JPS6217002A

JPS6217002A - 燃料電池用メタノ−ル改質装置

Info

Publication number: JPS6217002A
Application number: JP60155762A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Okano; 哲朗岡野; Toshiki Furue; 古江　俊樹
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1985-07-15
Filing date: 1985-07-15
Publication date: 1987-01-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は燃料電池用メタノール改質装置に係り、特に高
効率で水素（Ｈ２）を発生させ、副生成物や触媒劣化を
低減するのに好適なメタノール改質装置に関するもので
ある。

（従来の技術）メタノールを改質してＨ２を発生する燃料電池システム
は、ＬＮＧ等の炭化水素を改質するシステムに比べ、（
１）機器構成が単純、（２）運転温度が低いため、材料
の低減が可能、（３）高効率、等の利点を有する。

第５図（Ａ）、（Ｂ）−にメタノール改質システムの概
略フローを示す。原料のメタノールは、気化された後に
スチームと混合されて、メタノール改質器ｌに供給され
、分解反応が行われる。改質器で発生したＨ２とＣＯを
含む改質ガスは、低温シフトコンバータ２でＣＯを１％
以下にし、さらに気水分離器３で水分を取り除いた後、
電池アノード４へ供給される。この改質反応は吸熱反応
であり、必要な熱は、燃焼器６において、電池アノード
４の排ガス９を電池カソード５の排空気１０で燃焼させ
て得る。

従来、改質反応部への伝熱には、第５図の（Ａ）に示す
ように反応管壁を通して行なう方式のものと、同図（Ｂ
）に示すように、改質器１と燃焼器６を分離し、これら
を伝熱管８で連結し、ポンプ７により熱媒油を循環させ
て加熱する方法がある。

しかし、このメタノール改質反応においては、反応温度
の幅に大きな制約がある。すなわち、メタノール改質に
用いられるＣｕ系触媒は、反応温度域が２２０℃〜３０
０℃と狭く、反応温度が低いと改質反応に比較して（１
）式および（２）式に示すようなメタノール分解反応の
比率が増し、その結果、電池に有害なＣＯ、ギ酸メチル
、アセトアルデヒド、ジメチルエーテル等の副生成物を
生ずる。

ＣＨ３０Ｈ＋）（２０，：ＣＯ□＋３Ｈ２・・・・・・
　（１）ＣＨ３０Ｈ−ＣＯ＋２Ｈ２・・・・・・　　　
　（２）一方、触媒表面温度が３００℃以上になると、
触媒が劣化する。このため（１）の直接加熱方式では、
燃焼ガス温度が高いと、触媒表面温度が上がりすぎるた
め、燃焼ガスを多量の空気で希釈する必要があり、排ガ
スの持出顕熱が増えて、効率が低下する。

また熱媒油方式においても、反応温度は改質触媒の耐熱
限界に大きな影響を受ける。すなわち、熱媒油方式では
管内熱媒油の伝熱係数が非常に大きいため、伝熱管温度
が熱媒温度とほぼ同一になる。また、改質触媒は伝熱管
に接触するために、触媒保護の上から、第８図に示すよ
うに熱媒温度の上限が触媒の耐熱限界温度と決定されて
しまい、反応温度を上げにくくなる。

また、熱媒油は対流伝熱であるため、反応部に熱を与え
ると同時に温度が下がり、反応部との温度差が小さくな
り、その結果、反応温度も上がりにくく、ＧＯや副生成
物の発生量が増加する。第６図および第７図は、それぞ
れ熱媒油対向流方式および並行流方式の改質温度プロフ
ィルを示す。

これを防ぐためには、伝熱面の拡大や、熱媒油の循環量
増大等の方法があるが、機器の大型化や、消費電力増大
の問題を生ずる。

（発明が解決しようとする問題点）本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、コ
ンパクトで効率のよい、燃料電池用改質装置を提供する
ことにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、メタノール改質反応部の加熱に触媒燃焼部を
蒸発部とするヒートパイプを用いたものである。このヒ
ートパイプの温度は改質触媒の耐熱限界以下となるよう
に触媒燃焼部で燃焼温度を多段燃焼によってコントロー
ルすることが好ましい。

