JPH11111321A - 部分燃焼改質器とこれを備えた高圧燃料電池設備 - Google Patents

部分燃焼改質器とこれを備えた高圧燃料電池設備

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JPH11111321A
JPH11111321A JP9270949A JP27094997A JPH11111321A JP H11111321 A JPH11111321 A JP H11111321A JP 9270949 A JP9270949 A JP 9270949A JP 27094997 A JP27094997 A JP 27094997A JP H11111321 A JPH11111321 A JP H11111321A
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JP
Japan
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reformer
partial combustion
gas
raw material
material gas
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JP9270949A
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Hajime Saito
一 斉藤
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IHI Corp
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IHI Corp
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    • 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
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プレート改質器の運転温度を高めることな
く、7〜8ata程度の高圧下において高い改質効率を
得ることができる部分燃焼改質器とこれを備えた高圧燃
料電池設備を提供する。 【解決手段】 水蒸気を含む原料ガス2を部分燃焼さ
せ、その発熱で原料ガスを水素を含む改質ガスに改質す
る高温高圧反応器10bを備えた部分燃焼改質器10
と、平板状の改質室Reと加熱室Hが交互に積層された
プレート改質器12と、プレート改質器の外部に設置さ
れ加熱室Hに燃焼ガスを供給する燃焼器14とを備え、
部分燃焼改質器による改質ガスをプレート改質器に供給
し残留原料ガスを改質する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、部分燃焼により原
料ガスを改質する部分燃焼改質器とこれを備えた高圧燃
料電池設備に関する。
【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2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3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8が反対側の外部マニホールド6
c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】更に、図3の燃料室Coを高温ガスが流れ
る加熱室Hに置き換え、別の独立した燃焼器(例えば触
媒燃焼器)からこの加熱室Hに高温の燃焼排ガスを供給
する燃焼器別置きのプレート改質器も開発されている。
かかる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】上述したプレート改質
器において、運転圧力の高圧化はプラント効率の向上と
コンパクト化に有効である。このため、プレート改質器
の運転圧力を燃料電池の運転圧力に併せて、7〜8at
a程度まで高めることが望まれている。しかし、メタン
の改質反応は、CH4 +H2 O→3H2 +CO..(式
)の主反応式で表され、反応によりモル数(体積)が
増加する反応であるため、高圧力化により平衡定数が低
くなり、従って改質率が低下する問題点がある。例え
ば、7〜8ataの圧力では、改質率は80%以下とな
り、要求改質率である96%以上を満たせなくなる。
【0007】一方、改質温度の上昇で改質率の改善を図
ることは原理的には可能であるが、プレート改質器で
は、隔壁の温度制限から、改質温度は800℃前後が上
限であり、これ以上に高温化するには、非常に高価で加
工性の悪い耐熱材料(例えばセラミックス材)を用いる
必要が生じ、実用的ではない。
【0008】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、プレ
ート改質器の運転温度を高めることなく、7〜8ata
程度の高圧下において高い改質効率を得ることができる
部分燃焼改質器とこれを備えた高圧燃料電池設備を提供
することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、水蒸気
を含む原料ガスを部分燃焼させ、その発熱で原料ガスを
水素を含む改質ガスに改質する高温高圧反応器を備え
た、ことを特徴とする部分燃焼改質器が提供される。本
発明のこの構成によれば、高温高圧反応器内で原料ガス
の一部を部分燃焼させ、この燃焼で発生した高温により
原料ガス(炭化水素燃料)を直接加熱し熱分解して水素
を含む改質ガスに改質することができる。また、高温高
圧反応器は、ガス化炉のような高温用圧力容器で構成す
ることができ、7〜8ataの圧力下で800℃以上で
使用することが容易にできる。また、改質が部分燃焼に
よる熱分解で行われることから、触媒が不要であり、か
つ直接加熱のため、高い熱効率を得ることができる。
【0010】また、本発明によれば、水蒸気を含む原料
ガスを部分燃焼させ、その発熱で原料ガスを水素を含む
改質ガスに改質する部分燃焼改質器と、平板状の改質室
Reと加熱室Hが交互に積層されたプレート改質器と、
該プレート改質器の外部に設置され前記加熱室Hに燃焼
ガスを供給する燃焼器とを備え、部分燃焼改質器による
改質ガスをプレート改質器に供給し残留原料ガスを改質
する、ことを特徴とする高圧燃料電池設備が提供され
る。
【0011】この構成によれば、部分燃焼改質器の下流
側にプレート改質器が設けられ、部分燃焼改質器による
改質ガスをプレート改質器に供給し残留原料ガスを改質
するので、部分燃焼改質器における改質率が低い場合で
も、残留原料ガスをプレート改質器で改質するので、全
体として高い改質率を得ることができる。例えば、部分
燃焼改質器における改質率が例えば約80%であって
も、プレート改質器における改質率も約80%を保持す
ることができ、2台の改質器により、80+20×0.
