JP2002352841A - 水蒸気改質反応器 - Google Patents
水蒸気改質反応器Info
- Publication number
- JP2002352841A JP2002352841A JP2001162154A JP2001162154A JP2002352841A JP 2002352841 A JP2002352841 A JP 2002352841A JP 2001162154 A JP2001162154 A JP 2001162154A JP 2001162154 A JP2001162154 A JP 2001162154A JP 2002352841 A JP2002352841 A JP 2002352841A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel gas
- gas
- flow
- fuel
- drift
- 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
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 改質ガスが逆シフト反応し、一酸化炭素量が
増加することを防止する。 【解決手段】 改質ガスを生成する改質反応部(12)
と、改質ガスを生成するための燃料ガスを改質反応部に
導く第1流路(10)と、燃料電池から排出された燃焼
した燃料ガスを改質反応部に導く第2通路(8)とを備
え、前記改質反応部において燃料ガスと燃焼ガスが間接
的に略直交するように、かつ燃料ガスと燃焼ガスとの間
で熱交換が生じるように構成された水蒸気改質反応器に
おいて、第1流路(10)は改質反応器内で燃料ガスの
流れを偏流とする第1偏流発生手段(19、20)を有
する。
増加することを防止する。 【解決手段】 改質ガスを生成する改質反応部(12)
と、改質ガスを生成するための燃料ガスを改質反応部に
導く第1流路(10)と、燃料電池から排出された燃焼
した燃料ガスを改質反応部に導く第2通路(8)とを備
え、前記改質反応部において燃料ガスと燃焼ガスが間接
的に略直交するように、かつ燃料ガスと燃焼ガスとの間
で熱交換が生じるように構成された水蒸気改質反応器に
おいて、第1流路(10)は改質反応器内で燃料ガスの
流れを偏流とする第1偏流発生手段(19、20)を有
する。
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
の水蒸気改質反応器の改良に関するものである。
の水蒸気改質反応器の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、燃料電池システムに用いられる水
蒸気改質反応器として、特開平9−306533号公報
に記載のものがある。これは、二重管構造を有してお
り、内筒内に改質燃料ガスを流入させる一方、内外筒間
の空間に燃焼ガスを供給する改質反応器であって、さら
に、内筒の一部に改質燃料としてメタノールを用いた場
合に200から300℃の反応温度帯に融点を有するL
iNO3などの蓄熱材を備えたものである。したがっ
て、蓄熱材を予め溶融して液層状態としておくことで、
急速に改質燃料ガスの流量を増加させる必要があるとき
に燃焼ガスの供給が遅れた場合でも蓄熱材が固相に相転
移する際の潜熱を用いて改質に必要な熱量を確保するこ
とができる技術である。
蒸気改質反応器として、特開平9−306533号公報
に記載のものがある。これは、二重管構造を有してお
り、内筒内に改質燃料ガスを流入させる一方、内外筒間
の空間に燃焼ガスを供給する改質反応器であって、さら
に、内筒の一部に改質燃料としてメタノールを用いた場
合に200から300℃の反応温度帯に融点を有するL
iNO3などの蓄熱材を備えたものである。したがっ
て、蓄熱材を予め溶融して液層状態としておくことで、
急速に改質燃料ガスの流量を増加させる必要があるとき
に燃焼ガスの供給が遅れた場合でも蓄熱材が固相に相転
移する際の潜熱を用いて改質に必要な熱量を確保するこ
とができる技術である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来技術の改質反応器では改質燃料ガスと燃焼ガスとの熱
交換により改質反応を生じるが、この改質反応部におい
て、燃焼ガスによる加熱が不均一に行われることで温度
分布が不均一となり、部分的に高温となる領域が発生す
る。このため改質燃料としてメタノール等の炭化水素系
燃料を用いたときに改質反応により生成されたH2、C
O、CO2といった改質ガスが部分的な高温領域を通過
することでH2、CO2からCOが生成される、いわゆる
逆シフト反応が促進され、COが増加するという問題が
ある。
来技術の改質反応器では改質燃料ガスと燃焼ガスとの熱
交換により改質反応を生じるが、この改質反応部におい
て、燃焼ガスによる加熱が不均一に行われることで温度
分布が不均一となり、部分的に高温となる領域が発生す
る。このため改質燃料としてメタノール等の炭化水素系
燃料を用いたときに改質反応により生成されたH2、C
O、CO2といった改質ガスが部分的な高温領域を通過
することでH2、CO2からCOが生成される、いわゆる
逆シフト反応が促進され、COが増加するという問題が
ある。
【0004】ここで、改質反応器で生じるメタノールを
燃料ガスとして用いたときの水蒸気改質反応について説
明すると、この改質反応は下記の3式によって示され
る。
燃料ガスとして用いたときの水蒸気改質反応について説
明すると、この改質反応は下記の3式によって示され
る。
【0005】 CH3OH→CO+2H2−90.0(kJ/mol) (1) CO+H2O→CO2+H2+40.5(kJ/mol) (2) CH3OH+H2O→CO2+3H2−49.5(kJ/mol) (3) 式(1)はメタノールの分解反応を示し、同時に式
