JP3643729B2

JP3643729B2 - 燃料改質器及びこれを具えた燃料電池システム

Info

Publication number: JP3643729B2
Application number: JP17484199A
Authority: JP
Inventors: 雅敏上田; 正天門脇; 泰夫三宅
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: JP2001010804A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池等に供給すべき炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する燃料改質器と、燃料改質器を具えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高いエネルギー変換効率が実現可能であって、然も大気汚染や熱汚染などの環境問題を引き起こす虞れも低いクリーンなエネルギー源として、燃料電池が注目を浴びている。
【０００３】
図６は燃料電池(２)の発電原理を説明するものであって、アノード(21)とカソード(22)の間に電解質層(23)が介在し、アノード(21)の外側には水素室(24)、カソード(22)の外側には空気室(25)が形成されている。アノード(21)には燃料として水素が供給されると共に、カソード(22)には酸化剤として空気(酸素)が供給される。
アノード(21)では、水素ガスから水素イオンと電子が生成され、水素イオンは電解質層(23)を通ってカソード(22)へ向かい、電子は外部回路(26)に流れる。カソード(22)では、外部回路(26)から流入した電子と、空気中の酸素と、電解質層(23)から供給される水素イオンとが反応して、水を生じる。
この様に、電池全体として、水素と酸素から水が生成されると共に、起電力が発生するのである。
【０００４】
実際の燃料電池システムにおいては、燃料として、一般に天然ガス等の炭化水素系燃料が用いられ、炭化水素系燃料を水蒸気改質することによって、水素リッチな改質ガスを得て、この改質ガスを燃料電池に供給することが行なわれている。
【０００５】
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する燃料改質器の１つとして、図５に示す二重円筒型の燃料改質器(８)が知られている。
該燃料改質器(８)は、第１筒体(81)の中央空間(88)の入口にバーナ(32)を具えると共に、第１筒体(81)の外側に配置した第２筒体(82)との間に、断面環状の筒状反応室(87)を形成し、該反応室(87)には、多数の粒状触媒(41)が充填されている。該反応室(87)には、改質の目的とする天然ガス等の原燃料が導入されると共に、蒸気発生器(９)からの水蒸気が供給される。
第２筒体(82)の外側には第３筒体(83)が配備され、両筒体(82)(83)の間に、反応室(87)から得られる改質ガスを改質ガス供給管(86)へ導くための第１筒状空間(89)が形成されている。又、第３筒体(83)の外側には第４筒体(84)が配備され、両筒体(83)(84)の間に、中央空間(88)を通過した燃焼排ガスを排気管(85)へ導くための第２筒状空間(90)が形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の改質器を具えた燃料電池システムにおいては、改質器の外部に蒸気発生器を設置すると共に、該蒸気発生器から改質器へ水蒸気を導くための配管を敷設する必要があるため、配管の取り回しやシステム構成が複雑になる問題があった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、改質器の外部に蒸気発生器を設ける必要のない簡易な構成の燃料改質器、及び燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る燃料改質器は、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質するための触媒層が形成された反応室と、該反応室を加熱する加熱装置とを具えている。又、内筒と外筒を同軸上に配備すると共に、内筒と外筒との間に第１中間筒と第２中間筒を配備し、第１中間筒と第２中間筒の間の筒状空間から第１中間筒の天井壁の上方空間にかけて、前記反応室が形成され、内筒の底部には前記加熱装置を構成するバーナが配備され、反応室の内部には、第１中間筒と第２中間筒の間の筒状空間に前記触媒層が形成されると共に、該触媒層の上方に、第１中間筒の天井壁の上部に拡がる蒸気発生層が形成され、該蒸気発生層は、原燃料及び水を透過させることが可能な多孔質層であって、前記バーナから発生する燃焼ガスは、内筒の内部を上方へ向かって流れ、次に内筒と第１中間筒の間を下方へ向かって流れた後、外部へ排出され、反応室内の蒸気発生層には、原燃料が導入されると共に液体の水が供給され、前記バーナによる加熱によって蒸気発生層から発生する水蒸気と蒸気発生層を通過した原燃料とが触媒層へ供給され、触媒層から流出する改質ガスが外部へ排出される。
