JP3831688B2

JP3831688B2 - 改質器システム

Info

Publication number: JP3831688B2
Application number: JP2002181916A
Authority: JP
Inventors: 恵一佐藤; 謙治新屋; 崇之後藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: JP2004026526A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分散電源用などのＰＥＦＣ（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）に適用する改質器システムに関し、特に、積層一体型として小型、安価に構成した改質器システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の分散電源用などに用いられる改質器は、図２に示したように、原料の水３０１を蒸発させる水蒸発器３０５、改質触媒３１０とバーナ３０９とを有し、水蒸発器３０５で発生させた水蒸気とメタン（ＣＨ４）などのハイドロカーボンガスを含む都市ガス３０２などの原料ガスとの混合ガスを、バーナ３０９で燃焼させた約９００℃の排ガスで加熱して改質触媒３１０で改質する改質反応装置３０６、この改質反応装置３０６で改質、生成された約６５０℃の水素（Ｈ２）とＣＯガスとを含む改質ガスから水蒸気によって水素とＣＯ２ガスを生成するＣＯガスシフト反応装置３０７、そしてこれらのガスが含む熱をバーナ３０９の燃焼用空気３０３と熱交換する熱回収装置３１１、熱交換されたガス中の残留ＣＯガスを燃焼させるＣＯガス燃焼装置３０８などで構成され、生成された改質ガス３０４が次工程の燃料電池などに送られるようになっていた。
【０００３】
しかしながらこの図２に示した従来の改質システムでは、各装置を個別に製作しなければならずコストが高いということ、また各装置をつなぐ配管ラインなどが必要であり、その配管ラインによる放熱で熱のロスが生じたり、装置全体が大きくなって他の装置への組み込みなどが困難であるという問題があった。
【０００４】
そのため特開２００２−３２０２号公報には、一方の面に燃焼触媒を、他方の面に改質触媒を備えた薄板と、ガス流路を設けたスペーサーとを積層することによって燃焼部と改質部とを形成し、さらに気化部、予熱部を一体に設けてコンパクト化したメタノール改質装置が示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの特開２００２−３２０２号公報に示されたメタノール改質装置は、スペーサで構成する流路が略Ｕ字状の折り返し形状となっており、単位体積あたりの交換熱量は大きくなるが流体の圧力損失が大きくなるため流路を長くすることができず、かつ、構造的に、スペーサで構成した燃焼部、改質部、気化部、予熱部などの流路への流体供給が並列的に行われ、流体流路を通らない流体が生じて熱交換効率が悪い。
【０００６】
そのため本発明においては、流体の圧力損失を増加させることなく熱交換効率を高くでき、配管などを不要としたシンプルでコンパクトな形状で、かつ、他の装置への組み込みや大量生産ができて安価な改質器システムを提供することが課題である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載した発明は、
水蒸発器、改質反応装置、ＣＯガスシフト反応装置、熱回収装置、ＣＯガス燃焼装置とからなり、原料ガスを、燃料ガスにより発生させた熱で水素を含む改質ガスに改質する改質器システムにおいて、
前記水蒸発器、改質反応装置、ＣＯガスシフト反応装置、熱回収装置、ＣＯガス燃焼装置のそれぞれを、複数の流体用流路を貫通孔で形成した流体用流路プレートと、該流体用流路プレートにおける複数の流体用流路の両端部に対応させ、原料ガスの供給又は排出に供するヘッダー用貫通孔をそれぞれ別形状で形成したヘッダープレートと、燃料ガスの供給又は排出に供するヘッダー用貫通孔をそれぞれ別形状で形成したヘッダープレートと、前記流体用流路プレートに流体用流路を形成させる中間プレートとを積層すると共に、前記別形状としたヘッダー用貫通孔に前記原料ガスと燃料ガスを別々に供給又は排出する貫通孔を各プレートに設けて形成し、各装置における原料ガスと燃料ガスの排出用貫通孔を他の装置の供給用貫通孔に接続することで一体化して構成したことを特徴とする。
