JP4189732B2 - 内熱式水蒸気改質装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料ガスを水蒸気と酸素の存在下に自己酸化および改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する内熱式水蒸気改質装置に関し、特に生成した改質ガスと自己酸化用の酸素含有ガスを改質手段内部で熱交換するように構成した内熱式水蒸気改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、天然ガスや都市ガス等の原料ガスと水蒸気の混合物（以下、原料−水蒸気混合物という）を水蒸気改質触媒の存在下に水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する装置が知られている。ここで原料ガスとしてメタンを使用した場合の反応式は、CH4 ＋ 2H2 O → CO2 ＋4H2 で示すことができ、水蒸気改質反応に必要な温度は７００〜７５０℃の範囲とされる。
【０００３】
水蒸気改質装置の主要な構成要素である改質手段としては、水蒸気改質反応に必要な熱量を外部から供給する外熱式と、内部で発生した熱を利用して水蒸気改質反応に必要な熱量を得る内熱式がある。
前者の外熱式は、バーナー等で発生した燃焼ガスで改質手段の壁面を外部から加熱し、その壁を通して内部の反応室に改質反応に必要な熱を供給するものである。
【０００４】
後者の内熱式は、改質手段における原料−水蒸気混合物の供給側（上流側）に部分酸化反応層を装備し、該部分酸化反応層で発生した熱を用いて下流側に配備した水蒸気改質反応層を水蒸気改質反応温度まで加熱し、該加熱された水蒸気改質触媒層で水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成するように構成している。ここで原料ガスとしてメタンを使用したときの部分酸化反応は、CH4 ＋ 1/2 ・O 2 → CO ＋ 2H2 で示すことができ、部分酸化反応に必要な温度は２５０℃以上の範囲とされる。
【０００５】
内熱式の改質手段は放熱によるエネルギー損失が少なく、装置の小型化が容易なので有望な技術としてその発展が期待されている。この内熱式を改良した技術が次の特許文献１に記載されている。
従来から、酸素存在下では水蒸気改質触媒の機能が阻害されるとされていたが、特許文献１に提案された技術では酸化触媒を共存させてその問題を解決し、酸素の存在下でも水蒸気改質触媒の本来の機能を有効に維持させることを可能としている。
【０００６】
図３は特許文献１に提案された水蒸気改質装置における改質手段の模式的な断面図である。改質手段１は外筒２と内筒３を有し、外筒２と内筒３に第１反応室４を設け、内筒３の内側に第２反応室５を設ける。内筒３は伝熱性を有する隔壁３ａとして機能し、後述するように第２反応室５から第１反応室４への熱伝達を容易にしている。
【０００７】
第１反応室４の下部に原料供給部６を設け、上部に排出部７を設ける。また第２反応室５の上部に前記排出部７に連通する供給部８を設け、下部に排出部９を設ける。第１反応室４と第２反応室５の下部に気体流通性を有する多孔性の仕切板１１を配置し、さらに第２の反応室５の中間部に同様な仕切板１２、１３を配置する。
【０００８】
第１反応室４では、仕切板１１の上に水蒸気触媒層１４を充填し、第２反応室５では、仕切板１１と１２の間に低温シフト触媒層１５を充填し、仕切板１２と１３の間に高温シフト触媒層１６を充填し、仕切板１３の上に水蒸気触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層１７を充填する。
【０００９】
第１反応室４の原料供給部６は原料−水蒸気混合物を供給する配管２１に連通し、第２反応室５の供給部８に酸素含有ガス（通常は空気）を噴出する酸素含有ガス噴出部２２を配置し、排出部９に改質ガスを排出する配管２３を連通する。配管２３は熱交換器２４を経て図示しない負荷設備に接続され、空気圧縮機等の酸素含有ガス供給源に接続した配管２５が熱交換器２４を経て前記酸素含有ガス噴出部２２に連通する。
【００１０】
図３の改質手段１の作用を説明すると、配管２１から第１反応室４の原料供給部６に供給した原料−水蒸気混合物は、伝熱性の隔壁３ａを介して第２反応室５からの伝熱により昇温した水蒸気改質触媒層１４を通過する間に、含まれる原料ガスの一部が水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する。水蒸気改質触媒層１４から排出部７に流出した改質ガスおよび未反応の原料−水蒸気混合物は、第２反応室５の供給部８を経て混合触媒層１７に流入する。その際、熱交換器２４で加熱された酸素含有ガスが配管２５を経て酸素含有ガス噴出部２２から噴出し、原料ガスの一部がその酸素により酸化反応する。酸化反応は発熱反応であり、その熱エネルギーにより混合触媒層１７部分が加熱されて水蒸気改質反応に必要な温度（７００℃程度）まで昇温する。
【００１１】
原料−水蒸気混合物に含まれる原料ガスが混合触媒層１７で水蒸気改質して生成した水素リッチな改質ガスは、下流側の高温シフト触媒層１６および低温シフト触媒層１５に順に通過し、そこで僅かに残留する一酸化炭素が水と反応して水素に転換する。低温シフト触媒層１５の改質ガスは次いで配管２３に流出し、前記のように熱交換器２４で酸素含有ガスと熱交換して冷却され、図示しない負荷設備に供給される。
【００１２】
図３の改質手段１では、酸素含有ガス噴出部２２に供給する酸素含有ガスを外部に設けた熱交換器２４で加熱している。しかしこの方法では改質手段１と別体の熱交換器２４を設ける必要があるので、システムが複雑化し、重量および占有容積またはスペースが大きくなる。しかし水蒸気改質装置が車両搭載型の燃料電池への水素供給用とされる場合は、そのような重量や占有容積の増大はできるだけ避ける必要がある（例えば、特許文献１参照。）。
【００１３】
