JP2000203802A - 改質器 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 水蒸気改質と部分改質とを併用した改質器に
おいて、外壁の温度をより低く保ちながら改質効率を上
昇させる。 【解決手段】 本改質器１０では、部分酸化改質反応を
中心に、また水蒸気改質反応をその周辺に局在化させる
ことにより外壁近傍の温度を低く保ちながら、改質反応
の効率化を図る。すなわち、改質器１０の入口中心から
酸素を供給し、中心領域１４の酸素濃度を高める。一
方、水蒸気は外壁１２に沿って供給して、外周領域１６
の水蒸気濃度を高める。この状態で炭化水素原料の改質
を行わせると、中心領域１４では、発熱反応である部分
酸化改質反応が主として起こり、この中心領域１４を取
り囲む外周領域１６では、吸熱反応である水蒸気改質反
応が生じ易くなる。よって、中心領域１４では発生する
反応熱により部分酸化改質を促進させることが可能とな
り、一方、外周領域１６では、この中心領域１４で生成
された反応熱が拡散する際に、これを吸収させて水蒸気
改質反応の効率を促進させ、外壁１２の近傍の温度は低
く維持する。
おいて、外壁の温度をより低く保ちながら改質効率を上
昇させる。 【解決手段】 本改質器１０では、部分酸化改質反応を
中心に、また水蒸気改質反応をその周辺に局在化させる
ことにより外壁近傍の温度を低く保ちながら、改質反応
の効率化を図る。すなわち、改質器１０の入口中心から
酸素を供給し、中心領域１４の酸素濃度を高める。一
方、水蒸気は外壁１２に沿って供給して、外周領域１６
の水蒸気濃度を高める。この状態で炭化水素原料の改質
を行わせると、中心領域１４では、発熱反応である部分
酸化改質反応が主として起こり、この中心領域１４を取
り囲む外周領域１６では、吸熱反応である水蒸気改質反
応が生じ易くなる。よって、中心領域１４では発生する
反応熱により部分酸化改質を促進させることが可能とな
り、一方、外周領域１６では、この中心領域１４で生成
された反応熱が拡散する際に、これを吸収させて水蒸気
改質反応の効率を促進させ、外壁１２の近傍の温度は低
く維持する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、メタン、メタノー
ルなどの炭化水素原料を改質して水素を生成する改質器
に関し、特に、水蒸気改質法と部分酸化改質法とを併用
した改質器の改良に関する。
ルなどの炭化水素原料を改質して水素を生成する改質器
に関し、特に、水蒸気改質法と部分酸化改質法とを併用
した改質器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、一般的には酸素と水素を燃
料として、これら燃料が有する化学エネルギーを熱エネ
ルギーを経由することなく、直接電気エネルギーとして
変換する装置であり、環境面で優れた特性を有し、また
高いエネルギー効率が可能であり、今後のエネルギー供
給システムとして広く開発が進められている。
料として、これら燃料が有する化学エネルギーを熱エネ
ルギーを経由することなく、直接電気エネルギーとして
変換する装置であり、環境面で優れた特性を有し、また
高いエネルギー効率が可能であり、今後のエネルギー供
給システムとして広く開発が進められている。
【０００３】上記燃料電池を発電装置として用いる場
合、水素を含む燃料ガスとしては天然ガス、ナフサ、さ
らにはメタノールであるアルコール類を用いるのが経済
的に理想であるが、現在これら燃料ガスを直接電池に供
給して効率よく発電できる燃料電池はない。そのため、
現在の多くの燃料電池には、炭化水素原料から燃料ガス
を生成する改質器を備え、この改質器において、上記天
然ガスやメタノールなどを改質してアノードに供給する
ための燃料ガスを生成している。
合、水素を含む燃料ガスとしては天然ガス、ナフサ、さ
らにはメタノールであるアルコール類を用いるのが経済
的に理想であるが、現在これら燃料ガスを直接電池に供
給して効率よく発電できる燃料電池はない。そのため、
現在の多くの燃料電池には、炭化水素原料から燃料ガス
を生成する改質器を備え、この改質器において、上記天
然ガスやメタノールなどを改質してアノードに供給する
ための燃料ガスを生成している。
【０００４】このような改質器における改質方法の一つ
として水蒸気改質方法がある。この水蒸気改質方法は、
炭化水素原料に水蒸気を作用させて改質し水素を生成す
る反応である。以下に、一例としてメタノールを原料と
して水蒸気改質を行った際に生じる化学反応（１）を示
す。 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2−49.5（kJ/mol） （１） 上記の通り、水蒸気改質反応は、吸熱反応であるため、
水蒸気改質を行う場合には、改質器にバーナやヒータ等
を併設して加熱することにより改質反応に必要となる熱
量を供給していた。しかし、改質器にバーナやヒータを
設けることは、改質部が大型化し、また複雑化するとい
う問題が生じていた。
として水蒸気改質方法がある。この水蒸気改質方法は、
炭化水素原料に水蒸気を作用させて改質し水素を生成す
る反応である。以下に、一例としてメタノールを原料と
して水蒸気改質を行った際に生じる化学反応（１）を示
す。 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2−49.5（kJ/mol） （１） 上記の通り、水蒸気改質反応は、吸熱反応であるため、
水蒸気改質を行う場合には、改質器にバーナやヒータ等
を併設して加熱することにより改質反応に必要となる熱
量を供給していた。しかし、改質器にバーナやヒータを
設けることは、改質部が大型化し、また複雑化するとい
う問題が生じていた。
【０００５】そのため、こうした問題を解消し得る改質
器が開発され、この改質器が特開平９−３１５８０１号
公報に記載されている。この改質器は、上記水蒸気改質
方法とは異なる原料改質方法である部分酸化改質反応を
同時に利用するものである。すなわち、部分酸化改質反
応は、メタノールなどの炭化水素原料に酸素を作用さ
せ、部分的に酸化することにより改質して水素を生成
し、同時に大きな反応熱を放出する。以下に、メタノー
ルを部分酸化改質して水素を生成する反応（２）を示
す。 ＣＨ3ＯＨ＋１／２Ｏ2→２Ｈ2＋ＣＯ2＋189.5（kJ/mol）（２） この改質器は、このように大きな熱量を生成する部分酸
化改質を同じ改質器内で行わせることにより、水蒸気改
質に必要となる熱量を供給することとしている。このよ
うなシステムによれば、外部に加熱用の装置を併設する
必要が無くなるため、装置の大型化、複雑化を防止する
ことが可能となる。また、改質器の外部からでなく改質
器内部で熱エネルギーが生成されるため、改質器の外壁
等に吸収される熱量を削減することができるため、エネ
ルギー効率も向上される。さらに、部分酸化改質は単に
水蒸気改質の反応熱を供給するだけでなく、同時に水素
が生成されることから、水素製造という点においても有
利である。
器が開発され、この改質器が特開平９−３１５８０１号
公報に記載されている。この改質器は、上記水蒸気改質
