JP5871637B2 - 改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、被改質ガスを水蒸気を用いて改質する改質装置に関する。

燃料電池としての固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比して、発電効率が高く、有望な発電技術として注目されている。この固体酸化物形燃料電池は、多数の燃料電池セルから構成されるセルスタックを備え、各燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質を有し、この固体電解質の片側に燃料極が設けられ、その他側に酸素極が設けられている。このような固体酸化物形燃料電池では、燃料ガスとして例えば炭化水素（例えば、天然ガス）が用いられ、炭化水素を用いた場合、燃料ガスを改質する改質装置が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

改質装置は、気化室及び反応室を規定する改質ハウジングを備えている。この改質ハウジングは、例えば細長い箱状のハウジングから構成され、このハウジング内に多数の孔が設けられたプレート状部材が配設され、このプレート状部材の片側に気化室が規定され、その他側に反応室が規定され、この反応室に改質触媒が充填される。燃料ガス（被改質ガス）及び改質水は気化室に供給され、この気化室にて改質水が気化されて水蒸気となり、水蒸気及び燃料ガスが反応室に送給される。反応室には改質触媒が充填されており、この改質触媒の作用によって燃料ガスの水蒸気改質が促進され、改質された改質燃料ガスがセルスタックの各燃料電池セルの燃料電極側に送給される。

特開２００７−２７３２５２号公報

このような改質装置には、次の通りの問題が存在する。改質ハウジングの一端側に水供給管が接続され、この水供給管からの改質水が改質ハウジング内の一端部に供給され、この一端部から反応室側に向けて流れ、かく流れる間に改質水が水蒸気となるが、燃料電池の起動時、発電出力が低い時などにおいては、改質ハウジングが高温となっておらず、水供給管からの改質水は、気化室を流れる間に充分な水蒸気とならず、改質水の状態で反応室まで流れるおそれがある。改質ハウジングは、起動後に温度が上昇し、セルスタックの発電状態においては、反応室まで流れた改質水は、最終的に全て燃料電池セルスタックからの熱によって蒸発される。

このような固体酸化物形燃料電池の起動〜昇温〜発電〜停止までの運転サイクル、又は低出力〜高出力の運転サイクルにおいて、反応室内の改質触媒上で改質水による濡れとその蒸発が繰り返されると、改質触媒が酸化して粉化するようになる。粉化した触媒は、反応室内において充填された改質触媒間の空間を閉塞し、これによって、この反応室の流路抵抗が増し、セルスタックに所望量の改質燃料ガスを送給することができなくなる恐れがある。また、粉化した触媒は、改質燃料ガスとともに下流側に流れ、改質燃料ガスの流路、セルスタック、反応燃料ガスの流路などにおける閉塞の原因となり、また排気ガス中の水分を凝縮させて回収する場合には、凝縮回収した回収水に不純物が混入する原因となる。

本発明の目的は、気化室に供給された改質水が反応室まで流れるのを防止し、これによって改質触媒の酸化、粉化を抑えることができる改質装置を提供することである。

本発明の請求項１に記載の改質装置は、水を気化する気化室及び被改質ガスの改質反応を行う反応室を規定する改質ハウジングを備え、前記気化室に改質水を供給するための水供給管が接続され、前記反応室に被改質ガスを水蒸気改質するための改質触媒が充填された改質装置であって、
前記気化室と前記反応室との間には仕切り部材が設けられ、前記仕切り部材は、下端部の第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とに分けられ、前記第２領域には多数の孔が設けられ、また前記第１領域は、前記水供給管から前記気化室に供給された改質水が前記反応室に流れるのを防止するための流れ防止部材として機能することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の改質装置では、前記仕切り部材の前記第１領域の高さ（Ｈ）は、前記気化室の全高（ｈ）の１／１０〜１／３である（ｈ／１０≦Ｈ≦ｈ／３）ことを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の改質装置によれば、気化室と反応室とを仕切る仕切り部材は、下端部の第１領域と、第１領域以外の第２領域とに分けられ、第２領域には多数の孔が設けられ、また第１領域は、改質水が反応室に流れるのを防止するための流れ防止部材として機能するので、気化室に供給された改質水は、この仕切り部材の第１領域によって反応室に流れることがなく、これによって、反応室の改質触媒の浸水、酸化、粉化を抑えることができる。

