JP2002274810A - 燃料改質装置のco変成部構造 - Google Patents

燃料改質装置のco変成部構造

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貴史 石川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 CO変成部における温度を構造的に適切な範
囲に保たれる様にするとともに、簡素な構成によってC
Oを効率良く低減すること。 【解決手段】 円筒状の中心側空間部11と環状の外周
側空間部12とから成る2重筒構造体10より成り、C
O変成触媒が充填され、燃料改質器から供給された改質
ガスをシフト変成する変成部本体1と、前記中心側空間
部11の一端に開口し、改質ガスが取り込まれる入口2
と、前記中心側空間部11内の他端に向かって流れてき
た改質ガスを外側の外周側空間部12内を逆の方向に流
れるように流れの方向を変更する方向変更部3と、前記
外周側空間部12内の前記方向変更部3と反対側の部位
に開口し、シフト変成された改質ガスが排出される排出
口4とから成る燃料改質装置のCO変成部構造。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料改質装置のC
O変成部構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の水素製造装置(特開2000−3
02405)は、図9に示されるように天然ガスなどの
炭化水素から水素を取り出す改質装置において、COを
低減し水素を効率良く取り出すために、CO変成部Hが
設けられる。CO変成部の反応は以下の化1の様に発熱
反応である。
【化1】
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の水素製造装
置においては、COを効率良く反応させる為には温度を
下げれば良い事になるが、システム中では、変成反応が
発熱反応であるため、反応が進むにつれ温度が上昇し、
上記化1の平衡反応が右側に進まなくなる問題点があっ
た。
【0004】また一方で温度を下げると反応速度が遅く
なるためCO変成部の容量を大きくしなければならない
という相反的な問題があった。
【0005】さらに上記従来の水素製造装置において
は、CO変成部の下流に熱交換器を設置し、CO変成部
の温度を制御することで効率的にCOを低減する方策が
取られているが、システムがより複雑化するという問題
点があった。
【0006】そこで本発明者は、内部空間部と該内部空
間部を包囲するように形成された外側空間部とから成
り、CO変成触媒が充填され、燃料改質器から供給され
た改質ガスをシフト変成する変成部本体内において、前
記内部空間部の一端に開口した入口から取り込まれ、前
記内部空間部内の他端に向かって流れてきた改質ガス
が、方向変更部において、外側の外側空間部内を逆の方
向に流れるように流れの方向が変更され、前記外側空間
部内の前記方向変更部と反対側の部位に開口した排出口
からシフト変成された改質ガスが排出されるという本発
明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、
CO変成部における温度を構造的に適切な範囲に保たれ
る様にするとともに、簡素な構成によってCOを効率良
く低減するという目的を達成する本発明に到達した。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明(請求項1に記載
の第1発明)の燃料改質装置のCO変成部構造は、内部
空間部と該内部空間部を包囲するように形成された外側
空間部とから成り、CO変成触媒が充填され、燃料改質
器から供給された改質ガスをシフト変成する変成部本体
と、前記内部空間部の一端に開口し、改質ガスが取り込
まれる入口と、前記内部空間部内の他端に向かって流れ
てきた改質ガスを外側の外側空間部内を逆の方向に流れ
るように流れの方向を変更する方向変更部と、前記外側
空間部内の前記方向変更部と反対側の部位に開口し、シ
フト変成された改質ガスが排出される排出口とから成る
