JP4480486B2 - 燃料電池用改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、改質原料ガスを、燃料電池システムにおいて使用される改質ガスに改質する燃料電池用改質装置に関する。

固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には、固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の改質原料ガスと水蒸気とを混合して、改質器で改質することに得ている。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。

一般に、改質器は、水蒸気による改質原料ガスの改質反応に必要な熱を供給するためのバーナを備える。バーナで燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを、燃焼筒から改質反応部の周囲に設けられた経路に導くことにより、燃焼ガスの熱エネルギーが改質反応に利用される（たとえば、特許文献１−３参照）。
特開平０６−１１５９０２号公報 特開平０２−４８４０２号公報 特開平０２−１４１４０３号公報

従来の改質器は、バーナ本体と燃焼筒とが直接に接触しているため、運転時に最も高温となる改質反応部からバーナ本体を介して放熱が生じる。このため、燃料電池用改質装置の熱効率が低下するという問題があった。燃焼筒をセラミックのような熱伝導性の低い材料で形成した場合には、放熱は抑制できるが、起動停止などの熱サイクルが入ると筒自体が破損しやすい、材料が高価で加工しにくいという問題があった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱効率が改善された燃料電池用改質装置の提供にある。

本発明の燃料電池用改質装置は、改質原料を水素リッチなガスに改質する燃料電池用改質装置であって、燃焼ガスを生成する燃焼手段と、改質原料ガスを改質反応によって改質ガスに改質する改質反応筒と、燃焼ガスを改質反応筒へ導く燃焼筒と、燃焼筒および改質反応筒を含む高温部材と、燃焼手段とを断熱する断熱材と、を備えることを特徴とする。これによれば、高温部材から外部への熱移動が抑制されるため、燃料電池用改質装置の熱効率が向上する。

断熱材が燃焼手段からの燃焼ガスが燃焼筒へ通過可能な開口を有し、開口の中心軸が燃焼筒の中心軸と実質的に一致してもよい。これによれば、断熱材が燃焼筒の機能を備えることができ、燃焼手段からの燃焼ガスを燃焼筒へスムースに供給することができる。

燃焼手段が、高温部材から断熱された保持部材に固定されてもよい。これによれば、高温部材から保持部材への熱移動が抑制されるため、燃料電池用改質装置の熱効率が向上する。なお、熱移動を遮断する観点から、燃焼手段は、断熱材を介して保持部材に固定されることが望ましい。

シフト変成器、ＣＯ除去器、脱硫器のうち少なくとも１つ以上を含む外部反応器をさらに備え、外部反応器が上記保持部材に固定されてもよい。これによれば、外部反応器が高温部材に比べて温度が低い保持部材に固定されるので、外部反応器の位置決めが行いやすくなるとともに、高温部材から外部反応器への熱移動を抑制することができる。

また、シフト変成器、ＣＯ除去器、脱硫器のうち少なくとも１つ以上を含む外部反応器をさらに備え、外部反応器が高温部材から断熱され、燃焼手段が外部反応器に固定されてもよい。これによれば、燃焼手段を外部反応器の保持部材に固定でき、燃料電池用改質装置の構成が簡便となり、組み付けが容易になるとともに、なお、熱移動を遮断する観点から、燃焼手段は、断熱材を介して外部反応基に固定されることが望ましい。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、燃料電池用改質器の熱効率を向上させることができる。

図１は、実施形態に係る燃料電池用改質装置２の構成を示す。燃料電池用改質装置２は、改質器１０と外部反応器９０とを備える。

改質器１０は、加熱手段としてのバーナ１２と、改質原料ガスを水素リッチなガスに改質するための改質反応筒３０と、断熱材４０とを含む。

バーナ１２は、空気取入口１４から取り入れた空気と燃料取入口１６から取り入れた燃料ガスとを混合して燃焼させる。バーナ１２で燃料ガスが燃焼することによって、１２００〜１３００℃の高温の燃焼ガスが発生する。

バーナ１２には、バーナフランジ１８が取り付けられている。バーナフランジ１８と、収納容器２０の下部に取り付けられた保持部材としてのバーナ固定用フランジ２２とをボルトなどの締結部材２４を用いて締め付けることにより、収納容器２０の下部にバーナ１２が固定される。

