JPS63144101A - 燃料改質システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池や半導体製造プロセス向は純水素製
造装置用の燃料改質システムに係り、特さ。

に＼、メタノールなどのアルコール類の水蒸気改質−に
好適な燃料改質システムに関する。

〔従来の技術〕

従来、燃料改質システムは主にＬＮＧなどの炭化水素を
原料とする水素製造プラントに用いられていた。また、
最近では燃料電池や半導体製造プロセス向けの純水素製
造装置としても用いられるようになった。しかも、これ
らの装置と組み合ゎせた燃料改質システムでは、システ
ム内で発生する熱の有効利用のしやすさ、燃料取扱いの
しやすさなどの理由で、メタノールを原料とする改質シ
ステムが注目されている。たとえば、特開昭５７−１９
９１８３号公報に述べられている燃料電池用メタノール
改質システムでは、システム内排熱の有効利用のため電
池で発生する水蒸気を改質装置の熱源として使用するこ
とが提案されている。しかし。

このような排熱の利用では、たとえば、改質反応温度以
下の熱源は利用できず、熱回収が困難となる。すなわち
、従来の熱回収は、予熱や加熱源としてシステム内の高
熱源を利用することのみが考慮され、メタノール燃料の
ような液体原料を気化するための手段や熱利用法までは
考慮されていなかった。

〔発明が解決しようしする問題点〕

上記従来技術では、燃料改質システムを構成する上でメ
タノールなどの液体原料の気化法に関する熱の有効利用
までは考慮されておらず、システムに供給されるメタノ
ールは気化状態を前提としたシステムになっていた。し
かし、一般に、供給されるメタノールは液体状態であり
、これを水蒸気改質するためには気化したガス状態で改
質触媒層に供給しなければならない、また、燃焼部でも
メタノールを燃料とする場合、ＰＲ料であるメタノール
を気化した燃焼部に供給した方が燃焼の安定性が保たれ
る。特に、触媒燃焼をする場合は燃料の気化が必須の条
件になってくる。このように液状のメタノールを原料と
する改質システムでは、改質原料、あるいは、燃料の気
化に要する熱量は改質反応に要する熱量に匹敵するほど
大きな量になっている。システム全体の効率を増すため
には。

原料や燃料の予熱だけでなく気化のための熱をいかに供
給するかが問題である。

本発明の目的は、改質原料、または、燃料の気化過程に
対して、常温に近い低温度の熱源も利用できる改質シス
テムを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的、燃料改質システムにおける改質原料または燃
料の気化装置の前段にプロセス生成ガス、あるいは、空
気の一部を導き、改質原料または燃料を気液二相流によ
り気化器、あるいは、予熱器に供給することにより達成
される。

〔作用〕

液体を気化させるには一般に沸点以上に加熱しなければ
ならない、メタノールの場合、沸点は常圧において約６
４℃であり、これを気化するためにはこの温度以上の熱
源が必要である。しかし、このメタノールが他の気体と
接触した自由表面を持つ場合には、加熱をしなくてもそ
の温度におけるメタノールの分圧に達するまで、周囲か
ら熱をセスガスや空気は、配管内で気液二相流となって
流れるため、液状の改質原料または燃焼用燃料は。

先の原理により沸点以下の温度でも平衡状態になるまで
気化することができる。ここで、外部からの熱の供給が
不足する場合には、これら流体自体が周囲温度より低く
なるまで温度降下するため、室温程度の熱源でも気化に
寄与することができる。

また、燃料となるメタノールに気化促進用気体として空
気を混合した場合には、気化した燃料が予混合燃料にな
るため、燃焼装置に触媒燃焼方式を採用した場合に良好
な燃焼状態が得られる。