【０００９】
上記本発明の燃料改質器において、反応室に、原燃料とともに液体の水が供給されると、原燃料及び水は、先ず蒸気発生層へ導入されて、蒸気発生層を透過した後、触媒層へ供給される。ここで、蒸気発生層は加熱装置によって加熱されており、透過する水に気化熱を与えて、水蒸気を発生させる。蒸気発生層から流出する原燃料は水蒸気ともに触媒層へ供給され、加熱装置によって加熱された触媒層によって、水蒸気改質が施される。
これによって得られる改質ガスは、燃料電池へ燃料ガスとして供給される。
【００１０】
具体的には、蒸気発生層は、熱伝導率の高い粒状体を反応室に充填して形成されている。
これによって、蒸気発生層には、単位体積当たりに広い伝熱面が形成されて、蒸気発生層を透過する水に充分な気化熱が与えられる。
【００１１】
又、反応室には、蒸気発生層に水を導くための棒状部材が鉛直に配備され、該棒状部材の上端部に水が供給される。
棒状部材の上端部に供給された水は、重力の作用により、棒状部材の表面を伝わって流下し、蒸気発生層に至る。この際、棒状部材の表面を流れる水は、途切れることなく連続して流れ、蒸気発生層へ一定流量で供給される。従って、蒸気発生層から発生する水蒸気の量は一定となり、この結果、燃料改質器から流出する改質ガスの圧力が一定に保たれる。
【００１２】
更に具体的には、棒状部材の表面には、水の濡れ性を向上させるための表面処理が施されており、例えば水との接触角が６０゜以下に抑えられている。
これによって、棒状部材の表面を流れる水は、低流量であっても、途切れることなく連続して流れ、蒸気発生層へ一定の流量で供給される。
【００１３】
又、本発明に係る燃料電池システムは、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する燃料改質器と、燃料改質器から得られる燃料と酸化剤の供給を受けて発電を行なう燃料電池とを具え、燃料改質器として、上記本発明に係る燃料改質器を装備している。
該燃料電池システムによれば、燃料改質器の触媒層へ供給すべき水蒸気が、蒸気発生層から発生するので、燃料改質器の外部に蒸気発生器を設ける必要はない。
【００１４】
【発明の効果】
本発明にかかる燃料改質器及びこれを具えた燃料電池システムによれば、触媒を加熱するために装備されている加熱装置の熱を利用して、燃料改質器の内部で水蒸気を発生させるので、外部に蒸気発生器を配備する必要がなく、これによって配管系及びシステム構成を簡易化することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を二重円筒型の燃料改質器及び該燃料改質器を具えた燃料電池システムに実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
【００１６】
図１に示す如く、本発明に係る燃料改質器(１)は、内筒(11)と外筒(15)を同軸上に配備すると共に、内筒(11)と外筒(15)との間には、第１中間筒(12)、第２中間筒(13)、及び第３中間筒(14)を配備し、第１中間筒(12)と第２中間筒(13)の間の筒状空間から第１中間筒(12)の天井壁(12a)の上方空間にかけて、反応室(19)を形成している。又、内筒(11)の底部にはバーナ(３)を上向きに配備している。
反応室(19)の天井壁(19a)には、原燃料供給管(16)が接続されている。又、第３中間筒(14)には改質ガス排出管(17)が接続され、外筒(15)には燃焼ガス排出管(18)が接続されている。
【００１７】
原燃料供給管(16)には、液体の水を供給するための給水管(20)が接続されて、該給水管(20)の先端が原燃料供給管(16)の内部へ貫入している。
原燃料供給管(16)の内部には、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６製の直径３ｍｍの棒状部材(31)が鉛直姿勢で配備され、該棒状部材(31)の上端部は給水管(20)の先端開口部に接触し、下端部は、第１中間筒(12)の天井壁(12a)の近傍まで伸びている。
