JPH01183401A

JPH01183401A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JPH01183401A
Application number: JP453388A
Authority: JP
Inventors: ▲お▼畑　勲; Isao Obata; Yoshiaki Amano; 天野　義明; Akio Hanzawa; 半澤　晨夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-01-12
Filing date: 1988-01-12
Publication date: 1989-07-21
Anticipated expiration: 2012-08-25
Also published as: JP2646101B2

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、アルコール類や炭化水素系燃料を水蒸気改質
して水素を生成する燃料改質装置に係わり、特に、燃料
電池システム及び水素製造装置に好適な燃料改質装置に
関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料改質装置は、時開６０−２６４３０２号に示
される如く、反応部には円筒状の反応管を使用し、改質
触媒は、反応管内部に充填されていた。さらに、改質触
媒を効率良く加熱するために１反応管内部にはスペーサ
が設けられ、環状触煤層とすることで伝熱特性の改善を
図っていた。

また１反応管を加熱するための伝熱部では、熱源となる
燃焼ガスを発生するバーナ燃焼室と燃焼ガスからの熱伝
達を促進するため、燃焼ガス流路に伝熱粒子が充填され
た伝熱層とすることや、燃焼ガスの温度低下に合わせて
流路を狭くすることにより伝熱効率の向上を図っていた
。

また、特開昭５９−２１７６０５号に示される如く、中
央部にＣＯ転化触媒層が新しく設けている従来例も存在
する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術による反応管タイプの改質装置では、構造
が比較的簡単であり、改質効率もある程度確保出来るた
め、小型化を指向する燃料電池等に使用されている。し
かし、高効率化を図るうえで、構造が複雑になる等の問
題点がある為、あまり改善がなされておらず、現在以上
の小型・コンパクト化への対応は困難であった。

本発明の目的は、改質反応の高効率化が可能で、さらに
小型・コンパクトな燃料改質装置を提供することにある
。

〔問題点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、改質触媒が充填さ
れてなる第１のガス流通路と、該通路に原料ガスを供給
する原料ガス供給手段と、前記第１のガス流通路内の原
料ガスに熱量を付与する伝熱手段と、前記第１のガス流
通路内の原料ガスが改質された改質ガスを取り出す取り
出し手段とを備えてなる燃料改質装置において、前記第
１のガス流通路に隣接されて設けられ、内部にｃｏ転化
触媒が充填されてなる第２のガス流通路と、前記第１の
ガス流通路から出たガスが当該第２のガス流通路に導く
ための改質ガス導入部とが設けられていることを特徴と
する燃料改質装置である。

〔作用〕

上記本発明によれば、改質触媒が充填された第１のガス
流通路と、ＣＯ転化触媒が充填された第２のガス流通路
とが隣接されて設けられているため、ＣＯ転化反応によ
り発生する熱を第１の通路内に充填された改質触媒層の
改質反応熱として利用することが出来る。

改質反応は次式により示される。

ＣＨ，＋２Ｈ，Ｏ→Ｃｏ、＋４Ｈ，（吸熱反応）但し、
８００℃に於ける平衡反応では約１５％のＣＯが発生す
る。

次に、ＣＯ転化反応は次式により示される。

ＧＯ＋Ｈ，Ｏ→Ｃｏ、＋Ｈ，（発熱反応）ｃｏ転化触媒
層を流れる改質ガスは徐々に反応を進めながら発熱及び
顕熱を改質触媒層に与えており、かつ、改質触媒層は、
°充填層となっているため、より熱伝達が促進され、伝
熱面積の縮減が可能となり高効率で小型・コンパクトな
燃料改質装置を提供出来る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示した縦断面図であ
る。第１図において、外管１と内管３とからなる２重管
が複数配置されている。外管１と内管３の間に環状部に
は、改質触媒２が充填されて、改質触媒層１４が構成さ
れている。前記内管３の内側にはＣＯ転化触媒４が充填
されたＣＯ転化触媒層１５が設けられている。燃焼ガス
流路となる前記外管１と胴５の内側には、断熱材６が設
けられている。この断熱材６と前記外管１との間には伝
熱促進を図るため耐熱性のアルミナ球を利用した伝熱粒
子１３が充填された加熱層１６が設けられ、伝熱効率を
高めている。熱源として必要な熱量を発生させるため、
下部に燃焼装置１２が備えられている。燃焼装置として
は、一般的にはバーナが用いられているが、燃焼触媒を
用いた触媒燃焼方式としても良い。