さらに、後段に気化器や予熱器内の流れが二相流になる
ため、これら器機の伝熱面に対する熱伝達率が単相流の
場合に比較して数倍高くなる。この結果、器機の伝熱性
能が良くなるためシステムの効率も高まる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図及び第２図により説明
する。第１図は本発明による改質システムの系統図であ
る。又、第２図は本発明による改質システムの母体にな
る従来のシステムの系統図である。以下、改質原料をメ
タノールとして説明するが本実施例は液体原料であるア
ルコール類すべてに適用できるものであり、メタノール
に限定したものではない。本発明によるシステムの基本
構成は従来システムと大差ないため、先ず、第２図を基
にシステム構成及び機能を説明し、この従来システムと
の比較において本発明の特徴を第１図により明確にする
。燃料改質の原料となる水とメタノールは、各々給水タ
ンク１と改質原料タンク２に蓄えられており、給水ポン
プ３および原料供給ポンプ４により改質反応器１１へ供
給する。

ただし、これら水とメタノールは反応器に入る前に混合
され、気化蒸発器８を通って気化し反応器に導かれる０
反応器における反応温度はこの場合。

約２５０℃であり、これを維持するために燃焼器１２で
加熱される。ここで反応して水素リッチになった改質ガ
スは空気予熱器１３で熱回収され、）気水分離器１４で
脱水され製品ガスとして水素利゛１用設備に供給される
。この水素利用設備は、燃料、ノ 電池、やＰ　Ａ　Ｓ　（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｕｉｎｇ
　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）と組み合わせた純水素製造装
置などがあげられる。

また、気水分器で分離した水は補給水ポンプ６により給
水タンクへ回収するのが普通である。一方。

反応器の加熱源となる燃料は燃料供給ポンプ５により燃
料予熱器７を介して混合器１０に導かれる。

混合器では燃料の燃焼性を高めるため空気と十分混合さ
れる。この燃焼用空気は、燃焼排ガスを原動力とするタ
ーボコンプレッサにより供給される。

混合器で噴震混合した燃料は予混合燃料状態で燃焼器１
２で燃焼する０反応器を加熱したあとの燃焼ガスは高熱
源であるため燃料の予熱並びに原料の気化蒸発に使用さ
れ、最後はターボコンプレッサで動力回収し系外に排出
される１以上が燃料改質システムの基本構成である。こ
こで、従来のシステムでは、動力回収した後の燃焼排ガ
スの温度が１００℃程度になり、これ以上の熱回収が事
実上不可能である。これに対し、本発明の一例であ：、
る第１図の実施例では、プロセス生成ガスの一部二′１
１ ）−をリサイクルブロア２０で原料の気化蒸発器の前段
に戻し、原料と混合するラインを設けたことを特徴とし
ている。この混合ラインにより気液二相流となった改質
原料は、気化蒸発器の前段に設置した低温気化器１９で
先に述べた気化の原理により一部気化する。ここで、こ
のような気化法を利用することによる効果を試算すると
以下のようになる。この気化原理による蒸発量は飽和蒸
気圧により定まる。たとえば、２０℃で気化させると仮
定するとメタノールの飽和蒸気圧は約９５ｎｍＨｇであ
る常圧（７６０ｍａ＋Ｈｇ）での運転を考えると気体の
供給量に対して約１０％のメタノール量を気化できるこ
とになる。１（１ｗの燃料電池と組み合わせる燃料改質
システムを考えると、約３．３５Ｋｇ／ｈ（７）メタノ
ールを原料とし、　　１　ＯＮｍ′Ｓ／ｈ（７）改質ガ
スが発生する。ここで生成ガス量の一部（ｌＮｍ８／ｈ
）をリサイクルするものとすると、このガスに気化混合
できるメタノールは約０．１８にｇ／ｈであり供給メタ
ノール量の５％に相当する。

このシステムにおける供給メタノールの気化熱が約１０
００Ｋｃａ　Ｑ　／ｈ　、反応熱が１２００にｃａＱ／
ｈであるから、システムにおけるこれら気化熱の回収の
効果は大きい。さらに、後段におけるメインの気化蒸発
器でも気液二相流による高い熱伝達が達成されるため高
効率な改質システムが得られる。

