JP5269271B1 - 燃料処理装置 - Google Patents

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Abstract

構造体の熱変形に起因する改質触媒の劣化を低減することができる燃料処理装置を提供することを目的とする。燃料ガス７０を与え、改質触媒７の反応により水素リッチな改質ガス７３を精製する改質器８を持つ燃料処理装置において、改質触媒７が充填される内筒１８と外筒１９の間の空間内で、改質触媒７を階層に分割する複数の仕切り板２０を設け、仕切り板２０が全て外筒から片持ち支持されていることで、温度変化による仕切り板２０同士の接近が起こらず、改質触媒７の圧縮応力による圧壊や粉化などの劣化を低減できる。

Description

本発明は、都市ガスやＬＰガスなどの炭化水素系の燃料ガスを水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを製造し、燃料電池発電装置用などの燃料処理に用いられる、燃料処理装置に関する。
図１０と図１１は特許文献１の燃料処理装置を示す。矢印Ｆはガスの流れ方向を示している。
この燃料処理装置１は全体形状が円筒体状であり、その外面を覆う断熱材１ａによって断熱されている。燃料処理装置１の中心部には、バーナー２を配置した燃焼筒３とその外周の排気ガス通路４とからなる加熱器５が配設されている。排気ガス通路４の出口４ａは外部に開放され、排気ガス７４を排出する。加熱器５の排気ガス通路４の出口側部分の外周に、蒸発器として機能する第１のガス流路６が配設されている。排気ガス通路４の燃焼筒３から高温の排気ガスが流入する側の部分の外周に、改質触媒７を充填した改質器８が配設されている。改質触媒７は内筒１８と外筒１９の間に充填されている。改質器８の外周には、改質器８から送出された水素含有ガスを、第１のガス流路６の外周側に向けて流通させる第２のガス流路９が配設されている。第１のガス流路６の外周の改質器８側の部分には、ＣＯ変成触媒１０を充填した変成器１１が配設され、第１のガス流路６の外周の改質器８から遠い側の部分には、径方向内側の第３のガス流路１２を介して径方向外側に、ＣＯ除去触媒１３を充填したＣＯ除去器１４が配設されている。
第１のガス流路６の入口部６ａに燃料ガス７０が供給され、供給された燃料ガス７０は、変成器１１およびＣＯ除去器１４の外周に巻回された加熱コイル１５を通して供給される改質水７２と、入口部６ａにおいて混合される。燃料ガス７０と改質水７２は、蒸発器として機能する第１のガス流路６を通過する間に加熱される。高温の燃料ガスと水蒸気は改質器８に供給され、改質触媒７の作用で燃料ガスが水蒸気改質されて水素リッチな水素含有ガスとなる。
改質器８から送出された水素含有ガスは、第２のガス流路９を通って変成器１１に供給され、ＣＯ変成触媒１０の作用で水素含有ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）が低減される。変成器１１から送出された水素含有ガスは、変成器１１と第３のガス流路１２との間に設けられた空気混合空間１６で空気導入口１６ａから導入された空気７１と混合される。空気７１と混合された水素含有ガスは、第３のガス流路１２を介してＣＯ除去器１４に供給され、ＣＯ除去触媒１３の作用でＣＯを除去されて、水素含有ガス出口１７から水素含有ガス７３が送出される。
ＣＯ除去器１４と高温の第１のガス流路６との間に第３のガス流路１２を有する。そのため、変成器１１の下流部での温度を反応にとって最適な温度（例えば２００℃）に保持しつつ、ＣＯ除去器１４の入口温度を酸化反応が過剰に促進されない温度（例えば１５０℃）に維持することができる。つまり、変成器１１とＣＯ除去器１４の温度を適温に維持できるという利点がある。
図１１は、特許文献１の改質器８の拡大図である。
