(57)【要約】【課題】構造が簡単で装置の大型化も招来しない内燃式の燃料改質装置を得る。【解決手段】炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す燃料改質装置１０１として、炭化水素燃料と水蒸気とを含む原料ガス１０５を流通させる原料ガス用の流通経路１０６を設け、この流通経路１０６中に通電により発熱する発熱体１０７（例えば、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）等）を配置し、発熱体１０７の表面に炭化水素燃料に水蒸気改質反応を生じさせる触媒１０８（例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銅／亜鉛（Ｃｕ／Ｚｎ）等）を担持させた。【選択図】図１
2007099596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す燃料改質装置において、
炭化水素燃料と水蒸気とを含む原料ガスを流通させる原料ガス用の流通経路と、
前記流通経路中に配置されて通電により発熱する発熱体と、
前記発熱体の表面に担持されて前記炭化水素燃料に水蒸気改質反応を生じさせる触媒と、
を備える燃料改質装置。
【請求項２】
前記流通経路に隔壁を介して隣接して配置され、燃焼ガスを流通させる燃焼ガス用の流通経路を備える、請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記発熱体は、形状保持性を備えて自ら形状保持している、請求項１又は２記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記発熱体は、前記隔壁を形成する、請求項３記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の両面に燃料極と空気極とを配置したセルを複数積層し、各セルの間に介在させたセパレータによって燃料極側と空気極側とにそれぞれ流路を形成し、更に燃料極と空気極とを電線（外部回路）で接続することによって構成される。このような燃料電池は、燃料極側に形成される流路に水素を供給し、空気極側に形成される流路に空気中の酸素を供給し、これによって電池反応を得る。つまり、水素は燃料極中の触媒の働きで電子を切り離して水素イオンとなる。電解質はイオンしか通さないため、電子は電線（外部回路）を介して外に飛び出し、水素イオンは電解質の中を移動する。電解質の中を移動した水素イオンは、空気極側に供給された酸素と電線（外部回路）を通じて戻ってきた電子とに反応して水になる。この際、反応に関与する電子が電線（外部回路）を移動することで電流が流れ、電気が発生する。
【０００３】
このような燃料電池では、一般的に、都市ガス、天然ガス、灯油等のような炭化水素燃料を改質して水素を取り出し、燃料極側に形成される流路に供給するようにしている。こうして炭化水素燃料を改質する装置が燃料改質装置である。炭化水素系燃料から水素を取り出す反応として一般的に用いられている反応は、原料となる炭化水素系燃料に水蒸気を加えて水素を取り出す「水蒸気改質反応」である。この「水蒸気改質反応」を利用することで、極めて高濃度な水素を取り出すことができる。もっとも、「水蒸気改質反応」は、反応自体が吸熱反応であるため、炭化水素燃料に対して外部から何らかの手法で「反応熱」を与えなければならない。炭化水素燃料に対して外部から「反応熱」を与える手法としては、外熱式と内熱式とがある。
【０００４】
外熱式は、触媒層となる内筒を外筒で覆い、内筒と外筒との間で燃焼ガスを燃焼させる方式である。このような外筒式の燃料改質装置は、各部の熱伝導率が伝熱効率に影響を与えてしまう、触媒層となる内筒全体を暖めなければならないために内筒自体が大きな熱マスとなることから起動時間が長くなってしまう、という欠点を有している。
【０００５】
これに対して、内燃式の燃料改質装置は、炭化水素系燃料と水蒸気とを含む原料ガスを触媒層に供給するに先立ち加熱手段で加熱し、加熱後の原料ガスを触媒層に供給する（例えば、特許文献１参照）。このような内燃式の燃料改質装置によれば、上記外燃式の燃料改質装置が有している欠点を改善し得る。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１３０４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
