JPH0963619A - 燃料電池発電装置用の燃料改質器およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】起動，昇温時にも、燃焼ガスが燃焼炉内をほぼ
均等に通流するように改良された燃料電池発電装置用の
燃料改質器およびその運転方法を提供する。 【構成】燃料改質器１は、従来例に対して、燃焼用空気
２を用いるようにしている。燃料改質器１では、バーナ
５の空気入口５４に供給する燃焼用空気２の供給量を、
起動状態と昇温状態にある燃料改質器１の運転状態にお
いては、原燃料である燃料５ａの供給量に対して、理論
空燃比値で表現して２に設定されている。なお、燃焼用
空気２の、燃料電池発電装置の発電運転を可能とする運
転状態においての供給量は、従来例の燃料改質器の場合
と全く同一である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池発電装置用
の燃料ガスの製造に使用される燃料改質器に係わり、燃
料改質器の起動時間の短縮，粒状改質触媒の圧壊の低減
を図ったその運転条件およびその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は、水素と酸素とを反
応用ガスとして用いて、電気化学的に直流電力を発生す
る発電装置であり、すでによく知られているとおり、他
の発電装置と比較して、電気エネルギーへの変換効率が
高く，しかも，炭酸ガスや窒素酸化物等の大気汚染物質
の排出量が少ないことから、いわゆるクリーン・エネル
ギー源として期待されている。そうして、燃料電池発電
装置としては、使用される電解質の種類により、りん酸
型，溶融炭酸塩型などの各種の燃料電池発電装置が知ら
れている。この燃料電池発電装置には、燃料電池発電装
置が必要とする水素を供給する装置として、天然ガス，
ナフサ等の炭化水素を主成分とする原燃料から、水素含
有量の多い燃料ガスである改質ガスに改質する燃料改質
器が付随されているのが一般である。

【０００３】この燃料電池装置用の燃料改質器は、水蒸
気が添加された前記の炭化水素系の原燃料を、粒状改質
触媒の改質反応を利用して、水蒸気接触分解することに
より水素含有量の多い改質ガス，すなわち，燃料ガスを
生成する装置である。なお、炭化水素系の原燃料を水蒸
気接触分解することによって得られるガスには、公知の
ごとく、水素以外に二酸化炭素等も含まれている。粒状
改質触媒による前記の改質反応は、公知のごとく、吸熱
反応であることと、粒状改質触媒に用いられている触媒
活性成分に応じた適温下において行われる必要が有るこ
とのために、燃料改質器は、粒状改質触媒を加熱するた
めのガス状の熱媒体を生成するバーナを備えている。

【０００４】そうして、前記の改質反応に必要な熱量の
供給方法を改善したり，粒状改質触媒の圧壊を軽減した
りなどする改良された構成を備える燃料改質器が同じ出
願人より出願され、特開平３−９７６０２号公報などに
より公知となっている。図２は、上記公報による燃料改
質器に対して、さらに粒状改質触媒への伝熱性能等に改
良を加えた従来例の燃料電池発電装置用の燃料改質器を
示すその縦断面図である。図２において、９は、改質管
８と、改質管８の内側上部に配設されたバーナ５と、改
質管８の周囲側部と下部とを覆う炉容器７と、炉容器７
の外周部を覆う断熱層７２と、改質管８内に形成された
触媒層６とを備えた燃料改質器である。

【０００５】改質管８は、上下方向に直立した金属製で
円筒状をした中間筒体８１と、これを挟んでその内外に
それぞれ間隔を設けて同心円状に配設された，金属製で
ほぼ円筒状をした内側筒体８２および外側筒体８３とを
主体にして形成されている。内側筒体８２および外側筒
体８３は、中間筒体８１と接合されている金属製の上部
板８５等でその上部を接続され、環状形をした金属製の
底板８４によって，中間筒体８１の下端から離されてそ
の下部を互いに接続されている。内側筒体８２の中間筒
体８１に対向する側の側面，すなわちその外周面には、
その一端を内側筒体８２の外周面に溶接等により固着さ
れ、幅方向が中間筒体８１との間に図示しない間隙が形
成される寸法であり、かつ底板８４が接続される部位の
付近から後記する触媒層６の上面付近の部位にわたる長
さ寸法を有する図示しない金属製の伝熱フィンが、円周
面に沿って複数本配列されている。

【０００６】このような構成により改質管８には、下端
部で互いに連通し，しかも，共に円環状をなした，内側
環状空間８６および外側環状空間８７の２重の環状空間
が形成されることになる。外側環状空間８７の上部には
原料ガス９ａの入口８７１が設けられ、内側環状空間８
６の上部には改質ガス９ｂの出口８６１が設けられてい
る。また、内側環状空間８６には、粒状改質触媒６１が
充填されることで触媒層６が形成され、触媒層６の上面
は、粒状触媒６１の飛散を防止するための金網６ａで覆
われ、触媒層６の下部の外側環状空間８７との境界部位
は、粒状触媒６１の流出を防止するための金網６ｂによ
り囲われている。

