JPH06263401A - 燃料改質器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料改質器の反応管内で触媒流動が発生する
のを抑制し、もって反応管をコンパクトに保つこと。 【構成】 外管１４と内管１６との間に形成される触媒
層１８の大きさは反応管６の下端の原料ガス３０の導入
部から上端の出口部にかけて漸増するように構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、原料ガスという）を燃焼ガスによ
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（以下、改質ガスという）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
に適した改質反応管（以下、反応管という）を有する燃
料改質器に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムは、一般に、燃料
電池本体と上記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。

【０００３】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具備する燃料改
質器の一例を図３および図４に示す。以下、図３および
図４を参照しその構成および機能を説明する。

【０００４】内面に適当な厚さの断熱材２を施した収納
容器４内に反応管６が立設され、当該収納容器４の上端
にはバーナ空気入口８、バーナ燃料入口１０を付属する
バーナ１２が設けられている。反応管６は外管１４と内
管１６からなる二重管構造となっており、さらに、内管
１６の内部にはプラグ管１５が設けられてリターンパス
１７が形成されている。また、外管１４と内管１６との
間には粒状の触媒が上目皿２０の直下まで充填されて触
媒層１８が形成され、触媒層１８は上目皿２０および下
目皿１９によって保持されている。反応管６の上部には
保護キャップ７が被せられていて、保護キャップ７の下
端の高さは、上目皿２０の位置よりも長さｌだけ低くな
っている。

【０００５】また、収納容器４の下端には容器壁を貫通
して原料ガス入口２２、改質ガス出口２４および排ガス
出口２８が設けられており、原料ガス入口２２に通じる
系の上流側には図示しない原料ガス予熱器が備えられて
いる。なお、図３では反応管６が収納容器４内に１本し
か図示されていないが、反応管６を複数本収容した場合
でもその全体的な構成は同じである。以上が従来技術の
構成であり、以下にその機能を説明する。

【０００６】バーナ空気入口８およびバーナ燃料入口１
０から供給されたバーナ空気およびバーナ燃料は、バー
ナ１２で燃焼して1000℃を越える高温の燃焼ガス２６と
なり、収納容器４内に導入される。この燃焼ガス２６は
反応管６の周囲を長さ方向に沿って流下しながら外管１
４の壁面を通して反応管６の内部を流れる原料ガス３０
と熱交換し、徐々に温度が降下する。温度が下がった燃
焼ガス２６は排ガス出口２８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３０は、
原料ガス予熱器によって約 450℃に予熱され、原料ガス
入口２２より反応管６の下端に流入する。

【０００７】次に、原料ガス３０は触媒層１８内を反応
管６の長さ方向に沿って上向きに流れる。その際、原料
ガス３０は反応管６の外部を流れる高温の燃焼ガス２６
と外管１４を介して熱交換して熱せられ、徐々に温度が
上昇し、触媒層１８の上端に達するまでに約 800℃とな
る。この間に、触媒作用によって改質反応が起こり、水
素に富む組成を有する改質ガス３２へと変化する。

【０００８】さらに、改質ガス３２は反応管６の上端で
反転し、内管１６とプラグ管１５によって形成されるリ
ターンパス１７内を下向きに流れる。ここで改質ガス３
２は自身の保有する顕熱により内管１６を介して触媒層
１８内を流動する原料ガス３０を加熱する。なお、この
作用は再生機能と呼ばれ、高温の改質ガス３２の熱量を
有効に利用するものである。

【０００９】そして、約 550℃に温度降下した改質ガス
３２は、改質ガス出口２４より器外に排出され、図示し
ない種々の機器を経由して図示しない燃料電池本体に導
かれる。

【００１０】なお、運転中、反応管６の上部における金
属の温度は、燃焼ガス２６と改質ガス３２の温度の中間
に保たれる。この温度は吸熱化学反応であるところの改
質反応によって促進される燃焼ガス２６と原料ガス３２
との熱伝達によって決定付けられるものである。

【００１１】したがって、触媒が沈下して触媒が充填さ
れていない空間が反応管６の上端部に形成されると、改
質反応による吸熱がほとんどなくなることから、金属面
が高温の燃焼ガス２６によって過熱される懸念が生ず
る。また、製作時、触媒は上目皿２０の高さまで完全に
充填されるが、反応管６との触媒の熱膨張差により運転
中は触媒層１８の高さは上目皿２０に対した相対的に沈
下する。また、長時間運転すると、触媒は相互の摩擦に
よって粉化したり、改質管の熱膨張・熱収縮に際して締
め付けられ、破砕したりする。これらも触媒層１８の沈
下の原因となる。このために、保護キャップ７を上目皿
２０に対してｌだけ低くなるような位置まで被せた構成
とし、触媒の沈下が生じた場合でも反応管６の過熱が生
じるのを防止している。

