JP2007308328A - 燃料電池の改質器 - Google Patents

Abstract

【課題】改質部と加熱部とを被覆する断熱層の厚さを増加させることなく、外部への放熱量を低減させ、よって改質器の熱効率や反応効率を向上させるようにした燃料電池の改質器を提供する。
【解決手段】燃料と水蒸気を改質触媒８４で反応させて燃料電池に供給されるべき改質ガスを生成する改質部７６と、改質触媒８４を加熱する加熱部８０と、改質部と加熱部を被覆する断熱層１２４とを備えた燃料電池の改質器５６において、断熱層１２４に、加熱部８０の燃焼に用いられる空気を供給する空気通路（燃焼空気通路１２６）を配置する。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池の改質器に関する。

従来より、燃料（例えば、メタンを主成分とする都市ガスなど）と水蒸気を改質触媒で反応させて燃料電池に供給されるべき改質ガスを生成する改質部と、改質触媒を加熱する加熱部と、改質部と加熱部を被覆する断熱層（断熱材）とを備えた燃料電池の改質器が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１７８００４号公報

特許文献１記載の技術の如く、改質部などを断熱層で被覆することでも外部への放熱量を低減させることができるが、改質器の熱効率や反応効率をさらに向上させるため、放熱量をより一層低減させることが望ましい。その場合、前記した断熱層の厚さを増加させることも考えられるが、改質器自体が大きくなるために、レイアウト上で困難な場合が多い。また、断熱層の厚さを増加させると、それに伴って改質器の表面積も増加、即ち、外部（外気）との接触面積も増加するため、放熱量を低減させるにも限界があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、断熱層の厚さを増加させることなく、外部への放熱量を低減させ、よって改質器の熱効率や反応効率を向上させるようにした燃料電池の改質器を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料と水蒸気を改質触媒で反応させて燃料電池に供給されるべき改質ガスを生成する改質部と、前記改質触媒を加熱する加熱部と、前記改質部と加熱部を被覆する断熱層とを備えた燃料電池の改質器において、前記断熱層に、前記加熱部の燃焼に用いられる空気を供給する空気通路を配置するように構成した。

請求項２にあっては、前記空気通路が、前記改質部と加熱部の周囲を覆うような形状を有するように構成した。

請求項３にあっては、前記加熱部は加熱用の燃料を燃焼させる燃焼バーナを備えると共に、前記燃焼バーナの空気取入口に前記空気通路を接続する接続管を設け、よって前記空気通路内の空気が前記接続管を介して前記燃焼バーナに供給されるように構成した。

請求項１に係る燃料電池の改質器にあっては、改質ガスを生成する改質部と改質触媒を加熱する加熱部とを被覆する断熱層に、加熱部の燃焼に用いられる空気を供給する空気通路を配置、即ち、改質部などから断熱層を介して外部へ放散される熱量を、空気通路を流れる空気との熱交換によって回収すると共に、その熱量を回収した空気を加熱部に戻すように構成したので、加熱部から改質部へ入る熱量（入熱量）を増加させることができると共に、断熱層の厚さを増加させることなく、外部への放熱量を低減でき、よって改質器の熱効率や反応効率を向上させることができる。

請求項２に係る燃料電池の改質器にあっては、空気通路が、改質部と加熱部の周囲を覆うような形状を有するように構成したので、上記した効果に加え、改質部などから断熱層を介して放散される熱量を効率よく回収することができる。

請求項３に係る燃料電池の改質器にあっては、加熱部は加熱用の燃料を燃焼させる燃焼バーナを備えると共に、燃焼バーナの空気取入口に空気通路を接続する接続管を設け、よって空気通路内の空気が接続管を介して燃焼バーナに供給されるように構成したので、簡易な構成でありながら、上記した効果を得ることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の改質器の最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る燃料電池の改質器を説明するための概略図である。

図１において、符号１０は燃料電池（スタック）を示す。燃料電池１０は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池である。

