JP3458366B2 - 触媒燃焼式熱交換型改質器 - Google Patents

触媒燃焼式熱交換型改質器

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一 斉藤
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電システムに
おいて原料ガスを水素を含むガスに改質し燃料電池に供
給する改質器に係わり、特に低カロリの燃料ガスを使用
できる触媒燃焼式熱交換型改質器に関する。
【0002】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境えの影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力、火力、原子力に続く発電システ
ムとして注目を集めている。図5は溶融炭酸塩型燃料電
池の基本フロー図を示したもので、原料ガスを水素を主
体とする改質ガスに変換する改質器1と、この改質ガス
により発電する燃料電池2よりなり、改質器1は原料ガ
スを改質触媒により改質ガスにする改質室1aと改質室
1aを加熱する燃焼室1bからなり、燃料電池2はアノ
ード2aとカソード2bから構成されている。
【0003】その動作は、先ず原料ガスの都市ガスに水
蒸気が添加され、改質室1aに導入され、改質触媒と加
熱により水素を主体とする改質ガスに変換され、電池の
燃料としてアノード2aに供給される。電池のアノード
側では発電により水素が消費される。一方改質器1の燃
焼室1bではアノード2aで消費されなかった未反応水
素を燃料の主体として燃焼させることでその燃焼熱を改
質反応の熱源として利用する。この燃焼排ガス中の二酸
化炭素は電池のカソード側の二酸化炭素原料としてカソ
ード2bに供給される。このように改質器1の燃料とし
て使用するアノード排ガスは二酸化炭素、水蒸気を主体
とする水素の希薄な低カロリガスである。
【0004】改質器は大別して、円筒型バーナ燃焼式と
プレート型触媒燃焼式が用いられている。図6は円筒型
バーナ燃焼式改質器の代表的な構成を示す。バーナ1で
燃焼した燃焼ガスは1点鎖線の矢印で示す経路を通り、
第2改質室3、第1改質室2を加熱した後排ガスとして
放出される。都市ガス等の原料ガスと水蒸気は矢印Aで
示すように改質触媒が充填された第1改質室2を通り、
さらに第2改質室3を通って水素ガスを主体とする改質
ガスに変換され矢印Bで示すように吐出される。
【0005】図7はプレート型触媒燃焼式改質器の代表
的な構成を示す。改質触媒の充填された改質室4と燃焼
触媒の充填された燃焼室5が伝熱隔壁6によって仕切ら
れ、改質室4には原料ガスと水蒸気が供給され水素ガス
を主体とする改質ガスに改質される。燃焼室5には燃料
ガスと空気が供給され、燃焼して改質室4を加熱した
後、燃焼排ガスとして排出される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】バーナ燃焼式の改質器
に燃料ガスとしてアノード排ガスのような低カロリガス
を使用すると、着火が安定しない。通常運転時でも着火
の安定を保ため、バーナスワラ等に特別の工夫が必要に
なる。また補助燃焼装置も必要になる。プレート型改質
器では、構造上燃料ガスと空気との配流が不均一になり
充分に反応しなかったり、熱応力が高くなり燃焼温度を
限定しなければならないこともあり、計画どおりの改質
率や燃焼効率が得られないことがある。また構造上使用
圧力に限界がある。
【0007】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、触媒燃焼方式を用いて低カロリの燃料ガスで安定
して改質ガスの発生を可能とし、熱応力発生の少ない構
造とし、改質反応を管内で行うことにより改質ガスの圧
力を高く出来るようにした触媒燃焼式熱交換型改質器を
提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、水平に設けられた管板と、該管板と上端で結合し下
端は閉じた円筒状の胴と、該胴内に設けられ上端が管板
下面と固着し、下端が胴下端より所定高さの位置にあり
幅方向で胴と接している仕切板と、前記管板上でかつ下
面の仕切板を挟んで設けられた、原料ガス供給口を有す
る第1管寄せ及び改質ガス吐出口を有する第2管寄せ
と、前記胴内で仕切板下端より低い位置に設けられた第
3管寄せと、前記胴の上部壁でかつ第1管寄せの下部に
設けられた排ガス吐出口と、前記胴上部壁でかつ第2管
寄せの下部に設けられた燃料ガス供給口と、管板を貫通
し第1管寄せと第3管寄せを連通する第1管群と、管板
を貫通し第2管寄せと第3管寄せを連通する第2管群
と、を備え、前記胴内の所定高さまで燃焼触媒を充填
し、前記第1管群と前記第2管群の管内に前記胴内の所
定高さとほぼ同じ高さまで及び前記第3管寄せ内に改質
触媒を充填し、前記原料ガス供給口より原料ガスを供給