(2)に示すCOの変成反応が進行する。全体としては
式(3)に示すような反応が生じることになり、ここで
式(2)で示す反応がシフト反応と呼ばれる。
(2)に示すCOの変成反応が進行する。全体としては
式(3)に示すような反応が生じることになり、ここで
式(2)で示す反応がシフト反応と呼ばれる。
【0006】したがって、改質燃料ガスを改質する反応
は全体として吸熱反応であるため(式(3)に示す)、改
質反応器に外部から改質反応に必要な熱を供給する必要
がある。しかしながらこの供給熱量が過剰な場合や改質
反応器内で局部的な高温領域があるときには式(2)の
逆反応(つまり、吸熱反応)を辿ってCOが過剰に生成
されることになる。なおこのような逆反応を逆シフト反
応という。
は全体として吸熱反応であるため(式(3)に示す)、改
質反応器に外部から改質反応に必要な熱を供給する必要
がある。しかしながらこの供給熱量が過剰な場合や改質
反応器内で局部的な高温領域があるときには式(2)の
逆反応(つまり、吸熱反応)を辿ってCOが過剰に生成
されることになる。なおこのような逆反応を逆シフト反
応という。
【0007】そこで本発明の目的は、上記問題点を解決
する水蒸気改質反応器を提供することである。
する水蒸気改質反応器を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、改質ガス
を生成する改質反応部と、改質ガスを生成するための燃
料ガスを改質反応部に導く第1流路と、燃料電池から排
出された燃焼した燃料ガスを改質反応部に導く第2通路
とを備え、前記改質反応部において燃料ガスと燃焼ガス
が間接的に略直交するように、かつ燃料ガスと燃焼ガス
との間で熱交換が生じるように構成された水蒸気改質反
応器において、第1流路は改質反応器内で燃料ガスの流
れを偏流とする第1偏流発生手段を有する。
を生成する改質反応部と、改質ガスを生成するための燃
料ガスを改質反応部に導く第1流路と、燃料電池から排
出された燃焼した燃料ガスを改質反応部に導く第2通路
とを備え、前記改質反応部において燃料ガスと燃焼ガス
が間接的に略直交するように、かつ燃料ガスと燃焼ガス
との間で熱交換が生じるように構成された水蒸気改質反
応器において、第1流路は改質反応器内で燃料ガスの流
れを偏流とする第1偏流発生手段を有する。
【0009】第2の発明は、第1の発明において、前記
第1偏流発生手段は、燃焼ガスの流れ方向に対して上流
側ほど燃料ガスの流量が多くなるような偏流を発生させ
る。
第1偏流発生手段は、燃焼ガスの流れ方向に対して上流
側ほど燃料ガスの流量が多くなるような偏流を発生させ
る。
【0010】第3の発明は、第1または第2の発明にお
いて、燃料ガスの流量に応じて偏流の発生を制御する第
1制御手段を備える。
いて、燃料ガスの流量に応じて偏流の発生を制御する第
1制御手段を備える。
【0011】第4の発明は、第3の発明において、前記
第1制御手段は燃料ガスの流量が所定流量未満のときに
偏流を発生する。
第1制御手段は燃料ガスの流量が所定流量未満のときに
偏流を発生する。
【0012】第5の発明は、第1から4のいずれか一つ
の発明において、第2流路は改質反応器内で燃焼ガスの
流れを偏流とする第2偏流発生手段を有する。
の発明において、第2流路は改質反応器内で燃焼ガスの
流れを偏流とする第2偏流発生手段を有する。
【0013】第6の発明は、第5の発明において、燃焼
ガスの流量に応じて偏流の発生を制御する第2制御手段
を備える。
ガスの流量に応じて偏流の発生を制御する第2制御手段
を備える。
【0014】第7の発明は、第6の発明において、前記
第2制御手段は燃焼ガスの流量が所定流量未満のときに
偏流を発生する。
第2制御手段は燃焼ガスの流量が所定流量未満のときに
偏流を発生する。
【0015】
【発明の効果】第1の発明では、改質ガスを生成する水
蒸気改質反応器において、改質反応器内での燃料ガスの
流れを偏流としたので、改質反応部おいて部分的に高温
となる領域で改質反応を促進でき、改質反応よる吸熱で
触媒温度を低下させて改質ガスの逆シフトによるCO量
の増加を抑制できる。
蒸気改質反応器において、改質反応器内での燃料ガスの
流れを偏流としたので、改質反応部おいて部分的に高温
となる領域で改質反応を促進でき、改質反応よる吸熱で
触媒温度を低下させて改質ガスの逆シフトによるCO量
の増加を抑制できる。
【0016】第2の発明では、前記第1偏流発生手段
は、燃焼ガスの流れ方向に対して上流側ほど燃料ガスの
流量が多くなるような偏流を発生させることにより、改
質反応器の高温となる領域に大量の燃料ガスを流入させ
ることができ、効果的に改質ガスを生成するとともに、
吸熱により触媒温度を低下し、逆シフト反応を抑制でき
る。
は、燃焼ガスの流れ方向に対して上流側ほど燃料ガスの
流量が多くなるような偏流を発生させることにより、改
質反応器の高温となる領域に大量の燃料ガスを流入させ
ることができ、効果的に改質ガスを生成するとともに、
吸熱により触媒温度を低下し、逆シフト反応を抑制でき
る。
【0017】第3の発明では、燃料ガスの流量に応じて
偏流の発生を制御する第1制御手段を備えたので、燃料
ガス流量の変化に伴って生じるCO排出量の変化に対応
した制御が可能となる。
偏流の発生を制御する第1制御手段を備えたので、燃料
ガス流量の変化に伴って生じるCO排出量の変化に対応
した制御が可能となる。
【0018】第4の発明では、前記第1制御手段は燃料
ガスの流量が所定流量未満のときに偏流を発生するの
で、改質ガスの逆シフト反応によるCO量の増加を抑制
することができる。
ガスの流量が所定流量未満のときに偏流を発生するの
で、改質ガスの逆シフト反応によるCO量の増加を抑制
