JP2938245B2 - 燃料改質器の起動方法 - Google Patents
燃料改質器の起動方法Info
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Description
水素に富むガスに改質する燃料電池用燃料改質器の起動
方法に関する。
も効率が高く、NOX ,SOX の発生がほとんど無い。
また補機類を除けば回転機器がないため低騒音で振動も
少なく、環境適応性に優れているため無公害の発電シス
テムとして最近注目を集めている。燃料電池発電システ
ムは、燃料改質器、燃料電池本体、及び各補機により構
成されている。燃料電池本体は供給される燃料と空気と
により電池反応を起こして発電する。この際燃料電池本
体に供給される燃料は燃料改質器にて天然ガス等の炭化
水素系あるいはメタノール等のアルコール系の原燃料を
改質触媒の下で水素に富むガスに改質した改質ガスが使
用される。
る触媒層では、原燃料がメタンの場合には、下記の式
(1)(2)の反応がNi系などに代表される改質触媒
の下で反応温度600〜900℃にて行われる。 CH4 +H 2O→CO+3H2 △H=−49.3kcal────(1) CH4 +H 2O→CO2 +H2 △H= 9.8kcal────(2) 上記(1),(2)式をトータルした CH4 +2H 2O→CO2 +4H2 △H=−39.5kcal────(3) 上記のようにメタンからなる改質原料ガスを改質する燃
料改質器の触媒層における水蒸気改質反応は、吸熱反応
であり外部からの熱の供給が必要となる。
せる場合、改質原料ガスを触媒層を内蔵する反応管に通
流し、この反応管を加熱して触媒層に熱を供給してい
る。
及び円筒式のものが知られている。図5は単管式の反応
管であり、反応管1を単管2と、この中に改質触媒3が
充填されてなる触媒層4とから構成し、単管2の周囲か
ら加熱して触媒層4を通流する改質原料ガスを水素に富
むガスに改質する。
を内管7と、これを囲む容器状の外管8と、内管7と外
管8との間に改質触媒3が充填されてなる触媒層4とか
ら構成し、外管8の周囲から反応管6を加熱し、内管7
と外管8との間の触媒層4に改質原料ガスを通流して水
素に富むガスに改質し、この改質ガスを内管7内を通し
て外部に送出する。
を有する燃料改質器の起動時、反応管1,6をそれぞれ
その外周囲から加熱して水蒸気改質反応に適する温度ま
で昇温した後、改質原料ガスを反応管1,6に流入して
水素に富むガスに改質している。
る燃料改質器では反応管1,6は外周囲から加熱するの
で、単管2,外管8が熱膨脹し、このため反応管内の触
媒層4には加圧力が加わることがなく、したがって改質
触媒が圧壊するということはない。しかしながらオンサ
イト用の燃料電池発電装置では反応管内の触媒層の厚さ
を薄くして伝熱を良くしているが、改質触媒が後述する
理由により圧壊しやすい円筒式の反応管を有する燃料改
質器が使用される。
の断面図である。図において炉容器10は上部中央にバ
ーナタイル11に囲まれたバーナ12と、側壁上部にバ
ーナ12からの燃料が燃焼して生じる燃焼ガスを排出す
る排ガス出口13とを備え、さらに反応管21を有する
改質管14を内蔵している。
内管15と、これを囲む外囲管16と、この下部開口部
を閉鎖する底板17と、内管15と外囲管16との間に
底板17から離して介挿される外管18とから構成さ
れ、内管15と外管18との間の環状空間には改質触媒
19が充填されてなる触媒層20を内蔵して反応管21
が形成されている。なお、外管18と外囲管16との間
は改質原料ガスが流れる改質原料ガス通路22を形成し
ている。
部開口は炉容器10の上部に設けられた改質原料ガスマ
ニホールド23に連通し、改質原料ガスマニホールド2
3は改質原料ガスが流入する改質原料ガス入口24を備
えている。また内管15と外管18との上部開口は炉容
器10の上部に設けられた改質ガスマニホールド25に
連通し、改質ガスマニホールド25は改質ガスを外部に
送出する改質ガス出口26を備えている。
し、外囲管16と炉容器10との間は燃焼ガス通路28
を形成している。
燃料を燃焼させると燃焼ガスは矢印のように内管15の
内側面に沿って燃焼室27を下方に流れ、改質管14の