方法とは異なる原料改質方法である部分酸化改質反応を
同時に利用するものである。すなわち、部分酸化改質反
応は、メタノールなどの炭化水素原料に酸素を作用さ
せ、部分的に酸化することにより改質して水素を生成
し、同時に大きな反応熱を放出する。以下に、メタノー
ルを部分酸化改質して水素を生成する反応（２）を示
す。 ＣＨ3ＯＨ＋１／２Ｏ2→２Ｈ2＋ＣＯ2＋189.5（kJ/mol）（２） この改質器は、このように大きな熱量を生成する部分酸
化改質を同じ改質器内で行わせることにより、水蒸気改
質に必要となる熱量を供給することとしている。このよ
うなシステムによれば、外部に加熱用の装置を併設する
必要が無くなるため、装置の大型化、複雑化を防止する
ことが可能となる。また、改質器の外部からでなく改質
器内部で熱エネルギーが生成されるため、改質器の外壁
等に吸収される熱量を削減することができるため、エネ
ルギー効率も向上される。さらに、部分酸化改質は単に
水蒸気改質の反応熱を供給するだけでなく、同時に水素
が生成されることから、水素製造という点においても有
利である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述した部分酸化改質
反応及び水蒸気改質反応は、平衡反応であり、この平衡
反応は温度に依存している。すなわち、これら反応は温
度を高くすることにより水素生成の方向に反応が進行
し、逆に温度が低くなれば、水素から原料に復帰する反
応が生じることになる。そのため、これら平衡反応を水
素生成の方向に向かわせるためには、それぞれ適当な反
応温度に上昇させることが必要となる。
反応及び水蒸気改質反応は、平衡反応であり、この平衡
反応は温度に依存している。すなわち、これら反応は温
度を高くすることにより水素生成の方向に反応が進行
し、逆に温度が低くなれば、水素から原料に復帰する反
応が生じることになる。そのため、これら平衡反応を水
素生成の方向に向かわせるためには、それぞれ適当な反
応温度に上昇させることが必要となる。
【０００７】しかしながら、従来の水蒸気改質と部分酸
化改質とを併用した改質器のように、改質器内で水蒸気
改質反応と部分改質反応とがランダムに行なわれてい
る。このような場合には、部分酸化改質により発生され
た熱が改質器内全体に均質化され、また、近傍で生じて
いる水蒸気改質により吸収されてしまうことになる。そ
のため、従来の改質器では、これら両反応の効率を上昇
させ得る程度に改質器内全体の温度、例えば、７００
度、８００度という高い温度に維持する必要があった。
化改質とを併用した改質器のように、改質器内で水蒸気
改質反応と部分改質反応とがランダムに行なわれてい
る。このような場合には、部分酸化改質により発生され
た熱が改質器内全体に均質化され、また、近傍で生じて
いる水蒸気改質により吸収されてしまうことになる。そ
のため、従来の改質器では、これら両反応の効率を上昇
させ得る程度に改質器内全体の温度、例えば、７００
度、８００度という高い温度に維持する必要があった。
【０００８】また、このように改質器内を高い温度を維
持するためには、改質器を構成する外壁材として、高温
に耐え得る高価な材質を用いる必要があり、コストアッ
プが避けられなかった。
持するためには、改質器を構成する外壁材として、高温
に耐え得る高価な材質を用いる必要があり、コストアッ
プが避けられなかった。
【０００９】そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、水蒸気改質と部分酸化改
質とを併用した改質器において、外壁の温度をより低く
保ちながら改質効率を上昇させることである。
れたものであり、その目的は、水蒸気改質と部分酸化改
質とを併用した改質器において、外壁の温度をより低く
保ちながら改質効率を上昇させることである。
【００１０】
【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、炭化水素原料を水蒸気を用いて水素に改
質する水蒸気改質と炭化水素原料を酸素を用いて水素に
改質する部分酸化改質とを併用した改質器であって、前
記改質器の内部空間において、中心から外壁内面に向か
って酸素供給量を低くし、一方、水蒸気供給量を外壁内
面から中心に向かって低くし、中心領域側で部分酸化反
応を実施し、この中心領域側を取り囲む外周領域側で水
蒸気改質を実施させることを特徴とする。
に、本発明は、炭化水素原料を水蒸気を用いて水素に改
質する水蒸気改質と炭化水素原料を酸素を用いて水素に
改質する部分酸化改質とを併用した改質器であって、前
記改質器の内部空間において、中心から外壁内面に向か
って酸素供給量を低くし、一方、水蒸気供給量を外壁内
面から中心に向かって低くし、中心領域側で部分酸化反
応を実施し、この中心領域側を取り囲む外周領域側で水
蒸気改質を実施させることを特徴とする。
【００１１】上記発明によれば、中心領域で行なわれる
発熱反応の部分酸化改質により発生する反応熱は、外周
領域側の水蒸気改質反応により利用される。そのため、
改質器の内部では温度分布が形成され、中心部から外壁
内面方向に向かうにつれて、温度が徐々に低くなり、外
壁の温度を低く維持することが可能となる。換言すれ
ば、外壁の温度を従来の反応温度と同じ温度、例えば、
７００度に維持しようとする場合には、本発明の改質器
においては、中心部の温度をより高く維持することが可
能となり、その結果、改質反応の効率を向上させること
ができる。また、従来と同じ反応効率を達成するために
は、従来に比して、外壁の温度を低く保った状態で改質
反応を行わせることができる。
発熱反応の部分酸化改質により発生する反応熱は、外周
領域側の水蒸気改質反応により利用される。そのため、
改質器の内部では温度分布が形成され、中心部から外壁
内面方向に向かうにつれて、温度が徐々に低くなり、外
壁の温度を低く維持することが可能となる。換言すれ
ば、外壁の温度を従来の反応温度と同じ温度、例えば、
７００度に維持しようとする場合には、本発明の改質器
においては、中心部の温度をより高く維持することが可
能となり、その結果、改質反応の効率を向上させること
ができる。また、従来と同じ反応効率を達成するために
は、従来に比して、外壁の温度を低く保った状態で改質
反応を行わせることができる。
【００１２】尚、ここで「中心領域側で部分酸化反応を
実施し、この中心領域側を取り囲む外周領域側で水蒸気
改質を実施させる」としているが、部分酸化反応にも水
蒸気が必要とされることがあるため中心領域側では部分
酸化反応以外にも一部水蒸気改質反応が生じていてもよ
い。
実施し、この中心領域側を取り囲む外周領域側で水蒸気
改質を実施させる」としているが、部分酸化反応にも水
蒸気が必要とされることがあるため中心領域側では部分
酸化反応以外にも一部水蒸気改質反応が生じていてもよ
い。
【００１３】また、本発明は、上記発明において、前記
改質器の中心に酸素を噴出供給する噴出部が設けられ、
改質器の中心から外壁内面に向かって酸素が供給される
ことを特徴とする。
改質器の中心に酸素を噴出供給する噴出部が設けられ、
改質器の中心から外壁内面に向かって酸素が供給される
ことを特徴とする。
