JP5111040B2 - 燃料電池用改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、原燃料を、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原燃料ガスと水蒸気とを混合して、改質器で改質することで得ている。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、水蒸気による原燃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近傍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（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００７−１５９１１号公報 国際公開第０３／７８３１１号パンフレット

ところで、従来の改質器では、改質反応や一酸化炭素の低減のために必要な触媒が改質反応部の所望の位置に配置されている。しかしながら、特許文献１、２記載の改質器は、改質ガスの流路が複雑であり、また、複数の流路に異なる触媒を配置する必要があるため、作業工程が煩雑であり、装置の製造コストの増大を招く一因となっている。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造が容易な燃料電池用改質装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池用改質装置は、原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、原燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、改質部とシフト変成部と選択酸化部とをこの順番に直線状に収納する改質反応筒と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きく、該改質反応筒の側面全体を覆う外筒と、改質反応筒と外筒との間に形成され、改質反応筒を加熱するために燃焼排ガスが通過する加熱流路と、を備える。改質反応筒は、改質部側が下部になるとともに選択酸化部側が上部になるように鉛直方向に配置され、シフト変成部、選択酸化部の少なくともいずれかは、改質反応筒の内部を上下方向に仕切る仕切り部材と、該仕切り部材により下方から支持される触媒とを有する。また、改質反応筒は、触媒を内部に充填するために前記仕切り板部材より上方の側面に形成された充填口を有する。

この態様によると、仕切り部材により下方から触媒を支持することができるので、仕切り部材と改質反応筒とで囲まれた領域に触媒を充填すればよく、触媒の充填を簡便に行うことができる。

本発明によれば、製造が容易な燃料電池用改質装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の都合上、図の上下左右と対応させて各部材間の位置関係を説明するが、あくまでも相対的な位置関係でありこれに限定されるものではない。例えば、上下を反転した態様にすることも可能である。

図１は、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の構成を示す断面図である。燃料電池用改質装置１０は、原燃料であるメタンやプロパン、ブタン等を水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成する。

燃料電池用改質装置１０は、原燃料から改質ガスを生成する改質部１２と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部１４と、シフト変成部１４を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により選択酸化し低減する選択酸化部１６と、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とをこの順番に直線状に収納する改質反応筒１８と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段としてのバーナ２０と、改質反応筒１８の外周に同軸に配置され、改質反応筒１８より径が大きい外筒２２と、を備える。外筒２２の周囲は、複数の配管が外部と連通している箇所を除いて断熱材２４で覆われている。改質反応筒１８は、改質部１２側が下部になるとともに選択酸化部１６側が上部になるように鉛直方向に配置されている。

バーナ２０は、空気取入口２６から取り入れた空気と燃料取入口２８から取り入れた原燃料オフガスとを混合して燃焼させる。バーナ２０で原燃料ガスが燃焼することによって、１２００〜１３００℃の高温の燃焼排ガスが発生する。バーナ２０は、改質反応筒１８の改質部１２側の端部に形成された燃焼室３０に配置されているとともに、外筒２２の下部に固定されている。これにより、バーナ２０で生成された燃焼排ガスの熱をすぐに改質部１２における改質反応に用いることができるので、熱効率を向上することができる。

改質反応筒１８と外筒２２との間には、改質反応筒１８を加熱するために前述の燃焼排ガスが通過する加熱流路３２が形成されている。

改質部１２は、改質反応筒１８の底部に設けられている改質反応筒１８より外径の小さいケース３４と、ケース３４の下方に収納された、ニッケルやルテニウム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３６とを有する。ケース３４の上面には、原燃料と水蒸気とが混合された状態で流入する開口部３８が形成されている。また、ケース３４は、触媒層３６の側面から改質ガスが通過できるように、側面に通気口が設けられている。

原燃料は、改質反応筒１８、外筒２２、断熱材２４とを貫通する原燃料供給路４０を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から改質部１２の触媒層３６に供給される。この際、原燃料は、加熱流路３２を流れる燃料排ガスや改質反応筒１８の内部の改質ガスにより昇温させられるとともに、改質ガスの温度を低下させる。

また、改質部１２における改質反応に必要な水蒸気は、水蒸気供給路４２を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から供給された改質水から生成される。外部から供給された液体である改質水は、燃焼排ガスや改質反応筒１８の内部で昇温されている改質ガスにより気化され、水蒸気として触媒層３６に供給されるとともに、シフト変成部１４や選択酸化部１６の温度を低下させる。

