(57)【要約】【課題】燃焼用空気の流体圧力損失を低減した空気予熱器を備え、全体として構成がシンプルでコンパクト性に優れ、かつエネルギ効率の高い燃料改質器を提供し、もって、燃料電池発電装置の発電効率の向上とコスト低減を図る。【解決手段】炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼用の燃料供給路と燃焼用空気路とを有し、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、燃焼用空気をバーナの燃焼排ガスにより予熱する空気予熱部とを備えた燃料改質器において、バーナ６は中空円筒状の燃焼筒１８を有し、燃焼筒の外側であって燃焼筒の軸心と同心円筒状に、燃焼排ガスの排出路１７を介して改質触媒層３を設け、さらに、燃焼筒の内側であって燃焼筒の軸心と同心円筒状に、燃焼用空気路（１６）を設けて、前記燃焼排ガスによる空気予熱部２０を形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼用の燃料供給路と燃焼用空気路とを有し、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、前記燃焼用空気を前記バーナの燃焼排ガスにより予熱する空気予熱部とを備えた燃料改質器において、
前記バーナは中空円筒状の燃焼筒を有し、前記燃焼筒の外側であって燃焼筒の軸心と同心円筒状に、前記燃焼排ガスの排出路を介して前記改質触媒層を設け、さらに、前記燃焼筒の内側であって燃焼筒の軸心と同心円筒状に、前記燃焼用空気路を設けて、前記燃焼排ガスによる空気予熱部を形成したことを特徴とする燃料改質器。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料改質器において、前記バーナの燃焼部は前記中空円筒状の燃焼筒内の軸方向のほぼ中央部に設け、前記空気予熱部は、前記燃焼部より下方の燃焼筒内壁に沿って設けられ、前記下方の燃焼筒外壁に沿う前記燃焼排ガス排出路における燃焼排ガスは、空気予熱と改質触媒加熱とを同時に行なう構成としたことを特徴とする燃料改質器。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料改質器において、前記燃焼筒の軸方向下部に、下方から、前記燃焼用空気入口，燃焼排ガス出口，改質用燃料および改質用水蒸気の入口を順次設けたことを特徴とする燃料改質器。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料改質器において、前記各部材または各入口・出口の、前記軸方向の位置関係は、上と下とを全て逆に代えて、天地を逆に構成したことを特徴とする燃料改質器。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料改質器を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、メタンガス等の炭化水素系燃料を水蒸気改質する燃料改質器、およびこの燃料改質器を備えた燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
雰囲気ガスとして水素を用いる工業用装置や燃料電池発電装置などにおいては、水素発生装置が必要で、この水素発生装置は、メタンガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノールなどの原燃料ガスを水蒸気とともに触媒層を通過させることにより水素リッチな改質ガスを生成する改質器を備える。
【０００３】
燃料電池発電装置は、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が実現可能である。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（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。
【０００４】
燃料電池は、使用する電解質の種類により分類されるが、これらの燃料電池の中で、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剤ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常これらの燃料電池では、空気を酸化剤ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素リッチなガスを燃料ガスとして用いている。
【０００５】