改質用の原料は、原料入ロアを通って前記改質触媒層１
４に供給される。前記改質触媒層１４に供給された原料
は、改質反応を始め徐々に水素富化ガスに改質される。

改質反応は吸熱反応であるため、前記ＣＯ転化触媒層１
５を流れる改質ガス及び前記加熱層１６を流れる燃焼ガ
スより吸熱が行なわれる６次に、改質反応の終了した改
質ガスは、前記ＣＯ転化触媒層１５へ供給され、徐々に
ＣＯ転化反応を行い、改質ガス出口８より導き出される
。改質ガスは、改質反応中のガスである反応ガスより常
に温度が高く、また、ＣＯ転化反応は発熱反応でありＪ
より多くの熱を前記改質触媒層１４へ供給できる。この
時、改質ガスから反応ガスへ移動する熱量をＱとすればＱ＝ＫＡΔＴ　　　　　　　　　・・・・・・　（１）
Ｋ：熱通過率Ａ：伝熱面積 ΔＴ：温度差　　　　で表わされる。

ここでＡを一定と考えれば、ＣＯ転化反応により改質ガ
ス温度が高くなるのでΔＴ、Ｋが共に大きくなり、従っ
てＱが大きくなる。従来のＣＯ転化触媒の設けられてい
ない改質装置に対する本発明の燃料改質装置のＱは約１
．２倍となり、燃焼量を減らすことが出来、高効率化を
達成出来る。また、Ｑを一定と考えればＡを小さくする
ことが出来る。従来技術の反応管長さに対する本発明の
反応管長さは約０．９倍となり改質装置の小型化が達成
される。従って、小型・コンパクト化に合つた改質装置
の選択が可能となる。

一方、燃料は燃料人口９を通って前記燃焼装置１２に供
給され、空気入口１０を通って供給された空気により燃
焼する。燃焼ガスは前記加熱層１６を通り、前記改質触
媒層１４に熱を供給して燃焼ガス出口１１より導き出さ
れる。

上記本実施例において、改質触媒としては、例えば、Ｎ
ｉ系のものが用いられる。また、ＣＯ転化触媒としては
、Ｆｅ−Ｃｒ系のものを用いることができる。

上記本実施例においては、二重管構造となっており、Ｃ
Ｏ転化触媒層の回りに改質触媒層が隣接して配置されて
いるために、熱効率がさらに向上する。なお、二重管の
内管と外管との間の隔壁は。

波形、フィン状であっても良い。

第２図には５第１図に示した本発明の実施例及び従来の
ｃｏ転化触媒が設けられていない改質装置の温度分布及
び反応率の分布を表すグラフを示す、比較の為、反応管
先端部の燃焼温度３０．原料入口温度２８及び反応平衡
温度２９を同一とした。

改質触媒層１４に入った原料は反応率２６，２７に示す
様急激に反応を始めるため１反応ガス温度２２．２３は
急激に温度低下を伴う、上記本発明の一実施例装置にお
ける反応ガス温度２２が従来装置の反応ガス温度２３に
較べて高いのは１本発明装置の燃焼ガス温度２０及び改
質ガス温度２４が従来装置の燃焼ガス温度２１及び改質
ガス温度２５に比較して高く、熱伝達が良いためである
。