8=約96%の改質率を達成することができる。
【0012】また、部分燃焼改質器を出たガス(改質ガ
スと原料ガスの混合ガス)は、部分燃焼により高温に加
熱されているので、プレート改質器における必要熱量を
低減することができる。
【0013】
【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
明による部分燃焼改質器とこれを備えた高圧燃料電池設
備の構成図である。この図において、本発明の部分燃焼
改質器10は、水蒸気を含む原料ガスと燃焼用空気を混
合する混合器10aと、水蒸気を含む原料ガスを部分燃
焼させ、その発熱で原料ガスを水素を含む改質ガスに改
質する高温高圧反応器10bと、燃焼制御器10cとか
らなる。
【0014】混合器10aには、原料ガス2が脱硫器2
1で脱硫され、燃料予熱器22で予熱されて供給され
る。また、タービン圧縮機23及び又は空気ブロア25
で加圧された空気が空気ライン11で供給される。混合
器10aは、例えばセラミックフィルタ等を通して空気
を原料ガス中に分散供給することにより、水蒸気を含む
原料ガス2と空気とを予混合するようになっている。
【0015】高温高圧反応器10bは、ガス化炉のよう
な内部が耐火物等で構成された高温用圧力容器であり、
高圧(例えば7〜8ata)かつ高温(例えば800℃
以上)で運転することができる。また、供給された予混
合原料ガスが入口付近で完全燃焼して原料ガスを加熱す
るように入口付近に燃焼器が設けられている。この燃焼
器は保炎器を有する通常の燃焼器でもよく、或いは燃焼
触媒を用いた燃焼器であってもよい。
【0016】空気ライン11には流量調節弁11aが設
けられており、この流量調節弁11aを燃焼制御器10
cにより制御し、燃焼器で直接加熱される混合ガスの温
度を熱分解に必要な高温に保持し、かつ燃焼後の混合ガ
スが還元状態に保たれるように空気流量を制御するよう
になっている。上述した構成により、高温高圧反応器1
0b内で原料ガス2の一部を部分燃焼させ、この燃焼で
発生した高温により原料ガス(炭化水素燃料)を直接加
熱し熱分解して水素を含む改質ガスに改質することがで
きる。
【0017】なお、本発明の部分燃焼改質器10は、上
述した形態に限定されず、例えば、混合器10aを高温
高圧反応器10bの内部に設けてもよい。また、混合器
10aをバイパスすに原料ガスラインを設けて、混合器
10aによる予混合ガス中の燃料濃度を高めてもよい。
【0018】図1において、本発明の高圧燃料電池設備
は、上述した部分燃焼改質器10の他に、平板状の改質
室Reと加熱室Hが交互に積層されたプレート改質器1
2と、プレート改質器12の外部に設置され加熱室Hに
燃焼ガスを供給する燃焼器14とを備えている。このプ
レート改質器12は、部分燃焼改質器10による改質ガ
スをプレート改質器の改質室Reに供給し、残留原料ガ
スを改質するようになっている。
【0019】なお、図1において、24はCO2 リサイ
クルブロア、20aはカソードガス循環量の制御弁であ
る。
【0020】上述した構成によれば、高温高圧反応器1
0b内で原料ガス2の一部を部分燃焼させ、この燃焼で
発生した高温により原料ガス(炭化水素燃料)を直接加
熱し熱分解して水素を含む改質ガスに改質することがで
きる。燃焼反応は、CH4 +0.5O2 →CO+2
2 ..(式)の反応式で表され、この反応は、高温
高圧下でも安定して燃焼し、直接加熱により水蒸気を含
む原料ガス2を熱分解に適した高温(例えば800〜1
000℃)に加熱することができる。なお、酸素濃度が
低い場合には、燃焼器として触媒燃焼器を用いるのがよ
い。
【0021】また、本発明の高圧燃料電池設備の構成に
よれば、部分燃焼改質器10の下流側にプレート改質器
