JP3697955B2

JP3697955B2 - 触媒燃焼器およびその昇温方法

Info

Publication number: JP3697955B2
Application number: JP19915699A
Authority: JP
Inventors: 雅司的場
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2019-07-13
Also published as: JP2001027403A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒燃焼器およびその昇温方法に関し、特に短時間で活性温度まで昇温できる触媒燃焼器およびその昇温方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電解質層を挟んで一対の電極が配置され、陰極側には水素含有ガスが供給されるとともに陽極側には酸素含有ガスが供給されることにより、両電極で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る構成の燃料電池が知られている。こうした燃料電池には、通常、酸素含有ガスとして空気が用いられ、水素含有ガスとして炭化水素（たとえば、メタノール）を水蒸気改質することにより生成される二酸化炭素と水素との混合ガスが用いられる。
【０００３】
ところで、水素含有ガスを生成するメタノールの水蒸気改質反応では、液体であるメタノールと水とをそのまま燃料改質器内へ供給するのではなく、これらを予め気化させた状態で供給する必要があるため、既述の燃料電池を有する燃料電池システム内にはメタノールおよび水を気化させるための蒸発器（熱交換部）が設けられている。
【０００４】
この種の蒸発器は、燃料電池システムを起動した際に即座に昇温できるものではなく、気化温度に達するまでにはある程度の暖機運転を必要とする。すなわち、改質器内に供給すべきメタノールガスおよび水蒸気は、システムを起動してから少しの時間をおいて生成される。したがって、燃料電池システムの起動時間の短縮化を図るために、蒸発器を急速に昇温させることが望まれている。
【０００５】
一方、燃料改質器内で進行するメタノールの水蒸気改質反応は、メタノールガスおよび水蒸気の供給を受けて、メタノールガスの分解反応（ＣＨ_３ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ_２−９０．０kJ/mol）と、一酸化炭素の変成反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２＋４０．５kJ/mol）とを同時進行させて、全体反応（ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２−４９．５kJ/mol）としては二酸化炭素と水素との混合ガスである水素含有ガスが生成されるものであるが、この反応は全体として吸熱反応であるため、システム起動時には可能な限り急速に燃料改質器を昇温させる必要があり、またこの吸熱反応を連続して進行させるためには、燃料改質器を連続して加熱しておく必要がある。したがって、燃料電池システムを起動した時に燃料改質器を急速に昇温でき、しかも連続して燃料改質器を加熱できる装置を別途用意しておくことも望まれている。
【０００６】
上述した蒸発器や燃料改質器を急昇温できるものとして、たとえば特開平７−７８６２３号公報に開示された起動時の昇温方法が知られている。
これは、不活性ガスを燃料電池の陰極側で循環させながら起動用加熱器により間接的に加熱し、この加熱された不活性ガスの一部を燃料改質器の燃焼触媒に導いて触媒燃焼が可能な温度まで加熱し、次いで燃料改質器および燃料電池を介して燃料ガスを燃料改質器の燃焼室に供給し、かつ燃料電池を介して空気を燃料改質器の燃焼室に供給し、改質室にて改質反応が可能な温度まで燃焼室を昇温させるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の技術では、不活性ガスを間接的に加熱して燃料改質器を昇温させるので、急速に改質器を昇温させることが困難であり、燃料電池システムの起動時間の短縮化にも限界があった。
