JP2003151607A - 燃料電池用改質器 - Google Patents

燃料電池用改質器

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JP2003151607A
JP2003151607A JP2001346515A JP2001346515A JP2003151607A JP 2003151607 A JP2003151607 A JP 2003151607A JP 2001346515 A JP2001346515 A JP 2001346515A JP 2001346515 A JP2001346515 A JP 2001346515A JP 2003151607 A JP2003151607 A JP 2003151607A
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catalyst layer
tubular body
reformer
gas
flow path
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JP2001346515A
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English (en)
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Katsuki Yagi
克記 八木
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Feeding And Controlling Fuel (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、ガス出口温度の測定値と実際の体積
混合平均温度とのずれを小さくしてガス温度を制御しや
すくすることを課題とする。 【解決手段】加熱用高温ガス流路を有した二重又は三重
円筒状の容器12と、前記容器12の外側に配置され
た,容器12を断熱するための断熱体11と、前記容器
12の内側に配置されたバーナ17と、前記容器12の
長手方向に沿って筒状に配置された触媒層19とを具備
し、前記触媒層19を流れるガスの出口部における流路
が上流側の流路と比べて狭くなっていることを特徴とす
る燃料電池用改質器。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系のガス
を燃料電池用に使用される改質ガスに改質する燃料電池
用改質器に関する。
【0002】
【従来の技術】天然ガス等の炭化水素系のガスに水蒸気
を添加した後、加熱された改質触媒により水素リッチな
改質ガスを生成する燃料電池用改質器が知られている。
なお、得られた改質ガスは、更に化学反応により燃料電
池に使用可能な水素リッチな燃料ガスに変成される。
【0003】従来、燃料改質器としては、例えば図2
(A),(B)に示すものが知られている(特開平8−
208202)。但し、図2では、燃料改質器の要部の
みを図示している。ここで、図2(A)は燃料改質器の
一構成である周辺の部分断面図、図2(B)は図2
(A)の仕切り板の部分平面図を示す。
【0004】図中の符番1は、内側筒体2及び該内側筒
体2と同心円状に配置された中間筒体3を有する容器を
示す。内側筒体2と中間筒体3で囲まれた領域(内側環
状空間)4には、粒状の改質触媒5が充填された触媒層
6が配置されている。前記触媒層6は、容器1の長手方
向と直交する方向に仕切る複数のドーナツ状の仕切り板
7により仕切られている。ここで、仕切り板7には複数
の貫通穴8が一様に形成されている。なお、図5におい
て、符番9は原料ガス、符番10は改質ガスを示す。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料改質器によれば、図3に示すように温度分布aが触
媒層の半径方向に存在する。即ち、触媒層の有効熱伝導
率と熱流束との関係によりガス流れ方向に垂直な方向に
数十℃〜百数十℃の温度分布があり、外側(低温側)を
流れる改質ガスの反応速度が内側(高温側)に比べて小
さくなっていた。従って、温度の高いところと低いとこ
ろで平衡ガス組成が異なるため、体積混合平均温度にお
けるガス平衡組成と実際のガス組成とのずれが大きくな
り、ガス出口温度に基づいて精度よく反応進行度を予測
することができなかった。
【0006】本発明はこうした事情を考慮してなされた
