JP2005063847A

JP2005063847A - 燃料改質器

Info

Publication number: JP2005063847A
Application number: JP2003293397A
Authority: JP
Inventors: Toru Kiyota; 透清田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-14
Also published as: JP4556393B2

Abstract

【課題】燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に寄与しない水蒸気までもが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避する。
【解決手段】燃料改質器に供給された水蒸気を改質触媒層９とＣＯ変成触媒層１２とに分配するための分配手段（例えば水蒸気出口ノズル７、水蒸気投入穴１７等）を設ける。好ましくは、水蒸気流路６とＣＯ除去触媒層１４との仕切り筒に複数の水蒸気投入穴１８を形成し、それらの水蒸気投入穴１８を燃料改質器の周方向および中心軸線方向にほぼ均等に配列する。更に、水蒸気流路６とＣＯ変成触媒層１２との仕切り筒に複数の水蒸気投入穴１７を形成し、それらの水蒸気投入穴１７を燃料改質器の周方向および中心軸線方向にほぼ均等に配列する。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素系燃料やアルコール類を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器に関し、特には、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に寄与しない水蒸気までもが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる燃料改質器に関する。

従来、固体高分子形燃料電池発電装置用の水蒸気改質方式を用いた燃料改質器として、例えばＷＯ００／６３１１４に記載されたものが知られている。ＷＯ００／６３１１４に記載された多重円筒構造の燃料改質器では、改質触媒層と、ＣＯ変成触媒層とが設けられている。詳細には、燃焼ガス流路（ＷＯ００／６３１１４の図３の筒１４と筒６８との間）の外側に、水蒸気流路（詳細には、水蒸気流路の一部を構成する改質触媒層１３）が配置され、水蒸気流路の外側にＣＯ変成触媒層（１１）が配置されている。

ところが、ＷＯ００／６３１１４に記載された燃料改質器では、炭化水素系燃料等を改質触媒層およびＣＯ変成触媒層で反応させるのに必要な水蒸気が、改質触媒層およびＣＯ変成触媒層の上流で合流せしめられ、まず最初に改質触媒層に供給され、次いで、改質触媒層を通過した水蒸気がＣＯ変成触媒層に供給されている。すなわち、ＷＯ００／６３１１４に記載された燃料改質器では、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に寄与しない余分な水蒸気までもが改質触媒層に供給されてしまっている。そのため、余分な水蒸気が改質触媒層に供給されるのに伴って、燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまう。燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうと、補機動力を増加させなければならなくてなってしまい、また、余分な水蒸気の温度を改質触媒反応温度まで上昇させなければならなくなってしまう。それにより、改質触媒層の熱流束負荷が増加してしまい、伝熱を促進するために改質触媒層の構造が複雑になってしまう。

ＷＯ００／６３１１４

前記問題点に鑑み、本発明は、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に寄与しない水蒸気までもが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる燃料改質器を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、改質触媒層と、ＣＯ変成触媒層とを具備する燃料改質器において、燃料改質器に供給された水蒸気を前記改質触媒層と前記ＣＯ変成触媒層とに分配するための分配手段を具備することを特徴とする燃料改質器が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、前記分配手段によって前記改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記改質触媒層における改質触媒反応に必要とされない水蒸気の少なくとも一部が、前記分配手段によって前記ＣＯ変成触媒層に分配されることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質器が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、ＣＯ除去触媒層を更に具備し、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、前記分配手段によって前記改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記ＣＯ変成触媒層におけるＣＯ変成触媒反応に必要な水蒸気が、前記分配手段によって前記ＣＯ変成触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記ＣＯ除去触媒層におけるＣＯ除去触媒反応に必要な水蒸気が、前記分配手段によって前記ＣＯ除去触媒層に分配されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質器が提供される。

請求項４に記載の発明によれば、燃焼ガス流路の外側に水蒸気流路が配置され、前記水蒸気流路の外側にＣＯ除去触媒層とＣＯ変成触媒層とが配置された多重円筒型の燃料改質器において、前記水蒸気流路と前記ＣＯ除去触媒層との仕切り筒に複数のＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴を形成し、前記複数のＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴を燃料改質器の周方向および中心軸線方向にほぼ均等に配列し、前記水蒸気流路と前記ＣＯ変成触媒層との仕切り筒に複数のＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴を形成し、前記複数のＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴を燃料改質器の周方向および中心軸線方向にほぼ均等に配列したことを特徴とする燃料改質器が提供される。

