JPH01282113A - 燃料改質装置 - Google Patents

燃料改質装置

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JPH01282113A
JPH01282113A JP63110695A JP11069588A JPH01282113A JP H01282113 A JPH01282113 A JP H01282113A JP 63110695 A JP63110695 A JP 63110695A JP 11069588 A JP11069588 A JP 11069588A JP H01282113 A JPH01282113 A JP H01282113A
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洋 新海
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    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
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    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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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】 〔産業上の利用分野] 本発明は、燃料電池の燃料として用いられる水素に冨む
ガスを、改質原料ガスを触媒の作用の下に改質して生成
する燃料改質装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、炭化水素を吸熱反応により改質して水素に冨むガ
スを反応生成するための装置としてしばしば二重管構造
のものが採用されている。この二重構造の利点はこの中
に充填される改質触媒層が二重になっているので反応管
の全長を短かくすることができること、燃焼ガスの流れ
方向と反応ガスの流れ方向とを逆にできるとともに触媒
層に入る原料ガスと触媒層から出る反応ガスとの間の熱
交換により熱効率がよくなること、バーナを内管の中に
設置できるためコンパクトな構造にすることができるこ
となどである。(米国特許3,144゜312参照) このような二重管構造では改質原料ガスが通流する触媒
層の始点と終点とは隣り合わせてその温度は異なる0例
えばメタンガスの吸熱反応による水蒸気改質の場合触媒
層の始点の温度は400〜550℃であり、終点の温度
は650〜800”Cであるため、仕切円筒を通して熱
交換が行なわれるため触媒層の終点の温度が低下し、反
応が不十分なままで反応ガスが触媒層から出てしまうと
いう問題点がある。この問題点を解決するため、本出願
人は先に燃料改質装置に用いられる吸熱反応装置を提案
している。この提案においても触媒層に入る改質原料ガ
スと触媒層から出る反応ガスとの間で熱交換を行ない、
熱の有効利用をはかるとともに触媒層から出る反応ガス
の温度を低下させている。
第2図は本出願人が提案した上記の吸熱反応装置の断面
図であり、この図によりその概略を説明する0図におい
て吸熱反応装置1は反応管2と、反応管2の内側に配さ
れるバーナ3と、このバーナ3を上部に備え、反応管2
内に改質触媒が充填されてなる触媒充填部を外部から囲
む炉容器4とから構成されている。反応管2において、
5は直立し、た仕切円筒であり、この仕切円筒5を挟ん
でその両側に円筒状の外管6と内管7とが配置されてい
る。外管6と内管7との下端部は仕切円筒5の下端から
離れて半トーラス状の底板で連結され、外管6と仕切円
筒5および仕切円筒5と内管7とによりそれぞれ下端部
で接続する外側環状空間8と内側環状空間9とが形成さ
れている。外側、内側環状空間8,9においてその下半
部には改質触媒12が充填されて外触媒層10 と内触
媒7111とが下端部の半トーラス部で接続されて形成
されている。そして内触媒Jli 10と外触媒層11
 とを仕切る仕切円筒5の下半部は本出願人が提案した
断熱層13を有している。一方外側、内側環状空間8,
9の上半部には対流伝熱を促進するアルミナ等からなる
伝熱粒子22が充填されて熱交換部が形成されている。
外側環状空間8の上端部には改質原料ガスマニホールド
15を介して改質原料ガスの入口16が、また内側環状
空間9の上端部には反応ガス出口マ二ホールド17を介
して反応ガスの出口18が形成されている。
バーナ3は反応管2の内側に設けられ、さらにバーナ3