【０００７】粒状改質触媒（以降、単に粒状触媒と略称
することがある。）６１は、例えば、直径が５ｍｍ前後
程度の円柱形，球形などをなしており、前記した原燃料
に水蒸気が添加されたものである原料ガス９ａを、水素
含有量の多い改質ガス９ｂに改質する作用を行う触媒
を、極めて細かい細孔を有しそれぞれ前記の形状をした
セラミック製の担体に担持させた構造を備えている。

【０００８】外側筒体８３と炉容器７とで区切られた空
間は、熱媒体である，バーナ５が生成した高温の燃焼ガ
ス５１を通流させる燃焼ガス通流路５２として使用され
る。炉容器７の燃焼ガス通流路５２の上部に当たる部位
には、燃焼ガス出口７１が設けられている。炉容器７の
下方および側部周囲には、燃焼ガス５１の温度を保持す
るための耐火断熱材製の断熱層７２が配置され、また、
内側筒体８２の上部内側には、バーナ５で生成された直
後の特に高温の燃焼ガス５１から内側筒体８２等を保護
するために、耐火性断熱材製の断熱層８８が形成されて
いる。

【０００９】燃料改質器９の、周囲を改質管８が持つ内
側筒体８２で囲まれ、下部を炉容器７の底部で区切ら
れ、上部をバーナ５で覆われた空間は、この燃料改質器
９の燃焼炉９１である。燃焼炉９１には、バーナ５にお
いて、燃料の入口５３から導入された燃料５ａ，また
は，燃料の入口５５から導入された燃料５ｃが、空気入
口５４から取り入れられた燃焼用空気５ｂにより燃焼さ
れることで生成された高温の燃焼ガス５１が、上方から
下方に向かって通流する。

【００１０】燃焼ガス５１は、燃焼炉９１内を下方に流
れ、引続いて燃焼ガス通流路５２内を通流しつつ、外側
筒体８３の外周面に沿って上方に流れたうえで、燃焼ガ
ス出口７１から燃料改質器９の外部に排出される。この
間、燃焼ガス５１は、改質管８の主として内側筒体８２
の内周面側から触媒層６を、また、外側筒体８３の外周
面側から外側環状空間８７内を通流する原料ガス９ａ
を、それぞれ加熱する。その際、触媒層６中の粒状触媒
６１は、内側筒体８２および伝熱フィンを介して燃焼ガ
ス５１から熱を供給されて加熱される。これにより、燃
料改質器９では、粒状触媒６１によって行われる吸熱反
応による吸熱量に対応する熱量が触媒層６に補給される
ように構成されていることになる。

【００１１】一方，原料ガス９ａは、入口８７１から改
質管８に流入し、まず、外側環状空間８７中を下向きに
流れ、その後中間筒体８１の下端部で折返し、触媒層６
に入り、触媒層６中を上向きに流れる。この間、外側環
状空間８７において燃焼ガス５１によって加熱される。
燃焼ガス５１で加熱された原料ガス９ａは、燃焼ガス５
１により加熱されて所要の温度とされた粒状触媒６１が
持つ触媒活性成分の改質反応により、水素に富んだ改質
ガス９ｂに改質されることになる。このようにして得ら
れた改質ガス９ｂは、改質ガス９ｂの出口８６１から燃
料改質器９の外部に供給される。

【００１２】なお、燃焼ガス５１による原料ガス９ａの
加熱を容易にするために、燃焼ガス５１・原料ガス９ａ
が通流する燃焼ガス通流路５２・外側環状空間８７の通
流路の面積を狭くし、燃焼ガス５１，原料ガス９ａの流
速を高くすることで、それぞれのガス体と外側筒体８３
間の熱伝達係数が向上するように考慮されるのが一般で
ある。これにより、燃焼ガス５１から原料ガス９ａへの
熱伝達が向上され、燃料改質器９から排出される燃焼ガ
ス排出ガスの温度を下げることができ、しかも、燃料改
質器９の径方向寸法を短縮することができている。

【００１３】前述のような構成の燃料改質器９において
は、前記の原燃料を水蒸気改質する際には高温の運転温
度で改質反応が行なわれ、改質ガス９ｂの出口に近い部
分の触媒層６の温度は７００〜７５０〔℃〕程度であ
り、改質管８を形成している例えば耐熱鋼の最高表面温
度は、運転条件にもよるが９００〜９５０〔℃〕にもな
るものである。また燃料改質器９によって得られた改質
ガス９ｂを燃料電池に供給する場合には、多くの場合
に、この改質ガス９ｂをさらに一酸化炭素変成器に通流
させ、一酸化炭素濃度を低減させた改質ガスとされてい
る。また、触媒層６および燃焼炉９１の温度は、原料ガ
ス９ａを触媒層６によって改質して改質ガス９ｂを得る
という燃料改質器９の機能にとり重要な運転条件である
ので、それぞれ改質管８に装着された熱電対などの温度
検出装置（触媒層６用は温度検出装置８９１であり、燃
焼炉９１用は温度検出装置８９２である。）によって、
常時監視されている。

