JPH1017302A - 燃料電池用改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒を熱膨張による応力や圧縮荷重の作用に
よって破損しないようにする。 【解決手段】 内部に触媒層１１が設けられた反応管６
を備え、反応管６内に導入されたメタンガス（ＣＨ₄ ）
を触媒層１１を通過させる過程で加熱して燃料電池１の
燃料となる水素ガス（Ｈ₂ ）に改質する燃料電池用改質
器５において、触媒層１１を反応管６の導入口６ａから
導出口６ｂに向かって所定の空間１２を存して複数層設
ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用改質器
の改良に関し、特に反応管内の触媒破損対策に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素ガス等の燃料を空気等
の酸化剤で電気化学的に酸化しながら、その燃料の持つ
化学エネルギーを直接に電気エネルギーに変換する発電
装置である。この燃料電池では、燃料を電池外から供給
するようになっており、この燃料は、都市ガス等の原料
ガスを改質器で改質して得られる。

【０００３】一般に、上記改質器は、図３に示すよう
に、原料ガスが通過する金属製の反応管（ａ）を備えて
おり、該反応管（ａ）の一端には、多数の細孔（ｂ），
（ｂ），…が穿設された金属製の多孔板からなる目皿
（ｃ）が取り付けられ、上記反応管（ａ）の内部には、
粒状の触媒（ｄ），（ｄ），…が充填されて上記目皿
（ｃ）により落下しないように支持されている。そし
て、原料ガスを上記反応管（ａ）内に導入して触媒層
（ｅ）を通過させ、この間に反応管（ａ）をバーナー等
による熱媒体により高温に加熱して上記原料ガスを触媒
反応により水蒸気改質し、燃料電池の燃料となる改質ガ
スに改質して該改質ガスを上記目皿（ｃ）の細孔
（ｄ），（ｄ），…を経て燃料電池に供給するようにし
ている。

【０００４】このような改質器として、例えば特開平４
−２４３５３９号公報に開示されているように、反応管
に充填された触媒層を触媒活性は低いが触媒強度が高い
触媒層と、逆に触媒活性は高いが触媒強度が低い触媒層
との２種類に分け、前者をバーナー側に、後者を反バー
ナー側にそれぞれ配置することにより、バーナー側での
反応管の熱影響に起因する触媒の破損を防止するととも
に、反バーナー側では高活性触媒によって十分に改質反
応を行わせるようにした改質器が知られている。

【０００５】別の改質器として、例えば特開平１−２６
４９０３号公報に開示されているように、触媒が充填さ
れた反応管を内外２重に配置することにより、熱効率の
向上と装置のコンパクト化とを図るようにした改質器も
知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の２つの
公報例の改質器では、図３に示すように、いずれも触媒
（ｄ）は、反応管（ａ）内に空間を形成することなく充
填されて１つの触媒層（ｅ）となっているため、高温下
での急激な熱変動により膨張収縮を繰り返すと、熱膨張
による応力が触媒層全体に大きく作用して触媒（ｄ）が
破損し、触媒寿命が短くなって改質器の性能が低下する
という問題がある。

【０００７】また、触媒（ｄ）の破損は、触媒（ｄ）自
体の熱膨張に起因して起こるだけではなく、前者の公報
例に指摘されているように、ヒートサイクルの起動停止
中の温度変化により反応管（ａ）を構成している金属材
料が膨張収縮を繰り返し、内部の触媒（ｄ）に圧縮荷重
がかかることによっても起こり得る。

【０００８】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、触媒層に対する熱膨張
による応力の作用を弱めたり、あるいは触媒にかかる圧
縮荷重を低減して触媒が破損しないようにしたことを特
徴とする。

【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、本発明は、反応管に触媒層を断続的に配置したこと
を特徴とする。

【００１０】具体的には、図１に示すように、本発明
は、内部に触媒層（１１）が設けられた反応管（６）を
備え、該反応管（６）内に導入された原料ガス（例えば
ＣＨ₄）を上記触媒層（１１）を通過させる過程で加熱
して燃料電池（１）の燃料となる改質ガス（例えば
Ｈ₂ ）に改質する燃料電池用改質器（５）を対象とし、
次のような解決手段を講じた。

【００１１】すなわち、本発明の第１の解決手段は、上
記触媒層（１１）を反応管（６）の導入口（６ａ）から
導出口（６ｂ）に向かって所定の空間（１２），（１
２），…を存して複数層設けたことを特徴とする。