【００１４】上記発明によれば、前記噴出部から酸素が
噴出され、そのため、確実に中心から外壁内面に向かっ
て酸素供給量の勾配を形成することが可能となる。その
ため、改質器中心付近では、中心領域側で効率的に部分
酸化改質が実施され、一方、外壁内面に向かって徐々に
部分酸化改質の割合は低下し、逆に水蒸気改質の割合を
増加させることができる。また、中心に噴出部を設置す
ることは、噴出部から酸素を供給する際に中心から外壁
内面方向への気流が形成され、この気流により反応熱
が、外周領域に移行されて外周領域側での水蒸気改質反
応においてこの反応熱が効率よく利用されるようにな
る。
噴出され、そのため、確実に中心から外壁内面に向かっ
て酸素供給量の勾配を形成することが可能となる。その
ため、改質器中心付近では、中心領域側で効率的に部分
酸化改質が実施され、一方、外壁内面に向かって徐々に
部分酸化改質の割合は低下し、逆に水蒸気改質の割合を
増加させることができる。また、中心に噴出部を設置す
ることは、噴出部から酸素を供給する際に中心から外壁
内面方向への気流が形成され、この気流により反応熱
が、外周領域に移行されて外周領域側での水蒸気改質反
応においてこの反応熱が効率よく利用されるようにな
る。
【００１５】さらに、本発明は、上記発明において、前
記外壁内面近傍に高分圧の水蒸気が供給されることを特
徴とする。
記外壁内面近傍に高分圧の水蒸気が供給されることを特
徴とする。
【００１６】水蒸気改質が行なわれる外周領域側では、
部分酸化改質が行なわれる中心領域側から遠ざかるにつ
れて、温度が低下し水蒸気改質の効率が低くなる傾向に
あるが、本発明のように外壁内面近傍の水蒸気分圧を高
めて、水蒸気改質の平行反応を水素生成方向に向かわ
せ、低下した温度でも高い改質率を達成することが可能
となる。
部分酸化改質が行なわれる中心領域側から遠ざかるにつ
れて、温度が低下し水蒸気改質の効率が低くなる傾向に
あるが、本発明のように外壁内面近傍の水蒸気分圧を高
めて、水蒸気改質の平行反応を水素生成方向に向かわ
せ、低下した温度でも高い改質率を達成することが可能
となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面を用いて説明する。
図面を用いて説明する。
【００１８】［第一の実施形態］先ず、図１に示した水
蒸気改質反応及び部分酸化改質反応の反応温度と理論反
応率との関係により本改質器の反応率と反応温度の関係
を説明する。なお、図１において破線が部分酸化改質反
応と水蒸気改質反応を組み合わせた場合を示し、実線が
水蒸気改質反応を示す。また、これらはメタン（Ｃ
Ｈ4）を改質した場合の関係を示している。
蒸気改質反応及び部分酸化改質反応の反応温度と理論反
応率との関係により本改質器の反応率と反応温度の関係
を説明する。なお、図１において破線が部分酸化改質反
応と水蒸気改質反応を組み合わせた場合を示し、実線が
水蒸気改質反応を示す。また、これらはメタン（Ｃ
Ｈ4）を改質した場合の関係を示している。
【００１９】図１に示すように、改質反応は平衡反応で
あり、これらの反応の方向性は反応温度等により決定さ
れている。そして、図１に示す通り、改質反応において
水素生成方向に向かわせるためには、反応温度を高くす
ることが要求される。従来のように、これら部分酸化反
応及び水蒸気改質反応を改質部内で均質に行っていたと
きには、通常、改質器内を７００度程度に維持してい
た。
あり、これらの反応の方向性は反応温度等により決定さ
れている。そして、図１に示す通り、改質反応において
水素生成方向に向かわせるためには、反応温度を高くす
ることが要求される。従来のように、これら部分酸化反
応及び水蒸気改質反応を改質部内で均質に行っていたと
きには、通常、改質器内を７００度程度に維持してい
た。
【００２０】図２に示す本実施形態の改質部１０では、
部分酸化改質反応を中心に、また水蒸気改質反応をその
周辺に局在化させることにより外壁内面近傍の温度を低
く保ちながら、改質反応の効率化を図ることとしてい
る。
部分酸化改質反応を中心に、また水蒸気改質反応をその
周辺に局在化させることにより外壁内面近傍の温度を低
く保ちながら、改質反応の効率化を図ることとしてい
る。
【００２１】すなわち、図２において、改質器１０の入
口中心に酸素供給源として空気供給部１１を設置し、改
質器１０内の中心領域の酸素濃度を高める。一方、空気
供給部１１の周囲に水蒸気供給部１３を設置して、改質
器１０内の外周領域の水蒸気濃度を高める。このように
改質器１０の状態を維持したまま炭化水素原料の改質を
行わせると、中心領域１４では、発熱反応である部分酸
化改質反応が主として起こり、この中心領域１４を取り
囲む外周領域１６では、吸熱反応である水蒸気改質反応
が生じ易くなる。
口中心に酸素供給源として空気供給部１１を設置し、改
質器１０内の中心領域の酸素濃度を高める。一方、空気
供給部１１の周囲に水蒸気供給部１３を設置して、改質
器１０内の外周領域の水蒸気濃度を高める。このように
改質器１０の状態を維持したまま炭化水素原料の改質を
行わせると、中心領域１４では、発熱反応である部分酸
化改質反応が主として起こり、この中心領域１４を取り
囲む外周領域１６では、吸熱反応である水蒸気改質反応
が生じ易くなる。
【００２２】従って、中心領域１４では、発生する反応
熱により部分酸化改質を促進させることが可能となり、
一方、外周領域１６では、この中心領域１４で生成され
た反応熱が拡散する際に、これを吸収させて水蒸気改質
反応の効率を促進させることとしている。このように改
質器１０の内部において熱交換を行うことにより、両反
応の効率を促進させるとともに、外周領域１６の近傍の
温度は低く維持される。
熱により部分酸化改質を促進させることが可能となり、
一方、外周領域１６では、この中心領域１４で生成され
た反応熱が拡散する際に、これを吸収させて水蒸気改質
反応の効率を促進させることとしている。このように改
質器１０の内部において熱交換を行うことにより、両反
応の効率を促進させるとともに、外周領域１６の近傍の
温度は低く維持される。
【００２３】以下に、上記改質器１０においてメタンの
改質を行う際の作用を示す。
改質を行う際の作用を示す。
【００２４】ここでは、炭化水素原料として、メタンを
用いて水素への改質を行う。このメタンを水蒸気改質す
る際には、以下の（３）式に示す反応が生じ、また、メ
タンを部分酸化改質する際には、以下の（４）式に示す
反応が生じる。 ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ−206.2kJ （３） ＣＨ4＋１／２Ｏ2→２Ｈ2＋ＣＯ＋35.7kJ （４） ここでは、部分酸化改質による発熱量と、水蒸気改質反
応の吸熱量とが、相殺され反応により改質器内部の温度
が変動しないように、両反応の割合を調整する。水蒸気
改質反応と部分酸化反応の割合は酸素とメタンの割合で
調整する。つまり、酸素は全て部分酸化に使われ、それ
でも残ったメタンが水蒸気改質されると考える。すなわ
ち、ここでは酸素供給量をＯ2／ＣＨ4比＝０．４３とす
る。また水蒸気供給量はＨ2Ｏ／ＣＨ4＝３とする。
