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JP3403494B2 - 改質反応器 - Google Patents

改質反応器

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JP3403494B2
JP3403494B2 JP10862794A JP10862794A JP3403494B2 JP 3403494 B2 JP3403494 B2 JP 3403494B2 JP 10862794 A JP10862794 A JP 10862794A JP 10862794 A JP10862794 A JP 10862794A JP 3403494 B2 JP3403494 B2 JP 3403494B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、メタン、プロパン、メ
タノール、エタノール、石油等の炭化水素や酸素原子を
含む炭化水素を原料として水素を製造するための改質反
応器に係り、更に詳細には、燃料電池と蓄電池との組合
わせを電源とする電気自動車の燃料電池に、燃料水素を
供給するために用いられる改質反応器であって、メタノ
ール等を原料として水素を生成する改質反応器の改良に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、改質反応器は、メタンやメタノー
ル等の炭化水素や含酸素炭化水素を含む原料ガスを、水
蒸気改質反応とＣＯシフト反応により主として水素と二
酸化炭素とに分解し、水素を回収するのに用いられる。
このような改質反応器への反応熱の供給は、触媒燃焼又
はバーナにより間接加熱又は直接加熱することにより行
われていた。特開平６−４８７０１公報号には、間接加
熱の触媒燃焼器に格子状燃焼触媒（ハニカム燃焼触媒）
を用い、触媒燃焼器の圧損を軽減できることが開示され
ており、更に、触媒燃焼器の予備加熱において電気ヒー
タを用いることにより、触媒燃焼器の均熱化が図れるこ
とも開示されている。また、本件出願人は、本願と同日
付けで、メタンやメタノールなどの炭化水素や含酸素炭
化水素と水蒸気と酸素とを含有するガスを、燃焼（部分
酸化）、改質、シフト反応させ得る改質反応器に供給
し、この改質器反応器内部で熱を得る高純度水素製造シ
ステム及び高純度水素の製造方法を提案した。
【０００３】ここで、従来の改質反応器を用いた改質反
応を、図４を参照して説明する。図４において、メタン
やメタノールと水蒸気とを混合した改質原料ガスは、改
質反応器１に供給され、改質反応器１内の改質・シフト
触媒２により、主に水素と二酸化炭素が生成する。生成
した改質ガスは、所要に応じて水素分離装置３により処
理され、水素が回収される。特に、電気自動車などの燃
料電池に燃料供給する場合、水素分離装置３には高純度
の水素を得るためにＰｄ合金製の水素分離膜が使用され
る。回収されなかった水素は二酸化炭素とともに排出さ
れる。
【０００４】上述の改質反応に必要な熱は、メタンやメ
タノールと酸素とを含む混合ガスをバーナや電気ヒータ
を備えた予備加熱器４で予備加熱し、次いで、触媒燃焼
器５で燃焼させ、得られた熱６を改質反応器１に伝熱す
ることにより供給される。そして、予備加熱、触媒燃焼
により生成した水蒸気、二酸化炭素は排出される。ま
た、バーナを用いた直接加熱により改質反応に必要な熱
を供給する場合には、改質反応器１に、触媒燃焼やバー
ナによる燃焼ガスと改質原料ガスとの混合ガスが供給さ
れる。更に、本件出願人が提案した高純度水素製造シス
テムにおいては、改質反応器で触媒燃焼（部分酸化）を
生じさせて内部発熱させるに当たり、改質反応器１に予
備加熱した改質原料ガスと酸素とを含む混合ガスを供給
する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記で説明した本件出
願人の提案に係る水素製造システムは、改質反応（吸熱
反応）に必要とされる熱を、部分酸化反応（発熱反応）
を改質反応器内で生じさせることにより供給し、炭化水
素単位量当たりの水素回収率に優れるものであるが、以
下に示すような改良の余地が存在することが判明した。
即ち、 （１）始動時において、改質反応器が予備加熱された上
記混合ガスにより加熱され所定温度に達する迄は、予備
加熱用電気ヒータ、ガス、ガスを介する熱伝達により改
質反応器を積極的に加熱しなければならず、所定温度に
達する以前においては、改質反応、部分酸化反応が開始
されず、未反応ガスが排出される。 （２）上記始動時における予備加熱用電気ヒータ自身の
加熱、ガスの加熱、ガスを介する熱伝達による改質反応
器の加熱には、多くの電力が必要である。 （３）水素分離膜により水素を選択回収しようとする場
合、始動時に、水素分離膜が反応生成ガスにより加熱さ
れて水素透過を行うに十分な温度に達するまでは、水素
の回収が充分ではない。
