(57)【要約】【課題】水素製造装置において、改質ガスを効率良く生成させ、小型軽量化を図る。【解決手段】原燃料となる都市ガス、ＬＰＧ等から燃料電池本体に必要な水素を生成する水蒸気改質方式を採用する水素製造装置において、二重円筒の改質反応管を燃焼炉の中心に配し、燃焼炉空間容積を最小限にし、改質触媒層出口部をバーナ燃焼器の火炎に向ける構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを水素リッチな改質ガスに転化する二重円筒改質反応管と、前記二重円筒改質反応管を加熱するための燃焼ガスを発生させるバーナ燃焼器と、前記二重円筒改質反応管の周囲に形成される燃焼ガス流路（１）と、前記燃焼ガスの放熱を防止するための断熱層と、前記断熱層の外周を流れる燃焼ガス流路（２）と前記燃焼ガス流路（２）の外側に形成される原燃料ガスの供給路と、前記燃焼ガス流路（２）を流れる燃焼排ガスにより予熱された原燃料ガスを前記二重円筒改質反応管の入口部に接続し、更に、前記原燃料ガス供給路の外側に形成されるＣＯ変成触媒層を取り囲む触媒充填層部と、ＣＯ変成部の下流側にＣＯ変成ガスの除熱を行なうために形成される伝熱粒子充填層と、前記伝熱粒子充填層の外周に形成される一酸化炭素除去触媒層を設け、前記一酸化炭素除去触媒層に供給される酸化剤の導入部を前記伝熱粒子充填層の入口に設けたことにより、前記伝熱粒子層での酸化剤のガス等配を均一化させることを特徴とした一体型燃料電池用改質器。
【請求項２】
上記改質器は、燃焼炉内の中央部に筒状の二重円筒改質反応管を配置し、前記二重円筒改質反応管の外側に改質触媒が充填され、触媒層出口が燃焼炉内に配置された燃焼バーナの火炎側に向けられていることを特徴とする燃料電池用改質器。
【請求項３】
上記改質器において、二重円筒改質反応管の内側に改質ガス熱回収部となる伝熱粒子を充填し熱伝達率を向上させることにより、改質ガスから改質触媒部への熱交換を実施して，改質ガス出口温度を下げることを特徴とする燃料電池用改質器。
【請求項４】
上記改質器の二重円筒管の外側に伝熱フィンを設置し，燃焼ガス流路の熱伝達率を向上させることによって，燃焼ガスから改質触媒部への熱交換量を増加させ，燃焼排ガス出口温度を下げることを特徴とした燃料電池用改質器。
【請求項５】
上記改質器の二重円筒管の外側に燃焼排ガスの強制対流伝熱を促進するために螺旋状伝熱フィン設けたことを特徴とする燃料電池用改質器。
【請求項６】
上記改質器の二重円筒管の外側にガス境膜を乱し熱伝達率の向上を目的としてローレット加工を施したことを特徴とする燃料電池用改質器。
【請求項７】
上記改質器の一酸化炭素除去触媒層に導入される酸化剤と改質ガスの混合性を良好にするため、前記一酸化炭素除去触媒層の手前に伝熱粒子を配し、更に、その手前にＣＯ変成ガスと酸化剤の混合促進空間を備えたことを特徴とした燃料電池用改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料である都市ガス、ＬＰＧを水蒸気改質する改質器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子形燃料電池システム用の改質器では同心円状に間隔を設けられた二重円筒管の内側に燃焼炉が構成され、必要に応じて燃焼筒を炉内空間に併設するものが一般的であった。こうした改質器の構成は、特開平２０００−３０９０７５、特開平２００１−１５１５０１、特開平２００１−１５５７５６、特開平２００２−３５６３０６、特開平２００３−０６０２等にてその配置構造は公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、原燃料となる都市ガス、ＬＰＧ等から燃料電池本体に必要な水素を生成する水蒸気改質方式を採用する定置型発電装置及び水素製造装置において、改質ガスを効率良く生成させ、小型軽量化を図ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、二重円筒の改質管を触媒充填層と伝熱粒子層にて構成し、筒状の二重円筒管として、燃焼炉内の中心に配置し、触媒層をバーナ燃焼器の火炎に向けることで、十分な反応熱を与えると同時に、二重円筒管の内側に伝熱粒子を充填することにより、改質ガス熱回収部を設けることにより熱伝達率を向上させるものである。これにより、改質ガスから改質触媒部への熱交換を実施して，改質ガス出口温度を下げると同時に燃焼排ガスを下げることが可能となる。
このようにすることによって、燃焼炉の空間容積を最小限にすると同時に、使用する触媒量の低減化を図れ小型軽量の改質器を提供することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例の改質器を模式的に表した概略構成図である。