請求項５に記載の発明によれば、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、前記改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記ＣＯ除去触媒層におけるＣＯ除去触媒反応に必要な水蒸気が、前記ＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴を介して前記ＣＯ除去触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記ＣＯ変成触媒層におけるＣＯ変成触媒反応に必要な水蒸気が、前記ＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴を介して前記ＣＯ変成触媒層に分配されるように、前記複数のＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴の合計面積と、前記複数のＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴の合計面積と、改質触媒層へ通ずる水蒸気流路面積とを設定したことを特徴とする請求項４に記載の燃料改質器が提供される。

請求項１及び２に記載の燃料改質器では、燃料改質器に供給された水蒸気を改質触媒層とＣＯ変成触媒層とに分配するための分配手段が設けられている。詳細には、例えば、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、分配手段によって改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に必要とされない水蒸気の少なくとも一部が、分配手段によってＣＯ変成触媒層に分配される。そのため、燃料改質器に供給された水蒸気の全てが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる。つまり、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に寄与しない水蒸気までもが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる。

請求項３に記載の燃料改質器では、ＣＯ除去触媒層が更に設けられ、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、分配手段によって改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、ＣＯ変成触媒層におけるＣＯ変成触媒反応に必要な水蒸気が、分配手段によってＣＯ変成触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、ＣＯ除去触媒層におけるＣＯ除去触媒反応に必要な水蒸気が、分配手段によってＣＯ除去触媒層に分配される。そのため、燃料改質器に供給された水蒸気の全てが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる。つまり、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に寄与しない水蒸気までもが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる。

請求項４及び５に記載の燃料改質器では、多重円筒構造の一体型燃料改質器として、内側から燃焼ガス流路、水蒸気流路、ＣＯ除去触媒層＋ＣＯ変成触媒層（ＣＯ除去触媒層とＣＯ変成触媒層とは燃料改質器の中心軸線方向に並べて配列され、ＣＯ除去触媒層がＣＯ変成触媒層の上側に配置されるか、あるいは、下側に配置されるかは任意である。）の順にそれらが配列される。燃焼ガスの熱エネルギーが、水蒸気（水蒸気流路の入口部では、水蒸気ではなく、水の状態であってもよい。）に伝えられ、その過熱された水蒸気が原燃料と合流せしめられる。水蒸気流路とＣＯ除去触媒層との仕切り筒に複数のＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴が形成され、その複数のＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴が燃料改質器の周方向および中心軸線方向にほぼ均等に配列されている。また、水蒸気流路とＣＯ変成触媒層との仕切り筒に複数のＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴が形成され、その複数のＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴が燃料改質器の周方向および中心軸線方向にほぼ均等に配列されている。更に、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、ＣＯ除去触媒層におけるＣＯ除去触媒反応に必要な水蒸気が、ＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴を介してＣＯ除去触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、ＣＯ変成触媒層におけるＣＯ変成触媒反応に必要な水蒸気が、ＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴を介してＣＯ変成触媒層に分配されるように、複数のＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴の合計面積と、複数のＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴の合計面積と、改質触媒層へ通ずる水蒸気流路面積とが設定されている。詳細には、改質触媒層へ導入される水蒸気流量は、改質反応に寄与する流量とされ、ＣＯ変成触媒層へ導入される水蒸気流量は、ＣＯ変成反応に寄与する流量とされ、ＣＯ除去触媒層へ導入される水蒸気流量は、改質ガス中の水蒸気分圧を上げることによって、ＣＯ選択酸化反応のＣＯ選択性を向上させ、更に下流側に固体高分子形燃料電池が接続されている場合には、加湿効果をもたせ燃料電池の性能を向上させる流量とされる。

それにより、複雑な制御機器等の追加が不要で簡便な方法にて、改質触媒層で必要な水蒸気流量とＣＯ変成触媒層で必要な水蒸気流量とＣＯ除去触媒層で必要な水蒸気流量とを分配することが可能になる。その結果、燃料改質器全体の圧力損失を低減させ、補機動力の増加を防ぐと共に、改質触媒層の熱流束負荷を減少させ、改質触媒層部の伝熱構造を単純なものとすることができる。

すなわち、請求項４及び５に記載の燃料改質器では、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、ＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴およびＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴のいずれもを介することなく改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、ＣＯ除去触媒層におけるＣＯ除去触媒反応に必要な水蒸気が、ＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴を介してＣＯ除去触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、ＣＯ変成触媒層におけるＣＯ変成触媒反応に必要な水蒸気が、ＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴を介してＣＯ変成触媒層に分配される。そのため、燃料改質器に供給された水蒸気の全てが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる。つまり、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に寄与しない水蒸気までもが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる。

