JPH0328620A - 燃料電池用炭化水素改質装置 - 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、メタン等の炭化水素をスチームリフォーミン
グによって改質する燃料電池用炭化水素改質装置に関し
、詳細には起動時及び燃料電池の負荷低減時のいずれに
おいても効率良く運転することができ、しかも装置をコ
ンパクト化することのできる燃料電池用炭化水素改質装
置に関するものである． ［従来の技術］ 加熱管内に触媒を充填し、炭化水素とスチームを流して
加熱管内で改質反応を起こさせる装置としては、例えば
特開昭５９−１０２８０１号公報に示される様な改質装
置を挙げることができる。

この装置は、中心部に燃焼排ガス排出路を設けた三重管
構造の反応管とこの反応管の更に外周面側に設けた燃料
供給・燃焼路からなり、反応管の外周面側で燃料を燃焼
させると共に燃焼排ガスを中心部へ導くＬいう構成を採
用することによって、反応管を内外面から加熱するもの
である．そして原料ガスは、三重管構造の反応管の内層
通路から外層通路へ、燃焼ガスと対向するように通され
、その間に熱補給を受｛・プて吸熱反応である水蒸気改
質反応を起こし改質される。

このような従来の炭化水素改質装置においては、系外へ
の放熱を少なくすることによって熱効率を高める手段と
して断熱構造を採用しているが、上記装置では燃料供給
・燃焼路が反応管の外周面側に位置している為、反応管
の外側に比較的高温の燃焼ガスが流れる．従って燃料供
給・燃焼路の周囲に設ける断熱材壁を相当に分厚いもの
とする必要が生じ、装置の大型化を招くという問題があ
った． また給熱源である燃焼ガスと原料ガスとが対向流となる
ように構威されているため、燃焼ガスの流れＣ沿ったガ
ス温度は第３図のＢＧで示すように変化し、逆に原料ガ
スもしくは改質ガスのガス温度は同図のＭＧで示すよう
に変化する．つまり人口部分側の比較的高温の燃焼ガス
により加熱される外層通路内の触媒層には、すでに内層
通路において出口側の燃焼ガスからの伝熱によって温度
の上昇した原料ガスもしくは改質ガスが流れている．こ
のため上記入口部分側の燃焼ガスと外層通路内の触媒層
との温度差は比較的小さくなっており、上記高温部の燃
焼ガスの熱を有効に利用することができないという問題
がある。

また上記外層通路の出口部から出てくる改質ガスはその
ガス温度が比較的高い（例えば８００℃程度）ために、
この改質ガス温度を所定温度まで低下させてから取出す
必要がある．このため上記改質ガスと原料ガスとの熱交
換部を炉頂部に別途設ける必要があり、装置の大型化の
一因ともなっている。

本発明者等かねてより上記事情を憂慮し、種々検討を重
ねた結果、装置全体の熱効率を高めることができるとと
もに、従来よりもコンパクトにすることができる炭化水
素の改質装置を堤供することに戒功し、特願昭６３−９
４０８３号（未公開）として特許出願した。

そこでまず前記特許出願に係る発明を説明する． 当該発明装置によれば、多層環状通路で構成される反応
管の最内層に内接して燃焼ガス誘導路を形成し、該燃焼
ガス誘導路と連通ずる燃焼ガス導出路を多層環状通路の
最外層に外接して形成している．その結果、最内層側で
反応管側に給熱することによって自らは降温した燃焼排
ガスが反応管の外周側を通ることになるので，外周側か
ら中心側へ燃焼ガスが流れる従来方式の改質装置に比べ
ると断熱構造を簡素化することができる。しかも燃焼排
ガス導出路の外周側には原料ガス導入路を形戊している
ので燃焼排ガスは予熱されていない原料ガスによる気相
断熱作用を受けてその分だけ断熱構造をより簡素なもの
にすることができる． 一方原料ガスは、燃焼ガス導出路に外接する原料ガス導
入路を通る間に予熱されて反応管の多層通路に導入され
るので反応管内における原料ガスの急激な温度上昇が回
避されてＣ析出反応を防止することができる．ところで
予熱された原料ガスを反応管へ導入するに当たっては多
層通路の内層側から外層側へ流す方式（原判ガスと燃焼
ガスが並行して流れる方式）と多層通路の外層側から内
層側へ流す方式（原料ガスと燃焼ガスが対向して流れる
方式）があり、後者の対向流方式を採用する場合には原
料ガスＭＧ及び燃焼ガスＢＧの流れに沿った温度変化は
前記第３図に示す通りとなる。即ち対向流方式の場合に
は、原料ガスＭＧはまず燃焼ガス導出路に隣接する反応
管外層通路中を通る間に昇温するが、前記した通り燃焼
ガス導出路のガス温度は燃焼ガス誘導路のガス温度より
低いのでガス温度の上昇は紐やかであり、反応管の内層
通路に到達して始めて高温度の燃焼ガスＢＧに接するこ
とになる。従ってこの場合には、原料ガス人口部分にお
ける燃焼ガスと原料ガス（若しくは改質ガス）との温度
差が小さくなり、燃焼ガス保有熱の利用効率はどうして
も低くなる。他方反応管の内層通路の出口部は比較的高
温の燃焼ガスと接触するので出口部から出てくる改質ガ
スの温度がかなり高＜　１１る。この為改質ガス温度を
所定温度まで低下させる冷却装置あるいは熱交換装置を
設けることが多く、装置の大型化の一因となっている。