そのため、この様な燃料電池を備える燃料電池発電装置においては、改質器および一酸化炭素変成器が設けられており、この改質器および一酸化炭素変成器において原燃料の改質を行ない燃料ガスを生成している。下記の式（１）は、改質器におけるメタンの改質反応について示す。なお、メタンは天然ガスの主成分である。
【０００６】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ  （＋２０６．１４  ＫＪ／ｍｏｌ：吸熱反応）      （１）
上記式（１）に示されるとおり、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにより、粒状改質触媒を６００〜７００℃に保つことにより、水素に富む改質ガスを生成する。
【０００７】
改質器を出たこの改質ガスは、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために一酸化炭素変成器に供給され、ここで一酸化炭素は１％以下に低減され、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であれば、このガスを燃料電池へ導入して発電を行なうことができる。下記式（２）は、一酸化炭素変成器に於ける一酸化炭素の変成反応について示す。
【０００８】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２  （−４１．１７  ＫＪ／ｍｏｌ：発熱反応）      （２）
式（２）に示されるとおり、一酸化炭素の変成反応は発熱反応であるため、変成反応温度である１６０〜３５０℃に保つためには冷却が必要となる。
【０００９】
一方、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、その動作温度が６０〜８０℃と低いために、改質が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ことから、一酸化炭素をさらに低減する必要があり、そのために改質ガスは一酸化炭素除去器に供給され、ここで一酸化炭素を１０ｐｐｍ以下に低減する。下記の式（３）は一酸化炭素除去器に於ける一酸化炭素の選択酸化反応について示す。
【００１０】
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２  （−２５７．２  ＫＪ／ｍｏｌ：発熱反応）      （３）
式（３）に示されるとおり、一酸化炭素の選択酸化反応は発熱反応であるため、選択酸化反応温度である１６０〜２３０℃に保つためには冷却が必要となる。
【００１１】
なお、前述の通り固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、反応温度が低いため、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）（反応温度約１８０℃）と異なり、その発熱量で改質用の水蒸気を発生させることができないことから、改質系機器の中でこれを発生させる必要がある。そのため、例えば、一酸化炭素除去器の冷却水として水蒸気改質用の水を用いて、この水を１００℃程度に加熱させた後に、前記熱交換器に入れるという方法が提案されている。
【００１２】
図３は、従来のこの種の燃料改質装置を備えた固体高分子形燃料電池発電装置の一例の概略構成図を示す。
【００１３】
図３において、脱硫器２１にて硫黄分を取り除かれた原燃料は、水蒸気発生器２２で作られた蒸気とともに改質器２３に供給されて、式（１）に示した水蒸気改質反応によって水素リッチなガスに改質された後に、一酸化炭素変成器２４に供給されて、式（２）に示した一酸化炭素変成反応によって水素濃度が高められ、さらにその後、一定量の空気とともに一酸化炭素除去器２５に供給されて、式（３）に示した一酸化炭素の選択酸化反応によって、一酸化炭素を１０ｐｐｍ以下に低減された後、燃料電池２６へと供給される。
【００１４】
一酸化炭素除去器２５は冷却が必要となるが、その手段として、改質用水タンク２７から改質用水供給ポンプ２８により供給される改質用水を、選択酸化触媒層の中に配設された冷却管２９に通流して冷却している。一酸化炭素除去器２５の冷却管２９において加熱された改質用水は、供給水予熱ライン４０から水蒸気発生器２２へと供給されて蒸発される。ここで、水蒸気発生器の熱源は、改質器２３のバーナ３０で燃料電池からの燃料オフガスを、燃焼用の空気と共に燃焼させ、その燃焼熱を吸熱反応であるメタンの水蒸気反応のために与えた後の燃焼排ガス３１である。
【００１５】
なお、図３において、３２，３３は、供給水予熱ライン４０の圧力，温度を測定するための圧力計および温度計である。また、燃料電池発電装置のシステム系統は、装置の仕様に応じて種々の構成が採用されており、図３の構成に限定されない。
【００１６】