【０００８】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決し、燃料電池システムに用いられる蒸発器や燃料改質器などの種々の機器を急速に昇温させることが可能で、全体としての燃料電池システムの起動時間を短縮することができる触媒燃焼器およびその昇温方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の触媒燃焼器は、酸素含有ガスを加熱するための加熱部と、前記加熱部の下流側に接続され、前記加熱部により加熱された酸素含有ガスが供給される燃焼触媒部とを有する触媒燃焼器において、前記加熱部により加熱された酸素含有ガスによっても活性温度に到達しにくい前記燃焼触媒部の部位に、前記燃焼触媒部から排出された燃焼排ガス及び燃料電池から排出された排ガスの少なくとも一方を導入するミキサーが、前記加熱部と前記燃焼触媒部との間に設けられていることを特徴とする。
また上記目的を達成するために、本発明の触媒燃焼器の昇温方法は、酸素含有ガスを加熱するための加熱部と、前記加熱部の下流側に接続された燃焼触媒部と、前記加熱部と前記燃焼触媒部との間に設けられたミキサーとを有する触媒燃焼器の昇温方法において、前記加熱部にて前記酸素含有ガスを加熱して加熱空気を生成する加熱空気生成行程と、前記加熱空気生成行程により生成された加熱空気を前記燃焼触媒部に導入し、この燃焼触媒部の少なくとも一部を活性温度まで昇温させる燃焼触媒昇温行程と、燃焼用燃料ガスおよび酸素含有ガスの混合ガスを、前記加熱部を介して、前記燃焼触媒部に導入して燃焼させる燃焼行程と、前記燃焼触媒部から排出された燃焼排ガス及び燃料電池から排出された排ガスの少なくとも一方を、前記ミキサーにより、前記加熱部により加熱された加熱空気によっても活性温度に到達しにくい前記燃焼触媒部の部位に導入するガス導入行程とを有することを特徴とする。
本発明において、前記加熱部により加熱された酸素含有ガス以外のガスを、前記燃焼触媒部から排出された燃焼排ガスの少なくとも一部とすることができる。
本発明において、前記ミキサーは、前記加熱部により加熱された酸素含有ガス以外のガスを、その内面に沿って環流させながら前記燃焼触媒部に供給するように構成することができる。
本発明において、前記ミキサーは、前記加熱部により加熱された酸素含有ガス以外のガスを、前記燃焼触媒部の中心軸方向に向かって当該燃焼触媒部に供給するように構成することができる。
本発明において、前記加熱部を、前記燃焼触媒部を局所的に昇温可能に設けることができる。
このとき、少なくとも前記加熱部の燃焼触媒部側が、前記燃焼触媒部より小径とすることができる。
本発明において、前記燃焼触媒部の下流側に、熱交換部を設けることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、短時間で燃焼触媒部全体を均一に昇温でき、また空気使用量も低減できるので、加熱器での消費電力も小さくできる。
本発明によれば、燃焼触媒部全体を均一に昇温させる場合と比較して、部分的に活性温度に到達する時間を短縮でき、しかも空気の使用量も低減することができるので、加熱部での消費電力も小さくなり、燃料電池システムに使用した場合には特にシステム起動時のバッテリー負荷が軽減される。また、酸化による触媒性能の劣化をも抑制される。
本発明によれば、加熱部で加熱された空気を燃焼触媒部に局所的に導入可能となり、当該局所的導入部分を容易に昇温できる。
本発明によれば、少ないメタノール−空気混合ガスを用いて燃焼排ガスを発生でき、効率的に熱交換部の暖機が可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３８】
第１実施形態
まず、本発明の触媒燃焼器が適用される燃料電池システムの概要を説明する。図１は本発明の触媒燃焼器が適用される燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【００３９】
本実施形態の燃料電池システム２は、図１に示すように、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４と、圧縮空気（酸素含有ガス）を供給するコンプレッサ６と、改質反応により水素含有ガスを生成する改質器８と、メタノールを貯留するメタノールタンク１４と、水を貯留する水タンク１５と、触媒燃焼器２０とを有する。
【００４０】
燃料電池４は、電解質４２を挟んで対電極４４，４６が設けられており、その陽極４６側には配管１０を介してコンプレッサ６からの圧縮空気が供給され、陰極４４側には配管１２を介して改質器８からの水素含有ガスが供給される。
【００４１】
コンプレッサ６は、外気等を取り入れてこれを２ｋｇ／ｃｍ^２程度まで圧縮して燃料電池４に供給するが、その型式は特に限定されない。なお、燃料電池４に供給される空気は８０〜８５°Ｃの温度が好ましいが、コンプレッサ６で圧縮された空気は約１７０°Ｃとなっているので、これを上記温度範囲まで冷却するためにコンプレッサ６と燃料電池４との間の配管１０中に図示省略するインタークーラを設けることが好ましい。このインタークーラは、水冷式や空冷式などが例示される。