改質器８において、改質触媒７は球状や円筒状の粒形状をしており、内筒１８と外筒１９および仕切り板２０に囲まれた触媒層２１に、加振などによりできるだけ密に充填される。この改質器８は改質反応を完了させるために適度な流路距離が必要となるため、径方向の幅に対する軸方向の長さを一定以上確保しなければならない。そのため、比較的軸方向に長い形状となる。改質器８の下層になる程、改質触媒７の自重による負荷が大きくなり、また、改質触媒７に接する加熱器５の外壁の熱膨張により、改質触媒７が圧力により破壊する圧壊を起こしたり、表面が削れて粉状になる粉化を起こしたりするなどの劣化の原因となる。そこで、軸方向に一定の距離ごとに仕切り板２０を設けることで、改質触媒７の自重による負荷を分散させ、圧壊などの劣化を防止している。これは特許文献２，特許文献４にも記載されている。
図１２は実際に製作することを考慮した燃料処理装置１の改質器８の構造を示す。
燃料ガスを水蒸気改質により、水素リッチなガスに改質するのに際し、改質触媒７が所望の温度（例えば４５０〜７００℃）に加熱されることで効率良く改質ガスを精製することができる。そのため、触媒層２１は加熱器５によって加熱されやすいよう内筒１８の下端（高温部）寄りに配置される。仕切り板２０は溶接によって取り付けられるが、外筒１９が無い状態で溶接トーチが配置可能であることと、加熱器５の熱が改質触媒７に伝わりやすくするために、最下層の仕切り板２０ａを除いて内筒１８の外面に取り付けられる。しかし、内筒１８の高温部１８ａは改質器８の全体の中でも最も高温（例えば７５０℃）まで昇温されるため、燃料電池の起動停止の繰り返しによって、大幅な温度変化のサイクルで熱膨張と熱収縮を繰り返すことで、溶接部にとっては疲労破壊が発生し易い過酷な環境となる。この内筒１８の高温部１８ａに最下層の仕切り板２０ａを溶接によって取り付けようとすると、運転を繰り返すうちに仕切り板２０ａが疲労破壊によって脱落する虞がある。例えば特許文献３では、熱収縮時に触媒の抵抗で仕切り板が押し下げられ、触媒が脱落することがあるため、仕切り板に補強材を設けて、触媒の脱落を防止することが提案されている。
そこで、図１２の構造においては外筒１９の終端を触媒層付近までとし、最下層の仕切り板２０ａを外筒１９の内面に溶接により取り付ける構造としている。こうすることで、溶接トーチが配置可能になり、溶接が可能になる。また、内筒１８に比べて外筒１９は低温であるため、仕切り板２０が脱落する可能性が低くなる。
特許第４５３６１５３号 特開平８−２０８２０２（段落００１１） 特開２０１０−２３５４０３（段落０００４） ＷＯ２００７／０４０１４６Ａ１（段落００４０）
しかしながら、図１２のような燃料処理装置を起動するとき、触媒層２１を形成する内筒１８、外筒１９および仕切り板２０もそれぞれ温度上昇するが、温度上昇の仕方および定常温度は均一ではない。そのため、燃料処理装置の起動後に、内筒１８と外筒１９に温度差が発生し、熱膨張量に差が出るため、起動開始から経過した時間によっては、仕切り板２０同士の距離が初期より接近することがある。
そのため、触媒層２１内で改質触媒７が拘束され、圧縮応力を受けることで、圧壊してしまう懸念がある。また、圧壊に至らなかったとしても、改質触媒７の粒同士が擦れ合うことで粉化し、触媒性能が劣化する。
また、定常運転が終わり、停止する時も同様に、構造体の温度低下による触媒層２１の形状変化により、改質触媒７の劣化が起こる懸念がある。また、改質触媒７に圧壊や粉化が発生すると、触媒の粒子の間の空間に目詰まりを起こしたり、触媒層２１の下の空間に積もったりすることで、改質ガスの流路を阻害し、圧力損失が増大して、十分に改質ガスを生成できなくなる。
本発明は、前述の従来技術の問題点に対し、構造体の熱変形に起因する改質触媒の劣化を低減することができる燃料処理装置を提供することを目的とする。