本発明では、改質器に供給される原燃料は都市ガスと改質用水が予め混合された後、ＣＯ変成触媒層の反応熱により原燃料を予熱する予熱部（１）と一酸化炭素除去触媒層の反応熱により原燃料を予熱する予熱部（２）に導かれる。原燃料は予熱部（１）の入口ノズル２１ａより導入された原燃料は、予熱された後、出口ノズル２１ｂより取り出され、更に、入口ノズル２２ａに導かれ、更に予熱された後、出口ノズル２２ｂより導出される。原燃料ガスはＣＯ変成触媒及び、一酸化炭素除去触媒の反応熱にて１２０℃まで予熱される。その後、原燃料入口ノズル８より供給され、燃焼排ガス６と熱交換されて原燃料出口ノズル１４より４００℃〜５００℃のガスとして取り出され、改質器入口部１５より供給される。原燃料ガスは改質器上部より改質触媒層２をダウンフローで流れ、改質管１の底部に向けて水蒸気改質反応が進む。改質管底部で改質ガスは折り返して、改質ガス出口ノズル３を上方向に流れる。この際に改質後ガス温度はシステム運用上６００℃〜７００℃で運用されるが、この改質ガスは改質管出口ノズル３に充填された改質ガス熱回収部となる伝熱粒子７により、改質ガスから改質触媒部への熱交換を実施して，改質ガス出口温度を３００℃〜４００℃に下げることが出来る。
【０００６】
改質器で水素リッチにされた改質ガスは、耐熱性の高い貴金属系ＣＯ変成触媒層１０にて一酸化炭素濃度を０．５％以下にまで低減させた後、一酸化炭素除去触媒層１１に導入される。この際、ＣＯ変成器出口ガス温度は１８０℃程度までさげられているのが通常である。
このＣＯ変成触媒層１０から導出された改質ガスに一酸化炭素除去触媒層１１の選択酸化反応に必要な酸化剤を酸化剤導入口１８より導入した場合、触媒層におけるピーク温度が顕著に上昇するため、伝熱粒子充填層１２を一酸化炭素除去触媒層１１の内側に設けることにより、この伝熱粒子充填層１２から原燃料入口８より導入された原燃料と熱交換させることにより、酸化剤と改質ガス中の一酸化炭素による急激な温度上昇が起こらない温度水準である１２０℃程度にまで下げることを可能にしている。
【０００７】
このような構成によれば、改質器からの放熱量を最小限に抑えることが可能となり、熱効率が向上するという効果も得られる。
更に、ここでは改質管の外表面の構造を工夫することにより、改質管１に充填されている改質触媒層２に効率よく熱を伝えることが可能となる。
図２は、本発明の異なる実施例での改質管を模式的に表した概略構成図である。
本発明にて伝熱フィンを垂直に複数本取り付けたことにより改質効率が上昇する。更に、燃焼排ガスを螺旋状のフィンにより強制対流伝熱により触媒層への熱伝達を効率的に行なわせることも可能である。また、こうした伝熱フィンと同時に改質管表面に微小な凹凸面を加工（ローレット加工）することによりガス境膜を乱す効果もあり、触媒層への伝熱が改善され改質性能が向上する効果が認められた。
【０００８】
図３は、本発明による改質管内に充填された改質触媒層の出口温度の推移である。改質管内の改質ガス出口ノズル部３を空塔とした場合、改質触媒層２への改質後ガスの伝熱が得られず、触媒出口温度は６００℃程度と低い結果が得られた。本発明に示された伝熱粒子７を改質ガス出口ノズル３に充填することにより、改質ガスの伝熱は促進され、改質触媒層温度が高く維持できることが明らかとなった。更に、図２に示された改質反応管の表面加工を実施したことにより、より熱伝達率が向上し触媒層温度を十分な温度レベルに維持することが可能となった。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、改質管を燃焼炉内の中心に配置したことにより、改質装置全体を小型軽量化を図ることが可能となった。また、改質触媒層出口に設けられた伝熱粒子により燃焼ガス及び改質後ガスの熱を十分に改質触媒層に与えることが出来るようになった。
反応器全体を軽量化できたことにより熱容量の小さい反応器構成となり起動時間短縮にも寄与し、小型改質装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す改質器を模式的に表した概略構成図である。
【図２】本発明の実施例を示す改質反応管を模式的に表した概略構成図である。
【図３】本発明の実施例における改質触媒層出口温度の推移である。
【符号の説明】
１：改質管
２：改質触媒
３：改質ガス出口ノズル
４：燃焼排ガス流路（１）
５：断熱材
６：燃焼排ガス流路（２）
７：伝熱粒子
８：原燃料入口
９：排ガス出口
１０：ＣＯ変成触媒
１１：一酸化炭素除去触媒
１２：伝熱粒子
１３：バーナ
１４：予熱原燃料出口
１５：改質器入口
１６：改質器出口
１７：ＣＯ変成器入口
１８：酸化剤入口
１９：改質ガス出口
２０：空気予熱部
２１ａ：予熱部（１）入口ノズル
２１ｂ：予熱（１）出口ノズル
２２ａ：予熱部（２）入口ノズル
２２ｂ：予熱（２）出口ノズル
２３：伝熱フィン
２４：改質管表面加工
【図１】
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【図２】
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【図３】
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