JPH02145401A - 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） 本発明は炭化水素を原料として水素および一酸化炭素を
製造する改質器に関する。

（従来技術） 炭化水素を原料として水素および一酸化炭素を製造する
改質器が知られており、たとえば燃料電池の主要な構成
要素として用いられたり、あるいは浸炭用の雰囲気ガス
の製造装置として用いられている。

燃料電池を例にとって説明すると、燃料電池は、原料ガ
スの有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換
する発電効率の高い発電装置として近年実用化に向けて
開発が積極的に進められている。特に、需要地点近傍に
配置されて電気と同時に発生する熱も利用するコジュネ
レーションタイプのオンサイト用燃料電池は、燃料電池
の有効な利用法として注目され、開発が行なわれている
。

オンサイト用燃料電池は小型化および高効率化が要求さ
れ、特に燃料電池の主要なコンポーネントの一つである
改質器についてもこれまで小型化のための提案、開発が
多く行われてきている。改質器は、都市ガスなどの原料
ガスを高温状態で改質させることにより電池本体で必要
とする水素リッチな改質ガスを製造するものであり、こ
の改質反応は吸熱反応であり、いかに効率良く熱を反応
管内部の原料ガスと水蒸気との混合気体が流れる改質触
媒層に伝えるかが、改質器を小型化および高効率化する
最大ポイントとなる。

従来提案されている改質器の一例として特公昭６２−１
１６０８号には、中心にバーナを有し。

その周辺に円環状の第１および第２の改質触媒層を同心
円状に配置した改質器が開示されており、外側の第２の
改質触媒層で原料ガスを燃焼ガスおよび原料ガス自身に
より予備改質した後、内側の第１の改質触媒層で燃焼ガ
スにより加熱して改質ガスを得ている。

この改質器に代表されるように、従来の改質器のほとん
どすべては熱の有効利用という観点からバーナが改質器
の中央に配置されているので改質器中央のスペースがバ
ーナにより占領されてしまい、バーナでの燃焼に用いる
空気や、原料ガスと混合して改質に用いられる水蒸気を
予熱しようとするとバーナの周囲に配置された改質触媒
充填反応管のさらに外側で行うしかなく、改質器全体が
大きくなってしまうという問題がある。

また、バーナを中央に配置する型式の改質器では、バー
ナからの燃焼ガスがバーナの軸方向に流れることになる
ため最も吸熱を必要とする反応管入口部での熱伝達が充
分でなく、吸熱反応である改質反応上からは物足りない
という面がある。

さらに、燃料電池に用いられる改質器について考えてみ
ると、燃料電池の運転に当っては始動時には天然ガス（
メタンを主成分とする）などの原料ガスを燃焼し、ある
時間経過後は燃焼電池から排出される残余の水素を燃焼
するのが普通であるが、このように１つのバーナで天然
ガスと水素という２つの異なる燃料を燃焼させるとなる
と。

バーナ中央のノズルを２重構造にする必要がある。とこ
ろが、バーナな中央に配置した型式の改質器ではバーナ
中央のノズル構造が複雑になるという問題がある。

（発明の目的および構成） 本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、改質器
中央のスペースをできるだけ空け、反応管入口部での熱
伝達を大きくし且つ異なる燃料を燃焼させるノズル構造
を比較的簡潔にした改質器を提供することを目的とし、
この目的を達成するために、改質触媒を充填した円環状
の反応管を改質器内部に配置し、前記反応管の内側で且
つ反応管の軸方向上端または下端近くに、複数の燃料噴
出用ノズルが円周上等間隔に配置され且つ各ノズルが円
周の接線方向に向けられたバーナを配置し、前記反応管
には前記バーナを配置した端部の側から改質すべきガス
を供給し、バーナの燃焼時にノズルから噴出される燃焼
ガスにより前記反応管の内側に沿って旋回する熱流が形
成されるように構成したものである。

（実施例） 以下本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明による改質器の一実施例として燃料電池
用として開発された改質器の構造を示す断面図である。

