JPS6349249A - メタノ−ル改質器の温度制御装置 - Google Patents

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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、燃料電池発電システム、特にりん酸形燃料電
池と組合わされるメタノール改質器の気化器と改質触媒
を充填する反応器との温度を制御するメタノール改質器
の温度制御装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

新しい発電装置として注目されている燃料電池は、小出
力でも効率が高いという特徴をもっている。このため、
従来エンジン発電機の利用分野であった移動用電源や非
常用電源・離島用電源などへの展開がはかられている。

このための燃料水素源としては、従来メタンやブタンな
どのスチームリフオーミング反応が利用されていたが、
これらの改質のためにけ８００〜９００℃という高温が
必要であり、システムとしても機器数が多いなど、小型
電源用とし一〇は不向きな点が多かった。このため改質
温度が２００〜３００’Ｏでリン酸形燃料電池の運転温
度に近く、主要な機器としては改質器本体だけですむメ
タノールのスチームリオーミング反応を利用したメタノ
ール改質器が使用されている。

このメタノール改質器とりん酸形燃料電池とを組み合わ
せて電力を発生させる燃料電池発電システムが知られて
いる。

第４図は上記のような燃料電池発電システムの系統図で
ある。図において、１はりん酸形燃料電池本体、２はメ
タノールの液体状の改質原料を収容した原料タンクであ
り、該原料タンク２と燃料１池本体１のアノード側との
間を結ぶ燃料供給系３にほこの発明の対象となるメタノ
ール改質器４が介挿設置されている。なお５は燃料電池
のカソード側ｔこ酸化剤ガスとしての空気を供給する空
気供給系、６は燃料電池本体冷却用の空気を送９込む冷
却空気供給系である。

ここで前記のメタノール改質器４は、バーナ７を装備し
た炉体としてなる炉容器８に対し、該炉容器内の燃焼室
には外部から供給されたメタノールの改質原料をガス化
する気化器９と、および該気化器９を経てガス化された
原料ガスを改質触媒との接触反応により水素り、チなガ
スに改質する反応器１０とを内蔵して構成されている。

ここで気化器９の構造は、図示のように炉容器８の底部
側から引き込んだパイプを燃焼室内で上方に向けて蛇行
状に配管した後に再び室内下方へＵターンさせ、図示さ
れてない原料ガスマニホールドを経て後段の反応器１０
へ接続するようにした構成となっている。

かかる構成において、運転時には燃料電池本体１のアノ
ード側から排出されるオフガスと空気ブロアｌ】により
吸気された燃焼空気とが一緒にバーナ７で燃焼され、燃
焼室内に配備された前記の気化器９および改質反応器１
０を加熱する。一方、メタノールの改質原料は原料タン
ク２より送液ポンプ１２を経て気化器９に送り込まれ、
気化器９内でガス化された後に反応器１０内で水素リッ
チなガスに改質されて燃料電池本体１のアノード側に供
給される。なお、１３はバッファタンクであり、バッフ
ァタンク１３により燃料電池の負荷変動時に、メタノー
ル改質器４から燃料電池本体１に供給する燃料ガスの圧
力変動を小さくしている。

ここで上記の燃料電池発電システムに使用されるメタノ
ール改質器について説明する。第５図は従来のメタノー
ル改質器の断面図である。図において筒状の炉体である
炉容器８の上部中央にバーナ７が設けられ、このバーナ
７を囲んで筒状の隔壁１６が懸架され、隔壁１６内は燃
焼室８ａが画成されている。また燃焼室８ａは下端部で
隔壁１６の外周側に画成されたアニユラス状の加熱室８
ｂに通じ、さらに加熱室８ｂの上部が燃焼ガス排気マニ
ホールド１５を経て煙突に通じる排気管２１に連通して
いる。

