JP2003503294A - 燃焼器壁温制御を備えた小型の燃料気体改質装置 - Google Patents

燃焼器壁温制御を備えた小型の燃料気体改質装置

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Abstract

(57)【要約】 燃料電池電力設備に使用するための燃料気体改質装置は、一連の繰り返しサブアッセンブリ（２）から構成される複合プレートアッセンブリから形成される。複合プレートアッセンブリ内の隣接する改質（６）／復熱（８）／改質気体通路（６）サブアッセンブリ（２）は、燃焼気体通路（４）によって互いに隔離されている。燃焼気体流（Ｄ）と処理気体流（Ａ）とは、改質内を逆方向に流れる。異なる密度数の熱移動フィン（１４）が、燃焼気体通路に配置されて、作動中の最高燃焼壁温が制御される。燃焼気体流通路（４）の最初の領域（Ｉ）には、熱移動フィン（１４）がなく、中間領域（Ｊ）は、限定された密度のフィン（１４）を備え、最後の領域（Ｋ）は、より大きな密度のフィン（１４）を備える。燃焼壁の最高温度は、好ましくは、約９２７℃（１，７００°Ｆ）以下であり、好ましくは、最高処理気体温度の約３８℃（１００°Ｆ）内である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、複数のサブアッセンブリの繰り返しから構成される燃料気体水蒸気
改質装置に関する。特に、本発明は、燃料電池電力設備に使用される従来の水蒸
気改質装置より、小型、より軽量であり、より低い燃焼器気体通路壁温で作動す
る燃料気体水蒸気改質装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池電力設備は、通常、天然ガスなどの燃料気体を触媒によって主に水素
、二酸化炭素を含む気体流に変換するように機能する燃料気体水蒸気改質装置を
備える。この変換過程には、約４８２℃（９００°Ｆ）〜約８７１℃（１，６０
０°Ｆ）の改質温度に加熱した触媒床に、燃料気体と水蒸気の混合物を通すこと
が含まれる。バルク反応物と反応器壁との間の温度差は、２０４℃（４００°Ｆ
）〜２６０℃（５００°Ｆ）もの大きさになり得る。通常使用される触媒は、ア
ルミナペレット上に沈積させたニッケル触媒である。通常の改質装置は、熱を保
持するように断熱されたハウジングに収容される複数の反応管を備える。これら
の反応管は、ハウジング内で過剰の燃料気体を燃焼させて、反応管の周りに燃焼
気体を通過させることによって加熱される。個々の反応管は、通常、環状の入口
通路によって囲まれた中心部にある排気通路を備える。入口通路には、触媒化し
たアルミナペレットが充填され、燃料気体・水蒸気用のマニホールドが、入口通
路のそれぞれの底部に燃料気体・水蒸気の混合物を供給するように機能し、燃料
気体・水蒸気の混合物は、この底部の上方にある触媒床を流れる。生成物である
加熱された水素に富んだ気体流は、次に、それぞれの反応管の中心部にある排気
通路を流れ、それぞれの環状の触媒床の内側部分を加熱するのに役立ち、そして
、さらに処理、利用するために改質装置から送り出される。
【０００３】 水蒸気による改質装置には、触媒と燃料混合物とを高度に相互作用させるため
に、表面積の大きな触媒床が必要であり、また、燃料電池を最大効率で作動させ
るのに必要となる分量の水素を生成するために、大きな熱移動表面積が必要であ
る。これら必要とされる大きな触媒床や熱移動表面積を、管状の改質装置で触媒
を被覆したペレットを使用して実現すると、好ましくないことには、大規模で高
重量の改質装置となってしまう。例えば、市販されている２００ｋＷの酸型燃料
電池電力設備は、体積が約４．２５〜４．９５ｍ3（１５０〜１７５立方フィー