ところで、前記燃料改質器の構成に関しても、種々の形式が提案され、かつ実用化されているが、燃料改質器自体のエネルギ効率を向上する観点から、バーナに供給される燃焼用空気を、燃焼排ガスによって予熱することが有効である。空気の予熱熱量は、燃焼排ガスを経由して、結局は改質触媒の加熱に還元されることとなるので、改質触媒を適正な温度分布に維持しつつも、改質器から排出される燃焼排ガスのエネルギを有効に回収することができる。
【００１７】
前述のように、燃焼用空気を燃焼排ガスによって予熱する構成を備えた燃料改質器に関しても、種々の構成が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【００１８】
図２は、特許文献１の図１に開示された燃料改質器の構成を示す。但し、図２に示す部番は、特許文献１の部番にサフィックスａを付して示す。図２に示す燃料改質器の構成は、特許文献１の記載によれば、概ね下記のとおりである。即ち、「反応管は、反応管内筒１ａおよび反応管外筒２ａより構成され、反応管内筒１ａと反応管外筒２ａの間には改質触媒３ａが設けられている。燃焼器６ａは燃料供給管７ａを備え、改質器内容器１０ａと反応管外筒２ａにより構成される燃焼ガス流路１４ａ内に設置される。燃焼ガス流路１４ａは燃料ガス排出管１３ａとつながつている。反応管上部では原燃料供給管４ａと反応管内筒１ａ反応管外筒２ａで形成される空間がつながつている。反応管内筒１ａの一端は、原燃料排出管５ａとつながつている。
【００１９】
改質器内容器１０ａの外側には、改質器内容器１０ａをかこむように改質器外容器９ａが設けられており、改質器内容器１０ａと改質器外容器９ａ間には流路ガイド１１ａが設けられている。改質器外容器９ａと流路ガイド１１ａで構成される空気流路１５ａには、空気供給管８ａが取り付けられており、改質器内容器１０ａと流路ガイド１１ａで構成された空間は空気通路１６ａにより燃焼器６ａにつながつている。改質器外容器９ａと大気間には断熱層１２ａが設けられている。改質すべきメタン等の原燃料は、水蒸気と混合された後に原燃料供給管４ａより供給され、反応管内へ導入される。
【００２０】
原燃料は反応管内筒１ａと反応管外筒２ａ内に設けられた改質触媒３ａを通過すると同時に反応管外筒２ａの外部を流れる燃焼ガスより熱を与えられ、吸熱反応である改質反応を生じる。改質触媒３ａを通過した原燃料は、反応管内筒１ａの内部を流れ原燃料排出管５ａより改質器外へ排出される。燃焼器６ａへは燃料供給管７ａより燃焼用の燃料が供給される。一方、燃焼用の空気は空気供給管８ａより、改質器外容器９ａと流路ガイド１１ａで構成される空気流路１５ａ内へ供給される。空気は空気流路１５ａを流れると同時に流路ガイド１１ａを冷却し、空気温度は上昇する。
【００２１】
空気流路１５ａを出た空気は、流路ガイド１１ａと改質器内容器１０ａで構成される空間を流れ、ここでも改質器内容器１０ａを冷却する。これらの空気流路を設けることにより改質器内容器１０ａ、流路ガイド１１ａ、改質器外容器９ａの順で温度は低下し、空気流路を設けない場合の改質器外容器温度、すなわち、実施例における改質器容器１０ａの温度に対する断熱層厚さと比較し、断熱層厚さを薄くすることができる。また、改質内容器１０ａを冷却し耐久性を向上することができる。
【００２２】
流路ガイド１１ａ、改質器内容器１０ａを通過した空気は空気通路１６ａを通り、燃焼器６ａに導入され燃焼用空気として利用される。燃焼器６ａで発生した燃焼ガスは反応管外筒２ａを加熱し、燃焼ガス流路１４ａを流れ、燃料ガス排出管１３ａより改質器外へ排出される。断熱層１２ａは、改質器外容器９ａより外気への放熱損失を防止する。」
「上記構成によれば、流路ガイドを設置したことにより、改質器内容器をおおう空気流路を二重にすることができるため、改質器外容器温度をさらに低くすることがてき、放熱損失を低減できる効果が大きいと共に、空気の予熱が可能となる。」
また、特許文献２にも、バーナの下部において、燃焼用空気供給路を上下に折り返して、この折り返し路において燃焼排ガスと熱交換を行なうように構成した、空気予熱部を備えた炭化水素の改質装置が開示されている（詳細は、特許文献２参照）。
【００２３】
さらに、特許文献３にも、空気予熱部を備えた改質器が開示されている。上記特許文献１および２に開示された空気予熱部の構成は、いずれも折り返し路を備え、空気の流体圧力損失が大きくなる問題（詳細は後述）を有するが、これに対して、特許文献３に開示された改質器は、後述する別の問題を有するものの、燃焼用空気供給路がバーナの燃焼部に対して直線的に配設され、燃焼排ガスと熱交換可能に構成されている（詳細は、特許文献３参照）。
【００２４】
【特許文献１】
特許第２５２８８３６号明細書（第２頁、第１図）
【特許文献２】