【００１４】ところで、この燃料改質器９が改質ガス９
ｂを供給する燃料電池発電装置が、例えば、商用電源と
連係されるいわゆる分散型電源として使用される発電装
置である場合では、この燃料電池発電装置は、ほぼ毎日
の特定の時刻に数時間だけ発電を行うというパターンで
運転を行うことが要求される。したがって、この場合の
燃料改質器９は、燃料電池発電装置が発電を開始する１
〜２時間程度前にその起動を開始し、燃料電池発電装置
が発電を停止するのに伴いその運転を停止することが必
要となる。燃料改質器９と同様の，炭化水素系の原燃料
を水蒸気接触分解して水素などを得る燃料改質器とし
て、化学プラント用に用いられている燃料改質器が古く
より知られている。この化学プラント用の燃料改質器
は、いったんその運転を開始すると、１〜３年間程度そ
の運転を連続するのが通常であり、起動に際しても、そ
の温度上昇割合を１０〔℃〕／〔ｈ〕程度にして、２日
間程度の長い時間をかけているのが一般である。この化
学プラント用の燃料改質器の運転サイクルと比較する
と、前記した燃料改質器９の運転サイクルが、その温度
上昇度が大きいいことから、極めて過酷なものであるこ
とが理解されよう。

【００１５】前記の極めて過酷な温度変化条件下で頻繁
な起動・停止が繰り返される燃料電池発電装置用の燃料
改質器９では、その起動・停止が行われる度に、改質管
８を構成している金属板は膨張，収縮を繰り返すことに
なる。そうして、バーナ５に近い部分の改質管表面温
度は、例えば、バーナ５の点火とともに急速に上昇する
のに対して、原料ガス９ａの入口に近い部分の改質管
表面温度は、バーナ５の点火直後には燃焼ガス５１の持
つ熱量が改質管８等の加熱に費やされるために、その温
度の上昇度が遅く、このためバーナ５の点火直後には改
質管８に大きい温度差の温度分布が生じることになる。

【００１６】この大きい温度差によって、改質管８で
は、外側筒体８３，中間筒体８１よりも内側筒体８２の
方が急速に熱膨張することとなり、このため内側筒体８
２は外側（触媒層６側である。）に太鼓状に変形する。
このように内側筒体８２が太鼓状に変形することで、粒
状触媒６１が充填されている触媒層６は、内側筒体８２
の前記の変形により支配された加圧力を受けることとな
る。この加圧力により、多孔質のセラミック製担体が用
いられている粒状触媒６１は、最悪の場合は圧壊を受け
ることとなる。粒状触媒６１が圧壊して粉末状になる
と、触媒層６の原料ガス９ａ，改質ガス９ｂに対する圧
力損失が増大し、最悪の場合には、燃料電池発電装置の
運転の継続を不可能にすることとなるのである。

【００１７】これを回避するために粒状触媒６１に加わ
る加圧力を低減するようにする構造体が、前記の伝熱フ
ィンである。伝熱フィンは前記した構成を持っているの
で、内側筒体８２に対する梁としての働きを行い、内側
筒体８２の前記した変形を抑制する。この結果、内側筒
体８２の熱膨張に基づく触媒層６に加わる加圧力が減少
し、粒状触媒６１の圧壊が低減されるのである。従って
伝熱フィンは、燃料改質器９においては、燃焼ガス５１
から供給される熱量の粒状触媒６１への伝達を改善する
と共に、粒状触媒６１の圧壊を低減するという役目を果
たしていることになるのである。

【００１８】次に、図３を用いて、燃料改質器９が組み
込まれた燃料電池発電システムにつき、燃料改質器９が
関連するところを主体に説明することとする。ここで図
３は、図２に示した燃料改質器を組み込んだ燃料電池発
電システムの事例を説明する説明図である。図３におい
て、４は、燃料改質器９、燃料電池発電装置４１、ブロ
ア４２、制御装置４３、弁４４１〜４４５を備えた燃料
電池発電システムである。燃料電池発電装置４１は、燃
料改質器９から供給される燃料ガスである改質ガス９ｂ
と、図示しない反応ガス用の空気ブロアを介して供給さ
れる空気とを反応ガスとし、これらの反応ガスの供給量
に対応した量の直流電気を発電し、端子Ｐ，Ｎから出力
する。端子Ｐ，Ｎから出力された直流電気は、商用電源
に供給される場合には、図示しない直流／交流変換装置
を介して交流に変換される。

【００１９】制御装置４３は、図３に示された機器類に
制御対象を限定して説明すれば、燃料改質器９が備えて
いる燃焼炉９１用の温度検出装置８９２からの信号出力
８９２ａと、触媒層６用の温度検出装置８９１からの信
号出力８９１ａとを入力し、これらの信号出力の出力レ
ベルに対応させて、弁４４１〜４４５に弁開度指令信号
４３ａを出力する装置である。すなわち、制御装置４３
は、信号出力８９１ａの出力レベルが、燃料改質器９の
触媒層６内の温度が燃料電池発電装置４１の発電運転を
可能とするレベルに到達していない条件に対応するレベ
ルである場合には、弁４４１，４４５を閉じ、弁４４
２，４４４を開き、弁４４３を後記する条件を満たす弁
開度にさせるとの内容を持つ、弁開度指令信号４３ａを
出力する。

