JPH0755802B2

JPH0755802B2 - 燃料電池システムの燃料改質装置

Info

Publication number: JPH0755802B2
Application number: JP1247760A
Authority: JP
Inventors: 恭藤田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-09-22
Filing date: 1989-09-22
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: JPH03109202A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、燃料電池システムの燃料改質装置に関するも
ので、特に燃料改質装置の加熱器に関するものである。

（従来の技術）火力発電や原子力発電等は化石燃料の化学エネルギーを
熱エネルギーや核エネルギーに変えてから電気エネルギ
ーを得るのに対し、燃料電池は化学エネルギーから直接
電気エネルギーを得る。この燃料電池は、反応物が外部
から連続的に供給される化学電池であり、燃料電池本
体、燃料改質装置、電力変換装置が主な構成要素であっ
て、これらの構成要素に制御装置、排熱回収装置等が加
わり燃料電池システムを構成する。

このうち燃料改質装置は、原料ガスとしての化石燃料ガ
スを水素リッチの改質ガスへ改質する装置であり、脱硫
原料ガスを水素と炭酸ガスと一酸化炭素にする改質器
と、改質ガス中の一酸化炭素を許容濃度以下にするCO変
成器とから構成される。

例えば、第８図に示すように、燃料ガス入口50から燃料
ガス室41に流入した燃料ガスは、矢印Ａ方向から反応管
42に入り、この反応管42に充填されたペレット状触媒43
で改質反応を起こした後、反応後の改質ガスが流通管44
に入り、図示矢印Ｂ方向に流れ、燃料ガス出口46からCO
変成器に供給される。このとき、バーナ52により生成さ
れる火炎によって加熱室53が加熱され、反応管42内での
改質反応が促進され、燃料ガスが水素と炭酸ガスと一酸
化炭素を含む改質ガスに変換される。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、従来の燃料電池システムの燃料改質装置
によると、改質反応に用いる触媒がペレット状触媒であ
るため、燃料ガスとの接触面積が小さく、均一加熱が困
難で、圧力損失が大きく、還元反応にもとづくススの発
生により反応管が目詰りを起こしやすいという問題があ
った。

本発明は、このような問題点を解決するためになされた
もので、特定構造をもつ接触面積の大きな第１の通路と
第２の通路を有するハニカム状ブロック（多孔体）を用
い、前記第１の通路または第２の通路のうちの一方の通
路に接触燃焼用触媒を担持し、他方の通路に改質用触媒
を担持することにより、触媒燃焼を利用して改質用触媒
を加熱し、燃料ガスの改質ガスへの改質反応を促進する
ようにした小型化可能な燃料電池システムの改質装置を
提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）本発明の第１の発明の燃料電池システムの燃料改質装置
は、押出成形により成形される押出成形体を一部穴加工
して製造される押出成形体であって、隔壁より囲まれる
多数のそれぞれ独立した貫通孔からなる第１の通路と、
この第１の通路から隔壁を介して隔離され、互いに隣接
する隔壁を連結する連結壁により区分形成される第２の
通路と、前記第１の通路または第２の通路のうちの一方
の通路内壁に担持され、燃料ガスを改質ガスに変換する
改質用触媒と、前記第１の通路または第２の通路のうち
の他方の通路内壁に担持され、接触燃焼用ガスを接触燃
焼させる接触燃焼用触媒とから成るハニカム状多孔体を
備えたことを特徴とする。

本発明の第２の発明の燃料電池システムの燃料改質装置
は、第１の発明の燃料改質装置に加えて、前記改質用触
媒が担持される通路から流出される改質ガスから熱を奪
い該通路に流入する燃料ガスに熱を与える第１の熱交換
器と、前記接触燃焼用触媒と接触燃焼させる接触燃焼用
ガスを供給する接触燃焼ガス供給源と、前記接触燃焼用
触媒が担持される通路から排出される接触燃焼排ガスか
ら熱を奪い、前記改質用触媒が担持される通路に流入す
る燃料ガスに熱を与える第２の熱交換器と、を備えたこ
とを特徴とする。

