JPH01305802A - 燃料改質器 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、改質原料ガスを水素に富むガスに改質して燃
料電池に供給する燃料改質器に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池は化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換
するものであり、小出力でも高い熱効率が得られること
から最近では従来のエンジン発電機やタービン発電機に
替わる移動用電源、離島用電源として開発、展開が進め
られている。ところで燃料電池に供給する燃料ガスの水
素源として天然ガスやＬＰＧ、あるいはこれらの主成分
である炭化水素に比べて反応温度が大幅に低く、かつ改
質工程も節単に済むメタノールが用いられている。

これらの炭化水素やメタノールは改質触媒の下に水蒸気
改質反応により水素に冨むガスに改質され、燃料電池の
燃料ガスとなる。

ところで天然ガスは主成分であるメタンが下記の二つの
反応により改質される。

ＣＨ４＋Ｈ，ｏ　　→ＣＯ＋３Ｈｚ　　　　（１１Ｇｏ
　　＋ＨｚＯ＝　　Ｃｏｔ　＋Ｈｔ　　　　（２１ｆｉ
ｌの反応はＮｉ系の改質触媒の下で７００℃〜９００℃
で行われる吸熱反応であり、（２）の反応はＣｕ系の改
質触媒の下で２００℃〜４００℃で行われる発熱反応で
ある。なお、（１）の反応はＮｉ系の改質触媒が充填さ
れた反応管を存する燃料改質器で行われ、（２）の反応
はＣｕ系の改質触媒を内蔵する一酸化炭素変成器で行わ
れる。

一方、メタノールは気化したメタノールガスが下記の２
段の反応により改質されると考えられている。

ＣＨｚＯＨ−４ＣＯ＋２Ｈ□　　　　　（３）Ｃｏ　＋
　Ｈ１０＝　　Ｃｏｔ　”　Ｈｔ　　　　　　＋４１（
３１，＋４１の反応はいずれもＣｕ系の改質触媒の下で
２００℃〜４００℃で行われ、（３）の反応は吸熱反応
、（４）の反応は発熱反応であるがトータルすると吸熱
反応である。なお、＋３１．　＋４１の反応は反応温度
が低く、−酸化炭素の濃度も低いため、Ｃｕ系の改質触
媒が充填された反応管を有する燃料改質器のみで行われ
る。

上記のメタン、メタノール等の改質原料ガスを改質する
燃料改質器の反応管における水蒸気改質反応はいずれも
大きな吸熱反応であるので外部からの熱の供給が必要で
あり、この場合外部からの伝熱が律速になっている。外
部からの熱の供給は、高温の熱媒体、例えば燃焼ガスに
よって行われ、反応管を燃料改質器のケーシング内に配
設し、燃焼ガスをケーシング内に導いて反応管の管壁に
沿って通流させて反応管内の改質触媒からなる改質触媒
層を加熱し、改質原料ガスを水蒸気改質反応により水素
に富むガスに改質している。

上記のように改質原料ガスを水蒸気改質する装置として
従来第４図に示す燃料改質器が知られている０図におい
て燃料改質器ｌは次に述べる構造から構成されている。

ケーシングとしての炉容器２は上部に熱媒体供給源とし
てのバーナ３を配し、さらにバーナ３を囲んで筒として
の円筒状の隔壁４が炉容器２内の端部の端板を貫通して
懸架されて構成されている。５はバーナ３に燃焼用燃料
を供給する燃料供給管である。過熱管６は螺旋状の管か
らなって隔壁４内に配され、その上部は改質原料ガス入
口管７が炉容器２の端板を貫通して設けられ、一方下部
は改質原料ガス分配管８を介して反応器１０に接続して
いる０反応器１０は隔壁４を囲む内管と外管との間に改
質触媒１１が充填されてなる反応管１２と、これを囲む
同様な構造の反応管１２ａとからなる同心の二重の反応
管からなり、上部には反応管１２．１２ａからの改質ガ
スを集める出口管１３ａを備えた改質ガスマニホールド
１３が設けられ、下部には互いに連通して各反応管の下
部に接続するヘッダ１４が設けられて構成され、隔壁４
と炉容器２の側壁とで画成される加熱室９内に配置され
ている。そして反応器１０には連通孔１５が設けられ、
燃焼ガスはこの連通孔１５を通って反応器１０の内、外
側部を自由に流れることができる。なお、Ａ、Ｂ、Ｃは
改質触媒層１１が充填されてなる改質触媒Ｍの温度計測
点であり、Ａは改質触媒層の最ｒ部、Ｂは中央部、Ｃは
最上部の計測点である。

