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JPH06219705A - Fuel reformer - Google Patents

Fuel reformer

Info

Publication number
JPH06219705A
JPH06219705A JP5009113A JP911393A JPH06219705A JP H06219705 A JPH06219705 A JP H06219705A JP 5009113 A JP5009113 A JP 5009113A JP 911393 A JP911393 A JP 911393A JP H06219705 A JPH06219705 A JP H06219705A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
reforming
fuel
gas
combustion
catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5009113A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshihide Kotogami
佳秀 言上
Teruo Sugimoto
照男 椙本
Minoru Sato
稔 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP5009113A priority Critical patent/JPH06219705A/en
Publication of JPH06219705A publication Critical patent/JPH06219705A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

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  • Sustainable Energy (AREA)
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  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a light and small-sized fuel reformer exhibiting a short starting-time by improving a combustion burner, a reforming reaction tube and the heat transfer performance of a reforming catalyst in the reforming reaction tube. CONSTITUTION:This fuel reformer has a structure mentioned below; A reforming reaction tube 10 packed with a reforming catalyst 7 and a combustion burner 26 are arranged so that the heat transfer surface of the reforming reaction tube and the combustion surface of the burner may face to each other. The combustion burner is composed of plural fuel jet nozzles and air jet nozzles arranged around there. In addition, a reforming reactor and a catalyst combustor are adjacently arranged so that the respective heat transfer surfaces may be in contact with each other. Further, a fuel reforming stack is composed by piling up plural fuel reforming units each composed of a combination of a catalyst combustor and a reforming reaction unit so that the catalyst combustion unit and the reforming reaction unit may be alternately adjacent to each other. A raw material gas and a previously mixed fuel gas are fed respectively through each manifold from the side end part of the above fuel reforming stack and the reformed gas and the combustion gas are discharged therethrough.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、例えば一般電源用の
燃料電池、あるいは電気自動車に搭載する燃料電池等に
必要な水素を生成するために用いられ、例えば改質触媒
を充填した改質反応管を燃焼バーナにより加熱し、改質
反応管に供給された炭化水素原料またはアルコール原料
を水素リッチの改質ガスに変換する燃料改質装置に関
し、特にその小型軽量化に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used for producing hydrogen necessary for, for example, a fuel cell for a general power source or a fuel cell mounted on an electric vehicle. For example, a reforming reaction filled with a reforming catalyst. The present invention relates to a fuel reformer for heating a pipe by a combustion burner to convert a hydrocarbon raw material or an alcohol raw material supplied to a reforming reaction pipe into a hydrogen-rich reformed gas, and more particularly to reduction in size and weight of the fuel reformer.

【0002】[0002]

【従来の技術】図20は例えば特開平1ー266843
号公報に示された従来の燃料改質装置を示す断面図であ
り、図において、1は原料ガス、2は改質ガス、3は内
管、4は内管の外周側で同心状に配設された外管、5は
内管と外管との間に同心状に配設された中間管、6は内
管と中間管との間に形成された原料ガスが導入される第
1の環状部、7は第1の環状部に改質触媒が充填されて
形成された触媒層、8は中間管と外管との間に形成され
た改質ガスが流通する第2の環状部、9は内管と外管の
それぞれの他端に配設された環状エンドキャップであ
り、第1の環状部6と第2の環状部8とを連通し、触媒
層7から流出する改質ガスの流れの向きを反転させて第
2の環状部8に流入させ、第2の環状部8内を原料ガス
の流通方向と逆方向に流通させる。10は環状の改質反
応管、11は加熱ガスである高温の燃焼ガス、12は内
管の内側に設けられた燃焼ガスの流通路である。燃焼ガ
スの流通路12には、図21の特開平1ー315333
号公報または特公昭57ー7539号公報に示されるよ
うに例えばセラミック系材料や金属材料から成る伝熱充
填粒子13が充填される。
2. Description of the Related Art FIG. 20 shows, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-266843.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a conventional fuel reforming apparatus disclosed in Japanese Patent Publication No. JP-A No. 2003-242242, in which 1 is a raw material gas, 2 is a reformed gas, 3 is an inner pipe, and 4 is a concentric arrangement on the outer peripheral side of the inner pipe. The provided outer pipe, 5 is an intermediate pipe concentrically arranged between the inner pipe and the outer pipe, and 6 is a first pipe into which the raw material gas formed between the inner pipe and the intermediate pipe is introduced. An annular portion, 7 is a catalyst layer formed by filling the first annular portion with a reforming catalyst, 8 is a second annular portion through which the reformed gas formed between the intermediate pipe and the outer pipe flows, Reference numeral 9 denotes an annular end cap disposed at the other end of each of the inner pipe and the outer pipe, which communicates the first annular portion 6 and the second annular portion 8 with each other, and the reformed gas flowing out from the catalyst layer 7. The flow direction is reversed to flow into the second annular portion 8, and the second annular portion 8 is caused to flow in the direction opposite to the flowing direction of the source gas. Reference numeral 10 is an annular reforming reaction tube, 11 is a high temperature combustion gas as a heating gas, and 12 is a flow path for the combustion gas provided inside the inner tube. In the flow passage 12 for the combustion gas, there is shown in FIG.
As shown in Japanese Patent Publication No. 57-7539 or Japanese Patent Publication No. 57-7539, heat-transfer filler particles 13 made of, for example, a ceramic material or a metal material are filled.

【0003】また、図22は複数の改質反応管が加熱炉
内に組み込まれた状態を示す断面図であり、14は加熱
炉、15は加熱炉に配設された燃焼バーナ、16は原料
ガスの導入マニホールド、17は改質ガスの排出マニホ
ールド、18は燃焼ガスの排出マニホールド、19は炉
壁断熱材である。
FIG. 22 is a sectional view showing a state in which a plurality of reforming reaction tubes are incorporated in a heating furnace. 14 is a heating furnace, 15 is a combustion burner arranged in the heating furnace, and 16 is a raw material. Reference numeral 17 is a gas introduction manifold, 17 is a reformed gas discharge manifold, 18 is a combustion gas discharge manifold, and 19 is a furnace wall heat insulating material.

【0004】次に動作について図22に基づいて説明す
る。炭化水素とスチームまたはアルコールとスチームか
ら成る原料ガス1は、導入マニホールド16から第1の
環状部6に導入され、改質触媒7と接触する。ここで、
原料ガス1は改質反応を生じ、H2、CO、CO2、等の
改質ガス2となる。反応の終了した高温(約800℃)
の改質ガス2は受け皿のガス流通孔(図中図示せず)を
環状エンドキャップ9内に流出し、流れを反転して中間
管5と外管4との間の第2の環状部8内に流入し、その
第2の環状部8内を原料ガス1の流通方向とは逆方向に
流通する。第2の環状部8を流通する過程で、改質ガス
2から中間管5に熱が伝達され、改質ガス2の顕熱が中
間管5を経て触媒層7に回収される。その後改質ガス2
は排出マニホールド17から排出され、燃料電池に供給
される。改質反応管10の加熱源である燃焼ガス11は
加熱炉14に設置された燃焼バーナ(図中図示せず)か
ら発生し、改質反応管の内管3の内部の流通路12を流
れる。この内管3には伝熱充填粒子13が充填されてお
り、燃焼ガスは主に対流熱伝達により伝熱充填粒子を加
熱する。伝熱充填粒子間では主に固体輻射により熱が伝
達され、改質反応管10が加熱される。このように、伝
熱充填粒子は燃焼ガスの顕熱を改質反応管10に有効に
伝えるための伝熱媒体として作用する。
Next, the operation will be described with reference to FIG. The raw material gas 1 composed of hydrocarbon and steam or alcohol and steam is introduced from the introduction manifold 16 into the first annular portion 6 and comes into contact with the reforming catalyst 7. here,
The raw material gas 1 causes a reforming reaction and becomes a reformed gas 2 such as H 2 , CO, or CO 2 . High temperature (about 800 ° C) after the reaction
Of the reformed gas 2 flows out into the annular end cap 9 through a gas passage hole (not shown in the figure) of the receiving tray, and the flow is reversed so that the second annular portion 8 between the intermediate pipe 5 and the outer pipe 4 is reversed. And flows in the second annular portion 8 in the direction opposite to the direction in which the source gas 1 flows. During the process of flowing through the second annular portion 8, heat is transferred from the reformed gas 2 to the intermediate pipe 5, and the sensible heat of the reformed gas 2 is recovered in the catalyst layer 7 via the intermediate pipe 5. Then reformed gas 2
Is discharged from the discharge manifold 17 and supplied to the fuel cell. Combustion gas 11 which is a heating source of the reforming reaction tube 10 is generated from a combustion burner (not shown in the figure) installed in the heating furnace 14, and flows through the flow passage 12 inside the inner tube 3 of the reforming reaction tube. . The inner tube 3 is filled with heat transfer packing particles 13, and the combustion gas mainly heats the heat transfer packing particles by convective heat transfer. Heat is mainly transferred by solid radiation between the heat transfer filling particles to heat the reforming reaction tube 10. In this way, the heat transfer packing particles act as a heat transfer medium for effectively transferring the sensible heat of the combustion gas to the reforming reaction tube 10.

【0005】また、最近では燃料電池用の燃料改質装置
に触媒燃焼器を用いた例が、実公平4ー35690号公
報や石川島播磨重工業技報の第31巻第6号(平成3年
11月発行)に公開されている。いずれも従来の火炎を
形成する燃焼バーナに替わって、燃焼用の酸化触媒層に
て構成される触媒燃焼器を従来のバーナと同じ配置で用
いている。
Recently, examples of using a catalytic combustor in a fuel reforming device for a fuel cell include Vol. 31, No. 35690 and Ishikawajima Harima Heavy Industries Technical Report, Vol. 31, No. 6, (November 1991). Published in the month). In both cases, a conventional combustion burner forming a flame is replaced with a catalytic combustor composed of an oxidation catalyst layer for combustion in the same arrangement as the conventional burner.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料改質装置は
以上のように構成され、燃焼バーナと改質反応管10は
位置的に別個に設けられているので、燃焼による熱は燃
焼ガスの顕熱により間接的に改質反応管10に伝えら
れ、燃焼による熱を直接的に改質反応管に伝えるように
構成されていない。このため燃焼バーナの最高温度は断
熱火炎温度に近い温度にまで上昇し、高温に耐える材料
を選定する必要がある。また、燃焼バーナから発生した
高温燃焼ガスは主に対流熱伝達により改質反応管10を
加熱する。一般に燃焼ガスの強制対流による熱伝達率は
小さく、改質反応に必要な伝熱量を得るためには、伝熱
面積を大きくとる必要があり装置を大型化すると言った
問題がある。
Since the conventional fuel reformer is constructed as described above and the combustion burner and the reforming reaction tube 10 are provided separately in position, the heat generated by the combustion is generated by the combustion gas. The sensible heat is indirectly transmitted to the reforming reaction tube 10, and the heat of combustion is not directly transmitted to the reforming reaction tube. Therefore, the maximum temperature of the combustion burner rises to a temperature close to the adiabatic flame temperature, and it is necessary to select a material that can withstand high temperatures. The high temperature combustion gas generated from the combustion burner heats the reforming reaction tube 10 mainly by convection heat transfer. Generally, the heat transfer coefficient due to the forced convection of the combustion gas is small, and in order to obtain the heat transfer amount necessary for the reforming reaction, it is necessary to make the heat transfer area large, and there is a problem that the device becomes large.

【0007】そこで、燃焼ガス11と改質反応管10と
の熱伝達を向上させるために、燃焼ガス流路12に伝熱
充填粒子13を充填すると、装置の重量が重くなり、熱
容量も大きくなる。熱容量が大きい燃料改質装置を室温
から立ち上げる時、所定の動作温度まで加熱するのに長
時間を要し、余分の燃料が消費される。また、充填粒子
13により燃焼ガス11の圧力損失は増加し、燃料ガス
や燃焼用空気を昇圧するのに余分の動力が必要になると
いった問題が生じる。
Therefore, when the combustion gas passage 12 is filled with the heat transfer filling particles 13 in order to improve the heat transfer between the combustion gas 11 and the reforming reaction tube 10, the weight of the apparatus becomes large and the heat capacity also becomes large. . When a fuel reformer having a large heat capacity is started up from room temperature, it takes a long time to heat it to a predetermined operating temperature, and extra fuel is consumed. Further, the pressure loss of the combustion gas 11 increases due to the filling particles 13, and there is a problem that extra power is required to pressurize the fuel gas and the combustion air.

【0008】改質反応管10内壁と改質触媒7との熱伝
達についても、改質反応管内の改質触媒層は充填層で形
成されているので、改質反応管10の壁面に近い改質触
媒粒子は加熱されやすいが、内部の触媒粒子は加熱され
にくい。そして、壁面と触媒粒子間および粒子間の熱抵
抗が大きく、伝熱性能は充分とは言えない。
As for the heat transfer between the inner wall of the reforming reaction tube 10 and the reforming catalyst 7, the reforming catalyst layer in the reforming reaction tube is formed of a packed bed, so that the reforming catalyst layer near the wall surface of the reforming reaction tube 10 is improved. The fine catalyst particles are easily heated, but the internal catalyst particles are hard to be heated. Further, the thermal resistance between the wall surface and the catalyst particles and between the particles is large, and the heat transfer performance cannot be said to be sufficient.

【0009】また、触媒燃焼器を用いた燃料改質装置で
は、従来、燃焼用の酸化触媒の耐熱性に問題があった。
酸化触媒の表面では燃料が瞬時に酸化するので、触媒表
面の温度は断熱火炎温度にまで上昇し、熱的な劣化を生
じる。燃料電池用の燃料改質装置は、燃料ガスとして発
熱量の低い電池オフガスを使用するので、通常の燃料に
比べて断熱火炎温度は低く、触媒燃焼にとって好適であ
るが、この問題を完全に免れることはできなかった。
Further, in the fuel reformer using the catalytic combustor, conventionally, there has been a problem in heat resistance of the oxidation catalyst for combustion.
Since the fuel is instantly oxidized on the surface of the oxidation catalyst, the temperature of the catalyst surface rises to the adiabatic flame temperature, causing thermal deterioration. A fuel reformer for a fuel cell uses a cell off-gas with a low calorific value as a fuel gas, and therefore has a lower adiabatic flame temperature than ordinary fuel and is suitable for catalytic combustion, but completely avoids this problem. I couldn't do that.

【0010】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、伝熱性能を向上させることによ
り小型軽量で起動時間が短い燃料改質装置を得ることを
目的とする。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to obtain a fuel reformer which is small in size and light in weight and has a short start-up time by improving heat transfer performance.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係る燃
料改質装置は、改質触媒が装填された改質反応管の伝熱
面と燃焼バーナの燃焼面とを互いに対向して配置したも
のである。
In the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 1, the heat transfer surface of the reforming reaction tube loaded with the reforming catalyst and the combustion surface of the combustion burner are arranged to face each other. It was done.

【0012】また、請求項2の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項1のものにおいて、燃焼バーナを、周囲
に空気噴射ノズルが配置された複数個の燃料噴射ノズル
で構成したものである。
A fuel reformer according to a second aspect of the present invention is the fuel reformer according to the first aspect, wherein the combustion burner is composed of a plurality of fuel injection nozzles around which air injection nozzles are arranged. is there.

【0013】また、請求項3の発明に係る燃料改質装置
は、円筒状の燃焼バーナの燃焼面と改質触媒が装填され
た円筒状の改質反応管の伝熱面とを互いに対向して同心
円状に構成するとともに、円筒状の燃焼ガスの排気流路
と円筒状の燃焼用空気の流入流路を隣接して同心円状に
構成したものである。
In the fuel reforming apparatus according to the third aspect of the present invention, the combustion surface of the cylindrical combustion burner and the heat transfer surface of the cylindrical reforming reaction tube loaded with the reforming catalyst are opposed to each other. In addition to the concentric circular shape, the cylindrical exhaust gas flow passage and the cylindrical combustion air inlet flow path are adjacently arranged concentrically.

【0014】また、請求項4の発明に係る燃料改質装置
は、炭化水素またはアルコール原料から改質反応により
水素を生成する改質触媒を有する改質反応器と、空気と
予混合した燃料ガスの触媒燃焼により上記改質反応器を
加熱する触媒燃焼器とを備え、水素リッチとなった改質
ガスを得る燃料改質装置において、上記改質反応器と触
媒燃焼器とをそれぞれ伝熱面を接触させて隣接して設け
たものである。
Further, the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 4 is a reforming reactor having a reforming catalyst for producing hydrogen from a hydrocarbon or alcohol raw material by a reforming reaction, and a fuel gas premixed with air. And a catalytic combustor for heating the reforming reactor by the catalytic combustion of the catalytic converter to obtain a hydrogen-rich reformed gas. And are provided adjacent to each other.

【0015】また、請求項5の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項4のものにおいて、改質反応器および触
媒燃焼器の少なくとも一方に隣接して電気ヒータを設け
たものである。
A fuel reforming apparatus according to a fifth aspect of the present invention is the fuel reforming apparatus according to the fourth aspect, wherein an electric heater is provided adjacent to at least one of the reforming reactor and the catalytic combustor.