【００４２】
改質器８は、たとえばメタノール（改質原料）と水蒸気と空気（酸素含有ガス）とを混合して、メタノールの水蒸気改質反応と酸化反応とによって水素リッチガスとするものであるが、本実施形態では水蒸気反応（吸熱反応）で必要とされる熱量を、酸化反応（発熱反応）により生じた熱量で賄うことで、別途の加熱器を省略あるいは小能力化できる、いわゆるオートサーマル型を採用してある。
【００４３】
改質原料としてのメタノールは、メタノールタンク１４に収容されてメタノールポンプ１６によって後述する触媒燃焼器２０内に設けられる熱交換部２６へ送られ、ここで気化される。また、水蒸気は水タンク１５に収納された水が水ポンプ１７によって熱交換部２６に送られ、ここで気化されて水蒸気とされる。これらメタノールガスと水蒸気は、改質器８の入口８２に送られるが、空気はコンプレッサ６から配管１１を介して供給される。なお、図中の符号「８４」は改質器８の出口である。
【００４４】
改質器８におけるメタノールの水蒸気改質反応は、メタノールおよび水蒸気の供給を受けて、下記式に示すメタノールの分解反応と一酸化炭素の変成反応とを同時進行させて水素と二酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する。
【００４５】
【化１】
分解反応：ＣＨ_３ＯＨ →ＣＯ＋２Ｈ_２−９０．０（kJ/mol）
変成反応：ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２＋４０．５（kJ/mol）
全体反応：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋３Ｈ_２−４９．５（kJ/mol）
一方、メタノールの酸化反応は、メタノールおよび空気の供給を受けて下記式に示す酸化反応により水素と二酸化炭素を含有する改質ガスを生成する。
【００４６】
【化２】
酸化反応：ＣＨ_３ＯＨ＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２＋１８９．５（kJ/mol）
なお、改質器８から燃料電池４の陰極４４側へ供給される水素含有ガス中に一酸化炭素が含まれていると燃料電池４が被毒するため、改質器８と燃料電池４との間の配管１２中に、図示省略してある一酸化炭素の含有量を低減させる装置を設けておくことが好ましい。この一酸化炭素低減装置は、改質器８で得られた改質ガス中の未反応の一酸化炭素と水とを同じ変成反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）により水素と二酸化炭素とに変成して水素含有量の多い水素含有ガスを生成するシフト器や、さらにこのシフト器を通過した改質ガスに含まれた一酸化炭素を選択酸化して（ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２）二酸化炭素とする選択酸化器などが含まれる。
【００４７】
次に、本発明の触媒燃焼器の構成を説明する。
図２（Ａ）は本発明の触媒燃焼器の一実施形態を示す断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のIIB−IIB線に沿う断面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のIIC−IIC線に沿う断面図である。
【００４８】
触媒燃焼器２０は、図１および図２に示すように、コンプレッサ６および配管１３を通じて導入される空気を加熱するためのたとえば電気ヒータなどにより構成される加熱部２２と、この加熱部２２に接続される燃焼触媒部２４と、この燃焼触媒部２４に接続される熱交換部２６とを有し、該加熱部２２は、燃焼触媒部２４を局所的に昇温可能な構成となっている。
【００４９】
この局所的に昇温可能な具体的構成は特に限定されないが、本実施形態では、加熱部２２の燃焼触媒部側２２ａが、前記燃焼触媒部の加熱部側２４ａより小径となっている。また、加熱部２２と燃焼触媒部２４との間には、熱交換部２６から排出された燃焼排ガスの少なくとも一部を回収し、この燃焼排ガスを燃焼触媒部２４が活性可能温度に到達しにくい部位（特に外周部分）に導入可能なミキサー２８が設けられている。熱交換部２６から排出された燃焼排ガスの一部は、配管３０（本発明の燃焼排ガス回収路に相当する。）に設けられた高温バルブ３８および高温ブロア３６により循環されミキサー２８に回収される。また、ミキサー２８には、燃料電池４から排出される酸化排ガスおよび水素含有排ガスを配管３１，３３を通じて取り込み可能としてもよい。