これに対し原料ガスＭＧを反応管の外層通路から内層通
路へ流す並行流方式を採用した場合には、原料ガスＭＧ
及び燃焼ガスＢＧの流れに沿った温度変化は第２図に示
す通りとなる。即ち並行流方式の場合には、原料ガスＭ
’　Ｇは、まず燃焼ガス誘導路の高温ガス領域と接する
内層通路へ導入されるので原料ガス人口部分における原
料ガスＭＧと燃焼ガスＢＧとの温度差が相当に大きくな
り、前記対向流方式に比べると燃焼ガス保有熱の利用効
率は高くなる。そして内層通路から外層通路へ通過した
原料ガス（改質ガス）ＭＧは、反応管から系外へ導出さ
れる出口部で燃焼ガス導出路出口部の比較的温度の低い
燃焼ガスと接することになるので前記対向流方式に比べ
ると改質ガス温度を低くすることができる．その結果、
改質ガス温度を下げる為の冷却装置や熱交換装置を省略
することができる， 第４図は前記特許出願発明装置のうち並行流方式を示す
断面説明図で、１は反応管、２は原料ガス導入路，３は
燃焼バーナー　４は燃焼ガス誘導路、５は炉体、４２は
燃焼ガス導出路を夫々示している。

反応管１は内筒１１、中筒１２、外筒１３を互いに離間
して同心状に配置した三重管からなり、内筒１！と中筒
！２の間に環状の内層通路ｌ４、中筒１２と外筒１３と
の間に環状の外層通路１５を夫々形成したものである。

内層通路１４と外層通路１５は内筒１ｌと外筒ｌ３を連
結すると共に中筒１２の下端部を切除することによって
連通しており、内層通路１４及び外層通路１５の内部に
はアルよナーニッケル系の改質触媒Ｓが充填されている
．そして上記内筒１１の上端を延設して蓋部５１に固定
することにより反応管１は炉体５内に中吊り状態で支持
されている。

さらに炉体５の内壁面（沿って環状の原料ガス導入路２
が形成されており、原料ガス導入路２の下端部は炉休５
を貫通する導入管２１に接続され、一方原料ガス導入路
２の上端部は導管２２を介して反応管１の内層通路１４
に接続されている．又反応管１の上方には、反応管と同
心的にマニホールド６１が配置され、反応管の外層通路
Ｉ５の複数箇所から取出された分岐ｖ６２が上記マニホ
ールド６１に接続されており、さらにマニホールド６Ｉ
からは、炉体５を貫通する改質ガス取出し管６３が引出
されている。

反応管１の中心側空間は燃焼ガス誘導路４を構威し、該
中心側空間の上方に蓋体５１に支持された燃焼バーナー
３が下向きに取付けられ、且つ燃焼バーナー３の先端は
耐熱タイル３１によって被覆されている。反応管１と原
料ガス導入路２の間の環状空間は燃焼ガス導出路４２と
して機能し、下方で燃焼ガス誘導路４と連通ずると共に
、燃焼ガス導出路４２の中間位置にはアルミナ製ボール
若しくはラシヒリングＢが充填され、これにより燃焼ガ
スの滞留時間を延長すると共に伝熱を促進している。そ
して燃焼ガス導出路４２の上端は蓋体５！に挿設された
燃焼ガス排出管４３に連通している。尚炉体５及び蓋体
５１は断熱材で形威されでいる。

