JPH01107843A - 改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池の燃料供給ラインに設けられ、原燃
料ガスを水蒸気改質して改質燃料ガスを得る改質装置の
改良に関する。

（従来の技術） 近年、燃料が持っているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換するものとして燃料電池が実開化されている
。この種の燃料電池は、通常電解質を挟んで一対の多孔
質電極を配置して構成されるとともに、一方の正電極の
背面に水素などの燃料ガスを接触させ、また他方の負電
極の背面に酸素などの酸化剤を接触させ、この両電極間
に起る電気化学的反応を利用して上記両電極間から電気
エネルギーを取り出すように構成されている。

しかして、燃料電池の正電極に供給される燃料ガスは、
原燃料とスチームとを混合して改質装置に導入し、ここ
で燃料とスチームは加熱されて改質反応が行なわれ、水
素含有率の高い燃料ガスに改質して作られる。

この従来の改質装置の基本構成は、第６図に概略的に示
すように改質器容器１内に所要数本の改質管２がスリー
ブ管１９に保護されて縦方向に配設されているものであ
る。改質管２は原燃料ガスが挿入される外側管２ａと、
改質された燃料ガスが燃料電池の正電極へ向って送られ
る内側管２ｂとの同芯二重管に構成されている。その外
側管２ａと内側管２ｂとの間に改質触媒層３が充填され
、外側管２ａとスリーブ管１９との間に伝熱充填層９が
充１眞されている。また改質器容器１の底部に改質管２
の頭部１２に向う燃焼バーナノズル６を有する燃焼室７
が設けられている。

この従来の改質装置においては、改質器容器１内の改質
管２の頭部１２の付近は、燃焼バーナノズル６による燃
焼ガスの燃焼によって高温化される。

これによって１ｑられた高温燃焼ガスは、矢示Ｙ１に示
すように改質管２の外側管２ａとスリーブ管１９との間
の伝熱充填層９を通過し、改質管２の外側管２ａを加熱
しながら、改質器容器１内の上方から外部へ排出される
。

一方、改質管２の外側管２ａの原燃料ガス入口管１１か
ら原燃料ガスと水蒸気とが矢示Ｙ２のように導入される
。この原燃料ガスと水蒸気とは、外側管２ａと内側管２
ｂとの間の改質触媒層３を通るときに加熱されて改質ガ
スに生成される。この生成された改質ガスは、矢示Ｙ３
の方向にしたがって改質管頭部１２で反転し、内側管２
ｂのリターンパス１３を上昇する。このリターンパス１
３を通る間に改質触媒層３に熱を与えて温度が低下し、
その後改質ガス出口管１４から改質器容器１の外部に排
出されて図示しない燃料電池の正電極へ送られる。

しかして、従来の改質装置の伝熱充填層９は、その下部
が高温になることからその材料として耐熱材であるアル
ミナ等の粒子を充１眞して形成され、この粒子間を高温
燃焼ガスが通過することによって改質管２の外側管２ａ
への伝熱特性が高められて効率の良い改質が行なわれる
ようになっている。

すなわち、改質ガスの改質量は温度に依存し、例えば７
５０’Ｃ〜８００℃に改質ガスを加熱すると改質は急激
に進行し、特に原料ガスとしてメタンを水蒸気と共に導
入して水素と一酸化炭素に改質する。

改質器を実際に運転すると伝熱充＠層９の温度が上昇し
、スリーブ管１９と改質管２の外側管２ａの間の間隔が
広がる。第７図および第８図は伝熱充＠層９の最下部の
詳細図であり、第７図は運転時を示し、第８図は停止時
を示している。

この第７図および第８図により伝熱充填粒子２０とスリ
ーブ管１９の関係を説明すると、伝熱充＠層９は停止常
温時に材質アルミナの如き耐火物でできた球形状あるい
は円柱状の粒子２０を充填して作られる。この状態では
第８図に示すごとく温度は常温であるため、スリーブ管
１９と改質管２どの間隔は少ないため、充填粒子２０を
ランダムに充填しても４列にしか充填されない。

しかし、この改質装置の運転を開始して温度が上昇する
と、改質管２の外側管２ａもスリーブ管１９も高温にな
り、これらの材質は金属であるため、熱膨張によって両
管の間隔は広がる。

