JP2010157402A - 燃料電池用水蒸気改質装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の水蒸気改質器における諸問題点を解決し、低コスト化を図ってなる水蒸気改質装置を得る。
【解決手段】同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、第1円筒体の周方向中心部にバーナを備え、第1円筒体と第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とし、下部の隙間に改質触媒層を備え、第2円筒体と第3円筒体により周方向に区画された隙間に第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成した円筒型水蒸気改質器と、円筒体内の上部にCO変成触媒層を備え、下部にCO除去触媒層を備え、CO変成触媒層とCO除去触媒層の間に空気供給部を備え、円筒体のうち、CO除去触媒層が位置する外周に水蒸気改質器の予熱層へ供給する原料水予熱管を配置してなる円筒型改質ガス処理器を含む燃料電池用水蒸気改質装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、水蒸気改質器と、当該水蒸気改質器とは別個に当該水蒸気改質器で生成する改質ガス中のCOを除去するための改質ガス処理器を備える燃料電池用円筒型水蒸気改質装置に関する。
固体高分子形燃料電池(PEFC)の燃料水素の製造法の一つとして原燃料の水蒸気改質法が知られており、水蒸気改質法では水蒸気改質器が用いられる。
本明細書中、改質用に水蒸気改質器に供給する燃料を“原燃料”と称している。原燃料としてはメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、都市ガス、LPガス(液化石油ガス)、天然ガス、ガソリン、灯油、その他の炭化水素(2種以上の炭化水素の混合物を含む)が使用される。それらにアルコール類やエーテル類が混合されていてもよい。
図5は、原燃料の処理からPEFCに至るまでのシステムを説明する図である。水蒸気改質器は、概略、バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部(加熱部)とNi系、Ru系等の改質触媒を配置した改質部により構成される。改質部では原燃料を水蒸気と反応させて水素リッチな改質ガスが生成される。改質部で起こる反応は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部からの熱が必要であり、400〜680℃程度の温度が必要である。なお、定常運転は例えば660℃と言うように設定される。このため燃焼部での燃料ガスの空気による燃焼により発生した燃焼熱(ΔH)が改質部に供給される。
都市ガスやLPガスには漏洩保安を目的とする付臭剤として硫黄化合物が添加され、また、ガソリンや灯油などには、原油からの精製プロセスで脱硫しきれなかった微量の硫黄化合物が含まれている。改質触媒は、それらの硫黄化合物により被毒して性能劣化を来すので、原燃料はそれらの硫黄化合物を除去するために脱硫器へ導入される。次いで、別途設けられた水蒸気発生器からの水蒸気を混合して水蒸気改質器へ導入され、水蒸気改質器中での原燃料の水蒸気による改質反応により水素リッチな改質ガスが生成される。
原燃料が例えばメタンである場合の改質反応は「CH4+2H2O→CO2+4H2」で示される。生成する改質ガス中には未反応のメタン、未反応の水蒸気、二酸化炭素(CO2)のほか、一酸化炭素(CO)が副生して8〜15%(容量%、以下%について同じ)程度含まれている。PEFCに供給する燃料水素中のCO含有量は100ppm(容量ppm、以下ppmについて同じ)程度が限度であり、これを超えると電池性能が著しく劣化するので、CO成分はPEFCへ導入する前にできる限り除去する必要がある。
このため改質ガスは、副生COを二酸化炭素に変えて除去するためにCO変成器に導入される。CO変成器では銅−亜鉛系や白金触媒等の触媒が用いられるが、その触媒を機能させるには220〜300℃程度(適温200〜250℃程度の触媒などもある)の温度が必要である。CO変成器中での反応は「CO+H2O→CO2+H2」で示され、この反応で必要な水蒸気としては水蒸気改質器において未反応の残留水蒸気が利用される。
なお、CO変成触媒を機能させる温度はその有効作動温度のことであるが、本明細書では適宜「適温」との用語で説明している。
CO変成器から出る改質ガスは、未反応のメタンと余剰水蒸気を除けば、主に水素と二酸化炭素とからなっている。このうち水素が目的とする成分であるが、CO変成器を経て得られる改質ガスについても、COは完全には除去されず、微量のCOが含まれている。このため、改質ガスはCO変成器によりCO濃度を1%程度以下まで低下させた後、CO酸化器に導入される。
CO除去器ではCO変成器を経た改質ガスに空気等の酸化剤ガスが添加され、COの選択的酸化反応(CO+1/2O2=CO2)により、COを100ppm程度以下、好ましくは50ppm以下、さらに好ましくは10ppm以下というように低減させる。CO除去器の作動温度は130〜170℃程度(なお、CO除去触媒の適温100〜150℃程度の触媒もある)である。こうして精製された水素がPEFCの燃料極に供給される。
従来のシステムでは、そのように水蒸気改質器とCO変成器とCO除去器をそれぞれ別個に設置していたが、このようなシステムでは放熱ロスが大きいため、効率が低下するということが大きな課題であった。
そこで、多重管を用いて水蒸気改質器にCO変成器、CO除去器を一体化した多重円筒型水蒸気改質器が開発されている(特許文献1〜4、等)。
WO 02/098790 A1 WO 03/078311 A1 特開2002−187705号公報 特開2006−232611号公報
図6は、そのように一体化した多重円筒型水蒸気改質器の例を説明する図である。図6のとおり、同心状に間隔を置いて配置された順次径(直径、以下同じ)の大きい第1円筒体101、第2円筒体102及び第3円筒体103からなる複数の円筒体と、第1円筒体101の周方向中心部に配置されたバーナ107と、第1円筒体101と第2円筒体102により周方向に区画された隙間に予熱層114と改質触媒層116を備えている。予熱層114には、その内部に棒材115が螺旋状に配置され、その内部に連続した螺旋状のガス通路が形成される。第2円筒体102と第3円筒体103により周方向に区画された隙間に、第2円筒体102の下端で反転させた改質ガスの流路120が形成される。
このような形式の多重円筒型水蒸気改質器には、第1円筒体101の内側に間隔を置いて輻射筒を配置した構造のものもある。図6にはその態様を示している。輻射筒106は、その下端が第1円筒体101の底板109に対して間隔を持つように、上蓋兼バーナ取付台108に取付けられる。バーナ107での燃焼ガスは、燃焼室F中を下降し、輻射筒106の下端で折り返し、燃焼ガス流路110を経てその上部から燃焼排ガス排出管142から排出される。
第3円筒体103に続く第4円筒体104と第2円筒体102との間に、改質ガスの流路120に続き、順次CO変成触媒層123及びCO除去触媒層131を配置して一体化される。すなわち、第3円筒体103に続く第4円筒体104と第2円筒体112との間に、改質触媒層116に続き順次、CO変成触媒層123及びCO除去触媒層131を配置することで構成される。
