JP2005263603A - 改質器および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸気を生成する熱効率がよい改質器及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 蒸気を用いて燃料を改質し改質ガスを生成する改質器２３であって、内筒２４、外筒２５、内筒及び外筒の下端縁及び上端縁を夫々結合する底板２６及び天板２７に囲繞された蒸発室２８に多孔質材料を装填する。内筒２４の内周面側に高温ガスが通過する高温ガス熱交換路３４を形成し、液体を蒸発室２８に供給し該蒸発室で生成された蒸気を改質部１３に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気を用いて燃料を改質し改質ガスを生成する改質器及びそれを使用した燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、供給された燃料（例えば天然ガス、ＬＰガス、灯油などの炭化水素系燃料）および純水を水蒸発器で蒸発させて生成した水蒸気から水素ガスを多く含む所謂水素リッチな改質ガスを改質部で生成し、該改質ガスから一酸化炭素を低減して、一酸化炭素の含有率が極めて低い改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池に供給している。燃料電池は供給された改質ガス中の水素と空気中の酸素との化学反応によって発電する。

特許文献１には、隔離板の外周面に固定されたフィンを包囲して高温ガス熱交換路を形成し、隔離板の蒸発室側の内周面にステンレスや銅などの綿状の金属繊維を板状に焼結して形成したウイックを密着して設け、高温ガス熱交換路に燃焼ガスを供給するとともに、ウイックに液体供給管から液体を供給し、毛管作用によりウイック全体に広がった液体を燃焼ガスで加熱して蒸発させる水蒸発器が記載されている。
特開２００１−０６４６５８号公報（第３頁、図１） 特開２００２−２４１１０８号公報 特開２００３−２５２６０４号公報

上述した蒸発器においては、高温ガス熱交換路が蒸発室の外側に配置され、高温ガス熱交換路の外周面が大気に露出して放熱するので、蒸気を生成する熱効率が悪い不具合があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、蒸気を生成する熱効率がよい改質器及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係る改質器は、蒸気を用いて燃料を改質し改質ガスを生成する改質器であって、内筒、外筒、内筒及び外筒の下端縁及び上端縁を夫々結合する底板及び天板に囲繞された蒸発室に多孔質材料を装填し、前記内筒の内周面側に高温ガスが通過する高温ガス熱交換路を形成し、液体を前記蒸発室に供給し該蒸発室で生成された蒸気を改質部に供給することを特徴とする。

請求項２に記載の発明に係る改質器は、請求項１において、前記内筒及び前記外筒を円筒状とし同心に配置して環状の前記蒸発室を形成し、該蒸発室に前記多孔質材料からなる環状のウイックを装填するとともに、前記ウイックの両端面と前記底板及び天板との間に液室及び蒸気室を夫々形成したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明に係る改質器は、請求項１又は２において、前記蒸発室の内筒を前記改質部を取り囲んで配置し、前記内筒と前記改質部との間に前記高温ガス熱交換路を形成し、該高温ガス熱交換路に前記改質部から送出される排気ガスを通過させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１〜３のいずれかの改質器によって生成した改質ガスを燃料極に供給し、酸化剤ガスを酸化剤極に供給して発電することを特徴とする。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、ポンプから蒸発室に送られた液体が多孔質材料の細孔により毛管作用により分散され、蒸発室の内筒の内周面側に形成された高温ガス熱交換路を流れる高温ガスにより加熱されて蒸発して蒸気になる。このとき、多孔質材料内では細孔の容積に対して液体が接する細孔の表面積が大きいので、液体は突沸することがない。これにより、生成された蒸気は突沸による不定期な圧力変動を起こさないので、改質部での改質ガスの生成が安定し、燃料電池での発電がスムーズになる。さらに、多孔質材料が高温ガス熱交換路の外側を覆って断熱部として機能するので、水蒸発器の熱効率を向上することができる。そして、高温ガス熱交換路からの熱は液体の蒸発に使用され蒸発室外周の温度は液体の沸点より高くなることはない。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、環状の蒸発室に多孔質材料からなるウイックを装填し、ウイックの両端面に接して液室及び蒸気室を形成したので、請求項１に記載の効果に加え、蒸発室を簡単な構成で形成することができるとともに、液体を液室に一旦貯溜してからウイックに均等に吸上げることができ、蒸発された蒸気を蒸気室に一旦収集し圧力変動を抑制して改質部に供給することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、蒸発室の内筒と改質部との間に高温ガス熱交換路を形成し、改質部を加熱した後に排気される排気ガスを高温ガス熱交換路を通過させて蒸発室に供給された液体を蒸発させるので、簡単な構成で熱を有効に利用して液体を蒸発することができる。

