JP2003171101A

JP2003171101A - 改質反応器

Info

Publication number: JP2003171101A
Application number: JP2001371694A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Kobayashi; 克也小林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2003-06-17

Abstract

(57)【要約】【課題】水素分離膜に与える熱歪みの影響を抑制し、
水素分離膜の耐久性を向上させる。【解決手段】改質反応器を上流側反応部１と下流側反
応部３とに分割し、各反応部１，３相互を、燃焼排ガス
が通過するダクト５及び改質ガスが通過するダクト７に
よって連結する。上流側反応部１は、燃焼触媒層９と改
質触媒層１１とが交互に積層され、下流側反応部３は、
燃焼触媒層２１と改質触媒層２３と水素分離膜２５（純
水素通路２７を含む）とが交互に積層され、水素分離膜
２５は、下流側反応部３のみに設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、炭化水素系燃料
及び水が原料として供給されるとともに、改質反応に必
要な熱量が付与されて、水蒸気改質によって生成された
水素リッチガスから、水素分離膜によって選択的に水素
を分離しながら反応を進行させる改質反応器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の改質反応器としては、例
えば、特許第３０８２７９６号や特開平６−４０７０３
号公報に記載されたものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの改質反応器
は、改質反応に必要な熱をバーナや燃焼用触媒などで発
生させるため、反応器内で大きな温度分布が発生し、熱
歪みを引き起こす。これにより、高価な水素分離膜にも
歪みが発生し、水素分離膜の耐久性が低下する。

【０００４】そこで、この発明は、水素分離膜の耐久性
を向上させることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、炭化水素系燃料及び水が原料と
して供給されるとともに、改質反応に必要な熱量が付与
されて、水蒸気改質によって生成される水素リッチガス
から、水素分離膜によって選択的に水素を分離しながら
反応を進行させる改質反応器において、前記原料の供給
及び前記熱量の付与がなされる反応器上流側から反応器
下流側に向けて、反応部を複数に分割し、この分割した
最上流側反応部以外の反応部にのみ前記水素分離膜を設
けた構成としてある。

【０００６】請求項２の発明は、請求項１の発明の構成
において、前記分割した反応部のうち最上流側反応部に
のみ、改質反応に必要な熱量を付与する燃焼触媒層を設
け、それより下流側反応部には、前記燃焼触媒層で生成
された燃焼排ガスが通過する燃焼排ガス層を設けた構成
としてある。

【０００７】請求項３の発明は、請求項１の発明の構成
において、前記原料の供給及び前記熱量の付与がなされ
る反応器上流側から反応器下流側に向けて、反応部を２
つに分割し、この２つに分割した反応部のうち下流側反
応部にのみ前記水素分離膜を設けた構成としてある。

【０００８】請求項４の発明は、請求項３の発明の構成
において、前記分割した反応部のうち上流側反応部にの
み、改質反応に必要な熱量を付与する燃焼触媒層を設
け、下流側反応部には、前記燃焼触媒層で生成された燃
焼排ガスが通過する燃焼排ガス層を設けた構成としてあ
る。

【０００９】請求項５の発明は、請求項１ないし４のい
ずれかの発明の構成において、前記水素分離膜によって
分離された水素が通る純水素通路を、最上流側反応部以
外の反応部にのみ設けた構成としてある。

【００１０】

【発明の効果】請求項１または３の発明によれば、水素
分離膜を、最上流側反応部以外の反応部にのみ設けるよ
うにしたので、最上流側反応部で発生する熱歪みの水素
分離膜への影響が抑制され、水素分離膜の耐久性が向上
する。

【００１１】請求項２または４の発明によれば、急激な
温度分布が発生する燃焼触媒層を、最上流側反応部にの
み設けても、水素分離膜が受ける熱歪みを抑制すること
ができる。

【００１２】請求項５の発明によれば、水素分離膜及び
純水素通路を、最上流側反応部以外の反応部にのみ設け
るようにしたので、水素分離膜から純水素通路に透過し
た水素が、最上流側反応部に逆流することを防止するこ
とができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づき説明する。

【００１４】図１は、この発明の第１の実施形態に係わ
る改質反応器の概略を示すもので、（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２は同改質反応器の
分解斜視図である。この改質反応器は、反応部が上流側
反応部１と下流側反応部３との２つに分割され、各反応
部１，３相互は、ダクト５及び７によって連結されてい
る。

