JP2001342002A

JP2001342002A - 燃料改質器

Info

Publication number: JP2001342002A
Application number: JP2000160122A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ogawa; 賢小川
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2001-12-11

Abstract

(57)【要約】【課題】燃焼ガスの偏流を少なくすることで、構成部
材の変形や損傷を防止しつつ、改質効率を向上させるこ
とができる燃料改質器を提供する。【解決手段】上下方向に延びる断熱筒４、触媒筒５６
及び燃焼筒５８が、この順で内側となるように容器５２
内に設けられ、バーナ６０からの燃焼ガスが、燃焼筒５
８を経て、燃焼筒５８と触媒筒５６との隙間、及び、触
媒筒５６と断熱筒４との隙間を通過するように構成され
ており、燃焼ガスによって加熱された触媒筒５６に導入
した原燃料を改質ガスに改質する燃料改質器において、
燃焼筒５８と触媒筒５６との隙間及び／又は触媒筒５６
と断熱筒４との隙間に螺旋状のスペーサ１０を設け、燃
焼ガスの軸方向流れを旋回流とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導入された原燃料
を、燃料電池システム等に用いられる改質ガスに改質す
る燃料改質器に関する。

【０００２】

【従来の技術】りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電
池、固体電解質燃料電池などの燃料電池発電システムを
構成する重要機器の一つに改質器がある。この改質器
は、メタンを主成分とする天然ガスや都市ガス、ナフ
サ、ＬＰＧ、メタノール等の燃料と水蒸気を原料とし
て、水素を主成分とする改質ガスを生成するものであ
る。燃料電池用改質器には多管式、単管式、流動式等様
々な型式のものがあるが、特に単管式改質器は、熱効率
が高く、コンパクトであることが特徴である。図３に、
従来の単管式改質器の一例を示す。

【０００３】同図に示すように、改質器５０は、容器５
２に収容され、上下方向に直立した状態で同心状に配置
された断熱筒５４，触媒筒５６及び燃焼筒５８を備えて
いる。容器５２は、円筒状の胴部５２ａの上端が蓋部５
２ｂにより開閉自在とされており、底部５２ｃの中央に
バーナ６０が設けられている。尚、容器５２は、加圧型
の場合は圧力容器が用いられ、常圧型の場合は単なる容
器が用いられる。

【０００４】断熱筒５４及び燃焼筒５８は、下部が容器
の底部５２ｃに固定され上方に延びており、燃焼筒５８
の下端がバーナ６０に接続されている。

【０００５】触媒筒５６は、外筒５６ａ及び内筒５６ｂ
から構成されており、内筒５６ｂの内部に燃焼筒５８が
緩挿されている。この触媒筒５６は、外筒５６ａと内筒
５６ｂとの間が同心状に配置された３つの隔壁筒６２，
６４，６６によって仕切られており、触媒筒外筒５６ａ
と外側の隔壁筒６２との隙間に粒状改質触媒が充填され
ることで第１触媒層６８が形成され、触媒筒内筒５６ｂ
と内側の隔壁筒６６との隙間に粒状改質触媒が充填され
ることで第２触媒層７０が形成されている。第１触媒層
６８の下部と第２触媒層７０の下部との間には、径方向
に延びる複数のパイプ７２が介在されている。

【０００６】また、触媒筒外筒５６ａの上端にはフラン
ジ部５６ｃが設けられており、このフランジ部５６ｃが
蓋部５２ｂと胴部５２ａとの間に挟持されることによ
り、触媒筒５６が容器５２に支持されている。

【０００７】次に、この改質器５０の作動について説明
する。蓋部５２ｂに形成された原料ガス入口７４から、
原燃料（天然ガス、メタンを主成分とする都市ガス、ナ
フサ、ＬＰＧ、メタノール等）と水蒸気の混合した原料
ガスを供給すると、この原料ガスは、第１触媒層６８を
下向きに通過する過程で一部が改質反応する。そして、
隔壁筒６４，６６の間を通過した後、第２触媒層７０を
通過する過程で残りの原料ガスが改質される。第２触媒
層７０の下部から出た改質ガスは、パイプ７２を介して
隔壁筒６２，６４の間を上向きに流れ、蓋部５２ａに形
成された改質ガス出口７６から一酸化炭素変成器（図示
せず）に向けて排出される。

