JPH0380102A

JPH0380102A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JPH0380102A
Application number: JP1212944A
Authority: JP
Inventors: Minoru Okumura; 実奥村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-08-21
Filing date: 1989-08-21
Publication date: 1991-04-04

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】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、燃料電池システムに組み込んで、原料ガス及
び水蒸気より戊る混合ガスを、水素リッチガスに改質し
て燃料電池に供給する燃料改質装置に関するものである
。

（従来の技術）炭化水素、メタノールなどの原料ガスを燃料電池の燃料
として用いるためには、これらを水素リッチガスに改質
して燃料電池内へ送り込む必要があるため、一般に、燃
料電池システムには燃料改質装置が組み込まれている。

この様な燃料電池システムの一般的な構成を第２図に、
また、従来から用いられている燃料改質装置の構成を第
３図に示した。即ち、第２図において、原料ガス供給管
１に脱硫塔２が接続され、この脱硫塔２において原料ガ
ス中のイオウ分が除去されるように構成されている。ま
た、イオウ分が除去された原料ガスは、水蒸気供給管３
より供給される水蒸気と共に燃料改質装置４に供給され
る。この燃料改質装置４には、原料ガスと水蒸気の混合
ガスを触媒と接触させることにより、水素リッチガスに
改質する改質反応管５が内蔵されている。この燃料改質
装置４で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素（Ｃ
ｏ）は、高温シフトコンバータ６及び低温シフＩ・コン
バータ７によって、二酸化炭素（ＣＯ２）と水素に変換
されて水素リッチガスとなり、燃料電池８のアノード極
に送られる。また、燃料電池８においては、空気供給管
９より酸素（空気）がカソード極に送られ、この空気と
前記水素との反応によって、電気と水が生成される。次
いで、燃料電池８から排出された排ガスは、バーナ１０
に導かれて燃焼し、前記改質反応に必要な熱源となり、
前記燃料改質装置４に送り込まれる。また、バーナ１０
での燃焼排ガスは燃焼排ガス管１１より外部に排出され
る。

ところで、原料ガスがメタンの場合の水蒸気改質反応は
、次式に示す様に２段の素反応より成り立っているとい
われている。

ＣＨ４＋Ｈ２０→　ＣＨ＋Ｈ２・・・■ＣＯ＋２Ｈ２０
譚　ＣＯ２＋Ｈ２・・・■即ち、ＣＨ４＋２Ｈ２０→　Ｃ０２＋　４　Ｈ２・・・■の反
応が行われていることになる。

ここで、■は吸熱反応、■は発熱反応であり、■は吸熱
反応である。このため、大型の燃料改質装置には、触媒
を充填した反応管の外面から熱を与える外部熱交換型の
等温型反応器が使用され、７００〜８００℃で、混合ガ
スが改質されている。

この様な等温型反応器では、外部（バーナ燃焼ガス）と
触媒層との熱エネルギー交換を行わなければならない。

このため、伝熱面積が大きく、且つ、半径方向に温度分
布がつきにくい縦長の二重円筒管が多く使用されている
。また、原料ガスと水蒸気の混合ガスの流れとしては、
上昇流と下降流があるが、構造、製造、コンパクト性か
らは−ｔ＝昇流を用いるものが有利である。

この様な上昇流を採用した燃料改質装置の一例を第３図
に示した。即ち、混合ガス人口１２から燃料改質装置４
内に導入された混合ガスは、改質反応管５の内側に設け
られた触媒層１３の下部から入り、触媒層出口に向かっ
て」二重する間に、改質反応管５の外側を流れる燃焼ガ
ス１４から熱が供給され、改質反応が進行するように構
成されている。この燃焼ガス１４からの熱伝達を促進す
るために、燃焼ガス１４の熱が低下する改質反応管５の
下部には、伝熱促進材１５及び断熱祠２２が充填されて
いる。また、前記触媒層１３を出た改質ガスは、改質反
応管５と反応内管１６との間にづ形成されたリターンパス１７を下降する間に、触媒層１
３内を上昇する前記混合ガスと熱交換し、改質ガス出口
１８より高温シフトコンバータ６に送られる。なお、前
記触媒層１３の出口部には、触媒の流動化を防止するた
めに、高密度の耐拠性アルミナボール１９が充填されて
いる。このアルミナボール１９には触媒作用はなく、吸
熱反応である改質反応が起こらず、改質反応管５の温度
が上昇するため、通常は断熱キャップで保護されている
。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、」二重の様に構成された従来の燃料改質
装置においては、触媒層の入口部よりも出口部において
高温となるにもかかわらず、出口部に充填されるアルミ
ナボール１９は吸熱反応を此こさず、さらに、断熱キャ
ップが配設されている場合は、有効伝熱面積が減少する
た°め、出口部の触媒活性が早く劣化し、空間速度（ガ
ス量／触媒量）を大きくした場合の触媒層の流動による
粉化が生じるという欠点があった。

