JPH11228104A - 燃料改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱交換器を備えずとも高効率で使用でき、かつ
触媒層に充填された粒状改質触媒の圧壊の危険性のない
ものとする。 【解決手段】同心円状に配した内側筒体１１、中間筒体
１２、外側筒体１３により環状の内槽と外槽を形成し、
内槽に触媒層５を充填した改質管１を、内部に組み込ん
だバ─ナ─２で生成した熱媒体で加熱し、改質管１に供
給する原料ガスを改質するものにおいて、内側筒体１１
とバ─ナ─２の間に、燃焼筒体８を配して、バ─ナ─２
より下端へと達し、折り返して燃焼筒体８と内側筒体１
１との間の環状空間を流れる熱媒体により触媒層５を加
熱することとし、原料ガスは、まず触媒層５を充填した
改質管１の内槽へと供給して改質し、そののち外槽を通
流させて内槽の加熱に用いたのち外部へ取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、炭化水素系の原
燃料を粒状改質触媒により水蒸気改質して水素に富む改
質ガスを得る、燃料電池発電装置の燃料ガス製造用等の
燃料改質器に係わり、特に加熱に用いる熱媒体と原料ガ
スが効果的に熱交換するよう構成された燃料改質器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】この種の燃料改質器としては、天然ガス
やナフサ等の炭化水素系の原燃料に水蒸気を添加し、熱
媒体で加熱しつつ粒状改質触媒により改質して水素に富
む改質ガスを生成し、さらにこの改質ガスを一酸化炭素
変成器等を経て燃料電池に供給する燃料ガスを生成する
こととして、改質反応に必要な熱量の供給方法を改良す
る構成の燃料改質器が特開平３−９７６０２号公報に開
示されている。

【０００３】図４は、従来の燃料改質器の代表的な構成
例を示す縦断面図、また、図５は、図４の燃料改質器の
Ｂ−Ｂ面における横断面図であり、本構成は、上記公報
の構成にさらに粒状改質触媒への伝熱性能を改良して構
成したものである。本燃料改質器は、図４にみられるご
とく、三個の円筒体を用いて構成された改質管１、改質
管１の内側に配されたバーナー２、改質管１の外側およ
び下部を覆う炉容器３、ならびに炉容器３の外周を覆う
断熱層４より構成されている。このうち金属材料製の改
質管１は、上下方向に直立した円筒状の中間筒体１２、
その内側に同心状に配された内側筒体１１、中間筒体１
２の外側に同じく同心状に配された外側筒体１３の三個
の円筒よりなり、中間筒体１２の上端と内側筒体１１の
上端はいずれも上部板１４に接合され、外側筒体１３の
上端は中間筒体１２の上部側面に接合されている。ま
た、これらの三個の円筒体のうち内側筒体１１の下端と
外側筒体１３の下端はリング状の底板１５に接合されて
おり、中間筒体１２の下端はこの底板１５から所定の間
隙を備える位置に配されている。

【０００４】中間筒体１２と内側筒体１１との間に形成
された環状の内槽には、原料ガスの改質に用いられる粒
状改質触媒を充填した触媒層５が備えられており、触媒
層５の上端には粒状改質触媒の飛散を防止するための金
網６Ａが、また触媒層５の下部の中間筒体１２の下端と
底板１５との間隙には粒状改質触媒の流出を防止するた
めの金網６Ｂが備えられている。なお、触媒層５を効果
的に加熱するために、図５に見られるごとく、触媒層５
に接する内側筒体１１の外周部に多数の上下方向に延び
る伝熱フィン１６が溶接等によって接合されている。

【０００５】また、外側筒体１３の上部側面には原料ガ
スを導入する供給口が、また中間筒体１２の上部側面に
は原料ガスを改質して得られた改質ガスを取り出す排出
口が備えられており、上記供給口より導入された原料ガ
スは、中間筒体１２と外側筒体１３との間に形成された
環状の外槽を下方へと流れ、下端の金網６Ｂを通過して
中間筒体１２と内側筒体１１との間に形成された環状の
内槽へと入り、触媒層５の内部を通流して改質され、得
られた改質ガスが上記の排出口より取り出される。

