JPH0881202A - Methanol reformer for fuel cell - Google Patents

Methanol reformer for fuel cell

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JPH0881202A
JPH0881202A JP6244652A JP24465294A JPH0881202A JP H0881202 A JPH0881202 A JP H0881202A JP 6244652 A JP6244652 A JP 6244652A JP 24465294 A JP24465294 A JP 24465294A JP H0881202 A JPH0881202 A JP H0881202A
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JP
Japan
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reforming
heat
methanol
heat source
heat pipe
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Application number
JP6244652A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshimasa Negishi
良昌 根岸
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PURPOSE: To keep good reforming ratio and prevent efficiency of whole system from lowering by connecting a reforming reacting part through a heat pipe to a chemical heat source part. CONSTITUTION: A condensing part 11b of a heat pipe 11 is installed in a reforming reacting part 10 for generating hydrogen and an evaporating part 11a of the heat pipe 11 has a part 19 heated by oxidation heat of a discharge gas discharged from a fuel cell and a part bringing into contact with an electric heat source part 20 controlled to a prescribed temperature. Since, in this methanol the reforming reacting part of methanol is connected through a heat pipe having uniform temperature characteristics to a chemical heat source part, oxidation (combustion) heat generated in the chemical heat source part is transported under heating so as to keep the temperature of each part of the reforming reacting part to uniform temperature. Since electric heat source part for assisting the chemical heat source part is attached to the heat pipe, good reforming ratio is always kept in the reforming reactor.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、触媒を用いて原料ガ
スを所望のガスに改質する改質反応器に関し、具体的に
は、メタノールから水素含有ガスを得るという吸熱作用
を伴う改質反応を促進させるために、熱エネルギーが供
給される構成の改質反応器に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a reforming reactor for reforming a raw material gas into a desired gas by using a catalyst, and specifically, a reforming reactor having an endothermic effect of obtaining a hydrogen-containing gas from methanol. The present invention relates to a reforming reactor configured so that thermal energy is supplied to accelerate the reaction.

【0002】[0002]

【従来の技術】騒音の低減や排気ガスの浄化等の点での
低公害化を図る車両として電気自動車の開発が進められ
ている。そのエネルギー源として蓄電池を用いる形式
と、燃料電池を用いる形式とが試みられているが、燃料
電池を用いる場合、熱量が大きくかつ燃焼によって生じ
る排気ガスがクリーンな水素ガスを燃料とすることが望
ましい。しかしながら、水素ガスをたとえボンベに詰め
てもそのまま車両に搭載することは困難であるから、最
近では、炭化水素、具体的にはメタノールを原料として
これを改質し、水素ガスを得ることが考えられている。
2. Description of the Related Art Development of an electric vehicle is underway as a vehicle for reducing pollution in terms of noise reduction and exhaust gas purification. A type using a storage battery as a source of energy and a type using a fuel cell have been attempted. However, when using a fuel cell, it is desirable to use hydrogen gas, which has a large amount of heat and whose exhaust gas generated by combustion is clean, as fuel. . However, even if hydrogen gas is packed in a cylinder, it is difficult to mount it on a vehicle as it is. Recently, it has been considered to obtain hydrogen gas by reforming hydrocarbon, specifically methanol, as a raw material. Has been.

【0003】メタノールを原料として水素ガスを得る水
蒸気改質反応は、200〜300℃においてCu −Zn
系やCu −Cr 系等の触媒部分にメタノールと水との混
合ガスを通して、水素と二酸化炭素を得る反応であり、
これは下記の式で表されるように進行する。
The steam reforming reaction for obtaining hydrogen gas from methanol as a raw material is Cu-Zn at 200 to 300 ° C.
Is a reaction to obtain hydrogen and carbon dioxide by passing a mixed gas of methanol and water through a catalyst portion such as a Cu system or a Cu-Cr system,
This proceeds as represented by the equation below.

【0004】CH3 OH=2H2 +CO−90 kJ/mol CO+H2 O=H2 +CO2 +40 kJ/mol したがって、 CH3 OH+H2 O=3H2 +CO2 −50 kJ/mol これは吸熱反応であるから、触媒温度を所定の温度範囲
に維持するために加熱する必要があるが、改質反応の進
行度合いは触媒の全体に亘って必ずしも均一ではないか
ら、低温部分での改質率(供給したメタノールの量に対
する反応したメタノールの量の割合)が低下し、その結
果、微量の未反応のメタノールや一酸化炭素が水素ガス
と共に排出されることがある。水素ガスに含まれるこれ
らのメタノールや一酸化炭素は、燃料電池に悪影響を及
ぼすので、可及的に零にすることが望まれ、そのために
は触媒の全体の温度を改質反応に適した温度範囲に維持
することが有効である。
CH 3 OH = 2H 2 + CO-90 kJ / mol CO + H 2 O = H 2 + CO 2 +40 kJ / mol Therefore, CH 3 OH + H 2 O = 3H 2 + CO 2 -50 kJ / mol This is an endothermic reaction. Therefore, it is necessary to heat the catalyst in order to maintain the catalyst temperature within a predetermined temperature range, but the progress of the reforming reaction is not always uniform over the entire catalyst, so the reforming rate in the low temperature part (supplied The ratio of the amount of reacted methanol to the amount of methanol) decreases, and as a result, a trace amount of unreacted methanol or carbon monoxide may be discharged together with hydrogen gas. Since these methanol and carbon monoxide contained in hydrogen gas adversely affect the fuel cell, it is desirable to make them as zero as possible. It is effective to maintain the range.