尚、棒状部材(31)の表面には、図４に示す如くブラスト処理が施されており、これによって水の漏れ性を向上させ、水との接触角を１０゜程度としている。
【００１８】
反応室(19)は、図３に示す如く、金属製の多孔性仕切板(40)によって上下に仕切られており、仕切板(40)の下方には、粒状触媒(41)を充填してなる触媒層(４)が形成されている。又、仕切板(40)の上方には、外径３ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３１６製の多数の球体(51)を充填してなる蒸気発生層(５)が形成されており、該蒸気発生層(５)は、第１中間筒(12)と第２中間筒(13)の間の筒状空間から第１中間筒(12)の天井壁(12a)の上部まで拡がっており、該上層部に対して、前記棒状部材(31)の下端部が差し込まれている。
尚、蒸気発生層(５)の高さ寸法は、触媒層(４)及び蒸気発生層(５)の全体の高さ寸法の約１／４になっている。
【００１９】
触媒層(４)を構成する粒状触媒(41)としては、例えばニッケルや、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｔ等の貴金属を、セラミックス製の球体に担持させたものを採用することが出来る。
蒸気発生層(５)を構成する球体の材質としては、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６に限らず、耐熱性、耐高温腐食性及び耐湿食性を有し、且つ熱伝導率が１０Ｗｍ^−１Ｋ^−１(３００Ｋ)以上の熱伝導体であれば、種々の材質を採用することが出来、例えば、ニッケル、インコネル、インコロイ等を採用することが可能である。
【００２０】
棒状部材(31)の材質としては、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６に限らず、耐熱性、耐高温腐食性及び耐湿食性を有する材質、例えばインコネル、インコロイ、鋼鉄などを採用することが出来る。又、棒状部材(31)の直径は、原燃料供給管(16)を塞がないことを条件として任意に決定することが出来る。
又、金属製の多孔性仕切板(40)としては、インコネル、インコロイ、鋼鉄等からなる耐熱性の薄板(厚さ１〜３ｍｍ程度)に、粒状触媒(41)や球体(51)の直径よりも小径の孔が開孔率１０％以上で多数に開設されたものを用いることが出来る。
【００２１】
上記燃料改質器(１)においては、原燃料供給管(16)から反応室(19)の内部へ天然ガス等の原燃料が導入される。これと同時に、給水管(20)から原燃料供給管(16)の内部へ液体の水が供給され、給水管(20)から流出する水は棒状部材(31)の外周面を伝わって流下し、蒸気発生層(５)へ供給される。
【００２２】
一方、バーナ(３)から発生する燃焼ガスは、内筒(11)の内部を上方へ向かって流れ、次に内筒(11)と第１中間筒(12)の間を下方へ向かって流れ、更に第３中間筒(14)と外筒(15)の間を上方へ向かって流れ、最後に燃焼ガス排出管(18)から外部へ排出される。この燃焼ガスによって、触媒層(４)及び蒸気発生層(５)が加熱されることになる。
【００２３】
反応室(19)に供給された水は、先ず蒸気発生層(５)へ流入し、蒸気発生層(５)を透過する過程で蒸気発生層(５)から熱を受けて気化され、水蒸気となって触媒層(４)へ供給される。
又、反応室(19)に供給された原燃料は、蒸気発生層(５)を透過した後、上記水蒸気と共に触媒層(４)へ供給される。
【００２４】
ここで触媒層(４)は、上記燃焼ガスによって加熱されており、該触媒層(４)を原燃料が通過する過程で、水蒸気と触媒の作用を受けて、水素リッチな燃料に改質されることになる。
触媒層(４)から流出する改質ガスは、第２中間筒(13)と第３中間筒(14)の間の空間を経て、改質ガス排出管(17)から外部へ排出される。
【００２５】
上記燃料改質器(１)において、蒸気発生層(５)の高さ寸法は、触媒層(４)及び蒸気発生層(５)の全体の高さ寸法の１／５〜１／３の範囲が好ましい。この範囲よりも小さい場合は、供給された水が完全に気化せずに液体のまま触媒層に供給されることとなり、この範囲よりも大きい場合は、供給された水を完全に気化させるのに必要な大きさを越えて、改質器が大型となる問題がある。
【００２６】
又、棒状部材(31)に対する表面処理としては、サンドペーパーで表面に傷を付けたり、棒状部材の外周面にステンレス鋼製の網を巻き付ける方法を採用することも可能である。
【００２７】
