(57)【要約】【課題】  燃料改質器を構成する容器の劣化や損傷が無く、高信頼性で長寿命の燃料改質器を提供することを目的とする。【解決手段】  内筒２と燃焼炉底板６を有した燃焼炉と、内筒２と中間筒３との間を上方から下方へ向けて燃焼炉の放熱により高温となった改質ガス１６が流下し、改質ガス１６が吹き当たって上方へ反転し、中間筒３と外筒４の間を改質ガス１６が下方から上方へ吹き込む改質管２５と、を有する燃料電池用燃料改質器において、改質ガス１６が吹き当たって上方へ反転する部位に設けられた断熱層２６ｄを有し、断熱層２６ｄは、内筒２の外周の少なくとも一部を包囲する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁と底板を有した燃焼炉と、
前記燃焼炉の側壁の外側を囲うように設けた二重側壁の内側の側壁と前記燃焼炉の側壁との間を上方から下方へ向けて前記燃焼炉の放熱により高温となった改質ガスが流下し、前記改質ガスが吹き当たって上方へ反転し、前記二重側壁の間を前記改質ガスが下方から上方へ吹き込む改質管と、を有する燃料電池用燃料改質器において、
前記改質ガスが吹き当たって上方へ反転する部位に設けられた第１の耐熱部材を有し、
前記第１の断熱部材は、前記燃焼炉の側壁の外周の少なくとも一部を包囲することを特徴とする燃料電池用燃料改質器。
【請求項２】
前記燃焼炉の底板の上面に配置され前記燃焼炉の側壁の一部に接触する第２の断熱部材を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料改質器。
【請求項３】
前記燃焼炉の底板の下面に接触する第３の断熱部材を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用燃料改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用燃料改質器の構造に関する。特に、固体高分子型燃料電池用の燃料改質器の容器構造及び断熱構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
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に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。よ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列し、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共に、他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化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。
【０００３】
燃料電池で起きる化学反応式を下記に示す。式（１）はアノード側電極に於ける反応を示し、式（２）はカソード側電極に於ける反応を示し、式（３）では、式（１）及び式（２）を合わせた燃料電池全体の反応を示している。
【０００４】
（１）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（２）１／２О２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
（３）１／２О２＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ
【０００５】
燃料電池装置は、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、りん酸型燃料電池、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カソード側に使用することが可能である。そこで、これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとしてカソード側に用いて、天然ガス等の炭化水素系の原熱料を水蒸気改質して、生成した水素ガスを含むガスを燃料ガスとしてアノード側に用いている。そのため、このような燃料電池システムには、改質器及び一酸化炭素変成器が設けられており、この改質器及び一酸化炭素変成器において、天然ガス等の炭化水素系の原燃料の改質を行って燃料ガスを生成している。
【０００６】
図２は、従来における固体高分子型燃料電池用の燃料改質器の構造を示す概略図である。図２に示すように、燃料改質器は、中央に筒体である燃焼筒１を設け、その外側に内筒２、中間筒３、及び外筒４を順に覆った４層構造の筒体から構成している。
【０００７】
燃焼筒１内には、燃料電池本体からのオフガス１９と、燃焼空気２０とが供給され、バーナ２１によりオフガス１９を燃焼して高温の燃焼排ガス１８を生成している。この高温の燃焼排ガス１８は、燃焼筒１と内筒２とで構成された燃焼排ガス流路２２に送られ、燃料改質器の底部から上部へ流動して、燃料改質器の外へ排出される。また、燃焼排ガス流路２２の底部付近にはスペーサ８が複数設けられ、燃焼排ガス流路２２内の燃焼排ガス１８の流量を調整し、燃焼排ガス流路２２内の部位（高さ）に応じて燃焼排ガス１８から放出される熱量を調整している。
