KR20120029401A - 연료 전지용 개질 장치 - Google Patents

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요시노부 니시무라
마사따까 가도와끼
아끼라 후주
다꾸야 가지따
요시따까 하라
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가부시키가이샤 에네오스 셀테크
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Abstract

연료 전지용 개질 장치(10)는 원연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질 가스를 생성하는 개질부(30)와, 개질부(30)에서 생성한 개질 가스의 CO 농도를 시프트 반응에 의해 저감시키는 CO 변성부(60)와, CO 변성부(60)에 의해 CO 농도가 저감된 개질 가스의 CO 농도를 선택 산화 촉매를 사용하여 더욱 저감시키는 CO 제거부(70)와, CO 제거부(70)의 상류측의 가스 유로에 접속된 공기 공급용 유로(102)를 경유하여 가스 유로에 공기를 도입 가능한 구성을 구비한다. 개질부(30)로의 원연료의 공급을 정지한 후, CO 제거부(70)의 상류측의 가스 유로에 공기가 도입된다.

Description

연료 전지용 개질 장치 {REFORMER FOR FUEL CELL}
본 발명은 원연료를 개질하여 연료 전지에서 사용되는 개질 가스를 생성하는 연료 전지용 개질 장치에 관한 것이다.
최근, 에너지 변환 효율이 높고, 또한 발전 반응에 의해 유해 물질을 발생하지 않는 연료 전지가 주목을 받고 있다. 이러한 연료 전지의 하나로서, 고체 고분자형 연료 전지가 알려져 있다.
고체 고분자형 연료 전지는 전해질막인 고체 고분자막을 연료극과 공기극 사이에 배치한 기본 구조를 갖고, 연료극에 수소를 포함하는 연료 가스, 공기극에 산소를 포함하는 산화제 가스를 공급하여, 이하의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 장치이다.
Figure pct00001
Figure pct00002
실용적으로는, 고체 고분자형 연료 전지의 연료가 되는 수소는 비교적 용이하고 또한 저렴하게 입수 가능한 천연 가스, 나프타 등의 탄화수소계 가스 또는 메탄올 등의 알코올류의 원연료 가스와 수증기를 혼합하고, 개질부에서 개질함으로써 얻는 방법이 채용되어 있다. 개질에 의해 얻어진 수소 가스는 연료 전지의 연료극에 공급되어, 발전에 사용된다.
도 1은 종래의 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다. 연료 전지 시스템(300)은 원연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 연료 전지용 개질 장치(302)와, 연료 전지(400)를 갖는다. 종래, 연료 전지 시스템(300)에서는, 우선, 원연료(천연 가스나 LPG 등의 탄화수소계 가스)가 탈황부(310)에 공급되어, 원연료로부터 유황 성분이 제거된다.
유황 성분이 제거된 원연료는 개질부(320)에 공급된다. 개질부(320)는 버너(322)에 의해 가열된 촉매에 원연료를 통과시킴으로써 원연료를 수증기 개질하여, 개질 가스를 생성한다.
개질부(320)의 기동 시에는 개질부(320)를 승온하기 위해, 버너(322)에 원연료의 일부가 공급된다. 연료 전지(400)를 안정적으로 운전할 수 있게 되면, 버너(322)로의 원연료의 공급을 정지하고, 연료 전지(400)로부터 배출되는 전지 오프 가스를 버너(322)에 공급함으로써, 개질부(320)의 승온이 도모된다. 버너(322)의 연소에 의해 발생하는 배기 가스는 기화부(330)에 있어서 개질수와 열교환한 후, 연료 전지 시스템(300)으로부터 외부로 배출된다. 또한, 버너(322)에는 공기가 공급되어, 버너(322)의 연소에 사용된다.
