JP4550617B2 - 炭化水素系燃料の水蒸気改質器 - Google Patents

Description

本発明は、炭化水素系燃料の水蒸気改質器に関し、より詳しくは改質部、ＣＯ変成部、ＣＯ除去部を一体化した水蒸気改質器の構造に関する。特に、燃料電池に水素を供給する、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系燃料からの水素製造装置として、円筒状容器内に改質触媒、ＣＯ変成触媒、ＣＯ除去触媒などの複数の触媒をそれぞれ別層に区画して配置して一体に構成された水蒸気改質器に関する。

例えば固体高分子形燃料電池（以下適宜“ＰＥＦＣ”と略称する）等の燃料電池に炭化水素系燃料を改質して水素を供給するには、水蒸気改質触媒、ＣＯ変成触媒、ＣＯ除去触媒などの複数の触媒が使用される。それらの触媒をそれぞれ充填した反応器を別体として設置した場合、各反応器間を接続する配管や断熱材などが必要となり、機器構成が煩雑になる。そのため、それらの簡素化や小型化を目指し、それぞれの反応器を一体化した燃料処理装置すなわち一体型水蒸気改質器が開発されている。図１はその一例を示す図で、縦断面図として示している（ＷＯ０２／０９８７９０Ａ、特願２００４−１５１５）。

ＷＯ ０２/０９８７９０Ａ 特願２００４−１５１５

図１のとおり、中心軸を同一にして設けられた径の異なる複数の円筒体を間隔を置いて多重に配置して構成される。図１中、一点鎖線はその中心軸を示し、矢印はその方向、すなわちその軸方向を示している。径（＝直径、以下同じ）を順次大きくした、第１円筒体１、第２円筒体２及び第３円筒体３が中心軸を同一にして間隔を置いて配置されている。第３円筒体３の上部には第３円筒体３より径を大きくした第４円筒体４が配置されている。第１円筒体１の内側には中心軸を同じくして、第１円筒体１より径の小さい円筒状の伝熱隔壁すなわち輻射筒５が配置され、輻射筒５内にはバーナー６が配置されている。すなわち、バーナー６は、中心軸部に配置され、輻射筒５の内側に上蓋兼バーナー取付台７を介して取り付けられている。

輻射筒５は、その下端と第１円筒体１の底板８との間に間隔を設けて配置してあり、この間隙と、これに連なる輻射筒５と第１円筒体１との間の空隙とがバーナー６からの燃焼排ガスの排気通路９を形成している。底板８は第１円筒体１の径に対応した径で円盤状に構成されている。排気通路９は、その上部で排気通路９の上蓋（上蓋兼バーナー取付台７の下面）と隔壁１０（後述予熱層１４の上蓋）との間の間隙を経て燃焼排ガスの排出口１１に連なり、燃焼排ガスはここから排出される。

１２は炭化水素系原料ガスの供給管であり、第１円筒体１と第２円筒体２との間の空間内には、その上部に予熱層１４、これに続く下部に改質触媒層１６が設けられている。なお、第２円筒体２は、改質触媒層１６を囲む部分と予熱層１４を囲む部分とが別個に構成され、改質触媒層１６を囲む上端部と予熱層１４を囲む下端部との間の接合部で接合されているが、接合部を設けることなく一体に構成してもよい。また、改質触媒層１６の触媒は、その下部で多孔板等で支持されているが、その記載は省略している。予熱層１４の内部に一本の丸棒１５が螺旋状に配置され、これにより予熱層１４の内部に一つの連続した螺旋状のガス通路が形成されている。

原料ガスは、供給管１２から供給され、水（水蒸気）が混合部１３で混合された後、予熱層１４を経て、改質触媒層１６に導入される。改質触媒層１６では、炭化水素系原料ガスが下降しながら水蒸気により改質される。炭化水素系原料ガスが例えばメタンガスの場合、反応式：ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯの反応で改質される。改質触媒層１６における改質反応は吸熱反応であり、バーナー６で発生する燃焼熱を吸収して反応が進行する。具体的には、バーナー６による燃焼排ガスが輻射筒５と第１円筒体１との間の排気通路９を流通して通過するときに、燃焼排ガスの熱が改質触媒層１６に吸収され、改質反応が行われる。

第２円筒体２の下端は第３円筒体３の底板１７との間に間隔を置いて配置してあり、第２円筒体２と第３円筒体３との間は、改質ガスの流路１８を構成している。底板１７は第３円筒体３の径に対応した径で円盤状に構成されている。改質ガスは、第２円筒体２の下端と第３円筒体３の底板１７との間で折り返して第２円筒体２と第３円筒体３との間で形成された流路１８を流通する。第３円筒体３の上部には第３円筒体３より径を大きくした第４円筒体４が配置され、第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２１が設けられている。

第３円筒体３の上端部と第４円筒体４の下端部には板体１９（第３円筒体３の直径に相当する部分は第３円筒体３で占められるので、ドーナツ状の板体）が配置され、板体１９の上に、間隔を置いてガス流通用の複数の孔を有する支持板２０（第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるので、ドーナツ状の支持板）が配置されている。ＣＯ変成触媒層２１は、支持板２０とガス流通用の複数の孔を有する支持板２２（第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるのでドーナツ状の支持板、ＣＯ変成触媒層２１の上蓋）との間に設けられている。支持板２０、２２は金属製等の網目体で構成してもよく、この場合には網目体の網目がガス流通孔となる。流路１８を流通した改質ガスは、支持板２０の孔を経てＣＯ変成触媒層２１に供給される。

