JP4458890B2

JP4458890B2 - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP4458890B2
Application number: JP2004084593A
Authority: JP
Inventors: 義司時田; 勝巳諸我; 智宏飯原; 小百合大平
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2005272168A

Description

本発明は、炭化水素燃料を水蒸気改質する燃料改質装置に関する。

近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出が削減できることや、エネルギー変換効率も高いこと等から、定置式燃料電池や自動車用燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、高純度の水素（Ｈ₂）と空気中の酸素（Ｏ₂）とを電気化学的に反応させて発電を行うもので、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Electrolyte Fuel Cell）や固体高分子燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell）等、種々の形式が研究開発されている。

燃料電池に用いられる水素は、現状では水素供給インフラが整備されていないことから、都市ガスやＬＰガス、灯油等の炭化水素系燃料(原燃料)に種々の処理を施すことにより製造されている。炭化水素系燃料から水素を製造する場合、先ず脱硫プロセス（吸着脱硫や水素化脱硫）で炭化水素系燃料中の硫黄分を除去した後、改質プロセス（水蒸気改質や部分酸化改質等）で改質ガス（水素リッチガス）を取り出し、ＣＯシフトプロセス（高温シフト触媒や低温シフト触媒）で改質ガス中のＣＯ（一酸化炭素）を水素に変換させ、ＣＯ選択酸化触媒と酸素とを用いた選択酸化プロセスで改質ガス中の微量ＣＯを除去している。

炭化水素系燃料の改質プロセスとしては、炭化水素系燃料と水蒸気とを高温・触媒存在下で反応させる水蒸気改質が一般に採用されている。水蒸気改質に用いられる燃料改質装置としては、例えば、内管と外管との間に改質触媒が充填された二重管式の改質エレメントを用いるもの（特許文献１参照）が知られている。この燃料改質装置では、筒状の燃料改質装置ハウジング内に開放端（供給口および排出口）が上を向くかたちで改質エレメントを多数本配設するとともに、燃料改質装置ハウジングの下部に改質エレメントに望む加熱用のバーナを設けている。そして、改質エレメントの外管側から炭化水素系燃料と水蒸気とを混合してなる水蒸気混合燃料を供給し、バーナにより改質エレメントの閉鎖端（下端）を所定の温度（例えば、７５０℃〜８００℃程度）に加熱することにより、改質触媒下で水蒸気混合燃料中の炭化水素系燃料と水蒸気とを接触反応させ、改質エレメントの内管側から改質ガスを得る。水蒸気混合燃料は、バーナの燃焼ガスを熱源とする外部の水予熱器により水を予熱した後、これもバーナの燃焼ガスを熱源とする外部の加熱器により炭化水素系燃料と予熱された水とを加熱・気化させて得ている。

また、他の燃料改質装置としては、内筒と外筒とに改質触媒が充填された二重環状断面形状の改質エレメントを用いるもの（特許文献２参照）が開示されている。この燃料改質装置では、改質エレメントの中空部に加熱用のバーナの燃焼筒を設置するとともに、燃焼筒の直上部から内筒の内周面を経由して外筒の外周面に燃焼ガスを導く燃焼ガス通路と、内筒と外筒との間での熱交換に供される蒸発器および熱回収器を備えている。そして、改質エレメントの外筒側から炭化水素系燃料および水を供給し、バーナの燃焼ガスを燃焼ガス通路に導入することにより、改質触媒下で炭化水素系燃料と水蒸気とを接触反応させ、改質エレメントの内筒側から改質ガスを得る。この際、外筒側から供給された水は、蒸発器を介して高温の改質ガスと熱交換を行うことで、水蒸気となって炭化水素系燃料とともに改質触媒に導入される。
特開２００３−３２１２０４号公報（段落０００４，０００５、図２）特開２００３−４０６０５号公報（段落００３３〜００４４、図２）