개질부(320)에 의해 생성된 개질 가스는 열교환부(340)에서 원연료에 가해지기 전의 개질수(수증기)와 열교환한 후, CO 변성부(350)에 공급된다. CO 변성부(350)에서는 시프트 반응에 의해 일산화탄소가 수소로 변성된다. 이에 의해, 수소 농도가 높아지는 동시에, CO 농도가 저감된다.
CO 변성부(350)에 의해 CO 농도가 저감된 개질 가스는 열교환부(342)에서 기화부(330)에서 기화된 수증기와 열교환한 후, CO 제거부(360)에 공급된다. CO 제거부(360)에서는 CO 선택 산화 촉매를 사용한 CO 산화 반응에 의해 CO 농도가 더욱 저감된다. 또한, CO 변성부(350)에 의해 CO 농도가 저감된 개질 가스에는 CO 산화 반응에 필요한 공기가 공급된다.
CO 제거부(360)에 의해 CO 농도가 더욱 저감된 개질 가스는 열교환부(344)에서 수증기와 열교환한 후, 연료 전지(400)의 연료극에 공급된다. 연료 전지(400)의 공기극에는 산화제로서 공기가 공급되고, 수소와 산소에 의한 전기 화학 반응에 의해 발전이 행해진다.
개질부(320)에 있어서의 개질 반응에 필요한 수증기는 연료 전지 시스템(300)의 외부로부터 공급된 개질수로 생성된다. 구체적으로는, 외부로부터 공급된 액체의 개질수는 기화부(330)에 있어서, 버너(322)로부터의 배기 가스와 열교환함으로써 기화되어, 수증기로 된다. 기화부(330)에 의해 생성된 수증기는 열교환부(342), CO 제거부(360), 열교환부(344)의 순으로 개질 가스와 열교환한 후, CO 변성부(350), 열교환부(340)의 순으로 개질 가스와 더 열교환한 후, 탈황된 원연료에 혼합된다.
일본 특허 출원 공개 제2008-247735호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-12302호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-95549호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-230837호 공보
종래, 연료 전지용 개질 장치에 설치된 선택 산화 촉매의 열화를 억제하기 위해, 층 연료 전지용 개질 장치를 정지하는 경우에 실시되는 방법으로서, 연료 전지용 개질 장치의 입구측(원연료 공급구) 및 연료 전지용 개질 장치의 출구측(개질 가스의 출구 부분)의 밸브를 폐쇄하는 방법, 연료 전지용 개질 장치의 입구측으로부터 원연료를 도입하여 연료 전지용 개질 장치의 가스 유로 내를 퍼지하는 방법, 연료 전지용 개질 장치의 출구측으로부터 공기를 도입하여 연료 전지용 개질 장치의 가스 유로 내를 퍼지하는 방법 등이 있다.
연료 전지용 개질 장치의 입구측 및 연료 전지용 개질 장치의 출구측의 밸브를 폐쇄하는 방법에서는, 연료 전지용 개질 장치 내부가 온도 강하에 의한 물의 응축 등에 의해 감압이 발생한다. 이에 의해, 연료 전지용 개질 장치 내의 가스 유로를 밀폐하는 전자기 밸브 등이 데미지를 받기 쉬워진다.
또한, 연료 전지용 개질 장치의 입구측으로부터 원연료를 도입하여 연료 전지용 개질 장치의 가스 유로 내를 퍼지하는 방법에서는, 원연료가 LPG인 경우에, 개질기 등의 반응 용기에 잔류하는 LPG가 기동 시에 열분해 온도 이상으로 가열되는 경우가 있다. 이에 의해, 개질 촉매 상에 코킹이 일어나, 촉매 성능이 저하된다고 하는 문제가 발생한다.
