JP4288581B2

JP4288581B2 - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP4288581B2
Application number: JP2003207924A
Authority: JP
Inventors: 俊輔大賀
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-08-19
Also published as: JP2005060129A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、天然ガス等の炭化水素ガスを水蒸気改質して水素を主成分とするガスに改質させる燃料電池用の燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを、機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく、直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率を実現させることが可能である。よく知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給し、もう一方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力が得られる。燃料電池で生じる電気化学反応を次式に示す。式（１）はアノード側の反応であり、式（２）はカソード側の反応である。また、燃料電池全体では、式（３）に示す反応が進行することとなる。
【０００３】
【化１】
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
(1/2)Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（２）
Ｈ₂＋(1/2)Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ（３）
燃料電池は使用する電解質の種類により分類されるが、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などでは、その電解質の特性から二酸化炭素を含む酸化剤ガスや炭酸ガスの使用が可能である。したがって、これらの燃料電池では、通常、空気を酸化剤ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。このため、この種の燃料電池を備える燃料電池発電装置には、改質器および一酸化炭素変成器が備えられており、これらの改質器、一酸化炭素変成器により原燃料を改質し、燃料ガスを生成している。
【０００４】
次式（４）は、メタンの改質反応の反応式である。式に見られるようにメタンの改質反応は吸熱反応であるため、あらかじめ水蒸気を添加したメタンを、燃料電池のアノード側から排出される燃料オフガスを燃焼させて600〜700℃の高温に加熱保持した粒状改質触媒層に供給することによって、水素に富む改質ガスを生成している。
【０００５】
【化２】
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ ＋206.14［kJ/mol］（４）
改質器を出た改質ガスは一酸化炭素変成器へと送られ、次式（５）のごとき一酸化炭素変成反応によって、一酸化炭素濃度が１％以下に低減される。式（５）に見られるように一酸化炭素変成反応は発熱反応であるので、変成反応温度である 160〜250℃に保持するためには冷却する必要がある。
【０００６】
【化３】
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ −41.17［kJ/mol］（５）
リン酸形燃料電池の場合には、一酸化炭素濃度が１％以下であればこのガスを燃料電池へ導入して発電を行うことができるが、固体高分子形燃料電池の場合には、その動作温度が 60〜80℃と低いために、改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、これが触媒毒となって性能が劣化する。したがって、一酸化炭素変成器で得られた改質ガスをさらに一酸化炭素除去器へと送り、次式（６）のごとき一酸化炭素の選択酸化反応を行わせて一酸化炭素濃度を 10 ppm以下に低減させる。
【０００７】
【化４】
ＣＯ＋(1/2)Ｏ₂→ＣＯ₂ −257.2［kJ/mol］（６）
式（６）に見られるように一酸化炭素の選択酸化反応は発熱反応であるため、選択酸化反応温度に保持するには冷却する必要がある。
なお、前述のごとく固体高分子形燃料電池はその動作温度が 60〜80℃と低いため、リン酸形燃料電池の場合のように燃料電池本体の発熱量で改質用の水蒸気を発生させることはできないので、改質装置の機器で発生させる必要があり、この蒸気発生に必要な熱量を改質器より排出された燃焼排ガスとの熱交換により得る等の方策が採られている。
【０００８】
