JPS63201001A - 燃料改質装置 - 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、アルコール類や、炭化水素系燃料を水蒸気改
質して水素を生成する燃料改質装置に係り、特に、燃料
電池用及び半導体製造などで用いられるオンサイト型の
純水素製造装置用に好適な燃料改質装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料改質装置は、例えば、特開昭５３−７８９８
３号公報に代表されるように、改質触媒を反応管に充填
して改質触媒層を形成し、この反応管を周囲から燃焼ガ
スや熱媒体により加熱する外熱方式が主であった。

この方式では、多数の反応管を配置した反応部と反応管
を加熱する燃焼ガスや高温の熱媒体を得るための燃焼部
が独立しているため、反応管の周囲に燃焼ガスなどの加
熱媒体の流路を確保する必要があった。このため、改質
装置の小型化には加熱流路の効率的配置が重要であった
。これに対して、最近の燃料改質装置は燃料電池や半導
体製造用のオンサイト型に適用するため、さらに小型。

高性能化が求められている。この要求に対応するため、
特開昭６１−１６１１３３号公報に例示されるように、
燃焼触媒を反応管の周囲の空間に充填して触媒燃焼によ
り反応部に隣接して加熱できる形式の改質装置が考案さ
れている。さらに均一な加熱温度を得るために、触媒燃
焼方式でも、特開昭５９−１８１０２号公報に例示され
るよう−に、積層型の反応装置か考案されている。しか
し、この積層型の反応装置では、改質反応部と燃焼加熱
部が平面の隔壁で区切られ、この周囲は完全に固定され
るため、熱による伸びをいかに除去するかが課題であっ
た。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術による積層型の反応装置である触媒燃焼式
燃料改質装置では改質部に隣接して燃焼触媒を担持した
燃焼部を供給燃料の流路として使用する。このため、流
路に供給された燃料は燃焼触媒と接触しながら燃焼し、
高温の加熱面になる。

この温度は、メタノールを原料とする改質では約６００
℃、メタンなどの炭化水素を原料とする場合は約１００
０℃の高温になる。一方、加熱部に隣接する改質部でも
予熱された流入温度から出口における平衡到達温度（メ
タノール：約３００’Ｃ、メタン：約８００℃）まで昇
温する。この結果。

これらの温度差により加熱部と改質反応部にはさまれた
隔壁には大きな熱応力が生じ、隔壁の変形原因になる。

さらに、このような熱応力は、隔壁を支持している周囲
のフレ−ムに対しても、装置の気密性の保持の点で影響
を及ぼす、このため平板隔壁を使用した積層型の改質装
置では、隔壁に生じる熱応力を除去、あるいは、吸収で
きる構造にすることが不可欠である。

本発明の目的は、積層構造をもつ積層型の改質装置の隔
壁の熱応力を低減し、信頼性が高い燃料改質装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、積層型の燃料改質装置における平板隔壁の
一部にプレスなどの加工により、Ｕ字形状やＣ字形状の
くぼみ状の溝を成型した変形部を設けることにより達成
される。