【００１２】上記の構成により、本発明の第１の解決手
段では、反応管（６）やその内部の複数層の触媒層（１
１），（１１），…の触媒（１０），（１０），…は、
高温下での急激な熱変動により膨張収縮を繰り返すが、
個々の触媒層（１１）に作用する熱膨張による応力や触
媒（１０）自体に作用する圧縮荷重は、上隣りの触媒層
（１１）との間にある空間（１２）の存在によって分断
されて隣りの触媒層（１１）には伝わらず、比較的小さ
な応力や圧縮荷重が分散して存在することになり、よっ
て、個々の触媒層（１１）の触媒（１０）は破損せず、
触媒寿命が長くなって改質器の性能が向上する。

【００１３】本発明の第２の解決手段は、第１の解決手
段において、図２に示すように、複数層の触媒層（１
１），（１１），…の触媒充填率を導出口（６ｂ）に近
づくに従って漸次高くし、相隣る触媒層（１１），（１
１）間の空間（１２）を導出口（６ｂ）に近づくに従っ
て漸次長くしたことを特徴とする。

【００１４】上記の構成により、本発明の第２の解決手
段では、触媒層（１１）は、触媒充填率の高さに比例し
て膨張率も高くなるが、相隣る触媒層（１１），（１
１）間の空間（１２）もそれに比例して長くなっている
ことから、触媒（１０）が大きく膨張したり、熱膨張に
より反応管（６）の内径が縮小しても隣りの触媒層（１
１）と接触せず、よって、個々の触媒層（１１）に作用
する熱膨張による応力や圧縮荷重が結集せず、分散した
比較的小さな応力や圧縮荷重によって個々の触媒層（１
１）の触媒（１０）の破損が確実に防止される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて説明する。

【００１６】図１は本発明の実施の形態に係る燃料電池
用改質器が適用された燃料電池の発電システムを示し、
本例では燃料電池（１）がアルカリ電解液燃料電池とし
ての水素酸素燃料電池である場合を示す。

【００１７】同図において、（１）は燃料電池であっ
て、該燃料電池（１）は、負極となる燃料極（２）と、
正極となる酸化剤極（３）との間に水酸化カリウム水溶
液からなる電解質（４）を介在させて構成されている。
この燃料電池（１）では、燃料として高純度の水素（Ｈ
₂ ）を燃料極（２）に、空気を酸化剤極（３）にそれぞ
れ供給し、燃焼反応を水素（Ｈ₂ ）の酸化反応と空気中
の酸素（Ｏ₂ ）の還元反応とに分けて行わせ、燃料極
（２）で放出した電子を外部回路を経て酸化剤極（３）
に流すことにより、燃焼反応の進行に応じた起電力を得
るようにしている。この際、水素（Ｈ₂ ）と酸素
（Ｏ₂ ）との電気化学反応の結果、水（Ｈ₂ Ｏ）が生成
される。

【００１８】上記燃料電池（１）の燃料としての高純度
の水素（Ｈ₂ ）は、例えばメタンガス（ＣＨ₄ ）を主成
分とする都市ガス等の原料ガスを改質器（５）で改質し
て得るようになっている。この改質器（５）は金属製の
反応管（６）を備えてなり、該反応管（６）は炉体（図
示せず）内に配置されてバーナー（７）の燃焼ガスによ
って加熱されるようになっている。

【００１９】本発明の特徴として、上記反応管（６）の
内部は、多数の細孔（８ａ），（８ａ），…が穿設され
た金属製の多孔板からなる目皿（８），（８），…で導
入口（６ａ）から導出口（６ｂ）に向かって等間隔に５
つに仕切られ、該各目皿（８）で仕切り形成された５つ
の収納部（９），（９），…には、アルミナ−ニッケル
系等の粒状の触媒（１０），（１０），…が収納されて
反応管（６）の内部に５層の触媒層（１１），（１
１），…を形成し、該各触媒層（１１）を上記各目皿
（８）により落下しないように支持している。上記各触
媒層（１１）は、各収納部（９）に隙間なく充填されて
いるのではなく、その上隣りの目皿（８）との間に所定
の空間（１２）が形成され、反応管（６）の導入口（６
ａ）から導出口（６ｂ）に向かって上記空間（１２）を
存して５層設けられている。この各空間（１２）の長さ
は全て同じに設定され、各触媒層（１１）が等間隔で反
応管（６）の内部に配置されている。なお、上記目皿
（８）は、炉体内の加熱雰囲気に耐え得るよう熱伝導性
との関係を考慮して採用されることはいうまでもない。

