JP4324304B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
【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ガスを含む改質ガス(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(酸素ガスまたは空気)をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスが水素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】
この場合、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、この酸化反応により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。
【0005】
【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、改質反応により重要な前記改質触媒の出口側の温度が低下し易い。特に、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。
【0006】
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状に設定されており、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。
【0007】
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。
【0008】
【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、改質触媒部が、その面方向を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とともに、改質用燃料の流れ方向に並列される複数の改質触媒層を備えている。このため、改質触媒部全体の薄型化が図られ、前記改質触媒部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。
【0009】
しかも、改質触媒部全体の温度を均等化するとともに、前記改質触媒部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。
【0010】
さらに、改質触媒層の中央部に筒状管路部材が挿入されて、複数の前記改質触媒層が一体的に固定されるとともに、前記筒状管路部材の外周部には、各改質触媒層に対応して複数のガス導出口が複数列に形成されている。そして、筒状管路部材と各改質触媒層とは、ガス導出口から導出される改質用燃料を前記改質触媒層に向かって案内する複数の流路部材を介して固定されている。
【0011】
このため、複数の改質触媒層を筒状管路部材に対して強固に固定するとともに、前記筒状管路部材に形成されたガス導出口から前記改質触媒層の全面にわたって改質用燃料を円滑に流すことが可能になる。これにより、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改質用燃料を均等に供給することができ、改質処理が効率的に遂行可能になる。
【0012】
また、筒状管路部材は、各改質触媒層に対応して複数に分割された筒部材を備えており、前記筒部材の一端に設けられた小径部が他の筒部材の他端に嵌合することにより、前記筒状管路部材が一体的に構成されている。従って、筒状管路部材の構成が有効に簡素化されるとともに、前記筒状管路部材を経済的に製造することができる。その際、筒状管路部材は、改質用燃料の流れ方向最下流に改質用燃料の流れを阻止するためのカバー部材を設けている。このため、筒状管路部材内を流れる改質用燃料は、各改質触媒層に対応して設けられているガス導出口から確実に導出され、前記改質触媒層に対して改質用燃料を円滑に供給することが可能になる。
【0013】
さらにまた、改質器が、改質室を形成する一組の板状内側ケースと、この内側ケースの外壁との間に断熱用閉塞空間を形成して前記内側ケースを囲繞する一組の板状外側ケースとを備えている。これにより、改質器全体の断熱効果を有効に確保するとともに、所望の剛性を確保して前記改質器全体を有効に小型軽量化することができる。
【0014】
また、改質器および改質触媒部は、正面視略楕円形状に構成されている。従って、改質器の配置状態を設定することにより、例えば、前記改質器の高さ方向の寸法を一挙に短尺化することが可能になり、燃料改質装置全体の上方スペースを有効に活用することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1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の概略構成説明図である。
【0016】
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、例えば、空気(または酸素ガス)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ガス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。
【0017】
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ることにより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、改質用燃料ともいう)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選択酸化器28とを備える。
【0018】