【0016】また、請求項6の発明に係る燃料改質装置
は、炭化水素またはアルコール原料から改質反応により
水素を生成する改質触媒を有する改質反応部と、空気と
予混合した燃料ガスの燃焼により上記改質反応部を加熱
する触媒燃焼部とを備え、一対の上記触媒燃焼部と改質
反応部から構成される燃料改質ユニットを触媒燃焼部と
改質反応部が交互に隣接するように複数ユニット積層し
て燃料改質スタックを構成し、上記燃料改質スタックの
側端部からそれぞれマニホールドを介して原料ガスおよ
び予混合燃料ガスを供給すると共に、改質ガスおよび燃
焼ガスを排出するように構成したものである。
Further, in the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 6, a reforming reaction part having a reforming catalyst for producing hydrogen from a hydrocarbon or alcohol raw material by a reforming reaction, and a fuel gas premixed with air. And a catalytic combustion unit that heats the reforming reaction unit by combustion of the fuel, and a catalytic reforming unit and a reforming reaction unit are alternately adjacent to each other in a fuel reforming unit including a pair of the catalytic combustion unit and the reforming reaction unit. A plurality of units are stacked to form a fuel reforming stack as described above, and the raw material gas and the premixed fuel gas are supplied from the side end portions of the fuel reforming stack through the respective manifolds, and the reforming gas and the combustion gas are supplied. It is configured to be discharged.

【0017】また、請求項7の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項6のものにおいて、原料ガス流路および
燃料ガス流路の少なくとも一方を複数個の部分ガス流路
に分割し、上記部分ガス流路間にガス混合部を設けたも
のである。
A fuel reforming apparatus according to a seventh aspect of the present invention is the fuel reforming apparatus according to the sixth aspect, wherein at least one of the raw material gas passage and the fuel gas passage is divided into a plurality of partial gas passages, A gas mixing section is provided between the partial gas channels.

【0018】また、請求項8の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項6または7のものにおいて、燃料供給マ
ニホールドの内部に、燃料改質スタックの側面に向けて
燃焼火炎を形成する燃焼バーナを配置したものである。
A fuel reforming apparatus according to an eighth aspect of the present invention is the fuel reforming apparatus according to the sixth or seventh aspect, in which the combustion flame is formed inside the fuel supply manifold toward the side surface of the fuel reforming stack. A burner is arranged.

【0019】また、請求項9の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項1ないし8のものにおいて、改質反応
管、改質反応器、改質反応部、触媒燃焼器、または触媒
燃焼部の内壁面に触媒への伝熱を促進する伝熱フィンを
設けたものである。
A fuel reforming apparatus according to a ninth aspect of the present invention is the fuel reforming apparatus according to any one of the first to eighth aspects, wherein the reforming reaction tube, the reforming reactor, the reforming reaction section, the catalytic combustor, or the catalytic combustion. Heat transfer fins for promoting heat transfer to the catalyst are provided on the inner wall surface of the section.

【0020】また、請求項10の発明に係る燃料改質装
置は、上記請求項1ないし9のものにおいて、改質反応
管、改質反応器、改質反応部、触媒燃焼器、または触媒
燃焼部の内壁面、または上記請求項9の伝熱フィンの表
面に触媒膜を形成したものである。
A fuel reforming apparatus according to a tenth aspect of the present invention is the fuel reforming apparatus according to any one of the first to ninth aspects, wherein the reforming reaction tube, the reforming reactor, the reforming reaction section, the catalytic combustor, or the catalytic combustion. A catalyst film is formed on the inner wall surface of the portion or on the surface of the heat transfer fin of claim 9.

【0021】[0021]

【作用】請求項1の発明では、改質反応管の伝熱面と燃
焼バーナの燃焼面とを対向して配置したので、主に燃焼
バーナの固体面からの輻射熱により直接改質反応管を加
熱する。したがって、燃焼バーナ近傍の燃焼ガス温度を
均一にすれば、改質反応管を均一に加熱することができ
る。また、燃焼バーナには改質反応管への輻射熱伝達が
作用するので、燃焼バーナの最高温度を低下させる。
According to the invention of claim 1, the heat transfer surface of the reforming reaction tube and the combustion surface of the combustion burner are arranged so as to face each other. Therefore, the reforming reaction tube is directly formed by radiant heat from the solid surface of the combustion burner. To heat. Therefore, if the temperature of the combustion gas near the combustion burner is made uniform, the reforming reaction tube can be heated uniformly. Further, since the radiant heat transfer to the reforming reaction tube acts on the combustion burner, the maximum temperature of the combustion burner is lowered.

【0022】また、請求項2の発明では、燃焼バーナ
を、周囲に空気噴射ノズルが配置された複数個の燃料噴
射ノズルで構成したので、火炎形成面の面積を大きく
し、輻射熱伝達を促進させることができる。
According to the second aspect of the present invention, the combustion burner is composed of a plurality of fuel injection nozzles around which air injection nozzles are arranged. Therefore, the area of the flame forming surface is increased and radiation heat transfer is promoted. be able to.

【0023】また、請求項3の発明では、円筒状の燃焼
バーナの燃焼面と改質触媒が装填された円筒状の改質反
応管の伝熱面とを互いに対向して同心円状に構成したの
で、燃焼バーナから発生する燃焼熱を有効に改質反応管
の加熱に利用することができる。また、円筒状の燃焼ガ
スの排気流路と円筒状の燃焼用空気の流入流路を隣接し
て同心円状に構成したので、燃焼ガスと燃焼用空気の熱
交換が図れる。
Further, in the invention of claim 3, the combustion surface of the cylindrical combustion burner and the heat transfer surface of the cylindrical reforming reaction tube loaded with the reforming catalyst are opposed to each other and are concentrically formed. Therefore, the combustion heat generated from the combustion burner can be effectively used for heating the reforming reaction tube. Further, since the exhaust passage of the cylindrical combustion gas and the inflow passage of the cylindrical combustion air are adjacently arranged to be concentric, heat exchange between the combustion gas and the combustion air can be achieved.

【0024】また、請求項4の発明では、改質反応器と
触媒燃焼器とをそれぞれ伝熱面を接触させて隣接して設
けたので、触媒燃焼器で発生した熱が直接改質反応器に
伝えられる。さらに、燃焼用触媒は改質反応の吸熱によ
り冷却されるので、燃焼用触媒の温度が耐熱温度以上に
上昇するのを防止できる。
Further, in the invention of claim 4, since the reforming reactor and the catalytic combustor are provided adjacent to each other with their heat transfer surfaces in contact with each other, the heat generated in the catalytic combustor is directly applied to the reforming reactor. Be transmitted to. Furthermore, since the combustion catalyst is cooled by the heat absorption of the reforming reaction, it is possible to prevent the temperature of the combustion catalyst from rising above the heat resistant temperature.

【0025】また、請求項5の発明では、上記請求項4
のものにおいて、改質反応器および触媒燃焼器の少なく
とも一方に隣接して電気ヒータを設けたので、主に触媒
燃焼器や改質反応器の起動に際して、改質触媒や燃焼用
触媒を触媒の動作温度まで均一に加熱し、迅速に燃料改
質装置を起動することができる。
According to the invention of claim 5, the above-mentioned claim 4 is adopted.
In this case, since an electric heater is provided adjacent to at least one of the reforming reactor and the catalytic combustor, the reforming catalyst and the combustion catalyst are mainly used when starting the catalytic combustor and the reforming reactor. The fuel reformer can be quickly started by uniformly heating to the operating temperature.

【0026】また、請求項6の発明では、炭化水素また
はアルコール原料から改質反応により水素を生成する改
質触媒を有する改質反応部と、空気と予混合した燃料ガ
スの燃焼により上記改質反応部を加熱する触媒燃焼部と
を備え、一対の上記触媒燃焼部と改質反応部から構成さ
れる燃料改質ユニットを触媒燃焼部と改質反応部が交互
に隣接するように複数ユニット積層して燃料改質スタッ
クを構成し、上記燃料改質スタックの側端部からそれぞ
れマニホールドを介して原料ガスおよび予混合燃料ガス
を供給すると共に、改質ガスおよび燃焼ガスを排出する
ように構成したので、比較的小さな容積で多量の水素を
効率よく製造することができる。
Further, in the invention of claim 6, the reforming reaction section having a reforming catalyst for producing hydrogen from a hydrocarbon or alcohol raw material by a reforming reaction, and the above reforming by combustion of a fuel gas premixed with air. A plurality of fuel reforming units including a catalytic combustion unit for heating the reaction unit, the fuel reforming unit including a pair of the catalytic combustion unit and the reforming reaction unit are stacked so that the catalytic combustion unit and the reforming reaction unit are alternately adjacent to each other. To form the fuel reforming stack, and to supply the raw material gas and the premixed fuel gas from the side ends of the fuel reforming stack through the respective manifolds, and to discharge the reforming gas and the combustion gas. Therefore, a large amount of hydrogen can be efficiently produced with a relatively small volume.

【0027】また、請求項7の発明では、上記請求項6
のものにおいて、原料ガス流路および燃料ガス流路の少
なくとも一方を複数個の部分ガス流路に分割し、上記部
分ガス流路間にガス混合部を設けたので、原料・改質ガ
スまたは燃料・燃焼ガスの流れに部分的な不均一が生じ
ても、ガス混合部で均一に混合されるので、流れの不均
一が改質反応や燃焼反応に影響するのを抑制する。
In the invention of claim 7, the above-mentioned claim 6
In this case, at least one of the raw material gas passage and the fuel gas passage is divided into a plurality of partial gas passages, and the gas mixing section is provided between the partial gas passages. Even if the flow of the combustion gas is partially non-uniform, the gas is uniformly mixed in the gas mixing section, so that the non-uniformity of the flow is prevented from affecting the reforming reaction and the combustion reaction.

【0028】また、請求項8の発明では、上記請求項6
または7のものにおいて、燃料供給マニホールドの内部
に、燃料改質スタックの側面に向けて燃焼火炎を形成す
る燃焼バーナを配置したので、燃料改質スタックの起動
に際して、触媒燃焼部入口の燃焼用触媒や改質反応部入
口の改質触媒を動作温度まで効率良く予熱することがで
き、燃料改質スタックの起動を迅速に行うことができ
る。
According to the invention of claim 8, the above-mentioned claim 6 is used.
Or 7, the combustion burner that forms the combustion flame toward the side surface of the fuel reforming stack is arranged inside the fuel supply manifold. Therefore, when starting the fuel reforming stack, the combustion catalyst at the inlet of the catalyst combustion section Also, the reforming catalyst at the inlet of the reforming reaction section can be efficiently preheated to the operating temperature, and the fuel reforming stack can be started quickly.

【0029】また、請求項9の発明では、上記請求項1
ないし8のものにおいて、改質反応管、改質反応器、改
質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面に触
媒への伝熱を促進する伝熱フィンを設けたので、例えば
燃焼ガスからの熱や改質ガスからの熱は改質反応管を介
して伝熱フィンに伝えられ、伝熱フィンに伝えられた熱
は輻射熱伝達、対流熱伝達により改質触媒に有効に伝達
されるので、改質反応管内壁と改質触媒との伝熱性能を
向上させることができる。
According to the invention of claim 9, the above-mentioned claim 1
8 to 8, the heat transfer fins for promoting heat transfer to the catalyst are provided on the inner wall surface of the reforming reaction tube, the reforming reactor, the reforming reaction section, the catalytic combustor, or the catalytic combustion section. The heat from the combustion gas and the heat from the reformed gas are transferred to the heat transfer fins via the reforming reaction tube, and the heat transferred to the heat transfer fins is effectively transferred to the reforming catalyst by radiant heat transfer and convective heat transfer. Therefore, the heat transfer performance between the inner wall of the reforming reaction tube and the reforming catalyst can be improved.

【0030】また、請求項10の発明では、上記請求項
1ないし9のものにおいて、改質反応管、改質反応器、
改質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面、
または上記請求項9の伝熱フィンの表面に触媒膜を形成
したので、例えば改質反応管の壁面に伝えられた熱は、
伝熱フィンを介して直接的に熱伝導により改質触媒に伝
達されるので、改質反応管の壁面と触媒との熱抵抗を大
幅に低減することができる。
According to a tenth aspect of the present invention, in the above first to ninth aspects, the reforming reaction tube, the reforming reactor,
Reforming reaction section, catalytic combustor, or inner wall surface of catalytic combustion section,
Alternatively, since the catalyst film is formed on the surface of the heat transfer fin in claim 9, for example, the heat transferred to the wall surface of the reforming reaction tube is
Since it is directly transferred to the reforming catalyst by heat conduction via the heat transfer fins, the thermal resistance between the wall surface of the reforming reaction tube and the catalyst can be significantly reduced.

【0031】[0031]

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。 実施例1.請求項1の発明に係る燃料改質装置の基本的
構成と作用を図1により説明する。図1は燃料改質装置
の燃焼バーナと改質反応管周りの構成を模式的に示す図
である。図において図20、図21および図22に示し
た従来の燃料改質装置と同一または相当部分には同一符
号を付し、その説明を省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Example 1. The basic configuration and operation of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 1 will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a combustion burner of a fuel reformer and a surrounding of a reforming reaction tube. In the figure, the same or corresponding parts as those of the conventional fuel reformer shown in FIGS. 20, 21 and 22 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0032】図において、20は燃料電池から排出され
た電池オフガス(燃料ガス)、21は燃料ガスをバーナ
に供給する燃料マニホールド、22は燃料ガスをバーナ
から噴射させる燃料噴射ノズル、23は燃焼に必要な空
気、24は空気をバーナに供給する空気マニホールド、
25は空気をバーナから噴射させる空気噴射ノズル、2
6は平面上に多数の隣合った燃料噴射ノズルと空気噴射
ノズルを持った燃焼バーナ、27は燃焼により形成され
る火炎面、11は燃焼ガスである。一方、原料ガス1と
改質ガス2の流路構成は従来の燃料改質装置と同様であ
る。
In the figure, 20 is a cell off gas (fuel gas) discharged from the fuel cell, 21 is a fuel manifold for supplying the fuel gas to the burner, 22 is a fuel injection nozzle for injecting the fuel gas from the burner, and 23 is for combustion. Required air, 24 is an air manifold that supplies air to the burner,
25 is an air injection nozzle for injecting air from the burner, 2
6 is a combustion burner having a large number of adjacent fuel injection nozzles and air injection nozzles on a plane, 27 is a flame surface formed by combustion, and 11 is a combustion gas. On the other hand, the flow passage configuration of the raw material gas 1 and the reformed gas 2 is the same as that of the conventional fuel reformer.

【0033】つぎにこの燃料改質装置の動作について説
明する。まず、燃料改質装置を起動する手順を述べる。
起動時の燃料ガスとして都市ガス(13A:メタンを主
成分とし、エタン、プロパン、ブタンを含む混合ガス)
を使用する場合について説明する。都市ガスの着火を確
実にするために、燃料マニホールド21に1次空気と予
混合した都市ガスを燃料ガス20として供給する。同時
に空気マニホールド24に2次空気を供給する。燃料ガ
ス20は燃料噴射ノズル22を経て燃焼バーナ26から
燃焼空間へ噴射され、空気23は空気噴射ノズル25を
経て燃焼バーナ26から燃焼空間へ噴射される。ノズル
より噴射された燃料ガス20と空気23は、相互に拡散
・混合し、燃焼により火炎面27を形成する。火炎をむ
らなく均一に形成するためには、各ノズルからの燃料ガ
ス・空気の噴射量を均一にする必要がある。これより噴
射した燃料ガスと空気は充分に拡散・混合し、均一な燃
焼が行われる。このように表面燃焼バーナ26により燃
焼が火炎面27の全面で起こり、主に輻射熱により改質
反応管10が均一に加熱される。高温の燃焼ガス11は
改質反応管10に沿って下方に流れ、この間、対流熱伝
達により改質反応管10を加熱する。さらに、燃焼ガス
11は改質反応管10の下端で流れを反転させ、今度は
改質反応管10と空気管に沿って上方に流れ、改質反応
管10を再び加熱するとともに燃焼用空気23を予熱す
る。
Next, the operation of this fuel reformer will be described. First, the procedure for starting the fuel reformer will be described.
City gas as fuel gas at startup (13A: mixed gas containing methane as a main component and ethane, propane, butane)
The case of using will be described. In order to ensure the ignition of the city gas, the city gas premixed with the primary air is supplied as the fuel gas 20 to the fuel manifold 21. At the same time, the secondary air is supplied to the air manifold 24. The fuel gas 20 is injected into the combustion space from the combustion burner 26 via the fuel injection nozzle 22, and the air 23 is injected into the combustion space from the combustion burner 26 via the air injection nozzle 25. The fuel gas 20 and the air 23 injected from the nozzle diffuse and mix with each other to form a flame surface 27 by combustion. In order to form a flame evenly and uniformly, it is necessary to make the injection amount of fuel gas and air from each nozzle uniform. The fuel gas and air injected from this are sufficiently diffused and mixed, and uniform combustion is performed. In this way, the surface combustion burner 26 causes combustion on the entire flame surface 27, and the radiant heat mainly heats the reforming reaction tube 10 uniformly. The hot combustion gas 11 flows downward along the reforming reaction tube 10 and, during this time, heats the reforming reaction tube 10 by convection heat transfer. Further, the combustion gas 11 reverses its flow at the lower end of the reforming reaction tube 10, and this time flows upward along the reforming reaction tube 10 and the air tube to heat the reforming reaction tube 10 again and to burn the combustion air 23. Preheat.