１６は燃焼ガスを外部に排出する排出管である。

つぎにこのような構造の燃料改質器の運転方法について
説明する。まず、燃料供給管５を経て燃焼用の燃料をバ
ーナ３に供給し、図示しない燃焼空気供給手段によりバ
ーナ３に供給される燃焼空気により燃料を燃焼する。こ
の陸生じる燃焼ガスは隔壁４内を流下して過熱管６を加
熱した後、隔壁４の下端で折返して加熱室９内を上昇し
て流れ、この際反応管１２．１２ａをその内、外側面か
ら加熱した後、燃焼ガスの一部が連通孔１５を通って排
出管１６から外部に排出される。そしてこの燃焼ガスの
加熱により反応管１２．１２ａ内の改質触媒層の最低温
度が１００℃以上となったら改質が開始される。すなわ
ち改質原料ガス入口管７から改質原料ガスを過熱管６に
送入する。そして過熱管６にて改質原料ガスは燃焼ガス
により加熱されて過熱ガスとなり、この過熱ガスは改質
原料ガス分配管８を経て反応管１２．１２ａに流入し、
反応管１２．１２ａ内の改質触媒１１の下に水素に富む
ガスに改質される。なおこの際、改質触媒層は改質反応
に適切な温度範囲に制御される。反応管１２．１２ａで
生成された改質ガスは改質ガスマニホールド１３を経て
出口管１３ａから外部の燃料電池に反応ガス用の燃料ガ
スとして供給される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように燃料改質器を運転する場合、熱媒体として
の高温の燃焼ガスにより反応管内の改質触媒層を加熱し
、改質触媒層の最低温度が１００℃以ヒになれば改質原
料を反応管内に送気し、改質を開始する。改質反応は前
述のように吸熱反応であるため、燃焼ガスによる改質触
媒層の加熱により改質反応は進められる。しかし燃焼ガ
ス量が少なすぎると改質触媒は低温になって未改質ガス
が生したり、また燃焼ガス量が多ずぎると改質触媒が劣
化したり、燃料電池の電極触媒層に対する触媒毒となる
一酸化炭素の濃度が多い改質ガスが生成されたりするの
で、改質触媒層は適正な温度範囲、例えばＣｕ系触媒の
場合は２６０℃〜３００　’Ｃの範囲に制御する必要が
ある。

しかしながら、多重の反応管１２．１２ａ内の改質触媒
層が燃焼ガスにより加熱される場合、改質触媒層には各
反応管の燃焼ガスの流れる方向、すなわち上下方向に温
度差が生じ、また炉容器２の同一レベルにおける中心か
ら外周に向かう方向、すなわち径方向に温度差が生じる
。

第５図は第４図の燃料改質器１においてバーナ３からの
燃焼ガスにより反応管１２．１２ａを加熱して改質反応
を行わせた時の燃料改質器の昇温特性を示すグラフであ
り、横軸に改質触媒層の加熱開始から改質反応の適正温
度範囲内の動作温度幅して行われるまでの時間経過を、
縦軸に改質触媒層の温度をとり、改質触媒層の計測点Ａ
、Ｂ、Ｃ（第４図参照）の温度を示している。なお、実
線は内側の反応管１２、一方破線は外側の反応管１２ａ
の改質触媒層の温度を示している。図から改質触媒層の
−Ｆ下方向の昇温速度は反応管１２．１２ａともに改質
触媒層の最下部が最高であり、中央部、最上部の順で低
くなっている、すなわち燃焼ガスの流れの上流から下流
に向かうほど改質触媒層の昇温速度は遅くなっているこ
とが理解される。

一方、改質触媒層の径方向の温度差は、炉容器２の外周
側の反応管１２ａ内の改質触媒層の昇温速度が中心側の
反応管１２の昇温速度より遅くなっていることが理解さ
れる。

とこで、反応管１２．１２ａの改質触媒層の最低温度が
１００℃になって改質原料ガスを反応器ｌＯに送入でき
るまでの起動時間Ｔは改質触媒層の上下方向や径方向の
温度差を小さくすることによりさらに短くできるもので
あり、これによって改質反応時の改質触媒層の温度の適
正範囲により早く到達し、燃料電池に改質ガスを早く供
給できるので、起動時間をより短くすることが要望され
ている。