【０００６】本発明は、上記改良の余地に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、迅速且つ熱効
率良く始動でき、水素回収率に優れた改質反応器を提供
することにある。また、本発明の他の目的は、コンパク
トで消費電力が低減した改質反応器を提供することにあ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく鋭意研究した結果、加熱用抵抗体を改質反応
器に内蔵させることにより、上記目的が達成できること
を見出し、本発明を完成するに到った。従って、本発明
の改質反応器は、炭化水素及び／又は酸素原子を含む炭
化水素と、水及び酸素を含有するガスとを混合・気化
し、該炭化水素の部分酸化、分解、改質を行う改質反応
器であって、部分酸化、分解及び改質反応用の触媒と、
ハニカム状をなす加熱用抵抗体とを備えることを特徴と
する。
【０００８】
【作用】本発明においては、加熱用抵抗体を改質反応器
内部に配設することにした。従って、改質反応器への熱
伝達が良好であり、改質反応器自体や部分酸化、分解及
び／又は改質反応用の触媒が迅速に所定温度に達するた
め、始動を容易に行うことができ、始動時における未反
応ガスの排出も低減できる。そして、上記加熱用抵抗体
を触媒に埋設した場合には、上記触媒への熱伝達が一層
良好なものとなり、一層迅速に始動することが可能とな
る。更に、上記加熱用抵抗体をハニカム状に形成し、こ
のハニカム状抵抗体を上記触媒の担体としても使用すれ
ば、熱伝達を極めて良好に行うことができ、始動が極め
て迅速なものとなる。また、上述の如く加熱用抵抗体を
改質反応器内部に配設したことから、予備加熱器等が不
要であり、始動時において余分な部分（装置）を加熱し
なくてもよく、改質反応器を効率よく加熱でき、余分な
部分の加熱に消費されていた電力を低減できる。
【０００９】また、改質反応容器内部に水素分離膜を設
置した場合には、水素分離膜も迅速に加熱され、早期に
水素分離を行うに十分な温度に達するため、始動当初か
ら効率の良い水素回収を行うことができる。更に、水素
分離膜を上記触媒内部に配設した場合には、水素分離膜
への熱伝達が一層良好であり、一層効率の良い水素回収
を行うことが可能である。
【００１０】本発明の改質反応器は、上述の如く余分な
予備加熱器等を必要とせず、軽量且つコンパクトである
ことから、特に燃料電池と蓄電池との組合せを電源とす
る電気自動車に搭載するのに好適である。本発明の改質
反応器を、燃料電池に燃料水素を供給する装置として用
いれば、始動時において、燃料電池から蓄電池への充電
を短時間で開始でき、蓄電池の容量設計を容易にでき
る。また、加熱用抵抗体の加熱電源を該蓄電池とするこ
ともでき、電力を有効活用できる。なお、本発明の改質
反応器を上述の如く電気自動車に適用するに際し、使用
する燃料電池としては、リン酸塩型燃料電池、固体高分
子電解質燃料電池を例示できるが、後者の方が作動温度
が低く（約１００℃以下）、小型・軽量であるため好ま
しい。更に、後者では、電極触触媒たるＰｔの被毒に対
するＣＯ許容量が１０ｐｐｍ以下と厳しく、水素分離膜
を用いた本発明の改質反応器へ適用すれば、大きな効果
が得られる。また、改質原料に用いる炭化水素及び／又
は酸素原子を含む炭化水素としては、常温・常圧で液体
であり、貯蔵・輸送等に優れるメタノール、エタノール
を好ましく使用できる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明を図面を参照して実施例により
説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるもので
はない。 （参考例１） 図１は、改質反応器の一参考例を示す概略説明図であ
り、燃料電池及び蓄電池と組み合わせた装置を示してい
る。同図において、改質反応器１１は触媒１０と加熱用
抵抗体１２とを備え、加熱用抵抗体１２は触媒１０に埋
設されている。この触媒１０は、メタノール等の炭化水
素や含酸素炭化水素の部分酸化、分解、改質反応を進行
・促進させる機能を有するものである。一方、抵抗体１
２は、特に限定されるものではなく、種々の形状、材質
等を採り得るが、具体的には線状金属発熱体、板状金属
発熱体、コイル状金属発熱体等を例示できる。なお、こ
れら金属発熱体には、所要に応じて絶縁被覆を施すこと
もできる。また、改質反応器１１は、水素分離装置１４
を介して燃料電池１６と連結しており、燃料電池１６は
蓄電池１８と連結し、蓄電池１８は改質反応器１１と連
結している。
【００１２】次に、図１に示す装置の作動状態を説明す
る。改質反応器１１に供給された炭化水素、水及び酸素
は、所定温度に加熱され、部分酸化反応や改質反応を起
こし、主として水素と二酸化炭素とが生成する。生成し
た水素及び二酸化炭素は水素分離装置１４に供給され、
水素分離され燃料電池１６に水素が供給される。この