또한, 연료 전지용 개질 장치의 출구측으로부터 공기를 도입하여 연료 전지용 개질 장치의 가스 유로 내를 퍼지하는 방법에서는, 공기의 유입에 의해 CO 제거부의 선택 산화 촉매가 산화될 가능성이 있다. 이로 인해, 선택 산화 촉매의 산화를 억제하기 위해, 선택 산화 촉매의 하류측에 희생 산화제 등을 설치할 필요가 발생하여, 비용이 증대된다고 하는 문제가 발생한다. 또한, 선택 산화 촉매의 하류측에 희생 산화제를 설치한 경우에는, 희생 산화제의 하류측으로부터, 공기가 도입되는 연료 전지용 개질 장치의 출구측까지의 가스 유로에 공기가 잔류한다. 이로 인해, 연료 전지용 개질 장치를 기동할 때에, 당해 가스 유로 내에 잔존한 공기가 연료 전지에 유입됨으로써, 연료 전지의 전극에 사용되는 촉매 금속의 산화가 진행되어, 연료 전지의 내구성이 저하된다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 연료 전지의 내구성의 저하를 초래하지 않고, 연료 전지용 개질 장치의 정지 시에 간편한 구성으로 선택 산화 촉매의 열화를 억제할 수 있는 기술의 제공에 있다.
본 발명의 일 형태는 연료 전지용 개질 장치이다. 당해 연료 전지용 개질 장치는 원연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질 가스를 생성하는 개질부와, 개질부에서 생성한 개질 가스의 CO 농도를 시프트 반응에 의해 저감시키는 CO 변성부와, CO 변성부에 의해 CO 농도가 저감된 개질 가스의 CO 농도를 선택 산화 촉매를 사용하여 더욱 저감시키는 CO 제거부와, CO 제거부의 상류측의 가스 유로에 접속된 공기 공급용 유로를 경유하여, 가스 유로에 공기를 도입 가능한 공기 공급부를 구비하고, 개질부로의 원연료의 공급을 정지한 후, CO 제거부의 상류측의 가스 유로에 공기가 도입되는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 개질부 및 CO 변성부의 쪽이 CO 제거부보다 온도가 높고, 용적도 크다. 이로 인해, 연료 전지용 개질 장치의 운전 정지 시에 있어서 개질부 및 CO 변성부는 물의 응축 및 온도 강하의 영향이 커져, 개질부 및 CO 변성부의 내부는 CO 제거부에 비해 감압되기 쉬워진다. 이 결과, CO 제거부의 상류측의 가스 유로에 도입된 공기는 CO 변성부의 측으로 유입되기 쉬워진다. CO 변성부에 유입된 공기는 시프트 촉매가 산화됨으로써 공기 중의 산소가 제거된다. 산소가 제거된 공기는 개질부에 자연스럽게 유입된다. 이에 의해, 연료 전지용 개질 장치 내의 가스 유로를 퍼지하는 일 없이, 연료 전지용 개질 장치 내가 부압으로 되는 것을 방지하고, 또한 CO 제거부의 하류측에 희생 산화제를 설치하는 일 없이, CO 제거부에 사용되는 선택 산화 촉매의 산화를 억제할 수 있다. 또한, 연료 전지용 개질 장치의 운전 정지 시에는 가스 유로 내의 감압에 의해 CO 변성부에 순차적으로 공기가 유입되므로, CO 변성부에 사용되는 시프트 촉매의 온도는 빠르게 저하된다. 이로 인해, 시프트 촉매가 산화되어도 신터링(소결)은 거의 발생하지 않아, 시프트 촉매의 내구성이 대폭으로 저하될 우려는 없다.
상기 형태의 연료 전지용 개질 장치에 있어서, CO 변성부로부터, 공기 공급용 유로가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적이, 공기 공급용 유로가 접속된 개소로부터 CO 제거부까지의 가스 유로의 용적에 비해 작아도 좋다. CO 변성부로부터, 공기 공급용 유로가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적이, 공기 공급용 유로가 접속된 개소로부터 CO 제거부까지의 가스 유로의 용적의 1/6 이하라도 좋다.
