JPH0649870B2 - 燃料改質装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はメタノールなどのアルコール，炭化水素等の燃
料を水蒸気改質し、水素ガスを生成する燃料改質装置に
関する。

〔発明の背景〕

メタノール等のアルコールやＬＮＧ，ＬＰＧ、ナフサな
どの炭化水素系燃料を原料とし、水蒸気と反応させるこ
とにより水素を生成する燃料改質装置は、従来から化学
プラントにおける水素製造装置として利用されてきてい
る。この化学プラント用の燃料改質装置は、一般に大容
量で一定条件での水素製造に適したものとなつている。
この燃料改質装置の構造は、内部の反応管の加熱条件を
容易に決定できるように、反応管周囲に多数段の加熱バ
ーナを配設したものであり、熱伝達は高温の熱ふく射を
主に利用したものとなつている。このため、従来の燃料
改質装置の形状は比較的大型となつており、排ガス温度
は高く、熱エネルギの利用については無駄な点が多かつ
た。

最近では、特開昭51−64509 号で開示されているよう
に、原子力等の廃熱を利用できる対流型改質装置が提案
されている。これは、反応管周囲に高温ガスを対流さ
せ、主に対流伝熱を利用して反応管を加熱できるように
したものである。

しかし、この従来の燃料改質装置を燃料電池発電システ
ムにおける燃料改質装置として利用するためには、発電
効率の上から高効率化を図るとともに、装置のコンパク
ト化を進めなければならない。また、燃料電池発電シス
テムの運転の特徴である頻繁な起動，停止および負荷追
従運転に対応できるようなもとしなければならない。

このような燃料電池発電システムに適用できるような燃
料改質装置として、特開昭53−78983 号で開示されてい
るものが提案されている。この燃料電池発電システム用
の燃料改質装置は、複数の反応管を円筒容器内に収納
し、コンパクト化を図つており、加熱は反応管群の上部
に配設したバーナで反応管の頂部から加熱し、さらに高
温の排ガスが反応管群の間隙を介しながら反応管を側面
からも加熱できるようになつている。この方式における
伝熱機構は、バーナ火炎による熱ふく射と、高温ガスに
よる対流伝熱を利用したものになつているが、大きな熱
伝達を期待できる熱ふく射の利用位置が反応管内での吸
熱反応が終了した頂部に当るため、改質反応における必
要な熱の供給には十分役立つているとは言えない。ま
た、反応管側部では対流伝熱を増すため伝熱粒子を反応
管周囲に充填しているが、伝熱粒子を充填していない空
間は有効に利用されていない。

このように従来の燃料改質装置では、反応管まわりを、
加熱流体である高温ガスが一度通過するだけでその場合
の伝熱の向上のみを意図していた。このため、伝熱機構
的にも対流伝熱と熱ふく射伝熱が壁面近傍で共存した形
で行なわれるので、各各の熱伝達を最適状態で利用する
ことが難しく、高温ガスの熱エネルギも十分利用されな
いで系外に排出されていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、改質触媒が充填された反応管の加熱に
かかる熱効率を向上させた燃料改質装置を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本願第１の発明は、本体容器
と、この容器内に配設され改質触媒が充填された反応管
と、前記反応管の外周を包囲して前記容器壁との間に配
設された隔壁と、前記隔壁と容器壁との間に充填されて
なる熱ふく射促進体の充填部と、前記隔壁と前記反応管
とにより画成された空間部と前記充填部とを連通すべく
前記隔壁の一端に形成された連通口と、前記充填部に連
通させて設けられた少くとも１つの加熱媒体供給管と、
前記連通口が設けられた位置の反対端側の前記空間部に
連通させて設けられた加熱媒体排出管とを含んでなる燃
料改質装置としたのである。

また本願第２の発明は、本体容器と、この容器内に配設
され改質触媒が充填された反応管と、前記反応管の外周
を包囲して前記容器壁との間に配設された隔壁と、前記
隔壁と容器壁との間に充填されてなる熱ふく射促進体の
充填部と、前記隔壁と前記反応管とにより画成された空
間部と前記充填部とを連通すべく前記隔壁の一端に形成
された連通口と、前記充填部に連呈させて設けられた少
くとも１つの加熱媒体供給管と、前記連通口が設けられ
た位置の反対端側の前記空間部に連通させて設けられた
加熱媒体排出管とを含み、前記反応管が前記連通口の近
傍で折り返えされた折り返し構造とされ、折り返し部近
傍に前記加熱媒体の温度を調整する加熱手段と冷却手段
の少くとも１つを有してなる温度制御手段が設けられて
なる燃料改質装置としたのである。

