JP3389286B2 - 燃料電池用改質装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池用改質装置に関
し、特に気化燃料管路の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は水素主成分の燃料ガスと空気
中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する装置であ
り、この燃料電池に使用する燃料である天然ガス、メタ
ノール、ナフサなどを、燃料電池に適した水素主成分の
燃料ガスに改質する装置が燃料電池用改質器である。こ
の改質装置の中において、上記の燃料はベーパライザー
内で加熱され気化燃料となった後、触媒層を有する改質
器内へ導かれて改質反応が行われる。

【０００３】燃料の種類や処理する規模により燃料電池
用改質装置の構成は異なるが、メタノール燃料を使用す
る燃料電池用改質装置の場合は、一般的に図５に示すよ
うに断熱性の外筒２内において、中央上部に空気加熱用
のバーナー室２０、中央部の断熱円筒４によって仕切ら
れた内側空間にベーパライザー３０が収納され、その断
熱円筒４の周囲を囲むように、外筒２の側面内側に沿っ
て、触媒層４２を有する改質器４０…が配置され、また
外筒２の底部に、ベーパライザー３０から排出される気
化燃料を改質器４０…に分配するための分岐管６０が設
置されているという構成をとっているものが多い。

【０００４】このような構成の燃料電池用改質装置にお
いて、次のようなメカニズムで燃料が改質される。すな
わち、液体燃料としては例えば含水メタノールが使用さ
れるが、バーナー室２０で加熱された空気が、断熱円筒
４で仕切られた内側空間を下降してベーパライザー３０
の中および周囲を通過しながらこの液体燃料に熱を供給
することによって、液体燃料は気化して気化燃料となり
ベーパライザー３０下部の気化燃料出口３８から排出さ
れた後、気化燃料は分岐管を通って改質器４０…に送り
込まれ、改質器４０内の触媒層２８…を通過する。一方
バーナー室２０で加熱された空気は、ベーパライザー３
０においてメタノール燃料の加熱に使われた後、外筒２
の底面の断熱板５上の空間で上記分岐管の周辺を通った
後、外筒２側面と断熱円筒４で挟まれた空間で改質器４
０…の周囲を上昇しながら、余熱によって改質器４０を
加熱して、改質器４０の温度を改質反応にふさわしい２
５０〜３００℃程度に保つために利用されている。この
とき改質器４０内において、メタノールが化学反応（改
質反応）を起こし、水素リッチな燃料ガスが生成され
る。このようにして生成した燃料ガスは、燃料電池本体
へと送り込まれ発電のために使用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な構成の燃料電池用改質装置においては、ベーパライザ
ー３０から出た気化燃料を改質器に分配するための分岐
管６０として、従来は図４に示すようなイカリ型の分岐
管が主に用いられていた。このため、ベーパライザー３
０の周辺を通って下降してた高温の加熱空気が、上記分
岐管の周辺を通過しつつ、外筒２底面と接触し、該底面
で放熱ロスを生じていた。もっとも、外筒２底面には断
熱板５が敷設され、放熱ロスを減少するようにしてある
が、それでも少なからず放熱ロスを生ずるものであっ
た。そして、このような放熱ロスを生ずることは、改質
器４０の周辺へ送り込まれる加熱空気の温度低下、さら
には改質器４０の温度低下による改質反応の低下につな
がる。この場合、バーナー室２０での燃焼を増加させて
この放熱による熱の損失分を補うことも一案であるが、
その場合は燃料の消費が増加するという課題を有してい
た。

【０００６】本発明は上記課題に鑑みて、バーナー室で
の燃焼を増加させることなく、加熱空気の外筒底面への
放熱を大幅に減少し改質器の改質反応を良好に保つこと
のできる、燃料電池用改質器を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、燃料電池用改質器において以下の構成を有
することを特徴とする。空気を加熱して加熱空気にす
るバーナーと、この加熱空気によって液体燃料を加熱し
て気化燃料にするためのベーパライザーと、前記気化燃
料を改質するための触媒層をもつ改質器と、前記ベーパ
ライザーの下方にあって、前記気化燃料を前記改質器へ
導くための気化燃料管路とが容器内に収納された燃料電
池用改質装置において、前記気化燃料管路を、前記気化
燃料を一時的に貯蔵するための、前記容器底面とほぼ等
しい大きさの上面を有するタンク形状に成形し、このタ
ンク形状に成形された前記気化燃料管路の上面を前記加
熱空気の通路壁面と兼用させたことを特徴とする。

