JP2009062223A - 改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期にわたって安定した改質ガスを生成できる改質装置を提供する。
【解決手段】同心状に径の異なる複数の円筒が配置され、前記各円筒によって環状空間が形成されている多重円筒管と、前記多重円筒の内面及び／又は外面に配置された加熱器１４と、前記環状空間の一部に改質触媒を充填してなる改質反応部２８と、前記環状空間の改質反応部２８の上流側に、改質反応部２８に供給する改質原料を気化するための原料蒸発部２７とを備え、原料蒸発部２７は、前記環状空間の円周に沿って、螺旋状に伸びる流路５１を有し、原料蒸発部２７の流路５１の出口と、改質反応部２８との間に、原料蒸発部２７で気化された改質原料を改質反応部２８の円周に沿って分配供給する改質原料ガス分配機構５３を設けた改質装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、天然ガス等の炭化水素類を改質して水素を製造する改質装置に関する。

水素はクリーンエネルギーとして期待されており、工業上様々な分野で利用が検討されている。例えば、燃料電池は、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化ガスを供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る発電システムであって、高いエネルギー効率が実現可能であり、また、窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の大気汚染物質の排出量が少ないことから、クリーンエネルギーの供給法としてその利用が期待されている。

通常これらの燃料電池では、天然ガス等の炭化水素類の原燃料を水蒸気改質して得られる水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。そのため、燃料電池発電装置には、改質装置が設けられており、天然ガス等の炭化水素類を水蒸気改質して、水素を主成分とした改質ガスを得ている。

以下の（１）式は、原燃料がメタンである場合の水蒸気改質反応である。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ΔＨ＝＋２０６．１４ＫＪ／ｍｏｌ・・・（１）

式（１）に示されるように、水蒸気改質反応は吸熱反応である。このため、改質装置には、改質器を加熱するバーナ等の燃焼装置が設置されている。

ところで、燃料電池は、使用する電解質の種類により固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等に分類される。このうち、動作温度が低い固体高分子形燃料電池等は、その発熱量で改質反応用の水蒸気を発生させることができないので、改質装置の中で改質反応用の水蒸気を発生させる必要がある。

そこで、固体高分子形燃料電池等のような動作温度の低い燃料電池を備える燃料電池発電装置では、水を、バーナ等の燃焼装置から排出される燃焼オフガス等と熱交換して、改質反応用の水蒸気を発生させる方法が行われている。

このような形態の改質装置としては、例えば、同心状に径の異なる複数の円筒が配置された多重円筒管からなり、この各円筒によって形成される環状空間の少なくとも一部に改質触媒を充填してなる改質反応部を設け、かつ、この改質反応部の上流側の環状空間に、改質反応部に供給する改質原料を、燃焼装置から排出される燃焼オフガス等と熱交換して気化して改質原料ガスとする原料蒸発部を設けた改質装置等が知られている。
そして、燃焼オフガス等との熱交換効率を向上させるため、原料蒸発部における改質原料の流路を螺旋状にして、改質原料を円筒の周囲に沿って流下させて、改質反応部に導入することが一般的に行われている。

例えば、下記特許文献１には、同心状に配置した複数の直立した円形筒体と、該円形筒体の内部にこれと中心軸を同軸にして配置された輻射筒と、該輻射筒の中心部分上部に配置されたバーナとを備え、前記円形筒体によって区画された間隙で、下方に向けて流路が形成された間隙に改質触媒を充填した単管円筒式改質器において、前記改質触媒を充填した改質触媒層の外周に、該改質触媒層と下端で接続し、上方に向けて流路が形成された通路を設け、該通路の出口を前記予熱層の入口付近の外周に配置し、かつ該通路の空間に羽根を螺旋状に設け、原料ガスが該通路を螺旋状に流通するように構成された改質装置が開示されている。