【0005】一般に、上述した吸熱を伴う改質反応は、
触媒のうち原料ガスの供給側で多く進行し、未反応の原
料ガスが触媒中を流れるうちに次第に進行するので、触
媒のうちいわゆる入口側の温度が低下しやすく、また外
部への放熱の多い箇所の温度が低下しやすい。このよう
な温度の部分的な低下を抑制して改質率を高くする技術
として、従来、特開昭62−17002号公報に記載さ
れた装置が知られている。
In general, the above-mentioned endothermic reforming reaction is
Most of the catalyst proceeds on the supply side of the raw material gas, and gradually progresses while the unreacted raw material gas flows through the catalyst, so the temperature on the so-called inlet side of the catalyst tends to decrease and there is much heat dissipation to the outside. The temperature at the location tends to drop. As a technique for suppressing such a partial decrease in temperature and increasing the reforming rate, the device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 62-17002 has been known.

【0006】これを図5を参照して簡単に説明すると、
この装置は、スチームドラム1と、メタノール気化器2
と、メタノール改質器3と、低温シフトコンバーター4
と、気水分離器5と、燃料電池6ならびに触媒燃焼器7
を備え、メタノール改質器3と触媒燃焼器7との間にヒ
ートパイプ8が配設されている。このヒートパイプ8
は、触媒燃焼器7側を蒸発部8a、メタノール改質器3
側を凝縮部8bとし、この蒸発部8aには、温度調節器
9が設けられている。すなわち、この装置は、メタノー
ル改質反応部の加熱に、触媒燃焼器7における可燃性ガ
スの触媒酸化(燃焼)反応によって生じる熱がヒートパ
イプ8を介して輸送されて使用される。このとき、温度
調節器9では補助燃料を段階的に燃焼させることによ
り、ヒートパイプの蒸発部8aの温度を制御している。
This will be briefly described with reference to FIG.
This equipment consists of a steam drum 1 and a methanol vaporizer 2
, Methanol reformer 3, low temperature shift converter 4
, A steam separator 5, a fuel cell 6 and a catalytic combustor 7
The heat pipe 8 is provided between the methanol reformer 3 and the catalytic combustor 7. This heat pipe 8
Is the evaporator 8a on the side of the catalytic combustor 7 and the methanol reformer 3
The side is a condensing part 8b, and the evaporating part 8a is provided with a temperature controller 9. That is, in this apparatus, the heat generated by the catalytic oxidation (combustion) reaction of the combustible gas in the catalytic combustor 7 is used for heating the methanol reforming reaction part by being transported through the heat pipe 8. At this time, the temperature controller 9 controls the temperature of the evaporation portion 8a of the heat pipe by burning the auxiliary fuel stepwise.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の装置に
よれば、ヒートパイプの均温特性によって、改質触媒の
温度のバラツキを是正することができる。しかしなが
ら、この装置を変動運転させた場合、具体的にいうと、
燃料電池6での発電量を調節するため、メタノールの改
質量を変化させた場合、メタノール改質器3において熱
負荷が変化するので、前記補助燃料の量を調節しても、
直ちにヒートパイプの蒸発部8aに与えられる燃焼熱量
が制御されないので、ヒートパイプの温度を適正な範囲
に維持することが困難となり、メタノールの改質率が低
下する等の不都合があった。
According to the above-mentioned conventional apparatus, it is possible to correct the temperature variation of the reforming catalyst by the temperature equalizing characteristic of the heat pipe. However, when this device is operated in a variable manner, specifically,
When the reforming amount of methanol is changed in order to adjust the power generation amount in the fuel cell 6, the thermal load changes in the methanol reformer 3, so that even if the amount of the auxiliary fuel is adjusted,
Immediately, the amount of heat of combustion given to the evaporator 8a of the heat pipe is not controlled, so that it becomes difficult to maintain the temperature of the heat pipe within an appropriate range, and there is a disadvantage that the reforming rate of methanol is lowered.

【0008】そこで、熱授受に伴う温度制御が困難な燃
焼熱を利用せずに、比較的簡単に制御することができる
電気ヒーターを用いて、ヒートパイプの蒸発部を加熱す
ることも考えられるが、燃料電池で発電した電力、すな
わち発生させた電気エネルギーを使用することになるの
で、この燃料電池装置全体としての発電効率の低下を招
くという不都合があった。
Therefore, it is conceivable to heat the evaporation part of the heat pipe by using an electric heater which can be controlled relatively easily without using combustion heat which is difficult to control the temperature due to heat transfer. Since the electric power generated by the fuel cell, that is, the generated electric energy is used, there is a disadvantage that the power generation efficiency of the entire fuel cell device is lowered.