本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０において、原燃料供給路４０は、水蒸気供給路４２と、水蒸気供給路４２において通過する水が気化される箇所より下流側の合流部４４で合流している。水蒸気供給路４２は、外筒２２および改質反応筒１８の内部において、その一部が螺旋状に巻かれたコイル形状を有しており、表面積が増すことで水が気化し易くなっているため、合流部４４より上流側の少なくともコイルの下端では水蒸気が生成されている。

本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０のように、燃焼排ガスの加熱による原燃料の昇温と水の気化とが別々の原燃料供給路４０および水蒸気供給路４２で行われた後に原燃料と水蒸気とが合流することで、各供給路における原燃料の昇温や水の気化による水蒸気の供給の制御が容易となる。

シフト変成部１４は、例えば、酸化銅や酸化亜鉛のペレットからなる触媒層４６と、触媒層４６を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板４８とを有する。シフト変成部１４は、触媒層４６の働きにより改質ガスに含まれる水蒸気を用いたシフト反応により一酸化炭素を低減することができる。仕切り板４８は、改質反応筒１８の内部を、改質反応が生じる改質部側とシフト反応が生じるシフト変成部側とに仕切るとともに、充填された触媒層４６を下方から支持する。

選択酸化部１６は、例えば、アルミナで担持した一酸化炭素選択酸化触媒からなる触媒層５０と、触媒層５０を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板５２とを有する。選択酸化部１６では、触媒層５０の働きにより酸素で一酸化炭素を酸化し二酸化炭素にすることで、一酸化炭素の濃度が更に低減される。仕切り板５２は、改質反応筒１８の内部を、シフト反応が生じるシフト変成部側と選択酸化が行われる選択酸化部側とに仕切るとともに、充填された触媒層５０を下方から支持する。

本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０においては、改質反応筒１８の内部に設けられている仕切り板４８や仕切り板５２により触媒を支持することができるので、仕切り板４８や仕切り板５２と改質反応筒１８とで囲まれた領域Ｂや領域Ｃに触媒を充填すればよい。これにより、簡便に触媒の充填を行うことができる。また、改質反応筒１８は、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とを直線状に収納しているので、仕切り板４８，５２によって、各部の反応がおこる領域を簡便に分けることが可能となる。また、仕切り板４８，５２で触媒を支持することで、各反応部を仕切るために改質反応筒の形状を途中で絞ったり、その他の部品や配管を追加したりせずに、簡便な構成で改質反応筒の内部の触媒を適切な位置に配置することができる。

シフト変成部１４と選択酸化部１６との間の領域には、選択酸化部１６で消費される酸素を供給するために、燃料電池用改質装置１０の外部と連通している空気供給路５４の先端部５６が配置されている。これにより、先端部５６から流入する空気は、シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスとともに上昇し、選択酸化部１６における反応に寄与する。

選択酸化部１６の上方の、改質反応筒１８の上面には、開口部５８が形成されている。開口部５８には、一酸化炭素が十分低減された改質ガスを不図示の燃料電池の燃料極へ送出する改質ガス送出管６０が接続されている。

次に、本実施の形態に係る水蒸気供給路４２と仕切り板４８，５２との位置関係を詳細に説明する。図２は、図１に示す燃料電池用改質装置１０のうち改質反応筒１８の内部における水蒸気供給路４２近傍の部材の一部を図示した要部断面図である。

図２に示すように、仕切り板４８は、水蒸気供給路４２が上下方向に貫通する貫通孔１４０が形成されている。また、同様に、仕切り板５２は、水蒸気供給路４２が上下方向に貫通する貫通孔１４２が形成されている。これにより、改質反応筒１８の内部に水蒸気供給路４２を設けつつ、水蒸気供給路４２の周囲に触媒を充填することで仕切り板４８や仕切り板５２と改質反応筒１８とに囲まれた領域に触媒層４６や触媒層５０を簡易に配置することができる。

また、本実施の形態に係る水蒸気供給路４２は、コイル状に形成された環状部１４４，１４６と、改質反応筒１８の上下方向に伸びている直線部１４８，１５０とを有している。そして、仕切り板４８は、貫通孔１４０に直線部１４８が位置するように設けられている。また、仕切り板５２は、貫通孔１４２に直線部１５０が位置するように設けられている。これにより、製造の際に水蒸気供給路４２に仕切り板４８や仕切り板５２を通すことが容易となる。