【０００８】一方、改質に必要な熱はバーナ６０により
供給される。バーナ６０で燃焼した燃焼ガスは、燃焼筒
５８の上部開口を経た後、触媒筒５６と燃焼筒５８との
間を下向きに流れ、更に断熱筒５４と触媒筒５６との間
を上向きに流れる過程で、第２触媒層７０及び第１触媒
層６８とそれぞれ熱交換し、改質反応を促進する。燃焼
ガスは、この後、胴部５２ａと断熱筒５４との間を下向
きに流れ、容器の底部５２ｃに形成された燃焼ガス出口
７８から排出される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した改質器５０に
おける運転中の内部温度は、例えば、燃焼筒５８で８５
０〜９００℃、触媒筒５６で８００〜８５０℃、断熱筒
５４で６００℃程度であり、かなりの高温となるため、
温度上昇に伴う熱伸びが大きなものとなる。このため、
燃焼筒５８、触媒筒５６及び断熱筒５４がそれぞれ有す
る製作精度や据付精度の誤差、或いは、円周方向での温
度分布差によって生じる曲がりが原因となって、触媒筒
５６が、燃焼筒５８や断熱筒５４に接触することがあ
る。特に、マルチＭＷ級の大型単管式改質器の場合、熱
伸びの絶対量が大きくなると共に、燃焼ガスの流路が長
くなることに伴う偏流の発生により円周方向の温度分布
差も大きくなるので（例えば、触媒筒５６で約１２０℃
の温度差が発生する）、断熱筒５４や触媒筒５６などに
生じる曲がりが非常に大きくなり、接触後の熱伸びが拘
束されて過大な応力が生じ、変形や破損などの問題を生
じていた。

【００１０】また、改質器５０の内部温度は、構成部材
の耐熱性を考慮して最高温度を所定温度以下に維持する
必要があるが、上述したように燃焼ガスの周方向の温度
分布差が大きいために熱による局部的な寿命低下を防止
すべく、燃焼ガスの平均温度を構成部材の耐熱温度より
もかなり下げざるを得ず、触媒温度が低い領域が多くな
って十分な改質効率が得られないという問題があった。

【００１１】本発明は、以上の問題を解決すべくなされ
たものであって、燃焼ガスの偏流を少なくすることで、
構成部材の変形や損傷を防止しつつ、改質効率を向上さ
せることができる燃料改質器の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の前記目的は、上
下方向に延びる断熱筒、触媒筒及び燃焼筒が、この順で
内側となるように容器内に設けられ、バーナからの燃焼
ガスが、前記燃焼筒を経て、該燃焼筒と前記触媒筒との
隙間、及び、前記触媒筒と前記断熱筒との隙間を通過す
るように構成されており、前記燃焼ガスによって加熱さ
れた前記触媒筒に導入した原燃料を改質ガスに改質する
燃料改質器において、前記燃焼筒と前記触媒筒との隙間
及び／又は前記触媒筒と前記断熱筒との隙間に螺旋状の
スペーサを設け、燃焼ガスの軸方向流れを旋回流とした
ことを特徴とする燃料改質器により達成される。

【００１３】この燃料改質器においては、前記容筒にお
ける燃焼ガスの流路に、環状の多孔体を設けることが好
ましい。

【００１４】更に、前記触媒筒は、改質触媒を有する触
媒層と、該触媒層に隣接して設けられ該触媒層を経た改
質ガスが通過する改質ガス流路とを備えており、前記改
質ガス流路に金属製の多孔体を設けることが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明の具体的な実施の形態について説明する。図１
は、本発明の一実施形態に係る燃料改質器を示す縦断面
図であり、図２は、この燃料改質器を一部切り欠いて示
す要部断面斜視図である。本実施形態の改質器は、図３
に示す従来の改質器の構造を改良したものであり、従来
と同様の構成部分については説明を省略する。

【００１６】図１及び図２に示すように、本実施形態に
係る改質器は、従来の改質器５０における断熱筒５４に
代えて、新たな断熱筒４を備えている。この断熱筒４
は、底無筒状に形成されており、上端の開口周縁にフラ
ンジ部４ｃが設けられている。このフランジ部４ｃは、
触媒筒のフランジ部５６ｃと共に蓋部５２ｂと胴部５２
ａとの間に挟持されており、これによって、触媒筒５６
の上部及び断熱筒４の上部が容器５２に支持されてい
る。

