JP2635584B2 - 改質装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は複数本の改質管内を改質ガスが通過し、管の
外側を加熱ガスが通過して同時に加熱する加熱式ガス改
質装置の改良に関するものである。

（従来の技術） 一般に使用されているこの種のガス改質装置の構成に
ついて、第３図に示す断面図を用いて説明する。第３図
において、改質装置１はバーナ２へ燃焼ガスと燃焼空気
とを送り込み、これを燃焼室３において燃焼させ、この
燃焼により得られた加熱流体を加熱流路４を通して排ガ
ス出口５より外部へ排出する。この燃焼加熱流体の熱に
より、改質装置１の内部に設けた断面が環状の複数本の
改質管６を加熱する。改質管６の内部には、上記燃焼加
熱流体の加熱流路４とは完全に隔離して改質ガスの流路
が設けられている。一方、改質ガス入口７より流入した
改質ガスは、改質管６の内壁に設けられ下部目皿により
支えられた改質触媒層８の内部を流れて上昇し、上端部
で逆向きに方向転換して改質触媒層８とセンタープラグ
９との間に形成されたリターンパス10を流れて改質ガス
出口11から流出する。そしてこの間に、改質ガス例えば
メタンと水蒸気とが水素と一酸化炭素ガスに改質される
ことになる。なお、改質管６は改質装置１の内部に１本
のみ設ける場合もあるが、一般には改質装置１の内部に
は第３図に示すように複数本設けられている。

ところで、上述したような改質装置においては、複数
本の改質管６が一つの改質装置１の内部に設けられる場
合に、種々の要因により改質管６の管壁温度が不均一と
なる問題がある。すなわち、一つの改質装置において複
数本の改質管６を設けたものを実際に製作し、その各改
質管６の管壁に温度測定素子を設けて実験を行なった結
果、改質管６毎に管壁温度が不均一となり大きな温度差
が生じることが明らかとなった。そして、この改質管６
の運転温度が改質管６の破損寿命に及ぼす影響は大き
く、運転温度が10℃高いことにより10年間の寿命が役３
年間短縮することになる。従って、改質管６毎に管壁温
度の不均一があると、その不均一な温度のうちの最高温
度のものをみて、その最高温度が制限温度となるような
状態にバーナ２へ供給する燃焼ガス量を調節しながら、
改質装置１の運転を行なわなければならない。しかしこ
の場合、最低温度の改質管６では改質ガスの改質効率が
悪くなってしまう。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したように、従来の改質装置においては次のよう
な問題がある。すなわち、改質管６の管壁温度が不均一
な場合、高温の改質管６は寿命が短くなり、また温度の
低い改質管６は改質ガスの改質効率が悪く、例えばメタ
ンと水蒸気を水素と一酸化炭素ガスに改質する場合に、
メタンの残留量は温度不均一幅が大きければ大きい程多
くなる。換言すれば、複数本の改質管６の平均管壁温度
を制限温度に合わせた状態で運転を行なうと、高温の改
質管６は管の寿命が短かく早く破損することになり、ま
た温度の低い改質管６は改質ガスの改質効率が悪く、低
い温度の改質管６が多い程またそれらの温度が平均温度
に比べて低い程、改質されないメタンの量が多くなり、
改質装置１としての全体の改質効率が低下してしまう。

本発明の目的は、改質管の長寿命化、および改質効率
の向上を図ることができ、さらに改質ガス調節弁の長寿
命化をも図ることが可能な改質装置を提供することにあ
る。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明では、一端部が密
閉されると共に内側管路と外側管路との間に改質触媒層
が設けられた断面環状の複数本の改質管を備え、燃焼ガ
スおよび燃焼空気を燃焼室で燃焼させて得られる加熱流
体を上記改質管の一端部よりその外側を通して他端部よ
り外部へ排出させ、かつ改質ガスを上記改質管の他端部
より改質触媒層を通して流入させさらにその一端部より
上記内側管路を通して流出させ負荷へ供給するように構
成された改質装置において、上記燃焼ガスを供給する燃
焼ガスライン上に設けられた燃焼ガス調節弁と、上記各
改質管内から流出する改質ガスを夫々個々にあるいは複
数本分を一括して流出させる複数の改質ガスライン上に
夫々設けられた熱交換器，およびこの下流側に夫々設け
られた改質ガス調節弁と、上記各改質管の管壁温度を夫
々測定する温度測定素子と、これら各温度測定素子によ
る測定温度の平均温度と予め定められた制限温度とを比
較し，この比較結果に基づいて上記燃焼ガスの供給量を
調整すべく上記燃焼ガス調節弁の開度を制御する第１の
弁制御器，および上記平均温度と上記各温度測定素子に
よる測定温度とを各別に比較し，この比較結果に基づい
て上記改質ガスの流出量を調整すべく対応する上記改質
ガス調節弁の開度を各別に制御する第２の弁制御器より
なる管壁温度制御回路とを備えて成ることを特徴とす
る。

