JPH0764521B2 - 燃料改質装置 - Google Patents

燃料改質装置

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JPH0764521B2
JPH0764521B2 JP63110695A JP11069588A JPH0764521B2 JP H0764521 B2 JPH0764521 B2 JP H0764521B2 JP 63110695 A JP63110695 A JP 63110695A JP 11069588 A JP11069588 A JP 11069588A JP H0764521 B2 JPH0764521 B2 JP H0764521B2
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    • 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
    • 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池の燃料として用いられる水素に富む
ガスを、改質原料ガスを触媒の作用の下に改質して生成
する燃料改質装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、炭化水素を吸熱反応により改質して水素に富むガ
スを反応生成するための装置としてしばしば二重管構造
のものが採用されている。この二重構造の利点はこの中
に充填される改質触媒層が二重になっているので反応管
の全長を短かくすることができること、燃焼ガスの流れ
方向と反応ガスの流れ方向とを逆にできるとともに触媒
層に入る原料ガスと触媒層から出る反応ガスとの間の熱
交換により熱効率がよくなること、バーナを内管の中に
設置できるためコンパクトな構造にすることができるこ
となどである。(米国特許3,144,312参照) このような二重管構造では改質原料ガスが通流する触媒
層の始点と終点とは隣り合わせてその温度は異なる。例
えばメタンガスの吸熱反応による水蒸気改質の場合触媒
層の始点の温度は400〜550℃であり、終点の温度は650
〜800℃である。かかる従来装置においては、仕切円筒
を通して熱交換が行なわれるため触媒層の終点の温度が
低下し、反応が不十分なままで反応ガス(以下、反応生
成ガスということがある。)が触媒層から出てしまうと
いう問題点がある。この問題点を解決するため、本出願
人は先に燃料改質装置に用いられる吸熱反応装置を提案
している。
第2図は本出願人が提案した上記の吸熱反応装置の断面
図であり、この図によりその概略を説明する。図におい
て吸熱反応装置1を反応管2と、反応管2の内側に配さ
れるバーナ3と、このバーナ3を上部に備え、反応温2
内に改質触媒が充填されてなる触媒充填部を外部から囲
む炉容器4とから構成されている。反応管2において、
5は直立した仕切円筒であり、この仕切円筒5を挟んで
その両側に円筒状の外管6と内管7とが配置されてい
る。外管6と内管7との下端部は仕切円筒5の下端から
離れて半トーラス状の底板で連結され、外管6と仕切円
筒5および仕切円筒5と内管7とによりそれぞれ下端部
で接続する外側環状空間8と内側環状空間9とが形成さ
れている。外側,内側環状空間8,9においてその下半部
には改質触媒12が充填されて外触媒層10と内触媒層11と
が下端部の半トーラス部で接続されて形成されている。
そして内触媒層10と外接触層11とを仕切る仕切円筒5の
下半部は断熱層13を有している。一方外側,内側環状空
間8,9の上半部には対流伝熱を促進するアルミナ等から
なる伝熱粒子22が充填されて熱交換部が形成されてい
る。
外側環状空間8の上端部には改質原料ガス入口マニホー
ルド15を介して改質原料ガスの入口16が、また内側環状
空間9の上端部には反応ガス出口マニホールド17を介し
て反応ガスの出口18が形成されている。
バーナ3は反応管2の内側に設けられ、さらにバーナ3
からの燃焼ガスが反応管2内の触媒充填部を加熱するよ
うに外触媒層10と内触媒層11とからなる触媒層の始点,
終点のレベルに配置されている。
炉容器4はバーナ3を上部に備え、反応管2の外触媒層
10と内触媒層11とからなる触媒層を外部から囲むように
設けられ、その内側面と底面とには耐火断熱材19が配設
されている。そして炉容器4内にはバーナ3からの燃焼
ガスが反応管2の内側に沿って流れた後、反応管2の下
端で折返して反応管2の外側に沿って流れる燃焼ガス通
路20が形成されている。なお、反応管2の外側部の燃焼
ガス通路20は外触媒層10部の外管部を囲み、炉容器4の
側面の耐火断熱材19に接してなる筒21の中に燃焼ガスの
対流伝熱を促進する伝熱粒子22が充填されて構成されて
いる。
このような構造の吸熱反応装置において、バーナ3に燃
