JP3750968B2

JP3750968B2 - Fuel reformer

Info

Publication number: JP3750968B2
Application number: JP22840298A
Authority: JP
Inventors: 和人松田; 隆宏立原; 光岡田; 昭司磯部
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: JP2000063101A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルを、セパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、炭化水素、例えば、メタノール水溶液の水蒸気改質により生成された水素を含む改質ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
上記のように、メタノール水溶液を改質して水素を含む改質ガスを生成する水蒸気改質反応は、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂と表される吸熱反応である。従って、改質反応に必要な熱量を供給するために、通常、改質器内に複雑な伝熱構造を組み込むことが行われており、構造が複雑化していた。
【０００５】
そこで、例えば、特開平９−３１５８０１号公報や特開平７−３１５８０１号公報に開示されているように、炭化水素を含有する原燃料ガスに酸素を供給して発熱反応である酸化反応を行わせ、この酸化反応で放出される熱量を利用して吸熱反応である前記原燃料ガスの改質反応を行う方法が知られている。これにより、構造の簡素化が可能になるという利点が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的に酸化反応速度は改質反応速度よりも大きいため、改質触媒の入口側の温度が上昇する一方、改質反応で重要な前記改質触媒の出口側の温度が低下し易い。しかしながら、上記の従来技術では、改質触媒（ペレット）がガスの流れ方向に長尺に構成されているため、この改質触媒のガスの流れ方向の温度差が大きくなり、触媒層全域で所望の改質反応を実現することができないという問題が指摘されている。しかも、ペレットでは、コンパクト性に劣るとともに、改質触媒の温度を均等化することが極めて難しいという不具合がある。
【０００７】
また、通常、改質触媒として、プレート型改質触媒層と触媒燃焼室とを交互に積層する構造が採用されている（例えば、特開平８−２５３３０１号公報参照）。ところが、この種の改質触媒層は、一般的に矩形プレート形に設定されており、改質器を構成するケース全体が矩形状になる。このため、ケースに応力集中が惹起され易く、前記ケースが肉厚になって改質器全体の小型化を図ることができないという問題がある。
【０００８】
一方、メタノール水溶液の水蒸気改質を開始する際には、改質触媒を所定の温度に昇温する必要がある。このため、通常、改質器の外部に配置された装置から前記改質器に蒸気等の熱を供給することが行われている。しかしながら、車載用に使用される燃料電池スタックでは、特に高効率でかつコンパクトな改質器が要求されており、上記の構造を採用することができない。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で所望の改質反応を円滑に行うとともに、装置全体の小型化を容易に図ることが可能な燃料改質装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、円滑な起動が遂行されるとともに、熱効率がよくかつコンパクトな燃料改質装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料改質装置では、改質触媒層が配置される改質室に改質用燃料、水蒸気および酸素が供給され、いわゆる、オートサーマル方式により、この改質触媒層で酸化反応と燃料改質反応とが同時に行われる。具体的には、ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）と、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂（吸熱反応）とが同時に遂行され、改質器内に複雑な伝熱構造が不要になり、装置全体の構成が簡素化される。
【００１２】
さらに、改質触媒層は、その面方向が改質室内のガスの流れ方向に直交するドーナツ形状に設定されるため、この改質触媒層の薄型化が図られ、前記改質触媒層の出口側温度を改質反応に必要な温度に確保することができる。しかも、改質触媒層全体の温度を均等化するとともに、前記改質触媒層の圧損を減少させることが可能になる。その上、改質触媒層がドーナツ形状であるため、改質器自体が円筒状に構成され、応力集中の発生を阻止してケースの薄肉化が図られる。これにより、簡単かつコンパクトな構成で、水素を含む改質ガスを効率的に生成することができる。
【００１３】
また、改質触媒層がガスの流れ方向に複数並列されるとともに、前記改質触媒層間には、前記改質触媒層を通りかつその他の前記改質触媒層を迂回するガス流路形成手段が配置される。従って、改質器全体を有効に小型化するとともに、各改質触媒層に対してガスを均等に供給することが可能になる。
【００１４】
さらにまた、改質触媒層に向かって拡径する円錐状のガス供給流路を形成する流路部材を備えるため、この改質触媒層の半径方向に対してガスを均等に供給することができる。しかも、改質触媒層の外周部分に沿ってガスを流すことにより、前記改質触媒層の外周部分からの放熱を防ぐことが可能になり、前記改質触媒層の半径方向の温度分布が均等化される。
【００１５】
さらに、ガスの流れ方向最下流に配置される改質触媒層の中央空洞部分には、円錐状のカバー部材が装着される。このため、最下流の改質触媒層の全面に対してガスを円滑かつ確実に供給することができる。
【００１６】
また、本発明では、改質触媒層の上流側に始動用燃焼機構が配置されており、始動時に前記改質触媒層に加熱用の燃焼ガスを直接供給している。これにより、改質触媒層の暖気時間を一挙に短縮することができ、改質ガスを効率的に得ることが可能になる。しかも、始動用燃焼機構により生成された水を改質反応に利用することができ、給水構造の簡素化が図られる。
【００１７】
さらにまた、ドーナツ形状の改質触媒層の面方向が改質室内のガスの流れ方向に直交する形状に設定されている。従って、改質触媒層の肉厚を薄くすることができ、この改質触媒層の温度分布を均等化することが可能になる。さらに、改質触媒層が配置されるケース自体も円筒形状に設定することができ、応力集中を回避して前記ケース自体を相当に肉薄化することが可能になる。
【００１８】
また、改質触媒層と始動用燃焼機構とが同心的に配置されるため、この改質触媒層の中央から外側に向かってガスを流すことができ、前記改質触媒層を多段に積層することが可能となる。しかも、燃焼ガスによりドーナツ形状の改質触媒層を全体的に均等に暖めることができる。
【００１９】
さらに、始動用燃焼機構が燃料を供給するためのインジェクタを備えている。従って、燃料の供給量を精度よく設定することができ、特に、着火、保炎および温度の制御が簡単に行われる。しかも、急激な負荷増加、例えば、生成水素ガス量の増加等に対して、始動用のインジェクタから改質原料炭化水素を増量することにより、応答性よく燃料を供給することが可能になる。
【００２０】
また、インジェクタの周囲から空気を導出するための空気ノズルが配置されている。このため、定常運転時に空気を供給することにより、インジェクタへの堆積物の発生を有効に防止することができる。その上、空気ノズルから噴射される空気の冷却作用によって、高価な高耐熱性のインジェクタを使用する必要がなく、安価なインジェクタで対応することができ、極めて経済的である。さらに、空気に旋回流を与えることにより、燃料と空気を均等に混合させることが可能になり、改質触媒層での反応ムラが確実に回避される。
【００２１】