改質器26とCO選択酸化器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、前記改質器26と前記CO選択酸化器28との間には、燃料電池システム12全体の暖気時間を短縮するための中間燃焼器32が配置されるとともに、前記改質器26の上流側には、始動燃焼器34が配置されている。CO選択酸化器28の下流側には、改質ガスの温度を低下させるための熱交換器36が配置され、この熱交換器36には、改質ガスを燃料電池スタック14に供給する経路37aと、暖気完了前の不安定な排出ガスを触媒燃焼器24に供給するリターン経路37bとに切り換える三方切り換え弁38が設けられている。
【0019】
図2および図3に示すように、改質器26は、改質用燃料が供給される改質室40を設けるとともに、この改質室40に改質触媒部42が配置される。改質触媒部42には、第1乃至第5改質触媒層44a〜44eと、前記第1乃至第5改質触媒層44a〜44eを一体的に固定する筒状管路部材46と、一端が前記管路部材46に固定され、かつ他端が前記第1乃至第5改質触媒層44a〜44eの外周部に固定される第1乃至第5流路部材48a〜48eとを備える。
【0020】
第1乃至第5改質触媒層44a〜44e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は、改質室40内の改質用燃料の流れ方向(矢印A方向)に直交するとともに、各ハニカム触媒が矢印A方向に並列されている。第1乃至第5改質触媒層44a〜44eの改質用燃料の流れ方向上流側には、それぞれ整流板50が固定される。整流板50は、適切な圧力損失を有しており、第1乃至第5改質触媒層44a〜44eへの改質用燃料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機能を有している。
【0021】
管路部材46は、第1乃至第5改質触媒層44a〜44eに対応して分割された第1乃至第5管部材52a〜52eを備え、前記第1乃至第5管部材52a〜52eの外周部には、複数の第1乃至第5ガス導出口54a〜54eが周回して形成されるとともに、それぞれの一端には小径部56が設けられる。第1乃至第5管部材52a〜52e同士が小径部56を介して固定されることにより、矢印A方向に延在する管路部材46が一体的に構成される。
【0022】
第1乃至第5流路部材48a〜48eは、例えば、SUS製の板材で構成されており、第1乃至第5管部材52a〜52eの外周に第1乃至第5ガス導出口54a〜54eを覆って固定される円筒部58を有する。円筒部58には、改質用燃料の流れ方向(矢印A方向)に沿って拡径する円錐部60が設けられるとともに、この円錐部60の端部に第1乃至第5改質触媒層44a〜44eの外周を覆って固定されるリング部62が設けられる。
【0023】
管路部材46を構成する第5管部材52eには、この管路部材46内を改質用燃料が通過することを阻止するためにカバー部材64が設けられる。カバー部材64は、第1乃至第5流路部材48a〜48eと略同様の形状を有しており、第5管部材52eに挿入される有底円筒部66を設ける。有底円筒部66から矢印A方向に向かって拡径する円錐部68には、ガスを通過させるための複数の孔部70が形成されており、この円錐部60の端部にリング部72が一体的に設けられている。
【0024】
改質器26は、改質室40を形成する板状の第1および第2内側ケース74a、74bと、前記第1および第2内側ケース74a、74bの外壁との間に断熱用閉塞空間76を形成して該第1および第2内側ケース74a、74bを囲繞する板状の第1および第2外側ケース78a、78bとを備える。
【0025】
第1および第2内側ケース74a、74bは、断面略半円形状に構成されており、それぞれの開口側端部に設けられているフランジ部80同士を重ね合わせることにより、内部に円柱状空間である改質室40が形成される。フランジ部80は、開口側端部を囲繞して周回形成されており、長手方向(矢印A方向)両端部に半円筒部82が設けられている。第1および第2内側ケース74a、74bには、カバー部材64のリング部72を保持するために改質室40側に突出する膨出部83a、83bが形成される。
【0026】
第1および第2外側ケース78a、78bは、第1および第2内側ケース74a、74bと同様に断面略半円形状に構成されるとともに、それぞれの開口側端部には周回するフランジ部84が形成される。フランジ部84の長手方向(矢印A方向)両端には、それぞれ半円筒部86が膨出形成される。
【0027】
改質室40に改質触媒部42が配置された状態で、第1および第2内側ケース74a、74bが、互いのフランジ部80を重ね合わせてスポット溶接等により固定された後、前記第1および第2内側ケース74a、74bを覆って第1および第2外側ケース78a、78bが配置され、前記第1および第2外側ケース78a、78bのフランジ部84が重ね合わされて、例えば、スポット溶接により固定される。第1および第2内側ケース74a、74bのそれぞれの半円筒部82同士の接合部位には、連結筒体88が嵌着される。改質室26に設けられた閉塞空間76には、例えば、ヘリウムガスが充填されている。
【0028】
図1に示すように、始動燃焼器34は、メタノールタンク16から、直接、メタノールが供給され、このメタノールを燃焼させることによって改質器26を主体として燃料改質装置10の暖気を行う機能を有する。中間燃焼器32は、燃料改質装置10全体の暖気時間を短縮する機能を有し、使用されるメタノール蒸気は、始動燃焼器34の放熱熱量を利用して前記中間燃焼器32に導入される。
【0029】
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。
【0030】
