JPH0244001A - 燃料改質装置 - 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） 本発明は炭化水素と水蒸気との反応による水素製造を目
的とした燃料改質装置に関する。

（従来技術） この種の燃料改質装置は種々知られているが、その−例
として実開昭６０−１４３７４２号に記載された燃料改
質装置を第５図に示す。

例示した燃料改質装置１は上部のヘットＡ、中間部の反
応部Ｂ、そして下部の燃焼部Ｃから成り、ヘットＡには
原料供給管２か設けられ、反応部Ｂは内部に二重構造の
反応管３か設けられ、反応管３には改質触媒４が充填さ
れ、燃焼部Ｃには燃料供給管５と空気供給管６か設けら
れている。

原料の炭化水素（たとえばＬＮＧ）とスチームは原料予
熱装置（図示せず）て１７０°Ｃから４００°Ｃに予熱
された後、燃料改質装置１の上部のヘツドＡに原料供給
管２から供給される。原料供給管２から供給された原料
は反応管３の反応外管３ａに入り、管内の約８００°Ｃ
の改質触媒層４の存在で反応して水素リッチガスに改質
され、反応管ベント７、反応内管３ｂを通り、上部ヘッ
トＡ内のガス集合管８に集められ、ガス取出管９より発
生水素は取り出される。この際、反応管３の加熱は燃焼
ＦｆＢｃからの燃焼ガスで行われる。

燃焼部Ｃでは、燃料は燃料供給管５、空気は空気供給管
６を通って予混合室１０に供給され、セラミックトレイ
１１で保持された燃焼触媒層１２を有する燃焼室で燃焼
されて高温の燃焼ガスとなり、燃焼ガスは加熱部１３て
多数の反応管３を外熱式で加熱し、反応部已に設けられ
た燃焼ガス排出管１４より排気される。

ところて、炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応である
ため、反応管３の外部から反応管内の改質触媒層４へ伝
熱する必要があり、安定燃焼および低ＮＯｘ燃焼を目的
として燃焼触媒層１２を有する燃焼部Ｃを設けて改質触
媒層４を加熱する方式か採用されている。

この燃焼部Ｃは空気供給管６からの空気と燃料供給管５
からの燃料とを予混合室ｌＯて混合し、燃焼触媒層１２
て触媒燃焼させ、約１０００’ｃないし１２００°Ｃの
熱風を発生させて、改質触媒層４を常時的８００　’Ｃ
に保持する。

さて、触媒燃焼における燃焼開始温度は燃料によりて異
なるが、一般に水素やメタノールは常温、プロパンは２
００℃、メタンは３７０〜３８０°Ｃて、低級飽和炭化
水素はど燃焼開始温度か高いことか知られている。

第６図は触媒燃焼における低濃度メタンの燃焼条件を調
べるための実験結果を示しており、この図から、メタン
を安定に触媒燃焼するには、燃焼触媒層入口での空気と
メタンの予混合ガスの予熱温度を３６０　’Ｃ以上に保
持する必要かあり、３６０°Ｃ以下のたとえば３４０°
Ｃの場合、初期においては燃焼するが、燃焼か不安定で
、約４０分経過後に温度か降下し、ついには消火するこ
とかわかる。この予熱温度３６０°Ｃは触媒燃焼開始温
度３７０〜３８０℃に近い。天然ガス（ＬＮＧ）を燃料
とする場合は、主成分かメタンであるため、安定な触媒
燃焼を継続するには、燃焼触媒層人口でのＬＮＧ−空気
の予混合ガス温度をメタンの燃焼開始温度以上に常時保
持する必要かある。

このため従来の燃料改質装置ては空気予熱器を設けて空
気を燃料の触媒開始温度以上に予熱しておき、これに燃
料を予混合する方式か安全性の点から一般に採用されて
いる。

