JPH03205303A - 燃料電池システムの燃料改質装置 - 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、リン酸型燃料電池システムの燃料改質装置に
関するもので、特に燃料改質装置の触媒および加熱器に
関するものである。

（従来の技術） 火力発電や原子力発電等は化石燃料の化学エネルギーを
熱エネルギーや核エネルギーに変えてから電気エネルギ
ーを得るのに対し、燃料電池は化学エネルギーから直接
電気エネルギーを得る。この燃料電池は、反応物が外部
から連続的に供給される化学電池であり、燃料電池本体
、燃料改質装置、電力変換装置が主な構成要素であって
、これらの構成要素に制御装置、排熱回収装置等が加わ
り燃料電池システムを構成する。

このうち燃料改質装置は、原料ガスとしての化石燃料ガ
スを水素リッチの改質ガスへ改質する装置であり、脱硫
原料ガスを水素と炭酸ガスと一酸化炭素にする改質器と
、改質ガズ中の一酸化炭素を許容濃度以下にするＣＯ変
成器とから構成される。

例えば、第８図に示すように、燃料ガス人口５０から燃
料ガス室４１に流入した燃料ガスは、矢印八方向から反
応管４２に入り、この反応管４２に充填されたベレット
状触媒４３で改質反応を起こした後、反応後の改質ガス
が流通管４４に入り、図示矢印Ｂ方向に流れ、燃料ガス
出口４６からＣＯ変成器に供給される。このとき、水蒸
気改質法であるから、バーナ５２により生成される火炎
によって加熱室５３が加熱され、反応管４２内での改質
反応が促進され、燃料ガスが水素と炭酸ガスと一酸化炭
素を含む改質ガスに変換される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の燃料電池システムの燃料改質装置
によると、改質反応に用いる触媒がペレット状触媒であ
るため、燃料ガスとの接触面積が小さく、均一加熱が困
難で、圧力損失が大きく、還元反応にもとづくススの発
生により反応管が目詰りを起こしやすいという問題およ
び改質装置容積が極めて大きいという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされた
もので、ハニカム状ブロックに形成される貫通孔内壁に
担持した触媒（以下、「ハニカム触媒」という）を燃料
電池システムの燃料改質装置に組み込み、かつ表面燃焼
バーナによる均一加熱により燃料ガスを改質するように
した燃料電池システムの小型化可能な燃料改質装置を提
供することを目的とする。

（課題令解決するための手段） 本発明の第１の発明の燃料電池システムの燃料改質装置
は、燃料ガスを流通させる反応管と、この反応管を加熱
する表面燃焼バーナと、前記反応管内に設けられ、触媒
を担持するハニカム構造体とを備え、燃焼ガスを前記触
媒に接触させて該燃料ガスを改質ガスに変換することを
特徴とする。

本発明の第２の発明の燃料電池システムの燃料改質装置
は、一端が閉じ他端が開口される有底円筒状の反応管と
、この反応管内に挿入され、隔壁により区画された多数
の平行な貫通孔を有するハニカム状筒体と、このハニカ
ム状筒体の前記貫通孔内壁に担持される触媒と、前記ハ
ニカム状筒体の内周壁に囲まれ、筒体長手方向に貫通さ
れる流通路とを備え、燃料ガスが反応管内で前記貫通孔
を流通する間に該燃料ガスを改質ガスに変換することを
特徴とする。

（作用） 本発明の燃料改質装置によると、反応管内に触媒を担持
するハニカム構造体を設けるため、燃料ガスと触媒との
接触面積が大きく、圧力損失が少なく、目詰りを起こし
にくいので、燃料電池本体からの要求に応じた改質反応
を迅速に行ない、しかも強度、耐久性の面で改質装置の
寿命を長くする。そして、ハニカム構造体を収納する反
応管は表面燃焼バーナにより加熱されるので、触媒反応
の初期立上がりを速め、触媒による改質反応の応答性な
高められる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

