JPH0471637A - 燃料改質器 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、炭化水素ガスに水蒸気を混合したガス（以下
、原料ガスと称する）を燃焼カスによって加熱し、触媒
を用いた改質反応により水素を主成分とするガス（以ド
、改質ガスと称する）を生成する燃料改質器に係り、特
に、燃料電池発電システムに使用するのに適した燃料改
質器の改質反応管（以下、反応管と称する）の反応効率
の向上およびコンパクト化、さらには燃料電池発電シス
テムの簡素化をなし得る燃料改質器に関する。

（従来の技術） 燃料電池発電システムは、一般に燃料電池本体と燃料改
質器と電力変換装置、制御装置および多くの熱交換器類
によって構成されており、非常に複雑なシステムである
。

本発明の対象である燃料改質器について、一般に用いら
れている二重管式反応管を含む燃料改質器の一例を第３
図に示す。以下第３図を用いて、その構成および機能を
説明する。

内面に適当な厚さの断熱材２を施した収納容器１内に反
応管３か立設され、当該収納容器１内に反応管３が立設
され、当該収納容器１の上端には、バーナ空気人口４、
バーナ燃料人口５を付属するバーナ６か設けられている
。反応管３は、外管７と内管８とからなる二重管構造と
なっており、また、外管７と内管８との間には粒状の触
媒が充填されて触媒層９が形成され、触媒層９は目皿１
０によって保持されている。

また、収納容器１の下端には、容器壁を貫通して原料ガ
ス人口１１、改質ガス出口１２および排ガス出口１４か
設けられており、原料ガス人口１１に通しる系の上流側
には、原料ガス予熱器１９か備えられている。

バーナ空気人口４およびバーナ燃料人口５から供給され
たバーナ空気およびバーナ燃料はバーナ６で燃焼して１
０００℃以上の高温の燃焼ガス１３となり、収納容器１
内に導入される。さらに燃焼ガス１３は、反応管３の周
囲を長さ方向に沿って下向きに流動する。その際、燃焼
ガス１３は、反応管３の内部を流れる原料ガス１５と、
領域Ａにおいては主に輻射伝熱によって、また領域Ｂに
おいては主に対流伝熱によって熱交換し、徐々に温度が
降下する。そして、規定の温度まで下かった燃焼ガス１
３は排ガスとなって排ガス出口１４から器外に流出する
。

一方、炭化水素ガスに水蒸気を混合した原料ガス１５は
、原料ガス予熱器１８によって約４５０℃に予熱され、
原料ガス人口１１より反応管３の下端に流入する。

次に、原料がス１５は触媒層９内を反応管３の長さ方向
に沿って上向きに流動する。その際、原料ガス１５は、
反応管３の外部を流れる高温の燃焼ガス１３と外管７を
介して熱交換して熱せられ、徐々に温度か上昇すると共
に触媒作用によって改５質反応が起こり、触媒層９の上
端に達するまでに約８００℃の水素を主成分とする改質
ガス１６に変化する。

さらに、改質ガス１６は、反応管３の上端で反転し、内
管８によって形成されるリターンパス１７を下向きに流
動する。ここで高温の改質ガス１６は、内管８を介して
触媒層９内を流動する原料ガス１５を加熱する。尚、こ
の作用は再生機能と呼ばれ、高温の改質ガス１６の熱量
を有効に利用するものである。

そして、約５５０℃に温度降下した改質ガス１６は、改
質ガス出口１２より器外に排出され、原料ガス予熱器１
９の高温側ガスとしての役割をした後、図示しない種々
の機器を経由して燃料電池本体に導かれる。

（発明か解決しようとする課題） 以上のような構成および機能を有する従来の燃料改質器
を備えた燃料電池発電システムにおいては、多くの機器
の中で燃料改質器が最も大きな機器であり、したがって
システム全体に占めるスペースやコストの割合も大きく
なっている。このため過去においても、構造上の様々な
工夫や改質性能の向上、およびシステムの改良によって
少しでも小型にするような努力か払われてきたが、最近
のコンパクト化に対する要求は一層強いものがある。

ところで、反応管３を収納容器１内に立設する構造とし
ては、大きく分けて次の二つの形式がある。

つまり、一つ目の形式は第３図に示す従来の燃料改質器
のように反応管３の下端部を収納容器１に支持し、原料
ガス１５の入口および改質ガス１６の出口を反応管３の
下端部に設けると共に、燃焼ガス１３を収納容器１の上
部から下向きに流す形式である。