【００１７】断熱筒４は、上部に円周方向に沿って開口
４ｄが複数形成されており、下端と容器の底部５２ｃと
の間が伸縮継手６によってシールされている。これによ
り、触媒筒５６と断熱筒４の間を上向きに流れる燃焼ガ
スは、開口４ｄを経て、胴部５２ａの下部に形成された
燃焼ガス出口７８から排出される。尚、伸縮継手６の内
部における底部５２ｃには、冷却用の圧縮空気を供給す
るための空気供給口８が形成されており、更に伸縮継手
６を高温の燃焼ガスから保護するための断熱材１８が載
置されている。

【００１８】また、本実施形態に係る改質器は、触媒筒
外筒５６ａの外周面及び触媒筒内筒５６ｂの内周面に、
それぞれ複数のリブ状スペーサ１０が螺旋状に設けられ
ている。このスペーサ１０の径方向高さは、対応する燃
焼ガス流路の幅、即ち、断熱筒４と触媒筒５６との間及
び触媒筒５６と燃焼筒５８との間における各隙間幅より
１〜３ｍｍ程度小さくして、各筒の熱伸びに必要なクリ
アランスを確保することが好ましい。

【００１９】また、断熱筒４と触媒筒５６との間には、
環状の第１の多孔体１２が嵌挿されている。この第１の
多孔体１２は、３次元網目構造を有するステンレス製の
ワイヤーメッシュであり、周方向で略均一な高さを有し
ている。第１の多孔体１２の圧力損失は、改質器の圧力
損失の１／４〜１／２程度であることが好ましい。圧力
損失が小さ過ぎると、後述する周方向の温度分布差を小
さくするという効果を十分得難くなる一方、圧力損失が
大き過ぎると、バーナ６０の背圧が大きくなり燃焼状態
が悪化する傾向にある。

【００２０】更に、触媒筒５６は、外側の隔壁筒６２と
中間の隔壁筒６４との間に、環状の第２の多孔体１４が
嵌挿されている。この第２の多孔体１４は、上述した第
１の多孔体１２と同様、３次元網目構造を有するステン
レス製等のワイヤーメッシュからなる。

【００２１】以上の構成を備えた改質器によれば、触媒
筒５６に設けられた螺旋状のスペーサ１０によって、通
過する燃焼ガスの流れが旋回流となるので、燃焼ガスの
流路内における偏流が少なくなる。この結果、燃焼ガス
の円周方向の温度分布差が小さくなり、断熱筒４，触媒
筒５６及び燃焼筒５８の曲がりが小さくなるので、これ
らの構成部材の接触により生じる応力が緩和され、変形
や破損といった問題が解消される。

【００２２】また、燃焼ガスの温度分布差を小さくでき
る結果、燃焼ガスの平均温度を構成部材の耐熱温度近傍
まで上昇させることができるので、触媒筒５６における
改質触媒を十分活性化することができ、改質効率を向上
させることができる。

【００２３】また、断熱筒４と触媒筒５６との間に設け
られた第１の多孔体１２によって一定の圧力損失を生じ
させることによっても燃料ガスの偏流を少なくできるの
で、構成部材の変形や破損をより確実に防止し、改質効
率を更に向上させることができる。

【００２４】また、第２触媒層７０に隣接する外側の隔
壁筒６２と中間の隔壁筒６４との間に伝熱性の高い第２
の多孔体１４が設けられているので、第２触媒層７０を
通過する際の反応で高温となった改質ガスから第２触媒
層７０に伝熱され、活性触媒をより高温にして改質効率
を更に高めることができる。

【００２５】以上、本発明の一実施形態について詳述し
たが、本発明の具体的な態様がこれに限定されるもので
はない。例えば、スペーサ１０，第１の多孔体１２及び
第２の多孔体１４を設けることが可能な改質器は、必ず
しも本実施形態に係る構成のものに限定されず、図３に
示す従来の改質器などに設けることも可能である。

【００２６】また、本実施形態においては、螺旋状のス
ペーサ１０を、触媒筒５６の外周面及び内周面の双方に
設けた構成としているが、いずれか一方にのみ設けた構
成としても良い。燃焼ガスの旋回流には遠心力が作用す
ることを考慮すれば、スペーサ１０を、燃焼ガスの流路
の外側、即ち、断熱筒４の内周面及び触媒筒内筒５６ｂ
の内周面に設けることが好ましい。尚、スペーサ１０を
燃焼筒５８の外周面に設けることも可能である。

【００２７】また、本実施形態においてはスペーサ１０
を複数設けているが、１本の棒状部材を上部から下部ま
で螺旋状に巻回したスペーサとしても良い。尚、スペー
サ１０の断面形状は、特に限定されるものではない。

