JPH08231203A - 燃料改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 改質管と、これを取り囲む固体壁との間の幾
何学的な位置関係を改質管の円周方向で均一化させ、固
体輻射伝熱の影響を最小にし、かつ改質管を一度横切っ
て他の改質管を到達する燃焼ガスの温度低下を減少さ
せ、燃焼ガス入口部の燃焼ガス温度を均一化する。 【構成】 改質器容器１内には改質触媒14を充填してい
る改質管３が設けられる。この改質管３の上部は高温の
燃焼ガスの流動空間である燃焼室17として構成される。
さらに、改質管３を包囲して燃焼ガス流路を形成するス
リーブ18と、改質管３の頭頂部に断熱キャップ19とが装
着される。断熱キャップ19はスリーブ18の上端より下方
に延長して設けられ、スリーブ18を包囲している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電システムに
使用するのに適した燃料改質器に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムは、一般に燃料電
池本体と燃料改質器と電力変換装置、制御装置および多
くの熱交換器類によって構成されており、非常に複雑な
システムである。

【０００３】本発明の対象である燃料改質器の一例を図
５および図６に示す。以下、その構成および機能を説明
する。内面に適当な厚さの断熱材２を施した改質器容器
１内に多数の改質管３が立設され、当該改質器容器１の
下端にはバーナ７、原料ガス入口８、改質ガス出口９お
よび排ガス出口10が設けられている。断熱材２と改質管
３の間には空間が設けられて燃焼室17を構成している。

【０００４】上記改質管３は改質管外管15と、その内部
に配設された改質管内管16とからなる二重管であり、当
該二重管の間隙に改質触媒14を充填して改質触媒層６を
形成した構造となっている。また、改質管外管15の外部
には改質管３と同心にスリーブ18が配設され改質管外管
15との間に燃焼ガス流路20を形成し、改質管外管15の頭
頂部には断熱キャップ19が設置されている。したがっ
て、改質管外管15の軸方向長さの内、断熱キャップ19下
端とスリーブ18上端との隙間の部分は燃焼ガス流路20へ
の燃焼ガス入口部21を構成し、燃焼室17に対して露出し
ている。

【０００５】バーナ７で燃焼した高温の燃焼ガス13は、
バーナ７の真上に設置された円筒内を上昇して燃焼室17
内に導かれて放射状に反転し、下方に流れを転じて断熱
キャップ19とスリーブ18の間隙で構成される燃焼ガス入
口部21を通過して燃焼ガス流路20を流下し、排ガス出口
10から器外に排出される。尚、燃焼ガス13は燃焼ガス流
路20を流下する際、改質触媒層６の内部を流れる流体と
熱交換することによって徐々に温度が降下する。

【０００６】他方、炭化水素系原料ガスと水蒸気を混合
したガス（以下、原料ガス11と称する）は、改質器容器
１の下端の原料ガス入口８より分配管４に流入し分配枝
管５を経由して改質管３内部の改質触媒層６に導かれ
る。原料ガス11は改質触媒層６を流動する間に燃焼ガス
流路20を流れる燃焼ガス13および改質管内管16内部を流
れる流体によって熱せられて徐々に温度が上昇するとと
もに、改質触媒14の作用によって改質反応が起こり、水
素を主成分とする改質ガス12に転化する。

【０００７】改質ガス12は改質触媒層６を経由したあ
と、改質管３の上端で反転し、改質管内管16内部を流下
して、改質触媒層６内を流動する流体と熱交換を行うこ
とによって徐々に温度が降下し、改質管３下端より合流
管23を経て改質ガス出口９に導かれて器外に排出され、
図示しない種々の機器を経由して燃料電池本体に導かれ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のような構成およ
び機能を有する従来の燃料改質器を備えた燃料電池発電
システムにおいて、改質反応を起こさせるために原料ガ
ス11を約 750℃まで加熱する必要がある。このため、改
質管３の温度は、上端において約 800〜1000℃という金
属材料にとって極度に苛酷な条件で運転されている。そ
して、改質性能を十分に引出して機能を確保するために
は、その表面温度のばらつきを特に改質管３の頂部にお
いて最少限度にすることが不可欠である。