燃料電池１０には、カソード極にカソードガス（反応空気）を供給するカソードガス供給系１２と、アノード極にアノードガス（改質ガス）を供給するアノードガス供給系１４とが接続される。

カソードガス供給系１２は、大気（空気）の粉塵を除去するエアクリーナ１６と、エアクリーナ１６を通過した空気をカソードガスとして燃料電池１０に圧送するカソードガスポンプ２０と、カソードガスポンプ２０を燃料電池１０のカソード極の入口（図示せず）に接続するカソードガス流路２２とを備える。

アノードガス供給系１４は、改質などに使用される燃料（例えば、脱硫された都市ガス。以下「改質用燃料」という）と水蒸気などから、燃料電池１０のアノード極に供給されるべき水素を含有した改質ガスを生成する改質装置２４と、改質装置２４を燃料電池１０のアノード極の入口（図示せず）に接続するアノードガス流路２６とを備える。この改質装置２４については、後に詳説する。

燃料電池１０は、燃料電池１０で発生した電力を出力する出力端子２８を備えると共に、出力端子２８には電力制御系３０が接続される。電力制御系３０は、マイクロコンピュータなどからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）３２、直流電流を所定の周波数の交流電流に変換するインバータ３４などを備える。尚、ＥＣＵ３２は、カソードガスポンプ２０やインバータ３４、後述する燃焼バーナの点火電極などの補機類の動作を制御する。

また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出されたカソードガス（以下「カソードオフガス」という）を排気する排気系３６と、燃料電池１０で使用されなかったアノードガス（未反応ガス。以下「アノードオフガス」という）などを燃料電池１０や改質装置２４に還流させる還流系４０が接続される。

還流系４０は、燃料電池１０のアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出口（図示せず）と前記したアノードガス流路２６とを接続する第１のアノードオフガス流路４２と、第１のアノードオフガス流路４２から分岐され、第１のアノードオフガス流路４２と後述する改質装置２４の改質器とを接続する第２のアノードオフガス流路４４とを備える。さらに、還流系４０は、アノードガス流路２６から分岐され、アノードガス流路２６と第２のアノードオフガス流路４４とを接続するアノードガス還流路４６を備える。

尚、燃料電池１０には、上記した各構成要素の他に、燃料電池１０を冷却する冷却系やカソードガスを加湿する加湿器なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、いずれも図示および説明を省略する。

次いで、燃料電池１０の動作について説明する。

燃料電池１０のカソード極に供給されたカソードガスは、アノード極に供給されたアノードガスと電気化学反応を生じる。電気化学反応によって燃料電池１０が発生した電力（直流電流）は、出力端子２８から取り出され、その一部がＥＣＵ３２やカソードガスポンプ２０などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ３４を介して電気負荷（交流電源機器）５０に供給される。

燃料電池１０から排出されたカソードオフガスは、排気系３６を介して大気中に排出される。また、燃料電池１０で使用されずに排出されたアノードオフガスは、第１のアノードオフガス流路４２を介してアノードガス流路２６に還流され、再度燃料電池１０に供給される。アノードオフガスはさらに、第１および第２のアノードオフガス流路４２，４４を介して改質装置２４の燃焼バーナ（後述）に供給される。尚、改質装置２４において生成されたアノードガスの一部も、アノードガス流路２６、アノードガス還流路４６および第２のアノードオフガス流路４４を介して改質装置２４の燃焼バーナに供給される。

次いで、燃料電池１０の改質装置２４について説明する。

改質装置２４は、都市ガスの付臭剤（有機硫黄化合物など）を除去する脱硫器５４と、脱硫器５４を通過した都市ガス（改質用燃料）が流入させられる改質器５６と、脱硫器５４を改質器５６に接続する改質用燃料流路６０と、改質に使用される水（以下「改質用水」という）を改質器５６に圧送する送水ポンプ６２と、送水ポンプ６２を改質器５６に接続する改質用水流路６４とを備える。

