JPH04161244A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は炭化水素ガスに水蒸気を混合したガス（以下　
原料ガス）を燃焼ガスによって加熱し、触媒を用いた改
質反応により水素を主成分とするガス（以下　改質ガス
）を生成する燃料改質器に係り、特に、燃料電池発電シ
ステムに使用するのに適した燃料改質器の改質反応管（
以下　反応管）の機能の複合化により、燃料電池発電シ
ステムの簡素化を成しうる燃料改質器に関する。

（従来の技術） 燃料電池発電システムは一般に、燃料電池本体と上記燃
料改質器と電力変換装置、制御装置および多くの熱交換
器類によって構成されており。

非常に複雑なシステムである。

本発明の対象である燃料改質器について、一般に用いら
れている二重管式反応管を有する燃料改質器の一例を第
３図に示す。以下第３図を用いてその構成および機能を
説明する。

内面に適当な厚さの断熱材■を施した収納容器ω内に反
応管（３）が立設され、当該収納容器■の上端にはバー
ナ空気入口（イ）、バーナ燃料入口（ハ）を付属するバ
ーナ０が設けられている。反応管（３）は外管■と内管
（８）から成る二重管構造となっており。

また、外管■と内管■の間には粒状の改質触媒が充填さ
れて触媒層（ロ）が形成され、改質触媒層０）は目皿（
１０）によって上下で保持されている。

また、収納容器■の下端には容器壁を貫通して原料ガス
入口（１１）、改質ガス出口（Ｉ２）および排ガス出口
（１４）が設けられており、原料ガス入口（１１）に通
じる系の上流側には原料ガス予熱器（１９）が備えられ
ている。

バーナ空気入口に）およびバーナ燃料入０５１から供給
されたバーナ空気およびバーナ燃料はバーナ０で燃焼し
て１０００℃以上の高温の燃焼ガス（１３）となり、収
納容器■内に導入される。さらに燃焼ガス（１３）は反
応管（３）の周囲を長さ方向に沿って下向きに流動する
。その際、燃焼ガス（１３）は反応管■の内部を流れる
原料ガス（１５）と熱交換し、徐々に温度が降下する。

そして、既定の温度まで下がった燃焼ガス（１３）は排
ガスとなって排ガス出口（１４）から器外に流出する。

一方、炭化水素ガスに水蒸気を混合した約２００〜２５
０℃の原料ガス（１５）は、原料ガス予熱器（］９）に
よって約４５０℃に予熱され、原料ガス入口（１１）よ
り反応管■の下端に流入する。

次に、原料ガス（１５）は改質触媒層０）内を反応管（
３）の長さ方向に沿って上向きに流動する。その際、原
料ガス（１５）は反応管（３）の外部を流れる高温の燃
焼ガス（１３）と外管■を介して熱交換して熱せられ、
徐々に温度が上昇すると共に、触媒作用によって改質反
応が起こり、改質触媒層０の上端に達するまでに約８０
０℃の水素を主成分とする改質ガス（１６）に変化する
。

さらに改質ガス（１６）は反応管（３）の上端で反転し
、内管（８）によって形成されるリターンパス（１７）
を下向きに流動する。ここで高温の改質ガス（１６）は
内管（８）を介して改質触媒層（９）内を流動する原料
ガス（１５）を加熱する。尚、この作用は再生機能と呼
ばれ、高温の改質ガス（］６）の熱量を有効に利用する
ものである。

そして、約５５０℃に温度降下した改質ガス（１６）は
改質ガス出口（１２）より器外に排出され、原料ガス予
熱器（１９）の高温側ガスとしての役割をした後、図示
しない種々の機器を経由して燃料電池本体に導かれる。

（発明が解決しようとする課題） 以上のような構成および機能を有する従来の燃料改質器
を備えた燃料電池発電システムにおいては多くの機器の
中で燃料改質器が最も大きな機器であり、したがってシ
ステム全体に占めるスペースやコストの割合も大きくな
っている。このため過去においても、構造上の様々な工
夫や改質性能の向上、およびシステムの改良によって少
しでも小型にするような努力が払われてきたが、最近の
コンパクト化に対する要求は一層強いものがある。

次に、燃料改質器に要求されるもう一つの特徴は、原料
ガス（１５）の温度を約４５０℃に予熱しなければなら
ないことである。低温の原料ガス（Ｉ５）には水蒸気が
水滴となって分離されている場合があり、もし、直接に
触媒層に原料ガス（１５）を導入して、水滴が改質触媒
に付着して急激に蒸発したとき、熱的な衝撃によって改
質触媒の破壊を引き起こす原因となる。また、一般に、
４５０℃以下の低温においては触媒の活性が非常に低い
ために改質反応が起こりにくく、したがって、低温領域
の触媒層は性能上無効になってしまうという重大な欠点
になる。

原料予熱器（１９）は上記の理由により原料ガス（１５
）を適正な温度まで予熱するために設けられているもの
であり、必要不可欠な機器のひとつである。尚、第３図
の例では原料ガス（１５）の加熱源として約５５０℃の
改質ガス（１６）を用いている。

しかし、原料予熱器（１９）のような類の機器を必要と
することが、燃料電池発電システムの複雑さの一つの要
因であり、システムの簡素化やコンパクト化を阻害する
原因となっている。

