KR20090033110A - 연료 전지용 개질 장치 - Google Patents

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마사따까 가도와끼
가즈미 고바야시
가즈아끼 나까지마
야스시 사또
겐 사무라
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Abstract

원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치에 있어서, 개질부는 원연료로부터 개질 가스를 생성한다. 시프트 변성부는 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시킨다. 선택 산화부는 시프트 변성부를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시킨다. 개질 반응통은 개질부, 시프트 변성부 및 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납한다. 연소 수단은 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성한다. 외통은 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 크다. 개질 반응통과 외통 사이에는, 개질 반응통을 가열하기 위해서 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로가 형성되어 있다.
연료 전지 시스템, 연료 전지용 개질 장치, 시프트 반응, 선택 산화부, 연소 배기 가스.

Description

연료 전지용 개질 장치 {REFORMING APPARATUS FOR FUEL CELL}
<관련 출원의 상호 참조>
본 출원은 2007년 9월 27일자로 제출된 일본 특허 출원 제2007-252653호, 2007년 9월 27일자로 제출된 일본 특허 출원 제2007-252654호, 2007년 9월 27일자로 제출된 일본 특허 출원 제2007-252655호, 2007년 9월 27일자로 제출된 일본 특허 출원 제2007-252656호, 2007년 9월 27일자로 제출된 일본 특허 출원 제2007-252657호, 2007년 9월 27일자로 제출된 일본 특허 출원 제2007-252658호, 2008년 3월 18일자로 제출된 일본 특허 출원 제2008-070054호, 및 2008년 3월 18일자로 제출된 일본 특허 출원 제2008-070055호를 기초로 하고, 이들 우선권의 이점을 청구하며, 그의 전문이 본원에 참고로 포함된다.
본 발명은 원연료를 연료 전지 시스템에 있어서 사용되는 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치에 관한 것이다.
고체 고분자 형태 연료 전지는, 수소가 갖는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 발생시킨다. 실용적으로는 고체 고분자 형태 연료 전지의 연료가 되는 수소는, 비교적 용이하며 저가에 입수 가능한 천연 가스, 나프타 등의 탄화수 소계 가스 또는 메탄올 등의 알코올류의 원연료 가스와 수증기를 혼합하여 개질기로 개질함으로써 얻었다. 개질에 의해 얻어진 수소 가스는 연료 전지의 연료극에 공급되어 발전에 이용된다.
일반적으로 개질기는 수증기에 의한 원연료 가스의 개질 반응에 필요한 열을 공급하기 위한 버너를 구비한다. 버너로 연료를 연소시켜 생긴 연소 가스를 연소통으로부터 개질 반응부 근방에 설치된 경로로 유도함으로써 연소 가스의 열 에너지가 개질 반응에 이용된다. 또한, 원연료 가스로서 이용되는 도시 가스나 프로판 가스는, 가스 누설을 감지하기 쉽게 부취제로서 유기 황 성분이 첨가되어 있다. 유기 황 성분을 포함한 도시 가스나 프로판 가스 등이 그대로 개질기에 공급되면, 개질기의 촉매에 유기 황 성분이 부착되어 황 피독에 의해 개질기의 개질 성능이 저하되게 된다. 그 때문에, 탈황기를 구비한 개질 장치가 고안되었다.
그러나, 종래의 개질기는 버너로 연료를 연소시켜 발생한 연소 배기 가스를 개질부 내측으로 흐르게 함으로써, 연소 배기 가스의 열 에너지를 고온의 수증기 생성이나 개질부의 승온에 이용하고 있기 때문에, 개질부를 연소 배기 가스 유로의 외측에 배치해야만 한다. 또한, 개질부에 의해 생성된 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 감소시키기 위한 시프트 변성부나 일산화탄소 제거부가, 개질부를 구비하는 유로의 외측에 추가로 배치되어 있기 때문에 유로가 복잡하게 되어 있다. 그 결과, 개질부의 직경이 대직경화되어 버림과 동시에 개질 장치 전체의 복잡화, 대형화를 초래하는 하나의 원인이 되었다.
또한, 종래의 개질기는 개질부 내측 이외에는 연소 배기 가스가 흐르지 않았다. 그 때문에 열 효율의 한층 더 향상의 여지가 있었다.
또한, 도시 가스 등의 원연료로부터 연료 전지의 발전 연료인 수소를 생성하는 개질 효율을 고려하면, 개질기 내부에서 연소 배기 가스나 개질 가스의 열이 수증기의 생성이나 개질부의 반응에 보다 많이 이용되는 것이 요구된다.
또한, 종래의 개질기에서는, 개질 반응이나 일산화탄소의 감소를 위해 필요한 촉매가 개질 반응부의 원하는 위치에 배치되어 있다. 그러나, 상술한 개질기는 개질 가스의 유로가 복잡하고, 또한 복수개의 유로에 다른 촉매를 배치할 필요가 있기 때문에 작업 공정이 번잡하고, 장치의 제조 비용 증대를 초래하는 하나의 원인이 되었다.
또한, 이러한 개질기에 탈황 기능을 추가하고자 하는 경우, 그 구조는 더욱 복잡해진다.
또한, 종래의 개질기는 황 등의 불순물을 포함하는 원연료를 촉매의 존재하에서 수소와 반응시켜 황 성분을 제거하는, 이른바 수소화 탈황 방식(수소 첨가 탈황 방식이라고도 함)의 탈황 장치이다. 그 때문에, 어떠한 방법에 의해서 탈황 장치에 수소를 공급할 필요가 있다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것이고, 그의 목적하는 것은 간이한 구성의 연료 전지용 개질 장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연료 전지용 개질 장치에 있어서의 열 효율을 향상시키는 기술을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연료 전지용 개질 장치에 있어서의 개질 효율을 향상시키는 기술을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 제조가 용이한 연료 전지용 개질 장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 탈황부를 갖는 간이한 구성의 연료 전지용 개질 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 어떤 양태의 연료 전지용 개질 장치는 원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치로서, 원연료 및 수증기로부터 개질 가스를 생성하는 개질부와, 상기 개질 가스에 포함되 는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부와, 상기 시프트 변성부를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부와, 상기 개질부와 상기 시프트 변성부와 상기 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납하는 개질 반응통과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단과, 상기 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 큰 외통을 구비한다. 상기 개질 반응통과 상기 외통 사이에는, 상기 개질 반응통을 가열하기 위해서 상기 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로가 형성되어 있다.
이 양태에 따르면, 개질부와 시프트 변성부와 선택 산화부가 이 순서대로 하나의 개질 반응통에 수납되어 있기 때문에, 복잡한 형상의 유로를 형성하지 않고, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 감소시킬 수 있다. 또한, 개질 반응통과 외통 사이의 가열 유로에 연소 배기 가스를 통과시킴으로써, 반응 개질통의 내부에서의 개질 반응에 필요한 열을 공급할 수 있어, 히터 등의 가열 수단이 불필요해진다. 또한, 개질 반응통과 외통 사이를 가열 유로로 함으로써, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로를 필요로 하지 않고 간소한 구성으로 연료 전지용 개질 장치를 실현할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 어떤 양태의 연료 전지용 개질 장치는 원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치로서, 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부와, 시프트 변성부를 통과한 개질 가 스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부와, 개질부와 시프트 변성부와 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납함과 동시에, 개질부가 수납되어 있는 일단측에 오목부가 형성되어 있는 개질 반응통과, 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 큰 외통과, 오목부와 대향하는 연소실에 배치되며, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단과, 연소 배기 가스가 오목부 주위에 설치되어 있는 개질부의 오목부측 및 외통측을 가열하면서 통과하는 가열 유로를 구비한다.
이 양태에 따르면, 가열 유로를 통과하는 연소 배기 가스에 의해 개질부의 오목부측 및 외통측이 가열되기 때문에, 개질부에서 필요한 열이 효율적으로 공급된다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 어떤 양태의 연료 전지용 개질 장치는 원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치로서, 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부와, 시프트 변성부를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부와, 개질부와 시프트 변성부와 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납하는 개질 반응통과, 개질 반응통의 개질부측 단부에 형성된 연소실에 배치되며, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단과, 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 큰 외통과, 개질 반응통과 외통 사이에 형성되며 개질 반응통을 가열하기 위해서 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로와, 개질부에 수증기를 공급 하기 위해서 물이 개질 반응통 내부를 선택 산화부측에서 개질부측을 향해 흐르도록 설치되는 수증기 공급로를 구비한다. 수증기 공급로는 개질 가스로부터 열을 회수함과 동시에 그 열에 의해 물을 수증기로 기화시킨다.
이 양태에 따르면, 수증기 공급로에 있어서 물을 수증기로 기화시키기 위해서 개질 가스로부터 회수된 열이 이용되기 때문에, 연료 전지용 개질 장치로부터 외부로 송출되는 개질 가스의 온도를 내릴 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 어떤 양태의 연료 전지용 개질 장치는 원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치로서, 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부와, 시프트 변성부를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부와, 개질부와 시프트 변성부와 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납하는 개질 반응통과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단과, 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 큰 외통을 구비한다. 개질 반응통은 개질부측이 하부가 됨과 동시에 선택 산화부측이 상부가 되도록 연직 방향으로 배치되고, 시프트 변성부, 선택 산화부 중 어느 하나 이상은 개질 반응통 내부를 상하 방향으로 구획하는 구획 부재와, 상기 구획 부재에 의해 하측에서 지지되는 촉매를 갖는다.
이 양태에 따르면, 구획 부재에 의해 하측에서 촉매를 지지할 수 있기 때문에, 구획 부재와 개질 반응통으로 둘러싸인 영역에 촉매를 충전시킬 수 있어, 촉매 의 충전을 간편하게 행할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 어떤 양태의 연료 전지용 개질 장치는 원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치로서, 원연료로부터 황 성분을 제거하는 탈황부와, 탈황부에서 황 성분이 제거된 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부와, 시프트 변성부를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부와, 개질부와 시프트 변성부와 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납함과 동시에, 탈황부를 수납하는 개질 반응통과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단과, 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 큰 외통과, 개질 반응통과 외통 사이에 형성되며 개질 반응통을 가열하기 위해서 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로를 구비한다.
이 양태에 따르면, 개질부와 시프트 변성부와 선택 산화부가 이 순서대로 하나의 개질 반응통에 수납되어 있음과 동시에, 탈황부도 수납되어 있기 때문에, 복잡한 형상의 유로를 형성하지 않고, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 감소시킴과 동시에 황 성분도 제거할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 어떤 양태의 연료 전지용 개질 장치는 원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치로서, 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부와, 시프트 변성부를 통과한 개질 가 스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부와, 개질부와 시프트 변성부와 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납함과 동시에, 탈황부를 수납하는 개질 반응통과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단과, 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 큰 외통과, 개질 반응통과 외통 사이에 형성되며 개질 반응통을 가열하기 위해서 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로와, 개질부에 수증기를 공급하기 위해서 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 물이 기화되는 수증기 공급로와, 개질 반응통 내부를 통과함과 동시에 탈황부가 도중에 접속되어 있으며, 개질부에 승온된 원연료를 공급하기 위해서 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 원연료가 승온되는 원연료 공급로와, 원연료 공급로 도중에 접속되어 있는 탈황부보다 상류측에 접속되며, 개질부에서 생성된 개질 가스의 일부를 탈황부로 복귀시키는 개질 가스 복귀 유로를 구비한다. 탈황부는 수소와의 반응으로 원연료로부터 황을 제거하는 수소 첨가 탈황 촉매를 갖는다.
이 양태에 따르면, 탈황에 필요한 수소를 개질 가스로부터 얻을 수 있기 때문에, 간이한 구성으로 탈황부를 갖는 연료 전지용 개질 장치를 실현할 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시양태를 참고로 하여 설명한다. 이는 본 발명의 범주를 제한하려는 것은 아니며 본 발명을 예시하려는 것뿐이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대하여 상 세히 설명한다. 한편, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 적절하게 생략한다. 또한, 설명의 형편상, 도면의 상하 좌우와 대응시켜 각 부재 사이의 위치 관계를 설명하지만, 어디까지나 상대적인 위치 관계이며 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상하를 반전시킨 양태로 하는 것도 가능하다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (10)의 구성을 나타내는 단면도이다. 연료 전지용 개질 장치 (10)은 원연료인 메탄이나 프로판, 부탄 등을 수증기 개질에 의해 수소가 풍부한 개질 가스를 생성한다.
연료 전지용 개질 장치 (10)은 원연료 및 수증기로부터 개질 가스를 생성하는 개질부 (12)와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부 (14)와, 시프트 변성부 (14)를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화 반응에 의해 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부 (16)과, 개질부 (12)와 시프트 변성부 (14)와 선택 산화부 (16)을 이 순서대로 직선형으로 수납하는 개질 반응통 (18)과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단으로서의 버너 (20)과, 개질 반응통 (18)의 외주에 동축(同軸)으로 배치되며 개질 반응통 (18)보다 직경이 큰 외통 (22)를 구비한다. 외통 (22) 주위는 복수개의 배관이 외부와 연통되어 있는 개소를 제외하고 단열재 (24)로 덮혀 있다.
버너 (20)은 공기 취입구 (26)에서 도입된 공기와 연료 취입구 (28)에서 도입된 원연료 오프 가스를 혼합하여 연소시킨다. 버너 (20)에서 원연료 가스가 연 소됨으로써 1200 내지 1300 ℃의 고온의 연소 배기 가스가 발생한다. 버너 (20)은 개질 반응통 (18)의 개질부 (12)측 단부에 형성된 연소실 (30)에 배치되어 있음과 동시에 외통 (22)의 하부에 고정되어 있다. 이에 따라, 버너 (20)에서 생성된 연소 배기 가스의 열을 즉시 개질부 (12)에서의 개질 반응에 사용할 수 있기 때문에 열 효율을 향상시킬 수 있다.
개질 반응통 (18)과 외통 (22) 사이에는, 개질 반응통 (18)을 가열하기 위해서 상술한 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로 (32)가 형성되어 있다.
개질부 (12)는 개질 반응통 (18)의 바닥부에 설치되는 개질 반응통 (18)보다 외경이 작은 케이스 (34)와, 케이스 (34) 아래쪽에 수납된, 니켈이나 루테늄 등의 금속 입자를 알루미나에 담지한 개질 촉매를 포함하는 촉매층 (36)을 갖는다. 케이스 (34) 상면에는, 원연료와 수증기가 혼합된 상태로 유입되는 개구부 (38)이 형성되어 있다. 또한, 케이스 (34)는 촉매층 (36)의 측면으로부터 개질 가스가 통과할 수 있도록, 측면에 통기구가 설치되어 있다.
원연료는 개질 반응통 (18), 외통 (22), 단열재 (24)를 관통하는 원연료 공급로 (40)을 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (10)의 외부에서 개질부 (12)의 촉매층 (36)에 공급된다. 이 때, 원연료는 가열 유로 (32)를 흐르는 연료 배기 가스나 개질 반응통 (18) 내부의 개질 가스에 의해 승온됨과 동시에 개질 가스의 온도를 저하시킨다.
또한, 개질부 (12)에서의 개질 반응에 필요한 수증기는 수증기 공급로 (42)를 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (10)의 외부에서 공급된 개질수로부터 생성된 다. 외부에서 공급된 액체인 개질수는 연소 배기 가스나 개질 반응통 (18) 내부에서 승온된 개질 가스에 의해 기화되고, 수증기로서 촉매층 (36)에 공급됨과 동시에 시프트 변성부 (14)나 선택 산화부 (16)의 온도를 저하시킨다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (10)에 있어서 원연료 공급로 (40)은, 수증기 공급로 (42)에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 하류측의 합류부 (44)에서 수증기 공급로 (42)와 합류된다. 수증기 공급로 (42)는 외통 (22) 및 개질 반응통 (18)의 내부에 있어서 그 일부가 나선형으로 감긴 코일 형상을 가져 표면적이 늘어남으로써 물이 기화되기 쉬워지기 때문에, 합류부 (44)보다 상류측의 적어도 코일 하단에서는 수증기가 생성된다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (10)과 같이, 연소 배기 가스의 가열에 의한 원연료의 승온과 물의 기화가 개개의 원연료 공급로 (40) 및 수증기 공급로 (42)에서 행해진 후에 원연료와 수증기가 합류됨으로써, 각 공급로에서 원연료의 승온이나 물의 기화에 의한 수증기 공급의 제어가 용이해진다.
시프트 변성부 (14)는, 예를 들면 산화구리나 산화아연의 펠릿으로 이루어지는 촉매층 (46)과, 촉매층 (46)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과되도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (48)을 갖는다. 시프트 변성부 (14)는 촉매층 (46)의 작용에 의해 개질 가스에 포함되는 수증기를 이용한 시프트 반응에 의해 일산화탄소를 감소시킬 수 있다.
선택 산화부 (16)은, 예를 들면 알루미나로 담지한 일산화탄소 선택 산화 촉매로 이루어지는 촉매층 (50)과, 촉매층 (50)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으 로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (52)를 갖는다. 선택 산화부 (16)에서는, 촉매층 (50)의 작용에 의해 산소로 일산화탄소를 산화시켜 이산화탄소로 만듦으로써 일산화탄소의 농도가 더욱 감소된다.
시프트 변성부 (14)와 선택 산화부 (16) 사이의 영역에는, 선택 산화부 (16)에서 소비되는 산소를 공급하기 위해서, 연료 전지용 개질 장치 (10)의 외부와 연통되는 공기 공급로 (54)의 선단부 (56)이 배치되어 있다. 이에 따라, 선단부 (56)으로부터 유입되는 공기는 시프트 변성부 (14)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스와 함께 상승하여 선택 산화부 (16)에서의 반응에 기여한다.
선택 산화부 (16) 상측의 개질 반응통 (18) 상면에는 개구부 (58)이 형성되어 있다. 개구부 (58)에는, 일산화탄소가 충분히 감소된 개질 가스를 도시하지 않은 연료 전지의 연료극으로 송출하는 개질 가스 송출관 (60)이 접속되어 있다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (10)의 동작에 대하여 설명한다. 버너 (20)에서 생성된 연소 배기 가스는 개질 반응통 (18)의 하면을 가열한 후에 가열 유로 (32)를 따라 상승하면서 개질 반응통 (18)을 측면에서 가열한다. 이 때, 촉매층 (36)은 개질 반응통 (18)을 통해 개질 반응에 필요한 온도, 예를 들면 600 내지 700 ℃의 범위로 가열된다. 또한, 수증기 공급로 (42)는 직접적 또는 개질 반응통 (18)을 통해 간접적으로 연료 배기 가스에 의해 가열되고, 내부를 통과하는 개질수가 기화된다. 한편, 연료 배기 가스는 가열 유로 (32)를 따라 상승하여 수증기 공급로 (42)에 의해 냉각됨으로써 서서히 온도가 저하된다. 한편, 가열 유로 (32)를 통과한 연소 배기 가스는 외통 (22) 상부에 형성된 배출구 (62)로부터 외부로 배출된다.