【０００８】
炭化水素系の原燃料ガス１５の改質を行って改質ガス１６を生成する改質管２５は、内筒２と中間筒３により構成される導入路２３と、中間筒３と外筒４により構成される還流路２４とから成る。導入路２３の上部に設けられた導入口から天然ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧなどの原燃料ガス１５に改質反応用の改質水（図示せず）を加えて導入し、導入路２３に複数設けた金属フェルト９が巻かれた予熱部を螺旋状に旋回しながら下降した後、アルミナボール層１０を通過して、改質触媒層１１に接する。改質触媒層１１により、原燃料ガス１５は水素ガス及び一酸化炭素ガスを含む改質ガス１６に改質され、導入路２３の底部に到達する。
【０００９】
改質ガス１６は、導入路２３の底部から還流路２４の底部へ流動し、還流路２４の底部から上部に向けて還流する。改質ガス１６は、還流路２４に設けたアルミナボール層１２を通過して、ＣＯ変成触媒層１３に接する。ＣＯ変成触媒層１３により、改質触媒層１１により発生した一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成し、一酸化炭素濃度を１％以下に低減する。また、還流路２４の中程から選択酸化用空気１７が導入されて、その下流に設けられた選択酸化触媒層１４にて、更に一酸化炭素ガスを酸化させて二酸化炭素ガスに変成し、一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下、望ましくは１０ｐｐｍ以下に低減する。選択酸化触媒層１４を通過した水素リッチな改質ガスは、還流路２４の上部から燃料電池本体に供給されている。
【００１０】
燃料改質器における炭化水素系の原燃料であるメタンの熱化学方程式を例として下記に示す。式（４）に示すように、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、改質触媒層１１を６００〜７００℃に保つことにより、原燃料ガス１５から水素に富む改質ガス１６を生成することができる。そのために、改質触媒層１１を設けた導入路２３の底部付近の環境温度を保つために、隣接する燃焼排ガス流路２２内の燃焼排ガス１８の温度並びに流量を調整している。そのため、内筒２と燃焼炉底板６を構成する耐熱ステンレス鋼の温度は、７００〜９００℃にもなるため、外筒４の外周を覆う断熱層２６ａと、改質管底板５の下側の断熱層２６ｂとで、改質管２５の外周を覆うように設けている。更に、燃焼炉底板６が所定以上の高温にならないように燃焼筒１の底部に断熱層２６ｃを設けている。
【００１１】
（４）ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２＋２０６．１４ＫＪ／ｍｏｌ
【００１２】
通常、固体高分子型燃料電池に搭載される燃料改質器は、１日１回の起動停止が主流であり、負荷も頻繁に変化する。そのため、燃料改質器内に発生する熱応力に対して、特に高温となる燃焼筒１の燃焼炉底板６及び改質管底板５に対して、熱応力を緩和する構造が必要とされている。図２で示すように、燃焼炉底板６及び改質管底板５には、下方に凸であるリブ２８、２９を設けて、熱応力による変形を緩和している。
【００１３】
また、燃料改質器における熱応力を緩和する構造として、断熱層の一部は燃焼排ガス流路の下方部流路壁の少なくとも一部を構成し、この断熱層の外周部を囲む断熱層囲み筐体により気密を保持する技術が提案されている。
【特許文献１】特開２０００−１７８００４号公報
【００１４】
図３は、上述した特許文献１に係る従来の固体高分子型燃料電池用の燃料改質器の構造を示す概略図である。尚、図２と同じ構成についての説明は省略する。
【００１５】
図３に示すように、図２に設けられた燃焼筒１の底部を形成する燃焼炉底板６が無く、断熱層２６ｂによって燃焼筒１の底部を形成している。この断熱層２６ｂは、更に、改質管底板５の下側に当接している。また、断熱層２６ａによって、改質管２５の外壁を構成している外筒４を覆うように配設されている。また、２つの断熱層２６ａ、２６ｂの外側外周部を覆うように断熱層囲い筐体２７が設けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、図２に示す従来の燃料改質器においては、燃焼炉底板６が断熱層２６ｃを介してバーナ２１の火炎に曝され、或いは燃焼筒１内の輻射や対流による伝熱をうけて高温となるために、燃焼炉底板６を構成する材料の酸化減肉やクリーブ損傷などにより、燃焼炉底板６が劣化や損傷してしまう問題があった。また、燃焼炉底板６の外側は、還元性ガスである改質ガスに曝されるため、水素脆化が起こり、燃焼炉底板６に損傷を受け易い問題があった。更に、軽量化を図るために燃焼炉底板６に薄板を使用し、薄板同士を薄肉溶接により内筒２と燃焼炉底板６が気密溶接されているが、長時間の耐久性が乏しく熱変形を起こす問題があった。
【００１７】
また、図３に示す特許文献１では、バーナ２１の火炎や燃焼筒１内の輻射や対流による伝熱をうけて断熱層２６ｂを介して断熱層囲い筐体２７の底部が高温となるため、断熱層囲い筐体２７は、燃料改質器の外枠を形成しているため、燃料改質器の外部へ放熱し、周囲に配設された燃料電池本体や他の構成機器がその放熱による影響を受ける問題があった。
