JPH08108065A - 燃料改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃焼ガス温度分布の均一を図り、かつ燃焼ガ
スと内筒との伝熱効率を高め、高効率の改質器を得るこ
と。 【構成】 断熱材２を内張りした改質器本体１内に、内
筒４、外筒５、及び中間筒６からなる中空二重構造の反
応筒３を内蔵するとともに、その反応筒３を加熱する燃
焼バーナ１６を備えた燃料改質器において、その燃焼バ
ーナ１６に燃焼ガス筒２０を連接し、その燃焼ガス筒２
０を反応筒３の開口部から反応筒内空間に挿入し、反応
筒内において開口させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化水素ガスに水蒸気
を混合したガス（以下原料ガスという）を燃焼ガスによ
って加熱し、触媒を用いた改質反応により水素を主成分
とするガス（以下改質ガスという）を生成する燃料改質
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池システムにおいては、
燃料電池本体に水素リッチガスを供給するための燃料改
質器が設けられている。

【０００３】図５は、比較的小型で運転圧力が低いプラ
ントで多く採用されている一般的な改質器の構造を示す
図であり、改質器本体１の内面には適当な厚さの断熱材
２が装着されており、その改質器本体１内には中空状の
反応筒３が同心状に配設されている。

【０００４】上記反応筒３は内筒４、外筒５、及び中間
筒６により形成されており、内筒４と外筒５の下端は断
面半円弧状の端壁７によって連結され、上記内筒４と外
筒５で形成される環状空所の下端部が上記端壁７によっ
て密閉されており、内筒４及び外筒５に挿入されている
中間筒６の下端は上記端壁７との間に間隙を有するよう
に形成されている。

【０００５】内筒４及び外筒５によって形成された環状
間隙内には改質触媒が充填されており、外筒５と中間筒
６によって第１触媒層８が形成され、中間筒６と内筒４
によって第二触媒層９が形成されている。上記反応筒３
の上端付近には、上記第１触媒層８に原料ガスを供給す
る原料ガス入口１０と、第二触媒層９を経た改質ガスを
取り出す改質ガス出口１１が接続されており、外筒５の
上部には内筒４と外筒５との熱膨張差を吸収するための
伸縮継手１２が設けられている。また、改質器本体１の
上部側壁には断熱材２を貫通するバーナ排ガス出口１３
が設けられている。

【０００６】一方、反応筒３の上部中央には、バーナ空
気入口１４及びバーナ燃料入口１５を有する燃焼バーナ
１６が設けられており、その燃焼バーナ１６の下部に反
応筒３の中空部分からなるバーナ空間１７が形成されて
いる。

【０００７】しかして、炭化水素ガス（例えば天然ガ
ス）に水蒸気を混合した約３００〜４００℃の原料ガス
が、原料ガス入口１０から反応筒３に導かれ、第一触媒
層８を流下する。そして、下端の端壁７部で上方に流れ
を転じ、第二触媒層９を上昇する。この間に原料ガス
は、外筒５の外周の第二ガス通路１８を上向きに流れる
燃焼ガスと上記外筒５を介して、またバーナ空間１７を
下向きに流れる燃焼ガスヒ内筒を介して加熱され、徐々
に温度が上昇されるとともに改質触媒の作用によって改
質反応が起り、水素を主成分とする改質ガスに変化す
る。そして、生成された改質ガスは所定の温度で改質ガ
ス出口１１から器外に排出される。

【０００８】一方、バーナ空気とバーナ燃料は、それぞ
れバーナ空気入口１４とバーナ燃料入口１５から燃料バ
ーナ１６に導入され、１２００〜１３００℃の高温で燃
焼する。そして、その燃焼によって発生した燃焼ガスは
バーナ空間１７を下方に流れ、反応筒３の下端部で流れ
を変えて第二ガス通路１８を上方に流れる。その間、燃
焼ガスは、内筒４及び外筒５の内部を流れる原料ガスと
熱交換することによって徐々に温度が下降し、所定の温
度でバーナ排ガス出口１３から器外に排出される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の如き改質器にお
いては、円環形状の反応筒３の周方向における温度分布
を如何に均一にするかが性能を左右する重要な要素であ
る。この温度分布とは、触媒層８及び９の中を流れる原
料ガスや改質ガスの温度、内筒４及び外筒５の表面温
度、そしてバーナ空間１７内及び第二ガス通路１８を流
動する燃焼ガスの温度等、反応筒３の構造に全てに当て
はまる。

【００１０】特に、バーナ空間１７内の燃焼ガスの温度
分布について言えば、燃焼バーナの効率的な燃焼と、バ
ーナ火炎が素早く混合して燃焼ガス温度が均一になるよ
うな構造であることが必要である。

【００１１】しかしながら、上述の如き従来の改質器に
おいては、バーナ空間１７にまでバーナ火炎が延びて燃
焼するため、混合距離が十分取れず、したがって燃焼ガ
スの混合が十分に行なわれずに反応筒３の下端にまで達
してしまうという問題がある。このため反応筒３の均一
加熱が難しくなり、加熱面積を有効に活用できずに所定
の性能を発揮できないことがある等の問題がある。