用いて水素への改質を行う。このメタンを水蒸気改質す
る際には、以下の（３）式に示す反応が生じ、また、メ
タンを部分酸化改質する際には、以下の（４）式に示す
反応が生じる。 ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ−206.2kJ （３） ＣＨ4＋１／２Ｏ2→２Ｈ2＋ＣＯ＋35.7kJ （４） ここでは、部分酸化改質による発熱量と、水蒸気改質反
応の吸熱量とが、相殺され反応により改質器内部の温度
が変動しないように、両反応の割合を調整する。水蒸気
改質反応と部分酸化反応の割合は酸素とメタンの割合で
調整する。つまり、酸素は全て部分酸化に使われ、それ
でも残ったメタンが水蒸気改質されると考える。すなわ
ち、ここでは酸素供給量をＯ2／ＣＨ4比＝０．４３とす
る。また水蒸気供給量はＨ2Ｏ／ＣＨ4＝３とする。
【００２５】先ず、改質器１０の内部温度を改質温度、
例えば、従来と同じ７００度程度まで上昇させて原料を
送り込み、さらに上記の割合で、中心領域１４には空気
供給部１１から空気を、外周領域１６には水蒸気供給部
１３からは水蒸気を供給する。中心領域１４では、主と
して部分酸化改質反応が生じ、１モルのメタンが改質さ
れると同時に35.7kJの熱量が生成される。これにより中
心領域は温度は７００度以上に上昇し、部分酸化反応が
促進される。
例えば、従来と同じ７００度程度まで上昇させて原料を
送り込み、さらに上記の割合で、中心領域１４には空気
供給部１１から空気を、外周領域１６には水蒸気供給部
１３からは水蒸気を供給する。中心領域１４では、主と
して部分酸化改質反応が生じ、１モルのメタンが改質さ
れると同時に35.7kJの熱量が生成される。これにより中
心領域は温度は７００度以上に上昇し、部分酸化反応が
促進される。
【００２６】一方、外周領域１６では、中心領域１４に
おける部分酸化改質で発生した反応熱が供給され、この
反応熱が外周領域１６における水蒸気改質反応の推進力
となり、水蒸気改質反応が促進される。この水蒸気改質
反応は吸熱反応であるため、水蒸気改質反応が促進され
ると、中心領域１４で生成された反応熱が外周領域１６
で吸収され、結果として外周領域１６の温度は７００度
以下に低下する。従って本改質器１０では、改質反応の
効率を維持又は向上させつつ、外壁の温度は低く保つこ
とが可能となる。
おける部分酸化改質で発生した反応熱が供給され、この
反応熱が外周領域１６における水蒸気改質反応の推進力
となり、水蒸気改質反応が促進される。この水蒸気改質
反応は吸熱反応であるため、水蒸気改質反応が促進され
ると、中心領域１４で生成された反応熱が外周領域１６
で吸収され、結果として外周領域１６の温度は７００度
以下に低下する。従って本改質器１０では、改質反応の
効率を維持又は向上させつつ、外壁の温度は低く保つこ
とが可能となる。
【００２７】なお、図２に示す改質器１０は、図には示
していないが通常通り、内部空間には改質反応の効率化
を図るために、改質用の触媒等が収容されている。この
触媒としては改質反応を促進させ得る触媒であればどの
ようなものでもよく、例えば、ニッケル系、パラジウム
系、白金系、ロジウム系、ルテニウム系などである。ま
た、水蒸気改質が主として行なわれる外周領域、部分酸
化反応が主として行なわれる中心領域に収容する触媒を
異ならせてもよい。
していないが通常通り、内部空間には改質反応の効率化
を図るために、改質用の触媒等が収容されている。この
触媒としては改質反応を促進させ得る触媒であればどの
ようなものでもよく、例えば、ニッケル系、パラジウム
系、白金系、ロジウム系、ルテニウム系などである。ま
た、水蒸気改質が主として行なわれる外周領域、部分酸
化反応が主として行なわれる中心領域に収容する触媒を
異ならせてもよい。
【００２８】また、図２には、炭化水素原料の供給手段
を示していないが、炭化水素原料は、独立の供給部とし
て改質器１０内に直接供給する形式をとってもよく、ま
た、炭化水素原料の供給部から上記水蒸気供給部１３や
空気供給部１１を介して改質器１０内に供給する形式を
採用してもよい。
を示していないが、炭化水素原料は、独立の供給部とし
て改質器１０内に直接供給する形式をとってもよく、ま
た、炭化水素原料の供給部から上記水蒸気供給部１３や
空気供給部１１を介して改質器１０内に供給する形式を
採用してもよい。
【００２９】以下の実施形態において、上記改質器への
炭化水素原料、酸素、水蒸気の種々の供給様式、及びそ
の作用を示す。
炭化水素原料、酸素、水蒸気の種々の供給様式、及びそ
の作用を示す。
【００３０】［第二の実施形態］図３には、改質器１０
内の中央に噴出管２２を設け、この噴出管２２から空気
供給部から送り込まれた空気を改質器１０の中心から外
壁１２の内面１２ａに向かって放射状に噴出供給する。
従って、改質器内の酸素濃度は、中心領域で高く、外周
領域１６では低くなる。一方、原料として使用するメタ
ンと水蒸気とは、入口外周部より改質器１０の内部に送
り込まれる。従って、メタン及び水蒸気の濃度は外周領
域１６で高く、中心領域１４では低くなる。
内の中央に噴出管２２を設け、この噴出管２２から空気
供給部から送り込まれた空気を改質器１０の中心から外
壁１２の内面１２ａに向かって放射状に噴出供給する。
従って、改質器内の酸素濃度は、中心領域で高く、外周
領域１６では低くなる。一方、原料として使用するメタ
ンと水蒸気とは、入口外周部より改質器１０の内部に送
り込まれる。従って、メタン及び水蒸気の濃度は外周領
域１６で高く、中心領域１４では低くなる。
【００３１】図４には、上記の通り酸素、水蒸気の濃度
分布を形成させた状態で原料の改質を行った場合に改質
器１０の内部で生じる部分酸化改質及び水蒸気改質の反
応量の分布を示す。なお、図４において、（Ａ）は部分
酸化改質反応を、（Ｂ）は水蒸気改質反応を示す。ま
た、それぞれ縦軸は、改質器中心からの径方向の距離、
横軸は反応量を示す。また、第一の実施形態と同様にＨ
2Ｏ／ＣＨ4＝３，Ｏ2／ＣＨ4＝０．４３とした。さら
に、図５には、改質器内で反応時に形成される温度分布
を示す。
分布を形成させた状態で原料の改質を行った場合に改質
器１０の内部で生じる部分酸化改質及び水蒸気改質の反
応量の分布を示す。なお、図４において、（Ａ）は部分
酸化改質反応を、（Ｂ）は水蒸気改質反応を示す。ま
た、それぞれ縦軸は、改質器中心からの径方向の距離、
横軸は反応量を示す。また、第一の実施形態と同様にＨ
2Ｏ／ＣＨ4＝３，Ｏ2／ＣＨ4＝０．４３とした。さら
に、図５には、改質器内で反応時に形成される温度分布
を示す。
【００３２】図４（Ａ）に示す通り、酸素濃度の高い中
心領域（図において一点鎖線の下側の領域）では、メタ
ンの部分酸化改質反応が盛んに行なわれ、これに対応し
て図５に示すように中央領域の温度が上昇する。この反
応熱は、空気噴出管２２から吹出す空気の気流により外
周領域１６に拡散させる。外周領域１６では、この反応
熱を利用して、メタンの水蒸気改質反応は促進され、そ
の結果、図５に示すように外周領域の温度が低下し、外
壁１２付近は温度が低く維持される。
心領域（図において一点鎖線の下側の領域）では、メタ
ンの部分酸化改質反応が盛んに行なわれ、これに対応し