以下、本発明を図面により詳しく説明する。

（実施例）第１図は、本発明の一実施例を示す燃料電池用改質装置
の説明図である。この装置は、スチームドラム１１、メ
タノール気化器１２）メタノール改質器１３、低温シフ
トコンバータ１４、気水分離器１５、燃料電池（電池ア
ノード１６およびカソード１７）ならびに触媒燃焼器１
９よりなり、メタノール改質装置１３と触媒燃焼器１９
の間には、ヒートパイプ２０Ａ、２０Ｂが設置されてい
る。ヒートパイプ２０Ａ、２０Ｂは、触媒燃焼器１９側
を蒸発器、メタノール改質器工３側を凝縮器とし、ヘッ
ダ３２Ａ、３２Ｂを介して連結されている。また、蒸発
器のヘッダ３２Ａには温度調節器２４が設けられ、ヒー
トパイプ２０Ｂ、２０Ａ内の温度が、改質触媒の耐熱限
界を越えないようにコントロールされる。

本発明において、触媒の耐熱限界温度と、副生成物を生
じない安定反応温度下限の差が小さいことから、ヒート
パイプ温度を厳密にコントロールする必要があり、この
ため多段式の触媒燃焼器を用いることが好ましい。

燃料電池システムにおいて、改質器の加熱源となるのは
主に、燃料電池アノードから排出される未反応のＨ２で
あるが、これだけでは熱量が不足するので、これに助熱
料として、メタノール等が供給される。すなわち、メタ
ノール改質型燃料電池システムの場合、アノード排ガス
全量をカソード排空気全量で燃焼させると、燃焼ガス温
度は約６００℃となる。これから改質反応に必要な熱量
を差し引くと、燃焼ガス温度は２００℃程度になり、後
続のエクスパンダを作動させるには熱量不足となる。そ
こで助燃料を供給するが、１段で供給すると、燃焼温度
は８００℃以上となり、温度差過大となって、ヒートパ
イプ内温度が改質負媒の耐熱限界を越える恐れがある。

従って、例えばアノード排ガスを１段目、助燃料を２段
目以降に供給することにより、各段の燃焼ガスの最高温
度の過上昇を抑え、各段に熱を効率よく供給することが
できる。

第２図は、このような２段燃焼式の際の触媒燃焼器構造
の一例を示したものである。燃焼室は１段目と２段目に
分かれ、各々に予混金層３５．３６と燃焼触媒３４が設
けられている。２段目あ燃料供給ノズル３３は、燃焼器
に対しタンゼンシャルに設置されている。ヒートパイプ
２０Ｂは１段目と２段目に並列に配置される。ヒートパ
イプに封入する媒体としては沸点がメタノールの分解温
度より以下のものであればよく、例えば水、フレオン等
が好ましく用いられる。ヒートパイプヘッダ３２Ｂの出
口には温度調節装置２４が設置され、これにより２段目
燃料ノズル３３から供給される助燃料量が調節される。

なお、図中、３５は２段目予混合室、３６は１段目予混
合室、３７は燃料空気予混合ノズル、３８は燃焼ガス出
口ノズルである。

第３図は、ヒートパイプを用いた改質器における温度プ
ロフィルの一例を示す。用いたヒートパイプは蒸発潜熱
を利用する方式のものであり、ヒートパイプ長手方向で
温度変化がなく、一定の温度となる。従って、ヒートパ
イプ内の温度を改質触媒の耐熱限界付近にとると、加熱
部と改質ガスの温度差を熱媒油を用いた場合よりも太き
（とることができる。このため、改質反応部の温度が早
く上昇し、ＣＯが副生成物の発生の少ない安全温度域に
早く到達し、純度の高い改質ガスを製造することかでき
る。この場合、多段燃焼方式による触媒燃焼器は、特に
ヒートパイプの温度上床が改質触媒の耐熱限界と厳密に
決定されるために有利である。

