JPH01107844A

JPH01107844A - 改質装置

Info

Publication number: JPH01107844A
Application number: JP62263690A
Authority: JP
Inventors: Isao Fujii; 勲藤井
Original assignee: JAPAN FUEL TECHNOL CORP; Toshiba Corp
Current assignee: JAPAN FUEL TECHNOL CORP; Toshiba Corp
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1987-10-21
Publication date: 1989-04-25

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、燃料電池の燃料供給ラインに設けられ、原燃
料ガスを水蒸気改質して改質燃料ガスを得る改質装置の
改良に関する。

（従来の′技術）近年、燃料が持っているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換するものとして燃料電池が実用化されている
。この種の燃料電池は、通常電解質を挟んで一対の多孔
質電極を配置して構成されるとともに、一方の正電極の
背面に水素などの燃料ガスを接触させ、また他方の負電
極の背面に酸素などの酸化剤を接触させ、この両電極間
に起る電気化学的反応を利用して上記両電極間から電気
エネルギーを取り出すように構成されている。

しかして、燃料電池の正電極に供給される燃料ガスは、
原燃料とスチームとを混合して改質装置に導入し、ここ
で燃料とスチームは加熱されて改質反応が行なわれ、水
素含有率の高い燃料ガスに改質して作られる。

この従来の改質装置は、第５図に概略的に示すように改
質器容器１内に所要数本の改質管２がスリーブ管１９に
保護されて縦方向に配設されているものである。改質管
２は原燃料ガスが挿入される外側管２ａと、改質された
燃料ガスが燃料電池の正電極へ向って送られる内側管２
ｂとの同芯二重管に構成されている。その外側管２ａと
内側管２ｂとの間に改質触媒層３が充填され、外側管２
ａとスリーブ管１９との間に伝熱充填層９が充填されて
いる。また改質器容器１の底部に改質管２の頭部１２に
向う燃焼バーナノズル６が設けられている。

この従来の改質装置においては、改質器容器１内の改質
管２の頭部１２の付近は、燃焼バーナノズル６による燃
焼ガスの燃焼によって高温化される。

これによって得られた高温燃焼ガスは、矢示Ｙ１に示す
ように改質管２の外側管２ａとスリーブ管１９との間の
伝熱充填層９を通過し、改質管２の外側管２ａを加熱し
ながら、改質器容器１内の上方から外部へ排出される。

一方、改質管２の外側管２ａの原燃料ガス入口管１１か
ら原燃料ガスと水蒸気とが矢示Ｙ２のように導入される
。この原燃料ガスと水蒸気とは、外側管２ａと内側管２
ｂとの間の改質触媒層３を通るときに加熱されて改質ガ
スに生成される。この生成された改質ガスは、矢示Ｙ３
の方向にしたがって改質管頭部１２で反転し、内側管２
ｂのリターンパス１３を上昇する。このリターンパス１
３を通る間に改質触媒層３に熱を与えて温度が低下し、
その後改質ガス出口管１４から改質器容器１の外部に排
出されて図示しない燃料電池の正電極へ送られる。

（発明が解決しようとする問題点）しかして、この従来の改質装置においては、上記伝熱充
填層９の底部が高温になることから、その材料として耐
熱材であるアルミナ等の粒子が充填して形成され、この
粒子間を高温燃焼ガスが通過することによって改質管２
の外側管２ａへの伝熱特性が高められ、効率の良い改質
が行なわれるようになっている。すなわち、改質ガスの
改質量は温度に依存し、例えば７５０’Ｃ〜８００℃に
改質ガスを加熱すると改質は急激に進行し、特に原料ガ
スとしてメタンを水蒸気と共に導入して水素と一酸化炭
素に改質する。

改質装置を実際に運転すると、伝熱充填層９の温度が上
昇して外側管２ａの外にあるスリーブ管１９が熱膨張で
ひろがる。しかし伝熱充ＩＪ［９の充填材は熱膨張系数
が小さいので、スリーブ管１９と充填層９との間に間隙
ができると容易に粒子の配列が変わり、粒子が広がった
間隙にも入り込むことからその分だけ伝熱充ｔＸ層９の
頂部に隙間が生じる。次に改質器を停止したとき、バー
ナノズル６の火を消すと同時に伝熱充ＩＸ層９に流れる
ガスが冷却されるため、スリーブ管１９が熱収縮して内
部の伝熱充填材を締め付ける。

