JPH09227102A

JPH09227102A - 二段燃焼式プレート改質器

Info

Publication number: JPH09227102A
Application number: JP8034510A
Authority: JP
Inventors: Minoru Koga; 実古賀
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 1997-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】伝熱面積を低下させることなく全体の室数を
少なくすることができ、かつ燃焼触媒の劣化や隔壁の許
容応力の低下を引き起こすことなく、燃焼室から改質室
に効率的に伝熱できる二段燃焼式プレート改質器を提供
する。【解決手段】平板状の改質室Ｒｅと燃焼室Ｃｏが交互
に積層された改質器本体１２と、改質器本体の外部に設
置され燃焼室に燃焼ガス１を供給する一次燃焼器１４と
からなる。燃焼室は、燃焼ガス入口１５ａと燃焼排ガス
出口１５ｂとの間に設けられ外部より燃料ガス１が流入
するようになったガス中間流入手段１６と、ガス中間流
入手段の下流側に設けられた二次燃焼器１７とを備え
る。一次燃焼器１４で燃料ガス１の一部を過剰空気によ
り燃焼させて、燃焼ガス温度を隔壁１３を過熱しない所
定の温度以下に調節し、かつ燃料ガスの残部をガス中間
流入手段を介して内部燃焼器１７に供給し、内部燃焼器
による燃焼ガス温度を所定温度以下に調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプレート型改質器に
係わり、更に詳しくは、一次燃焼器と二次燃焼器を備え
た二段燃焼式プレート改質器に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図７に模式的に示す天然
ガス等の原料ガスを水素を含むガスに改質するために改
質器が用いられる。改質器は、隔壁で分離された燃焼室
Ｃｏと改質室Ｒｅからなり、燃焼室Ｃｏで燃料ガス１
（例えば燃料電池からのアノード排ガス）を燃焼させ、
その熱で改質室Ｒｅを加熱し、その内部に充填された改
質触媒３により改質室を流れる原料ガス２を水素を含む
ガス４（以下、改質ガスという）に改質するようになっ
ている。

【０００３】かかる改質器として、従来のプラント用の
チューブラー型を発展させたものとしては、特公平３−
３５７７８号，特公平５−９３６２号，特開昭６２−２
７３０３号等が燃料電池用として既に提案されている。

【０００４】一方、上述した従来のチューブラー改質器
とは全く異なる構成のプレート改質器が本願出願人から
既に提案され一部で用いられている。このプレート改質
器は、図８の原理図に例示するように、改質室Ｒｅと燃
焼室Ｃｏをそれぞれ平板状に構成して交互に積層したも
のであり、この燃焼室Ｃｏには、粒子状の燃焼触媒５が
平板状に充填され、外部マニホールド６ａ，６ｂから供
給される燃料ガス１と燃焼用空気７とが、図に破線で示
すように流れ、燃焼触媒５の作用により反応（燃焼）し
て発熱し、燃焼排ガス８ｂが反対側の外部マニホールド
６ｃから排出される。一方、改質室Ｒｅには、粒子状の
改質触媒３が同様に平板状に充填され、外部マニホール
ド６ｄから供給される原料ガス２が、図に実線で示すよ
うに流れ、改質触媒３の作用により原料ガス２を改質
し、改質ガス４が、反対側の外部マニホールド６ｅから
排出されるようになっている。

【０００５】このプレート改質器はチューブラー改質器
と比較すると、体積当たりの伝熱面積が大きく、非常に
小型軽量にできる特徴を有しており、燃料電池用ばかり
でなく、その他の分野（例えば水素製造等）への適用が
要望されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図９（Ａ）は、上述し
たプレート改質器の実際の構成例である。この図に示す
ように、実際のプレート改質器では、改質室Ｒｅ（改質
段）は燃焼室Ｃｏ（燃焼段）に挟まれて設置され、更に
燃料室Ｃｏに燃料ガス１を吹き込むための燃料室Ｆが燃
焼室Ｃｏの間に設置されている。従って、このプレート
改質器における改質室Ｒｅ，燃焼室Ｃｏ，及び燃料室Ｆ
の数は、改質室をＮ室とすると、燃焼室の数は２×Ｎ
室、燃料室はＮ＋１室となる。

【０００７】すなわち、図９に示す従来のプレート改質
器では、改質を行う改質室の間に、２つの燃焼室と燃料
室を必要とするため、全体の室数が多くなり、構造が複
雑になり、例えば外周溶接のためにコストアップにな
り、かつ装置の全高が大きくなる等の問題点があった。