上記のように構成した請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムにおいては、請求項１〜３のいずれかの発明に係る改質器によって生成された改質ガスを燃料極に供給し、酸化剤ガスを酸化剤極に供給して発電するので、改質器で安定した改質ガスを高いエネルギ効率で生成し、高効率で発電することができる。

以下、本発明に係る改質器及び該改質器を用いた燃料電池システムの実施の形態について説明する。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池１１と燃料電池１１に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置１２を備えている。燃料電池１１の燃料極には、改質装置１２から改質ガスが供給され、燃料電池１１の空気極（酸化剤極）には、外部からの空気が酸化剤ガスとして供給され、燃料電池１１において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。

改質装置１２は、図１に示すように、水蒸気を用いて燃料を改質し水素リッチな改質ガスを生成する改質器２３、改質器２３の上部に積層された熱交換部１６、熱交換部１６上部に積層され、改質器２３で生成されて熱交換部１６で冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）１７、ＣＯシフト部１７の上部に積層されＣＯシフト部１７から送出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去して燃料電池１１に供給する一酸化炭素選択酸化部（以下、ＣＯ選択酸化部という。）１８から構成されている。改質器２３は、ポンプ１４から供給された純水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸発器１５、および天然ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系燃料と水蒸発器１５で生成された水蒸気とが供給されて改質ガスを生成する改質部１３を備えている。改質部１３は、触媒が充填された反応室１９と、反応室１９の下部及び外周を包囲して設けられ反応室１９を加熱する加熱室２０と、加熱室２０に高温の燃焼ガスを供給するバーナ２１から構成されている。改質部１３は基台２２上に載置されている。

水蒸発器１５は、筒状（本実施の形態においては円筒状）に形成され、改質部１３の外周に対向して空間をおいて同軸に配置され、基台２２上に固定されている。水蒸発器１５は、改質部１３を取囲んで配置された内筒２４と、内筒２４の外側に同軸に配置された外筒２５と、内筒２４及び外筒２５の下端縁及び上端縁を夫々結合する底板２６及び天板２７とを備え、内筒２４、外筒２５、底板２６及び天板２７に囲繞された環状の蒸発室２８が内部に形成されている。蒸発室２８の下部にはポンプ１４から送出された液体である純水をパイプを介して蒸発室２８に導入する入口３２が底板２６に穿設され、蒸発室２８の上部には蒸発室２８で生成された水蒸気を改質部１３に送出する出口３３が天板２７に穿設されている。蒸発室２８内には、多孔質セラミックス等の多孔質材料からなる環状のウイック２９が内筒２４及び外筒２５に装填されている。ウイック２９の下端面と底板２６との間には、僅かな隙間の水室３０が液室として形成され、肉厚を僅かに薄く形成されたウイック２９の下端部がポンプ１４から送られて水室３０に溜まった純水に浸漬されている。ウイック２９の上端面と天板２７との間には、生成された水蒸気を収集して圧力変動を吸収する水蒸気室３１が蒸気室として形成されている。多孔質セラミックスの細孔は、容積に対して純水が接する表面積が十分大きくなるように形成され、細孔を毛管作用により上昇する純水が内筒２４及び多孔質セラミックスを伝導される熱により突沸することはない。多孔質セラミックスは、アルミナ、シリカ、ゼオライトなどの耐熱性が高い材料を使用する。多孔質セラミックスとしては、広く酸化物（アルミナ系など）、窒化物（窒化珪素など）、炭化物（炭化珪素など）を使用することができる。また、純水は多孔質セラミックスを毛管力により上昇しながら加熱され蒸発して水蒸気になって通過するので、多孔質セラミックスのウイック２９はフィルタとしても機能する。このとき、環状の多孔質材料の断面積が大きくなり、フィルタとして機能する多孔質セラミックスが目詰まりを起こすまでの期間を長くすることができる

改質部１３の加熱室２０の外壁を包囲して蒸発室２８の内筒２４が配置され、内筒２４と加熱室２０の外壁との間に高温ガス熱交換路３４が形成され、高温ガス熱交換路３４の上下端は底板２６及び天板２７の内径側に拡張した部分によって閉塞されている。内筒２４の内周面には、フィン３５が熱交換部材として固定されている。加熱室２０を通過する間に改質部１３の反応室１９内の触媒を加熱した燃焼ガスは、加熱室２０の外壁上端部に穿設された複数個の導入口３６を通って高温ガス熱交換路３４に排気ガス（高温ガス）として導入され、高温ガス熱交換路３４を通過する間に蒸発室２８内の純水を蒸発させ、底板２６に穿設された排気口３７から大気に排出される。