内燃式の燃料改質装置は、上記外燃式の燃料改質装置の欠点を改善し得る点で優れている反面、ヒータ等の加熱手段を必要とするので、装置の構造が複雑化して装置全体の大型化を招くという問題がある。
【０００８】
また、内燃式の燃料改質装置ばかりでなく、上記外燃式の燃料改質装置にも共通する従来の燃料改質装置が有する課題として、起動に時間がかかりその間の消費エネルギーが大きいことと、運転時の負荷応答性が悪いこととを挙げることができる。
【０００９】
本発明の目的は、構造が簡単で装置の大型化も招来しない内燃式の燃料改質装置を得ることである。
【００１０】
本発明の別の目的は、起動時間を短縮することができる内燃式の燃料改質装置を得ることである。
【００１１】
本発明の更に別の目的は、運転時の負荷応答性に優れた内燃式の燃料改質装置を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す燃料改質装置において、炭化水素燃料と水蒸気とを含む原料ガスを流通させる原料ガス用の流通経路と、前記流通経路中に配置されて通電により発熱する発熱体と、前記発熱体の表面に担持されて前記炭化水素燃料に水蒸気改質反応を生じさせる触媒と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、炭化水素燃料に水蒸気改質反応を生じさせる触媒を発熱体に担持させたので、構造の簡略化と装置全体の小型化とを実現させることができ、また、熱容量を小さくすることができ、これによって、起動時間を短縮し、運転時の負荷応答性も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の第１の実施の形態を図１ないし図３に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、燃料改質装置全体の内部構造を示す模式図である。燃料改質装置１０１は、流体の流入口１０２と流出口１０３とを有するハウジング１０４を有している。ハウジング１０４の内部には、炭化水素燃料と水蒸気とを含む原料ガス１０５を流通させる原料ガス用の流通経路１０６が形成されている。流通経路１０６は、流入口１０２と流出口１０３とを連絡させる。そして、流通経路１０６中には、通電により発熱する複数の発熱体１０７が設けられている。これらの発熱体１０７の表面には、炭化水素燃料に水蒸気改質反応を生じさせる触媒１０８が担持されている。
【００１６】
発熱体１０７には、給電用の電線１０９が接続されている。電線１０９は、商用電源等の外部電源１１０を駆動源とする制御装置１１１に接続されている。制御装置１１１は、一例として、各種処理の処理手順を集積回路化したシーケンサによって構成されている。このような制御装置１１１は、発熱体１０７に対して、電線１０９を介して制御された電流を流す。
【００１７】
原料ガス１０５に含まれている炭化水素系燃料としては、都市ガスや天然ガス等の気体が用いられる。灯油のような液体燃料を用いる場合には、前段に気化器を設け、予め気化させて用いる。このような炭化水素系燃料は、水蒸気と共に原料ガス１０５を生成する。
【００１８】
図２は、燃料改質装置１０１の内部構造を拡大して示す模式図である。ハウジング１０４の内部には、複数枚の平板状の発熱体１０７が所定間隔を開けて積層配置されている。これらの発熱体１０７は、一例として、高抵抗体であるニッケルクロム（ＮｉＣｒ）等を材料として形成されており、形状保持性を有している。したがって、発熱体１０７は、別部材に担持されているわけではなく、それ自体が形状保持している。そのような発熱体１０７の間の維持間隔は、流通経路１０６を形成し、原料ガス１０５を流通させる。発熱体１０７に担持される触媒１０８は、一例としてニッケル（Ｎｉ）、銅／亜鉛（Ｃｕ／Ｚｎ）等を材料とする。
【００１９】
このような構成において、ハウジング１０４の流入口１０２から供給された原料ガス１０５は、流通経路１０６を通過する際に触媒１０８に接触し、反応する。この際、発熱体１０７への通電によって発熱体１０７を発熱させる。これにより、その熱が反応熱となり、流通経路１０６を流通する原料ガス１０５中の炭化水素系燃料と水蒸気とが反応して水蒸気改質反応が生じ、水素リッチな改質ガス１１２が発生する。発生した改質ガス１１２は、ハウジング１０４の流出口１０３から外部に流出する。こうして、燃料改質装置１０１は、水素リッチな改質ガス１１２を生成して外部に流出させることができる。
【００２０】
