JPH01141802A - メタノール改質用反応器 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、メタノールを原料とする高純度水素発生装置
または燃料電池用水素供給源としてのメタノール改質器
において、原料液（メタノール／水混合液、またはメタ
ノール）気化部と触媒改質部が二重管二層構造からなる
メタノール改質用反応器に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、メタノール改質用のチューブラ−（多管）型反応
器においては、−船釣に原料気化部と改質部が別々に構
成されており、加熱方法は熱媒循環方式が採用され、別
途備けた加熱炉で加熱された熱媒が、原料気化器、改質
反応器に送られ加熱源として用いられている。

一方、最近の技術として、原料気化器と改質器を一体化
したものも報告されている（例えば、特開昭６１−２７
５１０２号公報、特開昭６２−１０８７０４号公報、特
開昭６２−１３８３０１号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の熱媒循環方式では、改質部（触媒反応器）の温度
が比較的均一でヒートスポットができにくいという特徴
を有している反面、装置が大型となり、小型（例えばＨ
２発生量：　１０１００Ｎ／Ｈ以下）のもの、移動式（
例えば可搬型燃料電池用）には向かないという不都合点
を有している。

一方、特開昭６１−２７５１０２号公報、特開昭６２−
１０８７０４号公報に記載された装置においては、気化
器は貫流ボイラ方式、すなわち蒸発管の一端から液で供
給し、他端から完全蒸気として取り出す方式についての
ものである。この貫流方式原料気化器は、特に常圧系の
場合、蒸発管内の液相部の流速に比べて気相部の流速が
大きくなり過ぎて、蒸発管内の圧力変動をもたらし、さ
らには改質ガスの圧力が安定しないという不都合点を存
している。

また特開昭６２−１３８３０１号公報記載の装置におい
ては、気化部が液溜めでバーナーにより直火加熱される
ため、突沸が起こり、蒸発量が安定しない、さらには前
記の特開昭６１−２７５１０２号公報、特開昭６２−１
０８７０４号公報記載の装置と同様に改質ガスの圧力が
安定しないという不都合点が予想される。

また改質部についても、前記の特開昭６１−２７５１０
２号公報、特開昭６２−１０８７０４号公報記載の装置
は、いずれも改質触媒を充填した反応管がバーナー燃焼
ガスにより直接加熱されるため、ヒートスポット（局部
加熱）ができ易く、カーボンの析出、シンタリングによ
る触媒の劣化の危険がある等の不都合点を有している。

本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、コンパクト
化が可能で、改質触媒層内のヒートスポットの形成が防
止でき、また気化部での圧力変動が防止できるメタノー
ル改質用反応器の提供を目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本願の第１の発明のメタノール改質用反応器は、図面を
参照して説明すれば、上部に燃料ガス人口２または燃焼
ガス入口を有し側部に燃焼排ガス出口３を有し下部に改
質ガス出口４を有する縦型反応器本体１内に、該燃焼排
ガス出口３より下側に位置するように多数の開口５を有
する下側管板６を設け、該開口に連通ずるように多数の
内管７を本体内の上部付近まで縦方向に配列するととも
に、咳内管を被覆するように上端を閉止した外管８を設
け、該外管の下端間を上側管板１１により閉止して、上
側管板と下側管板との間に原料液溜部１２を形成すると
ともに、該原料液溜部に原料液供給部１３を接続し、内
管内に改質触媒１４を充填するとともに、内管の下端に
改質触媒支持用の多孔体１５を設けて構成されている。

また本願の第２の発明のメタノール改質用反応器は、図
面を参照して説明すれば、上部に燃料ガス人口２または
燃焼ガス入口を有し側部に燃焼排ガス出口３を有し下部
に改質ガス出口４を有する縦型反応器本体１内に、該燃
焼排ガス出口３より下側に位置するように多数の開口５
を有する下側管板６を設け、該開口に連通ずるように多
数の内管７を本体内の上部付近まで縦方向に配列すると
ともに、該内管を被覆するように上端を閉止した外管８
を設け、該外管の下端間を上側管板１１により閉止して
、上側管板と下側管板との間に原料液溜部１２を形成す
るとともに、該原料液溜部に原料液供給部１３を接続し
、内管内に改質触媒１４を充填するとともに、内管の下
端に改質触媒支持用の多孔体１５を設け、さらに内管と
外管との間の少なくとも液相部に金属粒子、セラミック
粒子などの伝熱媒体１６を充填して構成されている。