本発明の請求項１記載の燃料処理装置は、内筒の外側に外筒が配置され前記内筒の内側を加熱する加熱器を設け、前記内筒と前記外筒の間に改質触媒を充填した改質器を設け、改質対象の燃料ガスを前記改質器に通して前記改質触媒の反応により水素リッチの改質ガスを製造する燃料処理装置であって、前記改質器は、前記内筒と前記外筒の間の空間内を、前記内筒および外筒の長手方向に、間隔を空けて配置した複数の仕切り板によって階層に分割して最下段の前記仕切り板の上まで前記改質触媒が充填されており、全ての前記仕切り板は、外周を前記外筒に連結して片持ち支持されていることを特徴とする。
本発明の請求項２記載の燃料処理装置は、請求項１において、前記仕切り板と前記内筒の間にクリアランスが形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項３記載の燃料処理装置は、請求項２において、前記クリアランスは、起動停止における温度変化で前記内筒および外筒の熱膨張における接近量より大きく、且つ前記改質触媒の最小粒径より小さいことを特徴とする。
本発明の請求項４記載の燃料処理装置は、請求項３において、前記仕切り板と前記内筒との間のクリアランスは、前記内筒の高温部の側にあるものほど、前記内筒の低温部の側にあるものに比べて広くなっていることを特徴とする。
本発明の請求項５記載の燃料処理装置は、請求項１において、前記仕切り板は、前記外筒との固定部に改質対象の燃料ガスの流れ方向の下流側に向いているフランジを有していることを特徴とする。
本発明の請求項６記載の燃料処理装置は、請求項４において、前記内筒の側面形状が、前記内筒の高温部に行くほど外径が小さくなるテーパー形状であることを特徴とする。
本発明の請求項７記載の燃料処理装置は、請求項５において、前記仕切り板のフランジの全周が、前記外筒に貫通溶接されていることを特徴とする。
本発明の燃料処理装置によれば、改質器は、内筒と外筒の間の空間内を仕切り板によって階層に分割して前記改質触媒が充填されており、仕切り板は、外周を外筒に連結して仕切り板が片持ち支持されていることで、温度変化による仕切り板同士の接近が起こらず、改質触媒の圧縮応力による圧壊や粉化などの劣化を低減できる。
本発明の実施の形態における燃料処理装置の改質器の常温での縦断面図 本発明の実施の形態における燃料処理装置の改質器の仕切り板２０を上方から見た平面図 本発明の実施の形態における燃料処理装置の改質器の燃料処理装置の起動中に温度上昇した状態を示す縦断面図 本発明の実施の形態における燃料処理装置の改質器の定常運転に入ったときの状態を示す縦断面図 本発明の実施の形態における燃料処理装置の改質器の停止時の状態を示す縦断面図 本発明の実施の形態における燃料処理装置の内筒１８の太さが単一の場合の縦断面図 本発明の実施の形態における燃料処理装置の内筒１８の太さにテーパーを付けた場合の縦断面図 本発明の実施の形態における内筒１８の取り付け状態を示す拡大縦断面図 比較例の取り付け状態を示す拡大縦断面図 従来例の燃料処理装置の縦断面図 従来例の燃料処理装置の改質器の拡大図 実際に製作することを考慮した燃料処理装置の改質器の拡大図
以下、本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。
なお、図１０、図１１および図１２に示した従来例の燃料処理装置と同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、その説明を省略する。
図１〜図８は、本発明の実施の形態１の燃料処理装置を示す。
図１は常温での改質器８の縦断面図、図２は仕切り板２０を上方から見た平面図である。内筒１８の外側に外筒１９が配置され前記内筒１８の内側を加熱する加熱器５を設け、内筒１８と外筒１９の間に改質触媒７を充填した改質器８を設け、改質対象の燃料ガス７０を改質器８に通して改質触媒７の反応により水素リッチの改質ガス７３を製造する燃料処理装置である。