【0034】改質反応管10の温度が改質反応に適した
温度例えば800℃以上に達した時、スチームを含んだ
都市ガスを原料ガス1として改質触媒層7に導入する。
改質反応管10を出た改質ガス2は、原料ガス1と熱交
換し、燃料電池の動作温度にまで冷却され、燃料電池に
供給される。燃料電池では水素が消費されるので、水素
リッチの改質ガスは水素リーンの電池オフガスとなる。
この電池オフガスが都市ガスに替わって燃料ガス20と
して燃料改質装置に供給されると、起動が終了し定常運
転に移行する。
When the temperature of the reforming reaction tube 10 reaches a temperature suitable for the reforming reaction, for example, 800 ° C. or higher, city gas containing steam is introduced into the reforming catalyst layer 7 as the raw material gas 1.
The reformed gas 2 exiting the reforming reaction tube 10 exchanges heat with the raw material gas 1, is cooled to the operating temperature of the fuel cell, and is supplied to the fuel cell. Since hydrogen is consumed in the fuel cell, the hydrogen-rich reformed gas becomes hydrogen-lean cell off-gas.
When the battery off gas is supplied to the fuel reformer as the fuel gas 20 in place of the city gas, the start-up ends and the operation shifts to the steady operation.

【0035】定常運転では電池オフガス20が燃料マニ
ホールド21に供給され、電池オフガス20の燃焼によ
って改質反応管10が加熱され、燃料改質装置の連続運
転が維持される。電池オフガス20の可燃成分は着火性
の良い水素であるので、これを燃焼するには都市ガスを
燃焼するときのような予混合の空気を必要としない。
In the steady operation, the cell off-gas 20 is supplied to the fuel manifold 21, the combustion of the cell off-gas 20 heats the reforming reaction tube 10, and the continuous operation of the fuel reformer is maintained. Since the combustible component of the battery off gas 20 is hydrogen, which has a good ignitability, the premixed air required for burning city gas is not required to burn this hydrogen.

【0036】実施例2.請求項2の発明に係る燃料改質
装置の燃焼バーナの具体的構成に関する実施例を図2
(a)から図2(d)に示す。この実施例の燃焼バーナ
は周囲に空気噴射ノズル25が配置された多数の燃料噴
射ノズル22で構成され、各ノズル22、25はお互い
が隣合うように同一表面上に配置され、広い表面積の火
炎面を形成する。
Example 2. An embodiment relating to a specific configuration of a combustion burner of a fuel reforming apparatus according to the invention of claim 2 is shown in FIG.
2A to 2D. The combustion burner of this embodiment is composed of a large number of fuel injection nozzles 22 around which air injection nozzles 25 are arranged. The nozzles 22 and 25 are arranged on the same surface so that they are adjacent to each other, and a flame having a large surface area is provided. Form a surface.

【0037】図2(a)に示す燃料噴射ノズル22と空
気噴射ノズル25の配置を面心配置と呼ぶ。この配置
は、ある決まった火炎形成面の中に最も稠密に燃料・空
気噴射ノズルを配置することができる。1つの燃料噴射
ノズル22の周囲には4つの空気噴射ノズル25が配置
され、一方、1つの空気噴射ノズル25の周囲には4つ
の燃料噴射ノズル22が配置される。空気流量は燃料流
量に比べて大きいので、圧力損失を等しくするために
は、図に示されるように空気噴射ノズルの直径DAを燃
料噴射ノズルの直径DFよりも大きくする。なお、図に
おいて、PFは燃料噴射ノズルのピッチ、PAは空気噴射
ノズルのピッチである。
The arrangement of the fuel injection nozzle 22 and the air injection nozzle 25 shown in FIG. 2 (a) is called a face-centered arrangement. With this arrangement, the fuel / air injection nozzles can be arranged most densely in a certain flame forming surface. Four air injection nozzles 25 are arranged around one fuel injection nozzle 22, while four fuel injection nozzles 22 are arranged around one air injection nozzle 25. Since the air flow rate is larger than the fuel flow rate, in order to equalize the pressure loss, the diameter D A of the air injection nozzle is made larger than the diameter D F of the fuel injection nozzle as shown in the figure. In the figure, P F is the pitch of the fuel injection nozzles and P A is the pitch of the air injection nozzles.

【0038】図2(b)に示す燃料噴射ノズル22と空
気噴射ノズル25の配置を正方配置と呼ぶ。この配置
は、面心配置に比べてノズルのピッチPA、PFが同じで
も火炎形成面積当たりのノズル数を少なくすることがで
きる。燃料と空気の拡散を考慮すれば、ノズル間の距離
が広がった分、ノズル直径を大きくする必要がある。
The arrangement of the fuel injection nozzle 22 and the air injection nozzle 25 shown in FIG. 2B is called a square arrangement. This arrangement can reduce the number of nozzles per flame formation area even if the nozzle pitches P A and P F are the same as compared with the face-centered arrangement. Considering the diffusion of fuel and air, it is necessary to increase the nozzle diameter as the distance between the nozzles increases.

【0039】図2(c)に示す燃料噴射ノズル22と空
気噴射ノズル25の配置を六角配置と呼ぶ。1つの燃料
噴射ノズル22の周囲には6つの空気噴射ノズル25が
正六角形に配置されている。空気噴射ノズル25と燃料
噴射ノズル22の割合は2:1となり、燃料噴射ノズル
22の個数を減らすことができる。この例では、六角形
の中心に燃料噴射ノズル22が位置するが、中心に空気
噴射ノズル25が位置し、周囲に燃料噴射ノズル22が
配置される構成も考えられる。ただし、燃料噴射ノズル
22の六角配置では中心から噴射される空気の拡散の程
度により酸素不足になりやすい。特に、燃料流量当たり
の必要な酸素量が多い炭化水素系燃料の燃焼に際して
は、空気噴射ノズル25の六角配置が望ましい。
The arrangement of the fuel injection nozzle 22 and the air injection nozzle 25 shown in FIG. 2C is called a hexagonal arrangement. Six air injection nozzles 25 are arranged in a regular hexagon around one fuel injection nozzle 22. The ratio of the air injection nozzles 25 to the fuel injection nozzles 22 is 2: 1 and the number of the fuel injection nozzles 22 can be reduced. In this example, the fuel injection nozzle 22 is located at the center of the hexagon, but it is also conceivable that the air injection nozzle 25 is located at the center and the fuel injection nozzle 22 is arranged around it. However, in the hexagonal arrangement of the fuel injection nozzles 22, oxygen tends to be insufficient due to the degree of diffusion of air injected from the center. In particular, the hexagonal arrangement of the air injection nozzles 25 is desirable when burning a hydrocarbon-based fuel that requires a large amount of oxygen per fuel flow rate.

【0040】図2(d)に示すノズルの配置を同心配置
と呼ぶ。中心に燃料噴射ノズル22を位置し、同心の環
状部に空気噴射ノズル25を配置させる。ノズルの先端
にはAーA’線断面を図2(e)に示すように切欠き
(面取り)を設け、空気の流線と燃料の流線を流れの直
角方向に曲げて、燃料と空気の混合を促進する。この切
欠きは、他のノズル配置についても設けることができ
る。燃料と空気の混合を良くすれば、火炎形成面はノズ
ル端面から近くなり、バーナ表面からの輻射熱伝達を促
進することができる。
The arrangement of nozzles shown in FIG. 2D is called concentric arrangement. The fuel injection nozzle 22 is located at the center, and the air injection nozzle 25 is arranged in the concentric annular portion. As shown in Fig. 2 (e), the nozzle has a notch (chamfer) in the cross section taken along the line AA ', and the air flow line and the fuel flow line are bent at right angles to each other, so that the fuel and the air flow Promotes mixing. This notch can also be provided for other nozzle arrangements. If the mixture of fuel and air is improved, the flame forming surface becomes closer to the end surface of the nozzle, and the radiation heat transfer from the burner surface can be promoted.

【0041】実施例3.請求項3の発明に係る燃料改質
装置の具体的構成に関する実施例を図3および図4を参
照して示す。この実施例の燃料改質装置は、図22で示
される従来の燃料改質装置が単一の燃焼バーナと複数の
改質反応管10で構成されているのに対し、一対の燃焼
バーナと改質反応管で構成される。また、図21で燃焼
ガス流路内に充填されていた伝熱充填粒子13も除去す
る。
Example 3. An embodiment relating to a specific configuration of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 3 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. In the fuel reformer of this embodiment, the conventional fuel reformer shown in FIG. 22 is composed of a single combustion burner and a plurality of reforming reaction tubes 10, whereas a pair of combustion burners is modified. It is composed of quality reaction tubes. Further, the heat transfer filling particles 13 filled in the combustion gas passage in FIG. 21 are also removed.

【0042】図3は燃焼バーナ26を加熱炉の外周側に
配置し、加熱される環状改質反応管10をその内側に配
置した例である。最も外側の断熱材19と表面燃焼バー
ナ26の間に燃料マニホールド21を設け、その内側に
空気マニホールド24を設けている。燃料ガス20と燃
焼用空気23はそれぞれ燃料噴射ノズル22と空気噴射
ノズル25から中心に向かって噴射され、燃焼が行われ
る。燃焼ガス11は改質反応管10に沿って外側から内
側を流れ、最も中心を流れる燃焼用空気23を予熱す
る。このような外周側に燃焼バーナ26があり、燃焼ガ
ス11が外側から内側に流れる外炎内向流型は、燃焼バ
ーナ26の伝熱面積が大きいので、燃焼バーナ26から
改質反応管10への伝熱量を最も大きくすることができ
る。反面、加熱炉の外周部が高温になるので、外部への
放熱が大きくなり、それを抑えるために断熱材19を厚
くすると、装置が大型化する。そこで、この型の燃料改
質装置では、外部放熱を抑えるため断熱材19の内壁を
輻射率の低い材料で覆い、外側への輻射伝熱を抑えるこ
とが有効である。
FIG. 3 shows an example in which the combustion burner 26 is arranged on the outer peripheral side of the heating furnace, and the annular reforming reaction tube 10 to be heated is arranged inside thereof. A fuel manifold 21 is provided between the outermost heat insulating material 19 and the surface combustion burner 26, and an air manifold 24 is provided inside thereof. The fuel gas 20 and the combustion air 23 are injected toward the center from the fuel injection nozzle 22 and the air injection nozzle 25, respectively, and burned. The combustion gas 11 flows from the outer side to the inner side along the reforming reaction tube 10 and preheats the combustion air 23 flowing at the center. In the external flame inflow type in which the combustion burner 26 is provided on the outer peripheral side and the combustion gas 11 flows from the outside to the inside, the heat transfer area of the combustion burner 26 is large, so that the combustion burner 26 transfers to the reforming reaction tube 10. The amount of heat transfer can be maximized. On the other hand, since the temperature of the outer peripheral portion of the heating furnace becomes high, heat radiation to the outside becomes large, and if the heat insulating material 19 is thickened to suppress it, the device becomes large. Therefore, in this type of fuel reformer, it is effective to cover the inner wall of the heat insulating material 19 with a material having a low emissivity in order to suppress heat radiation to the outside to suppress radiant heat transfer to the outside.

【0043】実施例4.図4は表面燃焼バーナ26を加
熱炉の中心軸に配置し、加熱される環状改質反応管10
をその外側に配置した例である。中心軸に燃料マニホー
ルド21を設け、その外側に空気マニホールド24を設
ける。燃料ガス20と燃焼用空気23は燃料噴射ノズル
22、空気噴射ノズル25から外側に向かって放射状に
噴射され、燃焼が行われる。燃焼後の排ガス11は改質
反応管10に沿って内側から外側に流れ、最も外側に流
れる燃焼用空気23を予熱する。このような中心軸に燃
焼バーナ26があり、燃焼ガス11が内側から外側に流
れる内炎外向流型は、前述の外炎内向流型に比べて表面
燃焼バーナ26の伝熱面積が小さいので、改質反応管1
0への伝熱量は比較的小さくなる。ただし、従来の集中
バーナに比べると、燃焼バーナ26と改質反応管10が
対向しているので、輻射熱を有効に利用することができ
る。また、外炎内向流型に比べて環状改質反応管10の
直径を大きくとれるので、充填可能な改質触媒7量を増
やすことができ、触媒の長寿命化に有利である。なお、
この型の燃料改質装置では、燃焼が加熱炉の内部で行わ
れるので、外部への放熱を小さくすることができる。
Example 4. In FIG. 4, the surface combustion burner 26 is arranged on the central axis of the heating furnace, and the annular reforming reaction tube 10 is heated.
Is an example in which is arranged on the outside. A fuel manifold 21 is provided on the central axis, and an air manifold 24 is provided on the outside thereof. The fuel gas 20 and the combustion air 23 are radially ejected outward from the fuel injection nozzle 22 and the air injection nozzle 25 to perform combustion. The exhaust gas 11 after combustion flows from the inner side to the outer side along the reforming reaction tube 10, and preheats the combustion air 23 flowing to the outermost side. Since the internal flame outward flow type in which the combustion burner 26 flows on the central axis and the combustion gas 11 flows from the inner side to the outer side is smaller in heat transfer area of the surface combustion burner 26 than the external flame inward flow type described above, Reforming reaction tube 1
The amount of heat transferred to 0 is relatively small. However, as compared with the conventional concentrated burner, since the combustion burner 26 and the reforming reaction tube 10 face each other, the radiant heat can be effectively used. Further, since the diameter of the annular reforming reaction tube 10 can be made larger than that of the external flame inward flow type, the amount of the reforming catalyst 7 that can be filled can be increased, which is advantageous in extending the life of the catalyst. In addition,
In this type of fuel reformer, since combustion is performed inside the heating furnace, it is possible to reduce heat radiation to the outside.

【0044】実施例5.上記実施例1、3、4のものに
請求項9の発明を適用した場合の一実施例を図5を参照
して説明する。図において、28は改質反応管10の内
部に設けられた波形伝熱フィンであり、この伝熱フィン
28は同時に原料ガス流路1aを形成する。改質反応管
10の壁面から熱伝導により伝熱フィン28に伝えられ
た熱は、伝熱フィン28を介して改質触媒7に伝えられ
る。このように原料ガス流路1aに伝熱フィン28を設
けることにより伝熱面積が大きくなり、改質触媒7への
伝熱が促進される。なお、伝熱フィン28は熱伝導性に
優れ、高温での輻射率が高く、かつ熱膨張・熱収縮に耐
える強度を持った材料から構成される。
Example 5. An embodiment in which the invention of claim 9 is applied to the above-mentioned first, third, and fourth embodiments will be described with reference to FIG. In the figure, 28 is a corrugated heat transfer fin provided inside the reforming reaction tube 10, and this heat transfer fin 28 simultaneously forms the raw material gas flow path 1a. The heat transferred from the wall surface of the reforming reaction tube 10 to the heat transfer fins 28 by heat conduction is transferred to the reforming catalyst 7 via the heat transfer fins 28. By providing the heat transfer fins 28 in the raw material gas passage 1a in this way, the heat transfer area is increased, and heat transfer to the reforming catalyst 7 is promoted. The heat transfer fin 28 is made of a material having excellent thermal conductivity, high emissivity at high temperature, and strength enough to withstand thermal expansion / contraction.

【0045】図5に示す伝熱フィン28はコルゲート
(波形)の形状が円弧形のストレートフィンであるが、
その他コルゲートの形状により角形、台形、三角形のフ
ィンが考えられる。また、コルゲートが半ピッチずれた
伝熱フィンの形状の一例を図6に示す。この伝熱フィン
は1山のコルゲート(角形)が半ピッチずれた千鳥配置
の形状を有し、改質触媒7はこのコルゲートの内部に充
填される。矢印A、Bは二通りの原料ガスの流し方を示
す。流れAは原料ガスがコルゲートに対して直角に流れ
る場合で、流れBは原料ガスがコルゲートに対して平行
に流れる場合である。流れAでは原料ガスと触媒との接
触回数が多くなるが圧力損失も大きくなる。一方、流れ
Bでは原料ガスと触媒の接触回数は比較的少なくなるが
圧力損失は小さくなる。例えば、改質反応を促進したい
場所では流れAを採用し、改質反応を抑制した場所では
流れBを採用する。また、流れA、流れBに対してある
傾いた角度をもった流れを考えることもできる。なお、
伝熱フィン28から触媒へ熱輻射により伝わる熱量は、
触媒粒子と伝熱フィン28との形態係数とそれぞれの輻
射率によって決まるため、2つの流れで差は生じない。
対流熱伝達については、流れがより乱されるAが大きい
ようである。
The heat transfer fin 28 shown in FIG. 5 is a straight fin having a corrugated (corrugated) arc shape.
Depending on the shape of the corrugate, square, trapezoidal, or triangular fins are possible. FIG. 6 shows an example of the shape of the heat transfer fins in which the corrugations are displaced by a half pitch. This heat transfer fin has a zigzag arrangement in which one corrugation (square shape) is displaced by a half pitch, and the reforming catalyst 7 is filled inside this corrugation. Arrows A and B indicate two ways of flowing the source gas. Flow A is when the source gas flows at a right angle to the corrugate, and flow B is when the source gas flows parallel to the corrugate. In the flow A, the number of contact between the raw material gas and the catalyst increases, but the pressure loss also increases. On the other hand, in the flow B, the number of contact between the source gas and the catalyst is relatively small, but the pressure loss is small. For example, the flow A is adopted in a place where the reforming reaction is desired to be promoted, and the flow B is adopted in a place where the reforming reaction is suppressed. It is also possible to consider a flow having an inclined angle with respect to the flow A and the flow B. In addition,
The amount of heat transferred from the heat transfer fins 28 to the catalyst by heat radiation is
There is no difference between the two flows because it is determined by the form factors of the catalyst particles and the heat transfer fins 28 and their respective emissivities.
For convective heat transfer, the A appears to be the more disturbed the flow.

