JPH0450246B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、炭化水素、アルコールなどの炭化水
素系物質を改質して水素を製造する改質器、詳し
くは改質反応を効率よく促進させ、コンパクトで
かつ量産可能な水素製造用改質器に関するもので
ある。

〔従来技術〕

従来、炭化水素、アルコールなどを原料として
水素を製造する場合、反応が吸熱反応であるた
め、触媒の存在下で原料を熱媒体により間接加熱
して水素を含有するガスに改質する方法が一般的
である。熱媒体としては、焼却炉などのバーナで
燃焼した加燃ガスによるもの、熱媒油によるも
の、還元ガスと酸素とを混合して供給し、燃焼触
媒により発熱反応を起こさせるものなどが用いら
れる。

上記のような水素製造に用いられる改質器とし
て、従来、(1)特開昭58−124530号公報および特開
昭57−192489号公報に示されるようなシエルアン
ドチユーブ型熱交換器の如き多管式改質器、(2)特
開昭58−23168号公報に示されるような二重管型
改質器、(3)特開昭58−74504号公報に示されるよ
うな、金属製ケース内に触媒を含浸させた多孔金
属体を充填した原料通路と、伝熱フインを充填し
た高温ガス通路とを積層した改質器が知られて
る。

また、特開昭59−18102号公報には、板状の反
応層と、板状の燃焼層を交互に積層し、一体化し
た改質装置が記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の(1)および(2)の改質器は構
造が複雑で高価であり、量産可能なものとは言い
難い。また(3)の改質器は、原料通路は金属製ケー
スが用いられ、高温ガス通路は伝熱フインを板で
挟み込むようにしたもので、原料通路と高温ガス
通路との形状が異なつているので、その分だけ部
品数が増えてコストがかさみ、量産に適さないと
いう問題点がある。

また、特開昭59−18102号公報記載のの発明は、
板状の反応層と板状の燃焼層を交互に積層すると
いう構成のみで、本願発明におけるような具体的
構成については何も記載されていない。すなわ
ち、この公報記載の改質器においては、反応層お
よび燃焼層は、山部と谷部とで形成された成型流
路を有するもので、これらの層を単に積層したも
のである。このため、原料ヘツダー、生成ガスヘ
ツダー、連絡管などが装置外に位置することにな
り、装置全体がかさ張るという問題点がある。

本発明は上記の問題点を解決するためになされ
たもので、熱効率がよく、コンパクトで、しかも
低コストでかつ量産可能な水素製造用改質器を提
供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕

上記の目的を達成するために、本発明の水素製
造用改質器は、図面を参照して説明すれば、炭化
水素、アルコールなどの炭化水素系物質を改質し
て水素を製造する改質器において、金属製ケース
１内の上部および下部に傘状の仕切板２，３を仕
切板の頂部がケース内壁と接するように設け、仕
切板の一方の斜面にガス出入用の開口４，５を該
開口が対角線方向に位置するように設け、各仕切
板の内側にガス分散用の多孔板６，７を設けて改
質触媒収納ケース８およびこの改質触媒収納ケー
スと同一形状の熱媒体ケース１０を形成し、これ
らのケースを交互に反転して積層してケース内端
部にガスヘツダーを形成し、各ケースの間にガス
ヘツダーに連通する開口１１を四隅に有する隔壁
板１２を配設し、各ケースと隔壁板とを一体化し
たことを特徴としている。

このため、本発明の改質器においては、改質触
媒収納ケース８および熱媒体ケース１０と、四隅
に開口１１を有する隔壁板１２とを組み合わせる
ことにより、ケース内端部にガスヘツダーが形成
される。

本発明において、原料としてメタン、エタン、
プロパン、ブタンなどの炭化水素、アルコールな
どの炭化水素系物質が用いられる。原料は触媒の
存在下で加熱されて水素を含有するガスに改質さ
れる。この場合、さらに原料とともにスチームを
吹き込む、いわゆるスチームリフオーミングを行
えば、より水素リツチなガスが生成されるので好
ましい。

本発明の改質器は、一方の面に改質触媒層を、
他方の面に熱媒体層を隔壁板を挟んで形成したエ
レメントを積層した構造を持つものである。熱媒
体としては燃焼部などのバーナで燃焼した加熱ガ
スによるもの、熱媒油によるもの、還元ガスと酸
素とを混合して供給し燃焼触媒により発熱反応を
起こさせるものなどのいずれを用いてもよい。

改質器の構成は、改質触媒収納ケース８、熱媒
体ケース１０およびこれらのケースを仕切る隔壁
板１２を１単位とし、能力に応じて数単位から数
100単位まで組み付ける。この場合、ろう材１４
を組み込み、炉中ろう材により一体化すれば、組
付工程が簡略化できるので好ましい。