本発明の第１の実施例は、燃料改質装置にセラミック繊
維バーナからなる凸状表面燃焼バーナを用いた例である
。

まずこの燃料改質装置を用いたリン酸型燃料電池システ
ム例について説明する。

第３図に示すように、リン酸型燃料電池システムは、燃
料電池本体６１、燃料改質装置６２、電流変換装置６３
、排熱回収装置６４が主な構戒要素である。

燃料電池本体６１は、リン酸水溶液からなる電解質溶液
にアノード６５とカソード６６が接触され、アノード６
５側に導かれる水素リッチガス中の水素とカソード６６
側に導かれる空気中の酸素とを例えば白金を触媒として
電気化学的に反応させて発電する。

燃料改質装置６２は、化石燃料ガスを水素リッチガスに
改質する装置であって、化石燃料ガス中の硫黄化合物を
除去する脱硫器７５と、脱硫原料ガスを水素と炭酸ガス
と一酸化炭素とにする改質器７６と、改質ガス中の一酸
化炭素を許容濃度以下にするＣ○変換器７７とから構成
される。ｃｏ変換器７７で改質された改質ガスは水素リ
ッチガスとして燃料電池本体６１のアノード６５に送ら
れる。なお、電流変換装置６３は燃料電池本体６１で発
電された直流電流を実用的な交流電流に変換するもので
ある。

以上の如く構成されたリン酸型燃料電池システムの改質
器７６は、第１図および第２図に示すような燃料改質装
置３０を有している。

この燃料改質装置３０は、燃料人口２から燃料ガス室９
を経て燃料ガスを導く有底筒状の底部が半球状に閉じた
反応管５、６、７、８、９を有する。これらの反応管５
、６、７、８、９の内部にそれぞれ第１０図に示すよう
な円筒状のハニカム構造体２５が収納されている。この
ハニカム構造体２Ｓは、隔壁により区画され、た多数の
貫通孔２５ａを有するハニカム状筒体であって、その内
周壁２５ｂと貫通孔２５ａとがハニカム構造体２５の両
端でのみ運通する。

ハニカム構造体２５を形成する材料は、気密材料であっ
て、具体的には金属質、セラミックス質、ガラス質等の
材料またはその複合材料を用いるのがよい。金属材料と
しては、銅、鉄、ステンレス、アルミニウムー鉄、チタ
ンなどを用いるのが望ましい。セラミック質材料として
は、アルミナ、ムライト、コージェライト等を用いるの
が望ましい。

このような材料からなる互いに連続した隔壁により貫通
孔２５ａの断面形状を三角形、四角形、六角形等の多角
形（実施例では四角形）あるいは円形等に形成し、その
貫通孔２５ａを互いに平行に多数形成する。ハニカム構
造体の多数のそれぞれ独立した貫通孔は、その軸線が平
行になっていることが望ましい。その理由は貫通孔を形
成する隔壁の厚さが均等になるため、圧力損失、熱伝導
面積等が各貫通孔内において均一になるからである。

この貫通孔の内周壁にはニッケルを主成分とする触媒の
表層が形成されている。触媒の成分はニッケル質に限定
されるものではない。

そしてハニカム構造体２５を収納する反応管５、６、７
、８、９の間の加熱室３２にそれぞれ凸状表面燃焼バー
ナ１０、１１、１２、１３が該反応管の長手方向とほぼ
平行に上向きに設けられている。