12が設けられ、部分燃焼改質器10による改質ガスを
プレート改質器に供給し残留原料ガスを改質するので、
部分燃焼改質器における改質率が低い場合でも、残留原
料ガスをプレート改質器で改質するので、全体として高
い改質率を得ることができる。例えば、部分燃焼改質器
における改質率が例えば約80%であっても、プレート
改質器における改質率も約80%を保持することがで
き、2台の改質器により、80+20×0.8=約96
%の改質率を達成することができる。
【0022】また、部分燃焼改質器を出たガス(改質ガ
スと原料ガスの混合ガス)は、部分燃焼により高温に加
熱されているので、プレート改質器における必要熱量を
低減することができる。
【0023】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。
【0024】
【発明の効果】上述したように、本発明の高圧改質装置
によれば、プレート改質器の運転温度を高めることな
く、7〜8ata程度の高圧下において高い改質効率を
得ることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の部分燃焼改質器を備えた高圧燃料電池
設備の全体構成図である。
【図2】従来の改質器の模式的構成図である。
【図3】従来のプレート改質器の原理図である。
【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 8 燃焼ガス 9 水素ガス 10 部分燃焼改質器 10a 混合器 10b 高温高圧反応器 10c 燃焼制御器 11 空気ライン 11a 流量調節弁 12 プレート改質器 14 燃焼器 20 燃料電池 21 脱硫器 22 燃料予熱器 23 タービン圧縮機 24 CO2 リサイクルブロア 25 空気ブロア

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水蒸気を含む原料ガスを部分燃焼させ、
    その発熱で原料ガスを水素を含む改質ガスに改質する高
    温高圧反応器を備えた、ことを特徴とする部分燃焼改質
    器。
  2. 【請求項2】 水蒸気を含む原料ガスを部分燃焼させ、
    その発熱で原料ガスを水素を含む改質ガスに改質する部
    分燃焼改質器と、平板状の改質室Reと加熱室Hが交互
    に積層されたプレート改質器と、該プレート改質器の外
    部に設置され前記加熱室Hに燃焼ガスを供給する燃焼器
    とを備え、部分燃焼改質器による改質ガスをプレート改
    質器に供給し残留原料ガスを改質する、ことを特徴とす
    る高圧燃料電池設備。
JP9270949A 1997-10-03 1997-10-03 部分燃焼改質器とこれを備えた高圧燃料電池設備 Pending JPH11111321A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002160904A (ja) * 2000-09-13 2002-06-04 Toyota Motor Corp 燃料改質装置
JP2017052669A (ja) * 2015-09-11 2017-03-16 株式会社神戸製鋼所 水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム

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JP2002160904A (ja) * 2000-09-13 2002-06-04 Toyota Motor Corp 燃料改質装置
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