上記の２種類の金属製ケース１は同一形状のシ
ンプルなもので、たとえば角形ケースの４隅にガ
スヘツダーを形成するための仕切板２，３を設
け、その仕切板の相対する組の一方に、ケース内
部にガスが流入するよう開口４，５が設けられて
いる。入口ガスラインヘツダーからこの開口を通
つたガスは、入口側多孔板で均一に分散されケー
ス内を通過し熱交換した後、ガス出口側に設けら
れた入口側と同一形状の多孔板を通り、さらに仕
切板の開口を通つて出口ガスラインヘツダーに通
じる。これらの２種類のケースを表裏に交互に反
転して積層することにより、熱媒体の入出ヘツダ
ー、改質ガスの入出ヘツダーが形成される。

上記のように、各ケースを量産可能なように同
一寸法とした上で、反応に必要なSV値および伝
熱面積を確保するために、隔壁板１２はその中央
部分を凹状に加工されている。またろう材１４
は、シートをくり抜いて成形したものでもよい
が、開口部が多く不経済であるので、テープ状の
ものを用いるのが好ましい。

金属製ケース１としては、反応温度により、鋳
鉄、鋳鋼、鋳板曲げ加工品、アルミニウム合金鋳
物などが用いられる。また隔壁板１２としては、
ケースの材質に応じ、鋼板またはアルミニウム合
金板が用いられ、ろう材１４としては、ケースの
材質に応じ、銅ろう、銀ろう、ニツケルろう、マ
ンガンろう、アルミニウム合金ろうなどが用いら
れる。

ろう材１４を用いる場合、組み付けられた改質
器を加熱炉内に投入し、加熱することによりろう
材を溶かして一体化接合する。ここで用いられる
ろう付用加熱炉としては、一般に用いられている
真空炉や還元性雰囲気炉が使用できる。

また本発明の改質器において、熱媒体ケース１
０内に、海綿状金属に触媒を担持させた、いわゆ
る発泡金属触媒を予め充填しておけば、組付時に
この発泡金属触媒をケース内に収納した状態で炉
中ろう付を行うことができ、触媒充填作業が省略
されることにより、より経済的であるとともに、
触媒と隔壁板が固定した状態で接触し伝熱性のよ
い改質器を得ることができる。さらにこの場合、
発泡金属触媒を挾むろう材として、全面シート状
のものを用いれば、触媒と隔壁板がろう接され、
より伝熱特性のよい改質器が得られる。なお海綿
状金属の代わりに、ワイヤウールなどの多孔金属
体を用いることも可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。本実施例は燃料電池発電システム用の
メタノール改質器に関するもので、触媒存在下で
メタノールとスチームとを接触反応させて水素を
発生させる改質器であり、改質反応を効率よく促
進させ、コンパクトでかつ量産可能な改質器を製
作することができた。

なお従来の燃料電池発電システムにおけるメタ
ノール改質器は、燃焼炉などのバーナで燃焼した
加熱ガスを熱源として用いる熱交換型改質器がよ
く知られている。またこの従来型改質器の構造
は、いわゆるシエルアンドチユーブ型熱交換器に
似たチユーブラー型であり量産タイプとは言い難
いものである。

第１図〜第４図に示すように、金属製ケース１
内の上部および下部に傘状の仕切板２，３が、仕
切板の頂部がケース内壁と接するように設けられ
る。仕切板２，３の一方の斜面にガス出入用の開
口４，５が該開口が対角線方向に位置するように
設けられ、さらに各仕切板２，３の内側にガス分
散用の多孔板６，７が設けられて改質触媒収納ケ
ース８およびこの改質触媒収納ケースと同一形状
の熱媒体ケース１０が形成される。これらのケー
ス８，１０を交互に上下を逆にして積層してケー
ス端部の四隅にガスヘツダーを形成し、各ケース
８，１０の間に、第３図に示すような、ガスヘツ
ダーに連通する開口１１を四隅に有する隔壁板１
２を配設し、各ケース８，１０と隔壁板１２とを
炉中ろう付により一体化して改質器を形成する。
なお第１図は、内部構造の説明をし易くするため
に、金属製ケース１の前面板および隔壁板を省略
した状態を示している。

仕切板の開口４，５を通つたガスは、ガス入口
側の多孔板で分散され、多孔板間に充填された触
媒中を通過し反応に寄与した後、ガス出口側に設
けられた入口側と同一形状の多孔板を通り、さら
に仕切板の開口を通つて出口ガスラインに通じ
る。隔壁板１２は金属製ケースを同一寸法とした
上で、各触媒の反応に必要なSV値および伝熱面
積を確保するために中央部分を凹状に加工してい
る。またろう付するためのろう材は、シートをく
り抜き成形したものでもよいが、開口部が多く不
経済であるので、テープ状のものを使用した。

本実施例の改質器を組み付ける場合は、第４図
に示すように、燃焼触媒１３（触媒を担持させた
発泡金属）を収納した熱媒体ケース１０、ろう材
１４、隔壁板１２、ろう材１４、改質触媒収納ケ
ース８、ろう材１４、隔壁板１２、ろう材１４、
燃焼触媒１３を収納した熱媒体ケース１０の順に
能力に応じ積層させ、両側端面にガスの出入ノズ
ルを備えたエンドプレート１５，１６をろう材１
４を挾んで組み付け、一般に知られている炉中ろ
う付法（たとえば真空ろう付法）にてろう接す
る。この結果、第２図に示すような、一体結合さ
れたメタノール改質器が製作された。ろう付後の
改質器の改質触媒収納ケース８の側面に取り付け
られたプラグ１７を外し、これにより触媒ペレツ
トを投入しケースに充填した。これは吸熱反応触
媒の寿命が燃焼触媒の寿命に比較して短いため、
定期的に改質触媒を交換することが必要となるこ
と、および改質触媒がろう付温度に対し劣化する
からである。１８は熱媒体入口、２０は熱媒体出
口、２１は改質ガス入口、２２は改質ガス出口で
ある。