また本願第３の発明は、本体容器と、この容器内に配設
され改質触媒が充填された反応管と、前記反応管の外周
を包囲して前記容器壁との間に配設された隔壁と、前記
隔壁と容器壁との間に充填されてなる燃焼触媒及び熱ふ
く射促進体の充填部と、前記隔壁と前記反応管とにより
画成された空間部と前記充填部とを連通すべく前記隔壁
の一端に形成された連通口と、前記充填部に連通させて
設けられた少くとも１つの燃料を含むガスの供給管と、
前記連通口が設けられた位置の反対端側の前記空間部に
連通させて設けられた前記燃料の燃焼ガスを含む前記ガ
スの排出管を含んでなる燃料改質装置としたのである。

上記本願第１の発明において、高温ガス流路は、隔壁に
よつて分割され、この隔壁の外側に熱ふく射体を配設し
ているため、そこで発生した熱ふく射は、隔壁および反
応管近傍の間隙を通過して、反応管を加熱することがで
きる。さらに、熱ふく射促進体を通過してきた高温ガス
は反応管近傍の間隙を通つて外へ排出されるので、ガス
流速を増加した状態で反応管壁を通過でき、この結果反
応管での境膜抵抗を小さくできるため、対流伝熱を向上
することができる。

上記本願第２の発明においては、さらに反応管の折返し
部に温度制御手段例えば補助バーナを設け、このバーナ
の補助燃料および空気量を変えることで、反応管近傍を
通過するガス温度を制御できる。この結果、周囲の熱容
量の影響を小さくして燃料改質装置の運転温度を制御す
ることができる。よつて、運転温度が必要以上に高くな
ることによる改質触媒の劣化等を防ぐことが可能とな
る。

上記本願第３の発滅においては、さらに燃料改質装置と
は別個の装置で発生させていた高温ガスを燃焼触媒及び
熱ふく射促進体の充填部で発生させることにより、高温
ガスが外部配管等で生じていた熱損失を排除し、また前
記高温ガス発生装置も省略できるので、燃料電池発電シ
ステムの熱効率が向上し、さらには設備のコンパクト化
ができる。

〔発明の実施例〕

次に本発明に係る燃料改質装置の実施例を添付図面に従
い説明する。

第１図はその実施例の一例を示す断面構成図である。

第１図において、改質触媒７を充填した反応管１０は、
折返し部を有するＵ字型の構造となつており、改質装置
本体５の上部から懸垂状に固定されている。反応管１０
の周囲には、隔壁８が反応管１０と所定の間隙を介して
設けられ、この隔壁８と改質装置本体容器５の内壁との
間に熱ふく射促進体６が置かれている。熱ふく射促進体
には例えばセラミツクなどを用いることができる。ま
た、隔壁８を石英ガラス等の熱ふく射透過性物質または
酸化被膜を有する銅もしくはセラミツクなどの高ふく射
率をもつ材料で構成すれば、熱ふく射促進体６のふく射
熱を反応管１０に充分伝達することが可能となる。

上記隔壁８の下部では、熱ふく射促進体６がグレイテイ
ング９の支持により隔壁８と装置本体５の間に充填さ
れ、高温ガスがこのグレイテイング９を通過して反応管
１０が設けられている流路に流れ込むことができる構造
となつている。

熱ふく射促進体６が設けられている隔壁８と燃料改質装
置本体容器５の間には高温ガス３１を供給でき、この高
温ガス３１は高温ガス供給配管４を介して供給される。
また、高温ガス供給配管４には、隣接した型で隔壁８と
反応管１０内の空間に流入された高温ガスが排出される
ための排ガス管３が設けられている。

また、改質装置本体容器５の上部には炭化水素等の燃料
３２が供給される原料ガス供給配管１が設けられこの原
料ガス供給配管１は、反応管１０に接続されている。ま
た、反応管１０を通過した改質ガスが排出されるために
配管２が反応管１０によつて狭まれるように構成されて
いる。なお１６は原料ガスを供給するための空間である
ヘツダーを示す。

改質装置本体下方には、補助バーナ１５が配設され、空
気１３と補助燃料１４をおのおの独立に供給できるよう
な構成となつている。

上記燃料改質装置では、炭化水素燃料と水蒸気を混合し
た原料ガスが原料ガス供給管１およびヘツダー１６を通
つて各反応管１０に供給される。この原料ガスは改質触
媒７を通過することにより水蒸気改質され、水素富化ガ
スとなつて内管１２を通り改質ガス排出管２から系外に
排出される。その後改質ガスは、一酸化炭素を水と反応
させることにより水素ガスを生成するシフト反応および
気水分離等の処理を受け、例えば燃料電池のアノード等
に供給される。