燃料改質装置では、燃料の改質反応を行う際に多量の熱を必要とすることから、改質エレメントをバーナにより常に加熱する構造が採られている。しかしながら、従来の燃料改質装置では、排気ガスや輻射熱のかたちで外部に放出される熱量（熱損失）が多いため、運転（改質）を滞りなく行うために多量の熱（すなわち、バーナへの燃料）を供給しなければならず、発電効率が低くなることが避けられなかった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、熱損失を極めて少なくすることができるようにした燃料改質装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決すべく、請求項１の燃料改質装置は、炭化水素系の原燃料から水素を取り出す水蒸気改質プロセスに供される燃料改質装置であって、第１側に改質部を有すると共に当該第１側と反対側である第２側に加熱用のバーナ部を有する改質装置本体と、前記改質部の外側に当該改質部を囲むかたちで設置され、その内部に前記バーナ部からの燃焼ガスが流通する炉筒とを備え、前記改質装置本体が前記炉筒の外側に当該炉筒を囲むかたちで設置され、前記炉筒と前記改質装置本体との間に前記バーナ部に供給する燃焼用空気の導入路が形成され、前記燃料改質装置が原燃料として液体の炭化水素燃料を用い、前記バーナ部がバーナ用燃料の気化に供される気化手段を備え、前記気化手段が、前記導入路から導入された燃焼用空気の流路に設置され当該燃焼用空気に触れて加熱されることにより、当該気化手段内に供給された前記バーナ用燃料の気化に供されることを特徴とする。

請求項１の燃料改質装置では、２次空気供給手段により改質装置本体の第１側に供給された２次空気は、改質装置本体と炉筒との間の導入路を通過する間に炉筒の熱を受けて加熱された後、２次空気導入孔から燃焼筒内に導入される。
また、気化手段が燃焼用空気に加熱されて高温となることにより、気化手段内に供給されたバーナ用燃料の気化が促進される。

また、請求項２の燃料改質装置は、請求項１に記載の燃料改質装置において、前記炉筒の外周あるいは内周に断熱材が設けられていることを特徴とする。
請求項２の燃料改質装置では、炉筒の熱が断熱材に遮られて外部に放出され難くなり、改質部の加熱がより効果的に行われるようになる。

本発明に係る燃料改質装置によれば、燃料改質装置から放出される熱を燃焼用空気により回収するために熱損失が極めて少なくなり、入力熱量（バーナでの燃焼量）を削減することが可能となって全体的な発電効率が向上する。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は実施形態に係る燃料改質装置を示す縦断面図であり、図２は図１中のＡ部拡大図であり、図３は図１中Ｂ部拡大図である。

≪燃料改質装置の構成≫
図１に示すように、燃料改質装置１は、装置外殻をなす円筒形状のハウジング（改質装置本体）１０を始め、ハウジング１０の内部に配置された円筒形状の炉筒２０、炉筒２０の内部に配置された円環断面形状の改質筒３０、改質筒３０の内部に配置された有底円筒形状の蒸発筒４０、改質筒３０および蒸発筒４０の上部（第１側）に配置された円筒形状の混合筒５０、炉筒２０の下部（第２側）に配置された円筒形状のバーナ部６０、改質筒３０と蒸発筒４０と混合筒５０とを連結する連結ブロック７０を主要な構造部材としている。尚、これらの構造部材は、ステンレス鋼の筒材や、板材、ブロック材を加工したものであり、主として溶接接合によって組み立てられている。

ハウジング１０は、その上端が混合筒支持板１１を介して上部鏡板１２に締結され、その下端が連結リング１３を介してバーナ部６０に接合されている。ハウジング１０の上部には、外部のエア供給源から２次空気を導入するためのエア配管８１が接続するとともに、バーナ部６０の内部から燃焼排ガスを排出するための排気孔１４が後記の炉筒２０等も貫通するかたちで開口している。また、ハウジング１０の下部には、バーナ部６０での燃焼状態を観察するための覗き孔１５が後記の炉筒２０等も貫通するかたちで設けられるとともに、耐熱ガラスを用いた覗き窓１６が覗き孔１５を塞ぐかたちで取り付けられている。そして、ハウジング１０と炉筒２０との間の円環状の空間は、燃焼用空気である２次空気を導入するための導入路１７となっている。

炉筒２０は、その上端が接続リング２１を介してハウジング１０に接合され、その下端が接続リング２２を介してバーナ部６０の上端に接合されている。炉筒２０の内面には、前記の排気孔１４および覗き孔１５を除き、グラスウール、セラミックウール、ロックウール等を素材とする断熱材２３が接着剤やリベット、あるいはビス等により炉筒２０に密着させて設けられている。

改質筒３０は、外筒３１と内筒３２とを底板３３を介して接合することにより製作されており、外筒３１および内筒３２の上端が連結ブロック７０に接合されている。改質筒３０内には、その下方３／４に改質触媒３４が充填され、上方１／４に小径のセラミックスボール３５が充填されている。改質筒３０は、その底部がバーナ部６０の直上部に位置している。

蒸発筒４０は、上部が混合筒５０内に突き出た状態で、連結ブロック７０に接合されている。蒸発筒４０にはセラミックスボール３５が充填されている。蒸発筒４０は、その底部が上下方向で改質筒３０の略中央部に位置している。