【０００９】表面温度のばらつきが大きく局部的な高温
部が存在している状態で連続運転すると、改質管３の局
部的な高温部の金属寿命は急激に低下し、極端な場合、
短時間で破壊に至る場合もある。また、逆に局部的な高
温部の温度を下げるような運転をした場合には改質管３
の平均温度が下がってしまうため、原料ガス11の温度を
約 750℃に加熱することが不可能になり、改質性能が低
下してしまう。

【００１０】以上のように、改質管３の金属部の局部的
な加熱を防いで表面温度分布を均一にすることが改質器
にとっては重要な課題となっている。ところで、この改
質管３の温度のばらつきが発生する要因として改質管３
を取り囲む固体壁との間の固体輻射伝熱の不均一が挙げ
られる。改質管３と相対して固体壁を置いた場合、改質
管３と固体壁との間には輻射による伝熱が生じ、固体壁
が改質管３よりも高温の場合改質管３の表面温度は上昇
するが、この伝熱は改質管３と固体壁との温度差および
両者の幾何学的な位置関係により決定される。改質管３
の頂部には燃焼ガス13を燃焼ガス流路20に導入するため
スリーブ18と断熱キャップ19の間に間隙を設けており、
この間隙を通して改質管３は周囲を取り囲む断熱材２や
他の改質管３との間に固体輻射伝熱を生じている。

【００１１】図５に示すように複数の改質管３を改質器
容器１の内部に配設している燃料改質器では、１本の改
質管３と他の改質管３、あるいは断熱材２との幾何学的
な位置関係はその改質管３の円周方向によって異なり、
断熱材２との固体輻射伝熱の影響が強い部分と他の改質
管３との固体輻射伝熱の影響が強い部分とが生じる。改
質管３と他の改質管３との温度差は少ないが、燃焼室17
を構成する断熱材２の表面温度は燃焼ガス13の温度とほ
ぼ等しいため断熱壁２の表面は改質管３よりも温度が高
くなり、断熱材２との間の固体輻射伝熱の影響が強い部
分では、改質管３の表面温度が上昇して改質管３は円周
方向に温度分布を生じる。

【００１２】また、改質管３の温度のばらつきが発生す
るもう一つの要因として改質管３頂部付近で改質管３を
横切って流れる燃焼ガス13の存在が挙げられる。バーナ
７で燃焼した燃焼ガス13は燃焼室17内に導かれて放射状
に反転し、燃焼ガス13は燃焼室17の内壁である断熱材２
に沿って下方に流れた後、改質管３側に引き寄せられ燃
焼ガス入口部21に到達する。このため、図５に示すよう
な複数の改質管３を複数の合流管23、例えば二重の円環
をなす合流管23上に配設した改質器では、外側の合流管
23上の改質管３の燃焼ガス入口部21に到達した燃焼ガス
13の一部は改質管３頂部の露出部を横切った後、燃焼ガ
ス流路20に導入されずに、内側の合流管23上の改質管３
の燃焼ガス入口部21に到達する。この結果、外側の合流
管23上に改質管３の燃焼ガス入口部21の燃焼ガス13と比
べ、内側の合流管23上の改質管３の燃焼ガス入口部21の
燃焼ガス13温度は、外側の改質管３を一度横切って熱交
換した燃焼ガス13を一部含むため低下する。改質管３の
表面温度は燃焼ガス13と改質管３表面との温度差にも依
存するため、より高温の燃焼ガス13を導入した方が改質
管３の表面温度は高くなる。したがって、外側の改質管
３の頂部の表面温度は内側に比べて高温となり温度のば
らつきを生じる。

【００１３】前述したように改質管３の金属寿命の急激
な低下を防ぐためには、改質器の運転温度は改質管３の
表面温度が最も高い部分に合わせる必要があり、改質管
３の表面温度のばらつきが大きい場合には改質管３の平
均温度が下がってしまい、改質性能を低下させてしまう
可能性がある。