することができる。
【0019】第5の発明では、第2流路は改質反応器内
で燃焼ガスの流れを偏流とする第2偏流発生手段を有す
るので、改質反応部おいて部分的に高温となる領域を抑
制し、改質反応温度を均一化させて改質ガスの逆シフト
によるCO量の増加を抑制できる。
で燃焼ガスの流れを偏流とする第2偏流発生手段を有す
るので、改質反応部おいて部分的に高温となる領域を抑
制し、改質反応温度を均一化させて改質ガスの逆シフト
によるCO量の増加を抑制できる。
【0020】第6の発明では、燃焼ガスの流量に応じて
偏流の発生を制御する第2制御手段を備えたので、燃料
ガス流量の変化に伴って生じるCO排出量の変化に対応
した制御が可能となる。
偏流の発生を制御する第2制御手段を備えたので、燃料
ガス流量の変化に伴って生じるCO排出量の変化に対応
した制御が可能となる。
【0021】第7の発明では、前記第2制御手段は燃焼
ガスの流量が所定流量未満のときに偏流を発生するの
で、改質ガスの逆シフト反応によるCO量の増加を抑制
することができる。
ガスの流量が所定流量未満のときに偏流を発生するの
で、改質ガスの逆シフト反応によるCO量の増加を抑制
することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の水蒸気改質反応器
を添付図面に基づいて説明する。
を添付図面に基づいて説明する。
【0023】図1は本発明の水蒸気改質反応器を適用し
た燃料電池システムを説明する図である。改質ガスの原
燃料となる炭化水素系燃料、例えばメタノールと水が蒸
発器1に供給される。一方、蒸発器1には燃焼器2から
高温の燃焼ガスが供給され、燃焼ガスの熱量によって蒸
発器1に流入したメタノールと水は気化し、燃料ガスと
して改質反応器3に送られ、また原燃料の気化に用いら
れた高温の燃焼ガスは蒸発器1から排出されて改質反応
器3に供給される。
た燃料電池システムを説明する図である。改質ガスの原
燃料となる炭化水素系燃料、例えばメタノールと水が蒸
発器1に供給される。一方、蒸発器1には燃焼器2から
高温の燃焼ガスが供給され、燃焼ガスの熱量によって蒸
発器1に流入したメタノールと水は気化し、燃料ガスと
して改質反応器3に送られ、また原燃料の気化に用いら
れた高温の燃焼ガスは蒸発器1から排出されて改質反応
器3に供給される。
【0024】改質反応器3では、燃焼ガスを熱源として
燃料ガスが改質反応器3の改質触媒によって前述の改質
反応を生じ、改質ガスが生成される。改質反応器3で生
成された改質ガスは、一酸化炭素(以下、COと示す)
除去器4に送られて、所定のCO濃度以下に調整されて
燃料電池スタック5の燃料極に供給される。一方、燃料
電池スタック5の空気極には空気が供給されて、電気化
学反応が生じ起電力を得ることができる。
燃料ガスが改質反応器3の改質触媒によって前述の改質
反応を生じ、改質ガスが生成される。改質反応器3で生
成された改質ガスは、一酸化炭素(以下、COと示す)
除去器4に送られて、所定のCO濃度以下に調整されて
燃料電池スタック5の燃料極に供給される。一方、燃料
電池スタック5の空気極には空気が供給されて、電気化
学反応が生じ起電力を得ることができる。
【0025】ここで燃料電池スタック5は、改質ガスと
空気、つまり燃料の化学エネルギを機械エネルギや熱エ
ネルギを経ることなく、直接的に電気エネルギに変換す
るものであり、通常の構成としては固体高分子電解質膜
(以下、単に電解質膜という)を挟んで一対の電極を設
置し、一方が改質ガスが供給される燃料極(以下、アノ
ードという)であり、他方が空気(酸素)が供給される
空気極(以下、カソードという)である。両極で生じる
電気化学反応によって起電力が生じ、その電気化学反応
は次式で表される。
空気、つまり燃料の化学エネルギを機械エネルギや熱エ
ネルギを経ることなく、直接的に電気エネルギに変換す
るものであり、通常の構成としては固体高分子電解質膜
(以下、単に電解質膜という)を挟んで一対の電極を設
置し、一方が改質ガスが供給される燃料極(以下、アノ
ードという)であり、他方が空気(酸素)が供給される
空気極(以下、カソードという)である。両極で生じる
電気化学反応によって起電力が生じ、その電気化学反応
は次式で表される。
【0026】 H2→2H++2e- (4) (1/2)O2+2H++2e-→H2O (5) H2+(1/2)O2→H2O (6) 上式において、式(4)はアノードにおいて生じる反応
を示し、式(5)はカソードにおいて生じる反応を示
し、式(6)が燃料電池スタック5全体で進行する反応
を示す。
を示し、式(5)はカソードにおいて生じる反応を示
し、式(6)が燃料電池スタック5全体で進行する反応
を示す。
【0027】このような反応によって起電力を生じる燃
料電池スタック5の高分子電解質膜には電気化学反応を
促進するための触媒(例えば、白金)層が形成されてい
る。しかしながら供給されたガス中、特に改質ガス中に
COが多量に含まれている場合には、触媒にCOが付着
して触媒が被毒し、式(1)の反応を阻害して燃料電池
スタック5の発電効率を低下させる。そのために触媒の
COによる被毒を防止するため、CO除去器4によって
アノードに供給される改質ガス中のCO濃度は通常数p
pm程度にまで除去される。
料電池スタック5の高分子電解質膜には電気化学反応を
促進するための触媒(例えば、白金)層が形成されてい
る。しかしながら供給されたガス中、特に改質ガス中に
COが多量に含まれている場合には、触媒にCOが付着
して触媒が被毒し、式(1)の反応を阻害して燃料電池
スタック5の発電効率を低下させる。そのために触媒の
COによる被毒を防止するため、CO除去器4によって
アノードに供給される改質ガス中のCO濃度は通常数p
pm程度にまで除去される。
