JP2005089197A - 燃料改質器 - Google Patents

Abstract

【課題】 流路圧損を上昇させることなく、温度分布を均一化することができる燃料改質器の提供。
【解決手段】（１）複数のモジュール１１を並列に重ねて燃料改質器１０を構成し、各モジュール１１を反応容器と改質ガス流路１４を有する改質触媒１３から構成し、隣接するモジュール１１同士で改質ガスの流れを互いに対向させた燃料改質器。（２）前記複数のモジュール１１を１種類のモジュールから構成し、並列に重ねる時に隣接するモジュールの向きを逆にすることにより、隣接するモジュール同士で改質ガスの流れを互いに対向させた燃料改質器。（３）改質ガスと混じり合わないように温度調節用媒体がモジュールに流されてモジュールのうち温度の高い部位の熱をモジュールのうち温度の低い部位に伝達するようにした燃料改質器。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料改質器に関する。

燃料改質器のシフト部は、図５に示すように、変成触媒１の働きによりＣＯ変成反応
を促進し、ＣＯをＣＯ₂ に変成させることにより、改質ガス中の水素濃度を上げるとともにＣＯ濃度を下げている。
その反応が発熱反応のため、触媒１内のガス流れ方向に温度分布（図６に示すように、下流側ほど温度が上昇する温度分布）ができ、触媒全体が最適活性温度になることはない。その場合、反応を促進するため触媒体積を増やしている。

特開２００1−１４６４０１号公報は、積層型燃料改質器で温度分布を均一化するために、改質ガス流路に折り返し部を設けることを開示している。
しかし、折り返し部を設けることによって、全体の流路圧損が上昇することと、各モジュールの形状が複雑化するという問題がある。
特開２００1−１４６４０１号公報

本発明が解決しようとする課題は、積層型燃料改質器で温度分布を均一化するために、改質ガス流路に折り返し部を設けると流路圧損が上昇するという問題点である。

本発明の目的は、流路圧損を上昇させることなく、温度分布を均一化することができる燃料改質器を提供することにある。

上記課題を解決する本発明は、また、上記目的を達成する本発明は、つぎのとおりである。
（１）複数のモジュールを並列に重ねて燃料改質器を構成し、各モジュールを反応容器と改質ガス流路を有する改質触媒から構成し、隣接するモジュール同士で改質ガスの流れを互いに対向させた燃料改質器。
（２）前記複数のモジュールを１種類のモジュールから構成し、並列に重ねる時に隣接するモジュールの向きを逆にすることにより、隣接するモジュール同士で改質ガスの流れを互いに対向させた（１）記載の燃料改質器。
（３）改質ガスと混じり合わないように温度調節用媒体がモジュールに流されてモジュールのうち温度の高い部位の熱をモジュールのうち温度の低い部位に伝達するようにした（１）記載の燃料改質器。

上記（１）の燃料改質器によれば、隣接するモジュール同士で改質ガスの流れを互いに対向させたので、高温のガス出口の熱が、隣りのモジュールの低温のガス入口、途中部に伝達し、各モジュールにおける温度分布が均一化する。また、各モジュールでガス流路は折り返し部なし流路とすることができるので、流路圧損を上昇させることがない。
上記（２）の燃料改質器によれば、隣接するモジュール同士で改質ガスの流れを互いに対向させるのに、並列に重ねる時に隣接するモジュールの向きを逆にするだけでよいので、同じ種類のモジュールを用いることができ、複数種類の、互いに構造の異なる、モジュールを用意しなければならない場合に比べて、低コストで燃料改質器を作製することができる。
上記（３）の燃料改質器によれば、温度調節用媒体がモジュールに流されてモジュールのうち温度の高い部位の熱をモジュールのうち温度の低い部位に伝達するようにしたので、各モジュールにおける温度分布がより均一化する。

