JPH03237002A

JPH03237002A - 燃料電池用反応装置

Info

Publication number: JPH03237002A
Application number: JP9034890A
Authority: JP
Inventors: Shunzo Kawabata; 川畑　俊造; Takeyoshi Kamiyama; 剛由上山; Yasuo Tanaka; 康夫田中; Hideki Sugimura; 杉村　秀樹; Mamoru Aoki; 守青木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1991-10-22

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、天然ガスを燃料電池用の燃料に改質する前・
後に処理して天然ガスを燃料電池用として最適な形態に
する為の反応装置に関し、詳細には改質前における天然
ガスの脱硫と改質後における一酸化炭素変成の両機能を
具備し、且つ起動時および燃料電池の負荷低減時のいず
れにおいても効率良く運転することができ、しかも装置
のコンパクト化を図ることのできる燃料電池用反応装置
に関するものである。

［従来の技術］燃料電池は、アノード（燃料電極）側に供給された水素
と、カソード（空気電極）側に供給された酸素との電気
化学的反応によって電気エネルギーを発生ずる装置であ
る。上記水素としては専ら天然ガスに水蒸気を混合し、
これを触媒層に通して生成する水素リッチの改質ガス（
水素を主成分とし、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン等
を含有する可燃性ガス）が用いられており、一方上記酸
素については空気を導入することによって行なわれてい
る。天然ガスを改質する為の装置としては、例えば特開
昭５３−７８９９２号、同５３−７９７６６号、同５Ｂ
−！１０８６２号、同５８−６３７８３号、特公昭５７
−７５３８号等が知られている。

ところで改質ガス中に一酸化炭素がうく含まれていると
、その濃度に応じて発生電圧の低下が起こるので、改質
ガス中の一酸化炭素を変成する為の一酸化炭素変成器を
燃料電池の上流側に配置する必要かある。この様な装置
としては、例えは特開昭６３−２２９１３８号や特開平
１−１８８４０７号等が提案されている。

一方前述の改質装置には触媒としてニッケルを含有する
触媒を使用することが多く、この触媒はイオウ成分を被
毒物質とすることから、特に天然ガスを原料カスとして
使用する際には、天然ガス中に含まれるイオウ成分を改
質前に脱硫器によって除去する必要かある。

［発明が解決しようとする課題］燃料電池に関連する装置における共通の課題としては、
■コンパクト化、■起動時の昇温時間短縮化、■制御の
簡略化、■熱ロスの低減、等が挙げられる。しかしなが
ら、これまて提案されている一酸化炭素変成器ては、起
動時の昇温に長時間を要するのか一般であり、また反応
温度を触媒活性化温度（１８０℃以上）と触媒劣化防止
温度（２６０℃以下）の間に適切に制御することについ
てはあまり考慮されていないのが実情である。

しかもこれまでは脱硫器と一酸化炭素変成器は別個に配
置されるのが一般的であり、上記のおよび■の点でも不
十分であった。

本発明はこうした技術的課題を解決する為になされたも
のてあって、その目的は、脱硫器と一酸化炭素変成器の
両機能を合せ有し、且つ起動時および燃料電池の負荷低
減時のいずれにおいても効率良く運転することができ、
しかも装置のコンパクト化を図ることのできる燃料電池
用反応装置を提供することにある。

［課題を解決する為の手段］上記目的な遠戚することのできた本発明の燃料電池用反
応装置とは、燃料電池用の燃料として改質する前の天然
ガスを脱硫する脱硫器と、改質後に改質ガス中の一酸化
炭素を変成する一酸化炭素変成器を一体化した構成から
なり、同軸多重管構造であって、内側の脱硫器を外側の
一酸化炭素変成器で囲む様に構成したものである点に要
旨を有するものである。

［作用および実施例］以下実施例図面に基づき、本発明の構成および作用効果
を更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定す
るものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更する
ことはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものであ
る。

第１図は本発明の反応装置の一実施例を示す断面説明図
で、１は反応装置、２は内筒、３は中筒、４は外筒、５
は反応装置本体を構成する保温材、６は水添脱硫触媒、
７は脱硫吸着剤、８はシフト反応触媒、９は電気ヒータ
の夫々を示す。

