(57)【要約】【課題】水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱を原燃料の燃焼により供給する自己熱供給型燃料改質装置であって、原燃料の燃焼による発熱効率と、水蒸気との反応による原燃料の改質効率とを共に高い水準に維持できる改質装置を提供する。【解決手段】燃料の一部を不完全燃焼させて改質する第１燃料改質器と、燃料流に関して第１燃料改質器の下流に配設されて第１燃料改質器に連通し、燃料の残部を水蒸気と反応させて改質する第２燃料改質器とを備える。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の一部を不完全燃焼させて改質する第１燃料改質器と、燃料流に関して第１燃料改質器の下流に配設されて第１燃料改質器に連通し、燃料の残部を水蒸気と反応させて改質する第２燃料改質器とを備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置。
【請求項２】
燃料を完全燃焼させる燃焼器と、燃料流に関して燃焼器の下流に配設されて燃焼器に連通し、燃料の一部を不完全燃焼させて改質する第１燃料改質器と、燃料流に関して第１燃料改質器の下流に配設されて第１燃料改質器に連通し、燃料の残部を水蒸気と反応させて改質する第２燃料改質器と、燃焼器をバイパスして第１燃料改質器に接続するバイパス燃料流路とを備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置。
【請求項３】
第１燃料改質器と第２燃料改質器とが一体に組み付けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置。
【請求項４】
燃焼器と第１燃料改質器と第２燃料改質器とが一体に組み付けられていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００１−１８５１９５
セル構成材料にセラミックスや金属を用い、高温で作動する固体酸化物形燃料電池には、水素のみならず一酸化炭素をも燃料として利用できる、高温で作動するので白金触媒のような高価な貴金属触媒を使用しなくても電極反応が速やかに進行する等の利点があり、小型化によりモバイル型電子機器用電源、電動自転車用電源等への広い応用が可能になるものと期待されている。
固体酸化物形燃料電池の小型化実現手段として、ＬＰＧ（液化石油ガス）やＤＭＥ（ジメチルエーテル）等の原燃料から水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等の燃料を生成する燃料改質装置の小型化が挙げられる。固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置の小型化技術の方向性を示唆するものとして、特許文献１は、原燃料としてのメタノールの一部を燃料改質装置内で燃焼させると同時に燃料の残部を水蒸気と反応させ、水蒸気との反応によるメタノールの改質に必要な反応熱をメタノールの一部の燃焼により供給する自己熱供給型燃料改質装置を提案している。自己熱供給型燃料改質装置は、水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱を、熱交換器を介して燃料電池セルスタックの排ガスから供給する外部熱供給型燃料改質装置に比べて小型化が容易である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の自己熱供給型燃料改質装置には、単一の区画内で同一の触媒を用いて原燃料の燃焼と水蒸気との反応とを同時に行わせているので、原燃料の燃焼による発熱効率と、水蒸気との反応による原燃料の改質効率とを共に高い水準に維持できる保証が必ずしも無いという問題がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱を原燃料の燃焼により供給する自己熱供給型燃料改質装置であって、原燃料の燃焼による発熱効率と、水蒸気との反応による原燃料の改質効率とを共に高い水準に維持できる改質装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、燃料の一部を不完全燃焼させて改質する第１燃料改質器と、燃料流に関して第１燃料改質器の下流に配設されて第１燃料改質器に連通し、燃料の残部を水蒸気と反応させて改質する第２燃料改質器とを備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置を提供する。
水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱を原燃料の一部の燃焼により供給する自己熱供給型燃料改質装置は、水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱を、熱交換器を介して燃料電池セルスタックの排ガスから供給する外部熱供給型燃料改質装置に比べて小型化が容易である。
