JPS647119B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭化水素改質炉に関し、特に燃料電池
に用いる加圧水素を製造するための炭化水素改質
炉に関する。

第１図は、燃料電池に供給する従来の水素の製
造システムを示すフローシートである。このシス
テムは、炭化水素原料（メタン）１００にスチー
ム１０１を混入して高温の改質炉（反応管）１０
２に供給し、ここで触媒の存在下に水素リツチガ
スに改質し、さらに高温変成炉１０５および低温
変成炉１０６でシフト反応を行い、更に高濃度の
水素に精製して燃料電池１０７に供給するもので
ある。なお図中、１０８および１０９は廃熱ボイ
ラであり、１１０および１１１はそれぞれボイラ
水のラインである。

上記のような水素製造システムに用いられる改
質炉は、一般に反応ガス系および燃焼系ともに数
気圧の加圧系であるため、全体を耐圧ベツセルで
構築する必要がある。

一方、メタンのスチーム改質等には、化学工業
用として反応管をバーナー燃焼熱で加熱するスチ
ームリフオーマー炉が用いられるが、燃料電池の
場合は、コンパクト化を計る目的でバーナー燃焼
よりもすぐれた触媒燃焼法が提案されている。こ
の方法は、燃料と空気とをあらかじめ混合して燃
焼触媒層中を通過させることにより、比較的低温
においても燃焼反応（酸化反応）を促進し、高温
雰囲気を生存させるもので、一種の充填層燃焼法
とも言うべきものである。充填層の伝熱は、通常
の対流または輻射伝熱よりも伝熱効率が著しく優
れているので、全体的にコンパクト化を図ること
ができる。

本発明の目的は、上記従来技術に鑑み、炭化水
素の改質、特に燃焼電池用の加圧水素の製造に適
した、極めてコンパクトな改質炉を提供すること
にある。

本発明は、管板により上部の予熱ゾーンと下部
の燃焼ゾーンに仕切られた反応容器と、該管板に
固定された、内管と外管からなる二重反応管と、
該内管と外管の間に充填された改質触媒層とを有
し、炭化水素原料ガスを上部予熱ゾーンで予熱し
た後、燃焼ゾーン内の二重反応管内の改質触媒層
を通して反応させ、さらに内管内を通つて系外に
取出す一方、下部の燃焼ゾーンにおいて、同心状
の内外二重格子の間に燃焼触媒を保持し、この中
に前記二重反応管を配置し、該燃焼触媒層内に燃
料および空気を導入するように構成したことを特
徴とする。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。

第２図は本発明の改質炉の正面断面図、第３図
はその―線に沿つて切断した平面断面図であ
る。図において、この改質炉は、下部の本体ベツ
セル１、中間ピース２およびトツプカバー３を本
体フランジ４および５で接続した縦型円筒ベツセ
ルからなる。下部の断面構造は、第３図に示すよ
うに、最外殻の耐圧ベツセル１の内側に断熱キヤ
スタブル１０を内張したもので、その内側にノズ
ル１６（第２図）から供給される燃料ガスと空気
の混合気の層１１が形成される。すなわち、層１
１は、混合気のデイストリビユーターの役目と燃
焼触媒１３の保持（コンテナー）の役目を持つ円
筒格子１２と断熱キヤスタブル１０の間にできる
空間層である。可燃ガスは比較的温度が低く、触
媒層１３の高温雰囲気を可燃ガス層でしや断して
いる形となるので、内張キヤスタブル１０は比較
的薄くてよいことになる。中間ピース２およびト
ツプカバー３の内部はノズル２２から供給される
反応ガスで充満され、これも比較的低温であるた
め、下部ベツセルと同様の断熱効果が得られる。

