(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する燃料改質器において、改質の対象とする燃料が供給される筒状の反応室には、筒状の網容器に粒状の触媒を充填してなる１本の触媒カートリッジが、反応室の筒軸を包囲して螺旋状に巻回されて装填され、反応室の筒軸方向に積み重なった複数の触媒層を形成していることを特徴とする燃料改質器。
【請求項２】
反応室は、互いに同軸上に配備された第１筒体(11)と第２筒体(12)の間に形成され、触媒カートリッジは、第１筒体(11)の外周面に沿って湾曲した状態で配置されている請求項１に記載の燃料改質器。
【請求項３】
網容器は、ステンレス鋼、インコネル、インコロイ、或いは鋼鉄製の金網によって形成されている請求項１又は請求項２に記載の燃料改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池等に供給すべき炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料に改質する燃料改質器に関し、特に、粒状の触媒が充填された反応室の膨張収縮に起因する触媒の圧壊を防止することが可能な燃料改質器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高いエネルギー変換効率が実現可能であって、然も大気汚染や熱汚染などの環境問題を引き起こす虞れも低いクリーンなエネルギー源として、燃料電池が注目を浴びている。
【０００３】
図９は燃料電池(２)の発電原理を説明するものであって、アノード(21)とカソード(22)の間に電解質層(23)が介在し、アノード(21)の外側には水素室(24)、カソード(22)の外側には空気室(25)が形成されている。アノード(21)には燃料として水素が供給されると共に、カソード(22)には酸化剤として空気(酸素)が供給される。
アノード(21)では、水素ガスから水素イオンと電子が生成され、水素イオンは電解質層(23)を通ってカソード(22)へ向かい、電子は外部回路(26)に流れる。カソード(22)では、外部回路(26)から流入した電子と、空気中の酸素と、電解質層(23)から供給される水素イオンとが反応して、水を生じる。
この様に、電池全体として、水素と酸素から水が生成されると共に、起電力が発生するのである。
【０００４】
実際の燃料電池システムにおいては、燃料として、一般にメタノール等の炭化水素系燃料が用いられ、炭化水素系燃料を水蒸気改質することによって、水素リッチな改質ガスを得て、この改質ガスを燃料電池に供給することが行なわれている。
【０００５】
図１０は、燃料改質システムの構成を示しており、気化器(９)、燃料改質器(91)、及びＣＯ除去器(93)が直列に接続され、気化器(９)及び燃料改質器(91)には、燃焼器(92)が連結されて、気化器(９)及び燃料改質器(91)に熱を供給するようになっている。
尚、燃料改質システムには、上述の水蒸気改質方式の他、空気を燃料改質器へ供給する部分酸化方式を採用したシステムが知られており、該燃料改質システムによれば、吸熱反応とメタノール燃焼の発熱反応とが相殺して、熱的な自立が得られるので、迅速な起動が可能となる。
【０００６】
燃料改質器の１つとして、図１１に示す二重円筒型の燃料改質器(８)が知られている。
該燃料改質器(８)は、第１筒体(81)の中央空間(88)の入口にバーナ(32)を具えると共に、第１筒体(81)の外側に配置した第２筒体(82)との間に、断面環状の筒状反応室(87)を形成し、該反応室(87)には、多数の粒状触媒(41)が充填されている。該反応室(87)には改質の目的とするメタノール等の改質燃料が供給される。第２筒体(82)の外側には第３筒体(83)が配備され、両筒体(82)(83)の間に、反応室(87)から得られる改質ガスを改質ガス供給管(86)へ導くための第１筒状空間(89)が形成されている。又、第３筒体(83)の外側には第４筒体(84)が配備され、両筒体(83)(84)の間に、中央空間(88)を通過した燃焼排ガスを排気管(85)へ導くための第２筒状空間(90)が形成されている。
【０００７】
このような燃料改質器(８)においては、バーナ(32)を点火して起動すると、先ず燃焼ガスが中央空間(88)に流れ込んで、該中央空間(88)に接する第１筒体(81)が加熱されて、第１筒体(81)の温度が急上昇し、例えば７００℃〜９００℃程度に達する。その後、第１筒体(81)から第２筒体(82)に熱が伝わって、第２筒体(82)の温度が上昇し、例えば５００℃〜６００℃程度に達する。従って、起動時には、第１筒体(81)と第２筒体(82)の間に、２００℃〜３００℃程度の温度差が生じることになる。
【０００８】
これによって、第１筒体(81)及び第２筒体(82)は熱膨張するが、上述の温度差に起因して、外側の第２筒体(82)よりも内側の第１筒体(81)の方が熱膨張量が大きくなり、この結果、第１筒体(81)と第２筒体(82)の間隔が狭まって、反応室(87)内の触媒(41)は、第１筒体(81)と第２筒体(82)によって両側から挟圧されることになる。