なお、バーナ７には燃料電池のオフガス供給管加および
燃焼用空気供給？？ηが接続されている。

気化器９は燃焼室Ｂａｔこら旋状に配され、また反応器
１０は改質触＃、１７が充填された複数の反応管１０ａ
からなり、隔壁１６の外周側に画成された室８ｂＪこ配
列されている。なお反応管１０Ｈの上部には改質ガスマ
ニホールド１８が、下部には原料ガスマニホ−ルの改質
原料を流入させる入口管１４が、一方改質ガスマニホー
ルド１８には改質されたガス（燃料ガス）を燃料電池に
供給する出口管１９が設けられている。

このような構成によりメタノール改質器を運転し、バー
ナ７にてオフガス供給管Ｉを通るオフガスと燃焼用空気
供給管ηを通る空気とにより燃焼を行なわせる。このと
き、熱媒体である火炎や燃焼ガスは燃焼室８ａを下方に
流れ、さらに燃焼ガスは隔壁１６の下端部でＵターンし
て上方ｌこ流れ、気化器９と反応器１０とを加熱した後
、排ガスマニホールド１５を経て排気管２１から外部に
排出される。

一方、メタノールを入口管１４から気化器９１こ送入す
ると、メタノールは気化器９にて気化してガスとなり、
この気化ガスは原料ガスマニホールド１５を経て反応器
１０に流入し、反応器内の改質触媒により水素に富むガ
スに改質され、改質ガスマニホールド１８を経て出口管
１９から燃料ガスとして燃料電池に供給される。

ところでメタノールの改質反応は次の２段の反応から成
り立っているといわれている。

ＣＨ３ＯＨ−ＣＯ＋　２Ｈ，・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（１）上式ｌこセいて（１）は吸熱
反応であす、（２）は発熱反応であり、トータルすると
（３）は吸熱反応である。

この反応には主に銅系の改質触媒が高活性を持つことが
知られている。しかし、銅系の改質触媒は一般に耐熱性
が低く、３００℃以上の高温にさらされると極端に活性
が低下し、寿命が短かくなるという欠点がある。またメ
タノールを水素に富むガスに改質する活性は２００℃以
上でないと充分には発揮されないため、メタノール改質
器の触媒温度は２００℃〜３００℃、できるならば２２
０’Ｏ〜２６０℃に保つのが最適である。

また一方、小型電源として使用する場合には、メタノー
ル改質器の起動時間はなるべく短かい方がよ（、さらに
運転時における負荷変動に際してもできるだけ早い応答
が必要である。

しかし、第５図に示すように反応器１０が隔壁１６の外
周側に直立して配列されている場合、メタノール改質器
の起動時、あるいは運転時における燃料電池の負荷変動
により負荷が急激に低下した場合、反応管１０ａの下部
の改質触媒は通常３００°Ｏ以上になることは不可避で
あった。これは、起動時は改質触媒全体をなるべく短時
間に所定の温度以上にしようとして多積のメタノール燃
料を燃焼させるため、大きな熱エネルギーを有する燃焼
ガスが気化ガスの流入する改質触媒の入口、すなわち反
応管１０ａの下部の温度を所定温度以上ｌこ上昇させる
ためである。一方負荷が急激に低下した場合ｌこは燃料
電池での燃料（水素）消費量が減小し、メタノール改質
器のバーナ７に供給されるオフガス量が増加し、燃焼ガ
スの熱エネルギーが一時的に増加するためである。また
、さらｌこメタノール改質器は燃料電池の負荷によって
改質するガス量を制御しており、このため負荷が急減し
た場合、メタノールの改質原料の供給量も急激に減小す
る。

この結果気化器９を流れる改質原料も減小するため、気
化器９への伝熱量が減小する。したがってより高温の燃
焼ガスが反応管１０ａの下部にある改質触媒の温度を上
昇させるためである。

上記のように従来のメタノール改質器では改質触媒が高
温になるため、改質触媒の寿命が大幅に低下し、またこ
のため改質触媒の交換を頻繁に行なう必要があるという
欠点があった。

