JPH0422830Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、触媒燃焼式改質器に係り、特に原料
供給部の結露を防止するとともに、改質器内の温
度を均一にするのに好適な触媒燃焼式改質器に関
するものである。

〔従来技術〕

最近、改質器を用いた溶融炭酸塩型燃料電池
は、将来の代替火力発電所用として考えられてお
り、容量も1MW以上の大型のものが主流となつ
てきている。

第５図は、液体天然ガス（以下、LNGという）
を原料とする溶融炭酸塩型燃料電池システムのフ
ローを示す説明図である。原料であるLNG３０
は、燃料供給圧縮機３１および脱硝装置３２を経
た後、電池カソード３６の排空気熱を回収してつ
くられるスチームと混合され、ほとんど予熱され
ることなく、スチーム／カーボン比が約３（通常
の産業プラントでは３よりも大きい）、圧力４
Kg／cm²Ｇ、温度150〜170℃で改質器３３に導入さ
れ、分解反応が行われる。改質器３３で発生した
改質ガスは、3.5Kg／cm²Ｇ、約650℃で電池アノー
ド３５へ供給される。上記改質反応は、吸熱反応
であり、必要な熱量は前記改質器３３と一体に構
成された燃焼器３４において、電池アノード３５
の排ガスを電池カソード３６の排空気によりつく
られた圧縮空気で燃焼させて得られる。このとき
の燃料ガスの性状は、例えば発熱量約750Kcal／
m³Ｎ、圧力約３Kg／cm²Ｇ、温度約650℃であり、
燃焼用の空気は、例えば圧力約３Kg／cm²Ｇ、温度
約200℃である。

ところで、燃料電池用の改質器として、現在で
は２段触媒燃焼方式が提案されている。これは、
燃焼部に燃焼触媒を用い、かつ燃料を２段に分割
供給することにより、最高燃焼温度を抑え、反応
触媒や装置の寿命延長および信頼性の向上を図ろ
うとするものである。

第７図は、このような従来の２段燃焼式改質器
の構造を示す軸方向断面図である。

この装置は、燃焼部を構成する本体ケーシング
７と、前記燃焼部内に設けられた複数の反応管外
管２と、該反応管外管２に各々挿入された反応管
内管４と、この反応管内管４が集合する改質ガス
出口ノズル５と、この改質ガス出口ノズル５を支
持するとともに、原料入口ノズル１を有するヘツ
ド部シエル６とから主として構成されており、本
体ケーシング７の下部側面には下段燃料入口ノズ
ル８と燃焼用空気入口ノズル９が、中段側面には
上段燃料入口ノズル１２が、さらに、上段側面に
は燃焼ガス出口ノズル１９がそれぞれ設けられて
いる。なお、３は反応管外管２と反応管内管４と
の間に充填された改質触媒、１０は下段燃焼触媒
層、１１ａおよび１１ｂはそれぞれ下段伝熱促進
粒子層および上段伝熱促進粒子層、１７は上段燃
焼触媒層、１８は本体ケーシング７の内面に配置
された断熱材である。下段燃料入口ノズル８から
供給された燃料は、燃焼用空気入口ノズル９から
供給される空気と合流した後、下段燃焼触媒層１
０に入り、該下段燃焼触媒層１０内で燃焼され
る。この空気大過剰で燃焼された燃焼ガスは、そ
の上段の下段伝熱促進粒子層１１ａに入り、反応
管外管２の下段部に熱を与える。反応管外管２の
下段部に熱を与えることにより温度が低下した燃
焼ガスは、上段燃料入口ノズル１２から導入され
る燃料と合流した後、上段燃焼触媒層１７へ入
り、この燃料が燃焼されることにより再び昇温さ
れ、前記反応管外管２の上段部を加熱した後、燃
焼ガス出口ノズル１９から外部へ排出される。

第６図は、１段燃焼式の改質器と２段燃焼式改
質器との燃焼部および改質部における温度を比較
して示した図である。図において、２段燃焼式改
質器の方が燃焼部の最高温度が低いにもかかわら
ず改質部の温度が全体として１段燃焼式改質器よ
りも高くなつており、熱効率がよいことがわか
る。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来技術では、例えば溶融
炭酸塩型燃料電池用として使用した場合、大型の
改質器になると、反応管増加により管列が増える
ので、燃焼部の側面から導入された上段部の燃焼
が均一に分散せず、改質器の平面方向の温度が不
均一となる。また、供給される上段燃料の温度が
約650℃程度と高いために、上段燃料の入口ノズ
ル部分に大きな熱応力がかかるという問題があ
る。さらに、改質される原料は水の沸点に近い温
度で供給されるため、負荷変動、操作ミス等の要
因により、温度が下がつた場合、原料とともに供
給されるスチームの凝縮が起こり、スチーム／カ
ーボン比が低下することにより、反応触媒が損傷
するという問題がある。

