JP5140361B2

JP5140361B2 - 燃料電池用改質装置

Info

Publication number: JP5140361B2
Application number: JP2007252655A
Authority: JP
Inventors: 昭藤生; 和実小林; 一明中島; 康司佐藤; 健佐村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Eneos Corp
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: JP2009084078A

Description

本発明は、原燃料を、燃料電池システムにおいて使用される改質ガスに改質する燃料電池用改質装置に関する。

固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には、固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、改質器で改質することで得ている。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。

一般に、改質器は、水蒸気による原燃料ガスの改質反応に必要な熱を供給するためのバーナを備える。バーナで燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを、燃焼筒から改質反応部の近傍に設けられた経路に導くことにより、燃焼ガスの熱エネルギーが改質反応に利用される（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００７−１５９１１号公報国際公開第０３／７８３１１号パンフレット

特許文献１、２記載の改質器は、バーナで原燃料を燃焼して発生した燃焼排ガスを改質部の内側に流すことで、燃焼排ガスの熱エネルギーを高温の水蒸気の生成や改質部の反応に用いている。都市ガス等の原燃料から燃料電池の発電燃料である水素を生成する改質効率を考慮すると、改質器の内部において燃焼排ガスや改質ガスの熱が水蒸気の生成や改質部の反応により多く用いられることが求められる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池用改質装置における改質効率を向上する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池用改質装置は、原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、原燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、改質部とシフト変成部と選択酸化部とをこの順番に直線状に収納する改質反応筒と、改質反応筒の改質部側の端部に形成された燃焼室に配置され、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、改質反応筒と外筒との間に形成され、改質反応筒を加熱するために燃焼排ガスが通過する加熱流路と、改質部に水蒸気を供給するために、水が改質反応筒の内部を選択酸化部側から改質部側に向かって流れるように設けられている水蒸気供給路と、水蒸気供給路と該水蒸気供給路において通過する水が気化する箇所よりも上流側で合流し、原燃料を供給する原燃料供給路と、を備え、合流し、原燃料を供給する原燃料供給路と、を備える。水蒸気供給路は、改質ガスおよび燃焼排ガスから熱を回収するとともに、その熱により水と原燃料とを混合状態で気化および／または昇温させ、かつ前記シフト変成部および前記選択酸化部を冷却するように構成されている。

この態様によると、水蒸気供給路において水を水蒸気へ気化させるために改質ガスから回収された熱が用いられるため、燃料電池用改質装置から外部へ送出される改質ガスの温度を下げることができる。

本発明によれば、燃料電池用改質装置における改質効率を向上することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の都合上、図の上下左右と対応させて各部材間の位置関係を説明するが、あくまでも相対的な位置関係でありこれに限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の構成を示す断面図である。燃料電池用改質装置１０は、原燃料であるメタンやプロパン、ブタン等を水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成する。

燃料電池用改質装置１０は、原燃料から改質ガスを生成する改質部１２と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部１４と、シフト変成部１４を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により選択酸化し低減する選択酸化部１６と、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とをこの順番に直線状に収納する改質反応筒１８と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段としてのバーナ２０と、改質反応筒１８の外周に同軸に配置され、改質反応筒１８より径が大きい外筒２２と、を備える。外筒２２の周囲は、複数の配管が外部と連通している箇所を除いて断熱材２４で覆われている。改質反応筒１８は、改質部１２側が下部になるとともに選択酸化部１６側が上部になるように鉛直方向に配置されていることが好ましい。

バーナ２０は、空気取入口２６から取り入れた空気と燃料取入口２８から取り入れた原燃料オフガスとを混合して燃焼させる。バーナ２０で原燃料ガスが燃焼することによって、１２００〜１３００℃の高温の燃焼排ガスが発生する。バーナ２０は、改質反応筒１８の改質部１２側の端部に形成された燃焼室３０に配置されているとともに、外筒２２の下部に固定されている。これにより、バーナ２０で生成された燃焼排ガスの熱をすぐに改質部１２における改質反応に用いることができるので、熱効率を向上することができる。

改質反応筒１８と外筒２２との間には、改質反応筒１８を加熱するために前述の燃焼排ガスが通過する加熱流路３２が形成されている。

改質部１２は、改質反応筒１８の底部に設けられている改質反応筒１８より外径の小さいケース３４と、ケース３４の下方に収納された、ニッケルやルテニウム等の金属粒子をアルミナに担持した改質触媒を含む触媒層３６とを有する。ケース３４の上面には、原燃料と水蒸気とが混合された状態で流入する開口部３８が形成されている。また、ケース３４は、触媒層３６の側面から改質ガスが通過できるように、側面に通気口が設けられている。