수증기 공급로 (42)에서 기화된 수증기와 원연료 공급로 (40)에서 승온된 원연료는 합류부 (44)에서 혼합되고, 케이스 (34)의 내부 아래쪽으로 송출된다. 수증기를 포함하는 원연료 가스는 촉매층 (36)의 내부를 통과할 때에 연소 배기 가스의 열에 의해 서서히 가열되어, 개질 반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스로 변화된다.
원연료 가스를 개질함으로써 얻어진 개질 가스는, 공급되는 원연료 가스의 흐름에 의해서 개질 반응통 (18)의 내부를 따라 상승하여 시프트 변성부 (14)에 도달한다. 여기서, 개질부 (12)에서의 개질 반응은 흡열 반응이기 때문에, 수증기 공급로 (42)의 열 회수에 의해 온도가 저하된 개질 가스가 시프트 변성부 (14)에 도달하게 된다. 시프트 변성부 (14)에서의 시프트 반응은, 예를 들면 200 내지 300 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (42)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 적절한 온도를 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 시프트 변성부 (14)에서 일산화탄소가 감소된다.
한편, 시프트 변성부 (14)에서의 온도가 적온이 되지 않는 장치의 경우, 버너 (20)에서의 원연료의 연료량을 조정하거나, 시프트 변성부 (14) 근방의 수증기 공급로 (42)의 코일 권취수를 증감시키거나 함으로써 조정 가능하다.
시프트 변성부 (14)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스는 또한, 공급되는 원연료 가스의 흐름에 의해서 개질 반응통 (18)의 내부를 따라 정류판 (64)로 흐름을 규제하면서 상승하여 선택 산화부 (16)에 도달한다. 그 때, 공기 공급로 (54) 로부터 공급된 공기도 개질 반응통 (18) 내를 상승하여 선택 산화부 (16)에 도달한다.
선택 산화부 (16)은 수증기 공급로 (42)의 유입구 (66) 근방에 배치되기 때문에, 개질 가스의 온도는 개질수에 의한 냉각에 의해 시프트 변성부 (14)에서의 개질 가스의 온도보다 저온이 된다. 선택 산화부 (16)에서의 선택 산화 반응은 시프트 변성부 (14)에서의 시프트 반응보다 저온인, 예를 들면 70 내지 200 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (42)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 개질 가스를 적절한 온도로 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 선택 산화부 (16)에 있어서 일산화탄소가 더 감소된다.
상술한 바와 같이, 연료 전지용 개질 장치 (10)은, 개질부 (12)와 시프트 변성부 (14)와 선택 산화부 (16)이 이 순서대로 하나의 개질 반응통 (18)에 수납되어 있기 때문에, 복잡한 형상의 유로를 형성하지 않고, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 감소시킬 수 있다. 또한, 개질 반응통 (18)과 외통 (22) 사이의 가열 유로 (32)를 연소 배기 가스가 통과하기 때문에, 개질 반응통 (18) 내부의 개질부 (12)에서의 개질 반응에 필요한 열을 공급할 수 있어, 히터 등의 가열 수단이 불필요해진다. 또한, 개질 반응통 (18)과 외통 (22) 사이를 가열 유로 (32)로 함으로써, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로를 필요로 하지 않고 간소한 구성으로 연료 전지용 개질 장치 (10)을 실현할 수 있다.
환언하면, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (10)에 있어서는, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로가 설치되지 않기 때문에, 부품 갯수의 감소나 제 조 공정의 간소화에 의해 비용이 감소된다. 또한, 외통 (22)의 외주부를 단열재 (24)로 덮음으로써 장치 전체의 단열성을 용이하게 확보할 수 있기 때문에, 단열재 (24)를 장착할 때의 공정을 간소화시킬 수 있다.
또한, 가열 유로 (32)는 연소 배기 가스가 개질부 (12)측에서 선택 산화부 (16)측을 향해 통과하도록 형성되어 있기 때문에, 연소 배기 가스는 개질 반응통 (18)이나 수증기 공급로 (42)와 열 교환을 하면서 서서히 온도가 저하된다. 그 때문에, 연소 배기 가스는 반응 온도가 높은 개질부로부터 반응 온도가 낮은 선택 산화부로 적절하게 온도가 저하되면서 가열 유로 (32)의 내부를 통과하게 된다. 그 때문에, 가열 유로 (32)를 직선적으로 형성하는 것이 가능해진다.
(제2 실시 형태)
도 2는 제2 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (110)의 구성을 나타내는 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (110)은, 개질부 (12)에 수증기를 공급하기 위해서 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 물이 기화되는 수증기 공급로 (42)와, 개질부 (12)에 원연료를 공급하기 위한 원연료 공급로 (112)를 구비한다. 원연료 공급로 (112)는, 수증기 공급로 (42)에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 상류측의 합류부 (114)에서 수증기 공급로 (42)와 합류된다. 이에 따라, 연소 배기 가스의 가열에 의한 원연료의 승온과 물의 기화가 수증기 공급로 (42)에서 함께 행해지기 때문에, 원연료 공급로를 짧게 할 수 있다.
또한, 원연료 공급로 (112)는 개질 반응통 (18)의 외측 영역에서 수증기 공급로 (42)와 합류하기 때문에, 개질 반응통 (18)의 내부에 원연료 공급로 (112)를 수증기 공급로 (42)와는 별도로 설치할 필요가 없어진다. 그 때문에, 개질 반응통 (18)이나 그것을 포함하는 연료 전지용 개질 장치 (110)의 제조가 용이해진다.
(제3 실시 형태)
상술한 각 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치에서는, 수증기 공급로 (42)가 개질 반응통 (18)의 내부를 통과함과 동시에 시프트 변성부 (14)의 촉매층 (46)이나 선택 산화부 (16)의 촉매층 (50)을 관통하도록 설치되어 있다. 그 때문에, 수증기 공급로 (42)가 촉매층 (50)에 직접 접촉된 부분에서는 촉매 온도가 필요 이상으로 저하되고, 반응이 충분히 행해지지 않을 가능성이 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 수증기 공급로의 배치를 연구함으로써 촉매층의 온도가 필요 이상으로 저하되는 것을 방지한다.
도 3은 제3 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (210)의 구성을 나타내는 단면도이다. 연료 전지용 개질 장치 (210)은 제1 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (10)과 비교하여, 수증기 공급로 (142)가 가열 유로 (32)의 내부에 설치되는 점이 크게 다르다. 이러한 구성에 의해, 시프트 변성부 (14)의 촉매층 (46)이나 선택 산화부 (16)의 촉매층 (50)은 개질 반응통 (18)을 통해 수증기 공급로 (142)에 의해 간접적으로 냉각되기 때문에, 각 촉매층 일부의 온도가 극단적으로 저하되는 것이 억제된다. 그 결과, 예를 들면 선택 산화부 (16)에 있어서 일산화탄소가 충분히 반응하지 않아 미반응의 일산화탄소가 연료 전지의 연료극으로 송출되는 것이 억제된다. 또한, 수증기 공급로 (142)는 개질 반응통 (18)에 접촉하도록 설치될 수도 있다. 이에 따라, 연소 배기 가스로부터의 열 회수뿐만 아니라 촉매층 (46), (50)에서의 반응열을 보다 많이 회수함과 동시에 촉매층 (46), (50)을 보다 냉각시키는 것이 가능해진다. 또한, 개질 반응통 (18) 내부의 개질 가스를 보다 냉각시키는 것도 가능해진다.
(제4 실시 형태)
상술한 각 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치에서는, 시프트 변성부 (14)의 촉매층 (46) 및 선택 산화부 (16)의 촉매층 (50)은 모두 원주 형상이기 때문에, 각 촉매층의 직경이 커진 경우, 촉매층의 중심 부분의 제열이 충분히 행해지지 않을 가능성이 있다. 이러한 경우, 촉매층의 중심 부분이 고온이 되어, 정상이며 양호한 효율로 반응이 곤란해진다. 특히, 제3 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (210)과 같이 수증기 공급로 (142)를 개질 반응통 (18)의 외측에 배치한 경우, 제열이 불충분해지는 경향이 강하다. 그 때문에, 예를 들면 선택 산화부 (16)의 촉매층 (50) 온도가 적정한 온도 범위를 초과하면, 개질 가스 중의 수소를 산화시키는 부반응이 발생할 가능성이 있다.
도 4는 제4 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (310)의 구성을 나타내는 단면도이다. 연료 전지용 개질 장치 (310)에 있어서 시프트 변성부 (14)의 촉매층 (146) 및 선택 산화부 (16)의 촉매층 (150)은 모두 링형으로 형성되어 있다. 이에 따라, 각 촉매층은, 적정한 온도 범위의 제어가 곤란한 중심부가 중공으로 되어 있기 때문에 바람직하지 않은 부반응의 발생이 억제된다.
(제5 실시 형태)
도 5는 제5 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (410)의 구성을 나타내 는 단면도이다. 상술한 바와 같이 선택 산화부에서의 촉매 반응은 적정한 온도 범위에서 행해질 필요가 있다. 통상, 선택 산화부의 촉매층에 있어서는 개질 가스가 유입되는 입구측에서 반응이 가장 많이 발생하기 때문에, 촉매층의 온도도 입구측이 높으며 출구측이 낮아지는 경향이 있다. 그 때문에, 선택 산화부의 촉매층에 유입되는 개질 가스의 온도가 너무 높으면, 촉매층의 입구 근방에서의 반응 온도가 적정한 온도 범위를 넘어 높아질 가능성이 있다.
따라서, 연료 전지용 개질 장치 (410)에 있어서 선택 산화부 (116)은 반환 유로 (118)과 반환 유로 (118) 도중에 설치된 링형 촉매층 (250)을 갖는다. 반환 유로 (118)은, 시프트 변성부 (14)를 통과한 개질 가스가 개질 반응통 (18)의 내면을 따라서 연소실 (30)측과 반대측으로 향하는 제1 유로 (120)과, 제1 유로 (120)을 통과한 개질 가스가 연소실 (30)측을 향하도록 내측으로 반환된 제2 유로 (122)로 이루어진다. 또한, 촉매층 (250)은 제2 유로 (122)에 설치되어 있다.
이에 따라, 개질 가스는 촉매층 (250) 입구측에 도달하기 전에, 제1 유로 (120)에서 그의 외주에 배치되어 있는 수증기 공급로 (142)를 흐르는 저온의 개질수에 의해서 열이 빼앗긴다. 따라서, 촉매층 (250)의 입구측에서의 반응 온도를 적정한 온도 범위까지 감소시키는 것이 가능해진다. 또한, 수증기 공급로 (142)는 제1 유로 (120)에 접촉하도록 설치될 수도 있다. 이에 따라, 촉매층 (250)의 입구측에 유입되는 개질 가스의 온도를 보다 감소시키는 것이 가능해진다.
또한, 제1 유로 (120)과 제2 유로 (122)는 나란히 배치되어 있기 때문에, 촉매층 (250)에서의 반응열을 개질 가스를 통해 회수하는 것도 가능하다. 또한, 개 질 가스는 제2 유로에 있어서 촉매층 (250)을 연소실 (30)측을 향해 흐르기 때문에, 촉매층 (250)의 출구측에서의 반응열이 적은 경우에도 제1 유로 (120)에 유입되는 개질 가스에 의해 온도의 저하를 억제할 수 있다. 그 결과, 촉매층 (250)에 있어서 입구측 반응 온도보다 낮아지는 경향의 출구측 반응 온도 저하가 억제되어, 촉매층 (250) 전체가 촉매 반응에 적정한 온도 범위로 유지된다.
여기서, 촉매층 (250)의 반응 온도는 100 내지 200 ℃의 범위로 유지되어 있으면 좋다. 바람직하게는 120 내지 180 ℃의 범위로 유지되어 있으면 좋다. 보다 바람직하게는 130 내지 170 ℃의 범위로 유지되어 있으면 좋다. 온도가 너무 낮은 영역에서는 반응이 불충분해진다. 또한, 온도가 너무 높은 영역에서는 필요없는 부반응이 선행된다.
한편, 본 실시 형태와 같이 반환 유로 (118)을 설치함으로써, 선택 산화부 (16)의 촉매층 (250) 입구측을 선택 산화부 (16)의 시프트 변성부 (14)로부터 떨어진 측에 배치하는 것이 가능해진다. 따라서, 시프트 변성부 (14)와 선택 산화부 (16)과의 거리를 길게 하지 않아도, 다시 말하면 개질 반응통 (18)의 길이 방향을 늘리지 않아도, 실질적으로 시프트 변성부 (14)를 통과한 개질 가스가 선택 산화부 (16)의 촉매층 (250)에 도달하기까지의 거리가 길어지기 때문에, 촉매층 (250)의 입구측에 도달하는 개질 가스의 온도를 내릴 수 있다. 그 결과, 연료 전지용 개질 장치 (410)의 길이 방향을 컴팩트하게 하는 것이 가능해진다.
(제6 실시 형태)
도 6은 제6 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (1010)의 구성을 나타 내는 단면도이다. 연료 전지용 개질 장치 (1010)은 원연료인 메탄이나 프로판, 부탄 등을 수증기 개질에 의해 수소가 풍부한 개질 가스를 생성한다.
연료 전지용 개질 장치 (1010)은 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부 (1012)와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부 (1014)와, 시프트 변성부 (1014)를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화 반응에 의해 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부 (1016)과, 개질부 (1012)와 시프트 변성부 (1014)와 선택 산화부 (1016)을 이 순서대로 직선형으로 수납함과 동시에, 개질부 (1012)가 수납되어 있는 일단측에 오목부 (1120)이 형성되어 있는 개질 반응통 (1018)과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단으로서의 버너 (1020)과, 개질 반응통 (1018)의 외주에 동축으로 배치되며 개질 반응통 (1018)보다 직경이 큰 외통 (1022)를 구비한다. 외통 (1022) 주위 복수개의 배관이 외부와 연통되는 개소를 제외하고 단열재 (1024)로 덮혀 있다.
버너 (1020)은 공기 취입구 (1026)에서 도입된 공기와 연료 취입구 (1028)에서 도입된 원연료 오프 가스를 혼합하여 연소시킨다. 버너 (1020)에서 원연료 가스가 연소됨으로써 1200 내지 1300 ℃의 고온의 연소 배기 가스가 발생한다. 버너 (1020)은 개질 반응통 (1018)의 개질부 (1012)측 일단부에 형성된 오목부 (1120)과 대향하는 연소실 (1030)에 배치되어 있음과 동시에 외통 (1022)의 하부에 고정되어 있다. 이에 따라, 버너 (1020)에서 생성된 연소 배기 가스의 열을 즉시 개질부 (1012)에서의 개질 반응에 사용할 수 있기 때문에 열 효율을 향상시킬 수 있다.
개질 반응통 (1018)과 외통 (1022) 사이에는, 개질 반응통 (1018)을 가열하기 위해서 상술한 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로 (1032)가 형성되어 있다.
개질부 (1012)는 개질 반응통 (1018)의 바닥부에 설치되는 개질 반응통 (1018)보다 외경이 작은 케이스 (1034)와, 케이스 (1034) 하부의 내주부에 수납된, 니켈이나 루테늄 등의 금속 입자를 알루미나에 담지한 개질 촉매를 포함하는 촉매층 (1036)을 갖는다. 본 실시 형태에 따른 촉매층 (1036)은 오목부 (1120)의 외주부를 둘러싸는 것과 같은 환상 부재이다.
케이스 (1034) 상면에는, 원연료와 수증기가 혼합된 상태로 유입되는 개구부 (1038)이 형성되어 있다. 또한, 케이스 (1034)는 촉매층 (1036)의 하부 측면으로부터 개질 가스가 통과할 수 있도록, 측면에 통기구 (1122)가 설치되어 있다.
원연료는 원연료 공급로 (1040)을 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (1010)의 외부에서 개질부 (1012)의 촉매층 (1036)에 공급된다. 이 때, 원연료는 가열 유로 (1032)를 흐르는 연료 배기 가스나 개질 반응통 (1018) 내부의 개질 가스에 의해 승온됨과 동시에 개질 가스의 온도를 저하시킨다.
또한, 개질부 (1012)에서의 개질 반응에 필요한 수증기는 수증기 공급로 (1042)를 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (1010)의 외부에서 공급된 개질수로부터 생성된다. 외부에서 공급된 액체인 개질수는 연소 배기 가스나 개질 반응통 (1018) 내부에서 승온된 개질 가스에 의해 기화되고, 수증기로서 촉매층 (1036)에 공급됨과 동시에 시프트 변성부 (1014)나 선택 산화부 (1016)의 온도를 저하시킨다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (1010)에 있어서 원연료 공급로 (1040)은, 수증기 공급로 (1042)에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 상류측의 합류부 (1114)에서 수증기 공급로 (1042)와 합류된다. 수증기 공급로 (1042)는 외통 (1022) 및 개질 반응통 (1018)의 내부에 있어서 그의 일부가 나선형으로 감긴 코일 형상을 가져 표면적이 늘어남으로써 물이 기화되기 쉬워지기 있기 때문에 적어도 코일 하단에서는 수증기가 생성된다.
이에 따라, 연소 배기 가스의 가열에 의한 원연료의 승온과 물의 기화가 수증기 공급로 (1042)에서 함께 행해지기 때문에, 원연료 공급로 (1040)을 짧게 할 수 있다.
또한, 원연료 공급로 (1040)은 개질 반응통 (1018)의 외측 영역에서 수증기 공급로 (1042)와 합류되기 때문에, 개질 반응통 (1018)의 내부에 원연료 공급로 (1040)을 수증기 공급로 (1042)와는 별도로 설치할 필요가 없게 된다. 그 때문에, 개질 반응통 (1018)이나 그것을 포함하는 연료 전지용 개질 장치 (1010)의 제조가 용이해진다.