図１は本発明の燃料改質器の一実施形態を模式的に表した概略構成図である。図１に示すように、本実施形態の燃料改質器では、バーナ１で燃焼されたガスは、先ずその熱エネルギーを改質触媒層９に徐々に与えながら、炉２内を下側に流れていく。次いで、燃焼ガスは、炉２の底部で折り返して外側に移動する。次いで、燃焼ガスは、その熱エネルギーを改質触媒層９の外側部分に与えながら、改質触媒層９と断熱材１９との間を上側に流れていく。燃焼ガスが上側の折り返し部に到達した時には、燃焼ガス温度は約３００℃になっている。

その後、燃焼ガスは、燃焼ガス流路３を下側に流れていく間に、水蒸気流路６内の水または水蒸気に熱を与え、排ガスノズル４を介して系外に排出される。燃焼ガスが系外に排出される時の燃焼ガス温度は、燃料改質器に供給される水または水蒸気の温度に応じて異なるが、およそ９０℃〜１３０℃程度になる。

一方、燃料改質器に供給された水または水蒸気は、投入ノズル５を介して水蒸気流路６内に送り込まれ、水蒸気流路６内において、燃焼ガス流路３内の燃焼ガスから熱をもらい、約１２０℃の過熱水蒸気になる。

水蒸気流路６の外側には、燃料改質器の中心軸線方向（図１の上下方向）の下側から順に、ＣＯ変成触媒層１２、アルミナボール層１３、ＣＯ除去触媒層１４が配列されている。ＣＯ除去触媒層１４におけるＣＯ選択酸化反応には、空気投入ノズル１５を介して供給された空気が用いられる。水蒸気流路６とＣＯ変成触媒層１２との仕切り筒には、複数の水蒸気投入穴１７が形成されている。水蒸気投入穴１７は、水蒸気がＣＯ変成触媒層１２に均一に供給されるように、燃料改質器の周方向および中心軸線方向（図１の上下方向）にほぼ均等に配列されている。また、複数の水蒸気投入穴１７の合計面積は、ＣＯ変成触媒層１２に導入される水蒸気流量と他の触媒層（改質触媒層９、ＣＯ除去触媒層１４）に導入される水蒸気流量との分配を考慮した圧力損失となるように設定されている。

水蒸気流路６とＣＯ除去触媒層１４との仕切り筒には、複数の水蒸気投入穴１８が形成されている。水蒸気投入穴１８は、水蒸気がＣＯ除去触媒層１４に均一に供給されるように、燃料改質器の周方向および中心軸線方向（図１の上下方向）にほぼ均等に配列されている。また、複数の水蒸気投入穴１８の合計面積は、ＣＯ除去触媒層１４に導入される水蒸気流量と他の触媒層（改質触媒層９、ＣＯ変成触媒層１２）に導入される水蒸気流量との分配を考慮した圧力損失となるように設定されている。

投入ノズル５を介して燃料改質器に供給された水蒸気のうち、ＣＯ変成触媒層１２およびＣＯ除去触媒層１４に供給されなかった残りの水蒸気が、水蒸気出口ノズル７を介して改質触媒層９に供給される。詳細には、改質触媒層９の改質触媒反応に必要な水蒸気流量が改質触媒層９に供給されるように、水蒸気出口ノズル７の断面積が設定されている。

水蒸気出口ノズル７を通過した水蒸気は、燃料ノズル８を介して供給された燃料と混合せしめられ、改質触媒層９に導入されて水蒸気改質される。改質触媒層９で改質された水素リッチな改質ガスは、改質触媒層改質ガス出口ノズル１０を介して抽出され、次いで、ＣＯ変成触媒層改質ガス入口ノズル１１を介してＣＯ変成触媒層１２に導入される。

ＣＯ変成触媒層改質ガス入口ノズル１１を介してＣＯ変成触媒層１２に導入された改質ガスは、ＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴１７を介して供給された水蒸気と混合せしめられ、ＣＯ変成反応によって水素濃度を増加させる。次いで、アルミナボール層１３に移動した改質ガスは、ＣＯ選択酸化反応用空気ノズル１５を介して供給された空気と混合せしめられ、次いで、ＣＯ除去触媒層１４に移動する。

ＣＯ除去触媒層１４に移動した改質ガスは、ＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴１８を介して供給された水蒸気と混合せしめられ、それにより、ＣＯ選択酸化反応のＣＯ選択性が向上せしめられ、水素消費量と投入空気流量とを減少させることによって燃料改質器の効率を向上させることが可能になる。また、加湿効果によって、燃料改質器の下流側の固体高分子形燃料電池の性能を向上させることが可能になる。