この時は下部における充填粒子の配列は変わらないので
、締付によってスリーブ管１９が破損したり伝熱充填材
粒子９が破損したりする。すなわち締付の時、充填材粒
子が再配列して頂部の隙間を埋めることが可能な高さに
くらべて充填層の高さが高いため、再配列ができずにス
リーブ管１９に大ぎな円周方向応力が発生すると共にこ
の応力によって内部の充填材が破損する。充填材が破損
することによって伝熱充Ｉａ層の圧力損失が増加する。

また充填材９が破損した後にスリーブ管１９が破損する
結果となる。

本発明の目的は、急激に起動・停止を行なっても伝熱充
填材やスリーブ管が破損しない、信頼性の高く機能特性
の変わらない改質装置を提供することにおる。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の改質装置は、改質管の外側に伝熱充填層を介し
てスリーブ管を挿入し、その改質管とスリーブ管との間
の伝熱充填粒子が存在する環状空間を、その軸方向に沿
うて伝熱充填粒子がスリーブ管の熱膨張・収縮による変
位を吸収するが如く再配列することを許容する大きさに
目皿で区分したことを特徴とするものである。

（作　用）本発明においては、改質管とスリーブ管との間の環状空
間を軸方向に沿うて目皿で複数に区分したことにより、
急激に加熱燃焼ガスで送られてきて加熱してスリーブ管
が熱膨張しても、またバーナ消火によって急冷されてス
リーブ管が熱収縮しても、各区分された環状空間内の伝
熱充填粒子がスリーブ管の変位吸収するように再配列を
繰り返すことにより、充填粒子、スリーブ管が破損する
ことが防止される。

（実施例）以下本発明を第１図、第２図、第３図および第４図に示
す一実施例を参照して説明する。まず第１図において、
本発明による改質装置は、断熱材１６を内張すした改質
器容器１の内部に所要数本の改質管２がそれぞれスリー
ブ管１９で保護されて縦方向に配置して構成される。こ
れらの各改質管２は第５図で説明したように原燃料ガス
が挿入される外側管２ａと、改質された燃料ガスが通る
内側管２ｂとの同志二重管構成で、その頭部１２でガス
の流れがリターンするよう構成されている。

各々の改質管２は、その外側管２ａの上部が管板１５ａ
で支持され、スリーブ管１９の上部が管板１５ｂで支持
され、また最外側のスリーブ管１９の外周を全長にわた
って内張断熱材１６で支持されていることにより、改質
器容器１内に強固に配設されている。その改質管２の各
外側管２ａの上部は図示のように共通ヘッダ１１ａに連
通されており、この共通ヘッダ１１ａには図示しない燃
料電池の原燃料ガスが原燃料ガス入口管１１から送り込
まれる。

また各内側管２ｂの上部はそれぞれ共通ヘッダ１４ａに
接続され、この内側管２ｂのリターンパス１３を上昇し
てきた改質ガスは、この共通ヘッダ１４ａから改質ガス
出口管１４を通って図示しない燃料電池の正電極へ送ら
れる。

さらに改質器容器１の下部に燃焼￥７が形成されており
、この燃焼室７内に突設する燃焼バーナノズル６には、
燃焼空気入口管４がら空気が、また燃焼ガス入口管５か
ら燃焼ガスが同時に送り込まれる。燃焼バーナノズル６
で発火して燃焼室７で燃焼させる。その燃焼室７内の高
温燃焼ガスは、改質管２の外側管２ａとスリーブ管１９
との間を上昇し、管板１５ａ、　１５ｂの室から排ガス
出口管１０を通って外部に排出される。