【０００６】外側筒体１３と炉容器３との間に形成され
た環状の空間は、バーナー２で生成した高温の熱媒体を
通流させる流路として用いられており、炉容器３の上部
の側面には熱媒体放出用の出口が設けられている。すな
わち、バーナー２に燃料と燃焼用空気を取り込んで燃焼
させて得られた熱媒体は、内側筒体１１の内部空間を流
れて、内側筒体１１および伝熱フィンを介して触媒層５
を加熱し、改質反応の促進に寄与する。内側筒体１１を
通過した熱媒体は下端より前記の外側筒体１３と炉容器
３との間に形成された環状の空間へと流れ、本空間の内
側の外側筒体１３と中間筒体１２との間に形成された環
状の外槽を流れる原料ガスの加熱にさらに有効に用いら
れる。

【０００７】なお、炉容器３の外周を覆う断熱層４は耐
火断熱材で構成されており、バーナー２で生成された熱
媒体の熱の外部への放散を抑制して、熱媒体を所定温度
に維持する役割を果たしている。また、内側筒体１１の
上部内壁のバーナー２の出口近傍に配されている断熱層
７は、断熱層４と同じく耐火断熱材で構成されており、
生成直後の高温の熱媒体による内側筒体１１の損傷を防
止する役割を果たすものである。

【０００８】このように構成された燃料改質器によって
天然ガスのごとき原燃料を水蒸気改質する際には、極め
て高い運転温度で改質反応が行われており、改質管１の
表面温度が９００〜９５０℃に達する場合もあり、改質
管１はすべて耐熱鋼により構成されている。図６は、燃
料電池発電装置用の燃料改質器における原料／改質ガス
と熱媒体の温度挙動の典型例を模式的に示す特性図であ
る。図において横軸は燃料改質器における上下方向の位
置を示している。図中の実線で示した特性は原料／改質
ガスの温度特性であり、併記した矢印はガスの流れ方向
を表している。点Ａは原料ガスの供給口、点Ｂは改質管
１の下端部すなわち触媒層５の入口部、また点Ｃは触媒
層５の出口部のガスの温度を示しており、点Ｂより点Ｃ
へ至る間が触媒層５の内部に対応している。また、点線
で示した特性は熱媒体の温度特性であり、点Ｄは触媒層
５の上部に対応する位置、点Ｅは改質管１の底板１５と
炉容器の底面との間、点Ｆは熱媒体の出口部分における
熱媒体の温度を示しており、点線に併記した矢印は熱媒
体の流れを表している。図に見られるように、熱媒体は
触媒層５の上部において約９２０℃の高温で供給され、
原料ガスは約５００℃に加熱して供給されている。原料
ガスは熱媒体との熱交換により触媒層５の入口部で約６
００℃に加温されて触媒層５へと送られる。触媒層５に
おける改質反応は吸熱反応であるが、さらに高温の熱媒
体により加熱されることにより温度上昇し、触媒層５の
出口部分の改質ガスの温度は約７２０℃に達している。
一方熱媒体は、熱交換により温度が下がり、約６５０℃
で出口より排出されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
燃料改質器では、バーナー２により生成した熱媒体で触
媒層５ならびに原料ガスを加熱して改質反応を促進し、
改質ガスの生成を行っており、燃料電池発電装置の燃料
ガスの生成等に用いられているが、本構成の燃料改質器
においても、なお以下のごとき問題点がある。

【００１０】すなわち、図６に示したごとく、本燃料改
質器で得られる改質ガスの温度は触媒層５の出口部分で
約７２０℃に達しており、排出口からでる改質ガスの温
度も６５０℃以上の高温である。このためシステムの熱
効率を上げるために、得られた改質ガスを用いて導入口
に供給する原料ガスを予め加熱する方法を採り、入口で
の温度を約５００℃としている。したがって、本構成で
は、得られた改質ガスと温度の低い原料ガスを熱交換さ
せるための熱交換器が必要となるという難点がある。ま
た、原料ガスの入口温度が約５００℃であり、このため
熱媒体の温度も出口部で約６５０℃と高温となるため、
原料／改質ガスの配管系も熱媒体の排出配管系も耐熱材
料を用いて構成しなければならないこととなる。