また、本発明の請求項２に記載の改質装置によれば、仕切り部材の第１領域の高さ（Ｈ）が気化室の全高（ｈ）の１／１０〜１／３である（ｈ／１０≦Ｈ≦ｈ／３）ので、気化した水蒸気の反応室への流れを確保しながら改質水の反応室への流入を防止することができる。

改質装置の第１の参考形態を装備した固体酸化物形燃料電池システムを簡略的に示す図。 図１の改質装置の気化室及びその近傍を示す断面図。 本発明に従う改質装置の一実施形態を示す断面図。 図３の改質装置における仕切り部材を示す斜視図。 改質装置の第２の参考形態を示す断面図。

以下、添付図面を参照して、更に説明する。まず、図１を参照して、第１の参考形態の改質装置を装備した固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料としての原燃料ガス（例えば、天然ガス）を改質するための改質装置４と、改質装置４にて改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気により酸化及び還元を行うことによって発電を行うセルスタック６と、酸化材としての空気をセルスタック６に送給するための送風装置８とを備えている。セルスタック６は、電気化学反応によって発電を行うための複数の燃料電池セルを配列して構成され、セルスタック６及び改質装置４が電池ハウジング本体１０内に配設され、電池ハウジング本体１０内は断熱されて高温空間１２を規定する。セルスタック６の各燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質１４と、固体電解質１４の一方側（図１において右側）に設けられた燃料極（図示せず）と、固体電解質１４の他方側（図１において左側）に設けられた酸素極（図示せず）とを備えており、固体電解質１４として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。尚、改質装置４の詳細については、後述する。

セルスタック６の燃料極側１８は、改質燃料ガス流路２０を介して改質装置４に接続され、この改質装置４は、原燃料ガス流路２２を介して例えば埋設管、貯蔵タンクなどの原燃料ガス供給源（図示せず）に接続され、この原燃料ガス流路２２に昇圧ポンプ２４が配設されている。また、セルスタック６の酸素極側２６は、空気送給流路２８を介して空気を予熱するための空気予熱器３０に接続され、この空気予熱器３０は、空気供給流路３２を介して送風装置８に接続されている。

セルスタック６（複数の燃料電池セル）の燃料極側１８及び酸素極側２６の各排出側には燃焼室３４が設けられ、燃料極側１８から排出された反応燃料ガス（燃料ガスを含む）と酸素極側２６から排出された空気（酸素を含む）とが燃焼室３４に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して改質装置４が加熱される。この燃焼室３４は燃焼排気ガス流路３６を介して空気予熱器３０に接続され、この空気予熱器３０には排気ガス排出流路３８が接続されている。

この固体酸化物形燃料電池システム２は、更に、燃焼室３４からの燃焼排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収するための凝縮回収手段４０と、凝縮回収された凝縮水を改質装置４に送給するための水送給手段４２とを備えている。凝縮回収手段４０は、燃焼排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮する熱交換器４４と、凝縮水を回収して貯めるための水回収タンク４６とを備えている。熱交換器４４は排気ガス排出流路３８に配設され、この熱交換器４４に水回収流路４８を介して水回収タンク４６が接続されている。

また、熱交換器４４には貯湯タンク５０からの循環流路５２が接続されている。循環流路５２には循環ポンプ５４が配設され、循環ポンプ５４は、貯湯タンク５０の底部からの水を熱交換器４４を通して貯湯タンク５０の頂部に循環する。熱交換器４４においては、排気ガス排出流路３８を通して流れる燃焼排気ガスと循環流路５２を通して循環される水との間で熱交換され、この熱交換によって、セルスタック６からの燃焼排気ガスの熱が温水として回収される。