【0009】この発明は、上記の事情を背景としてなさ
れたもので、改質触媒の温度を均一にして良好な改質率
を維持するとともに、システム全体の効率を低下させる
ことがない改質反応器を提供することを目的とするもの
である。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the reforming reaction is performed so that the temperature of the reforming catalyst is made uniform and a good reforming rate is maintained, and the efficiency of the entire system is not lowered. The purpose is to provide a container.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1に記載された発明は、水素ガスと酸素ガ
スとの電気化学反応を行う燃料電池に水素ガスを供給す
るためにメタノールの水蒸気改質反応を行う燃料電池用
メタノール改質器において、メタノールを改質して水素
を発生させる改質反応部と、酸化熱によって発熱する化
学熱源部とが、作動流体の蒸発潜熱によって熱を輸送す
るヒートパイプによって連結されるとともに、前記化学
熱源部を補助する電気熱源部が、前記ヒートパイプと熱
授受可能に取り付けられていることを特徴とするもので
ある。
In order to achieve the above-mentioned object, the invention described in claim 1 is for supplying hydrogen gas to a fuel cell which carries out an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen gas. In a methanol reformer for a fuel cell that performs a steam reforming reaction of methanol, a reforming reaction unit that reforms methanol to generate hydrogen and a chemical heat source unit that generates heat by oxidation heat are generated by the latent heat of vaporization of a working fluid. It is characterized in that it is connected by a heat pipe for transporting heat, and an electric heat source part for assisting the chemical heat source part is attached so as to be able to exchange heat with the heat pipe.

【0011】請求項2に記載された発明は、前記改質反
応部が、メタノールを改質させる改質触媒を内蔵し、か
つ略U字状に形成された改質反応管から構成されるとと
もに、前記ヒートパイプの内部に配設されていることを
特徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, the reforming reaction section is composed of a reforming reaction tube which has a reforming catalyst for reforming methanol and is formed in a substantially U shape. The heat pipe is disposed inside the heat pipe.

【0012】請求項3に記載された発明は、前記電気熱
源部が、PTCセラミックスから構成されていることを
特徴とするものである。
[0012] The invention described in claim 3 is characterized in that the electric heat source portion is made of PTC ceramics.

【0013】[0013]

【作用】請求項1に記載された発明によると、メタノー
ルの改質反応部と化学熱源部とが、均温特性を有するヒ
ートパイプを介して連結されているため、化学熱源部で
発生する酸化(燃焼)熱が、改質反応部の各部位を均温
にするよう熱輸送される。そしてヒートパイプには、化
学熱源部を補助する電気熱源部が取り付けられているた
め、この改質反応器では、常時、良好な改質率が維持さ
れる。具体的にいうと、燃料電池での発電量を増大させ
るためにメタノールの改質量を増大させた場合、前記改
質反応部において、多くの吸熱作用を伴う改質反応が生
じ、改質反応部の温度が低下しようとするが、温度制御
が容易かつ温度応答性が良好な電気熱源部により、改質
反応部の温度が迅速に所定の温度に保持されるため、改
質反応器において良好な改質率が維持され続ける。つま
り、電気熱源部が、改質反応器における良好な改質率を
維持するための補助熱源として使用され、この電気熱源
部が改質反応部の温度を調整するだけなので、この電気
熱源部で消費する電気エネルギー量が著しく低減され
る。
According to the invention described in claim 1, since the reforming reaction part of methanol and the chemical heat source part are connected through a heat pipe having a temperature equalizing characteristic, the oxidation generated in the chemical heat source part The (combustion) heat is transferred so that the respective parts of the reforming reaction part are soaked. Since the heat pipe is equipped with the electric heat source part that assists the chemical heat source part, a good reforming rate is always maintained in this reforming reactor. Specifically, when the reforming amount of methanol is increased in order to increase the power generation amount in the fuel cell, a reforming reaction involving many endothermic actions occurs in the reforming reaction part, and Although the temperature of the reforming reactor tends to decrease, the temperature of the reforming reaction section is quickly maintained at a predetermined temperature by the electric heat source section whose temperature control is easy and the temperature response is good. The reforming rate continues to be maintained. In other words, the electric heat source section is used as an auxiliary heat source for maintaining a good reforming rate in the reforming reactor, and the electric heat source section only adjusts the temperature of the reforming reaction section. The amount of electrical energy consumed is significantly reduced.

【0014】請求項2に記載された発明によると、略U
字状に形成された改質反応管の内部でメタノールの改質
反応がなされ、改質反応管はその外部から吸熱する。こ
の改質反応管はヒートパイプの内部に配設されているた
め、改質反応管の外周部がこのヒートパイプの凝縮部と
して機能する。そのため、この改質反応管は、ヒートパ
イプの均温特性により、均一な温度になるよう加熱され
る。したがって、この改質反応部は良好な改質率を維持
し続ける。
According to the invention described in claim 2, substantially U
The reforming reaction of methanol is performed inside the reforming reaction tube formed in a letter shape, and the reforming reaction tube absorbs heat from the outside. Since the reforming reaction tube is disposed inside the heat pipe, the outer peripheral portion of the reforming reaction tube functions as the condensing portion of the heat pipe. Therefore, the reforming reaction tube is heated to a uniform temperature due to the soaking property of the heat pipe. Therefore, this reforming reaction section continues to maintain a good reforming rate.