て図５に示すように中央領域の温度が上昇する。この反
応熱は、空気噴出管２２から吹出す空気の気流により外
周領域１６に拡散させる。外周領域１６では、この反応
熱を利用して、メタンの水蒸気改質反応は促進され、そ
の結果、図５に示すように外周領域の温度が低下し、外
壁１２付近は温度が低く維持される。
【００３３】［第三の実施形態］第三の実施形態を図６
に示す。第三の実施形態の改質器では、第二の実施形態
と異なり、噴出管２２から空気とともにメタンを改質器
１０の内部に噴出させる構成を採用している。また、こ
こでは噴出管２２から噴出させる酸素とメタンとの割合
をＯ2／ＣＨ4比として約０．５として中心領域において
発熱反応である部分酸化改質反応を実施させた場合（図
７）と、約２．０として中心領域においてメタンを完全
燃焼させた場合（図８）を示す。
に示す。第三の実施形態の改質器では、第二の実施形態
と異なり、噴出管２２から空気とともにメタンを改質器
１０の内部に噴出させる構成を採用している。また、こ
こでは噴出管２２から噴出させる酸素とメタンとの割合
をＯ2／ＣＨ4比として約０．５として中心領域において
発熱反応である部分酸化改質反応を実施させた場合（図
７）と、約２．０として中心領域においてメタンを完全
燃焼させた場合（図８）を示す。
【００３４】図７には、噴出管２２から噴出させる酸素
とメタンとの割合をＯ2／ＣＨ4比として約０．５とした
場合の改質器１０の内部の部分酸化改質と水蒸気改質と
の反応分布を示す。
とメタンとの割合をＯ2／ＣＨ4比として約０．５とした
場合の改質器１０の内部の部分酸化改質と水蒸気改質と
の反応分布を示す。
【００３５】ここでは、空気がメタンとともに噴出管２
２から噴出されるため、図７（Ａ）に示すように、改質
器１０において、より中心側で酸素がメタンと接触可能
となるため、主として部分酸化改質反応が行なわれる領
域、すなわち中心領域１４が狭まり、高温となる領域も
より中心寄りとなる。この反応熱は、外周領域１６に拡
散する過程で、外周領域１６で生じる水蒸気改質反応に
吸収され、外壁領域１６付近の温度は低く維持されるこ
とになる。このように高温になる領域が中心の限定され
た領域に限られるため、外壁が高温に晒されることを防
ぐことができる。
２から噴出されるため、図７（Ａ）に示すように、改質
器１０において、より中心側で酸素がメタンと接触可能
となるため、主として部分酸化改質反応が行なわれる領
域、すなわち中心領域１４が狭まり、高温となる領域も
より中心寄りとなる。この反応熱は、外周領域１６に拡
散する過程で、外周領域１６で生じる水蒸気改質反応に
吸収され、外壁領域１６付近の温度は低く維持されるこ
とになる。このように高温になる領域が中心の限定され
た領域に限られるため、外壁が高温に晒されることを防
ぐことができる。
【００３６】また、同様の構成で、図８には、メタンと
酸素の割合をＯ2／ＣＨ4比として約２とした場合の改質
器１０の内部の反応を示す。
酸素の割合をＯ2／ＣＨ4比として約２とした場合の改質
器１０の内部の反応を示す。
【００３７】改質器１０では、噴出管２２よりメタンと
酸素とがＯ2／ＣＨ4比として約２となるように吹込まれ
る。このように酸素が多く存在する条件下では、図８
（Ａ）に示すように中心領域１４側において、メタンは
完全燃焼する。メタンが完全燃焼する際の反応を以下の
（５）式に示す。 ＣＨ4＋２Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ ＋ ＣＯ2 （５） 上記（５）式に示す通り、メタンが完全燃焼した場合に
は水素は生成されないが、その代りに部分酸化反応より
も大きな反応熱が生成される。この反応熱は外周領域１
６側で行なわれる水蒸気改質反応に利用され、水蒸気改
質反応が促進される。また、メタンの完全燃焼によりＣ
Ｏ2が副生されるが、このＣＯ2もまたメタンの改質反応
に利用される。すなわち、外周領域側では、水蒸気改質
反応と同時に以下の（６）式に示すＣＯ2改質反応が生
じる。このＣＯ2改質反応もまた吸熱反応であり、メタ
ンの完全燃焼による反応熱を利用して反応が促進され
る。 ＣＨ4 ＋ ＣＯ2 → ２Ｈ2 ＋ ２ＣＯ （６） このように、中心領域１４においてメタンを完全燃焼さ
せることにより熱源を生成し、この熱量を外周領域１６
において行なわれる水蒸気改質反応に吸収利用させ、水
素への改質を促進させる。また同時に、メタンの完全燃
焼により副生されるＣＯ2によりメタンのＣＯ2改質反応
を実行させる。よって、本改質器においては、外周領域
１６における水素生成を向上させることができる。
酸素とがＯ2／ＣＨ4比として約２となるように吹込まれ
る。このように酸素が多く存在する条件下では、図８
（Ａ）に示すように中心領域１４側において、メタンは
完全燃焼する。メタンが完全燃焼する際の反応を以下の
（５）式に示す。 ＣＨ4＋２Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ ＋ ＣＯ2 （５） 上記（５）式に示す通り、メタンが完全燃焼した場合に
は水素は生成されないが、その代りに部分酸化反応より
も大きな反応熱が生成される。この反応熱は外周領域１
６側で行なわれる水蒸気改質反応に利用され、水蒸気改
質反応が促進される。また、メタンの完全燃焼によりＣ
Ｏ2が副生されるが、このＣＯ2もまたメタンの改質反応
に利用される。すなわち、外周領域側では、水蒸気改質
反応と同時に以下の（６）式に示すＣＯ2改質反応が生
じる。このＣＯ2改質反応もまた吸熱反応であり、メタ
ンの完全燃焼による反応熱を利用して反応が促進され
る。 ＣＨ4 ＋ ＣＯ2 → ２Ｈ2 ＋ ２ＣＯ （６） このように、中心領域１４においてメタンを完全燃焼さ
せることにより熱源を生成し、この熱量を外周領域１６
において行なわれる水蒸気改質反応に吸収利用させ、水
素への改質を促進させる。また同時に、メタンの完全燃
焼により副生されるＣＯ2によりメタンのＣＯ2改質反応
を実行させる。よって、本改質器においては、外周領域
１６における水素生成を向上させることができる。
【００３８】以上の通り、改質器の中心領域１４の反応
は必ずしもメタンの部分酸化反応に限られず、メタンを
完全燃焼させて、水蒸気改質反応に必要となる反応熱を
生成してもよい。
は必ずしもメタンの部分酸化反応に限られず、メタンを
完全燃焼させて、水蒸気改質反応に必要となる反応熱を
生成してもよい。
【００３９】［第四の実施形態］本実施形態の改質器を
図９に示す。図９に示す通り、本実施形態では、改質器
中心領域３４を取り囲むように噴出管３５を設け、この
噴出管３５に空気とメタンを供給し、一方、改質器３０
の入口外周部からは水蒸気のみを供給することとしてい
る。
図９に示す。図９に示す通り、本実施形態では、改質器
中心領域３４を取り囲むように噴出管３５を設け、この
噴出管３５に空気とメタンを供給し、一方、改質器３０
の入口外周部からは水蒸気のみを供給することとしてい
る。
【００４０】図１０には、噴出管３５から噴出させる酸
素とメタンとの割合をＯ2／ＣＨ4比として約０．４３と
した場合の改質器１０の内部の部分酸化改質と水蒸気改
質との反応分布を示す。
