(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを水素リッチガスに改質し、この改質ガスと空気中の酸素ガスとを燃料電池に供給して起電力を生じさせるようにした燃料電池電源装置内に配設される燃料電池用改質装置であって、
改質器と、改質器で改質された改質ガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変成器と、ＣＯ変成器で変成された変成ガス中のＣＯ濃度をさらに低減するＣＯ除去器とを箱体に収容し、前記箱体の上にダクトが配設されると共に、前記ダクトに熱交換器が取り付けられ、
前記箱体から導出される、改質器に備えられた改質器バーナからの燃焼排ガスと、
前記燃料電池電源装置内に設置され、起動直後に排出される改質ガスを燃焼させるＰＧバーナからの燃焼排ガスと、
前記燃料電池電源装置内に配置された燃料電池からの未反応酸素ガスと、
が前記ダクト内に導入し、前記熱交換器で冷却した後に外部に排出されることを特徴とする燃料電池用改質装置。
【請求項２】
前記ダクトは、内部が仕切板によって３つの通路に区画され、これらの通路に前記改質器バーナからの燃焼ガスと、ＰＧバーナからの燃焼排ガスと、燃料電池からの未反応酸素ガスとが各別に導入される請求項１記載の燃料電池用改質装置。
【請求項３】
前記熱交換器は、ダクトをサンドイッチ状に挟み付ける２つの熱交換器に分割し、この２つの熱交換器を管接続により一体化した請求項２記載の燃料電池用改質装置。
【請求項４】
前記箱体の内壁面に断熱材を取り付けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池電源装置内に収納される改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガス等の原燃料ガスを改質装置で水素リッチガスに改質し、この改質ガスと空気中の酸素ガスとを燃料電池に供給して起電力を生じさせるようにした燃料電池電源装置が開発されている。特に、家庭用としての小型燃料電池電源装置は、例えば図４のように外装ケースＡの中に箱体１が収納され、この箱体の内部に改質器２と、ＣＯ変成器３と、ＣＯ除去器４とを備えた改質装置Ｂが設けられている。
【０００３】
改質装置Ｂにおける改質器２は、容器内に触媒が充填され下部にバーナ２ａを備えており、起動時にはこのバーナ２ａで原燃料ガスの一部を燃焼して容器内の触媒を所定の温度まで上昇させ、脱硫器５により硫黄分を除去した後の原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチガスに改質する（ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２）。
【０００４】
この改質ガスは、濃度１０数％のＣＯを含むためＣＯ変成器３に送り込んでＣＯ２に変成される（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）。この変成ガス中のＣＯ濃度は１％以下に低減されるが、更にＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にするためＣＯ除去器４に送り込んで選択酸化を行う（ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２）。このようにＣＯ濃度を低減させる理由は、燃料電池６の触媒が改質ガス中のＣＯにより被毒されるからであり、それを極力回避するためである。
【０００５】
改質ガスはＣＯ除去器４から燃料電池６に供給されるが、起動時には改質ガスが安定していないため、直ちに燃料電池６に供給せずにＰＧバーナ７に導いて燃焼させている。改質ガスが安定した後は、ＰＧバーナ７への導入を停止して燃料電池６に供給する。
【０００６】
前記改質器２のバーナ２ａでの燃焼排ガス、ＰＧバーナ７での燃焼排ガス及び燃料電池６から排出される未反応酸素ガスは、外装ケースＡ内に設けられたダクトＣ内に合流させて外装ケースＡの排気孔Ｄから外部に排出している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記改質装置Ｂでは、ＣＯ変成器３及びＣＯ除去器４も改質器２と同様に容器内に触媒が充填され、これらの触媒は改質器２の触媒温度よりは低いが所定の温度（３５０℃以上）で作用する。従って、改質装置Ｂは前記のように箱体１内に収納して熱を閉じ込め、高温雰囲気を保持すると共に近辺に配設される他の機器例えば燃料電池６、制御装置（通常は燃料電池の上方に配設される）、或は水タンク、ポンプ、バルブ等の補機（通常は燃料電池の下方に配設される）を高熱から保護するようにしている。しかしながら、箱体１が金属製であってかなり高温となるため放熱し、前記周辺機器に熱影響を及ぼす問題があった。
