JPH0474701A - 一酸化炭素転化反応器 - 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Ｊ 本発明は、炭化水素系の原・燃料を水謔気改質して得ら
れた一酸化炭素濃度の高い水蒸気改質ガスを一酸化炭素
濃度の低い改質ガスに転化する一酸化炭素転化反応器に
関する。

〔従来の技術〕

ｉ料電池か発電する電力を利用するシステムとじて・燃
料電池発インステムつ）知られており、このシステムは
燃料改′ｊｊ装置、燃料電池、谷株補機等から構成され
ている。

燃料改質装置は都市ガス、ナフサ等の主成分である炭化
水素系やメタノール等のアルコール系の原燃料を水素に
冨むガスに改質してｅ料電池の電池反応による燃料を生
成しでいる。ところで炭化水素系の原燃料を改質する腺
には、原燃料暑こ苫まれる有機ｉ黄化合物・３除云じ、
さらに水蒸気改質した高濃度の一酸化炭素を低１厘にす
るために、水蒸気改質器とこの前段番こ脱硫器、仮設に
一酸化炭素転化反応器とを備えた燃料改質装置が使用さ
れる。

第５図は上記炭化水素系の原燃料を改質する燃料改質装
置の構成ブロック図であり１図により一酸化炭素濃度の
低い改質ガスの製造過程について説明する。

第５図において炭化水系を主成分とする原燃料は、脱硫
器１において原燃料中に含まれる不純物。

例えば有機硫黄化合物・に水素を添７１Ｇｔ［機硫黄化
合物を吸Ｎ除去しゃすいＨ，Ｓに転化し吸着剤によって
除去する。不純物を除去したガスは水蒸７が付加されて
水蒸気改質器２ｊこ透気され、７００℃〜９００℃に加
熱された触媒の作用によって炭化水素を転化し、水素に
冨む水蒸気改質ガスを生収する。

しかし、この水蒸気教員ガス千には高＃度の一酸化炭素
が含まれている。この水蒸気改質ガス中に含まれる一酸
化炭素は燃η！池の電極触媒である白金触媒に対して触
媒毒となるので、−１Ｖ″化炭素ζ度を下げるｌ髪があ
り、このためにこの水蒸気改質ガスを一酸化炭素濃度反
［器３に送気り、この反応器内に充填された一酸化炭素
転化触媒の作用によって低＃夏の一酸化炭素に転化する
。通常、−酸化炭素濃度を１．０％以下として水素に冨
む改質ガスを燃′Ｐｒｔ池４に供給し、別に供給される
空気とにより電気化学反応を起こさせて発電を行ってい
る。なお、−酸化炭素転化反応器３から送出される改質
ガスの一部は有機硫黄化合物の水添用の水素として脱硫
器１にリサイクルされる。

上記の一酸化炭素転化反応器内阿こおいては、転化触媒
の触媒作用の下）こ下記の反応が行なわ、れている。

Ｃ○↑Ｈ２（Ｊ　−Ｃ０２÷Ｈ２・・・・・・・・・・
−・・・・・・・・・・・１）この反応は発熱反応であ
り、９Ｆ足の反応−度の下で水萎気改質ガス中；こ含よ
れる一酸化炭素濃度を１０％以下に低減している。

ところで燃料電池発電装置、荷に万ンサ（ｌ−型撚科電
池発電装置、　ｉ二ｊ；いては起動、停止か頻繁に行な
ねれるか、懲科′ａ、池発を装置の起１時、水蒸気改質
器から一酸化炭素転化反応器に速入されろ水喜気改質ガ
スは低温でめるたぬ、前記両式の触媒作用の下での転化
反応速度は遅く、このため−酸化炭素転化反応器力）ら
綴度の高い一酸化炭素を含む改質ガスが送出される。こ
れを避けるため。

従来−散化炭素転化反応器内番こ充填された転化触媒か
らなる触媒層に電気ヒータの長さ方向に電力＠夏の均一
な電気ヒータとしてのカートリッジヒータを挿入し、起
ｔｊ時このカートリッジヒータを通電することにより触
媒層を昇温しで転化反応速度を早め低い濃度の一酸化炭
素を含む改質ガスを得るようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように燃料電池発電装置の起動時、−酸化炭素転
化反応器に速入される水蒸気改質ガスは低温のたぬカー
トリッジヒータにより触媒層を昇温しでいるか、カート
リッジヒータの電力密度は長さ方向に均一なため、触媒
層の入口部分も他の部分と同等に昇温され、低温の水蒸
気改質ガスが流入する触媒層の入口部分を速やかに昇温
できず。

