(57)【要約】【課題】脈動を生じることなく安定して改質用水蒸気が得られ、均一な組成の改質ガスの生成を可能とするものを得る。【解決手段】中間筒２の外面に発泡金属４からなる液体保持手段を配し、その上部に配した改質蒸気用水供給口より改質蒸気用水を供給するとともに、中間筒２の内面に沿って高温の燃焼排ガスを流し、伝熱により発泡金属４を加熱して改質蒸気用水を蒸発させ、原燃料供給口９より供給され、発泡金属４に接して流れる原燃料に、発泡金属４より蒸発した水蒸気を混合して改質原燃料取出し口１０より取出す。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料の炭化水素ガスを水蒸気改質する改質器と、得られた改質ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池本体とを備える燃料電池発電装置の改質蒸気発生器で、
内面に沿って流れる加熱媒体により加熱される中空円筒と、中空円筒の外面に接して配された液体保持手段と、該液体保持手段へ改質蒸気用水を供給する導入口と、該液体保持手段の外側に空間を有して同心状に配された外筒とを備え、かつ、前記液体保持手段が少なくとも外周に複数の通気可能な開口を有し、かつ、原燃料の炭化水素ガスが前記中空円筒と外筒との間の空間を液体保持手段の前記開口に接して通流する改質蒸気発生器。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電装置の改質蒸気発生器において、前記の液体保持手段が発泡金属よりなることを特徴とする改質蒸気発生器。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池発電装置の改質蒸気発生器において、前記の液体保持手段が金網の積層体よりなることを特徴とする改質蒸気発生器。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池発電装置の改質蒸気発生器において、前記の液体保持手段が中空円筒の外面に巻回された帯状の金属薄板なることを特徴とする改質蒸気発生器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池発電装置の改質蒸気発生器において、中空円筒の内面に沿って流れる加熱媒体が改質器のバーナーより排出される燃焼排ガスであることを特徴とする改質蒸気発生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質器で改質されたガスを燃料ガスとして用いる燃料電池発電装置において、改質用の蒸気を得るために組込まれる改質蒸気発生器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率での変換が可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（燃料極）に水素を含有する燃料ガスを供給し、もう一方の電極（空気極）に酸素を含有する酸化ガスを供給して、両極間で起きる電気化学反応により起電力を得るものが挙げられる。このとき、燃料極では次式（１）の反応が、また、空気極では次式（２）の反応が生じ、全体では、次式（３）の反応が進行することとなる。
【０００３】
【化１】
Ｈ２　　→　２Ｈ＋　＋　２ｅ−　　　　　　　　　　（１）
（１／２）Ｏ２　＋２Ｈ＋　＋２ｅ−　→　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　　　（２）
Ｈ２　＋　（１／２）Ｏ２　→　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　　　（３）
燃料電池は使用する電解質の種類により分類されるが、そのうち、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。このため、これらの燃料電池では、通常、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。
【０００４】
したがって、これらの燃料電池を用いる燃料電池発電装置には、改質器および一酸化炭素変成器が備えられており、この改質器および一酸化炭素変成器において原燃料が改質され、燃料ガスが生成されている。次式（４）はメタンの改質反応を示したものである。