原料のメタンとスチームの混合体である原料ガ
スは、中間ピース２のノズル２２から本体ベツス
ル内に入り、ガイドシユラウド２３から中間ピー
ス２の上部およびトツプカバー３の内側に供給さ
れ、熱媒体を充填した中間ピース２を流下して、
反応管（内管）７から反応ガスの顕熱を吸収して
予熱され、反応管外管６に入る。反応管外管６は
中間ピース２の下部に固定された管板２０に設け
られており、中央に内管７が在つて２重管構造を
形成している。内管７と外管６の間には改質触媒
が充填されており、外部の燃焼触媒粒子１３から
の供熱により原料は反応して水素リツチガスを生
成する。該生成ガスは外管６のボトムのキヤツプ
で行き止まり、内管を立上つてトツプカバー３の
中に設けられた生成ガス集合ヘツダー８および９
に集められ、ノズル２７，２８から系外へ搬出さ
れる。中間ピース２の管板２０の上部には、内管
７の林立する隙間には熱媒粒子、例えばセラミツ
クボールなどが充填されている。このように中間
ピース２内に充填層を形成することにより、狭い
空間内で原料ガスを効果的に予熱するとともに、
反応生成ガス顕熱をロスすることなく回収し、ま
た生成ガス冷却の目的を達成することができる。
従つて高温反応ガスも、十分に冷却された後、ノ
ズル２７，２６から排出される。通常、反応生成
ガスは800〜900℃の高温であるが、充填層の冷却
効果により十分冷却されるので、ノズル２７，２
６の耐熱設計はそれ程困難ではなくなる。従つ
て、高温条件を有する反応器でありながら、耐熱
ベツセルの本体１，２および３はいづれも内側に
薄い耐火断熱キヤスタブルの内張りを施すのみで
十分安全な構造とすることができる。

各部の構造の詳細を説明すると、反応管は、第
２図に示すように外管６が管板２０に固定された
形で本体ベツセル１内に配置されており、外管６
の中には第４図および第５図に示すように、内管
７が同心的に挿入され、さらにこれらの内管群
は、リングヘツダ８および９に固定され、全体が
ヘツダーを介してトツプカバー３に固定されてい
る。従つて本体中間ピース２の組立時には、上か
ら蓋をする形で同時に各内管７が各外管６内に挿
入され、装置全体が組立てられる。内管７と外管
６の隙間には、第４図に示すように改質解媒３１
が充填され、さらに内管７の下端には多孔性の触
媒受皿１８が設けられ、改質解媒が保持される。
反応ガスは、外管６の上部から流下して、触媒受
皿１８を通過し、内管６内を上昇して上部の集合
ヘツダ９および８に到達する。反応管内管７の上
部、すなわち原料ガスの予熱ゾーンは、第４Ａ図
に示すように長手フイン２９を放射状に設けて熱
粒子２５への熱放散を助けたり、また外管６にも
同様な長手フイン３０を設け、燃焼触媒粒子１３
から反応管外管６への供熱効率を助長することが
できる。このようなフイレを設けることは、全体
の伝熱性能を大きくし、装置のコンパクト化を計
る上で有利である。

一方、外管６は、中間ピース２の下部に設けら
れた管板２０に、従来法による熱交換器と同様の
方法で固定される。その詳細は第５図に示される
が、管板２０の下部は断熱層２１が設けられ、燃
焼触媒による燃焼ゾーンの高熱から管板が保護さ
れる。原料ガスは中間ピース２２から供給する
が、粒子層２５の上部へ均等に導くためにガイド
シユラウド２３を第７図に示すように設けてい
る。すなわち、シユラウド２３は、円筒の全周に
わたつているので、原料ガスは全周にすみやかに
分布し、粒子層２５の上部から全面均一に供給さ
れることになる。

