JPH07267602A - 燃料電池の燃料改質器 - Google Patents

燃料電池の燃料改質器

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JPH07267602A
JPH07267602A JP6082541A JP8254194A JPH07267602A JP H07267602 A JPH07267602 A JP H07267602A JP 6082541 A JP6082541 A JP 6082541A JP 8254194 A JP8254194 A JP 8254194A JP H07267602 A JPH07267602 A JP H07267602A
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JP
Japan
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reforming
silicon carbide
fuel
reformer
raw material
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Application number
JP6082541A
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English (en)
Inventor
Mitsuo Enomoto
三男 榎本
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Tokai Carbon Co Ltd
Original Assignee
Tokai Carbon Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料電池の燃料を水蒸気改質する改質器にお
いて、迅速かつ均等に加熱して円滑に改質反応させて、
均一組成の改質ガスが効率よく得られる燃料改質器を提
供する。 【構成】 加熱した触媒層7に改質原料ガスを流通させ
て水蒸気改質する燃料改質器1において、触媒層7とし
て触媒13を担持させた三次元網目構造を有する炭化珪
素多孔質発熱体11を用いる。なお、炭化珪素多孔質発
熱体11は気孔率が50%以上、平均気孔径が0.8〜
5mmの気孔特性のものから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、メタンやメチルアルコ
ール等の改質原料ガスを水蒸気改質して、水素に転化す
る燃料電池の燃料改質器に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池の燃料は、メタンやメチルアル
コール等の改質原料ガスを加熱した触媒層に流通させて
水蒸気改質反応により、水素濃度の高いガスに転化、改
質して使用される。この燃料改質器は、改質触媒を担持
した粒状の触媒担体を充填した多管式あるいは単管式の
触媒層をバーナによって外部加熱し、700℃以上の温
度で改質原料ガスと水蒸気とを反応させている。
【0003】例えば、図2に示す燃料改質器において、
改質器1には上部中央にバーナ2が設置され、燃焼室8
で燃焼した燃焼ガスは燃焼ガス通路9を流通して燃焼排
ガス出口3から排出される。4は改質原料ガス入口であ
り、改質原料ガス通路5を流通して触媒層7に流入した
改質原料ガスは、改質ガス出口6から燃料電池に送入さ
れる。
【0004】改質器の作動は、まず燃料をバーナ2によ
り燃焼して、生成した燃焼ガスを燃焼室8および燃焼ガ
ス通路9を流通させて触媒層7および改質原料ガス通路
5を所定温度に加熱する。次いで、燃焼ガスは燃焼排ガ
ス出口3から外部に排出される。メタンやメチルアルコ
ール等の改質原料ガスは改質原料ガス入口4から水蒸気
とともに供給されて、改質原料ガス通路5を流通する間
に加熱され、700℃以上の温度に加熱された触媒層7
に流入する。触媒層7は、アルミナなどの触媒担体にN
i系触媒を担持させた改質触媒が改質管10内に充填さ
れており、改質原料ガスは触媒層7を流通する間に水蒸
気反応により、主に水素と二酸化炭素に分解、改質され
て改質ガス出口6から燃料電池に送られる。
【0005】しかしながら、上記のような燃焼ガスによ
る外部加熱では、加熱効率が悪いために触媒層7を所定
温度に昇温させるのに時間がかかり、また燃料電池の起
動、停止を頻繁に行う運転形態の場合には、原料ガスの
負荷変動に改質反応が追随し難い問題点がある。更に、
外部加熱では触媒層7を均等に加熱することが難しいた
めに触媒層内に温度分布が生じやすく、その結果円滑な
改質反応が阻害されて改質ガス組成が不安定になり、改
質効率が低下する問題点がある。
【0006】そこで、触媒層内の温度分布、とくに触媒
層の半径方向の温度分布差を小さくして、均一化された
改質ガスを得る燃料改質器として、触媒層を二分し、改