例えば、第１筒体(81)の外径が２００ｍｍ、第２筒体(82)の外径が３００ｍｍであって、両筒体(81)(82)の材質がステンレス鋼の場合、両筒体に３００℃の温度差が生じると、これによって、両筒体の間隔は、１ｍｍ程度狭まることになる。
その後、バーナ(32)を消火して、燃料改質器(８)の運転を停止すると、第１筒体(81)及び第２筒体(82)は冷却されて、共に常温まで温度が低下し、これに伴って両筒体(81)(82)の間隔も元に戻って、触媒(41)の挟圧は開放されることになる。
【０００９】
従って、燃料改質器(８)の起動停止が繰り返されると、第１筒体(81)と第２筒体(82)の間隔の拡大、収縮が繰り返されて、反応室(87)内の触媒(41)に対して挟圧とその開放が交互に繰り返される。この過程において、両筒体(81)(82)の間隔が拡がったとき、触媒(41)は、重力によって、全体的に反応室(87)の底部へ向けて移動する。そして、次に第１筒体(81)と第２筒体(82)の間隔が狭まることによって、触媒(41)は両筒体(81)(82)に挟圧され、一部の触媒(41)は剪断力を受けて破壊され、微粉化することになる。微粉化した触媒(41)は、次に両筒体(81)(82)の間隔が拡がったとき、更に反応室(87)の底部へ移動する。
この様に、燃料改質器(８)の起動停止に伴って、反応室(87)内の触媒(41)は徐々に反応室(87)の底部へ移動しつつ、その一部が圧壊されることになる。
この結果、反応室(87)を通過する改質燃料に対する改質効果が不十分となり、水素リッチな改質燃料が得られない問題があった。
【００１０】
そこで、触媒の圧壊を防止するべく、図１２(ａ)(ｂ)に示す様に、第１筒体(81)と第２筒体(82)の間に形成される反応室を、環状板体を呈する複数枚の仕切り板(101)によって仕切った燃料改質器が提案されている(特開平８−２０８２０２号)。該燃料改質器においては、反応室の底部に取り付けられた環状板体を呈する底板(100)と各仕切り板(101)に、多数の貫通孔(102)が開設され、改質ガスの通過を許容している。
上記燃料改質器においては、起動停止によって、第１筒体(81)と第２筒体(82)の間隔が拡大、収縮したとしても、各仕切り板(101)上の触媒(41)は仕切り板(101)によって受け止められているので、起動停止の繰り返しによって触媒(41)が徐々に反応室の底部へ向けて移動することはなく、これによって触媒の圧壊が防止される。
【００１１】
尚、各仕切り板(101)は、図１２(ｂ)に示す如くその内周縁が第１筒体(81)の壁面に固定されており、外周縁は、第２筒体(82)の壁面から離間している。従って、第１筒体(81)の熱変形に伴って仕切り板(101)が第２筒体(82)側へ変位したとしても、仕切り板(101)が両筒体(81)(82)により挟圧されて変形する虞れはない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１２に示す燃料改質器においては、各仕切り板(101)の内周縁を第１筒体(81)の壁面に溶接等によって固定した構造を有しているので、各反応室へ触媒(41)を充填するために、反応室毎に、触媒充填時に開くべき小さな扉(102)を設ける必要があり、これによって構造が複雑となるばかりでなく、この様な小さな扉(102)から各反応室へ触媒(41)を充填する作業が、極めて困難となる問題があった。
【００１３】
尚、円管状の改質管の内部に触媒を充填する方法として、改質管の内径よりも僅かに外径の小さい円筒状の金網容器を作製し、該金網容器内に触媒を充填して円柱状の触媒カートリッジを形成し、該触媒カートリッジを改質管の内部に収容する方法が提案されているが(特開平６−６４９０２号)、該方法によっても、円管状の改質管が垂直に設置された場合、起動停止に伴う膨張収縮によって、触媒が改質管の底部に溜まる問題が生じる。
【００１４】
本発明の目的は、起動停止を繰り返したとしても、触媒が圧壊される虞れが従来よりも低く、然も、構造が簡易で、触媒を充填する作業が容易となる燃料改質器を提供することである。
【００１５】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る燃料改質器においては、改質の対象とする燃料が供給される筒状の反応室に、筒状の網容器に粒状の触媒を充填してなる１本の触媒カートリッジが、反応室の筒軸を包囲して螺旋状に巻回されて装填され、反応室の筒軸方向に積み重なった複数の触媒層を形成している。
【００１６】
上記本発明の燃料改質器において、反応室の周壁が熱によって膨張、収縮したとしても、触媒は、網容器に充填された状態で、反応室の内部に、反応室の筒軸方向に積み重なった複数の触媒層を形成しており、これらの触媒層の間には、網容器の網が介在することになるので、反応室が熱によって拡がったとしても、各網上に形成された触媒層は該網によって保持され、反応室の底部へ移動することはない。