【００１４】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、改質管と、
改質管を取り囲む固体壁との間の幾何学的な位置関係を
改質管の円周方向で均一化させることにより、固体輻射
伝熱の影響を最小にして改質管頂部温度のばらつきをで
きるだけ抑え、かつ改質管を一度横切って他の改質管に
到達する燃焼ガスの温度低下を減少させることにより、
燃焼ガス入口部の燃焼ガスの温度を均一化して改質管頂
部の温度分布を均一化できる燃料改質器を提供すること
にある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は改質器容器と、この水質器容器内に配設さ
れる、改質触媒を充填した複数本の改質管と、高温の燃
焼ガスの流動空間である燃焼室と、前記改質管の軸線に
沿って改質管を包囲して燃焼ガス流路を形成するスリー
ブと、改質管の頭頂部に配設される断熱キャップとを備
たなる燃料改質器において、改質器の頂部をスリーブお
よび断熱キャップで包囲し、これにより改質管の燃焼室
に対する露出部分をなくすようにしたことを特徴とする
ものである。

【００１６】

【作用】本発明によれば、改質管頂部の外表面と相対す
る位置にある固体壁はスリーブおよび断熱キャップのみ
となる。複数本の改質管においても、改質管表面とスリ
ーブまたは断熱キャップの幾何学的な位置関係は各改質
管において同一であり、スリーブおよび断熱キャップの
温度も円周方向では均一であるため、改質管を取り囲む
固体壁と改質管との間の固体輻射伝熱は円周方向に均一
化される。このため、固体輻射伝熱の不均一を原因とす
る改質管頂部温度のばらつきを抑えることができる。

【００１７】また、燃焼室に対して露出した改質管部分
がなくなるため、複数の同心円上の合流管に改質管が立
設した場合でも、外側の改質管を横切り内側の改質管に
流入する燃焼ガスの温度は外側の改質管で冷却されるこ
とがなくなり、各改質管への燃焼ガス入口温度が均一化
され、改質管頂部温度のばらつきを抑えることができ
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１に基づいて具体
的に説明する。なお、図５および図６に示した従来例と
同一の部材については同一の符号を付して説明を省略す
る。

【００１９】本実施例では図に示したように、断熱キャ
ップ19の下端を延長することにより、スリーブ18の上端
は断熱キャップ19の下端によって包囲されており、ま
た、スリーブ18上端と断熱キャップ19下端は、改質管３
に対し鉛直方向の間隙を構成している。

【００２０】このような構成を有する本実施例の改質器
において、改質管３頂部は断熱キャップ19とスリーブ18
によって取り囲まれており、燃焼室17に対して露出した
部分を持たない、すなわち燃焼室17を構成する断熱材２
や他の改質管３の表面から断熱キャップ19およびスリー
ブ18によって遮断されている。この結果、改質管３頂部
の表面と相対する位置にある固体壁は断熱キャップ19と
スリーブ18のみとなる。したがって、断熱材２や他の改
質管３表面との固体輻射伝熱は生じなくなり、改質管３
が行う固体輻射伝熱は断熱キャップ19およびスリーブ18
のみとなる。

【００２１】改質管３表面の円周方向の温度分布は、改
質管３と相対する固体壁の幾何学的な位置関係および相
対する固体壁の温度分布に依存するが、スリーブ18およ
び断熱キャップ19は改質管３と同心に配設されているた
め、改質管３と相対する固体壁との幾何学的な位置関係
は円周方向で均一となる。また、スリーブ18および断熱
キャップ19の温度は円周方向で均一であるため、改質管
３を取り囲む固体壁と改質管３との間の固体輻射伝熱は
円周方向に均一化され、固体輻射伝熱の不均一な原因と
する改質管３の頂部の温度ばらつきを抑えることができ
る。

【００２２】また、燃焼ガス13は燃焼室４から、スリー
ブ18の上端と断熱キャップ19の下端により構成された鉛
直方向の間隙である燃焼ガス入口部21に導入される。改
質管３を横切る燃焼ガス13があったとしても、燃焼ガス
13は断熱キャップ19とスリーブ18の外面と接触するだけ
で、改質管外管15とは接触しないため燃焼ガスの温度低
下はほとんど起こらない。この結果、燃焼ガス入口部21
の燃焼ガス13温度が均一化され、改質管３頂部の温度ば
らつきを抑えることができる。

