JPH04265147A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化水素系の原燃料を
水素に富むガスに水蒸気改質する燃料改質器、特に燃料
電池と組合わせてなる燃料電池発電システムに使用され
る燃料改質器に関する。

【０００２】

【従来の技術】天然ガスやナフサ等の炭化水素系の原燃
料に水蒸気を付加してなる改質原料ガスを改質触媒が充
填された反応管に通流し、反応管をバーナからの熱媒体
により加熱して改質原料ガスを水素に富むガスに水蒸気
改質する燃料改質器が知られている。この燃料改質器は
燃料電池発電システムに組込まれ、燃料改質器で水蒸気
改質した改質ガスを燃料電池の燃料用として使用してい
る。

【０００３】上記の燃料改質器において図１９に示すよ
うな二重管構造の反応管を備えたものが知られている。

【０００４】図１９において、炉容器１は上部中央にバ
ーナ２と、側壁上部にバーナ２での燃焼による燃焼ガス
を排出する排ガス出口３を備え、さらに反応管１１を有
する改質管４を内蔵している。

【０００５】改質管４は直立する内管５と、これを囲む
外囲管６と、この下部開口部を閉鎖する底板７と、内管
５と外囲管６との間に底板７から離して介挿される内管
５を囲む外管８とから構成され、内管５と外管８との間
の環状空間には改質触媒９が充填されてなる触媒層１０
を内蔵して反応管１１が形成されている。ここでバーナ
２は内管５の内側の上端部に位置している。なお外管８
と外囲管６との間は改質原料ガス通路１２を形成してい
る。

【０００６】外囲管６の上部側壁には改質原料ガスを改
質管４の改質原料ガス通路１２に流入させる改質原料ガ
ス入口１３が、また外管８の上部側壁には改質ガスを外
部に排出する改質ガス出口１４が設けられている。

【０００７】なお、内管５の内側は燃焼室１５を形成し
、外囲管６と炉容器１の側壁との間は燃焼ガス通路１６
を形成している。

【０００８】このような構成により、バーナ２での燃焼
により生じた燃焼ガスは燃焼室１５内を下方に流れ、改
質管４の下端部で折返して燃焼ガス通路１６を流れて反
応管１１と改質原料ガス通路１２とが形成される改質管
４を加熱した後、排ガス出口３から外部に排出される。

【０００９】一方改質原料ガスは、改質原料ガス入口１
３から流入して改質原料ガス通路１２を下方に流れ、外
囲管６から燃焼ガスの熱を受けて徐々に加熱され、改質
原料ガスを改質により適する温度に昇温する。そしてこ
の昇温された改質原料ガスは底板７の所で折返して反応
管１１内の触媒層１０に流入する。そして改質原料ガス
は燃焼ガスにより加熱された触媒層１０を下方から上方
に向って通流し、触媒作用の下に水蒸気改質されて水素
に富むガスに改質されて改質ガス出口１４から燃料電池
の方に送出される。

【００１０】上記のような燃料改質器における水蒸気改
質する際の運転温度は、原燃料がメタン主成分のガスの
場合、改質管を形成している耐熱鋼の表面温度は、運転
圧力にもよるが７００〜９００℃にもなる。また燃料電
池発電システム全体の起動停止時間は、発電装置である
という観点からより短いことが望まれており、１〜２時
間程度が目標となっている。また最も起動停止の頻度が
高い場合には、毎日起動停止を繰り返す場合がある。こ
れらについて従来の化学プラント用に比較すると、起動
時間は約１０〜１００倍早く、起動停止頻度は約２５０
倍も多く、非常に過酷な条件で運転が行なわれることに
なる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のような燃料改質
器は従来の化学プラント用の改質器に比較して、非常に
過酷な条件で頻繁に起動停止が繰り返されるため、起動
停止中の温度変化により改質管を構成している金属材料
は膨脹収縮を繰り返す。

