JPH1143304A

JPH1143304A - 改質装置

Info

Publication number: JPH1143304A
Application number: JP9201072A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Tokunaga; 嘉則徳永; Toru Nakamura; 透中村; Hitoshi Kudo; 均工藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化しやすく、且つ各反応部の温度制御が
行いやすく、さらに各反応部を速やかに所要温度に到達
させることができる改質装置を提供する。【解決手段】中央部に略筒状の燃焼室１を備えるとと
もに、この燃焼室１の周囲に、改質原料を水蒸気改質す
る改質反応部２と、この改質反応部２からの改質ガス中
に含まれるＣＯを水性シフト反応により低減させるシフ
ト反応部３と、このシフト反応部３にて処理後の改質ガ
ス中に含まれるＣＯを酸化してさらに低減させるＣＯ選
択酸化部４とを３つの反応ゾーンとして備えて構成され
る。そして、上記３つの反応ゾーンと上記燃焼室１とを
隔てる各隔壁が、伝熱量の大きさが改質反応部＞シフト
反応部＞ＣＯ選択酸化部の順となるように形成されてい
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、アルコール系や炭
化水素系の燃料を原料としてこれを水蒸気改質すること
により水素を主成分とする改質ガスを生成させる改質装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、メタノール等のアルコール系
燃料やメタン、プロパン、ブタン等の炭化水素系燃料な
どを水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成
させる改質装置が知られている。この改質装置で得られ
た改質ガスの利用用途としては代表的なものとして燃料
電池の発電用原料がある。通常、改質装置では改質反応
の際に副生成物の１つとしてＣＯが生成し改質ガス中に
含まれるものであるが、このＣＯは燃料電池の触媒毒と
なり発電能力を劣化させる原因となる。従って、上記改
質ガス中のＣＯ濃度を問題のないレベルにまで低減する
ために、一般には、水蒸気改質反応により改質ガスを得
るステップのほか、水蒸気改質により得られた改質ガス
中のＣＯを水性シフト反応により低減させるステップ
と、シフト反応後の改質ガス中のＣＯを選択的に酸化し
てさらに低減させるステップが設けられている。

【０００３】従来は、上記３つの反応ステップは各々別
装置にて行われるのが一般的であったが、近年では改質
ガスの製造装置を全体スケールとして小型化させること
が望まれており、これに対し、水蒸気改質反応により改
質ガスを得るステップを行う改質反応部と、水性シフト
反応により改質ガス中のＣＯを低減させるステップを行
うシフト反応部と、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化し
てさらに低減させるステップを行うＣＯ選択酸化部とを
一つの熱源とともに一体にした改質装置が提案されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記３つの
反応はいずれも触媒反応であり、それぞれ要求される反
応温度の範囲があることが知られている。例えば水蒸気
改質反応の反応温度範囲は、改質原料の種類により異な
るが、ブタン等の炭化水素系原料のときは概ね４００〜
１０００℃、好ましくは６００〜９００℃であり、メタ
ノール原料のときは概ね２５０〜４００℃である。一
方、水性シフト反応やＣＯ選択酸化反応の反応温度範囲
は、改質原料の種類による違いはさほどなく、水性シフ
ト反応では概ね２００〜３５０℃、好ましくは２２０〜
３００℃であり、ＣＯ選択酸化反応では概ね１００〜２
５０℃、好ましくは１２０〜１８０℃である。総じて、
水蒸気改質反応＞シフト反応＞ＣＯ選択酸化反応という
ように反応温度域は低くなる。従って、したがって、各
反応はそれぞれ上記反応温度範囲に収まるように温度制
御された条件下で行われることが必要となる。

【０００５】このような事情から、上述したように上記
３つの反応部を一体に備えた改質装置では、一つの熱源
に対して各反応部を適切に温度制御することが課題とな
る。そのための手法として、熱源に対して、所要温度の
高い改質反応部を近くに配置するとともに、所要温度の
低いシフト反応部やＣＯ選択酸化部をこれよりも遠くに
配置すると、各反応部の温度制御が行いやすくなると思
われる。しかしながら、この場合、小型化という観点か
らは不利であり、また、各反応部を同時期に且つ短期間
で所要温度にまで到達させ難い構造となって、装置の始
動に時間がかかる。