第3円筒体103の上部に当該第3円筒体103より径を大きくした第4円筒体104を配置し、第2円筒体102と第4円筒体104との間にCO変成触媒層123を設ける。第3円筒体103の上端部と第4円筒体104の下端部との間には板体121を配置する。板体121の上に間隔を置いてガス流通用の複数の孔を有する支持板122を配置し、支持板122の上にCO変成触媒層123を配置し、CO変成触媒層123の上にガス流通用の複数の孔を有する仕切板124を配置する。第2円筒体102の外周と第4円筒体104との間に仕切板124に対して間隔を置いて板体126を配置する。
板体121は、第3円筒体103の直径に相当する部分は第3円筒体103で占められるのでドーナツ状の板体であり、また支持板121と仕切板124と板体126とは、第3円筒体103の直径に相当する部分は第3円筒体103で占められるのでドーナツ状の板体である。支持板122、仕切板124は金属製等の網目体で構成してもよく、この場合には網目体の網目がガス流通孔となる。改質ガス流路20を流通した改質ガスは、支持板122に設けられた多数の孔を経てCO変成触媒層123に供給される。
CO変成触媒層123に続き、第4円筒体104に続く第5円筒体105と第2円筒体102との間にCO除去触媒層131を配置する。なお、CO除去触媒層131は第2円筒体102と第4円筒体104との間に配置してもよい。この場合には第5円筒体105は不要であり、CO除去用空気供給管144は第4円筒体104の側部に配置される。
予熱層14は、その内部に棒材15が螺旋状に配置され、これにより予熱層14の内部に連続した螺旋状のガス通路が形成されている。原燃料と水及び/又は水蒸気の混合流は予熱層114に供給され、その混合流を加熱する。水の場合には加熱されて気化し、さらに加熱される。予熱層114で加熱された原燃料と水蒸気の混合流は改質触媒層116に導入され、ここでの改質反応により改質ガスを生成する。改質ガスは、改質ガス流路20に流入し、CO変成触媒層123、CO除去触媒層131を経て導管145から取り出される。
この形式の多重円筒型水蒸気改質器を組み立てる際には、第1円筒体101と底板109、第3円筒体103と底板119、第3円筒体103と板体121との間、板体121第4円筒体104との間、第2円筒体102と支持板122、仕切板124、板体126、板体128との間、第4円筒体104と支持板122、仕切板124、板体126、板体128との間、等数多くの箇所での溶接が必要である。
ところで、そのような一体型多重円筒型水蒸気改質器については、これを実用化するには、例えば前述図6のように、バーナを第1円筒体の中心部に配置し、被改質ガスである原燃料の流れ方向でみて改質触媒層→CO変成触媒層→CO除去触媒層を鉛直方向ないし垂直方向に並べる必要がある。
それら改質触媒層、CO変成触媒層、CO除去触媒層の各触媒層の触媒について、改質器の設計寿命まで必要な性能を維持するためには、それに適切な量を充填しておくことが重要であるが、それら3種の触媒のうち、特にCO変成触媒の量が多くなる傾向がある。そのCO変成触媒量を多くするために、前述図6のように、その充填域を周方向、つまり上下軸方向に対して垂直方向に広げる場合には、特にCO変成触媒層の管径が大きくなってしまい、その結果としてCO変成触媒層を組み立てる際の溶接線の長さが長くなり、製造コストが高くなってしまっていた。
一方、独立した各円筒管にそれらの各触媒を充填し、各円筒管の間を配管で接続することでも水素を製造することは可能であるが、表面積が大きくなるために、放熱ロスが大きく、効率や起動性の面で問題を抱えていた。
本発明は、従来の水蒸気改質器とCO変成器とCO除去器をそれぞれ別個に設置したシステム、従来のCO変成器とCO除去器を一体化した多重円筒型水蒸気改質器における以上の諸問題点を解決してなる、水蒸気改質器と、当該水蒸気改質器とは別個に当該水蒸気改質器で生成する改質ガス中のCOを除去するための改質ガス処理器を備える燃料電池用円筒型水蒸気改質装置を提供することを目的とするものである。
本発明(1)は、円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置であって、
前記円筒型水蒸気改質器が、
(a)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、前記第1円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、
(b)前記第1円筒体と前記第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とするとともに、下部の隙間に改質触媒層を備え、
(c)前記第2円筒体と前記第3円筒体により周方向に区画された隙間に当該第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成してなり、
前記円筒型改質ガス処理器が、
(a)円筒体内の上部にCO変成触媒層を備え、下部にCO除去触媒層を備えるとともに、前記CO変成触媒層と前記CO除去触媒層の間に空気供給部を備え、
(b)前記円筒体のうち、CO除去触媒層が位置する外周に前記水蒸気改質器の予熱層へ供給する原料水の予熱管を配置してなり、
且つ、前記円筒型水蒸気改質器の改質ガス流路と前記CO変成触媒層との間に改質ガス導管を配置してなること、を特徴とする燃料電池用水蒸気改質装置である。
本発明(2)は、円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置であって、
前記円筒型水蒸気改質器が、
(a)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、前記第1円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、
(b)前記第1円筒体と前記第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とするとともに、下部の隙間に改質触媒層を備え、
(c)前記第2円筒体と前記第3円筒体により周方向に区画された隙間に当該第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成してなり、
前記円筒型改質ガス処理器が、
(a)第4円筒体と、第4円筒体の外周のうちの下部の外周に当該第4円筒体より径の大きい第5円筒体を同心状に間隔を置いて配置し、
(b)前記第4円筒体内にCO変成触媒層を配置するとともに、第4円筒体と第5円筒体との間にCO除去触媒層を備え、
(c)前記CO変成触媒層と前記CO除去触媒層の間に空気供給部を備えるとともに、前記CO除去触媒層の外周に原料水の予熱管を配置してなり、
且つ、前記円筒型水蒸気改質器の改質ガス流路と前記CO変成触媒層との間に改質ガス導管を配置してなること、を特徴とする燃料電池用水蒸気改質装置である。
本発明(3)は、円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置であって、
前記円筒型水蒸気改質器が、
(a)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、前記第1円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、
(b)前記第1円筒体と前記第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とするとともに、下部の隙間に改質触媒層を備え、