一方、酸素含有ガスの熱交換を改質手段の内部で行う方法が特許文献２で提案されている。
図４は特許文献２で提案された熱交換方法を説明する模式的なプロセスフロー図である。改質手段１は水蒸気改質触媒と酸化触媒の機能を有する触媒層３０と、触媒層３１と、それらの中間に設けたマニホールド部３２と、マニホールド部３２に配置した第１加熱部３３および第２加熱部３４を有する。
なお、改質手段１は酸素があると酸化触媒として働き、酸素不在では改質触媒として作用し、また低温ではシフト触媒としても作用する。
【００１４】
第１加熱部３３には配管３５から供給される酸素含有ガスが通過し、そこで加熱された酸素含有ガスは配管３７から流出する。第２加熱部３４には配管３６から供給される原料−水蒸気混合物が通過し、そこで加熱された原料−水蒸気混合物は配管３７ａから流出する。配管ａ３７に前記配管３７が合流し、加熱された原料−水蒸気混合物と加熱された酸素含有ガスとが触媒層３０に流入し、そこで原料ガスの一部が酸素と反応して酸化熱を発生する。
【００１５】
上記酸化熱により前部触媒層３０は水蒸気改質反応に必要な温度に昇温し、残りの原料ガスに酸素がなくなるとそこで水蒸気改質反応が遮断する。高温の改質ガスは次にマニホールド部３３を通過して低温となっている触媒層３１に流入する。そこで僅かに残留する一酸化炭素が水と反応し水素に変換し、配管３８に流出して負荷設備に供給される。
即ち、高温の改質ガスはマニホールド部３３を通過する際に、第１加熱部３３で酸素含有ガスと熱交換して冷却し、第２加熱部３４で原料−水蒸気混合物と熱交換して冷却する。
【００１６】
このように構成すると、改質ガスと酸素含有ガスの熱交換が改質手段１の内部で行われるので、装置が小型化するとともに熱損失が小さくなる。しかもマニホールド部３２から触媒層３１に流入する改質ガスは前記熱交換により温度低下するので、触媒層３１の温度上昇を防止でき、ＣＯ変成反応の効率を高めることができる（例えば、特許文献２参照。）。
【００１７】
【特許文献１】
特開２００１−１９２２０１号公報
【特許文献２】
特開２００１−８０９０４号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように改質手段１の中間部をマニホールド部とし、そこに酸素含有ガスと熱交換する熱交換部を配置する方法では、伝熱効率がそれ程高くならないので、短い時間で改質ガスが熱交換を完了させるには熱交換部の容量をかなり大きくする必要がある。また改質手段１の周囲に複数の配管が配置されるという問題もある。
【００１９】
そのため改質手段の寸法および重量もそれに応じて大きくなるので、特に車両搭載用の改質手段では改善の必要性がある。また特許文献２のような集中的な熱交換方式ではその熱効率向上に限界がある。
そこで本発明は、改質手段の内部で酸素含有ガスと改質ガスの熱交換を行う際の問題を解決することを課題とし、そのための新しい内熱式水蒸気改質装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、原料ガスを酸素の存在下に自己酸化し水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する内熱式水蒸気改質装置であり、原料ガスと水蒸気の混合物を酸素含有ガスで酸化し、その酸化熱で原料ガスの水蒸気改質反応を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質手段を備えている。
【００２１】
前記改質手段は、外筒と内筒を有し、その外筒と内筒の間に第１反応室を形成し、内筒の内側に第２反応室を形成し、前記第１反応室と第２反応室を仕切る内筒部分は伝熱性隔壁を形成し、前記第１反応室には、その一方の端部に原料−水蒸気混合物を供給する原料供給部、他方の端部に排出部をそれぞれ設けると共に、その内部に水蒸気改質触媒層を充填し、第２反応室には、その一方の端部に第１反応室の排出部に連通する供給部および酸素含有ガス噴出部、他方の端部に排出部をそれぞれ設けると共に、その内部の供給部側に水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層、排出部側にシフト触媒層を充填する。さらに第２反応室には、前記酸素含有ガス噴出部２２に連通する伝熱性で直管状の酸素含有ガス供給管４０を、その排出部９側からシフト触媒層１６，１５および混合触媒層１７を貫通するように、内筒３の中心部に沿って配置したことを特徴とする（請求項１）。
【００２２】
上記のような酸素含有ガス供給管は、占有容積が比較的小さく、大きい伝熱面積を得ることができ、さらに向流式で熱交換するので高い熱効率の熱交換部を形成でき、結果として寸法が小さく軽量な水蒸気改質装置を提供することができる。
【００２３】
上記内熱式水蒸気改質装置において、前記第２反応室のシフト触媒層と伝熱性の隔壁を隔てた第１反応室部分に伝熱部を配置し、前記第２反応室に充填した混合触媒層とシフト触媒層の間に伝熱部を配置することができる（請求項２）。
【００２４】
上記いずれかの水蒸気改質装置において、
前記混合触媒層１７内で、前記酸素含有ガス供給管４０の軸線方向に互いに離間して、複数個の酸素含有ガス噴出部２２をそのガス供給管４０に形成することができる（請求項３）。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は本発明に係る水蒸気改質装置の主要部である改質手段を模式的に示す断面図である。
改質手段１は両端が閉鎖された金属製の外筒２と内筒３を有し、外筒２と内筒３に第１反応室４を設け、内筒３の内側に第２反応室５を設ける。内筒３は伝熱性を有する隔壁３ａとして機能する。そして外筒３の外側は図示しない耐熱性の断熱層で被覆される。
【００２６】
第１反応室４の下部に原料供給部６を設け、上部に排出部７を設ける。また第２反応室５の上部に前記排出部７に連通する供給部８を設け、下部に排出部９を設ける。第１反応室４と第２反応室５の下部に気体流通性を有する多孔性の仕切板１１を配置し、さらに第２反応室５の中間部に同様な仕切板１２、１３、１３ａを配置する。