【０００８】タンク状に成形された前記気化燃料管路
が断熱板を介して前記容器の底面上に設置されているこ
とを特徴とする。

【０００９】

【作用】の構成のごとくの燃料電池改質装置であれ
ば、気化燃料管路が容器底面とほぼ等しい大きさの上面
を有するタンク形状であって、その上面が加熱空気の通
路壁面と兼用しているので、バーナーからの加熱空気は
外筒底面と直接接触することなく、気化燃料タンク上面
と接触しつつ改質器へ導かれる。このため、加熱空気の
熱量はタンク内の気化燃料を加熱するために使用され、
従来のように外筒底面で無駄に使用されることは少なく
なる。特に前記タンクの上面を外筒底面とほぼ等しい大
きさに成形しているので、外筒底面への放熱ロスは理論
上皆無となし得る。

【００１０】一方、気化燃料管路がタンク形状であるの
で、その中に流れ込む気化燃料は速度を落す、すなわち
気化燃料のバッファ槽としての作用も有し、改質器に安
定して気化燃料を供給する作用も持つことになる。

【００１１】

【実施例】図２は本発明の一実施例に係わる燃料電池用
改質装置１を用いた燃料電池システムの概略図である。
メタノール燃料からベーパライザー３０に至るまでの実
線はメタノール燃料用配管１３を示しており、この配管
１３の途中にはメタノール燃料の供給量を調節するメタ
ノール燃料用バルブ１４が設けられている。また、改質
器４０から燃料電池１７に至るまでの実線は、改質器４
０で改質された水素リッチな燃料ガスが流れる燃料ガス
用配管１５を示している。尚、図１中の１８は燃料電池
１７に空気を供給する空気供給ファンを、１６は燃料電
池１７から排出される燃料排ガスをバーナー２０に供給
する燃料排ガス用配管を、１１は燃焼空気をバーナー室
２０に供給する燃焼空気用配管を、１２は燃焼空気用配
管１１に燃焼空気を供給する燃焼空気供給ファンをそれ
ぞれ示している。

【００１２】前記燃料電池１７は、例えば、リン酸型燃
料電池が使用されており、改質器４０によって改質され
た燃料ガスと、前記供給ファン１８から供給された空気
とを反応させて発電を行う。ここで、燃料電池１７の燃
料ガス利用率は通常８０％程度であり、この程度の利用
率となるよう、前記メタノール燃料用バルブ１４の開度
が制御されている。このため、燃料電池１７からは通常
２０％程度の未反応水素を含んだ燃料排ガスが生じ、こ
の燃料排ガスは燃料排ガス用配管１６を通ってバーナー
２０に還流されここで再び燃焼処理される。

【００１３】図１は前記改質装置１の模式図であり、図
３はこの改質装置１に用いられる気化燃料バッファ槽５
０の斜視図である。この改質装置１は１５０〜３００ｌ
／min程度の燃料ガスを供給することができる処理能力
を有し、外観は高さが６００mm程度、底面の直径が２８
０mm程度の円筒形状で、その側面および底面は断熱材か
らなる外筒２で覆われ、上面は円形の蓋３によって覆わ
れていて、内部の構成は次のようになっている。

【００１４】この蓋３の中央下側には、円筒状のバーナ
ー室２０があり、そのバーナー室２０の内部中央上部に
は上記配管１３から分岐された管（不図示）から供給さ
れる燃料メタノールを燃焼させるバーナー２１があり、
バーナー室２０の内部側面下部には上記配管１６（図１
においては示さない）から供給される燃料排ガスを燃焼
させるリング状のバーナー２２とを有している。また燃
焼空気用配管１１は蓋３の中央を上から下へ貫通してバ
ーナー室２０に連通し、燃焼空気をバーナー２１・２２
に供給する。バーナー２２は所定の条件で上記燃料電池
を定格運転時、液体燃料を改質させるに必要な熱量を供
給することのできる容量を有するものであり燃料電池シ
ステム運転中は常時使用する。また、バーナー２１は起
動時と、定格運転時のバーナー２１の熱量だけでは不足
の時に使用するもので、起動時における改質装置１の加
熱に必要な熱量を供給できる容量を持つものである。こ
のバーナー室２０には、このバーナー部とほぼ同じ外径
を有する断熱材による断熱円筒４が下方に延設され、バ
ーナー２０で加熱された加熱空気（図中矢印Ｙ）の通路
を形成している。断熱円筒４は外筒２の中においてほぼ
中央に位置することになり、前記加熱空気Ｙは断熱円筒
４の内側を下降する。

