JPH03232702A - 輻射伝熱型改質装置 - 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、燃料電池発電プラントあるいはその他の用途
に使用される輻射伝熱型改質装置に関する。

（従来の技術） 燃料電池は、一般に水素と酸素を電気化学的に反応させ
、電力を発生させるものである。燃料電池のうち、溶融
炭酸塩形燃料電池あるいは固体電解質形燃料電池は水素
を使用しなくても一酸化炭素を直接燃料として使用でき
る。

しかし、発電プラントの燃料としては、通常用いられて
いる天然ガスやナフサ等の炭化水素は直接燃料電池の燃
料として使用できないことから、改質装置を通して水素
リッチなガスに変換する必要がある。

従来、改質装置として使用されているのは、通常、触媒
を充填した反応管を一本または複数本配列し、この反応
管の外部に高温ガスを流通させるとともに、この高温ガ
スを加熱するものであった。

近年、多孔性輻射体を加熱体として使用し、伝熱効果を
改善した新しい方式、すなわち、輻射伝熱型改質装置が
開発されている。第５図は、その中で最も実用性のある
ものと考えられる従来の円筒形タイプの一例を示す縦断
面図（第６図のＶ−ｖ線に沿って切断し、矢印方向に見
た断面図）であり、第６図はその横断面図（第５図のＶ
Ｔ−Ｖｌ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図）で
ある。円筒形外容器１の内面に、断熱材２が施されてお
り、容器１内にはガス非透過性材料からなる隔壁３が配
設され、これにより容器１内にはこの外周側に加熱室Ａ
と内周側に被加熱室（受熱室）Ｂがそれぞれ形成されて
いる。

加熱室Ａには、円筒状のバーナ４、再熱交換用配管６お
よび円筒状の多孔性固体５が配設され、かつ、バーナ４
には容器１の外部からの燃料導入管７と連結され、また
再熱交換用配管６には容器１の外部からの燃焼空気導入
管８が連結され、加熱室Ａには燃焼ガス排出管９が連結
されている。

被加熱室Ｂ内には、円筒状の多孔性固体１０が配設され
、かつ容器１外部から原料ガス供給管１１が連結される
と共に、容器１の外部のプロセスガス排出管１２に連結
されている。

このような構成のものにおいて、燃焼空気導入管８から
導入される燃焼空気ａが、再熱交換用配管６により予熱
され、その後、燃料導入管７より導入された燃料ガスｆ
が混合され、この混合ガスがバーナ４により燃焼される
。この燃焼された高温ガスは、多孔性固体５を通過しな
がら輻射エネルギーが放射され、この輻射エネルギーの
多くは隔壁３を介して被加熱室Ｂに伝達される。これに
よって、被加熱室Ｂ内に原料ガス供給管１１からの原料
ガス（天然ガスやメタノール等の原料に水蒸気を添加し
たもの）ｄは、多孔性固体１ｏを通過する際に改質され
、この改質されたプロセスガスｅか、プロセスガス排出
管１２を通じて容器１外部に排出される。

また、バーナ４により燃焼された燃焼排ガス０は、前記
燃焼空気ａを予熱した後、燃焼ガス排出管９から容器］
の外部に排出される。

以上述べた方式はいわゆる「離反方式」であるが、「近
寄流ｈ″式」の場合であってもプロセスガスｅの流れ方
向が逆になるだけで、同様な動作となる。

燃料電池発電システムは、高効率であることがその主要
な特徴の一つであり、改質装置についても熱効率を向上
させることが重要な開発課間であることは言うまでもな
い。前述した輻射伝熱型改質装置は、従来の反応管方式
に比較して格段にコンパクト化が実現できる。

（発明が解決しようとする課Ｓ） ところが、前述した輻射伝熱型改質装置にあっては、伝
熱のためのガス流路が従来方式と比較して極めて短く、
燃焼排出ガス０が比較的高温である。このため、燃焼排
出ガスＯの有する熱エネルギーを最大限に利用すること
ができず、伝熱効率を高める上での課題である。具体的
には、前述した従来の改質装置では、加熱側の多孔性固
体５の下流側の燃焼排ガス通路に、配設されている多数
の再生熱交換用配管６により熱交換を行う方式であるた
め、下流燃焼排ガスの流速は比較的小さ（、従って、燃
焼排ガス０と再生熱交換用配管６の中を流れる燃焼空気
ａとの熱交換が十分行われなかった。