さらにまた、供給機構がインジェクタの下流でかつ改質触媒層の上流に配置される改質用燃料、水蒸気および酸素を含む空気の供給口を設けている。従って、始動時に改質用燃料および水蒸気に空気を混合させることによって、燃焼ガスの温度を有効に制御することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成図である。燃料電池システム１２は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより水素ガスを生成する本実施形態に係る燃料改質装置１０と、この燃料改質装置１０から改質ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気が供給され、前記改質ガス中の水素ガスと前記空気中の酸素とにより発電を行う燃料電池スタック１４とを備える。炭化水素としては、メタノール、天然ガスまたはメタン等が使用可能である。
【００２３】
燃料改質装置１０は、炭化水素、例えば、メタノールを貯留するメタノールタンク１６と、燃料電池システム１２から排出される生成水等を貯留する水タンク１８と、前記メタノールタンク１６および前記水タンク１８からそれぞれ所定量のメタノールおよび水が供給されてメタノール水溶液を混合する混合器２０と、前記混合器２０から供給されるメタノール水溶液を蒸発させるための蒸発器２２と、前記蒸発器２２に蒸発熱を供給する触媒燃焼器２４と、前記蒸発器２２から導入される気化状態のメタノール水溶液（以下、改質用燃料という）を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器２６と、この改質器２６から導出される改質ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器２８とを備える。
【００２４】
触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とには、空気供給器３０からそれぞれ空気が供給されるとともに、改質器２６と前記ＣＯ除去器２８との間には、改質ガスの温度を低下させるための熱交換器３２が配置されている。蒸発器２２と改質器２６と熱交換器３２とＣＯ除去器２８と触媒燃焼器２４とは、管体３４を介して連結され、循環流路を構成している（図２参照）。
【００２５】
図３に示すように、改質器２６は、改質室３６に配置される第１および第２改質触媒層３８、４０と、前記改質室３６にメタノール水溶液、水蒸気および酸素含有ガス、例えば、空気を供給して前記第１および第２改質触媒層３８、４０で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるための供給機構４２と、前記第１および第２改質触媒層３８、４０の上流側に配置され、始動時に該第１および第２改質触媒層３８、４０に加熱用燃焼ガスを直接供給するための始動用燃焼機構４４とを備える。
【００２６】
図２および図３に示すように、燃焼機構４４は、改質器２６にガスの流れ方向（矢印Ａ方向）の上流側に対応しかつ第１および第２改質触媒層３８、４０と同心的に設けられており、この燃焼機構４４は燃焼室４６に燃料、例えば、メタノールを供給するためのインジェクタ４８と、点火用プラグであるグロープラグ４９とを備える。このインジェクタ４８は、燃料経路５０を介してメタノールタンク１６に接続されている（図１参照）。
【００２７】
インジェクタ４８の先端側周囲には、図３に示すように、空気ノズル５２が装着され、この空気ノズル５２は、燃焼室４６に向かって開口する四つの空気導出口５４ａ〜５４ｄを設けている。図４に示すように、各空気導出口５４ａ〜５４ｄは、燃焼室４６内で渦流を発生させるようにそれぞれの噴射方向および角度が設定されている。空気ノズル５２は、第１空気経路５６を介して空気供給器５８または空気供給器３０に接続されている（図１参照）。
【００２８】
供給機構４２は、図２および図３に示すように、燃焼機構４４の下流側に配置されており、インジェクタ４８の下流でかつ第１改質触媒層３８の上流に位置して改質用燃料および水蒸気である燃料ガスと酸化用および希釈用空気とが混合または独立して供給される供給口６０を設けている。供給口６０は、経路３４ａを介して蒸発器２２に連結されるとともに、この経路３４ａの途上に設けられたジョイント部６２は、例えば、空気供給器３０に第２空気経路６４を介して連通している。供給口６０は、二重壁内の開口６０ａを介して複数の導入口６０ｂから希釈室６６に連通する。
【００２９】
改質器２６は、燃焼室４６に連通する希釈室６６から第１改質触媒層３８に向かって拡径する円錐状のガス供給流路６８を形成するディフューザ部（流路部材）７０を備える。ディフューザ部７０の拡径する端部には、略円筒状のケース７２がねじ止めされており、このケース７２内に第１および第２改質触媒層３８、４０が装着される。
【００３０】
第１および第２改質触媒層３８、４０は、銅または亜鉛系触媒で構成されており、ドーナツ形状のハニカム構造に設定されている。各ハニカム触媒のそれぞれの面方向が改質室３６内のガスの流れ方向（矢印Ａ方向）に直交して並列されている。第１および第２改質触媒層３８、４０のガスの流れ方向の上流側に第１および第２整流板７４ａ、７４ｂが固定される。第１および第２整流板７４ａ、７４ｂは、適切な圧力損失を有しており、第１および第２改質触媒層３８、４０へのガスの流れを均等化するとともに、各触媒層面内の流れを均等化する。
【００３１】
第１および第２改質触媒層３８、４０の間には、改質用燃料ガスがいずれか一方のみを通過するようにガス流路形成手段７６が配置される。ガス流路形成手段７６は、例えば、ＳＵＳ製の板材で構成されており、第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに挿入される筒状部７８と、この筒状部７８の端部からガスの流れ方向に沿って拡径する円錐部８０と、この円錐部８０の端部に一体的に設けられ、第２改質触媒層４０の外周を覆うリング部８２とを有する。筒状部７８の先端は、ガスの流れ方向とは逆方向に向かって縮径する絞り形状部８４が一体成形されている。絞り形状部８４の形状を適切に選定することにより、第１および第２改質触媒層３８、４０に流入するガスの分配状態を調整することができる。第２改質触媒層４０の中央空洞部分４０ａには、円錐状のカバー部材８６が装着されている。
【００３２】
図２に示すように、管体３４を構成し触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とにそれぞれ接続される経路３４ｂ、３４ｃのジョイント部８８には、三方弁９０が設けられており、この三方弁９０は、前記経路３４ｂと燃料電池スタック１４とを連通する位置と、該経路３４ｂと経路３４ｃとを連通する位置とに切り換え自在である。この経路３４ｃには、燃料電池スタック１４から排出される排出成分中の未反応水素ガス等のガスを導入するための導入口９２が配置されている。
【００３３】
このように構成される燃料改質装置１０の動作について、以下に説明する。
【００３４】
先ず、燃料改質装置１０の始動時には、始動暖気モードとして管体３４の経路３４ｂ、３４ｃが燃料電池スタック１４と遮断状態にある。そこで、燃焼機構４４を構成する第１空気経路５６から空気ノズル５２を介して燃焼室４６に空気が供給され、この燃焼室４６内に渦流が形成される。この状態で、グロープラグ４９が駆動されてこのグロープラグ４９の温度が所定温度になったとき、メタノールタンク１６からインジェクタ４８にメタノールが供給される。
【００３５】
メタノールは、インジェクタ４８を介して燃焼室４６内に噴霧されるとともに、このメタノールに空気による渦流が作用して、前記メタノールの微粒化および拡散化が図られる。このため、燃焼室４６内では、グロープラグ４９の加熱作用下にメタノールが燃焼し、この燃焼室４６内でのみ保炎がなされる。
【００３６】
