JPH0611641B2 - メタノール改質器 - Google Patents

メタノール改質器

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JPH0611641B2
JPH0611641B2 JP62314830A JP31483087A JPH0611641B2 JP H0611641 B2 JPH0611641 B2 JP H0611641B2 JP 62314830 A JP62314830 A JP 62314830A JP 31483087 A JP31483087 A JP 31483087A JP H0611641 B2 JPH0611641 B2 JP H0611641B2
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JP
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reaction tube
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methanol
gas
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智弘 杉山
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Fuji Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01BBOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】 この発明は、燃料電池発電システムに組み込まれ、メタ
ノールと水蒸気とからなる原料ガスを水素に富んだ改質
ガスに改質して燃料電池本体に供給するメタノール改質
器に関する。
【従来の技術】
メタノール改質器は、炉体内に区画された加熱室内に改
質触媒を充填した反応管が配置され、加熱室を一方の側
から他方の側に向かって流れる高温の熱媒体により、前
記反応管に導かれたメタノールと水蒸気とからなる原料
ガスを加熱して水素に富んだ改質ガスに改質するもので
ある。熱媒体は、改質器炉体内に設置されたバーナから
燃焼ガスの形で供給され、またバーナの燃料には燃料電
池の水素電極からのオフガスが用いられる。 第3図は、このようなメタノール改質器を組み込んだ燃
料電池発電システムの概略構成を示すものである。第3
図において、1はメタノール改質器で、炉体2内に反応
管3が配置され、さらに炉体2の上部にバーナ4が設け
られている。5は燃料電池本体で、その水素電極にはメ
タノール改質器1から水素に富んだ改質ガスが供給さ
れ、空気電極にはブロア6から空気(酸素)が供給され
る。また、7はメタノールと水とからなる改質原料のタ
ンク、8は原料供給ポンプ、9は改質原料をガス化する
気化器、10は燃料電池本体5に冷却空気を送るブロア
である。 このような燃料電池発電システムにおいて、タンク7か
らポンプ8により気化器9に送られた改質原料は、ここ
でガス化されて反応管3に入る。この原料ガスは、燃料
電池本体5の水素電極からのオフガスを燃焼させたバー
ナ4の燃焼ガスにより加熱されて、反応管3内で水素に
富んだ改質ガスに改質され、燃料電池本体5の水素極に
燃料ガスとして供給される。 さて、メタノールの水蒸気改質は、温度が200〜300℃、
水蒸気とメタノールのモル比が1.0〜2.0の条件で
行われており、次の2段階の反応が生じているといわれ
ている。 上記反応の内、(1)は吸熱反応、(2)は発熱反応で、全体
としての(3)は吸熱反応である。このため、メタノール
改質器には、改質触媒を充填した反応管の外部から熱を
与える等温型反応管、あるいは原料のメタノール・水蒸
気混合ガスを反応温度以上に過熱して、顕熱で反応熱を
与える断熱型反応管、さらに両者の中間タイプのものが
ある。 上記(1)の反応は吸熱反応であるため、メタノールの水
素への改質率を上げるには高温ほど有利であるが、一方
(2)の反応は発熱反応であるため、一酸化炭素の濃度を
下げるには低温にする必要がある。 ところで、りん酸型燃料電池の電極触媒には白金が使用
されているが、一酸化炭素はこの白金に対して触媒毒と
なるため、燃料電池に供給する燃料ガスに一酸化炭素が
多く含まれていると発電能力が低下する。したがって、
燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の量は、1%以下にす
ることが望ましい。 一酸化炭素の濃度を低下させるためには、上に述べたよ
うに反応温度を下げるとよいが、反応温度を下げるとメ
タノールの水素への改質率が低下し、未反応のガスが燃
料電池に送られるという問題が生じる。これは、メタノ
ール改質用の改質触媒、例えばCu−Zn系の触媒は、200
〜300℃で活性を持ち、200℃以下では殆どメタノール分
解活性を持たないからである。 一方、この種の改質触媒は耐熱性に乏しく、300℃を超
えると急速に劣化することが知られている。したがて、
この種の改質触媒の性能を長期間保たせるには、使用温
度を200〜300℃の適性温度に常に維持しておかなければ