〔作用〕

縦型反応器本体１の上部から燃料ガスおよび空気、また
はバーナーからの燃焼ガスを供給し、燃焼排ガスを本体
１の側部から排出する。

一方、原料液供給部１３からメタノールと水との混合液
、またはメタノールを原料液溜部１２に供給する。原料
液はさらに内管７と外管８との間の環状部１０を上昇し
、この間に周囲から熱の供給を受けて蒸発し、さらにス
ーパーヒートされて、改質触媒１４が充填された触媒反
応層に送られる。

この触媒反応層で原料ガスは改質され、改質ガスは本体
１下部の改質ガス出口４から取り出される。

内管７と外管８との間の環状部１０に伝熱媒体１６を充
填する場合は、さらに効率よく熱の供給を受けることが
できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説
明する。ただしこの実施例に記載されている構成機器の
形状、その相対配置などは、とくに特定的な記載がない
限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のも
のではなく、単なる説明例にすぎない。

１は縦型反応器本体（以下、単に本体１という）で、上
部に燃料ガス人口２を有し、側部に燃焼排ガス出口３を
有し、下部に改質ガス出口４を有している。この本体１
内に、燃焼排ガス出口３より下側に位置するように多数
の開口５を有する下側管板６を設け、これらの開口５に
連通ずるように多数の内管７を本体１内の上部付近まで
縦方向に配列する。さらにこれらの内管７を被覆するよ
うに上端を閉止した外管８を設け、内管７と外管８との
間に環状部１０を形成する。外管８の下端間を上側管板
１１により閉止して、上側管板１１と下側管板６との間
に原料液溜部１２を形成するとともに、この原料液溜部
１２に原料液供給部１３を接続する。さらに内管７内に
改質触媒１４を充填するとともに、内管７の下端に改質
触媒１４を支持するための金網などの多孔体１５を設け
る。

また内管７と外管８との間の環状部１０の少なくとも液
相部に金属粒子、セラミック粒子などの伝熱媒体１６を
充填するとともに、外管８の外側の空間に水素またはメ
タノールの燃焼触媒１７を充填する。１８はガス集合部
である。

原料液供給部１３は、−例として第３図および第４図に
示すように、フランジ部２０の内側に多数の小孔２１を
穿設したリング状供給管２２を取り付けたもので、原料
液溜部１２にリング状供給管２２を通じて周囲から均一
に原料液が供給される。２３はボルト孔である。なお第
１図における２４はバンキング、２５は断熱材、２６は
ガス分配器である。

原料液溜部１２に供給された原料液は、さらに伝熱媒体
を充填した内管７と外管８の環状部１０を上昇する間に
周囲から熱の供給を受けて蒸発し、さらにスーパーヒー
トされて改質触媒１４が充填された触媒反応層に送られ
る。

ここで環状部１０に充填した伝熱媒体１６については、 １１１　　周囲からの熱伝達を促進させる。

（２）　　原料液蒸発における突沸を防止させるための
沸石化りをなす。

（３）　　原料液溜部の容積を減らし、負荷変動時の応
答性を高める。

などの役目をなすものであり、特に少なくとも原料液相
部に充填される。

また改質触媒１４の充填部には、メタノール改質触媒、
例えば、銅系、ニッケル系、白金系、ロジウム系などの
ベレット状触媒が充填される。これら改質触媒１４が充
填された触媒層で、原料ガス（メタノールとスチームの
混合ガス、またはメタノールガス）が改質され、Ｈ２、
Ｃｏｔ　、Ｃｏ、　　ＩｈＯ等の混合ガスが得られるが
、改質反応に必要な熱量はスーパーヒートされた原料ガ
スの顕熱および原料ガスからの熱伝達により供給される
。各触媒反応管（内管７）で改質された生成ガス（改質
ガス）は、ガス集合部１８に集められ、改質ガス出口４
から改質器系外に排出される。

一方、改質反応に必要な熱は、燃料ガス入口２がら空気
とともに供給された燃料ガスの燃焼（酸化）反応により
供給されるが、燃焼反応は外管８の外側の空間に充填し
たＰｔ５ＰＬ　Ｒｕｎｇ、　ＮｉＯ、Ｃｏ５０いＭｎＯ
□などの燃焼触媒１７の部分で起こり、反応熱が原料気
化部（環状部１０）、改質部（内管７）に供給される。