改質器は、金属枠内に断熱材を詰めて成る断熱容器ｌの
内側に、２重の円環状管３ａ、３ｂが配置され、中心部
下部には旋回する熱流を形成するバーナ４（内部が見え
るように一部切欠いて示しである）が配置されて構成さ
れている。

断熱容器ｌ内に配置された２重の円環状管３ａ、３ｂの
うち、外側の円環状管３ａは容器ｌの上方から供給され
る改質すべき天然ガスのような原料ガスと水蒸気との混
合ガスを予熱する予熱管であり、内側の円環状管３ｂに
は改質触媒５が充填されていて、予熱管３ａで予熱され
た混合ガスをここて改質触媒５に°より改質する反応管
である。これらの予熱管３ａおよび反応管３ｂは断熱容
器ｌの土壁１ａを貫通して上方に伸びている。

予熱管３ａと反応管３ｂとの間には、円筒状の隔壁６が
後述する円筒１３の水平つば１３ａに取り付けられ下端
を一部残して設けられている。

次に、バーナ４は第２図および第３図に示すようにフラ
ンジ４ａの付いた円筒形のバウシング４ｂの周面な等間
隔に４箇所切欠いて形成した切欠き部Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄに
それぞれ起動用燃焼ガス噴出用のノズル７ａ、７ｂ、７
ｃ、７ｄが接線方向に向けて配置され、これらのノズル
７ａ。

７ｂ、７ｃ、７ｄの中間位置に４個の運転用燃焼ガス噴
出用のノズル８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが半径方向に向け
て配置されている。起動用燃焼ガス噴出用ノズル７ａ、
７ｂ、７ｃ、７ｄの周囲には空気噴出用開口９ａ、９ｂ
、９ｃ、９ｄが同心的に形成されている。起動用燃焼ガ
ス噴出用ノズル７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄにはそれぞれ導
管１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが接続され、運転用
燃焼ガス噴出用ノズル８ａ、８ｂ、８ｃ。

８ｄにはそれぞれ導管１１ａ、ｌｌｂ、ｌｌｃ。

ｌｉｄが接続されている。

バーナ４の上方には、バーナ４に燃料および燃焼用空気
を導く三重構造の導管１２が断熱容器ｌの上壁１ａを貫
通して伸びており、三重構造の導管ｌＯは、最も外側の
管１２ａ、中間の管１２ｂ、最も内側の管１２ｃから成
る。最も内側の管１２ｃには天然ガスのような起動用燃
料ガスが供給され、このガスは導管１０ａ、１０ｂ。

１０ｃ、ｌＯｄを介してノズル７ａ、７ｂ。

７ｃ、７ｄにそれぞれ供給され、これらのノズルからバ
ーナの接続方向に噴出される。最も内側の導管１２ｃと
中間の管１２ｂとの間には燃料電池のアノードから排出
される水素ガスのような運転用燃料ガスが供給され、こ
のガスは導管１１ａ。

１１ｂ、ｌｌｃ、ｌｉｄを介してノズル８ａ。

８ｂ、８ｃ、８ｄに供給されこれらのノズルからバーナ
の半径方向に噴出される。また中間の管１２ｂと最も外
側の管１２ａとの間には燃焼用空気が供給され、この空
気はバーナ４のハウジング４ｂ内に放出され、開口９ａ
、９ｂ、９ｃ、９ｄから接線方向に外部に噴出される。

一方、バーナ４の上部空間には上述した三重構造の導管
１２の周囲を取り囲むようにセラミック性の円筒１３が
バーナのハウジング４ｂの上部に設けられたフランジ４
ａ上に載るように設けられていて、この円筒１３と最も
外側の管１２ａとの間にやはり円筒状の筒壁１４の途中
まで設けられている。

次に上記構造の改質器による改質ガスの生成を燃料電池
の運転と関連して説明する。

燃料電池起動時には導管１２の最も内側の管１２ｃに起
動用燃料ガスとしてたとえば天然ガスを供給するととも
に中間の管１２ｂと最も外側の管１２ａとの間に燃焼用
空気を供給する。その結果、天然ガスは導管１０ａ〜１
０ｄを通ってノズル７ａ〜７ｄから噴出される。