수증기 공급로 (1042)는 적어도 일부가 개질 반응통 (1018)의 내면에 접하도록 코일형으로 형성된 환상부 (1124)를 갖는다. 이에 따라, 수증기 공급로 (1042)는 개질 반응통 (1018) 외측의 가열 유로 (1032)를 통과하는 연소 배기 가스로부터 개질 반응통 (1018)을 통해 효율적으로 열이 공급되어, 물이 수증기에 기화되기 쉬워진다. 특히, 코일형으로 형성된 환상부 (1124)를 개질 반응통 (1018)의 내면에 접촉시킴으로써, 수증기 공급로 (1042)와 개질 반응통 (1018)과의 접촉 면적을 개 질 반응통 (1018)의 길이를 길게 하지 않고 보다 크게 할 수 있어, 원연료나 개질수과 연소 배기 가스와의 열 교환 효율을 향상시킬 수 있다.
시프트 변성부 (1014)는, 예를 들면 산화구리나 산화아연의 펠릿으로 이루어지는 촉매층 (1046)과, 촉매층 (1046)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (1048)을 갖는다. 시프트 변성부 (1014)는 촉매층 (1046)의 작용에 의해 개질 가스에 포함되는 수증기를 이용한 시프트 반응에 의해 일산화탄소를 감소시킬 수 있다.
선택 산화부 (1016)은, 예를 들면 알루미나로 담지한 일산화탄소 선택 산화 촉매로 이루어지는 촉매층 (1050)과, 촉매층 (1050)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (1052)를 갖는다. 선택 산화부 (1016)에서는, 촉매층 (1050)의 작용에 의해 산소로 일산화탄소를 산화시켜 이산화탄소로 만듦으로써 일산화탄소의 농도가 더욱 감소된다.
본 실시 형태에 따른 선택 산화부 (1016)은 수증기 공급로 (1042)가 통과하는 영역 (A) 이외의 영역에 개질 가스 흐름의 저항이 되는 저항 부재 (1126)이 설치되어 있다. 이에 따라, 연소 배기 가스로 가열된 개질 가스는 선택 산화부 (1016)을 통과하는 수증기 공급로 (1042)의 코일을 향해 흐르기 쉬워지고, 수증기 공급로 (1042) 내부의 물 또는 수증기에 열을 공급하기 쉬워진다. 저항 부재 (1126)으로서는, 개질 가스의 흐름을 완전히 차단하는 부재이면 된다. 이에 따라, 개질 가스는 선택 산화부 (1016)의 촉매층 (1050)에 도입된다. 한편, 시프트 변성부 (1014)에 상술한 것과 같은 저항 부재를 설치하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
시프트 변성부 (1014)와 선택 산화부 (1016) 사이의 영역에는, 선택 산화부 (1016)에서 소비되는 산소를 공급하기 위해서, 연료 전지용 개질 장치 (1010)의 외부와 연통되는 공기 공급로 (1054)의 선단부 (1056)이 배치되어 있다. 이에 따라, 선단부 (1056)으로부터 유입되는 공기는 시프트 변성부 (1014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스와 함께 상승하여 선택 산화부 (1016)에서의 반응에 기여한다.
선택 산화부 (1016) 상측의 개질 반응통 (1018) 상면에는, 개구부 (1058)이 형성되어 있다. 개구부 (1058)에는, 일산화탄소가 충분히 감소된 개질 가스를 도시되지 않은 연료 전지의 연료극으로 송출하는 개질 가스 송출관 (1060)이 접속되어 있다.
본 실시 형태에 따른 가열 유로 (1032)는 버너 (1020)의 상측에 위치하는 입구측에 반환부 (1128)을 갖는다. 반환부 (1128)은 연소 배기 가스가 오목부 (1120) 주위에 설치되는 개질부 (1012)의 촉매층 (1036)의 오목부측 및 외통측을 가열하면서 통과하도록, 오목부 (1120) 내측에서 개질 반응통 (1018)의 외주측을 향해 반환되어 있다. 따라서, 가열 유로 (1032)를 통과하는 연소 배기 가스에 의해 개질부 (1012)의 오목부측 및 외통측이 가열되기 때문에, 개질부 (1012)에서 필요한 열이 효율적으로 공급된다.
또한, 개질부 (1012)에 있어서는 개구부 (1038)로부터 케이스 (1034)에 유입된 수증기와 원연료와의 혼합 가스가 촉매층 (1036)을 아래쪽으로 통과하면서 개질 가스로서 통기구 (1122)로부터 배출된다. 배출된 개질 가스는 개질 반응통 (1018) 과 케이스 (1034) 사이의 간극을 상측을 향해 흐른다. 즉, 개질부 (1012)는 가스 흐름이 오목부 (1120) 측면을 따라서 촉매층 (1036)의 내부를 연소실 (1030)측으로 향함과 동시에 개질 반응통 (1018)의 내면을 따라서 시프트 변성부 (1014)측으로 향하는 반환 유로 (1130)을 갖게 된다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (1010)의 동작에 대하여 설명한다. 버너 (1020)에서 생성된 연소 배기 가스는 개질 반응통 (1018) 하면의 오목부 (1120)으로부터 가열 유로 (1032)에 유입되고, 촉매층 (1036)의 오목부 (1120)측 측면을 가열하면서 반환부 (1128)로 방향을 바꾸어, 가열 유로 (1032)를 상승하면서 촉매층 (1036)의 외통측도 가열한다. 이 때, 촉매층 (1036)은 개질 반응통 (1018)을 통해 개질 반응에 필요한 온도, 예를 들면 600 내지 700 ℃의 범위로 가열된다. 또한, 수증기 공급로 (1042)는 직접적 또는 개질 반응통 (1018)을 통해 간접적으로 연료 배기 가스에 의해 가열되어, 내부를 통과하는 개질수가 기화된다. 한편, 연료 배기 가스는 가열 유로 (1032)를 따라 상승함에 따라서 수증기 공급로 (1042)에 의해 냉각되어 서서히 온도가 저하된다. 한편, 가열 유로 (1032)를 통과한 연소 배기 가스는 외통 (1022) 상부에 형성된 배출구 (1062)로부터 외부로 배출된다.
원연료 공급로 (1040)은 합류부 (1114)에서 수증기 공급로 (1042)와 합류되고, 개질수과 원연료는 혼합 상태로 수증기 공급로 (1042)에 있어서 기화, 승온되면서 케이스 (1034)의 내부 아래쪽으로 송출된다. 본 실시 형태에 따른 수증기 공급로 (1042)는 개질 반응통 (1018)의 내주면과 접하는 환상부 (1124)를 갖기 때문 에, 보다 효율적으로 개질수를 기화하여 수증기를 생성할 수 있다. 수증기를 포함하는 원연료 가스는 촉매층 (1036)의 내부를 통과할 때에 연소 배기 가스의 열에 의해 서서히 가열되고, 개질 반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스로 변화된다.
원연료 가스를 개질함으로써 얻어진 개질 가스는, 공급되는 원연료 가스 흐름에 의해서 개질 반응통 (1018)의 내부를 따라 상승하여 시프트 변성부 (1014)에 도달한다. 여기서, 개질부 (1012)에서의 개질 반응은 흡열 반응이기 때문에, 수증기 공급로 (1042)의 열 회수에 의해 온도가 저하된 개질 가스가 시프트 변성부 (1014)에 도달하게 된다. 시프트 변성부 (1014)에서의 시프트 반응은, 예를 들면 200 내지 300 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (1042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 적절한 온도를 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 시프트 변성부 (1014)에서 일산화탄소가 감소된다.
한편, 시프트 변성부 (1014)에서의 온도가 적온이 되지 않는 장치의 경우, 버너 (1020)에서의 원연료의 연료량을 조정하거나, 시프트 변성부 (1014) 근방의 수증기 공급로 (1042)의 코일 권취수를 증감시키거나 함으로써 조정 가능하다.
시프트 변성부 (1014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스는 또한, 공급되는 원연료 가스 흐름에 의해서 개질 반응통 (1018)의 내부를 따라 정류판 (1064)로 흐름을 규제하면서 상승하여 선택 산화부 (1016)에 도달한다. 그 때, 공기 공급로 (1054)로부터 공급된 공기도 개질 반응통 (1018) 내를 따라 상승하여 선택 산화부 (1016)에 도달한다. 정류판 (1064)는 시프트 변성부 (1014)와 선택 산화부 (1016) 사이의 공간에 설치되어 있고, 개질 가스의 흐름을 수증기 공급로 (1042)로 향하는 흐름으로 변화시킨다. 즉, 개질 반응통 (1018)의 내부를 흐르는 개질 가스의 흐름을 수증기 공급로 (1042)로 향하는 흐름으로 변화시킴으로써, 수증기 공급로 (1042)의 내부를 흐르는 개질수나 원연료 가스와, 개질 가스와의 열 교환이 효율적으로 행해진다.
선택 산화부 (1016)은 수증기 공급로 (1042)의 유입구 (1066) 근방에 배치되어 있기 때문에, 개질 가스의 온도는 개질수에 의한 냉각에 의해 시프트 변성부 (1014)에서의 개질 가스의 온도보다 저온이 된다. 선택 산화부 (1016)에서의 선택 산화 반응은 시프트 변성부 (1014)에서의 시프트 반응보다 저온인, 예를 들면 70 내지 200 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (1042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 개질 가스를 적절한 온도로 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 선택 산화부 (1016)에서 일산화탄소가 더 감소된다.
상술한 바와 같이, 연료 전지용 개질 장치 (1010)은 개질부 (1012)와 시프트 변성부 (1014)와 선택 산화부 (1016)이 이 순서대로 하나의 개질 반응통 (1018)에 수납되어 있기 때문에, 복잡한 형상의 유로를 형성하지 않고, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 감소시킬 수 있다. 또한, 개질 반응통 (1018)과 외통 (1022) 사이의 가열 유로 (1032)를 연소 배기 가스가 통과하기 때문에, 개질 반응통 (1018) 내부의 개질부 (1012)에서의 개질 반응에 필요한 열을 공급할 수 있어, 히터 등의 가열 수단이 불필요해진다. 또한, 개질 반응통 (1018)과 외통 (1022) 사이를 가열 유로 (1032)로 함으로써, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로를 필요로 하지 않아 간소한 구성으로 연료 전지용 개질 장치 (1010)을 실현할 수 있다.
환언하면, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (1010)에 있어서는, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로가 설치되지 않기 때문에, 부품 갯수의 감소나 제조 공정의 간소화에 의해 비용이 감소된다. 또한, 외통 (1022)의 외주부를 단열재 (1024)로 덮음으로써 장치 전체의 단열성을 용이하게 확보할 수 있기 때문에, 단열재 (1024)를 장착할 때의 공정을 간소화할 수 있다.
또한, 가열 유로 (1032)는, 연소 배기 가스가 개질부 (1012)측에서 선택 산화부 (1016)측을 향해 통과하도록 형성되어 있기 때문에, 연소 배기 가스는 개질 반응통 (1018)이나 수증기 공급로 (1042)와 열 교환을 하면서 서서히 온도가 저하된다. 그 때문에, 연소 배기 가스는, 반응 온도가 높은 개질부 (1012)로부터 반응 온도가 낮은 선택 산화부 (1016)으로 적절하게 온도가 저하되면서 가열 유로 (1032)의 내부를 통과하게 된다. 그 때문에, 가열 유로 (1032)를 직선적으로 형성하는 것이 가능해진다.
상술한 연료 전지용 개질 장치 (1010)에 있어서 원연료 공급로 (1040)은, 수증기 공급로 (1042)에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 하류측의 합류부에서 수증기 공급로 (1042)와 합류되도록 구성될 수도 있다. 이와 같이, 연소 배기 가스의 가열에 의한 원연료의 승온과 물의 기화가 개개의 원연료 공급로 (1040) 및 수증기 공급로 (1042)에서 행해진 후에 원연료와 수증기가 합류됨으로써, 각 공급로에서 원연료의 승온이나 물의 기화에 의한 수증기 공급의 제어가 용이해진다.
또한, 코일형 환상부 (1124)는 수증기 공급로 (1042)의 전체 영역에 설치될 수도 있고, 부분적으로, 단속적으로 설치될 수도 있고, 장치 전체의 열 효율이나 열 수지를 고려하여 설계할 수 있다.
(제7 실시 형태)
도 7은 제7 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (2010)의 구성을 나타내는 단면도이다. 연료 전지용 개질 장치 (2010)은 원연료인 메탄이나 프로판, 부탄 등을 수증기 개질에 의해 수소가 풍부한 개질 가스를 생성한다.
연료 전지용 개질 장치 (2010)은 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부 (2012)와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부 (2014)와, 시프트 변성부 (2014)를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화 반응에 의해 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부 (2016)과, 개질부 (2012)와 시프트 변성부 (2014)와 선택 산화부 (2016)을 이 순서대로 직선형으로 수납하는 개질 반응통 (2018)과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단으로서의 버너 (2020)과, 개질 반응통 (2018)의 외주에 동축으로 배치되며 개질 반응통 (2018)보다 직경이 큰 외통 (2022)를 구비한다. 외통 (2022) 주위는 복수개의 배관이 외부와 연통되는 개소를 제외하고 단열재 (2024)로 덮혀 있다. 개질 반응통 (2018)은, 개질부 (2012)측이 하부가 됨과 동시에 선택 산화부 (2016)측이 상부가 되도록 연직 방향으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
버너 (2020)은 공기 취입구 (2026)에서 도입된 공기와 연료 취입구 (2028)에서 도입된 원연료 오프 가스를 혼합하여 연소시킨다. 버너 (2020)에서 원연료 가 스가 연소됨으로써 1200 내지 1300 ℃의 고온의 연소 배기 가스가 발생한다. 버너 (2020)은 개질 반응통 (2018)의 개질부 (2012)측 단부에 형성된 연소실 (2030)에 배치되어 있음과 동시에 외통 (2022)의 하부에 고정되어 있다. 이에 따라, 버너 (2020)에서 생성된 연소 배기 가스의 열을 즉시 개질부 (2012)에서의 개질 반응에 이용할 수 있기 때문에 열 효율을 향상시킬 수 있다.
개질 반응통 (2018)과 외통 (2022) 사이에는, 개질 반응통 (2018)을 가열하기 위해서 상술한 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로 (2032)가 형성되어 있다.
개질부 (2012)는, 개질 반응통 (2018)의 바닥부에 설치되는 개질 반응통 (2018)보다 외경이 작은 케이스 (2034)와, 케이스 (2034) 아래쪽에 수납된, 니켈이나 루테늄 등의 금속 입자를 알루미나에 담지한 개질 촉매를 포함하는 촉매층 (2036)을 갖는다. 케이스 (2034) 상면에는, 원연료와 수증기가 혼합된 상태로 유입되는 개구부 (2038)이 형성되어 있다. 또한, 케이스 (2034)는, 촉매층 (2036)의 측면으로부터 개질 가스가 통과할 수 있도록 측면에 통기구가 설치되어 있다.
원연료는 원연료 공급로 (2040)을 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (2010)의 외부에서 개질부 (2012)의 촉매층 (2036)에 공급된다. 이 때, 원연료는 가열 유로 (2032)를 흐르는 연료 배기 가스나 개질 반응통 (2018) 내부의 개질 가스에 의해 승온됨과 동시에 개질 가스의 온도를 저하시킨다.
또한, 개질부 (2012)에서의 개질 반응에 필요한 수증기는 수증기 공급로 (2042)를 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (2010)의 외부에서 공급된 개질수로부터 생성된다. 수증기 공급로 (2042)는, 개질수가 개질 반응통 (2018)의 내부를 선택 산화부 (2016)측에서 개질부 (2012)측을 향해 흐르도록 설치되어 있다. 또한, 수증기 공급로 (2042)는 연소 배기 가스나 개질 반응통 (2018) 내부에서 승온된 개질 가스로부터 열을 회수함과 동시에, 그 열에 의해 외부에서 공급된 액체인 개질수를 수증기로 기화시킨다. 그 결과, 개질수는 수증기로서 촉매층 (2036)에 공급됨과 동시에, 시프트 변성부 (2014)나 선택 산화부 (2016)의 온도를 저하시킨다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (2010)에 있어서 원연료 공급로 (2040)은 수증기 공급로 (2042)와, 수증기 공급로 (2042)에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 상류측의 합류부 (2114)에서 합류된다. 수증기 공급로 (2042)는 외통 (2022) 및 개질 반응통 (2018)의 내부에 있어서 그의 일부가 나선형으로 감긴 코일 형상을 가져 표면적이 늘어남으로써 물이 기화되기 쉬워지기 때문에, 적어도 코일 하단에서는 수증기가 생성된다. 또한, 수증기 공급로 (2042)는, 개질 반응통 (2018)의 내부에 있어서 물이 선택 산화부 (2016)측에서 개질부 (2012)측을 향해 흐르도록 설치되어 있기 때문에, 물의 기화시에 물의 폐색에 의한 압력 변동이 억제된다.
시프트 변성부 (2014)는, 예를 들면 산화구리나 산화아연의 펠릿으로 이루어지는 촉매층 (2046)과, 촉매층 (2046)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (2048)을 갖는다. 시프트 변성부 (2014)는 촉매층 (2046)의 작용에 의해 개질 가스에 포함되는 수증기를 이용한 시프트 반응에 의해 일산화탄소를 감소시킬 수 있다.
선택 산화부 (2016)은, 예를 들면 알루미나로 담지한 일산화탄소 선택 산화 촉매로 이루어지는 촉매층 (2050)과, 촉매층 (2050)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (2052)를 갖는다. 선택 산화부 (2016)에서는, 촉매층 (2050)의 작용에 의해 산소로 일산화탄소를 산화시켜 이산화탄소로 만듦으로써 일산화탄소의 농도가 더욱 감소된다.
본 실시 형태에 따른 선택 산화부 (2016)은, 수증기 공급로 (2042)가 통과되는 영역 (D) 이외의 영역에, 개질 가스 흐름의 저항이 되는 저항 부재 (2126)이 설치되어 있다. 이에 따라, 연소 배기 가스로 가열된 개질 가스는 선택 산화부 (2016)을 통과하는 수증기 공급로 (2042)의 코일을 향해 흐르기 쉬워지고, 수증기 공급로 (2042) 내부의 물 또는 수증기에 열을 공급하기 쉬워진다. 저항 부재 (2126)으로서는, 개질 가스의 흐름을 완전히 차단하는 부재이면 된다. 이에 따라, 개질 가스는 선택 산화부 (2016)의 촉매층 (2050)에 도입된다. 한편, 시프트 변성부 (2014)에 상술한 것과 같은 저항 부재를 설치하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
시프트 변성부 (2014)와 선택 산화부 (2016) 사이의 영역에는, 선택 산화부 (2016)에서 소비되는 산소를 공급하기 위해서, 연료 전지용 개질 장치 (2010)의 외부와 연통되는 공기 공급로 (2054)의 선단부 (2056)이 배치되어 있다. 이에 따라, 선단부 (2056)으로부터 유입되는 공기는, 시프트 변성부 (2014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스와 함께 상승하여 선택 산화부 (2016)에서의 반응에 기여한다.