蒸気発生層(５)を構成する球体(51)の直径は１ｍｍ〜６ｍｍの範囲が好ましい。この範囲よりも大きい場合は、蒸気発生層(５)の単位体積当たりに占める球体(51)の表面積、即ち水との接触面積が狭くなって、水との熱交換が不十分となり、供給された水が完全に気化せずに液体のまま触媒層に供給される虞れが生じる。又、この範囲よりも小さい場合は、燃料及び水の流路が狭くなって、蒸気発生層(５)の圧力損失が増大する問題を生じる。
【００２８】
表１は、蒸気発生層(５)を構成する球体(51)の直径と、蒸気発生層(５)の最密充填時における単位体積当たりに占める球体(51)の表面積との関係を表わしている。
【００２９】
【表１】

【００３０】
例えば、球径３ｍｍの球体を面心立方格子の配置で充填した場合、単位格子の面対角線の長さは６ｍｍになる。従って、面辺長は４.２４ｍｍとなり、単位格子の体積は０.０７６２３ｃｍ^３となる。一方、単位格子には、８個の１／８球体と６個の１／２球体が属することになるので、その表面積は１.１３０４ｃｍ^２となる。よって、単位体積当たりの表面積は１４.８ｃｍ^２／ｃｍ^３となる。
【００３１】
表１の結果から明らかな様に、球直径が１ｍｍ〜６ｍｍの範囲で、蒸気発生層(５)の単位体積当たりに占める球体(51)の表面積が、約７ｃｍ^２／ｃｍ^３〜４５ｃｍ^２／ｃｍ^３と充分に大きくなっており、この範囲が好ましいと言える。
【００３２】
図２は、上記燃料改質器(１)を用いた燃料電池システムの概略構成を表わしている。
該燃料電池システムにおいては、静圧２５０ｍｍＨ_２Ｏ程度の都市ガスが、加圧ポンプ(71)によって約１ｋｇ／ｃｍ^２まで加圧されて、燃料改質器(１)へ供給されると共に、液体の水が給水ポンプ(72)によって燃料改質器(１)へ供給される。この結果、都市ガスが水蒸気改質されて、水素リッチな燃料ガス(改質ガス)が生成される。
尚、都市ガスの圧力は、燃料改質器(１)、燃料電池(２)、及び配管系の圧力損失を低減させることによって、１ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力に低下させることが可能である。
【００３３】
燃料改質器(１)から得られる燃料ガスは、転化器(７)へ供給されて、ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に転化される。そして、転化器(７)から得られるＣＯ濃度の低い燃料ガスが燃料電池(２)へ供給される。燃料電池(２)には、酸化剤となる空気が供給されると共に、加湿水が循環ポンプ(73)によって循環されており、水素リッチな燃料ガスと空気中の酸素とによって発電反応が行なわれる。
【００３４】
上記本発明の燃料電池システムによれば、燃料改質器(１)の外部に蒸気発生器を配備する必要がないので、システム構成や配管系が簡易となり、システムの小型化を実現することが出来る。
【００３５】
【実施例】
本発明に係る燃料改質器の性能を確認するべく、図１に示す燃料改質器(１)から棒状部材(31)を省略して、原燃料供給管(16)から原燃料及び水の両方を供給する構成の実施例１と、図１に示す燃料改質器(１)の棒状部材(31)に図４に示す表面処理が施されていない構成の実施例２と、図１に示す燃料改質器(１)の棒状部材(31)に図４に示す表面処理を施した構成の実施例３とについて、天然ガスの改質試験を行なった。
【００３６】
表２は、各実施例において負荷を変動させた場合の改質器出口での改質ガスの圧力を表わしている。
【００３７】
【表２】

【００３８】
実施例１においては、組成がＨ_２：７５.８％、ＣＨ_４：１.５％、ＣＯ：１４.９％。、ＣＯ_２：７.８％の改質ガスを得ることが出来た。
負荷変動に伴う改質器出口での改質ガスの圧力変動幅は、表２に示すとおりであり、実用上問題のない範囲であった。
【００３９】
実施例２においては、組成がＨ_２：７５.６％、ＣＨ_４：１.６％、ＣＯ：１４.３％、ＣＯ_２：８.５％の改質ガスを得ることが出来た。
負荷変動に伴う改質器出口での改質ガスの圧力変動幅は、表２に示すとおりであり、実施例１に比べて、特に５０％以下の低負荷時の変動幅が低減された。
【００４０】
数キロワット級の燃料改質器においては、改質反応に必要な水の量は数十ｃｃ／ｍｉｎであり、この程度の量の水を、給水管(20)を通して原燃料供給管(16)から直接に蒸気発生層(５)へ供給した場合、特に低負荷時に、水は滴となって不連続に落下することになり、この結果、蒸気発生層(５)での蒸気発生量に乱れが生じる。実施例２では、棒状部材(31)を伝って水が流下するので、蒸気発生層(５)に対して水が連続して供給され、この結果、特に低負荷時の蒸気発生量が安定するのである。