上記のとおり、ＣＯ変成触媒層２１は、第２円筒体２と第４円筒体４との間に設けられているが、第４円筒体４の外周には間隔を置いて円筒体２４が配置され、その間に断熱材２３が配置されている。円筒体２４の外周にはプロセス水、すなわち原料ガス改質用の水の供給管２５から連なる伝熱管２６が直接螺旋状に巻き付けてある。伝熱管２６はＣＯ変成触媒層２１を間接的に冷却する冷却機構として作用する。断熱材２３は、伝熱管２６の冷却作用により、ＣＯ変成触媒層１２の温度を低下させ過ぎず、適度な温度に均一に保持できる厚さに巻き付けてある。断熱材２３としては好ましくはセラミックファイバーナーどの加工性のよいものを用いる。ここで、伝熱管２６は、水供給管２５から供給される水のボイラーとしての機能を備え、また水供給管２５から続く連続した一つの通路となっているので、複数の通路では生じる部分的な滞留等が生じない。

ＣＯ変成触媒層２１では、反応式：ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂で示されるＣＯ変成反応（water gas shift reaction）、すなわちシフト反応が行われ、改質ガス中のＣＯが二酸化炭素に変成され、併せて水素が生成する。

ＣＯ変成触媒としては、従来の触媒（すなわちＣｕ／Ｚｎ系低温ＣＯ変成触媒等）でもよいが、少なくとも３５０℃以上で連続して使用できる触媒（すなわち白金系やＦｅ／Ｃｒ系の高温ＣＯ変成触媒等）を用いることにより、改質ガスの流路１８やＣＯ変成触媒層２１の長さ（すなわち支持板２０と支持板２２と間の長さ）を短縮できる。これにより触媒反応装置（改質器）全体を小型化、軽量化できる。白金系触媒すなわち白金を主成分とした触媒はアルミナ等の担体に白金を担持して構成される。白金を主成分とした触媒は、酸化などによる劣化にも強く、３５０℃以上の高温域、特に４００℃以上の高温域でも連続して使用することが可能であり、より速い速度で反応を進行させることができる。

支持板２２の上方には所定の間隔を置いて一つの連通孔２８を有する仕切板２７が設けてあり、両板間の空間に空気の供給管２９を通してＣＯ除去用空気が供給される。仕切板２７の上方には円環状の通路３０が設けてある。連通孔２８を所定の孔径で且つ一つとすることにより、改質ガスとＣＯ除去用空気が連通孔２８を通過する際に所定の通過速度が得られ、通過時の乱流により改質ガスとＣＯ除去用空気を良好に混合することができる。

ＣＯ除去触媒層３５は、（ａ）第２円筒体２と（ｂ）これより径を大きくした円筒体３６と（ｃ）第２円筒体２と円筒体３６との間の下部及び上部にそれぞれ間隔を置いて配置された、複数個の孔３４を有する支持板３３（第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるので、ドーナツ状の板体）と（ｄ）ガス流通用の複数個の孔３８を有する支持板３７（第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるので、ドーナツ状の支持板）との間の空間に設けられている。

円筒体３６の下部にはその円周方向に均等ないしほぼ均等に複数個の孔３２が設けられている。円環状の通路３０は、円筒体２４と仕切板２７と仕切板３１と円筒体３６で形成された通路であり、それら複数個の孔３２と支持板３３の複数個の孔３４を介してＣＯ除去触媒層３５に連通しており、ＣＯ除去用空気が混合された改質ガスがそれらを介してＣＯ除去触媒層３５に導入される。ＣＯ除去触媒層３５は、その上蓋である複数個の孔３８を有する仕切板３７と隔壁１０との間の間隙を介して改質ガスの取出管３９に連通している。また、ＣＯ除去触媒層３５は円筒体３６で囲まれているが、円筒体３６の外周には円筒体２４の外周の伝熱管２６から連なる伝熱管２６が直接螺旋状に巻き付けてある。

ＣＯ除去触媒層３５には、ＣＯ除去触媒（＝ＰＲＯＸ触媒）が充填してあり、ＰＲＯＸ触媒によりＣＯ除去反応が行われ、改質ガス中のＣＯ含有量をｐｐｍ単位にまで低減する。ＣＯ除去触媒としては、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化し得る触媒であれば特に限定はなく、例えばＲｕ系などの金属触媒が用いられる。金属触媒は、例えばアルミナ等の担体にＲｕなどの金属触媒を担持させて構成される。ＣＯ除去触媒層３５においては、反応式：２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂で示されるＣＯ除去反応が進行する。

ＣＯ除去触媒層３５においてＣＯを除去した改質ガスは、その上蓋である仕切板３７に設けられた複数個の孔３８から排出され、仕切板３７と隔壁１０との間の間隙を経て改質ガスの取出管３９から取り出される。第３円筒体３、円筒体２４及び円筒体３６を含む外周部には断熱材４０を配置し、外部への熱の放散を防止している。断熱材４０としては、例えばマイクロサーム、ケイ酸カルシウム、アルミナファイバーなど、断熱効果の高い断熱材が使用される。