改質装置２４はさらに、大気の粉塵を除去するエアクリーナ６６と、エアクリーナ６６を通過した空気を、改質器５６の加熱部（後述）の燃焼に用いられる空気（以下「燃焼空気」という）として改質器５６に圧送する燃焼空気ポンプ７０と、燃焼空気ポンプ７０を改質器５６に接続する燃焼空気流路７２と、改質器５６で発生する燃焼排ガスを大気中に排出する燃焼排ガス流路７４とを備える。

図２は、改質器５６の断面を示す説明断面図である。

図示の如く、改質器５６は、改質用燃料と改質用水（正確には、水蒸気）を改質触媒で反応させて燃料電池１０に供給されるべき改質ガスを生成する改質部７６と、改質部７６の改質触媒などを加熱する加熱部８０と、改質部７６と加熱部８０を収容する容器（ケース）８２とを備える。

改質部７６は、改質触媒８４が充填される改質管８６と、改質管８６に接続される改質ガス管９０と、改質ガス管９０の途中に介挿されると共に、改質ガスに残存する一酸化炭素（ＣＯ）を除去するＣＯ除去部９２とを備える。尚、改質部７６の改質管８６には、前記した改質用燃料流路６０が改質用燃料管９４（後述）などを介して接続されると共に、改質用水流路６４も改質用水管９６（後述）などを介して接続される。また、改質ガス管９０にはアノードガス流路２６が接続される。

加熱部８０は、容器８２の上端８２ａに配置される燃焼バーナ１００と、燃焼バーナ１００の紙面において下方に接続される燃焼室１０２と、燃焼室１０２における燃焼バーナ１００の燃焼によって発生した燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス管１０４とを備える。

燃焼バーナ１００は、前記した第２のアノードオフガス流路４４に接続され、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスや改質装置２４において生成されたアノードガスの一部、別言すれば、改質ガスを加熱用燃料として導入する加熱用燃料導入管１１０と、後述する接続管に接続され、改質用燃料や燃焼空気を加熱用燃料として導入する燃焼空気・改質用燃料導入管１１２と、加熱用燃料と燃焼空気を混合させる燃焼管１１４と、燃焼管１１４の下端付近に配置され、点火されるとき加熱用燃料を燃焼させる点火電極１１６とを備える。

燃焼室１０２は、その上部１０２ａが容器８２の上端８２ａ付近である一方、下部１０２ｂが容器８２の下端８２ｂ付近となるようにして配置される。燃焼室１０２は、下部１０２ｂにおいて燃焼排ガス管１０４と連通される。燃焼排ガス管１０４は、燃焼室１０２の外壁１０２ｃに沿うようにして上方に延設された後、容器８２の上端８２ａ付近で屈曲し、その後燃焼排ガス流路７４に接続される。

上記した改質用水管９６は、燃焼室１０２と燃焼排ガス管１０４などを取り囲むようにして配置されたリング状のＣＯ除去部９２の外周９２ａを、複数回（４回）周回するようにして配置され、その後燃焼排ガス管１０４の内部１０４ａに配置される。燃焼排ガス管１０４の内部１０４ａに配置された改質用水管９６は、燃焼室１０２の外壁１０２ｃに接触させられつつ、その周りを複数回（４回）周回するようにして配置される。

改質用水管９６には、改質用燃料管９４が接続部１２０を介して接続される。以下、改質用水管９６の改質用水の流れにおいて接続部１２０より下流側の改質用水管９６を「改質用燃料・水管」と呼び、符号１２２で示す。改質用燃料・水管１２２はさらに、燃焼室１０２の外壁１０２ｃを複数回（４回）周回するように配置された後、改質管８６に接続される。

改質管８６は、燃焼排ガス管１０４に接触させられつつ下方に向けて延設されると共に、その下端８６ａにおいて改質ガス管９０と連通される。改質ガス管９０は、改質管８６の外壁８６ｂに沿うようにして上方に延設された後、容器８２の上端８２ａ付近で屈曲し、その後アノードガス流路２６に接続される。

