JPH05306103A - 輻射伝熱形改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子出願以前の出願であるので 要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池発電プラントあるいはそ の他の用途に使用される輻射伝熱形改質装置に関 する。

（従来の技術） 燃料電池は、一般に水素と酸素を電気化学的 に反応させ、電力を発生させるものである。燃料 電池のうち、溶融炭酸塩形燃料電池あるいは固体 電解質形燃料電池は水素を使用しなくても一酸化 炭素を直接燃料として使用できる。

しかし、発電プラントの燃料としては、通常 用いられている天然ガスやナフサ等の炭化水素は 直接燃料電池の燃料として使用できないことから、 次のような改質装置が用いられている。すなわち、 水素ガスを得るためにメタンガスと水蒸気を混合 した原料ガスを、 ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ で示される水蒸気改質を行なわしめ、水素と一酸 化炭素等の混合した生成ガスを得るものである。

近年、改質装置の一例として多孔性輻射体を 加熱体として使用し、伝熱効果を改善した新しい 方式の輻射伝熱形改質装置が開発され、第２図は、 その中で最も実用性のあるものである（これは特 開昭６２−１７２６１５号公報）。

第４図中１は、燃焼室、２は多孔性の熱輻射 体、３は受熱室、４は触媒が全体に均一に担持さ れた略均一な孔径を有する多孔性の受熱体、５は 円筒容器１０内を燃焼室１と受熱室３とに仕切り 原料ガス（ＣＨ_４とＨ_２Ｏを混合したガス）８が 漏洩しないようにした隔壁、６は燃料の燃焼によ り得られた高温燃焼ガス、７は排ガス、９は原料 ガス８の分解により得られたＨ_２とＣＯを混合し た生成ガス、１１は原料ガス供給管、１２は多数 の噴出口１２ａを有するバーナ、１３は排ガス管、 １４は生成ガス取出し管である。

上記反応装置では、バーナ１２から噴射して 燃焼される高温燃焼ガス６は熱輻射体２を通過し、 排ガス管１３から排ガス７として排出される。燃 焼ガス６の顕熱は、熱輻射体２を通過する際に対 流熱伝達によって熱輻射体２に吸収され、熱輻射 体２が加熱されて装置内に輻射熱が放出され、放 出された輻射熱は、隔壁５が金属材料或いはセラ ミックで出来ている場合は、隔壁５の加熱及び再 輻射として受熱体４に受熱され、又隔壁５が石英 ガラス等のように透明な材質の場合は隔壁５を透 過して受熱体４に受熱され、受熱体４が加熱され る。

原料ガス８は受熱体４を通過する際に受熱体 ４により加熱されて分解し、Ｈ とＣＯの混合し た生成ガス９となり、生成ガス取出し管１４を通 して装置外へ送られる。

上述のごとく、熱輻射体２に吸収された熱を 輻射により受熱体４に与え、原料ガス８を受熱体 ４内に通して加熱し、触媒の存在のものとに分解 させることにより、改質生成ガス９を得るように すると、熱の有効利用が図られると共に原料ガス ８の分解がコンパクトな装置により効果的に行わ れる。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べた従来装置にあっては、隔壁５の内 部が水素リッチなガスであり、外部は高温の空気 を多量に含む燃焼ガスであるため、従来隔壁５と しては高温に耐える耐熱鋼あるいは耐熱合金等の 金属で作られているものがある。また、これ以外 に従来隔壁５としては無色透明の石英ガラスで作 られているものもある。しかしながら、改質装置 の場合には、後者の石英ガラスが破損したとき大 きな燃焼になるので、高温時の機械的強度が強い 前者の金属が用いられる。

従って、隔壁５の外部の熱輻射体２からの輻 射熱は該隔壁５が受け隔壁５自体を熱伝導で伝わ り隔壁５上部から外部に放熱する分が熱損失とな る。この分だけ隔壁５の温度が低下し、隔壁５の 内面から内部の受熱体４に熱を輻射して伝える分 が少なくなる。受熱体４では上述のごとく水蒸気 改質反応が行なわれているが、この反応は吸熱反 応であるから反応が多いと温度が低下する。その ため、原料ガス８の量は制限される。

このことを説明すると、受熱体４の温度分布 は入口側からある区域では比較的低く、受熱体４ の出口側では隔壁５からの熱輻射によって急激に 高くなり、吸熱反応の水蒸気改質反応は低温では 緩慢で、高温になる程加速される。

従って、受熱体４の低温側では反応は余り進 行せず反応は主に高温側で起こっている。このこ とにより、受熱体４の吸熱が隔壁５に近い部分で 主に行なわれ、低温側の触媒が有効に利用されて おらず、改質効率が悪い。