素とメタンとの割合をＯ2／ＣＨ4比として約０．４３と
した場合の改質器１０の内部の部分酸化改質と水蒸気改
質との反応分布を示す。
【００４１】図１０（Ａ）に示すように、中心領域３４
では、メタンは共に送り込まれた酸素により部分酸化改
質の対象となり、中心領域３４における部分酸化反応が
進行する。一方、外周領域３６では、中心領域３４にお
いて未改質として残存するメタンが部分酸化改質により
生成された反応熱とともに噴出管３５より送り出され
る。この外周領域３６では、水蒸気が供給されているた
め、これら送り出された原料メタンと反応熱により水蒸
気改質が促進される。水蒸気改質反応は吸熱反応である
ため、図１１に示すように、外周領域３６では、温度が
低下し、中心領域３４より最も遠ざかった外壁３２付近
では低い温度が維持される。
では、メタンは共に送り込まれた酸素により部分酸化改
質の対象となり、中心領域３４における部分酸化反応が
進行する。一方、外周領域３６では、中心領域３４にお
いて未改質として残存するメタンが部分酸化改質により
生成された反応熱とともに噴出管３５より送り出され
る。この外周領域３６では、水蒸気が供給されているた
め、これら送り出された原料メタンと反応熱により水蒸
気改質が促進される。水蒸気改質反応は吸熱反応である
ため、図１１に示すように、外周領域３６では、温度が
低下し、中心領域３４より最も遠ざかった外壁３２付近
では低い温度が維持される。
【００４２】［第五の実施形態］図１２に本実施形態の
改質器４０を示す。上述した実施形態では、外周領域に
おいて水蒸気改質を実施させ、外周領域の温度を低くす
ることとしているが、中心領域から遠ざかるにつれて、
水蒸気改質の効率が低下する傾向にある。こうした外壁
近傍の水蒸気改質反応の低下を補うために、外壁近傍に
水蒸気を供給して、水蒸気分圧を上げることにより水蒸
気改質を促進させることとしている。
改質器４０を示す。上述した実施形態では、外周領域に
おいて水蒸気改質を実施させ、外周領域の温度を低くす
ることとしているが、中心領域から遠ざかるにつれて、
水蒸気改質の効率が低下する傾向にある。こうした外壁
近傍の水蒸気改質反応の低下を補うために、外壁近傍に
水蒸気を供給して、水蒸気分圧を上げることにより水蒸
気改質を促進させることとしている。
【００４３】具体的には、改質器４０は、図１２に示す
ように、外壁４２に沿って、水蒸気等を流通可能な材質
からなる内筒４５を設け、その内筒４５と外壁４２との
間に水蒸気を供給する水蒸気供給領域４５ａを形成させ
ている。
ように、外壁４２に沿って、水蒸気等を流通可能な材質
からなる内筒４５を設け、その内筒４５と外壁４２との
間に水蒸気を供給する水蒸気供給領域４５ａを形成させ
ている。
【００４４】従って、ほとんどの水蒸気は、この水蒸気
供給領域４５ａに供給され、原料の天然ガス、空気及び
残りの水蒸気は内筒４５の内側に供給される。水蒸気供
給領域４５ａに供給された水蒸気は、その圧力により内
筒４５を通過して中心領域４４の方向に流れる。よっ
て、改質器４０内における水蒸気分圧は、図１３に示す
ような分布が形成される。すなわち、外周領域４６にお
いて水蒸気分圧は高く、中心領域４４において、その分
圧は低くなる。
供給領域４５ａに供給され、原料の天然ガス、空気及び
残りの水蒸気は内筒４５の内側に供給される。水蒸気供
給領域４５ａに供給された水蒸気は、その圧力により内
筒４５を通過して中心領域４４の方向に流れる。よっ
て、改質器４０内における水蒸気分圧は、図１３に示す
ような分布が形成される。すなわち、外周領域４６にお
いて水蒸気分圧は高く、中心領域４４において、その分
圧は低くなる。
【００４５】このような改質器４０の状態において、炭
化水素原料の改質を行うと、先ず、中心領域４４では、
供給された酸素により原料が部分酸化され、水素が生成
されるとともに、反応熱を発生する。中心から離れるに
従って酸素濃度が低くなり水蒸気濃度が高くなるため、
部分酸化反応よりも水蒸気改質反応が促進され、水蒸気
改質反応により水素が生成されるとともに一部熱が吸収
される。このように中心から離れるに従って、水蒸気改
質反応が促進されるため外周領域４６温度は低下する傾
向にある。
化水素原料の改質を行うと、先ず、中心領域４４では、
供給された酸素により原料が部分酸化され、水素が生成
されるとともに、反応熱を発生する。中心から離れるに
従って酸素濃度が低くなり水蒸気濃度が高くなるため、
部分酸化反応よりも水蒸気改質反応が促進され、水蒸気
改質反応により水素が生成されるとともに一部熱が吸収
される。このように中心から離れるに従って、水蒸気改
質反応が促進されるため外周領域４６温度は低下する傾
向にある。
【００４６】このように外周領域の温度が低い場合に
は、水蒸気改質反応の反応効率が低下するが、本改質器
４０では、外周領域の水蒸気分圧が高く維持されている
ため、この圧力により水蒸気改質反応を促進している。
このように外周流域４６の温度を低く維持したまま、水
蒸気分圧を高めることにより、水蒸気改質反応を促進さ
せ、水素生成の効率を図ることもできる。
は、水蒸気改質反応の反応効率が低下するが、本改質器
４０では、外周領域の水蒸気分圧が高く維持されている
ため、この圧力により水蒸気改質反応を促進している。
このように外周流域４６の温度を低く維持したまま、水
蒸気分圧を高めることにより、水蒸気改質反応を促進さ
せ、水素生成の効率を図ることもできる。
【００４７】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、改質器の
内部空間において、中心から外壁に向かって酸素供給量
を低くし、一方、水蒸気供給量を外壁内面から中心に向
かって低くし、中心領域で部分酸化反応を実施し、この
中心領域を取り囲む外周領域で水蒸気改質を実施させる
こととしている。このように発熱反応である部分酸化反
応を中心領域で実施し、吸熱反応である水蒸気改質反応
を外周領域で実施することにより、中心領域で生成され
た反応熱は外壁内面方向に広がる際に水蒸気改質反応に
必要な熱量として吸収されて、外周領域の温度を低く維
持することが可能となる。
内部空間において、中心から外壁に向かって酸素供給量
を低くし、一方、水蒸気供給量を外壁内面から中心に向
かって低くし、中心領域で部分酸化反応を実施し、この
中心領域を取り囲む外周領域で水蒸気改質を実施させる
こととしている。このように発熱反応である部分酸化反
応を中心領域で実施し、吸熱反応である水蒸気改質反応
を外周領域で実施することにより、中心領域で生成され
た反応熱は外壁内面方向に広がる際に水蒸気改質反応に
必要な熱量として吸収されて、外周領域の温度を低く維
持することが可能となる。
【００４８】従って、外壁材料として高温に耐え得る高
価な材料を用いることなく、改質器内部の温度分布を形
成させることにより、改質反応の効率を上昇させること
としている。
価な材料を用いることなく、改質器内部の温度分布を形
成させることにより、改質反応の効率を上昇させること
としている。
【図１】 水蒸気改質反応と部分酸化反応の反応式及び
温度と理論反応率との関係を示す図である。
温度と理論反応率との関係を示す図である。
