JPH1111901A - 燃料電池発電装置用改質器 - Google Patents

燃料電池発電装置用改質器

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JPH1111901A
JPH1111901A JP9166811A JP16681197A JPH1111901A JP H1111901 A JPH1111901 A JP H1111901A JP 9166811 A JP9166811 A JP 9166811A JP 16681197 A JP16681197 A JP 16681197A JP H1111901 A JPH1111901 A JP H1111901A
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JP
Japan
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fuel cell
heat transfer
inner cylinder
reformer
cell power
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JP9166811A
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English (en)
Inventor
Naonobu Yokoyama
尚伸 横山
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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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
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】重量、コストの増大をもたらすことなく、触媒
容器の熱変形が回避され、安定して運転できるものとす
る。 【解決手段】内筒3と中間筒4の間に触媒層1を内蔵し
た触媒容器に改質原料を導入し、内筒3の内面より加熱
した触媒層1を通流させて改質ガスを得るものにおい
て、内筒3の外面に、ガスの通流方向に延伸する複数の
伝熱フィン2A、特にガスの通流方向と径方向の高さの
比がおおよそ6以下に形成した伝熱フィンを備えること
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池本体で使
用される水素濃度の高い改質ガスを生成する燃料電池発
電装置用改質器の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池発電装置用の改質器は、炭化水
素等の原燃料を水蒸気改質して燃料電池本体の燃料電極
に供給される水素濃度の高い改質ガスを生成する装置で
ある。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応を持続さ
せるためには加熱することが必要となるので、通常、燃
料電池本体の燃料電極より排出される余剰水素を含んだ
排出ガスを改質器に付設したバーナーで燃焼させ、効率
的に加熱する方法が採られている。
【0003】図3は、 100kW級の燃料電池発電装置に
用いられている改質器の基本構成を示す断面概念図であ
る。触媒を収納する触媒容器は、内径が約 500mmの内筒
3と、中間筒4と、外径が約 620mmの外筒5を下端部で
連通させて二重の円環状容器として構成されており、断
熱容器6の内部に配設されている。水蒸気改質反応に用
いられる触媒層1は、内筒3と中間筒4からなる内側の
円環状容器に内蔵されており、触媒層1の高さは約 120
0mm である。改質原料、すなわち炭化水素等の原燃料
は、中間筒4と外筒5からなる外側の円環状容器に導入
された後、下端部より連通した内側の円環状容器へと導
かれて触媒層1の中を上方へと送られ、水蒸気改質反応
によって改質される。改質器の中央部の上部にはバーナ
ー7が付設されており、燃料電池本体の燃料電極からの
排出ガスが導入され、別途導入される燃焼用空気と反応
して燃焼する。本燃焼炎によって触媒容器の内筒3の壁
面はおおよそ 800℃〜 900℃に加熱され、触媒層1が所
定温度に保持され、水蒸気改質反応が維持される。
【0004】図4は、図3に用いられている触媒容器の
基本構成図で、(a)は横断面図、(b)は(a)のZ
−Z面の要部の縦断面図である。図に見られるように、
触媒層1を内蔵した内筒3と中間筒4からなる内側の円
環状容器の内部には、触媒層1の全長にわたりガスの通
流方向に延伸する多数の長尺の伝熱フィン2が内筒3に
溶接により結着されて備えられており、この伝熱フィン
2によって燃焼炎により加熱される内筒3からの熱を伝