【０００５】
【化２】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ＋３Ｈ２　　＋２０６．１４［ｋＪ／ｍｏｌ］　　　（４）
式（４）に示されているごとく、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼させて得た高温の燃焼排ガスによって粒状改質触媒を　６００〜７００℃に保持し、この粒状改質触媒に水蒸気を添加したメタンを通流させることによって水素に富む改質ガスが生成される。この改質ガスには一酸化炭素が含まれているため、一酸化炭素変成器に送られて、一酸化炭素の濃度が１％以下に低減される。
【０００６】
リン酸型燃料電池の場合には、上記の一酸化炭素変成器によって一酸化炭素の濃度が１％以下に低減された改質ガスが燃料ガスとして用いられ、燃料電池へ供給されて発電が行われる。これに対して、固体高分子型燃料電池の場合には、その動作温度が　６０〜８０℃と低いため、改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、これが触媒毒となって性能が劣化するので、さらに一酸化炭素除去器に送り、一酸化炭素の含有量を　１０　ｐｐｍ　以下に低減させて使用される。
【０００７】
なお、リン酸型燃料電池の場合には、動作温度が約　１６０℃と高いので、その発熱を利用して改質用の水蒸気を発生させることができるが、固体高分子型燃料電池の場合には、前述のように動作温度が　６０〜　８０℃と低く、この発熱量によって改質用の水蒸気を発生させることはできないため、改質系に蒸気発生機能を組み込んで改質用の水蒸気を得ている。
【０００８】
図３は、従来のこの種の燃料電池発電装置のガス系統のフロー図である。脱硫器３１によって硫黄分を取り除かれた原燃料は、改質蒸気用水と混合されたのち、改質蒸気発生器３２に供給され、原燃料に改質蒸気用水より得られた水蒸気が混合されて改質器３３へと送られ、式（４）に示した水蒸気改質反応によって水素リッチの改質ガスへと改質される。得られた改質ガスは、一酸化炭素変成器３４において一酸化炭素変成反応により一酸化炭素の濃度が１％以下に低減され、水素濃度が高められる。得られたガスは、さらに一酸化炭素除去器３５へと送られ、一酸化炭素選択酸化反応により一酸化炭素の含有量が　１０　ｐｐｍ　以下に低減されたのち、燃料電池本体３６の燃料極へと供給される。電気化学反応に使用されたのち、燃料極から排出された燃料極オフガスは、改質器３３のバーナー３３ａへと送られ、ブロワ３７により導入された燃焼空気と混合され、燃焼される。この燃焼熱により吸熱反応である水蒸気改質反応に必要な熱量が賄われ、所定の運転温度に維持される。バーナー３３ａより排出される燃焼排ガスは改質蒸気発生器３２へと導入され、改質蒸気用水からの水蒸気生成に用いられる。
【０００９】
図４は、従来のこの種の改質蒸気発生器の基本構成を示す縦断面図である。図に見られるように、本改質蒸気発生器は、ラセン状パイプ４３を巻回した中空の内筒４１とその外側に配した外筒４２とからなる二重円筒構造に構成されており、下端には内筒４１と外筒４２との間の空間に燃焼排ガスを供給する燃焼排ガス供給口４７が、また上端には内筒４１と外筒４２との間の空間を流れた燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出口４５が備えられている。また、ラセン状パイプ４３の上端と下端には、それぞれ原燃料と改質蒸気用水の導入口４６と排出口４４が備えられている。本構成において、導入口４６よりラセン状パイプ４３へと原燃料と改質蒸気用水との混合流体を導入し、燃焼排ガス供給口４７から高温の燃焼排ガスを供給すると、大半の燃焼排ガスはラセン状パイプ４３に沿って内筒４１と外筒４２との間の空間をらせん状に流れながらラセン状パイプ４３を加熱することとなる。したがって、ラセン状パイプ４３中を流れる混合流体は下方に行くにしたがって温度が上昇し、改質蒸気用水は順次蒸発して水蒸気となり、改質蒸気に富んだ原燃料が排出口４４より取り出されることとなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、固体高分子型燃料電池では、動作温度が低く、この発熱量によって改質用の水蒸気を発生させることはできないため、改質系に図４のごとき構成の改質蒸気発生器を組込んで改質用の水蒸気を発生させ、原燃料とともに改質器に送って水蒸気改質を行っている。