ものである。
【0008】本発明(請求項2に記載の第2発明)の燃
料改質装置のCO変成部構造は、前記第1発明におい
て、前記変成部本体が、円筒状の中心側空間部と該中心
側空間部を包囲するように同軸的に形成された環状の外
周側空間部とから成る2重筒構造体より成るものであ
る。
【0009】本発明(請求項3に記載の第3発明)の燃
料改質装置のCO変成部構造は、前記第2発明におい
て、前記方向変更部が、改質ガスの流れの方向の変更を
促進するためにCO変成触媒が配設されていない空間部
によって構成されているものである。
【0010】本発明(請求項4に記載の第4発明)の燃
料改質装置のCO変成部構造は、前記第3発明におい
て、多数の孔が穿設されたパンチングプレートと前記C
O変成触媒のサイズより小さいピッチの金網とを組み合
わせて前記CO変成触媒が保持されているものである。
【0011】本発明(請求項5に記載の第5発明)の燃
料改質装置のCO変成部構造は、前記第4発明におい
て、前記変成部本体の外周壁の外側に冷媒が流れる通路
が形成され、CO変成時の発熱を冷媒によって回収する
熱回収手段を備えているものである。
【0012】本発明(請求項6に記載の第6発明)の燃
料改質装置のCO変成部構造は、前記第4発明におい
て、前記変成部本体の前記方向変更部に冷媒が流れる通
路が形成され、CO変成時の発熱を冷媒によって回収す
る熱回収手段を備えているものである。
【0013】
【発明の作用および効果】上記構成より成る第1発明の
燃料改質装置のCO変成部構造は、内部空間部と該内部
空間部を包囲するように形成された外側空間部とから成
り、CO変成触媒が充填され、燃料改質器から供給され
た改質ガスをシフト変成する変成部本体内において、前
記内部空間部の一端に開口した入口から取り込まれ、前
記内部空間部内の他端に向かって流れてきた改質ガス
が、方向変更部において、外側の外側空間部内を逆の方
向に流れるように流れの方向が変更され、前記外側空間
部内の前記方向変更部と反対側の部位に開口した排出口
からシフト変成された改質ガスが排出されるという本発
明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、
CO変成部において構造的に温度が適切な範囲に保たれ
る様にして、より簡素な構成によってCOを効率良く低
減するという効果を奏する。
【0014】上記構成より成る第2発明の燃料改質装置
のCO変成部構造は、前記第1発明において、前記変成
部本体を構成する前記2重筒構造体の円筒状の中心側空
間部内で取り込まれた前記改質ガスがシフト変成される
とともに、該中心側空間部を包囲するように同軸的に形
成された前記環状の外周側空間部内で前記改質ガスが再
びシフト変成されるので、COを効率良く低減するとい
う効果を奏する。
【0015】上記構成より成る第3発明の燃料改質装置
のCO変成部構造は、前記第2発明において、前記方向
変更部が、CO変成触媒が配設されていない空間部によ
って構成されているので、改質ガスの流れの方向の変更
を滑らかにかつ、改質ガスの混合を充分に行うことが出
来るという効果を奏する。
【0016】上記構成より成る第4発明の燃料改質装置
のCO変成部構造は、前記第3発明において、多数の孔
が穿設されたパンチングプレートと前記CO変成触媒の
サイズより小さいピッチの金網とを組み合わせて前記C
O変成触媒が保持されているので、改質ガスの流れを阻
害することなく、前記CO変成触媒を保持する十分な強
度を実現するという効果を奏する。
【0017】上記構成より成る第5発明の燃料改質装置
のCO変成部構造は、前記第4発明において、前記変成
部本体の外周壁の外側に冷媒が流れる通路が形成された
前記熱回収手段によって、CO変成時の発熱を冷媒によ
って効率良く回収して、前記燃料改質装置全体の効率を
向上するという効果を奏する。
【0018】上記構成より成る第6発明の燃料改質装置
のCO変成部構造は、前記第4発明において、前記変成
部本体の温度が最も高い部位である前記方向変更部に冷
媒が流れる通路が形成された前記熱回収手段によって、
CO変成時の発熱を冷媒によって回収するので、CO変