(c)前記第2円筒体と前記第3円筒体により周方向に区画された隙間に当該第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成してなり、
前記円筒型改質ガス処理器が、
(a)第4円筒体と、第4円筒体の外周のうちの下部の位置の外周に間隔を置いて当該第4円筒体の外周よりも径の大きい第5円筒体を配置するとともに、第5円筒体の外周に間隔を置いて当該第5円筒体の外周よりも径の大きい第6円筒体を配置し、
(b)前記第4円筒体内にCO変成触媒層を配置するとともに、第5円筒体と第6円筒体との間にCO除去触媒層を備え、
(c)前記CO変成触媒層の下部からCO除去触媒層に向けて、前記CO変成触媒層を経たCO変成済み改質ガスの流通部を備えるとともに、当該流通部に空気供給管を配置し、(d)前記第6円筒体の外周に原料水の予熱管を配置してなり、
且つ、前記円筒型水蒸気改質器の改質ガス流路と前記CO変成触媒層との間に改質ガス導管を配置してなること、を特徴とする燃料電池用水蒸気改質装置である。
本発明(3)の燃料電池用水蒸気改質装置においては、前記第4円筒体と前記第5円筒体との間のうち、前記第4円筒体の外周に電気ヒーターを配置することができる。
本発明(1)〜(3)の燃料電池用円筒型水蒸気改質装置において、前記水蒸気改質器における第1円筒体の内部に輻射筒を備えることができる。
本発明の燃料電池用水蒸気改質装置によれば下記(a)〜(d)の効果が得られる。
(a)従来の水蒸気改質器とCO変成器とCO除去器をそれぞれ別個に設置したシステムに対して放熱ロスを大幅に低減することができる。
(b)従来のCO変成器とCO除去器を一体化した多重円筒型水蒸気改質器とほぼ同等の熱効率を達成できる。
(c)前述のように、改質触媒、CO変成触媒、CO除去触媒層のうち、特にCO変成触媒の量が多くなる傾向があるが、多重円筒型水蒸気改質器でCO変成触媒量を多くするためには、CO変成触媒層の管径が大きくなってしまう。その結果として、CO変成触媒層を組み立てる際の溶接線の長さが長くなり、製造コストが高くなっていたが、本発明においては、CO変成触媒層の管径をより小さくできるため、溶接部分を少なくし、また溶接線の長さを短くできるなど、この部分での欠陥リスクを低くでき、水蒸気改質装置の作製作業を簡略化できる。
(d)また、それら(a)〜(c)の結果として、コスト低減を図ることができる。
本発明の燃料電池用円筒型水蒸気改質装置は、原燃料を改質して水素リッチな改質ガスを製造する円筒型水蒸気改質器と、その改質ガスから副生COを除去する円筒型改質ガス処理器とを別個に備えることを基本構造とし、且つ、円筒型水蒸気改質器で発生する熱と円筒型改質ガス処理器で発生する熱を相互に有効に利用するようにした装置である。
以下、本発明(1)〜(3)の実施形態について順次説明するが、本発明(1)〜(3)に共通する事項については主として本発明(1)の箇所で説明している。
〈本発明(1)の実施形態〉
本発明(1)は、円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置である。そして、
前記円筒型水蒸気改質器が、(a)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、前記第1円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、(b)前記第1円筒体と前記第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とするとともに、下部の隙間に改質触媒層を備え、(c)前記第2円筒体と前記第3円筒体により周方向に区画された隙間に当該第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成してなり、
前記円筒型改質ガス処理器が、(a)円筒体内の上部にCO変成触媒層を備え、下部にCO除去触媒層を備えるとともに、前記CO変成触媒層と前記CO除去触媒層の間に空気供給部を備え、(b)前記円筒体のうち、CO除去触媒層が位置する外周に前記水蒸気改質器の予熱層へ供給する原料水の予熱管を配置してなり、
且つ、前記円筒型水蒸気改質器の改質ガス流路と前記CO変成触媒層との間に改質ガス導管を配置してなることを特徴とする。
図1は、本発明(1)を説明する図である。図1のとおり、本発明(1)の燃料電池用水蒸気改質装置は、円筒型水蒸気改質器Rと円筒型改質ガス処理器Aを別個に備える。
〈円筒型水蒸気改質器Rについて〉
円筒型水蒸気改質器Rは、第1円筒体1と第2円筒体2と第3円筒体3とを、順次径を大きくして配置する。それら複数の円筒体のうち、第1円筒体1の周方向中心部に上端からバーナ6を配置する。バーナ6は上蓋兼バーナ取付部材7に設置、固定する。第1円筒体1の下端に底板5を配置する。底板5は第1円筒体1の径に対応する径を持つ円盤である。上蓋兼バーナ取付部材7と第1円筒体1と底板5に囲まれた空間がバーナ6を含む燃焼室Fである。
第3円筒体3の下端に底板15を配置する。底板15は第3円筒体3の径に対応する径を持つ円盤である。第2円筒体2の下端は底板15に対して間隔を持つように配置される。また、底板15は底板5との間に隙間を持つようにする。底板5を底板55に対して隙間を持つようにすることにより、作動時における第1円筒体1と第3円筒体3及び底板15との熱膨張差に起因する第1円筒体1と第3円筒体3及び底板15との間の歪みや破壊を防止することができる。
第1円筒体1と第2円筒体2により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層10とし、下部の隙間を改質触媒層13とする。予熱層10にはその上部に原燃料供給管40と水蒸気供給管39を配置する。予熱層10を構成する第1円筒体1と第2円筒体2との間に丸棒等の金属製棒材11を螺旋状に配置することで螺旋状流路を構成する。
予熱層10に続く改質触媒層13は、その上部に多孔板12を配置し、その下部に多孔支持板14を配置し、その間に改質触媒を充填することで構成される。多孔板12と多孔支持板14は、その内周は第1円筒体1で占められ、その外周は第2円筒体2で占められているので円盤状の多孔板である。多孔板12と支持板14は金属メッシュ(=金属製網目体)等で構成してもよい。
第2円筒体2と第3円筒体3により周方向に区画された隙間に改質ガス流路16を構成する。改質ガス流路16の上部に改質ガスの導出管17を備える。第2円筒体2の下端が底板15に対して間隔を置いて配置されているので、改質触媒層13で生成した改質ガスは第2円筒体2の下端で反転して改質ガス流路16に流入し、当該改質ガス流路16中を上方へ流通した後、改質ガス導出管17から導出される。改質ガス導出管17は、円筒型改質ガス処理器との関連で改質ガス導管とも言う。
本円筒型水蒸気改質器Rの作動時において、バーナ6で発生した燃料ガスは、燃焼室F中矢印で示すように、底板5の内側で折り返して、第1円筒体1の内側を上方へ向かって流れる。その間、燃料ガスは順次、第1円筒体を介して改質触媒層13の改質触媒、改質触媒層13を流れる原燃料と水蒸気の混合ガスを加熱し、予熱層10を流れる原燃料と水蒸気の混合ガスを加熱し、燃焼排ガス排出管8から排出される。
原燃料と水蒸気はそれぞれ原燃料供給管40、水蒸気供給管39を介して予熱層10に導入され、ここで400℃程度乃至それ以上の温度に加熱された後、予熱層10に続く改質触媒層13に導入される。改質触媒層13では水蒸気による原燃料の改質反応により水素リッチの改質ガスを生成する。生成改質ガスは、第2円筒体2の下端で反転して改質ガス流路16に流入し、その流路16中を上方へ流れ、改質ガス導出管17から導出される。導出改質ガスは円筒型水蒸気改質器Rとは別個に構成、配置した円筒型改質ガス処理器Aへ送出される。