【００１５】この断熱円筒４の内部には、中央に加熱空
気Ｙの通路３５を有する円筒管状のベーパライザー３０
と、その上部に取り付けられたスパイラル管３７が設置
されている。このベーパライザー３０とスパイラル管３
７は、加熱空気Ｙからメタノール燃料Ｘ1に熱を伝え気
化燃料Ｘ2に変換する装置で、所要量の気化燃料Ｘ2を発
生させることのできる容量を有するものである。

【００１６】このベーパライザー３０の構造は、円筒状
の外側面３１と内側面３２を有し、内側面３２の内側が
前記加熱空気の通路３５となっており、外側面３１と内
側面３２に挟まれた円筒管路３６はメタノール燃料Ｘ1
の通路となっている。上記メタノール燃料用配管１３を
通って改質装置１の蓋３の上方から供給されるメタノー
ル燃料Ｘ1は、蓋３とバーナー室の側壁２３と断熱円筒
４を上下に貫通し配管１３と連通している通路（不図
示）を通り、この通路と上記円筒管路３６を連通させて
いるパイプ３９を通って、ベーパライザー３０の上部に
供給され、円筒管路３６を下る。さらにこの円筒管路３
６と連通している直管３３・上記スパイラル管３７・直
管３４を通過してベーパライザーの下部に位置する気化
燃料出口３８に到る。ここにおいて、直管３３と直管３
４は上記加熱空気Ｙの通路３５内を上下に通過するもの
であり、メタノール燃料Ｘ1は、円筒管路３６・直管３
３・上記スパイラル管３７・直管３４を通過する間に、
加熱空気Ｙから熱を吸収して気化燃料Ｘ2となり、上記
気化燃料出口３８に到ることになる。なお、図示はしな
いが、円筒管路３６の中には熱交換の効率を良くするた
めにスパイラル状の金属伝熱体が入れられていて、円筒
管路３６内でメタノール燃料Ｘ1はこの金属伝熱体に接
触しながら通過する。

【００１７】一方、断熱円筒４と外筒２の側面に挟まれ
た空間には、断熱円筒４を取り囲むように配置された４
本の円筒状の改質器４０…が分配されている。この改質
器４０は、金属の円筒容器４１の中に市販のメタノール
改質用触媒（銅／亜鉛系）が詰めらて触媒層４２が形成
されているものであって、円筒容器４１の下端には気化
燃料入口４３（口径１／２インチ）が設けられている。
また、上端には蓋３を下から上へ貫通する燃料ガス出口
４４が設けられていて、４つの燃料ガス出口４４…は蓋
３の上において、合流管４５と連通し、さらに燃料ガス
配管１５へと連通している。

【００１８】外筒２の底面上には、断熱板５が介在して
気化燃料バッファ槽５０が設置されている。このバッフ
ァ槽５０は、外筒２の内径とほぼ同じ外径を持つ円筒形
（例えば直径２３３mm,高さ２０mm）の容器で、ステン
レスの金属板で作られており、バッファ槽５０の上面５
３には、中央部に上記気化燃料出口３８から排出された
気化燃料が入る気化燃料入口３８ａ（１／２インチ管）
が開設されており、上記４つの改質器４０…の気化燃料
入口４３…に向かい合った４箇所には、気化燃料出口４
３ａ…（１／２インチ管）が開設されている。また、バ
ッファ槽５０の内部の空間は円筒状の仕切り板５１によ
って内側と外側に仕切られていて、この仕切り板５１上
において、バッファ槽５０の中央から４つの気化燃料出
口４３ａ…に向かう途中の４つの位置に、気化燃料の通
路となる円形の窓５２…が開設されている。また、気化
燃料出口３８と気化燃料入口３８ａ、気化燃料出口４３
ａ…と気化燃料入口４３…はそれぞれパイプ（１／２イ
ンチ管）で連結されることにより、ベーパライザー３０
からバッファ槽５０を経て改質器４０…に至る気化燃料
通路がすべて連通されている。

【００１９】このような構成にすることよって、上記の
気化燃料出口３８を通過した後の気化燃料Ｘ2は、気化
燃料入口３８ａからバッファ槽５０に入り、バッファ槽
５０の内側空間から４つの窓５２…を通って外側へ分配
され、気化燃料出口４３ａ…に到る。さらに気化燃料入
口４３から改質器４０に入り、触媒層４２を通過するが
ここで、気化燃料Ｘ2は触媒反応により水素リッチな燃
料ガスに改質され燃料ガス出口４４に到る。そして、４
つの燃料ガス出口４４…からでた燃料ガスは合流管４５
によって一つに集められ、燃料ガス管１５へと送られる
ことになる。