この凸状表面燃焼バーナ１０は、第９図に示すように、
金網等の保持部材８２の表面に積層された凸状燃焼面形
成用の多孔質母材８１ど該多孔質母材８工の上層に形成
された多孔質表面層８３とからなる。多孔質母材８１は
、例えばアルミナ系またはジルコニア系のセラミック質
からなる耐熱性繊維である。この耐熱性繊維は長さ１〜
５ｍｍのセラミック単繊維を使用すると良い。多孔質母
材８１は６０〜９０％の気孔率を有し、その内部にニッ
ケル、アルミニウム等の卑金属触媒あるいは白金、パラ
ジウム等の貴金属触媒が担持されることが好ましい。一
方、多孔質表面層８３は長さが１０ｍｍ以上のセラミッ
ク長繊維と無機質結合９ 材からなるものであって、その気孔率を多孔質母材８ｌ
の気孔率よりも５％以上大きくしたものである。多孔質
表面層８３の厚さは多孔質母材８１の厚さの２０〜６０
％程度が望ましい。多孔質表面層８３は成形性に優れて
いる多孔質母材８１をまず保持部材８２の表面に積層し
た上でその上層に耐熱性繊維と無機質結合材との混在物
を塗布することにより多孔質母材８１と多孔質表面層８
３とが二層に積層された燃焼部を有する円筒状の表面燃
焼バーナが得られる。なお８４は混合気供給管、８Ｓは
混合気供給管８４の基部に形成されたガスケット層、８
６は保持部材８２の内部の空洞部を示す。

このように構成された凸状表面燃焼バーナ１０は、炭化
水素系ガスと空気との混合気を混合気供給管８４から供
給しつつ着火すれば、混合気は保持部材８２の内部の空
洞部８６から多孔質母材８１の全体に均一に拡散し、多
孔質母相８１の内部を通過した上その表面ないしは多孔
質母材８１の上面に形成された多孔質表面層８３の内部
におい１　０ て炎を生じることなく表面燃焼をする。他の凸状表面バ
ーナｌ１、１２、１３についても同様である。

これらの表面燃焼バーナ１０，１１、ｌ２、１３は反応
管５、６、７、８、９の周囲にその長手方向に沿って配
設されるため、反応管５、６、７、８、９の内部に収納
されたハニカム構造体２５を均一かつ迅速に加熱するの
で、その貫通孔２５ａの内壁に担持される触媒（ハニカ
ム触媒）による改質反応の応答性を高めることができる
。

この場合ハニカム触媒の担持されたハニカム構造体２５
はその構造体の特性上強度に優れ、圧力損失が少なく、
貫通孔２５ａを流通する燃料ガスとの接触面積が広いの
で、触媒による改質反応が促進される。

第４図および第５図は、本発明の第２の実施例の燃料改
質装置を示すもので、表面燃焼バーナに凹状表面燃焼バ
ーナな用いた例である。

第４図および第５図において第１図および第２図と実質
的に同一の構威部分については同一符号ｌ １ を付し、その説明を省略する。

凹状表面燃焼バーナ９０は、セラミック繊維バーナから
なり、表層部の構成は第９図に示す切欠部分に示す構成
と同様である。凹状表面燃焼バーナ９０は第９図のもの
と異なり多孔質表面層９０ａが凹面状に形成されている
。凹面９０ａによって反応管５、６、７、８、９の外壁
を包囲するように凹状表面燃焼バーナ９０を設けている
ため、ハニカム構造体２５を経て触媒の加熱を促進する
。

この場合、凹面９０ａによって反応管５、６、７、８、
９の周りが隙間を介して全体的に取り囲まれた状態とな
っていることから、均一の加熱が行なえ、熱効率が極め
て良好であるという効果がある。したがって、燃料電池
システムの制御に応じて燃焼ガスの改質反応をより迅速
に行なうことができる。

第６図および第７図は、本発明の第３の実施例の燃料改
質装置を示すもので、第２の実施例に加え、第１の熱交
換器９５、第２の熱交換器９６を加えたものである。燃
料ガス室９に導かれる燃料１ ２ ガスは、第１の熱交換器９５および第２の熱交換器９６
によって加熱昇瀧されて燃料ガス室９に導入される。こ
のとき、第１の熱交換器９５で燃料ガスが改質ガスから
熱を奪い、さらに第２の熱交換器９６では凹状表面バー
ナ９０の燃焼排ガスから燃料ガスが熱を奪って加熱され
る。これにより、燃料ガスの昇温を速めるとともに、さ
らに凹状表面燃焼バーナ９０の加熱により改質反応を促
進し、改質応答性を良好にすることができるという効果
がある。