【００２０】この状態では、燃料改質器９のバーナ５に
は、燃料５ａとして原燃料４８が弁４４２を介して、ま
た、燃焼用空気５ｂとして空気４８が弁４４３を介して
それぞれ供給される。そうして、燃料５ａと燃焼用空気
５ｂとの供給が開始され，バーナ５が点火されること
で、燃料改質器９はその起動を開始する。触媒層６内の
温度が発電運転を可能とするレベルに到達していない条
件において弁４４１を閉じるのは、この条件において、
まだ低温状態の燃料改質器９の改質管８（触媒層６でも
ある。）に原料ガス９ａを供給したとすると、その際に
は触媒層６の温度が原料ガス９ａの改質を行うのに適合
した条件に到達していないため、その際に燃料改質器９
から供給される改質ガス９ｂには、燃料電池発電装置４
１にとって好ましくない一酸化炭素などの不純物成分が
多量に含まれることになるからである。また、前記の不
純物成分に対する多重の安全や改質ガス９ｂを供給する
配管内のガス圧が過大とならないようにするために、弁
４４４が開かれ、また、改質ガス９ｂが供給されない燃
料電池発電装置４１からは、当然のことながら燃料オフ
ガス４１ａが排出されないので、弁４４５は閉じられる
のである。

【００２１】燃料改質器９が起動が開始されて燃焼炉９
１内の温度が上昇して行き，信号出力８９２ａの出力レ
ベルが所定のレベルに到達すると、燃料改質器９の運転
状態は、起動状態から触媒層６の温度を燃料電池発電装
置４１の発電運転を可能とするレベルにまで上昇させ
る，触媒層６に対する昇温状態に移行する。この昇温状
態においては、制御装置４３から出力される弁開度指令
信号４３ａの内容は、基本的には前述の起動状態の場合
と同様である。

【００２２】触媒層６の温度がしだいに上昇すること
で、触媒層６内の温度が燃料電池発電装置４１の発電運
転を可能とするレベルに到達した条件では、制御装置４
３は、信号出力８９１ａの出力レベルなどを基にして次
記するように出力の切り換えを行う。すなわち制御装置
４３は、弁開度指令信号４３ａの内容を、この時点以
降、弁４４１，４４５を開き、弁４４４を閉じ、弁４４
３を後記する条件を満たす弁開度にさせるとの内容に切
り換えて出力する。これにより、燃料改質器９のバーナ
５には、燃料５ｃとして燃料電池発電装置４１から排出
された燃料オフガス４１ａが弁４４５を介して、また、
燃焼用空気５ｂとして空気４８が弁４４３を介してそれ
ぞれ供給され、燃料改質器９は、燃料電池発電装置４１
の発電運転を可能とする運転状態に入ることになる。な
お、この発電運転状態の場合には、弁４４２に関して
は、常時は閉じられているが、燃料電池発電装置４１の
電気負荷が急増したような場合には、図示しない電気出
力関係の制御機器の動作に対応させて、適切な弁開度に
される場合がある。

【００２３】そうして、制御装置４３が弁開度指令信号
４３ａを前記の内容に切り換えた時点から、燃料改質器
９の改質管８には、原燃料４８に図示しない水蒸気が添
加されたものである原料ガス９ａが、弁４４１を介して
供給されるようになるのである。触媒層６内の温度が発
電運転を可能とするレベルに到達した条件において、弁
４４４を閉じるのは、改質ガス９ｂの全量を燃料電池発
電装置４１に供給するようにするためである。また、燃
料電池発電装置４１では、公知のように、その燃料電極
の発電動作を正常に維持するためには、改質ガス９ｂ中
の水素濃度を所定値以上に維持する必要が有り、このた
めに、燃料電池発電装置４１から排出される燃料オフガ
ス４１ａ中には、水素が必ず含有されている。この燃料
オフガス４１ａ中の水素量は、燃料電池発電装置４１の
定常運転時においては、吸熱反応を行っている触媒層６
を所定の温度に維持するのに必要な熱量を得るのに十分
な量であり、むしろ、この触媒層６の必要加熱量を越え
る水素量である場合がほとんどなのである。この燃料オ
フガス４１ａ中の水素は、原燃料４９から得られたもの
であり、エネルギー効率の観点からこの水素は極力有効
利用すべきものであるので、これを燃料改質器９のバー
ナ５に還流するようにするのである。