しかして、本発明においては、改質管２の外側管２ａと
内側管２ｂとの間の環状のガス通路に改質触媒層３を充
填してその上、下端を目［［１１３ａ　。

３ｂで閉じ、また外側管２ａとスリーブ管１９との間の
環状のガス通路に充填する伝熱充填層９の充填手法を改
良した点に特徴を有する。

すなわち、第２図に示すように各改質管２の外側管２ａ
とスリーブ管１９との間の環状空間を目皿８　ａ、　８
　ｂ、　８　Ｃ，Ｆ３　ｄおよび８ｅによって軸方向に
所定容積の環状空間２０ａ、　２０ｂ、　２０ｃおよび
２０ｄに区分し、この各環状空間２０ａ〜２０ｄに充填
材粒子を充填して伝熱充ＩＩＸ層９　ａ、　９　ｂ、　
９　Ｃおよび９ｄを形成したことを特徴とするものであ
る。

しかもその各々の環状空間２０ａ〜２０ｄの大きざぁよ
び各その充填層９ａ〜９ｄの充填粒子の量を選定するこ
とにより、スリーブ管１９の熱膨張・収縮による変位に
対応してこれを吸収するが如く充填粒子が再配列を繰り
返すことになる。第２図においては、充填粒子の再配列
の繰り返しを容易にするために、各環状空間２０８〜２
０ｄ内の伝熱充填＋３９　ａ〜９ｄの上面と目皿８ｂ〜
８ｅとの間に吸収隙間２１ａ、　２１ｂ、　２１ｃおよ
び２１ｄを設けたものを示しておる。

この環状空間２０ａ〜２０ｄの大きさ、充填層９ａ〜９
ｄの充ＩＲｍおよび吸収隙間２１ａ〜２１ｄの大きさは
、改質装置の運転時におけるスリーブ管１９に発生する
熱膨張・収縮によって各々の充ＶＸ層９ａ〜９ｄの充填
粒子を締めつけ又は緩めることになるが、この締めつけ
又は緩めに応じて充填粒子が再配列することを許容する
よう設定しである。

次にこのように構成された本発明の改質装置の作動を説
明する。第１図において、燃焼空気入口管４および燃焼
ガス入口管５から燃焼バーナノズル６に燃焼用空気およ
び燃焼用ガスを導入して燃焼子７内で燃焼させる。燃焼
子７内の高温燃焼ガスは矢示Ｙ１のように改質管２の外
側管２ａとスリーブ管１９との間の目皿８ａから各環状
空間２０ａ〜２０ｄの各伝熱充填層９ａ〜９ｄを通過し
、改質管２の外側管２ａを加熱したのち、排ガス出口管
１０から改質器容器１外に排出される。

一方、改質装置の原燃料ガス入口管１１に送り込まれた
原燃料ガスと水蒸気とは、矢示Ｙ２に示すように共通ヘ
ッダ１１ａから各改質管２のそれぞれの外側管２ａに入
り、その外側管２ａと内側管２ｂとの間の改質触媒層３
を通るときに加熱されて改質ガスに生成される。この生
成された改質ガスは、矢示Ｙ３の方向にしたがって改質
管頭部１２で反転し、内側管２ｂのリターンパス１３を
上昇する。この改質ガスはリターンパス１３を通る間に
改質触媒層３に熱を与えて温度が低下し、その後改質ガ
ス出口管１４から改質器容器１の外部に排出されて図示
しない燃料電池に送られる。

しかして、この改質装置の運転中は、スリーブ管１９が
伝熱充填Ｂ９の温度が上昇することによって熱膨張し、
改質装置の停止の時は、伝熱充填層９に流れるガスを冷
却するため、スリーブ管１９が熱収縮する。このスリー
ブ管１９の熱収縮は、内部の伝熱充＠層９の充填粒子を
締め付けることになる。しかし、本発明においては、ス
リーブ管９の熱収縮は、各環状空間２０８〜２０ｄにお
ける各伝熱充填層９ａ〜９ｂの充填粒子をそれぞれの隙
間２１ａ〜２１ｄ内に持ち上げると吸収される。