【0028】燃料電池スタック5から電気化学反応後に
排出される排改質ガスと排空気は、燃焼器2に送られ
て、燃焼されて高温の燃焼ガスとして蒸発器1に送られ
る。
排出される排改質ガスと排空気は、燃焼器2に送られ
て、燃焼されて高温の燃焼ガスとして蒸発器1に送られ
る。
【0029】このように燃料電池システムは構成され、
さらにこのシステムを制御するコントロールユニット6
が備えられる。
さらにこのシステムを制御するコントロールユニット6
が備えられる。
【0030】次に本発明の改質反応器3について詳しく
説明する。
説明する。
【0031】図2から図4は第1実施形態の外形を示し
ており、箱状の本体部7と、蒸発器1からの高温の燃焼
ガスが流入する第1入口部(第2流路)8と同じく燃料
ガスが流入する第2入口部(第1流路)10とが互いに
略直交するように本体部7に取付けられている。さらに
本体部7を通過して排出される燃焼ガスの第1出口部9
が第1入口部8と同軸上に配置され、一方、本体部7内
を通過した燃料ガスは、後述するように本体部7内で改
質反応が生じ、改質ガスとして第2出口部11から排出
される。このとき第2入口部10と第2出口部11の配
置は本体部7で対角線上の位置にある。
ており、箱状の本体部7と、蒸発器1からの高温の燃焼
ガスが流入する第1入口部(第2流路)8と同じく燃料
ガスが流入する第2入口部(第1流路)10とが互いに
略直交するように本体部7に取付けられている。さらに
本体部7を通過して排出される燃焼ガスの第1出口部9
が第1入口部8と同軸上に配置され、一方、本体部7内
を通過した燃料ガスは、後述するように本体部7内で改
質反応が生じ、改質ガスとして第2出口部11から排出
される。このとき第2入口部10と第2出口部11の配
置は本体部7で対角線上の位置にある。
【0032】図5から図7は本体部7内に収装される改
質反応部12を説明するための図である。図5は図2の
A−A断面を示しており、燃料ガス流路13と燃焼ガス
流路14で1個のユニットを構成しており、複数のユニ
ットが積層状に構成されて改質反応部12が形成され
る。このとき第1入口部8からの燃焼ガスは燃焼ガス流
路14に流入し、第2入口部10からの燃料ガスは燃料
ガス流路13に流入するように構成されることはいうま
でもなく、また、それぞれのガスが混合するようなこと
もない。
質反応部12を説明するための図である。図5は図2の
A−A断面を示しており、燃料ガス流路13と燃焼ガス
流路14で1個のユニットを構成しており、複数のユニ
ットが積層状に構成されて改質反応部12が形成され
る。このとき第1入口部8からの燃焼ガスは燃焼ガス流
路14に流入し、第2入口部10からの燃料ガスは燃料
ガス流路13に流入するように構成されることはいうま
でもなく、また、それぞれのガスが混合するようなこと
もない。
【0033】図6は図5のB−B断面、すなわち燃料ガ
ス流路13の形状を示す図であり、第2入口部10から
流入した燃料ガスは複数の隔壁15a〜15dによって
ラビリンス状に形成された流路13内を通過し、このと
き流路13の底面15eに担持された触媒によって改質
反応を生じ、改質ガスとして第2出口部11から排出さ
れる。なお、流路を形成する隔壁の表面にも触媒を坦持
することや、フィンを形成して触媒を担持することでよ
り改質反応の効率が向上する。
ス流路13の形状を示す図であり、第2入口部10から
流入した燃料ガスは複数の隔壁15a〜15dによって
ラビリンス状に形成された流路13内を通過し、このと
き流路13の底面15eに担持された触媒によって改質
反応を生じ、改質ガスとして第2出口部11から排出さ
れる。なお、流路を形成する隔壁の表面にも触媒を坦持
することや、フィンを形成して触媒を担持することでよ
り改質反応の効率が向上する。
【0034】図7は、ユニットとしての燃料ガス流路1
3と燃焼ガス流路14との構成を説明する分解図であ
り、燃料ガス流路13を流れる燃料ガスは、図6で説明
したようにラビリンス状に形成された燃料ガス流路13
内を通過する際に改質反応を生じて改質ガスとして排出
される。この改質反応に必要な熱量は、燃料ガスの流れ
に対して略直交方向に流れて、かつ燃料ガス流路13に
隣接して形成された燃焼ガス流路14を流れる燃焼ガス
の熱量から供給されるものである。
3と燃焼ガス流路14との構成を説明する分解図であ
り、燃料ガス流路13を流れる燃料ガスは、図6で説明
したようにラビリンス状に形成された燃料ガス流路13
内を通過する際に改質反応を生じて改質ガスとして排出
される。この改質反応に必要な熱量は、燃料ガスの流れ
に対して略直交方向に流れて、かつ燃料ガス流路13に
隣接して形成された燃焼ガス流路14を流れる燃焼ガス
の熱量から供給されるものである。
【0035】燃焼ガス流路14は燃焼ガスの熱を効率よ
く伝熱できるように波型のプレート17が設置されてい
る。波型のプレート17には、燃焼ガスの流れに対して
直交する流れが可能となるように、図示しない穴が構成
されている。
く伝熱できるように波型のプレート17が設置されてい
る。波型のプレート17には、燃焼ガスの流れに対して
直交する流れが可能となるように、図示しない穴が構成
されている。
【0036】このように1個のユニットが構成され、図
5に示すように改質反応器3の本体部7内に複数のユニ
ットが積層されて改質反応器3が構成される。
5に示すように改質反応器3の本体部7内に複数のユニ
ットが積層されて改質反応器3が構成される。
【0037】したがって、第2入口部10から流入した
燃料ガスは、燃料ガス流路13を通過し、このとき燃料
ガス流路13に坦持した触媒が隣接した燃焼ガス流路1
4を流れる燃焼ガスからの伝熱によって活性温度まで加
熱されることで燃料ガスを改質ガスに改質し、第2出口