本発明の目的は、改質触媒層の温度分布の温度差を小さ
くすることにより反応器の昇温速度分布を均一にして改
質原料ガスの改質時の起動時間を短縮することのできる
反応器を備えた燃ネ１改￥ｉ器を提供することである。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記課題を解決するために、本発明によれば改質触媒が
充填された反応器の側面に沿って流れる熱媒体により反
応器を加熱して反応器を通流する改質原料ガスを水素に
富むガスに改質する燃料改質器において、熱媒体が流れ
る上流から下流にいく程熱媒体が接触する反応器の側面
に伝熱を促進する手段を密に設けるものとする。

また、内管とこれを囲む外管との間に改質触媒が充填さ
れた反応管を互いに連通して同心に多重に配設してなる
多重反応器を、一方の端部の端板を貫通する筒を内蔵す
るケーシング内の前記筒とケーシングとで画成される加
熱室に筒を囲む同心に配設し、熱媒体供給源からの熱媒
体を筒内に通流した後加熱室内の各反応管の側面に沿っ
て通流して各反応管を加熱して各反応管を通流する改質
原料ガスを水素に富むガスに改質する燃料改質器におい
て、前記各反応管を加熱しながら流れる熱媒体の通路の
熱媒体の流れ抵抗をケーシングの中心から外周に向かう
程小さくするものとする。

〔作用〕

熱媒体が流れて伝熱を行う反応器の側面に伝熱を促進す
る手段、例えば伝熱用のフィンを熱媒体が流れる上流か
ら下流に向かう程密に取付けて伝熱が行われる伝熱面積
を大きくすることにより、熱媒体の温度は反応器に熱を
与えて下流程低下するが、下流に行く程伝熱面積を大き
くしているので、熱媒体の反応器の側面への熱伝達が均
一になり、このため熱媒体の上流から下流に向かう方向
の温度分布の温度差ガ小さくなる。

また、多重反応器において各反応管を加熱する熱媒体が
各反応管の側面に沿って流れる通路、すなわち筒と反応
管、相隣る反応管および反応管とケーシングとの間の通
路の熱媒体の流れ抵抗をケーシングの中心から外周に向
かう程小さくしているので、熱媒体は外周にある通路程
多量に流れ、このため外周からの熱放散を補償して多重
反応器の径方向の改質触媒層の温度分布の温度差を小さ
くすることができる。

〔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器の断面図であ
る。なお第１図において第４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図におてい本実
施例では反応器１０を多重反応器としそ反応管１２．１
２ａ、　１２ｂ、　１２ｃとから構成している。そして
従来例と異なるもののうちその一つは各反応管１２＋　
１２ａ＋　１２ｂ＋　１２ｃの内外側面に伝熱を促進す
る手段としてのフィン２０を取付けたことである。フィ
ン２０は第２図の反応管の側面展開図に示すように燃焼
ガスが矢印２１方向に流れる上流から下流に向かう程密
に取付け、伝熱面積を上流から下流に向かう程大きくし
ている。このため燃焼ガスの温度が下流に向かう程低下
しても熱伝達量が均一になり反応管１２．１２ａ、　１
２ｂ、　１２ｃ内の改質触媒層の上下方向の温度差は小
さくなる。また従来例と異なる他の一つは燃焼ガスが反
応管１２．１２ａ。

１２ｂ、　１２ｃの側面に沿って流れる通路である隔壁
４と反応管１２１反応管１２と１２ａ９反応管１２ａと
１２ｂ１反応管１２ｂと反応管１２Ｃ１反応管１２ｃと
炉容器２の側壁との隙間である燃焼ガスの通路の燃焼ガ
スが流れる流れ抵抗を上記の順で小さくしたことである
。

すなわち図において隔壁４．各反応管のへフダ１５およ
び炉容器２の側壁との隙間を改質器１０の内側から外側
に向かってΔＧｌ＋ΔＧｅｌΔＧｆｆ＋ΔＧオ、ΔＧ、
とした時、この大きさをこの順で大きくする、すなわち
ΔＧ、＜ΔＧ、＜ΔＧｓ＜ΔＧ４＜ΔＧ。