상기 형태의 연료 전지용 개질 장치에 있어서, 가스 유로에 접속된 부분의 공기 공급용 유로는 CO 제거부에 있어서의 선택 산화에 사용되는 공기를 공급하기 위한 경로를 겸하고 있어도 좋다.
또한, 공기 공급용 유로가 접속된 개소에 대해 하류측에 위치하는 가스 유로에 가스의 흐름을 확산시키는 확산부가 설치되어 있어도 좋다.
또한, 공기 공급부는 노멀 오픈형의 개폐 밸브를 가져도 좋다.
또한, 상술한 각 요소를 적절하게 조합한 것도, 본건 특허 출원에 의해 특허에 의한 보호를 요구하는 발명의 범위에 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료 전지의 내구성의 저하를 초래하는 일 없이, 연료 전지용 개질 장치의 정지 시에 간편한 구성으로 선택 산화 촉매의 열화를 억제할 수 있다.
도 1은 종래의 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는 실시 형태에 관한 연료 전지용 개질 장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 3은 확산부의 구체예를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 모든 도면에 있어서, 동일한 구성 요소에는 동일한 번호를 부여하여, 적절하게 설명을 생략한다.
도 2는 실시 형태에 관한 연료 전지용 개질 장치(10)를 포함하는 연료 전지 시스템(100)의 구성을 도시하는 개략도이다.
연료 전지용 개질 장치(10)는 탈황부(20), 개질부(30), 버너(32), 기화부(40), 열교환부(50), CO 변성부(60) 및 CO 제거부(70)를 포함한다.
우선, 원연료(천연 가스나 LPG 등의 탄화수소계 가스)가 탈황부(20)에 공급되어, 원연료로부터 유황 성분이 제거된다. 이에 의해, 유황 성분이 개질부(30)나 연료 전지(12)에 포함되는 촉매에 대해 촉매독으로서 작용하여, 유황 피독에 의해 연료 전지용 개질 장치(10)의 개질 성능이나 연료 전지(12)의 발전 성능이 저하되는 것이 억제된다. 탈황부(20)는, 예를 들어 촉매의 존재 하에서 유황 성분을 포함하는 원연료와 수소를 반응시켜 유황 성분을 제거하는, 소위 수소화 탈황 방식에 의해 원연료의 탈황을 행한다. 원연료의 공급량은 원연료 공급 펌프(14)의 출력을 조정함으로써 적절하게 제어된다. 또한, 원연료 공급 펌프(14)의 하류측에 개폐 밸브(16)가 설치되어 있고, 개폐 밸브(16)를 폐쇄함으로써, 원연료의 유입을 차단할 수 있다.
유황 성분이 제거된 원연료는 개질부(30)에 공급된다. 개질부(30)는, 예를 들어 알루미나 등의 담체에 루테늄(Ru) 등의 금속 촉매가 담지된 개질 촉매로 이루어지는 촉매층을 갖는다. 개질부(30)에 있어서, 버너(32)에 의해 가열된 개질 촉매 하에서 원연료가 수증기 개질되어, 수소(연료)를 약 80％ 함유하는 개질 가스가 생성된다. 또한, 수증기 개질 시의 반응 온도는, 예를 들어 약 650℃ 내지 700℃의 범위이다.
개질부(30)의 기동 시에는 개질부(30)를 승온시키기 위해, 버너(32)에 원연료의 일부가 공급된다. 연료 전지(12)를 안정적으로 운전할 수 있게 되면, 버너(32)로의 원연료의 공급을 정지하여, 연료 전지(12)로부터 배출되는 전지 오프 가스를 버너(32)에 공급함으로써, 개질부(30)의 승온이 도모된다. 버너(32)의 연소에 의해 발생하는 배기 가스는 기화부(40)에 있어서 개질수와 열교환한 후, 연료 전지 시스템(100)으로부터 외부로 배출된다. 또한, 버너(32)에는 공기가 공급되어, 버너(32)의 연소에 사용된다.