質ガスの出口側を改質原料ガスの入口側より触媒層の熱
容量を大きくした燃料改質器が提案されている(特開平
5−301701号公報)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この燃料改質
器も外部加熱方式であるため、触媒層を均等に加熱する
ことが難しいうえに、熱容量の大きい触媒担体を用いて
いる関係で昇温には一層時間がかかる欠点がある。
【0008】本発明の目的は、上記問題点の解消をはか
り、触媒層を迅速かつ均等に加熱することができる燃料
電池の燃料改質器を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による燃料電池の燃料改質器は、加熱した触
媒層に改質原料ガスを流通させて水蒸気改質する燃料改
質器において、触媒層として触媒を担持させた三次元網
目構造を有する炭化珪素多孔質発熱体を用いることを構
成上の特徴とする。
【0010】炭化珪素多孔質発熱体は、例えばポリウレ
タンフォームのような三次元網目構造の有機質多孔体
に、炭化珪素粉末を水に分散させたスラリーを含浸させ
て乾燥したのち仮焼成してウレタン成分を焼却除去し、
得られた仮焼成体に再びスラリーを含浸して、余剰スラ
リーを除去して乾燥後、焼成処理する方法で製造された
ものが好適に用いられる。このようにして得られる炭化
珪素多孔質体は、気孔率の高い連続通気組織を有し、骨
格の連続性、三次元網目構造により流通する改質原料ガ
スとの接触が良好な組織構造を呈する。
【0011】この炭化珪素多孔質体を円柱状に加工して
触媒担体として用い、Ni系の触媒を担持させる。次い
で円柱状炭化珪素多孔質体の上下端面に、改質原料ガス
が流通する中央部を除いてターミナル電極を接合して、
図1に示す炭化珪素多孔質発熱体を形成する。図1にお
いて、11は炭化珪素多孔質発熱体、12は炭化珪素多
孔質体、13は担持された触媒である。また、14は中
央部に改質原料ガスの流通口15を有するターミナル電
極である。この構造に基づき炭化珪素多孔質発熱体11
は通電することにより発熱させることができ、かつ発熱
量も容易に調節することが可能である。
【0012】本発明の燃料改質器は、この炭化珪素多孔
質発熱体11を図2に示した触媒層7に用いるものであ
る。この場合、炭化珪素多孔質発熱体の中を改質原料ガ
スが円滑に流通し、また担持された触媒と迅速に接触し
て改質反応させるために気孔率が50%以上であり、平
均気孔径が0.8〜5mmの気孔特性を有することが必要
である。気孔特性は、使用するポリウレタンフォームの
性状および含浸するスラリー中の炭化珪素粉末の粒度特
性ならびに濃度などを調節することにより調整すること
ができる。
【0013】また、炭化珪素多孔質発熱体11を通電発
熱させる場合、改質器に供給する改質原料ガスの負荷変
動幅にもよるが、迅速に発熱させるためにはその固有抵
抗を0.1〜100Ω・cmに設定することが好ましく、
さらに望ましくは1〜10Ω・cmに設定される。
【0014】この炭化珪素多孔質発熱体11に通電する
と、速やかに発熱して昇温するが、発熱部が炭化珪素多
孔質発熱体11内に均等に分布しているので全体が均等
に発熱し、かつ炭化珪素は熱伝導率が大きいので触媒層
7の温度分布の均一化がはかられる。その結果、改質原
料ガスの水蒸気改質反応を均一に進行させることがで
き、改質されたガスの組成変動を防止することができ
る。
【0015】
【作用】本発明の燃料電池の燃料改質器は、触媒層とし
て触媒を担持させた三次元網目構造の炭化珪素多孔質発
熱体を用いるものであるから、通電することにより均等
かつ速やかに発熱して、触媒層を急速に昇温させること
が可能となる。したがって、燃料改質器の起動時にはバ
ーナ燃焼による外部加熱と通電発熱による内部加熱との
併用により迅速に所定温度に昇温することができる。ま
た、通電発熱であるから通電量により発熱量の調節が容
易であり、触媒層の温度制御を正確におこなうことが可
能となる。
【0016】更に、炭化珪素多孔質発熱体は三次元網目
構造を有するので、通過する改質原料ガスは触媒と均等
かつ円滑に接触して水蒸気改質反応が促進される。した
がって、触媒層の温度制御と相まって改質されたガス組
成の均一化がはかられる。また、通電発熱による内部加
熱であり、炭化珪素の熱伝導率も大きいので局部加熱が
防止されて熱エネルギーのロスも低減する。
【0017】このようにして、燃料電池の運転負荷が大
幅に変動する運転形態にあっても、改質器に送入する改
質原料ガス量の変動に追従して改質器の温度を制御する
ことが可能であり、安定して改質ガスを燃料電池に供給
することができる。
【0018】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。
【0019】実施例 純度99.98%、平均粒径10μm のSiC粉末に1
重量%のポリビニルアルコールと水を加えて粘度100