【００１１】さらにまた、上記の構成では、触媒層５の
内側が加熱側、外側が放熱側であるため、内側筒体１１
の温度が高く中間筒体１２の温度が低くなり、特にその
温度差が大きいので、熱膨張差によって触媒層５の幅が
狭まり、充填された粒状改質触媒が圧壊する危険性が高
いという問題点がある。この発明は、上記のごとき従来
技術の難点を考慮してなされたもので、その目的は、原
料ガスと熱媒体との熱交換が効率的に行われ、また原料
ガスと熱媒体の出口温度が低く抑えられて、熱交換器を
備えずとも高熱効率で使用できるとともに、触媒層に充
填された粒状改質触媒の圧壊の危険性のない燃料改質器
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、互いに間隔をおいて同心円状
に配した三個の筒体により下端で互いに連通する環状の
内槽と環状の外槽を形成してなる改質管と、改質管の内
側空間に配されたバーナーを備え、バーナーで生成され
た熱媒体により改質管の内槽に内蔵された改質触媒を加
熱し、改質管に導入された炭化水素系の原料ガスを水蒸
気改質して水素に富む改質ガスを得る燃料改質器におい
て、 （１）熱媒体を下方に放出するよう改質管の内側空間の
上部に配されたバーナーと、改質管の内側筒体との間
に、内側筒体と間隔を有して同心円状に配された、上端
より下方へと延伸する燃焼筒体を備え、燃焼筒体の内側
の空間を熱媒体を下方に導く流路とし、燃焼筒体と改質
管の内側筒体との間に形成される環状の空間を燃焼筒体
の内側の空間を通流した熱媒体を導いて上方へと通流さ
せる流路とする。また、改質管の内槽の上端近傍に原料
ガスを導入する供給口を、また外槽の上端近傍に水蒸気
改質された改質ガスを外部に排出する排出口を備えて、
導入された原料ガスが内槽を下方へと通流して内蔵され
た改質触媒に接して流れたのち外槽を上方へと通流する
よう構成する。

【００１３】（２）さらに、上記の燃焼筒体の内側側面
と外側側面のうち少なくともいずれかの側面に断熱材を
貼付するか、あるいは、または同時に、燃焼筒体の少な
くとも一部を断熱体により構成する。上記（１）のごと
く構成すれば、改質管の内槽に内蔵された改質触媒は、
燃焼筒体と改質管の内側筒体すなわち内槽の内壁との間
の環状空間を上方へと流れる熱媒体により加熱される。
また、原料ガスは、従来例と異なり改質触媒を備えた内
槽を下方へと流れたのち外側に隣接する外槽を上方へ流
れて外部へ取出される。したがって、従来に比べて相対
的に低い温度の原料ガスを導入すれば、原料ガスは熱媒
体により加熱された改質触媒を通り、改質されて下端部
へと達し、外槽へと移行して上方へ流れることとなる。
外槽での温度降下は少ないので、内槽と外槽を区画する
筒体は内槽側より外槽側が高い温度となる。すなわち、
本構成では改質触媒が内側と外側の双方から効率的に加
熱されることとなる。また、改質されて外層を流れる改
質ガスもこのように改質触媒の加熱に寄与したのち排出
されるので、排出口での温度は従来に比べて大幅に低く
なり、従来のごとく熱交換器を用いて熱の有効利用を図
る必要が無くなる。

【００１４】また、本構成では、改質触媒を収納した内
槽の内筒と外筒の温度差が小さいので、熱膨張差による
内槽の幅の減少は小さく、従来例のごとく改質触媒の圧
壊する事態を生じる恐れはない。また、上記（２）のご
とく燃焼筒体の側面に断熱材を貼付したり、あるいは、
または同時に、燃焼筒体の少なくとも一部を断熱体によ
り構成すれば、熱媒体からの熱の伝達が変化するので、
改質管の内槽に内蔵された改質触媒の温度、特に上下方
向の温度分布を制御することが可能となる。すなわち、
バーナーの直下部分に対応する燃焼筒体の側面に断熱材
を貼付すれば、原料ガスが供給される改質触媒の上部で
は、過大な温度勾配を生じることなく加熱が行われ、加
熱により温度が上昇した改質触媒の下部では、断熱材に
阻まれることなく、赤熱した燃焼筒体からの輻射熱によ
り効果的に加熱されることとなる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の燃料改質器の一
実施例の基本構成を示す縦断面図であり、図２は、図１
の燃料改質器のＡ−Ａ面の横断面図である。図１、図２
において、図４および図５に示した従来例の燃料改質器
と同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、その
説明を省略する。図１、図２に示した実施例の構成の従
来例との相異点を以下に説明する。

