JPH07106881B2 - 燃料電池用改質器装置 - Google Patents
燃料電池用改質器装置Info
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- JPH07106881B2 JPH07106881B2 JP60020889A JP2088985A JPH07106881B2 JP H07106881 B2 JPH07106881 B2 JP H07106881B2 JP 60020889 A JP60020889 A JP 60020889A JP 2088985 A JP2088985 A JP 2088985A JP H07106881 B2 JPH07106881 B2 JP H07106881B2
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- Japan
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- reformer
- gas
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- heat exchanger
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、燃料電池に用いられる、炭化水素系ガスの改
質反応を促進する改質器装置に関するものである。
質反応を促進する改質器装置に関するものである。
［発明の技術的背景］ 近年、その開発・実用化の研究に期待と関心が寄せられ
ている燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化
学プロセスで酸化させることにより、酸化反応に伴って
放出させるエネルギーを直接電気エネルギーに変換する
装置である。この燃料電池を用いた発電プラントは、比
較的小さな規模でも発電の熱効率が40〜50％にも達し、
新鋭火力発電をはるかにしのぐと期待されている。さら
に、近年大きな社会問題となっている公害要因であるSO
x,NOxの排出が極めて少ない。発電装置内に燃焼サイク
ルを含まないので大量の冷却水を必要としない、振動音
が小さいなど、原理的に高いエネルギー変換効率が期待
できると共に、騒音・排ガスなどの環境問題が少なく、
さらに、負荷変動に対して応答性が良いなどの特徴があ
る。
ている燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化
学プロセスで酸化させることにより、酸化反応に伴って
放出させるエネルギーを直接電気エネルギーに変換する
装置である。この燃料電池を用いた発電プラントは、比
較的小さな規模でも発電の熱効率が40〜50％にも達し、
新鋭火力発電をはるかにしのぐと期待されている。さら
に、近年大きな社会問題となっている公害要因であるSO
x,NOxの排出が極めて少ない。発電装置内に燃焼サイク
ルを含まないので大量の冷却水を必要としない、振動音
が小さいなど、原理的に高いエネルギー変換効率が期待
できると共に、騒音・排ガスなどの環境問題が少なく、
さらに、負荷変動に対して応答性が良いなどの特徴があ
る。
この様な燃料電池においては、天然ガスなどの炭化水素
系の燃料に水蒸気を加えて加熱変成し、水素リッチな反
応ガスを得る為に、改質器装置が配設されている。
系の燃料に水蒸気を加えて加熱変成し、水素リッチな反
応ガスを得る為に、改質器装置が配設されている。
この様な改質器装置の構成を第３図及び第４図に示した
断面図によって説明する。即ち、改質器１の上部には、
燃料タンク（図示せず）に連結した導管２より送りこま
れる燃料と、空気供給機（図示せず）に連結した導管３
より送り込まれる空気を混合して燃焼する主バーナー４
が配設されている。この主バーナー４を点火する為に、
主バーナー４の側部に燃料を供給する導管５、空気を供
給する導管６及び先端に電気点火装置を有する補助バー
ナー７が設けられている。また、主バーナー４の燃焼排
ガスは燃焼室８を下方へ流れ、改質器１の内部に配設さ
れた改質管９の外周空間を通り、その外周空間の下部層
に配設されたセラミック球11を保持した導管10を通過
し、これと通過した排ガス管12を通じ改質器１外へ排出
