JP4319490B2

JP4319490B2 - 液体炭化水素燃料改質装置

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Publication number: JP4319490B2
Application number: JP2003285610A
Authority: JP
Inventors: 義司時田
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-08-04
Also published as: JP2005053733A

Description

本発明は、液体炭化水素燃料を水素リッチな改質ガスに水蒸気改質する改質装置に関するものである。

従来より、この種の炭化水素燃料を水素リッチな改質ガスに水蒸気改質する改質装置においては、改質触媒が充填された反応室の上流側に気化部を形成し、反応室を加熱するバーナの燃焼ガスの熱によって気化部も加熱し、この気化部に原燃料と共に水を供給し、水を蒸発させて水蒸気改質反応に必要な水蒸気を発生させるようにしたものがあった。

この従来のものは、反応室は筒形状で胴部に改質触媒が充填され、筒の上部に気化部が形成されており、筒形状の反応室の下方に設けられたバーナで発生した燃焼ガスは、筒形状の反応室の内周、外周に沿うように流れて排出されるもので、燃焼ガスが先ず気化部付近を流通し最初に気化部を加熱し、その後に反応室の改質触媒の上流側から下流側へと順に加熱するように流れるものであった。
特開２００１−１０８０４号公報（図１）

ところが、この従来の改質装置は、原燃料の上流側を加熱する燃焼ガスの温度が最も高くなっているため、燃料組成中の炭素数の多い液体炭化水素燃料を原燃料として使用した場合、比較的低温の状態から急激に高温雰囲気中に液体炭化水素燃料を供給することになり、液体炭化水素燃料が熱分解を起こして炭素析出し、気化部および改質触媒の表面をコーキングしてしまうという問題があった。

そこで、本発明は上記課題を解決するため、請求項１では、バーナが設けられた燃焼室と、液体炭化水素燃料を水素リッチな改質ガスに水蒸気改質する改質触媒が充填された反応室とを備え、前記反応室内の改質触媒の上流側に燃料と水とを前記バーナからの燃焼ガスの熱により気化する気化部を形成し、前記反応室の下流側を燃焼ガスの流れ方向上流側に、かつ前記気化部を前記燃焼室の燃焼ガスの流れ方向下流側になるように、前記反応室を前記燃焼室内に配置し、前記反応室で改質された改質ガスを外部に取り出す取出し管を、前記反応室の下流側から上流側へ向け前記反応室内および前記気化部内を貫通して設け、前記反応室の気化部に液体炭化水素燃料を供給する燃料供給口と水を供給する水供給口とを配置し、前記燃料供給口よりも前記水供給口を前記気化部内の上流側に配置し、前記燃料供給口と水供給口とを二重管で構成し、この二重管の内管を外管よりも突出させると共に、内管から燃料を、外管から水を供給するようにしたものである。

本発明の請求項１によれば、燃焼ガスは改質触媒が充填された反応室の下流側から上流側へと加熱した後に気化部を加熱するため、燃料および改質反応途中の改質ガスが下流側へと流れるに伴って気化部および反応室中の改質触媒の温度が上昇し、液体炭化水素燃料が気化および改質反応の進行に伴って徐々に温度上昇するので、液体炭化水素燃料が熱分解を起こして炭素析出することがなくなり、気化部および改質触媒の表面がコーキングされることなく良好な改質反応を行うことができる。さらに、水蒸気改質された高温の改質ガスは、取出し管内を温度の高い反応室の下流側から温度の低い反応室の上流側へと流れながら反応室内および充填物に放熱し、放熱された熱は改質反応および水と液体炭化水素燃料の気化に有効に利用されると共に、改質ガスの出口温度が低下して次工程に適した温度付近まで温度低下させることができる。

また、反応室上流側の気化部に水を先に供給して水蒸気とし、水蒸気の存在下に燃料を供給することで燃料を炭素析出させることなく燃料単独で気化するよりも低い温度で確実に気化することができるものである。

また、反応室上流側の気化部に二重管の外管から先に水を供給して水蒸気とし、二重管の内管から燃料を供給するので、反応室への水および燃料の供給管の接続構造をシンプルにすることができると共に、水蒸気の確実かつ均一な存在下に燃料を供給することができるので、燃料を炭素析出させることなく燃料単独で気化するよりも低い温度で確実に気化することができるものである。

