JPH0375481B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】 この発明は、燃料電池発電システムに組み込ん
でアルコール等の液体原料を水素リツチなガスに
改質して燃料電池本体のアノードへ供給するよう
にした燃料電池用の燃料改質装置に関する。

【従来技術とその問題点】

アルコール等を原料として燃料電池へ燃料ガス
を供給するには、前記アルコール等の液体原料を
ガス化した上でさらに水素リツチなガスに改質す
ることが必要であり、このために燃料電池発電シ
ステムには燃料改質装置が組み込まれている。こ
こで前記のようにアルコール等を燃料ガスの原料
とした燃料電池の発電システムの一般構成を第３
図に示す。図において、１は燃料電池本体、２は
アルコール等の液体原料を収容した原料タンクで
あり、該原料タンク２と燃料電池本体１のアノー
ド側との間を結ぶ燃料供給系３にはこの発明の対
象となる燃料改質装置４が介挿設置されている。
なお５は燃料電池のカソード側に酸化剤ガスとし
ての空気を供給する空気供給系、６は燃料電池本
体冷却用の空気を送り込む冷却空気供給系であ
る。ここで前記の燃料改質装置３は、火焔バーナ
７を装備した炉体としてなる本体容器８に対し、
該容器内の燃焼室には外部から供給されたアルコ
ール等の液体原料をガス化する気化器９と、およ
び該気化器９を経てガス化された原料ガスを触媒
との接触反応により水素リツチなガスに改質する
改質反応器１０とを内蔵して構成されている。こ
こで気化器９の構造は、図示のように本体容器８
の底部側から引き込んだパイプを燃焼室内で上方
に向けて蛇行状に配管した後に再び室内下方へＵ
ターンさせ、図示されてない原料ガスマニホール
ドを経て後段の改質反応器１０へ接続するように
した構成となつている。 かかる構成において、運転時には燃料電池本体
１のアノード側から排出されるオフガスと空気ブ
ロア１１により吸気された燃焼空気とが一緒にバ
ーナ７で燃焼され、燃焼室内に配備された前記の
気化器９および改質反応器１０を加熱する。一
方、アルコール等の液体原料は原料タンク２より
送液ポンプ１２を経て気化器９に送り込まれ、気
化器９内でガス化された後に改質反応器１０内で
水素リツチなガスに改質されて燃料電池本体１の
アノード側に供給される。 一方、燃料電池の運転に際しては、燃料電池本
体１へ供給する反応ガスとしの空気および燃料ガ
スとの供給圧力を一定に保持してバランスを図る
ことが燃料電池の寿命低下を防止する上で極めて
重要である。このために燃料ガス供給系では燃料
改質装置を通じて燃料電池本体へ送出する燃料ガ
スの供給圧力を常に一定値に保持する必要があ
る。 しかしながら前記した従来構成の燃料改質装置
のままでは、運転時に改質装置で得られる改質ガ
ス圧力が第５図に示すように時間軸に対して大幅
に変動する現象が見られ、このことが燃料電池本
体１における燃料側の圧力変動の大きな原因とな
つている。このために従来では第３図において燃
料改質装置４の出口側と燃料電池本体１との間に
符号１３で示すバツフアタンク、あるいは絞りを
使用した圧力調整弁等としてなる圧力変動防止手
段を介装し、燃料電池本体１に供給する燃料ガス
の供給圧力の変動を小さく抑える方法が採用され
ている。しかして圧力変動防止手段１３としてバ
ツフアタンクを設けた前者の方式ではそのタンク
容積が大となり、特に車両動力用として車両に搭
載した小容量の燃料電池発電システムでは設備が
大形化する。また絞りとしての圧力調整弁を介装
した後者の方式では改質装置４に内蔵した改質反
応器の内部圧を大幅に高めることになつて耐圧性
の面で好ましくない等の欠点がある。 かかる観点から、本発明者は燃料改質装置自身
での改質ガス圧力変動防止策を見い出すべく、ま
ず改質ガスの圧力変動の原因に付いてその原因究
明を行つた結果、改質装置内部で発生する改質ガ
スの圧力変動の原因が次記のように気化器内部に
おける原料の気化過程の挙動に原因があるとの結
論に達した。すなわち第３図のように本体容器８
に対してその底部側から引き込んだ気化器９のパ
イプを燃焼室内で蛇行配管し、このパイプ内へ向
けて送液ポンプ１２により液体原料を押し込み供
給することによりそのパイプ内通流過程で液体原
料を気化して原料ガスに変えるようにした従来の
気化器９では、その配管パイプの入口側から出口
側に至る間で液体原料は第４図ａ〜ｇのような経
緯をたどつてガス化して後段の改質反応器１０へ
送出される。すなわち気化器の入口側ではａのよ
うに液単相流としてパイプ内を満たして流れる液
体原料Ｌは、燃焼加熱により液体原料が熱を受け
てパイプの壁面近傍では沸騰して液体の一部がガ
ス化し始め、ｂのように液体内に気泡Ｇとなつて
液体Ｌに混在するようになり、さらにガス化が進
行してｃのプラグ流、ｄのスラグ流、ｅの環状
流、ｆの噴霧流を経て最終的にｇのガス単相流と
なつて気化器から流出する。このように気化器の
配管パイプの通路内部ではａ，ｇの単相流と、ｂ
〜ｆのように液体ガスとが混在する二相流との領
域が存在する。しかも特にｃ，ｄで示したプラグ
流、スラグ流の領域は気化潜熱による局部的な温
度低下等が原因でその領域がパイプ内部で絶えず
変動し、このために気化器全体としての質量流量
が時間的に大きく変化してこのことが改質装置か
ら出る改質ガスの大幅な圧力変動の原因となる。