まず、燃料改質装置10の始動時には、始動燃焼器34にメタノールタンク16からメタノールが供給され、このメタノールが燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスに空気が混合されて前記燃焼ガスの温度が調整された状態で、改質器26内の改質室40に配置されている第1乃至第5改質触媒層44a〜44eを昇温させる。一方、中間燃焼器32には、始動燃焼器34の放熱熱量を利用してメタノール蒸気が導入されており、燃料改質装置10全体の暖気が行われる。その際、三方切り換え弁38の作用下に、改質ガスの経路が経路37aから切り離されてリターン経路37bに連通しており、不安定な改質ガスが燃料電池スタック14に送られることを阻止している。
【0031】
次いで、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は、蒸発器22に供給される。この蒸発器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されることによってメタノール水溶液が蒸気化し、空気供給器30から送られる空気と混合されて改質器26内に供給される一方、始動燃焼器34の駆動が停止される。
【0032】
改質器26に供給された改質用燃料は、図2に示すように、管路部材46内に導入されてその一部が第1管部材52aの外周部に形成された第1ガス導出口54aから前記管路部材46外に導出される。この第1ガス導出口54aから導出された改質用燃料は、第1流路部材48aの円錐部60に沿って第1改質触媒層44aの半径方向に円滑に供給されるとともに、整流板50を介して前記改質用燃料の供給が均等に行われる。
【0033】
第1改質触媒層44aでは、改質用燃料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。この第1改質触媒層44aを通って生成される改質ガスは、第2流路部材48bの外面に沿って改質室40内を矢印A方向に流れ、カバー部材64の円錐部68に形成された孔部70を通って中間燃焼器32側に送られる。
【0034】
同様に、管路部材46内に供給された改質用燃料ガスは、第2乃至第5管部材52b〜52eに形成された第2乃至第5ガス導出口54b〜54eを通って、第2乃至第5改質触媒層44b〜44eに供給される。そして、第2乃至第5改質触媒層44b〜44eを通って生成された改質ガスは、改質室40内を矢印A方向に移動してカバー部材64の孔部70から中間燃焼器32を通って、CO選択酸化器28に送られる。
【0035】
図1に示すように、CO選択酸化器28では、改質ガス中のCOが選択的に酸化除去された後、熱交換器36に導入されて所定の燃料電池作動温度(例えば、80℃)まで温調された後、三方切り換え弁38の作用下に経路37aを通って燃料電池スタック14に供給される。この燃料電池スタック14では、酸化剤ガス、例えば、空気が供給されており、改質ガス中の水素ガスとこの空気中の酸素ガスとが反応して発電が開始される。
【0036】
この第1の実施形態では、改質触媒部42を構成する第1乃至第5改質触媒層44a〜44eがドーナツ形状に設定されるため、改質器26全体を円筒形状に構成することができ、応力集中が発生することがなく、第1および第2内側ケース74a、74bと第1および第2外側ケース78a、78bとを有効に薄肉化することができる。
【0037】
さらに、第1乃至第5改質触媒層44a〜44eの中央部に管路部材46が挿通されるとともに、前記管路部材46には、第1乃至第5ガス導出口54a〜54eを覆って第1乃至第5流路部材48a〜48eが装着される。このため、第1乃至第5改質触媒層44a〜44eの多段積層化が可能になるとともに、前記第1乃至第5改質触媒層44a〜44eに対し改質用燃料を均等かつ円滑に供給することができる。
【0038】
また、管路部材46は、第1乃至第5管部材52a〜52eを備えており、それぞれの端部に設けられた小径部56を隣り合う他端部に挿入固着することにより、前記管路部材46が一体的に構成される。そして、管路部材46に第1乃至第5流路部材48a〜48eの円筒部58が装着されて、直接、溶接等により固定される。従って、改質触媒部42全体を有効に簡素化かつ小型化することができるという効果が得られる。
【0039】
さらにまた、改質器26では、改質触媒部42を収容した第1および第2内側ケース74a、74bが互いのフランジ部80を重ね合わせて溶接等によって接合されるため、改質室40の機密性を有効に維持することが可能になる。しかも、第1および第2内側ケース74a、74bを囲繞して第1および第2外側ケース78a、78bが配置されるとともに、前記第1および第2外側ケース78a、78bが互いのフランジ部84を重ね合わせて溶接等によって接合される。これにより、第1および第2外側ケース78a、78b同士を高密に維持して接合するとともに、薄肉化が容易に図られる。
【0040】
さらに、第1および第2内側ケース74a、74bと第1および第2外側ケース78a、78bとの間に閉塞空間76が機密性を有して形成されている。このため、閉塞空間76により真空断熱層を構成することができ、改質室40内を所望の温度に確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
【0041】
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料改質装置100の要部分解斜視説明図であり、図5は、前記燃料改質装置100の一部分解斜視説明図である。なお、上述した第1の実施形態に係る燃料改質装置10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0042】
この燃料改質装置100は、改質室40を設ける改質器102と、この改質室40に配置される改質触媒部104とを備える。改質器102は、第1および第2内側ケース106a、106bを備えるとともに、前記第1および第2内側ケース106a、106bは、断面略楕円形状(扁平形状)に設定されている。この第1および第2内側ケース106a、106bを収容する第1および第2外側ケース108a、108bは、同様に断面略楕円形状に設定されている。