上記構成の改質装置において、メタンなどの燃料と空気
を燃焼バーナー３に供給して燃焼させることにより高温
の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガ又は中心部の燃焼ガス
銹淳路４を下降し、反応管１の下端を廻り込んで折返し
、燃焼ガス導出路４２を上昇して燃焼ガス排出管４３か
ら排出される． 一方、天然ガスなどのガス状炭化水素および水蒸気等か
らなる原料ガスが原料ガス導入路２から供給され、導管
２２を通して反応管１の内層通路１４へ供給される。そ
して内層通路１４内を下降した後、その下端部で折返し
て外層通路１５を上昇する。原判ガスは内層通路１４及
び外層通路１５の触媒層を通過する間に、周囲から熱を
受け′Ｃ改質反応を起こし、主としてＨ２とｃｏからな
る改質ガスに変化する。この改質ガスは、外層通路１５
上端から分岐管６２を介してマニホールド６１Ｃ集めら
れ、改質ガス取出し管６３より抜出される。尚燃焼ガス
誘導路４及び燃焼ガス導出路４２から原料ガスへの給熱
は、輻射伝熱及び充填物を介した伝熱の双方による。

本実施例においては、上記説明及び第４図から理解され
るように原料ガスと燃焼ガスは並行して流れるので前記
第２図に示した様に原料ガス導入位置における温度差が
大きく、高い熱利用効率を得ることができる。そして燃
焼直後の高塩燃焼ガスの熱を有効に利用することにより
触媒層の反応性が増大し、単位体積当たりの改質量が大
きくなる。この結果必要触媒量を従来より少なくするこ
とができ、装置のコンパクト化に寄与することができる
．例えば水素発生量が数千ｍ’／ｈまでの中・小型の改
質装置であれば第４図に示す様な反応管が１基だけの改
質装置で設計することができ、装置をコンパクトに構成
することができる。

さらに並行流であることにより、燃焼ガスの人口部分に
おいては、未だこの燃焼ガスからの給熱を受けない原料
ガスが内層通路１４の上端部を流れ、この結果内筒１１
の壁面が冷却されて反応管１の壁温Ｗは第２図に破線で
示すように推移する。即ち対向流方式の改質装置に比べ
て壁温Ｗは低くなり、反応管１として低いグレードの素
材を使用することができ、コストを低減することができ
る。

また原料ガス導入路２内の原料ガスは、燃焼ガス導出路
４２内の燃焼ガスと熱交換されることにより予熱され、
一方この熱交換によって燃焼ガス温度は低下する。即ち
原料ガスを原料ガス導入路を経ることなく直接反応管１
へ導入する場合に比べると燃焼ガス温度は低くなるので
、この影響をうけて外層通路１５の出口部における改質
ガス温度を低下させることができる。

こうした効果にも増して当該発明装置の最犬の特長は炉
体５の断熱材Ｐの厚みを小さくできる点にあった。即ち
反応管外周側の燃焼ガス導出路４にはバーナーから放出
されたばかりの燃焼ガスに比べると温度の低い燃焼ガス
が流れ、且つこの燃焼ガス導出路４２は原料ガス導入路
２に囲まれているので原料ガスによる気相断熱作用を受
け、これらの結果、炉体５に加わる熱的負荷は従来に比
べると格段に小さなものとなっており、上記効果を享受
することができる。尚安全性の点から炉体５の外面を６
０℃以下に保持するのに必要な断熱材Ｐの厚みを、従来
に比べて薄くできることは勿論であるが、特に上記原料
ガス導入路２で囲まない場合に比べても約％一％の厚み
まで断熱材厚さを薄くすることができ、装置をコンパク
ト化することができる． その他、燃焼ガス導出路４内の充填物Ｂは、その量及び
種類を変化させることにより燃焼ガスの滞留時間などを
変化させることができ、熱交換の度合を調整する機能を
発揮するが、勿論、上記充填物を全く充填しないことも
許される．第５図は当該先願発明の他の実施例を示す断
面説明図で、原料ガスと燃焼ガスが対向して流れる場合
を示している。