一方、燃焼用空気はその周囲の開口９ａ〜９ｄから噴出
されるので、着火することによりノズル７ａ〜７ｄの先
端で天然ガスが燃焼して火炎が形成される。ノズル７ａ
〜７ｄは円筒形ハウジング４ｂの円周上で接線方向に向
けられているので、火炎の向きも接線方向になるが、バ
ーナ４の周囲には第３図に一点鎖線で示すように、反応
管３ｂがバーナ４を取り囲むように配置されているので
、ノズル７ａ〜７ｄから噴出される燃焼ガスは反応管３
ｂの下部内壁に当って内壁に沿って流れることになり、
バーナ４の周囲に第３図に矢印で示す右周りの旋回熱流
が形成される。

燃焼ガスは反応管３ｂの内壁に沿って旋回しながら上昇
していき、この間にも改質触媒５に熱を与えていく。燃
焼ガスは改質器上部で円筒１３の上部の水平つば１３ａ
に当って今度は逆向き（下向き）に流れ、下端近くまで
くると隔壁６で今度は上向きに向きを変えて上昇し、矢
印方向に流れる。その先では、燃焼ガスは筒壁１４とセ
ラミック円筒１３との間隙を下向きに流れ、バーナ４の
　Ｏ 近くで今度は筒壁１４と導管１２の最外管１２ａとの間
隙を上向きに流れて改質器の外に排出される。

予熱管３ａに原料ガスである天然ガスと水蒸気との混合
ガスを送り込むと、混合ガスは予熱管３ａを通過する間
に燃焼ガスにより予熱されて反応管３ｂに入る。反応管
３ｂ内に充填されている改質触媒５はバーナ４からの燃
焼ガスにより加熱されるので、反応管３ｂに入った混合
ガスは反応管３ｂを通過する間に改質触媒５により改質
され、水素リッチな改質ガスとなって反応管３ｂ上方の
出口から出て燃料電池（図示せず）に送られる。

この場合、バーナ４により形成される高温の燃焼ガスの
旋回流はまず反応管３ｂの下部に当り、ここに多量の熱
を与えるので、この反応管３ｂの下部から反応管３ｂに
入る混合ガスはこの部分で充分な熱を吸収した触媒の作
用を受けて改質される。さらに、燃焼ガスは旋回しなが
ら反応管３ｂに沿って上昇するが、この間反応管３ｂ内
を上向きに流れる混合ガスと平行して流れ、下向きに流
れを変えてからは予熱管３ａを流れる混合ガスと対向流
をなすので、効率のよい熱伝達かできる。

一方、燃焼ガスはバーナ４の上方で筒壁１４の内部を導
管１２の最外管１２ａと中間の管１２ｂとの間を下向き
に流れる燃焼用空気と逆向きに上昇するので、この間燃
焼用空気を予熱する。

こうして起動された改質器から得られる水素リッチな改
質ガスは燃料電池に供給され燃料電池での発電に使われ
る。

起動後所定時間経過したとき、燃料電池から排出される
水素を運転用燃料ガスとして導管１２の最も内側の管１
２ｃと中間の管１２との間に供給するとともに、それま
で最も内側の管１２ｃに供給していた天然ガスを止める
。その結果、供給された水素は導管１１ａ〜ｌｉｄを通
ってノズル８ａ〜８ｄから噴出され、すでに開口９ａ〜
９ｄから噴出されている燃焼用空気と一緒になってその
とき形成されている旋回熱流により着火されて燃焼し始
め、燃焼用空気がバーナ４の接線方向に噴出しているこ
とからそれまで同様旋回熱流が形成されて改質作用が接
続して行われる。