このように本発明においては、改質装置の運転中に急激
に加熱燃焼ガスが送られてきてスリーブ管１９が熱膨張
したときは、伝熱充１！ｘ層９ａ〜９ｄの充填粒子がス
リーブ管１９の熱膨張によって生じた隙間に入って再配
列し、燃焼バーナノズル６の消火による急冷却によって
スリーブ管１９が熱収縮した場合は、その収縮による各
伝熱充填層９ａ〜９ｄの各充填粒子を各環状空間２０ａ
〜２０ｄの各々の隙間２１ａ〜２Ｉｄ内に持ち上げて再
配列することから、スリーブ管１９の変位は確実に吸収
される。

したがって各伝熱充填層９ａ〜９ｄ内の充填粒子が破損
したり、スリーブ管１９が破損したりすることはなくな
り、信頼性の高い改質装置を得ることができる。

一方、本発明においては、改質管２の外側管２ａの外側
に同心の大口径管であるスリーブ管１９を設けて支持し
その改質管２の外側管２ａとスリーブ管１９との間の環
状空間２０ａ〜２０ｄに伝熱充填層９ａ〜９ｄの充填粉
末材を充填する。

まず最下部の環状空間２０ａの最下端には目皿８ａを設
け、この上に充填材粒子を充填して伝熱充填層９ａを形
成する。その上部にざらに隙間２１ａをおいて目皿８ｂ
を設ける。そしてその上に充填材粒子を充填して次の環
状空間２０ｂの伝熱充ｌ！ｘ層９ｂを形成する。またそ
の上に隙間２１ｂをおいて目皿８Ｃを設けて次の環状空
間２０ｃの充Ｊｉ層９Ｃを形成する。同様にして最上部
の環状空間２０ｄに充Ｉａ層９ｄを形成してその上部に
は隙間２１ｄをおいて伝熱充填材の飛散防止のために目
皿８ｅを設ける。

これらの目皿８ａ〜８ｅについてざらに詳細を第３図お
よび第４図につき説明する。第３図は第２図の目皿８ｂ
の部分の詳細平面図であり、第４図は第３図の断面■−
■線における側面図である。

第３図および第４図において、途中段における目皿８ｂ
は、最下部の目皿８ａとは別で下部の伝熱充填材９ａを
入れた後で設置が可能でなければならないので、第３図
に示すごとく円周上複数分割構造にしている。すなわち
目皿８ｂと目皿８ｂ’と同じものを製作して円周上に同
一高さに配置する。これらの目皿８　ｂ、　８　ｂ’は
スリーブ管１９の内壁に設けた目皿台２２に乗せて置か
れ、目皿台２２は円周上複数箇所に設けて目皿８ｂ、８
ｂ’の円周分割数の如何によって、個々の目皿が安定す
るような円周上の数だけ設けることになる。

これらの目皿８　ｂ、　８　ｂ’には、ガスの通過が自
由にできるように多数の孔２３が設けである。孔２３の
大きさはこの目皿ｓｂ、ｓｂ’の上に乗せられる充填層
９の粒子２４よりも小さくしである。また目皿８　ｂ、
　８　ｂ’はその外周と内周にそれぞれスリーブ管１９
と改質管２の外側管２ａと対向するが、それらとの間に
適当な間隙を設けてそれらの管のそれぞれの熱膨張によ
る変位に対して無理な力がかからないようにする。これ
らの目皿８ｂ、８ｂ’の上に伝熱充填材２４を充填して
充！眞層９ｂを形成し、同様に目皿Ｆ３ｃ、ｆ３ｄを用
いて充＠層９Ｃ，９ｄを形成している。

以上説明したように、本発明における各環状空間２０ａ
〜２０ｄの目皿８ａ〜８ｅの支持構造によれば、複数段
の目皿８ａ〜８ｅを設けることによって伝熱充填層９ａ
〜９ｂの１区画の高さを小さくする事ができるので、伝
熱充填Ｈ９ａ〜９ｄの充填粒子２４がスリーブ管１９の
熱による膨張収縮の変位に応じて隙間２１ａ〜２１ｄに
押し上げられたり、崩れたりする再配列可能限界高さよ
り少なくすることができる。したがって急激に加熱燃焼
ガスが来て加熱してもバーナ消火による急冷却によって
スリーブ管１９が熱収縮しても充填粒子２４が容易に再
配列するので、充填粒子２４が破損したり、スリーブ管
１９が破損したりする事がなくなり、信頼性の高い改質
装置を提供することができる。