本発明は原料ガス入口側の触媒を有効に利用 でき、改質効率が向上する輻射伝熱形改質装置を 提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は前記目的を達成するため、密閉容器 内に、ガス非透過性材料からなる隔壁を設けて、 加熱室および被加熱室を形成し、前記加熱室に多 孔性輻射体を設けるとともに、前記被加熱室に触 媒体を設け、前記輻射体に高温ガスを通過させて 前記容器外部に排出させることにより、前記高温 ガスの輻射熱で前記隔壁を介して前記被加熱室内 の触媒体を加熱し、この被加熱室内に導入される 原料ガスを前記触媒体に通過させて改質ガスを得 る改質装置において、 前記原料ガスが前記触媒体に入る手前で、前 記原料ガス量の３８％以下の空気量、または原料 ガス量の８．０％以下の酸素量を注入し、前記空 気または酸素と前記原料ガスとを混合させて前記 触媒体の入口側に供給する空気供給手段を設けた ことを特徴とするものである。

（作 用） 本発明によれば、原料ガスと空気あるいは酸 素の混合ガスが受熱体に入り部分酸化反応が起こ る。この場合、燃焼触媒を入れる場合、または燃 焼触媒を入れない場合の反応式は下記のようにな る。

ＣＨ_４＋２０_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ…（１） ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２… （２） ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２ＣＯ＋２Ｈ_２ …（３） ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（４） 上記（２）および（３）式の反応が大きな吸 熱を伴なう反応であるが、（１）式が発熱反応で あるため（２），（３）式の反応による温度低下 の割合を少なくする事ができる。

従って、従来有効に利用されていなかった原 料ガス入口側の触媒を有効に利用でき、改質効率 が向上する。この様なことから、従来装置にくら べ改質ガスの条件を同一にすれば、少量の触媒容 積で改質が可能となる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について説明する。第 １図はその一実施例を示す縦断面図であり、ここ では前述した第２図の従来装置と同一部分につい ては同一符号を付してその説明を省略する。

第２図において、容器10内の受熱室３内に原 料ガス８が原料ガス管１１から供給されるように なっている。そして、これとは別に図示しない空 気供給手段からの圧縮空気（原料ガス流量の３８ ％以下の空気量）２１が空気管２０を介して受熱 室３内に供給されるように原料ガス管１１と同心 円状に配設され、そして、空気管２０の下端には、 小孔２２が多数個穿設され、また空気管２０はこ の外周面には、リブ２３が複数個取着されている。

しかして、受熱体である触媒体４は、原料ガ ス２１の流れ方向に沿って複数の触媒体分割層 ４ａ，４ｂ，４ｃ…により複数層に分割されてお り、各触媒体分割層４ａ，４ｂ，４ｃ…のすべて に改質触媒体を担持してある。

以上のように構成した第１実施例の動作を説 明する。圧縮空気２１は空気管２０の下端部の周 面に形成した多数の小孔２２から、空気管２０の 外周であって、原料ガス供給管１１の原料ガス８ に噴出され、圧縮空気と原料ガスがよく混合され る。

この部分では温度が４００℃程度と低いので、 メタンガス（ＣＨ_４）は燃焼しない。ところが、 受熱体４の入口では第２図の従来装置であっても 約５００℃、受熱体４の出口では約８００℃にな る。このようなことから、第１の実施例では空気 管２０から原料ガス量の３８％以下の空気量が供 給されることから、空気とメタンおよび改質した 水素ガスが酸化反応して発熱し、水蒸気改質反応 による受熱体４の温度低下分を補なう事ができる。

そのため、改質反応によってえられた生成ガ ス９の中の残ったメタン量はわずかになり、メタ ン転化率も向上する。

以上述べた実施例、すなわち、各触媒体分割 層４ａ，４ｂ，４ｃに改質触媒体を入れた例で実 験した結果、原料ガス量の３％程度の空気量を混 入させただけで受熱体４の出口の温度が７３０℃ から７５０℃に上昇し、メタン転化率は７８％か ら８５％に上昇することが明らかになった。

前述の実施例において、触媒体分割層４ａ， ４ｂ，４ｃのうちの受熱体４の入口側の第１層 ４ａに酸化燃焼触媒層を設けた場合には、各部の 温度差が均一化されるので、前述の実施例より改 質性能としては良い結果が得られた。従って、前 述したようにわずかな空気量を原料ガスに混入す るだけで、改質性能の改善を計ることが可能とな る。

このことのついて、具体的に実験して改質反 応を行い、メタンの総合転化率を調べた結果を第 ２図に示している。横軸は注入する空気量で、原 料ガス量に対する比率で示してある。縦軸は空気 を注入することによって変化した分を空気注入量 がゼロのときをベースに示してある。

