JP3649980B2 - 改質器並びに固体高分子型燃料電池発電システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料の改質効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、上記水素によって発電する燃料電池とを備えた固体高分子型燃料電池発電システムが提案されている。
【０００３】
上記改質器は触媒層を保有し、この触媒層を燃焼装置（バーナ）で常時７００〜８００℃に加熱した状態で、この触媒層に水蒸気と原燃料とからなる混合気を供給し、この混合気を水蒸気改質反応させて、水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。
【０００４】
上記改質器は、図６に示すように、スチーム発生機１５０、改質器本体１５１、バーナ１５２を備えている。この改質器本体１５１は、バーナ１５２で燃焼した燃焼ガスを本体１５１内部に導入する燃焼筒１５３と、本体１５１内部でこの燃焼筒１５３の外周部に形成され、燃焼筒１５３の先端１５３Ａ側で当該燃焼筒１５３に連通する燃焼ガスの第一通路１５４と、この第一通路１５４の外周部に形成され、供給される原燃料を改質する触媒層１５５を保有した原燃料通路１５６と、この原燃料通路１５６の外周部に形成された燃焼ガスの第二通路１５７と、この第二通路１５７および第一通路１５４を燃焼筒１５３の後端１５３Ｂ側で連通する第三通路１５８とを備えている。
【０００５】
上記改質器の触媒層１５５を通じた化学反応は、吸熱反応であるので、バーナ１５２からの燃焼ガスの熱は、原燃料の入口側（先端１５３Ａ側）により多く供給されることが望ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では、バーナ１５２に近い側の燃焼筒１５３の後端１５３Ｂ側により多くの燃焼熱が供給される。
【０００７】
この後端１５３Ｂ側に供給された熱は、第一通路１５４から第三通路１５８を経て第二通路１５７に向かう燃焼ガス（実線）、或いは原燃料通路１５６の触媒層１５５で改質された後の原燃料（点線）に奪われて熱ロスとなるので、これによりバーナ１５２の燃料に対する改質効率が低下するという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、改質器での改質効率を向上させることのできる、改質器並びに固体高分子型燃料電池発電システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、燃焼装置で燃焼した燃焼ガスを改質器の本体内部に導入する燃焼筒と、本体内部でこの燃焼筒の外周部に形成され、燃焼筒の先端側で当該燃焼筒に連通する前記燃焼ガスの第一通路と、この第一通路の外周部に形成され、供給される原燃料を改質する触媒層を保有した内側通路、及びこの内側通路に前記燃焼筒の後端側で連通し、前記内側通路の外周部に形成され、改質ガスが通過する外側通路に区分された原燃料通路と、この原燃料通路の外側通路の外周部に形成された前記燃焼ガスの第二通路と、この第二通路および前記第一通路を燃焼筒の後端側で連通する第三通路とを備え、前記触媒層の先端に前記原燃料を供給し、前記触媒層の後端から前記改質ガスを前記外側通路に導くと共に、前記第一通路を通過した燃焼ガスを、前記第三通路を経て前記第二通路を通じて排出するように構成し、前記燃焼筒の内壁には第三通路を覆って延び、前記触媒層の後端側近傍に達する断熱部材を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、断熱部材の前記燃焼ガスとの接触面に耐熱タイルを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、燃焼装置で常時加熱した状態で、天然ガス、都市ガス、メタノール等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、水素によって発電する燃料電池とを備えた、固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、前記改質器が、燃焼装置で燃焼した燃焼ガスを改質器の本体内部に導入する燃焼筒と、本体内部でこの燃焼筒の外周部に形成され、燃焼筒の先端側で当該燃焼筒に連通する前記燃焼ガスの第一通路と、この第一通路の外周部に形成され、供給される原燃料を改質する触媒層を保有した内側通路、及びこの内側通路に前記燃焼筒の後端側で連通し、前記内側通路の外