【００５０】
本実施形態でのミキサー２８は、回収される燃焼排ガスの入り口２８２が、図２（Ｂ）に示すように配置されているので、ミキサー２８の内面２８ａに沿って回収された燃焼排ガスは、図２（Ｂ）中に矢印Ｂ１方向に環流する。こうして回収した燃焼排ガスを燃焼触媒部２４が活性温度に到達しにくい部位、特に外周部分に導入し、燃焼触媒部２４を全体的に均一に昇温させ、活性温度に到達させる。
【００５１】
次いで、本実施形態の触媒燃焼器２０の作用を説明する。
まず、コンプレッサ６により加熱部２２に空気を導入してこれを加熱し、さらにこの加熱された空気を燃焼触媒部２４の中心部分に導入して当該部分を昇温させる。そして、所定時間が経過してその部分が活性温度に到達すると、メタノールポンプ１４を作動して、配管３５を介してメタノール液を始動用メタノール気化器３２に送り、ここで気化させてメタノールガスとする。これと前記加熱された空気とを混合してメタノール−空気混合ガスとし、これを加熱部２２を介して燃焼触媒部２４の活性温度到達部分（中心部分）に導入して燃焼させる。生成される高温の燃焼排ガスは、燃焼触媒部２４の下流側に接続された熱交換部２６を暖機させたのち配管３４より排出されるが、その一部を、配管３０、高温バルブ３８および高温ブロア３６を通じてミキサー２８に回収し、この燃焼排ガスをミキサー２８の内面に沿って環流させながら、燃焼触媒部２４の外周部に全周的に導入する。
【００５２】
本実施形態の触媒燃焼器２０によれば、始動当初においては燃焼触媒部２４の中心部分を局所的に昇温させることとしてあるので、燃焼触媒部全体を均一に昇温させる場合と比較して、部分的に活性温度に到達する時間を短縮でき、また空気の使用量も低減することができる。したがって加熱部２２の電気ヒータの消費電力も小さくなる利点がある。また、空気により加熱する部位を局所的な部位（燃焼触媒部の中心部分）に限定しているため、燃焼触媒の酸化による触媒性能の劣化が抑制される。
【００５３】
第２実施形態
図３（Ａ）は本発明の触媒燃焼器の他の実施形態を示す断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のIIIB−IIIB線に沿った断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のIIIC−IIIC線に沿った断面図であり、上述した第１実施形態と同様に、加熱部２２が、燃焼触媒部２４を局所的に昇温可能となっているが、第１実施形態では、図２（Ｂ）で示したように、ミキサー２８の内面に沿って回収された燃焼排ガスは環流し、この燃焼排ガスを燃焼触媒部２４が活性温度に到達しにくい外周部分に導入することとしているのに対し、本実施形態では、ミキサー２８に回収された燃焼排ガスを、燃焼触媒部２４の軸方向に複数局所的に導入するような構成を採っている。回収された燃焼排ガスの通過孔を「２８ｂ」にて示す。
【００５４】
このような構成を採用することで、回収された燃焼排ガスの温度低下を最小限とするよう最短経路で、この燃焼排ガスを燃焼触媒部２４に供給でき、昇温時間をさらに短縮することができる。
【００５５】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００５６】
たとえば、上述の実施形態では改質器８として、オートサーマル型を用いているが、これに限定されず、吸熱反応である水蒸気改質型のものを用いてもよい。この際、本発明の触媒燃焼器を加熱手段として用いることも好ましい。また、他の改質方法による改質器であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の触媒燃焼器が適用される燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【図２】図２（Ａ）は本発明の触媒燃焼器の一実施形態を示す断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のIIB−IIB線に沿った断面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のIIC−IIC線に沿った断面図である。