第４図は、触媒燃焼部と改質反応部を一塔内に収容した
一体型メタノール改質装置の断面図である。本改質装置
は、内側ケーシング５２にメタノール改質触媒４２を充
填し、外側ケーシング５３と内側ケーシング５２との間
に燃料予混合層４６．４９と燃焼触媒４７．５０を内蔵
し、内側ケーシング５２との間にヒートパイプ４３を設
置したものである。燃焼部６０は１段または多段とし、
反応部６２への伝熱は、ヒートパイプ４３および内側ケ
ーシング５２を通して行われる。なお、内側ケーシング
５２には、改質触媒の温度が耐熱限界を越えないように
断熱材５４が施工されている。

このように−塔化することにより、装置がよりコ　・ン
バクトになり、また熱効率等も改善される。

（発明の効果）本発明によれば、下記の効果が達成される。

（１）ヒートパイプと改質触媒層の温度差を高くとるこ
とができ、この結果、改質反応部の温度を従来方式より
も早く安定域に昇温し、高品質の改質ガスを製造するこ
とができる。

（２）ヒートパイプと改質触媒層の温度差が高いため、
ヒートフランクスが向上し、伝熱面の小型化が可能とな
る。

（３）触媒燃焼器を多段でコントロールすることにより
、ヒートパイプの温度の上限制御が容易となる。

（４）ヒートパイプ方式のため、熱媒油方式のような動
力が不要である。

（５）ヒートパイプ方式のため、改質触媒層温度の上限
を厳守することが容易で、改質触媒の劣化がほとんどな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すメタノール改質装置
の説明図、第２図は、本発明に用いる２段燃焼式触媒燃
焼器の一例を示す断面図、第３図は、ヒートパイプ方式
改質器温度プロフィルを示す図、第４図は、本発明の一
実施例を示す一体型メタノール改質装置の断面図、第５
図（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ従来方式によるメタノー
ル改質燃料電池装置の説明図、第６図は、熱媒油対向流
方式改質器温度プロフィルを示す図、第７図は、熱媒油
並行流方式改質器温度プロフィルを示す図、第８図は、
熱媒油方式における管壁温度プロフィルを示す図である
。１１・・・スチームドラム、１２・・・メタノール気化
器、１３・・・メタノール改質器、１４・・・低温シフ
トコンバータ、１５・・・気水分離器、１６・・・電池
アノード、１７・・・電池カソード、１８・・・電池冷
却器、１９・・・触媒燃焼器、２０Ａ、２０Ｂ・・・ヒ
ートパイプ、２１・・・燃焼触媒、２２・・・エクスパ
ンダ、２３・・・コンプレッサ、２４・・・温度調節器
、３２Ａ、３２Ｂ・・・ヘッダ。代理人　弁理士　　川　北　武　長第、１図１７：＠池カッーｇ　　　　　　　　　３２八Ｂ：、ラ
ダー１８＝１１電池冷却器第２図３３：２段目燃料ノズル　　　　３６：１段目予混合室
３４：ｌｌｌ！を焼触媒　　　　　　　　３７：燃料、
空気予混合／スル３５：２段目予混合室　　　　　３８
：燃焼ガス出口ノズル第３図第５図（Ａ）第５図（Ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）触媒燃焼部と、該触媒燃焼部で発生した熱により
メタノールを改質して燃料電池に必要な水素を発生させ
る改質反応部を有する燃料電池用メタノール改質装置に
おいて、触媒燃焼部と改質反応部の間にヒートパイプを
設け、改質反応に必要な熱量をヒートパイプを介して供
給するようにしたことを特徴とする燃料電池用メタノー
ル改質装置。
（２）特許請求の範囲（１）において、触媒燃焼部を電
池アノード排ガス燃焼器とし、該燃焼器にヒートパイプ
の蒸発部を配置したことを特徴とする燃料電池用メタノ
ール改質装置。
（３）特許請求の範囲（２）において、電池アノード排
ガス燃焼器を多段にし、かつ改質触媒層温度の制御装置
を設けたことを特徴とする燃料電池用メタノール改質装
置。