この時に充填粒子２０の材質はアルミナであることから
、高温までの熱膨張は金属の約１７３であるため、粒子
と管の間の間隔が大きくなり、運転時の状態では第８図
に示すごとく両管の間隔が広がった所に充填粒子は１段
おきに５列充填される場合がある。第７図および第８図
は極端な１例でおるが一般に間隔ができると上部の充填
粒子２０が下部空間におちて伝熱充填層９は沈下する。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の改質装置の改質管２とスリーブ１
９との関係において、このように間隙が広がるだけであ
ればよいが、運転を停止して温度が低下する事によって
両管の間隙は縮少する。この縮少時に粒子２０が上部に
浮上して第７図から第８図の状態になってくれるとよい
が、そのような事はなく、リーブ管１９の温度低下によ
る収縮によって充填粒子２０は締め付けられて破損する
。この破損する事により粒子２０は小分割されると同時
に、粉末が出てこの伝熱充填層の下流にアルミナの粉末
が流下する。

それと同じに充填粒子が小分割されるために、伝熱充ｌ
ｊＭ層の圧力損失ヘッドが停止するごとに増加する事に
なる。またやがては充填粒子の分割が細分化されると、
強度が高くなってスリーブ管が停止する時に破損する結
果をもたらす。

本発明の目的は、急激に起動・停止を行なっても伝熱充
填層の充填粒子が破損するような事がなく、スリーブ管
も破損する事のない信頼性の高い特性の変化がない改質
装置を得ることにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の改質装置は、伝熱充填粒子が充填される改質管
とスリーブ管との間の充填層断面積が温度変化の熱膨張
によって増加して充填粒子と管壁との間に空間ができて
も上部の充填粒子が下部の空間に落らないように充填粒
子の形状および配列を構成したことを特徴とするもので
ある。

（作　用） 本発明においては、改質器の運転・停止によって充填層
の収納空間断面積が改質管およびスリーブ管の熱膨張に
よって変化しても、充填粒子が配列をくずして下部空間
に落下して配列が変化することなく、また急激に停止し
て管が冷却しても充填粒子が締められて破損したりスリ
ーブ管が破損したりすることがない。

（実施例） 以下本発明を第１図、第２図、第３図、第４図および第
５図に示す一実施例を参照して説明する。

まず第１図において、本発明による改質装置は、断熱材
１６を内張すした改質器容器１の内部に所要数本の改質
管２がそれぞれスリーブ管１９で保護されて縦方向に配
置して構成される。これらの各改質管２は第６図で説明
したように原燃料ガスが挿入される外側管２ａと、改質
された燃料ガスが通る内側管２ｂとの同志二重管構成で
、その頭部１２でガスの流れがリターンするよう構成さ
れている。

各々の改質管２は、その外側管２ａの上部が管板１５ａ
で支持され、スリーブ管１９の上部が管板１５ｂで支持
され、また最外側のスリーブ管１９の外周を全長にわた
って内張断熱材１６で支持されていることにより、改質
器容器１内に強固に配設されている。その改質管２の各
外側管２ａの上部は図示のように共通ヘッダ１１ａに連
通されており、この共通ヘッダ１１ａには図示しない燃
料電池の原燃料ガスが原燃料ガス入口管１１から矢示Ｙ
２で送り込まれる。また各内側管２ｂの上部はそれぞれ
共通ヘッダ１４ａに接続され、この内側側２ｂのリター
ンパス１３を矢示Ｙ３で上昇してきた改質ガスは、この
共通ヘッダ１４ａから改質ガス出口管１４を通つて図示
しない燃料電池の正電極へ送られる。

さらに改質器容器１の下部に燃焼至７が形成されており
、この燃焼室７内に突設する燃焼バーナノズル６には、
燃焼空気入口管４がら空気が、また燃焼ガス入口管５か
ら燃焼ガスが同時に送り込まれる。燃焼バーナノズル６
で発火して燃焼至７で燃焼させる。その燃焼室７内の高
温燃焼ガスは、矢示Ｙ１　のように改質管２の外側管２
ａとスリーブ管１９との間を上昇し、管板１５ａ、　１
５ｂの至から排ガス出口管１０を通って外部に排出され
る。