次いで、第２空気経路６４から複数の導入口６０ｂを介して希釈室６６に希釈用空気が導入される。従って、燃焼室４６で生成される高温の燃焼ガスに空気が混合され、この燃焼ガスの温度が調整された状態で、前記燃料ガスが改質室３６に配置されている第１および第２改質触媒層３８、４０に直接供給される。さらに、第１および第２改質触媒層３８、４０が所定の温度に昇温した後、混合器２０を介してメタノールおよび水が所定の混合比に混合されたメタノール水溶液が蒸発器２２に供給される。
【００３７】
蒸発器２２では、触媒燃焼器２４で発生した高温の燃焼ガスと蒸発ガスとが熱交換することによってメタノール水溶液が蒸気化し、第２空気経路６４から送られる空気と混合されて供給機構４２を構成する複数の導入口６０ｂから改質器２６内に供給される一方、インジェクタ４８から燃焼室４６内へのメタノールの供給が停止される。ここで、第１空気経路５６から空気ノズル５２を介して燃焼室４６側に空気が継続して供給されており、インジェクタ４８自体の温度を有効に低下させている。
【００３８】
この場合、本実施形態では、改質器２６に燃焼機構４４が直結されており、メタノール等の炭化水素を燃料とする直火型燃焼室４６で生成される燃焼ガスを、直接、改質室３６内の第１および第２改質触媒層３８、４０に供給している。このため、始動時に、改質器２６等を短時間で所望の温度まで昇温させることができ、始動に要する時間が一挙に短縮されるという効果が得られる。
【００３９】
さらに、燃焼ガスは、希釈室６６に導入される空気で希釈されるため、この燃焼ガスが温度を制御された状態で改質室３６に導入され、一定温度での部分酸化と未燃焼炭化水素の改質が遂行される。この部分酸化反応によって改質器２６内のさらなる昇温が可能になるとともに、未燃焼炭化水素と燃焼により生成された水とを介して始動時から改質反応が行われ、水素ガスの発生が惹起される。この水素ガスは、触媒燃焼器２４に送られて燃料として利用でき、前記触媒燃焼器２４と蒸発器２２の昇温に利用される。
【００４０】
しかも、急激な負荷増加、例えば、生成水素ガス量の増加に対しても、インジェクタ４８からメタノールを噴霧することにより、このメタノールを瞬時に蒸発気化させて熱量不足を有効に補うことができる。また、燃焼機構４４が第１および第２改質触媒層３８、４０と同心的に設けられており、燃焼ガスにより前記第１および第２改質触媒層３８、４０を全体的に均等に暖めることが可能になる。
【００４１】
さらにまた、本実施形態では、インジェクタ４８の周囲から燃焼室４６に空気を導出するための空気ノズル５２を備えている。この空気ノズル５２から噴射される空気の渦流によって、インジェクタ４８から噴霧されるメタノールの微粒化および拡散化が図られ、この燃焼室４６内の狭い範囲で完全燃焼させるとともに、保炎範囲を限定することができる。従って、着炎の確実性および保炎性を保持しつつ、第２空気経路６４から導入される希釈空気によって燃焼ガスを所望の温度に確実に制御することが可能になるという利点がある。
【００４２】
さらに、定常運転時に空気ノズル５２から空気を噴射することにより、インジェクタ４８が加熱することを防止するとともに、このインジェクタ４８に推積物が生成されることを確実に阻止することが可能になる。また、空気ノズル５２から噴射される空気の冷却効果により、インジェクタ４８が高耐熱性を有する必要がなく、安価なインジェクタ４８を用いることができ、極めて経済的である。
【００４３】
ところで、蒸発器２２から経路３４ａに供給された改質用燃料ガスは、第２空気経路６４から噴射される空気と混合して改質器２６内に導入された後、ディフューザ部７０側に送られる。このディフューザ部７０では、メタノール水溶液、水蒸気および酸素を含む改質用燃料ガスがその一部をガス供給流路６８に沿って第１改質触媒層３８に送られる一方、他の部分がこの第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに嵌挿された筒状部７８の内部を通って第２改質触媒層４０に送られる。
【００４４】
第１および第２改質触媒層３８、４０では、改質用燃料ガス中のメタノール水蒸気および酸素によって発熱反応である酸化反応と吸熱反応である燃料改質反応とが同時に行われる。これにより、改質器２６内に複雑な伝熱構造を用いる必要がなく、この改質器２６全体の構造を一挙に簡素化することができる。しかも、改質器２６内の発熱反応によって改質反応に必要な熱が供給されるため、負荷変動に対する応答性がよく、水素ガスを含む改質ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００４５】
第１改質触媒層３８を通って生成された改質ガスおよび第２改質触媒層４０を通って生成された改質ガスは、熱交換器３２に導入されて所定の温度に冷却される。次いで、改質ガスは、ＣＯ除去器２８に導入されてこの改質ガス中のＣＯが選択的に反応除去された後、必要に応じて触媒燃焼器２４に送られる。そして、改質器２６から安定した改質ガスが生成され始めると、三方弁９０が切り換えられて燃料電池スタック１４にこの改質ガスが供給される。
【００４６】
この場合、本実施形態では、第１および第２改質触媒層３８、４０がドーナツ形状に設定されるため、改質器２６を構成するケース７２を円筒形状に設定することができ、応力集中の発生を阻止して前記ケース７２の薄肉化が図られる。また、第１および第２改質触媒層３８、４０がドーナツ形状を有するため、その中央部を通路として利用し、中央から外周に向かってガスを流すことによって前記第１および第２改質触媒層３８、４０の多段積層化が可能になる。
【００４７】
さらにまた、第１および第２改質触媒層３８、４０を薄肉状に設定することにより、改質反応で重要な触媒出口温度を高く維持することができる。すなわち、図５に示すように、改質触媒層Ｍに原料ガス（燃料ガス）を導入して改質ガスを生成する実験を行った。ここで、改質触媒層Ｍの厚さｈを変更したところ、図６に示す結果が得られた。なお、改質触媒層Ｍの最高温を３２５℃に制御しており、改質触媒層Ｍの厚さｈが薄い程、メタノール反応率が高くなって性能が向上するという結果が得られた。
【００４８】
これにより、第１および第２改質触媒層３８、４０を薄型化することにより、改質ガスの生成を効率的に行うとともに、前記第１および第２改質触媒層３８、４０全体の温度が均等化され、かつ、圧損の減少が図られるという効果が得られる。
【００４９】
さらにまた、本実施形態では、ガスの流れ方向に対して第１および第２改質触媒層３８、４０を並列させるとともに、ガス流路形成手段７６を介してそれぞれ前記第１および第２改質触媒層３８、４０のみを通るガス流路に分割している。従って、改質器２６内の小さな容積に第１および第２改質触媒層３８、４０またはそれ以上の数の触媒層を配置することができ、前記改質器２６を有効に小型化することが可能になる。しかも、第１および第２改質触媒層３８、４０に均等にガスを供給することができ、改質ガスを効率的に生成することができる。
【００５０】
また、改質器２６では、燃焼室４６から改質室３６に向かう途上にガスの流れ方向に向かって拡径する円錐状のガス供給流路６８を形成するディフューザ部７０が設けられている。このため、第１改質触媒層３８の半径方向に対して改質用供給ガスを均等に供給することができ、改質反応が効率的に遂行される。さらに、第１改質触媒層３８を通って改質された改質ガスは、ガス流路形成手段７６を構成する円錐部８０に沿って第２改質触媒層４０の外周部分に供給される。従って、第２改質触媒層４０の外周部分からの放熱を防ぐことが可能になり、前記第２改質触媒層４０の半径方向の温度分布を均等に維持することができる。
【００５１】
さらにまた、第２改質触媒層４０の中央空洞部分４０ａに円錐状のカバー部材８６が装着されている。これにより、第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａを通ってカバー部材８６に至った改質用燃料ガスは、このカバー部材８６の傾斜に沿って第２改質触媒層４０の径方向に円滑に供給され、効率的な改質反応が遂行可能になる。また、第１および第２改質触媒層３８、４０は、ハニカム担持触媒層を構成しており、触媒表面積を有効に拡大することができる。
【００５２】