【００２８】また、本実施形態においては、第１及び第
２の多孔体１２，１４を、３次元網目構造を有するステ
ンレス製のワイヤーメッシュとしているが、材質や形状
については特に限定されず、第１の多孔体１２について
は、耐熱性を有し一定の圧損を生じさせる環状のもので
あれば良く、第２の多孔体１４については、耐熱性を有
し熱伝導性が良好なものであれば良い。例えば、使用温
度で弾力性のある金属からなるパンチングメタル板や網
板などの複数積層体を使用することもできる。

【００２９】また、第１の多孔体１２を設ける位置は本
実施形態に限定されず、容筒における燃焼ガスの流路内
であれば、耐熱温度を考慮した上で任意の位置を選択す
ることが可能であり、例えば、断熱筒４と容筒胴部５２
ａとの間に設けることができる。

【００３０】

【実施例】図１に示す本実施形態の改質器及び図３に示
す従来の改質器（いずれも５ＭＷ級）の改質効率を比較
したところ、原料ガス入口７４における原料ガスの温度
は共に５００℃であるが、改質ガス出口７６における改
質ガスの温度が、本実施形態においては５５０℃である
のに対し、従来の改質器は６００℃であった。また、触
媒筒５６の底部最下部における金属温度は、共に９００
℃であるが、断熱筒出口４ｄにおける燃焼ガス温度が、
本実施形態においては５５０℃であるのに対し、従来の
改質器は６００℃であった。この結果、改質器の改質効
率として２％程度向上したものと考えられ、燃料電池プ
ラントにおいては、バーナ６０の燃費を抑えることで
０．２％程度の送電端効率の向上が期待できる。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る燃料改質器によれば、燃焼筒と触媒筒との隙間及
び／又は触媒筒と断熱筒との隙間に螺旋状のスペーサを
設け、燃焼ガスの軸方向流れを旋回流としたことによ
り、燃焼ガスの偏流を少なくして周方向の温度分布差を
低減することができる。

【００３２】したがって、燃焼筒、触媒筒や断熱等など
の曲がりを軽減して、熱伸びの拘束による過大な応力の
発生を防止することができ、変形や破損を回避して信頼
性を改善させることができる。また、改質効率の改善、
起動時間の短縮、負荷応答性の向上など運用面での改善
を図ることができ、更に、改質触媒の局部的な劣化を防
止できるために触媒を長期間交換しなくても良く、メン
テナンス性の向上も図ることができる。

【００３３】また、容筒における燃焼ガスの流路に、厚
みが略均一な環状の第１の多孔体を設けることにより、
周方向の温度差を更に低減させることができ、上述した
効果がより優れたものとなる。

【００３４】更に、触媒筒を、改質触媒を含む触媒層
と、該触媒層に隣接して設けられ該触媒層を経た改質ガ
スが通過する改質ガス流路とを備えたものとし、改質ガ
ス流路に熱伝導性を有する第２の多孔体を設けることに
より、改質効率を更に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る燃料改質器を示す
縦断面図である。

【図２】図１に示す燃料改質器の要部断面斜視図であ
る。

【図３】従来の燃料改質器を示す縦断面図である。

【符号の説明】

４断熱筒６伸縮継手１０スペーサ１２第１の多孔体１４第２の多孔体５２容器５６触媒筒５８燃焼筒６２，６４，６６隔壁筒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上下方向に延びる断熱筒、触媒筒及び燃
焼筒が、この順で内側となるように容器内に設けられ、バーナからの燃焼ガスが、前記燃焼筒を経て、該燃焼筒
と前記触媒筒との隙間、及び、前記触媒筒と前記断熱筒
との隙間を通過するように構成されており、前記燃焼ガスによって加熱された前記触媒筒に導入した
原燃料を改質ガスに改質する燃料改質器において、前記燃焼筒と前記触媒筒との隙間及び／又は前記触媒筒
と前記断熱筒との隙間に螺旋状のスペーサを設け、燃焼
ガスの軸方向流れを旋回流としたことを特徴とする燃料
改質器。
【請求項２】前記容筒における燃焼ガスの流路に、環
状の第１の多孔体を設けたことを特徴とする請求項１に
記載の燃料改質器。
【請求項３】前記触媒筒は、改質触媒を含む触媒層
と、該触媒層に隣接して設けられ該触媒層を経た改質ガ
スが通過する改質ガス流路とを備えており、前記改質ガス流路に熱伝導性を有する第２の多孔体を設
けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質
器。