第１燃料改質器には原燃料の一部の不完全燃焼を高効率で実現する触媒を充填し、第２燃料改質器には原燃料の水蒸気との反応を高効率で実現する触媒を充填しておけば、原燃料の一部の不完全燃焼による発熱効率と、水蒸気との反応による原燃料の改質効率とを、共に高い水準に維持することができる。
【０００５】
本発明においては、燃料を完全燃焼させる燃焼器と、燃料流に関して燃焼器の下流に配設されて燃焼器に連通し、燃料の一部を不完全燃焼させて改質する第１燃料改質器と、燃料流に関して第１燃料改質器の下流に配設されて第１燃料改質器に連通し、燃料の残部を水蒸気と反応させて改質する第２燃料改質器と、燃焼器をバイパスして第１燃料改質器に接続するバイパス燃料流路とを備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置を提供する。
本明細書において、完全燃焼とは、空燃比が１未満で且つ１近傍、具体的には空燃比が０．９５〜０．９８での燃焼を意味する。空燃比とは、ある流量の燃料を理論的に完全燃焼させるのに必要な空気の流量Ａと実際に当該燃料に混合している空気の流量Ｂとの比、Ｂ／Ａを意味する。空燃比が１であれば、燃料は理論的に完全燃焼可能である。空燃比が０．９５〜０．９８での燃焼によって発生する燃焼ガスは僅かながら還元性を有する。従って、空燃比が０．９５〜０．９８での燃焼により、後続の燃料改質器に充填された触媒の酸化とセルの酸化とを防止し、且つ最大の熱量を発生させることができる。
本明細書において、不完全燃焼とは、完全燃焼での空燃比よりも低い空燃比での燃焼を意味する。不完全燃焼での空燃比は、燃料電池システムに必要な熱量、燃料改質器で発生するＨ２、ＣＯの量（これらは燃料、触媒の種類、量等により変化する）を勘案して決定される。
水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱を原燃料の一部の燃焼により供給する自己熱供給型燃料改質装置は、水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱を、熱交換器を介して燃料電池セルスタックの排ガスから供給する外部熱供給型燃料改質装置に比べて小型化が容易である。
第１燃料改質器には原燃料の一部の不完全燃焼を高効率で実現する触媒を充填し、第２燃料改質器には原燃料の水蒸気との反応を高効率で実現する触媒を充填しておけば、原燃料の一部の不完全燃焼による発熱効率と、水蒸気との反応による原燃料の改質効率とを、共に高い水準に維持することができる。
原燃料の完全燃焼に適した触媒を充填した燃焼器により原燃料を完全燃焼させ、燃焼排ガスを第１燃料改質器へ供給して第１燃料改質器内の触媒を活性化温度まで昇温させると共に第２燃料改質器内の触媒を予熱する。第１燃料改質器内の触媒が活性化温度まで昇温した時点で、燃焼器への原燃料の供給を停止し、バイパス燃料流路を介して原燃料を第１燃料改質器に直接供給する。燃焼器を使用して、第１燃料改質器内の触媒と第２燃料改質器内の触媒とを予熱することにより、第１燃料改質器内での原燃料の一部の不完全燃焼と、第２燃料改質器内での原燃料の残部と水蒸気との反応とを、原燃料の供給開始と同時に高効率で実現することができる。
【０００６】
本発明の好ましい態様においては、第１燃料改質器と第２燃料改質器とが一体に組み付けられている。
本発明の好ましい態様においては、燃焼器と第１燃料改質器と第２燃料改質器とが一体に組み付けられている。
第１燃料改質器と第２燃料改質器とを一体に組み付けることにより、或いは燃焼器と第１燃料改質器と第２燃料改質器とを一体に組み付けることにより、固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置を更に小型化することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例に係る固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置を説明する。
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置は、燃焼器１と、燃焼器に連通する第１燃料改質器２と、第１燃料改質器２に連通する第２燃料改質器３とを備えている。第１燃料改質器２は燃料流に関して燃焼器１の下流に配設され、第２燃料改質器３は燃料流に関して第１燃料改質器２の下流に配設されている。
燃焼器１には原燃料の完全燃焼を実現するのに適した触媒が充填されており、第１燃料改質器２には原燃料の一部の不完全燃焼を高効率で実現するのに適した触媒が充填されており、第２燃料改質器３には原燃料の残部の水蒸気との反応を高効率で実現するのに適した触媒が充填されている。燃焼器１と第１燃料改質器２と第２燃料改質器３とは一体に組み付けられている。
図示しない原燃料供給源から延びるに燃料パイプ４が燃焼器１に接続している。バイパス燃料パイプ５が燃料パイプ４から分岐し、燃焼器１をバイパスして第１燃料改質器２に接続している。バイパス燃料パイプ５の分岐部に三方弁６が配設されている。
