JPH01130475A - 燃料電池用燃料改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、改質原料を熱媒体による加熱により改質触媒
の下で水素に富むガスに改質して燃料電池に供給する燃
料改質器に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池は周知のように供給された燃料ガスと酸化剤ガ
スにより電池反応を起こして発電する。

この場合、酸化剤ガスは空気が、また燃料ガスは水素を
含存する改質ガスが使用され、改質ガスはメタノールの
ような改質原料を改質触媒の下に水蒸気改質反応により
水素に冨むガスに改質する燃料改質器で生成される。な
お、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質反応時
には外部から熱を連続的に供給する必要がある。以下図
面を用いて従来技術について説明する。

第２図は、従来の燃料改質器の断面および系統を示す系
統断面図である０図において１は燃料改質器であり、炉
容器２の上部に燃料としてのメタノールを供給する入口
管４と燃焼空気を供給する入口管５とを備えたバーナと
しての炎燃焼バーナ３が配されている。炉容器２の内部
には炎燃焼バーナ３を囲んで耐火材６を内張した筒状の
隔壁７が懸架されている。気化管８は隔壁７の内部にら
旋状をなして配設され、上部は改質原料としてのメタノ
ールを供給する入口ノズル９に、また下部は気化管８に
て気化された気化ガスを分配するガス分割器１１に接続
されている。改質筒１２は隔壁７を囲む内筒１２ａと外
筒１２ｂとからなり、内筒１２ａと外筒１２ｂとの間に
粒状の改質触媒１３が充填され、隔壁７と炉容器２とで
画成されるアニユラス状の加熱室１０に配設されている
。なお、１４は改質筒１２を貫通して加熱室１０の内筒
１２ａ側と外筒１２ｂ側とを連通ずる連通孔であり、後
述する炉容器２に設けられた排出ノズル１５０レベルに
複数個設けられている。改質筒１２の下部は複数のガス
分割管１６によりガス分割器１１を介して気化器８に接
続されている。また改質筒１２の上部空間は改質ガス出
口室１７を形成し、改質ガスの出口ノズル１日が設けら
れている。なお、１５は炎燃焼バーナ３で燃焼した燃料
ガスを炉容器２の外部に排出する排出ノズルである。

このような構成の燃料改質器１に燃料、燃焼空気、改質
原料、改質ガス等を供給、排出する系統について説明す
る。２０は燃料としてのメタノールの燃料供給源であり
、電磁三方弁２１を備えた、燃料供給管路２２により燃
料の入口管４に接続されている。２３は改質原料として
のメタノールのメタノール供給源であり、電磁弁２４を
備えた改質原料供給管路２５により、改質原料の入口ノ
ズル９に接続されている。

燃料電池３０には酸化剤ガスとしての空気を吸気して陰
極に送気するプロワ２６を備えた空気供給管路２８と、
改質ガスの出口ノズル１日に接続し、電磁三方弁２９を
備え、改質ガスを燃料電池３００）陽極に供給する改質
ガス供給管路３５とが接続されている。

また空気と改質ガスとが供給されて燃料電池３０にて電
池反応をし、この際電池反応に寄与しないで燃料電池３
０の陰極から排出される未反応酸素を含む空気（以下陰
捲排ガスという）を炎燃焼バーナ３に供給する電磁三方
弁３１を備えた燃焼空気供給管路３２が燃焼空気の入口
管５に接続されている。

なお３８は空気供給管路２８から分岐し、燃料電池３０
をバイパスして電磁三方弁３１に接続されるバイパス管
路である。一方燃料電池３０の陽極から電池反応に寄与
しないで排出される未反応水素を含む改質ガス（以下陽
極排ガスという）を電磁三方弁２Ｉに流入する陽極排ガ
ス供給管路３３と、電磁三方弁２９から燃料電池３０を
バイパスして陽極排ガス供給管路３３に合流するバイパ
ス管路３４とが設けられている。３７は改質筒１２内の
改質触媒１３の高さ方向に数個所配設された測定点３６
での改質触媒１３の温度を検出する温度検出器であり、
５０は改質ガス供給管路３５に設けられた改質ガスの組
成を分析するガス分析計である。また３９は電磁三方弁
２１，２９．３１および電磁弁２４の開閉を制御して行
なう制御器、開閉器等を備えた制御盤である。