【００２７】
第１反応室４では、仕切板１１と１３の間に伝熱粒子層からなる伝熱部１４ａを配置し、仕切板１３の上に水蒸気触媒層１４を充填する。第２反応室５では、仕切板１１と１２の間に低温シフト触媒層１５を充填し、仕切板１２と１３の間に高温シフト触媒層１６を充填し、仕切板１３と１３ａの間に伝熱粒子層からなる伝熱部１７ａを配置し、仕切板１３ａの上に水蒸気触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層１７を充填する。なお、第１反応室４の伝熱部１４ａと水蒸気触媒層１４の境界の位置、第２反応室５の伝熱部１７ａと高温シフト触媒層１６の境界の位置は、必要とする条件に合わせて任意に設定されている。
【００２８】
第１反応室４の原料供給部６は原料−水蒸気混合物を供給する配管２１に連通する。また第２反応室５の供給部８に酸素含有ガス（通常は空気）を噴出する酸素含有ガス噴出部２２を配置し、排出部９に改質ガスを排出する排出管２３に連通し、その排出管２３は図示しない負荷設備に接続する。
【００２９】
第１反応室４に充填する水蒸気改質触媒層１４は原料ガスを水蒸気改質する触媒層であり、特開２００１−１９２２０１号公報に開示されている改質反応触媒と同様なものを使用できるが、その中でもＮｉＳ−ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 などのＮｉ系改質反応触媒が望ましい。またＷＳ2 −ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 やＮｉＳ−ＷＳ2 ・ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 などの触媒も使用できる。
【００３０】
第２反応室５に充填する混合触媒層１７を構成する水蒸気改質触媒は、前記第１反応室４に充填する水蒸気改質触媒層１４と同様な触媒を使用できる。この水蒸気改質触媒の使用量は、原料−水蒸気混合物が混合触媒層１７を通過する間に水蒸気改質反応が完了するに十分な値とされるが、その値は使用する原料ガスの種類により変化するので、最適な範囲を実験等により決定する。
【００３１】
混合触媒層１７に均一に分散される酸化触媒は、原料ー水蒸気混合物中の原料ガスを酸化して、その酸化熱により水蒸気改質反応に必要な温度を得るものであり、例えば白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）を使用することができる。水蒸気改質触媒に対する酸化触媒の混合割合は、水蒸気改質すべき原料ガスの種類に応じて１〜１５％程度の範囲で選択する。例えば原料ガスとしてメタンを使用する場合は５％±５％程度、メタノールの場合は２％±１％程度の混合割合とすることが望ましい。なお前記各触媒はペレットタイプまたはモノリスタイプのいずれであってもよい。
【００３２】
低温シフト触媒層１５と高温シフト触媒層１６は、従来から使用されているＣｕＯ−ＺｎＯ2 、Ｆｅ2 Ｏ3 、Ｆｅ3 Ｏ4 または酸化銅の混合物等のシフト触媒を使用できる。
【００３３】
第２反応室５、すなわち内筒３の軸中心に沿って直管状の酸素含有ガス供給管４０が配置される。酸素含有ガス供給管４０の先端は前記酸素含有ガス噴出部２２に連通し、後端は第２反応室５における排出部９の近傍で外部の配管４１に連通する。この酸素含有ガス供給管４０はステンレスやアルミニウム合金などの伝熱性および耐熱性に優れた金属材料で作られる。
【００３４】
酸素含有ガス供給管４０は、図示のような１本の矩形直管に限らず、例えば複数本の比較的小口径の直管を互いに接触もしくは適当な間隔を開けて平行に配置して構成することもでき、螺旋管により構成することもできる。これら複数の直管の組み合わせや螺旋管により酸素含有ガス供給間４０を構成すると、第２反応室５の軸方向長さが比較的短い場合でも、必要な伝熱面積を容易に確保できる利点がある。さらに上記いずれの酸素含有ガス供給管４０もその外周面又は及び内部に螺旋状または多段のフィンを設けて熱伝達性をより向上させることもできる。
【００３５】
次に図１に示す改質手段１の作用について説明する。配管２１から第１反応室４の原料供給部６に供給した原料−水蒸気混合物は、伝熱部１４ａを通過する際に昇温し、水蒸気改質触媒層１４で原料ガスの一部が水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する。
【００３６】
一方、第２反応室５に配置した伝熱部１７ａの熱が伝熱性の隔壁３ａを介して第１反応室４に充填した水蒸気触媒層１４に伝熱してその温度を上昇させ、第２反応室５における高温シフト触媒層１６の熱と低温シフト触媒層１５の熱が伝熱性の隔壁３ａを介して第１反応室４に配置した伝熱部１４ａに伝熱してその温度を上昇させる。このような形態で各伝熱部１４ａ、１７ａ等を配置することにより、第２反応室５から第１反応室４への総合的な熱伝達率を図３に示す例より向上させることができる。
【００３７】
水蒸気改質触媒層１４から排出部７に流出した改質ガスおよび未反応の原料−水蒸気混合物は、第２反応室５の供給部８から混合触媒層１７に流入する。それとともに配管４１から流入する空気等の酸素含有ガスが、酸素含有ガス供給管４０を経て酸素含有ガス噴出部２２から供給部８もしくは混合触媒層１７の上流領域に噴出する。
【００３８】
酸素含有ガス供給管４０の内部の酸素含有ガスは、図１の下側から上側に、すなわち第２反応室５の排出部９側から酸素含有ガス噴出部２２側に向かう方向に流れる。一方、酸素含有ガス供給管４０の外側の改質ガス等は、図１の上側から下側に、すなわち混合触媒層１７側から低温シフト触媒層１５側に向かう方向へ流れる。このように酸素含有ガスとそれを加熱する改質ガス等は酸素含有ガス供給管４０を介して互いに対向流となるので、改質ガス等から酸素含有ガスへの伝熱効率が高くなる。
【００３９】