図３は、従来のこの種の燃料改質装置の構成例を示すフロー図である。原燃料は、まず、原燃料ブロア１１により昇圧されて脱硫器１へと送られ、硫黄分が取り除かれる。硫黄分が取り除かれた原燃料は、蒸気発生部２で作られた蒸気とともに改質器３へと送られ、式（４）に示した水蒸気改質反応によって水素リッチなガスへと改質される。改質器３より取出されたガスは、一酸化炭素変成器４に送られ、式（５）に示した一酸化炭素変成反応によって水素濃度が高められたのち、さらに、図示しない一定量の空気とともに一酸化炭素除去器５へと送られ、式（６）に示した一酸化炭素の選択酸化反応によって一酸化炭素濃度が 10 ppm以下の改質ガスに改質されたのち燃料電池本体６の燃料極６ａへと供給される。電気化学反応によって発電に寄与したのち燃料極６ａから排出された燃料オフガスは、燃焼空気ブロア１２によって採り込まれた燃焼空気とともに改質器３のバーナー３ａへと送られて燃焼され、改質器３の水蒸気改質反応の温度維持に用いられる。バーナー３ａより排出された燃焼排ガスは、前述の蒸気発生部２へと送られ、改質用の蒸気の発生に利用される。
【０００９】
なお、図３には示されていないが、水タンク７に貯えられた改質蒸気用水は、改質用水ポンプ８によって、一酸化炭素変成器４および一酸化炭素除去器５の触媒層の内部あるいは外部に配設された冷却管へと送られたのち、蒸気発生部２へ送られるよう構成されており、発熱反応にともなって冷却が必要となる一酸化炭素変成器４、一酸化炭素除去器５の冷媒として有効に利用されている。
この種の構成の燃料改質装置は、加熱を必要とする改質器３、冷却を必要とする一酸化炭素変成器４および一酸化炭素除去器５を主要構成要素として構成されており、図３に例示したごとき燃料改質装置では、一酸化炭素変成器４および一酸化炭素除去器５の発熱を改質蒸気用水の加熱に用いる等の措置がとられているが、それぞれの機器が独立に分離して配設されているため、個々に断熱する必要があり、それゆえ放熱量が大きくなって、一酸化炭素変成反応や一酸化炭素選択除去反応の熱を有効に利用できないという難点がある。
【００１０】
これに対して、小型で可搬型の燃料電池用の燃料改質装置では、搬送や移動に便利なようにコンパクトにまとめて箱体内に収納する構造が考案されており、例えば特許文献１に開示されている燃料改質装置では、改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器等の昇温して用いる構成要素を一つの箱体の内部に組込み、温風装置により外気を加温して箱体内部に送り込むこととしている。また、特許文献２に開示されている燃料改質装置では、脱硫器、改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器等を一つの箱体内に組込み、箱体の外側に取り付けた空気供給手段によって箱体内に空気を取込み、高温雰囲気で加熱された空気を改質器バーナーに燃焼空気として送り込むこととしている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−６７２５６号公報
【特許文献２】
特開２００２−１００３８９号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、特許文献２に開示されている燃料改質装置では、脱硫器、改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器等を一つの箱体の内部に組込んでユニット化しているので小型でコンパクトに構成されている。また、箱体の外側に取り付けた空気供給手段によって箱体内に空気を取込み、高温雰囲気で加熱された空気を改質器バーナーに燃焼空気として送り込むこととしているので、特殊な加熱機器を備えなくとも改質器バーナーを効率よく燃焼させることができ、省エネ効果の高い運転ができる。
しかしながら、このように構成された燃料改質装置においても、なお以下のごとき問題点が存在する。すなわち、すでに述べたように、この燃料改質装置においては、箱体の外側に取り付けた空気供給手段によって箱体内に空気を取込み、高温雰囲気で加熱された空気を改質器バーナーに燃焼空気として送り込む構成を採用しており、そのために、箱体の上部に空気取り入れ口が、下部に空気吸い込み口が配置され、この空気吸い込み口に合致させて、改質器バーナーに燃焼空気を送る空気供給ファンの吸い込み口が配置されている。この構成では空気供給手段としての空気供給ファンのファンモーター部は箱体の外側に露出して取り付けられているため、ファンモーター部の過熱焼損の危険性はないが、この空気供給ファンは、上部の空気取り入れ口から箱体内に導入され、内部において各種収納機器との熱交換により加温された高温の燃焼空気を改質器バーナーへ送ることとなるので、耐熱性を備えた構成とする必要があり、高価となる。また、空気量は同量でも室温の空気に比べて体積が大きい高温の空気を送風することとなるので消費電力が高くなり、ランニングコストが高くなるという難点がある。
【００１３】
本発明は、このような従来の燃料改質装置の難点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器等の昇温して用いる構成要素が１個の箱体内にユニット化して収納され、改質器のバーナーへ供給される燃焼空気が効果的に加温され、箱体内にこの燃焼空気を導入するファンが安価となり、かつ低ランニングコストで使用可能となる燃料改質装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
炭化水素ガスを水蒸気改質する改質器と、改質器から出たガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に変成させる一酸化炭素変成器と、一酸化炭素変成器から出たガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応によって二酸化炭素に変える一酸化炭素除去器とが、同一の筐体内に収納された燃料改質装置において、前記筐体の外側に備えられた空気供給手段によって、前記筐体に設けられた開口部から前記筐体外の空気が圧入され、前記改質器よりも前記開口部側に配置された前記一酸化炭素変成器および前記一酸化炭素除去器により昇温された前記空気が、前記改質器の燃焼空気供給口へ供給されるよう構成する。