【００１２】この際、燃料改質器の起動時には、バーナ
２での燃焼による燃焼ガスにより反応管１１は加熱され
るが、内管５と外管８との温度上昇速度には差異が生じ
、図２１の昇温特性で示すように外管８の温度上昇が内
管５の温度上昇よりかなり遅れる。すなわち内管５の温
度は外管のそれより高温になり、これに伴って内管の円
周方向の熱膨脹は外管のそれより大きくなり、このため
内管５と外管８との間の環状空間の半径方向の間隙は減
少する。

【００１３】この環状空間の間隙減少により、触媒層に
は圧縮荷重がかかって応力が発生し、最悪の場合には改
質触媒の圧壊を引き起こしていた。この際改質触媒が圧
壊して粉状になると、触媒層の流体抵抗が大きくなり、
最悪の場合燃料電池発電システムの継続運転が不可能に
なるという恐れがある。

【００１４】このような改質触媒の圧壊を防ぐために、
触媒粒子自身にある程度の圧壊強度をもたせる必要があ
るが、触媒自身の圧壊強度を増大させることは、触媒の
担体であるアルミナの強度を増加させることになる。こ
のためには、担体処理時の焼成温度を上昇させるか、処
理時間を長くするかのいずれかの方法があるが、いずれ
にしてもγ−Ａｌ２　Ｏ３　をα−Ａｌ２　Ｏ３　とし
て結晶度をあげた結果、担体内部の細孔容積を減らすこ
とになる。ところで、このような細孔は、直接的に触媒
反応の速度に寄与し、数が多ければそれだけ触媒活性が
よいといえるため、細孔容積を減らすことは触媒の活性
を低下させることになる。

【００１５】上記のように、触媒強度と活性の関係は相
反する関係にあるので、燃料電池用燃料改質器の改質触
媒は、ある程度の強度と活性の両者をバランスさせて製
作している。このために触媒量を減少させることができ
ず、例えばオンサイト用の燃料電池発電システムのよう
な場合には燃料改質器のサイズがある程度以下にはなら
ないという問題があった。

【００１６】また、燃料電池発電システムとしては起動
時間は短かいことが望まれており、このため燃料改質器
の反応管内の触媒層を改質可能な温度に速やかに上昇さ
せることも要望されている。

【００１７】本発明の目的は、起動時生じる反応管の熱
変形による反応管内の改質触媒の圧壊を防止し、また触
媒層を速やかに改質可能な温度に昇温できる燃料改質器
を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば内管と、これを囲む外管とからなり
、内管と外管との間の環状空間に粒状の改質触媒が充填
されてなる触媒層を内蔵する反応管と、内管の内側の一
方の端部に配されるバーナとを備え、内管の内側に供給
されるバーナからの熱媒体により反応管を加熱して触媒
層を通流する炭化水素系の原燃料を水素に富むガスに水
蒸気改質する燃料改質器において、前記環状空間に内管
から外管に伝熱する伝熱手段を設けるものとする。

【００１９】上記の伝熱手段は、原燃料の流れ方向に複
数列，複数段にして設けられ、かつ隣接段は食い違って
内管と外管との側壁に接続される伝熱板からなるものと
する。

【００２０】また伝熱手段は原燃料の流れ方向に複数列
，単段にして内管と外管との側壁に接続される伝熱板か
らなるものとする。

【００２１】なお、上記の複数列，単段の伝熱板は内管
と外管との側壁に接続される部分の伝熱板端部は粒状の
改質触媒に沿う形状にするものとする。

【００２２】また上記の複数列，単段の伝熱板はその板
面から突出し、原燃料の流れ方向を変える邪魔板を備え
るものとする。

【００２３】上記の伝熱板は湾曲した板面を有するもの
とする。

【００２４】

【作用】触媒層を内蔵する反応管の内管から外管に伝熱
する伝熱手段を反応管内に設けたことにより、内管の内
側の一方の端部に設けられたバーナでの燃焼により加熱
される反応管は、内管の方が外管より高温となり、内管
の熱が伝熱手段を介して外管に伝達され、外管の温度は
速やかに内管の温度に近づく。

【００２５】この結果、内管と外管との熱膨脹差は少な
くなり、このため内管と外管との間の環状空間の半径方
向間隙の減少は少なくなる。したがって環状空間内の改
質触媒の圧壊は防止される。