선택 산화부 (2016) 상측의 개질 반응통 (2018) 상면에는 개구부 (2058)이 형성되어 있다. 개구부 (2058)에는, 일산화탄소가 충분히 감소된 개질 가스를 도 시되지 않은 연료 전지의 연료극으로 송출하는 개질 가스 송출관 (2060)이 접속되어 있다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (2010)의 동작에 대하여 설명한다. 버너 (2020)에서 생성된 연소 배기 가스는, 개질 반응통 (2018)의 하면을 가열한 후에 가열 유로 (2032)를 따라 상승하면서 개질 반응통 (2018)을 측면으로부터 가열한다. 이 때, 촉매층 (2036)은 개질 반응통 (2018)을 통해 개질 반응에 필요한 온도, 예를 들면 600 내지 700 ℃의 범위로 가열된다. 또한, 수증기 공급로 (2042)는 직접적 또는 개질 반응통 (2018)을 통해 간접적으로 연료 배기 가스에 의해 가열되고, 내부를 통과하는 개질수가 기화된다. 한편, 연료 배기 가스는 가열 유로 (2032)를 따라 상승함에 따라서 수증기 공급로 (2042)에 의해 냉각되어 서서히 온도가 저하된다.
원연료 공급로 (2040)은 합류부 (2114)에서 수증기 공급로 (2042)와 합류되고, 개질수과 원연료는 혼합 상태로 수증기 공급로 (2042)에서 기화, 승온되면서 케이스 (2034)의 내부 아래쪽으로 송출된다. 본 실시 형태에 따른 수증기 공급로 (2042)는 개질 반응통 (2018)의 내주면과 접하고 있는 환상부 (2124)를 갖기 때문에, 개질 가스뿐만 아니라 연소 배기 가스로부터의 열의 회수도 용이해지고, 보다 효율적으로 개질수를 기화하여 수증기를 생성할 수 있다. 수증기를 포함하는 원연료 가스는 촉매층 (2036)의 내부를 통과할 때에 연소 배기 가스의 열에 의해 서서히 가열되어, 개질 반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스로 변화된다.
원연료 가스를 개질함으로써 얻어진 개질 가스는, 공급되는 원연료 가스의 흐름에 의해서 개질 반응통 (2018)의 내부를 따라 상승하여 시프트 변성부 (2014)에 도달한다. 여기서, 개질부 (2012)에서의 개질 반응은 흡열 반응이기 때문에, 수증기 공급로 (2042)의 열 회수에 의해 온도가 저하된 개질 가스가 시프트 변성부 (2014)에 도달하게 된다. 시프트 변성부 (2014)에서의 시프트 반응은, 예를 들면 200 내지 300 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (2042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 적절한 온도를 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 시프트 변성부 (2014)에서 일산화탄소가 감소된다.
한편, 시프트 변성부 (2014)에서의 온도가 적온이 되지 않는 장치의 경우, 버너 (2020)에서의 원연료의 연료량을 조정하거나, 시프트 변성부 (2014) 근방의 수증기 공급로 (2042)의 코일 권취수를 증감시키거나 함으로써 조정 가능하다.
시프트 변성부 (2014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스는 또한, 공급되는 원연료 가스의 흐름에 의해서 개질 반응통 (2018)의 내부를 정류판 (2064)로 흐름을 규제하면서 상승하여 선택 산화부 (2016)에 도달한다. 그 때, 공기 공급로 (2054)로부터 공급된 공기도 개질 반응통 (2018) 내를 따라 상승하여 선택 산화부 (2016)에 도달한다. 정류판 (2064)는 시프트 변성부 (2014)와 선택 산화부 (2016) 사이의 공간으로, 개질 가스의 흐름을 수증기 공급로 (2042)로 향하는 흐름으로 변화시킨다. 즉, 개질 반응통 (2018)의 내부를 흐르는 개질 가스의 흐름을 수증기 공급로 (2042)로 향하는 흐름으로 변화시킴으로써, 수증기 공급로 (2042)의 내부를 흐르는 개질수나 원연료 가스와 개질 가스와의 열 교환이 효율적으로 행해진다.
선택 산화부 (2016)은 수증기 공급로 (2042)의 유입구 (2066) 근방에 배치되기 때문에, 개질 가스의 온도는 개질수에 의한 냉각에 의해 시프트 변성부 (2014)에서의 개질 가스의 온도보다 저온이 된다. 선택 산화부 (2016)에서의 선택 산화 반응은 시프트 변성부 (2014)에서의 시프트 반응보다 저온인, 예를 들면 70 내지 200 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (2042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 개질 가스를 적절한 온도로 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 선택 산화부 (2016)에서 일산화탄소가 더 감소된다.
또한, 개질 가스는 개질 가스 송출관 (2060)으로부터 연료 전지의 연료극을 향해 송출되지만, 수증기 공급로 (2042)에 의한 열 회수에 의해 개질 가스 송출관 (2060)으로부터 배출되는 개질 가스의 온도가 저하되기 때문에, 연료 전지용 개질 장치 (2010)에서의 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 가열 유로 (2032)를 통과한 연소 배기 가스는, 개질 반응통 (2018)의 상부로서 개질 반응통 (2018)과 외통 (2022) 사이에 형성된 연소 배기 가스 저류실 (2132)를 경유하여, 외통 (2022) 상부에 형성된 배출구 (2062)로부터 외부로 배출된다. 본 실시 형태에 따른 수증기 공급로 (2042)는, 그 일부가 연소 배기 가스 저류실 (2132)를 통과하도록 설치되어 있고, 가열 유로 (2032)를 통과하여 배출구 (2062)로부터 배출되는 연소 배기 가스로부터 열을 회수할 수 있다. 그 때문에, 수증기 공급로 (2042)에 의한 열 회수에 의해 배출구 (2062)로부터 배출되는 연소 배기 가스의 온도가 저하되기 때문에, 연료 전지용 개질 장치 (2010)에서의 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 연료 전지용 개질 장치 (2010)은, 개질부 (2012)와 시프트 변성부 (2014)와 선택 산화부 (2016)이 이 순서대로 하나의 개질 반응통 (2018)에 수납되기 때문에, 복잡한 형상의 유로를 형성하지 않고, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 감소시킬 수 있다. 또한, 개질 반응통 (2018)과 외통 (2022) 사이의 가열 유로 (2032)를 연소 배기 가스가 통과하기 때문에, 개질 반응통 (2018) 내부의 개질부 (2012)에서의 개질 반응에 필요한 열을 공급할 수 있어, 히터 등의 가열 수단이 불필요해진다. 또한, 개질 반응통 (2018)과 외통 (2022) 사이를 가열 유로 (2032)로 함으로써, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로를 필요로 하지 않고 간소한 구성으로 연료 전지용 개질 장치 (2010)을 실현할 수 있다.
환언하면, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (2010)에 있어서는, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로가 설치되지 않기 때문에, 부품 갯수의 감소나 제조 공정의 간소화에 의해 비용이 감소된다. 또한, 외통 (2022)의 외주부를 단열재 (2024)로 덮음으로써 장치 전체의 단열성을 용이하게 확보할 수 있기 때문에, 단열재 (2024)를 장착할 때의 공정을 간소화할 수 있다.
또한, 가열 유로 (2032)는, 연소 배기 가스가 개질부 (2012)측에서 선택 산화부 (2016)측을 향해 통과하도록 형성되어 있기 때문에, 연소 배기 가스는 개질 반응통 (2018)이나 수증기 공급로 (2042)와 열 교환을 하면서 서서히 온도가 저하된다. 그 때문에, 연소 배기 가스는, 반응 온도가 높은 개질부로부터 반응 온도가 낮은 선택 산화부로 적절하게 온도가 저하되면서 가열 유로 (2032)의 내부를 통과 하게 된다. 그 때문에, 가열 유로 (2032)를 직선적으로 형성하는 것이 가능해진다. 또한, 개질 반응통 (2018)은 개질부 (2012), 시프트 변성부 (2014), 선택 산화부 (2016)을 반응 온도가 높은 순서로 연직 방향 상측으로 순서대로 수납한다. 그 때문에, 개질 가스는, 반응 온도가 높은 개질부 (2012)로부터 반응 온도가 낮은 선택 산화부 (2016)을 향해, 수증기 공급로 (2042)와의 열 교환에 의해 적절하게 온도가 저하되면서 개질 반응통 (2018)의 내부를 복잡한 경로를 통과하지 않고 상승하게 된다.
상술한 연료 전지용 개질 장치 (2010)에 있어서 원연료 공급로 (2040)은, 수증기 공급로 (2042)에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 하류측의 합류부에서 수증기 공급로 (2042)와 합류되도록 구성될 수도 있다. 이와 같이, 연소 배기 가스의 가열에 의한 원연료의 승온과 물의 기화가 개개의 원연료 공급로 (2040) 및 수증기 공급로 (2042)에서 행해진 후에 원연료와 수증기가 합류됨으로써, 각 공급로에서 원연료의 승온이나 물의 기화에 의한 수증기 공급의 제어가 용이해진다.
또한, 코일형 환상부 (2124)는 수증기 공급로 (2042)의 전체 영역에 설치될 수도 있고, 부분적으로 간헐적으로 설치될 수도 있고, 장치 전체의 열 효율이나 열 수지를 고려하여 설계할 수 있다.
(제8 실시 형태)
도 8은 제8 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (3010)의 구성을 나타내는 단면도이다. 연료 전지용 개질 장치 (3010)은 원연료인 메탄이나 프로판, 부탄 등을 수증기 개질에 의해 수소가 풍부한 개질 가스를 생성한다.
연료 전지용 개질 장치 (3010)은 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부 (3012)와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부 (3014)와, 시프트 변성부 (3014)를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화 반응에 의해 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부 (3016)과, 개질부 (3012)와 시프트 변성부 (3014)와 선택 산화부 (3016)을 이 순서대로 직선형으로 수납하는 개질 반응통 (3018)과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단으로서의 버너 (3020)과, 개질 반응통 (3018)의 외주에 동축으로 배치되며 개질 반응통 (3018)보다 직경이 큰 외통 (3022)를 구비한다. 외통 (3022)의 주위는 복수개의 배관이 외부와 연통되는 개소를 제외하고 단열재 (3024)로 덮혀 있다. 개질 반응통 (3018)은, 개질부 (3012)측이 하부가 됨과 동시에 선택 산화부 (3016)측이 상부가 되도록 연직 방향으로 배치되어 있다.
버너 (3020)은 공기 취입구 (3026)에서 도입된 공기와 연료 취입구 (3028)에서 도입된 원연료 오프 가스를 혼합하여 연소시킨다. 버너 (3020)에서 원연료 가스가 연소됨으로써 1200 내지 1300 ℃의 고온의 연소 배기 가스가 발생한다. 버너 (3020)은 개질 반응통 (3018)의 개질부 (3012)측 단부에 형성된 연소실 (3030)에 배치되어 있음과 동시에 외통 (3022)의 하부에 고정되어 있다. 이에 따라, 버너 (3020)에서 생성된 연소 배기 가스의 열을 즉시 개질부 (3012)에서의 개질 반응에 사용할 수 있기 때문에 열 효율을 향상시킬 수 있다.
개질 반응통 (3018)과 외통 (3022) 사이에는, 개질 반응통 (3018)을 가열하기 위해서 상술한 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로 (3032)가 형성되어 있다.
개질부 (3012)는 개질 반응통 (3018)의 바닥부에 설치되는 개질 반응통 (3018)보다 외경이 작은 케이스 (3034)와, 케이스 (3034) 아래쪽에 수납된, 니켈이나 루테늄 등의 금속 입자를 알루미나에 담지한 개질 촉매를 포함하는 촉매층 (3036)을 갖는다. 케이스 (3034) 상면에는, 원연료와 수증기가 혼합된 상태로 유입되는 개구부 (3038)이 형성되어 있다. 또한, 케이스 (3034)는, 촉매층 (3036)의 측면으로부터 개질 가스가 통과할 수 있도록 측면에 통기구가 설치되어 있다.
원연료는 개질 반응통 (3018), 외통 (3022), 단열재 (3024)를 관통하는 원연료 공급로 (3040)을 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (3010)의 외부에서 개질부 (3012)의 촉매층 (3036)에 공급된다. 이 때, 원연료는 가열 유로 (3032)를 흐르는 연료 배기 가스나 개질 반응통 (3018) 내부의 개질 가스에 의해 승온됨과 동시에 개질 가스의 온도를 저하시킨다.
또한, 개질부 (3012)에서의 개질 반응에 필요한 수증기는 수증기 공급로 (3042)를 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (3010)의 외부에서 공급된 개질수로부터 생성된다. 외부에서 공급된 액체인 개질수는 연소 배기 가스나 개질 반응통 (3018) 내부에서 승온된 개질 가스에 의해 기화되어, 수증기로서 촉매층 (3036)에 공급됨과 동시에, 시프트 변성부 (3014)나 선택 산화부 (3016)의 온도를 저하시킨다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (3010)에 있어서 원연료 공급로 (3040)은 수증기 공급로 (3042)와, 수증기 공급로 (3042)에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 하류측의 합류부 (3044)에서 합류된다. 수증기 공급로 (3042) 는 외통 (3022) 및 개질 반응통 (3018)의 내부에 있어서 그 일부가 나선형으로 감긴 코일 형상을 가져 표면적이 늘어남으로써 물이 기화되기 쉬워지기 때문에, 합류부 (3044)보다 상류측의 적어도 코일 하단에서는 수증기가 생성된다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (3010)과 같이, 연소 배기 가스의 가열에 의한 원연료의 승온과 물의 기화가 개개의 원연료 공급로 (3040) 및 수증기 공급로 (3042)에서 행해진 후에 원연료와 수증기가 합류됨으로써, 각 공급로에서 원연료의 승온이나 물의 기화에 의한 수증기 공급의 제어가 용이해진다.
시프트 변성부 (3014)는, 예를 들면 산화구리나 산화아연의 펠릿으로 이루어지는 촉매층 (3046)과, 촉매층 (3046)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (3048)을 갖는다. 시프트 변성부 (3014)는 촉매층 (3046)의 작용에 의해 개질 가스에 포함되는 수증기를 이용한 시프트 반응에 의해 일산화탄소를 감소시킬 수 있다. 구획판 (3048)은 개질 반응통 (3018)의 내부를, 개질 반응이 일어나는 개질부측과 시프트 반응이 일어나는 시프트 변성부측과 구획함과 동시에, 충전된 촉매층 (3046)을 하측에서 지지한다.
선택 산화부 (3016)은, 예를 들면 알루미나로 담지한 일산화탄소 선택 산화 촉매로 이루어지는 촉매층 (3050)과, 촉매층 (3050)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (3052)를 갖는다. 선택 산화부 (3016)에서는, 촉매층 (3050)의 작용에 의해 산소로 일산화탄소를 산화시켜 이산화탄소로 만듦으로써 일산화탄소의 농도가 더욱 감소된다. 구획판 (3052)는 개질 반응통 (3018)의 내부를, 시프트 반응이 일어나는 시프트 변성부측 과 선택 산화가 행해지는 선택 산화부측으로 구획함과 동시에, 충전된 촉매층 (3050)을 하측에서 지지한다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (3010)에 있어서는 개질 반응통 (3018)의 내부에 설치되는 구획판 (3048)이나 구획판 (3052)에 의해 촉매를 지지할 수 있기 때문에, 구획판 (3048)이나 구획판 (3052)와 개질 반응통 (3018)로 둘러싸인 영역 (B)나 영역 (C)에 촉매를 충전시킬 수 있다. 이에 따라, 간편하게 촉매의 충전을 행할 수 있다. 또한, 개질 반응통 (3018)은 개질부 (3012)와 시프트 변성부 (3014)와 선택 산화부 (3016)을 직선형으로 수납하기 때문에, 구획판 (3048), (3052)에 의해서 각 부의 반응이 일어나는 영역을 간편하게 나누는 것이 가능해진다. 또한, 구획판 (3048), (3052)로 촉매를 지지함으로써 각 반응부를 구획하기 때문에 개질 반응통의 형상을 도중에 줄이거나, 그 밖의 부품이나 배관을 추가하거나 하지 않고, 간편한 구성으로 개질 반응통 내부의 촉매를 적절한 위치에 배치할 수 있다.
시프트 변성부 (3014)와 선택 산화부 (3016) 사이의 영역에는, 선택 산화부 (3016)에서 소비되는 산소를 공급하기 위해서, 연료 전지용 개질 장치 (3010)의 외부와 연통되는 공기 공급로 (3054)의 선단부 (3056)이 배치되어 있다. 이에 따라, 선단부 (3056)으로부터 유입되는 공기는 시프트 변성부 (3014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스와 함께 상승하여 선택 산화부 (3016)에서의 반응에 기여한다.
선택 산화부 (3016) 상측의 개질 반응통 (3018) 상면에는, 개구부 (3058)이 형성되어 있다. 개구부 (3058)에는, 일산화탄소가 충분히 감소된 개질 가스를 도 시되지 않은 연료 전지의 연료극으로 송출하는 개질 가스 송출관 (3060)이 접속되어 있다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 수증기 공급로 (3042)와 구획판 (3048), (3052)와의 위치 관계를 상세하게 설명한다. 도 9는 도 8에 나타내는 연료 전지용 개질 장치 (3010) 중 개질 반응통 (3018)의 내부에 있어서의 수증기 공급로 (3042) 근방 부재의 일부를 도시한 주요부 단면도이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 구획판 (3048)은 수증기 공급로 (3042)가 상하 방향으로 관통하는 관통 구멍 (3140)이 형성되어 있다. 또한, 동일하게 구획판 (3052)는 수증기 공급로 (3042)가 상하 방향으로 관통하는 관통 구멍 (3142)가 형성되어 있다. 이에 따라, 개질 반응통 (3018)의 내부에 수증기 공급로 (3042)를 설치하면서, 수증기 공급로 (3042) 주위에 촉매를 충전시킴으로써 구획판 (3048)이나 구획판 (3052)와 개질 반응통 (3018)로 둘러싸인 영역에 촉매층 (3046)이나 촉매층 (3050)을 간이하게 배치할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 수증기 공급로 (3042)는 코일형으로 형성된 환상부 (3144), (3146), 개질 반응통 (3018)의 상하 방향으로 신장된 직선부 (3148), (3150)을 갖는다. 또한, 구획판 (3048)은 관통 구멍 (3140)에 직선부 (3148)이 위치하도록 설치되어 있다. 또한, 구획판 (3052)는 관통 구멍 (3142)에 직선부 (3150)이 위치하도록 설치되어 있다. 이에 따라, 제조시에 수증기 공급로 (3042)에 구획판 (3048)이나 구획판 (3052)를 통과시키는 것이 용이해진다.
