JP2572251B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
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- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はアルコール類や炭化水素系燃料を水蒸気改質
して水素を生成する燃料改質装置で、特に、たとえば，
燃料電池システムあるいは水素製造装置に使用するのに
好適な燃料改質装置に関する。
して水素を生成する燃料改質装置で、特に、たとえば，
燃料電池システムあるいは水素製造装置に使用するのに
好適な燃料改質装置に関する。
（従来技術） 従来、アルコール類や炭化水素系燃料を水蒸気改質し
て水素を生成する燃料改質装置が知られている。
て水素を生成する燃料改質装置が知られている。
第５図は特開昭60−264302号に記載の従来知られてい
る燃料改質装置の一例であり、改質器容器20の内側に低
温断熱層21と高温断熱層22とを配し、高温断熱層22で囲
まれて形成された燃焼室23に空気導入管24とガス導入管
25とを連通させるとともに、多数の改質管26を並設し、
改質管26内には改質触媒27を充填し、改質管26の間には
伝熱充填層28を配設したものである。改質管26は改質触
媒27の加熱を効率よく行うために、リターンパス29を内
設した二重管構造となっている。空気導入管24から導入
した空気とガス導入管25から導入した燃焼ガスを燃焼質
23で燃焼させると高温の燃焼ガスが得られ、この燃焼ガ
スを改質触媒27に通して加熱する。原料ガス導入管30か
ら原料ガスを水蒸気とともに導入すると、改質管26を通
過する間に加熱され、改質触媒27で改質され、リターン
パス29を下降する間に改質触媒27に熱を与えて温度が低
下し出口管31から改質ガスとして排出される。
る燃料改質装置の一例であり、改質器容器20の内側に低
温断熱層21と高温断熱層22とを配し、高温断熱層22で囲
まれて形成された燃焼室23に空気導入管24とガス導入管
25とを連通させるとともに、多数の改質管26を並設し、
改質管26内には改質触媒27を充填し、改質管26の間には
伝熱充填層28を配設したものである。改質管26は改質触
媒27の加熱を効率よく行うために、リターンパス29を内
設した二重管構造となっている。空気導入管24から導入
した空気とガス導入管25から導入した燃焼ガスを燃焼質
23で燃焼させると高温の燃焼ガスが得られ、この燃焼ガ
スを改質触媒27に通して加熱する。原料ガス導入管30か
ら原料ガスを水蒸気とともに導入すると、改質管26を通
過する間に加熱され、改質触媒27で改質され、リターン
パス29を下降する間に改質触媒27に熱を与えて温度が低
下し出口管31から改質ガスとして排出される。
このような二重管構造の改質管を用いた燃料改質装置
は、構成が比較的単純であり効率も良いため、コンパク
ト化を指向する燃料電池システム等に適用されている
が、燃料電池システム等では、改質効率が高くて設置ス
ペースが小さくてすむコンパクトな燃料改質装置が要請
されている。
は、構成が比較的単純であり効率も良いため、コンパク
ト化を指向する燃料電池システム等に適用されている
が、燃料電池システム等では、改質効率が高くて設置ス
ペースが小さくてすむコンパクトな燃料改質装置が要請
されている。
（問題を解決するための手段） 本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、本発
明に係る燃料改質装置の構成は、改質容器内に複数本の
改質管を配設し、改質管の外周を高温の燃焼ガスを流通
させる加熱領域とし、改質管内に、原料ガスから水素リ
ッチガスを生成するための改質触媒層と、生成した水素
リッチガスを取り出すための流路となる内管とを有する
二重管構造の燃料改質装置において、内管の材料として
改質触媒層からの水素の吸蔵反応および内管内部への水
素の放出反応を行いうる水素吸蔵合金を用いたものであ
る。
明に係る燃料改質装置の構成は、改質容器内に複数本の
改質管を配設し、改質管の外周を高温の燃焼ガスを流通
させる加熱領域とし、改質管内に、原料ガスから水素リ
ッチガスを生成するための改質触媒層と、生成した水素
リッチガスを取り出すための流路となる内管とを有する
二重管構造の燃料改質装置において、内管の材料として
改質触媒層からの水素の吸蔵反応および内管内部への水
素の放出反応を行いうる水素吸蔵合金を用いたものであ
る。