図２は、図１中ＣＯ除去触媒層３５の部分を中心に拡大して示した図である。図２のとおり、円筒体３６の下部にその円周方向に均等ないしほぼ均等に設けられた複数個の孔３２から導入されたＣＯ除去用空気が混合された改質ガスは、ＣＯ除去触媒層３５中を上昇しながら、ＣＯが酸化除去され、その上部から導出される。すなわち、ＣＯ除去用空気が混合された改質ガスは、厚みをもつドーナツ状のＣＯ除去触媒層３５中を下方から上方へ向かって、すなわちＣＯ除去触媒層３５を区画する第２円筒体２及び円筒体３６の軸方向に流れる。改質ガスの取出管３９は、例えばＰＥＦＣへの燃料ガス供給管に接続される。この場合、所定の濃度の水素を含有する改質ガスがＰＥＦＣの燃料極側に供給され、これを燃料として発電される。なお、ＰＥＦＣの燃料極からのオフガス（アノードオフガス）を、バーナー６での燃焼用燃料ガスとして使用してもよい。

ところで、以上のように構成された水蒸気改質器において用いられる各触媒は、それぞれ、ガス空間速度ＳＶ、ガス線速度ＬＶ、温度条件などの異なる特性、環境で使用されるため、装置設計上の制約がある。水蒸気改質器のうち、例えばＰＥＦＣ用の水蒸気改質器に用いられる各触媒の特性は以下のとおりである。
（１）改質触媒：反応速度が大きく、伝熱律速の反応形態であるため（伝熱面積が大きいため）、ガス流れ軸方向に長くなる。また、温度が高いため、断熱材が厚くなる。
（２）ＣＯ変成触媒：反応速度が遅いため、触媒量が多くなる。そのため、ガス空間速度ＳＶが小さく、ガスの流れ軸方向に大きい反応器となる。
（３）ＣＯ除去触媒：ガス線速度ＬＶが大きいため、ガス流れ軸方向に長くなる。また、温度が低いため、断熱材は薄くてもよい。

前述のような従来の水蒸気改質器においては、各触媒はともに、ガス流れ軸方向に沿って順次区画して設置されるため、すなわち円筒状容器の軸方向と同じ方向にガスが流通するように順次区画して設置されるため、前述図１〜２に示すような形状となる。このうち、特にＣＯ除去触媒が充填された区画は、ＣＯ変成触媒が充填された区画に対して、径方向に小さくなるため、これらを一体に配置した触媒反応装置の外形が段階状の複雑な構造となる。そのため、部品点数が多く、断熱材や配管施工などに手間がかかるため、製作コストが高くなり、また、ガスの流れ軸方向に小型化できないなどの問題があった。

それらの問題のうち、特に小型化できない点は、その分上蓋、下蓋を含めた外周面積が大きく、熱エネルギーの損失を招くたげでなく、家庭用コージェネレーションシステムなどで使用する場合、設置スペースの制約に応え得ないことになってしまう。

また、改質ガス中のＣＯを確実に低減するために、特性の異なるＣＯ除去触媒を積層して配置する方法も考えられている（特開平１１−３１０４０２号公報）。この配置方法を前述図１〜２のような水蒸気改質器に適用すると図３〜４のようになる。図３において、ＣＯ除去触媒部が４１と４２との二段になり、図１〜２に比べて、その分（二段にした分）、円筒状容器の軸方向に長くなってしまう。図４は、二段目のＣＯ除去触媒部４２にもＣＯ除去用空気を導入するようにしたものであるが、円筒状容器の軸方向に長くなってしまう点では図３の場合と同様である。

特開平１１−３１０４０２号公報

本発明においては、従来の水蒸気改質器における以上の問題を解決することを目的とするものである。本発明は、改質触媒層、ＣＯ変成触媒層、ＣＯ除去触媒層のうち、特にＣＯ除去触媒層を特定の配置にして、コンパクト且つ高効率な水蒸気改質器とし、併せてその作製上、部品点数を少なく、断熱材や配管施工などの手間を少なくして、製作コストの低減を図ってなる水蒸気改質器を提供することを目的とする。

本発明は、円筒状容器内に、その軸方向にガスが流通する改質触媒部、ＣＯ変成触媒部及びＣＯ除去触媒部をそれぞれ別層に区画して配置して一体化してなる炭化水素系燃料の水蒸気改質器であって、前記ＣＯ除去触媒部を円筒状容器の軸方向に平行な円筒状隔壁により一段目のＣＯ除去触媒部と二段目のＣＯ除去触媒部に区画し、一段目のＣＯ除去触媒部の出口から二段目のＣＯ除去触媒部の入口に折り返すガス流路を備えてなることを特徴とする水蒸気改質器である。

本水蒸気改質器は、ＣＯ除去触媒部を円筒状容器の軸方向に平行な円筒状隔壁により一段目のＣＯ除去触媒部と二段目のＣＯ除去触媒部に区画し、一段目のＣＯ除去触媒部の出口から二段目のＣＯ除去触媒部に折り返すガス流路を備えたことにより、コンパクト且つ高効率な水蒸気改質器とすることができ、信頼性を確保することができる。併せて、その作製上、部品点数を少なく、断熱材や配管施工などの手間を少なくして、製作コストの低減を図ることができる。

本発明は、円筒状容器内に、その軸方向にガスが流通する改質触媒部、ＣＯ変成触媒部及びＣＯ除去触媒部をそれぞれ別層に区画して配置して一体化してなる炭化水素系燃料の水蒸気改質器である。そして、前記ＣＯ除去触媒部を円筒状容器の軸方向に平行な円筒状隔壁により一段目の触媒部と二段目の触媒部に区画し、一段目のＣＯ除去触媒部の出口から二段目のＣＯ除去触媒部に折り返すガス流路を備えてなることを特徴とする。