本発明は、以上の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、触媒層の出口部を高温に耐えられるよ
うに構成して、触媒の交換頻度を下げ、空間速度（ガス
量／触媒量）を大きくすることによりコンパクト化を図
った燃料改質装置を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、原料ガス及び水蒸気より成る混合ガスを、触
媒層を通過させて水素に富んだガスに改質させる燃料改
質装置において、触媒層の入口部に、低温で活性を有す
る触媒を充填し、出口部に、高密度で耐熱性を有する触
媒を充填したことを特徴とするものである。

（作用）本発明の燃料改質装置によれば、触媒層の各部の温度分
布を考慮して、触媒層の入口部には低温で活性を有する
触媒を充填し、出口部には高密度で耐熱性を有する触媒
を充填することにより、混合ガスの改質率を維持し、ま
た、触媒の長寿命化を可能とすることができる。さらに
、空間速度（ガス量／触媒量）の大きくなる出口部にお
いては触媒層の流動化を防止することができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図に基づいて具体的に説
明する。なお、第２図及び第３図に示した従来型と同一
の部祠には同一の符号を４１して、説明は省略する。

本実施例においては、第１図に示した様に、触媒層１３
の」二部には、低温における活性は劣るが、耐熱性を有
し、密度の高い耐熱触媒２０が充填され、一方、触媒層
１３の下部には、耐熱性は劣るが、低温における活性の
高い低温活性触媒２１が充填されている。

この様な構成を有する本実施例の燃料改質装置において
は、以下に述べる様にして改質反応が行われる。即ち、
混合ガス人口１２から入った混合ガスは、触媒層１３の
下部に充填された低温活性触媒２１と接触して改質反応
を行う。この時、改質反応と共にガスの体積が増加し、
空間速度（ガス量／触媒量）が大きくなるため、触媒層
の流動化が起こりやすくなる。また、触媒層１３の出口
部は、その」ニガより供給される高温の燃焼ガス１４と
の接触部であるため、改質ガス温度が最も高くなり、Ｎ
ｉ系の触媒では７００〜８００℃に維持されるが、この
温度では平衡が支配的となるため、必ずしも高活性の触
媒を必要としない。そこで、本実施例に示した様に、触
媒層１３の出口部に、低温における活性は劣るものの、
高密度で耐熱性を有する耐熱触媒２０を充填することに
より、上記の様な触媒層の流動化、触媒の粉化、活性の
劣化等を防止することができ、さらに、触媒層の長寿命
化を可能とすることができる。

［発明の効果］以上述べた様に、本発明によれば、触媒層の入口部に、
低温で活性を有する触媒を充填し、出口部に、高密度で
耐熱性を有する触媒を充填するという簡単な手段によっ
て、触媒層の出口部を高温に耐えられるようにし、触媒
の交換頻度を下げ、空間速度を大きくすることによりコ
ンパクト化を図った燃料改質装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料改質装置の一実施例を示す断面図
、第２図は燃料電池システムの一般的な構成を示す図、
第３図は従来の燃料改質装置の一例を示す断面図である
。１・・・原料ガス供給管、２・・・脱硫塔、３・・・水
蒸気供給管、４・・・燃料改質装置、５・・・改質反応
管、６・・・高温シフトコンバータ、７・・・低温シフ
トコンバータ、８・・・燃料電池、９・・・空気供給管
、１０・・・バーナ、１１・・・燃焼排ガス管、１２・
・・混合ガス人口、１３・・・触媒層、１４・・・燃焼
ガス、１５・・・伝熱促進材、１６・・・反応内管、１
７・・・リターンパス、１８・・・改質ガス出口、１つ
・・・アルミナボール、２０・・・耐熱触媒、２１・・
・低温活性触媒、２２・・・断熱祠、２３・・・燃焼ガ
ス出口。

Claims

【特許請求の範囲】原料ガス及び水蒸気より成る混合ガスを、触媒層を通過
させて水素に富んだガスに改質させる燃料改質装置にお
いて、前記触媒層の入口部に、低温で活性を有する触媒を充填
し、出口部に、高密度で耐熱性を有する触媒を充填した
ことを特徴とする燃料改質装置。