또한, 구획판 (3048), (3052)는 촉매층 (3046)이나 촉매층 (3050)의 촉매가 아래쪽으로 낙하되지 않으며 개질 가스가 통과하는 정도의 복수개의 미소한 통기구(도시되지 않음)를 갖는다. 통기구의 크기는 촉매의 형태나 크기에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 구획판 (3048)에 있어서의 통기구의 크기는 촉매층 (3046)에 있어서의 산화구리나 산화아연의 펠릿 크기보다 작게 할 수 있다. 이러한 통기구를 설치함으로써, 구획판 (3048)이나 구획판 (3052)의 상하 영역을 연통하는 유로를 개질 반응통 (3018)의 내부나 외부에 별도로 설치하지 않고, 개질 가스를 개질부 (3012)로부터 시프트 변성부 (3014)나 선택 산화부 (3016)으로 송출하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 따른 개질 반응통 (3018)은, 촉매를 내부에 충전시키기 위해서 구획판 (3048), (3052)보다 상측 측면에 충전구 (3152), (3154)가 형성되어 있다. 이에 따라, 예를 들면 구획판 (3048)이나 구획판 (3052)가 개질 반응통 (3018)의 내부에 고정된 상태라도, 각 촉매를 각각 충전구 (3152), (3154)로부터 개질 반응통 (3018)의 내부에 투입하는 것이 가능해지고, 제조 공정에서의 촉매 충전 공정의 순서나 충전시의 개질 반응통의 자세 자유도가 증가한다.
또한, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (3010)은, 가열 유로 (3032)가 개질 반응통 (3018)의 외측에 있고, 개질 반응통 (3018)의 내부를 횡단하지 않기 때문에 개질 반응통 (3018)의 내부는 촉매가 이동하기 쉬운 구조로 되어 있다. 그 때문에, 구획판 (3048)이나 구획판 (3052)로 구획된 영역 (B)나 영역 (C)에 촉매를 투입할 때의 개질 반응통 (3018)의 자세가, 예를 들면 가로 배치나 기울어진 경우에도, 개질 반응통 (3018)의 자세를 그 후에 세로 배치로 함으로써, 편중되게 충전된 촉매는 용이하게 균일한 두께의 촉매층 (3046), (3050)이 된다. 그 결과, 촉매 충전 공정에서의 작업성이 향상된다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (3010)의 동작에 대하여 설명한다. 버너 (3020)에서 생성된 연소 배기 가스는 개질 반응통 (3018)의 하면을 가열한 후에 가열 유로 (3032)를 따라 상승하면서 개질 반응통 (3018)을 측면에서 가열한다. 이 때, 촉매층 (3036)은 개질 반응통 (3018)을 통해 개질 반응에 필요한 온도, 예를 들면 600 내지 700 ℃의 범위로 가열된다. 또한, 수증기 공급로 (3042)는 직접적 또는 개질 반응통 (3018)을 통해 간접적으로 연료 배기 가스에 의해 가열되어, 내부를 통과하는 개질수가 기화된다. 한편, 연료 배기 가스는 가열 유로 (3032)를 따라 상승함에 따라서 수증기 공급로 (3042)에 의해 냉각되어 서서히 온도가 저하된다. 한편, 가열 유로 (3032)를 통과한 연소 배기 가스는 외통 (3022) 상부에 형성된 배출구 (3062)로부터 외부로 배출된다.
수증기 공급로 (3042)에서 기화된 수증기와 원연료 공급로 (3040)에서 승온된 원연료는 합류부 (3044)에서 혼합되고, 케이스 (3034)의 내부 아래쪽으로 송출된다. 수증기를 포함하는 원연료 가스는 촉매층 (3036)의 내부를 통과할 때에 연소 배기 가스의 열에 의해 서서히 가열되어, 개질 반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스로 변화된다.
원연료 가스를 개질함으로써 얻어진 개질 가스는, 공급되는 원연료 가스의 흐름에 의해서 개질 반응통 (3018)의 내부를 따라 상승하여 시프트 변성부 (3014)에 도달한다. 여기서, 개질부 (3012)에서의 개질 반응은 흡열 반응이기 때문에, 수증기 공급로 (3042)의 열 회수에 의해 온도가 저하된 개질 가스가 시프트 변성부 (3014)에 도달하게 된다. 시프트 변성부 (3014)에서의 시프트 반응은, 예를 들면 200 내지 300 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (3042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 적절한 온도를 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 시프트 변성부 (3014)에서 일산화탄소가 감소된다.
한편, 시프트 변성부 (3014)에서의 온도가 적온이 되지 않는 장치의 경우, 버너 (3020)에서의 원연료의 연료량을 조정하거나, 시프트 변성부 (3014) 근방의 수증기 공급로 (3042)의 코일 권취수를 증감시키거나 함으로써 조정 가능하다.
시프트 변성부 (3014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스는 또한, 공급되는 원연료 가스의 흐름에 의해서 개질 반응통 (3018)의 내부를 정류판 (3064)로 흐름을 규제하면서 상승하여 선택 산화부 (3016)에 도달한다. 그 때, 공기 공급로 (3054)로부터 공급된 공기도 개질 반응통 (3018) 내를 상승하여 선택 산화부 (3016)에 도달한다.
선택 산화부 (3016)은 수증기 공급로 (3042)의 유입구 (3066) 근방에 배치되기 때문에, 개질 가스의 온도는 개질수에 의한 냉각에 의해 시프트 변성부 (3014)에서의 개질 가스의 온도보다 저온이 된다. 선택 산화부 (3016)에서의 선택 산화 반응은 시프트 변성부 (3014)에서의 시프트 반응보다 저온인, 예를 들면 70 내지 200 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (3042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 개질 가스를 적절한 온도로 유지하는 것 이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 선택 산화부 (3016)에 있어서 일산화탄소가 더 감소된다.
상술한 바와 같이, 연료 전지용 개질 장치 (3010)은 개질부 (3012)와 시프트 변성부 (3014)와 선택 산화부 (3016)이 이 순서대로 하나의 개질 반응통 (3018)에 수납되어 있기 때문에, 복잡한 형상의 유로를 형성하지 않고, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 감소시킬 수 있다. 또한, 개질 반응통 (3018)과 외통 (3022) 사이의 가열 유로 (3032)를 연소 배기 가스가 통과하기 때문에, 개질 반응통 (3018) 내부의 개질부 (3012)에서의 개질 반응에 필요한 열을 공급할 수 있어, 히터 등의 가열 수단이 불필요해진다. 또한, 개질 반응통 (3018)과 외통 (3022) 사이를 가열 유로 (3032)로 함으로써, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로를 필요로 하지 않고 간소한 구성으로 연료 전지용 개질 장치 (3010)을 실현할 수 있다.
환언하면, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (3010)에 있어서는, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로가 설치되지 않기 때문에, 부품 갯수의 감소나 제조 공정의 간소화에 의해 비용이 감소된다. 또한, 외통 (3022)의 외주부를 단열재 (3024)로 덮음으로써 장치 전체의 단열성을 용이하게 확보할 수 있기 때문에, 단열재 (3024)를 장착할 때의 공정을 간소화할 수 있다.
또한, 가열 유로 (3032)는 연소 배기 가스가 개질부 (3012)측에서 선택 산화부 (3016)측을 향해 통과하도록 형성되어 있기 때문에, 연소 배기 가스는 개질 반응통 (3018)이나 수증기 공급로 (3042)와 열 교환을 하면서 서서히 온도가 저하된다. 그 때문에, 연소 배기 가스는, 반응 온도가 높은 개질부로부터 반응 온도가 낮은 선택 산화부로 적절하게 온도가 저하되면서 가열 유로 (3032)의 내부를 통과하게 된다. 그 때문에, 가열 유로 (3032)를 직선적으로 형성하는 것이 가능해진다.
(제9 실시 형태)
도 10은 제9 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4010)의 구성을 나타내는 단면도이다. 연료 전지용 개질 장치 (4010)은 원연료인 메탄이나 프로판, 부탄 등을 수증기 개질에 의해 수소가 풍부한 개질 가스를 생성한다.
연료 전지용 개질 장치 (4010)은 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부 (4012)와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부 (4014)와, 시프트 변성부 (4014)를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화 반응에 의해 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부 (4016)과, 개질부 (4012)와 시프트 변성부 (4014)와 선택 산화부 (4016)을 이 순서대로 직선형으로 수납함과 동시에, 또한 탈황부 (4160)을 수납하는 개질 반응통 (4018)과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단으로서의 버너 (4020)과, 개질 반응통 (4018)의 외주에 동축으로 배치되며 개질 반응통 (4018)보다 직경이 큰 외통 (4022)를 구비한다. 외통 (4022)의 주위는 복수개의 배관이 외부와 연통되는 개소를 제외하고 단열재 (4024)로 덮혀 있다.
버너 (4020)은 공기 취입구 (4026)에서 도입된 공기와 연료 취입구 (4028)에서 도입된 원연료 오프 가스를 혼합하여 연소시킨다. 버너 (4020)에서 원연료 가스가 연소됨으로써 1200 내지 1300 ℃의 고온의 연소 배기 가스가 발생한다. 버너 (4020)은 개질 반응통 (4018)의 개질부 (4012)측 단부에 형성된 연소실 (4030)에 배치되어 있음과 동시에 외통 (4022)의 하부에 고정되어 있다. 이에 따라, 버너 (4020)에서 생성된 연소 배기 가스의 열을 즉시 개질부 (4012)에서의 개질 반응에 사용할 수 있기 때문에 열 효율을 향상시킬 수 있다.
개질 반응통 (4018)과 외통 (4022) 사이에는, 개질 반응통 (4018)을 가열하기 위해서 상술한 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로 (4032)가 형성되어 있다.
개질부 (4012)는 개질 반응통 (4018)의 바닥부에 설치되는 개질 반응통 (4018)보다 외경의 작은 케이스 (4034)와, 케이스 (4034) 아래쪽에 수납된, 니켈이나 루테늄 등의 금속 입자를 알루미나에 담지한 개질 촉매를 포함하는 촉매층 (4036)을 갖는다. 케이스 (4034) 상면에는, 원연료와 수증기가 혼합된 상태로 유입되는 개구부 (4038)이 형성되어 있다. 또한, 케이스 (4034)는 촉매층 (4036)의 측면으로부터 개질 가스가 통과할 수 있도록, 측면에 통기구가 설치되어 있다.
원연료는 개질 반응통 (4018), 외통 (4022), 단열재 (4024)를 관통하는 원연료 공급로 (4040)을 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (4010)의 외부에서 개질부 (4012)의 촉매층 (4036)에 공급된다. 이 때, 원연료는, 가열 유로 (4032)를 흐르는 연료 배기 가스나 개질 반응통 (4018) 내부의 개질 가스에 의해 승온됨과 동시에 개질 가스의 온도를 저하시킨다.
또한, 원연료 공급로 (4040)은 개질 반응통 (4018)의 내부를 통과함과 동시에 탈황부 (4160)이 도중에 접속되어 있다. 탈황부 (4160)은 황 등의 불순물을 포함하는 원연료를 촉매의 존재하에서 수소와 반응시켜 황 성분을 제거하는, 이른바 수소화 탈황 방식(수소 첨가 탈황 방식이라고도 함)의 장치이다. 원연료 공급로 (4040)에는, 연료 전지에서 사용되지 않았던 수소가 풍부한 가스나 개질 가스의 일부를 탈황부 (4160)로 복귀시키기 위한 복귀 라인(도시되지 않음)이 탈황부 (4160)의 상류측에 접속되어 있다.
탈황부 (4160)은, 공급되는 원연료 가스와, 통상 그 원연료 가스의 10 vol％량의 H2 가스를 포함하는 리사이클 가스와의 합류 가스를 탈황한다. 수소 첨가 탈황 촉매로서는 Co-Mo계나 Ni-Mo계가 이용되고, 흡착제로서는 산화아연계 촉매가 이용된다. 이 수소 첨가ㆍ흡착 탈황 반응(RCH2SH+H2 → RCH3+H2S ZnO+H2S → ZnS+H2O)에 의해서 원연료 가스는, 포함되는 황 성분의 농도가 20 내지 50 ppb 정도까지 탈황된다.
또한, 유기 황 중 RSH나 COS는 조건(예를 들면 250 내지 400 ℃)에 의해서는 산화아연계 촉매라도 흡착되지만, 일반적으로는 Co-Mo계나 Ni-Mo계의 수소 첨가 촉매 상에서 일단 H2S로 변화된 후에 ZnO로 흡착되는 것이 보통이다. 촉매로서는, 예를 들면 Cu-Zn계 촉매, Ni-Zn계 촉매 등을, 그의 동작 온도나 비용 등을 고려하여 적절하게 선택될 수도 있다. 본 실시 형태에 따른 탈황부 (4160)에서의 탈황 반응 온도는 350 ℃ 내지 400 ℃이다.
또한, 개질부 (4012)에서의 개질 반응에 필요한 수증기는 수증기 공급로 (4042)를 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (4010)의 외부에서 공급된 개질수로부터 생성된다. 외부에서 공급된 액체인 개질수는 연소 배기 가스나 개질 반응통 (4018) 내부에서 승온된 개질 가스에 의해 기화되어, 수증기로서 촉매층 (4036)에 공급됨과 동시에, 시프트 변성부 (4014)나 선택 산화부 (4016)의 온도를 저하시킨다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4010)에 있어서 원연료 공급로 (4040)은 수증기 공급로 (4042)와, 수증기 공급로 (4042)에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 하류측의 합류부 (4044)에서 합류된다. 환언하면, 원연료 공급로 (4040)과 수증기 공급로 (4042)는 탈황부 (4160)의 하류측에서 합류된다. 이에 따라, 수증기 공급로 (4042)를 통과하는 물이나 수증기가 탈황부 (4160)에 혼입되는 것이 방지되어, 탈황부 (4160)의 탈황 성능의 저하가 억제된다. 수증기 공급로 (4042)는 외통 (4022) 및 개질 반응통 (4018)의 내부에 있어서 그 일부가 나선형으로 감긴 코일 형상을 가져 표면적이 늘어남으로써 물이 기화되기 쉬워지기 때문에, 합류부 (4044)보다 상류측의 적어도 코일 하단에서는 수증기가 생성된다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4010)과 같이, 연소 배기 가스의 가열에 의한 원연료의 승온과 물의 기화가 개개의 원연료 공급로 (4040) 및 수증기 공급로 (4042)에서 행해진 후에 원연료와 수증기가 합류됨으로써, 각 공급로에서 원연료의 승온이나 물의 기화에 의한 수증기 공급의 제어가 용이해진다.
시프트 변성부 (4014)는, 예를 들면 산화구리나 산화아연의 펠릿으로 이루어지는 촉매층 (4046)과, 촉매층 (4046)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (4048)을 갖는다. 시프트 변성부 (4014)는 촉매층 (4046)의 작용에 의해 개질 가스에 포함되는 수증기를 이용한 시 프트 반응에 의해 일산화탄소를 감소시킬 수 있다.
선택 산화부 (4016)은, 예를 들면 알루미나로 담지한 일산화탄소 선택 산화 촉매로 이루어지는 촉매층 (4050)과, 촉매층 (4050)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (4052)를 갖는다. 선택 산화부 (4016)에서는, 촉매층 (4050)의 작용에 의해 산소로 일산화탄소를 산화시켜 이산화탄소로 만듦으로써 일산화탄소의 농도가 더욱 감소된다.
시프트 변성부 (4014)와 선택 산화부 (4016) 사이의 영역에는, 선택 산화부 (4016)에서 소비되는 산소를 공급하기 위해서, 연료 전지용 개질 장치 (4010)의 외부와 연통되는 공기 공급로 (4054)의 선단부 (4056)이 배치되어 있다. 이에 따라, 선단부 (4056)으로부터 유입되는 공기는, 시프트 변성부 (4014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스와 함께 상승하여 선택 산화부 (4016)에서의 반응에 기여한다.
선택 산화부 (4016) 상측의 개질 반응통 (4018) 상면에는, 개구부 (4058)이 형성되어 있다. 개구부 (4058)에는, 일산화탄소가 충분히 감소된 개질 가스를 연료 전지의 연료극으로 송출하는, 도시되지 않은 개질 가스 송출관 (4060)이 접속되어 있다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4010)의 동작에 대하여 설명한다. 버너 (4020)에서 생성된 연소 배기 가스는 개질 반응통 (4018)의 하면을 가열한 후에 가열 유로 (4032)를 상승하면서 개질 반응통 (4018)을 측면으로부터 가열한다. 이 때, 촉매층 (4036)은 개질 반응통 (4018)을 통해 개질 반응에 필요한 온도, 예를 들면 600 내지 700 ℃의 범위로 가열된다. 또한, 수증기 공급로 (4042)는 직접적 또는 개질 반응통 (4018)을 통해 간접적으로 연료 배기 가스에 의해 가열되어, 내부를 통과하는 개질수가 기화된다. 한편, 연료 배기 가스는 가열 유로 (4032)를 상승함에 따라서 수증기 공급로 (4042)에 의해 냉각되어 서서히 온도가 저하된다. 한편, 가열 유로 (4032)를 통과한 연소 배기 가스는 외통 (4022) 상부에 형성된 배출구 (4062)로부터 외부로 배출된다.
수증기 공급로 (4042)에서 기화된 수증기와 원연료 공급로 (4040)에서 승온된 원연료는 합류부 (4044)에서 혼합되어, 케이스 (4034)의 내부를 아래쪽으로 송출된다. 수증기를 포함하는 원연료 가스는 촉매층 (4036)의 내부를 통과할 때에 연소 배기 가스의 열에 의해 서서히 가열되어, 개질 반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스로 변화된다.