従って、触媒カートリッジの触媒が反応室の底部に溜まることに起因して触媒に作用する力は発生せず、これによって触媒の圧壊が防止される。
【００１７】
上記本発明の燃料改質器によれば、予め網容器に触媒を充填して触媒カートリッジを作製した後、該触媒カートリッジを反応室の上部開口から反応室内に装填すればよく、反応室には、従来の如き仕切り板や触媒充填用の扉を設ける必要はないので、構造が簡易であり、触媒の充填作業も容易である。
【００１８】
尚、第１筒体(11)と第２筒体(12)を互いに同軸上に配備して、両筒体(11)(12)の間に反応室(18)を形成した二重円筒型の燃料改質器においては、触媒カートリッジは、第１筒体(11)の外周面に沿って湾曲した状態で配置される。
【００２１】
尚、網容器は、ステンレス鋼、インコネル、インコロイ、或いは鋼鉄製の金網によって形成することが出来る。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料改質器によれば、起動停止を繰り返したとしても、触媒が圧壊される虞れが従来よりも低く、然も、構造が簡易で、触媒を充填する作業が容易となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を二重円筒型の燃料改質器に実施した２つの例につき、図面に沿って具体的に説明する。
【００２４】
第１実施例
図１に示す如く、本発明に係る燃料改質器(１)は、第１筒体(11)の内部に形成した燃焼ガス流路(17)の入口にバーナ(３)を具えると共に、第１筒体(11)の外側に配置した第２筒体(12)との間に、断面円環状の筒状反応室(18)を形成している。該反応室(18)には改質の目的とするメタノール等の改質燃料が供給される。
【００２５】
第２筒体(12)の外側には第３筒体(13)が配備され、両筒体(12)(13)の間に、反応室(17)から得られる改質ガスを改質ガス供給管(15)へ導くための改質ガス流路(19)が形成されている。又、第３筒体(13)の外側には第４筒体(14)が配備され、両筒体(13)(14)の間に、燃焼ガス流路(17)を通過した燃焼排ガスを排気管(16)へ導くための排ガス流路(20)が形成されている。
【００２６】
第１筒体(11)と第２筒体(12)の間の反応室(18)には、複数の円環状の触媒カートリッジ(５)が上下に積み重ねられて収容されている。尚、反応室(18)の底部には、これらの触媒カートリッジ(５)を受け止めるための金具(図示省略)が突設されている。
【００２７】
本実施例において、触媒カートリッジ(５)は、図２に示す如く丸筒状網容器(51)の内部に粒状の触媒(４)を充填したものであって、これを図３に示す如く円環状に湾曲させた状態で、図４に示す如く、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間へ周壁面に沿わせて装填する。
尚、丸筒状網容器(51)は、例えばステンレス鋼、インコネル、インコロイ、或いは鋼鉄製の金網から形成され、触媒(４)の粒径よりも細かい網目を有している。触媒カートリッジ(５)の長さは、反応室(18)の１周長と略同一値に形成される。又、触媒カートリッジ(５)の断面の外径は、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間の間隔よりも僅かに小さい寸法であって、触媒(４)の粒径の３倍以上、好ましくは５〜２０倍の大きさに形成される。
【００２８】
上記燃料改質器(１)においては、起動停止の繰り返しに伴って、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間隔が拡大、収縮したとしても、触媒(４)は、図４に示す如く丸筒状網容器(51)に充填された状態で、上下に積み重なった複数の触媒層を形成しており、これらの触媒層の間には、丸筒状網容器(51)の網が介在することになる。従って、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間隔が拡がったとしても、触媒(４)は、丸筒状網容器(51)の網によって保持され、底部へ移動することはない。この結果、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間隔が狭まったときに触媒(４)に作用する力は、従来よりも小さくなり、触媒(４)の圧壊が防止される。
【００２９】
又、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間の反応室内に複数の触媒カートリッジ(５)を装填する工程においては、先ず、図２に示す如く丸筒状網容器(51)内に触媒(４)を充填した後、これを図３に示す如く円環状に湾曲させた状態で、図５の如く反応室(18)内に下から順に積み重ねていけばよい。