개질부(30)에 의해 생성된 개질 가스는 열교환부(50)를 통과할 때에 기화부(40)를 경유한 수증기와 열교환한 후, CO 변성부(60)에 공급된다. CO 변성부(60)는, 예를 들어 산화구리나 산화아연의 펠릿으로 이루어지는 Cu-Zn계의 촉매로 이루어지는 촉매층을 갖고, CO 변성부(60)에 있어서, 시프트 반응에 의해 일산화탄소가 수소로 변성된다. 이에 의해, 개질 가스의 수소 농도가 높아지는 동시에, CO 농도가 0.5％ 이하로 저감된다. 또한, CO 선택 산화 반응은, 예를 들어 약 70℃도 내지 180℃의 범위에서 행해진다.
CO 변성부(60)에 의해 CO 농도가 저감된 개질 가스는 확산부(80)를 통과한 후, CO 제거부(70)에 공급된다. 도 3에 확산부(80)의 구체예를 도시한다. 확산부(80)는 평판 형상의 부재를 비트는 것에 의해 형성되어, CO 변성부(60)로부터 CO 제거부(70)에 이르는 가스 유로(배관) 내에 설치된 비틀림판이다. 확산부(80)가 설치된 배관 내를 가스가 통과할 때에, 가스가 확산부(80)에 충돌함으로써, 가스의 확산성이 높아진다. 이로 인해, 개질 가스와 선택 산화용 공기가, 확산부(80)가 설치된 배관 내를 통과함으로써, 개질 가스와 선택 산화용 공기와 혼합성(믹싱성) 및 가스 분산성을 향상시킬 수 있다. 이 결과, CO 제거부(70)에 사용되는 선택 산화 촉매 전체를 효율적으로 CO 제거에 기여시킬 수 있으므로, CO 제거부(70)의 내구성을 향상시킬 수 있다. 바꾸어 말하면, CO 제거부(70)의 수명이 동등해지면서, CO 제거부(70)의 콤팩트화를 도모할 수 있다.
도 2의 설명으로 돌아가, CO 제거부(70)는, 예를 들어 알루미나 등의 담체에 Ru를 담지한 CO 선택 산화 촉매로 이루어지는 촉매층을 갖고, CO 선택 산화 촉매를 사용한 CO 산화 반응에 의해 개질 가스의 CO 농도가 10ppm 정도까지 저감된다. 또한, CO 변성부(60)에 의해 CO 농도가 저감된 개질 가스에는 CO 산화 반응에 필요한 공기가 공급된다. 구체적으로는, 확산부(80)의 상류측에 위치하는 가스 유로에 공기 공급용 유로(102)가 접속되어 있다. 공기 공급용 유로(102)는 도중에 공기 공급용 유로(102a), 공기 공급용 유로(102b)의 양쪽으로 분기하고 있다. 연료 전지용 개질 장치(10)의 운전 중에, 공기 공급용 유로(102a)를 경유하여, 확산부(80)의 상류측에 위치하는 가스 유로에 공기가 공급되고, CO 제거부(70)에 있어서의 CO 산화 반응에 이용된다. 공기 공급용 유로(102a)에는 공기 공급용 펌프(104) 및 개폐 밸브(106)가 설치되어 있고, 공기 공급용 펌프(104)의 출력을 제어함으로써, 공기의 공급량이 조절 가능하게 되어 있다. 또한, 개폐 밸브(106)를 폐쇄함으로써, 확산부(80)의 상류측에 위치하는 가스 유로로의 공기의 유입이 차단된다.
한편, 공기 공급용 유로(102a)에는 개폐 밸브(108)가 설치되어 있다. 개폐 밸브(108)는, 구체적으로는 노멀 오픈형의 전자기 밸브이다. 즉, 연료 전지용 개질 장치(10)의 운전 중에는, 개폐 밸브(108)는 폐쇄되어 있지만, 연료 전지용 개질 장치(10)의 운전이 정지되면, 개폐 밸브(108)는 개방 상태로 되고, 공기 공급용 유로(102b)를 경유하여, 확산부(80)의 상류측에 위치하는 가스 유로에 공기가 공급된다.