【００２０】そして、例えばメタンガス（ＣＨ₄ ）を主
成分とする都市ガス等の原料ガスを水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）と
共に導入口（６ａ）から反応管（６）内に導入し、上記
原料ガスを各目皿（８）の細孔（８ａ），（８ａ），…
を経て各触媒層（１１）を通過させる。この際、上記反
応管（６）はバーナー（７）の燃焼ガスにより高温に加
熱されており、内部の各触媒層（１１）も高温に加熱さ
れている。したがって、上記原料ガスは、反応管（６）
内を通過する過程で触媒反応により水蒸気改質され、高
純度の水素（Ｈ₂ ）に改質されて導出口（６ｂ）から燃
料電池（１）の燃料極（２）に燃料として供給される。

【００２１】このように、本例の改質器（５）では、５
層の触媒層（１１），（１１），…を反応管（６）の導
入口（６ａ）から導出口（６ｂ）に向かって等間隔に５
つの空間（１２），（１２），…を存して配置している
ことから、反応管（６）がバーナー（７）の燃焼ガスに
より高温下に晒されて急激な熱変動により膨張収縮を繰
り返したり、あるいは反応管（６）内部の各触媒層（１
１）が同様に膨張収縮を繰り返しても、個々の触媒層
（１１）に作用する熱膨張による応力や触媒（１０）自
体に作用する圧縮荷重を上記各空間（１２）によって分
断して隣りの触媒層（１１）に連鎖的に伝わらないよう
にすることができ、これにより、比較的小さな応力や圧
縮荷重を分散して存在せしめて個々の触媒層（１１）の
触媒（１０）の破損を防止でき、触媒寿命を長期間に亘
って確保して改質器（５）の性能を向上させることがで
きる。

【００２２】図２は改質器（５）の反応管（６）の変形
例を示す。上述した改質器（５）の反応管（６）では、
相隣る触媒層（１１），（１１）間の空間（１２）を全
て同じ長さに設定したが、この変形例では、反応を効率
良く行わせる観点から、５層の触媒層（１１），（１
１），…の触媒充填率を導出口（６ｂ）に近づくに従っ
て漸次高くしている。これに伴って、相隣る触媒層（１
１），（１１）間の空間（１２）を導出口（６ｂ）に近
づくに従って漸次長くしている。つまり、各触媒層（１
１）が導出口（６ｂ）に近づくに従って漸次離れるよう
に間隔を異ならせている。

【００２３】したがって、導出口（６ｂ）側の高膨張率
の触媒層（１１）が大きく膨張しても、該部分の空間
（１２）も触媒膨張率に比例して長くなっていることか
ら、上隣りの触媒層（１１）との接触を余裕を持って回
避することができ、比較的小さな応力や圧縮荷重を分散
して存在せしめて個々の触媒層（１１）の触媒（１０）
の破損を確実に防止することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る本
発明によれば、複数層の触媒層を反応管の導入口から導
出口に向かって所定の空間を存して設けたので、反応管
の熱膨張による触媒層に対する応力や触媒自体の熱膨張
による圧縮荷重が触媒層全体に及ぶのを上記空間によっ
て回避でき、触媒の破損を防止して性能の良い改質器と
することができる。

【００２５】請求項２に係る本発明によれば、複数層の
触媒層の触媒充填率を導出口に近づくに従って漸次高く
するとともに、相隣る触媒層間の空間を導出口に近づく
に従って漸次長くしたので、触媒が大きく膨張しても上
隣りの触媒層と接触を余裕を持って回避することがで
き、触媒自体の熱膨張による圧縮荷重等が連鎖的に触媒
層全体に及ぶことによる触媒の破損を確実に防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池用改質器が
適用された燃料電池の発電システムの構成図である。

【図２】反応管内の触媒層の配置を示す変形例の構成図
である。

【図３】反応管内の触媒層の配置を示す従来例の構成図
である。

【符号の説明】

（１） 燃料電池 （５） 改質器 （６） 反応管 （６ａ） 導入口 （６ｂ） 導出口 （１１） 触媒層 （１２） 空間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に触媒層（１１）が設けられた反応
   管（６）を備え、該反応管（６）内に導入された原料ガ
   スを上記触媒層（１１）を通過させる過程で加熱して燃
   料電池（１）の燃料となる改質ガスに改質する燃料電池
   用改質器（５）であって、 上記触媒層（１１）は、反応管（６）の導入口（６ａ）
   から導出口（６ｂ）に向かって所定の空間（１２），
   （１２），…を存して複数層設けられていることを特徴
   とする燃料電池用改質器。
2. 【請求項２】 複数層の触媒層（１１），（１１），…
   の触媒充填率は、導出口（６ｂ）に近づくに従って漸次
   高くなっており、 相隣る触媒層（１１），（１１）間の空間（１２）は、
   導出口（６ｂ）に近づくに従って漸次長くなっているこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質器。