第３図及び第４図は燃焼用メタノールを気化するための
改質システムを示したものである。第３図は燃焼用空気
の一部を混合器の前段で分岐し、燃料予熱器の前段に接
続すると共に、低温気化器を設けて本発明による気液二
相流を利用した気化部をもつ改質システムとしたもので
ある。本実施例では気化熱を排熱から有効に回収でき、
混合した空気が酸化剤として直接使用できることが特徴
である。すなわち、この場合、気体のリサイクル動力な
しで排熱回収できることになる。このようなシステムは
予混合燃料として燃料供給できるため、特に触媒燃焼式
の燃焼器を用いる改質装置に最適である。第４図は燃料
電池またはＰＳＡガス生成装置におけるアノード排ガス
や精製排ガスのように、可燃成分を含んだガスを排出す
る装置を水素利用設備１５として接続し、この排ガスを
燃料とし、かつ、メタノール燃料を気液二相流とするた
めのガスとして使用した場合の一実施例を示したもので
ある。このように可物性排ガスをリサイクルし、改質装
置の燃料として使用するシステムは以前から提案され、
実用化されている。しがし、本発明による実施例はこれ
を液体燃料と混合して供給することにより、先の実施例
と同様に低熱源から気化熱を吸収し、システムの熱利用
効率を高めた点に特徴がある。

以上は、外熱式改質反応器を用いたシステムの一例を示
したが、内熱式改質反応器を用いた場合にも、本発明に
よる燃料改質システムを構成できる。第５図は、内熱式
改質反応器を用いた場合のシステム構成の例である。内
熱式改質反応器２１は燃焼触媒２２と改質触媒２３を充
填した反応装置である。この内熱式改質システムでは、
供給水はボイラ１６により蒸気にし、気化したメタノー
ルと混合される。混合した原料は、ボイラの排熱により
、さらに予熱され反応器に供給される。一方、内熱式の
システムは原料に少量の空気を混合し、空気が燃焼触媒
層で原料を部分酸化することにより発熱し、改質触媒層
での反応に熱を与える。

この部分酸化用空気を本実施例では、コンプレッサ１８
を用いて気化蒸発器の前段に供給する。このため、蒸発
器内には、メタノールと空気の二相第　１　図 流が流れ気化が促進される。また、この気化のための熱
源には原料予熱器１７の排熱を更に利用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、低温熱源を原料、あるいは、燃料の気
化に利用でき効果がある。その利用できる熱量は全気化
熱の範囲内で供給するガス体の流量を変えることにより
調節できる。また、ガス体と混合して気液二相流となっ
た原料、あるいは、燃料を予熱する熱交換器では伝熱機
構が混和流の伝熱となり、従来の単相流の場合と比較し
て、一般に数倍の高い熱伝達率が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は従来の改
質システムの系統図、第３図から第５図は各々本発明の
他の実施例の系統図である。 １・・・供給タンク、２・・・改質原料タンク、３・・
・給水ポンプ。 ３′”　慴訓氷Ｊボ°ン７°　　７８１．゛γ然倉予ン
い卦　　１２．、、＊ａ、僕昏イＬ・・・＆科イヂ騎（
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ｆイクルフ゛ロアグ　２Ｌ￥１ ￥）　３　図 名十図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アルコール類を改質原料とし、前記改質原料の供給
   設備と気化装置、気化した原料を改質するための反応装
   置、前記反応装置を加熱するための燃焼装置、前記燃焼
   装置への燃料供給設備さらに熱交換器などの付帯設備か
   らなり、水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガスを
   生成する燃料改質システムにおいて、 前記改質原料の前記気化装置の前段に、プロセス生成ガ
   スあるいは空気の一部を導き、前記改質原料を気液二相
   流により気化する気化混合部を設けたことを特徴とする
   燃料改質システム。 ２、燃料電池装置と組み合わせ、前記燃料電池の陽極か
   ら排出するアノード排ガスを燃料用メタノールの気化装
   置の前段に導き、燃焼用燃料を気液二相流により気化す
   る気化混合部を設けたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の燃料改質システム。 ３、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏ
   ｒｐｔｉｏｎ）水素精製装置と組み合わせ、前記ＰＳＡ
   装置から排出される排ガスを前記アルコール類の前記気
   化装置の前段に導き、前記アルコール類を気液二相流に
   より気化する気化混合部を設けたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の燃料改質システム。