【００１５】
上記のごとくすれば、空気供給手段は冷気を圧入することとなるので、耐熱性を備える必要がなく、安価に構成でき、かつ消費電力も低減される。
さらに、一酸化炭素変成器と一酸化炭素除去器で生じる発熱が除去されるとともに、改質器の燃焼空気供給口へ供給される燃焼空気が効果的に昇温される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料改質装置の構成例を示すフロー図である。図より容易にわかるように、本構成の特徴は、改質器３、一酸化炭素変成器４、一酸化炭素除去器５、および蒸気発生部２が同一の筐体２１の内部に収納されていること、また、燃焼空気ブロア１２Ａによって開口部２２を通して筐体２１の内部に取込まれた空気が、図中に太線の矢印で示した空気の流れ２３のように、一酸化炭素変成器４および一酸化炭素除去器５の周囲を流れてこれらを冷却したのち、改質器３のバーナー３ａへと導かれて燃焼用空気として用いられていることにある。したがって、本構成では、発熱反応を伴う一酸化炭素変成器４および一酸化炭素除去器５が外部より取込んだ空気によって効果的に冷却されるとともに、発熱を受けて昇温した空気がバーナー３ａへ導かれるので原燃料が効率的に燃焼されることとなる。また本構成では、筐体２１内部へと燃焼空気を取込む燃焼空気ブロア１２Ａが常温の大気空気に作用することとなるので、特殊な高温対応仕様を備える必要がなく、また送風容積も小さくてすむ。したがって、高温で使用するものに比べてブロアが安価で、消費電力も小さく抑えられる。
【００１７】
図２は、図１に示した燃料改質装置の具体的な構成の一例を示す断面模式図である。本構成では、筐体２１の内部下部に外側を断熱材１４で覆われた円筒形状の改質器３が配設され、この改質器３より上部に延びる水冷式の燃焼排ガス排出管３ｂの外側に円筒形状の一酸化炭素除去器５が、さらにこの一酸化炭素除去器５の外側に円筒形状の一酸化炭素変成器４が配設されている。また、筐体２１の上端には燃焼空気として用いる外気を筐体２１内部へ取込む燃焼空気ブロア１２Ｂが配設されている。
燃焼空気ブロア１２Ｂによって取込まれた燃焼空気は、一酸化炭素変成器４の内外周および一酸化炭素除去器５の外周を通流したのち、断熱材１４で覆われた円筒形状の改質器３の外側を通流し、燃焼用空気供給管１８より改質器３のバーナー３Ａへと導かれる。この間、燃焼空気は、一酸化炭素変成器４および一酸化炭素除去器５を冷却し、発熱反応に伴う発生熱を受けて加温されてバーナー３Ａへ到達する。燃焼用燃料供給管１７より取込まれた燃料オフガスは、バーナー３Ａにおいて燃焼空気と混合、燃焼され、この燃焼熱によって改質器３の触媒層が加熱される。
【００１８】
原燃料と蒸気用水は、燃焼排ガス排出管３ｂの外側に接する筒状流路を流れ、燃焼排ガスの熱を受けて昇温されたのち、図中矢印で示したように改質器３へと送られて水蒸気改質され、つづいて一酸化炭素変成器４、さらに一酸化炭素除去器５へと送られて一酸化炭素の濃度を極微量に抑えた改質ガスが得られる。なお、原燃料とともに導入する蒸気用水として、水冷式の燃焼排ガス排出管３ｂに用いた冷却水を用いれば、燃焼排ガスによって効果的に加熱された高温水を用いることができるので、より一層効率のよい燃料改質装置とすることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、燃料改質装置をコンパクトに一体化して構成でき、かつ、空気供給手段に耐熱性を備える必要がなくなったので、安価で、かつ消費電力も少ない燃料改質装置が得られることとなった。
【００２０】
さらに、一酸化炭素変成器と一酸化炭素除去器で生じる発熱が除去されるとともに、改質器の燃焼空気供給口へ供給される燃焼空気が効果的に昇温され、より効率的な構成が可能となるので、安価で、かつ消費電力も少ない燃料改質装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料改質装置の構成例を示すフロー図
【図２】図１に示した燃料改質装置の具体的な構成例を示す断面模式図
【図３】従来のこの種の燃料改質装置の構成例を示すフロー図
【符号の説明】
２蒸気発生部
３改質器
３ａバーナー
３ｂ燃焼排ガス排出管
４一酸化炭素変成器
５一酸化炭素除去器
６燃料電池本体
７水タンク
１２Ａ，１２Ｂ燃焼空気ブロア
１４断熱材
１５断熱材
１７燃焼用燃料供給管
１８燃焼用空気供給管
２１筐体

Claims

炭化水素ガスを水蒸気改質する改質器と、改質器から出たガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気を水素と二酸化炭素に変成させる一酸化炭素変成器と、一酸化炭素変成器から出たガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応によって二酸化炭素に変える一酸化炭素除去器とが、同一の筐体内に収納された燃料改質装置において、
前記筐体の外側に備えられた空気供給手段によって、前記筐体に設けられた開口部から前記筐体外の空気が圧入され、
前記改質器よりも前記開口部側に配置された前記一酸化炭素変成器および前記一酸化炭素除去器により昇温された前記空気が、前記改質器の燃焼空気供給口へ供給されるよう構成されていることを特徴とする燃料改質装置。