（作 用） 本発明におけるように、二重管構造の改質管の内管の
材料に水素吸蔵合金を使用すると、内管が改質触媒層で
発生する水素を吸蔵して内管内側に放出するとともに、
水素が内管外側に吸蔵される際発生する熱を改質媒体層
に反応熱として与え、水素が内管内側に放出される際の
吸熱により高温のリターンガスから熱回収されるので、
熱の移動と水素の移動の相乗効果が得られる。
材料に水素吸蔵合金を使用すると、内管が改質触媒層で
発生する水素を吸蔵して内管内側に放出するとともに、
水素が内管外側に吸蔵される際発生する熱を改質媒体層
に反応熱として与え、水素が内管内側に放出される際の
吸熱により高温のリターンガスから熱回収されるので、
熱の移動と水素の移動の相乗効果が得られる。
水素吸蔵合金は、水素吸蔵反応が発熱反応、水素放出
反応が吸熱反応であるという性質があり、後述する第３
図に示すように、低温で水素吸蔵、高温で水素放出、ま
た高圧で水素吸蔵、低圧で水素放出を行うものである。
反応が吸熱反応であるという性質があり、後述する第３
図に示すように、低温で水素吸蔵、高温で水素放出、ま
た高圧で水素吸蔵、低圧で水素放出を行うものである。
したがって、内管外側の改質触媒層と改質ガス流路と
なる内管内側とはそれぞれ低温高圧と高温低圧設定され
るため、改質触媒層への発熱による熱伝達の促進と内管
内側の吸熱による熱回収とを合せて行うことができ、熱
伝達の促進による伝熱面積の縮減が可能となり、高効率
且つ小型でコンパクトな燃料改質装置を構成することが
できる。
なる内管内側とはそれぞれ低温高圧と高温低圧設定され
るため、改質触媒層への発熱による熱伝達の促進と内管
内側の吸熱による熱回収とを合せて行うことができ、熱
伝達の促進による伝熱面積の縮減が可能となり、高効率
且つ小型でコンパクトな燃料改質装置を構成することが
できる。
（実施例） 以下、本発明を第１図ないし第４図を参照して説明す
る。
る。
まず、第１図は本発明による燃料改質装置の一実施例
の縦断面図、第２図は従来技術と本発明とを比較する温
度分布図、第３図は水素吸蔵合金の特性図である。
の縦断面図、第２図は従来技術と本発明とを比較する温
度分布図、第３図は水素吸蔵合金の特性図である。
第１図において、１は改質管を構成する外管、２は原
料ガスから水素リッチガスを生成するための改質触媒、
３は改質の結果得られた水素リッチガスを取り出すため
の流路となる内管、４は改質容器を構成する胴、５は胴
４の内側に設けた断熱材、６は胴４の下部に配置した燃
焼装置、７は胴４の上部に設けた原料ガス入口、８は内
管３に連通する改質ガス出口、９は燃焼用の燃料を供給
するための燃料入口、10は燃焼用の空気を供給するため
の空気入口、11は胴４に設けた燃焼ガス出口、12は伝熱
粒子である。
料ガスから水素リッチガスを生成するための改質触媒、
３は改質の結果得られた水素リッチガスを取り出すため
の流路となる内管、４は改質容器を構成する胴、５は胴
４の内側に設けた断熱材、６は胴４の下部に配置した燃
焼装置、７は胴４の上部に設けた原料ガス入口、８は内
管３に連通する改質ガス出口、９は燃焼用の燃料を供給
するための燃料入口、10は燃焼用の空気を供給するため
の空気入口、11は胴４に設けた燃焼ガス出口、12は伝熱
粒子である。
すなわち、本実施例の燃料改質装置は、複数本の外管
１と内管３とからなる二重管構造の改質管を胴４内に配
設し、外管１の外周と胴４の内側に備えた断熱剤５との
間には、伝熱促進を図るための耐熱性のアルミナ球を用
いた伝熱粒子12を充填して伝熱粒子充填層を形成してい
る。この伝熱粒子充填層は改質管の外周に高温の燃焼ガ
スを流通させる加熱領域として機能する。
１と内管３とからなる二重管構造の改質管を胴４内に配
設し、外管１の外周と胴４の内側に備えた断熱剤５との
間には、伝熱促進を図るための耐熱性のアルミナ球を用
いた伝熱粒子12を充填して伝熱粒子充填層を形成してい
る。この伝熱粒子充填層は改質管の外周に高温の燃焼ガ
スを流通させる加熱領域として機能する。
二重管構造の改質管内には、外管１と内管３との間の
環状部に改質触媒２を充填し改質触媒層を形成してい
る。改質触媒２にはたとえばアルミナ球にNi系触媒を担
持させたものが用いられる。
環状部に改質触媒２を充填し改質触媒層を形成してい
る。改質触媒２にはたとえばアルミナ球にNi系触媒を担
持させたものが用いられる。
本実施例における内管３は水素吸蔵合金を焼結するな
どの方法により管状にしたものである。水素吸蔵合金と
しては、MgH2、Mg2NiH4などのマグネシウム系水素吸蔵