（作用） 上述の改質装置においては、各改質管の管壁温度が夫
々に設けられた温度測定素子により測定される。そして
第２の弁制御器では、これらの各測定温度の平均温度を
求めて、この平均温度と各測定温度とを各別に比較し、
この各測定温度と平均温度との比較結果に基づいて、各
改質ガスライン上に夫々設けられた対応する改質ガス調
節弁の弁開度を各別に制御することにより、改質管から
の改質ガスの流出量が調節されて、各改質管の管壁温度
を平均温度に近い温度とすることができ、改質管の管壁
温度の不均一の幅が小さくなる。また第１の弁制御器で
は、各測定温度の平均温度を求めて、この平均温度を予
め設定された制限温度と比較し、この制限温度と平均温
度との比較結果に基づいて、燃焼ガスライン上に設けら
れた燃焼ガス調節弁の弁開度を制御することにより、改
質管への燃焼ガスの流入量が調節されて、各改質管の管
壁温度が制限温度に保たれるこれにより、各改質管の管
壁温度を均一化して、改質管の長寿命化、改質効率の向
上を図ることができる。

さらに、改質ガス調節弁を複数の改質ガスライン上の
熱交換器の下流側に設けていることにより、ガス温度が
低い部所で弁を使用してその寿命を長くすることができ
る。

これにより、動作条件を緩和して、改質ガス調節弁の
長寿命化も図ることができる。

（実施例） まず本発明は、改質管の管壁温度が不均一になるの
は、燃焼加熱流体が改質管の周囲で不均一になることが
一つの原因として考えられるが、これ以外に改質管内部
を流れる改質ガスが吸熱反応を行なうことによるこのガ
スの流入量の不均一も原因の一つとして考えられ、特に
後者の原因に対処しようとするものである。

以下、上述のような考え方に基づく本発明の一実施例
について図面を参照して説明する。

第１図は、本発明による改質装置の構成例を断面図に
て示すもので、第３図と同一部分には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述
べる。

第１図において、21および22は燃焼ガスおよび燃焼空
気を夫々供給するための燃焼ガスラインおよび燃焼空気
ライン、23および24はこの燃焼ガスライン21および燃焼
空気ライン22上に夫々設けられた燃焼ガス調節弁および
燃焼空気調節弁である。一方、25は改質ガス出口11から
流出する改質ガスを，改質管複数本分を一括して夫々流
出させる複数の改質ガスライン、27および30はこの各改
質ガスライン25上に夫々設けられた熱交換器，およびこ
の下流側に夫々設けられた改質ガス調節弁である。ま
た、28は上記各改質ガスライン25の共通ライン上に設け
られた改質ガス排出量調節弁で、その弁開度は例えば燃
料電池等の負荷の容量に応じて自動的に調節されるよう
になっている。さらに、29は上記各改質管６の外周側に
これと同心的に配設されたスリーブ管、15は上記各改質
管６の上端部管壁に設けられ，その管壁温度を夫々測定
する温度測定素子である。

第２図は、本実施例に適用する管壁温度制御回路の一
例をブロック図にて示すものである。第２図において、
31は上記各温度測定素子15による測定温度の平均温度
と，予め定められた制限温度とを比較し、この比較結果
である偏差に基づいて上記燃焼ガスの供給量を調整すべ
く上記燃焼ガス調節弁23の開度を制御する第１の弁制御
器、32は上記各温度測定素子15による測定温度の平均温
度と，上記各温度測定素子による測定温度とを各別に比
較し、この比較結果である偏差に基づいて上記改質ガス
の流出量を調整すべく対応する上記改質ガス調節弁30の
開度を各別に制御する第２の弁制御器であり、これらに
より管壁温度制御回路33を構成している。