なお、本実施形態では、改質室３６に第１および第２改質触媒層３８、４０を二段に配置しているが、これに限定されるものではなく、例えば、三段以上の改質触媒層を設けても、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料改質装置では、改質触媒層で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるとともに、前記改質触媒層が改質室内のガスの流れ方向に直交するドーナツ形状に設定されている。このため、装置全体の構成が有効に簡素化されるとともに、応力集中の発生を阻止し、かつ薄型化が容易に図られる。これにより、簡単かつコンパクトな構成で、水素を含む改質ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００５４】
また、本発明に係る燃料改質装置では、改質触媒層の上流側に始動用燃焼機構が配置されており、始動時にこの改質触媒層に加熱用の燃焼ガスを直接供給することにより、暖気時間を一挙に短縮化して、改質ガスを効率的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料改質装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料改質装置の斜視説明図である。
【図３】前記燃料改質装置を構成する改質器の縦断面説明図である。
【図４】図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】改質触媒層の厚さの違いによるメタノール反応率の変化を検出する実験の説明図である。
【図６】前記実験により得られたメタノール反応率の結果を説明する図である。
【符号の説明】
１０…燃料改質装置１２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック１６…メタノールタンク
１８…水タンク２０…混合器
２２…蒸発器２４…触媒燃焼器
２６…改質器２８…ＣＯ除去器
３８、４０…改質触媒層４２…供給機構
４４…燃焼機構４６…燃焼室
４８…インジェクタ５０…燃料経路
５２…空気ノズル５４ａ〜５４ｄ…空気導出口
５６、６４…空気経路６０…供給口
６０ａ…開口６０ｂ…導入口
６６…希釈室６８…ガス供給流路
７０…ディフューザ部７２…ケース
７６…ガス流路形成手段７８…筒状部
８０…円錐部８２…リング部
８６…カバー部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by reforming a reforming fuel containing a hydrocarbon.
[0002]
[Prior art]
For example, a fuel cell stack constructed by laminating a plurality of fuel cell cells sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode side electrode and a cathode side electrode and sandwiching them by a separator has been developed. Is being put into practical use.
[0003]
This type of fuel cell stack supplies a reformed gas (fuel gas) containing hydrocarbons, for example, hydrogen generated by steam reforming of an aqueous methanol solution, to the anode-side electrode and oxidant gas (air) to the cathode. By supplying to the side electrode, the hydrogen gas is ionized and flows in the solid polymer electrolyte membrane, and thereby electric energy is obtained outside the fuel cell.
[0004]
As described above, the steam reforming reaction for reforming a methanol aqueous solution to generate a reformed gas containing hydrogen is performed using CH. _Three OH + H ₂ O → CO ₂ + 3H ₂ Is an endothermic reaction. Therefore, in order to supply the amount of heat necessary for the reforming reaction, a complicated heat transfer structure is usually incorporated in the reformer, and the structure is complicated.
[0005]
Therefore, for example, as disclosed in JP-A-9-315801 and JP-A-7-315801, oxygen is supplied to a raw fuel gas containing hydrocarbons to cause an exothermic oxidation reaction. A method of performing a reforming reaction of the raw fuel gas, which is an endothermic reaction, using an amount of heat released by the oxidation reaction is known. This provides the advantage that the structure can be simplified.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the oxidation reaction rate is generally larger than the reforming reaction rate, the temperature on the inlet side of the reforming catalyst rises, while the temperature on the outlet side of the reforming catalyst, which is important in the reforming reaction, tends to decrease. . However, in the above prior art, since the reforming catalyst (pellet) is long in the gas flow direction, the temperature difference in the gas flow direction of the reforming catalyst becomes large, and is desired throughout the catalyst layer. It has been pointed out that the reforming reaction cannot be realized. Moreover, the pellets are inferior in compactness and have problems that it is extremely difficult to equalize the temperature of the reforming catalyst.