（作用）本発明の燃料改質装置によると、前述した特定構造のハ
ニカム状多孔体を用いているため、この多孔体の有する
貫通孔を囲む隔壁のすべてを、熱伝達、物質移動等の接
触面として利用し、接触燃焼用ガスと燃料ガスとの異な
る流体がそれぞれ独立して流れる第１の通路と第２の通
路間の接触面積を増大させ、接触燃焼用触媒による加熱
と改質用触媒による改質反応を圧力損失の少ないハニカ
ム構造体にて同時に促進し、小型の改質器であっても改
質反応の効率を飛躍的に向上させられる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

まず本発明の燃料改質装置を用いたリン酸型燃料電池シ
ステムについて説明する。

第９図に示すように、リン酸型燃料電池システムは、燃
料電池本体61、燃料改質装置62、電流変換装置63、排熱
回収装置64が主な構成要素である。

燃料電池本体61は、リン酸水溶液からなる電解質溶液に
アノード65とカソード66が接触され、アノード65側に導
かれる水素リッチガス中の水素とカソード66側に導かれ
る空気中の酸素とを例えば白金を触媒として電気化学的
に反応させて発電する。

燃料改質装置62は、化石燃料ガスを水素リッチガスに改
質する装置であって、化石燃料ガス中の硫黄化合物を除
去する脱硫器75と、脱硫原料ガスを水素と炭酸ガスと一
酸化炭素とにする改質器76と、一酸化炭素を許容濃度以
下にするCO変換器77とから構成される。CO変換器77で改
質された改質ガスは水素リッチガスとして燃料電池本体
61のアノード65に送られる。なお、電流変換装置63は燃
料電池本体61で発電された直流電流を実用的な交流電流
に変換するものである。

以上の如く構成されたリン酸型燃料電池システムの燃料
改質器76は、第１図、第２図および第３図に示すような
改質器本体（多孔体）30を有している。燃料改質器76
は、第２図に示すように多数個の改質器本体30が積層さ
れて直方体状に形成されている。この改質器本体30は第
２図で示す矢印Ａ方向からＢ方向に貫通する貫通孔から
なる第１の通路と、この第１の通路から隔離され図示矢
印Ｃ、Ｅ方向から図示矢印Ｄ、Ｆ方向に連通される第２
の通路とからなる。この場合、図示矢印Ａ方向から接触
燃焼用ガス（混合気）が第１の通路に入り、その燃焼排
ガスが図示矢印Ｂ方向から外部に排出されるとともに、
図示矢印ＣまたはＥ方向から燃料ガスが入り第２の通路
を通って図示矢印ＤまたはＦ方向に改質反応後の改質ガ
スが流出される。

接触燃焼用ガスに用いられる混合気は、LNG、LPG等の炭
化水素燃料と予熱空気とを流量制御装置33、34により流
量調整した混合器35により所定の空燃比になるよう混合
して用いる。このような混合気が流入される改質器本体
30の第１の通路の内壁表面には接触燃焼用触媒が担持さ
れる。接触燃焼用触媒としては、白金、パラジウム、ロ
ジウム、コバルト等の少なくとも一種を用い、ハニカム
構造体からなる改質器本体の表面にγ‐Al₂O₃、ZrO₂等
を担持させたうえでこれらの接触燃焼用触媒を付着させ
ることが好ましい。

この改質器本体30の具体的な構成は、例えば第４図およ
び第５図に示すハニカム状多孔体からなる。第４図、第
５図に記載するように多孔体の端面Ｘから端面Ｘ′へ向
かって、独立した多数の貫通孔10からなる第１の通路が
貫いており、端面Ｘ、Ｘ′の貫通孔10（第１の通路）を
除く部分11は外壁12と一体的に気密に連結封止されてい
る。そして端面Ｘ、Ｘ′と異なるＹ面には外壁12外に開
口する開口13があり、Ｚ面には別の開口13′、Ｙ′面に
は開口14′、Ｚ′面には開口14がそれぞれ設けられてい
る。

そして、端面Ｘに多数存在する貫通孔10の開口に接触燃
焼用ガスを矢印Ａのように流入させ、接触触媒燃焼させ
て矢印Ｂ方向に燃焼排ガスを流出させる。一方Ｙ面の開
口13からＺ面の開口13′へ、同様にＺ′面の開口14から
Ｙ′面の開口14′へ矢印Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆのように燃料ガ
ス（低温の熱交換目的流体）を流し、前記接触燃焼用ガ
ス（高温の伝熱媒体）と熱交換を行う。次に、第４図に
示す多孔体のＭ−Ｍ′での切断断面を第６図に示す。