ト）、重量が約１，５８８ｋｇ（３，５００ポンド）の水蒸気改質装置を備える
。燃料電池電力設備に使用するのに適しており、必要とされる表面積を提供し、
しかも小型、軽量の水蒸気改質装置を提供するのは、非常に望ましいことであろ
う。
【０００４】 レシュー（Ｒ．Ｒ．Ｌｅｓｉｅｕｒ）に１９９８年３月３１日に付与された米
国特許第５，７３３，３４７号には、隣接する燃焼気体通路と燃料気体通路とを
有する小型、軽量の燃料気体改質装置が記載されている。燃焼および燃料気体通
路は、両方とも、通路の全長に亘って延びる熱移動フィンを含む。上述した特許
に示される構造が、燃焼気体と燃料気体の向流配置で、８１６℃（１，５００°
Ｆ）を超える温度で作動されると、フィンを通って燃焼気体通路の前部および中
間部に向かう大きな熱移動が、処理気体流への高速の熱吸収によっても相殺され
ないので、燃焼通路壁温が、好ましくないほど高くなり得る。流入する処理気体
によって、より多量の熱が吸収されるので、壁温は、燃焼気体通路の中間部以降
で低下することになるが、生成される過剰の熱によって、改質装置壁が、損傷を
受けることがあり得る。
【０００５】 上述した特許に示されるように小型、軽量であるが、上に記載したような過熱
の問題に曝されない改質装置を提供するのは、望ましいことであろう。
【０００６】
【発明の開示】
本発明は、必要な触媒化された熱移動表面積を提供し、従来の水蒸気改質装置
より実質的に、より小型で、より軽量であり、さらに、より低い壁温で作動でき
る水蒸気改質装置構造に関する。本発明の水蒸気改質装置構造は、一連の実質的
に平らなプレート状の改質装置構成要素から構成される。改質装置構成要素のそ
れぞれは、複数の中央にある復熱・熱交換通路の周りに挟まれた外側改質通路を
備える。
【０００７】 触媒化された改質装置の基本構成は、燃焼−改質−復熱−改質−燃焼構成要素
の繰り返しモジュールから成る。燃焼部、復熱部の気体は、一方向に流れ、燃料
気体は、改質通路を逆方向に流れる。これは、改質装置の望ましい構成であり、
ここでは、改質された気体が、改質反応物の流れに対して向流で通過し、それに
よって、改質された気体の熱が反応物の流れに移動できる。
【０００８】 熱は、燃焼気体が燃焼空隙を通り、燃焼壁上で触媒作用によって燃焼する、燃
焼気体の燃焼によって生成する。改質反応は、非常に吸熱的であり、また動的平
衡に起因して、高い変換率を実現するには、高温が必要とされる。燃焼装置内に
は大きな触媒表面積があるので、燃焼気体の燃焼は、反応器の上部で生じること
になる。しかしながら、この位置では、すでに改質の大部分が生じており、その
ため、壁温を、適度な範囲内、すなわち、約８７１℃（１，６００°Ｆ）より低
い温度に維持するためには、改質の吸熱反応による冷却は不十分になる。燃焼気
体通路の入口端部で、壁温を許容できる範囲内に維持するためには、この領域で
は、熱移動フィンが除去される。燃焼装置の壁温が高くなるのを抑える装置構成
は、熱移動フィンのない入口領域、低密度の熱移動フィンを有する中間領域、よ
り高密度の熱移動フィンを有する出口領域、から成る。フィン「密度」は、燃焼
気体の流れ方向を横断する方向にとった燃焼通路１インチ当たりのフィンの数を
意味する。壁温は、依然、鋭く尖ることになるが、８７１℃（１，６００°Ｆ）
より低い値に維持されることになる。他の全ての金属の温度は、８１６℃（１，
５００°Ｆ）未満である。壁が、より長い耐用寿命に亘り、相対的に低温に維持
されるように、適切な装置構成により、温度が制御可能であることが、留意され
る。高いフィン密度が、改質通路および復熱通路の両方の全体に亘って維持され
るので、改質気体は、改質壁温に非常に近づけられ、それによって、改質側での