周部に形成され、改質ガスが通過する外側通路に区分された原燃料通路と、この原燃料通路の外側通路の外周部に形成された前記燃焼ガスの第二通路と、この第二通路および前記第一通路を燃焼筒の後端側で連通する第三通路とを備え、前記触媒層の先端に前記原燃料を供給し、前記触媒層の後端から前記改質ガスを前記外側通路に導くと共に、前記第一通路を通過した燃焼ガスを、前記第三通路を経て前記第二通路を通じて排出するように構成し、前記燃焼筒の内壁には第三通路を覆って延び、前記触媒層の後端側近傍に達する断熱部材を設けた、ことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１において、符号１００は建家を示しており、この建家１００には低圧電灯線１０１、電力量計１０２、および分電盤１０３を経て、商用電源が供給されている。この商用電源は、細線で示した第１のケーブル１０４を経て、エアコン１０５、テレビジョン１０６等に供給されている。
【００１４】
一方、本実施形態では、家庭用小型電源システムを構成する固体高分子型燃料電池発電システム（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル：ＰＥＦＣ装置）Ｓが、建家１００の外に設置されている。
【００１５】
この家庭用小型電源システムＳは、図２に示すように、ＰＥＦＣ装置のほかに熱回収装置を含んでいる。この熱回収装置は、貯湯タンク１１２とイオン交換樹脂１２５とを有し、このイオン交換樹脂１２５には水道管を通じて市水が供給される。この市水はイオン交換樹脂１２５で純水にされて、後述する水タンク２１（図３）に供給される。ＰＥＦＣ装置は、燃料供給装置（改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器）１２１を有している。
【００１６】
この燃料供給装置１２１には天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料ガスが供給され、ここにはさらに後述する水タンク２１（図３）からの水が供給されて、水素が生成される。この水素は燃料電池６に供給されて、ここで水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電が行われる。１２３は発電制御を司る制御装置である。
【００１７】
この電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を経て、１８０Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１１１に送られ、ここから、図１に太線で示した第２のケーブル１０７を通じて、パソコン１０８、照明１０９、冷蔵庫１１０等に供給されている。この燃料電池発電システムＳは、系統連系インバータ１１１を介して商用電源に接続されている。
【００１８】
この小型電源システムＳでは、発電の過程で熱が発生するので、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を、図２に示すように、貯湯槽１１２に蓄える。この温水は、図１に示すように、風呂１１３、キッチン１１４等に供給される。この貯湯槽１１２は、建家１００の外に設置される。
【００１９】
つぎに、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池発電システム（家庭用小型電源システム）Ｓについて、図３を参照して説明する。
【００２０】
この家庭用小型電源システムＳでは、天然ガス、都市ガス等の燃料ガス１が脱硫器２に供給され、ここで燃料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２を経た燃料ガスは、昇圧ポンプ１０で昇圧されて改質器３に供給される。この改質器３では、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。
【００２１】
このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。
【００２２】
このＣＯ除去器５を経た、当該一酸化炭素が除去された後の水素が、固体高分子型の燃料電池６に供給される。この燃料電池６は、燃料極（アノード）６ａと空気極（カソード）６ｂと冷却部６ｃとを備え、上記水素は、アノード６ａに供給される。この水素と、ファン１１を経て、カソード６ｂに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。