【発明の目的】

この発明は上記の点にかんがみなされたもので
あり、先記した気化器内部を流れる原料気化過程
での挙動の考察を基に、気化器の構成配置、気化
器内を通流ずく原料の流れに改良を加えることに
より改質ガスの圧力変動を小さく抑制できるよう
にした燃料改質装置を提供することを目的とす
る。

【発明の要点】

上記目的を達成するために、この発明は燃料改
質装置の燃焼室内に内蔵設置された気化器に付い
て、該気化器における液体原料供給側の入口端を
上位に、原料ガスを取出す出口端を下位にして、
例えばパイプをスパイラル状に巻回して前記入口
端から出口端へ至る全域に亙り下向きに傾斜した
気化通路を構成し、ここで気化器に導入した液体
原料が気化器の原料通路内で液単相流を生成せず
に液面上にガス空間を残して流下するように供給
流量を制限して液体原料を供給することにより、
気化器内部での気化過程で先記したプラグ流、ス
ラグ流の発生を防止して改質ガスの圧力変動を小
さく抑えるようにしたものである。

【発明の実施例】

第１図はこの発明の実施例による燃料改質器装
置の構成を示すものであり、第３図に対応する同
一部材には同じ符号が付してある。すなわちこの
発明により、改質装置の燃焼室内に配管装備され
ている気化器９に付いては、その構造が液体原料
供給側のパイプ入口端を上位に、原料ガスの出口
端を下位にしてその入口端から出口端へパイプを
連続してスパイラル状に巻回したものとしてな
り、本体容器８内の中央に画成された燃焼室８ａ
に配備されている。かかる気化器９に対してその
入口端側からは液体原料供給管１４が本体容器８
の上壁を貫通して上部外方に引出してあり、かつ
出口端が容器内底部に設置した原料ガスマニホー
ルド１５を介して燃焼室８ａを仕切る隔壁１６の
外周に配備した改質反応器１０と連通接続されて
いる。この改質反応器１０は管胴内に改質触媒１
７の粒子を充填したもので、その出口側に接続し
たリング状の改質ガスマニホールド１８を経て改
質ガス供給管１９が引出し配管されている。なお
必要により燃焼室８ａ内部における気化器９の周
囲には熱媒粒子が充填されている。また本体容器
８の上部外周には燃焼排ガスのマニホールド２０
を有し、該マニホールド２０を経て排気管２１が
引き出してある。 かかる構成で液体原料供給管１４を通じて外部
から供給された液体原料は実線矢印で示すような
経路をたどり、まず気化器９の内部を通流する過
程でガス化された後に改質反応器１０で水素リツ
チガスに改質され、改質ガス供給管１９を通じて
図示されてない燃料電池本体のアノード側に供給
される。これに対して火焔バーナ７で燃焼した燃
焼ガスは破線矢印のように燃焼室８ａで気化器９
を加熱した後に隔壁１６の下端側から外周に迂回
し、その上昇過程で改質反応器１０を加熱し、排
気管２１を通じて系外に排気される。 一方、前記した気化器９の構成により、気化器
の内部ではその入口端から出口端に至る管内通路
の全域に亙り下向きの傾斜通路が形成されること
になる。ここで液体原料供給管１４を通じて気化
器９に導入される液体原料は、第４図ａで述べた
ように液体原料Ｌが通路内で液単相流を形成する
ことなく、第２図に示すようにパイプ内で液面上
にガス空間を残す程度に供給流量を制限して供給
される。その一例として例えば気化器のパイプ径
10mmφに対して液体原料の供給流量を100c.c.／分
程度に選定する。これにより、まず気化器９の入
口側に近い領域では第４図ａの液単相流のように
パイプ内を液が充満して流れる状態がなくなり、
したがつてｂ〜ｄの気泡流，プラグ流，スラグ流
を経由することなく入口側から直接ｅ，ｆを経て
ｇのガス単相流となるような経過をたどることに
なる。この結果として気化器内を通流する原料の
質量流量が時間的に変化なくほぼ一定量に保持さ
れることになり、前記したプラグ流，スラグ流に
起因して発生する改質ガスの圧力変動が抑制れさ
るようになる。第６図はこの実施例による燃料改
質装置の出口側における改質ガスの経時的な圧力
変動を示したもので、この図から明らかなように
改質ガスの圧力変動は微々たる値となり、燃料電
池への燃料ガス供給圧を安定保持できるようにな
る。また第３図に示した従来のシステムのように
燃料改質装置４と燃料電池本体１との間に改質ガ
ス圧力変動防止手段を特別に追加設置する必要も
なくなる。