【０００８】
このように複数の流体用流路を貫通孔で形成した流体用流路プレートと、該流体用流路プレートにおける複数の流体用流路の両端部に対応させ、原料ガスの供給又は排出に供するヘッダー用貫通孔をそれぞれ別形状で形成したヘッダープレートと、燃料ガスの供給又は排出に供するヘッダー用貫通孔をそれぞれ別形状で形成したヘッダープレートと、前記流体用流路プレートに流体用流路を形成させる中間プレートとを積層して構成したために、流体用プレートの流体用流路、及び流体用流路に流体を供給、排出するヘッダー用貫通孔、ヘッダー用貫通孔に前記燃料ガスと原料ガスを供給又は排出する貫通孔をプレス加工による打ち抜きで形成することが可能となり、短時間で大量生産が可能となると共に製造コストが安くできる。また、ヘッダー用貫通孔を燃料ガスと原料ガスの供給又は排出用でそれぞれ別形状とすると共に、これらヘッダー用貫通孔に燃料ガスと原料ガスを供給又は排出する貫通孔も夫々別々とし、かつ、水蒸発器、改質反応装置、ＣＯガスシフト反応装置、熱回収装置、ＣＯガス燃焼装置の各装置における原料ガスと燃料ガスの排出用貫通孔を他の装置の供給用貫通孔に接続したから、原料ガスと燃料ガスはそれぞれの装置を直列的に通過し、高い熱交換効率の改質器システムを提供することができる。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
そして改質反応装置、ＣＯガスシフト反応装置、ＣＯガス燃焼装置の流体流路に、請求項３に記載したように触媒を塗布することにより、燃料ガスは効率的に燃焼でき、従って原料ガスを効率的に改質できる改質器システムを提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１３】
図１は、本発明になる改質器システムの一実施例の形態を示した概略構成図（Ａ）と、その内部における流体の流れを示した図（Ｂ）である。
【００１４】
図中１は水蒸発器、２は改質反応装置、３はＣＯガスシフト反応装置、４は熱回収装置、５はＣＯガス燃焼装置であり、これら各装置は、改質反応装置２に詳細を示したように、１０の低温流体用ヘッダープレート、１１の低温流体用流路プレート、１２の中間プレート、１３の高温流体用流路プレート、１４の高温流体用ヘッダープレート、１５の中間プレートを複数積層して積層流路ユニットを構成し、その積層流路ユニットをさらに積層して構成している。そして、低温流体用ヘッダープレート１０にはヘッダー用貫通孔２０が打ち抜きで形成され、改質触媒２１が低温流体用流路プレート１１に打ち抜きで形成された流路２２に対応した位置に塗布されている。また中間プレート１２には、図上裏面に低温流体用流路プレート１１の流路２２に対応した位置に改質触媒２１が、図上表面の高温流体用流路プレート１３に打ち抜きで形成された流路２４に対応した位置に燃焼触媒２３が塗布されている。そしてヘッダープレート１４にはヘッダー用貫通孔２６が打ち抜きで形成され、図上裏面には、中間プレート１２と同様高温流体用流路プレート１３に形成された流路２４に対応した位置に燃焼触媒２３が塗布されている。そしてこれら低温流体用ヘッダープレート１０、低温流体用流路プレート１１、中間プレート１２、高温流体用流路プレート１３、高温流体用ヘッダープレート１４、中間プレート１５には、例えば高温流体である燃料ガスと低温流体である改質ガスをヘッダー用貫通孔を通して流路に供給、排出するための貫通孔２７、２８、２９、３０が打ち抜きで形成されている。
【００１５】
また水蒸発器１には、水とメタン（ＣＨ４）などのハイドロカーボンガスを含む都市ガスなどの原料ガス３３を供給する供給口３１、燃料ガスの燃焼後の排ガス３４を排出する排出口３２が設けられ、ＣＯガス燃焼装置５には、燃料ガス３７の供給口３５、原料ガス３３が改質された改質ガス３８を排出する排出口３６、ＣＯガスを燃焼させるための空気４０を供給する供給口３９が設けられている。なお、水蒸発器１、ＣＯガスシフト反応装置３、熱回収装置４、ＣＯガス燃焼装置５は、それぞれ改質反応装置２と同様低温流体用ヘッダープレート１０、低温流体用流路プレート１１、中間プレート１２、高温流体用流路プレート１３、高温流体用ヘッダープレート１４、中間プレート１５が積層されて構成されているが、水蒸発器１、熱回収装置４は改質触媒２１と燃焼触媒２３は用いずに燃焼排ガス３４の熱で水の蒸発と燃料ガス３７と燃焼用空気４０の予熱を行い、ＣＯガスシフト反応装置３は改質触媒２１と燃焼触媒２３を用いてＣＯガスと水蒸気から水素（Ｈ２）を得る反応を行い、ＣＯガス燃焼装置５は、燃焼触媒を用いてＣＯガスを燃焼させる。