【００１２】

【発明が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
ような努力が払われてきたが、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。

【００１３】ところで、燃料改質器の改質性能は、触媒
層１８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１８を流れる原料ガス３０
の流速をできるだけ高くするのが望ましい。

【００１４】しかし、従来の構造では原料ガス３０の触
媒層１８内での流れの方向が上向きであるため、流速を
ある限度以上高くすることができない。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、触媒の破損や粉化が著しく促進され
るためである。触媒の破損や粉化が起こると、破片や粉
によって触媒層１８の圧力損失が増大してプラントの運
転に悪影響を及ぼすことになる。また、反応管６が多数
収納される燃料改質器でこのような現象が生じ、破砕や
粉化の度合いが反応管６相互間で異なる場合には反応管
６相互間で流量不均一が生じ、規定の性能が得られなく
なる可能性がある。

【００１５】さらに、触媒の粉化等によって触媒層１８
の沈下が極端に進行し、この沈下量が保護キャップ７の
下端を越えると、その部分では吸熱反応が起こらなくな
るため、高温の燃焼ガス２６により反応管６が局部的に
過熱する問題が発生し、著しい場合には反応管６の耐熱
温度を越え、反応管６の溶融等の重大事故につながる可
能性がある。

【００１６】ところで、原料ガス３０の流速は触媒層１
８内を上昇するに伴って増加する。この理由は原料ガス
３０の温度が上昇し、かつ反応が進んでガスの容積が増
えるためである。したがって、触媒を浮き上がらせよう
とする流体力は触媒層１８の上端部で最大となる。

【００１７】このことから、外管１４および内管１６の
外径は、触媒層１８の上端部の原料ガス３０の流速を基
準にして反応管６の上端部で触媒流動が発生しないよう
に、余裕を持って大きく決められるのが普通である。

【００１８】このことから、外管１４および内管１６に
直管を使用する従来の形式では外管１４の伝熱面積やシ
ステム上の圧力損失に設計上の余裕がある場合でも、触
媒層１８の上端部における原料ガス３０の流速の制約の
ため、反応管６をコンパクトにできないことが往々にし
てあった。

【００１９】また、保護キャップ７が触媒層に被さって
いる部分（長さｌ）は、燃焼ガス２７からの熱伝達が遮
断されるために性能上は無効部分となっており、これも
コンパクト化を阻害する一要因になっていた。

【００２０】そこで、本発明の目的は反応管内で触媒流
動が発生するのを効果的に抑制し、反応管をコンパクト
に保って簡素な燃料電池発電プラントを構成できるよう
にした燃料改質器を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、同心状に配置される外管と内管とにより原
料ガスの改質反応を促す触媒層を形成する二重管式反応
管を具備してなる燃料改質器において、反応管内の触媒
層の大きさが原料ガス流動方向に沿って漸増するように
構成したことを特徴とするものである。

【００２２】

【作用】本発明においては、触媒層の大きさが原料ガス
流動方向に沿って漸増するように構成されるので、触媒
層の上部における減量ガスの流速が流動開始点での流速
以下となり、触媒流動を防止することが容易に可能とな
る。これにより、触媒流動に伴う触媒の破損、粉化等が
なくなり、したがって触媒層の沈下量を最小にすること
ができる。

【００２３】加えて、触媒層の大きさが上端において大
きいため、外管と内管とを直管で構成した場合に比べ
て、触媒の減量に対する沈下高さを相対的に小さくする
ことが可能になる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明を適用した燃料改質器の反応管の詳
細を示している。

【００２５】図１において、外管１４と内管１６との間
に形成される触媒層１８の大きさは反応管６の高さ方向
に沿って徐々に変化し、反応管６の下端の原料ガス３０
の導入部から上端の出口部にかけて漸増するように構成
している。この大きさを漸増させるために本実施例では
内管１６の外径を反応管６の高さ方向に径を徐々に細く
し、また、この内管１６に合わせてプラグ管１５の形状
も反応管６の高さ方向に徐々に細くしている。その他の
構成は従来と同様である。次に、本発明の実施例の作用
について、ガスの流動に従って説明する。なお、従来と
同様の作用を有する部分はその説明を省略する。

【００２６】図１において、1000℃以上の高温の燃焼ガ
ス２６は、反応管６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２６は外管１４を介して反
応管６の内部を流れる原料ガス３０と熱交換して徐々に
温度が降下し、下端に達したところで所定の温度になっ
て排出される。