【００２４】次に、燃料５ａ，５ｃをバーナ５で燃焼す
るための燃焼用空気５ｂの供給量について説明する。原
燃料４９である燃料５ａの燃焼のために供給される燃焼
用空気５ｂの供給量は、燃料改質器９では、燃料５ａを
完全燃焼させるために、理論空燃比（理論空燃比＝１と
は、燃焼対象の燃料量と、この燃料を燃焼させるに必要
となる理論上最少の空気量との比率値である。）値で表
現して、１．２〜１．３程度としている。また、燃料オ
フガス４１ａである燃料５ｃの燃焼のために供給される
燃焼用空気５ｂの供給量は、定常運転状態の燃料電池発
電装置４１から供給される燃料５ｃの供給量に対する理
論空燃比値で表現して、１．２〜１．３程度としてい
る。しかし、公知のごとく、燃料オフガス４１ａに含ま
れる燃料成分である水素の濃度は、燃料電池発電装置４
１の出力電力値の変動の影響を受けて変動するものであ
る。したがって、燃焼用空気５ｂと燃料５ｃとの間の理
論空燃比値は、１．１〜２程度の幅を持って変動してい
るのが実態である。

【００２５】前述のような構成の燃料電池発電システム
４に組み込まれた燃料改質器９では、その起動状態，昇
温状態においては、原燃料４９である燃料５ａを燃焼し
た燃焼ガス５１により、触媒層６を含む改質管８全体，
炉容器７などの加熱を行い、また、発電運転状態におい
ては、燃料オフガス４１ａである燃料５ｃを主とする燃
料を燃焼した燃焼ガス５１により、粒状触媒６１によっ
て行わる原料ガス９ａの改質反応に際しての、吸熱反応
による吸熱量に対応する熱量の補給を行っていることに
なる。そうして、燃料５ａが持つ燃料成分の供給量に対
する、燃料５ｃが持つ燃料成分の供給量の倍率は、３〜
４倍程度である。この大きな倍率は、燃料改質器９のバ
ーナ５が、燃料オフガス４１ａに含まれる燃料成分の全
量を焼却する役目も果たしていることもあるが、これに
よって、粒状触媒６１によって行われる吸熱反応による
吸熱量に対応する熱量を、燃料オフガス４１ａを燃焼し
て得た燃焼ガス５１によって、触媒層６に十分に補給す
ることを可能にしているのである。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る燃料電池発電装置用の燃料改質器は、その起動時など
の燃料改質器全体の加熱・昇温と、その発電運転時の触
媒層の吸熱反応による吸熱量分の熱量の補給とを、同一
のバーナおよび燃焼炉とを用いて行うことを可能にし
て、小形化された燃料改質器を実現すると共に、燃料改
質器の運転サイクルが極めて過酷なものであっても、粒
状触媒への加圧力を低減することができているのである
が、なお次記する問題が残存している。すなわち、従来
技術による燃料電池発電装置用の燃料改質器は、その起
動・昇温時と，その発電運転時との両運転条件におい
て、同一のバーナおよび燃焼炉を用いて加熱を行うこと
を可能にしているが、バーナ，燃焼炉の設計・製作を行
う場合に、燃料電池発電装置の発電運転に対しての最適
化に重点が置かれ、燃料改質器の起動・昇温時に対して
はかならずしも最適なものになってはいなかった。その
主たる原因の第一は、起動時などにおいてバーナに供給
される燃料成分の量は、前述したように、発電運転時に
おいてバーナに供給される燃料成分の量に対して、１／
４〜１／３程度と少ないことである。また、主たる原因
の第二は、発電運転時においてバーナに供給される燃料
オフガス中には、改質ガスに含まれていた二酸化炭素な
どの非燃料成分がそのまま含まれていることに起因す
る。このために、同一量の燃料成分当たりで生成される
燃焼ガスの量は、起動昇温時の方が、発電運転時におけ
る燃焼ガスの量よりも少ないのである。

【００２７】したがって、起動・昇温時における燃焼ガ
スは、そのガス量が少ないにもかかわらず、発電運転時
に最適化された相対的に広い通流面積を持つ燃焼炉中を
通流することになるので、燃焼炉中の平均流速値は、発
電運転時と比較して遅くなる。このために、高温の燃焼
ガスとしてバーナから噴出することによる動圧に強く影
響されて、前記の通流面積の全体を均等に通流すること
とはならず、バーナ直下の位置である燃焼炉の中心部分
に比較的に多く通流することになるのである。

【００２８】これによる第一の問題は、改質管が持つ内
側筒体の内周面に沿って通流する燃焼ガス量が、相対的
に低減されることである。このために、改質管および改
質管内に形成されている触媒層の加熱度が低下し、燃料
電池発電装置用の燃料改質器にとっては、化学プラント
用の燃料改質器とは異なり、１〜２時間程度の極めて短
時間その起動を完了することが要求されているにもかか
わらず、その起動に要する時間を短縮するとの要求を十
分に満足したものとはならないのである。

【００２９】また、第二の問題は、燃焼ガスが燃焼炉内
を均等に通流しないために、改質管が持つ内側筒体には
その周方向に大きな温度差が発生することである。この
ために、内側筒体は、太鼓状の変形に加えて、例えば、
波状のような異常な変形をし、局部的に粒状改質触媒に
大きな加圧力を与えることとなり、粒状改質触媒の粉末
状化が増大することになるのである。