次に、上記実施の形態の作動について説明する。改質部１３において、燃焼用燃料及び燃焼空気がバーナ２１に供給されバーナ２１が着火されると、燃焼用燃料が燃焼されて燃焼ガスが加熱室２０を流れて反応室１９内の触媒を加熱する。加熱室２０から導入口３６を通って高温ガス熱交換路３４に排気ガスとして流入した燃焼ガスは、熱をフィン３５を介して内筒２４に伝達した後に排気口３７から大気に排出される。水蒸発器１５においては、ポンプ１４から純水が蒸発室２８に入口３２を通って所定流量で供給され、水室３０に溜まった純水はウイック２９の下端部全周から多孔質セラミックスの細孔の毛管作用によりウイック２９全体に分散して吸上げられ、内筒２４を伝導する排気ガスの熱により加熱されて蒸発し水蒸気になる。このとき、純水は体積に対して表面積の大きい多孔質セラミックスの細孔から熱を受取るので、突沸することがなく、突沸による不定期な圧力変動が発生しない。さらに、多孔質セラミックスのウイック２９は、加熱室２０、高温ガス熱交換路３４の最外周を覆って断熱部として機能し、水蒸発器１５或いは改質装置１２の熱効率を向上する。また、多孔質セラミックスのウイック２９はフィルタとして機能し、純水に含まれる異物が改質部１３に流れていくことを防止する。そして、蒸発室２８の内筒２４は改質部１３を取り囲んで配置され、内筒２４と改質部１３との間に高温ガス熱交換路３４が形成されているので、環状の多孔質材料の断面積が大きくなり、フィルタとして機能する多孔質セラミックスが目詰まりを起こすまでの期間を長くすることができる。また、従来のようにウイックがステンレスや銅などの金属繊維、織物、多孔質焼結体等で形成されていると、イオン性の金属等が溶出して水蒸気に混入し、改質部の触媒を劣化させる虞があるが、多孔質セラミックスは、金属繊維等のようにイオン性の金属等が純水に溶出して水蒸気に混入し、改質部の触媒を劣化させることがない。

水蒸気室３１で圧力を平準化された水蒸気は、出口３３から送出され、燃料ガスと混合されて熱交換部１６に供給され、改質部１３で改質された高温の改質ガスと熱交換して加熱され、改質部１３の反応室１９に送られる。反応室１９内では、水蒸気と燃料が加熱された触媒により水蒸気改質反応及び一酸化炭素シフト反応して改質ガスを生成する。改質部１３で生成された改質ガスはＣＯシフト部１７及びＣＯ選択酸化部１８で一酸化炭素ガスを低減されて燃料電池１１の燃料極に供給され、空気極に供給された空気中の酸素ガスと反応して発電する。

上記実施形態では、水を蒸発室で蒸発させた水蒸気を天然ガス改質に用いているが、水、エタノールまたは水とエタノールとの混合溶液を蒸発室で蒸発させた蒸気をエタノール改質に用いてもよい。

本発明の実施形態に係る改質器を備えた燃料電池システムの概要を示す概要図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池 、１２…改質装置、１３…改質部、１４…ポンプ、１５…水蒸発器、１６…熱交換部、１７…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、１８…一酸化炭素選択酸化部（ＣＯ選択酸化部）、１９…反応室、２０…加熱室、２１…バーナ、２２…基台、２３…改質器、２４…内筒、２５…外筒、２６…底板、２７…天板、２８…蒸発室、２９…ウイック、３０…水室、３１…水蒸気室、３２…入口、３３…出口、３４…高温ガス熱交換路、３５…フィン、３６…導入口。
３７…排気口、

Claims (4)

1. 蒸気を用いて燃料を改質し改質ガスを生成する改質器であって、
   内筒、外筒、内筒及び外筒の下端縁及び上端縁を夫々結合する底板及び天板に囲繞された蒸発室に多孔質材料を装填し、前記内筒の内周面側に高温ガスが通過する高温ガス熱交換路を形成し、液体を前記蒸発室に供給し該蒸発室で生成された蒸気を改質部に供給することを特徴とする改質器。
2. 請求項１において、前記内筒及び前記外筒を円筒状とし同心に配置して環状の前記蒸発室を形成し、該蒸発室に前記多孔質材料からなる環状のウイックを装填するとともに、前記ウイックの両端面と前記底板及び天板との間に液室及び蒸気室を夫々形成したことを特徴とする改質器。
3. 請求項１又は２において、前記蒸発室の内筒を前記改質部を取り囲んで配置し、前記内筒と前記改質部との間に前記高温ガス熱交換路を形成し、該高温ガス熱交換路に前記改質部から送出される排気ガスを通過させることを特徴とする改質器。
4. 請求項１〜３のいずれかの改質器によって生成した改質ガスを燃料極に供給し、酸化剤ガスを酸化剤極に供給して発電することを特徴とする燃料電池システム。
   

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