すなわち、第６図に示すように、第４図の端面Ｘに開口
する独立した多数の貫通孔10は、各貫通孔10が隔壁15に
よって囲まれた独立貫通孔となっているものであって、
その独立した貫通孔10を区分する隔壁15が隣接する他の
独立した貫通孔10の隔壁15と、同様に隔壁15が外壁12と
それぞれ連結壁16で連結されている。その結果、各貫通
孔10の周囲に隔壁15、外壁12および連結壁16により連続
した第２の通路17が区分形成され、その第２の通路17が
開口13、13′および開口14、14′に連通されて外壁12外
に開口している構造より成っている。

したがって、第７図に示すとおり、このハニカム状多孔
体は、それぞれ独立した貫通孔10を囲む隔壁15の４辺
ａ、ｂ、ｃ、ｄの方向のすべての面で貫通孔10と異なる
第２の通路17と接しており、熱交換体として使用する場
合の伝熱面積、接触面積が通常のハニカム構造体に比べ
てかなり大きく、したがって熱交換効率、触媒反応等の
効率が格段に向上する多孔体になっている。

また、この多孔体は各貫通孔10がそれぞれ独立して存在
し、各貫通孔10を区分形成する隔壁15も独立していて、
隣接する貫通孔10の隔壁15と隔壁を共有せず、しかも、
独立している各隔壁15が連結壁16によって連結されてい
るため、熱応力による変形が調節でき、熱的に柔軟な構
造となっている。

なお第４図に示す多孔体は隔壁15と隔壁15とを結ぶ連結
壁16が第６図〜第７図に示すように貫通孔10に対して対
称位置に接続されているが、必ずしも対称である必要で
はない。また第４図〜第５図は各貫通孔10からなる第１
の通路の周囲の連続した第２の通路17の開口を13、1
3′、14、14′を４個所に設けたが、第２の通路17の開
口を開口13、14のみとしてももちろんよい。

この多孔体を形成する材料としては、緻密な材料を任意
に選ぶことができるが、具体的には金属質、セラミック
質、ガラス質等の材料またはその複合材料がよい。

中でも耐火物、陶磁器、ガラス、炭素材料などの無機材
料または金属材料が好ましく、この無機材料は例えばカ
ーボン、ムライト、コージェライト、シリカ、ジルコ
ン、シリカ−アルミナ、シリマナイト、ジルコニア、ジ
ルコンムライト、スピネル、ジルコニア−スピネル、チ
タニア、アルミナ、粘土、ベリリア、アルミナ−チタネ
ート、ムライト−アルミナチタネート、マグネシア−ア
ルミナチタネート、ゼオライト、バイコールガラス、炭
化ケイ素、窒化ケイ素、LaCoO₃、La-Sr-CoO₃、Sr-Ce-Y-
O、Sr-Ce-Zn-O、BaTiO₃、GaAs、ZrO₂‐CaO、ZnO、Sn
O₂、Fe₂O₃、SrTiO₃、PbO-ZrO₂-TiO₂、LiTaO₃、LaCrO₃、
GaP、CBN、ZrC、ZrO₂-Y₂O₃、TaC、GaAsP、LaB₆等および
これらの組み合せより成る材料、また、金属材料はアル
ミニウム、銅、鉄などが、押出成形によって比較的容易
にこの多孔体を一体的に製造できるので、好ましい材料
である。押出成形後に一部穴加工することでハニカム多
孔体としての図４に示す改質器本体30が得られる。

またこの多孔体の貫通孔の断面形状はどのような形状で
もよいが、特に円、楕円、三角形、四角形、五角形、六
角形等が好ましい。

前述した第２の通路の内壁にはニッケルを主成分とする
改質用触媒の表層が形成されている。改質用触媒の成分
はニッケル質に限定されるものではない。

このような燃料改質器76は、第１図に示すように通路21
から改質ガスを排出し、その改質ガスのもつ熱を第１の
熱交換器22にて燃料ガスに与え、熱を奪われた改質ガス
がCO変成器77に送られる。一方、第１の熱交換器22にて
改質ガスのもつ熱を奪った燃料ガスは、通路20を経て第
２の熱交換器23に流入される。そして燃料ガスは改質器
本体30の第１の通路から排出された燃料排ガスから熱を
奪い、昇温した状態で通路24より改質器本体30に送られ
る。一方第２の熱交換器23にて熱を奪われた燃料排ガス
は通路25から外部に排出される。