仕切り板２０には多数の穴が空いており、改質触媒７の落下を防ぎながら燃料ガスを通過させる。従来例では図１１，図１２に示したように仕切り板２０が内筒１８の外面に取り付けられて固定され、最下端の仕切り板２０ａが外筒１９の内面に取り付けられて固定されていたのに対して、この実施の形態では、最下端の仕切り板を含む複数の全ての仕切り板が、外筒１９から片持ち支持されている点が異なっている。このとき、内筒１８と最下端の仕切り板を含む全ての仕切り板２０の間にはクリアランス２２が、全周にわたって形成されており、内筒１８には固定されていない。このときのクリアランス２２の値をＣとする。また、内筒と外筒の下端差２３の値をＤとする。
このように最下端の仕切り板を含む全ての仕切り板２０を、内筒１８に比べて低温の外筒１９に固定する構成とすると、仕切り板２０同士の距離は外筒１９の熱膨張のみで決まるため、燃料処理装置の運転を行ったとき、仕切り板２０同士が初期状態よりも接近することはない。そのため、触媒層２１に充填されている改質触媒７に圧縮応力がかかることによる圧壊を防止できる。
図３は燃料処理装置の起動中に温度上昇した改質器８の状態を示す。
起動中の内筒１８は、中心部から熱を受けて急激に温度上昇する。その結果、内筒１８は軸方向、径方向共に膨張する。その後、電熱により改質触媒７を温度上昇させ、改質反応が効率的に行うことができる活性状態にする。同様に、外筒１９および全ての仕切り板２０も温度上昇する。その結果、内筒１８に比べて仕切り板２０や外筒１９の方が低温になる。
このため熱膨張量の差が発生し、クリアランス２２は
Ｃ − Δｃ１
となり、初期状態より接近する。また、内筒と外筒の下端差２３は
Ｄ ＋ Δｄ１
となり初期状態よりも大きくなる。このような熱膨張差により触媒層２１の形状は初期状態から複雑に変化する。このとき改質触媒７の充填状態も変化するが、触媒粒同士の摩擦や、触媒粒と構造体との摩擦による抵抗により、改質触媒７が拘束され、仕切り板２０も変形させられる。また、摩擦により改質触媒７の表面が擦られ、粉化してしまう。とはいえ、変形の原因が主として構造体の低温側に起因しており、従来例に比べて触媒層２１の形状変化は総じて少なくなっている。そのため、改質触媒７の圧壊や粉化といった劣化は最小限に抑えられる。
図４は定常運転に入ったときの改質器８の状態を示す。
定常運転に入って改質触媒７が十分に温まると、水蒸気を含んだ燃料ガス７０が投入され、改質触媒７の働きによって水蒸気改質される。この改質反応は吸熱反応なので、改質器８の温度状態は全体的に図３の時点よりも低温状態となる。そのため、クリアランス２２の縮小量Δｃ２も少なくなり、
Δｃ２ ＜ Δｃ１
となる。また、内筒と外筒の下端差２３の増加量もΔｄ２少なくなり、
Δｄ２ ＜ Δｄ１
となる。従って、改質触媒７への負荷が最も大きくなるのは図３の起動中の状態である。
図５は停止時の改質器８の状態を示す。
改質器８全体の温度が低下し、常温まで下がると、全ての仕切り板２０の変形なども無くなり、基本的には図１の状態に戻る。
このように、燃料処理装置は図１〜図５のサイクルを１日１回程度繰り返すという使われ方をする。
クリアランス２２を設ける目的は２つあり、１つは、あらかじめ外筒１９に固定した仕切り板２０を内筒１８に挿入していくときに抵抗を無くし、スムーズに挿入が可能となることである。もう１つの目的として、燃料処理装置の運転に伴い構造体が高温になり、熱膨張することで、内筒１８と仕切り板２０が接触することを防止するためである。
図１において、クリアランス２２が不足して、内筒１８と仕切り板２０が接触してしまった場合、内筒１８との摩擦抵抗によって仕切り板２０が変形し、触媒層２１の形状が歪んでしまうため、改質触媒７に圧縮応力がかかり、触媒が劣化する恐れがある。一方で、クリアランス２２が大きすぎると、本来の仕切り板の目的の、改質触媒７の落下防止という目的を果たせず、改質触媒７の粒が落下してしまう。このような場合、改質触媒７の全量が燃料ガスの改質に作用できなくなってしまうため、改質性能が低下する。そこで、クリアランス２２の設定は、内筒１８と仕切り板２０との熱膨張差による接近距離より大きく、改質触媒７の最小粒径より小さい値に設定すれば良い。このような設定にすることで、改質触媒７の劣化を防止できる。