本出願人は、上記のような欠点を屏決するものとして先
に実願昭６１−７５６３３号により、りん酸形燃料電池
の負荷状態ｌこよりバーナからの燃焼ガスを排気管から
外部に排出するまでの途中で燃焼ガスを排出するように
したメタノール改質器を提案している。

第６図はこの先の出願によるメタノール改質器の断面図
であり、第５図の従来例と同一部品には同じ符号を付し
、その説明を省略する。この提案が第５図の従来例と異
なるのは排気管２０こ熱媒体としての燃焼ガスの排出流
↑を制御する第１のダンパとしての上部ダンパあを設け
、さらに隔壁１６の下端より下方の炉容器８に環状の熱
情ガス下部マニホールドｎを燃焼室８ａに連通して設け
、この燃焼ガスマニホールドｎに第２のダンパとしての
下部ダンパ四を設けることにより、燃焼室８ａから加熱
室８ｂに至る燃焼ガスの一部を排出する下部ダンパ四を
設けていることである。このような構成により燃料電池
の定常運転時には下部ダンパ四を閉、上部ダンパ誘を開
にして運転を行ない、起動時や急激な負荷減少時のよう
な非定常時には下部ダンパ四を開、上部ダンパを閉にす
る等して燃焼室１３ａ　、加熱室８ｂに流れる燃焼ガス
流量を制御して反応器１０内の改質触媒が高温にならず
に活性を保持する温度範囲になるようにしている。

ψ 本出願人は、この先出！７１１４こよし提案されたメタ
ノール改質器の温度制御装置について更に検討を行ない
、本発明を出願するに至った。

〔発明の目的〕

本発明は、メタノール改質器の起動時および負荷急減時
に反応器に充填された改質触媒の温度を触媒の活性を適
正に保持する範囲に制御することのできるメタノール改
質器の温度制御装置を提供することを目的とする。

〔発明の要旨〕

上記の目的は、本発明によれば筒状の炉体と、この炉体
の上部中央に配されるバーナと、このバーナを囲み前記
炉体内に懸架される筒状の隔壁と、この隔壁で囲まれる
燃焼室に配される気化器と、前記隔壁の外周に画成され
る加熱室に配され該気化器に連通して改質触媒が充填さ
れた反応器と、前記加熱室の上部に配される第１のダン
パを備えた排気管と、前記炉体の下部の燃焼室から加熱
室に至る部分に設けられた第２のダンパとからなり、前
記熱媒体により気化器と反応器を加熱して改質原料を水
素に富むガスに改質するメタノール改質器において、前
記気化管出口の気化ガスの温度を検出する第１の温度検
出器と、反応器の入口部の改質触媒の温度を検出する第
２の温度検出器と、前記第１と第２の温度検出器の出力
信号と、あらかじめ設定された値を比較して前記第１と
第２のダンパの開度を調整する制御手段を設けることに
より達成される。

〔発明の実施例〕

以下図面に基づいて本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の実施例によるメタノール改質器の温度
制御装置の系統図であり、第２図は第１図の温度検出器
を配したメタノール改質器の断面図である。なお、第１
図、第２図において第４図、第５図の従来例と第６図の
提案例と同一部品には同じ符号を付し、その構成、作用
は同じなので説明を省略する。第２図において（９）は
第１の温度検出器３２の検出端である熱電対であり、燃
焼室８ａ内に配されたら旋状の管からなる気化器９の出
口に設けて気化器９で気化したガスの温度を検出してい
る。また３１は第２の温度検出器あの検出端である熱電
対であり、気化器９に連通し、加熱室８ｂに直立して配
され改質触媒が充填された反応器１０を構成する反応管
１０ａの入口部である下部に設けられ、改質触媒の温度
を検出している。第１のダンパとしての上部ダンパ３と
第２のダンパとしての下部ダンパ四とは熱電対１．３１
をそれぞれ備える第１の温度検出器３２と第２の温度検
出器あで検出された温度により開閉が制御される。