【0046】実施例6.図7に改質反応管10の内部に
伝熱フィン28を設けた他の実施例を示す。この実施例
では原料ガス1の流れが螺旋状に旋回するように伝熱フ
ィン28を設けたので、伝熱面積が増大するだけでなく
原料ガスの流速が増大し、反応が促進される。この形の
伝熱フィン28では、図に示した螺旋角度θが大きいほ
ど原料ガスの流速と伝熱面積が増えるので、螺旋角度θ
を流れ方向に変えることによって改質反応管10の内壁
面と改質触媒7の間の熱抵抗を原料ガスの流れ方向に変
えることができる。
Example 6. FIG. 7 shows another embodiment in which the heat transfer fins 28 are provided inside the reforming reaction tube 10. In this embodiment, the heat transfer fins 28 are provided so that the flow of the raw material gas 1 spirally swirls, so that not only the heat transfer area is increased but also the flow rate of the raw material gas is increased to promote the reaction. In the heat transfer fin 28 of this shape, as the spiral angle θ shown in the figure increases, the flow velocity of the source gas and the heat transfer area increase, so the spiral angle θ
Is changed in the flow direction, the thermal resistance between the inner wall surface of the reforming reaction tube 10 and the reforming catalyst 7 can be changed in the flow direction of the raw material gas.

【0047】実施例7.上記実施例1、3〜6のものに
請求項10の発明を適用した場合の一実施例を図8を参
照して説明する。図において、28は改質反応管10の
内部に設けられた波形伝熱フィンであり、29は伝熱フ
ィン28の表面にコーティングされ、管壁に固着し一体
化した改質触媒膜である。この実施例では、熱は壁面か
ら直接的に固体内の熱伝導によりコーティングされた触
媒膜29に伝わるので、充填層の触媒への対流熱伝達、
輻射熱伝達に比べて極めて速く熱が伝達される。これよ
り、改質反応管の壁面と改質触媒との熱抵抗を著しく小
さくすることができる。なお、改質反応管10の内壁面
に改質触媒膜29をコーティングしてもよい。
Example 7. An embodiment in which the invention of claim 10 is applied to the above-mentioned first, third, and sixth embodiments will be described with reference to FIG. In the figure, 28 is a corrugated heat transfer fin provided inside the reforming reaction tube 10, and 29 is a reforming catalyst film which is coated on the surface of the heat transfer fin 28 and fixed to the wall of the tube and integrated. In this embodiment, heat is transferred from the wall surface directly to the catalyst film 29 coated by heat conduction in the solid, so that convective heat transfer to the catalyst in the packed bed,
Heat is transferred much faster than radiant heat transfer. As a result, the thermal resistance between the wall surface of the reforming reaction tube and the reforming catalyst can be significantly reduced. The reforming catalyst film 29 may be coated on the inner wall surface of the reforming reaction tube 10.

【0048】つぎに、伝熱フィン28の表面や改質反応
管10壁面に触媒をコーティングする方法について述べ
る。通常、改質触媒は、アルミナ、マグネシアなどのセ
ラミック多孔質体に、ニッケル、ルテニウムのような触
媒活性物質を担持させたもので構成される。一方、伝熱
フィン28や改質反応管10の材質には、鋼とニッケ
ル、クロムの合金であるステンレス鋼が使用される。伝
熱フィン28の表面に触媒膜29を形成させるために
は、例えば、触媒の担体になるアルミナ、マグネシアな
どの物質をプラズマ溶射等の溶射法により0.5〜1.0mm程
度の厚さになるように伝熱フィン28の表面に固定す
る。触媒の担体物質を固定した伝熱フィン28を触媒活
性のあるニッケルなどの金属塩の水溶液中に浸漬させ、
活性金属を例えば担体の2〜30重量%付着させた後、
乾燥、熱分解の工程をとるという方法を用いることがで
きる。また、伝熱フィン28表面に通常の改質触媒の粉
末を溶射した後、活性化することもできる。また、電気
泳動法により多孔質性担体層を形成した後、活性金属を
含む溶液に浸漬し、活性金属を付着させた後、活性化を
行った触媒や、改質触媒として一般に用いられるラネー
触媒(例えばニッケル含有量30〜50%のNi-Al合金層を
伝熱フィン28表面に設け、しかる後にAlを展開するこ
とにより得られる表面積の大きなラネーニッケル触媒)
など、伝熱フィン28の表面に形成される適当な活性を
持った触媒であれば、上記実施例と同等の効果をあげる
触媒として使用することができる。
Next, a method of coating the surface of the heat transfer fins 28 and the wall surface of the reforming reaction tube 10 with a catalyst will be described. Usually, the reforming catalyst is composed of a porous ceramic material such as alumina or magnesia carrying a catalytically active substance such as nickel or ruthenium. On the other hand, as the material of the heat transfer fins 28 and the reforming reaction tube 10, stainless steel, which is an alloy of steel, nickel, and chromium, is used. In order to form the catalyst film 29 on the surface of the heat transfer fin 28, for example, a material such as alumina or magnesia that becomes a catalyst carrier is formed to a thickness of about 0.5 to 1.0 mm by a thermal spraying method such as plasma spraying. It is fixed to the surface of the heat transfer fin 28. The heat transfer fin 28 to which the carrier material of the catalyst is fixed is immersed in an aqueous solution of a metal salt having catalytic activity such as nickel,
After depositing the active metal, for example 2 to 30% by weight of the carrier,
A method of taking steps of drying and thermal decomposition can be used. Alternatively, the surface of the heat transfer fin 28 may be activated after thermal spraying of a powder of a normal reforming catalyst. In addition, after the porous carrier layer is formed by the electrophoretic method, it is immersed in a solution containing an active metal to deposit the active metal and then activated, or a Raney catalyst generally used as a reforming catalyst. (For example, a Raney nickel catalyst having a large surface area obtained by providing a Ni-Al alloy layer having a nickel content of 30 to 50% on the surface of the heat transfer fin 28, and then developing Al)
Any catalyst having an appropriate activity formed on the surface of the heat transfer fins 28 can be used as a catalyst having the same effect as that of the above-mentioned embodiment.

【0049】実施例8.請求項9の発明に係る燃料改質
装置の他の実施例を図9を参照して説明する。この実施
例に係る燃料改質装置は環状の改質反応管10の構成や
原料ガス1および改質ガス2の流れについては図5に示
した実施例5の場合と同一であるが、原料ガス流路を異
なった改質触媒7の充填パターンで2分割している点で
上記実施例5(図5)と異なっている。図において、2
8は伝熱フィン、30aは伝熱フィンのコルゲートの片
側にのみ改質触媒7を充填した入口側原料ガス流路、3
0bはコルゲートの全部に改質触媒7を充填した出口側
原料ガス流路である。
Example 8. Another embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 9 will be described with reference to FIG. The structure of the annular reforming reaction tube 10 and the flows of the raw material gas 1 and the reformed gas 2 of the fuel reforming apparatus according to this embodiment are the same as those of the fifth embodiment shown in FIG. This is different from Example 5 (FIG. 5) in that the flow path is divided into two by different filling patterns of the reforming catalyst 7. In the figure, 2
Reference numeral 8 is a heat transfer fin, 30a is an inlet side raw material gas flow path in which the reforming catalyst 7 is filled in only one side of the heat transfer fin corrugate, 3
Reference numeral 0b is an outlet-side raw material gas flow path in which the reforming catalyst 7 is filled in the entire corrugate.

【0050】原料ガス1は入口側流路30aに導入さ
れ、改質触媒7により改質反応を起こす。ただし、改質
触媒7が充填されていないコルゲートに流れた原料ガス
は改質反応を起こさないので、過度の改質反応を抑制す
ることができる。出口側流路30bでは、コルゲートの
全部に改質触媒7が充填されているので、入口側流路3
0aの触媒が充填されていないコルゲートに流れた原料
ガスもここで改質される。このように原料ガスの流れ方
向で改質触媒7の充填パターンを変えることにより改質
反応を均一に起こさせ、吸熱分布を均一化することがで
きる。
The raw material gas 1 is introduced into the inlet side flow passage 30a, and a reforming reaction is caused by the reforming catalyst 7. However, since the raw material gas that has flowed into the corrugation not filled with the reforming catalyst 7 does not cause the reforming reaction, it is possible to suppress an excessive reforming reaction. Since the reforming catalyst 7 is filled in all of the corrugates in the outlet side flow passage 30b, the inlet side flow passage 3
The raw material gas that has flowed to the corrugation not filled with the catalyst of 0a is also reformed here. In this way, by changing the filling pattern of the reforming catalyst 7 depending on the flow direction of the raw material gas, the reforming reaction can be uniformly caused and the endothermic distribution can be made uniform.

【0051】なお、この実施例では、原料ガス流路を2
分割したが、触媒充填パターンを増やし、分割数を増や
すことによってより一層の改質反応の均一化が実現でき
る。また、触媒充填パターンだけでなく、実施例5、実
施例6、実施例7に示したように伝熱フィンの形状や触
媒コーティング量を変化させて原料ガス流路の構成を変
化させることもできる。
In this embodiment, the raw material gas flow path is set to 2
Although it was divided, the reforming reaction can be made more uniform by increasing the catalyst filling pattern and increasing the number of divisions. Further, not only the catalyst filling pattern, but also the shapes of the heat transfer fins and the catalyst coating amount can be changed to change the constitution of the raw material gas passages as shown in the fifth, sixth and seventh embodiments. .

【0052】実施例9.請求項4の発明に係る燃料改質
装置の一実施例を図10を参照して説明する。図10は
燃焼バーナに触媒燃焼器を適用した燃料改質装置の構成
を模式的に示した図である。図において、31は燃料ガ
スと燃焼用空気の予混合ガス、32は燃焼器の内部に設
けられた伝熱フィン、33は燃焼用触媒、34は触媒燃
焼器である。燃焼用触媒33としてはアルミナの担体に
Pt,Pdを担持させた多孔性触媒を使用する。予混合ガス
31中の可燃成分と酸素が触媒33のポア内を拡散し、
金属粒子表面に吸着して、可燃成分の酸化反応が進行す
る。酸化反応により生成した炭酸ガス、スチームは反応
ガスとは逆方向にポア内を拡散し、触媒粒子外へ排出さ
れる。燃焼用触媒33で発生した熱は、燃焼ガスの対流
と、触媒粒子表面と伝熱フィン32間の輻射により伝熱
フィン32に伝えられる。触媒燃焼器34は改質反応器
10に隣接し、燃焼により発生した熱を改質反応器10
に効率的に伝達する。
Example 9. An embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 4 will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration of a fuel reformer in which a catalytic combustor is applied to a combustion burner. In the figure, 31 is a premixed gas of fuel gas and combustion air, 32 is a heat transfer fin provided inside the combustor, 33 is a combustion catalyst, and 34 is a catalytic combustor. As the combustion catalyst 33, a carrier of alumina is used.
A porous catalyst supporting Pt and Pd is used. The combustible components and oxygen in the premixed gas 31 diffuse in the pores of the catalyst 33,
By adsorbing on the surface of the metal particles, the oxidation reaction of the combustible component proceeds. Carbon dioxide gas and steam generated by the oxidation reaction diffuse in the pores in the direction opposite to the reaction gas and are discharged to the outside of the catalyst particles. The heat generated in the combustion catalyst 33 is transferred to the heat transfer fins 32 by the convection of the combustion gas and the radiation between the surfaces of the catalyst particles and the heat transfer fins 32. The catalytic combustor 34 is adjacent to the reforming reactor 10 and transfers heat generated by combustion to the reforming reactor 10.
To communicate efficiently.

【0053】従来、触媒燃焼では触媒表面では燃料が瞬
時に燃焼するので、触媒表面の温度は断熱火炎温度にま
で上昇し、触媒は熱的な劣化を生じる。燃料電池用の燃
料改質装置は、燃料ガスとして低発熱量の電池オフガス
を使用するので、通常の燃料に比べて断熱火炎温度は低
く、触媒燃焼にとって好適である。さらに、本実施例で
は燃焼用触媒33は改質反応の吸熱により冷却され、燃
焼用触媒33の温度を耐熱温度以下に引き下げることが
できる。
Conventionally, in catalytic combustion, fuel burns instantaneously on the surface of the catalyst, so the temperature of the surface of the catalyst rises to the adiabatic flame temperature, and the catalyst thermally deteriorates. Since the fuel reformer for a fuel cell uses a low calorific value of cell off-gas as a fuel gas, the adiabatic flame temperature is lower than that of a normal fuel, which is suitable for catalytic combustion. Further, in the present embodiment, the combustion catalyst 33 is cooled by the heat absorption of the reforming reaction, and the temperature of the combustion catalyst 33 can be lowered to the heat resistant temperature or lower.

【0054】図11に改質反応器と触媒燃焼器との隔壁
を一つの伝熱フィン28にて兼用した燃料改質装置を示
す。図で伝熱フィン28の上面には改質触媒7が充填さ
れ、下面には燃焼用触媒33が充填される。改質触媒7
と燃焼用触媒33の隔壁は1枚の伝熱フィン28で構成
されているので、伝熱フィン28と隔壁間の接触による
熱抵抗分を減らすことができる。なお、ここでは、上面
に改質触媒7を充填し、下面に燃焼用触媒33を充填し
たが、上面に燃焼用触媒33を充填し、下面に改質触媒
7を充填してもよい。
FIG. 11 shows a fuel reformer in which one heat transfer fin 28 also serves as the partition wall of the reforming reactor and the catalytic combustor. In the figure, the reforming catalyst 7 is filled in the upper surface of the heat transfer fin 28, and the combustion catalyst 33 is filled in the lower surface. Reforming catalyst 7
Since the partition wall of the combustion catalyst 33 is composed of one heat transfer fin 28, the thermal resistance due to the contact between the heat transfer fin 28 and the partition wall can be reduced. Although the upper surface is filled with the reforming catalyst 7 and the lower surface is filled with the combustion catalyst 33, the upper surface may be filled with the combustion catalyst 33 and the lower surface may be filled with the reforming catalyst 7.

【0055】実施例10.図12に図11のものに請求
項10の発明を適用した実施例を示す。この例では、伝
熱フィン28の片側に燃焼用触媒33をコーティング
し、その反対側に改質触媒7をコーティングしている。
従来の熱伝達の経路には、燃焼ガスの対流や壁面間の輻
射が介在するので、改質反応の反応速度は伝熱律速とな
る場合が多い。この実施例では、燃焼用触媒33で発生
した燃焼熱は伝熱フィン28の内部を熱伝導により通過
し、改質触媒7に伝わるので、熱抵抗は極めて小さくな
る。したがって、改質反応の反応速度は触媒本来の反応
速度を発揮することができる。
Example 10. FIG. 12 shows an embodiment in which the invention of claim 10 is applied to that of FIG. In this example, one side of the heat transfer fin 28 is coated with the combustion catalyst 33, and the other side thereof is coated with the reforming catalyst 7.
Since the convection of the combustion gas and the radiation between the walls are present in the conventional heat transfer path, the reaction rate of the reforming reaction is often heat transfer rate limiting. In this embodiment, the combustion heat generated in the combustion catalyst 33 passes through the heat transfer fins 28 by heat conduction and is transmitted to the reforming catalyst 7, so that the thermal resistance becomes extremely small. Therefore, the reaction rate of the reforming reaction can exhibit the original reaction rate of the catalyst.

【0056】実施例11.図13に請求項4の発明のさ
らに他の実施例を示す。図13(a)は斜視図、(b)
はB−B’線断面図である。円筒形の最外周の環状部に
触媒燃焼器34を設け、その内側の環状部に改質反応器
10を設ける。従来の技術で説明したように、改質反応
器10は触媒充填部と流れが反転する改質ガス流路の二
重管構造になっている。触媒燃焼器34を出た高温燃焼
ガスについても流れを反転させ、中心方向に流して燃焼
用空気を予熱する。
Example 11. FIG. 13 shows still another embodiment of the invention of claim 4. FIG. 13A is a perspective view, FIG.
FIG. 7 is a sectional view taken along line BB ′. The catalytic combustor 34 is provided in the outermost annular portion of the cylindrical shape, and the reforming reactor 10 is provided in the inner annular portion thereof. As described in the related art, the reforming reactor 10 has a double tube structure of a reforming gas flow path in which the flow is reversed with the catalyst filling portion. The flow of the high temperature combustion gas that has left the catalytic combustor 34 is also reversed and flows toward the center to preheat the combustion air.

【0057】なお、この実施例では、図13(b)に各
ガスの流れを示すように、最外周部に触媒燃焼器34を
配置し、各ガスの流れは外周から中心方向に向いている
が、中心部に触媒燃焼器34を設け、ガスの流れを中心
から外周方向に向けてもよく、上記実施例と同様の効果
がある。また、この例の場合にも伝熱フィン28を図7
に示したように螺旋状に設けてもよく、図7の場合と同
様の効果が得られる。
In this embodiment, as shown in FIG. 13 (b), the flow of each gas is provided with a catalytic combustor 34 at the outermost periphery, and the flow of each gas is directed from the outer periphery toward the center. However, the catalytic combustor 34 may be provided at the center so that the gas flow is directed from the center to the outer peripheral direction, and the same effect as that of the above embodiment is obtained. In addition, in the case of this example as well, the heat transfer fin 28 is provided in
As shown in FIG. 7, it may be provided in a spiral shape, and the same effect as in the case of FIG. 7 can be obtained.