【0043】
改質触媒部104は、第1乃至第5改質触媒層110a〜110e、管路部材112、第1乃至第5流路部材114a〜114eおよびカバー部材116を備えるとともに、これらは正面視略楕円形状に構成されている。
【0044】
このように構成される第2の実施形態に係る燃料改質装置100では、改質器102および改質触媒部104が正面視略楕円形状に構成されている。このため、改質器102を、例えば、高さ方向に制限がある場所にも容易に配置することができ、スペースの有効活用が図られるという利点が得られる。特に、車載用として使用される際には、燃料改質装置100を高さ方向が制約される床下等にも有効に配置することが可能になる。さらに、第1および第2内側ケース106a、106bと第1および第2外側ケース108a、108bとを、薄板を用いた絞り成形により容易に成形することができる。
【0045】
図6は、本発明の第3の実施形態に係る燃料改質装置140の要部分解斜視説明図である。なお、上述した第1の実施形態に係る燃料改質装置10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0046】
この燃料改質装置140では、筒状管路部材142が第2乃至第5流路部材144b〜144eおよびカバー部材146に一体的に形成されている。このため、第3の実施形態では、部品点数が有効に削減されるとともに、組み立て作業が一層効率的かつ短時間で遂行されるという効果が得られる。
【0047】
なお、本発明の第1乃至第3の実施形態では、第1乃至第5改質触媒層44a〜44eおよび110a〜110eを並設した5段構造を採用しているが、これに限定されるものではなく、所望の段数に設定可能である。
【0048】
【発明の効果】
本発明に係る燃料改質装置では、ドーナツ形状に設定された複数の改質触媒層が、筒状管路部材を介して一体的に固定されるとともに、前記筒状管路部材と前記改質触媒層とに固定される流路部材を介し、各改質触媒層に向かって改質用燃料を円滑かつ確実に供給することができる。これにより、改質器全体が簡素化かつ小型化されるとともに、改質用燃料の改質処理が効率的に遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1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】前記燃料改質装置を構成する改質器の縦断面説明図である。
【図3】前記燃料改質装置の要部分解斜視説明図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る燃料改質装置の要部分解斜視説明図である。
【図5】前記燃料改質装置の一部分解斜視説明図である。
【図6】本発明の第3の実施形態に係る燃料改質装置の要部分解斜視説明図である。
【符号の説明】
10、100、140…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、102…改質器 28…CO選択酸化器
40…改質室 42、104…改質触媒部
44a〜44e、110a〜110e…改質触媒層
46、112、142…管路部材
48a〜48e、114a〜114e、144a〜144e…流路部材
50…整流板 52a〜52e…管部材
54a〜54e…ガス導出口 56…小径部
60、68…円錐部 62…リング部
64、116、146…カバー部材 70…孔部
74a、74b、106a、106b…内側ケース
76…閉塞空間
78a、78b、108a、108b…外側ケース
80、84…フランジ部
Claims (5)
- 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であって、
前記改質用燃料が供給される改質室が設けられた改質器と、
前記改質室に配置されて前記改質用燃料を改質する改質触媒部と、
を備え、
前記改質触媒部は、面方向が前記改質室内の前記改質用燃料の流れ方向に直交するドーナツ形状に設定されるとともに、前記改質用燃料の流れ方向に並列される複数の改質触媒層と、
前記改質触媒層の中央部に挿入されて該改質触媒層を一体的に固定するとともに、各改質触媒層に対応して外周部に複数のガス導出口が複数列に形成される筒状管路部材と、
一端が前記筒状管路部材に固定され、かつ他端が前記改質触媒層の外周部に固定され、各列毎に前記ガス導出口から導出される前記改質用燃料を、対応する前記改質触媒層に向かって案内する複数の流路部材と、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項1記載の燃料改質装置において、前記筒状管路部材は、前記改質触媒層に対応して複数に分割された筒部材を備え、
前記筒部材の外周部には、複数の前記ガス導出口が周回して形成されるとともに、
前記筒部材の一端には、他の筒部材の他端に嵌合して固定される小径部が設けられることを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項1または2記載の燃料改質装置において、前記筒状管路部材は、前記改質用燃料の流れ方向最下流に前記改質用燃料の流れを阻止するためのカバー部材を設けることを特徴とする燃料改質装置。
- 請求項1記載の燃料改質装置において、前記改質器は、前記改質室を形成する一組の板状内側ケースと、
前記内側ケースの外壁との間に断熱用閉塞空間を形成して該内側ケースを囲繞する一組の板状外側ケースと、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項1記載の燃料改質装置において、前記改質器および前記改質触媒部は、正面視略楕円形状に構成されることを特徴とする燃料改質装置。
Priority Applications (1)
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