また、仕切り板４８，５２は、触媒層４６や触媒層５０の触媒が下方に落下せず、かつ、改質ガスが通過する程度の複数の微小な通気口（不図示）を有している。通気口の大きさは、触媒の形態や大きさに応じて適宜選択すればよい。例えば、仕切り板４８における通気口の大きさは、触媒層４６における酸化銅や酸化亜鉛のペレットの大きさより小さくするとよい。このような通気口を設けることで、仕切り板４８や仕切り板５２の上下の領域を連通する流路を改質反応筒１８の内部や外部に別途設けずに、改質ガスを改質部１２からシフト変成部１４や選択酸化部１６へ送出することが可能となる。

また、本実施の形態に係る改質反応筒１８は、触媒を内部に充填するために仕切り板４８，５２より上方の側面に充填口１５２，１５４が形成されている。これにより、例えば、仕切り板４８や仕切り板５２が改質反応筒１８の内部に固定された状態であっても、各触媒をそれぞれ充填口１５２，１５４から改質反応筒１８の内部に投入することが可能となり、製造工程における触媒充填工程の順番や充填時の改質反応筒の姿勢の自由度が増す。

また、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、加熱流路３２が改質反応筒１８の外側にあり、改質反応筒１８の内部を横断していないため、改質反応筒１８の内部は触媒が移動しやすい構造となっている。そのため、仕切り板４８や仕切り板５２で仕切られた領域Ｂや領域Ｃに触媒を投入する際の改質反応筒１８の姿勢が、例えば、横置きや斜めの場合であっても、改質反応筒１８の姿勢をその後縦置きにすることで、偏って充填された触媒は容易に均一な厚さの触媒層４６，５０となる。その結果、触媒充填工程における作業性が向上する。

次に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の動作について説明する。バーナ２０で生成された燃焼排ガスは、改質反応筒１８の下面を加熱した後に加熱流路３２を上昇しながら改質反応筒１８を側面から加熱する。この際、触媒層３６は、改質反応筒１８を介して改質反応に必要な温度、例えば、６００〜７００℃の範囲に加熱される。また、水蒸気供給路４２は、直接的または改質反応筒１８を介して間接的に燃料排ガスにより加熱され、内部を通る改質水が気化される。一方、燃料排ガスは、加熱流路３２を上昇するに従い水蒸気供給路４２により冷却され徐々に温度が低下する。なお、加熱流路３２を通過した燃焼排ガスは、外筒２２の上部に形成された排出口６２から外部へ排出される。

水蒸気供給路４２で気化された水蒸気と原燃料供給路４０で昇温された原燃料とは合流部４４で混合され、ケース３４の内部を下方に送り出される。水蒸気を含む原燃料ガスは、触媒層３６の内部を通過する際に燃焼排ガスの熱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。

原燃料ガスを改質することにより得られた改質ガスは、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を上昇し、シフト変成部１４に到達する。ここで、改質部１２における改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気供給路４２の熱回収により温度が低下した改質ガスがシフト変成部１４に到達することになる。シフト変成部１４におけるシフト反応は、例えば、２００〜３００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても適度な温度を維持することが可能である。これにより、改質ガスはシフト変成部１４において一酸化炭素が低減される。

なお、シフト変成部１４における温度が適温とならない装置の場合、バーナ２０での原燃料の燃料量を調整したり、シフト変成部１４近傍の水蒸気供給路４２のコイルの巻き数を増減させたりすることで調整可能である。

シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスは更に、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を整流板６４に流れを規制されながら上昇し、選択酸化部１６に到達する。その際、空気供給路５４から供給された空気も改質反応筒１８内を上昇し、選択酸化部１６に到達する。

選択酸化部１６は、水蒸気供給路４２の流入口６６近傍に配置されているため、改質ガスの温度は改質水による冷却によりシフト変成部１４における改質ガスの温度より低温となっている。選択酸化部１６における選択酸化反応は、シフト変成部１４におけるシフト反応より低温な、例えば、７０〜２００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても改質ガスを適度な温度に維持することが可能である。これにより、改質ガスは選択酸化部１６において更に一酸化炭素が低減される。