され、ターボコンプレッサー（図示せず）へ導かれ運転
に寄与する。さらに、改質器１の内部に配設された改質
管９には、その下部に接続された導管13より、天然ガス
などの炭化水素系燃料と水蒸気の混合気体が導入され、
その混合気体は改質管９内の触媒粒14を保持した管路を
通過する。この際に、主バーナー４の燃焼によって得ら
れる熱と触媒粒14の作用により混合気体の改質反応が行
なわれ水素リッチなガスとなる。この様にして得られた
改質ガスは、改質管９内の導管15を下方へ流れ、これに
連通した導管16を経て、改質器１外へ導かれる。
断面図によって説明する。即ち、改質器１の上部には、
燃料タンク（図示せず）に連結した導管２より送りこま
れる燃料と、空気供給機（図示せず）に連結した導管３
より送り込まれる空気を混合して燃焼する主バーナー４
が配設されている。この主バーナー４を点火する為に、
主バーナー４の側部に燃料を供給する導管５、空気を供
給する導管６及び先端に電気点火装置を有する補助バー
ナー７が設けられている。また、主バーナー４の燃焼排
ガスは燃焼室８を下方へ流れ、改質器１の内部に配設さ
れた改質管９の外周空間を通り、その外周空間の下部層
に配設されたセラミック球11を保持した導管10を通過
し、これと通過した排ガス管12を通じ改質器１外へ排出
され、ターボコンプレッサー（図示せず）へ導かれ運転
に寄与する。さらに、改質器１の内部に配設された改質
管９には、その下部に接続された導管13より、天然ガス
などの炭化水素系燃料と水蒸気の混合気体が導入され、
その混合気体は改質管９内の触媒粒14を保持した管路を
通過する。この際に、主バーナー４の燃焼によって得ら
れる熱と触媒粒14の作用により混合気体の改質反応が行
なわれ水素リッチなガスとなる。この様にして得られた
改質ガスは、改質管９内の導管15を下方へ流れ、これに
連通した導管16を経て、改質器１外へ導かれる。
次に、前記改質器１に接続されている各種の機器の配置
構成を、第５図の系統図によって説明する。即ち、天然
ガスなどの炭化水素系燃料を供給する導管17と水蒸気を
導入する導管18によって混合されたガスが熱交換器19に
送りこまれ、その熱交換器19に高温ガスを通している管
20より熱を受けて温度を上げられた後、導管13によって
改質器１内に送られる。また、改質器１内で水素リッチ
なガスとなった改質ガスは、導管16によって改質器外へ
導かれ、熱交換器21に送りこまれ、その熱交換器21に冷
却用ガスを通している管22によって温度を下げられた
後、改質ガス中に含有する一酸化炭素COを二酸化炭素CO
2に変える高温変成器23と低温変成器（図示せず）を経
て、燃料電池へ送られ発電に寄与する。
構成を、第５図の系統図によって説明する。即ち、天然
ガスなどの炭化水素系燃料を供給する導管17と水蒸気を
導入する導管18によって混合されたガスが熱交換器19に
送りこまれ、その熱交換器19に高温ガスを通している管
20より熱を受けて温度を上げられた後、導管13によって
改質器１内に送られる。また、改質器１内で水素リッチ
なガスとなった改質ガスは、導管16によって改質器外へ
導かれ、熱交換器21に送りこまれ、その熱交換器21に冷
却用ガスを通している管22によって温度を下げられた
後、改質ガス中に含有する一酸化炭素COを二酸化炭素CO
2に変える高温変成器23と低温変成器（図示せず）を経
て、燃料電池へ送られ発電に寄与する。
［背景技術の問題点］ ところで、第３図乃至第５図に示した様な改質器１にお
いては、改質管９の入口部分の導管13内の燃料と水蒸気
の混合気体の温度は、427℃以上510℃以下の範囲に制御
する必要がある。その理由は、427℃以下になると改質
管９内の触媒14にポリプロプレンが沈着し、触媒14の性
能が劣化してしまうという欠点があった。また、510℃
以上になると燃料が分解してカーボンを生成して、この
カーボンが触媒14の組織内に入り込んで触媒14を破壊
し、粉化させて改質管９内の差圧を増大させるといった
欠点があった。
いては、改質管９の入口部分の導管13内の燃料と水蒸気
の混合気体の温度は、427℃以上510℃以下の範囲に制御
する必要がある。その理由は、427℃以下になると改質
管９内の触媒14にポリプロプレンが沈着し、触媒14の性
能が劣化してしまうという欠点があった。また、510℃