部11から下流に改質ガスを排出する。
燃料ガスは、燃料ガス流路13を通過し、このとき燃料
ガス流路13に坦持した触媒が隣接した燃焼ガス流路1
4を流れる燃焼ガスからの伝熱によって活性温度まで加
熱されることで燃料ガスを改質ガスに改質し、第2出口
部11から下流に改質ガスを排出する。
【0038】次に図6に示すように燃料ガス流路13を
第2入口部10側から隔壁15a〜15dで区切られた
スペースを上流側から第1流路13a、第2流路13
b、第3流路13cとして、第2入口部10から第1流
路13aへの燃料ガスの流れについて説明する。
第2入口部10側から隔壁15a〜15dで区切られた
スペースを上流側から第1流路13a、第2流路13
b、第3流路13cとして、第2入口部10から第1流
路13aへの燃料ガスの流れについて説明する。
【0039】第2入口部10の幅寸法が第1流路13a
の燃焼ガスの流れ方向の幅より小さく設定されており、
さらに第2入口部10が第1流路13aの燃焼ガスの流
れ方向上流寄りに開口している。したがって第2入口部
10から第1流路13a内に流入してきた燃料ガスは、
第1流路13a内で燃料ガスの流量に不均一を生じさせ
ることができる。すなわち、第1流路13aの燃焼ガス
の流れ方向上流側で燃料ガスの流量が多く、下流側で少
ないという偏流を生じる構成となっている。この構成が
請求項の第1偏流発生手段に相当する。
の燃焼ガスの流れ方向の幅より小さく設定されており、
さらに第2入口部10が第1流路13aの燃焼ガスの流
れ方向上流寄りに開口している。したがって第2入口部
10から第1流路13a内に流入してきた燃料ガスは、
第1流路13a内で燃料ガスの流量に不均一を生じさせ
ることができる。すなわち、第1流路13aの燃焼ガス
の流れ方向上流側で燃料ガスの流量が多く、下流側で少
ないという偏流を生じる構成となっている。この構成が
請求項の第1偏流発生手段に相当する。
【0040】ここで、燃焼ガスと燃料ガスとが最初に熱
交換する位置が高温となり(図6で示す18の領域)、
熱交換量が少ない下流側ほど低温となる。
交換する位置が高温となり(図6で示す18の領域)、
熱交換量が少ない下流側ほど低温となる。
【0041】したがって、第2入口部10から改質反応
器3内に流入した大量の燃料ガスを改質反応器3のの燃
焼ガスの流れ方向上流側に流入させて高温領域18で改
質反応を促進させて改質ガスを効率的に生成し、一方、
改質反応によって吸熱されるため、高温領域18の触媒
の温度が低下して前述の逆シフト反応によるCO量の増
加を防止できる。さらに高温領域18で改質された改質
ガスが再び高温に晒されることを回避でき、逆シフト反
応によるCO量の増加を防止することができる。
器3内に流入した大量の燃料ガスを改質反応器3のの燃
焼ガスの流れ方向上流側に流入させて高温領域18で改
質反応を促進させて改質ガスを効率的に生成し、一方、
改質反応によって吸熱されるため、高温領域18の触媒
の温度が低下して前述の逆シフト反応によるCO量の増
加を防止できる。さらに高温領域18で改質された改質
ガスが再び高温に晒されることを回避でき、逆シフト反
応によるCO量の増加を防止することができる。
【0042】図8には高温領域18の燃料ガス流れ方向
での上流から下流にかけての燃料ガスの温度とCO濃度
の変化を示したものである。ここで実線で示したものが
本発明の結果であり、破線で示したものが従来の燃料ガ
ス入口部から均一に燃料ガス流路に燃料ガスを流入させ
たものである。
での上流から下流にかけての燃料ガスの温度とCO濃度
の変化を示したものである。ここで実線で示したものが
本発明の結果であり、破線で示したものが従来の燃料ガ
ス入口部から均一に燃料ガス流路に燃料ガスを流入させ
たものである。
【0043】従来の結果では、第1流路13aに均一に
燃料ガスが流入するために高温領域が広範囲に形成さ
れ、すでに改質反応を生じて生成された改質ガスが、広
範囲に形成された高温領域を通過途中に、逆シフト反応
が生じてCO濃度が上昇していることが分かる。
燃料ガスが流入するために高温領域が広範囲に形成さ
れ、すでに改質反応を生じて生成された改質ガスが、広
範囲に形成された高温領域を通過途中に、逆シフト反応
が生じてCO濃度が上昇していることが分かる。
【0044】一方、本発明では、高温領域18に大量の
燃料ガスを流入させることによって、高温領域18での
改質反応を促進してより多くの改質ガスの生成を促し、
触媒の温度を低下させることにより、逆シフト反応を抑
制でき、CO濃度の増加を回避することができる。
燃料ガスを流入させることによって、高温領域18での
改質反応を促進してより多くの改質ガスの生成を促し、
触媒の温度を低下させることにより、逆シフト反応を抑
制でき、CO濃度の増加を回避することができる。
【0045】図9に示す第2実施形態としての第2入口
部の構成は、燃料ガスを均一に燃料流路13に流入させ
る第2入口部10に燃料ガスの流れを分ける仕切板19
を設け、さらに仕切られた流路10a、10bのうち、
燃焼ガスの流れ方向で下流側の流路10bにその流路の
開閉を制御する制御弁20を設置した構成である。ここ
で仕切板19と制御弁20が請求項の第1偏流発生手段
に相当する。
部の構成は、燃料ガスを均一に燃料流路13に流入させ
る第2入口部10に燃料ガスの流れを分ける仕切板19
を設け、さらに仕切られた流路10a、10bのうち、
燃焼ガスの流れ方向で下流側の流路10bにその流路の
開閉を制御する制御弁20を設置した構成である。ここ
で仕切板19と制御弁20が請求項の第1偏流発生手段
に相当する。
【0046】このような構成により、燃料ガスの流量が
多い場合には、制御弁15を開放して流路10bからも
燃料ガスを流入させて均一に燃料ガスを第1流路13a
