JP4245340B2 - 燃料電池用改質器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用改質器に関するものであり、さらに詳しくは、都市ガスなどの原料炭化水素系燃料ガスの水蒸気改質により水素リッチガスを生成して燃料電池などに供給する家庭用の電気出力が１ｋｗ級の燃料電池システムを念頭においた燃料電池用改質器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、都市ガスなどの原料炭化水素系燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチガスを生成し、得られた水素リッチガスの化学エネルギーを燃料電池によって直接電気エネルギーに変換するシステムが知られている。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を燃料とするものであり、この水素の生成には、天然ガスなどの炭化水素成分、メタノールなどのアルコール、あるいはナフサなどの分子中に水素原子を有する有機化合物を原料とし、水蒸気で改質する方法が広く用いられている。このような水蒸気を用いた改質反応は吸熱反応である。このため、水蒸気改質を行う改質器は、改質反応に必要な熱量を改質用触媒に与えて高温に維持する必要がある。
【０００４】
図４に従来の燃料電池用水素発生装置を示す（例えば、特許文献１参照）。燃料電池用水素発生装置３０は、原料炭化水素系燃料ガスと水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒３１を具備した改質管３２と、燃料ガスを改質管３２に供給する燃料供給部３３と、水を改質管３２に供給する水供給部３４と、燃焼管３５での燃焼用燃料の燃焼により改質反応に必要な熱量を与える加熱手段３６と、改質管３２から流出する改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変成するＣＯ変成器３７と、ＣＯ変成器３７から流出する変成ガス中に含まれる一酸化炭素を空気または酸素と反応させて二酸化炭素にする選択酸化触媒を具備した図示しないＣＯ除去器とを備えている。
図中Ｓは改質用触媒層断面積（例えば、管径などから誘導される改質用触媒層のガス流れ方向の断面積）、Ｌは改質用触媒層のガス流れ方向の長さを示す。
【０００５】
原料炭化水素系燃料ガスは、水蒸気が添加された後に燃料供給部３３から改質管３２に送られる。水蒸気は、水蒸気発生器３８によりシステム内を流れる冷却水などの水が、例えば加熱手段３６で予熱され燃料電池装置の排熱と熱交換されることによって生成される。水蒸気が添加された燃料ガスは改質管３２の改質用触媒３１と接触して触媒反応（およそ７００℃、吸熱反応）により水素に富むガス（水素リッチガス）に水蒸気改質する。生成された水素リッチガスは一酸化炭素を含んでいるため、ＣＯ変成器３７にて余剰の水蒸気との反応（およそ２００〜３００℃、発熱反応）により一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。ＣＯ変成器３７から流出する変成ガス中に含まれる一酸化炭素を図示しないＣＯ除去器の選択酸化触媒と接触させて空気または酸素と反応（およそ１００〜２００℃、発熱反応）させて二酸化炭素にして、一酸化炭素濃度の低い水素リッチガスに改質する。上記のようにして得られた水素リッチガスは、燃料電池３９の水素極３９ａに連続的に供給されて、空気極３９ｂに供給される空気との間で電池反応を起こして発電する。燃料ガスまたは燃料電池３９から排出される未反応水素ガスなどの燃焼用燃料を燃焼するバーナ４０などからなる加熱手段３６を改質管３２に取り付け、燃焼管３５内での燃焼により改質管３２における改質反応に必要な熱量を与え、改質用触媒３１の温度を昇温し触媒作用を高めている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２８１３１３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、改質器で行う改質反応に必要な熱量を改質用触媒に与えて適正な高温に維持して高ガス空間速度で改質反応を行っても高温度に対応する高改質率が得られ長期安定性に優れた燃料電池用改質器を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の燃料電池用改質器は、水素原子を分子中に有する有機化合物を含有する都市ガスあるいはメタンと水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を具備し、前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段を備えた燃料電池用改質器において、
［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］を０．３〜０．８とするとともに、［改質用触媒層長さＬ／改質用触媒層断面積Ｓ］を７〜３８とし、ガス空間速度１０００ｈｒ-1以下で改質反応を行うことを特徴とする。
【００１３】
燃料電池用改質器において、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］を０．３〜０．８とするとともに、Ｌ／Ｓを７〜３８とすることにより、改質器で行う改質反応に必要な熱量を改質用触媒により十分に与えて適正な高温に維持して高ガス空間速度で改質反応を行っても高温度に対応する高改質率が得られる。さらに、電気出力が１ｋｗ級の家庭用燃料電池システムで要求されるコンパクトさも兼ね備えることになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（１）改質率と［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の関係について
なお、伝熱面積とは、改質用触媒が改質管と実質的に接触している部分で、その部分を通して熱の授受を行っている部分の面積を示す。
