JP4069664B2 - 燃料電池用改質器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に使用される水素リッチの改質ガスを生成する燃料電池用改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池用の改質器は、炭化水素等の原燃料を水蒸気と反応させて水素リッチの改質ガスにして燃料電池本体の燃料電極に供給する改質ガスを生成する装置である。この改質反応は吸熱反応であり、反応を持続させるため連続加熱が必要となるため、通常は燃料電池本体の燃料電極から排出される余剰水素を含んだ排出ガスを付設したバーナーで燃焼加熱する方法が採用されている。
【０００３】
図２は、例えば特開２００１−３５２００２号公報に示された従来の燃料電池用改質器の縦断面図である。
図において、１は燃焼室を形成する燃焼筒、２は燃焼筒１の外周に配置された外筒、３は中空円柱状の触媒容器であり、内部に触媒層４が充填され原料ガスと改質済ガスの流路を隔離する隔壁筒３ａ〜３ｃが設けられている。
５は原料ガスを供給する供給路、６は改質済ガスを取出す取出し配管であり、触媒容器３の一方端面に蓋のように設けられている。
７は供給路５及び取出し配管６が配設された上部フランジ部であり、これらの配管の反対方向に触媒容器３が立設され、上部フランジ部７を外筒２の端部に当接させて触媒容器３を燃焼筒１と外筒２の間に位置決め配置する。
８は燃焼筒１の下部と外筒２の下端間を密閉する断熱材からなる下部フランジ、９は外筒２の軸方向の伸縮を吸収する伸縮継手、１０は外筒２の外周に設けられた外カバーである。
【０００４】
１１は燃焼室に火炎を送るバーナーであり、燃焼筒１の下端に取付けられている。燃焼筒１上端は外筒２の上端より低く構成されており、触媒容器３が配設された状態で燃焼筒１上端と取出し配管６との間隙は燃焼ガス通路となる。燃焼ガス通路は燃焼筒１と触媒容器３との間隙、触媒容器３と外筒２の間隙及び外筒２と外カバー9との間隙と折り返しながら排気口１２へと続いている。
バーナー１１は燃料電池本体の燃料電極から導入された排出ガスと、別途導入される燃焼用空気とで燃焼され、燃焼炎によって触媒層４は所定の反応温度に保持され、改質反応が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された改質器においては、触媒容器３が配設される燃焼ガス通路を形成するための燃焼筒１への下部フランジ８の取り付け位置が、バーナー１１の火炎に近い位置にあり、800℃〜900℃の高温になる。燃焼筒１は耐熱性、伝熱性、耐腐食性を備えるステンレス鋼等の金属材料、下部フランジ８は断熱材で構成されているため、双方材質の熱膨張率の差による歪が発生する。この歪は高温時には燃焼筒１が下部フランジ８との接合部を圧迫し、燃焼停止時は下部フランジ８と燃焼筒１とを引剥がす力が働く。運転、停止の繰り返しによる圧迫と引剥がし力は燃焼筒１と下部フランジ８との間に間隙を生じさせ燃焼ガスが漏れるという課題があった。
【０００６】
下部フランジをステンレス鋼等の金属材料として燃焼筒１に溶接することも可能であるが、この溶接部が運転、停止の繰り返しによる熱膨張差歪が疲労破壊を生じさせ破断するので、あえて断熱材で構成している。
【０００７】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、燃焼室と下部フランジの接合部が高温になり難く、熱膨張差歪による不具合の起き難い改質器の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料電池用改質器は、端面にフランジが溶接接合され改質触媒層が収容される二重円環状の容器と、この容器の内筒内に溶接接合フランジ側から燃焼させて触媒層を加熱するバーナーとを備え、容器のフランジとの溶接接合部をバーナーの火炎の後端より後方に設け、燃焼に必要な空気を内筒とフランジの接合部を経由させてバーナーに供給させるようにしたものである。
【００１０】
また、内筒内壁と間隙を持たせてバーナーの不完全燃焼火炎周囲に火炎ガイドを設けたものである。
【００１１】
また、バーナーの火炎先端より先の容器内に触媒層を配置して、触媒層との境を仕切って容器内のバーナー側に保熱空間を設けたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す燃料電池用改質器の縦断面図である。図において、上記従来例と同一機能を備えた構成部品には同一符号を付けており、重複する説明は省略する。
２０は触媒層４を収容する二重円環状の触媒容器である。触媒容器２０は内筒２１、外筒２２、中間隔壁２３で触媒層４を保持し、上部フランジ部７と下部フランジ２４で触媒容器２０を二重円環状密封容器に形成している。内筒２１、外筒２２及び下部フランジ２４はステンレス鋼等の金属材料からなり、内筒２１と外筒２２の下端の接合部２５に溶接接合されている。触媒層４は中間隔壁２３の内外に二重に設けられ、中途で改質ガス通路を折り返すように配置されている。２６は仕切り板であり、改質ガス通路の折り返し部に設けられ、仕切り板２６から下部フランジ２４側は保熱空間２７を形成している。仕切り板２６は内筒２１等の熱伸縮に対応できるように薄板ベローズ状に構成されている。触媒層４と保熱空間２７間の仕切り板２６は改質中のガスが無用に保熱空間２７へ流出するのを阻止するもので気密である方が望ましいが、完全な気密でなくて、改質中ガスの自由な往来を阻止するものでよい。
