(57)【要約】【課題】  燃料改質装置の起動が繰り返されて生じる改質触媒の細片や微粉によって、触媒粒子間の間隙が埋まり、原燃料が触媒層を通過する際の圧力損失が増大して、原燃料の通流が困難となることを防止する手段を提供する。【解決手段】内筒１１と中間筒１２との間に形成された第一空間１６は、細孔が設けられた多孔板１９により、上下方向に仕切られ、上部第一空間２０と下部第一空間２１に分割される。上部第一空間２０に充填された改質触媒が破壊して生じた細片や微粉は、多孔板１９を通過して、下部第一空間２１内に落下し、堆積する。このため、原燃料が通流する間隙が確保され、原燃料が触媒層を通過する際の圧力損失の増大が防止される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質管とバーナーとを有し、前記改質管は、直立し、同心状に内側から順に配置された円筒状の内筒と、中間筒と、外筒とを備え、前記内筒と前記中間筒との間の環状の第一空間と、前記中間筒と前記外筒との間の環状の第二空間は、前記中間筒に設けられたガス通流部を介して相通じている燃料改質装置において、
前記第一空間が多孔板により上下方向に仕切られて、上部第一空間と下部第一空間に分割され、改質触媒を充填させた前記上部第一空間が、前記ガス通流部を介して前記第二空間と相通じ、かつ前記多孔板を介して前記下部第一空間と相通じるものであることを特徴とする燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系の原燃料を改質触媒により改質し、水素に富む改質ガスを得る燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料改質装置は、改質触媒が充填された改質管において、原燃料を改質し、水素に富む改質ガスを生成するものである。図３は、特許文献１に示された従来技術に係る燃料改質装置の構造を示す断面図である。本燃料改質装置は、改質管１、改質管１の内側に設置されたバーナー２、改質管１の外側を覆う断熱層４から構成される。改質管１は、直立した内筒１１、内筒１１の外側に同心状に配置された中間筒１２、中間筒１２の外側に同心状に配置された外筒１３の３個の円筒から成る。内筒１１の上端と、中間筒１２の上端はいずれも上部板１４に接合され、外筒１３の上端は、中間筒１２の上部側面に接合されている。また、内筒１１の下端と外筒１３の下端は底板１５に接合されており、中間筒１２の下端は底板１５から所定の間隙を有する位置に配置されている。
内筒１１と中間筒１２との間に形成された環状の第一空間１６には、原燃料の改質に使用される粒状改質触媒の触媒層５が充填され、触媒層５の上端には改質触媒の飛散防止用の金網６が、中間筒１２の下端と底板１５との間隙には、改質触媒の流出防止用金網によるガス通流部７が設けられている。
中間筒１２の上部側面には、原燃料を導入する供給口が、外筒１３の上部側面には改質ガスを取り出す排出口がそれぞれ設けられている。供給口から導入された原燃料は、内筒１１と中間筒１２との間に形成された環状の第一空間１６を下方へ流れて、触媒層５にて改質され、改質ガスとして、ガス通流部７を経て、中間筒１２と外筒１３との間に形成された環状の第二空間１７を上昇して、排出口から取り出される。
【０００３】
バーナー２と内筒１１との間には、断熱材９を内側に設けた円筒状の燃焼筒８が設置されている。バーナー２において生成した高温の熱媒体は、燃焼筒８の内部を下方へ流れたのち、燃焼筒８と内筒１１との間に形成された第三空間１８を上昇し、上部に設けられた出口から外部へ排出される。第三空間１８を熱媒体が上昇する際、内筒１１が加熱され、さらに内筒１１の加熱により第一空間１６に充填された触媒層５が加熱されることとなり、改質触媒による改質反応が促進される。このように高温で改質反応が行われるため、改質管１の温度は最高７００〜９００℃に上昇し、改質管１の内筒１１、中間筒１２、外筒１３を構成する金属板は熱膨張する。
この金属板が熱膨張することは、燃料改質装置の運転開始時、すなわち起動時において、次のような問題を生じる。燃料改質装置の運転起動時において、バーナー２において生成した高温の熱媒体は、燃焼筒８の内部を下方へ流れたのち反転して、燃焼筒８と内筒１１との間に形成された第三空間１８を上昇し、内筒１１を加熱する。内筒１１が高温に加熱されることにより、内筒１１を構成する金属板は熱膨張し、内筒１１は拡大する。また、第一空間１６に充填され、内筒１１に接する触媒層５は、加熱された内筒１１により加熱されるが、燃料改質装置の起動後直ちに触媒層５の全体が高温に上昇することはない。
【０００４】
このため、触媒層５に接する中間筒１２も、起動後直ちには高温に加熱されないため、中間筒１２の温度は、高温に加熱された内筒１１と比べて低く、温度差を生じることとなる。このとき、内筒１１の金属板は熱膨張し、内筒１１は拡大するが、中間筒１２の金属板は、内筒１１の金属板ほど熱膨張しないため、内筒１１と中間筒１２の間の距離、すなわち第一空間１６の幅は減少する。第一空間１６の幅が減少し、狭くなるときは、第一空間１６に充填された触媒層５は、熱膨張した内筒１１に押されて圧力を受けるものとなる。