成時の発熱のうち前記方向変更部から外部に放出してい
た熱を冷媒によって有効に回収して、前記燃料改質装置
全体の効率を向上するという効果を奏する。
【0019】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につき、
図面を用いて説明する。
【0020】(第1実施形態)本第1実施形態の燃料改
質装置のCO変成部構造は、図1ないし図3に示される
ように円筒状の中心側空間部11と環状の外周側空間部
12とから成る2重筒構造体10より成り、CO変成触
媒が充填され、燃料改質器から供給された改質ガスをシ
フト変成する変成部本体1と、前記中心側空間部11の
一端に開口し、改質ガスが取り込まれる入口2と、前記
中心側空間部11内の他端に向かって流れてきた改質ガ
スを外側の外周側空間部12内を逆の方向に流れるよう
に流れの方向を変更する方向変更部3と、前記外周側空
間部12内の前記方向変更部3と反対側の部位に開口
し、シフト変成された改質ガスが排出される排出口4と
から成るものである。
【0021】本第1実施形態の燃料改質装置は、図2に
示されるように火炎が形成される燃焼バーナ51の周り
に改質部52が配設され、該改質部52からの改質ガス
を熱交換器54により原料ガスと熱交換する燃料改質装
置において、前記改質部52の排出口522を前記熱交
換器54の高温側に直結したものである。
【0022】また前記燃料改質装置は、図2に示される
ように火炎が形成される燃焼バーナ51と、ルテニウム
触媒より成り前記排出口よりを前記熱交換器の高温側に
直接的に改質ガスを供給する改質部52と、燃焼排気ガ
スによって水を蒸発させ水蒸気を前記熱交換器に供給す
る蒸発器53と、前記改質部52からの改質ガスを熱交
換器54により原料ガスおよび水蒸気と熱交換する前記
熱交換器54と、熱交換した前記改質ガスが供給される
を銅・亜鉛系触媒より成るCO変成部を構成するCOシ
フト部55とから成る。
【0023】COシフト部55を構成する前記変成部本
体1は、図1に示されるように円筒状の中心側空間部1
1と該中心側空間部11を包囲するように同軸的に形成
された環状の外周側空間部12とから成る2重筒構造体
10より成り、銅・亜鉛系触媒その他より成るCO変成
触媒が充填され、燃料改質器から供給された改質ガスを
シフト変成する。
【0024】前記方向変更部3が、改質ガスの流れの方
向の変更を促進するためにCO変成触媒が配設されてい
ない環状の空間部30によって構成されている。もので
ある。
【0025】スタートアップ用のヒータ6が、前記変成
部本体1の前記中心側空間部11の中心部に配設されて
いる。すなわち該スタートアップ用のヒータの一端が、
前記方向変更部3を形成する前記変成部本体1の軸方向
端部の壁面31に固着されている。
【0026】図3に示されるように多数の孔が穿設され
たパンチングプレート71と前記CO変成触媒のサイズ
より小さいピッチの金網72とを組み合わせた触媒支持
材7によって前記CO変成触媒が保持されている。
【0027】すなわち図1に示されるように前記変成部
本体1の前記中心側空間部11の一端に開口する改質ガ
スが取り込まれる入口2において、所定の容積の空間部
を形成するように前記入口2より一定距離隔てて第1の
触媒支持材73が配設されるとともに、前記方向変更部
3における所定の容積の空間部が形成されるように前記
軸方向端部の壁面31より一定距離隔てて第2の触媒支
持材74が配設されている。
【0028】前記変成部本体1の前記外周側空間部12
の他端に開口する改質ガスが排出される排出口522に
おいて、所定の容積の空間部が形成されるように前記外
周側空間部12の軸方向の端部の壁面121より一定距
離隔てて第3の触媒支持材75が配設されている。
【0029】CO変成触媒としてのペレット触媒が保持
されるパンチングプレート71と金網72より成る前記
触媒支持材7について、図3を用いてさらに詳細に説明
する。
【0030】触媒保持には厚さ1〜3mm程度の板に多
数の孔部が施されたパンチングプレートを用いることが
多い。しかし、パンチングプレートを用いると穴部に触
媒がはまりこんで、ガスの流れを阻害する場合がある。