[0007]
In general, a structure in which plate-type reforming catalyst layers and catalytic combustion chambers are alternately stacked is adopted as the reforming catalyst (see, for example, JP-A-8-253301). However, this type of reforming catalyst layer is generally set in a rectangular plate shape, and the entire case constituting the reformer is rectangular. For this reason, there is a problem that stress concentration is easily caused in the case, and the case becomes thick and the reformer cannot be reduced in size.
[0008]
On the other hand, when the steam reforming of the aqueous methanol solution is started, it is necessary to raise the temperature of the reforming catalyst to a predetermined temperature. For this reason, usually, heat such as steam is supplied to the reformer from a device arranged outside the reformer. However, a fuel cell stack used for in-vehicle use requires a particularly high-efficiency and compact reformer, and the above structure cannot be employed.
[0009]
The present invention solves this type of problem, and provides a fuel reformer that can smoothly perform a desired reforming reaction with a simple configuration and that can easily reduce the overall size of the device. With the goal.
[0010]
It is another object of the present invention to provide a fuel reformer that is smoothly activated and has high thermal efficiency and is compact.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel reformer according to the present invention, reforming fuel, water vapor and oxygen are supplied to the reforming chamber in which the reforming catalyst layer is disposed, and an oxidation reaction is performed in the reforming catalyst layer by a so-called autothermal method. The fuel reforming reaction is performed simultaneously. Specifically, CH _Three OH + 3 / 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O (exothermic reaction) and CH _Three OH + H ₂ O → CO ₂ + 3H ₂ (Endothermic reaction) is performed at the same time, a complicated heat transfer structure is not required in the reformer, and the configuration of the entire apparatus is simplified.
[0012]
Furthermore, since the reforming catalyst layer has a donut shape whose surface direction is orthogonal to the gas flow direction in the reforming chamber, the reforming catalyst layer is made thinner and the outlet of the reforming catalyst layer is discharged. The side temperature can be secured at a temperature required for the reforming reaction. In addition, the temperature of the entire reforming catalyst layer can be equalized and the pressure loss of the reforming catalyst layer can be reduced. In addition, since the reforming catalyst layer has a donut shape, the reformer itself is formed in a cylindrical shape, preventing stress concentration and reducing the thickness of the case. Thereby, the reformed gas containing hydrogen can be efficiently generated with a simple and compact configuration.
[0013]
A plurality of reforming catalyst layers are juxtaposed in the gas flow direction, and a gas flow path forming means that passes through the reforming catalyst layer and bypasses the other reforming catalyst layers is provided between the reforming catalyst layers. Be placed. Therefore, the entire reformer can be effectively reduced in size and the gas can be uniformly supplied to each reforming catalyst layer.
[0014]
Furthermore, since a flow path member that forms a conical gas supply flow path that expands toward the reforming catalyst layer is provided, gas can be supplied uniformly in the radial direction of the reforming catalyst layer. . In addition, by flowing gas along the outer peripheral portion of the reforming catalyst layer, it is possible to prevent heat dissipation from the outer peripheral portion of the reforming catalyst layer, and the temperature distribution in the radial direction of the reforming catalyst layer is uniform. It becomes.
[0015]
Further, a conical cover member is attached to the central cavity portion of the reforming catalyst layer disposed on the most downstream side in the gas flow direction. For this reason, the gas can be smoothly and reliably supplied to the entire surface of the most downstream reforming catalyst layer.
[0016]
In the present invention, the starting combustion mechanism is arranged upstream of the reforming catalyst layer, and the combustion gas for heating is directly supplied to the reforming catalyst layer at the time of starting. Thereby, the warm-up time of the reforming catalyst layer can be shortened at once, and the reformed gas can be obtained efficiently. In addition, the water generated by the starting combustion mechanism can be used for the reforming reaction, and the water supply structure can be simplified.
[0017]
Furthermore, the surface direction of the doughnut-shaped reforming catalyst layer is set to a shape orthogonal to the gas flow direction in the reforming chamber. Therefore, the thickness of the reforming catalyst layer can be reduced, and the temperature distribution of the reforming catalyst layer can be equalized. Furthermore, the case itself in which the reforming catalyst layer is disposed can also be set in a cylindrical shape, and the case itself can be considerably thinned while avoiding stress concentration.
[0018]
Further, since the reforming catalyst layer and the starting combustion mechanism are concentrically arranged, gas can flow from the center of the reforming catalyst layer to the outside, and the reforming catalyst layers are stacked in multiple stages. It becomes possible. Moreover, the doughnut-shaped reforming catalyst layer can be warmed up uniformly by the combustion gas.
[0019]
Further, the starting combustion mechanism includes an injector for supplying fuel. Therefore, the fuel supply amount can be set with high accuracy, and in particular, ignition, flame holding and temperature control are easily performed. Moreover, it is possible to supply fuel with high responsiveness by increasing the amount of reforming raw material hydrocarbons from the starting injector in response to a rapid load increase, for example, an increase in the amount of generated hydrogen gas.
[0020]
In addition, an air nozzle for deriving air from the periphery of the injector is disposed. For this reason, generation of deposits on the injector can be effectively prevented by supplying air during steady operation. In addition, due to the cooling action of the air injected from the air nozzle, it is not necessary to use an expensive high heat resistant injector, and it can be handled with an inexpensive injector, which is extremely economical. Furthermore, by giving a swirl flow to the air, it becomes possible to mix the fuel and air evenly, and the reaction unevenness in the reforming catalyst layer is surely avoided.
[0021]
Furthermore, the supply mechanism is provided with a supply port for air containing reforming fuel, water vapor and oxygen, which is arranged downstream of the injector and upstream of the reforming catalyst layer. Therefore, the temperature of the combustion gas can be effectively controlled by mixing air with the reforming fuel and water vapor at the start.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 12 incorporating a fuel reformer 10 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 12 includes a fuel reformer 10 according to the present embodiment that generates hydrogen gas by reforming a reforming fuel containing hydrocarbons, and the reformed gas is supplied from the fuel reformer 10. And a fuel cell stack 14 that is supplied with air as an oxidant gas and generates power using hydrogen gas in the reformed gas and oxygen in the air. As the hydrocarbon, methanol, natural gas, methane, or the like can be used.