本発明の水蒸気改質器においては、上記特徴点に加え、ＣＯ除去触媒部に冷却機構を配置する。冷却機構は、（１）一段目のＣＯ除去触媒部の内壁に配置してもよく、（２）一段目のＣＯ除去触媒部の外壁に配置してもよく、（３）二段目のＣＯ除去触媒部の外壁に配置してもよく、（４）一段目のＣＯ除去触媒部の外壁と二段目のＣＯ除去触媒部への折り返し部に配置してもよく、（５）これら（１）〜（４）のいずれか二箇所以上に配置してもよい。

以下、本発明を順次説明する。図５〜１４は本発明の態様例を説明する図で、前述図１〜４と共通する部分については同じ符号を付している。図６は、図５中ＣＯ除去触媒部を含む部分を取り出し拡大して示した図である。

図５〜６において、５１は一段目のＣＯ除去触媒部、５２は二段目のＣＯ除去触媒部であり、両部は円筒状容器の軸方向に平行に配置された円筒状隔壁５３により区画されている。一段目のＣＯ除去触媒部５１は第２の円筒体２と円筒状隔壁５３により区画され、二段目のＣＯ除去触媒部５２は円筒状隔壁５３と円筒状隔壁５４により区画されている。円筒状隔壁５４は、円筒体２４と同径で、その上部に配置されている。円筒状隔壁５３は、第２円筒体２の径より大きく、円筒状隔壁５４の径より小さく、円筒状容器の軸方向に対して平行ないし実質的に平行に配置されていればよく、平行とはこの意味である。

５５はＣＯ除去触媒部の下部隔壁で、支持板２２との間に間隔を置いて配置され、二段目のＣＯ除去触媒部５２の下部隔壁６２の下部まで延びている。下部隔壁５５は、第２円筒体２の径に相当する部分は第２円筒体２で占められるのでドーナツ状の隔壁である。下部隔壁５５には一つの連通孔５６が設けてあり、連通孔５６は混合分配部５７に臨ませてある。混合分配部５７は、断面Ｌ字状（図では断面逆Ｌ字状）部材５８と円筒状隔壁５３と下部隔壁５５により、円筒状隔壁５３の下部周りに形成されており、円筒状隔壁５３の下部周りには複数の透孔５９が穿設されている。

支持板２２と下部隔壁５５との間の空隙に空気の供給管２９を通してＣＯ除去用空気が供給される。連通孔５６を、所定の孔径で且つ一つとすることにより、改質ガスとＣＯ除去用空気が連通孔５６を通過して混合分配部５７に流入する際に所定の通過速度が得られ、通過時の乱流により改質ガスとＣＯ除去用空気を良好に混合することができる。

６０はＣＯ除去触媒部の上部隔壁（第２円筒体２の径に相当する部分は第２円筒体２で占められるのでドーナツ状の隔壁である）であり、ガス流通用の複数の孔６１を有する。上部隔壁６０は、二段目のＣＯ除去触媒部５２の上部隔壁でもあり、一段目のＣＯ除去触媒部５１及び二段目のＣＯ除去触媒部５２に共通する隔壁である。一段目のＣＯ除去触媒部５１側及び二段目のＣＯ除去触媒部５２側にそれぞれ複数の孔を有する上部隔壁６０と、隔壁１０と、第２円筒体２と、円筒状隔壁５４とで囲まれた空間が一段目のＣＯ除去触媒部５１の出口から二段目のＣＯ除去触媒部５２の入口に折り返すガス流路となる。６２は二段目のＣＯ除去触媒部５２の下部隔壁（円筒状隔壁５３の径に相当する部分は円筒状隔壁５３で占められるのでドーナツ状の隔壁である）であり、ガス流出用の複数の孔６３を有する。

ＣＯ除去用空気を混合した改質ガスは混合分配部５７に穿設された複数の透孔５９を介して一段目のＣＯ除去触媒部５１に導入され、ＣＯ除去触媒上でＣＯが酸化される。その後、一段目のＣＯ除去触媒部５１側の上部隔壁６０の孔６１を経て、上部隔壁６０と隔壁１０との空隙に流れ込み、図５〜６中矢印（点線矢印）のように折り返して、二段目のＣＯ除去触媒部５２側の上部隔壁６０の孔６１を経て、二段目のＣＯ除去触媒部５２に導入される。二段目のＣＯ除去触媒部５２に導入された改質ガス中のＣＯは、ＣＯ除去触媒上でさらに酸化され、下部隔壁６２の複数の孔６３を経て改質ガス導出管６４から導出される。

前述図３との対比で言えば、図３のＣＯ除去触媒部４１が、図５〜６における一段目のＣＯ除去触媒部５１に相当し、図３のＣＯ除去触媒部４２が、図５〜６における一段目のＣＯ除去触媒部５２に相当している。そして、図５〜６の二段目のＣＯ除去触媒部５２が、一段目のＣＯ除去触媒部５１の外周に配置され、円筒体２４と同径の円筒状隔壁５４で区画されていることから、外周面積をコンパクト化できる。これにより、熱エネルギーの損失を防ぎ、家庭用コージェネレーションシステムなどで使用する場合、設置スペースの制約に応えることができる。