次に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明の改質装置を用いた燃料電池発電システムのシステム系統図を示す。１は原燃料である液体炭化水素燃料（例えば灯油）から改質触媒の毒となる硫黄成分を取り除く脱硫器、２は脱硫器１で脱硫された液体炭化水素燃料と水とが導入されて水素リッチな改質ガスが生成される本発明の改質装置、３はこの改質装置２を改質触媒を改質反応に適する温度（ここでは５００℃〜８００℃程度）まで加熱する加熱手段としてのバーナ、４は改質装置２で生成された改質ガスに含まれるＣＯをＣＯ_２とＨ_２に変換するシフト反応器、５はシフト反応器４で除去しきれなかったＣＯをＣＯ_２に変換して除去するＣＯ除去器、６は最終的に生成された水素リッチガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池本体である。

前記燃料電池本体６は、プロトン伝導性の固体高分子膜６ａを介して燃料極６ｂと空気極６ｃが両面に配置された構造で、水素リッチガスが燃料極６ｂに供給されて水素がプロトンと電子に分解される一方、空気が空気極６ｃに供給されて酸素と固体高分子膜６ａ中を通過してきたプロトンと外部回路を流れてきた燃料極６ｂからの電子が反応して水を生成されることで水素リッチガスと空気から発電するものである。

水素リッチガスは前記燃料極６ｂで水素が発電に供されるが、燃料極６ｂを通過して水素が一部残留したオフガスは改質装置２を加熱するバーナ３に燃料として供給されるものである。

図２は本発明の改質装置を示すものである。７はバーナ３で発生した燃焼ガスが流通する燃焼室で、底部にバーナ３を備え、上部に排気口８が設けられていると共に、断熱材料で形成されている。

９は液体炭化水素燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質触媒１０が充填された反応室で、有底筒状で燃焼室７内に垂下して設けられており、バーナ３で発生した燃焼ガスが反応室９の周囲を流れることにより燃焼ガスの熱を改質触媒１０と反応室９内のガスが受熱し、改質触媒１０の最下流部位が改質後の改質ガス中の水素組成量を多くするのに適した高い温度（ここでは約７００〜８００℃）まで加熱されるものである。

前記反応室９の改質触媒１０が充填されている部位よりも上流側には、液体炭化水素燃料と水を燃焼ガスの熱により気化する気化部１１が反応室９内に一体に形成されている。そして、燃焼室７の上流側で改質触媒１０を加熱して少し温度低下した燃焼ガスが、この気化部１１の周囲を流れることにより、気化部１１が受熱して水および液体炭化水素燃料を気化するのに適した温度まで加熱されるものである。この気化部１１には充填子としてのセラミックボール１２が充填され、蓄熱して水と液体炭化水素燃料の気化を促進すると共に、水蒸気と気化した液体炭化水素燃料の混合を促進するものである。

前記気化部１１内には、液体炭化水素燃料を供給する燃料供給口１３と水を供給する水供給口１４が配置されているもので、水供給口１４よりも燃料供給口１３が下流側に配置され、水を先に供給して水蒸気とし、水蒸気の存在下に燃料を供給することで燃料を炭素析出させることなく、燃料単独で気化するよりも低い温度で確実に気化することができるものである。

ここで、前記燃料供給口１３および水供給口１４は内管１５の開放端が外管１６の開放端よりも突出した二重管１７によって構成され、その内管１５から燃料を、外管１６から水を供給するようにし、二重管１７の外管１６からその下流の内管１５開放端の周囲に均一に水が供給されて気化し、周囲に水蒸気が均一に存在する状態下に内管１５から燃料が供給されるので、燃料と水蒸気とが均一に混ざり、燃料単独で気化するよりも低い温度で確実に気化することができると共に、反応室９へ水および燃料を供給する管を接続する構造をシンプルにすることができるものである。

そして、反応室９に一体化して設けられた気化部１１で気化した燃料と水蒸気が反応室９内の改質触媒１０が充填された領域にシームレスに流れるので、気化した燃料と水蒸気が気化部１１から改質触媒１０に流れる間に冷却されることがなく、熱ロスがなく高効率であり、気化部１１と反応室９とが一体化されているため構造がシンプルとなり、コンパクト化、低コスト化が可能となるものである。

また、バーナ３で発生した燃焼ガスは改質触媒１０が充填された反応室９を加熱した後に気化部１１を加熱するため、温度の高い上流側の燃焼ガスで改質触媒１０の最下流部位が改質後の改質ガス中の水素組成量を多くするのに適した高い温度（ここでは約７００〜８００℃）に加熱され、少し温度低下した燃焼ガスにより改質触媒１０の上流側部位が燃料を良好に改質可能な温度（ここでは約５００℃）に加熱され、そしてさらに温度の低下した下流側の燃焼ガスで気化部１１が比較的低い温度である燃料および水を気化するのに適した温度（ここでは約２００〜４００℃）に加熱されることとなる。