次に、燃料改質装置の反応管に配設されるハニカム構造
体と凸状表面燃焼バーナとの位置関係を表わす例を第１
１図に示す。第１１図において、第２図と実質的に同一
の構成部分について同一符号を付すことにする。

第１１図（Ａ）は隣接するハニカム構造体２５の中間に
凸状表面燃焼バーナ１０を配設した例である。（Ｂ）は
容器１の内周に薄肉円筒状の平面状表面燃焼バーナ２６
を配設し、この表面燃焼バーナ２６の内部に同一円周上
にハニカム構造体２５を収納し、中央部に凸状表面燃焼
バーナ１０を配設した例である。（Ｃ）は容器１の内周
壁にその軸方向に平面状表面燃焼バーナ２７を配設し、
これらの平面状表面燃焼バーナ２７で囲まれる内部にハ
ニカム構造体２５を同一円周上に設け、さらに中央部に
凸状表面燃焼バーナ１０を配設した例である。なお、本
発明のおけるハニカム構造体と表面燃焼バーナの位置関
係は、これらの実施例に限られるものでなく、適宜、変
更することが可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の燃料電池システムの燃料
改質装置によれば、ハニカム触媒とこのハニカム触媒を
加熱する表面燃焼バーナを設ける構成にしたため、表面
燃焼バーナによるハニカム触媒の均一加熱が可能となり
、圧力損失の少ないハニカム構造体に担持される触媒で
あるから、燃料ガスとの接触面積が大きく、圧力損失も
少なく強度も優れ、触媒による改質反応を迅速に行なえ
るという効果および燃料改質装置を小型化できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の燃料改質装置をあらわ
す概略断面図、第２図はその概略配置構成図、第３図は
リン酸型燃料電池システムの回路構成を表わす回路図、
第４図は本発明の第２の実施例の燃料改質装置を表わす
概略断面図、第５図はその概略配置構成図、第６図は本
発明の第３の実施例の燃料改質装置を表わす概略断面図
、第７図はその概略配置構成図、第８図は従来例の燃料
改質装置を表わす概略断面図、第９図は本発明の第１の
実施例に用いた表面燃焼バーナを表わす一部切欠正面図
、第１０はハニカム構造体を表わす斜視図、第１１図は
ハニカム構造体と表面燃焼バーナの位置関係の配置例を
示す概略配置構成図である。 ５、６、７、８、９′　・・・反応管、１ ５ １０　・・・凸状表面燃焼バーナ、 ２５　・・・ハニカム構造体、 ２５ａ・・・貫通孔、 ９０　・・・凹状表面燃焼バーナ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料ガスを流通させる反応管と、この反応管を加
   熱する表面燃焼バーナと、前記反応管内に設けられ、触
   媒を担持するハニカム構造体と、を備え、 燃焼ガスを前記触媒に接触させて該燃料ガスを改質ガス
   に変換することを特徴とする燃料電池システムの燃料改
   質装置。
2. （２）一端が閉じ他端が開口される有底円筒状の反応管
   と、 この反応管内に挿入され、隔壁により区画された多数の
   平行な貫通孔を有するハニカム状筒体と、このハニカム
   状筒体の前記貫通孔内壁に担持される触媒と、 前記ハニカム状筒体の内周壁に囲まれ、筒体長手方向に
   貫通される流通路とを備え、 燃料ガスが反応管内で前記貫通孔を流通する間に該燃料
   ガスを改質ガスに変換することを特徴とする燃料電池シ
   ステムの燃料改質装置。