CO 변성부(60)로부터, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적은 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소로부터 CO 제거부(70)까지의 가스 유로의 용적에 비해 작은 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, CO 변성부(60)로부터, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적이, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소로부터 CO 제거부(70)까지의 가스 유로의 용적의 1/6 이하이다. 이에 따르면, 연료 전지용 개질 장치(10)의 운전이 정지되고, 공기 공급용 유로(102b)를 경유하여 확산부(80)의 상류측에 위치하는 가스 유로에 공기가 공급될 때에, CO 제거부(70)에 공기가 유입되는 것이 억제된다. 이 결과, CO 제거부(70)에 사용되는 선택 산화 촉매가 산화에 의해 성능 열화되는 것이 억제된다.
CO 변성부(60)로부터, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적을, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소로부터 CO 제거부(70)까지의 가스 유로의 용적에 비해 작게 한다고 하는 것은, 가스 유로의 직경이 일정하면, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소로부터 CO 제거부(70)까지의 가스 유로의 쪽이, CO 변성부(60)로부터, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소까지의 가스 유로보다 긴 것을 의미한다. 이 구성에 따르면, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소로부터 CO 제거부(70)까지의 가스 유로를 개질 가스와 선택 산화용 공기가 통과하는 과정에서 양자의 혼합성을 향상시킬 수 있다.
또한, CO 변성부(60)로부터, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적이 필요 이상으로 크면, 당해 부분에 저류된 공기가 CO 제거부(70)로 유입됨으로써, CO 제거부(70)에 사용되는 선택 산화 촉매의 산화가 진행되기 쉬워진다. 이로 인해, CO 변성부(60)로부터, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적은 10㎤ 이하가 바람직하다.
이상을 근거로 하면, CO 변성부(60)로부터, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적의 전형예는 6㎤이다. 또한, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소로부터 CO 제거부(70)까지의 가스 유로의 용적의 전형예는 43.5㎤이다.
또한, CO 변성부(60)와 CO 제거부(70) 사이에 설치되는 가스 유로의 직경이 가늘수록 가스 유로의 용적을 작게 할 수 있고, 또한 개질 가스와 선택 산화용 공기의 혼합성이 향상되므로 유리하지만, 가스 유로의 직경이 지나치게 가늘면 가스 유로에 있어서의 압력 손실이 커진다. 이로 인해, CO 변성부(60)와 CO 제거부(70) 사이에 설치되는 가스 유로의 직경으로서는, 6 내지 12㎜가 바람직하고, 전형적으로는 3/8인치이다.
CO 제거부(70)에 의해 CO 농도가 더욱 저감된 개질 가스는 연료 전지(12)의 연료극에 공급된다. CO 제거부(70)의 하류측에는 개폐 밸브(18)가 설치되어 있고, 개폐 밸브(18)를 폐쇄함으로써, CO 제거부(70)로부터 연료 전지(12)로의 가스의 유통을 차단할 수 있다. 연료 전지(12)는, 예를 들어 고체 고분자형 연료 전지이고, 연료극과 공기극 사이에 고체 고분자 전해질막이 설치된 막전극 접합체(단 셀)가 복수 적층된 적층체를 갖는다. 연료 전지(12)의 공기극에는 산화제로서 공기가 공급되고, 수소와 산소에 의한 전기 화학 반응에 의해 발전이 행해진다. 연료 전지(12)의 공기극으로의 공기의 공급량은 공기 공급용 펌프(112)의 출력을 제어함으로써 조정된다. 또한, 공기 공급용 펌프(112)의 상류측에는 개폐 밸브(110)가 설치되어 있고, 개폐 밸브(110)를 폐쇄함으로써, 연료 전지(12)의 공기극으로의 공기의 유입을 차단할 수 있다.