本発明の水蒸気改質器は、以上の構成により、以下（ａ）〜（ｃ）の効果が達成されることが確認された。これらは、水蒸気改質器の実用化に向けての研究開発の結果として達成し得たものであり、実機水蒸気改質器において非常に有用な効果である。
（ａ）本体直径２００ｍｍの水蒸気改質器の軸方向高さを、改良前のものである図４に示す水蒸気改質器（同じく本体直径２００ｍｍ）の軸方向高さ６４０ｍｍに対して５８０ｍｍに小型化することができた。
（ｂ）本体直径２００ｍｍの水蒸気改質器の外表面積を、図４に示す示す水蒸気改質器（同じく本体直径２００ｍｍ）の外表面積に対して８％分低減できた。これにより、放熱損失を低減することができた。
（ｃ）本体直径２００ｍｍの水蒸気改質器は、図４に示す示す水蒸気改質器（同じ本体直径２００ｍｍ）に対して、本体外形（すなわち側周面）の凹凸が少なくなったため、外装の断熱材施工にかかるコストを低減することができた。

〈冷却機構の配置態様１：一段目のＣＯ除去触媒部の内壁に冷却機構を配置する態様〉
図７は、本発明において一段目のＣＯ除去触媒部の内壁に冷却機構を配置する態様を説明する図である。図７において、一段目のＣＯ除去触媒部５１の内壁に冷却機構を配置した点以外は図５〜６と同様である。図７中“一段目内壁冷却機構”として示すように、一段目のＣＯ除去触媒部５１の内壁に冷却機構の冷却管７１を配置する。図７（ｂ）はその冷却管７１を取り出して示した図で、この冷却管７１がＣＯ除去触媒部の内壁に直接螺旋状に巻き付けてある。

冷却管７１へ供給する冷媒としては、水供給管２５または伝熱管２６中を流れる水を分岐して供給してもよく、それとは別個に水等の冷媒を供給してもよい。伝熱管２６中を流れる水を分岐して供給する場合、分岐水を図７（ａ）中ａとして示す伝熱管２６の部分から分岐して、図７（ｂ）中ｂとして示す部位に流通させる。そして、図７（ｂ）中ｃとして示す部位から、伝熱管２６の部分である図７（ａ）中ｄの部位に流通させる。本発明においては、このようにしてＣＯ除去触媒部５１におけるＣＯの酸化反応による過熱を抑えることができる。“一段目内壁冷却機構”は、冷却管７１とは限らず、ＣＯの酸化反応による過熱を抑える目的を達成し得る構造であればよく、例えば面状の冷媒流路を有する冷却機構などを用いることもできる。なお、この態様では、冷却管７１が無くとも、原料ガスと水蒸気の混合ガスが流れる流路１４を冷却機構とすることもできる。

〈冷却機構の配置態様２：一段目のＣＯ除去触媒部の外壁に冷却機構を配置する態様〉
図８は、本発明において一段目のＣＯ除去触媒部の外壁に冷却機構を配置する態様を説明する図である。図８において、一段目のＣＯ除去触媒部５１の外壁５３に冷却機構を配置した点以外は図５〜６と同様である。図８中“一段目外壁冷却機構”として示すように、一段目のＣＯ除去触媒部５１の外壁に冷却機構の冷却管７２を配置する。図８（ｂ）はその冷却管７２を取り出して示した図で、この冷却管７２がＣＯ除去触媒部の内壁に直接螺旋状に巻き付けてある。

冷却管７２へ供給する冷媒としては、水供給管２５または伝熱管２６中を流れる水を供給してもよく、それとは別個に水等の冷媒を供給してもよい。伝熱管２６を流れる水を供給する場合、図８（ａ）に示すように、伝熱管２６を冷却管７２に連結することで行うことができる。本発明においては、このようにして、ＣＯ除去触媒部５１におけるＣＯの酸化反応による過熱を抑えることができる。“一段目外壁冷却機構”は、冷却管７２とは限らず、ＣＯの酸化反応による過熱を抑える目的を達成し得る構造であればよく、例えば面状の冷媒流路を有する冷却機構などを用いることもできる。

〈冷却機構の配置態様３：二段目のＣＯ除去触媒部の外壁に冷却機構を配置する態様〉
図９は、本発明において二段目のＣＯ除去触媒部の外壁に冷却機構を配置する態様を説明する図である。なお、図９は後述冷〈却機構の配置態様４〉の説明図でもある。図９において、二段目のＣＯ除去触媒部５２の外壁５４に冷却機構を配置した点以外は図７と同様である。図９中“二段目外壁冷却機構”として示すように、二段目のＣＯ除去触媒部５２の外壁に冷却機構の冷却管７３を配置する。なお、この態様では、伝熱管２６そのものを冷却管７３として用いたものに相当している。

図９（ｂ）はその冷却管７３を取り出して示した図で、この冷却管７３がＣＯ除去触媒部の外壁５４に直接螺旋状に巻き付けてある。図９の態様では、冷却管７３へ供給する冷媒は、伝熱管２６中を流れる水である。伝熱管２６を流れる水は、冷却管７３中を流通した後、混合部１３で原料ガスに混合される。本発明においては、このようにして、ＣＯ除去触媒部５２におけるＣＯの酸化反応による過熱を抑えることができる。“二段目外壁冷却機構”は、冷却管７３とは限らず、ＣＯの酸化反応による過熱を抑える目的を達成し得る構造であればよく、例えば面状の冷媒流路を有する形式などを用いることもできる。