第５図において装置の概要は第４図例とほぼ同等である
が、原料ガス導入路２の上端は、反応管１の外層通路１
５ａと導管２２ａによって接続されでおり、マニホール
ド６１ａは分岐管６２ａによって内層通路１４ａの上端
と接続されている．これによって原料ガス導入路から供
給される原料ガスは、まず燃焼ガス導出路４ヒ接する外
層通路１５ａに流され、下端部で折り返して内層通路１
４ａを上昇するように流れる。この結果、原料ガス若し
くは改質ガスは燃焼ガスと対向するように流れる。

この様な対向流方式においても、反応管の外周側は比較
的温度の低い燃焼ガスが流れ、しかも該燃焼ガスはその
外周側を流れる導入原料ガスによって気相断熱されるの
で、これらによって断熱材Ｐの厚みは大幅に低減するこ
とができる。尚第４図および第５図等に示される改質装
置は、その装置全体を横向き、斜め向きあるいは上下逆
転して配置しても同じ作用効果を得ることができる． また上記例では、原料ガス導入路、反応管、燃焼ガス通
路を環状に形成したが、通路形状はこれに限らずコイル
状等に形成してもよい。さらに中心側の燃焼ガス誘導路
にアルくナ系の燃焼触媒を充填するようにしてもよい。

［発明が解決しようとする課題］ 上記先願発明は装置全体の熱効率を向上させると共は、
装置のコンパクト化を・もたらすという優れた効果を発
揮するものであったが、尚燃料電池システム全体から見
ると次の様な問題を残すものであることが分かった。

（１）第４．５図の改質装置では、起動時及び定常運転
中のいずれにおいても、別系統に独立して設けた水蒸気
発生器から水蒸気の供給を受けなければならない。従っ
て特に起動に際しては、系外での水蒸気発生を待つ間燃
料電池としてのスタートを切ることができないという問
題がある．（２）上記装置では燃料電池の負荷が低下し
たとき、燃料電池で未反応であった燃′Ｊ４（電池排燃
料）を全量燃焼させると、第４，５図の燃焼バーナー３
で得られる燃焼熱量が改質に必要な熱量に対して過剰気
味になり改質炉木体め温度が上昇することになる。その
息改質炉冷却用の空気を上記バーナー３から導入すると
いった対策が必要となり、その九の空気ラインを付設す
ることとなって燃料電池システム全体としては複雑化し
てくる。

（３）同じく負荷低減時には、次の負荷上昇に備えて原
料ガス中の（スチーム）／（天然ガス）比を大きくする
必要が生じ、スチーム必要量が系全体として不足気味に
なり、操業の安定性が悪くなる． （４）燃焼ガス導出路４２を流れる燃焼排ガスは元々伝
熱係数が小さいものである。そこで伝熱係数を高くする
ための充填物Ｂを装入することが改質炉の標準装備とな
っているが、その熱容量がかなり大きいものである九負
荷変動に対する応答性が悪くなっている． 本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、
上記問題点を克服することのできる様な燃料電池用改質
装置の提供を目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成することのできた本発明の改質装置とは
、上記の様な先願発明装置に対し、燃焼ガス導出路中に
水蒸気発生用管路を設けたことを要旨とするものである
。