混合筒５０は、その上端が混合筒支持板１１に接合され、下端が連結ブロック７０に接合されている。混合筒５０は、その内部にセラミックスボール３５が充填されるとともに、その外周面が改質筒３０や蒸発筒４０を加熱した燃焼ガスに接する。

バーナ部６０は、前記のように、連結リング１３を介してハウジング１０に接合される一方、接続リング２２を介して炉筒２０に接合されている。バーナ部６０は、図３に示すように、その内部で燃料である灯油を気化する気化手段である有底筒状の気化筒６０ａと、この気化筒６０ａの上端に設けられたバーナヘッド６０ｂと、気化筒６０ａの底部外周に設けられた気化ヒータ６０ｃとを有しており、燃料である灯油が気化ヒータ６０ｃの熱により気化筒６０ａ内で気化可能な温度まで加熱される。また、気化筒６０ａには、燃料である灯油を供給するバーナ燃料供給管６０ｄと、１次空気を供給するエア供給管６０ｅとが接続されている。そして、バーナ燃料供給管６０ｄから供給された灯油は、気化筒６０ａ内で加熱されて気化した後、供給するエア供給管６０ｅから供給された１次空気と混合され、バーナヘッド６０ｂから燃焼空間に噴出して燃焼する。また、バーナ部６０には、ハウジング１０内に開口する複数の２次空気導入孔６４が穿設されており、前記のエア配管８１から供給された２次空気がバーナ部６０の下部からバーナヘッド６０ｂの周囲に導入される。バーナヘッド６０ｂには、灯油と１次空気との混合ガスに点火する点火電極６０ｆが取り付けられている。

図４（斜視図）や図５（縦断面図）に示すように、連結ブロック７０は、下端にフランジ７１を備えた短円筒形状を呈しており、上端の軸心に穿設されて蒸発筒４０が内嵌する保持孔７２と、保持孔７２の下部に形成された円筒状空間である中空部７３とを有している。図６（図５中のＣ−Ｃ断面図）に示すように、連結ブロック７０には、中空部７３から１２０°の角度間隔で放射状に穿設されて外周面に開口する３つの燃焼ガス流通孔７４と、燃焼ガス流通孔７４を避けるかたちで１２０°の角度間隔で設けられた上下方向に貫通するそら豆断面形状の３つの連通孔７５とが形成されている。

図２に示すように、上部鏡板１２の中心には、原燃料としての灯油を供給する燃料配管８２と、水蒸気源としての水（純水）を供給する水配管８３とが接続するジョイント８５がパイプコネクタ８６を介して取り付けられている。パイプコネクタ８６は、蒸発筒４０の上部に開口する比較的大径の燃料供給管８７と、燃料供給管８７と同軸で蒸発筒４０の下端部に開口する比較的小径の水導入管８８とを備えており、燃料配管８２からの灯油が燃料供給管８７を経由して蒸発筒４０の上部に供給され、水配管８３からの水が水導入管８８を経由して蒸発筒４０の下端部に供給される。

また、上部鏡板１２には、燃料改質装置１で生成された改質ガスをシフト反応器に搬送する２本（図１，図２には１本のみ示す）の改質ガス配管８９がそれぞれパイプコネクタ９０を介して取り付けられている。パイプコネクタ９０は、混合筒５０および改質筒３０内に配管されて改質筒３０の下端部に開口する改質ガス導出管９１を備えており、改質筒３０内で生成された改質ガスがこの改質ガス導出管９１を介して改質ガス配管８９に流入する。図６に示すように、改質ガス導出管９１は、連結ブロック７０の２つの連通孔７５を貫通している。

図３に示すように、下部鏡板６３には、バーナ用燃料としての灯油を供給する燃料配管９２がコネクタ９３を介して取り付けられ、１次空気を供給するエア配管９４がコネクタ９５を介して取り付けられている。コネクタ９３はバーナ部６０のバーナ燃料供給管６０ｄに接続されており、燃料配管９２からの灯油がバーナ燃料供給管６０ｄを経由して気化筒６０ａに供給される。また、コネクタ９５は、バーナ部６０のエア供給管６０ｅに接続されており、エア配管９４からの１次空気がエア供給管６０ｅを経由して気化筒６０ａに供給される。

≪燃料改質装置の作動≫
以下、燃料改質装置１の作動（運転形態）を説明する。本実施形態の場合、燃料改質装置１は、各部に設置された温度センサの検出結果等に基づき、図示しない制御装置により運転制御される。