又、前記ダクトＣ内に合流される燃焼排ガスは高温であり、未反応酸素ガスも燃料電池６が固体高分子形の場合はほぼ８０℃であるため、外装ケースＡの排気孔Ｄから排出されるガス温度は高くて火傷や火災等の危険が生じる問題もあった。
【０００８】
そこで、本発明は上記のような従来の問題を解決するためになされ、改質装置からの放熱を防止すると共に、外装ケースから排出される排ガス温度を低下させるようにした燃料電池用改質装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための技術的手段として、本発明は、原燃料ガスを水素リッチガスに改質し、この改質ガスと空気中の酸素ガスとを燃料電池に供給して起電力を生じさせるようにした燃料電池電源装置内に配設される燃料電池用改質装置であって、改質器と、改質器で改質された改質ガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変成器と、ＣＯ変成器で変成された変成ガス中のＣＯ濃度をさらに低減するＣＯ除去器とを箱体に収容し、前記箱体の上にダクトが配設されると共に、前記ダクトに熱交換器が取り付けられ、前記箱体から導出される、改質器に備えられた改質器バーナからの燃焼排ガスと、前記燃料電池電源装置内に設置され、起動直後に排出される改質ガスを燃焼させるＰＧバーナからの燃焼排ガスと、前記燃料電池電源装置内に配置された燃料電池からの未反応酸素ガスと、を前記ダクト内に導入し、前記熱交換器で冷却した後に外部に排出することを特徴とする。
前記ダクトは、内部が仕切板によって３つの通路に区画され、これらの通路に前記改質器バーナからの燃焼ガスと、ＰＧバーナからの燃焼排ガスと、燃料電池からの未反応酸素ガスとが各別に導入されること、
前記熱交換器は、ダクトをサンドイッチ状に挟み付ける２つの熱交換器に分割し、この２つの熱交換器を管接続により一体化したこと、
を特徴とするものである。
また、前記箱体の内壁面に断熱材を取り付けたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明では、改質装置を収納した箱体の内壁面に断熱材を取り付けたので、内部で発生する熱を箱体内に閉じ込めて高温雰囲気を保持すると共に、箱体からの放熱を防止して周辺機器への熱影響を阻止することができる。
又、箱体の上にダクトを配設し、このダクトに熱交換器を取り付けたので、ダクト内に導入される改質器バーナからの燃焼排ガスと、ＰＧバーナからの燃焼排ガスと、燃料電池からの未反応酸素ガスとが、熱交換器で冷却された後に外部に排出される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池用改質装置の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１（ａ）、（ｂ）は改質装置を示すもので、金属製の箱体１の内部にバーナ２ａを備えた改質器２と、ＣＯ変成器３と、ＣＯ除去器４とが収納され、改質器２の上方には脱硫器５と気化器９とが配設されている。箱体１の上端部には空気を取り込むための吸気孔１ａが設けられ、上面と底面を除く内壁面には耐熱性の材料からなる断熱材１０が取り付けられている。又、箱体１の外壁面の下部には前記バーナ２ａに空気を送るためのファン１１が取り付けられている。
【００１２】
箱体１の上にはダクト１２が配設され、このダクト１２の上下面には水冷式の熱交換器１３ａ、１３ｂがそれぞれ取り付けられ、これらの熱交換器１３ａ、１３ｂは連結管１３ｃによって接続一体化されている。ダクト１２内には、図２（ａ）のように改質器２のバーナ２ａからの燃焼排ガスと、前記ＰＧバーナ７からの燃焼排ガスと、燃料電池６からの未反応酸素ガスとが導入されるようにそれぞれ管接続されている。
【００１３】