酸素含有ガス供給管４０を流れる酸素含有ガスは、低温シフト触媒層１５、高温シフト触媒層１６、伝熱部１７ａおよび混合触媒層１７により周囲から順次加熱されて昇温し、最終的には目的とする所定温度、例えば６００〜７００℃程度に達する。その際、最後の混合触媒層１７に流入する際の酸素含有ガスの温度を所定温度に近い値まで上昇させることは可能なので、混合触媒層１７の温度が必要以上に低下することは容易に回避できる。
【００４０】
原料−水蒸気混合物における原料ガスの一部は酸素含有ガス噴出部２２から噴出する温度の高い酸素含有ガスの酸素により効率よく酸化反応する。そして酸素含有ガスを連続的に噴出することにより酸化反応が持続し、その酸化熱で混合触媒層１７部分は水蒸気改質反応に必要な温度（７００℃程度）に維持される。
【００４１】
混合触媒層１７で生成する改質ガスはその下流側の伝熱部１７ａに流出し、そこでの熱交換により温度低下する。次いで改質ガスは高温シフト触媒層１６と低温シフト触媒層１５を順次通過する間に僅かに残留する一酸化炭素が水と反応して水素に変換する。低温シフト触媒層１５から流出する改質ガスは次いで配管２３を経て図示しない負荷設備に供給される。
【００４２】
次に、図２は本発明の他の実施の形態を示し、この例は混合触媒層１７内で、前記酸素含有ガス供給管４０に、その軸線方向に互いに離間して、複数個の酸素含有ガス噴出部２２が開口されたものである。
このように、改質ガスの流れ方向に離間して酸化用空気の噴き出し口を複数段に開口することにより、酸化発熱反応と改質吸熱反応とのバランスをとり、局部的に触媒温度が高温になり過ぎるのを防止できる。そして、比較的広い範囲で均一な改質温度を保ち、改質効率を向上することができる。逆に、一箇所の位置から全酸素を放出すると、局部的に酸化が起こり、その部分が高温になり過ぎ、触媒を劣化させる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る水蒸気改質装置における改質手段は、外筒と内筒を有し、その外筒と内筒の間に第１反応室を形成し、内筒の内側に第２反応室を形成し、前記第１反応室と第２反応室を仕切る内筒部分は伝熱性隔壁を形成し、前記第１反応室には、その一方の端部に原料−水蒸気混合物を供給する原料供給部、他方の端部に排出部をそれぞれ設けると共に、その内部に水蒸気改質触媒層を充填し、第２反応室には、その一方の端部に第１反応室の排出部に連通する供給部および酸素含有ガス噴出部、他方の端部に排出部をそれぞれ設けると共に、その内部の供給部側に水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層、排出部側にシフト触媒層を充填し、さらに第２反応室５には、前記酸素含有ガス噴出部２２に連通する伝熱性で直管状の酸素含有ガス供給管４０を、その排出部９側からシフト触媒層１６、１５および混合触媒層１７を貫通するように、内筒３の中心部に沿って配置したことを特徴とする。
このように配置した酸素含有ガス供給管は占有容積が比較的小さく、大きい伝熱面積を得ることができる。さらに向流式で熱交換するので高い熱効率の熱交換部を形成でき、結果として寸法が小さく軽量な水蒸気改質装置を構成することができる。
【００４４】
上記内熱式水蒸気改質装置において、第２反応室のシフト触媒層と伝熱性の隔壁を隔てた第１反応室部分に伝熱部を配置し、第２反応室に充填した混合触媒層とシフト触媒層の間に伝熱部を配置することができる。このように伝熱部を配置することにより、第２反応室から第１反応室への伝熱効率をさらに向上させることができる。
【００４６】
上記いずれかの水蒸気改質装置において、
前記混合触媒層１７内で、前記酸素含有ガス供給管４０の軸線方向に互いに離間して、複数個の酸素含有ガス噴出部２２をそのガス供給管４０に形成することができる。
このように、ガス供給管の軸線方向即ち、改質ガスの流れ方向に離間して酸化用空気の噴き出し口を複数段に開口することにより、酸化発熱反応と改質吸熱反応とのバランスをとり、局部的に触媒温度が高温になり過ぎるのを防止できる。そして、比較的広い範囲で均一な改質温度を保ち、改質効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水蒸気改質装置の主要部である改質手段を模式的に示す断面図。
【図２】本発明に係る他の水蒸気改質装置の主要部である改質手段を模式的に示す断面図。
【図３】従来の水蒸気改質装置における改質手段の模式的な断面図。
【図４】従来の熱交換方法を説明する模式的なフプロセスロー図。
【符号の説明】
１ 改質手段
２ 外筒
３ 内筒
３ａ 隔壁
４ 第１反応室
５ 第２反応室
６ 原料供給部
７ 排出部
８ 供給部
９ 排出部
１１〜１３，１３ａ 仕切板
１４ 水蒸気触媒層
１４ａ 伝熱部
１５ 低温シフト触媒層
１６ 高温シフト触媒層
１７ 混合触媒層
１７ａ 伝熱部
２１ 配管
２２ 酸素含有ガス噴出部
２３ 配管
２４ 熱交換器
２５ 配管
３０ 触媒層
３１ 触媒層
３２ マニホールド部
３３ 第１加熱部
３４ 第２加熱部
３５〜３８ 配管
４０ 酸素含有ガス供給管
４１ 外部配管
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料ガスを水蒸気と酸素の存在下に自己酸化および改質を行って水素リッチな改質ガスを生成する内熱式水蒸気改質装置に関し、特に生成した改質ガスと自己酸化用の酸素含有ガスを改質手段内部で熱交換するように構成した内熱式水蒸気改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、天然ガスや都市ガス等の原料ガスと水蒸気の混合物（以下、原料−水蒸気混合物という）を水蒸気改質触媒の存在下に水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する装置が知られている。ここで原料ガスとしてメタンを使用した場合の反応式は、CH4 ＋ 2H2 O → CO2 ＋4H2 で示すことができ、水蒸気改質反応に必要な温度は７００〜７５０℃の範囲とされる。
【０００３】