以上になると燃料が分解してカーボンを生成して、この
カーボンが触媒14の組織内に入り込んで触媒14を破壊
し、粉化させて改質管９内の差圧を増大させるといった
欠点があった。
また、改質器１内に配設された改質管９に、下部から導
入された燃料と水蒸気の混合気体は、改質管９内の触媒
層14を上昇するに従い、加温されて温度が上昇し、760
℃以上で水素ガスに改質する反応を起こし、改質管９の
上部での最高温度が982℃となる様に、改質器１の主バ
ーナー４により改質管９を加熱制御する。また、この様
にして改質された水素リッチなガスは、改質管９の頂部
より管路15を下方へ流れる際に、触媒14に伝達して、改
質管９の出口部分では約593℃に制御する必要がある。
さらに、改質管９で反応したガス中には、一酸化炭素CO
が含まれており、これは、電池本体に害を与える為、こ
れを無害の二酸化炭素CO2に変えるため、改質管９の出
口部分で約593℃であった改質ガス温度を、熱交換器21
内に設けられた導管22の冷却用ガスまたは冷却用水によ
って、387℃以上421℃以下に下げて、高温変成器23に送
り、一酸化炭素COを二酸化炭素CO2に変える触媒反応を
させる。
入された燃料と水蒸気の混合気体は、改質管９内の触媒
層14を上昇するに従い、加温されて温度が上昇し、760
℃以上で水素ガスに改質する反応を起こし、改質管９の
上部での最高温度が982℃となる様に、改質器１の主バ
ーナー４により改質管９を加熱制御する。また、この様
にして改質された水素リッチなガスは、改質管９の頂部
より管路15を下方へ流れる際に、触媒14に伝達して、改
質管９の出口部分では約593℃に制御する必要がある。
さらに、改質管９で反応したガス中には、一酸化炭素CO
が含まれており、これは、電池本体に害を与える為、こ
れを無害の二酸化炭素CO2に変えるため、改質管９の出
口部分で約593℃であった改質ガス温度を、熱交換器21
内に設けられた導管22の冷却用ガスまたは冷却用水によ
って、387℃以上421℃以下に下げて、高温変成器23に送
り、一酸化炭素COを二酸化炭素CO2に変える触媒反応を
させる。
次に、上述した燃料と水蒸気の基本改質反応式を示す。
“改質管内の反応” CH4＋2H2O＋熱→CO＋H2O＋3H2 “高温変成器の反応” CO＋H2O→熱＋CO2＋H2 以上述べた様に、改質管９内へ送り込まれる燃料と水蒸
気の混合気体の温度を、約200℃から427℃〜510℃の範
囲に上昇させなければならず、また、改質管９を経た改
質ガスの温度も、約593℃から、高温変成器23に適した3
87℃〜421℃に降下させなければならない。
気の混合気体の温度を、約200℃から427℃〜510℃の範
囲に上昇させなければならず、また、改質管９を経た改
質ガスの温度も、約593℃から、高温変成器23に適した3
87℃〜421℃に降下させなければならない。
しかしながら、熱交換器19によって天然ガスと水蒸気の
混合ガスの温度を上昇させる場合も、また、熱交換器21
によって改質ガスの温度を降下させる場合も、熱交換の
温度差が非常に大きいため、温度制御が正確にできない
という欠点があった。
混合ガスの温度を上昇させる場合も、また、熱交換器21
によって改質ガスの温度を降下させる場合も、熱交換の
温度差が非常に大きいため、温度制御が正確にできない
という欠点があった。
［発明の目的］ 本発明は、上述の様な従来技術の欠点を解消する為に提
案されたもので、その目的は、天然ガスと水蒸気の混合
ガスを水素リッチのガスに改質する為に用いられる燃料
電池用改質器装置において、その温度制御を正確で容易
なものとし、また、省エネルギー化を可能とした改質器
装置を提供することにある。
案されたもので、その目的は、天然ガスと水蒸気の混合
ガスを水素リッチのガスに改質する為に用いられる燃料
電池用改質器装置において、その温度制御を正確で容易
なものとし、また、省エネルギー化を可能とした改質器
装置を提供することにある。
［発明の概要］ 本発明の改質器装置は、天然ガス導入用の導管と改質ガ
ス排出用の導管の間に、互いの熱を交換できる様な熱交
換器を配設し、また、改質ガス排出用の導管にバイパス
管を設け、このバイパス管と改質ガス排出用導管に自動
調節弁を設け、さらに、天然ガス導入用の導管に温度検
出器を設け、この温度検出器に制御器を配設し、前記自