このダクト１２の内部は、図２（ｂ）のように仕切板１２ａ、１２ｂにより３つの通路に区画され、第１の通路Ｒ１には改質器バーナ２ａからの燃焼排ガスが、第２の通路Ｒ２には燃料電池６からの未反応酸素ガスが、第３の通路Ｒ３にはＰＧバーナ７からの燃焼排ガスがそれぞれ導入されるようにしてある。特に温度の高い燃焼排ガスが通過する第１の通路Ｒ１は、張り出し板Ｒ１ａを千鳥状に設けることで改質器バーナ２ａからの燃焼排ガスが蛇行するように構成されている。このようにガス通路を区画することで、温度の異なる排ガス同士の熱影響を避けて効率良く冷却することが可能となる。このようなダクトは燃料電池６とＰＧバーナ７の通路にも設けても良い。
【００１４】
このような本発明に係る改質装置を備えた燃料電池電源装置の作動について、図３に示すブロック図により説明する。起動時には、先ず都市ガス等の原燃料ガスが改質器２のバーナ２ａに供給される。バーナ２ａが点火されると、前記ファン１１により空気が供給されて原燃料ガスが燃焼し、改質器２内に充填されている触媒の温度を適温まで上昇させる。
【００１５】
ファン１１による空気の供給は、外装ケースＡに設けられた空気取り入れ口Ｅ（図４）から流入した空気が前記箱体１の吸気孔１ａから内部に流入し、図１（ａ）のようにファン１１により吸気すると共にバーナ２ａに送り込むことで行われる。このバーナ２ａでの燃焼排ガスは、接続管８を介して前記ダクト１２の第１の通路Ｒ１内に流入する。
【００１６】
改質器２の触媒が所定の温度まで上昇すると、図３のように脱硫された原燃料ガスが改質器２内に供給され、その際前記気化器９から供給される水蒸気を介して水蒸気改質が行われる。これにより、原燃料ガスから水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
【００１７】
この改質ガスは、前記ＣＯ変成器３に供給され改質ガス中に含まれている一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。次いで、変成された改質ガスはＣＯ除去器４に供給され、ここで選択酸化により改質ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度が１０ｐｐｍ以下に減少される。
【００１８】
このようにして水素リッチガスに改質された改質ガスは、起動時の段階では安定していないため燃料電池６に供給せず、前記ＰＧバーナ７に送り込んで燃焼させる。このＰＧバーナ７での燃焼排ガスは、接続管を介して前記ダクト１２の第３の通路Ｒ３内に流入する。
【００１９】
改質ガスが安定すると、ＰＧバーナ７への供給は遮断され、以後は燃料電池６に供給されて発電が行われる。この場合、燃料電池６は固体高分子形であって燃料極と空気極とを備え、改質ガスは燃料極に供給される。この燃料極に供給された改質ガス中の水素ガスと、空気極に供給される空気中の酸素ガスとが固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を起こし、電気と水とが生成される。
【００２０】
空気極への空気の供給はエアポンプ１４により行われ、前記外装ケースＡの空気取り入れ口Ｅから流入した空気が送り込まれる。燃料電池６の空気極で未反応に終わった未反応酸素ガスは、燃料電池６から排出され接続管を介して前記ダクト１２の第２の通路Ｒ２内に流入する。一方、燃料電池６の燃料極で未反応に終わった改質ガスは、前記改質器２のバーナ２ａに送り込まれて燃焼される。
【００２１】
燃料電池６はほぼ８０℃で正常に作動するが、電気化学反応に伴う発熱のため温度が上昇する。この温度上昇を防ぐために、燃料電池６の近くに配設されている水タンク１５から水ポンプ１６によって燃料電池６の冷却部に冷却水を供給することで冷却する。冷却後の水は水タンク１５に戻して循環使用するが、この水タンク１５内の水量は徐々に減少するため市水を純水化した後に補充する。
【００２２】
前記水ポンプ１６の他にも複数の水ポンプ１７が設けられており、これらの水ポンプ１７は前記気化器９に関連して設けられた熱交換器、或は改質器２やＣＯ変成器３の出口側に設けられた熱交換器にそれぞれ水タンク１８から水を供給する。更に、複数のガスポンプ１８が設けられており、これらのガスポンプ１８は前記改質器２への原燃料ガス供給用として、或は前記ＰＧバーナ７への空気供給用等として用いられる。これらのポンプ類は、前記改質装置から離れた位置にまとめて設置することで、熱影響をなるべく受けないように配慮してある。
【００２３】