本体１内の燃焼ゾーンは、前述のように本体１
の内側に断熱キヤスタブル１０を薄く張り、さら
にその内側に空間１１を介して燃焼触媒１３を充
填した同心状の円筒格子１２，１４を配置したも
のである。この格子１２，１４は、燃焼触媒１３
を保持するとともに、ガスが自由に通過できる鎧
戸（ルーバ）状のものが好適である。格子１２，
１４を設けたのは、可燃混合気が反応管の長手方
向に均一に供給され、常に均一な熱量を伝熱管に
与えるためである。外側格子１２は比較的低温の
可燃ガス層１１で冷却されているので、温度も高
くなく、構造的にリジツドにすることが可能であ
る。一方、燃焼ガスが集合する内側格子１４は、
燃焼ガスの高温を直接受けるので、耐熱設計に考
慮を要する。第２図および第３図に示すように、
格子内に触媒１３よりも目の粗い粒子１５を充填
すれば、内側格子１４は内外から粒子でサポート
され、換言すれば円筒形の格子１４は粒子の中に
埋もれた形となるため、特別なサポートが不要と
なる。しかし、この場合、粒子の受皿３３が必要
となる。なお、充填材粒子１５を触媒１３より大
きい粒子としたのは、集合ガスの抵抗を少くする
ためである。

以上、本発明によれば、触媒を充填した二重管
を用い、その外側に燃焼触媒を充填したことによ
り、比較的低温の可燃ガスが最外部から供給され
ることになり、このため、本体ベツスルの断熱層
を薄くすることができる。また反応器の上蓋に内
管を、および反応器本体の管板に外管を固定し、
組立時にこれが重なり合うようにしたので、装置
が極めてコンパクトになり、また触媒交換、清掃
等の保守が容易になる等、反応性能とメンテナン
スの優れた改質炉を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池用の水素を製造するための炭
化水素改質炉を含むシステムのフローシート、第
２図は、本発明の炭化水素改質炉の一実施例を示
す正面断面図、第３図はその―線に沿つた矢
視断面図、第４図は、第２図における二重反応管
の詳細図、第４Ａ図は、二重反応管の変形例を示
す断面図、第５図は、反応管外管の管板取付部付
近の断面図、第６図は、本体ベツセル内の外側格
子内に外管が挿入されている状態を示す部分図、
第７図は中間ピースの反応ガス入口付近の詳細を
示す部分図である。 １……本体ヘツセル、２……本体中間ピース、
３……本体トツプカバー、６……反応管外管、７
……反応管内管、１２……外側円筒格子、１４…
…内側円筒格子、１５……充填機、１６……燃
料、空気入口ノズル、２０……管板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管板により上部の予熱ゾーンと下部の燃焼ゾ
   ーンに仕切られた反応容器と、該管板に固定され
   た、内管と外管からなる二重反応管と、該内管と
   外管の間に充填された改質触媒層とを有し、炭化
   水素原料ガスを上部予熱ゾーンで予熱した後、燃
   焼ゾーン内の二重反応管内の改質触媒層を通して
   反応させ、さらに内管内を通つて系外に取出す一
   方、下部の燃焼ゾーンにおいて、同心状の内外二
   重格子の間に燃焼触媒を保持し、この中に前記二
   重反応管を配置し、該燃焼触媒層内に燃料および
   空気を導入するように構成したことを特徴とする
   炭化水素改質炉。 ２ 特許請求の範囲第１項において、燃焼ゾーン
   の燃料と空気は混合物として外側格子から内側格
   子に反応管に対して直交流方向に供給されること
   を特徴とする炭化水素改質炉。 ２ 特許請求の範囲第１項において、燃焼ゾーン
   の内側格子の中に燃焼触媒粒子よりも大きい熱媒
   体粒子を充填し、内側格子を内外の粒子によりサ
   ポートするようにしたことを特徴とする炭化水素
   改質炉。 ３ 特許請求の範囲第１項において、予熱ゾーン
   内に熱媒体粒子を充填したことを特徴とする炭化
   水素改質炉。 ４ 特許請求の範囲第１項において、反応管内管
   は、上部の原料ガス予熱ゾーンにおいて放射状の
   縦フインを有し、反応管外管にも同じく、全長に
   わたつて縦フインを設置したことを特徴とする炭
   化水素改質炉。 ５ 特許請求の範囲第１項において、反応管内管
   はガスヘツダを介して反応器上蓋に取付けられ、
   反応器本体には管板を介して反応管外管が取付け
   られ、これらを組立たときに二重反応管が構成さ
   れるようにしたことを特徴とする炭化水素改質
   炉。