これを避けるためにφ0.2〜1.0mm程度の細い線
材で構成された金網を用いることが考えられるが、金網
を用いた場合は触媒を保持するだけの強度が得られな
い。
【0031】そこで本第1実施形態においては、前記パ
ンチングプレート71と金網72を重ね合わせた構造と
した。この構成においては触媒保持は前記金網72で行
われるため、前記パンチングプレート71の孔部に触媒
が嵌ることはなく、触媒重量はパンチングプレートによ
って支持されるように、厚さ(t)が1.2mmであ
り、孔明率(開口率)40%になるように多数の孔部が
施された前記パンチングプレート71と、線形φ0.4
3の20番メッシュとした前記金網72とを組み合わせ
て触媒を保持している。
【0032】上記構成より成る本第1実施形態の燃料改
質装置のCO変成部構造における作用について、以下に
述べる。
【0033】COシフト部55を構成する前記変成部本
体1内の往路としての前記中心側空間部11において前
記入口2を介して導入された改質ガスは、上述した化1
の反応が前記変成部本体1の図1における上方に移行し
ながら前記方向変更部3における折り返し位置まで進
む。
【0034】このとき半径方向における中央部で高くな
る温度分布が発生するが、折り返し点に設けられた空間
で混合される。また、折り返し位置では前記壁面31に
流体が衝突するため、より高い熱伝達率で壁面に放熱が
行われる。
【0035】前記変成部本体1内の復路としての前記外
周側空間部12の外周部は断熱材により覆われている
が、外壁を介して放熱が行われるため、改質ガスは上述
した化1の反応による発熱分を放熱する。この結果、化
1の平衡状態は化1における右側へ移行するから、より
COを低減する方向にシフト反応が進行する。
【0036】このように、変成部入口付近では温度を高
く保ち速やかに変成反応を進行させることが出来ると同
時に、変成部出口付近で外部に放熱を行いながら反応が
進むため温度が下がり、化1の平衡状態を上述した化1
における右側へ移行させることが可能となる。従って、
前記熱交換器54の温度制御等、構成要素を複雑にする
こと無くコンパクトな構造で前記排出口4におけるCO
濃度を低く維持することが可能となる。
【0037】また、本第1実施形態のように折り返し構
造とすることは、折り返さない構造に比べて下記の点で
有利である。
【0038】まず前記スタートアップ用のヒータ6の一
端が、前記方向変更部3を形成する壁面31に固着され
るものであるので、前記スタートアップヒータ6の取り
つけが容易であるとともに、前記変成部本体の中央部か
つ入口付近に設置することが出来る。
【0039】反応器本体1の中央部かつ前記入口2付近
にスタートアップヒータ6のヒータ部61を設置できる
ため、起動時に入口付近で速やかにシフト反応を活性化
させることができる。入口付近で活性が得られれば、ガ
ス温度は自己発熱で上昇し、下流側の触媒を暖めること
が出来るため連鎖的に反応器内の触媒活性が得られる。
【0040】また反応器本体1の内部におけるガスの混
合が促進される。円筒断面の従来の反応器本体1におい
ては、中心部の温度が高くなり、外周部においては放熱
により温度が低くなる。したがって、半径方向で反応の
活性度合いと平衡状態に分布が生じるため、反応器本体
1の出口4においては下記のような現象が起こり得る。
【0041】外周部においては、触媒が活性温度まで上
昇せずにCOが低減されない。内周部においては、温度
が上昇し、平衡状態が上述した化1における左側に移行
しCOが十分に低減されない。これを防ぐためには大規
模な断熱やガスを混合するための中間マニホールドが必
要になるため、折り返し構造に比べ装置が複雑なものと
なっていた。
【0042】(第2実施形態)本第2実施形態の燃料改
質装置は、図4に示されるように蒸発器53に導入され
る水は、改質部52の周りにスパイラル状に配設された
配管531を経由する点が前記第1実施形態との主たる
相違点であり、COシフト部55の構造は第1実施形態
と同一であり、同一部分には同一符号を用いて説明を省
略し、以下相違点を中心説明する。
【0043】天然ガスを利用したPEFC型の燃料電池
