JPS6256304A - 燃料電池の改質器装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、改質器容器内において、改質管より流出する
改質ガスおよび燃焼排ガスを夫々用いて、改質管へ導入
する炭化水素系の原料ガスと水蒸気の混合ガス温度を熱
交換器にて適温に上昇させることにより、改質反応を効
率よく促進させ得るようにした改質器装置に関する。

（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
てきている燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを
電気化学プロセスで酸化させることにより、酸化反応に
伴って放出され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。

また、近年大きな社会問題になっている公害要因である
いおう酸化物、窒素酸化物の排出が極めて少ない。さら
に、発電装置内に燃焼り゛イクルを含まないことから、
大川の冷却水を必要としない、振動盲が小さいなど、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・排ガス等の環境問題が少なく、さらには負荷変動に
対して応答性が良い等の特長がある。そ（）で、この様
な燃料電池を用いた発電プラントにおいては、天然ガス
等炭化水素系の原料ガスに水蒸気を混合して改質器内で
加温変成して得られた水素ガスと、他系統のターボ・コ
ンプレツナ−よりの空気とを夫々燃料電池に供給して酸
化反応させ、これにより電力を得るようにしているもの
が多い。

第４図は、この種の燃料電池発電プラントに設けられる
改質器の一例を示した系統図で、第５図は第４図におけ
る改質器本体の構成例を縦断面図にて示したもの、第６
図は第５図の平面図を示したものである。図において、
改質器容器１の内部には、図示しない燃料タンクに連結
した導管２よりの燃料と、図示しない空気供給機に連結
した導管３よりの空気を夫々導入混合して燃焼する主バ
ーナ−４が配設されており、また導管５にり燃料および
導管６より空気が夫々導入され、かつ先端に電気点火装
置を有した主バーナ−４を点火させるための補助バーナ
ー７が設けられている。上記主バーナ−４の高温燃焼排
ガスは、加温室８を流通しこれにより断面環状の改質管
９の外周空間を通り、下層部にあるセラミック球１１を
保持した導管１０を通過し、さらにこれと連通した排ガ
ス管１２を通して改質器容器１の外部へ排出され、図示
しないターボ・コンプレッサーへ導かれて運転に奇与す
る。一方、天然ガス等炭化水素系の原料ガスと水蒸気と
の混合ガスは、導管１３より導入され、改質管９内の改
質触媒層（以下、単に触媒層と称する）１４を保持した
管路を通過する。そして、この通過中に加温と触媒作用
により改質反応が行なわれて水素リッチなガスに改質さ
れる。この改質ガスは、改質管９内の導管１５を介しさ
らにこれと連通した導管１６を介して改質器容器１の外
部へ導かれ、熱交換器２１にて温度を下げてこれにより
改質ガス中に含有する一酸化炭素を二酸化炭素にする高
温変成器２３と、図示しない低温変成器を介し、図示し
ない燃料電池へ供給されて発電に奇与することになる。

〔背１Ｈ技術の問題点〕 ところで、この種の装置としては例えば特開５３−７９
７６７号公報が知られている。−Ｌ述したにうな改質器
において、改質管９人口側の原料ガスと水蒸気との混合
ガスの温度は、４２７°Ｃ以上５１０°Ｃ以下に制御す
る必要がある。その理由は、温度が４２７℃以下になる
と触媒層１４にポリプロピレンが沈着して触媒の性能が
劣化し、また５１０℃以−Ｆになると混合ガスが分解を
起こしてカーボンを生成し、これが触媒層１４の組織内
に入りこんで触媒を破壊し、粉化させて改質管９内の差
圧を増大さゼるからである。そして実際には、改質器容
器１内の改質管９の下部から導入された原料ガスと水蒸
気との混合ガスは、改質管９内の触ｔｓ層１４を上背す
るに従がい、温度が上昇して７６０℃以上で水素ガスに
改質する反応を起こし、改質管９の上部での温度が９８
２°Ｃと最高となるように、改質器容器１の種バーナー
４により改質管９を加熱制御している。

また、これにより改質された水素リッチなガスは、改質
管９頂部より内側の導管１５を流降下しつつ触媒層１４
へ伝熱して、改質管９の出口側では約５９３℃に制御す
るようにしている。