本発明は、与えられた条件下で、燃焼排出ガスの有する
熱エネルギーを最も効率よく回収できる輻射伝熱型改質
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ 本発明は前記目的を達成するため、第１の発明は円筒°
状の密閉容器内に、ガス非透過性材料からなる円筒状隔
壁を設けて、加熱室および被加熱室を形成し、前記加熱
室に円筒状の多孔性輻射体を設けるとともに、前記被加
熱室に円筒状に形成した触媒体を設け、前記輻射体に高
温ガスを通過させて前記容器外部に排出させることによ
り、前記高温ガスの輻射熱で前記隔壁を介して前記被加
熱室内の触媒体を加熱し、この被加熱室内に導入される
原料ガスを前記触媒体に通過させて改質ガスを前記容器
外部に取出す輻射伝熱型改質装置において、 前記加熱室内であって、前記輻射体を透過して流れる高
温ガスの排出側に、ガス非透過性材料からなる二重また
は多重の円筒体で独立した複数のガス通路を構成し、こ
の各ガス通路にそれぞれ前記高温ガスまたは燃料燃焼用
空気等のガスを個別に導入し、前記容器外部に排出され
る排ガスが保有する熱エネルギーを、前記燃料燃焼用空
気等の獲得エネルギーとして回収する加熱側熱回収手段
を備えたことを特徴とするものである。

また、第２の発明は前記被加熱室内であって、前記原料
ガスが触媒体を通過して得られる改質ガスの排出側に、
ガス非透過性材料からなる二重または多重の円筒体で独
立した複数のガス通路を構成し、この各ガス通路にそれ
ぞれ前記改質ガスまたは改質前の原料ガスを個別に導入
し、前記円筒容器外部に排出される排ガスの有する熱エ
ネルギーを、前記燃料燃焼用空気等の獲得エネルギーと
して回収する被加熱側熱回収手段を備えたことを特徴と
するものである。

さらに、第３の発明は前記加熱室内であって、前記輻射
体を透過して流れる高温ガスの排出側に、ガス非透過性
材料からなる二重または多重の円筒体で独立した複数の
ガス通路を構成し、この各ガス通路にそれぞれ前記高温
ガスまたは燃料燃焼用空気等のガスを個別に導入し、前
記容器外部に排出される排ガスの有する熱エネルギーを
、前記燃料燃焼用空気等の獲得エネルギーとして回収す
る加熱側熱回収手段と、 前記被加熱室内であって、前記原料ガスが触媒体を通過
して得られる改質ガスの排出側に、ガス非透過性材料か
らなる二重または多重の円筒体で独立した複数のガス通
路を構成し、この各ガス通路にそれぞれ前記改質ガスま
たは改質前の原料ガスを個別に導入し、前記容器外部に
排出される排ガスの有する熱エネルギーを、前記燃料燃
焼用空気等の獲得エネルギーとして回収する被加熱側熱
回収手段を備えたことを特徴とするものである。

（作用） 以上述べた本発明によれば、少くとも加熱側熱回収手段
が設けであるので、従来の輻射伝熱型改質装置に比べて
伝熱面積が大きく、また、高温ガス流速が大きくなるこ
とから、伝熱効果が改善でき、従って、与えられた条件
下で、燃焼排出ガスの有する熱エネルギーを最も効率よ
く回収できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第１図は第１の実施例を示す縦断面図（第２図の１−
１線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図）であり、
第２図は第１図の■−ｎ線に沿って切断し、矢印方向に
見た断面図（第１の実施例の横断面図）である。内面に
断熱材または保温材２１が配設された円筒状の密閉容器
２２内に、ガス非透過性材料からなる有底円筒状隔壁２
３か、この底部が下方に位置するように設けられ、これ
により加熱室Ａおよび被加熱室Ｂが形成されている。