図３は、図２に示す改質器５６のIII−III線断面図である。

改質器５６の容器８２は、ステンレス材から製作されると共に、図２および図３に示すように、略円筒形状を呈する。容器８２の内部において、上記した改質部７６や加熱部８０などの各構成要素以外の空間には、断熱層（断熱材（例えば、グラスウールなど））１２４が配置（充填）される。即ち、改質部７６と加熱部８０は、断熱層１２４によって被覆される。

断熱層１２４には、加熱部８０の燃焼バーナ１００の燃焼に用いられる空気を供給する空気通路（以下「燃焼空気通路」という）１２６が配置される。具体的に説明すると、燃焼空気通路１２６は、図２に示す如く、紙面において容器８２の左側の壁面８２ｃの略中央部付近（より具体的には、改質用燃料管９４より重力方向において下方位置）から容器８２の内部に挿入された後、下方に向けて延設される。

燃焼空気通路１２６は、左側の壁面８２ｃに沿うように配置されると共に、容器８２の下端８２ｂ付近で屈曲して下端８２ｂに沿うように配置される。燃焼空気通路１２６は、容器の右側の壁面８２ｄ付近で屈曲した後、壁面８２ｄに沿うようにして上方に延設される。その後、容器８２の上端８２ａ付近で再度屈曲し、上端８２ａに沿うようにして配置された後、容器８２の上端８２ａから上方に向けて突出させられる。このように、燃焼空気通路１２６は、容器８２の内部において壁面８２ｃ，８２ｄや上下端８２ａ，８２ｂに沿うように配置され、前記した改質部７６と加熱部８０の周囲を略完全に覆うような形状、より具体的には、略円筒の缶状（断面視略リング状）を有するように構成される。

また、燃焼空気通路１２６の一端（正確には、容器８２の左側の壁面８２ｃより突出された端部）１２６ａは、前記した燃焼空気流路７２に接続される。また、燃焼空気通路１２６の他端（正確には、容器８２の上端８２ａより突出された端部）１２６ｂは、接続管１３０を介して燃焼バーナ１００の燃焼空気・改質用燃料導入管１１２の入口（空気取入口）１１２ａに接続される。このように、燃焼バーナ１００の燃焼空気・改質用燃料導入管１１２の入口１１２ａに燃焼空気通路１２６を接続する接続管１３０を設け、よって燃焼空気通路１２６内の空気が接続管１３０を介して燃焼バーナ１００に供給されるように構成される。尚、接続管１３０には、前記した改質用燃料流路６０も接続される。

次いで、上記の如く構成された改質装置２４の動作を、図１および２を参照して説明する。

都市ガス供給源（図示せず）から供給される都市ガスは、脱硫器５４で付臭剤が除去される。これにより、都市ガスの流れにおいて下流側に配置される改質触媒８４などが、硫黄によって被毒するのを防ぐことができる。次いで、付臭剤が除去された都市ガス、即ち、改質用燃料は、改質用燃料流路６０、接続管１３０を介して先ず改質器５６の燃焼バーナ１００の燃焼空気・改質用燃料導入管１１２に加熱用燃料として供給される。

また、燃焼空気ポンプ７０によって吸引され、エアクリーナ６６で粉塵が除去された燃焼空気は、燃焼空気流路７２を介して燃焼空気通路１２６に供給される。燃焼空気通路１２６の空気は、図２に矢印で示すように、改質部７６と加熱部８０の周囲を流れた後、接続管１３０を介して燃焼バーナ１００の燃焼空気・改質用燃料導入管１１２に供給される。燃焼空気・改質用燃料導入管１１２に供給された改質用燃料と燃焼空気（混合気）は燃焼管１１４に向けて吐出させられる。