【００１３】
３０はバーナー、バーナー３０は保熱空間２７の内周に並んで設けられ、下部フランジ２４と内筒２１の接合部２５はバーナー３０の火炎放出方向とは反対に離れて位置する。下部フランジ２４の位置はバーナー３０の火炎の後端より後方とすることが望ましい。これにより、後述の接合部２５の燃焼空気による冷却経路の形成が容易となる。
【００１４】
３１はバーナー支持台、３２は燃焼用空気通路、３３は整流フィン、３４は火炎ガイド、３５は燃料ガス供給路である。外部からの燃焼用空気は燃焼用空気通路３２を通ってバーナー３０に供給される。この燃焼用空気通路３２には整流フィン３３が設けられており、整流フィン３３は偏った位置から入ってくる燃焼用空気を均等にバーナー３０及び二次空気を燃焼ムラがないように供給し、燃焼用空気と下部フランジ２４との接触面積を増加させて熱交換効率を向上させる。
この燃焼用空気通路３２を通る燃焼用空気は下部フランジ２４と内筒２１の接合部２５及び整流フィン３３を経由するように構成しているので、下部フランジ２４と内筒２１の接合部２５を冷却して熱交換加温された空気がバーナー３０に供給される。
【００１５】
バーナー３０は内筒２１と非接触に火炎ガイド３４を有しており、燃焼用空気は燃料ガスを燃焼励起する一次空気と完全燃焼させる二次空気とに分かれて供給され、二次空気は内筒２１の内側と火炎ガイド３４の外側の間を通り火炎先端部に供給される。従って、火炎先端部と下部フランジ２４と内筒２１の接合部２５とは距離を隔てた位置となり、火炎ガイド３４は内筒２１への火炎輻射を弱め、下部フランジ２４と内筒２１の接合部２５の温度上昇を抑制する。また、内筒２１の火炎ガイド３４に対向する部位は二次空気に熱を奪われるので、下部フランジ２４に近づくにつれて温度は低くなる。そして、燃焼用空気は下部フランジ２４及び内筒２１を冷却することで、自ら温度上昇して燃焼に至るので燃焼効率向上にもなる。
【００１６】
また、火炎ガイド３４で囲まれる部分の不完全燃焼であり、燃焼温度は低く、火炎ガイド３４の出口付近で二次空気により完全燃焼するので、最高温度部は火炎ガイド３４の出口付近に固定されるので触媒層４の温度分布を安定させることができる。そして、保熱空間２７がバーナー３０の周囲に形成されているので、燃焼部は外部の温度の影響を受けにくいのでバーナー３０の燃焼温度が安定し、触媒効率の最適温度に維持しやすい。
【００１７】
【発明の効果】
この発明の燃料電池用改質器は、二重円環状の容器の内筒内に燃焼して触媒層を加熱するバーナーを設け、燃焼空気を内筒とフランジの接合部を経由させてバーナーに供給することで、バーナーの火炎後端より後方に容器のフランジとの溶接接合部を設けたので、この溶接接合部はバーナーの火炎の高温部から離れ温度上昇が抑えられるため、溶接接合部が運転、停止の繰り返しでの熱膨張差歪による疲労破壊が起き難くなるとともに、燃焼空気で接合部を冷却して温度上昇を抑制して、燃焼空気自身の温度上昇によるバーナーの熱効率向上がはかれる。
【００１９】
また、内筒内壁と間隙を持たせてバーナーの不完全燃焼火炎周囲に火炎ガイドを設けたので、フランジの接合部へ連なる内筒への熱輻射を抑制し、火炎ガイドの出口付近を常に燃焼最高温度部に保ち、触媒層４の温度分布を安定させることができる。
【００２０】
また、容器内の触媒層との境を仕切ってバーナーの周囲に設けた保熱空間はバーナーの燃焼温度を安定させるので、触媒効率の最適温度に維持しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１を示す燃料電池用改質器の縦断面図である。
【図２】 従来の燃料電池用改質器の縦断面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼筒、 ４ 触媒層、 ５ 原料ガス供給路、
６ 改質済ガス取出し配管、 ７ 上部フランジ部、
９ 伸縮継手、 １２ 排気口、 ２０ 触媒容器、
２１ 内筒、 ２２ 外筒、 ２３ 中間隔壁、
２４ 下部フランジ、 ２５ 接合部、 ２６ 仕切り板、
２７ 保熱空間、 ３０ バーナー、 ３１ バーナー支持台、
３２ 燃焼用空気通路、 ３３ 整流フィン、
３４ 火炎ガイド、

Claims (3)

1. 原料ガスを触媒層に導入して水素リッチの改質ガスを生成する燃料電池用改質器において、二重円環状であって少なくとも一方端面にフランジが溶接接合され上記触媒層が収容される容器と、この容器の内筒内に上記溶接接合フランジ側から燃焼させて上記触媒層を加熱するバーナーとを備え、上記容器のフランジとの溶接接合部を上記バーナーの火炎の後端より後方に設け、燃焼に必要な空気を上記内筒と上記フランジの接合部を経由させてバーナーに供給させたことを特徴とする燃料電池用改質器。
2. 内筒内壁と間隙を持たせてバーナーの不完全燃焼火炎周囲に火炎ガイドを設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質器。
3. バーナーの火炎先端より先の容器内に触媒層を配置して、上記触媒層との境を仕切って上記容器内の上記バーナー側に保熱空間を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池用改質器。

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