また、加熱室Ａ内には、隔壁２３とは所定間隔を存して
円筒状の多孔性輻射体２４が下部支持部材２５および上
部支持部材２６により支持されている。さらに、加熱室
Ａ内であって、輻射体２４と容器１内面の断熱材２１と
の間にこれらと間隔を存して加熱側再生熱交換用配管３
０が配設され、この再生熱交換用配管３０は、例えば二
重管構成、すなわち、第１（直径の小さい方）の円筒状
の配管３０ａと、第２（直径の大きい方）の円筒状の配
管３０ｂが同心状に配設され、この両端部が閉塞部材３
０ｃにより閉塞されている。配管３０ａ、３０ｂおよび
閉塞部材３０ｃは、いずれもガス非透過性材料から構成
されている。このような構成の再生熱交換用配管３０に
より加熱側熱回収手段を形成している。

再生熱交換用配管３０の上部には、容器２２および断熱
材２１を貫通するとともに、燃焼空気ａを導入するため
の燃焼空気導入管３１が連結されている。密閉容器２２
の底面部には、燃焼器２８が貫通固定され、この燃焼器
２８には燃料導入管２９が連結され、燃焼器２８には前
記再生熱交換用配管３０内に導入される燃焼空気ａが供
給されるように、燃焼器２８と再生熱交換用配管３０に
空気連絡管３２の端部がそれぞれ連結されている。

さらに、容器２２の下部外周面には、燃焼室Ａ内と連通
し、燃焼器２８により燃焼され燃焼排ガスが外部に排出
されるように、燃焼排ガス排出管３３が連結されている
。そして、再生熱交換用配管３０の内周面、すなわち、
配管３０ａの内周面には、螺旋状の仕切板３４が配設さ
れている。

このような構成により、燃焼器２８に燃焼された燃焼高
温ガスが隔壁２３と輻射体２４の間に形成されている間
隙に供給され、この燃焼高温ガスがさらに輻射体２４を
通過した後、これによって冷却された低温燃焼排ガスが
、仕切板３４に沿って旋回しながら容器２２の下部から
上部に移動して再生熱交換用配管３０の周囲を通って燃
焼排ガス排出管３２により容器２２の外部に排出される
ようになっている。

しかして、被加熱室Ｂとの内には隔壁２３とは所定間隔
を存して円筒状に形成した多孔性触媒体２７が上部支持
体２６により支持されている。

また、被加熱室Ｂ内であって、触媒体２７の内周側に、
被加熱側排熱回収用配管３５が配設されている。この排
熱回収用配管３５は、例えば三重管構成、すなわち、第
１　（直径の小のもの）の円筒状の配管３５ａと、第２
（直径が中ぐらいのもの）の円筒状の配管３５ｂと、第
３（直径の大のもの）円筒状の配管３５ｃからなり、配
管３５ｂの下端部は閉塞部材３５ｅにより閉塞され、ま
た配管３５ａの上端部は円板状の閉塞部材３５ｄとによ
り閉塞され、配管３５ｂ、３５Ｃの上端部間に円環状の
閉塞部材３５ｆが配設されている。このような構成の被
加熱側排熱回収用配管３５により加熱側排熱回収手段を
形成している。

そして、配管３５ａの外周面には螺旋状の仕切板３６が
配設され、さらに配管３５ｃの外周面には螺旋状の仕切
板３７か配設されている。

原料ガス（天然ガスやメタノール等の原料に水蒸気を添
加もの）を、配管３５ｂと３５ｃの間の空間に導くため
、容器２２および断熱材２１の上部壁面には、原料ガス
導入管３８が貫通されるとともに、閉塞部材３５ｆに連
結されている。そして、配管３５ａ内には、後述する経
路で生成されるプロセスガスを容器外部に取り出すため
、プロセスガス取出管３９が容器２２および断熱材２１
に貫通されるとともに、閉塞部材３５ｄに連結されてい
る。