合金が用いられ、このマグネシウム系水素吸蔵合金は使
用温度250℃以上でその特性を利用できるものである。
どの方法により管状にしたものである。水素吸蔵合金と
しては、MgH2、Mg2NiH4などのマグネシウム系水素吸蔵
合金が用いられ、このマグネシウム系水素吸蔵合金は使
用温度250℃以上でその特性を利用できるものである。
燃焼装置６としては一般的にはバーナが用いられる
が、燃焼触媒を用いた触媒燃焼方式としてもよい。
が、燃焼触媒を用いた触媒燃焼方式としてもよい。
改質される原料ガスとしては、炭化水素やアルコール
類を水蒸気と混合したものが用いられる。
類を水蒸気と混合したものが用いられる。
次に本実施例の燃料改質装置の作用を第１図ないし第
３図を参照して説明する。
３図を参照して説明する。
第２図は、横軸に従来技術における反応管（改質管）
の軸方向距離の比をとり、縦軸に温度および反応率をと
って、従来技術（１点鎖線）と本発明に係る本実施例
（実線）とを比較して示したものである。
の軸方向距離の比をとり、縦軸に温度および反応率をと
って、従来技術（１点鎖線）と本発明に係る本実施例
（実線）とを比較して示したものである。
また、第３図の水素吸蔵合金の特性図は、横軸に温
度、縦軸に圧力をとって、水素吸蔵反応と水素放出反応
の範囲を実線と矢印によって示したものである。先にも
述べたように、水素吸蔵反応は発熱反応、水素放出反応
は吸熱反応であり、低温で水素吸蔵、高温で水素放出、
また高圧で水素吸蔵、低圧で水素放出を行うものである
から、第３図において線Ａから矢印ａ方向が水素吸蔵、
線Ｂから矢印ｂ方向が水素放出の範囲を示している。
度、縦軸に圧力をとって、水素吸蔵反応と水素放出反応
の範囲を実線と矢印によって示したものである。先にも
述べたように、水素吸蔵反応は発熱反応、水素放出反応
は吸熱反応であり、低温で水素吸蔵、高温で水素放出、
また高圧で水素吸蔵、低圧で水素放出を行うものである
から、第３図において線Ａから矢印ａ方向が水素吸蔵、
線Ｂから矢印ｂ方向が水素放出の範囲を示している。
原料ガスは原料ガス入口７から導入され、胴４内の外
管１と内管３との間に配設された改質触媒層に供給され
る。
管１と内管３との間に配設された改質触媒層に供給され
る。
一方、燃料入口９から導入された燃料と空気入口10か
ら導入された空気は燃焼装置６内で燃焼して高温の燃焼
ガスを生成するが、その高温燃焼ガスは胴４内の伝熱粒
子充填層を流通し、燃焼ガス出口11から排出される。す
なわち、高温燃焼ガスは外管１の外周の加熱領域を下部
から上部へ流通する。
ら導入された空気は燃焼装置６内で燃焼して高温の燃焼
ガスを生成するが、その高温燃焼ガスは胴４内の伝熱粒
子充填層を流通し、燃焼ガス出口11から排出される。す
なわち、高温燃焼ガスは外管１の外周の加熱領域を下部
から上部へ流通する。
改質触媒層に入った原料ガスは改質反応を開始し、徐
々に水素リッチガスに改質される。この反応は吸熱反応
であるため、第２図に示すように、反応開始後急激な温
度降下を起こす。低温になった改質中のガスは、外管１
側からの伝熱と、低温になったことにより発生する水素
吸蔵反応による発熱および内管３からの伝熱とにより、
徐々に温度上昇をともないながら改質反応を続ける。
々に水素リッチガスに改質される。この反応は吸熱反応
であるため、第２図に示すように、反応開始後急激な温
度降下を起こす。低温になった改質中のガスは、外管１
側からの伝熱と、低温になったことにより発生する水素
吸蔵反応による発熱および内管３からの伝熱とにより、
徐々に温度上昇をともないながら改質反応を続ける。
次に、改質反応の終った改質ガスは、内管３の内部を
通り、改質触媒層への伝熱と、高温であるために発生す
る水素放出反応による吸熱とにより温度を徐々に下げ、
改質ガス出口８から導き出される。
通り、改質触媒層への伝熱と、高温であるために発生す
る水素放出反応による吸熱とにより温度を徐々に下げ、
改質ガス出口８から導き出される。
内管３に使用されている水素吸蔵合金は、改質触媒層
により改質された水素の吸蔵と、その水素の内管３への
放出を同時に連続的に行うため飽和状態にはならない。
により改質された水素の吸蔵と、その水素の内管３への
放出を同時に連続的に行うため飽和状態にはならない。
第２図には、先にも述べたように、改質管内の温度分
布を従来技術の場合と本実施例の場合とを比較して示し
ている。
布を従来技術の場合と本実施例の場合とを比較して示し
ている。
第２図において、14は本実施例における燃焼ガス温度
分布、15は従来技術における燃焼ガス温度分布を示して
