(57)【要約】 【課題】  簡易な構造を備え、且つ、少量の燃料ガスを安定して供給できる安価な燃料改質器を提供する。【解決手段】  内部に改質触媒２２が充填された細長筒状の容器２１と、この容器２１の側部を囲むように配設された加熱器２３と、この容器２１の入口側の入口温度センサ２６と、この入口温度センサ２６の検知温度より前記改質触媒２２の劣化状態を監視する制御部３０とで構成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に改質触媒が充填された筒状の容器と、この容器の側部を囲むように配設された加熱器と、この容器の入口側の入口温度センサと、この入口温度センサの検知温度より前記改質触媒の劣化状態を監視する制御部とを備えることを特徴とする燃料改質器。
【請求項２】
前記容器の出口側に出口温度センサを備えており、この出口温度センサの検知温度が所定の温度範囲内となるよう、前記制御部において前記加熱器の運転を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質器。
【請求項３】
前記容器内の触媒充填部分が前記加熱器の長手方向内側に位置することを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料改質器。
【請求項４】
前記容器の長さ寸法を前記加熱器より長くしたことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料改質器。
【請求項５】
請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料改質器を備え、この燃料改質器により改質された改質ガスを燃料ガスとして導入する燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いる燃料改質器に関し、特に、低出力の小型燃料電池に用いて好適なコンパクトな燃料改質器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池に導入する反応用ガスとして都市ガス等の炭化水素系の燃料ガスを用いる場合は、この炭化水素系燃料ガス（原燃料ガス）を水素リッチなガスに改質するために燃料改質器が用いられている。
【０００３】
上記燃料改質器は、水蒸気発生器等から供給される水蒸気と原燃料ガスとを混合させて混合ガスとした後、３５０℃以上の高温雰囲気下において両者を反応させることにより水素を生成するものである。
すなわち、上記改質器（水蒸気改質）においては、まず原燃料ガスであるメタンと水蒸気とが反応して水素と一酸化炭素とが発生し、さらに、この一酸化炭素と水蒸気とが反応することにより、二酸化酸素とともに水素が発生する。
これを反応式で示せば、以下の通りである。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2
【０００４】
ところで、近年、各種燃料電池の研究開発が進み、その用途も大規模な発電システムから、家庭用発電システム、或いは燃料電池自動車等の小規模発電まで様々な分野での活用が期待されている。最近では、小規模発電用に燃料電池発電システムの小型化、低コスト化の要請が強くなってきており、燃料改質器においても小型・軽量化、低コスト化が重要な課題となっている。このような小型化を図った燃料改質器として特許文献１が開示されている。
【０００５】
また、導入する燃料ガス量は燃料電池の出力規模によって変わるものであり、特に、小型（低出力）燃料電池の場合は、高出力燃料電池に比べて、導入する燃料ガスの量や温度が発電性能に影響し易いため、燃料改質器にあっては、簡易な構造に加え、燃料ガスとして少量の水素ガスを安定して供給可能とすることが重要である。
【特許文献１】特開２００３−６３８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような燃料改質器に対する要請に鑑み成されたもので、簡易な構造を備え、且つ、少量の燃料ガスを安定して供給できる安価な燃料改質器、および、これを用いた燃料電池発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、内部に改質触媒が充填された筒状の容器と、この容器の側部を囲むように配設された加熱器と、この容器の入口側の入口温度センサと、この入口温度センサの検知温度より前記改質触媒の劣化状態を監視する制御部とを備えることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料改質器において、前記容器の出口側に出口温度センサを備えており、この出口温度センサの検知温度が所定の温度範囲内となるよう、前記制御部において前記加熱器の運転を制御することを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