JPS6325201A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料改質器に係り、特に燃料電池発電装置に用
いられる水素富化ガスを製造するのに好適な燃料改質器
に関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料改質器で改質される反応ガスとしては１例え
ばメタノール等のアルコールや、炭化水素等がある。

このうち、メタノール改質器に関する従来技術について
説明する。このメタノール改質器は、常圧または比較的
低圧で運転されるものである。このメタノール改質器は
、主に燃料電池発電装置に使用されるものである。

第７図にメタノール改質装置が利用された燃料電池発電
システムを示す。

メタノールとスチームとからなるプロセスガス（反応ガ
ス）は、改質器の反応部１に導入される。

このプロセスガスは、改質器反応部１内に充填された改
質触媒により水素富化ガスに改質される。

この改質ガスは、気水分離器２で水分が除去されたのち
、燃料電池セルのアノード３に供給される。

この燃料電池セル内では、カソード４に供給された空気
中の酸素と水素富化ガスが電解質板１１を介して反応し
１発電が行われる。アノード３とカソード４において、
未反応の残りの水素と酸素は燃焼器５で燃焼される。こ
の燃焼ガスは、改質器６内の改質器燃焼部７に導入され
、改質器反応部１に反応熱を与えることになる。この結
果、プロセスガスの改質に要する熱量が供給されるもの
である。

次に、第７図における改質器６本体の詳細な構成断面図
を第８図に示す。

この改質器は、ケーシング２０内に改質触媒２４が充填
された反応管２３および燃焼ガスが流通される外熱部３
０から主として構成されている。

プロセスガスは、入口ノズル２１よりプロセスガスヘッ
ダー２２に入ったのちに、反応管２３に供給される。プ
ロセスガス中のメタノールは１反応管２３中に充填され
た改質触媒２４を通過するうちに改質反応を受け、水素
富化ガス（改質ガス）となって改質ガスヘッダー２５に
集められ、改質ガス出口ノズル２６よりケーシング２０
の系外に出るようになる。

一方、反応管２３内の改質反応に必要な熱を与える外熱
部３０には、燃焼ガス３２が第８図下方から上方に向か
って流通される。この燃焼ガスは、燃料と空気とが所定
の温度で燃焼器２７に入り。

燃焼触媒２８の作用により燃焼し、発生するものである
。

燃焼ガス３２は、バッフル２９の間を上方に向かって抜
け、改質反応部に熱を与えたのち燃焼ガスノズル３１よ
り糸外に出るものである。

次に、他の従来例について説明する。この従来例は、い
わゆるプレート型の熱交換を行う改質器である。その原
理図を第９図に示す。

第９図において、伝熱面４１を介して燃焼ガス４４が流
れる燃焼ガス流路と改質ガス４５が流れる改質ガス（反
応ガス）流路とが構成されている。

この伝熱面４１の燃焼ガス流路側４４には、燃焼触媒２
８の粒子が充填されている。一方、改質ガス流路側４５
には、改質触媒粒子２４が充填されている９両触媒は流
路の断面全体に分散されているものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記従来の燃料改質器では、特に常圧に近い圧
力で運転されるオンサイト燃料電池等では、次に示すよ
うな不都合が生じる。

オンサイト型の燃料電池等では、ビル等の各建物毎に設
置され、電力や水素富化ガスを発生するもので、システ
ムはとりわけ小型のものが要求される。

そうすると、前記第８図で示したいわゆるシェルアンド
チューブ型熱交換タイプの燃料改質器では、反応管取付
最小クリアラストの構造的な諸条件により、小型化には
限界がある。

また、前記第９図で示したプレート型の燃料改質器では
、燃焼触媒の活性が高いため、燃焼部入口で温度が過剰
に上がり、耐熱性の低い改質触媒を損傷しやすい。特に
、メタノール改質触媒では、熱による損傷をうけやすい
問題がある。

このような問題点を解決するために１本発明は。

小型化できかつ改質触媒の損傷のおそれのない燃料改質
器を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、反応ガス流路と燃
焼ガス流路とを有し、該反応ガス流路内に改質触媒が設
けられ、かつ前記燃焼ガス流路内に燃焼触媒が設けられ
てなり、燃焼ガスからの放熱により前記反応ガスを改質
ガスに変換してなる燃料改質器においＣ１伝熱面を介し
て反応ガスと燃焼ガスを分離、独立して流れるように前
記反応ガス流路と前記燃焼ガス流路とを独立に構成し、
かつ前記伝熱面の前記反応ガス流路側には改質触媒を担
持し、当該伝熱面の前記燃焼ガス流路側には燃焼触媒を
担持されていることを特徴とする燃料改質器である。