上述したような従来の燃料改質装置においては、燃焼に
必要な空気を特に起動時においては必要空気の全量を所
定温度まで予熱する必要かあり、そのため空気予熱器の
負担が大きく、特に起動時の消費電力量か大きい。たと
えば３５Ｎｍ’、／ｈの水素を発生するためＬＮＧを原
料とする燃料改質装置（５０ｋＷ燃料電池用）では１１
００°Ｃの熱風か１５ＯＮｒｎ’／ｈ必要であるため、
電気ヒータ方式の空気予熱器では１５ＯＮｒｎ’／ｈの
工５℃の空気を３８０℃まで予熱する必要かある。電気
ヒータの熱効率を９０％としても、下記の推算値のよう
に２２ＫＷｈの電力消費か必要となり５０ｋＷ用燃料電
池用改質姦として用いた場合には発生電力の４４％の電
力をプラント内の空気予熱器の消費電力に当てなければ
ならず、性能的にも経済的にも問題となる。

１５０　ｘ　０１１２　ｘ　（３８０−Ｉｓ）／（８６
０’　ｘ　Ｏ，９）＝２２ｋＷｈ（２２１５０）　Ｘ１
００＝４０％ ここで、空気の熟容清を０．３１２ｋ　Ｃａｌ／Ｎ　ｍ
Ｊ／　ｈ°Ｃ１供給空気温度を１５°Ｃ，電気ヒータを
９０％とした。

また、燃料改質装置を小型化するには反応管材料の耐熱
許容温度を考慮した上で、できるたけ温度の高い燃焼ガ
スを用いた方か有利であるため、燃焼触媒の耐熱温度よ
りも高い温度のガスを得るべく触媒燃焼出口ガスに直接
２次燃料を吹き込む方法か従来知られている。しかし２
次燃料吹込管の先端に火炎か形成されるため火炎か対面
の壁に接触しないよう燃焼空間を大きくする必要かあっ
たり、高温になる火炎部からのＮＯｘ発生量か増加する
などの問題かあった。

（発明の目的および構ｒ＆） 本発明は上記の点にかんがみてなされたものて、燃料改
質装置における燃焼に必要な空気または空気と燃料との
予混合ガスの予熱容量を減少して予熱器の小型化および
消費電力の低減を図ることを目的とし、この目的を達成
するために、燃料改質装置の反応管加熱用熱風発生部の
燃料ガス流路に沿って複数段の燃焼触媒層を設け、最上
段の燃焼触媒層を除く各燃焼触媒層の上流側に燃焼ガス
と空気との混合ガスを供給する予混合ガス供給管を設け
たものである。

（実施例） 以下本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明による燃料改質装置の一実施例の概略図
である。

第１図に示した燃料改質装置は原料に天然ガス（主成分
メタン）を用いるものて、ヘットＡには原料の天然ガス
と水蒸気を供給する原料供給管と改質ガスを取り出すた
めのガス取出管９とが設けられ、反応部Ｂには、熱損失
を防ぐための断熱材１６が内張すされた反応塔２０の内
部にニッケルーアルミナ系の改質触媒層４を充填した反
応管３か複数本設けられ、反応管３の外部の加熱部１３
にはアルミナ製の伝熱粒子１７か充填され、耐熱金属製
の多孔板１８で保持されている。また、反応部Ｂには反
応塔２０を貫いて燃焼ガス排出管１４か設けられている
。

燃焼部Ｃには反応管３を加熱するための熱風発生部３０
が設けられている。

この熱風発生部３０は、反応塔２０の下部に形成された
空間１９に連通した筒体３０ａの内部に、第１から第４
までの４段のランタン・ベータ・アルミナ系燃焼触媒層
３１，３２，３３゜３４か離間して配設され、さらにそ
の下流側にアルミナ粒子充填層３５とハニカム板３６と
か配設されている。第１段の燃焼触媒層３１の上流側に
は予熱された空気と天然ガスとの予混合ガスを導入する
ための予混合ガス供給管３７か接続され、第１段の燃焼
触媒層３１と第２段の燃焼触媒層３２との間には予熱し
ない空気と天然ガスとの混合ガスを導入するための予混
合ガスか供給管３８か接続され、第２段の燃焼触媒層３
２と第３段の燃焼触媒層３３との間には予熱しない空気
と天然ガスとの混合ガスを導入するための予混合ガス供
給管３９か接続され、第３段の燃焼触媒層３３と第４段
の燃焼触媒層３４との間に予熱しない空気と天然ガスと
の混合ガスを導入するための予混合ガス供給管４０か接
続されている。また、アルミナ粒子充填層３５にはアル
ミナ製の燃料分散管４１か導入されている。