円筒型水蒸気改質器Rにおいては、第1円筒体1の内部に当該第1円筒体1と間隔を置いて輻射筒を備えることができる。図2中、符号4として示すとおり、輻射筒4を配置する。輻射筒4は、上蓋兼バーナ取付部材7の下面から配置され、その下端は第1円筒体1の下端に配置された底板5との間に間隔を置いて配置する。
輻射筒を備えた円筒型水蒸気改質器Rの作動時において、バーナ6で発生した燃料ガスは、輻射筒4の下端で折り返して輻射筒4と第1円筒体1との間を上方へ向かって流れる。その間、燃料ガスは順次、第1円筒体を介して改質触媒層13の改質触媒、改質触媒層13を流れる原燃料と水蒸気の混合ガスを加熱し、予熱層10を流れる原燃料と水蒸気の混合ガスを加熱し、燃焼排ガス排出管8から排出される。
このように輻射筒4を設ける構造は、本発明(2)〜(3)の円筒型水蒸気改質器Rにおいても同様に適用することができる。
〈円筒型改質ガス処理器Aについて〉
図1中、円筒型改質ガス処理器Aとして示すとおり、円筒型改質ガス処理器Aは、円筒型水蒸気改質器とは別個に構成し、円筒型水蒸気改質器と並置する。円筒型改質ガス処理器Aは、円筒体19を備え、当該円筒体19内のうち、上部にCO変成触媒層23を備え、下部にCO除去触媒層32を備える。そして、CO変成触媒層23とCO除去触媒層32の間に空気供給部50を備える。円筒体19の上端に上蓋18を備え、上蓋18には円筒型水蒸気改質器Rからの改質ガス導出管17が連結され、導出管17が開口している。
上蓋18に対して間隔を置いて順次、分配板20、多孔板22、多孔板24、分配板25、27、29、多孔板31、多孔板33、分配板34、下蓋36を配置する。それら板体はいずれも円筒体19の内径に相当する直径を持つ円盤状の板体である。CO変成触媒層23は、多孔板22と多孔板24との間にCO変成触媒を充填することで構成される。多孔板24は、多数の孔を有し、CO変成触媒を支持するとともに、CO変成触媒層でのCO変成済み改質ガスを流出させる役割をする。多孔板22、24、31、33は、金属メッシュ等で構成してもよい。
分配板20は、図1中符号21で示すように複数の連通孔を有する。図1にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔21を設けた例を示している。連通孔21の複数個を均等に設けることにより、上蓋18と分配板20との間の間隙に導入された改質ガスをCO変成触媒層23に向けて均等に流入させる役割をする。触媒層温度分布を均一化するために、ガスが流れにくく、かつ、放熱により温度が低下しがちな外周側にガスが多く流れるように分配板20に複数の連通孔21を設け、ガスを分配すると、より好ましい。分配板20を経た改質ガスは多孔板22を経てCO変成触媒層23に流入し、CO変成触媒でのCO変成反応により、改質ガス中のCOをCO2へ変え、併せてH2を生成する。
CO変成触媒層23でのCO変成済みの改質ガスは多孔板24、分配板25を経て分配板25と分配板27との間の空隙に流入する。分配板25は、図1中符号26で示すように複数の連通孔を有する。図1にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔26を設けた例を示している。連通孔26の複数個を均等に設けることにより、多孔板24と分配板25との間の間隙に流出したCO変成済み改質ガスを分配板25と分配板27との間の空隙に向けて均等に流入させる役割をする。分配板27にはその中心部に孔28を設けている。
円筒管19のうち、分配板25と分配板27とで形成した空隙が位置する部位に空気導入管41を配置し、分配板25と分配板27と空気導入管41とにより空気供給部50を構成する。その空隙に空気導入管41の先端が開口している。分配板25と分配板27とで形成した空隙にはCO変成済み改質ガスが流入するが、当該流入改質ガスに空気導入管41からの空気が混合される。
このように空気供給部50は、CO変成済み改質ガスに空気を供給し且つ両ガスを混合する役割をするが、空気の混合を促進するために、図1に示す例では、分配板25の円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔26を設け、分配板27の中心部に孔28を設けた例を示しているが、例えば分配板25の全面に多数の連通孔を均等の間隔で設けるなど各種態様で行うことができる。
分配板27の下部に間隔を置いて分配板29を配置し、分配板29の下部に間隔を置いて分配板29を配置する。分配板27は、図1中符号30で示すように複数の連通孔を有する。図1にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔30を設けた例を示している。連通孔30の複数個を均等に設けることにより、分配板27と分配板29との間の間隙に導入されたCO変成済み改質ガスと空気の混合流をCO除去触媒層32に向けて均等に流入させる役割をする。触媒層温度分布を均一化するために、ガスが流れにくく、かつ、放熱により温度が低下しがちな外周側にガスが多く流れるように分配板29に複数の連通孔30を設け、ガスを分配すると、より好ましい。
CO除去触媒層32は、多孔板31と多孔板33との間にCO除去触媒を充填することで構成される。分配板29を経た混合流は多孔板31を経てCO除去触媒層32に流入し、CO除去触媒でのCOの選択的酸化反応により、CO変成済み改質ガス中のCOをCO2へ変えることでCO濃度をさらに低減させる。CO除去触媒層32によりCOをさらに低減させた改質ガスは、多孔板33、分配板34を経て改質ガス(CO除去済み)取出管42から導出され、PEFCの燃料極に供給される。
〈原料水の予熱管について〉
円筒体19のうち、CO除去触媒層32が位置する外周に原料水の螺旋状予熱管38を配置する。図中には螺旋状の予熱管を示しているが、適宜水冷ジャケットのようなものも適用できる。本発明(1)の燃料電池用水蒸気改質装置の作動時に、水供給管37から供給する原料水は予熱管38中を流れながら加熱され、CO除去触媒層32での発生熱により加熱される。図中には、CO除去触媒の周囲のみ熱回収部を構成したものを示しているが、触媒層温度が適温となるように、変成触媒層の周囲にもCO除去触媒層周囲の熱回収部と連通する形で、熱回収部を形成しても良い。加熱により発生した水蒸気は導管39を介して円筒型水蒸気改質器Rにおける予熱層10へ供給される。
そのようにCO除去触媒層32が位置する外周に原料水の予熱管38を配置した構造を採ることにより、円筒型水蒸気改質器Rにおける予熱層10へ供給する原料水を円筒型改質ガス処理器Aで発生する余剰熱を利用して予め加熱し、円筒型水蒸気改質器Rと円筒型改質ガス処理器Aからなるシステムにおいて発生する熱を有効に利用することができる。
本発明(1)の水蒸気改質装置においては、円筒型水蒸気改質器及び円筒型改質ガス処理器の何れか一方または両方を上下逆置きにしても使用される。本発明(2)〜(3)の水蒸気改質装置についても同様である。なお、このように上下逆置きにした場合は、例えば、上蓋兼バーナ取付台7は下蓋兼バーナ取付台7となり、底板5は上板5となり、上蓋18は下蓋18となり、下蓋36は上蓋36となる。
〈本発明(2)の実施形態〉
本発明(2)は、円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置である。そして、