そして二つ目の形式は、一つ目の形式と上下か全く逆の
構造であり、反応管３を収納容器ｌの上部から懸垂する
形式である。この二つの形式を比較すると、後者の形式
は製造上の難易度か高く、反応管３を懸垂するための特
別な構造部材か必要であるか、前者の形式は製造上の難
易度が低く、特別な構造部材か不要である。したかって
、コンパクト性およびコストの観点から前者の方が有利
であり、従来から多く採用されてきた。

ところで、燃料改質器の改質性能は、触媒層９の熱伝達
性能に大きく依存し、性能向上によるコンパクト化のた
めには触媒層９を流れる原料ガス１５の流速をできるだ
け高くするのが望ましい、しかし、従来の構造では、原
料ガス１５の触媒層９内での流れの方向か上向きである
ため、流速をある限度以上高くすることかできない。つ
まり、上向きの流体力が触媒の重量を越えると、触媒が
浮き上がって流動現象が発生し、触媒の破損や粉化か起
こる虞れかあるためである。

このことから従来の形式では、原料ガス１５の流速の制
約によって、反応管３のコンパクト化に限界かあった。

なお、前述した反応管３を懸垂する形式の燃料改質器で
は、原料ガス１５の流れが下向きであるため触媒の流動
現象の懸念が無く、システム上の圧力損失の制約が有る
のみである。

次に、燃料改質器に要求されるもう一つの特徴は、原料
ガス１５の温度を約４５０℃に予熱しなければならない
ことである。低温の、原料ガス１５には水蒸気が水滴と
なって分離されている場合があり、もし、直接に触媒層
に原料ガス１５を導入して、水滴が触媒に付着して急激
に蒸発したとき、熱的な衝撃によって触媒の破壊を引き
起こす原因となる。また、一般に低温においては触媒の
活性が非常に低いために改質反応が起こりにくく、した
がって、低温領域の触媒層は性能上無効になってしまう
という問題を生じる。

原料予熱器１９は、上記の理由により原料ガス１５を適
正な温度まで予熱するために設けられているものであり
、必要不可欠な機器の−っである。

しかし、原料予熱器１つのような熱交換用機器を必要と
することが、燃料電池発電システムの複雑さの一つの要
因であり、システムの簡素化やコンパクト化を阻害する
原因となっている。

そこで、本発明の目的は、反応管の性能の向上によって
、燃料改質器の小型化を図り、もって燃料電池発電シス
テムの簡素化に寄与することのできる燃料改質器を提供
することにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を講
じている。すなわち、 ■　内管８の内部に予熱管を設けることによって三重管
式反応管とし、内部に予熱パスおよび再生パスを形成す
る。

■　予熱パスの下端部と原料ガス人口１１を接続し、か
つ下端部において触媒層９と再生パスを連絡させると共
に、改質ガスの出口を反応管３の上端部に設ける。

■　バーナ６を収納容器１の下半分に設け、排ガス出口
１４を収納容器１の上端部に設ける。

（作用） 上記の手段によって下記の作用が得られる。

■　原料ガス１５の触媒層９内での流れの方向が下向き
であるため、触媒流動の懸念がない。

■　■の作用により、原料ガス１５の流速を従来よりも
高めること°ができ、したがって、性能向上による反応
管３のコンパクト化が図れる。

■　予熱パスで原料ガス１５を必要な温度まで予熱する
から、原料ガス予熱器１８が不要、もしくは非常に小形
化できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図を参照して説明する。

第１図において、第３図と同一符号で示す部分はその構
成が同様であるから説明を省略する。

外管７と内管８の内部に予熱管２０を設けて三重管を構
成し、内管８と予熱管２０によって予熱パス１つが形成
され、また、゛予熱管２０の内側には再生パス２１か形
成されている。

予熱パス１８の下端部には原料ガス人口１１に接続され
、さらに、反応管３の下端部において触媒層つと再生パ
ス２１とは連通している。改質ガス出口１２は予熱管２
０の上端に備えられる。

方、バーナ６は収納容器１の下半分に設置され、排ガス
出口１４は収納容器１の上端に設けられている。さらに
、反応管３の外面は、下半分の領域Ａと上半分の領域Ｂ
に区分されている。

