JP3639341B2 - 燃料改質系反応器の反応容器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池発電プラントの燃料改質系に用いる脱硫器，ＣＯ変成器を対象とした反応器の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように燃料電池発電プラントでは、炭化水素系の天然ガス，ＬＰＧ，ナフサ，都市ガスなどを原燃料として、この原燃料を水素リッチなガスに改質した上で燃料電池の燃料極に供給して発電を行うようにしており、この燃料改質には一般に水蒸気改質法が採用されている。この場合に、硫黄分（例えば都市ガスでは付臭剤として有機硫黄化合物を添加している）を含む燃料の水蒸気改質法では、Ｎi 系の改質触媒を硫黄による被毒から守るための前処理として脱硫工程が必要である。また、水蒸気改質法により得られた改質ガスには高濃度（１２〜２０％）のＣＯが含まれており、特にリン酸型燃料電池のように電極に白金触媒を用いている場合には白金触媒をＣＯによる被毒から防ぐために、後処理として改質ガスのＣＯ濃度を所定の含有率以下に下げるＣＯ変成工程が必要となる。
【０００３】
図２はかかる水蒸気改質法に基づいた燃料改質装置の系統図であり、原燃料（例えば天然ガス）は脱硫器１，改質器２，ＣＯ変成器３を経て燃料電池の燃料極に供給される。ここで、脱硫器１の脱硫工程では、水添触媒（Ｃｏ−Ｍｏ，Ｎｉ−Ｍｏ系などの触媒）の下で原燃料に水素（改質ガスの一部をリサイクルさせる）を添加し、原燃料に含まれている硫黄分を硫化水素ガスに変えた後、脱硫触媒（ＺｎＯ）との反応により硫化亜鉛に変えて固定除去するようにしており、その反応温度は２００〜３００℃である。
【０００４】
前記の脱硫工程で硫黄分が除去された原燃料は、次に水蒸気を添加して次段の改質器２に送り込み、反応温度６００〜７００℃で改質触媒との反応により水素リッチな改質ガスに水蒸気改質される。さらに、改質器２から出た改質ガス中のＣＯ成分は次段の低温用のＣＯ変成器３のおいて、ＣＯ変成触媒により反応温度２００〜３００℃でＣ0₂にシフトされる。なお、このシフト反応は発熱反応である。
【０００５】
次に、前記した燃料改質系の反応器のうち、ＣＯ変成器３を例にその従来構造を図３に示す。図３（ａ）において、５は反応容器、６は改質ガスのガス入口管，７はガス出口管、８は触媒、９はシフト反応に伴う発熱分を除熱する冷却用熱交換器、１０は起動時に通電して触媒８を常温から所定の反応温度まで昇温させる電熱ヒータである。ここで、反応容器５は、円筒形外筒５ａの上下端面を鏡板５ｂで閉塞した縦置形の容器であり、触媒８は容器内の上下に配した仕切板５ｃ（金網ないしパンチングメタル）の間に充填されており、かつ触媒層を挟んで容器内の上部，および底部側には鏡板５ｂとの間に入口プレナム５ｄ，出口プレナム５ｅが画成されている。そして、ガス入口管６は反応容器５の上面中央に開口しており、一方のガス出口管７は据付け床面との干渉を避けるために出口プレナム５ｅに連通して外筒５ａの側壁面から側方に引出し配管されている。なお５ｆは反応容器５の据付用支脚である。
【０００６】
また、脱硫器１についても、前記したＣＯ変成器３とほぼ同様な構成（但し、脱硫器にはＣＯ変成器に装備した冷却用熱交換器が装備されてない）であり、触媒を充填した縦置形の反応容器に対してその上面中央，および底部側の側壁面に原燃料ガスのガス入口管，出口管が接続されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池発電プラント用の燃料改質系における脱硫器，ＣＯ変成器の反応器について、図３（ａ）に示した構成のように被処理ガス（原燃料，ないし改質ガス）のガス入口管６を反応容器５の上面中央に、ガス出口管７を下部側面の周上に配置した従来構成では次記のような問題点がある。
【０００８】
すなわち、図３（ａ）に示す構成の反応器に対して、ガス入口管６を通じて被処理ガスを送り込むと、容器内部では図３（ｂ）の矢印で表すようにガス流が外筒の側壁面に開口するガス出口管７に向けて片寄った偏流となる。特にガス出口管７と反対側の領域にはガスが殆ど流れない死角が生じる。このために、触媒による被処理ガスの反応効率が低下して燃料の改質性能にも悪影響を及ぼす。また、被処理ガスの偏流により触媒層の温度分布が不均一となり、これが基で触媒層の一部が許容温度以上に昇温して早期に劣化したりする。
【０００９】
さらに加えて、オンサイト用の燃料電池発電プラントでは、プラント設備のコンパクト化，および保守，点検の簡便化を図るためにプラントを構成する各種機器をパッケージ内に近接して集合配置し、かつ熱交換器などを含めた配管系を構成機器の上方に集中して配管するようにしていることから、図３の従来構造では、特にガス出口管については構成機器の相互間に配管の立ち上がり要する余分な配管スペースを確保する必要があるほか、さらにその配管部分に断熱施工を施さなければならないなどの問題点もある。
【００１０】
本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、燃料電池発電プラントに用いる燃料改質系の脱硫器，ＣＯ変成器などを実施対象に、前記課題を解決して反応効率の向上，並びにプラントのコンパクト化，配管施工の簡便化が図れるように改良した反応器の構成を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明によれば、脱硫器又はＣＯ変成器を構成する反応容器の被処理ガス入口，および出口をそれぞれ容器の横断面中央に開口して配置することとする。