【００２６】また伝熱手段を介して触媒層にも伝熱され
るので、触媒層は昇温され、改質可能な温度に速やかに
到達する。

【００２７】伝熱手段としては伝熱板を改質原料ガスの
流れ方向に複数列，複数段に設け、かつ隣接段の伝熱板
は食い違うように内管と外管との側壁に接続して設ける
。

【００２８】このようにして伝熱板を設けるのは次記の
理由による。触媒層を形成する改質触媒自体の形状は種
々のものがあるが、触媒の直径が特に大きい球状の場合
、図２０に示すように内管５と外管８との側壁に接続さ
れる平板状の伝熱板２０と内管５とで囲まれる隅部に粒
状の改質触媒９が位置すると、斜線で示す楔形空間２１
が生じる。この楔形空間２１を流れる改質原料ガスは万
遍なく改質触媒同士の間を通過しないことになる。

【００２９】ところで、改質原料ガスの水蒸気改質を充
分に行なわせるには、改質原料ガスの流速，温度，圧力
，粘性係数，触媒や管壁との摩擦係数の物性値によるが
、触媒層の改質触媒同士の間を万遍なく通過する必要が
ある。

【００３０】したがって、伝熱板が内管と外管との側壁
に接続して改質原料ガスの流れ方向に反応管の長さにわ
たって設けられている場合、前記楔形空間は改質原料ガ
スの流れ方向に続いて位置するようになり、このためこ
れらの楔形空間を流れた改質原料ガスは改質触媒同士の
間を万遍なく通過せずに触媒層から排出される。

【００３１】これを防止するためには、伝熱板を複数段
にし、かつ隣接段の伝熱板は食い違うように配設するこ
とにより、最下段の伝熱板により形成される楔形空間を
流れた改質原料ガスは最下段の伝熱板間の触媒層を通過
した後、食い違って配設される次段の伝熱板間の触媒層
に流入するので、この段の伝熱板間の改質触媒同士の間
を万遍なく流れ、したがって改質率の低減を抑えること
ができる。

【００３２】また伝熱手段として内管と外管との側壁に
接続して改質原料ガスの流れ方向に複数列，単段にして
伝熱板を設ける。

【００３３】なお、伝熱板を改質原料ガスの流れ方向に
複数列，単段に設けた場合には、伝熱板が内管と外管と
に接続される部分の伝熱板端部を粒状の改質触媒の外形
に沿う形状にすることにより、前述の楔形空間をなくし
、改質率の減少を防止する。

【００３４】また、伝熱板に改質原料ガスの流れ方向を
変える邪魔板を板面から突出させて設けることにより、
前述の楔形空間を流れた改質原料ガスは邪魔板により、
流れ方向が変えられて下流に存在する楔形空間に流れな
いので、改質率の減少を防止する。

【００３５】また、伝熱板に湾曲した板面を持たせるこ
とにより、起動時の加熱時、伝熱板からの伝熱により内
管と外管との温度差が小さくなっても内管と外管との間
の環状空間の半径方向間隙の減少はある程度避けられな
い場合もあるので、この間隙減少に対して伝熱板を撓み
やすくする。

【００３６】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例について
説明する。図１は本発明の実施例による燃料改質器の断
面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１の改質管
の破砕斜視図である。なお図１ないし図３において図１
９の従来例と同一部品には同じ符号を付し、その説明を
省略する。図１ないし図３において従来例と異なるのは
下記の通りである。

【００３７】図１ないし図３において、反応管１１の内
管５と外管８との間の改質触媒９が充填される環状空間
に内管５と外管８との側壁に接続して熱伝導率の高い銅
製の平板状の伝熱板２２，２２ａ，２２ｂを複数列で、
かつ複数段にして設けている。なお、隣接段の伝熱板２
２と２２ａ並びに２２ａと２２ｂとはそれぞれ食い違っ
て配列されている。