また、下記特許文献２には、液体原料を気化して別途供給される気体原料と共に混合原料ガスとして改質反応部に供給する原料蒸発導入部と、改質触媒によって供給された混合原料ガスを改質する改質反応部と、改質反応部に反応熱を供給する加熱部とを備え、前記原料蒸発導入部が、加熱部の余剰熱の流路を軸として螺旋状に形成され、螺旋の内側側面又は外側側面或いは内外両側面側から加熱されるように配置されてなる蒸発管路を有する改質装置が開示されている。
特開２００２−１８７７０５号公報 特開２００３−１１９００１号公報

ところで、改質反応部では、改質原料ガスの供給流量に偏りが生じると、改質原料ガスの流量が多い部分と、少ない部分における改質原料ガスの単位量あたりの加熱熱量に差に起因して改質触媒層に温度分布が発生して改質効率が低下したり、局部的に改質触媒が劣化して改質触媒寿命が低下するおそれがある。そこで、改質反応部には、改質原料ガスを改質反応部の周方向に沿って、ほぼ均一な流量で供給することが好ましい。

しかしながら、原料蒸発部における改質原料の流路を螺旋状にした場合、改質原料の加熱効率は向上するものの、この螺旋構造に起因して、改質反応部の周方向に沿って改質原料ガスを均一な流量で供給し難くなり、改質触媒が局部的に昇温して劣化したり、改質効率が低下したりすることがあった。

したがって、本発明の目的は、長期にわたって安定した改質ガスを発生することが出来る改質装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の改質装置は、同心状に径の異なる複数の円筒が配置され、前記各円筒によって環状空間が形成されている多重円筒管と、前記多重円筒の内面及び／又は外面に配置された加熱器と、前記環状空間の一部に改質触媒を充填してなる改質反応部と、前記環状空間の前記改質反応部の上流側に、前記改質反応部に供給する改質原料を気化するための原料蒸発部とを備える改質装置であって、前記原料蒸発部は、前記環状空間の円周に沿って、螺旋状に伸びる流路を有し、前記原料蒸発部の前記流路の出口と、前記改質反応部との間に、前記原料蒸発部で気化された改質原料を、前記改質反応部の円周に沿って分配供給する改質原料ガス分配機構を設けたことを特徴とする。

本発明の改質装置によれば、改質原料を、加熱器と熱交換させつつ環状空間の円周に沿って螺旋状に流下させるので、改質原料を原料蒸発部にて、効率よく気化することができる。そして、気化された改質原料ガスは、原料蒸発部から、改質反応部の円周に沿って分配供給するので、改質反応部には改質原料ガスが均一な流量で供給される。その結果、改質触媒の部分的な劣化等を防止でき、改質原料を長期にわたって効率よく改質できる。

本発明の改質装置の前記改質原料ガス分配機構は、前記原料蒸発部の螺旋状をなす流路の出口を、螺旋軸方向に分割して、前記流路の螺旋方向に伸びる分配板であることが好ましい。この態様によれば、簡単な装置構成で、かつ、改質原料ガスの圧力損失を増加させることなく、改質反応部に対して円周方向に沿ってほぼ均一な流量で改質原料ガスを供給できる。

本発明の改質装置において、前記分配板の水平面に対する傾斜角度は、前記原料蒸発部における前記螺旋状の流路の水平面に対する傾斜角度よりも小さいことが好ましい。

また、本発明の改質装置において、前記分配板は、前記分配板によって分割された前記原料蒸発部の流路の出口の断面積が、前記分配板の螺旋軸の進行方向側の断面積の方が小さくなるように配置されていることが好ましい。

また、本発明の改質装置において、前記分配板の終端は、前記原料蒸発部の出口から半周以上進んだ位置に形成されていることが好ましい。

また、本発明の改質装置において、前記分配板は、前記原料蒸発部の流路の出口を螺旋軸方向に複数に分割する複数枚のものからなり、前記分配板の流路長さが、該複数枚の分配板の螺旋軸の進行方向側の方が短くなるように配置されていることが好ましい。