次に、本発明の実施例の作用について、第１図および第
２図を参照して説明する。

第１図において、バーナ６で生成される１０００℃以上
の高温の燃焼ガス１３は、収納容器１の内部に導入され
、反応管３の周囲を長さ方向に沿って上向きに流動する
。その際、燃焼ガス１３は外管７を介して反応管３の内
部を流れる原料ガス１５と領域Ａにおいては主に輻射伝
熱によって、また領域Ｂにおいては主に対流伝熱によっ
て熱交換して徐々に温度が降下する。そして排ガスとな
って収納容器１の上端部の排ガス出口１４から流出する
。

一方、第２図（ｂ）において、炭化水素ガスに水蒸気を
混合した約２００〜２５０℃の原料ガス１５は、原料ガ
ス人口１１より反応管３の下端に流入する。次に原料ガ
ス１５は、予熱パス１９内を上向きに流動する。この再
原料ガス１５は、内管８を介して触媒層９を流れる原料
ガス１５と、および予熱管２０を介して改質ガス１６と
それぞれ熱交換して徐々に温度が上昇し、反応管３の上
端に達するまでに４５０℃以上の温度に加熱される。こ
れによって、従来は原料ガス予熱器１８て行なわれてい
た原料ガス１５の予熱が、反応管３の内部で果たされる
ため、原料ガス予熱器１８が不要、もしくは非常に小形
化することか可能になり、燃料電池発電プラントの簡素
化や、コンパクト化に多大な効果かある。

次に、予熱された原料ガス１５は反応管３の上端で反転
し、触媒層９を下向きに流動する。このとき、原料ガス
１５は外管７を介して反応管３の外部を流れる高温の燃
焼ガス１３によって加熱され、徐々に温度が上昇すると
共に触媒作用によって改質反応か触媒層９の下端に達す
るまでには約８００℃の水素を主成分とする改質ガス１
６に変化する。この際、触媒層９内の原料ガス１５の流
れは下向きであるために、流体力による触媒流動の懸念
は全く無い。したがって、従来より流速を大きく出来る
から、熱伝達性能か高くなり改質効率か向上することに
加え、反応管３の外管７の直径が小さくなるから、燃料
改質器全体もコンパクトになる優れた効果がある。

次に改質ガス１６は、反応管３の下端部で再度反転して
予熱管２０の内側の再生パス２１を下向きに流れる。こ
の際、高温の改質ガス１６か保有する熱量は、予熱管２
０を介して予熱パス１９を流れる原料ガス１５に伝えら
れ、改質ガス１６は所定の温度まで降下する。このよう
に、本発明においても、従来の改質器と同様の再生機能
を備えており、高温の改質ガス１６の熱量の有効利用か
図られている。

次に改質ガス１６は、予熱管２０の上端から改質ガス出
口１２を経て図示しない次の機器に送られる。

なお、第２図（ｂ）は燃焼ガス１３と原料ガス１５の反
応管３内での温度分布を示すものである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、従来の燃料改質器
か備えている再生機能を損なうことなく、原料ガスを予
熱することができ、燃料電池発電システムの簡素化に寄
与する小形化された燃料改質器を提供することが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料改質器の一実施例を示す断面
図、第２図（ａ）は反応管の詳細図、第２図（ｂ）は反
応管内での反応温度等の分布を示す線図、第３図は従来
の燃料改質器を示す断面図である。 ３・・・・・・・・・反応管 ７・・・・・・・・・外管 ８・・・・・・・・内管 ９・・・・・・・・・触媒層 １５・・・・・・・・・原料ガス １６・・・・・・・・・改質ガス １９・・・・・・・・・予熱ハス ２０・・・・・・・・予熱管 ２１・・・・・・・・・再生ハス 代理人　弁理士　則　近　憲　佑

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に触媒層が設けられた外管と内管により成る
   二重管式反応管を含む燃料改質器において、内管の内側
   に予熱管を設けることによって三重管式反応管とするこ
   とを特徴とする燃料改質器。
2. （２）当該反応管の下端から原料ガスを導入して内管と
   予熱管との間の予熱パスを通して予熱し、上端で反転さ
   せて触媒層に導き改質反応によって高温の改質ガスを生
   成するとともに、下端において再度反転させて予熱管の
   内側の再生パスに導入し、反応管の上端から改質ガスを
   流出させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の
   燃料改質器。