以上のように構成された第１の実施例の動作について説
明する。燃焼空気導入管３１から加熱室Ｂ内に導入され
た燃焼空気ａと、燃料導入管２９から導入された燃料（
天然ガスあるいは燃料電池の排燃料等）ｆとが燃焼器２
８により混合されて燃焼される。この燃焼器２８で燃焼
された高温燃焼ガスは、隔壁２３の外周側と輻射体２４
の間の間隙を通りながら上昇し、この際隔壁２３が加熱
されると同時に、輻射体２４の内周面全面からこれを通
過しながら、燃焼ガスの持つ熱エネルギーか、輻射体２
４に与えつつ高温燃焼ガスは冷却される。この冷却され
た燃焼ガスは、再生熱交換用配管３０の外周を通過し、
燃焼ガス出口管３３から容器２２の外部に排出される。

前述のように、輻射体２４が、燃焼ガスの持つ熱エネル
ギーにより加熱され、この輻射体２４から輻射熱が放射
され、この輻射熱の多くは、隔壁２３を介して被加熱室
Ｂ内の触媒体２７を加熱する。そして、半ば冷却された
燃焼ガスは、再生熱交換用配管３０の内壁面を加熱しな
がら上昇し、次に最上端より再生熱交換用配管３０の外
壁を下降しながらその外壁面が加熱される。この過程で
、再生熱交換用配管３０の第１．第２の管で挾まれた間
隙を通過する燃焼ガスが加熱される。

一方原料ガスｄは、原料ガス導入管３８より被加熱室Ｂ
内に導入され、被加熱側回収用配管３５を通って予熱さ
れ、次に前述のように隔壁２３を介して加熱された触媒
体２７を通過し、これにより原料ガスｄは水素リッチな
改質ガスｅに改質され、この改質ガスｅは第２のガス通
路を通過し、配管３５ａを通りプロセスガス取出管３９
を通り容器２２の外部に排出される。

以上述べた第１の実施例によれば、次のような効果が得
られる。加熱室Ａ内において、燃焼ガスが通過する円筒
状の多孔性輻射体２４の外周側すなわち燃焼ガスの排出
側に、二重管構成の再生熱交換用配管３０を配設し、こ
の内側の配管３０ａの内周面を加熱しながら、多孔性輻
射体２４を通過した燃焼ガスが順次流れるように上昇し
、次に最上端より配管３０ｂの内周面を順次下降して、
燃焼排ガス排出管３３から容器２２の外部に排出される
ので、前述した従来装置に比べて伝熱面積が大きくなり
、また、高温ガス流速が大きくなることから、伝熱効果
が改善でき、従って、与えられた条件下で、燃焼排出ガ
スの有する熱エネルギーを最も効率よく回収できる。

また、再生熱交換用配管３０の内側の配管３０ａの内周
面に螺旋状の仕切板３４が配設されているので、多孔性
輻射体２４を通過した燃焼ガスは旋回しながら高速で上
昇し、このとき配管３０ａとの接触通路が長くなり、ま
た仕切板３４の分伝熱面積が増えるので、伝熱効果をよ
り高めることができる。

一方、原料ガス導入管３８より導入された原料ガスｄは
、三重構成の排熱回収配管３５の配管３５ｃの内周面と
配管３５ｂの外周面の間の間隙に供給され、この間隙を
通過する際に予熱されながら下降し、次に触媒体２７と
隔壁２３間の間隙に上昇し、これに伴って隔壁２３が加
熱される。

また、隔壁２３から放射される二次輻射熱により、触媒
体２７が加熱されるため、これを通過すして得られるプ
ロセスガスｅがさらに加熱されることになる。

こうして加熱されたプロセスガスｅは、触媒体２７の作
用により水素リッチなガスに改質される。この改質され
たガスｅは、排熱回収配管３５の配管３５ｃの外周面に
沿って上昇し、最上端で今度は配管３５ａと３５ｂの間
の間隙を下降し、この下降する際にプロセスガスが予熱
され、中心側の配管３５ａを経て上昇し、プロセスガス
取出管３９より取出される。

以上述べたプロセスガスの通路に螺旋状の仕切板３７．
３６か形成されているので、仕切板か形成されていない
ものに比べて、プロセスガスの流速が大きくできること
から更に伝熱効果を高めることができる。また、容器２
２の内面に断熱材２１が配設されているので、熱（ｉ失
を防ぐことができ、また隔壁２３の底面にも断熱材が配
設されているので、燃焼器２８からの炎が直接隔壁２３
に触れることがなく、隔壁２３の劣化、損傷を防止でき
る。