【０００８】特に、燃料電池以外の例えば水素製造等に
適用する場合には、燃料ガス１の発熱量が高いため燃焼
ガス流量が少なくなり、例えば改質ガス流量の２倍程度
となり、以下の問題が誘起される。燃焼室が改質室の２倍あるので、燃焼室の流速が改質
室と同程度となり、燃焼室の熱伝達率αが小さくなるた
め、燃焼室から改質室へ伝熱する際の熱貫流率が低下す
る。これに対して、燃焼室における触媒燃焼の反応速度
は早いため、燃焼反応が短時間で完了し、１０００℃以
上の断熱火炎温度（燃料と酸化ガスを断熱状態で燃焼さ
せた時のガス最高温度）に達した高温ガスにより、燃焼
触媒３を劣化させるばかりか、改質器の隔壁が過熱さ
れ、許容応力を大幅に低下させる問題点が発生する。

【０００９】なお燃焼室の流速を上げるために、燃焼室
の高さ寸法を小さくすることが考えられるが、燃焼室の
高さが充填触媒５の粒径の３倍以下になると充填効率が
アンバランスになり充填ムラを生じ均一な流量配分が得
られない等の理由により、現実的には、改質室と同程度
（例えば５〜６ｍｍ厚）にせざるを得ない。また、隔壁に生ずる熱応力は、図９（Ｂ）に模式的に
示されるように、入口から出口にかけて直線的に温度が
変化する場合が熱応力小さく理想的であるが、実際には
この図に示すように流れ方向に飽和状態の温度分布とな
り、かなりの熱応力が発生する。

【００１０】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、伝熱
面積を低下させることなく全体の室数を少なくすること
ができ、かつ燃焼触媒の劣化や隔壁の許容応力の低下を
引き起こすことなく、燃焼室から改質室に効率的に伝熱
できる二段燃焼式プレート改質器を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、それぞ
れ平板状の改質室と燃焼室が交互に積層された改質器本
体と、改質器本体の外部に設置され前記燃焼室に燃焼ガ
スを供給する一次燃焼器とからなり、前記燃焼室は、燃
焼ガス入口と燃焼排ガス出口との間に設けられ外部より
燃料ガスが流入するようになったガス中間流入手段と、
該ガス中間流入手段の下流側に設けられた二次燃焼器
と、を備えることを特徴とする二段燃焼式プレート改質
器が提供される。

【００１２】上述した本発明の構成によれば、改質器本
体が交互に積層された平板状の改質室と燃焼室からなる
ので、改質室の間には単一の燃焼室のみとなり（従来は
２つの２つの燃焼室と燃料室）、全体の室数が少なくな
り、構造が簡素化され、外周溶接等のコストが低減さ
れ、装置の全高を小さくすることができる。また、ガス
中間流入手段の下流側に設けられた二次燃焼器と、改質
器本体の外部に設置された一次燃焼器を備えているの
で、必要な燃焼ガスの一部を過剰空気を用いて一次燃焼
器で燃焼させ、これにより隔壁を過熱しない温度の燃焼
ガスを燃焼室に供給して改質を部分的に行わせ、次いで
改質により低温化した燃焼ガス中にガス中間流入手段を
介して燃焼ガスの残部を二次燃焼器に供給することによ
り、予め入れられた過剰空気により燃焼ガスを隔壁を過
熱しない温度で燃焼させることができる。従って、この
二段燃焼により、燃焼触媒の劣化や隔壁の許容応力の低
下を引き起こすことなく、必要な燃焼ガスの熱量を燃焼
室から改質室に効率的に伝熱することができる。

【００１３】本発明の好ましい実施例によれば、前記ガ
ス中間流入手段は、燃焼室内の流れに直交する方向に延
びる孔開き中空チャンネルと、該中空チャンネルの内部
に連通し外部より燃料ガスが流入するようになったガス
吹込み口とからなり、前記二次燃焼器は、孔開き中空チ
ャンネルの下流側に充填された燃焼触媒と、更に下流側
に充填され燃焼触媒の移動を防止する耐熱粒子からな
る。

【００１４】この構成により、ガス吹込み口から中空チ
ャンネルの内部に燃料ガスを供給することができ、中空
チャンネルの孔からその下流側に流入した燃料ガスを予
め入れられた過剰空気により燃焼触媒で燃焼させること
ができる。