一方、改質管９で反応改質したガス中には、−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ので
、これを無害の二酸化炭素ＣＯ２に変えるため、改質ガ
ス温度約５９３℃を熱交換器２１にて導管２２の冷却用
ガスにより温度を３８７℃以上４２１°Ｃ以下の範囲に
下げて、高温変成器２３に導入して触媒反応により一酸
化炭素ＣＯを二酸化炭素ＣＯ２に変える。原料ガスと水
蒸気混合ガスの基本改質反応式を下記に示す。

改質管内の反応 Ｃｔ１４＋２Ｈｚ＋熱→ＣＯ＋ｌＩ２０　＋３Ｈ２高温
変成器内の反応 ＣＯ＋１＋２０→熱十ＣＯＺ　十Ｈ２ 以上の説明から、原料ガスと水蒸気との混合ガスが改質
管９内に充填された触媒層１４で水素リッチなガスに改
質するには、改質管９の入口部において原料ガスと水蒸
気の混合ガスが４２７℃〜５１０°Ｃの範囲の適温にな
るように加熱を効率良く行なりなＣプればならないこと
がわかる１、かつ改質管９にて改質されたガスの温度約
５９３℃を、高温変成器２３に導入する適温３８７℃〜
４２１°Ｃの範囲まで下げねぼらないことがわかる。

しかし乍ら従来の改質器では、天然ガスと水蒸気の混合
ガスの温度約２００℃を熱交換器１９にて、改質管９へ
導入させるための適温４２７℃〜５１０℃範囲迄上昇さ
せるのに大きな熱エネルギーを与えなければならないこ
とによる熱損失と、熱交換器１９の熱授受温度差が大き
いため温度ｉす御が困難であるという問題があった。さ
らに、改質管９より排出されたガスの温度約５９３℃を
熱交換器２１にて高温変成器２３へ導入させるための適
温３８７℃〜４２１℃範囲に下げるのに大きな熱エネル
ギーを放出する熱損失と、熱交換の温度差が大きいため
の温度制御が困難であるというような問題がある。

（発明の目的） 本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は改質反応を効率的に行なうと共に省エ
ネルギー化を図ることができ、また改質管内に導入され
る原料ガスと水蒸気の混合ガス温度および改質管より排
出される改質ガス温度を適温に容易に制御すると共に省
エネルギー化を図ることが可能な改質器装置を提供する
ことにある。

（発明の概要〕 上記目的を達成するために本発明では、前述した、改質
管内に導入される原料ガスおよび水蒸気の混合ガスと上
記改質管の外側を通過した後の高温燃焼排ガスと、上記
改質管より排出される改質ガスとを同一の熱交換器内で
熱交換を行なう熱交換器を改質器外周側部に設（プるこ
とを第１の特徴とし、またこれに加えて上記改Ｔ４器よ
り排出されるバーナー燃焼の排ガスを改質器容器外部へ
導く第１のバ′イパス管、おにび前記第１バイパス管よ
り上記熱交換器入口側から分岐して熱交換器を経て第１
バイパス管と接続する第２のバイパス管を夫々設【プ、
上記改質管内に導入される原料ガスＪ３よび水蒸気の混
合ガスの温度を検出する温度検出器と、上記第１のバイ
パス管に設けられ当該管内の改質ガス流量を調節する第
１の調節弁と、上記第２のバイパス管に設（ブられ当該
管内の改質ガス流量を調節する第２の調節弁と、上記温
度検出器からの検出温度と規定の混合ガス温度とを比較
し、かつこの比較結果に応じて上記第１の調節弁および
第２の調節弁の開度を夫々制御する制御器とを備えて成
ることを第２の特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照して具体的
に説明する。第１図は、本発明による改質器装置の系統
図を示したもので、第２図は同改質器装置の構成例を縦
断面図にて示したもので、第３図は同改質器装置の構成
例を平面図にて示したもので、第４図、第５図、第６図
の従来型と同一部分には同一符号を付して示している。

第１図および第２図、第３図において、改質器容器１の
頂部には、主バーナ−４が設けられ、その燃焼口は改質
器容器１の内側部にあるように設置されている。また、
燃焼ノズルに電気点火装置を有した補助バーナー７が、
上記主バーナ−４を点火出来るように配設されている。