【００１２】また、従来の改質器の構造上の課題とし
て、反応筒の熱応力の問題もある。

【００１３】すなわち、高温の内筒４と比較的低温の外
筒５との温度差による熱膨張差は、普通内筒４の上端に
ある伸縮継手１２によって吸収される。一方、その略中
間程度の温度差になる中間筒６は、下端が自由になって
いるため伸びは拘束されない。しかし、下端部は常にそ
の近傍に充填されている改質触媒に接触しているため、
摩擦、押付け等の無理な力が加わることになり、触媒の
破損や粉化を引越す可能性がある。そして、この触媒の
破損や粉化は触媒層の沈下による性能低下や圧損増大を
招き、ひいては反応筒の局部過熱や触媒層の閉塞を生ず
る可能性もある等の問題がある。

【００１４】本発明はこのような点に鑑み、広いバーナ
空間を有効に活用して燃焼ガス温度分布の均一化を図
り、かつ燃焼ガスと内筒との伝熱効率を高め、高効率の
改質器を得ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、断熱材を内張
りした改質器本体内に、内筒、外筒及び中間筒からなる
中空二重構造の反応筒を内蔵するとともに、その反応筒
を加熱する燃焼バーナを備えた燃焼改質器において、上
記反応筒の開口部側に燃焼バーナを設け、その燃焼バー
ナに、反応筒の開口部から反応筒内空間に挿入され、そ
の反応筒内において開口する燃焼ガス筒を連接したこと
を特徴とする。

【００１６】

【作用】燃焼バーナによって発生した燃焼ガスは、燃焼
ガス筒内を移動しその端部で反転し、燃焼ガス筒と内筒
間で形成された第一ガス通路内を移動する。したがっ
て、反応筒内で十分に燃焼ガスが混合し、第一ガス通路
内に流入する燃焼ガスの温度分布は均一で、かつその流
れも均一となり、伝熱効率が高く性能向上が図られる。

【００１７】

【実施例】以下、図１乃至図４を参照して本発明の実施
例について説明する。なお、図中図５と同一部分につい
ては同一符号を付しその詳細な説明は省略する。

【００１８】図１において、改質器１の下部に燃焼バー
ナ１６が装着されている。そして、その燃焼バーナ１６
にはセラミックス等の耐熱材料で作られた燃焼ガス筒２
０が連設されており、この燃焼ガス筒２０がバーナ空間
１７内に反応筒３と同心状に挿入配設され、この燃焼ガ
ス筒２０と内筒４との間に第一ガス通路２１が形成され
ている。なお、図中符号２２は反応筒３の内筒４の上部
を密閉する密閉部材である。

【００１９】しかして、バーナ空気入口１４とバーナ燃
料入口１５から燃焼バーナ１６に導入されたバーナ空気
およびバーナ燃料はそこで燃焼し、１２００〜１３００
℃の高温の燃焼ガスとなり、この燃焼ガスは燃焼ガス筒
２０の内側を上昇する。燃焼ガス筒２０内を上昇した燃
焼ガスは、流れを下方に転じて第一ガス通路２１内を下
降し、内筒４との間で熱交換して徐々に温度下降する。
その後燃焼ガスは反応筒３の下端で再度流れを上向きに
変え、第二ガス通路１８に流入し、外筒５との間で熱交
換してさらに温度を低下し、最終的に改質器本体１の上
部にあるバーナ排ガス出口１３から器外に排出される。
一方、原料ガスは、従来と同様に、原料ガス入口１０か
ら反応筒３に導かれ、第一触媒層８を流下し、端壁７部
で上方に流れを転じ、第二触媒層９を上昇する。そし
て、この間に原料ガスは燃焼ガスとの熱交換によって加
熱され、徐々に温度が上昇されるとともに改質触媒の作
用によって改質反応され、水素を主成分とする改質ガス
に変化し、改質ガス出口１１から器外に排出される。

【００２０】したがって、燃焼バーナ１６の火炎は燃焼
ガス筒２０の内部で十分な混合距離が得られ、確実な混
合が行なわれる。そのためバーナ空間１７の上部に達し
て第一ガス通路２１に導入されるまでに燃焼ガスは完全
に均一な温度になり、内筒４は均一で効果的に加熱され
る。また、第一ガス通路２１の形成によって燃焼ガスの
流れも均一に制御されるため、燃焼ガスから内筒４への
熱伝達が効率的に行われ、高温の燃焼ガスによる局部的
な過熱の問題を解消することができる。

【００２１】図２は、本発明の他の実施例を示す図であ
り、燃焼ガス筒２０の下半の外径が上半の外径より大き
く形成されており、第一ガス通路２１の幅が上半部にお
いて広く下半部において狭くなるようにしてある。