からの燃焼ガスが反応管2内の触媒充填部を加熱するよ
うに外触媒層10 と内触媒層11とからなる触媒層の
始点、終点のレベルに配置されている。
炉容器4はバーナ3を上部に備え、反応管2の外触媒層
10と内触媒層11 とからなる触媒層を外部から囲む
ように設けられ、その内側面と底面とには耐火断熱材】
9が配設されている。そして炉容器4内にはバーナ3か
らの燃焼ガスが反応管2の内側に沿って流れた後、反応
管2の下端で折返して反応管2の外側に沿って流れる燃
焼ガス通路20が形成されている。なお16反応管2の
外側部の燃焼ガス通路20は外触媒層10部の外管部を
囲み、炉容器4の側面の耐火断熱材19に接してなる筒
21の中に燃焼ガスの対流伝熱を促進する伝熱粒子22
が充填されて構成されている。
このような構造の吸熱反応装置において、バーナ3に燃
料人口23から燃料を送入し、図示しない空気入口から
燃焼空気を送入して燃料を燃焼させると、バーナ3から
の燃焼ガスは燃焼ガス通路20である反応管2の内側を
下方に流れ、反応管2の下端で折返して伝熱粒子22が
充填された反応管2の外側の燃焼ガス通路を上方に流れ
、燃焼ガス出口24から外部に排出される。
一方、改質原料ガスは改質原料ガス入口16から流入し
、外側環状空間8の上半部を下方に流れ、さらに下半部
の外触媒層lOを下方に流れて下端部で折返して内側環
状空間部9の下半部の内触媒層11を上方に流れ、さら
に上半部を流れて反応ガス出口18から外部に流れる。
上記のようにバーナ3からの燃焼ガスにより外触媒層l
Oと内触媒層11 とからなる触媒層は加熱され、この
触媒層を燃焼ガスの流れ方向と逆方向に流れる改質原料
ガスとしてのメタンガスは改質触媒の作用の下に吸熱反
応により水蒸気改質して水素と一酸化炭素とからなる反
応生成ガスになる。この場合、吸熱反応に伴い外触媒層
10と内触媒層11 とからなる触媒層の隣り合わせる
部位では温度差があり、この中で触媒層の隣り合わせる
改質原料ガスが入る始点と反応ガスがでる終点が最も大
きい温度差になるが仕切円筒5の伝熱層13のため熱の
移動が阻止される。このため触媒層の終点近くの温度は
吸熱反応を完成させるのに必要な高温を保持し、十分に
水蒸気改質された反応生成ガスが得られる。
なお、触媒層からでる高温の反応生成ガスは、外側、内
側環状空間8.9の上半部の熱交換部により、改質原料
ガス入口16から外側環状空間8の上半部を流れる改質
原料ガスと熱交換してこのガスを昇温し、この昇温した
ガスが外触媒層lOに流入するので熱効率が向上すると
ともに反応生成ガスの温度は低下して反応ガス出口18
から外部に送出される。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記のように触媒層に入る改質原料ガスと触媒層から出
る水蒸気改質された反応生成ガスは触媒層に入る改質原
料ガスと熱交換され、反応生成ガスは温度が低下して触
媒層から出ていく。しかし、反応生成ガス中には燃料電
池の電極触媒層の触媒毒となる一酸化炭素を多量に含み
、例えば炭化水素を水蒸気改質した場合8〜14%も含
まれている。
したがってこのガスをそのまま燃料電池用の燃料ガスと
して使用するのは不適切である。このため、従来燃料電
池用としては吸熱反応装置の後段に一酸化炭素変成器を
設置して触媒層から出た反応生成ガスをこの一酸化炭素
変成器に通流して一酸化炭素量を燃料電池が許容する量
まで低減している。
しかしながら、触媒層からでる反応生成ガスをそのまま
一酸化炭素変成器に送るのは後段の一酸化炭素変成器の
負荷が大きくなるので、この負荷を軽減するため、反応
管内部で触媒層から出る反応生成ガスの一酸化炭素変成
を行なわせることを検討した。
本発明の目的は、二重管構造の反応管にて水蒸気改質さ
れて触媒層から出る反応生成ガス中の一酸イし炭素量を
低減し、後段の一酸化炭素変成器の負荷を低減すること
のできる燃料改質装置を提供することである。
とこれを挟んでその内外に同心的に設置され下端部で前
記仕切円筒の下端から離れて互に連結された外管および
内管により仕切円筒で仕切られ下端部で通じる内外2重
の環状空間が形成され、この内側と外側との環状空間の
下半部には改質触媒が充填され外側の環状空間の上端に
は改質原料ガス入口が、一方内側の環状空間の上端には
反応ガス出口が形成され、内側と外側との環状空間の上
半部で改質原料ガスと反応ガスとの間で熱交換する反応
管と、この反応管の内側にその触媒充填部を加熱するよ
うに配置されたバーナと、このバーナを上部に備え前記
反応管の触媒充填部を外部から囲み、バーナからの燃焼
ガスを前記の内側の環状空間内の触媒充填部から外側の
環状空間内の触媒充填部に沿わせて導く燃焼ガス通路を
備える炉容器とからなる燃料改質装置において、前記内