つぎに上記のような系統、構成による燃料改質器１の室
温からの運転について説明する。改質反応を行なわせる
運転には気化器８や改質筒１２を加熱する必要がある。

このため、まず燃料としてのメタノールを炎燃焼バーナ
３で燃焼する。すなわち電磁三方弁２１を作動させて燃
料供給管路２２を経て燃料供給Ｓ２Ｏからメタノールを
炎燃焼バーナ３に供給する。なおこの時電磁三方弁２１
は燃料供給管路２２と陽極排ガス供給管路３３とを遮断
している。

一方、電磁三方弁３１を作動させてブロワ２６により吸
気した空気をバイパス管路３８を経て炎燃焼バーナ３に
供給する。なおこの時電磁三方弁３１は空気供給管路２
８を経て燃料電池３０に空気が流れるのを遮断している
。

このように炎燃焼バーナ３に供給されたメタノールと燃
焼空気は混合して燃焼し、炎燃焼バーナ３で生じた熱媒
体としての火炎と燃焼ガスが隔壁７内の気化管８を加熱
した後、燃焼ガスは隔壁７内を流下し、隔壁７の下端で
折返して加熱室１０内を上昇して流れ、改質筒１２を加
熱して後、改質筒１２の外筒１２ｂ側を流れる燃焼ガス
は直接、内筒１２ａ側を流れる燃焼ガスは連通孔１４を
通って排出ノズル１５から外部に排出される。この際、
温度検出器３７により改質触媒１３の温度を測定し、こ
の検出温度が改質触媒１３のすべての測定点３６が改質
可能な温度以上になったら温度検出器３７からの出力信
号により制御盤３８を介して電磁弁２４を開にし、メタ
ノールをメタノール供給１ｌｌＸ２３から改質原料供給
管２５を経て気化管８に給液する。給液されたメタノー
ルは炎燃焼バーナ３からの燃焼ガスの加熱により気化管
８内で気化し、この気化ガスはガス分割器１１を経て改
質筒１２に送気され、改質触媒１３の触媒作用により水
素に冨むガスに改質される。この際、出始めの改質ガス
は未改質メタノールを含んでいる。改質筒１２から排出
されるこの未改質メタノールを含む改質ガスは電磁三方
弁２９の弁作動により改質ガスの出口ノズル１８からバ
イパス管路３４゜陽極排ガス供給管路３３を経て電磁三
方弁２１を介して燃料の入口管４から炎燃焼バーナ３に
送られて燃焼される。なお、この時燃料供給源２０から
のメタノールの流れは電磁三方弁２１により遮断される
。

改質反応が十分に行なわれ、送液されたメタノールが完
全に改質され、その組成が安定したら、ガス分析計５０
の４分析によるガス分析計５０からの出力信号により制
御盤３９を介して電磁三方弁２９を弁作動して改質ガス
を改質ガス供給管路３５を経て燃料電池３０の陽極に送
気する。なお、この時電磁三方弁２９はバイパス管路３
４への改質ガスの流入を遮断している。一方、電磁三方
弁３１を弁作動して空気供給管路２８を経て空気を燃料
電池３０の陰極に送気する。なお、この際電磁三方弁３
１はバイパス管路３８への流入を遮断している。