【0015】請求項3に記載された発明によると、PT
C(Positive Temperture Coefficient)セラミック
スは、通電によって発熱し、温度の上昇に従って電気抵
抗が増大する特性を有するセラミックスであるから、抵
抗値が所定の温度(スイッチング温度)で切り替わるよ
う材料を適宜選択することによって、このPTCセラミ
ックスと熱授受するヒートパイプの部分が、迅速かつ正
確に、所定の温度に保持される。したがって、この改質
反応部は良好な改質率を保持し続ける。
According to the invention described in claim 3, PT
C (Positive Temperature Coefficient) ceramics are ceramics that have the characteristic that they generate heat when energized and their electric resistance increases as the temperature rises. Thus, the portion of the heat pipe that exchanges heat with the PTC ceramics is quickly and accurately maintained at a predetermined temperature. Therefore, this reforming reaction section keeps a good reforming rate.

【0016】[0016]

【実施例】つぎに、この発明の実施例につき説明する。
以下に説明するヒートパイプは、いずれも脱気した密閉
容器の内部に目的とする温度範囲で蒸発および凝縮する
凝縮性の作動流体Wを封入し、入熱のある部分で作動流
体Wが蒸発するとともにその蒸気が放熱部分に流れたの
ち、熱を奪われて凝縮することにより主に作動流体Wの
蒸発潜熱として熱を輸送するものである。
EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.
In each of the heat pipes described below, a condensable working fluid W that evaporates and condenses in a target temperature range is enclosed in a deaerated hermetic container, and the working fluid W evaporates in a portion with heat input. At the same time, the vapor flows to the heat radiation portion, and then the heat is taken away and condensed to mainly transport the heat as latent heat of vaporization of the working fluid W.

【0017】まず、第1実施例につき図1および図2を
参照しながら説明する。この第1実施例の改質反応器
は、メタノールの改質触媒を担持する改質反応部10
と、複数のウイック式ヒートパイプ11と、このヒート
パイプ11を加熱する熱源部12とを備えている。そし
て、ヒートパイプ11の蒸発部11aが熱源部12に配
設されるとともに、凝縮部が改質反応部10に配設され
ている。ここで、ウイック式ヒートパイプとは、毛細管
作用を有するウイックによって、凝縮した液相の作動流
体Wを蒸発部に還流させる方式のヒートパイプのことを
いい、蒸発部と凝縮部とを比較的自由に配設できるもの
である。
First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The reforming reactor of the first embodiment includes a reforming reaction section 10 carrying a methanol reforming catalyst.
And a plurality of wick type heat pipes 11 and a heat source unit 12 for heating the heat pipes 11. The evaporating section 11 a of the heat pipe 11 is arranged in the heat source section 12, and the condensing section is arranged in the reforming reaction section 10. Here, the wick type heat pipe refers to a heat pipe of a system in which the condensed working fluid W in a liquid phase is circulated to the evaporation section by a wick having a capillary action, and the evaporation section and the condensation section are relatively free. It can be installed in.

【0018】改質反応部10は、Cu −Zn 系の改質触
媒を厚さ30〜80μmで担持している金属製のハニカ
ム13が、それぞれのヒートパイプ11の外周に、ろう
付や拡散溶接等により巻き付けられるように接合されて
形成された改質流路14を備えている。そして、図2に
示すように、断面が略正六角形のケース15の内部に、
複数の改質流路14が千鳥状に配設されている。これら
改質流路14同士の間や改質流路14とケース15との
間には、断熱材16が詰められている。このとき、この
断熱材16の代わりに真空断熱を行うよう構成しても良
い。そして、ケース15には、改質流路14と連通する
ガス流路17,18が設けられ、このガス流路17,1
8の一方の流路17から、改質原料ガスすなわちメタノ
ールガスと水蒸気とが供給され、他方の流路18から、
燃料ガスとしての水素ガスと副生成物としての二酸化炭
素ガスとを燃料電池(図示せず)に供給するよう構成さ
れている。
In the reforming reaction section 10, a metallic honeycomb 13 carrying a Cu--Zn type reforming catalyst with a thickness of 30 to 80 μm is brazed or diffusion welded to the outer periphery of each heat pipe 11. The reforming flow path 14 is formed so as to be wound so as to be wound around. Then, as shown in FIG. 2, inside the case 15 having a substantially regular hexagonal cross section,
The plurality of reforming channels 14 are arranged in a staggered manner. A heat insulating material 16 is filled between the reforming passages 14 and between the reforming passages 14 and the case 15. At this time, vacuum heat insulation may be performed instead of the heat insulation material 16. The case 15 is provided with gas flow paths 17 and 18 communicating with the reforming flow path 14.
The reforming raw material gas, that is, methanol gas and water vapor are supplied from one of the flow paths 17 of 8, and the other flow path 18 of
Hydrogen gas as a fuel gas and carbon dioxide gas as a by-product are supplied to a fuel cell (not shown).