【００１５】また、一次燃焼器で燃料ガスの一部を過剰
空気により燃焼させて、該燃焼ガス温度を隔壁を過熱し
ない所定の温度以下に調節し、かつ燃料ガスの残部を前
記ガス中間流入手段を介して二次燃焼器に供給し、二次
燃焼器による燃焼ガス温度を前記所定温度以下に調節す
る、ことが好ましい。この構成により、改質器の隔壁を
過熱することなく、改質に必要な燃焼ガスの熱量を燃焼
室から改質室に効率的に伝熱することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本発
明による二段燃焼式プレート改質器の原理図であり、図
２はその全体構成図である。図１及び図２において、本
発明の二段燃焼式プレート改質器１０は、改質器本体１
２と、一次燃焼器１４とからなる。改質器本体１２は、
それぞれ平板状の改質室Ｒｅと燃焼室Ｃｏが隔壁１３に
より交互に積層して構成されている。また、一次燃焼器
１４は、改質器本体１２の外部に設置され燃焼室Ｃｏに
燃焼ガスを供給するようになっている。

【００１７】図１及び図２に示すように燃焼室Ｃｏは、
燃焼ガス入口１５ａと燃焼排ガス出口１５ｂとの間に設
けられ外部より燃料ガス１が流入するようになったガス
中間流入手段１６と、ガス中間流入手段１６の下流側に
設けられた二次燃焼器１７と、を備えている。

【００１８】燃料電池以外の例えば水素製造等に適用す
る場合において、燃焼ガス流量が改質ガス流量の２倍程
度となる。この場合について、以下説明する。炭化水素
（都市ガス，メタノール等）と水蒸気の混合気である原
料ガス２（プロセスガス）が改質触媒３が充填された改
質室Ｒｅに流入し、改質室Ｒｅの両側に設置された燃焼
室Ｃｏから隔壁１３を介して伝熱される熱によって水蒸
気改質反応は進行し、原料ガス２は水素及び一酸化炭素
を含む改質ガス４に変換される。なお、都市ガスの改質
温度は約７００〜８００℃であり、メタノールの改質温
度は約２００〜３００℃である。なお以下、特に都市ガ
スを原料とする場合について説明するが、メタノールを
原料とする場合も同様である。

【００１９】図１及び図２の二段燃焼式プレート改質器
１０において、燃焼用空気７（酸化ガス）と燃料ガス１
の一部は一次燃焼器１４で燃焼し、この燃焼ガス８ａが
燃焼室Ｃｏに流入する。この際、燃焼ガス８ａの最高温
度を例えば８００℃以上にしないことが、コストダウン
では重要であり、これ以上の温度領域では改質器本体の
材料として高価な耐熱材料を使用する必要がある。

【００２０】燃焼室Ｃｏに入った燃焼ガス８ａは改質室
Ｒｅに熱を伝達するため、ガス温度が徐々に下がる。各
燃焼室Ｃｏには一次燃焼器１４で使用されなかった燃料
ガス１を吹き込む口１６ａが設けられている。また、吹
き込み口１６ａの近傍には効率の良い燃焼を実施するた
めに、燃焼触媒５が充填されている。燃料ガス１の流量
比率は一次燃焼器１４の出口燃焼ガス温度が８００℃以
上にならないように制御される。

【００２１】上述した本発明の二段燃焼式プレート改質
器１０によれば、改質器本体１２が交互に積層された平
板状の改質室Ｒｅと燃焼室Ｃｏからなるので、改質室Ｒ
ｅの間には単一の燃焼室Ｃｏのみとなり、全体の室数が
少なくなり、構造が簡素化され、外周溶接等のコストが
低減され、装置の全高を小さくすることができる。ま
た、ガス中間流入手段１６の下流側に設けられた二次燃
焼器１７と、改質器本体１２の外部に設置された一次燃
焼器１４を備えているので、必要な燃焼ガス１の一部を
過剰空気を用いて一次燃焼器１４で燃焼させ、これによ
り図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）に模式的に示すように、隔
壁１３を過熱しない温度の燃焼ガス８ａを燃焼室Ｃｏに
供給して改質を部分的に行わせ、次いで改質により低温
化した燃焼ガス中にガス中間流入手段１６を介して燃焼
ガス１の残部を二次燃焼器１７に供給することにより、
予め入れられた過剰空気７により燃焼ガスを隔壁１３を
過熱しない温度で燃焼させることができる。従って、こ
の二段燃焼により、燃焼触媒５の劣化や隔壁１３の許容
応力の低下を引き起こすことなく、必要な燃焼ガス１の
熱量を燃焼室Ｃｏから改質室Ｒｅに効率的に伝熱するこ
とができる。