本考案の目的は、上記従来技術の問題点を解決
し、改質器内の温度を均一にするとともに、原料
とともに供給されるスチームの凝縮を防止するの
に好適な、例えば溶融炭酸塩型燃料電池システム
にも使用することができる触媒燃焼式改質器を提
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本考案は、空間部を隔
てて２段の充填層を有する２段燃焼式の触媒燃焼
部と、該触媒燃焼部と一体に設けられた複数の反
応管からなる改質部とを有する触媒燃焼式改質器
において、前記触媒燃焼部の空間部に燃焼ガス流
と逆方向から燃料を供給する上段燃料供給管を前
記改質部の反応管と平行に設けるとともに、該上
段燃料供給管に連通する上段燃料入口管と前記改
質部の反応管に連通する原料入口管とを伝熱面を
介して隣接させたことを特徴とするものである。

〔作用〕

上記燃焼触媒層の直下部の空間部に開孔する上
段燃料供給管を反応管相互間に多数設けたことに
より、上段燃料は前記空間部に均一に供給されて
燃焼するので、改質器の平面方向の温度が均一に
なり各反応管における改質反応が一様に行われ
る。また、上段燃料入口管と原料の入口管とを伝
熱面を介して隣接させたことにより、比較的高温
で供給される燃料によつて、比較的低温で供給さ
れる原料が昇温されるので、原料と共に供給され
るスチームが凝縮することによる反応触媒の損傷
を回避することができる。一方、このとき上段燃
料入口管の燃料は逆に冷却されるので、燃料入口
ノズル付近への熱応力は減少する。原料を予熱す
ることにより、冷却された燃料は、反応管と平行
に設けられた上段燃料供給管内を燃焼ガス流に対
向して流れることにより、該燃焼ガスの熱を受け
てその温度が再度上昇し、燃焼され易くなる。

本考案において、上段燃料供給管は各反応管相
互間に各々１本ずつ設けることが好ましく、これ
により、上段燃料がより均一に供給されるので、
改質器の温度が均一になり各反応管における改質
反応を一様に行わせることができる。また上段燃
料供給管が触媒燃焼部の充填物と接する部分を保
護するために、上段燃料供給管を保護カバーで覆
うことが好ましい。

〔実施例〕

次に、本考案を実施例によりさらに詳細に説明
する。

第１図は、本考案の一実施例である触媒燃焼式
改質器の構造を示す軸方向断面図、第２図は、第
１図の反応管と上段燃料ガイドパイプの配置を示
す図、第３図は、第１図の上段部の燃料吹き出し
方向を示す図である。

第１図の装置は、燃焼部を形成する本体ケーシ
ング７と、前記燃焼部内に設けられた、複数の反
応管外管２と、該反応管外管２に各々挿入された
反応管内管４と、該反応管内管４が集合する上部
の改質ガス出口ノズル５と、該改質ガス出口ノズ
ル５を支持するヘツド部シエル６と、管板２１を
貫通し、前記複数の反応管外管２の間に配置され
た上段燃料ガイドパイプ１５とから主とし構成さ
れている。本体ケーシング７の底部側面には、下
段燃料入口ノズル８および燃焼用空気入口ノズル
９が設けられており、これらの合流点の後流には
下段燃焼触媒層１０が設けられている。また本体
ケーシング７の内側は断熱材１８で覆われてお
り、触媒燃焼部は、下段燃焼触媒層と、底部の空
間と、該底部の空間の直上部の下段伝熱促進粒子
層１１ａと、その直上部の空間部２３と、該空間
部２３の上部の上段燃焼触媒層１７とこれに続く
上段伝熱促進粒子層１１ｂと、その直上部の燃焼
ガス出口１９に通じる空間とに分けられる。ヘツ
ド部シエル６には原料入口ノズル１と上段燃料入
口ノズル１２が設けられており、これらは伝熱部
２２において伝熱面を介して隣接している。上段
燃料入口ノズル１２は、燃料ヘツダー１３および
ピグテール１４を介して前記上段燃料ガイドパイ
プ１５に連結されている。この上段燃料ガイドパ
イプ１５は、前記上段燃焼触媒層１７の直下部の
空間部２３に開孔しており、その先端にはノズル
チツプ１６が設けられている。反応管外管２は、
本体ケーシング７の底部の空間に達する長さであ
り、その中に挿入された反応管内管４はそれより
もわずかに短い長さで、この反応管外管２と内管
４との間には改質触媒３が充填されている。な
お、２０は前記上段燃料ガイドパイプ１５が上段
伝熱促進粒子層１１ｂおよび上段燃焼触媒層１７
と接する面を保護する保護カバーである。