【0019】また、ヒートパイプ11の蒸発部11aが
配設される熱源部12は、酸化熱源部19と電気熱源と
しての電気ヒーター20とを備えている。この酸化熱源
部19は、前記燃料電池の排気口と連通し、未利用の水
素ガスと空気(空気中の酸素)とが流入する導入口21
が設けられるとともに、酸化後のガスが排出される排出
口22が設けられている。そして、この酸化熱源部19
の内部に配設されるヒートパイプ11の蒸発部11aに
は、フィン23がろう付けされ、フィン23および蒸発
部11aの表面に、酸化(燃焼)触媒、例えばPt 系触
媒が30〜80μmの厚さで担持されている。なお、酸
化触媒を設けず、点火装置を備えたバーナーによる燃焼
方式でも良い。また、電気ヒーター20は、全てのヒー
トパイプ11の蒸発部11aに接触するよう配設され、
この蒸発部11aに設けられた温度センサー(図示せ
ず)からの指示により、この蒸発部11aを所定の温度
を保持するよう構成されている。なお、電気ヒーター2
0は、PTCセラミックスに所定の電圧を印加するよう
構成することもできる。
The heat source section 12 in which the evaporation section 11a of the heat pipe 11 is disposed includes an oxidation heat source section 19 and an electric heater 20 as an electric heat source. The oxidation heat source unit 19 communicates with the exhaust port of the fuel cell, and an inlet port 21 into which unused hydrogen gas and air (oxygen in air) flow.
And a discharge port 22 through which the gas after oxidation is discharged. And this oxidation heat source part 19
The fins 23 are brazed to the evaporation part 11a of the heat pipe 11 disposed inside the heat pipe 11, and the oxidation (combustion) catalyst, for example, a Pt-based catalyst having a thickness of 30 to 80 μm is attached to the surfaces of the fins 23 and the evaporation part 11a. It is carried by. A combustion system using a burner equipped with an ignition device without providing an oxidation catalyst may be used. Further, the electric heater 20 is arranged so as to come into contact with the evaporation portions 11a of all the heat pipes 11,
The evaporator 11a is configured to maintain a predetermined temperature according to an instruction from a temperature sensor (not shown) provided in the evaporator 11a. In addition, electric heater 2
0 can also be configured to apply a predetermined voltage to the PTC ceramics.

【0020】上記のように構成された第1実施例の動作
につき説明する。改質原料ガスが、ガス流路17を介し
て金属製ハニカム13からなる改質流路14に導入さ
れ、改質触媒と接触し水素ガスに改質される。燃料電池
では、この水素ガスが導入されて発電が行われるが、こ
の燃料電池に導入された水素ガスのうち約20〜50%
が、電気化学反応せずに未利用のまま排出される。この
未利用の水素ガスは、導入口21を介して、酸化熱源部
19に導入される。改質反応部10では、改質反応に伴
う吸熱作用により、改質流路14特に改質流路14の入
口部分やヒートパイプ11の凝縮部11bひいては蒸発
部11aの温度を低下させようとする。このとき、ヒー
トパイプ11の蒸発部11a側では、燃焼熱源部19に
導入された水素ガスが、蒸発部11a等の表面で空気中
の酸素と酸化反応し酸化熱が発生し、この酸化熱は蒸発
部11aに直接伝導されるとともに、電気ヒーター20
から発生するジュール熱が、ヒートパイプ11の均温特
性により、凝縮部11bならびに改質流路14の全域を
所定の温度に保持するよう輸送される。
The operation of the first embodiment configured as described above will be described. The reforming raw material gas is introduced into the reforming flow path 14 formed of the metal honeycomb 13 through the gas flow path 17, contacts the reforming catalyst, and is reformed into hydrogen gas. In the fuel cell, this hydrogen gas is introduced to generate electricity, but about 20-50% of the hydrogen gas introduced in this fuel cell
However, it is discharged as unused without electrochemical reaction. This unused hydrogen gas is introduced into the oxidation heat source section 19 through the inlet 21. In the reforming reaction part 10, an attempt is made to lower the temperature of the reforming flow path 14, particularly the inlet part of the reforming flow path 14 and the condensing part 11b of the heat pipe 11 and hence the evaporating part 11a, by the heat absorption effect of the reforming reaction. . At this time, on the evaporation section 11a side of the heat pipe 11, the hydrogen gas introduced into the combustion heat source section 19 oxidizes with oxygen in the air on the surface of the evaporation section 11a and the like to generate oxidation heat, and this oxidation heat is The electric heater 20 is directly conducted to the evaporation part 11a.
The Joule heat generated from the heat pipe 11 is transported so as to maintain the entire temperature of the condensing portion 11b and the reforming flow path 14 at a predetermined temperature due to the uniform temperature characteristic of the heat pipe 11.

