JP2011121790A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
改質装置の運転や改質装置の起動停止を行っても、改質装置の容器の破損や触媒の圧壊が生じにくい燃料電池用改質装置を提供する。
【解決手段】
第１筒体２０と、第１筒体２０を包囲して包囲空間を構成する第２筒体２４ｂと、包囲空間に充填され、包囲空間を流れる燃料ガスを改質し、得られた改質ガスを包囲空間の下方から排出する触媒層２８と、複数の開孔を有し、改質ガスが排出される包囲空間の出口に第１筒体、第２筒体とは独立して配置される隔壁５０と、隔壁５０を支持する支持部材５１と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の燃料改質装置に関する。

燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電池で起きる電気化学反応を表す式を示す。（１）はアノード側に於ける反応、（２）はカソード側に於ける反応を表し、燃料電池全体では（３）式に表す反応が進行する。

Ｈ₂→ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- … … … （１）
１／２Ｏ₂ ＋ ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ … … … （２）
Ｈ₂ ＋ １／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ … … … （３）
燃料電池は、使用する電解質によって、いくつかの種類があるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を燃料改質装置の改質器で水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。

式（４）は、改質器におけるメタンの改質反応について示したものである。
CH₄+ H₂O ＝ CO + 3H₂ - 206.14 KJ/mol … … … （４）
式（４）に示される通り、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにより粒状改質触媒を600〜700℃に加熱することにより改質反応を行わせて、水素に富んだ改質ガスを生成している。

この種の従来の燃料改質装置例を図６に示す（特許文献１）。この燃料改質装置７０のうち、改質部（触媒層）２８について以下に説明する。図６で、内筒２０と下部仕切り筒２４ｂとの間の環状空間は、下端に触媒が落ちない様に触媒直径よりも小さく、かつガスが通過する際に過度の圧損とならない程度の径の孔が形成された板底を有している。その板底の上の環状空間に改質触媒が充填され改質部（触媒層）２８が形成されている。

原燃料ガス供給口２５から導入された原燃料ガスと改質用水は、水蒸気発生部２７の上方から下方へ向かって流れる。改質用水は螺旋状ガイド２６上を伝わって内筒２０表面を旋回しながら流れるので、バーナー１４の燃焼によって発生した内筒２０の内側を流れる燃焼排ガスの熱が有効に伝熱され水蒸気となって改質部（触媒層）２８へ原燃料ガスとともに供給される。内筒２０の内側を流れる燃焼排ガスにより改質部（触媒層）２８は600℃〜700℃程度に加熱される。原燃料ガスが改質部（触媒層）２８を通過する際に改質ガスに改質される。改質部（触媒層）２８を出た改質ガスは、下部仕切り筒２４ｂの下端で折り返して流れの方向を変え、改質ガス流路３１を上昇する。

従来の別の燃料改質装置例を図７に示す（特許文献２）。図７において、蒸発器１には、燃料供給管５からメタノールと水との混合燃料が供給され、バーナー１４の加熱によって気化するようになっている。蒸発器１の上部には、気化した燃料を反応させて改質ガス（水素ガス）に変化させる触媒層２８が充填された複数本の反応管３が接続され、さらにその上部に改質ガスを集める集合室９が設けられている。この触媒層２８の下部入り口側には、多孔質金属、多孔質磁器、金網等からなる多孔構造の支持板１０が設けられ、また上部の出口側にも同様の材料からなる多孔構造の蓋１１が設けられている。蓋１１は反応管３に対し摺動自在に嵌め合わせ、かつ上方へ抜き出し可能になっており、着脱自在な構成になっている。このような蓋１１と上方のケース１３との間には、スプリング１２が介在している。このスプリング１２は蓋１１の固定具として作用し、一定の弾性力によって蓋１１を触媒層２８に向けて押圧するようにしている。

特開２００７−１５９１１号公報 特開昭６３−２１２０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された図６に示す燃料改質装置７０は、改質部（触媒層）２８の改質ガスの出口付近が最も高温（700℃）となることから、装置の起動停止時の温度変化による金属容器の熱膨張による変形や、曲げ応力の発生により、改質ガスの出口の隔壁の変形、破損が生じ、触媒の流出、燃料改質装置７０の破損が生じる恐れがあるという問題点があった。

また、特許文献２に記載された図７に示す燃料改質装置は、スプリング１２で触媒層６を押さえているので、高温時、および装置の起動停止に伴う、容器（反応管３）の膨張・収縮の繰り返しの際に、容器・触媒に常に力が加わるため、容器の破損、触媒の圧壊が生じる恐れがあるという問題点があった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、改質装置の運転や改質装置の起動停止を行っても、改質装置の容器の破損や触媒の圧壊が生じにくい燃料電池用改質装置を提供することを課題とする。