に流入させ、大量の燃料ガスに改質反応を生じさせるこ
とができる。また高温領域18に大量の燃料ガスを流入
させることになるので、高温領域18で改質された改質
ガスが再び高温に晒されることを回避でき、逆シフト反
応によるCO量の増加を防止することができる。
多い場合には、制御弁15を開放して流路10bからも
燃料ガスを流入させて均一に燃料ガスを第1流路13a
に流入させ、大量の燃料ガスに改質反応を生じさせるこ
とができる。また高温領域18に大量の燃料ガスを流入
させることになるので、高温領域18で改質された改質
ガスが再び高温に晒されることを回避でき、逆シフト反
応によるCO量の増加を防止することができる。
【0047】対して燃料ガス流量が少ない場合には、均
一に燃料ガスを第1流路13aに流入させたときには、
高温領域の燃料ガス入口側で生成された改質ガスが高温
領域18通過途中に再び高温に晒される恐れが高くなる
ため、制御弁20を閉鎖し、燃料ガスを流路19aから
積極的に局部的な高温領域18に流入するようにして高
温領域18での改質ガスの生成量を増加させ、触媒の温
度を低下し、逆シフト反応によるCO量の増加を抑制す
る。
一に燃料ガスを第1流路13aに流入させたときには、
高温領域の燃料ガス入口側で生成された改質ガスが高温
領域18通過途中に再び高温に晒される恐れが高くなる
ため、制御弁20を閉鎖し、燃料ガスを流路19aから
積極的に局部的な高温領域18に流入するようにして高
温領域18での改質ガスの生成量を増加させ、触媒の温
度を低下し、逆シフト反応によるCO量の増加を抑制す
る。
【0048】図10には本実施形態でコントロールユニ
ット(第1制御手段)6が行う制御内容を説明するフロ
ーチャートであり、まずステップS1で燃料ガス流量を
検出し、ステップS2で燃料ガス流量が所定流量以上か
どうかを判断する。所定流量以上のときにはステップS
3で制御弁20を開き、所定流量に達していないときに
は制御弁20を閉じるように制御する。なお、燃料ガス
の流量と基準流量との比較に基づき制御弁20をオンオ
フ制御したが、実際の流量に基づいて制御弁20の開度
を調整することも可能である。
ット(第1制御手段)6が行う制御内容を説明するフロ
ーチャートであり、まずステップS1で燃料ガス流量を
検出し、ステップS2で燃料ガス流量が所定流量以上か
どうかを判断する。所定流量以上のときにはステップS
3で制御弁20を開き、所定流量に達していないときに
は制御弁20を閉じるように制御する。なお、燃料ガス
の流量と基準流量との比較に基づき制御弁20をオンオ
フ制御したが、実際の流量に基づいて制御弁20の開度
を調整することも可能である。
【0049】図11に示した第3の実施形態の構成は、
第1入口部8に偏流を生じさせる構成を有するもので、
燃焼ガス流路14の改質反応器3内の幅寸法に対して第
1入口部8の幅寸法を小さく設定し、燃焼ガスの流れを
偏流としたものである。
第1入口部8に偏流を生じさせる構成を有するもので、
燃焼ガス流路14の改質反応器3内の幅寸法に対して第
1入口部8の幅寸法を小さく設定し、燃焼ガスの流れを
偏流としたものである。
【0050】なお第2入口部10の形状は、図では均一
に燃料ガスを流入させる形状としたが、偏流を生じさせ
る形状のものであってもよい。
に燃料ガスを流入させる形状としたが、偏流を生じさせ
る形状のものであってもよい。
【0051】燃焼ガスの流れに偏流を生じさせることに
よって高温領域18の燃料ガスの流れ方向での長さを短
縮することができ、燃料ガスの高温領域18を通過する
距離を短縮できる。したがって、改質ガスが再び高温に
晒される恐れを回避することができ、逆シフト反応が生
じることを防止できる。
よって高温領域18の燃料ガスの流れ方向での長さを短
縮することができ、燃料ガスの高温領域18を通過する
距離を短縮できる。したがって、改質ガスが再び高温に
晒される恐れを回避することができ、逆シフト反応が生
じることを防止できる。
【0052】図12は本実施形態での第1流路13aの
燃料ガス流れ方向での上端から下端にかけての燃料ガス
の温度とCO濃度の変化を示したものである。ここで実
線で示したものが本発明の結果であり、破線で示したも
のが従来の燃料ガス入口部から均一に燃料ガス流路に燃
料ガスを流入させたものである。
燃料ガス流れ方向での上端から下端にかけての燃料ガス
の温度とCO濃度の変化を示したものである。ここで実
線で示したものが本発明の結果であり、破線で示したも
のが従来の燃料ガス入口部から均一に燃料ガス流路に燃
料ガスを流入させたものである。
【0053】従来の結果では、第1流路13aに均一に
燃料ガスが流入するために、改質反応が生じて改質ガス
が生成された後に、改質ガスが高温領域を通過するため
に逆シフト反応が生じてCO濃度が上昇している。
燃料ガスが流入するために、改質反応が生じて改質ガス
が生成された後に、改質ガスが高温領域を通過するため
に逆シフト反応が生じてCO濃度が上昇している。
【0054】本実施形態では、燃焼ガス入口部8を偏流
構成とすることにより、高温領域18の燃料ガス流れ方
向の距離を短くでき、高温領域18で改質反応により生
成した改質ガスが高温に晒されることを防止することが
できる。
構成とすることにより、高温領域18の燃料ガス流れ方
向の距離を短くでき、高温領域18で改質反応により生
成した改質ガスが高温に晒されることを防止することが
できる。
【0055】図13に示す第4実施形態としての第1入
口部8の構成は、均一に燃焼ガスを流入する燃料ガスの
流れを分ける仕切板21を設け、さらに仕切られた流路
8a、8bの内、燃料ガスの流れ方向で上流側の流路8
bにその流路の開閉を制御する制御弁22を設置した構
成である。ここで、仕切板21と制御弁22が請求項の
第2偏流発生手段を構成する。