動調節弁と接続することにより、天然ガス導入用の導管
と改質ガス排出用の導管の間で、効率的な熱交換を行
い、前記温度検出器によって温度制御を正確に行なうこ
とができる様にしたものである。
ス排出用の導管の間に、互いの熱を交換できる様な熱交
換器を配設し、また、改質ガス排出用の導管にバイパス
管を設け、このバイパス管と改質ガス排出用導管に自動
調節弁を設け、さらに、天然ガス導入用の導管に温度検
出器を設け、この温度検出器に制御器を配設し、前記自
動調節弁と接続することにより、天然ガス導入用の導管
と改質ガス排出用の導管の間で、効率的な熱交換を行
い、前記温度検出器によって温度制御を正確に行なうこ
とができる様にしたものである。
［発明の実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図に基づいて
具体的に説明する。なお、第３図乃至第５図の従来型と
同一の部材については、同一符号を付し、説明は省略す
る。
具体的に説明する。なお、第３図乃至第５図の従来型と
同一の部材については、同一符号を付し、説明は省略す
る。
第１図において、改質器１内に配設された改質管９に天
然ガスと水蒸気の混合ガスを導入する第１の導管13と、
改質管９より改質ガスを器外に導出する第２の導管16と
の間で、互いに熱交換ができる様な熱交換器30が配設さ
れている。また、導管16には前記熱交換器30を挟んでバ
イパス管31が設けられ、導管16より熱交換器30に入る部
位には、自動調節弁32が設けられ、バイパス管31には自
動調節弁33が設けられている。さらに、導管13の改質器
１の導入入口部近傍には、温度検出器34が配設され、こ
の温度検出器34には制御器35が接続され、また制御器35
は、前記自動調節弁32,33に接続され、自動調節弁32,33
を比例制御できる様に構成されている。
然ガスと水蒸気の混合ガスを導入する第１の導管13と、
改質管９より改質ガスを器外に導出する第２の導管16と
の間で、互いに熱交換ができる様な熱交換器30が配設さ
れている。また、導管16には前記熱交換器30を挟んでバ
イパス管31が設けられ、導管16より熱交換器30に入る部
位には、自動調節弁32が設けられ、バイパス管31には自
動調節弁33が設けられている。さらに、導管13の改質器
１の導入入口部近傍には、温度検出器34が配設され、こ
の温度検出器34には制御器35が接続され、また制御器35
は、前記自動調節弁32,33に接続され、自動調節弁32,33
を比例制御できる様に構成されている。
この様な構成を有する本実施例の改質器装置において
は、第２図の系統図に示した様に導管17より送り込まれ
た天然ガスと導管18より送り込まれた水蒸気との混合ガ
ス（約200℃）は熱交換器19に入り、高温ガスを通して
いる管20より熱を受けて一段階温度が上がる。さらに、
この混合ガスは、熱交換器30に送られ、改質管９より送
り出された高温の改質ガス（約590℃）を通している導
管16より熱を受けて、温度が大幅に上昇する。この際、
導管13の改質器１の導入入口部近傍に設けられた温度検
出器34により、この部位のガス温度が改質反応に適した
427〜510℃の範囲内に維持される様に監視し、この温度
検出器34に連携した制御器35によって、自動調節弁32,3
3を比例制御して、熱交換器30の熱交換を制御してい
る。
は、第２図の系統図に示した様に導管17より送り込まれ
た天然ガスと導管18より送り込まれた水蒸気との混合ガ
ス（約200℃）は熱交換器19に入り、高温ガスを通して
いる管20より熱を受けて一段階温度が上がる。さらに、
この混合ガスは、熱交換器30に送られ、改質管９より送
り出された高温の改質ガス（約590℃）を通している導
管16より熱を受けて、温度が大幅に上昇する。この際、
導管13の改質器１の導入入口部近傍に設けられた温度検
出器34により、この部位のガス温度が改質反応に適した
427〜510℃の範囲内に維持される様に監視し、この温度
検出器34に連携した制御器35によって、自動調節弁32,3
3を比例制御して、熱交換器30の熱交換を制御してい
る。
一方、改質器１内で水素リッチなガスに改質された改質
ガスは、改質管９の出口で約593℃に制御されている
が、さらに、熱交換器30内において熱を奪われるので、