【図２】 第一の実施形態の改質器の内部構成を示す図
である。
である。
【図３】 第二の実施形態の改質器の内部構成を示す図
である。
である。
【図４】 第二の実施形態の改質器内部における部分酸
化改質反応の反応量の分布（Ａ）及び水蒸気改質反応の
反応量の分布（Ｂ）を示すグラフである。
化改質反応の反応量の分布（Ａ）及び水蒸気改質反応の
反応量の分布（Ｂ）を示すグラフである。
【図５】 第二の実施形態の改質器内部における温度分
布を示すグラフである。
布を示すグラフである。
【図６】 第三の実施形態の改質器の内部構成を示す図
である。
である。
【図７】 第三の実施形態の改質器内部における部分酸
化改質反応の反応量の分布（Ａ）及び水蒸気改質反応の
反応量の分布（Ｂ）を示すグラフである。
化改質反応の反応量の分布（Ａ）及び水蒸気改質反応の
反応量の分布（Ｂ）を示すグラフである。
【図８】 第三の実施形態の改質器内部におけるメタン
の完全燃焼反応の反応量の分布（Ａ）及び水蒸気改質反
応並びにＣＯ2改質反応の反応量の分布（Ｂ）を示すグ
ラフである。
の完全燃焼反応の反応量の分布（Ａ）及び水蒸気改質反
応並びにＣＯ2改質反応の反応量の分布（Ｂ）を示すグ
ラフである。
【図９】 第四の実施形態の改質器の内部構成を示す図
である。
である。
【図１０】 第四の実施形態の改質器内部における部分
酸化改質反応の反応量の分布（Ａ）及び水蒸気改質反応
の反応量の分布（Ｂ）を示すグラフである。
酸化改質反応の反応量の分布（Ａ）及び水蒸気改質反応
の反応量の分布（Ｂ）を示すグラフである。
【図１１】 第四の実施形態の改質器内部における温度
分布を示すグラフである。
分布を示すグラフである。
【図１２】 第五の実施形態の改質器の内部構成を示す
図である。
図である。
【図１３】 第五の実施形態の改質器内部における水蒸
気分圧の分布を示すグラフである。
気分圧の分布を示すグラフである。
１０，３０，４０ 改質器、１２，３２，４２ 外壁、
１２ａ 内面、１４，３４，４４ 中心領域、１６，３
６，４６ 外周領域、２２，３５ 噴出管。
１２ａ 内面、１４，３４，４４ 中心領域、１６，３
６，４６ 外周領域、２２，３５ 噴出管。
Claims (3)
- 【請求項１】 炭化水素原料を水蒸気を用いて水素に改
質する水蒸気改質と炭化水素原料を酸素を用いて水素に
改質する部分酸化改質とを併用した改質器であって、 前記改質器の内部空間において、中心から外壁内面に向
かって酸素量を低くし、一方、水蒸気量を外壁内面から
中心に向かって低くし、 中心領域側で部分酸化反応を実施し、この外周領域側で
水蒸気改質を実施させることを特徴とする改質器。 - 【請求項２】 前記改質器の中心に酸素を噴出供給する
噴出部を設け、 改質器の中心から外壁内面に向かって酸素が供給される
ことを特徴とする請求項１に記載の改質器。 - 【請求項３】 前記外壁内面近傍に高分圧の水蒸気が供
給されることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11006375A JP2000203802A (ja) | 1999-01-13 | 1999-01-13 | 改質器 |
| US09/465,699 US6413491B1 (en) | 1999-01-13 | 1999-12-17 | Reformer, method of reforming, and fuel cell system equipped with the reformer |
| DE60036652T DE60036652T2 (de) | 1999-01-13 | 2000-01-11 | Reformer , Reformierungsverfahren und Brennstoffzellesystem mit einem solchen Reformer |
| EP00100488A EP1020401B1 (en) | 1999-01-13 | 2000-01-11 | Reformer, method of reforming, and fuelcell system equipped with the reformer |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11006375A JP2000203802A (ja) | 1999-01-13 | 1999-01-13 | 改質器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000203802A true JP2000203802A (ja) | 2000-07-25 |
Family
ID=11636643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11006375A Pending JP2000203802A (ja) | 1999-01-13 | 1999-01-13 | 改質器 |
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| EP (1) | EP1020401B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000203802A (ja) |
| DE (1) | DE60036652T2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003104705A (ja) * | 2001-09-28 | 2003-04-09 | Nippon Oil Corp | オートサーマルリフォーミング方法及び装置、水素製造装置並びに燃料電池システム |
| WO2006073150A1 (ja) * | 2005-01-07 | 2006-07-13 | Nippon Oil Corporation | 固体酸化物形燃料電池システムの起動方法 |
| JP2008222526A (ja) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Ngk Insulators Ltd | 選択透過膜型反応器及び水素製造方法 |
| JP2009535292A (ja) * | 2006-05-04 | 2009-10-01 | ステフティング エネルギーオンデルゾエク セントラム ネーデルランド | 水素を反応生成物とする反応を行うための反応装置、及び方法 |
| CN102910584A (zh) * | 2012-10-24 | 2013-02-06 | 华南理工大学 | 一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器 |
| WO2013183186A1 (ja) * | 2012-06-08 | 2013-12-12 | 住友精化株式会社 | 水素の生成方法および生成装置 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US6544494B2 (en) * | 2001-05-14 | 2003-04-08 | General Motors Corporation | Reformate preheat of ATR reactants |