おり、燃焼ガス温度は従来と本実施例とでは同じ条件で
あることを示す。
分布、15は従来技術における燃焼ガス温度分布を示して
おり、燃焼ガス温度は従来と本実施例とでは同じ条件で
あることを示す。
16は本実施例における改質ガス温度の分布、17は従来
技術における改質ガス温度の分布、18は本実施例による
改質反応の反応率、19は従来技術による改質反応の反応
率である。
技術における改質ガス温度の分布、18は本実施例による
改質反応の反応率、19は従来技術による改質反応の反応
率である。
本実施例（実線）を示すの線16と18は、従来技術の反
応管（改質管）の軸方向長さを１としたときの比を示
し、第２図ではその比が0.9となっている。すなわち、
本実施例では、水素吸蔵反応にともなう発熱による熱伝
達の促進と水素放出反応による熱回収との相乗効果によ
る高効率化により、伝熱面積を縮減することができるた
め、反応管の長さを第２図に示すように約10％短縮でき
ることになる。
応管（改質管）の軸方向長さを１としたときの比を示
し、第２図ではその比が0.9となっている。すなわち、
本実施例では、水素吸蔵反応にともなう発熱による熱伝
達の促進と水素放出反応による熱回収との相乗効果によ
る高効率化により、伝熱面積を縮減することができるた
め、反応管の長さを第２図に示すように約10％短縮でき
ることになる。
このように本実施例によれば、内管に水素吸蔵合金を
使用しているため、必要触媒量に対する伝熱面積を構造
を全く変えることなく減少することができるとともに、
熱回収を効率的に行うことができるので、燃料改質装置
の小形化およびコンパクト化と高効率化を容易に達成す
ることができる。
使用しているため、必要触媒量に対する伝熱面積を構造
を全く変えることなく減少することができるとともに、
熱回収を効率的に行うことができるので、燃料改質装置
の小形化およびコンパクト化と高効率化を容易に達成す
ることができる。
次に、本発明の他の実施例を第４図を参照して説明す
る。
る。
第４図は本発明による燃料改質装置の他の実施例の縦
断面図であり、図中、第１図と同じ符号は先の実施例と
同じ構成部分を示しているためその説明を省略する。
断面図であり、図中、第１図と同じ符号は先の実施例と
同じ構成部分を示しているためその説明を省略する。
第４図の実施例が第１図の実施例と異なる点は、外管
１の外周の加熱領域に、高温燃焼ガスの流路を曲折する
ための複数の折流板13を胴４内に交互に配設したことで
ある。このように折流板13を胴４内に交互に配設するこ
とによって燃焼装置６から供給される高温の燃焼ガスは
矢印のように折流して流れて外管１を外周から加熱する
ことになり、第１図の実施例における伝熱粒子12の充填
層と同様の機能を果たすことになる。
１の外周の加熱領域に、高温燃焼ガスの流路を曲折する
ための複数の折流板13を胴４内に交互に配設したことで
ある。このように折流板13を胴４内に交互に配設するこ
とによって燃焼装置６から供給される高温の燃焼ガスは
矢印のように折流して流れて外管１を外周から加熱する
ことになり、第１図の実施例における伝熱粒子12の充填
層と同様の機能を果たすことになる。
内管３の材料に第１図の実施例と同様に水素吸蔵合金
を用いる点は同じであるから、寧効率の点では先の第１
図の実施例と同様の効果が得られる。
を用いる点は同じであるから、寧効率の点では先の第１
図の実施例と同様の効果が得られる。
また、ここに図示して説明しないが、第１図あるいは
第４図の燃料改質装置において、内管３の内部に伝熱粒
子を充填するようにしてもよい。この場合も、先の各実
施例と同様の効果が期待され、より効果的に改質反応を
行わしめることができる。
第４図の燃料改質装置において、内管３の内部に伝熱粒
子を充填するようにしてもよい。この場合も、先の各実
施例と同様の効果が期待され、より効果的に改質反応を
行わしめることができる。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明においては、二重管構造
の改質器の内管の材料に水素吸蔵合金を用いることによ
り、従来の構造を何ら変更することなしに、燃料改質の
高効率化を図ることができるため、装置の小形化、コン
パクト化を図ることができ、燃料電池などに応用したと
き燃料電池の小形化が可能になるなど、応用分野での効
果は大きいものがある。
の改質器の内管の材料に水素吸蔵合金を用いることによ
り、従来の構造を何ら変更することなしに、燃料改質の
高効率化を図ることができるため、装置の小形化、コン