【００１５】一方のダクト５は、上流側反応部１と下流
側反応部３との間に介装され、各反応部１，３に対向す
る部位が開口している。他方のダクト７は、上流側反応
部１，ダクト５及び下流側反応部３が順に連結された状
態で、図１（ａ）中で下部側に対応する一方の側部全体
を覆うように装着され、この一方の側部全体に対向する
側が開口している。

【００１６】上流側反応部１は、図１（ｂ）及び図２に
示すように、燃焼用燃料がダクト５と反対側から供給さ
れる燃焼触媒層９と、改質用原料がダクト７と反対側か
ら供給される改質触媒層１１とが、上下方向に交互に積
層されている。各層は、平板状であり、積層数、厚さな
どは目標性能によって適宜変更する。

【００１７】燃焼用燃料としては、燃料電池からの排水
素、改質反応器の残改質ガス、または炭化水素系燃料な
どと、酸化剤として燃料電池の排空気または空気との混
合気が使用される。改質用原料としては、炭素系燃料及
び水が使用される。

【００１８】燃焼触媒層９は、図１中で左右方向に燃焼
ガス通路９ａ（図２参照）が形成されるよう波板状のフ
ィン９ｂが収容され、このフィン９ｂに燃焼用の触媒が
坦持されている。燃焼触媒層９のダクト７側及びその反
対側は、端板１３及び１５によってそれぞれ閉塞されて
いる。一方、改質触媒層１１は、図１（ａ）中で上下方
向に改質ガス通路１１ａ（図２参照）が形成されるよう
波板状のフィン１１ｂが収容され、このフィン１１ｂに
改質用の触媒が坦持されている。改質触媒層１１のダク
ト５側及びその反対側は、端板１７及び１９によってそ
れぞれ閉塞されている。また、燃焼触媒層９と改質触媒
層１１との間は、仕切壁２０によって仕切られている。

【００１９】下流側反応部３は、図１（ｂ），図２及び
その分解斜視図である図３に示すように、燃焼触媒層２
１と、改質触媒層２３と、水素分離膜２５と、純水素通
路２７とが、上下方向に交互に積層されている。各層
は、上流側反応部１と同様に、平板状であり、積層数、
厚さなどは、上流側反応部１に合わせて設定する。

【００２０】燃焼触媒層２１は、上流側反応部１と同様
に、図１中で左右方向に燃焼ガス通路２１ａが形成され
るよう波板状のフィン２１ｂが収容され、このフィン２
１ｂに燃焼用の触媒が坦持されている。この燃焼触媒層
２１のダクト７側及びその反対側は、端板２９及び３１
によってそれぞれ閉塞され、燃焼ガス通路２１ａの一方
の端部は、ダクト５を介して上流側反応部１の燃焼ガス
通路９ａに連通し、他方の端部は外部に開放されてい
る。

【００２１】一方、改質触媒層２３は、図１（ａ）中で
上下方向に改質ガス通路２３ａが形成されるよう波板状
のフィン２３ｂが収容され、このフィン２３ｂに改質用
の触媒が坦持されている。改質触媒層２３のダクト５側
及びその反対側は、端板３３及び３５によってそれぞれ
閉塞されている。波板状のフィン２３ｂには、多数の小
孔３７が形成されている。他の前記した各フィン９ｂ，
２１ｂについても、同様に多数の小孔がそれぞれ形成さ
れていてもよい。また、燃焼触媒層２１と改質触媒層２
３との間は、仕切壁３８によって仕切られている。

【００２２】改質触媒層２３におけるフィン２３ｂの燃
焼触媒層２１と反対側には、両端板３３，３５相互を連
結するように水素分離膜２５が配置され、水素分離膜２
５のフィン２３ｂと反対側に純水素通路２７が形成され
る。純水素通路２７は、底板部２７ａと、底板部２７ａ
の四方に立設された側壁部２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２
７ｅとで形成され、ダクト７と反対側の側壁部２７ｅの
側壁部２７ｅ側には、水素分離膜２５を透過した水素を
流出させるための開口部２７ｆが形成されている。

