JP2752242B2 - 燃料改質器 - 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、炭化水素ガスに水蒸気を混合したガス（以
下、原料ガスと称する）を燃焼ガスによって加熱し、触
媒を用いた改質反応により水素を主成分とするガス（以
下、改質ガスと称する）を生成する燃料改質器に係り、
特に、燃料電池発電システムに使用するのに適した燃料
改質器の改質反応管（以下、反応管と称する）の機能の
複合化により、燃料電池発電システムの簡素化をなしう
る燃料改質器に関する。

（従来の技術） 燃料電池発電システムは、一般に燃料電池本体と上記
燃料改質器と電力変換装置、制御装置および多くの熱交
換器類や反応器によって構成されており、非常に複雑な
システムである。

本発明の対象である燃料電池発電システムの燃料改質
器については、一般的に二重管式反応管が採用されてい
る。その一例を、第３図および第４図に示す。以下、本
図を用いて、その構成および機能の概略を説明する。

内面に適当な厚さの断熱材２を施した収納容器１の下
部中央に、バーナ空気入口５およびバーナ燃料入口６を
付属するバーナ４が設けられ、バーナ４の上部にはライ
ザー管７が立設されている。

また、ライザー管７を囲むように複数の反応管３が配
設され、当該反応管３は、外管13と内管14からなる二重
管構造となっており、外管13と内管14の間には粒状の改
質触媒が充填されて改質触媒層15が形成されている。ま
た、内管14の内部にはプラグ管16が設けられ、内管14と
プラグ管16の間には、再生パス17と称するガス通路が形
成されている。

また、収納容器１の下部には、容器壁を貫通して原料
ガス入口８、改質ガス入口11および排ガス出口12が設け
られている。さらに、原料ガス入口８は収納容器１の内
部において原料ガス分配管９に通じ、さらに、分配枝管
18を介して反応管３の下端に連結している。

次に、ガスの流れを順に説明する。バーナ空気入口５
およびバーナ燃料入口６から供給されたバーナ空気およ
びバーナ燃料は、バーナ４で燃焼して1000℃以上の高温
の燃焼ガス19となり、ライザー管７内を上昇する。さら
に、燃焼ガス19は収納容器１の上端部で放射状に反転し
て流れ、複数の反応管３の周囲を長さ方向に沿って下向
きに流動する。

その際、燃焼ガス19は、反応管３の内部を流れる原料
ガス20と熱交換し、徐々に温度が降下する。そして、所
定の温度まで下がった燃焼ガス19は排ガスとなって排ガ
ス出口12から器外に流出する。

一方、炭化水素ガスに水蒸気を混合した原料ガス20
は、図示しない原料ガス予熱器によって所定の温度に予
熱され、原料ガス入口８より収納容器１の下部に流入
し、原料ガス分配管９および分配枝管18を介して反応管
３の下端に流入する。次に、原料ガス20は、反応管３の
下部で上向きに流れを転じ、改質触媒層15内を反応管３
の長さ方向に沿って流動する。

その際、原料ガス20は、反応管３の外部を流れる高温
の燃焼ガス19と外管13を介して熱交換して熱せられ、徐
々に温度が上昇する。そして、触媒作用によって吸熱反
応であるところの水蒸気改質反応が起こり、改質触媒層
15の上端に達するまでに約800℃の水素と一酸化炭素を
主成分と改質ガス21に変化する。さらに、改質ガス21
は、反応管３の上端で反転し、内管14によって形成され
るリターンパス17を下向きに流動する。ここで高温の改
質ガス21は、内管14を介して改質触媒層15内を流動する
原料ガス20に熱を供給する。尚、この作用は再生機能と
呼ばれ、高温の改質ガス21の熱量を有効に利用するもの
である。

そして、約400〜550℃の所定の温度に降下した改質ガ
ス21は、改質ガス集合管10を経て改質ガス出口11より器
外に排出され、一酸化炭素変成器24に導かれる。一酸化
炭素変成器24において改質ガス21は、一酸化炭素濃度を
低減し、図示しない種々の器機を経由して燃料電池本体
に導かれる。