【００３８】伝熱板２２，２２ａ，２２ｂは、図４に示
すように内管５と外管８との側壁に接続されて半径方向
に配設されている。なお、伝熱板２２，２２ａ，２２ｂ
の厚さは図５に示すように板厚が厚い方が単位時間当り
の伝熱量は向上し、このため内管５と外管８との温度差
がより小さくなるが、触媒層体積は減少する等の欠点が
あるので、適当な板厚に選択される。

【００３９】また、平板状の伝熱板２２，２２ａ，２２
ｂは図６に示すように内管５と外管８との側壁に接続さ
れる半径方向に斜行する形状の伝熱板２０でもよい。

【００４０】このような構造により、起動時バーナ２か
らの燃焼ガスにより反応管１１は加熱され、反応管１１
内の触媒層１０は改質原料ガスの改質可能な温度まで昇
温される。この際、内管５の温度は外管８のそれより高
くなるが、内管５が有する熱は伝熱板２０，２０ａ，２
０ｂを介して外管８に伝達され、外管８の温度は内管５
のそれに近づく。

【００４１】このため内管５と外管８との円周方向の熱
膨脹差は小さくなるので、内管５と外管８との間の環状
空間の半径方向間隙の減少は小さくなる。このため反応
管１１内の触媒層１０にかかる圧縮荷重は小さくなり、
改質触媒の圧壊を防止する。

【００４２】なお、触媒層１０にも伝熱板２０，２０ａ
，２０ｂを介して伝熱されるので、触媒層１０の昇温速
度が早くなり、触媒層の改質可能な温度までの昇温時間
、すなわち起動時間は短縮される。

【００４３】起動終了後、改質原料ガスを改質原料ガス
通路１２を経て反応管１１に流入させると、改質原料ガ
スは伝熱板２０，２０ａ，２０ｂが介挿された触媒層１
０を下方から上方に向って流れる。この際伝熱板２２ｂ
と２２ａ並びに２２ａと２２とは食い違って配列されて
いるので、最下段の伝熱板２２ｂの端部にある前記楔形
空間を流れて改質触媒同士の間を万遍なく通過しない改
質原料ガスは伝熱板２２ａ間の楔形空間のない触媒層部
に流入して改質触媒同士の間を万遍なく通過する。

【００４４】つぎに伝熱板２２ａの端部にある楔形空間
を流れて流出した改質原料ガスも伝熱板２２間の楔形空
間のない触媒層部を流れて改質触媒同士の間を万遍なく
通過する。

【００４５】このようにして改質原料ガスは伝熱板の端
部に楔形空間があっても、改質原料ガスは改質触媒同士
の間を万遍なく通過する。

【００４６】このように改質原料ガスはバーナ２での燃
焼による燃焼ガスにより加熱された触媒層１０を通流す
ることにより、改質率の低減を抑えて水素に富むガスに
水蒸気改質されて改質ガス出口１４から送出される。

【００４７】図７は本発明の異なる実施例による燃料改
質器の反応管の破砕斜視図である。図７において図１と
異なるのは下記の通りである。

【００４８】図７において内管５と外管８との間の環状
空間に内管５と外管８との側壁に接続して改質原料ガス
の流れ方向に複数列で単段の半径方向の平板からなる伝
熱板２２を設ける。この場合伝熱板２２が内管５と外管
８との側壁に接続する部分の伝熱板の端部には図２０に
示すような楔形空間が生じる。この楔形空間は改質作用
を低減するので、図２０の伝熱板２０に対して図８に示
すように粒状の改質触媒の形状に沿う曲面を有するよう
に金属等を伝熱板２０と内管５，外管８との接続部の伝
熱板端部に埋込んでなる曲部２５を設けることにより、
楔形空間がないようにする。

【００４９】したがって本実施例による伝熱板２２の端
部にも上記のような曲部を設けることにより楔形空間を
なくすようにしている。

【００５０】このような構造により、起動時の加熱時、
前述と同様に伝熱板２２からの伝熱により、外管８の温
度は内管５のそれに近づき、このため内管５と外管８と
の間の環状空間の半径方向間隙の減少を防止するので、
改質触媒の圧壊を防止し、また改質可能な温度までの触
媒層の昇温時間を短縮する。