燃料変換および低い復熱（処理）出口温度が得られる。
【０００９】 改質装置のひな形に基づいて、２００ｋＷ、Ｈ2 １９８ｍ3／ｈｒ（Ｈ2 ７
，０００ｆｔ3／ｈｒ）改質装置の概念設計がなされた。この改質装置は、各構
成要素が、１つの燃焼装置、２つの改質部、１つの復熱部を有する、１０組の構
成要素から構成された。燃焼気体は、改質装置の底部に排出され、処理気体排気
は、左側に、処理気体入口は、右側に、位置した。この種の構成は、マニホール
ドの全てを単純化する。各構成要素の全厚は、約３．８ｃｍ（１．５インチ）で
あった。フィンの軸方向の波形は、構成要素の強度を増加させるとともに、表面
積を増加させ、さらに気体流の乱流を高めることにより熱移動特性を向上させる
。燃焼気体通路の最初の４０％には、熱移動フィンがなく、燃焼気体通路の次の
１０％には、低密度のフィン構造すなわち１インチ当たり約１フィンが設けられ
、燃焼気体通路の残りの５０％には、より高密度のフィン構造すなわち１インチ
当たり約１０フィンが設けられた。
【００１０】 上述したフィン密度配置を用いると、最高燃焼壁温が、約８７１℃（１，６０
０°Ｆ）に維持されながら、約８１６℃（１，５００°Ｆ）の最高改質気体温度
が得られた。これは、従来技術の構造で９２７℃（１，７００°Ｆ）を超える燃
焼気体通路壁温にして得られる同等の燃焼気体温度に匹敵する。
【００１１】 従って、本発明の目的は、燃料電池電力設備に使用される改良された燃料気体
水蒸気改質装置を提供することである。
【００１２】 本発明のさらなる目的は、改質装置の燃焼気体通路壁の温度を制御することに
よって、より長い耐用寿命を有する上述した特徴を備える改質装置を提供するこ
とである。
【００１３】 本発明の別の目的は、改質内で経験される最高壁温が、９２７℃（１，７００
°Ｆ）未満、好ましくは約８７１℃（１，６００°Ｆ）である上述した特徴を備
える改質装置を提供することである。
【００１４】 本発明のさらなる別の目的は、気体通路に曲がりくねった気体流および熱移動
フィンを利用し、このフィンが、装置の異なる領域で数密度が異なる上述した特
徴を備える改質装置を提供することである。
【００１５】 本発明のこれらと他の目的、利点は、添付の図面と併せて、本発明の好ましい
実施態様の以下の詳細な説明から、当業者には、より容易に明らかになるであろ
う。
【００１６】
【発明を実施するための最良の形態】
図面を参照すると、図１には、本発明に従って構成され全体が参照番号２によ
り示された燃料気体・水蒸気改質モジュールの一実施態様が示される。モジュー
ル２は、最も外側の燃焼気体流通路４、内側の中間にある改質気体通路６、最も
内側の燃料気体復熱通路８を含む。燃料・水蒸気気体混合物は、入口マニホール
ド１０を通ってモジュール２に供給され、矢印Ａによって示されるように、改質
気体通路６に流入する。燃焼気体は、矢印Ｄによって示されるように、燃料気体
・水蒸気混合物の流れ方向に対して向流方向に、燃焼気体通路４に供給される。
改質された燃料気体・水蒸気混合物は、改質気体通路６から排出され、次に、矢
印Ｂによって示されるように、流れ方向を反転し、矢印Ｃによって示されるよう
に、装置２の復熱部８へ流入する。改質された燃料気体は、次に、気体通路１２
を介して排出される。改質通路６と復熱通路８は全て、それらの全長に亘って延
びる熱移動フィン１４を含むことが、留意される。また、燃焼通路４の入口端部
は、熱移動フィン１４を備えていないことが、留意される。
【００１７】 先に言及した米国特許第５，７３３，３４７号に記載されている装置では、燃
焼気体通路、改質通路、復熱通路は、全て、それらの全長に亘って熱移動フィン
を備えている。図２は、‘３４７特許に示される構造が、燃料気体流を改質する