【００１６】
また、これら水蒸発器１、改質反応装置２、ＣＯガスシフト反応装置３、熱回収装置４、ＣＯガス燃焼装置の原料ガス３３、燃料ガス３７をそれぞれのヘッダー用貫通孔２０、２６から流路２２、２４へ供給するための貫通孔２７、２８、２９、３０は、１つの装置の排出用貫通孔を他の装置の供給用貫通孔に接続するようにしてある。すなわち、この図１（Ｂ）において、矢印はそれぞれの装置の中における流体の流れ方向を示し、貫通孔２７、２８、２９、３０における●は図で上下の装置との間がふさがれていることを、○は同じく図で上下の装置との間が繋がっていることを示す。なお、ヘッダープレート１０、１４、流体用流路プレート１１、１３、中間プレート１２、１５に設けられたヘッダー用貫通孔２０、２６、流体用流路２２、２４、貫通孔２７、２８、２９、３０は、前記したようにプレス加工の打ち抜きで形成すると同形状のプレートが多くて大量生産が簡単であり、製造コストが安くなるというメリットがある。また、流体用流路２２、２４の幅を１００μｍ〜５００μｍ、本数を１００本程度と多くすると、熱交換密度（伝熱面積／熱交体積）が非常に大きくなるため、改質器システム自身を非常にコンパクトに構成できる。
【００１７】
以下、最初にこの図１（Ｂ）を用いて本発明の改質器システムにおける流体の流れについて説明する。なお、以下の説明では、各装置内には前記したように改質反応装置２の内部と同様なヘッダープレート１０、１４、流体用流路プレート１１、１３、中間プレート１２、１５等が設けられているが、説明の簡単化のため、それぞれの装置における説明をこの改質反応装置２におけるプレートと同一番号のものとして説明してゆく。
【００１８】
前記したように、水蒸発器１には水とメタン（ＣＨ４）やエタン（Ｃ２Ｈ８）などのハイドロカーボンガスを含む都市ガスなどの原料ガス３３を供給する供給口３１、燃料ガスの燃焼後の排ガス３４を排出する排出口３２が設けられ、ＣＯガス燃焼装置５には燃料ガス３７の供給口３５、原料ガス３３が改質された改質ガス３８を排出する排出口３６、ＣＯガスを燃焼させるための空気４０を供給する供給口３９が設けられている。そのため、まず燃料ガス３７は、その供給口３５からＣＯガス燃焼装置５の貫通孔２７に供給され、前記したように内部に設けられたヘッダープレート１４のヘッダー用貫通孔２６から流体用流路プレート１３の流路２４に供給されて燃焼触媒２３によって一部燃焼され、ヘッダープレート１４のヘッダー用貫通孔２６から中間プレート１５の貫通孔２９に排出されて次の熱回収装置４に送られる。そして、この熱回収装置４における同様な高温用流体流路で燃料ガス３７と燃焼用空気４０の熱効率を向上させるための予熱をおこない、さらに貫通孔２７からＣＯガスシフト反応装置３に送られて、同様に高温用流体流路で熱を供給して貫通孔２９から改質反応装置２に送られ、改質反応のための熱を供給して貫通孔２７から水蒸発器１に送られて貫通孔２９から排出口３２排ガス３４として排出される。
【００１９】
一方、供給口３１から供給された原料ガス３３は、水蒸発器１内の貫通孔３０から前記したように内部に設けられたヘッダープレート１０のヘッダー用貫通孔２０に供給され、さらに流体用流路プレート１１の流路２２に供給されて、前記流体用流路プレート１３の流路２４に供給されている燃料ガスの燃焼による９００℃程度の熱で蒸発され、ヘッダープレート１０のヘッダー用貫通孔２０から流体用流路プレート１１の貫通孔２８に排出されて次の改質反応装置２に送られる。そして、この改質反応装置２における低温用流体流路で燃料ガスによる熱と改質触媒２１で改質され、さらに貫通孔３０からＣＯガスシフト反応装置３に送られて、ＣＯガスと水蒸気から水素（Ｈ２）を得る反応が行われて貫通孔２８から熱回収装置４に送られる。そして、燃料ガス３７と燃焼用空気４０の熱効率を向上させるための予熱がおこなわれ、貫通孔３０からＣＯガス燃焼装置に送られてＣＯガスが燃焼され、貫通孔２８から改質ガスとして改質ガス排出口３６に排出される。
【００２０】