【００２０】また、断熱円筒４の内側を下降した上記の
加熱空気Ｙは、バッファ槽５０の上部を、上面５３に沿
ってバッファ槽５０に熱を供給しつつ、中央から外へ向
かって流れる。その後、加熱空気Ｙは断熱円筒４と外筒
２の側面に挟まれた空間を、改質器４０…の円筒容器４
１…外表面に接しながら改質器４０…に熱を供給しつつ
上昇した後、加熱空気排出口（不図示）を通って改質装
置１の外部へ排出されることになる。 ［比較例］図４は比較例の燃料電池用改質装置に用いた
従来の分岐管６０の斜視図であり、図５はこの分岐管６
０を用いた燃料電池用改質装置の模式図である。気化燃
料バッファ槽５０の代わりに、分岐管６０を用いる以外
は、上記実施例と同様に燃料電池用改質装置および燃料
電池システムを構成した。

【００２１】分岐管６０は、実施例の気化燃料バッファ
槽５０と同じ材質でできていて、中央の主管６１と主管
６１から四方に分岐した支管６２…は、すべて１／２イ
ンチ管でできている。この分岐管６０は、主管６１上端
の気化燃料入口３８ｂと支管６２…上端の気化燃料出口
４３ｂ…は、それぞれ気化燃料バッファ槽５０の気化燃
料入口３８ａと気化燃料出口４３ａ…と同様の位置関係
となるように設けられ、気化燃料出口３８と気化燃料入
口３８ｂ、気化燃料出口４３ｂ…と気化燃料入口４３…
はそれぞれパイプ（１／２インチ管）で連結されてい
る。 ［実験］実施例および比較例の燃料電池用改質装置およ
び燃料電池システムを用いて、所定の条件で、それぞれ
定格運転を行った。実施例においては、定格運転時にメ
タノールを燃焼させるバーナー２３を使用しなくても加
熱空気の温度は所定温度を維持することができ、仕切り
板５１近傍の位置Ａにおいて４２０〜４４０℃、気化燃
料入口４３近傍の位置Ｂにおいて３１０〜３３０℃であ
った。一方、比較例においては、定格運転時にバーナー
２３を時々使用しなければ、加熱空気の温度は所定温度
を維持できず、実施例の位置Ａ・Ｂと同じ位置において
温度を測定した結果、位置Ａにおいては３５０〜４８０
℃、位置Ｂにおいては３１０〜４００℃であった。メタ
ノール燃料使用量は実施例よりも比較例が多く、比較例
において温度の範囲が広くなっているのは、比較例にお
いてバーナー２３が断続的に使用されたためである。 ［その他の事項］上記実施例においては、液体燃料とし
てメタノールを用いたが、本発明はこれに限定されるも
のではない。

【００２２】

【発明の効果】以上の本発明によれば、外筒底面への放
熱が少なく、燃料消費の少ない経済的な燃料電池用改質
装置を提供することができる。また、ベーパライザーか
ら排出された気化燃料を安定して改質器に分配供給する
ことのできるので、液体燃料の改質性能が優れた燃料電
池用改質器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる燃料改質装置の構成
を示す模式図である。

【図２】本発明の一実施例に係わる燃料電池用改質装置
を用いた燃料電池システムの概略図である。

【図３】本発明の一実施例に係わる気化燃料バッファ槽
の斜視図である。

【図４】比較例に用いた従来の分岐管の斜視図である。

【図５】比較例に用いた従来の燃料改質装置の構成を示
す模式図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池用改質装置 ２ 外筒 ３ 蓋 ３０ ベーパライザー ４０ 改質器 ４２ 触媒層 ５０ 気化燃料バッファ槽 ５３ 気化燃料バッファ槽上面 Ｘ1 メタノール燃料 Ｘ2 気化燃料 Ｙ 加熱空気

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 船橋 淳浩 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 上田 雅敏 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 唐金 光雄 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機 株式会社内

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気を加熱するバーナーと、加熱空気に
   よって液体燃料を気化するベーパライザーと、気化燃料
   を改質する触媒層をもつ改質器と、前記ベーパライザー
   の下方にあって、前記気化燃料を前記改質器へ導くため
   の気化燃料管路とが容器内に収納された燃料電池用改質
   装置において、 前記気化燃料管路を、前記気化燃料を一時的に貯蔵する
   ための、前記容器底面とほぼ等しい大きさの上面を有す
   るタンク形状に成形し、 このタンク形状に成形された前記気化燃料管路の上面を
   前記加熱空気の通路壁面と兼用させたことを特徴とする
   燃料電池用改質装置。
2. 【請求項２】 タンク状に成形された前記気化燃料管路
   が断熱板を介して前記容器の底面上に設置されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質装置。