【００１８】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、燃料改質器を構成する容器の劣化や損傷が無く、高信頼性で長寿命の燃料改質器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池用燃料改質器は、側壁と底板を有した燃焼炉と、前記燃焼炉の側壁の外側を囲うように設けた二重側壁の内側の側壁と前記燃焼炉の側壁との間を上方から下方へ向けて前記燃焼炉の放熱により高温となった改質ガスが流下し、前記改質ガスが吹き当たって上方へ反転し、前記二重側壁の間を前記改質ガスが下方から上方へ吹き込む改質管と、を有する燃料電池用燃料改質器において、前記改質ガスが吹き当たって上方へ反転する部位に設けられた第１の耐熱部材を有し、前記第１の断熱部材は、前記燃焼炉の側壁の外周の少なくとも一部を包囲することを特徴とする。
【００２０】
上述の構成によれば、改質管内で特に劣化や損傷が激しい部位の一つである改質ガスが吹き当たって上方へ反転する部位に断熱部材を設けることで、その部位に使用したステンレス鋼を廃止することができる。そのため、燃焼炉内から受ける高熱による劣化や水素リッチな改質ガスによる水素脆化の影響を受けることが無く、高信頼性で長寿命の燃料改質器を提供することができる。また、燃料改質器を軽量化することができる。また、従来のその部位に使用したステンレス鋼で生じていた熱応力による変形を回避でき、更に燃料改質器の外側への放熱量を低減することができる。また、断熱部材が、燃焼炉の側壁の外周の少なくとも一部を包囲することで、燃焼炉の側壁の外面で接していた水素リッチな改質ガスとの接触を防止することができて、燃焼炉の側壁を水素脆化から保護することができる。
【００２１】
また、上述の発明に加えて、前記燃焼炉の底板の上面に配置され前記燃焼炉の側壁の一部に接触する第２の断熱部材を更に備えることを特徴とする。
【００２２】
上述の構成によれば、バーナの炎や輻射を受けやすい燃焼炉の底板や燃焼炉の側壁を断熱する断熱部材を設けることで、燃焼炉の底板や燃焼炉の側壁を構成するステンレス鋼を高熱による酸化減肉やクリーブ損傷などの劣化や損傷を防止することができる。
【００２３】
また、上述の発明に加えて、前記燃焼炉の底板の下面に接触する第３の断熱部材を更に備えることを特徴とする。
【００２４】
上述の構成によれば、燃焼炉の底板の下部の断熱部材を設けることで、燃焼炉の底板の下部面で接していた水素リッチな改質ガスとの接触を防止できて、燃焼炉の底板を水素脆化から保護することができる。
【発明の効果】
【００２５】
したがって、本発明によれば、燃料改質器を構成する容器の劣化や損傷が無く、高信頼性で長寿命の燃料改質器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。尚、この実施形態によって本発明を限定するものではない。
【００２７】
図１は、本発明における燃料電池用燃料改質器の概要を示した説明図である。図１に示すとおり、燃料改質器は、中央に筒体である燃焼筒１を設け、その外側に内筒２、中間筒３、及び外筒４を順に覆った４層構造の筒体から構成している。
【００２８】
燃焼筒１内には、燃料電池本体からのオフガス１９と、燃焼空気２０とが供給され、バーナ２１によりオフガス１９を燃焼して高温の燃焼排ガス１８を生成している。この高温の燃焼排ガス１８は、燃焼筒１と内筒２とで構成された燃焼排ガス流路２２に送られ、燃料改質器の底部から上部へ流動して、燃料改質器の外へ排出される。また、燃焼排ガス流路２２の底部付近にはスペーサ８が複数設けられ、燃焼排ガス流路２２内の燃焼排ガス１８の流量を調整し、燃焼排ガス流路２２内の部位（高さ）に応じて燃焼排ガス１８から放出される熱量を調整している。
【００２９】
炭化水素系の原燃料ガス１５の改質を行って改質ガス１６を生成する改質管２５は、内筒２と中間筒３により構成される導入路２３と、中間筒３と外筒４により構成される還流路２４とから成る。導入路２３の上部に設けられた導入口から天然ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧなどの原燃料ガス１５に改質反応用の改質水（図示せず）を加えて導入し、導入路２３に複数設けた金属フェルト９が巻かれた予熱部を螺旋状に旋回しながら下降した後、アルミナボール層１０を通過して、改質触媒層１１に接する。改質触媒層１１により、原燃料ガス１５は水素ガス及び一酸化炭素ガスを含む改質ガス１６に改質され、導入路２３の底部に到達する。
【００３０】
改質ガス１６は、導入路２３の底部から還流路２４の底部へ流動し、還流路２４の底部から上部に向けて還流する。改質ガス１６は、還流路２４に設けたアルミナボール層１２を通過して、ＣＯ変成触媒層１３に接する。ＣＯ変成触媒層１３により、改質触媒層１１により発生した一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成し、一酸化炭素濃度を１％以下に低減する。また、還流路２４の中程から選択酸化用空気１７が導入されて、その下流に設けられた選択酸化触媒層１４にて、更に一酸化炭素ガスを酸化させて二酸化炭素ガスに変成し、一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下、望ましくは１０ｐｐｍ以下に低減する。選択酸化触媒層１４を通過した水素リッチな改質ガスは、還流路２４の上部から燃料電池本体に供給されている。