２重円筒管構造の改質器を用いて［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比を（０．３〜１．３）に変化させて下記の改質反応条件でガス空間速度（ＧＨＳＶ＝ガス量（ｃｍ3 ／ｈｒ）／触媒量（ｃｍ3 ））５００ｈｒ-1、１０００ｈｒ-1の場合について改質率（％）を求めた結果を図１に示す。
改質用触媒：貴金属系触媒（粒径約１．５〜２．５ｍｍのものと粒径約２．５を超え３．５ｍｍものを使用した。）
［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比が０．３〜０．５の場合は粒径約１．５〜２．５ｍｍのものを使用し、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比が０．５を超え１．３の場合は粒径約２．５を超え３．５ｍｍのものを使用した。
燃料ガス：メタン
改質管内径：４０ｍｍ
改質用触媒層長さ（Ｌ）：１８ｃｍ
［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］：０．３〜１．３
Ｓ／Ｃ：２．５
改質器温度：７００℃（改質器のガス出口温度を制御した）
ただし、改質率は改質反応後のガス組成を分析した結果を用いて下記式で計算した（上記の改質反応条件における理論改質率は９４．８％である）。
【００１５】
改質率（％）＝［（ＣＯ2 ＋ＣＯの濃度）／（ＣＯ2 ＋ＣＯ＋ＣＨ4 の濃度）］×１００
【００１６】
図１から、ガス空間速度が５００ｈｒ-1では、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比が０．３から０．８の範囲でほぼ理論改質率が得られ、ガス空間速度が１０００ｈｒ-1では、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比が０．３から０．７の範囲でほぼ理論改質率が得られることが判る。
以上から［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比は０．３〜０．８、望ましくは０．３〜０．７の範囲が好ましいことが判る。
ここで、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比が０．３未満であると改質管の触媒層厚みが低減し、触媒粒径が１．５〜２．５ｍｍのものを使用しても触媒充填率が低下するので好ましくない。
【００１７】
（２）改質率とＬ／Ｓの関係について
２重円筒管構造の改質器を用いて改質用触媒量５５０ｃｍ3 と一定にして、Ｌ／Ｓを（２〜３８）に変化させて下記の改質反応条件でガス空間速度５００ｈｒ-1、１０００ｈｒ-1の場合について改質率（％）を求めた結果を図２に示す。
改質用触媒：貴金属系触媒（粒径約１．５〜２．５ｍｍのものと粒径約２．５を超え３．５ｍｍものを使用した。）
［Ｌ／Ｓが２〜２０の場合は、粒径約１．５〜２．５ｍｍのものを使用し、Ｌ／Ｓが２０を超え３８の場合は、粒径約２．５を超え３．５ｍｍのものを使用した。
燃料ガス：メタン
改質管内径：４０ｍｍ
触媒量：５５０ｃｍ3
Ｌ／Ｓ：２〜３８
Ｓ／Ｃ：２．５
改質器温度：７００℃（改質器のガス出口温度を制御した）
図２から、ガス空間速度が５００ｈｒ-1では、Ｌ／Ｓが７から３８の範囲でほぼ理論改質率が得られ、ガス空間速度が１０００ｈｒ-1では、Ｌ／Ｓが１０から３８の範囲でほぼ理論改質率が得られることが判る。
ここでＬ／Ｓが３８を超えると、本試験では家庭用の電気出力１ｋｗの燃料電池システムを念頭におき、触媒量を５５０ｃｍ3 に一定にしたため、触媒層の厚みを１ｍｍ変化させただけでＬ／Ｓが大きく変化し、また、改質管触媒層長さが５ｃｍを超えたため、コンパクト性に欠けると判断し、実際に使用可能なＬ／Ｓの上限値は３８程度までである。
以上からＬ／Ｓは７〜３８、望ましくは１０〜３８の範囲が好ましいことが判る。
【００１８】
（３）改質率と［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］およびＬ／Ｓの関係について
２重円筒管構造の改質器を用いて改質用触媒量５５０ｃｍ3 と一定にして、Ｌ／Ｓを（２〜３８）に変化させ、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2）］を（０．４〜１．３）に変化させて下記の改質反応条件でガス空間速度１０００ｈｒ-1の場合について改質率（％）を求めた結果を図３に示す。
改質用触媒：貴金属系触媒（粒径約１．５〜２．５ｍｍのものと粒径約２．５を超え３．５ｍｍものを使用した）
［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比が０．４〜０．５の場合は粒径約１．５〜２．５ｍｍのものを使用し、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比が０．５を超え１．３の場合は粒径約２．５を超え３．５ｍｍのものを使用した。
［Ｌ／Ｓが２〜２０の場合は、粒径約１．５〜２．５ｍｍのものを使用し、Ｌ／Ｓが２０を超え３８の場合は、粒径約２．５を超え３．５ｍｍのものを使用した。
燃料ガス：メタン
改質管内径：２０、２５、３０、４０、５０、６０ｍｍ
Ｓ／Ｃ：２．５
改質器温度：７００℃（改質器の出口温度を制御した）
【００１９】
図３において、丸、四角、三角、菱形、大きい丸、大きい四角はそれぞれ触媒管内径：２０、２５、３０、４０、５０、６０ｍｍの場合の試験結果を示すものであり、黒色は理論改質率（９４．８％）が得られたデータを示し、白抜きのものは理論改質率（９４．８％）が得られなかったことを示す。また図中×は改質器の高さが高くなり過ぎて小型化できず、家庭用の電気出力１ｋｗの燃料電池システムでは実用的でないと考え、設計のみで試験していないことを示す。