前記円筒型水蒸気改質器が、(a)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、前記第1円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、(b)前記第1円筒体と前記第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とするとともに、下部の隙間に改質触媒層を備え、(c)前記第2円筒体と前記第3円筒体により周方向に区画された隙間に当該第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成してなり、
前記円筒型改質ガス処理器が、(a)第4円筒体と、当該第4円筒体の外周のうちの下部の外周に当該第4円筒体より径の大きい第5円筒体を同心状に間隔を置いて配置し、(b)前記第4円筒体内にCO酸化触媒層を配置するとともに、第4円筒体と第5円筒体との間にCO除去触媒層を備え、(c)前記CO変成触媒層と前記CO除去触媒層の間に空気供給部を備えるとともに、前記CO除去触媒層の外周に原料水の予熱管を配置してなり、
且つ、前記円筒型水蒸気改質器の改質ガス流路と前記CO変成触媒層との間に改質ガス導管を配置してなることを特徴とする。
図3は、本発明(2)を説明する図である。図3には円筒型水蒸気改質器Rに輻射筒4を設けた構造を示しているが、輻射筒4を設けない構造についても前述本発明(1)の円筒型水蒸気改質器Rと同様である。
図3のとおり、本発明(2)の燃料電池用水蒸気改質装置は、円筒型水蒸気改質器Rと円筒型改質ガス処理器Bを別個に備える。そのうち円筒型水蒸気改質器Rは、本発明(1)の態様における円筒型水蒸気改質器Rと同様である。
〈円筒型改質ガス処理器Bについて〉
図3中、円筒型改質ガス処理器:Bとして示すとおり、円筒型改質ガス処理器Bは、円筒型水蒸気改質器Rとは別個に構成し、円筒型水蒸気改質器と並置する。円筒型改質ガス処理器Bは、第4円筒体201と、当該第4円筒体201の外周のうち、下部の外周に当該第4円筒体201より径の大きい第5円筒体203を同心状に間隔を置いて配置する。
第4円筒体201の上端に上蓋200を備え、上蓋200には円筒型水蒸気改質器Rからの改質ガス導出管17が連結され、導出管17が開口している。第4円筒体201には、その上蓋200に対して間隔を置いて順次、分配板205、多孔板207、多孔板209、分配板210を配置する。それら板体はいずれも第4円筒体201の内径に相当する直径を持つ円盤状の板体である。
そして、第4円筒体201にCO変成触媒層208を備え、第4円筒体201と第5円筒体203との間にCO除去触媒層216を備え、CO変成触媒層208及びCO除去触媒層216の下部に空気供給部を備える。空気供給部は、CO変成触媒層208及びCO除去触媒層216の下部と第4円筒体201と第5円筒体203に共通の下蓋204との間で構成する。
CO変成触媒層208は、より詳しくは多孔板207と多孔板209との間にCO変成触媒を充填することで構成される。多孔板209は、多数の孔を有し、CO変成触媒を支持するとともに、CO変成触媒層でのCO変成済み改質ガスを流出させる役割をする。多孔板207、209は、金属メッシュ等で構成してもよい。
分配板205は、図3中符号206で示すように複数の連通孔を有する。図3にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔206を設けた例を示している。連通孔206の複数個を均等に設けることにより、上蓋200と分配板206との間の間隙に導入された改質ガスをCO変成触媒層208に向けて均等に流入させる役割をする。触媒層温度分布を均一化するために、ガスが流れにくく、かつ、放熱により温度が低下しがちな外周側にガスが多く流れるように分配板205に複数の連通孔206を設け、ガスを分配すると、より好ましい。分配板205を経た改質ガスは多孔板207を経てCO変成触媒層208に流入し、CO変成触媒でのCO変成反応により、改質ガス中のCOをCO2へ変え、併せてH2を生成する。
CO変成触媒層208でのCO変成済みの改質ガスは多孔板209、分配板210を経て当該分配板210と下蓋204(第4円筒体201と第5円筒体203に共通の下蓋)との間の空隙に流入する。分配板210は、図3中符号211で示すように複数の連通孔を有する。図3にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔211を設けた例を示している。連通孔211の複数個を均等に設けることにより、多孔板209と分配板210との間の間隙に流出したCO変成済み改質ガスを分配板210と下蓋204との間の空隙に向けて均等に流入させる役割をする。
第4円筒体201と第5円筒体203との間には、その下蓋204に対して間隔を置いて順次、分配板213、多孔板215、多孔板217、分配板219、上蓋220を配置する。それら板体はいずれも第4円筒体201の径(外径)に相当する部分は第4円筒体201で占められるのでドーナツ状の板体である。そのうち、分配板213は、図3中符号214で示すように複数の連通孔を有する。
CO除去触媒層216は、より詳しくは分配板213の上に配置された多孔板215と多孔板217との間にCO除去触媒を充填することで構成される。多孔板215は、多数の孔を有し、CO除去触媒を支持するとともに、CO変成触媒層での空気を混合したCO変成済み改質ガスを流入させる役割をする。多孔板207、209は、金属メッシュ等で構成してもよい。
分配板213は、図3中符号214で示すように複数の連通孔を有する。図3にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔214を設けた例を示している。連通孔214の複数個を均等に設けることにより、下蓋204と分配板213との間の間隙に導入された改質ガスをCO除去触媒層216に向けて均等に流入させる役割をする。触媒層温度分布を均一化するために、ガスが流れにくく、かつ、放熱により温度が低下しがちな外周側にガスが多く流れるように分配板213に複数の連通孔214を設け、ガスを分配すると、より好ましい。分配板213を経た改質ガスは多孔板215を経てCO除去触媒層216に流入し、CO除去触媒でのCOの選択的酸化反応により、CO変成済み改質ガス中のCOをCO2へ変えることでCO濃度をさらに低減させる。
CO除去触媒層216でのCO除去済みの改質ガスは多孔板217、分配板218を経て当該分配板218と上蓋220との間の空隙に流入する。分配板219は、図3中符号219で示すように複数の連通孔を有する。図3にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔219を設けた例を示している。連通孔219の複数個を等間隔に設けることにより、多孔板217と分配板218との間の間隙に流出したCO除去済み改質ガスを分配板218と上蓋220との間の空隙に向けて均等に流出させる。
CO除去触媒層216により、COをさらに低減させた改質ガスは、多孔板217、分配板218を経て改質ガス(CO除去済み)取出管42から導出され、PEFCの燃料極に供給される。
〈原料水の予熱管について〉