【００２２】しかして、上記ガス通路の幅が広い上半部
においては、ガスの容積が大きくガスの温度も高く輻射
を主体とした効果的な伝熱となり、さらに幅が狭い燃焼
ガスの温度がやや低くなる下半部では、流速が速くなっ
て対流を主体とした効果的な伝熱が行なわれる。したが
って、燃焼ガスの流れがより均一に制御されるととも
に、一段と性能を向上でき改質器の高効率化を図ること
ができる。

【００２３】図３は、本発明のさらに他の実施例を示す
図であり、燃焼ガス筒２０が燃焼ガスが壁面を通過でき
る材料、例えば多孔性セラミックス等により形成されて
いる。この場合、通過可能なガスの量は、材料の多孔率
を変えることによって比較的容易に調節することができ
る。

【００２４】しかして、この実施例においては高温の燃
焼ガスの一部が燃焼ガス筒２０内を上昇する途中で壁面
を通過し、燃焼ガス筒２０の外側を流下する燃焼ガスの
本流と合流する。したがって、上記燃焼ガス筒２０の壁
面を通過する燃焼ガスによって燃焼ガス筒２０の外表面
の温度が高くなり、燃焼ガス筒２０の外表面から反応筒
３の内筒への輻射が飛躍的に増加する。そのため反応筒
３の加熱面積を減少させることができ、改質器のコンパ
クト化を行なうことができる。

【００２５】図４は、本発明のさらに他の実施例を示す
図であり、中間筒６の下端が内筒４及び外筒５の下端を
接続する端壁７に当接されており、その中間筒６の下端
部には触媒の大きさよりやや小さい多数の細孔２３が穿
設されている。また、上記中間筒６の上部には伸縮継手
２４が設けられている。

【００２６】このように、本実施例においては中間筒６
の下端が端壁７に当接し、上部に伸縮継手２４が設けら
れているので、中間筒６が熱膨張によって伸縮した場
合、その伸縮は伸縮継手２４によって吸収され、中間筒
６の下端が上下することがなく、反応筒３内に充填され
ている触媒を押し付けたり、触媒に無理な力を加えるこ
とがなく、触媒の破損や粉化を引き起すことがなくな
る。しかも、原料ガスは中間筒６の下端部に設けられた
細孔２３を経て流通し、原料ガスの流れが阻害されるこ
とはない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は反応筒の
開口部から反応筒内空間に挿入され、その反応筒内にお
いて開口する燃焼ガス筒を燃焼バーナに連接したので、
燃焼ガスの火炎の混合距離を十分確保することができ、
均一な温度の燃焼ガスを得ることができる。したがっ
て、反応筒の効果的な加熱が可能となり、高温の燃焼ガ
スによる局部的な過熱が発生することを防止することが
できる。また、燃焼ガス筒と内筒間の第一ガス通路にそ
の幅が広い所と狭い所を形成した場合には、輻射通路と
対流通路の二つの通路部に機能的に分けられ、伝熱効率
が向上される。さらに燃焼ガス筒を多孔性材料によって
構成した場合には、燃焼ガス筒の外表面の温度が従来よ
り高くなり、固体輻射伝熱を飛躍的に増加させることが
でき、改質器のコンパクト化を図ることができる。さら
に、中間筒の下部を反応筒の下端まで延ばし端壁に当接
するようにし、中間筒の上部に伸縮継手を設けた場合に
は、触媒の破損や粉化の発生を効果的に防止でき、信頼
性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の改質器の第一の実施例を示す断面図。

【図２】本発明の改質器の第二の実施例を示す断面図。

【図３】本発明の改質器の第三の実施例を示す断面図。

【図４】本発明の改質器の第四の実施例を示す断面図。

【図５】従来の改質器の概略構成を示す断面図。

【符号の説明】

１ 改質器本体 ２ 断熱材 ３ 反応筒 ４ 内筒 ５ 外筒 ６ 中間筒 ７ 端壁 ８ 第一触媒層 ９ 第二触媒層 １６ 燃焼バーナ ２０ 燃焼ガス筒 ２３ 細孔

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断熱材を内張りした改質器本体内に、内
   筒、外筒及び中間筒からなる中空二重構造の反応筒を内
   蔵するとともに、そ反応筒を加熱する燃焼バーナを備え
   た燃料改質器において、上記反応筒の開口部側に燃焼バ
   ーナを設け、その燃焼バーナに、反応筒の開口部から反
   応筒内空間に挿入され、その反応筒内において開口する
   燃焼ガス筒を連接したことを特徴とする燃料改質器。
2. 【請求項２】燃焼ガス筒の外周面と反応筒の内周面との
   間隙が、反応筒の開口部側において狭くしてあることを
   特徴とする、請求項１記載の燃料改質器。
3. 【請求項３】燃焼ガス筒が、燃焼ガスが通過可能な多孔
   性物質によって形成されていることを特徴とする、請求
   項１または２記載の燃料改質器。
4. 【請求項４】内外両筒間に挿入されている中間筒の先端
   部には複数の細孔が穿設されるとともに、その中間筒の
   先端が内外両筒の先端部間を接続する端壁部の内面に当
   接され、上記中間筒の基部には伸縮継手が設けられてい
   ることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載
   の燃料改質器。