燃料改質装置１０１は、改質ガス１１２の生成に際して、発熱体１０７への通電量を制御装置１１１によって可変制御することが可能である。発熱体１０７への通電量を制御することで発熱体１０７の発熱温度が制御され、触媒反応に最適な温度管理をすることが可能となる。制御装置１１１は、発熱体１０７への通電タイミングも制御する。一例として、制御装置１１１は、原料ガス１０５の供給前に発熱体１０７を予め発熱させ、反応可能温度に維持しておく。この状態で流入口１０２に原料ガス１０５を投入するように制御することで、速やかな改質ガス１１２の生成が可能となる。更に、負荷変動等により投入する原料ガス１０５における炭化水素燃料量や水蒸気量を変化させる必要が生ずる場合がある。このような場合、制御装置１１１は、発熱体１０７に対する通電量を変動させたり間接通電したりするような制御を実行し、発熱体１０７の発生熱量を触媒反応に最適な温度に管理をすることができる。
【００２１】
図３は、ＣＯ除去部の内部構造を示す模式図である。燃料改質装置１０１は、水素リッチな改質ガス１１２を生成するが、この改質ガス１１２には微量な一酸化炭素（ＣＯ）が含まれている。改質ガス１１２中に含まれている一酸化炭素は、改質ガス１１２を用いる燃料電池の燃料極を被服している触媒（例えば白金（Ｐｔ））を被毒するため、その低減が必要である。そこで、本実施の形態では、燃料改質装置１０１のハウジング１０４に設けられた流入口１０２の後段にＣＯ除去部２０１を配置し、生成した改質ガス１１２中に含まれている一酸化炭素を低減するようにしている。
【００２２】
ＣＯ除去部２０１は、燃料改質装置１０１と類似の構造を有している。つまり、改質ガス１１２の流入口２０２と流出口２０３とを有するハウジング２０４を有しており、ハウジング２０４の内部には、改質ガス１１２を流通させる原料ガス用の流通経路２０５が形成されている。流通経路２０５は、流入口２０２と流出口２０３とを連絡させる。そして、流通経路２０５中には、通電により発熱する複数の発熱体２０６が設けられている。これらの発熱体２０６は、一例として、高抵抗体であるニッケルクロム等を材料として形成されており、形状保持性を有している。したがって、発熱体２０６は、別部材に担持されているわけではなく、それ自体が形状保持している。そのような発熱体２０６の間の維持間隔は、流通経路２０５を形成し、改質ガス１１２を流通させる。そして、発熱体２０６の表面には、酸化触媒２０７が担持されている。酸化触媒２０７としては、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等が用いられる。
【００２３】
発熱体２０６には、給電用の電線２０８が接続されている。そこで、発熱体２０６には、電線２０８を介して、商用電源等の外部電源を駆動源として通電される。これにより、発熱体２０６が発熱し、酸化触媒２０７を活性温度まで昇温させることができる。酸化触媒２０７は、その活性温度域において、一酸化炭素を酸化させる反応を活性化する。したがって、ＣＯ除去部２０１は、燃料改質装置１０１から流出する改質ガス１１２を流入口２０２から受け入れ、流通経路２０５を流通させることで、改質ガス１１２中の一酸化炭素を低減して流出口２０３から排出することができる。
【００２４】
以上説明したように、本実施の形態の燃料改質装置１０１によれば、炭化水素燃料に水蒸気改質反応を生じさせる触媒１０８を発熱体１０７に担持させたので、構造の簡略化と装置全体の小型化とを実現させることができる。しかも、そのような構造上、熱容量が小さくなり、原料ガス１０５の改質に必要な発熱量を瞬時に得ることができる。このため、起動時間を短縮することができ、また、運転時の負荷応答性を向上させることができる。
【００２５】
また、本実施の形態の燃料改質装置１０１によれば、ＣＯ除去部２０１も類似の構造としたことで、より一層の構造の簡略化と装置全体の小型化とを実現させることができる。
【００２６】
本発明の第２の実施の形態を図４及び図５に基づいて説明する。第２の実施の形態は、多くの点で第１の実施の形態と共通性を有している。そこで、第１の実施の形態と共通する部分については同一符号で示し、その説明も省略する。
【００２７】
図４は、燃料改質装置１０１全体の内部構造を示す模式図である。ハウジング１０４の流入口１０２が設けられている側には、燃焼ガス用の流入口１５１が設けられている。ハウジング１０４の流出口１０３が設けられている側には、燃焼ガス用の流出口１５２が設けられている。これらの流入口１５１と流出口１５２とは、燃焼ガス用の流通経路１５３を介して連結されている。