バーナフランジ１８およびバーナ固定用フランジ２２の上部に、断熱材４０が載置されている。断熱材４０は、バーナ１２からの燃焼ガスが通るための開口４３が設けられた底部４０ａと底部に連接する筒部４０ｂとを有する。開口４３の中心軸は、後述する燃焼筒５０の中心軸と実質的に一致しており、燃焼ガスが燃焼筒５０へ通過可能である。ここで、開口４３の中心軸が燃焼筒５０の中心軸と実質的に一致することとは、開口４３の中心軸と燃焼筒５０の中心軸とのずれが、後述する燃焼ガスの通路の±30%以下、望ましくは±10%以下であることをいう。断熱材４０は、耐熱性に優れるとともに、気密性に優れることが好ましい。断熱材４０としては、たとえば、マイクロサーモ社製のＷＤＳ材を用いることができる。

断熱材４０によりバーナ１２から断熱された空間内に、開口４３を介してバーナ１２からの燃焼ガスを上方へ導く円筒状の燃焼筒５０が設けられている。断熱材４０の筒部４０ｂの内側には、円筒状の排気管５２が設けられており、燃焼筒５０の下端と排気管５２の下端とが、下板５４で接続されている。また、燃焼筒５０の上端は、上板５６により閉塞されている。

燃焼筒５０および改質反応筒３０は、バーナ１２を除くと、改質器１０の中でも特に高温状態になる高温部材である。この高温部材は、バーナ１２などの外部の部材と直接に接続したり、熱伝導の大きい金属を介して接続されておらず、断熱材４０により断熱されているため、改質器１０の高温部材から外部への熱移動が抑制され、改質器１０の熱効率が向上する。

また、上述のように、断熱材４０で高温部材から遮断された低温領域に位置するバーナ固定用フランジ２２にバーナ１２を固定することにより、バーナ１２からの放熱が抑制される。

改質反応筒３０は、燃焼筒５０と排気管５２との間に挿入されている。改質反応筒３０は、燃焼筒５０の外側に配置された加熱管３２と、加熱管３２の外側に配置された円筒状の触媒管３４と、触媒管３４の外側に配置された円筒状の改質管３６と、加熱管３２と触媒管３４とにより仕切られた空間に充填されたＮｉ，Ｒｕ等の金属粒子をアルミナに担持した改質触媒を含む触媒層３８とを備える。加熱管３２の下端と改質管３６の下端とは、下板３９により接続されている。また、触媒管３４の上端は、改質原料ガス供給管３１が貫通した上板３５により閉塞されている。触媒層３８の上部の温度は４００℃程度であるが、加熱管３２を介して燃焼ガスにより加熱されることにより、触媒層３８の下部の温度は７００℃程度に達する。

断熱材４０の筒部４０ｂの周囲には、円筒状の断熱材収容管４２が設けられている。断熱材収容管４２と収納容器２０の間に、外部反応器９０が設けられている。外部反応器９０は、たとえば、シフト変成器、ＣＯ除去器、脱硫器などである。

排気管５２、断熱材４０および断熱材収容管４２の上端部は、燃焼筒５０の軸に対して垂直方向に屈曲することにより、保持部材としての上部フランジ７０を形成している。固定用ロッド７２は、上部フランジ７０およびバーナ固定用フランジ２２を貫通しており、締結部材７４を用いて上部フランジ７０とバーナ固定用フランジ２２とが締め付けられる。これにより、断熱材４０の底部４０ａと、バーナフランジ１８およびバーナ固定用フランジ２２、ならびに燃焼筒５０および下板５４との密着性が高まるので、改質器１０の気密性が向上する。

外部反応器９０は、バーナ固定用フランジ２２および上部フランジ７０に固定されている。一般に、外部反応器９０の性能を確保するためには、周方向の温度分布を均一化する必要がある。このため、外部反応器９０の位置決めは重要である。具体的には、改質器１０の中心軸に外部反応器９０の中心軸を一致させる必要がある。上述のように、高温部材より温度が低いバーナ固定用フランジ２２および上部フランジ７０で外部反応器９０を固定することにより、外部反応器９０の位置決めが行いやすくなるとともに、改質器１０の低温部からの放熱を抑制することができる。