一方、反応管１０を加熱するための高温ガス３１は高温
ガス供給配管４および熱ふく射促進体６を通過し、高温
ガスのもつている顕熱を熱ふく射に変換する。ここで発
生した熱ふく射は、隔壁８および間隙１１を透過し、直
接反応管１０を加熱する。熱ふく射促進体６を通過した
高温ガスは、反応管１０の折返し部でグレイテイング９
を通過し、反応管１０の折返し部からは反応管管壁に沿
つた間隙１１の流路を折返し、反応管１０を直接加熱し
ながら排ガス３３として排ガス排出管３から系外に排出
される。反応管１０と隔壁８との間の間隙１１のガス流
路には、補助バーナ１５より供給される燃焼ガスおよび
空気１３が通過できるようになつている。このため、例
えば燃料電池の運転状況に合わせて燃料改質装置内の高
温ガスの温度を制御することができる。

上記本実施例によれば、反応管１０を加熱する高温ガス
の顕熱を熱ふく射と対流による伝熱として、各々独立に
増加した形で利用できるため、高効率に加熱を達成する
ことができる。

次に、本実施例の熱効率の効果の程度を第２図および第
３図に説明する。

第２図は、熱ふく射促進体を利用した場合の熱伝達率ｈ
の増加の程度を示したものである。

第２図においては、反応管１０の表面温度250 ℃とし、
高温ガスの温度Ｔ_２を各温度に設定した場合の熱伝達率
を示している。また、第２図においてｈ_c は対流による
熱伝達率を示し、加熱流体のガス温度に対してあまり変
化しない。また、Ｈ_rgおよびｈ_r は熱ふく射による熱伝
達率を示したものであり、ｈ_rgは熱ふく射促進体がなく
ガスから直接ふく射される場合の熱伝達率であり、ｈ_r
は熱ふく射促進体が存在する場合の熱伝達率である。

熱ふく射による熱伝達率は、ガス温度５００℃以上で対
流熱伝達率ｈ_c を上回り、ふく射の効果が大きくなる
が、その程度は小さいものとなつている。一方熱ふく射
促進体を充填した場合のふく射による熱伝達率ｈ_r で
は、熱ふく射の促進体が存在しない場合の熱伝達率ｈ_rg
と比較して、２倍以上大きな値となつている。このよう
に同じ温度の高温ガス体を加熱して使用する場合、熱ふ
く射促進体６を使用すると、ガス顕熱をふく射熱として
大きく利用できる。さらに、熱ふく射促進体６を通過し
たガスをすべて間隙１１を通して排出することができる
ので、対流による伝熱として再利用できる。この場合、
熱ふく射促進体６を通過した高温ガスの温度は若干低下
するが、対流伝熱では前述のようにガス温度による熱伝
達率低下の影響は小さいため、対流伝熱の効果をこのま
ま維持できる。むしろ、流路断面の小さい間隙１１を高
温ガスが通るため、流速の増加による熱伝達率の向上を
期待できる。

第３図は間隙１１の熱ふく射伝達への影響について示し
たものである。ここで間隙は反応管の直径ｄ_１と隔壁の
直径ｄ_２との比較の結果で表わしてある。すなわちｄ_１
／ｄ_２が小さいほど間隙が大きいことを示す。第３図で
は、熱ふく射促進体６のふく射率ε_２をパラメータとし
た場合の熱伝達率の変化を示している。ε_２が大きいほ
どふく射の熱伝達率が大きいことを示す。また反応管の
ふく射率をε₁＝０．５とし、反応管表面温度Ｔ_１を２
５０℃、ふく射体の温度Ｔ_２を５００℃としている。

第３図より明らかなように、熱ふく射による熱伝達率は
間隙を大きくすることで向上できる。すなわち、同じく
熱ふく射促進体を反応管１０まわりに充填する場合でも
間隙を設けた方が直接充填する場合（ｄ_１／ｄ_２＝１）
より熱伝達率を向上することができる。