【００２７】一方、炭化水素ガスに水蒸気を混合した約
400〜 450℃の原料ガス３０は、反応管６の下端に流入
し、下目皿１９を通過して触媒層１８に導かれ、触媒層
１８内を上向きに流動する。この際、原料ガス３０は外
管１４を介して燃焼ガス２６から、そして内管１６を介
して改質ガス３２から熱を収受して加熱され、徐々に温
度が上昇するとともに触媒作用によって改質反応が起こ
り、触媒層１８の上端に達したところでは 700〜 800℃
の水素を主成分とする改質ガス３２に変化する。このと
き、原料ガス３０が触媒層１８を上昇して改質反応が進
むに伴い、また温度が上昇するに従い、原料ガス３０の
体積流量が大きくなって流速も徐々に上昇する。しか
し、流体力は流動限界以下になるように触媒層１８の大
きさも漸増しているから、流速の増大が抑えられ、触媒
層１８の高さ方向すべてにわたって触媒の流動現象は発
生しない。

【００２８】したがって、触媒の破損や粉化が発生せ
ず、運転中における触媒層１８の沈下量は、反応管６と
触媒の熱膨張差に起因するもの、もしくは触媒相互の摩
擦による減量によるものに限定される。これらの値は事
前に予測可能であるため、合理的な触媒層１８の高さや
保護キャップ７のｌ寸法を決定することができる。

【００２９】さらに、触媒層１８の沈下に関して、実施
例の構成では触媒層１８の大きさが反応管６の上側に行
く程大きくなっているために、従来と比較して相対的に
沈下高さが小さくなるというメリットがある。したがっ
て、保護キャップ７が触媒層に被さっている部分（長さ
ｌ）の寸法を従来より小さくすることができ、反応管６
の長さも短くすることが可能になる。次に、改質ガスは
反応管６の上端部で反転してリターンパス１７を下向き
に流れる。

【００３０】この際、高温の改質ガス３２が保有する熱
量は、内管１６を介して触媒層１８内を流れる原料ガス
３０に伝えられ、下端に達するまでに所定の温度まで降
下して次の機器に送られる。このように、本発明におい
ても、従来と同様の再生機能を備えており、高温の改質
ガス３２の保有する熱の利用が図られている。

【００３１】以上のことから、本発明によれば、触媒層
１８内の原料ガス３０の体積変化に合わせてその大きさ
を漸増させて適切な流速を保つことができ、触媒層１８
全体として従来よりも伝熱性能が向上し、結果的に、外
管１４の外径を従来より小さくすることが可能となる。

【００３２】次に、本発明の他の実施例を図２を参照し
て説明する。基本的な構成および機能については図１と
同じであるが、異なる点は、触媒層１８の大きさが変化
する範囲を反応管６の上部の保護キャップ７が被さって
いる部分（ｌ寸法）に限定したことである。

【００３３】この場合、触媒層１８内を上昇する原料ガ
ス３０の流速が保護キャップ７の下端の高さにおいて流
動限界の下限ぎりぎりになるように触媒層１８の大きさ
が設定され、さらにその上部でも触媒層１８の大きさが
大きくなっているから流動は発生しない。また、従来と
比較して相対的に沈下量が小さくなるという効果は、前
述した実施例と同様であり、反応管６のコンパクト化に
大きく役立つ。

【００３４】なお、以上説明した実施例では、触媒層１
８の大きさを漸増させるために内管１６の外径を反応管
６の高さ方向に細くしているが、外管１４の外径を変化
させることによっても、または内管１６と外管１４の双
方を変化させても、本発明の目的に合致する効果を得る
ことができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば従
来の燃料改質器の優れた作用である再生機能を損なうこ
となく、反応管の上部で触媒層の大きさを増大させてい
るから原料ガスの流速を触媒流動限界以下に抑えること
ができ、触媒の破損、粉化等が生じないので、触媒の沈
下量を最小にすることができる。加えて、触媒層の大き
さを上端において増大させているから触媒の沈下量が従
来よりも少なくなり、触媒層上部の無効部分を減少する
ことが可能になる。

【００３６】したがって、本発明によれば燃料電池発電
システムの燃料改質器のコンパクト化に保つことがで
き、燃料電池発電システムの簡素化を達成できるという
優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料改質器の反応管の一実施例を
示す断面図。

【図２】本発明の他の実施例を示す断面図。

【図３】従来の燃料改質器を示す断面図。

【図４】図３に示す燃料改質器の反応管の詳細を示す断
面図。

【符号の説明】

６………反応管 １４………外管 １６………内管 １８………触媒層 ３０………原料ガス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同心状に配置される外管と内管とにより
   原料ガスの改質反応を促す触媒層を形成する二重管式反
   応管を具備してなる燃料改質器において、前記反応管内
   の該触媒層の大きさが原料ガス流動方向に沿って漸増す
   るように構成したことを特徴とする燃料改質器。