〈冷却機構の配置態様４：一段目のＣＯ除去触媒部の内壁に冷却機構を配置し、且つ、二段目のＣＯ除去触媒部の外壁に冷却機構を配置する態様〉
図９は、本発明において一段目のＣＯ除去触媒部の内壁に冷却機構を配置し、且つ、二段目のＣＯ除去触媒部の外壁に冷却機構を配置する態様を説明する図である。図９中、“一段目内壁冷却機構”、“二段目外壁冷却機構”として示すように冷却機構を二箇所に設ける。このうち“一段目内壁冷却機構”の態様については前述〈冷却機構の配置態様１〉と同様であり、“二段目外壁冷却機構”の態様については前述〈冷却機構の配置態様３〉と同様である。本発明においては、このようにして、ＣＯ除去触媒部５１、５２におけるＣＯの酸化反応による過熱を抑えることができる。

〈冷却機構の配置態様５：一段目のＣＯ除去触媒部から二段目のＣＯ除去触媒部への折り返し部に冷却機構を配置する態様〉
図１０〜１１は、本発明において一段目のＣＯ除去触媒部から二段目のＣＯ除去触媒部への折り返し部に冷却機構を配置する態様を説明する図である。図１０において、一段目のＣＯ除去触媒部５１から二段目のＣＯ除去触媒部５２への折り返し部に冷却機構を配置した点以外は図５〜６と同様である。図１０中“折返部冷却機構”として示すように、一段目のＣＯ除去触媒部５１から二段目のＣＯ除去触媒部５２へのガスの折り返し部に冷却機構の冷却管７５を配置する。

図１１はその冷却管７５を取り出して示して平面図として示した図である。図１１のとおり、この冷却管７５が一段目のＣＯ除去触媒部５１から二段目のＣＯ除去触媒部５２への折り返し部に配置してある。冷媒は、導入管７４から供給され、導出管７６から排出される。図１０〜１１の態様では、冷却管７５へ供給する冷媒としては、水供給管２５または伝熱管２６中を流れる水を分岐して供給してもよく、それとは別個に水等の冷媒を供給してもよい。本発明においては、このようにして、ＣＯ除去触媒部５１、５２におけるＣＯの酸化反応による過熱を抑えることができる。“折返部冷却機構”は、冷却管７５とは限らず、ＣＯの酸化反応による過熱を抑える目的を達成し得る構造であればよく、例えば面状の冷媒流路を有する冷却機構などとしてもよい。

〈一段目のＣＯ除去触媒部から二段目のＣＯ除去触媒部へのガス折り返し部にＣＯ除去用空気と改質ガスの混合機構を配置した態様（その１）〉
図１２〜１３は、本発明の水蒸気改質器において、一段目のＣＯ除去触媒部と二段目ののＣＯ除去触媒部５１の折り返し部にＣＯ除去用空気と改質ガスとの混合機構を配置した態様を説明する図である。図１２において、この混合機構を配置した点以外は図５〜６と同様である。図１２中“折返部空気混合機構”として示すように、一段目のＣＯ除去触媒部５１から二段目のＣＯ除去触媒部５２への改質ガスの折り返し部にＣＯ除去用空気と改質ガスとの混合機構を配置する。８１は空気の分配管である。

図１３はその空気分配管８１を取り出して示して平面図として示した図である。図１３（ａ）において、８０は空気分配管８１への空気供給管、８２は空気放出用の孔で、複数の孔８２が間隔を置いて穿設してある。空気は、導入管８０から空気分配管８１へ供給され、複数の孔８２から放出される。折り返し部には一段目のＣＯ除去触媒部から二段目のＣＯ除去触媒部５２へ改質ガスが流れているので、改質ガスが放出空気と混合する。これにより改質ガスの確実なＣＯ低減が行える。

分配管８１は、図１３（ａ）に示すような断面円環状のほか、断面４角形状、断面３角形状、断面楕円形状など各種態様に構成することができる。孔８２は、分配管８１について、その断面で見て上側、下側、上下両側、側面側、斜め側、あるいは、それらのうち複数の各側に規則的または不規則に穿設するなど、改質ガスへの空気の混合目的を達成し得る各種態様で穿設することができる。図１３（ｂ）は、そのうち断面円環状の分配管８１の外側面側に複数の孔８２を穿設した態様を示す図である。

〈一段目のＣＯ除去触媒部から二段目のＣＯ除去触媒部へのガス折り返し部にＣＯ除去用空気と改質ガスの混合機構を配置した態様（その２）〉
図１４は、本発明の水蒸気改質器において、一段目のＣＯ除去触媒部と二段目のＣＯ除去触媒部５１の折り返し部にＣＯ除去用空気と改質ガスとの混合機構を配置した他の態様を説明する図である。図１４において、混合機構を配置した点以外は図５〜６と同様である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の混合機構を含む部分を拡大して示した図である。

図１４のとおり、隔壁１０とＣＯ除去触媒部の上部隔壁６０との間の空隙にＣＯ除去用空気の供給管８０の供給口を臨ませる。上部隔壁６０は、一段目のＣＯ除去触媒部５１の部分はガス流通用の複数の孔６１を有し、二段目のＣＯ除去触媒部５２の部分は導入管８０の位置と相対する側に一つの連通孔９３を有する。二段目のＣＯ除去触媒部５２の部分に対応する上部隔壁６０の下部に、間隔を置いてガス流通用の複数の孔９２を有する隔壁９１を配置する。隔壁９１は、円筒状隔壁５３の径に相当する部分は円筒状隔壁５３で占められるのでドーナツ状の隔壁である。