【0021】ところで、改質反応部10に導入される改
質原料ガス量は、定常運転時であっても僅かに変動して
いる。そのため、前記改質反応に伴う吸熱量も僅かに変
動している。そこで、この定常運転時における熱源部1
2から改質反応部10に輸送される熱量のうち、例えば
5〜20%を電気ヒーター20によって得るよう構成す
れば、前記吸熱量の変動による蒸発部11aの温度の変
動に対応するよう、電気ヒーター20が迅速に動作する
ため、凝縮部11bならびに改質反応部10の温度変動
が抑制され、改質反応部10におけるメタノールの改質
率が変動すなわち悪化することがない。言い換えると、
電気ヒーター20は、良好な改質率を維持するための補
助熱源として、改質反応部の温度を保持(調整)するだ
けであるため、この電気ヒーター20が、燃料電池で発
電された電気エネルギーをあまり消費することがなくな
る。また、燃料電池の発電力を上限方向だけでなく、お
よそ5〜20%の間で下限方向にも変動運転することが
できる。
By the way, the amount of the reforming raw material gas introduced into the reforming reaction section 10 varies slightly even during steady operation. Therefore, the amount of heat absorbed by the reforming reaction also slightly changes. Therefore, the heat source unit 1 during this steady operation
If, for example, 5 to 20% of the amount of heat transferred from 2 to the reforming reaction unit 10 is configured to be obtained by the electric heater 20, the electric heater 20 can be used so as to correspond to the change in the temperature of the evaporation unit 11a due to the change in the heat absorption amount. Since the heater 20 operates quickly, temperature fluctuations in the condenser section 11b and the reforming reaction section 10 are suppressed, and the reforming rate of methanol in the reforming reaction section 10 does not fluctuate, that is, deteriorates. In other words,
Since the electric heater 20 only holds (adjusts) the temperature of the reforming reaction part as an auxiliary heat source for maintaining a good reforming rate, the electric heater 20 is used as an auxiliary energy source to generate electric energy generated by the fuel cell. Will not consume too much. Further, the power generation of the fuel cell can be operated not only in the upper limit direction but also in the lower limit direction within a range of approximately 5 to 20%.

【0022】ここで、電気ヒーター20をPTCセラミ
ックスに所定の電圧を印加するよう構成した場合、この
PTCセラミックスヒーターは、通電により発熱し、温
度の上昇に従って電気抵抗が増大し、通電および発熱が
なされなくなるものであるから、所定の温度を保持する
よう動作する。すなわち、PTCセラミックスヒーター
およびこれと接触しているヒートパイプの蒸発部が、自
己温度の収束性を有するようになり、温度センサー等の
制御手段を必要としなくなる。また、改質反応部10の
断面が略正六角形に形成されるとともに、ヒートパイプ
11が千鳥状に配設されているので、改質反応器の大き
さに対する改質反応部10、すなわち改質触媒の容積効
率が高く構成されるので、改質反応器の小型化を図るこ
とができるとともに、断熱材16の配設量が削減され
る。
Here, when the electric heater 20 is configured to apply a predetermined voltage to the PTC ceramics, the PTC ceramics heater generates heat by energization, and the electric resistance increases as the temperature rises, so that the electricity and heat are generated. Since it disappears, it operates so as to maintain a predetermined temperature. That is, the PTC ceramics heater and the evaporation part of the heat pipe in contact with the PTC ceramics heater have a self-temperature converging property, and a control means such as a temperature sensor is not required. Further, since the cross section of the reforming reaction section 10 is formed into a substantially regular hexagon and the heat pipes 11 are arranged in a zigzag pattern, the reforming reaction section 10 corresponding to the size of the reforming reactor, that is, the reforming reaction section is formed. Since the volumetric efficiency of the catalyst is high, the size of the reforming reactor can be reduced and the amount of the heat insulating material 16 provided can be reduced.

【0023】つぎに、この発明の第2実施例につき図3
を参照しながら説明する。この第2実施例は、複数配設
させられていた蒸発部11aを一体に構成し、作動流体
Wの還流に重力を利用する熱サイフォン式ヒートパイプ
11を用いたものである。第1実施例では、複数配設さ
れたヒートパイプ11の蒸発部11aのうちいずれかに
温度低下が生じた場合、全ての蒸発部11aを加熱され
るよう構成されていたが、この第2実施例では、このよ
うな事態は発生せず、電気ヒーター20で消費される電
気エネルギーの量が、第1実施例に比べさらに低減され
ている。また、熱サイフォン式ヒートパイプを使用して
いるため、ウイックを必要とせず、ヒートパイプ11の
構造を簡単にすることができる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Will be described with reference to. The second embodiment uses a thermosyphon type heat pipe 11 in which a plurality of evaporation portions 11a that are arranged are integrally configured and gravity is used to recirculate the working fluid W. In the first embodiment, when a temperature drop occurs in any of the evaporating units 11a of the heat pipes 11 arranged, all the evaporating units 11a are heated. In the example, such a situation does not occur, and the amount of electric energy consumed by the electric heater 20 is further reduced as compared with the first embodiment. Further, since the thermosyphon type heat pipe is used, the wick is not required and the structure of the heat pipe 11 can be simplified.