もので、触媒層を流れるガスの出口部における流路を上
流側の流路と比べて狭くすることにより、ガス流れに垂
直な方向の温度差を低減させ、ガス出口温度の測定値と
実際の体積混合平均温度とのずれを小さくして改質ガス
出口ガス組成を制御しやすくしえる燃料電池用改質器を
提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、加熱用高温ガ
ス流路を有した二重又は三重円筒状の容器と、前記容器
の内側に配置されたバーナと、前記容器の長手方向に沿
って筒状に配置された触媒層と,前記触媒層の外側に配
置された,断熱体を挟んでなる二重円筒とを具備し、前
記触媒層を流れるガスの出口部における流路が上流側の
流路と比べて狭くなっていることを特徴とする燃料電池
用改質器である。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明について更に詳しく
説明する。本発明において、前記改質管としては、加熱
用高温ガス流路を有し,筒状の外側筒体とこの外側筒体
の内側に該外側筒体と間隔をあけて配置された筒状の内
側筒体とを有した二重円筒状の容器の場合(図1参照)
と、加熱用高温ガス流路を有し,筒状の外側筒体とこの
外側筒体の内側に該外側筒体と間隔をあけて配置された
筒状の内側筒体と前記外側筒体、内側筒体間に配置され
た筒状の中間筒体とを有する三重円筒状の容器の場合
(図4参照)とがある。前者の場合は、高温ガスが容器
の内側寄りを通過するので、触媒層を通るガス出口部に
おける流路が外側筒体側に狭められる。一方、後者の場
合は、高温ガスが改質管の外側寄りを通過するので、触
媒層を通るガス出口部における流路が外側筒体側(断熱
層側)に狭められる。
【0009】また、前者の場合は、前記ガス出口部にお
ける流路の内側境界壁は上流側の流路の内側境界壁と同
径の壁であり、かつガス出口部における流路の幅は改質
触媒の粒径の3〜5倍であることが好ましい。改質触媒
の粒径をこのように規定するのは、流路の幅がこの範囲
外の場合、改質触媒が狭い流路にうまく充填できないか
らである。一方、後者の場合は、ガス出口部における流
路の外側境界壁は上流側の流路の外側境界壁と同径の壁
であり、かつガス出口部における流路の幅は改質触媒の
粒径の3〜5倍であることが好ましい。改質触媒の粒径
をこのように規定するのは、前記と同様である。
【0010】本発明において、ガス出口部における流路
を狭める手段としては、触媒層の下部のガス流路に例え
ばドーナツ状の障害物を置くことが挙げられる。本発明
において、障害物を例えば図5に示すように配置した場
合、障害物の高さH(m)は次式のように設定すること
が好ましい。 H(m)≧F/{5000π(D −D )} …(1) 但し、式(1)において、F:狭い流路Rを流れる流
速[m/h]、D:広い流路Rの直径[m]、
:狭い流路Rの径[m]を、夫々示す。上記式
(1)は次のようにして求める。即ち、滞留時間の逆数
に相当するS値の必要条件は、実験データからS
≦20000で表される。従って、狭い流路Rにおけ
る容積をV(m)としたとき、 F/V=S≦20000 となる。従って、 V≧F/20000 となる。従って、 π{(D −D )/4}×H(m)≧F/200
00 となり、この式から上記式(1)が求められる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例に係る燃料電池用改質
器について図面を参照して説明する。 (実施例1)図1(A),(B)を参照する。ここで、
図1(A)は本実施例1に係る燃料電池用改質器の概略
的な断面図、図1(B)は図1(A)の改質器の要部の
平面図を示す。
【0012】図中の符番11は、内部に断熱材(例え
ば、カオウール)26を収容した二重円筒体を示す。こ
こで、断熱材26は、内側に配置される二重円筒状の容
器12を断熱するためのものである。前記容器12は、
筒状の外側筒体13と、この外側筒体13の内側に該外
側筒体13と間隔をあけて配置された筒状の内側筒体1
4とから構成されている。前記外側筒体13の底部は、
円状の板部材15により塞がれている。前記容器12の
内側筒体13の内側にはバーナ用保護筒16を介してバ
ーナ17が配置されている。前記容器12の内側は、図
1(A)に示すように加熱用高温ガス流路aを有し,矢
印(実線X)に示すように高温ガスが流れるようになっ
ている。
【0013】前記断熱体11と外側筒体13との間の領