【００２３】
上記改質器３は、バーナ１２を有し、ここにはパイプ１３を介して原燃料が供給され、ファン１４を介して空気が供給され、パイプ１５を介して、アノード６ａを経た未反応水素が供給される。
【００２４】
システム起動時には、バーナ１２に、パイプ１３を介して原燃料が供給されると共に、ファン１４を介して空気が供給され、起動後、システムが安定した場合には、原燃料の供給が断たれて、バーナ１２に、パイプ１５を介して、アノード６ａを経た未反応水素が供給される。
【００２５】
上記した改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５、燃料電池６では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。改質器３における化学反応は吸熱反応であるので、バーナ１２によって常時加熱しながら化学反応を行う。
【００２６】
また、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行われる化学反応は発熱反応であるので、例えばＣＯ除去器５では、システム起動時のみバーナ（図示せず）を燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【００２７】
燃料電池６では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。
【００２８】
上記した改質器３とＣＯ変成器４間、ＣＯ変成器４とＣＯ除去器５間、ＣＯ除去器５と燃料電池６間および燃料電池６の排気系２６には、それぞれ熱交換器１８，１９，２０，２７が接続されている。
【００２９】
そして、各熱交換器１８，１９，２０には水タンク２１の水が、ポンプ２３，２４，２５を介して循環し、これらの水で、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５を経たガスがそれぞれ冷却される。熱交換器２７には上記貯湯タンク１１２（図２）の水が、ポンプ２８を介して循環する。
【００３０】
燃料電池６の冷却部６ｃには、ポンプ４８を介して、水タンク２１の水が循環し、この水で、燃料電池６が冷却される。
【００３１】
上記改質器３の排気系３１には、熱交換器１７が接続され、水タンク２１の水が、ポンプ２２を介して供給されると、この熱交換器１７で水蒸気化し、この水蒸気が、原燃料と混合して改質器３に供給される。
【００３２】
上記の排気系３１には、熱交換器１７の他に、さらに別の熱交換器３２が接続され、この熱交換器３２には、上記貯湯タンク１１２の水が、ポンプ３３を介して循環し、廃熱回収が行われる。
【００３３】
本システムでは、プロセスガス（ＰＧ）バーナ３４を備える。
【００３４】
本システムの起動時には、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５を経た改質ガスが安定していないので、それが安定するまでは、このガスを燃料電池６に供給することができない。そこで、各反応器が安定するまでは、不安定な状態にあるガスを、このＰＧバーナ３４に導いて燃焼させる。そして、各反応器が安定した後、燃料電池６に導入して発電を行う。燃料電池６での発電に使用できなかった未反応ガスは、当初ＰＧバーナ３４に導いて燃焼し、本システムの系が安定した後、改質器３のバーナ１２に導入して燃焼させる。
【００３５】
ＰＧバーナ３４の制御系を説明すると、本システムの起動後、各反応器が温度的に安定するまでは、開閉弁９１が閉じられて、改質ガスは管路３５および開閉弁３６を通じてＰＧバーナ３４に供給される。各反応器が温度的に安定した場合、今度は、燃料電池６の温度が安定するまで、開閉弁９１が開かれ、開閉弁９２が閉じられて、改質ガスが管路３８および開閉弁３９を通じてＰＧバーナ３４に供給され、そこで燃焼される。燃料電池６の温度が安定し、連続して発電が行われる場合、開閉弁９１，９２が開かれ、開閉弁３６，３９が閉じられて、燃料電池６を経た未反応ガスは管路１５を経てバーナ１２に供給される。
【００３６】
ＰＧバーナ３４の排気系４５には、熱交換器４６が接続され、この熱交換器４６には、ポンプ４７を介して、貯湯タンク１１２の水が循環する。
【００３７】
水タンク２１と貯湯タンク１１２間には、熱交換器４１が接続され、この熱交換器４１には、ポンプ４２を介して水タンク２１の水が循環し、ポンプ４３を介して貯湯タンク１１２の水が循環する。
【００３８】