この試験では（改質用触媒量５５０ｃｍ3 と一定とした）、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］が０．４以下では改質器の高さが高くなり過ぎて小型化できず、実用的でないので、０．３の試験は行っていない。
【００２０】
［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］が０．４〜０．８の範囲でＬ／Ｓが７〜３８の範囲で理論改質率が得られるが、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］が０．４〜０．８の範囲であっても、Ｌ／Ｓが３８を超えると理論改質率が得られないとともに改質器の高さが高くなり過ぎて小型化できず、実用的でない。
【００２１】
また、Ｌ／Ｄが７未満の条件でも理論改質率が得られているが、実際には触媒層長さが短くなりすぎ、少しの水蒸気量の変動やガス量の変動で改質率が変動する。さらに燃料ガスとしてメタンを用いて試験したが、実際のガス中にはイオウ成分が含まれるためイオウ被毒を考慮するとＬ／Ｄが７以上がよい。
図１〜３から、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］が０．３〜０．８の範囲で、かつＬ／Ｓが７〜３８の範囲とすることが重要であり、それにより、構造を簡単にして小型化できるとともに、改質器で行う改質反応に必要な熱量を改質用触媒により十分に与えて適正な高温に維持して高ガス空間速度で改質反応を行っても高温度に対応する高改質率が得られる。
なお、例えば［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］が０．３とは０．２５〜０．３４を示し、Ｌ／Ｓが３８とは３７．５〜３８．４を示すものである。
【００２２】
より長期安定性を高め、コンパクト性をよりよくするためには、［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］が０．４〜０．７の範囲で、かつＬ／Ｓが１０〜３８の範囲とすることが好ましい。
【００２３】
［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］の比が０．３未満では改質管の触媒層厚みが低減し、触媒充填率が低下し、改質器の高さが高くなり過ぎて小型化できず、０．８を超えると伝熱律速となり高改質率が得られない恐れがある。
【００２４】
Ｌ／Ｓの比が７未満では触媒層長さが短くなりすぎ、少しの水蒸気量の変動やガス量の変動で改質率が変動し、改質反応に必要な熱量を改質用触媒に十分に与えられず高改質率が得られない恐れがあり、Ｌ／Ｓが３８を超えると、触媒層の厚みを１ｍｍ変化させただけでＬ／Ｄが大きく変化し、また改質器の高さが高くなり過ぎて小型化できない恐れがある。
【００２５】
改質器の形式や材質などは特に限定されるものではなく、形式としては例えば図４に示したような２重管構造のもの、平板式構造のもの、多管式構造のものなどいずれでもよい。
改質器の材質はステンレススチールなど改質反応に支障をきたさないものであればいずれも使用できる。
加熱手段につては燃焼管での燃焼用燃料の燃焼により熱量を与える加熱手段の例を示したが、これに限定されるものではない。
【００２６】
上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の燃料電池用改質器は、水素原子を分子中に有する有機化合物を含有する都市ガスあるいはメタンと水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を具備し、前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段を備えた燃料電池用改質器において、
［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］を０．３〜０．８とするとともに、［改質用触媒層長さＬ／改質用触媒層断面積Ｓ］を７〜３８とし、ガス空間速度１０００ｈｒ-1以下で改質反応を行うことを特徴とするものであり、このようにすることにより、構造が簡単で安価で、より長期安定性に優れ、より小型化可能であり、改質器で行う改質反応に必要な熱量を改質用触媒により十分に与えて適正な高温に維持して高ガス空間速度で改質反応を行っても高温度に対応する高改質率が得られるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】改質率と［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］との関係を示すグラフである。
【図２】改質率（％）と［改質用触媒層長さＬ／改質用触媒層断面積Ｓ］との関係を示すグラフである。
【図３】［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］と［改質用触媒層長さＬ／改質用触媒層断面積Ｓ］との関係を示すグラフである。
【図４】従来の燃料電池用水素発生装置を示す説明図である。
【符号の説明】
３０ 燃料電池用水素発生装置
３１ 改質用触媒
３２ 改質管
３３ 燃料供給部
３４ 水供給部
３５ 燃焼管
３６ 加熱手段
３７ ＣＯ変成器
Ｓ 改質用触媒層断面積
Ｌ 改質用触媒層長さ
Claims (1)
- 水素原子を分子中に有する有機化合物を含有する都市ガスあるいはメタンと水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を具備し、前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段を備えた燃料電池用改質器において、
［改質用触媒量（ｃｍ3 ）／伝熱面積（ｃｍ2 ）］を０．３〜０．８とするとともに、［改質用触媒層長さＬ／改質用触媒層断面積Ｓ］を７〜３８とし、ガス空間速度１０００ｈｒ-1以下で改質反応を行うことを特徴とする燃料電池用改質器。
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