以上、隔壁と熱ふく射促進体の設置による反応管加熱の
効果を示したが、次に補助バーナ１５を設けたことによ
り効果についてさらに詳説する。

本実施例による燃料改質装置は燃料電池に適用すること
ができるようにすため、起動，停止および負荷変動に対
する制御応答性をよくしなければならない。従来、伝熱
促進のため伝熱粒子などを反応管まわりに充填する方法
も行なわれていたが、この場合これらの熱容量が影響し
迅速起動や負荷追従時の障害となつていた。しかし本実
施例では燃料電池運転の過渡状態において、補助バーナ
１５から燃料の燃焼による高温ガスまたは冷却用空気を
供給することが可能となる。これらの高温ガスまたは冷
却用空気は、熱容量をもつ熱ふく射促進体を通過しない
ので、直接反応管への加熱冷却をできるため、負荷変動
等に対する制御応答性が非常に良好なものとなる。

以上が本実施例の主要な効果であるが、さらに本実施例
では均一なふく射面による加熱方式で主な伝熱モードと
なるため、反応管の局所加熱がなく均一加熱が可能とな
る。この結果、反応管内の改質触媒の耐熱性が３５０℃
〜４００℃と低いメタノール改質装置においても、燃焼
で得られた高温ガスを加熱源として直接反応管を加熱す
ることが可能となる。したがつて改質触媒の必要以上の
劣化を防ぐことができる。この結果、改質触媒取替えに
伴う改質装置の運転停止を防ぐことが可能となる。

次に第４図にメタノールを燃料とする燃料電池発電シス
テムへ本発明を適用した場合のシステムフローの一実施
例を示す。

本実施例システムでは、燃料電池本体２６から得られる
可燃性排ガスを、燃焼器２２で燃焼し、その燃焼による
高温ガスを直接改質装置２８に供給し原料メタノールを
改質する。本実施例システムではメタノール２１は、改
質ガス顕熱を利用した蒸発器２３で気化して使用され
る。また改質用水蒸気は、電池で発生したものをスチー
ムドラム２５を介して直接改質装置２８に供給する。改
質ガス３５は、蒸発器２３を通過し、気水分離器２４で
水素ガスと水が分離された後、アノード３４に水素ガス
が供給される。なお、２７はターボポンプを示す。

従来このようなメタノール改質システムでは、耐熱性の
低い改質触媒を保護するため、燃焼ガスではなく熱媒体
などによる間接加熱が行なわれていた。しかし、本実施
例による改質装置では、熱媒体を使用せず直接高温ガス
にて加熱する場合でも、加熱条件を最適に設定しておけ
ば、反応管の局部加熱がなく良好に加熱することができ
る。このため、燃料電池発電システム全体としてもメタ
ノール改質による複雑さを回避でき、本実施例に係る燃
料改質装置は炭化水素の場合と同様な燃料電池発電シス
テムの構造に直接適用できる利点をもつ。

次に第１図で示した燃料改質装置と異なる他の実施例に
ついて説明する。第５図はその実施例の構造を示した縦
断面図であり、第１図で示した実施例における同一の機
能を有する部材については同一の符号を付しその説明を
省略する。

本実施例では予混合燃料１８を熱ふく射促進体６内に存
在する予混合燃料供給ノズル１７に供給し、高温ガスを
熱ふく射促進体の中で直接発生できるように構成されて
いる。その後、第１図に示す実施例と同様な機構で反応
管１０が加熱できる。

本実施例では、熱ふく射促進体６として白金やパラジウ
ム触媒などの燃焼触媒を使用し、その中に多段に予混合
燃料供給ノズル１７を配置し、このノズル１７には燃料
と空気の予混合燃料１８が供給されている。この構成に
よれば、反応管１０の加熱源となる高温ガスは、供給し
た予混合気の触媒燃焼により直接燃焼ガスとして得ら
れ、直ちに熱ふく射に変換される。第１図の実施例の場
合と比較すると、熱ふく射面の温度降下を各ノズルの流
量制御により防ぐことができ、ふく射面の各位置で一様
なふく射熱伝達率を得ることができる。さらに、熱ふく
射面の温度制御を容易に行ないうるため、反応管１０へ
の熱伝達も吸熱反応部の吸熱量に応じて変化させること
も可能となる。このように本実施例では、加熱面の温度
制御を簡単に行なうことができるため、最適な加熱条件
を運転中に選択でき、システム全体の省エネルギを図る
ことができる。また、本実施例の改質装置を、第４図に
示す燃料電池発電システムに応用する場合、外部の燃焼
器２２を改質装置の中に備えることになり、燃料電池発
電システムのコンパクト化、簡易化を図ることができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る燃料改質装置によれ
ば、燃料改質装置の反応管の加熱を高温ガスを使用し
て、当該ガスの顕熱を熱ふく射に変換して行うことがで
きるとともに、さらに対流伝熱を熱ふく射を独立した形
で利用することができるため、反応管を高効率に加熱す
ることができる。したがつて、燃料の改質を効率よく行
なうことができる。なお具体的には、本発明の熱伝達率
を従来の燃料改質装置に比較して２倍以上とすることが
できる。