上記各態様によれば、改質原料ガスを、改質反応部の円周方向に沿ってほぼ均一な流量で供給し易くなる。

また、本発明の改質装置の前記改質原料ガス分配機構は、前記原料蒸発部の流路の出口から１周以内の部分の流路の底部に設けられた孔及び／又は溝であることが好ましい。この態様によれば、簡単な装置構成で、かつ、改質原料ガスの圧力損失を増加させることなく、改質反応部に対して円周方向に沿ってほぼ均一な流量で改質原料ガスを供給できる。

本発明によれば、改質触媒の劣化を防止して、改質原料を長期にわたって効率よく改質できる。

本発明の改質装置の第１の実施形態に関して、図１〜３に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る改質装置の第１の実施形態の概略構成図であり、図２，３は、同改質装置の要部拡大図である。

図１に示すように、この改質装置１０の中心軸上には、一体に形成された燃焼空気筒１１と燃焼筒１２とから成り、内部に下向きに火炎を形成するバーナ１４を備える燃焼器１３が配置されている。

燃焼器１３の燃焼空気筒１１と、その内側の燃焼空気筒内筒１５との間の環状空間は、燃焼空気供給路１６を形成しており、燃焼空気供給路１６の下流側は、バーナカップ１７に形成された孔に連通している。また、燃焼空気筒内筒１５の内部は、バーナ１４へ燃焼用燃料を供給するバーナ燃料供給路１８が貫通しており、バーナ燃料供給路１８の上端はバーナ燃料供給口１９を有している。

上記の構成を備えた燃焼器１３の外側には、燃焼器１３よりも径が大きく底面を有する内筒２０が配置され、燃焼器１３と内筒２０との間の間隙により、燃焼排ガス流路２１が形成されている。内筒２０の底板と燃焼筒１２の下端との間には、燃焼排ガス中の水分が凝縮して底部に溜まっても、燃焼排ガスが燃焼筒１２の先端で折り返して燃焼排ガス流路２１に流入する際に、この凝縮水を巻き込んで流路が閉塞しない適度の距離が設けられている。底部に溜まった凝縮水は、燃焼器１３が十分加熱されると、気化して燃焼排ガスとともに外部に排出される。

燃焼空気筒内筒１５、燃焼空気筒１１及び内筒２０は、各々の上端付近に形成されたフランジ部２２にガスケットを挟んで重ねたのちボルトで固定されている。

内筒２０のさらに外側には、底面を有する外筒２３が、内筒２０との間に間隙を設けて配置されている。そして、内筒２０と外筒２３との間には隔壁２４が設けられ、内筒２０と外筒２３との間を同心円状の２つの環状空間に区分されていると共に、両環状空間は外筒２３の底面と隔壁２４下端との間に設けられた間隙を介して連通している。なお、隔壁２４は、燃焼空気筒１１の外周部分に位置する径の小さい上部仕切筒２４ａと、これよりも径が大きく燃焼筒１２の外周部分に位置する下部仕切筒２４ｂと、上部仕切筒２４ａ下端と下部仕切筒２４ｂ上端との間に径の差によって生じる隙間を塞ぐ環状の水平板２４ｃとにより構成されている。

内筒２０と上部仕切筒２４ａとの間の環状空間には、上部仕切筒２４ａに相対する内筒２０の外壁に、弾性を有する吸水性部材５０が螺旋状に溶接されている。そして、螺旋状の吸水性部材５０の間隔部分には、螺旋状のガス通路５１が形成されている。原料蒸発部２７は、吸水性部材５０及びガス通路５１によって構成されている。

図２，３を併せて参照すると、ガス通路５１の出口５１ａには、ガス通路５１の出口５１ａからの改質原料ガスの流路を、螺旋軸方向に分割する分配板５３が、内筒２０の外壁に溶接されて配置されている。

ガス通路５１の出口５１ａの断面積は、分配板５３によって、分配板５３の螺旋軸の進行方向側の断面積の方が小さくなっている。すなわち、この実施形態では、分配板５３によって、下方側５１ｂの断面積の方が、上方側５１ｃの断面積よりも小さくなるように分割されている。