【００１１】
しかしながら、図４に示した従来の改質蒸気発生器においては、加熱されたラセン状パイプ４３中に原燃料と改質蒸気用水との混合流体を流して改質蒸気用水を蒸発させる方法を採っているので、ラセン状パイプ４３が未蒸発の改質蒸気用水によって部分的に閉塞する場合があり、このようにラセン状パイプ４３が部分的に閉塞すると、その上流側で蒸発により生じた水蒸気の圧力によって閉塞した未蒸発の改質蒸気用水が急激に押出され、間欠的な脈動が生じることとなる。このように脈動が生じると、原燃料と改質蒸気用水との割合が一定の混合流体を導入口４６より導入しても、排出口４４では水蒸気の流量が変動するので、得られる混合流体のスチームとカーボンとの比が変動し、改質器で得られる改質ガスの組成が変動して燃料電池本体の特性に悪影響を及ぼし、寿命低下を引き起こす危険性がある。
【００１２】
本発明の目的は、改質蒸気用水から脈動を生じることなく安定して改質用水蒸気が得られ、水蒸気改質反応により均一な組成の改質ガスの生成を可能とする燃料電池発電装置の改質蒸気発生器を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
原燃料の炭化水素ガスを水蒸気改質する改質器と、改質器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池本体とを備える燃料電池発電装置の改質蒸気発生器を、
（１）内面に沿って流れる加熱媒体、例えば改質器のバーナーより排出される燃焼排ガスにより加熱される中空円筒と、中空円筒の外面に接して配された液体保持手段と、この液体保持手段へ改質蒸気用水を供給する導入口と、液体保持手段の外側に空間を有して同心状に配された外筒とを備えて構成し、さらに、上記の液体保持手段の少なくとも外周に複数の通気可能な開口を備え、かつ、原燃料の炭化水素ガスを中空円筒と外筒との間の空間に液体保持手段の上記の開口に接して通流させることとする。
【００１４】
（２）さらに、上記（１）の改質蒸気発生器において、液体保持手段を、発泡金属、あるいは金網の積層体、あるいは中空円筒の外面に巻回された帯状の金属薄板より構成することとする。
燃料電池発電装置の改質蒸気発生器を上記の（１）のごとく構成すれば、導入口より中空円筒の外面に接して配された液体保持手段へと供給された改質蒸気用水は、中空円筒の内面に沿って流れる加熱媒体からの伝熱によって蒸発し、得られた水蒸気は液体保持手段の外周に設けられた複数の通気可能な開口より放出され、中空円筒と外筒との間の空間を液体保持手段の上記の開口に接して通流する原燃料の炭化水素ガスへと混合されることとなる。したがって、従来例に見られたごとき流路の液体による閉塞を生じる危険性がなく、均一な混合割合の原燃料と改質蒸気の混合流体を安定して得ることができる。
【００１５】
また、（２）のごとく液体保持手段を構成すれば、導入された改質蒸気用水が効果的に保持され、かつ蒸発した水蒸気が効果的に放出される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池発電装置の改質蒸気発生器の実施の形態を例を挙げて説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではなく、同一の原理に基づく構成に広く適用されるものである。
＜実施例１＞
図１は、本発明の改質蒸気発生器の第１の実施例の基本構成を示す縦断面図である。図において、１は内筒、２は中間筒、３は外筒であり、４は、中間筒２の外面に接して配された液体保持手段としての発泡金属である。また、５は、内筒１と中間筒２の間にラセン状に巻回されたラセン棒で、下端の燃焼排ガス供給口６より供給され、上端の燃焼排ガス排出口７より排出される燃焼排ガスを中間筒２の内面に沿ってラセン状に通流させるガイドの役割を果たすものである。また、８は、改質蒸気用水を液体保持手段としての発泡金属４に供給するための改質蒸気用水供給口であり、９は原燃料供給口、１０は水蒸気を含んだ原燃料を取出す改質原燃料取出し口である。