また、水送給手段４２は、水回収タンク４６に貯められた凝縮水を改質装置４に送給するための水供給流路５６と、水供給流路５６に配設された水送給ポンプ５８とを備え、水回収タンク４６内の凝縮水が、水送給ポンプ５８の作用によって水供給流路５６を通して改質装置４に送給される。この水供給流路５６には、必要に応じて、凝縮水に含まれた不純物を除去するための不純物除去手段（例えば、純水フィルタなどから構成される）（図示せず）が配設される。

この固体酸化物形燃料電池システム２の稼動運転は、次のようにして行われる。原燃料ガス供給源（図示せず）からの原燃料ガスは、原燃料ガス流路２２を通して改質装置４に供給される。改質装置４においては、この原燃料ガスの一部と水供給流路５６を通して送給される水（凝縮水）とが改質反応して改質され、このように改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス流路２０を通してセルスタック６（即ち、複数の燃料電池セル）の燃料極側１８に送給される。また、送風装置８からの空気は、空気供給流路３２を通して空気予熱器３０に供給され、この空気予熱器３０において燃焼排気ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給流路２８を通してセルスタック６の酸素極側２６に送給される。

セルスタック６では、燃料極側１８にて改質された改質燃料ガスが酸化され、またその酸素極側２６にて空気中の酸素が還元され、燃料極側１８の酸化及び酸素極側２６の還元による電気化学反応により発電が行われる。

セルスタック６の燃料極側１８からの反応燃料ガス及び酸素極側２６からの空気は燃焼室３４に送給され、空気中の酸素を利用して余剰の燃料ガスが燃焼され、この燃焼熱を利用して改質装置４が改質温度に維持される。燃焼室３４からの燃焼排気ガスは、燃焼排気ガス流路３６を通して空気予熱器３０に送給され、この空気予熱器３０において送風装置８からの空気との熱交換に利用されて排気ガス排出流路３８を通して熱交換器４４に送給される。熱交換器４４においては、貯湯タンク５０から循環流路５２を通して送給される水と排気ガス排出流路３８を流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換により加温された水（温水）は、循環流路５２を通して貯湯タンク５０に貯められる。また、熱交換により燃焼排気ガスの温度が露点まで低下されることによって、燃焼排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮回収されて水回収流路４８を通して水回収タンク４６に貯められ、凝縮回収後の燃焼排気ガスは排気ガス排出流路３８を通して大気に排出される。水回収タンク４６に貯められた凝縮水は、水送給ポンプ５８の作用によって水供給流路５６を通して改質装置４に送給され、このように凝縮水が改質水として用いられる。尚、この参考形態では、燃焼排気ガス中の水分を凝縮させて改質水として利用しているが、このような構成に代えて、改質水用の専用の水タンクを用い、水タンクから改質用水を改質装置４に供給するようにしてもよい。

次に、図２を参照して、改質装置４について説明する。図示の改質装置４は、細長い箱状の改質ハウジング６２を備え、この改質ハウジング６２は、例えば断面矩形状に形成される。改質ハウジング６２内の長手方向（図２において左右方向）中間部には、多数の孔６４が設けられた仕切り部材６６が配設され、仕切り部材６６の片側（図２において左側）に、改質ハウジング６２の片側部（図２において左部）及び仕切り部材６６によって気化室６８が規定され、その他側（図２において右側）に、改質ハウジング６２の他側部（図において右部）及び仕切り部材６６によって反応室７０が規定されている。

この参考形態では、改質ハウジング６２の一端壁７２（図２において左端壁）に、原燃料ガス流路２２を構成する燃料ガス供給管７４が接続され、改質装置４で改質される原燃料ガス（即ち、被改質ガス）は、この燃料ガス供給管７４を通して改質装置４の気化室６８に供給される。