【００１６】本実施例の第１の特徴は熱媒体の流路の構
成にある。すなわち、本実施例では、改質管１の内側筒
体１１とバーナー２との間に、断熱材９を内側に貼付し
た円筒状の燃焼筒体８が新たに設置されており、バーナ
ー２により生成された熱媒体を、燃焼筒体８の内部を下
方へと通流させたのち燃焼筒体８の下端と底板１５Ａと
の間隙を通して内側筒体１１と燃焼筒体８との間に形成
された環状空間へと導き入り、内側筒体１１を介して改
質管１に内蔵された触媒層５を加熱させながら上方へと
通流させ、上端近傍に備えた出口より外部へ排出させる
よう構成している。したがって、従来例において熱媒体
の流路を形成するために組み込まれていた炉容器３は除
去され、改質管１の下端を従来の環状の底板１５に替え
て円板状の底板を接合して塞ぎ、改質管１の下面と側面
に接して耐火断熱材製の断熱層４を配している。

【００１７】本実施例の第２の特徴は、原料ガスの改質
管１の内部での通流方向にある。すなわち、従来例にお
いては、中間筒体１２と外側筒体１３との間に形成され
た環状の外槽を下方へと通流させたのち、中間筒体１２
と内側筒体１１との間に形成された環状の内槽へ導き、
触媒層５の内部を通流させて改質させて外部へ取り出す
よう構成されていたのに対して、本実施例では、上部に
設けられた導入口からまず内槽へと供給し、下方へと流
して触媒層５の内部を通流させ、そののち外槽へと導い
て上部の排出口から取り出すよう構成している。

【００１８】図３は、図１、図２に示した実施例におけ
る原料／改質ガスと熱媒体の温度挙動を模式的に示した
特性図である。図６に示した従来例の場合と同じく、図
中に実線で示した特性は原料／改質ガスの温度特性、ま
た点線で示した特性は熱媒体の温度特性であり、併記し
た矢印はガスあるいは熱媒体の流れ方向を示すものであ
る。図中の点Ａは触媒層５の上端部、点Ｂは触媒層５の
下端部、また点Ｃは改質して得られた改質ガスの出口部
での温度を示しており、点Ａより点Ｂへ至る間が触媒層
５の内部に対応している。また、点Ｄは燃焼筒体８の内
部の触媒層５の上端と同等の高さの部位、点Ｅは燃焼筒
体８の下端と改質管１の底板１５Ａとの間隙、点Ｆは燃
焼筒体８と内側筒体１１の間に形成された環状空間の上
端部における熱媒体の温度を示している。

【００１９】図に見られるように、本構成においては、
約２００℃と従来例に比べて大幅に低い温度の原料ガス
を導入している。導入された原料ガスは熱媒体により加
熱された改質触媒を通って改質され、触媒層５の出口部
すなわち点Ｂにおいて約７００℃となる。外槽へと移行
して上方へと流れるガスの温度降下は少なく、内槽側よ
り外槽側が高い温度となる。すなわち、改質触媒は内側
からのみならず外側からも効率的に加熱されることとな
る。また、得られた改質ガスは、このように改質触媒の
加熱に寄与したのち排出されるので、排出口での温度は
約４００℃と従来に比べて大幅に低くなる。したがっ
て、従来のごとく熱交換器を用いて熱の有効利用を図る
必要が無くなる。また、本構成では、特性Ａ−Ｂ−Ｃ、
特性Ｅ−Ｆから推測されるように、改質触媒を収納した
内槽の内側筒体１１と中間筒体１２の温度差は小さく、
熱膨張差による内槽の幅の減少が小さいので、改質触媒
が圧壊する恐れはない。

【００２０】なお、本構成では、改質管１への伝熱量の
分布を調整して上下方向の温度勾配を制御するために、
円筒状の燃焼筒体８の内側に断熱材９を貼付している
が、断熱材９を燃焼筒体８の外側に貼付することとして
もよく、あるいは、燃焼筒体８の一部を断熱体により構
成することとしてもよい。また、燃焼筒体８の一部を断
熱体により構成し、さらに断熱材９を貼付しても同様に
上下方向の温度勾配を制御することができる。