【００４１】
実施例３においては、組成がＨ_２：７５.９％、ＣＨ_４：１.４％、ＣＯ：１４.１％、ＣＯ_２：８.６％の改質ガスを得ることが出来た。
負荷変動に伴う改質器出口での改質ガスの圧力変動幅は表２に示すとおりであって、実施例２と比べて、低負荷時(５０％負荷以下)における圧力変動幅が更に低減して、安定した改質ガスの供給が実現された。
これは、棒状部材(31)の外周面の濡れ性が向上しているため、棒状部材(31)を伝って流下する水が、棒状部材(31)の外周面に広く拡がり、一定流量の安定した流れとなって、蒸気発生層(５)へ供給されるためである。
【００４２】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、蒸気発生層は、粒状体を充填したものに限らず、例えばハニカム状の熱交換フィンを配備して構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を二重円筒型燃料改質器に実施した例を示す断面図である。
【図２】該燃料改質器を用いた燃料電池システムの系統図である。
【図３】該燃料改質器の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】表面処理が施された棒状部材の斜視図である。
【図５】従来の燃料改質器の断面図である。
【図６】燃料電池の発電原理を説明する図である。
【符号の説明】
(１) 燃料改質器
(16) 原燃料供給管
(20) 給水管
(19) 反応室
(３) バーナ
(31) 棒状部材
(４) 触媒層
(５) 蒸気発生層

Claims

炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質するための触媒層が形成された反応室と、該反応室を加熱する加熱装置とを具え、改質の対象とする原燃料を反応室に導入して改質を施す燃料改質器において、内筒と外筒を同軸上に配備すると共に、内筒と外筒との間に第１中間筒と第２中間筒を配備し、第１中間筒と第２中間筒の間の筒状空間から第１中間筒の天井壁の上方空間にかけて、前記反応室が形成され、内筒の底部には前記加熱装置を構成するバーナが配備され、反応室の内部には、第１中間筒と第２中間筒の間の筒状空間に前記触媒層が形成されると共に、該触媒層の上方に、第１中間筒の天井壁の上部に拡がる蒸気発生層が形成され、該蒸気発生層は、原燃料及び水を透過させることが可能な多孔質層であって、前記バーナから発生する燃焼ガスは、内筒の内部を上方へ向かって流れ、次に内筒と第１中間筒の間を下方へ向かって流れた後、外部へ排出され、反応室内の蒸気発生層には、原燃料が導入されると共に液体の水が供給され、前記バーナによる加熱によって蒸気発生層から発生する水蒸気と蒸気発生層を通過した原燃料とが触媒層へ供給され、触媒層から流出する改質ガスが外部へ排出されることを特徴とする燃料改質器。
前記蒸気発生層は、熱伝導率の高い粒状体を反応室に充填して形成されている請求項１に記載の燃料改質器。
反応室には、蒸気発生層に水を導くための棒状部材が鉛直に配備され、該棒状部材の上端部に水が供給される請求項１又は請求項２に記載の燃料改質器。
前記棒状部材の表面には、水の濡れ性を向上させるための表面処理が施されている請求項３に記載の燃料改質器。
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する燃料改質器と、燃料改質器から得られる燃料と酸化剤の供給を受けて発電を行なう燃料電池とを具えた燃料電池システムにおいて、燃料改質器は、内筒と外筒を同軸上に配備すると共に、内筒と外筒との間に第１中間筒と第２中間筒を配備し、第１中間筒と第２中間筒の間の筒状空間から第１中間筒の天井壁の上方空間にかけて、反応室が形成され、内筒の底部にはバーナが配備され、反応室の内部には、第１中間筒と第２中間筒の間の筒状空間に触媒層が形成されると共に、該触媒層の上方に、第１中間筒の天井壁の上部に拡がる蒸気発生層が形成され、該蒸気発生層は、原燃料及び水を透過させることが可能な多孔質層であって、前記バーナから発生する燃焼ガスは、内筒の内部を上方へ向かって流れ、次に内筒と第１中間筒の間を下方へ向かって流れた後、外部へ排出され、反応室内の蒸気発生層には、原燃料が導入されると共に液体の水が供給され、前記バーナによる加熱によって蒸気発生層から発生する水蒸気と蒸気発生層を通過した原燃料とが触媒層へ供給され、触媒層から流出する改質ガスが外部へ排出されることを特徴とする燃料電池システム。