＜バーナの燃焼＞
燃料改質装置１の運転が開始されると先ず、バーナ部６０の気化筒６０ａには、図示しない燃焼用灯油供給源からの灯油が燃料配管９２およびバーナ燃料供給管６０ｄを介して供給される一方、図示しない１次空気供給源からの１次空気がエア配管９４およびエア供給管６０ｅを介して供給される。気化筒６０ａに供給された灯油は、気化筒６０ａ内で気化して１次空気と混合した後、バーナヘッド６０ｂから燃料過剰な混合気として炉筒２０下部の燃焼空間に噴出する。混合気は、点火電極６０ｆにより点火され、炉筒２０内で部分的な燃焼を開始する。

炉筒２０内での１次燃焼が開始されると、エア供給源からの２次空気がエア配管８１を介してハウジング１０内に供給され、この２次空気が導入路１７および２次空気導入孔６４を介してバーナ部６０内に導入される。導入された２次空気は、運転開始時（冷機時）において気化ヒータ６０ｃにより所定の温度（例えば、２２０℃）に加熱された後に燃料過剰火炎と接触する。これにより、炉筒２０内では広範な２次燃焼（完全燃焼）が開始され、その燃焼ガスが改質筒３０や蒸発筒４０、混合筒５０の周囲を流れてこれらの温度を急上昇させる。

改質筒３０の外側に流れた燃焼ガスは、改質筒３０の外筒３１を加熱した後に炉筒２０の上部に流れ、燃焼排ガスとして排気孔１４から排出される。また、改質筒３０の内側に流入した燃焼ガスは、改質筒３０の内筒３２と蒸発筒４０とを加熱した後、連結ブロック７０に形成された燃焼ガス流通孔７４から炉筒２０の上部に流入し、燃焼排ガスとして排気孔１４から排出される。この際、炉筒２０の内面に断熱材２３が貼着されているため、炉筒２０の熱が断熱材２３に遮られて外部に放出され難くなり、改質筒３０の加熱がより効果的に行われる。

＜水蒸気の生成＞
炉筒２０内での２次燃焼が安定すると、図７に示すように、水配管８３からの水が水導入管８８を経由して蒸発筒４０の下端部に供給される。本実施形態の場合、炉筒２０内で２次燃焼が進行している状態では、蒸発筒４０の下端部の温度が約１５０℃程度となる。そのため、供給された水は、蒸発筒４０内に充填されたセラミックスボール３５の伝熱効果も相俟って瞬間的に蒸発して高温の水蒸気となり、混合筒５０に向けて蒸発筒４０内を上昇する。

＜水蒸気混合燃料の生成＞
一方、水配管８３から蒸発筒４０への水の供給と同時に、図８に示すように、燃料配管８２からの灯油が燃料供給管８７を経由して蒸発筒４０の上部に供給される。本実施形態の場合、炉筒２０内で２次燃焼が進行している状態では、蒸発筒４０の上部の温度が約２００℃程度となる。そのため、供給された灯油は、蒸発筒４０内に充填されたセラミックスボール３５の伝熱効果の他、蒸発筒４０の下端部から上昇してきた高温の水蒸気と接触してその蒸発温度が低下することも相俟って一気に蒸発する。蒸発した灯油は、混合筒５０に向けて上昇しながらセラミックスボール３５により攪拌され、混合筒５０内で水蒸気と均一に混じり合った水蒸気混合燃料となって連結ブロック７０の連通孔を経由して改質筒３０に流入する。

＜水素リッチガスの生成＞
改質筒３０に流入した水蒸気混合燃料は、上部に充填されたセラミックスボール３５によって更に攪拌された後、セラミックスボール３５の下方に充填された改質触媒３４に接触する。本実施形態の場合、炉筒２０内で２次燃焼が進行している状態では、改質筒３０の温度が５００℃以上となり、バーナ部６０に対峙した下端部においては約７５０℃程度となる。そのため、改質筒３０内を流れ下るに従って周囲の温度が高くなり、改質触媒３４を比較的長い距離流通した水蒸気混合燃料の接触反応が急速に進行し、良質な（メタンの組成比が小さい）改質ガス（水素リッチガス）が生成される。

生成された改質ガスは、図９に示したように、改質筒３０の下端部に開口した改質ガス導出管９１に流入し、改質ガス配管８９（図１参照）を経由してシフト反応器に搬送される。改質ガスは、改質ガス導出管９１に流入した時点では、比較的高温（５００℃程度）である。ところが、本実施形態では、改質ガス導出管９１が混合筒５０内に配管されていることにより、改質ガスは、改質ガス導出管９１の管壁およびセラミックスボール３５を介して混合筒５０内の灯油や水蒸気と熱交換を行い、その温度が約２００〜３００℃に低下する。これにより、改質ガスが流入するシフト反応器の負荷が低下すると同時に、混合筒５０内での灯油の蒸発が促進される。