料入口23から燃料を送入し、図示しない空気入口から燃
焼空気を送入して燃料を燃焼させると、バーナ3からの
燃焼ガスは燃焼ガス通路20である反応管2の内側を下方
に流れ、反応管2の下端で折返して伝熱粒子22が充填さ
れた反応管2の外側の燃焼ガス通路を上方に流れ、燃焼
ガス出口24から外部に排出される。
一方、改質原料ガスは改質原料ガス入口16から流入し、
外側環状空間8の上半部を下方に流れ、さらに下半部の
外触媒層10を下方に流れて下端部で折返して内側環状空
間部9の下半部の内触媒層11を上方に流れ、さらに上半
部を流れて反応ガス出口18から外部に流れる。
上記のようにバーナ3からの燃焼ガスにより外触媒層10
と内触媒層11とからなる触媒層は加熱され、この触媒層
を燃焼ガスの流れ方向と逆方向に流れる改質原料ガスと
してのメタンガスは改質触媒の作用の下に吸熱反応にに
より水蒸気改質して水素と一酸化炭素とからなる反応生
成ガスになる。この場合、環状空間下半部において吸熱
反応に伴い外触媒層10と内触媒層11とからなる触媒層の
隣り合わせる部位では温度差があり、この中で触媒層の
隣り合わせる改質原料ガスが入る始点と反応ガスがでる
終点が最も大きい温度差になるが仕切円筒5の断熱層13
のため熱の移動が阻止される。このため触媒層の終点近
くの温度は吸熱反応を完成させるのに必要な高温を保持
し、十分に水蒸気改質された反応生成ガスが得られる。
なお、触媒層からでる高温の反応生成ガスは、外側,内
側環状空間8,9の上半部の熱交換部により、改質原料ガ
ス入口16から外側環状空間8の上半部を流れる改質原料
ガスと熱交換してこのガスを昇温し、この昇温したガス
が外触媒層10に流入するので熱効率が向上するとともに
反応生成ガスの温度は低下して反応ガス出口18から外部
に送出される。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記のように触媒層に入る改質原料ガスと触媒層とから
出る水蒸気改質された反応生成ガスは熱変換され、温度
が低下して触媒層から出ていく。ここで、反応生成ガス
中には燃料電池の電極触媒層の触媒毒となる一酸化炭素
を多量に含み、例えば炭化水素を水蒸気改質した場合8
〜14%も含まれている。したがってこのガスをそのまま
燃料電池用の燃料ガスとして使用するのは不適切であ
る。このため、従来燃料電池用としては吸熱反応装置の
後段に一酸化炭素変成器を設置して触媒層から出た反応
生成ガスをこの一酸化炭素変成器に通流して一酸化炭素
量を燃料電池が許容する量まで低減している。
しかしながら、触媒層からでる反応生成ガスをそのまま
一酸化炭素変成器に送るのは後段の一酸化炭素変成器の
負荷が大きくなるので、この負荷を軽減するため、反応
管内部で触媒層から出る反応生成ガスの一酸化炭素変成
を行なわせることを検討した。
本発明の目的は、二重管構造の反応管にて水蒸気改質さ
れて触媒層から出る反応生成ガス中の一酸化炭素量を低
減し、後段の一酸化炭素変成器の負荷を低減することの
できる燃料改質装置を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題を解決するために、本発明によれば直立した仕
切円筒とこれを挟んでその内外に同心的に設置され下端
部で前記仕切円筒の下端から離れて互に連結された外管
および内管により仕切円筒で仕切られ下端部で通じる内
外2重の環状空間が形成され、この内側と外側との環状
空間の下半部には改質触媒が充填され外側の環状空間の
上端には改質原料ガス入口が、一方内側の環状空間の上
端には反応ガス出口が形成され、内側と外側との環状空
間の上半部で改質原料ガスと反応ガスとの間で熱交換す
る反応管と、この反応管の内側にその触媒充填部を加熱
するように配置されたバーナと、このバーナを上部に備
え前記反応管の触媒充填部を外部から囲み、バーナから
の燃焼ガスを前記の内側の環状空間内の触媒充填部から
外側の環状空間内の触媒充填部に沿わせて導く燃焼ガス
通路を備える炉容器とからなる燃料改質装置において、
前記内側の環状空間の上半部に一酸化炭素変成触媒を充
填し、前記外側の環状空間の上半部に伝熱粒子を充填す
るものとする。
〔作用〕
改質原料ガスを水蒸気改質する際用いられる改質触媒か
らなる触媒充填部に入る改質原料ガスと触媒充填部から
出る反応ガスとが、仕切円筒を介して内側,外側環状空
間の上半部で熱交換する内側環状空間の上半部に一酸化
炭素を変成する変成触媒を充填し、前記外側の環状空間
の上半部に伝熱粒子を充填することにより、触媒充填部
で吸熱反応して触媒充填部から出た反応生成ガスは触媒
充填部に入る低温の改質原料ガスと熱交換しながら一酸
化炭素変成触媒の下に発熱反応により一酸化炭素が変成
されるので、後段に配される一酸化炭素変成器の負荷が
軽減される。