熱することによって触媒層1が効果的に加熱され、水蒸
気改質反応が促進されることとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池発電装
置用改質器では、上記のように触媒容器を構成し、燃焼
炎により加熱して水蒸気改質反応を行わせている。しか
しながら、本構成においては、触媒容器が燃焼炎により
内側から加熱される構成であり、触媒容器の内部に大き
な温度差が生じる。すなわち、内筒3は燃焼炎により直
接加熱されて高温になるのに対して、中間筒4や外筒5
は、主として触媒層1や底板等の構造物を介しての伝導
熱により温度上昇することとなるが、触媒層1は熱伝導
性が悪いので中間筒4の温度は低い値にとどまり、内筒
3との間には大きな温度差が生じることとなる。これに
ともない、内筒3に溶接により結着された伝熱フィン2
においても、内筒3に溶接された部分は高温に、中間筒
4に近いフィンの先端部の温度は相対的に低い温度とな
り、容器の半径方向に150℃〜 200℃の温度差が生じ
る。一方、伝熱フィン2は長尺で、ガスの通流方向に延
伸して内筒3に結着されているので、内筒3と伝熱フィ
ン2との間には熱膨張差に起因する熱応力が生じ、例え
ば、伝熱フィン2に歪みが生じたり、内筒3が変形して
膨らみを生じるという問題点がある。この変形を避ける
ために、内筒3と伝熱フィン2の板厚を厚くして機械強
度を向上する方法が採られる場合もあるが、この方法で
は重量が増大し、コストが高くなるので必ずしも得策で
はない。
【0006】本発明の目的は、上記のごとき従来技術の
難点を解消し、重量やコストの増大をもたらすことな
く、触媒容器の熱応力による変形が回避され、安定して
運転される燃料電池発電装置用改質器を提供することに
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、同軸に配された二つの円筒の
間に触媒層を内蔵してなる触媒容器と、該触媒容器の内
筒の内側より触媒層を加熱する加熱手段とを備え、触媒
容器内に炭化水素等の原燃料を導入して軸方向に通流
し、加熱手段で加熱して水蒸気改質し、燃料電池本体で
使用される水素濃度の高い改質ガスを生成する燃料電池
発電装置用改質器において、 (1)上記の触媒容器の加熱される内筒の触媒層内の壁
面に、径方向と軸方向に延伸する複数の伝熱フィンを結
着して備え、かつこの伝熱フィンの軸方向に延伸する長
さと、径方向に延伸する高さの比が、おおよそ6以下と
なるように形成することとする。
【0008】(2)またさらに、上記の伝熱フィンを、
長尺のフィンにスリットを入れて分割することにより形
成することとする。上記(1)のごとくとすれば、加熱
される壁面に結着した複数の伝熱フィンの軸方向に広が
る長さが制限され、熱膨張量も制限されるので、加熱さ
れる壁面と伝熱フィンの板厚を厚くしなくとも、熱膨張
差により生じる熱応力が許容応力以下に抑制され、熱応
力による変形が回避されることとなる。
【0009】また、上記の(2)のごとくとすれば、簡
単にかつ精度よく所定の伝熱フィンが形成でき、熱応力
による変形の回避に効果的となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
<実施例1>図1は、本発明による燃料電池発電装置用
改質器の第1の実施例を示す触媒容器の基本構成図で、
(a)は横断面図、(b)は(a)のX−X面の要部の
縦断面図ある。本図において、図4に示した従来例と同
一機能を備えた構成部品には同一符号が付されており、
重複する説明は省略する。本図の構成と従来例との差異
は、内筒3に溶接により結着された伝熱フィンにあり、
従来例の伝熱フィン2がガスの通流方向、すなわち軸方
向に延伸する長尺のフィンであったのに対して、本実施
例においては、軸方向に広がる長さが 150mmに制限さ
れ、この長さと加熱される壁面に略垂直の方向、すなわ
ち径方向の高さ(28mm)との比が、約5に設定された多
数の伝熱フィン2Aが用いられている点が特徴である。
【0011】本構成の触媒容器を改質器に組み込み、図
3のごとく燃焼炎により内筒3の壁面を内側から加熱
し、改質原料を導入して改質処理を行ったが、特に異常
は認められず、また改質処理終了後の目視検査において
も内筒3に従来例のごとき変形は認められなかった。な
お、本発明者は、上記の原燃料の通流方向に広がる長さ
を変え、軸方向と径方向の高さの比が約3〜約7の4種
類の伝熱フィンを備えた触媒容器のモデル器を作製し、
内筒を 900℃に加熱し、伝熱フィンの内筒への結着部と
先端との温度差を 200℃として、その挙動を調査する確
認実験を行ったが、その結果によれば、上記の長さと高
さの比が約7の伝熱フィンでは、伝熱フィンに変形が確
認されたが、長さと高さの比が約6、およびそれ以下の