水蒸気改質装置の主要な構成要素である改質手段としては、水蒸気改質反応に必要な熱量を外部から供給する外熱式と、内部で発生した熱を利用して水蒸気改質反応に必要な熱量を得る内熱式がある。
前者の外熱式は、バーナー等で発生した燃焼ガスで改質手段の壁面を外部から加熱し、その壁を通して内部の反応室に改質反応に必要な熱を供給するものである。
【０００４】
後者の内熱式は、改質手段における原料−水蒸気混合物の供給側（上流側）に部分酸化反応層を装備し、該部分酸化反応層で発生した熱を用いて下流側に配備した水蒸気改質反応層を水蒸気改質反応温度まで加熱し、該加熱された水蒸気改質触媒層で水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成するように構成している。ここで原料ガスとしてメタンを使用したときの部分酸化反応は、CH4 ＋ 1/2 ・O 2 → CO ＋ 2H2 で示すことができ、部分酸化反応に必要な温度は２５０℃以上の範囲とされる。
【０００５】
内熱式の改質手段は放熱によるエネルギー損失が少なく、装置の小型化が容易なので有望な技術としてその発展が期待されている。この内熱式を改良した技術が次の特許文献１に記載されている。
従来から、酸素存在下では水蒸気改質触媒の機能が阻害されるとされていたが、特許文献１に提案された技術では酸化触媒を共存させてその問題を解決し、酸素の存在下でも水蒸気改質触媒の本来の機能を有効に維持させることを可能としている。
【０００６】
図３は特許文献１に提案された水蒸気改質装置における改質手段の模式的な断面図である。改質手段１は外筒２と内筒３を有し、外筒２と内筒３に第１反応室４を設け、内筒３の内側に第２反応室５を設ける。内筒３は伝熱性を有する隔壁３ａとして機能し、後述するように第２反応室５から第１反応室４への熱伝達を容易にしている。
【０００７】
第１反応室４の下部に原料供給部６を設け、上部に排出部７を設ける。また第２反応室５の上部に前記排出部７に連通する供給部８を設け、下部に排出部９を設ける。第１反応室４と第２反応室５の下部に気体流通性を有する多孔性の仕切板１１を配置し、さらに第２の反応室５の中間部に同様な仕切板１２、１３を配置する。
【０００８】
第１反応室４では、仕切板１１の上に水蒸気触媒層１４を充填し、第２反応室５では、仕切板１１と１２の間に低温シフト触媒層１５を充填し、仕切板１２と１３の間に高温シフト触媒層１６を充填し、仕切板１３の上に水蒸気触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層１７を充填する。
【０００９】
第１反応室４の原料供給部６は原料−水蒸気混合物を供給する配管２１に連通し、第２反応室５の供給部８に酸素含有ガス（通常は空気）を噴出する酸素含有ガス噴出部２２を配置し、排出部９に改質ガスを排出する配管２３を連通する。配管２３は熱交換器２４を経て図示しない負荷設備に接続され、空気圧縮機等の酸素含有ガス供給源に接続した配管２５が熱交換器２４を経て前記酸素含有ガス噴出部２２に連通する。
【００１０】
図３の改質手段１の作用を説明すると、配管２１から第１反応室４の原料供給部６に供給した原料−水蒸気混合物は、伝熱性の隔壁３ａを介して第２反応室５からの伝熱により昇温した水蒸気改質触媒層１４を通過する間に、含まれる原料ガスの一部が水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する。水蒸気改質触媒層１４から排出部７に流出した改質ガスおよび未反応の原料−水蒸気混合物は、第２反応室５の供給部８を経て混合触媒層１７に流入する。その際、熱交換器２４で加熱された酸素含有ガスが配管２５を経て酸素含有ガス噴出部２２から噴出し、原料ガスの一部がその酸素により酸化反応する。酸化反応は発熱反応であり、その熱エネルギーにより混合触媒層１７部分が加熱されて水蒸気改質反応に必要な温度（７００℃程度）まで昇温する。
【００１１】
原料−水蒸気混合物に含まれる原料ガスが混合触媒層１７で水蒸気改質して生成した水素リッチな改質ガスは、下流側の高温シフト触媒層１６および低温シフト触媒層１５に順に通過し、そこで僅かに残留する一酸化炭素が水と反応して水素に転換する。低温シフト触媒層１５の改質ガスは次いで配管２３に流出し、前記のように熱交換器２４で酸素含有ガスと熱交換して冷却され、図示しない負荷設備に供給される。
【００１２】
図３の改質手段１では、酸素含有ガス噴出部２２に供給する酸素含有ガスを外部に設けた熱交換器２４で加熱している。しかしこの方法では改質手段１と別体の熱交換器２４を設ける必要があるので、システムが複雑化し、重量および占有容積またはスペースが大きくなる。しかし水蒸気改質装置が車両搭載型の燃料電池への水素供給用とされる場合は、そのような重量や占有容積の増大はできるだけ避ける必要がある（例えば、特許文献１参照。）。
【００１３】
一方、酸素含有ガスの熱交換を改質手段の内部で行う方法が特許文献２で提案されている。
図４は特許文献２で提案された熱交換方法を説明する模式的なプロセスフロー図である。改質手段１は水蒸気改質触媒と酸化触媒の機能を有する触媒層３０と、触媒層３１と、それらの中間に設けたマニホールド部３２と、マニホールド部３２に配置した第１加熱部３３および第２加熱部３４を有する。
なお、改質手段１は酸素があると酸化触媒として働き、酸素不在では改質触媒として作用し、また低温ではシフト触媒としても作用する。
【００１４】
第１加熱部３３には配管３５から供給される酸素含有ガスが通過し、そこで加熱された酸素含有ガスは配管３７から流出する。第２加熱部３４には配管３６から供給される原料−水蒸気混合物が通過し、そこで加熱された原料−水蒸気混合物は配管３７ａから流出する。配管ａ３７に前記配管３７が合流し、加熱された原料−水蒸気混合物と加熱された酸素含有ガスとが触媒層３０に流入し、そこで原料ガスの一部が酸素と反応して酸化熱を発生する。
【００１５】