원연료 가스를 개질함으로써 얻어진 개질 가스는 공급되는 원연료 가스의 흐름에 의해서 개질 반응통 (4018)의 내부를 상승하여 시프트 변성부 (4014)에 도달한다. 여기서, 개질부 (4012)에서의 개질 반응은 흡열 반응이기 때문에, 수증기 공급로 (4042)의 열 회수에 의해 온도가 저하된 개질 가스가 시프트 변성부 (4014)에 도달하게 된다. 시프트 변성부 (4014)에서의 시프트 반응은, 예를 들면 200 내지 300 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (4042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 적절한 온도를 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 시프트 변성부 (4014)에서 일산화탄소가 감소된다.
한편, 시프트 변성부 (4014)에서의 온도가 적온이 되지 않는 장치의 경우, 버너 (4020)에서의 원연료의 연료량을 조정하거나, 시프트 변성부 (4014) 근방의 수증기 공급로 (4042)의 코일 권취수를 증감시키거나 함으로써 조정 가능하다.
시프트 변성부 (4014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스는 또한, 공급되는 원연료 가스의 흐름에 의해서 개질 반응통 (4018)의 내부를 정류판 (4064)로 흐름을 규제하면서 상승하여 선택 산화부 (4016)에 도달한다. 그 때, 공기 공급로 (4054)로부터 공급된 공기도 개질 반응통 (4018) 내를 상승하여 선택 산화부 (4016)에 도달한다.
선택 산화부 (4016)은 수증기 공급로 (4042)의 유입구 (4066) 근방에 배치되어 있기 때문에, 개질 가스의 온도는 개질수에 의한 냉각에 의해 시프트 변성부 (4014)에서의 개질 가스의 온도보다 저온이 된다. 선택 산화부 (4016)에서의 선택 산화 반응은 시프트 변성부 (4014)에서의 시프트 반응보다 저온인, 예를 들면 70 내지 200 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (4042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 개질 가스를 적절한 온도로 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 선택 산화부 (4016)에서 일산화탄소가 더 감소된다.
상술한 바와 같이, 연료 전지용 개질 장치 (4010)은 개질부 (4012)와 시프트 변성부 (4014)와 선택 산화부 (4016)이 이 순서대로 하나의 개질 반응통 (4018)에 수납되어 있음과 동시에, 또한 탈황부 (4160)도 수납되어 있기 때문에, 복잡한 형상의 유로를 형성하지 않고, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 감소시킴과 동시 에 황 성분도 제거할 수 있다. 또한, 탈황부를 장치의 외부에 설치하는 경우와 비교하여, 개질 반응통 내부에 탈황기를 구비함으로써 장치 전체를 컴팩트하게 할 수 있다. 또한, 개질 반응통 (4018)과 외통 (4022) 사이의 가열 유로 (4032)를 연소 배기 가스가 통과하기 때문에, 개질 반응통 (4018) 내부의 개질부 (4012)에서의 개질 반응에 필요한 열을 공급할 수 있어, 히터 등의 가열 수단이 불필요해진다. 또한, 개질 반응통 (4018)과 외통 (4022) 사이를 가열 유로 (4032)로 함으로써, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로를 필요로 하지 않고 간소한 구성으로 연료 전지용 개질 장치 (4010)을 실현할 수 있다.
환언하면, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4010)에 있어서는, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로가 설치되지 않기 때문에, 부품 갯수의 감소나 제조 공정의 간소화에 의해 비용이 감소된다. 또한, 외통 (4022)의 외주부를 단열재 (4024)로 덮음으로써 장치 전체의 단열성을 용이하게 확보할 수 있기 때문에, 단열재 (4024)를 장착할 때의 공정을 간소화할 수 있다.
또한, 가열 유로 (4032)는 연소 배기 가스가 개질부 (4012)측에서 선택 산화부 (4016)측을 향해 통과하도록 형성되어 있기 때문에, 연소 배기 가스는 개질 반응통 (4018)이나 수증기 공급로 (4042)와 열 교환을 하면서 서서히 온도가 저하된다. 그 때문에, 연소 배기 가스는, 반응 온도가 높은 개질부로부터 반응 온도가 낮은 선택 산화부로 적절하게 온도가 저하되면서 가열 유로 (4032)의 내부를 통과하게 된다. 그 때문에, 유로의 반환이나 새로운 가열 수단을 설치하지 않고 가열 유로 (4032)를 직선적으로 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 연료 전지용 개질 장치 (4010)은 개질 반응통 (4018)과 외통 (4022) 사이의 가열 유로 (4032)를 연소 배기 가스가 통과함으로써 탈황부 (4160)에서의 탈황 반응에 필요한 열이 공급되기 때문에, 탈황부 (4160)을 장치의 외부에 설치한 경우와 비교하여 히터 등의 가열 수단이 불필요해지고, 장치 전체의 열 효율이 향상된다. 또한, 탈황부 (4160)을 장치의 외부에 설치하는 경우와 비교하여, 원연료 공급로 (4040)의 유로를 짧게 할 수 있다.
또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 탈황부 (4160)은 개질부 (4012)와 시프트 변성부 (4014) 사이에 설치되어 있다. 이에 따라, 개질부 (4012)를 가열한 연소 배기 가스나 개질 가스에 의해 탈황 반응에 필요한 열이 공급된다. 그 때문에, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4010)은 장치의 동작시에 있어서 정상 온도까지 탈황부를 효율적으로 승온시킬 수 있다.
(제10 실시 형태)
도 11은 제10 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4110)의 구성을 나타내는 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4110)은, 탈황부 (4162)가 개질 반응통 (4018)의 축 방향 위치가 시프트 변성부 (4164)와 중첩되는 위치에 배치되어 있다. 이에 따라, 개질 반응통 (4018)의 세로 방향이 컴팩트해지고, 연료 전지용 개질 장치 (4110)을 소형화할 수 있다. 또한, 시프트 변성부 (4164)는 환상으로 형성되어 있고, 탈황부 (4162)는 시프트 변성부 (4164)의 내주부에 설치되어 있다. 이에 따라, 연료 전지용 개질 장치 (4110)은 기동시에 시프트 변성부 (4164)의 온도를 효율적으로 승온시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 탈황부 (4162)는 탈황 반응 온도가 200 ℃ 내지 300 ℃ 정도가 되도록 설정되어 있으면 좋다. 일반적으로 시프트 변성부 (4164)에서의 시프트 반응 온도는 200 ℃ 내지 300 ℃ 정도로 되어 있다. 또한, 탈황부 (4162)에서의 황 성분은 수 ppm 정도이기 때문에, 탈황 반응에 의한 발열도 약간이다. 그 때문에, 시프트 반응에 의해 발열하는 촉매층 (4046)을 물로 냉각시키면서 열 균형을 이루는 시프트 변성부 (4164)와 탈황부 (4162)가 접하도록 구성함으로써, 탈황부 (4162)를 시프트 반응 온도와 동일한 정도인 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도로 유지하는 것이 용이해진다.
(제11 실시 형태)
상술한 각 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치에서는, 수증기 공급로 (4042)가 개질 반응통 (4018)의 내부를 통과함과 동시에 시프트 변성부 (4014)의 촉매층 (4046)이나 선택 산화부 (4016)의 촉매층 (4050)을 관통하도록 설치되어 있다. 그 때문에, 수증기 공급로 (4042)가 촉매층 (4050)에 직접 접촉된 부분에서는 촉매 온도가 필요 이상으로 저하되고, 반응이 충분히 행해지지 않을 가능성이 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는 수증기 공급로의 배치를 연구함으로써 촉매층의 온도가 필요 이상으로 저하되는 것을 방지한다.
도 12는 제11 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4210)의 구성을 나타내는 단면도이다. 연료 전지용 개질 장치 (4210)은 제9 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4010)과 비교하여, 수증기 공급로 (4142)가 가열 유로 (4032)의 내부에 설치되는 점이 크게 다르다. 이러한 구성에 의해, 시프트 변성부 (4014)의 촉매층 (4046)이나 선택 산화부 (4016)의 촉매층 (4050)은 개질 반응통 (4018)을 통해 수증기 공급로 (4142)에 의해 간접적으로 냉각되기 때문에, 각 촉매층 일부의 온도가 극단적으로 저하되는 것이 억제된다. 그 결과, 예를 들면 선택 산화부 (4016)에 있어서 일산화탄소가 충분히 반응하지 않아 미반응의 일산화탄소가 연료 전지의 연료극으로 송출되는 것이 억제된다. 또한, 수증기 공급로 (4142)는 개질 반응통 (4018)에 접촉하도록 설치될 수도 있다. 이에 따라, 연소 배기 가스로부터의 열 회수뿐만 아니라 촉매층 (4046), (4050)에서의 반응열을 보다 많이 회수함과 동시에 촉매층 (4046), (4050)을 보다 냉각시키는 것이 가능해진다. 또한, 개질 반응통 (4018) 내부의 개질 가스를 보다 냉각시키는 것도 가능해진다.
또한, 상술한 각 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치와 같이, 선택 산화부 (4016)의 촉매층 (4050)이 원주 형상인 경우, 촉매층 (4050)의 직경이 커졌을 때, 촉매층의 중심 부분의 제열이 충분히 행해지지 않을 가능성이 있다. 이러한 경우, 촉매층 (4050)의 중심 부분이 고온이 되어, 정상이며 양호한 효율로 반응이 곤란해진다. 특히, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4210)과 같이 수증기 공급로 (4142)를 개질 반응통 (4018)의 외측에 배치한 경우, 제열이 불충분해지는 경향이 강하다. 그 때문에, 예를 들면 선택 산화부 (4016)의 촉매층 (4050)의 온도가 적정한 온도 범위를 초과하면, 개질 가스 중의 수소를 산화시키는 부반응이 발생할 가능성이 있다.
따라서, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4210)에 있어서는, 선택 산화부 (4016)의 촉매층 (4150)은 링형으로 형성되어 있다. 이에 따라, 촉매 층 (4050)은, 적정한 온도 범위의 제어가 곤란한 중심부가 중공으로 되어 있기 때문에 바람직하지 않은 부반응의 발생이 억제된다.
(제12 실시 형태)
도 13은 제12 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (4310)의 구성을 나타내는 단면도이다. 상술한 바와 같이 선택 산화부에서의 촉매 반응은 적정한 온도 범위에서 행해질 필요가 있다. 통상, 선택 산화부의 촉매층에서는 개질 가스가 유입되는 입구측에서 반응이 가장 많이 발생하기 때문에, 촉매층의 온도도 입구측이 높으며 출구측이 낮아지는 경향이 있다. 그 때문에, 선택 산화부의 촉매층에 유입되는 개질 가스의 온도가 너무 높으면, 촉매층의 입구 근방에서의 반응 온도가 적정한 온도 범위를 넘어 높아질 가능성이 있다.
따라서, 연료 전지용 개질 장치 (4310)에 있어서 선택 산화부 (4116)은, 반환 유로 (4118)과 반환 유로 (4118) 도중에 설치된 링형 촉매층 (4250)을 갖는다. 반환 유로 (4118)은 시프트 변성부 (4014)를 통과한 개질 가스가 개질 반응통 (4018)의 내면을 따라서 연소실 (4030)측과 반대측으로 향하는 제1 유로 (4120)과, 제1 유로 (4120)을 통과한 개질 가스가 연소실 (4030)측을 향하도록 내측으로 반환된 제2 유로 (4122)로 이루어진다. 또한, 촉매층 (4250)은 제2 유로 (4122)에 설치되어 있다.
이에 따라, 개질 가스는 촉매층 (4250)의 입구측에 도달하기 전에, 제1 유로 (4120)에 있어서 그 외주에 배치되어 있는 수증기 공급로 (4142)를 흐르는 저온의 개질수에 의해서 열이 빼앗긴다. 따라서, 촉매층 (4250)의 입구측에서의 반응 온 도를 적정한 온도 범위까지 감소시키는 것이 가능해진다. 또한, 수증기 공급로 (4142)는 제1 유로 (4120)에 접촉하도록 설치될 수도 있다. 이에 따라, 촉매층 (4250)의 입구측에 유입되는 개질 가스의 온도를 보다 감소시키는 것이 가능해진다.
또한, 제1 유로 (4120)과 제2 유로 (4122)는 나란히 배치되어 있기 때문에, 촉매층 (4250)에서의 반응열을 개질 가스를 통해 회수하는 것도 가능하다. 또한, 개질 가스는 제2 유로에 있어서 촉매층 (4250)을 연소실 (4030)측을 향해 흐르기 때문에, 촉매층 (4250)의 출구측에서의 반응열이 적은 경우에도 제1 유로 (4120)에 유입되는 개질 가스에 의해 온도의 저하를 억제할 수 있다. 그 결과, 촉매층 (4250)에 있어서 입구측의 반응 온도보다 낮아지는 경향의 출구측의 반응 온도의 저하가 억제되어, 촉매층 (4250) 전체가 촉매 반응에 적정한 온도 범위로 유지된다.
여기서, 촉매층 (4250)의 반응 온도는 100 내지 200 ℃의 범위로 유지되어 있으면 좋다. 바람직하게는 120 내지 180 ℃의 범위로 유지되어 있으면 좋다. 보다 바람직하게는 130 내지 170 ℃의 범위로 유지되어 있으면 좋다. 온도가 너무 낮은 영역에서는 반응이 불충분해진다. 또한, 온도가 너무 높은 영역에서는 필요가 없는 부반응이 선행된다.
한편, 본 실시 형태와 같이 반환 유로 (4118)을 설치함으로써, 선택 산화부 (4116)의 촉매층 (4250) 입구측을 선택 산화부 (4116)의 시프트 변성부 (4014)보다 떨어진 측에 배치하는 것이 가능해진다. 따라서, 시프트 변성부 (4014)와 선택 산화부 (4116)과의 거리를 길게 하지 않아도, 다시 말하면 개질 반응통 (4018)의 길이 방향을 늘리지 않더라도, 실질적으로 시프트 변성부 (4014)를 통과한 개질 가스가 선택 산화부 (4116)의 촉매층 (4250)에 도달하기까지의 거리가 길어지기 때문에, 촉매층 (4250)의 입구측에 도달하는 개질 가스의 온도를 내릴 수 있다. 그 결과, 연료 전지용 개질 장치 (4310)의 길이 방향을 컴팩트하게 하는 것이 가능해진다.
상술한 연료 전지용 개질 장치 (4110)은 탈황부 (4162)가 시프트 변성부 (4164)의 내주부에 설치되어 있지만, 시프트 변성부 (4164)가 탈황부 (4162)의 내주부에 설치될 수도 있다. 이에 따라, 연료 전지용 개질 장치 (4110)은 기동시에 탈황부 (4162)의 온도를 효율적으로 승온시킬 수 있다.
(제13 실시 형태)
도 14는 제13 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)의 구성을 나타내는 단면도이다. 연료 전지용 개질 장치 (5010)은 원연료인 메탄이나 프로판, 부탄 등을 수증기 개질에 의해 수소가 풍부한 개질 가스를 생성한다.
연료 전지용 개질 장치 (5010)은 원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부 (5012)와, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부 (5014)와, 시프트 변성부 (5014)를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화 반응에 의해 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부 (5016)과, 개질부 (5012)와 시프트 변성부 (5014)와 선택 산화부 (5016)을 이 순서대로 직선형으로 수납함과 동시에, 또한 탈황부 (5160)을 수납하는 개질 반응통 (5018)과, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단으로서의 버너 (5020)과, 개질 반응통 (5018)의 외주에 동축으로 배치되며 개질 반응통 (5018)보다 직경이 큰 외통 (5022)를 구비한다. 외통 (5022)의 주위는 복수개의 배관이 외부와 연통되는 개소를 제외하고 단열재 (5024)로 덮혀 있다.
버너 (5020)은 공기 취입구 (5026)에서 도입된 공기와 연료 취입구 (5028)에서 도입된 원연료 오프 가스를 혼합하여 연소시킨다. 버너 (5020)에서 원연료 가스가 연소됨으로써 1200 내지 1300 ℃의 고온의 연소 배기 가스가 발생한다. 버너 (5020)은 개질 반응통 (5018)의 개질부 (5012)측 단부에 형성된 연소실 (5030)에 배치되어 있음과 동시에 외통 (5022)의 하부에 고정되어 있다. 이에 따라, 버너 (5020)에서 생성된 연소 배기 가스의 열을 즉시 개질부 (5012)에서의 개질 반응에 사용할 수 있기 때문에 열 효율을 향상시킬 수 있다.
개질 반응통 (5018)과 외통 (5022) 사이에는, 개질 반응통 (5018)을 가열하기 위해서 상술한 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로 (5032)가 형성되어 있다.
개질부 (5012)는 개질 반응통 (5018)의 바닥부에 설치되는 개질 반응통 (5018)보다 외경이 작은 케이스 (5034)와, 케이스 (5034) 아래쪽에 수납된, 니켈이나 루테늄 등의 금속 입자를 알루미나에 담지한 개질 촉매를 포함하는 촉매층 (5036)을 갖는다. 케이스 (5034) 상면에는, 원연료와 수증기가 혼합된 상태로 유입되는 개구부 (5038)이 형성되어 있다. 또한, 케이스 (5034)는 촉매층 (5036)의 측면으로부터 개질 가스가 통과할 수 있도록, 측면에 통기구가 설치되어 있다.
원연료는 개질 반응통 (5018), 외통 (5022), 단열재 (5024)를 관통하는 원연 료 공급로 (5040)을 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (5010)의 외부에서 개질부 (5012)의 촉매층 (5036)에 공급된다. 이 때, 원연료는 가열 유로 (5032)를 흐르는 연료 배기 가스나 개질 반응통 (5018) 내부의 개질 가스에 의해 승온됨과 동시에 개질 가스의 온도를 저하시킨다.
또한, 원연료 공급로 (5040)은 개질 반응통 (5018)의 내부를 통과함과 동시에 탈황부 (5160)이 도중에 접속되어 있다. 탈황부 (5160)은 황 등의 불순물을 포함하는 원연료를 촉매의 존재하에서 수소와 반응시켜 황 성분을 제거하는, 이른바 수소화 탈황 방식(수소 첨가 탈황 방식이라고도 함)의 장치이다. 원연료 공급로 (5040)에는, 연료 전지에서 사용되지 않은 수소가 풍부한 가스나 개질 가스의 일부를 탈황부 (5160)로 복귀시키기 위한 도시되지 않은 개질 가스 복귀 유로(후술)가 탈황부 (5160)의 상류측에 접속되어 있다.