各予混合ガス供給管３７．３８，３９．４０への空気は
空気供給管４２から流量計４３を介して供給され、予混
合ガス供給管３７への空気のみがガス予熱器４４により
加熱される。

一方、各予混合ガス供給管３７．３８，３９゜４０への
天然ガスは天然ガス供給ｖ４５から流量計４６を介して
供給される。

以上が本発明による燃料改質装置の概略構成であるが、
実際の仕様の一例を示すと次のようになる。

反応塔２０：塔径７０口＋ｍｍ　、高さ３０００ｍｍ反
応管　３：直径１１００ＩＩ　ｘ長さ１８００ＩＩ１ｍ
（７本）改質触媒７：５０文 伝熱粒子１７：直径１０ｍｍのアルミナ粒１２０　Ｍ熱
風発生部直径の筒体３０：直径２００＋ｓｍ高さ１００
０ｉ１１ 燃焼触媒：直径１００ｍｍ　、長さ５０■〜１５０１ｍ
次に上記の燃料改質装置を用いて行った燃料改質の実験
について説明する。

空気供給管４２から１５°Ｃの空気を送り込み、流量計
４３て計量してその３ＯＮｍ’／ｈをガス予熱器４４で
４００°Ｃまで予熱し、これに天然ガス供給管４５から
の天然ガスを０．５６Ｎｍ’／ｈだけ予混合し、予混ガ
ス供給管３７から第１段の燃焼触媒層３１に供給し、８
００°Ｃの燃焼ガス３０．６Ｎｒｎ’／ｈを得た。この
燃焼ガスに予混合ガス供給管３８から１５°Ｃの空気３
ＯＮｍ’／ｈと天然ガス０．９４Ｎｍ”／ｈと予混合し
た予混合ガスを旋回流で吹込んで加熱ガスと酸素か充分
混合し、均一温度になるようにした。なお、混合後のガ
ス温度は約３９０°Ｃてあった。第２段の燃焼触媒層３
２からは８００℃の燃焼ガス６１．５Ｎｍ”／ｈを得た
。同様の操作を繰返し、第４段の燃焼触媒層３４から得
た燃焼ガス（温度８００°Ｃ）２４７．２Ｎｒｎ’／ｈ
にアルミナ酸の燃料分散管４１から天然ガス３．８１Ｎ
ｍ”／ｈを供給し、アルミナ粒子充填層３５およびハニ
カム板３６て壁面に沿って燃焼させ、１２００°Ｃの燃
焼ガス２５１．２Ｎｍ’／ｈを得た。火炎はほとんど発
生せず、温度分布は均一となるため燃焼ガス中のＮａＸ
６度は１２ｐｐｍと極めて低い値てあった。

こうして熱風発生部３０て得られた熱風は燃焼部Ｃの空
間１９を介して反応塔２０に供給され、その結果、反応
管３に供給した天然ガス２１．９Ｎ　ｍ’　／　ｈおよ
び水蒸気３７　ｋ　ｇ／ｈから水素リッチな改質ガス（
水素７０　Ｎ　ｒｎ’　／　ｈ、二酸化炭素１ＯＮｍ’
／ｈ、−酸化炭素１１Ｎｍ’／ｈ）を得るとともに、改
質触媒出口温度を８００°Ｃに保持して運転てきた。

上記実験の概要を別の表にまとめて示した。

この表において、熱効率は熱風発生部の各部て精製した
燃焼ガス温度から推算したものて、各部とも９０％以上
を示しており、筒体３０ａからの熱損失は小さく、熱風
発生部は効率的に作動した。

本実施例によれば、２５１．２Ｎｒｎ’／ｈの燃焼ガス
を得るのに、ガス予熱器４４て予熱した空気量は燃焼ガ
スの約１／８の３ＯＮｍ’／ｈてあり、ガス予熱器４４
の容量やヒータ消費電力量を従来法（１段触媒燃焼法）
と比較して大幅に小さくてきた。さらに壁面に沿って燃
焼させる方法を採用することにより、燃焼ガス中のＮｏ
。濃度を従来法の数分の１に低減することかできクリー
ンな熱風を発生させることかできた。