パクト化を図ることができ、燃料電池などに応用したと
き燃料電池の小形化が可能になるなど、応用分野での効
果は大きいものがある。
第１図は本発明による燃料改質装置の一実施例の縦断面
図、第２図は改質管の温度分布図を従来技術と本発明で
比較して示す図、第３図は水素吸蔵合金の特性図、第４
図は本発明による燃料改質装置の他の実施例の縦断面
図、第５図は従来の燃料改質装置の一例の縦断面図であ
る。 １……外管、２……改質触媒、３……内管、４……胴、
６……燃焼装置、７……原料入口、８……改質ガス出
口、９……燃料入口、10……空気入口、11……燃排ガス
出口、12……伝熱粒子、13……折流板
図、第２図は改質管の温度分布図を従来技術と本発明で
比較して示す図、第３図は水素吸蔵合金の特性図、第４
図は本発明による燃料改質装置の他の実施例の縦断面
図、第５図は従来の燃料改質装置の一例の縦断面図であ
る。 １……外管、２……改質触媒、３……内管、４……胴、
６……燃焼装置、７……原料入口、８……改質ガス出
口、９……燃料入口、10……空気入口、11……燃排ガス
出口、12……伝熱粒子、13……折流板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 義明 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所土浦工場内 (72)発明者 半澤 晨夫 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所土浦工場内
Claims (4)
- 【請求項１】複数本の改質管を改質容器内に配設し、該
改質管の外周に高温燃焼ガスを流通させて改質管の加熱
領域とし、前記改質管内に改質触媒層と、該改質触媒層
により改質されたガスを取り出すための流路となる内管
とを設けた二重管構成の燃料改質装置において、前記内
管の材料に、改質触媒層からの水素の吸蔵および内管内
部への水素の放出を行いうる水素吸蔵合金を用いたこと
を特徴とする燃料改質装置。 - 【請求項２】改質管の外周の加熱領域には伝熱粒子が充
填されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
の燃料改質装置。 - 【請求項３】改質管の外周の加熱領域には、高温燃焼ガ
スの流路を曲折するための複数の折流板を配設したこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の燃料改質装
置。 - 【請求項４】内管の内部に伝熱粒子を設けたことを特徴
とする特許請求の範囲第１項に記載の燃料改質装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63028752A JP2572251B2 (ja) | 1988-02-12 | 1988-02-12 | 燃料改質装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63028752A JP2572251B2 (ja) | 1988-02-12 | 1988-02-12 | 燃料改質装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01208303A JPH01208303A (ja) | 1989-08-22 |
| JP2572251B2 true JP2572251B2 (ja) | 1997-01-16 |
Family
ID=12257140
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63028752A Expired - Lifetime JP2572251B2 (ja) | 1988-02-12 | 1988-02-12 | 燃料改質装置 |
Country Status (1)
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| JP (1) | JP2572251B2 (ja) |
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-
1988
- 1988-02-12 JP JP63028752A patent/JP2572251B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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