次いで、改質ガスは、ＣＯ除去触媒層改質ガス出口ノズル１６を介して系外に抽出される。

図１に示したように、本実施形態の燃料改質器では、燃料改質器に供給された水蒸気を改質触媒層９とＣＯ変成触媒層１２とに分配するための分配手段として、水蒸気投入穴１７と水蒸気出口ノズル７とが設けられている。詳細には、例えば、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層９における改質触媒反応に必要な水蒸気が、分配手段の一部を構成する水蒸気出口ノズル７によって改質触媒層９に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層９における改質触媒反応に必要とされない水蒸気の少なくとも一部が、分配手段の一部を構成する水蒸気投入穴１７によってＣＯ変成触媒層１２に分配される。そのため、例えばＷＯ００／６３１１４に記載された燃料改質器のように、燃料改質器に供給された水蒸気の全てが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる。つまり、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に寄与しない水蒸気までもが改質触媒層に供給されるのに伴って燃料改質器全体の圧力損失が上昇してしまうのを回避することができる。

更に、本実施形態の燃料改質器では、図１に示したように、ＣＯ除去触媒層１４が更に設けられ、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層９における改質触媒反応に必要な水蒸気が、分配手段の一部を構成する水蒸気出口ノズル７によって改質触媒層９に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、ＣＯ変成触媒層１２におけるＣＯ変成触媒反応に必要な水蒸気が、分配手段の一部を構成する水蒸気投入穴１７によってＣＯ変成触媒層１２に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、ＣＯ除去触媒層１４におけるＣＯ除去触媒反応に必要な水蒸気が、分配手段の一部を構成する水蒸気投入穴１８によってＣＯ除去触媒層１４に分配される。

本発明の燃料改質器の一実施形態を模式的に表した概略構成図である。

符号の説明

１バーナ
２炉
３燃焼ガス流路
４排ガスノズル
５投入ノズル
６水蒸気流路
７水蒸気出口ノズル
８燃料ノズル
９改質触媒層
１０改質触媒層改質ガス出口ノズル
１１ＣＯ変成触媒層改質ガス入口ノズル
１２ＣＯ変成触媒層
１３アルミナボール層
１４ＣＯ除去触媒層
１５空気投入ノズル
１６ＣＯ除去触媒層改質ガス出口ノズル
１７水蒸気投入穴
１８水蒸気投入穴
１９断熱材

Claims

改質触媒層と、ＣＯ変成触媒層とを具備する燃料改質器において、燃料改質器に供給された水蒸気を前記改質触媒層と前記ＣＯ変成触媒層とに分配するための分配手段を具備することを特徴とする燃料改質器。
燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、前記分配手段によって前記改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記改質触媒層における改質触媒反応に必要とされない水蒸気の少なくとも一部が、前記分配手段によって前記ＣＯ変成触媒層に分配されることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質器。
ＣＯ除去触媒層を更に具備し、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、前記分配手段によって前記改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記ＣＯ変成触媒層におけるＣＯ変成触媒反応に必要な水蒸気が、前記分配手段によって前記ＣＯ変成触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記ＣＯ除去触媒層におけるＣＯ除去触媒反応に必要な水蒸気が、前記分配手段によって前記ＣＯ除去触媒層に分配されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質器。
燃焼ガス流路の外側に水蒸気流路が配置され、前記水蒸気流路の外側にＣＯ除去触媒層とＣＯ変成触媒層とが配置された多重円筒型の燃料改質器において、前記水蒸気流路と前記ＣＯ除去触媒層との仕切り筒に複数のＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴を形成し、前記複数のＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴を燃料改質器の周方向および中心軸線方向にほぼ均等に配列し、前記水蒸気流路と前記ＣＯ変成触媒層との仕切り筒に複数のＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴を形成し、前記複数のＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴を燃料改質器の周方向および中心軸線方向にほぼ均等に配列したことを特徴とする燃料改質器。
燃料改質器に供給された水蒸気のうち、改質触媒層における改質触媒反応に必要な水蒸気が、前記改質触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記ＣＯ除去触媒層におけるＣＯ除去触媒反応に必要な水蒸気が、前記ＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴を介して前記ＣＯ除去触媒層に分配され、燃料改質器に供給された水蒸気のうち、前記ＣＯ変成触媒層におけるＣＯ変成触媒反応に必要な水蒸気が、前記ＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴を介して前記ＣＯ変成触媒層に分配されるように、前記複数のＣＯ除去触媒用水蒸気投入穴の合計面積と、前記複数のＣＯ変成触媒用水蒸気投入穴の合計面積と、改質触媒層へ通ずる水蒸気流路面積とを設定したことを特徴とする請求項４に記載の燃料改質器。