以上が各ガスの流れであるが、以下、それぞれの装置の働きについて更に詳細に説明する。前記したように供給口３１から供給された水とメタン（ＣＨ４）やエタン（Ｃ２Ｈ８）などのハイドロカーボンガスを含む都市ガスなどの原料ガス３３は、水蒸発器１内に設けられた例えば１５のような中間プレートの貫通孔３０からヘッダープレート１０のヘッダー用貫通孔２０に供給され、さらに流体用流路プレート１１の流路２２に供給されて、前記流体用流路プレート１３の流路２４に供給されている燃料ガスによる熱で過熱水蒸気が生成され、ヘッダープレート１０のヘッダー用貫通孔２０から流体用流路プレート１１の貫通孔２８に排出されて次の改質反応装置２に送られる。なお、水蒸発器１の流体用流路２２、２４には前記したように改質触媒２１や燃焼触媒２３は設けられていない。
【００２１】
そして改質反応装置２に送られた過熱水蒸気を含んだ原料ガスは、貫通孔２８からヘッダープレート１０におけるヘッダー用貫通孔２０を介して流体用流路プレート１１の流路２２に送られる。一方、この改質反応装置２における流体用流路プレート１３の流路２４には前記したように燃料ガス３７が送られており、ヘッダープレート１４、中間プレート１２に塗布された燃焼触媒２３によってこの燃料ガス３７が燃焼して９００℃程度の熱を出し、ヘッダープレート１０、中間プレート１２に塗布されている改質反応を促進する改質触媒２１とこの熱により、メタン（ＣＨ４）やエタン（Ｃ２Ｈ８）などのハイドロカーボンガスからなる原料ガス３３が、下記の反応により水蒸気改質されて水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）が作られる。
メタン改質反応式：ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
そしてこのガスは、ヘッダープレート１０のヘッダー用貫通孔２０から貫通孔３０を介して次のＣＯガスシフト反応装置３に送られる。
【００２２】
ＣＯガスシフト反応装置３では、貫通孔３０から送られてきた水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）ガスがヘッダープレート１０のヘッダー用貫通孔２０から流体用流路プレート１１の流路２２に供給され、前記と同様流体用流路プレート１３の流路２４に流れる燃料ガス３７の燃焼熱とヘッダープレート１０、中間プレート１２に塗布されている改質反応を促進する改質触媒２１によって下記の反応により炭酸ガス（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）が作られる。
ＣＯシフト反応式：ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
そしてこのガスは、ヘッダープレート１０のヘッダー用貫通孔２０から貫通孔２８を介して次の熱回収装置４に送られる。
【００２３】
そして貫通孔２８から熱回収装置４に送られた炭酸ガス（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）の混合ガスは、全く同様にヘッダープレート１０のヘッダー用貫通孔２０から流体用流路プレート１１の流路２２に送られ、燃料ガス３７と燃焼用空気４０の熱効率を向上させるための予熱がおこなわれて貫通孔３０からＣＯガス燃焼装置５に送られる。そしてこのＣＯガス燃焼装置５におけるヘッダープレート１０のヘッダー用貫通孔２０から流体用流路プレート１１の流路２２に送られ、今度はヘッダープレート１０と中間プレート１２に形成された燃焼触媒２３によって次工程である燃料電池などの被毒となるＣＯガスが下記反応で燃焼され、貫通孔２８から改質ガス３８として改質ガス排出口３６に排出される。
ＣＯガス燃焼式：２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２
【００２４】
以上が本発明になる改質システムの詳細であるが、以上の説明では流体用流路プレート１１、１３の流路２２、２４などを打ち抜きで形成し、ヘッダープレート１０、１４と中間プレート１２、１５によって流路２２、２４を構成すると説明したが、この流路２２、２４は打ち抜きだけでなく、前記流体流路については切削加工、加圧成型、エッチングなどで形成したものを用い、これら流路に改質触媒や燃焼触媒を塗布してもよい。
【００２５】