ならない。
【発明が解決しようとする問題点】
ところが、従来のメタノール改質器、特に移動用電源な
どに用いるための小型化を要求される改質器において
は、等温型反応管あるいは断熱型反応管のいずれにおい
ても、反応管に接触を始める際の熱媒体の温度が高くな
りすぎて、改質触媒の劣化が早まり、メタノール改質率
が低下して所要量のメタノールの改質ができなくなると
いう問題点があった。 そこでこの発明は、反応管内の温度分布を適性にするこ
とにより、改質触媒の熱的劣化を防止するとともに、燃
料電池の触媒毒となる一酸化炭素の発生を抑えたメタノ
ール改質器を提供することを目的とするものである。
【問題点を解決するための手段】
この発明は、炉体内に区画された加熱室内に改質触媒を
充填した反応管が配置され、前記加熱室を一方の側から
他方の側に向かって流れる高温の熱媒体により、前記反
応管に導かれたメタノールと水蒸気とからなる原料ガス
を加熱して水素に富んだ改質ガスに改質するメタノール
改質器において、反応管を外筒と内筒とからなる直立し
た2重円筒構造とし、前記外筒にその下端から流入した
原料ガスがその上端で反転して前記内筒にその上端から
流入しその下端から改質ガスとして流出するように構成
するとともに、熱媒体は加熱室内を前記反応管に沿って
その原料ガス流入側から上に向かって流れるようにする
ことにより、上記目的を達成するものである。
【作 用】
この発明は、反応管を外筒と内筒とからなる直立した2
重管構造とし、原料ガスを反応管の外筒を下端から上端
に向かって通流させた後、内筒を上端から下端に向かっ
て通流させるとともに、熱媒体は加熱室内を反応管に沿
ってその原料ガス流入側から上に向かって流れるように
したので、高温の熱媒体が接触する外筒下端の原料ガス
の流入部から比較的低温の内筒下端の反応ガスの流出部
に熱伝達が行われるため原料ガスの流入部の過度の温度
上昇が避けられ、また改質ガス成分の多い反応ガス流出
部は外筒で囲まれていて熱媒体と直接接触しないので比
較的低温に保たれ、この部分での一酸化炭素の発生が抑
えられる。
【実施例】
以下、第1図及び第2図に基づいてこの発明の実施例を
説明する。なお、実施例を示す図において、第3図と同
一あるいは対応する部分には同一の符号を付けるものと
する。 第1図及び第2図において、メタノール改質器1の直立
円筒体の炉体2の底部には、炉体1の底板1aと管板1
1との間に、後述するように改質ガスの通路となる改質
ガス出口室12が形成されており、この改質ガス出口室
12の一側には、改質ガス出口12aが設けられてい
る。そして、管板11の上部空間は、炉体1の天板1b
から管板11の上方まで吊り下げて、炉体1の中心に設
けられた円筒状の隔壁13により、隔壁13内の燃焼室
14と、その外側の環状の加熱室15とに区画されてい
る。加熱室15の上部には、燃焼ガス出口15aが形成
され、また燃焼室の上部には、バーナ4が配置されてい
る。 加熱室15内には、隔壁13を囲むように反応管3が設
置されている。反応管3は環状空間16を持つ外筒17
内に、同じく環状空間18を持つ内筒19を直立させて
組み合わせた2重円筒構造となっている。 ここで、外筒17は、上端部を炉体1の天板1bから離
隔し、下端部を管板11に結合して、隔壁13と同心的
に設けられた円筒状の外管20及び内管21と、環状空
間16の上端を閉塞する環状の端板22とからなってい
る。また内筒19は、上端部を上記端板22から離隔
し、下端部を管板11に結合して上記外管20あるいは
内管21と同心的に設けられた外管23と内管24とか
らなっている。内管19の環状空間18は、管板11に
開けられた環状窓25を介して改質ガス出口室12に通
じている。また加熱室15は、外筒17の端板22と炉
体1の天板1bとの間に形成される燃焼ガスマニホルド
26により燃焼ガス出口15aに通じている。 燃焼室14の下部には、気化器9が配置されている。こ
の気化器9は、改質ガス出口室12を貫通して上方に立
ち上がった後、らせん状に下降し、放射状に延びる原料
ガスマニホルド27により外筒3の下端部に通じてい
る。 28は改質触媒で、外筒17から内筒19にわたって反
応管3内に充填されている。なお、管板11の環状窓2
5には通気性の多孔板29が取り付けられ、改質触媒2
8の脱落を防いでいる。 さて、以上のように構成されたメタノール改質器1にお
いて、メタノールと水とからなる原料が気化器9にその
原料供給端9aから供給されると、この原料はバーナ4
からの熱で気化器9内でガス化され、原料ガスマニホル
ド27を通って外筒17の下端部から反応管3に流入す
る。 一方、熱媒体としてのバーナ4の高温の燃焼ガスは、燃
焼室14内を下降してその下端部で反転し、加熱室15
内にその下部から流入する。この燃焼ガスは、反応管3
の内壁に沿って触媒層を加熱しながら上に向かって流
れ、燃焼ガスマニホルド26を通って燃焼ガス出口15
aから排出される。 反応管3に流入した原料ガスは、外筒17内を上昇した
後その上端で反転し、内筒19にその上端から流入す
る。そして、内筒19内を下降し下端から環状窓27を
通して改質ガス出口室12に流出する。この間、原料ガ