【００２２】図３は、二次燃焼器１７による二次燃焼前
の改質室温度（横軸）と二次燃焼器１７による二次燃焼
時の断熱火炎温度と空気流量（縦軸）との関係図であ
る。なおこの図は、都市ガスを水蒸気改質し、酸化ガス
として空気を使用する場合を示しており、かつ、一次燃
焼器１４から供給される燃焼ガス８ａの温度（すなわち
一次燃焼器１４における断熱火炎温度）を８００℃とし
ている。

【００２３】図３から、二次燃焼器１７による二次燃焼
時の断熱火炎温度を隔壁１３を過熱しない温度（例えば
８００℃）以下にするためには、二次燃焼前の改質室温
度を低くし（例えば５８５℃以下）、かつ空気流量を高
くするのがよいことがわかる。すなわち、二次燃料吹き
込み箇所における改質ガス温度を低くすると、二次燃料
吹き込み箇所から改質出口までに改質反応に必要な熱量
が増加するので、一次燃焼器１４における空気流量が増
加する。また、空気流量の増加に伴い、一次燃焼器１４
の断熱火炎温度を８００℃に保持すると、一次燃焼器１
４の燃料流量が増加し、二次燃焼器１７の燃料流量が低
下するので、二次燃焼時の断熱火炎温度は低下する。二
次燃焼器１７の断熱火炎温度が８００℃のとき、一次燃
焼器１４と二次燃焼器１７の燃料比率は、約７０対３０
である。

【００２４】図４は、一次燃焼器１４の燃料比率（全体
に対する流量比率）と二次燃焼器１７による二次燃焼前
の改質ガス温度との関係を示す。この図から、二次燃焼
前の改質ガス温度が低下すると一次燃焼器１４の燃料比
率が増加することがわかる。

【００２５】上述した二段燃焼式プレート改質器１０
は、一次燃焼器１４で燃料ガス１の一部を過剰空気によ
り燃焼させて、燃焼ガス温度を隔壁１３を過熱しない所
定の温度以下（例えば８００℃）に調節し、かつ燃料ガ
ス１の残部を前記ガス中間流入手段１６を介して二次燃
焼器１７に供給し、二次燃焼器１７による燃焼ガス温度
を同様に所定の温度以下（例えば８００℃）に調節する
ことが好ましい。この構成により、改質器の隔壁１３を
過熱することなく、改質に必要な燃焼ガスの熱量を燃焼
室Ｃｏから改質室Ｒｅに効率的に伝熱することができ
る。

【００２６】図５は、改質室Ｒｅの構造図である。この
図４において、炭化水素と水蒸気を含む原料ガス２は矢
印のように流れる。燃焼室Ｃｏとの隔壁１３の周辺はガ
ス通路及び触媒投入孔を除き中実のサイドバー２１（図
では直線で示す）が設置されガスシールのため全周溶接
されている。改質触媒３は孔開き板をチャンネル状にし
た部材２２（図では直線で示す）の間に充填孔２３より
充填される。充填孔２３は触媒充填後に触媒３が流れ出
すのを防止するため蓋２４が取り付けられている。ま
た、隔壁１３の熱変形を防止するため、エンボス２５が
適当なピッチで設置されている。原料ガス２及び改質ガ
ス４はノズル２６ａ，２６ｂより流入及び流出する。

【００２７】図６は、燃焼室Ｃｏの構造図である。燃焼
室Ｃｏは、構造的にはほぼ改質室Ｒｅと同じなので相違
する部分のみを説明する。ガス中間流入手段１６は、燃
焼室Ｃｏ内の流れに直交する方向に延びる孔開き中空チ
ャンネル１６ｂと、中空チャンネル１６ｂの内部に連通
し外部より燃料ガス１が流入するようになったガス吹込
み口１６ａとからなる。二次燃焼器１７は、孔開き中空
チャンネル１６ｂの下流側に充填された燃焼触媒５と、
更に下流側に充填され燃焼触媒の移動を防止する耐熱粒
子１８からなる。耐熱粒子１８は、例えばアルミナボー
ルであり、燃焼室Ｃｏにおけるガスの流れを阻害せず、
かつ燃焼室Ｃｏ内に均一にガスを流すようになってい
る。