〔作用〕

積層型の燃料改質装置の隔壁は、装置の起動前は常温で
あるが、運転時には前述のように非常に高い温度にさら
される。このため、熱的影響の最大のものは隔壁の伸び
である。この熱膨張による隔°壁の伸びが、実際には周
囲の支持部で拘束されるため熱応力となって隔壁全体に
作用する。すなわち、熱応力を回避、あるいは、低減す
るためには、温度差による熱膨張を隔壁内部で吸収する
構造にすればよい、このための手段として隔壁に設けた
本発明によるくぼみ状溝の原理を第２図に示す、第２図
は、溝付き隔壁の原理的構造を断面見取り図で示したも
のである。この溝は図のように垂直方向の力に対して弾
性的に働き、伸びが生じた場合には図中の破線のように
変形するが、スプリングバネの作用により周囲に及ぶ応
力を低減する。この結果、予想される隔壁の伸び量に対
して、配置した溝の幅が大きく成型されていれば、この
部分で熱膨張による伸びを吸収できる。また、溝の幅が
大きくとれない場合は、被数の溝を多段に配置すること
により、全体として隔壁の伸びを吸収できる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図により説明する。本実
施例ではメタンを原料とする改質装置を例にとって説明
する。改質触媒１には、ニッケル系触媒を使用し、燃焼
触媒２にはパラジウム系触媒を使用している。これらの
触媒により形成する触媒層は、Ｗｓ壁３を介して改質触
媒層と燃焼触媒層を交互に配置し、全体として積層構造
のプレート熱交型改質装置を構成している゛。本装置の
大きさは、水素生成量約８ＯＮｍ／ｈとすると、改質触
媒の空間速度を通常２００ｏないし３０００ｈ−１にと
れるので、改質触媒層における最小の必要触媒量は約４
０１になり、一層当たりの層の厚さを３０ｍｍに設定す
ると改質触媒層は、高さ９００Ｉ、横幅７５０ｍｍの触
媒層二層で構成できる。さらに、これら改質触媒層の間
に交互に同じ厚さの燃焼触媒層を挿入するとケーシング
全体では、断熱層を含めて、およそ、４００Ｘ９５０Ｘ
１３００ｍａ＋の火責さになる。この規模の改質装置を
燃料電池用として使用する場合は、約７０ｋｗ級のシス
テムに相当する。これは、従来の反応管型の改質装置と
比較して数分の−の小型装置になっている。

ここで、本発明による改質装置では各触媒層を区切る隔
壁には同心状に二重に成型したＵ字形のくぼみ状溝４を
設けており、隔壁に生じる熱膨張を吸収できる。以下に
本実施例の動作について説明する。この改質装置では、
改質部側で改質原料であるメタン５を水蒸気６とＳ／Ｃ
（スチーム・カーボン比）＝４で混合し、原料入り口管
８を通って原料供給ヘッダ１０より供給する。このヘッ
ダ部に供給した改質原料は、ハニカム状の触媒支持板９
を通過して各改質触媒層に入る。改質触媒層では、隣接
する燃焼触媒層で発生した熱を受は改質反応を進行する
。この改質反応は平衡温度約８００℃で行われる。ここ
で原料であるメタンは水素を約７０％含む改質ガス１４
になり改質ガスヘッダー１１に集められ、生成した改質
ガスは改質ガス取り出し管１３から取り出される。この
改質ガスは、用途に応じて燃料電池用燃料、あるいは、
高純度水素を得るためのＰＳＡ装置の原料として利用さ
れる。一方、燃料部側では加熱用燃料を各燃料供給管７
を通して燃焼触媒層へ供給する。

一般には、燃料として改質原料の一部が用いられるが、
改質装置と組み合わせた装置から排出されるオフガス等
も燃料として用いることもできる。

例えば、燃料電池と組み合わせたシステムでは電池アノ
ード極から排出される未反応水素を含んだ排ガスを燃料
にすることができる。ただし、触媒燃焼で使用される燃
料は、あらかじめ燃料用空気と混合した予混合燃料とし
て使用されることが均一燃焼として好ましい。本実施例
でも燃焼は、空気と予混合して供給するため、特に、燃
焼部への空気供給系を必要としない。燃料供給管から燃
焼触媒層に供給された燃料は、供給管周囲に充填しであ
る燃焼触媒との接触により燃焼反応が行われる。燃焼に
よる発熱は各燃料供給管付近で生じるため、本実施例で
は触媒層一層当たり四箇所が熱発生源になる。燃焼ガス
１５の流れは改質側の原料の流れと同様に触媒層の下方
から上方に向かって流れ、触媒層を出た後は燃焼ガス排
気管１２から装置外へ排出される。以上の動作により、
改質触媒層と燃焼触媒層にはされまた隔壁は、装置の起
動と同時に高温にさらされる。このため、従来の平板隔
壁のよる熱応力の解析の結果、第３図に示すようなふく
らみを伴う熱変形と、第４図に示す大きな応力変化が周
囲の支持固定部に生じていた。しかし１本発明による隔
壁構造の改質装置では、これら熱的影響を先の作用原理
により大きく低減することができる。本発明により隔壁
の熱的影響を低減する効果は、単に隔壁の熱応力や変形
を低減できるだけにとどまらず、改質装置の信頼性に及
ぼす影響は大きい。例えば、（１）隔壁の膨張、収縮に
より生じる触媒層への圧迫力がなくなるので、触媒の粉
化が緩和され使用触媒の長寿命化が図れる。（２）成型
した溝は、隔壁に対するリブ構造としても働くため、隔
壁の曲げに対する強度補強の役割をはたし、特に、装置
の大型化に対しても薄い板厚で対応できる。（３）溝に
よる伸びの吸取により、周囲の隔壁固定部に及ぼす応力
の影響が小さくなり、固定部における密閉（シール性）
の信頼性が向上する。などをあげることができる。特に
、（３）の効果は改質装置をＰＳＡなどと接続し、高圧
で使用する場合に効果が大きい。