【００３０】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、起動，昇温時に
も、燃焼ガスが燃焼炉内をほぼ均等に通流するように改
良された燃料電池発電装置用の燃料改質器およびその運
転方法を提供することにある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 １）水素含有量の多い燃料ガスおよび空気を反応ガスと
して用いて電気化学的に発電を行う燃料電池発電装置
に，前記の燃料ガスを供給する燃料改質器であって、炭
化水素系の原燃料を前記の燃料ガスに改質する粒状触媒
が充填された環状の空間を内部に有する筒状をなす改質
管と、改質管の内側上部に設置され，改質管の管壁を介
して前記の触媒を加熱するための高温の燃焼ガスを，燃
料を空気と共に燃焼することで生成するバーナとを備
え、このバーナは、燃料改質器の起動，昇温時にはその
燃料として前記の原燃料の供給を受け、燃料電池発電装
置の発電運転時に対応する燃料改質器の定常運転時に
は，その主たる燃料として燃料電池発電装置の燃料オフ
ガスの供給を受けるものである、燃料電池発電装置用の
燃料改質器において、バーナは、燃料改質器の起動，昇
温時における前記の燃料を燃焼するための空気の量とし
て、前記の燃料を希薄燃焼条件で燃焼させる量の空気を
供給されてなる構成とすること、または、 ２）前記１項に記載の手段において、燃料改質器の起
動，昇温時にバーナに供給される希薄燃焼条件の空気の
量は、理論空燃比値で表現して、２から１０の間にある
構成とすること、または、 ３）水素含有量の多い燃料ガスおよび空気を反応ガスと
して用いて電気化学的に発電を行う燃料電池発電装置
に，前記の燃料ガスを供給する装置であって、炭化水素
系の原燃料を前記の燃料ガスに改質する粒状触媒が充填
された環状の空間を内部に有する筒状をなす改質管と、
改質管の内側上部に設置され，改質管の管壁を介して前
記の触媒を加熱するための高温の燃焼ガスを，燃料を空
気と共に燃焼することで生成するバーナとを備える燃料
電池発電装置用の燃料改質器の、その運転方法であっ
て、燃料改質器の起動，昇温時においては、バーナに対
しその燃料として前記の原燃料と，この原燃料を希薄燃
焼条件で燃焼させる量の空気とを供給し、燃料電池発電
装置の発電運転時に対応する燃料改質器の定常運転時に
おいては、バーナに対する主たる燃料として，燃料電池
発電装置の燃料オフガスを供給すると共に，バーナに供
給する空気の量として前記の燃料オフガスを燃焼させる
に足る量の空気を供給することに切り換えてなる、運転
方法とすること、さらにまたは、 ４）前記３項に記載の手段において、燃料改質器の起
動，昇温時にバーナに供給される希薄燃焼条件の空気の
量は、理論空燃比値で表現して、２から１０の間に有る
運転方法とすること、により達成される。

【００３２】

【作用】この発明においては、燃料電池発電装置用の燃
料改質器において、（１）バーナは、燃料改質器の起
動，昇温時における前記の燃料を燃焼するための空気の
量として、前記の燃料を、例えば、理論空燃比値で表現
して２から１０の間にあるような希薄燃焼条件で燃焼さ
せる量の空気を供給されてなる構成とすることにより、
起動・昇温時におけるバーナで生成される燃焼ガスの量
は、従来技術の場合よりも増加し、燃焼ガスが燃焼炉中
を通流する際の平均流速値が増大される。これにより、
燃焼ガスがバーナから噴出されることによる動圧の影響
度が低減されので、燃焼ガスが燃焼炉を通流する際の流
速が、燃焼炉が持つ燃焼ガスの全通流面積に対して、平
均化されることになるのである。また、（２）燃料改質
器の起動，昇温時においては、バーナに対しその燃料と
して前記の原燃料と，この原燃料を，例えば，理論空燃
比値で表現して２から１０の間にあるような希薄燃焼条
件で燃焼させる量の空気とを供給し、燃料電池発電装置
の発電運転時に対応する燃料改質器の定常運転時におい
ては、バーナに対する主たる燃料として，燃料電池発電
装置の燃料オフガスを供給することに切り換えると共
に、バーナに供給する空気の量として，前記の燃料オフ
ガスを燃焼させるに足る量の空気を供給することに切り
換えてなる運転方法とすることにより、起動・昇温時に
おけるバーナで生成される燃焼ガスの量は、従来技術の
場合よりも増加し、燃焼ガスが燃焼炉中を通流する際の
平均流速値が増大される。これにより、燃焼ガスがバー
ナから噴出されることによる動圧の影響度が低減されの
で、燃焼ガスが燃焼炉を通流する際の流速が、燃焼炉が
持つ燃焼ガスの全通流面積に対して、平均化されること
になるのである。なお、燃料電池発電装置の発電運転時
に対応する燃料改質器の定常運転時の場合には、燃焼ガ
スが燃焼炉中を通流する際の平均流速値は、従来技術の
場合と全く同一の値にされている。

【００３３】

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図１は、この発明の一実施例による燃料電
池発電装置用の燃料改質器を示すその縦断面図である。
図１において、図２，図３中に示した従来例による燃料
改質器と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略
する。なお、図１中には、図２で付した符号について
は、代表的な符号のみを記した。