しかして、本発明においては、改質管２の外側管２ａと
内側管２ｂとの間の環状のガス通路に改質触媒層３を充
填してその上、下端を目皿３ａ。

３ｂで閉じ、また外側管２ａとスリーブ管１９との間の
環状のガス通路に伝熱充填層９を形成するが、この改質
触媒層３および伝熱充填層９の構成を改良した点に特徴
を有する。

すなわち、改質管２とスリーブ管１つとの相対関係およ
び改質触媒層３と伝熱充填層９との相対関係を示す第２
図および第３図において、伝熱充填層９の充填粒子９ａ
と改質触媒層３の触媒層３ａの形状が円柱状であり、円
柱の上下面の円平面を水平に配置した構成にしている。

ざらに本発明による伝熱充＠層９の構成をわかりやすく
説明するために、従来の第７図および第８図の充填粒子
２０の配列と同様に第４図および第５図に本発明の充填
粒子９ａの配列を示した。従来の第７図および第８図の
充填粒子２０が球形であるのにくらべて本発明の第４図
および第５図の充填粒子９ａは円柱形であり、円柱軸と
管軸を平行にし、その上下面を水平に並べて配置する事
により、運転中にもその配列が崩れる事がない。第５図
は常温時であるが、第４図の運転時には、温度が上昇し
てスリーブ管１９が熱膨張で広がっても、充填粒子９ａ
との間隙が増加するだけで、充填粒子９ａの配列がくず
れる事はないことを示している。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、改質器の運転停止
によって充填層の断面積がスリーブ管の熱膨張により変
化しても、充填粒子が配列をくずして下部空間に落下し
て配列が変化する事がなく、また急激に停止してスリー
ブ管が冷却しても充填粒子が破損したり、スリーブ管が
破損したりする事がない。ざらに伝熱充ＩＩ４層の圧力
損失も粒子の破損によって変化する事がなく、常に一定
した信頼性の高い改質装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の改質装置の一実施例を示す断面図、第
２図は本発明の改質管およびスリーブ管の相対関係を一
部断面して示す正面図、第３図は第２図■−■線に沿う
断面図、第４図および第５図は本発明の伝熱充填層を説
明するための拡大断面図、第６図は従来の改質管の機能
を説明するための概略構成図、第７図および第８図は従
来の伝熱充填層を説明するための拡大断面図である。 １・・・改質器容器 ２・・・改質管 ３・・・改質触媒層 ３ａ・・・改質触媒層 ９・・・伝熱充填層 ９ａ・・・伝熱充填粒子 １０・・・排ガス出口管 １１・・・原燃料ガス入口管 １４・・・改質ガス出口管 １６・・・断熱材 １９・・・スリーブ管 （８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか　
１名） 第１図 第２図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）外側管および内側管が改質触媒層を介して同芯二
   重管構造としその一端頭部でリターンパスを形成しその
   外側管に導入された原燃料ガスが改質触媒層を通るとき
   改質ガスとなつて内側管から送り出される改質管と、こ
   の改質管の外側に伝熱充填層を介して挿入したスリーブ
   管と、このスリーブ管で保護された前記改質管の複数本
   がリターンパス頭部を燃焼室に位置するように配設した
   改質器容器とを具備し、前記伝熱充填粒子が充填される
   改質管とスリーブ管とで形成される充填層断面積が温度
   変化の熱膨張によって増加して充填粒子と管壁との間に
   空間ができても上部の充填粒子が下部の空間に落ちない
   ように充填粒子の形状および配列を構成したことを特徴
   とする改質装置。
2. （２）改質触媒粒子が充填される改質管の内側管および
   外側管で形成される改質触媒層断面積が温度変化の熱膨
   張によって増加して触媒粒子と管壁との間に空間ができ
   ても上部の触媒粒子が下部の空間に落ちないように粒子
   の形状および配列を構成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の改質装置。
3. （３）伝熱充填粒子および改質触媒粒子の形状が相対す
   る２平行平面を有しかつその平面間の寸法が平面の縦横
   寸法より大きいものとし、さらにその粒子は２平面を水
   平に並べて充填したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項および第２項記載の改質装置。