次に、かかる構成の改質装置の作用について説明す
る。

第１図において、燃焼ガスライン21および燃焼空気ラ
イン22を通して燃焼ガスおよび燃焼空気をバーナ２へ送
り込むことにより、前述したように燃焼室３においてこ
れを燃焼させ、この燃焼により得られた加熱流体は加熱
流路４を通して排ガス出口５より外部へ排出される。こ
の燃焼加熱流体の熱により、改質装置１の内部に設けた
断面が環状の複数本の改質管６を加熱する。一方、改質
ガス入口７より流入した改質ガスは、夫々各別に設けら
れた改質管６の下部室26より流入し、改質管６の改質触
媒層８の内部を流れて上昇し、上端部で逆向きに方向転
換して改質触媒層８とセンタープラグ９との間に形成さ
れたリターンパス10を流れて改質ガス出口11から流出
し、これより各改質ガスライン25に導かれる。そしてこ
の間に、改質ガス例えばメタンと水蒸気とが水素と一酸
化炭素ガスに、各改質管６において改質されることにな
る。

一方、上述の改質反応は前述したように吸熱反応であ
ることから、各改質管６では反応により熱が吸収されて
改質管６の管壁温度が降下する。そして、この各改質管
６の管壁温度が夫々に設けられた温度測定素子15により
測定される。第２の弁制御器32では、これらの各測定温
度の平均温度を求めて、この平均温度と各測定温度とを
各別に比較し、各測定温度と平均温度との偏差が零とな
るように、上記各改質ガスライン25上に夫々設けられた
対応する改質ガス調節弁30の弁開度を各別に制御するこ
とにより、改質管６からの改質ガスの流出量が調節され
て、各改質管６の管壁温度を平均温度に近い温度とする
ことができ、改質管６の管壁温度の不均一の幅が小さく
なる。また第１の弁制御器31では、上記各測定温度の平
均温度を求めて、この平均温度を予め設定された制限温
度と比較し、この制限温度と平均温度との偏差が零とな
るように、上記燃焼ガスライン21上に設けられた燃焼ガ
ス調節弁23の弁開度を制御することにより、改質管６へ
の燃焼ガスの流入量が調節されて、各改質管６の管壁温
度が制限温度に保たれることになる。

さて上述において、改質管６への改質ガスおよび燃焼
ガスの流入が一様であれば、前述した改質反応によって
何んら問題なくガス改質が行なわれることになる。しか
しながら、改質反応が進行するに伴って、ある特定の改
質管６の改質触媒層８に入れてある触媒粒子が反応によ
る急激な熱変化によってつぶれたりあるいは割れたりす
ると、その改質管６の改質触媒層８の内部圧力損失が変
化して、改質ガスが管内へ流れにくくなりその流入量が
減少する。これにより、改質管６は内部の改質ガスで冷
却されていることから、この改質ガス量の減少によって
当該改質管６の管壁温度が上昇する。そして、改質装置
１の運転時間の経過と共に、当該改質管６と他の改質管
６との間に管壁温度の差が現われる。この場合、本実施
例の改質装置１では上述のように、各改質管６の管壁温
度の平均温度と自己の管壁温度とを比較し、この偏差に
基づいて改質管６からの改質ガスの流出量を各別に調節
するようにしているので、各改質管６の管壁温度は常に
均一に保たれることになる。

上述したように本実施例では、一端部が密閉されると
共に内側管路と外側管路との間に改質触媒層８が設けら
れた断面環状の複数本の改質管６を備え、燃焼ガスおよ
び燃焼空気を燃焼室３で燃焼させて得られる加熱流体を
上記改質管６の一端部よりその外側を通して他端部より
外部へ排出させ、かつ改質ガスを上記改質管６の他端部
より改質触媒層８を通して流入させさらにその一端部よ
り上記内側管路を通して流出させ、燃料電池等の負荷へ
供給するように構成された改質装置において、上記燃焼
ガスを供給する燃焼ガスライン21上に設けられた燃焼ガ
ス調節弁23と、上記各改質管６内から流出する改質ガス
を複数本分を一括して流出させる複数の改質ガスライン
25上を夫々設けられた熱交換器27,およびこの下流側に
夫々設けられた改質ガス調節弁30と、上記各改質管６の
管壁温度を夫々測定する温度測定素子15と、これら各温
度測定素子15による測定温度の平均温度と予め定められ
た制限温度とを比較し，この比較結果である偏差に基づ
いて上記燃焼ガスの供給量を調整すべく上記燃焼ガス調
節弁23の開度を制御する第１の弁制御器31,および上記
平均温度と上記各温度測定素子15による測定温度とを各
別に比較し，この比較結果である偏差に基づいて上記改
質ガスの流出量を調整すべく対応する上記改質ガス調節
弁30の開度を各別に制御する第２の弁制御器32よりなる
管壁温度制御回路33とを備えて構成したものである。