第２図は本発明による燃料改質装置を組込んだ燃＊４電
池発電システムの概略構成を示す。

図中１か本発明による燃料改質装置、１００か燃料電池
である。

改質原料の天然ガスＮＧと水蒸気Ｗを水蒸気／炭素（モ
ル比）値か３．５になるよう調整して燃料改質装置ｌに
供給し、水素リッチガスに改質した。改質ガスをシフト
コンバータ５０および５１に導いて改質ガス中の一酸化
炭素を二酸化炭素に変換した後、冷却器５２てガスを冷
却し、気水分離器５３て凝縮水を分離したのち、改質ガ
スを燃料電池１００のアノード１ｏｏａに導入した。ア
ノード″Ｃ改質ガス中の約８０％の水素か消費され、未
反応水素を含有するアノード排ガスの供給管１ｏｏｂを
熱風発生部３０の天然ガス供給管４５（第１図参照）に
接続して、アノード排ガスを燃料として用いた。なお、
燃料改質装置ｌの起動時にはアノード排ガスを利用でき
ないので、燃料に天然ガスを用いて実施例１の操作要領
て熱風を発生させ、改質装置を起動させた。

一方、空気圧縮器５４からの空気は燃料電池１００のカ
ソード１００ｃに供給し、ここで５０％の酸素か消費さ
れたカソード排ガスの供給管５５を改質装置１の熱風発
生部３０に導き、空気供給管４２（第１図参照）に接続
し、酸素源とした。

燃料電池１００からのアノード排ガスおよびカソード排
ガスは熱交換器５７や気水分離気５８を通って熱風発生
部３０に達するため、ガスの温度は燃料電池出口温度２
００°Ｃからいずれも約４０°Ｃに低下していた。カソ
ード排カスの１／８（約２５　Ｎ　ｍ’　／　ｈ　）を
１５０℃に予熱し、これにアノード排ガスの一部を予混
合し、第１段の燃焼触媒層３１の温度か５００℃になる
ようにアノード排ガス量の混合賃を調整した。この燃焼
ガスに等量の予混合ガスを予混合ガス供給管３８から旋
回流で吹込み混合して、次の第２段の燃焼触媒層３２て
燃焼させ、同様に５００°Ｃの燃焼ガスを得た。この操
作を繰返し、最後に残りのアノード排ガスと補助燃料の
メタンガスを壁面に沿って燃焼して、１１５０°Ｃの燃
焼ガスを発生させ改質反応管３の加熱に用いた。

燃料改質装置ｌからは、実施例１と同様に水素リッチな
改質ガス（水Ｊ７ＯＮｍ’／ｈ、二酸化炭素１ＯＮｍ’
／ｈ、−酸化炭素１１　Ｎｒｎ’／　ｈ　）か得られた
。

予混合ガス中の水素の安定触媒燃焼開始温度は９０℃で
メタンの３８０°Ｃより低かった。

第３図に実測した燃焼開始温度を他の燃料と比較して示
す。

燃焼触媒入口ガス温度はいずれも２５０°Ｃであったの
で、触媒燃焼反応は安定に継続した。なお最終燃焼触媒
層３４の温度のみ他の触媒層より２５０’Ｃ高い７５０
　’Ｃとした。これは燃料の気相燃焼温度（水素５８０
°Ｃ）以上とし、後続の壁面に沿う燃焼を円滑に進める
ためである。

本実施例によれば、燃料電池１００からの低発熱量ガス
であるアノード排ガス（約１００　ｋｃａｌ／Ｎ　ｍ’
　）を低酸素ガス（ｍ素濃度１０％）であるカンート排
ガスて安定に燃焼させるとともに、最初に予熱するガス
量を最終的に得られた燃焼ガス量の約１／８に低減てき
、ガス予熱器の容量およびヒータ消費電力量を小さくす
る効果がある。

第４図は本発明による燃料改質装置の熱風発生部のざら
に他の実施例を示しており、燃焼触媒層から得られる燃
焼ガスに予混合ガスをさらに良好に混合するための熱風
発生部の概略構造を示す。