料改質器において、前記容器内の触媒充填部分が前記加熱器の長手方向内側に位置することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料改質器において、前記容器の長さ寸法を前記加熱器より長くしたことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項５に記載の燃料電池発電装置は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料改質器を備え、この燃料改質器により改質された改質ガスを燃料ガスとして導入することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明では、内部に改質触媒を充填した筒状の容器と、その側部を囲む加熱器と、入口側、出口側の温度センサで構成したので、構造は極めて簡易であり、小型・軽量化、低価格化が図れる。
この容器の入口側の温度を監視することにより、その温度上昇から改質触媒の劣化状態を知り、改質触媒の適切な交換時期を判断することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明では、容器の出口側温度が所定の範囲内になるように加熱器による加熱温度を制御することにより、負荷状態（例えば、燃料電池の出力規模や運転状態）に応じた最適温度の改質ガスを安定的に供給することができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、容器内の改質触媒を均一温度が得られる加熱器の長手方向内側部分で加熱するようにしたので、改質触媒を均一に加熱して改質反応を安定化できると共に、上記した加熱温度の制御を正確、且つ、容易にしている。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明では、容器の長さ寸法を加熱器より長くして、容器の端部が加熱器より突出（露出）するようにすると、触媒交換等、燃料改質器の保守作業をし易くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の燃料改質器の実施形態を説明する。
この燃料改質器２０は、図１の示すように、細長筒状で比較的安価なＳＵＳ製の容器２１と、この容器２１内に充填された多量の改質触媒２２と、容器２１と所定の隙間を設けてその側部を囲むように配設された筒状の電気ヒータ２３（加熱器）と、この電気ヒータ２３の運転を制御する制御部３０を備えている。
【００１７】
容器２１は、原燃料ガス（例えば、都市ガス）と水蒸気の混合ガスが導入される上端部の細径の入口部２１ａと改質された改質ガス（燃料ガス）が取り出される下端部の細径の出口部２１ｂを有する縦型の管体である。
本実施形態では、これら入口部２１ａ、２１ｂを着脱可能な蓋構造とすると共に、容器２１の長さ寸法を電気ヒータ２３の長さより長くして、電気ヒータ２３の両端より容器２１の端部（蓋部分）が突出（露出）するようにしている。
【００１８】
上記改質触媒２２は、Ｎｉ系やＲｕ系を担持した粒径３ｍｍ程度のセラミックボールで成り、上下２枚のＳＵＳ製メッシュ板２４により区画された容器２１の縦方向中程に層状に充填されている。改質触媒の形状としては、ボール状以外にペレット状、破砕片状でも良い。尚、下側のメッシュ板２４はスペーサ２５により支持されており、このスペーサ２５の高さ寸法を変えて触媒充填位置を調整することにより、供給する改質ガス量に対応する好適な触媒量を確保するようになっている。
【００１９】
本実施形態では、内径１５ｍｍ、長さ３５０ｍｍの容器２１と外径１９０ｍｍ、長さ３００ｍｍ電気ヒータ２３を用いて構成した燃料改質器２０に、都市ガスまたはメタン：８０〜１６０ｃｃ／ｍｉｎ、水蒸気：２４０〜４８０ｃｃ／ｍｉｎの混合ガスを導入し、水蒸気改質反応により改質ガスを得る。この水蒸気改質反応は多量の熱を必要とする吸熱反応であり、これに必要な熱量は上記電気ヒータ２３による発熱との熱交換により得られる。
また、この際、上述のように触媒層を比較的均一な温度が得られる電気ヒータ２３の長手方向内側部分に配置することにより、容器内の触媒層を均一温度で加熱できるため改質反応を安定化できると共に、後述する電気ヒータ２３による加熱温度の制御を正確、且つ、容易にしている。
【００２０】
また、この容器２１の内部であって、入口側と出口側に、層状に充填された改質触媒２２（触媒層）の温度を測定するための入口温度センサ２６と出口温度センサ２７（何れも耐高温性を有する熱電対を使用）が配設されている。入口温度センサ２６は触媒層の上端部（最上流部）の温度を測定するためのものであり、出口温度センサ２７は触媒層の下端部（最下流部）の温度を測定するためのものである。制御部３０には、これら温度センサ２６、２７の出力、および電気ヒータ２３の通電用端子（図示せず）が接続されている。