側の環状空間の上半部に一酸化炭素変成触媒を充填する
ものとする。
〔作用〕
改質原料ガスを水蒸気改質する際用いられる改質触媒か
らなる触媒充填部に入る改質原料ガスと触媒充填部から
出る反応ガスとが、仕切円筒を介して内側、外側環状空
間の上半部で熱交換する内側環状空間の上半部に一酸化
炭素を変成する変成触媒を充填することにより、触媒充
填部で吸熱反応して触媒充填部から出た反応生成ガスは
触媒充填部に入る低温の改質原料ガスと熱交換しながら
一酸化炭素変成触媒の下に発熱反応により〜・酸化炭素
が変成されるので、後段に配される一酸化炭素変成器の
負荷が軽減される。
〔実施例〕
以下図面に基づいて本発明の実施例について説明する。
第1図は本発明の実施例による燃料改質装置の断面図で
ある。なお、第1図において第2図の従来例と同一部品
には同じ符号を付し、その説明を省略する0図において
、燃料改質装置30は第2図に示す吸熱反応装置lと殆
んど同し構造であるが、異なるのは内側環状空間9の上
半部に粒状の一酸化炭素変成触媒25を充填したことで
ある。なお、外側環状空間8の上半分に伝熱粒子22を
充填しているが、これ以外に仕切円筒5にフィンをつけ
るなどの伝熱促進手段を採用してもよい。
このような構成により自触媒層11 から出る水蒸気改
質された高温の反応生成ガスは仕切円筒5を介して伝熱
粒子22と伝熱粒子の役目もする変成触媒25とにより
伝熱が促進されて外触媒層10に入る低温の改質原料ガ
スにその持っている熱を与えることにより温度が低下し
、一方散質原料ガスの温度を上昇させる。そして反応生
成ガスは変成触媒25の作用の下にその含んでいる一酸
化炭素と水蒸気から発熱反応により水素と炭酸ガスとを
生成して一酸化炭素濃度を低減する。この場合、例えば
温度750’C,圧力1.5kg / cd G 、水
蒸気炭素比3.25で反応して水蒸気改質されたガスは
13%の一酸化炭素を含んでいるが、この改質ガスの温
度が熱交換により350’Cまで下げられ平衡濃度に達
したならば変成触媒25の作用の下に一酸化炭素濃度は
1.5%程度まで低下する。
〔発明の効果〕
以上の説明で明らかなように二重管構造の内部を仕切円
筒により仕切られた外側と内側の環状空間の下半分に改
質触媒を充填してなる触媒層を有する反応管の内側の環
状空間の上半部に一酸化炭素変成触媒を充填することに
より、触媒層から出る一酸化炭素を含む改質されたガス
は触媒層に入る改質原料ガスと熱交換してその温度は下
げられるとともに一酸化炭素変成触媒により一酸化炭素
変成が行なわれて一酸化炭素濃度が低減され、後段に設
けられる一酸化炭素変成器の負荷が低減し、これに伴っ
てその容量を小さくしたり、あるいはその寿命を長くし
たりするという効果がある。また、燃料電池の許容する
一酸化炭素濃度以下になれば、−酸化炭素変成器を不要
にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例による燃料改質装置の断面図、
第2図は従来の燃料改質装置に用いられる吸熱反応装置
の断面図である。 2・・・反応管、3・・・バーナ、4・・・炉容器、5
・・・仕粒子、25・・・−酸化炭素変成触媒、30・
・・燃料改質袋′51 図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)直立した仕切円筒とこれを挟んでその内外に同心的
    に配置され下端部で前記仕切円筒の下端から離れて互に
    連結された外管および内管により仕切円筒で仕切られ下
    端部で通じる内外2重の環状空間が形成され、この内側
    と外側との環状空間の下半部には改質触媒が充填され外
    側の環状空間の上端には改質原料ガス入口が、一方内側
    の環状空間の上端には反応ガス出口が形成され、内側と
    外側との環状空間の上半部で改質原料ガスと反応ガスと
    の間で熱交換する反応管と、この反応管の内側にその触
    媒充填部を加熱するように配置されたバーナと、このバ
    ーナを上部に備え前記反応管の触媒充填部を外部から囲
    み、バーナからの燃焼ガスを前記内側の環状空間内の触
    媒充填部から外側の環状空間内の触媒充填部に沿わせて
    導く燃焼ガス通路を備える炉容器とからなる燃料改質装
    置において、前記内側の環状空間の上半部に一酸化炭素
    変成触媒を充填したことを特徴とする燃料改質装置。
JP63110695A 1988-05-07 1988-05-07 燃料改質装置 Expired - Lifetime JPH0764521B2 (ja)

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