57においては、電極のCO被毒が発生するために、燃
料電池57(PEFC)に導入される燃料ガス中のCO
濃度は10ppm以下に下げる必要がある。そこで、シ
フト後にルテニウム触媒で構成されたCO選択酸化部5
6を設け、酸化空気と改質ガスの酸化反応によりCOを
10ppm以下まで低減する。
【0044】前記燃料電池57に導入された水素ガスの
うち、実際に消費される水素ガスは最大でも90〜95
%であるため、燃料電池57から排出されるガス中には
水素ガスが残留している。この残留ガスすなわち前記燃
料電池57のアノード極オフガスは前記改質器52の内
部に配設された前記燃焼バーナ51の燃料の一部として
使用する。
【0045】一方前記蒸発器53に導入される水は、コ
の字状の縦断面形状の前記改質部52の筒状部を包囲す
るように形成され、前記燃焼バーナ51から排出された
燃焼排気ガスが中心側領域において軸方向図4中下方に
流れ外周側領域において軸方向図4中上方に流れる通路
を構成する筒状部材の外筒521の周りにスパイラル状
に配設された前記スパイラル状の配管531を経由して
加熱された後、前記蒸発器53に導入されるように構成
されている。
【0046】本第2実施形態の燃料改質装置は、前記改
質部52の周りにスパイラル状に配設された前記配管5
31を経由することにより、前記改質部からの放熱を回
収することで、前記第1実施形態の燃料改質装置に比べ
て更に効率向上を計ることが出来るという効果を奏す
る。
【0047】
【発明の実施例】以下本発明の実施例につき、図面図1
および図5ないし図7を用いて説明する。
【0048】(第1実施例)本第1実施例の燃料改質装
置のCO変成部構造は、上述の第2実施形態の燃料改質
装置すなわち図4に示される燃料電池システムにおける
具体例に関するもので、図1に示される反応器本体1
(COシフト部55)を備えたものである。
【0049】COシフト部55を図1に示される詳細構
造とすることで、シフト反応器内温度分布の実験結果を
示す図7に示されるように折返後に触媒層の温度は緩や
かに低下し、120〜200℃程度まで下がる結果が得
られた。図中のAないしDは図1中に示した位置を示
す。
【0050】また、改質原料に13Aガス(燃料13
A)およびS/C=3(S/C:水蒸気と改質原料に含
まれる炭素との比)を用い、改質部出口ガス温度680
±15℃において実験を行った結果得られたCO濃度を
図8に示す。本実験条件における温度平衡濃度の結果を
参考のために示す。この図から分かるように、CO濃度
は平衡濃度近くまで低減されている。
【0051】(第2実施例)本第2実施例の燃料改質装
置のCO変成部構造は、図5に示されるように折り返し
位置に冷媒と熱交換する構造とするもので、実施例1に
おいて放熱分として外部に捨てていた熱を回収するもの
である。冷媒としては燃焼バーナ51に用いる燃焼空
気、燃料、または改質原料ガスを用いる。
【0052】すなわち前記変成部本体1の前記方向変更
部3を構成する前記変成部本体1の軸方向端部を構成す
る壁面31の外側に冷媒が流れる通路81が形成された
熱回収手段8を備え、CO変成時の発熱を冷媒によって
回収するものである。
【0053】本第2実施例の燃料改質装置のCO変成部
構造は、前記変成部本体1の温度が最も高い部位である
前記方向変更部3に冷媒が流れる通路81が形成された
前記熱回収手段8によって、CO変成時の発熱を冷媒に
よって回収するので、CO変成時の発熱のうち前記方向
変更部3から外部に放出していた熱を冷媒によって有効
に回収して、前記燃料改質装置全体の効率を向上すると
いう効果を奏する。
【0054】(第3実施例)本第3実施例の燃料改質装
置のCO変成部構造は、図6に示されるように折り返し
後の外周円筒122の周りに冷媒を流して熱交換する構
造とするもので、構造がやや複雑になるが上述した第2
実施例に比べて効率良くCO変成による発熱を回収する
ことが出来る。冷媒としては実施例2と同様に燃焼バー
ナ1に用いる燃焼空気、燃料、または改質原料ガスを用
いる。
【0055】前記変成部本体1の外周壁122の外側に
冷媒が流れる通路82が形成され、CO変成時の発熱を