개질부(30)에 있어서의 개질 반응에 필요한 수증기는 연료 전지 시스템(100)의 외부로부터 공급된 개질수로 생성된다. 개질수는 역침투막과 이온 교환 수지 등을 구비한 수처리 장치(도시하지 않음)에 의해 상수를 처리함으로써 생성된다. 수처리 장치에 의해 상수의 도전율이 저하되는 동시에, 유기물의 혼입이 억제된다. 개질수의 공급량은 개질수 공급 펌프(90)의 출력을 조정함으로써 적절하게 제어된다.
외부로부터 공급된 액체의 개질수는 CO 변성부(60)에서 개질 가스와 열교환함으로써 승온된 후, 기화부(40)에 공급된다. 개질수는 CO 변성부(60)에 있어서 개질 가스와 열교환할 때에 증발되기 시작한다. 또한, 기화부(40)에 있어서, 버너(32)로부터의 배기 가스와 열교환함으로써 기화가 완료된다. 기화부(40)에서 기화된 수증기는 열교환부(50)를 통과할 때에 가열되어 과열 증기로 된 후, 탈황부(20)의 하류측에서 원연료에 가해진다.
(기동 시의 동작)
연료 전지용 개질 장치(10)의 기동 시에는 원연료 공급 펌프(14)가 구동되는 동시에, 개폐 밸브(16)가 개방되어, 탈황부(20)에 원연료가 공급된다. 원연료는 탈황부(20)에서 탈황된 후, 수증기와 함께 개질부(30)에 공급되고, 개질 반응에 의해 수소를 포함하는 개질 가스가 생성된다. 개질부(30)에서 생성한 개질 가스는 열교환부(50)를 통과한 후, CO 변성부(60)에 공급되고, 개질 가스 중의 CO 농도가 시프트 반응에 의해 저감된다. 시프트 반응부의 출구 가스는 CO 제거부(70)에 공급된다. 또한, 개폐 밸브(106)가 개방되는 동시에, 공기 공급용 펌프(104)를 구동시킴으로써, 선택 산화 반응용 공기가 확산부(80)의 상류측의 가스 유로에 공급된다. 또한, 이때, 개폐 밸브(108)는 폐쇄되어 있다. 또한, 개폐 밸브(18)는 개방되어 있고, 수소를 포함하는 개질 가스가 연료 전지(12)에 공급된다. 연료 전지(12)로의 개질 가스의 공급이 개시된 후, 개폐 밸브(110)가 개방되는 동시에, 공기 공급용 펌프(112)를 구동시킴으로써, 연료 전지(12)에 공기가 공급된다.
(정지 시의 동작)
다음에, 연료 전지용 개질 장치(10)를 정지하는 경우의 수순에 대해 설명한다. 연료 전지용 개질 장치(10)의 정지 시에, 우선, 원연료 공급 펌프(14)의 구동이 정지되는 동시에, 개폐 밸브(16)를 폐쇄함으로써, 연료 전지용 개질 장치(10)로의 원연료의 공급이 정지된다. 이것과 병행하여, 개질수 공급 펌프(90)의 구동이 정지되고, 연료 전지용 개질 장치(10)로의 개질수의 공급이 정지된다. 또한, 버너(32)의 연료용 연료 및 공기의 공급이 정지된다.
또한, 개폐 밸브(106)를 폐쇄함으로써 선택 산화 반응용 공기의 공급을 정지하고, 개폐 밸브(110)를 폐쇄함으로써 연료 전지(12)로의 공기의 공급을 정지한다. 또한, 개폐 밸브(18)를 폐쇄함으로써 연료 전지(12)로의 개질 가스의 공급을 정지한다. 또한, 개폐 밸브(108)로의 전력 공급이 정지되는 것에 수반하여 개폐 밸브(108)가 개방 상태로 됨으로써, 공기 공급용 유로(102, 102b)가 대기 개방된다. 이에 의해, 연료 전지용 개질 장치(10)의 온도가 저하되는 것에 수반하여, 공기 공급용 유로(102)로부터 CO 변성부(60)와 CO 제거부(70) 사이의 가스 유로에 공기가 유입된다.