スは改質触媒28と接触しながら燃焼ガスにより加熱さ
れ、上記(1)及び(2)の反応を行って、水素に富んだ改質
ガスに改質される。 上述のように原料ガスが反応管3の外筒17及び内筒1
9を流れる際、外筒17の下部は高温の流入燃焼ガス及
び過熱された原料ガスにより加熱されるが、反応が進み
低温となった内筒19の下部は温度が低くなる。そのた
め、温度の高い外筒17から温度の低い内筒19への熱
伝達が行われ、両者間で温度の均一化が図られる。 これにより、内筒19の下部には改質反応に必要な熱が
適度に供給され、この部分での水素への改質が十分に行
われるとともに、外筒17の下部では触媒の過度の温度
上昇が抑制され、触媒の熱的劣化が防止される。 また、改質反応の進んだ内筒19の下部近傍では水素濃
度が高くなっている。したがって、この部分が過度に温
度上昇すると、上記(2)の逆方向のCO変成逆反応により
一酸化炭素が生成する。しかし、図示構成によれば内筒
19は外筒17により燃焼ガスとの直接接触を妨げられ
て温和な温度条件にあり、改質ガスの過熱による一酸化
炭素の生成が抑えられる。 なお、図示実施例においては、反応管3は隔壁13と同
心的な外筒17と内筒19の組み合わせにより構成した
が、多数の2重管をバーナの周囲に環状に配列して反応
管を構成することも可能である。
【発明の効果】
この発明は、反応管を外筒と内筒とからなる直立した2
重円筒構造とし、前記外筒にその下端から流入した原料
ガスがその上端で反転して前記内筒にその上端から流入
しその下端から改質ガスとして流出するように構成する
とともに、熱媒体は加熱室内を前記反応管に沿ってその
原料ガス流入側から上に向かって流れるようにしたの
で、外筒下端の高温の原料ガスの流入部から内筒下端の
比較的低温の反応ガスの流出部へ熱伝達を行わせて各部
の温度を適正な温度に保ことが可能とな、改質触媒の熱
劣化を防いで、メタノールの水素への改質率を向上さ
せ、さらに一酸化炭素の生成を抑えて良質の改質ガスを
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例を示す縦断面図、第2図は第
1図のII−II線に沿う断面図、第3図は燃料電池発電シ
ステムの一般構成を示す系統図である。 1:メタノール改質器、2:炉体、3:反応管、4:バ
ーナ、5:燃料電池本体、15:加熱室、17:外筒、
19:内筒。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炉体内に区画された加熱室内に改質触媒を
    充填した反応管が配置され、前記加熱室を一方の側から
    他方の側に向かって流れる高温の熱媒体により、前記反
    応管に導かれたメタノールと水蒸気とからなる原料ガス
    を加熱して水素に富んだ改質ガスに改質するメタノール
    改質器において、反応管を外筒と内筒とからなる直立し
    た2重円筒構造とし、前記外筒にその下端から流入した
    原料ガスがその上端で反転して前記内筒にその上端から
    流入しその下端から改質ガスとして流出するように構成
    するとともに、熱媒体は加熱室内を前記反応管に沿って
    その原料ガス流入側から上に向かって流れるようにした
    ことを特徴とするメタノール改質器。
JP62314830A 1987-12-12 1987-12-12 メタノール改質器 Expired - Lifetime JPH0611641B2 (ja)

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JPH01157402A JPH01157402A (ja) 1989-06-20
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JPH0688761B2 (ja) * 1988-09-19 1994-11-09 株式会社神戸製鋼所 炭化水素の改質装置
FR2661902A1 (fr) * 1990-05-09 1991-11-15 Air Liquide Procede et installation de production d'hydrogene a partir de methanol.
EP1324414A3 (en) 2001-12-25 2003-11-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Hydrogen generation system and fuel cell system having the same
US8002951B2 (en) 2008-09-05 2011-08-23 Exxonmobil Chemical Patents Inc. Furnace and process for incinerating a decoke effluent in a twin-tube-plane furnace
CN116425116A (zh) * 2023-05-30 2023-07-14 摩氢科技有限公司 一种小体积甲醇重整制氢反应装置

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