このようにして改質ガスと反応空気との燃料電池３０へ
の供給により燃料電池３０は電池反応を起こして発電す
る。そして燃料電池３０の陽極から排出される陽極排ガ
スは陽極排ガス供給管路３３を経て炎燃焼バーナ３に、
また陰極から排出される陰極排ガスは燃焼空気供給管路
３２を経て炎燃焼バーナ３に供給され、陽極排ガスは陰
極排ガスと混合して炎燃焼バーナ３で火炎を伴って燃焼
する。この火炎や燃焼ガスは気化管８を加熱し、燃焼ガ
スはさらに改質筒１２を加熱し、気化管８に給液された
メタノールを気化した後、改質筒１２内の改質触媒１３
の下で水素に富むガスに改質する。この改質ガスは前述
のように燃料電池３０の陽極に送気され、陰極に供給さ
れる反応空気とともに電池反応を起こして燃料電池３０
は発電して負荷に電力を供給する。この際、燃料電池３
０の負荷量が変化した時には、この負荷量に比例するメ
タノール量が燃料改質器ｌに給液されて改質され、負荷
量に応じた改質ガス量が燃料電池３０に供給され、一方
、反応空気量も負荷量に応じて燃料電池３０に供給され
、燃料電池３０は負荷量に応じて発電する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように燃料改質器１を室温から運転する場合、改
質触媒の加熱は燃料改質器１から改質ガスが出るまでは
炎燃焼バーナ３での燃料としてのメタノールの燃焼によ
る燃焼熱により、また改質ガスが出た後は燃料を未改質
メタノールを含む改質ガスに切換え、引き続いて燃料電
池から排出される陽極排ガスに切換えて炎燃焼バーナ３
で燃焼した燃焼熱により行なわれる。この場合、陽極排
ガスは燃料電池３０からの陰極排ガスを燃焼空気として
燃焼されるが、陽極排ガス中の水素濃度と陰極排ガス中
の酸素濃度が燃料電池の負荷変動に追従して大きく変動
する。このため、炎燃焼時の炎の成形が不均一、不安定
になり、その結果改質筒１２内の改質触媒１３が充填さ
れてなる改質触媒層の温度分布の温度差が大きくなる。

したがって改質率や改質触媒の寿命に悪影響を与え、か
つ急激な負荷変動の場合、失火する恐れもあり、信頼性
が欠けていた。

本発明の目的は、燃料から改質ガスへの切換時の改質ガ
スの燃焼が良好に行なわれ、かつ燃料電池の負荷変動に
伴い燃料電池からの陽極排ガス。

陰極排ガスのガス組成、ガス量が急激に大きく変動して
も陽極排ガスの燃料が安定し、失火を起こすことのない
燃料電池用燃料改質器を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明によればバーナから
の熱媒体により改質触媒を加熱して改質原料を水素に冨
むガスに改質して改質ガスを製造し、この改質ガスを燃
料電池の陽極に供給する燃料電池用燃料改質器において
、前記バーナを燃料を燃焼する炎燃焼バーナと、前記改
質ガスおよび燃料電池から排出される陽極排ガスを燃焼
する触媒燃焼バーナとで構成するものとする。

（作用〕 燃料改質器を室温から運転する時、改質触媒の加熱を燃
料改質器から改質ガスが出るまでは燃料例えばメタノー
ルを炎燃焼バーナで燃焼した燃焼熱により、また改質ガ
スが出た後は改質ガスと、完全に改質された改質ガスを
燃料電池の陽極に供給して電池反応により発電する間燃
料電池から排出される陽極排ガスとを触媒燃焼バーナで
燃焼した燃焼熱により行なって改質反応を行なわせる。

この場合触媒燃焼バーナは炎燃焼バーナに比べてはるか
に低い活性化エネルギーおよび低い反応温度の状況下で
あっても触媒表面上で火炎を発することなく燃焼が生じ
、また極めて広い空燃比範囲での燃焼が可能であるので
、燃料電池の負荷量に相応した陽極排ガス、陰極排ガス
組成であっても、その負荷量に応じて均一で安定した燃
焼が行なわれる。なお、改質ガスが燃料改質器から出る
までに行なわれる燃料の炎燃焼バーナでの燃焼により触
媒燃焼バーナは炎燃焼バーナからの伝熱により予熱され
るので、触媒燃焼バーナは改質原料の完全酸化の温度以
上に上昇しており、このため燃料から出始めの未改質成
分を含む改質ガスに切換える時、改質ガスは直ちに良好
に燃焼する。