このため転化反応速度が遅く一酸化炭素濃度の低い改質
ガスが得られないという欠点がある。

第６図は転化触媒が充填されてなる触媒層を内蔵する一
酸化炭素転化反応器に入る水蒸気改質ガスのｍ度をパラ
メータとして水蒸気改質ガスが触媒層内を通流して一酸
化炭素転化反応する時の触媒層の長さ、言いかえると触
媒層内に配されているカートリッジヒータ長さに対応す
る水蒸気改質ガスの温度と一酸化炭素濃度とを、横軸に
触媒層の長さを縦軸に水蒸り改質ガスの温度とこのガス
中に含まれる一酸化炭素濃度をとって示したものである
。図においてＡは一酸化炭素転化反応器の入口における
水蒸気改質ガスの入口温度が１７５℃。

Ｂは２００°Ｃのときの触媒層長さに対応する水蒸気改
質ガスの温度と一酸化炭素濃度との関係を示している。

図から起動開始直後に相当する水蒸気改質ガスの入口温
度が低い場合には、転化反応速度が遅く前記（１）式の
反応が平衡に達していないために、−酸化炭素濃度を低
減させるこ七が困難であることが分７りろ。

本発明の目的は、不蒸気改質器から送出される水蒸気改
質ガスの温度が低い起動開始直後でも一酸化炭素転化反
応をより早く到達させ、−酸化炭素＃度の低い改質ガス
を速やかに得られる一酸化炭素転化反応器を提供するこ
とである。

〔課題を解決するための手段Ｊ 上記課題を解決するために１本発明によれば反応容器と
、この容器に内設され、容器内を通流する炭化水素系の
原燃料を水蒸気改質して得られた−液化炭素濃度の高い
水蒸気改質ガスを一酸化炭素１１！１度の低い改質ガス
に転化する転化触媒が充填されてなる触媒層と、この触
媒層に水蒸気改質ガスの流石、万同に沿って内設される
電タヒータとを備える一酸化炭素転化反応器において、
前記電気ヒータの水蒸気改質ガスの流れ方向の電力密度
を触媒層の水蒸気改質ガスの出口部から入口部に向って
順仄高くするものとする。

〔作用〕

転化触媒からなる触媒層ンこ内股される電気ヒータの水
蒸気改質ガスの流れ方向の電力密度は水蒸気改質ガスが
触媒層ｔこ流入する入口部が高く、触媒層から排出され
る出口部に向ってｌＩ！Ｌ次小さくしであるので、電気
ヒータを通電することにより、負荷の小さい起動時にお
いて反応容器内の触媒層の水蒸気改質ガス入口付近の温
度を運やかに上昇させる。このため−酸化炭素転化反応
器に流入する水蒸気改質ガスの温度が低温であっても、
転化反応の反応速度を早め、起動直後であっても一酸化
炭素転化反応器から排出される改質ガス中の一酸化炭素
濃度は低濃度にすることかできろう〔実施例ｊ 以下図面に基づいて本発明の実施例について説明する。

第１−は本発明の実施例ζこよる電気ヒータとしてのカ
ー１−　ＩＪッン乙−夕を備えた一酸化炭素転化反応器
の断面図である。第１図に２こ）で反応容器５の入口側
メッンー６と出口側メツシュアとで取囲まれた胞体内に
転化触媒８が充積されて触媒層９か形成されている。入
口側メタン−６１則の反応容器５の一板５ａには図示し
１；い水蒸気改頁器で水蒸気改質された水蒸気改・貰ガ
スが流入する水４気改質ガス入口１０が設置′ｉられ、
−万出口側メッシュ７１ｇ１ｌの反応容器５のＡｉｌ壁
５ｂに触媒層９を通流して一酸化炭素濃度が低減した改
質ガスを排出する改質ガス出口１１が設けられている。

触媒層９内には一酸化炭素濃度の高い水蒸気改質ガスを
一酸化炭素濃度の低い改質ガスに転化する転化反応によ
り生じる反応熱を除去するために冷却媒体が通流するコ
イル状の冷却ｉ！ｒ１２が配設されている。

電気ヒータとしてのカートリッジヒータ１３は本発明に
係るものであり、触媒層９内に水蒸気改質ガスの流れ方
向である反応容器５の軸方向に複数本が中央部と周辺部
にその円周を等分して一板５ａを貫通して設けられてい
る。なお、１４はリード線である。

カートリッジヒータ１３は第２図に示すようにヒータ外
管１５内にコイル状の電熱＠　１６が配設され、電熱線
１６の巻数密度は触媒層の水蒸気改質ガスが流入する入
口部を改質ガスが排出する出口部より順次大きくしてい
る。この結果電熱Ｍ１６の電力密度は水蒸気改質ガスの
入口部分の万が改質ガスの出口部分の方より順次大きく
なる。

なお、第１図において熱′電対１８は保護管１９の中に
挿入されて触媒１９内に鏡板５ａを貫通して配設され、
転化反応時の反応熱による触媒層の温度上昇を検出して
触媒層の温度を制御するセンサとして使用される。