上記酸化熱により前部触媒層３０は水蒸気改質反応に必要な温度に昇温し、残りの原料ガスに酸素がなくなるとそこで水蒸気改質反応が遮断する。高温の改質ガスは次にマニホールド部３３を通過して低温となっている触媒層３１に流入する。そこで僅かに残留する一酸化炭素が水と反応し水素に変換し、配管３８に流出して負荷設備に供給される。
即ち、高温の改質ガスはマニホールド部３３を通過する際に、第１加熱部３３で酸素含有ガスと熱交換して冷却し、第２加熱部３４で原料−水蒸気混合物と熱交換して冷却する。
【００１６】
このように構成すると、改質ガスと酸素含有ガスの熱交換が改質手段１の内部で行われるので、装置が小型化するとともに熱損失が小さくなる。しかもマニホールド部３２から触媒層３１に流入する改質ガスは前記熱交換により温度低下するので、触媒層３１の温度上昇を防止でき、ＣＯ変成反応の効率を高めることができる（例えば、特許文献２参照。）。
【００１７】
【特許文献１】
特開２００１−１９２２０１号公報
【特許文献２】
特開２００１−８０９０４号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように改質手段１の中間部をマニホールド部とし、そこに酸素含有ガスと熱交換する熱交換部を配置する方法では、伝熱効率がそれ程高くならないので、短い時間で改質ガスが熱交換を完了させるには熱交換部の容量をかなり大きくする必要がある。また改質手段１の周囲に複数の配管が配置されるという問題もある。
【００１９】
そのため改質手段の寸法および重量もそれに応じて大きくなるので、特に車両搭載用の改質手段では改善の必要性がある。また特許文献２のような集中的な熱交換方式ではその熱効率向上に限界がある。
そこで本発明は、改質手段の内部で酸素含有ガスと改質ガスの熱交換を行う際の問題を解決することを課題とし、そのための新しい内熱式水蒸気改質装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、原料ガスを酸素の存在下に自己酸化し水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する内熱式水蒸気改質装置であり、原料ガスと水蒸気の混合物を酸素含有ガスで酸化し、その酸化熱で原料ガスの水蒸気改質反応を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質手段を備えている。
【００２１】
前記改質手段は、外筒と内筒を有し、その外筒と内筒の間に第１反応室を形成し、内筒の内側に第２反応室を形成し、前記第１反応室と第２反応室を仕切る内筒部分は伝熱性隔壁を形成し、前記第１反応室には、その一方の端部に原料−水蒸気混合物を供給する原料供給部、他方の端部に排出部をそれぞれ設けると共に、その内部に水蒸気改質触媒層を充填し、第２反応室には、その一方の端部に第１反応室の排出部に連通する供給部および酸素含有ガス噴出部、他方の端部に排出部をそれぞれ設けると共に、その内部の供給部側に水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層、排出部側にシフト触媒層を充填する。さらに第２反応室には、前記酸素含有ガス噴出部２２に連通する伝熱性で直管状の酸素含有ガス供給管４０を、その排出部９側からシフト触媒層１６，１５および混合触媒層１７を貫通するように、内筒３の中心部に沿って配置したことを特徴とする（請求項１）。
【００２２】
上記のような酸素含有ガス供給管は、占有容積が比較的小さく、大きい伝熱面積を得ることができ、さらに向流式で熱交換するので高い熱効率の熱交換部を形成でき、結果として寸法が小さく軽量な水蒸気改質装置を提供することができる。
【００２３】
上記内熱式水蒸気改質装置において、前記第２反応室のシフト触媒層と伝熱性の隔壁を隔てた第１反応室部分に伝熱部を配置し、前記第２反応室に充填した混合触媒層とシフト触媒層の間に伝熱部を配置することができる（請求項２）。
【００２４】
上記いずれかの水蒸気改質装置において、
前記混合触媒層１７内で、前記酸素含有ガス供給管４０の軸線方向に互いに離間して、複数個の酸素含有ガス噴出部２２をそのガス供給管４０に形成することができる（請求項３）。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は本発明に係る水蒸気改質装置の主要部である改質手段を模式的に示す断面図である。
改質手段１は両端が閉鎖された金属製の外筒２と内筒３を有し、外筒２と内筒３に第１反応室４を設け、内筒３の内側に第２反応室５を設ける。内筒３は伝熱性を有する隔壁３ａとして機能する。そして外筒３の外側は図示しない耐熱性の断熱層で被覆される。
【００２６】
第１反応室４の下部に原料供給部６を設け、上部に排出部７を設ける。また第２反応室５の上部に前記排出部７に連通する供給部８を設け、下部に排出部９を設ける。第１反応室４と第２反応室５の下部に気体流通性を有する多孔性の仕切板１１を配置し、さらに第２反応室５の中間部に同様な仕切板１２、１３、１３ａを配置する。
【００２７】
第１反応室４では、仕切板１１と１３の間に伝熱粒子層からなる伝熱部１４ａを配置し、仕切板１３の上に水蒸気触媒層１４を充填する。第２反応室５では、仕切板１１と１２の間に低温シフト触媒層１５を充填し、仕切板１２と１３の間に高温シフト触媒層１６を充填し、仕切板１３と１３ａの間に伝熱粒子層からなる伝熱部１７ａを配置し、仕切板１３ａの上に水蒸気触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層１７を充填する。なお、第１反応室４の伝熱部１４ａと水蒸気触媒層１４の境界の位置、第２反応室５の伝熱部１７ａと高温シフト触媒層１６の境界の位置は、必要とする条件に合わせて任意に設定されている。
【００２８】
第１反応室４の原料供給部６は原料−水蒸気混合物を供給する配管２１に連通する。また第２反応室５の供給部８に酸素含有ガス（通常は空気）を噴出する酸素含有ガス噴出部２２を配置し、排出部９に改質ガスを排出する排出管２３に連通し、その排出管２３は図示しない負荷設備に接続する。
【００２９】