【図３】図３（Ａ）は本発明の触媒燃焼器の他の実施形態を示す断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のIIIB−IIIB線に沿った断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のIIIC−IIIC線に沿った断面図である。
【符号の説明】
２… 燃料電池システム
４… 燃料電池
４２… 電解質
４４，４６… 対電極
６… コンプレッサ
８… 改質器
８４… 出口
１０，１１，１２，１３，３０，３１，３３，３４，３５… 配管
１４… メタノールタンク
１６… メタノールポンプ
１５… 水タンク
１７… 水ポンプ
２０… 触媒燃焼器
２２… 加熱部
２２ａ… 燃焼触媒部側
２４… 燃焼触媒部
２４ａ… 加熱部側
２６… 熱交換部
２８… ミキサー
２８２… 燃焼排ガス入口
３２… 始動用メタノール気化器
３６… 高温ブロア
３８… 高温バルブ

Claims

酸素含有ガスを加熱するための加熱部と、前記加熱部の下流側に接続され、前記加熱部により加熱された酸素含有ガスが供給される燃焼触媒部とを有する触媒燃焼器において、
前記加熱部により加熱された酸素含有ガスによっても活性温度に到達しにくい前記燃焼触媒部の部位に、前記燃焼触媒部から排出された燃焼排ガス及び燃料電池から排出された排ガスの少なくとも一方を導入するミキサーが、前記加熱部と前記燃焼触媒部との間に設けられていることを特徴とする触媒燃焼器。
前記加熱部により加熱された酸素含有ガス以外のガスが、前記燃焼触媒部から排出された燃焼排ガスの少なくとも一部であることを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼器。
前記ミキサーは、前記加熱部により加熱された酸素含有ガス以外のガスを、その内面に沿って環流させながら前記燃焼触媒部に供給することを特徴とする請求項１又は２記載の触媒燃焼器。
前記ミキサーは、前記加熱部により加熱された酸素含有ガス以外のガスを、前記燃焼触媒部の中心軸方向に向かって当該燃焼触媒部に供給することを特徴とする請求項１又は２記載の触媒燃焼器。
前記加熱部が、前記燃焼触媒部を局所的に昇温可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の触媒燃焼器。
少なくとも前記加熱部の燃焼触媒部側が、前記燃焼触媒部より小径とされていることを特徴とする請求項５記載の触媒燃焼器。
前記燃焼触媒部の下流側に、熱交換部が設けられていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の触媒燃焼器。
酸素含有ガスを加熱するための加熱部と、前記加熱部の下流側に接続された燃焼触媒部と、前記加熱部と前記燃焼触媒部との間に設けられたミキサーとを有する触媒燃焼器の昇温方法において、
前記加熱部にて前記酸素含有ガスを加熱して加熱空気を生成する加熱空気生成行程と、
前記加熱空気生成行程により生成された加熱空気を前記燃焼触媒部に導入し、この燃焼触媒部の少なくとも一部を活性温度まで昇温させる燃焼触媒昇温行程と、
燃焼用燃料ガスおよび酸素含有ガスの混合ガスを、前記加熱部を介して、前記燃焼触媒部に導入して燃焼させる燃焼行程と、
前記燃焼触媒部から排出された燃焼排ガス及び燃料電池から排出された排ガスの少なくとも一方を、前記ミキサーにより、前記加熱部により加熱された加熱空気によっても活性温度に到達しにくい前記燃焼触媒部の部位に導入するガス導入行程とを有することを特徴とする触媒燃焼器の昇温方法。
前記加熱部により加熱された酸素含有ガス以外のガスが、前記燃焼触媒部から排出された燃焼排ガスの少なくとも一部であることを特徴とする請求項８記載の触媒燃焼器の昇温方法。
前記加熱部により加熱された酸素含有ガス以外のガスを、前記ミキサーの内面に沿って環流させながら、前記燃焼触媒部が活性温度に到達しにくい部位に供給することを特徴とする請求項８又は９記載の触媒燃焼器の昇温方法。
前記加熱部により加熱された酸素含有ガス以外のガスを、前記燃焼触媒部の中心軸方向に向かって当該燃焼触媒部に供給することを特徴とする請求項８又は９記載の触媒燃焼器の昇温方法。
前記燃焼触媒昇温行程は、前記加熱空気生成行程により生成された加熱空気を前記燃焼触媒部に局所的に導入し、この燃焼触媒部を局所的に活性温度まで昇温させ、
前記燃焼行程は、前記燃焼用燃料ガスおよび酸素含有ガスの混合ガスを、前記加熱部を介して、前記燃焼触媒部の前記局所に導入して燃焼させ、
前記ガス導入行程は、前記燃焼行程により燃焼した排ガスの少なくとも一部を、前記燃焼触媒部の上流側に回収し、前記燃焼触媒部の前記局所以外の部位に導入することを特徴とする請求項９〜１１の何れかに記載の触媒燃焼器の昇温方法。