（発明が解決しようとする課題） 以上のような構成および機能を有する従来の燃料改質
器を備えた燃料電池発電システムにおいては、多くの機
器の中で燃料改質器が最も大きな機器であり、したがっ
てシステム全体に占めるスペースやコストの割合も大き
くなっている。

このため、過去においても、構造上の様々な工夫や改
質性能の向上、およびシステムの改良によって少しでも
小型にするような努力が払われてきたが、最近のコンパ
クト化に対する要求は一層強いものがある。

次に、燃料電池発電システムにおけるもう一つの特徴
は、燃料改質器の生成した改質ガス21には約５〜10％も
の大量の一酸化炭素が含まれているために、そのまま燃
料電池に送ることができないということである。一酸化
炭素は燃料電池の電極触媒の触媒毒となって寿命を著し
く低下させるため、一酸化炭素を多く含むガスは電池の
燃料ガスとして不適当である。

したがって、通常の燃料電池発電システムにおいて
は、燃料改質器の後段に別置の一酸化炭素変成器24を設
置して、改質ガス21中の一酸化炭素を燃料電池が許容す
る濃度まで低減させている。この理由により、一酸化炭
素変成器24は燃料電池発電システムでは、燃料改質器に
並ぶ必要不可欠な重要機器のひとつとなっている。

しかしながら、一酸化炭素変成器24のような類の機器
を必要とすることが、燃料電池発電システムの複雑さの
一つの要因であり、システムの簡素化やコンパクト化を
妨げる原因となっていることは否めない。

本発明は、上記の課題を解決するために考案されたも
のであり、その目的とするところは、燃料改質器の構
造、特に反応管の構造の改良によって、燃料改質器の機
能の複合化を図り、もって燃料電池発電システムの簡素
化に寄与する燃料改質器を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明は次の手段を講
じている。すなわち、外管および内管により従来と同様
な二重管式反応管を構成し、内管内の上半部にはプラグ
管を設けて再生パスを形成するとともに、下半部には一
酸化炭素変成触媒を充填して変成触媒層を形成し、その
中心部には調整管を設ける。機能的に、該上半部を再生
セクション、下半部を変成セクションと称す。

（作用） 上記の手段によって下記の作用が得られる。すなわ
ち、再生セクションにおいて、再生パスの作用により、
高温の改質ガスの熱量を内管を介して原料ガスに供給し
て従来と同様の再生機能を保持するとともに、一酸化炭
素変成触媒に供給するのに適した温度まで改質ガスを冷
却する。

一方、変成セクションにおいて、変成触媒層の作用に
より改質ガスの一酸化炭素の濃度を低減するから、後段
の一酸化炭素変成器が不要、もしくは著しく小形化する
ことが可能である。

さらに、一酸化炭素変成反応は発熱反応であるから、
上記の改質ガスの処理過程で発生する熱量が内管を介し
て改質触媒層に伝えられる。したがって、改質反応の熱
源としてのバーナの燃料を節約することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図および第２図を参照し
て説明する。第１図は本発明を適用した燃料改質器の全
体構成を示し、第２図は反応管の詳細を示している。

第１図および第２図において、第３図および第４図と
同一符号で示す部分はその構成が同様であるから説明を
省略する。

外管13および内管14により従来と同様な二重管を構成
し、その間を改質触媒層15となす。内管14の内側の空間
を上半部の再生セクション、下半部の変成セクションに
区分し、再生セクションにはプラグ管16を設けて再生パ
ス17を形成し、変成セクションには一酸化炭素変成触媒
を充填して変成触媒層22を形成している。また、変成触
媒層22の中心部には調整管23が立設されている。