口部8の構成は、均一に燃焼ガスを流入する燃料ガスの
流れを分ける仕切板21を設け、さらに仕切られた流路
8a、8bの内、燃料ガスの流れ方向で上流側の流路8
bにその流路の開閉を制御する制御弁22を設置した構
成である。ここで、仕切板21と制御弁22が請求項の
第2偏流発生手段を構成する。
【0056】このように構成されて、燃料ガスの流量が
多い場合には、制御弁22を開放し、燃焼ガスを第1流
路13aに均一に流入させることにより、広範囲にわた
って改質反応を生じさせることができる。さらに第1流
路13aに流入する燃料ガスが大量であるために逆シフ
ト反応によるCO量の増加を抑制しやすくなる。
多い場合には、制御弁22を開放し、燃焼ガスを第1流
路13aに均一に流入させることにより、広範囲にわた
って改質反応を生じさせることができる。さらに第1流
路13aに流入する燃料ガスが大量であるために逆シフ
ト反応によるCO量の増加を抑制しやすくなる。
【0057】一方、燃料ガス量が少ない場合には、改質
ガスが再び高温領域18に晒される恐れが高くなり、燃
焼ガスの第1入口部8の制御弁22を閉鎖し、高温領域
18の燃料ガス流れ方向の長さ、つまり高温領域18で
の燃料ガスの移動距離を短縮することにより、改質ガス
が再び高温領域18で高温に晒される恐れを回避して逆
シフト反応によるCO量の増加を防止できる。
ガスが再び高温領域18に晒される恐れが高くなり、燃
焼ガスの第1入口部8の制御弁22を閉鎖し、高温領域
18の燃料ガス流れ方向の長さ、つまり高温領域18で
の燃料ガスの移動距離を短縮することにより、改質ガス
が再び高温領域18で高温に晒される恐れを回避して逆
シフト反応によるCO量の増加を防止できる。
【0058】本実施形態でコントロールユニット(第2
制御手段)6が実施する制御内容を図14に示すが、こ
れは図10で説明したフローチャートと同じであり、コ
ントロールユニット6によって制御される制御弁が変更
されるのみである。なお、燃料ガスの流量と基準流量と
の比較に基づき制御弁22をオンオフ制御したが、実際
の流量に基づいて制御弁22の開度を調整することも可
能である。
制御手段)6が実施する制御内容を図14に示すが、こ
れは図10で説明したフローチャートと同じであり、コ
ントロールユニット6によって制御される制御弁が変更
されるのみである。なお、燃料ガスの流量と基準流量と
の比較に基づき制御弁22をオンオフ制御したが、実際
の流量に基づいて制御弁22の開度を調整することも可
能である。
【0059】本発明は、上記した実施形態に限定される
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざま
な変更がなしうることは明白である。
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざま
な変更がなしうることは明白である。
【図1】本発明の水蒸気改質反応器を適用した燃料電池
システム概要図である。
システム概要図である。
【図2】本発明の第1実施形態の水蒸気改質反応器を説
明する構成図(平面図)である。
明する構成図(平面図)である。
【図3】同じく第1実施形態の水蒸気改質反応器を説明
する構成図(正面図)である。
する構成図(正面図)である。
【図4】同じく第1実施形態の水蒸気改質反応器を説明
する構成図(側面図)である。
する構成図(側面図)である。
【図5】同じく図2のA−A断面示す断面図である。
【図6】同じく図5のB−B断面示す断面図である。
【図7】同じく燃料ガス流路と燃焼ガス流路の構成を示
す分解斜視図である。
す分解斜視図である。
【図8】同じく水蒸気改質反応器内の温度とCO濃度の
分布を説明する図である。
分布を説明する図である。
【図9】本発明の第2実施形態の水蒸気改質反応器を説
明する構成図である。
明する構成図である。
【図10】同じくコントロールユニットが行う制御を説
明するフローチャートである。
明するフローチャートである。
【図11】本発明の第3実施形態の水蒸気改質反応器を
説明する構成図である。
説明する構成図である。
【図12】同じく水蒸気改質反応器内の温度とCO濃度
の分布を説明する図である。
の分布を説明する図である。
【図13】本発明の第4実施形態の水蒸気改質反応器を
説明する構成図である。
説明する構成図である。
【図14】同じくコントロールユニットが行う制御を説
明するフローチャートである。
明するフローチャートである。
1 燃料電池 2 空気供給器 3 改質反応器 4 燃料タンク 5 水タンク 6 蒸発器 7 CO除去器 8 燃焼器 13 圧力調整弁 14 水素吸蔵タンク 15 ラジエータ 16 温度センサ 17 圧力センサ
Claims (7)
- 【請求項1】改質ガスを生成する改質反応部と、 改質ガスを生成するための燃料ガスを改質反応部に導く
第1流路と、 燃料電池から排出された燃焼した燃料ガスを改質反応部
に導く第2通路とを備え、 前記改質反応部において燃料ガスと燃焼ガスが間接的に
略直交するように、かつ燃料ガスと燃焼ガスとの間で熱
交換が生じるように構成された水蒸気改質反応器におい
て、 第1流路は改質反応器内で燃料ガスの流れを偏流とする
第1偏流発生手段を有することを特徴とする水蒸気改質
反応器。 - 【請求項2】前記第1偏流発生手段は、燃焼ガスの流れ
方向に対して上流側ほど燃料ガスの流量が多くなるよう
な偏流を発生させることを特徴とする請求項1に記載の
水蒸気改質反応器。 - 【請求項3】燃料ガスの流量に応じて偏流の発生を制御
する第1制御手段を備えたことを特徴とする請求項1ま
たは2に記載の水蒸気改質反応器。 - 【請求項4】前記第1制御手段は燃料ガスの流量が所定
流量未満のときに偏流を発生することを特徴とする請求