このように起動時に、触媒層５は押されて圧力を受けるため、起動→運転停止→起動によって、起動が繰り返される毎に、圧力を受けた触媒層５の改質触媒は亀裂を生じ、砕けて細片や微粉を生じることとなる。生成した細片や微粉は、原燃料の通路である触媒粒子間の間隙に入り、間隙を埋めるため、目詰まりを生じ、触媒層５を通流する原燃料の圧力損失が増大する。また、中間筒１２の下端に設けられたガス通流部７の金網の細孔に、改質触媒の細片や微粉が詰まり、圧力損失が増すことにもなる。改質触媒の細片や微粉によって、原燃料が触媒層５を通流する際の圧力損失が増大すれば、原燃料の通流が困難となり、燃料改質装置を運転して、所望の改質ガスを得ることができないおそれを生じる。
【０００５】
改質触媒の細片や微粉によって、原燃料が触媒層５を通流する際の圧力損失が増大することを防止する方策として、特許文献２は、触媒層５を二層構造とする技術を開示する。  前記技術は、第一空間１６に充填される触媒層５を上下の二層構造とするもので、触媒層５の下層に、粒径の大きい改質触媒を、触媒層５の上層に、粒径の小さい改質触媒を配置する。改質触媒が破壊して生じた細片や微粉が下方に落下し、触媒層５の下層にある触媒粒子間の間隙に入っても、この触媒粒子の粒径は大きく、その間隙も大であるため、ガスの通路となる空隙が確保され、原燃料が触媒層５を通流する際の圧力損失の増大を防止できるとする。
しかし、前記技術にはつぎのような問題点がある。燃料改質装置の起動→運転停止→起動が繰り返され、起動の回数が多くなるときは、改質触媒が破壊して生じる細片や微粉の量が多くなる。このため、起動回数の少ない当初は、下層の触媒粒子間の間隙が大きく、空隙が確保されるが、起動回数が増すに従って間隙が埋まり、原燃料が触媒層５を通流する際の圧力損失が増大して、原燃料の通流が困難となる。
そこで、本発明は、燃料改質装置の起動が繰り返されて生じる改質触媒の細片や微粉によって、触媒粒子間の間隙が埋まり、原燃料が触媒層５を通流する際の圧力損失が増大して、原燃料の通流が困難となることを防止する手段を提供することを課題とする。
【特許文献１】特開平１１−２２８１０４号公報
【特許文献２】特開平３−２７５５０１号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、内筒１１と中間筒１２との間に形成された第一空間１６が、多数の細孔を設けた多孔板により上下方向に仕切られ、上部第一空間と下部第一空間に分割され、触媒の細片や微粉を、下部第一空間に滞留させることにより解決される。
請求項１に記載の発明は、改質管とバーナーとを有し、前記改質管は、直立し、同心状に内側から順に配置された円筒状の内筒と、中間筒と、外筒とを備え、前記内筒と前記中間筒との間の環状の第一空間と、前記中間筒と前記外筒との間の環状の第二空間は、前記中間筒に設けられたガス通流部を介して相通じている燃料改質装置において、前記第一空間が多孔板により上下方向に仕切られて、上部第一空間と下部第一空間に分割され、改質触媒を充填させた前記上部第一空間が、前記ガス通流部を介して前記第二空間と相通じ、かつ前記多孔板を介して前記下部第一空間と相通じるものであることを特徴とする燃料改質装置に係るものである。
本発明に係る燃料改質装置では、内筒１１と中間筒１２との間に形成された環状の第一空間１６は、多孔板により上下方向に仕切られて、上部第一空間と下部第一空間に分割される。ここで、多孔板には、触媒粒子の粒径より小さな細孔が多数、開けられている。上部第一空間は、図３の従来技術の第一空間１６と同様、改質触媒の触媒層５が充填され、中間筒１２に設けられたガス通流部７を介して、中間筒１２と外筒１３との間に形成された第二空間１７と相通じる。このため、供給口から導入された原燃料は、第一空間１６を下方に向かって流れ、触媒層５にて改質され、改質ガスとして、ガス通流部７を経て、第二空間１７へ導かれる。上部第一空間と下部第一空間とは、両者を仕切る多孔板を介して相通じるため、下部第一空間は、上部第一空間を通流する原燃料（または改質ガス）によって満たされる。
【０００７】
燃料改質装置の起動→運転停止→起動が繰り返されることにより、上部第一空間に充填された触媒層５の改質触媒は、亀裂を生じて破壊し、細片や微粉を生じる。生じた細片や微粉は、触媒粒子間の間隙を通って、下方に落下し、多孔板の細孔を通過して、下部第一空間に至り、その底部に堆積する。このように、改質触媒の細片や微粉は上部第一空間を落下し、多孔板を通って、下部第一空間の底部に堆積するため、上部第一空間に充填された触媒粒子間の間隙が目詰まりすることはなく、また中間筒１２に設けられたガス通流部の細孔が細片や微粉によって塞がれることもない。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明では、第一空間１６は、多数の細孔を設けた多孔板により仕切られ、上部第一空間と下部第一空間に分割される。