JPH02120205A - 燃料電池用改質装置 - Google Patents

燃料電池用改質装置

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JPH02120205A
JPH02120205A JP63270766A JP27076688A JPH02120205A JP H02120205 A JPH02120205 A JP H02120205A JP 63270766 A JP63270766 A JP 63270766A JP 27076688 A JP27076688 A JP 27076688A JP H02120205 A JPH02120205 A JP H02120205A
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裕 水野
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利治 花嶋
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    • B01BBOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
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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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、コンパクトな装置でありながら触媒充填効率
が高く、かつ熱効率が大きい燃料電池用改質装置に関す
る。
〔従来技術〕
燃料電池は、主として燃料を水素に変換する改質装置と
、この改質装置で生成した水素を空気(酸素)と反応さ
せて水と電気とに変える燃料電池本体とから構成されて
いる。このうち改質装置は、液体原料(例えばメタノー
ルと水との混合液)を気化させて原料ガスにし、これを
加熱された触媒層で反応させることにより水素ガス主体
の改質ガスに変化させるようになっている。
一方、燃料電池には液化天然ガスを燃料とするプラント
級の大型のものから、メタノールと水の混合液体等を燃
料とする小型のものまで開発されつつある。このうち後
者の小型の燃料電池は、車両に搭載したり、一般家庭に
設置したりできるようにすることを目的とするため、装
置を出来るだけコンパクトにすることが要求されている
。しかし、装置をコンパクトにしすぎると触媒充填効率
が低下したり、熱効率が低下したりするという問題を有
していた。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は、上述した従来の問題を解決し、装置を
コンパクトにしながら触媒充填効率を向上させると共に
、熱効率を増大させるようにする燃料電池用改質装置を
提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成する本発明の燃料電池用改質装置は、複
数の触媒層を多重筒状に形成すると共に、隣接する触媒
層の間に加熱層を介在させ、触媒層と加熱層とを交互に
配置したことを特徴とするものである。
このように触媒層を多重筒状に配置したことにより装置
をコンパクトにし、しかも触媒の充填効率を向上するこ
とができ、さらにこのように配置した触媒層と加熱層と
を交互に配置することにより交換熱量を増大するため、
熱効率を向上するようになるのである。
〔実施例〕
以下、本発明を図に示す実施例によって説明する。
第1図A、Bに示す実施例において、1は液体燃料を気
化するための蒸発器、2は蒸発器1の下方に設置された
バーナである。3a、3bは同心状に配置された筒状の
反応槽であり、それぞれ内部に触媒が充填されて触媒N
4a、4bを形成している。これら反応槽3aの内側、
反応槽3aと3bの間、および反応槽3bの外側には、
それぞれ加熱層5a、5b、5cが形成され、反応槽(
触媒層)と加熱層とが交互に配置される関係になってい
る。
蒸発器1はパイプ1aをコイル状に巻いて構成されてお
り、そのパイプla中に供給管6から反応用の燃料(例
えばメタノールと水との混合液)を供給しながら、バー
ナ2の加熱によって蒸発気化させるようになっている。
バーナ2は図示しない燃料供給源から供給された燃焼用
燃料を、空気ロアからハツチング矢印のように空気を取
り入れて燃焼させて加熱ガスにするようにしている。
二重筒状に配置された反応槽3a、3bは、それぞれ上
端側を共通の集合室8に連結されると共に、下端側を共
通の集合室9に連結されている。また、上端側の集合室
8には蒸発器lのパイプ1aの末端が連結され、下端側
の集合室9には導出管10が連結されて、これを図示し
ない燃料電池本体に接続するようにしている。
したがって、蒸発器1で気化された燃料ガスは、白抜き