のに使用され、燃焼気体流と燃料気体流が互いに逆向きであるときの改質装置に
おけるさまざまな構成要素の温度グラフであり、Ｙ軸は、華氏温度であり、Ｘ軸
は、燃焼気体通路の入口から燃焼気体通路の出口までのセンチメートルでの距離
である。線１は、燃焼気体の温度記録であり、線３は、改質気体の温度記録であ
り、線５は、復熱気体の温度記録であり、線７は、燃焼気体通路の壁温の記録で
ある。この図は、‘３４７号特許の構造が改質装置に使用されたとき生成される
温度を示している。燃焼通路壁温以外の‘３４７号特許の改質装置構造により得
られた温度の全ては、許容できる。このように、改質装置の気体通路の全ての全
体に亘って延びる熱移動フィンを含む改質装置構造によって、燃焼気体通路の壁
温は、９５４℃（１，７５０°Ｆ）を超え、好ましくないほど高くなる。この高
さの燃焼気体通路の壁温は、改質装置の耐用寿命を激減し得るものであり、実際
、長期間の使用中に燃料通路の壁を溶かし得るものである。
【００１８】 図３は、本発明に従って形成された改質モジュールに使用される燃焼気体通路
４の１つの側立面図である。図３において燃焼気体流の方向は、図１におけるよ
うに矢印Ｄによって示される。文字Ｉによって示される燃焼気体流通路４の最初
の領域には、熱移動フィンがない。燃焼気体流通路４の次の中間領域Ｊは、燃焼
気体から燃焼気体流通路壁へ限定された量の熱移動を生じさせることになる限定
されたフィン密度または数密度の熱移動フィン１４を備える。燃焼気体流通路４
の最後の領域Ｋは、燃焼気体から燃焼気体流通路壁へ、より多量の熱移動を生じ
させることになる、より大きなフィン密度または数密度の熱移動フィン１４を備
える。燃焼気体流通路４の最初の領域Ｉには熱移動フィンがないので、最初の領
域Ｉでは、燃焼気体から燃焼気体通路４の壁への熱移動が最小限になる。いくつ
かの領域で段階的な熱移動フィンの数密度を使用することによって、必要な気体
温度が得られ、さらに、燃焼気体通路の壁温が、許容できる限界まで低減される
。
【００１９】 図３に示される１つの具体的な熱移動フィン配置と数密度配置は、以下のよう
になる。図に示される改質装置の気体通路の長さは、１００ｃｍである。燃焼気
体通路の最初の４０ｃｍの領域Ｉには、熱移動フィンがない。燃焼気体通路の次
の１０ｃｍの領域Ｊは、低数密度分布の熱移動フィン１４を有し、本発明の一実
施態様では、約２．５４ｃｍ当たり約１フィンである。燃焼気体通路の最後の５
０ｃｍの領域Ｋは、高数密度分布の熱移動フィン１４を有し、本発明の一実施態
様では、約２．５４ｃｍ当たり約１０フィンである。このように、図３に示され
る具体的な実施態様では、燃焼通路の４０％の入口部分には、熱移動フィンがな
く、燃焼気体通路の次の１０％は、低数密度分布の熱移動フィンを有し、燃焼気
体通路の最後の５０％は、より高数密度分布の熱移動フィンを有する。
【００２０】 図４は、図３に示される構造が、燃料気体流を改質するのに使用され、燃焼気
体流と燃料気体流が互いに逆向きであるときの改質装置におけるさまざまな構成
要素の温度グラフであり、Ｙ軸は、華氏温度であり、Ｘ軸は、燃焼気体通路の入
口から燃焼気体通路の出口までのセンチメートルでの距離である。図２のように
、線１は、燃焼気体の温度記録であり、線３は、改質気体の温度記録であり、線
５は、復熱気体の温度記録であり、線７は、燃焼気体通路の壁温の記録である。
図３に示される改質装置構造により得られた温度の全ては、許容できる。このよ
うに、図３に示される異なる熱移動フィン数密度分布を含む改質装置構造によっ
て、約８７１℃（１，６００°Ｆ）の最大値に到達する許容できる燃焼気体通路
の壁温となる。この高さの燃焼気体通路の壁温は、改質装置の耐用寿命を激減さ