このような構成において、下段燃料入口ノズル
８から導入された燃料は、燃焼用空気入口ノズル
９から導入される燃焼用空気と混合され、下段燃
焼触媒層１０において燃焼する。この燃焼ガスは
反応管外管２の先端部に熱を与えるとともに、下
段伝熱促進粒子層１１ａ内を上昇し、該下段伝熱
促進粒子層１１ａを介して反応管外管２の下段部
に熱を与える。また上段燃料入口ノズル１２から
供給される燃料は、伝熱部２２で原料入口ノズル
から導入される原料に熱を与えた後、上段燃料ヘ
ツダ１３、ピグテール１４および上段燃料ガイド
パイプ１５を通り、触媒燃焼部の燃焼ガスにより
予熱された後、上段燃焼触媒層１７と下段伝熱促
進粒子層１１ａとの間の空間部２３に放射状に供
給され、前記過剰空気を含む下段燃料の燃焼ガス
と合流し、上段燃焼触媒層１７に入りここで燃焼
する。この燃焼により再び昇温された燃焼ガス
は、上段伝熱促進粒子層１１ｂ内を上昇して反応
管外管２の上段部を加熱した後、燃焼ガス出口ノ
ズル１９から排出される。

本実施例によれば、上段燃料ガイドパイプ１５
が各反応管外管２の相互間に均一に配置されてお
り、上段燃料が改質器の平面方向に均一に供給さ
れるので、改質器平面方向の温度が均一になり各
反応管における改質反応が一様に行われる。ま
た、原料入口ノズル１から供給される原料は、伝
熱部２２において、上段部の燃料により予熱され
るので、熱効率が向上し、原料とともに供給され
るスチームの凝縮による反応触媒の損傷がなくな
る。さらに、このとき上段部の燃料は原料により
逆に冷却されるため、上段燃料入口ノズル付近に
はたらく熱応力が軽減される。また、一度冷却さ
れた上段部の燃料は、前期燃焼部の燃焼ガスより
も低温になるために、上段燃料ガイドパイプ１５
を通過するうちに上段伝熱促進粒子層１１ｂを介
して予熱され、熱が有効に利用される。

第４図は、本考案の他の実施例を示す説明図で
ある。この装置は、第１図の伝熱部２２の代わり
に改質器に入る前の上段部の燃料ラインと原料ラ
インとの間に熱交換器２４を設けたものである。

本実施例によれば、前記実施例以上に熱効率が
向上するので、原料中のスチームが凝縮すること
がなく、スチーム／カーボン比が低下することに
よる反応触媒の損傷がなくなるとともに、上段燃
料入口ノズル付近への熱応力が軽減される。また
前記実施例と同様に、燃焼部における燃焼および
伝熱が均一となり、安定した改質反応が可能とな
る。

〔考案の効果〕

本考案によれば、改質器平面方向の温度が均一
になるとともに熱効率が向上するので、改質効率
が向上し、例えば溶融炭酸塩型燃料電池用の改質
器としても使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す触媒燃焼式改
質器の軸方向断面図、第２図は、第１図の反応管
および上段燃料ガイドパイプの配列を示す図、第
３図は、第１図の上段部の燃料吹き出し方向を示
す図、第４図は、本考案の他の実施例を示す説明
図、第５図は、一般的な溶融炭酸塩型燃料電池シ
ステムのフローを示す図、第６図は、１段燃焼式
改質器と２段燃焼式改質器との反応管内の温度を
比較して示す図、第７図は、従来の２段燃焼式改
質器の軸方向断面図である。 １……原料入口ノズル、２……反応管外管、４
……反応管内管、８……下段燃料入口ノズル、９
……燃焼用空気入口ノズル、１２……上段燃料入
口ノズル、１５……上段燃料ガイドパイプ、２３
……空間部。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 空間部を隔てて２段の充填層を有する２段燃
   焼式の触媒燃焼部と、該触媒燃焼部と一体に設
   けられた複数の反応管からなる改質部とを有す
   る触媒燃焼式改質器において、前記触媒燃焼部
   の空間部に燃焼ガス流と逆方向から燃料を供給
   する上段燃料供給管を前記改質部の反応管と平
   行に設けるとともに、該上段燃料供給管に連通
   する上段燃料入口管と前記改質部の反応管に連
   通する原料入口管とを伝熱面を介して隣接させ
   たことを特徴とする触媒燃焼式改質器。 (2) 実用新案登録請求の範囲第１項において、前
   記上段燃料供給管を前記改質部の反応管相互間
   に各々１本ずつ配置したことを特徴とする触媒
   燃焼式改質器。 (3) 実用新案登録請求の範囲第１項または第２項
   において、前記上段燃料供給管は、触媒燃焼部
   の充填部と接する部分が保護カバーで覆われて
   いることを特徴とする触媒燃焼式改質器。