【００１７】
本構成において、改質蒸気用水供給口８より改質蒸気用水を供給して発泡金属４に含浸、保持させ、燃焼排ガス供給口６より燃焼排ガスを供給し、中間筒２の内面に沿ってラセン状に通流させると、高温の燃焼排ガスからの伝熱によって発泡金属４の温度が上昇し、沸点を越えるとともに発泡金属４に保持された改質蒸気用水が順次蒸発して水蒸気が外側の空間へと放出される。このため、原燃料供給口９より供給された原燃料には、発泡金属４に接して流れるにしたがって水蒸気が混合され、水蒸気を含んだ改質原燃料が改質原燃料取出し口１０より得られることとなる。本構成では、原燃料の流路に改質蒸気用水が存在しないので、閉塞する恐れがなく、スチームとカーボンとの混合比が一定の混合流体を安定して得ることができる。
【００１８】
なお、本実施例においては液体保持手段として発泡金属４を用いているが、発泡金属４に替わって金網の積層体を組込むこととしても、同様の効果が得られることは、その基本的構成から容易に類推される。
＜実施例２＞
図２は、本発明の改質蒸気発生器の第２の実施例の基本構成を示す縦断面図である。本実施例の構成の図１に示した第１の実施例の構成との相違点は、第１の実施例で用いられていた発泡金属４に替わって、中間筒２の外面に巻回された帯状の金属薄板１２が液体保持手段として用いられている点にある。
【００１９】
本構成の改質蒸気発生器において、改質蒸気用水供給口８より改質蒸気用水を供給すると、改質蒸気用水は、隣接する帯状の金属薄板１２の間に形成される隙間を重力によって落下してラセン状に流れながら、中間筒２からの伝熱により加熱された金属薄板１２の熱を受けて順次蒸発し、生じた水蒸気は帯状の金属薄板１２の外側へと放出され、原燃料供給口９より供給された原燃料に混合されて、改質原燃料取出し口１０より取出される。したがって、本構成においても、改質蒸気用水によって原燃料の流路が閉塞される恐れがなく、第１の実施例の構成の場合と同様に、スチームとカーボンとの混合比が一定の混合流体を安定して得ることができる。
【００２０】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、
原燃料の炭化水素ガスを水蒸気改質する改質器と、改質器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池本体とを備える燃料電池発電装置の改質蒸気発生器を、
内面に沿って流れる加熱媒体、例えば改質器のバーナーより排出される燃焼排ガスにより加熱される中空円筒と、中空円筒の外面に接して配された液体保持手段、例えば、発泡金属、あるいは金網の積層体、あるいは中空円筒の外面に巻回された帯状の金属薄板より構成される液体保持手段と、この液体保持手段へ改質蒸気用水を供給する導入口と、液体保持手段の外側に空間を有して同心状に配された外筒とを備えて構成し、さらに、上記の液体保持手段の少なくとも外周に複数の通気可能な開口を備え、かつ、原燃料の炭化水素ガスを中空円筒と外筒との間の空間に液体保持手段の上記の開口に接して通流させることとしたので、
従来例に見られたごとき流路の液体による閉塞の危険性が排除され、均一な混合割合の原燃料と改質蒸気の混合流体を安定して得ることが可能となり、水蒸気改質反応により均一な組成の改質ガスの生成を可能とする燃料電池発電装置の改質蒸気発生器が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質蒸気発生器の第１の実施例の基本構成を示す縦断面図
【図２】本発明の改質蒸気発生器の第２の実施例の基本構成を示す縦断面図
【図３】従来のこの種の燃料電池発電装置のガス系統のフロー図
【図４】従来のこの種の改質蒸気発生器の基本構成を示す縦断面図
【符号の説明】
１　　内筒
２　　中間筒
３　　外筒
４　　発泡金属
５　　ラセン棒
６　　燃焼排ガス供給口
７　　燃焼排ガス排出口
８　　改質蒸気用水供給口
９　　原燃料供給口
１０　　改質原燃料取出し口
１２　　金属薄板（帯状）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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