【００２３】また、改質触媒層２３のダクト７と反対側
の一部には、一方の端板３５に連続する側壁３９が形成
されている。これにより、側壁３９と他方の端板３３と
の間に、水素を分離後の改質ガスを流出させるための開
口部４１が形成される。上記した側壁３９の燃焼ガス流
れ方向の長さは、純水素通路２７における前記した開口
部２７ｆの同方向の長さと同等となっている。

【００２４】下流側反応部３のダクト７と反対側には、
排出ガスダクト４３が設けられている。排出ガスダクト
４３は、下流側反応部３に対向する側が開口しており、
この開口部分は、上下方向に延長される仕切板４５によ
って２つの空間４７，４９に仕切られている。このうち
一方の空間４７は、上記した純水素通路２７における開
口部２７ｆに連通し、他方の空間４９は、改質触媒層２
３における開口部４１に連通している。

【００２５】また、排出ガスダクト４３の一方の空間４
７における側壁部５１には、水素を排出させる水素排出
孔５１ａが形成され、他方の空間４９における後壁部５
３には、改質ガスを排出させる改質ガス排出孔５３ａが
形成されている。

【００２６】次に、作用を説明する。燃焼用燃料が上流
側反応部１における燃焼触媒層９に供給され、触媒燃焼
によって燃焼した燃焼ガスが、燃焼ガス通路９ａをダク
ト５に向けて流れる。一方、改質用原料は、上流側反応
部１における改質触媒層１１に供給される。このとき、
改質触媒層１１では、燃焼触媒層９での酸化反応熱によ
る熱量が付与されて改質用原料を水蒸気改質すること
で、改質ガスが生成され、生成された改質ガスは、改質
ガス通路１１ａをダクト７に向けて流れる。ただし、こ
こでの改質反応は充分なものではない。

【００２７】燃焼触媒層９の出口からは高温の燃焼排ガ
スがダクト５に流出し、下流側反応部３の燃焼触媒層２
１に流入する。一方、改質触媒層１１の出口からは改質
ガスがダクト７に流出し、下流側反応部３の改質触媒層
２３に流入する。

【００２８】下流側反応部３では、改質触媒層２３が、
燃焼触媒層２１に流入した高温排ガスと、上流側反応部
１の燃焼触媒層９で酸化反応しきらなかった燃料による
燃焼触媒層２１での酸化反応熱とを熱源として、原料を
充分に改質し、水素リッチガスを生成する。

【００２９】生成された水素リッチガスは、改質触媒層
２３から水素分離膜２５により選択的に水素が分離され
て純水素通路２７に流出する。純水素通路２７に流出し
た水素は、開口部２７ｆを通して排出ガスダクト４３の
一方の空間４７に流出し、水素排出孔５１ａから外部に
排出される。

【００３０】一方、水素が分離された改質ガスは、水素
分離膜２５のフィン２３ｂ側から開口部４１を経て、排
出ガスダクト４３の他方の空間４９に流出し、改質ガス
排出孔５３ａから外部に排出される。

【００３１】このように、反応部を上部側反応部１と下
流側反応部３との２つに分割した改質反応器は、下流側
反応部３では、改質ガスの流れ方向に沿った温度分布
が、上流側反応部１に比べて小さいので、下流側反応部
３で発生する熱歪みの水素分離膜２５への影響が抑制さ
れ、水素分離膜２５の耐久性が向上する。

【００３２】また、一般に改質反応器全体を考えると、
上流側では、下流側に比べて水素の生成量が少ないの
で、上流側に例え水素分離膜が存在していても、分離で
きる水素量は少ないものとなる。それよりも、水素生成
が進行している下流側の水素分圧が上流側より高いこと
から、水素が水素分離膜を通して上流側へ逆流する現象
が発生してしまう。

【００３３】このため上記した実施形態では、改質反応
器全体を上流側反応部１と下流側反応部３とに分割する
ことで、水素の上流への逆流を防止し、かつ水素分離膜
２５については、下流側反応部３のみに設けることで、
性能は所望に維持しつつ、むしろ水素の逆流を防止して
いる分性能は向上し、かつコスト低下をも達成すること
ができる。