原燃料は、原燃料供給路４０を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から改質部１２の触媒層３６に供給される。この際、原燃料は、加熱流路３２を流れる燃料排ガスや改質反応筒１８の内部の改質ガスにより昇温させられるとともに、改質ガスの温度を低下させる。

また、改質部１２における改質反応に必要な水蒸気は、水蒸気供給路４２を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から供給された改質水から生成される。水蒸気供給路４２は、改質水が改質反応筒１８の内部を選択酸化部１６側から改質部１２側に向かって流れるように設けられている。そして、水蒸気供給路４２は、燃焼排ガスや改質反応筒１８の内部で昇温されている改質ガスから熱を回収するとともに、その熱により外部から供給された液体である改質水を水蒸気へ気化させる。その結果、改質水は、水蒸気として触媒層３６に供給されるとともに、シフト変成部１４や選択酸化部１６の温度を低下させる。

本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０において、原燃料供給路４０は、水蒸気供給路４２と、水蒸気供給路４２において通過する水が気化される箇所より上流側の合流部１１４で合流している。水蒸気供給路４２は、外筒２２および改質反応筒１８の内部において、その一部が螺旋状に巻かれたコイル形状を有しており、表面積が増すことで水が気化し易くなっているため、少なくともコイルの下端では水蒸気が生成されている。また、水蒸気供給路４２は、改質反応筒１８の内部において、水が選択酸化部１６側から改質部１２側に向かって流れるように設けられているので、水の気化時に水の閉塞による圧力変動が抑制される。

シフト変成部１４は、例えば、酸化銅や酸化亜鉛のペレットからなる触媒層４６と、触媒層４６を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板４８とを有する。シフト変成部１４は、触媒層４６の働きにより改質ガスに含まれる水蒸気を用いたシフト反応により一酸化炭素を低減することができる。

選択酸化部１６は、例えば、アルミナで担持した一酸化炭素選択酸化触媒からなる触媒層５０と、触媒層５０を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板５２とを有する。選択酸化部１６では、触媒層５０の働きにより酸素で一酸化炭素を酸化し二酸化炭素にすることで、一酸化炭素の濃度が更に低減される。

本実施の形態に係る選択酸化部１６は、水蒸気供給路４２が通過している領域Ａ以外の領域に、改質ガスの流れの抵抗となる抵抗部材１２６が設けられている。これにより、燃焼排ガスで加熱されている改質ガスは、選択酸化部１６を通過する水蒸気供給路４２のコイルに向かって流れやすくなり、水蒸気供給路４２の内部の水、あるいは、水蒸気に熱を供給しやすくなる。抵抗部材１２６としては、改質ガスの流れを完全に遮断する部材であるとよい。これにより、改質ガスは、選択酸化部１６の触媒層５０へ導入される。なお、シフト変成部１４に前述のような抵抗部材を設けても同様の効果を得ることができる。

シフト変成部１４と選択酸化部１６との間の領域には、選択酸化部１６で消費される酸素を供給するために、燃料電池用改質装置１０の外部と連通している空気供給路５４の先端部５６が配置されている。これにより、先端部５６から流入する空気は、シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスとともに上昇し、選択酸化部１６における反応に寄与する。

選択酸化部１６の上方の、改質反応筒１８の上面には、開口部５８が形成されている。開口部５８には、一酸化炭素が十分低減された改質ガスを不図示の燃料電池の燃料極へ送出する改質ガス送出管６０が接続されている。

次に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の動作について説明する。バーナ２０で生成された燃焼排ガスは、改質反応筒１８の下面を加熱した後に加熱流路３２を上昇しながら改質反応筒１８を側面から加熱する。この際、触媒層３６は、改質反応筒１８を介して改質反応に必要な温度、例えば、６００〜７００℃の範囲に加熱される。また、水蒸気供給路４２は、直接的または改質反応筒１８を介して間接的に燃料排ガスにより加熱され、内部を通る改質水が気化される。一方、燃料排ガスは、加熱流路３２を上昇するに従い水蒸気供給路４２により冷却され徐々に温度が低下する。