ところで、前記改質器２のバーナ２ａは起動時に原燃料ガスが供給され、燃料電池６が正常発電に入ると原燃料ガスの供給は遮断されるが、燃料電池６の発電中も改質器２の内部に充填されている触媒を所定の温度に保持するために燃焼が続行される。それに必要な燃料供給は、前記のように燃料電池６から排出される未反応改質ガスをバーナ２ａに送り込むことでなされる。
【００２４】
このバーナ２ａでの燃焼排ガスは、前記のようにダクト１２内に流入し、第１の通路Ｒ１を蛇行しながら通過する際に前記熱交換器１３により冷却される。起動時に、前記ＰＧバーナ７で燃焼される改質ガスの燃焼排ガスもダクト１２内に流入し、第３の通路Ｒ３を通過する際に熱交換器１３により冷却される。更に、燃料電池６の発電中に空気極から排出される未反応酸素ガスもダクト１２内に流入し、第２の通路Ｒ２を通過する際に冷却される。従って、これらの排ガスは全て熱交換器１３により冷やされた後に合流し、このダクト１２を介して前記外装ケースＡの排気孔Ｄから外部に排出される。これにより、排出ガス温度は従来に比して遥かに低くなり、火傷や火災等の危険を回避することができる。
【００２５】
熱交換器１３は前記のように２つの熱交換器１３ａ、１３ｂに分割し、これらの熱交換器１３ａ、１３ｂでダクト１２の端部を上下面からサンドイッチ状に挟み込んだ構造としたので、前記３つのガス通路を通過する排ガスを効率良く冷却できると共に、箱体１の上面内壁に断熱材１０を取り付ける必要がなくなる。
【００２６】
熱交換器１３への水の供給は、貯湯タンク１９に補充される市水の一部を利用して水ポンプで送り込むことで行い、ダクト１２を通過する排ガスとの間で熱交換後に加熱された温水は貯湯タンク１９に戻す。この貯湯タンク１９から風呂、キッチン、洗面所等に給湯することができる。
【００２７】
燃料電池６の発電中には、前記改質器２、ＣＯ変成器３、ＣＯ除去器４はそれぞれ高熱を発して箱体１の内部は高温雰囲気となるが、箱体１の内壁面には前記のように断熱材１０が取り付けられているため高熱を箱体１内に閉じ込めることができる。これにより、改質器２、ＣＯ変成器３、ＣＯ除去器４内の触媒がそれぞれ適正温度に保持されて効率良く働くと共に、箱体１から放熱しないため燃料電池６や、水タンク、ポンプ類、バルブ類等の補機や、制御装置（図略）等の周辺機器を熱影響から保護することができる。更に、箱体１内に流入する空気が高温雰囲気により加熱されるため、この加熱された空気が前記ファン１１によりバーナ２ａに供給されることとなり、バーナー２ａの燃焼効率を高めることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は燃料電池電源装置において、改質装置を収納した箱体の内壁面に断熱材を取り付けたので、改質装置を高温雰囲気中に保持できると共に箱体１からの放熱を防止して周辺機器を熱影響から保護することができる。又、箱体の上にダクトを配設し、改質器バーナ及びＰＧバーナでの燃焼排ガスと、燃料電池での未反応酸素ガスとをダクト内に導入し、このダクトに取り付けた熱交換器で冷却した後に外部に排出するように構成したので、排出ガス温度を低下させることができ、火傷や火災等の危険を未然に防止する効果を奏する。
更に、ダクト内には複数の通路を設けて前記燃焼排ガスと未反応酸素ガスとをそれぞれ各別に通過させ、且つ熱交換器はダクトをサンドイッチ状に挟み込むように取り付けることで、排出ガスの冷却効果をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用改質装置の実施形態を示すもので、（ａ）は概略縦断面図、（ｂ）は概略横断面図
【図２】（ａ）は改質装置の上部概略斜視図、（ｂ）はダクト内部の概略平面図
【図３】燃料電池電源装置の作動を示すブロック図
【図４】従来の改質装置を備えた燃料電池電源装置の説明図
【符号の説明】
１…箱体
２…改質器
３…ＣＯ変成器
４…ＣＯ除去器
５…脱硫器
６…燃料電池
７…ＰＧバーナ
８…接続管
９…気化器
１０…断熱材
１１…ファン
１２…ダクト
１３…熱交換器
１４…エアポンプ
１５…水タンク
１６、１７…水ポンプ
１８…ガスポンプ
１９…貯湯タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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