さらに、主バーナ−４の下方には、断面環状の改質管９
を複数本等間隔に配列している。主バーナ−４で燃焼し
た高温燃焼排ガスは、複数本ある改質管９０間隔を改質
管９を加温しながら流下し、改質管９の下方外周部にセ
ラミック球１１を充填した導管１０を通過して、さらに
これに連通している導管１２より改質器容器１外へ排出
し、導管１２は改質器容器１外にて二方向に分岐し、一
方向の第１のバイパス管２５は自動調節弁２７を介して
、排ガス熱利用の図示しないターボ・コンプレッサーの
運転に寄与して排ガスを放出するようにしている。一方
導管１２より熱交換器２４の入口側から分岐した第２の
バイパス管２６は改質器容器１の外周壁に設Ｃプられた
熱交換器２４を介し、ざらに自動調節弁２８を経て、第
１のバイパス管２５に設けである自動調節弁２７の下流
側で接続するように設けである。一方、炭化水素系の原
料ガスと水蒸気との混合ガスは導管１３より導入し、熱
交換器２４において主バーナ−４で燃焼した高温燃焼排
ガスおよび改質管９にて改質された高温の改質ガスと熱
交換して混合ガス温度を上昇し、この加温された混合ガ
スは改質管９に導入されるようにしている。そして、こ
の導入された混合ガスは改質管９の内部に充填された触
媒層１４を通り、改質管９の頂部内側で導管１５に入り
、これに連通している導管１６より水素リッチな改質ガ
スを改質器容器１外へ脣き、熱交換器２４を介して原料
ガスと水蒸気の混合ガスと熱交換し、ざらに熱交換器２
１と高温変成器２３を通して、さらに図示しない低温変
成器を介して燃料電池へ供給するようにしている。

また、自動調節弁２７と２８は、改質管９へ導入される
導管部で原料ガスと水蒸気の混合ガスの温度検出器２９
により自動制御器３０に連係して比例制御をするように
している。すなわち、温度検出器２９からの検出温度と
規定の混合ガス温度（４２７℃〜５１０℃）とを比較し
、その比較結果検出温度が規定の混合ガス温度よりも低
い時には調節弁２８を開方向に、調節弁２７を閉方向に
夫々制御し、また逆に検出温度が規定の混合ガス温度よ
りも高い時には調節弁２７を開方向に、調節弁２８は閉
方向に人々υ制御するようにしている。

かかる様に構成した改質器装置においては、原料ガスと
水蒸気の混合ガスが導管１３により、改質器容器１外周
側部に設【プられた熱交換器２４に導入される。一方、
主バーナ−４により燃焼用ガスが燃焼され、その高温燃
焼排ガスは改質管９を加熱しながら流下し、その一部が
導管１２より熱交換器２４に導入される。さらに、改質
管９で発熱反応した改質ガスは導管１６に導入されて熱
交換器２４に入り、第３図に示す如く導管１３を導管１
２．１６が内側と外側から包む構成の熱交換器２４にお
いて、上記混合ガスを効率良く改質に必要な適温まで上
昇させることが可能となる。

さらに、改質管９に導入される原料ガスと水蒸気の混合
ガスの温度は、温度検出器２９により検出されて、その
温度が適温より高い時は、温度検出器２９と連係した自
動あり鈍器３Ｇの制御により、自動調節弁２７は開度が
大きくなり、それに反比例制御されて自動調節弁２８の
開度は小さくなる。この制御により、バーナー４の燃焼
排ガス量は熱交換器２４を通る流量が少なくなり、上記
混合ガスへの加熱エネルギーが減少して温度上昇は少な
くなる。

また、上記温度検出器２９により検出された温度が適温
より低い時は、同様にして自動調節弁２７の開度は小さ
くなり、それに反比例制御して自動調節弁２８の開度は
大きくなる。この制御により、混合ガスの温度は熱交換
器２４にて上昇する。以上の制御により、改質管９に入
る原料ガスと水蒸気の混合ガスは、効率良く改質に必要
な適温に保持することが可能となる。

一方、改質管９により改質されたガスは、熱交換器２４
により熱交換してその温度が降下するため、高温変成器
２３に導入する前に設りられた熱交換器２１において、
高温変成器２３に導入される適温まで下げるために、冷
却用ガス２２のエネルギーを少なくすることが可能とな
る。さらに熱交換器２４は、改質器容器１の外周側を包
覆しているので、改質器容器１の外周側よりの放熱が妨
げるため、燃焼バーナー４の燃焼ｍが少なくなりエネル
ギーを・少なくすることが可能となる。