この熱交換器４１での熱交換によって、貯湯タンク１１２の水の温度が上昇し、水タンク２１の水の温度が低下する。
【００３９】
以上の構成では、家庭用小型電源システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギの有効活用が図られる。
【００４０】
従って、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【００４１】
図４は、改質器３の構造を示す。
【００４２】
この改質器３は、下部に、断熱材３００を介してバーナ１２を備えている。このバーナ１２は、バーナヘッド３０１と、このバーナヘッド３０１を収納したバーケース３０２とを有し、このバーナヘッド３０１には、上述したように、燃料と空気との混合気が供給される。すなわち、バーナヘッド３０１にはパイプ１３（図３）を介して原燃料（高カロリーガス）が供給され、ファン１４（図３）を介して空気が供給され、パイプ１５（図３）を介して、アノード６ａを経た未反応水素（低カロリーガス）が供給される。
【００４３】
このバーナ１２の燃焼ガスは、断熱材３００を貫通する燃焼筒３０３を通じて改質器本体３０４の内部に導入される。
【００４４】
この改質器本体３０４は、上述した燃焼筒３０３と、改質器本体３０４内部でこの燃焼筒３０３の外周部に形成され、燃焼筒３０３の先端３０３Ａ側で当該燃焼筒３０３に連通する燃焼ガスの第一通路３０５と、この第一通路３０５の外周部に形成され、供給される原燃料を改質する触媒層３０６を保有した原燃料通路３０７と、この原燃料通路３０７の外周部に形成された燃焼ガスの第二通路３０８と、この第二通路３０８および第一通路３０５を、燃焼筒３０３の後端３０３Ｂ側で連通する第三通路３０９とを有している。
【００４５】
そして、この実施形態では、燃焼筒３０３の内壁の一部に、断熱部材３１０が設けられている。この断熱部材３１０は第三通路３０９を覆って延び、触媒層３０６の後端側３０６Ｂ近傍相当位置に達する。
【００４６】
この断熱部材３１０は、図５に示すように、燃焼ガスとの接触面側にセラミック系の耐熱タイル３１１を備えている。この耐熱タイル３１１の下縁３１１Ａと燃焼筒３０３の下縁３０３Ａ間にはセラミックファイバ等のパッキン３１２が介装され、耐熱タイル３１１の下縁３１１Ａにバーケース３０２の上縁３０２Ａを宛い、これらをボルト３１３で連結している。
【００４７】
改質器本体３０４の上部には、熱交換器３１５が配置されている。この熱交換器３１５は、原燃料を触媒層３０６に導く管路３１６と、触媒層３０６で改質された改質ガスを導出する管路３１７とを交互に螺旋状に巻いて構成される。この熱交換器３１５が配置された空間３１５Ａを、上記第二通路３０８を経た燃焼排ガスが上昇し、この排ガスの熱が、管路３１６を通る原燃料を加熱する。そして、排ガスが排気口３１８を経て排気される。
【００４８】
つぎに、改質器の動作を説明する。
【００４９】
この改質器３の触媒層３０６を通じた化学反応は吸熱反応である。従って、バーナ１２の燃焼ガスは、常時供給される。
【００５０】
この加熱下において、管路３１６を通る原燃料が、触媒層３０６を保有した原燃料通路３０７に入る。この原燃料通路３０７は、触媒層３０６を保有した内側通路３０７Ａと、その外側に位置する触媒層３０６を保有しない外側通路３０７Ｂとに区分して構成されている。この触媒層３０６は、常時７００〜８００℃に加熱された状態にあり、この触媒層３０６に、上述したように、水蒸気と原燃料とからなる混合気が供給されると、この混合気が水蒸気改質反応し、水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素を含む改質ガスに変成する。
【００５１】
この改質ガスは、触媒層３０６の後端側３０６Ｂ近傍の位置で、内側通路３０７Ａから触媒層３０６を保有しない外側通路３０７Ｂに入る。そして、この外側通路３０７Ｂ内を上昇して、熱交換器３１５を構成する管路３１７を経て、次工程（ＣＯ変成器４）に導かれる。
【００５２】
バーナ１２の燃焼ガスは、燃焼筒３０３を通じて導入され、燃焼筒３０３の先端３０３Ａ側で第一通路３０５に入り、そこを下降して第一通路３０５の下端で、第三通路３０９を介して第二通路３０８に入り、第二通路３０８内を上昇し、熱交換器３１５が配置された空間３１５Ａに入り、ここで管路３１６を通る原燃料に熱を与え、その後、排気口３１８を経て排気される。
【００５３】
この触媒層３０６の反応は吸熱反応であるため、触媒層３０６の先端側３０６Ａに熱を効率よく伝達することが望ましい。
【００５４】