域には、複数の粒状の改質触媒18からなる触媒層19
が充填されている。前記断熱体11と外側筒体13との
間の領域でかつ触媒層19の下部には原料ガスYの流路
を狭めるためのドーナツ状の障害物20が配置されてい
る。この障害物20の材質は、例えばSUS316Lで
ある。ここで、図5を参照すると、改質触媒の粒径が3
mmの場合、障害物20の高さHは50mm、広い流路
の幅は20mm、ガス出口の狭い流路Rの幅は1
0mmである。前記障害物20により、原料ガスの流路
は外側筒体13寄りで狭められる。
【0014】なお、図1(A)では、便宜上二重円筒体
11と外側筒体13間の領域で障害物20の上部のみ改
質触媒18が図示されているが、障害物20の隣りの狭
い領域部分及びその下部にも改質触媒が存在する。
【0015】前記障害物20の下部側に位置する前記断
熱体11の内側にはポート11aが形成され、この部分
を通って外部から障害物20の下部の領域に熱電対21
が延出している。この熱電対21により、原料ガスYが
改質されて得られた改質ガスの出口温度が測定される。
【0016】実施例1に係る燃料電池用改質器は、図1
に示すように、断熱材26を収容した二重円筒体11
と、この二重円筒体11の内側に配置された,筒状の外
側筒体13とこの外側筒体13の内側に該外側筒体13
と間隔をあけて配置された筒状の内側筒体14とからな
る二重円筒状の容器12と、前記内側筒体14の内側に
配置されたバーナ17と、前記容器11の外側筒体13
と断熱体11間の領域に配置された円筒状の触媒層19
と、前記二重円筒体11と外側筒体14間の領域で前記
触媒層19の下部に配置された筒状の障害物20と、こ
の障害物20の下部の領域まで延出した熱電対21を有
した構成となっている。
【0017】従って、前記障害物20により、ガスの流
路がガス出口部で狭くなるので、改質ガスの半径方向の
温度差を従来と比べて低減することができる。従って、
障害物20の下部に配置された熱電対21の指示温度に
おける平衡ガス組成と実際の体積混合平均温度における
平衡ガス組成とのずれが小さくなるため、測定温度をモ
ニターして改質ガス組成を制御することができる。ま
た、触媒層19を厚くすることができるので、層長を短
縮でき、コンパクト化が可能となる。
【0018】(実施例2)本実施例2に係る燃料電池用
改質器について図4を参照して説明する。但し、図1と
同部材は同符番を付して説明を省略し、要部のみ説明す
る。
【0019】図中の符番31は、内部に断熱材(例え
ば、カオウール)26を収容した二重円筒体を示す。こ
の二重円筒体31の内側には、三重円筒状の容器22が
配置されている。ここで、容器22は、円筒状の外側筒
体23と、この外側筒体23の内側に該外側筒体23と
間隔をあけて配置された筒状の内側筒体24と前記外側
筒体23、内側筒体24間に配置された筒状の中間筒体
32とから構成されている。なお、符番25は、外側筒
体23と内側筒体32の底部を塞ぐドーナツ状の板部材
であり溶接等により外側筒体23、内側筒体24に固定
されている。
【0020】前記外側筒体23と中間筒体32間との間
の領域には、複数の粒状の改質触媒18からなる触媒層
19が充填されている。前記外側筒体23と中間筒体3
2との間の領域でかつ触媒層19の下部には原料ガスY
の流路を狭めるためのドーナツ状の障害物30が配置さ
れている。前記障害物30の下部側に位置する領域に
は、原料ガスYが改質されて得られた改質ガスの出口温
度を測定する熱電対21が配置されている。
【0021】実施例2に係る燃料電池用改質器は、図4
に示すように、筒状の外側筒体23と中間筒体32間の
領域に円筒状の触媒層19を配置するとともに、同領域
でかつ触媒層19の下部にドーナツ状の障害物30を配
置し、かつその障害物20の下部に熱電対21を配置し
た構成となっているため、実施例1と同様に、障害物3
0の下部に配置された熱電対21による値を改質ガス出
口温度の代表値としてみなし改質ガス出口ガス組成を制
御することができる。
【0022】
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、仕
切り板のうち、触媒層を流れるガスの出口部における流
路を上流側の流路と比べて狭くすることにより、ガス流
れに垂直な方向への混合を促進させ、もってガス出口温
度の測定値と実際の体積混合平均温度とのずれを小さく
して改質ガス出口ガス組成を制御しやすくしえる燃料電