して改質触媒により改質ガスを発生し、前記燃料ガス供
給口より燃料ガスを供給し燃焼触媒で燃焼させて前記排
ガス吐出口より排ガスを吐出するようにしたものであ
る。
【0009】また、前記第3管寄せに代えて前記第1管
群と前記第2管群をU字状に結合したものである。
【0010】また、前記仕切板の下端より所定高さの位
置に多孔板を設け、該多孔板より下には燃焼触媒に代え
て燃焼ガスを整流する不燃性の粒子を充填したものであ
る。
【0011】
【作用】燃料ガス供給口より供給された燃料ガスは燃焼
触媒内を通り燃焼して第2管群を加熱し、第3管寄せ、
さらに第1管群を加熱した後排ガス吐出口より排出され
る。一方原料供給口より供給された原料ガスは第1管寄
せより第1管群に入り改質触媒中を加熱され通過してゆ
くにつれ改質反応により改質ガスに変換されてゆく。さ
らに第3管寄せ、第2管群中を通過することにより改質
ガスへの変換が進み、第2管寄せを通り改質ガス吐出口
より改質ガスが燃料電池へ供給される。このように、燃
焼触媒を用いて燃焼をするので、燃料電池のアノード排
ガスのような低カロリの燃料ガスでも安定して燃焼する
ことが出来る。また、改質ガスは第1〜3管寄せおよび
第1、2管群内を通過するが、これらは主として管で構
成されているため耐圧強度を容易に高くすることができ
るので、高い圧力の改質ガスを発生することが可能にな
る。構造的には仕切板および第1、2管群は管板に上端
を固定されただけで自由に熱膨張可能となっているので
熱応力の発生は少ない。
【0012】第3管寄せに代えて第1管群と第2管群を
直接U字状に結合しても改質効率は変わらず、構造的に
は単純になり熱応力の発生も少なくなる。
【0013】胴下部の第3管寄せまたは第1管群と第2
管群とを結ぶU字部の存在するところは燃焼触媒が多く
詰まる割に燃焼効率はあまり良くないので、この部分に
は燃焼触媒に代えて燃焼ガスの整流を良くする不燃性の
粒子を充填することにより、燃焼効率をあまり落とさず
経済性を向上させることができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図1は第1実施例の縦断面図を示し、図
2は図1のX−X矢視図、図3は図1のY−Y矢視図を
示す。11は管板で後述する第1、2管群21、22が
貫通している。12は胴で管板11を頂部とし下部が閉
じた円筒形よりなり、円筒軸の中心を通って上端を管板
11下面に溶接され、幅方向は胴12内壁に接し、下端
27が胴下端28より所定高さの位置にある仕切板13
が設けられている。この所定高さは後述する第3管寄せ
20および燃焼ガスの流路等を考慮して決められる。管
板11上には下面の仕切板13を挟んで第1管寄せ14
と第2管寄せ15が設けられている。第1管寄せ14と
第2管寄せ15は二重のリングで構成され、仕切板13
の位置で盲フランジ18により分離されている。第1管
寄せ14には原料ガス供給口16が設けられ、第2管寄
せには改質ガス吐出口17が設けられており、これらの
開口16、17以外はカバー19で覆われている。
【0015】仕切板下端27と胴下端28の間には第3
管寄せ20が設けられ、第1管群21によって第1管寄
せ14と連通し、第2管群22によって第2管寄せ15
と連通している。第1、2管群21、22は管板11に
溶接され、第3管寄せ20を支持する構成となっている
ので自由に熱膨張でき熱応力の発生を少なくしている。
胴12の上部壁で、第2管群22側には燃料ガス供給口
23が設けられ、第1管群21側には排ガス吐出口24
が設けられている。仕切板下端27より少し上のレベル
に胴12全面に渡り多孔板25が設けられ、第1、2管
群21、22および仕切板13で支持されている。ま
た、胴12内面および管板11下面は耐火材26で覆わ
れている。
【0016】燃料ガス供給口23、排ガス吐出口24よ
り下の所定のレベルから多孔板25までに燃焼触媒30
が充填され、多孔板25と胴下端28の間にはアルミナ
やセラミックス等の不燃性材料で構成された不燃性粒子
31が充填されている。また、この所定のレベルとほぼ
同じレベルより以下の第1、2管群21、22および第
3管寄せ20内には改質触媒32が充填されている。燃
焼触媒30が充填される厚さは第1、2管群21、22
内の改質反応を考慮して決められる。
【0017】次に動作について説明する。燃料ガス供給
口23より燃料電池からのアノード排ガスとカソード排
ガスの予混合ガスが供給される。これらの低カロリガス
は燃焼触媒30によって燃焼し、燃焼ガスは第2管群2
2、第3管寄せ20、第1管群21を加熱して排ガス吐
出口24より排出される。このとき不燃性粒子31は燃
焼ガスの整流をする。一方、原料ガス供給口16からは
原料ガスとして都市ガスが水蒸気とともに供給され、第
1管群21、第3管寄せ20、第2管群22内で加熱さ
れた改質触媒32によって改質反応をして水素を主体と