際、水素分離されなかった未透過ガスは排出される。そ
して、燃料電池１６により発生した電力は、蓄電池１８
に送られ貯蔵される。蓄電池１８に貯蔵された電力は、
改質反応器１１を加熱するのに使用することができる。
【００１３】（性能評価）蓄電池１８から電力を供給し
て改質反応器１１を加熱した。改質反応器１１は、改質
反応、部分酸化反応が進行する温度である３００℃まで
約３０秒で加熱された。この加熱に必要とされた電力量
は、５０キロジュールであった。上述のように加熱した
改質反応器１１に、メタノールと空気と水蒸気との混合
ガスを供給すると、即座に部分酸化反応及び改質反応が
開始された。このため、未反応のガスは排出されなかっ
た。
【００１４】（比較例１） 図４に示した装置において、予備加熱器４に電力を供給
して加熱したところ所定温度に達するまでに６０秒を要
した。更に、触媒燃焼器５が所定温度に達するまでに３
０秒を要したため、合計９０秒以上の加熱が必要であっ
た。この結果、上記加熱に要した電力は２００キロジュ
ールであり、また、予備加熱器５が加熱された後に触媒
燃焼器が加熱されるまでの時間である３０秒間は、未反
応のガスが排出された。以上の結果を参考例１の場合と
比較すると、参考例１の改質反応器は始動特性に優れ、
且つ省電力に資することが分かる。
【００１５】（参考例２） 図２に、改質反応器の他の参考例を示す。なお、以下、
上記で説明した部材と実質的に同一の部材には同一符号
を付し、その説明を省略する。図２において、触媒１０
の内部には水素分離膜２０が配設されている。水素分離
膜２０がこのように配設されているため、本実施例にお
いては、水素分離膜２０が水素を選択的に透過させる温
度にまで迅速に加熱される。従って、初期段階において
も水素を効率よく回収できる。参考例１の場合と同様の
性能評価をおこなったところ、水素分離膜２０は、改質
反応器１３が所定温度に達するのと同時に（約３０秒
で）、水素透過性を発揮する温度である３００℃に加熱
され、水素回収率も良好であった。
【００１６】（実施例１） 図３に、本発明の改質器の一実施例を示す。同図におい
て、触媒１０の上流側（メタノール等が供給される側）
にはハニカム状抵抗体２２が配設されており、また、触
媒１０内部に水素分離膜２０が配設されている。図３に
示す装置を用いて、参考例１と同様の性能評価を行う
と、ハニカム状抵抗体２２は、触媒反応が進行する温度
である３００℃に１０秒で加熱された。また、改質反応
器１５全体が３００℃に加熱されるまでの時間は、わず
かに２０秒であり、これら加熱に要した電力量は２０キ
ロジュールであった。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
加熱用抵抗体を改質反応器に内蔵させることとしたた
め、迅速且つ熱効率良く始動でき、水素回収率に優れた
改質反応器を提供することができる。また、本発明によ
れば、コンパクトで消費電力が低減した改質反応器を提
供することができる。即ち、始動持に改質反応器が効率
的に加熱され、短時間で水素製造が開始でき、未反応ガ
スの排出を低減できる。また、始動時に必要な電力を低
減できる。更に、水素分離膜による水素回収が、始動時
から効率良く行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】改質反応器の一参考例を示す概略説明図であ
る。
【図２】改質反応器の他の参考例を示す概略説明図であ
る。
【図３】本発明の改質反応器の一実施例を示す概略説明
図である。
【図４】従来の改質反応器の一例を示す概略説明図であ
る。
【符号の説明】
１０ 触媒、１１、１３、１５ 改質反応器、１２ 抵
抗体、１４ 水素分離装置、１６ 燃料電池、１８ 蓄
電池、２０ 水素分離膜、２２ ハニカム状抵抗体

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭化水素及び／又は酸素原子を含む炭化
    水素と、水及び酸素を含有するガスとを混合・気化し、
    該炭化水素の部分酸化、分解、改質を行う改質反応器で
    あって、 部分酸化、分解及び改質反応用の触媒と、ハニカム状を
    なす加熱用抵抗体とを備えることを特徴とする改質反応
    器。
  2. 【請求項２】 水素分離膜を備えることを特徴とする請
    求項１に記載の改質反応器。
  3. 【請求項３】 上記触媒内部に水素分離膜を配設したこ
    とを特徴とする請求項１又は２に記載の改質反応器。
  4. 【請求項４】 上記ハニカム状をなす加熱用抵抗体が、
    上記部分酸化、分解及び改質反応用の触媒の触媒担体と
    なっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１
    つの項に記載の改質反応器。
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