탈황부 (5160)은 공급되는 원연료 가스와, 통상 그 원연료 가스의 10 vol％량의 H2 가스를 포함하는 리사이클 가스와의 합류 가스를 탈황한다. 수소 첨가 탈황 촉매로서는 Co-Mo계나 Ni-Mo계가 이용되고, 흡착제로서는 산화아연계 촉매가 이용된다. 이 수소 첨가ㆍ흡착 탈황 반응(RCH2SH+H2 → RCH3+H2S ZnO+H2S → ZnS+H2O)에 의해서 원연료 가스는, 포함되는 황 성분의 농도가 20 내지 50 ppb 정도까지 탈황된다.
또한, 유기 황 중 RSH나 COS는 조건(예를 들면 250 내지 400 ℃)에 의해서는 산화아연계 촉매라도 흡착되지만, 일반적으로는 Co-Mo계나 Ni-Mo계의 수소 첨가 촉 매 상에서 일단 H2S로 변화된 후에 ZnO로 흡착되는 것이 보통이다. 촉매로서는, 예를 들면 Cu-Zn계 촉매, Ni-Zn계 촉매 등을, 그의 동작 온도나 비용 등을 고려하여 적절하게 선택될 수도 있다. 본 실시 형태에 따른 탈황부 (5160)에서의 탈황 반응 온도는 350 ℃ 내지 400 ℃이다.
또한, 개질부 (5012)에서의 개질 반응에 필요한 수증기는 수증기 공급로 (5042)를 경유하여 연료 전지용 개질 장치 (5010)의 외부에서 공급된 개질수로부터 생성된다. 외부에서 공급된 액체인 개질수는 연소 배기 가스나 개질 반응통 (5018) 내부에서 승온된 개질 가스에 의해 기화되어, 수증기로서 촉매층 (5036)에 공급됨과 동시에 시프트 변성부 (5014)나 선택 산화부 (5016)의 온도를 저하시킨다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)에 있어서 원연료 공급로 (5040)은, 수증기 공급로 (5042)에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 하류측의 합류부 (5044)에서 수증기 공급로 (5042)와 합류된다. 환언하면, 원연료 공급로 (5040)과 수증기 공급로 (5042)는 탈황부 (5160)의 하류측에서 합류된다. 이에 따라, 수증기 공급로 (5042)를 통과하는 물이나 수증기가 탈황부 (5160)에 혼입되는 것이 방지되어, 탈황부 (5160)의 탈황 성능의 저하가 억제된다. 수증기 공급로 (5042)는 외통 (5022) 및 개질 반응통 (5018)의 내부에 있어서 그 일부가 나선형으로 감긴 코일 형상을 가져 표면적이 늘어남으로써 물이 기화되기 쉬워지기 때문에, 합류부 (5044)보다 상류측의 적어도 코일 하단에서는 수증기가 생성된다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)과 같이, 연소 배기 가스의 가열에 의한 원연료의 승온과 물의 기화가 개개의 원연료 공급로 (5040) 및 수증기 공급로 (5042)에서 행해진 후에 원연료와 수증기가 합류됨으로써, 각 공급로에서 원연료의 승온이나 물의 기화에 의한 수증기 공급의 제어가 용이해진다.
시프트 변성부 (5014)는, 예를 들면 산화구리나 산화아연의 펠릿으로 이루어지는 촉매층 (5046)과, 촉매층 (5046)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (5048)을 갖는다. 시프트 변성부 (5014)는 촉매층 (5046)의 작용에 의해 개질 가스에 포함되는 수증기를 이용한 시프트 반응에 의해 일산화탄소를 감소시킬 수 있다.
선택 산화부 (5016)은, 예를 들면 알루미나로 담지한 일산화탄소 선택 산화 촉매로 이루어지는 촉매층 (5050)과, 촉매층 (5050)을 담지함과 동시에 하측에서 상측으로 개질 가스가 투과하도록 구멍이 형성되어 있는 구획판 (5052)를 갖는다. 선택 산화부 (5016)에서는, 촉매층 (5050)의 작용에 의해 산소로 일산화탄소를 산화시켜 이산화탄소로 만듦으로써 일산화탄소의 농도가 더욱 감소된다.
시프트 변성부 (5014)의 하류측 및 선택 산화부 (5016)의 상류측 영역에는, 선택 산화부 (5016)에서 소비되는 산소를 공급하기 위해서, 연료 전지용 개질 장치 (5010)의 외부와 연통되는 공기 공급로 (5054)의 선단부 (5056)이 배치되어 있다. 이에 따라, 선단부 (5056)으로부터 유입되는 공기는 시프트 변성부 (5014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스와 함께 상승하여 선택 산화부 (5016)에서의 반응에 기여한다.
선택 산화부 (5016) 상측의 개질 반응통 (5018) 상면에는, 개구부 (5058)이 형성되어 있다. 개구부 (5058)에는, 일산화탄소가 충분히 감소된 개질 가스를 연료 전지의 연료극으로 송출하는, 도시되지 않은 개질 가스 송출관 (5060)이 접속되어 있다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)의 동작에 대하여 설명한다. 버너 (5020)에서 생성된 연소 배기 가스는, 개질 반응통 (5018)의 하면을 가열한 후에 가열 유로 (5032)를 따라 상승하면서 개질 반응통 (5018)을 측면에서 가열한다. 이 때, 촉매층 (5036)은 개질 반응통 (5018)을 통해 개질 반응에 필요한 온도, 예를 들면 600 내지 700 ℃의 범위로 가열된다. 또한, 수증기 공급로 (5042)는 직접적 또는 개질 반응통 (5018)을 통해 간접적으로 연료 배기 가스에 의해 가열되어, 내부를 통과하는 개질수가 기화된다. 한편, 연료 배기 가스는 가열 유로 (5032)를 상승함에 따라서 수증기 공급로 (5042)에 의해 냉각되어 서서히 온도가 저하된다. 한편, 가열 유로 (5032)를 통과한 연소 배기 가스는 외통 (5022) 상부에 형성된 배출구 (5062)로부터 외부로 배출된다.
수증기 공급로 (5042)에서 기화된 수증기와 원연료 공급로 (5040)에서 승온된 원연료는 합류부 (5044)에서 혼합되고, 케이스 (5034)의 내부를 아래쪽으로 송출된다. 수증기를 포함하는 원연료 가스는 촉매층 (5036)의 내부를 통과할 때에 연소 배기 가스의 열에 의해 서서히 가열되어, 개질 반응에 의해 수소가 풍부한 개질 가스로 변화된다.
원연료 가스를 개질함으로써 얻어진 개질 가스는 공급되는 원연료 가스의 흐 름에 의해서 개질 반응통 (5018)의 내부를 따라 상승하여 시프트 변성부 (5014)에 도달한다. 여기서, 개질부 (5012)에서의 개질 반응은 흡열 반응이기 때문에, 수증기 공급로 (5042)의 열 회수에 의해 온도가 저하된 개질 가스가 시프트 변성부 (5014)에 도달하게 된다. 시프트 변성부 (5014)에서의 시프트 반응은, 예를 들면 200 내지 300 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (5042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 적절한 온도를 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 시프트 변성부 (5014)에서 일산화탄소가 감소된다.
한편, 시프트 변성부 (5014)에서의 온도가 적온이 되지 않는 장치의 경우, 버너 (5020)에서의 원연료의 연료량을 조정하거나, 시프트 변성부 (5014) 근방의 수증기 공급로 (5042)의 코일 권취수를 증감시키거나 함으로써 조정 가능하다.
시프트 변성부 (5014)에서 일산화탄소가 감소된 개질 가스는 또한, 공급되는 원연료 가스의 흐름에 의해서 개질 반응통 (5018)의 내부를 정류판 (5064)로 흐름을 규제하면서 상승하여 선택 산화부 (5016)에 도달한다. 그 때, 공기 공급로 (5054)로부터 공급된 공기도 개질 반응통 (5018)내를 상승하여 선택 산화부 (5016)에 도달한다.
선택 산화부 (5016)은 수증기 공급로 (5042)의 유입구 (5066) 근방에 배치되어 있기 때문에, 개질 가스의 온도는 개질수에 의한 냉각에 의해 시프트 변성부 (5014)에서의 개질 가스의 온도보다 저온이 된다. 선택 산화부 (5016)에서의 선택 산화 반응은 시프트 변성부 (5014)에서의 시프트 반응보다 저온인, 예를 들면 70 내지 200 ℃의 범위에서 행해지고, 수증기 공급로 (5042)의 열 회수로 열 균형을 이루기 때문에, 특단의 온도 제어를 하지 않아도 개질 가스를 적절한 온도로 유지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 개질 가스는 선택 산화부 (5016)에 있어서 일산화탄소가 더 감소된다.
상술한 바와 같이, 연료 전지용 개질 장치 (5010)은 개질부 (5012)와 시프트 변성부 (5014)와 선택 산화부 (5016)이 이 순서대로 하나의 개질 반응통 (5018)에 수납되어 있음과 동시에, 또한 탈황부 (5160)도 수납되기 때문에, 복잡한 형상의 유로를 형성하지 않고, 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 감소시킴과 동시에 황 성분도 제거할 수 있다. 또한, 탈황부를 장치의 외부에 설치하는 경우와 비교하여, 개질 반응통 내부에 탈황기를 구비함으로써 장치 전체를 컴팩트하게 할 수 있다. 또한, 개질 반응통 (5018)과 외통 (5022) 사이의 가열 유로 (5032)를 연소 배기 가스가 통과하기 때문에, 개질 반응통 (5018) 내부의 개질부 (5012)에서의 개질 반응에 필요한 열을 공급할 수 있어, 히터 등의 가열 수단이 불필요해진다. 또한, 개질 반응통 (5018)과 외통 (5022) 사이를 가열 유로 (5032)로 함으로써, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로를 필요로 하지 않고 간소한 구성으로 연료 전지용 개질 장치 (5010)을 실현할 수 있다.
환언하면, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)에 있어서는, 반환이나 많은 통을 요구하는 유로가 설치되지 않기 때문에, 부품 갯수의 감소나 제조 공정의 간소화에 의해 비용이 감소된다. 또한, 외통 (5022)의 외주부를 단열재 (5024)로 덮음으로써 장치 전체의 단열성을 용이하게 확보할 수 있기 때문에, 단열재 (5024)를 장착할 때의 공정을 간소화할 수 있다.
또한, 가열 유로 (5032)는 연소 배기 가스가 개질부 (5012)측에서 선택 산화부 (5016)측을 향해 통과하도록 형성되어 있기 때문에, 연소 배기 가스는 개질 반응통 (5018)이나 수증기 공급로 (5042)와 열 교환을 하면서 서서히 온도가 저하된다. 그 때문에, 연소 배기 가스는 반응 온도가 높은 개질부로부터 반응 온도가 낮은 선택 산화부로 적절하게 온도가 저하되면서 가열 유로 (5032)의 내부를 통과하게 된다. 그 때문에, 유로의 반환이나 새로운 가열 수단을 설치하지 않고 가열 유로 (5032)를 직선적으로 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 연료 전지용 개질 장치 (5010)은 개질 반응통 (5018)과 외통 (5022) 사이의 가열 유로 (5032)를 연소 배기 가스가 통과함으로써 탈황부 (5160)에서의 탈황 반응에 필요한 열이 공급되기 때문에, 탈황부 (5160)을 장치의 외부에 설치한 경우와 비교하여 히터 등의 가열 수단이 불필요해지고, 장치 전체의 열 효율이 향상된다. 또한, 탈황부 (5160)을 장치의 외부에 설치하는 경우와 비교하여, 원연료 공급로 (5040)의 유로를 짧게 할 수 있다.
또한, 도 14에 나타낸 바와 같이, 탈황부 (5160)은 개질부 (5012)와 시프트 변성부 (5014) 사이에 설치되어 있다. 이에 따라, 개질부 (5012)를 가열한 연소 배기 가스나 개질 가스에 의해 탈황 반응에 필요한 열이 공급된다. 그 때문에, 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)은 장치의 동작시에 있어서 정상 온도까지 탈황부를 효율적으로 승온시킬 수 있다.
(제14 실시 형태)
도 15는 제14 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5110)의 구성을 나타내는 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5110)은, 탈황부 (5162)가 개질 반응통 (5018)의 축 방향 위치가 시프트 변성부 (5164)와 중첩되는 위치에 배치되어 있다. 이에 따라, 개질 반응통 (5018)의 세로 방향이 컴팩트해지고, 연료 전지용 개질 장치 (5110)을 소형화할 수 있다. 또한, 시프트 변성부 (5164)는 환상으로 형성되어 있고, 탈황부 (5162)는 시프트 변성부 (5164)의 내주부에 설치되어 있다. 이에 따라, 연료 전지용 개질 장치 (5110)은 기동시에 시프트 변성부 (5164)의 온도를 효율적으로 승온시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 탈황부 (5162)는 탈황 반응 온도가 200 ℃ 내지 300 ℃ 정도가 되도록 설정되어 있으면 좋다. 일반적으로 시프트 변성부 (5164)에서의 시프트 반응 온도는 200 ℃ 내지 300 ℃ 정도로 되어 있다. 또한, 탈황부 (5162)에 있어서의 황 성분은 수 ppm 정도이기 때문에, 탈황 반응에 의한 발열도 약간이다. 그 때문에, 시프트 반응에 의해 발열하는 촉매층 (5046)을 물로 냉각시키면서 열 균형을 이루는 시프트 변성부 (5164)와 탈황부 (5162)가 접하도록 구성함으로써, 탈황부 (5162)를 시프트 반응 온도와 동일한 정도인 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도로 유지하는 것이 용이해진다.
(제15 실시 형태)
이하에서는, 제13 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)을 이용한 연료 전지 시스템에 있어서의 개질 가스나 물, 공기 등의 흐름에 대하여 설명한다. 도 16은 제15 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템 (5300)의 개략 구성을 모식적으 로 나타내는 구성도이다. 한편, 이하의 설명에서는, 주로 개질부에서 생성된 개질 가스의 일부를 탈황부로 복귀시키는 개질 가스 복귀 유로에 대하여 설명하고, 도 16에 기재된 요소 중 제13 실시 형태에서 설명한 각 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 설명을 적절하게 생략한다.
연료 전지 시스템 (5300)은 연료 전지용 개질 장치 (5010)과 연료 전지 (5200)을 구비한다. 연료 전지 (5200)은 연료극 (5202)와 공기극 (5204)를 구비하고, 연료극 (5202)에는 개질 가스 송출관 (5060)을 경유하여 개질 가스가 공급되고, 공기극 (5204)에는 에어 펌프에 의해 공기가 공급된다. 개질 가스 중의 수소 가스와 공기 중의 산소 가스가 이온 교환막(예를 들면, 고체 고분자 전해질막)을 통해 화학 반응하여, 기전력이 생김과 동시에 물이 생성된다. 연료극 (5202)에서 소비되지 않은 개질 가스는 오프 가스로서 오프 가스 공급로 (5170)을 경유하여 연료 취입구 (5028)로부터 버너 (5020)에 공급되어 연소된다. 한편, 버너 (5020)에는, 원연료 공급로 (5040) 도중에 설치된 밸브 (5171)로부터 분지된 배관으로부터 적절하게 원연료가 공급된다.
연료 전지용 개질 장치 (5010)은 개질부 (5012)에 수증기를 공급하기 위해서 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 열 교환부 (5172), (5174) 등에서 물이 기화되는 수증기 공급로 (5042)와, 개질 반응통 (5018)의 내부를 통과함과 동시에 탈황부 (5160)이 도중에 접속되어 있으며, 개질부 (5012)에 승온된 원연료를 공급하기 위해서 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 열 교환부 (5172), (5174) 등에서 원연료가 승온되는 원연료 공급로 (5040)과, 원연료 공급로 (5040) 도중에 접속되어 있는 탈황부 (5160)보다 상류측에 접속되며, 개질부 (5012)에서 생성된 개질 가스의 일부를 탈황부 (5160)으로 복귀시키는 개질 가스 복귀 유로 (5176)을 구비한다.
개질 가스 복귀 유로 (5176)은 공기 공급로 (5054)보다 상류측에서 개질 가스의 일부가 유입되도록 구성되어 있다. 이에 따라, 개질 가스 복귀 유로 (5176)에는, 산소를 포함하는 공기가 혼입되기 어려워지기 때문에, 탈황부 (5160)의 촉매가 산화되는 것이 억제된다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)은 원연료 공급로 (5040)에 접속되며 원연료를 상기 원연료 공급로 (5040)을 향해 송출하는 펌프 (5178)과, 개질 가스 복귀 유로 (5176) 도중에 설치되며 개질 가스에 포함되는 수분을 제거하는 기수(氣水) 분리부 (5180)을 더 구비한다. 또한, 개질 가스 복귀 유로 (5176)은 펌프 (5178)의 흡입측에 접속되어 있다.
기수 분리부 (5180)인 열 교환기는 냉매로서 개질 용수가 이용된다. 개질 가스 복귀 유로 (5176)을 통과하는 고온의 개질 가스는 기수 분리부 (5180)에서 냉각되어, 함유하는 수분이 액화되기 때문에, 트랩 (5182)으로부터 물로서 회수함으로써 수분이 제거된다. 이에 따라, 개질 복귀 유로 (5176)의 개질 가스는 기수 분리부 (5180)의 작용에 의해 수분이 제거된 후에 펌프 (5178)에 의해 원연료 공급로 (5040)을 향해 송출된다. 그 때문에, 응축된 물이 원연료 공급로 (5040)에 체류하여 원연료의 통과를 방해하거나, 원연료와 함께 수분이 탈황부 (5160)에 도달하여 촉매의 열화를 야기하거나 하는 것이 억제된다.
(제16 실시 형태)
도 17은 제16 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템 (5400)의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다. 한편, 이하의 설명에서는, 주로 개질부에서 생성된 개질 가스의 일부를 탈황부로 복귀시키는 개질 가스 복귀 유로 (5184)에 대하여 설명하여, 도 16과 동일한 점에 대해서는 설명을 적절하게 생략한다.
연료 전지 시스템 (5400)은 연료 전지용 개질 장치 (5010)과 연료 전지 (5200)을 구비한다. 연료 전지용 개질 장치 (5010)은 개질부 (5012)에 수증기를 공급하기 위해서 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 열 교환부 (5172), (5174) 등에서 물이 기화되는 수증기 공급로 (5042)와, 개질 반응통 (5018)의 내부를 통과함과 동시에 탈황부 (5160)이 도중에 접속되어 있으며, 개질부 (5012)에 승온된 원연료를 공급하기 위해서 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 열 교환부 (5172), (5174) 등에서 원연료가 승온되는 원연료 공급로 (5040)과, 원연료 공급로 (5040) 도중에 접속되어 있는 탈황부 (5160)보다 상류측에 접속되며, 개질부 (5012)에서 생성된 개질 가스의 일부를 탈황부 (5160)으로 복귀시키는 개질 가스 복귀 유로 (5184)를 구비한다.