〔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。
第1図は本発明の実施例による燃料改質装置の断面図で
ある。なお、第1図において第2図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。図におい
て、燃料改質装置30は第2図に示す吸熱反応装置1と殆
んど同じ構造であるが、異なるのは内側環状空間9の上
半部に粒状の一酸化炭素変成触媒25を充填したことであ
る。なお、外側環状空間8の上半部に伝熱粒子22を充填
しているが、これ以外に仕切円筒5にフインをつけるな
どの伝熱促進手段を採用してもよい。
このような構成により内触媒層11から出る水蒸気改質さ
れた高温の反応生成ガスは仕切円筒5を介して伝熱粒子
22と伝熱粒子の役目もする一酸化炭素変成触媒25とによ
り伝熱が促進されて外触媒層10に入る低温の改質原料ガ
スにその持っている熱を与えることにより温度が低下
し、一方改質原料ガスの温度を上昇させる。そして反応
生成ガスは一酸化炭素変成触媒25の作用の下にその含ん
でいる一酸化炭素と水蒸気から発熱反応により水素と炭
酸ガスとを生成して一酸化炭素濃度を低減する。この場
合、例えば温度750℃,圧力1.5kg/cm2G,水蒸気炭素比3.
25で反応して水蒸気改質されたガスは13%の一酸化炭素
を含んでいるが、この改質ガスの温度が熱交換により35
0℃まで下げられ平衡濃度に達したならば変成触媒25の
作用の下に一酸化炭素濃度は1.5%程度まで低下する。
〔発明の効果〕
以上の説明で明らかなように二重管構造の内部を仕切筒
により仕切られた外側と内側の環状空間の下半分に改質
触媒を充填してなる触媒層を有する反応管の内側の環状
空間の上半部に一酸化炭素変成触媒を充填し、前記外側
の環状空間の上半部に伝熱粒子を充填することにより、
触媒層から出る一酸化炭素を含む改質されたガスは触媒
層に入る改質原料ガスと熱交換してその温度は下げられ
るとともに一酸化炭素変成触媒により温度降下にリンク
して発熱反応である一酸化炭素変成が行なわれて一酸化
炭素濃度が低減され、後段に設けられる一酸化炭素変成
器の負荷が低減し、これに伴ってその容量を小さくした
り、あるいはその寿命を長くしたりするという効果があ
る。また、燃料電池の許容する一酸化炭素濃度以下にな
れば、一酸化炭素変成器を不要にすることもできる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例による燃料改質装置の断面図、
第2図は従来の燃料改質装置に用いられる吸熱反応装置
の断面図である。 2……反応管、3……バーナ、4……炉容器、5……仕
切円筒、6……外管、7……内管、8……外側環状空
間、9……内側環状空間、12……改質触媒、22……伝熱
粒子、25……一酸化炭素変成触媒、30……燃料改質装
置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直立した仕切円筒とこれを挟んでその内外
    に同心的に配置され下端部で前期仕切円筒の下端から離
    れて互いに連結された外管および内管により仕切円筒で
    仕切られ下端部で通じる内外2重の環状空間が形成さ
    れ、この内外と外側との環状空間の下半部には改質触媒
    が充填され外側の環状空間の上端には改質原料ガス入口
    が、一方内側の環状空間の上端には反応生成ガス出口が
    形成され、内側と外側との環状空間の上半部で改質原料
    ガスと反応生成ガスとの間で熱交換する反応管と、この
    反応管の内側にその触媒充填部を加熱するように配置さ
    れたバーナと、このバーナを上部に備え前記反応管の触
    媒充填部を外側から囲み、バーナからの燃焼ガスを前記
    内側の環状空間内の触媒充填部に沿わせて導く燃焼ガス
    通路を備える炉容器とからなる燃料改質装置において、
    前記内側の環状空間の上半部に一酸化炭素変成触媒を充
    填し、前記外側の環状空間の上半部に伝熱粒子を充填し
    たことを特徴とする燃料改質装置。
JP63110695A 1988-05-07 1988-05-07 燃料改質装置 Expired - Lifetime JPH0764521B2 (ja)

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US3144312A (en) 1961-06-06 1964-08-11 Mertens Carl Catalytic conversion plant for the continuous generation of gases of any kind out of ydrocarbons

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