第5円筒体203の外周に原料水の予熱管38を配置する。図中には螺旋状の予熱管を示しているが、適宜水冷ジャケットのようなものも適用できる。本発明(2)の燃料電池用水蒸気改質装置の作動時に、水供給管37から供給する原料水は予熱管38中を流れながら加熱され、CO除去触媒層216での発生熱により加熱される。加熱により発生した水蒸気は導管39を介して円筒型水蒸気改質器Rにおける予熱層10へ供給される。図中には、CO除去触媒の周囲のみ熱回収部を構成したものを示しているが、触媒層温度が適温となるように、変成触媒層の周囲にもCO除去触媒層周囲の熱回収部と連通する形で、熱回収部を形成しても良い。
そのように、CO除去触媒層216が位置する外周に原料水の螺旋状予熱管38を配置した構造を採ることにより、円筒型水蒸気改質器Rにおける予熱層10へ供給する原料水を円筒型改質ガス処理器Bで発生する余剰熱を利用して予め加熱し、円筒型水蒸気改質器Rと円筒型改質ガス処理器Bからなるシステムにおいて発生する熱を有効に利用することができる。
〈本発明(3)の実施形態〉
本発明(3)は、円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置である。そして、
前記円筒型水蒸気改質器が、(a)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、前記第1円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、(b)前記第1円筒体と前記第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とするとともに、下部の隙間に改質触媒層を備え、(c)前記第2円筒体と前記第3円筒体により周方向に区画された隙間に当該第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成してなり、
前記円筒型改質ガス処理器が、(a)第4円筒体と、第4円筒体の外周のうちの下部の位置の外周に間隔を置いて当該第4円筒体の外周よりも径の大きい第5円筒体を配置するとともに、第5円筒体の外周に間隔を置いて当該第5円筒体の外周よりも径の大きい第6円筒体を配置し、(b)前記第4円筒体内にCO変成触媒層を配置するとともに、第5円筒体と第6円筒体との間にCO除去触媒層を備え、(c)前記CO変成触媒層の下部からCO除去触媒層に向けて、前記CO変成触媒層を経たCO変成済み改質ガスの流通部を備えるとともに、当該流通部に空気供給管を配置し、(d)第6円筒体の外周に原料水の予熱管を配置してなり、
且つ、前記円筒型水蒸気改質器の改質ガス流路と前記CO変成触媒層との間に改質ガス導管を配置してなることを特徴とする。
図4は、本発明(3)を説明する図である。図4には円筒型水蒸気改質器に輻射筒4を設けた構造を示しているが、輻射筒4を設けない構造についても前述本発明(1)の円筒型水蒸気改質器Rと同様である。
図4のとおり、本発明(3)の燃料電池用水蒸気改質装置は、円筒型水蒸気改質器Rと円筒型改質ガス処理器Cを別個に備える。そのうち円筒型水蒸気改質器Rは、本発明(1)の態様における円筒型水蒸気改質器Rと同様である。
〈円筒型改質ガス処理器:Cについて〉
図4中、円筒型改質ガス処理器:Cとして示すとおり、円筒型改質ガス処理器Cは、円筒型水蒸気改質器Rとは別個に構成し、円筒型水蒸気改質器と並置する。円筒型改質ガス処理器Cは、第4円筒体201と、当該第4円筒体201の外周のうちの下部の位置の外周に間隔を置いて当該第4円筒体201の外周よりも径の大きい第5円筒体202を同心状に配置するとともに、第5円筒体202の外周に間隔を置いて当該第5円筒体202の外周よりも径の大きい第6円筒体203を同心状に配置する。
第4円筒体201の上端に上蓋200を備え、上蓋200には円筒型水蒸気改質器Rからの改質ガス導出管17が連結され、開口している。第4円筒体201内には、その上蓋200に対して間隔を置いて順次、分配板205、多孔板207、多孔板209、分配板210を配置する。それら板体はいずれも第4円筒体201の内径に相当する直径を持つ円盤状の板体である。
そして、第4円筒体201内にCO変成触媒層208を備え、第5円筒体202と第6円筒体203との間にCO除去触媒層216を備え、CO変成触媒層208及びCO除去触媒層216の下部に空気供給部を備える。空気供給部は、CO変成触媒層208及びCO除去触媒層216の下部と第4円筒体201と第5円筒体203とに共通の下蓋204との間で構成する。
そのように、円筒型改質ガス処理器Cでは、第4円筒体201(その内側にCO変成触媒層208を有する)とCO除去触媒層216の内周を構成する第5円筒体202とは同心状に間隔を置いて配置されているので、220〜300℃程度で作動するCO変成触媒層208の熱によるCO除去触媒層216(作動温度130〜170℃程度)への影響を防止することができる。
CO変成触媒層208は、より詳しくは第4円筒体201内の多孔板207と多孔板209との間にCO変成触媒を充填することで構成される。多孔板209は、多数の孔を有し、CO変成触媒を支持するとともに、CO変成触媒層でのCO変成済み改質ガスを流出させる役割をする。多孔板207、209は、金属メッシュ等で構成してもよい。
分配板205は、図4中符号206で示すように複数の連通孔を有する。図4にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔206を設けた例を示している。連通孔206の複数個をそのように設けることにより、上蓋200と分配板205との間の間隙に導入された改質ガスをCO変成触媒層208に向けて均等に流入させる役割をする。触媒層温度分布を均一化するために、ガスが流れにくく、かつ、放熱により温度が低下しがちな外周側にガスが多く流れるように分配板205に複数の連通孔206を設け、ガスを分配すると、より好ましい。分配板205を経た改質ガスは多孔板207を経てCO変成触媒層208に流入し、CO変成触媒でのCO変成反応により、改質ガス中のCOをCO2へ変え、併せてH2を生成する。
CO変成触媒層208でのCO変成済みの改質ガスは多孔板209、分配板210を経て当該分配板210と下蓋204(第4円筒体201と第5円筒体202と第6円筒体203に共通の下蓋)との間の空隙に流入する。分配板210は、図4中符号211で示すように複数の連通孔を有する。図4にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔211を設けた例を示している。連通孔211の複数個をそのように設けることにより、多孔板209と分配板210との間の間隙に流出したCO変成済み改質ガスを分配板210と下蓋204との間の空隙に向けて均等に流入させる役割をする。
第5円筒体202と第6円筒体203との間に、その下蓋204に対して間隔を置いて順次、分配板213、多孔板215、多孔板217、分配板218、上蓋220を配置する。それら板体は、いずれも第5円筒体202と第6円筒体203との間に水平に設け、第5円筒体202の径(内径)に相当する部分は第4円筒体202で占められるのでドーナツ状の板体である。
CO除去触媒層216は、分配板213の上に配置された多孔板215と多孔板217との間にCO除去触媒を充填することで構成される。多孔板215は、多数の孔を有し、CO除去触媒を支持するとともに、CO変成触媒層からのCO変成済み改質ガスに空気を混合した混合流を流入させる役割をする。多孔板207、209は、金属メッシュ等で構成してもよい。