[0023]
The fuel reformer 10 includes a methanol tank 16 that stores hydrocarbons, for example, methanol, a water tank 18 that stores generated water discharged from the fuel cell system 12, and the methanol tank 16 and the water tank 18. A mixer 20 for supplying a predetermined amount of methanol and water to mix the aqueous methanol solution, an evaporator 22 for evaporating the aqueous methanol solution supplied from the mixer 20, and supplying evaporation heat to the evaporator 22 A catalytic combustor 24 for reforming, a reformer 26 for reforming a vaporized methanol aqueous solution (hereinafter referred to as reforming fuel) introduced from the evaporator 22 to generate a reformed gas containing hydrogen gas, And a CO remover 28 for removing carbon monoxide in the reformed gas derived from the reformer 26.
[0024]
Air is supplied to the catalytic combustor 24 and the CO remover 28 from an air supply device 30 respectively, and the temperature of the reformed gas is lowered between the reformer 26 and the CO remover 28. A heat exchanger 32 is provided. The evaporator 22, the reformer 26, the heat exchanger 32, the CO remover 28, and the catalytic combustor 24 are connected via a pipe body 34 to constitute a circulation channel (see FIG. 2).
[0025]
As shown in FIG. 3, the reformer 26 includes first and second reforming catalyst layers 38 and 40 disposed in the reforming chamber 36, and an aqueous methanol solution, water vapor and oxygen-containing gas, For example, a supply mechanism 42 for supplying air to cause the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 to simultaneously perform an oxidation reaction and a reforming reaction, and the first and second reforming catalyst layers 38. , 40 and a starting combustion mechanism 44 for supplying heating combustion gas directly to the first and second reforming catalyst layers 38, 40 at the time of starting.
[0026]
As shown in FIGS. 2 and 3, the combustion mechanism 44 corresponds to the upstream side in the gas flow direction (arrow A direction) to the reformer 26 and is concentric with the first and second reforming catalyst layers 38 and 40. The combustion mechanism 44 includes an injector 48 for supplying fuel, for example, methanol, to the combustion chamber 46, and a glow plug 49 that is an ignition plug. The injector 48 is connected to the methanol tank 16 via the fuel path 50 (see FIG. 1).
[0027]
As shown in FIG. 3, an air nozzle 52 is mounted around the distal end side of the injector 48, and the air nozzle 52 has four air outlets 54 a to 54 d that open toward the combustion chamber 46. As shown in FIG. 4, each of the air outlets 54 a to 54 d is set with an injection direction and an angle so as to generate a vortex in the combustion chamber 46. The air nozzle 52 is connected to the air supply device 58 or the air supply device 30 through the first air path 56 (see FIG. 1).
[0028]
As shown in FIGS. 2 and 3, the supply mechanism 42 is disposed on the downstream side of the combustion mechanism 44, and is located downstream of the injector 48 and upstream of the first reforming catalyst layer 38. And a supply port 60 through which the fuel gas which is water vapor and the oxidizing and diluting air are mixed or independently supplied. The supply port 60 is connected to the evaporator 22 via a path 34a, and the joint portion 62 provided in the middle of the path 34a communicates with the air supply unit 30 via the second air path 64, for example. ing. The supply port 60 communicates with the dilution chamber 66 from the plurality of introduction ports 60b through the opening 60a in the double wall.
[0029]
The reformer 26 includes a diffuser portion (flow path member) 70 that forms a conical gas supply flow path 68 that expands from the dilution chamber 66 communicating with the combustion chamber 46 toward the first reforming catalyst layer 38. . A substantially cylindrical case 72 is screwed to an end of the diffuser portion 70 whose diameter is increased, and the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are mounted in the case 72.
[0030]
The first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are made of copper or a zinc-based catalyst, and are set in a donut-shaped honeycomb structure. The respective surface directions of the honeycomb catalysts are arranged in parallel so as to be orthogonal to the gas flow direction (arrow A direction) in the reforming chamber 36. First and second rectifying plates 74a and 74b are fixed upstream of the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 in the gas flow direction. The first and second rectifying plates 74a and 74b have an appropriate pressure loss, equalize the flow of gas to the first and second reforming catalyst layers 38 and 40, and within each catalyst layer surface. Equalize the flow.
[0031]
Between the first and second reforming catalyst layers 38, 40, gas flow path forming means 76 is arranged so that the reforming fuel gas passes through only one of them. The gas flow path forming means 76 is made of, for example, a SUS plate, and includes a cylindrical portion 78 inserted into the central cavity portion 38a of the first reforming catalyst layer 38, and an end portion of the cylindrical portion 78. And a ring portion 82 that is integrally provided at an end portion of the cone portion 80 and covers the outer periphery of the second reforming catalyst layer 40. The tip of the cylindrical portion 78 is integrally formed with a throttle-shaped portion 84 whose diameter is reduced in the direction opposite to the gas flow direction. By appropriately selecting the shape of the throttle shape portion 84, the distribution state of the gas flowing into the first and second reforming catalyst layers 38, 40 can be adjusted. A conical cover member 86 is attached to the central hollow portion 40 a of the second reforming catalyst layer 40.
[0032]
As shown in FIG. 2, a three-way valve 90 is provided in a joint portion 88 of paths 34 b and 34 c constituting the pipe body 34 and connected to the catalyst combustor 24 and the CO remover 28, respectively. The valve 90 can be switched between a position where the path 34b communicates with the fuel cell stack 14 and a position where the path 34b communicates with the path 34c. An introduction port 92 for introducing a gas such as unreacted hydrogen gas in the exhaust component discharged from the fuel cell stack 14 is disposed in the path 34c.
[0033]
The operation of the fuel reformer 10 configured as described above will be described below.
[0034]
First, when the fuel reformer 10 is started, the paths 34b and 34c of the tubular body 34 are disconnected from the fuel cell stack 14 as a start warm-up mode. Therefore, air is supplied from the first air path 56 constituting the combustion mechanism 44 to the combustion chamber 46 through the air nozzle 52, and a vortex is formed in the combustion chamber 46. In this state, when the glow plug 49 is driven and the temperature of the glow plug 49 reaches a predetermined temperature, methanol is supplied from the methanol tank 16 to the injector 48.
[0035]
Methanol is sprayed into the combustion chamber 46 via the injector 48, and a vortex flow by air acts on the methanol to atomize and diffuse the methanol. For this reason, in the combustion chamber 46, methanol burns under the heating action of the glow plug 49, and flame holding is performed only in the combustion chamber 46.