【0024】さらに、この発明の第3実施例につき図4
を参照しながら説明する。この第3実施例は、第2実施
例と同様、熱サイフォン式ヒートパイプ11を用いたも
のである。このヒートパイプ11の上側部分の径は、そ
の下側部分の径より大きくなるよう形成され、その内部
に複数のU字管24が配設されている。さらに、前記上
側部分の周囲は、断熱材16に被覆されている。また、
このヒートパイプ11の下側部分が、酸化熱源部19を
貫通するよう配設され、その突出部分の下端部に電気ヒ
ーター20が接続されている。また、複数のU字管24
の内部には、ペレット状の改質触媒が充填されており、
一方の管口が改質原料ガス流路17と連結され、他方の
管口が燃料ガス流路18と連結されている。
Further, FIG. 4 shows the third embodiment of the present invention.
Will be described with reference to. The third embodiment uses a thermosyphon type heat pipe 11 as in the second embodiment. The diameter of the upper portion of the heat pipe 11 is formed to be larger than the diameter of the lower portion thereof, and a plurality of U-shaped tubes 24 are arranged inside the heat pipe 11. Further, the periphery of the upper portion is covered with a heat insulating material 16. Also,
The lower portion of the heat pipe 11 is arranged so as to penetrate the oxidation heat source portion 19, and the electric heater 20 is connected to the lower end portion of the protruding portion thereof. Also, a plurality of U-shaped tubes 24
Inside, the pellet-shaped reforming catalyst is filled,
One pipe port is connected to the reforming raw material gas flow channel 17, and the other pipe port is connected to the fuel gas flow channel 18.

【0025】この第3実施例の動作につき説明すると、
改質原料ガスは、U字管に詰められたペレット状触媒の
中を通過して、燃料ガスに改質させられる。このとき、
U字管24の内部では吸熱反応が行われ、U字管24の
外表面の温度が低下しようとするが、ヒートパイプ11
の上側全体、正確にいうと、U字管24の外表面が凝縮
部となっているため、全てのU字管24の各部位が所定
の温度になるよう加熱される。
The operation of the third embodiment will be described below.
The reforming raw material gas passes through the pellet-shaped catalyst packed in the U-shaped tube and is reformed into the fuel gas. At this time,
An endothermic reaction occurs inside the U-shaped tube 24, and the temperature of the outer surface of the U-shaped tube 24 tends to decrease.
Since the outer surface of the entire U-shaped tube 24, to be precise, the outer surface of the U-shaped tube 24 serves as a condensing portion, each part of all the U-shaped tubes 24 is heated to a predetermined temperature.

【0026】上記説明した第3実施例は、第1実施例お
よび第2実施例のように、金属製ハニカム13を必要と
せず、金属製ハニカム13の表面に改質触媒を担持させ
る必要もないので、改質反応器の構造が簡単になる。し
たがって、この改質反応器の生産性が向上する。また、
金属製ハニカム13とヒートパイプ11とが接触するこ
ともないので、これらの熱応力を考慮する必要もなくな
っている。さらに、第1実施例や第2実施例のように改
質ガス流路同士の間、すなわちU字管24同士の間に断
熱材を配設する必要がないため、改質反応器の大きさに
対する改質反応部10の容積効率すなわち改質触媒の利
用率が非常に高く構成され、この改質反応器をより小型
化することができる。
Unlike the first and second embodiments, the third embodiment described above does not require the metal honeycomb 13 and does not need to carry the reforming catalyst on the surface of the metal honeycomb 13. Therefore, the structure of the reforming reactor becomes simple. Therefore, the productivity of this reforming reactor is improved. Also,
Since the metal honeycomb 13 and the heat pipe 11 do not come into contact with each other, it is not necessary to consider the thermal stress of them. Further, unlike the first and second embodiments, it is not necessary to dispose a heat insulating material between the reformed gas flow passages, that is, between the U-shaped tubes 24, so that the size of the reforming reactor can be increased. The volumetric efficiency of the reforming reaction section 10, that is, the utilization rate of the reforming catalyst is very high, and the reforming reactor can be made smaller.