図６，図７は本発明の実施の形態１における燃料処理装置の停止時（常温状態）クリアランス設定の詳細を示す。
図６のように内筒１８の太さが単一の場合に、クリアランス２２の値を上段から順にＣ１，Ｃ２，・・・とすると、それぞれ前述の範囲内の中で、互いの関係は、
Ｃ１ ≦ Ｃ２ ≦ ・・・
となっている。燃料処理器の運転による温度上昇で、内筒１８は重力方向の下方が重力方向の上方よりも温度が高くなる。そのため、熱膨張により内筒１８は下にいくほど径が大きくなる。そこで燃料処理装置の停止時のクリアランス２２の設定を、内筒１８の下方の高温部１８ａと仕切り板２０との間のクリアランス２２を、内筒１８の上方の低温部と仕切り板２０との間のクリアランス２２より広くすることで、内筒１８と仕切り板が接触することを避けることができる。従って、改質触媒７の劣化を防止することができる。
仕切り板２０は多くの場合プレス加工で製作した同一部品を用いることで製造が容易になる。そこで、図７のように内筒１８の側面に多少のテーパーを設けることで、すなわち、内筒１８の外径を下に行くほど小さくする、つまり、内筒１８の高温部に行くほど外径が小さくなるテーパー形状にすることで、クリアランス２２の値を、
Ｃ１ ≦ Ｃ２ ≦ ・・・
とすることができる。よって、このような構成によって改質触媒７の劣化をより確実に防止できる。
図８は仕切り板２０と外筒１９との固定部の詳細を示す。
仕切り板２０には外筒１９に対する垂直度と溶接代を確保するために、改質対象の燃料ガス７０の流れ方向Ｆの下流側に向いて延設されているフランジ２６を有している。
つまり、フランジ２６を下向きにして外筒１９に取り付け、フランジ２６の部分を溶接部２４の位置で溶接する。このときフランジ２６は垂直よりも内向きまで曲げておく。仕切り板２０と外筒の接触部２５は圧入状態とし、溶接部２４は接触していなくても構わない。こうすることで、改質触媒７の荷重などにより、仕切り板２０に下方の力Ｐがかかったとき、接触部２５を支点とした変形となるので、溶接部２４には圧縮方向の応力ｐがかかる。そのため、溶接部２４の欠陥が進展しての溶接破壊が起こりにくくなる。溶接破壊が起こると仕切り板２０の脱落が起こり、改質触媒が落下して大幅な性能低下となるが、この構造ではそれを防止することができる。
図９は比較例を示す。この比較例では、仕切り板２０のフランジ２６は上向きに取り付けられている。仕切り板２０に下方の力Ｐがかかると、溶接部２４には引張応力ｐがかかるため、溶接破壊が起こる虞がある。
先ず、参照用に図１２の改質器８を持つ燃料処理装置を製作し、運転試験を行った。
起動から停止までの温度を測定し、その温度を用いて構造体の変形解析を行ったところ、仕切り板２０同士の距離は最も縮まったときで、初期状態よりも０．１２ｍｍ近づいていた。この燃料処理装置において約３４００回の起動停止を行い、解体して確認したところ、２０．８％の触媒に割れが発生していた。
また、図１〜図３と同様の構成の改質器８を持つ燃料処理装置を製作し、運転試験を行った。
仕切り板２０の外筒１９への固定方法は、通常の溶接トーチを使う溶接方法では、トーチが配置できないため実現できない。そこで本実施例においては、外筒１９の外面より、レーザーによる貫通溶接を行うことで、全ての仕切り板２０を外筒１９に連結して、全ての仕切り板２０が外筒１９から片持ち支持されている。図１２ではタクト短縮のため、内筒１８への固定は点付け溶接としていたが、レーザー溶接は高速に溶接が可能で、点付けとしてもタクトがほとんど変わらないため、本実施例では全周シーム溶接としており、溶接破壊による脱落が起こりにくく、信頼性が向上する。