【発明の効果】

以上述べたようにこの発明によれば、気化器に
おける液体原料供給側の入口端を上位に、原料ガ
スを取出す出口端を下位にして、前記入口端から
出口端へ至る全域に亙り下向きに傾斜した気化通
路を構成したことにより、ここで気化器への液体
原料の供給流量を適正に調整して供給することで
液体原料が気化器の通路内を充満して流れる液単
相流の状態が発生せず、したがつて原料の気化過
程でのプラグ流，スラグ流も存在せずに気化器の
質量流量をほぼ一定に維持することができるよう
になり、かくして改質ガスの圧力変動を抑えて燃
料電池へ安定した圧力で改質がを供給することが
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に基づく燃料改質装
置の構成断面図、第２図は第１図における気化器
内部での原料の通流状態図、第３図は従来におけ
る燃料改質装置を含む燃料電池発電システムの系
統図、第４図は従来の改質装置の気化器における
原料の気化過程の各状態図、第５図および第６図
はそれぞれ従来およびこの発明の実施例による燃
料改質装置で得られた改質ガスの圧力変動の経時
変化特性図である。図において、 １：燃料電池本体、２：液体原料タンク、３：
燃料ガス供給系、４：燃料改質装置、７：バー
ナ、８：燃料改質装置の本体容器、８ａ：燃焼
室、９：気化器、１０：改質反応器、Ｌ：液体原
料、Ｇ：原料ガス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 本体容器の燃焼室内に改質される液体原料を
   ガス化する気化器と、該気化器を経てガス化され
   た原料ガスを触媒との接触反応により水素リツチ
   なガスに改質する改質反応器とを直列に接続して
   内蔵装備し、アルコール等の液体原料を水素リツ
   チな燃料ガスに改質して燃料電池へ供給するよう
   にした燃料電池用の燃料改質装置において、前記
   気化器における液体原料供給側の入口端を上位
   に、原料ガスを取出す出口端を下位にして前記入
   口端から出口端へ至る全域に亙り下向きに傾斜し
   た気化通路を構成したことを特徴とする燃料電池
   用の燃料改質装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の燃料改質装置に
   おいて、気化器がそのパイプ入口端を上位に、出
   口端を下位にしてパイプをスパイラル状に巻回し
   てなるものであることを特徴とする燃料電池用の
   燃料改質装置。 ３ 特許請求の範囲第１項、または第２項記載の
   燃料改質装置において、気化器への液体原料の供
   給流量を気化器の通路内で液単相流を生成させな
   い程度の流量に制限して供給するようにしたこと
   を特徴とする燃料電池用の燃料改質装置。