상술한 바와 같이, CO 변성부(60)로부터, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적을, 공기 공급용 유로(102)가 접속된 개소로부터 CO 제거부(70)까지의 가스 유로의 용적에 비해 작게 함으로써, 공기 공급용 유로(102)로부터 가스 유로에 유입된 공기는 CO 변성부(60)의 쪽으로 흐르기 쉬워져, CO 변성부(60)에 있어서 시프트 촉매가 산화됨으로써 공기 중의 산소가 제거된다. 산소가 제거된 공기는 개질부(30)에 자연스럽게 유입된다. 이에 의해, 연료 전지용 개질 장치(10) 내의 가스 유로를 퍼지하는 일 없이, 연료 전지용 개질 장치(10) 내가 부압으로 되는 것을 방지하고, 또한 CO 제거부(70)의 하류측에 희생 산화제를 설치하는 일 없이, CO 제거부(70)에 사용되는 선택 산화 촉매의 산화를 억제할 수 있다.
본 발명은, 상술한 각 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 당업자의 지식에 기초하여 각종 설계 변경 등의 변형을 추가하는 것도 가능하고, 그와 같은 변형이 가해진 실시 형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있는 것이다.
본 발명은 원연료를 개질하여 수소 가스를 주성분으로 하는 개질 가스를 생성하는 연료 전지용 개질 장치에 이용할 수 있다.
10 : 연료 전지용 개질 장치
12 : 연료 전지
20 : 탈황부
30 : 개질부
32 : 버너
40 : 기화부
50 : 열교환부
60 : CO 변성부
70 : CO 제거부
80 : 확산부
100 : 연료 전지 시스템

Claims (6)

  1. 원연료를 개질하여 수소를 주성분으로 하는 개질 가스를 생성하는 개질부와,
    상기 개질부에서 생성한 개질 가스의 CO 농도를 시프트 반응에 의해 저감시키는 CO 변성부와,
    상기 CO 변성부에 의해 CO 농도가 저감된 개질 가스의 CO 농도를 선택 산화 촉매를 사용하여 더욱 저감시키는 CO 제거부와,
    상기 CO 제거부의 상류측의 가스 유로에 접속된 공기 공급용 유로를 경유하여, 상기 가스 유로에 공기를 도입 가능한 공기 공급부를 구비하고,
    상기 개질부로의 원연료의 공급을 정지한 후, 상기 CO 제거부의 상류측의 가스 유로에 공기가 도입되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 개질 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 CO 변성부로부터, 상기 공기 공급용 유로가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적이, 상기 공기 공급용 유로가 접속된 개소로부터 상기 CO 제거부까지의 가스 유로의 용적에 비해 작은, 연료 전지용 개질 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 CO 변성부로부터, 상기 공기 공급용 유로가 접속된 개소까지의 가스 유로의 용적이, 상기 공기 공급용 유로가 접속된 개소로부터 상기 CO 제거부까지의 가스 유로의 용적의 1/6 이하인, 연료 전지용 개질 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 유로에 접속된 부분의 상기 공기 공급용 유로는 상기 CO 제거부에 있어서의 선택 산화에 사용되는 공기를 공급하기 위한 경로를 겸하고 있는, 연료 전지용 개질 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 공기 공급용 유로가 접속된 개소에 대해 하류측에 위치하는 상기 가스 유로에 가스의 흐름을 확산시키는 확산부가 설치되어 있는, 연료 전지용 개질 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 공급부는 노멀 오픈형의 개폐 밸브를 갖는, 연료 전지용 개질 장치.
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