[0036]
Next, dilution air is introduced from the second air path 64 into the dilution chamber 66 through the plurality of inlets 60b. Accordingly, air is mixed with the high-temperature combustion gas generated in the combustion chamber 46, and the fuel gas is disposed in the reforming chamber 36 in a state where the temperature of the combustion gas is adjusted. Directly supplied to the catalyst layers 38 and 40. Further, after the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are heated to a predetermined temperature, a methanol aqueous solution in which methanol and water are mixed at a predetermined mixing ratio is supplied to the evaporator 22 via the mixer 20. Is done.
[0037]
In the evaporator 22, the high-temperature combustion gas generated in the catalytic combustor 24 exchanges heat with the evaporation gas, whereby the methanol aqueous solution is vaporized and mixed with the air sent from the second air path 64 to constitute the supply mechanism 42. The supply of methanol from the injector 48 to the combustion chamber 46 is stopped while the plurality of inlets 60b are supplied into the reformer 26. Here, air is continuously supplied from the first air path 56 to the combustion chamber 46 via the air nozzle 52, and the temperature of the injector 48 itself is effectively reduced.
[0038]
In this case, in this embodiment, the combustion mechanism 44 is directly connected to the reformer 26, and the combustion gas generated in the direct-fired combustion chamber 46 using a hydrocarbon such as methanol as fuel is directly converted into the reforming chamber. The first and second reforming catalyst layers 38 and 40 in 36 are supplied. For this reason, at the time of start-up, it is possible to raise the temperature of the reformer 26 and the like to a desired temperature in a short time, and the effect that the time required for start-up can be shortened at once is obtained.
[0039]
Further, since the combustion gas is diluted with air introduced into the dilution chamber 66, this combustion gas is introduced into the reforming chamber 36 in a state where the temperature is controlled, and partial oxidation and unburned hydrocarbons at a constant temperature are performed. Reforming is performed. This partial oxidation reaction makes it possible to further raise the temperature in the reformer 26, and the reforming reaction is performed from the start via unburned hydrocarbons and water generated by combustion, and hydrogen gas is generated. Induced. This hydrogen gas is sent to the catalytic combustor 24 and can be used as fuel, and is used to raise the temperature of the catalytic combustor 24 and the evaporator 22.
[0040]
Moreover, even when the load increases suddenly, for example, when the amount of generated hydrogen gas increases, by spraying methanol from the injector 48, the methanol can be instantly evaporated and the lack of heat can be effectively compensated. In addition, the combustion mechanism 44 is provided concentrically with the first and second reforming catalyst layers 38 and 40, and the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are warmed uniformly by the combustion gas. It becomes possible.
[0041]
Furthermore, in the present embodiment, an air nozzle 52 for leading air from the periphery of the injector 48 to the combustion chamber 46 is provided. The vortex flow of the air injected from the air nozzle 52 atomizes and diffuses the methanol sprayed from the injector 48, completely burns it in a narrow range within the combustion chamber 46, and limits the flame holding range. be able to. Therefore, there is an advantage that the combustion gas can be reliably controlled to a desired temperature by the diluted air introduced from the second air path 64 while maintaining the certainty of flame attachment and the flame holding property.
[0042]
Further, by injecting air from the air nozzle 52 during steady operation, it is possible to prevent the injector 48 from being heated and to reliably prevent the deposit 48 from being generated in the injector 48. In addition, due to the cooling effect of the air injected from the air nozzle 52, the injector 48 does not need to have high heat resistance, and an inexpensive injector 48 can be used, which is extremely economical.
[0043]
Incidentally, the reforming fuel gas supplied from the evaporator 22 to the path 34a is mixed with the air injected from the second air path 64 and introduced into the reformer 26, and then sent to the diffuser unit 70 side. It is done. In the diffuser section 70, a part of the reforming fuel gas containing an aqueous methanol solution, water vapor and oxygen is sent to the first reforming catalyst layer 38 along the gas supply channel 68, while the other part is the first part. The first reforming catalyst layer 38 is sent to the second reforming catalyst layer 40 through the inside of the cylindrical portion 78 fitted in the central cavity portion 38a.
[0044]
In the first and second reforming catalyst layers 38, 40, an oxidation reaction that is an exothermic reaction and a fuel reforming reaction that is an endothermic reaction are simultaneously performed by methanol water vapor and oxygen in the reforming fuel gas. Thereby, it is not necessary to use a complicated heat transfer structure in the reformer 26, and the entire structure of the reformer 26 can be simplified at a stroke. In addition, since the heat necessary for the reforming reaction is supplied by the exothermic reaction in the reformer 26, the responsiveness to the load fluctuation is good, and the reformed gas containing hydrogen gas can be efficiently generated. .
[0045]
The reformed gas generated through the first reforming catalyst layer 38 and the reformed gas generated through the second reforming catalyst layer 40 are introduced into the heat exchanger 32 and cooled to a predetermined temperature. . Next, the reformed gas is introduced into the CO remover 28, and after the CO in the reformed gas is selectively removed by reaction, it is sent to the catalytic combustor 24 as necessary. When a stable reformed gas starts to be generated from the reformer 26, the three-way valve 90 is switched and the reformed gas is supplied to the fuel cell stack 14.
[0046]
In this case, in the present embodiment, since the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are set in a donut shape, the case 72 constituting the reformer 26 can be set in a cylindrical shape, and stress concentration Thus, the case 72 can be made thinner. Further, since the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 have a donut shape, the first and second reforming catalysts are used by flowing gas from the center toward the outer periphery using the central portion as a passage. Multi-layer stacking of the layers 38 and 40 becomes possible.
[0047]
Furthermore, by setting the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 to be thin, the catalyst outlet temperature important for the reforming reaction can be maintained high. That is, as shown in FIG. 5, an experiment was performed in which a raw material gas (fuel gas) was introduced into the reforming catalyst layer M to generate a reformed gas. Here, when the thickness h of the reforming catalyst layer M was changed, the result shown in FIG. 6 was obtained. In addition, the maximum temperature of the reforming catalyst layer M was controlled to 325 ° C., and as the thickness h of the reforming catalyst layer M was thinner, the methanol reaction rate was increased and the performance was improved.
[0048]
As a result, the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are thinned to efficiently generate reformed gas, and the temperature of the entire first and second reforming catalyst layers 38 and 40 is increased. Can be equalized and the pressure loss can be reduced.
[0049]
Furthermore, in the present embodiment, the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are arranged in parallel with respect to the gas flow direction, and the first and second reforming are respectively performed via the gas flow path forming means 76. It is divided into gas flow paths that pass only through the catalyst layers 38 and 40. Therefore, the first and second reforming catalyst layers 38, 40 or more catalyst layers can be arranged in a small volume in the reformer 26, and the reformer 26 can be effectively downsized. Is possible. In addition, the gas can be supplied uniformly to the first and second reforming catalyst layers 38 and 40, and the reformed gas can be generated efficiently.