＜２次空気の加熱＞
本実施形態の場合、２次空気は、図２，図３に示すように、エア配管８１からハウジング１０と炉筒２０との間の導入路１７の上部に供給された後、炉筒２０の外周に沿って下方に流れ、バーナ部６０に形成された２次空気導入孔６４からバーナ部６０の下部に流入する。

この際、２次空気は、導入路１７内で比較的長時間にわたって高温の炉筒２０に触れることになるため、バーナ部６０に流入する時点ではその温度が比較的高く（例えば、２５０℃程度）なる。そのため、バーナ部６０全体が高温の２次空気により加熱され、気化筒６０ａの更なる加熱が不要となることから、前記の気化ヒータ６０ｃへの通電が停止される。更に、改質装置１の外周から放熱される熱を２次空気に回収するため、一般的な装置に較べて熱効率が向上する。

このように、本実施形態では、バーナ部６０で生成された燃焼ガスが有する熱エネルギーを極めて効率よく利用し、水蒸気や灯油（原燃料）の気化や２次空気の加熱を行うようにしたため、バーナ部６０での燃料消費を低く抑えながら、高い改質効率での水蒸気改質を実現できた。

尚、本発明はこの実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、前記実施形態は、灯油を原燃料とする水蒸気燃料改質装置に本発明を適用したものであるが、ガソリンやアルコール等の他、気体炭化水素燃料であるＬＰガス等を原燃料とする水蒸気燃料改質装置にも当然に適用できる。また、前記実施形態では、バーナの燃料として灯油を用いるようにしたが、重油や軽油等を用いるようにしてもよい。また、前記実施形態では、燃焼ガスの熱エネルギーにより加熱する燃焼用空気として２次空気を挙げたが、１次空気を加熱するようにしてもよい。また、前記実施形態では、炉筒の内面に断熱材を設けるようにしたが、炉筒の外面に接着剤やリベット、ビス、あるいはバンド巻き等により炉筒に断熱材を密着させて設けてようにしてもよいし、炉筒の内面と外面との双方に断熱材を密着させて設けるようにしてもよい。また、前記実施形態では、バーナ部が設けられる第２側を下側とし、第１側を上側としたが、図１中で改質装置を上下逆に設置して、バーナ部が設けられる第２側を上側とし、第１側を下側としたり、図１中で改質装置を水平あるいは斜めに設置して、バーナ部が設けられる第２側を右側とし、第１側を左側としたりしてもよい。その他、燃料改質装置の具体的構造や各部の運転温度等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

実施形態に係る燃料改質装置を示す縦断面図である。図１中のＡ部拡大図である。図１中Ｂ部拡大図である。連結ブロックの斜視図である。連結ブロックの縦断面図である。図５中のＣ−Ｃ断面図である。蒸発筒の要部拡大図である。蒸発筒の要部拡大図である。改質筒の要部拡大図である。

符号の説明

１燃料改質装置
１０ハウジング（改質装置本体）
１７導入路
２０炉筒
２３断熱材
３０改質筒（改質部）
４０蒸発筒
５０混合筒
６０バーナ部
６０ａ気化筒（気化手段）
６４２次空気導入孔
８１エア配管

Claims

炭化水素系の原燃料から水素を取り出す水蒸気改質プロセスに供される燃料改質装置であって、
第１側に改質部を有すると共に当該第１側と反対側である第２側に加熱用のバーナ部を有する改質装置本体と、
前記改質部の外側に当該改質部を囲むかたちで設置され、その内部に前記バーナ部からの燃焼ガスが流通する炉筒と
を備え、
前記改質装置本体が前記炉筒の外側に当該炉筒を囲むかたちで設置され、
前記炉筒と前記改質装置本体との間に前記バーナ部に供給する燃焼用空気の導入路が形成され、
前記燃料改質装置が原燃料として液体の炭化水素燃料を用い、
前記バーナ部がバーナ用燃料の気化に供される気化手段を備え、
前記気化手段が、前記導入路から導入された燃焼用空気の流路に設置され当該燃焼用空気に触れて加熱されることにより、当該気化手段内に供給された前記バーナ用燃料の気化に供されることを特徴とする燃料改質装置。
前記炉筒の外周あるいは内周に断熱材が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質装置。