次に、本発明の実施例の作用を説明する。

なお、従来と同様の作用を有する部分はその説明を省
略する。

1000℃以上の高温の燃焼ガス19は、ライザー管７を経
て収容容器１の上部から反応管３の周囲を長さ方向に沿
って下向きに流動する。その際、燃焼ガス19は外管13を
介して反応管３の内部を流れる原料ガス20と熱交換して
徐々に温度が降下する。そして排ガスとなって収納容器
１の下端部の排ガス出口12から流出する。

一方、炭化水素ガスに水蒸気を混合した原料ガス20
は、原料ガス入口８より原料ガス分配管９および分配枝
管18を経由して反応管３の下端に流入し、改質触媒層15
の中を上向きに流動する。この際、原料ガス20は、外管
13を介して外部を流れ燃焼ガス19および内管14を介して
改質ガス21とそれぞれ熱交換して徐々に温度が上昇す
る。そして、触媒の作用により水蒸気改質反応が起こ
り、改質触媒層15の上端に達するまでには約800℃の水
素と一酸化炭素を主成分とする改質ガス21に変化する。

次に、改質ガス21は、反応管３の上端部で反転して内
管14とプラグ管16で構成される環状の再生パス17に流入
し、下方に流れる。再生パス17を通過する間に、高温の
改質ガス21の保有する熱量は、内管14を介して改質触媒
層15を流れる原料ガス20に伝えられ、改質ガス21自身は
所定の温度まで降下する。

このように、本実施例においても、吸熱反応であると
ころの水蒸気改質反応の熱源として、高温の改質ガス21
の保有する熱量の有効利用が図られており、従来の改質
器と同様の再生機能が備えられている。

さらに、所定の温度が下がった上記の改質ガス21は、
内管14の下半部に設けられた変成触媒層22に流入し、下
向きに流動する。その際、変成触媒の作用により、改質
ガス21中に含まれた約10％の一酸化炭素は、水素と二酸
化炭素に変化する。そして、下端に達するまでに一酸化
炭素の含有率は、燃料電池に導入するのに適当な濃度も
しくは著しく低い濃度まで低下する。

なお、調節管23は変成触媒層22に充填する変成触媒の
充填量の調整や流速の調整の役割を持っており、この寸
法や形状を変えることによって、性能を十分に引き出す
最適な設計が可能になる。

このように、本実施例の改質器は、従来の改質器の持
つ改質機能と一酸化炭素変成器24の持つ変成機能を併せ
持っており、二種類の機器の機能を有する複合機器とな
っている。

なお、一酸化炭素の変成反応は、発熱反応であるた
め、上述した変成触媒層22での反応過程で発生した熱量
は、内管14を介して改質触媒層15を流れる原料ガス20に
伝達され、水蒸気改質反応の熱源として有効に利用され
る。したがって、水蒸気改質反応の熱源としてのバーナ
４の燃料を節約することができ、発電プラントの熱効率
の向上に大きく寄与する。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の燃料改質器によれば、
改質ガスに含まれる一酸化炭素の変成機能を備えている
から、一酸化炭素変成器が不要もしくは著しく小形化が
可能になる利点を有するのみならず、反応に伴う発生熱
の有効利用を図っているから、燃料電池発電システムの
簡素化および高効率化が達成されるという優れた効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料改質器の全体構成を示す断面
図、第２図は本発明による反応管の詳細を示す断面図、
第３図は従来の燃料改質器を示す断面図、第４図は従来
の反応管の一例を示す断面図である。 ３……反応管 13……外管 14……内管 15……改質触媒層 16……プラグ管 17……再生パス 22……変成触媒層 23……調整管

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に改質触媒層が設けられた外管と内管
   よりなる二重管式反応管を有する燃料改質器において、
   前記内管の内部を上下に区分し、該上半部をプラグ管を
   設けた再生パスよりなる再生セクション、該下半部を一
   酸化炭素変成触媒を充填した変成触媒層よりなる変成セ
   クションとして構成したことを特徴とする燃料改質器。
2. 【請求項２】前記変成触媒層の中心に調整管を設けたこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料改質器。