개질 가스 복귀 유로 (5184)는 선택 산화부 (5016)보다 하류측의 개질 가스 송출관 (5060) 도중에 개질 가스의 일부가 유입되도록 구성되어 있다. 이에 따라, 개질 가스 복귀 유로 (5184)를 개질 반응통 (5018) 내부에 설치하지 않아도 좋고, 배관이 용이해진다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)은 원연료 공급로 (5040)에 접속되며 원연료를 상기 원연료 공급로 (5040)을 향해 송출하는 펌프 (5178)과, 개질 가스 복귀 유로 (5184) 도중에 설치되며 개질 가스에 포함되는 수분을 제거하는 기수 분리부 (5180)을 더 구비한다. 또한, 개질 가스 복귀 유로 (5184)는 펌프 (5178)의 흡입측에 접속되어 있다.
기수 분리부 (5180)인 열 교환기는 냉매로서 개질 용수가 이용된다. 개질 가스 복귀 유로 (5184)를 통과하는 고온의 개질 가스는 기수 분리부 (5180)에서 냉각되고, 함유하는 수분이 액화되기 때문에, 트랩 (5182)로부터 물로서 회수함으로써 수분이 제거된다. 이에 따라, 개질 복귀 유로 (5184)의 개질 가스는 기수 분리부 (5180)의 작용에 의해 수분이 제거된 후에 펌프 (5178)에 의해 원연료 공급로 (5040)을 향해 송출된다. 그 때문에, 응축된 물이 원연료 공급로 (5040)에 체류하여 원연료의 통과를 방해하거나, 원연료와 함께 수분이 탈황부 (5160)에 도달하여 촉매의 열화를 야기하거나 하는 것이 억제된다.
(제17 실시 형태)
도 18은 제17 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템 (5500)의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다. 한편, 이하의 설명에서는, 주로 개질부에서 생성된 개질 가스의 일부를 탈황부로 복귀시키는 개질 가스 복귀 유로 (5186)에 대하여 설명하고, 도 16과 동일한 점에 대해서는 설명을 적절하게 생략한다.
연료 전지 시스템 (5500)은 연료 전지용 개질 장치 (5010)과 연료 전지 (5200)을 구비한다. 연료 전지용 개질 장치 (5010)은 개질부 (5012)에 수증기를 공급하기 위해서 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 열 교환부 (5172), (5174) 등에서 물이 기화되는 수증기 공급로 (5042)와, 개질 반응통 (5018)의 내부를 통과함 과 동시에 탈황부 (5160)이 도중에 접속되어 있으며, 개질부 (5012)에 승온된 원연료를 공급하기 위해서 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 열 교환부 (5172), (5174) 등에서 원연료가 승온되는 원연료 공급로 (5040)과, 원연료 공급로 (5040) 도중에 접속되어 있는 탈황부 (5160)보다 상류측에 접속되며, 개질부 (5012)에서 생성된 개질 가스의 일부를 탈황부 (5160)으로 복귀시키는 개질 가스 복귀 유로 (5186)을 구비한다.
개질 가스 복귀 유로 (5186)은 오프 가스 공급로 (5170)으로부터 개질 가스의 일부가 유입되도록 구성되어 있다. 이에 따라, 수소를 포함하는 오프 가스를 보다 효과적으로 이용할 수 있음과 동시에 배관이 용이해진다.
본 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치 (5010)은 원연료 공급로 (5040)에 접속되며 원연료를 상기 원연료 공급로 (5040)을 향해 송출하는 펌프 (5178)과, 개질 가스 복귀 유로 (5184) 도중에 설치되며 개질 가스에 포함되는 수분을 제거하는 기수 분리부 (5180)을 더 구비한다. 또한, 개질 가스 복귀 유로 (5186)은 펌프 (5178)의 흡입측에 접속되어 있다.
기수 분리부 (5180)인 열 교환기는 냉매로서 개질 용수가 이용된다. 개질 가스 복귀 유로 (5186)을 통과하는 고온의 개질 가스는 기수 분리부 (5180)에 있어서 냉각되어, 함유하는 수분이 액화되기 때문에, 트랩 (5182)로부터 물로서 회수함으로써 수분이 제거된다. 이에 따라, 개질 복귀 유로 (5186)의 개질 가스는 기수 분리부 (5180)의 작용에 의해 수분이 제거된 후에 펌프 (5178)에 의해 원연료 공급로 (5040)을 향해 송출된다. 그 때문에, 응축된 물이 원연료 공급로 (5040)에 체 류하여 원연료의 통과를 방해하거나, 원연료와 함께 수분이 탈황부 (5160)에 도달하여 촉매의 열화를 야기하거나 하는 것이 억제된다.
상술한 연료 전지용 개질 장치 (5110)은 탈황부 (5162)가 시프트 변성부 (5164)의 내주부에 설치되지만, 시프트 변성부 (5164)가 탈황부 (5162)의 내주부에 설치될 수도 있다. 이에 따라, 연료 전지용 개질 장치 (5110)은 기동시에 탈황부 (5162)의 온도를 효율적으로 승온시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 상술한 각 실시 형태를 참조하여 설명하였지만, 이것은 예시이고, 본 발명은 상술한 각 실시 형태로 한정되지 않으며, 각 실시 형태의 구성을 적절하게 조합한 것이나 치환한 것에 대해서도 본 발명에 포함되는 것이다. 또한, 당업자의 지식에 기초하여 각종 설계 변경 등의 변형을 각 실시 형태에 대하여 부가하는 것도 가능하고, 그와 같은 변형이 가해진 실시 형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
상술한 연료 전지용 개질 장치는 가스와 물과의 열 교환부에서 가스측의 전열을 촉진시키기 위해서, 가스측 통로에 알루미나 볼이나 맥마흔 패킹(McMahon Packing) 등의 확산에 의해 전열성을 높이는 물질을 충전시킬 수도 있다. 예를 들면, 개질부와 시프트 변성부 사이, 시프트 변성부와 선택 산화부 사이, 선택 산화부의 상부, 수증기 공급로의 입구측에서의 연소 배기 가스와의 열 교환부 등에 전열 촉진물이 충전될 수도 있다.
또한, 상술한 연료 전지용 개질 장치에 이용되는 원연료로서는, 예시된 메탄이나 프로판, 부탄 등으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 천연 가스, 프로판 ㆍ부탄을 주성분으로 하는 LPG, 나프타, 등유 등의 탄화수소나, 메탄올, 에탄올 등의 알코올류나, 디메틸에테르 등의 에테르류 등을 원연료로서 이용할 수도 있다.
첨부된 도면을 참조로 하여, 예로서 본 발명의 실시양태를 설명하지만, 본 발명은 이로써 제한되지 않으며, 일부 도면에서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙인다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 제2 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 제3 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 제4 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5는 제5 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6은 제6 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 7은 제7 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8은 제8 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 8에 나타내는 연료 전지용 개질 장치 중 개질 반응통 내부에 있어서의 수증기 공급로 근방 부재의 일부를 도시한 주요부 단면도이다.
도 10은 제9 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 11은 제10 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 12는 제11 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 13은 제12 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 14는 제13 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 15는 제14 실시 형태에 따른 연료 전지용 개질 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 16은 제15 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.
도 17은 제16 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.
도 18은 제17 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 구성도이다.

Claims (38)

  1. 원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치로서,
    원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부와,
    상기 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부와,
    상기 시프트 변성부를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부와,
    상기 개질부와 상기 시프트 변성부와 상기 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납하는 개질 반응통과,
    원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단과,
    상기 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 큰 외통을 구비하고,
    상기 개질 반응통과 상기 외통 사이에는, 상기 개질 반응통을 가열하기 위해서 상기 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소 수단은, 상기 개질 반응통의 개질부측 단부에 형성된 연소실에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가열 유로는, 상기 연소 배기 가스가 개질부측에서 선택 산화부측을 향해 통과하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 개질부에 수증기를 공급하기 위해서 상기 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 물이 기화되는 수증기 공급로와,
    상기 개질부에 승온된 원연료를 공급하기 위해서 상기 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 원연료가 승온되는 원연료 공급로를 더 구비하고,
    상기 원연료 공급로는, 상기 수증기 공급로에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 하류측에서 상기 수증기 공급로와 합류되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 개질부에 수증기를 공급하기 위해서 상기 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 물이 기화되는 수증기 공급로와,
    상기 개질부에 원연료를 공급하기 위한 원연료 공급로를 더 구비하고,
    상기 원연료 공급로는, 상기 수증기 공급로에 있어서 통과하는 물이 기화되는 개소보다 상류측에서 상기 수증기 공급로와 합류되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 원연료 공급로는, 상기 개질 반응통의 외측 영역에서 상기 수증기 공급로와 합류되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 수증기 공급로는, 상기 가열 유로의 내부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 수증기 공급로는, 상기 개질 반응통에 접촉하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  9. 제4항에 있어서, 상기 선택 산화부는,
    상기 시프트 변성부를 통과한 개질 가스가 상기 개질 반응통의 내면을 따라서 연소실측과 반대측으로 향하는 제1 유로와, 상기 제1 유로를 통과한 개질 가스가 연소실측을 향하도록 내측으로 반환된 제2 유로를 포함하는 반환 유로와,
    상기 제2 유로에 설치되는 촉매층
    을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 수증기 공급로는, 상기 제1 유로에 접촉하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 개질 반응통은, 상기 개질부가 수납되어 있는 일단측에 오목부가 형성되어 있고,
    상기 연소 수단은, 상기 오목부와 대향하는 연소실에 배치되어 있고,
    상기 가열 유로는, 상기 연소 배기 가스가 상기 오목부 주위에 설치되어 있는 개질부의 오목부측 및 외통측을 가열하면서 통과하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 가열 유로는, 상기 오목부의 내측에서 상기 개질 반응통의 외주측을 향해 반환되어 있는 반환부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 개질부는, 가스의 흐름이 상기 오목부의 측면에 따라서 연소실측을 향함과 동시에 상기 개질 반응통의 내면을 따라서 시프트 변성부측으로 향하는 반환 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  14. 제4항에 있어서, 상기 수증기 공급로는, 코일형으로 형성된 환상부를 가지고, 상기 환상부의 적어도 일부가 상기 개질 반응통의 내면에 접하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 선택 산화부는, 상기 수증기 공급로가 통과하는 영역 이외의 영역에, 상기 개질 가스 흐름의 저항이 되는 저항 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 시프트 변성부는, 상기 수증기 공급로가 통과하는 영역 이외의 영역에, 상기 개질 가스 흐름의 저항이 되는 저항 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 개질 반응통은, 상기 개질 가스의 흐름을 상기 수증기 공급로로 향하는 흐름으로 변화시키는 정류 부재를 내부에 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  18. 원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치로서,
    원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부와,
    상기 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부와,
    상기 시프트 변성부를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부와,
    상기 개질부와 상기 시프트 변성부와 상기 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납하는 개질 반응통과,
    상기 개질 반응통의 개질부측 단부에 형성된 연소실에 배치되며, 원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단과,
    상기 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 큰 외통 과,
    상기 개질 반응통과 상기 외통 사이에 형성되고, 상기 개질 반응통을 가열하기 위해서 상기 연소 배기 가스가 통과하는 가열 유로와,
    상기 개질부에 수증기를 공급하기 위해서 물이 상기 개질 반응통 내부를 선택 산화부측에서 개질부측을 향해 흐르도록 설치되어 있는 수증기 공급로를 구비하고,
    상기 수증기 공급로는, 개질 가스로부터 열을 회수함과 동시에 그 열에 의해 물을 수증기로 기화시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 개질 반응통은, 개질부측이 하부가 됨과 동시에 선택 산화부측이 상부가 되도록 연직 방향으로 배치되고,
    상기 개질 가스는, 상기 개질 반응통 내부를 상측을 향해 흐르는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 개질 반응통의 상부로서 상기 개질 반응통과 상기 외통 사이에 형성된 연소 배기 가스 저류실과,
    상기 연소 배기 가스 저류실에서 연소 배기 가스가 외부로 배출되도록 상기 외통의 상측에 설치된 배출구를 더 구비하고,
    상기 수증기 공급로는, 그의 일부가 상기 연소 배기 가스 저류실을 통과하도록 설치되어 있고, 상기 가열 유로를 통과하여 상기 배출구에서 배출되는 상기 연 소 배기 가스로부터 열을 회수하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  21. 원연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 개질하는 연료 전지용 개질 장치로서,
    원연료로부터 개질 가스를 생성하는 개질부와,
    상기 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 시프트 반응에 의해 감소시키는 시프트 변성부와,
    상기 시프트 변성부를 통과한 개질 가스에 포함되는 일산화탄소를 선택 산화하여 감소시키는 선택 산화부와,
    상기 개질부와 상기 시프트 변성부와 상기 선택 산화부를 이 순서대로 직선형으로 수납하는 개질 반응통과,
    원연료를 연소시켜 연소 배기 가스를 생성하는 연소 수단과,
    상기 개질 반응통의 외주에 배치되며 상기 개질 반응통보다 직경이 큰 외통을 구비하고,
    상기 개질 반응통은, 개질부측이 하부가 됨과 동시에 선택 산화부측이 상부가 되도록 연직 방향으로 배치되고,
    상기 시프트 변성부, 상기 선택 산화부 중 어느 하나 이상은, 상기 개질 반응통 내부를 상하 방향으로 구획하는 구획 부재와, 상기 구획 부재에 의해 하측에서 지지되는 촉매를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 개질부에 수증기를 공급하기 위해서 물이 상기 개질 반응통 내부를 통과하도록 설치되어 있는 수증기 공급로를 더 구비하고,
    상기 구획 부재는, 상기 수증기 공급로가 상하 방향으로 관통하는 관통 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 수증기 공급로는, 코일형으로 형성된 환상부와 개질 반응통의 상하 방향으로 신장된 직선부를 가지고,
    상기 구획 부재는, 상기 관통 구멍에 상기 직선부가 위치하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  24. 제21항에 있어서, 상기 구획 부재는, 촉매가 아래쪽으로 낙하되지 않으며 개질 가스가 통과하는 정도의 통기구를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  25. 제21항에 있어서, 상기 개질 반응통은, 촉매를 내부에 충전시키기 위해서 상기 구획판 부재보다 상측 측면에 형성된 충전구를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  26. 제1항에 있어서, 원연료로부터 황 성분을 제거하는 탈황부를 더 구비하고,
    상기 개질 반응통은, 상기 탈황부를 수납하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 개질부에 수증기를 공급하기 위해서 상기 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 물이 기화되는 수증기 공급로와,
    상기 개질 반응통 내부를 통과함과 동시에 상기 탈황부가 도중에 접속되어 있으며, 상기 개질부에 승온된 원연료를 공급하기 위해서 상기 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 원연료가 승온되는 원연료 공급로를 더 구비하고,
    상기 탈황부는, 수소와의 반응으로 황을 제거하는 수소 첨가 탈황 촉매를 가지고,
    상기 원연료 공급로는, 상기 수증기 공급로와 상기 탈황부의 하류측에서 합류되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 선택 산화부는,
    상기 시프트 변성부를 통과한 개질 가스가 상기 개질 반응통의 내면을 따라서 연소실측과 반대측으로 향하는 제1 유로와, 상기 제1 유로를 통과한 개질 가스가 연소실측을 향하도록 내측으로 반환된 제2 유로를 포함하는 반환 유로와,
    상기 제2 유로에 설치되는 촉매층
    을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 수증기 공급로는, 상기 제1 유로에 접촉하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  30. 제26항에 있어서, 상기 탈황부는, 상기 개질부와 상기 시프트 변성부 사이에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  31. 제26항에 있어서, 상기 탈황부는, 상기 개질 반응통의 축 방향 위치가 상기 시프트 변성부와 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 시프트 변성부는, 환상으로 형성되어 있고,
    상기 탈황부는, 상기 시프트 변성부의 내주부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  33. 제31항에 있어서, 상기 탈황부는, 환상으로 형성되어 있고,
    상기 시프트 변성부는, 상기 탈황부의 내주부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  34. 제26항에 있어서, 상기 개질부에 수증기를 공급하기 위해서 상기 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 물이 기화되는 수증기 공급로와,
    상기 개질 반응통 내부를 통과함과 동시에 상기 탈황부가 도중에 접속되어 있으며, 상기 개질부에 승온된 원연료를 공급하기 위해서 상기 연소 배기 가스에 의한 가열에 의해 원연료가 승온되는 원연료 공급로와,
    상기 원연료 공급로 도중에 접속되어 있는 상기 탈황부보다 상류측에 접속되고, 상기 개질부에서 생성된 개질 가스의 일부를 상기 탈황부로 복귀시키는 개질 가스 복귀 유로를 구비하고,
    상기 탈황부는, 수소와의 반응으로 원연료로부터 황을 제거하는 수소 첨가 탈황 촉매를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  35. 제34항에 있어서, 상기 시프트 변성부의 하류측 및 상기 선택 산화부의 상류측 영역에 상기 선택 산화부에서의 반응에 이용되는 산소를 포함하는 가스를 공급하는 산소 공급로를 더 구비하고,
    상기 개질 가스 복귀 유로는, 상기 산소 공급로보다 상류측에서 개질 가스의 일부가 유입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  36. 제34항에 있어서, 상기 개질 가스 복귀 유로는, 상기 선택 산화부보다 하류측에서 개질 가스의 일부가 유입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  37. 제34항에 있어서, 연료 전지의 연료극에서 소비되지 않은 개질 가스를 상기 연소 수단에 공급하는 오프 가스 공급로를 더 구비하고,
    상기 개질 가스 복귀 유로는, 상기 오프 가스 공급로로부터 개질 가스의 일부가 유입되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
  38. 제34항에 있어서, 상기 원연료 공급로에 접속되며 상기 원연료를 상기 원연료 공급로로 향해 송출하는 펌프와,
    상기 개질 가스 복귀 유로 도중에 설치되며 개질 가스에 포함되는 수분을 제거하는 기수(氣水) 분리부를 더 구비하고,
    상기 개질 가스 복귀 유로는, 상기 펌프의 흡입측에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 개질 장치.
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