上述のように、燃料電池用改質装置１０は、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とがこの順番に一つの改質反応筒１８に収納されているため、複雑な形状の流路を形成することなく、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減することができる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間の加熱流路３２を燃焼排ガスが通過するので、改質反応筒１８の内部の改質部１２における改質反応に必要な熱を供給することができ、ヒータ等の加熱手段が不要となる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間を加熱流路３２とすることで、折り返しや多くの筒を要する流路を必要とせずに簡素な構成で燃料電池用改質装置１０を実現することができる。

換言すると、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０においては、折り返しや多くの筒を要する流路が設けられていないため、部品点数の低減や製造工程の簡素化によりコストが低減される。また、外筒２２の外周部を断熱材２４で覆うことで装置全体の断熱性を容易に確保することができるので、断熱材２４を装着する際の工程を簡素化することができる。

また、加熱流路３２は、燃焼排ガスが改質部１２側から選択酸化部１６側に向かって通過するように形成されているので、燃焼排ガスは、改質反応筒１８や水蒸気供給路４２と熱交換をしながら徐々に温度が低下する。そのため、燃焼排ガスは、反応温度が高い改質部から反応温度の低い選択酸化部へと適度に温度が低下しながら加熱流路３２の内部を通過することになる。そのため、加熱流路３２を直線的に形成することが可能となる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、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、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して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。

上述の燃料電池用改質装置は、ガスと水との熱交換部において、ガス側の伝熱を促進させるために、ガス側通路にアルミナボールやマクマホンパッキン等の拡散により伝熱性を上げる物を充填してもよい。例えば、改質部１２とシフト変成部１４との間、シフト変成部１４と選択酸化部１６との間、選択酸化部１６の上部、水蒸気供給路４２の入口側における燃焼排ガスとの熱交換部、等に伝熱促進物が充填されていてもよい。

また、上述の燃料電池用改質装置に用いられる原燃料としては、例示されているメタンやプロパン、ブタン等に限られるものではない。例えば、天然ガス、プロパン・ブタンを主成分とするＬＰＧ、ナフサ、灯油等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコール類や、ジメチルエーテル等のエーテル類、等を、原燃料として用いてもよい。

本実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。 図１に示す燃料電池用改質装置のうち改質反応筒の内部における水蒸気供給路近傍の部材の一部を図示した要部断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池用改質装置、 １２ 改質部、 １４ シフト変成部、 １６ 選択酸化部、 １８ 改質反応筒、 ２０ バーナ、 ２２ 外筒、 ３２ 加熱流路、 ４２ 水蒸気供給路、 ４６ 触媒層、 ４８ 仕切り板、 ５０ 触媒層、 ５２ 仕切り板、 １４０ 貫通孔、 １４２ 貫通孔、 １４４ 環状部、 １４８ 直線部、 １５０ 直線部、 １５２ 充填口。

Claims (5)

1. 原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、
   原燃料から改質ガスを生成する改質部と、
   前記改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、
   前記シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、
   前記改質部と前記シフト変成部と前記選択酸化部とをこの順番に直線状に収納する改質反応筒と、
   原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、
   前記改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きく、該改質反応筒の側面全体を覆う外筒と、
   前記改質反応筒と前記外筒との間に形成され、前記改質反応筒を加熱するために前記燃焼排ガスが通過する加熱流路と、を備え、
   前記改質反応筒は、改質部側が下部になるとともに選択酸化部側が上部になるように鉛直方向に配置され、
   前記シフト変成部、前記選択酸化部の少なくともいずれかは、前記改質反応筒の内部を上下方向に仕切る仕切り部材と、該仕切り部材により下方から支持される触媒とを有し、
   前記改質反応筒は、触媒を内部に充填するために前記仕切り板部材より上方の側面に形成された充填口を有することを特徴とする燃料電池用改質装置。
2. 前記改質部に水蒸気を供給するために、水が前記改質反応筒の内部を通過するように設けられている水蒸気供給路を更に備え、
   前記仕切り部材は、前記水蒸気供給路が上下方向に貫通する貫通孔が形成されてい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. 前記水蒸気供給路は、コイル状に形成された環状部と、改質反応筒の上下方向に伸びている直線部とを有し、
   前記仕切り部材は、前記貫通孔に前記直線部が位置するように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用改質装置。
4. 前記仕切り部材は、触媒が下方に落下せず、かつ、改質ガスが通過する程度の通気口を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
5. 前記燃焼手段は、前記改質反応筒の改質部側の端部と対向する燃焼室に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。

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