また、分配板５３の終端位置５３ａは、ガス通路５１の出口から半周〜３／４周進んだ位置に形成されている。

また、分配板５３は、分配板５３の水平面に対する傾斜角度θ１が、ガス通路５１の水平面に対する傾斜角度θ２よりも小さくなるように傾斜している。

内筒２０と下部仕切筒２４ｂとの間の環状空間は、下端に触媒が落ちないように触媒直径よりも小さく、かつガスが通過する際に過度の圧損とならない程度の径の孔が形成された板底を有しており、その上に改質触媒が充填されて改質反応部２８が形成されている。改質触媒としては、ルテニウム系やニッケル系の水蒸気改質触媒が用いられる。

改質反応部２８の上部には、アルミナボールを充填したアルミナボール層２９が形成されている。アルミナボール層２９を通過する改質原料ガスは、その内側を通流する燃焼排ガスと、外側を通流する改質ガスからの熱を回収して昇温される。一方、改質ガスは、改質原料ガスとの熱交換により降温される。なお、万が一、原料蒸発部２７から未気化の改質水が流れ込んできた場合には、アルミナボール層２９での熱交換によって蒸発するので、水のまま改質反応部２８に流入することを防止できる。

下部仕切筒２４ｂと外筒２３との間の環状空間は、改質ガス流路３１を構成している。上部仕切筒２４ａと外筒２３との間の環状空間には、その上端部近傍に一酸化炭素除去触媒が充填された一酸化炭素除去部３２が、その下方に一酸化炭素変成触媒を充填した一酸化炭素変成部３４が形成されている。一酸化炭素変成部入口マニホールド３３と一酸化炭素変成部３４との間には、アルミナボールを充填したアルミナボール層２９を設けられており、改質原料と改質ガスとの熱交換により一酸化炭素変成部３４の入口温度が一酸化炭素変成反応に適した３００〜３５０℃になるようにしている。一酸化炭素除去触媒としては貴金属系触媒が、一酸化炭素変成触媒としては、貴金属系触媒または銅−亜鉛触媒等が用いられる。

一酸化炭素除去部３２と一酸化炭素変成部３４との間は、環状の水平板で仕切られており、一酸化炭素変成部出口マニホールド３５に接続された一酸化炭素変成ガス排出口３６から導出した一酸化炭素変成後の改質ガスに、狭い配管内で選択酸化用空気を混合した後、選択酸化空気混合ガス入口３７を介して選択酸化空気混合後マニホールド３８に戻すことによって、改質ガスに対し均一に空気を混合するよう構成されている。

一酸化炭素除去部３２の上部の一酸化炭素除去部出口マニホールド３９には、一酸化炭素除去後の改質ガスを改質装置１０の外に取り出すための改質ガス排出口４０が接続している。

改質装置１０の周囲は、改質装置１０からの放熱を防ぐために図示しない断熱材で覆われている。

次に、この改質装置を作動した場合の各流体の流れについて、燃料電池と組み合わせて運転する場合を例に説明する。なお、図１中の矢印は、各流体の通流方向を示す。

燃焼器１３には、燃料電池での反応に利用されずに排出された電池オフガスが、バーナ燃料としてバーナ燃料供給口１９からバーナ燃料供給路１８に供給され、また、バーナ燃焼用の空気が、燃焼空気供給路１６に供給される。そして、各々鉛直方向下向きに流れて、バーナ１４で燃焼されて、燃焼器１３から排出される燃焼排ガスが、燃焼排ガス流路２１を通って燃焼排ガス排出口４１から系外に排出される。

原料蒸発部２７には、改質原料供給口２５から改質原料（原燃料ガス及び改質水）が導入されて、改質原料が、原料蒸発部２７の上方から下方へと向かって流れる。そして、改質水は、螺旋状の吸水性部材５０の上流側から順に滲み込み、内筒２０の内壁面に沿って流れる燃焼排ガスと、上部仕切筒２４ａの外壁面に沿って流れる改質ガスとの熱交換によって加熱されて蒸発する。