七ころで燃料電池発電システムにおけるりん酸形燃料電
池の定常運転時にはメタノール改質器４は上部ダンパあ
を開にし、下部ダンパ四を閉にして運転が行なわれる。

この場合、バーナ７にて燃焼した燃焼ガスは燃焼室８ａ
を流下し、気化器９を加熱して気化器９内に流入する液
体状のメタノールを気化してガスにした後、燃焼室８ａ
の下端から折返して加熱室８ｂＪこ上昇流となって流れ
、反応器１０内の改質触媒を加熱して反応器ｌｏ内に流
入する気化ガスを水素に富むガスに改質した後、上部ダ
ンパ２６から外部に排気される。この時、気化器の出口
部の気化ガスの温度、すなわち熱電対（資）の温度は３
５０〜４５０゛Ｏ１反応器の下部の改質触媒の温度、す
なわち熱電対３１の温度は２２０〜２８０℃である。し
かし非定常時運転、特に起動時や負荷が減小した場合に
は前述のように気化器と反応器を流れるメタノール量に
比し燃焼ガスが増大する。このため気化ガスの温度、す
なわち熱電対間の温度がまず上昇し、少し遅れて改質触
媒の温度、すなわち熱電対３１の温度が上昇する。この
場合には下部ダンパ四を開にし、上部ダンパ加を閉にし
、燃焼ガスの全景を加熱室８ｂの下部から外部に排出し
、燃焼ガスが反応器１０内の改質触媒と熱交換しないよ
うにして改質触媒がその活性を保持する温度範囲内にな
るようにする。このような上部ダンパ２６と下部ダンパ
四との開、閉を行なう気化ガスの温度（熱電対３０）と
改質触媒の温度（熱電対３１）の温度条件は下記の第１
表による。

（注）本ＩＴＣ３Ｑは熱電対３０（気化ガスの温度）の
温度を示す。

＄２ＴＣ３１は熱電対３１（改質触媒の温度）の温度を
示す。

第１図は上記のような上部ダンパ２６と下部ダンパ詐と
の開閉を制御する系統図である。図において３４はメモ
リであり、気化器出口の気化ガスの温度（ＴＣ３０）と
、反応器下部の改質触媒の温度（ＴＣ：３１）との第１
表に示した導度条件を基準温度として記憶する。この場
合、上部ダンパ５と下部ダンパ四との開閉を決める基準
温度はＴＣ３０で４５０’Ｏ、ＴＣ３１”？？　２８０
°Ｏ（！：　２２０℃テアル。３５ハ演算器テあり、第
１の温度検出器３２からのＴＣ３０の温度と第２の温度
検出器おからのＴＣ３１の温度とが入力され、メモｌ　
３４から取出す基準温度と比較され、第１表にしたがっ
て上部ダンパあと下部ダンパとの開。

閉の出力信号を出力する。そしてこの出力信号は制御器
％に入力され、上部ダンパあと下部ダンパ四との開閉が
行なわれる。

一つぎに上記の制御の流れ図について説明する。

第３図は第１の温度検出器３２と第２の温度検出器３３
との検出温度により上部ダンパあと下部ダンパ四との開
閉が制御される流れ図である。図において第１表で示す
ような下部ダンパと上部ダンパとの開閉が行なわれる気
化ガスの温度（ＴＣ３０）と改質触媒の温度（ＴＣ３１
）とのＴ度条件を８１で示すようにメモリにＴＣ３０と
ＴＣ３１との基準温度（ＴＣ３０：４５０℃、　ＴＣ３
１：　２８０　’Ｃ、２２０’０　）として設定して記
憶されている。そしてメタノール改質器の運転時に８２
で示すように第１と第２の温度検出器によりＴＣ３０と
ＴＣ３１との温度を測定する。そしてメモリに記憶され
た基準温度と比較し、Ｓ３にてＴＣ３ｆ）の温度が４５
０’Ｏ以下か否かが判断され、４５０℃以下ならＳ４に
移行し、ＴＣ３１の温度が２８０°０以下か否かが判断
される。そして２８０’Ｏ以下ならＳ５に移行し、下部
ダンパを閉、上部ダンパを開にする出力信号を出す。