上述したように本構成の改質器装置によれば、改質器容
器１の外周側に沿って熱交換器２４を設（プたことによ
り、改質管９に導入される炭化水素系の原料ガスと水蒸
気の混合ガス温度を改質に必要な適温に容易に制御する
ことが出来るため、水素リッチなガスとする改質反応を
極めて効率よく行なうことができると共に、省エネルギ
ー化を図ることが可能となる。また、改質管９より排出
される改質ガスの温度が熱交換器２４で温度下降するの
で、高温変成器２３の入口側の熱交換器２１に導入され
る改質ガス温度が低くなり、上記同様に温度制御の容易
化と省エネルギー化を図ることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、改質管内に導入さ
れる原料ガスおよび水蒸気の混合ガスと、改質管の外側
を通過した後の高温燃焼排ガスおよび改質管より排出さ
れる改質ガスとの熱交換を行なう熱交換器を改質器容器
の外周側部に設Ｃプ、またこれに加えて上記改質器容器
内部の高温燃焼排ガスを上記熱交換器へ導入しかつこれ
を通過した後の高温燃焼排ガスを改質器容器外部へ導く
導管、およびこの導管の上記熱交換器入口側から分岐し
かつ当該導管の上記熱交換器出口側に連通するバイパス
管を夫々設け、上記改質管に導入される原料ガスおよび
水蒸気の混合ガスの温度を検出する温度検出器と、上記
導管の熱交換器出口側に設けられ当該管内の燃焼排ガス
流量を調節する第１の調節弁と、上記バイパス管に設け
られ当該管内の燃焼排ガス流量を調節する第２の調節弁
と、上記温度検出器からの検出温度と規定の混合ガス温
度とを比較し、かつこの比較結果に応じて上記第１の調
節弁および第２の調節弁の開度を大々制御する制御器と
を備えて構成するようにしたので、改質反応を効率的に
行なうと共に省エネルギー化を図ることができ、また改
質管内に導入される原料ガスと水蒸気の混合ガス温度お
よび改質管より排出される改質ガス温度を適温に容易に
制御することが可能な極めて信頼性の高い改質器装置が
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料電池の改質器装置の一実施例
を示す系統図、第２図は同改質器装置を示す縦断面図、
第３図は同改質器装置を示す平断面図、第４図は従来の
改質器装置を示す系統図、第５図は従来の改質器本体を
示す縦断面図、第６図は第５図の平断面図を示す図であ
る。 １・・・改質器容器、　　４・・・主バーナ−，７・・
・補助バーナー、　９・・・改質管、１１・・・セラミ
ック球、　１４・・・触媒層、２１・・・熱交換器、　
　　２３・・・高温変成器、２４・・・熱交換器、　　
　２７と２８・・・自動調節弁、２９・・・温度検出器
、　　３０・・・自動制御器。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　三俣弘文 第　　１　　図 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端部が密閉されると共に内部に改質触媒層が設
   けられた断面環状の複数本の改質管を改質器容器の内部
   に配設し、燃焼用ガスおよび燃焼用空気をバーナにより
   燃焼させて得られる高温燃焼排ガスを前記改質管の一端
   部よりその外側を通して他端部より外部へ流出させると
   共に、原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを前記改質管の
   他端部より流入させ改質触媒層を通して改質ガスに改質
   しさらにその一端部より内側管を通して他端部より流出
   させる如く構成された改質器において、前記改質管内に
   導入される原料ガスおよび水蒸気の混合ガスと、前記改
   質管の外側を通過した後の高温燃焼排ガスおよび前記改
   質管より排出される改質ガスとの熱交換を行なう熱交換
   器を前記改質器容器の外周側部に設けるようにしたこと
   を特徴とする燃料電池の改質器装置。
2. （２）前記改質器容器内部の高温燃焼排ガスを前記熱交
   換器へ導入しかつこれを通過した後の高温燃焼排ガスを
   改質器容器外部へ導く導管、およびこの導管の前記熱交
   換器入口側から分岐しかつ当該導管の前記熱交換器出口
   側に連通するバイパス管を夫々設ける構成とし、前記改
   質管に導入される原料ガスおよび水蒸気の混合ガスの温
   度を検出する温度検出器と、前記導管の熱交換器出口側
   に設けられ当該管内の燃焼排ガス流量を調節する第１の
   調節弁と、前記バイパス管に設けられ当該管内の燃焼排
   ガス流量を調節する第２の調節弁と、前記温度検出器か
   らの検出温度と規定の混合ガス温度とを比較し、かつこ
   の比較結果に応じて前記第１の調節弁および第２の調節
   弁の開度を夫々制御する制御器とを具備して成ることを
   特徴とする燃料電池の改質器装置。