【００５１】また改質原料ガスは伝熱板２２間の触媒層
を流れるが、伝熱板２２の端部の金属等の埋込みによる
曲部により、楔形空間が生じないので、改質率の減少を
防止する。

【００５２】図９は本発明の他の異なる実施例による燃
料改質器の反応管の破砕斜視図である。図９において伝
熱板２２は改質原料ガスの流れ方向に複数列，単段にし
て内管５と外管８との側壁に接続され、伝熱板２２の複
数個所に邪魔板２６を板面から突出して設けているほか
は図１と同じである。

【００５３】このような構造により、起動時の加熱時、
前述のように内管５と外管８との間の環状空間の半径方
向間隙の減少を防止して改質触媒の圧壊を防止し、また
改質可能な温度までの触媒層の昇温時間を短縮する。

【００５４】また、改質原料ガスが伝熱板２２間の触媒
層を流れる際、楔形空間を流れた改質原料ガスは邪魔板
２６により流れ方向が変えられ、下流の伝熱板２２間の
楔形空間のない触媒層部に流れるので、改質率の減少を
防止する。

【００５５】ところで、起動時の加熱時、伝熱板からの
伝熱により外管の温度は内管のそれに近づき、その温度
差は小さくなるが、この温度差により内管５と外管８と
の環状空間の半径方向間隙の減少はある程度避けられな
い場合もあるので、この伝熱板を撓みやすいように下記
に示すような湾曲面を有する伝熱板を取付ける。

【００５６】湾曲面を有する伝熱板２７は湾曲面が図１
０に示す図面上上凹のもの、図１１に示す図面上上凸の
もの、図１２に示す波形のもの、図１３に示す山形のも
の、図１４に示す中部が凸のもの、図１５に示す段付状
のものにする。なお、図１６に示す異なる向きの湾曲面
を有する二枚の伝熱板２７を設けたものでもよい。この
場合楔形空間は生じない。

【００５７】なお、図面上上凹の湾曲面を有する伝熱板
にはこの裏側の伝熱板の端部に楔形空間が生じないよう
に、図１７に示すように上凹の湾曲面を有する伝熱板２
７の内管５と外管８とに接続される伝熱板２７の裏側の
端部に粒状の改質触媒の外形に沿う曲面を有するように
伝熱板２７と内管５，外管８との間に金属等を埋込んで
なる曲部２５を設ける。

【００５８】また楔形空間をなくすために図１８に示す
ように図面上上凹と下凹の曲面を有する伝熱板２８を設
けてもよい。

【００５９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば反応管の内管と外管との間の環状空間に内管から
外管に熱を伝達する伝熱手段、この伝熱手段として改質
原料ガスの流れ方向に複数列，複数段にして隣接段は食
い違って配列される伝熱板、また複数列，単段にして配
列される伝熱板、さらにこの伝熱板の反応管の内管と外
管との接続部の端部が粒状の改質触媒の外形に沿う曲面
を有するように形成された伝熱板、またこの伝熱板に原
燃料の流れ方向を変える邪魔板を設けた伝熱板を設けた
ことにより、起動時の加熱時伝熱板により高温の内管か
ら熱が外管に伝達されるので、内管と外管との温度差が
小さくなり、このため内管と外管との間の環状空間の半
径方向間隙の減少を防止でき、したがって触媒層にかか
る圧縮荷重は減少し、改質触媒の圧壊を防止できる。

【００６０】このように改質触媒の圧壊は防止されるの
で、圧壊強度は小さいが触媒活性の大きい改質触媒が使
用できるので、触媒量を大きくとる必要がなくなり、こ
のため燃料改質器を小型化できる。

【００６１】また、伝熱板により触媒層にも伝熱される
ので、触媒層を改質可能な温度に速やかに昇温でき、こ
のため起動時間を短縮できる。

【００６２】一方、複数列，複数段の伝熱板では隣接段
を食い違って配列し、また複数列，単段の伝熱板ではそ
の端部を粒状の改質触媒の形状に沿う曲面にしたり、邪
魔板を設けているので、改質原料ガスは改質触媒同士の
間を万遍なく通過し、このため改質率の減少を防止でき
る。