伝熱フィンを結着したものにおいては、伝熱フィンに
も、また内筒にも変形は認められなかった。すなわち、
触媒容器の内筒に結着する伝熱フィンの長さと高さの比
を6以下とすれば、熱応力による変形が回避できること
がわかる。
【0012】<実施例2>図2は、本発明による燃料電
池発電装置用改質器の第2の実施例を示す触媒容器の基
本構成図で、(a)は横断面図、(b)は(a)のY−
Y面の要部の縦断面図ある。本図においても、図4に示
した従来例と同一機能を備えた構成部品には同一符号が
付されている。本図の構成の特徴は、内筒3に溶接によ
り結着した長尺のフィンにスリットをいれることによ
り、長さと高さの比が約5の多数の伝熱フィン2Bに分
割して形成した点にある。
【0013】本構成の触媒容器を改質器に組み込み、内
筒を 900℃まで加熱して挙動を確認する実験を行った
が、内筒に何ら変形は認められなかった。各伝熱フィン
2Bは根元で連なっているが、温度勾配が生じる部分は
スリットにより分割されているので、熱膨張差が生じる
部分は伝熱フィン2Bの部分に限られ、第1の実施例と
同様に熱応力が緩和され、熱変形の発生が回避される。
【0014】
【発明の効果】上述のごとく、本発明においては、同軸
に配された二つの円筒の間に触媒層を内蔵してなる触媒
容器と、該触媒容器の内筒の内側より触媒層を加熱する
加熱手段とを備え、触媒容器内に炭化水素等の原燃料を
導入して軸方向に通流し、加熱手段で加熱して水蒸気改
質し、燃料電池本体で使用される水素濃度の高い改質ガ
スを生成する燃料電池発電装置用改質器において、 (1)上記の触媒容器の加熱される内筒の触媒層内の壁
面に、径方向と軸方向に延伸する複数の伝熱フィンを結
着して備え、かつこの伝熱フィンの軸方向に延伸する長
さと、径方向に延伸する高さの比が、おおよそ6以下と
なるように形成することとしたので、加熱される壁面と
伝熱フィンの板厚を厚くしなくとも、熱膨張差により生
じる熱応力が許容応力以下に抑制されることとなるの
で、熱応力による変形が回避され、安定して運転される
燃料電池発電装置用改質器が得られることとなった。
【0015】(2)またさらに、上記の伝熱フィンを、
長尺のフィンにスリットを入れて分割することにより形
成することとすれば、簡単な方法で作製される伝熱フィ
ンにより、上記のごとく熱応力が抑制されるので、熱応
力による変形が回避され、安定して運転される燃料電池
発電装置用改質器として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料電池発電装置用改質器の第1
の実施例を示す触媒容器の基本構成図で、(a)は横断
面図、(b)は(a)のX−X面の要部の縦断面図
【図2】本発明による燃料電池発電装置用改質器の第2
の実施例を示す触媒容器の基本構成図で、(a)は横断
面図、(b)は(a)のY−Y面の要部の縦断面図
【図3】従来の燃料電池発電装置用改質器の基本構成を
示す断面概念図
【図4】従来の燃料電池発電装置用改質器に用いられて
いる触媒容器の基本構成図で、(a)は横断面図、
(b)は(a)のZ−Z面の要部の縦断面図
【符号の説明】 1 触媒層 2A 伝熱フィン 2B 伝熱フィン 3 内筒 4 中間筒 5 外筒 6 断熱容器 7 バーナー

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】同軸に配された二つの円筒の間に触媒層を
    内蔵してなる触媒容器と、該触媒容器の内筒の内側より
    触媒層を加熱する加熱手段とを備え、触媒容器内に炭化
    水素等の原燃料を導入して軸方向に通流し、加熱手段で
    加熱して水蒸気改質し、燃料電池本体で使用される水素
    濃度の高い改質ガスを生成する燃料電池発電装置用改質
    器において、 前記の触媒容器が、加熱される内筒の触媒層内の壁面
    に、径方向と軸方向に延伸する複数の伝熱フィンを結着
    して備え、かつ該伝熱フィンの軸方向に延伸する長さ
    と、径方向に延伸する高さの比が、おおよそ6以下とな
    るよう形成されていることを特徴とする燃料電池発電装
    置用改質器。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の燃料電池発電装置用改質
    器において、前記の伝熱フィンが、長尺のフィンにスリ
    ットを入れ分割することにより形成されていることを特
    徴とする燃料電池発電装置用改質器。
JP9166811A 1997-06-24 1997-06-24 燃料電池発電装置用改質器 Withdrawn JPH1111901A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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