従って、従来の如き仕切り板や触媒充填用の扉などは不要であり、構造が極めて簡易となるばかりでなく、触媒(４)の充填作業は容易となる。又、触媒(４)を反応室(18)内に装填する前に、触媒(４)を水で洗浄する際にも、触媒カートリッジ(５)の状態で洗浄を行なうことが出来るので、処理が容易である。
【００３０】
第２実施例
本実施例の燃料改質器(１)は、図５に示す如く、触媒カートリッジ(50)の構成が上記第１実施例と異なる点を除いて、同一の構造を具えている。同一の構成要素には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００３１】
第１筒体(11)と第２筒体(12)の間に形成された断面円環状の筒状反応室(18)には、螺旋状に巻回された１本の触媒カートリッジ(50)が収容されている。尚、反応室(18)の底部には、この触媒カートリッジ(50)を受け止めるための金具(図示省略)が突設されている。
【００３２】
本実施例において、触媒カートリッジ(50)は、図６に示す如く角筒状網容器(52)の内部に粒状の触媒(４)を充填したものであって、これを図７に示す如く螺旋状に巻回した状態で、図８に示す如く、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間へ周壁面に沿わせて装填する。
尚、角筒状網容器(52)は、例えばステンレス鋼、インコネル、インコロイ、或いは鋼鉄製の金網から形成され、触媒(４)の粒径よりも細かい網目を有している。触媒カートリッジ(50)の断面における横幅は、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間の間隔よりも僅かに小さい寸法であって、触媒(４)の粒径の３倍以上、好ましくは５〜２０倍の大きさに形成される。
【００３３】
上記燃料改質器(１)においては、起動停止の繰り返しに伴って、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間隔が拡大、収縮したとしても、触媒(４)は、図８に示す如く角筒状網容器(52)に充填された状態で、上下に積み重なった複数の触媒層を形成しており、これらの触媒層の間には、角筒状網容器(52)の網が介在することになる。従って、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間隔が拡がったとしても、触媒(４)は、角筒状網容器(52)の網によって保持され、底部へ移動することはない。この結果、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間隔が狭まったときに触媒(４)に作用する力は、従来よりも小さくなり、触媒(４)の圧壊が防止される。
【００３４】
又、第１筒体(11)と第２筒体(12)の間の反応室内に触媒カートリッジ(50)を装填する工程においては、先ず、図６に示す如く角筒状網容器(52)内に触媒(４)を充填した後、これを図７に示す如く螺旋状に巻回した状態で、図５の如く反応室(18)内に装填すればよい。
従って、従来の如き仕切り板や触媒充填用の扉などは不要であり、構造が極めて簡易となるばかりでなく、触媒(４)の充填作業は容易となる。又、触媒(４)を反応室(18)内に装填する前に、触媒(４)を水で洗浄する際にも、触媒カートリッジ(50)の状態で洗浄を行なうことが出来るので、処理が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料改質器の第１実施例を示す断面図である。
【図２】該燃料改質器の反応室に装填すべき触媒カートリッジの一部破断斜視図である。
【図３】該触媒カートリッジを円環状に湾曲させた状態を示す一部破断平面図である。
【図４】該燃料改質器の要部を示す拡大断面図である。
【図５】本発明に係る燃料改質器の第２実施例を示す断面図である。
【図６】該燃料改質器の反応室に装填すべき触媒カートリッジの一部破断斜視図である。
【図７】該触媒カートリッジを螺旋状に巻回した状態を示す一部破断側面図である。
【図８】該燃料改質器の要部を示す拡大断面図である。
【図９】燃料電池の発電原理を説明する図である。
【図１０】燃料改質システムを表わす系統図である。
【図１１】従来の燃料改質器の断面図である。
【図１２】仕切り板を装備した従来の燃料改質器の要部を示す鉛直断面図(ａ)及びＧ−Ｇ断面図である。
【符号の説明】
(１)  燃料改質器
(11)  第１筒体
(12)  第２筒体
(18)  反応室
(４)  触媒
(５)  触媒カートリッジ
(51)  丸筒状網容器
(50)  触媒カートリッジ
(52)  角筒状網容器
【図１】
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【図２】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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