特開平３−１９９１０５号公報（第３−４頁、第１図）
【特許文献３】
特開平２−１４５４０１号公報（第２−４頁、第１図）
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のようにな従来の燃料改質器およびこれを用いた燃料電池発電装置においては、下記のような問題点があった。
【００２６】
前述のように、特許文献１および２に開示された空気予熱部の構成は、いずれも折り返し路を備え、空気の流体圧力損失が大きくなる問題がある。また、折り返し路を有するがために装置が複雑となり、さらに、全体としてコンパクト性が劣るものとなっている。燃料電池発電装置、特に家庭用固体高分子形燃料電池発電装置では、空気の流体圧力損失を抑制して補機動力を低減すること、即ち発電効率の向上が重要課題となっており、燃料電池の仕様にもよるが、例えば燃焼用空気の搬送動力（１０数Ｗ）を、さらにできる限り低減し、発電効率を向上させたい要請がある。従って、燃料改質器において、燃焼用空気の流体圧力損失を低減することは、特に燃料電池発電装置において、重要な課題となっている。
【００２７】
一方、特許文献３に開示された改質器は、燃焼用空気供給路がバーナの燃焼部に対して直線的に配設され、燃焼用空気の流体圧力損失を低減するように構成されてはいるものの、改質器の構造全体として、下記のような問題がある。
【００２８】
特許文献３の図１に開示された改質器は、前記燃焼用空気供給路を含む三重構造の導管（１２）の周囲を取り囲むようにセラミック製の円筒（１３）が、バーナ（４）のハウジング（４ｂ）の上端に設けられている。前記構成は、各部の温度の関係で必要な構成と思われるが、前記セラミック製の円筒はヒートサイクルに弱く、特に起動時に損傷し易い問題がある。また、部品点数が多く構造が複雑であり、装置の外径寸法が大となってコンパクト性が劣る問題がある。
【００２９】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、燃焼用空気の流体圧力損失を低減した空気予熱器を備え、全体として構成がシンプルでコンパクト性に優れた燃料改質器を提供し、もって、燃料電池発電装置のコスト低減を図ることにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼用の燃料供給路と燃焼用空気路とを有し、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、前記燃焼用空気を前記バーナの燃焼排ガスにより予熱する空気予熱部とを備えた燃料改質器において、前記バーナは中空円筒状の燃焼筒を有し、前記燃焼筒の外側であって燃焼筒の軸心と同心円筒状に、前記燃焼排ガスの排出路を介して前記改質触媒層を設け、さらに、前記燃焼筒の内側であって燃焼筒の軸心と同心円筒状に、前記燃焼用空気路を設けて、前記燃焼排ガスによる空気予熱部を形成したものとする（請求項１の発明）。
【００３１】
上記構成によれば、燃焼用空気の流体圧力損失の低減を図ることができ、また、装置全体として、シンプルでかつコンパクトな燃料改質器とすることができる。
【００３２】
前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の燃料改質器において、前記バーナの燃焼部は前記中空円筒状の燃焼筒内の軸方向のほぼ中央部に設け、前記空気予熱部は、前記燃焼部より下方の燃焼筒内壁に沿って設けられ、前記下方の燃焼筒外壁に沿う前記燃焼排ガス排出路における燃焼排ガスは、空気予熱と改質触媒加熱とを同時に行なう構成とする（請求項２の発明）。さらに、前記請求項２に記載の燃料改質器において、前記燃焼筒の軸方向下部に、下方から、前記燃焼用空気入口，燃焼排ガス出口，改質用燃料および改質用水蒸気の入口を順次設けたものとする（請求項３の発明）。かかる構成によれば、燃焼排ガス排出路を介して、最も伝熱面積を必要とする改質触媒層の一部と背中合わせに並行して、空気予熱部が設けられるので、改質器の装置構成が簡略化でき極めてコンパクトな改質器が提供できる。
【００３３】
また、各部材の位置関係や各種気体の流れ方向は、請求項４の発明のように、全て天地を逆にすることができる。即ち、請求項２または３に記載の燃料改質器において、前記各部材または各入口・出口の、前記軸方向の位置関係は、上と下とを全て逆に代えて、天地を逆に構成する。ダスト類の燃焼部への堆積防止を考慮すると、前記請求項４の発明の構成の方が好ましいが、例えば改質器本体以外の別のファクターを考慮すると、請求項４の発明とは天地が逆の方が好ましい場合があり、用途に応じて使い分けることが望ましい。
【００３４】