以下に、本発明の燃料改質器を、図１−図４を参照して説明する。
本発明の燃料改質器１０は、他燃料（たとえば、都市ガスなど、ＣＯ含有ガスなど）を改質して水素濃度を上げる燃料改質器であり、水素含有ガスは、たとえば、燃料電池（以下、ＦＣともいう、自動車用でも家庭用でもよい）の燃料ガスなどに利用できる。
燃料改質器１０は、ＣＯ変成触媒１３（たとえば、銅−亜鉛系触媒）の働きによりＣＯ変成反応：
ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ −−− 式（１）
を促進し、ＣＯをＣＯ₂ に変成させることにより、改質ガス中の水素濃度を上げるとともにＣＯ濃度を下げる。

ＣＯのＣＯ₂ への変成反応は発熱反応であるため、改質ガスの温度は、触媒１３中下流にいくほど温度があがる。所定温度（たとえば、２８０℃）以上では化学平衡上不可領域に入って（たとえば、図６に示した）ＣＯ変成反応が起こりにくくなるので、出口側の温度Ｔ₂ が所定温度以下になるように入口側の温度Ｔ₁ が決められるが、低くなりすぎると触媒活性温度以下となって、ＣＯ変成反応が起こりにくくなるので、入口側にはある程度高温にしたガスが導入される。たとえば、改質ガスが燃料改質器１０入口で温度１８０℃で燃料改質器１０に導入され、燃料改質器１０出口で２５０℃程度にまで上がるといった具合である。そして、触媒活性上、約２２０℃が最適温度とすると、入口側の温度を上げて温度分布を均一化することが望ましいが、その熱源として、温度に余裕があり温度を上げすぎると反応を低下させる出口側のガス温度を用いることが望ましい。

そのために、図１−図４に示すように、本発明の燃料改質器１０は、複数のモジュール１１を流路が並列となるように重ねたものから構成される。各モジュール１１は、反応容器１２と改質ガス流路１４を有する改質触媒１３を有する。複数のモジュール１１を重ねる際、隣接するモジュール同士で改質ガスの流れが互いに対向するようにする。
反応容器１１は、矩形で厚みのある中空容器で、その中に改質触媒１３が入れられており、反応容器内で、改質触媒１３の上流側と下流側にガスのマニホールド部がある。
改質触媒１３は、たとえば、金属板ハニカム担体に触媒成分を担持させたものからなり、ハニカムの多孔により改質ガス流路１４が形成されている。改質ガス流路１４は、流路一端から流路他端に、折り返さずに、流れるストレート流路である。したがって、サーペンタイン流路（蛇行流路）にはなっていない。

対向流と折り返し無し流路によって、第１のモジュール１１とそれに隣接する第２のモジュール１１では、第１のモジュール１１の改質ガス流路１４の入口側が第２のモジュール１１の改質ガス流路１４の出口側に対応し、第１のモジュール１１の改質ガス流路１４の出口側が第２のモジュール１１の改質ガス流路１４の入口側に対応する。
これによって、図４に示すように、第２のモジュール１１の改質ガス流路１４の出口側の改質ガスの熱が第２のモジュール１１のハニカム触媒、第１、第２のモジュールの反応容器１２の壁、第２のモジュール１１のハニカム触媒を介して第１のモジュール１１の改質ガス流路１４の入口側の改質ガスに伝達し、第２のモジュール１１の改質ガス流路１４の出口側の改質ガスの温度が下がるとともに（図４の右上部分）、第１のモジュール１１の改質ガス流路１４の入口側の改質ガスの温度が上がる（図４の左下部分）。同様に、第１のモジュール１１の改質ガス流路１４の出口側の改質ガスの熱が第２のモジュール１１の改質ガス流路１４の入口側の改質ガスに伝達し、第１のモジュール１１の改質ガス流路１４の出口側の改質ガスの温度が下がるとともに（図４の左上部分）、第２のモジュール１１の改質ガス流路１４の入口側の改質ガスの温度が上がる（図４の右下部分）。

複数のモジュール１１を、たとえば図２に示した、１種類のモジュールから構成し、並列に重ねる時に、たとえば図３に示すように、隣接するモジュール１１の向きを逆にすることにより、隣接するモジュール同士で改質ガスの流れを互いに対向させるようにする。図３では、隣接するモジュール１１を１種類のモジュールから構成するとともに、互い違いに上下または左右または裏表逆にして重ねていく。
これによって、複数種類のモジュールを作ることなく、１種類だけのモジュール１１を複数用意してそれらを上下または左右または裏表逆にして並列に重ねていきアッセンブリとすることにより、本発明の燃料改質器１０とすることができる。