（燃料電池用改質装置の動作）
バーナ１２で発生した燃焼ガスは、開口４３を通り、燃焼筒５０の中を上昇する。燃焼筒５０の上端から吹き出した燃焼ガスは、加熱管３２に沿って下降しながら、加熱管３２を介して触媒層３８および触媒層３８を通過中の改質原料ガスと熱交換する。熱交換した燃焼ガスは、下板５４と下板３９との間を通過した後、排気管５２に沿って上昇し、排気口６４から外部へ排出される。

一方、改質原料ガス供給管３１から導入された改質原料ガスは、触媒管３４に沿って、触媒層３８の中を下降する。改質原料ガスは、触媒層３８を通過する際に、燃焼ガスにより徐々に加熱され、改質反応により水素リッチな改質ガスに変化する。改質原料ガスを改質することにより得られた改質ガスは、改質管３６に沿って上昇し、改質ガス吐出口６６から取り出される。改質ガス吐出口６６から取り出された改質ガスは配管（図示せず）を通って、外部反応器９０に導かれ、必要に応じて、ＣＯ除去や脱硫が行われた後、燃料電池に供給される。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、上述の実施の形態では、下板５４および排気管５２が断熱材４０の内側に設けられ、燃焼ガスの流路を形成しているが、断熱材４０自体に充分な気密性がある場合には、下板５４および排気管５２を省略して、断熱材４０によって燃焼ガスの流路を形成することも可能である。

また、バーナ１２の固定に関しては、バーナフランジ１８の径を固定用ロッド７２の位置より外周側に拡張することにより、バーナフランジ１８を固定用ロッド７２および締結部材７４を用いて、上部フランジ７０とバーナ固定用フランジ２２の両方に固定することができる。これによれば、バーナ１２の固定をより強固にすることができ、改質器１０の気密性を向上させることができる。

また、バーナ固定用フランジ２２が外部反応器９０に設けられた構成を採用することにより、バーナ１２を外部反応器９０の下端に固定または接続することができる。

また、上部フランジ７０およびバーナ固定用フランジ２２が外部反応器９０に設けられた構成を採用し、さらに、バーナフランジ１８の径を固定用ロッド７２の位置より外周側に拡張し、バーナフランジ１８を固定用ロッド７２および締結部材７４を用いて、上部フランジ７０とバーナ固定用フランジ２２の両方に固定することにより、バーナ１２を外部反応器９０の上端および下端に固定または接続することができる。

さらに、バーナフランジ１８を、バーナ固定用フランジ２２に固定する場合に、バーナフランジ１８とバーナ固定用フランジ２２との間に断熱材を設けることが好ましい。これによれば、バーナ１２からバーナ固定用フランジ２２および外部反応器９０に熱が移動することが抑制されるので、燃料電池用改質装置２の熱効率がより向上する。

なお、上記実施形態では、便宜上、上下の概念が用いられ、バーナ１２が下部に位置しているが、上下を反転した態様にすることも可能である。

実施形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す図である。

符号の説明

２ 燃料改質装置、１０ 改質器、１２ バーナ、３０ 改質反応筒、４０ 断熱材、５０ 燃焼筒、９０ 外部反応器。

Claims (5)

1. 改質原料を水素リッチなガスに改質する燃料電池用改質装置であって、
   燃焼ガスを生成する燃焼手段と、
   改質原料ガスを改質反応によって改質ガスに改質する改質反応筒と、
   前記燃焼ガスを前記改質反応筒へ導く燃焼筒と、
   を備える燃料電池用改質装置において、
   断熱材によって前記燃焼筒および前記改質反応筒を含む高温部材から遮断され
   た低温領域に前記燃焼手段を固定したことを特徴とする燃料電池用改質装置。
2. 前記断熱材が前記燃焼手段からの燃焼ガスが前記燃焼筒へ通過可能な開口を有し、
   前記開口の中心軸が前記燃焼筒の中心軸と実質的に一致することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
3. 前記燃焼手段が、前記高温部材から断熱された保持部材に固定されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用改質装置。
4. シフト変成器、ＣＯ除去器、脱硫器のうち少なくとも１つ以上を含む外部反応器をさらに備え、
   前記外部反応器が前記保持部材に固定されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用改質装置。
5. シフト変成器、ＣＯ除去器、脱硫器のうち少なくとも１つ以上を含む外部反応器をさらに備え、
   前記外部反応器が前記高温部材から断熱され、
   前記燃焼手段が前記外部反応器に固定されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用改質装置。

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