［作用及び実施例］ 第１図は第４図の装置に本発明思想の改良を加えたもの
であり、燃焼ガス導出路４２に水蒸気発生蛇管Ａを取付
けたものである。この蛇管Ａの下方には原料水導入管路
ａを連結すると共に上方には生戊スチーム排出管ｂを連
結する。一方系外には給水ポンブＣ、管路ｄ及び専用の
水蒸気発生器（例えば燃料電池の排熱を利用したもの）
ｅが設けられ、管路ｄは原料水導入管ａに分岐すると共
に原料水導入管ａ（は切換弁ｆを設ける．また生成スチ
ーム排出管ｂは逆止弁ｇを介して気水分離器ｈに連結さ
れる管路ｉと導入管２１に連結される管路ｊに分岐され
る．また水蒸気発生器ｅで発生した水蒸気についても、
管路ｈを介して導入管２１に送給できる様に構成される
． 定常運転中、特に負荷率５０％以上の状態で運転してい
るときには、切換弁ｆを遮断しておき給水ボンブＣから
管路ｄに入る原料水は全て水蒸気発生器ｅに送り、ここ
で生成した水蒸気を管路ｋから導入管２１に送って原料
ガスと混合状態で改質装置内に導入しているが、負荷率
が５０％より少なくなったとき、或は燃料電池の起動時
には、切換弁ｆを開き管路ｄ内の原料水を管路ａに導入
する。この水は蛇管Ａ内を螺旋状に旋回しながら上昇し
ていくが、今起動時について考えてみると、燃料電池シ
ステムとしてもつとも早く熱が入ってくる部分（図では
燃焼ガス導出路４２）に水蒸気発生器（図の蛇管Ａ）が
設けられていることになるので、速やかに水蒸気が発生
することとなる。そしてその水蒸気を管路℃．ｉ経出で
気水分離器ｈに導入して系全体の加温に利用したり、或
は管路ｊ経出で改質用原料として改質装置内に導入する
こともできる。向上記で述べた負荷率５０％については
一応の目安に過ぎず、設備規模を考慮して適宜設定すれ
ば良いことである．また高負荷時に蛇管Ａへの給水行な
わないのは、改質装置全体の熱収支を考えたとき、原料
ガス導入路２内の原料ガスを十分に加熱しようとすれば
、該加熱と水蒸気生戒の為の熱エネルギー総量を増加さ
せなければならず、電池排燃料（燃焼バーナー３に供給
される燃料の多くは燃料電池排燃料である）以外の市販
燃料を使用しなければならなくなるからである。

次に燃料電池の負荷が低減したときであるが、本発明で
はこの時点でも蛇管Ａｔ．：給水して水蒸気を発生させ
る。従って改質装置全体として見れば、燃焼バーナー３
からの供給熱量が低負荷によって過剰になった分だけ水
蒸気発生に利用されることとなり、熱収支のバランスが
とれる。そのも従来の如く改質装置冷却の為の空気導入
を考える必要がなくなり、燃料電他システムの複雑化を
回避することができる。また別の効果として、蛇ＷＡで
生成した水蒸気を前述の如く管路ｊ経出で改質用原料と
して供給できるので、低負荷だからといって系全体の水
蒸気量が不足することは避けられる。

更に蛇管Ａは燃焼排ガス側の伝熱促進体としても鞘き得
るので、これを水蒸気発生器として利用していないとき
であっても、燃焼排ガス側の伝熱係数を高めるという作
用を発揮していることになる。従って本実施例装置であ
れば、第４．５図の如き充填物Ｂを装入する必要性はな
くなる．尚蛇管Ａとして管外にローフィン或はハイフィ
ンを設けたものは伝熱効率において更に優れたものとな
る。但し本発明は蛇管Ａで例示した水蒸気発生器そのも
のの構造を限定するものではない。

［発明の効果］ 本発明は上記の様に構成されているので、先頭発明によ
って達成された諸効果の他に、起動時間を短縮すること
ができ、更には低負荷運転時においても熱バランスのと
れた安全且つ安定した運転を行なうことができ、燃料電
池システムの複雑化、大型化を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す断面説明図、第２．３図
は、並行流方式及び対向流方式の改質装置における燃料
ガスと原料ガスの温度変化パターンを示すグラフ、第４
，５図は先願発明に係る実施例を示す断面図である。 ｌ・・・反応管　　　　　２・・・原料ガス導入路３・
・・燃焼バーナー　　４・・・燃焼ガス誘導路５・・・
炉体　　　　　　１ｌ・・・内筒ｌ２・・・中筒　　　
　　　１３・・・外筒ｌ４・・・内層通路　　　　１５
・・・外層通路４２・・・燃焼ガス導出炉　Ｓ・・・融
媒Ａ・・・蛇管（水蒸気発生器） 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　同心状に配設されると共に一方端において互いに連通
   する多層環状通路構成からなると共に改質用原料ガス入
   口部及び改質済みガス出口部を備え、上記通路内に改質
   用触媒の充填された反応管と、該多層通路の最内層に内
   接する燃焼ガス誘導路と、該多層通路の最外層に外接す
   ると共に前記燃焼ガス誘導路に連通される燃焼ガス導出
   路と、該燃焼ガス導出路に外接すると共に前記多層通路
   の改質用原料ガス入口部に連通する改質用原料ガス導入
   路とを有し、且つ燃焼ガス導出路に水蒸気発生用管路を
   設けてなることを特徴とする燃料電池用炭化水素改質装
   置。