熱交換器30を経た後の改質ガス温度は下げられ、熱交換
器21に送られ、冷却用管22によって高温変成器23に入る
適温（約430〜450℃）に下げられる。この様にして温度
制御された改質ガスは、高温変成器23内で一酸化炭素CO
を二酸化炭素CO2に変成した後、低温変成器（図示せ
ず）を経て、燃料電池（図示せず）へ送られ発電に寄与
する。
ガスは、改質管９の出口で約593℃に制御されている
が、さらに、熱交換器30内において熱を奪われるので、
熱交換器30を経た後の改質ガス温度は下げられ、熱交換
器21に送られ、冷却用管22によって高温変成器23に入る
適温（約430〜450℃）に下げられる。この様にして温度
制御された改質ガスは、高温変成器23内で一酸化炭素CO
を二酸化炭素CO2に変成した後、低温変成器（図示せ
ず）を経て、燃料電池（図示せず）へ送られ発電に寄与
する。
以上、説明した様に本発明の改質器装置においては、温
度検出器34を配設したことにより、精度が高い温度制御
ができ、また、効率良い熱交換が可能なので大幅な省エ
ネルギー化が実現できる。
度検出器34を配設したことにより、精度が高い温度制御
ができ、また、効率良い熱交換が可能なので大幅な省エ
ネルギー化が実現できる。
なお、本発明の改質器装置は、上述の実施例に限定され
るものではなく、熱交換器30は改質器１内に配設しても
良い。また、熱交換器30の熱交換率を高めることによ
り、従来から用いられている熱交換器19は省略してもよ
い。
るものではなく、熱交換器30は改質器１内に配設しても
良い。また、熱交換器30の熱交換率を高めることによ
り、従来から用いられている熱交換器19は省略してもよ
い。
［発明の効果］ 以上の通り、本発明によれば、改質器装置における反応
ガスの温度制御を正確に且つ容易に行なうことができ、
また、効率的な熱交換ができるので、省エネルギー化を
可能とした改質器装置を提供できる効果がある。特に、
一般に改質器には要求されていないが、燃料電池用改質
器固有に望まれる性能としては、次のものがある。
ガスの温度制御を正確に且つ容易に行なうことができ、
また、効率的な熱交換ができるので、省エネルギー化を
可能とした改質器装置を提供できる効果がある。特に、
一般に改質器には要求されていないが、燃料電池用改質
器固有に望まれる性能としては、次のものがある。
燃料電池では電池の負荷に応じて必要とする燃料の量
が変化し、それに伴い燃料となる改質ガスを製造するた
めの原料ガス（改質用炭化水素系ガス）の量が変化す
る。従って、改質器の改質ガス量に対する改質器内の温
度制御の迅速な応答が望まれる。
が変化し、それに伴い燃料となる改質ガスを製造するた
めの原料ガス（改質用炭化水素系ガス）の量が変化す
る。従って、改質器の改質ガス量に対する改質器内の温
度制御の迅速な応答が望まれる。
燃料電池は、燃料不足に弱く、電池特性に大きな影響
を及ぼす。従って、燃料として使用する改質ガスの均一
な供給が、一般の改質器以上に望まれる。
を及ぼす。従って、燃料として使用する改質ガスの均一
な供給が、一般の改質器以上に望まれる。
これらの要求に対し、本発明では、入り口の温度を一定
に保つように制御するため、改質器の温度を一定とする
には、単に反応量に応じて変化する吸熱量のみを見て熱
源バーナーを制御するだけで良い。このように単純な制
御で済む本発明によれば、前述したような負荷変動の激
しい燃料電池用の改質器であっても、反応量に対する改
質器内の温度を容易かつ迅速に追従させることができ
る。
に保つように制御するため、改質器の温度を一定とする
には、単に反応量に応じて変化する吸熱量のみを見て熱
源バーナーを制御するだけで良い。このように単純な制
御で済む本発明によれば、前述したような負荷変動の激
しい燃料電池用の改質器であっても、反応量に対する改
質器内の温度を容易かつ迅速に追従させることができ
る。
第１図は本発明の改質器装置の一実施例を示す拡大断面
図、第２図はその系統図、第３図は従来の改質器装置を
示す縦断面図、第４図はその横断面図、第５図は従来の
改質器装置の系統図である。 １……改質器、2,3……導管、４……主バーナー、5,6…
…導管、７……補助バーナー、８……燃焼室、９……改
質管、10……導管、11……セラミック球、12……排ガス
管、13……導管、14……触媒、15,16,17,18……導管、1