【0058】実施例12.請求項5の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図14を参照して説明する。図14
は触媒燃焼器34の加熱に電気ヒータ54を使用した燃
料改質装置の構成を示す。この実施例では、主に起動時
に触媒燃焼器34を均一に加熱するため、触媒燃焼器3
4に隣接して電気ヒータ54を設ける。燃焼用触媒33
は触媒の動作温度まで電気ヒータ54により加熱され
る。その後、空気と予混合された燃料ガス31を触媒燃
焼器34に供給し、燃焼熱により改質反応器10を動作
温度に加熱する。このように、電気ヒータ54の出力は
所定時間に燃焼用触媒33を動作温度まで加熱する熱量
で決められる。触媒燃焼器34の熱容量が大きい場合に
は、全体を動作温度まで加熱するのは非効率的なので、
燃焼器入口の触媒を重点的に電気ヒータ54により加熱
し、入口部触媒の燃焼により下流側の触媒を加熱する方
法を採ることもできる。
Example 12 An embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 5 will be described with reference to FIG. 14
Shows the structure of a fuel reformer using an electric heater 54 to heat the catalytic combustor 34. In this embodiment, the catalytic combustor 34 is heated uniformly at the time of startup, so the catalytic combustor 3
An electric heater 54 is provided adjacent to No. 4. Combustion catalyst 33
Is heated by an electric heater 54 to the operating temperature of the catalyst. Then, the fuel gas 31 premixed with air is supplied to the catalytic combustor 34, and the reforming reactor 10 is heated to the operating temperature by the combustion heat. Thus, the output of the electric heater 54 is determined by the amount of heat that heats the combustion catalyst 33 to the operating temperature in a predetermined time. When the heat capacity of the catalytic combustor 34 is large, it is inefficient to heat the whole to the operating temperature.
It is also possible to employ a method in which the catalyst at the combustor inlet is intensively heated by the electric heater 54, and the catalyst at the downstream side is heated by the combustion of the catalyst at the inlet.

【0059】図15は触媒燃焼器34と改質反応器10
の両方の加熱に電気ヒータ54を使用した燃料改質装置
の構成を示す。この実施例では、触媒燃焼器34と改質
反応器10の間に電気ヒータ54を設ければ、1つの電
気ヒータ54で両方を加熱することができる。この方式
は、燃料改質装置の起動、運転、停止を頻繁に行う場合
や触媒燃焼器34だけでは改質反応器10を充分均一に
加熱できない場合に有効である。
FIG. 15 shows the catalytic combustor 34 and the reforming reactor 10.
The structure of the fuel reformer using the electric heater 54 for both heating is shown. In this embodiment, if an electric heater 54 is provided between the catalytic combustor 34 and the reforming reactor 10, both can be heated by one electric heater 54. This system is effective when the fuel reformer is frequently started, operated, and stopped, or when the catalytic combustor 34 alone cannot heat the reforming reactor 10 uniformly.

【0060】また、図11や図12に示したものにおい
て触媒燃焼部や改質反応部に設けた伝熱フィン28の一
部に電気ヒータ線を内蔵させ、触媒燃焼部や改質反応部
を直接加熱する方法もある。
In addition, in the structure shown in FIGS. 11 and 12, an electric heater wire is built in a part of the heat transfer fins 28 provided in the catalyst combustion section and the reforming reaction section, and the catalyst combustion section and the reforming reaction section are connected. There is also a method of directly heating.

【0061】実施例13.請求項6の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図16(a)、(b)を参照して説
明する。図16(a)は燃料改質スタックの4つの側面
にそれぞれ燃料・空気供給マニホールド36、原料供給
マニホールド37、改質ガス排出マニホールド38、燃
焼ガス排出マニホールド39を取り付けた斜視図であ
る。ここでは原料ガス・改質ガスの流れと燃料ガス・燃
焼ガスの流れが直交するクロス・フロー形式を採った。
図16bはマニホールドを開放した燃料改質スタックの
部分斜視図である。一対の触媒燃焼部40と改質反応部
41から構成される燃料改質ユニット42を触媒燃焼部
と改質反応部が交互に隣接するように複数ユニット積層
して燃料改質スタック43を構成している。改質反応部
41では、改質触媒7の作用により原料ガスが水素リッ
チの改質ガスに変換され、改質反応に必要な熱は上下に
隣接する触媒燃焼部40から燃焼熱により伝達される。
また、触媒燃焼部40は上下に隣接する改質反応部41
により冷却される。このように、燃料改質スタックでは
一対の触媒燃焼部40と改質反応部41から成る燃料改
質ユニットが基本要素となり、燃焼と改質反応の機能を
満足させる。従来の燃料改質装置は、単一の燃焼バーナ
と複数個の改質反応管から構成され、燃焼と改質反応は
全く別個に行われていた。本発明の燃料改質スタックで
は燃焼と改質反応は1枚の隔壁を隔てた触媒燃焼部40
と改質反応部41で起こり、熱的に密接に関連すること
になる。したがって、触媒燃焼部40で発生した燃焼熱
は即座に改質反応の吸熱に費やされるので、燃焼ガスの
温度は急激には上昇しない。なぜなら、燃焼用触媒の表
面で発生した燃焼熱が燃焼ガスを加熱する速度よりも、
隔壁を加熱し改質触媒7に伝達する速度の方が速いから
である。
Example 13. An embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 6 will be described with reference to FIGS. 16 (a) and 16 (b). FIG. 16A is a perspective view in which the fuel / air supply manifold 36, the raw material supply manifold 37, the reformed gas discharge manifold 38, and the combustion gas discharge manifold 39 are attached to the four side surfaces of the fuel reforming stack. Here, the cross-flow type in which the flow of the raw material gas / reformed gas and the flow of the fuel gas / combustion gas are orthogonal to each other is adopted.
FIG. 16b is a partial perspective view of the fuel reforming stack with the manifold open. A fuel reforming stack 43 is formed by stacking a plurality of fuel reforming units 42 each including a pair of catalytic combustion units 40 and reforming reaction units 41 so that the catalytic combustion units and the reforming reaction units are alternately adjacent to each other. ing. In the reforming reaction section 41, the raw material gas is converted into a hydrogen-rich reformed gas by the action of the reforming catalyst 7, and the heat required for the reforming reaction is transferred by combustion heat from the vertically adjacent catalytic combustion sections 40. .
In addition, the catalytic combustion unit 40 includes vertically adjacent reforming reaction units 41.
Is cooled by. As described above, in the fuel reforming stack, the fuel reforming unit including the pair of catalytic combustion section 40 and the reforming reaction section 41 serves as a basic element and satisfies the functions of combustion and reforming reaction. A conventional fuel reformer is composed of a single combustion burner and a plurality of reforming reaction tubes, and the combustion and the reforming reaction are performed separately. In the fuel reforming stack of the present invention, the combustion and the reforming reaction are performed by the catalytic combustion unit 40 having one partition wall.
Occurs in the reforming reaction section 41 and is closely related thermally. Therefore, the combustion heat generated in the catalytic combustion unit 40 is immediately consumed to absorb the reforming reaction, so that the temperature of the combustion gas does not rise rapidly. Because, the rate of combustion heat generated on the surface of the combustion catalyst heats the combustion gas,
This is because the speed at which the partition wall is heated and transmitted to the reforming catalyst 7 is faster.

【0062】なお、本実施例では、燃焼用触媒33と改
質触媒7は共に充填粒子形状としたが、先に図12で示
したように伝熱フィンと一体化したコーティング触媒を
用いれば、燃焼用触媒33と改質触媒7間の熱抵抗は熱
伝導だけとなり、燃焼ガスおよび改質ガス側の熱抵抗に
比べて無視できる程小さく、燃焼熱はそのまま改質反応
の吸熱に使われることになる。また、触媒燃焼部40と
改質反応部41の温度差も極めて小さいものになる。
In this embodiment, both the combustion catalyst 33 and the reforming catalyst 7 are in the form of packed particles, but if the coating catalyst integrated with the heat transfer fin is used as shown in FIG. The thermal resistance between the combustion catalyst 33 and the reforming catalyst 7 is only heat conduction, which is negligibly smaller than the thermal resistances on the combustion gas and reforming gas sides, and the combustion heat is used as it is for the endothermic reaction of the reforming reaction. become. Further, the temperature difference between the catalytic combustion section 40 and the reforming reaction section 41 becomes extremely small.

【0063】このように、燃料改質ユニット42を積層
した燃料改質スタック43を採用すれば、従来の燃料改
質装置に比べて装置を小型軽量化でき、大流量の燃料ガ
スの燃焼や原料ガスの改質を行うことができる。また、
燃料改質ユニット42が基本構成単位となっているの
で、処理できる定格ガス流量を任意に変えたい場合の装
置の設計は燃料改質ユニット43の積層数を考えればよ
い。さらに、燃料改質ユニット42毎に製作することが
でき、製作上好都合な点も多い。
By adopting the fuel reforming stack 43 in which the fuel reforming units 42 are stacked in this way, the apparatus can be made smaller and lighter than the conventional fuel reforming apparatus, and combustion of a large amount of fuel gas and raw materials can be performed. The gas can be reformed. Also,
Since the fuel reforming unit 42 is a basic structural unit, the number of stacked fuel reforming units 43 may be taken into consideration when designing the apparatus when it is desired to arbitrarily change the rated gas flow rate that can be processed. Further, it can be manufactured for each fuel reforming unit 42, and there are many advantages in manufacturing.

【0064】実施例14.請求項7の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図17を参照して説明する。本発明
では原料ガス流路・改質ガス流路を複数個の部分ガス流
路に分割すなわち多段化し、各部分ガス流路間すなわち
多段化した各段の間にガス混合部44を設け、多段化し
た各段を直列に接続するように原料ガス流路・改質ガス
流路を構成する。図17は原料ガス流路を2段にした場
合の燃料改質スタックの断面図である。原料ガス1は原
料ガス供給マニホールド37から燃料改質スタックの原
料ガス側に導かれる。この実施例では、原料ガス供給マ
ニホールド37は改質ガス排出マニホールド38と隣合
って配置され、高温の改質ガスと低温の原料ガスで熱交
換が行われる。原料ガス1は供給マニホールド37から
各燃料改質セルに分配される。1段目の原料ガス流路に
流れた原料ガスは、改質触媒7の作用により水素ガス2
に改質される。その後改質ガス2は、原料供給マニホー
ルドが配置されたスタック側面とは反対側のスタック側
面に配置された改質ガスリターン・マニホールド45に
導かれ、各燃料改質セルに流れた改質ガスはここで合流
する。改質ガスはガス混合部44で流れを反転させなが
ら均一に混合される。ガス流れの反転により、無数の流
体渦が形成され、ガスの混合は促進される。したがっ
て、各セル間で流れの分配に差異があっても、リターン
マニホールド45でのガス混合により、流れの分配の不
均一は一旦解消される。改質ガスはリターンマニホール
ド45から再び各燃料改質セルに分配される。2段目の
改質ガス流路では改質ガスの中の未改質原料が改質さ
れ、各セルに流れた改質ガス2は排気マニホールド38
で合流する。
Example 14 An embodiment of the fuel reformer according to the invention of claim 7 will be described with reference to FIG. In the present invention, the raw material gas flow path / reformed gas flow path is divided into a plurality of partial gas flow paths, that is, multistage, and the gas mixing section 44 is provided between each partial gas flow path, that is, between each multistage. The raw material gas flow path and the reformed gas flow path are configured so that the converted stages are connected in series. FIG. 17 is a cross-sectional view of the fuel reforming stack when the raw material gas passages are in two stages. The raw material gas 1 is guided from the raw material gas supply manifold 37 to the raw material gas side of the fuel reforming stack. In this embodiment, the source gas supply manifold 37 is disposed adjacent to the reformed gas discharge manifold 38, and heat exchange is performed between the high temperature reformed gas and the low temperature source gas. The raw material gas 1 is distributed from the supply manifold 37 to each fuel reforming cell. The raw material gas flowing into the first-stage raw material gas passage is converted into hydrogen gas 2 by the action of the reforming catalyst 7.
Is reformed to. After that, the reformed gas 2 is guided to the reformed gas return manifold 45 arranged on the stack side surface opposite to the stack side surface on which the raw material supply manifold is arranged, and the reformed gas flowing to each fuel reforming cell is Meet here. The reformed gas is uniformly mixed in the gas mixing section 44 while reversing the flow. The reversal of gas flow creates a myriad of fluid vortices that promote gas mixing. Therefore, even if there is a difference in flow distribution among the cells, the gas distribution in the return manifold 45 once eliminates the non-uniform flow distribution. The reformed gas is distributed from the return manifold 45 to each fuel reforming cell again. In the second-stage reformed gas passage, the unreformed raw material in the reformed gas is reformed, and the reformed gas 2 flowing into each cell is exhausted by the exhaust manifold 38.
Join at.

【0065】原料ガス1は改質触媒7の充填具合や原料
ガス流路の端部の隙間により改質触媒7と接触せずに未
改質のまま排出されることがある。特に、改質反応は体
積の膨張を伴うので、反応により端部の隙間に原料ガス
1がバイパスする割合が高くなる。本発明では、バイパ
スした未改質の原料ガスと1段目の原料ガス流路で改質
されたガスがリターンマニホールド45にて均一に混合
され、2段目の原料ガス流路に導かれるので、バイパス
した未改質原料の大部分は2段目の改質触媒7にて改質
されることになる。改質ガス2は、改質ガス排出マニホ
ールド38から排気され、燃料電池に供給されたり、水
素を必要とする別の機器に供給される。
The raw material gas 1 may be discharged without being reformed without coming into contact with the reforming catalyst 7 due to the filling condition of the reforming catalyst 7 or the gap at the end of the raw material gas passage. In particular, since the reforming reaction is accompanied by the expansion of the volume, the rate at which the raw material gas 1 bypasses the gap between the ends increases due to the reaction. In the present invention, the bypassed unreformed raw material gas and the gas reformed in the first-stage raw material gas flow passage are uniformly mixed in the return manifold 45 and guided to the second-stage raw material gas flow passage. Most of the bypassed unreformed raw material is reformed by the second-stage reforming catalyst 7. The reformed gas 2 is exhausted from the reformed gas exhaust manifold 38 and supplied to the fuel cell or to another device that requires hydrogen.

【0066】なお、上記実施例では原料ガス流路を2段
化したが、同様の構成で多段化することも可能である。
段数を増やすと、ガス混合部が増えるので、原料ガス1
のバイパスやセル間のガス分配の不均一の悪影響をより
少なくすることができるが、反面ガス流速が増加し、ガ
ス流路が長くなるので、圧力損失が増大する。
In the above embodiment, the raw material gas flow passage has two stages, but it is also possible to have multiple stages with the same structure.
If the number of stages is increased, the gas mixing section also increases.
Although it is possible to further reduce the adverse effects of the bypass and non-uniformity of gas distribution between cells, on the other hand, the gas flow velocity increases and the gas flow path becomes longer, so the pressure loss increases.

【0067】なお、図17に示す上記実施例では、原料
ガス1・改質ガス2の流路を多段化したが、燃料ガス3
1・燃焼ガス11の流路を多段化することもできる。例
えば、図17の原料ガス・改質ガスの流路と燃料ガス・
燃焼ガスの流路とを交換し、改質触媒7と燃焼用触媒3
3を交換すれば、容易に燃料ガス・燃焼ガスの多段化が
実現できる。燃焼により局部的な発熱が生じ、燃焼ガス
11の体積が急速に膨張して、燃焼ガス11の流れに不
均一が生じる場合、燃焼ガスの多段化によるガスの混合
は、不均一になった流れやバイパスした未燃の燃料を混
合するのに非常に有効な手段である。
In the embodiment shown in FIG. 17, the flow paths of the raw material gas 1 and the reformed gas 2 are multistage, but the fuel gas 3
1. The flow path of the combustion gas 11 can be multistage. For example, the flow paths of the raw material gas / reforming gas and the fuel gas in FIG.
The reforming catalyst 7 and the combustion catalyst 3 are exchanged with the flow path of the combustion gas.
If 3 is replaced, it is possible to easily realize multi-stage fuel gas / combustion gas. When the combustion causes local heat generation and the volume of the combustion gas 11 expands rapidly to cause nonuniformity in the flow of the combustion gas 11, the mixing of the gases due to the multistage combustion gas causes the nonuniform flow. It is a very effective means for mixing unburned fuel and bypassed fuel.

【0068】実施例15.次に、図18a、図18bに
原料ガス・改質ガス流路を2段化し、燃料ガス・燃焼ガ
ス流路を3段化した場合の燃料改質装置の実施例を示
す。2つのガスの流れを並流に近づけるため、燃料・燃
焼ガスは図18bに示すように中心線に対して左右対称
形のガス流路を構成する。燃料供給マニホールド36は
第1のガス混合部46と隣合い、ここから空気と予混合
した燃料ガス31が第1の燃料ガス流路に導かれる。燃
料ガス流路には、燃焼用触媒33が充填され、燃料ガス
31を燃焼させる。燃料・燃焼ガスは第1の燃料ガス流
路の入口から直進し、中心軸に沿った分離帯で直角に方
向を変え、少し直進して、再度直角に方向を変えて第1
のガス混合部46に流入する。第1のガス混合部46を
出た燃料・燃焼ガスは、第2の燃料・燃焼ガス流路に導
かれ、未燃の燃料ガスが燃焼される。燃焼ガスは第2の
燃料ガス流路を直進し、第2のガス混合部47に流入す
る。第3の燃料ガス流路は、第1の流路と相似形を成
し、U字形の流路を形成する。燃焼が完結した燃焼ガス
11は、排出マニホールド39から排気される。
Example 15 Next, FIGS. 18a and 18b show an example of a fuel reforming apparatus in which the raw material gas / reforming gas passages are provided in two stages and the fuel gas / combustion gas passages are provided in three stages. In order to bring the flows of the two gases close to a parallel flow, the fuel / combustion gas forms a gas flow path that is symmetrical with respect to the center line as shown in FIG. 18b. The fuel supply manifold 36 is adjacent to the first gas mixing section 46, and the fuel gas 31 premixed with air is guided to the first fuel gas passage from here. The fuel gas passage is filled with a combustion catalyst 33 to burn the fuel gas 31. The fuel / combustion gas goes straight from the inlet of the first fuel gas flow path, changes its direction at a right angle in the separation zone along the central axis, goes straight a little, and then changes its direction at a right angle again.
Flowing into the gas mixing section 46 of. The fuel / combustion gas that has left the first gas mixing section 46 is guided to the second fuel / combustion gas passage, and the unburned fuel gas is burned. The combustion gas goes straight through the second fuel gas passage and flows into the second gas mixing section 47. The third fuel gas flow path has a similar shape to the first flow path and forms a U-shaped flow path. The combustion gas 11 that has completed combustion is exhausted from the exhaust manifold 39.

