器とを連結するための改質ガス用連通管と、改質ガスを冷却するための冷媒を流通させる冷媒流通管とを具備する燃料改質装置において、前記改質ガス用連通管と、前記冷媒流通管とを二重円筒管構造により構成したことを特徴とする燃料改質装置。
前記二重円筒管構造を構成する内側の管に改質ガスを流通させ、前記二重円筒管構造を構成する外側の管に冷媒として純水を流通させることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
前記外側の管を通過した純水が、前記改質器に供給されることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置。
前記外側の管を通過した純水が、前記ＣＯ変成器に供給されることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置。
前記二重円筒管構造を構成する内側の管に改質ガスを流通させ、前記二重円筒管構造を構成する外側の管に冷媒として空気を流通させることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
前記外側の管を通過した空気が、前記改質器のバーナに燃焼用空気として供給されることを特徴とする請求項５に記載の燃料改質装置。
前記内側の管を通過する改質ガスの向きと、前記外側の管を通過する冷媒の向きとを同一にしたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の燃料改質装置。