その後、混合気は、点火電極１１６によって点火（着火）されて燃焼させられる。燃焼バーナ１００の燃焼によって発生した燃焼排ガスは、図２に矢印で示すように、紙面下方に向けて流れる。燃焼排ガスは、燃焼室１０２の内部を通過して燃焼排ガス管１０４に供給される。燃焼排ガス管１０４に供給された燃焼排ガスは、燃焼排ガス管１０４の内部１０４ａや壁面を昇温させつつ図２において上方へ流れ、燃焼排ガス流路７４を介して大気中に排出（排気）される。

このとき、改質管８６は、その外壁８６ｂが燃焼排ガス管１０４に接触するようにして配置されるため、燃焼排ガス管１０４の熱が伝達されて加熱される。それに伴って、改質管８６の内部に充填された改質触媒８４も加熱されて昇温される。改質管８６に伝達された熱は、さらに改質ガス管９０や断熱層１２４などを介して燃焼空気通路１２６にも伝達され、燃焼空気通路１２６内の空気（燃焼空気）が昇温される。

図示しない改質触媒温度センサなどの出力に基づいて、改質触媒８４が改質可能な温度（具体的には、７００［℃］程度）まで加熱されたと判断されると、改質装置２４において、改質動作が開始される。具体的には、送水ポンプ６２で吸引された水供給源（図示せず）の改質用水は、改質用水流路６４を介して改質用水管９６に流入させられる。

改質用水管９６は、比較的高温となるＣＯ除去部９２の外周９２ａを周回するように配置されると共に、前述した燃焼排ガスによって昇温させられた燃焼排ガス管１０４の内部１０４ａに配置されているため、それらによって加熱されることとなる。これにより、改質用水管９６に流入させられた改質用水は蒸発して水蒸気となり、その水蒸気は、接続部１２０において、改質用燃料流路６０を介して改質用燃料管９４に流入させられた改質用燃料と合流して混合される。

混合された改質用燃料と水蒸気は、改質用燃料・水管１２２内を通過した後、改質管８６に流入させられる。改質管８６の改質触媒８４は、燃焼排ガス管１０４よって加熱されて改質可能な温度まで昇温させられているため、水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質用燃料と水蒸気から水素を含有する改質ガスが生成される。

生成された改質ガスは、改質ガス管９０を介してＣＯ除去部９２に流入させられ、改質ガスに残存するＣＯが除去された後、アノードガス流路２６に流入させられる。このように、改質器５６によって改質動作が行われて改質ガス（アノードガス）が生成される。

改質ガスが燃料電池１０に供給されると、燃料電池１０において前述した電気化学反応が起こり、電力が発生させられて燃料電池１０は、通常運転となる。燃料電池１０の通常運転時にあっては、改質用燃料流路６０から接続管１３０を介して燃焼空気・改質用燃料導入管１１２へ供給される改質用燃料の量が徐々に減少させられ、最終的にはその供給が停止される。

改質用燃料の供給量の減少に伴って燃焼バーナ１００には、改質用燃料に代えて改質ガスが加熱用燃料として供給される。具体的には、改質ガス（具体的には、第２のアノードオフガス流路４４を流れるアノードオフガスおよびアノードガス）が、燃焼バーナ１００の加熱用燃料導入部１１０に供給（導入）される。

改質ガスは、燃焼管１１４において燃焼空気・改質用燃料導入管１１２からの燃焼空気と混合される。このとき混合される燃料空気は、前述したように、昇温された燃焼空気通路１２６内を通過しているため、比較的高温となる。このように、燃焼空気通路１２６は断熱層１２４に配置されるため、燃焼空気通路１２６内の燃焼空気は断熱層１２４の熱量を回収することが可能、即ち、燃焼空気通路１２６は熱交換器として機能する。

上記のようにして混合された比較的高温の混合ガスは、点火電極１１６によって点火されて燃焼させられる。尚、改質ガスを含む混合気を燃焼バーナで燃焼させる場合であっても、燃焼排ガスの流れなどは前述と同じであるため、説明を省略する。