下端部で折返して外囲管16の外側面に沿って燃焼ガス
通路28を流れて反応管21を有する改質管24を加熱
した後、排ガス出口13から外部に排出される。
24から改質原料ガスマニホールド23を経て改質原料
ガス通路22を下方に流れ、その下端部で触媒層20に
流入する。そして改質原料ガスは燃焼ガスにより加熱さ
れた触媒層20を下方から上方に向かって流れ、触媒作
用の下に水素に富むガスに水蒸気改質されて改質ガスマ
ニホールド25を経て改質ガス出口26から燃料電池に
送出される。
にはつぎのようにして行われる。バーナ12からの所定
量の燃料を燃焼室27にて燃焼させる。この際生じた燃
焼ガスは燃焼室27から燃焼ガス通路28に流れる。こ
の燃焼ガスにより改質管14を加熱し、触媒層20を内
蔵する反応管21の温度を改質に適する温度である75
0℃まで昇温する。昇温終了後改質原料ガスを改質原料
ガス入口24から改質原料ガス通路22を経て反応管2
1の触媒層20に通流させて改質を開始する。
ト用燃料電池発電装置に使用される円筒式の燃料改質器
では単管式,二重管式のものと異なり、改質触媒の圧壊
という問題が生じる。以下この問題について説明する。
料改質器では頻繁に起動停止が繰返されるヒートサイク
ルの結果、反応管は膨脹収縮を繰返す。この際燃料改質
器の起動時にはバーナ12からの燃料が内管15の内側
からなる燃焼室27で燃焼し、この燃焼により生じた燃
焼ガスは燃焼室27から燃焼ガス通路28を流れて改質
管14を加熱するので、内管15の方が外管18や外囲
管16より高温になる。この結果、起動毎に内管15の
円周方向の熱膨脹が外管18のそれより大きいため、触
媒層空間の間隙は減少する。この間隙の減少により触媒
層20には圧縮力が加わり、改質触媒は圧壊する。図8
はこのような圧壊を起こす圧縮力を発生させる改質管1
4の内管15と外囲管16との温度差による間隙の減
少、すなわち変位量と改質触媒の壊れる割合を示す。
管14の内管15と外囲管16との変位量は、バーナ直
下で内管15と外囲管16との温度差が400℃に達す
る場合約1mmである。ここで、外管18の温度は外囲管
16の温度とほぼ同じなので、内管15と外管18との
間の触媒層空間の間隙も減少し、この減少により触媒層
20に圧縮力が加わり、この圧縮力により改質触媒は図
8により約15(wt%)圧壊することが理解される。
ion)センサを取付けて燃料改質器の冷機からの起動時
生じる改質触媒の割れを音響的に測定した結果を図9に
示す。図から改質触媒の割れは、燃料改質器の起動時間
の初期20分で全体の約80%が起こっていることが理
解される。
は粉化し、この結果、流体抵抗が増加し、燃料改質器の
運転ができなくなるという問題がある。
燃料改質器の起動時、反応管に充填された改質触媒の圧
壊を減少することのできる燃料改質器の起動方法を提供
することである。
に、本発明によれば内管と、これを囲む外管とを有し、
内管と外管との間に改質触媒が充填されてなる触媒層を
内蔵する反応管と、内管の内側の一方の端部に設けられ
るバーナとを備え、バーナからの燃料が内管の内側で燃
焼した熱媒体により反応管を加熱して触媒層を通流する
炭化水素系の原燃料を水素に富むガスに改質する燃料改
質器において、バーナによる燃焼量を燃焼開始から起動
時間経過に伴って順次増加して反応管の温度を改質に適
する温度まで昇温させるものとする。
階段状に順次増加させるものとする。
この内管と外管との間に改質触媒が充填された触媒層を
有する反応管を、内管の内側の一方の端部に設けられた
バーナからの燃料の燃焼による熱媒体により加熱して昇
温する際、バーナによる燃焼量を燃焼開始から起動時間
経過に伴って順次増加、この方法として階段状に順次増
加させることにより、内管と外管との温度差を小さくし
て円周方向の内管と外管との熱膨脹差を小さくする。こ
の結果内管と外管との間の間隙の減少の変位量を小さく
して、触媒層に加わる圧縮力を小さくして改質触媒の圧
壊を減少する。
説明する。図1は図7に示す燃料改質器の起動を、本発
明による起動方法と従来技術による起動方法により行な
ったときのバーナによる燃焼量と起動時間との関係を示
す図である。図1において本発明の起動方法による起動
時バーナ12による燃焼量は、従来のように起動時間中