反応装置１は、内筒２、中筒３、外筒４、保温材５を相
互に間隙を設けて配設した同軸多重管構造からなり、内
筒２と中筒３の間に形成される環状通路１１内に前記水
添脱硫触媒６および脱硫吸着剤７が充填されると共に、
外筒４と保温材５の間に形成される環状通路１２内に前
記シフト反応触媒８か充填される。前記内筒２、中筒３
、水添脱硫触媒６および脱硫吸着剤７によって脱硫器が
構成されると共に、前記中筒３、外筒４、保温材５およ
びシフト反応触媒８によって一酸化炭素変成器が構成さ
れ、反応装置１は内側の脱硫器を外側の一酸化炭素変成
器で囲む様にして構成される。尚中筒３と外筒４によっ
て形成される環状通路１３と前記環状通路１１とは中筒
３によって相互に隔絶されているが、相互に伝熱可能に
構成されている。

天然ガス（原料ガス）は、内筒２の下端部の原料ガス人
口２ズル１５から供給され、内筒２内を上昇した後環状
通路１１を降下する。原料ガス中のイオウ分は環状通路
１１内で、水添脱硫触媒６によって水素化されて硫化水
素とされると共に、脱硫吸着剤７によって上記硫化水素
が吸着される。尚図中１７は多孔板状の触媒押えであり
、１８ａ、１８ｂは多孔板状の触媒受けである。

また脱硫吸着剤７としては酸化亜鉛が例示される。

脱硫された原料ガスは、脱硫ガス出口ノズル１９から取
り出され、改質器Ａ（後記第５図参照）に送られる。

一方水素ガスを主成分とする改質ガスは、熱交換器Ｄ（
後記第５図参照）で温度調整された後、改質カス人口ノ
ズル２０から反応器１内に供給される。該改質カスは前
記環状通路１３内を降下した後、環状通路１２内を上昇
し、ここでシフト反応触媒８によって改質ガス中の一酸
化炭素の濃度が低減され、その後改質ガス出ロノズル２
１から取り出され、燃料電池の燃料として使用される。

電気ヒータ９は起動時にシフト反応触媒８を加熱するも
のであるが、起動時には前記ノズル１５．２０から高温
の不活性ガス（例えば窒素）またはスチームか導入され
、反応器１全体の加熱か行なわれる。

本発明の反応装置１では脱硫器と一酸化炭素変成器を一
体化したものであるのて、外表面積を小さくすることが
てき、外部放熱を押えることができ、保温施工コスト的
にも有利である。

起動時には上述の通り高温の不活性ガス等がノズル１５
．２０から導入されて昇温か行なわれるが、本発明装置
によればその際の熱は装置全体に行き亘り、局部が異常
に高くなることが回避でき、相当高温のガスが流せる様
になり、昇温時間の短縮化が図れる。また触媒充填層の
厚みを層状に薄くすることができ、ヒータ加熱によって
も充填層全体に伝熱し易く、この点からも昇温時間の短
縮化が図れる。

一方通常運転時には、ノズル１５．２０等から導入され
るカス温度に多少の変動が生じても、或は変成触媒層下
流部で反応熱が発生しても、全体的にガスおよび装置構
成材料を通じて伝熱され、温度の平準化が達成され易く
、ガス人口温度の許容範囲を拡げることができ制御の単
純化が図れる。

本発明に係る反応装置１の構成は第１図に限定されず、
改質ガスの流路が逆方向のものであってもよいのは勿論
のこと、例えば第２図に示す様に内筒２ａ内に水添脱硫
触媒６および脱硫吸着剤７を充填し、原料ガスの流れを
環状通路１１を上昇した後内管２ａ内を降下する様な構
成としてもよい。また原料ガスや改質ガスの導入流路内
の適所にヒータを配置し、起動時における水添脱硫触媒
６や一酸化炭素変成触媒７の昇温を加速する様にしても
よい。

第３図は本発明の更に他の実施例を示す断面説明図であ
り、基本的な構成は第１図に示した構成と類似するので
、対応する部分には同一の参照符号を付すことにより重
複説明を回避する。燃料電池は発電設備であるので、で
きる限り電気エネルギーを消費せずに操業できることが
好ましく、発電設備を起動するに際して大容量の電力が
必要というのでは発電設備として問題が多い。