〔実施例〕

以下図面に基づいて本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の実施例による燃料電池用燃料改質器の
断面および系統を示す系統断面図である。なお第１図に
おいて第２図の従来例と同一部品には同じ符号を付し、
その説明を省略する。

第１図において従来例と異なるのはバーナを燃料を燃焼
する炎燃焼バーナ３と、これを囲んで燃料電池３０から
の陽極排ガスを燃焼する触媒燃焼バーナ４０とで構成し
たことである。触媒燃焼バーナ４０　　・は炎燃焼バー
ナ３を囲み、下部が開口するケース４Ｉ内に、前記開口
に臨んで設けられる複数段の貴金属系からなる燃焼触媒
４２と、この燃焼触媒４２の上部に設けられるセラミッ
ク多孔体のような耐熱性多孔体４３と、この上部に設け
られるマニホールド４３とを配設して構成され、またケ
ース４１には陽極排ガス入口管４５と陰極排ガス４６と
が取付けられている。触媒燃焼バーナ４０を設けたこと
による燃料電池３０からの陽極排ガス、陰極排ガスおよ
び燃料供給源２０からの燃料の系統回路が従来例と異な
っているのは次の通りである。燃料供給管路２２に設け
られた電磁三方弁２１　（第２図参照）の代りに電磁弁
４８を設け、燃料は炎燃焼バーナ３のみに供給されるよ
うにしている。そして燃料電池３０から触媒燃焼バーナ
４０の陽、極排ガス入口管４５に接続する陽極排ガス供
給管路３３ａを設け、陽極排ガスは陽極排ガス供給管路
３３ａを経て触媒燃焼バーナ４゜のみに供給されるよう
にしている。また炎燃焼バーナ３と触媒燃焼バーナ４０
とにそれぞれ燃焼空気を供給するために電磁三方弁４９
を炎燃焼バーナ３に接続する燃焼空気供給管路３２に挿
入設置し、電磁三方弁４９から触媒燃焼バーナ４０の燃
焼空気入口管４６に接続する燃焼空気供給管路３２ａを
設けている。５１は電磁弁２４．４８と電磁三方弁２９
．３１．４９の開閉を制御して行なう制御器、開閉器等
を備えた制御盤である。

このような構成により燃料改質器１を室温から運転する
場合、燃料供給源２０から電磁弁４８を開にして燃料供
給管路２２を経てメタノールを、また電磁三方弁３１．
４９を弁作動してバイパス管路３８．燃焼空気供給管路
３２を経て燃焼空気を炎燃焼バーナ３に供給してメタノ
ールを燃焼し、この燃焼熱により前述のように改質筒１
２を加熱し、改質触媒１３が改質可能の温度に昇温した
後、改質原料であるメタノールを気化管８と改質筒１２
内に送り、改質反応を行なわせる。そして改質反応が始
まり未改質メタノールを含む改質ガスが出始めた時点で
燃料のメタノールおよび燃焼空気の流量を段階的に低減
し、電磁弁４８の閉および電磁三方弁４９の弁切換を行
なって炎燃焼バーナ３での燃焼を停止し、一方電磁三方
弁２９の弁作動により改質ガスを人口ノズル１８からバ
イパス管路３４．陽極排ガス供給管路３３ａを経て、ま
た燃焼空気をバイパス管路３８゜燃焼空気供給管路３２
ａを経てそれぞれ触媒燃焼バーナ４０に供給し、炎燃焼
バーナ３での燃料の燃焼から触媒燃焼バーナ４０での改
質ガスの燃焼に切換える。そして改質ガスを触媒燃焼バ
ーナ４０で燃焼させ、この燃焼熱により気化器８．改質
筒１２を加熱して改質反応を進める。この際、ガス分析
計５０で前述のように改質ガスの組成を分析し、改質反
応が完全に行なわれ、改質ガスの組成が安定したら（こ
の場合、組成が安定するまでのあらかじめ決められた時
間後でもよい）ガス分析計５０からの出力信号により制
御盤５１を介して電磁三方弁２９．３１゜４９の弁切換
を行なって改質ガスを改質ガス供給管路３５を経て、ま
た反応空気を反応空気供給管路２８を経てそれぞれ燃料
電池３０に供給し、電池反応を起こさせて発電を行なう
。燃料電池３０の発電中、燃料電池３０からの陽極排ガ
スと陰極排ガスとはそれぞれ陽極排ガス供給管路３３ａ
と燃焼空気供給管路３２ａを経て触媒燃焼バーナ４０に
送気されて陽極排ガスは燃焼し、この燃焼熱により気化
管８．改質筒１２を加熱し、これらを通流するメタノー
ルを水素に富むガスに改質する。