【００６３】また、伝熱板の伝熱作用により内管と外管
との温度差は小さくなっても内管と外管との環状空間の
半径方向間隙の減少はある程度避けられない場合もある
ので、伝熱板の板面を湾曲させることにより、伝熱板は
撓みやすくなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による燃料改質器の断面図

【図
２】図１の反応管のＡ−Ａ断面図

【図３】図１の改質管の破砕斜視図

【図４】図１の伝熱板を備える反応管の部分断面図

【図
５】図１の反応管の図２と異なる断面図

【図６】図１の
燃料改質器における半径方向に斜行する伝熱板を備える
反応管の部分断面図

【図７】本発明の異なる実施例による燃料改質器の反応
管の破砕斜視図

【図８】楔形空間が生じない伝熱板を備える反応管の部
分断面図

【図９】本発明の他の異なる実施例による燃料改質器の
反応管の破砕斜視図

【図１０】図面上で上凹の湾曲面を有する伝熱板を備え
る反応管の部分断面図

【図１１】図面上で上凸の湾曲面を有する伝熱板を備え
る反応管の部分断面図

【図１２】波形の湾曲面を有する伝熱板を備える反応管
の部分断面図

【図１３】山形の湾曲面を有する伝熱板を備える反応管
の部分断面図

【図１４】中部に凸部を有する伝熱板を備える反応管の
部分断面図

【図１５】段付部を有する伝熱板を備える反応管の部分
断面図

【図１６】図面上で上凸と下凸との湾曲面を有する伝熱
板を隣り合わせて配した反応管の部分断面図

【図１７】
図面上で下凸の湾曲面を有する伝熱板の端部に金属等を
埋込んだ反応管の部分断面図

【図１８】図面上で上凸と
下凸との湾曲面を両面に有する伝熱板を備える反応管の
部分断面図

【図１９】従来の燃料改質器の断面図

【図２０】楔形空間が生じる伝熱板を備える反応管の部
分断面図

【図２１】従来の燃料改質器の反応管の内管と外管の起
動時の昇温特性を示す図

【符号の説明】

２　　　　バーナ ５　　　　内管 ８　　　　外管 ９　　　　改質触媒 １０　　　　触媒層 １１　　　　反応管 ２０，２２，２２ａ，２２ｂ，２７，２８　　　　伝熱
板２５　　　　曲部 ２６　　　　邪魔板

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内管と、これを囲む外管とからなり、内管
   と外管との間の環状空間に粒状の改質触媒が充填されて
   なる触媒層を内蔵する反応管と、内管の内側の一方の端
   部に配されるバーナとを備え、内管の内側に供給される
   バーナからの熱媒体により反応管を加熱して触媒層を通
   流する炭化水素系の原燃料を水素に富むガスに水蒸気改
   質する燃料改質器において、前記環状空間に内管から外
   管に伝熱する伝熱手段を設けたことを特徴とする燃料改
   質器。
2. 【請求項２】請求項１記載の伝熱手段は原燃料の流れ方
   向に複数列，複数段にして設けられ、かつ隣接段は食い
   違って内管と外管との側壁に接続される伝熱板からなる
   ことを特徴とする燃料改質器。
3. 【請求項３】請求項１記載の燃料改質器において、伝熱
   手段は原燃料の流れ方向に複数列，単段にして内管と外
   管との側壁に接続される伝熱板からなることを特徴とす
   る燃料改質器。
4. 【請求項４】請求項３記載の燃料改質器において、伝熱
   板が内管と外管との側壁に接続される部分の伝熱板端部
   は粒状の改質触媒に沿う形状にしたことを特徴とする燃
   料改質器。
5. 【請求項５】請求項３記載の燃料改質器において、伝熱
   板はその板面から突出し、原燃料の流れ方向を変える邪
   魔板を備えたことを特徴とする燃料改質器。
6. 【請求項６】請求項２又は３記載の燃料改質器において
   、伝熱板は湾曲した板面を有することを特徴とする燃料
   改質器。