分配板213は、図4中符号214で示すように複数の連通孔を有する。図4にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔214を設けた例を示している。連通孔214の複数個をそのように設けることにより、下蓋204と分配板213との間の間隙に導入されたCO変成済み改質ガスをCO除去触媒層216に向けて均等に流入させる役割をする。触媒層温度分布を均一化するために、ガスが流れにくく、かつ、放熱により温度が低下しがちな外周側にガスが多く流れるように分配板213に複数の連通孔214を設け、ガスを分配すると、より好ましい。分配板213を経た改質ガスは多孔板215を経てCO除去触媒層216に流入し、CO除去触媒でのCOの選択的酸化反応により、CO変成済み改質ガス中のCOをCO2へ変えることでCO濃度をさらに低減させる。
CO除去触媒層216でのCO除去済みの改質ガスは多孔板217、分配板218を経て当該分配板218と上蓋220との間の空隙に流入する。分配板218は、図4中符号219で示すように複数の連通孔を有する。図4にはその円盤状板体の中心から等間隔で且つ周方向に等間隔に複数個の連通孔219を設けた例を示している。連通孔219の複数個をそのように設けることにより、多孔板217と分配板218との間の間隙に流出したCO除去済み改質ガスを分配板218と上蓋220との間の空隙に向けて均等に流出させる。
そのように、CO除去触媒層216により、CO変成済み改質ガス中のCOをさらに低減させ、多孔板217、分配板218を経て改質ガス(CO除去済み)取出管42から導出され、PEFCの燃料極に供給される。
〈原料水の予熱管について〉
第6円筒体203の外周に原料水の予熱管38を配置する。図中には螺旋状の予熱管を示しているが、適宜水冷ジャケットのようなものも適用できる。本発明(4)の燃料電池用水蒸気改質装置の作動時に、水供給管37から供給する原料水は予熱管38中を流れながら加熱され、CO除去触媒層216での発生熱により加熱される。加熱により生成した水蒸気は導管39を介して円筒型水蒸気改質器Rにおける予熱層10へ供給される。図中には、CO除去触媒の周囲のみ熱回収部を構成したものを示しているが、触媒層温度が適温となるように、変成触媒層の周囲にもCO除去触媒層周囲の熱回収部と連通する形で、熱回収部を形成しても良い。
そのように、CO除去触媒層216が位置する第6円筒体203の外周に原料水の予熱管38を配置した構造を採ることにより、円筒型水蒸気改質器Rにおける予熱層10へ供給する原料水を円筒型改質ガス処理器Cで発生する余剰熱を利用して予め加熱し、円筒型水蒸気改質器Rと円筒型改質ガス処理器Cからなるシステムにおいて発生する熱を有効に利用することができる。
〈電気ヒーターについて〉
前記円筒型改質ガス処理器Aや、前記円筒型改質ガス処理器Bにおいても、外周に電気ヒーターを配置し、水蒸気改質装置の起動時に、それをオンにしてCO変成触媒層と共に、CO除去触媒層も加熱することができるが、電気ヒーターを断熱材で覆ったとしても、発熱の一部は放熱となってしまい、有効に利用できていなかった。それに対して、円筒型改質ガス処理器Cにおいては、第4円筒体201と第5円筒体202とは間隔を置いて配置するが、第4円筒体201と第5円筒体202との間に電気ヒーター221を配置してもよい。このようにすることで、電気ヒーター221の発熱を、放熱ロスを極力少なくし、有効に利用することができる。
〈CO変成触媒層に高温CO変成触媒及び低温CO変成触媒を配置する態様〉
本発明の水蒸気改質装置においては、CO変成触媒層を高温CO変成触媒層と低温CO変成触媒層の積層、もしくはそれぞれ単独で構成することができる。積層構造を図1〔本発明(1)〕で言えば、CO変成触媒層23の上下幅のうち上部を高温CO変成触媒層とし、下部を低温CO変成触媒を配置する。高温CO変成触媒は少なくとも350℃以上で連続して使用でき、その例としてはPt系やFe/Cr系、Fe/Al系などが使用できる。
低温CO変成触媒には通常のCO変成触媒であるCu/Zn系などを使用する。高温CO変成触媒の使用量は、例えばCO変成触媒全体のうち1/3程度にするなど、円筒型水蒸気改質器から改質ガス導出管17を経て導入される改質ガスの温度、改質改質ガス処理器自体での熱バランスなどを考慮して適宜設定することができる。本発明(2)〜(3)の水蒸気改質装置についても同様である。
以下、実験例を基に本発明をさらに説明するが、本発明が実験例に限定されないことはもちろんである。
〈実験例1〉
実験例1は、図3に示す本発明(2)の円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置について、各部位における温度分布に係る実験を行った。図3の構造の水蒸気改質器を作製し、作動して、各水蒸気改質器における各部位における温度を計測し、各部位における温度分布の状態を観察した。
改質触媒層の改質触媒として作動温度400〜680℃程度のRu系触媒を使用し、CO変成触媒層のCO変成触媒として作動温度220〜330℃程度の銅−亜鉛系触媒を使用し、CO除去触媒層のCO除去触媒として作動温度130〜170℃程度のRu系触媒を使用した。
温度計測は熱電対で行い、図3中、温度計測箇所である熱電対設置位置を示している。また、CO変成触媒層については、改質ガスの流れ方向でみて、CO変成触媒層入口部、CO変成触媒層中間部及びCO変成触媒層出口部の三つの位置について、それぞれ中央部、外側の合計6箇所で計測した。
他の実験条件、実験結果は表1のとおりである。なお、表1において改質触媒層出口の中央部は半径方向でみた中央部の位置であり、CO変成触媒層は円柱状であるので中央部と外側のみであるので、内側はない。
Figure 2010157402
表1のとおり、CO変成触媒層入口の温度については、中央部で282.4℃、外側で279.4℃であり、CO変成触媒層中間の温度については、中央部で303.5℃、外側で292.9℃であり、またCO変成触媒層出口の温度については、中央部で258.9℃、外側で247.2℃である。このように、いずれの部位においても、CO変成触媒の適温220〜330℃の範囲内であり、また、各部位の温度について、その温度差の幅は小さく、ほぼ均等と言える。
また、CO除去触媒層温度については、CO除去触媒層入口で187.2℃、CO除去触媒層出口で160.3℃である。CO除去触媒層入口温度について、CO除去触媒の適温130〜170℃に対してやや高いが、CO除去触媒層入口部において、原料水予熱管と接触する面積を増加させることにより、容易に解決できる。CO除去触媒層出口温度はCO除去触媒の適温の範囲内である。
〈実験例2〉
実験例2は、図4に示す本発明(3)の円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置について、各部位における温度分布に係る実験を行った。図4の構造の水蒸気改質器を作製し、作動して、各水蒸気改質器における各部位における温度を計測し、各部位における温度分布の状態を観察した。改質触媒、CO変成触媒、CO除去触媒は実験例1と同じである。
なお、実験例2では、電気ヒーターは起動時の触媒層内における結露防止の目的で作動させるのみで、定常時においては作動させていない。
温度計測は熱電対で行い、図4中、温度計測箇所である熱電対設置位置を示している。また、CO変成触媒層については、改質ガスの流れ方向でみて、CO変成触媒層入口部、CO変成触媒層中間部及びCO変成触媒層出口部の三つの位置について、それぞれ中央部、外側の合計6箇所で計測した。
他の実験条件、実験結果は表2のとおりである。なお、表2において改質触媒層出口の中央部は半径方向でみた中央部の位置であり、CO変成触媒層は円柱状であるので中央部と外側のみであるので、内側はない。また、図4の構造におれるCO除去触媒層は円筒状であり、その内側はCO変成触媒層寄りの位置であり、その外側は原料水予熱管38寄りの位置である。