せることにならず、長期間の使用中に燃料通路の壁を溶かすことにもならない。
図３に示されるような異なる熱移動フィンの数分布密度配置が利用されると、燃
焼気体壁の最高温度７は、改質、復熱気体流３、５のそれぞれの最高温度を、実
質的に超えない。長期の作動寿命を得るために、最高の燃焼気体通路の壁温は、
約９２７℃（１，７００°Ｆ）未満に維持される必要がある。最高燃焼壁温と最
高処理気体温度との差は、できる限り小さく維持する必要がある。
【００２１】 改良された熱移動フィンの数密度分布によって、過度に高い燃焼壁温が生じず
に燃焼装置に好ましい燃焼気体−処理気体向流方法が使用可能になることが、容
易に理解されるであろう。さらに、フィン数密度分布によって、最高燃焼壁温と
最高処理気体流温度とを互いに相対的に近づけることで、改質装置の効率を向上
させる。処理気体通路の入口端部における燃焼通路から処理気体通路への熱移動
を増加させることにより、装置は、流入する処理気体流の高い熱吸収能力を利用
する。
【００２２】 本発明の概念から逸脱せずに本発明の開示した実施態様にさまざまな変更、変
形を行うことができるので、特許請求の範囲により請求する以外の発明に限定さ
れるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って構成された改質装置の単一改質装置単位構成要素の概略部分斜
視図。
【図２】 本発明の改良された熱移動フィン構造を備えていない改質装置の気体流および
壁温グラフ。
【図３】 燃焼通路壁温を許容できる最大値に制限しながら適正な改質気体反応温度を与
える熱移動グラフを生成する、１つの具体的に変化する熱移動フィンの数密度配
置を露出するように側壁が取り除かれた燃焼気体通路の１つの側立面図。
【図４】 図２と同様であるが、図３に示される本発明の改良された種類の熱移動フィン
構造を備えた改質装置の温度グラフを示す温度グラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＬ，Ａ Ｍ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ， ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭化水素燃料気体水蒸気改質装置であって、 ａ）入口端部と出口端部を有し、燃料気体・水蒸気混合物の流れを改質装置
    を通過させるように機能する、少なくとも１つの処理気体通路と、 ｂ）前記処理気体通路と熱移動するように配置され、入口端部と出口端部を
    有し、前記燃料気体・水蒸気混合物の流れと逆方向に燃焼気体を改質装置を通過
    させるように機能する、少なくとも１つの燃焼気体通路と、 ｃ）前記燃焼気体通路内に配置され、前記燃焼気体通路の入口から前記燃焼
    気体通路の出口へ数フィン密度勾配が存在する、複数の熱移動フィンと、 を備え、数フィン密度勾配は、前記燃焼気体通路の入口領域における前記燃焼
    気体通路の壁への熱移動を最小限に抑え、前記燃焼気体通路の中間領域における
    前記燃焼気体通路の前記壁への熱移動を増加させ、前記燃焼気体通路の出口領域
    における前記燃焼気体通路の前記壁への熱移動をよりいっそう増加させることを
    特徴とする改質装置。
  2. 【請求項２】 前記熱移動フィンの数フィン密度勾配は、約９２７℃（１，７
    ００°Ｆ）以下となる最高の燃焼気体通路の壁温を維持するように機能すること
    を特徴とする請求項１記載の改質装置。
  3. 【請求項３】 前記熱移動フィンの数フィン密度勾配は、改質装置内の最高の
    処理気体温度より約３８℃（１００°Ｆ）を超えて上まわらない最高の燃焼気体
    通路の壁温を維持するように機能することを特徴とする請求項１記載の改質装置