【００２１】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、互いに
間隔をおいて同心円状に配した三個の筒体により下端で
互いに連通する環状の内槽と環状の外槽を形成してなる
改質管と、改質管の内側空間に配されたバーナーを備
え、バーナーで生成された熱媒体により改質管の内槽に
内蔵された改質触媒を加熱し、改質管に導入された炭化
水素系の原料ガスを水蒸気改質して水素に富む改質ガス
を得る燃料改質器において、 （１）熱媒体を下方に放出するよう改質管の内側空間の
上部に配されたバーナーと、改質管の内側筒体との間
に、内側筒体と間隔を有して同心円状に配された、上端
より下方へと延伸する燃焼筒体を備え、燃焼筒体の内側
の空間を熱媒体を下方に導く流路とし、燃焼筒体と改質
管の内側筒体との間に形成される環状の空間を燃焼筒体
の内側の空間を通流した熱媒体を導いて上方へと通流さ
せる流路とする。また、改質管の内槽の上端近傍に原料
ガスを導入する供給口を、また外槽の上端近傍に水蒸気
改質された改質ガスを外部に排出する排出口を備えて、
導入された原料ガスが内槽を下方へと通流して内蔵され
た改質触媒に接して流れたのち外槽を上方へと通流する
よう構成することとしたので、原料ガスと熱媒体との熱
交換が効率的に行われ、また原料ガスと熱媒体の出口温
度が低く抑えられることとなり、熱交換器を備えずとも
高熱効率で使用でき、かつ、触媒層に充填された粒状改
質触媒の圧壊の危険性のない燃料改質器が得られること
となった。

【００２２】（２）さらに、上記の燃焼筒体の内側側面
と外側側面のうち少なくともいずれかの側面に断熱材を
貼付するか、あるいは、または同時に、燃焼筒体の少な
くとも一部を断熱体により構成することとすれば、改質
管の上下方向の温度勾配が効果的に制御され、原料ガス
と熱媒体との熱交換がより効率的に行われるので、熱交
換器を備えずとも高熱効率で使用でき、かつ、触媒層に
充填された粒状改質触媒の圧壊の危険性のない燃料改質
器としてより好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料改質器の一実施例の基本構成を示
す縦断面図

【図２】図１に示した本発明の燃料改質器の一実施例の
Ａ−Ａ面の横断面図

【図３】図１に示した本発明の燃料改質器の一実施例に
おける原料／改質ガスと熱媒体の温度挙動を模式的に示
す特性図

【図４】従来の燃料改質器の代表的な構成例を示す縦断
面図

【図５】図４の燃料改質器のＢ−Ｂ面における横断面図

【図６】従来の燃料電池発電装置用の燃料改質器におけ
る原料／改質ガスと熱媒体の温度挙動の典型例を模式的
に示す特性図

【符号の説明】

１ 改質管 ２ バーナー ４ 断熱層 ５ 触媒層 ６ａ，６ｂ 金網 ７ 断熱層 ８ 燃焼筒体 ９ 断熱材 １１ 内側筒体 １２ 中間筒体 １３ 外側筒体 １４ 上部板 １５Ａ 底板 １６ 伝熱フィン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに間隔をおいて同心円状に配した三個
   の筒体により下端で互いに連通する環状の内槽と環状の
   外槽を形成してなる改質管と、改質管の内側空間に配さ
   れたバーナーとを備え、バーナーで生成された熱媒体に
   より改質管の内槽に内蔵された改質触媒を加熱し、改質
   管に導入された炭化水素系の原料ガスを水蒸気改質して
   水素に富む改質ガスを得る燃料改質器において、 熱媒体を下方に放出するよう改質管の内側空間の上部に
   配されたバーナーと、改質管の内側筒体との間に、内側
   筒体と間隔を有して同心円状に配された、上端より下方
   へと延伸する燃焼筒体を備え、燃焼筒体の内側の空間を
   熱媒体を下方に導く流路とし、燃焼筒体と改質管の内側
   筒体との間に形成される環状の空間を燃焼筒体の内側の
   空間を通流した熱媒体を導いて上方へと通流させる流路
   とするとともに、改質管の内槽の上端近傍に原料ガスを
   導入する供給口を、また外槽の上端近傍に水蒸気改質さ
   れた改質ガスを外部に排出する排出口を備え、導入され
   た原料ガスが内槽を下方へと通流して内蔵された改質触
   媒に接して流れたのち外槽を上方へと通流するよう構成
   したことを特徴とする燃料改質器。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料改質器において、前
   記の燃焼筒体の内側側面と外側側面のうち少なくともい
   ずれかの側面に断熱材が貼付されていることを特徴とす
   る燃料改質器。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の燃料改質器にお
   いて、前記の燃焼筒体の少なくとも一部が断熱体よりな
   ることを特徴とする燃料改質器。