上記のように構成されたメタノール改質器にお
いて、矢印Ｃで示す方向に燃料電池オフガスなど
のH₂リツチガスを供給すると、燃焼触媒担持面
で、H₂＋１／2O₂→H₂Oの発熱反応が起こり、第
５図に示すように矢印Ｇの方向に熱移動する。熱
媒体は矢印Ｄで示す方向に排出される。２３は燃
焼触媒層、２４は改質触媒層である。一方、矢印
Ｅの方向にメタノールとスチームとの混合ガスが
供給され、改質触媒層２４で、CH₃OH＋H₂O→
CO₂＋3H₂の吸熱反応が起こり、少量のCO，
H₂Oを含むH₂，CO₂ガスは矢印Ｆの方向に排出
される。

つぎに改質器の温度分布を比較する。第６図は
本実施例の改質器の温度分布を示し、第７図は従
来の改質器の温度分布を示している。第６図およ
び第７図から、従来の改質器では、輻射・対流支
配の熱伝達によるため熱効率が悪いが、本実施例
の改質器では、燃焼触媒（発泡金属）と隔壁板１
２とが固定した状態で接触しているため、伝導伝
熱支配となり、従つて熱効率がよくなることがわ
かる。

〔発明の効果〕

本発明の水素製造用改質器は上記のように構成
されているので、つぎのような効果を奏する。

(1) 本発明の改質器は熱媒体側、改質触媒側とも
同一形状のシンプルな金属製ケースを用い、か
つ、これらのケースと、四隅に開口を有する隔
壁板とを組み合わせることにより、ケース内端
部にガスヘツダーを形成するので、装置がガス
ヘツダーでかさ張ることなく、装置のコンパク
ト化を図ることができるとともに、部品数が少
なくて済み、コストが低減できて量産に適して
いる。また炉中ろう付を容易に行うことができ
る。

(2) 本発明の改質器は、金属製ケースの形状がシ
ンプルであるので、鋳造法、板金法のいずれで
も容易に製作でき、材質として鉄系、アルミニ
ウム合金系のいずれでも使用することができ
る。

(3) 熱媒体側に触媒を担持した発泡金属を用い、
燃焼触媒として使用する場合は、触媒充填作業
が省略できるとともに、触媒と隔壁板とが固定
した状態またはろう接された状態で接触し、伝
熱性がよくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水素製造用改質器の要部の一
実施例を示す斜視図、第２図は本発明の改質器の
一実施例を示す斜視図、第３図は隔壁板の一例を
示す正面図、第４図は組付方法の一例を示す説明
図、第５図は実施例の改質器における熱移動方法
を示す説明図、第６図は実施例の改質器の温度分
布を示す説明図、第７図は従来の改質器の温度分
布を示す説明図である。 １……金属製ケース、２，３……仕切板、４，
５……開口、６，７……多孔板、８……改質触媒
収納ケース、１０……熱媒体ケース、１１……開
口、１２……隔壁板、１３……燃焼触媒、１４…
…ろう材、１５，１６……エンドプレート、１７
……プラグ、１８……熱媒体入口、２０……熱媒
体出口、２１……改質ガス入口、２２……改質ガ
ス出口、２３……燃焼触媒層、２４……改質触媒
層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化水素、アルコールなどの炭化水素系物質
   を改質して水素を製造する改質器において、金属
   製ケース１内の上部および下部に傘状の仕切板
   ２，３を仕切板の頂部がケース内壁と接するよう
   に設け、仕切板の一方の斜面にガス出入用の開口
   ４，５を該開口が対角線方向に位置するように設
   け、各仕切板の内側にガス分散用の多孔板６，７
   を設けて改質触媒収納ケース８およびこの改質触
   媒収納ケースと同一形状の熱媒体ケース１０を形
   成し、これらのケースを交互に反転して積層して
   ケース内端部にガスヘツダーを形成し、各ケース
   の間にガスヘツダーに連通する開口１１を四隅に
   有する隔壁板１２を配設し、各ケースと隔壁板と
   を一体化したことを特徴とする水素製造用改質
   器。 ２ 金属製ケース１が、鋳鉄、鋳鋼、鋼板曲げ加
   工品またはアルミニウム合金鋳物からなる特許請
   求の範囲第１項記載の水素製造用改質器。 ３ 熱媒体ケース１０内に、海綿状金属に触媒を
   担持させた発泡金属触媒を予め充填した特許請求
   の範囲第１項記載の水素製造用改質器。 ４ 各ケースと隔壁板１２とを炉中ろう付により
   一体化した特許請求の範囲第１項記載の水素製造
   用改質器。