図中第１図と同じ参照数字は構成部分を示す。

この実施例における熱風発生部か第１図に示した熱風発
生部と異なる点は、燃焼触媒層３１゜３２．３３．３４
の各触媒層間に粒径６■のアルミナ粒子を充填して固定
層４７を形成し、この固定層４７に内径３■、外径６■
のアルミナ製耐熱管に１ｍｓの孔を１０個設けた燃料分
散管４１ａ。

４１ｂ、４１ｃをそれぞれ挿入した点である。このよう
な熱風発生部について実施例１とほぼ類似の操作を行っ
たところ後掲の運転結果と類似の燃焼ガスを得た。

予混合ガスの供給方法は実施例１の旋回吹込み法より簡
単な操作で行えること、燃焼触媒層の温度分布かさらに
均一であることから、燃焼ガスと予混合ガスとの混合か
さらに良好に行なわれたなどの効果かみられた。

上記実施例ではいずれも熱Ｒ発生部に４段の燃焼触媒層
を設けているが、本発明においては、２段以上の燃焼触
媒層を設ければそれなりの効果か得られる。

（発明の効果） 以上説明したように１本発明においては、燃料改質装置
の反応管加熱用熱風発生部において、燃焼ガスと空気と
の流路に沿って燃焼触媒層を２段以上設け、各燃焼触媒
層の上流側にそれぞれ予混合ガス供給管を設けたので、
各燃焼触媒層により得られるガスに予熱しない予混合ガ
スを混合して下流の燃焼触媒層で燃焼させる操作を繰返
すことにより、第１段の燃焼触媒層で必要とする予熱し
た混合ガス量を低減できる効果かある。また、最終燃焼
触媒層の下流に設けた耐熱性の粒状もしくはハニカム状
物からなる固定層内に燃料分散管を挿入して壁面に沿っ
て燃焼させることにより燃焼触媒の耐熱温度以上のクリ
ーンな熱風を発生させて反応管を加熱できる効果かある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料改質装置の一実施例の顆路線
図、第２図は本発明による燃料改質装置ｄを組込んだ燃
料電池システムの顆路線図、第３１′Ａは第１図に示し
た実施例による天然ガスの燃焼開始温度を他の燃料と比
較して示す実測図、第４図は本発明による燃料改質装置
の熱風発生部の他の実施例の要部概略線図、第５図は従
来の燃料改質装置の一例の断面図、第６図は従来の燃料
改質装置におけるメタンの燃焼条件と触媒温度との関係
を示すクラ７である。 ｌ・・・燃料ａｙ賀装置、２・・・原料供給管、３・・
・反応管、４・・・改質触媒、９・・・ガス取出管、２
０・・・反応塔、３０・・・熱風発生部、３１，３２，
３３．３４・・・燃焼触媒層、３７．３８，３９．４０
・・・予混合ガス供給管、３５・・・アルミナ粒子充填
層、３６・・・ハニカム板、４２・・・空気供給管、４
５・・・天然ガス供給管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱風発生部を有し、該熱風発生部により発生され
   た熱風を利用して改質触媒を充填した反応管を加熱し、
   該反応管に導入した原料ガスを前記改質触媒の作用で改
   質して水素リッチなガスを生成する燃料改質装置におい
   て、前記熱風発生部が、熱風用空気を予熱する予熱器と
   、予熱された空気と燃料ガスとの混合ガスの流路に沿っ
   て配設された複数段の燃焼触媒層と、最上段の燃焼触媒
   層を除く各燃焼触媒層の上流側に燃焼ガスと空気との混
   合ガスを供給する予混合ガス供給管とを設けて成ること
   を特徴とする燃料改質装置
2. （２）前記熱風発生部の最終段燃焼触媒層の下流側に、
   粒状またはハニカム構造の固定層を設け、該固定層中に
   燃料導入用の燃料分散管を設けた請求項１に記載の燃料
   改質装置。（３）前記熱風発生部の燃焼触媒層間に耐熱
   性物質の粒子を充填して固定層を形成し、該固定層中に
   燃料導入用の燃料分散管を設けた請求項１に記載の燃料
   改質装置。