【００２８】
図５は、燃料改質装置１０１の内部構造を拡大して示す模式図である。原料ガス用の流通経路１０６と燃焼ガス用の流通経路１５３とは、発熱体１０７を介して互い違いの隣接位置に配置されている。原料ガス用の流通経路１０６では、前述したように、発熱体１０７に改質用の触媒１０８が担持されているのに対して、燃焼ガス用の流通経路１５３では、発熱体１０７に燃焼用の触媒１５４が担持されている。燃焼用の触媒１５４としては、例えば、白金（Ｐｔ）が用いられる。
【００２９】
したがって、本実施の形態の燃料改質装置１０１は、流入口１５１から燃焼ガス１５５を取り込み、流通経路１５３を介して取り込んだ燃焼ガス１５５を流出口１５２から燃焼排ガス１５６として排出する。発熱体１０７は、原料ガス１０５と燃焼ガス１５５とが混ざり合わないように原料ガス用の流通経路１０６と燃焼ガス用の流通経路１５３とを区分けする。この意味で、発熱体１０７は、原料ガス用の流通経路１０６と燃焼ガス用の流通経路１５３との間の隔壁を構成する。
【００３０】
このような構成において、制御装置１１１は、原料ガス１０５の供給前に発熱体１０７を予め発熱させ、反応可能温度に維持しておく。この状態で、燃焼ガス用の流入口１５１から燃焼ガス１５５をハウジング１０４の内部に導き、流通経路１５３の内部で燃焼を生じさせる。その後、流入口１０２に原料ガス１０５を投入し、流通経路１０６を流通する原料ガス１０５中の炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させ水蒸気改質反応を生じさせる。この際には、発熱体１０７に対する通電を止めたとしても、燃焼ガス１５５の流通経路１５３に生ずる燃焼熱が原料ガス１０５の流通経路１０６に伝わり、この流通経路１０６で生ずる水蒸気改質反応が継続する。したがって、本実施の形態によれば、水蒸気改質反応を生じさせている間中、発熱体１０７への通電を継続する必要がなくなるので、節電効果を得ることができる。
【００３１】
また、本実施の形態によれば、原料ガス用の流通経路１０６と燃焼ガス用の流通経路１５３とを区分けする隔壁を厚みが薄い発熱体１０７によって構成していることから、熱伝導性が良好である。このため、素早い起動の実現や負荷応答性の向上を図ることができる。
【００３２】
本発明の第３の実施の形態を図６に基づいて説明する。第３の実施の形態は、多くの点で第２の実施の形態と共通性を有している。そこで、第１及び第２の実施の形態と共通する部分については同一符号で示し、その説明も省略する。
【００３３】
図６は、燃料改質装置１０１の内部構造を拡大して示す模式図である。原料ガス用の流通経路１０６と燃焼ガス用の流通経路１５３とは、発熱体１０７を介して互い違いの隣接位置に配置されている。原料ガス用の流通経路１０６では、各流通経路１０６を形成することになる相対向する一対の発熱体１０７のそれぞれに改質用の触媒１０８が担持されている。燃焼ガス用の流通経路１５３では、各流通経路１５３を形成することになる相対向する一対の発熱体１０７のそれぞれに燃焼用の触媒１５４が担持されている。つまり、本実施の形態では、一枚の発熱体１０７の両面に改質用の触媒１０８と燃焼用の触媒１５４とを担持し、同一種類の触媒１０８，１５４同士が向き合うように配置されている。
【００３４】
このような構成において、制御装置１１１は、原料ガス１０５の供給前に発熱体１０７を予め発熱させ、反応可能温度に維持しておく。この状態で、燃焼ガス用の流入口１５１から燃焼ガス１５５をハウジング１０４の内部に導き、流通経路１５３の内部で燃焼を生じさせる。その後、流入口１０２に原料ガス１０５を投入し、流通経路１０６を流通する原料ガス１０５中の炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させ水蒸気改質反応を生じさせる。この点については、第２の実施の形態と同様である。これに対して、本実施の形態によれば、燃焼用の触媒１５４による燃焼熱を、発熱体１０７を介して直接的に改質用の触媒１０８に伝達することができる。つまり、第２の実施の形態では、燃焼用の触媒１５４による燃焼熱を、発熱体１０７及び流通経路１０６を介して改質用の触媒１０８に伝達しているのに対して、本実施の形態では、発熱体１０７を介して直接的に改質用の触媒１０８に伝達することができる。このため、伝熱性を更に向上させることができる。
【実施例】
【００３５】