なお、図面に示す実施例では、下部バーナ燃焼方式につ
いて説明したが、上部バーナ燃焼方式についても同じよ
うに目皿を複数個にすると効果があることが考えられる
。

また第２図では目皿から目皿までの間隔が等間隔の場合
について説明したが、運転した場合に温度が高くなる部
分では目皿同士の間隔を少なくする事も考えられる。さ
らに上部燃焼および下部燃焼の如何にかかわらず下部に
目皿の数を密にする事などが目皿の段数が少なくて効果
がある伝熱充填層を供給することができる。

また伝熱充填粉末９ａ〜９ｄの中段に設けた目皿８ｂ〜
８ｄとの下部の充填層の上面との間の隙間２１ａ〜２１
ｃを故意に大きくとり、そのスリーブ管１９の内壁面に
白色のセラミック等の断熱材を溶射する事により、この
隙間にあるガスの輻射熱を改質管２の外側管２ａの表面
に与えることができる。

これによって伝熱充填材も少量で伝熱特性の良い改質装
置を得る事ができる。

［発明の効果］以上のように本発明においては、改質管の外側管とスリ
ーブ管との間の環状空間を軸方向に沿うで伝熱充填粉末
がスリーブ管の熱膨張収縮の変位に対応して再配列する
ことが可能な大きさに複数区分したことにより、起動・
停止を急激に行なっても充填材粒子の破損やスリーブ管
の破損を生じることなく、伝熱特性がよく信頼性の高い
改質装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の改質装置の一実施例を示す断面構成図
、第２図はその改質管の主要部を示す詳細拡大図、第３
図は改質管の目皿部を示す詳細拡大図、第４図は第３図
の■−■線に沿う断面図、第５図は改質器の機能を説明
するための概略構成図である。１・・・改質器容器、　　２・・・改質管２ａ・・・外
側管、　　　　２ｂ・・・内側管３・・・改質触媒層、
　　６・・・燃焼バーナノズル７・・・燃焼子、　　　
　８・・・目皿９・・・伝熱充填層、１０・・・排ガス
出口管１１・・・原燃料ガス入口管１２・・・改質管頭部１３・・・リターンパス１４・・・改質ガス出口管１５ａ、１５ｂ　・・・管板１６・・・断熱材１９・・・スリーブ管２０ａ〜２０ｄ・・・環状空間２１８〜２１ｄ・・・隙間２４・・・伝熱充填粉末（８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか　
１名）第１図第２図第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）外側管および内側管が改質触媒層を介して同芯二
重管構造としその一端頭部でリターンパスを形成しその
外側管に導入された原燃料ガスが改質触媒層を通るとき
改質ガスとなつて内側管から送り出される改質管と、こ
の改質管の外側に伝熱充填層を介して挿入したスリーブ
管と、このスリーブ管で保護された前記改質管の複数本
がリターンパス頭部を燃焼室に位置するように配設した
改質器容器とを具備し、前記改質管とスリーブ管との間
の伝熱充填粒子が存在する環状空間を、その軸方向に沿
って伝熱充填粒子がスリーブ管の熱膨張収縮による変位
を吸収するが如く再配列することを許容する大きさに目
皿で区分したことを特徴とする改質装置。
（２）目皿は等間隔に設けずに下部に集中して設けたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の改質装置。
（３）目皿で区分された各環状空間内の伝熱充填層上面
と目皿との間に隙間を設けたことを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の改質装置。
（４）目皿で区分された各環状空間内の伝熱充填層の上
面と目皿との間に隙間を設け、さらにその隙間の部分の
スリーブ管内面に白色セラミック等の断熱材を溶射した
ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の改質装置
。