【００２１】
図２は容器２１内における触媒層の温度分布を示し、縦軸は温度を示し、横軸は触媒層の位置を示している。
【００２２】
本図において、実線（イ）は、正常な改質反応が行われている場合の標準的な温度分布を示している。触媒層の入口付近では改質反応（吸熱反応）が活発に行われるため温度が低下しており、出口側に向かって徐々に温度が上昇すると共に、出口において電気ヒータ２３の発熱に基づいた所定の温度に達している。
制御部３０は、入力された出口温度センサ２７の検知温度を常時監視し、この出口側の温度が所定の範囲内（例えば、６５０〜７００℃）になるように電気ヒータ２３のパワーを制御し、触媒層の加熱温度を調整している。これにより、負荷条件（例えば、燃料電池の出力規模や運転状態）に応じた最適温度の改質ガスを安定的に供給することができる。
【００２３】
他方、破線（ロ）は、改質触媒２２が劣化した状態の温度分布を示している。改質触媒２２が劣化するに連れて改質反応（吸熱反応）が不活発になるために触媒層全体で起こるようになり、よって、電気ヒータ２３による周囲からの加熱で触媒層入口の温度は徐々に上昇していく。
本発明では、この現象に着目し、入口温度センサ２６の検知温度を常時監視すると共に、この入口側温度が所定以上に上昇した時に改質触媒の劣化が進んだものと判断し、改質触媒２２の交換時期としている。
本実施形態では、容器２１の長さ寸法を電気ヒータ２３より長くして、容器２１の端部（蓋部分）を電気ヒータ２３より突出させているので、上記のように入口温度センサ２６の検知温度より改質触媒２２の劣化進行を判断した場合の触媒交換（改質触媒２２の交換は、容器２１の上部入口部２１ａや下部出口部２１ｂの蓋を外して行う）等、燃料改質器２０の保守作業を容易にしている。
【００２４】
以上説明したように、本発明は、少量の燃料ガスを導入して発電を行う低出力の小型燃料電池に用いて好適な簡易構造の燃料改質器である。
【００２５】
図３は、この小型燃料電池として、固体酸化物形の単セルを用いて構成した燃料電池発電装置である。
図３に示すように、本実施形態の燃料電池発電装置１（すなわち、単セル）は、固体電解質層２の両面に燃料極層３および空気極層（酸化剤極層）５を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に積層した構造を有する。
【００２６】
固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【００２７】
セパレータ８は、発電セル５と電気的に接続されており、且つ、発電セル５に
反応用ガスを供給する機能を有し、上記構成の燃料改質器２０より供給される燃料ガス（改質ガス）をセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、外部より供給される酸化剤ガス（空気）をセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路１２を備えている。
【００２８】
発電セル５内において、空気極層４側に供給された酸素は、空気極層４内の気孔を通って固体電解質層２との界面近傍に到達し、この部分で空気極層４から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層３に向かって固体電解質層２内を拡散移動する。燃料極層３との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層３に電子を放出する。
電極反応で生じた電子は、図示しない別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【００２９】
本発明の燃料電池発電装置１では、燃料改質器２０において温度制御による安定した改質反応が行われ、発電セル５に好適温度の改質ガスが安定して供給されることにより、発電セル５内において安定した発電反応が行われ、出力変動の少ない高効率の燃料電池が実現できると共に、簡易構造による小型・軽量の燃料改質器２０を備えたコンパクトな発電装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る燃料改質器の構成を示す説明図。
【図２】燃料改質器内における触媒層の温度分布を示す図。
【図３】本発明の燃料改質器を用いた燃料電池発電装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００３１】
１  燃料電池発電装置（単セル）
２０  燃料改質器
２１  容器
２２  改質触媒
２３  加熱器（電気ヒータ）
２６  入口温度センサ
２７  出口温度センサ
３０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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