さらには、前記反応容器を上面鏡板と充填触媒層との間に入口プレナム，底面鏡板と前記充填触媒層との間に出口プレナムを画成した縦置形容器とし、かつ被処理ガスのガス入口管が前記上面鏡板の中央部から前記入口プレナムに開口するとともに、ガス出口管が前記上面鏡板および前記充填触媒層の中を貫通して前記出口プレナム内の中央に開口することとする。
【００１２】
【作用】
上記の構成によれば、被処理ガスのガス入口管，および出口管がそれぞれ反応容器の上部，底部側に画成した入口プレナム，出口プレナムの中央に配置されており、したがってガス入口管を通じて反応容器の入口プレナムに送り込んだ被処理ガスは、入口プレナムから反応容器内の横断面全域に均等分布して触媒層内を通流し、さらに底部側の出口プレナムに抜けた後、その中央部に開口して容器の上面側より外部へ引出したガス出口管を経由して流出する。
【００１３】
したがって、触媒層内を通流する被処理ガスのガス流には図３（ｂ）に示したような偏流，死角の発生がなく、これにより触媒との接触反応による被処理ガスの反応効率が向上するととも、触媒層の不均一な温度分布も解消して触媒の早期劣化が防げる。
さらに、ガス出口管は反応容器の内部を通して容器の上面側から外部に引出し配管したので、反応容器の周囲に配管の立ち上がりに要する余分な配管スペースを確保する必要がなく、かつガス出口側の配管に対して少なくとも容器内部の配管部分については断熱施工が不要となるなど、スペース効率，配管作業の施工面でも有利となる。
【００１４】
【実施例】
以下、燃料改質系のＣＯ変成器を例に、本発明の実施例による反応器の構成を図１に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図３に対応する同一部材には同じ符号が付してある。
すなわち、図１（ａ）において、反応容器５の基本構造は図３と同様であるが、被処理ガスのガス入口管６についてはエルボ管を採用し、入口プレナム５ａに向けて開口するように容器上面側の鏡板５ｂの中央から膨出するポケット部に接合している。一方、ガス出口管７には真っ直ぐな長尺管を採用し、その下端を容器内の底部側に画成した出口プレナム５ｅの中央に開口し、かつ容器内に充填した触媒８の中，および容器上面側の鏡板５ｂを貫通して反応容器５の上面側へ引き出すようガス入口と同心配置して容器内の中心に縦向き配管されている。
【００１５】
上記の構成により、ガス入口管６を通じて反応容器内に送り込んだ被処理ガスは、図１（ｂ）の矢印で表すように容器内の横断面全域に均等分散し、触媒層の中を通流して接触反応した後、出口プレナム５ｅから容器内の中央に配管したガス出口管７を通じて上方に流出する。
また、ガス入口管６，ガス出口管７はいずれもそのフランジ取合面が上方に向いて反応容器５の上面側に引出されているので、反応容器５の上方に布設した燃料改質系のガス配管と簡単にフランジ結合して連結することができる。
【００１６】
なお、図示実施例にはＣＯ変成器を示したが、脱硫器のガス入口，出口管についても同様な配管構造を採用して実施するものとする。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の構成によれば、次記の効果を奏する。
１）反応容器の被処理ガス入口，および出口をそれぞれ容器の横断面中央に開口配置させたことにより、容器内に送り込んだ被処理ガスの偏流が無くなるので、触媒による被処理ガスの反応効率が向上するほか、触媒層の不均一な温度分布も解消して触媒の過度な温度上昇による早期劣化が防げる。
【００１８】
２）また、ガス出口管について、上面側鏡板，および充填触媒層の中を貫通して出口プレナム内の中央に開口するよう反応容器の内方に配管したことにより、反応容器の外周側に配管の立ち上がりに要する余分な配管スペースを確保する必要がなく、かつガス出口側の配管に対して少なくとも容器内部の配管部分については断熱施工が不要となるなど、スペース効率，配管作業の施工面でも有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料改質系のＣＯ変成器を対象とした本発明の実施例を表す図であり、（ａ）は反応器の構成を示す縦断面図、（ｂ）は反応容器内における被処理ガスのガス流分布図
【図２】燃料電池発電プラントにおける燃料改質系の系統図
【図３】燃料改質系のＣＯ変成器を対象とした従来における反応器の構成図であり、（ａ）は反応器の縦断面図、（ｂ）は反応容器内における被処理ガスのガス流分布図
【符号の説明】
１ 脱硫器
３ ＣＯ変成器
４ 燃料電池
５ 反応容器
５ａ 外筒
５ｂ 鏡板
５ｄ 入口プレナム
５ｅ 出口プレナム
６ ガス入口管
７ ガス出口管
８ 触媒

Claims (2)

1. 燃料電池発電プラントの燃料改質系に用いられ、内部に充填された触媒に被処理ガスを通流させて反応処理する脱硫器又はＣＯ変成器を構成する反応容器において、前記反応容器の被処理ガス入口，および出口をそれぞれ容器の横断面中央に開口して配置したことを特徴とする燃料改質系反応器の反応容器。
2. 前記反応容器が上面鏡板と充填触媒層との間に入口プレナム，底面鏡板と前記充填触媒層との間に出口プレナムを画成した縦置形容器であり、かつ被処理ガスのガス入口管が前記上面鏡板の中央部から前記入口プレナムに開口するとともに、ガス出口管が前記上面鏡板および前記充填触媒層の中を貫通して前記出口プレナム内の中央に開口することを特徴とする請求項１記載の燃料改質系反応器の反応容器。

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