JPH04170301A - 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
、原料ガスと称する）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
、改質ガスと称する）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、反応管と称する）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なしう
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
器類や反応器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電池発電システムの燃料改質器
については、一般的に二重管式反応管が採用されている
。その−例を、第３図および第４図に示す。以下、本図
を用いて、その構成および機能の概略を説明する。

内面に適当な厚さの断熱材２を施した収納容器１の下部
中央に、バーナ空気人口５およびバーナ燃料人口６を付
属するバーナ４が設けられ、バーナ４の上部にはライザ
ー管７が立設されている。

また、ライザー管７を囲むように複数の反応管３が配設
され、当該反応管３は、外管１３と内管１４からなる二
重管構造となっており、外管１３と内管１４の間には粒
状の改質触媒が充填されて改質触媒層１５が形成されて
いる。また、内管１４の内部にはプラグ管１６が設けら
れ、内管１４とプラグ管１６の間には、再生バス１７と
称するガス通路が形成されている。

また、収納容器１の下部には、容器壁を貫通して原料ガ
ス人口８、改質ガス出口１１および排ガス出口１２が設
けられている。さらに、原料ガス人口８は収納容器１の
内部において原料ガス分配管９に通じ、さらに、分配枝
管１８を介して反応管３の下端に連結している。

次に、ガスの流れを順に説明する。バーナ空気人口５お
よびバーナ燃料入口６から供給されたバーナ空気および
バーナ燃料は、バーナ４で燃焼して１０００℃以上の高
温の燃焼ガス１９となり、ライザー管７内を上昇する。

さらに、燃焼ガス１９は収納容器１の上端部で放射状に
反転して流れ、複数の反応管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１９は、反応管３の内部を流れる原料
ガス２０と熱交換し、徐々に温度が降下する。そして、
所定の温度まで下がった燃焼ガス１９は排ガスとなって
排ガス比口１２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原料ガス２０は
、図示しない原料ガス予熱器によって所定の温度に予熱
され、原料ガス人口８より収納容器１の下部に流入し、
原料ガス分配管９および分配枝管１８を介して反応管３
の下端に流入する。

次に、原料ガス２０は、反応管３の下部で上向きに流れ
を転じ、改質触媒層１５内を反応管３の長さ方向に沿っ
て流動する。

その際、原料ガス２０は、反応管３の外部を流れる高温
の燃焼ガス１９と外管１３を介して熱交換して熱せられ
、徐々に温度が上昇する。そして、触媒作用によって吸
熱反応であるところの水蒸気改質反応が起こり、改質触
媒層１５の上端に達するまでに約８００℃の水素と一酸
化炭素を主成分と改質ガス２１に変化する。　さらに、
改質ガス２１は、反応管３の上端で反転し、内管１４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２１は、内管１４を介して改質
触媒層１５内を流動する原料ガス２０に熱を供給する。

尚、この作用は再生機能と呼ばれ、高温の改質ガス２１
の熱量を有効に利用するものである。

そして、約４００〜５５０℃の所定の温度に降下した改
質ガス２１は、改質ガス集合管１０を経て改質ガス出口
１１より器外に排出され、−酸化炭素変成器２４に導か
れる。−酸化炭素変成器２４において改質ガス２１は、
−酸化炭素濃度を低減し、図示しない種々の器機を経由
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Ｉり 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、燃料電池発電システムにおけるもう一つの特徴は
、燃料改質器の生成した改質ガス２１には約５〜１０％
もの大量の一酸化炭素が含まれているために、そのまま
燃料電池に送ることができないということである。−酸
化炭素は燃料電池の電極触媒の触媒毒となって寿命を著
しく低下させるため、−酸化炭素を多く含むガスは電池
の燃料ガスとして不適当である。

したがって、通常の燃料電池発電システムにおいては、
燃料改質器の後段に別置の一酸化炭素変成器２４を設置
して、改質ガス２１中の一酸化炭素を燃料電池が許容す
る濃度まで低減させている。

この理由により、−酸化炭素変成器２４は燃料電池発電
システムでは、燃料改質器に並ぶ必要不可欠な重要機器
のひとつとなっている。

しかしながら、−酸化炭素変成器２４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
妨げる原因となっていることは否めない。

本発明は、上記の課題を解決するために考案されたもの
であり、その目的とするところは、燃料改質器の構造、
特に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、本発明は次の手段を講じ
ている。すなわち、外管および内管により従来と同様な
二重管式反応管を構成し、内管内の上半部にはプラグ管
を設けて再生パスを形成するとともに、下半部には一酸
化炭素変成触媒を充填して変成触媒層を形成し、その中
心部には調整管を設ける。機能的に、該上半部を再生セ
クション、下半部を変成セクションと称す。

（作用） 上記の手段によって下記の作用が得られる。

すなわち、再生セクションにおいて、再生パスの作用に
より、高温の改質ガスの熱量を内管を介して原料ガスに
供給して従来と同様の再生機能を保持するとともに、−
酸化炭素変成触媒に供給するのに適した温度まで改質ガ
スを冷却する。