原燃料供給路４０は合流部１１４で水蒸気供給路４２と合流しており、改質水と原燃料は、混合状態で水蒸気供給路４２において気化、昇温されながらケース３４の内部を下方に送り出される。本実施の形態に係る水蒸気供給路４２は、改質反応筒１８の内周面と接している環状部１２４を有するため、改質ガスだけでなく燃焼排ガスからの熱の回収も容易となり、より効率よく改質水を気化し水蒸気を生成することができる。水蒸気を含む原燃料ガスは、触媒層３６の内部を通過する際に燃焼排ガスの熱により徐々に加熱され、改質反応により水素リッチな改質ガスに変化する。

原燃料ガスを改質することにより得られた改質ガスは、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を上昇し、シフト変成部１４に到達する。ここで、改質部１２における改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気供給路４２の熱回収により温度が低下した改質ガスがシフト変成部１４に到達することになる。シフト変成部１４におけるシフト反応は、例えば、２００〜３００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても適度な温度を維持することが可能である。これにより、改質ガスはシフト変成部１４において一酸化炭素が低減される。

なお、シフト変成部１４における温度が適温とならない装置の場合、バーナ２０での原燃料の燃料量を調整したり、シフト変成部１４近傍の水蒸気供給路４２のコイルの巻き数を増減させたりすることで調整可能である。

シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスは更に、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を整流板６４に流れを規制されながら上昇し、選択酸化部１６に到達する。その際、空気供給路５４から供給された空気も改質反応筒１８内を上昇し、選択酸化部１６に到達する。整流板６４は、シフト変成部１４と選択酸化部１６との間の空間に、改質ガスの流れを水蒸気供給路４２に向かう流れに変化させる。つまり、改質反応筒１８の内部を流れる改質ガスの流れを水蒸気供給路４２に向けて変化させることで、水蒸気供給路４２の内部を流れる改質水や原燃料ガスと、改質ガスとの熱交換が効率よく行われる。

選択酸化部１６は、水蒸気供給路４２の流入口６６近傍に配置されているため、改質ガスの温度は改質水による冷却によりシフト変成部１４における改質ガスの温度より低温となっている。選択酸化部１６における選択酸化反応は、シフト変成部１４におけるシフト反応より低温な、例えば、７０〜２００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても改質ガスを適度な温度に維持することが可能である。これにより、改質ガスは選択酸化部１６において更に一酸化炭素が低減される。

そして、改質ガスは、改質ガス送出管６０から燃料電池の燃料極に向けて送出されるが、水蒸気供給路４２による熱回収により、改質ガス送出管６０から排出される改質ガスの温度が低下するので、燃料電池用改質装置１０における改質効率を向上することができる。

なお、加熱流路３２を通過した燃焼排ガスは、改質反応筒１８の上部であって外筒２２との間に形成された燃焼排ガス貯留室１３２を経由して、外筒２２の上部に形成された排出口６２から外部へ排出される。本実施の形態に係る水蒸気供給路４２は、その一部が燃焼排ガス貯留室１３２を通過するように設けられており、加熱流路３２を通過して排出口６２から排出される燃焼排ガスから熱を回収することができる。そのため、水蒸気供給路４２による熱回収により、排出口６２から排出される燃焼排ガスの温度が低下するので、燃料電池用改質装置１０における改質効率を向上することができる。

上述のように、燃料電池用改質装置１０は、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とがこの順番に一つの改質反応筒１８に収納されているため、複雑な形状の流路を形成することなく、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減することができる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間の加熱流路３２を燃焼排ガスが通過するので、改質反応筒１８の内部の改質部１２における改質反応に必要な熱を供給することができ、ヒータ等の加熱手段が不要となる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間を加熱流路３２とすることで、折り返しや多くの筒を要する流路を必要とせずに簡素な構成で燃料電池用改質装置１０を実現することができる。

換言すると、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０においては、折り返しや多くの筒を要する流路が設けられていないため、部品点数の低減や製造工程の簡素化によりコストが低減される。また、外筒２２の外周部を断熱材２４で覆うことで装置全体の断熱性を容易に確保することができるので、断熱材２４を装着する際の工程を簡素化することができる。

また、加熱流路３２は、燃焼排ガスが改質部１２側から選択酸化部１６側に向かって通過するように形成されているので、燃焼排ガスは、改質反応筒１８や水蒸気供給路４２と熱交換をしながら徐々に温度が低下する。そのため、燃焼排ガスは、反応温度が高い改質部から反応温度の低い選択酸化部へと適度に温度が低下しながら加熱流路３２の内部を通過することになる。そのため、加熱流路３２を直線的に形成することが可能となる。また、改質反応筒１８は、改質部１２、シフト変成部１４、選択酸化部１６を反応温度が高い順に鉛直方向上方へ順番に収納している。そのため、改質ガスは、反応温度が高い改質部１２から反応温度の低い選択酸化部１６へ向かって、水蒸気供給路４２との熱交換により適度に温度が低下しながら、改質反応筒１８の内部を複雑な経路を通過することなく上昇することになる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