また脱硫反応は発熱反応であるが、天然ガス中に含まれ
るイオウ分は微量であるため温度上昇はなく、冷却は特
に必要としないのに対し、一酸化炭素変成時における発
熱反応は３０〜６０℃程度の温度上昇があり、冷却を必
要とする。そこで第３図に示す実施例では、原料ガスや
改質ガスの温度の変動に十分対応できる様にするため、
電気ヒータを用いず飽和熱水によって一酸化炭素変成触
媒の温度を適当な温度範囲に設定できる様な構成とした
。即ち第３図に示す様に、前記環状通路１２内のシフト
反応触媒８を貫通する様に螺旋状の蛇管２５を設け、熱
水入口ノズル２６から１７０〜２００℃程度の飽和熱水
を該蛇管２５内に導入し、該熱水によって前記触媒８を
冷却し、触媒８の温度を一酸化炭素反応の一般的な反応
温度である１８０〜２６０℃の範囲に保持すると共に、
熱水は出口ノズル２７から取出す。一方脱硫器は一酸化
炭素変成器よりも少し高めの温度で操作するが、該脱硫
器は一酸化炭素変成器で囲まれているので、温度が大幅
に変動することがなく安定した運転か実行される。

尚第３図に示す実施例では、その要部（円形部ＩＶ）を
第４図に示す様に、内筒２の外側に窒素供給管３０を設
け、この供給管３０に穿設された窒素吹出口３１から高
温の窒素を吹出す様な構成を示している。これは起動時
に脱硫触媒６を１８０〜３００℃に昇温する為のもので
あり、供給ノズル３２から３００℃程度の高温窒素を供
給し、窒素吹出口３１から脱硫触媒に吹き付けることに
よって昇温を行なう。−カー酸化炭素変成器の起動時に
おいては、前記熱水出口ノズル２７から飽和熱水を導入
し、その凝縮潜熱によって触媒７を昇温し、凝縮ドレン
は熱水入口ノズル２６から排出する。

この様な構成を採用することによって、電気ヒータを使
用することなく短時間で起動が行なえ、且つ温度制御も
更に高精度に達成される。

第３図に示した実施例では蛇管２５に熱水を通ず様な構
成を示したけれども、熱水を供給する為の手段は図示し
たものに限定されず、例えば保温材５の内側に熱水ジャ
ケットを設けたり、保温材の内壁面をプレートコイルで
製作する様な構成も採用できる。

本発明の反応装置は、例えば第５図に示す様なシステム
に組込まれる。第５図は本発明装置を使用する為の水冷
式燃料設備システムを示す概念図で、Ａは改質器、Ｂは
燃料電池本体、Ｃは気水分離器、Ｄ、Ｅは熱交換器、Ｆ
は冷却水循環ポンプ、Ｇは窒素循環ポンプ。Ｈは起動用
ボイラーを夫々示し、代表的な構成要部以外は省略しで
ある。尚第５図は、第３図に示した反応装置１を用いる
場合を憇定したものである。

以下システムの概略を説明する。

起動時において、改質器Ａでは天然ガスを燃焼させる。

また改質器Ａの改質側には、窒素循環ブロアＧによって
窒素を循環させる。改質器Ａから出る燃焼排ガスの温度
が上昇し始めると、熱交換器Ｅで窒素が加熱され、該窒
素は反応器１の水添脱硫触媒６の中に吹き込まれるので
、水添脱硫触媒６の湯度が上昇してくる。反応器１を出
た窒素は、改質器Ａの改質側に入るが、ここでバーナで
加熱されるので、再び昇温されることになる。そしてこ
の窒素によって、熱交換器り１反応器２のシフト反応触
媒８を昇温しつつ、燃料電池本体Ｂの燃料極の手前で窒
素循環ブロアＧの方へ循環する。