前述したように、本発明の燃料改質装置によれば、熱容量が小さくなり、原料ガスの改質に必要な発熱量を瞬時に得ることができる。このため、起動時間を短縮することができ、また、運転時の負荷応答性を向上させることができる。本発明の発明者は、そのような本発明の効果を検証するために、改質反応と燃焼反応とを表裏で行なう通電加熱アルマイト触媒を用いた燃料改質装置を開発し、性能評価を行ない、起動性の向上とエネルギー低減の可能性とを検証した。
【００３６】
図７は、本発明の効果を検証するために開発した燃料改質装置の内部構造を示す模式図である。ニクロム泊の両面にアルミをクラッドした素材（幅５０ｍｍ×長さ２２６ｍｍ×厚さ０．１５ｍｍ）の陽極酸化処理したものに触媒を担持して試験用触媒とした。改質用の触媒としてニッケル（Ｎｉ）を、燃焼用の触媒として白金（Ｐｔ）を、それぞれ片面ずつに担持した。担持させる手法としては、含浸法を用いた。触媒の有効面積は、幅３０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの範囲である。
【００３７】
試験装置は、燃料改質装置の周囲を保温なども兼ねて円形ヒータで覆い、改質側及び燃焼側共に供給ガスラインを予熱できるように電気炉を設置した。また、燃料改質装置の中間にもガス供給を行なうことができるように中間ポートを設置した。
【００３８】
以上説明したような燃料改質装置を用いて、まず初めに起動性能の確認試験を行なった。起動シーケンスとしては、触媒に直流安定化電源から電力を供給し、触媒表面温度が上昇し安定した時点で燃料供給を開始して、着火するまでの時間を確認する。
【００３９】
今回の試験では、燃料として、都市ガスの代わりにメタンを使用した。燃焼側へは、ガス入口から空気を１０００ｍｌ／ｍｉｎ供給し、メタンは燃料改質装置の中間ポートから触媒に直接吹き付けるように供給した。メタンの供給量は１００ｍｌ／ｍｉｎである。また、触媒保護のため、改質側には窒素を５０ｍｌ／ｍｉｎ供給した。通電加熱時の触媒への電力供給は２２０Ｗである。
【００４０】
この際、円形ヒータ及びライン予熱用電気炉は加熱をしておらず、燃料改質装置の熱源は触媒部への通電とメタン燃焼のみである。
【００４１】
図８は、起動性試験の試験結果を示すグラフである。触媒への通電を開始したところ、触媒温度及びガス温度の急激な上昇がみられた。通電開始から６０秒後には、図８中に実線で示す燃焼触媒表面温度が２６０℃、燃焼ガス感度が２５０℃になり、その後はほぼ安定状態となった。
【００４２】
そこで、通電開始から１９０秒後にメタン供給を開始したところ、瞬時に温度上昇が起こり、メタンの燃焼が確認された。
【００４３】
以上説明した試験によって、通電開始からメタン燃焼開始までの間の消費エネルギーが非常に小さく、また、温度変化についても、通電時、メタン燃焼時、共に速いことが確認できた。
【００４４】
更に、燃焼側での温度変化と改質側での温度変化とがほぼ同時に起きていることが確認されており、このことは伝熱性能の高さ示している。
【００４５】
以上の結果から、燃料改質装置の起動時間と起動時の省エネルギーの大幅な削減が可能であることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態として、燃料改質装置全体の内部構造を示す模式図である。
【図２】その内部構造を拡大して示す模式図である。
【図３】ＣＯ除去部の内部構造を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態として、燃料改質装置全体の内部構造を示す模式図である。
【図５】その内部構造を拡大して示す模式図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態として、燃料改質装置の内部構造を拡大して示す模式図である。
【図７】本発明の実施例として、本発明の効果を検証するために開発した燃料改質装置の内部構造を示す模式図である。
【図８】起動性試験の試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１０１  燃料改質装置
１０５  原料ガス
１０６  原料ガス用の流通経路
１０７  発熱体、隔壁
１０８  触媒
１５３  燃焼ガス用の流通経路
【図１】
2007099596.tif 000003
【図２】
2007099596.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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