第３図は、本発明の第２の実施例を示す縦断面図（第４
図の■−■線に沿って切断し矢印方向に見た断面図）で
あり、第４図は第３図のＴＶ−ＴＶ線に沿って切断した
断面図である。この実施例は、第１の実施例の加熱側再
生熱交換用配管３０の配管３０の内周側に形成されてい
る螺旋状の仕切板３４を形成せず、この面に軸方向（縦
方向）にフィン４０を複数個形成し、これにより大きな
圧力損失を伴わないで、伝熱効果を高めるようにしたも
のである。

そして、第１の実施例で被加熱室Ｂ内にある被加熱側排
熱回収用配管３５を代りに、円筒状の配管の外周面に軸
方向にフィン４１ａを複数個有する被加熱側排熱回収用
配管４１を設けるとともに、これに容器２２の外部から
導入される原料ガスを通過させ、原料ガスを触媒体２７
に通過させることにより得られるプロセスガスを、触媒
体２７と配管４１の間の空隙を通り、容器２２に連通さ
れているプロセスガス取出管４２から容器２２の外部に
取出せるようにしたものである。この実施例も前述の実
施例と同様な効果が得られることは言うまでもない。

なお、本発明は前述した実施例に限らず、次のように変
形して実施できる。前述の第１および第２の実施例では
、いずれも再生熱交換用配管３０と排熱回収用配管３５
または４１をそれぞれ設けたものをあげたが、用途によ
ってはこの少なくとも一方を設けるようにしてもよい。

また、再生熱交換用配管３０と排熱回収用配管３５また
は４１は２重管構成に限らずこれ以外の多重管構成であ
ってもよく、これにともなって仕切板３４゜３６．３７
またはフィン４０．４１の配設位置、個数等も任意にで
きる。さらに、実施例では容器２２内の中央部に被加熱
室Ｂを形成し、この中に触媒体２７を配設し、容器２２
内の被加熱室Ｂの外側に加熱室Ａを形成し、この中に輻
射体２４を配設したが、これらを逆にして加熱室Ａを容
器２２の中央部としこの中に輻射体２４を配設し、この
外側に被加熱室Ｂを形成しこの中に触媒体２７を配設し
てもよい。また、２重管または多重管構成の再生熱交換
用配管、排熱回収用配管に形成しである仕切板の代りに
溝を形成したりしてもよい。さらに、燃焼空気導入管３
１、燃焼排ガス排出管３３、原料ガス導入管３８および
プロセスガス取出管３９は、いずれも１個所、２個所に
限らず３個所以上であってもよい。