なお、　Ｓ４にてＴＣ３１の温度が２８０°０を超えて
いればＳ６に移行し、下部ダンパを開、上部ダンパを閉
ｌこする出力１言号を出す。またＳ３ｉこてＴＣ３Ｑの
温度が４５０°Ｃ８超える場合はＳ７に移行し２、ＴＣ
３１の温度が２２０°０以下か否か判断され２２０°○
以下の場合はＳ８に移行し、下部ダンパを開、上部ダン
パを開にする出力信号を出す。またＳ７にてＴＣ３１の
温度が２２０℃を超える場合はＳｌこ移行し１下部ダン
パを開、上部ダンパを閉にする出力信号を出す。

上記の出力信号はそれぞれ制御器に入力され、制御器に
よりそれぞれの出力信号に従って下部ダンパと上部ダン
パの開閉が行なわれる。

したがって燃料電池の非定常運転時ｌこ生じる気化ガス
の温度（ＴＣ３０）の＠度が４５０°Ｃ以上と、４５０
°Ｃ以下であっても改質触媒の温度（ＴＣ３１）の温度
が２８０℃以上になったときは下部ダンパ四が開になり
、燃焼ガスの全量を改質触媒に熱交換させないで下部ダ
ンパから排出する。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれば、気化器
の出口の気化ガスの温度と反応器下部の改質触媒の温度
を検出し、あらかじめ定められた前記気化ガスと改質触
媒との温度と比較して第１のダンパと第２のダンパとの
開閉を制御し、特に燃料電池の起動時や急激な負荷減少
時のような非定常運転時の過剰な燃焼ガスを第２のダン
パを開にして炉体の下部から外部に排出するようにした
ことにより、Ｐｇ８ガスはダ応管内の改質触媒と熱交換
しないので、改質触媒は高温Ｊこならず、活性を保持す
るＲｅＦｌ、囲に保持でき、また改質触媒の寿命低下を
防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるメタノール改質器の温度
制御装置の系統図、第２図は第１図の温度検出器を備え
たメタノール改質器の断面図、第３図は＠１図の温度制
御装置のフロー図、第４図はメタノール改質器キリん酸
形燃料電池とを組合わせた燃料！、池発電装置の系統図
、第５図は従来のメタノール改質器の断面図、第６図は
本出願人が先に提案したメタノール改質器の断面図であ
る。 １：燃料電池、４：メタノール改質器、７：バーナ、８
：炉体としての炉容器、８ａ：燃焼室、８ｂ＝加熱室、
９：気化器、１０：反応器、１７：改質触媒、２１：排
気管、２６：第１のダンパとし、ての上部ダンパ、２９
：第２のダンパとしての下部ダンパ、第　　　イ　　　
１ｆｆ１ 峯　　３　　旧 ＄　　４　　囚 茅　　５　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 筒状の炉体と、該炉体の上部中央に配されるバーナと、
   該バーナを囲み前記炉体内に懸架される筒状の隔壁と、
   該隔壁で囲まれる燃焼室に配される気化器と、前記隔壁
   の外周に画成される加熱室に配され該気化器に連通して
   改質触媒が充填された反応器と、前記加熱室の上部に配
   される第１のダンパを備えた排気管と、前記炉体の下部
   の燃焼室から加熱室に至る部分に設けられた第２のダン
   パとからなり、前記熱媒体により気化器と反応器を加熱
   して改質原料を水素に富むガスに改質するメタノール改
   質器において、前記気化器出口の気化ガスの温度を検出
   する第１の温度検出器と、反応器の入口部の改質触媒の
   温度を検出する第２の温度検出器と、前記第１と第２の
   温度検出器の出力信号と、あらかじめ設立された値を比
   較して前記第１と第２のダンパの開度を調整する制御手
   段とを有することを特徴とするメタノール改質器の温度
   制御装置。