隣接するモジュール１１において、出口側のガスの熱をそのモジュールまたは隣りのモジュールの入口側のガスに伝達するのに、上記のようにモジュールの向きを変えて互い違いに組み立てるのに代えて、あるいは上記のようにモジュールの向きを変えて互い違いに組み立てるのに加えて、改質ガスと混じり合わないように温度調節用媒体（たとえば、水、ＬＬＣ、油などの液体）がモジュール１１に流されてモジュール１１のうち温度の高い部位（ガス出口側部位）の熱を、そのモジュール１１または隣りのモジュール１１のうち温度の低い部位（ガス入口側部位）に伝達するようにした構造をとってもよい。

つぎに、本発明の作用、効果を説明する。

隣接するモジュール１１同士で改質ガスの流れを互いに対向させたので、高温のガス出口の熱が、隣りのモジュール１１の低温のガス入口、途中部に伝達し、各モジュール１１における温度分布が均一化する。そして、その均一化された温度が触媒１３の活性化上最適温度となるように、入口ガス温度を選定することにより、触媒１３の全領域で良好なＣＯのＣＯ₂ への変成反応を行わせることができ、触媒出口側でのＣＯ含有量低下、Ｈ₂ 含有量増加をはかることができる。また、各モジュール１１のガス流路は折り返し部なし流路としたので、流路圧損を上昇させることがない。

隣接するモジュール１１同士で改質ガスの流れを互いに対向させるのに、並列に重ねる時に隣接するモジュールの向きを、上下または左右または表裏、逆にするだけでよいので、同じ種類のモジュール１を用いることができ、２種類の構造の異なるモジュールを用意しなければならない場合に比べて、低コストで燃料改質器を作製することができる。

温度調節用媒体がモジュール１１に流されてモジュールのうち温度の高い部位の熱をモジュールのうち温度の低い部位に伝達するようにした場合にも、各モジュール１１における温度分布が均一化する。
上記の隣接するモジュール１１同士で改質ガスの流れを互いに対向させることによる温度分布の均一化を、温度調節用媒体による各モジュール１１における温度分布の均一化と、組み合わせることにより、各モジュール１１における、よりいっそうの温度分布の均一化をはかることができる。

本発明の燃料改質器の隣接するモジュールにおける改質ガスの流れを示す隣接するモジュールの分解斜視図である。 本発明の燃料改質器の１種類のモジュールとそれにおける改質ガスの流れを示す斜視図である。 １種類のモジュールを互い違いに向きを逆にしながら組み立てた本発明の燃料改質器の斜視図である。 図１の（本発明の）燃料改質器の隣接するモジュールにおける改質ガスの温度分布と、入口、出口間の熱のやりとりが無い場合（図５に示すような従来）の改質ガスの温度分布との関係を示すグラフである。 全体一体型の従来の燃料改質器の斜視図である。 図５の従来の燃料改質器の改質ガスの温度分布を死滅グラフである。

符号の説明

１０ 燃料改質器
１１ モジュール（複数のモジュールから燃料改質器を構成した場合の構成の単位）
１２ 反応容器
１３ 改質触媒
１４ 改質ガス流路

Claims (3)

1. 複数のモジュールを並列に重ねて燃料改質器を構成し、各モジュールを反応容器と改質ガス流路を有する改質触媒から構成し、隣接するモジュール同士で改質ガスの流れを互いに対向させた燃料改質器。
2. 前記複数のモジュールを１種類のモジュールから構成し、並列に重ねる時に隣接するモジュールの向きを逆にすることにより、隣接するモジュール同士で改質ガスの流れを互いに対向させた請求項１記載の燃料改質器。
3. 改質ガスと混じり合わないように温度調節用媒体がモジュールに流されてモジュールのうち温度の高い部位の熱をモジュールのうち温度の低い部位に伝達するようにした請求項１記載の燃料改質器。

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