〔作用〕

上記構成によれば、伝熱面を介して反応ガス（改質ガス
）流路と燃焼ガス流路とを構成しているために、装置の
小型化を図ることができる。

また、触媒を伝熱面に担持されるようにしているため、
燃焼ガスが一度に燃焼触媒と接触せず、燃焼ガスが徐々
に燃焼するため、改質触媒の熱による損傷を防ぐことが
できるものである。

〔実施例〕

次に１本発明に係る燃料改質器の実施例について説明す
る。第１図にその一実施例の断面構成図を示す。

第１図における改質器本体は、プレート熱交換が採用さ
れている。

反応部である反応ガス（プロセスガス）が流れる流路５
３と熱部である燃焼ガスが流れるガス流路５５が交互に
構成されている。ガス流路５３と５５戸を仕切る壁が伝
熱面４１となっている。この伝熱面４１を介してプロセ
スガスが第１図下方から上方に向かって流れ、燃料およ
び空気と燃焼ガスが第１図の下方から上方に向かって流
れているものである。

複数の伝熱面４１によって交互に形成された複数の反応
部および外熱部よりなるユニットは１両側よりサイドプ
レート５１で保持され、このサイドプレートは締付ボル
ト５２で固定されているものである。

第２図に第１図の伝熱面４１部Ａの拡大図を示す。

第２図において、伝熱面４１のプロセスガス（改質ガス
）が流れる反応部５３側には改質触媒２４が担持されて
いる。

一方、燃焼ガスが流れる外熱部５５には、燃焼触媒２８
が担持されている。

この伝熱面４１は、ステンレス等の耐熱性を有する金属
あるいはセラミックスまたはそれらの複合材で構成する
ことができる。各触媒は、伝熱面４１が金属の場合には
、溶射や蒸着を用いて担持できる。また、伝熱面４１が
セラミックスの場合は、含浸等の方法により担持するこ
とができる。

上記伝熱面４１の単体構造を第３図に示す。第３図はそ
の斜視図である。

反応部５３を流れるプロセスガス５３Ａは、この伝熱面
４１の低面６８の裏側を流れる。流れは。

プロセスガスヘッダー６５から改質ガスヘッダー６６に
向うようになっている。

また、外熱部５５の燃焼ガス５５Ａは、この低面６８の
表側を流れる。流れ方行は、燃料空気へラダー６３から
燃焼ガスヘッダー６４に向うようになっている。

低面６８の表および裏には、各ガスの流れを均一に分散
させるための溝６７が加工されている。

この溝６７を設けることにより、燃焼ガスが分散され、
燃焼触媒に燃焼ガスが均一に接触するようになっている
。

上記溝６７の深さは、第４図に示すように、燃焼部と反
応部の流路の幅に差をつけるように構成されている。第
４図は第３図の伝熱面の縦断面図である。

このように、第４図において１反応部流路幅６９と燃焼
部流路幅７０とで差をつけたのは、メタノール改質触媒
の活性が燃焼触媒の活性より大幅に小さいためである。

触媒の活性を示す指標の１つにＳＶ（スペースベロシテ
ィ）がある。これは、１時間当り触媒容積の何倍の反応
ガスを改質し、処理できるかという指標である。燃焼触
媒はＳｖが２５，０００〜５０．０００であるのに対し
、メタノール改質触媒は５００〜１，５００程度しかな
く、プロセスガスと触媒との接触時間もその分長くとら
なければならないことになる。したがって、反応部の流
路幅６９と燃焼部の流路幅７０とにおける関係を相互の
設計ＳＶ値の逆数の比となるように溝６７の高さと向き
を設定し、所望の流路断面積を設定することになる。

次に、第５図に伝熱面４１における触媒担持の効果につ
いて説明する。

燃焼部に入った燃料と空気（プロセスガス）３２は、燃
焼触媒２８に接触して燃焼するものである。

しかし、燃焼触媒２８は、伝熱面４１に担持され、燃焼
部流路全体に存在しないため、燃焼部入口で燃焼する燃
料と空気は、燃焼触媒近傍の一部のみで、燃焼触媒より
離れた部分の燃料および空気は、燃焼部を素通りするこ
とになる。

しかし、燃焼しなかった燃料および空気は、後流に進む
につれ、燃焼ガスの流速や、前記第３図に、設けられた
溝６７によって流れが乱され、燃焼触媒２８と燃焼ガス
３２が接触して、燃焼が十分室われることになる。この
結果、燃料と空気は。