なお、ここでは燃料燃焼方法として、触媒燃焼方式を採
用しているが、バーナー燃焼方式でも効果の点では同じ
である。しかし高純度水素発生装置における水素精製部
（例えばＰＳＡ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｗｉｎｇａｄｓ
ｏｒｐｔｉｏｎ））からのオフガス、あるいは燃料電池
のＨ２極からのオフガスなど低カロリーガスを熱源とし
て用いる場合等においては、安定燃焼の点で触媒方式が
よりよいと考えられる。また燃料としては、上記オフガ
ス以外にメタノールでも可能である。

〔発明の効果〕

本発明は上記のように構成されているので、っぎのよう
な効果を存している。

Ｆｉ＋　　チューブラ−型反応器で、気化・改質部を二
重管二層構造により一体化しているので、コンパクト化
が可能である。

（２）気化部に液溜め方式を採用しているが、直火でな
いため突沸の心配はなく、かつ蒸発部へ伝熱媒体を充填
している場合は、突沸防止はより確実なものとなり、圧
力変動も起こらず安定した改質ガスの生成が可能となる
。また改質触媒を充填した改質部についても、触媒充填
部が原料気化部で覆われているため、直接加熱方式の不
都合点である触媒層内ヒートスポットの形成が防止され
、カーボンの析出が抑制されて、触媒性能の長期安定化
が可能になる。

（３）改質触媒層出口部が原料液と間接的に接触してい
るために、改質生成ガスが冷却され、熱回収の意味から
も、生成ガス中のＣＯ低域においても有利となる。すな
わち、メタノール改質反応は、 ＣＪＯＨ＋　ＨｚＯ１Ｃｏｚ　＋　３Ｈ２■ＣＯｔ　　
＋Ｈｚ　　ｍ　　Ｃｏ　＋　ＨｚＯ■■、０式の平衡反
応式として表わされるが、特に０式について、ガス組成
は触媒層出口部温度での平衡関係として表わされ、温度
が高い程右側に移行、すなわちＣＯグリッチ組成となる
。したがって、水素の生成回収用あるいは燃料電池用と
しては、触媒層出口部温度が低い程、改質ガス中の水素
濃度は上がり有利となる。

（４）改質触媒層入口部が上部、すなわち高温側に位置
するために、反応上有利である。メタノールの改質反応
は上記０式の吸熱反応として表わされ、反応の大部分は
入口部で起こる。したがって、改質触媒層入口部をでき
るだけ高温にし、反応に必要な熱供給を効率的に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のメタノール改質用反応器の一実施例を
示す縦断面図、第２図は第１図におけるＡ−ＡｖＡ断面
図、第３図は原料液供給部の平面図、第４図は第３図に
おけるＢ−Ｂ線断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　上部に燃料ガス入口または燃焼ガス入口を有し側部
   に燃焼排ガス出口を有し下部に改質ガス出口を有する縦
   型反応器本体内に、該燃焼排ガス出口より下側に位置す
   るように多数の開口を有する下側管板を設け、該開口に
   連通するように多数の内管を本体内の上部付近まで縦方
   向に配列するとともに、該内管を被覆するように上端を
   閉止した外管を設け、該外管の下端間を上側管板により
   閉止して、上側管板と下側管板との間に原料液溜部を形
   成するとともに、該原料液溜部に原料液供給部を接続し
   、内管内に改質触媒を充填するとともに、内管の下端に
   改質触媒支持用の多孔体を設けたことを特徴とするメタ
   ノール改質用反応器。 ２　上部に燃料ガス入口または燃焼ガス入口を有し側部
   に燃焼排ガス出口を有し下部に改質ガス出口を有する縦
   型反応器本体内に、該燃焼排ガス出口より下側に位置す
   るように多数の開口を有する下側管板を設け、該開口に
   連通するように多数の内管を本体内の上部付近まで縦方
   向に配列するとともに、該内管を被覆するように上端を
   閉止した外管を設け、該外管の下端間を上側管板により
   閉止して、上側管板と下側管板との間に原料液溜部を形
   成するとともに、該原料液溜部に原料液供給部を接続し
   、内管内に改質触媒を充填するとともに、内管の下端に
   改質触媒支持用の多孔体を設け、さらに内管と外管との
   間の少なくとも液相部に金属粒子、セラミック粒子など
   の伝熱媒体を充填したことを特徴とするメタノール改質
   用反応器。 ３　外管の外側に水素またはメタノールの燃焼触媒を充
   填した特許請求の範囲第１項記載のメタノール改質用反
   応器。 ４　外管の外側に水素またはメタノールの燃焼触媒を充
   填した特許請求の範囲第２項記載のメタノール改質用反
   応器。