【０００６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、小型化しやすく、且つ各
反応部の温度制御が行いやすく、さらに各反応部を速や
かに所要温度に到達させることができる改質装置を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る改質装置
は、中央部に略筒状の燃焼室を備えるとともに、この燃
焼室の周囲に、改質原料を水蒸気改質する改質反応部
と、この改質反応部からの改質ガス中に含まれるＣＯを
水性シフト反応により低減させるシフト反応部と、この
シフト反応部にて処理後の改質ガス中に含まれるＣＯを
酸化してさらに低減させるＣＯ選択酸化部とを３つの反
応ゾーンとして備えて構成されている。そして、上記３
つの反応ゾーンと上記燃焼室とを隔てる各隔壁が、伝熱
量の大きさが改質反応部＞シフト反応部＞ＣＯ選択酸化
部の順となるように形成されているものである。

【０００８】この改質装置では、上記３つの反応部を一
体に備え、しかもこれらが燃焼室の周囲に隣接した構造
を有しているので、小型化設計しやすいものと言える。
また、上記３つの反応部は、それぞれ上記燃焼室からの
伝熱量の大きさが改質反応部＞シフト反応部＞ＣＯ選択
酸化部の順となるように形成された隔壁により隔てられ
ているので、温度制御しやすく、しかも上記燃焼室から
直接加熱される配置であることから、速やかに所要温度
にまで到達させることができる。

【０００９】本発明に係る改質装置においては、上記の
各隔壁の伝熱量の大きさを異なるものとする手段の一つ
として、上記の各隔壁の厚みを異なるものにする手法が
挙げられる。この場合、上記の各隔壁の厚みの大きさ
を、改質反応部＜シフト反応部＜ＣＯ選択酸化部の順に
することで、各反応部を所要温度に制御できるものであ
る。

【００１０】また、他の手段として、いずれかの上記隔
壁の内側と外側の少なくともいずれか側に突起を形成す
る手法が挙げられる。即ち、上記隔壁の内側や外側に突
起を形成することで、上記燃焼室内を流れる燃焼ガスや
反応ゾーン内を流れる改質ガスとの接触面積が増大し、
熱交換率が向上して、上記突起を設けない隔壁と伝熱量
に差をつけることができる。この場合、上記突起は少な
くとも最も所要温度が高い上記改質反応部と燃焼室との
隔壁に形成されることになる。なお、上記突起は上記シ
フト反応部と燃焼室との隔壁にも形成することもでき、
このとき温度制御の観点から、その数を上記改質反応部
の隔壁に比べて少なくするとよい。

【００１１】さらに他の手段として、上記いずれかの隔
壁内に断熱層を設ける手法も挙げられる。このとき、上
記断熱層を設けた隔壁は、断熱層のない隔壁に比べて伝
熱量を少なくなる。この場合、上記断熱層は、少なくと
も所要温度が最も低い上記ＣＯ選択酸化部と燃焼室とを
隔てる隔壁内に設けるとよい。なお、上記断熱層は、必
要に応じて上記シフト反応部と燃焼室との隔壁にも設け
ることもできる。

【００１２】本発明では、上記３つの反応部のうち、少
なくともＣＯ選択酸化部の外表面に冷却フィンを設ける
こともできる。この場合、上記冷却フィンに冷却風を当
てる等して放熱させることにより、最も所要温度の低い
ＣＯ選択酸化部の温度制御が行いやすくなる。

【００１３】また本発明では、上記３つの反応部のう
ち、少なくとも改質反応部の外表面に断熱層を設けるこ
ともできる。この場合、上記断熱層で放熱を防止するこ
とで、所要温度が最も高い上記改質反応部を高温域に温
度制御し易くなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１５】図１は本発明の第１実施形態に係る改質装
置を示す概略斜視図である。図２は同上改質装置のＡ−
Ａ断面図である。

【００１６】図示の如く、該実施形態に係る改質装置
は、中央部に筒状の燃焼室１を備えている。この燃焼室
１は三角柱状の筒体であって、その内部にはバーナーや
燃焼触媒などの燃焼手段を有している。この燃焼室１の
周囲には、改質原料を水蒸気改質する改質反応部２と、
この改質反応部２からの改質ガス中に含まれるＣＯを水
性シフト反応により低減させるシフト反応部３と、この
シフト反応部３にて処理後の改質ガス中に含まれるＣＯ
を酸化してさらに低減させるＣＯ選択酸化部４とを３つ
の反応ゾーンとして燃焼室１の周方向に並ぶようにして
備えている。改質反応部２には、改質原料と水蒸気を供
給するための原料供給路１１が接続され、一方、ＣＯ選
択酸化部４には改質ガス送出路１２が接続されている。
改質反応部２とシフト反応部３、及びシフト反応部３と
ＣＯ選択酸化部４とはそれぞれ接続管１０ａ、１０ｂに
より接続されている。接続管１０ｂには、ＣＯ選択酸化
部４での反応に必要な酸素を取り込むための空気供給路
１３が設けられている。