【0069】実施例16.さらに、この発明の他の実施
例を図17、図18a、図18bを参照して説明する。
本実施例は、燃料改質スタック43の燃料31・燃焼ガ
ス11と原料1・改質ガス2の流れの方向に関するもの
である。一般に、触媒反応は反応ガスの分圧が高い、即
ち化学平衡の駆動力が大きい触媒層の入口で起こりやす
く、反応速度や反応量も大きい。したがって、改質反応
部41ではその入口で改質反応が起こりやすく、吸熱量
が大きい。一方、触媒燃焼部40でもその入口で燃焼が
活発におこりやすく、発熱量が大きい。したがって、原
料ガス1の入口と燃料ガス31の入口を一致させれば、
改質反応の熱を多く必要とする部分で、多くの燃焼を起
こさせることができる。これより、燃料改質ユニット4
2面内の熱バランスをとり、温度分布を均一にすること
ができる。このように、原料ガス1の入口と燃料ガス3
1の入口を一致させるためには、燃料・燃焼ガスの流れ
と原料・改質ガスの流れが並流になるようにガス流路を
構成する必要がある。
Example 16. Further, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 17, 18a and 18b.
This embodiment relates to the flow directions of the fuel 31 / combustion gas 11 and the raw material 1 / reformed gas 2 in the fuel reforming stack 43. Generally, the catalytic reaction is likely to occur at the inlet of the catalyst layer where the partial pressure of the reaction gas is high, that is, the driving force for chemical equilibrium is large, and the reaction rate and the reaction amount are large. Therefore, in the reforming reaction section 41, the reforming reaction is likely to occur at the inlet, and the amount of heat absorption is large. On the other hand, even in the catalytic combustion unit 40, combustion is likely to occur actively at its inlet, and the calorific value is large. Therefore, if the inlet of the source gas 1 and the inlet of the fuel gas 31 are aligned,
A lot of combustion can be generated in a portion of the reforming reaction that requires a large amount of heat. From this, the fuel reforming unit 4
It is possible to balance the heat within the two surfaces and make the temperature distribution uniform. Thus, the inlet of the raw material gas 1 and the fuel gas 3
In order to make the inlets of 1 coincide with each other, it is necessary to configure the gas flow path so that the flow of the fuel / combustion gas and the flow of the raw material / reforming gas are parallel.

【0070】しかしながら、燃料31・燃焼ガス11の
流れと原料1・改質ガス2の流れを完全に並流にするの
は、ガス流路やマニホールドの構成を複雑にする。ここ
では、ガス流路の多段化を実現するとともに、並流に近
い流れを実現する実施例を図17に示した。図17は先
に述べたように燃料31・燃焼ガス11は1段で、原料
1・改質ガス2を2段にした例で、原料ガス1と燃料ガ
ス31の入口はほぼ一致する。ただし、原料ガス1と燃
焼ガス31の流れを局部的にみると直交している。な
お、2段目の改質ガス流路は燃焼ガスの出口に一致す
る。燃焼ガスの出口は燃焼熱により温度が高く、改質反
応の化学平衡を考慮すると、より高い改質反応率を得る
ことができ、炭化水素が水素ガスに変換される割合を高
くすることになる。なお、原料1・改質ガス2の2段化
よりも燃料31・燃焼ガス11の2段化が要求される場
合は、これらの流路を交換してもよく、熱バランス的に
は同等の効果がある。
However, making the flow of the fuel 31 / combustion gas 11 and the flow of the raw material 1 / reformed gas 2 completely parallel to each other complicates the structure of the gas flow path and the manifold. Here, FIG. 17 shows an embodiment in which the gas flow passages are multi-staged and a flow close to parallel flow is realized. FIG. 17 shows an example in which the fuel 31 and the combustion gas 11 are in one stage and the raw material 1 and the reformed gas 2 are in two stages as described above, and the inlets of the raw material gas 1 and the fuel gas 31 are substantially the same. However, the flows of the raw material gas 1 and the combustion gas 31 are orthogonal to each other when viewed locally. The second-stage reformed gas flow passage coincides with the combustion gas outlet. The temperature of the outlet of the combustion gas is high due to the heat of combustion, and considering the chemical equilibrium of the reforming reaction, a higher reforming reaction rate can be obtained, and the ratio of conversion of hydrocarbons into hydrogen gas will be high. . If the fuel 31 and the combustion gas 11 are required to be in two stages rather than the raw material 1 and the reformed gas 2 in two stages, these flow paths may be exchanged, and the heat balance is the same. effective.

【0071】実施例17.図18a、図18bを用いて
さらに他の実施例について説明する。原料1・改質ガス
2の流路構成は図17と全く同じであるが、燃料31・
燃焼ガス11の流路を3段で構成している。これより、
流れが並流化される程度が高められ、熱バランスをとれ
る範囲を一層広くとることができる。このように、段数
を増やす程、原料ガス1・改質ガス2の流れと燃料ガス
31・燃焼ガス11の流れを理想的な並流に近づけるこ
とができるが、先に述べたように圧力損失も増大する。
したがって、段数の設計は原料1や燃料ガス31のバイ
パス、ガス分配の程度、温度分布、圧力損失、等を考慮
して決定されねばならない。
Example 17 Still another embodiment will be described with reference to FIGS. 18a and 18b. The flow path configuration of the raw material 1 and the reformed gas 2 is exactly the same as that of FIG.
The flow path of the combustion gas 11 has three stages. Than this,
The degree to which the flows are parallelized is increased, and the range in which heat is balanced can be made wider. As described above, as the number of stages is increased, the flow of the raw material gas 1 / the reformed gas 2 and the flow of the fuel gas 31 / the combustion gas 11 can be brought closer to an ideal co-current flow. Also increases.
Therefore, the design of the number of stages must be determined in consideration of the bypass of the raw material 1 and the fuel gas 31, the degree of gas distribution, the temperature distribution, the pressure loss, and the like.

【0072】実施例18.請求項8の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図19を参照して説明する。図19
は燃料ガス供給マニホールド36の内部に燃料改質スタ
ックの側面に向けて燃焼火炎を形成し、触媒燃焼部を動
作温度まで予熱するための燃焼バーナ48を設置した例
である。起動時、燃料ガス20と燃焼用空気23を燃焼
バーナ48に導き、燃料噴射ノズル22と空気噴射ノズ
ル25から噴射された燃料と空気が充分混合する場所に
点火装置(図中図示せず)を設けて、燃料の着火を行
う。着火された燃料は燃焼ガスとなって、燃料改質スタ
ック43の燃料ガス流路に導かれ、燃焼用触媒を触媒の
動作温度まで予熱する。また、燃焼バーナ48の表面か
らの輻射熱により燃料改質スタック43の燃料ガス入口
側面が加熱され、熱伝導により内部の燃焼用触媒に伝え
られる。燃焼用触媒が触媒の動作温度である例えば35
0℃程度まで加熱された時、一旦燃料ガス20の供給を
停止し、火炎を消す。つぎに、点火装置を作動させない
で再度燃料ガス20を供給すれば、空気23と燃料20
は燃料供給マニホールド36内で充分予混合した後、燃
料改質スタック43内の触媒燃焼部に導かれ、触媒によ
る燃焼が行われる。
Example 18. An embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 8 will be described with reference to FIG. FIG. 19
Is an example in which a combustion burner 48 for forming a combustion flame toward the side surface of the fuel reforming stack inside the fuel gas supply manifold 36 and preheating the catalytic combustion portion to the operating temperature is installed. At the time of start-up, the fuel gas 20 and the combustion air 23 are guided to the combustion burner 48, and an ignition device (not shown in the figure) is installed at a location where the fuel and the air injected from the fuel injection nozzle 22 and the air injection nozzle 25 are sufficiently mixed. It is provided and the fuel is ignited. The ignited fuel becomes combustion gas and is guided to the fuel gas passage of the fuel reforming stack 43 to preheat the combustion catalyst to the operating temperature of the catalyst. Further, the radiant heat from the surface of the combustion burner 48 heats the fuel gas inlet side surface of the fuel reforming stack 43, and is transferred to the internal combustion catalyst by heat conduction. When the combustion catalyst has an operating temperature of the catalyst, for example, 35
When heated to about 0 ° C., the supply of the fuel gas 20 is temporarily stopped to extinguish the flame. Next, if the fuel gas 20 is supplied again without operating the ignition device, the air 23 and the fuel 20
After being sufficiently premixed in the fuel supply manifold 36, it is guided to the catalytic combustion section in the fuel reforming stack 43 and burned by the catalyst.

【0073】[0073]

【発明の効果】請求項1の発明によれば、改質触媒が充
填された改質反応管の伝熱面と燃焼バーナの燃焼面とを
対向して配置したので、主に燃焼バーナの輻射熱により
改質反応管が均一に加熱され、改質反応管の軸方向温度
分布を均一にすることができる。また、輻射伝熱は対流
伝熱に比べて熱伝達率が大きいので、改質反応管の伝熱
面積を小さくしたり、従来の燃料改質装置で使用されて
いた伝熱充填粒子を削除することができ、装置の小型軽
量化につながる。さらに、充填粒子の削除により熱容量
が小さくなると、装置を起動する際、動作温度まで加熱
する時間を短縮でき、起動時の燃料消費も節約すること
ができる。
According to the invention of claim 1, since the heat transfer surface of the reforming reaction tube filled with the reforming catalyst and the combustion surface of the combustion burner are arranged to face each other, the radiant heat of the combustion burner is mainly used. As a result, the reforming reaction tube is heated uniformly, and the temperature distribution in the axial direction of the reforming reaction tube can be made uniform. Moreover, since the radiant heat transfer has a higher heat transfer coefficient than the convective heat transfer, the heat transfer area of the reforming reaction tube is reduced, and the heat transfer packing particles used in the conventional fuel reformer are deleted. It is possible to reduce the size and weight of the device. Further, when the heat capacity is reduced due to the elimination of the filling particles, it is possible to shorten the time required to heat the apparatus to the operating temperature when starting the apparatus, and to save the fuel consumption at the time of starting.

【0074】また、請求項2の発明によれば、上記請求
項1のものにおいて、燃焼バーナを、周囲に空気噴射ノ
ズルが配置された複数個の燃料噴射ノズルで構成したの
で、燃焼バーナの火炎形成面の面積を大きくし、輻射熱
伝達を促進させることができる効果がある。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the combustion burner is composed of a plurality of fuel injection nozzles around which air injection nozzles are arranged. There is an effect that the area of the formation surface can be increased and the radiation heat transfer can be promoted.

【0075】また、請求項3の発明によれば、円筒状の
燃焼バーナの燃焼面と改質触媒が装填された円筒状の改
質反応管の伝熱面とを互いに対向して同心円状に構成す
るとともに、円筒状の燃焼ガスの排気流路と円筒状の燃
焼用空気の流入流路を隣接して同心円状に構成したの
で、燃焼バーナから発生する燃焼熱を有効に改質反応管
の加熱に利用することができるとともに、燃焼ガスと燃
焼用空気の熱交換が図れる。
According to the third aspect of the present invention, the combustion surface of the cylindrical combustion burner and the heat transfer surface of the cylindrical reforming reaction tube loaded with the reforming catalyst are opposed to each other in a concentric shape. With the configuration, the exhaust passage of the cylindrical combustion gas and the inflow passage of the cylindrical combustion air are contiguously arranged so that the combustion heat generated from the combustion burner can be effectively converted into the reforming reaction tube. It can be used for heating, and heat exchange between combustion gas and combustion air can be achieved.

【0076】また、請求項4の発明によれば、改質反応
器と触媒燃焼器とをそれぞれ伝熱面を接触させて隣接し
て設けたので、触媒燃焼器で発生した熱が直接改質反応
器に伝えられる。さらに、燃焼用触媒は改質反応の吸熱
により冷却されるので、燃焼用触媒の温度が耐熱温度以
上に上昇するのを防止できる。
Further, according to the invention of claim 4, since the reforming reactor and the catalytic combustor are provided adjacent to each other with their heat transfer surfaces in contact with each other, the heat generated in the catalytic combustor is directly reformed. Informed to the reactor. Furthermore, since the combustion catalyst is cooled by the heat absorption of the reforming reaction, it is possible to prevent the temperature of the combustion catalyst from rising above the heat resistant temperature.

【0077】また、請求項5の発明によれば、上記請求
項4のものにおいて、改質反応器および触媒燃焼器の少
なくとも一方に隣接して電気ヒータを設けたので、主に
触媒燃焼器や改質反応器の起動に際して、改質触媒や燃
焼用触媒を触媒の動作温度まで均一に加熱し、迅速に燃
料改質装置を起動することができる。
Further, according to the invention of claim 5, in the invention of claim 4, an electric heater is provided adjacent to at least one of the reforming reactor and the catalytic combustor. When starting the reforming reactor, the reforming catalyst and the combustion catalyst can be uniformly heated to the operating temperature of the catalyst, and the fuel reforming device can be started quickly.

【0078】また、請求項6の発明によれば、炭化水素
またはアルコール原料から改質反応により水素を生成す
る改質触媒を有する改質反応部と、空気と予混合した燃
料ガスの燃焼により上記改質反応部を加熱する触媒燃焼
部とを備え、一対の上記触媒燃焼部と改質反応部から構
成される燃料改質ユニットを触媒燃焼部と改質反応部が
交互に隣接するように複数ユニット積層して燃料改質ス
タックを構成し、上記燃料改質スタックの側端部からそ
れぞれマニホールドを介して原料ガスおよび予混合燃料
ガスを供給すると共に、改質ガスおよび燃焼ガスを排出
するように構成したので、改質反応管タイプの燃料改質
装置に比べて高い触媒充填密度を実現することができ、
比較的小さな容積で、多量の水素を効率よく製造するこ
とができる。
According to the invention of claim 6, the reforming reaction section having a reforming catalyst for producing hydrogen from a hydrocarbon or alcohol raw material by a reforming reaction, and the combustion gas of the fuel gas premixed with the above A plurality of fuel reforming units, each of which includes a pair of the catalyst combustion units and the reforming reaction unit, such that the catalyst combustion units and the reforming reaction units are alternately adjacent to each other. Units are stacked to form a fuel reforming stack, and the raw material gas and the premixed fuel gas are supplied from the side ends of the fuel reforming stack through the respective manifolds, and the reforming gas and the combustion gas are discharged. Since it is configured, it is possible to achieve a higher catalyst packing density than a reforming reaction tube type fuel reformer,
A large amount of hydrogen can be efficiently produced with a relatively small volume.

【0079】また、請求項7の発明によれば、上記請求
項6のものにおいて、原料ガス流路および燃料ガス流路
の少なくとも一方を複数個の部分ガス流路に分割し、上
記部分ガス流路間にガス混合部を設けたので、原料・改
質ガスまたは燃料・燃焼ガスの流れに部分的な不均一が
生じても、ガス混合部で均一に混合されるので、流れの
不均一が改質反応や燃焼反応に影響するのを抑制するこ
とができる。
According to a seventh aspect of the present invention, in the above-mentioned sixth aspect, at least one of the raw material gas passage and the fuel gas passage is divided into a plurality of partial gas passages, and the partial gas flow is obtained. Since the gas mixing section is provided between the passages, even if there is partial non-uniformity in the flow of the raw material / reformed gas or fuel / combustion gas, the gas mixing section will mix it uniformly, so that the flow will be non-uniform. It is possible to suppress the influence on the reforming reaction and the combustion reaction.

【0080】また、請求項8の発明によれば、上記請求
項6または7のものにおいて、燃料供給マニホールドの
内部に、燃料改質スタックの側面に向けて燃焼火炎を形
成する燃焼バーナを配置したので、燃料改質スタックの
起動に際して、触媒燃焼部入口の燃焼用触媒や改質反応
部入口の改質触媒を動作温度まで効率良く予熱すること
ができ、燃料改質スタックの起動を迅速に行うことがで
きる。
According to an eighth aspect of the present invention, in the above sixth or seventh aspect, a combustion burner that forms a combustion flame toward the side surface of the fuel reforming stack is arranged inside the fuel supply manifold. Therefore, when starting the fuel reforming stack, the combustion catalyst at the catalyst combustion section inlet and the reforming catalyst at the reforming reaction section inlet can be efficiently preheated to the operating temperature, and the fuel reforming stack is quickly started. be able to.