改質ハウジング６２の一端壁７２には、更に、水供給流路５６を構成する水供給管７６が接続され、改質用に用いられる水（即ち、改質水）が、この水供給管７６を通して気化室６８に供給される。

改質ハウジング６２の気化室６８には、気化室６８に供給された水（改質水）が反応室７０に流れないように流れ防止部材７８が設けられている。この流れ防止部材７８はプレート状部材８０から構成され、改質ハウジング６２の幅方向（図２において紙面に垂直な方向）全幅にわたって設けられ、改質ハウジング６２の底壁８２に固定される。このプレート状部材８０は、後の記載から理解されるように、気化室６８側における反応室７０に隣接する部位に設けるのが好ましく、このように設けることによって、気化室６８の底部に溜めることのできる容量を大きくすることができる。このプレート状部材８０の高さＨは、例えば、気化室６８の全高ｈの１／１０〜１／３（ｈ／１０≦Ｈ≦ｈ／３）程度に設定される。

改質ハウジング６２内の反応室７０は、原燃料ガス（被改質ガス）の流れ方向に見て気化室６８の下流側にあり、この反応室７０には、水蒸気改質するための改質触媒８４が充填されている。

この改質装置４による水蒸気改質は、次のように行われる。水供給管７６（水供給流路５６）を通して改質装置４の気化室６８に供給された水（改質水）は、底壁８２の表面に滴下乃至流下し、その表面を反応室７０に向けて流れる間に気化して水蒸気となり、このようにして生成された水蒸気が仕切り部材６６の多数の孔６４を通して反応室７０に送給される。このとき、供給された水の気化が不充分であると、供給された水が反応室７０に向けて流れるが、かく流れた水は、プレート状部材８０によってその流れが阻止されて気化室６８の底部に溜まり、これによって、水供給管７６からの水（改質水）が反応室７０に流れるのを確実に防止することができる。

また、燃料ガス供給管７４（燃料ガス供給流路２２）を通して改質装置４に供給された原燃料ガス（被処理ガス）は、気化室６８を流れる間に加熱され、加熱された原燃料ガスが仕切り部材６６の多数の孔６４を通して反応室７０に送給される。

反応室７０においては、改質触媒８４の作用によって水蒸気を用いた原燃料ガスの水蒸気改質が行われ、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質装置４からセルスタック６の燃料電極側１８に送給される。

上述した改質装置４を備えた固体酸化物形燃料電池システム２では、改質装置４の気化室６８に、流れ防止部材７８としてのプレート状部材８０が設けられているので、このプレート状部材８０により改質水が反応室７０に流れるのを防止することができ、これによって、反応室７０の改質触媒８４の酸化、粉化を抑えることができ、その結果、粉化した触媒による改質触媒間の空間の閉塞、また改質燃料ガスの流路、セルスタック及び燃焼排気ガスの流路などの閉塞を防止することができる。

この参考形態では、燃料ガス供給管７４を気化室６８に接続し、この気化室６８にて加熱した原燃料ガス（被改質ガス）を反応室７０に送給しているが、このような構成に代えて、燃料ガス供給管７４を反応室７０に接続し、原燃料ガスを反応室７０に直接的に送給するようにしてもよい。

次いで、図３及び図４を参照して、本発明に従う改質装置の一実施形態について説明する。尚、この実施形態において、上述した参考形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図３及び図４において、この実施形態の改質装置４Ａでは、気化室６８と反応室７０とを仕切る仕切り部材６６Ａに流れ防止部材の機能を持たせている。即ち、この仕切り部材６６Ａは、下端部の第１の領域９２と、第１の領域９２を除くその他の領域、即ち第２の領域９４との二つの領域に分けられ、図４に示すように、第２の領域９４においては、原燃料ガス及び水蒸気が通過する多数の孔６４が設けられているが、第１の領域９２においては、このような孔６４は全く設けられていなく、この第１の領域９２の部位が流れ防止部材として機能する。このような仕切り部材６６Ａは、第２の領域９４に多数の孔６４を設けたメタルプレート（例えば、パンチングメタルと称されているもの）を用いることができる。仕切り部材６６Ａの第１の領域９２の高さＨは、上述した同様に、気化室６８の全高ｈ（この形態では、この全高ｈは、仕切り部材６６Ａの高さと等しい）の１／１０〜１／３（ｈ／１０≦Ｈ≦ｈ／３）程度に設定される。