【００２３】図２は本発明の他の実施例である。改質管
３頂部をスリーブ18および断熱キャップ19により包囲し
ていることは図１と同じであるが、断熱キャップ19の下
端を外周側が最下端となるように成形し、またスリーブ
18の上端を内周側が最上端となるように成形しているこ
とを特徴としている。これによって、断熱キャップ19お
よびスリーブ18の外径を従来の燃料改質器と比較して増
大させることなく改質管３頂部表面を包囲することが可
能となる。

【００２４】図３に示す本発明の他の実施例では、改質
管３の頂部表面がスリーブ18および断熱キャップ19で包
囲された構造は図１と同じであるが、断熱キャップ19の
内面に複数の突起22を設けスリーブ18の外面と接触させ
ていることを特徴とする。これによって、燃焼ガス入口
部のスリーブ円周方向の流入通路幅を一定の間隔に保つ
ことができ燃焼ガスの流入速度のばらつきによる改質管
頂部温度のばらつきを抑えることができる。

【００２５】図４に示す本発明の他の実施例では、スリ
ーブ18の内径が断熱キャップ19の外径以上でありスリー
ブ18の上端が断熱キャップ19の下端より上部にあること
を特徴としている。改質管外表面は、スリーブ18によっ
て完全に包囲され燃焼室17に露出した部分を持たない。
また、燃焼ガス13が燃焼室17から改質管３に到達するま
でに何度も折り返すことがなくなり、燃焼ガス13の圧力
損失を増加させることなく改質管３頂部温度のばらつき
を抑えることができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、改質管と、改質管を取
り囲む固体壁との間の幾何学的な位置関係を改質管の円
周方向で均一化させることにより、固体輻射伝熱の影響
を最小にして改質管頂部温度のばらつきをできるだけ抑
え、かつ改質管を一度横切って他の改質管に到達する燃
焼ガスの温度低下を減少させることにより、燃焼ガス入
口部の燃焼ガス温度を均一化して改質管頂部温度のばら
つきを均一化することが可能となり、より安全で信頼性
の高い燃料改質器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料改質器の一実施例を示す縦断
面図。

【図２】本発明による燃料改質器の他の実施例を示す縦
断面図。

【図３】本発明による燃料改質器の他の実施例を示す縦
断面図。

【図４】本発明による燃料改質器の他の実施例を示す縦
断面図。

【図５】従来の燃料改質器の縦断面図。

【図６】図５に示される改質管まわりの縦断面図。

【符号の説明】

３…改質器管 13…燃焼ガス 17…燃焼室 18…スリーブ 19…断熱キャップ 21…燃焼ガス入口 22…突起

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質器容器と、この改質器容器に配設さ
   れる改質触媒を充填した複数本の改質管と、高温の燃焼
   ガスの流動空間である燃焼室と、前記改質管の軸線に沿
   って改質管を包囲して燃焼ガス流路を形成するスリーブ
   と、前記改質管の頭頂部に配設される断熱キャップとを
   備えてなる燃料改質器において、前記断熱キャップの下
   端を前記スリーブの上端より下方に延長してスリーブを
   包囲し、これにより前記改質管の該燃焼室に対する露出
   部分をなくすように構成したことを特徴とする燃料改質
   器。
2. 【請求項２】 前記断熱キャップ下端に外周を内周より
   も低くする切り欠きを設け、かつ前記スリーブ上端に外
   周を内周よりも低くする切り欠きを設けたことを特徴と
   する請求項１記載の燃料改質器。
3. 【請求項３】 前記断熱キャップの内周に複数の突起を
   設け、前記スリーブの外周部と接することにより燃焼ガ
   スの流入通路幅を保つようにしたことを特徴とする請求
   項１記載の燃料改質器。
4. 【請求項４】 改質器容器と、この改質器容器に配設さ
   れる改質触媒を充填した複数本の改質管と、高温の燃焼
   ガスの流動空間である燃焼室と、前記改質管の軸線に沿
   って改質管を包囲して燃焼ガス流路を形成するスリーブ
   と、前記改質管の頭頂部に配設される断熱キャップとを
   備えてなる燃料改質器において、前記スリーブの内径が
   前記断熱キャップの外径以上であり、かつ前記スリーブ
   の上端が前記断熱キャップの下端より上部にあることを
   特徴とする燃料改質器。