又以上の説明では、図１に示した流体用流路プレート１１、１３における流路２２、２４を３つで示し、一例として１０の低温流体用ヘッダープレート、１１の低温流体用流路プレート、１２の中間プレート、１３の高温流体用流路プレート、１４の高温流体用ヘッダープレート、１５の中間プレートを複数積層して形成した積層流路プレートを１つだけの場合を示したが、流路２２と２４の数、及び積層流路ユニットの数は必要に応じていくつ設けても良い。
【００２６】
又以上の説明では、水蒸発器１、改質反応装置２、ＣＯガスシフト反応装置３、熱回収装置４、ＣＯガス燃焼装置５を、それぞれ積層流路プレートを積層して作成すると説明したが、それぞれの装置をモジュールとして作成できるよう構成し、そのモジュールにそれぞれの装置における触媒を塗布して組み合わせて連結するようにしても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上記載の如く請求項１に記載した本発明によれば、流体用プレートの流体用流路、及び流体用流路に流体を供給、排出するヘッダー用貫通孔、ヘッダー用貫通孔に前記燃料ガスと原料ガスを供給又は排出する貫通孔をプレス加工による打ち抜きで作成することができ、短時間で大量生産が可能となると共に製造コストが安くできる、また、ヘッダー用貫通孔を燃料ガスと原料ガスの供給又は排出用でそれぞれ別形状とすると共にこれらヘッダー用貫通孔に燃料ガスと原料ガスを供給又は排出する貫通孔も夫々別とし、かつ、水蒸発器、改質反応装置、ＣＯガスシフト反応装置、熱回収装置、ＣＯガス燃焼装置の各装置における原料ガスと燃料ガスの排出用貫通孔を他の装置の供給用貫通孔に接続したから、原料ガスと燃料ガスはそれぞれの装置を直列的に通過し、高い熱交換効率の改質器システムを提供することができる。
【００２９】
さらに請求項３に記載した本発明によれば、改質反応装置、ＣＯガスシフト反応装置、ＣＯガス燃焼装置の流体流路に、請求項３に記載したように触媒を塗布することにより、燃料ガスは効率的に燃焼でき、従って原料ガスを効率的に改質できる改質器システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる改質器システムの一実施例の形態を示した概略構成図（Ａ）と、その内部における流体の流れを示した図（Ｂ）である。
【図２】従来の改質器システムを説明するための図である。
【符号の説明】
１水蒸発器
２改質反応装置
３ＣＯガスシフト反応装置
４熱回収装置
５ＣＯガス燃焼装置
１０低温流体用ヘッダープレート
１１低温流体用流路プレート
１２中間プレート
１３高温流体用流路プレート
１４高温流体用ヘッダープレート
１５中間プレート
２０ヘッダー用貫通孔
２１改質触媒
２２流路
２３燃焼触媒
２４流路
２６ヘッダー用貫通孔
２７、２８、２９、３０貫通孔
３１原料ガス供給口
３２排ガス排出口
３３原料ガス
３４排ガス
３５燃料ガス供給口、
３６改質ガス排出口
３７燃料ガス
３８改質ガス
３９空気供給口
４０空気

Claims

水蒸発器、改質反応装置、ＣＯガスシフト反応装置、熱回収装置、ＣＯガス燃焼装置とからなり、原料ガスを、燃料ガスにより発生させた熱で水素を含む改質ガスに改質する改質器システムにおいて、
前記水蒸発器、改質反応装置、ＣＯガスシフト反応装置、熱回収装置、ＣＯガス燃焼装置のそれぞれを、複数の流体用流路を貫通孔で形成した流体用流路プレートと、該流体用流路プレートにおける複数の流体用流路の両端部に対応させ、原料ガスの供給又は排出に供するヘッダー用貫通孔をそれぞれ別形状で形成したヘッダープレートと、燃料ガスの供給又は排出に供するヘッダー用貫通孔をそれぞれ別形状で形成したヘッダープレートと、前記流体用流路プレートに流体用流路を形成させる中間プレートとを積層すると共に、前記別形状としたヘッダー用貫通孔に前記原料ガスと燃料ガスを別々に供給又は排出する貫通孔を各プレートに設けて形成し、各装置における原料ガスと燃料ガスの排出用貫通孔を他の装置の供給用貫通孔に接続することで一体化して構成したことを特徴とする改質器システム。
前記夫々のプレートの貫通孔が打ち抜きで形成されていることを特徴とする請求項１に記載した改質器システム。
前記改質反応装置、ＣＯガスシフト反応装置、ＣＯガス燃焼装置における流体流路に触媒を塗布したことを特徴とする請求項１に記載した改質器システム。