池用改質器をできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施例1に係る燃料電池用改質
器の説明図。
【図2】図2は従来の燃料改質器の要部の説明図。
【図3】図3は図2の燃料改質器における触媒層部分の
温度分布の説明図。
【図4】図4は本発明の実施例2に係る燃料電池用改質
器の説明図。
【図5】図5は本発明に係る燃料電池用改質器の一構成
である障害物による高さと流路との関係を示すための説
明図。
【符号の説明】
11,31…二重円筒体、 12,22…改質管、 13,23…外側筒体、 14,24…内側筒体、 15,25…板部材、 17…バーナ、 18…改質触媒、 19…触媒層、 20,30…障害物、 20a,30a…ポート、 21…熱電対、 26…断熱材、 32…中間筒体。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加熱用高温ガス流路を有した二重又は三
    重円筒状の容器と、前記容器の内側に配置されたバーナ
    と、前記容器の長手方向に沿って筒状に配置された触媒
    層と,前記触媒層の外側に配置された,断熱体を挟んで
    なる二重円筒体とを具備し、前記触媒層を流れるガスの
    出口部における流路が上流側の流路と比べて狭くなって
    いることを特徴とする燃料電池用改質器。
  2. 【請求項2】 加熱用高温ガス流路を有し,筒状の外側
    筒体とこの外側筒体の内側に該外側筒体と間隔をあけて
    配置された筒状の内側筒体とを有した二重円筒状の容器
    と、前記内側筒体の内側に配置されたバーナと、前記容
    器の外側筒体の外側に配置された触媒層と、前記触媒層
    の外側に配置された,断熱体を挟んでなる二重円筒体
    と,前記触媒層内ガスの出口側部でかつ外側筒体の外側
    に配置された,触媒層を流れるガスの出口部の流路を外
    側筒体側に狭めるための障害物とを具備し、前記触媒層
    を流れるガスの出口部における流路が触媒層の上流側の
    流路と比べて狭くなっていることを特徴とする請求項1
    記載の燃料電池用改質器。
  3. 【請求項3】 前記ガスの出口部における流路の内側境
    界壁は上流側の流路の内側境界壁と同径の壁であり、か
    つガスの出口部における流路の幅は改質触媒の粒径の3
    〜5倍であることを特徴とする請求項2記載の燃料電池
    用改質器。
  4. 【請求項4】 加熱用高温ガス流路を有し,筒状の外側
    筒体とこの外側筒体の内側に該外側筒体と間隔をあけて
    配置された筒状の内側筒体と前記外側筒体、内側筒体間
    に配置された筒状の中間筒体とを有する三重円筒状の容
    器と、前記内側筒体の内側に配置されたバーナと、前記
    容器の外側筒体と中間筒体間の領域に配置された触媒層
    と、前記外側筒体の外側に配置された,断熱体を挟んで
    なる有底の二重円筒体と、前記触媒層の下部でかつ外側
    筒と中間筒体間の領域に配置された,触媒層を流れるガ
    スの出口部の流路を外側筒体側に狭めるための障害物と
    を具備し、前記外側筒体と内側筒体は底部でドーナツ状
    の板部材により連結されて塞がれ、かつ前記触媒層を流
    れるガスの出口部における流路が触媒層の上流側の流路
    と比べて狭くなっていることを特徴とする請求項1記載
    の燃料電池用改質器。
  5. 【請求項5】 前記ガスの出口部における流路の外側境
    界壁は上流側の流路の外側境界壁と同径の壁であり、か
    つガスの出口部における流路の幅は改質触媒の粒径の3
    〜5倍であることを特徴とする請求項4記載の燃料電池
    用改質器。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005067990A (ja) * 2003-08-28 2005-03-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 改質原料用蒸発器
JP2006176398A (ja) * 2004-11-29 2006-07-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素製造装置及びそれを備える燃料電池発電装置
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