溶接以外のかしめなどの方法で仕切り板２０を外筒１９へ固定することも可能であるが、繰り返しの熱収縮により応力が発生し、仕切り板２０には過酷な負荷がかかるため、より信頼性を確保するためには、本実施例のように溶接とすることが望ましい。
本実施例においては、内筒１８は外径φ５３．７ｍｍ、外筒１９は内径φ７７．８ｍｍで製作した。実際の起動から停止までの温度を測定し、構造解析を行ったところ、内筒１８の熱膨張により、仕切り板２０へ接近することよるクリアランス２２の縮小量は、最大で片側０．０８ｍｍであることが分かった。また、改質触媒７の最小粒径は０．９ｍｍであった。そこでクリアランス２２は０．０８ｍｍより大きく０．９ｍｍより小さい値とした。改質触媒７の最大温度を６８０℃として連続運転と起動停止の繰り返し運転を行った。
現在までに連続運転については１５００時間、起動停止の繰り返し運転については６００回までの試験を行っており、触媒性能の低下による生成ガスの成分変化や、触媒劣化による圧力損失といった不具合は発生していない。
本発明は、家庭用コージェネレーション( cogeneration または combined heat and power )システムや移動体通信の基地局等の燃料電池などに用いることによって、長期間の連続運転でも性能を低下させることなく、交換なしで継続使用できる。
１ 燃料処理装置
１ａ 断熱材
２ バーナー
３ 燃焼筒
４ 排気ガス通路
４ａ 排気ガス通路４の出口
５ 加熱器
６ 第１のガス流路
６ａ ガス流路６の入口部
７ 改質触媒
８ 改質器
９ 第２のガス流路
１０ ＣＯ変成触媒
１１ 変成器
１２ 第３のガス流路
１３ ＣＯ除去触媒
１４ ＣＯ除去器
１５ 加熱コイル
１６ 空気混合空間
１７ 水素含有ガス出口
１８ 内筒
１８ａ 内筒の高温部
１９ 外筒
２０ 仕切り板
２１ 触媒層
２２ クリアランス
２３ 内筒と外筒の下端差
２４ 溶接部
２５ 仕切り板と外筒の接触部
２６ フランジ
７０ 燃料ガス
７１ 空気
７２ 改質水
７３ 水素含有ガス
７４ 排気ガス

Claims (7)

  1. 内筒の外側に外筒が配置され前記内筒の内側を加熱する加熱器を設け、前記内筒と前記外筒の間に改質触媒を充填した改質器を設け、改質対象の燃料ガスを前記改質器に通して前記改質触媒の反応により水素リッチの改質ガスを製造する燃料処理装置であって、
    前記改質器は、前記内筒と前記外筒の間の空間内を、前記内筒および外筒の長手方向に、間隔を空けて配置した複数の仕切り板によって階層に分割して最下段の前記仕切り板の上まで前記改質触媒が充填されており、全ての前記仕切り板は、外周を前記外筒に連結して片持ち支持されている
    燃料処理装置。
  2. 前記仕切り板と前記内筒の間にクリアランスが形成されている
    請求項１記載の燃料処理装置。
  3. 前記クリアランスは、起動停止における温度変化で前記内筒および外筒の熱膨張における接近量より大きく、かつ前記改質触媒の最小粒径より小さいことを特徴とする
    請求項２に記載の燃料処理装置。
  4. 前記仕切り板と前記内筒との間のクリアランスは、
    前記内筒の高温部の側にあるものほど、前記内筒の低温部の側にあるものに
    比べて広くなっていることを特徴とする
    請求項３に記載の燃料処理装置。
  5. 前記仕切り板は、前記外筒との固定部に、改質対象の燃料ガスの流れ方向の下流側に向いているフランジを有していることを特徴とする
    請求項１に記載の燃料処理装置。
  6. 前記内筒の側面形状が、前記内筒の高温部に行くほど
    外径が小さくなるテーパー形状である
    請求項４に記載の燃料処理装置。
  7. 前記仕切り板のフランジの全周が、前記外筒に貫通溶接されている
    請求項５に記載の燃料処理装置。
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