【0081】また、請求項9の発明によれば、上記請求
項1ないし8のものにおいて、改質反応管、改質反応
器、改質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁
面に触媒への伝熱を促進する伝熱フィンを設けたので、
例えば燃焼ガスからの熱や改質ガスからの熱は改質反応
管を介して伝熱フィンに伝えられ、伝熱フィンに伝えら
れた熱は輻射熱伝達、対流熱伝達により改質触媒に有効
に伝達されるので、改質反応管内壁と改質触媒との伝熱
性能を向上させることができる。
According to a ninth aspect of the present invention, the inner wall surface of the reforming reaction tube, the reforming reactor, the reforming reaction section, the catalytic combustor, or the catalytic combustion section in the first to eighth aspects is used. Since the heat transfer fins that promote heat transfer to the catalyst are installed in the
For example, the heat from the combustion gas and the heat from the reformed gas are transferred to the heat transfer fins via the reforming reaction tube, and the heat transferred to the heat transfer fins is effectively transmitted to the reforming catalyst by radiant heat transfer and convective heat transfer. Since the heat is transferred, the heat transfer performance between the inner wall of the reforming reaction tube and the reforming catalyst can be improved.

【0082】また、請求項10の発明によれば、上記請
求項1ないし9のものにおいて、改質反応管、改質反応
器、改質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁
面、または上記請求項9の伝熱フィンの表面に触媒膜を
形成したので、例えば改質反応管の壁面に伝えられた熱
は、伝熱フィンを介して直接、熱伝導により改質触媒に
伝達されるので、改質反応管の壁面と触媒との熱抵抗を
大幅に低減することができる。
According to a tenth aspect of the present invention, in the above first to ninth aspects, the inner wall surface of the reforming reaction tube, the reforming reactor, the reforming reaction section, the catalytic combustor, or the catalytic combustion section. Alternatively, since the catalyst film is formed on the surface of the heat transfer fin according to claim 9, the heat transferred to the wall surface of the reforming reaction tube is directly transferred to the reforming catalyst by heat conduction via the heat transfer fin. Therefore, the thermal resistance between the wall surface of the reforming reaction tube and the catalyst can be significantly reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】請求項1の発明に係る燃料改質装置の一実施例
による基本的構成と作用を説明する構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a basic configuration and an operation according to an embodiment of a fuel reforming apparatus according to the invention of claim 1.

【図2】請求項2の発明に係る燃焼バーナの燃料噴射ノ
ズルと空気噴射ノズルの配置を示す構成図および断面図
である。
FIG. 2 is a configuration diagram and a sectional view showing an arrangement of a fuel injection nozzle and an air injection nozzle of a combustion burner according to a second aspect of the invention.

【図3】請求項3の発明に係る燃料改質装置の一実施例
による具体的構成を示す構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a specific configuration according to an embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 3.

【図4】請求項3の発明に係る燃料改質装置の他の実施
例による具体的構成を示す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing a specific configuration according to another embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 3;

【図5】実施例1、3、4のものに請求項9の発明を適
用した場合の一実施例の要部の基本的構成を示す構成図
である。
FIG. 5 is a configuration diagram showing a basic configuration of a main part of an embodiment when the invention of claim 9 is applied to the first, third, and fourth embodiments.

【図6】請求項9の発明に係る伝熱フィンの他の実施例
を示す斜視図である。
FIG. 6 is a perspective view showing another embodiment of the heat transfer fins according to the invention of claim 9;

【図7】実施例1、3、4のものに請求項9の発明を適
用した場合の他の実施例を示す斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view showing another embodiment when the invention of claim 9 is applied to the first, third, and fourth embodiments.

【図8】実施例1、3〜6のものに請求項10の発明を
適用した場合の一実施例の要部を示す断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a main part of an embodiment in which the invention of claim 10 is applied to those of Embodiments 1, 3 to 6.

【図9】請求項9の発明に係る燃料改質装置の他の実施
例の要部を示す断面構成図である。
FIG. 9 is a sectional configuration diagram showing a main part of another embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 9;

【図10】請求項4の発明に係る燃料改質装置の一実施
例の具体的構成を示す断面構成図である。
FIG. 10 is a sectional configuration diagram showing a specific configuration of an embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 4;

【図11】請求項4の発明に係る燃料改質装置の他の実
施例の要部を示す断面構成図である。
FIG. 11 is a sectional configuration diagram showing a main part of another embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 4;

【図12】図11のものに請求項10の発明を適用した
一実施例の要部を示す断面構成図である。
FIG. 12 is a sectional configuration diagram showing a main part of an embodiment in which the invention of claim 10 is applied to that of FIG. 11.

【図13】請求項4の発明に係る燃料改質装置のさらに
他の実施例を示す斜視図およびB−B’線断面図であ
る。
FIG. 13 is a perspective view and a sectional view taken along the line BB ′ of yet another embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 4.

【図14】請求項5の発明による燃料改質装置の一実施
例を示す断面構成図である。
FIG. 14 is a sectional configuration diagram showing an embodiment of a fuel reformer according to the invention of claim 5;

【図15】請求項5の発明による燃料改質装置の他の実
施例を示す断面構成図である。
FIG. 15 is a sectional configuration diagram showing another embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 5;

【図16】請求項6の発明による燃料改質装置の一実施
例を示し、燃料改質スタックに各マニホールドを取り付
けた状態を示す斜視図および燃料改質スタックの部分斜
視図である。
FIG. 16 is a perspective view showing an embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 6 and showing a state in which each manifold is attached to the fuel reforming stack, and a partial perspective view of the fuel reforming stack.

【図17】請求項7の発明による燃料改質装置の一実施
例の要部を示す断面図である。
FIG. 17 is a sectional view showing a main part of an embodiment of a fuel reforming apparatus according to the invention of claim 7;

【図18】請求項7の発明による燃料改質装置の他の実
施例の要部を示す断面図である。
FIG. 18 is a sectional view showing a main part of another embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 7;

【図19】請求項8の発明による燃料改質装置の一実施
例の要部を示す断面図である。
FIG. 19 is a sectional view showing a main part of an embodiment of a fuel reforming apparatus according to the invention of claim 8;

【図20】従来の燃料改質装置の改質反応管を示す断面
図である。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a reforming reaction tube of a conventional fuel reforming apparatus.

【図21】従来の別の燃料改質装置の改質反応管を示す
断面図である。
FIG. 21 is a sectional view showing a reforming reaction tube of another conventional fuel reforming apparatus.

【図22】従来の燃料改質装置を示す断面図である。FIG. 22 is a cross-sectional view showing a conventional fuel reformer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 原料ガス 2 改質ガス 7 改質触媒 10 改質反応管 11 燃焼ガス 20 燃料ガス 22 燃料噴射ノズル 23 空気 25 空気噴射ノズル 26 燃焼バーナ 28 伝熱フィン 29 コーティング改質触媒層 31 空気予混合燃料ガス 33 燃焼用触媒 34 触媒燃焼器 36 燃料ガス供給マニホールド 37 原料ガス供給マニホールド 38 改質ガス排出マニホールド 39 燃焼ガス排出マニホールド 40 触媒燃焼部 41 改質反応部 42 燃料改質セル 43 燃料改質スタック 44 ガス混合部 45 リターンマニホールド 48 起動用燃焼バーナ 54 電気ヒータ 1 raw material gas 2 reformed gas 7 reforming catalyst 10 reforming reaction tube 11 combustion gas 20 fuel gas 22 fuel injection nozzle 23 air 25 air injection nozzle 26 combustion burner 28 heat transfer fin 29 coating reforming catalyst layer 31 air premixed fuel Gas 33 Combustion catalyst 34 Catalytic combustor 36 Fuel gas supply manifold 37 Raw material gas supply manifold 38 Reformed gas exhaust manifold 39 Combustion gas exhaust manifold 40 Catalytic combustion part 41 Reforming reaction part 42 Fuel reforming cell 43 Fuel reforming stack 44 Gas mixing section 45 Return manifold 48 Combustion burner for startup 54 Electric heater

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成5年4月28日[Submission date] April 28, 1993

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0029[Name of item to be corrected] 0029

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0029】また、請求項9の発明では、上記請求項1
ないし8のものにおいて、改質反応管、改質反応器、改
質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面に触
媒への伝熱を促進する伝熱フィンを設けたので、熱は燃
焼用触媒から伝熱フィンを介して改質触媒へと、輻射熱
伝達、対流熱伝達により伝達されるので、伝熱性能を向
上させることができる。
According to the invention of claim 9, the above-mentioned claim 1
To the ones of the 8, the reforming reaction tube, the reforming reactor, the reforming reaction unit, catalytic combustor, or the inner wall surface of the catalytic combustion portion is provided with the heat transfer fins to promote heat transfer to the catalyst, heat Is burning
Radiant heat from the calcining catalyst to the reforming catalyst via the heat transfer fins
Since it is transferred by heat transfer or convection heat transfer, heat transfer performance can be improved.

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0030[Name of item to be corrected] 0030

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0030】また、請求項10の発明では、上記請求項
1ないし9のものにおいて、改質反応管、改質反応器、
改質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面、
または上記請求項9の伝熱フィンの表面に触媒膜を形成
したので、熱は直接燃焼用触媒膜から改質触媒膜へ伝熱
フィンの熱伝導だけで伝達されるので、熱抵抗を大幅に
低減することができる。
According to a tenth aspect of the present invention, in the above first to ninth aspects, the reforming reaction tube, the reforming reactor,
Reforming reaction section, catalytic combustor, or inner wall surface of catalytic combustion section,
Alternatively, since the catalyst film is formed on the surface of the heat transfer fin according to claim 9, heat is directly transferred from the combustion catalyst film to the reforming catalyst film.
Since the heat is transferred only by the heat conduction of the fins, the thermal resistance can be greatly reduced.

【手続補正3】[Procedure 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0033[Correction target item name] 0033

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0033】つぎにこの燃料改質装置の動作について説
明する。まず、燃料改質装置を起動する手順を述べる。
起動時の燃料ガスとして都市ガス(13A:メタンを主
成分とし、エタン、プロパン、ブタンを含む混合ガス)
を使用する場合について説明する。都市ガスの着火を確
実にするために、燃料マニホールド21に1次空気と予
混合した都市ガスを燃料ガス20として供給する。同時
に空気マニホールド24に2次空気を供給する。燃料ガ
ス20は燃料噴射ノズル22を経て燃焼バーナ26から
燃焼空間へ噴射され、空気23は空気噴射ノズル25を
経て燃焼バーナ26から燃焼空間へ噴射される。ノズル
より噴射された燃料ガス20と空気23は、相互に拡散
・混合し、燃焼により火炎面27を形成する。火炎をむ
らなく均一に形成するためには、各ノズルからの燃料ガ
ス・空気の噴射量を均一にする必要がある。これより噴
射した燃料ガスと空気は充分に拡散・混合し、均一な燃
焼が行われる。このように表面燃焼バーナ26により燃
焼が火炎面27の全面で起こり、主に輻射熱により改質
反応管10が均一に加熱される。高温の燃焼ガス11は
改質反応管10に沿って下方に流れ、この間、対流熱伝
達により改質反応管10を加熱する。さらに、燃焼ガス
11は改質反応管10の下端で流れを反転させ、今度は
改質反応管10と空気管の間を上方に流れ、改質反応管
10を再び加熱するとともに燃焼用空気23を予熱す
る。
Next, the operation of this fuel reformer will be described. First, the procedure for starting the fuel reformer will be described.
City gas as fuel gas at startup (13A: mixed gas containing methane as a main component and ethane, propane, butane)
The case of using will be described. In order to ensure the ignition of the city gas, the city gas premixed with the primary air is supplied as the fuel gas 20 to the fuel manifold 21. At the same time, the secondary air is supplied to the air manifold 24. The fuel gas 20 is injected into the combustion space from the combustion burner 26 via the fuel injection nozzle 22, and the air 23 is injected into the combustion space from the combustion burner 26 via the air injection nozzle 25. The fuel gas 20 and the air 23 injected from the nozzle diffuse and mix with each other to form a flame surface 27 by combustion. In order to form a flame evenly and uniformly, it is necessary to make the injection amount of fuel gas and air from each nozzle uniform. The fuel gas and air injected from this are sufficiently diffused and mixed, and uniform combustion is performed. In this way, the surface combustion burner 26 causes combustion on the entire flame surface 27, and the radiant heat mainly heats the reforming reaction tube 10 uniformly. The hot combustion gas 11 flows downward along the reforming reaction tube 10 and, during this time, heats the reforming reaction tube 10 by convection heat transfer. Further, the combustion gas 11 reverses its flow at the lower end of the reforming reaction tube 10, and this time flows upward between the reforming reaction tube 10 and the air tube to heat the reforming reaction tube 10 again and to burn the combustion air 23. Preheat.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0043[Correction target item name] 0043

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0043】実施例4.図4は表面燃焼バーナ26を加
熱炉の中心軸に配置し、加熱される環状改質反応管10
をその外側に配置した例である。中心軸に燃料マニホー
ルド21を設け、その外側に空気マニホールド24を設
ける。燃料ガス20と燃焼用空気23は燃料噴射ノズル
22、空気噴射ノズル25から外側に向かって放射状に
噴射され、燃焼が行われる。燃焼後の排ガス11は改質
反応管10に沿って内側から外側に流れ、最も外側に流
れる燃焼用空気23を予熱する。このような中心軸に燃
焼バーナ26があり、燃焼ガス11が内側から外側に流
れる内炎外向流型は、前述の外炎内向流型に比べて表面
燃焼バーナ26の伝熱面積が小さいので、改質反応管1
0への伝熱量は比較的小さくなる。ただし、従来の集中
バーナに比べると、燃焼バーナ26と改質反応管10が
対向しているので、輻射熱を有効に利用することができ
る。また、外炎内向流型に比べて環状改質反応管10の
直径を大きくとれるので、充填可能な改質触媒7の充填
量を増やすことができ、触媒の長寿命化に有利である。
なお、この型の燃料改質装置では、燃焼が加熱炉の内部
で行われるので、外部への放熱を小さくすることができ
る。
Example 4. In FIG. 4, the surface combustion burner 26 is arranged on the central axis of the heating furnace, and the annular reforming reaction tube 10 is heated.
Is an example in which is arranged on the outside. A fuel manifold 21 is provided on the central axis, and an air manifold 24 is provided on the outside thereof. The fuel gas 20 and the combustion air 23 are radially ejected outward from the fuel injection nozzle 22 and the air injection nozzle 25 to perform combustion. The exhaust gas 11 after combustion flows from the inner side to the outer side along the reforming reaction tube 10, and preheats the combustion air 23 flowing to the outermost side. Since the internal flame outward flow type in which the combustion burner 26 flows on the central axis and the combustion gas 11 flows from the inner side to the outer side is smaller in heat transfer area of the surface combustion burner 26 than the external flame inward flow type described above, Reforming reaction tube 1
The amount of heat transferred to 0 is relatively small. However, as compared with the conventional concentrated burner, since the combustion burner 26 and the reforming reaction tube 10 face each other, the radiant heat can be effectively used. In addition, since the diameter of the annular reforming reaction tube 10 can be made larger than that of the external flame inward flow type, the filling amount of the reforming catalyst 7 that can be filled can be increased, which is advantageous for extending the life of the catalyst. Is.
In this type of fuel reformer, since combustion is performed inside the heating furnace, it is possible to reduce heat radiation to the outside.

【手続補正5】[Procedure Amendment 5]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0045[Name of item to be corrected] 0045

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0045】図5に示す伝熱フィン28はコルゲート
(波形)の形状が円弧形のストレートフィンであるが、
その他コルゲートの形状により角形、台形、三角形のフ
ィンが考えられる。また、コルゲートが半ピッチずれた
伝熱フィンの形状の一例を図6に示す。この伝熱フィン
は1山のコルゲート(角形)が半ピッチずれた千鳥配置
の形状を有し、改質触媒7はこのコルゲートの内部に充
填される。矢印A、Bは二通りの原料ガスの流し方を示
す。流れAは原料ガスがコルゲートに対して直角に流れ
る場合で、流れBは原料ガスがコルゲートに対して平行
に流れる場合である。流れAでは原料ガスと触媒との接
触回数が多くなるが圧力損失も大きくなる。一方、流れ
Bでは原料ガスと触媒の接触回数は比較的少なくなるが
圧力損失は小さくなる。例えば、改質反応を促進したい
場所では流れAを採用し、改質反応を抑制した場所では
流れBを採用する。また、流れA、流れBの他にコルゲ
ートに対してある傾いた角度をもった流れを考えること
もできる。なお、伝熱フィン28から触媒へ熱輻射によ
り伝わる熱量は、触媒粒子と伝熱フィン28との形態係
数とそれぞれの輻射率によって決まるため、2つの流れ
で差は生じない。対流熱伝達については、流れがより乱
されるAが大きいようである。
The heat transfer fin 28 shown in FIG. 5 is a straight fin having a corrugated (corrugated) arc shape.
Depending on the shape of the corrugate, square, trapezoidal, or triangular fins are possible. FIG. 6 shows an example of the shape of the heat transfer fins in which the corrugations are displaced by a half pitch. This heat transfer fin has a zigzag arrangement in which one corrugation (square shape) is displaced by a half pitch, and the reforming catalyst 7 is filled inside this corrugation. Arrows A and B indicate two ways of flowing the source gas. Flow A is when the source gas flows at a right angle to the corrugate, and flow B is when the source gas flows parallel to the corrugate. In the flow A, the number of contact between the raw material gas and the catalyst increases, but the pressure loss also increases. On the other hand, in the flow B, the number of contact between the source gas and the catalyst is relatively small, but the pressure loss is small. For example, the flow A is adopted in a place where the reforming reaction is desired to be promoted, and the flow B is adopted in a place where the reforming reaction is suppressed. Furthermore, corrugated flow A, in addition to the flow B
It can also be considered a flow with a tilted angle to the over bets. Since the amount of heat transferred from the heat transfer fins 28 to the catalyst by heat radiation is determined by the form factors of the catalyst particles and the heat transfer fins 28 and their respective emissivities, there is no difference between the two flows. For convective heat transfer, the A appears to be the more disturbed the flow.