0cpのSiCスラリーを調製し、このスラリー中に三次
元網目構造の軟質ポリウレタンフォーム(#8、直径7
0mm、高さ250mm)を浸漬して含浸処理した。ポリウ
レタンフォームをスラリーから引き上げ、余剰スラリー
を除去したのち乾燥し、大気中300℃の温度で仮焼成
した。このようにして有機質成分を焼却除去した仮焼成
体に、平均粒径10μm のSiC粉末に水を加えて作成
した粘度400cpのSiCスラリーを再含浸し、余剰の
スラリーを除去して乾燥したのち2100℃の温度で焼
結した。得られた炭化珪素多孔質体の気孔特性は気孔率
83%、平均気孔径3mmであり、固有抵抗は1.5 Ω・c
m、熱伝導率は8W/ m・K であった。この炭化珪素多孔
質体を直径50mm、高さ200mmの円柱状に加工し、触
媒としてNiを担持させたのち、上下端面の中央部に改
質原料ガスの流通口を形成するように円環状のターミナ
ル電極を接合した。このようにして図1に示す炭化珪素
多孔質発熱体を作製し、この炭化珪素多孔質発熱体を改
質管10内に収めて図2に示す触媒層として用いた。
【0020】この燃料改質器を、バーナによる燃焼と炭
化珪素多孔質発熱体の通電発熱とを併用して加熱した。
バーナ燃焼はメタンを毎時86lの割合で燃焼させ、炭
化珪素多孔質発熱体は電圧38V、電流25Aの条件で
通電発熱させた。炭化珪素多孔質発熱体は5分で750
℃に達し、10分後に改質原料ガスとしてメタンと水蒸
気の混合ガスの供給を開始した。図3に炭化珪素多孔質
発熱体を収めた改質管10内の温度の経時変化を示し
た。また、改質器出口における改質ガス中の二酸化炭素
濃度を測定してメタンの転化率を求め、図4に加熱開始
時からのメタン転化率の経時変化を示した。
【0021】比較例 触媒担体としてアルミナ造粒物の焼結体を用い、Ni触
媒を担持させたのち改質管10内に収めて触媒層とした
以外は実施例と同一にして構成した燃料改質器を、バー
ナ燃焼による外部加熱のみで加熱した。改質管10内の
温度が750℃に昇温するのに1時間を要し、その直後
にメタンと水蒸気の混合ガスの供給を開始した。改質管
内温度の経時変化を図3に、また加熱開始時からのメタ
ン転化率の経時変化を図4に、それぞれ実施例と対比さ
せて示した。
【0022】図3、4から実施例の燃料改質器は、比較
例に比べて極めて早い昇温速度で加熱することができ
る。したがって、短時間内に所定温度に達して改質原料
ガスの供給が可能となり、また水蒸気改質反応が効率よ
く進行していることが分かる。
【0023】
【発明の効果】以上のとおり、本発明の燃料電池の燃料
改質器は、触媒層として触媒を担持させた三次元網目構
造を有する炭化珪素多孔質発熱体を用いるものであり、
通電発熱による内部加熱とバーナ燃焼による外部加熱と
の併用により、急速かつ均等に触媒層の昇温が可能とな
り、また改質効率の向上をはかることができる。更に、
温度制御が容易であり、局部加熱の防止、熱効率の向上
もはかられるので、改質原料ガスの負荷変動にも容易に
対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】触媒層に用いる本発明の炭化珪素多孔質発熱体
を示した斜視図である。
【図2】従来の燃料改質器を示した断面図である。
【図3】実施例と比較例における触媒層を収めた改質管
内温度の経時変化を示したグラフである。
【図4】実施例と比較例における触媒層の加熱開始時か
らのメタン転化率の経時変化を示したグラフである。
【符号の説明】
1 改質器 2 バーナ 3 燃焼排ガス出口 4 改質原料ガス入口 5 改質原料ガス通路 6 改質ガス出口 7 触媒層 8 燃焼室 9 燃焼ガス通路 10 改質管 11 炭化珪素多孔質発熱体 12 炭化珪素多孔質体 13 触媒 14 ターミナル電極 15 改質原料ガスの流通口

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加熱した触媒層に改質原料ガスを流通さ
    せて水蒸気改質する燃料改質器において、触媒層として
    触媒を担持させた三次元網目構造を有する炭化珪素多孔
    質発熱体を用いることを特徴とする燃料電池の燃料改質
    器。
  2. 【請求項2】 炭化珪素多孔質発熱体の気孔率が50%
    以上であり、平均気孔径が0.8〜5mmである請求項1
    記載の燃料電池の燃料改質器。
JP6082541A 1994-03-28 1994-03-28 燃料電池の燃料改質器 Pending JPH07267602A (ja)

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JP6082541A JPH07267602A (ja) 1994-03-28 1994-03-28 燃料電池の燃料改質器

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