    。
  4. 【請求項４】 前記燃焼気体通路の前記入口領域には、熱移動フィンがないこ
    とを特徴とする請求項１記載の改質装置。
  5. 【請求項５】 前記燃焼気体通路の前記中間領域は、第１の所定の数の熱移動
    フィンを含むことを特徴とする請求項４記載の改質装置。
  6. 【請求項６】 前記燃焼気体通路の前記出口領域は、前記第１の所定の数より
    大きい第２の所定の数の熱移動フィンを含むことを特徴とする請求項５記載の改
    質装置。
  7. 【請求項７】 前記燃焼気体通路の前記入口領域は、前記燃焼気体通路の全長
    の約４０％であることを特徴とする請求項１記載の改質装置。
  8. 【請求項８】 前記燃焼気体通路の前記中間領域は、前記燃焼気体通路の全長
    の約１０％であることを特徴とする請求項７記載の改質装置。
  9. 【請求項９】 前記燃焼気体通路の前記出口領域は、前記燃焼気体通路の全長
    の約５０％であることを特徴とする請求項８記載の改質装置。
  10. 【請求項１０】 炭化水素燃料気体水蒸気改質装置であって、 ａ）入口端部と出口端部を有し、燃料気体・水蒸気混合物の流れを改質装置
    を通過させるように機能する、少なくとも１つの処理気体通路と、 ｂ）前記処理気体通路と熱移動するように配置され、入口端部と出口端部を
    有し、前記燃料気体・水蒸気混合物の流れと逆方向に燃焼気体を改質装置を通過
    させるように機能する、少なくとも１つの燃焼気体通路と、 ｃ）前記燃焼気体通路内に配置され、前記燃焼気体通路の入口から前記燃焼
    気体通路の出口へ増加するフィン数密度勾配が存在する、複数の熱移動フィンと
    、 を備え、前記フィン数密度勾配は、前記燃焼気体通路の入口領域において燃焼
    気体から前記燃焼気体通路の壁への第１の熱移動能力を与え、前記燃焼気体通路
    の中間領域において前記燃焼気体から前記燃焼気体通路の前記壁への第２の熱移
    動能力を与え、前記燃焼気体通路の出口領域において前記燃焼気体から前記燃焼
    気体通路の前記壁への第３の熱移動能力を与え、前記第３の熱移動能力は、前記
    第２の熱移動能力より大きく、前記第２の熱移動能力は、前記第１の熱移動能力
    より大きいことを特徴とする改質装置。
  11. 【請求項１１】 前記燃焼気体通路の前記入口領域には、熱移動フィンがなく
    、前記燃焼気体通路の前記入口領域は、前記燃焼気体通路の入口と前記燃焼気体
    通路の出口との間の距離の約４０％を構成することを特徴とする請求項１０記載
    の改質装置。
  12. 【請求項１２】 前記燃焼通路の前記中間領域は、低密度の熱移動フィン数を
    有し、前記燃焼気体通路の入口と前記燃焼気体通路の出口との間の距離の約１０
    ％を構成することを特徴とする請求項１１記載の改質装置。
  13. 【請求項１３】 前記燃焼通路の前記出口領域は、高密度の熱移動フィン数を
    有し、前記燃焼気体通路の入口と前記燃焼気体通路の出口との間の距離の約５０
    ％を構成することを特徴とする請求項１２記載の改質装置。
  14. 【請求項１４】 前記燃焼気体通路の前記出口領域内の熱移動フィン数密度は
    、前記燃焼気体通路の前記中間領域内の熱移動フィン数密度の約２倍であること
    を特徴とする請求項１３記載の改質装置。
JP2001506013A 1999-06-30 2000-06-23 燃焼器壁温制御を備えた小型の燃料気体改質装置 Pending JP2003503294A (ja)

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