| US6977067B2 (en) * | 2003-02-12 | 2005-12-20 | Engelhard Corporation | Selective removal of olefins from hydrocarbon feed streams |
| KR100589408B1 (ko) * | 2004-04-29 | 2006-06-14 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지 시스템 |
| US20090071873A1 (en) * | 2005-10-10 | 2009-03-19 | Fairstock Technologies Corporation | Methods for transforming organic compounds using a liquefied metal alloy and related apparatus |
| US7621973B2 (en) * | 2005-12-15 | 2009-11-24 | General Electric Company | Methods and systems for partial moderator bypass |
| WO2008088790A1 (en) * | 2007-01-16 | 2008-07-24 | Fairstock Technologies Corporation | Methods for transforming compounds using a metal alloy and related apparatus |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63129002A (ja) | 1986-11-17 | 1988-06-01 | Hitachi Ltd | 内熱式燃料改質装置 |
| JPH01261201A (ja) | 1988-04-12 | 1989-10-18 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | 炭化水素改質反応器 |
| JPH06206702A (ja) | 1993-01-12 | 1994-07-26 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | 炭化水素反応器 |
| US5588974A (en) | 1995-04-04 | 1996-12-31 | Exxon Research And Engineering Company | Process, and apparatus, for the injection of preheated oxygen into a high temperature reactor |
| JPH09315801A (ja) | 1996-03-26 | 1997-12-09 | Toyota Motor Corp | 燃料改質方法と燃料改質装置ならびに該燃料改質装置を備えた燃料電池システム |
| US6126908A (en) * | 1996-08-26 | 2000-10-03 | Arthur D. Little, Inc. | Method and apparatus for converting hydrocarbon fuel into hydrogen gas and carbon dioxide |
| US5980596A (en) | 1997-04-25 | 1999-11-09 | Exxon Research And Engineering Co. | Multi-injector autothermal reforming process and apparatus for producing synthesis gas (law 565). |
-
1999
- 1999-01-13 JP JP11006375A patent/JP2000203802A/ja active Pending
- 1999-12-17 US US09/465,699 patent/US6413491B1/en not_active Expired - Fee Related
-
2000
- 2000-01-11 EP EP00100488A patent/EP1020401B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-01-11 DE DE60036652T patent/DE60036652T2/de not_active Expired - Fee Related
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003104705A (ja) * | 2001-09-28 | 2003-04-09 | Nippon Oil Corp | オートサーマルリフォーミング方法及び装置、水素製造装置並びに燃料電池システム |
| WO2006073150A1 (ja) * | 2005-01-07 | 2006-07-13 | Nippon Oil Corporation | 固体酸化物形燃料電池システムの起動方法 |
| KR101102804B1 (ko) | 2005-01-07 | 2012-01-05 | 제이엑스 닛코닛세키에너지주식회사 | 고체산화물형 연료전지 시스템의 기동 방법 |
| US8623563B2 (en) | 2005-01-07 | 2014-01-07 | Nippon Oil Corporation | Method for starting-up solid oxide fuel cell system |
| JP2009535292A (ja) * | 2006-05-04 | 2009-10-01 | ステフティング エネルギーオンデルゾエク セントラム ネーデルランド | 水素を反応生成物とする反応を行うための反応装置、及び方法 |
| JP2008222526A (ja) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Ngk Insulators Ltd | 選択透過膜型反応器及び水素製造方法 |
| WO2013183186A1 (ja) * | 2012-06-08 | 2013-12-12 | 住友精化株式会社 | 水素の生成方法および生成装置 |
| JP2013253003A (ja) * | 2012-06-08 | 2013-12-19 | Sumitomo Seika Chem Co Ltd | 水素の生成方法および生成装置 |
| CN102910584A (zh) * | 2012-10-24 | 2013-02-06 | 华南理工大学 | 一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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