【００３４】次に、水素分離膜２５が受ける熱歪みにつ
いて詳細に説明する。図４（ａ）は、改質反応器を、上
記した実施形態のように分割せずに一体とした場合で、
燃焼触媒層、改質触媒層、水素分離膜（純水素通路を含
む）を交互に積層した構成としてある。図４（ｂ）は、
図４（ａ）の改質反応器における改質ガスの流れ方向に
沿った温度分布を示している。

【００３５】これによれば、燃焼触媒層での発熱反応を
利用した水蒸気改質を行うので、改質反応器内の温度
は、図中で左側の上流側前部でピークに達し、その後徐
々に低下する。この場合、触媒層前部での温度分布（一
つの部品としての最低温度と最高温度の差）がΔＴ₁と
大きく、ここでの水素分離膜に大きな歪みを与えること
になり、水素分離膜の耐久性低下を招く。

【００３６】これに対し、図５は、前記した図１の実施
形態と同様に、改質反応器全体を上流側反応部１と下流
側反応部３との２つに分割し、水素分離膜は下流側反応
部３のみに設けた例であり、図５（ａ）は図４（ａ）
に、図５（ｂ）は図４（ｂ）に、それぞれ対応してい
る。ただし、ここでは図１に設けたようなダクト５，７
は省略してある。

【００３７】このような構成にすると、上流側反応部１
で温度分布ΔＴ₁による熱歪みが発生しても、下流側反
応部３の水素分離膜２５にその影響が及ばず、また下流
側反応部３での温度分布ΔＴ₂は上流側反応部１に比べ
て小さいので、水素分離膜２５の熱歪みは小さく抑えら
れ、水素分離膜２５の耐久性向上を図ることができる。

【００３８】図６は、この発明の第２の実施形態を示す
改質反応器の概略を示す断面図で、前記した図１（ｂ）
に相当する。この実施形態は、改質反応器を上流側反応
部１と下流側反応部３とに分割した点は、第１の実施形
態と同様であるが、温度分布が大きくなる燃焼触媒層
を、燃焼触媒層９として上流側反応部１のみに設け、下
流側反応部３には、図１の燃焼触媒層２１に代えて、上
流側反応部１で発生した燃焼排ガスが通る燃焼排ガス層
５５を設けている。すなわち、この燃焼排ガス層５５に
は、燃焼用触媒を坦持したフィンを設けていない。

【００３９】この場合、図１のものに比較して上流側反
応部１での負担が大きくなり、上流側反応部１にてより
多く改質することになるので、燃焼触媒層９での発熱量
を多めにする必要がある。このため、図５に示すよう
に、上流側反応部１での温度分布は、図１の温度分布Δ
Ｔ₁に対し、破線で示す温度分布ΔＴ’_１と大きくな
る。しかしながら、水素分離膜２５が存在する下流側反
応部３の温度分布は、上流側反応部１のΔＴ₁’に比べ
ΔＴ_２’と小さいので、水素分離膜２５に与える影響は
小さく、上流側反応部１のみに燃焼触媒層を設ける構成
としても、水素分離膜が受ける熱歪みを抑制することが
できる。

【００４０】図７は、この発明の第３の実施形態を示す
改質反応器の概略を示すもので、（ａ）は図１（ａ）
に、（ｂ）は図１（ｂ）にそれぞれ対応している。この
実施形態は、図１または図６の各の実施形態に対し、改
質用原料を燃焼用燃料と同方向から上流側反応部１に供
給するようにしたものである。このため、上流側反応部
１と下流側反応部３との間のダクト５７は、燃焼排ガス
と改質ガスとが通る通路を交互に層状に構成してあり、
図１のダクト７に相当するものは設けていない。

【００４１】図８は、この発明の第４の実施形態を示す
改質反応器の概略を示すもので、（ａ）は図１（ａ）
に、（ｂ）は図１（ｂ）にそれぞれ対応している。この
実施形態は、図１または図６の各の実施形態に対し、改
質用原料と燃焼用燃料の上流側反応部１への供給位置を
互いに逆にしたものである。このため、上流側反応部１
と下流側反応部３との間のダクト５９には、改質ガスが
通過し、側部のダクト６１には、高温の燃焼排ガスが通
過する。