一方、変成セクションにおいて、変成触媒層の作用によ
り改質ガスの一酸化炭素の濃度を低減するから、後段の
一酸化炭素変成器が不要、もしくは著しく小形化するこ
とが可能である。

さらに、−酸化炭素変成反応は発熱反応であるから、上
記の改質ガスの処理過程で発生する熱量が内管を介して
改質触媒層に伝えられる。したがって、改質反応の熱源
としてのバーナの燃料を節約することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図および第２図を参照して
説明する。第１図は本発明を適用した燃料改質器の全体
構成を示し、第２図は反応管の詳細を示している。

第１図および第２図において、第３図および第４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。

外管１３および内管１４により従来と同様な二重管を構
成し、その間を改質触媒層１５となす。

内管１４の内側の空間を上半部の再生セクション、下半
部の変成セクションに区分し、再生セクションにはプラ
グ管１６を設けて再生パス１７を形成し、変成セクショ
ンには一酸化炭素変成触媒を充填して変成触媒層２２を
形成している。また、変成触媒層２２の中心部には調整
管２３が立設されている。

次に、本発明の実施例の作用を説明する。

なお、従来と同様の作用を有する部分はその説明を省略
する。

１０００℃以上の高温の燃焼ガス１９は、ライザー管７
を経て収納容器１の上部から反応管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１９は外
管１３を介して反応管３の内部を流れる原料ガス２０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１の下端部の排ガス出口１２から流出する。

一方、炭化水素ガスに水蒸気を混合した原料ガス２０は
、原料ガス人口８より原料ガス分配管９および分配枝管
１８を経由して反応管３の下端に流入し、改質触媒層１
５の中を上向きに流動する。

この際、原料ガス２０は、外管１３を介して外部を流れ
る燃焼ガス１９および内管１４を介して改質ガス２１と
それぞれ熱交換して徐々に温度が上昇する。そして、触
媒の作用により水蒸気改質反応が起こり、改質触媒層１
５の上端に達するまでには約８００℃の水素と一酸化炭
素を主成分とする改質ガス２１に変化する。

次に、改質ガス２１は、反応管３の上端部で反転して内
管１４とプラグ管１６で構成される環状の再生パス１７
に流入し、下方に流れる。再生パス１７を通過する間に
、高温の改質ガス２１の保有する熱量は、内管１４を介
して改質触媒層］５を流れる原料ガス２０に伝えられ、
改質ガス２１自身は所定の温度まで降下する。

このように、本実施例においても、吸熱反応であるとこ
ろの水蒸気改質反応の熱源として、高温の改質ガス２１
の保有する熱量の有効利用が図られており、従来の改質
器と同様の再生機能が備えられている。

さらに、所定の温度が下がった上記の改質ガス２１は、
内管１４の下半部に設けられた変成触媒層２２に流入し
、下向きに流動する。その際、変成触媒の作用により、
改質ガス２１中に含まれた約ｌＯ％の一酸化炭素は、水
素と二酸化炭素に変化する。そして、下端に達するまで
に一酸化炭素の含有率は、燃料電池に導入するのに適当
な濃度もしくは著しく低い濃度まで低下する。

なお、調節管２３は変成触媒層２２に充填する変成触媒
の充填量の調整や流速の調整の役割を持っており、この
寸法や形状を変えることによって、性能を十分に引き出
す最適な設計が可能になる。

このように、本実施例の改質器は、従来の改質器の持つ
改質機能と一酸化炭素変成器２４の持つ変成機能を併せ
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。

なお、−酸化炭素の変成反応は、発熱反応であるため、
上述した変成触媒層２２での反応過程で発生した熱量は
、内管１４を介して改質触媒層１５を流れる原料ガス２
０に伝達され、水蒸気改質反応の熱源として有効に利用
される。したがって、水蒸気改質反応の熱源としてのバ
ーナ４の燃料を節約することができ、発電プラントの熱
効率の向上に大きく寄与する。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明の燃料改質器によれば、改
質ガスに含まれる一酸化炭素の変成機能を備えているか
ら、−酸化炭素変成器が不要もしくは著しく小形化が可
能になる利点を有するのみならず、反応に伴う発生熱の
有効利用を図っているから、燃料電池発電システムの簡
素化および高効率化が達成されるという優れた効果を奏
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全体構成を示す断面
図、第２図は本発明による反応管の詳細を示す断面図、
第３図は従来の燃料改質器を示す断面図、第４図は従来
の反応管の一例を示す断面図である。 ３・・・・・・・・・反応管 １３・・・・・・・・・外管 １４・・・・・・・・・内管 １５・・・・・・・・・改質触媒層 １６・・・・・・・・プラグ管 １７・・・・・・・・・再生ハス ２２・・・・・・・・・変成触媒層 ２３・・・・・・・・・調整管

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な
   る二重管式反応管を有する燃料改質器において、前記内
   管の内部を上下に区分し、該上半部をプラグ管を設けた
   再生バスよりなる再生セクション、該下半部を一酸化炭
   素変成触媒を充填した変成触媒層よりなる変成セクショ
   ンとして構成したことを特徴とする燃料改質器。
2. （２）前記変成触媒層の中心に調整管を設けたことを特
   徴とする請求項１記載の燃料改質器。