矢印のように集合室8に集められたのち各触媒槽3a、
3bに分配され、これら触媒層を下降する間に反応を行
って水素ガス主体の改質ガスになり、集合室9にまとめ
られたのち、導出管10から燃料電池本体へ供給される
ようになっている。
一方、バーナ2で発生した加熱ガスは、黒塗り矢印のよ
うに、一部は加熱層5aに入ると共に、さらに一部が反
応槽3aと集合室9との隙間を通って加熱層5bに入る
。また、他の一部は、集合室9の外周側に設けた連通孔
11から最外側の加熱層5Cに入り、さらに一部が反応
槽3aと集合室9との隙間を通って加熱層5bに入るよ
うになっている。したがって、加熱ガスは三つの加熱層
5a、5b、5cを、それぞれ触媒層4a、4bの反応
ガスと向流するように上昇したのち、排気管12から排
出されるようになっている。
上述した改質装置では、触媒層3a、3bが多重筒状に
配置されているため、装置をコンパクトにすることがで
き、またコンパクトでありながら触媒の充填効率をアン
プすることができる。また、このような多重筒状の触媒
層3a。
3bに対し、加熱層5.a、5b、5cを交互に配置し
たから熱交換量を大きくすることができ、それによって
熱効率を向上することができる。
さらには装置の全高を低くできるので、温度分布の均一
化が図りやすくなり、−層熱効率の向上を可能にする。
また、装置のスタートアップや負荷応答性を向上させる
ことができる。
さらに上述した実施例では、加熱媒体(加熱ガス)の流
れと反応ガスの流れを向流させる関係にしているので、
交換熱量を一層大きくすることができ、負荷応答性や熱
効率の向上のために一層有利にすることができる。
なお、上述した実施例セは、円筒状の触媒層を2Nだけ
設けるようにしたが、その形状としては筒状であれば楕
円、矩形など他の任意の形状であってもよく、また層数
も3層以上を設けるようにしてよい。
第2図A、 Bは本発明の他の実施例を示すものである
この実施例では、蒸発器1のパイプ1aの末端を下部側
の集合室9に対して連結し、上部側の集合室8に対して
改質ガスの導出管10を設けるようにしており、この点
だけが第1図A。
Bの実施例とは構成が異なっている。
このような変形構造により、触媒@4a、4b内の反応
ガスの流れと加熱層5a、5b、5C内の加熱ガスの流
れとが並流する関係になっている。したがって、この構
成によれば多量の熱量が必要とされる反応初期に温度を
高くすることができ、要求熱量と供給熱量のバランスを
良好にする。そのため反応がコントロールしやすくなる
という利点がある。また、並流によって反応終期では加
熱ガスはや・低温になるため一酸化炭素COの発生率を
抑制することができ、燃料電池本体の発電効率に対して
有利にすることができる。
第3図A、Bは、さらに別の実施例を示すものである。
この実施例は、第2図A、Bの場合と同様に蒸発器1の
パイプ1aの末端を下部側の集合室9に連結し、上部側
の集合室8に改質ガスの導出管10を設けるようにした
ばかりでなく、さらに加熱ガスの通路として、加熱層5
a、5b間を反応槽3aの下端側で連絡するのではなく
、上端側で連絡するようにしている。
このような変形構造により、加熱ガスは加熱層5aで上
昇し、次の加熱層5bでは下降し、最後の加熱層5Cで
再び上昇するようなシリーズの流れになる。このように
シリーズ化した加熱ガスの流れによって、この加熱ガス
は触媒層4a、4b内の反応ガスの流れに対し、両外周
のいずれか一方で並流となるのに対し、他方では向流に
なる関係になっている。したがって、一つの触媒層に対
して向流による熱交換と並流による熱交換とが同時に行
われ、そのため触媒層全体の温度分布を平均化し、反応
効率を良好にすることができるようになる。
また、この実施例では、最後の加熱層5Cを流れる温度
の低下した加熱ガスに、連通孔11からバーナ2の高温
の加熱ガスを追加するようにしている。そのため温度低
下した加熱層5c内の加熱ガスの温度レベルが上昇し、
より一層均−な温度分布にすることができる。このよう
に温度低下した加熱ガスに対する熱補給は、ヒートパイ
プなどの熱伝導体の一端をバーナ側の空間に挿入すると
共に、その本体を加熱層5C側へ挿入することによって
も行うことができる。
第4図A、 Bは、第3図A、Bの実施例と同様に加熱
ガスの流れをシリーズ化し、さらに触媒層の反応ガスの
流れもシリーズ化するようにした実施例である。このよ
うに反応ガスの流れをシリーズ化するために、反応槽上
端側の集合室を、反応槽3aに対する集合室8aと、反
応槽3bに対する集合室8bとの二つに分離して設ける
ようにしている。
したがって、この改質装置では、第3図A。
Bの実施例と同様に、一つの触媒層の反応ガスの流れに
対し、加熱ガスの流れが片側面では並流となるのに対し
、他側面では向流となり、触媒層全体に均一な温度分布
を与えることができる。そればかりでなく、触媒層がシ
リーズ化することによって触媒層の長さが大きくなり、
反応効率の一層の向上を図ることができる。