第５図は、隔壁に成型した溝を隔壁面の中心から周辺部
へ放射状に配列した一実施例を示したものである。本実
施例では、特に中心から隔壁の角に向かって設けた溝は
、隔壁の縦方向の伸びと横方向の伸びを同時に吸収でき
るので周辺固定部の角に集中する応力を緩和し易い。

以上の実施例で示したような溝は、隔壁の厚さの士ない
し十五倍程度が適する０通常、隔壁として使用する板は
厚さ数園のステンレスなどの耐熱鋼板であり、これら材
料の使用条件による伸びは最大でも数Ｃｍ程度である。

すなわち、くぼみ状溝の幅は、プレスなどの加工法を考
慮すると１ないし２Ｃ■程度にするのがよい、このよう
な溝幅で伸びを吸収しきれない場合は、これらの溝を数
段配列した方が工作上あるいは隔壁の強度上好ましい。

以上、第１図や第５図で例示した実施例では、特に、溝
に対する触媒粒子の侵入には注意が払われていない。し
かし、溝幅が周囲の触媒粒子径より大きい場合は溝に触
媒が詰まり隔壁の伸びの吸収機能がそこなわれることが
考えられる。これに対応する方法として、第６図の実施
例に示すように隔壁より柔軟性の大きい金網などで溝を
封じた構造が考えられる。これは溝に沿って金網をスポ
ット的に溶接した加工法でも十分機能を保持できる。

また、触媒粒子の侵入防止対策として、溝中に、セラミ
ックファイバなど耐熱性があり、しかも、弾性のある多
孔質物質を充てんする構造も、応力吸収用の隔壁として
使用できる。

図中１７は隔壁本体、１８はくぼみ状溝、１９は隔壁支
持固定部、２０は等応力線、２１は触媒浸入防止網、２
２はセラミックファイバである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、積層型の改質装置の隔壁の熱膨張によ
る伸びを、隔壁自体内で吸収できるため隔壁の熱応力の
低減、隔壁の周囲固定部に対して熱変形から生じる外力
を減少することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図は本発明
の機能原理を示す隔壁の断面斜視図、第３図は平板隔壁
の変形例を示す有限要素モデルの解析図、第４図は平板
隔壁の応力分布を示す有限要素モデルの解析図、第５図
は本発明の一実施例の隔壁の構造図、第６図は本発明の
一実施例の隔壁の構造図、第７図は本発明の一実施例の
隔壁の構造図である。 １・・・改質触媒、２・・・燃焼触媒、３・・・隔壁、
４・・・くぼみ状溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭化水素やアルコール類を水蒸気改質により水素リ
   ッチガスを生成するため、改質触媒層と前記改質触媒層
   の加熱部からなる燃料改質装置において、 酸化活性成分を含む酸化触媒の存在のもとで触媒燃焼さ
   せ、前記改質触媒層を加熱する前記酸化触媒を充填した
   燃焼触媒層を加熱部とし、前記加熱部を隔壁を介して前
   記改質触媒層と交互に配置し、前記隔壁の一部をＵ字状
   あるいはさらにふくらみのあるＣ字状のくぼみを持つ溝
   に成型したことを特徴とする燃料改質装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記隔壁に成型した溝を、前記隔壁の面上に同心状に複
   数段配列したことを特徴とする燃料改質装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記隔壁に成型し
   た溝を、前記隔壁面の中心部から周辺部造に放射状に配
   列したことを特徴とする燃料改質装置。 ４、前記隔壁に設ける溝をプレス加工あるいは鍛造によ
   り成型したことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第
   ２項または第３項に記載の燃料改質装置。