冷媒によって回収する熱回収手段8を備えているもので
ある。
【0056】本第3実施例の燃料改質装置のCO変成部
構造は、前記変成部本体1の外周壁122の外側に冷媒
が流れる通路82が形成された前記熱回収手段8によっ
て、CO変成時の発熱を冷媒によって効率良く回収し
て、前記燃料改質装置全体の効率を向上するという効果
を奏する。
【0057】上述の実施形態および実施例は、説明のた
めに例示したもので、本発明としてはそれらに限定され
るものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明お
よび図面の記載から当業者が認識することができる本発
明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態および第1実施例の燃料
改質装置のCO変成部構造を示す断面図である。
【図2】本発明の第1実施形態の燃料改質装置を示すブ
ロック図である。
【図3】本発明の第1実施形態のCO変成部構造におけ
る触媒支持材の構造を説明するための説明図である。
【図4】本発明の第2実施形態の燃料改質装置を示す断
面図である。
【図5】本発明の第2実施例の燃料改質装置のCO変成
部構造を示す断面図である。
【図6】本発明の第3実施例の燃料改質装置のCO変成
部構造を示す断面図である。
【図7】本発明の第1実施例のCO反応器内の温度分布
の実験結果を示す線図である。
【図8】本第1実施例のCO反応器におけるシフト温度
およびCO濃度の関係を示す線図である。
【図9】従来の水素製造装置を示す構成図である。
【符号の説明】
1 変成部本体 2 入口 3 方向変更部 4 排出口 10 2重筒構造体 11 中心側空間部 12 外周側空間部

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部空間部と該内部空間部を包囲するよ
    うに形成された外側空間部とから成り、CO変成触媒が
    充填され、燃料改質器から供給された改質ガスをシフト
    変成する変成部本体と、 前記内部空間部の一端に開口し、改質ガスが取り込まれ
    る入口と、 前記内部空間部内の他端に向かって流れてきた改質ガス
    を外側の外側空間部内を逆の方向に流れるように流れの
    方向を変更する方向変更部と、 前記外側空間部内の前記方向変更部と反対側の部位に開
    口し、シフト変成された改質ガスが排出される排出口と
    から成ることを特徴とする燃料改質装置のCO変成部構
    造。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記変成部本体が、円筒状の中心側空間部と該中心側空
    間部を包囲するように同軸的に形成された環状の外周側
    空間部とから成る2重筒構造体より成ることを特徴とす
    る燃料改質装置のCO変成部構造。
  3. 【請求項3】 請求項2において、 前記方向変更部が、改質ガスの流れの方向の変更を促進
    するためにCO変成触媒が配設されていない空間部によ
    って構成されていることを特徴とする燃料改質装置のC
    O変成部構造。
  4. 【請求項4】 請求項3において、 多数の孔が穿設されたパンチングプレートと前記CO変
    成触媒のサイズより小さいピッチの金網とを組み合わせ
    て前記CO変成触媒が保持されていることを特徴とする
    燃料改質装置のCO変成部構造。
  5. 【請求項5】 請求項4において、 前記変成部本体の外周壁の外側に冷媒が流れる通路が形
    成され、CO変成時の発熱を冷媒によって回収する熱回
    収手段を備えていることを特徴とする燃料改質装置のC
    O変成部構造。
  6. 【請求項6】 請求項4において、 前記変成部本体の前記方向変更部に冷媒が流れる通路が
    形成され、CO変成時の発熱を冷媒によって回収する熱
    回収手段を備えていることを特徴とする燃料改質装置の
    CO変成部構造。
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