【００３４】図１において、１は、図２，図３中に示し
た従来例による燃料改質器９に対して、燃焼用空気５ｂ
に替えて燃焼用空気２を用いるようにした燃料改質器で
ある。この燃料改質器１は、例えば、従来例の燃料改質
器９が組み込まれた図３に示した燃料電池発電システム
と、全く同一の構成の燃料電池発電システムに組み込ま
れて使用される。（具体的な図面は、重複を避けてその
記載を省略した。）この燃料改質器１では、バーナ５の
空気入口５４に供給する燃焼用空気２の供給量は、起動
状態と昇温状態にある燃料改質器１の運転状態において
は、この発明の特徴として、原燃料４８である燃料５ａ
の供給量に対して、理論空燃比値で表現して２に設定さ
れている。また、燃料電池発電装置の発電運転を可能と
する運転状態においては、図２，図３中に示した従来例
の燃料改質器９の場合における燃焼用空気５ｂの供給量
と全く同一に設定されている。

【００３５】そうして燃料改質器１では、バーナ５に対
する燃焼用空気２の空気量としては、図３おいて示した
制御装置４３と同様の制御装置によって、燃料改質器１
の起動・昇温時のおいては、燃料５ａの供給量に対して
理論空燃比値で表現して２となる量を供給し、また、燃
料電池発電装置の発電運転時に対応する燃料改質器１の
定常運転時においては、燃料５ｃの供給量に対して理論
空燃比値で表現して１．２〜１．３程度となる量を標準
値として供給することに切り換えられるのである。

【００３６】前記による燃焼用空気２の供給量を持つ燃
料改質器１を、図３中に示した燃料電池発電装置４１と
組み合わせて、燃料改質器１以外は図３に示した燃料電
池発電システム４と同一構成の燃料電池発電システムを
構成して運転を行い、燃料改質器１の主要部の温度，燃
料改質器１から得られる改質ガス９ｂの組成などを実測
した。なお、燃料改質器１には、その主要部の温度を計
測するために、熱電対を設置した。

【００３７】その結果、燃料改質器１の起動・昇温状態
における内側筒体８２の中間筒体８１に対向する側の側
面の温度の、内側筒体８２の周方向の温度差の最大値
は、内側筒体８２の上下方向のいずれの部位において
も、５０〔℃〕以内であった。また、燃料改質器１の発
電運転状態においては、改質ガス９ｂの組成は、発電運
転状態に切り換えた直後の時点から満足すべき組成を得
ることができた。

【００３８】前記した燃料改質器１による実施例と比較
するために、起動・昇温状態におけるバーナ５の空気入
口５４に供給する燃焼用空気の量を、理論空燃比値で表
現して１．２に設定した以外は、燃料改質器１と全く同
一の条件で運転する比較例である燃料改質器を準備し、
運転を行った。その結果、比較例の起動・昇温状態にお
ける内側筒体８２の中間筒体８１に対向する側の側面の
温度は、上下方向では上部ほど高い温度分布を持ち、上
部と下部との温度差は２００〔℃〕であった。また、内
側筒体８２の周方向では、１００〔℃〕の温度差の温度
分布が発生していた。さらに、燃料改質器１の発電運転
状態においては、改質ガス９ｂの組成は、発電運転状態
に切り換えた直後の時点では、改質管８が均等に昇温さ
れていない結果、触媒層６にまだ所定の温度に到達して
いない部分が存在しているため、満足すべき組成を得る
ことができなかった。満足すべき組成の改質ガス９ｂが
得られるようになったのは、内側筒体８２の中間筒体８
１に対向する側の側面の温度で代表される触媒層６の温
度分布が、ほぼ均等化されるまで待つ必要が有った。

【００３９】燃料改質器１による実施例および比較例に
対する前記の運転データを纏めると次記するところとな
る。実施例は比較例に対して、燃料改質器１の起動・昇
温状態において、バーナ５から供給される燃焼ガス５１
が燃焼炉９１内をほぼ均等に通流されていることによっ
て、まず、燃焼炉９１を構成する内側筒体８２の温度分
布が均等化できていることが分かる。このことは、触媒
層６に充填されている粒状改質触媒６１に働く加圧力も
低減されていることを意味している。また、改質管８が
ほぼ均等に昇温されている結果、発電運転状態に切り換
えた直後の時点から満足すべき改質ガス９ｂの組成を得
ることができており、このことにより、燃料改質器１
の、起動開始から満足すべき改質ガス９ｂの組成を得る
ことが可能となるまでの時間である起動時間を、比較例
に対してほぼ３０〔％〕短縮することができている。