従って、本実施例構成の改質装置１とすることによ
り、各改質管６の管壁温度を常に均一にしかも制限温度
相当に保つことが可能となることから、従来のような改
質管６の熱による破損を防止しつつ、各改質管６での改
質ガスの改質効率を高めて、装置全体としての改質効率
を向上させることができる。また、改質ガス調節弁30お
よび改質ガス排出量調節弁28は、複数の改質ガスライン
25上の熱交換器27の下流側に夫々設けているので、ガス
温度が低い部所で使用することにより低温で使用可能の
弁を適用することができ、もって改質ガス調節弁30およ
び改質ガス排出量調節弁28の長寿命化を図ってより一層
信頼性を高めることができる。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、次のようにしても実施することができるものであ
る。

上記実施例では、改質ガスラインの構成として、改質
ガス出口11から流出する改質ガスを改質管複数本分を一
括して夫々流出させるようにしたが、これに限らず改質
ガス出口11から流出する改質ガスを改質管個別に夫々流
出させる構成としても、上述と同様の効果が得られるも
のである。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々
に変形して実施することができるものである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、各改質管の管壁
温度を均一化して、改質管の長寿命化、および改質効率
の向上を図ることができ、さらに動作条件を緩和して、
改質ガス調節弁の長寿命化をも図ることが可能な改質装
置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による改質装置の一実施例を示す断面構
成図、第２図は同実施例に適用する管壁温度制御回路の
一例を示すブロック図、第３図は従来の改質装置を示す
断面構成図である。 １……改質装置、２……バーナ、３……燃焼室、４……
加熱流路、５……排ガス出口、６……改質管、７……改
質ガス入口、８……改質触媒層、９……センタープラ
グ、10……リターンパス、11……改質ガス出口、15……
温度測定素子、21……燃焼ガスライン、22……燃焼空気
ライン、23……燃焼ガス調節弁、24……燃焼空気調節
弁、25……改質ガスライン、26……改質管下部室、27…
…熱交換器、28……改質ガス排出量調節弁、29……スリ
ーブ管、30……改質ガス調節弁、31……第１の弁制御
器、32……第２の弁制御器、33……管壁温度制御回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端部が密閉されると共に内側管路と外側
   管路との間に改質触媒層が設けられた断面環状の複数本
   の改質管を備え、燃焼ガスおよび燃焼空気を燃焼室で燃
   焼させて得られる加熱流体を前記改質管の一端部よりそ
   の外側を通して他端部より外部へ排出させ、かつ改質ガ
   スを前記改質管の他端部より改質触媒層を通して流入さ
   せさらにその一端部より前記内側管路を通して流出させ
   負荷へ供給するように構成された改質装置において、前
   記燃焼ガスを供給する燃焼ガスライン上に設けられた燃
   焼ガス調節弁と、前記各改質管内から流出する改質ガス
   を夫々個々にあるいは複数本分を一括して流出させる複
   数の改質ガスライン上に夫々設けられた熱交換器，およ
   びこの下流側に夫々設けられた改質ガス調節弁と、前記
   各改質管の管壁温度を夫々測定する温度測定素子と、こ
   れら各温度測定素子による測定温度の平均温度と予め定
   められた制限温度とを比較し，この比較結果に基づいて
   前記燃焼ガスの供給量を調整すべく前記燃焼ガス調節弁
   の開度を制御する第１の弁制御器，および前記平均温度
   と前記各温度測定素子による測定温度とを各別に比較
   し，この比較結果に基づいて前記改質ガスの流出量を調
   整すべく対応する前記改質ガス調節弁の開度を各別に制
   御する第２の弁制御器よりなる管壁温度制御回路とを備
   えて成ることを特徴とする改質装置。