燃料流に関して第２燃料改質器３の下流に、固体酸化物形燃料電池燃料電池のセルスタック７が配設されている。
【０００８】
固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置の作動を説明する。
改質装置起動時に、燃焼器１内に配設した図示しないヒーターに通電して燃焼器１内の触媒を活性化させ、次いで原燃料供給源から供給されるＬＰＧ、ＤＭＥ等の原燃料と、空気と、水蒸気との混合気体を、図１に矢印で示すように、三方弁６と燃料供給パイプ４とを介して燃焼器１に供給し、燃焼器１内で原燃料を完全燃焼させる。原燃料と空気との混合比を調整して、原燃料の完全燃焼を図る。高温の燃焼排ガスは、白抜矢印で示すように第１燃料改質器２、第２燃料改質器３へ供給されて、第１燃料改質器２内の触媒と、第２燃料改質器３内の触媒とを予熱する。燃焼排ガスは、更にセルスタック７へ供給されてセルスタック７を予熱する。
【０００９】
第１燃料改質器２内の触媒が活性化温度まで昇温すると、燃焼器１への原燃料の供給を停止し、三方弁６とバイパス燃料パイプ５とを介し、図１に二重矢印で示すように、燃焼器１をバイパスして第１燃料改質器２へ原燃料を直接供給する。原燃料と空気との混合比を調整して、原燃料の所望の一部を不完全燃焼させる。第１燃料改質器２内で下記の発熱反応により原燃料の一部が不完全燃焼して改質される。下記式中ＣｍＨｎは原燃料中の炭化水素である。
ＣｍＨｎ＋（ｍ／２）Ｏ２　→　ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ２
【００１０】
図１に二重白抜矢印で示すように、原燃料の残部と上記不完全燃焼により生成した一酸化炭素と水素とが第２燃料改質器３へ供給される。第２燃料改質器３内で下記式の吸熱反応により原燃料の残部が水蒸気と反応して改質される。
ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ　→　ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ／２）Ｈ２
第２燃料改質器３内での水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱は、第１燃料改質器２内での原燃料の一部の不完全燃焼により供給される。
【００１１】
図１に三重白抜矢印で示すように、第１燃料改質器２で生成した一酸化炭素と水素と、第２燃料改質器３で生成した一酸化炭素と水素とが、セルスタック７に供給される。セルスタック７内で一酸化炭素と水素とが別途供給された酸素と反応することにより発電される。
【００１２】
水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱を原燃料の一部の燃焼により供給する自己熱供給型燃料改質装置は、水蒸気との反応による原燃料の改質に必要な反応熱を、熱交換器を介して燃料電池セルスタックの排ガスから供給する外部熱供給型燃料改質装置に比べて小型化が容易である。
【００１３】
第１燃料改質器２には原燃料の一部の不完全燃焼を高効率で実現する触媒が充填され、第２燃料改質器３には原燃料の残部の水蒸気との反応を高効率で実現する触媒が充填されているので、原燃料の一部の不完全燃焼による発熱効率と、原燃料の残部の水蒸気との反応による改質効率とを、共に高い水準に維持することができる。
【００１４】
燃焼器１を使用して、第１燃料改質器２内の触媒と第２燃料改質器３内の触媒とを予熱するので、第１燃料改質器２内での原燃料の一部の不完全燃焼と、第２燃料改質器３内での原燃料の残部と水蒸気との反応とを、原燃料の供給開始と同時に高効率で実現することができる。
【００１５】
燃焼器１と第１燃料改質器２と第２燃料改質器３とが一体に組み付けられることにより、固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置が小型化されている。
【００１６】
【発明の効果】
上記説明から分かるように、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置においては、第１燃料改質器２には原燃料の一部の不完全燃焼を高効率で実現する触媒が充填され、第２燃料改質器３には原燃料の残部の水蒸気との反応を高効率で実現する触媒が充填されているので、原燃料の一部の不完全燃焼による発熱効率と、原燃料の残部の水蒸気との反応による改質効率とが、共に高い水準に維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る固体酸化物形燃料電池用燃料改質装置の機器構成図である。
【符号の説明】
１　燃焼器
２　第１燃料改質器
３　第２燃料改質器
４　燃料パイプ
５　バイパス燃料パイプ
６　三方弁
７　セルスタック
【図１】
2004119356.tif 000003