このように、改質ガスを生成する改質部７６と改質触媒８４を加熱する加熱部８０とを被覆する断熱層１２４に、加熱部８０の燃焼に用いられる空気を供給する空気通路（燃焼空気通路１２６）を配置、即ち、改質部７６などから断熱層１２４を介して外部へ放散される熱量を、燃焼空気通路１２６を流れる空気との熱交換によって回収すると共に、その熱量を回収した空気を加熱部８０に戻すように構成したので、加熱部８０から改質部７４へ入る熱量（入熱量）を増加させることができると共に、断熱層の厚さを増加させることなく、外部への放熱量を低減でき、よって改質器５６の熱効率や反応効率を向上させることができる。

また、燃焼空気通路１２６が、改質部７６と加熱部８０の周囲を覆うような形状を有するように構成したので、改質部７６などから断熱層１２４を介して放散される熱量を効率よく回収することができる。

また、加熱部８０は加熱用の燃料を燃焼させる燃焼バーナ１００を備えると共に、燃焼バーナ１００の燃焼空気・改質用燃料導入管１１２の入口に燃焼空気通路１２６を接続する接続管１３０を設け、よって燃焼空気通路１２６内の空気が接続管１３０を介して燃焼バーナ１００に供給されるように構成したので、簡易な構成でありながら、上記した効果を得ることができる。

以上のように、この発明の実施例にあっては、燃料と水蒸気を改質触媒（８４）で反応させて燃料電池（１０）に供給されるべき改質ガスを生成する改質部（７６）と、前記改質触媒を加熱する加熱部（８０）と、前記改質部と加熱部を被覆する断熱層（１２４）とを備えた燃料電池の改質器（５６）において、前記断熱層に、前記加熱部の燃焼に用いられる空気を供給する空気通路（燃焼空気通路１２６）を配置するように構成した。

また、前記空気通路（１２６）が、前記改質部（７６）と加熱部（８０）の周囲を覆うような形状を有するように構成した。

また、前記加熱部（８０）は加熱用の燃料を燃焼させる燃焼バーナ（１００）を備えると共に、前記燃焼バーナの空気取入口（燃焼空気・改質用燃料導入管１１２の入口）に前記空気通路（１２６）を接続する接続管（１３０）を設け、よって前記空気通路内の空気が前記接続管を介して前記燃焼バーナに供給されるように構成した。

尚、上記において、燃焼空気通路１２６を容器８２の側壁８２ｃ，８２ｄや上下端８２ａ，８２ｂを沿うように配置したが、改質部７６などを冷却し過ぎず、かつ熱交換した燃料空気通路１２６の空気を冷やすことのないように、断熱層１２４における燃焼空気通路１２６の位置を適宜に設定できることはいうまでもない。

また、燃料電池１０を固体高分子型としたが、それに限られるものではなく、他の形式であってもよい。

また、改質用燃料として都市ガスを使用するよう構成したが、ＬＰガスなどであってもよい。

この発明の実施例に係る燃料電池の改質器を説明するための概略図である。 図１に示す改質装置の改質器の断面を示す説明断面図である。 図２に示す改質器のIII−III線断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、５６ 改質器、７６ 改質部、８０ 加熱部、８４ 改質触媒、１００ 燃焼バーナ、１２４ 断熱層、１２６ 燃焼空気通路（空気通路）、１３０ 接続管

Claims (3)

1. 燃料と水蒸気を改質触媒で反応させて燃料電池に供給されるべき改質ガスを生成する改質部と、前記改質触媒を加熱する加熱部と、前記改質部と加熱部を被覆する断熱層とを備えた燃料電池の改質器において、前記断熱層に、前記加熱部の燃焼に用いられる空気を供給する空気通路を配置することを特徴とする燃料電池の改質器。
2. 前記空気通路が、前記改質部と加熱部の周囲を覆うような形状を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の改質器。
3. 前記加熱部は加熱用の燃料を燃焼させる燃焼バーナを備えると共に、前記燃焼バーナの空気取入口に前記空気通路を接続する接続管を設け、よって前記空気通路内の空気が前記接続管を介して前記燃焼バーナに供給されるように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の改質器。

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