図１４（ｂ）中、１点鎖線はＣＯ除去用空気の流れを示し、点線は一段目のＣＯ除去触媒部５１からの改質ガスの流れを示し、実線は改質ガスとＣＯ除去用空気の混合ガスの流れを示している。ＣＯ除去用空気が、その供給管８０を通して隔壁１０と上部隔壁６０との間の空隙に供給される。ＣＯ除去用空気は円筒状隔壁５３の外周に沿って湾曲しながら、一段目のＣＯ除去触媒部５１からの改質ガスと混合し、連通孔９３を通過する時の乱流によりさらに混合される。混合ガスは、隔壁９１の複数の孔９２を経て二段目のＣＯ除去触媒部５２に流入してさらにＣＯが酸化低減され、下部隔壁６２のガス流出用の複数の孔６３を経て改質ガス導出管６４から導出される。

以上のように、一段目のＣＯ除去触媒部の出口から二段目のＣＯ除去触媒部に折り返す改質ガス流路にＣＯ除去用空気の混合機構を配置したことにより確実なＣＯ低減が行えるようになった。

水蒸気改質器の一例（先行技術）を縦断面図として示す図 図１におけるＣＯ除去触媒層３４の部分を中心に拡大して示した図 水蒸気改質器の他の例（先行技術）を縦断面図として示す図 水蒸気改質器の他の例（先行技術）を縦断面図として示す図 本発明の水蒸気改質器の態様例を縦断面図として示す図 図５におけるＣＯ除去触媒層の部分を中心に拡大して示した図 本発明の水蒸気改質器の他の態様例を縦断面図として示す図 本発明の水蒸気改質器の他の態様例を縦断面図として示す図 本発明の水蒸気改質器の他の態様例を縦断面図として示す図 本発明の水蒸気改質器の他の態様例を縦断面図として示す図 図１０における冷却管７５を取り出して示して示した図 一段目のＣＯ除去触媒部から二段目のＣＯ除去触媒部へのガス折り返し部にＣＯ除去用空気と改質ガスの混合機構を配置した態様（その１）を示す図 図１２の一部を拡大して示した図 一段目のＣＯ除去触媒部から二段目のＣＯ除去触媒部へのガス折り返し部にＣＯ除去用空気と改質ガスの混合機構を配置した態様（その２）を示す図

符号の説明

１〜４ 第１円筒体〜第４円筒体
５ 輻射筒
６ バーナー
７ 上蓋兼バーナー取付台
８ 底板
９ 燃焼排ガスの排気通路
１０ 隔壁
２１ ＣＯ変成触媒層
２２ 支持板
２７ 仕切板
２８ 連通孔
２９ ＣＯ除去用空気供給管
３０ 円環状の通路
３３ 支持板
３４ 複数個の孔
３５ ＣＯ除去触媒層
３６ 円筒体
３７ 支持板
４０ 断熱材
４１、４２ ＣＯ除去触媒部
５１ 一段目のＣＯ除去触媒部
５２ 二段目のＣＯ除去触媒部
５３、５４ 円筒状隔壁
５５ ＣＯ除去触媒部の下部隔壁
５６、９３ 連通孔（各一つ）
５７ 混合分配部
５８ 断面Ｌ字状（逆Ｌ字状）部材
５９ 透孔
６０ ＣＯ除去触媒部の上部隔壁
６１ ガス流通用の複数の孔
６２ 二段目のＣＯ除去触媒部の下部隔壁
６３ 下部隔壁６２の複数の孔
６４ 改質ガス導出管
７１ 一段目のＣＯ除去触媒部５１の内壁に配置した冷却管
７２ 一段目のＣＯ除去触媒部５１の外壁に配置した冷却管
７３ 二段目のＣＯ除去触媒部５２の外壁に配置した冷却管
７５ 一段目のＣＯ除去触媒部５１から二段目のＣＯ除去触媒部５２へのガス折り返し部に配置した冷却管
８０ ＣＯ除去用空気供給管
８１ 空気分配管
８２ 複数の孔
９１ 隔壁
９２ ガス流通用の複数の孔

Claims (7)