この仕切り部材６６Ａを備えた改質装置４Ａにおいては、気化室６８からの原燃料ガス（被処理ガス）及び気化した水蒸気は、仕切り部材６６Ａの第２の領域９４における多数の孔６４を通して反応室７０に送給されるが、気化室６８の底壁８２の表面を流れる水（改質水）は、仕切り部材６６Ａの下端部（即ち、第１の領域９２の部位）によって反応室７０への流れが防止される。従って、このような構成の改質装置４Ａにおいても、上述したと同様に、反応室７０への水の流れを防止して改質触媒８４の酸化、粉化を抑えることができる。

次に、図５を参照して、改質装置の第２の参考形態について説明する。図５において、この参考形態では、改質ハウジング６２Ｂの底壁８２Ｂにおける気化室部位９６に改質水溜め部９８が設けられている。この改質水溜め部９８は、この底壁８２Ｂの気化室部位９６に例えばプレス加工を施して突出部１００を設けてその内側に形成された凹部から構成することができる。この改質水溜め部９８は、気化室６８と反応室７０とを仕切る仕切り部材６６に隣接して設け、この隣接部位から反応室７０と反対側に延びるように設けるのが好ましく、このように構成することによって、改質ハウジング６２Ｂの底壁８２Ｂの気化室部位９６のほぼ全域を改質水溜め部９８とすることができ、改質水を溜めるための容積を大きくすることができる。

この改質装置４Ｂにおいては、改質ハウジング６２Ｂにおける底壁８２Ｂの気化室部位９６に改質水溜め部９８が設けられているので、水供給管７６（水供給流路５６）から気化室６８に供給された水（改質水）は、改質水溜め部９８内を反応室７０に向けて流れ、かく流れる水が改質水溜め部９８から溢れて更に下流側に流れることがない。従って、このような構成の改質装置４Ｂにおいても、上述したと同様に、反応室７０への水の流れを防止して改質触媒８４の酸化、粉化を抑えることができる。

以上、本発明に従う改質装置の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

２ 固体酸化物形燃料電池システム
４，４Ａ，４Ｂ 改質装置
６ セルスタック
２２ 原燃料ガス供給流路
５６ 水供給流路
６２，６２Ｂ 改質ハウジング
６６，６６Ａ 仕切り部材
６８ 気化室
７０ 反応室
７４ 燃料ガス供給管
７６ 水供給管
７８ 流れ防止部材
８０ プレート状部材
８４ 改質触媒
９８ 改質水溜め部

Claims (2)

1. 水を気化する気化室及び被改質ガスの改質反応を行う反応室を規定する改質ハウジングを備え、前記気化室に改質水を供給するための水供給管が接続され、前記反応室に被改質ガスを水蒸気改質するための改質触媒が充填された改質装置であって、
   前記気化室と前記反応室との間には仕切り部材が設けられ、前記仕切り部材は、下端部の第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とに分けられ、前記第２領域には多数の孔が設けられ、また前記第１領域は、前記水供給管から前記気化室に供給された改質水が前記反応室に流れるのを防止するための流れ防止部材として機能することを特徴とする改質装置。
2. 前記仕切り部材の前記第１領域の高さ（Ｈ）は、前記気化室の全高（ｈ）の１／１０〜１／３である（ｈ／１０≦Ｈ≦ｈ／３）ことを特徴とする請求項１に記載の改質装置。

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