反応ガス温度２２．２３は徐々に上昇し、反応平衡温度
２９に達する。この場合、本発明装置の反応管長さは従
来装置の反応管、長さに対して１割短くても良い、改質
反応終了後の改質ガスは反応ガスに熱を供給するため、
徐々に温度降下する０本発明装置の改質ガス温度２４は
、ＣＯ転化反応による発熱のため従来装置の改質ガス温
度２５に較べ温度降下が少ない、燃焼ガス温度の温度降
下が体さいことも、ＣＯ転化反応における発熱を有効利
用していることを意味する。

本発明装置によれ−ば、全体的に温度レベルが高くなり
、改質反応が促進されることとなる。さらに、前記内管
３内側に前記ＣＯ転化触媒４を充填したことにより燃料
改質装置出口改質ガスのＣＯ濃度を下げることが出来、
ＣＯ転化装置（以下シフトコンバータと言う）内のＣＯ
転化触媒量の削減が可能となり、シフトコンバータの小
型化を達成出来るうえ、例えば、燃料電池発電システム
に利用された場合、システム全体の小型化も可能となる
。

第３図にＣＯ転化触媒４の耐熱温度が低い場合の本発明
の他の実施例の縦断面構成図を示す。

原料ガス入ロアから供給された原料は、改質触媒層１４
に導かれ改質反応を行う、改質反応に要する熱量は加熱
層１６を流れる燃焼ガス及び内管３内側を流れる改質ガ
スによって与えられる。前記内管３内側の先端部には伝
熱粒子１３Ａが充填されており、前記伝熱粒子１３Ａの
上にはＣＯ転化触媒４が充填されている。前記充填粒子
１３Ａの充填層高さはｃｏ転化触媒４の耐熱温度により
決まる。すなわち、ＣＯ転化触媒の耐熱温度が低い場合
は、伝熱粒子の充填層高さを大きくする。

現在のところ、Ｇｏ転化触媒の耐熱温度は、はぼ６００
℃であり、伝熱粒子１３Ａが充填された部分は、温度が
高い（約８００℃）ため、Ｇｏ−＋Ｃｏ２の反応が進み
にくい、このため、ＣＯ転化触媒ではなく伝熱粒子１３
Ａが充填されている。改質反応の終了した改質ガスは、
前記内管３内側の伝熱粒子層１３Ａを通りＣＯ転化触媒
４で反応し、改質ガス出口８より導き出される。前記第
１の実施例と比較して、ＣＯ転化触媒量は少ないが、反
応量は触媒層出口温度により決められるので、本実施例
のＣＯ転化触媒層１５での発熱量も先の実施例と本質的
には同じとなる。

本発明の他の実施例の斜視図を第４図に示す。

さらに、第５図に本実施例装置の縦断面図、第６図にそ
の横断面図を示す。

外筒３１と内筒３２との間に偶数個のらせん板１８を配
置し、前記外筒３１、前記内筒３２及び前記らせん板１
８により形成されるらせん状の空間部分に改質触媒２を
一空間おきに充填し、改質触媒層１４を形成する。前記
改質触媒層１４の両側には、高温ガス流路となる加熱層
１６を隣接しており、この加熱層１６には高温ガスから
前記改質触媒層１４への伝熱促進を図るため伝熱粒子１
３が充填されている。また、熱源として必要な熱量を発
生させるため、前記加熱層１６の燃料・空気入口に燃焼
触媒１９を充填している。前記改質触媒２）前記燃焼触
媒１９及び前記伝熱粒子１３は、セラミック製のハニカ
ム状支持板により固定している。前記内筒３２の内側に
はｃｏ転化触媒が充填され、ＣＯ転化触媒層１５と成る
。原料は原料人ロアを通って前記改質触媒層１４に供給
される。前記改質触媒層１４に入った原料は、前記らせ
ん板１８を介して前記加熱層１６を通過する高温ガス及
び前記内筒３２を介して改質ガスから熱を受け、改質反
応の進行と共に水素富化な改質ガスとなる。生成した改
質ガスは前記内筒３２に集められＣＯ転化触媒層１５に
供給され、反応ガスに熱を奪われることによりＣＯ転化
反応が促進され、ＣＯの少ない改質ガスとなり改質ガス
出口８より取り出される。一方、反応ガスの加熱源とな
る高温ガスは、前記加熱層１６の燃料・空気入口に充填
した前記燃焼触媒１９で燃料を燃やすことにより得られ
る０発生した高温燃焼ガスは、前記加熱層１６を通るこ
とにより前記らせん板１８を介して前記改質触媒層１４
に熱を与える。これは、前記伝熱粒子１３の存在により
、対流、伝導・輻射の伝熱係態が有効に作用して行なわ
れる。前記改質触媒層１４を加熱した高温ガスは温度で
降下し、排ガスとして、排気管より排気される０本実施
例ではｃｏ転化反応による発熱を有効に利用出来るので
燃料の削減が可能となり、構造上デッドスペースが無く
なり、大幅な小型化が達成出来。