ところで、炎燃焼バーナ３で燃焼する燃料から触媒燃焼
バーナ４０で燃焼する改質ガスに切換える時、触媒燃焼
バーナ４０は炎燃焼バーナ３からの伝熱により燃焼触媒
４２がメタノールの完全酸化の１５０℃以上に余熱され
ているので、燃料改質器１から出る未改質メタノールを
含む改質ガスは触媒燃焼バーナ４０に流入すると直ちに
燃焼して良好な燃焼が得られる。また燃料電池３０の発
電中、陽極排ガスは陰極排ガスとの混合により触媒燃焼
バーナ４０で燃焼するか、前述のように燃料電池の負荷
量が変動して燃料電池からの陽極排ガスの水素濃度や陰
極排ガスの酸素濃度が変化しても触媒燃焼バーナで安定
燃焼が行なわれ、改質筒１２内の改質触媒層の温度分布
が均一化され、また失火もなくなる。

なお、触媒燃焼バーナ４０に流入する陽極排ガスと陰極
排ガスとはマニホールド４４にて均一に混合され、この
混合ガスは耐熱性多孔体４３を通過することにより燃焼
触媒４２に均一に供給されるので、燃焼触媒４２にホッ
トスポットの発生が防止され、また陽極排ガスや陰極排
ガス中に含まれる恐れのある触媒毒を除去することがで
き、良好な燃焼が得られる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によればバーナを
燃料を燃焼する炎燃焼バーナと、改質ガスおよび陽極排
ガスを燃焼する触媒燃焼バーナとで構成し、改質ガスが
製造されるまでは炎燃焼バーナでの燃料の燃焼による燃
焼熱により改質触媒を加熱して改質を行ない、改質ガス
が製造された後は改質ガスおよび陽極排ガスの触媒燃焼
バーナでの燃焼による燃焼熱により改質触媒を加熱して
改質反応を進めるようにしたことにより、触媒燃焼バー
ナは炎燃焼バーナからの伝熱により予熱されて、改質原
料の完全酸化の温度以上になっているので、燃料から改
質ガスに切換る時、燃料改質器からの未改質成分を含む
改質ガスは直ちに良好に燃焼して円滑な切換ができると
ともに燃料電池の負荷変動により陽極排ガス中の水素濃
度と陰極排ガス中の酸素濃度とが変化しても触媒燃焼バ
ーナで均一で安定した燃焼が得られ、このため改質触媒
層の温度分布が均一化して改質率が向上し、改質触媒の
寿命が長くなるとともに失火しないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による燃料電池用燃料改質器の
断面および系統を示す系統断面図、第２図は従来の燃料
電池用燃料改質器の断面および系統を示す系統断面図で
ある。 ｌ：燃料改質器、３：炎燃焼バーナ、１３：改質触媒、
３０：燃料電池、４０：触媒燃焼バーナ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. バーナからの熱媒体により改質触媒を加熱して改質原料
   を水素に富むガスに改質して改質ガスを製造し、この改
   質ガスを燃料電池の陽極に供給する燃料電池用燃料改質
   器において、前記バーナを燃料を燃焼する炎燃焼バーナ
   と、前記改質ガスおよび燃料電池から排出される陽極排
   ガスを燃焼する触媒燃焼バーナとで構成したことを特徴
   とする燃料電池用燃料改質器。