本実施形態では、燃焼筒３０３の内壁に、第三通路３０９を覆って延び、触媒層３０６の後端側３０６Ｂ近傍に達する断熱部材３１０を設けたので、後端側３０６Ｂの近傍で熱が奪われず、その熱が触媒層３０６の先端側３０６Ａに効率よく伝達されるので、熱ロスが少なく、当該先端側３０６Ａの反応が促進され、バーナ１２の燃料を低く抑え、改質効率を向上させることができる。
【００５５】
また、断熱部材３１０の燃焼ガスとの接触面に、耐熱タイル３１１を備えているので、耐熱性に優れ、断熱部材３１０の寿命が延びる。
【００５６】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明らかである。
【００５７】
【発明の効果】
本発明では、燃焼筒の内壁に第三通路を覆って延び、触媒層の後端側の近傍に達する断熱部材を設けたので、後端側の近傍で熱が奪われず、触媒層の先端側に効率よく伝達されるので、熱ロスが少なく改質効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子型燃料電池発電システムを家庭に設置した場合の系統図である。
【図２】図１の屋外部分を示す図である。
【図３】固体高分子型燃料電池発電システムの一実施形態を示す回路図である。
【図４】改質器の構造を示す断面図である。
【図５】バーナケースと燃焼筒との接続構造を示す断面図である。
【図６】従来の改質器の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
３ 改質器
４ ＣＯ変成器
５ ＣＯ除去器
６ 燃料電池
１２ バーナ
３０１ バーナヘッド
３０２ バーケース
３０３ 燃焼筒
３０４ 改質器本体
３０５ 第一通路
３０６ 触媒層
３０７ 原燃料通路
３０８ 第二通路
３０９ 第三通路
３１０ 断熱部材
３１１ 耐熱タイル
３１５ 熱交換器

Claims (3)

1. 燃焼装置で燃焼した燃焼ガスを改質器の本体内部に導入する燃焼筒と、本体内部でこの燃焼筒の外周部に形成され、燃焼筒の先端側で当該燃焼筒に連通する前記燃焼ガスの第一通路と、この第一通路の外周部に形成され、供給される原燃料を改質する触媒層を保有した内側通路、及びこの内側通路に前記燃焼筒の後端側で連通し、前記内側通路の外周部に形成され、改質ガスが通過する外側通路に区分された原燃料通路と、この原燃料通路の外側通路の外周部に形成された前記燃焼ガスの第二通路と、この第二通路および前記第一通路を燃焼筒の後端側で連通する第三通路とを備え、前記触媒層の先端に前記原燃料を供給し、前記触媒層の後端から前記改質ガスを前記外側通路に導くと共に、前記第一通路を通過した燃焼ガスを、前記第三通路を経て前記第二通路を通じて排出するように構成し、前記燃焼筒の内壁には第三通路を覆って延び、前記触媒層の後端側近傍に達する断熱部材を設けたことを特徴とする改質器。
2. 前記断熱部材の前記燃焼ガスとの接触面に耐熱タイルを備えたことを特徴とする請求項１記載の改質器。
3. 燃焼装置で常時加熱した状態で、天然ガス、都市ガス、メタノール等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、水素によって発電する燃料電池とを備えた、固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
   前記改質器が、
   燃焼装置で燃焼した燃焼ガスを改質器の本体内部に導入する燃焼筒と、本体内部でこの燃焼筒の外周部に形成され、燃焼筒の先端側で当該燃焼筒に連通する前記燃焼ガスの第一通路と、この第一通路の外周部に形成され、供給される原燃料を改質する触媒層を保有した内側通路、及びこの内側通路に前記燃焼筒の後端側で連通し、前記内側通路の外周部に形成され、改質ガスが通過する外側通路に区分された原燃料通路と、この原燃料通路の外側通路の外周部に形成された前記燃焼ガスの第二通路と、この第二通路および前記第一通路を燃焼筒の後端側で連通する第三通路とを備え、前記触媒層の先端に前記原燃料を供給し、前記触媒層の後端から前記改質ガスを前記外側通路に導くと共に、前記第一通路を通過した燃焼ガスを、前記第三通路を経て前記第二通路を通じて排出するように構成し、前記燃焼筒の内壁には第三通路を覆って延び、前記触媒層の後端側近傍に達する断熱部材を設けた、
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。

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