体積は約１７４とすることが可能となる。また。

改質触媒は、らせん状に保持されるため、触媒自体の重
量による破壊を防止できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、改質触媒が充填さ
れた第１のガス流通路と、ＣＯ転化触媒が充填された第
２のガス流通路とが隣接されて設けられているため、温
度差による伝熱に加えて。

ＣＯ→ＣＯ□転化反応による発熱を利用して改質反応を
行うことができる。したがって、熱伝達の向上によりそ
の分装置の小型・コンパクト化が達成でき、かつ、熱効
率が向上し燃料の消費量を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施装置の縦断面図構成図、第２図は
、改質装置の温度分布及び反応率の比較のグラフ、第３
図または第４図は本発明の他の実施例の構成を示す一部
透視斜視図、第５図は第４図の実施例装置の縦断面構成
図、第６図は第４図の実施例装置の横断面構成図である
。１・・・外管、２・・・改質触媒、３・・・内管、４・
・・ＣＯ転化触媒、５・・・胴、６・・・原料入口、８
・・・改質ガス、９・・・燃料入口、１０・・・空気入
口、１１・・・燃焼ガス出口、１２・・・燃焼装置、１
３・・・伝熱粒子、１４・・・改質触媒層。１５・・・Ｇｏ転化触媒層、１６・・・加熱層、１７・
・・燃料・空気入口、１８・・・らせん板、１９・・・
燃焼触媒、２０・・・本発明による燃焼ガス温度。２１・・・従来技術による燃焼ガス温度、２２・・・本
発明による反応ガス温度。２３・・・従来技術による反応ガス温度、２４・・・本
発明による改質ガス温度、２５・・・従来技術による改
質ガス温度、２６・・・本発明による反応率、２７・・・従来技術による反応率、２８・・・原料入口温度、２９゛・・・反応平衡温度。３０・・・燃焼温度、３１・・・外筒、３２・・・内筒
。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）改質触媒が充填されてなる第１のガス流通路と、
該通路に原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記
第１のガス流通路内の原料ガスに熱量を付与する伝熱手
段と、前記第１のガス流通路内の原料ガスが改質された
改質ガスを取り出す取り出し手段とを備えてなる燃料改
質装置において、前記第１のガス流通路に隣接されて設
けられ、内部にＣＯ転化触媒が充填されてなる第２のガ
ス流通路と、前記第１のガス流通路から出たガスが当該
第２のガス流通路に導くための改質ガス導入部とが設け
られていることを特徴とする燃料改質装置。
（２）特許請求の範囲第１項において、前記第１のガス
流通路と第２のガス流通路とは、二重管構造とから構成
され、当該二重管の内部にＣＯ転化触媒が充填されてな
ることを特徴とする燃料改質装置。
（３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
記第２のガス流通路の前記改質ガス導入部側先端部に、
伝熱粒子が充填されてなることを特徴とする燃料改質装
置。
（４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１
項において、前記ガス流通路がらせん状に形成されてな
ることを特徴とする燃料改質装置。