Figure 2010157402
表2のとおり、CO変成触媒層入口の温度については、中央部で286.9℃、外側で293.8℃であり、CO変成触媒層中間の温度については、中央部で280.6℃、外側で269.2℃であり、CO変成触媒層出口の温度については、中央部で253.6℃、外側で241.8℃である。このように、いずれの部位においても、CO変成触媒の適温220〜330℃の範囲内であり、また、各部位の温度について、その温度差の幅は小さく、ほぼ均等と言える。
また、CO除去触媒層温度については、CO除去触媒層入口の内側で152.8℃、外側で126.4℃であり、CO除去触媒層出口の内側で119.4℃、外側で108.3℃である。CO除去触媒層入口の内側の温度を除き、CO除去触媒の適温130〜170℃に対してやや低いが、CO除去触媒層入口部において、原料管予熱管と接触する面積を減少させ、CO除去触媒層入口温度を上昇させることで容易に解決できる。また、電気ヒーターを作動させることで補うことも可能である。
本発明(1)の態様を説明する図 本発明(1)の態様を説明する図 本発明(2)の態様を説明する図 本発明(3)の態様を説明する図 原燃料の処理からPEFCに至るまでのシステムを説明する図 CO変成触媒層及びCO除去触媒層の一体化型多重円筒型水蒸気改質器(先行技術)を示す図
符号の説明
1〜3、101〜103 第1円筒体〜第3円筒体
4、104 輻射筒
5 第1円筒体1の底板
6 バーナ
7 上蓋兼バーナ取付台
8、141 燃焼排ガス排出管
10 原燃料及び水蒸気の予熱層
11、115 螺旋状棒材
13、116 改質触媒層
15 第3円筒体3の底板
16、120 改質ガス流路
37、142 原料水導入管
38 原料水の螺旋状予熱管
39 水蒸気供給管
40、143 原燃料導入管
41、144 空気供給管
45、145 改質ガス導出管
201〜203 第4円筒体〜第6円筒体
23、208 CO変成触媒層
32、216 CO除去触媒層
221 電気ヒーター

Claims (5)

  1. 円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置であって、
    前記円筒型水蒸気改質器が、
    (a)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、前記第1円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、
    (b)前記第1円筒体と前記第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とするとともに、下部の隙間に改質触媒層を備え、
    (c)前記第2円筒体と前記第3円筒体により周方向に区画された隙間に当該第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成してなり、
    前記円筒型改質ガス処理器が、
    (a)円筒体内の上部にCO変成触媒層を備え、下部にCO除去触媒層を備えるとともに、前記CO変成触媒層と前記CO除去触媒層の間に空気供給部を備え、
    (b)前記円筒体のうち、CO除去触媒層が位置する外周に前記水蒸気改質器の予熱層へ供給する原料水の予熱管を配置してなり、
    且つ、前記円筒型水蒸気改質器の改質ガス流路と前記CO変成触媒層との間に改質ガス導管を配置してなること、を特徴とする燃料電池用水蒸気改質装置。
  2. 円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置であって、
    前記円筒型水蒸気改質器が、
    (a)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、前記第1円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、
    (b)前記第1円筒体と前記第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とするとともに、下部の隙間に改質触媒層を備え、
    (c)前記第2円筒体と前記第3円筒体により周方向に区画された隙間に当該第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成してなり、
    前記円筒型改質ガス処理器が、
    (a)第4円筒体と、第4円筒体の外周のうちの下部の外周に当該第4円筒体より径の大きい第5円筒体を同心状に間隔を置いて配置し、
    (b)前記第4円筒体内にCO変成触媒層を配置するとともに、第4円筒体と第5円筒体との間にCO除去触媒層を備え、
    (c)前記CO変成触媒層と前記CO除去触媒層の間に空気供給部を備えるとともに、前記CO除去触媒層の外周に原料水の予熱管を配置してなり、
    且つ、前記円筒型水蒸気改質器の改質ガス流路と前記CO変成触媒層との間に改質ガス導管を配置してなること、を特徴とする燃料電池用水蒸気改質装置。
  3. 円筒型水蒸気改質器と円筒型改質ガス処理器を別個に備えてなる燃料電池用水蒸気改質装置であって、
    前記円筒型水蒸気改質器が、
    (a)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体からなる複数の円筒体と、前記第1円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、
    (b)前記第1円筒体と前記第2円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間を原燃料と原料水との混合流の予熱層とするとともに、下部の隙間に改質触媒層を備え、
    (c)前記第2円筒体と前記第3円筒体により周方向に区画された隙間に当該第2円筒体の下端で反転させた改質ガス流路を構成してなり、
    前記円筒型改質ガス処理器が、
    (a)第4円筒体と、第4円筒体の外周のうちの下部の位置の外周に間隔を置いて当該第4円筒体の外周よりも径の大きい第5円筒体を配置するとともに、第5円筒体の外周に間隔を置いて当該第5円筒体の外周よりも径の大きい第6円筒体を配置し、
    (b)前記第4円筒体内にCO変成触媒層を配置するとともに、第5円筒体と第6円筒体との間にCO除去触媒層を備え、
    (c)前記CO変成触媒層の下部からCO除去触媒層に向けて、前記CO変成触媒層を経たCO変成済み改質ガスの流通部を備えるとともに、当該流通部に空気供給管を配置し、(d)前記第6円筒体の外周に原料水の予熱管を配置してなり、
    且つ、前記円筒型水蒸気改質器の改質ガス流路と前記CO変成触媒層との間に改質ガス導管を配置してなること、を特徴とする燃料電池用水蒸気改質装置。
  4. 請求項3の燃料電池用水蒸気改質装置において、前記第4円筒体と前記第5円筒体との間のうち、前記第4円筒体の外周に電気ヒーターを配置してなることを特徴とする燃料電池用水蒸気改質装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用円筒型水蒸気改質装置において、前記水蒸気改質器における第1円筒体の内部に輻射筒を備えることを特徴とする燃料電池用円筒型水蒸気改質装置。
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