項3に記載の水蒸気改質反応器。 - 【請求項5】第2流路は改質反応器内で燃焼ガスの流れ
を偏流とする第2偏流発生手段を有することを特徴とす
る請求項1から4のいずれか一つに記載の水蒸気改質反
応器。 - 【請求項6】燃焼ガスの流量に応じて偏流の発生を制御
する第2制御手段を備えたことを特徴とする請求項5に
記載の水蒸気改質反応器。 - 【請求項7】前記第2制御手段は燃焼ガスの流量が所定
流量未満のときに偏流を発生することを特徴とする請求
項6に記載の水蒸気改質反応器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001162154A JP2002352841A (ja) | 2001-05-30 | 2001-05-30 | 水蒸気改質反応器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001162154A JP2002352841A (ja) | 2001-05-30 | 2001-05-30 | 水蒸気改質反応器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002352841A true JP2002352841A (ja) | 2002-12-06 |
Family
ID=19005323
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001162154A Pending JP2002352841A (ja) | 2001-05-30 | 2001-05-30 | 水蒸気改質反応器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2002352841A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006085715A1 (en) * | 2004-10-11 | 2006-08-17 | Korea Institute Of Energy Research | Micro channel heater for even heating |
JP2013197027A (ja) * | 2012-03-22 | 2013-09-30 | Toto Ltd | 燃料電池ユニット |
-
2001
- 2001-05-30 JP JP2001162154A patent/JP2002352841A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006085715A1 (en) * | 2004-10-11 | 2006-08-17 | Korea Institute Of Energy Research | Micro channel heater for even heating |
JP2013197027A (ja) * | 2012-03-22 | 2013-09-30 | Toto Ltd | 燃料電池ユニット |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2594394C (en) | Method of starting-up solid oxide fuel cell system | |
US7855028B2 (en) | Separator plate for molten carbonate fuel cell | |
EP2085354B1 (en) | Hydrogen generating apparatus and fuel cell system | |
JP5643712B2 (ja) | 燃料電池モジュール | |
JP5227706B2 (ja) | 改質装置 | |
JP4444173B2 (ja) | 改質装置及びこれを含む燃料電池システム | |
WO2005077823A1 (ja) | 水素生成装置およびこれを備えた燃料電池システム | |
JP2005293951A (ja) | 燃料電池及びその運転方法 | |
JP2006290737A (ja) | 平板型改質器及びこれを採用した燃料電池システム | |
US7524572B2 (en) | Fuel cell system with thermally integrated combustor and corrugated foil reformer | |
JP5643711B2 (ja) | 燃料電池モジュール | |
JP2007214135A (ja) | 燃料改質室を有する溶融炭酸塩型燃料電池用分離板及びその製造方法 | |
JP2007200709A (ja) | 固体酸化物形燃料電池スタックおよびその運転方法 | |
JPH09129256A (ja) | 固体電解質型燃料電池モジュール | |
JP2002352841A (ja) | 水蒸気改質反応器 | |
KR101028849B1 (ko) | 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치 | |
JP3663983B2 (ja) | 触媒燃焼器 | |
JP2010524812A (ja) | 二段式改質器および改質器の動作方法 | |
JP2001253703A (ja) | 燃料改質装置 | |
JP2007073302A (ja) | 燃料改質システム | |
JP2006059549A (ja) | 燃料電池発電装置 | |
JPH0881202A (ja) | 燃料電池用メタノール改質器 | |
JP2015508381A (ja) | 熱交換型予備改質器 | |
JP6115310B2 (ja) | 燃料電池システム | |
KR20120122319A (ko) | 연료전지용 통합형 개질기 시스템 |