第１反応室４に充填する水蒸気改質触媒層１４は原料ガスを水蒸気改質する触媒層であり、特開２００１−１９２２０１号公報に開示されている改質反応触媒と同様なものを使用できるが、その中でもＮｉＳ−ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 などのＮｉ系改質反応触媒が望ましい。またＷＳ2 −ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 やＮｉＳ−ＷＳ2 ・ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 などの触媒も使用できる。
【００３０】
第２反応室５に充填する混合触媒層１７を構成する水蒸気改質触媒は、前記第１反応室４に充填する水蒸気改質触媒層１４と同様な触媒を使用できる。この水蒸気改質触媒の使用量は、原料−水蒸気混合物が混合触媒層１７を通過する間に水蒸気改質反応が完了するに十分な値とされるが、その値は使用する原料ガスの種類により変化するので、最適な範囲を実験等により決定する。
【００３１】
混合触媒層１７に均一に分散される酸化触媒は、原料ー水蒸気混合物中の原料ガスを酸化して、その酸化熱により水蒸気改質反応に必要な温度を得るものであり、例えば白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）を使用することができる。水蒸気改質触媒に対する酸化触媒の混合割合は、水蒸気改質すべき原料ガスの種類に応じて１〜１５％程度の範囲で選択する。例えば原料ガスとしてメタンを使用する場合は５％±５％程度、メタノールの場合は２％±１％程度の混合割合とすることが望ましい。なお前記各触媒はペレットタイプまたはモノリスタイプのいずれであってもよい。
【００３２】
低温シフト触媒層１５と高温シフト触媒層１６は、従来から使用されているＣｕＯ−ＺｎＯ2 、Ｆｅ2 Ｏ3 、Ｆｅ3 Ｏ4 または酸化銅の混合物等のシフト触媒を使用できる。
【００３３】
第２反応室５、すなわち内筒３の軸中心に沿って直管状の酸素含有ガス供給管４０が配置される。酸素含有ガス供給管４０の先端は前記酸素含有ガス噴出部２２に連通し、後端は第２反応室５における排出部９の近傍で外部の配管４１に連通する。この酸素含有ガス供給管４０はステンレスやアルミニウム合金などの伝熱性および耐熱性に優れた金属材料で作られる。
【００３４】
酸素含有ガス供給管４０は、図示のような１本の矩形直管に限らず、例えば複数本の比較的小口径の直管を互いに接触もしくは適当な間隔を開けて平行に配置して構成することもでき、螺旋管により構成することもできる。これら複数の直管の組み合わせや螺旋管により酸素含有ガス供給間４０を構成すると、第２反応室５の軸方向長さが比較的短い場合でも、必要な伝熱面積を容易に確保できる利点がある。さらに上記いずれの酸素含有ガス供給管４０もその外周面又は及び内部に螺旋状または多段のフィンを設けて熱伝達性をより向上させることもできる。
【００３５】
次に図１に示す改質手段１の作用について説明する。配管２１から第１反応室４の原料供給部６に供給した原料−水蒸気混合物は、伝熱部１４ａを通過する際に昇温し、水蒸気改質触媒層１４で原料ガスの一部が水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する。
【００３６】
一方、第２反応室５に配置した伝熱部１７ａの熱が伝熱性の隔壁３ａを介して第１反応室４に充填した水蒸気触媒層１４に伝熱してその温度を上昇させ、第２反応室５における高温シフト触媒層１６の熱と低温シフト触媒層１５の熱が伝熱性の隔壁３ａを介して第１反応室４に配置した伝熱部１４ａに伝熱してその温度を上昇させる。このような形態で各伝熱部１４ａ、１７ａ等を配置することにより、第２反応室５から第１反応室４への総合的な熱伝達率を図３に示す例より向上させることができる。
【００３７】
水蒸気改質触媒層１４から排出部７に流出した改質ガスおよび未反応の原料−水蒸気混合物は、第２反応室５の供給部８から混合触媒層１７に流入する。それとともに配管４１から流入する空気等の酸素含有ガスが、酸素含有ガス供給管４０を経て酸素含有ガス噴出部２２から供給部８もしくは混合触媒層１７の上流領域に噴出する。
【００３８】
酸素含有ガス供給管４０の内部の酸素含有ガスは、図１の下側から上側に、すなわち第２反応室５の排出部９側から酸素含有ガス噴出部２２側に向かう方向に流れる。一方、酸素含有ガス供給管４０の外側の改質ガス等は、図１の上側から下側に、すなわち混合触媒層１７側から低温シフト触媒層１５側に向かう方向へ流れる。このように酸素含有ガスとそれを加熱する改質ガス等は酸素含有ガス供給管４０を介して互いに対向流となるので、改質ガス等から酸素含有ガスへの伝熱効率が高くなる。
【００３９】
酸素含有ガス供給管４０を流れる酸素含有ガスは、低温シフト触媒層１５、高温シフト触媒層１６、伝熱部１７ａおよび混合触媒層１７により周囲から順次加熱されて昇温し、最終的には目的とする所定温度、例えば６００〜７００℃程度に達する。その際、最後の混合触媒層１７に流入する際の酸素含有ガスの温度を所定温度に近い値まで上昇させることは可能なので、混合触媒層１７の温度が必要以上に低下することは容易に回避できる。
【００４０】
原料−水蒸気混合物における原料ガスの一部は酸素含有ガス噴出部２２から噴出する温度の高い酸素含有ガスの酸素により効率よく酸化反応する。そして酸素含有ガスを連続的に噴出することにより酸化反応が持続し、その酸化熱で混合触媒層１７部分は水蒸気改質反応に必要な温度（７００℃程度）に維持される。
【００４１】
混合触媒層１７で生成する改質ガスはその下流側の伝熱部１７ａに流出し、そこでの熱交換により温度低下する。次いで改質ガスは高温シフト触媒層１６と低温シフト触媒層１５を順次通過する間に僅かに残留する一酸化炭素が水と反応して水素に変換する。低温シフト触媒層１５から流出する改質ガスは次いで配管２３を経て図示しない負荷設備に供給される。
【００４２】