とし、外周側の通路程燃焼ガスが多量に流れるようにし
ている。

このような改質器の構造により、バーナ３からの燃焼ガ
スは隔壁４内を流れた後、加熱室９内の反応管１２．１
２ａ、　１２ｂ、　１２ｃの側面に沿って下方から上方
に向かって流れて燃焼ガスは各反応管を加熱する。この
際、各反応管にはフィンｚＯが燃焼ガスの流れる上流か
ら下流に向かう程密に取付けられているので、反応管の
下部から上部に向かって熱伝達量が均一化され、反応管
内の改質触媒層の上下方向の温度分布の温度差は小さく
なる。また、燃焼ガスの通路の流れ抵抗はケーシングの
中心から外周に向かう程小さくしているので、外周に近
い反応管程燃焼ガスは多量に流れ、多重反応器の各反応
管内の改質触媒層の径方向の温度分布の温度差が小さく
なる。

第３図は本実施例による燃料改質器の起動時の昇温特性
を示すグラフであり、第５図と同じ要領で横軸に反応管
内の改質触媒層の加熱開始からの時間経過を、縦軸に改
質触媒層の計測点Ａ、Ｂ。

Ｃの温度を横軸、Ｎ軸の目盛、単位とも第５図のものと
同一にとって示している。なお、実線は改質器の最内側
の反応管内の改質触媒層、破線は改質器の最外側の反応
管内の改質触媒層の計測点Ａ。

Ｂ、Ｃの温度を示している。図から改質器における多重
に配された反応管内の改質触媒層の上下方向や径方向の
温度分布の温度差が従来のものより小さく、かつ改質触
媒層の最低温度が１００℃になるまでの起動時間Ｔが従
来のものより短くなることが理解される。

また、改質反応時の動作温度幅Ｍは第５図の従来の動作
温度幅りより小さくなり、温度制御が容易になることが
理解される。

本実施例では熱媒体供給源をバーナとしているが、熱交
換器のような加熱器を用い、加熱器からの熱媒体を使用
しても同じ効果が得られる〔発明の効果〕 以上の説明で明らかなように、本発明によれば改質触媒
が充填された反応！１３の熱媒体が接触する側面に熱媒
体が流れる上流から下流に向かう程伝熱を促進する手段
を密に取付けることにより伝熱面積を大きくしているの
で、反応器内の改質触媒層の熱媒体の流れ方向に対して
熱伝達量が均一化され、温度分布の温度差を小さくでき
る。また反応管を多重に配設した多重反応器において、
各反応管を加熱する熱媒体が流れる通路の流れ抵抗をケ
ーシングの径方向の中心から外周に向かう程小さくする
ことにより、ケーシングの外周側にある通路程熱媒体が
多量に流れるので多重の反応管の改質触媒層の径方向の
温度分布の温度差を小さくできる。したがって上記の熱
媒体の流れ方向や径方向の温度分布の温度差が小さくな
ることにより、起動時間を短くするこきができる志とも
に改質触媒の寿命が長くなり、また改質触媒層の温度制
御も容易になり、これに伴って一酸化炭素濃度を所定値
以下に容易に制御できるとともに起動時の消費電力も節
約することができる。

【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器の断面図、第
２図は第１図の反応管の側面展開回、第３図は第１図の
反応管内の改質触媒層の起動時における昇温状態を示す
グラフ、第４図は従来の燃料改質器の断面図、第５図は
第４図の反応管内の改質触媒層の起動時における昇温状
態を示すグラフである。 ｌ：燃料改質器、２：炉容器、３：バーナ、４：隔壁、
１０：反応器、１１；改質触媒、１２．１２ａ。 １２ｂ、１２ｃ　　：反応管、２０：フィン。 代理人＋１理土　山　口　　厳′　　　、・ノ ］　燃料改を益 第１図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）改質触媒が充填された反応器の側面に沿って流れる
   熱媒体により反応器を加熱して反応器を通流する改質原
   料ガスを水素に富むガスに改質する燃料改質器において
   、熱媒体が流れる上流から下流にいく程熱媒体が接触す
   る反応器の側面に伝熱を促進する手段を密に設けたこと
   を特徴とする燃料改質器。 ２）内管とこれを囲む外管との間に改質触媒が充填され
   た反応管を互いに連通して同心に多重に配設してなる多
   重反応器を、一方の端部の端板を貫通する筒を内蔵する
   ケーシング内の前記筒とケーシングとで画成される加熱
   室に筒を囲む同心に配設し、熱媒体供給源からの熱媒体
   を筒内に通流した後加熱室内の各反応管の側面に沿って
   通流して各反応管を加熱し、各反応管を通流する改質原
   料ガスを水素に富むガスに改質する燃料改質器において
   、前記各反応管を加熱しながら流れる熱媒体の通路の熱
   媒体の流れ抵抗をケーシングの中心から外周に向かう程
   小さくしたことを特徴とする燃料改質器。