さらに、請求項５の発明のように、燃料電池発電装置を、前記請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料改質器を備えるものとすることにより、改質器のエネルギ効率が高まることで、発電効率の向上が可能となる。さらに、空気の流体圧力損失を抑制して補機動力を低減することができ、これも発電効率の向上に寄与することができる。また燃料改質器がコンパクトとなって燃料電池発電装置のコスト低減を図ることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００３６】
図１は、この発明に関わる実施例を示す燃料改質器の模式的構成図であり、図２と同じ機能を有する部材には同一の番号（サフィックスのａを除く番号）を付して詳細説明を省略する。
【００３７】
図１と図２との相違点は、図１においては、バーナ６は中空円筒状の燃焼筒１８を有するものとし、この燃焼筒の外側であってその軸心と同心円筒状に、燃焼排ガスの排出路１７を介して改質触媒層３を設け、さらに、前記燃焼筒１８の内側であって燃焼筒の軸心と同心円筒状に、燃焼用の空気供給路１６を設けて、燃焼排ガスによる空気予熱部２０を形成した点である。
【００３８】
さらに、具体的には、バーナ６の燃焼部を中空円筒状の燃焼筒１８内の軸方向のほぼ中央部に設け、前記空気予熱部２０は、燃焼筒内の軸方向下方部全体にわたって設け、前記燃焼排ガス排出路１７における燃焼排ガスは、空気予熱と改質触媒加熱とを同時に行なうように構成されている。
【００３９】
また、燃焼筒１８の軸方向下部には、前記空気供給路１６に接続される燃焼用空気入口が設けられ、その上に燃焼排ガス出口が、さらにその上に改質用燃料および改質用水蒸気の入口が順次設けられている。なお、本実施例では、改質ガス出口を上部に設けているが、改質触媒層３の外周に更に改質ガス流路を設け、改質触媒層３の上部で流路を折り返して改質ガス出口を下部に設ける構成としても良く、この場合、改質ガスの熱を内側の改質触媒に与えることができるという利点がある。
【００４０】
また、図１において、７は燃焼用の燃料供給管で、燃焼用空気と共にバーナの燃焼部に接続されている。また、燃料供給管７の外周部は、断熱材１２ｂで覆われており、改質触媒層３の外周部および改質器上面部に設けた断熱材１２と共に、外部への熱放散ロスを低減するように構成されている。
【００４１】
上記図１に示す燃料改質器における主要部の温度の一例を概略数値で示すと下記のとおりであり、図１の構成によれば、改質触媒層の温度分布を適正にすると共に燃焼用空気を予熱して、燃焼排ガス温度を従来より低く抑えることができる。
【００４２】
・改質触媒層の下部温度：２００〜２５０℃
・改質触媒層の上部温度：６００〜７００℃
・燃焼用空気の下部温度：２０℃
・燃焼用空気の上部温度：２００℃
・燃焼排ガスの排出路下部出口温度：１５０〜２００℃
・燃焼排ガスの排出路上部入口温度：１０００℃
【００４３】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼用の燃料供給路と燃焼用空気路とを有し、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、前記燃焼用空気を前記バーナの燃焼排ガスにより予熱する空気予熱部とを備えた燃料改質器において、前記バーナは中空円筒状の燃焼筒を有し、前記燃焼筒の外側であって燃焼筒の軸心と同心円筒状に、前記燃焼排ガスの排出路を介して前記改質触媒層を設け、さらに、前記燃焼筒の内側であって燃焼筒の軸心と同心円筒状に、前記燃焼用空気路を設けて、前記燃焼排ガスによる空気予熱部を形成したことにより、高い改質器のエネルギ効率が得られると共に燃焼用空気の流体圧力損失の低減を図ることができ、また、装置全体として、シンプルでかつコンパクトな燃料改質器を提供することができる。
【００４４】
さらに、燃料電池発電装置を前記燃料改質器を備えるものとすることにより、空気の流体圧力損失を抑制して補機動力を低減し、高い発電効率が得られ、かつコスト低減を図った燃料電池発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料改質器の実施例を示す模式的構成図
【図２】特許文献１に開示された従来の燃料改質器の一例の構成図
【図３】従来の燃料改質器を備えた燃料電池発電装置の一例の概略構成図
【符号の説明】
３：改質触媒層、６：バーナ、７：燃料供給管、１６：空気供給路、１７：燃焼排ガスの排出路、１８：燃焼筒、２０：空気予熱部、２１：脱硫器、２２：水蒸気発生器、２３：改質器、２４：一酸化炭素変成器、２５：一酸化炭素除去器、２６：燃料電池。
【図１】
2004299939.tif 000003
【図２】
2004299939.tif 000004
【図３】
2004299939.tif 000005