【００１７】改質反応部２は内部に改質反応が行われる
空間を有しており、この空間には改質触媒が充填されて
いる。この改質触媒は、改質原料と水蒸気の混合気を高
温下で接触させることで水素を主成分とする改質ガスを
生成させる、いわゆる水蒸気改質反応を起こすもので、
例えば、Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ等の金属をアルミナやジルコ
ニアなどからなる担体に担持させたものを用いることが
できる。改質反応部２では、上記改質触媒の粒子間の隙
間を改質原料及び水蒸気の混合気が通り抜ける際に上記
改質触媒に接触することにより水蒸気改質反応が行わ
れ、水素を主成分とする改質ガスが生成する。この改質
ガスには水素の他、二酸化炭素や一酸化炭素、メタン等
が混合している。この水蒸気改質反応は吸熱反応であっ
て、燃焼室１の熱により直接加熱されて反応熱が供給さ
れるものである。因みに、この水蒸気改質反応は改質原
料として炭化水素系ガスを用いた場合、一般に反応温度
を約５００℃以上とすると良好な反応が行えるものであ
る。上記改質原料としては、気体のメタン、プロパン、
ブタン等の炭化水素系のガスや、常温で液体のアルコー
ル類やガソリン、灯油、ナフサ等といったものを用いる
ことができる。因みに、原料ガスとしてブタンを用いた
場合、上記水蒸気改質反応により、水素が約７０％、二
酸化炭素が約１５％、一酸化炭素が約１０％、その他メ
タン等が数％の濃度となって混合した改質ガスが得られ
る。

【００１８】シフト反応部３は内部に水性シフト反応が
行われる空間を有しており、この空間にはシフト触媒が
充填されている。このシフト触媒は、改質反応部２にて
生成した改質ガス中に含まれるＣＯを水性シフト反応に
より低減させるものであって、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｆ
ｅ、Ｃｒ等をアルミナやジルコニアなどからなる担体に
担持させたものを用いることができる。シフト反応部３
では、改質反応部２にて生成した改質ガスがシフト触媒
に接触することにより、該改質ガス中に含まれる一酸化
炭素と水蒸気とが反応して水素と二酸化炭素となるシフ
ト反応が行われ、これにより改質ガス中の一酸化炭素の
大部分は除去され、濃度で１％程度にまで減少される。
ここで、上記シフト反応は発熱反応であって、改質反応
部２での水蒸気改質反応よりも低い温度で反応が行われ
るものである。因みに、このシフト反応の原料ガスとし
て炭化水素系ガスを用いた場合、反応温度は約２００〜
３５０℃、好ましくは２２０〜３００℃の反応温度で行
われる。

【００１９】ＣＯ選択酸化部４は内部にＣＯを選択的に
酸化する反応が行われる空間を有しており、この空間に
はＣＯ選択酸化触媒が充填されている。ＣＯ選択酸化触
媒は、シフト反応部３で処理後の改質ガスに残存するＣ
Ｏを選択的に酸化することにより低減させるものであっ
て、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等をアルミナやジルコニアなど
からなる担体に担持させたものを用いることができる。
ＣＯ選択酸化部４では、シフト反応部３にてＣＯが減じ
られた改質ガスが、空気供給路１３から取り込まれた空
気（酸素）と混合された後に上記ＣＯ酸化触媒と接触し
て、ＣＯが選択的に酸化され二酸化酸素となって除去さ
れる。ここでは、改質ガス中のＣＯ濃度はさらに減少さ
れ、１００ｐｐｍ以下程度まで減少される。ここで、上
記ＣＯ酸化触媒による一酸化炭素の酸化反応は発熱反応
であって、上記水性シフト反応よりも低い温度域で反応
が行われるものであり、因みに、その反応温度は約１０
０〜２５０℃、好ましくは１２０〜１８０℃の範囲とな
るものである。