【手続補正6】[Procedure correction 6]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0061[Correction target item name] 0061

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0061】実施例13.請求項6の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図16(a)、(b)を参照して説
明する。図16(a)は燃料改質スタックの4つの側面
にそれぞれ燃料・空気供給マニホールド36、原料供給
マニホールド37、改質ガス排出マニホールド38、燃
焼ガス排出マニホールド39を取り付けた斜視図であ
る。ここでは原料ガス・改質ガスの流れと燃料ガス・燃
焼ガスの流れが直交するクロス・フロー形式を採った。
図16bはマニホールドを開放した燃料改質スタックの
部分斜視図である。一対の触媒燃焼部40と改質反応部
41から構成される燃料改質ユニット42を触媒燃焼部
と改質反応部が交互に隣接するように複数ユニット積層
して燃料改質スタック43を構成している。改質反応部
41では、改質触媒7の作用により原料ガスが水素リッ
チの改質ガスに変換され、改質反応に必要な熱は上下に
隣接する触媒燃焼部40から伝達される燃焼熱により
われる。また、触媒燃焼部40は上下に隣接する改質反
応部41により冷却される。このように、燃料改質スタ
ックでは一対の触媒燃焼部40と改質反応部41から成
る燃料改質ユニットが基本要素となり、燃焼と改質反応
の機能を満足させる。従来の燃料改質装置は、単一の燃
焼バーナと複数個の改質反応管から構成され、燃焼と改
質反応は全く別個に行われていた。本発明の燃料改質ス
タックでは燃焼と改質反応は1枚の隔壁を隔てた触媒燃
焼部40と改質反応部41で起こり、熱的に密接に関連
することになる。したがって、触媒燃焼部40で発生し
た燃焼熱は即座に改質反応の吸熱に費やされるので、燃
焼ガスの温度は急激には上昇しない。なぜなら、燃焼用
触媒の表面で発生した燃焼熱が燃焼ガスを加熱する速度
よりも、隔壁を加熱し改質触媒7に伝達する速度の方が
速いからである。
Example 13. An embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 6 will be described with reference to FIGS. 16 (a) and 16 (b). FIG. 16A is a perspective view in which the fuel / air supply manifold 36, the raw material supply manifold 37, the reformed gas discharge manifold 38, and the combustion gas discharge manifold 39 are attached to the four side surfaces of the fuel reforming stack. Here, the cross-flow type in which the flow of the raw material gas / reformed gas and the flow of the fuel gas / combustion gas are orthogonal to each other is adopted.
FIG. 16b is a partial perspective view of the fuel reforming stack with the manifold open. A fuel reforming stack 43 is formed by stacking a plurality of fuel reforming units 42 each including a pair of catalytic combustion units 40 and reforming reaction units 41 so that the catalytic combustion units and the reforming reaction units are alternately adjacent to each other. ing. In the reforming reaction section 41, the raw material gas is converted into a hydrogen-rich reformed gas by the action of the reforming catalyst 7, and the heat required for the reforming reaction is generated by the combustion heat transferred from the vertically adjacent catalytic combustion section 40. Bribe
Be seen . Further, the catalytic combustion section 40 is cooled by the vertically adjacent reforming reaction sections 41. As described above, in the fuel reforming stack, the fuel reforming unit including the pair of catalytic combustion section 40 and the reforming reaction section 41 serves as a basic element and satisfies the functions of combustion and reforming reaction. A conventional fuel reformer is composed of a single combustion burner and a plurality of reforming reaction tubes, and the combustion and the reforming reaction are performed separately. In the fuel reforming stack of the present invention, the combustion and the reforming reaction occur in the catalytic combustion section 40 and the reforming reaction section 41, which are separated by one partition wall, and are closely related thermally. Therefore, the combustion heat generated in the catalytic combustion unit 40 is immediately consumed to absorb the reforming reaction, so that the temperature of the combustion gas does not rise rapidly. This is because the rate at which the combustion heat generated on the surface of the combustion catalyst heats the partition walls and is transferred to the reforming catalyst 7 is faster than the rate at which the combustion gas is heated.

【手続補正7】[Procedure Amendment 7]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0064[Correction target item name] 0064

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0064】実施例14.請求項7の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図17を参照して説明する。本発明
では原料ガス流路・改質ガス流路を複数個の部分ガス流
路に分割すなわち多段化し、各部分ガス流路間すなわち
多段化した各段の間にガス混合部44を設け、多段化し
た各段を直列に接続するように原料ガス流路・改質ガス
流路を構成する。図17は原料ガス流路を2段にした場
合の燃料改質スタックの断面図である。原料ガス1は原
料ガス供給マニホールド37から燃料改質スタックの原
料ガス側に導かれる。この実施例では、原料ガス供給マ
ニホールド37は改質ガス排出マニホールド38と隣合
って配置され、高温の改質ガスと低温の原料ガスで熱交
換が行われる。原料ガス1は供給マニホールド37から
各燃料改質ユニットに分配される。1段目の原料ガス流
路に流れた原料ガスは、改質触媒7の作用により水素ガ
ス2に改質される。その後改質ガス2は、原料供給マニ
ホールドが配置されたスタック側面とは反対側のスタッ
ク側面に配置された改質ガスリターン・マニホールド4
5に導かれ、各燃料改質ユニットに流れた改質ガスはこ
こで合流する。改質ガスはガス混合部44で流れを反転
させながら均一に混合される。ガス流れの反転により、
無数の流体渦が形成され、ガスの混合は促進される。し
たがって、各ユニット間で流れの分配に差異があって
も、リターンマニホールド45でのガス混合により、流
れの分配の不均一は一旦解消される。改質ガスはリター
ンマニホールド45から再び各燃料改質ユニットに分配
される。2段目の改質ガス流路では改質ガスの中の未改
質原料が改質され、各セルに流れた改質ガス2は排気マ
ニホールド38で合流する。
Example 14 An embodiment of the fuel reformer according to the invention of claim 7 will be described with reference to FIG. In the present invention, the raw material gas flow passage / reformed gas flow passage is divided into a plurality of partial gas flow passages, that is, multistage, and the gas mixing section 44 is provided between each partial gas flow passage, that is, between each multistage. The raw material gas flow path and the reformed gas flow path are configured so that the converted stages are connected in series. FIG. 17 is a cross-sectional view of the fuel reforming stack when the raw material gas passages are in two stages. The raw material gas 1 is guided from the raw material gas supply manifold 37 to the raw material gas side of the fuel reforming stack. In this embodiment, the source gas supply manifold 37 is disposed adjacent to the reformed gas discharge manifold 38, and heat exchange is performed between the high temperature reformed gas and the low temperature source gas. The raw material gas 1 is distributed from the supply manifold 37 to each fuel reforming unit . The raw material gas flowing into the first stage raw material gas flow passage is reformed into hydrogen gas 2 by the action of the reforming catalyst 7. After that, the reformed gas 2 is supplied to the reformed gas return manifold 4 arranged on the stack side surface opposite to the stack side surface on which the raw material supply manifold is arranged.
The reformed gas that has been introduced into the fuel cell 5 and has flowed into each fuel reforming unit joins here. The reformed gas is uniformly mixed in the gas mixing section 44 while reversing the flow. By reversing the gas flow,
Innumerable fluid vortices are formed and gas mixing is promoted. Therefore, even if there is a difference in the flow distribution between the units , the nonuniform flow distribution is once eliminated by the gas mixing in the return manifold 45. The reformed gas is distributed from the return manifold 45 to each fuel reforming unit again. In the second-stage reformed gas passage, the unreformed raw material in the reformed gas is reformed, and the reformed gas 2 flowing into each cell joins at the exhaust manifold 38.

【手続補正8】[Procedure Amendment 8]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0066[Correction target item name] 0066

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0066】なお、上記実施例では原料ガス流路を2段
化したが、同様の構成で多段化することも可能である。
段数を増やすと、ガス混合部が増えるので、原料ガス1
のバイパスやユニット間のガス分配の不均一の悪影響を
より少なくすることができるが、反面ガス流速が増加
し、ガス流路が長くなるので、圧力損失が増大する。
In the above embodiment, the raw material gas flow passage has two stages, but it is also possible to have multiple stages with the same structure.
If the number of stages is increased, the gas mixing section also increases.
Although it is possible to further reduce the adverse effects of the bypass and uneven distribution of gas between the units , on the other hand, since the gas flow velocity increases and the gas flow path becomes longer, the pressure loss increases.

【手続補正9】[Procedure Amendment 9]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0072[Name of item to be corrected] 0072

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0072】実施例18.請求項8の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図19を参照して説明する。図19
は燃料ガス供給マニホールド36の内部に燃料改質スタ
ックの側面に向けて燃焼火炎を形成し、触媒燃焼部を動
作温度まで予熱するための燃焼バーナ48を設置した例
である。起動時、燃料ガス20と燃焼用空気23を燃焼
バーナ48に導き、燃料噴射ノズル22と空気噴射ノズ
ル25から噴射された燃料と空気が充分混合する場所に
点火装置(図中図示せず)を設けて、燃料の着火を行
う。着火された燃料は燃焼ガスとなって、燃料改質スタ
ック43の燃料ガス流路に導かれ、燃焼用触媒を触媒の
動作温度まで予熱する。また、燃焼バーナ48の表面か
らの輻射熱により燃料改質スタック43の燃料ガス入口
側面が加熱され、熱伝導により内部の燃焼用触媒に熱が
伝えられる。燃焼用触媒が触媒の動作温度である例えば
350℃程度まで加熱された時、一旦燃料ガス20の供
給を停止し、火炎を消す。つぎに、点火装置を作動させ
ないで再度燃料ガス20を供給すれば、空気23と燃料
20は燃料供給マニホールド36内で充分予混合した
後、燃料改質スタック43内の触媒燃焼部に導かれ、触
媒による燃焼が行われる。
Example 18. An embodiment of the fuel reforming apparatus according to the invention of claim 8 will be described with reference to FIG. FIG. 19
Is an example in which a combustion burner 48 for forming a combustion flame toward the side surface of the fuel reforming stack inside the fuel gas supply manifold 36 and preheating the catalytic combustion portion to the operating temperature is installed. At the time of start-up, the fuel gas 20 and the combustion air 23 are guided to the combustion burner 48, and an ignition device (not shown in the figure) is installed at a location where the fuel and the air injected from the fuel injection nozzle 22 and the air injection nozzle 25 are sufficiently mixed. It is provided and the fuel is ignited. The ignited fuel becomes combustion gas and is guided to the fuel gas passage of the fuel reforming stack 43 to preheat the combustion catalyst to the operating temperature of the catalyst. The fuel gas inlet side of the fuel reformer stack 43 is heated by radiant heat from the surface of the combustion burner 48, heat is transferred <br/> inside the combustion catalyst by thermal conduction. When the combustion catalyst is heated to the operating temperature of the catalyst, for example, about 350 ° C., the supply of the fuel gas 20 is temporarily stopped to extinguish the flame. Next, if the fuel gas 20 is supplied again without operating the ignition device, the air 23 and the fuel 20 are sufficiently premixed in the fuel supply manifold 36, and then are introduced to the catalytic combustion section in the fuel reforming stack 43. Combustion by the catalyst is performed.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭化水素またはアルコール原料から改質
反応により水素を生成する改質触媒を有する改質反応管
と、燃料ガスと空気の燃焼により上記改質反応管を加熱
する燃焼バーナとを備え、水素リッチとなった改質ガス
を得る燃料改質装置において、上記改質触媒が装填され
た改質反応管の伝熱面と上記燃焼バーナの燃焼面とを互
いに対向して配置したことを特徴とする燃料改質装置。
1. A reforming reaction tube having a reforming catalyst for producing hydrogen from a hydrocarbon or alcohol raw material by a reforming reaction, and a combustion burner for heating the reforming reaction tube by burning fuel gas and air. In a fuel reformer for obtaining hydrogen-rich reformed gas, the heat transfer surface of the reforming reaction tube loaded with the reforming catalyst and the combustion surface of the combustion burner are arranged to face each other. Characteristic fuel reformer.
【請求項2】 燃焼バーナは、周囲に空気噴射ノズルが
配置された複数個の燃料噴射ノズルで構成されるもので
ある請求項1記載の燃料改質装置。
2. The fuel reformer according to claim 1, wherein the combustion burner is composed of a plurality of fuel injection nozzles around which air injection nozzles are arranged.
【請求項3】 円筒状の燃焼バーナの燃焼面と改質触媒
が装填された円筒状の改質反応管の伝熱面とを互いに対
向して同心円状に構成するとともに、円筒状の燃焼ガス
の排気流路と円筒状の燃焼用空気の流入流路を隣接して
同心円状に構成した請求項1または2記載の燃料改質装
置。
3. The combustion surface of a cylindrical combustion burner and the heat transfer surface of a cylindrical reforming reaction tube loaded with a reforming catalyst are concentrically arranged so as to face each other, and a cylindrical combustion gas is provided. 3. The fuel reformer according to claim 1, wherein the exhaust passage and the cylindrical inflow passage of the combustion air are adjacently arranged in a concentric shape.
【請求項4】 炭化水素またはアルコール原料から改質
反応により水素を生成する改質触媒を有する改質反応器
と、空気と予混合した燃料ガスの触媒燃焼により上記改
質反応器を加熱する触媒燃焼器とを備え、水素リッチと
なった改質ガスを得る燃料改質装置において、上記改質
反応器と触媒燃焼器とをそれぞれ伝熱面を接触させて隣
接して設けたことを特徴とする燃料改質装置。
4. A reforming reactor having a reforming catalyst for producing hydrogen from a hydrocarbon or alcohol raw material by a reforming reaction, and a catalyst for heating the reforming reactor by catalytic combustion of fuel gas premixed with air. In a fuel reforming apparatus that includes a combustor and obtains a hydrogen-rich reformed gas, the reforming reactor and the catalytic combustor are provided adjacent to each other with their heat transfer surfaces in contact with each other. Fuel reformer that does.
【請求項5】 改質反応器および触媒燃焼器の少なくと
も一方に隣接して電気ヒータを設けた請求項4記載の燃
料改質装置。
5. The fuel reformer according to claim 4, wherein an electric heater is provided adjacent to at least one of the reforming reactor and the catalytic combustor.
【請求項6】 炭化水素またはアルコール原料から改質
反応により水素を生成する改質触媒を有する改質反応部
と、空気と予混合した燃料ガスの燃焼により上記改質反
応部を加熱する触媒燃焼部とを備え、一対の上記触媒燃
焼部と改質反応部から構成される燃料改質ユニットを触
媒燃焼部と改質反応部が交互に隣接するように複数ユニ
ット積層して燃料改質スタックを構成し、上記燃料改質
スタックの側端部からそれぞれマニホールドを介して原
料ガスおよび予混合燃料ガスを供給すると共に、改質ガ
スおよび燃焼ガスを排出するように構成した燃料改質装
置。
6. A reforming reaction section having a reforming catalyst for producing hydrogen from a hydrocarbon or alcohol raw material by a reforming reaction, and catalytic combustion for heating the reforming reaction section by burning a fuel gas premixed with air. And a plurality of units, and a plurality of fuel reforming units each including a pair of the catalytic combustion unit and the reforming reaction unit are stacked so that the catalytic combustion unit and the reforming reaction unit are alternately adjacent to each other to form a fuel reforming stack. A fuel reformer configured to supply a raw material gas and a premixed fuel gas from a side end portion of the fuel reforming stack through a manifold, respectively, and to discharge a reformed gas and a combustion gas.
【請求項7】 原料ガス流路および燃料ガス流路の少な
くとも一方を複数個の部分ガス流路に分割し、上記部分
ガス流路間にガス混合部を設けた請求項6記載の燃料改
質装置。
7. The fuel reformer according to claim 6, wherein at least one of the raw material gas passage and the fuel gas passage is divided into a plurality of partial gas passages, and a gas mixing section is provided between the partial gas passages. apparatus.
【請求項8】 燃料供給マニホールドの内部に、燃料改
質スタックの側面に向けて燃焼火炎を形成する燃焼バー
ナを配置した請求項6または7記載の燃料改質装置。
8. The fuel reformer according to claim 6, wherein a combustion burner that forms a combustion flame toward a side surface of the fuel reforming stack is arranged inside the fuel supply manifold.
【請求項9】 改質反応管、改質反応器、改質反応部、
触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面に触媒への伝熱
を促進する伝熱フィンを設けた請求項1ないし8のいず
れかに記載の燃料改質装置。
9. A reforming reaction tube, a reforming reactor, a reforming reaction section,
9. The fuel reformer according to claim 1, wherein heat transfer fins that promote heat transfer to the catalyst are provided on the inner wall surface of the catalyst combustor or the catalyst combustion section.
【請求項10】 改質反応管、改質反応器、改質反応
部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面、または上
記請求項9の伝熱フィンの表面に触媒膜を形成した請求
項1ないし9のいずれかに記載の燃料改質装置。
10. A catalyst film is formed on the inner wall surface of the reforming reaction tube, the reforming reactor, the reforming reaction section, the catalytic combustor, or the catalytic combustion section, or the surface of the heat transfer fin according to claim 9. Item 10. The fuel reformer according to any one of Items 1 to 9.
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