第5図A、 Bの実施例は、別の変形例を示したもので
ある。
この実施例では、反応槽の下端側の集合室を、反応槽3
aに対する集合室9aと反応槽3bに対する集合室9b
とに分離配置し、また上端側の集合室8の上方で加熱層
5aと50とを空間14で互いに連通させている。さら
に、集合室8を多数の連通孔13によって上下に貫通さ
せることによって、加熱層5bと空間14とを連通させ
るようにしている。
この構成によって、内側の触媒層4aでは、両側面の加
熱ガスの流れが反応ガスの流れと向流になるのに対し、
外側の触媒層4bでは、両側面の加熱ガスの流れが反応
ガスの流れに対して互いに反対になり、片側面(内側)
では向流であるのに対し、他側面(外側)では並流にな
るようになっている。
これによって、第2図A、Bの実施例が有する特長と、
第3図A、 Hの実施例が有する特長とを併せもつよう
になっている。
第6図A、 Hの実施例は、上記第5図A、 Bの実施
例における連通孔13を無くした改質装置である。すな
わち、加熱層5bにおける加熱ガスを積極的に流動させ
ないようにしたもので、放射や対流によって触媒層4a
、4bと熱交換するようにしている。
第7図A、Bの実施例は、上記第6図A、 Bの改質装
置の加熱層5bに、固体の熱伝導体5b”を挿入するよ
うにしたものである。この固体の熱伝導体5b’は気体
に比べて熱容量が大きいので、触媒層に対する熱交換を
一層効果的にすることができる。
この加熱層5bに挿入する熱伝導体5b’としては、図
に示すように反応槽3a、3bの壁面との間に空隙を介
するように挿入してもよいが、壁面に密着させるように
し、その熱伝導体自体が加熱層5bの全体を構成するよ
うにしてもよい。また、熱伝導体5b’の厚みを触媒層
内の反応ガスの流れに沿って変化させるようにし、反応
初期の部分(反応ガスの上流側)では厚く、反応後期の
部分(反応ガスの下流側)では薄くするようにすれば一
層効果的である。
上述した実施例は、いずれも加熱媒体が加熱ガスの場合
の例であるが、本発明では加熱液体を加熱媒体として使
用することもできる。
第8図A、 Bおよび第9図A、 Bは、いずれも加熱
液体を加熱媒体とする場合の実施例を示している。
第8図A、 Bの実施例は、触媒槽4a、4bを充填し
た反応槽3a、3bを二重筒状に配置し、これらの両端
を集合室8a、  8bおよび9で接続して、燃料ガス
(反応ガス)がシリーズに流れるようにしている。また
、これら反応槽3a、3b(触媒槽4a、4b)に加熱
層15a、15b、15Cが交互に介在するように配置
されている。これら加熱層15a、15b。
15cはシリーズに接続されており、供給管20から供
給された加熱液体が上記加熱層を順次流れたのち排出管
22から排出されるようになっている。
また、この実施例では、液体燃料を燃料ガスにする蒸発
器が改質装置本体には設けられず、別体の蒸発器で生成
した燃料ガスが供給管6から供給されるようになってい
る。
これに対し第9図A、Bの改質装置は、蒸発器1を改質
装置本体に設置した例である。この蒸発器1には加熱用
のバーナ2が設けられているので、それから発生する加
熱ガスが加熱層15aの中央を貫通して上昇するように
なっている。
これら加熱液体によって加熱する場合にも、本発明の改
質装置では触媒層を多重筒状に配置したことにより装置
をコンパクトにし、このようにコンパクトにしながら触
媒の充填効率を向上することができる。また、このよう
に配置した触媒層と加熱層とを交互に配置したことによ
り交換熱量を増大し、それによって熱効率を向上すると
いう効果を発揮することができる。
〔発明の効果〕
上述したように、本発明の燃料電池用改質装置は、複数
の触媒層を多重筒状に形成すると共に、隣接する触媒層
の間に加熱層を介在させ、触媒層と加熱層とを交互に配
置する構成にしたので、装置をコンパクトにし、かつコ
ンパクトにしながら触媒充填効率を向上させると共に、
熱効率を増大させることができる。
(本頁以下余白) 4、
【図面の簡単な説明】
第1図Aは本発明の実施例からなる燃料電池用改質装置
を示す縦断面図、第1図Bは第1図AのI−1矢視図で
ある。第2図A〜第9図Aはそれぞれ他の実施例による
燃料電池用改質装置を示す縦断面図であり、第2図B〜
第9図Bはそれぞれ第2図A〜第9図Aのn−n、m−
m、 rv−rv、 v−v、 vr−vr、■−■、
■−■。 IX−IX矢視図である。 1・・・蒸発器、2・・・バーナ、3a、3b・・・反
応槽、4a、4b−・・触媒層、5a、5b、5c。 15a、15b、15cm−・加熱層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 複数の触媒層を多重筒状に形成すると共に、隣接する触
    媒層の間に加熱層を介在させ、触媒層と加熱層とを交互
    に配置してなる燃料電池用改質装置。
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