燃焼部の軸方向に対し穏やかに燃焼し、その発熱量の一
部は伝熱面４１を通して１反応部の改質触媒２４へ伝え
られるため、燃焼部の温度分布は、第５図（Ｂ）のよう
に、緩やかなものとなる。すなわち、第６図において、
グラフ７ｏに示すように、燃焼ガスの温度分布が緩やか
なものとなる。

７１はプロセスガスまたは改質ガスの温度分布を示す。

第６図からねかるように、プロセスガス７１の温度分布
は改質触媒の耐熱限界７２以下となるために、改質触媒
２４が熱により劣化することを防止することができる。

また、燃焼が広範囲で起こるため、反応部の温度上昇が
早く１反応部度での保持時間が長くなる。

したがって、改質ガス中の未反応ガス量が少なくなるも
のである。

これに対し、前記第９図で示した従来のいわゆるプレー
ト型の熱交換による燃料改質器では、燃焼ガスおよびプ
ロセスガス（改質ガス）の温度分布が第１０図に示すよ
うになる。この第１０図に示す従来の燃料改質器では、
燃焼触媒２８の活性が高いため、燃料と空気は燃焼触媒
層（燃焼部）の入口付近でほぼ燃焼し、燃焼ガス４４温
度が急上昇する。このため、燃焼部入口付近の燃焼ガス
温度が特に高く、この部分でのヒートフラックスが高く
なり、その結果、反応部の反応ガス温度が上昇し、改質
触媒の耐熱限界７２を越えることになる。したがって、
耐熱性の弱い改質触媒では。

その熱による損傷が著しく、以後の改質反応に著しい悪
影響を与えることになる。メタノール改質触媒では、特
に顕著となる。

次に、本発明の第二の実施例について説明する。

第１１図にその実施例の斜視図を示す。本実施例では、
プレートによる熱交換を採用しているが。

いわゆるスパイラル型としている。第１１図において、
８０は燃焼ガスが供給される燃焼部を示し、８１は反応
ガス（改質ガス、プロセスガス）が供給される反応部を
示す。

本実施例では、前記第３図で示した伝熱面を渦巻状とす
ることにより構成される。伝熱面の燃焼部側には、燃焼
触媒が担持され１反応部８１側には改質触媒が担持され
ているものである。

〔効果〕

以上説明したように、本発明によれば、伝熱面の両側に
改質触媒および燃焼触媒を担持させて。

プレート熱交換を行っているために、改質器寸法を小型
化できる。

また、燃焼触媒を担持しているため、燃焼部での燃焼は
緩やかになり、反応部温度を改質触媒の耐熱温度以下に
押えることができる。この結果、改質触媒の熱による損
傷を防ぎ、改質効率の経時劣化を著しく防止することが
できる。

さらに、伝熱面において広範囲な燃焼が生じるため、プ
ロセスガスが流れる反応部での昇温か早く、かつ反応温
度保持時間が長いため、改質ガス中の未反応分量を著し
く少なくすることができる。

この結果、改質効率が大幅に向上するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料改質器の一実施例縦断面構成
図、第２図は第１図のＡ部拡大図、第３図は第１図の伝
熱面単体の全体斜視図、第４図は第３図の伝熱面の縦断
面図、第５図は第４図の伝熱面の拡大図、第６図は、第
５図における燃焼ガス及び改質ガス（プロセスガス）の
温度分布を示すグラフ、第７図は従来のメタノール改質
器を用いた燃料電池発電装置のシステム構成図、第８図
は従来のメタノール改質器の縦断面構成図、第９図は従
来のプレート型熱交換を行う改質器の原理図、第１０図
は第９図における燃焼ガス及び改質ガスの温度分布を示
すグラフ、第１１図は本発明の第二の実施例の構成を示
す全体斜視図である。 ２４・・・改質触媒、２８・・・燃焼触媒、４１・・・
伝熱面、５３・・・反応ガス流路。 ５５・・・燃焼ガス流路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応ガス流路と燃焼ガス流路とを有し、該反応ガ
   ス流路内に改質触媒が設けられ、かつ前記燃焼ガス流路
   内に燃焼触媒が設けられてなり、燃焼ガスからの放熱に
   より前記反応ガスを改質ガスに変換してなる燃料改質器
   において、伝熱面を介して反応ガスと燃焼ガスとを分離
   、独立して流れるように前記反応ガス流路と前記燃焼ガ
   ス流路とを独立に構成し、かつ前記伝熱面の前記反応ガ
   ス流路側には改質触媒を担持し、当該伝熱面の前記燃焼
   ガス流路側には燃焼触媒が担持されていることを特徴と
   する燃料改質器。