そして、燃料および改質反応途中の改質ガスが下流側へと流れるに伴って気化部１１および反応室９中の改質触媒１０の温度が徐々に高温となっていくので、液体炭化水素燃料が急激に温度上昇されるようなことがなく、燃料の気化および改質反応の進行に伴って徐々に温度上昇するので、液体炭化水素燃料が熱分解を起こして炭素析出するようなことがなくなり、気化部１１および改質触媒１０の表面がコーキングされることがなく長期に渡り継続して良好な改質反応を行うことができる。

また、燃焼ガスの流れと気化および改質反応の流れを対向するようにしているので、気化部１１および改質触媒１０の良好な温度分布の維持が容易となり、排気する燃焼ガスの温度をムダにせず燃焼ガスの熱利用効率を高くすることができる。

また、前記反応室９には、反応室９の下流側から上流側へ向けて改質触媒１０により改質された改質ガスを取り出す取出し管１８が設けられている。この取出し管１８は反応室９内にストローのように設けられており、反応室９の上部から底部に向けて流れて改質された改質ガスは、反応室９の底部から反応室９内の流れ方向に逆流するように反応室９の上方に向けて取出し管１８を流れ反応室９外へと流出される。

このとき、改質後の改質ガス中の水素組成量を多くするのに適した高い温度（ここでは約７００℃）に加熱された改質触媒１０の最下流部位から改質ガスを取り出すことができるので、改質ガス中の水素組成量を多くすることができると共に、反応室９底部付近の水蒸気改質された高温の改質ガスは、温度の高い反応室９の底部から取出し管１８内を流れて比較的温度の低い反応室９上部の気化部１１へ放熱し、放熱された熱は改質反応および水と液体炭化水素燃料の気化に有効利用され、さらに、改質ガスの出口温度が低下して次工程に適した温度付近まで温度低下するものである。

また、気化部１１内の取出し管１８と二重管１７の先端とを離間させて設けているため、二重管１７から供給された燃料および水がセラミックボール１３と取出し管１８との隙間をぬって取出し管１８に沿ってすぐに流れ出てしまうことを防止し、確実に気化、混合して改質反応を行わせることができる。

このように、反応室９の内部に取出し管１８を設けることで、改質ガス中の水素組成量を多くすることができると共に、反応室９の底部の形状がシンプルとなり、熱制御が容易となり、改質ガスの余剰な熱を気化部１１の加熱源として有効に用い、改質ガスそのものの出口温度も下げることができる。

次に、図３は本発明の別の実施形態で、燃焼室７内に複数の反応室９を並列に設けたものである。このように、燃焼室７内に複数の反応室９を燃料および水のラインに対し並列に配置するだけの簡単な構成にて改質装置の改質処理能力を増大でき、しかも反応室９を共通化できるのでコストダウン可能なものである。

以上のように本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で変形したものも含むものであり、燃料電池発電システム以外の用途でもよい。

本発明の液体炭化水素燃料改質装置を用いた燃料電池発電システムのシステム系統図。本発明の一実施形態を説明する断面図。本発明の他の一実施形態を説明する断面図。

符号の説明

２改質装置
３バーナ
７燃焼室
８排気口
９反応室
１０改質触媒
１１気化部
１３燃料供給口
１４水供給口
１５内管
１６外管
１７二重管
１８取出し管

Claims

バーナが設けられた燃焼室と、液体炭化水素燃料を水素リッチな改質ガスに水蒸気改質する改質触媒が充填された反応室とを備え、前記反応室内の改質触媒の上流側に燃料と水とを前記バーナからの燃焼ガスの熱により気化する気化部を形成し、前記反応室の下流側を燃焼ガスの流れ方向上流側に、かつ前記気化部を前記燃焼室の燃焼ガスの流れ方向下流側になるように、前記反応室を前記燃焼室内に配置し、前記反応室で改質された改質ガスを外部に取り出す取出し管を、前記反応室の下流側から上流側へ向け前記反応室内および前記気化部内を貫通して設け、前記反応室の気化部に液体炭化水素燃料を供給する燃料供給口と水を供給する水供給口とを配置し、前記燃料供給口よりも前記水供給口を前記気化部内の上流側に配置し、前記燃料供給口と水供給口とを二重管で構成し、この二重管の内管を外管よりも突出させると共に、内管から燃料を、外管から水を供給するようにしたことを特徴とする液体炭化水素燃料改質装置。