例えば、燃料電池用改質装置１０において、原燃料供給路４０は、水蒸気供給路４２において通過する水が気化される箇所より下流側の合流部で水蒸気供給路４２と合流するように構成してもよい。このように、燃焼排ガスの加熱による原燃料の昇温と水の気化とが別々の原燃料供給路４０および水蒸気供給路４２で行われた後に原燃料と水蒸気とが合流することで、各供給路における原燃料の昇温や水の気化による水蒸気の供給の制御が容易となる。

上述の燃料電池用改質装置は、ガスと水との熱交換部において、ガス側の伝熱を促進させるために、ガス側通路にアルミナボールやマクマホンパッキン等の拡散により伝熱性を上げる物を充填してもよい。例えば、改質部１２とシフト変成部１４との間、シフト変成部１４と選択酸化部１６との間、選択酸化部１６の上部、水蒸気供給路４２の入口側における燃焼排ガスとの熱交換部、等に伝熱促進物が充填されていてもよい。

また、コイル状の環状部１２４は、水蒸気供給路４２の全領域に設けられていてもよいし、部分的に、断続的に設けられていてもよく、装置全体の熱効率や熱収支を考慮して設計すればよい。

また、上述の燃料電池用改質装置に用いられる原燃料としては、例示されているメタンやプロパン、ブタン等に限られるものではない。例えば、天然ガス、プロパン・ブタンを主成分とするＬＰＧ、ナフサ、灯油等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコール類や、ジメチルエーテル等のエーテル類、等を、原燃料として用いてもよい。

本実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０燃料電池用改質装置、１２改質部、１４シフト変成部、１６選択酸化部、１８改質反応筒、２０バーナ、２２外筒、３０燃焼室、３２加熱流路、４２水蒸気供給路、６０改質ガス送出管、６２排出口、６４整流板、１２４環状部、１２６抵抗部材、１３２燃焼排ガス貯留室。

Claims

原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、
原燃料から改質ガスを生成する改質部と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、
前記シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、
前記改質部と前記シフト変成部と前記選択酸化部とをこの順番に直線状に収納する改質反応筒と、
前記改質反応筒の改質部側の端部に形成された燃焼室に配置され、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、
前記改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きい外筒と、
前記改質反応筒と前記外筒との間に形成され、前記改質反応筒を加熱するために前記燃焼排ガスが通過する加熱流路と、
前記改質部に水蒸気を供給するために、水が前記改質反応筒の内部を選択酸化部側から改質部側に向かって流れるように設けられている水蒸気供給路と、
前記水蒸気供給路と該水蒸気供給路において通過する水が気化する箇所よりも上流側で合流し、原燃料を供給する原燃料供給路と、を備え、
前記水蒸気供給路は、改質ガスおよび燃焼排ガスから熱を回収するとともに、その熱により水と原燃料とを混合状態で気化および／または昇温させ、かつ前記シフト変成部および前記選択酸化部を冷却するように構成されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
前記改質反応筒は、改質部側が下部になるとともに選択酸化部側が上部になるように鉛直方向に配置され、
前記改質ガスは、前記改質反応筒の内部を上方に向かって流れることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
前記改質反応筒の上部であって前記外筒との間に形成された燃焼排ガス貯留室と、
前記燃焼排ガス貯留室から燃焼排ガスが外部へ排出されるように前記外筒の上方に設けられた排出口と、を更に備え、
前記水蒸気供給路は、その一部が前記燃焼排ガス貯留室を通過するように設けられており、前記加熱流路を通過して前記排出口から排出される前記燃焼排ガスから熱を回収することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用改質装置。
前記水蒸気供給路は、コイル状に形成された環状部を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
前記水蒸気供給路は、前記環状部の少なくとも一部が前記改質反応筒の内面に接するように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用改質装置。
前記選択酸化部は、前記水蒸気供給路が通過している領域以外の領域に、前記改質ガスの流れの抵抗となる抵抗部材が設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池用改質装置。
前記シフト変成部は、前記水蒸気供給路が通過している領域以外の領域に、前記改質ガスの流れの抵抗となる抵抗部材が設けられていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
前記改質反応筒は、前記改質ガスの流れを前記水蒸気供給路に向かう流れに変化させる整流部材を内部に備えていることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。