次に、図２は本発明の他の実施の形態を示し、この例は混合触媒層１７内で、前記酸素含有ガス供給管４０に、その軸線方向に互いに離間して、複数個の酸素含有ガス噴出部２２が開口されたものである。
このように、改質ガスの流れ方向に離間して酸化用空気の噴き出し口を複数段に開口することにより、酸化発熱反応と改質吸熱反応とのバランスをとり、局部的に触媒温度が高温になり過ぎるのを防止できる。そして、比較的広い範囲で均一な改質温度を保ち、改質効率を向上することができる。逆に、一箇所の位置から全酸素を放出すると、局部的に酸化が起こり、その部分が高温になり過ぎ、触媒を劣化させる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る水蒸気改質装置における改質手段は、外筒と内筒を有し、その外筒と内筒の間に第１反応室を形成し、内筒の内側に第２反応室を形成し、前記第１反応室と第２反応室を仕切る内筒部分は伝熱性隔壁を形成し、前記第１反応室には、その一方の端部に原料−水蒸気混合物を供給する原料供給部、他方の端部に排出部をそれぞれ設けると共に、その内部に水蒸気改質触媒層を充填し、第２反応室には、その一方の端部に第１反応室の排出部に連通する供給部および酸素含有ガス噴出部、他方の端部に排出部をそれぞれ設けると共に、その内部の供給部側に水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層、排出部側にシフト触媒層を充填し、さらに第２反応室５には、前記酸素含有ガス噴出部２２に連通する伝熱性で直管状の酸素含有ガス供給管４０を、その排出部９側からシフト触媒層１６、１５および混合触媒層１７を貫通するように、内筒３の中心部に沿って配置したことを特徴とする。
このように配置した酸素含有ガス供給管は占有容積が比較的小さく、大きい伝熱面積を得ることができる。さらに向流式で熱交換するので高い熱効率の熱交換部を形成でき、結果として寸法が小さく軽量な水蒸気改質装置を構成することができる。
【００４４】
上記内熱式水蒸気改質装置において、第２反応室のシフト触媒層と伝熱性の隔壁を隔てた第１反応室部分に伝熱部を配置し、第２反応室に充填した混合触媒層とシフト触媒層の間に伝熱部を配置することができる。このように伝熱部を配置することにより、第２反応室から第１反応室への伝熱効率をさらに向上させることができる。
【００４６】
上記いずれかの水蒸気改質装置において、
前記混合触媒層１７内で、前記酸素含有ガス供給管４０の軸線方向に互いに離間して、複数個の酸素含有ガス噴出部２２をそのガス供給管４０に形成することができる。
このように、ガス供給管の軸線方向即ち、改質ガスの流れ方向に離間して酸化用空気の噴き出し口を複数段に開口することにより、酸化発熱反応と改質吸熱反応とのバランスをとり、局部的に触媒温度が高温になり過ぎるのを防止できる。そして、比較的広い範囲で均一な改質温度を保ち、改質効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水蒸気改質装置の主要部である改質手段を模式的に示す断面図。
【図２】本発明に係る他の水蒸気改質装置の主要部である改質手段を模式的に示す断面図。
【図３】従来の水蒸気改質装置における改質手段の模式的な断面図。
【図４】従来の熱交換方法を説明する模式的なフプロセスロー図。
【符号の説明】
１ 改質手段
２ 外筒
３ 内筒
３ａ 隔壁
４ 第１反応室
５ 第２反応室
６ 原料供給部
７ 排出部
８ 供給部
９ 排出部
１１〜１３，１３ａ 仕切板
１４ 水蒸気触媒層
１４ａ 伝熱部
１５ 低温シフト触媒層
１６ 高温シフト触媒層
１７ 混合触媒層
１７ａ 伝熱部
２１ 配管
２２ 酸素含有ガス噴出部
２３ 配管
２４ 熱交換器
２５ 配管
３０ 触媒層
３１ 触媒層
３２ マニホールド部
３３ 第１加熱部
３４ 第２加熱部
３５〜３８ 配管
４０ 酸素含有ガス供給管
４１ 外部配管
Claims (3)
- 原料ガスを酸素の存在下に自己酸化し水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する内熱式水蒸気改質装置において、
原料ガスと水蒸気の混合物を酸素含有ガスで酸化し、その酸化熱で原料ガスの水蒸気改質反応を行って水素リッチな改質ガスを生成する改質手段１を備え、
前記改質手段１は、外筒２と内筒３を有し、その外筒２と内筒３の間に第１反応室４を形成し、内筒３の内側に第２反応室５を形成し、前記第１反応室４と第２反応室５を仕切る内筒３部分は伝熱性隔壁３ａを形成し、
前記第１反応室４には、その一方の端部に原料−水蒸気混合物を供給する原料供給部６、他方の端部に排出部７をそれぞれ設けると共に、その内部に水蒸気改質触媒層１４を充填し、
第２反応室５には、その一方の端部に第１反応室の排出部に連通する供給部８および酸素含有ガス噴出部２２、他方の端部に排出部９をそれぞれ設けると共に、その内部の供給部８側に水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層１７、排出部９側にシフト触媒層１６，１５を充填し、
さらに第２反応室５には、前記酸素含有ガス噴出部２２に連通する伝熱性で直管状の酸素含有ガス供給管４０を、その排出部９側からシフト触媒層１６，１５および混合触媒層１７を貫通するように、内筒３の中心部に沿って配置したことを特徴とする内熱式水蒸気改質装置。 - 請求項１において、
前記第２反応室５のシフト触媒層１６，１５と伝熱性の隔壁３ａを隔てた第１反応室４部分に伝熱部１４ａを配置し、前記第２反応室５に充填した混合触媒層１７とシフト触媒層１６の間に伝熱部１７ａを配置したことを特徴とする内熱式水蒸気改質装置。 - 請求項１または請求項２において、
前記混合触媒層１７内で、前記酸素含有ガス供給管４０の軸線方向に互いに離間して、複数個の酸素含有ガス噴出部２２がそのガス供給管４０に形成されたことを特徴とする内熱式水蒸気改質装置。
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