昇温された燃料ガスが通路24から改質器本体30に第２図
または第３図に示す矢印ＣおよびＥ方向から流入される
と、第２の通路にて改質用触媒による改質反応を生じ、
改質ガスに変換されて矢印ＤおよびＦ方向から流出し、
通路21から第１の熱交換器22を経て次のCO変成器77に送
られる。

一方改質器本体30の貫通孔10からなる第１の通路を矢印
ＡからＢ方向に流通される接触燃焼用ガスは、燃料供給
源としての混合気35から供給される。この接触燃焼用ガ
スを供給するのは、改質器本体30で生じる改質反応が吸
熱反応であり、多量の熱を必要とするからである。

この実施例では、通常のハニカム構造体よりも熱移動、
物質移動等のための接触面積の広い前述した特種構造を
もつ多孔体を用いているため、熱交換効率、反応効率等
の効率を飛躍的に上昇させ、改質反応を促進する。これ
により、同一熱効率、同一反応効率を保持しつつ、燃料
改質装置76の小型化を図ることができる。したがって、
小型な燃料改質装置であっても接触燃焼用触媒による加
熱作用と相俟って改質用触媒による改質能力は極めて高
いという効果がある。この実施例では、第１の熱交換器
22および第２の熱交換器23を用いて燃料ガスをあらかじ
め昇温させた状態で改質器30に流入させるとともに、発
熱反応の熱を効率的に燃料ガスの昇温に用い、改質反応
を促進することができるという効果がある。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の燃料電池システムの燃料
改質装置によれば、改質反応により発生する改質ガスの
もつ熱を効率よく燃料ガスの昇温に用い、かつハニカム
構造多孔体からなる改質器中の触媒接触燃焼の燃焼ガス
のもつ熱により昇温された燃料ガスを接触面積の大きな
多孔体に効率よく改質触媒反応をさせるようにしたの
で、燃料ガスを改質ガスへ効率よく変換することがで
き、改質装置の容量の小型化を図ることができるという
効果がある。しかも、バーナ加熱に比較して改質用触媒
が等温度にかつ迅速に加熱される。また、低い圧力損失
であるため、ブロワを小型化することができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の燃料改質装置の改質器
の積層状態を表わす概略構成図、第２図はその燃料改質
装置を表わす概略斜視図、第３図はその燃料改質装置の
燃料ガスの流路を表わすシステム図、第４図および第５
図は本発明の実施例における多孔体の具体例の外観を示
す説明図、第６図は第４図のＭ−Ｍ′の断面を示す説明
図、第７図は第６図の部分拡大断面図、第８図は従来の
燃料改質装置を表わす概略構成図、第９図は本発明を適
用したリン酸型燃料電池システムの回路構成を表わす回
路図である。 10……貫通孔（第１の通路）、12……外壁、13、14……
開口、15……隔壁、16……連結壁、17……第２の通路、
22……第１の熱交換器、23……第２の熱交換器、30……
改質器本体、76……燃料改質器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】押出成形により成形される押出成形体を一
部穴加工して製造される押出成形ハニカム状多孔体であ
って、（イ）隔壁より囲まれる多数のそれぞれ独立した貫通孔
からなる第１の通路と、この第１の通路から隔壁を介して隔離され、互いに隣接
する隔壁を連結する連結壁により区分形成される第２の
通路とを有するとともに、（ロ）前記第１の通路または第２の通路のうちの一方の
通路内壁に担持され、燃料ガスを改質ガスに変換する改
質用触媒と、前記第１の通路または第２の通路のうちの他方の通路内
壁に担持され、接触燃焼用ガスを接触燃焼させる接触燃
焼用触媒とを設けたハニカム状多孔体を備えたことを特
徴とする燃料電池システムの燃料改質装置。
【請求項２】前記改質用触媒が担持される通路から流出
される改質ガスから熱を奪い、該通路に流入する燃料ガ
スに熱を与える第１の熱交換器と、前記接触燃焼用触媒と接触燃焼させる接触燃焼用ガスを
供給する接触燃焼ガス供給源と、前記接触燃焼用触媒が担持される通路から排出される接
触燃焼排ガスから熱を奪い、前記改質用触媒が担持され
る通路に流入する燃料ガスに熱を与える第２の熱交換器
と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池シ
ステムの燃料改質装置。