【００４２】図９は、この発明の第５の実施形態を示す
改質反応器の概略を示すもので、（ａ）は図１（ａ）
に、（ｂ）は図１（ｂ）にそれぞれ対応している。この
実施形態は、図１または図６の各の実施形態に対し、燃
焼用燃料を改質用原料と同方向から供給するようにした
ものである。このため、上流側反応部１のガス排出側及
び下流側反応部３のガス流入側に設けたダクト６３は、
燃焼排ガスと改質ガスとが通る通路を交互に層状に構成
してある。図１のダクト５が設けられた位置にはダクト
は設けていない。

【００４３】上記した図７ないし図９の実施形態におい
ても、反応部を上流側反応部１と下流側反応部３とに分
割し、下流側反応部３のみに水素分離膜２５を設けるよ
うにしているので、水素分離膜２５は、熱歪みが抑制さ
れて耐久性が向上する。

【００４４】なお、上記した各実施形態では、反応部を
上流側反応部１と下流側反応部３との２つに分割した
が、３つ以上に分割し、分割した反応部のうち最上流側
以外の反応部のみに水素分離膜２５を設けるようにして
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態に係わる改質反応器
の概略を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ断面図である。

【図２】図１の改質反応器の分解斜視図である。

【図３】図１の改質反応器における下流側反応部の分解
斜視図である。

【図４】従来の改質反応器における水素分離膜に与える
熱歪みの影響示す説明図で、（ａ）は改質反応器の構成
図、（ｂ）は（ａ）の改質反応器における温度分布図で
ある。

【図５】本発明の改質反応器における水素分離膜に与え
る熱歪みの影響示す説明図で、（ａ）は改質反応器の構
成図、（ｂ）は（ａ）の改質反応器における温度分布図
である。

【図６】この発明の第２の実施形態に係わる改質反応器
の概略を示す、図１（ｂ）に相当する断面図である。

【図７】この発明の第３の実施形態に係わる改質反応器
の概略を示すもので、（ａ）は図１（ａ）に相当する平
面図、（ｂ）は図１（ｂ）に相当する断面図である。

【図８」】この発明の第４の実施形態に係わる改質反応
器の概略を示すもので、（ａ）は図１（ａ）に相当する
平面図、（ｂ）は図１（ｂ）に相当する断面図である。

【図９】この発明の第５の実施形態に係わる改質反応器
の概略を示すもので、（ａ）は図１（ａ）に相当する平
面図、（ｂ）は図１（ｂ）に相当する断面図である。

【符号の説明】

１上流側反応部３下流側反応部９燃焼触媒層２５水素分離膜２７純水素通路５５燃焼排ガス層

フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA41 MA03 PA02 PB18 PB66 PC69 4G040 EA03 EA06 EB03 EB18 EB22 EB33 EB42 FA02 FB09 FC01 FE01 5H027 AA02 BA01 BA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系燃料及び水が原料として供給
されるとともに、改質反応に必要な熱量が付与されて、
水蒸気改質によって生成される水素リッチガスから、水
素分離膜によって選択的に水素を分離しながら反応を進
行させる改質反応器において、前記原料の供給及び前記
熱量の付与がなされる反応器上流側から反応器下流側に
向けて、反応部を複数に分割し、この分割した最上流側
反応部以外の反応部にのみ前記水素分離膜を設けたこと
を特徴とする改質反応器。
【請求項２】前記分割した反応部のうち最上流側反応
部にのみ、改質反応に必要な熱量を付与する燃焼触媒層
を設け、それより下流側反応部には、前記燃焼触媒層で
生成された燃焼排ガスが通過する燃焼排ガス層を設けた
ことを特徴とする請求項１記載の改質反応器。
【請求項３】前記原料の供給及び前記熱量の付与がな
される反応器上流側から反応器下流側に向けて、反応部
を２つに分割し、この２つに分割した反応部のうち下流
側反応部にのみ前記水素分離膜を設けたことを特徴とす
る請求項１記載の改質反応器。
【請求項４】前記分割した反応部のうち上流側反応部
にのみ、改質反応に必要な熱量を付与する燃焼触媒層を
設け、下流側反応部には、前記燃焼触媒層で生成された
燃焼排ガスが通過する燃焼排ガス層を設けたことを特徴
とする請求項３記載の改質反応器。
【請求項５】前記水素分離膜によって分離された水素
が通る純水素通路を、最上流側反応部以外の反応部にの
み設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか
に記載の改質反応器。