燃焼量を一定Cにするのでなく、燃焼開始時は燃焼量を
従来の燃焼量より少なくし、起動時間の経過に伴って燃
焼量をA,B,C,Dのように階段状にして増加する。
に従って反応管を起動時昇温するときの反応管の内管ス
キン温度の昇温曲線図である。図において内管スキン温
度を改質に適する温度の750℃まで昇温する際、燃焼
量を階段状に増加させる本発明によるものは従来のもの
に比べて昇温速度は起動初期において小さく、起動後期
において大きくなっており、さらに前記改質に適する温
度に至る起動時間は本発明によるものは従来のものとほ
ぼ同じである。
囲管との温度は図3に示す昇温曲線となり、起動初期に
おける内管15と外囲管16との温度差△T1 は約30
0℃である。この温度差△T1 は図4に示す従来のバー
ナによる燃焼量を一定にして起動したときの内管15と
外囲管16との昇温曲線による起動初期における温度差
△T2 の約500℃に比べてかなり小さくなっている。
したがって触媒層20が内蔵される内管15と外管21
との温度差もこれに伴って従来のものより小さくなり、
この結果改質触媒の圧壊は減少する。
した場合、AEセンサにより音響的に改質触媒の割れを
調査した処、図9に示すように改質触媒の割れが従来の
起動方法に比べてかなり少ないことが理解される。
によれば円筒式の反応管を有する燃料改質器の起動時、
バーナによる燃焼量を燃焼開始から順次増加、この方法
として階段状に順次増加させることにより、バーナから
の燃料の燃焼による熱媒体により加熱される反応管の内
管と外管との温度差は小さくなり、これに伴って内管と
外管との円周方向の熱膨脹差は小さくなるので、反応管
内の触媒層にかかる圧縮力も小さくなり、このため起動
停止のヒートサイクルによる改質触媒の圧壊を減少さ
せ、粉化による流体抵抗の増大を防ぐことができ、運転
を不能にすることがなくなる。
採用したとき、及び従来の起動方法によるときの燃焼量
と起動時間との関係を示す図
スキン温度の昇温状態を示す昇温曲線図
用したときの反応管を有する改質管の内管と外囲管との
昇温状態を示す昇温曲線図
する改質管の内管と外囲管との昇温状態を示す昇温曲線
図
管と外囲管との温度差及びこれに対応する変位量と壊れ
る触媒の割合との関係を示す図
採用したときのAEセンサで計測した触媒の割れ回数と
起動時間との関係を示す図
Claims (2)
- 【請求項1】内管と、これを囲む外管とを有し、内管と
外管との間に改質触媒が充填されてなる触媒層を内蔵す
る反応管と、内管の内側の一方の端部に設けられるバー
ナとを備え、バーナからの燃料が内管の内側で燃焼した
熱媒体により反応管を加熱して触媒層を通流する炭化水
素系の原燃料を水素に富むガスに改質する燃料改質器に
おいて、バーナによる燃焼量を燃焼開始から起動時間経
過に伴って順次増加して反応管の温度を改質に適する温
度に昇温させることを特徴とする燃料改質器の起動方
法。 - 【請求項2】請求項1記載の燃料改質器の起動方法にお
いて、バーナによる燃焼量は燃焼開始から階段状に順次
増加させることを特徴とする燃料改質器の起動方法。
Priority Applications (1)
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JP28522791A Expired - Lifetime JP2938245B2 (ja) | 1991-10-31 | 1991-10-31 | 燃料改質器の起動方法 |
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JP4973080B2 (ja) * | 2006-09-13 | 2012-07-11 | 富士電機株式会社 | 改質器の起動方法 |
JP5433892B2 (ja) * | 2007-12-20 | 2014-03-05 | コスモ石油株式会社 | 定置型水素製造装置改質器の起動方法 |
-
1991
- 1991-10-31 JP JP28522791A patent/JP2938245B2/ja not_active Expired - Lifetime
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