曲線Ａは注入した空気によってメタンが燃焼し、 これによって温度が上昇し、温度上昇により改質 反応が進み、メタン転化率が改善された分を示し ている。

曲線Ｂは注入した空気によってメタンが燃焼す るので、このメタンの減少分を示している。そこ で、総合したメタンの転化率を曲線Ｃで示し、そ れぞれをΦ_Ａ，Φ_Ｂ，Φ_Ｃとすると、 Φ_Ｃ＝（１＋Φ_Ａ）×（１−Φ_Ｂ） で表される。

曲線Ａは、原料ガスに空気を注入すると、大幅 に上昇するが、メタン転化率は１００％を越える ことはないので、改善分はΦ_Ａ＝２５％で飽和し ている。曲線Ｂは、注入空気量に直線的に比例し て増加している。従って、総合転化率改善分は注 入空気量が約１１％程度で最高の改善分が得られ ている。そして、注入空気量を３８％以上にする と、総合転化率は改善されず悪化する。このため 注入空気量の限度は３８％以下になる。

前述の第１の実施例は原料ガス量の３８％以 下の空気量を混入した場合を示したが、この空気 の代りに原料ガス量の８．０％以下の酸素量を空 気管２０から入れても同じ効果が得られる。

第３図は第２図と同様に、実験して改質反応を 行い、メタンの総合転化率を調べた結果を示し、 横軸は注入する酸素量で、原料ガス量に対する比 率で示してある。縦軸は酸素を注入することによ って変化した分を酸素注入量がゼロのときをベー スに示してある。この特性図から明らかなように、 総合転化率改善分は注入酸素量が約２．５％程度 で最高の改善分が得られている。そして、注入酸 素量を８％以上にすると、総合転化率は改善され ず悪化する。このため、注入酸素量の限度は８％ 以下になる。

前述の第１の実施例は、原料ガス８を受熱体 ４の内部に入れ内側から外側の隔壁５に向う近寄 り流れについて説明した。この場合の流れの方が 空気注入による効果があるが、これと逆の流れ、 すなわち受熱体４の外側から内側に流れる場合に ついても実施が可能である。この逆の流れの場合 には温度分布は外側が温度が高く、内側が温度が 低いので酸化触媒層を設ける位置は内側が特に効 果がある。

［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば、空気又は酸素を 原料ガスに混入させるだけで、非常に良い水蒸気 改質生成ガスを得る事ができる輻射伝熱形改質装 置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の輻射伝熱形改質装置の第１ の実施例を示す縦断面図、第２図は本発明を実施 した場合の空気注入量による性能の変化を示す特 性図、第３図は本発明を実施した場合の酸素注入 量による性能の変化を示す特性図、第４図は従来 装置の輻射伝熱形改質装置の一例を示す縦断面図 である。 １…燃焼室、２…熱輻射体、３…受熱体、５… 隔壁、１０…容器、１１…原料ガス供給管、２０ …空気管、２２…小孔。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉容器内に、ガス非透過性材料からな る隔壁を設けて、加熱室および被加熱室を形成し、 前記加熱室に多孔性輻射体を設けるとともに、前 記被加熱室に触媒体を設け、前記輻射体に高温ガ スを通過させて前記容器外部に排出させることに より、前記高温ガスの輻射熱で前記隔壁を介して 前記被加熱室内の触媒体を加熱し、この被加熱室 内に導入される原料ガスを前記触媒体に通過させ て改質ガスを得る改質装置において、 前記原料ガスが前記触媒体に入る手前で、前記 原料ガス量の３８％以下の空気量を注入し、この空気 と前記原料ガスとを混合させて前記触媒体の入口 側に供給する空気供給手段を設けたことを特徴と する輻射伝熱形改質装置。
2. 【請求項２】 密閉容器内に、ガス非透過性材料からな る隔壁を設けて、加熱室および被加熱室を形成し、 前記加熱室に多孔性輻射体を設けるとともに、前 記被加熱室に触媒体を設け、前記輻射体に高温ガ スを通過させて前記容器外部に排出させることに より、前記高温ガスの輻射熱で前記隔壁を介して 前記被加熱室内の触媒体を加熱し、この被加熱室 内に導入される原料ガスを前記触媒体に通過させ て改質ガスを得る改質装置において、 前記原料ガスが前記触媒体に入る手前で、前記 原料ガス量の８．０％以下の酸素量を注入し、こ の酸素と前記原料ガスとを混合させて前記触媒体 の入口側に供給する酸素供給手段を設けたことを 特徴とする輻射伝熱形改質装置。