1. 軸方向中心部から順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２、第４円筒体４、円筒体２４及び、円筒体２４と同径でその上部に続く円筒状隔壁５４を含む円筒状容器を備え、第１円筒体１と第２円筒体２の隙間に改質触媒層１６、第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２１及び第２円筒体２と円筒状隔壁５４の間にＣＯ除去触媒部をそれぞれ別層に区画して配置して一体化してなり、円筒状容器の軸方向にガスが順次、改質触媒層１６、ＣＯ変成触媒層２１及びＣＯ除去触媒部へ流通し、且つＣＯ変成触媒層２１からＣＯ除去触媒部へのガス入口側に空気供給管２９を有する炭化水素系燃料の水蒸気改質器であって、
   前記ＣＯ除去触媒部を構成する、第２円筒体２と円筒状隔壁５４との間に軸方向に平行な円筒状隔壁５３を配置し、第２円筒体２と円筒状隔壁５３の間を一段目のＣＯ除去触媒部５１とするとともに、円筒状隔壁５３と円筒状隔壁５４の間を二段目のＣＯ除去触媒部５２としてなり、且つ、
   前記一段目のＣＯ除去触媒部５１のガス出口側から前記二段目のＣＯ除去触媒部５２へのガス入口側に向けて改質ガスの流路となる空隙を有する改質ガス折り返し部を備えてなることを特徴とする炭化水素系燃料の水蒸気改質器。
2. 軸方向中心部から順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２、第４円筒体４、円筒体２４及び、円筒体２４と同径でその上部に続く円筒状隔壁５４を含む円筒状容器を備え、第１円筒体１と第２円筒体２の隙間に改質触媒層１６、第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２１及び第２円筒体２と円筒状隔壁５４の間にＣＯ除去触媒部をそれぞれ別層に区画して配置して一体化してなり、円筒状容器の軸方向にガスが順次、改質触媒層１６、ＣＯ変成触媒層２１及びＣＯ除去触媒部へ流通し、且つＣＯ変成触媒層２１からＣＯ除去触媒部へのガス入口側に空気供給管２９を有する炭化水素系燃料の水蒸気改質器であって、
   前記ＣＯ除去触媒部を構成する、第２円筒体２と円筒状隔壁５４との間に軸方向に平行な円筒状隔壁５３を配置し、第２円筒体２と円筒状隔壁５３の間を一段目のＣＯ除去触媒部５１とするとともに、円筒状隔壁５３と円筒状隔壁５４の間を二段目のＣＯ除去触媒部５２としてなり、
   前記一段目のＣＯ除去触媒部５１のガス出口側から前記二段目のＣＯ除去触媒部５２へのガス入口側に向けて改質ガスの流路となる空隙を有する改質ガス折り返し部を備え、且つ、
   前記一段目のＣＯ除去触媒部５１から二段目のＣＯ除去触媒部５２への改質ガスの折り返し部に当該改質ガスへのＣＯ除去用空気の混合機構を配置し、そして、
   前記改質ガスへのＣＯ除去用空気の混合機構が、（ａ）上部隔壁１０とＣＯ除去触媒部の上部隔壁６０との間で構成された改質ガスの折り返し部に空気供給管８０を臨ませ、（ｂ）前記改質ガス折り返し部の空隙に空気放出用の複数の孔８２を設けた円環状空気分配管８１を配置して構成されてなることを特徴とする炭化水素系燃料の水蒸気改質器。
3. 軸方向中心部から順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２、第４円筒体４、円筒体２４及び、円筒体２４と同径でその上部に続く円筒状隔壁５４を含む円筒状容器を備え、第１円筒体１と第２円筒体２の隙間に改質触媒層１６、第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２１及び第２円筒体２と円筒状隔壁５４の間にＣＯ除去触媒部をそれぞれ別層に区画して配置して一体化してなり、円筒状容器の軸方向にガスが順次、改質触媒層１６、ＣＯ変成触媒層２１及びＣＯ除去触媒部へ流通し、且つＣＯ変成触媒層２１からＣＯ除去触媒部へのガス入口側に空気供給管２９を有する炭化水素系燃料の水蒸気改質器であって、
   前記ＣＯ除去触媒部を構成する、第２円筒体２と円筒状隔壁５４との間に軸方向に平行な円筒状隔壁５３を配置し、第２円筒体２と円筒状隔壁５３の間を一段目のＣＯ除去触媒部５１とするとともに、円筒状隔壁５３と円筒状隔壁５４の間を二段目のＣＯ除去触媒部５２としてなり、
   前記一段目のＣＯ除去触媒部５１のガス出口側から前記二段目のＣＯ除去触媒部５２へのガス入口側に向けて改質ガスの流路となる空隙を有する改質ガス折り返し部を備え、且つ、
   前記一段目のＣＯ除去触媒部５１から二段目のＣＯ除去触媒部５２への改質ガスの折り返し部に当該改質ガスへのＣＯ除去用空気の混合機構を配置してなり、そして、
   前記改質ガスへのＣＯ除去用空気の混合機構が、（ａ）上部隔壁１０とＣＯ除去触媒部の上部隔壁６０との間で構成された改質ガスの折り返し部に空気供給管８０を臨ませ、（ｂ）上部隔壁６０のうち二段目のＣＯ除去触媒部５２の部位に位置し、その部位に一つ連通孔９３を有する上部隔壁６０と、当該上部隔壁６０に対して間隔を置いて配置され且つ複数の孔９２を有する上部隔壁９１との間に間隙を設けてなり、（ｃ）改質ガスへのＣＯ除去用空気を上記一つ連通孔９３から該間隙を経て上部隔壁９１の複数の孔９２を通して改質ガスに混合するようにしてなる、ことを特徴とする炭化水素系燃料の水蒸気改質器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化水素系燃料の水蒸気改質器において、前記一段目のＣＯ除去触媒部５１の内壁である第２円筒体２の外周に冷却機構を配置してなることを特徴とする炭化水素系燃料の水蒸気改質器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化水素系燃料の水蒸気改質器において、前記一段目のＣＯ除去触媒部５１の外壁である前記円筒状隔壁５３の外周に冷却機構を配置してなることを特徴とする炭化水素系燃料の水蒸気改質器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項の炭化水素系燃料の水蒸気改質器において、前記二段目のＣＯ除去触媒部５２の外壁である円筒状隔壁５４の外周に冷却機構を配置してなることを特徴とする炭化水素系燃料の水蒸気改質器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項の炭化水素系燃料の水蒸気改質器において、前記一段目のＣＯ除去触媒部５１から二段目のＣＯ除去触媒部５２への改質ガスの折り返し部に冷却機構を配置してなることを特徴とする炭化水素系燃料の水蒸気改質器。
   

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