【００２０】該実施形態では、燃焼室１と改質反応部２
とを隔てる隔壁５ａ、燃焼室１とシフト反応部３とを隔
てる隔壁５ｂ、燃焼室１とＣＯ選択酸化部４とを隔てる
隔壁５ｃは、それぞれ厚みｔ１、ｔ２、ｔ３を有してお
り、それらはｔ１＜ｔ２＜ｔ３の関係となっている。従
って、燃焼室１から隔壁５ａ，５ｂ，５ｃをそれぞれ通
じて上記３つの反応部に伝わる伝熱量は、各隔壁の厚み
が異なることからそれぞれ異なるものとなる。つまり、
上記３つの反応部を反応温度域の高い順に温度制御でき
るのである。

【００２１】なお、上記３つの反応部をそれぞれ適切な
反応温度域に収まるようにするには、燃焼室１の燃焼温
度を調節したり、各隔壁を伝わる伝熱量を調節したり、
或いは各反応部からの放熱量を調節することで行うこと
ができる。例えば各隔壁を伝わる伝熱量は、その厚みを
適宜変更することで調節可能なものである。また、各反
応部からの放熱量は、図３に示すように、反応部の外側
面に冷却フィンを設けることで調節できる。この場合、
冷却フィンは、少なくとも最も低温域が要求されるＣＯ
選択酸化部４に設けることが好ましく、図３のように、
シフト反応部３とＣＯ選択酸化部４の両方に設けるとき
には、シフト反応部３の冷却フィン８ｂの数をＣＯ選択
酸化部４の冷却フィン８ｃの数よりも少なくして放熱量
に差をつけるとよい。さらに、各反応部からの放熱量
は、反応部の外側に断熱層を設けることでも調節でき
る。この場合、断熱層は少なくとも最も高温域が要求さ
れる改質反応部２に設けることが好ましく、図４では、
改質反応部２の外側のみ断熱層９が設けられている。

【００２２】該実施形態に係る改質装置の動作について
説明する。該改質装置では、燃焼室１にて燃焼反応を行
いながら、原料供給路１１から改質原料と水蒸気の混合
気を改質反応部２に供給する。すると、改質反応部にて
水蒸気改質反応が行われ、改質原料はＣＯを含む水素リ
ッチな改質ガスとなり、シフト反応部３に送られる。こ
のシフト反応部３に送られた改質ガスはＣＯ濃度がシフ
ト反応により１％以下にまで低減された後、ＣＯ選択酸
化部４に送られる。このＣＯ選択酸化部４に送られた改
質ガスは、ＣＯを選択的に酸化することによりＣＯ濃度
が１００ｐｐｍ未満にまで低減された後、改質ガス送出
路１２から送り出される。

【００２３】このとき、上記３つの反応部は燃焼室１か
ら各隔壁を通じて反応熱の供給を受けるのであるが、上
述したように各隔壁の厚みが異なることから各反応部は
適切な温度域になるように伝熱される。すなわち、隔壁
５ａは最も厚みが小さいことから伝熱量が最も多くな
り、改質反応部２が最も高温域に温度制御されることに
なる。隔壁５ｂは隔壁５ａよりも厚みが大きいことから
これよりも伝熱量が少なくなり、シフト反応部３は改質
反応部２よりも低い温度域に温度制御される。さらに隔
壁５ｃは最も厚みが大きいことから伝熱量が最も少なく
なり、ＣＯ選択酸化部４は最も低温域に温度制御される
ことになる。

【００２４】この改質装置では、上記３つの反応部を一
体に備え、しかもこれらが燃焼室１の周囲に隣接した構
造を有しているので小型化設計しやすく、また、上記３
つの反応部は、それぞれ燃焼室１からの伝熱量の大きさ
が改質反応部２＞シフト反応部３＞ＣＯ選択酸化部４の
順となるので温度制御しやすく、しかも上記燃焼室から
直接加熱される配置であることから、速やかに所要温度
にまで到達させることができる。

【００２５】図５は本発明の第２実施形態に係る改質装
置を示す断面図である。第２実施形態に係る改質装置
は、燃焼室１と各反応部とを隔てる隔壁の態様が異なる
他は、第１実施形態に係る改質装置と同様に構成されて
いる。該改質装置では、各隔壁の厚みは同じ厚さとなっ
ているが、燃焼室１と改質反応部を隔てる隔壁５ａ及び
燃焼室１とシフト反応部３を隔てる隔壁５ｂの内面、即
ち燃焼室１側の面に、複数の突起が形成されている。こ
れら突起は、燃焼室１側に曝される隔壁の面の表面積を
大きくして、当該隔壁の伝熱量を増大させる役割を果た
すもので、改質反応部２への伝熱量がシフト反応部３へ
の伝熱量よりも大きくなるように、隔壁５ａの突起６ａ
の数が隔壁５ｂの突起６ｂの数よりも多く形成されてい
る。なお、これら突起は、隔壁の外面、即ち反応部側の
面に設けられていてもよく、この場合、当該反応部への
放熱が促進され、それにより伝熱効率を向上させる役割
を果たす。