本発明の燃料電池用改質装置は、立設された第１筒体と、第１筒体を包囲して包囲空間を構成する第２筒体と、包囲空間に充填され、包囲空間を流れる燃料ガスを改質し、得られた改質ガスを包囲空間の下方から排出する触媒層と、改質ガスが排出される包囲空間の出口に第１、第２筒体とは独立して配置される複数の開孔を有する隔壁と、隔壁を支持する支持部材と、を備えている。

本発明の燃料電池用改質装置は、改質装置内で最も高温になる、包囲空間の出口付近において、包囲空間内に充填された触媒を支える隔壁を第１筒体及び第２筒体に固定しない構成としたので、装置の起動停止時の温度変化によって第１筒体及び第２筒体に熱膨張による変形や曲げ応力が発生しても、改質ガスの出口の隔壁に変形や破損は生じにくい。

本発明によれば、包囲空間内に充填された触媒を支える隔壁を第１筒体及び第２筒体に固定しない構成としたので、装置の起動停止時の温度変化によって第１筒体及び第２筒体に熱膨張による変形や曲げ応力が発生しても、改質ガスの出口の隔壁に変形や破損は生じにくい。

本発明によれば、包囲空間内に充填された触媒をスプリングなどによって押さえる構成としていないので、高温時、および装置の起動停止に伴う、第１筒体及び第２筒体の膨張・収縮の繰り返しの際に、容器の破損、触媒の圧壊が生じる恐れは少ない。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す概略図である。 図１に示す燃料電池用改質装置の支持部材（固定座）を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用改質装置の支持部材（座面部と支持脚）を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す概略図である。 図４に示す燃料電池用改質装置の支持部材（鍔部）を示す概略図である。 従来の燃料電池用改質装置の構成を示す概略図である。 従来の燃料電池用改質装置の別の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す概略図である。図６の従来の燃料電池用改質装置と同じ機能部材には同一の番号を付して説明を省略する。

図６の従来の燃料電池用改質装置７０で内筒２０及び下部仕切り筒２４ｂと一体となっている板底の代わりに、図１の本発明の第1の実施形態に係る燃料電池用改質装置７０では第１筒体２０（内筒２０に相当）と第２筒体２４ｂ（下部仕切り筒２４ｂに相当）のどちらにも固定されていない隔壁５０（板底に相当）としている。第３筒体２３（外筒２３に相当）内の底面に所定の間隔で設けられた固定座５１が隔壁５０を下方より所望の位置に支持する。

隔壁５０は、上から見るとリング状であり、包囲空間に納められた際に、隔壁５０と第１筒体２０の間の隙間、及び隔壁５０と第２筒体２４ｂの間の隙間から触媒粒が流出しないような大きさである。従来の板底と同様に、触媒直径（一例、3mm）よりも小さく、かつガスが通過する際に過度の圧損とならない程度の径（一例、1mm×2mmの角穴）の孔が多数、隔壁５０に形成されている。隔壁５０の材質は、還元雰囲気、高温で変形やヘタリが無い、金属（ステンレスなど）、セラミックスなどである。また、隔壁５０は、金網であってもよい。

固定座５１の概略図を図２に示す。図２（ａ）は固定座５１の断面概略図、図２（ｂ）は固定座５１の平面図である。複数の固定座５１が第３筒体２３内の底面に溶接などによって固定設置される。図２では固定座５１が第３筒体２３内の底面に固定設置されているが、これに限定されることはなく、改質装置の構造によって固定座を固定設置する場所は異なりうる。図２（ｂ）には８個の固定座５１が示されているが、特にこの数に限定されることはない。所望の位置に隔壁５０を支えることができればよい。固定座５１の材質は、隔壁５０と同様に還元雰囲気、高温で変形やヘタリが無い、金属（ステンレスなど）、セラミックスなどである。固定座５１は、図２に示される形状・大きさに特に限定されることはなく、所望の位置に隔壁５０を支えることができればどのような形状・大きさでもよい。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用改質装置の支持部材（固定座５１：座面部５１ｂと支持脚５１ａ）を示す概略図である。図３（ａ）は第２の実施形態に係る固定座５１の断面概略図、図３（ｂ）は第２の実施形態に係る固定座５１の平面図である。図３に示す固定座５１はリング状の座面部５１ｂと支持脚５２ａからなる。図３に示す固定座５１は、座面部５１ｂを第３筒体２３内の底面に溶接して固定してもよいが、特に溶接せずに単に置くだけでもよい。製造の容易さやコストの点から溶接せずに置くだけの方が好ましい。図３では固定座５１の座面部５１ｂが第３筒体２３内の底面に設置されているが、これに限定されることはなく、改質装置の構造によって固定座５１の座面部５１ｂを設置する場所は異なりうる。図３に示す固定座５１の材質も、上記第１の実施形態に係る固定座５１の材質と同じである。第２の実施形態に係る固定座５１は、特に図３に示される形状・大きさに限定されることはなく、所望の位置に隔壁を支えることができればどのような形状・大きさでもよい。図３（ｂ）には支持脚５１ａが８個示されているが、特にこの数に限定されることはない。所望の位置に隔壁５０を支えることができればよい。