このような構成−こより燃料１ｍ発電装置の起動時、−
酸化炭素転化反応器には水蒸気改質器から低温の水蒸気
改質ガスを水蒸気改質ガス入口１０から反応容器５内の
転化触媒８からなる触媒層９に流入させる。この際カー
トリッジヒータｚ＋ｍｖｔして触媒ＩＩ９を即熱する。

この場合、カートリッジヒータ蓬の長さ方向の１刀密度
は触媒層９の水蒸気改質ガスの入口部の万が改質ガスの
出口部の力より１１仄高くしているので、触媒層の人口
部の温度は速やη）に上昇する。

このような温度状態の触媒ｊ−９を水蒸気改質ガスか通
流することにより、水蒸気改質ガスは運やかに一酸化炭
素転化反応器＞　７！−平衡に刺違させることかでさ、
所定の一酸化炭素濃度の低い氷菓に菖む改質ガスに転化
される。そしてこの改頁ガスは改質ガス出口１１から排
Ｉｆｆされ、燃料電池に供給される。

第３図は一酸化炭素転化反応器の起動時において本発明
と従来技術と（こよるカートリッジヒータにより触媒層
を加熱したときの触媒層長さに対する水蒸気改質ガスの
温度と一酸化炭素濃度との関係を示し、不発明のカート
リッジヒータによるものはＣ１従来のカートリッジヒー
タによるものはＤで示している。図から本発明によるカ
ートリッジによるものが従来技術によるカートリッジに
よるものに比べて水蒸気改質ガスの入口部の温度上杵が
大きく、これに伴って一酸化炭素濃度は本発明によるも
のが従来技術のものより低くなっていることが理解され
る。

第４図は一酸化炭素転化反応器の起動時ｌこおいて本＠
明と従来技術とζこよるカートリッジヒータにより触媒
層を刃口熱し、所定の低い濃度の一酸化炭素を含む改質
ガスが得られる触媒膚温［Ｔになるまでに必要とする起
動時間を示し、Ｅ、Ｆはそれぞれ本発明によるカートリ
ッジヒータにより肌熱したときの触媒層の入口部と出口
部との触媒層温度と時間との関係を示し、Ｇは従来技術
の触媒層温度と時間との関係を示している。図から本発
明ｌこよるカートリッジヒータの方が従来技術のカート
リッジヒータによるものより起動時間が短いことが理解
される。

なお、冷却媒体が流れる冷却管りは一酸化炭素転化反応
器の運転時の転化反応による反応熱を除去し７て所定の
温度にするために便用される。

〔発明の効果〕

以上の説明から明スかなように、本発明によれば一酸化
炭素転化反応器の触媒層に電力ｇＭ度を水蒸気改質ガス
の流れの入口部を出口部よりＨ１次高くした電気ヒータ
を内設したことにより、起動時における水蒸気改質器か
らの低温の水蒸気改質ガスが一酸化炭素転化反応器に送
入されても、触媒層の入口部を速やかに昇温して転化反
応速度を早め、転化反応を速やかに平衡（こ到達させる
ことができるので、起ＭＪＪ＆’１であっても所定の低
い濃度の一酸化炭素を含む改質ガスが一酸化炭素転化反
応器により生成することができるとともに起動時間を短
縮することができる。したがって起動、停止の頻繁なオ
ンサイト型゛←料電池には特に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の笑施例によるカートリ、ジヒータを備
えた一酸化炭素転化反応器の断面図、第２図は第１図の
カート１ツジヒータの部分拡大断面図、第３図は本発明
と従来技術とによるカート１ツジヒータによる起動時の
一酸化炭素転化反応器の触媒層長さに対する水蒸気改質
ガスの温度と一酸化炭素濃度との関係を示す図、笥４図
は本発明と従来技術とによるカートリッジヒータによる
起動開＃３後、所定の一酸化炭素濃度を含む改質ガスを
得るまでの時間と触媒層温度との関係を示す図、第５図
は燃料改質装置の系枕ブロック図、第６図は一酸化炭素
転化反応による触媒層長さに対するＸ蒸気改質ガスの温
度と一酸化炭素濃度との関係を示す図である。 ５：反応容器、８：転化触媒、９：触媒層、１３：カー
トリッジヒータ、ｌｂ＝電熱線。 代理人弁理士　山　口　　巌　　−−７、二２ 第１図 入○ 敞″蝶層Ｌ１ 出口 第　３　！ 時 藺

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）反応容器と、この容器に内設され、容器内を通流す
   る炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して得られた一酸化
   炭素濃度の高い水蒸気改質ガスを一酸化炭素濃度の低い
   改質ガスに転化する転化触媒が充填されてなる触媒層と
   、この触媒層に水蒸気改質ガスの流れ方向に内設される
   電気ヒータとを備える一酸化炭素転化反応器において、
   前記電気ヒータの水蒸気改質ガスの流れ方向の電力密度
   を、触媒層の水蒸気改質ガスの出口部から入口部に向っ
   て順次高くしたことを特徴とする一酸化炭素転化反応器
   。