［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば、少くとも加熱側熱回収手段
または被加熱側熱回収手段が設けであるので、従来の輻
射伝熱型改質装置に比べて伝熱面積が大きく、また、高
温ガス流速が大きくなることから、伝熱効果が改善でき
、従って、与えられた条件下で、燃焼排出ガスの有する
熱エネルギーを最も効率よく回収できる輻射伝熱型改質
装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の輻射伝熱型改質装置の第１の実施例を
示す縦断面図、第２図は第１図の■−■線に沿って切断
し矢印方向に見た断面図、第３図は本発明の輻射伝熱型
改質装置の第２の実施例を示す縦断面図、第４図は第３
図のＩＶ−ＩＶ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図
、第５図は従来の輻射伝熱型改質装置の一例を示す縦断
面図、第６図は第５図のＶｌ−Ｖｌ線に沿って切断し矢
印方向に見た断面図である。 ２２・・・容器、２３・・・隔壁、Ａ・・・加熱室、Ｂ
・・・被加熱室（受熱室）、２４・・・輻射体、２７・
・・触媒体、２８・・・燃焼器、２９・・・燃料導入管
、３０・・・再生熱交換用配管、３１・・・燃焼空気導
入管、３３・・燃焼排ガス排出管、３５．４１・・・被
加熱側排熱回収用配管、３８・・・原料ガス導入管、３
９・・・プロセスガス取出管、３４，３６．３７・・・
仕切板、４０４１ａ・・・フィン。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状の密閉容器内に、ガス非透過性材料からな
   る円筒状隔壁を設けて、加熱室および被加熱室を形成し
   、前記加熱室に円筒状の多孔性輻射体を設けるとともに
   、前記被加熱室に円筒状に形成した触媒体を設け、前記
   輻射体に高温ガスを通過させて前記容器外部に排出させ
   ることにより、前記高温ガスの輻射熱で前記隔壁を介し
   て前記被加熱室内の触媒体を加熱し、この被加熱室内に
   導入される原料ガスを前記触媒体に通過させて改質ガス
   を前記容器外部に取出す輻射伝熱型改質装置において、 前記加熱室内であって、前記輻射体を透過して流れる高
   温ガスの排出側に、ガス非透過性材料からなる二重また
   は多重の円筒体で独立した複数のガス通路を構成し、こ
   の各ガス通路にそれぞれ前記高温ガスまたは燃料燃焼用
   空気等のガスを個別に導入し、前記容器外部に排出され
   る排ガスが保有する熱エネルギーを、前記燃料燃焼用空
   気等の獲得エネルギーとして回収する加熱側熱回収手段
   を備えたことを特徴とする輻射伝熱型改質装置。
2. （２）円筒状の密閉容器内に、ガス非透過性材料からな
   る円筒状隔壁を設けて、加熱室および被加熱室を形成し
   、前記加熱室に円筒状の多孔性輻射体を設けるとともに
   、前記被加熱室に円筒状に形成した触媒体を設け、前記
   輻射体に高温ガスを通過させて前記容器外部に排出させ
   ることにより、前記高温ガスの輻射熱で前記隔壁を介し
   て前記被加熱室内の触媒体を加熱し、この被加熱室内に
   導入される原料ガスを前記触媒体に通過させて改質ガス
   を得るとともに、これを容器外部に排出する輻射伝熱型
   改質装置において、 前記被加熱室内であって、前記原料ガスが触媒体を通過
   して得られる改質ガスの排出側に、ガス非透過性材料か
   らなる二重または多重の円筒体で独立した複数のガス通
   路を構成し、この各ガス通路にそれぞれ前記改質ガスま
   たは改質前の原料ガスを個別に導入し、前記円筒容器外
   部に排出される排ガスの有する熱エネルギーを、前記燃
   料燃焼用空気等の獲得エネルギーとして回収する被加熱
   側熱回収手段を備えたことを特徴とする輻射伝熱型改質
   装置。
3. （３）円筒状の密閉容器内に、ガス非透過性材料からな
   る円筒状隔壁を設けて、加熱室および被加熱室を形成し
   、前記加熱室に円筒状の多孔性輻射体を設けるとともに
   、前記被加熱室に円筒状に形成した触媒体を設け、前記
   輻射体に高温ガスを通過させて前記容器外部に排出させ
   ることにより、前記高温ガスの輻射熱で前記隔壁を介し
   て前記被加熱室内の触媒体を加熱し、前記被加熱室内に
   容器外部から導入される原料ガスを前記触媒体に通過さ
   せて改質ガスを前記容器外部に取出す輻射伝熱型改質装
   置において、 前記加熱室内であって、前記輻射体を透過して流れる高
   温ガスの排出側に、ガス非透過性材料からなる二重また
   は多重の円筒体で独立した複数のガス通路を構成し、こ
   の各ガス通路にそれぞれ前記高温ガスまたは燃料燃焼用
   空気等のガスを個別に導入し、前記容器外部に排出され
   る排ガスの有する熱エネルギーを、前記燃料燃焼用空気
   等の獲得エネルギーとして回収する加熱側熱回収手段と
   、 前記被加熱室内であって、前記原料ガスが触媒体を通過
   して得られる改質ガスの排出側に、ガス非透過性材料か
   らなる二重または多重の円筒体で独立した複数のガス通
   路を構成し、この各ガス通路にそれぞれ前記改質ガスま
   たは改質前の原料ガスを個別に導入し、前記容器外部に
   排出される排ガスの有する熱エネルギーを、前記燃料燃
   焼用空気等の獲得エネルギーとして回収する被加熱側熱
   回収手段を備えたことを特徴とする輻射伝熱型改質装置
   。