[0050]
Further, the reformer 26 is provided with a diffuser portion 70 that forms a conical gas supply channel 68 that expands in the gas flow direction on the way from the combustion chamber 46 to the reforming chamber 36. Therefore, the reforming supply gas can be evenly supplied in the radial direction of the first reforming catalyst layer 38, and the reforming reaction is efficiently performed. Further, the reformed gas reformed through the first reforming catalyst layer 38 is supplied to the outer peripheral portion of the second reforming catalyst layer 40 along the conical portion 80 constituting the gas flow path forming means 76. . Therefore, it is possible to prevent heat radiation from the outer peripheral portion of the second reforming catalyst layer 40, and the temperature distribution in the radial direction of the second reforming catalyst layer 40 can be maintained uniformly.
[0051]
Furthermore, a conical cover member 86 is attached to the central cavity portion 40 a of the second reforming catalyst layer 40. As a result, the reforming fuel gas that has reached the cover member 86 through the central cavity portion 38 a of the first reforming catalyst layer 38 reaches the radial direction of the second reforming catalyst layer 40 along the inclination of the cover member 86. Are smoothly supplied, and an efficient reforming reaction can be performed. Further, the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 constitute a honeycomb-supported catalyst layer, and the catalyst surface area can be effectively expanded.
[0052]
In this embodiment, the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are arranged in two stages in the reforming chamber 36, but the present invention is not limited to this. Even if the catalyst layer is provided, the same effect can be obtained.
[0053]
【The invention's effect】
In the fuel reformer according to the present invention, an oxidation reaction and a reforming reaction are simultaneously performed in the reforming catalyst layer, and the reforming catalyst layer is set in a donut shape orthogonal to the gas flow direction in the reforming chamber. ing. For this reason, the configuration of the entire apparatus is effectively simplified, the occurrence of stress concentration is prevented, and the thickness can be easily reduced. This makes it possible to efficiently generate reformed gas containing hydrogen with a simple and compact configuration.
[0054]
Further, in the fuel reformer according to the present invention, the starting combustion mechanism is disposed upstream of the reforming catalyst layer, and by supplying the combustion gas for heating directly to the reforming catalyst layer at the time of starting, The warm-up time can be shortened at once, and the reformed gas can be obtained efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system incorporating a fuel reformer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective explanatory view of the fuel reformer.
FIG. 3 is a longitudinal sectional explanatory view of a reformer constituting the fuel reformer.
4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an experiment for detecting a change in methanol reaction rate due to a difference in thickness of a reforming catalyst layer.
FIG. 6 is a diagram for explaining the results of methanol reaction rate obtained by the experiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel reformer 12 ... Fuel cell system
14 ... Fuel cell stack 16 ... Methanol tank
18 ... Water tank 20 ... Mixer
22 ... Evaporator 24 ... Catalyst combustor
26 ... reformer 28 ... CO remover
38, 40 ... reforming catalyst layer 42 ... supply mechanism
44 ... Combustion mechanism 46 ... Combustion chamber
48 ... Injector 50 ... Fuel path
52 ... Air nozzles 54a to 54d ... Air outlet
56, 64 ... air path 60 ... supply port
60a ... Opening 60b ... Inlet
66 ... Dilution chamber 68 ... Gas supply flow path
70 ... Diffuser part 72 ... Case
76: Gas flow path forming means 78 ... Cylindrical portion
80 ... conical part 82 ... ring part
86: Cover member

Claims

A fuel reformer that generates reformed gas containing hydrogen by reforming a reforming fuel containing hydrocarbon,
Disposed reforming chamber, the reforming catalyst layer that will be more parallel to the flow direction of the reformed chamber of a gas,
A supply mechanism for supplying the reforming fuel, reforming fuel gas containing water vapor and oxygen to the reforming chamber, and causing the reforming catalyst layer to simultaneously perform an oxidation reaction and a reforming reaction;
With
The reforming catalyst layer, and set one of the reforming catalyst layer disposed in the flow direction upstream of at least the gas, a donut shape plane direction perpendicular to the flow direction before outs scan,
A fuel reforming apparatus, wherein a part of the reforming fuel gas is supplied to a reforming catalyst layer at a subsequent stage through a central portion of the reforming catalyst layer set in the donut shape .

In fuel reforming apparatus according to claim 1, wherein, prior to the Kiaratameshitsu catalyst layers, the gas flow path forming means for bypassing the street and other the reforming catalyst layer of the reforming catalyst layer one is arranged A fuel reformer characterized by the above.

3. The fuel reformer according to claim 1, further comprising a flow path member that forms a conical gas supply flow path that expands toward the reforming catalyst layer.

The fuel reformer according to any one of claims 1 to 3, wherein a conical cover member is attached to a central cavity portion of the reforming catalyst layer disposed at the most downstream side in the gas flow direction. The fuel reformer characterized by the above-mentioned.

A fuel reformer that generates reformed gas containing hydrogen by reforming a reforming fuel containing hydrocarbon,
A reforming catalyst layer disposed in the reforming chamber;
A supply mechanism for supplying the reforming fuel, water vapor and oxygen to the reforming chamber to cause the reforming catalyst layer to simultaneously perform an oxidation reaction and a reforming reaction;
A start-up combustion mechanism that is disposed upstream of the reforming catalyst layer, performs combustion in a combustion chamber communicating with the reforming chamber, and directly supplies a heating combustion gas to the reforming catalyst layer during start-up; ,
A fuel reformer characterized by comprising:

6. The fuel reformer according to claim 5, wherein the reforming catalyst layer has a donut shape in which a surface direction is orthogonal to a gas flow direction in the reforming chamber.

7. The fuel reformer according to claim 6, wherein the reforming catalyst layer and the starting combustion mechanism are arranged concentrically.

6. The fuel reformer according to claim 5, wherein the starting combustion mechanism includes an injector for supplying fuel to the combustion chamber.

9. The fuel reformer according to claim 8, wherein the starting combustion mechanism includes an air nozzle for deriving air from the periphery of the injector.

10. The fuel reformer according to claim 9, wherein the supply mechanism is an air supply port including the reforming fuel, the water vapor, and the oxygen disposed downstream of the injector and upstream of the reforming catalyst layer. The fuel reformer characterized by providing.