【0027】なお、この発明は、最終的に改質反応部を
所定の温度に保持するための補助熱源として、温度制御
が容易で応答性が高い電気ヒーターを用いるものである
から、第1ないし第3実施例に示したように、電気ヒー
ターの配設場所は特に限定されず、また温度センサー
が、ヒートパイプの凝縮部や改質反応部に配設されても
好適である。当然、この発明は、均温特性を有するヒー
トパイプを利用すれば良いので、作動流体の還流方式、
すなわちウイック式もしくは熱サイフォン式を問わない
のは勿論である。
Since the present invention uses an electric heater which can easily control the temperature and has high responsiveness as an auxiliary heat source for finally maintaining the reforming reaction part at a predetermined temperature, As shown in the third embodiment, the location of the electric heater is not particularly limited, and it is suitable that the temperature sensor is provided in the condensing section or the reforming reaction section of the heat pipe. As a matter of course, the present invention only needs to use a heat pipe having a temperature equalizing characteristic.
That is, it goes without saying that it does not matter whether it is a wick type or a thermosyphon type.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上説明したように請求項1に記載され
た発明によると、ヒートパイプの均温特性により、改質
反応部の各部位の温度が均一にされるとともに、温度制
御が容易かつ温度応答性が良好な電気熱源部により、改
質反応部が所定の温度に保持される。すなわち電気熱源
部が、改質反応部の温度を調整するだけなので、燃料電
池から発生する電気エネルギーを過剰に消費することが
ないため、燃料電池発電装置全体における発電効率が向
上する。また、改質反応部が迅速に所定の温度に保持さ
れ、改質触媒の利用率が低下することがないため、変動
運転を行う燃料電池用改質反応器を大型化する必要がな
くなる。
As described above, according to the invention described in claim 1, the temperature uniformity of the heat pipe makes the temperature of each part of the reforming reaction part uniform, and the temperature control is easy. The reforming reaction section is maintained at a predetermined temperature by the electric heat source section having good temperature responsiveness. That is, since the electric heat source section only adjusts the temperature of the reforming reaction section, it does not excessively consume the electric energy generated from the fuel cell, so that the power generation efficiency of the entire fuel cell power generator is improved. Further, since the reforming reaction section is quickly maintained at a predetermined temperature and the utilization rate of the reforming catalyst does not decrease, it is not necessary to upsize the fuel cell reforming reactor for variable operation.

【0029】特に請求項2に記載された発明によると、
改質反応部がハニカム構造を必要とせず、非常に簡単に
なるため、この燃料電池用改質反応器が安価になるとと
もに、生産効率が向上する。
In particular, according to the invention described in claim 2,
Since the reforming reaction section does not need a honeycomb structure and is very simple, the reforming reactor for a fuel cell becomes inexpensive and the production efficiency is improved.

【0030】さらに請求項3に記載された発明による
と、改質反応部の温度を所定の温度に保持するための制
御装置が不要になるため、信頼性が向上するとともに、
生産効率が向上し、安価に提供することができる。
Further, according to the invention described in claim 3, since the control device for maintaining the temperature of the reforming reaction part at a predetermined temperature is not required, the reliability is improved and at the same time,
The production efficiency is improved and it can be provided at a low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の燃料電池用メタノール改質器の第1
実施例を概略的に示す断面図である。
FIG. 1 is a first of a methanol reformer for a fuel cell according to the present invention.
It is sectional drawing which shows an Example schematically.

【図2】図1のII−II線断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG.

【図3】この発明の燃料電池用メタノール改質器の第2
実施例を概略的に示す断面図である。
FIG. 3 is a second part of the methanol reformer for a fuel cell according to the present invention.
It is sectional drawing which shows an Example schematically.

【図4】この発明の燃料電池用メタノール改質器の第3
実施例を概略的に示す断面図である。
FIG. 4 is a third part of the methanol reformer for a fuel cell of the present invention.
It is sectional drawing which shows an Example schematically.

【図5】従来の燃料電池用メタノール改質器を概略的に
示す図である。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a conventional methanol reformer for a fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 改質反応部 11 ヒートパイプ 11a 蒸発部 11b 凝縮部 12 熱源部 19 化学(酸化)熱源部 20 電気熱源部(ヒーター) 10 Reforming Reaction Part 11 Heat Pipe 11a Evaporating Part 11b Condensing Part 12 Heat Source Part 19 Chemical (Oxidation) Heat Source Part 20 Electric Heat Source Part (Heater)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応を
行う燃料電池に水素ガスを供給するためにメタノールの
水蒸気改質反応を行う燃料電池用メタノール改質器にお
いて、 メタノールを改質して水素を発生させる改質反応部と、
酸化熱によって発熱する化学熱源部とが、作動流体の蒸
発潜熱によって熱を輸送するヒートパイプによって連結
されるとともに、前記化学熱源部を補助する電気熱源部
が、前記ヒートパイプと熱授受可能に取り付けられてい
ることを特徴とする燃料電池用メタノール改質器。
1. A methanol reformer for a fuel cell that performs a steam reforming reaction of methanol to supply hydrogen gas to a fuel cell that performs an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen gas, by reforming methanol. A reforming reaction section for generating hydrogen,
A chemical heat source part that generates heat by oxidation heat is connected by a heat pipe that transports heat by latent heat of vaporization of a working fluid, and an electric heat source part that assists the chemical heat source part is attached so as to be capable of exchanging heat with the heat pipe. A methanol reformer for a fuel cell, which is characterized in that
【請求項2】 前記改質反応部が、メタノールを改質さ
せる改質触媒を内蔵し、かつ略U字状に形成された改質
反応管から構成されるとともに、前記ヒートパイプの内
部に配設されていることを特徴とする請求項1に記載の
燃料電池用メタノール改質器。
2. The reforming reaction section comprises a reforming reaction tube having a substantially U-shape, which contains a reforming catalyst for reforming methanol, and is disposed inside the heat pipe. It is provided, The methanol reformer for fuel cells of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
【請求項3】 前記電気熱源部が、PTCセラミックス
から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の
燃料電池用メタノール改質器。
3. The methanol reformer for a fuel cell according to claim 1, wherein the electric heat source section is made of PTC ceramics.
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