［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用改質装置７０の構成を示す概略図である。図６の従来の燃料電池用改質装置７０と同じ機能部材には同一の番号を付して説明を省略する。

隔壁５０については、本発明の第１、第２の実施形態と同一である。隔壁５０を支える構造が第１、第２の実施形態と異なる。第１、第２筒体の下部の少なくともいずれかに所定の間隔で設けられた複数の鍔部の上に隔壁５０が置かれる。第１筒体２０の下部に設けられるのが鍔部５２ａ、第２筒体２４ｂの下部に設けられるのが鍔部５２ｂである。各鍔部はそれぞれの各筒体に溶接などで固定される。しかし各鍔部は隔壁５０と固定されていないので、第１筒体２０及び第２筒体２４ｂに熱膨張による変形や曲げ応力が発生しても、隔壁５０に変形や破損は生じにくい。鍔部の材質は、還元雰囲気、高温で変形やヘタリが無い、金属（ステンレスなど）、セラミックスなどである。

図５は、図４に示す燃料電池用改質装置の支持部材（鍔部）を示す概略図である。図５（ａ）は鍔部の断面概略図、図５（ｂ）は鍔部の平面図である。図５（ｂ）には全部で１６個の鍔部が示されているが、特にこの数に限定されることはない。また、鍔部の取付け位置も図５（ｂ）に示された位置に限定されることはない。所望の位置に隔壁５０を支えることができればよい。鍔部は、図５に示される形状・大きさに特に限定されることはなく、所望の位置に隔壁５０を支えることができればどのような形状・大きさでもよい。

次に、本発明の各実施形態の燃料電池用改質装置７０が作動した場合の改質部（触媒層）２８におけるガスの流れについて説明する。なお、ガスの流れは各実施形態とも同じである。原燃料ガスと水蒸気が改質部（触媒層）２８へ供給される。改質部（触媒層）２８は内側を流れる燃焼排ガスにより６００℃〜７００℃程度に加熱される。改質部（触媒層）２８で改質された改質ガスは第２筒体２４ｂの下端で折り返して流れの方向を変え、改質ガス流路３１を上昇しながら内側に隣接する改質部（触媒層）２８に熱を与え、３００℃〜３５０℃程度となって、次の工程を行う装置へ導入される。

７０ 燃料電池発電装置
１ 蒸発器
３ 反応管
５ 燃料供給管
９ 集合室
１０ 支持板
１１ 蓋
１２ スプリング
１３ 上方のケース
１４ バーナー
２０ 内筒、第１の筒体
２３ 外筒、第３の筒体
２４ｂ下部仕切り筒、第２の筒体
２５ 原燃料ガス供給口
２６ 螺旋状ガイド
２７ 水蒸気発生部
２８ 改質部（触媒層）
３１ 改質ガス流路
５０ 隔壁
５１ 固定座
５１ａ支持脚
５１ｂ座面部
５２ａ第１の鍔部
５２ｂ第２の鍔部

Claims (5)

1. 燃料ガスを、水素を含有する改質ガスに改質する燃料改質装置であって、
   立設された第１筒体と、
   前記第１筒体を包囲して包囲空間を構成する第２筒体と、
   前記包囲空間に充填され、該包囲空間を流れる前記燃料ガスを改質し、得られた改質ガスを前記包囲空間の下方から排出する触媒層と、
   複数の開孔を有し、前記改質ガスが排出される前記包囲空間の出口に、前記第1筐体、第２筒体とは独立して配置される隔壁と、
   前記隔壁を支持する支持部材と、
   を備えたことを特徴とする燃料改質装置。
2. 請求項１に記載の燃料改質装置において、
   前記支持部材は、所定の間隔で設けられ、前記隔壁を下方より支持する複数の固定座であることを特徴とする燃料改質装置。
3. 請求項１に記載の燃料改質装置において、
   前記支持部材は、リング状の座面部と、該座面部上に所定の間隔で設けられ、前記隔壁を下方より支持する複数の支持脚と、からなることを特徴とする燃料改質装置。
4. 請求項１に記載の燃料改質装置において、
   前記支持部材は、前記第１、第２筒体の下部の少なくともいずれかに所定の間隔で設けられ、前記隔壁を下方より支持する複数の鍔部であることを特徴とする燃料改質装置。
5. 請求項１ないし４の何れか１項に記載の燃料改質装置において、
   前記隔壁は、金網であることを特徴とする燃料改質装置。