9……熱交換器、20……管、21……熱交換器、22……
管、23……高温変成器、30……熱交換器、31……バイパ
ス管、32,33……自動調節弁、34……温度検出器、35…
…制御器。
図、第２図はその系統図、第３図は従来の改質器装置を
示す縦断面図、第４図はその横断面図、第５図は従来の
改質器装置の系統図である。 １……改質器、2,3……導管、４……主バーナー、5,6…
…導管、７……補助バーナー、８……燃焼室、９……改
質管、10……導管、11……セラミック球、12……排ガス
管、13……導管、14……触媒、15,16,17,18……導管、1
9……熱交換器、20……管、21……熱交換器、22……
管、23……高温変成器、30……熱交換器、31……バイパ
ス管、32,33……自動調節弁、34……温度検出器、35…
…制御器。
Claims (2)
- 【請求項１】被改質用炭化水素系ガスと水蒸気との混合
ガスを通流させ触媒作用により水素リッチな改質ガスに
改質させるための改質管と、この改質管を加熱制御する
加熱用バーナーとを備えて成る燃料電池用改質器におい
て、 前記改質管に前記被改質用炭化水素系ガスと水蒸気との
混合ガスを導入する第１の導管と、 前記改質管より前記改質ガスを導出する第２の導管と、 第１の導管と第２の導管との間で熱交換を行わせる熱交
換器と、 第２の導管により分岐して設けられるとともに前記熱交
換器をバイパスして連通するよう設けられるバイパス管
と、 このバイパス管と第２の導管に設けられ各々の管内部を
通流する前記改質ガスの流量を調節するための自動調節
弁と、 前記改質器内への第１の導管の導入入口部近傍内の混合
ガスの温度を検出する温度検出器と、 前記温度検出器で検出される前記混合ガスの温度を所定
値となるよう制御するため前記自動調節弁を調節して前
記熱交換器の熱交換を制御する制御器とを備えてなるこ
とを特徴とする燃料電池用改質器装置。 - 【請求項２】前記熱交換器が前記燃料電池用改質器内に
配設されている特許請求の範囲第１項記載の燃料電池用
改質器装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60020889A JPH07106881B2 (ja) | 1985-02-07 | 1985-02-07 | 燃料電池用改質器装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60020889A JPH07106881B2 (ja) | 1985-02-07 | 1985-02-07 | 燃料電池用改質器装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61183102A JPS61183102A (ja) | 1986-08-15 |
| JPH07106881B2 true JPH07106881B2 (ja) | 1995-11-15 |
Family
ID=12039779
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60020889A Expired - Lifetime JPH07106881B2 (ja) | 1985-02-07 | 1985-02-07 | 燃料電池用改質器装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07106881B2 (ja) |
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Family Cites Families (1)
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|---|---|---|---|---|
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-
1985
- 1985-02-07 JP JP60020889A patent/JPH07106881B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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