【００２８】二次燃料ガス１はガス吹込み口１６ａを介
して各燃焼室Ｃｏの中空チャンネル１６ｂの内部に入
り、その吹き出し穴から下流側に隣接する二次燃焼器１
７に供給される。中空チャンネル１６ｂの燃料吹き出し
穴の近傍には燃焼触媒５を置き、効率の良い燃焼ができ
るようにしている。燃焼触媒以外の領域には燃焼願の熱
伝達を促進するためアルミナボール１８を充填してい
る。燃焼触媒５及びアルミナボール１８は触媒充填孔２
３から充填される。燃焼ガス８ａはノズル２６ｃ，２６
ｄより改質器Ｒｅに流入／流出する。

【００２９】上述した構成により、ガス吹込み口１６ａ
から中空チャンネル１６ｂの内部に燃料ガス１を供給す
ることができ、中空チャンネル１６の孔からその下流側
に流入した燃料ガス１を予め入れられた過剰空気により
燃焼触媒５で燃焼させることができる。

【００３０】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更でき
ることは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】上述した本発明の二段燃焼式プレート改
質器によれば、燃焼室の数が改質室とほぼ同一となる
ため、少ない燃焼ガス量でも、燃焼室Ｃｏのガス流速を
下げる必要がなく高い熱伝達を期待することができる。
また、隔壁の温度分布を入口から出口までほぼ直線的
に変化することができ、隔壁に発生する応力レベルを下
げることができる。更に、燃焼ガス温度を最高燃焼ガ
ス温度を（例えば８００℃以下に）抑制することことが
でき、高価な耐熱材料を用いることなく、改質器を構成
でき、コストダウンを図ることができ、同時に触媒の長
寿命化を図ることができる。

【００３２】従って、本発明の二段燃焼式プレート改質
器は、伝熱面積を低下させることなく全体の室数を少な
くすることができ、かつ燃焼触媒の劣化や隔壁の許容応
力の低下を引き起こすことなく、燃焼室から改質室に効
率的に伝熱できる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】二段燃焼式プレート改質器の原理図である。

【図２】二段燃焼式プレート改質器の全体構成図であ
る。

【図３】二次燃焼前の改質室温度と二次燃焼時の断熱火
炎温度及び空気流量との関係図である。

【図４】一次燃焼器の燃料比率と二次燃焼器による二次
燃焼前の改質ガス温度との関係図である。

【図５】改質室Ｒｅの構造図である。

【図６】燃焼室Ｃｏの構造図である。

【図７】従来の改質器の模式的構成図である。

【図８】従来のプレート改質器の原理図である。

【図９】従来の実際のプレート改質器の構成図である。

【符号の説明】

１燃料ガス２原料ガス（プロセスガス）３改質触媒４改質ガス５燃焼触媒６ａ〜６ｅ外部マニホールド７燃焼用空気８ａ燃焼ガス８ｂ燃焼排ガス１０二段燃焼式プレート改質器１２改質器本体１３隔壁１４一次燃焼器１５ａ燃焼ガス入口１５ｂ燃焼排ガス出口１６ガス中間流入手段１６ａ吹き込む口１７二次燃焼器２１サイドバー２２チャンネル状部材２３触媒充填孔２４蓋２５エンボス２６ａ〜ｄノズルＲｅ改質室Ｃｏ燃焼室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ平板状の改質室と燃焼室が交互
に積層された改質器本体と、改質器本体の外部に設置さ
れ前記燃焼室に燃焼ガスを供給する一次燃焼器とからな
り、前記燃焼室は、燃焼ガス入口と燃焼排ガス出口との間に
設けられ外部より燃料ガスが流入するようになったガス
中間流入手段と、該ガス中間流入手段の下流側に設けら
れた二次燃焼器と、を備えることを特徴とする二段燃焼
式プレート改質器。
【請求項２】前記ガス中間流入手段は、燃焼室内の流
れに直交する方向に延びる孔開き中空チャンネルと、該
中空チャンネルの内部に連通し外部より燃料ガスが流入
するようになったガス吹込み口とからなり、前記二次燃焼器は、孔開き中空チャンネルの下流側に充
填された燃焼触媒と、更に下流側に充填され燃焼触媒の
移動を防止する耐熱粒子からなる、ことを特徴とする請
求項１に記載の二段燃焼式プレート改質器。
【請求項３】一次燃焼器で燃料ガスの一部を過剰空気
により燃焼させて、該燃焼ガス温度を隔壁を過熱しない
所定の温度以下に調節し、かつ燃料ガスの残部を前記ガ
ス中間流入手段を介して二次燃焼器に供給し、二次燃焼
器による燃焼ガス温度を前記所定温度以下に調節する、
ことを特徴とする請求項１に記載の二段燃焼式プレート
改質器。