【００３１】
原燃料ガス１５及び改質ガス１６が流動する改質管２５内に設けられたアルミナボール層１０、１２、改質触媒層１１、ＣＯ変成触媒層１３、及び選択酸化触媒層１４は、支持板７によって導入路２３又は還流路２４に仕切りを入れて、各層の構成粒子を保持している。
【００３２】
改質管２５の外筒４の高温部外周を包囲して断熱する断熱層は、複数の断熱層によって組み合わせて構成されている。断熱層２６ａは、改質管２５の外筒４の高温となる下部を中心に改質管２５を包囲している。断熱層２６ｂは、燃焼筒１の底部を構成する燃焼炉底板６の外側下面全面に接触して断熱している。断熱層２６ｃは、バーナ２１及び燃焼排ガス１８によって高温に曝される内筒２の内側の底部付近と燃焼炉底板６の上部全面に接触して断熱している。断熱層２６ｄは、改質管２５の底部流路壁を成し、更に内筒２の外側の底部付近を包囲している。
【００３３】
また、断熱層２６ａ、２６ｂ、２６ｄの外周を包囲した断熱層囲い筐体２７により、断熱層２６ａ、２６ｂ、２６ｄから燃料改質器外部へ放熱されることを防止している。
【００３４】
このように、断熱層２６ｄによって、改質管２５の底部流路壁を成すことで、従来の実施例である図２で説明した改質管底板５を削除することができる。これにより、改質ガスによる水素脆化や高温による酸化減肉やクリーブ損傷などの劣化や損傷を考慮する必要が無くなる。また、従来では最も劣化や損傷を受けた内筒２と燃焼炉底板６を３つの断熱層２６ｂ、２６ｃ、２６ｄにて覆うことで、内側からの高温による酸化減肉やクリーブ損傷などの劣化、更に外側からの改質ガスによる水素脆化による損傷を抑えることができる。
【００３５】
以上のことから、本実施形態によれば、改質管２５内で特に劣化や損傷が激しい部位の一つである、改質ガス１６が吹き当たって上方へ反転する部位に断熱層２６ｄを設けることで、その部位に使用したステンレス鋼を廃止することができる。そのため、燃焼炉内から受ける高熱による劣化や水素リッチな改質ガス１６による水素脆化の影響を受けることが無く、高信頼性で長寿命の燃料改質器を提供することができる。また、燃料改質器を軽量化することができる。また、従来のステンレス鋼で生じていた熱応力による変形を回避でき、更に燃料改質器の外側への放熱量を低減することができる。また、断熱層２６ｄが、燃焼炉の側壁である内筒２の外周の少なくとも一部を包囲することで、燃焼炉の内筒２の外面で接していた水素リッチな改質ガス１６との接触を防止することができて、燃焼炉の内筒２を水素脆化から保護することができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、バーナ２１の炎や輻射を受けやすい燃焼炉底板６や燃焼炉の内筒２を断熱する断熱層２６ｃを設けることで、燃焼炉底板６や燃焼炉の内筒２を構成するステンレス鋼を高熱による酸化減肉やクリーブ損傷などの劣化や損傷を防止することができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、燃焼炉底板６の下部の断熱層２６ｂを設けることで、燃焼炉底板６の下部面で接していた水素リッチな改質ガス１６との接触を防止できて、燃焼炉底板６を水素脆化から保護することができる。
【００３８】
このように、本発明によれば、燃料改質器を構成する容器の劣化や損傷が無く、高信頼性で長寿命の燃料改質器を提供することができる。
【００３９】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明における固体高分子型燃料電池用の燃料改質器の構造を示す概略図である。
【図２】従来における固体高分子型燃料電池用の燃料改質器の構造を示す概略図である
【図３】従来における固体高分子型燃料電池用の燃料改質器の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１      燃焼筒
２      内筒
３      中間筒
４      外筒
５      改質管底板
６      燃焼炉底板
７      支持板
８      スペーサ
９      金属フェルト
１０、１２    アルミナボール層
１１    改質触媒層
１３    ＣＯ変成触媒層
１４    選択酸化触媒層
１５    原燃料ガス
１６    改質ガス
１７    選択酸化用空気
１８    燃焼排ガス
１９    オフガス
２０    燃料空気
２１    バーナ
２２    燃焼排ガス流路
２３    導入路
２４    還流路
２５    改質管
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ    断熱層
２７    断熱層囲い筐体
２８、２９    リブ
【図１】
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【図２】
2009274938.tif 000004
【図３】
2009274938.tif 000005