【００４０】実施例における今までの説明では、改質管
８内に形成される触媒層６は、内側環状空間８６のみに
形成されるとしてきたが、これに限定されるものではな
く、例えば、触媒層６は、内側環状空間８６と共に、外
側環状空間８７に形成されてもよいものである。また、
実施例における今までの説明では、バーナ５の空気入口
５４に供給する燃焼用空気２の供給量は、燃料５ａの供
給量に対して、理論空燃比値で表現して２に設定されて
いるとしてきたが、これに限定されるものではなく、燃
焼用空気２の供給量は、燃料５ａに対する希薄燃焼条件
に設定されていて、例えば、理論空燃比値で表現して、
２を越えて１０までに設定されてもよいものである。理
論空燃比値が大きくなるほどバーナ５で生成される燃焼
ガス５１の量が増大されるので、燃焼炉９１内を通流す
る燃焼ガス５１の流速の均等度合いを向上することがで
きることになる。ただし、理論空燃比値で表現した燃焼
用空気２の供給量が１０を越えると、燃料５ａの燃焼が
不安定になるので、燃料電池発電装置用の燃料改質器に
適用することは困難になることがある。この点から、前
記の理論空燃比値の上限値は制限を受けるのである。

【００４１】

【発明の効果】この発明においては、前記の課題を解決
するための手段の項で述べた構成とすることにより、次
記する効果を奏する。 燃料改質器の起動・昇温状態において、燃料改質器が
備えるバーナから供給される燃焼ガスが増量されること
で、この燃焼ガスが、燃焼炉内をほぼ均等に通流するこ
とが可能となる。

【００４２】前記の項の効果により、燃料改質器の
起動時間を、従来例に対してほぼ３０〔％〕短縮するこ
とが可能となる。 前記の項の効果により、燃料改質器の起動・昇温状
態に、触媒層に充填された粒状改質触媒に働く加圧力値
を低減することが可能となり、この結果、粒状改質触媒
の圧壊による粉末状化の発生を低減することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による燃料電池発電装置用
の燃料改質器を示すその縦断面図

【図２】従来例の燃料電池発電装置用の燃料改質器を示
すその縦断面図

【図３】図２に示した燃料改質器を組み込んだ燃料電池
発電システムの事例を説明する説明図

【符号の説明】

１ 燃料改質器 ２ 燃焼用空気 ５ バーナ ５４ 空気入口 ５ａ 燃料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 浩一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 中川 功夫 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 渡辺 孝志 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 鎌田 隆夫 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素含有量の多い燃料ガスおよび空気を反
   応ガスとして用いて電気化学的に発電を行う燃料電池発
   電装置に，前記の燃料ガスを供給する燃料改質器であっ
   て、炭化水素系の原燃料を前記の燃料ガスに改質する粒
   状触媒が充填された環状の空間を内部に有する筒状をな
   す改質管と、改質管の内側上部に設置され，改質管の管
   壁を介して前記の触媒を加熱するための高温の燃焼ガス
   を，燃料を空気と共に燃焼することで生成するバーナと
   を備え、このバーナは、燃料改質器の起動，昇温時には
   その燃料として前記の原燃料の供給を受け、燃料電池発
   電装置の発電運転時に対応する燃料改質器の定常運転時
   には，その主たる燃料として燃料電池発電装置の燃料オ
   フガスの供給を受けるものである、燃料電池発電装置用
   の燃料改質器において、 バーナは、燃料改質器の起動，昇温時における前記の燃
   料を燃焼するための空気の量として、前記の燃料を希薄
   燃焼条件で燃焼させる量の空気を供給されてなることを
   特徴とする燃料電池発電装置用の燃料改質器。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池発電装置用の燃
   料改質器において、燃料改質器の起動，昇温時にバーナ
   に供給される希薄燃焼条件の空気の量は、理論空燃比値
   で表現して、２から１０の間にあることを特徴とする燃
   料電池発電装置用の燃料改質器。
3. 【請求項３】水素含有量の多い燃料ガスおよび空気を反
   応ガスとして用いて電気化学的に発電を行う燃料電池発
   電装置に，前記の燃料ガスを供給する装置であって、炭
   化水素系の原燃料を前記の燃料ガスに改質する粒状触媒
   が充填された環状の空間を内部に有する筒状をなす改質
   管と、改質管の内側上部に設置され，改質管の管壁を介
   して前記の触媒を加熱するための高温の燃焼ガスを，燃
   料を空気と共に燃焼することで生成するバーナとを備え
   る燃料電池発電装置用の燃料改質器の、その運転方法で
   あって、 燃料改質器の起動，昇温時においては、バーナに対しそ
   の燃料として前記の原燃料と，この原燃料を希薄燃焼条
   件で燃焼させる量の空気とを供給し、燃料電池発電装置
   の発電運転時に対応する燃料改質器の定常運転時におい
   ては、バーナに対する主たる燃料として，燃料電池発電
   装置の燃料オフガスを供給すると共に，バーナに供給す
   る空気の量として前記の燃料オフガスを燃焼させるに足
   る量の空気を供給することに切り換えてなる、ことを特
   徴とする燃料電池発電装置用の燃料改質器の運転方法。
4. 【請求項４】請求項３に記載の燃料電池発電装置用の燃
   料改質器の運転方法において、 燃料改質器の起動，昇温時にバーナに供給される希薄燃
   焼条件の空気の量は、理論空燃比値で表現して、２から
   １０の間に有ることを特徴とする燃料電池発電装置用の
   燃料改質器の運転方法。