本発明は上記の１１題を解決するために発明されたもの
であり、その目的とするところは、反応管の構造の改良
によって、燃料改質器の機能の複合化を図り、もって燃
料電池発電システムの簡素化に寄与する燃料改質器を提
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） 上記の目的を達成するために１本発明は充填層を上下に
区分し、上部を改質触媒を充填した改質触媒層より成る
改質部、下部を改質伝熱促進材を充填した伝熱充填層よ
り成る予熱部とすることを特徴とする。

（作　用） 上記の手段によって下記の作用が得られる。

１）　伝熱充填層の作用により、低温の原料ガスを約４
５０℃以上に予熱でき、かつ高温の改質ガスを次の機器
に送るのに十分な温度（約３５０℃）まで冷却できる。

２）上記した作用により、原料ガスを必要な温度まで予
熱するから、原料ガス予熱器が不要にな以下１本発明の
実施例を第１図および第２図を用いて説明する。第１図
は本発明を適用した燃料改質器の構成を示し、第２図は
反応管（３）の詳細を示している。

第１図および第２図において、第３図と同一符号で示す
部分はその構成が同様であるから説明を省略する。

従来の充填層を遊動可能な多孔仕切板（２１）によって
上下に区分し、上部に改質触媒および下部に伝熱促進材
をそれぞれ充填し、改質触媒層０および伝熱充填層（２
０）を形成する。機能的な面から改質触媒層０は改質部
、伝熱充填層（２０）は予熱部と称する。

従来の原料ガス予熱器（１９）は設置されない。

次に本発明の実施例の作用について、ガスの流れに沿っ
て説明する。尚、従来と同様の作用を有する部分はその
説明を省略する。

第１図において、１０００℃以上の高温の燃焼ガス（１
３）は、収納容器■の内部に導入され、反応管■の周囲
を長さ方向に沿って下向きに流動する。その際、燃焼ガ
ス（１３）は外管■を介して反応管（３）の内部に流れ
る原料ガス（１５）と熱交換して徐々に温度が降下する
。そして、排ガスとなって収納容器■の上端部の排ガス
出口（］４）から流出する。

一方、炭化水素ガスに水蒸気を混合した約２００〜２５
０℃の原料ガス（１５）は、原料ガス入口（１１）より
反応管（３）の下端に流入し、次に予熱部の伝熱充填層
（２０）内を上向きに流動する。この際、原料ガス（１
５）は、外管■を介して外部を流れる燃焼ガス（１３）
と、および内管（へ）を介して改質ガス（１６）とそれ
ぞれ熱交換して徐々に温度が上昇し、予熱部の上端に達
するまでに４５０℃以上の高温に加熱される。

これによって、従来は原料ガス予熱器（１９）で成され
ていた原料ガス（１５）の予熱が反応管（３）の内部で
成されるため原料ガス予熱器（１９）が不要になり、燃
料電池発電プラントの簡素化や、コンパクト化が達成さ
れる。

次に、予熱された原料ガス（１５）は改質触媒層０を上
向きに流動し、この際、原料ガス（１５）は外管■を介
して反応管■の外部を流れる高温の燃焼ガス（１３）と
、内管（８）を介して内管（８）の内部を流れる改質ガ
ス（１６）によって加熱され、徐々に温度が上昇すると
共に、触媒作用によって改質反応が起こり、改質触媒層
０の上端に達するまでには約８００℃の水素を主成分と
する改質ガス（１６）に変化する。

次に、改質ガス（１６）は反応管（３）の上端部で反転
して内管（ハ）の内側のリターンパス（１７）を下向き
に流れる。この際、高温の改質ガス（１６）が保有する
熱量は内管（ハ）を介して原料ガス（１５）に伝えられ
る。

さらに、ある程度まで温度が下がった上記の改質ガス（
１６）は、予熱部に□おいて、低温の原料ガス（１５）
と内管（８）を介して熱伝導し、下端に達するまでに約
３５０℃まで低下する。

このように、本発明の改質器は、従来の改質器の持つ改
質機能と原料予熱器（１９）の持つ予熱機能を合せ持っ
ており、二種類の機器の機能を有する複合機器となって
いる。

尚、予熱部が設けられている反応管■の下部は従来の改
質触媒層■）では改質触媒の活性が比較的低い温度領域
であるため、その部分を伝熱充填層（２０）に変えても
、全体として改質性能の低下は微少である。したがって
１本発明は反応管（３）の全長をわずかに長くするのみ
で機能の複合化が達成される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、原料ガスの予熱
機能を備えているから、原料ガス予熱器が不要になる利
点を有しており、燃料電池発電システムの簡素化に寄与
する燃料改質器を提供するのに優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料改質器の構成図、第２図は本
発明による改質管の詳胴を示す断面図。 第３図は従来の燃料改質器の一例を示す構成図である。 ３・・反応管　　　　　　７・・・外管８・内管　　　
　　　　９　・改質触媒層２０・伝熱充填層　　　　２
１・・・多孔仕切板代理人　弁理士　則　近　憲　佑 第１図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に改質触媒層が設けられた外管と内管より成
   る二重管式反応管を有する燃料改質器において、前記改
   質触媒層を上下に区分し、該上部を改質触媒を充填した
   改質触媒層より成る改質部、下部を伝熱促進材を充填し
   た伝熱充填層より成る予熱部とすることを特徴とする燃
   料改質器。
2. （２）上下に区分した境界に遊動可能な多孔仕切板を設
   けたことを特徴とする請求項１記載の燃料改質器。