そして、ガス通路５１の出口５１ａから出た改質原料ガスは、図２，３に示すように、分配板５３によって、上下２方向に分割される。

ガス通路５１の出口５１から分配板５３の下部に流入した改質原料ガスＡ１は、ガス通路５１の出口近傍から改質反応部２８に流入し、分配板５３の上部に流入した改質原料ガスＡ２は、分配板５３の終端近傍から改質反応部２８に流入する。このため、改質反応部２８には、改質原料ガスが周方向にほぼ均一な流量で供給される。

このとき、分配板５３によって、下方側５１ｂの断面積の方を、上方側５１ｃの断面積よりも小さくすることで、改質原料ガスを改質反応部２８の周方向に沿ってより均一な流速で供給し易くなり、改質反応部２８における円周方向の温度差をより小さくできる。

また、分配板５３の水平面に対する傾斜角度θ１は、ガス通路５１の水平面に対する傾斜角度θ２よりも小さくすることで、分配板５３の下部に流れ込んだ改質原料ガスが、円周方向に流れが広がりながら改質反応部２８に流入するため、改質原料ガスが円周方向により均一に分配できる。

また、分配板５３の終端位置５３ａを、ガス通路５１の出口から半周以上進んだ位置に形成することで、改質原料ガスを、周方向にほぼ均一な流速で供給できる。

改質反応部２８では、内側を流れる燃焼排ガスにより４００℃〜６５０℃程度に加熱されて、改質原料ガスが水蒸気改質される。そして、改質反応部２８にて生成される改質ガスは、下部仕切筒２４ｂの下端で折り返して流れの方向を変え、改質ガス流路３１を上昇しながら内側に隣接する改質部２８に熱を与え、３００℃〜３５０℃程度となって一酸化炭素変成部３４へ導入される。

一酸化炭素変成部３４での反応は発熱反応であり、この反応熱が内側の原料蒸発部２７を通流する改質用水または水蒸気と原燃料ガスに与えられ、改質ガスは２００℃程度となって一酸化炭素変成部３４を出る。選択酸化用空気が混合された改質ガスは、１５０℃〜１００℃程度となって一酸化炭素除去部３２に導入されるが、ここでも改質ガスの熱は原料蒸発部２７へ伝えられ、一酸化炭素除去部３２を出る改質ガスの温度は１００℃程度まで低下する。

本発明の改質装置の第２の実施形態を、図４を用いて説明する。図４は、同改質装置の要部拡大図である。

基本的な構成は、上記第１の実施形態の改質装置と同一である。上記第１の実施形態の改質装置との相違点は、ガス通路５１の出口５１ａには、複数枚（図中では２枚）の分配板５４が鉛直方向に配置されて、ガス通路５１の出口５１ａが、螺旋軸方向に複数（図中では３つ）に分割されている。そして、上部側の分配板５４ａの終端位置は、ガス通路５１の出口５１ａから約３／４周進んだ位置に形成されており、下部側の分配板５４ｂは、ガス通路５１ａの出口から約半周進んだ位置に形成されている。

この第２の実施形態の改質装置によれば、ガス通路５１の出口５１ａから流出する改質原料ガスの流路を、分配板５４によって複数（図中では３つ）の流路に分割する。そして、ガス通路５１の出口５１から分配板５４ｂの下部に流入した改質原料ガスＢ１は、ガス通路５１の出口近傍から改質反応部２８に流入し、分配板５４ａと分配板５４ｂとの間の流路から流入した改質原料ガスＢ２は、分配板５４ｂの終端５５ｂ近傍から改質反応部２８に流入し、分配板５４ａの上部の流路から流入した改質原料ガスＢ３は、分配板５４ａの終端５５ａ近傍から改質反応部２８に流入するので、改質反応部２８へ、改質原料ガスを円周方向により均一に分配することができる。