さらに本願第２の発明によれば、上記の効果に加えて、
改質装置が使用されるシステムの起動，停止および負荷
変化など過渡状態における条件に応じて、改質装置の運
転制御を、応答性を良くして行なうことができる。この
結果、反応管内に存在する触媒を必要以上に加熱するこ
とが避けられ、触媒変換に伴う燃料改質装置の運転中止
を防ぐことが可能となる。

さらに、本願第３の発明によれば、上記の効果に加え
て、充填部で燃料を含むガスを触媒燃焼させていること
から、外部配管等で生ずる高温ガスの熱損失を排除でき
るので、燃料電池発電システムの熱効率が向上される。
また、前記高温ガス発生装置を省略できるので、設備を
コンパクト化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料改質装置の一実施例を示す縦
断面図、第２図は加熱体の温度と熱伝達率の関係を示す
線図、第３図は間隙とふく射熱伝達率の関係を示す線
図、第４図は本発明に係る改質装置を燃料電池発電シス
テムに適用した一実施例を示すシステム構成図、第５図
は本発明に係る燃料改質装置の他の実施例を示す縦断面
図である。 １……原料ガス供給管、２……改質ガス排出管、３……
排ガス排出管、４……高温ガス供給管、５……装置本体
容器、６……熱ふく射促進体、７……改質触媒、８……
隔壁、９……グレイテイング、１０……反応管、１１…
…間隙、１２……内管、１３……空気、１４……補助燃
料、１５……補助バーナ、１６……ヘツダー、１７……
予混合燃料供給ノズル、１８……予混合燃料、２１……
メタノール、２２……燃焼器、２３……蒸発器、２４…
…気水分離器、２５……スチームドラム、２６……燃料
電池本体、２７……ターボコンプレツサ、３１……高温
ガス、３２……原料ガス、３３……排ガス、３４……ア
ノード、３５……改質ガス。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】本体容器と、この容器内に配設され改質触
   媒が充填された反応管と、前記反応管の外周を包囲して
   前記容器壁との間に配設された隔壁と、前記隔壁と容器
   壁との間に充填されてなる熱ふく射促進体の充填部と、
   前記隔壁と前記反応管とにより画成された空間部と前記
   充填部とを連通すべく前記隔壁の一端に形成された連通
   口と、前記充填部に連通させて設けられた少くとも１つ
   の加熱媒体供給管と、前記連通口が設けられた位置の反
   対端側の前記空間部に連通させて設けられた加熱媒体排
   出管とを含んでなる燃料改質装置。
2. 【請求項２】本体容器と、この容器内に配設され改質触
   媒が充填された反応管と、前記反応管の外周を包囲して
   前記容器壁との間に配設された隔壁と、前記隔壁と容器
   壁との間に充填されてなる熱ふく射促進体の充填部と、
   前記隔壁と前記反応管とにより画成された空間部と前記
   充填部とを連通すべく前記隔壁の一端に形成された連通
   口と、前記充填部に連呈させて設けられた少くとも１つ
   の加熱媒体供給管と、前記連通口が設けられた位置の反
   対端側の前記空間部に連通させて設けられた加熱媒体排
   出管とを含み、前記反応管が前記連通口の近傍で折り返
   えされた折り返し構造とされ、折り返し部近傍に前記加
   熱媒体の温度を調整する加熱手段と冷却手段の少くとも
   １つを有してなる温度制御手段が設けられてなる燃料改
   質装置。
3. 【請求項３】本体容器と、この容器内に配設され改質触
   媒が充填された反応管と、前記反応管の外周を包囲して
   前記容器壁との間に配設された隔壁と、前記隔壁と容器
   壁との間に充填されてなる燃焼触媒及び熱ふく射促進体
   の充填部と、前記隔壁と前記反応管とにより画成された
   空間部と前記充填部とを連通すべく前記隔壁の一端に形
   成された連通口と、前記充填部に連通させて設けられた
   少くとも１つの燃料を含むガスの供給管と、前記連通口
   が設けられた位置の反対端側の前記空間部に連通させて
   設けられた前記燃料の燃焼ガスを含む前記ガスの排出管
   を含んでなる燃料改質装置。