１改質器Ａの起動に対応して起動用ボイラＨも起動するが
、このボイラからは数分でスチームが発生する。このス
チームは気水分離器Ｃに導入された後、反応器１の蛇管
２５に導入され、シフト反応触媒８を外部から加熱する
。循環窒素とスチームによる加熱によって、シフト反応
触媒８の温度が循環窒素の最高温度に達した時点て、改
質ラインにもスチームを導入する。即ち、起動用ボイラ
Ｈて発生したスチームを、気水分離器Ｃを通した後、熱
交換器りて加熱し、改質器Ａの手前で循環窒素と合流し
てから改質器Ａの改質側に入れる。

窒素・スチーム混合気体は改質器Ａのバーナて加熱され
た後、改質器Ａ以降の配管、熱交換器り。

該熱交換器り以降の配管９反応器１および該反応器１以
降の配管を加熱していく。このとき昇温か最も遅くなる
と懸念される前記シフト反応触媒８は、蛇管２５によっ
て予め加熱されているので、改質系全体の昇温時間が大
幅に短縮てきるばかりか、前記シフト反応触媒８が凝縮
水で漏れてしまう様なこともない。

２方通常運転時においては、天然ガスは熱交換器りの方に
たけ流す。即ち、天然ガスは、熱交換器りの手前て水添
脱硫の為に水素を主成分とする少量の改質カスが添加さ
れた後、熱交換器りで脱硫反応に適する温度にまで加熱
され、反応器】の水添反応触媒６内に導出される。反応
器１内で脱硫された天然ガスは、気水分離器Ｃからくる
スチームと混合された後、改質器Ａの改質側に導入され
る。尚通常運転時は、窒素循環ボイラＧおよび起動用ボ
イラＨは運転を停止している。このときスチームは燃料
電池本体Ｂで発生する熱によって生成する。天然ガスは
改質器Ａにおいて、水素を主成分とする改質ガスに改質
される。このときの反応に必要な熱は燃料電池排燃料を
バーナで燃焼させることによって補なえる。改質器Ａを
出た改質ガス中には、熱交換器りで一酸化炭素変成反応
に通した湯度まで冷却してから、反応器１の一酸化炭素
変成触媒（前記シフト反応触媒８）内に導入される。こ
こでの反応は発熱反応であるが、気水分離器Ｃからくる
飽和熱水によって冷却される。該飽和熱水は蛇管２５内
で蒸発し、自然循環して気水分離器Ｃに戻る（サーモサ
イホン式熱交換器）。この様にして燃料電池の燃料とし
て適した改質カスが得られる。尚通常運転時には、負荷
変動によって反応器１の人口ガス温度が変動するが、特
に第３図に示した反応器１では脱硫器を酸化炭素変成器
で囲んだ構成に加え、サーモサイホン式で触媒を冷却す
る構成を採用していることから、複雑な温度コントロー
ルを必要とせずに最適な運転が継続される。

［発明の効果］以上述へた如く本発明によれは、脱硫器と一酸化炭素変
威器の両機能を合せ有し、且つ起動時および燃料電池の
負荷低減時のいずれにおいても効率良く運転することが
でき、しかも装置のコンパクト化を図ることのできる燃
料電池用反応装置が実現できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の反応装置の一実施例を示す断面説明図
、第２図は反応装置１の他の実施例を示ず断面説明図、
第３図は本発明の更に他の実施例を示す断面説明図、第
４図は第３図の要部■を示す拡大図、第５図は本発明の
構成によって採用することが可能となった燃焼電池設備
システムの説明図である。１・・・反応装置３・・・中筒６・・・水添脱硫触媒Ａ・・・改質器Ｃ・・・気水分離器２・・・内筒４・・・外筒８・・・シフト反応触媒Ｂ・・・燃料電池本体り、Ｅ・・・熱交換器

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料電池用の燃料として改質する前の天然ガスを
脱硫する脱硫器と、改質後に改質ガス中の一酸化炭素を
変成する一酸化炭素変成器を一体化した構成からなり、
同軸多重管構造であって、内側の脱硫器を外側の一酸化
炭素変成器で囲む様に構成したものであることを特徴と
する燃料電池用反応装置。
（２）脱硫器に充填される脱硫用触媒と、一酸化炭素変
成器に充填される一酸化炭素変成用触媒とを加熱できる
様に構成したことを特徴とする請求項（１）に記載の燃
料電池用反応装置。