燃料改質装置の起動が繰り返されることにより、上部第一空間に充填された改質触媒が破壊し、細片や微粉を生じても、細片や微粉は、多孔板を通過して、下部第一空間の底部に堆積する。したがって、上部第一空間の触媒層５が目詰まりすることはなく、また中間筒１２に設けられたガス通流部７の細孔が細片や微粉によって塞がれることもないため、原燃料が上部第一空間を通流する際の圧力損失が増大することはなく、原燃料の通流が困難となることは防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施例について、以下の実施例１にて説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、実施例１に係る燃料改質装置の構造を示す断面図であり、図２は図１の触媒層５に係る部分図である。本燃料改質装置は、図３の従来技術に係る燃料改質装置と同様、改質管１、改質管１の内側に設置されたバーナー２、改質管１の外側を覆う断熱層４から構成される。改質管１は、直立した内筒１１、内筒１１の外側に同心状に配置された中間筒１２、中間筒１２の外側に同心状に配置された外筒１３の３個の円筒から成る。内筒１１、中間筒１２および外筒１３の下端は、底板１５に接合されている。
内筒１１と中間筒１２との間に形成された環状の第一空間１６は、多孔板１９により、上下方向に仕切られ、上部第一空間２０と下部第一空間２１に分割されている。上部第一空間２０には、原燃料の改質に使用される粒状改質触媒の触媒層５が充填される。多孔板１９には、改質触媒の粒径（５ｍｍ径）より小さな細孔（２〜３ｍｍ径）が多数、設けられているため、上部第一空間２０は、多孔板１９を介して下部第一空間２１と相通じる。また、上部第一空間２０は、中間筒１２に設けられたガス通流部７を介して、中間筒１２と外筒１３との間に形成された第二空間１７と相通じる。ガス通流部７として、直径２〜３ｍｍの細孔を多数設けた金属の薄板を用いることができる。
中間筒１２の上部側面には、原燃料を導入する供給口が、外筒１３の上部側面には改質ガスを取り出す排出口がそれぞれ設けられている。供給口から導入された原燃料は、上部第一空間２０を下方へ流れて、触媒層５にて改質され、改質ガスとして、ガス通流部７を経て、第二空間１７を上昇して、排出口から取り出される。
【００１１】
バーナー２と内筒１１との間には、断熱材９を内側に設けた円筒状の燃焼筒８が設置されている。バーナー２において生成した高温の熱媒体は、燃焼筒８の内部を下方へ流れたのち、燃焼筒８と内筒１１との間に形成された第三空間１８を上昇し、上部に設けられた出口から外部へ排出される。第三空間１８を熱媒体が上昇する際、内筒１１が加熱され、さらに内筒１１の加熱により上部第一空間２０に充填された触媒層５が加熱されることとなり、改質触媒による改質反応が促進される。
本燃料改質装置に原燃料を供給し、改質ガスを生成する実験を行った。燃料改質装置を起動して運転後、運転を停止し、再び起動することを繰り返した。すなわち、起動後、３時間運転したのち、運転を停止し、３時間放置後、再び起動することを３００回繰り返した。３００回目の運転時において、原燃料の供給圧力は、実験開始時と変わらず、起動、停止の繰り返しによる熱履歴を受けたのちにおいて、原燃料が触媒層５を通流する際の圧力損失が増すことはなかった。また、３００回終了後、改質管１を取り出し、上部第一空間２０、下部第一空間２１を観察した結果、下部第一空間２１の底部に、触媒の細片や微粉の堆積が認められたが、ガス通流部７の細孔が細片や微粉により目詰まりし、塞がれることはなかった。
【００１２】
以上において、燃料改質装置の起動を繰り返すことにより、改質触媒の細片や微粉を生じるが、細片や微粉は多孔板１９を通過して、下部第一空間２１内に落下し、堆積した。また、起動を繰り返したのちでも、原燃料が触媒層５を通流する際の圧力損失が増すことはなかった。したがって、本発明の燃料改質装置によれば、起動の繰り返しにより、改質触媒の細片や微粉が生じても、細片や微粉は、触媒層５が充填されない下部第一空間２１内に落下して堆積するため、原燃料が通流する際の圧力損失が増すことはなく、原燃料の通流が困難となることは防止される結果であった。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料改質装置の構造を表す断面図。
【図２】本発明の実施例１の触媒層５に係る部分図。
【図３】従来技術の燃料改質装置の構造を表す断面図。
【符号の説明】
【００１４】
１      改質管
２      バーナー
４      断熱層
５      触媒層
６      金網
７      ガス通流部
８      燃焼筒
９      断熱材
１１    内筒
１２    中間筒
１３    外筒
１４    上部板
１５    底板
１６    第一空間
１７    第二空間
１８    第三空間
１９    多孔板
２０    上部第一空間
２１    下部第一空間
【図１】
2009102180.tif 000003
【図２】
2009102180.tif 000004
【図３】
2009102180.tif 000005