した改質ガスを発生し、改質ガス吐出口17より吐出さ
れる。
【0018】このように、燃焼触媒30を用いることに
よりアノード排ガスとカソード排ガスのような低カロリ
ガスでも十分に燃焼させ、原料ガスが改質触媒32によ
り改質反応をするのに十分な熱量を供給することができ
る。また、改質ガスは第1、2管寄せ14、15、第3
管寄せ20、第1、2管群21、22ように管を主体と
した構造内を通るので、構造的に圧力を上げることが容
易にできる。また、第1、2管群21、22、仕切板1
3は管板11により1箇所で支持されているので熱膨張
が自由にでき、熱応力の発生が少ない。
【0019】図4は第2実施例を示す。本実施例は、先
に示した第1実施例の第3管寄せ20に代えて、第1、
2管群21、22の下端をU字型に直接接続したもの
で、他は第1実施例と同じである。第1実施例と比べ、
性能的には変わりないが、構造的に簡単になっている。
【0020】上述の第1、2実施例では多孔板25を設
け、この下には不燃性粒子31を充填したが、多孔板2
5を設けず全て燃焼触媒30を充填してもよい。また、
仕切板13は平板としたが、これを波板やダイヤフラム
とすることにより熱応力の発生を少なくすることが出来
る。また、燃料ガスとしてアノード排ガスとカソード排
ガスを用いたが、アノード排ガスだけでもよい。
【0021】
【発明の効果】以上の説明より明らか明らかなように、
本発明は燃焼触媒を用いることによりアノード排ガスの
ような低カロリガスの安定した燃焼を可能にする。また
改質ガスを管を主体とした構造内を通すことによりその
圧力を容易に高くすることができる。さらに熱応力を発
生し易いところは1箇所で支持するようにしたので、熱
応力の発生を少なくすることが出来る。これにより燃料
電池発電システムで電池排ガスの有効利用ができ、シス
テム圧力の高圧化とともにシステム効率が向上する。ま
た熱応力が少ないので構造的に信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図 1】第1実施例の構成を示す縦断面図である。
【図 2】図1のX−X矢視図である。
【図 3】図1のY−Y矢視図である。
【図 4】第2実施例の構成を示す縦断面図である。
【図 5】溶融炭酸塩型燃料電池の基本フロー図であ
る。
【図 6】円筒型バーナ燃焼式改質器の代表的な構成を
示す図である。
【図 7】プレート型触媒燃焼式改質器の代表的な構成
を示す図である。
【符号の説明】
11 管板 12 胴 13 仕切板 14 第1管寄せ 15 第2管寄せ 16 原料ガス供給口 17 改質ガス吐出口 18 盲フランジ 19 カバー 20 第3管寄せ 21 第1管群 22 第2管群 23 燃料ガス供給口 24 排ガス吐出口 25 多孔板 26 耐火材 27 仕切板下端 28 胴下端 30 燃焼触媒 31 不燃性粒子 32 改質触媒

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水平に設けられた管板と、該管板と上端
    で結合し下端は閉じた円筒状の胴と、該胴内に設けられ
    上端が管板下面と固着し、下端が胴下端より所定高さの
    位置にあり幅方向で胴と接している仕切板と、前記管板
    上でかつ下面の仕切板を挟んで設けられた、原料ガス供
    給口を有する第1管寄せ及び改質ガス吐出口を有する第
    2管寄せと、前記胴内で仕切板下端より低い位置に設け
    られた第3管寄せと、前記胴の上部壁でかつ第1管寄せ
    の下部に設けられた排ガス吐出口と、前記胴上部壁でか
    つ第2管寄せの下部に設けられた燃料ガス供給口と、管
    板を貫通し第1管寄せと第3管寄せを連通する第1管群
    と、管板を貫通し第2管寄せと第3管寄せを連通する第
    2管群と、を備え、前記胴内の所定高さまで燃焼触媒を
    充填し、前記第1管群と前記第2管群の管内に前記胴内
    の所定高さとほぼ同じ高さまで及び前記第3管寄せ内に
    改質触媒を充填し、前記原料ガス供給口より原料ガスを
    供給して改質触媒により改質ガスを発生し、前記燃料ガ
    ス供給口より燃料ガスを供給し燃焼触媒で燃焼させて前
    記排ガス吐出口より排ガスを吐出するようにしたことを
    特徴とする触媒燃焼式熱交換型改質器。
  2. 【請求項2】 前記第3管寄せに代えて前記第1管群と
    前記第2管群をU字状に結合したことを特徴とする請求
    項1記載の触媒燃焼式熱交換型改質器。
  3. 【請求項3】 前記仕切板の下端より所定高さの位置に
    多孔板を設け、該多孔板より下には燃焼触媒に代えて燃
    焼ガスを整流する不燃性の粒子を充填したことを特徴と
    する請求項1または2記載の触媒燃焼式熱交換型改質
    器。
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