上記実施例においては、改質器の下部にバーナを配置し
、バーナの上方に形成されるスペースに燃焼用空気の予
熱管を設けたが、バーナな改質器の上部に配置し、バー
ナの下方に形成されるスペースを燃焼用空気の予熱に用
いてもよい。またバーナの上方または下方に形成される
スペースは他の気体たとえば原料ガスと混合する水蒸気
の予熱に用いてもよいし、その他の用途に供してもよい
。また、バーナへの燃料ガスおよび燃焼用空気の供給は
実施例のように軸方向に限らない。

さらに、上記実施例では、原料ガスと水蒸気との混合ガ
スと燃焼ガスとの流れの向きは、反応管内部についてみ
ると並行、予熱管内部についてみると逆行となっており
、このようにすることが高い熱効率を得る上で好ましい
が、本発明において不可欠なことではない。

また、本発明による改質器は燃料電池のコンポーネント
として用いられるばかりでなく、他の用途にも好適であ
ることはいうまでもない。

（発明の効果′） 以上説明したように、本発明においては、改質触媒を充
填した円環状の反応管を改質器内部に配置し、前記反応
管の内側で且つ反応管の軸方向上端または下端近くに、
複数の燃料噴出用ノズルが円周上等間隔に配置され且つ
各ノズルが円周の接線方向に向けられたバーナを配置し
、前記反応管には前記バーナを配置した端部の側から改
質すべきガスを供給し、バーナの燃焼時にノズルから噴
出される燃焼ガスにより前記反応管の内側に沿って旋回
する熱流が形成されるように構成したので、改質器の中
央部にスペースができて、このスペースを改質に必要な
気体の予熱などに利用できる。また、燃焼ガスにより反
応管の改質すべき混合ガス入口部に多量の熱量が与えら
れるので、熱効率の高い改質が実現）できる。さらに、
燃料電池とともに用いた場合はその起動時と運転時との
ように異なる燃料を用いる型式の改質器としてはバーナ
のノズル構造が簡潔になるため、バーナ全体の構造がコ
ンパクトになり、改質器の小型化に貢献する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による改質器の一実施例の断面図、第２
図は本発明による改質器に用いられるバーナの斜視図、
第３図は第１図の■−ｍ線から見たバーナの底面図であ
る。 ｌ・・・断熱容器、３ａ・・・予熱管、３ｂ・・・反応
管、４・・・バーナ、４ａ・・・フランジ、４　ｂ−・
・ハウジング、５−・・改質触媒、７ａ〜７　ｄ−・・
起動用燃料噴出用バーナ、８ａ〜８ｄ・・・運転用燃料
噴出用バーナ、９ａ〜９ｄ−開口、１０ａ　〜１０ｄ、
ｌｌａ〜ｌｌｄ、１２−・・導管 特許出願人　　東京瓦斯株式会社 代理人　　弁理士　　鈴　木　弘　男

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）改質触媒を充填した円環状の反応管を改質器内部
   に配置し、前記反応管の内側で且つ反応管の軸方向上端
   または下端近くに、複数の燃料噴出用ノズルが円周上等
   間隔に配置され且つ各ノズルが円周の接線方向に向けら
   れたバーナを配置し、前記反応管には前記バーナを配置
   した端部の側から改質すべきガスを供給し、バーナの燃
   焼時にノズルから噴出される燃焼ガスにより前記反応管
   の内側に沿って旋回する熱流が形成されるように構成し
   たことを特徴とする改質器。
2. （２）前記バーナの隣接する２つの燃料噴出用ノズルと
   の間に異なる燃料を噴出するノズルを設けた請求項１に
   記載の改質器。
3. （３）前記反応管の内側で前記バーナの上方または下方
   に形成されるスペースに燃焼用空気または改質用水蒸気
   を加熱する予熱管が配置された請求項１または２に記載
   の改質器。（４）前記反応管の内側では前記バーナから
   噴出される燃焼ガスが反応管内を流れる改質ガスと並行
   して流れ、前記反応管の外側では燃焼ガスが改質ガスと
   逆向きに流れるように改質ガスおよび燃焼ガスの流路が
   形成された請求項１、２または３に記載の改質器。