本発明の改質装置の第３の実施形態を、図５を用いて説明する。図５は、同改質装置の要部拡大図である。

基本的な構成は、上記第１の実施形態の改質装置と同一である。上記第１の実施形態の改質装置との相違点は、ガス通路５１の出口５１ａには分配板が配置されておらず、ガス通路５１の出口５１ａから１周以内の部分の吸水性部材５０に、下部の環状空間に連通する孔５６が、所定間隔を開けて設けられている。

この第３の実施形態の改質装置によれば、吸水性部材５０に設けられた孔５６から、改質原料ガスが改質反応部２８に供給されるので、改質反応部２８へ、改質原料ガスを円周方向に均一に分配することができる。

本発明の改質装置の第１の実施形態の概略構成図である。 同改質装置の要部の拡大図である。 図２におけるＸ部分の拡大図である。 本発明の改質装置の第２の実施形態の要部の拡大図である。 本発明の改質装置の第３の実施形態の要部の拡大図である。

符号の説明

１０：改質装置
１１：燃焼空気筒
１２：燃焼筒
１３：燃焼器
１４：バーナ
１５：燃焼空気筒内筒
１６：燃焼空気供給路
１７：バーナカップ
１８：バーナ燃料供給路
１９：バーナ燃料供給口
２０：内筒
２１：燃焼排ガス流路
２２：フランジ部
２３：外筒
２４：隔壁
２４ａ：上部仕切筒
２４ｂ：下部仕切筒
２４ｃ：水平板
２５：改質原料供給口
２７：原料蒸発部
２８：改質反応部
２９；アルミナボール層
３１：改質ガス流路
３２：一酸化炭素除去部
３３：一酸化炭素変成部入口マニホールド
３４：一酸化炭素変成部
３５：一酸化炭素変成部出口マニホールド
３６：一酸化炭素変成ガス排出口
３７：選択酸化空気混合ガス入口
３８：選択酸化空気混合後マニホールド
３９：一酸化炭素除去部出口マニホールド
４０：改質ガス排出口
４１：燃焼排ガス排出口
５０：吸水性部材
５１：ガス通路
５３，５４：分配板

Claims (7)

1. 同心状に径の異なる複数の円筒が配置され、前記各円筒によって環状空間が形成されている多重円筒管と、前記多重円筒の内面及び／又は外面に配置された加熱器と、前記環状空間の一部に改質触媒を充填してなる改質反応部と、前記環状空間の前記改質反応部の上流側に、前記改質反応部に供給する改質原料を気化するための原料蒸発部とを備える改質装置であって、
   前記原料蒸発部は、前記環状空間の円周に沿って、螺旋状に伸びる流路を有し、
   前記原料蒸発部の前記流路の出口と、前記改質反応部との間に、前記原料蒸発部で気化された改質原料を、前記改質反応部の円周に沿って分配供給する改質原料ガス分配機構を設けたことを特徴とする改質装置。
2. 前記改質原料ガス分配機構は、前記原料蒸発部の螺旋状をなす流路の出口を、螺旋軸方向に分割して、前記流路の螺旋方向に伸びる分配板である、請求項１に記載の改質装置。
3. 前記分配板の水平面に対する傾斜角度は、前記原料蒸発部における前記螺旋状の流路の水平面に対する傾斜角度よりも小さい、請求項２に記載の改質装置。
4. 前記分配板は、前記分配板によって分割された前記原料蒸発部の流路の出口の断面積が、前記分配板の螺旋軸の進行方向側の断面積の方が小さくなるように配置されている、請求項２又は３に記載の改質装置。
5. 前記分配板の終端は、前記原料蒸発部の出口から半周以上進んだ位置に形成されている、請求項２〜４のいずれか一つに記載の改質装置。
6. 前記分配板は、前記原料蒸発部の流路の出口を螺旋軸方向に複数に分割する複数枚のものからなり、前記分配板の流路長さが螺旋軸の進行方向側の方が短くなるように配置されている、請求項２〜５のいずれか一つに記載の改質装置。
7. 前記改質原料ガス分配機構は、前記原料蒸発部の流路の出口から１周以内の部分の流路の底部に設けられた孔及び／又は溝である、請求項１に記載の改質装置。