【００２６】図６は本発明の第３実施形態に係る改質装
置を示す断面図である。第３実施形態に係る改質装置
は、燃焼室１と各反応部とを隔てる隔壁の態様が異なる
他は、第１実施形態に係る改質装置と同様に構成されて
いる。該改質装置では、各隔壁の厚みは同じ厚さとなっ
ているが、燃焼室１とシフト反応部３を隔てる隔壁５ｂ
及び燃焼室１とＣＯ選択酸化部４を隔てる隔壁５ｃの内
部に、断熱層が設けられている。これら断熱層は、隔壁
の伝熱量を減じる役割を果たすもので、ＣＯ選択酸化部
４への伝熱量がシフト反応部３への伝熱量よりも小さく
なるように、隔壁５ｃの断熱層７ｃの厚みが隔壁５ｂの
断熱層７ｂの厚みよりも大きくなっている。隔壁５ｂ、
５ｃの伝熱量は、断熱層７ｂ、７ｃの厚みを適宜変更す
ることにより調節可能である。

【００２７】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うま
でもない。例えば、上記第１〜第３実施形態に係る改質
装置の構成を組み合わせることも可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る改質
装置によると、上記３つの反応部を一体に備え、しかも
これらが燃焼室の周囲に隣接した構造を有しているの
で、小型化設計しやすいものと言える。また、上記３つ
の反応部は、それぞれ上記燃焼室と伝熱量の大きさが改
質反応部＞シフト反応部＞ＣＯ選択酸化部の順となるよ
うに形成された隔壁により隔てられているので、温度制
御しやすく、しかも上記燃焼室から直接加熱される配置
であることから、速やかに所要温度にまで到達させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る改質装置を示す斜
視図である。

【図２】図１に係る改質装置のＡ−Ａ断面図である。

【図３】同上改質装置の一応用例を示す断面図である。

【図４】同上改質装置の他の応用例を示す断面図であ
る。

【図５】本発明の第２実施形態に係る改質装置を示す断
面図である。

【図６】本発明の第３実施形態に係る改質装置を示す断
面図である。

【符号の説明】

１燃焼室２改質反応部３シフト反応部４ＣＯ選択酸化部５ａ，５ｂ，５ｃ隔壁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央部に略筒状の燃焼室を備えるととも
に、この燃焼室の周囲に、改質原料を水蒸気改質する改
質反応部と、この改質反応部からの改質ガス中に含まれ
るＣＯを水性シフト反応により低減させるシフト反応部
と、このシフト反応部にて処理後の改質ガス中に含まれ
るＣＯを酸化してさらに低減させるＣＯ選択酸化部とを
３つの反応ゾーンとして備えて構成され、上記３つの反
応ゾーンと上記燃焼室とを隔てる各隔壁が、伝熱量の大
きさが改質反応部＞シフト反応部＞ＣＯ選択酸化部の順
となるように形成されていることを特徴とする改質装
置。
【請求項２】上記３つの反応ゾーンと上記燃焼室とを
隔てる各隔壁の厚みの大きさが、改質反応部＜シフト反
応部＜ＣＯ選択酸化部の順であることを特徴とする請求
項１記載の改質装置。
【請求項３】上記３つの隔壁のうち、少なくとも上記
改質反応部と燃焼室とを隔てる隔壁に、内側と外側の少
なくともいずれかに突出する突起が形成されていること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の改質装置。
【請求項４】上記３つの隔壁のうち、少なくとも上記
ＣＯ選択酸化部と燃焼室とを隔てる隔壁内に、断熱層が
設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３
のいずれかに記載の改質装置。
【請求項５】上記３つの反応部のうち、少なくともＣ
Ｏ選択酸化部の外表面に冷却フィンが設けられているこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
の改質装置。
【請求項６】上記３つの反応部のうち、少なくとも改
質反応部の外表面に断熱層が設けられていることを特徴
とする請求項１乃至５のいずれかに記載の改質装置。